ITMI20011168A1 - METHOD FOR THE IMMOBILIZATION OF ORGANIC MOLECULES ON A SUPPORT - Google Patents
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Description
Descrizione dell'invenzione industriale avente per titolo: Description of the industrial invention entitled:
"METODO PER L’IMMOBILIZZAZIONE DI MOLECOLE BIOLOGICHE SU UN SUPPORTO" "METHOD FOR THE IMMOBILIZATION OF BIOLOGICAL MOLECULES ON A SUPPORT"
La presente invenzione fornisce un metodo per l’immobilizzazione di molecole biologiche, quali acidi nucleici, peptidi o proteine, sulla superficie di un supporto solido di materiale vetroso o plastico. The present invention provides a method for the immobilization of biological molecules, such as nucleic acids, peptides or proteins, on the surface of a solid support of glass or plastic material.
L’immobilizzazione di molecole biologiche su diversi substrati riveste un’importanza cruciale nello sviluppo della tecnologia dei microarrays (Nature Genetics Supplement Vol 21, 1999). Questi ultimi in anni recenti hanno visto un’ampia diffusione in svariati settori della ricerca medico-biologica, grazie alla loro versatilità e miniaturizzazione che consente la realizzazione di tecniche “high throughput”. I metodi e i materiali impiegati nel rivestimento delle superfici dei substrati utilizzati nella produzione di microarray costituiscono un fattore decisivo per la riuscita di tali tecniche. The immobilization of biological molecules on different substrates is of crucial importance in the development of microarrays technology (Nature Genetics Supplement Vol 21, 1999). The latter in recent years have seen a wide diffusion in various sectors of medical-biological research, thanks to their versatility and miniaturization that allows the creation of "high throughput" techniques. The methods and materials used in coating the substrate surfaces used in microarray manufacturing are a decisive factor in the success of these techniques.
Negli ultimi anni sono stati sviluppati rivestimenti polimerici basati su gel di poliacrilammide o polidimetilacrilammide per limmobilizzazione regioselettiva dei terminali 3' o 5' di oligonucleotidi. Il procedimento per immobilizzare il DNA nel gel di poliacrilammide e dimetilacrilammide, sviluppato dal gruppo di Mirzabekov all'Istituto di Engelhardt di Mosca (US0981734) prevede la formazione di gruppi funzionali su substrati di supporto per facilitare l'immobilizzazione di oligonucleotidi. In recent years, polymeric coatings based on polyacrylamide or polydimethylacrylamide gels have been developed for regioselective immobilization of the 3 'or 5' end groups of oligonucleotides. The procedure for immobilizing DNA in the polyacrylamide and dimethylacrylamide gel, developed by the Mirzabekov group at the Engelhardt Institute in Moscow (US0981734), involves the formation of functional groups on supporting substrates to facilitate the immobilization of oligonucleotides.
In US05861247 è stato descritto un metodo per costruire matrici oligonucleotidiche. Il metodo comprende il confinamento di un fluido sensibile alla luce in superficie, l’esposizione di detto fluido a un sistema di luce tale da causare la coalescenza del fluido in unità discrete e l'adesione alla superficie, e il contatto di ciascuna unità con un gruppo di diverse molecole oligonucleotidiche in modo da permettere la dispersione delle molecole nelle unità. La procedura per fissare su vetrino il gel di poliacrilammide è difficoltosa poiché richiede la silanizzazione del vetro e la fotopolimerizzazione dell'acrilammide. In US05861247 a method for constructing oligonucleotide matrices has been described. The method comprises confining a light-sensitive fluid to the surface, exposing said fluid to a system of light that causes the fluid to coalescence into discrete units and adhere to the surface, and contacting each unit with a group of different oligonucleotide molecules in order to allow the dispersion of the molecules in the units. The procedure for fixing the polyacrylamide gel on the slide is difficult as it requires the silanization of the glass and the photopolymerization of the acrylamide.
Secondo un diverso approccio, Boles e collaboratori al Mosaic Technologies Ine. (US05932711 e US061 80770) hanno sviluppato la chimica per l'attacco in fase solida di oligonucleotidi basata sulla sintesi di oligonucleotidi recanti gruppi acrilammidici al terminale 5'. Gli oligonucleotidi recanti funzioni polimerizzabili vengono copolimerizzati con acrilammide/bisacrilammide e legati covalentemente ad una superficie organosilanica su cui sono stati precedentemente inseriti i gruppi acriloile. Anche questa procedura richiede molto tempo e un controllo accurato dei parametri operativi. According to a different approach, Boles and collaborators at Mosaic Technologies Ine. (US05932711 and US061 80770) have developed the chemistry for the solid phase etching of oligonucleotides based on the synthesis of oligonucleotides bearing acrylamide groups at the 5 'end. The oligonucleotides having polymerizable functions are copolymerized with acrylamide / bisacrylamide and covalently bonded to an organosilane surface on which the acryloyl groups have previously been inserted. This procedure also requires a lot of time and careful control of the operating parameters.
SurModics, Ine. (US06121027) ha sviluppato la tecnologia per produrre reagenti polibifunzionali aventi uno scheletro polimerico, una o più regioni fotoreattive "sporgenti", e uno o più gruppi bioattivi “sporgenti”. Il reagente può essere attivato per formare un "bulk material" o portato in contatto con la superfìcie di materiale precedentemente formato e attivato per formare il rivestimento. I gruppi bioattivi "sporgenti" promuovono l'attacco di acidi nucleici specifici e altre molecole capaci di legare non covalentemente porzioni di molecole specifiche e complementari. SurModics, Ine. (US06121027) has developed the technology to produce polyfunctional reagents having a polymeric backbone, one or more "bulging" photoreactive regions, and one or more "bulging" bioactive groups. The reactant can be activated to form a bulk material or brought into contact with the surface of previously formed material and activated to form the coating. The "protruding" bioactive groups promote the attachment of specific nucleic acids and other molecules capable of non-covalently binding portions of specific and complementary molecules.
In un brevetto recente (US05858653) SurModics ha descritto un metodo per produrre un supporto polimerico per l'attacco di oligonucleotidi e DNA, in cui diversi omopolimeri e copolimeri, ottenuti per polimerizzazione per aggiunta o condensazione, forniscono uno scheletro polimerico capace di veicolare gruppi ionici, fotogruppi e gruppi termodinamicamente reattivi. Il metodo è basato sull'attivazione di gruppi fotoreattivi latenti per generare specie attive che sono addizionate ad altre specie attive sulla stessa o su un'altra molecola in modo da generare una rete tridimensionale in cui le funzioni reattive sono opportunamente separate dalla superficie. Anche se molto flessibile, tale metodo comporta la sintesi di copolimeri complessi la cui composizione è difficilmente controllabile. In a recent patent (US05858653) SurModics described a method for producing a polymeric support for the attachment of oligonucleotides and DNA, in which different homopolymers and copolymers, obtained by polymerization by addition or condensation, provide a polymeric skeleton capable of carrying ionic groups , photogroups and thermodynamically reactive groups. The method is based on the activation of latent photoreactive groups to generate active species that are added to other active species on the same or on another molecule in order to generate a three-dimensional network in which the reactive functions are suitably separated from the surface. Although very flexible, this method involves the synthesis of complex copolymers whose composition is difficult to control.
Si è ora trovato, ed è oggetto della presente invenzione, un metodo semplice e veloce per immobilizzare molecole biologiche, quali peptidi, proteine e molecole di acido nucleico, in particolare DNA, sulla superficie di materiali vetrosi o plastici comunemente utilizzati come substrati di adesione per tali molecole, quali piastre multipozzetto, beads, provette, vetrini per microscopio, wafer e membrane di silice. Materiali plastici idonei sono per esempio a base di polistirene, policarbonato, polivinilcloruro e polipropilene. It has now been found, and it is the object of the present invention, a simple and fast method for immobilizing biological molecules, such as peptides, proteins and nucleic acid molecules, in particular DNA, on the surface of glassy or plastic materials commonly used as adhesion substrates for such molecules, such as multiwell plates, beads, test tubes, microscope slides, wafers and silica membranes. Suitable plastic materials are, for example, based on polystyrene, polycarbonate, polyvinyl chloride and polypropylene.
Il metodo sfrutta la capacità di certi polimeri a base acrilammidica, opportunamente derivatizzati, di essere adsorbiti con notevole affinità sulla superficie dei materiali sopra specificati, fornendo così una matrice di rivestimento altamente idrofila a cui possono essere covalentemente legate le molecole biologiche. I polimeri a base acrilammidica, oggetto della presente invenzione, sono ottenuti per copolimerizzazione radicalica di una miscela comprendente: The method exploits the ability of certain acrylamide-based polymers, suitably derivatized, to be adsorbed with considerable affinity on the surface of the materials specified above, thus providing a highly hydrophilic coating matrix to which biological molecules can be covalently bonded. The polymers based on acrylamide, object of the present invention, are obtained by radical copolymerization of a mixture comprising:
a) un monomero scelto dal gruppo comprendente acrilammide e metacrilammide, preferibilmente mono- o di-sostituite all’azoto da catene alchiliche C1 -C12 lineari o ramificate, a loro volta eventualmente sostituite da alogeno, preferibilmente fluoro, oppure da un gruppo metossi o, in caso di mono-sostituenti all’azoto, da un gruppo idrossi; b) un monomero etilenico contenente gruppi in grado di reagire covalentemente con i gruppi amminici o tiolici liberi presenti nei peptidi/proteine o con i residui ammino-modificati di molecole di acido nucleico, essendo tali gruppi reattivi separati dall’unità etilenica per mezzo di bracci spaziatori contenenti catene o anelli alifatici recanti gruppi polari e/o eteroatomi, in particolare alchili C1-C6 lineari o ciclici eventualmente interrotti da atomi di O, N, S, da gruppi carbonile (-CO-), ammide (-CONH-), solfossidi (-SO-), solfonile (-S02-), solfonammidi (-S02NH-), carbonilossi (-COO-). a) a monomer selected from the group comprising acrylamide and methacrylamide, preferably mono- or di-substituted nitrogen by linear or branched C1 -C12 alkyl chains, in turn optionally replaced by halogen, preferably fluorine, or by a methoxy or group, in the case of nitrogen mono-substituents, from a hydroxy group; b) an ethylene monomer containing groups capable of reacting covalently with the free amino or thiol groups present in the peptides / proteins or with the amino-modified residues of nucleic acid molecules, these reactive groups being separated from the ethylene unit by means of arms spacers containing aliphatic chains or rings bearing polar groups and / or heteroatoms, in particular linear or cyclic C1-C6 alkyls possibly interrupted by atoms of O, N, S, by carbonyl groups (-CO-), amide (-CONH-), sulfoxides (-SO-), sulfonyl (-S02-), sulfonamides (-S02NH-), carbonyloxy (-COO-).
Il contenuto di monomero (b) nella miscela di polimerizzazione può variare tra 0,1 e 25% p/v, preferibilmente 1-4%, il resto essendo costituito dal monomero (a). In aggiunta la miscela di polimerizzazione può contenere un ulteriore monomero (c) che differisce dal monomero (b) per la presenza di un gruppo che assume carica positiva in soluzione acquosa o leggermente acida e che coopera con il monomero (b) nell’ aumentare il legame della molecola biologica combinando legame covalente con interazione elettrostatica. Il contenuto di monomero (c) nella miscela di polimerizzazione può arrivare a 25%p/v, essendo preferito l’intervallo 5-10%. Con l’inserimento del monomero (c) è possibile immobilizzare la molecola biologica nella matrice del polimero di rivestimento mediante legame covalente e ionico. Tra i gruppi in grado di legare le molecole biologiche in modo covalente (monomero (b)), senza limitare in alcun modo l’invenzione, si citano esteri attivi di acidi carbossilici quale il residuo N-carbonilossi-immide (-COO-N-immide), dove l’immide preferibilmente è ciclica a 4-5 atomi di carbonio ed eventualmente sostituita, quale succinimmide e maleimmide, oppure ossirani eventualmente sostituiti; tra i gruppi in grado di stabilire interazioni elettrostatiche con le stesse molecole biologiche si citano le ammine e i gruppi ammonici quaternari. Tali gruppi possono essere già presenti in uno o più dei monomeri della miscela di polimerizzazione iniziale oppure possono essere introdotti a polimerizzazione avvenuta, come descritto in Timofeev et al., Nucleic Acid Research, 1996, 24, 16, 3142-3148. In quest’ultimo lavoro si riporta per esempio la preparazione di un copolimero N,N-dimetilacrilammide/2-idrossietilacrilato, successivamente trattato con il cloruro dell’acido metilsolfonico per generare un metilsolfonato terminale che rappresenta un ottimo gruppo uscente per sostituzioni nucleofile, per esempio con un gruppo amminico primario di un oligonucleotide amminomodificato. The content of monomer (b) in the polymerization mixture can vary between 0.1 and 25% w / v, preferably 1-4%, the remainder being made up of monomer (a). In addition, the polymerization mixture may contain a further monomer (c) which differs from monomer (b) by the presence of a group which assumes a positive charge in aqueous or slightly acid solution and which cooperates with monomer (b) in increasing the bond of the biological molecule by combining covalent bond with electrostatic interaction. The monomer content (c) in the polymerization mixture can reach 25% w / v, the 5-10% range being preferred. With the insertion of the monomer (c) it is possible to immobilize the biological molecule in the matrix of the coating polymer by means of a covalent and ionic bond. Among the groups capable of covalently binding biological molecules (monomer (b)), without limiting the invention in any way, active esters of carboxylic acids such as the N-carbonyloxy-imide residue (-COO-N- imide), where the imide is preferably cyclic with 4-5 carbon atoms and optionally substituted, such as succinimide and maleimide, or optionally substituted oxiranes; among the groups capable of establishing electrostatic interactions with the same biological molecules, the amines and quaternary ammonium groups are mentioned. Such groups can already be present in one or more of the monomers of the initial polymerization mixture or they can be introduced after polymerization, as described in Timofeev et al., Nucleic Acid Research, 1996, 24, 16, 3142-3148. In this last work, for example, the preparation of a copolymer N, N-dimethylacrylamide / 2-hydroxyethylacrylate, subsequently treated with methylsulfonic acid chloride to generate a terminal methylsulfonate which represents an excellent leaving group for nucleophilic substitutions, for example with a primary amino group of an aminomodified oligonucleotide.
Preferibilmente come monomero (a) si utilizza N,N-dimetilacrilammide, come monomeri (b) gli allilossialchil(Cl-C4)ossirani e la N-acriloilossi[alchil(Cl-C4)]nsuccinimmide (n=0,l), essendo maggiormente preferiti allilossimetilossirano e N-acriloilossisuccinimmide; come monomero (c) viene preferibilmente utilizzato Ν,Ν,Ν,-trimetilamminoetilacrilammide. Preferably N, N-dimethylacrylamide is used as monomer (a), as monomers (b) the allyloxyalkyl (Cl-C4) oxiranes and N-acryloxy [alkyl (Cl-C4)] nsuccinimide (n = 0.1), being more preferred allyloxymethyloxirane and N-acryloxyloxysuccinimide; as monomer (c) Ν, Ν, Ν, -trimethylaminoethylacrylamide is preferably used.
Polimeri preferiti sono ottenuti a partire dalle seguenti miscele di monomeri: Preferred polymers are obtained starting from the following mixtures of monomers:
Ν,Ν-dimetilacrilammide e N-acriloilossisuccinimmide ((a) (b)); Ν, Ν-dimethylacrylamide and N-acryloxyloxysuccinimide ((a) (b));
Ν,Ν-dimetilacrilammide, N-acriloilossisuccinimmide e Ν,Ν,Νtrimetilamminoetilacrilammide ((a) (b) (c)). Ν, Ν-dimethylacrylamide, N-acryloxyloxysuccinimide and Ν, Ν, Νtrimethylaminoethylacrylamide ((a) (b) (c)).
La reazione di polimerizzazione può essere condotta in solventi organici apolari, preferibilmente tetraidrofurano, ed è generalmente catalizzata da catalizzatori di tipo radicalico quale α,α’-azoisobutirronitrile AIBN. The polymerization reaction can be carried out in non-polar organic solvents, preferably tetrahydrofuran, and is generally catalysed by radical type catalysts such as α, α's-azoisobutyronitrile AIBN.
Secondo il metodo dell’ invenzione, i polimeri sopra descritti vengono adsorbiti sulla superficie del substrato ponendo una soluzione acquosa degli stessi a contatto di detta superficie per un tempo che potrà variare a seconda della miscela utilizzata e della superficie da trattare, ma che generalmente varierà da pochi secondi a 30 min o oltre, in modo da formare un rivestimento altamente idrofilo in cui le funzioni o gruppi reattivi risultano accessibili alle molecole biologiche. Successivamente queste ultime sono legate covalentemente a detti gruppi reattivi secondo procedure note all’esperto del settore (DNA Microarrays A Practical Approach, Mark Schena Ed., Oxford University Press). Le soluzioni acquose utilizzate per la deposizione del rivestimento polimerico hanno un contenuto di polimero variabile da 0,1 a 20 % p/v, preferibilmente da 0.1. a 1% p/v. In una realizzazione preferita, la soluzione acquosa contiene solfato d’ammonio al 20% di saturazione. According to the method of the invention, the polymers described above are adsorbed on the surface of the substrate by placing an aqueous solution of the same in contact with said surface for a time which may vary according to the mixture used and the surface to be treated, but which will generally vary from a few seconds to 30 min or more, in order to form a highly hydrophilic coating in which the reactive functions or groups are accessible to biological molecules. Subsequently, the latter are covalently linked to said reactive groups according to procedures known to the expert in the field (DNA Microarrays A Practical Approach, Mark Schena Ed., Oxford University Press). The aqueous solutions used for the deposition of the polymer coating have a polymer content ranging from 0.1 to 20% w / v, preferably from 0.1. at 1% w / v. In a preferred embodiment, the aqueous solution contains ammonium sulfate at 20% saturation.
L’affinità per il substrato è tale che l’adsorbimento dei polimeri genera uno strato che non può essere rimosso dalla superficie del substrato dai comuni tamponi acquosi, nemmeno in presenza di additivi quali urea, SDS, sali o in condizioni di elevata temperatura. The affinity for the substrate is such that the adsorption of the polymers generates a layer that cannot be removed from the substrate surface by common aqueous buffers, even in the presence of additives such as urea, SDS, salts or in high temperature conditions.
Secondo una realizzazione preferita, i polimeri vengono utilizzati per il rivestimento di microarray di DNA, peptidi o proteine, che possono essere impiegati in tecniche d’ibridazione con molecole complementari. Esempi di molecole complementari sono rappresentati dalle coppie antigene/anticorpo, ligando/recettore, enzima/substrato, proteina/proteina, preferibilmente molecole di acido nucleico che possono essere utilizzate in tecniche di ibridazione secondo modalità ben note all’esperto del settore. L’invenzione comprende inoltre substrati di materiale plastico o vetroso, quali piastre multipozzetto, beads, provette, vetrini per microscopio, wafer e membrane di silice, aventi superfici rivestite con i polimeri qui descritti. According to a preferred embodiment, the polymers are used for coating microarrays of DNA, peptides or proteins, which can be used in hybridization techniques with complementary molecules. Examples of complementary molecules are represented by antigen / antibody, ligand / receptor, enzyme / substrate, protein / protein pairs, preferably nucleic acid molecules that can be used in hybridization techniques in ways well known to those skilled in the art. The invention also includes substrates of plastic or glass material, such as multiwell plates, beads, test tubes, microscope slides, wafers and silica membranes, having surfaces coated with the polymers described herein.
Breve descrizione delle figure Brief description of the figures
Fig. 1: Intensità di fluorescenza degli spots in funzione della concentrazione della matrice di rivestimento dei vetrini. Fig. 1: Fluorescence intensity of the spots as a function of the concentration of the coating matrix of the slides.
Un oligonucleotide amino-modificato al 5’ (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in concentrazione 50 fm/nl (femtomoli/nanolitro) è stato depositato su vetrini rivestiti dalla matrice p(DMA-NAS 2%) in concentrazione 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 e 1% in una soluzione di ammonio solfato satura al 20%. L'oligo è stato poi ibridato, seguendo il protocollo descritto, con la sonda complementare marcata al 3' con Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) per 2 ore a 65°C. Dopo una serie di lavaggi i vetrini sono stati letti con lo scanner mFAr 2000-1, progettato e costruito da Virtek per Medway, e l'immagine è stata analizzata tramite il software Virtek ChipReader. Ogni punto rappresenta la media dell'intensità di fluorescenza, in unità arbitrarie, di 6 spots dell'oligo Mdw5. A 5 'amino-modified oligonucleotide (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in concentration 50 fm / nl (femtomol / nanoliter) was deposited on p-matrix coated slides (DMA-NAS 2%) in concentration 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1% in a 20% saturated ammonium sulfate solution. The oligo was then hybridized, following the described protocol, with the complementary probe labeled at 3 'with Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) for 2 hours at 65 ° C. After a series of washes, the slides were read with the mFAr 2000-1 scanner, designed and built by Virtek for Medway, and the image was analyzed using Virtek ChipReader software. Each point represents the average of the fluorescence intensity, in arbitrary units, of 6 spots of the Mdw5 oligo.
Fig. 2: Intensità di fluorescenza degli spots in funzione del solvente in cui è stata disciolta la matrice p(DMA-NAS 2%). Fig. 2: Fluorescence intensity of the spots as a function of the solvent in which the p matrix has been dissolved (DMA-NAS 2%).
Un oligonucleotide amino-modificato al 5' (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in concentrazione 50 fm/nl è stato depositato su vetrini rivestiti dalla matrice p(DMA-NAS 2%) all' 1 % disciolta o in tetraidrofurano (THF) o in acqua o in una soluzione di ammonio solfato saturo al 20%. L'oligo è stato poi ibridato, seguendo il protocollo descritto, con la sonda complementare marcata al 3' con Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) per 2 ore a 65°C. Dopo una serie di lavaggi i vetrini sono stati letti con lo scanner Mfar 2000-1, progettato e costruito da Virtek per Medway, e l'immagine è stata analizzata tramite il software 1D Image Analysis by Kodak Digital Science. Ogni barra rappresenta la media dell'intensità di fluorescenza di 6 spots. A 5 'amino-modified oligonucleotide (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in a concentration of 50 fm / nl was deposited on slides coated by the p matrix (DMA-NAS 2%) at 1% dissolved either in tetrahydrofuran (THF) or in water or in a 20% saturated ammonium sulfate solution. The oligo was then hybridized, following the described protocol, with the complementary probe labeled at 3 'with Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) for 2 hours at 65 ° C. After a series of washes, the slides were read with the Mfar 2000-1 scanner, designed and built by Virtek for Medway, and the image was analyzed using the 1D Image Analysis software by Kodak Digital Science. Each bar represents the average of the fluorescence intensity of 6 spots.
Fig. 3: Intensità media di fluorescenza di spot in funzione della concentrazione di oligonucleotide. Fig. 3: Average fluorescence intensity of spots as a function of the oligonucleotide concentration.
Ogni punto rappresenta la media dell'intensità di fluorescenza, in unità arbitrarie, di 6 spots di un oligonucleotide (Mdw5) amino-modificato al 5' (by MWG-BIOTECH) alla concentrazione di 1, 5, 25 e 50 frn/nl. L'oligonucleotide amino-modificato, depositato su un supporto di vetro rivestito dalla matrice p(DMA-NAS 2%) all' 1 % di concentrazione, è stato ibridato, seguendo il prodotocollo descritto, con la sonda complementare (Mdw4) marcata al 3' cpm Cy5 (by MWG-BIOTECH) per 2 ore a 65°C. Dopo una serie di lavaggi il vetrino è stato letto con lo scanner Mfar 2000-1, progettato e costruito da Virtek per Medway, e l'immagine è stata analizzata tramite il software 1D Image Analysis by Kodak Digital Science. Each point represents the average of the fluorescence intensity, in arbitrary units, of 6 spots of a 5 'amino-modified oligonucleotide (Mdw5) (by MWG-BIOTECH) at concentrations of 1, 5, 25 and 50 frn / nl. The amino-modified oligonucleotide, deposited on a glass support coated with the matrix p (DMA-NAS 2%) at 1% concentration, was hybridized, following the described product, with the complementary probe (Mdw4) labeled at 3 'cpm Cy5 (by MWG-BIOTECH) for 2 hours at 65 ° C. After a series of washes, the slide was read with the Mfar 2000-1 scanner, designed and built by Virtek for Medway, and the image was analyzed using the 1D Image Analysis software by Kodak Digital Science.
Fig. 4: Esperimento di ibridazione oligo-oligo. Fig. 4: Oligo-oligo hybridization experiment.
Un oligonucleotide amino-modificato al 5' (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in concentrazione 10 fm/nl (colonna di sinistra), 25 fm/nl (colonna centrale) e 50 fm/nl (colonna di destra) è stato depositato su un vetrino rivestito dalla matrice p(DMA-NAS 2%) all' 1 % disciolta in una soluzione di ammonio solfato satura al 20%. L'oligo è stato poi ibridato, seguendo il protocollo descritto, con la sonda complementare marcata al 3' con Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) per 2 ore a 65°C. Dopo una serie di lavaggi il vetrino è stato letto con lo scanner Mfar 2000-1, progettato e costruito da Virtek per Medway. A 5 'amino-modified oligonucleotide (Mdw5 by MWG-BIOTECH) in concentrations 10 fm / nl (left column), 25 fm / nl (middle column) and 50 fm / nl (right column) was deposited on a slide coated with 1% p (DMA-NAS 2%) matrix dissolved in a 20% saturated ammonium sulphate solution. The oligo was then hybridized, following the described protocol, with the complementary probe labeled at 3 'with Cy5 (Mdw4 by MWG-BIOTECH) for 2 hours at 65 ° C. After a series of washes, the slide was read with the Mfar 2000-1 scanner, designed and built by Virtek for Medway.
Fig. 5: Esperimento di ibridazione oligo-cDNA. Fig. 5: Oligo-cDNA hybridization experiment.
Un oligonucleotide amino-modificato al 5’ (Mdw 14 by MWG-BIOTECH), corrispondente ad un frammento del gene neomicina derivato dal plasmide pEGFP-Nl, in concentrazione 3.125, 6.25, 12.5, 25 e 50 fm/nl ( da sinistra a destra) è stato depositato su un vetrino rivestito dalla matrice p(DMA-NAS 2%) all ’1 % disciolta in una soluzione di ammonio solfato satura al 20%. L’oligo è stato poi ibridato per 2 ore a 42°C, seguendo il protocollo descritto, con il frammento complementare di cDNA del gene neomicina, marcato al 3’ con una Cy5. Dopo una serie di lavaggi il vetrino è stato letto con lo scanner mFAR 2000-1, progettato e costruito da Virtek per Medway. A 5 'amino-modified oligonucleotide (Mdw 14 by MWG-BIOTECH), corresponding to a fragment of the neomycin gene derived from the pEGFP-Nl plasmid, in concentrations 3.125, 6.25, 12.5, 25 and 50 fm / nl (from left to right ) was deposited on a slide coated with 1% p (DMA-NAS 2%) matrix dissolved in a 20% saturated ammonium sulphate solution. The oligo was then hybridized for 2 hours at 42 ° C, following the described protocol, with the complementary cDNA fragment of the neomycin gene, labeled at 3 'with a Cy5. After a series of washes, the slide was read with the mFAR 2000-1 scanner, designed and built by Virtek for Medway.
Gli esempi che seguono illustrano l’invenzione in maggior dettaglio. The following examples illustrate the invention in greater detail.
ESEMPI EXAMPLES
Esempio 1 Example 1
Sintesi di N-acriloilossisuccinimmide Synthesis of N-acryloxyloxysuccinimide
Acriloilcloruro (0,99 g, 11,0 mmoli) raffreddato a 0°C, è stato aggiunto a gocce a una soluzione di N-idrossisuccinimmide (NAS) (1,15 g, 10,0 mmoli) e trietilammina (1,53 mi) in cloroformio (15 mi), sotto agitazione meccanica in un periodo di 30 minuti. Dopo ulteriore agitazione di 20 minuti a 0°C, la soluzione è stata lavata con acqua fredda-ghiaccio (18 mi x 2 volte), essiccata su Na2S04 e filtrata. 2,5-di-ter-butilidrochinone (0,5 mg) (inibitore di polimerizzazione) è stato aggiunto alla soluzione di cloroformio, che è stata concentrata a un volume di 3 mi usando un evaporatore rotante e filtrata. Acryloyl chloride (0.99 g, 11.0 mmol) cooled to 0 ° C, was added dropwise to a solution of N-hydroxysuccinimide (NAS) (1.15 g, 10.0 mmol) and triethylamine (1.53 ml) in chloroform (15 ml), under mechanical stirring over a period of 30 minutes. After further stirring for 20 minutes at 0 ° C, the solution was washed with ice-cold water (18 ml x 2 times), dried over Na2SO4 and filtered. 2,5-di-tert-butylhydroquinone (0.5mg) (polymerization inhibitor) was added to the chloroform solution, which was concentrated to a volume of 3ml using a rotary evaporator and filtered.
Etilacetato (3 mi) e «-esano (2 mi) sono stati aggiunti lentamente sotto agitazione alla soluzione di cloroformio, e la miscela è stata lasciata a 0°C per diverse ore. Si forma così un precipitato, un solido incolore, che viene separato per filtrazione e lavato con una soluzione fredda-ghiaccio di etilacetato/n-esano (4/1) e poi lavato con n-esano. Ethyl acetate (3 ml) and hexane (2 ml) were added slowly with stirring to the chloroform solution, and the mixture was left at 0 ° C for several hours. A precipitate is thus formed, a colorless solid, which is separated by filtration and washed with an ice-cold solution of ethyl acetate / n-hexane (4/1) and then washed with n-hexane.
13C-NMR (DMSO), δ (ppm): 150 (carbonile), 137 (CH2=), 122 -(CH=), 24,8 (-CH2-) 13C-NMR (DMSO), δ (ppm): 150 (carbonyl), 137 (CH2 =), 122 - (CH =), 24.8 (-CH2-)
Esempio 2 Example 2
Sintesi di poli( N, N-dimetilacrilammide-co- N-acriloilossisuccinimmide) [DMA98-co-NAS2] . Synthesis of poly (N, N-dimethylacrylamide-co- N-acryloxyloxysuccinimide) [DMA98-co-NAS2].
In un pallone da 25 mi dotato di condensatore, agitatore magnetico e connessione per azoto, si sono sciolti N,N -dimetilacrilammide (600 mg, 6,15 mmoli) e N -acriloilsuccinimmide (20,7 mg, 0,12 mmoli) in 6 mi di tetraidro furano anidro (THF). La soluzione è stata degasata alternando limmissione di azoto con il vuoto per un periodo di 30 minuti. Due mg di α,α'-azoisobutirronitrile (AIBN) sono stati aggiunti alla soluzione che è stata quindi riscaldata a 50°C e lasciata a questa temperatura sotto una pressione di idrogeno leggermente positiva per 24 ore. A completamento della polimerizzazione, la soluzione è stata evaporata usando un evaporatore rotante, il solido bianco è stato disciolto in cloroformio e precipitato per aggiunta di benzina di petrolio. Il surnatante è stato eliminato e l'intera procedura ripetuta due volte. Il polimero è stato essiccato sotto vuoto per 24 ore a temperatura ambiente e conservato a 4°C. In a 25 ml flask equipped with a condenser, magnetic stirrer and nitrogen connection, N, N-dimethylacrylamide (600 mg, 6.15 mmol) and N-acryloylsuccinimide (20.7 mg, 0.12 mmol) were dissolved in 6 ml of anhydrous tetrahydro furan (THF). The solution was degassed by alternating nitrogen delivery with vacuum for a period of 30 minutes. Two mg of α, α'-azoisobutyronitrile (AIBN) was added to the solution which was then heated to 50 ° C and left at this temperature under slightly positive hydrogen pressure for 24 hours. Upon completion of the polymerization, the solution was evaporated using a rotary evaporator, the white solid was dissolved in chloroform and precipitated by adding petroleum gasoline. The supernatant was discarded and the entire procedure repeated twice. The polymer was dried under vacuum for 24 hours at room temperature and stored at 4 ° C.
<13>C-NMR (DMSO), δ (ppm): 174,6 (carbonile dello scheletro), 166 (carbonili della succinimmide), 40 - 30 (carbonii del metilene). Il grado di incorporazione della succinimmide, determinato dal rapporto degli integrali del carbonile dello scheletro e della succinimmide, è 1,5%. <13> C-NMR (DMSO), δ (ppm): 174.6 (carbonyl of the skeleton), 166 (carbonyls of succinimide), 40 - 30 (carbonyls of methylene). The degree of incorporation of succinimide, determined by the ratio of skeletal carbonyl integrals to succinimide, is 1.5%.
Esempio 3 Example 3
Sintesi di [DMA90-coNAS10]. Synthesis of [DMA90-coNAS10].
Il cammino sintetico è lo stesso descritto sopra con l'unica differenza data dal rapporto tra DMA (600 mg, 6,15 mmoli) e NAS (103,4 mg, 0,61 mmoli). 13C-NMR (DMSO), δ (ppm): 174,6 (carbonile dello scheletro), 166 (carbonili della succinimmide), 40 - 30 (carbonii del metilene). Il grado di incorporazione della succinimmide, determinato dal rapporto degli integrali del carbonile dello scheletro e della succinimmide, è uguale a 7%. The synthetic path is the same as described above with the only difference being the ratio between DMA (600 mg, 6.15 mmol) and NAS (103.4 mg, 0.61 mmol). 13C-NMR (DMSO), δ (ppm): 174.6 (carbonyl of the skeleton), 166 (carbonyls of succinimide), 40 - 30 (carbonyls of methylene). The degree of incorporation of succinimide, determined by the ratio of the integrals of the skeleton carbonyl and succinimide, is equal to 7%.
Esempio 4 Example 4
Il cammino sintetico è lo stesso descritto sopra con l'unica differenza data dal fatto che si polimerizza una miscela di tre monomeri: A,A-dimetilacrilammide (600 mg, 6,15 mmoli), A-acriloilsuccinimmide (20,7 mg, 0,12 mmoli) e Ν,Ν,Ν-trimetiaminoetilacrilammide (47 mg (0.3 mmoli) in 6 mi di tetraidrofurano anidro (THF). The synthetic path is the same as described above with the only difference being that a mixture of three monomers is polymerized: A, A-dimethylacrylamide (600 mg, 6.15 mmol), A-acryloylsuccinimide (20.7 mg, 0 , 12 mmol) and Ν, Ν, Ν-trimethiaminoethylacrylamide (47 mg (0.3 mmol) in 6 ml of anhydrous tetrahydrofuran (THF).
Esempio 5 Example 5
Saggio per il contenuto di estere attivo di [DMAn-co-NASm], con n=98, m=2; e n=90, m=10, in soluzione acquosa. Assay for the active ester content of [DMAn-co-NASm], with n = 98, m = 2; and n = 90, m = 10, in aqueous solution.
Si è osservato che N-idrossisuccinimmide non ha assorbimento nell'UV a 260 nm; tuttavia, in condizioni alcaline, si rilevava un picco di assorbimento a questa lunghezza d'onda dovuto alla presenza della specie anionica 1 , λ max = 260 nm, ε - 9700 M<-1 >cm<-1>. It has been observed that N-hydroxysuccinimide has no absorption in UV at 260 nm; however, in alkaline conditions, an absorption peak was detected at this wavelength due to the presence of the anionic species 1, λ max = 260 nm, ε - 9700 M <-1> cm <-1>.
Pertanto la comparsa di 1 a seguito di idrolisi alcalina può essere utilizzata per valutare la quantità di NAS incorporata nel polimero e liberamente accessibile all'idrolisi. La comparsa di 1 è stata seguita spettrofotometricamente a 260 nm a 25°C. A completamento della reazione e dopo che azzeramento dell'incremento di assorbanza, la concentrazione di estere attivo è stata calcolata dal coefficiente di estinzione di 1. Therefore the appearance of 1 following alkaline hydrolysis can be used to evaluate the quantity of NAS incorporated in the polymer and freely accessible to hydrolysis. The appearance of 1 was followed spectrophotometrically at 260 nm at 25 ° C. Upon completion of the reaction and after zeroing of the absorbance increase, the active ester concentration was calculated from the extinction coefficient of 1.
[DMA98-co-NAS2] e [DMA90-co-NAS10] contengono rispettivamente 90 e 400 pinoli di gruppi esterei di N-idrossisuccinimmide/g di polimero indicando che i gruppi NAS accessibili sono circa 1% e 4%. [DMA98-co-NAS2] and [DMA90-co-NAS10] contain respectively 90 and 400 pine nuts of ester groups of N-hydroxysuccinimide / g of polymer indicating that the accessible NAS groups are approximately 1% and 4%.
Esempio 6 Example 6
Saggio del contenuto di estere attivo di [DMAn-co-NASm], con n=98, m=2; e n=90, m=10, incorporato sulla superficie della provetta. Assay of the active ester content of [DMAn-co-NASm], with n = 98, m = 2; and n = 90, m = 10, incorporated on the surface of the test piece.
Una provetta (6 cm di altezza x 0,8 cm di larghezza) è stata rivestita con una soluzione di polimero recante gruppi NAS. La determinazione dei gruppi NAS accessibili all'idrolisi dopo adsorbimento del polimero sulla superficie è stata condotta registrando la variazione di assorbanza a 260 nm della soluzione di ammonio usata per idrolizzare i gruppi NAS sulla superficie interna della provetta. Di nuovo, l'incremento nell'assorbimento UV a 260 nm è stato determinato dalla produzione di 1 a seguito di idrolisi. One tube (6 cm high x 0.8 cm wide) was coated with a polymer solution bearing NAS groups. The determination of the NAS groups accessible to hydrolysis after adsorption of the polymer on the surface was carried out by recording the change in absorbance at 260 nm of the ammonium solution used to hydrolyze the NAS groups on the inner surface of the tube. Again, the increase in UV absorption at 260 nm was determined by the production of 1 following hydrolysis.
Per [DMA98-co-NAS2], il numero di NAS/mm2 d'attivi era 29,0 pmol/mm2. For [DMA98-co-NAS2], the number of NAS / mm2 of assets was 29.0 pmol / mm2.
Esempio 7 Example 7
Rivestimento di lastrine di vetro Coating of glass plates
Il rivestimento di lastrine di vetro richiede due passaggi, a) pretrattamento della superficie e b) adsorbimento del polimero. Nel primo passaggio i vetrini sono lavati con NaOH 1 M per 30 minuti, con HC1 1 M per 30 minuti, con acqua ed essiccati. Nel secondo passaggio i vetrini pretrattati sono stati immersi per 30 minuti in una soluzione di polimero da 0,1 a 1% p/v sciolto in una soluzione acquosa di solfato d'ammonio al 20% di saturazione. I vetrini sono quindi lavati accuratamente con acqua ed essiccati in un forno a 60°C. E’ stato esaminato l’effetto della concentrazione del polimero sull'intensità di fluorescenza dopo ibridazione. La Figura 1 mostra il segnale di fluorescenza di oligonucleotidi ibridati in funzione della concentrazione polimerica usata durante la fase di adsorbimento. I risultati indicano chiaramente che una concentrazione di polimero di 1% p/v fornisce i risultati migliori. L'aggiunta di ammonio solfato alla soluzione di polimero inoltre aumenta il segnale di fluorescenza mentre la dissoluzione del polimero in solvente organico riduce drasticamente la quantità di polimero adsorbita sulla superficie. La Figura 2 riassume i risultati in termini di segnale di fluorescenza ottenuto con il polimero disciolto in diversi mezzi. Coating of glass plates requires two steps, a) surface pretreatment and b) polymer adsorption. In the first step the slides are washed with 1 M NaOH for 30 minutes, with 1 M HCl for 30 minutes, with water and dried. In the second step, the pretreated slides were immersed for 30 minutes in a polymer solution from 0.1 to 1% w / v dissolved in an aqueous solution of ammonium sulphate at 20% saturation. The slides are then washed thoroughly with water and dried in an oven at 60 ° C. The effect of the polymer concentration on the fluorescence intensity after hybridization was examined. Figure 1 shows the fluorescence signal of hybridized oligonucleotides as a function of the polymer concentration used during the adsorption step. The results clearly indicate that a polymer concentration of 1% w / v provides the best results. The addition of ammonium sulfate to the polymer solution also increases the fluorescence signal while the dissolution of the polymer in organic solvent drastically reduces the amount of polymer adsorbed on the surface. Figure 2 summarizes the results in terms of the fluorescence signal obtained with the polymer dissolved in different media.
Esempio 8 Example 8
Immobilizzazione di sonde Immobilization of probes
Deposizione di DNA: oligonucleotidi di sintesi 3' amminomodificati e prodotti di PCR, precedentemente desalificati, sono stati sciolti in tampone fosfato di sodio 150 mM a pH 8,5. Soluzioni stock di 100 nM/ml o 0,1 - 0,5 mg/ml sono state rispettivamente usate per gli oligonucleotidi e PCR. Le soluzioni di DNA sono state diluite a 25, 10 e 5 nM/ml e spot di 1 ni sono stati depositati sui vetrini rivestiti per preparare microarrays. La Figura 3 mostra l'intensità di fluorescenza degli ibridi in funzione della concentrazione di oligonucleotidi localizzati sulla superficie. DNA Deposition: Synthetic 3 'aminomodified oligonucleotides and PCR products, previously desalted, were dissolved in 150 mM sodium phosphate buffer at pH 8.5. Stock solutions of 100 nM / mL or 0.1 - 0.5 mg / mL were used for oligonucleotides and PCR, respectively. DNA solutions were diluted to 25, 10 and 5 nM / mL and 1 n spots were deposited on the coated slides to prepare microarrays. Figure 3 shows the fluorescence intensity of the hybrids as a function of the concentration of oligonucleotides located on the surface.
I vetrini stampati sono stati posti in una cassetta scoperta che è stata posta in una camera sigillata, saturata con NaCl e lasciata incubare a temperatura ambiente. L'incubazione di una notte fornisce i risultati migliori, il periodo minimo di incubazione essendo di 4 ore. The printed slides were placed in an uncovered cassette which was placed in a sealed chamber saturated with NaCl and allowed to incubate at room temperature. Overnight incubation gives the best results, the minimum incubation period being 4 hours.
Protocollo di ibridazione: i gruppi reattivi residui sono stati bloccati per immersione dei vetrini stampati in una soluzione 50 mM di etanolammina in 0,1 M Tris, pH 9,0, contenente sodio dodecilsolfato (SDS) 0,1% a 50°C per 15 minuti. Dopo aver eliminato la soluzione di blocco, i vetrini sono stati lavati due volte con acqua e agitati per 15 - 60 minuti con tampone 4X SSC/0,1% SDS, preriscaldati a 50°C. Dopo un breve lavaggio con acqua i vetrini sono stati trattati in modo differente a seconda della natura delle sonde. Nel caso di arrays oligonucleotidici i vetrini sono stati posti nell'alloggiamento e centrifugati a 800 rpm per 3 minuti. Nel caso di arrays di DNA a doppio filamento, i vetrini sono stati lasciati in acqua bollente per 2 minuti, lavati due volte con acqua e centrifugati a 800 rpm per 3 minuti. Successivamente le molecole target (2,5 μΐ per cm<2>), sono state disciolte in un opportuno tampone di ibridazione, riscaldate in acqua bollente per 2 minuti, raffreddate e immediatamente applicate ai microarrays preparati come descritto sopra. I vetrini, posti in camere di ibridazione sono stati trasferiti in un incubatore umidificato a una opportuna temperatura per 4 - 16 ore. Hybridization protocol: the residual reactive groups were blocked by immersion of the printed slides in a 50 mM solution of ethanolamine in 0.1 M Tris, pH 9.0, containing 0.1% sodium dodecyl sulfate (SDS) at 50 ° C for 15 minutes. After removing the block solution, the slides were washed twice with water and shaken for 15 - 60 minutes with 4X SSC / 0.1% SDS buffer, prewarmed to 50 ° C. After a brief washing with water, the slides were treated differently depending on the nature of the probes. In the case of oligonucleotide arrays the slides were placed in the housing and centrifuged at 800 rpm for 3 minutes. In the case of double-stranded DNA arrays, the slides were left in boiling water for 2 minutes, washed twice with water and centrifuged at 800 rpm for 3 minutes. Subsequently, the target molecules (2.5 μΐ per cm <2>), were dissolved in a suitable hybridization buffer, heated in boiling water for 2 minutes, cooled and immediately applied to the microarrays prepared as described above. The slides, placed in hybridization chambers, were transferred to a humidified incubator at a suitable temperature for 4 - 16 hours.
Lavaggio e scansione: i vetrini sono stati lavati per due volte con 2S SSC/0,1% SDS alla temperatura d'ibridazione per 5 minuti. Successivamente si sono effettuati due passaggi di lavaggio con 0,2X SSC e 0,1X SSC. I vetrini sono stati essiccati e scansiti. La Figura 4 mostra i risultati di un esperimento di ibridazione tra oligonucleotidi depositati sulla superficie e oligonucleotidi marcati con Cy5 e raffronta i risultati con quelli ottenuti con vetrini commerciali in condizioni identiche. La Figura 5 mostra i risultati di un esperimento di ibridazione tra oligonucleotidi depositati sulla superficie e prodotti di PCR marcati con Cy5. Wash and Scan: Slides were washed twice with 2S SSC / 0.1% SDS at hybridization temperature for 5 minutes. Two washing steps were then carried out with 0.2X SSC and 0.1X SSC. The slides were dried and scanned. Figure 4 shows the results of a hybridization experiment between surface-deposited oligonucleotides and Cy5-labeled oligonucleotides and compares the results with those obtained with commercial slides under identical conditions. Figure 5 shows the results of a hybridization experiment between surface-deposited oligonucleotides and Cy5-labeled PCR products.
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