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Die
Erfindung betrifft spezielle Adsorbentien auf Kieselgelbasis und
deren Verwendung zur Isolierung von Nukleinsäuren. Die erfindungsgemäßen Kieselgele
verfügen über superparamagnetische
Eigenschaften und können
mittels magnetischer Felder aus einer Probenmatrix entfernt werden.
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Unterschiedliche
Praktiken zur Festphasenextraktion eines speziellen Analyten aus
einer komplexen Probenmatrix, mit dem Ziel den Analyten zu konzentrieren,
von möglichst
allen Verunreinigungen aus der Probenmatrix abzutrennen und der
eigentlichen Analyse zuzuführen,
haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung zugenommen. Das betrifft
die biochemisch/molekularbiologische Analytik und gleichermaßen die
Umweltanalytik und medizinische Diagnostik. Unabhängig von
der Art des Analyten und der jeweiligen Fragestellung läßt sich
die Probenvorbereitung zum eigentlichen Analysengang in 4 Grundschritte
unterteilen: 1. Konditionierung der festen Phase; 2. selektive oder
spezifische Bindung des Analyten an die feste Phase und Entfernen
der übrigen
Probenmatrix; 3. Herauswaschen von eventuellen Verunreinigungen
aus der festen Phase und 4. Elution des angereicherten und gereinigten
Analyten.
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Steht
die Anreicherung und Isolierung von Nukleinsäuren zur Aufgabe, beispielsweise
zum qualitativen Nachweis von Viren mittels der Polymerase-Kettenreaktion
(PCR) auf DNA-Ebene oder der Reversen Transkription und nachfolgender
Polymerase-Kettenreaktion auf RNA-Ebene oder der Isolierung von
Templates zur DNA-Sequenzierung und/oder zur PCR aus verschiedensten
biologischen Flüssigkeiten,
wie zum Beispiel Plasma, Serum oder Bakterienlysat, macht man sich
die lange bekannte Eigenschaft von Nukleinsäuren zu nutze, unter chaotropen
oder anderen Hochsalzbedingungen, d.h. bei hohen Konzentrationen
von chaotropen oder anderen Salzen, spezifisch an silicathaltige
Adsorbentien wie Glasmehl [Proc. Natl. Acad. USA 76 (1979) 615-619,
Anal. Biochem. 121 (1982) 382-387], Diamatomeenerde [Methods Enzymol.
65 (1979) 176-182] oder native Kieselerde [J. Clin. Microbiol. 28 (1990)
495-503,
EP 0 389 063
B1 ] zu binden. Mit Hilfe eines ein wasserlösliches
organisches Lösungsmittel
enthaltenen Puffers, in der Regel ist das ein niederer aliphatischer
Alkohol, werden dann Verunreinigungen von dem Adsorbens gewaschen,
der Träger
getrocknet und die adsorbierten Nukleinsäuren mit destilliertem Wasser
oder einem sogenannten Niedrigsalzpuffer, d.h. Puffer mit geringer
Ionenstärke,
eluiert.
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Neben
den bereits erwähnten,
weitestgehend in ihrem nativen Zustand belassenen silicatischen
Trägermaterialien
sind auch einige synthetische Verfahren zur Darstellung von Kieselgeladsorbentien
für die
Nukleinsäureisolierung
beschrieben worden. So die Herstellung entsprechender Derivate durch
Hydrolyse von Siliciumhalogeniden allein oder in Gegenwart bestimmter,
die Adsorptionseigenschaften beeinflussender Zusätze [
EP 0 600 253 B1 ] oder über die
Hydrazinolyse von Siliciumtetrachlorid [
EP 0 540 170 A1 ].
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Auch
hat es Versuche gegeben, die für
die Isolierung von Nukleinsäuren
optimalen Adsorptions-/Desorptionseigenschaften durch chemische
Behandlung von silicathaltigen Oberflächen zu erreichen. So etwa über die
Behandlung von Celiten mit starken Alkalien [
EP 0 555 798 A1 ], der Oberflächenmodifizierung
von Glasfasermembranen mit unterschiedlichen Reagentien wie Aluminium-(III)-chlorid oder
Bortrichlorid zur Erzielung bestimmter Eigenschaften [
EP 0 649 853 A1 ]. In diesem
Zusammenhang sind auch die Versuche zu sehen, durch Fluorierung
mineralischer, insbesondere silicatischer Oberflächen bestimmte vorteilhafte
Bindungseigenschaften für
Nukleinsäuren
zu erreichen [
EP 0
648 777 A1 ).
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Die
Nutzung "loser" silicatischer Adsorbentien
zur Isolation von Nukleinsäuren
wird jedoch heute weitestgehend durch die Verwendung von Fertigsäulen, wie
sie beispielsweise in
DE
195 12 369 A1 und
DE
41 39 664 A1 beschrieben sind verdrängt. Diese Fertigsäulen enthalten
als Adsorbens eine Glasfasermembran oder in Spezialfilter eingeschlossene
Adsorbentien auf Silicatbasis. Hauptvorteil dieser Anordnungen ist,
daß der
Verbleib von Silicatpartikeln im Nukleinsäureeluat durch unvollständige Zentrifugation
oder Pipettierfehler weitestgehend vermieden wird. Das verringert
die Gefahr des Verschleppens von Inhibitoren für in den weiteren Analysenschritten angewandte
Enzyme, etwa thermostabile Polymerasen für die PCR-Reaktionen. Durch
den zwangsläufig
höheren
Fertigungsaufwand sind die beschriebenen Fertigsäulen jedoch entschieden teurer
als die freien Adsorbentien, was sich natürlich besonders bei sehr hohem
Probenaufkommen sehr nachteilig bemerkbar macht. Auch ist die Ersparnis
an Zeit, Energie und Arbeitskraft im Vergleich zum Einsatz loser Adsorbentien
nicht allzu wesentlich, da weiterhin eine Reihe von Zentrifugationsschritten
und Operationen zum Wechseln der Auffanggefäße während der Wasch- und Elutionsschritte
erforderlich sind. Auch die Nutzung von Vakuumgeräten, welch
den Durchfluß durch
die Fertigsäulen
unterstützen,
hat hier bisher nicht den entscheidenden technologischen Durchbruch
gebracht. Alle diese notwendigen manuellen Eingriffe erschweren
weiterhin die angestrebte vollständige
Automatisierung der Nukleinsäureisolierungsprozesse.
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Eine
bekannte und sehr elegante Variante zur Vermeidung jeglicher Filtrations-
und Zentrifugationsschritte bei der Stofftrennung fest/flüssig ist
der Einsatz sogenannter super paramagnetischer Materialien als Kernmaterialien
für adsorbierende
feste Stoffe. Superparamagnetismus verleiht bestimmten Substanzen
die Eigenschaft von einem Magneten in Richtung seiner Pole angezogen
zu werden und im Gegensatz zu ferromagnetischen Materialien beim Verweilen
im Magnetfeld nicht selbst permanent magnetisiert zu werden. Das
erlaubt ein problemloses Resuspendieren nach Entfernen des Magnetfeldes, wie
es für
effiziente Wasch- und Elutionsprozesse unbedingt erforderlich ist.
Dem Fachmann sind die einschlägigen
Materialien bekannt, so daß an
dieser Stelle zwei Beispiele genügen.
Sehr oft verwendete superparamagnetische Materialien sind fein verteilter Magnetit
(Fe3O4) und Erdalkaliferrite.
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Die
Herstellung superparamagnetischer Adsorbentien geschieht im wesentlichen
auf zwei Wegen. Einmal werden in poröse dreidimensionale Netzwerke
von adsorbierenden Substanzen oder deren Precursor Gemische von
Fe
2+ und Fe
3+ Salzen gebracht,
deren Fe
2+/Fe
3+ Verhältnis annähernd dem Verhältnis im
supermagangetischen Kern entspricht [
US
4,452,773 ; WO 90/07380] und anschließend durch Erhöhung des
pH Wertes die gewünschten Oxide
in den Poren gefällt
und gleichzeitig eingeschlossen, so daß die adsorbierende Substanz
oder deren Precursor superparamagnetische Eigenschaften erhält. Bei
der zweiten Technologie geht man von Suspensionen von superparamagnetischen
Materialien in verschiedenen Lösungen
aus und scheidet auf diesen Materialien durch unterschiedliche chemische Reaktionen
die adsorbierenden Stoffe oder deren Precursoren ab. Das kann zum
Beispiel durch Vernetzung löslicher
Polymere erfolgen [Bolto, J. Macromol. Sci. – Chem. A14 (1980) 107-120;
Dixon et al. J. Macromol. Sci.-Chem.; A14 (1980) 153-159].
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Silicatische
Adsorbentien mit superparamagnetischen Eigenschaften, die sich für die Aufreinigung
von Nukleinsäuren
eignen, sind ebenfalls beschrieben. So lassen sich poröse Gläser mit
Hilfe entsprechender Eisensalzlösungen
(s.oben) in superparamagnetisches Glas überführen und zur DNA-Isolation
nutzen [
US 05734020 ;
US 05610274 ]. Auch ist die
Herstellung und Nutzung superparamagnetischer Glaspartikel durch
Ablage rung eines SiO
2-Sols, welches durch
alkalische Hydrolyse von Siliciumtetraalkylestern und entsprechenden
Aluminiumverbindungen im Gemisch mit Bor-(III)-oxid auf superparamagnetischen
Trägermaterialien
abgelagert und anschließend
durch Verschmelzung bei hohen Temperaturen unter Inertgasbedingungen
zu Glaspartikeln umgesetzt wird, beschrieben [
DE 195 20 398 A1 ].
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Beide
beschriebenen superparamagnetischen Glas- bzw. Silicapartikel sind
jedoch hinsichtlich ihrer Herstellung mit Nachteilen behaftet. So
nutzen beide Verfahren relativ teure Ausgangsmaterialien. Außerdem ist
das in
DE 195 20 398
A1 beschriebene Verfahren ein langwieriger, nur unter relativ
hohem technischen Aufwand umsetzbarer Mehrstufenprozeß.
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Aus
der
DE 43 07 262 A1 ist
bekannt, Rieselgel in Gegenwart von fein verteiltem magnetischem Material
und von Mineralsäuren
oder CO
2 zu fällen, um ein magnetisches Rieselgel
zu erhalten, an das pharmakologisch, biologisch oder biochemisch
wirksame Substanzen angekoppelt werden. Das Produkt wird anschließend auf
oralem Wege dem menschlichen Organismus zugeführt und dort mit Hilfe elektromagnetischer
Hochgradientenfelder angereichert, um bestimmte lokale Wirksstoffkonzentrationen
zu erhalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfach und preiswert herstellbares
Adsorptionsmaterial zu entwickeln, das sich hinsichtlich seiner Adsorptionseigenschaften
besonders zur Isolierung von Nukleinsäuren aus biologischen und nichtbiologischen
Probenmatrizes eignet.
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Erfindungsgemäß ist das
superparamagnetische Adsorptionsmaterial gekennzeichnet durch ein Rieselgel
auf Basis von Alkalisilicaten mit darin chemisch und/oder physikalisch
eingebundenen superparamagnetischen Teilchen, wobei das Gel eine
Teilchengröße im Bereich
von 1 bis 10 μm
hat und einen Gehalt an superparamagnetischen Teilchen im Bereich
von 10 bis 80 Gew-%,
hergestellt durch Vermischung einer wäßrigen Alkalisilicatlösung mit
einer Suspension in Wasser oder in mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln
von superparamagnetischen Eisenoxidteil chen der Formel FexOy, worin 2,0≤x≤3,5 und 3,0≤y≤4,5 gilt,
oder von superparamagnetischen Ferritteilchen, wobei die Teilchen eine
Teilchengröße von 10
bis 600 nm haben,
und Zugabe einer C1-C6-Alkansäure
bei einer Temperatur im Bereich von 20 bis 95 °C in einer Zeit von 1 Minute
bis 24 Stunden bis zu einem pH-Wert im Bereich von 9 bis 2.
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Unter
Nukleinsäuren
werden im Sinne der Erfindung oligomere und polymere Ribonukloetide bzw.
2'-Desoxyribonukleotide
verstanden mit einer Kettenlänge
von mehr als 10 Monomereinheiten. Die Monomereinheiten in Nukleinsäuren sind über Phosphorsäurediesterbindungen
zwischen der 3'-
und 5'-Hydroxylgruppe
benachbarter Monomereinheiten verknüpft und an das 1'-Atom der jeweiligen
Kohlenhydratkomponente ist glycosidisch eine heterocyclische Base
gebunden. Nukleinsäuren
können
durch Ausbildung von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen
Doppel- und Dreifachstränge ausbilden.
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Unter
Kieselgel oder Silicagel im Sinne der Erfindung werden amorphe Kondensationsprodukte monomerer
Kieselsäure
verstanden. Ihre grundlegenden Synthesestrategien sind dem Fachmann
hinlänglich
bekannt [Gmelin, Teil Silizium B S. 422 ff.]. Diese hochmolekularen
Kondensationsprodukte finden eine sehr breite Anwendung als Adsorbentien
in verschiedenen chromatographischen Trenn- und Reinigungsoperationen.
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Bevorzugte
Anteile an superparamagnetischen Teilchen, bezogen auf das Gesamtgewicht
des Gels, liegen im Bereich von 30 bis 60 Gew-%.
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Für die vorliegende
Erfindung wird vorteilhaft als Alkalisilicat Natriumsilicat, insbesondere
eine Natronwasserglaslösung,
eingesetzt.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
des Adsorptionsmaterial der Erfindung ist zusätzlich durch funktionelle Gruppen
modifiziert, wobei diese Gruppen ausgewählt sein können unter Amino-, Azido-,
Carboxy-, Aldehyd, Phosphoräuremonoester-,
Phosphorsäurediester-,
Thiol- und Hydroxygruppen. Besonders bevorzugt sind Carboxy-, Phosphoräuremonoester-
und, Phosphorsäurediestergruppen.
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Das
Adsorptionsmaterial liegt normalerweise in getrockneter und amorph
zerkleinerter Form vor und kann entweder in dieser Form oder als
wäßrige Suspension
verwendet werden.
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Die
Teilchengröße der superparamagnetischen
Eisenoxide oder Ferrite liegt vorzugsweise im Bereich von 30 bis
100 nm.
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Es
wurde gefunden, daß die
Adsorptionseigenschaften des Materials, insbesondere für die Adsorption
von Nukleinsäuren,
durch die Reaktionsführung
bei der Fällung
des Kieselgels gezielt durch Wahl des Fällungsmittels entscheidend
beeinflußt werden
kann. Besonders geeignete Fällungsmittel sind
Alkansäuren
mit C2-C4 Kohlenstoffatomen,
insbesondere Essigsäure
oder Propionsäure,
oder Gemische davon.
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Die
Temperatur bei dieser Reaktion liegt vorteilhaft zwischen 40 und
90 °C. Der
Zeitraum für
die Ausfällung
des superparamagnetischen Kieselgelmaterials mittels der Alkansäure liegt
vorzugsweise im Bereich von 5 Minuten bis 15 Stunden.
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Die
Ausfällung
erfolgt vorteilhaft unter Bewegung der im Gemisch vorhandenen Substanzen,
insbesondere unter Rühren.
Durch Führung
des pH-Regimes aus dem stark alkalischen Bereich der Alkalisilicatlösungen auf
Werte zwischen pH 9 und pH 2, vorzugsweise pH 8 bis pH 3, erhält man ein
superparamagnetisches Kieselgel, mit dem eine selektive Desorption
von DNA und RNA und damit Trennung von DNA und RNA möglich ist.
Dadurch kann dieses Kieselgel zur Isolierung von Gesamtnukleinsäuren und getrennten
Analyse von DNA und RNA, wie es z.B. in der Virusdiagnostik erforderlich
ist, verwendet werden.
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Desweiteren
sind die erfindungsgemäßen Rieselgelpartikel
durch die Einschlilsse von superparamagnetischem Material bei der
Einwirkung von externen Magnetfeldern aus heterogenen Gemischen abtrennbar,
wodurch Filtrations- oder Zentrifugationsoperationen nicht erforderlich
sind und damit der Arbeits- und Zeitaufwand zur Isolierung der Nukleinsäuren wesentlich
verkürzt
wird.
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Im
einfachsten Fall zur Synthese der erfindungsgemäßen Partikel finden als superparamagnetische
Substanzen die oben definierten Eisenoxide Anwendung, vorzugsweise
solche, in denen 2 ≤ x ≤ 3,5 insbesondere
x = 3 ist und y vorzugsweise 3 ≤ y ≤ 4,5, insbesondere
y = 4 ist. Diese Substanzen können
beispielsweise aus Eisensalzlösungen
hergestellt werden, die ein eingestelltes, der Stöchiometrie des
Eisenoxides entsprechendes Verhältnis
von Eisen(II)- und Eisen(III)-Ionen haben. Durch Eintragen in Lösungen von
Hydroxiden insbesondere wässrigen
Laugen oder durch schrittweises Steigern des pH-Wertes der Eisensalzlösungen bis
zu einem Wert um pH 9-10 mittels Hydroxiden, insbesondere wässriger
Lösungen
dieser Hydroxide, werden die Eisenoxidpartikel gefällt. Als
superparamagnetische Trägersubstanzen
sind natürlich
auch andere Materialien denkbar, sofern sie den für eine effiziente
Abtrennung notwendigen Paramagnetismus besitzen und in einer für die Herstellung
des Kieselgels erforderlich Teilchengröße zu erhalten sind.
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Weitere
Materialien mit superparamagnetischen Eigenschaften können beispielsweise
sein Erdalkaliferrite wie Bariumhexaferrit oder andere Ferrite,
speziell auch Kombinationen von Metalloxiden. Einige der im Sinne
der Erfindung verwendbaren superparamagnetischen Materialien sind
von Hilpert [Chem. Ber. 42 (1909) 2248] beschrieben und diskutiert
worden.
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Es
ist besonders hervorzuheben, daß bei dem
erfindungsgemäßen Adsorptionsmaterial
Kieselgel und superparamagnetische Teilchen physikalisch nicht mehr
voneinander zu trennen sind. Die auf diese Weise gewonnenen Kieselgele
sind wie übliche Kieselgele
wasch-, trocken- und zerkleinerbar, ohne daß nach einem oder mehrerer
dieser Schritte eine Trennung von Kieselgel und superparamagnetischem
Material erfolgt.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung sind die oben definierten superparamagnetischen Teilchen
in poröse
Polymere eingebettet. Die Teilchengröße der eingebetteten Teilchen
liegt allgemein im Bereich von 0,1 bis 10 μm.
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Das
poröse
Polymere ist ein organisches oder anorganisches poröses Polymeres,
insbesondere ein anorganisches Polymeres, wie zum Beispiel ein poröses Rieselgel.
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Die
porösen
Polymerteilchen mit dem eingebetteten superparamagnetischen Material
bilden vorzugsweise eine Kugelform oder nahezu eine Kugelform.
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Das
Adsorptionsmaterial dieser Ausführungsform
der Erfindung läßt sich
besonders gut handhaben und ist sowohl als Trockenmaterial als auch
als Suspension sehr leicht resuspendierbar.
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Die
Herstellung dieser eingebetteten Teilchen kann durch Einlagerung
von superparamagnetischen Eisensalzlösungen bzw. -suspensionen in
einem porösen
Polymermaterial und Ausfällen
des Kieselgels in Anwesenheit der wäßrigen Alkalisilicatlösungen und
der C1-C6-Alkansäuren erfolgen.
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Erfindungsgemäß werden
die Adsorptionseigenschaften des Kieselgels anders als beim Stand der
Technik ausschließlich
durch die Reaktionsführung
bei der Herstellung des Kieselgels bestimmt. Für den direkten Einsatz der
Kieselgele als Adsorbentien ist eine Nachbehandlung und/oder der
Zusatz von zusätzlichen
eigenschaftsbestimmenden Komponenten zum Reaktionsgemisch der Herstellung,
wie etwa Boraten oder Aluminaten u.ä. nicht erforderlich. Selbstverständlich ist
jedoch eine nachträgliche
Modifizierung der Oberfläche
der Rieselgelpartikel zum Erzielen bestimmter Eigenschaften, etwa
dem Tragen von Ankergruppen zum kovalenten Binden von Biomolekülen möglich.
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Die
erfindungsgemäßen Adsorptionsmaterialien
können
für die
Adsorption einer Vielzahl von organischen Molekülen eingesetzt werden. Weiterhin können an
das Material spezifische Liganden, wie Biotin, oder Proteine, wie
Antikörper,
gebunden werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine bevorzugte Verwendung der superparamagnetischen
Kieselgele, indem man sie zur Festphasenextraktion von Nukleinsäuren in
flüssiger
Phase einsetzt und dabei das superparamagnetische Kieselgel mit
oligomeren und/oder polymeren Ribonukleotiden oder 2'-Desoxyribonukleotiden
mit einer Kettenlänge
von mehr als 10 Monomereinheiten in Kontakt bringt,
ein Magnetfeld
an das erhaltene Produkt anlegt und den im Magnetfeld separierten
Komplex superparamagnetisches Riesel gel/Nukleinsäuren vom Rest des Gemisches
abtrennt,
und die Nukleinsäuren
von dem superparamagnetischen Kieselgel durch quantitatives Eluieren
mit Wasser oder einer wäßrigen Pufferlösung niedriger Ionenstärke abtrennt.
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Bevorzugt
abgetrennt werden Fragmenten einer Polymerase-Kettenreaktion mit einer Größe von 50
bis 20000 Basenpaaren, insbesondere Fragmente mit einer Größe von 100
bis 3000 Basenpaaren.
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Die
Abtrennung von Nukleinsäuren,
ausgewählt
aus der Gruppe, die aus genomischen, viralen, episomalen, bakteriellen
Nukleinsäuren
mit einer Größe von mehr
als 100 Basenpaaren besteht ist ebenfalls bevorzugt.
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Der
Einsatz der superparamagnetischen Kieselgele in Kontakt mit einer
komplexen biologischen Flüssigkeit,
insbesondere mit Vollblut, Plasma oder Serum, oder mit einem biochemischen,
insbesondere molekularbiologischen Reaktionsgemisch, wie Ligationsansätzen, PCR-Gemischen,
Markierungsansätzen,
ist ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung.
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Der
Kontakt mit den abzutrennenden Nukleotiden kann in Anwesenheit von
chaotropen Puffern, anderen Hochsalzpuffern, organischen wassermischbaren
Lösungsmitteln
oder wasserlöslichen Polymeren
erfolgen.
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Als
chaotrope Puffer sind zu nennen Lösungen von Guanidinthiocyanat
mit einer Konzentration von 4M bis 7M, vorzugsweise 6M, oder von
Ammoniumthiocyanat mit einer Konzentration von 4M bis 6M.
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Als
Hochsalzlösungen
sind zu nennen Lösungen
von Natriumjodid oder -perchlorat mit einer Konzentration von 4M
bis 8M, vorzugsweise 8M.
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In
Anwesenheit von organischen mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln,
wie beispielsweise niedere aliphatische Alkohole, wie Ethanol, Propanol, Isopropanol,
oder von Retonen wie Aceton lassen sich noch weiter verbesserte
Bindungseigenschaften der Nukleinsäuren einstellen.
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Zu
den zugesetzten wasserlöslichen
Polymeren gehören
insbesondere Polyethylenglycole, aber auch Derivate der Polyvi nylalkohole,
sofern sie in Wasser und organischen Lösungsmitteln löslich sind,
wie beispielsweise Polyvinylalkohol-Vinylsulfonsäure-Addukte.
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Da überraschenderweise
die Adsorptionseigenschaften für
Nukleinsäuren
der erfindungsgemäßen Kieselgele
praktisch eingestellt werden können und
zwar in der Art, daß während des
Elutionsprozesses bei Bedarf die Desoxyribonukleinsäuren selektiv
von den Ribonukleinsäuren
getrennt werden können,
wird ein besonderes Anwendungsgebiet erschlossen, nämlich die
Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten
(Plasma, Seren, Blut etc.) auf unterschiedliche Viren.
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Erfindungsgemäß kann die
Elution der adsorbierten Desoxyribonukleinsäuren bei Temperaturen zwischen
10 und 40°C,
insbesondere bei Temperaturen von 20 bis 25°C und die der adsorbierten Ribonukleinsäuren bei
Temperaturen von 40 bis 80 °C insbesondere
bei Temperaturen von 50 bis 60°C
erfolgen. Damit ist eine selektive Trennung beider Komponenten nach
gemeinsamer Adsorption aus der Probenmatrix unter den entsprechenden
chaotropen Bindungspuffern möglich.
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Die
superparamagnetischen Eigenschaften des beschriebenen Kieselgels
gestatten nach Adsorption der Nukleinsäuren an der Oberfläche des Kieselgels,
die Abtrennung des Romplexes Kieselgel/Nukleinsäure aus der Probenmatrix mittels
magnetischer Felder unter Umgehung von zeit-, material-, arbeits-
und energieaufwendigen Filtrations-, Sedimentations- und/oder Zentrifugationsschritten.
Damit ist dieses superparamagnetische Kieselgel besonders für den Einsatz
in automatisierten Systemen geeignet.
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Als
Magneten zur Abscheidung des superparamagnetischen Adsorptionsmaterials
sind übliche Permanentmagneten
geeignet, insbesondere solche mit höheren Feldstärken, wie
Seltenerdmagneten, z.B. Neodym-Eisen-Bor-Magneten.
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Eine
weitere Anwendungsform der Erfindung ist ein Kit zur manuellen oder
automatischen Isolierung von Nukleinsäuren, wobei der Kit ein superparamagnetisches
Kieselgel enthält,
bestehend aus einem amorphen Kondensationsprodukt monomerer Kieselsäure mit
einem darin fein verteilten superparamagnetischen Eisenoxid der
allgemeinen Formel FexOy,
worin 2,0≤x≤3,5 und 3,0≤y≤4,5 gilt,
oder einem superparamagnetischen Ferrit, jeweils mit einer Teilchengröße von 10
bis 600 nm. Zusätzlich
enthält der
Kit auch Bindungs-, Wasch- und Elutionspuffer. Das superparamagnetische
Kieselgel kann als Festsubstanz oder als Suspension vorliegen.
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Die
Erfindung soll nun anhand von einigen repräsentativen Beispielen erläutert werden,
ohne natürlich
die Anwendung auf diese Beispiele zu beschränken.
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Beispiel 1:
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Herstellung des superparamagnetischen
Eisenoxides:
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9,9g
Eisen(II)chlorid (FeCl2×4H2O)
und 27g Eisen(III)chlorid (FeCl3×6H2O) wurden in 500ml Wasser gelöst. Diese
Lösung
wurde in 500ml 2molare Natronlauge tropfenweise eingebracht. Nach
Beendigung der Fällungsreaktion
konnte das ausgefallene Eisenoxid über Zentrifugation abgetrennt
werden. Es schloß sich
ein wiederholtes Waschen mit Wasser und Zentrifugieren bis zur Neutralität des Überstandes
an. Das auf diese Weise erhaltene Eisenoxid ist direkt zur Synthese
der superparamagnetischen Kieselgele geeignet oder kann getrocknet
und zu einem späteren
Zeitpunkt verwendet werden. Die mittlere Teilchengröße betrug
80 nm.
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Beispiel 2:
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Herstellung des superparamagnetischen
Kieselgeles:
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Zu
10ml einer Suspension von superparamagnetischem Eisenoxid im Wasser
mit einem Gehalt von 0,1g pro Milliliter wurden 10ml einer Natriumsilikatlösung (Dichte ≈ 1,39 g/ml)
gegeben. Das Reaktionsgemisch wurde auf 50 °C erwärmt, und durch Eintragen von
Eisessig über
einen Zeitraum von 10 Minuten fällte
man des Kieselgel vollständig,
verdünnte
anschließend
die erhaltene Suspension mit 100 ml Wasser und saugte den ausgefallenen
Niederschlag ab. Bei der Fällung
mit Eisessig wurde zum Ende der Reaktion der pH Wert geprüft und dafür Sorge
getragen, das er den Wert 2 nicht unterschritt.
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Das
Produkt wurde wiederholt mit Wasser gewaschen und so von den Nebenprodukten
der Reaktion gereinigt. Dem schloß sich das Trocknen des Produktes
im Trockenschrank bei 120°C
an.
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Beispiel 3:
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Verwendung des Erfindungsgemäßen Kieselgels
zur Isolation von PCR-Produkten aus einem PCR-Reaktionsansatz:
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Zu
50μl eines
PCR-Reaktionsgemisches, welches ein 539 Basenpaare langes Fragment
aus dem Plasmid pKS (Position 2000 bis 1461) enthält, wurden
120μl einer
8molaren Lösung
von Natriumperchlorat in Wasser gegeben. Zu dieser Mischung gab
man 10μl
einer Suspension der im Beispiel 2 hergestellten Rieselgelpartikel
mit einem Gehalt von 0,2mg/μl.
Das Gemisch wurde 5 Minuten stehen gelassen, anschließend die
Magnetpartikel mit der gebundenen Nukleinsäure an der Gefäßwand mit
einem Permanentmagneten festgehalten und der Überstand abgegossen. Die Magnetpartikel
wurden zweimal in 100μl
70%igen Ethanol resuspendiert und jedesmal mittels Magneten an der
Gefäßwand gesammelt
und die Waschlösung
abgegossen. Dem schloß sich
das Trocknen der Partikel an der Luft bei Raumtemperatur über 10 Minuten
an.
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Die
gereinigten PCR-Fragmente wurden mit 20μl Wasser von den Magnetpartikeln
im Verlauf von 5 Minuten eluiert.
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Beispiel 4:
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Verwendung der erfindungsgemäßen Partikel
zur Isolation von Nukleinsäuren
aus Körperflüssigkeiten wie
Blut, Serum oder Plasma:
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In
der Körperflüssigkeit,
aus der die Nukleinsäure
isoliert werden soll, wurden mittels eines Lyseschrittes mit Proteinase
K die Zellen zerstört
und hochmolekulare Proteine zu oligomeren Peptiden verdaut.
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Zu
50μl der
betreffenden Lysates wurden 120μl
eines Bindungspuffer bestehend aus einer 6M Lösung von Guanidinthiocyanat,
gegeben. Beide Flüssigkeiten
wurden gut durchmischt und mit 10μl einer
Suspension des im Beispiel 2 hergestellten Kiesel gels (Gehalt 0,4mg/μl) versetzt
und ebenfalls durchmischt. Der Komplex Nukleinsäure/Kieselgel wurde durch Anlegen
eines Permanentmagneten an der Gefäßwand konzentriert und der überstand
verworfen. Nach 2maligem Waschen des Kieselgels mit 70%igen wässrigem
Ethanol und 10minütigem Trocknen
bei Raumtemperatur konnten die an das Kieselgel gebundenen Desoxyribonukleinsäuren in 20μl bei Raumtemperatur
Wasser eluiert werden. Die nachfolgende Elution der Ribonukleinsäure erfolgte mit
20μl RNAse-freiem
Wasser bei 55°C.