DE60119902T2 - Verfahren für die gleichzeitige und mehrfache detektion und quantifizierung der hybridisierung von molekülverbindungen wie nukleinsäuren, dns, rns, pns und proteinen - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung deckt die Bereiche der Molekularbiologie, Medizinforschung, Genomanalyse, kombinatorischen Chemie und allgemein den Bereich der Analyse von Matrizes von Molekülablagerungen auf Trägern verschiedener Arten ab. Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren unter Verwendung von Vorrichtungen, die in der Technik als Biochip-, Mikrochip-, Chip-Arrays und Mikro-Arrays bekannt sind.
  • Solche Vorrichtungen umfassen für gewöhnlich Träger aus Kunststoff, Glas oder irgendwie kristallinem Material, mit oder ohne einem abgelagerten Film. Genauer gesagt, kann der Träger aus Glas, natürlich oder synthetisch, speziell behandelt oder nicht, sein. Auf dem Träger wird ein biologisches Material abgelagert. Der Träger wird von nun an auch mit dem üblicherweise verwendeten Ausdruck "Objektträger" bezeichnet. Das biologische Material, für gewöhnlich DNA, cDNA, mRNA, PNA, Protein oder synthetisches Oligonukleotid oder irgendein Komplex aus Peptiden, wird in einer geometrischen Matrixanordnung (Mikro-Array oder Makro-Array genannt) abgelagert. Der Träger ist nur einige Zentimeter lang, hat eine rechteckige oder quadratische Form und eine Dicke von wenigen Millimetern. Die Ablagerung wird für gewöhnlich mit Systemen durchgeführt, die für die Mikro- oder Nanoablagerung geeignet sind, mit denen Ablagerungen in einer Größenordnung von Mikrometern in Querrichtung parallel zur Trägerebene möglich sind. Der Abstand zwischen den Positionen der Ablagerungen (im folgenden auch "Stellen" genannt) kann von Mitte zu Mitte bis zu mehrere zehn Mikrometer betragen. In den vorliegenden Systemen betragen die am meisten eingesetzten Größen um die 100 Mikrometer.
  • Die Ablagerungen von biologischem Material werden "Proben" genannt und sollen komplementär zu denen sein, mit denen sie hybridisieren sollen, "Targets" genannt. Die Analyse besteht in dem Nachweis, ob tatsächlich eine Komplementarität zwischen den Proben und Targets besteht und zu welchem Ausmaß, sowohl für jede einzelne Stelle als auch für jede Stelle in bezug auf die anderen. Sofern eine solche Komplementarität besteht, hat vermutlich das Hybridisierungsverfahren stattgefunden. Der Ausdruck Hybridisierung wird üblicherweise in vielen Bereichen verwendet. Im Folgenden hat er die weiteste Bedeutung und deckt jede Art einer chemischen Verbindung zwischen den Molekülen, die die Proben und Targets bil den, ab. Die Moleküle können Proteine, Nukleinsäure oder können irgendwelche chemischen oder biologischen Produkte sein. Hybridisierung kann stattfinden oder nicht. Wenn sie stattfindet, kann sie dies in unterschiedlichen Ausmaßen tun. Wenn beispielsweise eine Genstudie durchgeführt wird, wird ein Gen in einem kleineren oder größeren Ausmaß in einem Organismus oder einem Individuum "exprimiert". Eine Genexpression ist nicht bei jeder Anwendung zu finden.
  • Im weitesten Sinne kann das Verfahren zur Messung der Hybridisierung einen Schritt der Behandlung der Targets umfassen. Bei ihrer Herstellung werden diese mit farbigen, fluoreszierenden Substanzen, die Licht auf einem definierten Wellenlängenspektrum emittieren, oder mit Substanzen, die Teilchen aus radioaktivem Zerfall emittieren, markiert. Die so markierten Verbindungen, die oftmals in einer Lösung enthalten sind, werden auf dem Träger abgelagert. Dort hybridisieren einige der Targets mit einigen der Proben und bleiben daran haften. Durch eine geeignete Wäsche des Objektträgers, bleiben nur die hybridisierten Targets an den Proben auf dem Träger haften.
  • Die Analyse der Lokalisierung und Quantifizierung einer solchen Hybridisierung beginnt mit diesem Zeitpunkt und bildet das Ziel der vorliegenden Erfindung. Eine solche Analyse findet für gewöhnlich durch den Nachweis der Teilchen, die durch die Targetmoleküle in den hybridisierten Stellen emittiert werden, statt. Solche Teilchen können Photonen oder Elektronen sein, die durch Nuklearzerfall emittiert werden. Damit die markierten Moleküle Photonen emittieren können, sofern sie mit fluoreszierenden Verbindungen wie Cy5 markiert worden sind, müssen sie bei geeigneten Wellenlängen durch Strahlung aus einer geeigneten Licht- oder Laserquelle angeregt werden.
  • Das Lesen der Hybridisierungsstellen wird sowohl zur Bewertung der Expression einiger Gene als auch zur Bestimmung der Sequenz verwendet, indem geeignete Genfragmente eingeführt werden. Die vorliegende Erfindung deckt diese Anwendungen und alle die, die die Verwendung des Nachweises von Hybridisierungsstellen nutzt, ab.
  • Unter dem Nachweis von Hybridisierungsstellen verstehen wir hierin den Nachweis der Position und/oder die Quantifizierung der hybridisierten Moleküle.
  • Das verbreitetste Verfahren zum Nachweis der Hybridisierungsstellen basiert auf Fluoreszenz. In den meisten der vorliegenden Systeme führt ein mechanisches System das Scannen aller Hybridisierungsstellen durch deren Bestrahlung mit einem Laser durch, um die wahrscheinlichste Wellenlängenemission der Färbung anzuregen. Der Detektor, der das Licht aus dieser Emission sammelt, ist für gewöhnlich ein Photomultiplier. Dies ist die verbreitetste Konfiguration. In den meisten Fällen werden Systeme mit Gaslaser und großen Photomultipliern, die außerdem Kühlung erfordern, verwendet. In den neuesten Systemen werden kompaktere Halbleiterlaser und bis zu vier fluoreszierende Substanzen verwendet. Unter den jüngsten Versuchssystemen befinden sich einige, die den Nachweis mit einem CCD-Detektor (Ladungsspeicherbaustein) durchführen, der immer mit einem Lasersystem mit geeigneten Linsen und Filtern und einem geeigneten Kühlsystem verbunden ist.
  • Die Zeit, die zur Analyse eines Trägers oder Objektträgers erforderlich ist, hängt größtenteils von der Anzahl der Stellen, der Anzahl der fluoreszierenden Substanzen und von den Kosten der Ausrüstung ab. Das verbreitetste Lesesystem ist von einer Firma mit dem Namen Affymetrix entwickelt worden. Dieses System ermöglicht die eingeschränkte Verwendung von Proben. Die Zeit zum Scannen, Lesen und zur Analyse kann ein paar Stunden betragen, mit einem Minimum von ein paar Dutzend Minuten. Das gleiche gilt für alle Systeme, die in einem Labor entwickelt wurden (wie "Pat Brown", P. O. Brown et al. "Exploring the new world of the genome with DNA microarrays" Nature Genetics suppl. Bd. 21, 33–37 (1999)). Alle diese Systeme sind langsam und sehr teuer, auch wegen der komplexen Herstellung und der Verwendung von Markern. Ferner werden in vielen Laboratorien die Objektträger während der Versuchsphase wiederverwendet. Aus diesem Grund müssen sie gewaschen werden, können aber nicht immer vollständig, insbesondere von den fluoreszierenden Substanzen, gereinigt werden, deren Anwesenheit bei der anschließenden Analyse die Ergebnisse verfälscht.
  • Beispielsweise zeigen fluoreszierende Substanzen wie die üblichen Cy3 oder Cy5 nicht immer dieselbe Anhaftung an das Target, wobei dies von vielen physikalischen und chemischen Faktoren wie den thermodynamischen Bedingungen usw. abhängt. Auch die stöchiometrische Besetzung der Moleküle kann die Hybridisierungskapazität beeinflussen. All dies beeinflußt neben der Beeinflussung der erforderlichen Quantität des Materials auch die Expressionskapazität.
  • Mit der Sequenzierung des menschlichen Genoms und einer großen Anzahl von Mikroorganismen wird es mehr und mehr wichtig, den Unterschied von Genexpression zwischen Organismen oder Zellen, die verschiedenen Reizen unterliegen (zum Beispiel Tumorzellen vs. normale Zellen, Reaktion von Säuger- oder Bakterienzellen auf verschiedene Arzneimittel ...) zu bestimmen.
  • In den folgenden Jahren wird auch eine neue Technik eine bedeutende Entwicklung erfahren, nämlich die Proteomik. Diese Technologie soll sowohl die Funktion verschiedener Proteine, die durch die Gene codiert werden, die durch systematische Sequenzierung nachgewiesen wurden, als auch die unterschiedlichen Wechselwirkungen, die zwischen den Proteinen bestehen, herausfinden. Der Doppelhybridassay ermöglicht den Nachweis verschiedener Proteine, die mit einem "Köder"-Protein interagieren. Diese Technik erfordert es, ein ähnliches System wie das, das von Finley und Brent (Interaction trap cloning with yeast, 169–203, in DNA Cloning, Expression Systems: a practical Approach, 1995, Oxford Universal Press, Oxford) beschrieben wird, und eine cDNA-Bibliothek, um die Beute zu finden, zur Verfügung zu haben.
  • Es wäre daher sehr vorteilhaft, ein Protein-Array, das einen gesamten Bereich von Proteinen (Rezeptoren, Enzyme ...) abdeckt, zur Verfügung stellen zu können, und unterschiedliche Verbindungen an dem Protein-Array testen zu können. So könnte in einem Experiment nachgewiesen werden, welche Proteine mit den getesteten Verbindungen interagieren. Die Verbindungen könnten daher Proteine sein (um Protein-Protein-Interaktionen zu finden), aber auch andere, wie chemische Verbindungen, die als Arzneimittel, Peptide, Lipide, Kohlenhydrate oder Hybrid- (Peptid-Lipid, Peptid-Zucker ...) -Verbindungen verwendet werden können. Es wird in Betracht gezogen, daß eine Sammlung kleiner Verbindungen in einem Screening mit hohem Durchsatz nach dem Nachweis interessanter pharmazeutischer Targets, wie Rezeptoren, getestet werden kann.
  • Derzeit ist es schwierig eine solche Analyse durchzuführen, da die Markierung kleiner Verbindungen routinemäßig nicht leicht durchzuführen ist und da die Markierung der Verbindungen auch die Interaktion zwischen den Proteinen auf dem Chip und den markierten Verbindungen hemmen könnte.
  • Das existierende System hat nicht wirklich eine Antwort auf die Probleme. Wie erkennbar sein wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung die volle Ausnutzung der intrinsischen Kapazität des Biochip-Arrays, ungeachtet des Wesens der Proben, die auf dem Objektträger fixiert sind (DNA, Protein, andere Arten von Verbindungen).
  • Unter den Anwendern der Systeme ist es eine international weit verbreitete Meinung, daß diese noch weiter verbessert werden können. Dies trifft insbesondere für die funktionelle Analyse von Tumorzellen und deren Expression zu. Daher werden die vorliegenden Systeme hauptsächlich für Versuchszwecke verwendet. Die vorliegende Erfindung kann mit den relevanten Folgen im klinischen und daher sozialen Bereich in größerem Maßstab angewendet werden.
  • Die Systeme zum Lesen der Expression und experimentell zum Lesen der Sequenz, die derzeit vermarktet werden, basieren nahezu alle auf Markern, außer bei der Nutzung der Massenspektrometrie, einem sehr teuren und wenig flexiblen System, das überhaupt für eine simultane Detektion ungeeignet ist. Als Beispiele können wir die Firmen anführen, die fluoreszierende Substanzen verwenden, wie Affymetrix, Molecular Dymanics, Nanogen Protogene, Synteni oder auch radioaktive Substanzen, wie Hyseq, Incyte oder auch Massenspektrometer (Brax, Sequenom). Alle diese Systeme sind sehr teuer und erfordern Zeit zur Herstellung und zum Scannen. Die fortschrittlichsten und schnellsten Systeme sind die von Virtek und Asper. Letzteres, noch in der Versuchsphase, nutzt einen CCD-Detektor (Ladungsspeicherbaustein), der teuer ist, Kühlung erfordert und mindestens 1000 Mal langsamer ist, als das hierin vorgeschlagene.
  • Es sind einige frühere Patente in ähnlichen Bereichen wie die vorliegende Erfindung eingereicht worden.
  • In WO-96 07917, eingereicht von Nanogen und veröffentlicht am 14. März 1996, wird ein elektronisches System mit einer Vielzahl von Elektroden für den Nachweis molekularer Prozesse offenbart. Der Nachweis findet durch elektrische Induktion, d. h. durch den Transport von Ladungen oder Strom von einer Position an der Hybridisierungsstelle zu einer im Sammelkreislauf (2b), statt.
  • WO-99 32877, eingereicht von Spektrumedix und veröffentlicht am 1. Juli 1999, offenbart ein Nachweissystem, das einen Transmissionsgitter-Strahlungsteiler (TGBS) (1) umfaßt, der den Strahl sammelt und wieder in Richtung eines Detektors ausstrahlt, der die Hybridisierungsstellen aus der Analyse der Interferenzfiguren, die von einer CCD-Kamera gesammelt werden, unterscheiden kann.
  • US-5 571 410, eingereicht von Hewlett Packard und veröffentlicht am 24. April 1996 betrifft ein Verfahren und ein System zur Analyse der Trennung biologischer Moleküle. Es setzt voraus, daß unter den Nachweisverfahren die sind, die auf der direkten Absorption und unter Verwendung von Markern basieren, aber nicht für Hybridisierungsstellen oder für Moleküle an den Trägern, da sie in Bewegung sind. Dieses Patentdokument stellt das "Micro-Tas"-System allgemein hinsichtlich seiner Konfigurationen und Konstruktion und der Implementationsverfahren, aber nicht deren Nachweis dar.
  • Ein anderes Beispiel für ein Patent über die Detektion in Biochip-Arrays oder biochemischen Array-Systemen, wie erwähnt, ist US-5 633 724, eingereicht von Hewlett Packard und veröffentlicht am 27. Mai 1997. Es basiert auf einem Scann- und Nachweisverfahren mit Licht durch Phasenvariation der elektromagnetischen Strahlung, nachdem letztere durch einige Materialien gelaufen ist.
  • In US-6 017 435, eingereicht von Imperial College und veröffentlicht am 14. November 1996, wird der Nachweis durch Elektrophorese unter Verwendung sich bewegender Moleküle durchgeführt. Diese findet durch Absorption statt und sorgt für das Lesen der Ja/Nein-Antwort in Gegenwart der Moleküle.
  • Verschiedene Patente der oben genannten Firmen betreffen die Verfahren zur Ablagerung in einer Matrixgeometrie und deren Lesen. Wie bereits erwähnt sind diese Verfahren sehr spezifisch. Das Lese- oder Nachweissystem ist typisch für das Ablagerungssystem. Die von Affymetrix eingereichten Patente, die diese Systeme betreffen, sind ein Beispiel. Beispielsweise beschreibt US-5 968 740 ein Nachweisverfahren der Stellen und die Verwendung des Expressionsgrades. Die in 13 gezeigte Ablesung nutzt ein Scannsystem mit Markern.
  • Keines der Affymetrix-Patente betrifft die vorliegende Erfindung, die sich genau genommen nicht mit dem Lesen biologischer Daten (zum Beispiel einer Mutation aus dem Vergleich unterschiedlicher Expressionen aus unterschiedlichen Hybridisierungsstellen), jedoch mit dem Nachweis der Stellen und der Quantifizierung der Hybridisierung beschäftigen.
  • Es folgen die signifikantesten Veröffentlichungen in ähnlichen Bereichen.
  • Der Nachweis molekularer Substanzen durch Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung ist seit den Anfängen der Molekularbiologie allgemein bekannt. Üblicherweise nutzen wir die Strahlung, die in einem eingeschränkten Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, in einem Intervall zwischen rund 190 nm und 300 nm (F-UV) zuvor beschrieben, und dem zwischen rund 300 nm und 700 nm (UV). Dies ist insbesondere unter dem Namen der molekularen Bildgebung oder einfach UV-Bildgebung bekannt, worunter oftmals das Intervall, das hierin richtigerweise als EUV bezeichnet wird, gemeint ist. Diese Verfahren nutzen das physikalische Prinzip der Absorption von Molekülen, die mit mehr oder weniger schädlichen Markern markiert sind oder nicht (EtBr, P usw.).
  • Beispielsweise beschrieben P. Clarke et al. (Analytical Biochemistry 124, 88–91 (1982) "Ultraviolet Imaging: a simple method for detecting nucleic acids in preparative gels") ein Verfahren mit Elektrophoresegelen. Diese vertrauen auf Arbeiten an der Messung der Absorption, die unter anderem von M. N. Kiseleva et al. (Biofizika 20: Nr. 4. 561–565. 1975, "Absorption spectra of nucleic acids and related compounds in the spectral region 120–280 nm") beschrieben werden, d. h. auf ein allgemein bekanntes und gemessenes physikalisches Phänomen, auf das ein Teil der vorliegenden Erfindung vertraut. Analog ist dies bei S. M. Hassur et al. (Analytical Biochemistry 59, 162–164 (1974) "UV shadowing-a new and convenient method for the location of ultraviolet-absorbing species in polyacrylamide gels") der Fall. Diese Veröffentlichungen beziehen sich auf den Nachweis von Gelfragmenten von Molekülen unterschiedlicher Art (Nukleinsäuren und ähnliche Verbindungen). Die Veröffentlichung von M. N. Kiseleva et al. liefert einen allgemeineren Überblick, stellt jedoch nicht ein System bereit.
  • In A. Mahon (IEEE NSS Conf. Rec. 3, 1462 (1996)) wird das Verfahren von S. Hassard et al. mit einem Beispiel für den Molekülnachweis dank ihrer Bewegung dargestellt.
  • In A. Mahon et al. (Phys. Med. Biol. 44 (1999) 1529–1541) werden die Ergebnisse des Nachweises für die aufgetretene Absorption von DNA-Fragmenten in der Elektrophorese durch CCD-Detektoren dargestellt, wie in US-6 017 435. Das System ist nicht empfindlich genug, um damit den Unterschied zwischen einem Basenpaar nachzuweisen, ein Unterschied, der zur Bestimmung der Sequenz notwendig ist.
  • WO 99/27140, Vo-Dinh, T. et al., ("DNA Biochip using a phototransistor integrated circuit", Anal. Chem. Bd. 71, 358–363 (1999) und Vo-Dinh ("Development of a DNA biochip: principle and applications" Sensors and Actuators, Bd. 51, 52–59 (1998), offenbaren DNA-Biochips, die Photosensoren, Verstärker, Diskriminatoren und Logikverschaltungen umfassen, sowie Verfahren zur Verwendung dieser Chips zum Nachweis markierter Nukleinsäuren, die an Proben hybridisieren, die an der Oberfläche der Chips immobilisiert wurden.
  • Ein Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das den Nachweis der Position mehrerer Hybridisierungsstellen auf einem Träger und die Quantifizierung der so hybridisierten Targets, insbesondere des Niveaus der Hybridisierung, leichter und schneller macht.
  • Demgemäß liefert die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 1.
  • Demgemäß können die Ergebnisse für alle Stellen gleichzeitig erhalten werden, wodurch das Scannen zu einem optionalen Vorgang wird.
  • Unter "Quantifizierung der Targets" ist der Vorgang der Bestimmung, ob eine Hybridisierung eines Targets an jeder Stelle stattgefunden hat oder nicht, und gegebenenfalls das Studium der stattgefundenen Hybridisierung im Hinblick auf die Targets, die an der Stelle hybridisiert haben, das Wesen der Targets, ihre räumliche Disposition usw. zu verstehen.
  • Das Verfahren der Erfindung kann auch zumindest eines der Merkmale nach den Ansprüchen 2 bis 8 zeigen.
  • Das Verfahren der Erfindung kann mit einer Vorrichtung durchgeführt werden, die mindestens eines der folgenden Merkmale zeigt:
    • – der Detektor ist so angeordnet, daß er die Strahlung empfängt, nachdem diese den Träger passiert hat;
    • – die Mittel zur Quantifizierung sind so angeordnet, daß die Menge der hybridisierten Targets an einigen Stellen bestimmt werden kann;
    • – die Quelle ist eine Gasentladungslampe;
    • – die Quelle ist eine Laserquelle, bevorzugt eine Halbleiter- oder Gaslaserquelle;
    • – sie umfaßt eine Linse oder ein System von Linsen, angeordnet vor oder nach dem Träger in der Bahn der Strahlung;
    • – sie umfaßt ein Mikrolinsensystem, das vor oder nach dem Träger in der Bahn des Trägers angeordnet ist, so daß die maximale Intensität der einfallenden Strahlung passieren kann;
    • – sie umfaßt einen Monochromator oder ein Filtersystem zur Auswahl der Durchdringungsenergie der einfallenden Strahlung vor oder nach dem Träger;
    • – das Mittel zur Quantifizierung umfaßt eine elektronische Leseschaltung, die mit dem Detektor verbunden ist und bevorzugt direkt an den Detektor geschweißt oder geklebt oder direkt aus dem Detektor gewachsen ist;
    • – die elektronische Leseschaltung ist eine vom Typ VLSI ("höchstintegrierter Schaltkreis");
    • – der Mikroelektrodendetektor wird durch Anschlüsse auf einem Halbleitermaterial gebildet;
    • – das Halbleitermaterial wird aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus: Silicium mit hohem Widerstand, synthetischem Diamant, einer Gallium-basierenden Verbindung oder einer Verbindung, die Gallium und Aluminium enthält;
    • – der Halbleiter weist implantierte Kontakte auf, mit denen Anschlüsse in Diodenkonfigurationen gebildet werden können;
    • – der Abstand zwischen den Mikroelektroden ist von Mitte zu Mitte im wesentlichen derselbe wie der Abstand zwischen den Hybridisierungsstellen;
    • – der Abstand zwischen den Stellen und/oder zwischen den Mikroelektroden liegt in einem Intervall im Bereich von 1 Mikrometer bis 1 Zentimeter;
    • – das Mittel zur Quantifizierung ist so angeordnet, daß die Ladung in elektrischen Strom umgewandelt wird;
    • – das Mittel zur Quantifizierung umfaßt ein Verstärkersystem;
    • – der Träger für die Proben ist aus Glas mit dünnen Filmen aus einem anderen Material; und
    • – der Träger für die Proben ist aus einem Kunststoffpolymer.
  • Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnungen ersichtlich, von denen:
  • 1a einen Pixelmatrixdetektor einer Ausführungsform der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, zeigt;
  • 1b eine Matrix zeigt, die eine Biochip-Array der Vorrichtung aus 1 bildet;
  • 2a eine Ausführungsform der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, die keine Marker nutzt, veranschaulicht;
  • 2b eine Ausführungsform der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens zum Nachweis der Hybridisierung unter Verwendung von Markern verwendet wird, veranschaulicht;
  • 3a eine perspektivische Explosionsansicht einer Ausführungsform der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, ist;
  • 3b eine perspektivische Montageansicht der Vorrichtung aus 3a ist;
  • 4 eine reale Veranschaulichung der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, ist;
  • 5 eine andere Ausführungsform der Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, schematisch veranschaulicht.
  • Die unmittelbare Erfindung liefert ein Verfahren zum Nachweis der Position von mehreren Hybridisierungsstellen auf einem Träger, der abgelagerte Proben mit hybridisierten Targets, die nach einem Waschschritt darauf zurückbleiben, enthält. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte:
    • – Emittieren einer Strahlung aus einer Quelle in Richtung des Trägers;
    • – Emittieren der Strahlung, die aus dem Träger kommt, an einem Mikroelektrodendetektorsystem, das gegenüber der Strahlung empfindlich ist; und
    • – Quantifizierung der Targets in unterschiedlichen Stellen des Trägers zur gleichen Zeit.
  • Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zum Nachweis der Position mehrerer Hybridisierungsstellen. Die Targets sind molekulare Verbindungen wie Nukleinsäuren, DNA, RNA, Proteine, synthetische PNA usw. Die Erfindung kann einen solchen Nachweis beispielsweise in tausenden unterschiedlichen Stellen zur gleichen Zeit durch die Quantifizierung von Molekülen mit einem Mikroelektrodendetektorsystem durchführen, das gegenüber der Strahlung empfindlich ist, die direkt aus der Quelle auf den Träger der hybridisierten Moleküle und da her auf den Detektor einwirkt, zum Beispiel nachdem sie hindurchgedrungen ist. Der Träger enthält ablagerte Proben und hybridisierte Targets, die nach dem Waschen weiter anhaften. Das System umfaßt einen Detektor, der die Position unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung oder Kernzerfall, erstere bevorzugt in einem Intervall zwischen 1 eV und 6 eV, nachweist.
  • Genauer gesagt umfaßt das System eine Strahlungsquelle. Es können unterschiedliche Arten von Strahlungsquellen gemäß der Empfindlichkeit des Detektors, der mit dieser Quelle verbunden ist, verwendet werden.
  • Das System umfaßt einen Träger, wo die Hybridisierung stattfindet. Dieser Träger kann aus Glas, Kunststoffpolymer, Nylon mit oder ohne Glas, Saphir, synthetischem Diamant oder Quarz sein. Der Träger kann einen ablagerten Film aus synthetischem Material aufweisen.
  • Das System umfaßt einen Detektor, bevorzugt in Form eines Wafers, bevorzugt durch ein Halbleitermaterial gebildet, wo eine Ionisierungsreaktion, hervorgerufen durch die einfallende Strahlung, stattfindet. Der Wafer enthält Mikroelektroden, bevorzugt Dioden, erhalten durch Anschlüsse oder Mikroimplantation, die Ladungen, erzeugt durch die Ionisierung oder einen Strom an einer elektronischen Schaltung, die bevorzugt integriert ist ("VLSI", "Ultrahöchstintegriert"), sammeln können. Die Elektroden können Mikrodioden sein, wobei der Abstand zwischen diesen dem zwischen den Mitten der Stellen, wo die Hybridisierung stattfinden soll, gleicht. Die Dioden können zig Tausend sein.
  • Das System umfaßt bevorzugt einen kompakten integrierten Schaltkreis, der zum Beispiel die Ladung oder den Strom, erzeugt durch die Ionisierung, liest, und, wenn getrennt von dem Detektorwafer, Bondkontakte in Richtung der Dioden, bevorzugt (jedoch nicht notwendigerweise) mit gleichen Abständen dazwischen, aufweist.
  • Die Strahlungsquelle wird über oder unter dem Träger der Proben, die diese vollständig bestrahlt, plaziert. Der Strahlungsquelle folgt der Detektor, an den der integrierte Schaltkreis möglicherweise befestigt oder geschweißt wird. Die Informationen, die von dem elektronischen Schaltkreis gesammelt werden, werden digitalisiert und auf einen normalen elektronischen Prozessor der neuesten Art übertragen.
  • Das Verfahren besteht aus dem Nachweis der Stellen, wo die Hybridisierung der Proben, die an dem Träger angebracht sind, mit nacheinander abgelagerten und zu studierenden Targets stattfand. Einige der Targets hybridisieren, andere nicht. Danach entfernt ein Waschvorgang die Targets, die nicht hybridisierten. Dann wird der Träger bestrahlt, möglicherweise für weniger als eine Sekunde, wobei die genaue Zeit unter Berücksichtigung der Anzahl der Hybridisierungsstellen und des Lesens bestimmt wird.
  • Alle Hybridisierungsstellen und Leseelemente (bevorzugt Dioden) werden gleichzeitig bestrahlt. Jede Diode (oder Elektrode), die die Strahlung sammelt, hat eine Position, die der Probe des Glasträgers, durch den diese Strahlung dringt, entspricht.
  • Ausführlichere Ausführungsformen des Systems, das zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, werden hierin nachstehend beschrieben.
  • In bezug auf 1a ist das Schaubild 1001 ein Pixelmatrixdetektor 1002. Der Detektor umfaßt Pixel, gebildet aus Elektroden oder komplexeren Systemen 1006 auf einem Wafer aus Halbleitermaterial mit rechteckiger Form. Alternativ kann er jedoch die Form einer Scheibe oder eines Quadrats haben. Die Pixel sind in Säulen abgeschieden, die voneinander beabstandet sind. Der Abstand 1004 zwischen Pixeln einer Säule ist beispielsweise derselbe wie der Abstand 1005 zwischen Säulen. Er kann im Bereich von wenigen Mikrometern bis wenigen Zentimetern liegen. Der Detektor umfaßt in diesem Fall Sammelleitungen 1003, mit denen die elektrischen Signale, die in den Pixeln erzeugt werden, gesammelt und nach außen in einen elektronischen Schaltkreis gebracht werden können.
  • In bezug auf 1b ist das Schaubild ein Beispiel eines Schemas einer Matrix, die eine Biochip-Array 2001 mit Adhäsionsstellen 2002 von Proben zur Hybridisierung zwischen Proben und Targets bildet. Die Stellen sind auch in Säulen angeordnet. Die Abstände 2004 zwischen ihnen sind denen zwischen den Säulen aus Pixeln gleich. Der Abstand zwischen benachbarten Stellen ist derselbe wie der Abstand zwischen benachbarten Pixeln. Die Größen jeder Stelle 2005 des Arrays hierin folgen denen des Detektors, obgleich diese nicht notwendigerweise gleich sein müssen. Solche Größen werden so ausgewählt, daß sie höchstens so viele Stellen wie Detektorpixel enthalten. Die Ecken des Biochips 2006 und des Detektors 2007 hängen von einfachen Konstruktionsbeschränkungen ab und sind so, daß sich Detektor und Biochip überlappen. Die Zeichnung ist nicht maßstabsgerecht. Die Größen der Seiten 2005 liegen zwischen einigen Millimetern und zig Zentimetern. Liegt der Biochip über dem Detektor, so korrespondieren die Stellen jeweils mit den Detektorelektroden, wie in den anderen Figuren gezeigt. Jedem Pixel entspricht eine Hybridisierungsstelle. Selbstverständlich sind andere räumliche Anordnungen der Pixel vorstellbar (in Linien, Arrays, isolierten Pixeln usw.).
  • 2a veranschaulicht eine Ausführungsform des Systems aus den 1a und 1b, das keine Marker nutzt. Die Quelle 3001 ist eine Entladungs-, Elektroden- oder Plasmalampe oder sogar ein Gas-, Halbleiter- oder Plasmalaser, die in einer oder mehreren Wellenlängen der maximalen Absorption für die Elemente, aus denen die bestrahlten Moleküle bestehen, emittiert. In diesem Beispiel liegt die Quelle über dem Träger. Die Quelle bestrahlt alle Proben des Biochips 2001, das heißt die Proben 3002, die allein bleiben, ebenso wie die Proben, die mit den hybridisierten Targets 3003 verbunden sind. Die Strahlung 3004 dringt zuerst durch diese hindurch (im Biochipstadium), erreicht dann den Detektor 1002, der unter dem Biochip 2001 abgelagert ist. In dem Detektor 1002 wird der Halbleiter durch die Strahlung ionisiert und erzeugt Ladungen, die gesammelt und in einen digitalen integrierten Schaltkreis 3006 übertragen werden, mit dem zum Beispiel die Menge der absorbierten Strahlungsenergie an jeder Stelle quantifiziert werden kann. Der elektronische Schaltkreis wird mit Bondkugeln 3008 an den Detektor gelötet. Die Ergebnisse werden mittels computergestützter Verarbeitungsmittel 3007 verarbeitet.
  • 2b veranschaulicht eine Ausführungsform des Systems, das Marker nutzt. Die Quelle 4001 ist eine Entladungs-, Elektroden- oder Plasmalampe oder ein Gas-, Halbleiter- oder Plasmalaser, die in einer oder mehreren der Wellenlängen der maximalen Absorption und Reemission der Marker, mit denen die Moleküle des bestrahlten Organismus oder der bestrahlten Verbindung gemischt werden, emittieren. In dem Beispiel werden die Proben 4002, die nicht hybridisieren sowie die Proben mit hybridisierten Targets 4003 bestrahlt. Die Strahlung 4004 dringt zuerst durch diese hindurch und erreicht dann den Detektor 4005. Der Detektor 2001 wird durch einen Halbleiter gebildet, der durch die Strahlung ionisiert wird und in dem Ladungen erzeugt, gesammelt und zu einem digitalen integrierten Schaltkreis 4006 übertragen werden, mit dem die Menge der Strahlungsenergie pro Wellenlänge quantifiziert wer den kann. Die Ergebnisse werden wiederum mit computergestützten Verarbeitungsmitteln 4007 verarbeitet, die zum Beispiel einen Standard-PC umfassen.
  • Die Ausführungsform aus 2a wird in 3a in Explosionsansicht gezeigt, und der Schaltkreis 3006 ist ein elektronischer VLSI-Schaltkreis. Die kugelförmigen Elemente 3008 sind Verschweißungen zur Bindung des Biochips 2001 an den Detektor 1002, der auf der Oberseite des Schaltkreises 3006 unter dem Biochip 2001 plaziert ist, der durchsichtig mit hybridisierten Targets 3003 dargestellt wird. Proben mit oder ohne Targets werden in jedem Quadrat plaziert. Die Ausführungsform hier umfaßt auch Karten 5007 für die weitere Digitalisierung und Übertragung von Daten zu einem Prozessor, der in dem Schaltkreis enthalten sein kann oder nicht. 3b zeigt dieselben Elemente wie 3a, die nun zusammengebaut sind. Die Größen sind dieselben wie die der Beispiele 1a und 1b.
  • In 4 wird eine schematische Veranschaulichung des endgültigen Systems nur anhand eines Beispiels gezeigt. Sie zeigt die beschriebene Quelle 3001 (zum Beispiel eine UV-Quelle), die sich in einem Gehäuse mit einer Öffnung zur Aufnahme der Hybridisierungstargets 3003 auf dem Glasträger 2001 und des Schaltkreises, der an den Detektor 1002 angebaut ist, befindet.
  • Da die Targets keine Marker enthalten, hängt die Quantität der Ladung von der Anzahl hybridisierter Moleküle ab. Genauer gesagt, je kleiner die Ladung, um so größer die Anzahl hybridisierter Moleküle und umgekehrt. Sind die Targets markiert, können wir den Bindungsgrad bestimmen, in dem die Quantität der durch den Detektor gesammelten Ladung an dem möglichen Energieintervall der reemittierten Strahlung in Betracht gezogen wird. Tatsächlich hängt die Intensität der gesammelten Strahlung von der Größe des hybridisierten Fragments ab. Enthalten die Targets eine fluoreszierende Substanz, wird die Strahlung mit einer anderen Energie gemäß der Substanz und der Quantität des tatsächlich an der Probe befestigten Targets reemittiert. Soll ein Energieintervall gewählt werden, können wir eine geeignete Monochromatorstrahlung oder eine Reihe von Filtern sowohl zwischen die Quelle und den Träger als auch zwischen den Träger und den Detektor einschieben, um einen Detektor mit integrierter Energiewahl durch das darin abgelagerte Material einzukalkulieren. Dieses Material kann zum Beispiel eine Verbindung aus Al, Ga und N sein. Siehe zum Beispiel J. L. Pau et al. "High visible rejection AlGaN photodetectors on Si(111) substrates", Appl. Phys. Lett. 76, 2785 (2000), E. Monroy et. al., "AlxGal – xN:Si Schottky barrier photodiodes with fast response and high detectivity" Appl. Phys. Lett. 73, 2146 (1998), M. Razeghi et al., "Semiconductor ultravioletdetectors" J. Appl. Phys. 79, 10 (1996) 7433–7473.
  • Die sammelnden elektrischen Elemente (Elektroden oder Dioden) werden fest positioniert, eines für jede Probenstelle. Da man weiß, welche Probe in einer bestimmten Stelle des Trägers plaziert wurde und unter Berücksichtigung der Stellen, die als hybridisiert nachgewiesen wurden, ist es möglich, die Genexpression zu bestimmen, wenn geeignete Proben abgelagert wurden, da diese gleichzeitig mit dem jeweiligen elektrischen Signal verbunden sind. Das Verfahren ist im allgemeinen auf jede Art der Probenbefestigung auf Glasträgern, Polymer oder Quarz oder dergleichen, mit oder ohne weitere Ablagerungen, z. B. polymerisierte, anwendbar. Beispielsweise können wir Oligonukleotide, DNA für Genmutationsprofile oder den Extrakt aus Tumorzellen für das Studium der Anlagerung von Grundsubstanzen für Antitumorarzneimittel usw. verwenden.
  • Der Abstand zwischen den Nachweiselementen kann jeder Abstand bis zu einigen zig Mikrometern in beide Richtungen, quer zu der einfallenden Strahlung, sein. Im Moment ist es die Technologieimplementierung in den integrierten Schaltkreisen, die diese Größe auf rund 50 Mikrometer oder etwas weniger beschränken. Die Querschnittsgrößen des Glasträgers, anderer alternativer Träger oder des Halbleiterwafers sind nicht speziell eingeschränkt und sollten sie es doch sein, werden sie den Anwendungsbereich des Verfahrens nicht aufheben. Die Einschränkung kann entweder von mechanischen und Konstruktionseinschränkungen der Maschinen kommen, die die Proben hybridisieren oder ablagern, oder von den Maschinen, die Halbleiterwafer erzeugen. Im Moment ermöglichen die letzteren Technologien die Erzeugung von Systemen von bis zu 32 Zentimetern. Nicht einmal die Dicke des Detektors und des Trägers schränken die Eignung des Betriebs, die Zuverlässigkeit und die Anwendbarkeit des Verfahrens der Erfindung ein.
  • Das System nutzt Halbleiterdetektoren. Die Detektoren können auch lageempfindliche Photomultiplier umfassen, die Hybride von Photomultipliern und Halbleiterdetektoren sind, die in anderen Bereichen an sich bekannt sind. Das System kann zur automatischen Auswahl von Wellenlängen Filter umfassen, die in dem Detektor integriert oder daran befestigt sind. Es können Mehranodenphotomultiplier verwendet werden, zum Beispiel die aus dem Katalog HAMAMATSU CORPORATION, März 2001, Beispielprodukt H6568.
  • Halbleiterdetektoren können eine kleine oder große (direkte oder indirekte) Energielücke aufweisen und können auch natürlich sein oder synthetisch aus Legierungen erhalten werden. Ihre Zusammensetzung und Behandlung ändern das Nachweispotential. Einige dieser Materialien können gemäß bestimmten Nomenklaturen eher als "Isolatoren" als echte "Halbleiter" betrachtet werden. Diese sind alle im Gebiet dieser Erfindung enthalten. Beispielsweise sind synthetische Diamant enthalten. Das gleiche gilt für Verbindungen, die Indium, Aluminium, Gallium und Silicium enthalten, mit oder ohne Stickstoff. Diese Materialien können freiwillig oder unfreiwillig angereichert sein und können daher andere Atome unterschiedlicher Art enthalten. Ihr Reinheitsgrad hängt von vielen Voraussetzungen ab: den Kosten, der Verfügbarkeit und der Leichtigkeit der Herstellung. Auf dem Gebiet der vorliegenden Erfindung liegen die Vorteile dieser Materialien in ihrer Fähigkeit, daß sie durch die einfallende Strahlung ionisiert werden können und die erzeugte Ladung größtenteils in diesen Materialien verbleibt, ohne daß sie wieder absorbiert wird. Dies ist dank eines elektrischen Feldes, das von einem Ende zum anderen angelegt wird, möglich. Das Feld kann in einer Oberseite-Unterseite-Konfiguration oder quer in derselben Oberfläche angelegt werden.
  • In den üblichsten Anwendungen wird das Material in Form dünner Scheiben mit einem Durchmesser zwischen 3 cm bis zu 10 cm oder mehr hergestellt. Die Dicke der Scheiben wird in Mikrometern von ein- bis mehr als eintausend (mehreren Millimetern) gemessen.
  • Zum Nachweis der Strahlung können unterschiedliche Verfahren verwendet werden. Die üblichsten von ihnen sind die einfache Ablagerung von Filmen, die die Elektroden bilden, an die das elektrische Feld angelegt werden soll, oder die Ablagerung von komplexeren Verbindungen zum Erhalt geeigneter Kontakte, um so eine ausreichende Ladung sammeln zu können, und nicht zu lautes Hintergrundrauschen zu erzeugen. Beispielsweise kann im Falle von Diamant das erste Verfahren angewendet werden, wohingegen mit angereicherten Siliciumanschlüssen ("n"- oder "p"-Typ) elektrische Konfigurationen in Form einer "Diode" verwendet werden können. Diese Verfahren bilden Elektroden, und der Detektor wird Ionisationsdetektor genannt. Die Elektroden können unterschiedliche Formen haben, wie lange Streifen oder Rechtecke oder Quadrate, mit einer Größe zwischen Zehn und mehreren Hundert Mi krometern. Sie können eine Struktur bilden, die sich selbst so lange wiederholt, bis sie die gesamte Oberfläche der Scheibe bedeckt.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in der Verwendung dieser Materialien zum Nachweis der Strahlung, die durch den Biochip dringt. Daher betrifft das Gebiet der vorliegenden Erfindung die Verwendung dieser Detektoren mit Biochips. Genauer gesagt, wird ein Fachmann Wert auf die Einstellung des Materials zur Optimierung des Signals, die Einstellung der Größe der Elektrode (oder des "Pixels"), auf die der Stelle, wo die Hybridisierung stattfinden soll, und die Einstellung der Größe der Scheibe, die nacheinander in Größen geschnitten wird, die für die, die in dem Biochip zur Ablagerung der Proben verwendet werden, nützlich sind. Die Pixeldetektoren auf dem Halbleiter werden verhältnismäßig wenig genutzt und ihre Vermarktung ist eingeschränkt. Zur Zeit werden sie manchmal CMOS-Detektoren (kombiniertes Metalloxid-Silicium) genannt. Die vorliegende Erfindung nutzt jedoch alle diese Detektoren in ihrer üblichsten Definition, da sich unter den hierin beschriebenen Detektoren oftmals Kombinationen aus Metall und Siliciumoxiden befinden.
  • Alle diese Detektoren können mit üblichen Laborgeräten gelesen werden, die eine Abweichung der Ladungs- oder Strommenge (Ladungsmenge in Zeit) in den hybridisierten Stellen in bezug auf die in nicht hybridisierten Stellen messen. Es wird aber nicht nur die Abweichung gemessen, sondern auch deren Wert. Dieser Nachweis ist ein wesentlicher Bestandteil dieser Erfindung. Er ermöglicht die Bewertung, wie viele Moleküle an derselben Stelle hybridisierten (die möglicherweise eine Vielzahl von Proben enthalten) und deren Position und auch, wie viele Stellen die Bewertung einer vorgegebenen Expression liefern und welche Stellen.
  • Das Gebiet der vorliegenden Erfindung nutzt auch das Lesesystem, basierend auf einem integrierten elektronischen Schaltkreis (VLSI) zur Digitalisierung der Hybridisierungsinformationen, dies ist jedoch keine wesentliche Voraussetzung. Man sollte jedoch in Betracht ziehen, daß, obgleich dieses System in vielen Ausführungsformen der Erfindung verwendet wird, dies nicht das einzig mögliche System zur Digitalisierung der Signale für den gleichzeitigen Nachweis der Hybridisierungsstellen ist.
  • Die Wirkungsmerkmale des Schaltkreises hängen von den Merkmalen des Systems, insbesondere von der Art der verwendeten Proben und Targets und daher von der Art der Strahlung und der Energie der Strahlungsquelle ab. Der Schaltkreis wird andere Merkmale haben, die auch von seiner Anwendung abhängen und ob Marker enthalten sind oder nicht und welche das sind.
  • Der Schaltkreis kann die Ladung in einem Intervall im Bereich von zig Nanosekunden bis Millisekunden sammeln und ermöglicht eine Zählung, wie viele Photonen den Detektor tatsächlich erreichen. Der Wert der Energie für jedes von ihnen (d. h. ihre Wellenlänge) wird durch irgendeine geeignete und bereits bekannte Anordnung von Transistoren ausgelesen.
  • Die Anwendung des Schaltkreises auf die Strahlung, die durch den Biochip dringt, bildet eines der Innovationsgebiete der vorliegenden Erfindung.
  • Der Schaltkreis, der mit jeder Technologie hergestellt werden kann, die als geeignet erachtet wird (die vorliegenden werden zwischen 0,6 und 0,13 Mikrometer definiert), hängt zu einem großen Teil von den geometrischen Eigenschaften des in Betracht gezogenen Mikrochips ab.
  • Der Schaltkreis wird auch auf einer Halbleiterscheibe erzeugt. Diese kann dieselbe Größe haben, wie der Detektor oder größer oder kleiner sein. Im letzteren Fall sollte er in einer Dominokonfiguration angeordnet sein. Der Schaltkreis wird dann geschnitten und mittels industrieller Schweißtechniken an den Detektor angebaut. Es ist auch möglich, Verfahren zu übernehmen, die auf dem Markt zur Übertragung zu einem weiteren Informationsverarbeitungssystem bis zur Visualisierung auf einem Bildschirm, wie einem Personalcomputer, verfügbar sind. Diese Lösungen sind nur Beispiele. Die Erfindung führt zu Informationen, die für genetische oder andere Überlegungen verarbeitet werden können.
  • Die vorliegende Erfindung soll allgemeinen Charakter haben und auf einen breiten Bereich wie auch immer abgelagerter biologischer Verbindungen und auf irgendeine der Oberflächen, die derzeit verwendet werden (Polymere, Glas, Kristalle usw. alle beschichtet und/oder behandelt oder nicht), anwendbar sein.
  • Die Messung des Stroms in hochohmigem Siliciumdetektoren mit daran montierten Halbleiterverbindungen und die Polarisierung des Detektors mit einem Rückspannungspotential werden hierin nachstehend als ein nicht einschränkendes Beispiel der Empfindlichkeit des Systems angegeben. Für ein DNA-Fragment mit 70 Basenpaaren wurde eine Stromabweichung mit oder ohne Beleuchtung im Bereich von 1 nA bis 20 nA pro 250 Basenpaare bei rund 260 nm nachgewiesen. Für Oligonukleotidfragmente, die in Glas vom "Coming glass"-Typ hybridisierten, wurde eine Stromabweichung von rund 100 nA nachgewiesen.
  • Das vorgeschlagene Verfahren ist kosteneffektiver, zuverlässiger und schneller als Verfahren, die momentan in Laboratorien in Versuchen verwendet werden, und als kommerzielle Verfahren. Das System fokussiert auf die weiteste Verbreitung und Verwendung von Biochip-, DNA-Chip- oder Biochip-Array-Mikrosystemen, die auf diesem Gebiet verschiedenartig bekannt sind, ohne daß sie eine deutliche Definition aufweisen.
  • Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind zahlreich. Sie basieren im wesentlichen aber nicht ausschließlich auf zwei Innovationen: dem gleichzeitigen Nachweis aller Hybridisierungsstellen und der potentiellen Eliminierung der Marker. Die zweite Innovation schließt die erste nicht aus und umgekehrt. Die Vorteile des gleichzeitigen Nachweises werden auch erhalten, wenn Marker verwendet werden. Analog können die Vorteile des Nachweises ohne Marker auch ohne den gleichzeitigen Nachweis erhalten werden. Die vorliegende Erfindung umfaßt beide Lösungen, da sie auf Halbleiterdetektoren mit dem direkten Lesen von Strom oder Ladung basiert.
  • Die Vorteile des gleichzeitigen Nachweises sind außerordentlich: leichte Konstruktion und Verwendung des Systems und geringe Kosten. Zum Erhalt dieser Vorteile müssen einige, bevorzugt alle Hybridisierungsstellen gleichzeitig bestrahlt werden. Das vorgeschlagene System liefert eine geeignete Bestrahlung gemäß der verwendeten Strahlungsquelle. Es sind unterschiedliche Arten der letzteren mit geeigneten optischen Systemen möglich. Eine andere Voraussetzung für den gleichzeitigen Nachweis ist, daß die entsprechenden Signale gleichzeitig gesammelt werden. Um dies zu erreichen, muß jeder Hybridisierungsstelle ein einzelnes Leseelement entsprechen. Die Verwendung eines Pixeldetektors, in dem jeder Pixel einer Hybridisierungsstelle entspricht, befindet sich unter den Innovationen der vorliegenden Erfindung.
  • Ein schneller Nachweis der Hybridisierung ermöglicht den Erhalt einer großen Anzahl an Informationen in sehr kleinen Zeitintervallen von rund einer Mikrosekunde über die Expression einer großen Anzahl an Genen. Dies macht die Arbeit vieler Klinik- und Pharmazieforscher schneller und leichter. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die vollständige Ausnutzung der Biochipvorteile.
  • Mit der Erfindung kann der Nachweis der Strahlung, die nach der Absorption übertragen wird, erhalten werden. Offensichtlich kann auch radioaktive Strahlung nachgewiesen werden, obgleich dies immer seltener angewendet wird. Auch in der Versuchsphase sind Systeme, die einzelne Teilchen aus nuklearen Verfahren, wie der Herstellung von Paaren aus Elektronen, Positronen oder nuklearen Fragmenten und der Herstellung elektromagnetischer Strahlung bei hohen Energien (mehr als 6 eV und bis zu einigen GeVs), emittieren. Die vorliegende Erfindung deckt alle diese Arten von Strahlung ab. Aus den oben genannten Grünen deckt sie den Nachweis in Wellenlängenintervallen von rund 700 nm bis zu 190 nm ab, da im Moment diese Umsetzung des vorgeschlagenen Verfahrens die näherliegendere ist.
  • Wir sahen, daß die Absorption der Strahlung, die durch den Biochip dringt, nachgewiesen werden kann. Jede Ablagerungs- und Hybridisierungsstelle wird die einfallende Strahlung anders absorbieren. Die Stellen, in denen die Hybridisierung stattfand, wird mehr absorbieren, als die, an denen nur die befestigte Probe zurückblieb. Ferner wird die Absorption unter Hybridisierungsstellen, die direkt proportional zu der Anzahl von Molekülen ist, die diese hybridisieren, von Stelle zu Stelle variieren. Daher wird der Hybridisierungsgrad durch die Strahlung, zum Beispiel die Anzahl an Photonen, die bei dem Detektor ankommen, gemessen, d. h. durch die Quantität an Ladungen, die in dem Halbleiter erzeugt und durch den elektronischen Schaltkreis, der die Digitalisierung nach einer analogen Lesung durchführt, gesammelt wird.
  • Ein Vorteil des Nachweises ohne Marker ist, daß die Messung direkt und möglicherweise analog ist. Das Bild ist in bezug auf die Reemission von Fluoreszenz, die andererseits isotrop und daher größtenteils im Raum verteilt wird, schärfer. Ferner ist die Absorptionsmenge eine allgemein bekannte Funktion für alle verwendeten Materialien, so daß die Ergebnisse durch die Einschätzung durch mathematische Verfahren schnell verifiziert werden können. Im Ge gensatz dazu sind die Gründe für die Absorption und Reemission fluoreszierender Substanzen, die an Proben oder Targets befestigt sind, nicht wirklich allgemein bekannt. Viele Ursachen können die Befestigung beeinflussen, wobei die stöchiometrische Besetzung das Hauptelement ist. Dann müssen thermodynamische Voraussetzungen erfüllt werden, um zu beweisen, daß die Ergebnisse mit der Theorie übereinstimmen, und dies hängt stark von dem Versuch selbst ab. Überdies ist die Verwendung fluoreszierender Substanzen auch aus physikalischen und chemischen Gründen und ihren Kosten weniger attraktiv. Solche Voraussetzungen gelten im allgemeinen für die Verwendung aller Marker.
  • Gemäß der Erfindung kann die Absorptionsmessung in einem breiten Energiespektrum durchgeführt werden. Die Quelle muß auf der Grundlage der verwendeten Proben und Targets geeignet ausgewählt werden. Beispielsweise wird im Falle von DNA-basierenden Hybridisierungen die maximale Absorption bei einer Wellenlänge von rund 260 nm erhalten. Daher ist eine Quelle, die ihre maximale Intensität in diesem Intervall emittiert, die geeignetste. Beispielsweise können wir Quellen verwenden, die auf dem Markt existieren, die Deuterium und Quecksilber umfassen, oder geeignete Laser oder Plasmaquellen. Solche Quellen sind auch hinsichtlich der Empfindlichkeit optimal. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist bei der üblichen Verwendung eines Biochips eine Deuteriumquelle mit geringer Intensität, von denen die auf dem Markt erhältlich sind, perfekt geeignet. Das Verfahren, das in der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, deckt alle möglichen Quellen, die Laser mit einer vorbestimmten Wellenlänge oder einem breiten Spektrum umfassen, sowie die, die mit Filtern oder Monochromatoren verbunden sind, ab. Die Absorption kann auch in einem anderen Wellenlängenintervall als die Absorption von Basen, die reine DNA bilden (Absorptionspeak bei 265 nm) gemessen werden. Die Verwendung anderer Quellen kann sich sowohl hinsichtlich der Kosten als auch der erforderlichen Energie oder hinsichtlich anderer praktischer Bedürfnisse, umfassend die Anregung zur Beobachtung eines anderen Absorptionspeaks für komplexere Molekularmassen wie Proteine und andere Organismen, als günstig erweisen.
  • Im Hinblick auf den oben zitierten Stand der Technik sind die Vorteile der Erfindung die folgenden.
  • In WO-96 07917 kann der Nachweis nicht gleichzeitig stattfinden. Insbesondere hat der bereitgestellte Sammelschaltkreis nicht die gleiche Geometrie der Pixel wie in dieser Erfindung.
  • In bezug auf die vorliegende Erfindung ist das Nachweissystem aus US-5 633 724 weder das der direkten Bestrahlung der Probe, noch führt es den Nachweis gleichzeitig oder zum selben Zeitpunkt mit der Bestrahlung durch. Die Bestrahlung kann auch gleichzeitig stattfinden, der Nachweis findet jedoch durch Scannen statt und ist indirekt. Der Nachweis wird in dem Strahlungsteil durchgeführt, der der inneren Reflexion (TIR "Gesamte Innere Reflexion") auf dem inneren Teil des Substrats, wo die Moleküle abgelagert werden, folgt. Im Gegensatz dazu erreicht in der vorliegenden Erfindung die Strahlung den Detektor, nachdem sie durch dessen Träger (oder Substrat) gedrungen ist.
  • Das Dokument US-6 017 435 liefert keine Möglichkeit zur Verwendung von Pixeldetektoren, die die Ladung oder den Strom lesen. Die Möglichkeit der Messung der Absorption wird nicht bereitgestellt. Es kann nur bestätigt werden, daß sie durch den Nachweis ihrer Gegenwart durch die Identifizierung von Licht- und Schattenflächen, durch die die Moleküle liefen, stattgefunden hat. Dieses Ereignis kann als eine Stromabweichung in bezug auf ein bestimmtes Niveau nachgewiesen werden, es quantifiziert jedoch nicht die Molekularmasse. Ferner wird die Anwendung auf Biochip-Arrays nicht bereitgestellt. Es offenbart kein System wie das, das für das Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wo nicht nur die Position zum Nachweis der Stelle ermöglicht wird, sondern auch die Quantifizierung der Molekularmasse, die an dieser Position vorliegt. Dies ist in der vorliegenden Erfindung dank der analogen Lesung der Detektorladung durch den elektronischen Schaltkreis möglich. Ferner setzt in US-6017 435 der Nachweis die Bewegung der analysierten Moleküle voraus. Die Verwendung der Pixeldetektoren besagt nur, ob das Molekül in der Elektrophoresebewegung durchgedrungen ist oder nicht. So sieht das Dokument einen digitalen Nachweis, keine analoge Bewertung zur Quantifizierung der Ladung in dem Schaltkreis vor.
  • Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von der Vorrichtung aus WO-99 32877, da sich der Nachweis auf Strahlung jeder Art und nicht nur auf optische bezieht (Nachweis für Photonen in Wellenlängenintervallen von rund 500–1000 nm). Ferner führt diese Vorrichtung den Nachweis nur an fluoreszierenden Substanzen durch.
  • Die von A. Mahon et al. (Phys. Med. Biol. 44 (1999) 1529–1541) bereitgestellte Vorrichtung hat eine Nachweisgrenze, die von einer Masse von rund 1 ng abhängig ist. Dieser Grenzwert wirkt sich nicht nachteilig auf die vorliegende Erfindung aus, die Fragmente mit kleineren Größen nachweisen kann.
  • Keine der existierenden Vorrichtungen führt einen gleichzeitigen Nachweis aller Stellen für eine Standardgröße des Objektträgers durch. Im derzeitigen Stand der Technologie weisen die Standardobjektträger, die in Mikro-Arrays verwendet werden, eine Seite von etwa 1 oder 2 cm und Tausende daran befestigte Proben auf. Daher kann keines der derzeitigen Systeme mit dem, das für das Verfahren dieser Erfindung verwendet wird, verglichen werden, das den gleichzeitigen und mehrfachen Nachweis an tausenden Stellen ermöglicht, wie beschrieben wird. Die vorliegende Technologie des hierin vorgeschlagenen Detektors wird rund 5 Millionen oder mehr Nachweisstellen ermöglichen. Ferner ermöglicht es den Nachweis ohne Verwendung von Markern.
  • Die Erfindung ermöglicht auf einem Bildschirm mittels eines Computers den Erhalt einer tatsächlichen und Echtzeitrepräsentation des Zustandes (hybridisiert oder nicht) jeder Stelle des Trägers. Derselbe Computer kann diese Informationen verarbeiten und die Entwicklung jeder Stelle im Verlauf der Zeit analysieren (und wiedergeben). Es können Bildfolgen des Trägers zu unterschiedlichen Zeitpunkten, zum Beispiel alle 20 Mikrosekunden, erhalten werden. Wenn der Träger kontinuierlich bestrahlt wird und das Signal kontinuierlich verarbeitet und wiedergegeben wird, ist eine kameraähnliche Darstellung des Trägers möglich, wodurch der Bewertung jeder Stelle in Echtzeit gefolgt werden kann. Demgemäß ermöglicht die Erfindung eine dynamische Behandlung der Experimentergebnisse. Der Vergleich der Ergebnisse einiger Stellen ermöglicht eine effiziente Kalibrierung der Vorrichtung und auch ihre Nachkalibrierung während des Versuchs. Er ermöglicht den Nachweis der Stellen, an denen eine Hybridisierung stattgefunden hat, und der Vergleich solcher Stellen untereinander ermöglicht auch die Bestimmung der Menge an Targets an den jeweiligen Stellen. Die Erfindung vermeidet eine Verzögerung beim Scannen.
  • Die Erfindung kann in Bereichen wie der Genomforschung, der Proteomforschung usw. angewendet werden.
  • Eine andere Ausführungsform wird in 5 veranschaulicht, die die Strahlung zeigt, die von der Quelle 3001, die auf den Stellen der Biochips 1002 mit Proben und möglichen Tar gets auftrifft, emittiert wird. Die Strahlung geht dann weiter zum Detektor 3006, ohne durch den Biochip zu dringen. In diesem Fall kann fluoreszierendes Licht verwendet werden. Diese Ausführungsform kann unter Verwendung der Technologie der Firma BIACORE, die an sich bekannt ist, durchgeführt werden.
  • Die Erfindung kann andere Merkmale zeigen, wie die folgenden:
    • – die Vorrichtung kann ein Mikrolinsensystem aus einem Material umfassen, das das Durchdringen der maximalen Intensität der einfallenden Strahlung ermöglicht, angeordnet in der Bahn der Strahlung vor oder nach dem Träger;
    • – Eingeschoben vor oder nach dem Träger kann ein Monochromator- oder Filtersystem zur Auswahl der Durchgangsenergie aus einem Material, das das Durchdringen der maximalen Intensität der einfallenden Strahlung ermöglicht, bereitgestellt werden;
    • – das Mittel zur Quantifizierung (der elektronische Leseschaltkreis) kann die Ladung in elektrischen Strom umwandeln oder die Ladung direkt zu dem Verstärkersystem, mit oder ohne Kapazität und/oder Widerstandsfilter, übertragen.
  • Die Erfindung liefert auch ein Verfahren zum Nachweis einer Position mehrerer Hybridisierungsstellen auf einem Träger mit hybridisierten Targets, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
    • – Emittieren einer Strahlung auf den Träger; und
    • – Empfangen der Strahlung, die von dem Träger kommt, auf einem Detektor, der gegenüber der Strahlung empfindlich ist.
  • Dieses Verfahren kann auch mindestens einen der folgenden Schritte umfassen:
    • – Bestimmung der Stellen mit hybridisierten Targets; und
    • – Berechnung der Menge an Targets, die an jeder dieser Stellen hybridisierten.
  • Das Verfahren der Erfindung kann bei nicht PCR-behandelten Verbindungen angewendet werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Nachweis der Hybridisierung von Proben und Targets, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: nacheinander Ablagern von Targets, die keine Marker aufweisen, an einem Träger, an dem die Proben gebunden sind, Waschen des Trägers, so dass die Proben, die nicht hybridisierten, entfernt werden, und Stellen auf dem Träger zurücklassen, an denen Targets und Proben hybridisiert haben, Emittieren einer Strahlung auf einen Träger von einer Quelle, ausgewählt aus der Gruppe einer Entladungslampe, einer Elektrodenlampe, einer Plasmalampe, einem Gaslaser, einem Halbleiterlaser und einem Plasmalaser, in einer oder mehrerer der Wellenlängen der maximalen Absorption der Elemente, aus denen die bestrahlten Moleküle bestehen, auf die Stellen, so dass, wenn die Strahlung durch die Stellen dringt, die Energie abgeschwächt wird, Empfangen der abgeschwächten Strahlung, die durch die Stellen gedrungen ist, auf Mikroelektrodendetektoren, so dass ein Halbleiter durch die Strahlung ionisiert wird, und Ladungen generiert werden, die gesammelt und auf einen digitalen integrierten Schaltkreis übertragen werden, der in der Lage ist, die Menge der absorbierten Strahlungsenergie an jeder Stelle zu quantifizieren, gleichzeitiges Quantifizieren der Hybridisierung der verschiedenen Stellen auf dem Träger, indem die von den jeweiligen Mikroelektrodendetektoren generierte Ladung quantifiziert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des Empfangens der Strahlung von einer Stelle auf dem Träger in verschiedenen Augenblicken, und bevorzugt Quantifizieren der Entwicklung der Hybridisierung an dieser Stelle im Laufe der Zeit, umfasst.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Quantifizierungsschritt den Schritt des Zählens der Anzahl der Photonen, die bei einem der Detektoren von einer Stelle ankommen, umfasst.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Targets und/oder Proben aus einer Gruppe genommen werden, bestehend aus: DNA-Fragmenten, RNA-Fragment-Hybridsystemen, wie etwa PNA (Nucleinsäureshomologes mit Peptidrückgrat), Proteinfragmenten, synthetischen Oligonucleotiden und synthetischen Oligopeptiden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung elektromagnetisch ist, und in einem Energieintervall zwischen 1 eV und 6 eV liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung elektromagnetisch ist, und eine Wellenlänge hat, die zwischen 190 nm und 300 nm liegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Targets PCR-amplifizierte ("Polymerase-Kettenreaktion") Moleküle sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Targets unbehandelte Moleküle, wie etwa ein einfacher zellulärer Lysatextrakt, sind.
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