EP1514135A1 - Differential indication of labeled molecules - Google Patents

Differential indication of labeled molecules

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Publication number
EP1514135A1
EP1514135A1 EP03735530A EP03735530A EP1514135A1 EP 1514135 A1 EP1514135 A1 EP 1514135A1 EP 03735530 A EP03735530 A EP 03735530A EP 03735530 A EP03735530 A EP 03735530A EP 1514135 A1 EP1514135 A1 EP 1514135A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
determined
local
local distribution
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03735530A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Wojciech Wozny
Michael A. Cahill
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ProteoSys AG
Original Assignee
ProteoSys AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ProteoSys AG filed Critical ProteoSys AG
Publication of EP1514135A1 publication Critical patent/EP1514135A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416Systems
    • G01N27/447Systems using electrophoresis
    • G01N27/44704Details; Accessories
    • G01N27/44717Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G01N27/44721Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by optical means
    • G01N27/44726Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by optical means using specific dyes, markers or binding molecules

Definitions

  • the invention relates to a method for determining the spatial distribution of at least two sets of point radiation objects, each with a set-specific radiation type, on a common carrier surface.
  • proteomic studies are to determine the difference in the frequencies of certain proteins or protein isoforms between two or more experimentally interesting regimes, for example the frequency of proteins from control cells, tissues or organisms, in comparison to the corresponding frequency from pharmacologically treated cells, tissues or organisms.
  • the protein intensity for protein spots from different gels from different experimental regimes in the study are typically compared to determine whether the amount of protein in these protein spots differs between the experimental regimes.
  • This is a principle of differential representation, which is also referred to as multicolour analysis.
  • the assignment of protein spot coordinates and the identification of corresponding protein spots on different 2D gels is called the matching procedure and is potentially problematic because of the non-reproducible behavior of different gels that are generated by 2D PAGE. Therefore, the matching process is a time-consuming step and can currently only be automated to a limited extent.
  • a rough multicolor analysis can be performed by measuring the different samples in different experimental systems be performed.
  • proteins from different samples can be treated in separate 2-D-PAGE experiments, followed by detection of the spots that correspond to proteins in the different 2D-PAGE gels, and comparison of those for each sample of each gel or each Group of replicated gels obtained spot patterns.
  • the spot patterns are typically stored in graphic gel image files, such as e.g. B. TIFF files.
  • Conventional software program algorithms align these gel image files with each other so that pixels in all images can be compared with pixels from other images.
  • a "composite gel image" is made from replicated 2D PAGE gel images for a sample that contains averages of the spot intensities of all replicate gels for a particular sample.
  • the composite gels from different samples are typically combined with each other.
  • the two main limitations of this approach are spot matching, which enables the correct allocation of the corresponding spots and the quantitative evaluation of the spots, which enables a comparison of the protein amounts in spots from different 2D gels ,
  • analyte molecules from different samples are typically marked or modified with reagents so that the samples can be mixed and analyzed together. In this way, the complex and error-prone matching process can be avoided.
  • the proteins of each sample can then be detected based on their labeling regardless of the presence of the proteins from the other sample (s).
  • DIGE fluorescent reagents based on Cye dyes which are offered by Amersham Biosciences (Freiburg, Germany). Proteins from both samples are - -
  • fluorescence reagents are labeled separately, then mixed and subjected to the electrophoresis in 2D-PAGE.
  • the different fluorescent groups in each sample are excited by different wavelengths and emit light at different wavelengths.
  • suitable light filters it is possible to obtain images of proteins from each sample, regardless of the wedging of the proteins from the other sample. These images can then be analyzed using appropriate software packages.
  • Another approach for a finer differential representation is the labeling of analyte molecules from different samples with radioactive isotopes.
  • the radioactive labeling of analyte molecules and their detection by suitable detectors is several orders of magnitude more sensitive than other methods, for example the method mentioned above using Cye dyes.
  • Radioactive isotopes When labeling analyte molecules with radioactive isotopes, it is necessary to determine the radioactive radiation or the activity of the isotopes.
  • the nuclei of radioactive isotopes are unstable. They tend to disintegrate spontaneously with the release of particles or photons. Radioactive substances release several different types of particles. The electron, the positron, the alpha particle and the neutron are of general importance. The emission of these particles is often, but not always, accompanied by the emission of gamma rays. Another type of radioactive decay is the spontaneous capture of an electron by the K shell the core of what is known as K electron capture. Radiation detectors are devices that have been developed to detect these different types of radiation.
  • detector types 2, 3 and 4 are based on the above principles.
  • 2.PPAC parallel plate avalanche chamber ionization gas chambers, which are coupled to microchannel plate analyzers for the detection of beta particles, such as the beta imager by BioSpace Measures (Paris) and a similar device by Packard Bioscience ( Dreieich, Germany).
  • Scintillation crystal array imagers that use a spatially resolving photomultiplier, such as the MPD imagers (Multi Photon Detection), which are sold by BioTraces Inc. (Herndon VA, USA) and ProteoSys AG (Mainz, Germany).
  • MPD imagers Multi Photon Detection
  • BioTraces Inc. Herndon VA, USA
  • ProteoSys AG Mainnz, Germany
  • a phosphor imager plate (phosphor imager plate) is a film-like radiation image sensor that contains specially designed phosphor that absorbs and stores the radiation energy so that it can be released again at a later time and can be measured in a suitable phosphor imager reader.
  • a phosphor imager is a combined system consisting of a phosphor imager and a phosphor imager, hereinafter referred to as phosphor imager.
  • a phosphor is a powder or a crystalline substance that emits light after exposure to photons of certain properties or chemical reactions.
  • Light emission (luminescence) from a phosphor can be instantaneous (fluorescence), delayed (phosphorescence) or photostimulated Lu- minescence (PSL).
  • the phosphor of the phosphor imager IP uses the PSL phenomenon, which is neither fluorescence nor phosphorescence.
  • PSL uses a substance that stores the energy of an original stimulation, for example the energy of a photon that is emitted by a radioactive decaying atom, in the electron orbitals of atoms of the phosphorus. This energy is emitted as light when the phosphor is stimulated by light with a longer wavelength than that of the first stimulation. In this way, the phosphor stores information about the amount of radiation to which it has been exposed and emits this information as light that can be quantitatively analyzed in a suitable device, such as a commercially available phosphor imager.
  • the irradiation of samples in the phosphor imager is carried out in a similar manner to the exposure of a photo film.
  • the irradiated phosphor imager IP is scanned during transport with a focused laser beam (for example a He-Ne laser).
  • the PSL released when the phosphor crystals are irradiated with the laser light is collected in a photomultiplier tube (PMT, photomultiplier tube) by a light collector and converted into electrical signals.
  • PMT photomultiplier tube
  • scintillation crystal array imagers can use different isotopes using energy and particle type (beta / gamma) by analyzing the detected pulse shape of different emitted particles.
  • PPAC ionization gas chamber detectors e.g. beta imager
  • scintillation areas e.g.
  • micro imager imaged by a CCD camera require the detection of the extremely weak beta particles of H-3 in addition to another isotope in order to detect different radioisotopes distinguish as the manufacturer states in his description.
  • detectors cannot detect proteins labeled with H-3 directly from a 2D PAGE gel because the polyacrylamide matrix absorbs the weak H-3 beta particles.
  • Analyte molecules must be removed from the polyacrylamide gel, for example by blotting on a membrane, so that they can be detected by PPAC ionization gas chamber detectors. This is time-consuming and only works with variable efficiency for proteins with different molecular weights.
  • the hyperspectral processing software MultiSpec ⁇ from Purdue University (Purdue Research Foundation, West Lafayette, IN) uses spectral measurements of images to extract or identify various features of satellite images.
  • the MultiSpec ⁇ concept provides for the spectral occupation of pixels from one image to be broken down into a series of images, all of which are derived from a master image for which the primary data were all recorded simultaneously. In this method, different images derived from this original image are consequently generated by mathematical methods, starting from a master image.
  • radioactive labeling of analyte molecules is often the means of choice to achieve the analytical performance required in many studies, such as biological studies, and because differential detection of analyte molecules from two or more samples in one analysis is desirable, there is a great deal It is necessary to carry out such a differential detection with radiolabelled analytes or other molecules.
  • the object of the invention is therefore to provide a method which enables differential analyzes, for example in protein or genome studies, with high analytical performance and high throughput at comparatively low costs and which helps to overcome the disadvantages of the prior art described.
  • This object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • Preferred developments of the invention are listed in the dependent claims 2 to 19. The wording of all the claims is hereby incorporated by reference into the content of this description.
  • the local distribution of at least two sets of point radiation objects, each with a quantity-specific radiation type, on a common carrier surface is determined with the following steps: a) determining a first local distribution of the radiation intensity of the carrier surface, b) changing the radiation intensity with at least one quantity-specific radiation type associated change factor, c) determining at least one second local distribution of the radiation intensity of the carrier surface and d) calculating the local distributions of each of the at least two sets of point radiation objects individually from the first and the at least second determined local distribution.
  • Local distribution of point radiation objects is understood to mean, for example, the radiation intensity and / or the number of the respective point radiation objects per unit area over the location or over the carrier surface to be examined.
  • the spatial distributions of at least two sets of point radiation objects, each with a set-specific radiation type, are examined.
  • a point radiation object is an object, for example an atom or its isotope and / or a molecule consisting of groups of atoms or isotopes, which emits its specific radiation uniformly or at least idealized uniformly on all sides, ie over the solid angle.
  • the quantity-specific radiation type can be, for example, alpha, beta, gamma and / or x-ray radiation and / or light with a specific wavelength.
  • the at least two sets each consist of point radiation objects with the same, specific radiation type and are common on the support surface.
  • the carrier surface is an essentially flat structure, for example a 2D PAGE gel.
  • a first spatial distribution of the radiation intensity i.e. the radiation power prc ⁇ unit area, the carrier area determined.
  • the radiation intensity of at least one quantity-specific radiation type with an associated change factor which is known or can be determined or calculated, is changed.
  • the change can be a reduction or an increase in the intensity of the quantity-specific radiation type.
  • the change factor is given in%, where 0% means a complete suppression of the radiation intensity, 100% a constant radiation intensity and values greater than 100% mean an increase in the radiation intensity.
  • the ratio or ratios of the change factors of the quantity-specific radiation types preferably have a value or values not equal to 1, i.e. the change factors of the quantity-specific radiation types advantageously differ from one another.
  • step c) after the change in the radiation intensities, at least one second spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined.
  • step d) the spatial distributions of each of the at least two sets of point radiation objects are calculated individually from the first and the at least second determined spatial distribution.
  • the calculation separately determines the spatial distribution of each set of spot radiation objects on the support surface, regardless of the distribution of the other sets of spot radiation objects on the support surface.
  • the separation into the quantity-specific local distributions is not already carried out by the detector, but only by calculation based on the local distributions determined, which represent a superimposition of the detected signals of the individual radiation sources.
  • the change step b) and step c) for determining the at least second spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface are repeated at least once with a different change factor. This is necessary if more than two sets of point radiation objects are to be analyzed, because in order to determine the individual spatial distribution of a set, at least one local distribution with associated change in the intensity of the set-specific radiation type must be determined.
  • the accuracy of the method can be improved by such a repetition. This is achieved in particular in that the change factors are realized by different mechanisms, for example with the aid of an absorber and / or subsequently by radioactive decay.
  • a determined local distribution of the radiation intensity is determined by an associated one - I j -
  • Pixel matrix shown wherein a pixel value of the matrix represents the radiation intensity of an associated location on the support surface.
  • the spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface is converted into a matrix arrangement of pixel values, whereby the pixel values can be proportional to the radiation intensity determined by the detector.
  • Each pixel is assigned to a defined region of the area.
  • the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of the pixel matrices.
  • the calculation when analyzing two sets A and B of point radiation objects and a change factor of 0%, i.e. a complete suppression, for the radiation type of set A and a change factor of 100%, i.e. a steadiness, for the radiation type of the amount B, can be carried out as follows.
  • the method mentioned enables a multicolour measurement, ie a separate, overlay-free representation of the local distribution of the individual point radiation sources, enables.
  • Conventional methods require the original single-color images of analyte molecules from each sample for a multicolour display.
  • the single-color images of each isotope are never measured as such, but are calculated from the at least two determined local distributions or images.
  • the signal components attributable to the different radiation types are advantageously changed or reduced by a factor of less than 100% or 95%.
  • One possibility for calculating the superposition-free local distribution of the two sets of point radiation objects is explained below.
  • Local distribution X pixel value corresponding to the radiation intensity in the first determined local distribution
  • Y pixel value corresponding to the radiation intensity in the second determined local distribution
  • a N change factor for the quantity-specific radiation type
  • a and B are unknown and wanted.
  • X and Y are the measured intensities.
  • M&N can be determined by calibration or calculation.
  • the ratio of the change factors of two radiation types is defined as the ratio of the change factor of the radiation type with the smaller change factor and that of the radiation type with the larger change factor (M / N with N ⁇ M).
  • the relationships of the change factors for more than two types of radiation are defined accordingly.
  • the values for A and B can be calculated by solving the system of equations consisting of equations (1) and (2). This calculation can be carried out analogously for all pixels of the pixel matrix.
  • the number of point radiation objects per unit area at the location can also be calculated, since the radiation intensity and the number of point radiation objects per unit area are proportional to one another.
  • X a vector with P elements, consisting of the signal contributions of the radiation types of the P sets of point radiation objects in the first determined local distribution
  • I a vector with P elements, consisting of the pixel values of the
  • F a matrix with P * P elements, consisting of the P * P change factors, which were calculated or determined for the P local distributions for the P different amounts of point radiation objects.
  • the individual signal contributions of the radiation types of the vector X can be calculated by inversion of the matrix F according to the following equation:
  • the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of intensities which result from the summation of pixel values of defined, in particular neighboring, elements of the pixel matrix.
  • the summed-up pixel intensities of certain areas can also be used, which can be calculated for the first and the second determined spatial distribution. This is particularly recommended in the case of very noisy signals or in those cases in which the spatial distribution of the signals on the detector can be varied for the different sets of spot radiation objects.
  • more measurements of the local distributions are carried out under changed conditions than would be necessary to a minimum.
  • an optimization process is used to identify the individual To determine the spatial distributions of the point radiation objects. This can improve the accuracy of the method.
  • a set of point radiation objects consists of at least one radiating, in particular radioactive, type of isotope.
  • a radiating, in particular radioactive, type of isotope For example, 1-125 and / or 1-131 can be used as isotopes.
  • a number of point radiation objects consist of light-emitting, in particular fluorescent, phosphorescent and / or luminescent, substances.
  • At least one calibration point with known radiation is present for at least one set of different point radiation objects at at least one location on the carrier surface.
  • the calibration serves to determine or calculate the respective change factors that are required to calculate the individual local distributions sought.
  • a calibration point can be a single signal source, for example a single radioactive isotope.
  • the purpose of calibration here is to calculate the absolute or relative percentage of the change or reduction in signal intensities that result from the radiation sources or isotopes examined.
  • the calibration can be carried out by introducing a radioactive starting material for one or more of the isotopes examined in the measurement.
  • the signal measured by this calibration substance should preferably contain no or negligible proportions from all other radioactive sources outside the calibration substance.
  • the specific activity of the calibration substance is preferably known before the measurement.
  • the calibration substance is preferably available for all investigated isotopes. Calibration is also in use one or more radioactive substances possible, which together spatially localize, contain known amounts of all isotopes to be measured. In this case, the specific activities or radiation intensities of each isotope in the calibration substance must be known.
  • the change factors depend on the absorber material, its thickness and its mass absorption coefficient for the types of radioactive particles absorbed. If differential images are produced by decaying both isotopes, the change factors can be determined by measuring the relative intensities of the calibration substances for both isotopes. Or they can be calculated using information regarding the exact time and duration of each exposure and the decay rate constants for each radioisotope.
  • the ratio of the change factors of the quantity-specific radiation types is between 5% to 90%, preferably between 10% to 70%, in particular between 15% and 50%.
  • the possibility of working with change factors that do not completely suppress a radiation type increases the number of radiation sources or detectors that can be used significantly.
  • the change factors are implemented by radioactive decay of differently radiating isotopes, it is possible to calculate the separate spatial distributions of the isotopes even without complete decay of an isotope type.
  • the change factor is implemented by using at least one absorber. An absorber reduces the intensity of the radiation (particles or photons) that passes through the material.
  • the absorber can consist of metal, metal alloy, plastic, plexiglass, Teflon and / or another suitable material.
  • the emitted radiation types for example photons from I-125 isoptopes and beta particles from I-131 isoptopes, which generate the signal on the detector, from the absorber with different change factors or Reduction factors are absorbed or damped.
  • absorbers made of elements with a low atomic number are more effective, for example aluminum foil or thin plexiglass, since these absorbers absorb beta particles more than photons.
  • absorbers made of a very thin layer of elements with a high atomic number can be used, since these absorbers absorb photons more than beta particles.
  • the absorber thickness plays a key role in absorption efficiency.
  • the change factor is realized by radioactive decay of the respective point radiation objects of the at least two sets, the respective point radiation objects of the at least two sets preferably having different half-lives.
  • the change or reduction in the radiation intensity does not come about through an absorber, but rather through a difference in the decay rate of the point radiation objects.
  • isotopes 1-125 and 1-131 are well suited for this purpose because their half-lives differ by a factor of almost 7.5.
  • other isotopes can also be used for the invention.
  • the change factor is determined by a different sensitivity of a detector used to determine a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface realized for the respective quantity-specific radiation type.
  • the change factors of the radiation intensities of the quantity-specific radiation types result here from the different sensitivities of the detectors used for the radiation emitted by the at least two quantities of point radiation objects.
  • the different sensitivities are preferably chosen such that the ratio of the change factors is preferably greater than 5%.
  • the spatial distributions of the radiation intensity are determined using a spatially resolving detector for alpha, beta, gamma and / or x-radiation.
  • the local distributions of the radiation intensity are determined using a so-called phosphor imager detector.
  • a phosphor imager detector is also referred to as a phosphor imager plate or phosphor imager IP.
  • the phosphor imager detector preferably works on the basis of photostimulated luminescence.
  • a different sensitivity of a phosphor imager used for determining a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface for the respective quantity-specific radiation type is achieved in that the phosphor of the phosphor imager additionally contains atoms with a high atomic number Z, in particular lead, which, for example, in of a lead-containing compound, and / or contains atoms with a low atomic number Z.
  • the first local distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined simultaneously by a first phosphor imager detector and the at least second local distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined by an at least second phosphor imager detector, the sensitivity of the first phosphor imager detector and the sensitivity of the at least second phosphor imager detector is different for the respective quantity-specific radiation type.
  • the different sensitivities of the different IP materials make it possible to calculate the spatial distribution of the respective point radiation objects, even if no sufficient difference has arisen due to the decay of the isotopes used. Of course, this procedure can also be combined with a waiting time between the measurements in order to additionally use a decay of the isotopes.
  • the first and the at least second phosphor imager detector are attached to opposite sides of the carrier surface.
  • two measurements are carried out simultaneously or simultaneously on the front and back of the samples or carrier surfaces to be measured.
  • the different sensitivity of the different IP materials makes it possible to calculate the local distribution of the point radiation objects.
  • the local distributions of the radiation intensity are determined using a so-called flat detector.
  • Such flat detectors or flat panel detectors enable the production of digital instant X-ray images. They convert X-rays directly into a matrix of digitally coded pixels, which increases the detection efficiency and the evaluation speed.
  • the change factor is to be realized by a different sensitivity of a detector used to determine a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface for the respective quantity-specific radiation type
  • a phosphor imager detector and a flat detector can be used, for example, for each measurement to carry out the spatial distribution of the radiation intensity of the support surface.
  • the local distribution of the point radiation objects can be calculated individually from the local distributions measured with the different detectors.
  • the first and the at least second spatial distribution of the radiation intensity are determined using a similar detector.
  • a detector does not allow clear discrimination between different types of radiation, for example beta particles or photons, which for example originate from two different isotopes, or radiation from isotopes with different half-lives.
  • a multi-color measurement is possible, ie a separate, overlay-free measurement of the spatial distribution of the individual types of point radiation sources.
  • Identical detectors of the same type are detectors of the same type or of the same type, which for example do not differ or differ only insignificantly in their sensitivity to specific types of radiation.
  • the ⁇ s simplifies the construction of an analysis device and thus saves costs.
  • the substances to be analyzed are each marked with a quantity of point radiation objects, the substances marked in this way are mixed and the mixture is then applied to the carrier surface, in particular in the form of a flat analysis means.
  • the substances to be analyzed can advantageously be peptides, proteins and / or oligonucleotides, with, for example, a first and a second protein sample, which can each consist of a large number of different proteins, being labeled with different isotopes.
  • the proteins of the two samples are mixed and applied together to an analysis means, in particular a protein gel, nucleic acid array, protein array, ELISA array and / or a blot.
  • Fig. 1E difference of the spatial distributions of Fig.1 C and Fig. 1 D, the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 blue and the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-131 orange is shown
  • FIG. 11 shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1G and FIG. 1 H, the protein sample which has been labeled with isotopes of the type 1-125 being shown in blue and the protein sample which has been labeled with isotope of the type 1-131 in orange .
  • Fig. 2E difference of the spatial distributions of Fi.2C and Fig.2D, the isotopes of the type 1-125 blue and the isotopes of the type 1-131 range are shown.
  • two protein samples are labeled with different isotopes of the element iodine.
  • the first sample is marked with 1-125
  • the second sample with 1-131.
  • special mass reference proteins are marked 1-125.
  • 1-125 has a half-life of 60.14 days and decays due to electron capture, resulting in X-rays and gamma rays in the range from 27 keV to 35 keV.
  • 1-131 has a half-life of 8.06 days and decays due to the various mechanisms of beta emission.
  • the samples are then mixed and separated using a 2D gel.
  • calibration points for both isotope types are applied to the left side of the gel. They are used to calculate the change factors that are required when calculating the individual local distributions.
  • the phosphor imager IP is exposed to the sample or the radiation of the sample for a predetermined time.
  • the Phosphorimager-IP is sensitive to low-energy X-rays, gamma rays and beta particles.
  • the relatively high-energy photons of the 1-131 decay are absorbed or detected with a low efficiency by a phosphor imager IP.
  • the phosphor imager IP integrates the radiation intensities of both radiation sources.
  • the spatial distribution of the stored radiation energy of the phosphor imager IP is then read off with a reading device and imaged in a pixel matrix or an image, which is shown in FIG. 1A.
  • the local distribution or the pixel matrix determined in this way contains portions that come from both 1-125 and 1-131.
  • the local distribution of the sample is ben described again determined.
  • This local distribution is shown in Fig. 1B. Due to the different half-lives of the two isotopes, the radiation intensity or the activity of 1-125 has decreased by a factor of approximately two. In contrast, the radiation intensity of the 1-131 remaining on the gel is less than 1% of the original radiation intensity. In Fig. 1 B there are therefore only signal components from 1-125.
  • the different change in the radiation intensities is brought about exclusively by the inherent properties of the different radioactive decay of the two isotopes, but not by an absorber.
  • the spatial distribution of the individual isotopes is then calculated separately using the method according to the invention.
  • the intensity over a range of 4X4 neighboring pixels was used or summed, using a Gaussian filter.
  • the determined local distributions are aligned with one another on the basis of corresponding reference points, which are present at the same locations in the local distribution.
  • 1C shows the calculated local distribution of the radiation intensity or the isotope amount of the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125
  • FIG. 1D shows the calculated local distribution of the radiation intensity of the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-131
  • FIG. 1E shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1C and FIG.
  • the local distribution of the radiation intensity can of course also be determined without a spatially resolving detector.
  • the carrier surface to be examined is separated by suitable wise cutting, cut into smaller pieces and the radiation intensity of these pieces determined by a conventional "single-source" detector.
  • the radiation type and the radiation intensity can be determined, for example, using gamma and / or beta spectroscopy.
  • the waiting time between the determination of the first and the second local distribution is reduced from 82 days to 23 days.
  • 1 F shows the local distribution of the radiation intensity of the 2D gel from FIG. 1A determined with the phosphor imager after a waiting time of 23 days. Due to the incomplete decay of 1-131, both isotopes now contribute to the determined spatial distribution. The change factors for both isotopes are therefore significantly greater than 0%. Likewise, the ratio of change factors is much greater than 0%.
  • FIG. 1G shows the local distribution of the radiation intensity of the protein sample calculated with the aid of the method according to the invention, which was labeled with isotopes of the type 1-125
  • FIG. 1 H shows the local distribution of the radiation intensity of the protein sample calculated analogously, that with isotopes of type 1 -131 was marked, the local distribution of FIG. 1 F being used for the calculation in both cases as the second determined local distribution.
  • FIG. 11 shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1G and FIG. 1 H, the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 being blue and the protein sample which was labeled with isotope of type 1-131 orange is shown. Black means that there is an equal number of both isotopes.
  • the results of this embodiment coincide with the results of embodiment 1, which can serve as reference results due to the almost complete suppression of 1-131.
  • the method according to the invention consequently delivers reliable measurement results even if a radiation type is not completely suppressed when determining the second local distribution.
  • an absorber is used to implement the corresponding change factors, i.e. to make differential measurements of the sample containing the two isotopes 1-125 and 1-131.
  • a two-dimensional gel is produced which contains the proteins labeled with the two isotopes 1-125 and 1-131.
  • the phosphor imager IP is exposed to the spatial distribution of the radiation intensity of the 2D gel for a predetermined time.
  • the phosphor imager IP is then read by the phosphor imager reader.
  • the radiation intensity over the area of the 2D gel is depicted in a matrix, the values of the individual elements of the matrix or of the pixels representing the radiation intensity of the assigned area on the phosphor imager IP.
  • a matrix or image is formed, the signal components of which come from both 1-125 and 1-131.
  • an absorber of known thickness between the sample and the phosphor imager IP during the irradiation By introducing an absorber of known thickness between the sample and the phosphor imager IP during the irradiation, the radiation intensity can be selectively for each radiation type with different Change factors are reduced.
  • Such an absorber can consist of metal, metal alloy, plastic, plexiglass, Teflon or another suitable material.
  • the absorber In order to achieve the function according to the invention, the absorber must in each case have different change factors for the radiation type emitted by the radiation sources (in this embodiment photons from 1-125 and beta particles from 1-131), which generates the signal on the detector absorb.
  • the intensity of the signal originating from 1-131 relative to the signal from 1-125 can be significantly reduced with the aid of the absorber.
  • absorbers made of elements with a low atomic number are more effective (example: aluminum foil, thin plexiglass, etc.).
  • the absorber thickness plays a key role in absorption efficiency.
  • the first and the at least second local distribution of the radiation intensity can be determined simultaneously using a "sandwich-like" arrangement of phosphor imager IP, gel, absorber, phosphor imager IP.
  • the images could be taken in succession, with or without absorber, which is preferred in the invention.
  • other radioactive isotopes can also be used for the invention disclosed herein.
  • an absorber is used in order to change the radiation intensity of the different radiation types differently.
  • two samples of bovine serum albumin are labeled once with 1-125 and once with 1-131.
  • the samples are diluted four times in 10 steps. So it arises from everyone Sample 5 dilution levels each, from undiluted to 1/10000 diluted. The radiation intensities therefore differ by a factor of 10000.
  • Each dilution level of the first sample is mixed with each dilution level of the second sample. This results in a total of 25 samples with different mixing ratios, each of which is applied in a volume of 1 ⁇ l to a square filter paper with a side length of 3 nm.
  • the filter papers are arranged in a matrix arrangement on a flat carrier.
  • the concentration of 1-125 decreases from bottom to top.
  • the concentration from 1-131 decreases from left to right.
  • a phosphor imager IP is exposed to the radiation from the flat carrier for 24 hours.
  • the phosphor imager IP integrates the radiation intensities of both radiation sources of the samples.
  • the spatial distribution of the stored radiation energy of the phosphor imager IP is then read using a reading device and imaged in a pixel matrix or an image, which is shown in FIG. 2A.
  • the local distribution or the pixel matrix determined in this way contains portions that come from both 1-125 and 1-131.
  • a second local distribution is determined, an absorber being arranged between the flat support and the phosphor imager IP. This second spatial distribution is shown in Fig. 2B.
  • the absorber consists of a 900 ⁇ m thick plastic layer.
  • FIG. 2C shows the calculated local distribution of the radiation intensity or the isotope quantity of the protein samples which were labeled with isotopes of the type 1-125
  • FIG. 2D shows the calculated local distribution of the radiation intensity of the protein samples which were labeled with isotopes of the type 1-131
  • Figure 2E shows the difference of the local distributions of FIG. 2C and FIG. 2D, with the protein samples labeled with isotopes of type 1-125 being shown in blue and the protein samples labeled with isotopes of type 1-131 being shown in orange. Black means that there is an equal number of both isotopes.
  • the undiluted sample labeled 1-125 in the lower right and the undiluted sample labeled 1-131 in the upper left were used to calculate the decay constants required to calculate the spatial distributions.
  • analyte molecules are labeled with chemically identical radioisotopes (radioactive iodine).
  • radioisotopes radioactive iodine
  • radioactive isotopes suitable for the invention have significant differences in the decay rate, the energy emitted particles, the type of the emitted particles or a combination thereof. High isotope purity is desirable but not necessary.
  • a high chemical purity of the radioisotopes is desirable, but not necessary. It is possible to apply the invention to samples labeled with various mixtures of isotopes, e.g. labeling one sample with 95% 1-131, 5% 1-125 and labeling the other sample with 5% 1-131, 95% 1-125.
  • the labeling mixture can obviously be quite complex without departing from the idea or scope of the invention and could, for example, contain trace amounts of many isotopes, some of which are not covalently incorporated into the analyte molecules, such as K-40.
  • the present invention is independent of the method of introducing radioactive isotopes into the analyte molecules.
  • proteins can be labeled by metabolic uptake, by radioiodination posthan / est, by alkylation with radioactive reagents (any chemistry) or by other methods.
  • phosphor imagers Another application of phosphor imagers is the measurement of DNA and nucleic acid arrays.
  • P-33, P-32, S-35, C-14, H-3 and other isotopes can all be introduced into hybridization molecules in a conventional manner.
  • a phosphor imager can be used to perform two-color analyzes of these systems. Because of the simple chemistry of DNA-like polymers, the radiation intensities of hybridization molecules containing these radioisotopes can all be identical if the same sample is independently labeled and measured for each isotope.
  • the principles described above obviously also apply to protein arrays or all other arrays or semi-planar distributions of analyte molecules which are suitable for phosphorimager analysis.
  • applications of the invention can be implemented in the field of medical imaging where two or more differential images are created to extract synthetic images from two or more signal sources.
  • An example could relate to the detection of certain radioactive trace elements combined with X-rays of the body using suitable absorbers according to the invention, and could be of great advantage in the field of medicine.
  • the present invention is not limited to phosphor imager IP or radioactive measurements.
  • the invention can also be applied to cases in which visible light and not radioactivity are measured several times and both signal components are extracted algorithmically.
  • an enzyme reaction can produce light of a similar wavelength to that emitted by a fluorophoric or luminescent molecule.
  • An image is represented by a matrix, the matrix cell values corresponding, for example, to the intensity of a signal that is detected by a detector at a corresponding location on the imaged surface.
  • the images can be saved in the usual file formats for images.
  • a multicolor analysis is understood to mean that several samples are marked, mixed and separated separately. The evaluation is then carried out individually for each sample, unaffected by the existence of the other samples. There are several ways to generate multicolor equations.
  • Genomics means the quantitative investigation of nucleic acids or polymers similar to nucleic acids.
  • Proteomics was defined as the study of all proteins expressed by the genomes of the cells examined.
  • the acronym PROTEOM means PROTEins that are expressed by a GenOM.
  • proteomics specifically means the study of molecules in which at least part of it has been translated into a ribosome (a protein), as is known to those skilled in the art, or a group of such proteins.
  • proteomics also includes the study of post-translational protein modifications, protein synthesis and degradation rates, protein degradation products and combinations thereof.
  • the molecular profile or profile of a biological system refers to a pattern of changes in gene expression or protein expression or lipid composition or metabolite production by small molecules or temperature or metabolite secretion by small ones Molecules, changes in sugar frequency or types, or changes in post-translational protein modifications, or changes in protein proteolysis, or changes in ion secretion by one or more cell compartments, or in ion uptake by one or more cell compartments between two or more examined biological systems. More generally, the molecular profile of a biological system is a measure of the atoms that make up that system, and especially their chemical, spatial, and temporal relationships.
  • Array means an orderly placement or arrangement.
  • the term is used here to refer to an orderly placement of oligonucleides (including RNA, cDNA and genomic DNA) or ligands for analyte molecules such as affinity reagents for proteins, lipids and sugars or molecules containing such functional groups (e.g. contains a Glycoprotein at least one sugar group or e.g. holds a lipoprotein to designate at least one lipid group).
  • the arranged molecules are positioned on a surface, for example a chip, and are used to capture complementary oligonucleotides (including RNA, cDNA and genomic DNA) or substrates for the ligand.
  • the sequence (eirfer nucleic acid) or a physical property (of a protein) can be determined by the position at which the nucleic acid or substrate binds to the array.
  • electrophoresis for preparative purposes is an established technique and there are different types of electrophoresis devices for preparative and analytical purposes. These devices and their accompanying principles can be divided into three categories.
  • Zone electrophoresis b) Isotachophoresis c) Isoelectric focusing
  • Isotachophoresis uses hydrophilic matrices and typically shows high resolution but low loading capacities. In combination with free electrophoresis, the method can be used for micro-preparative purposes. Weber G, Bocek P. (1998) Stability of continuous flow electrophoresis. Electrophoresis, 19, 3094-3905.
  • Isoelectric focusing is carried out either in liquid density gradients, in gel gradients or in multi-chamber devices, with a separation gel medium based on IEF immobilin.
  • Righetti PG (1990) Immobilized pH gradients: theory and methodology. In: Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology. Vol. 20 (ed. RH Burdon, PH Knippenberg). P. 397. Elsevier, Amsterdam. Righetti PG, Bossi A, Wenisch E, Orsini G. (1997) Protein purification in multicomponent electrolyzers with isoelectric membranes. J. Chromatog. B Biomed. Be. Appl., 699, 105-15.
  • Zone electrophoresis comprises glycine, bicin and tricin buffered SDS-PAGE (sodium dodecylsulfate poyacrylamide gel electrophoresis) protein systems, which are commonly used in protein analysis and are discussed in the literature references mentioned above.
  • telomerase DNA polymerase
  • telomerase DNA polymerase
  • a number of other methods are available for protein separation, including but not limited to high pressure liquid chromatography, thin layer chromatography, FPLC, gel filtration chromatography, ion exchange chromatography, microfluidic systems such as capillary electrophoresis and chip-based microfluidics, affinity reagents with microaffinity arrays and electrophoresis.
  • high pressure liquid chromatography thin layer chromatography
  • FPLC gel filtration chromatography
  • ion exchange chromatography microfluidic systems such as capillary electrophoresis and chip-based microfluidics
  • affinity reagents with microaffinity arrays and electrophoresis affinity reagents with microaffinity arrays and electrophoresis.
  • Proteins can be detected by a variety of methods described in the references above, which include, but are not limited to:
  • fluorescent reagents such as monobromobimanthiolyt, naphthalene-2,7-disulfonic acid, fluorescene, Cye dye derivatives or a number of other reagents, which the
  • fluorescent groups in protein molecules can e.g. B. by alkylation of amino groups such as lysine or the amino end group, by alkylation of cysteine groups or by other methods.
  • the gene encoding the protein can be engineered to produce a hybrid protein that contains a detectable label (tag) so that the protein can be specifically detected by recognizing the label.
  • a detectable label tag
  • Systems are available that allow direct imaging and quantitative analysis of radioactive labels, e.g. B. in gels on which proteins have been separated. Differences in expression can be determined by recognizing differences in the amount of markings present in test and control samples.
  • Games for proteome analysis include the products Phoretix 2C from Non-Linear Dynamics (Newcastle upon Tyne, UK), Delta 2D from Decodon GmbH (Greifswald, Germany), 3Z from Compugen (Tel-Aviv, Israel), Gellab 11+ from Scanalytics (Faifax , VA), Bioimage from Genomic Solutions (Ann Arbor, MI), Melanie 3 from GeneBio (Geneva), the Keppler program from Large Scale Biology Corporation (Vacaville, CA), the Java browser of the CAROL program (Free University , Berlin), the gel image comparator Flicker 2D gel image comparator (Lemkin PF. Comparing two-dimensional electrophoretic gel images across the Internet. Electrophoresis, 18: 461-470 (1997) and image analysis products by Amersham Biosciences (Freiburg, Germany) sold.
  • Mass spectrometry is becoming increasingly important in proteomics, not only for the identification of proteins separated by 2D-PAGE, but also for the direct detection and relative quantification of proteins independent of 2D-PAGE.
  • Other methods of protein identification include Edman degradation, amino acid analysis, and other methods known to those skilled in the art. Many of these methods involve collecting data from the protein under study and comparing these parameters to a list of parameters predicted by theoretical analysis of nucleic acid and protein databases.
  • Proteomics a technology-driven and technology-limited discourse science. Trends in biotechnology. 2001 Jun; 19 (6): 217-222. Patterson SD. Proteomics: the industrialization of protein chemistry.
  • RNA is extracted from the sample and applied to a series of gels suitable for RNA analysis, which are then used to separate the RNA according to size.
  • the gels are then blotted (as described above for Sambrook) and hybridized to samples for RNAs of interest.
  • the samples can be radioactive or non-radioactive.
  • hybridization with the sample can be viewed and analyzed by chemiluminescence detection of the bound samples with the Genius system (Boehringer Mannheim Corporation, Mannheim, Germany) according to the manufacturer's instructions.
  • An equal loading of the RNA in the webs can be achieved, for example, by staining the ribosome RNA Bands assessed with ethidium bromide.
  • the samples can be radiolabeled and detected autoradiographically with a sample for a gene and a photographic film or a phosphor imager or according to the present invention with samples for more than one gene.
  • RNA can be amplified by a number of methods and then detected.
  • Marshall US Patent No. 5,686,272 discloses the amplification of RNA sequences with the ligase chain reaction LCR (ligase chain reaction).
  • LCR is from Landegren et al., Science, 241: 1077-1080 (1988); Wu et al., Genomics, 4: 560-569 (1989); Barany, in PCR Methods and Application, 1: 5-16 (1991); and Barany, Proc. Natl. Acad. Be. USA, 88: 189-193 (1991).
  • RNA can also be converted into complementary DNA (cDNA) by reverse transcription and then amplified by LCR, polymerase chain reaction (PCR, polymerase chain reaction) or other methods.
  • PCR polymerase chain reaction
  • An example of a method for performing reverse transcription of RNA is disclosed in U.S. Patent No. 5,705,365. Selection of suitable primers and PCR protocols is taught, for example by Innis, M. et al., Ed. PCR Protocols 1990 (Academic Press, San Diego CA).
  • mRNA messenger RNA
  • cDNA messenger RNA
  • primers are labeled at the 5 'end with biotin or one of the many fluorescent dyes.
  • Samples are usually labeled with an enzyme, such as radish peroxidase (HRP, horse radical peroxidase) and alkaline phosphatase, see Levenson and Chang, Nonisotropically Labeled Probes and Primers in: Innis et al. B. marked with biotin psoralen.
  • HRP horse radical peroxidase
  • alkaline phosphatase see Levenson and Chang, Nonisotropically Labeled Probes and Primers in: Innis et al. B. marked with biotin psoralen.
  • Detailed sample protocols for labeling primers and synthesizing enzyme-labeled samples are given by Levenson and Chang.
  • the samples can also be labeled with radioactive isotopes.
  • An exemplary protocol for synthesizing radioactively labeled DNA and RNA samples is carried out in Sam
  • a number of reagents are available for introducing various radionuclides into DNA samples, including enzyme precursor substrates with 3H, 14C, 32P, 35S and other elements that are not present in naturally occurring nucleic acids, such as.
  • B. radioactive iodine can be made that contain a wide range of other radioactive elements that are covalently bound to the primer, as is known to those skilled in the art.
  • a number of methods for the detection of PCR products are known. Generally, a step is included that allows hybridization of the sample and the PCR product, followed by one or more development steps to enable detection.
  • PCR products with which the sample is hybridized can be detected by autoradiography.
  • biotinylated dUTP Bethesda Research Laboratories, MD
  • the labeled PCR products can then be separated on an agarose, placed on a nylon filter by Southern transfer and detected, for example, by a detector system with streptavidin / alkaline phosphatase.
  • a protocol for the detection of introduced biotinylated dUTP is e.g. B. in Lo et al., Ineorporation of Biotinylated dUTP, in: Innis et al. described.
  • the PCR products can be applied to agarose gels and nucleic acids can be detected by a dye, such as ethidium bromide, which specifically recognizes nucleic acids.
  • cDNA can be obtained by reverse transcription from RNA in the sample (as described in the above citations) and subjected to simple sequencing of the 5 'and 3' ends to generate expressed sequence markers (EST, expressed sequence tags) for the to define genes and control samples expressed in the test. Enumerating the relative representation of the markers from different samples gives an estimate of the relative representation of the gene transcript in the samples.
  • SAGE serial analysis of gene expression
  • Another method is the GeneCalling system from CuraGen Corp., New Haven CT, which combines gene identification with a database query of a restriction endonuclease impression, confirmed by comparative PCR using gene-specific oligonucleotides, which optimizes gene isolation procedures.
  • detection is performed by one of a number of hybridization analysis techniques.
  • RNA from the sample of interest is subjected to reverse transcription to obtain encoded cDNA.
  • the cDNA is then hybridized, typically with oligonucleotides or cDNAs of known sequence, which are arranged on a chip or another surface in a known sequence.
  • the location of the oligonucleotide that hybridizes with the labeled cDNA gives sequence information about the cDNA, while the amount of labeled RNA or cDNA gives an estimate of the amount of relative RNA or cDNA in the original sample.
  • the technique enables simultaneous hybridization with two or more different detectable markers, such as two or more radioactive or fluorescent markers, according to claim 1 of the present invention.
  • the hybridization results provide a direct comparison of the relative expression of the samples.
  • the prior art is given as an overview by King and Sinha, JAMA 286: 2280-2208 (2001) and Jain, Science, 294: 621-623 (2001) and their literature references.
  • a number of hybridization analysis kits are commercially available. These kits enable the identification of specific RNA or cDNA molecules on high-density formats, including filters, microscopic plates, microchips and techniques of mass spectrometry. For example, Affymetrix, Inc.
  • the first electrical devices that were developed to detect radiation were ionization detectors. These instruments are based on the direct capture of electrons and ions that are generated in a gas by radiation. There are two basic types of detectors known as ionization chambers and proportional counters.
  • Another detection device is the scintillation detector. It is based on the fact that certain materials, when struck by a nuclear particle or by radiation, have one or more photons, i. H. emit a scintillation. When coupled to an amplification device, such as a photomultiplier, these scintillations can be converted into electrical pulses, which can then be analyzed and electronically counted to provide information about the incident radiation.
  • an amplification device such as a photomultiplier
  • Semiconductor detectors are also widely used detection devices based on crystalline semiconductor materials, especially silicon and germanium. These detectors are also called solid detectors.
  • the principle of operation of semiconductors is analogous to that of gas ionization devices. Instead of a gas, the medium is a solid semiconductor material.
  • the advantage of semiconductor detectors compared to ionization chambers is their greater energy resolution.

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Abstract

The invention relates to a method for determining the local distribution of at least two sets of point radiation objects of a quantity-specific radiation type on a common support. According to a preferred embodiment, a phosphorimager IP is subjected to the radiation of the planar support during 24 hours. The phosphorimager IP integrates the radiation intensities of both radiation sources of the samples. The local distribution of the stored radiation energy of the phosphorimager IP is read with a reader and represented as a pixel matrix or an image. The local distribution determined as a pixel matrix has portions that are derived from I<125> and I<131>. Once this first local distribution is determined, a second local distribution is determined, whereby an absorber is disposed between the planar support and the phosphorimager IP. The absorber consists of a 900 pm thick plastic layer. The radiation intensities of the samples disposed on the planar support are integrated or added up for both local distributions determined using the same ranges. Starting from these integrated radiation sources, the local distributions already determined are used to separately calculate the local distributions of the individual isotopes. The inventive method is especially used for analyzing protein gels, in nucleic acid arrays, protein arrays, ELISA analysis etc. in proteomics.

Description

Differentielle Anzeige von markierten Molekülen Differential display of labeled molecules
Anwendungsgebiet und Stand der TechnikField of application and state of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ortsverteilung von mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten mit jeweils mengenspezifischem Strahlungstyp auf einer gemeinsamen Trägerfläche.The invention relates to a method for determining the spatial distribution of at least two sets of point radiation objects, each with a set-specific radiation type, on a common carrier surface.
Eine wichtige Anwendung proteomischer Studien ist die Bestimmung des Unterschieds der Häufigkeiten bestimmter Proteine oder Proteiniso- formen zwischen zwei oder mehr experimentell interessanten Regimen, beispielsweise der Häufigkeit von Proteinen aus Kontrollzellen, Geweben oder Organismen, im Vergleich zu der entsprechenden Häufigkeit aus pharmakologisch behandelten Zellen, Geweben oder Organismen.An important application of proteomic studies is to determine the difference in the frequencies of certain proteins or protein isoforms between two or more experimentally interesting regimes, for example the frequency of proteins from control cells, tissues or organisms, in comparison to the corresponding frequency from pharmacologically treated cells, tissues or organisms.
Die Proteinintensität für Proteinspots von unterschiedlichen Gelen aus unterschiedlichen experimentellen Regimen in der Untersuchung werden typischerweise verglichen, um zu bestimmen, ob die Menge an Protein in diesen Proteinspots sich zwischen den experimentellen Regimen unterscheidet. Dies ist ein Prinzip differentieller Darstellung, die auch als Multicolouranalyse bezeichnet wird. Die Zuordnung von Proteinspotkoordinaten und die Identifizierung entsprechender Proteinspots auf verschiedenen 2D-Gelen wird Matchingverfahren (matching procedure) genannt und ist wegen des nicht reproduzierbaren Verhaltens verschiedener Gele, die durch 2D-PAGE erzeugt werden, potentiell problematisch. Deshalb ist das Matchingverfahren ein zeitaufwändiger Schritt und ist derzeit nur wenig automatisierbar.The protein intensity for protein spots from different gels from different experimental regimes in the study are typically compared to determine whether the amount of protein in these protein spots differs between the experimental regimes. This is a principle of differential representation, which is also referred to as multicolour analysis. The assignment of protein spot coordinates and the identification of corresponding protein spots on different 2D gels is called the matching procedure and is potentially problematic because of the non-reproducible behavior of different gels that are generated by 2D PAGE. Therefore, the matching process is a time-consuming step and can currently only be automated to a limited extent.
Es kann beispielsweise durch Messen der verschiedenen Proben in verschiedenen experimentellen Systemen eine grobe Multicolouranalyse durchgeführt werden. Hierbei können beispielsweise Proteine aus unterschiedlichen Proben in jeweils separaten 2-D-PAGE-Experimenten behandelt werden, gefolgt von einem Nachweis der Spots, die Proteinen in den verschiedenen 2D-PAGE-Gelen entsprechen, und Vergleich der für jede Proben von jedem Gel oder jeder Gruppe von replizierten Gelen erhaltenen Spotmuster. Die Spotmuster werden typischerweise in graphischen Gel-Bilddateien gespeichert, wie z. B. TIFF-Dateien. Herkömmliche Softwareprogrammalgorithmen richten diese Gel-Bilddateien zueinander aus, so dass Pixel in allen Bildern mit Pixeln aus anderen Bildern verglichen werden können. Typischerweise wird ein „zusammengesetztes Gel-Bild" (composite gel image) aus replizierten 2D- PAGE-Gel-Bildern für eine Probe hergestellt, das Mittelwerte der Spotintensitäten von allen Replikatgelen für eine bestimmte Probe enthält. Die Kompositgele aus verschiedenen Proben werden typischerweise mitein- ander verglichen, um Unterschiede in Proteinhäufigkeiten zwischen den Proben aufzuzeigen. Die beiden Haupteinschränkungen dieses Ansatzes sind Spotmatching, das die korrekte Zuordnung der entsprechenden Spots ermöglicht und die quantitative Auswertung der Spots, die einen Vergleich der Proteinmengen in Spots aus verschiedenen 2D-Gelen er- möglicht.For example, a rough multicolor analysis can be performed by measuring the different samples in different experimental systems be performed. For example, proteins from different samples can be treated in separate 2-D-PAGE experiments, followed by detection of the spots that correspond to proteins in the different 2D-PAGE gels, and comparison of those for each sample of each gel or each Group of replicated gels obtained spot patterns. The spot patterns are typically stored in graphic gel image files, such as e.g. B. TIFF files. Conventional software program algorithms align these gel image files with each other so that pixels in all images can be compared with pixels from other images. Typically, a "composite gel image" is made from replicated 2D PAGE gel images for a sample that contains averages of the spot intensities of all replicate gels for a particular sample. The composite gels from different samples are typically combined with each other. The two main limitations of this approach are spot matching, which enables the correct allocation of the corresponding spots and the quantitative evaluation of the spots, which enables a comparison of the protein amounts in spots from different 2D gels ,
Um eine feinere differentielle Darstellung zu erzeugen, werden Analy- satmoleküle aus verschiedenen Proben typischerweise mit Reagenzien markiert bzw. modifiziert, so dass die Proben vermischt und gemeinsam analysiert werden können. So kann das aufwändige und fehlerträchtige Matchingverfahren vermieden werden. Anschliessend können die Proteine von jeder Probe aufgrund ihrer Markierung unabhängig vom Vorhandensein der Proteine aus der (den) anderen Probe(n) nachgewiesen werden.In order to produce a finer differential representation, analyte molecules from different samples are typically marked or modified with reagents so that the samples can be mixed and analyzed together. In this way, the complex and error-prone matching process can be avoided. The proteins of each sample can then be detected based on their labeling regardless of the presence of the proteins from the other sample (s).
Ein Beispiel sind die DIGE-Fluoreszenzreagenzien auf Basis von Cye- Farbstoffen, die von Amersham Biosciences (Freiburg, Deutschland) angeboten werden. Proteine aus beiden Proben werden mit unterschied- - -One example is the DIGE fluorescent reagents based on Cye dyes, which are offered by Amersham Biosciences (Freiburg, Germany). Proteins from both samples are - -
liehen Fluoreszenzreagenzien separat markiert, dann vermischt und gemeinsam der Elektrophorese in 2D-PAGE unterzogen. Die verschiedenen Fluoreszenzgruppen in jeder Probe werden durch unterschiedliche Wellenlängen angeregt und emittieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen. Durch Verwendung geeigneter Lichtfilter ist es möglich, Bilder von Proteinen jeder Probe zu erhalten, unabhängig von der Verkeilung der Proteine aus der anderen Probe. Diese Bilder können dann durch entsprechende Softwarepakte analysiert werden.fluorescence reagents are labeled separately, then mixed and subjected to the electrophoresis in 2D-PAGE. The different fluorescent groups in each sample are excited by different wavelengths and emit light at different wavelengths. By using suitable light filters, it is possible to obtain images of proteins from each sample, regardless of the wedging of the proteins from the other sample. These images can then be analyzed using appropriate software packages.
Ein weiterer Ansatz für eine feinere differentielle Darstellung ist die Markierung von Analysatmolekülen aus verschiedenen Proben mit radioaktiv strahlenden Isotopen. Die radioaktive Markierung von Analysatmolekülen und ihr Nachweis durch geeignete Detektoren ist um mehrere Grös- senordnungen empfindlicher als andere Verfahren, beispielsweise das oben genannte Verfahren unter Verwendung von Cye-Farbstoffen.Another approach for a finer differential representation is the labeling of analyte molecules from different samples with radioactive isotopes. The radioactive labeling of analyte molecules and their detection by suitable detectors is several orders of magnitude more sensitive than other methods, for example the method mentioned above using Cye dyes.
Ein Analyseverfahren, bei dem Analysatmoleküle mit radioaktiv strahlenden Isotopen markiert werden, ist beschrieben in:An analysis method in which analyte molecules are labeled with radioactive isotopes is described in:
Monribot-Espagne C, Boucherie H, Differential gel exposure, a new methodology for the two-dimensional comparison of protein samples. Proteomics, 2002, 2:229-240.Monribot-Espagne C, Boucherie H, Differential gel exposure, a new methodology for the two-dimensional comparison of protein samples. Proteomics, 2002, 2: 229-240.
Bei der Markierung von Analysatmolekülen mit radioaktiv strahlenden Isotopen ist es notwendig, die radioaktive Strahlung bzw. die Aktivität der Isotope zu bestimmen. Die Kerne radioaktiver Isotope sind instabil. Sie neigen dazu unter Freisetzung von Partikeln oder Photonen spontan zu zerfallen. Durch radioaktive Substanzen werden mehrere verschiedene Arten von Partikeln freigesetzt. Von allgemeiner Bedeutung sind das Elektron, das Positron, das Alphateilchen und das Neutron. Die E- mission dieser Partikel ist häufig, aber nicht immer, begleitet von der Ausstrahlung von Gammastrahlen. Eine andere Art des radioaktiven Zerfalls ist der spontane Einfang eines Elektrons der K-Schale durch den Kern, was als K-Elektroneneinfang bekannt ist. Strahlungsdetektoren sind Geräte, die entwickelt wurden, um diese verschiedenen Arten von Strahlung nachzuweisen.When labeling analyte molecules with radioactive isotopes, it is necessary to determine the radioactive radiation or the activity of the isotopes. The nuclei of radioactive isotopes are unstable. They tend to disintegrate spontaneously with the release of particles or photons. Radioactive substances release several different types of particles. The electron, the positron, the alpha particle and the neutron are of general importance. The emission of these particles is often, but not always, accompanied by the emission of gamma rays. Another type of radioactive decay is the spontaneous capture of an electron by the K shell the core of what is known as K electron capture. Radiation detectors are devices that have been developed to detect these different types of radiation.
Die folgenden räumlich auflösenden Detektoren werden zur quantitativen Analyse von radioaktiven Molekülen verwendet, die in einem Array odeh- auf einer Oberfläche, wie einem DNA-Array oder einem 2D-PAGE- Proteingel, vorhanden sind und ersetzen zu diesem Zwecke einen photographischen Film. Von den vier zitierten Beispielen beruhen die Detek- tortypen 2, 3 und 4 auf den obigen Prinzipien.The following spatially resolving detectors are used for the quantitative analysis of radioactive molecules present in an array or on a surface such as a DNA array or a 2D PAGE protein gel and replace a photographic film for this purpose. Of the four examples cited, detector types 2, 3 and 4 are based on the above principles.
1. Autoradiographie mit Phosphorimagern, die gemäss der Prinzipien von Geräten arbeiten, die eine Bildplatte verwenden, wie die derzeit von den Firmen Fuji Photo Film Co. Ltd (Tokio), Packard Bioscience GmbH (Dreieich Deutschland), AGFA-Gevaert N.V. (Mortsel, Belgien) oder Amersham Biosciences (Freiburg, Deutschland) angebotenen Geräte. Amemiya Y, Miyahara J. Imaging plate illuminates many fields. Nature, 1988, 336:89-90.1. Autoradiography with phosphor imagers that operate according to the principles of devices that use an image plate, such as those currently available from Fuji Photo Film Co. Ltd (Tokyo), Packard Bioscience GmbH (Dreieich Germany), AGFA-Gevaert N.V. (Mortsel, Belgium) or Amersham Biosciences (Freiburg, Germany). Amemiya Y, Miyahara J. Imaging plate illuminates many fields. Nature, 1988, 336: 89-90.
Miyahara, J. The imaging plate: a new radiation image sensor. Che- mistry Today, 1989, 223: 29-36.Miyahara, J. The imaging plate: a new radiation image sensor. Chemistry Today, 1989, 223: 29-36.
2. PPAC-Ionisationsgaskammern (parallel plate avalanche chamber), die mit Mikrokanalplattenanalysatoren (MicroChannel Plate Analysers) zum Nachweis von Betapartikeln gekoppelt sind, wie der Beta Imager, der von BioSpace Measures (Paris), und ein ähnliches Gerät, das von Packard Bioscience (Dreieich, Deutschland) vertrieben wird.2.PPAC (parallel plate avalanche chamber) ionization gas chambers, which are coupled to microchannel plate analyzers for the detection of beta particles, such as the beta imager by BioSpace Measures (Paris) and a similar device by Packard Bioscience ( Dreieich, Germany).
Bei diesen Imagern wird Licht von den PPAC durch eine Linse in eine Mehrfaserbildverstärkerröhre fokussiert, von der das Signal durch eine CCD-Kamera erfasst wird. Laniece P, Charon Y, Dumas S, Mastrippolito R, Pinot, L, Tricoire H, Valentin L. HRRI: a high resolution radioimager for fast, direct quantifica- tion in in situ hybridization experiments. Biotechniques, 1994, 17:338- 345.In these imagers, light from the PPAC is focused through a lens into a multi-fiber image intensifier tube, from which the signal is captured by a CCD camera. Laniece P, Charon Y, Dumas S, Mastrippolito R, Pinot, L, Tricoire H, Valentin L. HRRI: a high resolution radioimager for fast, direct quantification in in situ hybridization experiments. Biotechniques, 1994, 17: 338-345.
Crumeyrolle-Arias M, Latouche J, Laniece P, Charon Y, Tricoire H, Valerien L, Roux P, Mirambeau G, Leblanc P, Fillion G, et al. "In situ" char- acterization of GnRH receptors: use of two radioimagers and compari- son with quantitative autoradiography. J. Recept Res, 1994, 14:251-265.Crumeyrolle-Arias M, Latouche J, Laniece P, Charon Y, Tricoire H, Valerien L, Roux P, Mirambeau G, Leblanc P, Fillion G, et al. "In situ" characterization of GnRH receptors: use of two radioimagers and comparisons with quantitative autoradiography. J. Recept Res, 1994, 14: 251-265.
Jeavons, AG. Method and apparatus for quantitative autoradiography analysis. 1 1. August 1992. USA-Patent 5138168. Inhaber: Oxford Position Systems Limited.Jeavons, AG. Method and apparatus for quantitative autoradiography analysis. 1 August 1, 1992. U.S. Patent 5138168. Owner: Oxford Position Systems Limited.
Decristoforo C, Zaknun J, Kohler B, Oberladstaetter M, Riccabona G. The use of electronic autoradiography in radiopharmacy. Nucl. Med. Biol, 1997, 24: 361-365.Decristoforo C, Zaknun J, Kohler B, Oberladstaetter M, Riccabona G. The use of electronic autoradiography in radiopharmacy. Nucl. Med. Biol, 1997, 24: 361-365.
3. Geräte wie der Micro Imager (BioSpace Measures, Paris), bei dem eine Szintillationsfläche zum Nachweis von Beta- Gamma- und Alphapartikeln mit Mikrokanalplattenanalysegeräten gekoppelt ist. In diesen Imagern tritt Licht von der Szintillationsfläche in eine Mehrfaserbildverstärkerröhre ein, von der das Signal durch eine CCD-Kamera eingefangen wird.3. Devices such as the Micro Imager (BioSpace Measures, Paris), in which a scintillation surface for the detection of beta-gamma and alpha particles is coupled with micro-channel plate analyzers. In these imagers, light from the scintillation surface enters a multi-fiber image intensifier tube, from which the signal is captured by a CCD camera.
Laniece P, Charon Y, Dumas S, Mastrippolito R, Pinot, L, Tricoire H, Valentin L. HRRI: a high resolution radioimager for fast, direct quantifica- tion in in situ hybridization experiments. Biotechniques, 1994, 17:338- 345.Laniece P, Charon Y, Dumas S, Mastrippolito R, Pinot, L, Tricoire H, Valentin L. HRRI: a high resolution radioimager for fast, direct quantification in in situ hybridization experiments. Biotechniques, 1994, 17: 338-345.
Crumeyrolle-Arias M, Latouche J, Laniece P, Charon Y, Tricoire H, Valentin L, Roux P, Mirambeau G, Leblanc P, Fillion G, et al. "In situ" char- acterization of GnRH receptors: use of two radioimagers and compari- son with quantitative autoradiography. J. Recept Res, 1994, 14:251-265.Crumeyrolle-Arias M, Latouche J, Laniece P, Charon Y, Tricoire H, Valentin L, Roux P, Mirambeau G, Leblanc P, Fillion G, et al. "In situ" char- acterization of GnRH receptors: use of two radioimagers and comparisons with quantitative autoradiography. J. Recept Res, 1994, 14: 251-265.
Jeavons, AG. Method and apparatus for quantitative autoradiography analysis. 1 1. August 1992. USA-Patent 5138168. Inhaber: Oxford Position Systems Limited.Jeavons, AG. Method and apparatus for quantitative autoradiography analysis. 1 August 1, 1992. U.S. Patent 5138168. Owner: Oxford Position Systems Limited.
Decristoforo C, Zaknun J, Kohler B, Oberladstaetter M, Riccabona G. The use of electronic autoradiography in radiopharmacy. Nucl. Med. Biol. 1997, 24: 361-365.Decristoforo C, Zaknun J, Kohler B, Oberladstaetter M, Riccabona G. The use of electronic autoradiography in radiopharmacy. Nucl. Med. Biol. 1997, 24: 361-365.
4. Szintillationskristallarrayimager, die einen räumlich auflösenden Pho- tomultiplier verwenden, wie die MPD-Imager (Multi Photon Detection), die von BioTraces Inc. (Herndon VA, USA) und ProteoSys AG (Mainz, Deutschland) vertrieben werden.4. Scintillation crystal array imagers that use a spatially resolving photomultiplier, such as the MPD imagers (Multi Photon Detection), which are sold by BioTraces Inc. (Herndon VA, USA) and ProteoSys AG (Mainz, Germany).
Drukier AJ, Sagdejev IR, Ultralow background multiple photon detector. 2. Februar 1999. USA Patent 5,866,907. Inhaber: BioTraces, Inc. (Herndon, VA).Drukier AJ, Sagdejev IR, Ultralow background multiple photon detector. February 2, 1999. U.S. Patent 5,866,907. Owner: BioTraces, Inc. (Herndon, VA).
Im Gegensatz zu den obigen Detektortypen 2, 3 und 4 ist eine Phospho- rimagerbildplatte (Phosphorimager Imaging Plate, Phosphorimager-IP) ein filmartiger Strahlungsbildsensor, der speziell konstruierten Phosphor enthält, der die Strahlungsenergie aufnimmt und speichert, damit sie zu einem späteren Zeitpunkt wieder freigegeben und in einem geeigneten Phosphorimagerauslesegerät gemessen werden kann. Ein Phosphori- magergerät ist ein kombiniertes System bestehend aus einem Phosphorimagerauslesegerät und einer Phosphorimagerbildplatte, das nachfolgend als Phosphorimager bezeichnet wird. Ein Phosphor ist ein Pulver oder eine kristalline Substanz, die nach Einwirkung von Photonen bestimmter Eigenschaften oder chemischer Reaktionen Licht emittiert. Lichtemission (Lumineszenz) von einem Phosphor kann momentane (Fluoreszenz), verzögerte (Phosphoreszenz) oder photostimulierte Lu- mineszenz (PSL) sein. Der Phosphor der Phosphorimager-IP nutzt das PSL-Phänomen, das weder Fluoreszenz noch Phosphoreszenz ist. PSL verwendet eine Substanz, welche die Energie einer ursprünglichen Stimulation, beispielsweise die Energie eines Photons, das von einem ra- dioaktiv zerfallenden Atom emittiert wird, in den Elektronenorbitalen von Atomen des Phosphors speichert. Diese Energie wird als Licht emittiert, wefln der Phosphor durch Licht mit einer größeren Wellenlänge als die der ersten Stimulation stimuliert wird. Auf diese Weise speichert der Phosphor Information über die Menge an Strahlung, der er ausgesetzt war, und gibt diese Information als Licht ab, das in einem geeigneten Gerät, wie einem im Handel erhältlichen Phosphorimager, quantitativ analysiert werden kann.In contrast to the above detector types 2, 3 and 4, a phosphor imager plate (phosphor imager plate) is a film-like radiation image sensor that contains specially designed phosphor that absorbs and stores the radiation energy so that it can be released again at a later time and can be measured in a suitable phosphor imager reader. A phosphor imager is a combined system consisting of a phosphor imager and a phosphor imager, hereinafter referred to as phosphor imager. A phosphor is a powder or a crystalline substance that emits light after exposure to photons of certain properties or chemical reactions. Light emission (luminescence) from a phosphor can be instantaneous (fluorescence), delayed (phosphorescence) or photostimulated Lu- minescence (PSL). The phosphor of the phosphor imager IP uses the PSL phenomenon, which is neither fluorescence nor phosphorescence. PSL uses a substance that stores the energy of an original stimulation, for example the energy of a photon that is emitted by a radioactive decaying atom, in the electron orbitals of atoms of the phosphorus. This energy is emitted as light when the phosphor is stimulated by light with a longer wavelength than that of the first stimulation. In this way, the phosphor stores information about the amount of radiation to which it has been exposed and emits this information as light that can be quantitatively analyzed in a suitable device, such as a commercially available phosphor imager.
Die Bestrahlung von Proben im Phosphorimager wird in ähnlicher Weise durchgeführt wie die Belichtung eines Photofilms. Die bestrahlte Phosphorimager-IP wird während der Beförderung, mit einem fokussier- ten Laserstrahl abgetastet (beispielsweise einem He-Ne-Laser). Die bei Bestrahlung der Phosphorkristalle mit dem Laserlicht freigesetzte PSL wird in einem Photomultiplierrohr (PMT, photomultiplier tube) durch ei- nen Lichtsammelleiter gesammelt und in elektrische Signale umgewandelt.The irradiation of samples in the phosphor imager is carried out in a similar manner to the exposure of a photo film. The irradiated phosphor imager IP is scanned during transport with a focused laser beam (for example a He-Ne laser). The PSL released when the phosphor crystals are irradiated with the laser light is collected in a photomultiplier tube (PMT, photomultiplier tube) by a light collector and converted into electrical signals.
Von den Typen radioaktiver Messgeräte wie sie oben diskutiert wurden (Phosphorimagers, PPAC-Ionisationsgaskammerdetektoren, Szintillati- onskristallarrayimager mit einem räumlich auflösenden Photomultiplier, durch eine CCD-Kamera abgebildete Szintillatorfläche), können Szintilla- tionskristallarrayimager verschiedene Isotope unter Verwendung von Energie und Partikeltyp (beta/gamma) durch Analysieren der nachgewiesenen Impulsform verschiedener emittierter Partikel differenzieren. PPAC-Ionisationsgaskammerdetektoren (z. B. Beta Imager) und von einer CCD-Kamera abgebildete Szintillationsflächen (z. B. Micro Imager) erfordern den Nachweis der äußerst schwachen Betapartikel von H-3 zusätzlich zu einem anderen Isotop, um verschiedene Radioisotope zu unterscheiden, wie es der Hersteller in seiner Beschreibung angibt. Diese Detektoren können mit H-3 markierte Proteine nicht direkt aus einem 2D-PAGE-Gel nachweisen, weil die Polyacrylamidmatrix die schwachen H-3 Betapartikel absorbiert. Analysatmoleküle müssen aus dem Polyac- rylamidgel entfernt werden, beispielsweise durch Blotting auf eine Membran, damit sie durch PPAC-Ionisationsgaskammerdetektoren nachgewiesen werden können. Dies ist zeitaufwändig und funktioniert beispielsweise für Proteine mit unterschiedlichem Molekulargewicht nur mit variabler Effizienz. Mit stärkeren betaemittierenden Isotopen, wie S- 35, markierte Analysatmoleküle können durch lonisationsgaskammern effizient sichtbar gemacht werden, während sie sich noch in einer Poly- acrylamidgelmatrix befinden, und brauchen nicht geblottet zu werden. Szintillationskristallarrayimager, die einen räumlich auflösenden Photomultiplier verwenden und lonisationsgaskammern belegen jedoch ein Gerät für die gesamte Zeit der radioaktiven Bestrahlung. Deshalb sind Analysen, beispielsweise in Protein- oder Genomstudien, die einen hohen Durchsatz erfordern sehr teuer.From the types of radioactive measuring devices as discussed above (phosphor imagers, PPAC ionization gas chamber detectors, scintillation crystal array imagers with a spatially resolving photomultiplier, scintillator area imaged by a CCD camera), scintillation crystal array imagers can use different isotopes using energy and particle type (beta / gamma) by analyzing the detected pulse shape of different emitted particles. PPAC ionization gas chamber detectors (e.g. beta imager) and scintillation areas (e.g. micro imager) imaged by a CCD camera require the detection of the extremely weak beta particles of H-3 in addition to another isotope in order to detect different radioisotopes distinguish as the manufacturer states in his description. These detectors cannot detect proteins labeled with H-3 directly from a 2D PAGE gel because the polyacrylamide matrix absorbs the weak H-3 beta particles. Analyte molecules must be removed from the polyacrylamide gel, for example by blotting on a membrane, so that they can be detected by PPAC ionization gas chamber detectors. This is time-consuming and only works with variable efficiency for proteins with different molecular weights. Analyte molecules labeled with stronger beta-emitting isotopes, such as S-35, can be efficiently visualized through ionization gas chambers while they are still in a polyacrylamide gel matrix and do not need to be blotted. Scintillation crystal array imagers that use a spatially resolving photomultiplier and ionization gas chambers, however, occupy one device for the entire period of the radioactive radiation. Therefore, analyzes, for example in protein or genome studies, which require high throughput are very expensive.
Nachfolgend werden weitere herkömmliche differentielle Nachweisver- fahren beschrieben, die jedoch nicht zu einem differentiellen Nachweis von Analysatmolekülen auf einer Trägerfläche verwendbar sind.Further conventional differential detection methods are described below, which, however, cannot be used for the differential detection of analyte molecules on a carrier surface.
Die quantitative Bestimmung von der in einer Materialprobe vorhandenen Konzentration von zwei unterschiedlichen Elementen unter Verwen- düng von zwei Messungen mit einem Detektor ist beschrieben in: Sastri et al., Anal. Chem., 1981 , 53: 765-770.The quantitative determination of the concentration of two different elements present in a material sample using two measurements with one detector is described in: Sastri et al., Anal. Chem., 1981, 53: 765-770.
Bei diesem Verfahren wird jedoch lediglich die Konzentration der Elemente in der Materialprobe, nicht jedoch deren Ortsverteilung, bei- spielsweise auf der Probenoberfläche, berechnet. Das hier beschriebene Verfahren eignet sich daher nicht zur differentiellen Analyse von Analysatmolekülen, die mit unterschiedlichen Isotopen markiert werden. Die hyperspektrale Verarbeitungssoftware MultiSpec© der Purdue Uni- versity (Purdue Research Foundation, West Lafayette, IN) verwendet Spektralmessungen von Bildern, um verschiedene Merkmale von Satellitenbildern zu extrahieren bzw. zu identifizieren. Das MultiSpec©- Konzept sieht vor, die spektrale Besetzung von Pixeln von einem Bild in eine Reihe von Bildern zu zerlegen, die alle von einem Stammbild abgeleitet sind, für das die primären Daten alle gleichzeitig aufgezeichnet wurden. Bei diesem Verfahren werden folglich, ausgehend von einem Stammbild, verschiedenen von diesem Ursprungsbild abgeleitete Bilder durch mathematische Verfahren erzeugt.With this method, however, only the concentration of the elements in the material sample is calculated, but not their spatial distribution, for example on the sample surface. The method described here is therefore not suitable for the differential analysis of analyte molecules that are labeled with different isotopes. The hyperspectral processing software MultiSpec © from Purdue University (Purdue Research Foundation, West Lafayette, IN) uses spectral measurements of images to extract or identify various features of satellite images. The MultiSpec © concept provides for the spectral occupation of pixels from one image to be broken down into a series of images, all of which are derived from a master image for which the primary data were all recorded simultaneously. In this method, different images derived from this original image are consequently generated by mathematical methods, starting from a master image.
David Landgrebe, Information Extraction Principles and Methods for Multispectral and Hyperspectral Image Data, Chapter 1 of Information Processing for Remote Sensing, herausg. von C.H. Chen, veröffentlicht von der World Scientific Publishing Co., Ine, 1060 Main Street, River Edge, NJ 07661 , USA, 2000.David Landgrebe, Information Extraction Principles and Methods for Multispectral and Hyperspectral Image Data, Chapter 1 of Information Processing for Remote Sensing, ed. by C.H. Chen, published by World Scientific Publishing Co., Ine, 1060 Main Street, River Edge, NJ 07661, USA, 2000.
Da die radioaktive Markierung von Analysatmolekülen oft das Mittel der Wahl ist, um die in vielen Untersuchungen, beispielsweise biologischen Untersuchungen, erforderliche analytische Leistung zu erreichen, und da der differentielle Nachweis von Analysatmolekülen aus zwei oder mehr Proben in einer Analyse wünschenswert ist, besteht ein großer Bedarf einen derartigen differentiellen Nachweis mit radioaktiv markierten Ana- lysaten oder anderen Molekülen durchzuführen.Because radioactive labeling of analyte molecules is often the means of choice to achieve the analytical performance required in many studies, such as biological studies, and because differential detection of analyte molecules from two or more samples in one analysis is desirable, there is a great deal It is necessary to carry out such a differential detection with radiolabelled analytes or other molecules.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Verfahren bereitzustellen, wel- ches differentielle Analysen, beispielsweise in Protein- oder Genomstudien, mit hoher analytischer Leistung und hohem Durchsatz bei vergleichsweise geringen Kosten ermöglicht und die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden hilft. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 19 aufgeführt. Der Wortlaut sämtlicher An- sprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.The object of the invention is therefore to provide a method which enables differential analyzes, for example in protein or genome studies, with high analytical performance and high throughput at comparatively low costs and which helps to overcome the disadvantages of the prior art described. This object is achieved by a method having the features of claim 1. Preferred developments of the invention are listed in the dependent claims 2 to 19. The wording of all the claims is hereby incorporated by reference into the content of this description.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Ortsverteilung von mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten mit jeweils mengen- spezifischem Strahlungstyp auf einer gemeinsamen Trägerfläche mit folgenden Schritten bestimmt: a) Ermitteln einer ersten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche, b) Verändern der Strahlungsintensität mindestens eines mengenspezifischen Strahlungstyps mit einem zugehörigen Veränderungsfaktor, c) Ermitteln mindestens einer zweiten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche und d) Berechnung der Ortsverteilungen jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln aus der ersten und der mindestens zweiten ermittelten Ortsverteilung.In the method according to the invention, the local distribution of at least two sets of point radiation objects, each with a quantity-specific radiation type, on a common carrier surface is determined with the following steps: a) determining a first local distribution of the radiation intensity of the carrier surface, b) changing the radiation intensity with at least one quantity-specific radiation type associated change factor, c) determining at least one second local distribution of the radiation intensity of the carrier surface and d) calculating the local distributions of each of the at least two sets of point radiation objects individually from the first and the at least second determined local distribution.
Unter Ortsverteilung von Punktstrahlungsobjekten ist beispielsweise die Strahlungsintensität und/oder die Anzahl der jeweiligen Punktstrahlungsobjekte pro Flächeneinheit über dem Ort bzw. über der zu untersuchenden Trägerfläche zu verstehen. Es werden die Ortsverteilungen von mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten mit jeweils men- genspezifischem Strahlungstyp untersucht. Ein Punktstrahlungsobjekt ist ein Objekt, beispielsweise ein Atom bzw. dessen Isotop und/oder ein Molekül bestehend aus Gruppen von Atomen bzw. Isotopen, das seine spezifische Strahlung nach allen Seiten, d.h. über den Raumwinkel, gleichmäßig oder zumindest idealisiert gleichmäßig abgibt. Bei dem mengenspezifischen Strahlungstyp kann es sich beispielsweise um Alpha-, Beta-, Gamma- und/oder Röntgenstrahlung und/oder um Licht mit einer spezifischen Wellenlänge handeln. Die mindestens zwei Mengen bestehen jeweils aus Punktstrahlungsobjekten mit gleichem, mengen- spezifischen Strahlungstyp und befinden sich gemeinsamen auf der Trägerfläche. Die Trägerfläche ist ein im wesentlichen flächiges Gebilde, beispielsweise ein 2D-PAGE-Gel.Local distribution of point radiation objects is understood to mean, for example, the radiation intensity and / or the number of the respective point radiation objects per unit area over the location or over the carrier surface to be examined. The spatial distributions of at least two sets of point radiation objects, each with a set-specific radiation type, are examined. A point radiation object is an object, for example an atom or its isotope and / or a molecule consisting of groups of atoms or isotopes, which emits its specific radiation uniformly or at least idealized uniformly on all sides, ie over the solid angle. The quantity-specific radiation type can be, for example, alpha, beta, gamma and / or x-ray radiation and / or light with a specific wavelength. The at least two sets each consist of point radiation objects with the same, specific radiation type and are common on the support surface. The carrier surface is an essentially flat structure, for example a 2D PAGE gel.
In dem ersten Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine erste Ortsverteilung der Strahlungsintensität, d.h. die Strahlungsleistung prc^Flächeneinheit, der Trägerfläche ermittelt.In the first step a) of the method according to the invention, a first spatial distribution of the radiation intensity, i.e. the radiation power prc ^ unit area, the carrier area determined.
In dem zweiten Schritt b) wird die Strahlungsintensität mindestens eines mengenspezifischen Strahlungstyps mit einem zugehörigen Veränderungsfaktor, der bekannt ist oder bestimmt bzw. berechnet werden kann, verändert. Die Veränderung kann eine Reduktion oder eine Verstärkung der Intensität des mengenspezifischen Strahlungstyps sein. Der Veränderungsfaktor wird in % angegeben, wobei 0% eine vollständige Unter- drückung der Strahlungsintensität, 100% ein Gleichbleiben der Strahlungsintensität und Werte größer als 100% eine Verstärkung der Strahlungsintensität bedeuten.In the second step b), the radiation intensity of at least one quantity-specific radiation type with an associated change factor, which is known or can be determined or calculated, is changed. The change can be a reduction or an increase in the intensity of the quantity-specific radiation type. The change factor is given in%, where 0% means a complete suppression of the radiation intensity, 100% a constant radiation intensity and values greater than 100% mean an increase in the radiation intensity.
Es können alle Intensitäten der mengenspezifischen Strahlungstypen, nur ein Teil der Intensitäten der Strahlungstypen oder nur eine Intensität eines Strahlungstyp durch einem zugehörigen Veränderungsfaktor verändert werden. Das Verhältnis bzw. die Verhältnisse der Veränderungsfaktoren der mengenspezifischen Strahlungstypen weist bzw. weisen vorzugsweise einen Wert bzw. Werte ungleich 1 auf, d.h. die Verände- rungsfaktoren der mengenspezifischen Strahlungstypen unterscheiden sich vorteilhafterweise untereinander.All intensities of the quantity-specific radiation types, only a part of the intensities of the radiation types or only an intensity of a radiation type can be changed by an associated change factor. The ratio or ratios of the change factors of the quantity-specific radiation types preferably have a value or values not equal to 1, i.e. the change factors of the quantity-specific radiation types advantageously differ from one another.
In einem weiteren Schritt c) wird nach der Veränderung der Strahlungsintensitäten mindestens eine zweite Ortsverteilung der Strahlungsinten- sität der Trägerfläche ermittelt. ln einem vierten Schritt d) werden die Ortsverteilungen jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln aus der ersten und der mindestens zweiten ermittelten Ortsverteilung berechnet.In a further step c), after the change in the radiation intensities, at least one second spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined. In a fourth step d), the spatial distributions of each of the at least two sets of point radiation objects are calculated individually from the first and the at least second determined spatial distribution.
Durch die Berechnung wird auf Basis der ermittelten mindestens zwei Ortsverteilungen die Ortsverteilung jeder Menge von Punktstrahlungsob- jekϊfen auf der Trägerfläche separat ermittelt, unabhängig von der Verteilung der anderen Mengen von Punktstrahlungsobjekten auf der Trägerfläche. Die Auftrennung in die mengenspezifischen Ortsverteilungen er- folgt nicht bereits durch den Detektor, sondern erst durch Berechnung auf Basis der ermittelten Ortsverteilungen, die eine Überlagerung der detektierten Signale der einzelnen Strahlungsquellen darstellen.Based on the determined at least two spatial distributions, the calculation separately determines the spatial distribution of each set of spot radiation objects on the support surface, regardless of the distribution of the other sets of spot radiation objects on the support surface. The separation into the quantity-specific local distributions is not already carried out by the detector, but only by calculation based on the local distributions determined, which represent a superimposition of the detected signals of the individual radiation sources.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Verände- rungsschritt b) und der Schritt c) zur Ermittlung der mindestens zweiten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche mit einem unterschiedlichen Veränderungsfaktor mindestens einmal wiederholt. Dies ist notwendig, wenn mehr als zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten analysiert werden sollen, da zur Bestimmung der einzelnen Ortsvertei- lung einer Menge mindestens eine Ortsverteilung bei zugehöriger Veränderung der Intensität des mengenspezifischen Strahlungstyps ermittelt werden muss.In an advantageous development of the invention, the change step b) and step c) for determining the at least second spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface are repeated at least once with a different change factor. This is necessary if more than two sets of point radiation objects are to be analyzed, because in order to determine the individual spatial distribution of a set, at least one local distribution with associated change in the intensity of the set-specific radiation type must be determined.
Werden nur zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten analysiert, kann durch eine derartige Wiederholung die Genauigkeit des Verfahrens verbessert werden. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Veränderungsfaktoren durch unterschiedliche Mechanismen, beispielsweise mit Hilfe eines Absorbers und/oder nachfolgend durch radioaktiven Zerfall, realisiert werden.If only two sets of point radiation objects are analyzed, the accuracy of the method can be improved by such a repetition. This is achieved in particular in that the change factors are realized by different mechanisms, for example with the aid of an absorber and / or subsequently by radioactive decay.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird eine ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität durch eine zugehörige - I j -In a further advantageous development of the invention, a determined local distribution of the radiation intensity is determined by an associated one - I j -
Pixelmatrix dargestellt, wobei ein Pixelwert der Matrix die Strahlungsintensität eines zugehörigen Orts auf der Trägerfläche repräsentiert.Pixel matrix shown, wherein a pixel value of the matrix represents the radiation intensity of an associated location on the support surface.
Bei der Ermittlung der Ortsverteilungen der Strahlungsintensität der Trä- gerfläche, beispielsweise mit einem geeigneten ortsauflösenden Detektor, wird die Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche in eirie Matrixanordnung von Pixelwerten umgesetzt, wobei die Pixelwerte proportional zu der vom Detektor ermittelten Strahlungsintensität sein können. Jedes Pixel wird einer definierten Region der Fläche zugeord- net.When determining the spatial distributions of the radiation intensity of the carrier surface, for example with a suitable spatially resolving detector, the spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface is converted into a matrix arrangement of pixel values, whereby the pixel values can be proportional to the radiation intensity determined by the detector. Each pixel is assigned to a defined region of the area.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Ortsverteilung jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln auf Basis der Pixelmatrizen bestimmt.In a further advantageous development of the invention, the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of the pixel matrices.
Bei einem rein illustrativen Beispiel kann die Berechnung, bei einer Analyse von zwei Mengen A und B von Punktstrahlungsobjekten und einem Veränderungsfaktor von 0%, d.h. einer vollständigen Unterdrückung, für den Strahlungstyp der Menge A und einem Veränderungsfaktor von 100%, d.h. einem Gleichbleiben, für den Strahlungstyp der Menge B, wie folgt durchgeführt werden.In a purely illustrative example, the calculation, when analyzing two sets A and B of point radiation objects and a change factor of 0%, i.e. a complete suppression, for the radiation type of set A and a change factor of 100%, i.e. a steadiness, for the radiation type of the amount B, can be carried out as follows.
Durch die vollständige Unterdrückung des Strahlungstyps A in der zweiten ermittelten Ortsverteilung erhält man direkt die überlagerungsfreie Ortsverteilung für den Strahlungstyp B. Durch Subtraktion der zweiten ermittelten Ortsverteilung, bei der nur Signalanteile des Strahlungstyps der Menge B vorhanden sind, von der ersten ermittelten Ortsverteilung, bei der beide Signalanteile vorhanden sind, erhält man die Ortsverteilung des Strahlungstyps der Menge A ohne Signalanteile des Strah- lungstyps B.By completely suppressing radiation type A in the second determined local distribution, one obtains the superimposed local distribution for radiation type B. By subtracting the second determined local distribution, in which only signal components of the radiation type of quantity B are present, from the first determined local distribution, in which If both signal components are present, the spatial distribution of the radiation type of set A is obtained without signal components of radiation type B.
Das genannte Verfahren ermöglicht, unter Verwendung desselben bzw. eines gleichartigen Detektors, eine Multicolourmessung, d.h. eine ge- trennte, überlagerungsfreie Darstellung der Ortsverteilung der einzelnen Punktstrahlungsquellen, ermöglicht. Herkömmliche Verfahren erfordern für eine Multicolourdarstellung die originalen Einfarbenbilder von Analysatmolekülen von jeder Probe. Bei der vorliegenden Erfindung werden die Einfarbenbilder jedes Isotops niemals als solche gemessen, sondern werden aus den mindestens zwei ermittelten Ortsverteilungen bzw. Bilden, berechnet.Using the same or a similar detector, the method mentioned enables a multicolour measurement, ie a separate, overlay-free representation of the local distribution of the individual point radiation sources, enables. Conventional methods require the original single-color images of analyte molecules from each sample for a multicolour display. In the present invention, the single-color images of each isotope are never measured as such, but are calculated from the at least two determined local distributions or images.
In der Praxis werden die den unterschiedlichen Strahlungstypen zuzu- rechnenden Signalkomponenten vorteilhafterweise um einen Faktor von weniger als 100 % oder 95 % verändert bzw. reduziert. Eine Möglichkeit zur Berechnung der überlagerungsfreien Ortsverteilung der beiden Mengen von Punktstrahlungsobjekten wird nachfolgend ausgeführt.In practice, the signal components attributable to the different radiation types are advantageously changed or reduced by a factor of less than 100% or 95%. One possibility for calculating the superposition-free local distribution of the two sets of point radiation objects is explained below.
Für einen exemplarischen Pixelwert der Pixelmatrix der ersten ermittelten Ortsverteilung gilt: A + B = X (1 )The following applies to an exemplary pixel value of the pixel matrix of the first determined local distribution: A + B = X (1)
Für den Pixelwert der zweiten ermittelten Ortsverteilung gilt: MA + NB = Y (2):The following applies to the pixel value of the second determined local distribution: MA + NB = Y (2):
WobeiIn which
A = der Signalbeitrag des Strahlungstyps A in der ersten ermitteltenA = the signal contribution of radiation type A in the first determined
Ortsverteilung B = der Signalbeitrag des Strahlungstyps B in der ersten ermitteltenLocal distribution B = the signal contribution of radiation type B in the first determined
Ortsverteilung X = Pixelwert entsprechend der Strahlungsintensität in der ersten ermittelten Ortsverteilung Y = Pixelwert entsprechend der Strahlungsintensität in der zweiten ermittelten OrtsverteilungLocal distribution X = pixel value corresponding to the radiation intensity in the first determined local distribution Y = pixel value corresponding to the radiation intensity in the second determined local distribution
M = Veränderungsfaktor für den mengenspezifischen StrahlungstypM = change factor for the quantity-specific radiation type
A N = Veränderungsfaktor für den mengenspezifischen Strahlungstyp BA N = change factor for the quantity-specific radiation type B
A und B sind unbekannt und gesucht. X und Y sind die gemessenen Intensitäten.A and B are unknown and wanted. X and Y are the measured intensities.
M &nd N können durch Kalibrierung oder Berechnung bestimmt werden. Das Verhältnis der Veränderungsfaktoren zweier Strahlungstypen ist definiert als das Verhältnis des Veränderungsfaktors des Strahlungtyps mit dem kleineren Veränderungsfaktor und dem des Strahlungstyps mit dem grösseren Veränderungsfaktor (M/N mit N≥M). Entsprechend werden die Verhältnisse der Veränderungsfaktoren bei mehr als zwei Strahlungstypen definiert.M&N can be determined by calibration or calculation. The ratio of the change factors of two radiation types is defined as the ratio of the change factor of the radiation type with the smaller change factor and that of the radiation type with the larger change factor (M / N with N≥M). The relationships of the change factors for more than two types of radiation are defined accordingly.
Durch Lösen des Gleichungssystems bestehend aus den Gleichungen (1 ) und (2) können die Werte für A und B berechnet werden. Diese Berechnung kann analog für alle Pixel der Pixelmatrix durchgeführt werden.The values for A and B can be calculated by solving the system of equations consisting of equations (1) and (2). This calculation can be carried out analogously for all pixels of the pixel matrix.
Ist die Strahlungsintensität bzw. der Signalbeitrag eines Strahlungstyps an einem Ort bekannt, kann dadurch auch die Anzahl der Punktstrahlungsobjekte pro Flächeneinheit an dem Ort berechnet werden, da die Strahlungsintensität und die Anzahl der Punktstrahlungsobjekt pro Flächeneinheit zueinander proportional sind.If the radiation intensity or the signal contribution of a radiation type at a location is known, the number of point radiation objects per unit area at the location can also be calculated, since the radiation intensity and the number of point radiation objects per unit area are proportional to one another.
In einem allgemeineren Fall mit einer Anzahl P von Mengen von Punktstrahlungsobjekten, bei dem es notwendig ist, P Ortsverteilungen zu ermitteln, kann das Problem unter Verwendung einer Matrixdarstellung formuliert werden:In a more general case with a number P of sets of point radiation objects, in which it is necessary to determine P location distributions, the problem can be formulated using a matrix representation:
F * X = IF * X = I
wobei: X = ein Vektor mit P Elementen, bestehend aus den Signalbeiträgen der Strahlungstypen der P Mengen von Punktstrahlungsobjekten in der ersten ermittelten Ortsverteilungin which: X = a vector with P elements, consisting of the signal contributions of the radiation types of the P sets of point radiation objects in the first determined local distribution
I = ein Vektor mit P Elementen, bestehend aus den Pixelwerten derI = a vector with P elements, consisting of the pixel values of the
P ermittelten OrtsverteilungenP determined local distributions
F = eine Matrix mit P*P Elementen, bestehend aus den P*P Verän- derungsfaktoren, die für die P ermittelten Ortsverteilungen für die P verschiedenen Mengen von Punktstrahlungsobjekten berechnet oder bestimmt wurden.F = a matrix with P * P elements, consisting of the P * P change factors, which were calculated or determined for the P local distributions for the P different amounts of point radiation objects.
Die einzelnen Signalbeiträge der Strahlungstypen des Vektors X können durch Inversion der Matrix F gemäss folgender Gleichung berechnet werden:The individual signal contributions of the radiation types of the vector X can be calculated by inversion of the matrix F according to the following equation:
X = F"1 * IX = F "1 * I
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die Ortsverteilung jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln auf Basis von Intensitäten bestimmt, die sich durch die Summation von Pixel- werten definierter, insbesondere benachbarter, Elemente der Pixelmatrix ergeben. Anstatt den Algorithmus wie oben beschrieben für eine pixelweise Analyse zu verwenden, können auch die aufsummierten Pixelintensitäten bestimmter Bereiche verwendet werden, die für die erste und die zweite ermittelte Ortsverteilung errechnet werden können. Dies ist besonders bei stark verrauschten Signalen oder in solchen Fällen empfehlenswert, bei denen die räumliche Verteilung der Signale auf dem Detektor für die verschiedenen Mengen von Punkstrahlungsobjekten veränderlich ist.In a further development of the invention, the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of intensities which result from the summation of pixel values of defined, in particular neighboring, elements of the pixel matrix. Instead of using the algorithm for a pixel-by-pixel analysis as described above, the summed-up pixel intensities of certain areas can also be used, which can be calculated for the first and the second determined spatial distribution. This is particularly recommended in the case of very noisy signals or in those cases in which the spatial distribution of the signals on the detector can be varied for the different sets of spot radiation objects.
Vorzugsweise werden mehr Messungen der Ortsverteilungen unter veränderten Bedingungen durchgeführt als minimal notwendig wären. In diesem Fall wird ein Optimierungsprozess verwendet, um die einzelnen Ortsverteilungen der Punktstrahlungsobjekte zu bestimmen. Hierdurch kann die Genauigkeit der Methode verbessert werden.Preferably, more measurements of the local distributions are carried out under changed conditions than would be necessary to a minimum. In this case, an optimization process is used to identify the individual To determine the spatial distributions of the point radiation objects. This can improve the accuracy of the method.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht eine Menge von Punkt- Strahlungsobjekten aus mindestens einem strahlenden, insbesondere radioaktiv strahlenden, Typ von Isotopen. Als Isotope können beispielsweise 1-125 und/oder 1-131 verwendet werden.In a further development of the invention, a set of point radiation objects consists of at least one radiating, in particular radioactive, type of isotope. For example, 1-125 and / or 1-131 can be used as isotopes.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht eine Menge von Punkt- strahlungsobjekten aus lichtemittierenden, insbesondere fluoreszierenden, phosphoreszierenden und/oder lumineszierenden, Substanzen.In a development of the invention, a number of point radiation objects consist of light-emitting, in particular fluorescent, phosphorescent and / or luminescent, substances.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist für mindestens eine Menge unterschiedlicher Punktstrahlungsobjekte an mindestens einem Ort auf der Trägerfläche mindestens ein Kalibrierungspunkt mit bekannter Strahlung vorhanden. Die Kalibrierung dient der Bestimmung bzw. der Berechnung der jeweiligen Veränderungsfaktoren, die zur Berechnung der gesuchten einzelnen Ortsverteilungen benötigt werden.In a development of the invention, at least one calibration point with known radiation is present for at least one set of different point radiation objects at at least one location on the carrier surface. The calibration serves to determine or calculate the respective change factors that are required to calculate the individual local distributions sought.
Eine Kalibrierungspunkt kann eine einzelne Signalquelle sein, beispielsweise ein einzelnes radioaktives Isotop. Die Kalibrierung dient hier dem Zweck, den absoluten oder relativen Prozentanteil der Veränderung bzw. Reduktion von Signalintensitäten zu berechnen, die von den untersuchten Strahlungsquellen bzw. Isotopen herrühren.A calibration point can be a single signal source, for example a single radioactive isotope. The purpose of calibration here is to calculate the absolute or relative percentage of the change or reduction in signal intensities that result from the radiation sources or isotopes examined.
Die Kalibrierung kann durch Einbringen eines radioaktiven Ausgangsstoffes für eines oder mehrere der untersuchten Isotope in der Messung durchgeführt werden. Das von diesem Kalibrierungsstoff gemessene Signal sollte bevorzugt keine bzw. vernachlässigbare Anteile von allen anderen radioaktiven Quellen außerhalb des Kalibrierungsstoffes enthalten. Bevorzugt ist die spezifische Aktivität des Kalibrierungsstoffes vor der Messung bekannt. Bevorzugt ist der Kalibrierungsstoff für alle untersuchten Isotope verfügbar. Eine Kalibrierung ist auch unter Verwendung einer oder mehrerer radioaktiver Stoffe möglich, die räumlich gemeinsam lokalisiert, bekannte Mengen aller zu messenden Isotope enthalten. In diesem Fall müssen die spezifischen Aktivitäten bzw. Strahlungsintensitäten jedes Isotops im Kalibrierungsstoff bekannt sein. Mit Hilfe ge- eigneter Algorithmen ist es auf Basis von mehreren ermittelten Ortsverteilungen möglich, den Beitrag jedes Isotops zum jeweiligen Pixelwert de ^Ortsverteilung zu berechnen, wobei in einer Ortsverteilung eine oder mehrere Strahlungsintensitäten der Isotope im Signal verändert werden. Offensichtlich müssen im letzteren Fall andere Faktoren bekannt sein, beispielsweise der differentielle Grad des radioaktiven Zerfalls etc..The calibration can be carried out by introducing a radioactive starting material for one or more of the isotopes examined in the measurement. The signal measured by this calibration substance should preferably contain no or negligible proportions from all other radioactive sources outside the calibration substance. The specific activity of the calibration substance is preferably known before the measurement. The calibration substance is preferably available for all investigated isotopes. Calibration is also in use one or more radioactive substances possible, which together spatially localize, contain known amounts of all isotopes to be measured. In this case, the specific activities or radiation intensities of each isotope in the calibration substance must be known. With the aid of suitable algorithms, it is possible on the basis of a plurality of local distributions determined to calculate the contribution of each isotope to the respective pixel value of the local distribution, one or more radiation intensities of the isotopes in the signal being changed in a local distribution. Obviously, in the latter case, other factors must be known, such as the differential level of radioactive decay, etc.
Wenn ein Absorber verwendet wird, hängen die Veränderungsfaktoren vom Absorbermaterial, seiner Dicke und seinem Massenabsorptionskoeffizienten für die Arten von absorbierten radioaktiven Partikeln ab. Wenn differentielle Bilder produziert werden, indem beide Isotopen zerfallen, können die Veränderungsfaktoren durch Messen der relativen Intensitäten der Kalibrierungsstoffe für beide Isotope bestimmt werden. Oder sie können unter Verwendung von Informationen bezüglich der exakten Zeit und Dauer jeder Bestrahlung und der Zerfallsratenkonstanten für jedes Radioisotop berechnet werden.When an absorber is used, the change factors depend on the absorber material, its thickness and its mass absorption coefficient for the types of radioactive particles absorbed. If differential images are produced by decaying both isotopes, the change factors can be determined by measuring the relative intensities of the calibration substances for both isotopes. Or they can be calculated using information regarding the exact time and duration of each exposure and the decay rate constants for each radioisotope.
In einer Weiterbildung der Erfindung liegt das Verhältnis der Veränderungsfaktoren der mengenspezifischen Strahlungstypen zwischen 5% bis 90%, vorzugsweise zwischen 10% bis 70%, insbesondere zwischen 15% und 50%. Durch die Möglichkeit mit Veränderungsfaktoren zu arbeiten, die einen Strahlungstyp nicht vollständig unterdrücken, steigt die Zahl der verwendbaren Strahlungsquellen bzw. Detektoren deutlich an. Insbesondere bei einer Realisierung der Veränderungsfaktoren durch radioaktiven Zerfall von unterschiedlich strahlenden Isotopen besteht die Möglichkeit, auch ohne vollständigen Zerfall eines Isotopentyps, die getrennten Ortsverteilungen der Isotope zu berechnen. In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Veränderungsfaktor durch Verwendung mindestens eines Absorbers realisiert. Ein Absorber reduziert die Intensität der durch das Material hindurchtretenden Strahlung (Partikel oder Photonen). Der Absorber kann aus Metall, Metalllegie- rung, Kunststoff, Plexiglas, Teflon und/oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Für die Funktion der Erfindung ist es wesentlich, dats die emittierten Strahlungstypen, beispielsweise Photonen von I- 125-lsoptopen und Beta-Partikel von l-131-lsoptopen, die das Signal auf dem Detektor erzeugen, vom Absorber mit unterschiedlichen Verände- rungsfaktoren bzw. Reduktionsfaktoren absorbiert bzw. gedämpft werden. Zu diesem Zweck sind Absorber aus Elementen mit niedriger A- tomzahl effektiver, beispielsweise Aluminiumfolie oder dünnes Plexiglas, da diese Absorber Beta-Partikel stärker absorbieren als Photonen. Des weiteren können Absorber aus einer sehr dünnen Schicht aus Elemen- ten mit hoher Atomzahl verwendet werden, da diese Absorber Photonen stärker absorbieren als Beta-Partikel. Die Absorberdicke spielt bei der Absorptionseffizienz eine Schlüsselrolle.In a development of the invention, the ratio of the change factors of the quantity-specific radiation types is between 5% to 90%, preferably between 10% to 70%, in particular between 15% and 50%. The possibility of working with change factors that do not completely suppress a radiation type increases the number of radiation sources or detectors that can be used significantly. In particular when the change factors are implemented by radioactive decay of differently radiating isotopes, it is possible to calculate the separate spatial distributions of the isotopes even without complete decay of an isotope type. In a development of the invention, the change factor is implemented by using at least one absorber. An absorber reduces the intensity of the radiation (particles or photons) that passes through the material. The absorber can consist of metal, metal alloy, plastic, plexiglass, Teflon and / or another suitable material. For the function of the invention, it is essential that the emitted radiation types, for example photons from I-125 isoptopes and beta particles from I-131 isoptopes, which generate the signal on the detector, from the absorber with different change factors or Reduction factors are absorbed or damped. For this purpose, absorbers made of elements with a low atomic number are more effective, for example aluminum foil or thin plexiglass, since these absorbers absorb beta particles more than photons. Furthermore, absorbers made of a very thin layer of elements with a high atomic number can be used, since these absorbers absorb photons more than beta particles. The absorber thickness plays a key role in absorption efficiency.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Veränderungsfaktor durch radioaktiven Zerfall der jeweiligen Punktstrahlungsobjekte der mindestens zwei Mengen realisiert, wobei vorzugsweise die jeweiligen Punktstrahlungsobjekte der mindestens zwei Mengen unterschiedliche Halbwertszeiten aufweisen. Die Veränderung bzw. Reduktion der Strahlungsintensität kommt hier nicht durch einen Absorber, sondern durch einen Unterschied in der Zerfallsrate der Punktstrahlungsobjekte zustande. Die Isotope 1-125 und 1-131 sind beispielsweise für diesen Zweck gut geeignet, da ihre Halbwertszeiten sich um einen Faktor von fast 7,5 unterscheiden. Es können jedoch für die Erfindung auch andere Isotope verwendet werden.In a development of the invention, the change factor is realized by radioactive decay of the respective point radiation objects of the at least two sets, the respective point radiation objects of the at least two sets preferably having different half-lives. The change or reduction in the radiation intensity here does not come about through an absorber, but rather through a difference in the decay rate of the point radiation objects. For example, isotopes 1-125 and 1-131 are well suited for this purpose because their half-lives differ by a factor of almost 7.5. However, other isotopes can also be used for the invention.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird der Veränderungsfaktor durch eine unterschiedliche Empfindlichkeit eines zur Ermittlung einer Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche verwendeten Detektors für den jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp realisiert. Die Veränderungsfaktoren der Strahlungsintensitäten der mengenspezifischen Strahlungstypen ergeben sich hierbei durch die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der verwendeten Detektoren für die von den mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten abgestrahlte Strahlung. Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten werden vorzugsweise so gewählt, dass das Verhältnis der Veränderungsfaktoren vorzugsweise größer als 5% ist.In a development of the invention, the change factor is determined by a different sensitivity of a detector used to determine a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface realized for the respective quantity-specific radiation type. The change factors of the radiation intensities of the quantity-specific radiation types result here from the different sensitivities of the detectors used for the radiation emitted by the at least two quantities of point radiation objects. The different sensitivities are preferably chosen such that the ratio of the change factors is preferably greater than 5%.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Ortsverteilungen der Strahlungsintensität mit einem ortsauflösenden Detektor für Alpha-, Beta-, Gamma- und/oder Röntgenstrahlung ermittelt.In a further development of the invention, the spatial distributions of the radiation intensity are determined using a spatially resolving detector for alpha, beta, gamma and / or x-radiation.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Ortsverteilungen der Strahlungsintensität mit einem sogenannten Phosphor-Imager-Detektor ermittelt. Ein derartiger Phosphor-Imager-Detektor wird auch als Phosphorimager Imaging Plate oder Phosphorimager-IP bezeichnet. Der Phosphor-Imager-Detektor arbeitet vorzugsweise auf Basis von photostimulierter Lumineszenz. Vorteilhafterweise wird eine unterschiedliche Empfindlichkeit eines zur Ermittlung einer Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche verwendeten Phosphor-Imager-Detektors für den jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp dadurch erzielt, dass der Phosphor des Phosphor-Imager-Detektors zusätzlich Atome mit hoher Ordnungszahl Z, insbesondere Blei, das beispielsweise in einer bleihal- tigen Verbindung enthalten sein kann, und/oder Atome mit niedriger Ordnungszahl Z enthält. Wenn bei der Herstellung des Phosphor- Imager-Detektors Atome mit hoher bzw. niedriger Ordnungszahl Z in den Phosphor-Imager-Detektor eingebracht werden, erhöht bzw. erniedrigt sich dessen Nachweisempfindlichkeit beispielsweise für Gamma- Strahlung. Das heißt, das Verhältnis der Empfindlichkeiten für verschiedene Strahlungstypen ändert sich. Dabei werden zusätzliche Atome eingebaut, die nicht für die Lichtspeicherung im Phosphor-Imager-Detektor notwendig sind, die Absorptionseffizienz des Phosphor-Imager- Detektors aber verändern. Auf diese Weise kann zwischen Alpha-, Beta- , Gamma- und Neutronenstrahlung und Strahlung verschiedener Energie unterschieden werden. Insbesondere kann das Verhältnis der Empfindlichkeiten für Gamma-Strahlung zu dem für Beta-Strahlung, insbe- sondere für Beta-Strahlung mit Energien größer als 20 keV, die den Phosphormantel des Detektors durchdringen kann, verändert werden dufeh:In a development of the invention, the local distributions of the radiation intensity are determined using a so-called phosphor imager detector. Such a phosphor imager detector is also referred to as a phosphor imager plate or phosphor imager IP. The phosphor imager detector preferably works on the basis of photostimulated luminescence. Advantageously, a different sensitivity of a phosphor imager used for determining a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface for the respective quantity-specific radiation type is achieved in that the phosphor of the phosphor imager additionally contains atoms with a high atomic number Z, in particular lead, which, for example, in of a lead-containing compound, and / or contains atoms with a low atomic number Z. If atoms with a high or low atomic number Z are introduced into the phosphor imager detector during the manufacture of the phosphor imager detector, its detection sensitivity for gamma radiation increases or decreases, for example. This means that the ratio of the sensitivities for different types of radiation changes. Additional atoms are built in that are not necessary for the storage of light in the phosphor imager detector, the absorption efficiency of the phosphor imager But change the detector. In this way, a distinction can be made between alpha, beta, gamma and neutron radiation and radiation of different energies. In particular, the ratio of the sensitivities for gamma radiation to that for beta radiation, in particular for beta radiation with energies greater than 20 keV, which can penetrate the phosphor jacket of the detector, can be changed:
1 ) Einbau von Elementen mit hoher Ordnungszahl Z, 2) Einbau von Elementen mit niedrigem Ordnungszahl Z.1) Installation of elements with a high atomic number Z, 2) Installation of elements with a low atomic number Z.
In einer Weiterbildung werden die erste Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche durch einen ersten Phosphor-Imager-Detektor und die mindestens zweite Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche durch einen mindestens zweiten Phosphor-Imager- Detektor gleichzeitig ermittelt, wobei die Empfindlichkeit des ersten Phosphor-Imager-Detektors und die Empfindlichkeit des mindestens zweiten Phosphor-Imager-Detektors für den jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp unterschiedlich ist. Das heißt, bei der Messung werden mindestens zwei Phosphor-Imager-Detektoren bzw. Phosphorimager- IPs verwendet, die ein unterschiedliches Verhältnis der Empfindlichkeiten für die Strahlung der verschiedenen Punktstrahlungsobjekte besitzen. Dies ermöglicht, die Messungen bzw. die Ermittlungen der jeweiligen Strahlungsintensitäten kurz hintereinander bzw. gleichzeitig durch- zuführen. Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der verschiedenen IP- Materialien ermöglichen die Berechnung der Ortsverteilung der jeweiligen Punktstrahlungsobjekte, selbst wenn kein ausreichender Unterschied durch den Zerfall der verwendeten Isotope entstanden ist. Selbstverständlich kann diese Vorgehensweise auch mit einer Wartezeit zwischen den Messungen kombiniert werden, um so zusätzlich einen Zerfall der Isotope zu nutzen. ln einer Weiterbildung der Erfindung werden der erste und der mindestens zweite Phosphor-Imager-Detektor an gegenüberliegenden Seiten der Trägerfläche angebracht. Hierbei werden unter Verwendung von Phosphorimager-IPs unterschiedlicher Empfindlichkeit zwei Messungen gleichzeitig bzw. simultan an der Vorder- und Ruckseite der zu messenden Proben bzw. Trägerflächen durchgeführt. Die unterschiedlichen Errtpfindlichkeiten der verschiedenen IP-Materialien ermöglicht es, daraus die Ortsverteilung der Punktstrahlungsobjekte zu berechnen.In a further development, the first local distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined simultaneously by a first phosphor imager detector and the at least second local distribution of the radiation intensity of the carrier surface is determined by an at least second phosphor imager detector, the sensitivity of the first phosphor imager detector and the sensitivity of the at least second phosphor imager detector is different for the respective quantity-specific radiation type. This means that at least two phosphor imager detectors or phosphor imager IPs are used in the measurement, which have a different ratio of the sensitivities for the radiation of the different point radiation objects. This makes it possible to carry out the measurements or the determinations of the respective radiation intensities in quick succession or simultaneously. The different sensitivities of the different IP materials make it possible to calculate the spatial distribution of the respective point radiation objects, even if no sufficient difference has arisen due to the decay of the isotopes used. Of course, this procedure can also be combined with a waiting time between the measurements in order to additionally use a decay of the isotopes. In a development of the invention, the first and the at least second phosphor imager detector are attached to opposite sides of the carrier surface. Here, using phosphorimager IPs of different sensitivity, two measurements are carried out simultaneously or simultaneously on the front and back of the samples or carrier surfaces to be measured. The different sensitivity of the different IP materials makes it possible to calculate the local distribution of the point radiation objects.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Ortsverteilungen der Strahlungsintensität mit einem sogenannten Flach-Detektor ermittelt. Derartige Flach-Detektoren oder Flat-Panel-Detectors ermöglichen die Anfertigung digitaler Röntgensofortbilder. Sie wandeln Röntgenstrahlen direkt in eine Matrix digital kodierter Pixel um, wodurch sich die Detekti- onseffizienz und die Auswertegeschwindigkeit erhöht.In a further development of the invention, the local distributions of the radiation intensity are determined using a so-called flat detector. Such flat detectors or flat panel detectors enable the production of digital instant X-ray images. They convert X-rays directly into a matrix of digitally coded pixels, which increases the detection efficiency and the evaluation speed.
Wenn der Veränderungsfaktor durch eine unterschiedliche Empfindlichkeit eines zur Ermittlung einer Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche verwendeten Detektors für den jeweils mengenspezifi- sehen Strahlungstyp realisiert werden soll, können beispielsweise ein Phosphor-Imager-Detektor und ein Flach-Detektor verwendet werden, um beispielsweise jeweils eine Messung der Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche durchzuführen. Aus den mit den unterschiedlichen Detektoren gemessenen Ortsverteilungen kann die Ortsverteilung der Punktstrahlungsobjekte einzeln berechnet werden.If the change factor is to be realized by a different sensitivity of a detector used to determine a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface for the respective quantity-specific radiation type, a phosphor imager detector and a flat detector can be used, for example, for each measurement to carry out the spatial distribution of the radiation intensity of the support surface. The local distribution of the point radiation objects can be calculated individually from the local distributions measured with the different detectors.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird die erste und die mindestens zweite Ortsverteilung der Strahlungsintensität mit einem gleichartigen Detektor ermittelt. Prinzipiell ermöglicht ein Detektor keine klare Diskri- minierung zwischen unterschiedlichen Strahlungstypen, beispielsweise Betapartikeln oder Photonen, die beispielsweise von zwei verschiedenen Isotopen stammen, oder Strahlung von Isotopen mit unterschiedlichen Halbwertszeiten. Mit Hilfe des genannten Verfahrens ist unter Ver- wendung desselben bzw. eines gleichartigen Detektors eine Multico- lourmessung möglich, d.h. eine getrennte, überlagerungsfreie Messung der Ortsverteilung der einzelnen Typen von Punktstrahlungsquellen. Gleichartige Detektoren sind hierbei Detektoren desselben Typs oder gleicher Bauart, die sich beispielsweise nicht oder nur unwesentlich in ihrer Empfindlichkeit für spezifische Strahlungstypen unterscheiden. Die^s vereinfacht den Aufbau einer Analysevorrichtung und spart somit Kosten.In a development of the invention, the first and the at least second spatial distribution of the radiation intensity are determined using a similar detector. In principle, a detector does not allow clear discrimination between different types of radiation, for example beta particles or photons, which for example originate from two different isotopes, or radiation from isotopes with different half-lives. With the help of the above procedure, Using the same or a similar detector, a multi-color measurement is possible, ie a separate, overlay-free measurement of the spatial distribution of the individual types of point radiation sources. Identical detectors of the same type are detectors of the same type or of the same type, which for example do not differ or differ only insignificantly in their sensitivity to specific types of radiation. The ^ s simplifies the construction of an analysis device and thus saves costs.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden mindestens zwei zu analysierende Stoffe mit jeweils einer Menge von Punktstrahlungsobjekten markiert, die so markierten Stoffe gemischt und das Gemisch anschließend auf die Trägerfläche, insbesondere in Form eines flächenartigen Analysemittels, aufgetragen. Bei den zu analysierenden Stoffen kann es sich vorteilhafterweise um Peptide, Proteine und/oder Oligonukleotide handeln, wobei beispielsweise eine erste und eine zweite Proteinprobe, die jeweils aus einer Vielzahl verschiedener Proteine bestehen können, mit jeweils unterschiedlichen Isotopen markiert werden. Nach der Markierung werden die Proteine der beiden Proben gemischt und gemeinsam auf ein Analysemittel, insbesondere ein Proteingel, Nukleinsäure-Array, Protein-Array, ELISA- Array und/oder ein Blot aufgetragen. Auf dem Analysemittel erfolgt anschließend eine gemeinsame Auftrennung der zu analysierenden Stoffe bzw. Proteine der unterschiedlichen Proben anhand von spezifischen Eigenschaften, die beispielsweise durch das Analysemittel bestimmt werden. Im Anschluss an die Auftrennung wird nun die Ortsverteilung der Punkstrahlungsobjekte für jede Menge von Punktstrahlungsobjekten einzeln durch das erfindungsgemäße Verfahren berechnet. Über die Ortsverteilung der spezifischen Punkstrah- lungsobjekte kann nun auf die Ortsverteilung der zu untersuchenden Proteine der jeweiligen Proben getrennt voneinander geschlossen werden. Kurzbeschreibung der Zeichnungen Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:In a development of the invention, at least two substances to be analyzed are each marked with a quantity of point radiation objects, the substances marked in this way are mixed and the mixture is then applied to the carrier surface, in particular in the form of a flat analysis means. The substances to be analyzed can advantageously be peptides, proteins and / or oligonucleotides, with, for example, a first and a second protein sample, which can each consist of a large number of different proteins, being labeled with different isotopes. After the labeling, the proteins of the two samples are mixed and applied together to an analysis means, in particular a protein gel, nucleic acid array, protein array, ELISA array and / or a blot. The substances or proteins of the different samples to be analyzed are then separated on the analysis means on the basis of specific properties which are determined, for example, by the analysis means. Following the separation, the local distribution of the point radiation objects for each set of point radiation objects is now calculated individually by the method according to the invention. The location distribution of the proteins to be examined of the respective samples can now be concluded separately from one another via the location distribution of the specific point radiation objects. Brief description of the drawings Advantageous embodiments of the invention described below are shown in the drawings, in which:
Fig. 1A mit einem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität eines mit Hilfe eines 2D-Gels aufgetrennten Gemisches aus 2 Proteinproben, wobei eine Probe mit Isotopen des Typ 1-125 und die andere Probe mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde,1A with a phosphor imager, local distribution of the radiation intensity of a mixture of 2 protein samples separated with the aid of a 2D gel, one sample being labeled with isotopes of type 1-125 and the other sample with isotopes of type 1-131,
Fig. 1 B mit dem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität des 2D-Gels von FL1A nach einer Wartezeit von 82 Tagen,1B with the phosphor imager, local distribution of the radiation intensity of the 2D gel from FL1A determined after a waiting time of 82 days,
Fig. 1C mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit I- sotopen des Typs 1-125 markiert wurde,1C, using the method according to the invention, calculated the spatial distribution of the radiation intensity of the protein sample which was labeled with isotopes of the type 1-125,
Fig. 1 D mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Orts- Verteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit I- sotopen des Typs 1-131 markiert wurde,1 D using the method according to the invention, calculated the spatial distribution of the radiation intensity of the protein sample which was labeled with isotopes of the type 1-131,
Fig. 1 E Differenz der Ortsverteilungen von Fi.1 C und Fig.l D, wobei die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde, blau und die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde, orange dargestellt ist,Fig. 1E difference of the spatial distributions of Fig.1 C and Fig. 1 D, the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 blue and the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-131 orange is shown
Fig. 1 F mit dem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität des 2D-Gels von Fi.1A nach einer Wartezeit von 23 Tagen,1 F using the phosphor imager, the local distribution of the radiation intensity of the 2D gel from FIG. 1A determined after a waiting time of 23 days,
Fig. 1 G mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit I- sotopen des Typs 1-125 markiert wurde, wobei zur Berechnung als zweite ermittelte Ortsverteilung die Ortsverteilung von Fig. 1 F verwendet wurde,1 G using the method according to the invention calculated local distribution of the radiation intensity of the protein sample, which with I- sotopes of type 1-125 was marked, the local distribution from FIG. 1 F being used for the calculation as the second local distribution determined,
Fig. 1 H mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit I- * sotopen des Typs 1-131 markiert wurde, wobei zur Berechnung als zweite ermittelte Ortsverteilung die Ortsverteilung von Fig. 1 F verwendet wurde,1 H using the method according to the invention, local distribution of the radiation intensity of the protein sample which was labeled with I- * sotopes of type 1-131, the local distribution of FIG. 1 F being used for the calculation as the second local distribution determined,
Fig. 11 Differenz der Ortsverteilungen von Fi.1G und Fig.l H, wobei die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde, blau und die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde, orange dargestellt ist,11 shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1G and FIG. 1 H, the protein sample which has been labeled with isotopes of the type 1-125 being shown in blue and the protein sample which has been labeled with isotope of the type 1-131 in orange .
Fig. 2A mit einem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität von mit Isotopen des Typs 1-125 und Isotopen des Typs 1-131 markierten Proteinproben aus Rinderserumalbumin unterschiedlicher Verdünnungsstufen und Mischungs- Verhältnissen ohne Verwendung eines Absorbers,2A with a phosphor imager determined local distribution of the radiation intensity of protein samples from bovine serum albumin of different dilution levels and mixing ratios labeled with isotopes of the type 1-125 and isotopes of the type 1-131, without using an absorber,
Fig. 2B mit dem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität von Fig. 2A unter Verwendung eines Absorbers,2B with the phosphor imager determined local distribution of the radiation intensity of Fig. 2A using an absorber,
Fig. 2C mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Isotope des Typs 1-125,2C, using the method according to the invention, calculated the spatial distribution of the radiation intensity of the isotopes of type 1-125,
Fig. 2D mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Isotope des Typs 1-131 ,2D calculated with the aid of the method according to the invention, spatial distribution of the radiation intensity of the isotopes of type 1-131,
Fig. 2E Differenz der Ortsverteilungen von Fi.2C und Fig.2D, wobei die Isotope des Typs 1-125 blau und die Isotope des Typs 1-131 o- range dargestellt sind. Erste AusführungsformFig. 2E difference of the spatial distributions of Fi.2C and Fig.2D, the isotopes of the type 1-125 blue and the isotopes of the type 1-131 range are shown. First embodiment
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Proteinpro- ben, die jeweils aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Proteinen bestehen, mit jeweils unterschiedlichen Isotopen des Elements Jod markiert. Die erste Probe wird mit 1-125, die zweite Probe mit 1-131 markiert. Zur Kalibrierung der Masseskala werden spezielle Massenreferenzprote- ine mit 1-125 markiert. 1-125 weist eine Halbwertszeit von 60,14 Tagen auf und zerfällt durch Elektronenfang, wodurch Röntgenstrahlen und Gammastrahlen im Bereich von 27 keV bis 35 keV entstehen. 1-131 weist eine Halbwertszeit von 8,06 Tagen auf und zerfällt durch die verschieden Mechanismen der Beta-Emission.In a first embodiment of the invention, two protein samples, each consisting of a large number of different proteins, are labeled with different isotopes of the element iodine. The first sample is marked with 1-125, the second sample with 1-131. To calibrate the mass scale, special mass reference proteins are marked 1-125. 1-125 has a half-life of 60.14 days and decays due to electron capture, resulting in X-rays and gamma rays in the range from 27 keV to 35 keV. 1-131 has a half-life of 8.06 days and decays due to the various mechanisms of beta emission.
Die Proben werden anschließend gemischt und mit Hilfe eines 2D-Gels aufgetrennt. Zur Bestimmung der Veränderungsfaktoren werden auf der linken Seite des Gels Kalibrierungspunkte für beide Isotopentypen aufgebracht. Sie dienen zur Berechnung der Veränderungsfaktoren die bei der Berechnung der einzelnen Ortsverteilungen benötigt werden.The samples are then mixed and separated using a 2D gel. To determine the change factors, calibration points for both isotope types are applied to the left side of the gel. They are used to calculate the change factors that are required when calculating the individual local distributions.
Nach der 2-dimensionalen Auftrennung, wird die Phosphorimager-IP während einer vorbestimmten Zeit mit der Probe bzw. der Strahlung der Probe beaufschlagt. Die Phosphorimager-IP ist sowohl für energiearme Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Betapartikel empfindlich. Die rela- tiv hochenergetischen Photonen des 1-131 Zerfalls werden von einer Phosphorimager-IP mit nur geringer Effizienz absorbiert bzw. detektiert. Die Phosphorimager-IP integriert die Strahlungsintensitäten beider Strahlungsquellen auf. Anschließend wird die Ortsverteilung der gespeicherten Strahlungsenergie der Phosphorimager-IP mit einem Lesegerät abgelesen und in eine Pixelmatrix bzw. ein Bild abgebildet, welche in Fig. 1A gezeigt ist. Die so ermittelte Ortsverteilung bzw. die Pixelmatrix enthält Anteile, die sowohl von 1-125 als auch von 1-131 stammen. Nach einer Wartezeit von 82 Tagen wird die Ortsverteilung der Probe wie o- ben beschrieben erneut bestimmt. Diese Ortsverteilung ist in Fig. 1 B gezeigt. Aufgrund der unterschiedlichen Halbwertszeiten der beiden Isotope hat die Strahlungsintensität bzw. die Aktivität von 1-125 um einen Faktor von ca. zwei abgenommen. Im Gegensatz dazu beträgt die Strahlungsintensität von dem auf dem Gel verbleibendem 1-131 weniger als 1 % der ursprünglichen Strahlungsintensität. In Fig. 1 B sind folglich fasτ ausschließlich Signalanteile von 1-125 vorhanden.After the 2-dimensional separation, the phosphor imager IP is exposed to the sample or the radiation of the sample for a predetermined time. The Phosphorimager-IP is sensitive to low-energy X-rays, gamma rays and beta particles. The relatively high-energy photons of the 1-131 decay are absorbed or detected with a low efficiency by a phosphor imager IP. The phosphor imager IP integrates the radiation intensities of both radiation sources. The spatial distribution of the stored radiation energy of the phosphor imager IP is then read off with a reading device and imaged in a pixel matrix or an image, which is shown in FIG. 1A. The local distribution or the pixel matrix determined in this way contains portions that come from both 1-125 and 1-131. After a waiting period of 82 days, the local distribution of the sample is ben described again determined. This local distribution is shown in Fig. 1B. Due to the different half-lives of the two isotopes, the radiation intensity or the activity of 1-125 has decreased by a factor of approximately two. In contrast, the radiation intensity of the 1-131 remaining on the gel is less than 1% of the original radiation intensity. In Fig. 1 B there are therefore only signal components from 1-125.
Die unterschiedliche Veränderung der Strahlungsintensitäten wird in dieser Ausführungsform ausschließlich durch die inhärenten Eigenschaften des unterschiedlichen radioaktiven Zerfalls der beiden Isotope, nicht jedoch durch einen Absorber bewirkt.In this embodiment, the different change in the radiation intensities is brought about exclusively by the inherent properties of the different radioactive decay of the two isotopes, but not by an absorber.
Anschließend wird anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ortsverteilung der einzelnen Isotope getrennt berechnet. Zur Berechnung wurde die Intensität über einen Bereich von 4X4 benachbarten Pixeln herangezogen bzw. summiert, wobei ein Gauss-Filter verwendet wurde. Die Ausrichtung der ermittelten Ortsverteilungen zueinander erfolgt anhand von entsprechenden Referenzpunkten, die an jeweils glei- chen Orten der Ortsverteilung vorhanden sind. Fig. 1C zeigt die berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität bzw. der Isotopenmenge der Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde und Fig. 1 D zeigt die berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde. Fig. 1 E zeigt die Differenz der Ortsverteilungen von Fi.1 C und Fig.1 D, wobei die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde, blau und die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde, orange dargestellt sind. Schwarz bedeutet, dass eine gleiche Anzahl beider Isotope vorhanden ist.The spatial distribution of the individual isotopes is then calculated separately using the method according to the invention. For the calculation, the intensity over a range of 4X4 neighboring pixels was used or summed, using a Gaussian filter. The determined local distributions are aligned with one another on the basis of corresponding reference points, which are present at the same locations in the local distribution. 1C shows the calculated local distribution of the radiation intensity or the isotope amount of the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 and FIG. 1D shows the calculated local distribution of the radiation intensity of the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-131 , FIG. 1E shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1C and FIG. 1D, the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 being blue and the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-131 , are shown in orange. Black means that there is an equal number of both isotopes.
Die Ortsverteilung der Strahlungsintensität kann selbstverständlich auch ohne einen ortsauflösenden Detektor bestimmt werden. Hierzu wird die zu untersuchende Trägerfläche durch geeignetes Auftrennen, beispiels- weise Zerschneiden, in kleinere Stücke zerteilt und die Strahlungsintensität dieser Stücke durch einen herkömmlichen "Single-Source"-Detektor bestimmt. Die Bestimmung des Strahlungstyps und der Strahlungsintensität kann beispielsweise unter Verwendung von Gamma- und/oder Be- ta-Spektroskopie erfolgen.The local distribution of the radiation intensity can of course also be determined without a spatially resolving detector. For this purpose, the carrier surface to be examined is separated by suitable wise cutting, cut into smaller pieces and the radiation intensity of these pieces determined by a conventional "single-source" detector. The radiation type and the radiation intensity can be determined, for example, using gamma and / or beta spectroscopy.
Zweite AusführungsformSecond embodiment
In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, wird bei gleicher Vorgehensweise wie in der ersten Ausführungsform die Wartezeit zwischen der Ermittlung der ersten und der zweiten Ortsverteilung von 82 Tagen auf 23 Tage reduziert. Fig. 1 F zeigt die mit dem Phosphorimager ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität des 2D-Gels von Fig.1 A nach einer Wartezeit von 23 Tagen. Durch den noch nicht vollständigen Zerfall von 1-131 tragen nun beide Isotope zu der ermittelten Ortsverteilung bei. Die Veränderungsfaktoren sind folglich für beide Isotope wesentlich größer als 0 %. Gleichermassen ist das Verhältnis der Veränderungsfaktoren wesentlich größer als 0%.In a second embodiment of the invention, with the same procedure as in the first embodiment, the waiting time between the determination of the first and the second local distribution is reduced from 82 days to 23 days. 1 F shows the local distribution of the radiation intensity of the 2D gel from FIG. 1A determined with the phosphor imager after a waiting time of 23 days. Due to the incomplete decay of 1-131, both isotopes now contribute to the determined spatial distribution. The change factors for both isotopes are therefore significantly greater than 0%. Likewise, the ratio of change factors is much greater than 0%.
Fig. 1G zeigt die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahren berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde, Fig. 1 H zeigt die analog berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinprobe, die mit Isoto- pen des Typs 1-131 markiert wurde, wobei zur Berechnung in beiden Fällen als zweite ermittelte Ortsverteilung die Ortsverteilung von Fig. 1 F verwendet wurde.1G shows the local distribution of the radiation intensity of the protein sample calculated with the aid of the method according to the invention, which was labeled with isotopes of the type 1-125, FIG. 1 H shows the local distribution of the radiation intensity of the protein sample calculated analogously, that with isotopes of type 1 -131 was marked, the local distribution of FIG. 1 F being used for the calculation in both cases as the second determined local distribution.
Fig. 11 zeigt die Differenz der Ortsverteilungen von Fi.1G und Fig.1 H, wobei die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurde, blau und die Proteinprobe, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurde, orange dargestellt ist. Schwarz bedeutet, dass eine gleiche Anzahl beider Isotope vorhanden ist. Die Ergebnisse dieser Ausführungsform decken sich mit den Ergebnissen der Ausführungsform 1 , die aufgrund der fast vollständigen Unterdrückung von 1-131 als Referenzergebnisse dienen können. Das erfindungsgemäße Verfahren liefert folglich zuverlässige Messergebnisse selbst dann, wenn bei der Ermittlung der zweiten Ortsverteilung ein Str^hlungstyp nicht vollständig unterdrückt ist.FIG. 11 shows the difference in the spatial distributions of FIG. 1G and FIG. 1 H, the protein sample which was labeled with isotopes of type 1-125 being blue and the protein sample which was labeled with isotope of type 1-131 orange is shown. Black means that there is an equal number of both isotopes. The results of this embodiment coincide with the results of embodiment 1, which can serve as reference results due to the almost complete suppression of 1-131. The method according to the invention consequently delivers reliable measurement results even if a radiation type is not completely suppressed when determining the second local distribution.
Dritte AusführungsformThird embodiment
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein Absorber verwendet, um die entsprechenden Veränderungsfaktoren zu realisieren, d.h. um differentielle Messungen der die zwei Isotope 1-125 und 1-131 enthalten- den Probe vorzunehmen. Es wird analog zur ersten Ausführungsform der Erfindung ein zweidimensionales Gel hergestellt, das die mit den zwei Isotopen 1-125 und 1-131 markierten Proteine enthält. Die Phosphorimager-IP wird während einer vorbestimmten Zeit der Ortsverteilung der Strahlungsintensität des 2D-Gels ausgesetzt. Anschließend wird die Phosphorimager-IP durch das Phosphorimagerauslesegerät abgelesen. Die Strahlungsintensität über der Fläche des 2D-Gels wird in einer Matrix abgebildet, wobei die Werte der einzelnen Elemente der Matrix bzw. der Pixel die Strahlungsintensität des zugeordneten Bereichs auf der Phosphorimager-IP abbilden. Es entsteht eine Matrix bzw. ein Bild, des- sen Signalanteile sowohl von 1-125 als auch von 1-131 herrühren.In this embodiment of the invention, an absorber is used to implement the corresponding change factors, i.e. to make differential measurements of the sample containing the two isotopes 1-125 and 1-131. Analogously to the first embodiment of the invention, a two-dimensional gel is produced which contains the proteins labeled with the two isotopes 1-125 and 1-131. The phosphor imager IP is exposed to the spatial distribution of the radiation intensity of the 2D gel for a predetermined time. The phosphor imager IP is then read by the phosphor imager reader. The radiation intensity over the area of the 2D gel is depicted in a matrix, the values of the individual elements of the matrix or of the pixels representing the radiation intensity of the assigned area on the phosphor imager IP. A matrix or image is formed, the signal components of which come from both 1-125 and 1-131.
Um die Signalanteile zu separieren ist es notwendig, die Intensität eines Strahlungstyps durch geeignete Mittel zu verändern bzw. zu reduzieren und ein zweites Bild bzw. eine zweite Ortsverteilung zu ermitteln.In order to separate the signal components, it is necessary to change or reduce the intensity of a radiation type by suitable means and to determine a second image or a second spatial distribution.
Durch Einbringen eines Absorbers bekannter Dicke zwischen die Probe und die Phosphorimager-IP während der Bestrahlung kann die Strahlungsintensität selektiv für jeden Strahlungstyp mit unterschiedlichen Veränderungsfaktoren reduziert werden. Ein derartiger Absorber kann aus Metall, Metalllegierung, Kunststoff, Plexiglas, Teflon oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Der Absorber muss, um die erfindungsgemäße Funktion zu erzielen, den von den Strahlungsquellen e- mittierten Strahlungstyp (in dieser Ausführungsform Photonen von 1-125 und Beta-Partikel von 1-131 ), der das Signal auf dem Detektor erzeugt, mir jeweils unterschiedlichen Veränderungsfaktoren absorbieren.By introducing an absorber of known thickness between the sample and the phosphor imager IP during the irradiation, the radiation intensity can be selectively for each radiation type with different Change factors are reduced. Such an absorber can consist of metal, metal alloy, plastic, plexiglass, Teflon or another suitable material. In order to achieve the function according to the invention, the absorber must in each case have different change factors for the radiation type emitted by the radiation sources (in this embodiment photons from 1-125 and beta particles from 1-131), which generates the signal on the detector absorb.
Bei dieser Ausführungsform kann mit Hilfe des Absorbers die Intensität des von 1-131 stammenden Signals relativ zum Signal von 1-125 signifikant verringert werden. Zu diesem Zweck sind Absorber aus Elementen mit niedriger Atomzahl effektiver (Beispiel: Aluminiumfolie, dünnes Plexiglas usw.). Die Absorberdicke spielt bei der Absorptionseffizienz eine Schlüsselrolle.In this embodiment, the intensity of the signal originating from 1-131 relative to the signal from 1-125 can be significantly reduced with the aid of the absorber. For this purpose, absorbers made of elements with a low atomic number are more effective (example: aluminum foil, thin plexiglass, etc.). The absorber thickness plays a key role in absorption efficiency.
Das Ermitteln der ersten und der mindestens zweiten Ortsverteilung der Strahlungsintensität kann mit Hilfe einer "sandwichartigen" Anordnung aus Phosphorimager-IP, Gel, Absorber, Phosphorimager-IP gleichzeitig erfolgen. Alternativ könnten die Bilder nacheinander, mit oder ohne Ab- sorber gemacht werden, was bei der Erfindung bevorzugt wird. Offensichtlich können auch andere radioaktive Isotope für die hier offenbarte Erfindung verwendet werden.The first and the at least second local distribution of the radiation intensity can be determined simultaneously using a "sandwich-like" arrangement of phosphor imager IP, gel, absorber, phosphor imager IP. Alternatively, the images could be taken in succession, with or without absorber, which is preferred in the invention. Obviously, other radioactive isotopes can also be used for the invention disclosed herein.
Vierte AusführungsformFourth embodiment
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in der dritten Ausführungsform, ein Absorber verwendet, um die Strahlungsintensität der unterschiedlichen Strahlungstypen unterschiedlich zu verändern.In a fourth embodiment of the invention, as in the third embodiment, an absorber is used in order to change the radiation intensity of the different radiation types differently.
In dieser Ausführungsform werden zwei Proben aus Rinderserumalbumin einmal mit 1-125 und einmal mit 1-131 markiert. Die Proben werden jeweils vier Mal in 10-er-Stufen verdünnt. Es entstehen also von jeder Probe jeweils 5 Verdünnungsstufen, von unverdünnt bis auf 1/10000 verdünnt. Die Strahlungsintensitäten unterscheiden sich folglich um den Faktor 10000. Jede Verdünnungsstufe der ersten Probe wird mit jeder Verdünnungsstufe der zweiten Probe gemischt. Es entstehen so insge- samt 25 Proben mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen, die jeweils in einem Volumen von 1 μl auf ein quadratisches Filterpapier von 3nτm Seitenlänge aufgetragen werden. Die Filterpapiere werden in einer Matrixanordnung auf einem flächigen Träger angeordnet. Die Konzentration von 1-125 nimmt von unten nach oben ab. Die Konzentration von 1-131 nimmt von links nach rechts ab.In this embodiment, two samples of bovine serum albumin are labeled once with 1-125 and once with 1-131. The samples are diluted four times in 10 steps. So it arises from everyone Sample 5 dilution levels each, from undiluted to 1/10000 diluted. The radiation intensities therefore differ by a factor of 10000. Each dilution level of the first sample is mixed with each dilution level of the second sample. This results in a total of 25 samples with different mixing ratios, each of which is applied in a volume of 1 μl to a square filter paper with a side length of 3 nm. The filter papers are arranged in a matrix arrangement on a flat carrier. The concentration of 1-125 decreases from bottom to top. The concentration from 1-131 decreases from left to right.
Eine Phosphorimager-IP wird während 24 Stunden mit der Strahlung des flächigen Trägers beaufschlagt. Die Phosphorimager-IP integriert die Strahlungsintensitäten beider Strahlungsquellen der Proben auf. An- schließend wird die Ortsverteilung der gespeicherten Strahlungsenergie der Phosphorimager-IP mit einem Lesegerät abgelesen und in eine Pixelmatrix bzw. ein Bild abgebildet, welche in Fig. 2A gezeigt ist. Die so ermittelte Ortsverteilung bzw. die Pixelmatrix enthält Anteile, die sowohl von 1-125 als auch von 1-131 stammen. Direkt nach der Ermittlung dieser ersten Ortsverteilung wird eine zweite Ortsverteilung ermittelt, wobei ein Absorber zwischen dem flächigen Träger und der Phosphorimager-IP angeordnet wird. Diese zweite Ortsverteilung ist in Fig. 2B gezeigt. Der Absorber besteht aus einer 900 μm dicken Plastikschicht. Die Strahlungsintensitäten der auf dem flächigen Träger angeordneten Proben wurden für beide ermittelten Ortsverteilungen unter Verwendung der gleichen Bereiche aufintegriert bzw. aufsummiert. Auf Basis dieser integrierten Strahlungsintensitäten wird aus den beiden ermittelten Ortsverteilungen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die Ortsverteilung der einzelnen Isotope getrennt berechnet. Fig. 2C zeigt die berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität bzw. der Isotopenmenge der Proteinproben, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurden und Fig. 2D zeigt die berechnete Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Proteinproben, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurden. Fig. 2E zeigt die Differenz der Ortsverteilungen von Fig. 2C und Fig. 2D, wobei die Proteinproben, die mit Isotopen des Typs 1-125 markiert wurden, blau und die Proteinproben, die mit Isotopen des Typs 1-131 markiert wurden, orange dargestellt sind. Schwarz bedeutet, dass eine gleiche Anzahl beider Isotope vorhanden ist.A phosphor imager IP is exposed to the radiation from the flat carrier for 24 hours. The phosphor imager IP integrates the radiation intensities of both radiation sources of the samples. The spatial distribution of the stored radiation energy of the phosphor imager IP is then read using a reading device and imaged in a pixel matrix or an image, which is shown in FIG. 2A. The local distribution or the pixel matrix determined in this way contains portions that come from both 1-125 and 1-131. Immediately after this first local distribution has been determined, a second local distribution is determined, an absorber being arranged between the flat support and the phosphor imager IP. This second spatial distribution is shown in Fig. 2B. The absorber consists of a 900 μm thick plastic layer. The radiation intensities of the samples arranged on the flat carrier were integrated or summed up for both local distributions determined using the same areas. On the basis of these integrated radiation intensities, the local distribution of the individual isotopes is calculated separately from the two local distributions determined using the method according to the invention. FIG. 2C shows the calculated local distribution of the radiation intensity or the isotope quantity of the protein samples which were labeled with isotopes of the type 1-125 and FIG. 2D shows the calculated local distribution of the radiation intensity of the protein samples which were labeled with isotopes of the type 1-131. Figure 2E shows the difference of the local distributions of FIG. 2C and FIG. 2D, with the protein samples labeled with isotopes of type 1-125 being shown in blue and the protein samples labeled with isotopes of type 1-131 being shown in orange. Black means that there is an equal number of both isotopes.
Die^unverdünnte, mit 1-125 markierte Probe unten rechts und die unverdünnte, mit 1-131 markierte Probe oben links wurden verwendet, um die Zerfallskonstanten zu berechnen, die zur Berechnung der Ortsverteilun- gen benötigt werden.The undiluted sample labeled 1-125 in the lower right and the undiluted sample labeled 1-131 in the upper left were used to calculate the decay constants required to calculate the spatial distributions.
Das berechnete Ergebnis stimmt in engen Fehlergrenzen mit dem theoretisch zu erwartenden Ergebnis überein. Dies zeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Veränderungsfaktoren, die deutlich über 0% liegen, funktioniert.The calculated result agrees with the theoretically expected result within narrow error limits. This shows that the method according to the invention also works with change factors that are clearly above 0%.
Mögliche Variationen der AusführungsformenPossible variations of the embodiments
Bei den obigen Ausführungsformen der Erfindung werden Analysatmoleküle (Proteine) mit chemisch identischen Radioisotopen (radioaktivem lod) markiert. Dieses Verfahren ist äußerst nützlich zur Durchführung differentieller Analysen, weil die Unterschiede der Intensitätsverteilung der Strahlung zwischen den beiden Proben durch Unterschiede zwi- sehen den Proben selbst bedingt sind. Dies gilt auch für beispielsweise mit P-33 und P-32 markierte Proteine.In the above embodiments of the invention, analyte molecules (proteins) are labeled with chemically identical radioisotopes (radioactive iodine). This method is extremely useful for performing differential analyzes because the differences in the intensity distribution of the radiation between the two samples are due to differences between the samples themselves. This also applies to proteins labeled with P-33 and P-32, for example.
Mit einer Kombination von mit C-14, S-35 oder P-33 markierte Proteine erzeugen unterschiedliche 2D-PAGE-Bilder, weil Kohlenstoff, Schwefel und Phosphat jeweils in unterschiedlicher Chemie in den Proteinen vorhanden ist. So haben einige Proteine kein Cystein oder Methionin und tragen deshalb keinen Schwefel, und werden doch durch eine Kinase phosphoryliert, so dass sie effizient Phosphat tragen. Andere Proteine können viele schwefelhaltige Aminosäuren aufweisen, und doch nicht phosphoryliert werden. Trotzdem ist die vorliegende Erfindung auch geeignet, die synthetischen Bilder zu extrahieren, die der Verteilung beider Isotopen entsprechen, wenn eine Kombination dieser Isotopen erfindungsgemäß verwendet wird. Tatsächlich ist die Erfindung auf die differentielle Messung jeglicher Radioisotope anwendbar, die auf einer Ober- fläcrie oder einer ähnlichen Fläche verteilt sind, auch solche mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen, die für Phosphorimageranalyse geeignet sind.With a combination of proteins labeled with C-14, S-35 or P-33, different 2D PAGE images are generated because carbon, sulfur and phosphate are present in the proteins in different chemistries. For example, some proteins have no cysteine or methionine and therefore do not carry sulfur, and are nevertheless phosphorylated by a kinase so that they carry phosphate efficiently. Other proteins can have many sulfur-containing amino acids and yet not be phosphorylated. Nevertheless, the present invention is also suitable for extracting the synthetic images which correspond to the distribution of both isotopes when a combination of these isotopes is used according to the invention. In fact, the invention is applicable to the differential measurement of any radioisotope that is distributed on a surface or a similar surface, even those with different surface structures that are suitable for phosphor imager analysis.
Die für die Erfindung geeigneten radioaktiven Isotope weisen signifikante Unterschiede in der Zerfallsrate, der Energie emittierter Partikel, der Art der emittierten Partikel oder einer Kombination davon auf. Eine hohe Isotopenreinheit ist wünschenswert, aber nicht notwendig.The radioactive isotopes suitable for the invention have significant differences in the decay rate, the energy emitted particles, the type of the emitted particles or a combination thereof. High isotope purity is desirable but not necessary.
Eine hohe chemische Reinheit der Radioisotope ist wünschenswert, a- ber nicht notwendig. Es ist möglich, die Erfindung auf Proben anzuwenden, die mit verschiedenen Mischungen von Isotopen markiert sind, wie z.B. die Markierung einer Probe mit 95 % 1-131 , 5 % 1-125 und Markie- rung der anderen Probe mit 5 % 1-131 , 95 % 1-125. Die Markierungsmischung kann offensichtlich recht komplex sein, ohne von der Idee oder dem Rahmen der Erfindung abzuweichen, und könnte beispielsweise Spurenmengen vieler Isotope enthalten, von denen einige nicht kovalent in die Analysatmoleküle eingebracht werden, wie K-40.A high chemical purity of the radioisotopes is desirable, but not necessary. It is possible to apply the invention to samples labeled with various mixtures of isotopes, e.g. labeling one sample with 95% 1-131, 5% 1-125 and labeling the other sample with 5% 1-131, 95% 1-125. The labeling mixture can obviously be quite complex without departing from the idea or scope of the invention and could, for example, contain trace amounts of many isotopes, some of which are not covalently incorporated into the analyte molecules, such as K-40.
Die vorliegende Erfindung ist unabhängig vom Verfahren des Einbringens radioaktiver Isotope in die Analysatmoleküle. Beispielsweise können Proteine durch metabolische Aufnahme, durch Radioiodation posthan/est, durch Alkylierung mit radioaktiven Reagenzien (jeglicher Chemie) oder durch andere Verfahren markiert werden.The present invention is independent of the method of introducing radioactive isotopes into the analyte molecules. For example, proteins can be labeled by metabolic uptake, by radioiodination posthan / est, by alkylation with radioactive reagents (any chemistry) or by other methods.
Eine andere Anwendung von Phosphorimagern ist die Messung von DNA und Nukleinsäurearrays. In solchen Anwendungen, wie der Häufig- keitsanalyse von mRNA, können P-33, P-32, S-35, C-14, H-3 und andere Isotope alle auf herkömmliche Art in Hybridisierungsmoleküle eingebracht werden. Durch die Prinzipien der Erfindung kann ein Phosphorimager verwendet werden, um Zweifarbenanalysen dieser Systeme durchzuführen. Wegen der einfachen Chemie von DNA-artigen Polymeren, können die Starhlungsintensitäten von Hybridisierungsmolekülen, die^diese Radioisotope enthalten, alle identisch sein, wenn dieselbe Probe unabhängig markiert und für jedes Isotop gemessen wird. Die o- ben beschriebenen Prinzipien gelten offensichtlich auch für Proteinar- rays oder alle anderen Arrays oder semiplanaren Verteilungen von Analysatmolekülen, die für Phosphorimageranalyse geeignet sind.Another application of phosphor imagers is the measurement of DNA and nucleic acid arrays. In such applications as the frequent analysis of mRNA, P-33, P-32, S-35, C-14, H-3 and other isotopes can all be introduced into hybridization molecules in a conventional manner. By the principles of the invention, a phosphor imager can be used to perform two-color analyzes of these systems. Because of the simple chemistry of DNA-like polymers, the radiation intensities of hybridization molecules containing these radioisotopes can all be identical if the same sample is independently labeled and measured for each isotope. The principles described above obviously also apply to protein arrays or all other arrays or semi-planar distributions of analyte molecules which are suitable for phosphorimager analysis.
Es ist erkennbar, dass Anwendungen der Erfindung im Bereich der medizinischen Bildgebung implementiert werden können, wo zwei oder mehr differentielle Bilder erzeugt werden, um synthetische Bilder von zwei oder mehr Signalquellen zu extrahieren. Ein Beispiel könnte den Nachweis gewisser radioaktiver Spurenelemente kombiniert mit Röntgen des Körpers unter Verwendung geeigneter Absorber gemäss der Erfindung betreffen, und im Bereich der Medizin von großem Vorteil sein.It will be appreciated that applications of the invention can be implemented in the field of medical imaging where two or more differential images are created to extract synthetic images from two or more signal sources. An example could relate to the detection of certain radioactive trace elements combined with X-rays of the body using suitable absorbers according to the invention, and could be of great advantage in the field of medicine.
Offensichtlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf Phosphorimager-IP und nicht auf radioaktive Messungen beschränkt. Die Erfindung kann auch auf Fälle angewendet werden, bei denen sichtbares Licht und nicht Radioaktivität mehrfach gemessen wird und beide Signalanteile algo- rithmisch extrahiert werden. Beispielsweise kann eine Enzymreaktion Licht ähnlicher Wellenlänge produzieren wie jenes, das von einem fluo- rophoren oder lumineszenten Molekül emittiert wird. Indem die Intensitätsverteilung des Lichts ermittelt wird, das durch die chemische Reaktion und das Fluorophor gemeinsam emittiert wird, und die Intensitätsver- teilung des Lichts, das durch das Fluorophor emittiert wird, nachdem die enzymatische Reaktion eine reduzierte Lichtmenge produziert, können die Beiträge des fluoreszent und enzymatisch produzierten Lichts im ursprünglichen Bild bestimmt werden. Bei dieser Implementierung ist wich- tig, dass die Reduktion der Intensität beider Lichtquellen bekannt ist o- der genau kalibriert werden kann.Obviously, the present invention is not limited to phosphor imager IP or radioactive measurements. The invention can also be applied to cases in which visible light and not radioactivity are measured several times and both signal components are extracted algorithmically. For example, an enzyme reaction can produce light of a similar wavelength to that emitted by a fluorophoric or luminescent molecule. By determining the intensity distribution of the light emitted jointly by the chemical reaction and the fluorophore and the intensity distribution of the light emitted by the fluorophore after the enzymatic reaction produces a reduced amount of light, the contributions of the fluorescent and enzymatically produced light can be determined in the original image. With this implementation it is important It is important that the reduction in the intensity of both light sources is known or that it can be precisely calibrated.
Alle in dieser Offenbarung zitierten Publikationen und Patentanmeldun- gen werden durch Bezugnahme zum Bestandteil der Offenbarung der Erfindung gemacht.All publications and patent applications cited in this disclosure are incorporated by reference into the disclosure of the invention.
Terminologie, Material und MethodenTerminology, material and methods
Nachfolgend wird die verwendete Terminologie erläutert und eine Übersicht über die herkömmlichen Materialien und Methoden gegeben.The terminology used is explained below and an overview of the conventional materials and methods is given.
Ein Bild wird durch eine Matrix dargestellt, wobei die Matrixzellenwerte beispielsweise der Intensität eines Signals entsprechen, das durch einen Detektor an einem entsprechenden Ort auf der abgebildeten Oberfläche erfasst wird. Die Bilder können in den üblichen Dateiformaten für Bilder gespeichert werden.An image is represented by a matrix, the matrix cell values corresponding, for example, to the intensity of a signal that is detected by a detector at a corresponding location on the imaged surface. The images can be saved in the usual file formats for images.
Unter einer Mehrfarbenanalyse ist zu verstehen, dass mehrere Proben jeweils separat markiert, vermischt und gemeinsam separiert werden. Die Auswertung erfolgt dann für jede Probe einzeln, unbeeinflusst von der Existenz der jeweils anderen Proben. Es gibt verschiedene Verfahren, um Mehrfarbengleichungen zu erzeugen.A multicolor analysis is understood to mean that several samples are marked, mixed and separated separately. The evaluation is then carried out individually for each sample, unaffected by the existence of the other samples. There are several ways to generate multicolor equations.
Genomik bedeutet die quantitative Untersuchung von Nukleinsäuren o- der nukleinsäureähnlichen Polymeren.Genomics means the quantitative investigation of nucleic acids or polymers similar to nucleic acids.
Proteomik wurde definiert als die Untersuchung aller Proteine, die durch die Genome der untersuchten Zellen exprimiert werden. Das Akronym PROTEOM bedeutete PROTEine, die von einem GenOM exprimiert werden. Wasinger VC, Cordwell SJ, Cerpa-Poljak A, Yan JX, Gooley AA, Wilkins MR, Duncan MW, Harris R, Williams KL, Humphery-Smith I. (1995) Pro- gress with gene-product mapping of the Mollicutes: Mycoplasma genita- lium. Electrophoresis, 16, 1090-4.Proteomics was defined as the study of all proteins expressed by the genomes of the cells examined. The acronym PROTEOM means PROTEins that are expressed by a GenOM. Wasinger VC, Cordwell SJ, Cerpa-Poljak A, Yan JX, Gooley AA, Wilkins MR, Duncan MW, Harris R, Williams KL, Humphery-Smith I. (1995) Progress with gene-product mapping of the Mollicutes: Mycoplasma genital. Electrophoresis, 16, 1090-4.
Hier bedeutet Proteomik speziell die Untersuchung von Molekülen, bei deften mindestens ein Teil in ein Ribosom (ein Protein) translatiert wurde, wie es Fachleuten bekannt ist, oder eine Gruppe solcher Proteine. Proteomik umfasst auch die Untersuchung von posttranslationalen Pro- teinmodifikationen, Proteinsynthese und Abbauraten, Proteinabbauprodukte und Kombinationen davon.Here proteomics specifically means the study of molecules in which at least part of it has been translated into a ribosome (a protein), as is known to those skilled in the art, or a group of such proteins. Proteomics also includes the study of post-translational protein modifications, protein synthesis and degradation rates, protein degradation products and combinations thereof.
Hier bezieht sich Molekularprofil oder Profil eines biologischen Systems, wie einer Zelle, einer Gruppe von Zellen, einem Gewebe oder einem Organismus, auf ein Muster von Änderungen in der Genexpression oder Proteinexpression oder Lipidzusammensetzung oder Metabolitenproduk- tion von kleinen Molekülen oder Temperatur oder Metabolitensekretion von kleinen Molekülen, Änderungen in Zuckerhäufigkeit oder -typen, o- der Änderungen in posttranslationalen Proteinmodifikationen, oder Än- derungen in der Proteinproteolyse, oder Änderungen in der lonensekre- tion durch ein oder mehrere Zellabteile, oder in der lonenaufnahme durch ein oder mehrere Zellabteile zwischen zwei oder mehr untersuchten biologischen Systemen. Allgemeiner ausgedrückt ist das Molekularprofil eines biologischen Systems ein Mass für die Atome, die dieses System bilden, und insbesondere ihrer chemischen, räumlichen und zeitlichen Beziehungen zueinander.Here, the molecular profile or profile of a biological system, such as a cell, a group of cells, a tissue or an organism, refers to a pattern of changes in gene expression or protein expression or lipid composition or metabolite production by small molecules or temperature or metabolite secretion by small ones Molecules, changes in sugar frequency or types, or changes in post-translational protein modifications, or changes in protein proteolysis, or changes in ion secretion by one or more cell compartments, or in ion uptake by one or more cell compartments between two or more examined biological systems. More generally, the molecular profile of a biological system is a measure of the atoms that make up that system, and especially their chemical, spatial, and temporal relationships.
Array bedeutet eine geordnete Platzierung oder Anordnung. Der Begriff wird hier verwendet, um eine geordnete Platzierung von Oligonukleiden (einschliesslich RNA, cDNA und genomischer DNA) oder von Liganden für Analysatmoleküle, wie Affinitätsreagenzien für Proteine, Lipide und Zucker oder Moleküle, die solche funktionellen Gruppen enthalten (z. B. enthält ein Glycoprotein mindestens eine Zuckergruppe oder z. B. ent- hält ein Lipoprotein mindestens eine Lipidgruppe) zu bezeichnen. Die angeordneten Moleküle sind auf einer Oberfläche positioniert, beispielsweise einem Chip, und werden verwendet, um komplementäre Oligo- nukleotide einzufangen (einschliesslich RNA, cDNA und genomische DNA) oder Substrate für den Liganden. Da das Oligonukleotid oder der Ligand in jeder Position in der Anordnung bekannt ist, kann die Sequenz (eirfer Nukleinsäure) oder eine physikalische Eigenschaft (eines Proteins) durch die Position, in der die Nukleinsäure oder das Substrat an das Array binden, bestimmt werden.Array means an orderly placement or arrangement. The term is used here to refer to an orderly placement of oligonucleides (including RNA, cDNA and genomic DNA) or ligands for analyte molecules such as affinity reagents for proteins, lipids and sugars or molecules containing such functional groups (e.g. contains a Glycoprotein at least one sugar group or e.g. holds a lipoprotein to designate at least one lipid group). The arranged molecules are positioned on a surface, for example a chip, and are used to capture complementary oligonucleotides (including RNA, cDNA and genomic DNA) or substrates for the ligand. Because the oligonucleotide or ligand is known in each position in the array, the sequence (eirfer nucleic acid) or a physical property (of a protein) can be determined by the position at which the nucleic acid or substrate binds to the array.
ProteinseparationsverfahrenProtein separation methods
Die Anwendung der Elektrophorese für präparative Zwecke ist eine e- tablierte Technik und es gibt verschiedene Typen von Elektrophoresegeräten für präparative und analytische Zwecke. Diese Geräte und ihre begleitenden Prinzipien können in drei Kategorien eingeteilt werden.The use of electrophoresis for preparative purposes is an established technique and there are different types of electrophoresis devices for preparative and analytical purposes. These devices and their accompanying principles can be divided into three categories.
Andrews AT. (1986) Electrophoresis: Theory, Techniques, and Bio- chemical and Clinical Applications. Oxford University Press.Andrews AT. (1986) Electrophoresis: Theory, Techniques, and Bio-chemical and Clinical Applications. Oxford University Press.
Westermeier R. (1977) Electrophoresis in Practice: A Guide to Methods and Applications of DNA and Protein Separations. John Wiley and Sons, Weinheim.Westermeier R. (1977) Electrophoresis in Practice: A Guide to Methods and Applications of DNA and Protein Separations. John Wiley and Sons, Weinheim.
a) Zonenelektrophorese b) Isotachophorese c) Isoelektrisches Fokussierena) Zone electrophoresis b) Isotachophoresis c) Isoelectric focusing
Isotachophorese verwendet hydrophile Matrices und zeigt typischerwei- se hohe Auflösung, aber geringe Ladekapazitäten. In Kombination mit freier Elektrophorese kann das Verfahren für mikropräparative Zwecke angewendet werden. Weber G, Bocek P. (1998) Stability of continuous flow electrophoresis. Electrophoresis, 19, 3094-3905.Isotachophoresis uses hydrophilic matrices and typically shows high resolution but low loading capacities. In combination with free electrophoresis, the method can be used for micro-preparative purposes. Weber G, Bocek P. (1998) Stability of continuous flow electrophoresis. Electrophoresis, 19, 3094-3905.
Isoelektrisches Fokussieren (IEF, isoelectric focussing) wird entweder in Flüssigkeitsdichtegradienten, in Gelgradienten oder in Mehrkammergeräten durchgeführt, mit einem Separationsgelmedium auf Basis von IEF- Immobilin.Isoelectric focusing (IEF, isoelectric focusing) is carried out either in liquid density gradients, in gel gradients or in multi-chamber devices, with a separation gel medium based on IEF immobilin.
Righetti PG. (1990) Immobilized pH gradients: theory and methodology. In: Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology. Bd. 20 (Hrsg. RH Burdon, PH Knippenberg). S. 397. Elsevier, Amsterdam. Righetti PG, Bossi A, Wenisch E, Orsini G. (1997) Protein purification in multicomponent electrolyzers with isoelectric membranes. J. Chroma- togr. B Biomed. Sei. Appl., 699, 105-15.Righetti PG. (1990) Immobilized pH gradients: theory and methodology. In: Laboratory techniques in biochemistry and molecular biology. Vol. 20 (ed. RH Burdon, PH Knippenberg). P. 397. Elsevier, Amsterdam. Righetti PG, Bossi A, Wenisch E, Orsini G. (1997) Protein purification in multicomponent electrolyzers with isoelectric membranes. J. Chromatog. B Biomed. Be. Appl., 699, 105-15.
Zonenelektrophorese umfasst Glycin, Bicin und Tricin gepufferte SDS- PAGE (sodium dodecylsulfate poyacrylamide gel electrophoresis) Prote- ingelsyteme, die üblicherweise in der Proteinanalyse verwendet werden und in den oben genannten Literaturzitaten diskutiert werden.Zone electrophoresis comprises glycine, bicin and tricin buffered SDS-PAGE (sodium dodecylsulfate poyacrylamide gel electrophoresis) protein systems, which are commonly used in protein analysis and are discussed in the literature references mentioned above.
Derzeitige Proteomiktechniken umfassen üblicherweise die Verwendung von 2D-PAGE (zweidimensionaler Polyacrylamidgelelektrophorese), wodurch Proteine zunächst durch Unterschiede im pl durch IEF in der ersten Dimension getrennt werden. Diese Proteine werden dann an- schliessend durch das Molekulargewicht in einem SDS-PAGE-Gel in der zweiten Dimension getrennt.Current proteomics techniques usually involve the use of 2D-PAGE (two-dimensional polyacrylamide gel electrophoresis), whereby proteins are first separated by differences in the pl by IEF in the first dimension. These proteins are then separated by the molecular weight in an SDS-PAGE gel in the second dimension.
Während 2D-PAGE derzeit das Verfahren ist, das die höchste Trennleistung für biochemische Reinigungen ergibt, übersteigt die Zahl der Prote- ine und ihrer modifizierten Isoformen, die in eukaryotischen Zellen, Geweben und Organismen vorhanden sind, die Trennkapazität des besten 2D-PAGE-Systems. Die Häufigkeiten verschiedener Proteine und Proteinisoformen in komplexen eukaryotischen Zellen, Geweben und Orga- nismen schwankt auch stark. Die häufigsten Proteine in einer eukaryotischen Zellen können mit mehr als 108 Kopien pro Zelle vorhanden. Beispiele häufiger Proteine umfassen bestimmte Cytoskelettproteine oder Albumin in Leber und Blutserum. Einige Proteine können signifikante biologische Effekte ausüben, wenn sie in sehr geringen Mengen vorhanden sind, vielleicht nur mit ein paar Molekülen pro Zelle. Obwohl die geirngste Menge, bei der Proteine biologische Aktivität ausüben können, kaum verstanden ist, könnte diese Kategorie Beispiele umfassen wie Telomerase und DNA-Polymerase bei der Progression von präkanzerö- sen bis kanzerösen Zellen. Andere Fälle, wenn Moleküle geringer Häufigkeit in Proteinmischungen biologisch relevant sind, sind im Blut, wo ein paar Moleküle Cytokin pro Liter von Bedeutung sein können oder Knochenmark, wo nur eine Metastasenkrebszelle unter Billionen anderer Zellen fatale biologische Konsequenzen für den Patienten haben kann. Zur Diskussion der Anzahl von Proteinen und Proteinisoformen, die in eukaryotischen Zellen zu erwarten sind, und einige Implikationen für 2D- PAGE in Proteomik siehe Vuong et al.While 2D-PAGE is currently the method that provides the highest separation performance for biochemical cleaning, the number of proteins and their modified isoforms found in eukaryotic cells, tissues and organisms exceeds the separation capacity of the best 2D-PAGE system , The abundance of different proteins and protein isoforms in complex eukaryotic cells, tissues and orga- nisms also fluctuates strongly. The most common proteins in a eukaryotic cell can exist with more than 10 8 copies per cell. Examples of common proteins include certain cytoskeletal proteins or albumin in the liver and blood serum. Some proteins can have significant biological effects when they are present in very small amounts, perhaps with only a few molecules per cell. Although the most limited amount at which proteins can exert biological activity is poorly understood, this category could include examples such as telomerase and DNA polymerase in the progression from precancerous to cancerous cells. Other cases when low frequency molecules are biologically relevant in protein mixtures are in the blood where a few molecules of cytokine per liter can be important or bone marrow where only one metastatic cancer cell among trillions of other cells can have fatal biological consequences for the patient. For a discussion of the number of proteins and protein isoforms to be expected in eukaryotic cells and some implications for 2D PAGE in proteomics, see Vuong et al.
Vuong GL, Weiss SM, Kammer W, Priemer M, Vingron M, Nordheim A, Cahill MA. Improved sensitivity proteomics by post harvest alkylation and radioactive labelling of proteins. 2000, Electrophoresis 21 : 2594- 2605.Vuong GL, Weiss SM, Kammer W, Priemer M, Vingron M, Nordheim A, Cahill MA. Improved sensitivity proteomics by post harvest alkylation and radioactive labeling of proteins. 2000, Electrophoresis 21: 2594-2605.
Die Reproduzierbarkeit von 2D-PAGE ist auch notorisch gering, so dass typischerweise mehrere Replikate jedes Gels erforderlich sind, um mit Softwarepaketen eine mittlere Näherung der Zusammensetzung des typischen 2D-PAGE-Musters des untersuchten Systems zusammenzustellen. Es sind einige Softwarepakete im Handel erhältlich. Eine wichtige Anwendung proteomischer Studien ist, den Unterschied in der Häufigkeit bestimmter Proteine oder Proteinisoformen zwischen zwei oder mehr experimentell interessanten Regimen zu bestimmen, wie Proteinen von Kontrollzellen, Geweben oder Organismen, im Vergleich zu entspre- chenden Häufigkeiten aus pharmakologisch behandelten Zellen, Geweben oder Organismen.The reproducibility of 2D-PAGE is also notoriously low, so that typically several replicates of each gel are required in order to use software packages to put together an average approximation of the composition of the typical 2D-PAGE pattern of the examined system. Some software packages are commercially available. An important application of proteomic studies is to determine the difference in the frequency of certain proteins or protein isoforms between two or more experimentally interesting regimes, such as proteins from control cells, tissues or organisms, compared to corresponding frequencies from pharmacologically treated cells, tissues or organisms.
Eine Reihe anderer Verfahren sind zur Proteintrennung verfügbar, die ohne darauf beschränkt zu sein Hochdruckflüssigkeitschromatographie, Dünnschichtchromatographie, FPLC, Gelfiltrationschromatographie, lo- neiraustauschchromatographie, Mikrofluidsysteme wie Kapillarelektrophorese und auf Chips gestützte Mikrofluidik, Affinitätsreagenzien mit Mikroaffinitätsarrays und Elektrophorese umfassen. Die folgenden Literaturstellen beschreiben den Stand der Technik von Trennverfahren, die in der Proteomikforschung eingesetzt werden.A number of other methods are available for protein separation, including but not limited to high pressure liquid chromatography, thin layer chromatography, FPLC, gel filtration chromatography, ion exchange chromatography, microfluidic systems such as capillary electrophoresis and chip-based microfluidics, affinity reagents with microaffinity arrays and electrophoresis. The following references describe the state of the art of separation processes that are used in proteomics research.
Daniel C. Liebler. Introduction to Proteomics: Tools for the New Biology. 300 Seiten 1. Aufl. (Nov. 2001 ) Humana Press; ISBN: 0896039927. Timothy Palzkill. Proteomics. 1. Aufl. (15. Nov. 2001) Kluwer Academic Publishers; ISBN 0792375653.Daniel C. Liebler. Introduction to Proteomics: Tools for the New Biology. 300 pages 1st edition (Nov. 2001) Humana Press; ISBN: 0896039927. Timothy Palzkill. Proteomics. 1st ed. (Nov. 15, 2001) Kluwer Academic Publishers; ISBN 0792375653.
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Proteinnachweis in der ProteomikProtein detection in proteomics
Proteine können durch eine Vielzahl von Verfahren nachgewiesen wer- den, die in den obigen Literaturstellen beschrieben sind, welche, ohne darauf beschränkt zu sein, umfassen:Proteins can be detected by a variety of methods described in the references above, which include, but are not limited to:
*1 ) Verbindung von Farbstoffen oder Anfärbemitteln wie A- midschwarz, Sulforhodamin B, Agalmaschwarz oder verschiedene Silberanfärbeverfahren (obige Literaturzitate). 2) Spektroskopischer Nachweis von aromatischen Aminosäuren oder* 1) Combination of dyes or staining agents such as amid black, sulforhodamine B, agalm black or various silver staining processes (literature references above). 2) Spectroscopic detection of aromatic amino acids or
Peptidbindungen.Peptide bonds.
3) Nichtkovalente Assoziation von Fluoreszenzreagenzien.3) Non-covalent association of fluorescent reagents.
4) Kovalente Bindung von Fluoreszenzreagenzien, wie Monobrom- bimanthiolyt, Naphthalen-2,7-disulfonsäure, Fluorescen, Cye- Farbstoffderivate oder eine Reihe anderer Reagenzien, die den4) Covalent binding of fluorescent reagents, such as monobromobimanthiolyt, naphthalene-2,7-disulfonic acid, fluorescene, Cye dye derivatives or a number of other reagents, which the
Fachleuten bekannt sind. Das Einbringen von fluoreszierenden Gruppen in Proteinmoleküle kann z. B. durch Alkylierung von A- minogruppen wie Lysin oder der Aminoendgruppe, durch Alkylierung von Cysteingruppen oder durch andere Verfahren erreicht werden.Are known to experts. The introduction of fluorescent groups in protein molecules can e.g. B. by alkylation of amino groups such as lysine or the amino end group, by alkylation of cysteine groups or by other methods.
5) Metabolisches Einbringen von radioaktiven Isotopen, darunter H- 3, C-14, S-35, P-32 und P-33 gefolgt von radioaktivem Nachweis.5) Metabolic introduction of radioactive isotopes including H-3, C-14, S-35, P-32 and P-33 followed by radioactive detection.
6) Radioaktive Markierung postharvest, wie Proteiniodierung (Vuong et al, siehe oben und dort genannte Zitate), gefolgt von radioakti- vem Nachweis.6) Postharvest radioactive labeling, such as protein iodination (Vuong et al, see citations above and there), followed by radioactive detection.
7) Immunnachweis, wo Antikörper oder rekombinant produzierte Affinitätsmoleküle spezifisch mit interessierenden Proteinen in Wechselwirkung treten, nach einer Reihe von Standardprotokollen, wie sie bei Harlow und Lane, Antibodies, A Laboratory Manual (Cold Spring Harbour Laboratory, Cold Spring Harbour, NY, 1988) gelehrt werden oder wie sie bei Hudson und Souriau, Expert Opin. Biol. Ther. 1 : 845-855 (2001 ) und bei Manoutcharian et al., Curr. Pharm. Biotechnol. 2: 217-223 (2001 ) erwähnt sind. Antikörper können mit radioaktiven Molekülen radiomarkiert werden oder ko- valent gebunden werden, was ihren Nachweis mit radioaktiven Detektoren erlaubt, wie es bei Manoutcharian et al. oben beschrieben ist. 8) Markieren (tagging) ist eine andere Art, Veränderung in der Proteinexpression nachzuweisen und zu bestimmen. Beispielsweise kann das Gen, das für das Protein kodiert, technisch hergestellt (engineered) werden, um ein Hybridprotein zu produzieren, das eine nachweisbare Markierung (tag) enthält, so dass das Protein durch Erkennen der Markierung spezifisch nachgewiesen werden kann. Es sind Systeme erhältlich, die die direkte Bildgebung und quantitative Analyse von radioaktiven Markierungen erlauben, z. B. in Gelen, auf denen Proteine aufgetrennt wurden. Es können Unterschiede in der Expression durch Erkennen von Unterschie- den in der Menge der vorhandenen Markierung in Test- und Kontrollproben bestimmt werden.7) Immunodetection where antibodies or recombinantly produced affinity molecules specifically interact with proteins of interest, following a series of standard protocols such as those found in Harlow and Lane, Antibodies, A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, NY, 1988) be taught or as taught by Hudson and Souriau, Expert Opin. Biol. Ther. 1: 845-855 (2001) and Manoutcharian et al., Curr. Pharm. Biotechnol. 2: 217-223 (2001). antibody can be radiolabeled with radioactive molecules or bound covalently, which allows their detection with radioactive detectors, as described by Manoutcharian et al. is described above. 8) Tagging is another way of detecting and determining changes in protein expression. For example, the gene encoding the protein can be engineered to produce a hybrid protein that contains a detectable label (tag) so that the protein can be specifically detected by recognizing the label. Systems are available that allow direct imaging and quantitative analysis of radioactive labels, e.g. B. in gels on which proteins have been separated. Differences in expression can be determined by recognizing differences in the amount of markings present in test and control samples.
In Fällen, wo Probenmaterial äusserst beschränkt ist, wie bei gewissen Biopsie- oder Asservationsmethoden zur Gewebegewinnung aus Patien- ten in klinischen Situationen, oder wo die Untersuchung Nachweis der Analysatmoleküle mit der geringsten Häufigkeit umfassen sollte, sind die empfindlichsten Nachweisverfahren höchst wünschenswert. Von den oben genannten Verfahren ist der Nachweis von radioisotopmarkierten Proteinen durch geeignete Detektoren um mehrere Grössenordnungen empfindlicher als irgendein anderes Verfahren und deshalb das Mittel der Wahl.In cases where sample material is extremely limited, such as certain biopsy or preservation methods for obtaining tissue from patients in clinical situations, or where the examination should include detection of the analyte molecules with the least frequency, the most sensitive detection methods are highly desirable. Of the above-mentioned methods, the detection of radioisotope-labeled proteins by suitable detectors is several orders of magnitude more sensitive than any other method and is therefore the means of choice.
BildanalysensoftwareImage Analysis Software
Es existieren einige aufwändige Softwarepakete für die Verarbeitung von graphischen oder digitalen Daten, die aus biologischen Studien erhalten sind, wie Proteingelanalyse oder Nukleinsäurearrayanalyse. Bei- spiele für Proteomanalyse umfassen die Produkte Phoretix 2C von Non- Linear Dynamics (Newcastle upon Tyne, UK), Delta 2D von Decodon GmbH (Greifswald, Deutschland), 3Z von Compugen (Tel-Aviv, Israel), Gellab 11+ von Scanalytics (Faifax, VA), Bioimage von Genomic Soluti- ons (Ann Arbor, MI), Melanie 3 von GeneBio (Genf), das Programm Keppler von Large Scale Biology Corporation (Vacaville, CA), der Java- fährge Browser des Programms CAROL (Freie Universität, Berlin), der Gelbildkomparator Flicker 2D gel image comparator (Lemkin PF. Com- paring two-dimensional electrophoretic gel images across the Internet. Electrophoresis, 18:461-470 (1997) und Bildanalyseprodukte, die von Amersham Biosciences (Freiburg, Deutschland) verkauft werden.There are some complex software packages for processing graphic or digital data obtained from biological studies, such as protein gel analysis or nucleic acid array analysis. examples Games for proteome analysis include the products Phoretix 2C from Non-Linear Dynamics (Newcastle upon Tyne, UK), Delta 2D from Decodon GmbH (Greifswald, Germany), 3Z from Compugen (Tel-Aviv, Israel), Gellab 11+ from Scanalytics (Faifax , VA), Bioimage from Genomic Solutions (Ann Arbor, MI), Melanie 3 from GeneBio (Geneva), the Keppler program from Large Scale Biology Corporation (Vacaville, CA), the Java browser of the CAROL program (Free University , Berlin), the gel image comparator Flicker 2D gel image comparator (Lemkin PF. Comparing two-dimensional electrophoretic gel images across the Internet. Electrophoresis, 18: 461-470 (1997) and image analysis products by Amersham Biosciences (Freiburg, Germany) sold.
Proteinidentifikation in der ProteomikProtein identification in proteomics
Massenspektrometrie gewinnt in der Proteomik zunehmend Bedeutung, nicht nur zur Identifizierung von Proteinen, die durch 2D-PAGE getrennt wurden, sondern auch für den Direktnachweis und die relative Quantifizierung von Proteinen unabhängig von 2D-PAGE. Andere Verfahren zur Proteinidentifizierung umfassen Edman-Abbau, Aminosäureanalyse und andere Verfahren, die den Fachleuten bekannt sind. Viele dieser Verfahren beinhalten das Erfassen von Daten aus dem untersuchten Protein und Vergleich dieser Parameter mit einer Liste von Parametern, die durch theoretische Analyse von Nukleinsäure- und Proteindatenbanken vorhergesagt sind.Mass spectrometry is becoming increasingly important in proteomics, not only for the identification of proteins separated by 2D-PAGE, but also for the direct detection and relative quantification of proteins independent of 2D-PAGE. Other methods of protein identification include Edman degradation, amino acid analysis, and other methods known to those skilled in the art. Many of these methods involve collecting data from the protein under study and comparing these parameters to a list of parameters predicted by theoretical analysis of nucleic acid and protein databases.
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57.57th
P. James (Hrsg.) Proteome Research: Mass Spectrometry (Principles and* Practice) 235 Seiten (Dez. 2000) Springer Verlag; ISBN:P. James (ed.) Proteome Research: Mass Spectrometry (Principles and * Practice) 235 pages (Dec. 2000) Springer Verlag; ISBN:
3540672567.3540672567th
Genomikgenomics
Es sind im Stand der Technik eine Reihe von Verfahren zum Nachweisen und Vergleichen der Ausprägung der Genexpression bei Zellen, Or- ganismen oder Viren oder anderer transkriptionsaktiver Systeme bekannt.A number of methods for detecting and comparing the expression of gene expression in cells, organisms or viruses or other transcription-active systems are known in the prior art.
Ein Standardverfahren für solche Vergleiche ist der Northern Blot. Bei dieser Technik wird RNA aus der Probe extrahiert und auf eine Reihe von für die RNA-Analyse geeigneten Gelen aufgebracht, die dann zur Auftrennung der RNA nach der Grosse durchgeführt werden.A standard method for such comparisons is the Northern blot. In this technique, RNA is extracted from the sample and applied to a series of gels suitable for RNA analysis, which are then used to separate the RNA according to size.
Sambrook, J. et al., 1989. Molecular Cloning, A Laboratory Manual. Cold Spring Harbour Laboratory Press, Cold Spring Harbour, NY. 2. Aufl.Sambrook, J. et al., 1989. Molecular Cloning, A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, NY. 2nd ed.
Die Gele werden dann geblottet (wie oben bei Sambrook beschrieben) und auf Proben für interessierende RNAs hybridisiert. Die Proben können radioaktiv oder nicht radioaktiv sein. Beispielsweise kann Hybridisierung mit der Probe durch Chemilumineszenznachweis der gebundenen Proben mit dem Genius System (Boehringer Mannheim Corporation, Mannheim, Deutschland) gemäss den Angaben des Herstellers betrachtet und analysiert werden. Es kann eine gleiche Beladung der RNA in den Bahnen beispielsweise durch Anfärben der Ribosomen-RNA- Banden mit Ethidiumbromid bewertet werden. Alternativ können die Proben radiomarkiert und autoradiographisch mit einer Probe für ein Gen und einem photographischen Film oder einem Phosphorimager o- der gemäss der vorliegenden Erfindung mit Proben für mehr als ein Gen nachgewiesen werden.The gels are then blotted (as described above for Sambrook) and hybridized to samples for RNAs of interest. The samples can be radioactive or non-radioactive. For example, hybridization with the sample can be viewed and analyzed by chemiluminescence detection of the bound samples with the Genius system (Boehringer Mannheim Corporation, Mannheim, Germany) according to the manufacturer's instructions. An equal loading of the RNA in the webs can be achieved, for example, by staining the ribosome RNA Bands assessed with ethidium bromide. Alternatively, the samples can be radiolabeled and detected autoradiographically with a sample for a gene and a photographic film or a phosphor imager or according to the present invention with samples for more than one gene.
Die RNA kann durch eine Reihe von Methoden verstärkt und dann nachgewiesen werden. Beispielsweise offenbart Marshall, US-Patent Nr. 5,686,272 die Verstärkung von RNA-Sequenzen mit der Ligaseketten- reaktion LCR (ligase chain reaction). LCR ist von Landegren et al., Science, 241 : 1077-1080 (1988); Wu et al., Genomics, 4: 560-569 (1989); Barany, in PCR Methods and Application, 1 :5-16 (1991 ); und Barany, Proc. Natl. Acad. Sei. USA, 88: 189-193 (1991 ) beschrieben. Auch kann die RNA durch Reverstranskription in komplementäre DNA (cDNA) umgewandelt und dann durch LCR, Polymerasekettenreaktion (PCR, polymerase chain reaction) oder andere Verfahren verstärkt werden. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Durchführung der Reverstranskription von RNA ist im US-Patent Nr. 5,705,365 offenbart. Es wird Auswahl geeigneter Primer und PCR-Protokolle gelehrt, beispiels- weise bei Innis, M. et al., Hrsg. PCR Protocols 1990 (Academic Press, San Diego CA). Differentielle Expression von Messenger-RNA (mRNA) kann auch durch Reverstranskription von mRNA in cDNA verglichen werden, die dann durch Restriktionsenzyme gespalten und elektrophore- tisch getrennt werden, so dass ein Vergleich der cDNA-Fragmente mög- lieh ist, wie es bei Belavsky, US-Patent Nr. 5,814,445 gelehrt ist.The RNA can be amplified by a number of methods and then detected. For example, Marshall, US Patent No. 5,686,272 discloses the amplification of RNA sequences with the ligase chain reaction LCR (ligase chain reaction). LCR is from Landegren et al., Science, 241: 1077-1080 (1988); Wu et al., Genomics, 4: 560-569 (1989); Barany, in PCR Methods and Application, 1: 5-16 (1991); and Barany, Proc. Natl. Acad. Be. USA, 88: 189-193 (1991). The RNA can also be converted into complementary DNA (cDNA) by reverse transcription and then amplified by LCR, polymerase chain reaction (PCR, polymerase chain reaction) or other methods. An example of a method for performing reverse transcription of RNA is disclosed in U.S. Patent No. 5,705,365. Selection of suitable primers and PCR protocols is taught, for example by Innis, M. et al., Ed. PCR Protocols 1990 (Academic Press, San Diego CA). Differential expression of messenger RNA (mRNA) can also be compared by reverse transcription of mRNA into cDNA, which is then cleaved by restriction enzymes and separated electrophoretically, so that a comparison of the cDNA fragments is possible, as is the case with Belavsky, U.S. Patent No. 5,814,445.
Typischerweise werden Primer am 5'-Ende mit Biotin oder einem der vielen Fluoreszenzfarbstoffe markiert. Proben werden üblicherweise mit einem Enzym markiert, wie Rettich-Peroxidase (HRP, horse radish pe- roxidase) und alkalischer Phosphatase, siehe Levenson und Chang, Nonisotropically Labelled Probes and Primers in: Innis et al., können a- ber auch z. B. mit Biotinpsoralen markiert werden. Ausführliche Beispielprotokolle zum Markieren von Primern und zum Synthetisieren von enzymmarkierten Proben sind bei Levenson und Chang angegeben. Die Proben können auch mit radioaktiven Isotopen markiert werden. Ein beispielhaftes Protokoll zum Synthetisieren radioaktiv markierter DNA- und RNA-Proben ist in Sambrook ausgeführt. Es sind eine Reihe von Rea- genzien zum Einbringen verschiedener Radionuklide in DNA-Proben verfügbar, darunter Enzymprecursorsubstrate mit 3H, 14C, 32P, 35S un anderen Elementen, die in natürlich vorkommenden Nukleinsäuren nicht vorhanden sind, wie z. B. radioaktives lod. Ferner können Primer hergestellt werden, die einen grossen Bereich von anderen radioaktiven Elementen enthalten, die kovalent an den Primer gebunden werden, wie es den Fachleuten bekannt ist. Es sind eine Reihe von Verfahren zum Nachweis von PCR-Produkten bekannt. Allgemein ist ein Schritt enthalten, der Hybridisierung der Probe und des PCR-Produkts erlaubt, der gefolgt ist ein einem oder mehreren Entwicklungsschritten, um einen Nachweis zu ermöglichen.Typically, primers are labeled at the 5 'end with biotin or one of the many fluorescent dyes. Samples are usually labeled with an enzyme, such as radish peroxidase (HRP, horse radical peroxidase) and alkaline phosphatase, see Levenson and Chang, Nonisotropically Labeled Probes and Primers in: Innis et al. B. marked with biotin psoralen. Detailed sample protocols for labeling primers and synthesizing enzyme-labeled samples are given by Levenson and Chang. The samples can also be labeled with radioactive isotopes. An exemplary protocol for synthesizing radioactively labeled DNA and RNA samples is carried out in Sambrook. A number of reagents are available for introducing various radionuclides into DNA samples, including enzyme precursor substrates with 3H, 14C, 32P, 35S and other elements that are not present in naturally occurring nucleic acids, such as. B. radioactive iodine. Furthermore, primers can be made that contain a wide range of other radioactive elements that are covalently bound to the primer, as is known to those skilled in the art. A number of methods for the detection of PCR products are known. Generally, a step is included that allows hybridization of the sample and the PCR product, followed by one or more development steps to enable detection.
Wenn eine radioaktiv markierte Probe verwendet werden soll, können PCR-Produkte, mit denen die Probe hybridisiert ist durch Autoradiogra- phie nachgewiesen werden. Als ein Beispiel kann biotinyliertes dUTP (Bethesda Research Laboratories, MD) bei der Verstärkung verwendet werden. Die markierten PCR-Produkte können dann auf einem Agarose getrennt werden, durch Southern-Transfer auf einen Nylonfilter gebracht und beispielsweise durch ein Detektorsystem mit Streptavidin/alkalischer Phosphatase nachgewiesen werden. Ein Protokoll zum Nachweis ein- gebrachter biotinylierter dUTP ist z. B. bei Lo et al., Ineorporation of Bio- tinylated dUTP, in: Innis et al. beschrieben. Schliesslich können die PCR-Produkte auf Agarosegels aufgegeben werden und Nukleinsäuren durch einen Farbstoff nachgewiesen werden, wie Ethidiumbromid, das spezifisch Nukleinsäuren erkennt.If a radioactively labeled sample is to be used, PCR products with which the sample is hybridized can be detected by autoradiography. As an example, biotinylated dUTP (Bethesda Research Laboratories, MD) can be used in amplification. The labeled PCR products can then be separated on an agarose, placed on a nylon filter by Southern transfer and detected, for example, by a detector system with streptavidin / alkaline phosphatase. A protocol for the detection of introduced biotinylated dUTP is e.g. B. in Lo et al., Ineorporation of Biotinylated dUTP, in: Innis et al. described. Finally, the PCR products can be applied to agarose gels and nucleic acids can be detected by a dye, such as ethidium bromide, which specifically recognizes nucleic acids.
Sutcliffe, US-Patent Nr. 5,807,680 lehrt ein Verfahren zum simultanen Identifizieren differentiell exprimierter mRNAs und Messung relativer Konzentrationen. Die Technik, die die Bildung von cDNA mit Ankerpri- mern gefolgt von PCR umfasst, ermöglicht die Sichtbarmachung nahezu aller mRNA, die in einem Gewebe exprimiert ist, als deutliches Band auf einem Gel, dessen Intensität grob der Konzentration an mRNA entspricht.Sutcliffe, U.S. Patent No. 5,807,680 teaches a method for simultaneously identifying differentially expressed mRNAs and measuring relative concentrations. The technology that supports the formation of cDNA with anchor encompassed by PCR followed by the visualization of almost all mRNA expressed in a tissue as a clear band on a gel, the intensity of which roughly corresponds to the concentration of mRNA.
Eine andere Gruppe von Techniken verwendet die Analyse der relativen Trä*τιskπptexpressionswerte. Jüngst wurden vier solcher Ansätze entwickelt, um umfassende Analyse mit hohem Durchsatz zu ermöglichen. Zunächst kann cDNA durch Reverstranskription aus RNA in der Probe erhalten werden (wie in den obigen Zitaten beschrieben) und einer einfachen Sequenzierung der 5'- und 3'-Enden unterzogen werden, um ex- primierte Sequenzmarker (EST, expressed sequence tags) für die im Test exprimierten Gene und Kontrollproben zu definieren. Aufzählen der relativen Repräsentation der Marker von verschiedenen Proben ergibt eine Abschätzung der relativen Repräsentation des Gentranskripts in den Proben.Another group of techniques used to analyze the relative Trä * τιskπptexpressionswerte. Recently, four such approaches have been developed to enable comprehensive, high-throughput analysis. First, cDNA can be obtained by reverse transcription from RNA in the sample (as described in the above citations) and subjected to simple sequencing of the 5 'and 3' ends to generate expressed sequence markers (EST, expressed sequence tags) for the to define genes and control samples expressed in the test. Enumerating the relative representation of the markers from different samples gives an estimate of the relative representation of the gene transcript in the samples.
Zweitens wurde eine Variation von ESTs entwickelt, die als SAGE (serial analysis of gene expression) bekannt sind, die eine quantitative und gleichzeitige Analyse einer grossen Zahl von Transkripten ermöglicht. Die Technik verwendet die Isolierung kurzer diagnostischer Sequenz- marker und Sequenzieren, um Muster der Genexpressionscharakteristik einer Zielfunktion aufzuzeigen, und wurde verwendet, um Expressionswerte zu vergleichen, z. B. von tausenden von Genen in normalen und tumorösen Zellen. Siehe Veleulescu, et al., Science 270: 368-369 (1995), Zhang et al., Science 276 : 1268-1272 (1997).Second, a variation of ESTs, known as SAGE (serial analysis of gene expression), has been developed that enables quantitative and simultaneous analysis of a large number of transcripts. The technique uses isolation of short diagnostic sequence markers and sequencing to reveal patterns of gene expression characteristics of a target function, and has been used to compare expression values, e.g. B. of thousands of genes in normal and tumorous cells. See Veleulescu, et al., Science 270: 368-369 (1995), Zhang et al., Science 276: 1268-1272 (1997).
Drittens wurden Ansätze auf Basis des differentiellen Displays entwickelt. In diesen Ansätzen können durch spezifische Sequenzbegrenzer definierte Fragmente als einzige Identifikatoren für Gene verwendet werden, wenn sie mit Informationen über die Fragmentlänge in dem exprimierten Gen gekoppelt sind. Die relative Repräsentation eines exprimierten Gens in einer Zelle kann dann durch die relative Repräsen- tation des dem Gen zugeordneten Fragments abgeschätzt werden. Beispiele einiger Ansätze sind Restriktionsenzymanalyse von differentiell exprimierten Sequenzen (READS, restriction enzyme analysis of diffe- rentially expressed sequences) verwendet von Gene Logic Inc., und Ge- samtgenexpressionsanalyse (total gene expression analysis) von Digital Gene Technologies Inc. CLONTECH, Inc. (Palo Alto, CA) vertreiben das Defta® Differential Display Kit zur Identifizierung differentiell exprimierter Gene durch PCR. Ein anderes Verfahren ist das GeneCalling-System der CuraGen Corp., New Haven CT, das kombiniert Genidentifzierung mit Datenbankabfrage eines Restriktionsendonukleaseabdrucks, bestätigt durch vergleichende PCR unter Verwendung genspezifischer Oligo- nukleotide, wodurch Genisolationsprozeduren optimiert werden.Third, approaches based on the differential display were developed. In these approaches, fragments defined by specific sequence delimiters can be used as the only identifiers for genes if they are coupled with information about the fragment length in the expressed gene. The relative representation of an expressed gene in a cell can then be determined by the relative representation tion of the fragment assigned to the gene can be estimated. Examples of some approaches are restriction enzyme analysis of differentially expressed sequences (READS) used by Gene Logic Inc., and total gene expression analysis by Digital Gene Technologies Inc. CLONTECH, Inc. ( Palo Alto, CA) distribute the Defta® Differential Display Kit for the identification of differentially expressed genes by PCR. Another method is the GeneCalling system from CuraGen Corp., New Haven CT, which combines gene identification with a database query of a restriction endonuclease impression, confirmed by comparative PCR using gene-specific oligonucleotides, which optimizes gene isolation procedures.
Viertens wird in bevorzugten Ausführungsformen der Nachweis durch eine einer Reihe von Techniken zur Hybridisierungsanalyse durchgeführt. In diesen Ansätzen wird RNA aus der interessierenden Probe einer Reverstranskription unterzogen, um makrierte cDNA zu erhalten. Die cDNA wird dann hybridisiert, typischerweise mit Oligonukleotiden oder cDNAs bekannter Sequenz, die auf einem Chip oder einer anderen Flä- ehe in bekannter Folge angeordnet werden. Die Lage des Oligonukleo- tids, das mit der markierten cDNA hybridisiert, gibt Sequenzinformationen zur cDNA, während die Menge der markierten RNA oder cDNA eine Abschätzung der Menge der relativen RNA oder cDNA in der ursprünglichen Probe gibt. Ferner ermöglicht die Technik gleichzeitige Hybridisie- rung mit zwei oder mehr verschiedenen nachweisbaren Markern, wie zwei oder mehr radiaktiven oder fluoreszierenden Markern, gemäss dem Anspruch 1 der vorliegenden Erfindung. Die Hybridisierungsergebnisse ergeben einen direkten Vergleich der relativen Expression der Proben. Der Stand der Technik wird als Übersicht von King und Sinha, JAMA 286: 2280-2208 (2001 ) und Jain, Science, 294:621-623 (2001 ) und deren Literaturzitate gegeben. Es sind im Handel eine Reihe von Kits zur Hybridisierungsanalyse erhältlich. Diese Kits ermöglichen eine Identifizierung spezifischer RNA- oder cDNA-Moleküle auf hochdichten Formaten, darunter Filter, Mikro- skopieplättchen, Mikrochips und Techniken der Massenspektrometrie. Beispielsweise vertreibt Affymetrix, Inc. (Santa Clara, CA) GeneChip® Probearrays, die tausende unterschiedlicher Oligonukleotidproben bekannter Sequenzen, Längen und Lokationen im Array für hochpräzise Sequenzierung von Genen enthält. Synthetische Oligonukleotidarrays kombiniert mit PCR-Verfahren können Transkriptionsverhältnisse bei einer Kopie pro Zelle in komplexen biologischen Proben nachweisen, und eine Tintenstrahloligonukleotidarraytechnik kann zur genauen Anwendung eingesetzt werden. Siehe Hughes, T.R., et al., Nature Biotech- nology, 19: 342-347 (2001 ). CLONTECH's Atlas® cDNA- Expressionsarray ermöglicht Messung der Expressionsmuster von 588 ausgewählten Genen. Der Gene Discovery Modul von Hyseq Inc. (Sun- nyvale, CA) ermöglicht Screening von RNA mit hohem Durchsatz, ohne vorherige Sequenzinformationen bei einer Empfindlichkeit von 1 mRNA- Kopie pro Zelle. Incyte Pharmaceuticals Inc. (Palo Alto, CA) bietet Mik- roarrays an, die beispielsweise geordnete Oligonukleotide von mensch- liehem Krebs und Signaltransduktionsgene enthält. Von anderen Firmen verwendete Techniken werden z. B. in Service, R.; Science 282: 396- 399 (1998) und in Clarke P.A. Biochem. Pharmacol., 62:1311-1136 und deren Zitaten diskutiert. Fourth, in preferred embodiments, detection is performed by one of a number of hybridization analysis techniques. In these approaches, RNA from the sample of interest is subjected to reverse transcription to obtain encoded cDNA. The cDNA is then hybridized, typically with oligonucleotides or cDNAs of known sequence, which are arranged on a chip or another surface in a known sequence. The location of the oligonucleotide that hybridizes with the labeled cDNA gives sequence information about the cDNA, while the amount of labeled RNA or cDNA gives an estimate of the amount of relative RNA or cDNA in the original sample. Furthermore, the technique enables simultaneous hybridization with two or more different detectable markers, such as two or more radioactive or fluorescent markers, according to claim 1 of the present invention. The hybridization results provide a direct comparison of the relative expression of the samples. The prior art is given as an overview by King and Sinha, JAMA 286: 2280-2208 (2001) and Jain, Science, 294: 621-623 (2001) and their literature references. A number of hybridization analysis kits are commercially available. These kits enable the identification of specific RNA or cDNA molecules on high-density formats, including filters, microscopic plates, microchips and techniques of mass spectrometry. For example, Affymetrix, Inc. (Santa Clara, CA) distributes GeneChip® probe arrays that contain thousands of different oligonucleotide samples of known sequences, lengths, and locations in the array for high-precision gene sequencing. Synthetic oligonucleotide arrays combined with PCR methods can detect transcription ratios with one copy per cell in complex biological samples, and an ink jet oligonucleotide array technique can be used for precise application. See Hughes, TR, et al., Nature Biotechnology, 19: 342-347 (2001). CLONTECH's Atlas® cDNA expression array enables expression patterns of 588 selected genes to be measured. The Gene Discovery module from Hyseq Inc. (Sunnyvale, CA) enables screening of RNA with high throughput, without previous sequence information and a sensitivity of 1 mRNA copy per cell. Incyte Pharmaceuticals Inc. (Palo Alto, CA) offers microarrays that contain, for example, ordered oligonucleotides from human cancer and signal transduction genes. Techniques used by other companies are e.g. B. in Service, R .; Science 282: 396-399 (1998) and in Clarke PA Biochem. Pharmacol., 62: 1311-1136 and their citations.
Messung radioaktiver StrahlungMeasurement of radioactive radiation
Die ersten elektrischen Geräte, die zum Strahlungsnachweis entwickelt wurden, waren lonisationsdetektoren. Diese Instrumente beruhen auf dem direkten Einfang von Elektronen und Ionen, die in einem Gas durch Strahlung erzeugt werden. Es gibt zwei grundsätzliche Typen von Detektoren, die als Ionisationskammer und Proportionalzähler bekannt sind.The first electrical devices that were developed to detect radiation were ionization detectors. These instruments are based on the direct capture of electrons and ions that are generated in a gas by radiation. There are two basic types of detectors known as ionization chambers and proportional counters.
Ein anderes Nachweisgerät ist der Szintillationsdetektor. Er beruht auf der Tatsache, dass gewisse Materialien, wenn sie von einem Nuklearpartikel oder von Strahlung getroffen werden, eines oder mehrere Photonen, d. h. eine Szintillation emittieren. Diese Szintillationen können bei Kopplung an ein Verstärkungsgerät, wie einen Photomultiplier, in elektri- sehe Impulse umgewandelt werden, die dann analysiert und elektronisch gezählt werden können, um eine Information über die einfallende Strahlung zu liefern.Another detection device is the scintillation detector. It is based on the fact that certain materials, when struck by a nuclear particle or by radiation, have one or more photons, i. H. emit a scintillation. When coupled to an amplification device, such as a photomultiplier, these scintillations can be converted into electrical pulses, which can then be analyzed and electronically counted to provide information about the incident radiation.
Auch Halbleiterdetektoren sind verbreitet verwendete Nachweisgeräte, die auf kristallinen Halbleitermaterialien beruhen, vor allem auf Silizium und Germanium. Diese Detektoren werden auch als Feststoffdetektoren bezeichnet. Das Funktionsprinzip von Halbleitern ist analog zu dem von Gasionisationsgeräten. Anstelle eines Gases ist das Medium ein festes Halbleitermaterial. Der Vorteil von Halbleiterdetektoren im Vergleich zu Ionisationskammern ist ihre größere Energieauflösung.Semiconductor detectors are also widely used detection devices based on crystalline semiconductor materials, especially silicon and germanium. These detectors are also called solid detectors. The principle of operation of semiconductors is analogous to that of gas ionization devices. Instead of a gas, the medium is a solid semiconductor material. The advantage of semiconductor detectors compared to ionization chambers is their greater energy resolution.
Das folgende Lehrbuch beschreibt die Prinzipien von radioaktiven Nachweismethoden:The following textbook describes the principles of radioactive detection methods:
Knoll, G.F.: Radiation detection and measurements, 802 S., 3. Aufl. De- zember 1999, John Wiley and Sons, ISBN 0471073385. Knoll, G.F .: Radiation detection and measurements, 802 S., 3rd ed. December 1999, John Wiley and Sons, ISBN 0471073385.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung der Ortsverteilung von mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten mit jeweils mengenspezifischem Strahlungstyp auf einer gemeinsamen Trägerfläche, mit folgenden Schritten: a) * Ermitteln einer ersten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche, b) Verändern der Intensität mindestens eines mengenspezifischen Strahlungstyps mit einem zugehörigen Veränderungsfaktor, c) Ermitteln mindestens einer zweiten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche und d) Berechnung der Ortsverteilungen jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln aus der ersten und der mindestens zweiten ermittelten Ortsverteilung.1.Method for determining the local distribution of at least two sets of point radiation objects, each with a quantity-specific radiation type, on a common carrier surface, with the following steps: a) * determining a first local distribution of the radiation intensity of the carrier surface, b) changing the intensity of at least one quantity-specific radiation type with an associated one Change factor, c) determining at least one second local distribution of the radiation intensity of the carrier surface and d) calculating the local distributions of each of the at least two sets of point radiation objects individually from the first and the at least second determined local distribution.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Veränderungsschritt b) und der Schritt c) zur Ermittlung der mindestens zweiten Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche, vorzugsweise mit einem unterschiedlichen Veränderungsfaktor, mindestens einmal wiederholt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the change step b) and step c) for determining the at least second spatial distribution of the radiation intensity of the carrier surface, preferably with a different change factor, are repeated at least once.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine ermittelte Ortsverteilung der Strahlungsintensität durch eine zugehörige Pixelmatrix dargestellt wird, wobei ein Pixelwert der Matrix die Strahlungsintensität eines zugehörigen Orts auf der Trägerfläche repräsentiert.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a determined local distribution of the radiation intensity is represented by an associated pixel matrix, wherein a pixel value of the matrix represents the radiation intensity of an associated location on the support surface.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsverteilung jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln auf Basis der Pixelmatrizen bestimmt wird. 4. The method according to claim 3, characterized in that the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of the pixel matrices.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsverteilung jeder der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten einzeln auf Basis von Intensitäten bestimmt wird, die sich durch die Summation von Pixelwerten definierter, insbesondere benachbarter, Elemente der Pixelmatrix ergeben.5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that the spatial distribution of each of the at least two sets of point radiation objects is determined individually on the basis of intensities that result from the summation of pixel values of defined, in particular adjacent, elements of the pixel matrix.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Menge von Punktstrahlungsobjekten aus mindestens einem strahlenden, insbesondere radioaktiv strahlenden, Typ von Isotopen besteht.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that each set of point radiation objects consists of at least one radiating, in particular radioactive, type of isotopes.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Menge von Punktstrahlungsobjekten aus lichtemittierenden, insbesondere fluoreszierenden, phosphoreszierenden und/oder lumineszierenden, Substanzen besteht.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that each set of point radiation objects consists of light-emitting, in particular fluorescent, phosphorescent and / or luminescent, substances.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine Menge unterschiedlicher Punktstrahlungsobjekte an mindestens einem Ort auf der Trägerfläche mindestens ein Kalibrierungspunkt mit bekannter Strahlung vorhanden ist.8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that there is at least one calibration point with known radiation for at least one set of different point radiation objects at at least one location on the support surface.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Veränderungsfaktoren der mengenspezifischen Strahlungstypen zwischen 5% bis 90%, vorzugsweise zwischen 10% bis 70%, insbesondere zwischen 15% und 50%, liegt.9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the change factors of the quantity-specific radiation types is between 5% to 90%, preferably between 10% to 70%, in particular between 15% and 50%.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Veränderungsfaktor durch Verwendung mindestens eines Absorbers realisiert wird. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change factor is realized by using at least one absorber.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Veränderungsfaktor durch radioaktiven Zerfall der Punktstrahlungsobjekte der mindestens zwei Mengen realisiert wird, wobei vorzugsweise die jeweiligen Punktstrahlungsobjekte der mindestens zwei Mengen unterschiedliche Halbwertszeiten aufweisen.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change factor is realized by radioactive decay of the point radiation objects of the at least two sets, the respective point radiation objects of the at least two sets preferably having different half-lives.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Veränderungsfaktor durch eine unterschiedliche Empfindlichkeit eines zur Ermittlung einer Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche verwendeten Detektors für den jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp der mindestens zwei Mengen von Punktstrahlungsobjekten realisiert wird.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the change factor is realized by a different sensitivity of a detector used to determine a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface for the respective quantity-specific radiation type of the at least two sets of point radiation objects.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsverteilungen mit einem ortsauflösenden Detektor für Alpha-, Beta-, Gamma- und/oder Röntgenstrahlung ermittelt werden.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the local distributions are determined with a spatially resolving detector for alpha, beta, gamma and / or x-rays.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsverteilungen mit einem sogenannten Phosphor-Imager-Detektor ermittelt werden.14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the local distributions are determined with a so-called phosphor imager detector.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine unterschiedliche Empfindlichkeit eines zur Ermittlung einer Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche verwendeten Phosphor- Imager-Detektors für den jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp dadurch erzielt wird, dass der Phosphor des Phosphor-Imager-Detektors zusätzlich Atome mit hoher Ordnungszahl Z, insbesondere Blei, und/oder Atome mit niedriger Ordnungszahl Z enthält.15. The method according to claim 14, characterized in that a different sensitivity of a phosphor imager detector used for determining a local distribution of the radiation intensity of the carrier surface is achieved for the respective quantity-specific radiation type in that the phosphor of the phosphor imager detector additionally contains atoms contains a high atomic number Z, in particular lead, and / or atoms with a low atomic number Z.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche durch ei- nen ersten Phosphor-Imager-Detektor und die mindestens zweite Ortsverteilung der Strahlungsintensität der Trägerfläche durch einen mindestens zweiten Phosphor-Imager-Detektor gleichzeitig ermittelt werden, wobei die Empfindlichkeit des ersten Phosphor-Imager-Detektors und die Empfindlichkeit des mindestens zweiten Phosphor-Imager-Detektors für«len jeweils mengenspezifischen Strahlungstyp unterschiedlich ist.16. The method according to claim 15, characterized in that the first spatial distribution of the radiation intensity of the support surface by a NEN first phosphor imager detector and the at least second local distribution of the radiation intensity of the support surface are determined simultaneously by an at least second phosphor imager detector, the sensitivity of the first phosphor imager detector and the sensitivity of the at least second phosphor imager detector for each quantity-specific radiation type is different.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der mindestens zweite Phosphor-Imager-Detektor an gegenüberliegenden Seiten der Trägerfläche angebracht werden.17. The method according to claim 16, characterized in that the first and the at least second phosphor imager detector are attached to opposite sides of the support surface.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ortsverteilungen mit einem sogenannten Flach-Detektor ermittelt werden.18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the local distributions are determined with a so-called flat detector.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die mindestens zweite Ortsverteilung der Strahlungsintensität mit einem gleichartigen Detektor ermittelt wird.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first and the at least second spatial distribution of the radiation intensity is determined with a similar detector.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zu analysierende Stoffe mit jeweils einer Menge von Punktstrahlungsobjekten markiert, die so markierten Stoffe gemischt und das Gemisch anschließend auf die Trägerfläche, insbesondere in Form eines flächenartigen Analysemittels, aufgebracht wird.20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least two substances to be analyzed are each marked with a quantity of point radiation objects, the substances marked in this way are mixed and the mixture is then applied to the carrier surface, in particular in the form of a flat analysis means.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zu analysierenden Stoffe Peptide, Proteine und/oder Oligonukleotide sind. 21. The method according to claim 20, characterized in that the substances to be analyzed are peptides, proteins and / or oligonucleotides.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Analysemittel ein Proteingel, Nukleinsäure-Array, Protein- Array, ELISA-Array und/oder ein Blot ist. 22. The method according to claim 20 or 21, characterized in that the analysis means is a protein gel, nucleic acid array, protein array, ELISA array and / or a blot.
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