DE112004002246T5

DE112004002246T5 - Parallel-Reaktor

Info

Publication number: DE112004002246T5
Application number: DE112004002246T
Authority: DE
Inventors: Yoram Palti; Daphna Palti-Wasserman
Original assignee: Summitech Ltd
Current assignee: Summitech Ltd
Priority date: 2003-11-19
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2006-10-05
Also published as: WO2005050155A2; US20050112674A1; GB2422901A; GB0610426D0; WO2005050155A3

Abstract

Fester Träger, der umfasst eine Vielzahl von einzelnen perforierten Elementen, wobei jedes perforierte Element eine oder mehrere Perforationen aufweist; und
ein oder mehrere immobilisierte Moleküle an die Oberfläche mindestens einer der Perforationen innerhalb jedes perforierten Elements gebunden ist (sind);
wobei eine Vielzahl von perforierten Elementen miteinander verbunden ist zur Bildung einer Säule aus perforierten Elementen und die Perforationen innerhalb jeder Säule so aufeinander ausgerichtet sind, dass ein oder mehrere die Säule durchquerende Tunnel gebildet wird (werden).

Description

Nach 35 U. S. C. § 119 (e) wird für diese Patentanmeldung die Priorität der älteren U. S. Provisional Application No. 60/523 888, eingereicht am 19. November 2003, beansprucht, auf deren gesamten Inhalt hier Bezug genommen wird.

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf chemische Bibliotheken (Libraries) zur Identifizierung von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Diagnose, die Erkennung, die Trennung und die Synthese einer Vielzahl von chemischen und biochemischen Prozessen, und sie bezieht sich außerdem auf Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und auf Verfahren zur Erkennung, Trennung und Synthese einer Vielzahl von chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen und Substanzen in denen die Vorrichtung verwendet wird.

Hintergrund der Erfindung

Zahlreiche chemische, biochemische und biologische Prozesse, die an der Erkennung, Identifizierung, Analyse, Auswahl, Isolierung, Synthese und Polymerisation beteiligt sind, können auf einer Gruppe bzw. Anordnung bzw. einem Array (Mikroarray) von Reaktionsstellen stattfinden. Diese Reaktionsstellen können elektrisch oder optisch spezifisch adressiert werden, um den biologischen Prozess nachzuweisen bzw. zu erfassen. Die Array-Technologie ist ein wirksames Werkzeug zur Identifizierung oder Verarbeitung bzw. Bearbeitung zahlreicher Elemente, beispielsweise beim Massen-Screening (HTS) (Screening mit hohem Durchsatz) oder bei der Massen-Be- bzw. Verarbeitung. Mikroarray-Assays ermöglichen die massive parallele Datenerfassung, Analyse, Synthese und die häufige Trennung, wodurch ein Massen-Screening (HTS) möglich ist. Durch die parallele Verarbeitung wird der Durchsatz stark erhöht und dadurch sind ein schnelles Screening, ein schneller Vergleich der relativen Bindungsaffinität und eine schnelle quantitative Beurteilung der Produkt- und Reaktionsraten und -ausbeuten möglich. Beispielsweise erlauben Gene oder Genprodukte, die in dem Mikroarray und in den Mikroarrays von komplementären DNA (cDNA)-Sequenzen vorliegen, eine Überwachung einer Genexpression auf Hybridisierungsbasis. Einrichtungen, die ein immobilisiertes molekulares Erkennungselement, d.h. cDNA-Nucleinsäure, an die Oberfläche eines Transducers (Wandlers) koppeln, führen zu einer "Umwandlung" eines molekularen Erkennungsvorgangs in ein messbares Signal, das die Anwesenheit des Targets scharf abbildet.

Biosensoren, die eine Sondenimmobilisierung in hoher Dichte ermöglichen, kooperieren mit der Mikrofluid-Technologie zur Unterstützung der Herstellung von in sich abgeschlossenen analytischen Biochip-Modul-Systemen. Die Hauptbeteiligten, die an dem Wettbewerb zur Herstellung hauptsächlich von DNA-Chips teilnehmen, wenden Methoden an, die im Wesentlichen auf Immobilisierungschemien basieren, von denen jede Vorteile und Beschränkungen aufweist. Bisher umfassen diese Methoden DNA-Chips für die Nucleinsäure-Hybridisierung (Drmanac et al., "Science", 1993, 260: 1649–1652; Gingeras et al., "Nucleic Acids Res.", 1987, 15: 5373–5390; Meinkoth und Wahl, "Anal. Biochem.", 1984, 138: 267–284) und die Sequenzierung sowie die Identifizierung von Target-DNA-Sequenzen (Merel, et al., "Clin. Chem.", 1996, 43: 1285–1286; Yershov et al. "Proc. Natl. Acad. Sci. USA", 1996, 93: 4913–4918). Diese Verfahren können in zwei Richtungen aufgeteilt werden: die Synthese der Sonden direkt auf dem Chip und die direkte Konjugation von cDNAs oder cRNAs an die Chip-Oberfläche.

Die derzeitigen Mikroarray-Assays konzentrieren sich auf die Nucleinsäure-Hybridisierung, die Mikroarray- und kombinatorischen chemischen Technologien umfassen aber auch die parallele Analyse von Proteinen, Lipiden, Kohlehydraten und kleinen Molekülen (PCT-Publikationen Nr. WO 99/41006, WO 96/36436, WO 96/24061, WO 98/46548, WO 99/19344, WO 98/11036, WO 97/14814, WO 95/32425). Die hohe Spezifität und Affinität von Biomaterialien für ihre Erkennungs-Partner, wie z.B. Enzym-Substrat, Antigen-Antikörper, Oligonucleotid-DNA, Hormon-Rezeptor und dgl., erlaubt somit die Entwicklung von hochspezifischen und hochempfindlichen Sensor-Systemen.

Im Falle von Mikroarrays, die an einer Synthese beteiligt sind, werden die Mikroarrays stufenförmig hergestellt durch die in situ-Synthese von Nucleinsäuren, Peptiden und anderen Biopolymeren aus biochemischen Monomer-Baublöcken (Bauelementen). Mit jedem Synthesezyklus wird ein zusätzliches Monomer an wachsende Ketten addiert, bis die gewünschte Länge erreicht ist. Alternativ werden vorher zusammengefügte biochemische Substanzen, wie z.B. cDNA, die durch PCR verstärkt und gereinigt worden sind, oder Peptide (kovalent oder nicht-kovalent) an bekannte Chip-Positionen konjugiert unter Anwendung einer Vielzahl von Zuführungs-Technologien.

Um eine parallele Verarbeitung zu ermöglichen, muss jede aktive Stelle auf dem Array (das Tausende von aktiven Stellen umfassen kann) mit einem anderen spezifischen Molekül oder einer Reihe von Komponenten beladen werden. Außerdem sollte jede Position leicht adressierbar (ansteuerbar) sein, sodass die Reaktionen, die auf jeder aktiven Stelle auftreten, überwacht werden können. Offensichtlich erschwert ein dicht gepacktes Mikroarray die Erreichung des oben genannten Ziels. Die Technologie erlaubt jedoch zunehmend Arrays mit höherer Dichte, beispielsweise von 10 000 Einheiten auf 1 cm² Fläche.

Ein Array-Typ, ein elektrisches Array, besteht aus Metall (Gold, Platin und dgl.)-Elektroden oder -Stellen, an denen die Reaktion stattfindet. Jede Stelle ist verbunden mit einem elektrischen Anschluss, der beispielsweise in einer Kontaktfläche endet, die durch einen elektrischen Connector (Verbindungselement) adressiert (ange steuert) werden kann. Die elektrische Verbindung kann dazu verwendet werden, eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom an die aktive Stelle anzulegen, wodurch es möglich ist, biologisch/biochemisch verursachte Änderungen an der aktiven Stelle (z.B. Erzeugung von Spannungsdifferenzen, Strömen oder Änderungen der Impedanz) zu messen. Außerdem kann das elektrische Signal die Reaktion beeinflussen, die an der aktiven Stelle stattfindet. Die oben genannten Arrays werden im Allgemeinen hergestellt unter Anwendung von Mikrochip-Technologien, welche die Herstellung von miniaturisierten Systemen in großen Mengen bei niedrigen Kosten erlauben. Diese Technologien erlauben auch die Einarbeitung von elektronischen Elementen, wie z.B. Verstärkern, FETs oder Fotodioden, um die Erfassung (Messung) zu unterstützen. Im Hinblick auf die oben genannte zentrale Rolle von Mikroarrays in der biomedizinischen Forschung, insbesondere in der Pharmakogenomik und in der Pharmakoproteonomik, können die Kosten für Biochips gegebenenfalls diejenigen für Computer-Chips weit übersteigen. Diese Vorhersagen sind unabhängig von der Erwartung, dass leistungsfähige Computer der Zukunft biologische Prozesse miteinander verknüpfen können zur Durchführung logischer Operationen (vgl. auch US-Patente Nr. 6 350 368 und 5 942 388 und Drummond et al. "Nature Biotechnology" 21, 1192 (2003)).

Optische Arrays, die weniger gebräuchlich sind, umfassen aktive Stellen, die an der Spitze von optischen Fasern oder Licht-Wellenleitern angeordnet sind, welche die vorstehend beschriebenen elektrisch leitenden Elemente ersetzen (vgl. PCT-Publikation Nr. WO 99/18434).

Im Falle von Mikroarrays, die für die Erkennung bestimmt sind, stehen die Reaktionsstellen in Kontakt mit Elektroden und die durch die Reaktion an der aktiven Stelle erzeugte Information kann entweder elektrischer oder optischer Natur sein. Wenn diese Information eine solche elektrischer Natur ist (eine Änderung des Potentials, des Widerstandes, der Kapazität, der elektrischen Stromerzeugung und dgl.), wird sie in ein Kontroll- und Analysen-System übertragen mittels der elektrisch leitenden Anschlüsse und eines Verbindungselements. Wenn die Information beispielsweise optischer Natur ist, wie z.B. die Fluoreszenz von Peptid/DNA-Biochips, die von Affymetrix entwickelt wurden, kann die Information durch optische Fasern in das Kontroll- und Analysensystem übertragen werden oder sie kann fernüberwacht werden, beispielsweise mittels einer CCD-Kamera in Kombination mit einem konfokalen Mikroskop. Eine Mehrfarben-Fluoreszenz erlaubt den Vergleich zwischen einigen wenigen Proben, wie z.B. normalen und erkrankten oder erkrankten und behandelten, die auf einem einzigen Chip vorliegen.

Bei allen Array-Typen stellt die Beladung jeder der Reaktionsstellen mit den spezifischen designierten Komponenten oder Reihen von Komponenten eine schwierige, zeitraubende und teure Stufe dar. Die Ausrichtung von unterschiedlichen molekularen Sonden auf eine spezielle Position auf einem Array in einer hohen Dichte umfasst komplizierte, zeitraubende und präzise Reagens-Handhabungsmöglichkeiten. Außerdem verstärkt die Nähe der unterschiedlichen einzelnen Array-Elemente zueinander das Problem einer kovalenten räumlichen Verteilung und einer anzunehmenden Überkreuz-Kontamination während ihrer Herstellung. Durch die Vermeidung der oben genannten Vorgänge werden die Kosten für das Verfahren signifikant erhöht.

Zu diesem Zweck wurde eine Vielzahl von hochpräzisen Anordnungstechnologien entwickelt, welche die Anwendung von komplizierten Roboter-Techniken umfassen. Dazu gehören mechanische Systeme, wie z.B. Computer-gestützte x-y-Stufen, ein Tintenstrahl-Komponenten-Spray an spezifischen Positionen, verschiedene Masken, die verhindern, dass die Reaktantem irgendeine Stelle außer der gewünschten aktiven Stelle erreichen und dgl. Es stehen auch elektrische Systeme zur Verfügung, beispielsweise werden elektrische Ströme verwendet, um die erforderlichen Komponenten bzw. Bestandteile, wie z.B. Oligodeoxynucleotid-Sonden, auf die aktivierten Elektroden zu richten bei einer gleichzeitigen Erhöhung der Hybridisierungsgeschwindigkeit (vgl. Heller, 1995, 1996, 1997). Die elektronische Aktivierung einer einzelnen Mikroelektrode kann jedoch nicht vollständig verhindern, dass die übrigen Elektroden durch die spezifischen DNA-Sonden erreicht werden mit einer möglichen Überkreuz-Kontamination.

Durch willkürliche (statistische) kombinatorische Bibliotheken von Molekülen werden die Schwierigkeiten der Stellen-spezifischen Array-Entwicklung vermieden durch Vermeidung der Anforderung einer präzisen Reagens-Auslegung und -Handhabung. Es wurden bereits verschiedene kombinatorische Bibliothek-Technologien entwickelt, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, die Aufspaltung von Synthese-Bibliotheken (vgl. die PCT-Publikationen Nr. WO 92/00252 und WO 94/28028) sowie von verschiedenen Naturprodukt- und Syntheseprodukt-Bibliotheken (wie nachstehend erläutert). Die Leichtigkeit der Synthese oder Herstellung dieser Bibliotheken bringt jedoch Kosten mit sich: ihre willkürliche Verteilung kann zu einer Unbestimmtheit hinsichtlich der Struktur eines Moleküls in der Bibliothek führen. Dies kann auch ein Gesichtspunkt bei der gerichteten Anordnung von Arrays sein. Dieses Problem wird nachstehend näher beschrieben. Diese molekularen Arrays und Bibliotheken auf Festphasen-Trägern haben auch ein grundlegenderes technisches Merkmal gemeinsam.

Sowohl die molekularen Arrays als auch die kombinatorischen Bibliotheken auf festen Trägern erfordern Immobilisierungs-Technologien, welche die Moleküle festhalten, und erlauben das Ablaufen biologischer Prozesse und vorzugsweise die wiederholte Verwendung des Arrays oder Trägers. Eine übliche Technologie für die Immobilisierung der gewünschten spezifischen Komponente an der ausgewählten spezifischen Stelle oder einem Träger umfasst die Maskierung aller Stellen mit Ausnahme der gewünschten Stelle und das anschließende Aufbringen der gewünschten Komponente auf die gesamte Oberfläche. Die Komponente reagiert und wird immobilisiert nur an der freiliegenden Stelle. Die Maskierung kann beispielsweise erfolgen durch Bestrahlung nur der interessierenden Stelle mit einem IR-Strahl. Die auf diese Weise lokal erzeugte Wärme führt zu einem Schmelzen der Maske und die Stelle wird freigelegt. Die Stelle sollte gesättigt sein, so dass keine weitere Bindung auftritt.

Eine Überkreuz-Kontamination, d.h. eine Bindung von unerwünschten Komponenten an einer vorher freigelegten Stelle, kann jedoch nicht absolut verhindert werden.

Bindungsreaktionen sowie andere Reaktionen können verbessert werden durch Anlegen eines elektrischen Potentials oder Bestrahlen der Stellen.

Zwar kann die Herstellung eines Arrays schwierig und teuer sein, die Identifizierung der Struktur eines Moleküls, unabhängig davon, ob es sich dabei um die Sequenz eines Oligonucleotids oder Peptids oder um Substituenten an einem Pharmakon oder um neue Variationen in Bezug auf Substituenten oder die Struktur handelt, ist jedoch häufig schwierig. Mikrosequenzier-Methoden und die Nucleinsäure-Verstärkung erlauben eine direkte Sequenzierung von Nucleinsäuren und Peptiden. Die direkte Sequenzierung ist jedoch teuer, schwierig und zeitraubend. In einer früheren Arbeit mit "gekennzeichneten bzw. markierten" Bibliotheken werden chemische Kennzeichnungen bzw. Markierungen als Ersatz-Identifizierungsmittel für das Molekül verwendet. Dazu gehören Peptide oder Oligonucleotide (vgl. die PCT-Publikationen Nr. WO 93/06121, WO 94/28028 und WO 97/00887), mit einem Radioisotop markierte Verbindungen (vgl. die PCT-Publikation Nr. WO 97/14814) und Fluor-Markierungen (vgl. die PCT-Publikation Nr. WO 99/19344). Diese Strategien leiden an der Möglichkeit, dass die Kennzeichnungen bzw. Markierungen selbst zu dem biologischen Prozess beitragen, der in dem Assay bestimmt wird.

Bei alternativen Technologien werden spektroskopische Kennzeichnungen verwendet, die nur Moleküle in einer Bibliothek identifizieren. Zu Beispielen für diese Kennzeichnungen gehören Infrarot/Raman-Spektroskopie-Kennzeichnungen (PCT-Publikation Nr. WO 98/11036) und fluoreszierende Markierungen (PCT-Publikation Nr. WO 95/32425). Die kernmagnetische Resonanzspektrometrie erlaubt die Aufklärung von Fluor- und ¹³C/¹⁵N-Markierungen (PCT-Publikationen Nr. WO 99/19344 und WO 97/14814).

Die Konvergenz von Computerdatenspeicher- und Mikroarray/Molekülbibliothek-Technologien hat vor kurzem Alternativen zu chemischen oder spektroskopischen Identifizierungsverfahren geliefert. Diese Verfahren umfassen die Verwendung von Silicium-Chips mit eingebetteten maschinenlesbaren Codierungen (PCT-Publikationen Nr. WO 99/41006 und WO 96/24061) und Matrixmaterialien mit einer programmierbaren Datenspeicherungs- oder -aufzeichnungskapazität (PCT-Publikation Nr. WO 96/36436).

Diese Strategien hängen jedoch ebenfalls wie die adressierbaren Mikroarrays von der Realisierung von komplexen und teuren Technologien ab. Als Folge davon kann mit diesen Methoden kein Massenprodukt-Potential für die medizinische Labordiagnose oder für den forensischen Routine-Test erzielt werden. Es besteht daher bei dem Stand der Technik weiterhin ein Bedarf für eine bezahlbare Technolgie zur Identifizierung von Molekülstrukturen auf Arrays und kombinatorischen Bibliotheken. Mit der vorliegenden Erfindung werden diese und andere Bedürfnisse des Standes der Technik in vorteilhafter Weise befriedigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine feste Träger-Vorrichtung, die für die Erkennung, Trennung und Synthese einer Vielzahl von chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen und Substanzen einschließlich solcher, die innerhalb lebender Subjekte vorkommen, nützlich sind. Die Vorrichtung umfasst eine Reihe von einzelnen perforierten Elementen, die miteinander verbunden sind zur Bildung eines perforierten Element-Stapels oder einer Vielzahl von perforierten Element-Stapeln, wobei die Perforationen jedes perforierten Elements sich überlappen unter Bildung eines oder mehrerer zentraler Durchgänge (Tunnel), durch den (die) ein oder mehrere Substrate strömen (fließen) können.

Bei einer Ausführungsform wird ein Molekül, beispielsweise eine Nucleinsäure, ein Kohlehydrat, ein Oligonucleotid, ein Peptid, ein Peptidomimeticum, ein Pharmakon, ein Biosensor oder ein Antikörper auf der inneren Oberfläche mindestens einer der Perforationen innerhalb eines Stapels immobilisiert.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird eine Vielzahl von perforierten Element-Stapeln miteinander kombiniert zur Bildung einer festen Träger-Bibliothek.

Eine dritte Ausführungsform bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines festen Trägers und einer festen Träger-Bibliothek.

Eine vierte Ausführungsform ist ein Verfahren zur Identifizierung eines interessierenden Moleküls innerhalb des festen Trägers durch Ablesen von Informationen von den verschiedenen aktiven Stellen auf den perforierten Elementen.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung, verglichen mit den bereits existierenden Vorrichtungen, wie z.B. Mikroarrays und Biochips, umfassen niedrige Betriebskosten, eine maximale Flexibilität, einen hohen Durchsatz und die Fähigkeit, sehr geringe Mengen von Substraten für alle Stufen des Verfahrens zur Herstellung und Verwendung einzusetzen. Außerdem stellt das neuartige Ablesungsverfahren, wie es hier beschrieben wird, eine viel weniger komplizierte und weniger teure Alternative zu den derzeit verfügbaren Mikroarray-Ablese-Einrichtungen dar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1A–D zeigen einzelne perforierte Elemente in unterschiedlichen Gestalten (Formen).
Die 1E zeigt einen Querschnitt des Elements gemäß 1A, in dem die innere Perforation des Elements mit einem oder mehreren ausgewählten Molekülen beschichtet ist, das als Träger und reaktives Element auf der Reaktionsstelle verwendet werden soll.
Die 2A zeigt einzelne perforierte Elemente, die aufeinandergestapelt sind zur Bildung eines einzigen Durchgangs (Tunnels bzw. Röhre).
Die 2B zeigt einzelne perforierte Elemente, die aufeinandergestapelt sind zur Bildung eines einzigen Durchgangs (Tunnels bzw. Röhre), wobei Trenn- bzw. Zwischenelemente verwendet werden.
Die 3 zeigt mehrere aufeinandergestapelte Säulen bzw. Kolonnen, die miteinander verbunden sind zur Bildung einer 3-D-Matrix aus einzelnen perforierten Element-Stapeln.
Die 4A zeigt die Aktivierung der Stellen durch Hindurchführen einer Substanz, die ein oder mehrere Substrate umfasst, das (die) nachgewiesen oder aktiviert werden sollen, durch Hindurchschieben der Substanz durch einen Durchgang (Kanal), der durch aufeinandergestapelte Elemente gebildet wird, unter Verwendung eines Kolbens.
Die 4B zeigt die Aktivierung der Stellen durch Hindurchführen der Probe durch den Stapel unter Verwendung eines Flüssigkeits- bzw. Fluidstroms.
Die 5 zeigt ein Verfahren zum Ablesen an verschiedenen aktiven Stellen, wobei eine Ablesesonde durch den Durchgang (die Röhre) hindurchgeführt wird, der (die) durch die aufeinandergestapelten Elemente gebildet wird.
Die 6A zeigt die optische Bestrahlung und das Ablesen an einem einzigen Stapel unter Verwendung eines aufgespaltenen Bündels von optischen Fasern und eines konischen Prismas.
Die 6B zeigt die optische Bestrahlung und das Ablesen an einem einzigen Stapel unter Verwendung eines aufgespaltenen Bündels von optischen Fasern und eines Spiegels, der unter einem Winkel gegenüber dem Bündel angeordnet ist.
Die 7 zeigt einen Durchgang für ein Erregungslicht und ein Emissionslicht bei der Ausführungsform, wie sie in 6A beschrieben ist.
Die 8 zeigt einen unterteilten Stapel von Elementen.
Die 9 zeigt ein stapelförmiges Mikrolabor, das basiert auf einer äußeren Ablesung an dem Stapel.
Die 10 zeigt ein stapelförmiges Mikrolabor, das basiert auf einer äußeren Ablesung an dem Stapel, wobei Lichtschlitze verwendet werden, um Lichtsignale in den Stapel hinein und aus dem Stapel herauszuführen.
Die 11 zeigt die Verwendung der aufeinandergestapelten Elemente bei der Inline-Realzeit-Überwachung des Flüssigkeits- bzw. Fluid-Gehalts.
Die 12 zeigt eine Verwendung des Inline-Realzeit-Überwachungsstapels, bei welcher der Stapel in einen lebenden Körper implantiert ist und zur Überwachung des Flüssigkeitsgehaltes verwendet wird.
Die 13 zeigt eine Verwendung des Stapels, bei der ein Kapillar-Stapel von Elementen dazu verwendet wird, eine Blut- oder Urinprobe zu entnehmen und zu testen.
Die 14 zeigt einen Multieinlass- und/oder Multiauslass-Stapel von Elementen.
Die 15 zeigt die Datenerfassung durch Messung von elektrischen Potentialdifferenzen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist so konzipiert, dass sie eine Diagnose, Erkennung, Trennung und Synthese einer Vielzahl von chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen und Substanzen mit einem hohen Durchsatz ermöglicht mittels einer festen Träger-Vorrichtung, die aus einer oder mehreren perforierten Elementen (PE) aufgebaut ist, die eine Anordnung von Trägerstellen bilden.
Die Vorrichtung besteht aus perforierten Elementen, die als Baublöcke (Bauelemente) für die Vorrichtung dienen. Diese perforierten Elementen werden verwendet zur Erzeugung eines oder mehrerer Stapel von perforierten Elementen, durch die eine Probe hindurchgeführt wird. Durch säulen- bzw. kolonnenförmige Stapelung der einzelnen Elemente wird (werden) innerhalb jedes Stapels ein oder mehrere rohrförmige Durchgänge (Tunnel) oder Hohlräume gebildet. Diese einzelnen Elemente können auf viele unterschiedliche Weisen aufeinandergestapelt werden unter Bildung einer Vielzahl von ein-, zwei- oder dreidimensionalen Strukturen. Die Ausdrücke "Hohlraum" und "Durchgang bzw. Röhre bzw. Tunnel" können im Rahmen der vorliegenden Beschreibung untereinander austauschbar verwendet werden und sie sind hier so definiert, dass sie die zentrale(n) Öffnung(en) bilden, die intern durch die Länge jedes Stapels hindurchlaufen, die gebildet werden durch Überlappung einer oder mehrerer Perforationen innerhalb jedes perforierten Elements.
Jedes Element wird identifiziert durch seine Position in der Sequenz von Elementen innerhalb des Stapels. Diese Bestimmung der Position kann unterstützt werden durch periodisches Einführen von Referenz-Elementen durch den Stapel hindurch. Bei einer spezifischen Ausführungsform unterstützen bzw. tragen die einzelnen PEs die verschiedenen Prozesse und Substanzen auf der inneren Oberfläche der Perforation in dem Element.
Die Anordnung der Substanzen, die an den Reaktionen beteiligt sind, sowie die Aktivierung der Reaktionsstellen wird dadurch erzielt, dass man eine sehr geringe Menge eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit entlang des inneren rohrförmigen Hohlraums führt, der gebildet wird, wenn die einzelnen PEs miteinander kombiniert wer den. Die Probe kann in den Stapel aus PEs eingeführt werden und darin verbleiben für die Dauer der Reaktion oder sie kann entlang des Stapels strömen gelassen werden. Die resultierende Reaktion oder die Sequenz von Reaktionen führt zu einem Produkt, das nachgewiesen werden kann durch Messung beispielsweise der resultierenden Fluoreszenzlicht-Emission oder des erzeugten elektrischen Potentials oder durch Messung von Änderungen in Bezug auf die Impedanz. Kupplungsreaktionen können ebenfalls erzielt werden unter Verwendung der Stapel. Beispielsweise können die Reaktionsprodukte aus einem PE an der Reaktion teilnehmen, die in dem nächsten PE in dem Stapel abläuft. Das nächste PE in dem Stapel wird bestimmt durch die Strömungsrichtung der Probe durch den Stapel hindurch. Die Strömungsrichtung kann gewechselt (umgekehrt) werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung der PE-Stapel und zum Ablesen derselben.
Perforierte Elemente
Die einzelnen perforierten Elemente (das Element 1 in der 1) können irgendeine geometrische Gestalt (Form) haben, vorausgesetzt, dass sie eine Perforation (Element 2 in der 1) enthalten, und sie können asymmetrisch oder symmetrisch in Bezug auf ihre Zentralachse sein (vgl. 1A–D). Zu geeigneten geometrischen Gestalten bzw. Formen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, ein Kreis, ein gleichseitiges Dreieck, ein gleichschenkliges Dreieck, in ungleichseitiges Dreieck, ein Quadrat, ein Rechteck, ein Rhombus, ein Parallelogramm, ein Trapez, ein Viereck, ein Hexagon und ein Octagon. Jedes perforierte Element kann außerdem mehr als eine Perforation enthalten (vgl. 14). Die Perforation(en) können die gleiche Gestalt bzw. Form wie das PE haben oder davon verschieden sein. Beispielsweise kann ein kreisförmiges PE eine quadratische Perforation enthalten und dgl. Die PEs können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt sein. Die Wahl des Aufbaumaterials ist für den Fachmann auf diesem Gebiet leicht ersichtlich und wird festgelegt entsprechend dem spezifischen Anwendungszweck, für den es eingesetzt werden soll.
Zu geeigneten Baumaterialien gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Glas, Metalle, z.B. Titan, Silber, Gold oder Platin; organische Polymere, z.B. Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Polymethylmethacrylat (PMMA, Acrylkunststoff), Copolymere von Styrol und Acrylsäure (PS/PAA), Copolymere von Styrol und Methylmethacrylat (PS/PMMA); Polycarbonate, z.B. Bisphenol A; Halbleiter, z.B. Silicium, Siliciumcarbid und Indiumnitrid; Polyurethane; Polyacrylamide; Siliciumdioxid; Cellulose-Derivate, z.B. Celluloseacetat; Keramik-Materialien, wie z.B. maschinenbehandeltes Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Siliciumcarbid und Siliciumnitrid; und Kombinationen davon.
Außerdem kann das Material für das perforierte Element ausgewählt werden im Hinblick auf seine funktionellen Eigenschaften. Beispielsweise können die Elemente magnetisch sein für die leichte Handhabung; sie können elektrisch leitend, elektrisch isolierend sein, sie können einen Widerstand darstellen, um ein Erhitzen durch einen elektrischen Strom zu ermöglichen, oder sie können transparent oder semitransparent sein (sie können enge selektive Bänder (optische Filter) sein, um spezifische optische Ableseverfahren, wie sie hier beschrieben werden, durchführen zu können.
Die Größe eines einzelnen PE kann beträchtlich variieren in Abhängigkeit von dem gewünschten Verwendungszweck. Der maximale Strecke über die Oberfläche hinweg, welche die Gestalt bzw. Form des einzelnen PEs definiert, kann in der Regel variieren zwischen etwa 100 und etwa 10 000 μm, vorzugsweise von etwa 500 bis etwa 2 000 μm. Die Dicke des einzelnen PE kann variieren von etwa 10 bis etwa 1 000 μm, vorzugsweise von etwa 25 bis etwa 200 μm. Jede Perforation in dem PE kann variieren von etwa 10 bis etwa 5000 μm, vorzugsweise von etwa 50 bis etwa 200 μm. Für die meisten Anwendungszwecke hat jedes einzelne PE eine Größe über den Querschnitt der geformten Oberfläche von etwa 0,1 bis etwa 10 mm, eine Dicke von etwa 10 bis etwa 500 μm und es weist eine oder mehrere Perforationen in dem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 4 mm auf.
Nachstehend wird ein Stapel von kreisförmigen perforierten Elementen betrachtet. Je mehr perforierte Elemente in dem Stapel vorliegen, umso geringer kann die Dicke jedes PE gemacht werden, um eine gesamte Stapellänge einer geeigneten Größe zu erhalten. Auf diese Weise kann ein Stapel, in dem eine Größenordnung von 100 PE zusammengehalten werden, aufgebaut werden unter Verwendung von perforierten Elementen mit einer Dicke von 0,1 mm, wodurch ein Stapel von perforierten Elementen mit einer Länge von etwa 1 cm gebildet wird. Stapel, die aus einer größeren Anzahl von PEs aufgebaut sind, können hergestellt werden unter Verwendung von PEs mit Dicken in der Größenordnung von 10 bis 50 μm. Sehr große Stapel können natürlich auch hergestellt werden unter Verwendung von sogar noch dünneren einzelnen PEs. Stapel können auch hergestellt werden aus einzelnen perforierten Elementen, die jeweils unterschiedliche Dicken haben. Der Durchmesser der Perforation kann 0,1 bis 0,5 mm betragen, wenn das verfügbare Probenvolumen groß ist und die Reaktanten leicht verfügbar sind. In anderen Situation, beispielsweise dann, wenn Reaktanten weniger gut verfügbar sind oder kostspieliger sind, können PEs mit Perforationen in der Größenordnung von 10 bis 50 μm im Durchmesser verwendet werden. Die gesamte Oberflächengröße, die auf diesen Reaktionsstellen verfügbar ist, ist gleich der oder kleiner als diejenige, die derzeit in Mikro-Chips angewendet wird. Die Gesamtlänge über die geformte Oberfläche der PE kann nur 100 μm betragen, wenn die Einrichtungs-Volumina groß sind (d.h. begrenzt sind), oder sie kann in der Größenordnung von einigen mm im Durchmesser betragen, wenn das Volumen nicht groß ist. Je größer der Durchmesser des einzelnen perforierten Elements ist, umso leichter ist die Handhabung und umso höher ist die Robustheit des Stapels. PEs mit großen Durchmessern, d.h. mit einem niedrigen Widerstand für den Strom, sind ebenfalls verwendbar, wenn große Durchflüsse erforderlich sind. Durch Aufrechterhalten eines festgelegten Durchmesserlumens innerhalb des Systems werden turbulente Strömungseffekte verhindert.
Die PEs (Element 1 in 1) werden so aufeinandergestapelt, dass ihre jeweiligen Perforationen (Element 2 in 1) einen kontinuierlichen Durchgang (Röhre) (Element 4 in 2) bilden. Jedes einzelne perforierte Element ist so konzipiert, dass es eine Reaktionsstelle, einen Prozess oder ein Reagens unterstützt bzw. trägt, und jede Stelle oder einige wenige Stellen können voneinander verschieden sein oder von benachbarten Stellen verschieden sein. Die Reaktionsstelle kann auf der Innenseiten- oder Außenseiten-Oberfläche jedes perforierten Elements angeordnet sein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Reaktionsträger-Stelle des Elements auf der Innenseiten-Oberfläche der Perforation angeordnet, d.h. im Innern jedes einzelnen Elements (Element 3 in 1E).
Beschichtung der perforierten Elemente unter Verwendung eines Vor-Stapels
Zur Vorbereitung der PEs für die Verwendung müssen ihre Reaktionsstellen mit dem geeigneten Molekül, Reagens oder Substrat beschichtet werden. Ein wirksames Verfahren zum Beschichten der PE-Elemente umfasst das Aufeinanderstapeln derselben zur Bildung eines vorbereitenden bzw. "Vor-Stapels". Jeder "Vor-Stapel" kann mit einer einzigen spezifischen Substanz oder mit einer Gruppe von Substanzen gleichförmig beschichtet werden, ohne dass die Gefahr einer Überkreuz-Kontamination zwischen den Reaktionsstellen besteht.
Das Beschichten dieser aufeinandergestapelten Elemente kann durchgeführt werden unter Anwendung einer Vielzahl von Verfahren. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit, welche die Beschichtungsubstanz enthält, entlang des Innern des Vor-Stapels hindurchgespült werden. Das Durchspülen kann durchgeführt werden durch Fließenlassen der Flüssigkeit bzw. des Fluids entlang der gesamten Länge des Durchgangs (der Röhre) oder durch Hindurchführen eines Bolus entlang desselben unter Verwendung beispielsweise einer Kraft (z.B. einer Kapillarkraft), eines Druckgradienten oder eines Kolbens. Zu anderen geeigneten Verfahren zum Beschichten der aufeinandergestapelten Elemente gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, das Aufstreichen, das Eintauchen, das Besprühen, das Galvanisieren (Elektroplattieren), das Einwirkenlassen eines elektrischen Potentials auf die Reaktionsstellen, eines elektrischen Stroms mit ausgewählten Eigenschaften und das Bestrahlen. Das Eintauchverfahren ist besser geeignet, wenn weniger teure Überzüge verwendet werden. Das Binden der Substanzen an das PE kann beispielsweise unterstützt werden durch Erhitzen, Trocknen oder Bestrahlen mit Licht, wie z.B. UV-Licht. Das Bestrahlen kann durchgeführt werden unter Verwendung einer Einrichtung ähnlich derjenigen, die zum Ablesen von optischen Signalen aus dem Stapel verwendet wird.
Die perforierten Elemente werden mit einem geeigneten Linker, falls gewünscht, beschichtet und dann werden sie mit den geeigneten Molekülen, Reagentien oder Substraten beschichtet. Die Gefahr einer "Kontamination", d.h. der partiellen oder vollständigen Beschichtung einer Reaktionsstelle duch ein falsches Molekül besteht nicht, da kein Reaktant oder Linker-Typ, der von dem für die Verwendung innerhalb eines speziellen Vor-Stapels dafür vorgesehenen verschieden ist, vorliegt, wenn das (die) Molekül(e) auf den perforierten Element-Reaktionsstellen innerhalb eines speziellen Vor-Stapels immobilisiert wird (werden).
Ein "Linker" ist ein Rest, ein Molekül oder eine Gruppe von Molekülen, der (das bzw. die) an einen festen Träger gebunden ist. In der Regel kann ein Linker bifunktionell sein, wobei der Linker eine funktionelle Gruppe an jedem Ende aufweist, die in der Lage ist, sich an ein Monomer oder Oligomer zu binden und an einen festen Träger oder ein Substrat zu binden. Die Oberfläche des festen Trägers oder des Substrats kann durch einen oder mehrere Linker, die umfassen, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Amino-, Carboxyl-, Thiol-, Aldehyd-, Hydrazid-Gruppen und Kombinationen davon, modifiziert/beschichtet sein, um eine bessere Protein/Polynucleotid-Bindung zu erzielen. Die Polynucleotide werden an dem festen Substrat oder Träger durch kovalente Bindungen immobilisiert, wobei der Vorteil einer positiv geladenen Oberfläche, die durch ein Aminosilan oder Polylysin gebildet worden ist, ausgenutzt wird.
Es können verschiedene Reaktanten oder Liganden an den Träger gebunden werden. Dazu gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Oligonucleotide, Peptide, Peptidomimetica, Pharmacone, Antikörper, Tumormarker und Biosensoren (die verwendbar sind zum Nachweis von Glucose, Cholesterin, Ionen und Metallen).
Ein "Oligonucleotid" bezieht sich auf die polymere Phosphotester-Form von Ribonucleosiden (Adenosin, Guanosin, Uridin oder Cytidin; "RNA-Moleküle") oder Desoxyribonucleoside (Desoxyadenosin, Desoxyguanosin, Desoxythymidin oder Desoxycytidin; "DNA-Moleküle") oder irgendein Phosphorester-Analogon davon, wie z.B. Phosphorthioate und Phosphorthioester entweder in der Einzelstrang-Form oder in Form einer Doppelstrang-Helix, sowie "Protein-Nucleinsäuren" (PNA), die durch Konjugieren von Basen an ein Aminosäure-Grundgerüst gebildet werden. Dazu gehören auch Nucleinsäuren, die modifizierte Basen enthalten, wie z.B. Thiouracil, Thioguanin und Fluorouracil.
Die Oligonucleotide können ebenfalls nach vielen bekannten Methoden des Standes der Technik modifiziert werden. Zu Beispielen für solche Modifikationen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, die Substitution eines oder mehrerer der in der Natur vorkommenden Nucleotide durch ein Analogon, und die Internucleotid-Modifikationen, wie z.B. solche mit ungeladenen Verknüpfungen, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Methylphosphonaten, Phosphotriestern, Phosphodiestern und Carbamaten) und mit geladenen Verknüpfungen (wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Phosphorothioaten und Phosphorodithioaten). Für die Arzneimittel-Entwicklung können Polynucleotide verwendet werden, die modifiziert worden sind durch Alkylierung (kovalente Bindung, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, (Metamicin), durch Interkalation, Rillenbindung, elektrostatische Wechselwirkungen (nicht-kovalente Bindung; z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Doxorubicin und Acridin) und durch Bindung von Chelatbildnern (Metall-bindenden Molekülen; wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, EDTA und Desferrioxamin) verwendet werden.
Ein "Peptid" ist eine Kette von chemischen Aufbaublöcken (Aufbauelementen), als Aminosäuren bezeichnet, die durch chemische Bindungen, als Peptid-Bindungen bezeichnet, miteinander verbunden sind. Peptidomimetica sind Verbindungen, die strukturell Peptide imitieren, denen jedoch die Peptid-Bindung fehlt.
Multireaktions-Stapel
Nach dem Beschichten der PE-Elemente in dem Vorstapel oder in den Vorstapeln kann der erforderliche "Multireaktions-Stapel" (MRS) hergestellt werden. Multireaktions-Stapel werden aus PEs mit verschiedenen Beschichtungen hergestellt, die aus ausgewählten "Vorstapeln" mit unterschiedlichen Beschichtungen erhalten werden. Jedes PE in dem MRS wirkt als getrennte aktive Stelle, an der eine spezifische Reaktion mit der Fluidprobe, die gerade getestet wird, stattfindet.
Die verschiedenen einzelnen beschichteten PEs können auf viele unterschiedliche Weise in dem MRS gestapelt werden, wodurch die Bildung einer Vielzahl von Strukturen möglich ist. Die Strukturen unterscheiden sich in Bezug auf ihren Inhalt (die Anwesenheit und die Reihenfolge der verschiedenen aktiven Stellen), ihre Größe und ihre Gestalt. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Herstellung einer Vielzahl von Strukturen und dadurch die Bereitstellung von Lösungen für einen großen Bereich von derzeitigen und künftigen Anwendungen und Anforderungen. Zur statistischen Verifizierung der Antwort können Wiederholungen angewendet werden.
Bei einer Ausführungsform werden die perforierten Elementee (Element 1 in 1) aufeinandergestapelt, wodurch eine einzelne Säule bzw. Kolonne aus einzelnen perforierten Elementen (Element 4 in der 2A) gebildet wird. Die unterschiedlichen Stellen auf den PEs werden identifiziert durch ihre Positionierung entlang des Stapels.
Bei einer anderen Ausführungsform für Anwendungszwecke, die eine sehr große Anzahl von aktiven Stellen erfordern, kann auf ähnliche Weise eine Matrix aus die sen Stapeln hergestellt werden. Eine 3-D Matrix kann hergestellt werden durch Positionierung zahlreicher einzelner gestapelter Kolonnen benachbart zueinander (vgl. 3). Eine solche Matrix kann eine Vorrichtung ergeben, die einige Hunderttausend aktive Stellen in einem Volumen von 1 cm³ trägt.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die PEs innerhalb jedes Stapels voneinander getrennt während des Stapelungsverfahrens durch perforierte Separatoren (Element 5 in 2B). Die perforierten Separatoren wirken als Abstandhalter zwischen den PEs. Die Trennung kann nach verschiedenen Mechanismen durchgeführt werden, beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, durch physikalische, elektrische und optische Isolierung. Die perforierten Separatoren können beispielsweise identifiziert werden durch ihre Farbe und dadurch dienen sie als Hilfsmittel zur Bestimmung der aktiven PE-Position in dem Stapel und tragen dazu bei, Fehler bei der Bestimmung der Position der einzelnen PE in dem MRS zu vermeiden.
Der Aufbau des MRS kann Einrichtungen zum Verhindern einer Leckage umfassen, um dadurch sicherzustellen, dass Flüssigkeiten, die durch die innere Röhre des Stapels gespült werden, nicht aus dem Stapel nach außen austreten. Das Abdichten kann auf vielerlei Arten erfolgen. Beispielsweise kann jede PE-Oberfläche mit einem Abdichtungs-Klebstoff beschichtet werden, der sich an das nächste PE in dem Stapel bindet. Der Klebstoffüberzug kann druckempfindlich (selbstklebend), durch Wärme aktiviert oder durch UV-Licht aktiviert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform für Anwendungszwecke, bei denen spezifische Reagentien erforderlich sind, um die verschiedenen Stellen zu aktivieren, kann ein unterteilter Stapel verwendet werden (vgl. 8). Bei dieser Ausführungsform sind Schichten von unterschiedlichen Reagentien (Elemente 21a und 23 in der 8) in der Nähe der aktiven Stellen eingebettet (Elemente 3a und 3b in der 8). Die unterschiedlichen aktiven Stellen sind durch Zwischen- bzw. Trennwände (Element 22 in der 8) voneinander getrennt, die sich schließen, wenn auf den Bereich ein Druck ausgeübt wird. Die Scheibenoberfläche wird durch das Element 20 in der 8 bezeichnet. Bevor die Probe in den Stapel hineingespült wird, wird auf spezifische Teile des Stapels ein Druck ausgeübt. Ausgelöst durch den Druck werden die verschiedenen Reagentien freigesetzt (eines zu einer bestimmten Zeit) und die Trennwände dichten ein spezifisches Volumen der Reagentien in dem Stapel ab, wodurch sie die Aktivierung unterschiedlicher Stellen erlauben, ohne dass die Gefahr einer Kontamination besteht.
Aktivierung des Multireaktions-Stapels – "Durchschiebe-Behandlung"
In der vorliegenden Erfindung wird die Morphologie der inneren Röhre ausgenutzt, die durch Aufeinanderstapeln der verschiedenen einzelnen Elemente in dem Multireaktions-Stapel erzeugt wird (vgl. 2). Die Aktivierung des Multireaktions-Stapels kann erfolgen durch Hindurchleiten einer sehr geringen Menge einer Substanz, oder einer Probe, die getestet werden soll, und dgl., durch die innere Röhre (Element 4 in den 4A und B). Dies kann auf eine Vielzahl von Arten erzielt werden. Zu geeigneten Methoden gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, das Hindurchschieben der Substanz unter Verwendung eines Kolbens (Element 6 in 4A) und das Hindurchspülen einer geringen Menge eines Fluids bzw. einer Flüssigkeit (Element 27 in 4B) durch die innere Röhre durch Erzeugung eines Druckgradienten. Zu diesem Zweck können auch Kapillarkräfte angewendet werden. Die Probe kann den gesamten Stapel oder einen Bruchteil des Stapels ausfüllen. Wenn nur ein Bolus einer Probe verwendete wird (Element 28 in der 4B) wird eine Luftblase (Element 26 in der 4B), die zwischen der Probe und einer gewissen Menge einer anderen Flüssigkeit eingeschlossen ist, dazu verwendet, die Probe entlang des Stapels zu bewegen (vgl. 4B). Wenn mehrere Substanzen sequentiell auf den verschiedenen aktiven Stellen verwendet werden, können sie nacheinander durch die Röhre bewegt werden.
Der kleine Durchmesser der Röhre in Kombination mit dem Verfahren zum Transportieren der gewünschten Substanz oder der gewünschten Substanzen entlang der inneren Röhre ermöglicht die Verwendung einer sehr geringen Menge von Substraten (in der Größenordnung von Nanolitern bis Mikrolitern) für die Herstellung der PEs, für die Aktivierungs- und anderen Bearbeitungsstufen. Die Länge der Probe, die durch den Stapel transportiert wird, kann ein Bruchteil der Gesamtlänge des Stapels sein. Auf diese Weise stellt die vorliegende Erfindung ein einfacheres, wirtschaftlicheres und wirksameres Verfahren zur Aktivierung der verschiedenen Stellen dar, verglichen mit den derzeit bekannten Verfahren. Bei einer weiteren Ausführungsform, wie sie in den 14A, 14B und 14D dargestellt ist, kann ein Stapel eine Vielzahl von Einlass-Röhren (Element 24 in 14A) oder eine Vielzahl von Auslass-Röhren (Element 25 in den 14B und 14D) aufweisen, die ein alternierendes Hindurchspülen von unterschiedlichen Flüssigkeiten bzw. Fluids erlauben. Die Vielzahl von Einlassröhren konvergiert zu einem oder mehreren Verbindungsröhren (Element 4 in den 14A und 14B) durch Anordnen eines PE dazwischen mit einer speziellen Perforation in Form eines Schlitzes (Element 51 in der 14C), der die Einleitungsröhren mit der entsprechenden Verbindungsröhre verbindet oder durch Verwendung eines PE mit einer Perforation mit einem breiten Durchmesser (Element 50 in 14C), das in entsprechender Weise die Einleitungsröhren mit der Verbindungsröhre verbindet (vgl. 14C). Eine solche Anordnung kann beispielsweise dazu dienen, Doppel-Sonden oder "Mehrfach-Sonden" zu erzeugen, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen.
In der 14D ist eine Querschnittsansicht der Ausführungsform gemäß 14D im Detail dargestellt. Bei dieser Ausführungsform werden PEs mit einer einzigen Perforation (Element 52 in der 14D) aufeinandergestapelt zur Bildung einer einzigen Einlassröhre (Element 24 in 14D). Ein PE mit einer Perforation mit einem großen Durchmesser (Element 50 in 14D) erzeugt eine Verbindungsstelle, die zu einer Verbindung mit zwei Auslassröhren führt (Element 25 in der 14D). Die beiden parallelen Kanäle werden gebildet durch Verwendung von PEs mit einer Doppelperforation (Element 53 in 14D). Bei einer anderen Ausführungsform können mehr als zwei Auslassröhren erzeugt werden durch Verwendung eines PE mit multiplen Perforationen (Element 54 in der 14C) anstelle der doppelten Perforation in dem PE.
Datenerfassung und Analyse durch "Ablesen beim Hindurchziehen"
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ablesen der Reaktionsergebnisse, die bei Verwendung der aufeinandergestapelten PEs erhalten werden. Die Information bezüglich der Reaktionen an den aufeinandergestapelten Stellen können in beliebiger Form vorliegen. Zu geeigneten Beispielen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, optische Informationen (z.B. eine Fluoreszenz, eine Opazität, eine Doppelbrechung und eine Lichtstreuung) und elektrische Informationen (z.B. Potentialdifferenzen, elektrische Ströme und Impedanz). Das Ablesungsverfahren wird ausgewählt in Abhängigkeit von der Form der Daten. Die Informationen können aus den Säulen bzw. Kolonnen von Elementen, auf denen die Reaktionen stattfinden, nach einem von zwei Grundverfahren abgelesen werden.
Die erste Ausführungsform umfasst ein internes Ablesungsverfahren (vgl. 5). Bei dieser Ausführungsform wird eine Sonde in einer geeigneten Form, in der Regel, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, eine dünne und/oder längliche Sonde, entlang der inneren Röhre, die durch die aufeinandergestapelten Elemente erzeugt wird, hindurchgezogen. Die zweite Ausführungsform umfasst ein externes Ableseverfahren (vgl. 9). Bei dieser Ausführungsform wird der Stapel von außen her gescannt unter Verwendung einer Sonde, die innerhalb des Stapels angeordnet ist. Beim Ablesen von optischen Informationen aus dem Stapel können beide Ausführungsformen, d.h. innere und äußere Ableseverfahren, angewendet werden.
Bei dem inneren Ableseverfahren wird eine Sonde (Element 7 in 5) unter Anwendung einer Rotationsbewegung durch die innere Röhre (Element 4 in 5) hindurchgezogen, hindurchgeschoben oder hindurchbewegt. Die Bewegung der Sonde kann manuell oder unter Verwendung einer mechanischen Vorrichtung durchgeführt werden. Die Signale aus den verschiedenen Reaktionsstellen entlang des Multireaktionsstapels werden aufgenommen und sequentiell übertragen. Die Signale werden somit nacheinander mit einer Geschwindigkeit, die durch die Durchzieh- oder Durchschiebe-Geschwindigkeit bestimmt wird, zu einer Analysen-Einrichtung (Element 8 in der 5) übertragen. Die Reaktionsstellen werden identifiziert durch die relative Position ihre Signals in der Sequenz der übertragenen Signale, die von der Analyseneinrichtung empfangen werden. Zur Verbesserung der Identifikation der verschiedenen PE-Reaktionsstellen können Identifizierungsmarkierungen, die auf den PEs oder auf den Abstandhalterringen entlang des Stapels angeordnet sind, verwendet werden. Zu geeigneten Identifizierungsmarkierungen gehören, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, eine Farbcodierung, eine magnetische Codierung, Kurzschluss-Konduktoren, Balken-Codierungen oder andere optische Markierungen.
Die Geschwindigkeit der Sonde entlang der inneren Röhre, die durch die aufeinandergestapelten Elemente erzeugt wird, beeinflusst nicht die Qualität und Robustheit der Signalablesung. Im Gegensatz zu den Arrays, bei denen die Differenzierung zwischen den aktiven Stellen extrem abhängig ist von einer sehr hohen und genauen räumlichen (x, y)-Auflösung wird erfindungsgemäß die Auflösung in dem Zeit-Bereich festgelegt. Die Bewegung der Sonde entlang der inneren Röhre des Stapels ist eingeschränkt durch die Gestalt und die Dimensionen der Röhre, sodass sie nicht "aus der Spur" gehen kann (vgl. 5).
Die Sonde selbst kann irgendeine (optische, elektrische und dgl.) abtastende Sonde sein. Die Wahl der zu verwendenden Sonde kann vom Fachmann auf diesem Gebiet leicht bestimmt werden und hängt von der spezifischen Anwendung und den gewünschten Anforderungen ab.
Um zu verhindern, dass die abtastende Sonde die aktiven Stellen in der inneren Röhrenwand berührt, können Abstandhalterringe verwendet werden, die eine zentrale Perforation aufweisen, die im Durchmesser etwas kleiner ist als die Perforation in den perforierten Elementen. Auf diese Weise wird die Sonde von den aktiven PEs weggeführt, auf denen die Reaktionen stattfinden. Alternativ können sehr kleine Erhebungen in dem Umfang der inneren Röhre vorhanden sein, die dazu verwendet werden, die Sonde in dem richtigen Abstand von den aktiven Zentren zu halten.
Bei einer spezifischen Ausführungsform kann dann, wenn eine innere optische Abtastung erforderlich ist (vgl. 6A und 6B) eine Detektor-Einrichtung verwendet werden, die ein optisches Faserbündel (Element 10 der 6A und 6B) umfasst. Eine einzelne optische Faser ist durch das Element 13 in den 6A und 6B dargestellt. Bei einer spezifischen Ausführungsform wird ein inkohärentes Bündel, das an einem Ende in zwei Unterbündel aufgespalten ist (Elemente 11 und 12 in den 6A und 6B) verwendet. Die Fasern aus einem Unterbündel (Element 11 in den 6A und 6B), werden verwendet, um Licht von einer äußeren Lichtquelle (Element 9a in 6A) zu leiten, um die aktiven Stellen zu belichten, während das Licht, das von der Innenwand der gestapelten Säule reflektiert wird, durch die Fasern des anderen Unterbündels (Element 12 in den 6A und 6B) zu einer äußeren Licht empfangenden Einrichtung geleitet wird, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, zu einer fotoelektrischen Zelle oder zu einer Ladungsgekuppelten Einrichtung (CCD) (Element 14a in den 6A und 6B). Um die Erfassung des Lichtes von jeder inneren PE-Oberfläche zu verbessern, die in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Wellenleiters angeordnet ist, kann eine optische Einrichtung (Element 17 in der 7) an einem Ende des Bündels hinzugefügt werden. Beispielsweise kann ein konisches Prisma (Element 15 in 6A) oder ein diagnoal positionierter Spiegel (Element 16 in 6B) an dem Ende des optischen Faserbündels befestigt sein. Ein solches optisches Element unterstützt die Erfassung des Lichtes, das von verschiedenen aktiven Stellen stammt durch Änderung des Winkels des Lichtes, das reflektiert werden oder fluoreszieren kann in einem Winkel, der mit dem Licht übereinstimmt, das "nach oben" geführt werden soll durch die optischen Fasern zu dem Lichtsensor (vgl. 6 und 7). Die Fasern aus den beiden Unterbündeln können willkürlich (statistisch) an dem vereinigten Ende des Bündels angeordnet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann dann, wenn eine Lichterregung erforderlich ist für Reaktionen, die eine Fluoreszenz umfassen, das optische Faserbündel in zwei Bündel aufgespalten werden, wie vorstehend beschrieben. Das erste Bündel wird dazu verwendet, das erforderliche Erregungslicht in das Innere des Stapels zu leiten, während das zweite Bündel das emittierte Fluoreszenzlicht zu der Messsonde leitet (vgl. 6 und 7). Bei diesen Anwendungen können Lichtfilter und dikotische Spiegel verwendet werden, um die emittierten Lichtsignale von den aktiven Stellen zu der Messsonde selektiv zu führen.
In der 7 wird der Lichtweg innerhalb eines einzelnen perforierten Elements (Element 1 in der 7) gezeigt. Das Licht (Element 18 in 7) wandert von der Quelle zu irgendeinem Punkt in dem Stapel. Eine optische Oberfläche (Element 17 in der 7) verändert seinen Weg um 90°, sodass das Licht die aktive Stelle auf der inneren Oberfläche des perforierten Elements (Element 2 in der 7) unter einem rechten Winekl erreicht. Das zurückgeführte Licht (Element 19 in der 7) wandert in entsprechender Weise von dem perforierten Element zu der optischen Oberfläche, an der der Winkel erneut geändert wird, und es wandert zu dem Licht-Sensor/Detektor.
Bei noch einer anderen Ausführungsform wird die optische Erfassung erzielt mittels einer Miniatur-Lichtquelle (z.B. einer LED) und eines Miniatur-Lichtsensorelements, die entlang der hohlen Röhre gemeinsam geführt werden, um die optischen Signale von den verschiedenen Reaktionsstellen nachzuweisen bzw. zu messen (vgl. 5).
Beim Ablesen der Informationen unter Verwendung des äußeren Ablesungsverfahrens (vgl. 9), ist die Sonde (das Element 14 in der 9) auf der äußeren Oberfläche des Stapels angeordnet. Die Sonde kann die gleiche Größe haben wie der Stapel oder sie kann kleiner sein, sobei in diesem Falle sie entlang der äußeren Oberfläche des Stapels gleitet. Zur Durchführung des äußeren Ableseverfahrens sind die PEs so konstruiert, dass sie die Fähigkeit haben, die Signale zu der äußeren Oberfläche zu transportieren und somit zu dem Detektor zu transportieren.
Bei Anwendung der einer äußeren optischen Ablesung ist die optische Leseeinrichtung entlang der äußeren Oberfläche des Stapels angeordnet (vgl. 9A und 9D). Bei dieser Ausführungsform sind die PEs transparent (Element 30 in 9) und können auf ihren Oberflächen beschichtet sein, die mit anderen PEs in Kontakt stehen, mittels einer opaken Schicht (Element 29 in der 9). Geeignete Beispiele für eine opake Schicht sind, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Gold, schwarz gefärbtes Polystyrol, Polycarbonat und Keramik. Alternativ können zwischen den perforierten Elementen opake Abstandhalter angeordnet sein, um zu verhindern, dass Licht aus einem Element andere Elemente erreicht. Mittels einer äußeren Einrichtung (Element 9 in 9) werden die aktiven Stellen durch die transparenten PEs hindurch belichtet. Die Daten werden mittels eines oder mehrerer optischer Sensoren (Element 14 in 9), die den Stapel abtasten können, abgelesen oder sie bilden ein Bild auf einer linearen Sensor-Matrix (wie z.B. einer CCD) (9B, 9C und 9D). Bei Verwendung von transparenten PEs kann die Belichtungsquelle entweder außerhalb oder innerhalb des Stapels angeordnet sein.
Eine andere Ausführungsform zur äußeren Ablesung der Stapel ist in 10B dargestellt. Das Element 31 in der 10B zeigt ein nicht-transparentes scheibenförmiges PE mit Lichtschlitzen (Element 32 in der 10B). Ein perforiertes Element mit zwei Lichtschlitzen wird anstelle des vorstehend beschriebenen transparenten perforierten Elements verwendet. Bei dieser Ausführungsform erreicht Licht aus der äußeren Lichtquelle (Element 9a in der 10B) die innere aktive Stelle (Element 3 in der 10B) durch einen ersten Lichtschlitz in dem PE (Element 32 in der 10B). Das erfasste Licht erreicht den äußeren Detektor (Element 14a in der 10B) durch das Passieren durch einen zweiten Lichtschlitz (Element 32 in 10B). Aus praktischen Gründen sind die beiden Lichtschlitze mit Keilen (Ablenkprismen) gefüllt, um ein sicheres Strömen der Probe und anderer Flüssigkeiten bzw. Fluids durch den zentralen Kanal während der Stapelherstellung und Stapelaktivie rung zu ermöglichen. Nur während der Ablesungs/Analysen-Stufe werden diese Füllungen entfernt, um die optische Bestrahlung und Ablesung der aktiven Stellen zu ermöglichen.
Bei Verwendung einer elektrischen Sonde zum Ablesen eines Multireaktorstapels kann der Stapel abgelesen werden entweder unter Verwendung des äußeren Ableseverfahrens (vgl. 9) oder unter Anwendung des inneren Ableseverfahrens (vgl. 5). Bei Verwendung einer elektrischen Sonde wird der optische Sensor ersetzt durch eine Gruppe von Elektroden, eine Sensorspule oder irgendeine andere elektrische Sensor-Einrichtung, die mit einer Potential-, Strom- oder Impedanz-Messschaltung gekoppelt ist, die entweder in der Sonde oder außerhalb derselben angeordnet ist. Die Potential-Differenzen, Ströme und dgl. werden zwischen zwei Punkten der Sonde oder zwischen einem Punkt auf der Sonde und einem anderen Punkt, der als gemeinsamer Punkt in der Flüssigkeit bzw. dem Fluid im Innern der Perforation dient, oder außerhalb des Stapels, wenn einige Elemente des Stapels elektrisch leitend sind, überwacht.
Wenn das innere Ableseverfahren angewendet wird, wird die elektrische Sonde durch die innere Röhre des Stapels hindurchgeführt auf ähnliche Weise wie dies durchgeführt wird bei Verwendung einer optischen Sonde (vgl. 5). Eine elektrische Ablesung kann ebenfalls durchgeführt werden durch Verwendung einer äußeren Sonde oder einer solchen, die sich entlang einer zusätzlichen Perforation bewegt, die den PE-Stapel durchläuft.
Bei einer weiteren Ausführungsform können die PEs-Stapel umfassen PEs, die hergestellt worden sind aus einem elektrisch leitenden Material, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, aus Titan, Silber und Gold, und alternierende Abstandhalter-Elemente, die hergestellt worden sind aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, aus Polyestern, Epoxylaminaten, Celluloseacetat, Phenol-Laminaten und Silicon. Die Potential-Differenzen, Impedanzen oder Ströme, die gemessen werden sollen, werden abge lesen durch Gleiten einer elektrisch leitenden Sonde entlang der aufeinandergestapelten PEs entweder im Innern oder außern. Insbesondere umfasst die elektrisch leitende Sonde nur einen Abschnitt, wie z.B. einen Ring (mit der gleichen Breite wie das PE), der elektrisch leitend ist und nur dieser Ring steht im Kontakt mit den PEs. Aus praktischen Gründen ist bei dieser Ausführungsform der Kern der Welle elektrisch leitend, er ist jedoch gegenüber der Außenseite isoliert. Alternativ können zur Durchführung des äußeren elektrischen Ableseverfahrens die elektrisch leitenden PEs mit einem nicht-leitenden Material beschichtet sein, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, mit Kautschuk, Glas, Siliciumdioxid oder Cellulose.
Das elektrische Messverfahren kann unter Bezugnahme auf die 15 erläutert werden, die 15A zeigt einen Querschnitt eines Stapels (Element 60 in der 15A) von PEs (Element 61 in der 15A) mit der Messonde (Element 62 in 15A) in dem zentralen Hohlraum, der die Probenflüssigkeit bzw. das Probenfluid (Element 63 in 15A) enthält. Das Probenfluid ist vorzugsweise elektrisch leitend. Wenn eine Reaktion auf einem perforierten Element stattfindet, reichert sich eine Potential-Differenz (Element 64 in den 15C und 15D) zwischen verschiedenen Teilen des reagierenden Agens an, beispielsweise entsteht eine Potential-Differenz zwischen dem Teil des reagierenden Agens, das an das elektrisch leitende PE gebunden ist (Element 61 in der 15A), und dem Teil, das dem zentralen Hohlraum gegenüberliegt (vgl. 15C). Diese Potential-Differenz erscheint zwischen dem freiliegenden elektrisch leitenden Teil der Sonde (Element 65 in der 15A, d.h. in der Sonden-Leseeinrichtung) und dem entsprechenden Teil des PE, das mit dem elektrisch leitenden Teil der äußeren Ableseeinrichtung in Kontakt steht, die sich entsprechend der inneren Ableseeinrichtung bewegt (vgl. 15C). Die Potential-Differenz wird gemessen durch die Potential-Messeinrichtung (Element 66 in der 15C). Die 15B zeigt ein Beispiel für die Potential-Differenz, die aufgezeichnet werden kann, wenn sich die Sonde in dem Hohlraum entlang des Stapels aus den PEs bewegt, der alternierende elektrisch leitende Elemente E, F, G und H in der 15A und isolierende Elemente (e, f und g in 15A) enthält. Wenn die Reaktionen, die ablaufen, fluoreszierender Natur sind und die Sonde eine optische Sonde ist, kann eine ähnliche Aufzeichnung der Lichtintensität festgestellt werden. Die 15D zeigt eine andere Ausführungsform der elektrischen Potentialablese-Anordnung. Bei dieser Ausführungsform wird die Potential-Differenz zwischen der äußeren Ableseeinrichtung (Element 67 in der 15C) und einem Sensor, der mit der Flüssigkeit bzw. Fluid, die den zentralen Hohlraum füllt, im Kontakt steht, aufgezeichnet.
Bei noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Reaktionen, die Änderungen im Hinblick auf die magnetischen Eigenschaften eines Materials mit sich bringen, untersucht werden durch Ersatz der vorstehend beschriebenen optischen oder elektrischen Sensoren durch einen magnetischen Sensor, wie z.B. eine Spule.
Eine Funktion, welche die PE-Stapel bereitstellen können, ist die Fähigkeit, die Fluid- bzw. Flüssigkeits-Zusammensetzung "inline" in Realzeit zu überwachen (vgl. 11). Der Ausdruck "inline", wie er hier verwendet wird, definiert ein System, in dem der PE-Hohlraum angeordnet ist und in Verbindung steht mit dem Hohlraum eines Gefäßes, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, einer Rohrleitung oder eines Blutgefäßes, sodass die Flüssigkeit bzw. das Fluid, die (das) durch das Gefäß fließt, weiterhin durch den PE-Hohlraum fließt, der in dem Behälter angeordnet ist. Die Flüssigkeit bzw. das Fluid, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Blut, Urin oder ein Fluid, das mit einem industriellen Prozess verbunden ist, kann aus einem Subjekt stammen oder es kann Teil eines getrennten Reaktionsprozesses sein. Das Subjekt ist vorzugsweise ein Mensch, kann aber auch ein beliebiges Tier sein, z.B. ein Labortier im Zusammenhang mit einem klinischen Versuch oder einem Screening- oder Aktivitäts-Experiment. Daher ist, wie für den Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres ersichtlich, die vorliegende Erfindung besonders geeignet zur Überwachung von Flüssigkeits- bzw. Fluid-Zusammensetzungen in einem beliebigen Tier, insbesondere einem Säugetier, und dieses umfasst, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, Haustiere, wie z.B. Katzen oder Hunde, landwirtschaftliche Tiere, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf be schränkt ist, Rinder, Pferde, Ziegen, Schafe und Schweine, wilde Tiere (entweder in der Wildnis oder in einem zoologischen Garten), Forschungstiere, wie z.B. Mäuse, Ratten, Kaninchen, Ziegen, Schafe, Schweine, Hunde, Katzen und dgl., Vogelarten, wie z.B. Hühner, Truthähne, Singvögel und dgl., d.h. für die veterinärmedizinische Verwendung.
Da die PEs zu einem Stapel mit einer zentralen Röhre (Tunnel) zusammengefasst sind, wird ein kontinuierlicher ununterbrochener Strom einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids, das überwacht werden soll, durch den Tunnel gewährleistet. Durch Verwendung spezifischer aktiver Stellen entlang des Tunnels und durch Anwendung einer äußeren Ablesetechnologie, wie vorstehend beschrieben, kann die Zusammensetzung einer Flüssigkeit bzw. eines Fluids, die (das) durch den Kanal strömt, überwacht werden. Wenn die Reaktionen, die an den PE-Reaktionsstellen auftreten, irreversibel sind, können die PE-Stapel gemäß der vorliegenden Erfindung dazu verwendet werden, das Aussehen einer Substanz zu bestimmen, während dann, wenn die Reaktionen reversibel sind, die Konzentrations-Änderung von unterschiedlichen Substanzen kontinuierlich überwacht werden können.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie sie für die Inline-Realzeit-Überwachung angewendet wird, wird unter Bezugnahme auf 11A beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird der PE-Stapel in irgendeiner Art eines Gefäßes, wie z.B., ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, in eine Arterie, eine Vene, einen GI-Trakt, in eine Rohrleitung, einen Schlauch, einen Kanal, einen Durchgang, einen Zylinder oder einen anderen Behälter eingeführt (Element 34 in der 11A). Erforderlichenfalls kann auf der aktiven Stelle (Element 3 in 11C) eine semipermeable Membran (Element 35 in der 11C) angeordnet sein, um einen Schutz gegen Gerinnung oder eine inerte Oberfläche bereitzustellen. Die Flüssigkeit bzw. das Fluid, die (das) überwacht werden soll, fließt durch den zentralen Tunnel (Element 4 in 11A), wodurch sie mit den verschiedenen aktiven Stellen in Kontakt kommt.
Eine Aktivierung der reaktiven Stellen tritt auf, wenn eine spezifische Substanz mit der Sonde auf der aktiven Stelle reagiert, wodurch ein Signal erzeugt wird, das beispielsweise durch optische oder elektrische Einrichtungen abgelesen werden kann. Um eine Ablesung von außen zu ermöglichen, können die perforierten Elemente transparent sein (für die optische Ablesung) oder sie können elektrisch leitend sein (für die elektrische Ablesung). Elektrische Anschlüsse oder optische Fasern (Element 33 in 11), die von dem eingesetzten PE-Stapel wegführen, können verwendet werden, um das ausgelöste Signal zu Sensoren und Prozessoren zu transportieren, die entweder intern oder extern angeordnet sein können. Diese Kommunikation kann durch konventionelle drahtlose Transmissionseinrichtungen unterstützt werden.
Bei einer weiteren Inline-Überwachungs-Ausführungsform (11B) wird das Gefäß, durch welches die Flüssigkeit bzw. das Fluid, das überwacht wenden soll, strömt, in den zentralen Tunnel des Stapels eingeführt (Element 4 in 11B). Die PEs umfassen somit die überfwachte Röhre, während Flüssigkeit bzw. Fluid durch die überfwachte Röhre fließt. Eine semipermeable Membran (Element 35 in 11C), die zwischen dem überwachten Gefäß und den aktiven Stellen (Element 3 in der 11C) angeordnet ist, kann verwendet werden, um eine inerte oder "gegen Gerinnung" geschützte Oberfläche bereitzustellen, die es ermöglicht, dass bestimmte Substanzen die aktiven Stellen erreichen (11C). Die perforierten Elemente können transparent oder elektrisch leitend sein, um eine Ablesung von außen der von den aktiven Stellen ausgelösten Signale durch optische oder elektrische Einrichtungen zu ermöglichen. Wiederum leiten elektrische Anschlüsse oder optische Fasern die Signale von den PEs zu Sensoren und Prozessoren weiter, die entweder intern oder extern angeordnet sein können.
Eine andere Ausführungsform ist in die 11D dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Sensoren (Element 36 in 11D), die Verstärkungseinrichtungen und Prozessoren (Element 37 in der 11D) und die telemetrischen Trans mitter (Element 38 in Figur der 11D) alle ein integrierter Teil des perforierten Elements.
Wie vorstehend diskutiert, kann zur Überwachung von Flüssigkeiten bzw. Fluids im Innern eines Subjekts das Inline-Realzeit-System verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform wird ein PE-Stapel in das Subjekt implantiert, dessen Flüssigkeiten bzw. Fluids überwacht werden sollen. Das Subjekt ist in der Regel ein Mensch, die Erfindung ist darauf jedoch nicht beschränkt. Der Stapel kann in ein Gefäß, beispielsweise, ohne dass die Erfindung darauf beschränkt ist, in eine Arterie, eine Vene, einen GI-Trakt, in den Harnleiter, in Lymphgefäße und/oder in den Thoraxtrakt implantiert werden (vgl. 11 und 12). Die Größe des PE-Stapels ist so konzipiert, dass er in das überwachte Gefäß hineinpasst.
Um eine Ablesung von außen zu ermöglichen, werden die implantierten PEs entweder aus einer transparenten Substanz für die optische Ablesung hergestellt oder sie werden aus einem elektrisch leitenden/isolierenden Material für die elektrische Ablesung hergestellt (vgl. 12A). Bei dieser Ausführungsform fließt die zu bestimmende Flüssigkeit bzw. das zu bestimmende Fluid, wie z.B. Blut (Element 41 in 12A) durch den zentralen Tunnel (Element 4 in 12A) des Stapels, der einen Kontakt zu den verschiedenen aktiven Stellen herstellt (Element 3 in 12A). Bei dieser Ausführungsform müssen die Ablese-Sonden biokompatibel sein. Die aktiven Stellen sind so konzipiert, dass sie mit spezifischen Substanzen in dem Blutstrom reagieren, der apriori für die Überwachung ausgewählt wird. Das Reaktionsnachweisverfahren kann auch ein optisches Verfahren (das eine Fluoreszenz umfasst) oder ein elektrisches Verfahren sein. Eine semipermeable Membran (Element 35 in 12C) kann zwischen den aktiven Stellen und dem Blutstrom angeordnet sein. Das Element 40 in der 12C stellt die Blutgefäßwand dar. Zum Ablesen des von den aktiven Stellen ausgelösten Signals können ein Erregungsweg und ein Ableseweg in Kombination mit einem Stimulator (einer Belichtungseinrichtung/einer elektrischen Einrichtung) (Element 9 in den 12B und 12D) und einem Scanner (Element 14 in den 12B und 12D) verwendet werden. Eine Verstärkung und eine Verarbeitung der Signale kann in dieser Stufe durchgeführt werden. Die nachgewiesenen Signale werden dann aus dem Körper nach außen übertragen für die weitere Verarbeitung und Bewertung.
Noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Multitest-Diagnose-Stapel (MTDS, vgl. 13). Bei dieser Ausführungsform werden Kapillarkräfte ausgenutzt, um einen Tropfen Blut, Urin oder irgendeiner anderen Flüssigkeitsprobe (Element 42 in 13) in den zentralen Kapillartunnel (Element 43 in 13) des Multitest-Diagnose-Stapels einzusaugen. Das offene Ende des Kapillartunnels ist das Element 44 in 13. Der MTDS ist aus PEs (Element 1 in der 13) mit spezifischen aktiven Stellen aufgebaut, die entsprechend der diagnostischen Aufgabe oder entsprechend den diagnostischen Tests, die durchgeführt werden sollen, ausgewählt werden. Der getestete Tropfen der Flüssigkeit (des Fluids) reagiert innerhalb des zentralen Tunnels des MTDS. Ein äußerer Sensor (ein optischer, elektrischer Sensor und dgl.) kann zur direkten Ablesung der Reaktionen an den verschiedenen aktiven Stellen innerhalb des Stapels verwendet werden. Diese Ausführungsform ergibt signifikante Vorteile in Bezug auf die Durchführung von Routine-Blut- und -Urin-Tests. Es kann eine sehr geringe Menge Probe verwendet werden, um eine große Anzahl von Tests durchzuführen. Außerdem kann eine einzige Einheit (d.h. eine einzige MTDS) zur Aufnahme der Probe sowie zur Durchführung einer Vielzahl von erforderlichen Tests verwendet werden. Der MTDS vermeidet somit umständliche Handhabungsverfahren, die in der Regel mit Standard-Multitests, wie sie heutzutage durchgeführt werden, verbunden sind. Außerdem können die Testergebnisse in den meisten Fällen nahezu sofort erhalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren minimiert auch die Handhabung von Blut, wodurch die Möglichkeit einer Blutkontamination und einer Übertragung von Erkrankungen vermindert wird.
Wie aus den vorstehenden Angaben eindeutig ersichtlich, sind die Vorteile der vorliegenden Erfindung signifikant. Teure, mechanisch komplizierte (x, y] Scanning-Systeme mit einer hohen Auflösung, die in Verbindung mit Mikroarrays verwendet werden, können durch einfache, billige Ablese-Vorrichtungen ersetzt werden. Außerdem ist es bei den erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich, eine spezifische [x, y]-Koordinate mit hoher Genauigkeit entweder vor der Vorbereitung der aktiven Stelle oder für die Ablesung und Analyse derselben bestimmen zu können. Die vorliegende Erfindung kann für zahlreiche Anwendungen durchgeführt werden, bei denen derzeit Mikroarrays verwendet werden. Durch Verwendung der hier beschriebenen perforierten Elemente als Aufbau-Blöcke (Aufbau-Elemente) für die Multireaktions-Stapel kann leicht eine für die Verwendung bei einer Vielzahl von Anwendungen angepasste Reaktionsstellen-Struktur hergestellt werden. Mit der vorliegenden Erfindung wird somit ein modulares, billiges und wirksames System zur Verfügung gestellt.
Die vorliegende Erfindung ist in Bezug auf ihren Schutzumfang nicht auf die hier beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt. Es können nämlich verschiedene Modifikationen der Erfindung zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen für den Fachmann auf diesem Gebiet aufgrund der vorstehenden Beschreibung und der beiliegenden Figuren ohne weiteres in offensichtlicher Weise konzipiert werden. Diese Modifikationen liegen alle innerhalb des Schutzbereiches der nachfolgenden Patentansprüche.
Die vorstehend genannten Patente, Patentanmeldungen und Publikationen gehören bezüglich ihrer gesamten Inhalte für alle Zwecke zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung betrifft chemische Bibliotheken zum Identifizieren von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung für die Diagnose, Erkennung, Trennung und Synthese einer Vielzahl von chemischen und biochemischen Prozessen und sie bezieht sich außerdem auf Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und auf Verfahren zur Erkennung, Trennung und Synthese einer Vielzahl von chemischen, biochemischen und biologischen Prozessen und Substanzen, in denen die Vorrichtung verwendet wird.

Claims

Fester Träger, der umfasst eine Vielzahl von einzelnen perforierten Elementen, wobei jedes perforierte Element eine oder mehrere Perforationen aufweist; und ein oder mehrere immobilisierte Moleküle an die Oberfläche mindestens einer der Perforationen innerhalb jedes perforierten Elements gebunden ist (sind); wobei eine Vielzahl von perforierten Elementen miteinander verbunden ist zur Bildung einer Säule aus perforierten Elementen und die Perforationen innerhalb jeder Säule so aufeinander ausgerichtet sind, dass ein oder mehrere die Säule durchquerende Tunnel gebildet wird (werden).
Fester Träger nach Anspruch 1, worin das immobilisierte Molekül auf jedem perforierten Element verschieden ist.
Fester Träger nach Anspruch 2, worin das Molekül ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Nucleinsäuren, Kohlehydraten, Oligonucleotiden, Peptiden, Peptidomimetica, Pharmaconen, Biosensoren, Antikörpern und Tumormarkern.
Fester Träger nach Anspruch 1, worin das perforierte Element eine regelmäßige geometrische Gestalt oder eine unregelmäßige geometrische Gestalt hat, bezogen auf seine zentrale Achse.
Fester Träger nach Anspruch 4, worin die regelmäßige geometrische Gestalt ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem gleichseitigen Dreieck, einem Quadrat, einem Hexagon, einem Octagon und einem Kreis.
Fester Träger nach Anspruch 4, worin die unregelmäßige geometrische Gestalt ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus einem gleichschenkligen Dreieck, einem ungleichseitigen Dreieck, einem Rechteck, einem Rhombus, einem Parallelogramm und einem unregelmäßigen Trapez.
Fester Träger nach Anspruch 1, worin jedes einzelne perforierte Element aus einem Material hergestellt ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus organischen Polymeren, Glas, Metall, einem Halbleiter, Siliciumdioxid, Cellulose-Derivaten, Keramiken und Mischungen davon.
Fester Träger nach Anspruch 7, worin das organische Polymer ausgewählt ist aus der Gruppe, die besteht aus Polystyrol, Polycarbonaten, Polymethylmethacrylat, Polyurethanen, Polyethylen, Polyacrylamiden, Polypropylen, Copolymeren von Styrol und Acrylsäure, Copolymeren von Styrol und Methylmethacrylat und Mischungen davon.
Fester Träger nach Anspruch 1, der außerdem ein oder mehrere perforierte Abstandhalter-Elemente umfasst.
Feste Träger-Bibliothek (-Library), die umfasst eine Vielzahl von festen Trägern nach Anspruch 1.
Verfahren zur Herstellung eines festen Trägers, das die folgende Stufe umfasst (a) Zusammenfügen einer Vielzahl von perforierten Elementen mit unterschiedlichen Beschichtungen, um so eine oder mehrere Säulen zu bilden, wobei jede Säule eine Vielzahl von perforierten Elementen mit unterschiedlichen Beschichtungen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die Vielzahl von perforierten Elementen, die zum Aufbau der einen oder mehreren Säulen des festen Trägers verwendet wird, durch ein Verfahren hergestellt wird, das die folgenden Stufen umfasst (a) Bildung einer Vielzahl von Vor-Stapeln, wobei jeder Vor-Stapel eine Vielzahl von unbeschichteten perforierten Elementen umfasst, die aufeinandergestapelt werden zur Bildung einer Säule; und (b) Beschichten aller perforierten Elemente innerhalb eines einzelnen Vor-Stapels mit dem gleichen Überzug, wobei jeder einzelne Vor-Stapel mit einem davon verschiedenen Überzug beschichtet wird, wodurch eine Vielzahl von Vor-Stapeln gebildet wird, die jeweils eine andere Beschichtung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 11, das außerdem die folgende Stufe umfasst: Zusammenfügen eines oder mehrerer perforierter Abstandhalter-Elemente innerhalb einer oder mehrerer der Säulen, die unterschiedlich beschichtete perforierte Elemente enthalten.
Verfahren zum Identifizieren eines interessierenden Moleküls, wobei das Verfahren umfasst das Überwachen der Änderungen an einem immobilisierten Molekül an jedem perforierten Element innerhalb des festen Trägers nach Anspruch 1, wobei die Änderungen resultieren aus einem chemischen, biochemischen oder biologischen Prozess, an dem das immobilisierte Molekül und das interessierende Molekül beteiligt sind.
Verfahren zum Identifizieren eines interessierenden Moleküls, wobei das Verfahren umfasst das Überwachen der Änderungen an einem immobilisierten Molekül an jedem perforierten Element innerhalb der festen Träger-Bibliothek nach Anspruch 10, wobei die Änderungen resultieren aus einem chemischen, biochemischen oder biologischen Prozess, an dem das immobilisierte Molekül und das interessierende Molekül beteiligt sind.
Verfahren nach Anspruch 14, worin der chemische, biochemische oder biologische Prozess unter Verwendung einer Sonde überwacht wird, die außerhalb oder innerhalb des festen Trägers angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, worin die Sonde eine optische, elektrische oder magnetische Sonde ist, die durch den innerhalb des festen Trägers gebildeten inneren Hohlraum bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin der chemische, biochemische oder biologische Prozess unter Verwendung einer Sonde überwacht wird, die außerhalb oder innerhalb des festen Trägers angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, worin die Sonde eine optische, eine elektrische oder eine magnetische Sonde ist, die durch die inneren Hohlräume bewegt wird, die durch die feste Träger-Bibliothek gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 14, worin das interessierende Molekül durch den innerhalb des festen Trägers gebildeten Hohlraum bewegt wird, in dem ein Kontakt zwischen dem interessierenden Molekül und dem immobilisierten Molekül hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, worin das interessierende Molekül durch die innerhalb der festen Träger-Bibliothek gebildeteten Hohlräume bewegt wird, in denen ein Kontakt zwischen dem interessierenden Molekül und den immobilisierten Molekülen hergestellt wird.