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JP2004509323A - Replicatable probe array - Google Patents

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JP2004509323A
JP2004509323A JP2002516366A JP2002516366A JP2004509323A JP 2004509323 A JP2004509323 A JP 2004509323A JP 2002516366 A JP2002516366 A JP 2002516366A JP 2002516366 A JP2002516366 A JP 2002516366A JP 2004509323 A JP2004509323 A JP 2004509323A
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array
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address
oligonucleotide
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JP2002516366A
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Japanese (ja)
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グワイア,パトリック イー.
スワンソン,メルビン ジェイ.
Original Assignee
サーモディックス,インコーポレイティド
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Publication date
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Abstract

例えば、元になるマスター・アレーを調製し複製することにより、および/または再生することができる再利用可能なアッセイアレーを提供することにより、実質的に同一な特異的結合性リガンドプローブアレーを作製するためのシステム。一つの実施形態において、本システムは、a)固定化されたアドレス・リガンドを有するマスター・アレー表面、b)アドレス・リガンドに相補的な結合性領域、標的リガンドに相補的な結合性領域、および接合体をアッセイアレーの表面中またはその上に移送することにおける使用のための第三リガンドを有し、アドレスおよびその相補的なリガンドと共にまたはそれらの解離の際に用いることができる多リガンド接合体、の調製および使用を含む。For example, generating substantially identical specific binding ligand probe arrays by preparing and replicating an original master array and / or providing a reusable assay array that can be regenerated System to do. In one embodiment, the system comprises: a) a master array surface having immobilized address ligands; b) a binding region complementary to the address ligand; a binding region complementary to the target ligand; Multi-ligand conjugates having a third ligand for use in transferring the conjugate into or onto the surface of an assay array and which can be used with an address and its complementary ligand or upon dissociation thereof , Including the preparation and use of

Description

【0001】
本出願は、米国を除くすべての国を指定して、2001年7月9日付けで米国国内企業、サーモディクス(SurModics,Inc.)の名前でPCT国際特許出願として出願されている。
【0002】
技術分野
本発明は、既知の空間的配置における核酸および他のリガンドなどの特異的結合性リガンドの固定化に関する。別の態様において、本発明は、こうした核酸を組み込むオリゴヌクレオチド・アレーなどの固形支持体に関する。なお別の態様において、本発明は光反応性基、こうした基により誘導された分子および/または表面、およびこうした基によるこうした分子の支持体表面への結合に関する。
【0003】
発明の背景
より一般には「DNAチップ」および「遺伝子(Gene)チップ」(アフィメトリックス(Affymetrix,Inc.)の登録商標)として知られるオリゴヌクレオチドプローブアレーの開発は、過去数年で顕著な進歩を遂げてきているし、尚且つますます大きくなる注目と高まる重要性の中核となってきている。例えば、Stipp,D.,Fortune,p.56、March 31、1997を参照すること。また、Borman,S.,C&EN,p.42,December9,1996,and Travis,J.,Science News 151:144〜145(1997)を参照すること。これらの2−または3−cmの四角チップは、数万〜数十万の固定化オリゴヌクレオチドを含有でき、数千の協調遺伝子の挙動を研究者が初めて目撃することを可能とする。DNAチップは、独特の遺伝子発現パターンを観察し、薬物治療の成功をきちんと読取り、患者の遺伝子構造に基づき薬剤を彼らに合わせ、遺伝子を配列化し、遺伝子医薬の分野における研究を行うことに対して有用である。また、「Microchip Arrays Put DNA on the Spot」,R.Service,Science 282(5388):396〜399,16 October 1998;and 「Fomenting a Revolution,in Miniature」,I.Amato,Science 282(5388):402〜405,16 October 1998を参照すること。
【0004】
一般に、オリゴヌクレオチドプローブアレーは、情報リッチ形式において正確な位置での特定のオリゴヌクレオチド配列を表示する。使用において、蛍光標識核酸標的のハイブリッド形成パターンは、標的に対する一次構造情報を得るために用いられる。この形式は、病原体識別、法医学用途、mRNA発現の監視およびデノボ配列決定を含む広範囲な核酸配列解析問題に応用することができる。例えば、Lipshutz,R.J.,et Al.,BioTechniques 19(3):442〜447(1995)を参照すること。こうしたアレーは、時々、数万の、または数十万の個別プローブさえも担持することを必要とされる。チップは、また、どこにおいても細胞当り1〜10,000の複製レベルで発現することができる配列を検出するために、広範囲の感受性を提供することを必要とされる。
【0005】
多様な方法が、オリゴヌクレオチドプローブアレーの製造および/または使用のために開発されてきた。例えば、固相支持体上での大規模な化学的多様性創造のための合成戦略を記載しているWeaver,et al.(WO92/10092)を参照すること。このシステムは、光指向で空間的にアドレス可能なパラレル化学合成を達成するために、固相化学、光不安定性保護基および写真平版を用いる。マスクの適正な順序および化学逐次反応を用いて、オリゴヌクレオチドの確定セットを、それぞれ、アレー表面上の事前確定位置に構築することができる。
【0006】
この技術を用いて、アフィメトリックス(カリフォルニア州、サンタクララ)は、固形支持体上の単分子、二本鎖のオリゴヌクレオチドのライブラリーを開発してきた。例えば、4〜100ヌクレオチド長のオリゴヌクレオチドを含有するアレーを記載している米国特許第5,770,722号を参照すること。アレーは、固形支持体、任意のスペーサ、第一オリゴヌクレオチド、第一に相補的である第二オリゴヌクレオチド、および柔軟性リンカーまたはプローブを含む。記載されるライブラリーは、二本鎖DNAに結合するタンパク質、RNAまたは他の分子などの受容体についてのスクリーニングに有用である。アフィメトリックスにより開発された別のアレーは、米国特許第5,837,832号に記載されている。この文献は、シリカチップ上にオリゴヌクレオチド・プローブの高密度アレーを作製するための方法を記載している。オリゴヌクレオチド・プローブは9〜20のヌクレオチド長であり、直接固形支持体上に合成される。アレーは対照配列のセクションに相補的であるオリゴヌクレオチド・プローブを含む。
【0007】
シンテニ(Synteni)(カリフォルニア州、パロアルト)は、ポリリシンをスライドガラスに塗布し、続いてcDNAを被覆スライド上に印刷することによりcDNAのアレーを作製し、次に、アレーはDNAをポリリシンで架橋するためにUV光にさらされる。次に、未反応ポリリシンは無水コハク酸との反応により遮断される。「遺伝子発現マイクロアレー」(GEM(商標))と呼ばれるこれらのアレーは、正常細胞から調製されるmRNAを蛍光染料で標識化し、次に異常細胞からのmRNAを異なる色の蛍光染料で標識化することにより用いられる。これらの二つの標識化mRNA分子は、同時にマイクロアレーに塗布され、そこで、それらは競合的に固定化cDNA分子に結合する。この2色符号化技術は、2細胞試料間の遺伝子発現の相違を識別するために用いられる(Heller,R.A.,et al.,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,94:2150〜2155(1997))。
【0008】
少なくとも一つのグループ、カンター(Cantor)ら(米国特許第5,795,714号)は、診断補助品の大規模製造に有用であると言われるプローブのアレーを複製するための方法を記載している。この特許は、以下の段階を含む固形支持体上の一本鎖プローブのアレーを複製するための方法を含む:
a)それぞれが3’末端で長さCの不変配列および5’末端で長さRの可変配列を含む核酸アレーを合成し;
b)アレーを第一固形支持体に固定し;
c)それぞれが不変配列に対して相補的である配列を含む核酸セットを合成し;
d)セットの核酸をアレーにハイブリッド形成させ;
e)アレーの可変配列を鋳型として用いてセットの核酸を酵素的に伸長させ;
f)伸長された核酸のセットを変性させ;そして
g)変性されたセットの核酸を第二固形支持体に固定化して一本鎖プローブの複製アレーを生成する。
【0009】
別個の主題に関して、本発明の指定代理人は、以前から、光化学、詳しくは、例えば、ポリマーおよび他の分子を支持体表面に結合させるための光反応基の使用に関する多様な用途を記載してきた。例えば、米国特許第4,722,906号、第4,979,959号、第5,217,492号、第5,512,329号、第5,563,056号、第5,637,460号、および第5,714,360号および国際特許出願第PCT/US96/08797号(ウイルス不活性化皮膜)、第PCT/US96/07695号(毛細血管内皮化)、および第PCT/US97/05344号(連鎖移動剤)を参照すること。
【0010】
現在までの種々の開発にも拘わらず、例えば、オリゴヌクレオチドプローブアレーを形成するための、核酸の多様な支持体材料上への固定化を改善する方法および試薬に対する必要性が残ったままである。明白に必要とされることは、正確で感度のよい製品を維持しながら、費用効率が高く効率的な態様で特異的結合性リガンド(例えば、核酸)アレーを複製的に調製するための新規な改善された方法および試薬である。
【0011】
発明の概要
本発明は、一つの実施形態において、例えば、元の「マスター」アレーを調製し複製することにより、実質的に同一の空間的配置にある特異的結合性リガンド(例えば、核酸)プローブアレーを作製するためのシステムを提供する。別の実施形態において、本発明は再生することができる再利用可能なアッセイアレーを提供する。本方法は、別個に且つ個々にそれぞれのプローブアレーを新たに調製する従来の方法と対比することができる。加えて、本発明は、マスター・アレーにより樹立される空間的配置を維持するマスター・アレーの複製を可能とする。本発明の方法は、それらの複製品を提供するために、従来のアレーに用いられるように適応させることができるが、しかし、好ましくは、本明細書において記載される態様において、こうした目的のために特に設計されたマスター・アレー(および他の成分)と共に用いられる。
【0012】
好ましい実施形態において、本発明はアッセイアレーを再現良く調製するための方法およびシステムを提供し、該システムは:
a)その上に固定化される複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレー;
b)それぞれの多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様でマスター・アレーの特異的なアドレス・リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第一リガンド結合性領域(iii)相補的な態様で特徴的な標的リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第二リガンド結合性領域、および(iv)少なくとも1分子の第三リガンドを含み、ここで該第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドがコアに結合されている、複数の多リガンド接合体;および
c)支持体表面および第三リガンドを結合するための結合相手を含むアッセイアレー支持体、
を含む。
【0013】
好ましくは、アドレス・リガンドはパターン化され、場合により無作為な態様の形態をとるマスター・アレー上に固定化される。好ましい実施形態において、多リガンド接合体の第一リガンド結合性領域および第二リガンド結合性領域は、核酸配列を含む。この実施形態において、第二リガンド結合性領域は、試料中で検出しようとする標的核酸配列に相補的である核酸配列を含む。場合により、アドレス・リガンドは無作為な態様で固定化され、各アドレス・リガンドの正確な位置は、アドレス・リガンドがマスター・アレー支持体表面上に固定化されてから確定される。
【0014】
あるいは、本発明はアッセイアレーを再現良く調製するための方法およびシステムを提供し、該システムは:
a)その上に固定化される複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレー;
b)それぞれの多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様でアドレス・リガンドおよび特徴的な標的リガンドに結合するように選択されるリガンドを含む、少なくとも1分子の第二リガンド結合性領域および(iii)少なくとも一つの分子の第三リガンドを含み、該第二リガンド結合性領域、および第三リガンドがコアに結合されている複数の多リガンド接合体;および
c)支持体表面および第三リガンドを結合するための結合相手を含むアッセイアレー支持体、
を含む。
【0015】
この実施形態において、第一リガンド結合性領域の使用は必要とされない。この実施形態により、第二リガンド結合性領域は、マスター・アレーのアドレス・リガンドに相補的であるだけでなく、試料中に存在すると疑われる標的リガンドに対しても相補的である。この実施形態により作製されるアッセイアレーの核酸配列は、マスター・アレーのアドレス・リガンドに相補的である。必要ならば、この実施形態により作製されるアッセイアレーは複製されて、元のマスター・アレーの複製を作製することができる。好ましくは、第三リガンドは結合リガンドおよび重合性基から選択される。
【0016】
アドレスおよび標的リガンドが両方とも核酸配列である本発明の対応する好ましい方法は以下の段階を含む:
a)上述のマスター・アレーを用意し;
b)それらそれぞれの第一リガンド結合性領域がマスター・アレーの相補的なアドレス・リガンドにハイブリッド形成することを可能とすることにより、そこに多リガンド接合体を結合させ;
c)アッセイアレー支持体を、結合された多リガンド接合体がアッセイアレー支持体に結合することを可能とするのに適する条件下で、マスター・アレーに十分近接させ、
d)アッセイアレー支持体が回収且つ利用されることを可能とするのに適する条件下で、ハイブリッド形成した相補的核酸配列を解離させる。
【0017】
得られるアッセイアレーは、そこに複数の多リガンド接合体を結合させた、好ましくはなおその上にマスター・アレーにより樹立されたパターンにおいて存在する第三リガンドを有するアッセイアレー支持体を含む。
【0018】
多リガンド接合体が重合性基(例えば、第三リガンドに加えて、または第三リガンドの代わりに)を含む別の実施形態において、多リガンド接合体は、マスター・アレーのアドレスにより樹立される空間的配置を保持しながら、得られる重合化層が支持され、そして用いられること、例えば、アッセイアレー支持体に移送されることを可能とするように十分な高分子裏当てを形成するために、それらの基を現場で重合することによりマスター・アレー表面上でそれらの配向位置に維持することができる。
【0019】
多リガンド接合体が第二リガンド結合性領域および第三リガンドのみ(すなわち、第一リガンド結合領域は全く存在しない)を含み、アドレス・リガンドおよび標的リガンドが両方とも核酸であるなお別の実施形態において、本方法は、以下の段階を含む:
a)上述のマスター・アレーを用意し;
b)それらそれぞれの第二リガンド結合性領域をマスター・アレーの相補的なアドレス・リガンドにハイブリッド形成させることを可能とすることにより、そこに多リガンド接合体を結合させ;
c)アッセイアレー支持体を、結合された多リガンド接合体をアッセイアレー支持体に結合させることを可能とするために適する条件下で、マスター・アレーに十分近接させ、
d)アッセイアレー支持体が回収され、且つ用いられることを可能とするために適する条件下で、ハイブリッド形成した相補的核酸配列を解離する。
【0020】
一旦アッセイアレー支持体に移送されると、次に、第二リガンド結合性領域は、試料中の1以上の標的リガンドの絶対的または相対的な量での存在を測定するために従来方式において用いることができる。第二リガンド結合領域の順序および配置はあらかじめ決められ、本明細書において述べられる複製法の過程で保持される。例えば、得られるアッセイアレーは、例えば、あらゆる標的リガンドが結合し検出されることを可能とするために適する条件下で、標的リガンドを含有すると思われる試料とアレーを接触させることにより、従来方式において用いることができる。他の態様において、本発明は、こうしたシステムを用いる方法;キットまたは1以上の成分の組合せを含む、こうしたシステムにおける使用のための種々の成分;および本発明の方法により形成されるアッセイアレーを提供する。
【0021】
詳細な説明
本発明は、核酸アレーなどの特異的結合性リガンド・アレーを再現良く調製するための方法およびシステムを提供する。本明細書において用いられる「核酸」には、デオキシリボ核酸(DNA)、リボ核酸(RNA)、ペプチド核酸(PNA)、または一般に塩基対を形成するかまたは相補的化学構造体とハイブリッド形成する能力を有する化学主鎖により結合される塩基を意味するあらゆる配列などの高分子が挙げられる。本用語には、オリゴヌクレオチド、ヌクレオチド、またはポリヌクレオチド配列、およびそれらの断片または部分が含まれる。核酸は、あらゆる適する形態において、例えば、天然源から単離されるか、組み換え的に作製されるか、または人工的に合成されて提供することができ、一本鎖または二本鎖であることが可能であり、センスまたはアンチセンス・ストランドを示すことが可能である。本発明は特に核酸(およびハイブリッド形成を介して特異的に「結合する」それらの能力)に関して記載する一方で、本発明が免疫学的な結合対または他のリガンド/抗リガンド結合対などの他の特異結合性リガンドに対する適用を有することは理解される。
【0022】
次に用語「オリゴヌクレオチド」は、例えば、固形物支持核酸合成などの現在での技術上利用可能な技術を用いて、またはDNA複製あるいは逆転写などを用いて調製される、一般に短鎖(例えば、約100ヌクレオチド長未満、一般的には20〜50ヌクレオチド長)の核酸配列を指す用語「核酸」と交換可能で用いられる。オリゴヌクレオチドの正確なサイズは、オリゴヌクレオチドの究極の機能または用途によって順番に確定する多くの要因に応じて決まる。
【0023】
本明細書において用いられる「標的リガンド」または「標的」は、試料中に含有されると疑われ、本発明の方法またはシステムにおいて検出されおよび/または定量化される核酸配列などのリガンドを指す。一つの実施形態において、核酸は試料中に検出されようとする遺伝子または遺伝子断片を含む。
【0024】
用語「試料」はその最も広い意味において用いられる。本用語は、標本または菌株(例えば、微生物菌株)、および生体試料を含む。
【0025】
本明細書において用いられる用語「相補的」または「相補性」は、ポリヌクレオチド(すなわち、オリゴヌクレオチドまたは標的核酸などのヌクレオチドの配列)に関連して用いられる場合、ワトソンおよびクリック(Watson and Crick)によって開発された塩基対合則により相関付けられる配列を指す。例えば、配列「T−G−A」に対して、相補的配列は「A−C−T」である。相補性は、核酸塩基の一部のみが塩基対合則に従って適合する「部分的」であることが可能である。あるいは、核酸間の「完全な」または「全体の」相補性があることは可能である。核酸ストランド間の相補性の程度は、核酸ストランド間のハイブリッド形成の効率および強度に影響を及ぼす。
【0026】
用語「相補的」または「相補性」は、核酸以外の分子に関連して用いられる場合、特定結合対の構成員である分子などの結合相手と結合することができる分子を指す。
【0027】
用語「ハイブリッド形成」は相補的核酸の対合に関連して用いられる。ハイブリッド形成およびハイブリッド形成の強度(すなわち、核酸間の結合力)は、核酸間の相補性の程度、組み込まれる条件の厳しさ、形成されたハイブリッドの融点(Tm)、および核酸内のG:C比などの要因により影響を受ける。
【0028】
アッセイアレーに関連して本明細書において用いられる用語「結合部位」は、特定のリガンドが上に結合される領域を指す。以下により詳細に記載されるように、結合部位は、好ましくは、多リガンド接合体との結合を形成するための特定結合対の構成員である分子を含有する。
【0029】
一つの実施形態において、本発明は、そのパターンがあらゆる適する技術により制御されおよび/または確定することができる複数のアドレス・リガンドをその上に固定化したマスター・アレーを提供する。その後、複数の多リガンド接合体を含む組成物は、多リガンド接合体の結合領域がマスター・アレー支持体上の相補的なアドレス・リガンドに結合することを可能とするために適する条件下で、マスター・アレーとの結合距離に持ち込まれる。好ましい実施形態において、多リガンド接合体は特異的結合対の構成員を含む第三リガンドを包含する。この実施形態において、第三リガンドは、得られる接合複合体をアッセイアレー支持体に移すのに役立つ。結合された接合分子を含有するマスター・アレーを、アッセイアレー支持体に近づける。次に、アッセイアレー支持体は、多リガンド接合体の第三リガンドと結合するために利用できる結合部位を含有する。アッセイアレー支持体の結合部位は、多リガンド接合体上の対応する結合性リガンドに結合し、こうして、マスター・アレー/多リガンド接合体/アッセイアレー支持体の形態をとる一時的な「サンドイッチ」構造を形成する。
【0030】
「サンドイッチ」構造が形成できたら、次に、マスター・アレーのアドレス・リガンドと多リガンド接合体の相補的リガンド間の塩基対は、アッセイアレーが結合された多リガンド接合体と共に除去されることを可能とするために、解離することができる。接合体は、マスター・アレー表面に対するそれらの最初の結合により設定された空間位置取りに対応する空間関係において結合し、それによって、標的リガンドの位置が維持され決定されることを可能とする。次に、マスター・アレーは繰り返して再使用することができ、同じようなやり方で追加のアッセイアレーを提供することができる。別の態様において、本発明は、一般のマスター・アレーを再製するかまたは1以上のアッセイアレーを連続的に複製することにより形成される、複数の実質的に同一のアッセイアレーを提供する。
【0031】
なお別の態様において、本発明は、例えば、アッセイアレー表面が光ファイバー・アレーの形態をとって提供される、マスター・アレーを最初に調製するかまたは再製するための必要性なしで、再使用可能な核酸アレーを直接調製するための方法およびシステムを提供する。一つのこうした実施形態において、それぞれのファイバーは、検出可能な状況でその相補的核酸にハイブリッド形成するように適応された核酸を提供される。こうした実施形態における使用のために適するファイバー・アレーは、例えば、その開示が本明細書において参考のために包含されるK.Michael et al.,Analytical Chem.70(7):1242(1998)に記載されている。
【0032】
次に、本発明のアッセイアレーは、好ましくは、生体試料中の多種多様な核酸を検出するように適応される。その使用の過程において、アッセイアレーは、標的リガンドがアッセイアレー上のそれらの対応結合性領域補体に対してハイブリッド形成することを可能とするために適する条件下で、1以上の標的リガンドを含有していると思われる試料にさらすことができる。アッセイアレー上の標的核酸の存在または不在は、選択された信号形成および検出システムにより測定することができる。こうした検出方法は技術上公知である。
【0033】
本発明のシステムは、例えば、核酸プローブ密度、使い易さ、再現性、感受性、正確性、および低減コストなどの特性の最適組合せを含み、現下の方法に対する多くの利点を提供する。本発明は、例えば、現在写真平板法に依存している商業方法よりも一層高い核酸プローブ密度を提供する。一つの実施形態において、こうしたプローブ密度は、写真平板光システムの波長よりもさらに小さいマイクロビーズの使用によって達成される。さらに、本発明は、例えば、現在写真平板的にまたは固相合成を通して利用可能であるものよりも、一層長い(且つ従って結合に関してさらに特定的である)核酸の使用によって改善されたアッセイ特定性を提供することができる。
【0034】
さらに、本発明によるアッセイアレーは、従来のアレー・リーダーと共に用いられて、例えば、固定化アレーの面密度に応じて多様な標的核酸能力を提供することができる。本発明のシステムは、また、高密度アレー・スライドの製造コストの有意な低減を提供することができる。マスター・アレーを調製するコストは、それ自体、例えば、パターン化沈積およびアドレス核酸配列の固定化の使用を通して、また場合によりマイクロビーズの使用によって低減させることができる。
【0035】
本明細書における記載から見られるように、本発明は、あらゆる数の複製アッセイアレーを組立てるために広く多様にわたる多リガンド接合体と共に用いることができる万能「マスター・アレー」を提供するプローブアレーを複製するための改善された方法を提供する。マスター・アレーの万能的な性質は、特定のアッセイアレーに対する特異性を特に有さないアドレス・リガンドによって提供される。むしろ、アドレス・リガンドは、あらゆる数の特異的な多リガンド接合体と共に用いられて、所定の標的リガンド、または標的リガンド系を検出するためのプローブを含有する独特の複製アッセイアレーを組み立てることができる。このようにして、マスター・アレーはあらゆる数の複製アッセイアレー創造のための空間的配置を提供する。
【0036】
マスター・アレー
本発明により、マスター・アレーはその上に固定化された複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含む。アドレス・リガンドは、直接または間接的にマスター・アレー支持体表面上に固定化することができる。アドレス・オリゴヌクレオチドの直接固定化は、アドレス・オリゴヌクレオチド、マスター・アレーの支持体表面、または両方の誘導体化により達成される。間接的固定化は、以下にさらに詳しく記載されるように、アドレス・オリゴヌクレオチドを表面に結合するための結合剤の使用を含む。
【0037】
マスター・アレーの支持体表面は、あらゆる適する材料から製造されて、安定性、寸法、形状、および表面平滑などの望ましい特性の最適組合せを提供する。好ましい材料は核酸のハイブリッド形成を妨害すべきではなく、且つ高い量の核酸の非特異的結合にさらすべきではない。適する材料には、生体または非生体、有機性または非有機性物質が含まれる。例えば、マスター・アレーはあらゆる適するプラスチックまたはポリマー、シリコン、ガラス、セラミック、または金属から製造することができると共に、固形物、樹脂、ゲル、剛体フィルム、または可撓性膜の形態をとって提供することができる。適するポリマーにはポリスチレン、ポリメタクリル酸(アルキル)、ポリ(ビニルベンゾフェノン)、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、およびフッ化ビニリデン樹脂などが挙げられる。好ましい材料にはガラスおよびシリコンが挙げられる。
【0038】
マスター・アレーの寸法は、作製しようとするアッセイアレーの寸法、および所期のアドレス・オリゴヌクレオチドの多様性の規模などの要因に基づき決定される。好ましくは、マスター・アレーは、約0.5cm〜約7.5cm長間、および約0.5cm〜約7.5cm間、好ましくは約1cm〜約2cm幅間の平面寸法で提供される。アレーは、また、顕微鏡用スライド(例えば、約7.5cm×約2.5cmの寸法を有する)などの他の支持体上に単一でまたは多数で置くことができる。当業者は、本明細書の教示を考えると、特定用途用のマスター・アレーの寸法を容易に適応させることができよう。マスター・アレーは、例えば、毛細管、膜、ウエハー、ピンまたは針を含むあらゆる適する立体配置をとって提供することができる。加えて、以下にさらに詳しく記載されるように、マスター・アレーは1以上の光ファイバーの形態をとって提供することもできる。
【0039】
アドレス・オリゴヌクレオチドは、直接的にまたはリンカーを介してマスター・アレー支持体表面に結合される。一つの実施形態において、アドレス・オリゴヌクレオチドは、1以上の反応基をマスター・アレー表面、オリゴヌクレオチド、または両方のいずれかに提供するかおよび/またはそれらにより誘導体化されることにより、直接、支持体表面に結合される。別の実施形態において、アドレス・オリゴヌクレオチドは、リンカーの使用を通してマスター・アレー支持体表面に間接的に結合される。この実施形態において、マスター・アレー支持体表面は、次にそこに結合されるオリゴヌクレオチドを有する連結マイクロビーズなどの複数のリンカーで被覆される。従って、連結マイクロビーズと組合せて用いられる場合、マスター・アレー支持体表面は、好ましくは、地形的な不揃いが連結マイクロビーズの半径よりも小さくなるように(例えば、でこぼこはマスター・アレーの連結マイクロビーズ直径の50%未満である)、十分な平滑さを提供される。
【0040】
本明細書において用いられる用語「アドレス・オリゴヌクレオチド」は、マスター・アレー上に固定化されて本発明における使用のための鋳型アレーを提供する核酸配列を指すために用いられる。従って、鋳型は、複製アッセイアレーがマスター・アレーにより設定される位置情報を用いて創造されることを可能とするアドレス配列の順序付けアレーである。アドレス・オリゴヌクレオチドは、試験しようとする生体試料中に潜在的に存在する標的核酸配列と非相補的であるように選択される。結果として、アドレス・オリゴヌクレオチドは、塩基対を形成しないか、またはさもなければ試験しようとする特定の生体試料中に見出されるあらゆる標的核酸とハイブリッド形成せず、それによって背景または擬陽性の読み込みの可能性を避けるかまたは最小化すると期待される。オリゴヌクレオチドは、同時にアッセイアレーにより検出しようとする標的核酸(例えば、自然発生の)配列に対する実質的な相補性を避けながら、マスター・アレー上の「アドレス」の適する多様性を提供する十分な長さで提供される。好ましくは、これらのアドレス・オリゴヌクレオチドは、10〜100ヌクレオチド長、および最も好ましくは20〜50ヌクレオチド長の間である。
【0041】
本明細書において用いられる用語「固定化される」は、アドレス・オリゴヌクレオチドが本明細書における目的のために十分に安定なやり方において支持体表面に結合されることを意味する。こうした結合は、他の適する安定な結合も考慮されるが、好ましくは共有結合である。適する結合は本明細書における教示から明白である。
【0042】
本発明により、マスター・アレー表面上へのアドレス・オリゴヌクレオチドの沈積は、例えば、直接結合または連結剤(例えば、連結マイクロビーズ)を通しての間接的な結合によることを含めて、あらゆる適するやり方で達成される。例えば、アドレス・オリゴヌクレオチドが次にマスター・アレーに結合されようとするマイクロビーズに結合される場合、沈積は、マイクロビーズ比重がアドレス・オリゴヌクレオチドを運搬する個々のマイクロビーズをマスター・アレー表面に接触させることを引き起こす比重ベースの方法により、達成することができる。この沈積はマスター・アレー上に順序付けられるがしかし不規則なパターンを形成する。好ましくは、マイクロビーズは光反応性表面機能を提供するために処理される。次に、得られた表面は、光反応性基を活性化し、アドレス・オリゴヌクレオチドを担持するマイクロビーズとマスター・アレー支持体表面間の結合形成を生じるために適する条件下で照射される。
【0043】
好ましくは、アドレス・オリゴヌクレオチドの沈積は順序付けられるが、しかし不規則である。このようにして、アドレス・オリゴヌクレオチドは、最初の地図作成なしか、またはさもなければそれぞれ独特なアドレス・オリゴヌクレオチドの正確な位置付けを決めることなしに、マスター・アレーの表面上に置かれる。換言すれば、アドレス・オリゴヌクレオチドはマスター・アレーの表面上に置かれ、表面上に固定化され、その後マスター・アレー上のそれらの位置は公知の検出技術を用いて決定される。このようにして、本発明は、あらゆる望ましい組成物のアッセイアレーを創造するための多用途において用いることができるマスター・アレーを創造する効率的な方法を提供する。例えば、一旦マスター・アレーが組立てられ、表面が各アドレス・オリゴヌクレオチドの位置を決定するために「地図化」されると、マスター・アレーは多リガンド接合体のあらゆる選択と関連して用いられて特定の目的用のアッセイアレーを調製することができる。これは以下の検討を通して明白である。
【0044】
マスター・アレー支持体表面に対するアドレス・オリゴヌクレオチドの直接結合は、核酸、マスター・アレーの支持体表面、または核酸および支持体表面の両方を誘導体化することにより達成することができる。核酸の修飾は、好ましくは、ワトソン−クリックの塩基対合に帰せられる核酸の機能を実質的に改変することを避けるべきである。好ましくは、核酸の修飾はその補体にハイブリッド形成する核酸配列の能力を実質的に損なわない。
【0045】
アドレス・オリゴヌクレオチドの固定化に適する方法には、オリゴヌクレオチドの化学修飾(例えば、アミン修飾)、および高親和性結合剤(例えば、アビジン−ビオチン)による非共有結合が挙げられる。次に、マスター・アレー支持体の表面は、オリゴヌクレオチドそれ自体または適する架橋試薬により提供される対応反応基に結合するために、誘導体化することができる(例えば、カルボキシルまたはエポキシ基により)。あるいは、結合相手(例えば、ストレプトアビジン)は、直接マスター・アレー支持体表面に結合され、アドレス・オリゴヌクレオチドとマスター・アレーの支持体表面間の相互作用を可能とすることができる。他の方法には、非修飾または修飾オリゴヌクレオチドの吸着、および活性化マスター・アレー支持体表面上での可溶性プローブの熱化学的固定化を用いるインクジェットまたは「針状」印刷による支持体表面上へのオリゴヌクレオチドの固定化が挙げられる。当業者は他の技術もまた用いることが可能であることを容易に認識するであろうが、マスター・アレー支持体表面へのアドレス・オリゴヌクレオチドの直接結合に対する代表的な実施形態を今記載する。
【0046】
核酸の修飾は、マスター・アレー支持体表面への結合を可能とするあらゆる適するやり方において達成することができる。一つの実施形態において、核酸は、マスター・アレーの表面と反応することができる少なくとも一つの反応部分を含有するように誘導体化される。あるいは、核酸は修飾塩基により合成される。技術上公知の他の技術には、ヌクレオチドの糖部分の修飾、または核酸塩基の修飾、例えば、N7−またはN9−デアザプリンヌクレオシドなどを用いることによるものが挙げられる。あるいは、核酸の主鎖は、反応基が修飾リン酸塩主鎖により提供される窒素中心に結合することができるように、修飾することができる(例えば、ホスホロアミダイトDNA)。本明細書における教示を考えると、当業者は容易にこれらのおよび他の標準的な核酸修飾技術を採用して、核酸配列をマスター・アレーの支持体表面に結合することができる。
【0047】
光反応性核酸が表面に結合する一つの実施形態は、例えば、米国特許出願第09/028,806号(1998年2月24日出願、Guireら)に記載されている。この出願は本出願の指定代理人により共通に所有され、この出願の全体の開示は本明細書において参考のために包含される。その出願に記載されているように、光活性化性核酸誘導体は、そこに結合される1以上の光反応性基を有する核酸の形態をとって、提供することができる。光反応性基は、好ましくは、核酸に沿って1以上の点で、直接または間接に共有結合的に結合される。光反応性基は核酸を支持体に結合させるために、且つその所期の化学的または生物学的機能を実質的に保持するやり方において、選択的におよび特定的に活性化することができる誘導体化核酸を提供する。この実施形態により、光反応性基の「直接」結合は、光反応性化合物が直接核酸に結合されることを意味する。他方、「間接」結合は光反応性化合物および核酸の合成または天然ポリマーなどの一般的な構造体に対する結合を指す。得られる光誘導体化核酸は、適する照射の適用により、および通常表面前処理の必要性なしで多様な基板表面に共有結合的に固定化することができる。この実施形態の方法は、1以上の光反応性基の核酸への熱化学的結合および基板表面上でのその核酸誘導体の光化学的固定化の両方を含む。
【0048】
好ましくは、オリゴヌクレオチドは光活性化性化合物を用いてマスター・アレー表面上に固定化されて、アドレス・オリゴヌクレオチドとマスター・アレー支持体表面間の結合を形成する。これらの光活性化性化合物は、あらゆる適するやり方において、例えば、マスター・アレー支持体表面またはアドレス・オリゴヌクレオチドそれら自体により提供することができる。
【0049】
一つの実施形態において、試薬組成物は、米国特許出願第09/227,913号(1999年1月8日出願、Chappaら)に記載されているように、核酸などの生体分子の結合用の表面を修飾するために用いられる。この出願は本発明の指定代理人により共通に所有され、その全体の開示は本明細書において参考のために包含される。その出願に記載されているように、試薬組成物は、次に特定の結合反応(例えば、核酸をその相補的ストランドにハイブリッド形成すること)のために用いることができる生体分子(例えば、核酸)などの標的分子を共有結合的に結合するために用いられる。試薬組成物は、1以上の熱化学的反応性基、すなわち、温度に依存する反応速度を有する基を含む。適する基は、活性化エステル(例えば、N−オキシスクシニミド、すなわち「NOS」)、エポキシド、アズラクトン、活性化ヒドロキシルおよびマレイミド基からなる群から選択される。場合により、および好ましくは、組成物はさらに1以上の光反応性基を含む。加えて、試薬は、熱化学的反応性および/または光反応性基がそれに対して垂れ下がることができる1以上の親水性ポリマーを含むことが可能である。光反応性基は、例えば、光などの適するエネルギー源を適用する際に、試薬分子を支持体の表面に結合させるために用いることができる。次に、熱化学的反応性基は、標的分子上の適切な相補的官能基との共有結合を形成するために用いることができる。
【0050】
一般に、この実施形態により、試薬分子は光学基(photogroups)の活性化により最初に表面に結合される。その後オリゴヌクレオチドは、それが結合ポリマーとの結合距離中に近接することを可能とするために適する条件下で結合試薬と接触する。核酸は、結合試薬の反応基と核酸分子上の適切な官能基間の反応により、熱化学的に結合試薬に結合される。熱化学的反応基は、同じポリマー上か、または例えば表面上に共固定化される各種ポリマー上のいずれかに存在することができる。場合により、および好ましくは、標的分子は、試薬分子の基に合わせた官能基により調製されるかまたは提供される。それらの合成の間に、例えば、オリゴヌクレオチドはアミンまたはメルカプト基などの官能基により調製することができる。
【0051】
代替実施形態において、マスター・アレーの表面はオリゴヌクレオチドの結合を可能とするためにエポキシド系試薬により修飾される。一つのこうした実施形態は、例えば、米国特許出願第09/521,545号(2000年3月9日出願、Swanら)に記載されている。この特許出願は本出願の指定代理人により共通に所有され、この出願の全体の開示は本明細書において参考のために包含される。この出願に記載されているように、エポキシド系試薬組成物は、基板の表面上への標的分子の共有結合のために用いられる。方法および試薬は、誘導体化または非誘導体化核酸のいずれかを共有結合的に固定化するために用いることができる。この実施形態において考慮されるように、誘導体化核酸の例にはアミン誘導体化核酸が含まれ、非誘導体化核酸にはエポキシド基との熱化学的反応の目的のために添加される基を有しないものが挙げられる。本方法は、試薬で支持体を被覆し、核酸アレーを印刷し、湿気の高い環境中でスライドを培養し、過剰のエポキシド基を遮断し、支持体を洗浄し、その後にそれがハイブリッド形成アッセイ用の準備が完了する段階を含む。特に、本方法は、表面を有する固形支持体を提供し;1以上のエポキシド基を含む試薬を提供すると共に、場合によりまた1以上の光反応性基を含み;支持体表面上に試薬を被覆し(例えば、光反応性基の活性化により高分子試薬を支持体表面に共有結合的に結合し);対応する熱化学的反応基を有するバイオポリマーを提供し;およびその対応反応基を結合エポキシド基と反応させることにより、バイオポリマーを支持体に結合させる段階を含む。場合により、本方法は、さらに、残留エポキシド基を遮断する段階を含む(例えば、アミン試薬を用いて)。
【0052】
この実施形態により、試薬は、好ましくは、親水性ポリアクリルアミド主鎖などの高分子主鎖に垂れ下がった1以上のエポキシド基(また「オキシラン」基として知られる)を提供する。場合により、試薬組成物はさらに垂れ下がった光反応性基を含む。光反応性基は、光などの適するエネルギー源を当てる際に試薬分子を支持体表面に結合するために用いることができる。次に、エポキシド基は、標的分子上の適切な官能基との共有結合を形成するために用いることができる。
【0053】
別の実施形態において、マスター・アレーの支持体表面は、光反応性二−または多−官能価試薬を表面上に均一に分配し、その後これらの試薬を表面に結合することにより調製される。一つの実施形態において、十分な平滑さを有するシリコンチップが洗浄され、光反応性オルガノシロキサン試薬と反応する。この試薬は、例えば、市販オルガノシロキサン試薬(アミノプロピルジメチルメトキシ・シロキサンなど)をベンゾイル安息香酸の酸塩化物などの熱化学的反応性光試薬と結合させることにより、調製することができる。次に、得られる光反応性シロキサン試薬はマスター・アレー支持体のシリコン酸化物表面と反応して、光活性化性基により下塗りされた平滑な表面を提供する。得られる下塗りされた表面上の光反応性基は活性化され、オリゴヌクレオチドをリンカーによって直接または間接的にマスター・アレー支持体表面上に被覆するために用いることができる。
【0054】
この実施形態により、複数のアドレス・オリゴヌクレオチドを含有する溶液をマスター・アレー支持体表面に塗布することができる。マスター・アレーは長波長紫外線または可視光線により照射されて、アドレス・オリゴヌクレオチドをマスター・アレー支持体表面上に光化学的に定着させる。代替実施形態において、アドレス・オリゴヌクレオチドそれら自体が光反応性である。適する光反応性基は以下にさらに詳しく検討される。場合により、パターン化沈積が必要である場合、マスクまたは適するビーズは用いることができよう。パターン化沈積はあらゆる適するやり方において達成することができる。一つの実施形態において、オリゴヌクレオチドはパターン化アレー中の基板表面上に沈積し(例えば、印刷技術を用いて)、次に、基板は適する波長の光により均一に照射することができる。別の実施形態において、オリゴヌクレオチドは基板表面上に均一に沈積し、続いてパターン化照射を行うことができる(例えば、マスキング技術を用いて)。
【0055】
代替実施形態において、潜在反応性(例えば、光反応性)基およびリガンド吸引性(例えば、荷電性、カチオン性)基の両方を有する試薬の融解または濃溶液を用いることができる。例えば、1以上の両タイプの基(例えば、ポリビニル安息香酸のチオコリン誘導体)を含有するポリスチレン誘導体は、マスター・アレー表面上に沈積して、アドレス・オリゴヌクレオチドの固定化用の反応性表面フィルムを提供することができる。マスター・アレーの表面は照射されて平滑な光反応性表面を生成することができる。場合により、リガンド吸引性基(例えば、カチオン/チオコリン)は必要であれば除去される。
【0056】
あるいは、アドレス・オリゴヌクレオチドは、リンカーまたは他の適するスペーサ分子の使用を通してマスター・アレー支持体表面に間接的に結合される。「リンカー」または「スペーサ分子」は、アドレス・オリゴヌクレオチドの固定化に関連して用いられる場合、固形支持体に結合されると共に、アドレス・オリゴヌクレオチドに結合される部分を指す。リンカーは、アドレス・オリゴヌクレオチドが本発明の多リガンド接合体に接触することを可能とするために、間隔をあけたやり方でアドレス・オリゴヌクレオチドをマスター・アレー支持体表面に結合させるために役立つ。
【0057】
一つの実施形態において、リンカーはマイクロビーズの形態をとって提供され、「連結マイクロビーズ」と呼ばれる。連結マイクロビーズとしての使用に適切なビーズには、本明細書において記載されるように固形支持体上に固定化することができるあらゆる三次元構造体が含まれる。好ましくは、連結マイクロビーズは、それらがブラウン運動の影響を避けながら重力によりマスター・アレーの表面上に定着することを可能とするために十分な比重を有するように選択される。場合により、マイクロビーズは多孔質である。マイクロビーズはあらゆる適するサイズで提供することができ、ナノビーズおよびマイクロビーズは本発明において考慮される。本発明における使用に適する連結マイクロビーズは、望ましくは球状で、且つサイズにおいて均一である。また、好ましいビーズは、有機試薬と結合しやすい化学組成物、または少なくとも表面を有する。例えば、0.5ミクロン〜約5ミクロン(μ)直径間の均一なシリカ球体は、試薬を結合性リガンドの対応基に結合させるために、熱化学的反応基(例えば、エポキシ基)を含有するオルガノシロキサン試薬と反応することができる。マイクロビーズは、例えば、静電気引力、電極または磁気プローブ、または工学的ピンセットなどの技術により設置することができる。
【0058】
本発明において考慮されているように、ビーズは事実上あらゆる不溶性または固形材料から製造することができる。例えば、ビーズは、シリカゲル、ガラス、ナイロン、樹脂、セファデックス(Sephadex)、セファローズ(Sepharose)、セルロース、磁気ビーズ、ダイナビーズ(Dynabeads)、金属表面(例えば、鋼、金、銀、アルミニウム、シリコンまたは銅)、およびプラスチック材料(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、フッ化ビニリデン樹脂(PVDF))など、およびそれらの組合せから製造することができる。適するマイクロビーズの例は、例えば、米国特許第5,900,481号(1999年5月4日発行、Loughら)に記載されている。適するマイクロビーズの他の例は、例えば、蛍光性で、染色され、および/または特定の用途用に望ましい表面機能性を提供することができるラテックス・ミクロスフェアを提供するインターフェイシアル・ダイナミクス(Interfacial Dynamics Corporation)(オレゴン州、ポートランド)から市販されている。
【0059】
好ましくは、アドレス・オリゴヌクレオチドを含有する連結マイクロビーズは、マスター・アレー支持体表面上に間隔をあけた関係で固定化される。こうした実施形態において、ビーズ直径よりもほんのわずかだけ大きい間隔を有する編まれたスクリーンは、個別の、しかし順序付けられた構造形の表面上にマイクロビーズの沈積を促進するために、マスター・アレーの表面として用いるか、またはその表面上に位置付けることができる。
【0060】
連結マイクロビーズは市販品から入手し、商業的に利用可能な製法および材料の使用によりオリゴヌクレオチドを担持することができる。アドレス・オリゴヌクレオチドの連結マイクロビーズへの結合は、好ましくは、オリゴヌクレオチドとビーズ間の共有結合の形成により達成される。アドレス・オリゴヌクレオチドを結合させるための方法には、アドレス・オリゴヌクレオチドを直接マスター・アレー支持体表面に結合させるために本明細書において記載されるものが含まれる。一つの好ましい実施形態において、連結マイクロビーズの表面は、熱化学的反応性基(例えば、エポキシ基)を含有するオルガノシロキサン試薬と反応する。グリシドキシプロピルトリエトキシ・シロキサンは、例えば、マイクロビーズと反応してエポキシ表面を提供することができる。次に、アドレス・オリゴヌクレオチドの5’末端は修飾されて、スペーサ上にアルキルアミン基を含有する末端を生成する。マイクロビーズ表面のエポキシシロキサンは、アドレス・オリゴヌクレオチドの末端に位置するアルキルアミンと反応し、アドレス・オリゴヌクレオチドとマイクロビーズ表面間の結合を形成する。各連結マイクロビーズは一つの独特のアドレス・オリゴヌクレオチドを含有することができる。あるいは、各連結マイクロビーズは複数の同一アドレス・オリゴヌクレオチド配列を含有することができる。
【0061】
マイクロビーズのアレーは、場合により、その上に光反応性基およびリガンド吸引性基(例えば、第4級アミンなどのイオン性基)の両方を有するブロックコポリマーを含有する懸濁水溶液から沈積することができる。前にアドレス・オリゴヌクレオチドを担持した単分散のマイクロビーズ(例えば、直径で約1.5ミクロン〜5ミクロンの間)は、コポリマーの水溶液中の懸濁液からマスター・アレー支持体表面に塗布される。カチオン性反応基はビーズ上でオリゴヌクレオチド配列と結びつくために役立ち、一方で芳香族ブロック(例えば、オリゴスチレン)は光反応性表面と結びつき、それに結合するために役立つ。特に好ましい実施形態において、連結マイクロビーズはわずかに過剰で提供される。
【0062】
平滑で平らな光反応性マスター・アレー支持体表面は、マスター・アレー支持体表面上に連結マイクロビーズの少なくとも単層を提供するために十分な数において、その上に固定化されたアドレス・オリゴヌクレオチド配列を有する連結マイクロビーズのスラリーにさらされる。このスラリーは、所期のアドレス・オリゴヌクレオチド配列のそれぞれとほぼ等しい数のビーズに、オリゴヌクレオチドを全く含まない多くの(例えば、少なくとも3倍の)ビーズをプラスする数から成る。オリゴヌクレオチド被覆ビーズの数は、各標的核酸−特定部位の小さな余剰性(例えば、少なくとも3倍の)を提供するために十分なものである。
【0063】
マスター・アレーは、光学基の早期活性化を避けるために、暗所または薄暗い光の中で連結マイクロビーズを含有する溶液中において培養される。溶媒(好ましくは水性)が光反応性表面上でスラリー・プールから蒸発するので、均一寸法のビーズは、場合により本明細書において記載されるようなマイクロスクリーンを用いて間隔をとるかまたは位置付けされる、二次元的「結晶」配置に詰め込まれる。
【0064】
次に、この順序付けられた配置は、例えば、乾燥状態において照射してマスター・アレー支持体表面上の光反応性基と連結マイクロビーズ上の有機基(殆どがオリゴヌクレオチド)間の炭素−炭素結合を形成することにより、定位置に「固定化する」ことができる。比重により光反応性表面上に定着したビーズのパターン化アレーは、長波紫外線または可視光線による照射によって表面に光化学的に固定することができる。この照射は、次にアドレス・オリゴヌクレオチドとの結合を形成する光反応性オルガノシロキサン試薬を活性化する。場合により、一旦配列された連結マイクロビーズがマスター・アレー支持体表面に光結合されたならば、非結合ブロックコポリマーはマスター・アレーからすすぎ洗いすることができる。このすすぎ洗いは、ビーズの周りに位置するがしかしそれらの上に固定化されないオリゴヌクレオチド配列による次の妨害(例えば、ハイブリッド形成の間に)を除去する。
【0065】
どの形態のリンカーの使用も本発明において必要とされないが、本発明におけるマイクロビーズの使用は、マスター・アレーの表面上に固定化されるアドレス・オリゴヌクレオチドの増大密度、マスター・アレーの表面上にアドレスの個別位置を形成するためのアドレス・オリゴヌクレオチドの順序付けられた間隔、およびマスター・アレー表面上の各個別位置でのアドレス・オリゴヌクレオチド沈積物の増大密度(1より大きいアドレス・オリゴヌクレオチドが各リンカーと関連して提供される場合)などの利点の組合せを提供する。
【0066】
本発明の一般的なマスター・アレーは、それぞれが個別の位置またはアドレスにあって、その表面上に固定される多数のアドレス・リガンドを含む。この意味合いで用いられる用語「アドレス」は、そこに結合されるリガンド(例えば、オリゴヌクレオチド)が特定され、区別されることを可能とするために十分識別可能である支持体表面上の空間的に確定された位置を指す。この固定化された結晶性アレーの結果として、その表面上に多数の独特な「アドレス」を含有するマスター・アレーが提供される。
【0067】
この種類のマスター・アレー支持体表面は、好ましくは、少なくとも第一表面を有する平面的で非多孔質固形支持体の形態をとって提供される。複数の異種アドレス・オリゴヌクレオチドは、100異種オリゴヌクレオチド/cmを超え、好ましくは1000異種オリゴヌクレオチド/cmを超える密度での固形支持体の第一表面に結合することができ、それぞれの異種オリゴヌクレオチドは、異なる所定の領域中の固形支持体の表面に結合し、異なる確定配列を有すると共に、少なくとも4ヌクレオチド長、および好ましくは少なくとも10ヌクレオチド、およびさらに好ましくは30ヌクレオチド長である。
【0068】
好ましい実施形態において、マスター・アレーは、それぞれが他の領域から物理的に分離された所定の領域に位置付けられ、固形支持体の第一表面に結合される少なくとも1,000、さらに好ましくは少なくとも10,000の異種アドレス・オリゴヌクレオチドを含む。各オリゴヌクレオチドの多部位に対する選択を考えると、単一アレー中のオリゴヌクレオチド部位の全体数は、多くの場合、10,000を超えることができる。
【0069】
本発明の好ましい実施形態において、マスター・アレー支持体表面は、特定のアドレスがマスター・アレー上の複数の空間確定位置に現れるように、その上に固定化される余剰のアドレス・オリゴヌクレオチドを含有する。この余剰性の結果として、特定のアドレス・オリゴヌクレオチドに対して相補的な配列を含有する特定の多リガンド接合体は、マスター・アレー上の複数の位置のいずれにも結合することができる。マスター・アレー上のあらゆる特定アドレスのこの余剰性は、試料内の対応標的核酸の検出用アッセイの感受性および正確度を増大させるのに役立つ。例えば、一つの実施形態において、マスター・アレーは、1〜100、好ましくは2〜10の間の異なる位置で支持体表面に固定化されるアドレス配列を含有する。こうした好ましい実施形態において、余剰のアドレスと結合する標的核酸の検出は、マスター・アレー上の多くの異なる位置で行われる。
【0070】
一旦アドレス・オリゴヌクレオチドがマスター・アレーの表面上に固定化されると、次にそれぞれの固定化されたアドレス・オリゴヌクレオチドの空間的に確定された位置は確定することができる。各アドレス・オリゴヌクレオチドの位置を確定するための適する方法には、アレーに対する蛍光標識された相補的配列の連続添加、続いて各添加の間のすすぎおよび走査を含む蛍光ハイブリッド形成が挙げられる。それぞれのアドレス・オリゴヌクレオチド配列に相補的な蛍光標識化オリゴヌクレオチドは利用可能であるか、または一般的に相互に識別可能であることが知られるいくつかの(例えば、10以上)異なる蛍光化合物の内一つを含有するように合成することができる。複数の(例えば、10)異なるオリゴヌクレオチドは調製することができ、それぞれが表面上のアドレス配列に相補的な異なる公知の配列を有すると共に、それぞれが対応する識別可能な蛍光体を有する。標識化プローブは同時に表面に塗布され、例えば、55℃で30分にわたりハイブリッド形成することができる。次に、表面はすすがれ、走査されてそれぞれ10の配列の位置を識別する。次に、10配列の別のセットは表面にハイブリッド形成され、走査されて第二セットの10配列を識別する。この過程はすべてのアドレスが識別されるまで続けられ、その後マスター・アレーは、例えば、2分間にわたり沸騰水中に浸漬することによりハイブリッド形成されたオリゴヌクレオチドから剥ぎ取られ、複製アッセイアレーを調製するために用いられる。当業者は他の検出方法も用いることができることを容易に認識するであろう。
【0071】
好ましくは、本発明のアドレス・オリゴヌクレオチドは、直接または間接的にそこに共有結合的に結合される1以上の垂れ下がった潜在的反応性(好ましくは光反応性)基を含む。光反応性基は本明細書において定義され、好ましい基は十分に安定であり、それらがこうした特性を保持する条件下で保存される。例えば、その開示が本明細書において参考のために包含される、米国特許第5,002,582号を参照すること。電磁スペクトルの種々の部分に反応する潜在的反応性基を選択することができ、それらは特に好ましいスペクトルの紫外線および可視部分に反応する(本明細書において「光反応性」と呼ばれる)。
【0072】
光反応性基は特定の適用外部刺激に反応して、例えば、同じかまたは異なる分子によって提供されるような隣接化学構造体に対して得られる共有結合的結合により活性化学種生成を行う。光反応性基は、保存条件下でそれらの共有結合を変わらずに保持する分子中の原子基であるが、しかし、それらは外部エネルギー源により活性化されると他分子と共有結合を形成する。
【0073】
光反応性基は、遊離基および特定のナイトレン、カルベン、および電磁エネルギーを吸収する際の励起状態のケトンなどの活性化学種を生成する。光反応性基は電磁スペクトルの種々の部分に反応的であるように選択することが可能であると共に、例えば、スペクトルの紫外線および可視部分に反応的である光反応性基は好ましく、本明細書において時に「光化学基」または「光学基」と呼ばれることが可能である。
【0074】
アセトフェノン、ベンゾフェノン、アントラキノン、アントロン、およびアントロン様複素環(すなわち、10−位にN、O、またはSを有するものなどのアントロンの複素環式類似物)、またはそれらの置換(例えば、環置換)誘導体などの光反応性アリールケトンは好ましい。好ましいアリールケトンの例には、アクリドン、キサントン、およびチオキサントン、およびそれらの環置換誘導体を含むアントロンの複素環式誘導体が挙げられる。特に好ましいものは、約360nmより大きい励起波長を有するチオキサントン、およびその誘導体である。
【0075】
こうしたケトンの官能基は、それらが本明細書において記載される活性化/不活性化/再活性化サイクルを容易に行うことができるので好ましい。ベンゾフェノンは、それが三重項状態へのシステム間交差を行う励起一重項状態の初期形成による光化学励起が可能であるので、特に好ましい光反応性部分である。励起三重項状態は、水素原子の引き抜き(例えば、支持体表面から)により炭素−水素結合中にはめ込むことができ、こうしてラジカル対を生成する。ラジカル対の連続的な崩壊は新規の炭素−炭素結合の形成をもたらす。反応性結合(例えば、炭素−水素)が結合形成に利用可能でない場合、ベンゾフェノン基の紫外線誘発励起は可逆的であると共に、分子はエネルギー源を除去すると基底状態エネルギーレベルに戻る。ベンゾフェノンおよびアセトフェノンなどの光活性化性アリールケトンは、これらの基が水中で多再活性化を受け易く、従って増大した被覆効率を提供するものであるから、特に重要なものである。
【0076】
アジドは好ましいクラスの光反応性基を構成し、フェニル・アジドおよび特に4−フルオロ−3−ニトロフェニル・アジドなどのアリールアジド(C)、ベンゾイル・アジドおよびp−メチルベンゾイル・アジドなどのアシル・アジド(−O−CO−N)、アジド蟻酸エチル、アジド蟻酸フェニルなどのアジド蟻酸塩(−O−CO−N)、ベンゼンスルホニル・アジドなどのスルホニル・アジド(−SO−N)、およびジフェニル・ホスホリル・アジドおよびジエチル・ホスホリル・アジドなどのホスホリル・アジド(RO)PONを含む。ジアゾ化合物は別のクラスの光反応性基を構成し、ジアゾメタンおよびジフェニルジアゾメタンなどのジアゾアルカン(−CHN)、ジアゾアセトフェノンおよび1−トリフルオロメチル−1−ジアゾ−2−ペンタノンなどのジアゾケトン(−CO−CHN)、ジアゾ酢酸t−ブチルおよびジアゾ酢酸フェニルなどのジアゾ酢酸塩(−O−CO−CHN)、およびアルファ・ジアゾアセト酢酸t−ブチルなどのベータ−ケト−アルファ−ジアゾ酢酸塩(−CO−CN−CO−O−)を含む。他の光反応性基には、3−トリフルオロメチル−3−フェニルジアジリンなどのジアジリン(−CHN)、およびケテンおよびジフェニルケテンなどのケテン(−CH=C=O)が挙げられる。
【0077】
光反応性基の活性化の際に、試薬分子は互いに、および/または光反応性基の残基を通しての共有結合により材料表面に共有結合的に結合する。代表的な光反応性基、および活性化の際のそれらの残基は以下のように示される。
【0078】
光反応性            基
アリールアジド         アミン
アシルアジド          アミド
アジド蟻酸塩          カルバミン酸塩
スルホニルアジド        スルホンアミド
ホスホリルアジド        ホスホラミド
ジアゾアルカン         新規C−C結合
ジアゾケトン          新規C−C結合およびケトン
ジアゾ酢酸塩          新規C−C結合およびエステル
ベータ−ケト−アルファ−    新規C−C結合およびベータ−
ジアゾ酢酸塩          ケトエステル
脂肪族アゾ           新規C−C結合
ジアジリン           新規C−C結合
ケテン             新規C−C結合
光活性化ケトン         新規C−C結合およびアルコール
【0079】
本発明の光活性化性核酸は、それにより光反応性基が反応して核酸を表面に固定化することができる炭素−水素結合を有するあらゆる表面に適用することができる。適切な基板の例には、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ(塩化ビニル)、ポリカーボネート、ポリ(メタクリル酸メチル)、パリレンおよびガラスまたは他の無機表面を前処理するために用いられる多数のオルガノシランのあらゆるものが挙げられるがそれらに限定されない。光活性化性核酸はアレー中の表面上に印刷され、次に、均一な照射により光活性化されてそれらを特定のパターンにおいて表面に固定化することができる。それらは、また、連続的に表面に均一に塗布され、次に、一連のマスクを通しての照射により光活性化されて特定の配列を特定の領域中に固定化することができる。こうして、各種のマスクを通しての多照射およびそれぞれの光結合段階後の非結合光−核酸を除去するための注意深い洗浄による、特定の光誘導体化核酸の多連続塗布は、固定化核酸のアレーを調製するために用いることができる。光活性化性核酸は、また、塗布および光固定化により表面上に均一に固定化することができる。
【0080】
マスクは技術上公知であり、不透明材料層により選択的に被覆された透明支持体材料の形態をとって提供することができる。一般に、マスクは、バリア材をかぶせられた基板表面の一部からの光子照射を遮るために所定の基板に貼り付けられる空間的に割り当てられたバリア材である。こうしたマスクは、基板の基調になる部分を活性化光との接触から遮断する。適するマスクは、例えば、米国特許第5,831,070号(1998年11月3日、Peaseら)に検討されている。不透明材料部分は、基板表面上に所期の正確なパターンをとる不透明材料を残して除去することができる。マスクは、マスター・アレー支持体表面に極めて近接させその上に画像化されるか、またはそれと直接接触させられる。マスク中の「開口部」は、核酸、およびマイクロビーズなどの望ましい部分を結合することが望ましい基板上の部分に対応する。一部の実施形態において、マスクは多照射用に位置を変えることができる。あるいは、多マスクを用いることが可能である。
【0081】
多リガンド接合体
本発明は、さらに、複数の活性(例えば、結合性または重合性)領域を含有する多リガンド接合体を含む。多リガンド接合体は、そこに第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドを結合させたコアを含む。第一および第二リガンド結合性領域は、好ましくは核酸であるが、一方で第三リガンドは、好ましくは核酸以外の部分である。好ましくは、第三リガンドは結合性リガンドまたは重合性基を含む。あるいは、多リガンド接合体は、そこに第二リガンド結合性領域、および第三リガンドを結合させたコアを含む。この実施形態において、第二リガンド結合性領域は、アドレス・リガンドおよび試料中に検出しようとする標的リガンドの両方に対して相補的である。多リガンド接合体は、マスター・アレーにより設定された鋳型を用いることができる接合体を担り、本明細書において記載されるような1以上の複製アッセイアレーを作製する。
【0082】
多リガンド接合体のコアは、第一および第二リガンド結合性領域、ならびに第三リガンドの結合のための面を提供する。コアは、本明細書において記載されるように、懸濁性粒子または可溶性分子を含む。適する懸濁粒子にはマイクロビーズが挙げられる。あるいは、コアは、好ましくは可溶性である分子部分を含む。本明細書において用いられるように、多リガンド接合体のコアがマイクロビーズの形態をとって提供される場合、マイクロビーズは「移送マイクロビーズ」と呼ばれる。
【0083】
一つの実施形態において、コアは移送マイクロビーズの形態をとって提供される。本発明の多リガンド接合体を調製することにおいて有用なマイクロビーズは、「連結マイクロビーズ」に関して上述したものと同じ多様性をとることができる。好ましいビーズは、望ましくは、水のそれよりも大きい比重を持ち球状で均一なサイズを有する。また、好ましいビーズは化学組成物、または少なくとも有機試薬と結合し易い表面を有する。例えば、約0.5ミクロン〜約20ミクロン間、好ましくは約1ミクロン〜約10ミクロン間、さらに好ましくは約1ミクロン〜約5ミクロン(μ)直径間の均一なシリカ球は、試薬を結合性リガンドの対応基に結合させるために、熱化学的反応基(例えば、エポキシ基)を含有するオルガノシロキサン試薬と反応することができる。
【0084】
本発明における使用のための適切な移送マイクロビーズには、本明細書において記載されるように、第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドに結合されることが可能であるあらゆる三次元構造体が挙げられる。好ましくは、移送マイクロビーズは水より大きい比重を有して、ビーズがアドレス・オリゴヌクレオチドと多リガンド接合体の第一結合性領域間のハイブリッド形成のためにマスター・アレーの表面に近接することを可能とする。移送マイクロビーズはあらゆる適するサイズにおいて提供することができると共に、マイクロビーズのみならずナノビーズも本発明において考慮される。
【0085】
本発明において考慮されるように、ビーズは事実上あらゆる不溶性または固形材料から製造することができる。例えば、ビーズは、シリカゲル、ガラス、ナイロン、ワング(Wang)樹脂、メリフィールド(Merrifield)樹脂、セファデックス、セファローズ、セルロース、磁気ビーズ、ダイナビーズ、金属表面(例えば、鋼、金、銀、アルミニウム、シリコンおよび銅)、プラスチック材料(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステル、および二フッ化ビニリデン樹脂(PVDF))など、およびそれらの組合せから製造することができる。適するマイクロビーズの例は、例えば、米国特許第5,900,481号(1999年5月4日発行、Loughら)に記載されている。適するマイクロビーズの他の例は、例えば、インターフェイシアル・ダイナミクス(オレゴン州、ポートランド)から市販されている。
【0086】
別の実施形態において、コアは分子コアの形態をとって提供される。好ましくは、分子コアは可溶性である。適する分子コアには、多機能性ポリマーまたは多官能性単量体分子が挙げられる。多機能性ポリマーの例には、直鎖または分岐鎖のポリマーまたはデンドリマーが挙げられる。適する多官能性単量体分子の例には、塩化シアヌル、ホモシステイン、システイン、リジン、アスパラギン酸、グルタミン酸、およびセリンなどが挙げられる。
【0087】
一つの実施形態において、本発明の多リガンド接合体は、さらに、第一リガンド結合性領域を含む。好ましい実施形態において、第一リガンド結合性領域は核酸、好ましくはオリゴヌクレオチドを含む。オリゴヌクレオチドは、マスター・アレーのアドレス・リガンドを含む不規則配列に対する相補的配列を調製することにより第一結合性領域用に選択される。一旦アドレス・リガンドの配列が知られると、第一リガンド結合性領域の配列は、最初に標準ワトソン−クリック塩基対合則を用いてアドレス・オリゴヌクレオチドに対する相補的な核酸配列を確定し、次に確定された核酸配列を合成することにより調製される。この調製は、技術上公知のあらゆる適する方法を用いて、例えば固相DNA合成によって達成することができる。一旦第一結合性領域に対するオリゴヌクレオチドが合成されてしまうと、各オリゴヌクレオチドの末端は、必要な場合に、スペーサ上にアルキルアミン基を含有するように修飾することができる。
【0088】
オリゴヌクレオチドの長さは、望ましいハイブリッド形成の強度および動力学のために最適化される。通常、第一リガンド結合性領域の長さは20〜50ヌクレオチド範囲内にある。好ましくは、第一リガンド結合性領域の長さは、マスター・アレー上のアドレス・リガンドの長さに基づき選択される。好ましい実施形態において、第一結合性領域の配列は、相互、または試験しようとする試料中に存在している有意な確率を持つあらゆる公知の天然の遺伝子配列および/または遺伝子断片のどちらに対しても相補的でない。結果として、第一結合性領域オリゴヌクレオチド配列は、マスター・アレー支持体表面上に固定化されるそれらそれぞれの相補的アドレス・オリゴヌクレオチド配列とのみハイブリッド形成する。これにより、アッセイアレー支持体表面上の空間的に確定された位置に多リガンド接合体を置くことの原因となる第一リガンド結合性領域、と試験試料中で選別される標的核酸配列間の交差反応性(例えば、交差ハイブリッド形成)を避ける。
【0089】
好ましい実施形態において、多リガンド接合体の第二リガンド結合性領域は、また、核酸好ましくはオリゴヌクレオチドを含む。オリゴヌクレオチドは、最初に本発明により組立てられるアッセイアレーにより検出しようとする標的リガンド(例えば、遺伝子および/または遺伝子断片)を選択することにより第二結合性領域に対して選択される。検出しようとするこれらの遺伝子および/または遺伝子断片の配列は公知であり得るか、または技術上周知の技術(例えば、サンガー(Sanger)ジデオキシ法、PCR配列化、など)を用いて確定することが可能である。一旦標的核酸の配列がわかったら、第二リガンド結合性領域の配列は、最初に標準ワトソン−クリック塩基対合則を用いて標的核酸に対する相補的な核酸配列を確定し、次に確定された核酸配列を合成することにより調製される。この調製は、技術上公知のあらゆる適する方法を用いて、例えば固相DNA合成によって達成することができる。一旦第二結合性領域が選択されてしまうと、各オリゴヌクレオチドの末端は、必要な場合に、スペーサ上にアルキルアミン基を含有するように修飾することができる。
【0090】
第一リガンド結合性領域と同様に、第二リガンド結合性領域用のオリゴヌクレオチドの長さは、望ましいハイブリッド形成の強度および動力学のために、好ましくは10〜100ヌクレオチド範囲、さらに好ましくは20〜50ヌクレオチド範囲内に最適化される。好ましくは、第二結合性領域の配列は、マスター・アレー上のアドレス・リガンド、または多リガンド接合体の第一リガンド結合性領域のいずれかとの交差ハイブリッド形成などの交差反応性を避けながら、試料中の特定標的リガンドに対する十分な特定性を提供するために選択される。
【0091】
代替の実施形態において、第二リガンド結合性領域は、マスター・アレーのアドレス・リガンド、および試料中に検出しようとする標的リガンドに相補的であるように選択される。この実施形態において、第二リガンド結合性領域の配列は、本発明により組立てられるアッセイアレーにより検出しようとする標的リガンド(例えば、遺伝子および/または遺伝子断片)を選択することにより確定される。第二リガンド結合性領域の配列は、上述のように、ワトソン−クリック塩基対合則を用いて標的核酸に対する相補的な核酸配列を確定し、次に確定された核酸配列を合成することにより調製される。次に、この実施形態におけるアドレス・リガンドは、標的リガンドに対して実質的に相補的である配列を含むように組立てられる。この実施形態により、第二リガンド結合性領域がマスター・アレーのアドレス・リガンドとハイブリッド形成するので、第一リガンド結合性領域との多リガンド接合体を提供するための必要性は全くない。
【0092】
多リガンド接合体は、生体試料中に見出されるあらゆる望ましい標的核酸に相補的であり、従ってそれとハイブリッド形成すると共に、公知のまたは確定できる配列を有するオリゴヌクレオチドを含むように組立てることができる。一つの実施形態において、本発明の多リガンド接合体の種々の第二リガンド結合性領域は、生体試料中に見出される種々の標的核酸に相補的である多様なオリゴヌクレオチドを含むことができる。
【0093】
代替の実施形態において、多リガンド接合体の第二結合性領域は、得られるアッセイアレーが自然発生遺伝子の特定系列の標的核酸を位置付けるように組立てられる。この特定実施形態の一つの例は、嚢胞性線維症の50〜60の知られた標的配列に相補的な第二結合性領域を含有する多リガンド接合体のセットであろう。こうして、得られるアッセイアレーは、それがこの障害とのみ結合すると知られるかまたは疑われる配列の存在を検出するように組立てられるであろう。
【0094】
多リガンド接合体の第三リガンドは、多リガンド接合体を本発明により調製されるアッセイアレーに移送する分子である。一つの実施形態において、一旦多リガンド接合体が所期のアドレス位置でマスター・アレーにハイブリッド形成してしまうと、第三リガンドは、マスター・アレーにより設定される核酸の位置的配置を維持しながら、多リガンド接合体がアッセイアレーに移送されることを可能とする。好ましくは、第三リガンドは結合性リガンドまたは重合性基として提供される。
【0095】
一つの実施形態において、第三リガンドは結合性リガンドである。本明細書において用いられる「結合性リガンド」は、結合相手に結合することができるあらゆるリガンドを意味する。好ましくは、結合性リガンドは、相補的結合性部分と結合することができる特異的な結合性対の構成員である。本発明において考慮されるように、結合性リガンドは、共有または非共有結合を通して別の分子または高分子に対する高親和性を有する生物学的または合成分子である。好ましくは、結合性リガンドは、それが一般的な官能基に共有結合的に反応するかまたは非共有結合的に結合することを可能とする、官能性化学基(第一級アミン、スルフヒドリル基、またはアルデヒド基など)、エピトープ(抗体)、ハプテンまたはリガンドを含有する(自然にかまたは修飾によるかのいずれかで)。例えば、第三リガンドがアビジンまたはストレプトアビジンを含む場合、多リガンド接合体は、ビオチンまたはイミノ−ビオチンなどのビオチン誘導体により被覆される表面に結合することができる。結合性構成員は逆転させることができる、例えば、ビオチン被覆ビーズはストレプトアビジン被覆固形支持体に結合することができることは理解される。本発明における使用のために考慮される他の特異的結合性対には、ハプテン(ジゴキシゲン、2,4−ジクロロフェノキシ酢酸、トリニトロフェニル)および高親和性抗体、ホルモン−受容体、酵素−阻害剤、および抗体−抗原などが挙げられる。
【0096】
一つの実施形態において、第三リガンドはビオチン−ポリ(アルキレンオキシド)アミン誘導体の形態をとって提供される。こうした誘導体は、例えば、ビオチンのN−オキシスクシニミドエステルを、同じコアまたはマイクロビーズ上に置かれようとするオリゴヌクレオチド誘導体とほぼ同じ分子長のポリ(酸化エチレン)ジアミンと反応させることにより調製することができる。
【0097】
第三リガンドは、直接的に、またはリガンドが立体障害(例えば、移送マイクロビーズに対するリガンドの近接により生ずる立体障害)を起さないことを可能とするようなやり方において、スペーサの使用により間接的に多リガンド接合体のコアまたは移送マイクロビーズに結合することができる。換言すれば、第三リガンドを結合するためのスペーサの使用は、リガンドがコアまたは移送マイクロビーズの表面から十分な距離をとって、それがその所期の機能を実行する、例えば、アッセイアレー表面上に含有される対応結合相手と重合するかまたは結合し得ることを確実にする。
【0098】
本明細書において用いられる、第三リガンドのコアへの結合のための「スペーサ」は、第三リガンドの機能または反応性を妨害しない空間的な関係において、第三リガンドのコアへの結合を可能とする分子である。適するスペーサには、ポリエチレン・グリコール、ならびにアクリルアミド、ビニルピロリドン、および炭水化物などの水可溶性二−または多−官能性モノマーが挙げられる。好ましくは、こうした水可溶性二−または多−官能性モノマーはオリゴマーまたはポリマーを含む。好ましい実施形態において、スペーサは、例えば、結合性領域が立体障害のないことを可能とする十分な長さの親水性スペーサ、例えば、ポリエチレン・グリコールスペーサを含む。
【0099】
一つの実施形態において、本発明の多リガンド接合体はさらに重合性基を含む。本明細書において用いられる「重合性基」は、適する条件下で、重合、比較的単純な分子が結合して高分子または鎖様分子を形成する化学反応を行うことができる分子を指す。多リガンド接合体の第三リガンドは、例えば、接合体がマスター・アレー上の所定の位置にありながら安定なフィルムに形成されることを可能とするために、重合性基の形態をとって提供することができる。
【0100】
適する重合性基の例には、ビニル、アクリル、マレイン、イタコン、不飽和脂肪酸、および他のエチレン性およびアセチレン性不飽和炭化水素基などの遊離基生成物が挙げられる。好ましい実施形態において、重合性基は追加モノマーおよび他の試薬(例えば、開始剤)の存在下で付加重合を行うように適応されて、安定フィルムを形成する。重合は、水性遊離基溶液重合、熱への曝露、高エネルギー照射、超音波、紫外線照射、および水可溶性または膨潤性ポリマーを生成するためのイオン重合触媒を含むあらゆる適する反応を介して行うことができる。さらに、基の重合は塩基触媒水素移動重合を介して行うことができる。本記載を考えると、当業者は、こうした基がリガンドを他のモノマーと、次にそれらの対応接合体と共重合させて完全な高分子構造体、例えば、次にアッセイアレー支持体表面として用いるかまたはそこに移送することができるフィルム裏当ての形態をとるように用いることができるやり方を理解するであろう。
【0101】
この実施形態において、一旦マスター・アレーのアドレス・オリゴヌクレオチドが、それぞれ、多リガンド接合体のそれらそれぞれの第一結合性領域とハイブリッド形成してしまうと、重合性基は、試薬および当業者の技能内の条件を用いて反応しポリマーフィルムの形成を可能とすることができる。重合性基は、マスター・アレーにより確定されるそれらそれぞれの位置を実質的に維持しながら、フィルム裏当てに共重合される。フィルムは、それが各「アドレス」の空間的に確定された位置を維持するために十分安定である(例えば、自己支持性)ように存在するか、または場合により安定化(例えば、ゲル化か、別の層を積層するか、またはさもなければ固形化する)させて用いることができる。同時にまたはその後、この高分子裏当ては、接合体の所期の配向性を維持するやり方において、アッセイアレー表面に移送されるか、またはさもなければその中に組み込むことができる。
【0102】
本発明により、多リガンド接合体の個々のリガンドは、あらゆる適するやり方および/または順序において、例えば、個別にまたは一緒に(例えば、直鎖配列において、且つ単一の位置または複数の位置で)コア原子または分子に結合することができる。例えば、一つの実施形態において、リガンドは、例えば同様の反応条件下で、同時にコアに結合される。場合により、第三リガンドとして役立つリガンドは、マスター・アレーのアドレス・オリゴヌクレオチドと多リガンド接合体により提供される相補的オリゴヌクレオチド間のハイブリッド形成後にコアに結合される。この実施形態において、第三リガンドは別個の試薬として存在するが、しかし、第三リガンドの結合は第一および第二結合性領域と同じかまたは同様の反応条件下で行うことができる。なお別の実施形態において、各リガンドは別個の反応の別個の条件下でコアに結合される。
【0103】
これらリガンドの多リガンド接合体のコアへの結合の配列は、本発明に対して決定的であるとは考えられず、個々の活性(例えば、結合性)領域がそれらの特定補体を結合することに対して利用可能である限り、それらは任意の順序でコアにまたは互いに結合することができる。特に好ましい実施形態において、各個別の結合性領域は、表面上の複数の位置で、個別にコアに結合される。
【0104】
一つの実施形態において、エポキシ−ガラス表面は、その後第一および第二リガンド結合性領域、ならびに第三リガンドと反応する移送マイクロビーズの表面上で形成される。この実施形態において、グリシドキシプロピルトリエトキシ・シロキサンは、公表されている反応条件(「Grafting Rates of Amine−Functionalized Polystyrenes onto Epoxidized Silica Surfaces,」Macromolecules,33:1105〜1107(2000)を参照すること)下でガラスマイクロビーズと反応して、エポキシ−ガラス表面を提供する。それぞれがスペーサ上でアルキルアミン基により末端処理された本発明の三つの結合性領域は、ビーズの表面上でエポキシ基と容易に結合することができる。
【0105】
第一および第二オリゴヌクレオチド結合性領域はあらゆる適する方式において移送マイクロビーズに結合することができ、例えば、アルキルアミン末端処理された核酸は合成され、熱化学的に結合することができる。上述のように、第一結合性領域はマスター・アレー支持体表面上に固定化されるアドレス・オリゴヌクレオチドに対して相補的であるオリゴヌクレオチドを含むが、一方で、第二結合性領域は試験しようとする試料中に存在すると疑われるかまたは知られる選択された標的核酸に対して相補的である。上述のように、第一リガンド結合性領域の配列は、好ましくは、互いに、または生体試料中に存在する有意な確率を持つあらゆる公知の天然の遺伝子配列および/または遺伝子断片のどちらに対しても相補的でない。
【0106】
一つの実施形態において、第一および第二リガンド結合性領域は、アルキルアミン核酸誘導体の形態をとって提供され、第三リガンドはビオチン・ヒドラジドの形態をとって提供される。コアは光反応性ポリ−N−オキシスクシニミド(ポリNOS)またはエポキシド表面を与えられるマイクロビーズとして提供される。アルキルアミン誘導体およびビオチン・ヒドラジドはコアの表面と反応して、結合性リガンドおよび第三リガンドの結合を可能とする。あるいは、5’−OHオリゴヌクレオチドおよびアリルアミン・オリゴヌクレオチド誘導体は、第一および第二リガンド結合性領域として用いられ、第三リガンドは、可溶性分子核としての三塩化トリアジンと共に、ビオチン・ヒドラジド(結合性リガンド)またはアリルアミン(重合性基、パターン化フィルムの現場形成用)として提供される。
【0107】
代替の実施形態において、第三リガンドは、多リガンド接合体のコアに結合されるよりはむしろ溶液において提供される。この実施形態において、第三リガンドは、マスター・アレーのアドレス・オリゴヌクレオチドとその相補的な多リガンド接合体の第一結合性領域とのハイブリッド形成後に組み込まれる。従って、この実施形態において、第三リガンドは、多リガンド接合体の結合後、且つアッセイアレーがマスター・アレーとの結合距離に近接させられる前に、マスター・アレー上に形成される複合体中に組み込まれる。好ましくは、第三リガンドの追加は第一および第二結合性領域のそれとは異なる反応条件を必要とはせず;むしろ、第三リガンドの追加は同じ条件下で行うことができる。
【0108】
好ましい実施形態において、第三リガンドは光反応化学を用いて多リガンド接合体に結合される。この実施形態において、マイクロビーズの表面は、例えば、光反応性化合物との反応用の表面を調製するためにオルガノシロキサンにより前処理される。この実施形態において、第三リガンドは、次に光反応性基に結合される親水性スペーサに結合される。光反応性基は、スペーサ(結合性リガンドに結合される)と多リガンド接合体のコア間の結合形成を可能とする。
【0109】
第三リガンドは、好ましくは、コアが懸濁性粒子または可溶性分子を含もうが含むまいが、コアに共有結合的に結合される。一つの実施形態において、第三リガンド誘導体には、多リガンド接合体のコアの上に見出されるかまたは置かれる標的基との共有結合を形成するために選択される反応性基が含まれる。例えば、コアはエポキシまたは活性エステル基を含有することが可能であり、第三リガンドはアミンまたはヒドラジド基を含有することが可能であり;これら二つのクラスの反応性基は、水性でわずかにアルカリ性の状態中に一緒に置かれる場合、反応して共有結合を形成する。コアが例えば懸濁性粒子を含む場合、ビオチン−ポリ(アルキレンオキシド)アミン誘導体は、光反応性基およびN−オキシスクシニミド(NOS)エステル基を含有する可溶性コポリマーと反応するであろう(他の二つのリガンドまたはリガンド結合性領域のアミン含有誘導体であろうように)。この多リガンド接合誘導体はコア粒子に光化学的に結合されるであろう。
【0110】
代替の実施形態において、本発明がマスター・アレーの表面上に固定化され、アドレス・オリゴヌクレオチドに共有結合的に結合される多孔質連結マイクロビーズの使用を含む場合、多リガンド接合体のコアとしての移送マイクロビーズは必要とされない。この実施形態において、多孔質連結マイクロビーズはマスター・アレーの表面上に固定化され、それぞれの多孔質連結マイクロビーズはその表面に結合される複数のアドレス・オリゴヌクレオチドを有することができる。この実施形態により、多リガンド接合体は、アドレス・オリゴヌクレオチドに相補的な第一結合性領域、生体試料中に見出される標的リガンドに相補的な第二結合性領域、および結合性リガンドを含む第三リガンドを包含する。多リガンド接合体は、好ましくは、移送マイクロビーズを含まず、むしろ化学的(例えば、分子の)コアを含む。
【0111】
複数の多リガンド接合体はマスター・アレーに塗布され、マスター・アレーのアドレス配列と多リガンド接合体内に含有されるその相補的なオリゴヌクレオチドとのハイブリッド形成を可能とするために適する条件下で培養される。当業者は、アドレス・オリゴヌクレオチドと第一結合性領域とのハイブリッド形成のための温度、塩濃度、および緩衝液組成の適する条件を確定できる。ハイブリッド形成条件およびそれらを適用するための方法の検討に関しては、pages3〜15,62〜66,73〜112,Nucleic Acid Hybridization:A Practical Approach,Hames and Higgins,eds.(1985)を参照すること。その開示は本明細書において参考のために包含する。
【0112】
アッセイアレー支持体
本発明のアッセイアレー支持体は、多リガンド接合体の第三リガンドのための結合性部位により好ましくは被覆される支持体表面を含む。アッセイアレー支持体は、マスター・アレーを用いて組立てられようとする複製アレーに対する支持体を提供する。
【0113】
アッセイアレー支持体はあらゆる適する材料から製造されて、寸法安定性、形状、および平滑さなどの特性の最適組合せを提供する。アッセイアレーを組立てることにおける使用のための適する材料には、マスター・アレーそれ自体に有用であると記載されたものが挙げられ、好ましくはシリコンおよびガラスが挙げられる。特に好ましい実施形態において、アッセイ支持体は、約0.5cm〜約7.5cm長間、および約0.5cm〜約7.5cm間、好ましくは約1cm〜約2cm幅の平面寸法で提供される。好ましくは、アッセイアレー支持体は、直接的空間関係を提供するために、マスター・アレーに見合う寸法のものである。
【0114】
なお別の実施形態において、多アレーは単一アッセイアレー支持体上に複製することができる。この実施形態において、1以上のマスター・アレーは、アッセイアレー支持体上の確定面において個々の複製アレーを創造するために用いられる。得られるアッセイアレーは単一支持体表面上に多プローブアレーを含有し、各アレーの組成は、要望通りに特定の用途のために合わすことができる。
【0115】
本明細書において用いられる「結合性部位」は、多リガンド接合体の第三リガンドを結合することができるアッセイアレーの表面上の部分を指す。好ましくは、結合性部位は、共有結合的または非共有結合的な態様で、相補的結合性部分、例えば多リガンド接合体の第三リガンドと結合することができる特異的結合性対の構成員を含む。適する特定の結合性対は、多リガンド接合体の第三リガンドに関して本明細書において記載される。当業者は、多リガンド接合体の組成およびアッセイアレーの所期の用途に基づき適する結合性部位を選択することができる。
【0116】
個々のアッセイアレー支持体の表面は、配向された接合体層の結合を容易にするために前処理することができる。好ましい実施形態において、アッセイアレーは、洗浄され、磨かれ、処理されて平滑な酸化シリコン表面を提供するシリコンチップの形態をとって提供される。次に、酸化シリコン表面は、オルガノシロキサン試薬により処理されて(本明細書において記載されるように)、平滑な光活性化性表面を提供することができる。
【0117】
一つの実施形態において、本発明のアッセイアレー支持体は、多リガンド接合体の第三リガンドとの結合を形成するために利用可能な結合性の相手分子により被覆することができる。アッセイアレー支持体表面は、表面を光活性化性化合物(例えば、光反応性シロキサン試薬)により被覆して、表面に光反応性を与えることによって調製することができる。その後、アッセイアレー支持体表面は結合性の相手分子(例えば、アビジン)を含有する溶液にさらすことができ、その溶液は結合性の相手とアッセイアレーの表面間の結合形成を可能とするために照射される。場合により、アッセイアレーの表面は、結合性相手に対する曝露の前および/または後に、例えば、界面活性剤(例えば、ビオチン・トリブロックコポリマー)を用いて皮膜で保護されて、試験試料中に見出される分子のアッセイアレー支持体表面への非特定結合を防止する。
【0118】
好ましい実施形態において、結合相手はアッセイアレー支持体表面上に単層の形態をとって提供される。場合により、結合相手は、三次元層、例えば、十分な厚さ、例えば約20ミクロン(μ)厚さまでのアビジン−ヒドロゲル複合材の形態をとって提供することができる。三次元層の厚さは、用いられるポリマーの分子量、ポリマーの膨潤性(例えば、親水性)、および適用材料の量(例えば、濃度および体積)などの要因に応じて決まる。適する厚さは、約0.1μ〜約20μ、好ましくは約0.5μ〜約10μ、さらに好ましくは約0.5μ〜約5μである。こうした構造体は、例えば、光反応性アッセイアレー表面に、アビジンに光反応性ヒドロゲル(例えば、ベンゾイルベンズアミドプロピル・メタクリルアミドとビニルピロリドンまたはアクリルアミドとのコポリマー)をプラスした溶液を担持させ、湿っている間に照射することにより得ることができる。
【0119】
別の好ましい実施形態において、結合相手は、寸法的に安定なアッセイアレー支持体表面に塗布される光ポリマーの薄いフィルムにより提供される。高表面密度(例えば、0.1pモル/mm)の高親和性リガンド基(例えば、ビオチン)を含有する保護用界面活性剤の自己組織化単層膜が、光反応性表面に塗布される。次に、単層界面活性剤膜は表面に光結合され、あらゆる非結合界面活性剤はすすがれて分離される。皮膜で保護されたリガンド担持表面は、高親和性結合相手分子(例えば、x−アビジン)により飽和され、あらゆる余剰な結合相手はすすがれて分離される。適する高親和性結合相手分子には、例えば、x−アビジン膜、または高親和性抗体(例えば、抗ジゴキシゲニン)が挙げられる。
【0120】
場合により、システムには、さらに、例えば相補的でハイブリッド形成されたオリゴヌクレオチド(例えば、マスター・アレーのアドレス・オリゴヌクレオチドおよび多リガンド接合体により担持されるその相補的なオリゴヌクレオチド)を解離することにおける使用のための試薬または他の機構を含む、他の成分もまた挙げられる。例えば、ハイブリッド形成されたDNAを解離するための適する機構には、システムの温度、pH、または塩濃度を変更する技術または試薬が挙げられる。当業者は、ハイブリッド形成されたDNAを解離し、本明細書において本発明を達成するためにこうした機構を適用することができよう。
【0121】
場合により、システムには、さらに、核酸標的の特定アドレスへのハイブリッド形成を検出するために市販されている走査器(例えば、モレキュラー・ダイナミクス(Molecular Dynamics)から市販されている共焦点蛍光顕微鏡)が含まれる。
【0122】
方法
別の態様において、本発明は核酸アレーを再現良く調製するための方法を提供し、該方法は:
a)支持体表面を有するマスター・アレーを提供し;
b)パターン化アレーの形態をとるマスター・アレー支持体表面上に複数のアドレス・リガンドを固定化し;
c)固定化されたアドレス・オリゴヌクレオチドのパターンを確定し;
d)各多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様でマスター・アレーのアドレス・リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも一つの分子の第一リガンド結合性領域(iii)相補的な態様で特異的な標的リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも一つの分子の第二リガンド結合性領域、および(iv)少なくとも一つの分子の第三リガンドを含み、該第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドがコアに結合されている、複数の多リガンド接合体を用意し;
e)各アドレス・リガンドが多リガンド接合体のその相補的な第一リガンド結合性領域を結合することを可能とするために適する条件下で、多リガンド接合体をマスター・アレー支持体表面と接触させ、培養し;
f)アッセイアレー支持体表面を提供し;
g)接合体がマスター・アレー上のそれらのパターンに対応するパターンにおいてアッセイ支持体に移送されることを可能とするために適する条件下で、結合された多リガンド接合体をアッセイ支持体表面と接触させ;そして
h)接合体が所期のパターンでアッセイ支持体表面上に残ることを可能とするやり方において、第一リガンド結合性領域をマスター・アレー支持体から解離する、
ことを含む。
【0123】
別の態様において、本発明は核酸アレーを複製可能なように調製するための方法を提供し、該方法は:
a)支持体表面を有するマスター・アレーを用意し;
b)パターン化アレーの形態をとるマスター・アレー支持体表面上に複数のアドレス・リガンドを固定化し;
c)固定化されたアドレス・オリゴヌクレオチドのパターンを確定し;
d)各多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様で特異的なアドレス・リガンドおよび特異的な標的リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも一つの分子の第二リガンド結合性領域および(iii)少なくとも一つの分子の第三リガンドを含み、ここで該第二リガンド結合性領域および第三リガンドがコアに結合されている、複数の多リガンド接合体を用意し;
e)各アドレス・リガンドが多リガンド接合体のその相補的な第二リガンド結合性領域を結合することを可能とするために適する条件下で、多リガンド接合体をマスター・アレー支持体表面と接触させ、培養し;
f)アッセイアレー支持体表面を提供し;
g)接合体がマスター・アレー上のそれらのパターンに対応するパターンにおいてアッセイ支持体に移送されることを可能とするために適する条件下で、結合された多リガンド接合体をアッセイ支持体表面と接触させ;そして
h)接合体が所期のパターンでアッセイ支持体表面上に残ることを可能とするやり方において、第二リガンド結合性領域をマスター・アレー支持体から解離する、
段階を含む。
【0124】
場合により、本方法は、さらに、第二アッセイアレーを調製するために、段階h)で製造されたアッセイアレー支持体表面を用いる段階を含む。多リガンド接合体の第二セットは、元のマスター・アレーと実質的に同一の複製品である第二アッセイアレーを生成するために用いられる。多リガンド接合体の第二セットは、本明細書における教示により組立てることができる。この実施形態において、第二アッセイアレーの核酸配列は、元のマスター・アレーの核酸配列に対して実質的に同一である。
【0125】
好ましい実施形態において、マスター・アレー支持体表面上へのアドレス・リガンドの固定化は不規則であり、各アドレスの位置は、アドレス・リガンドが表面上に固定化されてから後に確定される。好ましくは、アドレス・リガンド、第一リガンド結合性領域、および第二リガンド結合性領域は核酸配列であり、第三リガンドは結合性リガンドまたは重合性基を含む。使用において、3以上のリガンドを担持する多リガンド接合体のコアは同じ数で混合され、緩衝水溶液中に懸濁することができる。この懸濁液は、試料中に検出されることが期待される標的核酸の特徴的なオリゴヌクレオチド配列に相補的なオリゴヌクレオチド配列を担持する各移送マイクロビーズの余剰分(マスター・アレー上のマイクロビーズのハイブリッド形成能力を超える)を含有することができる。
【0126】
マスター・アレー表面は多リガンド接合体の選択された混合物のこの懸濁液で溢れさせることができると共に、固形状ハイブリッド形成はほぼ平衡まで進行させることを可能とすることができる。次に、余剰の多リガンド接合体は、すすぎ洗いによりハイブリッド形成したマスター・アレーから回収され、結合された接合体は、アッセイアレー上において、共重合されて安定な裏当てを形成するか(第三リガンドが重合性基を含む場合)、または対応する結合相手に結合する(第三リガンドが結合性リガンドを含む場合)ことができるかのいずれかである。次に、マスター・アレーは反復複製法に利用可能である。
【0127】
マスター・アレーは繰り返し用いられて、次に、例えば湿気のあるまたは乾燥した状態において、包装され、保存され、輸送することができる対応するアッセイアレーを調製することができる。その包装から外されると、アッセイアレーは走査器による日常のハイブリッド形成アッセイ・プロトコルにおいてすぐに使用できる。さらに、本発明は用途の広いマスター・アレーを提供する−マスター・アレーは、実質的に同一のアレーを創造するため、またはアレーの機能を変更するため(例えば、ユーザーが試料中に検出しようとする標的核酸を変更することができるように、標的核酸の特徴的なオリゴヌクレオチド配列に相補的なオリゴヌクレオチド配列を変更するため)に使用し、再使用することができる。
【0128】
当業者は、本記載から考えて、市販されているマイクロアレーが、それら自体が本発明のマスター・アレーとして用いられ、1回以上複製されて対応するアッセイアレーを形成することができるやり方を理解するであろう。この場合において、市販されているアレーの個々の核酸は、それらの元の特異性とは無関係に、それぞれが単なるアドレス配列として考えられ、あらゆる望ましい特定性のアッセイアレーを提供するために本明細書において記載されるやり方で用いることができる。ユーザーは各アドレスの配列を確定し、本明細書における教示を用いて多リガンド接合体の第一結合性リガンドを組立てることができる。
【0129】
なおさらなる態様において、詳しくは第三リガンドが結合性リガンドの形態をとって提供される場合、本発明は以下を含むサンドイッチ・アレーを提供する:
a)その上に固定化された複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレー;
b)各多リガンド接合体が(i)各分子が相補的な態様でマスター・アレーの特異的なアドレス・リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む第一リガンド結合性領域の分子、(ii)各分子が相補的なやり方で特徴的な標的リガンドに結合するために選択されるリガンドを含む第二リガンド結合性領域の分子、および(iii)少なくとも一つの分子の第三リガンドの、をそこに結合したコアを含み、ここで該第一リガンド結合性領域がマスター・アレー上に固定化される対応アドレス・リガンドに結合されている、複数の多リガンド接合体;および
c)アッセイアレーの結合部位が多リガンド接合体の対応する結合性リガンドに結合される第三リガンドに対する結合部位により被覆される支持体表面を含むアッセイアレー支持体。
【0130】
場合により、サンドイッチ・アレーは、さらに、マスター・アレーの表面上に固定化される連結マイクロビーズを含み、連結マイクロビーズはそこに複数のアドレス・オリゴヌクレオチドを結合させる。
【0131】
キット
なお別の代替実施形態において、本発明は、再現良く核酸アレーを調製するための1以上の成分を含む対応キットを提供し、キット成分は以下からなる群から選択される:
a)その上に固定化された複数の「アドレス」リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレーであって、リガンドはパターン化アレーの形態をとる;
b)各多リガンド接合体が(i)各分子が相補的な態様でマスター・アレーの特異的なアドレス・リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む第一リガンド結合性領域の分子、(ii)各分子が相補的な態様で特徴的な標的リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む第二リガンド結合性領域の分子、および(iii)第三リガンドの少なくとも一つの分子、を結合したコアを含む複数の多リガンド接合体;
c)第三リガンドに対する結合部位により被覆される複製アレー用の支持体表面を含むアッセイアレー支持体。
【0132】
場合により、本発明のキットは、さらに、適切なpHレベルを提供するための適する緩衝液、およびハイブリッド形成のための塩濃縮物などの、本明細書において記載されるアッセイを行うための試薬を含む。キットは、さらに、マスター・アレー上のアドレス・オリゴヌクレオチドの位置、およびアッセイアレー上のハイブリッド形成標的核酸の存在を確定するためのアレー・リーダーを含む。
【0133】
再利用可能な核酸アレー
なお別の代替実施形態において、本発明は、再利用可能な核酸アレーの形態をとって複製可能なアレーを直接的に調製するための方法およびシステムを提供する。この実施形態において、核酸がそれに固定化される表面は光ファイバー・アレーにより提供され、マスター・アレー支持体表面はファイバーそれら自体の遠位末端により提供される。場合により、および好ましくは、マイクロ・ウエル(micro−wells)は光ファイバーの遠位末端中にエッチングされる。
【0134】
こうした実施形態において、従来の光ファイバー束は、試料中の多様な標的核酸を検出するための特定の結合性アレー・バイオセンサー・システムとしての使用のために適応させることができる。商業的な供給源は、何千もの(例えば、3,000〜100,000)六方密構造の個々に被覆された光ファイバーを含む、光イメージング・ファイバー束を提供する。アレー中の各ファイバーは、ファイバーの一端から他端までそれ自身の単離された光信号を伝送する。個々の特定結合性リガンドは各ファイバーの一端に結合することができると共に、他端は機能的に光信号分析器(例えば、CCDカメラ)に接続される。
【0135】
ファイバー束のアッセイ末端(特定結合性リガンドを含有する)は、未知の標的および光アッセイ・システムの他の必要な試薬(もしもあれば)を含有する試料溶液にさらされる。光信号パターンは、画像解析システムを用いて、束の他端で記録され、解析される。
【0136】
出願人は、標的配列の相補的なオリゴヌクレオチド結合性領域が、あらゆる適するやり方で、例えば、直接的に、または可逆的または非可逆的に結合された連結分子またはマイクロビーズのいずれかによって、光アッセイアレー表面に結合することができることを見出してきた。次に、オリゴヌクレオチド結合性領域の究極の位置が確定され(例えば、光手段およびアッセイにより)、好ましくは制御され(例えば、再利用可能なアドレス領域の使用により)、場合により平らな表面上に複製する(例えば、可逆リンカーの使用により)ことができる。
【0137】
一つの好ましい実施形態において、システムは複数の多リガンド接合体を含み、各多リガンド接合体は、a)対応するアドレス・リガンドと結合するように適応される第一オリゴヌクレオチド結合性領域、およびb)標的核酸の特徴的なオリゴヌクレオチド配列(例えば、遺伝子および/または遺伝子断片)に相補的な第二オリゴヌクレオチド結合性領域の分子を含む。アドレス・リガンドは、直接的か、またはリンカーまたはマイクロビーズの使用によるかのいずれかで、マスター・アレーの遠位末端上に固定化される。次に、多リガンド接合体はそれぞれのアドレスされたファイバーに既知の検体特異的なリガンドを担持させる。束中のファイバー上の検体特定リガンドのセットは任意に変更できる。
【0138】
別の実施形態において、オリゴヌクレオチド結合性領域の結合は、マイクロビーズを用いて達成される。この実施形態において、マイクロビーズは、それがオリゴヌクレオチド結合性領域に結合されるように調製される。次に、マイクロビーズおよび結合性領域はアッセイアレー支持体表面に結合される。マイクロビーズの結合は、例えば、アビジン−ビオチンなどのあらゆる適する結合性対を用いて達成することができる。代替実施形態において、光反応性試薬はマイクロビーズをアッセイアレー支持体表面に結合するために用いることができる。アドレス・オリゴヌクレオチドのマイクロビーズへの結合、およびマイクロビーズのマスター・アレー表面への結合は、本明細書において記載されるあらゆる適する方法を用いて達成することができる。
【0139】
場合により、システムはさらに画像解析器を含む。この実施形態において、ファイバー束は、一端で、これらの多センサー(例えば、ファイバー)からの信号を収集し情報を処理する光センサーに接続される。
【0140】
こうした方法において、本発明は、ユーザーがそれぞれ特定の用途用に核酸アレーの機能を変更することができる再利用可能な核酸アレーを提供する。例えば、リンカーまたはマイクロビーズはイミノビオチンにより被覆することができ、マスター・アレー支持体表面はビオチンにより被覆することができる。こうしてリンカーまたはマイクロビーズは可逆的にアッセイアレー支持体表面に結合することができる。リンカーまたはマイクロビーズは、より低いpHによってリンカーまたはマイクロビーズがアッセイアレー支持体表面と解離してしまうように、pHを変更することにより解離することができる。
【0141】
一つの実施形態において、マイクロ・ウエルは、当該技術分野において公知の技術を用いて、各光ファイバーの遠位末端中にエッチング処理を施すことができる。例えば、湿式化学エッチング手順は、選択的に個々のファイバーのコアにエッチング処理を施すために用いることができる。この技術は、コアとファイバーのクラッド材間のエッチング速度の違いを活用する。エッチング時間を制御することにより、当業者は、高密度で順序付けられた、公知の形状のマイクロ・ウエルアレーおよびウエル体積が得られるやり方を理解するであろう。ウエル構築物は予備成形想定ファイバーにより確定される。各マイクロ・ウエルがそれ自身の光ファイバーの末端で得られるので、各ウエルは個々のセンサーとして役立つことができる。好ましくは、エッチングされたマイクロ・ウエルの直径は、そこでの接続に用いられる個々の連結マイクロビーズのそれよりもわずかに大きい。
【0142】
例えば、一つの実施形態において、結合された1以上のオリゴヌクレオチド結合性領域を有する複数のマイクロビーズを含有する溶液は、光ファイバー束の表面に添加される。好ましくは、オリゴヌクレオチド結合性領域は、検出および/または定量化しようとする標的核酸に対して相補的である。個々の連結マイクロビーズは、溶液が放置されて光ファイバー束の表面から蒸発するので、各マイクロ・ウエル中に不規則に定着する。場合により、および光反応性化合物がこの実施形態に関連して用いられる場合、光ファイバーは、連結マイクロビーズが各光ファイバーの表面に光結合することを可能とするように照射される。場合により、次に、余剰のマイクロビーズはファイバー束の表面から洗浄される。
【0143】
例えば、ファイバーの遠位末端上へのビーズまたはオリゴヌクレオチド結合性領域の固定化は、マイクロ・ウエル内で、ウエル表面との結合を形成するための光活性化性化合物を用いて達成することができる。一つの実施形態において、光ファイバーのウエル表面は光反応性シロキサン試薬により被覆され、その後、遊離(すなわち、非結合の)オリゴヌクレオチド結合性領域を含有する溶液はウエル表面に塗布される。次に、溶液は照射され、光反応性基を活性化し、オリゴヌクレオチド結合性領域とウエル表面間の結合形成をもたらす。照射はファイバーを通過してウエル中に活性化光を通すことにより達成される。
【0144】
上述のように、ファイバー束のそれぞれ個々のファイバーは、一端でエッチングされてマイクロビーズ用の凹面容器を提供することができる。光反応性オルガノシロキサン試薬は、アミノプロピルジメチル・メトキシ・シロキサンなどの市販されているオルガノシロキサン試薬を、ベンゾイル安息香酸の酸塩化物などの熱化学的反応性光試薬と結合させることにより調製することができる。光反応性シロキサン試薬は、画像解析器束中のエッチングされた光ファイバーの凹面シリコン・オキシド表面と反応する。代替実施形態において、各マイクロ・ウエルはx−アビジンにより被覆されてビオチンと反応する表面を創造する。この実施形態において、マイクロビーズはビオチンまたはイミノビオチン誘導体により被覆される。本明細書において記載されるように、あらゆる特異的結合性対はこうした結合に適する。
【0145】
好ましくは、連結マイクロビーズは球形であり、個々の光ファイバーのそれとほぼ等しい(またはわずかに小さい)直径のものである。本発明の連結マイクロビーズは、例えば、ガラス、ポリスチレン、ポリビニルベンゾフェノン、フォトポリシロキサン被覆ガラスを含むあらゆる適する材料から製造される。好ましくは、マイクロビーズは水のそれよりも大きい比重を有し、有機試薬との結合を受けやすい化学組成物を有する。
【0146】
オリゴヌクレオチド誘導体は、本明細書においてさらに詳しく記載されるように、公表され商業的に用いられる方法により合成することができる。オリゴヌクレオチド配列の長さは、所期のハイブリッド形成強度および速度のために最適化される(通常20〜50ヌクレオチド範囲内)。オリゴヌクレオチド配列は、選択される標的核酸に対して相補的である。
【0147】
「アドレス・オリゴヌクレオチド」誘導体は、光ファイバー末端用のエポキシ活性化連結マイクロビーズに結合することができる。好ましい実施形態において、例えば、ほぼファイバー直径の均一なシリカ球は、本発明においてオリゴヌクレオチド誘導体のアミン基に結合するために有用な熱化学的反応性基(例えば、エポキシ基)を含有する市販のオルガノシロキサン試薬と反応する。グリシドキシプロピルトリエトキシ・シロキサンは、公表されている反応条件下でガラス・マイクロビーズと反応してエポキシ・ガラス表面を提供する。本発明のアドレス・オリゴヌクレオチド誘導体は、スペーサ上でアルキルアミン基が末端部をなしており、連結マイクロビーズの表面上のエポキシ基と容易に結合する。
【0148】
エッチングされた光反応性光ファイバーの束は、連結マイクロビーズのスラリーにさらされ(ファイバー当り少なくとも一つのタイプのアドレス・オリゴヌクレオチドを提供するために十分な数で)、各マイクロビーズはその表面上に固定化されたアドレス・オリゴヌクレオチド配列を有する。好ましくは、一つのオリゴヌクレオチド結合性領域は各光ファイバー・ウエルに結合される。この実施形態において、マスター・アレーは再利用可能である。このスラリーは、所期のアドレス・オリゴヌクレオチド配列それぞれとほぼ等しい数のビーズから成る。オリゴヌクレオチド配列を提供するビーズの数は、好ましくは、それぞれの標的核酸特定部位の余剰性(少なくとも3倍)を提供するために十分なものである。溶媒(好ましくは水性)が暗所または薄明かりの中において光反応性表面上でスラリー・プールから蒸発するので、均一サイズのビーズはファイバーの順序付けられた配置中の末端で凹面ポケット中に残る。次に、オリゴヌクレオチド配列を提供する連結マイクロビーズは、乾燥状態での照射により「固定化」されて、光ファイバー表面上の光反応性基とアドレス・オリゴヌクレオチド・ビーズ上の有機基(大抵はオリゴヌクレオチド)間の炭素−炭素結合を形成する。余剰のマイクロビーズはシステムからすすぎ洗いされる。
【0149】
得られる光ファイバー束は、そのファイバーの一端上に標的核酸配列に相補的なオリゴヌクレオチドの安定で順序付けられた配置を有し、次に、オリゴヌクレオチド配列の位置は、本明細書において詳しく記載されるように、各添加の間におけるすすぎ洗いおよびアレーのリーディングを伴う、アレーに対する蛍光標識された相補的な配列の逐次的な添加を含む従来の蛍光ハイブリッド形成法により確定することができる。
【0150】
一つの好ましい実施形態において、相補的配列は蛍光体により標識される。それぞれの配列に相補的な蛍光標識オリゴヌクレオチドは合成され、それぞれは相互に識別することができるいくつかの(例えば、10の内1)異なる蛍光化合物を含有する。従って、各オリゴヌクレオチドは、公知の配列および公知の識別可能な標識を有する。それぞれが表面上のオリゴヌクレオチド配列に相補的な異なる公知の配列、および類似の数の識別可能な蛍光体の内一つを有するいくつかのオリゴヌクレオチドは、同時に表面に塗布され、55℃で30分間にわたりハイブリッド形成される。
【0151】
次に、表面はすすぎ洗いされ、解析されてそれぞれの配列の位置を識別する。次に、配列の別のセットは表面にハイブリッド形成され、走査されて配列の第二セットを識別する。この方法はすべての位置が識別されるまで続けられ、その後マスター・アレーは沸騰水中に2分間浸漬することにより剥がされる。次に、それは試料中の標的核酸の存在を検出するために使える状態にある。
【0152】
使用において、マスター・アレーは、複数の標的核酸配列(例えば、遺伝子および/または遺伝子断片)を含有する試験溶液にさらされる。試験溶液は蛍光標識を介して標識化されて、結果の視覚化を可能とする。試験溶液は、オリゴヌクレオチド結合性領域が試料内に含有される標的核酸にハイブリッド形成することを可能とするような条件下で培養される。次に、非結合溶液はマスター・アレーからすすぎ洗いされる。ハイブリッド形成された核酸配列は上述のアレー・システムのCCDカメラを用いて視覚化される。
【0153】
アッセイアレーは0.05%Tween20を含有するリン酸緩衝生理食塩水(PBS/Tween)により洗浄され、次に、4XSCC(0.6M NaCl、0.06Mクエン酸塩、pH7.0)、0.1%(w/v)ラウロイルサルコシン、および0.02%(w/v)ドデシル硫酸ナトリウムからなるハイブリッド形成緩衝液により55℃で30分間にわたり遮断される。アレー上に固定化されたオリゴヌクレオチド・プローブの一つに相補的な配列を有するDNAを含有する試料は、ファイバーの支持体表面に塗布され、シールされたハイブリッド形成室において55℃で1時間にわたり培養される。次に、支持体表面は55℃で5分間にわたり0.1%SDS(ドデシル硫酸ナトリウム)を含有する2XSSCにより洗浄され、その後、標的DNA上の別の配列に相補的である蛍光標識検出プローブの50fモルが支持体表面に塗布され、55℃で1時間にわたり培養される。次に、支持体表面は55℃で5分間にわたり0.1%SDSを含有する2XSSCで洗浄され、続いて0.1XSSCで洗浄され、次に、乾燥されると共に、蛍光パターンが画像解析機器により記録される。
【0154】
当業者は、本発明が特定のファイバー束と一体化した多様なオリゴヌクレオチド配列を提供することができることを理解するであろう。一つの実施形態において、例えば、ファイバー・ウエル(wells)は個々に特定の結合剤により被覆される。別の実施形態において、ファイバー・ウエルは同時に一般的な結合剤(例えば、イミノビオチン)により被覆される。この実施形態において、ファイバー・ウエルは、それぞれが一般的な結合剤(例えば、x−アビジン)に対する補体を含有する特定の結合剤マイクロビーズの混合物から負荷を受ける。
【0155】
場合により、システムには、さらに、画像解析システム、例えば、関連ソフトウエアを備えたCCDカメラが含まれる。得られるアッセイアレーは従来のやり方で用いることができる、例えば、アッセイアレーは標準的なアレー・リーダーにより読むことができるが、一方でマスター・アレーは再利用されて上述の段階の一部またはすべてを繰り返すことによりさらに多いアッセイアレーを調製することができる。
【0156】
本発明は分子認識に関与するあらゆる分子化学種に適用することができることは当業者に明白である。検討は本発明の核酸適用に関する詳細を提供してきたが、一方で本発明はそのように限定されない。
【0157】
本明細書において参照されまたは引用されたすべての特許、特許出願、仮出願、および出版物は、それらが本明細書の明示的教示と矛盾しない範囲でそれらの全体を参考のために包含する。
【0158】
以下は本発明を実行するための手順を説明する実施例である。これらの実施例は限定するとして解釈されるべきではない。すべての百分率は重量により、すべての溶媒混合物割合は特記のない限り体積による。
【0159】
実施例
実施例1
塩化4−ベンゾイルベンゾイル(BBA−Cl)(化合物I)の調製
4−ベンゾイル安息香酸(BBA)1.0kg(4.42モル)を、還流凝縮器および頂部攪拌器を備える乾燥5リットルモートン(Morton)フラスコに添加し、続いて塩化チオニル645ml(8.84モル)およびトルエン725mlを添加した。次に、ジメチルホルムアミド3.5mlを添加し、混合物を4時間にわたり還流で熱した。冷却後、溶媒を減圧下で除去し、残留塩化チオニルを3X500mlのトルエンを用いて3回の蒸発により除去した。生成物を1:4トルエン:ヘキサンから再結晶化して、真空オーブン中で乾燥後988g(91%収率)を得た。生成物融点は92〜94℃であった。80MHz(HNMR(CDCl))での核磁気共鳴(NMR)分析は所期の生成物:芳香族プロトン7.20〜8.25(m,9H)と合致していた。すべての化学シフト値はテトラメチルシラン内部標準からのppm低磁場である。最終化合物を、例えば、実施例3に記載されているように光活性化性ポリマーの合成において用いられるモノマーの調製における使用のために保存した。
【0160】
実施例2
N−(3−アミノプロピル)メタクリルアミド塩酸塩(APMA)(化合物II)の調製
CHCl1000ml中の1,3ジアミノプロパン1910g(25.77モル)溶液を、12リットルモートン・フラスコに添加し、氷浴上で冷却した。次に、炭酸t−ブチルフェニル1000g(5.15モル)、CHCl250mlの溶液を、反応温度を15℃未満に保持する速度で滴状に添加した。添加後、混合物を室温に暖め、2時間攪拌した。反応混合物をCHCl900mlおよび氷500gで希釈し、続いて2.2NのNaOH2500mlを緩やかに添加した。溶液が塩基性であることを確認する試験後、生成物を分液漏斗に移し、有機層を除去し、抽出物#1としてとっておいた。次に、水性留分をCHCl3X1250mlにより抽出し、各抽出分を別個の留分として保管した。4有機抽出物を、留分#1から始めて留分#4までを通して、単一の0.6NのNaOH1250ml部により継続的に洗浄した。この洗浄手順を新鮮0.6NのNaOH1250ml部により二度目を繰り返した。次に、有機抽出物を混合し、NaSO上で乾燥した。一定重量までの濾過および蒸発により、さらなる精製なしで用いられるN−モノ−t−ブトキシカルボニル−1,3−ジアミノプロパン825gを得た。
【0161】
CHCl1020ml中の無水メタクリル酸806g(5.23モル)溶液を、頂部攪拌器を備える12リットルモートン・フラスコ中に入れ、氷浴上で冷却した。フェノチアジン60mgを阻害剤として添加し、続いてCHCl825ml中のN−モノ−t−ブトキシカルボニル−1,3−ジアミノプロパン825gを滴状に添加した。反応温度をいつも10℃未満に保持するように、添加速度を調整した。添加完了後、氷浴を除去し、混合物を放置して一夜にわたり攪拌した。生成物を2400mlの水で希釈し、分液漏斗に移した。徹底した混合後、水層を除去し、有機層を2NNaOH2400mlにより洗浄し、水層は塩基性であることを確認した。次に、有機層をNaSO上で乾燥し、濾過して乾燥剤を除去した。CHCl溶媒の一部を、生成物および溶媒の混合重量がほぼ3000gになるまで減圧下で除去した。次に、攪拌されたCHCl溶液中へのヘキサン11.0リットルの緩やかな添加により、所期の生成物を沈殿させた。生成物を濾過により単離し、固形物をヘキサン900mlおよびCHCl150mlで2回すすぎ洗いした。固形物の徹底的な乾燥により、DSCによる融点85.8℃のN−[N’−(t−ブチルオキシカルボニル)−3−アミノプロピル]−メタクリルアミドを得た。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)アミドNH’s6.30〜6.80、4.55〜5.10(m、2H)、ビニル・プロトン5.65、5.20(m、2H)、N隣接メチレン2.90〜3.45(m、4H)、メチル1.95(m、3H)、残留メチレン1.50〜1.90(m、2H)、およびt−ブチル1.40(s、9H)。
【0162】
3ツ口、2リットル丸底フラスコに頂部攪拌器およびガス噴霧管を備えた。メタノール700mlをフラスコに添加し、氷浴上で冷却した。攪拌しながら、HClガスをほぼ5リットル/分の速度で計40分間にわたり溶媒中に泡立たせた。最終HCl/MeOH溶液のモル濃度はフェノールフタレインを指示薬として用いる1NのNaOHでの滴定により8.5Mであると測定された。N−[N’−(t−ブチルオキシカルボニル)−3−アミノプロピル]−メタクリルアミド900g(3.71モル)を、頂部攪拌器およびガス出口アダプタを備える5リットルモートン・フラスコに添加し、続いてメタノール溶媒1150mlを添加した。一部の固形物はこの溶媒体積と共にフラスコ中に残存した。フェノチアジン30mgを抑制剤として添加し、続いて8.5MのHCl/MeOH溶液655ml(5.57モル)を添加した。固形物をガス放出により緩やかに溶解したが、反応は発熱的でなかった。混合物を室温で一夜にわたり攪拌して完全な反応を確保した。次に、あらゆる固形物を濾過により除去し、追加フェノチアジン30mgを添加した。次に、溶媒を減圧下で除去し、得られる固形残留物を減圧下の蒸発により3Xの1000mlで共沸蒸留した。最終的に、生成物を還流イソプロパノール2000ml中に溶解し、酢酸エチル4000mlを攪拌しながら緩やかに添加した。混合物を放置して緩やかに冷却し、一夜にわたり4℃に保存した。化合物IIを濾過により単離し、一定重量まで乾燥し、DSCによる融点124.7℃を有する630gの収量物を得た。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(DO)ビニル・プロトン5.60、5.30(m、2H)、アミドN隣接メチレン3.30(t、2H)、アミンN隣接メチレン2.95(t、2H)、メチル1.90(m、3H)、および残留メチレン1.65〜2.10(m、2H)。最終化合物を、例えば実施例3に記載されるように、光活性化性ポリマーの合成に用いられるモノマー調製の使用のために保存した。
【0163】
実施例3
N−[3−(4−ベンゾイルベンズアミド)プロピル]メタクリルアミド(BBA−AMPA)(化合物III)の調製
実施例2に記載される一般的な方法により調製された化合物II120g(0.672モル)を、頂部攪拌器を備えた乾燥2リットル3ツ口丸底フラスコに添加した。フェノチアジン23〜25mgを阻害剤として添加し、続いてクロロホルム800mlを添加した。懸濁液を氷浴上で10℃未満に冷却し、実施例1に記載される一般的な方法により調製された化合物I172.5g(0.705モル)を固形物として添加した。次に、クロロホルム50ml中のトリエチルアミン207ml(1.485モル)を1〜1.5時間帯にわたり滴状に添加した。氷浴を除去し、室温での攪拌を2.5時間にわたり続けた。次に、生成物を0.3NのNaCl600mlおよび0.07NのHCl300mlで2回で洗浄した。硫酸ナトリウム上での乾燥後、クロロホルムを減圧下で除去し、重合を防止するために各再結晶化においてフェノチアジン23〜25mgを用いて4:1トルエン:クロロホルムから生成物を2回再結晶化した。化合物IIIの一般的な収率は90%であり、融点は147〜151℃であった。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)芳香族プロトン7.20〜7.95(m、9H)、アミドNH6.55(幅のあるt、1H)、ビニルプロトン5.65,5.25(m、2H)、アミドN’s隣接メチレン3.20〜3.60(m、4H)、メチル1.95(s、3H)、および残留メチレン1.50〜2.00(m、2H)。最終化合物を、例えば実施例6に記載されるように、光活性化性ポリマーの合成における使用のために保存した。
【0164】
実施例4
N−スクシニミジル6−マレイミドヘキサノエート(MAL−EAC−NOS)(化合物VI)の調製
官能化モノマーを以下のやり方で調製し、実施例6に記載されるように用いてポリマーの主鎖上に活性化エステル基を導入した。6−ヘキサン酸100g(0.762モル)を頂部攪拌器および乾燥管を備える3ツ口3リットルフラスコ中の酢酸300ml中に溶解した。無水マレイン酸78.5g(0.801モル)を酢酸200ml中に溶解し、6−アミノヘキサン酸溶液に添加した。沸騰水浴上で加熱しながら混合物を1時間攪拌し、白色固形物の生成をもたらした。室温での一夜にわたる冷却後、固形物を濾過により収集し、ヘキサン2X50mlによりすすぎ洗いした。乾燥後、(Z)−4−オキソ−5−アザ−2−ウンデセン酸の一般的な収量は158〜165g(90〜95%)であり融点は160〜165℃であった。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(DMSO−d)アミド・プロトン8.65〜9.05(m、1H)、ビニル・プロトン6.10、6.30(d、2H)、窒素隣接メチレン2.85〜3.25(m、2H)、カルボニル隣接メチレン2.15(t、2H)、および残留メチレン1.00〜1.75(m、6H)。
【0165】
(Z)−4−オキソ−5−アザ−2−ウンデセン酸150.0g(0.654モル)、無水酢酸68ml(73.5g、0.721モル)、およびフェノチアジン500mgを、頂部攪拌器を備える2リットル3ツ口丸底フラスコに添加した。トリエチルアミン91ml(0.653モル)、およびテトラヒドロフラン(THF)600mlを添加し、混合物を攪拌しながら熱して還流した。計4時間の還流後、暗色混合物を60℃未満に冷却し、水3リットル中の12NのHCl250ml中に注いだ。混合物を室温で3時間にわたり攪拌し、次に、濾過パッド(セライト(Celite)545、テネシー州、ジャクソンのJ.T.ベーカー(Baker))を通して濾過して固形物を除いた。濾液をクロロホルム4X500mlで抽出し、混合抽出物を硫酸ナトリウム上で乾燥した。重合を防止するためのフェノチアジン15mgの添加後、溶媒を減圧下で除去した。6−マレイミドヘキサン酸を、2:1ヘキサン:クロロホルムから再結晶化し、融点81〜85℃を有する一般的な収量76〜83(55〜60%)を得た。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)マレイミド・プロトン6.55(s、2H)、窒素隣接メチレン3.40(t、2H)、カルボニル隣接メチレン2.30(t、2H)、および残留メチレン1.05〜1.85(m、6H)。
【0166】
6−マレイミドヘキサン酸20.0g(94.7mモル)をアルゴン雰囲気下でクロロホルム100ml中に溶解し、続いてオキサリル・クロライド41ml(0.47モル)を添加した。室温での2時間にわたる攪拌後、最後の余剰オキサリル・クロライドを除去するために用いられる追加クロロホルム4X25mlにより減圧下で溶媒を除去した。酸塩化物をクロロホルム100ml中に溶解し、続いてN−ヒドロキシスクシニミド12g(0.104モル)およびトリエチルアミン16ml(0.114モル)を添加した。室温で一夜にわたる攪拌後、生成物を水4X100mlで洗浄し、硫酸ナトリウム上で乾燥した。溶媒の除去によりさらなる精製なしで用いられる生成物24g(82%)を得た。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)マレイミド・プロトン6.60(s、2H)、窒素隣接メチレン3.45(t、2H)、スクシニミジル・プロトン2.80(s、4H)、カルボニル隣接メチレン2.55(t、2H)、および残留メチレン1.15〜2.00(m、6H)。最終化合物を、例えば実施例6に記載されるように、光活性化性ポリマーの合成における使用のために保存した。
【0167】
実施例5
官能化モノマーの調製:N−スクシニミジル6−メタクリルアミドヘキサノエート(MA−EAC−NOS)(化合物V)
官能化モノマーを以下のやり方で調製し、ポリマーの主鎖上に活性化エステル基を導入するために用いた。
【0168】
6−アミノカプロン酸4.00g(30.5mモル)を、乾燥管を備える乾燥丸底フラスコ中に入れた。次に、無水メタクリル酸5.16g(33.5mモル)を添加し、混合物を室温で4時間にわたり攪拌した。得られた濃厚油をヘキサンにより3回にわたり粉砕し、残留油をクロロホルム中に溶解し、続いて硫酸ナトリウム上で乾燥した。
【0169】
濾過および蒸発後、生成物の一部をクロロホルム溶媒系中の10%メタノールを用いるシリカゲル・フラッシュ・クロマトグラフィーにより精製した。適切な留分を組合せ、フェノチアジン1mgを添加し、溶媒を減圧下で除去した。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)カルボン酸プロトン7.80〜8.20(b、1H)、アミド・プロトン5.80〜6.25(b、1H)、ビニル・プロトン5.20および5.50(m、2H)、窒素隣接メチレン3.00〜3.45(m、2H)、カルボニル隣接メチレン2.30(t、2H)、メチル基1.95(m、3H)、および残留メチレン1.10〜1.90(m、6H)。
【0170】
6−メタクリルアミドヘキサン酸3.03g(15.2mモル)をドライ・クロロホルム30ml中に溶解し、続いてN−ヒドロキシスクシニミド1.92g(16.7mモル)および1,3−ジシクロヘキシルカルボジイミド6.26g(30.4mモル)を添加した。反応物を室温で1夜にわたり乾燥雰囲気下で攪拌した。次に、固形物を濾過により除去し、一部をシリカゲル・フラッシュ・クロマトグラフィーにより精製した。クロロホルム溶媒を用いて非極性不純物を除去し、続いてクロロホルム溶媒中の10%テトラヒドロフランを用いて所期の生成物を溶離した。適切な留分をプールし、フェノチアジン0.2mgを添加し、溶媒を減圧下で蒸発した。少量の1,3−ジシクロヘキシル尿素を不純物として含有するこの生成物を、さらなる精製なしで用いた。NMR分光計での分析は所期の生成物に対応していた:HNMR(CDCl)アミド・プロトン5.60〜6.10(b、1H)、ビニル・プロトン5.20および5.50(m、2H)、窒素隣接メチレン3.05〜3.40(m、2H)、スクシニミジル・プロトン2.80(s、4H)、カルボニル隣接メチレン2.55(t、2H)、メチル1.90(m、3H)、および残留メチレン1.10〜1.90(m、6H)。最終化合物を、本明細書において記載される光活性化性ポリマーの合成における使用のために保存した。
【0171】
実施例6
アクリルアミド、BBA−APMA、およびMAL−EAC−NOSのコポリマー(感光性PA−ポリNOS)の調製
本発明の光活性化性コポリマーを以下のやり方で調製した。アクリルアミド4.298g(60.5mモル)をテトラヒドロフラン57.8ml中に溶解し、続いて実施例3に記載される一般的な方法により調製された化合物III0.219g(0.63mモル)、実施例4に記載される一般的な方法により調製された化合物IV0.483g(1.57mモル)、N、N、N’、N’−テトラメチルエチレンジアミン(TEMED)0.058ml(0.39mモル)、および2,2’−アゾビスイソブチロニトリル(AIBN)0.154g(0.94mモル)を溶解した。溶液をヘリウム噴霧器により3分間にわたり脱酸素化し、続いてアルゴン噴霧器によりさらなる3分間にわたり脱酸素化した。次に、密閉容器を60℃で一夜にわたり加熱して重合を完遂した。固形生成物を濾過により単離し、濾過ケーキをTHFおよびCHClで徹底的にすすぎ洗いした。生成物を30℃で真空オーブン中において乾燥して白色固形物5.34gを得た。NMR分析(DMSO−d)により、2.75ppmでのN−オキシスクシニミド(NOS)基の存在が確認され、光学基負荷はポリマーの0.118mモルBBA/gであることが測定された。MAL−EAC−NOSはこの反応において2.5モル%の重合性モノマーを構成して化合物VI−Aを得た。
【0172】
5モル%の化合物IVを有するポリマーを調製するために上述の手順を用いた。アクリルアミド3.849g(54.1mモル)をTHF52.9ml中に溶解し、続いて実施例3に記載される一般的な方法により調製された化合物III0.213g(0.61mモル)、実施例4に記載される一般的な方法により調製された化合物IV0.938g(3.04mモル)、TEMED0.053ml(0.35mモル)およびAIBN0.142g(0.86mモル)を溶解した。得られた固形物、化合物VI−Bは、上述のように単離される場合、0.101mモルBBA/ポリマーgのホト基負荷を有する生成物4.935gを与えた。
【0173】
10モル%の化合物IVを有するポリマーを調製するために、上述の手順を用いた。アクリルアミド3.241g(45.6mモル)をTHF46.4ml中に溶解し、続いて実施例3に記載される一般的な方法により調製された化合物III0.179g(0.51mモル)、実施例4に記載される一般的な方法により調製された化合物IV1.579g(5.12mモル)、TEMED0.047ml(0.31mモル)およびAIBN0.126g(0.77mモル)を溶解した。得られた固形物、化合物VI−Cは、上述のように単離される場合、0.098mモルBBA/ポリマーgの光学基負荷を有する生成物4.758gを与えた。
【0174】
2.5モル%の化合物IVおよび2モル%の化合物IIIを有するポリマーを調製するために、上述の手順に類似した手順を用いた。アクリルアミド16.43g(231.5mモル);実施例3に記載される一般的な方法により調製された化合物III1.70g(4.85mモル);実施例4に記載される一般的な方法により調製された化合物IV1.87g(6.06mモル);およびTHF(222ml)を、丸底フラスコ中において室温でアルゴン噴霧器により攪拌した。TEMED0.24ml(2.14mモル)、およびAIBN0.58g(3.51mモル)を反応物に添加した。次に、反応物をアルゴン雰囲気下で4時間にわたり還流した。得られた固形物、化合物VI−Dは、上述のように単離される場合、0.23mモルBBA/ポリマーgの光学基負荷を有する生成物19.4gを与えた。
【0175】
実施例7
多リガンド接合体の合成
多リガンド接合体を以下のように調製した。懸濁水溶液中の10重量%マイクロビーズを含有する、ポリスチレンマイクロビーズ(1μm直径)(インディアナ州、カーメルのバングズ・ラブズ、プロラボ(Prolabo,Bangs Labs)から入手、製品番号K100)の分取標本200μlを、脱イオン水200μl中のポリマー1.0mgを含有する感光性PA−ポリNOS(上記実施例6に記載されるように調製された)の溶液と混合した。溶液を室温で1時間にわたり混合した。
【0176】
室温で1時間にわたる混合後、ダイマックス(Dymax)ランプ(インターナショナル・ライト放射計上の10nm帯域通過フィルターにより335nmで測定されて25mジュール/cm)を用いて、懸濁液を混合しながら2分間にわたり照射する。次に、マイクロビーズを、脱イオン水2mlを用いて15,000rpmで15分間にわたる遠心分離およびリン酸緩衝液(PBS、pH7.5)中での再懸濁により2回洗浄した。
【0177】
次に、洗浄されたビーズを、それぞれが3’末端で第一級アミンを含有するように修飾された二つのオリゴヌクレオチド配列、および0.05Mリン酸緩衝液pH7.5中のビオシチン(10μM)の混合物を含有する溶液により培養する。第一オリゴヌクレオチド配列は、マスター・アレー上に提供された特異的なアドレス・オリゴヌクレオチドの既知の配列に対する補体である。第一オリゴヌクレオチドを5μMで20−merとして提供する。第一オリゴヌクレオチドを、本発明において用いようとする特異的なアドレス・オリゴヌクレオチドの配列を最初に確定することにより合成する。次に、アドレス・オリゴヌクレオチドの補体をワトソン−クリックの塩基対合則を用いて確定する。相補的配列が確定できたら、第一オリゴヌクレオチドを、標準核酸合成技術、例えば、固相合成を用いて合成する。
【0178】
第二オリゴヌクレオチド配列は、試験試料中に存在すると疑われる標的核酸の公知の配列に相補的な分析的配列である。第二オリゴヌクレオチドを10μMで30merとして提供する。第二オリゴヌクレオチドを、本発明のプローブアレーを用いて検出しようとする特定の標的リガンドの配列を最初に確定することにより合成する。標的リガンドに対する補体をワトソン−クリックの塩基対合則を用いて確定する。一旦相補的配列を確定すると、第二オリゴヌクレオチドを、標準核酸合成技術を用いて合成する。
【0179】
マイクロビーズ懸濁液を室温で一夜にわたりオリゴヌクレオチドにより培養する。一夜にわたる培養後、ビーズをリン酸緩衝液(PBS、pH7.5)の分取標本1mlにより2回洗浄し、次に、用いられるまで4℃で保存する。それぞれが独特のアドレスおよび分析的配列を有する一連の多リガンド接合体を、プローブアレーを複製するためのこのやり方で作製する。
【0180】
実施例8
離間エポキシ化モノマー(化合物VII)の合成
クロロホルム3mlに対してイソシアナートエチルメタクリレート(1.0ml、7.04mモル)、グリシドール(0.50ml、7.51mモル)およびトリエチルアミン(50μl、0.27mモル)を添加する。反応物を室温で一夜にわたり攪拌した。生成物をシリカゲル・カラム上で精製し、構造をNMRにより確認した。収量は293mg(18%収率)であった。
【0181】
実施例9
アクリルアミド、BBA−APMA、およびメタクリル酸グリシジルのコポリマー(感光性PA−ポリエポキシド)(化合物VIII)の調製
アクリルアミド(7.1g、99.35mモル)、BBA−APMA(0.414g、1.18mモル)および2,2’−アゾビス(2−メチルブチロニトリル)(「VAZO67」、0.262g、1.4mモル)を、THF108ml中に溶解した。この溶液に、メタクリル酸グリシジル2.4ml(17.7mモル)を添加した。溶液を4分間にわたりヘリウムで、次にアルゴンで4分間にわたり散布し、次に堅く栓をし、混合しながら一夜にわたり61℃で加熱した。ポリマーを濾過により収集し、次にメタノール中に懸濁し混合した。その後それを再度濾過により収集し、クロロホルムで洗浄し、次に真空オーブン中において30℃で乾燥した。
【0182】
実施例10
ポリエポキシドにより被覆された顕微鏡用スライドの調製
ソーダ石灰ガラス顕微鏡用スライド(ニューハンプシャー州、ポーツマスのエリー・サイエンティフィック(Erie Scientific))を、1分間にわたり、それぞれがアセトン中1%のp−トリルジメチルクロロシラン(T−シラン)およびN−デシルジメチルクロロシラン(D−シラン、ペンシルバニア州、ブリストルのユナイテイッド・ケミカル・テクノルジーズ(United Chemical Technologies))の混合物に浸すことによりシラン処理を行った。空気乾燥後、スライドを120℃で1時間にわたりオーブン中で硬化した。次に、スライドをアセトンで洗浄し、続いて蒸留水に浸した。スライドをさらに5〜10分間にわたりオーブン中で乾燥した。
【0183】
化合物VIII(実施例9)をシラン処理されたスライド上に噴霧し、次に、これらを、湿っている間にダイマックス(Dymax)ランプ(インターナショナル・ライト放射計上の10nm帯域通過フィルターにより335nmで測定されて25mジュール/cm)を用いて照射し、水で洗浄し、乾燥した。
【0184】
実施例11
感光性−ポリエポキシド被覆スライドによるマイクロアレーの調製
アミノ化または非アミノ化いずれかのオリゴヌクレオチドを、チップメーカー(ChipMaker)2マイクロアレー・スポッティング・ピン(テレコム・インターナショナル(Telechem International))を位置付けるためにX、Y、Z動作制御器を用いて、0.15Mリン酸緩衝液中8μMでスライド上に印刷した。スライドを、実施例10におけるような感光性−ポリエポキシド、同じ手順による感光性PA−ポリNOS、または公表された方法(米国特許第5,087,522号、Brown et al.,「Methods for Fabricating Microarrays of Biological Samples,」およびそこに引用された文献を参照すること)によるポリリシンのいずれかにより被覆した。
【0185】
印刷されたエポキシドおよびNOSスライドを室温および75%相対湿度で一夜にわたり培養した。印刷されたポリリシンスライドを公表された手順により処理した。スライドを走査して固定化された捕捉オリゴヌクレオチドのCy3蛍光を測定し、次に、41℃で一夜にわたり捕捉オリゴヌクレオチドに相補的であるCy5−標識オリゴヌクレオチド(1pモル/スライド)とハイブリッド形成した。スライドをレーザー走査器により走査してハイブリッド形成オリゴヌクレオチドの蛍光強度を測定した。アミン−シラン・スライドにより固定化された捕捉オリゴヌクレオチドの量が低いので、それらはハイブリッド形成されなかった。
【0186】
【化1】

Figure 2004509323
【0187】
【化2】
Figure 2004509323
【0188】
【化3】
Figure 2004509323
(式中、x=0.1〜5モル%、y=2〜30モル%、およびz=65〜97.9モル%)
【0189】
本発明の好ましい実施形態が記載されてきたが、一方で、本発明の精神および添付クレームの範囲から逸脱することなく、種々の変更、適合および修飾がそこでなされ得ることは理解されるべきである。[0001]
This application was filed as a PCT international patent application on July 9, 2001, in the name of a U.S. domestic company, SurModics, Inc., specifying all countries except the United States.
[0002]
Technical field
The present invention relates to the immobilization of specific binding ligands such as nucleic acids and other ligands in a known spatial arrangement. In another aspect, the invention relates to a solid support such as an oligonucleotide array incorporating such nucleic acids. In yet another aspect, the invention relates to photoreactive groups, molecules and / or surfaces derived from such groups, and the attachment of such molecules to the support surface by such groups.
[0003]
Background of the Invention
The development of oligonucleotide probe arrays, more commonly known as "DNA chips" and "Gene chips" (registered trademark of Affymetrix, Inc.), has made significant progress in the past few years. And it is at the core of growing attention and growing importance. See, for example, Stipp, D .; Fortune, p. 56, March 31, 1997. Also, Borman, S.A. , C & EN, p. 42, December 9, 1996, and Travis, J. et al. , Science News 151: 144-145 (1997). These 2- or 3-cm square chips can contain tens of thousands to hundreds of thousands of immobilized oligonucleotides, allowing researchers to witness the behavior of thousands of cooperating genes for the first time. DNA chips are used for observing unique gene expression patterns, properly reading the success of drug treatment, tailoring drugs based on the patient's genetic structure, arranging genes, and conducting research in the field of gene medicine. Useful. Also, “Microchip Arrays Put DNA on the Spot”, R.A. Service, Science 282 (5388): 396-399, 16 October 1998; and "Fomenting a Revolution, in Miniature", I.C. Amato, Science 282 (5388): 402-405, 16 October 1998.
[0004]
In general, oligonucleotide probe arrays display a particular oligonucleotide sequence at a precise location in an information-rich format. In use, the hybridization pattern of a fluorescently labeled nucleic acid target is used to obtain primary structural information for the target. This format can be applied to a wide range of nucleic acid sequencing problems including pathogen identification, forensic applications, monitoring of mRNA expression and de novo sequencing. See, for example, Lipshutz, R.A. J. , Et Al. , BioTechniques 19 (3): 442-447 (1995). Such arrays are sometimes required to carry tens of thousands, or even hundreds of thousands of individual probes. The chip is also required to provide a wide range of sensitivities to detect sequences that can be expressed anywhere from 1 to 10,000 replication levels per cell.
[0005]
A variety of methods have been developed for making and / or using oligonucleotide probe arrays. See, for example, Weaver, et al., Describing a synthetic strategy for the creation of large-scale chemical diversity on a solid support. (WO92 / 10092). This system uses solid-phase chemistry, photolabile protecting groups, and photolithography to achieve light-directed, spatially addressable, parallel chemical synthesis. Using the proper order of masks and chemical sequential reactions, a defined set of oligonucleotides can each be constructed at predefined locations on the array surface.
[0006]
Using this technology, Affymetrix (Santa Clara, CA) has developed a library of single-molecule, double-stranded oligonucleotides on a solid support. See, for example, U.S. Patent No. 5,770,722, which describes an array containing oligonucleotides 4 to 100 nucleotides in length. The array includes a solid support, an optional spacer, a first oligonucleotide, a second oligonucleotide that is first complementary, and a flexible linker or probe. The libraries described are useful for screening for receptors such as proteins, RNA or other molecules that bind to double-stranded DNA. Another array developed by Affymetrix is described in U.S. Patent No. 5,837,832. This document describes a method for making a high-density array of oligonucleotide probes on a silica chip. Oligonucleotide probes are 9-20 nucleotides in length and are synthesized directly on a solid support. The array contains oligonucleotide probes that are complementary to sections of the control sequence.
[0007]
Synteni (Palo Alto, Calif.) Creates an array of cDNAs by applying polylysine to glass slides, followed by printing the cDNA on coated slides, which then crosslink the DNA with polylysine. Exposed to UV light. Next, unreacted polylysine is blocked by reaction with succinic anhydride. These arrays, called "gene expression microarrays" (GEM ™), label mRNA prepared from normal cells with a fluorescent dye, and then label mRNA from abnormal cells with a fluorescent dye of a different color. Used by These two labeled mRNA molecules are simultaneously applied to the microarray, where they competitively bind to the immobilized cDNA molecules. This two-color encoding technique is used to distinguish gene expression differences between two cell samples (Heller, RA, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94: 2150- 2155 (1997)).
[0008]
At least one group, Cantor et al. (US Pat. No. 5,795,714) describes a method for replicating an array of probes that is said to be useful for large-scale production of diagnostic aids. I have. This patent includes a method for replicating an array of single-stranded probes on a solid support, comprising the steps of:
a) synthesizing a nucleic acid array each comprising a constant sequence of length C at the 3 'end and a variable sequence of length R at the 5'end;
b) fixing the array to the first solid support;
c) synthesizing a set of nucleic acids each comprising a sequence that is complementary to the invariant sequence;
d) hybridizing the set of nucleic acids to the array;
e) enzymatically extending the set of nucleic acids using the variable sequence of the array as a template;
f) denaturing the set of elongated nucleic acids; and
g) Immobilizing the denatured set of nucleic acids on a second solid support to produce a single-stranded probe replication array.
[0009]
With respect to a separate subject, the designated agents of the present invention have previously described a variety of uses for photochemistry, particularly for example the use of photoreactive groups to attach polymers and other molecules to a support surface. . For example, U.S. Patent Nos. 4,722,906, 4,979,959, 5,217,492, 5,512,329, 5,563,056, and 5,637,460. No. 5,714,360 and International Patent Application Nos. PCT / US96 / 08797 (Viral Inactivating Coating), PCT / US96 / 07695 (Capillary Endothelialization), and PCT / US97 / 05344. No. (chain transfer agent).
[0010]
Despite various developments to date, there remains a need for methods and reagents that improve the immobilization of nucleic acids on a variety of support materials, for example, to form oligonucleotide probe arrays. Clearly, what is needed is a novel method for replicating a specific binding ligand (eg, nucleic acid) array in a cost-efficient and efficient manner while maintaining accurate and sensitive products. Improved methods and reagents.
[0011]
Summary of the Invention
The present invention, in one embodiment, creates a specific binding ligand (eg, nucleic acid) probe array in substantially the same spatial configuration, for example, by preparing and replicating an original “master” array. To provide a system for In another embodiment, the invention provides a reusable assay array that can be regenerated. The method can be contrasted with the conventional method of preparing each probe array separately and individually. In addition, the present invention allows for duplication of a master array that maintains the spatial arrangement established by the master array. The methods of the present invention can be adapted to be used in conventional arrays to provide their replicas, but preferably in the embodiments described herein for such purposes. Used with master arrays (and other ingredients) specifically designed for
[0012]
In a preferred embodiment, the present invention provides a method and system for reproducibly preparing an assay array, the system comprising:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) at least one molecule of the first, wherein each multiligand conjugate comprises: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind to a specific address ligand of the master array in a complementary manner. A ligand binding region (iii) at least one molecule of a second ligand binding region comprising a ligand selected to bind to a characteristic target ligand in a complementary manner; and (iv) at least one molecule of a third ligand binding region. A plurality of multi-ligand conjugates comprising a ligand, wherein the first ligand binding region, the second ligand binding region, and the third ligand are bound to a core; and
c) an assay array support comprising a support surface and a binding partner for binding a third ligand;
including.
[0013]
Preferably, the address ligand is patterned and immobilized on a master array, optionally in the form of a random embodiment. In a preferred embodiment, the first and second ligand binding regions of the multi-ligand conjugate comprise a nucleic acid sequence. In this embodiment, the second ligand binding region comprises a nucleic acid sequence that is complementary to a target nucleic acid sequence to be detected in a sample. Optionally, the address ligands are immobilized in a random manner, and the exact location of each address ligand is determined after the address ligand is immobilized on the master array support surface.
[0014]
Alternatively, the present invention provides a method and system for reproducibly preparing an assay array, the system comprising:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) at least one molecule of a second ligand, wherein each multi-ligand conjugate comprises: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind to the address ligand and a characteristic target ligand in a complementary manner. A plurality of multiligand conjugates comprising a binding region and (iii) a third ligand of at least one molecule, wherein the second ligand binding region and the third ligand are attached to a core;
c) an assay array support comprising a support surface and a binding partner for binding a third ligand;
including.
[0015]
In this embodiment, the use of a first ligand binding region is not required. According to this embodiment, the second ligand binding region is not only complementary to the address ligand of the master array, but also to a target ligand suspected of being present in the sample. The nucleic acid sequence of the assay array produced according to this embodiment is complementary to the address ligand of the master array. If necessary, the assay array created by this embodiment can be replicated to create a duplicate of the original master array. Preferably, the third ligand is selected from a binding ligand and a polymerizable group.
[0016]
A corresponding preferred method of the invention in which the address and the target ligand are both nucleic acid sequences comprises the following steps:
a) Prepare the above-mentioned master array;
b) binding a multi-ligand conjugate thereto by allowing each of them to hybridize to a complementary address ligand of the master array;
c) bringing the assay array support sufficiently close to the master array under conditions suitable to allow the bound multiligand conjugate to bind to the assay array support;
d) Dissociating the hybridized complementary nucleic acid sequence under conditions suitable to allow the assay array support to be recovered and utilized.
[0017]
The resulting assay array comprises an assay array support having a plurality of multi-ligand conjugates attached thereto, preferably having a third ligand present thereon in a pattern established by the master array.
[0018]
In another embodiment, in which the multi-ligand conjugate comprises a polymerizable group (eg, in addition to or instead of a third ligand), the multi-ligand conjugate comprises a space defined by the address of the master array. To form a polymeric backing sufficient to allow the resulting polymerized layer to be supported and used, e.g., transferred to an assay array support, while maintaining the proper configuration. These groups can be maintained in their orientation on the master array surface by polymerizing them in situ.
[0019]
In yet another embodiment, the multiligand conjugate comprises only a second ligand binding region and a third ligand (ie, there is no first ligand binding region) and the address ligand and the target ligand are both nucleic acids The method comprises the following steps:
a) Prepare the above-mentioned master array;
b) binding a multi-ligand conjugate thereto by allowing each of the second ligand binding regions to hybridize to a complementary address ligand of the master array;
c) bringing the assay array support into close proximity to the master array under conditions suitable to allow the bound multiligand conjugate to bind to the assay array support;
d) Dissociate the hybridized complementary nucleic acid sequence under conditions suitable to allow the assay array support to be recovered and used.
[0020]
Once transferred to the assay array support, the second ligand binding region is then used in a conventional manner to determine the presence of one or more target ligands in a sample in absolute or relative amounts. be able to. The order and arrangement of the second ligand binding regions is predetermined and is retained during the replication procedure described herein. For example, the resulting assay array can be prepared in a conventional manner, for example, by contacting the array with a sample suspected of containing the target ligand under conditions suitable to allow any target ligand to bind and be detected. Can be used. In other aspects, the invention provides methods for using such systems; various components for use in such systems, including kits or combinations of one or more components; and assay arrays formed by the methods of the invention. I do.
[0021]
Detailed description
The present invention provides methods and systems for reproducibly preparing specific binding ligand arrays, such as nucleic acid arrays. As used herein, “nucleic acid” refers to deoxyribonucleic acid (DNA), ribonucleic acid (RNA), peptide nucleic acid (PNA), or generally the ability to base pair or hybridize to a complementary chemical structure. Macromolecules such as any sequence meaning bases bound by the chemical backbone possessed. The term includes oligonucleotide, nucleotide, or polynucleotide sequences, and fragments or portions thereof. The nucleic acid can be provided in any suitable form, e.g., isolated from natural sources, recombinantly produced, or artificially synthesized, and can be single-stranded or double-stranded. Yes, it is possible to indicate sense or antisense strands. While the invention is specifically described with respect to nucleic acids (and their ability to specifically “bind” via hybridization), the invention is directed to immunological binding pairs or other ligand / antiligand binding pairs, such as It is understood that it has application to specific binding ligands.
[0022]
The term "oligonucleotide" is then used to describe generally short chains (e.g., prepared using techniques available in the art, such as solids-supported nucleic acid synthesis, or using DNA replication or reverse transcription, for example). , Less than about 100 nucleotides in length, generally 20-50 nucleotides in length). The exact size of the oligonucleotide will depend on many factors, in turn, dictated by the ultimate function or use of the oligonucleotide.
[0023]
As used herein, “target ligand” or “target” refers to a ligand, such as a nucleic acid sequence, suspected of being contained in a sample and detected and / or quantified in a method or system of the invention. In one embodiment, the nucleic acid comprises a gene or gene fragment to be detected in a sample.
[0024]
The term "sample" is used in its broadest sense. The term includes specimens or strains (eg, microbial strains), and biological samples.
[0025]
As used herein, the terms "complementary" or "complementarity," when used in reference to a polynucleotide (ie, a sequence of nucleotides such as an oligonucleotide or a target nucleic acid), are used by Watson and Crick. Refers to sequences that are correlated by the base pairing rules developed by the Company. For example, for the sequence "TGA", the complementary sequence is "ACT". Complementarity can be "partial," in which only some of the nucleobases conform according to the base pairing rules. Alternatively, there may be "complete" or "total" complementarity between the nucleic acids. The degree of complementarity between nucleic acid strands affects the efficiency and strength of hybridization between nucleic acid strands.
[0026]
The terms "complementary" or "complementarity," when used in reference to molecules other than nucleic acids, refer to molecules that can bind to a binding partner, such as a molecule that is a member of a specific binding pair.
[0027]
The term "hybridization" is used in connection with the pairing of complementary nucleic acids. The degree of hybridization and the strength of hybridization (ie, the binding strength between nucleic acids) depends on the degree of complementarity between the nucleic acids, the stringency of the conditions incorporated, the melting point (Tm) of the hybrid formed, and the G: C It is affected by factors such as the ratio.
[0028]
The term "binding site" as used herein in the context of an assay array refers to the region on which a particular ligand is bound. As described in more detail below, the binding site preferably contains a molecule that is a member of a specific binding pair for forming a bond with a multiligand conjugate.
[0029]
In one embodiment, the invention provides a master array having immobilized thereon a plurality of address ligands, the pattern of which can be controlled and / or determined by any suitable technique. Thereafter, the composition comprising the plurality of multi-ligand conjugates is treated under conditions suitable to allow the binding region of the multi-ligand conjugate to bind to a complementary address ligand on the master array support. It is brought to the coupling distance with the master array. In a preferred embodiment, the multi-ligand conjugate includes a third ligand comprising members of a specific binding pair. In this embodiment, the third ligand serves to transfer the resulting conjugate to the assay array support. The master array containing the bound conjugation molecules is brought close to the assay array support. The assay array support then contains a binding site available for binding to the third ligand of the multiligand conjugate. The binding site of the assay array support binds to the corresponding binding ligand on the multiligand conjugate, thus providing a temporary "sandwich" structure in the form of a master array / multiligand conjugate / assay array support To form
[0030]
Once a "sandwich" structure has been formed, the base pairs between the address ligand of the master array and the complementary ligand of the multiligand conjugate are then removed along with the multiligand conjugate to which the assay array is attached. It can be dissociated to make it possible. The conjugates bind in a spatial relationship corresponding to the spatial positioning set by their initial binding to the master array surface, thereby allowing the location of the target ligand to be maintained and determined. The master array can then be reused repeatedly, providing additional assay arrays in a similar manner. In another aspect, the invention provides a plurality of substantially identical assay arrays formed by recreating a common master array or by sequentially replicating one or more assay arrays.
[0031]
In yet another aspect, the invention is reusable without the need to first prepare or recreate a master array, for example, where the assay array surface is provided in the form of a fiber optic array. Methods and systems for directly preparing various nucleic acid arrays are provided. In one such embodiment, each fiber is provided with a nucleic acid adapted to hybridize in a detectable manner to its complementary nucleic acid. Fiber arrays suitable for use in such embodiments are described, for example, in K. K., whose disclosure is incorporated herein by reference. Michael et al. , Analytical Chem. 70 (7): 1242 (1998).
[0032]
Next, the assay arrays of the invention are preferably adapted to detect a wide variety of nucleic acids in a biological sample. In the course of its use, the assay array contains one or more target ligands under conditions suitable to allow the target ligands to hybridize to their corresponding binding region complement on the assay array. Can be exposed to samples that are believed to be The presence or absence of the target nucleic acid on the assay array can be measured by a selected signal generation and detection system. Such detection methods are known in the art.
[0033]
The system of the present invention offers many advantages over current methods, including, for example, an optimal combination of properties such as nucleic acid probe density, ease of use, reproducibility, sensitivity, accuracy, and reduced cost. The present invention provides, for example, higher nucleic acid probe densities than commercial methods that currently rely on photolithography. In one embodiment, such probe density is achieved by using microbeads that are even smaller than the wavelength of the photolithographic system. Further, the present invention provides improved assay specificity by the use of longer (and thus more specific for binding) nucleic acids than are currently available, for example, photolithographically or through solid phase synthesis. Can be provided.
[0034]
In addition, assay arrays according to the present invention can be used with conventional array readers to provide a variety of target nucleic acid capabilities, for example, depending on the areal density of the immobilized array. The system of the present invention can also provide a significant reduction in the cost of manufacturing high density array slides. The cost of preparing a master array can itself be reduced, for example, through the use of patterned deposition and immobilization of the address nucleic acid sequence, and optionally through the use of microbeads.
[0035]
As can be seen from the description herein, the present invention replicates a probe array that provides a universal "master array" that can be used with a wide variety of multiligand conjugates to assemble any number of replication assay arrays. Provide an improved way to The versatile nature of the master array is provided by address ligands that have no specificity for a particular assay array. Rather, address ligands can be used with any number of specific multiligand conjugates to assemble a unique replication assay array containing probes to detect a given target ligand, or target ligand system. . In this way, the master array provides a spatial arrangement for creating any number of replicated assay arrays.
[0036]
Master Array
According to the present invention, a master array includes a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon. The address ligand can be directly or indirectly immobilized on the master array support surface. Direct immobilization of the address oligonucleotide is achieved by derivatization of the address oligonucleotide, the support surface of the master array, or both. Indirect immobilization involves the use of a binding agent to attach the address oligonucleotide to the surface, as described in more detail below.
[0037]
The support surface of the master array is manufactured from any suitable material to provide an optimal combination of desirable properties such as stability, size, shape, and surface smoothness. Preferred materials should not interfere with nucleic acid hybridization and should not be subject to high amounts of non-specific binding of nucleic acids. Suitable materials include living or non-living, organic or non-organic substances. For example, the master array can be made from any suitable plastic or polymer, silicon, glass, ceramic, or metal, and is provided in the form of a solid, resin, gel, rigid film, or flexible membrane. be able to. Suitable polymers include polystyrene, poly (methacrylic acid (alkyl), poly (vinylbenzophenone), polycarbonate, polyethylene, polypropylene, polyamide, vinylidene fluoride resin, and the like. Preferred materials include glass and silicon.
[0038]
The size of the master array is determined based on factors such as the size of the assay array to be made and the size of the desired address oligonucleotide diversity. Preferably, the master array is provided in a planar dimension between about 0.5 cm and about 7.5 cm long, and between about 0.5 cm and about 7.5 cm, preferably between about 1 cm and about 2 cm wide. The array can also be placed singly or in multiples on another support such as a microscope slide (eg, having dimensions of about 7.5 cm × about 2.5 cm). Those skilled in the art, given the teachings herein, will be able to readily adapt the dimensions of the master array for a particular application. The master array can be provided in any suitable configuration including, for example, capillaries, membranes, wafers, pins or needles. In addition, as described in more detail below, the master array may be provided in the form of one or more optical fibers.
[0039]
The address oligonucleotide is attached to the master array support surface, either directly or via a linker. In one embodiment, the address oligonucleotide is directly supported by providing and / or derivatized one or more reactive groups on either the master array surface, the oligonucleotide, or both. Is bound to the body surface. In another embodiment, the address oligonucleotide is indirectly attached to the master array support surface through the use of a linker. In this embodiment, the master array support surface is coated with a plurality of linkers, such as linked microbeads having oligonucleotides attached thereto. Thus, when used in combination with linked microbeads, the master array support surface is preferably such that topographical irregularities are smaller than the radius of the linked microbeads (eg, bumps are formed in the connected microbeads of the master array). (Less than 50% of the bead diameter), providing sufficient smoothness.
[0040]
As used herein, the term "address oligonucleotide" is used to refer to a nucleic acid sequence that is immobilized on a master array to provide a template array for use in the present invention. Thus, the template is an ordered array of address sequences that allows the replication assay array to be created using the positional information set by the master array. The address oligonucleotide is selected to be non-complementary to the target nucleic acid sequence potentially present in the biological sample to be tested. As a result, the address oligonucleotide does not base pair or otherwise hybridize to any target nucleic acid found in the particular biological sample being tested, thereby allowing for background or false positive reads Expected to avoid or minimize gender. The oligonucleotide is sufficiently long to provide a suitable diversity of "addresses" on the master array while avoiding substantial complementarity to the target nucleic acid (e.g., naturally occurring) sequence to be detected by the assay array at the same time. Provided by Preferably, these address oligonucleotides are between 10 and 100 nucleotides in length, and most preferably between 20 and 50 nucleotides in length.
[0041]
As used herein, the term "immobilized" means that the address oligonucleotide is attached to the support surface in a sufficiently stable manner for the purposes herein. Such a bond is preferably a covalent bond, although other suitable stable bonds are also contemplated. Suitable linkages will be apparent from the teachings herein.
[0042]
According to the present invention, the deposition of the address oligonucleotide on the master array surface is accomplished in any suitable manner, including, for example, by direct binding or by indirect binding through a linking agent (eg, linking microbeads). Is done. For example, if the address oligonucleotide is bound to microbeads that are then to be bound to the master array, the deposition will cause the microbead specific gravity to cause the individual microbeads carrying the address oligonucleotide to be attached to the master array surface. This can be achieved by a specific gravity based method that causes the contacting. This deposit is ordered on the master array but forms an irregular pattern. Preferably, the microbeads are treated to provide a photoreactive surface function. The resulting surface is then irradiated under conditions suitable for activating the photoreactive groups and causing bond formation between the microbeads carrying the address oligonucleotide and the surface of the master array support.
[0043]
Preferably, the deposition of the address oligonucleotides is ordered, but irregular. In this way, the address oligonucleotides are placed on the surface of the master array without initial mapping or otherwise determining the exact location of each unique address oligonucleotide. In other words, the address oligonucleotides are placed on the surface of the master array and immobilized on the surface, after which their location on the master array is determined using known detection techniques. In this way, the present invention provides an efficient method of creating a master array that can be used in a versatile way to create an assay array of any desired composition. For example, once a master array has been assembled and the surface has been "mapped" to determine the location of each address oligonucleotide, the master array can be used in conjunction with any selection of multiligand conjugates. An assay array for a particular purpose can be prepared. This is evident through the following discussion.
[0044]
Direct attachment of the address oligonucleotide to the master array support surface can be achieved by derivatizing the nucleic acid, the support surface of the master array, or both the nucleic acid and the support surface. Modifications of the nucleic acid should preferably avoid substantially altering the function of the nucleic acid attributable to Watson-Crick base pairing. Preferably, the modification of the nucleic acid does not substantially impair the ability of the nucleic acid sequence to hybridize to its complement.
[0045]
Suitable methods for immobilizing address oligonucleotides include chemical modification of the oligonucleotide (eg, amine modification) and non-covalent attachment with a high affinity binder (eg, avidin-biotin). Next, the surface of the master array support can be derivatized (eg, with a carboxyl or epoxy group) to attach to the oligonucleotide itself or the corresponding reactive group provided by a suitable crosslinking reagent. Alternatively, a binding partner (eg, streptavidin) can be bound directly to the master array support surface to allow for interaction between the address oligonucleotide and the master array support surface. Other methods include adsorption of unmodified or modified oligonucleotides, and inkjet or "needle" printing onto a support surface using thermochemical immobilization of soluble probes on an activated master array support surface. Immobilization of the oligonucleotide. While those skilled in the art will readily recognize that other techniques can also be used, exemplary embodiments for direct attachment of address oligonucleotides to a master array support surface will now be described. .
[0046]
Modification of the nucleic acid can be accomplished in any suitable manner that allows for binding to the master array support surface. In one embodiment, the nucleic acid is derivatized to contain at least one reactive moiety that can react with the surface of the master array. Alternatively, nucleic acids are synthesized with modified bases. Other techniques known in the art include modification of the sugar moiety of the nucleotide or nucleobase, such as by using N7- or N9-deazapurine nucleosides. Alternatively, the nucleic acid backbone can be modified such that a reactive group can be attached to the nitrogen center provided by the modified phosphate backbone (eg, phosphoramidite DNA). Given the teachings herein, one of ordinary skill in the art can readily employ these and other standard nucleic acid modification techniques to bind nucleic acid sequences to the support surface of a master array.
[0047]
One embodiment in which the photoreactive nucleic acid binds to a surface is described, for example, in US patent application Ser. No. 09 / 028,806 (filed Feb. 24, 1998, Guire et al.). This application is commonly owned by the designated agent of the present application, and the entire disclosure of this application is incorporated herein by reference. As described in that application, a photoactivatable nucleic acid derivative can be provided in the form of a nucleic acid having one or more photoreactive groups attached thereto. The photoreactive group is preferably covalently attached, directly or indirectly, at one or more points along the nucleic acid. Photoreactive groups are derivatives that can be selectively and specifically activated to bind nucleic acids to a support and in a manner that substantially retains its intended chemical or biological function. The present invention provides an activated nucleic acid. According to this embodiment, "direct" attachment of the photoreactive group means that the photoreactive compound is directly attached to the nucleic acid. On the other hand, an "indirect" linkage refers to the binding of photoreactive compounds and nucleic acids to common structures, such as synthetic or natural polymers. The resulting photo-derivatized nucleic acids can be covalently immobilized on a variety of substrate surfaces by the application of suitable irradiation, and usually without the need for surface pretreatment. The method of this embodiment involves both thermochemical attachment of one or more photoreactive groups to the nucleic acid and photochemical immobilization of the nucleic acid derivative on the substrate surface.
[0048]
Preferably, the oligonucleotide is immobilized on the master array surface using a photoactivatable compound to form a bond between the address oligonucleotide and the master array support surface. These photoactivatable compounds can be provided in any suitable manner, for example by means of a master array support surface or address oligonucleotides themselves.
[0049]
In one embodiment, the reagent composition is for binding a biomolecule, such as a nucleic acid, as described in US patent application Ser. No. 09 / 227,913 (filed Jan. 8, 1999, Chappa et al.). Used to modify the surface. This application is commonly owned by the designated agent of the present invention, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference. As described in that application, the reagent composition is a biomolecule (eg, a nucleic acid) that can then be used for a specific binding reaction (eg, hybridizing a nucleic acid to its complementary strand). Used to covalently bind a target molecule such as The reagent composition comprises one or more thermochemically reactive groups, ie, groups that have a temperature dependent reaction rate. Suitable groups are selected from the group consisting of activated esters (eg, N-oxysuccinimide or "NOS"), epoxides, azlactones, activated hydroxyl and maleimide groups. Optionally and preferably, the composition further comprises one or more photoreactive groups. In addition, the reagents can include one or more hydrophilic polymers to which thermochemically and / or photoreactive groups can hang. Photoreactive groups can be used to attach reagent molecules to the surface of the support, for example, when applying a suitable energy source such as light. The thermochemically reactive group can then be used to form a covalent bond with a suitable complementary functional group on the target molecule.
[0050]
Generally, according to this embodiment, the reagent molecules are first attached to the surface by activation of the photogroups. The oligonucleotide is then contacted with a binding reagent under conditions suitable to allow it to approach during the binding distance with the binding polymer. The nucleic acid is thermochemically bound to the binding reagent by a reaction between a reactive group of the binding reagent and a suitable functional group on the nucleic acid molecule. The thermochemically reactive group can be present either on the same polymer or on various polymers that are co-immobilized, for example, on a surface. Optionally and preferably, the target molecule is prepared or provided with a functional group adapted to the group of the reagent molecule. During their synthesis, for example, oligonucleotides can be prepared with functional groups such as amine or mercapto groups.
[0051]
In an alternative embodiment, the surface of the master array is modified with an epoxide-based reagent to allow oligonucleotide binding. One such embodiment is described, for example, in U.S. Patent Application Serial No. 09 / 521,545 (filed March 9, 2000, Swan et al.). This patent application is commonly owned by the designated agent of the present application, and the entire disclosure of this application is incorporated herein by reference. As described in this application, epoxide-based reagent compositions are used for covalent attachment of target molecules onto the surface of a substrate. The methods and reagents can be used to covalently immobilize either derivatized or underivatized nucleic acids. As contemplated in this embodiment, examples of derivatized nucleic acids include amine-derivatized nucleic acids, and non-derivatized nucleic acids have groups added for the purpose of thermochemical reaction with epoxide groups. Some do not. The method involves coating the support with reagents, printing the nucleic acid array, culturing the slides in a humid environment, blocking excess epoxide groups, washing the support, and then allowing the hybridization assay to proceed. Ready for use. In particular, the method provides a solid support having a surface; providing a reagent comprising one or more epoxide groups, and optionally also comprising one or more photoreactive groups; coating the reagent on the support surface (E.g., covalently attaching a polymeric reagent to a support surface by activation of a photoreactive group); providing a biopolymer having a corresponding thermochemically reactive group; and attaching the corresponding reactive group. Binding the biopolymer to the support by reacting with epoxide groups. Optionally, the method further comprises blocking residual epoxide groups (eg, using an amine reagent).
[0052]
According to this embodiment, the reagent preferably provides one or more epoxide groups (also known as "oxirane" groups) depending on a polymeric backbone, such as a hydrophilic polyacrylamide backbone. Optionally, the reagent composition further comprises a pendant photoreactive group. Photoreactive groups can be used to attach reagent molecules to the support surface upon exposure to a suitable energy source such as light. The epoxide group can then be used to form a covalent bond with a suitable functional group on the target molecule.
[0053]
In another embodiment, the support surface of the master array is prepared by uniformly distributing the photoreactive bi- or multi-functional reagents on the surface, and then attaching these reagents to the surface. In one embodiment, a silicon chip having sufficient smoothness is cleaned and reacted with a photoreactive organosiloxane reagent. This reagent can be prepared, for example, by combining a commercially available organosiloxane reagent (such as aminopropyldimethylmethoxy siloxane) with a thermochemically reactive photoreagent such as benzoyl benzoic acid acid chloride. The resulting photoreactive siloxane reagent then reacts with the silicon oxide surface of the master array support to provide a smooth surface primed with photoactivatable groups. The photoreactive groups on the resulting primed surface are activated and can be used to coat the oligonucleotide directly or indirectly on the master array support surface with a linker.
[0054]
This embodiment allows a solution containing a plurality of address oligonucleotides to be applied to a master array support surface. The master array is illuminated with long wavelength ultraviolet or visible light to photochemically fix the address oligonucleotide on the master array support surface. In an alternative embodiment, the address oligonucleotides themselves are photoreactive. Suitable photoreactive groups are discussed in further detail below. Optionally, if patterned deposition is required, a mask or suitable beads could be used. Patterned deposition can be achieved in any suitable manner. In one embodiment, the oligonucleotides are deposited on the substrate surface in the patterned array (eg, using a printing technique), and the substrate can then be uniformly illuminated with light of a suitable wavelength. In another embodiment, the oligonucleotides can be uniformly deposited on the substrate surface, followed by patterned irradiation (eg, using a masking technique).
[0055]
In an alternative embodiment, a molten or concentrated solution of a reagent having both latently reactive (eg, photoreactive) and ligand withdrawing (eg, charged, cationic) groups can be used. For example, polystyrene derivatives containing one or more groups of both types (eg, thiocholine derivatives of polyvinyl benzoic acid) can be deposited on a master array surface to form a reactive surface film for immobilizing address oligonucleotides. Can be provided. The surface of the master array can be illuminated to produce a smooth photoreactive surface. Optionally, ligand-withdrawing groups (eg, cation / thiocholine) are removed if necessary.
[0056]
Alternatively, the address oligonucleotide is indirectly attached to the master array support surface through the use of a linker or other suitable spacer molecule. "Linker" or "spacer molecule" when used in connection with the immobilization of an address oligonucleotide refers to a moiety that is attached to a solid support and is attached to an address oligonucleotide. The linker serves to attach the address oligonucleotide to the master array support surface in a spaced-apart manner to allow the address oligonucleotide to contact the multiligand conjugate of the invention.
[0057]
In one embodiment, the linker is provided in the form of microbeads and is referred to as "linked microbeads". Beads suitable for use as linked microbeads include any three-dimensional structure that can be immobilized on a solid support as described herein. Preferably, the linked microbeads are selected to have sufficient specific gravity to allow them to settle on the surface of the master array by gravity while avoiding the effects of Brownian motion. In some cases, the microbeads are porous. Microbeads can be provided in any suitable size, and nanobeads and microbeads are contemplated in the present invention. Linked microbeads suitable for use in the present invention are desirably spherical and uniform in size. Also, preferred beads have a chemical composition, or at least a surface, that readily binds organic reagents. For example, a uniform silica sphere between 0.5 microns and about 5 microns (μ) diameter contains a thermochemically reactive group (eg, an epoxy group) to attach the reagent to the corresponding group of the binding ligand. Can react with organosiloxane reagents. Microbeads can be installed by techniques such as, for example, electrostatic attraction, electrodes or magnetic probes, or engineering tweezers.
[0058]
As contemplated in the present invention, the beads can be made from virtually any insoluble or solid material. For example, beads can be silica gel, glass, nylon, resin, Sephadex, Sepharose, cellulose, magnetic beads, Dynabeads, metal surfaces (eg, steel, gold, silver, aluminum, silicon) Or copper), and plastic materials (eg, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester, vinylidene fluoride resin (PVDF)), and the like, and combinations thereof. Examples of suitable microbeads are described, for example, in US Pat. No. 5,900,481 (May 4, 1999, Lough et al.). Other examples of suitable microbeads are, for example, Interfacial Dynamics that provide latex microspheres that can be fluorescent, stained, and / or provide the desired surface functionality for a particular application. Commercially available from Dynamics Corporation (Portland, Oregon).
[0059]
Preferably, the linked microbeads containing the address oligonucleotide are immobilized in spaced relation on the master array support surface. In such embodiments, woven screens with spacings that are only slightly larger than the bead diameter are used to promote the deposition of microbeads on the surface of discrete, but ordered, structural shapes, and to reduce the surface of the master array. Or can be located on its surface.
[0060]
Linked microbeads are commercially available and can carry oligonucleotides using commercially available manufacturing methods and materials. Binding of the address oligonucleotide to the linked microbeads is preferably achieved by formation of a covalent bond between the oligonucleotide and the beads. Methods for attaching address oligonucleotides include those described herein for attaching address oligonucleotides directly to a master array support surface. In one preferred embodiment, the surface of the ligated microbeads reacts with an organosiloxane reagent containing a thermochemically reactive group (eg, an epoxy group). Glycidoxypropyltriethoxysiloxane can, for example, react with microbeads to provide an epoxy surface. Next, the 5 'end of the address oligonucleotide is modified to create an end containing an alkylamine group on the spacer. The epoxy siloxane on the microbead surface reacts with the alkylamine located at the end of the address oligonucleotide to form a bond between the address oligonucleotide and the microbead surface. Each ligated microbead can contain one unique address oligonucleotide. Alternatively, each linked microbead can contain multiple identical address oligonucleotide sequences.
[0061]
The array of microbeads is optionally deposited from an aqueous suspension containing a block copolymer having both photoreactive groups and ligand-withdrawing groups (eg, ionic groups such as quaternary amines). Can be. Monodisperse microbeads (e.g., between about 1.5 microns and 5 microns in diameter) previously carrying the address oligonucleotide are applied to a master array support surface from a suspension of the copolymer in an aqueous solution. You. Cationic reactive groups serve to bind oligonucleotide sequences on the beads, while aromatic blocks (eg, oligostyrene) bind to and bind to the photoreactive surface. In a particularly preferred embodiment, the linked microbeads are provided in a slight excess.
[0062]
The smooth, flat photoreactive master array support surface has address oligos immobilized thereon in a sufficient number to provide at least a monolayer of tethered microbeads on the master array support surface. It is exposed to a slurry of linked microbeads having a nucleotide sequence. The slurry consists of a number of beads approximately equal to each of the intended address oligonucleotide sequences plus a number (eg, at least three times) of beads containing no oligonucleotide. The number of oligonucleotide-coated beads is sufficient to provide a small (eg, at least 3-fold) redundancy of each target nucleic acid-specific site.
[0063]
The master array is cultured in a solution containing linked microbeads in the dark or in dim light to avoid premature activation of the optical groups. As the solvent (preferably aqueous) evaporates from the slurry pool on the photoreactive surface, the uniformly sized beads are optionally spaced or positioned using a microscreen as described herein. Packed into a two-dimensional "crystal" arrangement.
[0064]
This ordered arrangement can then be illuminated, for example, in the dry state, with carbon-carbon bonds between photoreactive groups on the surface of the master array support and organic groups (mostly oligonucleotides) on linked microbeads. Can be "fixed" in place. Patterned arrays of beads fixed on a photoreactive surface by specific gravity can be photochemically fixed to the surface by irradiation with long-wave ultraviolet or visible light. This irradiation activates the photoreactive organosiloxane reagent which then forms a bond with the address oligonucleotide. Optionally, the unbound block copolymer can be rinsed from the master array once the arrayed linked microbeads have been photobound to the master array support surface. This rinse removes subsequent interference (eg, during hybridization) with oligonucleotide sequences located around the beads but not immobilized on them.
[0065]
Although the use of any form of linker is not required in the present invention, the use of microbeads in the present invention will increase the density of address oligonucleotides immobilized on the surface of the master array, The ordered spacing of the address oligonucleotides to form the individual locations of the address, and the increasing density of address oligonucleotide deposits at each individual location on the master array surface (address oligonucleotides greater than one are less than (If provided in connection with a linker).
[0066]
A typical master array of the present invention includes a number of address ligands, each at a separate location or address, immobilized on its surface. The term “address” as used in this context refers to a spatially distinct surface on a support that is sufficiently identifiable to allow the ligand (eg, oligonucleotide) bound thereto to be identified and distinguished. Refers to the determined position. The result of this immobilized crystalline array is to provide a master array containing a number of unique "addresses" on its surface.
[0067]
A master array support surface of this type is preferably provided in the form of a planar, non-porous solid support having at least a first surface. The plurality of heterologous address oligonucleotides is 100 heterologous oligonucleotides / cm 2 And preferably 1000 heterologous oligonucleotides / cm 2 And each heterologous oligonucleotide binds to the surface of the solid support in a different predetermined region, has a different defined sequence, and has at least 4 It is nucleotides in length, and preferably at least 10 nucleotides, and more preferably 30 nucleotides in length.
[0068]
In a preferred embodiment, the master array is at least 1,000, more preferably at least 10, each located in a predetermined area physically separated from the other areas and bonded to the first surface of the solid support. Contains 2,000 heterologous address oligonucleotides. Given the selection for multiple sites of each oligonucleotide, the total number of oligonucleotide sites in a single array can often exceed 10,000.
[0069]
In a preferred embodiment of the present invention, the master array support surface contains excess address oligonucleotides immobilized thereon such that a particular address appears at multiple spatially defined locations on the master array. I do. As a result of this redundancy, a particular multiligand conjugate containing a sequence complementary to a particular address oligonucleotide can bind to any of a number of locations on the master array. This redundancy of any particular address on the master array helps to increase the sensitivity and accuracy of the assay for detecting the corresponding target nucleic acid in the sample. For example, in one embodiment, the master array contains an address sequence that is immobilized on the support surface at between 1 and 100, preferably between 2 and 10, different locations. In such a preferred embodiment, detection of target nucleic acids that bind to extra addresses is performed at a number of different locations on the master array.
[0070]
Once the address oligonucleotides have been immobilized on the surface of the master array, then the spatially defined position of each immobilized address oligonucleotide can be determined. Suitable methods for determining the location of each address oligonucleotide include sequential addition of fluorescently labeled complementary sequences to the array, followed by fluorescent hybridization including rinsing and scanning between each addition. Fluorescently labeled oligonucleotides complementary to each address oligonucleotide sequence are available, or generally comprise several (eg, 10 or more) different fluorescent compounds known to be distinguishable from each other. It can be synthesized to contain one of them. Multiple (eg, 10) different oligonucleotides can be prepared, each having a different known sequence complementary to the address sequence on the surface, and each having a corresponding identifiable fluorophore. The labeled probe can be simultaneously applied to the surface and hybridized, for example, at 55 ° C. for 30 minutes. Next, the surface is rinsed and scanned to identify the locations of each of the ten arrays. Next, another set of 10 sequences is hybridized to the surface and scanned to identify a second set of 10 sequences. This process continues until all addresses have been identified, after which the master array is stripped from the hybridized oligonucleotides, for example by immersion in boiling water for 2 minutes, to prepare a replication assay array. Used for One skilled in the art will readily recognize that other detection methods can also be used.
[0071]
Preferably, the address oligonucleotides of the present invention comprise one or more pendent, potentially reactive (preferably photoreactive) groups covalently attached thereto, directly or indirectly. Photoreactive groups are defined herein and preferred groups are sufficiently stable that they are stored under conditions that retain such properties. See, for example, US Pat. No. 5,002,582, the disclosure of which is incorporated herein by reference. Potentially reactive groups can be selected that are responsive to various portions of the electromagnetic spectrum, and are particularly responsive to the ultraviolet and visible portions of the spectrum (referred to herein as "photoreactive").
[0072]
Photoreactive groups respond to a specific applied external stimulus to effect active species generation, for example, by covalent bonds obtained to adjacent chemical structures, such as provided by the same or different molecules. Photoreactive groups are atomic groups in molecules that retain their covalent bonds unchanged under storage conditions, but they form covalent bonds with other molecules when activated by an external energy source .
[0073]
Photoreactive groups generate free radicals and active species such as certain nitrenes, carbene, and ketones in excited states upon absorbing electromagnetic energy. Photoreactive groups can be selected to be reactive to various portions of the electromagnetic spectrum, and for example, photoreactive groups that are reactive to the ultraviolet and visible portions of the spectrum are preferred and are described herein. At times can be referred to as a "photochemical group" or an "optical group".
[0074]
Acetophenone, benzophenone, anthraquinone, anthrone, and anthrone-like heterocycles (ie, heterocyclic analogs of anthrones such as those having N, O, or S at the 10-position), or substitutions thereof (eg, ring substitution). Photoreactive aryl ketones such as derivatives are preferred. Examples of preferred aryl ketones include the heterocyclic derivatives of anthrone, including acridone, xanthone, and thioxanthone, and their ring-substituted derivatives. Particularly preferred are thioxanthones, having an excitation wavelength greater than about 360 nm, and derivatives thereof.
[0075]
Such ketone functional groups are preferred because they can easily perform the activation / deactivation / reactivation cycle described herein. Benzophenone is a particularly preferred photoreactive moiety because it allows photochemical excitation by the initial formation of an excited singlet state, which makes the system crossover to the triplet state. The excited triplet state can snap into a carbon-hydrogen bond by abstraction of a hydrogen atom (e.g., from the support surface), thus creating a radical pair. The continuous breakdown of radical pairs leads to the formation of new carbon-carbon bonds. If a reactive bond (e.g., carbon-hydrogen) is not available for bond formation, UV-induced excitation of the benzophenone group is reversible and the molecule returns to the ground state energy level upon removal of the energy source. Photoactivatable aryl ketones such as benzophenone and acetophenone are of particular interest because these groups are susceptible to multiple reactivation in water, thus providing increased coating efficiency.
[0076]
Azides constitute a preferred class of photoreactive groups and include aryl azides such as phenyl azide and especially 4-fluoro-3-nitrophenyl azide (C 6 R 5 N 3 ), Benzoyl azide and acyl-azide such as p-methylbenzoyl azide (-O-CO-N 3 ), Ethyl azidoformate, phenyl azidoformate and the like (-O-CO-N 3 ), Sulphonyl azide such as benzenesulphonyl azide (-SO 2 -N 3 ) And phosphoryl azides (RO) such as diphenyl phosphoryl azide and diethyl phosphoryl azide 2 PON 3 including. Diazo compounds constitute another class of photoreactive groups and include diazoalkanes such as diazomethane and diphenyldiazomethane (-CHN 2 ), Diazoacetophenone and diazoketones such as 1-trifluoromethyl-1-diazo-2-pentanone (-CO-CHN 2 ), Diazoacetates such as t-butyl diazoacetate and phenyl diazoacetate (—O—CO—CHN 2 ) And beta-keto-alpha-diazoacetates such as t-butyl alpha-diazoacetoacetate (-CO-CN 2 —CO—O—). Other photoreactive groups include diazirines such as 3-trifluoromethyl-3-phenyldiazirine (-CHN 2 ), And ketene such as ketene and diphenylketene (-CH = C = O).
[0077]
Upon activation of the photoreactive group, the reagent molecules are covalently attached to each other and / or to the surface of the material by covalent bonds through the residues of the photoreactive group. Representative photoreactive groups and their residues upon activation are shown below.
[0078]
Photoreactive group
Aryl azide amine
Acyl azide amide
Azido formate Carbamate
Sulfonyl azide sulfonamide
Phosphoryl azide phosphoramide
Diazoalkane New CC bond
Diazoketones New CC Bonds and Ketones
Diazoacetate Novel CC bond and ester
Beta-keto-alpha-new CC bond and beta-
Diazoacetate ketoester
Aliphatic azo Novel CC bond
Diazirine, a new CC bond
Ketene New CC bond
Photoactivated ketones New CC bonds and alcohols
[0079]
The photoactivatable nucleic acids of the present invention can be applied to any surface having a carbon-hydrogen bond by which a photoreactive group can react and immobilize the nucleic acid on the surface. Examples of suitable substrates include polypropylene, polystyrene, poly (vinyl chloride), polycarbonate, poly (methyl methacrylate), parylene and any of a number of organosilanes used to pretreat glass or other inorganic surfaces. But not limited to them. The photoactivatable nucleic acids are printed on the surface in the array and can then be photoactivated by uniform irradiation to immobilize them in a specific pattern on the surface. They can also be applied uniformly to the surface continuously and then be photoactivated by irradiation through a series of masks to immobilize a particular arrangement in a particular area. Thus, with multiple irradiations through various masks and careful washing to remove unbound light-nucleic acid after each light-binding step, multiple applications of specific photo-derivatized nucleic acids prepare arrays of immobilized nucleic acids. Can be used to Photoactivatable nucleic acids can also be uniformly immobilized on a surface by coating and photoimmobilization.
[0080]
Masks are well known in the art and can be provided in the form of a transparent support material that is selectively coated with a layer of opaque material. Generally, a mask is a spatially allocated barrier material that is affixed to a given substrate to block photon irradiation from a portion of the substrate surface over which the barrier material is covered. Such a mask blocks the underlying portions of the substrate from contact with the activating light. Suitable masks are discussed, for example, in US Pat. No. 5,831,070 (November 3, 1998, Pease et al.). The opaque material portions can be removed, leaving the opaque material in the desired precise pattern on the substrate surface. The mask is imaged on, or in direct contact with, the master array support surface. "Openings" in the mask correspond to the portions on the substrate where it is desired to bind the desired portions, such as nucleic acids and microbeads. In some embodiments, the mask can be repositioned for multiple exposures. Alternatively, a multi-mask can be used.
[0081]
Multiligand conjugate
The invention further includes multiligand conjugates that contain multiple active (eg, binding or polymerizable) regions. The multi-ligand conjugate includes a first ligand binding region, a second ligand binding region, and a core having a third ligand bound thereto. The first and second ligand binding regions are preferably nucleic acids, while the third ligand is preferably a non-nucleic acid moiety. Preferably, the third ligand comprises a binding ligand or a polymerizable group. Alternatively, a multi-ligand conjugate comprises a second ligand binding region, and a core having a third ligand attached thereto. In this embodiment, the second ligand binding region is complementary to both the address ligand and the target ligand to be detected in the sample. Multiligand conjugates carry conjugates that can use the template set by the master array, creating one or more replication assay arrays as described herein.
[0082]
The core of the multi-ligand conjugate provides a first and second ligand binding region, as well as a surface for binding of a third ligand. The core comprises suspended particles or soluble molecules, as described herein. Suitable suspended particles include microbeads. Alternatively, the core comprises a molecular moiety that is preferably soluble. As used herein, when the core of the multiligand conjugate is provided in the form of microbeads, the microbeads are referred to as "transfer microbeads".
[0083]
In one embodiment, the core is provided in the form of transfer microbeads. Microbeads useful in preparing multiligand conjugates of the invention can take the same diversity as described above for "ligated microbeads." Preferred beads desirably have a greater specific gravity than that of water and have a spherical, uniform size. Also, preferred beads have a surface that readily binds the chemical composition, or at least the organic reagent. For example, a uniform silica sphere between about 0.5 microns to about 20 microns, preferably between about 1 micron to about 10 microns, and more preferably between about 1 micron to about 5 microns (μ) in diameter, will bind the reagent to It can be reacted with an organosiloxane reagent containing a thermochemically reactive group (eg, an epoxy group) to attach to the corresponding group on the ligand.
[0084]
Transfer microbeads suitable for use in the present invention can be bound to a first ligand binding region, a second ligand binding region, and a third ligand, as described herein. Any three-dimensional structure that is Preferably, the transfer microbeads have a specific gravity greater than water to ensure that the beads are close to the surface of the master array for hybridization between the address oligonucleotide and the first binding region of the multiligand conjugate. Make it possible. Transfer microbeads can be provided in any suitable size, and nanobeads as well as microbeads are contemplated in the present invention.
[0085]
As contemplated in the present invention, the beads can be made from virtually any insoluble or solid material. For example, beads can be silica gel, glass, nylon, Wang resin, Merrifield resin, Sephadex, Sepharose, cellulose, magnetic beads, Dynabeads, metal surfaces (eg, steel, gold, silver, aluminum , Silicon and copper), plastic materials (eg, polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester, and vinylidene difluoride (PVDF)), and the like, and combinations thereof. Examples of suitable microbeads are described, for example, in US Pat. No. 5,900,481 (May 4, 1999, Lough et al.). Other examples of suitable microbeads are commercially available, for example, from Interface Dynamics (Portland, Oreg.).
[0086]
In another embodiment, the core is provided in the form of a molecular core. Preferably, the molecular core is soluble. Suitable molecular cores include multifunctional polymers or multifunctional monomer molecules. Examples of multifunctional polymers include linear or branched polymers or dendrimers. Examples of suitable multifunctional monomer molecules include cyanuric chloride, homocysteine, cysteine, lysine, aspartic acid, glutamic acid, and serine.
[0087]
In one embodiment, a multi-ligand conjugate of the invention further comprises a first ligand binding region. In a preferred embodiment, the first ligand binding region comprises a nucleic acid, preferably an oligonucleotide. Oligonucleotides are selected for the first binding region by preparing a sequence complementary to the irregular sequence containing the address ligand of the master array. Once the sequence of the address ligand is known, the sequence of the first ligand binding region may first determine the complementary nucleic acid sequence to the address oligonucleotide using standard Watson-Crick base pairing rules, and then It is prepared by synthesizing a defined nucleic acid sequence. This preparation can be accomplished using any suitable method known in the art, for example, by solid phase DNA synthesis. Once the oligonucleotides for the first binding region have been synthesized, the ends of each oligonucleotide can be modified, if necessary, to contain an alkylamine group on the spacer.
[0088]
The length of the oligonucleotide is optimized for the desired hybridization strength and kinetics. Usually, the length of the first ligand binding region is in the range of 20-50 nucleotides. Preferably, the length of the first ligand binding region is selected based on the length of the address ligand on the master array. In a preferred embodiment, the sequences of the first binding region are either relative to each other or to any known natural gene sequence and / or gene fragment that has a significant probability of being present in the sample to be tested. Are not complementary. As a result, the first binding region oligonucleotide sequences will only hybridize to their respective complementary address oligonucleotide sequences immobilized on the master array support surface. This results in the first ligand binding region responsible for placing the multiligand conjugate in a spatially defined location on the surface of the assay array support, and the intersection between the target nucleic acid sequence selected in the test sample. Avoid reactivity (eg, cross-hybridization).
[0089]
In a preferred embodiment, the second ligand binding region of the multi-ligand conjugate also comprises a nucleic acid, preferably an oligonucleotide. Oligonucleotides are selected for the second binding region by first selecting the target ligand (eg, gene and / or gene fragment) to be detected by the assay array constructed according to the invention. The sequences of these genes and / or gene fragments to be detected can be known or can be determined using techniques well known in the art (eg, the Sanger dideoxy method, PCR sequencing, etc.). It is possible. Once the sequence of the target nucleic acid is known, the sequence of the second ligand binding region can be determined by first determining the complementary nucleic acid sequence to the target nucleic acid using standard Watson-Crick base pairing rules, and then determining the determined nucleic acid sequence. Prepared by synthesizing the sequence. This preparation can be accomplished using any suitable method known in the art, for example, by solid phase DNA synthesis. Once the second binding region has been selected, the termini of each oligonucleotide can be modified, if necessary, to contain an alkylamine group on the spacer.
[0090]
As with the first ligand binding region, the length of the oligonucleotide for the second ligand binding region preferably ranges from 10 to 100 nucleotides, more preferably from 20 to 100, for the desired strength and kinetics of hybridization. Optimized within the 50 nucleotide range. Preferably, the sequence of the second binding region is selected from the sample while avoiding cross-reactivity, such as cross-hybridization with either the address ligand on the master array or the first ligand binding region of the multi-ligand conjugate. Selected to provide sufficient specificity for a particular target ligand therein.
[0091]
In an alternative embodiment, the second ligand binding region is selected to be complementary to the address ligand of the master array and the target ligand to be detected in the sample. In this embodiment, the sequence of the second ligand binding region is determined by selecting the target ligand (eg, gene and / or gene fragment) to be detected by the assay array constructed according to the invention. The sequence of the second ligand binding region is prepared by determining a complementary nucleic acid sequence to the target nucleic acid using Watson-Crick base pairing rules, as described above, and then synthesizing the determined nucleic acid sequence. Is done. Next, the address ligand in this embodiment is assembled to include a sequence that is substantially complementary to the target ligand. With this embodiment, there is no need to provide a multi-ligand conjugate with the first ligand binding region since the second ligand binding region hybridizes with the address ligand of the master array.
[0092]
A multiligand conjugate is complementary to, and therefore hybridizes to, any desired target nucleic acid found in a biological sample and can be assembled to include oligonucleotides having a known or determinable sequence. In one embodiment, the various second ligand binding regions of the multiligand conjugates of the invention can include various oligonucleotides that are complementary to various target nucleic acids found in a biological sample.
[0093]
In an alternative embodiment, the second binding region of the multiligand conjugate is assembled such that the resulting assay array maps a particular series of target nucleic acids of the naturally occurring gene. One example of this particular embodiment would be a set of multiligand conjugates containing a second binding region complementary to 50-60 known target sequences of cystic fibrosis. Thus, the resulting assay array will be assembled to detect the presence of sequences known or suspected to bind only to this obstacle.
[0094]
The third ligand of the multiligand conjugate is a molecule that transports the multiligand conjugate to an assay array prepared according to the present invention. In one embodiment, once the multi-ligand conjugate has hybridized to the master array at the desired address location, the third ligand retains the positional arrangement of the nucleic acids set by the master array. Allows the multiligand conjugate to be transferred to the assay array. Preferably, the third ligand is provided as a binding ligand or a polymerizable group.
[0095]
In one embodiment, the third ligand is a binding ligand. As used herein, "binding ligand" refers to any ligand that can bind to a binding partner. Preferably, the binding ligand is a member of a specific binding pair capable of binding a complementary binding moiety. As contemplated in the present invention, a binding ligand is a biological or synthetic molecule that has a high affinity for another molecule or macromolecule through covalent or non-covalent bonds. Preferably, the binding ligand is a functional chemical group (primary amine, sulfhydryl group, primary amine, sulfhydryl group, etc.) which allows it to react covalently or non-covalently to common functional groups. Or aldehyde groups), epitopes (antibodies), haptens or ligands (either naturally or by modification). For example, where the third ligand comprises avidin or streptavidin, the multiligand conjugate can bind to a surface that is coated with a biotin derivative such as biotin or imino-biotin. It is understood that the binding members can be reversed, for example, biotin-coated beads can be bound to a streptavidin-coated solid support. Other specific binding pairs contemplated for use in the present invention include haptens (digoxigen, 2,4-dichlorophenoxyacetic acid, trinitrophenyl) and high affinity antibodies, hormone-receptors, enzymes-inhibitors Agents and antibodies-antigens.
[0096]
In one embodiment, the third ligand is provided in the form of a biotin-poly (alkylene oxide) amine derivative. Such derivatives are prepared, for example, by reacting the N-oxysuccinimide ester of biotin with a poly (ethylene oxide) diamine of approximately the same molecular length as the oligonucleotide derivative to be placed on the same core or microbead. can do.
[0097]
The third ligand can be directly or indirectly through the use of a spacer in a manner that allows the ligand to be free of steric hindrance (eg, steric hindrance caused by proximity of the ligand to the transfer microbeads) It can be attached to the core of the multiligand conjugate or to transfer microbeads. In other words, the use of a spacer to bind the third ligand is such that the ligand is at a sufficient distance from the surface of the core or transfer microbeads and that it performs its intended function, e.g., at the surface of an assay array. Ensure that it can polymerize or bind to the corresponding binding partner contained above.
[0098]
As used herein, a "spacer" for binding a third ligand to the core allows for binding of the third ligand to the core in a spatial relationship that does not interfere with the function or reactivity of the third ligand. Is a molecule. Suitable spacers include polyethylene glycol and water-soluble bi- or multi-functional monomers such as acrylamide, vinylpyrrolidone, and carbohydrates. Preferably, such water-soluble bi- or multi-functional monomers include oligomers or polymers. In a preferred embodiment, the spacer comprises, for example, a hydrophilic spacer of sufficient length to allow the binding region to be sterically unhindered, such as a polyethylene glycol spacer.
[0099]
In one embodiment, a multi-ligand conjugate of the invention further comprises a polymerizable group. As used herein, a "polymerizable group" refers to a molecule that is capable of undergoing, under suitable conditions, a chemical reaction in which relatively simple molecules combine to form a macromolecule or chain-like molecule. The third ligand of the multi-ligand conjugate is provided in the form of a polymerizable group, for example, to allow the conjugate to be formed into a stable film while in place on the master array. can do.
[0100]
Examples of suitable polymerizable groups include free radical products such as vinyl, acrylic, maleic, itacone, unsaturated fatty acids, and other ethylenically and acetylenically unsaturated hydrocarbon groups. In a preferred embodiment, the polymerizable groups are adapted to perform addition polymerization in the presence of additional monomers and other reagents (eg, initiators) to form a stable film. The polymerization can be carried out via any suitable reaction, including aqueous free radical solution polymerization, exposure to heat, high energy irradiation, ultrasound, ultraviolet irradiation, and ionic polymerization catalysts to produce water soluble or swellable polymers. it can. Further, the polymerization of the groups can be carried out via base catalyzed hydrogen transfer polymerization. Given the present description, those skilled in the art will recognize that such groups can be used to copolymerize ligands with other monomers and then with their corresponding conjugates to form a complete polymeric structure, for example, an assay array support surface It will be appreciated that it can be used to take the form of a film backing that can be transported to or into it.
[0101]
In this embodiment, once the address oligonucleotides of the master array have each hybridized to their respective first binding region of the multi-ligand conjugate, the polymerizable groups are bound to the reagents and the skill of the artisan. The reaction can be performed using the conditions in the above to enable formation of a polymer film. The polymerizable groups are copolymerized on the film backing while substantially maintaining their respective positions determined by the master array. The film exists so that it is sufficiently stable (eg, self-supporting) to maintain the spatially defined position of each “address” or is optionally stabilized (eg, gelled or , Another layer is laminated or otherwise solidified). At the same time or thereafter, the polymeric backing can be transferred to or otherwise incorporated into the assay array surface in a manner that maintains the desired orientation of the conjugate.
[0102]
According to the present invention, the individual ligands of a multi-ligand conjugate may be combined in any suitable manner and / or order, for example, individually or together (eg, in a linear array and at a single position or multiple positions). It can be attached to an atom or a molecule. For example, in one embodiment, the ligand is simultaneously bound to the core, eg, under similar reaction conditions. Optionally, the ligand serving as the third ligand is bound to the core after hybridization between the address oligonucleotide of the master array and the complementary oligonucleotide provided by the multiligand conjugate. In this embodiment, the third ligand is present as a separate reagent, however, the binding of the third ligand can occur under the same or similar reaction conditions as the first and second binding regions. In yet another embodiment, each ligand is bound to the core under separate conditions in a separate reaction.
[0103]
The sequence of binding of these ligands to the core of the multiligand conjugate is not considered critical to the invention, and individual active (eg, binding) regions bind their specific complement. They can be bonded to the core or to each other in any order, as long as it is available for that. In a particularly preferred embodiment, each individual binding region is individually attached to the core at a plurality of locations on the surface.
[0104]
In one embodiment, an epoxy-glass surface is formed on the surface of the transfer microbeads that subsequently react with the first and second ligand binding regions, and the third ligand. In this embodiment, the glycidoxypropyltriethoxy siloxane is prepared according to published reaction conditions (see "Grafting Rates of Amine-Functionalized Polystyrenes on Epoxidized Silica Surfaces," Macromolecules, 33: 1105-33, 1105-1305). ) Reacts with the glass microbeads below to provide an epoxy-glass surface. The three binding regions of the invention, each terminated with an alkylamine group on the spacer, can readily bind to epoxy groups on the surface of the bead.
[0105]
The first and second oligonucleotide binding regions can be attached to the transfer microbeads in any suitable manner, for example, an alkylamine-terminated nucleic acid can be synthesized and attached thermochemically. As described above, the first binding region comprises an oligonucleotide that is complementary to the address oligonucleotide immobilized on the master array support surface, while the second binding region It is complementary to a selected target nucleic acid suspected or known to be present in the sample to be sought. As mentioned above, the sequences of the first ligand binding region are preferably relative to each other or to any known natural gene sequence and / or gene fragment that has a significant probability of being present in a biological sample. Not complementary.
[0106]
In one embodiment, the first and second ligand binding regions are provided in the form of an alkylamine nucleic acid derivative, and the third ligand is provided in the form of biotin hydrazide. The core is provided as microbeads provided with a photoreactive poly-N-oxysuccinimide (polyNOS) or epoxide surface. The alkylamine derivative and biotin hydrazide react with the surface of the core to allow binding of a binding ligand and a third ligand. Alternatively, 5'-OH oligonucleotides and allylamine oligonucleotide derivatives are used as first and second ligand binding regions, and the third ligand is biotin hydrazide (binding) with triazine trichloride as the soluble nucleus. (Ligands) or allylamine (polymerizable groups, for in-situ formation of patterned films).
[0107]
In an alternative embodiment, the third ligand is provided in solution rather than being bound to the core of the multi-ligand conjugate. In this embodiment, the third ligand is incorporated after hybridization of the address oligonucleotide of the master array with the first binding region of its complementary multiligand conjugate. Thus, in this embodiment, the third ligand is present in the complex formed on the master array after binding of the multiligand conjugate and before the assay array is brought close to the binding distance with the master array. Be incorporated. Preferably, the addition of the third ligand does not require different reaction conditions than that of the first and second binding regions; rather, the addition of the third ligand can be performed under the same conditions.
[0108]
In a preferred embodiment, the third ligand is attached to the multiligand conjugate using photoreaction chemistry. In this embodiment, the surface of the microbeads is pretreated with, for example, an organosiloxane to prepare a surface for reaction with a photoreactive compound. In this embodiment, the third ligand is attached to a hydrophilic spacer which is then attached to a photoreactive group. The photoreactive group allows for the formation of a bond between the spacer (attached to the binding ligand) and the core of the multiligand conjugate.
[0109]
The third ligand is preferably covalently attached to the core, whether or not the core contains suspended particles or soluble molecules. In one embodiment, the third ligand derivative comprises a reactive group selected to form a covalent bond with a target group found or located on the core of the multi-ligand conjugate. For example, the core can contain an epoxy or active ester group, and the third ligand can contain an amine or hydrazide group; these two classes of reactive groups are aqueous and slightly alkaline. React together to form a covalent bond when placed together. If the core comprises, for example, suspendable particles, the biotin-poly (alkylene oxide) amine derivative will react with a soluble copolymer containing photoreactive groups and N-oxysuccinimide (NOS) ester groups ( As would be the other two ligands or amine-containing derivatives of the ligand binding region). The multi-ligand conjugate will be photochemically linked to the core particle.
[0110]
In an alternative embodiment, where the present invention involves the use of porous linked microbeads immobilized on the surface of a master array and covalently linked to address oligonucleotides, as the core of a multiligand conjugate No transfer microbeads are required. In this embodiment, the porous linking microbeads are immobilized on the surface of a master array, and each porous linking microbead can have multiple address oligonucleotides attached to its surface. According to this embodiment, the multiligand conjugate comprises a first binding region complementary to the address oligonucleotide, a second binding region complementary to the target ligand found in the biological sample, and a second binding region comprising the binding ligand. Includes triligands. Multiligand conjugates preferably do not include transfer microbeads, but rather a chemical (eg, molecular) core.
[0111]
Multiple multiligand conjugates are applied to the master array and cultured under conditions suitable to allow hybridization of the master array address sequence to its complementary oligonucleotide contained within the multiligand conjugate. Is done. One skilled in the art can determine suitable conditions for temperature, salt concentration, and buffer composition for hybridization of the address oligonucleotide to the first binding region. For a discussion of hybridization conditions and methods for applying them, see pages 3-15, 62-66, 73-112, Nucleic Acid Hybridization: A Practical Approach, Hames and Higgins, eds. (1985). The disclosure is incorporated herein by reference.
[0112]
Assay array support
The assay array support of the present invention comprises a support surface that is preferably coated with a binding site for a third ligand of a multi-ligand conjugate. The assay array support provides a support for the replicated array to be assembled using the master array.
[0113]
The assay array support is made from any suitable material to provide an optimal combination of properties such as dimensional stability, shape, and smoothness. Suitable materials for use in assembling the assay array include those described as being useful for the master array itself, and preferably include silicon and glass. In a particularly preferred embodiment, the assay support is provided in planar dimensions between about 0.5 cm to about 7.5 cm long, and between about 0.5 cm to about 7.5 cm, preferably between about 1 cm to about 2 cm wide. . Preferably, the assay array support is sized to accommodate the master array to provide a direct spatial relationship.
[0114]
In yet another embodiment, multiple arrays can be replicated on a single assay array support. In this embodiment, one or more master arrays are used to create individual replicate arrays at defined surfaces on the assay array support. The resulting assay array contains multiple probe arrays on a single support surface, and the composition of each array can be tailored for a particular application as desired.
[0115]
As used herein, "binding site" refers to the portion on the surface of an assay array that can bind a third ligand of a multi-ligand conjugate. Preferably, the binding site comprises a member of a specific binding pair capable of binding in a covalent or non-covalent manner a complementary binding moiety, eg, a third ligand of a multi-ligand conjugate. Including. Suitable specific binding pairs are described herein with respect to the third ligand of the multi-ligand conjugate. One of skill in the art can select a suitable binding site based on the composition of the multiligand conjugate and the intended use of the assay array.
[0116]
The surfaces of the individual assay array supports can be pre-treated to facilitate binding of the oriented conjugate layer. In a preferred embodiment, the assay array is provided in the form of a silicon chip that is cleaned, polished, and treated to provide a smooth silicon oxide surface. Next, the silicon oxide surface can be treated with an organosiloxane reagent (as described herein) to provide a smooth photoactivatable surface.
[0117]
In one embodiment, an assay array support of the invention can be coated with a binding partner molecule available to form a bond with a third ligand of a multiligand conjugate. Assay array support surfaces can be prepared by coating the surface with a photoactivatable compound (eg, a photoreactive siloxane reagent) to render the surface photoreactive. Thereafter, the assay array support surface can be exposed to a solution containing a binding partner molecule (eg, avidin), which solution is used to allow the formation of a bond between the binding partner and the surface of the assay array. Irradiated. Optionally, the surface of the assay array is found in the test sample before and / or after exposure to the binding partner, for example, protected with a coating (eg, a biotin triblock copolymer) using a surfactant. Prevents nonspecific binding of molecules to the surface of the assay array support.
[0118]
In a preferred embodiment, the binding partner is provided in the form of a monolayer on the surface of the assay array support. Optionally, the binding partner can be provided in the form of a three-dimensional layer, eg, avidin-hydrogel composite up to a sufficient thickness, eg, up to about 20 microns (μ) thick. The thickness of the three-dimensional layer depends on factors such as the molecular weight of the polymer used, the swelling of the polymer (eg, hydrophilicity), and the amount of applied material (eg, concentration and volume). Suitable thicknesses are from about 0.1μ to about 20μ, preferably from about 0.5μ to about 10μ, more preferably from about 0.5μ to about 5μ. Such structures are, for example, wetted with a solution of avidin plus a photoreactive hydrogel (eg, a copolymer of benzoylbenzamidopropyl methacrylamide and vinylpyrrolidone or acrylamide) on a photoreactive assay array surface. It can be obtained by irradiation in between.
[0119]
In another preferred embodiment, the binding partner is provided by a thin film of a photopolymer applied to a dimensionally stable assay array support surface. High surface density (for example, 0.1 pmol / mm 2 A) self-assembled monolayer of a protective surfactant containing a high affinity ligand group (e.g., biotin) is applied to the photoreactive surface. Next, the monolayer surfactant film is optically bonded to the surface and any unbound surfactant is rinsed away. The ligand-bearing surface protected by the membrane is saturated with a high affinity binding partner molecule (eg, x-avidin), and any excess binding partner is rinsed away. Suitable high affinity binding partner molecules include, for example, x-avidin membranes, or high affinity antibodies (eg, anti-digoxigenin).
[0120]
Optionally, the system further comprises dissociating, for example, complementary and hybridized oligonucleotides (eg, the address oligonucleotide of the master array and its complementary oligonucleotide carried by the multiligand conjugate). Other components are also included, including reagents or other mechanisms for use in. For example, suitable mechanisms for dissociating hybridized DNA include techniques or reagents that alter the temperature, pH, or salt concentration of the system. One skilled in the art would be able to dissociate the hybridized DNA and apply such a mechanism to achieve the invention herein.
[0121]
Optionally, the system further comprises a commercially available scanner (eg, a confocal fluorescence microscope commercially available from Molecular Dynamics) to detect hybridization of a nucleic acid target to a particular address. included.
[0122]
Method
In another aspect, the invention provides a method for reproducibly preparing a nucleic acid array, comprising:
a) providing a master array having a support surface;
b) immobilizing a plurality of address ligands on a master array support surface in the form of a patterned array;
c) determining the pattern of the immobilized address oligonucleotide;
d) the first ligand binding of at least one molecule, wherein each multi-ligand conjugate comprises: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind to the address ligand of the master array in a complementary manner. Region (iii) a second ligand binding region of at least one molecule comprising a ligand selected to bind to a specific target ligand in a complementary manner, and (iv) a third ligand of at least one molecule Providing a plurality of multi-ligand conjugates, wherein the first ligand binding region, the second ligand binding region, and the third ligand are bound to a core;
e) contacting the multiligand conjugate with the master array support surface under conditions suitable to allow each address ligand to bind its complementary first ligand binding region of the multiligand conjugate Allowed to incubate;
f) providing an assay array support surface;
g) combining the bound multiligand conjugate with the assay support surface under conditions suitable to allow the conjugates to be transferred to the assay support in a pattern corresponding to their pattern on the master array. Contact; and
h) dissociating the first ligand binding region from the master array support in a manner that allows the conjugate to remain on the assay support surface in a desired pattern;
Including.
[0123]
In another aspect, the invention provides a method for preparing a nucleic acid array to be replicable, comprising:
a) providing a master array having a support surface;
b) immobilizing a plurality of address ligands on a master array support surface in the form of a patterned array;
c) determining the pattern of the immobilized address oligonucleotide;
d) at least one molecule of each multiligand conjugate comprising: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind to a specific address ligand and a specific target ligand in a complementary manner. Providing a plurality of multi-ligand conjugates comprising a second ligand binding region and (iii) a third ligand of at least one molecule, wherein the second ligand binding region and the third ligand are bound to a core. And;
e) contacting the multiligand conjugate with the master array support surface under conditions suitable to allow each address ligand to bind its complementary second ligand binding region of the multiligand conjugate. Allowed to incubate;
f) providing an assay array support surface;
g) combining the bound multiligand conjugate with the assay support surface under conditions suitable to allow the conjugates to be transferred to the assay support in a pattern corresponding to their pattern on the master array. Contact; and
h) dissociating the second ligand binding region from the master array support in a manner that allows the conjugate to remain on the assay support surface in a desired pattern;
Including stages.
[0124]
Optionally, the method further comprises using the assay array support surface produced in step h) to prepare a second assay array. The second set of multiligand conjugates is used to generate a second assay array that is a duplicate of the original master array. A second set of multi-ligand conjugates can be assembled according to the teachings herein. In this embodiment, the nucleic acid sequence of the second assay array is substantially identical to the nucleic acid sequence of the original master array.
[0125]
In a preferred embodiment, the immobilization of the address ligand on the surface of the master array support is irregular, and the location of each address is determined after the address ligand is immobilized on the surface. Preferably, the address ligand, the first ligand binding region, and the second ligand binding region are nucleic acid sequences, and the third ligand comprises a binding ligand or a polymerizable group. In use, the cores of a multi-ligand conjugate carrying three or more ligands can be mixed in equal numbers and suspended in aqueous buffer. This suspension contains an excess of each transfer microbead carrying an oligonucleotide sequence that is complementary to the characteristic oligonucleotide sequence of the target nucleic acid expected to be detected in the sample (the microarray on the master array). (Beyond the hybridization capacity of the beads).
[0126]
The master array surface can be flooded with this suspension of the selected mixture of multiligand conjugates, and solid state hybridization can be allowed to proceed to near equilibrium. The excess multiligand conjugate is then recovered from the hybridized master array by rinsing and the bound conjugate is copolymerized to form a stable backing on the assay Either the triligand contains a polymerizable group) or can bind to the corresponding binding partner (if the third ligand contains a binding ligand). Next, the master array is available for iterative replication.
[0127]
The master array can be used repeatedly to then prepare a corresponding assay array that can be packaged, stored, and transported, for example, in wet or dry conditions. Once unpacked, the assay array is ready to use in routine hybridization assay protocols with a scanner. Further, the present invention provides a versatile master array-the master array may be used to create a substantially identical array or to modify the function of the array (e.g., when a user attempts to detect in a sample). To alter the oligonucleotide sequence that is complementary to the characteristic oligonucleotide sequence of the target nucleic acid, so that the target nucleic acid can be altered).
[0128]
Those skilled in the art, given the present description, will understand how commercially available microarrays can themselves be used as the master array of the present invention and replicated one or more times to form a corresponding assay array. Will do. In this case, the individual nucleic acids of the commercially available array, regardless of their original specificity, each may be considered simply as an address sequence and are described herein to provide an assay array of any desired specificity. Can be used in the manner described in. The user can determine the sequence of each address and assemble the first binding ligand of the multi-ligand conjugate using the teachings herein.
[0129]
In a still further aspect, particularly where the third ligand is provided in the form of a binding ligand, the present invention provides a sandwich array comprising:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) a molecule of the first ligand binding region wherein each multiligand conjugate comprises (i) a ligand selected such that each molecule binds in a complementary manner to a specific address ligand of the master array; ii) a molecule of the second ligand binding region comprising a ligand wherein each molecule is selected to bind to a characteristic target ligand in a complementary manner; and (iii) a third ligand of at least one molecule. A plurality of multiligand conjugates comprising a core attached thereto, wherein the first ligand binding region is bound to a corresponding address ligand immobilized on a master array; and
c) An assay array support comprising a support surface wherein the binding sites of the assay array are covered by binding sites for a third ligand which is bound to the corresponding binding ligand of the multiligand conjugate.
[0130]
Optionally, the sandwich array further comprises connecting microbeads immobilized on the surface of the master array, to which the connecting microbeads bind a plurality of address oligonucleotides.
[0131]
kit
In yet another alternative embodiment, the invention provides a corresponding kit comprising one or more components for reproducibly preparing a nucleic acid array, wherein the kit components are selected from the group consisting of:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of "address" ligands immobilized thereon, wherein the ligands take the form of a patterned array;
b) a molecule of the first ligand binding region wherein each multiligand conjugate comprises (i) a ligand selected such that each molecule binds in a complementary manner to a specific address ligand of the master array; ii) binding a molecule of the second ligand binding region comprising a ligand selected such that each molecule binds to a characteristic target ligand in a complementary manner, and (iii) at least one molecule of a third ligand. A plurality of multi-ligand conjugates comprising a modified core;
c) An assay array support comprising a support surface for a replicated array covered by a binding site for a third ligand.
[0132]
Optionally, the kits of the present invention further comprise reagents for performing the assays described herein, such as suitable buffers to provide appropriate pH levels, and salt concentrates for hybridization. Including. The kit further includes an array reader for determining the location of the address oligonucleotide on the master array and the presence of the hybridizing target nucleic acid on the assay array.
[0133]
Reusable nucleic acid arrays
In yet another alternative embodiment, the present invention provides methods and systems for directly preparing replicable arrays in the form of reusable nucleic acid arrays. In this embodiment, the surface to which the nucleic acids are immobilized is provided by a fiber optic array and the master array support surface is provided by the distal ends of the fibers themselves. Optionally and preferably, micro-wells are etched into the distal end of the optical fiber.
[0134]
In such embodiments, conventional fiber optic bundles can be adapted for use as specific binding array biosensor systems for detecting a variety of target nucleic acids in a sample. Commercial sources provide optical imaging fiber bundles, including thousands (e.g., 3,000-100,000) of hexagonally-closed, individually coated optical fibers. Each fiber in the array transmits its own isolated optical signal from one end of the fiber to the other. An individual specific binding ligand can be attached to one end of each fiber and the other end is functionally connected to an optical signal analyzer (eg, a CCD camera).
[0135]
The assay end of the fiber bundle (containing the specific binding ligand) is exposed to a sample solution containing the unknown target and other necessary reagents, if any, of the optical assay system. The optical signal pattern is recorded and analyzed at the other end of the bundle using an image analysis system.
[0136]
Applicants have discovered that the complementary oligonucleotide binding region of the target sequence can be ligated to the light-emitting device in any suitable manner, for example, either directly or reversibly or irreversibly by a linking molecule or microbead. It has been found that it can bind to the surface of an assay array. Next, the ultimate position of the oligonucleotide binding region is determined (eg, by light means and assays), preferably controlled (eg, by use of reusable address regions), and optionally on a flat surface. Can be replicated (eg, by use of a reversible linker).
[0137]
In one preferred embodiment, the system comprises a plurality of multiligand conjugates, each multiligand conjugate comprising: a) a first oligonucleotide binding region adapted to bind to a corresponding address ligand; and b. A) a second oligonucleotide binding region molecule that is complementary to a characteristic oligonucleotide sequence (eg, a gene and / or gene fragment) of the target nucleic acid. The address ligand is immobilized on the distal end of the master array, either directly or through the use of linkers or microbeads. The multiligand conjugate then carries a known analyte-specific ligand on each addressed fiber. The set of analyte specific ligands on the fibers in the bundle can be arbitrarily changed.
[0138]
In another embodiment, attachment of the oligonucleotide binding region is achieved using microbeads. In this embodiment, the microbead is prepared such that it is bound to the oligonucleotide binding region. Next, the microbeads and the binding region are bound to the assay array support surface. Binding of the microbeads can be accomplished using any suitable binding pair, such as, for example, avidin-biotin. In an alternative embodiment, a photoreactive reagent can be used to bind the microbeads to the surface of an assay array support. Attachment of the address oligonucleotide to the microbeads, and attachment of the microbeads to the surface of the master array can be accomplished using any suitable method described herein.
[0139]
Optionally, the system further includes an image analyzer. In this embodiment, the fiber bundle is connected at one end to an optical sensor that collects signals from these multiple sensors (eg, fibers) and processes the information.
[0140]
In such a method, the present invention provides a reusable nucleic acid array that allows a user to modify the function of the nucleic acid array for each particular application. For example, linkers or microbeads can be coated with iminobiotin, and the master array support surface can be coated with biotin. Thus, the linker or microbead can reversibly bind to the surface of the assay array support. The linker or microbeads can be dissociated by changing the pH such that the lower pH will cause the linker or microbeads to dissociate from the assay array support surface.
[0141]
In one embodiment, the microwells can be etched into the distal end of each optical fiber using techniques known in the art. For example, a wet chemical etching procedure can be used to selectively etch individual fiber cores. This technique takes advantage of the difference in etch rates between the core and fiber cladding materials. By controlling the etch time, one skilled in the art will understand how to obtain densely ordered, well-shaped microwell arrays and well volumes. The well construction is determined by the preformed putative fiber. Since each microwell is obtained at the end of its own optical fiber, each well can serve as an individual sensor. Preferably, the diameter of the etched microwells is slightly larger than that of the individual connecting microbeads used for the connection there.
[0142]
For example, in one embodiment, a solution containing a plurality of microbeads having one or more attached oligonucleotide binding regions is added to the surface of a fiber optic bundle. Preferably, the oligonucleotide binding region is complementary to the target nucleic acid to be detected and / or quantified. The individual connected microbeads settle randomly in each microwell as the solution is left to evaporate from the surface of the fiber optic bundle. Optionally, and when a photoreactive compound is used in connection with this embodiment, the optical fibers are illuminated to allow the linked microbeads to optically couple to the surface of each optical fiber. Optionally, the excess microbeads are then washed from the surface of the fiber bundle.
[0143]
For example, immobilization of a bead or oligonucleotide binding region on the distal end of a fiber can be achieved in a microwell using a photoactivatable compound to form a bond with the well surface. it can. In one embodiment, the well surface of the optical fiber is coated with a photoreactive siloxane reagent, and then a solution containing free (ie, unbound) oligonucleotide binding regions is applied to the well surface. The solution is then irradiated, activating the photoreactive groups, resulting in the formation of a bond between the oligonucleotide binding region and the well surface. Irradiation is achieved by passing the activating light through the fiber and into the well.
[0144]
As described above, each individual fiber of the fiber bundle can be etched at one end to provide a concave container for the microbeads. Photoreactive organosiloxane reagents are prepared by combining a commercially available organosiloxane reagent such as aminopropyldimethyl methoxy siloxane with a thermochemically reactive photoreagent such as benzoyl benzoic acid acid chloride. Can be. The photoreactive siloxane reagent reacts with the concave silicon oxide surface of the etched optical fiber in the image analyzer bundle. In an alternative embodiment, each microwell is coated with x-avidin to create a surface that reacts with biotin. In this embodiment, the microbeads are coated with biotin or an iminobiotin derivative. As described herein, any specific binding pair is suitable for such binding.
[0145]
Preferably, the connecting microbeads are spherical and have a diameter approximately equal (or slightly smaller) than that of the individual optical fibers. The linked microbeads of the present invention are made from any suitable material, including, for example, glass, polystyrene, polyvinylbenzophenone, photopolysiloxane coated glass. Preferably, the microbeads have a greater specific gravity than that of water and have a chemical composition that is amenable to binding with organic reagents.
[0146]
Oligonucleotide derivatives can be synthesized by published and commercially used methods, as described in more detail herein. The length of the oligonucleotide sequence is optimized for the desired strength and rate of hybridization (usually in the range of 20-50 nucleotides). The oligonucleotide sequence is complementary to the selected target nucleic acid.
[0147]
"Address oligonucleotide" derivatives can be attached to epoxy activated linked microbeads for the end of an optical fiber. In a preferred embodiment, for example, uniform silica spheres of approximately fiber diameter are commercially available containing thermochemically reactive groups (eg, epoxy groups) useful for binding to amine groups of oligonucleotide derivatives in the present invention. Reacts with organosiloxane reagents. Glycidoxypropyltriethoxy siloxane reacts with glass microbeads under published reaction conditions to provide an epoxy glass surface. The address oligonucleotide derivative of the present invention is terminated by an alkylamine group on the spacer, and easily binds to an epoxy group on the surface of the linked microbead.
[0148]
The bundle of etched photoreactive optical fibers is exposed to a slurry of ligated microbeads (in sufficient number to provide at least one type of address oligonucleotide per fiber), with each microbead on its surface. It has an immobilized address oligonucleotide sequence. Preferably, one oligonucleotide binding region is attached to each fiber optic well. In this embodiment, the master array is reusable. This slurry consists of approximately the same number of beads as each of the desired address oligonucleotide sequences. The number of beads providing the oligonucleotide sequence is preferably sufficient to provide for the redundancy (at least three-fold) of each target nucleic acid specific site. As the solvent (preferably aqueous) evaporates from the slurry pool on the photoreactive surface in the dark or in dim light, the uniformly sized beads remain in the concave pocket at the ends in the ordered arrangement of fibers. The linked microbeads, which provide the oligonucleotide sequence, are then "immobilized" by irradiation in the dry state to allow photoreactive groups on the fiber optic surface and organic groups on the address oligonucleotide beads (often oligos). Nucleotides). Excess microbeads are rinsed from the system.
[0149]
The resulting fiber optic bundle has a stable, ordered arrangement of oligonucleotides complementary to the target nucleic acid sequence on one end of the fiber, and the positions of the oligonucleotide sequences are then described in detail herein. As such, it can be determined by conventional fluorescent hybridization methods involving sequential addition of fluorescently labeled complementary sequences to the array, with rinsing and reading of the array between each addition.
[0150]
In one preferred embodiment, the complementary sequence is labeled with a fluorophore. Fluorescently labeled oligonucleotides complementary to each sequence are synthesized, each containing several (eg, 1 in 10) different fluorescent compounds that can be distinguished from each other. Thus, each oligonucleotide has a known sequence and a known identifiable label. Several oligonucleotides, each having a different known sequence, each complementary to the oligonucleotide sequence on the surface, and one of a similar number of identifiable fluorophores, were simultaneously applied to the surface and at 55 ° C. Hybridize for minutes.
[0151]
Next, the surface is rinsed and analyzed to identify the location of each sequence. Next, another set of sequences is hybridized to the surface and scanned to identify a second set of sequences. The process is continued until all locations have been identified, after which the master array is peeled off by immersion in boiling water for 2 minutes. Then, it is ready to be used to detect the presence of the target nucleic acid in the sample.
[0152]
In use, the master array is exposed to a test solution containing a plurality of target nucleic acid sequences (eg, genes and / or gene fragments). The test solution is labeled via a fluorescent label, allowing visualization of the results. The test solution is cultured under conditions that allow the oligonucleotide binding region to hybridize to the target nucleic acid contained within the sample. Next, the unbound solution is rinsed from the master array. The hybridized nucleic acid sequences are visualized using the CCD camera of the array system described above.
[0153]
The assay array was washed with phosphate buffered saline containing 0.05% Tween 20 (PBS / Tween), then 4XSCC (0.6M NaCl, 0.06M citrate, pH 7.0), 0.1%. Blocked for 30 minutes at 55 ° C with a hybridization buffer consisting of 1% (w / v) lauroyl sarcosine and 0.02% (w / v) sodium dodecyl sulfate. A sample containing DNA having a sequence complementary to one of the oligonucleotide probes immobilized on the array was applied to the support surface of the fiber and allowed to stand at 55 ° C. for 1 hour in a sealed hybridization chamber. Cultured. Next, the support surface is washed with 2 × SSC containing 0.1% SDS (sodium dodecyl sulfate) at 55 ° C. for 5 minutes, followed by a fluorescently labeled detection probe that is complementary to another sequence on the target DNA. 50 fmol is applied to the support surface and incubated at 55 ° C. for 1 hour. Next, the support surface is washed with 2 × SSC containing 0.1% SDS at 55 ° C. for 5 minutes, followed by 0.1 × SSC, then dried and the fluorescent pattern is analyzed by image analysis equipment. Be recorded.
[0154]
Those skilled in the art will appreciate that the present invention can provide a variety of oligonucleotide sequences integrated with a particular fiber bundle. In one embodiment, for example, the fiber wells are individually coated with a specific binder. In another embodiment, the fiber wells are simultaneously coated with a common binder (eg, iminobiotin). In this embodiment, the fiber wells are loaded from a mixture of specific binder microbeads, each containing a complement to a common binder (eg, x-avidin).
[0155]
Optionally, the system further includes an image analysis system, for example, a CCD camera with associated software. The resulting assay array can be used in a conventional manner, e.g., the assay array can be read by a standard array reader, while the master array can be reused to re-use some or all of the steps described above. By repeating the above, more assay arrays can be prepared.
[0156]
It will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be applied to any molecular species involved in molecular recognition. Discussion has provided details regarding the nucleic acid applications of the present invention, while the present invention is not so limited.
[0157]
All patents, patent applications, provisional applications, and publications referenced or cited herein are incorporated by reference in their entirety to the extent they do not conflict with the express teachings herein.
[0158]
The following is an example illustrating a procedure for performing the present invention. These examples should not be construed as limiting. All percentages are by weight and all solvent mixture proportions are by volume unless otherwise specified.
[0159]
Example
Example 1
Preparation of 4-benzoylbenzoyl chloride (BBA-Cl) (Compound I)
1.0 kg (4.42 mol) of 4-benzoylbenzoic acid (BBA) is added to a dry 5 liter Morton flask equipped with a reflux condenser and a top stirrer, followed by 645 ml (8.84 mol) of thionyl chloride. ) And 725 ml of toluene were added. Then 3.5 ml of dimethylformamide were added and the mixture was heated at reflux for 4 hours. After cooling, the solvent was removed under reduced pressure and residual thionyl chloride was removed by three evaporations using 3 × 500 ml of toluene. The product was recrystallized from 1: 4 toluene: hexane to give 988 g (91% yield) after drying in a vacuum oven. The product melting point was 92-94 ° C. 80MHz ( 1 HNMR (CDCl 3 Nuclear magnetic resonance (NMR) analysis under)) was consistent with the expected product: aromatic protons 7.20-8.25 (m, 9H). All chemical shift values are ppm downfield from tetramethylsilane internal standard. The final compound was saved for use in preparing monomers used in the synthesis of photoactivatable polymers, for example, as described in Example 3.
[0160]
Example 2
Preparation of N- (3-aminopropyl) methacrylamide hydrochloride (APMA) (Compound II)
CH 2 Cl 2 A solution of 1910 g (25.77 mol) of 1,3 diaminopropane in 1000 ml was added to a 12 liter Morton flask and cooled on an ice bath. Next, 1000 g (5.15 mol) of t-butylphenyl carbonate, CH 2 Cl 2 250 ml of the solution were added dropwise at a rate to keep the reaction temperature below 15 ° C. After the addition, the mixture was warmed to room temperature and stirred for 2 hours. The reaction mixture is CH 2 Cl 2 Dilute with 900 ml and 500 g of ice, followed by slow addition of 2500 ml of 2.2N NaOH. After testing to confirm that the solution was basic, the product was transferred to a separatory funnel and the organic layer was removed and set aside as extract # 1. Next, the aqueous fraction was CH 2 2 Cl 2 Extracted with 3 × 1250 ml and stored each extract as a separate fraction. The four organic extracts were washed continuously with a single 1250 ml portion of 0.6N NaOH starting from fraction # 1 and passing through fraction # 4. This washing procedure was repeated a second time with 1250 ml portions of fresh 0.6N NaOH. Next, the organic extracts were mixed and mixed with Na 2 SO 4 Dried on. Filtration and evaporation to constant weight gave 825 g of N-mono-t-butoxycarbonyl-1,3-diaminopropane which was used without further purification.
[0161]
CHCl 3 A 806 g (5.23 mol) solution of methacrylic anhydride in 1020 ml was placed in a 12 liter Morton flask equipped with a top stirrer and cooled on an ice bath. 60 mg of phenothiazine is added as inhibitor followed by CHCl 3 825 g of N-mono-t-butoxycarbonyl-1,3-diaminopropane in 825 ml were added dropwise. The addition rate was adjusted so that the reaction temperature was always kept below 10 ° C. After the addition was complete, the ice bath was removed and the mixture was allowed to stir overnight. The product was diluted with 2400 ml of water and transferred to a separatory funnel. After thorough mixing, the aqueous layer was removed, and the organic layer was washed with 2400 ml of 2N NaOH, confirming that the aqueous layer was basic. Next, the organic layer was washed with Na 2 SO 4 Dry over and filter to remove desiccant. CHCl 3 Some of the solvent was removed under reduced pressure until the combined weight of product and solvent was approximately 3000 g. Next, the stirred CHCl 3 The expected product was precipitated by the slow addition of 11.0 liter of hexane into the solution. The product is isolated by filtration and the solid is dried in 900 ml hexane and CHCl 3 Rinse twice with 150 ml. Thorough drying of the solid provided N- [N '-(t-butyloxycarbonyl) -3-aminopropyl] -methacrylamide with a melting point of 85.8 ° C by DSC. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 ) Amide NH's 6.30-6.80, 4.55-5.10 (m, 2H), vinyl proton 5.65, 5.20 (m, 2H), N adjacent methylene 2.90-3. 45 (m, 4H), methyl 1.95 (m, 3H), residual methylene 1.50-1.90 (m, 2H), and t-butyl 1.40 (s, 9H).
[0162]
A 3-neck, 2 liter round bottom flask was equipped with a top stirrer and gas spray tube. 700 ml of methanol was added to the flask and cooled on an ice bath. With stirring, HCl gas was bubbled through the solvent at a rate of approximately 5 liters / minute for a total of 40 minutes. The molarity of the final HCl / MeOH solution was determined to be 8.5 M by titration with 1 N NaOH using phenolphthalein as indicator. 900 g (3.71 mol) of N- [N '-(t-butyloxycarbonyl) -3-aminopropyl] -methacrylamide are added to a 5 liter Morton flask equipped with a top stirrer and gas outlet adapter, followed by Then, 1150 ml of a methanol solvent was added. Some solids remained in the flask with this volume of solvent. 30 mg of phenothiazine was added as inhibitor, followed by 655 ml (5.57 mol) of an 8.5 M HCl / MeOH solution. The solid dissolved slowly with outgassing, but the reaction was not exothermic. The mixture was stirred at room temperature overnight to ensure complete reaction. Next, any solids were removed by filtration and an additional 30 mg of phenothiazine was added. The solvent was then removed under reduced pressure and the resulting solid residue was azeotropically distilled with 3 × 1000 ml by evaporation under reduced pressure. Finally, the product was dissolved in 2000 ml of refluxing isopropanol and 4000 ml of ethyl acetate were added slowly with stirring. The mixture was allowed to cool slowly and stored at 4 ° C. overnight. Compound II was isolated by filtration and dried to constant weight to give a yield of 630 g with a melting point of 124.7 ° C. by DSC. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (D 2 O) Vinyl proton 5.60, 5.30 (m, 2H), methylene N adjacent methylene 3.30 (t, 2H), amine N adjacent methylene 2.95 (t, 2H), methyl 1.90 (m , 3H), and residual methylene 1.65-2.10 (m, 2H). The final compound was saved for use in preparing the monomer used in the synthesis of the photoactivatable polymer, for example, as described in Example 3.
[0163]
Example 3
Preparation of N- [3- (4-benzoylbenzamido) propyl] methacrylamide (BBA-AMPA) (Compound III)
120 g (0.672 mol) of compound II prepared by the general method described in Example 2 was added to a dry 2-liter 3-neck round bottom flask equipped with a top stirrer. 23-25 mg of phenothiazine was added as an inhibitor, followed by 800 ml of chloroform. The suspension was cooled below 10 ° C. on an ice bath and 172.5 g (0.705 mol) of compound I prepared by the general method described in Example 1 were added as a solid. Next, 207 ml (1.485 mol) of triethylamine in 50 ml of chloroform was added dropwise over a period of 1 to 1.5 hours. The ice bath was removed and stirring at room temperature was continued for 2.5 hours. The product was then washed twice with 600 ml of 0.3N NaCl and 300 ml of 0.07N HCl. After drying over sodium sulfate, the chloroform was removed under reduced pressure and the product was recrystallized twice from 4: 1 toluene: chloroform using 23-25 mg of phenothiazine in each recrystallization to prevent polymerization. . The general yield of compound III was 90%, mp 147-151 ° C. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 ) Aromatic proton 7.20-7.95 (m, 9H), amide NH 6.55 (t, 1H wide), vinyl proton 5.65, 5.25 (m, 2H), adjacent to amide N's Methylene 3.20-3.60 (m, 4H), methyl 1.95 (s, 3H), and residual methylene 1.50-2.00 (m, 2H). The final compound was stored for use in the synthesis of the photoactivatable polymer, for example, as described in Example 6.
[0164]
Example 4
Preparation of N-succinimidyl 6-maleimidohexanoate (MAL-EAC-NOS) (Compound VI)
The functionalized monomer was prepared in the following manner and used as described in Example 6 to introduce an activated ester group on the polymer backbone. 100 g (0.762 mol) of 6-hexanoic acid were dissolved in 300 ml of acetic acid in a three-necked 3 liter flask equipped with a top stirrer and a drying tube. 78.5 g (0.801 mol) of maleic anhydride were dissolved in 200 ml of acetic acid and added to the 6-aminohexanoic acid solution. The mixture was stirred for 1 hour while heating on a boiling water bath, resulting in the formation of a white solid. After cooling overnight at room temperature, the solid was collected by filtration and rinsed with 2 × 50 ml of hexane. After drying, the general yield of (Z) -4-oxo-5-aza-2-undecenoic acid was 158-165 g (90-95%) and the melting point was 160-165 ° C. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (DMSO-d 6 ) Amide proton 8.65 to 9.05 (m, 1H), vinyl proton 6.10, 6.30 (d, 2H), methylene 2.85 to 3.25 (m, 2H) adjacent to nitrogen, carbonyl Neighboring methylene 2.15 (t, 2H), and residual methylene 1.00 to 1.75 (m, 6H).
[0165]
(Z) -4-oxo-5-aza-2-undecenoic acid 150.0 g (0.654 mol), acetic anhydride 68 ml (73.5 g, 0.721 mol), and phenothiazine 500 mg, equipped with a top stirrer Added to a 2 liter, 3 neck round bottom flask. 91 ml (0.653 mol) of triethylamine and 600 ml of tetrahydrofuran (THF) were added and the mixture was heated to reflux with stirring. After a total of 4 hours of reflux, the dark mixture was cooled to below 60 ° C. and poured into 250 ml of 12N HCl in 3 liters of water. The mixture was stirred at room temperature for 3 hours, then filtered through a filter pad (Celite 545, JT Baker, Jackson, TN) to remove solids. The filtrate was extracted with 4 × 500 ml of chloroform and the combined extracts were dried over sodium sulfate. After addition of 15 mg of phenothiazine to prevent polymerization, the solvent was removed under reduced pressure. The 6-maleimidohexanoic acid was recrystallized from 2: 1 hexane: chloroform to give a general yield of 76-83 (55-60%) having a melting point of 81-85 ° C. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 ) Maleimide proton 6.55 (s, 2H), methylene adjacent 3.40 (t, 2H), carbonyl adjacent 2.30 (t, 2H), and residual methylene 1.05-1.85 (m, 6H).
[0166]
20.0 g (94.7 mmol) of 6-maleimidohexanoic acid was dissolved in 100 ml of chloroform under an argon atmosphere, followed by addition of 41 ml (0.47 mol) of oxalyl chloride. After stirring for 2 hours at room temperature, the solvent was removed under reduced pressure with 4 × 25 ml of additional chloroform used to remove the last excess oxalyl chloride. The acid chloride was dissolved in 100 ml of chloroform, followed by addition of 12 g (0.104 mol) of N-hydroxysuccinimide and 16 ml (0.114 mol) of triethylamine. After stirring overnight at room temperature, the product was washed with 4 × 100 ml of water and dried over sodium sulfate. Removal of the solvent gave 24 g (82%) of the product which was used without further purification. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 ) Maleimide proton 6.60 (s, 2H), nitrogen adjacent methylene 3.45 (t, 2H), succinimidyl proton 2.80 (s, 4H), carbonyl adjacent methylene 2.55 (t, 2H), and Residual methylene 1.15-2.00 (m, 6H). The final compound was stored for use in the synthesis of the photoactivatable polymer, for example, as described in Example 6.
[0167]
Example 5
Preparation of functionalized monomer: N-succinimidyl 6-methacrylamide hexanoate (MA-EAC-NOS) (compound V)
Functionalized monomers were prepared in the following manner and used to introduce activated ester groups on the polymer backbone.
[0168]
4.00 g (30.5 mmol) of 6-aminocaproic acid was placed in a dry round bottom flask equipped with a drying tube. Next, 5.16 g (33.5 mmol) of methacrylic anhydride were added and the mixture was stirred at room temperature for 4 hours. The thick oil obtained was triturated three times with hexane, the residual oil was dissolved in chloroform and subsequently dried over sodium sulfate.
[0169]
After filtration and evaporation, a portion of the product was purified by silica gel flash chromatography using 10% methanol in a chloroform solvent system. The appropriate fractions were combined, 1 mg of phenothiazine was added and the solvent was removed under reduced pressure. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 ) Carboxylic acid protons 7.80-8.20 (b, 1H), amide protons 5.80-6.25 (b, 1H), vinyl protons 5.20 and 5.50 (m, 2H), nitrogen Adjacent methylenes 3.00 to 3.45 (m, 2H), carbonyl adjacent methylenes 2.30 (t, 2H), methyl group 1.95 (m, 3H), and residual methylene 1.10 to 1.90 (m , 6H).
[0170]
3.03 g (15.2 mmol) of 6-methacrylamidohexanoic acid was dissolved in 30 ml of dry chloroform, followed by 1.92 g (16.7 mmol) of N-hydroxysuccinimide and 1,3-dicyclohexylcarbodiimide 6 .26 g (30.4 mmol) were added. The reaction was stirred overnight at room temperature under a dry atmosphere. The solid was then removed by filtration and a portion was purified by silica gel flash chromatography. Non-polar impurities were removed using chloroform solvent, followed by elution of the desired product with 10% tetrahydrofuran in chloroform solvent. The appropriate fractions were pooled, phenothiazine 0.2 mg was added and the solvent was evaporated under reduced pressure. This product, which contained a small amount of 1,3-dicyclohexylurea as an impurity, was used without further purification. Analysis on the NMR spectrometer corresponded to the expected product: 1 HNMR (CDCl 3 5.) Amide protons 5.60-6.10 (b, 1H), vinyl protons 5.20 and 5.50 (m, 2H), methylene adjacent to nitrogen 3.05-3.40 (m, 2H), succinimidyl -Proton 2.80 (s, 4H), carbonyl adjacent methylene 2.55 (t, 2H), methyl 1.90 (m, 3H), and residual methylene 1.10 to 1.90 (m, 6H). The final compound was saved for use in the synthesis of the photoactivatable polymer described herein.
[0171]
Example 6
Preparation of Copolymer of Acrylamide, BBA-APMA, and MAL-EAC-NOS (Photosensitive PA-Poly NOS)
The photoactivatable copolymer of the present invention was prepared in the following manner. 4.298 g (60.5 mmol) of acrylamide are dissolved in 57.8 ml of tetrahydrofuran, followed by 0.219 g (0.63 mmol) of compound III prepared by the general method described in Example 3, Example 0.483 g (1.57 mmol) of compound IV prepared by the general method described in 4, N, N, N ', N'-tetramethylethylenediamine (TEMED) 0.058 ml (0.39 mmol), And 0.154 g (0.94 mmol) of 2,2'-azobisisobutyronitrile (AIBN) were dissolved. The solution was deoxygenated with a helium atomizer for 3 minutes, followed by an additional 3 minutes with an argon atomizer. Next, the closed vessel was heated at 60 ° C. overnight to complete the polymerization. The solid product is isolated by filtration and the filter cake is washed with THF and CHCl 3 And rinsed thoroughly. The product was dried in a vacuum oven at 30 ° C. to give 5.34 g of a white solid. NMR analysis (DMSO-d 6 ) Confirmed the presence of N-oxysuccinimide (NOS) groups at 2.75 ppm and determined that the optical loading was 0.118 mmol BBA / g of polymer. MAL-EAC-NOS constituted 2.5 mol% of polymerizable monomer in this reaction to give compound VI-A.
[0172]
The procedure described above was used to prepare a polymer having 5 mol% of compound IV. 3.849 g (54.1 mmol) of acrylamide are dissolved in 52.9 ml of THF, followed by 0.213 g (0.61 mmol) of compound III prepared by the general method described in Example 3, Example 4 0.938 g (3.04 mmol) of compound IV, 0.053 ml (0.35 mmol) of TEMED and 0.142 g (0.86 mmol) of AIBN were prepared according to the general procedure described in The resulting solid, compound VI-B, when isolated as described above, gave 4.935 g of product with a photogroup loading of 0.101 mmol BBA / g of polymer.
[0173]
The procedure described above was used to prepare a polymer having 10 mol% of compound IV. 3.241 g (45.6 mmol) of acrylamide are dissolved in 46.4 ml of THF, followed by 0.179 g (0.51 mmol) of compound III prepared by the general method described in Example 3, Example 4 1.579 g (5.12 mmol) of compound IV, 0.047 ml (0.31 mmol) of TEMED and 0.126 g (0.77 mmol) of AIBN were prepared according to the general procedure described in The resulting solid, Compound VI-C, when isolated as described above, gave 4.758 g of product having an optical loading of 0.098 mmol BBA / g of polymer.
[0174]
A procedure similar to that described above was used to prepare a polymer having 2.5 mol% of compound IV and 2 mol% of compound III. 16.43 g (231.5 mmol) of acrylamide; 1.70 g (4.85 mmol) of compound III prepared by the general method described in Example 3; prepared by the general method described in Example 4 1.87 g (6.06 mmol) of the prepared compound IV; and THF (222 ml) were stirred in a round bottom flask at room temperature with an argon atomizer. 0.24 ml (2.14 mmol) of TEMED and 0.58 g (3.51 mmol) of AIBN were added to the reaction. The reaction was then refluxed for 4 hours under an atmosphere of argon. The resulting solid, compound VI-D, when isolated as described above, gave 19.4 g of product with an optical loading of 0.23 mmol BBA / g of polymer.
[0175]
Example 7
Synthesis of multiligand conjugate
A multiligand conjugate was prepared as follows. 200 μl aliquot of polystyrene microbeads (1 μm diameter) (obtained from Prolabo, Bangs Labs, Carmel, IN, product number K100) containing 10% by weight microbeads in aqueous suspension Was mixed with a solution of photosensitive PA-polyNOS (prepared as described in Example 6 above) containing 1.0 mg of polymer in 200 μl of deionized water. The solution was mixed at room temperature for 1 hour.
[0176]
After mixing for 1 hour at room temperature, a Dymax lamp (25 mJoules / cm, measured at 335 nm with a 10 nm bandpass filter on an International Light Radiometer). 2 ), Irradiate the suspension for 2 minutes with mixing. The microbeads were then washed twice with 2 ml of deionized water by centrifugation at 15,000 rpm for 15 minutes and resuspension in phosphate buffer (PBS, pH 7.5).
[0177]
The washed beads were then combined with two oligonucleotide sequences, each modified at the 3 'end to contain a primary amine, and biocytin (10 μM) in 0.05 M phosphate buffer pH 7.5. Culture with a solution containing the mixture of The first oligonucleotide sequence is the complement to the known sequence of the specific address oligonucleotide provided on the master array. The first oligonucleotide is provided as a 20-mer at 5 μM. The first oligonucleotide is synthesized by first determining the sequence of the specific address oligonucleotide to be used in the present invention. Next, the complement of the address oligonucleotide is determined using Watson-Crick base pairing rules. Once the complementary sequence has been determined, the first oligonucleotide is synthesized using standard nucleic acid synthesis techniques, for example, solid phase synthesis.
[0178]
The second oligonucleotide sequence is an analytical sequence that is complementary to a known sequence of the target nucleic acid suspected of being present in the test sample. The second oligonucleotide is provided as a 30 mer at 10 μM. A second oligonucleotide is synthesized by first determining the sequence of the particular target ligand to be detected using the probe array of the present invention. Complement for the target ligand is determined using Watson-Crick base pairing rules. Once the complementary sequence has been determined, a second oligonucleotide is synthesized using standard nucleic acid synthesis techniques.
[0179]
The microbead suspension is incubated with the oligonucleotide overnight at room temperature. After overnight culture, the beads are washed twice with 1 ml aliquots of phosphate buffer (PBS, pH 7.5) and then stored at 4 ° C. until used. A series of multiligand conjugates, each with a unique address and analytical sequence, are created in this manner to replicate the probe array.
[0180]
Example 8
Synthesis of Separated Epoxidized Monomer (Compound VII)
To 3 ml of chloroform isocyanate ethyl methacrylate (1.0 ml, 7.04 mmol), glycidol (0.50 ml, 7.51 mmol) and triethylamine (50 μl, 0.27 mmol) are added. The reaction was stirred overnight at room temperature. The product was purified on a silica gel column and the structure was confirmed by NMR. The yield was 293 mg (18% yield).
[0181]
Example 9
Preparation of Copolymer of Acrylamide, BBA-APMA and Glycidyl Methacrylate (Photosensitive PA-Polyepoxide) (Compound VIII)
Acrylamide (7.1 g, 99.35 mmol), BBA-APMA (0.414 g, 1.18 mmol) and 2,2′-azobis (2-methylbutyronitrile) (“VAZO67”, 0.262 g, 1 .4 mmol) was dissolved in 108 ml of THF. To this solution, 2.4 ml (17.7 mmol) of glycidyl methacrylate was added. The solution was sparged with helium for 4 minutes and then with argon for 4 minutes, then stoppered tightly and heated at 61 ° C. overnight with mixing. The polymer was collected by filtration, then suspended and mixed in methanol. It was then collected again by filtration, washed with chloroform and then dried at 30 ° C. in a vacuum oven.
[0182]
Example 10
Preparation of microscope slides coated with polyepoxide
Soda lime glass microscope slides (Erie Scientific, Portsmouth, NH) were run for 1 minute each with 1% p-tolyldimethylchlorosilane (T-silane) and N-decyldimethyl in acetone. Silane treatment was performed by immersion in a mixture of chlorosilane (D-silane, United Chemical Technologies, Bristol, PA). After air drying, the slides were cured in an oven at 120 ° C. for 1 hour. Next, the slides were washed with acetone and subsequently immersed in distilled water. Slides were dried in the oven for an additional 5-10 minutes.
[0183]
Compound VIII (Example 9) was sprayed onto silanized slides, which were then measured while wet at 335 nm with a Dymax lamp (International Light Radiometer 10 nm bandpass filter). 25mJoule / cm 2 ), Washed with water and dried.
[0184]
Example 11
Preparation of microarray with photosensitive-polyepoxide coated slide
Oligonucleotides, either aminated or non-aminated, were placed on a chipmaker (ChipMaker) 2 microarray spotting pin (Telechem International) using an X, Y, Z motion controller to position the oligonucleotide. Printed on slides at 8 μM in .15M phosphate buffer. Slides were prepared using photo-polyepoxides as in Example 10, photo-sensitive PA-polyNOS by the same procedure, or published methods (US Pat. No. 5,087,522, Brown et al., Methods for Fabricating Microarrays). of Biological Samples, "and references cited therein).
[0185]
Printed epoxide and NOS slides were incubated overnight at room temperature and 75% relative humidity. Printed polylysine slides were processed according to published procedures. The slide was scanned to measure the Cy3 fluorescence of the immobilized capture oligonucleotide and then hybridized overnight at 41 ° C. with a Cy5-labeled oligonucleotide (1 pmol / slide) that was complementary to the capture oligonucleotide. . The slide was scanned with a laser scanner to measure the fluorescence intensity of the hybridized oligonucleotide. Due to the low amount of capture oligonucleotide immobilized by the amine-silane slide, they did not hybridize.
[0186]
Embedded image
Figure 2004509323
[0187]
Embedded image
Figure 2004509323
[0188]
Embedded image
Figure 2004509323
(Where x = 0.1-5 mol%, y = 2-30 mol%, and z = 65-97.9 mol%)
[0189]
While the preferred embodiment of the invention has been described, it should be understood that various changes, adaptations, and modifications can be made therein without departing from the spirit of the invention and the scope of the appended claims. .

Claims (25)

特異的結合性リガンドプローブアレーを複製するためのシステムであって、該システムは:
a)その上に固定化された複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレー;
b)それぞれの多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様でマスター・アレーの特異的なアドレス・リガンドと結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第一リガンド結合性領域;(iii)相補的な態様で標的リガンドと結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第二リガンド結合性領域;および(iv)少なくとも1分子の第三リガンド、を含み、ここで該第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドはコアに結合されている、複数の多リガンド接合体;および
c)複製アレー用の支持体表面を含むアッセイアレー支持体、
を含む。
A system for replicating a specific binding ligand probe array, the system comprising:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) at least one molecule of the first, wherein each multiligand conjugate comprises: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind in a complementary manner to a specific address ligand of the master array. A ligand binding region; (iii) at least one molecule of a second ligand binding region comprising a ligand selected to bind the target ligand in a complementary manner; and (iv) at least one molecule of a third ligand. A plurality of multi-ligand conjugates, wherein the first ligand binding region, the second ligand binding region, and the third ligand are attached to a core; and c) providing a support surface for the replication array. An assay array support, including
including.
アドレス・リガンド、並びに第一および第二結合性リガンドがそれぞれ独立に核酸を含む請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the address ligand and the first and second binding ligands each independently comprise a nucleic acid. さらに、アドレス・リガンドおよびマスター・アレー支持体表面に結合されている連結剤を含む請求項1に記載のシステム。2. The system of claim 1, further comprising a linking agent bound to the address ligand and the master array support surface. 連結剤がマイクロビーズを含む請求項3に記載のシステム。4. The system of claim 3, wherein the linking agent comprises a microbead. 第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドが独立に多リガンド接合体コアに結合されている請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the first ligand binding region, the second ligand binding region, and the third ligand are independently bound to the multi-ligand conjugate core. 第三リガンドがビオチン誘導体を含む請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the third ligand comprises a biotin derivative. 第三リガンドが重合性基を含む請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the third ligand comprises a polymerizable group. 重合性基がアクリル基およびビニル基からなる群から選択される請求項7に記載のシステム。The system according to claim 7, wherein the polymerizable group is selected from the group consisting of an acrylic group and a vinyl group. アッセイアレー支持体がさらに第三リガンドのための結合部位を含む請求項1に記載のシステム。The system of claim 1, wherein the assay array support further comprises a binding site for a third ligand. 第三リガンドが結合性リガンドを含み、結合部位が第三リガンドに対して特異的な結合相手の分子を含む請求項9に記載のシステム。10. The system of claim 9, wherein the third ligand comprises a binding ligand and the binding site comprises a binding partner molecule specific for the third ligand. 特異的結合性リガンドプローブアレーを複製するための方法であって、該方法は:
a)その上に固定化された複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレーを用意し;
b)それぞれの多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様でマスター・アレーの特異的なアドレス・リガンドと結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第一リガンド結合性領域;(iii)相補的な態様で標的リガンドと結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第二リガンド結合性領域;および(iv)少なくとも1分子の第三リガンドを含み、該第一リガンド結合性領域、第二リガンド結合性領域、および第三リガンドがコアに結合されている、複数の多リガンド接合体を用意し;
c)第一リガンド結合性領域を相補的アドレス・リガンドに結合させることにより、多リガンド接合体をマスター・アレーに結合させ;
d)複製アレーのための支持体表面を含むアッセイアレー支持体を用意し;
e)アッセイアレー支持体を、結合された多リガンド接合体がアッセイアレー支持体に結合することを可能とするのに適する条件下で、十分にマスター・アレーに近接させ;および
f)アッセイアレー支持体が回収され且つ利用されることを可能とするのに適する条件下で、結合された相補的なアドレス・リガンドと第一リガンド結合性領域を解離すること、
を含む方法。
A method for replicating a specific binding ligand probe array, the method comprising:
a) providing a master array including a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) at least one molecule of the first, wherein each multiligand conjugate comprises: (i) a core; (ii) a ligand selected to bind in a complementary manner to a specific address ligand of the master array. (Iii) at least one molecule of a second ligand-binding region comprising a ligand selected to bind the target ligand in a complementary manner; and (iv) at least one molecule of a third ligand. Providing a plurality of multi-ligand conjugates, wherein the first ligand binding region, the second ligand binding region, and the third ligand are bound to a core;
c) binding the multi-ligand conjugate to the master array by binding the first ligand binding region to a complementary address ligand;
d) providing an assay array support that includes a support surface for the replication array;
e) bringing the assay array support sufficiently close to the master array under conditions suitable to allow the bound multiligand conjugate to bind to the assay array support; and f) supporting the assay array support. Dissociating the bound complementary address ligand and the first ligand binding region under conditions suitable to allow the body to be recovered and utilized;
A method that includes
第三リガンドがビオチン誘導体を含む請求項11に記載の方法。The method according to claim 11, wherein the third ligand comprises a biotin derivative. 第三リガンドが重合性基を含む請求項11に記載の方法であって、該方法はさらに第三リガンドを反応させてポリマー・フィルムを形成する段階を含む方法。The method of claim 11, wherein the third ligand comprises a polymerizable group, the method further comprising the step of reacting the third ligand to form a polymer film. 重合性基がビニル基およびアクリル基から選択される請求項13に記載の方法。14. The method according to claim 13, wherein the polymerizable group is selected from a vinyl group and an acrylic group. アドレス・リガンド、並びに第一および第二結合性リガンドがそれぞれ独立に核酸を含む、請求項11に記載の方法。12. The method of claim 11, wherein the address ligand and the first and second binding ligands each independently comprise a nucleic acid. マスター・アレーが、さらに、アドレス・リガンドおよびマスター・アレー支持体表面に結合された連結剤を含む、請求項11に記載の方法。12. The method of claim 11, wherein the master array further comprises an address ligand and a linking agent bound to the master array support surface. 連結剤がマイクロビーズを含む、請求項16に記載の方法。17. The method of claim 16, wherein the linking agent comprises a microbead. アッセイアレー支持体がさらに第三リガンドのための結合部位を含む、請求項11に記載の方法。The method of claim 11, wherein the assay array support further comprises a binding site for a third ligand. 第三リガンドが結合性リガンドを含み、結合部位が第三リガンドに対して特異的な結合相手の分子を含む請求項18に記載の方法。19. The method of claim 18, wherein the third ligand comprises a binding ligand and the binding site comprises a binding partner molecule specific for the third ligand. 特異的結合性リガンドプローブアレーを複製するためのシステムであって、該システムは:
a)その上に固定化された複数のアドレス・リガンドを有する支持体表面を含むマスター・アレー;
b)それぞれの多リガンド接合体が(i)コア;(ii)相補的な態様で特異的な標的リガンドおよび特異的なアドレス・リガンドに結合するように選択されたリガンドを含む、少なくとも1分子の第二リガンド結合性領域;および(iii)少なくとも1分子の第三リガンド、を含み、ここで該第二リガンド結合性領域、および第三リガンドがコアに結合されている、複数の多リガンド接合体;および
c)複製アレー用の支持体表面を含むアッセイアレー支持体、
を含むシステム。
A system for replicating a specific binding ligand probe array, the system comprising:
a) a master array comprising a support surface having a plurality of address ligands immobilized thereon;
b) at least one molecule of each multiligand conjugate comprising (i) a core; (ii) a ligand selected to bind to a specific target ligand and a specific address ligand in a complementary manner. A plurality of multi-ligand conjugates comprising: a second ligand binding region; and (iii) at least one molecule of a third ligand, wherein the second ligand binding region and the third ligand are attached to a core. And c) an assay array support comprising a support surface for the replication array;
Including the system.
アドレス・リガンド、並びに第一および第二結合性リガンドがそれぞれ独立に核酸を含む請求項20に記載のシステム。21. The system of claim 20, wherein the address ligand and the first and second binding ligands each independently comprise a nucleic acid. 第三リガンドがビオチン誘導体を含む請求項20に記載のシステム。21. The system of claim 20, wherein the third ligand comprises a biotin derivative. 第三リガンドが結合性リガンドおよび重合性基からなる群から選択される請求項20に記載のシステム。21. The system of claim 20, wherein the third ligand is selected from the group consisting of a binding ligand and a polymerizable group. 重合性基がビニル基およびアクリル基から選択される請求項23に記載のシステム。24. The system according to claim 23, wherein the polymerizable groups are selected from vinyl groups and acrylic groups. 再利用可能アレーの形態をとる複製可能アレーを調製するためのシステムであって、該システムは:
a)各光ファイバーがファイバーの遠位末端に位置する支持体表面を有する複数の光ファイバーを含むマスター・アレー;および
b)それぞれのオリゴヌクレオチド結合性領域が特異的な態様で標的リガンドと結合するように選択されたオリゴヌクレオチド配列を含む、複数のオリゴヌクレオチド結合性領域、
を含むシステム。
A system for preparing a replicable array in the form of a reusable array, the system comprising:
a) a master array comprising a plurality of optical fibers, each optical fiber having a support surface located at the distal end of the fiber; and b) such that each oligonucleotide binding region binds a target ligand in a specific manner. A plurality of oligonucleotide binding regions comprising a selected oligonucleotide sequence,
Including the system.
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