DE20005738U1 - Device for examining the molecular interactions of soluble or suspendable active substances with solid-phase-bound peptide or peptoid target molecules through capillary plates with a large inner surface - Google Patents
Device for examining the molecular interactions of soluble or suspendable active substances with solid-phase-bound peptide or peptoid target molecules through capillary plates with a large inner surfaceInfo
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Description
Vorrichtung zur Untersuchung der molekularen Wechselwirkungen von löslichen oder suspendierbaren Wirkstoffen mit festphasen-gebundenen peptidischen oder peptoiden Zielmolekülen durch Kapillarplatten mit großer innerer OberflächeDevice for investigating the molecular interactions of soluble or suspendable active substances with solid-phase-bound peptide or peptoid target molecules through capillary plates with a large inner surface
Im Gegensatz zu festphasen-immobilisierten miniaturisierten Nukleinsäurebibliotheken, über die eine Vielzahl von Publikationen in Fachzeitschriften und Patenten existieren (S.P.A. Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; E.M. Southern et al. (1992), Analyzing and comparing nucleic acid sequences by hybridization to arrays of oligonucleotides: evaluation using experimental models. Genomics 13:1008-1017; G. McGaIl. et al. (1996), Light-directed synthesis of high-density oligonucleotide arrays using semiconductor photoresists. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 26:13555-13560; M. Chee et al. (1996), Accessing genetic information with high density DNA arrays. Science 274:610-614; S. Singh-Gasson et al. (1999), Maskless fabrication of light-directed oligonucleotide microarrays using a digital micromirror array. Nat. Biotechnol. 17:974-978; S.P.A. Fodor et al. (1995), Arrays of materials attached to a substrate. US 5744305; S.P.A. Fodor et al. (1995), Very large scale immobilized polymer synthesis. US 5424186; GH. McGaIl et al. In contrast to solid-phase immobilized miniaturized nucleic acid libraries, about which a large number of publications in specialist journals and patents exist (SPA Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; EM Southern et al. (1992), Analyzing and comparing nucleic acid sequences by hybridization to arrays of oligonucleotides: evaluation using experimental models. Genomics 13:1008-1017; G. McGaIl. et al. (1996), Light-directed synthesis of high-density oligonucleotide arrays using semiconductor photoresists. Proc. Natl. Acad. Sei. USA 26:13555-13560; M. Chee et al. (1996), Accessing genetic information with high density DNA arrays. Science 274:610-614; S. Singh-Gasson et al. (1999), Maskless fabrication of light-directed oligonucleotide microarrays using a digital micromirror array. Nat. Biotechnol. 17:974-978; SPA Fodor et al. (1995), Arrays of materials attached to a substrate. US 5744305; SPA Fodor et al. (1995), Very large scale immobilized polymer synthesis. US 5424186; GH. McGail et al.
(1995), Spatially-addressable immobilization of oligonucleotides and other biological polymers on surfaces. US 5412087; A:S. Heuermann (1999), Method and device for photolithographic production of DNA, PNA and protein chips. WO 9960156A2; G.H. McGaIl und NQ. Nam (2000), Synthesis of oligonucleotide arrays using photocleavable protecting groups. US 6022963) sind festphasen-immobilisierte stark miniaturisierte Peptid- oder Peptidomimetika-Bibliotheken bislang nur in wenigen Arbeiten beschrieben worden (S.P.A. Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; CP. Holmes et al. (1995), The use of light-directed combinatorial peptide synthesis in epitope mapping. Biopolymers 37:199-211; M. C. Pirrung et al (1992), Large scale photolithographic solid phase synthesis of polypeptides and receptor binding thereof. US 5143854; M.C. Pirrung et al. (1995), Large scale photolithographic solid phase synthesis of an array of polymers. US 5405783). (1995), Spatially-addressable immobilization of oligonucleotides and other biological polymers on surfaces. US 5412087; A:S. Heuermann (1999), Method and device for photolithographic production of DNA, PNA and protein chips. WO 9960156A2; GH McGaIl and NQ. Nam (2000), Synthesis of oligonucleotide arrays using photocleavable protecting groups. US 6022963), solid phase-immobilized, highly miniaturized peptide or peptidomimetic libraries have so far only been described in a few works (SPA Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; CP . Holmes et al. (1995), The use of light-directed combinatorial peptide synthesis in epitope mapping. MC Pirrung et al. (1992), Large scale photolithographic solid phase synthesis of polypeptides and receptor binding. US 5143854; MC Pirrung et al. (1995), Large scale photolithographic solid phase synthesis of an array of polymers.
Einer der Hauptgründe, warum miniaturisierte Peptidbibliotheken, sog. „Peptid-Chips", bislang noch keine weite Verbreitung gefunden haben, ist der relativ große Aurwand beiOne of the main reasons why miniaturized peptide libraries, so-called "peptide chips", have not yet found widespread use is the relatively high cost of
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der Herstellung solcher Anordungen, falls die üblichen, bei „DNA-Chips" verwendeten, photolithographischen Syntheseverfahren auf planaren Trägern zum Einsatz kommen. Diese Verfahren machen sich im Falle der Nukleinsäuren die Tatsache zu Nutze, daß es nur 4 verschiedene natürlich vorkommende Nukleotide (Desoxyadenosin, Desoxycytidin, Desoxyguanosin und Thymidin) für den Aufbau von Desoxyribonukleinsäureoligomeren gibt, daß die Kopplungszeiten beim Aufbau der Oligonukleotide relativ kurz (weniger als 30 min) und die Ausbeuten der einzelnen Kopplungsschritte sehr gut (mehr als 99%) sind. Alle drei Kriterien haben entscheidenden Einfluß auf die Herstellungsdauer für solche Chips und damit die Wirtschaftlichkeit des gesamten Vorgangs.the production of such arrangements if the usual photolithographic synthesis processes on planar supports used for "DNA chips" are used. In the case of nucleic acids, these processes make use of the fact that there are only 4 different naturally occurring nucleotides (deoxyadenosine, deoxycytidine, deoxyguanosine and thymidine) for the construction of deoxyribonucleic acid oligomers, that the coupling times for the construction of the oligonucleotides are relatively short (less than 30 minutes) and that the yields of the individual coupling steps are very good (more than 99%). All three criteria have a decisive influence on the production time for such chips and thus the economic efficiency of the entire process.
Bei der photolithographischen Synthese von Oligonukleotiden wird zunächst ein mit einer photolabilen Schutzgruppe vollständig geschützter Träger an den Stellen, an denen z.B. ein Thymidinphosphat aufgebracht werden soll, ortsgerichtet durch Bestrahlung mit Licht entschützt und dann der ganze Träger mit am 5'-OH photolabil geschütztem Thymidinphosphoamidit und geeigneten Kopplungsreagenzien inkubiert. Die Kopplung erfolgt so nur an den gewünschten Stellen und der ganze Prozess muss für die drei anderen Nukleotide wiederholt werden bevor das erste Dinukleotid synthetisiert werden kann. Bei einem Chip, der mit 20-mer Oligonukleotiden belegt wird, sind daher 80 Kopplungs-, Wasch- und Entschützungszyklen erforderlich.In the photolithographic synthesis of oligonucleotides, a carrier that is completely protected with a photolabile protective group is first deprotected by irradiation with light at the points where, for example, a thymidine phosphate is to be applied, and then the entire carrier is incubated with thymidine phosphoamidite that is photolabile protected at the 5'-OH and suitable coupling reagents. Coupling thus only takes place at the desired points and the entire process must be repeated for the other three nucleotides before the first dinucleotide can be synthesized. For a chip that is coated with 20-mer oligonucleotides, 80 coupling, washing and deprotection cycles are therefore required.
Beim Peptid ist jedoch die Zahl der Komponenten, die zur Kopplung eingesetzt werden können, deutlich höher als im Falle der Nukleinsäuren. Es gibt 20 proteinogene Aminosäuren, einige natürlich vorkommende nicht-proteinogene Aminosäuren (z.B. Ornithin), die gleiche Zahl an entsprechenden D-Aminosäuren sowie eine kontinuierlich steigende Zahl von artifiziellen Aminosäuren, wie z.B. Cyclohexylalanin, Aminoisobuttersäure, Norvalin, etc., ebenfalls jeweils in D- und L-Form. Zusammengenommen kann davon ausgegangen werden, daß zur Zeit etwa 100 verschiedene Aminosäuren zur chemischen Synthese von Peptiden und Peptidomimetika zur Verfügung stehen. Werden - konservativ betrachtet - nur die Hälfte dieser Reagenzien zur Synthese einer Substanzbibliothek eingesetzt, ergeben sich 1.000 Kopplungs- und Entschützungszyklen bei der Synthese einer 20-mer Peptid- bzw. Peptidomimetikabibliothek. Darüberhinaus liefert die Festphasenpeptidsynthese in der Regel Kopplungausbeuten von 85-90% bei Reaktionszeiten von etwa 30 min, so daß üblicherweise mindestens eine Wiederholung des Kopplungsschritts mit frischen Reagenzien notwendig ist, um die erforderlichen Syntheseausbeuten zu erzielen. DiesHowever, in the case of peptides, the number of components that can be used for coupling is significantly higher than in the case of nucleic acids. There are 20 proteinogenic amino acids, some naturally occurring non-proteinogenic amino acids (e.g. ornithine), the same number of corresponding D-amino acids and a continuously increasing number of artificial amino acids, such as cyclohexylalanine, aminoisobutyric acid, norvaline, etc., also in D and L forms. Taken together, it can be assumed that around 100 different amino acids are currently available for the chemical synthesis of peptides and peptidomimetics. If - conservatively speaking - only half of these reagents are used to synthesize a substance library, 1,000 coupling and deprotection cycles result in the synthesis of a 20-mer peptide or peptidomimetic library. In addition, solid phase peptide synthesis usually yields coupling yields of 85-90% with reaction times of about 30 min, so that usually at least one repetition of the coupling step with fresh reagents is necessary to achieve the required synthesis yields. This
bedeutet, daß extrem lange Synthesezeiten von Wochen bis hin zu mehreren Monaten für die Herstellung einer auf einem zweidimensionalen Träger immobilisierten Peptid- oder Peptidomimetikabibliothek einkalkuliert werden müssen, wenn nach photolithographischen Verfahren vorgegangen wird. Folglich wurden bislang nur photolitographische Synthesen von kurzen Peptiden geringer Sequenzvariabilität beschrieben (S. P.A. Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; CP. Holmes et al. (1995), The use of lightdirected combinatorial peptide synthesis in epitope mapping. Biopolymers 37:199-211; M.C. Pirrung et al. (1992), Large scale photolithographic solid phase synthesis of polypeptides and receptor binding thereof. US 5143854). means that extremely long synthesis times of weeks to several months must be taken into account for the production of a peptide or peptidomimetic library immobilized on a two-dimensional support when photolithographic processes are used. Consequently, only photolithographic syntheses of short peptides with low sequence variability have been described to date (SPA Fodor et al. (1991), Light-directed, spatially addressable parallel chemical synthesis. Science 251:767-773; CP. Holmes et al. (1995), The use of lightdirected combinatorial peptide synthesis in epitope mapping. Biopolymers 37:199-211; MC Pirrung et al. (1992), Large scale photolithographic solid phase synthesis of polypeptides and receptor binding thereof. US 5143854).
Ein alternatives Verfahren, das die Zahl der Arbeitsschritte erheblich reduziert, beruht auf der gleichzeitigen Entschützung aller trägergebundenen Reaktionspartner gefolgt von der parallelen oder sequentiellen ortsgerichteten Applikation der unterschiedlichen Aminosäurereaktionsmischungen in definierte Probenareale. Damit können auch Bibliotheken aus längeren und komplexen Peptiden oder Peptidomimetika in einem akzeptablen Zeitrahmen synthetisiert werden. Hauptproblem hierbei ist allerdings die zu erwartende Kreuzkontamination der Reaktanden, wenn die Probenareale dicht beieinander liegen. Eine dichte Packung der Probenareale wiederum ist wünschenswert, um die Substanzbibliothek ausreichend zu miniaturisieren.An alternative method that significantly reduces the number of steps is based on the simultaneous deprotection of all carrier-bound reaction partners followed by the parallel or sequential site-directed application of the different amino acid reaction mixtures into defined sample areas. This also allows libraries of longer and complex peptides or peptidomimetics to be synthesized within an acceptable time frame. The main problem here, however, is the expected cross-contamination of the reactants if the sample areas are close to one another. A dense packing of the sample areas is desirable in order to sufficiently miniaturize the substance library.
Eine mögliche Lösung des Problems besteht in der Erhöhung der Grenzflächenspannung in den Bereichen zwischen den Probenarealen des planaren Trägers, so daß die Reaktionsmischungen als kleine Tröpfchen im Bereich der Probenareale verharren. Um dieses Ziel zu erreichen, muß die Trägeroberfläche zwischen den Probenarealen fiuoralkyliert werden, wie in TM. Brennan (1995), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on &agr; support surface, US 5474796; TM. Brennan (1997), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on &agr; support surface, EP 703825B1 und TM. Brennan (1999), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on &agr; support surface, US 5985551 beschrieben. Das Verfahren besitzt allerdings den Nachteil, daß die Tropfen ohne schützende Ummantelung stark der Verdunstung ausgesetzt sind, was insbesondere bei sehr kleinen Probenvolumina ein erhebliches Problem darstellen kann.
Eine alternative Lösung des Kreuzkontaminationsproblems besteht in der Verwendung einer porösen Membran, die die Aminosäurereaktionsmischung am Ort der ApplikationOne possible solution to the problem is to increase the interfacial tension in the areas between the sample areas of the planar support so that the reaction mixtures remain as small droplets in the area of the sample areas. To achieve this goal, the support surface between the sample areas must be fluoroalkylated, as described in TM. Brennan (1995), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on α support surface, US 5474796; TM. Brennan (1997), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on α support surface, EP 703825B1 and TM. Brennan (1999), Method and apparatus for conducting an array of chemical reactions on α support surface, US 5985551. However, the method has the disadvantage that the drops are highly exposed to evaporation without a protective coating, which can be a significant problem , especially with very small sample volumes.
An alternative solution to the cross-contamination problem is to use a porous membrane that collects the amino acid reaction mixture at the site of application
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sofort aufsaugt (R. Frank (1992), Spot synthesis: an easy technique for the positionally addressable, parallel chemical synthesis on &agr; membrane support. Tetrahedron 48:9217-9232; R. Frank und S. Güler (1992), Verfahren zur schnellen Synthese von trägergebundenen oder freien Peptiden oder Oligonukleotiden, damit hergestelltes Flachmaterial, Verwendung sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. WO 92/04366; J. Schneider-Mergener (1994), Verfahren zur Synthese und Selektionierung von Sequenzen aus kovalent verbundenen Bausteinen. WO 94/20521). Die ungeordneten Kapillaren in der porösen Membran führen bei zunehmender Miniaturisierung der Probenareale allerdings zu einer Kreuzkontamination und die relativ große Oberfläche der Membran führt auch bei diesem Verfahren zur Verdunstung des Lösungsmittels und damit u.U. auch zu einer Beeinträchtigung der Kopplungsreaktion. Ein weiteres Problem, das beim Einsatz der hier üblicherweise verwendeten Zellulosemembranen auftritt, ist eine zum Teil sehr starke Heterogenität des synthetisierten Produktes. Bei einer massenspektroskopischen Untersuchung des gesamten von einem Probenareal abgelösten Materials findet man sowohl aminoterminal als auch carboxyterminal verkürzte Peptide, die dadurch entstehen, daß aus sterischen Gründen innerhalb der Membran die Synthese zu früh abbricht und daß Kettenneustarts durch Veresterung von Aminosäuren direkt am Zellulosesubstrat auch in späteren Synthesezyklen noch stattfinden können. Es werden insbesondere um 1-4 Aminosäuren carboxyterminal verkürzte Peptide nachgewiesen (D. Goehmann und A. Frey, unveröffentlichte Resultate). Eine komplette Blockierung der Hydroxylgruppen der Zellulose durch Acetylierung oder ähnliche Maßnahmen zur Verhinderung von Kettenneustarts verbietet sich, da der Träger dadurch eine höhere Löslichkeit in den üblicherweise zur Festphasenpeptidsynthese verwendeten Lösungsmitteln gewinnt und erheblich an mechanischer Stabilität verliert (D. Goehmann und A. Frey, unveröffentlichte Resultate). Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Membranen besteht in ihren optischen Eigenschaften. Insbesondere Zellulosemembranen weisen eine starke Eigenfluoreszenz im Emissionsbereich vieler handelsüblicher Fluorophore auf, so daß die Empfindlichkeit des Nachweises von Wirkstoffen, die an die Zielmoleküle binden, stark reduziert ist (J. Helfmann, unveröffentlichte Resultate).immediately absorbed (R. Frank (1992), Spot synthesis: an easy technique for the positionally addressable, parallel chemical synthesis on α membrane support. Tetrahedron 48:9217-9232; R. Frank and S. Güler (1992), Process for the rapid synthesis of support-bound or free peptides or oligonucleotides, flat material produced thereby, use and device for carrying out the process. WO 92/04366; J. Schneider-Mergener (1994), Process for the synthesis and selection of sequences from covalently linked building blocks. WO 94/20521). However, the disordered capillaries in the porous membrane lead to cross-contamination with increasing miniaturization of the sample areas and the relatively large surface area of the membrane also leads to evaporation of the solvent in this process and thus under certain circumstances also to an impairment of the coupling reaction. Another problem that occurs when using the cellulose membranes usually used here is the sometimes very strong heterogeneity of the synthesized product. In a mass spectroscopic examination of the entire material detached from a sample area, both amino-terminal and carboxy-terminal shortened peptides are found. These are caused by the fact that the synthesis stops too early within the membrane for steric reasons and that chain restarts can still take place in later synthesis cycles through esterification of amino acids directly on the cellulose substrate. In particular, peptides that are carboxy-terminally shortened by 1-4 amino acids are detected (D. Goehmann and A. Frey, unpublished results). Complete blocking of the hydroxyl groups of the cellulose by acetylation or similar measures to prevent chain restarts is not permitted, as this increases the solubility of the carrier in the solvents usually used for solid-phase peptide synthesis and significantly reduces mechanical stability (D. Goehmann and A. Frey, unpublished results). Another disadvantage of using membranes is their optical properties. Cellulose membranes in particular exhibit strong intrinsic fluorescence in the emission range of many commercially available fluorophores, so that the sensitivity of the detection of active substances that bind to the target molecules is greatly reduced (J. Helfmann, unpublished results).
Ein weiterer Ansatz zur Lösung des Kreuzkontaminationsproblems bei der Beschickung eines planaren Trägers mit einer Substanzbibliothek besteht in der Verwendung eines Mikroreaktorsystems, bei dem der planare Träger eine Gefäßwand für eine Vielzahl vonAnother approach to solving the cross-contamination problem when loading a planar support with a compound library is to use a microreactor system in which the planar support forms a vessel wall for a variety of
Reaktionskavitäten und zugleich das Trägermedium für die Zielmoleküle darstellt. Die so allseitig umschlossenen Reaktionskavitäten werden z.B. durch Umpositionieren des Mikroreaktorblocks oder mit Hilfe von Mikrokanälen, elektroosmotischen Pumpen und Mikroventilen im Reaktorblock gezielt mit den gewünschten Reagenzien und Waschlösungen versorgt. Abfallprodukte werden auf analoge Weise entfernt (J.L. Winkler et al. (1995), Very large scale immobilized polymer synthesis using mechanically directed flow paths. US 5384261; PJ. Zanzucchi et al. (1997), Method of synthesis of plurality of compounds in parallel using a partitioned solid support. US 5643738; PJ. Zanzucchi et al. (1998), Partitioned microelectronic device array. US 5755942; S.C. Cherukuri et al. (1999), Method and system for inhibiting crosscontamination in fluids of combinatorial chemistry device. US 5980704). Ein entscheidender Nachteil solcher Anordnungen ist jedoch ihre Anfälligkeit gegen partikuläre Verunreinigungen in den Reaktionslösungen, insbesondere wenn die Kanäle nur wenige Mikrometer Durchmesser aufweisen und die Flußrichtung der Reagenzien und Abfallprodukte im Mikroreaktorblock mehrfach geändert wird. Die Gefahr einer Verstopfung des Mikroreaktorsystems ist insbesondere bei Kopplungsreaktionen mit Carbodiimiden sehr groß, da die hierbei entstehenden organischen Harnstoffderivate eine starke Tendenz zur Kristallisation aufweisen. Im ungünstigsten Fall muß dann der komplette Mikroreaktorblock ersetzt werden.reaction cavities and at the same time the carrier medium for the target molecules. The reaction cavities thus enclosed on all sides are supplied with the desired reagents and washing solutions, for example by repositioning the microreactor block or with the help of microchannels, electroosmotic pumps and microvalves in the reactor block. Waste products are removed in an analogous manner (JL Winkler et al. (1995), Very large scale immobilized polymer synthesis using mechanically directed flow paths. US 5384261; PJ. Zanzucchi et al. (1997), Method of synthesis of plurality of compounds in parallel using a partitioned solid support. US 5643738; PJ. Zanzucchi et al. (1998), Partitioned microelectronic device array. US 5755942; SC Cherukuri et al. (1999), Method and system for inhibiting crosscontamination in fluids of combinatorial chemistry device. US 5980704). A crucial disadvantage of such arrangements, however, is their susceptibility to particulate contamination in the reaction solutions, particularly when the channels are only a few micrometers in diameter and the flow direction of the reagents and waste products in the microreactor block is changed several times. The risk of blockage of the microreactor system is particularly high in coupling reactions with carbodiimides, since the organic urea derivatives produced in this process have a strong tendency to crystallize. In the worst case, the entire microreactor block must then be replaced.
Die existierenden bzw. in der Literatur oder Patenten beschrieben Verfahren weisen alle erhebliche Nachteile auf. Es wird entweder keine große Oberfläche und damit keine hohe Nachweisempfindlichkeit bei kleinen äußeren Abmessungen geboten oder die Synthesezeiten sind insgesamt zu lang. Der optische Nachweis wird durch Eigenfluoreszenz stark gestört und Kettenabbrüche führen zu einer inhomogenen Probe. Bei dichter Packung der Substanzbibliothek ist eine Kreuzkontamination zwischen verschiedenen Probenarealen zu beobachten. Bei kleinen Volumina beeinflußt die Verdunstung die Ergebnisse. Die Handhabung ist umständlich oder sehr empfindlich gegen Partikel.The existing methods or those described in the literature or patents all have significant disadvantages. Either they do not offer a large surface area and therefore no high detection sensitivity with small external dimensions, or the synthesis times are too long overall. The optical detection is greatly impaired by self-fluorescence and chain terminations lead to an inhomogeneous sample. If the substance library is densely packed, cross-contamination between different sample areas can be observed. With small volumes, evaporation influences the results. Handling is cumbersome or very sensitive to particles.
Die Nachweisempfindlichkeit für die Wechselwirkung (z.B. Bindung) von Wirkstoffen in der Flüssigphase mit festphasen-gebundenen Zielmolekülen wird wesentlich bestimmt durch die Anzahl der festphasen-gebundenen Zielmoleküle. Bei einem ideal planaren Träger ist die zur Bindung zur Verfügung stehende feste Phase auf die äußere Oberfläche des Trägers begrenzt. Ein optisches Nachweissystem (z.B. Fluoreszenzdetektion) ist jedoch immer in der Lage, zusätzlich ein bestimmtes Volumen ober- und unterhalb der äußeren Oberfläche zu erfassen.The detection sensitivity for the interaction (e.g. binding) of active substances in the liquid phase with solid-phase-bound target molecules is essentially determined by the number of solid-phase-bound target molecules. With an ideally planar carrier, the solid phase available for binding is limited to the outer surface of the carrier. However, an optical detection system (e.g. fluorescence detection) is always able to additionally detect a certain volume above and below the outer surface.
Die Erfindung betrifft eine Struktur, die aus Glas, Quarz, Keramik, Kunststoff, Halbmetall oder Metall bestehen kann und durch eine hohe Dichte kleiner Kapillaren [1] (Durchmesser 5-100 &mgr;&idiagr;&eegr;) eine große innere Oberfläche mit einem Mehrfachen der äußeren Oberfläche besitzt (siehe Figur 1). Die gesamte Dicke dieser Kapillarplatte [4] (Dicke bis zu 10 mm) und damit die gesamte Länge der Kapillaren [1] und deren Oberfläche wird durch eine Nachweisapparatur erfaßt. Da die maximale Belegung (Anzahl von Molekülen) der Kapillarplatte [4] durch die Größe der inneren Oberfläche bestimmt ist, und diese im Vergleich zur äußeren Oberfläche um ein Vielfaches (100-bis 1000-fach) größer ist, erhöht sich im gleichen Maße die Nachweisempfindlichkeit bei Nutzung der Kapillarplatte [4] gegenüber einer planaren Probenanordnung.The invention relates to a structure which can consist of glass, quartz, ceramic, plastic, semi-metal or metal and which, due to a high density of small capillaries [1] (diameter 5-100 μm), has a large inner surface which is several times the outer surface (see Figure 1). The entire thickness of this capillary plate [4] (thickness up to 10 mm) and thus the entire length of the capillaries [1] and their surface is recorded by a detection apparatus. Since the maximum occupancy (number of molecules) of the capillary plate [4] is determined by the size of the inner surface, and this is many times (100 to 1000 times) larger than the outer surface, the detection sensitivity increases to the same extent when using the capillary plate [4] compared to a planar sample arrangement.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß auf einer silanisierten Oberfläche in hoher Qualität peptidische und peptoide Moleküle synthetisiert werden können und die Zahl der Kettenneustarts fast vollständig eliminiert werden kann. Wenn zusätzlich noch ein verlängertes Ankermolekül, das als Abstandshalter dient, zwischen die Oberfläche und das Zielmolekül gekoppelt wird, werden die Kettenabbrüche stark reduziert und die Zugänglichkeit für die Wirkstoffe erheblich verbessert.Surprisingly, it has been shown that high-quality peptide and peptoid molecules can be synthesized on a silanized surface and the number of chain restarts can be almost completely eliminated. If an extended anchor molecule, which serves as a spacer, is additionally coupled between the surface and the target molecule, the chain terminations are greatly reduced and the accessibility of the active ingredients is significantly improved.
Zur Herstellung einer Bibliothek von Zielmolekülen, von der jede einzelne Spezies oder definierte Mischungen bestimmter Spezies an vorher definierte Bereiche der Kapillarplatte [4] synthetisiert oder gebunden werden, muß zunächst die innere Oberfläche der Kapillarplatte [4] zur kovalenten Bindung der Zielmoleküle befähigt werden. Dies geschieht durch Aufbringen einer Organosilanschicht, die funktioneile Gruppen zur Verankerung von peptidischen oder peptoiden Zielmolekülen aufweist. Vorzugsweise wird dazu ein &ggr;-Aminopropyltrialkoxysilan verwendet, es sind aber auch andere organofunktionelle Silane, wie z.B. &ggr;-Mercaptopropyltrialkoxysilan, für diesen Zweck geeignet. Bei Verwendung von Metall- oder Halbmetallkapillarplatten mußIn order to produce a library of target molecules, each of which can be synthesized or bound to a specific area of the capillary plate [4], the inner surface of the capillary plate [4] must first be made capable of covalently binding the target molecules. This is done by applying an organosilane layer that has functional groups for anchoring peptide or peptoid target molecules. Preferably, a γ-aminopropyltrialkoxysilane is used for this purpose, but other organofunctional silanes, such as γ-mercaptopropyltrialkoxysilane, are also suitable for this purpose. When using metal or semi-metal capillary plates,
zuvor eine Oxidschicht zur Bindung des Silans mittels Oberflächenoxidation der Kapillarplatte geschaffen werden.An oxide layer must first be created to bind the silane by surface oxidation of the capillary plate.
Auf dieser organofunktionalisierten Kapillarplatte [4] wird dann durch ortsabhängiges Aufbringen (z.B. durch Pipettieren) einer Substanz jeweils ein Probenareal [3] angelegt.A sample area [3] is then created on this organofunctionalized capillary plate [4] by applying a substance at a specific location (e.g. by pipetting).
Bei der Substanz kann es sich im einfachsten Falle um ein Reagenz handeln, das die zur Bindung vorgesehenen funktionellen Gruppen der Organosilanschicht temporär schützt. In einer vorzugsweisen Ausführungsform wird allerdings ein Ankermolekül in den Probenarealen [3] aufgebracht, mit dem die Zielmoleküle zwischen 0,5 bis 20 nm über die innere Oberfläche der Kapillarplatte [4] hinausgehoben werden können, um so eine bessere Wirkstoffbindung zu ermöglichen. Als Ankerreagenz wird z.B. Fluorenylmethoxycarbonyl (FMOC)-geschützter a-Amino-poly(ethylenglycol)-copropionsäure-N-hydroxybenzotriazolester
verwendet.In the simplest case, the substance can be a reagent that temporarily protects the functional groups of the organosilane layer intended for binding. In a preferred embodiment, however, an anchor molecule is applied to the sample areas [3], with which the target molecules can be raised between 0.5 and 20 nm above the inner surface of the capillary plate [4] in order to enable better binding of the active substance. Fluorenylmethoxycarbonyl (FMOC)-protected a-amino-poly(ethylene glycol)-copropionic acid-N-hydroxybenzotriazole ester is used as an anchor reagent.
used.
Anschließend werden alle nicht mit Schutz- oder Ankerreagentien derivatisierten Bereiche der Kapillarplatte [4] chemisch so abgesättigt, daß dort zu einem späteren Zeitpunkt weder eine Synthese oder Kopplung von Zielmolekülen noch eine unspezifische Bindung von Wirkstoffen erfolgen kann.Subsequently, all areas of the capillary plate [4] that are not derivatized with protective or anchoring reagents are chemically saturated in such a way that neither synthesis or coupling of target molecules nor nonspecific binding of active substances can occur there at a later point in time.
Durch Kenntnis der Substanz, die an jedem Ort gebunden bzw. synthetisiert wird, ist eine parallele Analyse der Wechselwirkungen von verschiedenen Zielmolekülen mit applizierten Wirkstoffen möglich. Voraussetzung dafür ist, daß keine wechselseitige Verunreinigung beim ortsabhängigen Aufbringen oder Synthetisieren der Zielmoleküle geschieht.By knowing the substance that is bound or synthesized at each location, a parallel analysis of the interactions of different target molecules with applied active substances is possible. The prerequisite for this is that no mutual contamination occurs during the location-dependent application or synthesis of the target molecules.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens wird dies durch die parallele Anordung der senkrecht zur Plattenoberfläche verlaufenden Kapillaren [1], die nur zu den äußeren Plattenoberflächen hin offen sind, erreicht. Durch das somit erzielte Fehlen jeglicher Querverbindungen zwischen verschiedenen Probenarealen [3] werden Kreuzkontaminationen auch bei großer Dichte der Probenareale [3] erfolgreich verhindert. Ein Probenareal [3] umfaßt mehrere (z.B. bis zu 4.000) Kapillaren [I]. Aufpipettierten Substanzen werden in die Kapillaren [1] gezogen, was je nach Flüssigkeit auch durch Erzeugen eines Unterdrucks auf einer Kapillarplattenseite unterstützt wird. Ein Fließen aus den Kapillaren [1] heraus über mehrere Kapillaren [1] hinweg in ein anderes Probenareal [3] ist ausgeschlossen, da die Flüssigkeit durch Kapillarkraft in der Kapillare gehalten wird. Ein Heraustropfen von Lösungen aus den Kapillaren [1] aufgrund sehr geringer Viskosität wird bei diesen Flüssigkeiten durchIn a continuation of the inventive concept, this is achieved by the parallel arrangement of the capillaries [1] running perpendicular to the plate surface, which are only open to the outer plate surfaces. The resulting absence of any cross-connections between different sample areas [3] successfully prevents cross-contamination even when the sample areas [3] are very dense. A sample area [3] comprises several (e.g. up to 4,000) capillaries [I]. Pipetted substances are drawn into the capillaries [1], which, depending on the liquid, is also supported by generating a negative pressure on one side of the capillary plate. Flowing out of the capillaries [1] across several capillaries [1] into another sample area [3] is impossible, since the liquid is held in the capillary by capillary force. Solutions dripping out of the capillaries [1] due to very low viscosity is prevented with these liquids by
eine dicht an die Unterseite der Kapillarplatte [4] positionierte Platte [12] (Figur 2) mit hydro- und oleophober Oberfläche wirksam unterdrückt.A plate [12] (Figure 2) with a hydro- and oleophobic surface positioned close to the underside of the capillary plate [4] effectively suppresses this.
In Fortsetzung des Erfindungsgedankens ist aufgrund der nach beiden äußeren Plattenoberflächen hin offenen Kapillaren [1] auch eine einfache Automatisierung einer in der Kapillarplatte [4] durchgeführten Festphasenpeptidsynthese möglich. Eine Apparatur zur synchronen Applikation von Wasch- und Reagenzlösungen auf alle Bereiche der Kapillarplatte [4] ist in Figur 2 dargestellt.In continuation of the inventive concept, a simple automation of a solid-phase peptide synthesis carried out in the capillary plate [4] is also possible due to the capillaries [1] being open to both outer plate surfaces. An apparatus for the synchronous application of washing and reagent solutions to all areas of the capillary plate [4] is shown in Figure 2.
Die Inkubation der Substanzbibliothek mit Wirkstofflösungen oder -suspensionen sowie Spülvorgänge davor und danach werden in einer bevorzugten Ausführungsform mit einem einfachen Aufbau durchgeführt, wie er in Figur 3 dargestellt ist.The incubation of the substance library with active substance solutions or suspensions as well as rinsing processes before and after are carried out in a preferred embodiment with a simple setup as shown in Figure 3.
Die Analyse der Wirkstoffbindung geschieht in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel optisch anhand von Fluoreszenzmarkierungen durch Bindung eines Fluorophors an die Wirkstoffe. In einer alternativen Ausführungsform sind die Fluorophore an die Zielmoleküle gebunden. In Figur 4 ist eine Nachweisapparatur zum Auslesen der Fluoreszenz gezeigt. Zum Auslesen wird das einzelne Probenvolumen, das sich aus der Dicke der Kapillarplatte und dem Probenbereich [3] zusammensetzt, sowohl von Anregungslicht vollständig durchsetzt als auch von der Detektionsoptik vollständig erfaßt. Die Vielzahl der Probenorte wird durch zeitlich sequentielles Abrastern erfasst, wobei entweder die Kapillarplatte zweidimensional unter der ortsfesten optischen Anordnung bewegt wird oder der Strahlengang über die Kapillarplatte bewegt wird. Die Verwendung von Quarz oder Glas als Material für die Kapillarplatte minimiert hier erfindungsgemäß den Einfluß der störenden Fremdfluoreszenz.In a preferred embodiment, the analysis of the active ingredient binding is carried out optically using fluorescent labels by binding a fluorophore to the active ingredients. In an alternative embodiment, the fluorophores are bound to the target molecules. Figure 4 shows a detection apparatus for reading the fluorescence. For reading, the individual sample volume, which is made up of the thickness of the capillary plate and the sample area [3], is both completely penetrated by excitation light and completely captured by the detection optics. The large number of sample locations is captured by temporally sequential scanning, whereby either the capillary plate is moved two-dimensionally under the stationary optical arrangement or the beam path is moved over the capillary plate. The use of quartz or glass as the material for the capillary plate minimizes the influence of the disturbing external fluorescence according to the invention.
Detaillierte Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in einer bevorzugten AusführungsformDetailed description of the inventive solution in a preferred embodiment
Es wird beschrieben wie die gesamte Kapillarplatte hergestellt wird. Anschließend werden die Probenareale erzeugt und darauf die Substanzen synthetisiert. Für alle Vorgänge, der die Kapillarplatte vollständig ausgesetzt wird, wie z.B. Waschen, ist eine automatisierte Vorrichtung beschrieben. Diese Vorrichtung ist mit einem Pipettierroboter kombiniert, so daß die Kapillarplatte in der gleichen Vorrichtung gewaschen und entschützt werden kann sowie die einzelnen Syntheseschritte durchgeführt werden können. Zur Untersuchung der Bindung eines Wirkstoffs an die Substanzbibliothek wird eine weitere Vorrichtung beschrieben, in die die KapillarplatteIt is described how the entire capillary plate is manufactured. The sample areas are then created and the substances are synthesized on them. An automated device is described for all processes to which the capillary plate is fully exposed, such as washing. This device is combined with a pipetting robot so that the capillary plate can be washed and deprotected in the same device and the individual synthesis steps can be carried out. To investigate the binding of an active substance to the substance library, another device is described into which the capillary plate
HF 200 05730 UlHF 200 05730 Ul
eingelegt wird und mit dem Wirkstoff in Kontakt gebracht wird. Hierin wird gleichzeitig der optische Nachweis der Bindung durchgeführt.and brought into contact with the active ingredient. At the same time, optical detection of the binding is carried out.
Die Kapillarplatte wird durch Ätzen aus homogenem Glas, in einem alternativen Verfahren aus heterogenem Glas, hergestellt. Das Oxidieren von Silizium und Metalloberflächen und Silanisieren von Glas-, Quarz-, Silizium-, Keramik- sowie oxidierten Silizium- oder Metalloberflächen ist Stand der Technik und wurde in der Fach- und Patentliteratur bereits vielfach beschrieben (z.B. zur Oberflächenoxidation eines Siliziumträgers: A. W. Flounders et al. (1997), Patterning of immobilized antibody layers via photolithography and oxygen plasma exposure. Biosensors Bioelectronics 12:447-456; z.B. zur Silanisierung: M. Lynn (1975), Inorganic support intermediates: covalent coupling of enzymes on inorganic supports. In: „Immobilized Enzymes, Antigens, Antibodies and Peptides", H.H. Weetall, Hrsg., Marcel Dekker, New York, NY, USA, pp. 1-48; HM. Weetall (1976), Covalent coupling methods for inorganic support materials. Methods Enzymol. 44:134-148). The capillary plate is manufactured by etching from homogeneous glass, or in an alternative process from heterogeneous glass. The oxidation of silicon and metal surfaces and the silanization of glass, quartz, silicon, ceramic and oxidized silicon or metal surfaces is state of the art and has already been described many times in the specialist and patent literature (e.g. for the surface oxidation of a silicon carrier: AW Flounders et al. (1997), Patterning of immobilized antibody layers via photolithography and oxygen plasma exposure. Biosensors Bioelectronics 12:447-456; e.g. for silanization: M. Lynn (1975), Inorganic support intermediates: covalent coupling of enzymes on inorganic supports. In: "Immobilized Enzymes, Antigens, Antibodies and Peptides", HH Weetall, ed., Marcel Dekker, New York, NY, USA, pp. 1-48; HM. Weetall (1976), Covalent coupling methods for inorganic support materials. Methods Enzymol. 44:134-148).
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird dazu eine unbehandelte Kapillarplatte [4] mit Oberflächenoxid-, Keramik- oder Glasbeschichtung entweder in einer oxidierenden Säure, wie z.B. Chromschwefelsäure oder heißer konzentrierter Salpetersäure, für eine Stunde von adsorbierten organischen Verbindungen befreit, fünf- bis zehnmal durch Durchsaugen von hochreinem Wasser (auf einer Nutsche, Glasfritte oder einer speziell für die Kapillarplatte [4] entwickelten Spülvorrichtung (Figur 2) gewaschen und bei 250 0C getrocknet.In the preferred embodiment, an untreated capillary plate [4] with surface oxide, ceramic or glass coating is freed of adsorbed organic compounds either in an oxidizing acid, such as chromic sulfuric acid or hot concentrated nitric acid, for one hour, washed five to ten times by suction through highly pure water (on a suction filter, glass frit or a rinsing device specially developed for the capillary plate [4] (Figure 2)) and dried at 250 ° C.
Vorrichtung zum vollautomatischen Waschen, Absättigen und Entschützen
Das vollautomatische Waschen, Absättigen und Entschützen ist die bevorzugte Ausfuhrungsform bei der Herstellung der Substanzbibliothek (Figur 2).
Zur Montage wird die Kapillarplatte [4] auf das Unterteil eines Synthesetisches [6] gelegt, der fest mit einem Pipettierroboter verbunden ist. Dabei kommen die Randbereiche [5] der Kapillarplatte auf einer weichen, lösungsmittelresistenten Dichtung [7] zu liegen. Anschließend werden Abstandhalter [8] rings um die Device for fully automatic washing, saturation and deprotection
Fully automated washing, saturation and deprotection is the preferred embodiment for the preparation of the substance library (Figure 2).
For assembly, the capillary plate [4] is placed on the lower part of a synthesis table [6], which is firmly connected to a pipetting robot. The edge areas [5] of the capillary plate are placed on a soft, solvent-resistant seal [7]. Spacers [8] are then placed around the
Kapillarplatte [4] dicht an die Randbereiche [5] herangeschoben und durch Gewindebolzen [9] gegen Verschieben gesichert, so daß die Kapillarplatte [4] auf dem Probentisch ortsfest positioniert ist. Danach wird das Oberteil des Synthesetisches [10] auf die Gewindebolzen [9] gesteckt und mit Hilfe einer Mutter [11] gegen die Kapillarplatte [4] und den Abstandhalter [8] bzw. das Unterteil des Synthesetisches [6] gezogen, so daß die im Ober- und Unterteil des Synthesetisches [10 und 6] befindlichen Dichtungen [7] zusammengepreßt werden und die Kapillarplatte [4] zur Seite hin abdichten.
Für das Beschicken der Probenareale [3] wird der hydrophob und oleophob beschichtete Kolben [12] an die Unterseite der Kapillarplatte [4] herangeschoben, so daß keine Reaktionslösung während der Kopplungsreaktion nach unten aus der Kapillarplatte [4] austreten kann.Capillary plate [4] is pushed close to the edge areas [5] and secured against displacement by threaded bolts [9] so that the capillary plate [4] is fixed in place on the sample table. Then the upper part of the synthesis table [10] is put on the threaded bolts [9] and pulled against the capillary plate [4] and the spacer [8] or the lower part of the synthesis table [6] using a nut [11] so that the seals [7] in the upper and lower parts of the synthesis table [10 and 6] are pressed together and seal the capillary plate [4] to the side.
To feed the sample areas [3], the hydrophobically and oleophobically coated piston [12] is pushed to the bottom of the capillary plate [4] so that no reaction solution can escape downwards from the capillary plate [4] during the coupling reaction.
Zum Waschen nach Beendigung der Kopplungsreaktion wird die gesamte Kapillarplatte [4] aus den Waschlösungszuflüssen [13] mit Waschlösung überschichtet, der Kolben [12] nach unten bewegt und zur Entfernung der durch die Kapillarplatte [4] gesaugten Lösungen am Ablauf [14] Vakuum angelegt. Dann wird der Kolben [12] wieder an die Unterseite der Kapillarplatte [4] herangeschoben, die Kapillarplatte [4] wieder mit Waschlösung überschichtet und der Waschvorgang beliebig wiederholt (Figur 2A). Nach Abschluß des Waschvorgangs wird so lange Luft durch die Kapillarplatte [4] gesaugt, bis alle Lösungsmittelreste verdunstet sind. Dann wird der Kolben wieder an die Kapillarplatte [4] herangeschoben und ein erneuter Pipettierzyklus durchgeführt, die Platte abgesättigt oder entschützt.For washing after completion of the coupling reaction, the entire capillary plate [4] is covered with washing solution from the washing solution inflows [13], the piston [12] is moved downwards and a vacuum is applied to the outlet [14] to remove the solutions sucked through the capillary plate [4]. The piston [12] is then pushed back to the underside of the capillary plate [4], the capillary plate [4] is again covered with washing solution and the washing process is repeated as desired (Figure 2A). After completion of the washing process, air is sucked through the capillary plate [4] until all solvent residues have evaporated. The piston is then pushed back to the capillary plate [4] and another pipetting cycle is carried out, the plate is saturated or deprotected.
Zum Absättigen nicht reagierter Aminofunktionen und zum Entschützen von Aminofunktionen wird der Kolben [12] nach unten geschoben und die Kavität, die durch Zurückziehen des Kolbens [12] unterhalb der Kapillarplatte [4] entsteht, mit der gewünschten Reaktionslösung durch den Reagenzienzufluß [15] befüllt. Bei verschlossenem Ablauf [14] und Reagenzienzufluß [15] wird der Kolben für die Dauer der Reaktion langsam auf- und abbewegt, so daß die Reaktionslösung in gleichmäßigem Fluß durch die Kapillaren [1] strömt und die Reaktion stattfinden kann (Figur 2B).To saturate unreacted amino functions and to deprotect amino functions, the piston [12] is pushed downwards and the cavity, which is created by pulling back the piston [12] below the capillary plate [4], is filled with the desired reaction solution through the reagent inflow [15]. With the outlet [14] and reagent inflow [15] closed, the piston is slowly moved up and down for the duration of the reaction so that the reaction solution flows in a uniform flow through the capillaries [1] and the reaction can take place (Figure 2B).
Anschließend wird die Kapillarplatte [4] wie oben beschrieben gewaschen.The capillary plate [4] is then washed as described above.
Vorrichtung zur Bindung von Wirkstoffen an die auf der Kapillarplatte immobilisierte
Substanzbibliothek Device for binding active substances to the immobilized on the capillary plate
Substance library
UtUt
Zur Untersuchung der Bindung von Wirkstoffen an die auf der inneren Oberfläche der Kapillarplatte [4] befindliche Substanzbibliothek ist eine Vorrichtung notwendig, mit der eine Wirkstofflösung oder -suspension gleichmäßig durch alle Kapillaren [1] gespült werden kann, so daß jede Wirkstoffkomponente mit jeder Zielmolekülspezies in Kontakt kommen kann (Figur 3).To investigate the binding of drugs to the substance library located on the inner surface of the capillary plate [4], a device is necessary with which a drug solution or suspension can be flushed evenly through all capillaries [1] so that each drug component can come into contact with each target molecule species (Figure 3).
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Montage die Kapillarplatte [4] auf das Unterteil des Inkubationstisches [16] gelegt. Dabei kommen die Randbereiche [5] der Kapillarplatte auf einer weichen Dichtung [17] zu liegen. Anschließend werden Abstandhalter [18] rings um die Kapillarplatte [4] gelegt, das Oberteil des Inkubationstisches [19] aufgesetzt und durch eine Klammer [20] mittels Andruckfedern [21] auf die Kapillarplatte [4] und den Abstandhalter [18] bzw. das Unterteil des Inkubationstisches [16] gedrückt, so daß die im Ober- und Unterteil des Inkubationstisches [19 und 16] befindlichen Dichtungen [17] zusammengepreßt werden und die Kapillarplatte [4] zur Seite hin abdichten. Dann wird ein Ultraschallgeber [22] in eine Ausparung des Abstandhalters [18] geschoben, bis er Kontakt mit dem Randbereich [5] der Kapillarplatte [4] hat.In the preferred embodiment, the capillary plate [4] is placed on the lower part of the incubation table [16] for assembly. The edge areas [5] of the capillary plate come to rest on a soft seal [17]. Spacers [18] are then placed around the capillary plate [4], the upper part of the incubation table [19] is placed on top and pressed by a clamp [20] using pressure springs [21] onto the capillary plate [4] and the spacer [18] or the lower part of the incubation table [16], so that the seals [17] in the upper and lower parts of the incubation table [19 and 16] are pressed together and seal the capillary plate [4] to the side. An ultrasound transmitter [22] is then pushed into a recess in the spacer [18] until it comes into contact with the edge area [5] of the capillary plate [4].
Zur Beschickung der Vorrichtung wird der Kolben [23] nach unten geschoben und die Kavität, die durch Zurückziehen des Kolbens [23] unterhalb der Kapillarplatte [4] entsteht, mit der gewünschten Wirkstofflösung oder -suspension durch den Einfüllstutzen [24] befüllt. Das Volumen der Wirkstofflösung oder -suspension sollte mindestens das 1,5-fache des inneren Volumens der Kapillarplatte [4] plus das Volumen der über der Kapillarplatte [4] befindlichen Kavität [25] betragen.
Zur Inkubation wird bei verschlossenem Ablauf [26] und Einfüllstutzen [24] der Kolben [23] langsam nach oben bewegt, so daß die Luft aus den Kapillaren [1] in die Kavität [25] entweichen kann. Noch in Kapillaren [1] eingeschlossene Luft kann durch Beschallung mit dem Ultraschallgeber [22] entfernt werden. Wenn der Kolben [23] bis an die Kapillarplatte [4] herangeschoben wird, füllt sich die Kavität [25] vollständig mit Wirkstofflösung oder -suspension und sowohl die Luft als auch überzählige Wirkstofflösung bzw. -suspension weichen durch seitliche Kanäle [27] in die Ausgleichsgefäße [28] aus. Durch wiederholtes Heben und Senken des Kolbens [23] mit kurzem Hub wird dann die Lösung oder Suspension in den Kapillaren [1] mit der in der Kavität [25] befindlichen Lösung oder Suspension gemischt und noch in der Kavität [25] befindliche Luftblasen schrittweise in die Ausgleichsgefäße [28] vertrieben.To load the device, the piston [23] is pushed downwards and the cavity created by pulling back the piston [23] below the capillary plate [4] is filled with the desired active substance solution or suspension through the filling nozzle [24]. The volume of the active substance solution or suspension should be at least 1.5 times the internal volume of the capillary plate [4] plus the volume of the cavity [25] located above the capillary plate [4].
For incubation, the piston [23] is slowly moved upwards with the outlet [26] and filler neck [24] closed so that the air from the capillaries [1] can escape into the cavity [25]. Air still trapped in the capillaries [1] can be removed by sonication with the ultrasound generator [22]. When the piston [23] is pushed up to the capillary plate [4], the cavity [25] is completely filled with the active ingredient solution or suspension and both the air and the excess active ingredient solution or suspension escape through side channels [27] into the compensation vessels [28]. By repeatedly raising and lowering the piston [23] with a short stroke, the solution or suspension in the capillaries [1] is mixed with the solution or suspension in the cavity [25] and any air bubbles still in the cavity [25] are gradually expelled into the compensation vessels [28].
Zum Entleeren der Vorrichtung wird der Kolben [23] so weit zurückgeschoben, daß der Ablauf [26] freikommt, durch den dann die Wirkstofflösung oder -suspension durch Anlegen von Unterdruck entfernt wird.
Das Waschen der Vorrichtung erfolgt in analoger Weise unter Verwendung geeigneter Waschlösungen.To empty the device, the piston [23] is pushed back until the outlet [26] is exposed, through which the active substance solution or suspension is then removed by applying negative pressure.
The device is washed in an analogous manner using suitable washing solutions.
Die ortsaufgelöste Detektion der Wirkstoffreaktion mit den Zielmolekülen kann ebenfalls in der Vorrichtung erfolgen, da die über der Kapillarplatte [4] befindliche Kavität [25] nach oben durch ein transparentes Fenster [29] begrenzt wird und damit beispielsweise die Bindung oder die Abspaltung von Fluorophoren in der Vorrichtung mit Hilfe der in Figur 4 beschriebenen Meßeinrichtung detektiert bzw. verfolgt werden kann.The spatially resolved detection of the drug reaction with the target molecules can also be carried out in the device, since the cavity [25] located above the capillary plate [4] is limited at the top by a transparent window [29] and thus, for example, the binding or the cleavage of fluorophores in the device can be detected or followed with the aid of the measuring device described in Figure 4.
Für den Nachweis von Bindungen in der Kapillarplatte werden optische Methoden die eine Durchdringung der Stege zwischen den Kapillaren erlauben, verwendet. Die vielfältigsten optischen Methoden basieren auf Fluoreszenzmarkierungen (z.B. M. V. Rogers (1997), Light on high-throughput screening: fluorescence-based assay technologies, Drug discovery Today 2:156-160). Die Fluoreszenzmarkierung wird durch Kopplung eines Fluorophors entweder an die Zielmoleküle oder an die Wirkstoffe hergestellt. Zum Auslesen wird im bevorzugten Ausführungsbeispiel das einzelne Probenvolumen, das dem Probenareal [3] über die gesamte Dicke der Kapillarplatte entspricht, sowohl von Anregungslicht vollständig durchsetzt, als auch von der Detektionsoptik vollständig erfaßt. Um ein Übersprechen von benachbarten Probenarealen zu verhindern, wird zu einem Zeitpunkt nur ein Probenort beleuchtet und die Detektion nur auf einen Probenort begrenzt. Die Vielzahl der Probenorte wird durch zeitlich sequentielles Abrastern erfasst. Die Messung an einem Probenort kann sowohl kontinuierlich als auch mit repetierenden Pulsen geschehen. Im ersten Fall wird mit einer kontinuierlich abstrahlenden bandpaßgefilterten Lichtquelle oder einem Laser bestrahlt, wobei das schmalbandige Anregungslicht an die Absorption des Fluoreszenzmarkers angepaßt ist. Die Detektion geschieht schmalbandig im Bereich der Fluoreszenzemission des Fluoreszenzmarkers mit einem geeigneten Photodetektor. Bei der in Figur 4 dargestellten gepulsten Fluoreszenzanregung wird ein Laser [30] zur Beleuchtung eingesetzt, dessen Pulsdauer mindestens ein Drittel der Lebensdauer des Markierungs-Fluorophors beträgt. Der kollimierte Strahl des Lasers [31] wird durchOptical methods that allow penetration of the bridges between the capillaries are used to detect bonds in the capillary plate. The most diverse optical methods are based on fluorescence labels (e.g. MV Rogers (1997), Light on high-throughput screening: fluorescence-based assay technologies, Drug discovery Today 2:156-160). The fluorescence label is produced by coupling a fluorophore either to the target molecules or to the active substances. For reading, in the preferred embodiment, the individual sample volume, which corresponds to the sample area [3] over the entire thickness of the capillary plate, is both completely penetrated by excitation light and completely detected by the detection optics. To prevent crosstalk from neighboring sample areas, only one sample location is illuminated at a time and detection is limited to just one sample location. The large number of sample locations is detected by sequential scanning. The measurement at a sample location can be carried out either continuously or with repetitive pulses. In the first case, irradiation is carried out using a continuously emitting bandpass-filtered light source or a laser, whereby the narrow-band excitation light is adapted to the absorption of the fluorescent marker. Detection is carried out narrow-band in the range of the fluorescence emission of the fluorescent marker using a suitable photodetector. In the pulsed fluorescence excitation shown in Figure 4, a laser [30] is used for illumination, the pulse duration of which is at least one third of the lifetime of the marking fluorophore. The collimated beam of the laser [31] is
• ··
einen wellenlängenselektiven Strahlteiler [32] in Richtung auf die Kapillarplatte [4] reflektiert. Durch ein Objektiv [33] wird der Strahl so auf ein Probenareal [3] der Kapillarplatte [4] fokussiert, daß das gesamte Probenvolumen eines Probenareals [3] durchstrahlt wird. Das isotrop abgestrahlte Fluoreszenzlicht [34] der Fluroreszenzmarkierung wird durch das gleiche Objektiv [33] kollimiert und passiert den selektiven Strahlteiler [32] aufgrund der größeren Wellenlänge der Fluoreszenz. Durch ein schmalbandiges Filter [35] wird Streulicht des Anregungslasers stark unterdrückt, das Fluoreszenzlicht bei möglichst hoher Transmission aber durchgelassen. Mit einem weiteren Objektiv [36] wird das Fluoreszenzlicht auf den Photodetektor [37] fokussiert. Durch eine zeitaufgelöste Detektion mit einer Anstiegszeit von kleiner als einem Drittel der Fluoreszenzlebensdauer des Fluorophors kann das Fluoreszenzsignal besonders vorteilhaft in einer Zeittor-Integrationstechnik mit einem Boxcar-Integrator [38] nach Abklingen sowohl des elastischen Streulichts, als auch von Raman-gestreutem Licht erfaßt werden. Das Zeittor wird sinngemäß ca. nach der zweifachen Laserpulsdauer geöffnet und bleibt für ca. die zweifache Fluorophorlebensdauer offen. Ein Triggersignal vom Laser [39] liefert die Zeitbasis für das Zeittor. Mit Hilfe eines der Laserpulsenergie proportionalen Signals vom Laser [40] kann über einen zweiten Kanal des Boxcar-Integrators [38] eine Normierung des Fluoreszenzlichts und damit eine Korrektur für Schwankungen der Laserpulsenergie durchgeführt werden. In einem Rechner [41] werden alle Daten gesammelt und es kann abschließend eine Auftragung der Fluoreszenzintensität über dem jeweiligen Probenort dargestellt werden und eine Zuordnung der detektierten Signale zu den Zielmolekülen erfolgen.a wavelength-selective beam splitter [32] in the direction of the capillary plate [4]. The beam is focused on a sample area [3] of the capillary plate [4] by an objective [33] so that the entire sample volume of a sample area [3] is irradiated. The isotropically emitted fluorescent light [34] of the fluorescence marking is collimated by the same objective [33] and passes through the selective beam splitter [32] due to the longer wavelength of the fluorescence. Scattered light from the excitation laser is strongly suppressed by a narrow-band filter [35], but the fluorescent light is allowed to pass with the highest possible transmission. The fluorescent light is focused on the photodetector [37] using another objective [36]. Through time-resolved detection with a rise time of less than one third of the fluorescence lifetime of the fluorophore, the fluorescence signal can be detected particularly advantageously in a time-gate integration technique with a boxcar integrator [38] after both the elastic scattered light and Raman-scattered light have decayed. The time gate is opened approximately after twice the laser pulse duration and remains open for approximately twice the fluorophore lifetime. A trigger signal from the laser [39] provides the time base for the time gate. With the help of a signal from the laser [40] that is proportional to the laser pulse energy, the fluorescence light can be normalized via a second channel of the boxcar integrator [38], thus correcting for fluctuations in the laser pulse energy. All data are collected in a computer [41] and a plot of the fluorescence intensity over the respective sample location can be displayed and the detected signals can be assigned to the target molecules.
Figur 1 enthält eine schematische Darstellung einer Kapillarplatte [4] in Aufsicht und
als Schnitt. Die einzelnen Kapillaren [1] sind durch Stegbereiche [2] voneinander
getrennt. Die Probenareale [3] umfassen eine Vielzahl von Kapillaröffnungen. Der
Randbereich der Platte [5] enthält keine Kapillaren. Figure 1 contains a schematic representation of a capillary plate [4] in plan view and
as a section. The individual capillaries [1] are separated from each other by web areas [2].
separated. The sample areas [3] include a large number of capillary openings. The
The edge area of the plate [5] contains no capillaries.
Figur 2 zeigt eine Vorrichtung zum vollautomatischen Waschen, Absättigen und Entschützen
der Kapillarplatte [4] während der Synthese der Substanzbibliothek. Dabei ist
die Kapillarplatte [4] zwischen Oberteil [10] und Unterteil [6] des Synthesetisches
eingesetzt und mit Hilfe entsprechender Dichtungen [7] und Abstandhalter [8] über Figure 2 shows a device for fully automatic washing, saturation and deprotection
the capillary plate [4] during the synthesis of the substance library.
the capillary plate [4] between the upper part [10] and the lower part [6] of the synthesis table
and secured with the help of appropriate seals [7] and spacers [8] over
einen Gewindebolzen [9] mit Mutter [11] in ihrer Position fixiert. Im Oberteil des Synthesetisches [10] befinden sich Waschlösungszuflüsse [13], im Unterteil [6] Reagenzienzufluß [15] und Ablauf [14]. Ein Kolben [12] kann im Unterteil des Synthesetisches [6] bewegt und bis an die Unterseite der Kapillarplatte [4] geschoben werden.a threaded bolt [9] with a nut [11] fixes it in position. The upper part of the synthesis table [10] contains the washing solution inlets [13], the lower part [6] contains the reagent inlet [15] and outlet [14]. A piston [12] can be moved in the lower part of the synthesis table [6] and pushed to the underside of the capillary plate [4].
Figur 3 zeigt eine Vorrichtung zur Bindung von Wirkstoffen an die auf der Kapillarplatte immobilisierte Substanzbibliothek. Die Kapillarplatte [4] ist zwischen Oberteil [19] und Unterteil [16] des Inkubationstisches eingesetzt und mit Hilfe entsprechender Dichtungen [17] und Abstandhalter [18] durch eine Klammer [20] mit Andruckfeder [21] in ihrer Position fixiert. Ein Ultraschallgeber [22] ist seitlich an der Kapillarplatte [4] angebracht. Im Unterteil des Inkubationstisches befinden sich Einfüllstutzen [24] und Ablauf [26] für die Wirkstofflösungen, die mit einem Kolben [23] durch die Kapillarplatte [4] in die obere Kavität [25] gedrückt werden können. Seitliche Kanäle [27] führen aus der Kavität [25] in ein Ausgleichsgefäß, das zum Auffangen verdrängter Luft und überschüssiger Wirkstofflösung dient. Die Kavität [25] ist oben mit einem transparenten Fenster [29] abgeschlossen, so daß eine direkte optische Detektion von Reaktionen in der Vorrichtung möglich ist. Figure 3 shows a device for binding active substances to the substance library immobilized on the capillary plate. The capillary plate [4] is inserted between the upper part [19] and lower part [16] of the incubation table and is fixed in position with the help of appropriate seals [17] and spacers [18] by a clamp [20] with a pressure spring [21]. An ultrasound transmitter [22] is attached to the side of the capillary plate [4]. In the lower part of the incubation table there are filler necks [24] and drains [26] for the active substance solutions, which can be pressed through the capillary plate [4] into the upper cavity [25] using a piston [23]. Side channels [27] lead from the cavity [25] into an equalizing vessel, which is used to collect displaced air and excess active substance solution. The cavity [25] is closed at the top with a transparent window [29], so that direct optical detection of reactions in the device is possible.
Figur 4 enthält eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Nachweis der Bindung von Wirkstoffen an die Substanzbibliothek mittels optischer Verfahren. Fluorophormarkierte Zielmoleküle auf der Kapillarplatte [4] werden durch einen von einem gepulsten Diodenlaser [30] erzeugten Laserstrahl [31], der durch einen wellenlängenselektiven Strahlteiler [32] und ein Objektiv [33] auf das Probenareal gelenkt wird, zur Fluoreszenz angeregt. Das abgestrahlte Fluoreszenzlicht [34] durchdringt den Strahlteiler [32], einen Bandpaßfilter [35] und ein weiteres Objektiv [36], bevor es auf den Photodetektor [37] auftrifft. Für die Integration des Fluoreszenzsignals innerhalb eines Zeittores erhält ein Boxcar-Integrator [38] vom Laser ein zeitliches Triggersignal [39] und zur Normierung des Fluoreszenzsignals ein der Laserenergie proportionales Signal[40]. Von einem Rechner [41] wird ein beweglicher Probentisch [42] so angesteuert, daß nacheinander die Probenareale gemessen werden können. Das normierte Fluoreszenzsignal wird über dem Probenort dargestellt. Figure 4 contains a schematic representation of a device for detecting the binding of active substances to the substance library using optical methods. Fluorophore-labeled target molecules on the capillary plate [4] are excited to fluorescence by a laser beam [31] generated by a pulsed diode laser [30], which is directed onto the sample area by a wavelength-selective beam splitter [32] and an objective [33]. The emitted fluorescent light [34] passes through the beam splitter [32], a bandpass filter [35] and another objective [36] before it hits the photodetector [37]. To integrate the fluorescence signal within a time gate, a boxcar integrator [38] receives a temporal trigger signal [39] from the laser and, to normalize the fluorescence signal, a signal proportional to the laser energy [40]. A computer [41] controls a movable sample table [42] so that the sample areas can be measured one after the other. The standardized fluorescence signal is displayed above the sample location.
LegendeLegend
1 Kapillare1 capillary
2 Stegbereich zwischen Kapillaren2 Bridge area between capillaries
3 Probenareal3 Sample area
4 Kapillarplatte4 Capillary plate
5 Randbereich der Kapillarplatte5 Edge area of the capillary plate
6 Unterteil des Synthesetisches6 Lower part of the synthesis table
7 Lösungsmittelresistente Dichtung7 Solvent resistant seal
8 Abstandhalter 9 Gewindebolzen8 Spacers 9 Threaded bolts
10 Oberteil des Synthesetisches10 Top of the synthesis table
11 Mutter11 Mother
12 Kolben12 pistons
13 Waschlösungszufluß 14 Ablauf13 Washing solution inlet 14 Outlet
15 Reagenzienzufluß15 Reagent inflow
16 Unterteil des Inkubationstisches 16 Lower part of the incubation table
17 Dichtung17 Seal
18 Abstandhalter18 spacers
19 Oberteil des Inkubationstisches19 Upper part of the incubation table
20 Klammer20 bracket
21 Andruckfeder21 Pressure spring
22 Ultraschallgeber22 ultrasonic transducers
23 Kolben23 pistons
24 Einfüllstutzen24 Filler neck
25 Kavität25 Cavity
26 Ablauf26 Procedure
27 Kanal27 Channel
28 Ausgleichsgefäß28 Expansion vessel
29 Transparentes Fenster29 Transparent window
30 Gepulster Diodenlaser30 Pulsed diode laser
31 Laserstrahl31 Laser beam
32 Strahlteiler32 beam splitters
33 Objektiv33 Lens
34 Abgestrahltes Fluoreszenzlicht34 Emitted fluorescent light
35 Bandpaßfilter35 Bandpass filters
36 Objektiv36 Lens
37 Photodetektor37 Photodetector
38 Boxcar-Integrator38 Boxcar Integrator
39 Triggersignal vom Laser39 Trigger signal from laser
40 Der Laserpulsenergie proportionales Signal vom Laser40 Signal from the laser proportional to the laser pulse energy
41 Rechner41 calculator
42 Beweglicher Probentisch 10 42 Movable sample table 10
; I; I
Claims (31)
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- 2000-03-28 DE DE20005738U patent/DE20005738U1/en not_active Expired - Lifetime
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