DE102007002913A1 - Chip for measurement of characteristics of molecule present in diaphragm, particularly in channel or pore-forming molecule, and for optical single transporter recording technology in biophysical basic research, comprises substrate molecule - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Proteine, die Substanzen aktiv oder passiv durch Membranen transportieren und hier kurz als „Transporter" bezeichnet werden, spielen eine zentrale Rolle bei der Funktion biologischer Zellen und der Entstehung vieler volkswirtschaftlich bedeutender Krankheiten wie z. B. Herzerkrankungen, Epilepsie, HIV und zystische Fibrose. Bereits im Jahr 2002 stellten Transporter 11% aller Therapieziele dar und haben in der Zukunft ein immenses Potential für die Wirkstoffforschung. Die Charakterisierung von Kanalproteinen und aktiven Transportern ist jedoch weiterhin eine große Herausforderung für die Biomedizin und Biotechnologie. Derzeit verfügbare Verfahren sind aufwendig und langsam. Deshalb werden neue Verfahren benötigt, mit denen die funktionellen Eigenschaften von Transporter und ihre Beeinflussung durch potentielle Pharmaka im Hochdurchsatz gemessen werden können. Insbesondere werden neue Einzelmolekültechniken benötigt, um die Analyse von Transportern in nicht-synchronisierten und heterogenen molekularen Populationen zu ermöglichen.proteins, transport the substances actively or passively through membranes and briefly referred to here as "transporter" play a central role in the function of biological cells and the Emergence of many economically significant diseases such as z. Heart disease, epilepsy, HIV and cystic fibrosis. Already In 2002, transporters accounted for 11% of all therapy goals in the future an immense potential for drug discovery. Characterization of channel proteins and active transporters However, it is still a big challenge for us biomedicine and biotechnology. Currently available methods are elaborate and slow. That's why new procedures are needed with which the functional properties of transporters and their Influenced by potential drugs in high throughput measured can be. In particular, new single molecule techniques will be used needed to do the analysis of transporters in non-synchronized and to enable heterogeneous molecular populations.
Das derzeit am häufigsten verwendete Verfahren für die Analyse funktioneller Eigenschaften einzelner Transporter sind das sogenannte „Patch-Clamp"-Verfahren und das „BLM" (black lipid membrane)-Verfahren. Beide Verfahren beruhen auf elektrischen Leitfähigkeitsmessungen. Mit diesem Patch-Clamp-Verfahren können Transporter, die anorganische Ionen aktiv (Transportermoleküle) oder passiv (Ionenkanäle) transportieren, sehr gut auf Einzelmolekülniveau analysiert werden. Die Vielzahl von Transportern aber, die kleine, elektroneutrale Moleküle oder Makromoleküle wie Proteine und Nukleinsäuren transportieren, kann nur in Ausnahmefällen und dann nur indirekt mit der Patch-Clamp-Verfahren analysiert werden.The currently the most commonly used method for are the analysis of functional properties of individual transporters the so-called "patch-clamp" method and the "BLM" (black lipid membrane) method. Both methods are based on electrical Conductivity measurements. With this patch-clamp procedure can transporters that have inorganic ions active (transporter molecules) or passive (ion channels) transport very well Single molecule level are analyzed. The variety of transporters but, the small, electroneutral molecules or macromolecules How proteins and nucleic acids can transport, only in exceptional cases and then only indirectly analyzed with the patch-clamp method become.
Weitere Nachteile der Patch-Clamp-Verfahren sind eine relativ geringe Empfindlichkeit, die Unmöglichkeit mehrerer Transportsubstrate gleichzeitig zu messen und die Schwierigkeiten, solche Messungen zu automatisieren, parallelisieren und im Hochdurchsatz (High Throughput Screening, HTS) durchzuführen.Further Disadvantages of the patch-clamp method are a relatively low sensitivity, the impossibility of multiple transport substrates at the same time measure and the difficulties of automating such measurements, parallelize and in high-throughput (High Throughput Screening, HTS).
Wegen der großen Fortschritte in der Genomik werden Transporter und ihre pathophysiologischen Mutanten heutzutage vorwiegend durch Expression der Transporter in Mikroorganismen, häufig in bakteriellen oder eukariotischen Zellsystemen oder durch ihre Isolation und Rekonstitution in künstlichen Lipidvesikeln, die typischer Weise Durchmesser von 100–500 nm haben, untersucht. Für elektrische Messungen ist es erforderlich, die nanoskopischen rekonstituierten Lipidvesikeln mit makroskopischen Lipidmembranen zu fusionieren, ein experimentell komplizierter und wenig steuerbarer Vorgang.Because of The great advances in genomics are transporters and their pathophysiological mutants today predominantly through Expression of transporters in microorganisms, common in bacterial or eukaryotic cell systems or by their isolation and reconstitution in artificial lipid vesicles, the more typical Have a diameter of 100-500 nm. For electrical measurements, it is necessary to reconstituted the nanoscopic To fuse lipid vesicles with macroscopic lipid membranes, an experimentally complicated and uncontrollable process.
Ein inhärenter Nachteil elektrische Messungen ist, dass nur elektrisch geladene Substrate, wie beispielsweise Salzionen oder ionisierte Moleküle, gemessen werden können. Zudem beeinflusst die zur Messung des Ionentransports üblicherweise angelegte elektrische Spannung die Messung uns es muss ein hoher elektrischer Widerstand zwischen beiden Seiten der Membrane erreicht werden um eine ausreichenden Messempfindlichkeit zur erreichen.One inherent disadvantage of electrical measurements is that only electrically charged substrates, such as salt ions or ionized molecules, can be measured. moreover usually affects those used to measure ion transport applied electrical voltage measuring us it must be a high achieved electrical resistance between both sides of the membrane will reach to a sufficient measuring sensitivity.
Die Probleme elektrischer Messungen können durch fluoreszenzmikroskopische Messungen überwunden werden. Mit hochauflösende Fluoreszensmessungen von einzelnen Molekülen ist es zwar möglich einzelne Moleküle zu lokalisieren, der Transmembrantransport der einzelnen Molekülen bewirkt wird kann aber üblicherweise nicht beobachtet werden. Transportmessungen mit der von uns eingeführten Technik der „Optischen Einzeltransporter-Analyse" (OSTR = Optical Single Transporter Recording) sind an Transportern aller Art möglich. OSTR-Messungen sind weiterhin durch Einzelmolekülempfindlichkeit, Substrat-Multiplexing und Hochdurchsatzfähigkeit gekennzeichnet. Die OSTR-Messungen haben auch bei Verwendung rekonstituierter Lipidvesikel Vorteile, weil sie an nanoskopischen Lipidvesikeln direkt, d. h. ohne Fusion mit makroskopischen planaren Lipidmembranen, durchgeführt werden können.The Problems of electrical measurements can be confirmed by fluorescence microscopy Measurements are overcome. With high resolution Fluorescence measurements of single molecules are possible single molecules to locate, the transmembrane transport the individual molecules can be effected but usually not be observed. Transport measurements with the one introduced by us Technology of "Optical Single-Carrier Analysis" (OSTR = Optical Single Transporter Recording) are on vans of all Kind possible. OSTR measurements are still due to single molecule sensitivity, Substrate multiplexing and high throughput characterized. The OSTR measurements also have when using reconstituted lipid vesicles Benefits, because they directly on nanoscopic lipid vesicles, d. H. without fusion with macroscopic planar lipid membranes can be.
In
vorangehenden Arbeiten,
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Mit
der hiermit beschriebenen Erfindung können hingegen dichte
und sehr große Arrays von TCs hergestellt werden. Der Durchmesser
der TCs gemäß der Erfindung kann im Bereich von
etwa 50–3000 nm frei gewählt werden. Die TCs sind
sehr homogen und haben eine fast perfekt zylindrische Geometrie.
Beispiele sind in
Die hier beschriebene Erfindung eignet sich hervorragend für die kostengünstige Produktion der OSTR-Chips in industriellem Maßstab. Dies ermöglicht es, die OSTR-Chips als Einmalartikel herzustellen und auf umständliche Reinigung zu verzichten.The invention described here is ideal for the cost-effective production of OSTR chips in industrial Scale. This allows the OSTR chips as To produce disposable items and to cumbersome cleaning to renounce.
Die Verfügbarkeit sehr kleiner TCs ermöglicht es, rekonstituierte Lipidvesikel (Durchmesser 100–500 nm) direkt, da der Durchmesser der TCs kleiner als der Durchmesser der Lipidvesikel gewählt werden kann. D. h. eine Fusion mit makroskopischen Bilayern ist nicht bei der Erfindung nicht nötig.The Availability of very small TCs makes it possible reconstituted lipid vesicles (diameter 100-500 nm) directly, because the diameter of the TCs is smaller than the diameter of the lipid vesicles can be chosen. Ie. a fusion with macroscopic bilayers is not necessary in the invention.
Bisher wurden die OSTR-Chips aus Polykarbonat verwendet. Dieses Material ist doppelbrechend mit Brechungsindices im Bereich von 1,52–1,55. Durch den Brechungsindexunterschied zwischen dem OSTR-Chip und dem physiologischen wässrigen Medium (Brechungsindex etwa 1.35) kommt es zu optischen Verzerrungen, die eine hochauflösende mikroskopische Abbildung der Membranen, die die Testkompartimente überspannen, unmöglich machen.So far The polycarbonate OSTR chips were used. This material is birefringent with refractive indices in the range of 1.52-1.55. By the refractive index difference between the OSTR chip and the physiological aqueous medium (refractive index about 1.35) it comes to optical distortion, which is a high-resolution microscopic Illustration of the membranes spanning the test compartments to make impossible.
Die
hier beschriebenen OSTR-Chips bestehen aus Materialien, deren Brechungsindex
im Wesentlichen identisch mit den physiologischen wässrigen
Medien ist. Als Materialien können dabei ein Fluorpolymer,
Silizium, Hydrogel oder ein Metall verwendet werden. Dadurch werden
optische Artifakte, die auf Brechungsindex-Unterschieden bestehen,
vermieden und es werden hochauflösende fluoreszenzmikroskopische
Analysen an den TC-überspannenden Membranen ermöglicht.
Die optischen Eigenschaften der hier beschriebenen TC-Arrays sind
in
Das für die OSTR-Chips verwendete Material ist biokompatibel und für Membranen und Transporter unschädlich.The material used for the OSTR chips is biocompatible and harmless to membranes and transporters.
Bisher wurden Membranen an gereinigte, aber nicht modifizierte Polykarbonat-Oberflächen gebunden. Bei dem hier beschriebenen OSTR-Chips werden zunächst kleine organische Molekül (Linker) an die Fluoropolymer-Oberfläche gebunden. Diese Linker tragen chemische Gruppen, die mit Sulfhydrylgruppen (SH-Gruppen) sehr schnell eine feste, kovalente Bindung eingehen können. Auf den Oberflächen zellulärer Membranen befinden sich häufig freie SH-Gruppen. In die Oberfläche künstlicher Lipidvesikel können freie SH-Gruppen durch Zugabe entsprechend modifizierter Lipide nach Belieben eingefügt werden. Bei Kontakt zellulärer Membranen oder mit SH-Lipiden dotierter Lipidvesikel mit den hier beschriebenen oberflächenmodifizierten OSTR-Chips entsteht praktisch unmittelbar eine feste, irreversible Bindung. Es ist deshalb möglich, Membranen und Membranvesikel, deren Durchmesser > 100 nm ist, mit dem OSTR-Verfahren zu analysieren.So far Membranes were cleaned on cleaned but unmodified polycarbonate surfaces bound. For the OSTR chips described here, first small organic molecule (linker) to the fluoropolymer surface bound. These linkers carry chemical groups that contain sulfhydryl groups (SH groups) quickly form a strong, covalent bond can. More cellular on the surfaces Membranes are often free SH groups. In the Surface of artificial lipid vesicles can free SH groups by addition of appropriately modified lipids be inserted at will. At contact cellular Membranes or SH lipid-doped lipid vesicles with the ones here described surface-modified OSTR chips is formed practically immediately a firm, irreversible bond. It is because of that possible, membranes and membrane vesicles whose diameter is> 100 nm, with the To analyze OSTR procedures.
Bei der OSTR-Technik werden Membranen an OSTR-Chips gebunden. Dies sind planare und transparente Plättchen, die eine Vielzahl kleiner Vertiefungen, hier Testkompartments (TC) genannt, enthalten. Der Transport fluoreszierender Substrate durch die Membranen in die TCs wird durch konfokale Mikroskopie gemessen. Es kann auch die Änderung der Fluoreszenz einer in der TC vorhandenen Substanz durch ein durch die Membranen transportiertes Substrat gemessen werden, z. B. durch Fluoreszenz-Quenching, Änderung der lokalen Ca++ Konzentration, des lokalen pH Wertes oder ähnlichem.at OSTR technology binds membranes to OSTR chips. these are planar and transparent platelets, which are a lot smaller Wells, here called test compartments (TC) included. Of the Transport of fluorescent substrates through the membranes in the TCs are measured by confocal microscopy. It can also change the fluorescence of a substance present in the TC by a through the membranes transported substrate are measured, for. B. by Fluorescence quenching, change in local Ca ++ concentration, the local pH value or similar.
Die hier beschriebene Erfindung soll es ermöglichen, die OSTR-Technik zu einem Routineverfahren der biophysikalischen, physiologischen, pharmakologischer und pharmazeutischen Grundlagenforschung und der industriellen pharmakologischen Wirkstoffentwicklung zu machen.The The invention described herein is intended to enable the OSTR technique to a routine procedure of biophysical, physiological, pharmacological and pharmaceutical basic research and the to make industrial pharmacological drug development.
Die hiermit beschriebenen OSTR-Chips bestehen aus dünnen Schichten eines transparenten Fluoropolymers wie Teflon FEP, Teflon AF oder Cytop, die auf planaren Glasträgen aufgebracht sind und ein dichtes Array mikroskopischer oder nanoskopischer Vertiefungen (Testkompartimente, TC) enthalten. Die Strukturierung der Polymerschichten erfolgt durch eine Nanoimprint-Technik. Die Oberflächen der nanostrukturierten Chips werden auf spezielle Weise modifiziert, so dass zelluläre und künstliche Membranen fest gebunden und über den TCs ausgespannt werden.The OSTR chips described herein are made up of thin layers a transparent fluoropolymer such as Teflon FEP, Teflon AF or Cytop, which are applied on planar glass saws and a dense array of microscopic or nanoscopic wells (Test compartments, TC). The structuring of the polymer layers done by a nanoimprint technique. The surfaces the nanostructured chips are modified in a special way, so that cellular and artificial membranes become firm tied and stretched over the TCs.
Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Zeichnungen erläutert. Es zeigenThe The invention will now be explained with reference to the following drawings. Show it
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention
Der
OSTR-Chip
Erfindungsgemäß kann der Transport der Substrate bzw. die entsprechende Transportrate mittels Fluoreszenz analysiert werden. Dazu können die Substrate beispielsweise direkt mit fluoreszierenden Molekülen, fluoreszierenden Nanopartikeln in Fachleuten bekannter Art fluoreszenzmarkiert werden. Es können aber auch Fluoreszenzsensoren in die ICs eingebracht sein, die ihre Fluoreszenz in Abhängigkeit, des pH, einer Ionenkonzentration, der Temperatur oder eines anderen Parameters ändern.According to the invention the transport of the substrates or the corresponding transport rate be analyzed by fluorescence. These can be the substrates for example, directly with fluorescent molecules, fluorescent Nanoparticles are fluorescently labeled in a manner known to those skilled in the art. However, it is also possible to introduce fluorescence sensors into the ICs be their fluorescence depending on the pH, a Change ion concentration, temperature or other parameter.
Die
Fluoreszenzintensität bzw. eine Änderung der Fluoreszenzintensität
kann mit konfokaler Laser Scanning Mikroskopie für jedes
der Testkompartimente (TCs) einzeln bestimmt werden und daraus die
Transportkinetik und Permeabilität einzelner Transporter
ermittelt werden. CTC, FTC,
CC und FC sind Konzentration
und Fluoreszenzintensität in den Testkompartimenten (
Die Fluoreszenz kann auch mit Zero-Mode-Waveguide-Verfahren bestimmt werden. Dabei wird die Struktur oder ein Abschnitt der Struktur als Waveguide (Wellenleiter) verwendet. Beispielsweise kann Licht in den unteren Abschnitt des OSTR-Chips geleitet werden, so dass Licht in die ICs (evanescent light) gestreut wird. Dadurch kann die Hintergrundstrahlung durch Anregung von fluoreszenten Molekülen außerhalb der ICs vermieden werden.The Fluorescence can also be determined using zero-mode waveguide methods become. In doing so, the structure or a section of the structure used as waveguide (waveguide). For example, light can be routed into the lower section of the OSTR chip, so that Light is scattered into the ICs (evanescent light). This can the background radiation by excitation of fluorescent molecules be avoided outside the ICs.
Im
Folgenden wird die Herstellung des OSTR-Chips beschrieben. Zunächst
wird ein Prägewerkzeug
Ein Siliziumsubstrat wurde mit einem für die Elektronenstrahllithographie zu verwendenden Resist beschichtet. Die Strukturierung dieses Resists erfolgte mittels Elektronenstrahllithographie, d. h., die gewünschten Strukturen wurden mittels CAD entworfen und dimensioniert und in die Anlage eingespeist. Diese kann sowohl als Elektronenstrahlmikroskop als auch als Elektronenstrahlschreiber fungieren. In diesem Beispiel wurde der Resist direkt mittels Elektronenstrahl belichtet. Im Vergleich zu anderen Belichtungsverfahren ist die Beleuchtung des Resists sehr zeitaufwendig, da das gesamte Silizium-Substrat nicht mit einem mal belichtet wird, sondern die einzelnen Strukturen nacheinander in den Lack geschrieben werden. Dafür zahlt sich das Verfahren aber durch die hohe mögliche Auflösung aus. In einem weiteren Prozessschritt, dem Entwickeln werden die zuvor belichteten Bereiche herausgelöst und die Strukturen liegen im Resist vor.One Silicon substrate was coated with one for electron beam lithography coated resist to be used. The structuring of this resist was carried out by electron beam lithography, d. h., the desired Structures were designed and dimensioned by CAD and incorporated into CAD fed the plant. This can be both as electron beam microscope as well as electron beam writer. In this example The resist was exposed directly by electron beam. Compared to other exposure methods is the illumination of the resist very time consuming, because the entire silicon substrate does not come with a is illuminated, but the individual structures in succession to be written in the paint. The process pays for that but by the high possible resolution. In a further process step, the development will be the previously exposed Removed areas and the structures are in the resist in front.
Die eigentliche Strukturierung des Silizium-Substrates erfolgte mittels reaktivem Ionenätzen (RIE), wobei der zuvor strukturierte Resist als Ätzmaske diente. Da der Abtrag sowohl chemisch als auch physikalisch erfolgte, zeichnete sich das Verfahren sowohl durch seine hohe Selektivität als auch Anisotropie aus.The actual structuring of the silicon substrate was carried out by means of reactive ion etching (RIE), the previously structured Resist served as an etching mask. Since the erosion is both chemical As well as physically, the method was both due to its high selectivity as well as anisotropy.
Nachdem der restliche Resist entfernt wurde, liegt das fertige mikrostrukturierte Prägewerkzeug vor.After this the residual resist has been removed, lies the finished microstructured Embossing tool in front.
Die Strukturen werden danach mittels Heißpräger geformt.The Structures are then formed by hot stamping.
Das
Heißprägen gehört neben dem Spritzprägen
und dem Spritzgießen zu den Standardverfahren für
die Mikrostrukturierung von Kunststoffen. Der Grundgedanke beim
Heißprägen ist, dass sowohl das strukturierte
Prägewerkzeug
Das
Prägen einer Polymerschicht wird jetzt anhand der
Versuche, über
das Aufbringen eines Polymers
Aus
diesem Grund wurde in einem weiteren Beispiel eine dickere prägbare
Fluoropolymerfolie
Die geprägten Strukturen wurden mittels Fluoreszenzanalyse im Laser Scanning Mikroskop untersucht. Das Material zeigte auch nach dem Nanoimprint keine Autofluoreszenz. Nach Zugabe einer Fluorophorlösung diffundierte die in die eingeprägten Vertiefungen und ermöglichte Fluoreszenzaufnahmen. Das Material zeigt auf Grund des niedrigen Brechungsindexes einen leichten Lichtleitereffekt, wodurch die nanoskopischen Vertiefungen in z-Richtung verlängert erscheinen.The embossed structures were determined by fluorescence analysis examined in the laser scanning microscope. The material also showed no autofluorescence after the nanoimprint. After adding a fluorophore solution diffused into the impressed depressions and enabled Fluorescence images. The material shows due to the low Refractive index a slight optical fiber effect, reducing the nanoscopic Wells appear elongated in the z direction.
Die elektronenmikroskopischen und Fluoreszenzaufnahmen zeigen, daß das hiermit beschriebene Verfahren geeignet ist, OSTR-Chips mit verschiedenen Durchmessern der einzelnen Vertiefungen im Bereich von 250 nm bis in den μm Bereich reproduzierbar herzustellen.The Electron micrographs and fluorescence images show that the method described here is suitable, OSTR chips with different Diameters of the individual wells in the range of 250 nm to to reproducibly produce in the μm range.
OSTR-Chips können auch aus einem Hydrogel, Metall oder Silizium hergestellt sein, wobei andere Fachleuten bekannte Herstellungsverfahren verwendete werden können.OSTR chips can also be made from a hydrogel, metal or silicon using other methods known to those skilled in the art can be.
Für
die OSTR Technik ist es notwendig, biologische Membranen oder Lipid-Doppelschichten
an die Oberfläche der Chips zu koppeln. Die eingesetzte Fluoropolymerfolie
Die Möglichkeit zum Hochdurchsatz des OSTR-Verfahrens mit entsprechenden Biochips besteht ebenfalls, allerdings ist die notwendige Anfertigung entsprechend großer Stempel im Kostenplan der Machbarkeitsstudie nicht enthalten.The Possibility of high throughput of the OSTR method with appropriate Biochips also exists, but the necessary preparation is required correspondingly large stamp in the cost plan of the feasibility study not included.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3101421A4 (en) * | 2014-01-30 | 2017-08-30 | Namiki Seimitsu Houseki kabushikikaisha | Cell membrane observation and analysis device and cell membrane observation and analysis method |
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