DE69818957T2

DE69818957T2 - Methode zum Nachweis von Molekülen unter Verwendung der digitalen Mikrospiegel-Technologie

Info

Publication number: DE69818957T2
Application number: DE69818957T
Authority: DE
Inventors: Robert J Petcavich
Original assignee: Petcavich Robert J San Diego
Current assignee: Petcavich Robert J San Diego
Priority date: 1997-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2018-12-24
Also published as: DE69818957D1; EP0926495B1; EP0926495A1; US5912181A

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweisen und Überprüfen organischer Moleküle und biologischer Krankheitserreger durch Verwendung einer molekularsondenaktivierten digitalen Mikrospiegeltechnologie
Hintergrund der Erfindung
Ein erstes wissenschaftliches Gebiet, das für die Erfindung relevant ist, ist die Erfassung und Identifikation von biologischen Molekülen und Pathogenen.
Beispielsweise offenbart das US-Patent 5,653,937, erteilt am 5. August 1997 für Hollis et al. daß eine Vielzahl von Erfassungsstellen auf einem geeigneten Substrat ausgebildet sind und daß eine Probensubstanz über die Stellen aufgebracht wird, die Molekularstrukturen enthält, die erfaßt und identifiziert werden sollen. Jede Teststelle enthält Sonden, die so ausgebildet sind, daß sie sich mit einer vorbestimmten Zielmolekularstruktur verbinden. Die Sonden bzw. Sensoren an jedem Platz unterscheiden sich auf bestimmte bekannte Weise von den Sonden an den anderen Plätzen, so daß verschiedene Zielmoleküle in der Probe sich mit verschiedenen Sonden bzw. Sensoren verbinden können. Ein Signal wird auf die Teststellen aufgebracht und bestimmte elektrische, mechanische und/oder optische Eigenschaften der Stellen werden erfaßt, um zu bestimmen, welche Sonden sich mit einer zugehörigen Zielmolekularstruktur verbunden haben. Die gebundenen Moleküle können dann von den jeweiligen Stellen entfernt und einem Test und einer Analyse unterzogen werden.
Zahlreiche Techniken sind für die Erfassung und Identifikation von DNA, RNA und anderen biologischen Molekülen und Pathogenen angewendet worden. Diese Techniken schließen Autoradiographie, Fluoreszenzmikroskopie, ladungsgekoppelte Vorrichtungen, elektronische und optische Hybridisation, elektro magnetische Vorrichtungen, dynamische RAM-Speichervorrichtungen, mechanische Resonatoren und dergleichen ein. Jede Technik hat ihre Vorteile und Nachteile.
Ein zweites Technologiegebiet, das für die Erfindung relevant ist, ist dasjenige, das sich auf digitale Licht-verarbeitende Displaytechnologie auf der Basis einer mikroelektromechanischen Vorrichtung bezieht, die als digitale Mikrospiegelvorrichtung bekannt ist.
Eine digitale Mikrospiegelvorrichtung besteht aus tausenden, sogar hunderttausenden einzelnen Spiegeln, jeder üblicherweise 16 μm², und jeweils auf Gelenken oben auf einem statischen RAM-Speicher (SRAM) erzeugt. Jeder Spiegel ist in der Lage, seine eigenen einzigartigen Instruktionen zu empfangen, und er kann eine neue Instruktion jede 1/1000 Sekunde empfangen.
Jeder Mikrospiegel ist ein Lichtschalter, der Licht in einer von zwei Richtungen reflektieren kann, in Abhängigkeit von dem Zustand der darunter liegenden Speicherzelle. Wenn die Speicherzelle in dem (1)-Zustand ist, rotiert der zugehörige Spiegel zu einem +10°. Wenn sich die Speicherzelle in dem (O)-Zustand befindet, rotiert der jeweilige Spiegel zu einem –10°. Jeder Spiegel ist in der Lage, zwischen diesen Positionen mit einer Geschwindigkeit von 1.000 Zyklen pro Sekunde zu oszillieren, um Impulse oder Bündel von reflektiertem Licht zu erzeugen.
Das digitale Lichtverarbeitungssystem wird beim Fernsehen und ähnlichen Technologien verwendet, um digitale Videosignale in eine sichtbare digitale Anzeige umzuwandeln, indem dem menschlichen Auge schnelle digitale Lichtimpulse zugeführt werden, die das Auge als ein farbiges Analogbild interpretiert. Die digitale Mikrospiegelvorrichtung, die von Texas Instruments, Inc., Dallas, Texas, erhältlich ist, ist ein reflektierender digitaler Lichtschalter hoher Geschwindigkeit, der in Kombination mit der Bildverarbeitung, Speicher, Lichtquelle und Optik ein digitales System bildet, das in der Lage ist, große Farbbilder hohen Kontrastes mit ausgezeichneter Wirklichkeitstreue und Konsistenz zu projizieren.
Die Technologie der digitalen Lichtverarbeitung ist bisher nicht angewandt worden auf das Gebiet der Erfassung und Identifikation biologischer Moleküle und Pathogene.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren gemäß den Ansprüchen 1, 6 und 7. Bevorzugt sind Verfahren gemäß den Ansprüchen 2 bis 5 und 8 bis 10.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen wissenschaftlichen Technologien zu vereinigen und insbesondere die digitale Mikrospiegeltechnologie von Texas Instruments zur Erfassung und Identifikation von biologischen Molekülen und Pathogenen zu verwenden.
Es ist nicht Absicht der Erfindung irgendeine der bisher angewandten Molekülerfassungstechniken zu verwenden, sondern statt dessen eine neue und besondere Lösung für das Gebiet der Molekülerfassung und Identifikation hervorzubringen.
Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor.
Zeichnungen
Da die digitale Mikrospiegelvorrichtung bekannt ist und die vorliegende Erfindung nicht auf eine Änderung der Vorrichtung gerichtet ist, sondern auf eine neue und neuartige Anwendung und Benutzung der Vorrichtung, sind Zeichnungen zu einem vollen Verständnis der nachfolgenden detaillierten Beschreibung durch den Fachmann nicht erforderlich, und die Erfindung wird darin beschrieben.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Es folgt eine detaillierte Beschreibung bestimmter Ausführungsformen der Erfindung, die gegenwärtig von dem Erfinder für die beste Art der Ausführung zu seiner Erfindung gehalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feld mikroelektromechanischer Mikrospiegel verwendet, um entweder durch optische Projektion oder durch Softwareabfragung das Vorhandensein eines Moleküls oder biologischen Krankheitserregers zu erfassen, der auf der Fläche des Mikrospiegels gebunden ist, der mit einer geeigneten Molekularsonde aktiviert worden ist. Die Vielzahl von Spiegeln in dem Feld dient als Teststellen auf ähnliche Weise wie bei der Praxis des Gebiets, die oben beschrieben ist. Eine solche Verwendung eines Feldes von Mikrospiegeln als Teststellen stellt eine unkomplizierte Methode zur Abfragung einer großen Anzahl von Zielmolekülen oder Pathogenen dar, schnell und wirkungsvoll hinsichtlich Bioaktivität, Identifikation und nachfolgender Untersuchung.
Molekularsonden bzw. Fühler können durch physikalische oder chemische Mechanismen an den Digitalspiegelflächen angebracht werden. Eine physikalische Methode umfaßt die Adsorption oder Absorption der Sensoren an die Flächen. Eine chemische Methode umfaßt das Anlagern der Sonden an die Spiegelflächen entweder durch ionische oder covalente Verbindung. Durch Verwendung einer oder mehrere dieser Methoden kann eine breite Vielzahl von Molekularsonden an den Spiegelflächen angebracht werden.
Um neue Drogenkandidaten durch optische Projektion unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zu identifizieren, würde ein Benutzer verschiedene biolumineszierende oder chemilumineszierende Sonden an verschiedenen Spiegelflächen des Feldes anbringen, das Feld einer Probensubstanz aussetzen, das interessierende Zielmoleküle enthält, eine geeignete Lichtquelle auf das Feld richten und das resultierende Bild auf einen Bildschirm oder eine andere Fläche richten. Die Stellen, an denen Zielmoleküle mit einem Fühler reagieren, werden in dem projizierten Bild fluoreszieren, und die einzelnen Teststellen (Mikrospiegel) können mit einer Software adressiert sein, um die genaue Stelle und die genaue Sonde an dieser Stelle für das interessierende Molekül zu identifizieren.
Eine Softwareabfragemethode zur Identifizierung von Zielmolekülen verwendet die Oberflächemassenänderung an Mikrospiegeln, die mit 1.000 Zyklen pro Sekunde oszillieren, um das Vorhandensein von molekularen Reaktionen an bestimmten Stellen zu erfassen. Beispielsweise können Molekularsensoren an den Spiegeln angebracht werden, das Feld der Spiegel kann dann oszilliert werden und einer Probensubstanz, die interessierende Zielmoleküle enthält, ausgesetzt werden, und wenn es eine chemische Reaktion an einer oder mehreren Sensoren bzw. Sonden gibt, wird sich die Masse der jeweiligen Spiegel ändern und dies hat zur Folge, daß sich die Oszillationsgeschwindigkeit ändert, d. h. langsamer wird. Die Software wird den Spiegel oder die Spiegel mit langsamerer Oszillation erfassen und da bekannt ist, welche Sonde sich an dieser Stelle befindet, kann ein Zielkandidat identifiziert werden.
Wenn Zielmoleküle einmal lokalisiert sind, kann die identifizierte Spiegelstelle mit einer Fotomaske überdeckt werden, um das Zielmolekül zu schützen, während der Rest des Spiegelfeldes mit einem geeigneten Lösungsmittel gewaschen wird. Die Maske kann dann durch Standardphotolithographietechniken entfernt werden, das Zielmolekül von dem Spiegel abgewaschen, identifiziert und auf geeignete Weise getestet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die umfangreiche, schnelle, kostengünstige Überprüfung und Identifikation biologisch aktiver Moleküle und Krankheitskeime.
Die Gegenstände und Vorteile der Erfindung werden somit auf bequeme, praktische, leichte und wirtschaftliche Weise erhalten.
Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich, daß verschiedene Änderungen, andere Anordnungen und Modifikationen erfolgen können, ohne den Schutzumfang der Erfindung, der durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Überprüfen von Probensubstanzen, die Molekularstrukturen enthalten, die nachgewiesen werden sollen, mit folgenden Schritten: Anbringen von Molekularsonden an den Flächen der Spiegel in einem Feld von mikroelektromechanischen Spiegeln in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung, Aussetzen des Feldes der Spiegel und der angebrachten Sonden einer Probensubstanz, die vermutlich Molekularstrukturen enthält, die jeweils auf eine der Sonden ansprechen, um die jeweiligen Molekularstrukturen an jeweils einer der Sonden anzulagern, optische Aktivierung des Feldes der Spiegel durch Lichtbestrahlung oder mechanische Aktivierung durch Oszillation, Feststellen, ob irgendeiner der Spiegel, nachdem das Feld der Spiegel der Probensubstanz ausgesetzt wurde, ein optisches oder mechanisches Verhalten hat, das unterschiedlich ist gegenüber dem optischen oder mechanischen Verhalten der anderen Spiegel, um hierdurch festzustellen, ob irgendwelche Molekularstrukuren an irgendwelchen Sonden angelagert sind, und Identifizieren des Spiegels oder der Spiegel, wenn irgendwelche ein solches unterschiedliches optisches oder mechanisches Verhalten haben.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner enthaltend die weiteren Schritte: Isolieren des Spiegels oder der Spiegel, die solche unterschiedlichen Reaktionen haben, Entfernen der jeweiligen Sonde und jeder zugehörigen Substanz davon, und Testen derselben zum Vorhandensein und Identifizieren der Molekularstrukturen, die nachgewiesen werden sollen.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: Überdecken jedes identifizierten Spiegels mit einer Fotomaske, Waschen des Restes des Feldes der Spiegel, Entfernen der Fotomaske von jedem identifizierten Spiegel und Testen und Identifizieren der Substanz auf jedem identifizierten Spiegel.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: Anbringen von biolumineszierenden oder chemilumineszierenden Sonden an dem Feld von Spiegeln und, nachdem das Feld der Spiegel der Probensubstanz ausgesetzt ist, Richten einer Lichtquelle auf das Feld von Spiegeln, Projizieren des resultierenden Bildes auf eine Fläche, Bestimmen der Stellen innerhalb des Bildes, die fluoreszieren, und Identifizieren des Spiegels oder der Spiegel, die den fluoreszierenden Stellen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: Oszillieren der Spiegel in dem Feld, Aussetzen der oszillierenden Spiegel der Probensubstanz und Erfassen und Identifizieren jedes Spiegels oder aller Spiegel, deren Oszillationsrate sich ändert.
Verfahren zum Überprüfen von Probensubstanzen, die Molekularstrukturen enthalten, die nachgewiesen werden sollen, enthaltend die Schritte: Anbringen von Molekularsonden an den Flächen der Spiegel in einem Feld mikroelektromechanischer Spiegel in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung, optisches Aktivieren des Feldes der Spiegel durch Lichtbestrahlung oder mechanisches Aktivieren durch Oszillation, Aussetzen des Feldes der Spiegel und der angebrachten Sonden einer Probensubstanz, die möglicherweise Molekularstrukturen enthält, die auf jeweils eine der Sonden ansprechen, um die jeweiligen Molekularstrukturen an jeweils einer der Sonden anzulagern, Bestimmen, ob irgendeiner der Spiegel nach dem Aussetzen einer Probensubstanz ein optisches oder mechanisches Verhalten hat, das verschieden ist von deren optischen oder mechanischen Verhalten vor dem Aussetzen, um hierdurch zu bestimmen, ob irgendwelche Molekularstrukturen an irgendwelchen Sonden angelagert worden sind, und Identifizieren des Spiegels oder der Spiegel, die ein solches optisch oder mechanisch unterschiedliches Verhalten haben.
Verfahren zum Testen einer Probensubstanz nach dem Vorhandensein von gezielten biologischen Molekülen und Krankheitserregern, die nachgewiesen werden sollen, enthaltend die Schritte: Benutzen von Mikrospiegeln in einem Feld von mikroelektromechanischen Spiegeln in einer digitalen Mikrospiegelvorrichtung zum Bilden eines Feldes von Mikrospiegeltestplätzen an mehreren Stellen, Anbringen von Molekularsonden bekannter Bindungseigenschaften an den Flächen jedes Mikrospiegeltestplatzes, wobei die Sonden an jedem Testplatz verschieden sind von den Sonden an anderen Testplätzen auf eine bekannte vorbestimmte Weise, so daß die Testplatzstellen der Sonden und ihre Bindungseigenschaften bekannt sind, Aufbringen einer Probensubstanz auf das Feld von Mikrospiegeltestplätzen, wobei die Probensubstanz Moleküle oder Krankheitskeime enthält, die auf jeweils eine der Sonden zum Anlagern der jeweiligen Moleküle oder Krankheitskeime an jeweils eine der Sonden ansprechen, Aktivieren des Feldes der Mikrospiegel und Entdecken von evtl. Änderungen in dem Verhalten irgendwelcher Mikrospiegel, die als Ergebnis des Bindens von Zielmolekülen oder Krankheitskeimen mit den Sonden an den jeweiligen Testplätzen auftreten, wobei das Vorhandensein einer Vielzahl verschiedener Zielmoleküle und Krankheitskeime in der Probensubstanz nachgewiesen werden kann.
Verfahren nach Anspruch 7, enthaltend die Schritte: Anbringen von biolumineszierenden oder chemilumineszierenden Sonden an dem Feld von Testplätzen und, nach dem Aufbringen der Probensubstanz auf das Feld von Spiegeln, Richten einer Lichtquelle auf das Feld der Spiegel, Projizieren des resultierenden Bildes auf eine Fläche, Bestimmen der Stellen in dem Bild, die fluoreszieren, und Identifizieren des Spiegels oder der Spiegel, die den fluoreszierenden Stellen entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 7, enthaltend die Schritte: Oszillieren der Spiegel in dem Feld, Aufbringen der Probensubstanz auf die oszillierenden Spiegel und Erfassen und Identifizieren durch Softwareabfragung der Spiegel, deren Oszillationsrate sich ändert.
Verfahren nach Anspruch 7, enthaltend die Schritte: Isolieren des Spiegels oder der Spiegel, bei denen eine Änderung entdeckt wurde Entfernen der jeweiligen Sonde und jeder verbundenen Substanz davon und Testen derselben auf Vorhandensein und Identifikation der molekularen Strukturen, die nachgewiesen werden sollen.