JP4222756B2 - 固相生体分子分析調製同定システム用コロイド組成物 - Google Patents

Description

【０００１】
関連出願とのクロスリファレンス
本出願は、本願中へそのすべてが組み込まれている２０００年５月４日付出願の米国仮特許出願番号６０／２０１，９０８、発明の名称「固相生体分子分析調製同定システムの調製に有用な新規なコロイド組成物」に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
合衆国後援研究開発に関する記述
本願発明の完成に至った仕事の一部は米国国立保健機関の助成(助成番号1R43CA80579-01)に基づく米国政府の援助によって実施されたものである。従って本願発明に対し米国政府は一定の権利を保有する。
【０００３】
発明の背景
分子生物学研究、遺伝子分析及び診断分野においては種々の高分子系固体支持体及び/または有孔マトリックスシステムが常用されている。これらシステムにおいては、特異抗体あるいは、抗原抗体結合測定あるいは核酸雑種形成用の核酸等の生体高分子はそれぞれ分析探針として用いられ、また例えば固体支持体上へ層形成できる有孔マトリックスへ付着される。前記有孔マトリックスの材料は、Chinらの特許(米国特許No.6,197,599)に示されているように、一般的にはニトロセルロース、活性ナイロン、ポリビニルジフルオライド(PVDF)、アガロースビーズ等の高荷電性高分子から成るものである。例えば米国特許No.5,744,305(Fodorら)による微量配列分析に用いられる他の生体高分子プローブにおいては、対象のプローブを固体表面と化学的に反応させるのでニトロセルロース等の生体高分子プローブ結合性マトリックスは必要とされない。
【０００４】
かかるシステムは例えば特徴付け対象の生物検体中に含まれる分子種を同定分離するために用いられる。対象分子種は例えばガラスあるいはプラスチック製スライド形態中のような固体支持体の形態中に与えられた標的生体高分子へ交雑あるいは結合される。
【０００５】
微量配列方法は生体サンプル中の核酸(DNA、cDNA及びRNA)分析への雑種形成を基礎とする応用の最新の試みである。この方法は1970年に基本的にSouthernらによって導入された周知の膜雑種形成方法を小型化したものである。本方法においては、少量の異なるオリゴヌクレオチド、PCR-DNAあるいはcDNAサンプルを極めて高濃度で膜あるいは固体支持体上へスポット状に置くかあるいは合成して単一の微量配列を形成するものである。前記配列中の各スポットには単一核酸プローブ種(NAx、xは核酸の塩基配列組成に従って変化する)の複製が含まれ、前記配列はそれぞれスポットされた配列中の識別可能な位置にある異なるプローブ種(NAx1、NAx2、・・・)の集まりを包含する様々なスポットから成るものである。かかる微量配列は未知の核酸サンプルと雑種形成されて未知サンプル中の個々の核酸と前記配列上の異なる既知核酸種間の相補性度合が測定される。
【０００６】
従来技術による微量配列システムの調製は極めて労力と努力を要する作業である。従ってかかるシステムの調製に、エンドユーザーにとってはより少ない工程で済み、かつ実験室間の方法過程に付随する変動性の減少あるいは排除へと導く別法を提供することが望まれている。
【０００７】
発明の概要
本発明の組成物、システム及び方法は従来技術に対して望ましい改良を提供するものである。本発明の一態様は、液体中に分散された粒子の粒径が特定された生体分子結合性マトリックス物質のコロイド懸濁液から成る液体組成物及び前記コロイド懸濁液全体に好ましくは均質に分散されかつ前記マトリックス物質粒子へ結合された生体分子の複製に関する。前記マトリックス物質は好ましくはニトロセルロース、ポリビニルジフルオライド、あるいは活性ナイロンであり、前記生体分子は好ましくは生体高分子であり、さらに好ましくは核酸あるいはタンパク質である。
【０００８】
本発明の液体組成物は生体分子のサンプル分析または調製にそのまま利用でき、あるいは該組成物の部分標品を支持体上へスポット状に置いて生体分子の分析または調製用の微孔マトリックスシステムあるいは微量配列を形成することができる。本発明の前記液体組成物の部分標品は乾燥させることによって微粒子状の粉体(例えば直径10μm以下、好ましくは100-500nm)に生成することができる。この粉体を微量配列パターン、例えば静電プリントによって固体支持体へ処理して本発明に係る微量配列を形成することも可能である。
【０００９】
本発明の組成物及び微量配列は生体分子に関連するあらゆる種類の分析あるいは調製方法にとって有益である。これら組成物及び微量配列は、液体サンプル中の生体分子分析物の検出方法、液体サンプル中に存在する特定の核酸配列の測定方法及び液体サンプル中に存在する医薬候補分子の測定方法において特に有益である。本発明方法によって同定された医薬候補分子も本発明範囲に含まれるものである。本発明にはさらに本発明に係る種々の方法を実施する器具一式も含まれる。例えば、有用な器具には、本発明に係る微量配列、明らかとなった特定方法の実施するため簡便形式にパッケージ化された試薬及び使用説明も含まれる。
【００１０】
発明の詳細な説明
本発明はマトリックス物質粒子へ結合したタンパク質、核酸、他の生体高分子等の生体分子を含む新規な液体コロイド組成物に関する。本発明に係る組成物は固体支持体の調製、該組成物中の生体分子あるいはプローブへ特異的に結合あるいは会合する多種生体分子(標的)を含む生体標品の同定、分離、検出、特徴化及び/または分析用の高分子多孔マトリックス分析システムまたは同調製システムにとって有用である。以下二つの実施態様において、本発明は核酸あるいはタンパク質特徴化システム、特に分析用核酸またはタンパク質配列あるいは調製用の親和性に基づく分離物質等の分析またはクロマトグラフィー/調製システムの調製手段及び方法のそれぞれを対象としている。
【００１１】
従来のシステムにおいては、プローブが例えば微量配列パターンで固体支持体上へ沈着され、続いて該微量配列内に前もって形成したプローブ/固体有孔マトリックス複合体上で架橋工程及び阻止工程が分析手順の一部として実施される。従来技術においては製造に際して固体マトリックスは通常スライドあるいは膜形態に調製される。次いでエンドユーザー段階においてプローブが添加される。組み立て工程において高分子マトリックス内でのプローブの架橋化と、次いで非特異的核酸及び/またはタンパク質を用いた阻止による非特異的バックグラウンド結合の減少が行われてプローブの結合していない高分子マトリックス内部位が覆れる。
【００１２】
しかしながら本発明に係るシステムにおいては、プローブは液体組成物の形態で該液体組成物が固体支持体上へスポットされる前にコロイドマトリックス中へ添加される。さらに、架橋化及び阻止操作はプローブ生体分子含有固体マトリックス形成前後のいずれにおいても実施することが可能である。かかる柔軟性により、上記操作を製品を用いるエンドユーザーの実験室段階において実施するよりも製造時に実施する機会が与えられている。実験室における架橋化及び阻止操作は時間を要するサンプル調製と一定の実験室における操作毎及び実験室間における最終結果の大きな変動を伴うことは周知である。特にマトリックスの非特異的結合部位を阻止できなかった場合にプローブ特異性結合と非プローブ/非特異性結合間の分析上の識別性に不利な影響を与えることが重大な問題となる。従来技術システムにおけるこれらの変動は同一の未知対象についての異なる分析における結果の好ましくない不一致を生ずるものである。
【００１３】
従って本発明の利点は、微量配列の大量スポット処理と核酸微量配列等の分析システムの調製による操作に関わる変動の除去のために製造段階で架橋化と阻止操作のすべてを実施してしまうことにある。このように、各スポットが特異的な架橋化及びバックグラウンド阻止を施されたプローブを含んだ形態での製造時における微量配列スライドの均質な品質管理が可能である。これにより、異なる実験室において時間を要し誤差に繋がる架橋化及び阻止操作なしにプローブの複製プローブ固体支持体システムを用いる分析を行うことが可能となる。
【００１４】
本発明に係るシステムは、例えばオリゴヌクレオチド、全長cDNA、オリゴペプチド、大型の全長タンパク質、すなわち電荷を運ぶことが可能な生体高分子にとって有用である。かかる理由から、本発明システムは、各スポットについて核酸/生体高分子それぞれのドゥノボ合成を用いて調製される従来技術の微量配列による以上の適用場面へ微量配列を調製できる多用途性に優れる利点を有する。
【００１５】
本発明の利点のいくつかを説明するために、特にDNA及びタンパク質微量配列の調製及び使用におけるその利用について記載する。しかしながら、当業者には自明であるように、本発明に係る液体組成物を高表面積親和性に基づく分離方法あるいは分析等の他の固体支持体システムの調製に使用することに同等な優位性及び利益があることは明らかである。本発明のさらに他の態様においては、本発明に係る液体コロイド組成物は例えば液状あるいは流動条件下で実施される分離あるいは検出システム等の分離操作を容易にするために直接使用される。例えば、本発明に係る液体高分子組成物は対象サンプルから化合物を接触させ結合させるためスラリー形状で使用でき、次いで高分子マトリックス分画を遠心分離により取り出して洗浄することが可能である。結合された対象選択種は次いでマトリックス物質から分離される。あるいは高分子マトリックス物質を分析及び/または調製過程においてアフィニティークロマトグラフィー型カラム用のパッキング材に作り上げることも可能である。
【００１６】
このように好ましい実施態様において、本発明はガラス製あるいはプラスチック製の顕微鏡スライド等の固体支持体上への核酸あるいはタンパク質微量配列の調製において有用な新規組成物を提供する。本発明の好ましい実施態様に係る組成物は少なくとも下記の3つの成分、(i)例えば核酸断片(オリゴヌクレオチドあるいは全長cDNA)の複製コピー、(ii) 全体的に有孔な分子マトリックスが形成できかつ核酸へ結合可能なニトロセルロース等の高分子組成物、及び(iii)その中においてコロイド懸濁液中に高分子及び結合核酸プローブが均質に分散された液体を含有している。
【００１７】
前記組成物にはさらに、核酸及び高分子が所望の比率で平衡化された後に添加される第４成分としてのタンパク質あるいは非特異的DNA等の阻止試薬が含まれていることが好ましい。一本鎖核酸等のプローブのみが試験対象サンプル中の物質への結合に有効であるように前記阻止試薬がすべての非特異的結合部位を占有することがもっとも好ましい。前記組成物中の核酸及び高分子の濃度比は所望のハイブリダイゼーション条件を得るため及び/または最終的分析において要求される測標を最適化するために予め決まっていることが好ましい。この濃度比は最大量の核酸プローブ及び最少量の高分子マトリックスを得るためにも最適化できるものである。
【００１８】
本発明に係る組成物は、個々に一定のプローブ種 NAx の複製を含む異なるスポットの各々が、スポット間の変動がないように共通の液体組成物標品から得られる核酸マイクロアレイの作成方法を可能とするものである。さらに、本発明に係る組成物を用いることにより、各スポットが特定的に決められた濃度のオリゴヌクレオチドを有し、そして一定の望ましい性能パラメータを有するアレイ全体の特性、例えばハイブリダイゼーション温度条件の望ましい均一性を達成するためのスポット間の均一な分析信号を最適化するために、前記マイクロアレイの各スポットについてのオリゴあるいは cDNA の実際のモル濃度が等しくはない核酸マイクロアレイを作成することが可能である。
【００１９】
高分子マトリックス物質の濃度に対するオリゴヌクレオチドプルーブの濃度比は正のハイブリッドの分析測標が存在する高分子量を最小化することによって最適化できるように設定される。このようにして前記高分子量がスポットからスポットへと望む通りに変化できる微量配列、例えば一定のNAx種のスポットについての高分子量は等しいが異なる種(NAx1及びNAx2)のスポットについての高分子量は異なってもよい微量配列を作成することができる。本発明に係るスポット組成物は、生成される微量配列の使用条件、例えば雑種形成溶解温度が追加成分を含めることにより、あるいは前記スポット組成物の物理的または化学的処理を行うことによって一部選択されるように調製することが可能である。このようにして、微量配列デザイナーには雑種形成条件を前記オリゴヌクレオチドの基本組成物以外のものによって調整できる変化可能な組成物パラメータが与えられる。
【００２０】
以下の実施例は本発明の効果を説明するため、及び当業者による該効果の取得及び利用を補助するために示したものである。これらの実施例はいかなる場合においても本開示範囲を限定することを意図するものではない。
【００２１】
実施例Ｉ
本発明に係る包括的組成物の調製及び微量配列調製用組成物の使用
【００２２】
本発明に係る分析システムを用いて可能となる改良を実行する第一段階は、例えばニトロセルロース、活性ナイロンあるいはポリビニリデンジフルオライド等の高荷電された物質から一定粒径のマトリックス物質のコロイド懸濁液を調製することである。これらの物質は核酸、タンパク質等の種々の荷電分子を結合あるいは吸収でき、かかる結合は雑種形成反応に要求される高度に厳しい条件に対して耐えるに十分強大なものである。コロイド懸濁液中の前記マトリックス物質はプラスチック、ナイロンあるいはポリスルホン等の非荷電性高分子であってもよい。前記コロイドは、種々の十分に確立された技術のほか、粉砕、沈殿及びスプレー乾燥を含むいくつかの慣行的方法を用いることによって調製できる。
【００２３】
この安定なコロイド水(緩衝液)懸濁液の部分標品へ個々のプローブの複製コピーが添加される。対象の基質プローブはイオン的あるいは非イオン的結合により、及び共有あるいは非共有結合によってマトリックス物質へ結合される。これらの基質には、以下に限定されないが、タンパク質、糖タンパク質、ポリサッカライド、ペプチド、ホルモン、ビタミン、薬剤、一本鎖又は二本鎖DNA、RNA及びオリゴヌクレオチドが含まれる。個々の基質あるいは異なる基質の混合をコロイド懸濁液と混合し、適当な溶液として少なくとも1時間室温でインキュベートする。
【００２４】
次いで、プローブ分子によって占有されていない高荷電マトリックス物質上の結合部位をいずれか既知の阻止剤を用いることによって阻止することができる。コロイド粒子表面上の結合部位の完全な飽和を確保するためには阻止工程が必要とされ、前記コロイド/培養基混合物は、ミルクあるいは鮭精子DNA等の非特異性DNA等の非特異性タンパク質を含んでいてもよい過剰の阻止溶液とともに培養される。この段階において、前記コロイド/培養基標品を長期間保存することが可能である。
【００２５】
必要な数のプローブ含有(また好ましくは阻止処理された)液体組成物を固体支持体(すなわちスライド、多孔ビーズあるいは柔軟なガラス・プラスチック・ポリカーボネート製等のテープ)上へスポット状に置いて乾燥させ支持体へ固着させる。この支持体の表面には意図する使用に適するように物理的あるいは化学的変化を加えることが可能である。例えば、平らな表面へ窪み、突出あるいは溝を形成するように変化を加えることができる。次いで個別に調製された顕微鏡スライド等の固体支持体は、例えば逆配列特異性オリゴヌクレオチドプローブ雑種形成プロトコルあるいは配位子/タンパク質相互作用の測定に使用される。
【００２６】
前記新規なプローブ処理・阻止されたコロイド懸濁液は、例えば付着した対象の核酸プローブへ雑種形成される特異的配列含有核酸の分離にも有用である。例えば、プローブ含有核酸あるいはコロイドを異種の核酸混合物とともにサンプルへさらした上で遠心分離及び洗浄を行うことも可能である。分離された核酸は次いで付着したプローブから例えば熱処理によって取り除かれる。
【００２７】
とりわけ、本発明に係る典型的な逆配列特異的オリゴヌクレオチドプローブ雑種形成プロトコル配列標品においては、ニトロセルロース粉末(例えばAldrich社製)はアセトン等の有機溶媒中、あるいはアセトン・ブタノール・エタノール等の混合有機溶媒中等に溶解される。この澄んだニトロセルロース溶液を、熱処理あるいは継続的混合を行うことによって溶解したニトロセルロースの主分画がニトロセルロースのミルク状のコロイド懸濁液を生成する方法で、大量の水等の極性溶媒中へ加える。この溶液中の高分子は前記水/有機物混合物からコロイド状態で沈殿する。このコロイドを特定の大きさの孔を有する膜(例えば孔径0.20-0.45μmの標準的NalgeneまたはMilliporeフィルター装置)を通してろ過するかまたは遠心分離して3xSSC等のバッファー中にニトロセルロースが最終濃度として10-50%となるように再懸濁する。典型例として、ニトロセルロースを水溶液中に10-40%（Ｖ／Ｖ）の濃度で含む標品は直径が約0.2-0.4μmの範囲にあるコロイド粒子を生成する。前記沈殿され、あるいはろ過により採取されたコロイド粒子を酸接触あるいは酸洗浄(例えば硝酸)によって処理することにより該コロイド粒子の有用性を高めることができる。次いでコロイド粒子を酸を用いずに洗浄し水性培地中に再懸濁する。
【００２８】
前記生体高分子あるいは対象の生体分子プローブの水性標品が次に与えられる。この標品には他の成分が含まれていてもよい。例えば、検出対象のフルオロフォアでラベルされた生体分子分析対象の波長とは異なる光検出波長を有するファストグリーン(Amresco)等の既知濃度の基準発色団あるいは色素物質が含まれていてもよい。かかる基準発色団は、製造品質管理目的に利用できるように、微量配列の特定のスポット中に沈着されたプローブ生体分子の質を測定する検出マーカーとして機能する。この色素マーカーは、微量配列分析において特定のプローブへ結合したフルオロフォアでラベルされた生体分子分析対象の光測標を定量するための表示内部基準としても機能する。同様な方法によって、異なる色素マーカーを生体分子の添加前にコロイド標品へ添加し、種々の調製過程を通して前記コロイド標品からマトリックス物質濃度を追跡するために使用することができる。
【００２９】
前記コロイド標品の異なる部分標品のそれぞれは次いで既知量の特異的プローブ溶液と混合され、該混合液は生体分子プローブがそのコロイド粒子表面と結合するように培養される。核酸分析の場合、次いで結合した核酸プローブは好ましくはニトロセルロースマトリックス粒子へ架橋形成される。ここでは、「架橋形成」は前記コロイド懸濁液を例えば紫外線あるいは光へと露出することを意味する。かかる処理により該プローブの第三次構造は失われ、該プローブは高荷電高分子マトリックス支持体へ非共有状態で結合される。
【００３０】
プローブがコロイド粒子へ結合できた後に、阻止処理を行って該コロイド粒子の占有されていない部位を例えば非特異性DNA及び/または適当なタンパク質を用いて完全に飽和させる。この阻止培養の終了後に前記標品を洗浄して過剰のプローブ及び阻止試薬を取り除くことが望ましい。
【００３１】
前記阻止工程に続いて、他の成分が前記粒子/プローブ標品へ添加される。例えば、前記粒子/プローブ標品のガラスあるいはプラスチック製スライド等の支持体表面上への沈着を高める目的で該標品へ界面活性剤を添加することが望ましい。界面活性剤としてはTween 40、洗剤等がある。前記分析工程を妨げることのない界面活性剤のみを選択する。さらに、固体支持体表面へのコロイド粒子の付着を助長する成分をさらに含ませることもできる。
【００３２】
次にコロイド粒子/プローブサンプルを96-ウエル微量滴定プレートの個々のウエルへ置き、該サンプルを、4ピンヘッドを備えたGMS 417アレイヤーを用いてスポット処理を行った。そのリングを1回ガラス顕微鏡スライドの表面上へ載せることによりピン当たり400のスポットを形成した。この装置は実際の操作モードにおいて各ピンを水及びエタノールで洗浄し、異なるオリゴヌクレオチドサンプルそれぞれを取得する間にピンを空気乾燥する。配列スポット処理は中心から300μmの間隔を置いて中央へ配置される。
【００３３】
前記スライドは室温で乾燥され、10-30%（Ｖ／Ｖ）アセトン水溶液等の結合用溶液を含む密封チャンバー中で培養される。上記結合用溶液を蒸気へさらすことにより固体支持体へスポットされた組成物の適切な付着及び該スポット中の組成物の固着が確保される。配列中の個々のスポットの構成を示す図1A-1Fを参照すると、拡大図である図1Bには、培養の結果として、コロイド状のニトロセルロース粒子がなお結合特性を保有しつつ粒子相互及び前記固体支持体へ結合していることが分かる。集合状態で結合している粒子は、ニトロセルロースの個々の粒子表面が露出するように多孔構造を形成している。本発明のコロイド粒子の走査顕微鏡写真を図2に示す。
【００３４】
前記阻止工程に続き、前記スライドはオーブン中で熱せられて乾燥されすぐ使用できる状態にされる。例えば、未知サンプルの遺伝子型の測定において、異なるNAxのスポット配列を含む各スライドを未知の核酸サンプルへ雑種形成して該サンプルとスライド上の特徴付けされたプローブスポットのいずれかとの間の塩基相補性の程度を測定することが可能である。実施例ＩＩＩに記載されたHLAタイピングの例では、32の連続した特異的オリゴヌクレオチドプローブを用いて中間レベル分離HLA-DRB1対立遺伝子が与えられている。
【００３５】
実施例ＩＩ
タンパク質/配位子相互作用の測定
【００３６】
例えば診断あるいは研究目的で有用な情報を得るための手段であるタンパク質と配位子間の結合反応は本発明方法を用いて容易に評価できる。さらに、医薬の発見開発において、配位子/タンパク質相互作用を潜在的阻害剤あるいは選ばれたタンパク質/配位子結合の強化剤の存在下で測定することも可能である。とりわけ、HB抗原、破傷風毒素あるいはウイルス抗原等の抗原はコロイドマトリックス粒子へ結合され、また特定の抗体を検出するために用いることができる。また特異的抗体はコロイドへ結合して抗原を検出する。
【００３７】
一実施態様においては、スポット処理される組成物が実施例Iの方法によって配位子結合部位を含む対象タンパク質あるいはその断片を含むように調製されている。前記組成物は次いで実施例Iにおけると同様に非特異的阻止剤で処理される。微量配列スポット処理済スライドは、ガラスまたはプラスチック製のスライド等の適当な固形物上へ極めて少量かつ厳格に限定された量の標品を沈着することによって作製される。かかる微量配列には種々濃度の対象タンパク質の他、アミノ酸配列が種々程度に変化されたタンパク質等の内部対照標準が含まれている。
【００３８】
適当な培養条件においてタンパク質結合分析微量配列スライドをまず該微量配列のタンパク質と結合すると思われる配位子混合物とともに培養する。前記微量配列中のタンパク質プローブに対して所定の結合特異性及び強度を有する配位子選択し検出するため、非特異的結合を排除しかつ最小結合エネルギー閾値を確立できる培養の化学的あるいは物理的条件が選ばれる。さらに、多数の異なるコロイド/培養基標品を微量配列形状にスポット処理でき、単一サンプル中に存在する極めて多数の配位子の存在または不存在を同時に測定できる。
【００３９】
次にスポット中で結合が有意に起こっている微量配列スポットを同定する分析を行う。一つの方法は前記微量配列スライドを結合特性が十分に特徴づけられた光学的にラベルされた配位子へ接触させる方法である。未知の混合物中に結合配位子が存在しない場合、前記ラベルされた配位子は対象とするタンパク質へと結合する。この結合は適切に設計された光スキャナーを用いて検出することができる。他方、既知配位子の測標強度が欠如あるいは減少しているならば、分析対象である未知の混合物中の潜在的結合配位子の存在を示すことになる。
【００４０】
上記タンパク質微量配列は、例えば抗体/抗原相互作用、付着分子/配位子結合あるいは酵素/マトリックス相互作用等の評価に適用することができる。さらに、場合によっては放射測定を含む非光学的分析と周知のラジオオートグラフィー分析方法と組み合わせて用いて結合を分析することも可能である。
【００４１】
実施例ＩＩＩ
HLAタイピング
【００４２】
従来技術の膜利用システムは有用な研究ツールであり、ルーチンのヒト白血球抗原(HLA)タイプ分析に利用されてきたが、この方法は労力を要し、不十分かつ煩雑な手動による方法である。しかしながら、本発明システムを利用することにより便宜性の高いルーチンのHLAタイピング方法を案出することができる。この新たな方法は、個体からのゲノムDNAの従来法による分離と、特異的HLAプライマーを用いる対象HLA遺伝子の増幅から構成されている。さらに、HLA微量配列は、各スポットのプローブが既知のHLAポリヌクレオチド配列の領域と相補的である配列特異的オリゴヌクレオチドである本発明に係る液体コロイド組成物から作製された各スポットを用いて作製できる。複数の超可変領域を表す上記したプローブが複数用いられている。例えば、中間レベル分離HLA-DRB1タイピングでは、図3に示した「包括HLA-DR SSOPタイピング用ワークシート」において特徴付けられた32のプローブが用いられてDRB1対立遺伝子が与えられる。固体からの単一のらせん状あるいは変性HLA PCRアンプリコンとスポットされたプローブとの雑種形成は単一のらせん状DNAとの相補性を有するプローブのみが雑種形成する明瞭なパターンを生ずる。前記雑種形成された単一のらせん状HLAアンプリコンを光学的あるいは他の検出可能なラベルによってラベル化することによって正の測標パターン比較に基づいて完全に自動化された分析及び通訳が可能となる。図4には3つの異なる個体についてのHLAタイピング結果が示されている。各個体についての特異的雑種形成パターンは図3に示したワークシート及び測定されたHLA対立遺伝子上へ配置できる。
【００４３】
実施例ＩＶ
タンパク質標的微量配列
【００４４】
タンパク質微量配列をニトロセルロースコロイド懸濁液へ以下の抗原、すなわちHB表面抗原(HBsAg)、破傷風毒素、麻疹ウイルス、水痘帯状疱疹ヘルペスウイルス(VZV)、ジブテリアウイルス、ヒトサイトメガロウイルス(CMV)、及びヘリコバクター・ピロリ(H. pilori)を結合させて調製した。前記結合は前記抗原それぞれの3つの異なる希釈液をコロイド懸濁液と室温、pH7.4で1時間培養することによって行った。抗原量はニトロセルロース10mg当たり2-10μmの範囲で変動した。非特異性タンパク質、例えば5%牛乳タンパク質あるいは5%子牛血清アルブミンをコロイド/抗原混合液へ加え数時間培養して残存する結合可能な部位を阻止した。スポット用微量アレイヤーを用いてガラス製顕微鏡スライド上へ阻止処理されたコロイド/抗原混合液を各3nlスポット処理した。
【００４５】
ヒト血清サンプル中のこれら抗原に対する抗体の存在について試験するため、多数の試験血清サンプルを阻止溶液中に希釈し、スライド上へ添加して室温で少なくとも1時間培養した。この培養後、前記スライドを室温で0.5%Tween 20を含む燐酸緩衝液(PBS)及び0.5%Tween 20及び0.1%牛乳タンパク質を含むPBSで2回洗浄した。
【００４６】
前記配列中の微量スポットそれぞれへ結合したヒト抗体の存在について検出するため、Cy3を用いて蛍光的にラベル化した抗ヒトIgG等の二次抗体を次いでスライドへ添加し室温で1時間培養した。次にこのスライドを0.5%Tween20を含むPBS中で洗浄し、レーザースキャナー(Affymetrix 418)を用いて走査した。前記配列上で試験された抗原のそれぞれへ結合したヒト抗体量を測定するため、各スポットについて蛍光強度レベルを測定し、スライド上の負及び正の対照スポットとの比較を行った。
【００４７】
3個体の血清からのこれら抗原についての抗体プロファイル例を図5に示す。
【００４８】
実施例Ｖ
バックグラウンド蛍光の減少
【００４９】
微量配列の調製にコロイド状のニトロセルロースを用いることの他の利点は、生成された微量配列のバックグラウンド非特異的蛍光が先行技術に示されるような現在市販されているニトロセルロース層でコートされたスライドの蛍光より有意に低いことである。先行技術の方法によれば、核酸プローブへの雑種形成によって検出される核酸分析対象には光学的に検出可能なフルオロフォアあるいは蛍光分子が含まれている。このラベル化された分析対象はマーカーとして前記分析対象を含むと思われる生体サンプルへと添加される。微量配列を有する生体サンプルの培養及び前記サンプルの分析対象の雑種形成後に、前記サンプルの雑種形成されていない部分を洗浄して除去する。これにより核酸等の雑種形成され及びプローブ分子へ結合した分析対象の存在が測定できる。前記核酸分析対象マーカーのフルオロフォアは一定波長でマーカーフルオロフォアを励起し、及び発せられた蛍光測標を適当な微量配列光検出分析システムを用いて検出することによって検出される。
【００５０】
従来技術の生体分子結合性個体支持体マトリックス中には通常蛍光性ニトロセルロース等の極めて過剰の結合性マトリックスが存在する。かかる物質はバックグラウンド蛍光の重大な一因であり、特に検出される極めて少量の分析対象のみがサンプル中に存在する場合に微量配列に基づく分析における有用性を減じている。本実施例は、Chin(米国特許No.6,197,599)によって教示されたガラス製スライド上に沈着されたニトロセルロース膜等の従来技術の生体分子結合性マトリックス中に存在するバックグラウンド蛍光と、同等な条件における本発明に係る微量配列上のスポットのバックグラウンド蛍光との比較を示している。
【００５１】
特に、直径が既知である本発明の微量配列スポットの面積は、通常そのDNA含量が分析対象となるサンプル中の核酸中へ組み込まれる3つの慣用のフルオロフォアに対応する3つの異なる励起及び放射波長における蛍光について調べられる。特に分析対象が極めて低濃度である微量配列の検出範囲を増すためには、バックグラウンド蛍光ノイズを最小限とすることが最も望ましい。直径の等しいスポットについて調査を行い、放出された蛍光の数値を比較して、従来技術のニトロセルロースでコーティングしたスライド(Grace BioLabs社等)上のスポットのバックグラウンド蛍光の分離による数値と本発明の微量配列上の直径の等しいスポットによって発せられた蛍光数値との比を算出する。Genetic Micro System社製ビット数分析装置を用いて得たデータを表１に示す。
【００５２】

【００５３】
上記結果は、Cy3フルオロフォアについて前記励起波長を用いる同等サイズのスポットに関して、Grace BioLabs社製の従来のニトロセルロース膜被覆スライドのブランクスポットは本発明に係る同等サイズかつ生体分子結合能を有するスポットとしてのバックグラウンド蛍光量の61-178倍であることを示している。Cy5及びR-フィコエリスリンフルオロフォアについても本発明の微量配列の使用により1または2段階規模で有意な改善が認められる。これら例示の3種フルオロフォアはタンパク質相互間の相互作用の測定用の微量配列においても有用である。
【００５４】
実施例ＶＩ
大きさの比較
【００５５】
本実施例では、従来技術に係る生体分析対象へ同等な結合表面積を与えるために必要な生体分子結合性マトリックス物質(例えばニトロセルロース)の量が生体分析対象と接触するための同一結合表面積をもつ本発明に係るコロイド粒子の製造に用いられる同マトリックス物質の量と比較されている。以下に示すように、本発明に係る微量配列を分析方法において用いた場合に起こるバックグラウンド蛍光の従来技術の微量配列に比較しての減少は、同一直径のスポットでも起こりうる厚さにおける減少(従って容量の減少)に一部よるものである。
【００５６】
市販のニトロセルロース被覆処理済スライド(Grace BioLabs社製等)によれば、直径150μmの微量配列スポットの通常のニトロセルロース厚は17μmないしそれ以上である。これに対し、本発明に係る25%（Ｖ／Ｖ）ニトロセルロース水溶液から調製した直径150μmの微量配列スポットは約0.3μmの厚さを有する。従って、本発明に係る典型的コロイド微量配列スポット中に存在するニトロセルロース量は市販のニトロセルロース被覆処理済スライド上のスポット中に存在するニトロセルロースの0.3/17、つまり2%以下である。100nl及びそれ以下の容量(例えば50あるいは20nl)のスポットを得ることも可能である。
【００５７】
本発明の微量配列を用いることにより、実施者は生体分子プローブ結合能を損なうことなく、また他の点では影響なくニトロセルロース量及びそれに伴うバックグラウンド蛍光を劇的に減少させることが可能である。生体結合性マトリックス成分(例えばニトロセルロース)の厚さの減少は必然的に例えば抗原プローブへ結合したタンパク質分析対象に対して向けられたフルオロフォアでラベルされた抗体を用いたタンパク質結合検出中の対応する蛍光バックグラウンドの減少を伴う。従って本発明はかかる分析のため、特にサンプル中の極めて低濃度のタンパク質分析対象の検出においてより高い感度を与えるものである。血清サンプル中の癌細胞マーカータンパク質の検出において起こり得る上記極めて低濃度のタンパク質分析対象は本質的に蛍光バックグラウンドが高い従来技術によるシステムでは検出不能である。
【００５８】
使用
【００５９】
本発明に係る微量配列は臨床研究室の液系システムにおいて通常行われる種々ルーチンの診断目的の抗体/抗原ベースの検定にも容易に採用することができる。例えば、潜在的ドナーの血液中の抗体あるいは抗原の存在を測定する血液銀行実験室での測定作業を容易に行い得る。この場合、肝炎ウイルスの表面タンパク質等の既知病原体抗原を微量配列スポット中でプローブとして用いることができ、またドナー血清を抗原に対する抗体の存在について供試することができる。また、ドナー血液中の特定の病原体の存在を対象病原の特徴的抗原を対象とした抗体プローブを利用することによって検査することも可能である。同様な方法によって、この微量検査方法は感染の診断、病原を対象とする抗生物質あるいは他の治療による経過の追跡にも利用できる。
【００６０】
抗原/抗体に基づく検査を用いる他の臨床的応用として、本発明に従って調製された微量配列スライドを用いて患者の血清中の治療薬(例えばジゴキシン)の濃度あるいは薬の乱用を測定する方法がある。このような検査では現状抗体/抗原ベースの測定技術が用いられている。本発明の微量配列は患者血清中に存在する病態を示すタンパク質の検出にも用いることができる。例えば、CA125及びPSAは卵巣及び前立腺癌にそれぞれ関連する癌細胞のタンパク質マーカーである。市販の免疫検査キットに要する費用及びこれら抗原についての試験手順からこれらの試験法は発病後に最もよく用いられている。これら及び他の癌抗原(例えば乳癌、大腸癌)に微量配列を使用することにより、現在行われている方法よりも遥かに簡便に上述した試験を実施できる。本発明に係る癌検出微量配列を用いる検査方法はルーチンの癌治療の追跡モニタリグ、例えば種々癌についてのタンパク質あるいは核酸の標識またはマーカーの追跡、の促進にも有功である。この多くの癌マーカーについての効率的検査システムはその効率性及び経済性から癌の早期発見及び早期治療をも促進するものである。従って、本願において教示された使用者段階で調製されるのではなく製造時に調製される微量配列は、多くの診断試験室へ注意深く品質管理された検査部品及び方法を提供するとともに数千の異なる実験室の検査結果を比較するための共通基盤をも提供するものである。
【００６１】
本発明の微量配列は、嚢胞性線維症等のある種の病気の早期予測及び発見のために可能性のある両親、胎児及び新生児について突然変異に関わる異常血清タンパク質及び遺伝的障害の存在の検査にも有功である。この種の利用においては、タンパク質プローブ微量配列とDNAプローブ微量配列のいずれかを本発明方法に従って現状の市販品よりも効率的かつ安価な検査方法に作製することが可能である。本発明の微量配列はさらに種々の免疫系障害者個々の異常抗体プロフィルによって特徴付けられた免疫不全疾患の診断にも利用できる。
【００６２】
本発明の微量配列はさらに医薬の発見及び基礎研究に利用できるように調製することも可能である。例えば一例として、動脈硬化等の動脈疾患の精子形成等の疾患進行過程に伴って関わり合う細胞表面レセプターあるいは付着分子は微量配列におけるプローブとして用いることができる。また、同一の微量配列において、組成的及び構造的内容が匹敵するが異なる種々の近接関係にあるプローブを同一の微量配列スライドフォーマット上へ沈着することも可能である。次いで、潜在的医薬を含む溶液を微量配列とともに培養して対象の医薬ターゲットと相互作用及び/または結合させることもできる。他の実施態様においては、潜在的医薬自体を検出目的に適当にラベル化することも可能である。かかる結合は、接触培養後に、微量配列を1またはそれ以上のフルオロフォアでラベルした抗体へさらすことによって評定することができる。種々の標的プローブ/微量配列スポット中の抗体結合パターンを分析することによって、医薬候補が結合していればフルオロフォアでラベルされた抗体の標的プローブへの結合が妨害されるので、どの潜在的医薬候補が標的に特異的に結合しているかを測定することができる。
【００６３】
何千もの異なる病院及び民間ラボにおける臨床的診断への微量配列の利用に関して、前記分析方法は特定の分析対象について同一サンプルを検査した場合にラボ間での変動が最少となる高レベルの精確性をもつべきであるというのが本発明の基本的姿勢である。本発明はかかるシステムの提供を従来の分析システムでは行えなかった下記要素の組合せを新たに創出して上記システムの提供を可能とするものである。すなわち、
[1]多くの複製微量配列上の一定のプローブについての各スポット及び微量配列位置は製造時点での同一ロットの液体コロイド懸濁液組成物から得ることができる。
[2]マトリックス物質の露出された生体分子結合部位の阻止処理等の二次微量配列調製工程は結合性マトリックス高分子分子内での核酸プローブの架橋処理と同様に使用者段階ではなく製造段階で大量に実施される。
[3]プローブ/液体コロイド懸濁液の厚さ及び量はバックグラウンド干渉を最適に減じかつ検査感度を最大にできるように検査に必要な最小限に維持される。
[4]結合性マトリックス上へのプローブの沈着は、潜在的に検査の妨害となる結合性マトリックス量に比例して存在するプローブ量を最少にできるように液体培地中のマトリックスの総じて微小な球形の表面へ対して行われる。
[5]色素あるいは発色団等の内部規格指示基準を前記液体プローブ/コロイド液体懸濁液に含ませて製造品質を評価するための簡便な手段を与えることができる。
[6][5]と同様の指示基準あるいは異なる好ましい発色団は微量配列スライド上に実際に沈着されたプローブ量と特定の量的関係を有し、必要であればこれらを用いてプローブの既知の量的関係に基づいて検査結果の標準化手段を与えることができる。
[7]異なるタンパク質分析対象についての多数の分析を本発明の微量配列を用いて同時に実施できる。例えば(例として多数の異なる種類の癌細胞マーカーについての)単一のタンパク質プローブ微量配列を単一のプローブタンパク質反応チャンバー中に封入して単一患者の血清サンプルを連続して処理し、単一の洗浄試薬で洗浄し、次いで様々なフルオロフォアでラベルされた抗体を含む単一の展開試薬を用いて処理した上で単一の微量配列分析装置によって分析することができる。
【００６４】
本発明は好ましい実施態様によって説明されてきたが、上記明細書を読めば当業者であれば明細書中に記載された組成物や方法に種々の変更、同等なものによる代替、及び他の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の特徴及び効果は添付図面と関連付けられた下記の好ましい実施態様及びクレームの記載から明らかとなる。
【図１】図1A-1Fは本発明に係る微量配列の構成と使用原理を示し、Aは本発明に係るコロイド状微量配列を有する顕微鏡スライドの図でありBは、Aの微量配列の典型的スポットの分解図であり、多数のマトリックス生体分子のコロイド粒子から成るスポットを示し、Cは、Bの単一コロイド粒子の分解図であり、抗原へコーティングされた粒子を示し、Dは、Cの単一コロイド粒子の分解図であり、結合抗原プローブを示し、Eは、試験サンプル中に存在する特異抗体へ結合した後のDに示した抗原プローブ分子を示し、Fはディテクター・フルオロフォアへ結合されたEの抗原抗体結合体を示している。フルオロフォア測標の強度は試験サンプル中の異なる抗体のレベルの測定単位として用いられる。
【図２】図1Cに示した直径45μm以下のコロイド粒子の走査顕微鏡写真である。
【図３】包括HLA-DR SSOPタイピング用のワークシートである。
【図４】本発明に係る3つの微量配列の顕微鏡写真であり、3つの異なる個体のHLAタイピング結果を示している。
【図５】本発明に係る3つの微量配列の顕微鏡写真であり、3つの異なる個体について種々抗原に対する抗体プロファイルを示している。

Claims (17)

1. 以下からなる液体組成物：
   液体中に均一に分散された生体分子結合性マトリックス材のコロイド懸濁液であって、前記コロイド懸濁液中の前記マトリックス材の懸濁粒子は、直径が１μｍ未満と画定された粒径を有し、そして前記生体分子結合性マトリックス材は、ニトロセルロース、ポリビニリデンフルオライドおよび活性化ナイロンからなる群から選ばれるものであり；
   生物学的に活性な生体分子の複製コピーであって、前記生体分子は前記コロイド懸濁液中に分布して前記マトリックス材粒子に結合し、そして前記生体分子は、蛋白、ペプチド及びオリゴペプチドからなる群から選ばれるものであり；
   前記コロイド懸濁液中に分布する１種又はそれ以上の参照染料；および
   阻止性生体分子であって、前記阻止性生体分子は、前記生体結合性マトリックス材上の前記生体分子により占有されないサイトをブロックするものである。
2. 前記参照染料が、マイクロアレイ上のスポットに沈積された生体分子の量を求めるためのマーカーである請求項１の液体組成物。
3. 前記マトリックス材粒子の直径が０．５μｍ未満であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
4. 前記マトリックス材粒子の直径が０．２５μｍ未満であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
5. 前記生体分子が蛋白である請求項１の液体組成物。
6. 前記生体分子結合性マトリックス材が、ニトロセルロースである請求項１の液体組成物。
7. １種を超える生体分子が前記コロイド懸濁液中に分散され、かつ前記マトリックス材粒子へ結合されていることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
8. 前記１種を超える生体分子が２またはそれ以上の異なる生体分子プローブを含むことを特徴とする請求項７項記載の液体組成物。
9. 前記生体分子の結合が共有結合であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
10. 前記生体分子の結合が非共有結合であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
11. 前記生体分子の結合が静電結合であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
12. 前記生体分子の結合が前記マトリックス材粒子表面上への吸着であることを特徴とする請求項１項記載の液体組成物。
13. 前記参照染料が、前記液体組成物の調製の間にマトリックス材の濃度を探知するために使用される請求項１記載の液体組成物。
14. 固相生体分子アッセイを準備するのに使用される懸濁液組成物を調製する方法であって、以下からなる：
    ａ）水性媒体に生体分子結合性マトリックス材粒子を分散させて、１〜５μｍの粒径のコロイド縣濁液を形成させ、ここで前記生体分子結合性マトリックス材粒子はニトロセルロース、ポリビニリデンフルオライドおよび活性化ナイロン群から選ばれるものであり；
    ｂ）前記水性媒体に生物学的に活性な生体分子の複製コピーを加え、ここで、生体分子は前記コロイド懸濁液中にくまなく分布し、そしてマトリックス材粒子に結合し、そしてここで、生体分子は、蛋白、ペプチド及びオリゴペプチドから選択されるものであり；および
    ｃ）前記水性媒体に１種又はそれ以上の参照染料を加えて、前記コロイド懸濁液中にくまなく分布させるもの。
15. 固体支持体上に水性媒体を載置する工程を更に有する請求項１４の方法。
16. 固体支持体が、ガラスまたはプラスチックである請求項１５の方法。
17. プラスチックが、ポリカーボネートである請求項１６の方法。

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