JP2004512497A - Interaction of colloid-fixed species with species on non-colloidal structures - Google Patents
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Abstract
要約書なし。No abstract.
Description
【0001】
発明の属する技術分野
本発明は一般に化学的および生化学的検出方法、そしてより具体的にはコロイドが電極、ビーズ、または細胞のような非コロイド構造に結合する技術、および複合シグナルが単一結合事象を表す技術に関する。薬物スクリーニングを含む技術が本発明により容易になる。
【0002】
発明の背景
薬物の発見は、生理的条件下で標的受容体またはタンパク質と相互作用する多数の候補化合物をスクリーニングすることにより促進される。細胞表面受容体またはタンパク質がとりわけ重要である。腫瘍形成を促進する生体分子相互作用の多くは細胞内および細胞間シグナル伝達を共に媒介する細胞表面タンパク質に関連する。“腫瘍マーカー”は、新生物形成状態への形質転換の結果として排他的に発現されるか、または過剰発現される細胞表面上の分子である。これらのマーカーのいくつかは腫瘍の組織に侵入する能力に関連し、転移により特徴付けられる侵略的な成長過程を示す(これらの腫瘍は一般に患者にとって不良予後に繋がる)。たとえば、細胞表面受容体αVβ3と細胞接着分子ビトロネクチン間の相互作用は血管新生に関連付けられている。J.Varner et al.,“Integrins and cancer、”Curr Opin Cell Biol.8:724(1996);B.Vailhe et al.,“In vitro angiogenesis is modulated by the mechanical properties of fibrin gels and is related to a αVβ3 integrin localization”、In Vitro Cell Dev Biol Anim.,33:763(1997);M.Horton,“The αVβ3 integrin ‘vitronectin receptor’,”Int J Biochem Cell Biol,29:721(1997)を参照されたい。実際、メラノーマ細胞上のこの受容体の増大した濃度は不良予後と関連付けられている。腫瘍形成および/または血管新生を促進する細胞表面受容体の別の例としては、MUC−1抗原がある;この抗原は乳房、前立腺、肺および卵巣癌で過剰発現される。
【0003】
腫瘍形成に関連する細胞表面受容体に結合し、阻害する薬物の探索は技術的に挑戦され続けてきた、なぜなら、無傷細胞で使用できるアッセイがほとんどないからである。リガンドと生きている無傷細胞の表面の標的受容体間の相互作用を検出する能力が、これらの相互作用を阻害する候補化合物のスクリーニングを可能にするであろう。細胞表面受容体の作用を阻害する薬物の化合物ライブラリーのスクリーニングは、薬物スクリーニング工程の間中、受容体が天然の配座および多量体化状態にあることに非常に依存する。現在の技術では、細胞表面受容体とそれらの天然のリガンドの相互作用を検出することは難しいか、または不可能である。
【0004】
現在の技術は細胞上のリガンド相互作用をアッセイするそれらの能力が制限される。蛍光励起性セルソーティング(FACS)は、細胞表面受容体の検出を可能にする少数の技術の中の一つである。細胞表面受容体を阻害する薬物をスクリーニングするためにこの技術を使用することにおける一つの障害は:1)技術が順次的で多数の薬物スクリーニングを促進するために容易に多重化することができないこと;および2)技術が受容体に結合する抗体の検出だけに適しており;抗原抗体反応は一般に薬物が阻害できない、高親和性相互作用であるということである。現在の技術では、細胞表面受容体とそれらの天然のリガンドを検出することは難しいか、または不可能である。細胞表面受容体の作用を阻害する薬物の化合物ライブラリーのスクリーニングは、薬物スクリーニング工程の間中、受容体が天然の配座および多量体化状態にあることに非常に依存する。
【0005】
細胞表面受容体について調べるために使用することのできる別の技術には、ELISAアッセイがある。この技術では、細胞を96−ウェルプラスチックプレートに接着する。コグネイト抗体を関心のある細胞表面受容体に結合させ、非結合抗体は洗い流す。受容体のアベイラビリティはコグネイト抗体の存在を検出することにより推定される。結合抗体の存在は、コグネイト抗体の種に対して活性な、検出可能なレベルに結合した第2抗体を導入することにより検出される。細胞表面タンパク質のアベイラビリティの評価、またはそれらを阻害する薬物のスクリーニングのためのこの技術の有効性を限定するいくつかの固有の問題がある:1)抗体のプラスチックへの非特異的吸着の結果生じる偽陽性により技術が妨害される;2)リガンド−受容体相互作用が多くの洗浄工程によりしばしば阻害される;そして最も重要なことには、3)このアッセイには天然のリガンドよりむしろ抗体を使用しなければならない;これらは典型的には高親和性相互作用をするため、受容体に結合する薬物が容易に阻害することができない;さらに天然のリガンドと異なり、抗体は受容体の正常な機能を阻害しない部位で標的受容体に結合するかもしれない。
【0006】
必要なものは、化学的または生物学的種間の結合事象をモニターまたは制御するためのアプローチであって、そのアプローチは広範囲の特異的相互作用における万能性を増し、感受性を高めることができる。たとえば、細胞受容体とそれらのリガンドの特異的相互作用(αVβ3受容体の相互作用を含むが、それらに限定されない)を阻害する薬物のスクリーニングのためのアプローチは好都合であろう。後者の例において、アッセイは順応性を持つべきであり、その結果広範囲の腫瘍型、そしてとりわけ浸潤性腫瘍に対するスクリーニングが可能になる。重要なことは、スクリーニング法により多数の候補薬物の迅速なスクリーニングができることである。
【0007】
発明の概要
本発明は、薬物スクリーニングに有用な技術を含む、各種新規方法、組成物、および種、ならびに化学的または生物学的種間の相互作用をモニター(検出)するためのアーティクルを提供する。本発明の主な側面としては以下のことが挙げられる。シグナル伝達相互作用のためのタンパク質チップおよび粒子を含む、プロテオミック研究のための手段、および2粒子系のような多粒子系。多粒子系において、1粒子は補充可能な粒子であってもよく、他の粒子は補充可能な粒子によって提示される作用物質の結合パートナーを有していてもよく、そしてシグナル伝達実体であるか、または補助的なシグナル伝達実体を有していてもよい。他の主な部分としては、細胞研究、とりわけリガンドと細胞表面タンパク質および受容体間の相互作用を含む技術が挙げられる。これらの相互作用に影響を与えることができる薬物に関する発見および治療法も、血管新生に関連する薬物療法を特に強調して記載される。具体的に述べると、血管新生を阻害するか、または促進することができる細胞受容体/リガンド相互作用が記載される。他の部分としては、診断のために溶液中または無傷細胞の表面上のいずれかでタンパク質を検出することが挙げられる。
【0008】
一側面において、本発明は非コロイド構造に固定される能力をコロイド粒子に与える方法を提供し、そしてコロイド粒子が非コロイド構造に固定されているか否かを測定する。この側面はコロイド粒子または、好ましくは各種構造を有する多くのコロイド粒子を含む広範囲の相互作用を扱う。磁気ビーズのようなビーズを含む非コロイド構造は、ビーズに関して固定化された種とコロイド粒子に関して固定化された種との相互作用を測定する補助物としてコロイド粒子と相互作用することができる。コロイド粒子はビーズを“修飾”し、それらを特有の種/種相互作用の目安として肉眼的に同定できるようにすることができる。あるいは、磁気ビーズは表面にコロイド粒子を補充するために使用してもよく、そこでは粒子の同定を電子的もしくは電気化学的、または他の手段などにより行うことができる。電極のような非コロイド構造は、コロイド粒子またはコロイド粒子上に固定された種と共に作動し、具体的なアッセイ結果を示すことができる。細胞のような非コロイド構造は、コロイド構造と相互作用してコロイド粒子が持つ種への細胞の結合を示すことができる。コロイド粒子および非コロイド構造を含むこれらおよび他の技術の利点は、以下の説明からさらにいっそう明らかになるであろう。
【0009】
別の側面において、本発明は金属結合タグ/金属キレート結合により、ビーズ、コロイド粒子などのようなアーティクルに化学的または生物学的作用物質を結合させるための技術を提供する。このようにして化学的または生物学的種に結合したアーティクルは本発明に包含される。
【0010】
本発明の別の側面としては以下のことを伴うリガンド/タンパク質相互作用の検出のための技術が挙げられ、それらは電気活性実体との一定の近接関係にあるリガンドを提供すること、および電気活性実体により与えられた電気活性シグナルをモニターすることにより、リガンドとタンパク質との相互作用を測定することであり、そこではシグナルは電気活性実体のタンパク質への接近度に依存する。この技術は、第1の表面に固定化される第1のタンパク質を有し、および、第2の表面に同様に固定化される電気活性実体とともに、粒子であってもよい第2の表面に固定化される当該タンパク質と相互作用すると推定されるリガンドを有する、本発明のアーティクルによって促進されてもよい。本発明のこの側面は、タンパク質またはリガンドのどちらも標識せずに、表面プラズモン共鳴の非存在下でタンパク質/リガンド相互作用を測定する方法である本発明のある別の特色を容易にする。
【0011】
本発明は、第1の生物学的または化学的作用物質の単一の結合を、多数のシグナル伝達実体を持つ第2の生物学的または化学的作用物質に、シグナル伝達する方法を含む技術および成分も提供する。本発明により提供されるアーティクルはこの技術を容易にし、そしてそれは複数のシグナル伝達実体に結合した第2の作用物質に生物学的または化学的に結合することができる、第1の生物学的または化学的作用物質を有する。複数のシグナル伝達実体は、複数のシグナル伝達実体を持つポリマーまたはデンドリマーとして作用物質に結合してもよく、そして作用物質への結合に適合する。また、技術はコロイド粒子に、たとえば複数のシグナル伝達実体もまた固定化されるコロイド粒子の表面に、作用物質を固定化することにより促進されてもよい。好ましい態様において、3以上のシグナル伝達実体が同時に単一の化学的または生物学的結合事象をシグナル伝達する。より好ましくは、少なくとも10,さらに好ましくは少なくとも50,そしてさらに好ましくは少なくとも1000または10,000シグナル伝達実体が本発明のこの側面に従って同時に単一の化学的または生物学的結合事象をシグナル伝達する。
【0012】
本発明の別の側面は、シグナル伝達実体およびその上に固定化されたタンパク質を共に有するコロイド粒子により説明される。この成分の使用のための技術も本発明に包含される。
【0013】
本発明は表面で自己組織化単分子層を横切る電子透過性を制御する技術も提供する。かかる技術において、自己組織化単分子層は表面上で形成され、そして少なくとも第1分子種と第2分子種の混合物により説明される。第1分子種は、表面が暴露されている流体と表面との電気的連絡を妨げる、堅く詰まった様式で表面での自己組織化を促進する構造を有する。すなわち、第1の種は、第1の種のみから形成されるSAM(自己組織化単分子層)については、流体に対して表面を密封する比較的堅く詰まった自己組織化単分子層(SAM)を形成する。本発明のこの側面に従ったSAMは第1の種、および、異なる分子構造を有し、ここでその分子構造は堅く詰まった自己組織化構造の破壊を生じる、第2の種から形成され、それによって表面が暴露されている流体が表面と電子的に連絡できるような堅く詰まった構造中の欠陥が明らかになる。このような状況において、流体は、トンネル効果などにより電気的連絡ができる表面に接触するか、または表面に十分に接近することにより、表面と電気的に連絡する。以下の説明から理解されるように、本発明のこの側面は本発明の他の技術と組み合わせると非常に有用になる。
【0014】
先に述べたように、本発明の一態様は薬物スクリーニングのための一連の成分および技術を提供することである。方法は以下のことを提供する:1)普遍的なシグナル伝達要素への天然のリガンドの結合のためのモジュール系;2)それぞれのリガンドに多数のシグナル伝達要素が結合することによる増大した検出感度;3)より簡単な形式(洗浄工程、酵素的開裂および毒性基質の必要性がない);4)好都合な電子的出力;および5)多重化の能力。
【0015】
アッセイの一態様において、本発明は伝導性の固体支持体上に生きた、無傷の成長細胞、または細胞由来分子を固定化することを企図する。表面分子(たとえば、受容体)および細胞内シグナル伝達タンパク質を共に有する、そのような細胞または細胞由来分子は事実上表面または粒子様であってもよい固体支持体に結合する。これらの細胞または細胞由来分子に対するリガンド(または“結合パートナー”)は、既知および未知の両方のリガンドならびに推定薬物候補(他の固体支持体に結合していないか、または表面または粒子様構造に結合する)を含んでいてもよいもので、それらは2つの結合パートナー間の結合が生じ、検出されてもよいような様式で、他の細胞由来分子と相互作用する。結合パートナーまたはその結合支持体の一つは、検出装置により認識、定量が可能な作用物質により付加的に誘導体化されてもよい。次に、この(相互作用を介した)複合体は、結合していない結合パートナーと区別できる、結合した複合体の特性を使用した検出装置に運ばれる。
【0016】
一態様において、金属支持体の伝導性を維持するように処理(たとえば、細胞増殖と共存できる分子で被覆される)されている金属支持体(たとえば、金)上で細胞の増殖が行われる。一態様において、分子の均質な伝導層は金属表面に付着させ、そこでは分子の絶縁種(たとえば、飽和アルキルチオラート)で均一に被覆された金属より速い速度で電子を伝導させる。別の態様において、先に記載のように表面に暴露された流体が電気的に連絡できる第1および第2の種の混合物を含む異質な分子の層である。別の態様において、異質な伝導性分子層は金属表面に付着させる;異質な層は、伝導性または高伝導性分子(または芝生の“欠陥”)により中断される、低または非‐伝導性の種(たとえば、一つのそのような種または多数のそのような種)の芝生と見ることができる。
【0017】
異質な伝導性層、または欠陥が流体/表面の電気的連絡を促進させるような、異質な層の好ましい態様において、2つのタイプの分子を金属表面に付着させる:1)芝生を形成するために使用されるアルキルチオールスペーサー分子(非特異的吸着を阻害するためにエチレングリコール単位またはメチル基で停止する)および2)伝導性種または欠陥形成種。伝導性種は以下に記載の実験により容易に同定できる。一態様において、伝導性種は少なくとも1つの環状構造を含む(たとえば、ベンゼン環、ピリミジン環など)。別の態様において、伝導性種は環状構造を全く含まないが、−O−,−OH−、−NH2−およびSHから選択される基を含む。
【0018】
均質な伝導層の一態様において、1つのタイプの分子のみ、すなわち伝導性種だけを金属表面に付着させる。多数の伝導性種を使用する他の態様も企図される。欠陥形成分子の別の説明および、この手順の他の側面は以下に記載される。
【0019】
先に述べたように、本発明は方法および組成物を共に企図する。一態様において、本発明は固体支持体に接着した第1分子および1以上のシグナル伝達要素(すなわち、分子または分子のクラスターであって、それらは光透過の変化、溶液の色の変化、電荷の変化などによる検出を含むがそれらに限定されないどのような手段によっても検出することができるシグナルを提供する)を含む組成物を企図し、ここで先の第1分子はリガンドであり、そしてタンパク質または細胞表面受容体と相互作用することができる。別の態様において、本発明は固体支持体に付けられた第1分子、第2分子および第3分子を含む組成物を企図し、ここで先の第1分子はタンパク質または細胞表面受容体と相互作用することができるリガンドを包含し、ここで先の第2分子は先の固体支持体上の単分子層を形成し、そしてここで先の第3分子は電気活性である。
【0020】
本発明は固体支持体の性質により限定されることを意図しない。一態様において、固体支持体はコロイド(たとえば、金コロイド)である。固体支持体へのリガンドの結合の性質により限定されることも意図しない。一態様において、先のリガンドは固体支持体に(直接または別のリガンドを介して、もしくは結合部分により)共有結合的に連結される。別の態様において、リガンドは非共有結合的に、または静電性もしくはイオン性相互作用により連結する。
【0021】
本発明は、蛍光分子、および呈色基質に作用することができる酵素を含むがそれらに限定されない、各種シグナル伝達要素を企図する。好ましい態様において、本発明は電気活性分子、すなわち適切で慣用の電気的配置の作用電極の近傍で、電子的にまたは電気化学的に測定可能な酸化/還元電位を有する分子、をシグナル伝達要素として企図する。好ましい電気活性分子はメタロセンである。本発明に記載の電気活性シグナル伝達要素として作動することができるメタロセンは既知である。とりわけ好ましい電気活性分子の一例としては、フェロセンまたはフェロセン誘導体基、もしくはフェロセニルチオール(C35H24FeS)のような誘導体を含むものが挙げられる;しかし、他の遷移金属の有機複合体もシグナル伝達要素として企図される。
【0022】
本発明が化学的または生物学的作用物質の性質により限定されるということは意図しない。たとえば、タンパク質/タンパク質、タンパク質/ペプチド、抗体/抗原、抗体/ハプテン、酵素/基質、酵素/阻害剤、酵素/補因子、結合タンパク質/基質、キャリアタンパク質/基質、レクチン/炭水化物、受容体/ホルモン、受容体/エフェクター、核酸の相補的鎖、タンパク質/核酸、レプレッサー/インデューサー、リガンド/細胞表面受容体、ウイルス/リガンドなどのような、広範な作用物質およびそれらの作用物質の結合パートナーを本発明の結合相互作用のために使用することができる。一態様において、作用物質はリガンド、特にペプチドである。好ましい態様において、ペプチドは金属キレートに結合できる部分(たとえば、ヒスチジンタグ)により誘導体化される。この態様において、固体支持体が金属キレートを含み、そして先のペプチドが先の部分の先の金属キレートへの結合により、先の固体支持体に連結することは好都合である。
【0023】
ある態様において、細胞表面受容体および細胞内シグナル伝達タンパク質をともに含む細胞由来分子は、事実上表面であるかまたは粒子様のいずれかであってもよい、固体支持体上にあるか、またはそれに連結している。これらの細胞由来タンパク質の結合パートナーは、既知および未知のリガンドの両方、ならびに推定薬物候補を含んでもよいものであるが、それらは表面および/または粒子様構造に連結し、そして2つの結合パートナー間の結合が生じるように、細胞由来タンパク質と相互作用させる。結合パートナーの一つまたはその連結支持体は検出可能な作用物質により付加的に誘導体化されてもよい。相互作用する複合体は、結合していない結合パートナーから結合した複合体を区別する結合複合体の特性を利用して同定される。共通の固体支持体上の結合パートナーの一つと共に固定化されるか、または直接結合パートナーの一つに連結した検出可能部分の存在、またはその変化が検出される。関連する相互作用を阻害する分子は、このシグナルの損失を検出することにより識別できる。相互作用するパートナーは、感知部分に結合パートナーの一つをとどめ、それに他の結合パートナーを補充する、または結合していない結合パートナーから結合した複合体を区別する、結合した複合体の特性を操作する、または結合パートナーの一つもしくはその連結固体支持体に補充可能な要素を連結する、ことによって感知装置に運ばれる。
【0024】
たとえば、化学的または生物学的結合パートナーを固体支持体の表面に結合してもよく、その支持体は電極、一般的なバイオテクノロジーチップなどのような実質的に平面のアーティクルなどであってもよい。化学的または生物学的作用物質の結合パートナーはコロイドに結合してもよく、そしてアーティクルの表面にコロイドを暴露すると、結合パートナーが結合し、したがって表面にコロイドが固定化される。これは表面、具体的には表面の特定の部分でのコロイドの測定により測定することができる。コロイド粒子は、あるいはこの測定を容易にする補助的なシグナル伝達実体(たとえば、電気活性シグナル伝達実体または蛍光タグのような可視シグナル伝達実体)を含んでいてもよい。
【0025】
具体的には、タンパク質のような細胞由来分子は、表面およびリガンドに連結し、同様に推定薬物候補は粒子に連結し、そして2つの結合パートナー間の結合が生じるように細胞由来タンパク質と相互作用する。結合パートナーの一つもしくはその連結支持体は検出可能な物質により誘導体化されてもよい。感知部分に結合パートナーの一つをとどめ、それに他の結合パートナーを補充することにより、相互作用するパートナーが感知装置に運ばれる。あるいは、結合パートナーの一つがシグナル伝達実体を表示することができるか、またはできない、補充可能な粒子に連結してもよい。本発明の一側面は、磁気材料を使用して電子的シグナル伝達実体を電極に補充することを伴う。この側面は、本発明の多くのアッセイおよび他の技術に用途を見出すことができる。典型的に、その方法において、シグナル伝達実体に磁気材料(磁気ビーズであってもよい)に関連して固定化される能力が提供される。磁気材料およびシグナル伝達実体は、本明細書に記載される各種化学的および/または物理的結合により、お互いに関連して固定化されてもよい。たとえば、第1の種が磁気材料に関連して固定化、もしくは固定されてもよく、そして第2の種がシグナル伝達実体に関して固定化もしくは固定されてもよく、または第1および第2の種がお互いに結合してもよい。第1および第2の種は本質的に本明細書に記載されているか、または結合のための当技術分野で既知の任意の種であってもよく、一態様においてはタンパク質である。好ましい態様において、タンパク質は抗体ではないが、たとえば、リガンドおよびコグネイト受容体などである。シグナル伝達実体はコロイド粒子のような中間実体に固定されてもよく、結合パートナーとして作用するタンパク質の一つもそれに固定される。また、シグナル伝達実体は磁気材料を使用せずに電極に補充されてもよい。この手順において、シグナル伝達実体は電極に関する種の結合パートナーに関して、固定化されてもよく、結合パートナーはお互いに結合してもよい。本質的に、本明細書に記載、または当技術分野で既知の結合パートナー相互作用はこの技術を促進できる。
【0026】
本発明の別の側面は、表面上のビオチン含有自己組織化単分子層を提供する。一態様において、表面はコロイド粒子の表面である。
本発明の他の利点、新規態様、および目的は、添付した図面(図式的であって、一定の比率で拡大して表すことを意図していない)に従って判断するとき、本発明の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図において、各種の図で説明されるそれぞれ同一か、またはほとんど同一の成分は、一つの数字で表される。分かり易くするために、当業者が本発明を理解するために説明が必要でない場合、すべての図のすべての成分を表示せず、本発明のそれぞれの態様のすべての成分も示さない。
【0027】
発明の詳細な説明
“Rapid and Sensitive Detection of Aberrant Protein Aggregation in Neurodegenerative Diseases”という表題でBamdad et al.,により01/25/00に出願された、国際特許出願番号第PCT/US00/01997号(WO/00/43791として07/27/00に公開)、“Interaction of Colloid−Immobilized Species with Species on Non−Colloid Structures” という表題でBamdad et al.,により01/21/00に出願された、国際特許出願番号第PCT/US00/01504号(WO/00/34783として07/27/00に公開)、 “Interaction of Colloid−Immobilized Species with Species on Non−Colloidal Structures” という表題でBamdad et al.,により06/23/00に出願された、一般的に所有される(commonly−owned)、同時係属中の米国特許出願番号第09/602,778号;および“Rapid and Sensitive Detection of Protein Aggregation” という表題でBamdad et al.,により08/03/00に出願された、一般的に所有される(commonly−owned)、同時係属中の米国特許出願番号第09/631,818号はすべて参照として本明細書に援用される。
【0028】
定義:
本明細書で使用される“小分子”は、5キロダルトン未満、より具体的には1キロダルトン未満の分子を意味する。本明細書で使用される“小分子”は、タンパク質を除外する。
【0029】
本明細書で使用される用語“候補薬物”はヒト、動物、または植物に使用されるいずれかの医薬品を表す。この定義内には、化合物類似体、天然に存在する物質、合成および組換え医薬品、ホルモン、抗菌剤、神経伝達作用物質などが包含される。これには、神経変性疾患、もしくは異常な凝集が特徴的な他の疾患の治療、またはその予防のための薬物としての使用を評価することになっているいずれかの作用物質または前駆体(天然に存在、合成または組換えのいずれか)が含まれる。本発明のスクリーニングアッセイのようなアッセイ中の活性によって、評価が行われる。
【0030】
本発明では多様な種類の粒子型が使用される。たとえば、“流体懸濁可能粒子”はそれ自体本発明のために使用される流体(一般に水溶液)中で懸濁液のままでいることができるか、または磁場、電磁場、もしくは撹拌(stirring)、振とう、振動、超音波処理、遠心分離、撹拌(vortexing)のような撹拌(agitation)などの適用により、溶液中に維持できる粒子を意味する。“磁気的に懸濁可能な”粒子は、磁場の適用により流体中で懸濁液として維持できるものである。電磁気的に懸濁可能な粒子は、電磁場の適用により流体中で懸濁液として維持できるものである(たとえば、電荷を持つ粒子、または電荷を持つように修正した粒子)。“自己懸濁可能な粒子”は、たとえば磁場の補助なしに、少なくとも1時間、使用する流体(一般に水溶液)中で懸濁液のままでいる、サイズおよび/または質量が十分に小さいものである。他の自己懸濁可能な粒子は、本発明に従って、補助なしに、5時間、1日、1週間、または1ヶ月間さえも、懸濁液のままでいるであろう。
【0031】
“タンパク質”および“ペプチド”は当技術分野で既知であり、そしてそれぞれが含むアミノ酸の数に関しては当技術分野で明確には定義されない。本明細書で使用されるこれらの用語は、当該技術分野におけるそれらの通常の意味で与えられる。一般に、ペプチドは100アミノ酸未満の長さのアミノ酸配列であるが、300アミノ酸までの配列を含むことができる。タンパク質は一般に少なくとも100アミノ酸の分子であると考えられる。
【0032】
本明細書で使用される“金属結合タグ”は、キレートに配位結合した金属に固定されていてもよい分子の群を表す。そのような分子の適切な基は、ヒスチジンおよびシステインを含むが、それらに限定されないアミノ酸配列(ポリアミノ酸タグ)を含む。金属結合タグは以下に定義される、ヒスチジンタグを含む。
【0033】
本明細書で使用される、“金属を配位結合しているキレート”またはキレートにより配位結合される金属は、キレート剤により配位結合される金属を表し、そのキレート剤は金属上のすべての利用可能な配位結合部位を満たさず、金属結合タグによる結合に利用できるようにいくつかの配位結合部位を残している。
【0034】
本明細書で使用される、“金属結合タグ/金属/キレート結合”は、第1および第2の種間の結合を定義し、そこでは第1の種は金属結合タグに関して固定化され、そして第2の種はキレートに関して固定化され、ここでキレートは金属を配位結合し、そこに金属結合タグも配位結合する。参照として本明細書に援用されるBamdad et al.,の米国特許第5,620,850号は例示的な結合を記載する。
【0035】
“シグナル伝達実体”は、その存在を具体的な試料中または具体的な部位で示すことができる実体を意味する。本発明のシグナル伝達実体は、ヒト裸眼で同定可能なもの、分離すると目に見えなくてもよいが、もし十分な量(たとえば、コロイド粒子)があればヒト裸眼で検出できるもの、可視的に(裸眼または電子顕微鏡などを含む顕微鏡により)、または分光学的に容易に検出できるようなレベル、または波長範囲内で電磁放射を吸収または放射する実体、適切な活性化エネルギーに暴露すると特徴的な酸化/還元パターンを示す酸化還元‐活性分子のような、電子的または電気化学的に検出することができる実体(“電子的シグナル伝達実体”)などであってもよい。例としては、染料、色素、酸化還元‐活性分子のような電気活性分子、蛍光部分(定義上は、燐光性の部分を含む)、アップレギュレートしている蛍光体、化学ルミネセンス実体、電気化学ルミネセンス実体、またはホースラディッシュペルオキシダーゼおよびアルカリホスファターゼを含む酵素結合シグナル伝達部分が挙げられる。“シグナル伝達実体の前駆体”は、それ自体はシグナル伝達能力を持たなくてもよいが、他の種と化学的、電気化学的、電気的、磁気的、または物理的相互作用をするときにシグナル伝達実体になる実体である。例としては、他の分子と化学的相互作用をするときのみ、特定の、検出可能な波長内で放射する能力を有する発色団が挙げられる。シグナル伝達実体の前駆体は、本明細書で使用される“シグナル伝達実体”と区別することができるが、その定義内に含まれる。
【0036】
本明細書で使用される、他の種またはアーティクルの表面に関して種が“固定された、または固定されるように適合した”とは、種が共有結合的連結、特異的な生物学的結合(たとえば、ビオチン/ストレプトアビジン)による連結、キレート/金属結合のような配位結合などにより、化学的にまたは生物学的に結合することを意味する。たとえば、このような状況で“固定された”ものには、ポリスチレンビーズ上で合成されたペプチドのような結合種、ビーズに共有結合的に連結したプロテインAのようなタンパク質に結合する抗体に特異的に生物学的に結合した結合種、GSTやPhageのような分子の部分を(遺伝的設計により)形成する結合種であってそれらは同様に表面に共有結合的に固定した結合パートナーに特異的に生物学的に結合するもの(たとえば、GSTの場合はグルタチオン)など、を含むがそれらに限定されない複数の化学的結合、複数の化学的/生物学的結合などが含まれる。別の例としては、チオールに共有結合する部分は金表面に固定されるように適合する、なぜなら、チオールは金に共有結合するからである。同様に、金属結合タグを持つ種は、表面に共有結合(チオール/金結合)する分子であって金属を配意結合しているキレートをも有する分子を持つ表面に固定されるように適合する。もし、表面が特定のヌクレオチド配列を持ち、そして種が相補的なヌクレオチド配列を含むならば、種は同様に表面に固定されるように適合する。
【0037】
“共有結合的に固定される”とは、1以上の共有結合により固定されることを意味する。たとえば、同様に金表面に固定されるカルボキシレート‐提示アルキルチオールにEDC/NHS化学により共有結合した種は、その表面に共有結合的に固定される。
【0038】
本明細書で使用される、他の成分“に関して固定化される”成分は、他の成分に固定されるか、または、たとえば他の成分が同様に固定される第3の成分に固定されることにより、他の成分に間接的に固定されるかのいずれかであるか、またはさもなければ他の成分と翻訳的に(translationally)関連する。たとえば、シグナル伝達実体が結合種に関して固定される、結合種が固定されるコロイド粒子に固定される、結合種が固定されるデンドリマーまたはポリマーに固定される、などの場合、シグナル伝達実体は結合種に関して固定化される。第1のコロイド粒子の表面に固定された種が実体に結合し、そして第2のコロイド粒子の表面上の種が同じ実体に結合し、ここで実体は単一の実体、複数の種の複合実体、細胞、別の粒子などであってもよい場合は、コロイド粒子は他のコロイド粒子に関して固定化される。本発明の他の実体に固定されるか、または固定されるように適合することが可能なすべての実体もまた、他の実体に固定化されるか、または固定化されるように適合することが可能であり、逆の場合も同じである。
【0039】
“特異的に固定される”または“特異的に固定されるように適合する”とは、定義“固定される、または固定されるように適合する”の定義に関して先に記載のように、種が別の試料または表面に化学的または生化学的に結合することを意味するが、すべての非特異的結合を除外する。
【0040】
本明細書で使用される“非特異的結合”は、生化学の分野での通常の意味が与えられる。
本明細書で使用される“コロイド”は、ナノ粒子、すなわち、無機、ポリマー性、および金属粒子を含む、非常に小さく自己懸濁可能な粒子を意味する。典型的には、コロイド粒子は、すべての次元の断面が250nm未満、より典型的にはすべての次元の断面が100nm未満、そして好ましくは10〜30nmのものであり、そして金属、非金属、結晶質または非晶質であってもよい。本明細書で使用されるように、この用語は生化学の分野で一般に使用される定義を含み、そしてそれは典型的には金コロイド粒子を意味する。
【0041】
本明細書で使用される、“金属に配位結合することができる部分”は、金属結合タグまたはキレートのような、金属原子上の少なくとも2つの配位結合部位を占有することができるいずれかの分子を意味する。
【0042】
“多様な生物学的種”は、マウスおよびハムスター、マウスおよびヤギなどを意味する。
用語“試料”は以下のものを含むがそれらに限定されない、好都合には本発明に従って評価することができる、生物学的供給源(“生物学的試料”)またはいずれか他の生物学的もしくは非生物学的媒体由来のいずれかの細胞、組織、もしくは流体を表す:ヒト患者から採取される生物学的試料、動物から採取される試料、ヒトの消費用食物から採取した試料、家畜飼料のような動物の消費用食物を含む試料、ミルク、寄贈された臓器試料、血液供給用の血液の試料、水供給用の試料など。試料の一例として、候補薬物の抗力を測定するために、その薬物を投与されたヒトまたは動物から採取された試料がある。
【0043】
特定の成分を“含むと推測される試料”は、成分の量が未知である試料を意味する。たとえば、神経変性疾患または非‐神経変性疾患のような疾患を有すると推定されるが、疾患を有することが既知でないヒト由来の流体試料は、神経変性疾患凝集体‐形成種を包含すると推定される試料を定義する。これに関連した“試料”には、ヒトまたは動物由来の生理的試料、食物由来の試料、家畜飼料などの天然に存在する試料が、ならびに“予め構造が決定された試料”は、その化学的または生物学的配列または構造が、神経変性疾患のような具体的な過程と関連するか否かを試験するためのアッセイで使用される試料を意味すると本明細書で定義される。たとえば、“予め構造が決定された試料”にはペプチド配列、ファージディスプレイライブラリー中の任意のペプチド配列などが挙げられる。ヒトまたは他の動物から採取される代表的な試料には、細胞、血液、尿、眼水、唾液、脳脊髄液、または扁桃腺、リンパ節、針生検由来の流体または他の試料などが挙げられる。
【0044】
本明細書で使用される“金属結合タグ”は、キレートに配位結合した金属に結合することができる1群の分子を表す。そのような分子の適切な群には、典型的には約2から約10アミノ酸残基までのアミノ酸配列が含まれる。これらには、ヒスチジンおよびシステイン(“ポリアミノ酸タグ”)が含まれるが、それらに限定されない。そのような結合タグは、それらがヒスチジンを含むとき、“ポリ‐ヒスチジントラクト”または“ヒスチジンタグ”もしくは“HIS‐タグ”と呼んでもよく、アミノ‐もしくはカルボキシ‐末端のいずれか、またはペプチドもしくはタンパク質または核酸の、任意の露出領域に存在してもよい。6から10残基までのポリ‐ヒスチジントラクトが本発明の使用には好ましい。また、ポリ‐ヒスチジントラクトは関心のあるタンパク質に添加される多数の連続したヒスチジン残基であるとして機能的に定義され、それらは金属キレートカラム上で得られたタンパク質の親和性精製、または他の分子(たとえば、HIS‐タグと反応する抗体)との相互作用によりタンパク質末端の同定をすることができる。
【0045】
“親和性タグ”は当技術分野で通常の意味が与えられる。親和性タグには、たとえば、金属結合タグ、GST(GST/グルタチオン結合クリップ中にある)、およびストレプトアビジン(ビオチン/ストレプトアビジン結合中にある)が挙げられる。本明細書の各種部分で、結合相互作用と関連して特異的親和性タグについて記載する。親和性タグを使用するいずれかの態様において、本発明は本明細書に記載されたいずれかの親和性タグからの選択をそれぞれ含む、一連の個々の態様を含むということを理解すべきである。
【0046】
本明細書で使用される“分子ワイヤ”は、SAMで被覆した電極と接触する流体が電極と電気的に連絡するための能力を高めるワイヤを意味する。これには、伝導性分子、または先に記載し、そして以下でより詳細に例示する、SAM中に電極と連絡するための欠陥を生じることができる分子が挙げられる。付加的な分子ワイヤの非限定的なリストには、2−メルカプトピリジン、2−メルカプトベンゾチアゾール、ジチオスレイトール、1,2−ベンゼンジチオール、1,2−ベンゼンジメタンチオール、ベンゼン‐エタンチオール、および2−メルカプトエチルエーテルが挙げられる。また、電極の平面で伝導性を促進する分子の添加により単分子層の伝導性を高めることができる。伝導性SAMは、以下のものから構成できるが、それらに限定されない:1)硫黄で停止するポリ(エチニルフェニル)鎖;2)ベンゼン環で停止するアルキルチオール;3)DNA塩基で停止するアルキルチオール;4)単分子層中に不十分に詰まる、いずれかの硫黄停止種;5)上記の全てに非特異的吸着を阻害するエチレングリコール単位またはメチル基のいずれかで停止するアルキルチオールスペーサー分子を足したものまたは引いたもの。チオールは金に親和性があるためにSAMの容易な形成において記載される。米国特許第5,620,820号および他の参考文献に基づいて、チオールを当技術分野で既知の他の分子と置換してもよい。分子ワイヤは典型的に、それらのかさおよび他の形状のために、他の点では堅く詰まったSAM中に欠陥を作り、SAMが暴露される流体に対して表面がしっかり密閉されるのを妨げる。分子ワイヤは堅く詰まった自己組織化構造の破壊を引き起こし、それによって表面が暴露される流体が表面と電気的に連絡できる欠陥を定義する。これに関連して、流体は表面に接触することにより、またはトンネル効果などにより電気的連絡が起こり得る表面の近傍に十分に接近することにより、表面と電気的に連絡する。
【0047】
“生物学的結合”という用語はお互いの親和性または結合能力を表す、対応する分子対間の相互作用、典型的には生化学的、物理学的、および/または薬剤的相互作用を含む特異的もしくは非特異的結合または相互作用である。生物学的結合は、タンパク質、核酸、糖タンパク質、炭水化物、ホルモンなどを含む分子対間で起こる相互作用の型を定義する。具体的な例としては、抗体/抗原、抗体/ハプテン、酵素/基質、酵素/阻害剤、酵素/補因子、結合タンパク質/基質、キャリアタンパク質/基質、レクチン/炭水化物、受容体/ホルモン、受容体/エフェクター、核酸の相補的鎖、タンパク質/核酸、レプレッサー/インデューサー、リガンド/細胞表面受容体、ウイルス/リガンドなどが挙げられる。
【0048】
“結合パートナー”という用語は、特定の分子と結合することができる分子を表す。生物学的結合パートナーは、その例である。たとえば、プロテインAは生物学的分子IgGの結合パートナーであり、逆も同様である。
【0049】
“測定する”という用語は、たとえば、分光法、偏光解析法、圧電測定法、イムノアッセイ、電気化学的測定法などによる、種の定量的、または定性的分析を表す。また、“測定する”は、たとえば2つの種間の結合の検出のように、種間の相互作用を検出または定量することも意味する。
【0050】
“自己組織化単分子層”(SAM)という用語は、自発的に表面に化学吸着される分子の比較的整った集合を表し、そこでは分子はお互いにほぼ平行で、表面にだいたい垂直に配置される。分子のそれぞれは、表面に接着する官能基、および単分子層中で比較的整ったアレイを形成するために隣接する分子と相互作用する部分を含む。Laibinis,P.E.;Hickman,J.;Wrighton,M.S.;Whitesides,G.M.Science 245,845(1989)、Bain,C.;Evall,J.;Whitesides,G.M.J.Am.Chem.Soc.111,7155−7164(1989),Bain,C.;Whitesides,G.M.J.Am.Chem.Soc.111,7164−7175(1989)を参照されたい、それらはそれぞれ、参照として本明細書に援用される。
【0051】
“自己組織化混合単分子層”という用語は、不均一の自己組織化単分子層、すなわち、少なくとも2つの異なる分子の比較的整った集合から作られる単分子層を表す。
【0052】
一側面において、本発明は分析、薬物スクリーニングなどのための化学的または生物学的作用物質間の相互作用を企図する。本発明は無傷細胞(電極上で増殖するか、または溶液中もしくは懸濁液中にある)上のリガンドを含むが、それらに限定されないリガンド相互作用を分析する、および/または阻害することを含むが、それらに限定されない。本発明は、薬物候補、既知または推定リガンド、および小分子薬物ライブラリーの使用を含む各種態様を企図する。
【0053】
一態様において、細胞は自己組織化単分子層(SAMs)により誘導体化されてもよいか、またはされなくてもよい電極上で増殖する。推定リガンド(たとえば、特定の細胞表面受容体の)は、固体支持体(たとえば、金コロイド)上でシグナル伝達要素(たとえば、電気活性複合体)と一緒に固定化される。これらの誘導体化された固体支持体は、感知電極(たとえば、金属支持体)上に固定化された細胞と共にインキュベートされる。標的受容体と固体支持体上のリガンド(例えば、コロイドに結合したリガンド)間の相互作用は共固定化されたシグナル伝達要素を感知電極近くにつなぎ止める。いずれか具体的な機序に限定されないが、電位が電極に適用されると、近くの酸化還元‐活性金属複合体がそれらの特徴的な酸化電位を受け、電子を放出すると考えられる。振動成分がボルテージランプの上端に添加されるとき、それぞれの金属複合体により多くの電子が放出され、電流出力として検出することができる。この種の電気化学的分析の形状は、交流ボルタンメトリー(ACV)と呼ばれる。当業者には知られているように、本明細書で使用される“細胞表面受容体”は、細胞表面タンパク質をも包含する総称的用語である。
【0054】
本発明のある態様は、コロイド粒子の表面のような表面上の自己組織化単分子層(SAMs)、およびSAMsで被覆された表面を有するコロイド粒子のようなアーティクルを使用する。好ましい態様の1セットにおいて、完全に合成分子から形成されたSAMsは、表面または表面の領域を完全に被覆する、たとえばコロイド粒子の表面を完全に被覆する。ここでの“合成分子”は、天然に存在しない分子、どちらかといえば、ヒトの指示、またはヒトにより考案されるか、もしくはヒトにより指示された制御下で合成されたものを意味する。ここでの“完全に被覆する”は、SAMによる完全で直接的な被覆を妨害する、タンパク質、抗体、または他の種と直接接触する表面の部分または領域がないことを意味する。すなわち好ましい態様において、表面または領域はその全体にわたり、完全に天然に存在しない分子(すなわち合成分子)からなるSAMを含む。SAMは、表面で堅く詰まったSAMsを形成するSAM形成種、または分子ワイヤと組み合わせたこれらの種、もしくはSAMを通して電気的連絡を促進することができる他の種(SAMに関与可能な欠陥促進種を含む)、もしくはSAMに関与可能な他の種、およびこれらのいずれかの組合せから構成されてもよい。好ましくは、SAMに関与する種のすべては、金表面に共有結合的に結合するチオールのような、表面に結合する、場合によっては共有結合する官能基を含む。本発明の表面上の自己組織化単分子層は、いずれかの化学的または生物学的官能基を本質的に提示(露出)することができる種(たとえば、金が表面のときのチオール種)の混合物からなっていてよい。たとえば、それらは非特異的吸着を阻害するためのトリ‐エチレングリコール‐停止種(たとえば、トリ‐エチレングリコール停止チオール)、および、たとえばニッケル原子との複合体であるとき、ヒスチジンタグ標識結合種のような金属結合タグ標識種を捕捉するニトリロトリ酢酸のような金属を配位結合することができるキレートで停止するような、親和性タグの結合パートナーで停止する他の種(たとえば、チオール)を含んでいてよい。本発明は、コロイド表面、またはいずれか他の表面上に提示された本質的に任意の化学的または生物学的種の濃度を厳密に管理する方法を提供する。本発明の多くの態様において、自己組織化単分子層は金コロイド表面上に形成される。本発明は、コロイド表面上に提示されたヒスチジンタグ標識ペプチドの濃度を厳密に管理する方法を提供する。それぞれのコロイド表面上のペプチド密度についての厳密な管理をしないと、共固定化されたペプチドはお互いに容易に凝集して微小疎水性領域を形成し、試料中に存在する凝集物形成種の非存在下でコロイド‐コロイド凝集を触媒するであろう。これは既存のコロイド凝集アッセイに優る、本発明の利点である。
【0055】
本発明に記載の方法は、BSAによるブロッキングのような、タンパク質ブロッキング工程なしに、非特異的吸着に抵抗するコロイド上の自己組織化単分子層を生成する。また、本発明に記載の方法は、生物学的に適切な流体中で安定であり、および、結合反応を妨害する界面活性剤(安定性のため;コロイドを懸濁液中に維持する)を必要としない誘導体化コロイドを生じる。これにより、溶液中で感度の高い結合アッセイを行うことができる。このことは、既存のコロイド凝集アッセイでは一般的な、吸着表面に接着する結合パートナーを持つ必要性を除外する。以下で説明するように、好都合には界面活性剤はコロイド上でのSAM形成に使用することができる。この場合、界面活性剤はSAM形成後に除去してもよく、好ましくは除去し、結合相互作用、もしくはコロイドの他の使用中にコロイド上、SAM中、またはどこか他にはもはや存在しない。
【0056】
本発明は、細胞が金属支持体(たとえば、電極)に直接結合する態様に限定されることを意図しない。態様は、細胞が金属支持体に連結したリガンドの相互作用により、細胞が間接的に結合することを企図する。すなわち、特異的または非特異的相互作用により、直接的または間接的に細胞に結合する分子で表面を被覆することにより、細胞を表面に補充することができる。たとえば、メチル‐停止自己組織化単分子層(SAMs)は非特異的にコラーゲンに結合し、その後非特異的に細胞に結合する。あるいは、アルギニン、グリシン、アスパルテート(RGD)モチーフを含むペプチドはビトロネクチンを模倣し、内皮細胞のような特定の細胞型に結合する。同様に、ポリリジン、正荷電、Kringleドメイン、インテグリン、およびペプチド、またはそれらの分子模倣物は細胞を連結するために表面に結合することができる。これらのリガンドは、SAMsへの取り込みにより、表面上に表示されてもよい。リガンド自体はSAMに直接取り込まれる必要はない。リガンドに連結した親和性タグの結合パートナーを提示するSAMを使用してもよい。たとえば、ヒスチジンタグにより修飾されたペプチドは、ニトリロトリ酢酸(NTA)‐ニッケルチオールを含むSAMsに容易に結合することができる。あるいは、グルタチオンS−トランスフェラーゼ融合タンパク質はグルタチオンまたはその誘導体を取り込むSAMに連結してもよい。金属電極を使用することの1つの利点は、表面にSAMを形成する分子の末端に多くの既知の官能基を提供できることである。
【0057】
たとえば、溶液中の細胞は、電気泳動により検出電極に連結することができる。具体的には、細胞由来分子は、結合複合体の検出を補助するための、フェロセン誘導体のような電気活性分子も提示するコロイドに連結したリガンドに結合してもよい。しかし、使用される検出要素は、容易に検出可能な、いずれかに荷電した電気活性種もしくは蛍光タグ、またはコロイドそれ自体であってもよい。
【0058】
シグナル伝達実体は、本発明の各種アッセイおよび手順に使用される。染料、色素、電気活性分子、蛍光部分、アップレギュレートしている蛍光体、ホースラディッシュペルオキシダーゼおよびアルカリホスファターゼを含む酵素結合シグナル伝達部分、化学ルミネッセンス部分、電気化学ルミネッセンス部分、などを含む、任意の各種シグナル伝達実体がそれぞれの場合において選択されてよいということを理解すべきである。Knight,“Trends in Analytical Chemistry”,vol.18,1999、pg.47;Knight,et al.,Analyst,vol.119,1994,page 879;Stults,et al.,“Use of Recombinant Biotinylated Aequorin in Microtiter and Membrane−Based Assays:Purification of Recombinant Apoaequorin from escheria coli”,Biochemistry,1992,31,1433;Mengeling,et al.,“A Microplate Assay for Analysis for Solution−Phase Glycosyltransferase Reactions:Determination of Kinetic Constants”,Analytical Biochemistry,119,286,(1991)を例として参照されたい。所望する場合には、各種シグナル伝達実体はビーズまたはコロイド粒子のような粒子の表面に関して固定化されてもよい。これらのいずれかに提示されたシグナル伝達実体は蛍光分子であってもよい。緑色蛍光タンパク質を含む、蛍光剤が結合した抗体および他の蛍光剤融合タンパク質は生物医学的研究および試験に広く使用される。これらの蛍光タンパク質および分子は、親和性タグ、EDC/NHS化学によるか、または本発明に記載のNTA−SAM−被覆コロイド上に提示されたHis‐タグ標識プロテインAまたはGへの結合によるかのいずれかにより、推定結合パートナーをも提示する金コロイドに容易に連結することができる。また、蛍光部分のようなシグナル伝達実体はビオチン停止リガンドによりコロイド上に共固定化されてもよいか、またはキレート/金属/金属結合タグ結合により固定されてもよい。また、蛍光部分はそれを抗体に練得kつし、そして抗体に結合するためのHis−プロテインGとともにキレート/金属/金属結合タグを使用することにより、固定されてもよい。上記部分はその後直接検出することができる。
【0059】
リガンド誘導体化コロイドは、自己組織化単分子層(SAM)により修飾されても、されなくてもよい電極の近くにつなぎ止めてもよく、結合により誘発された電極電流中の摂動により結合細胞を検出することができる。細胞由来タンパク質は、磁気ビーズに連結したリガンドに結合することもできる。あるいは、細胞由来タンパク質は電気活性デンドリマー上のリガンドに結合することもできる。さらに細胞由来タンパク質は、電気活性または酸化還元‐活性複合体も提示するポリマーに連結したリガンドに結合することができる。細胞由来タンパク質は、同様に電気活性または酸化還元‐活性複合体を提示する伝導性ポリマーに連結したリガンドに結合することができる。
【0060】
代わりとなるスキームにおいて、記載の系は2つの異なるリガンドを使用することができる。構成的に発現された細胞表面受容体に結合する1つのリガンドは、磁気ビーズ上に固定化され、感知電極に細胞を補充するために使用することができる。関心のある細胞表面受容体を認識する2番目のリガンドは、シグナル伝達コロイドに結合する。
【0061】
別の代わりとなるスキームにおいて、記載の系は異なる電位で酸化する2つのフェロセン誘導体のような、2つの識別可能な電気活性複合体を使用することができる。第1のフェロセン誘導体は関心のある細胞表面受容体のリガンドに直接的または間接的に連結することができる。第2のフェロセン誘導体は、構成的に発現された細胞表面受容体に結合する第2のリガンドに直接的または間接的に連結する。この手段では、2つのシグナルの比は発現の生理学的、環境的、または疾患に関連した変化により誘導される細胞由来分子(たとえば、タンパク質)の誘導のレベルをキャリブレーションするために使用することができる。この発現比の比較は、同じ金属複合体を持つ両リガンドを有するものについても行うことができるが、異なる電極パッド上で試料の異なるアリコートをインキュベートする。
【0062】
本発明は、粒子様でもよい表面へのリガンド(推定薬物候補を含むが、それらに限定されない)の連結をし、およびそれらを、支持体に連結するか、または細胞上でそのままにしておいてもよいたとえば細胞表面タンパク質などの細胞由来タンパク質を、結合パートナーの同定、それらの存在または非存在の測定、およびそれらのレベルの定量のために、相互作用させることを企図する。具体的には、細胞表面受容体を提示する無傷細胞を第1結合パートナーとして使用することができる。シグナル伝達実体に直接的または間接的に結合した既知、または推定のリガンドは、第2結合パートナーとして作用する。あるいは、細胞由来タンパク質は表面、およびそれらのリガンド、またはコロイドまたは誘導体化コロイドのような、シグナル伝達能力を有する粒子に連結した結合パートナーに結合することができる。薬物候補は相互作用を阻害することで薬物スクリーニングを容易にするために添加することができる。この方法は、診断にも非常に有用である。タンパク質または抗体は表面に固定化されてもよく、そしてこのタンパク質の結合パートナーを含むと推測される試料は、結合を促進するために試料と共にインキュベートしてもよく、そして試料の残りは洗い流すことができる。結合パートナーに対するリガンドをおよびシグナル伝達能力を有する粒子が添加されてもよい。試料が結合パートナーを含有する場合には、その粒子は表面に間接的に結合してシグナルを与えるであろう。表面は補充可能な粒子であってもよい。連結は直接的または間接的であってもよく、すなわち、連結はお互いに固定化される2つの実体に関連していてもよい。粒子は、固定化された抗体、たとえば抗体が結合するヒスチジンタグ標識プロテインG、およびその抗体は共通のリガンドを認識してもよいか、またはお互いに認識するタンパク質を含んでいてもよいものを提示してもよい。
【0063】
本発明の1つの一般的な技術は、結合パートナーによる結合部分(生物学的または化学的作用物質)の捕捉を示す電極の表面に、電子的または電気化学的シグナル伝達実体を補充するための磁気ビーズを使用することを伴う。図27では、第1の種30が、メタロセン フェロセン、34のようなシグナル伝達能力をも有するコロイド粒子32に連結される。30の結合パートナーと推測される第2の種36は、磁気粒子38に連結し、38はシグナル伝達ができないが、電極40に磁気的に引き寄せられることができる。とりわけ有用な1技術において、種30および第2の種36はタンパク質であり、したがって本発明はプロテオミクスの分野に具体的な用途を見出す。上記技術は、コロイド粒子32に非コロイド構造、磁気ビーズ、38に固定できるようにすることを伴う、本発明の側面の一例である。コロイド粒子の非コロイド構造への固定の測定は、磁気ビーズを電極に引き寄せ、コロイド粒子も電極の近くにあるか、または連結していないかを測定することにより行われる。具体的には、2つの成分を溶液中で一緒にインキュベートし、得られた複合体を磁気的に電極に引き寄せる。電極は、その後交流ボルタンメトリー(ACV)により分析する(Laviron E:J Electro Anal Chem.,1979,105:35)。電流は電位の関数として、リアルタイムでプロットされる。第1成分上の電子的または電気化学的シグナル伝達部分が電極に非常に接近した場合、特徴的な電位において明確な電流ピークが発生するであろう。2つのタンパク質がお互いに相互作用し、磁気粒子が感知電極に引き寄せられる場合、それはシグナル伝達能力を持つコロイド粒子をも持つであろう。第1成分は小さい金コロイドであるため、コロイド粒子上の第1の種と磁気粒子に結合した第2の種間の相互作用により、感知電極に特異的に補充されない限り、懸濁液中に残ったままであろう。シグナル伝達粒子が第1の種と第2の種間の相互作用により磁気ビーズに結合している場合にのみ、電子的または電気化学的シグナルが発生するであろう。この態様において、コロイド粒子はフェロセンに例示されるような、補助的なシグナル伝達実体を含む。以下に記載の他の態様において、コロイド粒子はそれ自体シグナル伝達実体であり、補助的な実体を必要としない。
【0064】
この研究方法は、アレイフォーマット中のタンパク質‐タンパク質相互作用の迅速なスクリーニングに使用してもよい。潜在的な治療標的を探索する場合、研究者は特定のタンパク質の結合パートナーを同定することをしばしば必要とする。既知のタンパク質は磁気ビーズに結合することができる。これは、化学的官能基を提示する市販の磁気ビーズへの既知のタンパク質の直接的化学的カップリングにより、コグネイト抗体を介してプロテインA被覆磁気ビーズへの連結により、またはNTA‐SAMにより誘導体化されている金被覆磁気ビーズへヒスチジンタグ標識した既知のタンパク質を連結することにより行うことができる(たとえば、本明細書に参照として援用される米国特許第5,620,850号を参照されたい)。潜在的な結合パートナーは、ヒスチジンタグ標識タンパク質として発現され、その後フェロセン部分も提示するNTA‐SAM被覆コロイドに別々に結合してもよい。電極アレイに接続したマルチウェルアレイのそれぞれのウェルは、磁気ビーズ上の既知のタンパク質を含むであろう。シグナル伝達コロイドに連結した別個の推定結合パートナーは各ウェルに別々に添加されてもよい。次にどの候補タンパク質が既知のタンパク質に結合したかを調べるために、得られた複合体を電極に磁気的に引き寄せてもよい。既知の種は必ずしもタンパク質である必要はない。結合パートナーが同定されたとき、相互作用を阻害するために薬物候補をアッセイに添加してもよい。
【0065】
あるいは、生物学的または化学的作用物質30は薬物候補であり、その結合パートナー(潜在的な結合パートナー)36は薬物候補の標的であるか、または逆である。具体的には、医学的に適切な標的種に結合する薬物候補を同定するために薬物候補が磁気粒子に連結し、および既知のタンパク質がシグナル伝達コロイドに結合してよい。あるいは、種30および36は、それぞれ、標的および標的に対するリガンドであってもよく、そして技術はコロイド32および磁気ビーズ38を近づけ、標的へのリガンドの結合を阻害する候補薬物の存在下で30を36に結合させることにを伴ってもよい。以下で理解されるように、この技術はコロイドと各種非コロイド構造との相互作用に適用することができる。
【0066】
ELISA、蛍光標識およびSPRのような既存の方法に優るこの技術の利点としては以下のことが挙げられる:この系では、タンパク質標識の必要性がない;タンパク質は標識された成分に結合する。金コロイドは以下の両方により前もって標識することができる:a)シグナル伝達部分;およびb)タンパク質連結のための官能基。ヒスチジンタグ標識タンパク質を捕捉するためのNTA/Ni2+、および電子的または電気化学的シグナル伝達のためのフェロセン誘導体を共に提示する自己組織化単分子層はコロイド上に形成されてもよい。非修飾タンパク質の化学的カップリング(標準EDC/NHS化学)のためのカルボン酸基を包含するSAMsも使用することができる。技術はモジュール方式である。実質的にいずれの生物学的種もシグナル伝達実体を有するコロイド上に共固定化することができる。当該技術は微小電極アレイ上で容易に多重化できるため、費用効率のよい多重化を可能にする。
【0067】
リポソームも第1の結合パートナー30を取り込むことができる。上記のように、シグナル伝達自体がリポソームに取り込まれてもよいか、またはリポソーム形成後にHisタグ標識可溶性受容体を捕捉するために脂質がリポソームに取り込まれてもよい。リポソームは、安定性を増加させるために、リポソーム形成後にUVに活性化される交差結合をする、光励起性基を含有することができる。
【0068】
また、薬物候補の同定は競合的阻害アッセイを使用することにより行うことができる。具体的には、溶液中の遊離薬物候補を別々に組成物と一緒にインキュベートすることができる。受容体またはリガンドに結合した薬物により生じる標的細胞由来タンパク質に対する競合的阻害は、検出シグナルの時間または投与量依存的損失として表すことができる。
【0069】
これを行うには、シグナル伝達部分を既知のリガンドに直接的に、または間接的に結合する方法を必要とし、そしてその後複合体結合パートナーを感知表面に連結または補充する方法が提供される。前者は先に記載され、後者は以下に記載される。
【0070】
使用される感知表面は各種の形状であってよい。しかし、説明のために、伝導性SAMにより修飾される電極を使用する、結合パートナー複合体を補充するための方法が記載される。伝導性SAMは、金属表面に結合した分子の層であり、その表面は飽和アルキルチオレートのような絶縁種により均一に被覆された金属より速い速度で電子を伝導させる。電子伝導のための好ましい経路は、分子ワイヤ(芳香環化合物のポリマー)が取り込まれている単分子層により提供することができる。本明細書にMF1として表される、ポリ(エチニルフェニルチオール)(すなわち、C16H10S)を含むがそれらに限定されない、各種の分子をこの目的に使用することができる:
【0071】
【化1】
【0072】
本明細書で使用する“分子ワイヤ”は、SAMで被覆した電極と接触している流体が電極と電気的に連絡する能力を高めるワイヤを意味する。これには、先に記載し、以下でさらに完全に例示する伝導性分子、または流体が電極と接触するようにSAM中に欠陥を生じることができる分子が含まれる。付加的な分子ワイヤの非限定的なリストには、2−メルカプトピリジン、2−メルカプトベンゾチアゾール、ジチオスレイトール、1,2−ベンゼンジチオール、1,2−ベンゼンジメタンチオール、ベンゼン‐エタンチオール、および2−メルカプトエチルエーテルが挙げられる。また、単分子層の伝導性は電極の平面で伝導性を促進する分子の添加により高めることが可能である。伝導性SAMは、以下のものからなるが、それらに限定されない:1)硫黄で停止するポリ(エチニルフェニル)鎖;2)ベンゼン環で停止するアルキルチオール;3)DNA塩基で停止するアルキルチオール;4)単分子層中に不完全に詰まる、いずれかの硫黄停止種;5)上記の全てに非特異的吸着を阻害するエチレングリコール単位またはメチル基のいずれかで停止するアルキルチオールスペーサー分子を足したものまたは引いたもの。チオールはSAMの即座の形成において、それらの金への親和性のために記載される。米国特許第5,620,820号および他の参考文献に基づいて、チオールを当技術分野で既知の他の分子と置換してもよい。
【0073】
シグナル伝達コロイド上の既知のリガンドがそれらのコグネイト細胞由来タンパク質と相互作用するとき、薬物候補を溶液に添加し、異なる作用をモニターしてもよい。細胞に直接的に、または間接的に結合する頭基で停止する分子(たとえば、メチル基、ポリK,陽性電荷、RGD配列、Kringleモチーフ、インテグリン、およびそれらのペプチド模倣物)も提示する伝導性SAMにより被覆された電極に細胞が補充されてもよい。あるいは異なる相互作用は、伝導性SAM上に提示されたコグネイトリガンドと相互作用している、SAMに結合した細胞表面タンパク質を有することにより定量することができる。この場合、リガンドが構成的に発現された受容体に結合した後、電子的または電気化学的シグナルが生成される。流動力下では、電子的または電気化学的シグナルはSAM固定化リガンドと相互作用する細胞表面受容体の数に比例するだろう。流速の関数としての細胞運動性の速度は、表面の細胞接着分子に対する受容体の密度を示す。相互に作用するSAMの下流は、電荷読みとり装置(たとえば、電流計、電荷計数装置)、または光学式読みとり機(たとえば、表面プラズモン共鳴検出器、または蛍光読みとり機)である。さらに、これらの方法は、関与する特異的な受容体‐接着分子相互作用の予備知識なしに、浸潤または転移が特徴であることが既知の細胞表現型を阻害する薬物のスクリーニングに使用することもできる。また、生理学的に適切な相互作用を模倣する薬物のスクリーニングはこの系を使用して以下のいずれかにより行うことができる:溶液中に遊離で薬物候補を添加し、検出シグナルの損失を探索するか、または固体支持体上の薬物候補と共に溶液中で遊離した既知のリガンドを添加し、検出シグナルの出現を探索する。
【0074】
わずかに陽性のバイアスをAC電位ランプ(ramp)に適用すると細胞は陰性荷電されるという事実から、感知電極に引き寄せられる。リガンドが連結するデンドリマーまたはポリマーに付加的な陰性に荷電した基を添加すると感知電極への補充がさらに促進される。当業者は、デンドリマーまたはポリマーに複数のシグナル伝達実体を容易に固定することができる。あるいは、金属結合タグにより認識リガンドを結合することは、アルキルチオールNTAへのそれらの結合(および結果として関連した細胞の結合)を促進する。金被覆磁気ビーズ上にフェロセンのような金属含有化合物を有するSAMsは、感知表面電極に複合体を補充するために電磁場、または固定磁石の使用を許容する。また、リガンドを包含する感知電極は、細胞接着分子によるもののような特異的相互作用または非特異的相互作用により、直接的に、またはヒスチジンタグ標識により細胞を引き寄せることができる。
【0075】
しかし、結合パートナーの一つが分析溶液より比重が大きいため、複合体が重力により沈殿する場合には、検出系への補充も単に重力を用いて行うことができる。早すぎる沈殿を避けるためにインキュベーション段階で機械的混合が行われてもよい。図32Aおよび32Bは、表面への結合相互作用を示すシグナル伝達実体および対照、を補充するための重力の使用を示す実験のACVプロットを示す。GSTは金属結合タグ/金属/キレート結合(NTA‐SAM)によりコロイドに結合した。またコロイドは電子的または電気化学的シグナル伝達のためのフェロセン誘導体を提示した。陰性対照としてコロイドを測定電極に溶液中で提示し、図32Aのプロットを得た。コロイドの1セットは、グルタチオンで被覆されたポリマービーズ(アガロース)に暴露した。コロイドはグルタチオン/GST結合によりビーズに固定され、ビーズは重力により電極上に固定された。電極に近いフェロセンの電気活性検出を示す図32BのACVプロットが得られた。
【0076】
細胞由来タンパク質生成装置として電極を使用する方法において、細胞を溶解させる電位スパイクを発生させるために電極パッド上の点を使用することができる。次に細胞の内容物をシグナル伝達リガンドとインキュベートし、相互作用を検出する。
【0077】
さらに細胞結合分子は、伝導性分子とともにチャネルを並べ、系の検出能力を高めるために、SAMを使用してフローチャネルの底に沿って指定のトポロジーの形状にされてもよい。したがって、SAMは感知能力(光学的または電子的もしくは電気化学的)と細胞結合能力を交互にする形状で、結合部分を提示してもよい。例としては、メチル停止アルキルチオールの縞はSAM中で伝導性のポリピロール基と交互になる。また、SAMのトポロジーは細胞を溝中に置き、その結果細胞の側面に沿った受容体を評価できるように操作することができる。交互官能基性SAMの縞の形成は、共に本明細書に援用される米国特許第5,512,131号および国際特許公開公報第WO96/29629号に記載のように行うことができる。これらの複合体は電子的または電気化学的に検出することができる。1つの検出方法は、交流ボルタンメトリー(ACV)と呼ばれる電気化学的技術である。この検出方法は、より高次な調和解析のような付加的な分析技術の使用により補充することができる。これらの複合体は、SPRのような光学的手段によって検出してもよい。後者の技術を使用すると、感知表面への複合体の補充により、光学的性質の大きなシフトが引き起こされる。
【0078】
一態様において、以下のように細胞表面タンパク質を検出し、定量することができる:細胞表面タンパク質を認識するヒスチジンタグ標識リガンドをNTA(His‐タグ標識タンパク質を捕捉するため)およびフェロセン部分(電子的または電気化学的シグナル伝達のため)の両方を提示するSAMを持つコロイドに、連結させる。次に、これらの生物特異的、電子的または電気化学的シグナル伝達コロイドを、標的受容体を提示する細胞と共にインキュベートする。細胞はその後、SAM被覆電極上に沈殿させ、接着させ、または引き寄せられ、ACVにより分析される(図3)。シグナル伝達コロイドに固定化されたリガンドが細胞表面上のそれらのコグネイト受容体に結合した場合、フェロセン部分の特徴的な酸化電位で電流ピークが生じるであろう。細胞表面受容体を認識する抗体は、初めにHisタグ標識プロテインAまたはGが結合しているNTA‐フェロセンを持つコロイドに結合してもよい。あるいは、抗体は金属結合タグ/金属/キレート結合によりコロイドに直接結合してもよく、ここで金属結合タグは抗体に結合さえる。ヒスチジンタグを抗体に結合するための技術は、“Construction of the single−chain Fv from 196−14 antibody toward ovarian cancer−assocoiated antigen CA125”Hashimoto,Y.,Tanigawa,K.,Nakashima,M.,Sonoda,K.,Ueda,T.,Watanabe,T.,and Imoto,T.:1999,Biological and Pharmaceutical Bulletin,Vol 22:(10)1068−1072.;“Human antibodies with subnanomolar affinities isolated from a large non−immunized phage display library”,Vaughan,T.J.,Williams,A.J.,Pritchard,K.,Osbourn,J.K.,Pope,A.R.,Earnshaw,J.C.et al.,1996,Nature Biotechnology Vol 14(3)p.267.;“Expression and purification of single chain anti−HBx antibody in E.coli”Zouh G,lui KD,Sun H.C.,Chen Y.H.,Tang Z.Y.,and Schroder C.H.,1997,vol 123(11−12)pgs609−13に見出すことができる。
【0079】
本発明の技術の一例として、図4では、細胞へのコロイド粒子の固定を含む有用な技術の例が記載される。腫瘍マーカー、MUC−1は腫瘍細胞上に異常に発現される。ATCCから入手できるヒト組織培養乳癌細胞系統MCF−7は、MUC−1を過剰発現する。Dana−Farber Cancer Instituteから入手できる抗体50,DF3またはおよびDF3−pは、ヒスチジンタグ標識プロテインG 56により電子的または電気化学的シグナル伝達コロイド52(NTA‐SAMs54を持つ)に結合する。標的細胞58は、抗体を持つシグナル伝達コロイド52と共にインキュベートし、分子ワイヤ含有SAM58で被覆した電極に電気泳動し、ACVにより分析する。電極40上のSAMは、より慣用の、堅く詰まったSAM‐形成種と混合した分子ワイヤ58を含む。すべての図において説明を簡単にするために、分子ワイヤ58だけを図式的に示す。抗体を持つシグナル伝達コロイドをMUC−1を持つ細胞とインキュベートすると、電流ピークが得られる。あるいは、MUC−1の推定コグネイトリガンド、I−CAMをHisタグ標識し、NTA基をも持つシグナル伝達コロイドに結合してもよい。
【0080】
別のアッセイを図5に示す。薬物ライブラリーは、MUC−1/I−CAM相互作用のような、細胞由来タンパク質との特異的相互作用を阻害するそれらの能力に対してスクリーニングしてもよい。I−CAM 64は先に記載のようにシグナル伝達コロイド62に結合し、その後MUC−1(66)を提示する細胞70および対照細胞と共にインキュベートする。薬物候補68は、細胞およびコロイドが懸濁している溶液内に添加し、その後細胞は電極に接着し、ACVにより分析する。シグナルの損失は、薬物候補との相互作用を示す。図6は、使い捨てマイクロウェル72のアレイを微小電極74の接続可能なアレイと共に使用することにより、何千もの薬物候補を同時にスクリーニングするためにこのスキームがどのようにして容易に多重化されるかを説明する。それぞれのウェルは、図5に示されるアッセイ、または別のアッセイを含む。
【0081】
次に図7では、シグナル増加アッセイのために、またはコグネイトリガンドが未知の細胞表面受容体80に結合する薬物をスクリーニングするために、小分子薬物ライブリーを、電子的または電気化学的シグナル伝達部分34をも持つコロイドまたは粒子78上で合成するか、またはそこに共有結合することができる手順が示される。シグナル伝達粒子に結合した薬物候補76は、関心のある受容体80を提示する細胞82、または対照細胞84とインキュベートすることができる。本アッセイにおける薬物‐標的相互作用により、シグナルが増加する(図7)。
【0082】
細胞表面受容体、αVβ3は細胞接着分子ビトロネクチンとの相互作用により血管新生を促進することが示唆されている。αVβ3細胞表面受容体を提示するヒト臍静脈内皮細胞(HUVEC)は、Cloneticsから入手できる。αVβ3の作用を阻害する薬物のスクリーニングのために、ビトロネクチン由来のRGD‐含有配列を提示するHisタグ標識ペプチドを、NTA基およびフェロセン部分を共に提示するSAMsを持つコロイドに連結させる。その後、生物特異的シグナル伝達コロイドはHUVEC細胞および薬物候補と共にインキュベートする。HUVEC細胞は電極上で増殖させることができる。しかし、細胞が溶液または懸濁液中にある場合、それらを電気泳動させるか、または感知電極に磁気的に結合させて、ACVにより分析することができる。生物特異的コロイドは、対照細胞よりむしろ、HUVEC細胞と共にインキュベートするとき、電流ピークが生じる。薬物候補がαVβ3‐RGD配列相互作用を妨害する場合、結果としてシグナル損失がおきる。既知の血管新生阻害剤エンドスタチンでαVβ3‐RGD相互作用を阻害することにより、このアッセイの実行可能性が示された。アッセイは、説明したように電子的に、または標準プラスチック皿中で細胞を増殖させてアッセイを行い、細胞を40倍の倍率で観察することにより、視覚的に行うことができる。
【0083】
あるいは、薬物候補は、ビーズ、コロイド、または電子的または電気化学的シグナル伝達部分を同様に提示する支持体上で合成されるか、それらに連結してもよい。これらの“粒子”または表面を標的細胞とインキュベートし、感知電極に引き寄せ、ACVにより分析する。吸引場を逆にし、そしてRGD配列を含むペプチドを溶液中で滴定する。細胞は再び感知電極に電気泳動され、再分析される。シグナルの損失は、薬物‐細胞相互作用がαVβ3受容体に特異的であることを示し、RGDペプチドのIC50を薬物への結合親和性と関連付けられる。
【0084】
あるいは、同様にαVβ3に結合する49アミノ酸ペプチド、エチスタチンは、先に記載のアッセイにおいてRGD‐含有ペプチドと交換するためにHisタグ標識されてもよい。
【0085】
メタロセンは、以下の理由からシグナル伝達実体としてとりわけ有用である。100mVから800mV間の特有の電位でそれぞれ酸化されるように各種フェロセン誘導体を選択してもよい。それぞれの酸化電位は特有の標識を表し、その結果複数の細胞表面受容体を同時に探索することができる。細胞表面受容体とリガンドを固定化したコロイド間で生物学的に適切な相互作用が起こる場合、細胞は電子的または電気化学的シグナル伝達粒子で修飾され、その結果電流ピークが生じる。電流ピークの大きさは、シグナル伝達コロイドにより認識された細胞表面受容体の数に比例するだろう。
【0086】
細胞表面分子は懸濁液中、または図8に示すように、組織試料中に埋め込まれた細胞上で検出することができる。凍結組織標本86は、冷凍で切片にし、RGD‐含有ペプチドまたはメチル停止基のような、細胞結合基90で誘導体化されている柔軟で半透過性の膜支持体88上に直接置かれる。その後、関心のある細胞表面受容体に対するリガンド94をも提示する電子的または電気化学的シグナル伝達コロイド92と共に試料をインキュベートする。非結合コロイドは、インキュベーション時間の後に洗い流される。その後支持体膜を、細胞サイズに匹敵する電極の面積を有する、微小電極アレイ96と物理的に接触させて、ACVにより分析する。組織試料のそれぞれの部分は、タンパク質量および発現レベルを分析し、組織病理学的に関連付ける。この能力は単一細胞分析法の妥当性を保証する、なぜなら、その方法により研究者は癌細胞に特に関連したタンパク質の型を同定し、任意の異常なタンパク質発現を排除することができるからである。懸濁液中の細胞は同様に支持体膜に結合することができる。
【0087】
この技術は、健康な組織または細胞に対して病気を罹ったそれらにおいて異なって発現される受容体またはタンパク質のような、細胞由来分子を同定するために使用することができる。この異なる発現が、健康な組織または細胞に対して病気を罹ったそれらにおける異なる発現のレベル、および/または容易に同定することができる、組織または細胞における発現の異なる型と関連してもよい。この技術が疾患状態の測定のための診断用アッセイを容易にする。たとえば、特定の疾患であると推定される患者に関連して、細胞、具体的には、生検由来の細胞、血液試料などのような疾患の指標に関連する細胞が患者から採取されてもよく、そしてこれらの細胞は、疾患を示す発現レベルまたは型を測定するために健康な細胞に対して分析することができる。また、各種病理学的状態に関与する細胞由来タンパク質のアップレギュレーションを阻害する薬物をスクリーニングするためにこの系を使用することができる。薬物スクリーニングのための2つの技術の例として以下のものが挙げられる:(1)疾患と推定されるか、またはその徴候を示す患者に候補薬物を投与し、そして疾患の治療における薬物の効力を測定するために先に記載の患者の細胞を含む生物学的試料をモニターすること;(2)疾患を有すると推定されるまたは有する患者由来の細胞を含む生物学的試料を採取し、生物学的試料または細胞の成分を候補薬物に暴露し、そして先に記載の技術を使用して、発現レベルおよび/または型をモニターすること。一度結合パートナー(薬物、抗体、または細胞由来タンパク質のタンパク質/ペプチドリガンドを含んでいてもよい)が同定されると、結合パートナーは疾患状態または治療に反応した細胞由来タンパク質の発現レベルを定量するために検出部分に結合させることができる。これは細胞表面および細胞内コンパートメントの両方への細胞由来タンパク質の発現および移動に対する薬物候補の間接的影響を試験する、いずれのアッセイであってもよい。
【0088】
また本発明は、個々の細胞表面上および/または組織試料中に埋め込まれた細胞上の細胞表面受容体発現の型を視覚的に研究するための能力を提供する。これは、疾患状態に関連付けることができる細胞表面受容体発現の型を示すことができる。また、これらは診断または薬物スクリーニング方法に使用することができる。具体的なアッセイにおいて、細胞表面受容体に結合するリガンドを持つコロイド粒子は個々の細胞または埋め込まれた細胞に暴露され、そして個々の細胞に関するそれらの結合の位置は、視覚的に測定可能で、細胞表面受容体発現の型を示す。たとえば、MUC−1は乳癌に関連する細胞表面受容体である。正常にはMUC−1は、各種細胞型の表面に均一に発現される。各種癌に関連する形質転換細胞において、受容体は過剰発現され、細胞の先端部分に濃縮される。これは、記載された技術を使用して測定することができる。薬物スクリーニングにおいて、形質転換細胞の培養物が提供され、薬物候補により処理されてもよい。先端での型発現の損失が検討される。この態様において、視覚的同定はヒト裸眼、顕微鏡、吸光光度法、電子顕微鏡検査法、蛍光検出などによる観察のような本明細書に記載の任意の技術を含んでいてもよい。
【0089】
先に記載の電子的または電気化学的検出を含む技術では、発現された種のレベルは、個々の細胞または他の非常に少量のものを含む試料をそれぞれ含む試料間で比較することが可能であり、そして型は組織試料を含むより大きな試料上で測定することができる。先に記載の視覚的検出態様では、発現された種のレベルは、大きな試料および単細胞試料を含む小さい試料の両方に発現された種の型と同様に測定することができる。電子的または電気化学的検出に有用なシグナル伝達実体は、フェロセンのような酸化還元活性分子を含む、電子的または電気化学的検出のために本明細書に記載されたシグナル伝達実体を含む。先に記載の視覚的検出では、コロイドを含む本明細書に記載のいずれかのシグナル伝達実体は単独で、または蛍光もしくは視覚的に同定可能な実体のような補助的なシグナル伝達実体を有しているものとして、使用することができる。複数のシグナル伝達実体が使用されてもよい(すなわち、結合事象ごとに複数のシグナル伝達)。電子的もしくは電気化学的または視覚的シグナル伝達ではともに、異なるアッセイに関して異なるシグナル伝達実体を使用してもよい。たとえば、第1の受容体またはタンパク質を標的にするように選択された第1のリガンドは、第1のシグナル伝達実体に関して固定化されてもよく、一方第2の受容体またはタンパク質を標的にするように選択された第2のリガンドは、第2のシグナル伝達実体に関して固定化されてもよい。電子的または電気化学的シグナル伝達では、異なるシグナル伝達実体が異なる酸化還元電位を含んでいてもよく、それらの間の差は電子的に区別可能であり、そして視覚的同定では、異なるシグナル伝達実体が異なる色の放射性または吸収性実体であってもよい。そのような場合、タンパク質または受容体の発現レベルおよび型が測定されるだけでなく、型は一つの受容体またはタンパク質の発現の位置と他のそれを区別することができる。
【0090】
また、先に記載の生物特異的コロイドはin vivo画像診断を容易にするために使用することができる。使用されるコロイドは金であり、それは比較的不活性である。腫瘍マーカーに対する抗体または他のリガンドを提示するように誘導体化されている金コロイドは、内部に取り込ませるか、または注入することができる。コグネイト腫瘍マーカーを提示する腫瘍塊はコロイドで覆われ、濃縮装置として作用するであろう。次に腫瘍はX線、およびX線コンピュータトモグラフィー(CT)のような画像診断技術により検出することができる、なぜなら、有効な結果は金属中に包まれた腫瘍塊であってもよいからである。溶液中の個々のコロイドは検出に対して見えないであろう。また、生物特異的コロイドでそのように標識されている腫瘍は、MRI(磁気共鳴イメージング)により検出することができる。画像診断技術は、常磁性金属および他の対比物質、たとえばFe、Gd、またはCrを取り込むことにより高めることができる。対比物質は、コロイド上に形成されたSAMsに金属キレートチオールを取り入れることによりコロイドに結合させることができる。あるいは、腫瘍上に発現される標的タンパク質のコグネイトリガンドだけを提示するSAMsは、対比物質材料からなる粒子上で形成されてもよい。鉄または磁鉄鉱コアを有するコロイドは、金で被覆され、生物特異的SAMsで誘導体化されてもよい。あるいは、リポソーム様粒子がキレート基で停止された脂質鎖から形成され、その結果金属対比物質が“コア”を形成し、生物特異的リガンドが溶媒に暴露されてもよい。あるいは、コロイドが生物特異的リガンドに加え、特異的分光分析的特徴を有する部分を持っていてもよく、その部分はRaman分光法を含むエネルギー吸収、または散乱技術により検出することができる。画像診断装置は本体の外側に含まれるか、または観察機械の本体もしくは光ファイバーに導入されてもよい。あるいは、腫瘍塊上で濃縮された場合、高周波を伝える部分を持つコロイドが検出可能なシグナルを生成してもよい。個々のコロイド由来のシグナルは、腫瘍塊に結合したコロイドの集合物から生成されるシグナルに比べ、無視できるか、または検出不可能でなければならない。
【0091】
図9では、2つのタンパク質がお互いに相互作用するか否かを測定するために、第1のタンパク質104をNTA 54およびフェロセンリガンド34を共に提示するコロイド106に結合し、第2のタンパク質100をNTAリガンド54のみを提示するSAM‐磁気ビーズ102に結合させるであろう。2つの粒子型は一緒に混合され、その後磁石108が下にある感知電極40に磁気的に補充される。磁気ビーズが2つのタンパク質種の相互作用によりシグナル伝達コロイドに結合した場合だけ、電子的または電気化学的シグナルが、生成されるであろう。また、非ヒスチジンタグ標識タンパク質も、シグナル伝達または磁気(補充可能)粒子の上に、それらは荷電され、そしてカップリング化学に関与しない暴露基で停止したチオール(たとえばNTAチオール)とともにカルボキシで停止するチオールをを組み込んだSAMsを形成することにより、それらに連結できる。次に、第1級アミンを提示するいずれかの分子を結合させるために標準EDC/NHSカップリング化学を使用することができる。電子的または電気化学的標識工程はタンパク質製造工程と分かれているため、一般的な電子的または電気化学的シグナル伝達コロイドおよび磁気粒子を使用して系を効率的に多重化してもよい。これは、研究者が癌の分子的特徴を明確にするのに役立つタンパク質相互作用データベースの構築を容易にする。
【0092】
相互作用するタンパク質パートナーは、小分子薬物ライブラリーとともにインキュベートすることができ、および薬物リードはシグナルの損失を検出することにより識別した。あるいは、小分子薬物ライブラリーは既知の標的タンパク質に結合する薬物候補を直接スクリーニングするための磁気ビーズ上のものを購入してもよい。
【0093】
また、本明細書に記載の基礎的な技術は、酵素活性を調節する薬物をスクリーニングするために使用することができる。ある酵素は、進行性疾患に重要なものであると同定されている。ある場合には、分子は活性になるためにその特異的部位で開裂されなければならず、これを行う酵素の活性を阻害する薬物のスクリーニングが望まれるであろう。本明細書に記載の技術を、この目的のために以下で記載のように使用することができる:
以下に記載したものはこの技術の実行に有用である:Edelstein and Distefanoは、光励起性交差結合部分で修飾されたファルネシルピロフォスフェート基が、酵母FPTによりRAS由来のペプチドモチーフに添加できることを報告している(Edelstein R.and Distefano M.(1997).Photoaffinity labeling of yeast farnesyl protein transferase and enzymatic systhesis of a RAS protein incorporating a photoactive isoprenoid.Biochem.and Biophys.Res.Comm.235,377−382)。彼らの目的は、このアッセイを使用して、2つを交差結合することにより、ファルネシル誘導体がFPTにより認識されることを示すことであった。この発見は、酵素活性または特異性を妨害せずにピロフォスフェートから離れた末端で、ファルネシルまたはゲラニル部分をビオチンで修飾することができるという概念と一致する。
【0094】
図10では、既知の結合パートナー(BP1)がある分子122に、酵素開裂部位(ECS)110が1つの末端112で連結することができる。他の末端114では、それがSAM(HS−R−X)に取り込まれてもよい分子116に連結していてもよく、ここでSは硫黄であり、RはSAMに取り込まれることができる分子種であり、そしてXはリンカーである。得られた分子は、電子的シグナルを送達できる基118(HS−R−XM)(または電極に近くに引き寄せられたとき、電子的または電気化学的シグナルを変換することができる他の基)と共にコロイド116上でSAMsに組み込まれてもよく、ここでMは酸化還元‐活性金属もしくは遷移金属である。磁気ビーズまたは粒子120は、相互標的分子(BP3)に同時に結合することにより直接的、または間接的のいずれかにより、BP1 122に結合する分子124(たとえばストレプトアビジン)(BP2)を提示するように誘導体化されてもよい。
【0095】
たとえば、電子的または電気化学的シグナル伝達コロイド116は、酵素開裂部位(ECS)を持ち、およびビオチンで停止したチオールにより誘導体化されてもよい。磁気ビーズはストレプトアビジンにより誘導体化されてもよい。磁気ビーズおよびシグナル伝達コロイドは関心のある酵素および薬物候補と共にインキュベートしてもよい。薬物候補が酵素作用を調節するか、または阻害する場合、(たとえば、タンパク質またはペプチドの)部位は開裂されず、そしてシグナル伝達コロイドはビオチン/ストレプトアビジン相互作用により磁気ビーズに連結するであろう。複合体が磁気的に感知電極に連結するとき、結果として電流ピークが発生し、アッセイはシグナルの増加検出アッセイになる。すなわち、タンパク質は1つの末端でのSAM‐形成種、およびビーズ120上に固定化された結合パートナー24に結合可能な結合パートナー122を介してコロイド116およびビーズ120の両方に結合するように適合してもよく、そして開裂またはその調節がモニターされてもよい。タンパク質は記載されたものを含む各種の方法でコロイドおよびビーズに結合してもよいか、または、さらにコロイドが金属を配位結合するキレートを提示してもよく、タンパク質が金属結合タグにより提供されていてもよい。本発明はさらにいっそう一般化され、そこにおいてコロイド粒子116およびいずれかの非コロイド構造、たとえばビーズ120の両方への結合に適合したいずれかの実体が、実体を開裂する能力を有する酵素、および酵素活性を低下させる候補薬物の両方の存在下で、コロイドおよび非コロイド構造に提示され、そしてそこに結合してもよい。非コロイド構造は図解したようにビーズであってもよく、または電極自体であってもよい。
【0096】
BP1はBP2および/またはBP3と同じであってもよい。たとえば、ECSおよびBP1(ビオチン)を持つチオールは、遊離ストレプトアビジン(BP3)、次に磁気ビーズ上のビオチン(BP2)に結合してもよい。あるいは、標的分子に分子の基を添加する酵素を阻害または促進しようとしてもよい、すなわちコロイド粒子および非コロイド構造を、非コロイド構造への結合に適合した酵素の基質、粒子への結合に適合した酵素活性により基質に結合可能な分子種、および基質に対する酵素に暴露してもよい。このことはさらに、酵素の活性調節のための候補薬物の存在下で行ってもよく、非コロイド構造は固定化された電気活性実体を持つコロイド粒子を持つ磁気ビーズであってもよい。あるいは、非コロイド構造は電極表面であってもよい。
【0097】
具体的には、図11では、そのような場合、電子的または電気化学的シグナル伝達コロイド126は、キレート/金属/金属結合タグ結合によって、基が添加される分子128により誘導体化される。添加される小片、添加分子130は第1の結合パートナー(BP1)132(ビオチンであってもよい)により停止する。磁気ビーズ12は、BP1の結合パートナー(BP2)134(ストレプトアビジンであってもよい)を提示する。コロイド、磁気ビーズ、添加分子、関心のある酵素および薬物候補をインキュベートし、その後分析のために電極に引き寄せる。対照に比較したシグナルの損失は、薬物候補が酵素活性を阻害することを示し、一方シグナルの増加は薬物により亢進した酵素の活性を示す。
【0098】
本発明に従って、電極、コロイド粒子などのようなアーティクルの表面で結合パートナー、シグナル伝達実体などのような所望する種を提示するために、各種のSAMsをさまざまな種類の表面上で使用することができる。当業者は、さまざまな種類の表面、官能基、スペーサー部分などの中から選択することができる。例示的な説明は、米国特許第5,620,850号に見出すことができる。また、この米国特許はニトリロトリ酢酸、2,2′−ビス(サリシリデンアミノ)−6,6′−デメチルジフェニル、および1,8−ビス(a−ピリジル)−3,6−ジチアオクタンなどを含む、使用することができる各種金属結合タグについて説明する。
【0099】
ビーズを含む各種非コロイド構造は先に記載される。ビーズはポリマー材料、アガロース、テンタゲル、および/または磁気材料を含むことができる。ポリスチレンビーズは非常に有用である。本発明のこれらおよび他の態様の効用および利点は、以下の実施例により十分に理解されるであろう。以下の実施例は本発明の利点を説明することを意図するが、本発明の完全な範囲を例証しない。
【0100】
以下の実施例および実験は、本発明の具体的な態様を説明し、本発明がいずれか特定の態様に限定されると解釈すべきではない。
以下に記載の態様のいくつかにおいて、実施例はSAM形成、コラーゲン被覆、細胞増殖、コロイド形成、および交流ボルタンメトリー(ACV)を含む。SAM形成のために、顕微鏡用ガラススライドはTiの層、次にAuの層で覆った。それぞれの電極はRTで0.5時間、10%メチル停止チオール(HS−(CH2)15CH3)、40%トリ−エチレングリコ−ル停止チオール、HS(CH2)11(CH2CH2)3OH、(式)および50%MF−1を含有する、300μlのDMF溶液でインキュベートした。その後、チップを含むシンチレーションバイアルに400μM トリ−エチレングリコ−ル停止チオール2mlを添加し、バイアルは以下の様に水浴中で熱サイクルにかけた:2分間@55℃;2分間@37℃;1分間@55℃;2分間@37℃続いてRTで10分間。その後電極はEtOHに浸し、続いて滅菌PBSで洗浄した。それらは、生物学的安全性キャビネット中でLTV殺菌灯下に1時間置き、滅菌を確実にした。
【0101】
コラーゲン被覆のために、PBS中の0.005mg/ml コラーゲンの200μL液滴をそれぞれの電極に添加し、4℃で2時間インキュベートした。
細胞増殖のために、電極を細胞増殖フラスコに入れ、培養培地および特定の細胞表面受容体αVβ3を提示するヒト内皮細胞(HUVECs)の溶液を添加した。電極および細胞含有溶液はCO2インキュベータ内で24時間、37℃でインキュベートした。100倍の倍率による肉眼検査は、細胞が電極に接着し、増殖の表現型であるウェブ様の広がりを示したことを示した。
【0102】
コロイド製造のために、市販の金コロイド(Auro Dye)1.5mlをで微少遠心管中で高速で10分間遠心分離し、ペレットにした。ペレットは保存用バッファー(クエン酸ナトリウムおよびtween‐20)100μLに再懸濁した。90μM ニトリロトリ酢酸(NTA)‐チオール、90μM フェロセン‐チオール、および500μMカルボキシ停止チオールを含有するジメチルホルムアミド(DMF)溶液100μL。そのチオール溶液中で3時間インキュベーション後、コロイドをペレットにし、上清を捨てた。それらをDMF中の400μM トリ−エチレングリコ−ル停止チオール100μL中で、2分間、55℃;2分間、37℃;1分間、55℃;2分間、37℃、続いて室温で10分間インキュベートした。コロイドはその後ペレットにし、リン酸緩衝生理食塩水(PBS)100μLを添加した。コロイドは次にコロイド保存用緩衝液中の180μM NiSO4で1:1に希釈した。PBS中の100μMのHis‐タグ標識ペプチド 100μLを、コロイドを提示するNTA‐Ni(II)100μLに添加し、0.5時間インキュベートした。遊離の非結合ペプチドを取り除くために、その後コロイドをペレットにし、上清を捨てた。コロイドペレットは100μL PBSに再懸濁した。コロイドは以下のいずれかに結合した:a)αVβ3受容体に結合するように設計されたペプチド、HHHHHH(S4G1)3GRGDSGRGDS;またはb)不適切なペプチド、HHHHHH‐グルタチオンS‐トランスフェラーゼ(GST)。RGDモチーフを含むペプチドは内皮細胞上のαVβ3受容体に結合することが示されている。ビトロネクチン(αVβ3の天然のリガンド)中のRGDモチーフが相互作用に関与すると考えられている。
【0103】
ACV分析は、CH Instruments electrochemical analyzerを使用して行われた。3電極系が使用された。銀対塩化銀参照電極を白金補助電極とともに使用した。誘導体化された金被覆チップを作用電極として使用した。25mVの過電位が10Hzの周波数で電極に適用された。
【0104】
【実施例】
実施例1
この実施例はファルネシルタンパク質トランスフェラーゼ(FRT)およびゲラニルゲラニルタンパク質トランスフェラーゼ(GGPT)の阻害剤のスクリーニングのためのアッセイを記載する。
【0105】
本発明者らは以下のことを容易に多重化できるアッセイを考案している:1)初期スクリーニング工程に野生型標的タンパク質および変異体を組み入れる;2)関心のある酵素によるファルネシル/ゲラニル基およびそれらの類似体の標的タンパク質への添加を直接検出し、定量する;および3)酵素活性に対する薬物候補の異なる作用を検出できる。本発明者らの研究方法は以下のとおりである:1)NTA/Ni(II)基(ヒスチジンタグ標識タンパク質を捕捉するため)および電子的または電気化学的シグナル伝達のためにフェロセンのような遷移金属の両方を提示するSAMsを持つコロイドにヒスチジンタグ標識RASタンパク質(または各種変異体由来のペプチドモチーフもしくはフラグメント)を結合させる;2)ビオチンでファルネシルピロフォスフェート誘導体を修飾する(図13);3)酵素を添加する;4)候補阻害剤を添加する;5)ストレプトアビジンをもつ磁気ビーズを添加する;6)感知電極に磁気的に引き寄せ、電子的に分析する。酵素FPTは、シグナル伝達コロイド上に固定化されたRASにビオチン化ファルネシル(またはゲラニル)部分を添加するだろう。ストレプトアビジンをもつ磁気ビーズはビオチンに結合し、その複合体は補充も検出も可能であろう。アッセイは、微小電極アレイと接続したマイクロウェル中で、シグナル伝達コロイド上に固定化されたRAS変異体および薬物候補を変えて、並行して行われるであろう(図14および15)。微小電極アレイの全体は、特定の標的タンパク質のための酵素活性に対する薬物候補の異なる作用を測定するために電子的に分析されるであろう。薬物候補が標的変異体タンパク質にファルネシル基を添加する酵素を妨害する場合、結果として電子的または電気化学的シグナルが減少するであろう。
【0106】
この研究方法は酵素の活性をモニターするか、またはその活性を調節する薬物のスクリーニングに使用することができる。また、非ヒスチジンタグ標識タンパク質は標準カップリング化学によりシグナル伝達コロイドに結合することができる。あるいは、ファルネシル誘導体は、磁気ビーズ上に固定化された基の結合パートナーである、ビオチン以外の認識基により修飾されてもよい。
【0107】
EdelsteinおよびDistefanoは、光励起性交差結合部分で修飾されたファルネシルピロフォスフェート基が、酵母FPTによりRAS由来のペプチドモチーフに添加できることを報告している(Edelstein R.and Distefano M.(1997).Photoaffinity labeling of yeast farnesyl protein transferase and enzymatic synthesis of a RAS protein incorporating a photoactive isoprenoid.Biochem.and Biophys.Res.Comm.235,377−382)。彼らの目的は、ファルネシル誘導体がFPTと交差結合することにより、FPTにより認識されることを示すためにこのアッセイを使用することであった。この発見は、酵素活性または特異性を妨害することなしに、ピロフォスフェートから離れた末端でファルネシルまたはゲラニル部分がビオチンで修飾できるという概念と一致する。
【0108】
実施例2
この実施例では、細胞をSAMsにより誘導体化された金被覆電極に連結させた。電極に連結したままの細胞は次に、金コロイドを含む溶液と共にインキュベートし、それらのコロイドは、細胞表面上の受容体に特異的なリガンドおよび電子的または電気化学的シグナルを電極に送達することができる酸化還元‐活性金属を共に提示するように誘導体化されていた。多少のインキュベーション時間の後、電極は交流ボルタンメトリー(ACV)により読みとった。コロイド結合リガンドおよび細胞表面受容体間の正の相互作用が、同様にコロイド上にある酸化還元‐活性金属を電極の十分近くに引き寄せ、電子的または電気化学的シグナルを変換するであろう。
【0109】
より具体的には、電極への電子の流れを容易にするために、電極は50%ビス(エチルフェニルチオール)(すなわち、C16H10S)のバックグラウンド中で10%メチル頭基を提示するようにSAMsにより誘導体化された。40%トリエチレングリコール停止チオール(HS(CH2)11(CH2CH2)3OH)が単分子層の充填を促進するために包含された。細胞増殖がコラーゲンで被覆されたHSC15‐メチル停止SAMs上で維持できることは以前に示されていた。HSCH2C15CH3およびコラーゲンは共に絶縁分子であり、電極への電子の流れを阻害することができる。このため、本実施例では、飽和炭素鎖‐コラーゲン被覆度を低下させ、より伝導性の分子ワイヤに隣接した増殖細胞の島状構造を生じた。細胞表面受容体αVβ3を提示する、血管新生に重要なヒト内皮細胞(HUVECs)は電極上で増殖した。受容体のリガンドおよび電子的または電気化学的シグナル伝達のためのフェロセン部分を持つSAM‐被覆金コロイドは細胞提示電極としばらくインキュベートし、その後ACVにより分析した。
【0110】
ACV分析のために、1ml容量のシリコンガスケットを細胞提示電極上に固定した。Hisタグ標識RGDモチーフペプチドを前もって結合させたNTA‐Niコロイド 100μlおよび100μl PBSを細胞提示電極と共にインキュベーションするためにガスケットに添加した。15分後、初めのACVスキャンが記録された。15分間隔で2つの連続したスキャンが記録された。電流出力は電圧に対してプロットされた。初めのスキャンはPBSバッファーに特徴的な広幅の電流バルジを生じた。第2および第3のスキャンは、特徴的なフェロセン電位(780mVolts)においてそれぞれ0.5μAmpsおよび1.6μAmpsの異なる電流ピークを発生した、図16を参照されたい。Hisタグ標識GSTが予め結合したNTA‐Ni(II)コロイド 100μLと共に同じ細胞を提示する同一の電極をインキュベートした陰性対照は、RGD‐提示コロイドと共にインキュベートした電極に類似した第1のスキャンを生じた。しかし広幅のバルジは、第2および第3のスキャンで減衰し、同一であった(図17)。陽性対照の1.6μAmpsのピークと明らかに異なり、陰性対照では鮮明なピークは見られなかった。
【0111】
実施例3:伝導性表面上の細胞増殖
この実施例では、コラーゲンで被覆されていない“伝導性”表面上での細胞増殖の電子的検出について記載する。細胞は、いくつかの場合には単分子層に構築されるが、コラーゲンでは被覆されなかった硫黄含有分子で修飾された金電極上で増殖させた。100%候補薬物と共にインキュベートした電極がトリ‐エチレングリコール停止チオール中で循環加熱されないことを除いて、電極修飾は実施例2の電極製造部分に記載したように行われた。いくつかの電極を同じ細胞増殖フラスコ中に集め、HUVEC細胞を含む培地を添加した。電極および細胞はCO2インキュベータ中で24時間インキュベートした。表面は100倍の倍率を使用して視覚的に分析した。表1は、表面修飾およびその後の細胞接着/増殖の特徴を記載する。表面は低い非特異的結合を示した。しかし、ひとたび細胞が結合すると、細胞増殖は十分であった。SAMを介して金属を配位結合する金属キレートを提示しタンパク質上の金属結合タグによってSAMにタンパク質を結合し、タンパク質が細胞を引き寄せることにより、細胞をSAM上に容易に固定化することができる。結果を実証するために写真を撮影した(示していない)。細胞は、フェロセン部分および細胞表面のαVβ3受容体に特異的な、ペプチド、HHHHHH(S4G1)3GRGDSGRGDS;または陰性対照としての、不適切なペプチド、HHHHHH‐グルタチオンS‐トランスフェラーゼ(GST)を提示するコロイド(先に記載)と共にインキュベートした。図18は、100% エチニルフェニルチオール(MF1)SAM‐被覆電極上で増殖した細胞を、αVβ3受容体に特異的なリガンドを持つコロイドと共にインキュベートしたとき(図18、実線)だけ電流ピークを生じ、不適切なペプチドGSTにより誘導体化されたコロイドと共にインキュベートしたとき(図18、点線)は生じなかったということを示す。
【0112】
図19は、絶縁トリ‐エチレングリコール停止チオールのバックグラウンド中で25% 2−メルカプトエチルエーテルにより誘導体化された電極の電気化学的スキャンを示す。RGD配列ペプチドを提示するコロイドで誘導体化された細胞は小ピークを生じ(図19、実線)、一方GSTペプチドを提示するコロイドと共にインキュベートした細胞はピークを生じなかった(図19、点線)。
【0113】
【表1】
【0114】
実施例4:グルタチオン−S−トランスフェラーゼ/グルタチオン結合を介したコロイド粒子によるポリマービーズの修飾
図20および21を参照されたい。以下の実施例は、標的タンパク質の結合パートナーである小分子、薬物候補、ペプチド、タンパク質、核酸、またはそれらの組合せを提示する非コロイド粒子上に、標的タンパク質を提示するコロイドがどのように凝集するかを説明する。多くのコンビナトリアル薬物ライブラリーは非コロイド粒子またはビーズ上で合成され、医学的に適切な標的種を表示するコロイド粒子と混合することができる。標的種の結合パートナーである薬物を表示するビーズは容易に同定することができる、なぜなら、コロイド粒子がそのビーズ上に凝集し、それを赤く着色するからである。
【0115】
標的タンパク質、グルタチオン−S−トランスフェラーゼ(GST)はヒスチジンタグ標識され、そしてNTA‐Ni(ヒスチジンタグ標識はNTA‐Niに結合する)を提示するSAM‐被覆コロイド上に固定化された。表面上に40μM NTA‐Niを提示するコロイド 30μlを21.5μM GST 65μlに添加し、溶液中のGST最終濃度を14μMとした。GSTを結合する小分子グルタチオンは、アガロースビーズに結合したものをSigma‐Aldrichから入手できる。グルタチオン被覆ビーズは、GST‐結合コロイドの溶液とともにインキュベートした。数分位内に、GSTはグルタチオンビーズに結合し、着色コロイドを溶液から除去し、ビーズを赤く修飾した(図20)。GSTに結合しない、小分子を表示するビーズは、GST結合コロイドとインキュベートしたとき、無色のままであった(図21)。第2の陰性対照(その中でグルタチオン被覆ビーズをGST非存在下でNTA‐Niコロイド 30μlとインキュベートした)は、NTA‐Niコロイドがビーズ表面に、またはグルタチオンに非特異的に結合しないことを示した。
【0116】
実施例5:SAMの電子透過性の制御の実例
この実施例は、促進された電子的連絡を含むSAMを形成する能力を示す。SAMは、第1の堅く詰まる種および、電子的連絡に対するSAMの透過性を高める、異なる分子構造の第2の種の混合物を含んで表面上で形成される。表面が暴露された流体が表面と電気的に連絡できるように、欠陥、または開口部がSAM中に形成される。具体的には、全体としてSAMに関して破壊的な構造を有する硫黄含有小分子が安定してSAMに取り込まれ、電子に対する透過性亢進が示された。この実施例は、表面を電気的に比較的伝導性にし、およびその後、細胞増殖を支持できることを示す。
【0117】
水溶性フェロセン誘導体は電解質溶液:500μM NaClO4中のフェロセンジカルボン酸の100mM溶液、に溶解した。作用電極は、異なる量の2−単位分子ワイヤ(MF1)を含むSAMにより誘導体化された金被覆電極であった。特徴的なフェロセン電位でのピークの高さを分子ワイヤ密度の関数としてプロットした。陰性対照として、金被覆電極は100% トリ‐エチレングリコール停止チオールからなる絶縁SAMで誘導体化した。図22は、SAMの“伝導性”、または溶液中の電子がSAMに侵入する能力が、SAMに統合された2−単位分子ワイヤの密度の関数であることを示す。この系は、一連の硫黄含有化合物で修飾された電極の伝導性を試験するために使用された。50% 候補薬物および50% トリ‐エチレングリコール停止チオールにおいて、化合物をDMF中に溶解した。電極は実施例1に記載のように誘導体化した。表2は、ACVにより分析したときの、候補薬物および生じた電流ピークの高さを表にする。図22は、ポリ(エチニルフェニルチオール)による単分子層破壊の関数としての、単分子層の伝導性試験の2つの実験結果を示す。
【0118】
SAMsは、DMF中の500μM トリエチレングリコール停止チオールおよび500μMのメルカプトベンゾチアゾールまたは2−メルカプトエチルエーテルのいずれかから、金チップ上で形成された。チップは平らな表面と1ml 容量のシリコンガスケット間に固定された。フェロセンジカルボン酸溶液は、500μMのNaClO4中に溶解し、Ag/AgCl参照電極およびPt補助電極とともにシリコンガスケット中に入れた。金チップは作用電極に結合した。系はACVにより分析した。溶液中のフェロセンが電極と電気的に連絡することにより得られた電流ピークの大きさは、電極と連絡するSAM内に欠陥を作製することにより、SAMの電子流への透過性を高める試験化合物の能力の指標であった。図23は、単に絶縁種トリ‐エチレングリコール停止(CH2)11−SH(+++線)および、報告によれば伝導性が亢進した、ポリ‐エチニルフェニルチオール種(MF1)(実線)を単独で包含するSAMのオーバーレイである。伝導性ポリ‐エチニルフェニルチオール種はより伝導性であると予想される、なぜなら、同一の分子で2つの付加的な反復単位を持つものは伝導性であると報告されているからである(Science 1997 Bumm et al.,)。予測したように、アルキルチオールSAMは、フェロセンジカルボン酸溶液中で電流ピークを生じないが、50% ポリ‐エチニルフェニルチオールからなるSAMはそれを生じる。図24は、2−メルカプトエチルエーテル(実線)およびメルカプトベンゾチアゾール(+++線)を含む伝導性が亢進したSAMsに対する図23のプロット(点はTEG停止チオール、星印はポリ‐エチニルフェニルチオールである)を示し、ポリ‐エチニルフェニルSAM由来の電流ピークは、50% 2−メルカプトエチルエーテルを包含するSAMs、または50% メルカプトベンゾチアゾールを包含するSAMにより発生するピークより桁違いに小さいことを示し、SAMに伝導性種を取り込むことによるか、またはSAMに“欠陥”または“開口”分子を挿入することにより、SAMsが電子流に透過性になるという概念に一致する。
【0119】
表2.電極は、トリ‐エチレングリコール停止チオールバックグラウンド中で以下の化合物により誘導体化された。電極製造は、実施例1に記載のように行われた。表面の“伝導性”または透過性は、電解質溶液(0.5M NaClO4)中のフェロセンジカルボン酸の酸化/還元により生じた電流ピークの大きさを測定することによりアッセイした。非特異的結合に抵抗するそれぞれの化合物の能力は、測定前にBSA(ウシ血清アルブミン)にそれぞれの表面を浸すことによりアッセイした。非特異的に吸着されたタンパク質は、単分子層から電極への電子の伝導を妨げるであろう。
【0120】
【表2】
【0121】
実施例6:タンパク質‐タンパク質相互作用の検出
この実施例は、固定化されたシグナル伝達実体および固定化されたタンパク質を有するコロイド粒子の有用性を示す(図27参照)。
【0122】
ヒスチジンタグ標識グルタチオン−S−トランスフェラーゼ(GST‐His)は、40μM NTA‐Niおよび100μMフェロセンチオールを表示する、NTA‐SAM‐被覆コロイドに連結させた。プロテインAを提示する市販の磁気ビーズは、抗‐GST抗体により1/10の結合容量に被覆し、1:5の比でGST‐コロイドに添加し、そして磁石の頂部に置いた50% MF‐1 SAM被覆電極上で測定した。磁石は電極表面に磁気ビーズを引き寄せ、厚い、可視の沈殿物を形成した。GST‐コロイドは磁気ビーズ上のGST抗体と相互作用し、電極表面に引き寄せられ、約280mVにおいて電流ピークを生じた。2つの陰性対照、GSTがコロイド表面に結合しない対照、およびGST抗体が磁気ビーズに結合しない他の一つの対照を使用した。いずれの陰性対照も電流ピークを生じなかった。図25はこの実例の結果をプロットする。実線は、GST‐His‐提示コロイドおよび磁気ビーズ上の抗‐GST/Ab間の相互作用を表す。○はGSTを提示しないコロイドとインキュベートした抗体を提示する磁気ビーズを表す。●はGSTを提示するコロイドとインキュベートした抗体を提示しないビーズを表す。
【0123】
実施例7:細胞検出
この実施例は、SAMを横切る電気的連絡を高める分子種を含む混合物を含み、SAMに欠陥を形成することにより、表面が暴露された流体が表面と電気的に連絡できる表面上のSAMを形成する利点、および固定化されたシグナル伝達実体を持つコロイドのタンパク質への連結の有用性を共に説明する。タンパク質は次にはSAMを提示する電極の表面に連結した細胞に固定化される。この場合の欠陥は、フェニル環を含むSAMに組み込まれた分子のバルクにより生じる。
【0124】
HUVEC細胞は培地に懸濁し、金表面上を被覆したSAMとフラスコに入れた。SAMは、50% 直鎖チオール、および50% 2−単位ポリ(エチニルフェニル)チオール(MF1)を含んでいた。8.4mM RGD‐Hisペプチド溶液 5μlを培地に添加し、細胞を一晩37度でインキュベートして電極表面に接着させた。約16時間後、RGD‐Hisペプチドを捕捉するためのNTAおよびシグナル伝達のためのフェロセンを提示するSAM‐被覆コロイド 100μlを細胞に添加し、室温で20分間インキュベートした。次に電極をバッファーで洗浄し、どのような非結合コロイドも洗い流して、測定した。電流ピークは200〜250mVで記録した。陰性対照は、細胞に結合できない不適切なタンパク質、His‐GSTと共にインキュベートした細胞であった。コロイドを陰性対照に添加し、電極をバッファーで洗浄し、測定を行った。陰性対照ではピークは全く見られなかった。図26は、フェロセンシグナル伝達実体および細胞表面受容体に対するhisタグ標識リガンドを提示するコロイドが、細胞/表面相互作用により電極表面に運ばれたときに、発生したピーク(実線)を示す。菱形は陰性対照を表し、コロイドは細胞表面受容体に結合しないように選択された不適切なタンパク質を提示した。
【0125】
実施例8:非修飾リガンドに対するリガンド‐受容体相互作用の検出
この実施例は、タンパク質またはリガンドのいずれも標識せずに、SPRの非存在下で、タンパク質/リガンド相互作用を測定するための能力を示す。具体的には、電極表面上にリガンドおよびフェロセンを含むSAMを形成することにより、リガンドと相互作用すると推定されるタンパク質にリガンドを暴露すること、ここでリガンドは、その電気活性シグナルがタンパク質への接近度に依存する電気活性実体、すなわちフェロセンと一定の接近関係にある。
【0126】
本発明者らは、フェロセン誘導体の特徴的な酸化電位はフェロセン誘導体の局所環境の化学的性質に基づいてシフトされてもよいことを見出している。タンパク質はフェロセン誘導体の近くに運ばれるため、変化した電位において第2の電流ピークが現れる。この変化したピークの大きさは系のタンパク質の密度に比例する。
【0127】
一連の金‐被覆電極は、トリ‐エチレングリコール停止チオールバックグラウンド中で一定密度の伝導性分子ワイヤチオールおよび可変密度のメチル停止チオールを含む、異種のSAMにより誘導体化された。以下のことは以前に示されている:1)トリ‐エチレングリコール停止SAMsはタンパク質の非特異的吸着に抵抗する;および2)メチル停止SAMsはタンパク質、特にコラーゲンに結合する。したがって、電極を溶液中のコラーゲンと共にインキュベートする場合、非特異的に吸着するコラーゲンの密度はメチル停止チオールの密度が増大するにつれて増大するであろうと考えた。2%、4%、10%および15%メチル停止チオールを含むSAMsが金被覆電極上に形成された。電極の半分はPBS中の0.005mg/ml コラーゲンと共に4℃で2時間インキュベートし、他の半分はPBSのみとインキュベートした。電極は、電解質溶液(0.5M NaClO4)に溶解した水溶性フェロセン誘導体、フェロセンジカルボン酸と共に交流ボルタンメトリー(ACV)により分析した。特徴的な電位におけるフェロセンの交互の酸化/還元が電流ピークを生み出す。この電流ピークの大きさおよびそれが発生する電位が記録された。低密度メチル停止チオールでは、電流ピークは約450mVで発生した;その大きさおよび位置はタンパク質、コラーゲンの存在により影響されないと考えられた。10%以上の高密度のメチル停止チオールでは、タンパク質コラーゲンの存在下でのみ、第2の電流ピークが約300mVで生じる。図28は、フェロセンジカルボン酸の存在下における高密度メチル停止チオール電極を示す。実線は、メチルチオールに結合したコラーゲンを持つ電極を表す。電極表面上のコラーゲンにより生み出された疎水性の環境は、フェロセンの酸化電位をシフトさせ、2つのピークが見られる。黒丸はコラーゲンに結合していない高密度メチル停止チオール電極を表し、したがってフェロセンの酸化に影響を与えない。
【0128】
この研究方法は、非修飾タンパク質、ペプチド、細胞の存在を検出するために以下のように使用することができる:混合SAMはアルキルチオールに連結したフェロセンジカルボン酸SAMを電子流について透過性にするチオールおよび標的種の結合パートナー(結合パートナーは、ヒスチジンタグ標識され、SAM中のNTA‐Ni部分への結合により電極に結合していてもよい)で停止するチオールから形成される。標的種が試料溶液中に存在する場合、それはSAM上に提示されているその結合パートナーに結合する。SAM表面の近くのタンパク質の存在は、フェロセンジカルボン酸のまわりの化学的環境を変化させ、その酸化電位をより低い電位側にシフトさせる。固定化された酸化還元‐活性金属の特徴的な酸化電位のシフトが標的種の存在を示す。
【0129】
これらの実験が環上に極性置換基を持たないフェロセン誘導体により行われると、作用は全く観察されなかった。したがって、この研究方法が機能するには、固定化された酸化還元‐活性金属が極性環境中にあり、固定化された結合パートナー(チオールによりSAMに結合された)ができるだけ小さいことが極めて重要である。
【0130】
実施例9:ELISA
分子または細胞生物学の技術者によく知られた技術は酵素結合免役吸着検定法(ELISA)(Current Protocols in Molecular Biology,Volume 2,Immunology 11.2,1996,著作権所有者Wiley and Sons Inc.1994−1998)である。ELISAに伴う重要な問題は感度である。酵素シグナル伝達は1:1の比で起こる;1抗体に結合した酵素は、1抗原の存在をシグナル伝達する。したがって、抗原のマイクログラム量が効果的なELISAに必要であるが、すべての場合に妥当ではない。このことから、低レベルで発現されるか、または提示される細胞表面上の抗原の検出にはELISAは適さない。ELISAに伴う別の問題は、低い抗原濃度では、アッセイに非常に時間がかかることである。酵素加水分解の量は、加水分解の時間に直接比例する。一般にELISAを行う場合、標的種はプラスチック支持層に直接的にか、または間接的に連結させる。次に固定化された種の存在は、同様にシグナル伝達能力を有する“第2”の抗体がそれに結合することにより検出される;第2の抗体は、典型的にはホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRPO)、アルカリホスファターゼ(AP)といった酵素、または添加された基質上で結果として色が変化する反応(分光光度計により検出される)を行うことができる蛍光タグ、もしくは蛍光計により検出できる蛍光標識タグに通常は結合されている(たとえば、“Localization of a passively transferred human recombinant monoclonal antibody to herpes simplex virus glycoprotein D to infected nerve fibers and sensory neurons in vivo”,Sanna PP,Deerinck TJ,and Ellisman MH,1999,Journal of Virology Oct.Vol 73(108817−23)を参照されたい)。多くの場合、便宜上すべての抗体が酵素に結合する必要がないように、マウス抗体を特異的認識抗体として使用し、その後酵素結合ウサギ‐抗マウス抗体を添加する。
【0131】
本明細書に記載の技術を使用して、ELISAの感度を非常に高め、そしてプローブ分子として天然のリガンド(タンパク質もしくはペプチド)または薬物候補を使用して固定化された標的種の存在を検出することができる。固定化された種の存在は、複数のホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRPO)またはアルカリホスファターゼ(AP)をも提示するコロイドに結合したリガンドをそれに結合することにより検出する。酵素は、酵素に直接連結したヒスチジンタグを含む各種の手段により、またはヒスチジンタグ標識プロテインGを介してコロイドに結合するヤギ抗体に、マウス‐抗ヤギ酵素結合抗体を結合することにより、コロイドに好都合に結合することができる(Akerstom,B.,Nielson,E.,Bjorck,L.Journal of Biological Chemistry,1987 Oct.5 Vol.262(28);pgs.13388−91 and Fahnestock,S.R.,Alexander,P.,Nagle,J.and Filpula,D.(1986)Journal of Bacteriology Vol.167,870−880)。複数の酵素と共にコロイドに共固定化されたリガンドを第2抗体の代わりに標的種に結合することにより、結合事象に対するシグナル伝達分子の比は桁が増加する。ELISAプレート上に提示された抗原へのコロイド上の1抗体またはリガンドの結合の結果、間接的に何千または何百万の酵素が結合する。あるいは、既知の種を意図的に96‐ウェル上プレートのウェルに結合させ、それぞれがシグナル伝達酵素と共に異なる薬物候補を提示することをコロイドにより調べることができる。今のところ、現在のELISA技術ではこれを行うことは不可能である。なぜなら、それぞれの薬物候補は酵素に結合することができないからである。あるいは、固定化された標的に対する天然のリガンドが、シグナル伝達酵素と共にコロイド上に提示されてもよく、および薬物候補が相互作用を破壊するためにプレートのそれぞれのウェルに添加されてもよい。非結合コロイド、およびしたがってそれらのシグナルは洗浄工程で失われる。抗体‐またはリガンド提示コロイドの標的は、ELISAプレートに直接的または間接的に(別の抗体またはリガンドにより)結合した細胞またはタンパク質であってもよい。ELISAのこの修正の利点は感度だけでなく、効率にもある。数百のシグナル伝達酵素がコロイドにより1抗原に結合したままでいるため、基質加水分解がより速く起き、より少ない時間で適切な解釈が行われるであろう。
【0132】
実施例10:細胞表面受容体とコロイド固定化リガンドの相互作用およびその阻害の視覚的検出
この実施例は、以下のこと除いては実施例3に記載の方法で行われた。細胞は複数ウェルプレート上で増殖させた。相互作用後、肉眼検査は、受容体が発現される細胞上の位置での、コロイドによる細胞の選択的な修飾を示した。図29Aでは、全く結合が起きない対照が示される。任意の配列のペプチドが使用された。図29Bは、タンパク質が発現される細胞上の位置におけるコロイドによる選択的な細胞の修飾を示す。
【0133】
実施例11:非特異的に固体支持体に結合した一結合パートナーとコロイドに結合した他のパートナーとの間の結合相互作用の検出
タンパク質、具体的にはストレプトアビジン(Promega)は、非特異的に固体支持体、具体的にはQ−セファロースに連結した。その結合パートナー、ビオチンは、コロイド粒子上の自己組織化単分子層に組み込まれたチオールに共有結合的に連結した。コロイド粒子をビーズに暴露すると、ビオチンとストレプトアビジン間の結合により固定化され、ビーズを赤く着色した。図30Aは、結合相互作用により修飾されたビーズ(本来、赤色)のコンピュータデジタル化顕微鏡画像の写真複写である。図30B(対照)は、修飾されなかったビーズの同様の画像である;同様のビーズ(ストレプトアビジン‐結合)は不適切なタンパク質を提示するコロイドに暴露された。
【0134】
また、この実施例は、重要なことには、コロイド粒子上にビオチンを含む自己組織化単分子層について記載する。ビオチンSAMsは、以下のようにコロイド上に形成された。DMF中に580μM COOH停止チオールおよび20μMビオチン停止チオールを含む溶液が作製された。チオールはC11であった。コロイド製造は先に記載のように行い、記載された20μMビオチンおよび580μM COOHチオールのDMF溶液はコロイドとともにインキュベートした。他の工程は先に記載したものと同様であった。
【0135】
実施例12:単一結合事象の複数のシグナル伝達によるELISA
この実施例は以下の例外/詳細を伴って、典型的なELISAと同様に行われた:洗剤および界面活性剤は洗浄工程から除かれた。GSTを、マルチウェルプレート上に固定化した。マウス抗‐GST抗体をウェルに添加し、GSTに結合させた。一般的な洗浄工程後、ウェルの第1セット(実験用)にヒスチジンタグ標識プロテインGを提示するコロイドを添加し、抗‐GSTに結合させた。ウェルの第2のセット(対照)にはプロテインG固定化コロイドを暴露しなかった。別の一般的な洗浄工程後、すべてのウェルにホースラディッシュペルオキシダーゼ結合ヤギ抗‐マウス抗体を暴露した。次にすべてにホースラディッシュペルオキシダーゼ基質および硫酸を暴露した。反応は、通常の方法で進行させた。プレートはマルチウェル分光光度計リーダーにより分析した。
【0136】
この実施例の結果は、ホースラディッシュペルオキシダーゼがコロイド粒子上の複数のG位置に結合するに従い、実験用ウェルが対照ウェルに比べ6桁大きいシグナル伝達をすることを示す。図31は、この6桁の増大を示す棒グラフである。この実施例は、複数のシグナル伝達実体による、第1の生物学的または化学的作用物質の単一の結合の、第2の生物学的または化学的作用物質へのシグナル伝達を示す。複数の実体のシグナル伝達は、それらがコロイド粒子に結合するのと同時に起こる。
【0137】
実施例13:コロイド表面上に提示された自己組織化単分子層への非修飾化学的または生物学的分子の連結、具体的には、コロイドへのストレプトアビジンの連結
この実施例は、カルボン酸またはその塩を提示することができる表面へのいずれかの本質的にアミンを含有する実体の連結のための技術を提供する。技術は、コロイド表面上に形成された自己組織化単分子層への連結により、コロイドに実体を連結するために使用することができる。自己組織化単分子層に連結される分子は、結合前に親和性タグなどのような、いずれかの特定の化学的官能基を含む必要がない。ただ一つの要件は、多くのアミノ酸に見出されるように、少なくとも一つの第1級アミンを含むということである。したがって技術は、表面にカルボン酸を提示するコロイドに第1級アミノ基を持つタンパク質またはペプチドを共有結合するためにとりわけ適する。
【0138】
コロイド上に自己組織化単分子層を形成するための技術は先に記載されている。これらの技術には、以下の具体的な詳細な説明および但し書きが付け加えられた。
【0139】
タンパク質はコロイド表面上のカルボキシレート(SAMによって結合)とペプチドのアミン残基間にアミド結合を形成することにより結合した。アミド結合は、修正されたEDC/NHSカップリングプロトコルの適用により形成された。カップリングの成否は、ストレプトアビジンを提示するコロイドとビオチン基を提示するコロイド(ビオチンSAMを介して、先述)を混合することにより試験した。ストレプトアビジンが首尾よく結合した場合、2つの型のコロイドは凝集し、懸濁液が色を変え、最後にコロイドが沈殿して透明な溶液が残るであろう。
【0140】
カップリング手順に使用されるコロイドは、他に記載されたように製造し、540μM(マイクロモラー)COOH停止チオール、60μM NTA‐停止チオールを含有するチオール溶液中でのインキュベーション、およびその後の400μM エチレングリコール停止チオール中での循環加熱により形成された。PBS中の50μl コロイドは、水中の50μlの10mM EDC、40mM NHSで処理された。7分後、コロイドを遠心分離して沈殿させ、液体を除去し、その後pH6.4のリン酸バッファー中の0.1mg/ml ストレプトアビジン 500μl(マイクロリットル)に再懸濁した。1.5時間後、コロイドの未反応部位をエタノールアミンを添加することによりブロックし、そしてコロイドを遠心分離して沈殿させ、その後pH6.4のリン酸バッファー 100μL中に再懸濁し、過剰な、結合しなかったストレプトアビジンを洗い流した。コロイドはその後再び遠心分離して沈殿させ、50μl PBSに再懸濁した。20μL リン酸バッファーおよび15μl ビオチン提示コロイドの混合物に、先に製造されたストレプトアビジン‐提示コロイド 15μlを添加した。この懸濁液を35μl リン酸バッファーおよび15μl ビオチン提示コロイドの混合物と比較した。ストレプトアビジン‐提示コロイドの添加は、赤色から青色への速やかな色の変化を引き起こした。〜10分後、ビオチンコロイドおよびストレプトアビジンコロイドの混合物は透明になり、底に沈殿物が見られた。ビオチンコロイドを含まない混合物は視覚的な変化がなく、赤色のままであった。
【0141】
先に記載のプロトコルは、コロイド上の自己組織化単分子層への、アミンを含む本質的にどんな化学的または生物学的分子の結合にも適用できる。結果として凝集を起こす複数のコロイドへの結合よりむしろ、ただ一つのコロイドへの1分子の結合を確実にするために、以下の修正を適宜行ってもよい。望ましく結合した分子の濃度を維持し、そしてEDC/NHS反応物質の濃度を維持する一方で、溶液中のコロイドの濃度を低下させてもよい。各種分子に対して当業者は、他のわずかな修正を行ってもよい。アミン‐含有分子は、当業者により選択されてもよく、そして限定はしないが、タンパク質、合成分子、ペプチド、誘導体化核酸、および他のアミンを含む誘導体化された、または天然に存在する生物学的分子を含んでいてもよい。当業者は、本発明のこの態様に従ってコロイドに連結可能にするために、多様な種がアミンまたはアミン‐含有種とともに合成されるか、またはそれらに連結してもよいことは理解するだろう。
【0142】
当業者は、本明細書に記載のすべてのパラメータは例示的なものであって、実際のパラメータは本発明が使用される方法および装置についての具体的な用途に依存することを容易に理解するであろう。したがって、先の態様は実施例のためだけに提示されること、および添付の請求項およびそれらと同等のものの範囲内で、具体的な記載とは異なって本発明が実行されてもよいということを理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は無傷細胞上のリガンドのコグネイト細胞表面受容体と相互作用するデンドリマーまたはポリマーを介して、フェロセンのような金属含有化合物に連結したリガンドを表す。
【図2】
図2は無傷細胞上のリガンドのコグネイトの受容体と相互作用する粒子に結合したリガンド、フェロセンのような金属含有化合物を表す。
【図3】
図3は、コロイド上の自己組織化単分子層に練得kつしたタンパク質を示し、それらは電子的または電気化学的シグナル伝達のための酸化還元‐活性金属も提示する。標的受容体を持つ細胞は、関心のある受容体に対するコグネイトリガンドを持つコロイドとインキュベートし、続いて感知電極に電気泳動的に、または磁気的に引き寄せられる。図は一定の比率に拡大したものではなく、そしてコロイドは20の金原子から直径数百ナノメーターまでに及ぶ、各種サイズで作られてもよい。
【図4】
図4は、腫瘍マーカーMUC−1特異的抗体、DF−3を持つ電子的シグナル伝達コロイドとインキュベートされるMUC−1を有する細胞を表す。抗体は、コロイド上の自己組織化単分子層に取り込まれたNTA/Ni(II)基に結合するHisタグ標識プロテインGを介して、コロイドに結合する。
【図5】
図5は、薬物ライブラリーの個々のメンバーの細胞表面受容体との相互作用を阻害する能力をスクリーニングするために使用することができる、アッセイの一態様を示す。
【図6】
図6は、マイクロウェル(使い捨てであってもよい)と微小電極アレイおよびロボットをつなぎ合わせることにより、薬物スクリーニングアッセイを容易に多重化できることを示す。電極アレイの分析は、多数の電極の同時分析が可能な、修正した電気化学的アナライザーを使用して行うことができる。電極はマイクロウェルに挿入されるように(矢印を参照されたい)設計することができる。
【図7】
図7は、電気活性シグナル伝達部分をも持つ粒子上で合成されるか、またはそれらに共有結合的に連結することができる薬物候補を示す。シグナル伝達粒子に連結した薬物候補は、関心のある受容体を提示する細胞、および関心のある受容体を発現しない対照細胞と共にインキュベートすることができる。このアッセイにおける薬物−標的相互作用の結果、シグナルが増加するであろう。
【図8】
図8は、RGDモチーフを含むペプチドとの相互作用により、柔軟な、半透過性支持体に連結するする組織試料を示す。次に、試料は関心のある細胞表面受容体に対するリガンドを持つ、電気活性シグナル伝達コロイドとインキュベートする。試料を洗浄し、次に微小電極アレイにつなげる。電極アレイは電極の面積が細胞の面積に相当するように作製することができる。試料はさらにACVにより特徴付け、その後組織病理学に関連付けることができる。
【図9】
図9は一般的な補充およびシグナル伝達粒子に基づいた、容易に多重化可能なタンパク質‐タンパク質相互作用アッセイを示す。Hisタグ標識タンパク質を選択的に捕捉するNTA/Ni(II)リガンドを持つ自己組織化単分子層は、シグナル伝達コロイドおよび金被覆磁気ビーズ上に形成される。次に、それぞれの粒子型を、異なるHisタグ標識タンパク質と手短にインキュベートする。次に磁場が磁気ビーズを感知電極に引き寄せる。第1タンパク質と第2タンパク質間の相互作用を通してコロイド上の電気活性標識(酸化還元活性部分であってもよい)が電極に運ばれるときだけ、シグナルが変換される。非Hisタグ標識タンパク質もカルボキシ停止チオールを提示する、自己組織化単分子層を持つ一般的な粒子に結合できることに注意されたい。
【図10】
図10は、酵素開裂部位(ECS)を持ち、ビオチンで停止したチオールにより誘導体化された電気活性シグナル伝達コロイドを示す。磁気ビーズはストレプトアビジンにより誘導体化し、次に磁気ビーズとシグナル伝達コロイドを関心のある酵素および薬物候補と共にインキュベートする。もし薬物候補が関心のある酵素の作用を阻害すると、その部位は開裂されず、そしてシグナル伝達コロイドはビオチンストレプトアビジン相互作用により磁気ビーズに結合したままであろう。得られた複合体が磁気的に感知電極に結合するとき、電流のピークが得られ、アッセイがシグナル増加検出アッセイになるであろう。
【図11】
図11は、酵素活性を調節する薬物のスクリーニングのための研究方法を示す。このスキームにおいて、酵素修飾の標的であるタンパク質は、やはり電気活性部分を持つコロイドに連結する。酵素が標的タンパク質に添加する化学基はビオチンで標識されている。酵素機能が適切であるとき、ビオチン標識化合物はシグナル伝達コロイド上のタンパク質に添加される。このようにして得られた複合体は、さらにストレプトアビジン被覆磁気ビーズに結合する。複合体はさらに感知電極に電磁気的に引き寄せられる。薬物候補はアッセイに添加されてもよい。対照に比較したシグナルの損失は、薬物候補が酵素の活性を阻害したことを示し、一方シグナルの増加は薬物が酵素の活性を高めたことを示すであろう。
【図12】
図12は、ファルネシル基、ファルネシルピロフォスフェート、およびゲラニル−ゲラニルピロフォスフェートの化学構造を示す。
【図13】
図13は、ビオチンのような認識基によるファルネシル−またはゲラニル−様部分の修飾を示す。
【図14】
ビオチン部分を持つファルネシルピロフォスフェート誘導体を示す。ファルネシルタンパク質トランスフェラーゼ(FPT)酵素は、RASタンパク質変異体へのファルネシル誘導体の添加を触媒する。複合体を感知電極に補充するためにストレプトアビジンを持つ磁気ビーズを使用するとき、酵素の活性、または薬物候補が酵素活性を修飾する能力は電流出力を測定することにより定量することができる。
【図15】
図15は、薬物候補がそれらの酵素活性を調節できる能力に対して評価されてもよいことを示す。空間的にアドレスできるマイクロウェルはRASタンパク質(野生型または変異体)、FPT酵素、ビオチン修飾付加基(ファルネシル誘導体)、ストレプトアビジンを持つ磁気ビーズ、およびプラスまたはマイナス薬物候補を含む。電極は、さらに交流ボルタンメトリー(ACV)を含む、各種電子的および電気化学的技術により分析することができる。
【図16】
図16は、RGD‐含有リガンドとコラーゲン被覆電極上で増殖する細胞との相互作用のACV分析のプロットを示す。
【図17】
図17は、(陰性)対照リガンドとコラーゲン被覆電極上で増殖する細胞との相互作用のACV分析のプロットを示す。
【図18】
図18は、伝導性分子の単一の型のみを含有する金属支持体上で増殖する細胞のACV分析のプロットを示す。
【図19】
図19は、RGD‐含有リガンドと、絶縁および伝導性分子の不均一単分子層を含む金属支持体上で増殖する細胞との相互作用のACV分析のプロットを示す。
【図20】
図20は、コロイドで修飾されたビーズ、具体的にはタンパク質/タンパク質相互作用によりビーズに結合したコロイドの写真の写真複写である。
【図21】
図21は、図20で示された実験の陰性対照の写真の写真複写である。
【図22】
図22は、(絶縁種の芝生中の)伝導性分子の割合の増大に従った単分子層の伝導性増大を表すプロットを示す。
【図23】
図23は、フェロセン溶液とともに測定した、非伝導性自己組織化単分子層の陰性対照に対する2単位分子ワイヤ、ポリ(エチニルフェニル)チオール、MF1を含有する伝導性自己組織化単分子層の単分子層の伝導性のACV分析のプロットを示す。
【図24】
図24は、フェロセン溶液とともに測定した、より高い伝導性単分子層に対して測定した、図23の2つの自己組織化単分子層の単分子層の伝導性のACV分析のプロットを示す。
【図25】
磁気ビーズへのコロイドの結合により測定した、タンパク質/タンパク質相互作用のACV分析を示す。
【図26】
図26は、対照に対する自己組織化単分子層を横切る増大した電子的連絡、および細胞表面へのタンパク質固定化の酸化還元シグナル伝達のACV表示を示す。
【図27】
図27は、図によるアッセイの説明であり、磁気ビーズへのコロイドの結合により測定したタンパク質/タンパク質相互作用のプロットは、図25に示す。
【図28】
図28は、表面‐結合タンパク質を含む電極、およびフェロセン酸化電位に対するそれらの作用(実線)および陰性対照(点線)のACV分析のプロットを示す。
【図29】
図29Aおよび29Bは、受容体が発現される部位で選択的にコロイドにより修飾される細胞(29B)および対照(29A)の顕微鏡写真(倍率40倍)の写真複写である。
【図30】
図30Aおよび30Bは、自己組織化単分子層上で、タンパク質の結合パートナーを持つコロイド粒子により修飾された非特異的に結合するタンパク質を持つビーズ(30A)および対照(30B)のコンピュータデジタル化顕微鏡画像の写真複写である。
【図31】
図31は、複数のシグナル伝達実体により単一結合事象をシグナル伝達することに起因する、6桁改善されたシグナル伝達を示す棒グラフである。
【図32】
図32Aおよび32Bは、表面への結合相互作用を示すシグナル伝達実体を補充するための重力の使用を表示する実験、および対照のACVプロットを示す。[0001]
Technical field to which the invention belongs
The present invention relates generally to chemical and biochemical detection methods, and more particularly to techniques in which colloids bind to non-colloidal structures such as electrodes, beads, or cells, and techniques in which a composite signal represents a single binding event. . Techniques involving drug screening are facilitated by the present invention.
[0002]
Background of the Invention
Drug discovery is facilitated by screening a large number of candidate compounds that interact with the target receptor or protein under physiological conditions. Of particular interest are cell surface receptors or proteins. Many of the biomolecular interactions that promote tumorigenesis are related to cell surface proteins that mediate both intracellular and intercellular signaling. “Tumor markers” are molecules on the cell surface that are exclusively expressed or overexpressed as a result of transformation into a neoplastic state. Some of these markers are associated with the ability of tumors to invade tissue and exhibit invasive growth processes characterized by metastases (these tumors generally lead to poor prognosis for patients). For example, the interaction between the cell surface receptor αVβ3 and the cell adhesion molecule vitronectin has been linked to angiogenesis. J. Varner et al. , "Integrins and Cancer," Curr Opin Cell Biol. 8: 724 (1996); Vailhe @ et @ al. , “In vitro angiogenesisgis modulated the mechanical properties of fibrin gels and is related to a αVβ3 integrin localizationation, Integral. , 33: 763 (1997); See Horton, "The @ .alpha.V.beta.3 @ integrin @ vitronectin @ receptor", "Int @ J Biochem @ Cell @ Biol, 29: 721 (1997). In fact, increased concentrations of this receptor on melanoma cells have been associated with poor prognosis. Another example of a cell surface receptor that promotes tumorigenesis and / or angiogenesis is the MUC-1 antigen; this antigen is overexpressed on breast, prostate, lung and ovarian cancer.
[0003]
The search for drugs that bind to and inhibit cell surface receptors involved in tumorigenesis has been a technological challenge, since few assays are available for intact cells. The ability to detect interactions between ligands and target receptors on the surface of living intact cells will allow the screening of candidate compounds that inhibit these interactions. Screening compound libraries of drugs that inhibit the action of cell surface receptors is highly dependent on the receptors being in a native conformation and multimerization state throughout the drug screening process. With current technology, it is difficult or impossible to detect the interaction of cell surface receptors with their natural ligands.
[0004]
Current techniques have limited their ability to assay ligand interactions on cells. Fluoresceable cell sorting (FACS) is one of the few technologies that allows the detection of cell surface receptors. One obstacle in using this technology to screen for drugs that inhibit cell surface receptors is: 1) the technology cannot be easily multiplexed to facilitate sequential and large number of drug screens; And 2) the technique is only suitable for detecting antibodies that bind to the receptor; the antigen-antibody reaction is generally a high-affinity interaction that cannot be inhibited by the drug. With current technology, it is difficult or impossible to detect cell surface receptors and their natural ligands. Screening compound libraries of drugs that inhibit the action of cell surface receptors is highly dependent on the receptors being in a native conformation and multimerization state throughout the drug screening process.
[0005]
Another technique that can be used to test for cell surface receptors is an ELISA assay. In this technique, cells are attached to a 96-well plastic plate. Cognate antibodies are allowed to bind to the cell surface receptor of interest, and unbound antibodies are washed away. Receptor availability is estimated by detecting the presence of cognate antibodies. The presence of the bound antibody is detected by introducing a detectable level of a second antibody that is active against the species of the cognate antibody. There are several inherent problems that limit the effectiveness of this technique for assessing the availability of cell surface proteins, or for screening for drugs that inhibit them: 1) resulting from non-specific adsorption of antibodies to plastic False positives hamper the technique; 2) ligand-receptor interactions are often inhibited by many washing steps; and most importantly, 3) use antibodies rather than natural ligands in this assay They typically have high-affinity interactions, so that drugs that bind to the receptor cannot be easily inhibited; and, unlike natural ligands, antibodies are responsible for the normal function of the receptor. May bind to the target receptor at a site that does not inhibit.
[0006]
What is needed is an approach to monitor or control binding events between chemical or biological species, which can increase the versatility and sensitivity of a wide range of specific interactions. For example, approaches for screening for drugs that inhibit the specific interaction of cell receptors with their ligands, including but not limited to the interaction of the αVβ3 receptor, would be advantageous. In the latter case, the assay should be flexible, thus allowing screening for a wide range of tumor types, and especially for invasive tumors. Importantly, the screening method allows for rapid screening of a large number of candidate drugs.
[0007]
Summary of the Invention
The present invention provides a variety of novel methods, compositions, and species, including techniques useful for drug screening, and articles for monitoring (detecting) interactions between chemical or biological species. The main aspects of the present invention include the following. Means for proteomic research, including protein chips and particles for signaling interactions, and multiparticulate systems such as two-particle systems. In multiparticulate systems, one particle may be a replenishable particle, another particle may have a binding partner for the agent presented by the replenishable particle, and may be a signaling entity. Or ancillary signaling entities. Other major parts include cell research, especially techniques involving interactions between ligands and cell surface proteins and receptors. Findings and treatments for drugs that can influence these interactions are also described with particular emphasis on drug therapies related to angiogenesis. Specifically, cell receptor / ligand interactions that can inhibit or promote angiogenesis are described. Other parts include detecting the protein either in solution or on the surface of intact cells for diagnosis.
[0008]
In one aspect, the invention provides a method of imparting the ability of a colloid particle to be anchored in a non-colloidal structure, and determining whether the colloidal particle is anchored in a non-colloidal structure. This aspect deals with a wide range of interactions involving colloidal particles or, preferably, many colloidal particles having various structures. Non-colloidal structures, including beads, such as magnetic beads, can interact with colloidal particles as an aid in measuring the interaction between the species immobilized on the beads and the species immobilized on the colloidal particles. Colloidal particles can "modify" the beads so that they can be identified visually as a measure of unique species / species interactions. Alternatively, magnetic beads may be used to replenish the surface with colloidal particles, where the identification of the particles can be performed electronically or electrochemically, or by other means. Non-colloidal structures, such as electrodes, can work with colloidal particles or species immobilized on colloidal particles to indicate specific assay results. Non-colloidal structures, such as cells, can interact with the colloidal structure to indicate binding of the cells to the species possessed by the colloid particles. The advantages of these and other technologies, including colloidal particles and non-colloidal structures, will become even more apparent from the following description.
[0009]
In another aspect, the invention provides techniques for attaching a chemical or biological agent to an article, such as a bead, colloid particle, or the like, via a metal binding tag / metal chelate bond. Articles thus bound to chemical or biological species are encompassed by the present invention.
[0010]
Another aspect of the invention includes techniques for the detection of ligand / protein interactions involving: providing ligands in fixed proximity to an electroactive entity; By monitoring the interaction of a ligand with a protein by monitoring the electroactive signal provided by the entity, the signal is dependent on the proximity of the electroactive entity to the protein. This technique has a first protein immobilized on a first surface, and a second surface, which may be a particle, with an electroactive entity also immobilized on a second surface. It may be facilitated by an article of the invention having a putative ligand that interacts with the protein of interest. This aspect of the invention facilitates another feature of the invention that is a method of measuring protein / ligand interactions in the absence of surface plasmon resonance without labeling either the protein or the ligand.
[0011]
The present invention relates to techniques including methods for signaling a single bond of a first biological or chemical agent to a second biological or chemical agent having multiple signaling entities, and Ingredients are also provided. The article provided by the present invention facilitates this technique, and it is capable of biologically or chemically binding a second agent, which is bound to a plurality of signaling entities, Has chemical agent. The plurality of signaling entities may be bound to the agent as a polymer or dendrimer with the plurality of signaling entities, and are compatible with binding to the agent. Also, the technique may be facilitated by immobilizing the agent on the colloid particles, for example, on the surface of the colloid particles where a plurality of signaling entities are also immobilized. In a preferred embodiment, three or more signaling entities simultaneously signal a single chemical or biological binding event. More preferably, at least 10, even more preferably at least 50, and even more preferably at least 1000 or 10,000 signaling entities simultaneously signal a single chemical or biological binding event according to this aspect of the invention.
[0012]
Another aspect of the invention is illustrated by a colloid particle having both a signaling entity and a protein immobilized thereon. Techniques for the use of this component are also encompassed by the present invention.
[0013]
The present invention also provides a technique for controlling electron permeability across a self-assembled monolayer at a surface. In such a technique, a self-assembled monolayer is formed on a surface and is described by a mixture of at least a first species and a second species. The first molecular species has a structure that promotes self-assembly at the surface in a tightly packed manner that prevents electrical communication between the surface and the fluid to which the surface is exposed. That is, the first species is a relatively tightly packed self-assembled monolayer (SAM) that seals the surface to a fluid for SAMs (self-assembled monolayers) formed only from the first species. ) Is formed. A SAM according to this aspect of the invention has a first species and a different molecular structure, wherein the molecular structure is formed from a second species that results in the disruption of a tightly packed self-assembled structure; This reveals defects in the tightly packed structure that allow the fluid to which the surface is exposed to be in electronic communication with the surface. In such a situation, the fluid makes electrical contact with the surface, either by contacting the surface with which it can be in electrical communication, such as by tunneling, or by being sufficiently close to the surface. As will be appreciated from the following description, this aspect of the invention will be very useful when combined with other techniques of the invention.
[0014]
As noted above, one aspect of the present invention is to provide a range of components and techniques for drug screening. The method provides: 1) a modular system for binding of natural ligands to universal signaling elements; 2) increased detection sensitivity due to the binding of multiple signaling elements to each ligand. 3) simpler format (no need for washing steps, enzymatic cleavage and toxic substrates); 4) convenient electronic output; and 5) the ability to multiplex.
[0015]
In one embodiment of the assay, the present invention contemplates immobilizing live, intact growing cells, or cell-derived molecules on a conductive solid support. Such cells or cell-derived molecules, having both a surface molecule (eg, a receptor) and an intracellular signaling protein, bind to a solid support, which may be substantially surface or particle-like. Ligands (or “binding partners”) for these cells or cell-derived molecules are known and unknown, as well as putative drug candidates (not bound to other solid supports or bound to surface or particle-like structures) Which interact with other cell-derived molecules in such a way that binding between the two binding partners occurs and may be detected. The binding partner or one of its binding supports may be additionally derivatized with an agent that can be recognized and quantified by a detection device. This complex (via interaction) is then transported to a detection device using the properties of the bound complex, which can be distinguished from the unbound binding partner.
[0016]
In one embodiment, cell growth is performed on a metal support (eg, gold) that has been treated (eg, coated with a molecule compatible with cell growth) to maintain conductivity of the metal support. In one embodiment, a homogeneous conductive layer of molecules is attached to a metal surface, where it conducts electrons at a faster rate than a metal uniformly coated with an insulating species of molecules (eg, a saturated alkyl thiolate). In another aspect, a layer of foreign molecules comprising a mixture of first and second species with which a fluid exposed to a surface as described above can be in electrical communication. In another embodiment, an extraneous conductive molecular layer is attached to the metal surface; the extraneous layer is interrupted by conductive or highly conductive molecules (or lawn "defects"), low or non-conductive. It can be seen as a lawn of a species (eg, one such species or many such species).
[0017]
In a preferred embodiment of a heterogeneous conductive layer, or a heterogeneous layer in which defects promote fluid / surface electrical communication, two types of molecules are attached to the metal surface: 1) to form a lawn; The alkylthiol spacer molecule used (stopped at ethylene glycol units or methyl groups to inhibit non-specific adsorption) and 2) conductive or defect-forming species. Conducting species can be easily identified by the experiments described below. In one aspect, the conductive species comprises at least one cyclic structure (eg, a benzene ring, a pyrimidine ring, etc.). In another embodiment, the conductive species does not include any cyclic structures, but includes -O-, -OH-, -NH2And a group selected from SH.
[0018]
In one embodiment of a homogeneous conductive layer, only one type of molecule, ie, only the conductive species, is attached to the metal surface. Other embodiments using multiple conductive species are also contemplated. Another description of defect-forming molecules, and other aspects of this procedure, are described below.
[0019]
As noted above, the present invention contemplates both methods and compositions. In one aspect, the invention relates to a method wherein the first molecule and one or more signaling elements (ie, molecules or clusters of molecules) attached to a solid support are altered in light transmission, in solution color, in charge, Providing a signal that can be detected by any means, including but not limited to detection by alteration, wherein the first molecule is a ligand and the protein or Can interact with cell surface receptors. In another aspect, the invention contemplates a composition comprising a first molecule, a second molecule, and a third molecule attached to a solid support, wherein the first molecule interacts with a protein or cell surface receptor. Encompasses a ligand capable of acting, wherein the second molecule forms a monolayer on the solid support, and the third molecule is electroactive.
[0020]
The present invention is not intended to be limited by the nature of the solid support. In one aspect, the solid support is a colloid (eg, colloidal gold). It is not intended to be limited by the nature of the binding of the ligand to the solid support. In one embodiment, the ligand is covalently linked to the solid support (either directly or via another ligand or by a binding moiety). In another embodiment, the ligands are linked non-covalently or by electrostatic or ionic interactions.
[0021]
The present invention contemplates a variety of signaling elements, including but not limited to fluorescent molecules and enzymes capable of acting on a chromogenic substrate. In a preferred embodiment, the present invention provides an electroactive molecule, ie, a molecule having an oxidation or reduction potential that can be measured electronically or electrochemically in the vicinity of a working electrode in a suitable and conventional electrical configuration as a signaling element. Intend. The preferred electroactive molecule is a metallocene. Metallocenes that can act as electroactive signaling elements according to the present invention are known. Examples of particularly preferred electroactive molecules include ferrocene or ferrocene derivative groups, or ferrocenyl thiol (C35H24Organic compounds of other transition metals are also contemplated as signaling elements, including those containing derivatives such as FeS).
[0022]
It is not intended that the invention be limited by the nature of the chemical or biological agent. For example, protein / protein, protein / peptide, antibody / antigen, antibody / hapten, enzyme / substrate, enzyme / inhibitor, enzyme / cofactor, binding protein / substrate, carrier protein / substrate, lectin / carbohydrate, receptor / hormone A wide range of agents and their binding partners such as receptors / effectors, complementary strands of nucleic acids, proteins / nucleic acids, repressors / inducers, ligands / cell surface receptors, viruses / ligands, etc. It can be used for the binding interaction of the present invention. In one embodiment, the agent is a ligand, especially a peptide. In a preferred embodiment, the peptide is derivatized with a moiety capable of binding a metal chelate (eg, a histidine tag). In this embodiment, it is advantageous for the solid support to comprise a metal chelate and for the earlier peptide to be linked to the earlier solid support by attachment of the earlier moiety to the earlier metal chelate.
[0023]
In some embodiments, the cell-derived molecule comprising both a cell surface receptor and an intracellular signaling protein is on or on a solid support, which may be either substantially surface or particle-like. Connected. The binding partners of these cell-derived proteins may include both known and unknown ligands, as well as putative drug candidates, which are linked to surface and / or particle-like structures, and Interact with cell-derived proteins such that binding of One of the binding partners or its linking support may be additionally derivatized with a detectable agent. Interacting complexes are identified utilizing the properties of the binding complex that distinguish the bound complex from the unbound binding partner. The presence of, or a change in, a detectable moiety that is immobilized with one of the binding partners on a common solid support or directly linked to one of the binding partners is detected. Molecules that inhibit the relevant interaction can be identified by detecting loss of this signal. Interacting partners manipulate the properties of the bound complex, leaving one of the binding partners in the sensing moiety and recruiting it to other binding partners, or distinguishing bound from unbound binding partners. Or coupled to the replenishable element to one of the binding partners or its coupled solid support.
[0024]
For example, a chemical or biological binding partner may be bound to the surface of a solid support, which may be an electrode, a substantially planar article such as a common biotechnology chip, or the like. Good. The binding partner of the chemical or biological agent may bind to the colloid, and exposing the colloid to the surface of the article binds the binding partner, thus immobilizing the colloid on the surface. This can be measured by measuring the colloid at the surface, specifically at a particular part of the surface. The colloid particles may alternatively include ancillary signaling entities that facilitate this measurement (eg, electroactive signaling entities or visible signaling entities such as fluorescent tags).
[0025]
Specifically, cell-derived molecules such as proteins link to surfaces and ligands, likewise putative drug candidates link to particles, and interact with cell-derived proteins such that binding between two binding partners occurs. I do. One of the binding partners or its linking support may be derivatized with a detectable substance. By retaining one of the binding partners in the sensing moiety and replenishing it with the other binding partner, the interacting partner is carried to the sensing device. Alternatively, one of the binding partners may be linked to a replenishable particle, which may or may not display a signaling entity. One aspect of the invention involves recruiting electronic signaling entities to the electrodes using magnetic materials. This aspect may find use in many assays and other techniques of the present invention. Typically, the method provides the signaling entity with the ability to be immobilized in association with a magnetic material, which may be a magnetic bead. The magnetic material and the signaling entity may be immobilized relative to each other by various chemical and / or physical associations described herein. For example, a first species may be immobilized, or immobilized in relation to a magnetic material, and a second species may be immobilized or immobilized with respect to a signaling entity, or the first and second species. May be combined with each other. The first and second species are essentially as described herein, or may be any species known in the art for conjugation, and in one aspect are proteins. In a preferred embodiment, the protein is not an antibody, but for example, a ligand and a cognate receptor. The signaling entity may be anchored to an intermediate entity, such as a colloid particle, to which one of the proteins acting as a binding partner is also anchored. Also, the signaling entity may be supplemented to the electrodes without using magnetic materials. In this procedure, the signaling entity may be immobilized with respect to the binding partner of the species for the electrode, and the binding partners may bind to each other. In essence, binding partner interactions described herein or known in the art can facilitate this technology.
[0026]
Another aspect of the invention provides a biotin-containing self-assembled monolayer on a surface. In one aspect, the surface is the surface of a colloid particle.
Other advantages, novel aspects, and objects of the present invention, as determined in accordance with the accompanying drawings, which are diagrammatic and are not intended to be drawn to scale, are set forth below. It will be clear from the description. In the drawings, each identical or nearly identical component that is described in various figures is represented by a single numeral. For the sake of clarity, if no explanation is necessary for a person skilled in the art to understand the invention, not all components of all figures are shown and not all components of each aspect of the invention.
[0027]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Bamdad et al., Entitled "Rapid and Sensitive Detection of Aberrant Protein Protein Aggregation in Neurogenerative Diseases". International Patent Application No. PCT / US00 / 01997 (published on 07/27/00 as WO / 00/43991), filed on 01/25/00, "Interaction \ of \ Colloid-Immobilized \ Specifics \ With \ Specialties \ Non \ Non-patented. -Colloid {Structures "" in Bamdad et al. International Patent Application No. PCT / US00 / 01504 (published on 07/27/00 as WO / 00/34783), filed on 01/21/00, "Interaction \ of \ Colloid-Immobilized \ Specifics \ With \ Specialties \ Non \ Non-patented. -Colloidal Structures "in Bamdad et al. Commonly-owned, co-pending U.S. Patent Application Serial No. 09 / 602,778, filed 06/23/00, and "Rapid \ and \ Sensitive \ Detection \ of \ Protein \ Aggregation". Bamdad @ et @ al. Commonly-owned, co-pending U.S. patent application Ser. No. 09 / 631,818, filed Aug. 08, 2008, which is hereby incorporated by reference. .
[0028]
Definition:
As used herein, "small molecule" means a molecule of less than 5 kilodaltons, and more specifically, less than 1 kilodalton. "Small molecule" as used herein excludes proteins.
[0029]
As used herein, the term “candidate drug” refers to any medicament used in humans, animals, or plants. Included within this definition are compound analogs, naturally occurring substances, synthetic and recombinant pharmaceuticals, hormones, antibacterials, neurotransmitters, and the like. This includes treating any neurodegenerative disease, or other disease characterized by abnormal aggregation, or any agent or precursor (naturally occurring) that is to be evaluated for use as a drug for its prevention. Present, either synthetic or recombinant). Evaluation is performed by activity in an assay, such as a screening assay of the invention.
[0030]
Various types of particle types are used in the present invention. For example, "fluid suspendable particles" can themselves remain in suspension in the fluid (generally an aqueous solution) used for the present invention, or can be magnetic, electromagnetic, or stirring, Particles that can be maintained in solution by application of shaking, shaking, sonication, centrifugation, agitation such as vortexing, and the like. A “magnetically suspendable” particle is one that can be maintained as a suspension in a fluid by application of a magnetic field. An electromagnetically suspendable particle is one that can be maintained as a suspension in a fluid by the application of an electromagnetic field (eg, a charged particle or a particle modified to have a charge). A “self-suspendable particle” is of sufficiently small size and / or mass that it remains in suspension in the fluid (usually an aqueous solution) used for at least one hour without the aid of a magnetic field, for example. . Other self-suspendable particles will remain in suspension according to the invention for 5 hours, 1 day, 1 week, or even 1 month without assistance.
[0031]
"Proteins" and "peptides" are known in the art and are not clearly defined in the art as to the number of amino acids each comprises. These terms as used herein are given their ordinary meaning in the art. Generally, peptides are amino acid sequences that are less than 100 amino acids in length, but can include sequences up to 300 amino acids. A protein is generally considered to be a molecule of at least 100 amino acids.
[0032]
As used herein, “metal binding tag” refers to a group of molecules that may be immobilized on a metal coordinated to a chelate. Suitable groups of such molecules include amino acid sequences (polyamino acid tags), including but not limited to histidine and cysteine. Metal binding tags include histidine tags, defined below.
[0033]
As used herein, "chelate coordinating a metal" or a metal coordinated by a chelate refers to a metal coordinated by a chelator, wherein the chelator is any metal on the metal. Does not fill the available coordination sites, leaving some coordination sites available for binding by metal binding tags.
[0034]
As used herein, "metal-binding tag / metal / chelate bond" defines a bond between a first and second species, wherein the first species is immobilized with respect to the metal-binding tag, and The second species is immobilized with respect to the chelate, where the chelate coordinates the metal, where the metal binding tag also coordinates. Bamdad {et} al., Incorporated herein by reference. U.S. Patent No. 5,620,850 describes an exemplary combination.
[0035]
"Signaling entity" means an entity whose presence can be indicated in a particular sample or at a particular site. The signaling entities of the present invention are those that are identifiable by the naked human eye, may be invisible when separated, but can be detected by the naked human eye if there is a sufficient amount (eg, colloidal particles), An entity that absorbs or emits electromagnetic radiation within a level or wavelength range that is readily detectable spectroscopically (by the naked eye or a microscope, including an electron microscope, etc.), and that is characteristic upon exposure to the appropriate activation energy. It may be an entity that can be detected electronically or electrochemically (“electronic signaling entity”), such as a redox-active molecule that exhibits an oxidation / reduction pattern. Examples include dyes, dyes, electroactive molecules such as redox-active molecules, fluorescent moieties (including phosphorescent moieties by definition), up-regulating phosphors, chemiluminescent entities, electroluminescent Chemiluminescent entities, or enzyme-linked signaling moieties, including horseradish peroxidase and alkaline phosphatase. A "precursor of a signaling entity" may not itself be capable of transmitting signals, but is capable of interacting chemically, electrochemically, electrically, magnetically, or physically with another species. An entity that becomes a signaling entity. Examples include chromophores that have the ability to emit within a specific, detectable wavelength only when they chemically interact with other molecules. A precursor of a signaling entity can be distinguished from "signaling entity" as used herein, but is included within its definition.
[0036]
As used herein, a species is "immobilized or adapted to be immobilized" with respect to the surface of another species or article, when the species is covalently linked, specific biological binding ( (Eg, biotin / streptavidin), or chemically or biologically linked, such as by coordination bonds such as chelate / metal bonds. For example, in this context, “immobilized” include binding species such as peptides synthesized on polystyrene beads, antibodies specific for proteins such as protein A covalently linked to the beads. Biologically bound binding species, binding species that form (by genetic design) parts of molecules such as GST and Phase, which are also specific for binding partners covalently immobilized on the surface A plurality of chemical bonds, including but not limited to those chemically and biologically bonded (for example, glutathione in the case of GST), and a plurality of chemical / biological bonds. As another example, a moiety that covalently binds to thiol is adapted to be immobilized on the gold surface because thiol is covalently bound to gold. Similarly, a species with a metal binding tag is adapted to be immobilized on a surface with molecules that covalently bind to the surface (thiol / gold bonds) and also have a chelate that binds the metal coordinatively . If the surface has a particular nucleotide sequence and the species contains a complementary nucleotide sequence, the species is adapted to be immobilized on the surface as well.
[0037]
"Covalently immobilized" means immobilized by one or more covalent bonds. For example, a species covalently attached by EDC / NHS chemistry to a carboxylate-presenting alkylthiol that is also immobilized on a gold surface is covalently immobilized on that surface.
[0038]
As used herein, a component "immobilized with respect to" another component is immobilized on the other component or, for example, immobilized on a third component to which the other component is similarly immobilized. Thereby, it is either indirectly fixed to other components, or is otherwise translationally associated with other components. For example, if the signaling entity is fixed with respect to the binding species, the binding species is fixed to the colloid particles to which it is fixed, the binding species is fixed to the dendrimer or polymer to which the binding species is fixed, etc. Is fixed with respect to The species immobilized on the surface of the first colloid particle binds to the entity, and the species on the surface of the second colloid particle binds to the same entity, where the entity is a single entity, a complex of multiple species. If it can be an entity, a cell, another particle, etc., the colloid particles are immobilized with respect to the other colloid particles. Any entity that can be fixed or adapted to be fixed to another entity of the present invention is also fixed or adapted to be fixed to another entity. Is possible, and vice versa.
[0039]
“Specifically immobilized” or “adapted to be specifically immobilized” is defined as a species as described above with respect to the definition of “fixed or adapted to be immobilized”. Binds chemically or biochemically to another sample or surface, but excludes all non-specific binding.
[0040]
As used herein, "non-specific binding" is given its ordinary meaning in the field of biochemistry.
As used herein, “colloid” refers to nanoparticles, ie, very small, self-suspendable particles, including inorganic, polymeric, and metallic particles. Typically, the colloidal particles have a cross-section in all dimensions of less than 250 nm, more typically less than 100 nm in all dimensions, and preferably 10-30 nm, and include metallic, non-metallic, crystalline It may be crystalline or amorphous. As used herein, the term includes definitions commonly used in the field of biochemistry, and typically means colloidal gold particles.
[0041]
As used herein, "a moiety capable of coordinating to a metal" is any that can occupy at least two coordination binding sites on a metal atom, such as a metal binding tag or chelate. Means the molecule.
[0042]
"Diverse biological species" means mice and hamsters, mice and goats and the like.
The term "sample" includes, but is not limited to, a biological source ("biological sample") or any other biological or biological source that can be conveniently assessed according to the present invention. Represents any cell, tissue, or fluid from a non-biological medium: a biological sample taken from a human patient, a sample taken from an animal, a sample taken from human food for consumption, or a livestock feed. Samples containing food for consumption of such animals, milk, donated organ samples, blood samples for blood supply, samples for water supply, etc. One example of a sample is a sample taken from a human or animal that has been administered a drug to determine the drag of the drug.
[0043]
"Sample presumed to contain" a particular component means a sample in which the amount of the component is unknown. For example, a fluid sample from a human that is presumed to have a disease such as a neurodegenerative disease or a non-neurodegenerative disease but is not known to have the disease is presumed to contain neurodegenerative disease aggregate-forming species. Define the sample to be used. Related "samples" include physiological samples from humans or animals, samples from food, naturally occurring samples such as livestock feed, as well as "predetermined samples" Alternatively, it is defined herein to mean a sample used in an assay to test whether a biological sequence or structure is associated with a specific process, such as a neurodegenerative disease. For example, the "sample whose structure has been previously determined" includes a peptide sequence, an arbitrary peptide sequence in a phage display library, and the like. Representative samples taken from humans or other animals include cells, blood, urine, ocular fluid, saliva, cerebrospinal fluid, or tonsils, lymph nodes, fluids from needle biopsies or other samples, etc. Can be
[0044]
As used herein, “metal binding tag” refers to a group of molecules that can bind to a metal coordinated to a chelate. A suitable group of such molecules typically comprises an amino acid sequence of from about 2 to about 10 amino acid residues. These include, but are not limited to, histidine and cysteine ("polyamino acid tag"). Such binding tags, when they contain histidine, may be referred to as "poly-histidine tracts" or "histidine tags" or "HIS-tags", either at the amino- or carboxy-terminus, or at the peptide or protein level. Alternatively, it may be present in any exposed region of the nucleic acid. Poly-histidine tracts of up to 6 to 10 residues are preferred for use in the present invention. Also, poly-histidine tracts are functionally defined as being a large number of contiguous histidine residues added to the protein of interest, which can be used for affinity purification of the resulting protein on a metal chelating column, or other methods. Interaction with a molecule (eg, an antibody that reacts with the HIS-tag) allows identification of protein termini.
[0045]
"Affinity tag" is given its ordinary meaning in the art. Affinity tags include, for example, metal binding tags, GST (in GST / glutathione binding clips), and streptavidin (in biotin / streptavidin binding). Various portions of the specification describe specific affinity tags in connection with binding interactions. In any of the embodiments using an affinity tag, it should be understood that the present invention includes a series of individual embodiments, each including a selection from any of the affinity tags described herein. .
[0046]
As used herein, "molecular wire" means a wire that enhances the ability of a fluid in contact with an electrode coated with a SAM to be in electrical communication with the electrode. This includes conductive molecules or molecules that can create defects in SAMs for communicating with electrodes, as described above and exemplified in more detail below. A non-limiting list of additional molecular wires includes 2-mercaptopyridine, 2-mercaptobenzothiazole, dithiothreitol, 1,2-benzenedithiol, 1,2-benzenedimethanethiol, benzene-ethanethiol, And 2-mercaptoethyl ether. Also, the conductivity of the monolayer can be increased by the addition of molecules that promote conductivity in the plane of the electrode. Conductive SAMs can consist of, but are not limited to: 1) a poly (ethynylphenyl) chain terminated by sulfur; 2) an alkylthiol terminated by a benzene ring; 3) an alkylthiol terminated by a DNA base. 4) any sulfur-terminated species that clogs poorly in the monolayer; 5) alkylthiol spacer molecules that terminate at either the ethylene glycol unit or the methyl group, which inhibit non-specific adsorption to all of the above. Addition or subtraction. Thiols are described in the easy formation of SAMs because of their affinity for gold. Based on U.S. Patent No. 5,620,820 and other references, thiols may be substituted with other molecules known in the art. Molecular wires typically create defects in otherwise tightly packed SAMs, due to their bulk and other shapes, preventing the SAM from tightly sealing the surface to the fluid to which it is exposed. . Molecular wires cause the destruction of tightly packed self-assembled structures, thereby defining defects where the fluid to which the surface is exposed can be in electrical communication with the surface. In this context, the fluid is in electrical communication with the surface by contacting the surface or sufficiently close to the vicinity of the surface that electrical communication may occur, such as by tunneling.
[0047]
The term “biological binding” refers to an interaction between corresponding pairs of molecules, typically including biochemical, physical, and / or drug interactions, which describes the affinity or binding ability of each other. Target or non-specific binding or interaction. Biological binding defines the type of interaction that occurs between pairs of molecules, including proteins, nucleic acids, glycoproteins, carbohydrates, hormones, and the like. Specific examples include antibody / antigen, antibody / hapten, enzyme / substrate, enzyme / inhibitor, enzyme / cofactor, binding protein / substrate, carrier protein / substrate, lectin / carbohydrate, receptor / hormone, receptor / Effector, complementary strand of nucleic acid, protein / nucleic acid, repressor / inducer, ligand / cell surface receptor, virus / ligand and the like.
[0048]
The term "binding partner" refers to a molecule that can bind to a particular molecule. Biological binding partners are an example. For example, Protein A is a binding partner for the biological molecule IgG and vice versa.
[0049]
The term "determining" refers to a quantitative or qualitative analysis of a species, for example, by spectroscopy, ellipsometry, piezometry, immunoassay, electrochemical measurement, and the like. "Measure" also means detecting or quantifying an interaction between species, such as detecting binding between two species.
[0050]
The term “self-assembled monolayer” (SAM) refers to a relatively ordered set of molecules that are spontaneously chemisorbed to a surface, where the molecules are approximately parallel to each other and approximately perpendicular to the surface. Is done. Each of the molecules includes a functional group that adheres to the surface and a portion that interacts with adjacent molecules to form a relatively ordered array in the monolayer. Laibinis, P .; E. FIG. Hickman, J .; Wrighton, M .; S. Whitesides, G .; M.Science{245,845 (1989); Eval, J .; Whitesides, G .; M.J. Am. Chem. Soc.111, 7155-7164 (1989); Whitesides, G .; M.J. Am. Chem. Soc.111, 7164-7175 (1989), each of which is incorporated herein by reference.
[0051]
The term "self-assembled mixed monolayer" refers to a heterogeneous self-assembled monolayer, i.e., a monolayer made up of a relatively ordered collection of at least two different molecules.
[0052]
In one aspect, the invention contemplates interactions between chemical or biological agents for analysis, drug screening, and the like. The present invention involves analyzing and / or inhibiting ligand interactions including, but not limited to, ligands on intact cells (growing on electrodes or in solution or suspension). But not limited to them. The present invention contemplates various embodiments including the use of drug candidates, known or putative ligands, and small molecule drug libraries.
[0053]
In one aspect, the cells grow on electrodes that may or may not be derivatized by self-assembled monolayers (SAMs). A putative ligand (eg, of a particular cell surface receptor) is immobilized on a solid support (eg, colloidal gold) along with a signaling element (eg, an electroactive complex). These derivatized solid supports are incubated with cells immobilized on a sensing electrode (eg, a metal support). Interaction between the target receptor and a ligand on the solid support (eg, a ligand bound to a colloid) tethers the co-immobilized signaling element near the sensing electrode. Without being limited to any particular mechanism, it is believed that when a potential is applied to the electrodes, nearby redox-active metal complexes receive their characteristic oxidation potential and emit electrons. When the oscillating component is added to the top of the voltage lamp, more electrons are emitted by each metal composite and can be detected as a current output. This type of electrochemical analysis is called alternating current voltammetry (ACV). As known to those skilled in the art, "cell surface receptor" as used herein is a generic term that also includes cell surface proteins.
[0054]
Certain embodiments of the present invention use self-assembled monolayers (SAMs) on surfaces, such as the surface of colloidal particles, and articles, such as colloidal particles, having surfaces coated with SAMs. In one set of preferred embodiments, the SAMs formed entirely of synthetic molecules completely cover the surface or area of the surface, eg, completely cover the surface of the colloid particles. As used herein, a "synthetic molecule" refers to a molecule that does not occur in nature, rather, is one that has been designed by a human, or designed by a human, or synthesized under the control of a human. "Completely cover" herein means that there is no portion or region of the surface that directly contacts proteins, antibodies, or other species, which would prevent complete and direct coverage by the SAM. That is, in a preferred embodiment, the surface or region comprises a SAM consisting entirely of a non-naturally occurring molecule (ie, a synthetic molecule). SAMs are SAM-forming species that form SAMs that are tightly packed at the surface, or these species in combination with molecular wires, or other species that can facilitate electrical communication through the SAM (defect-promoting species that can participate in SAM) Or other species capable of participating in the SAM, and any combination thereof. Preferably, all of the species involved in the SAM contain functional groups that bind to the surface, and possibly covalently, such as thiols that bind covalently to the gold surface. The self-assembled monolayer on the surface of the present invention is a species that can essentially present (expose) any chemical or biological functionality (eg, a thiol species when gold is the surface). Or a mixture of For example, they are tri-ethylene glycol-terminated species to inhibit non-specific adsorption (eg, tri-ethylene glycol terminated thiols), and when complexed with, for example, a nickel atom, the histidine-tag labeled binding species Includes other species that terminate at the binding partner of the affinity tag (eg, thiols), such as those that terminate at chelates that can coordinate the metal, such as nitrilotriacetic acid, which captures the metal-binding tag-labeled species. You can go out. The present invention provides a method for closely controlling the concentration of essentially any chemical or biological species presented on a colloid surface, or any other surface. In many embodiments of the present invention, a self-assembled monolayer is formed on a colloidal gold surface. The present invention provides a method for strictly controlling the concentration of a histidine-tagged peptide displayed on a colloid surface. Without strict control of the peptide density on each colloid surface, the co-immobilized peptides easily aggregate with each other to form microhydrophobic regions, and the non-aggregate-forming species present in the sample It will catalyze colloid-colloid aggregation in the presence. This is an advantage of the present invention over existing colloid aggregation assays.
[0055]
The method according to the invention produces a self-assembled monolayer on a colloid that resists non-specific adsorption without a protein blocking step, such as blocking with BSA. Also, the method according to the present invention is stable in biologically relevant fluids and requires a surfactant (for stability; keeping the colloid in suspension) that interferes with the binding reaction. This produces derivatized colloids that are not needed. This allows a sensitive binding assay to be performed in solution. This eliminates the need to have a binding partner that adheres to the adsorption surface, which is common in existing colloid aggregation assays. As explained below, surfactants can be conveniently used for SAM formation on colloids. In this case, the surfactant may be removed after SAM formation, preferably removed and no longer present on the colloid, in the SAM, or elsewhere during the binding interaction, or other use of the colloid.
[0056]
The present invention is not intended to be limited to embodiments in which cells bind directly to a metal support (eg, an electrode). Embodiments contemplate that the cells bind indirectly due to the interaction of the ligand with the cells bound to the metal support. That is, cells can be recruited to the surface by coating the surface with molecules that bind directly or indirectly to the cell by specific or non-specific interactions. For example, methyl-terminated self-assembled monolayers (SAMs) bind non-specifically to collagen and then non-specifically to cells. Alternatively, peptides containing an arginine, glycine, aspartate (RGD) motif mimic vitronectin and bind to specific cell types such as endothelial cells. Similarly, polylysine, positively charged, Kringle domains, integrins, and peptides, or molecular mimetics thereof, can be attached to a surface to connect cells. These ligands may be displayed on the surface by incorporation into SAMs. The ligand itself need not be directly incorporated into the SAM. A SAM that presents a binding partner for an affinity tag linked to a ligand may be used. For example, peptides modified with a histidine tag can readily bind to SAMs containing nitrilotriacetic acid (NTA) -nickel thiol. Alternatively, the glutathione S-transferase fusion protein may be linked to a SAM that incorporates glutathione or a derivative thereof. One advantage of using metal electrodes is that they can provide many known functional groups at the ends of molecules that form SAMs on the surface.
[0057]
For example, cells in solution can be linked to a detection electrode by electrophoresis. Specifically, the cell-derived molecule may bind to a colloid-linked ligand that also presents an electroactive molecule, such as a ferrocene derivative, to assist in detecting the binding complex. However, the detection element used may be an electroactive species or fluorescent tag, either charged, which is easily detectable, or the colloid itself.
[0058]
The signaling entity is used in various assays and procedures of the present invention. Any variety, including dyes, dyes, electroactive molecules, fluorescent moieties, up-regulating fluorophores, enzyme-linked signaling moieties including horseradish peroxidase and alkaline phosphatase, chemiluminescent moieties, electrochemiluminescent moieties, etc. It should be understood that the signaling entity may be selected in each case. Knight, "Trends in Analytical Chemistry", vol. 18, 1999, pg. 47; Knight, et al. , Analyst, vol. 119, 1994, page 879; Stults, et al. , "Use \ Recombinant \ Biotinylated \ Aequorin \ in \ Microtiter \ and \ Membrane-Based \ Assays: Purification \ of \ Recombinant \ ecoe, economy.com, e. , "A Microplate Assay for Analysis, Analysis for Solution-Phase, Glycosyltransferase, Reactions: Determination of Of Kinetic, Constants, see, for example, see, for example, Analytical, 1931, and 28. If desired, the various signaling entities may be immobilized on the surface of the particle, such as a bead or a colloid particle. The signaling entity displayed on any of these may be a fluorescent molecule. Fluorophore-bound antibodies and other fluorophore fusion proteins, including green fluorescent protein, are widely used in biomedical research and testing. These fluorescent proteins and molecules may be based on affinity tags, EDC / NHS chemistry, or by binding to His-tagged protein A or G presented on NTA-SAM-coated colloids according to the present invention. Either way, the putative binding partner can be easily linked to the presenting gold colloid. Also, signaling entities such as fluorescent moieties may be co-immobilized on the colloid with a biotin stopping ligand, or may be immobilized with a chelate / metal / metal binding tag linkage. Alternatively, the fluorescent moiety may be immobilized by using a chelate / metal / metal binding tag with His-Protein G to bind it to the antibody and bind to the antibody. The part can then be detected directly.
[0059]
The ligand-derivatized colloid may be anchored near the electrode, which may or may not be modified by a self-assembled monolayer (SAM), and will bind the bound cells by perturbations in the electrode current induced by binding. Can be detected. Cell-derived proteins can also bind to ligands linked to magnetic beads. Alternatively, the cell-derived protein can bind to a ligand on the electroactive dendrimer. In addition, cell-derived proteins can bind ligands linked to polymers that also display an electroactive or redox-active complex. Cell-derived proteins can also bind ligands linked to conductive polymers that present an electroactive or redox-active complex.
[0060]
In an alternative scheme, the described system can use two different ligands. One ligand that binds to a constitutively expressed cell surface receptor can be immobilized on magnetic beads and used to recruit cells to the sensing electrode. The second ligand, which recognizes the cell surface receptor of interest, binds to a signaling colloid.
[0061]
In another alternative scheme, the described system can use two distinguishable electroactive complexes, such as two ferrocene derivatives that oxidize at different potentials. The first ferrocene derivative can be directly or indirectly linked to the ligand of the cell surface receptor of interest. The second ferrocene derivative is directly or indirectly linked to a second ligand that binds to a constitutively expressed cell surface receptor. In this means, the ratio of the two signals can be used to calibrate the level of induction of cell-derived molecules (eg, proteins) induced by physiological, environmental, or disease-related changes in expression. it can. This comparison of expression ratios can be performed for those having both ligands with the same metal complex, but incubating different aliquots of the sample on different electrode pads.
[0062]
The present invention provides for the attachment of ligands (including, but not limited to putative drug candidates) to a surface that may be particle-like, and to attach them to a support or leave them on cells. It is also contemplated that cell-derived proteins, such as, for example, cell surface proteins, are allowed to interact for identification of binding partners, determination of their presence or absence, and quantification of their levels. Specifically, an intact cell presenting a cell surface receptor can be used as the first binding partner. Known or putative ligands that bind directly or indirectly to the signaling entity act as second binding partners. Alternatively, the cell-derived protein can bind to a surface and their binding partner, such as a ligand, or a signaling capable particle, such as a colloid or derivatized colloid. Drug candidates can be added to facilitate drug screening by inhibiting the interaction. This method is also very useful for diagnosis. The protein or antibody may be immobilized on a surface, and a sample suspected of containing the binding partner of the protein may be incubated with the sample to facilitate binding, and the remainder of the sample may be washed away. it can. A ligand for the binding partner and particles with signaling capabilities may be added. If the sample contains a binding partner, the particles will bind indirectly to the surface and provide a signal. The surface may be refillable particles. The connection may be direct or indirect, that is, the connection may involve two entities that are immobilized on each other. The particles present an immobilized antibody, such as a histidine-tagged protein G to which the antibody binds, and the antibody may recognize a common ligand or may contain proteins that recognize each other May be.
[0063]
One general technique of the present invention is to use a magnetic field to recruit an electronic or electrochemical signaling entity to the surface of an electrode that exhibits the capture of a binding moiety (biological or chemical agent) by a binding partner. It involves using beads. In FIG. 27, a
[0064]
This approach may be used for rapid screening of protein-protein interactions in an array format. When searching for potential therapeutic targets, researchers often need to identify binding partners for particular proteins. Known proteins can be bound to magnetic beads. This can be achieved by direct chemical coupling of known proteins to commercially available magnetic beads displaying chemical functional groups, by coupling to protein A-coated magnetic beads via cognate antibodies, or by derivatization with NTA-SAM. (See, eg, US Pat. No. 5,620,850, which is incorporated herein by reference). . Potential binding partners may be separately bound to NTA-SAM-coated colloids that are expressed as a histidine-tagged protein and then also present a ferrocene moiety. Each well of the multi-well array connected to the electrode array will contain known proteins on magnetic beads. Separate putative binding partners linked to signaling colloids may be added separately to each well. The resulting complex may then be magnetically attracted to the electrodes to determine which candidate proteins have bound to the known protein. Known species need not be proteins. When a binding partner is identified, a drug candidate may be added to the assay to inhibit the interaction.
[0065]
Alternatively, biological or
[0066]
The advantages of this technique over existing methods such as ELISA, fluorescent labeling and SPR include: In this system, there is no need for protein labeling; proteins bind to labeled components. Gold colloids can be pre-labeled with both: a) a signaling moiety; and b) functional groups for protein linkage. NTA / Ni for capturing histidine-tagged proteins2+Self-assembled monolayers, which together present ferrocene derivatives for electronic and electrochemical signaling, may be formed on the colloid. SAMs containing carboxylic acid groups for chemical coupling of unmodified proteins (standard EDC / NHS chemistry) can also be used. The technology is modular. Virtually any biological species can be co-immobilized on a colloid having a signaling entity. The technique allows cost-effective multiplexing because it can be easily multiplexed on a microelectrode array.
[0067]
Liposomes can also take up the first
[0068]
Identification of drug candidates can also be performed using competitive inhibition assays. Specifically, free drug candidates in solution can be separately incubated with the composition. Competitive inhibition of the target cell-derived protein caused by the drug bound to the receptor or ligand can be expressed as a time or dose dependent loss of the detection signal.
[0069]
To do this requires a method of directly or indirectly binding a signaling moiety to a known ligand, and then provides a method of linking or recruiting a complex binding partner to the sensing surface. The former is described above and the latter is described below.
[0070]
The sensing surface used can be of various shapes. However, for purposes of illustration, a method for recruiting the binding partner complex using an electrode modified with a conductive SAM is described. A conductive SAM is a layer of molecules bound to a metal surface, which conducts electrons at a faster rate than a metal uniformly coated with an insulating species such as a saturated alkyl thiolate. A preferred route for electron conduction can be provided by a monolayer incorporating molecular wires (polymers of aromatic ring compounds). The poly (ethynylphenylthiol) (ie, C16H10A variety of molecules, including but not limited to S), can be used for this purpose:
[0071]
Embedded image
[0072]
As used herein, "molecular wire" means a wire that enhances the ability of a fluid in contact with a SAM-coated electrode to be in electrical communication with the electrode. This includes conductive molecules, as described above and more fully illustrated below, or molecules that can cause defects in the SAM such that the fluid contacts the electrodes. A non-limiting list of additional molecular wires includes 2-mercaptopyridine, 2-mercaptobenzothiazole, dithiothreitol, 1,2-benzenedithiol, 1,2-benzenedimethanethiol, benzene-ethanethiol, And 2-mercaptoethyl ether. Also, the conductivity of the monolayer can be increased by the addition of molecules that promote conductivity in the plane of the electrode. Conductive SAMs include, but are not limited to: 1) a poly (ethynylphenyl) chain terminated by sulfur; 2) an alkylthiol terminated by a benzene ring; 3) an alkylthiol terminated by a DNA base; 4) any of the sulfur-terminated species that incompletely clog in the monolayer; 5) any of the above with alkylthiol spacer molecules terminated with either ethylene glycol units or methyl groups that inhibit nonspecific adsorption. What was done or subtracted. Thiols are described in their immediate formation of SAMs due to their affinity for gold. Based on U.S. Patent No. 5,620,820 and other references, thiols may be substituted with other molecules known in the art.
[0073]
As known ligands on signaling colloids interact with their cognate cell-derived proteins, drug candidates may be added to the solution to monitor different effects. Conductivity that also presents molecules that terminate at head groups that bind directly or indirectly to cells (eg, methyl groups, polyK, positive charge, RGD sequences, Kringle motifs, integrins, and their peptidomimetics) Cells may be recruited to the electrodes coated with the SAM. Alternatively, different interactions can be quantified by having a cell surface protein bound to the SAM interacting with a cognate ligand presented on a conductive SAM. In this case, an electronic or electrochemical signal is generated after the ligand binds to the constitutively expressed receptor. Under flow force, the electronic or electrochemical signal will be proportional to the number of cell surface receptors that interact with the SAM-immobilized ligand. The rate of cell motility as a function of flow rate indicates the density of receptors for surface cell adhesion molecules. Downstream of the interacting SAM is a charge reader (eg, ammeter, charge counter), or an optical reader (eg, surface plasmon resonance detector, or fluorescence reader). In addition, these methods can also be used to screen for drugs that inhibit cellular phenotypes known to be characterized by invasion or metastasis without prior knowledge of the specific receptor-adhesion molecule interactions involved. it can. Screening for drugs that mimic physiologically relevant interactions can also be performed using this system by either: adding drug candidates free in solution and looking for loss of detection signal Alternatively, the known ligand released in solution with the drug candidate on the solid support is added and the appearance of the detection signal is explored.
[0074]
Applying a slightly positive bias to the AC potential ramp attracts the sensing electrode due to the fact that the cells are negatively charged. Addition of additional negatively charged groups to the dendrimer or polymer to which the ligand is linked further enhances recruitment to the sensing electrode. One of skill in the art can readily immobilize multiple signaling entities on a dendrimer or polymer. Alternatively, binding the recognition ligands with metal binding tags facilitates their binding to alkylthiol NTA (and consequently the associated cells). SAMs with metal-containing compounds such as ferrocene on gold-coated magnetic beads allow the use of electromagnetic fields, or fixed magnets, to replenish the complex to the sensing surface electrode. Also, sensing electrodes that include ligands can attract cells directly, through specific or non-specific interactions, such as with cell adhesion molecules, or through histidine tag labeling.
[0075]
However, since one of the binding partners has a higher specific gravity than the analysis solution, if the complex precipitates due to gravity, replenishment to the detection system can be performed simply using gravity. Mechanical mixing may be performed during the incubation step to avoid premature precipitation. FIGS. 32A and 32B show ACV plots of experiments showing the use of gravity to recruit signaling entities and controls showing binding interactions to the surface. GST was bound to the colloid by a metal binding tag / metal / chelate linkage (NTA-SAM). Colloids have also presented ferrocene derivatives for electronic or electrochemical signaling. The colloid was presented in solution to the measurement electrode as a negative control, yielding the plot of FIG. 32A. One set of colloids was exposed to glutathione-coated polymer beads (agarose). The colloid was immobilized on the beads by glutathione / GST binding, and the beads were immobilized on the electrodes by gravity. The ACV plot of FIG. 32B was obtained showing the electroactivity detection of ferrocene close to the electrode.
[0076]
In methods using an electrode as a cell-derived protein generator, a point on the electrode pad can be used to generate a potential spike that lyses the cells. The contents of the cells are then incubated with the signaling ligand and the interaction is detected.
[0077]
In addition, cell binding molecules may be channeled with conductive molecules and shaped into a designated topology along the bottom of the flow channel using SAM to enhance the detection capabilities of the system. Thus, the SAM may present the binding moiety in a form that alternates between sensing (optical or electronic or electrochemical) and cell binding capabilities. As an example, the methyl-terminated alkylthiol stripes alternate with conductive polypyrrole groups in the SAM. Also, the topology of the SAM can be manipulated so that the cells are placed in the furrows, so that receptors along the sides of the cells can be evaluated. The formation of alternating functional SAM stripes can be performed as described in US Pat. No. 5,512,131 and International Patent Publication No. WO 96/29629, both of which are incorporated herein by reference. These complexes can be detected electronically or electrochemically. One detection method is an electrochemical technique called alternating current voltammetry (ACV). This detection method can be supplemented by the use of additional analytical techniques, such as higher order harmonic analysis. These complexes may be detected by optical means such as SPR. Using the latter technique, recruitment of the complex to the sensing surface causes a large shift in optical properties.
[0078]
In one embodiment, a cell surface protein can be detected and quantified as follows: a histidine-tagged ligand that recognizes the cell surface protein is labeled with NTA (to capture the His-tagged protein) and a ferrocene moiety (electronically). (Or for electrochemical signaling) to a colloid with a SAM that presents both. These biospecific, electronic or electrochemical signaling colloids are then incubated with cells presenting the target receptor. Cells are then sedimented, adhered or attracted onto SAM-coated electrodes and analyzed by ACV (FIG. 3). When ligands immobilized on signaling colloids bind to their cognate receptors on the cell surface, a current peak will occur at the characteristic oxidation potential of the ferrocene moiety. An antibody that recognizes a cell surface receptor may first bind to a colloid with NTA-ferrocene to which His-tagged protein A or G is bound. Alternatively, the antibody may be directly bound to the colloid via a metal binding tag / metal / chelate bond, wherein the metal binding tag is bound to the antibody. Techniques for attaching a histidine tag to an antibody are described in “Construction of the single-chain Fv from 196-14 antibody toward ovarian cancer-associated antigen CA125” Hashi. Tanigawa, K .; , Nakashima, M .; , Sonoda, K .; Ueda, T .; Watanabe, T .; , And @Imoto, T .; : 1999, Biological and Pharmaceutical Bulletin, Vol. 22: (10) 1068-1072. "Human \ antibodies \ with \ subnanomolar \ affinities \ isolated \ from \ a \ large \ non-immunized \ phage \ display \ library", Vaughan, T .; J. , Williams, A .; J. , Pritchard, K .; , Osbourn, J .; K. Pope, A .; R. , Earnshaw, J .; C. et @ al. , 1996, Nature Biotechnology Vol 14 (3) p. 267. "Expression and purification, of single-chain, anti-HBx antibody in E. coli" Zouh G, lui KD, Sun H .; C. , Chen @ Y. H. , Tang @ Z. Y. , And {Schroder} C. H. , 1997, vol @ 123 (11-12) pgs609-13.
[0079]
As an example of the technique of the present invention, FIG. 4 describes an example of a useful technique that includes immobilizing colloidal particles on cells. The tumor marker, MUC-1, is abnormally expressed on tumor cells. The human tissue-cultured breast cancer cell line MCF-7, available from the ATCC, overexpresses MUC-1.
[0080]
Another assay is shown in FIG. Drug libraries may be screened for their ability to inhibit specific interactions with cell-derived proteins, such as the MUC-1 / I-CAM interaction. I-
[0081]
Next, in FIG. 7, small molecule drug libraries are used to generate electronic or electrochemical signaling for signal increase assays or to screen for drugs where the cognate ligand binds to an unknown
[0082]
It has been suggested that αVβ3, a cell surface receptor, promotes angiogenesis by interacting with the cell adhesion molecule vitronectin. Human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) displaying the αVβ3 cell surface receptor are available from Clonetics. For screening for drugs that inhibit the action of αVβ3, a His-tagged peptide displaying an RGD-containing sequence from vitronectin is ligated to a colloid with SAMs presenting both an NTA group and a ferrocene moiety. Subsequently, the biospecific signaling colloid is incubated with the HUVEC cells and the drug candidate. HUVEC cells can be grown on electrodes. However, if the cells are in solution or suspension, they can be electrophoresed or magnetically coupled to the sensing electrode and analyzed by ACV. Biospecific colloids produce a current peak when incubated with HUVEC cells, rather than control cells. If a drug candidate interferes with the αVβ3-RGD sequence interaction, signal loss results. Inhibiting the αVβ3-RGD interaction with the known angiogenesis inhibitor endostatin demonstrated the feasibility of this assay. The assay can be performed electronically as described, or visually by growing the cells in a standard plastic dish and performing the assay and viewing the cells at 40 × magnification.
[0083]
Alternatively, the drug candidate may be synthesized or linked to a bead, colloid, or support that also presents an electronic or electrochemical signaling moiety. These "particles" or surfaces are incubated with the target cells, attracted to the sensing electrodes and analyzed by ACV. The suction field is reversed and the peptide containing the RGD sequence is titrated in solution. The cells are again electrophoresed on the sensing electrode and re-analyzed. Loss of signal indicates that the drug-cell interaction is specific for the αVβ3 receptor and the IC of the RGD peptide50Is associated with the binding affinity for the drug.
[0084]
Alternatively, echistatin, a 49 amino acid peptide that also binds αVβ3, may be His-tagged for exchange with an RGD-containing peptide in the assay described above.
[0085]
Metallocenes are particularly useful as signaling entities for the following reasons. Various ferrocene derivatives may be selected such that they are each oxidized at a specific potential between 100 mV and 800 mV. Each oxidation potential represents a unique label so that multiple cell surface receptors can be probed simultaneously. When a biologically relevant interaction occurs between the cell surface receptor and the ligand-immobilized colloid, the cell is modified with electronic or electrochemical signaling particles, resulting in a current peak. The magnitude of the current peak will be proportional to the number of cell surface receptors recognized by the signaling colloid.
[0086]
Cell surface molecules can be detected in suspension or on cells embedded in a tissue sample, as shown in FIG. Frozen tissue specimens 86 are sectioned frozen and placed directly on a flexible, semi-permeable membrane support 88 that has been derivatized with a cell binding group 90, such as an RGD-containing peptide or a methyl terminating group. The sample is then incubated with an electronic or electrochemical signaling colloid 92 that also presents a ligand 94 for the cell surface receptor of interest. Unbound colloid is washed away after the incubation time. The support membrane is then physically contacted with a microelectrode array 96 having an electrode area comparable to the cell size and analyzed by ACV. Each portion of the tissue sample is analyzed for protein content and expression level and correlated histopathologically. This ability guarantees the validity of the single-cell assay, as it allows researchers to identify protein types that are particularly relevant to cancer cells and eliminate any abnormal protein expression. is there. Cells in suspension can be bound to a support membrane as well.
[0087]
This technique can be used to identify cell-derived molecules, such as receptors or proteins that are differentially expressed in healthy tissues or cells that have been diseased. This different expression may be associated with different levels of expression in those diseased relative to healthy tissues or cells, and / or different types of expression in tissues or cells that can be easily identified. This technique facilitates diagnostic assays for measuring disease states. For example, in connection with a patient presumed to have a particular disease, cells may be taken from the patient, particularly cells associated with an indicator of the disease, such as cells from a biopsy, a blood sample, etc. Well, these cells can be analyzed against healthy cells to determine expression levels or types indicative of disease. The system can also be used to screen for drugs that inhibit the up-regulation of cell-derived proteins involved in various pathological conditions. Examples of two techniques for drug screening include: (1) administering a candidate drug to a patient who is presumed to be or exhibiting a disease, and assessing the efficacy of the drug in treating the disease. Monitoring a biological sample comprising cells of a patient as described above for measuring; (2) collecting a biological sample comprising cells from a patient presumed to have or having a disease; Exposure of a target sample or cell components to a candidate drug and monitoring expression levels and / or types using the techniques described above. Once a binding partner (which may include a drug, antibody, or protein / peptide ligand of a cell-derived protein) is identified, the binding partner is used to quantify the level of expression of the cell-derived protein in response to a disease state or treatment. To the detection moiety. This may be any assay that tests the indirect effect of a drug candidate on the expression and transfer of cell-derived proteins to both cell surface and intracellular compartments.
[0088]
The invention also provides the ability to visually study the type of cell surface receptor expression on individual cell surfaces and / or on cells embedded in tissue samples. This can indicate the type of cell surface receptor expression that can be linked to the disease state. They can also be used in diagnostic or drug screening methods. In a specific assay, colloid particles with ligands that bind to cell surface receptors are exposed to individual or embedded cells, and the location of their binding with respect to individual cells is visually measurable, 1 shows the type of cell surface receptor expression. For example, MUC-1 is a cell surface receptor associated with breast cancer. Normally, MUC-1 is uniformly expressed on the surface of various cell types. In transformed cells associated with various cancers, the receptor is overexpressed and concentrated at the cell tip. This can be measured using the described technique. In drug screening, a culture of transformed cells may be provided and treated with a drug candidate. The loss of mold expression at the tip is considered. In this embodiment, visual identification may include any of the techniques described herein, such as observation by the naked human eye, microscopy, absorption spectroscopy, electron microscopy, fluorescence detection, and the like.
[0089]
In techniques involving electronic or electrochemical detection as described above, the level of the expressed species can be compared between samples, each containing individual cells or other samples containing very small amounts. Yes, and the mold can be measured on larger samples, including tissue samples. In the visual detection embodiment described above, the level of the expressed species can be measured as well as the type of species expressed in both large and small samples, including single cell samples. Signaling entities useful for electronic or electrochemical detection include the signaling entities described herein for electronic or electrochemical detection, including redox-active molecules such as ferrocene. For the visual detection described above, any of the signaling entities described herein, including colloids, alone or have an auxiliary signaling entity, such as a fluorescent or visually identifiable entity. Can be used as is. More than one signaling entity may be used (ie, more than one signaling per binding event). Both electronic or electrochemical or visual signaling may use different signaling entities for different assays. For example, a first ligand selected to target a first receptor or protein may be immobilized with respect to a first signaling entity, while targeting a second receptor or protein. The second ligand so selected may be immobilized with respect to the second signaling entity. In electronic or electrochemical signaling, different signaling entities may contain different redox potentials, the differences between them are electronically distinguishable, and in visual identification, different signaling entities May be radioactive or absorbing entities of different colors. In such cases, not only is the expression level and type of the protein or receptor measured, but the type can distinguish the location of expression of one receptor or protein from the others.
[0090]
The biospecific colloids described above can also be used to facilitate in vivo imaging. The colloid used is gold, which is relatively inert. Colloidal gold, which has been derivatized to present antibodies or other ligands for tumor markers, can be incorporated or injected. The tumor mass presenting a cognate tumor marker will be covered with colloid and will act as a concentrator. The tumor can then be detected by x-rays and diagnostic imaging techniques such as x-ray computed tomography (CT), since the useful result may be a tumor mass encapsulated in metal . Individual colloids in solution will not be visible for detection. Tumors so labeled with biospecific colloids can also be detected by MRI (magnetic resonance imaging). Diagnostic techniques can be enhanced by incorporating paramagnetic metals and other contrasting materials, such as Fe, Gd, or Cr. The contrast material can be attached to the colloid by incorporating the metal chelate thiol into the SAMs formed on the colloid. Alternatively, SAMs that present only the cognate ligand of the target protein expressed on the tumor may be formed on particles made of a contrast material. Colloids with iron or magnetite cores may be coated with gold and derivatized with biospecific SAMs. Alternatively, liposome-like particles may be formed from lipid chains terminated by chelating groups, such that the metal counterpart forms a "core" and the biospecific ligand is exposed to a solvent. Alternatively, the colloid may have, in addition to the biospecific ligand, a moiety having specific spectroscopic characteristics, which moiety can be detected by energy absorption or scattering techniques, including Raman spectroscopy. The diagnostic imaging device may be included outside the body or may be introduced into the body or optical fiber of the viewing machine. Alternatively, when enriched on a tumor mass, a colloid with a radio frequency transmitting moiety may produce a detectable signal. The signal from each colloid must be negligible or undetectable compared to the signal generated from the collection of colloids bound to the tumor mass.
[0091]
In FIG. 9, to determine whether the two proteins interact with each other, the
[0092]
Interacting protein partners can be incubated with a small molecule drug library, and drug leads were identified by detecting loss of signal. Alternatively, small molecule drug libraries may be purchased on magnetic beads for direct screening of drug candidates that bind to a known target protein.
[0093]
Also, the basic techniques described herein can be used to screen for drugs that modulate enzyme activity. Certain enzymes have been identified as important in progressive disease. In some cases, a molecule must be cleaved at its specific site to become active, and it may be desirable to screen for drugs that inhibit the activity of the enzyme that does this. The techniques described herein can be used for this purpose as described below:
What is described below is useful in practicing this technique: Edelstein {and} Distefano reports that farnesyl pyrophosphate groups modified with photoexcitable crosslinkable moieties can be added to peptide motifs derived from RAS by yeast FPT. and that (Edelstein R.and Distefano M. (1997) .Photoaffinity labeling of yeast farnesyl protein transferase and enzymatic systhesis of a RAS protein incorporating a photoactive isoprenoid.Biochem.and Biophys.Res.Comm.235,377 382). Their purpose was to use this assay to show that by cross-linking the two, the farnesyl derivative would be recognized by the FPT. This finding is consistent with the notion that farnesyl or geranyl moieties can be modified with biotin at the end remote from pyrophosphate without interfering with enzyme activity or specificity.
[0094]
In FIG. 10, an enzyme cleavage site (ECS) 110 can be linked at one
[0095]
For example, the electronic or electrochemical signaling colloid 116 may have an enzyme cleavage site (ECS) and be derivatized with a thiol terminated with biotin. Magnetic beads may be derivatized with streptavidin. Magnetic beads and signaling colloids may be incubated with enzymes and drug candidates of interest. If a drug candidate modulates or inhibits the action of an enzyme, the site (eg, of a protein or peptide) will not be cleaved, and the signaling colloid will link to the magnetic beads via a biotin / streptavidin interaction. When the complex magnetically couples to the sensing electrode, a current peak results, and the assay becomes an increased signal detection assay. That is, the protein is adapted to bind to both colloid 116 and
[0096]
BP1 may be the same as BP2 and / or BP3. For example, a thiol with ECS and BP1 (biotin) may bind free streptavidin (BP3) and then biotin (BP2) on magnetic beads. Alternatively, one may try to inhibit or promote the enzyme that adds the group of the molecule to the target molecule, i.e. the colloidal particles and the non-colloidal structure are adapted for binding to the non-colloidal structure, the substrate of the enzyme adapted for binding to the non-colloidal structure. It may be exposed to molecular species capable of binding to the substrate by enzymatic activity and to the enzyme for the substrate. This may further be performed in the presence of a candidate drug for regulating the activity of the enzyme, and the non-colloidal structure may be magnetic beads with colloidal particles having immobilized electroactive entities. Alternatively, the non-colloidal structure may be an electrode surface.
[0097]
Specifically, in FIG. 11, in such a case, the electronic or
[0098]
In accordance with the present invention, various SAMs can be used on various types of surfaces to present desired species, such as binding partners, signaling entities, etc., on the surface of articles, such as electrodes, colloid particles, etc. it can. One of skill in the art can select from various types of surfaces, functional groups, spacer moieties, and the like. An exemplary description can be found in US Pat. No. 5,620,850. This U.S. patent also discloses nitrilotriacetic acid, 2,2'-bis (salicylideneamino) -6,6'-demethyldiphenyl, and 1,8-bis (a-pyridyl) -3,6-dithiaoctane. Various metal binding tags that can be used are described.
[0099]
Various non-colloidal structures, including beads, are described above. Beads can include polymeric materials, agarose, tentagels, and / or magnetic materials. Polystyrene beads are very useful. The utility and advantages of these and other aspects of the present invention will be better understood with reference to the following examples. The following examples are intended to illustrate the advantages of the present invention, but do not exemplify the full scope of the invention.
[0100]
The following examples and experiments illustrate specific embodiments of the invention and should not be construed as limiting the invention to any particular embodiment.
In some of the embodiments described below, examples include SAM formation, collagen coating, cell proliferation, colloid formation, and alternating current voltammetry (ACV). For SAM formation, the microscope glass slide was covered with a layer of Ti followed by a layer of Au. Each electrode was 0.5 h at RT, 10% methyl terminated thiol (HS- (CH2) 15CH3), 40% tri-ethylene glycol terminated thiol, HS (CH2)11(CH2CH2)3Incubated with 300 μl DMF solution containing OH, (Formula) and 50% MF-1. Thereafter, 2 ml of 400 μM tri-ethyleneglycol-stopped thiol was added to the scintillation vial containing the tip, and the vial was heat cycled in a water bath as follows: 2 minutes @ 55 ° C; 2 minutes @ 37 ° C; 1 minute @ 55 ° C; 2 minutes @ 37 ° C followed by 10 minutes at RT. The electrodes were then immersed in EtOH and subsequently washed with sterile PBS. They were placed in a biological safety cabinet under an LTV germicidal lamp for 1 hour to ensure sterility.
[0101]
For collagen coating, 200 μL drops of 0.005 mg / ml collagen in PBS were added to each electrode and incubated at 4 ° C. for 2 hours.
For cell growth, the electrodes were placed in cell growth flasks and a culture medium and a solution of human endothelial cells (HUVECs) displaying the specific cell surface receptor αVβ3 were added. The electrode and cell containing solution are CO2Incubated at 37 ° C. for 24 hours in an incubator. Visual inspection at 100 × magnification showed that the cells adhered to the electrodes and exhibited a web-like spread, a phenotype of proliferation.
[0102]
For colloid production, 1.5 ml of commercially available gold colloid (Auro @ Dye) was centrifuged at high speed in a microfuge for 10 minutes to pellet. The pellet was resuspended in 100 μL of storage buffer (sodium citrate and tween-20). 100 μL of a dimethylformamide (DMF) solution containing 90 μM @ nitrilotriacetic acid (NTA) -thiol, 90 μM @ ferrocene-thiol, and 500 μM carboxy-stopped thiol. After incubation in the thiol solution for 3 hours, the colloid was pelleted and the supernatant was discarded. They were incubated in 100 μL of 400 μM tri-ethyleneglycol-stopped thiol in DMF for 2 minutes, 55 ° C .; 2 minutes, 37 ° C .; 1 minute, 55 ° C .; 2 minutes, 37 ° C., followed by 10 minutes at room temperature. . The colloid was then pelleted and 100 μL of phosphate buffered saline (PBS) was added. The colloid was then diluted 1: 1 with 180 μM @ NiSO4 in colloid storage buffer. 100 μL of 100 μM His-tagged peptide in PBS was added to 100 μL of colloid-presenting NTA-Ni (II) and incubated for 0.5 hours. To remove free unbound peptide, the colloid was then pelleted and the supernatant discarded. The colloid pellet was resuspended in 100 μL PBS. The colloid bound to any of the following: a) a peptide designed to bind to the αVβ3 receptor, HHHHHH (S4G1)3GRGDSGRGDS; or b) an unsuitable peptide, HHHHHH-glutathione S-transferase (GST). Peptides containing the RGD motif have been shown to bind to the αVβ3 receptor on endothelial cells. It is believed that the RGD motif in vitronectin (a natural ligand of αVβ3) is involved in the interaction.
[0103]
ACV analysis was performed using a CH Instruments Instruments electrochemical analyzer. A three electrode system was used. A silver to silver chloride reference electrode was used with a platinum auxiliary electrode. Derivatized gold-coated tips were used as working electrodes. An overpotential of 25 mV was applied to the electrodes at a frequency of 10 Hz.
[0104]
【Example】
Example 1
This example describes an assay for screening for inhibitors of farnesyl protein transferase (FRT) and geranylgeranyl protein transferase (GGPT).
[0105]
We have devised an assay that can easily multiplex the following: 1) Incorporate wild-type target proteins and variants in the initial screening step; 2) Farnesyl / geranyl groups and enzymes by enzymes of interest Can directly detect and quantify the addition of analogs to the target protein; and 3) detect the different effects of drug candidates on enzyme activity. Our method of study is as follows: 1) NTA / Ni (II) group (to capture histidine-tagged proteins) and ferrocene-like transitions for electronic or electrochemical signaling. Histidine-tagged RAS protein (or peptide motifs or fragments from various mutants) is bound to colloids with SAMs that present both metals; 2) Modification of the farnesyl pyrophosphate derivative with biotin (FIG. 13); 3 4) Add the candidate inhibitor; 5) Add magnetic beads with streptavidin; 6) Attract magnetically to the sensing electrode and analyze electronically. The enzyme FPT will add a biotinylated farnesyl (or geranyl) moiety to the RAS immobilized on the signaling colloid. Magnetic beads with streptavidin bind to biotin, and the complex will be recruitable and detectable. The assay will be performed in parallel, with the RAS variant and drug candidate immobilized on the signaling colloid in microwells connected to a microelectrode array (FIGS. 14 and 15). The entire microelectrode array will be analyzed electronically to determine the different effects of drug candidates on enzyme activity for a particular target protein. If the drug candidate interferes with the enzyme that adds a farnesyl group to the target mutant protein, the electronic or electrochemical signal will decrease.
[0106]
This approach can be used to monitor the activity of the enzyme or to screen for drugs that modulate that activity. Also, non-histidine-tagged proteins can be bound to signal transducing colloids by standard coupling chemistry. Alternatively, the farnesyl derivative may be modified with a recognition group other than biotin, which is a binding partner of the group immobilized on the magnetic beads.
[0107]
Edelstein and Disefano report that a farnesyl pyrophosphate group modified with a photoexcitable cross-linking moiety can be added to peptide motifs derived from RAS by yeast FPT (Edelstein @ R. And @ Distefano @ M. (1997). Photoaffinity). labeling of yeast farnesyl protein transferase and enzymatic synthesis of a RAS protein incorporating a photoactive isoprenoid.Boy. Their purpose was to use this assay to show that the farnesyl derivative is recognized by FPT by cross-linking with FPT. This finding is consistent with the notion that farnesyl or geranyl moieties can be modified with biotin at the end remote from pyrophosphate without interfering with enzymatic activity or specificity.
[0108]
Example 2
In this example, cells were connected to a SAMs-derivatized gold-coated electrode. The cells remaining connected to the electrodes are then incubated with a solution containing colloidal gold, which colloids deliver receptor-specific ligands on the cell surface and electronic or electrochemical signals to the electrodes. Have been derivatized to present a redox-active metal together. After some incubation time, the electrodes were read by alternating current voltammetry (ACV). Positive interactions between the colloid-bound ligand and the cell surface receptor will also attract redox-active metals sufficiently on the colloid to close to the electrode and convert the electronic or electrochemical signal.
[0109]
More specifically, to facilitate the flow of electrons to the electrode, the electrode is 50% bis (ethylphenylthiol) (ie, C16H10Derivatized with SAMs to present 10% methyl head group in background of S). 40% triethylene glycol terminated thiol (HS (CH2)11(CH2CH2)3OH) was included to facilitate the packing of the monolayer. It has previously been shown that cell growth can be maintained on HSC15-methyl arrested SAMs coated with collagen. HSCH2CFifteenCH3And collagen are both insulating molecules and can inhibit the flow of electrons to the electrodes. For this reason, in this example, the degree of saturated carbon chain-collagen coverage was reduced, resulting in an island-like structure of proliferating cells adjacent to the more conductive molecular wire. Human endothelial cells (HUVECs), which are important for angiogenesis, presenting the cell surface receptor αVβ3, grew on the electrodes. SAM-coated gold colloids with receptor ligands and ferrocene moieties for electronic or electrochemical signaling were incubated with cell-presenting electrodes for some time and then analyzed by ACV.
[0110]
For ACV analysis, a 1 ml silicon gasket was immobilized on the cell presentation electrode. NTA-Ni colloid {100 μl and 100 μl} PBS pre-coupled with His-tagged RGD motif peptide were added to the gasket for incubation with the cell display electrode. After 15 minutes, the first ACV scan was recorded. Two consecutive scans were recorded at 15 minute intervals. Current output was plotted against voltage. The first scan produced a broad current bulge characteristic of the PBS buffer. The second and third scans generated different current peaks of 0.5 μAmps and 1.6 μAmps, respectively, at the characteristic ferrocene potential (780 mVolts), see FIG. Negative controls incubated with the same electrode presenting the same cells with 100 μL of NTA-Ni (II) colloid pre-bound with His-tagged GST resulted in a first scan similar to the electrode incubated with RGD-presented colloid . However, the broad bulge attenuated in the second and third scans and was identical (FIG. 17). The peak was clearly different from the 1.6 μAmps peak of the positive control, and no sharp peak was observed in the negative control.
[0111]
Example 3: Cell growth on conductive surfaces
This example describes the electronic detection of cell growth on a "conductive" surface that is not coated with collagen. Cells were grown on gold electrodes modified with sulfur-containing molecules, which in some cases were built up in a monolayer, but were not coated with collagen. Electrode modification was performed as described in the electrode fabrication section of Example 2, except that the electrode incubated with 100% candidate drug was not circulated in tri-ethylene glycol terminated thiol. Several electrodes were collected in the same cell growth flask and medium containing HUVEC cells was added. Electrodes and cells are CO2Incubated for 24 hours in incubator. The surface was analyzed visually using 100 × magnification. Table 1 describes the characteristics of surface modification and subsequent cell attachment / proliferation. The surface showed low non-specific binding. However, once the cells were attached, cell growth was sufficient. A metal chelate that coordinates and binds a metal via SAM is displayed, the protein is bound to SAM by a metal binding tag on the protein, and the protein is attracted to the cell, whereby the cell can be easily immobilized on the SAM. . Pictures were taken to verify the results (not shown). Cells are treated with a peptide, HHHHHH (S), specific for the ferrocene moiety and the αVβ3 receptor4G1)3GRGDSGRGDS; or as a negative control, incubated with a colloid presenting an inappropriate peptide, HHHHHH-glutathione S-transferase (GST) (described above). FIG. 18 shows that when cells grown on a 100% @ethynylphenylthiol (MF1) SAM-coated electrode were incubated with a colloid having a ligand specific for αVβ3 receptor (FIG. 18, solid line), a current peak occurred only. This shows that no incubation occurred (FIG. 18, dotted line) when incubated with colloids derivatized with the inappropriate peptide GST.
[0112]
FIG. 19 shows an electrochemical scan of an electrode derivatized with 25% @ 2-mercaptoethyl ether in a background of insulating tri-ethylene glycol terminated thiol. Cells derivatized with colloid displaying the RGD sequence peptide produced a small peak (FIG. 19, solid line), while cells incubated with colloid displaying the GST peptide did not produce a peak (FIG. 19, dotted line).
[0113]
[Table 1]
[0114]
Example 4: Modification of polymer beads with colloid particles via glutathione-S-transferase / glutathione linkage
See FIGS. 20 and 21. The following example demonstrates how a colloid that presents a target protein aggregates on non-colloidal particles that present a small molecule, drug candidate, peptide, protein, nucleic acid, or combination thereof that is a binding partner for the target protein. Is explained. Many combinatorial drug libraries are synthesized on non-colloidal particles or beads and can be mixed with colloidal particles displaying a medically relevant target species. Beads displaying a drug that is a binding partner of the target species can be easily identified because the colloid particles aggregate on the beads and color it red.
[0115]
The target protein, glutathione-S-transferase (GST), was histidine-tagged and immobilized on a SAM-coated colloid displaying NTA-Ni (the histidine tag-label binds to NTA-Ni). 30 μl of colloid presenting 40 μM NTA-Ni on the surface was added to 65 μl of 21.5 μM GST to give a final GST concentration of 14 μM in the solution. A small molecule glutathione that binds GST is available from Sigma-Aldrich, bound to agarose beads. Glutathione-coated beads were incubated with a solution of GST-bound colloid. Within a few minutes, GST bound to the glutathione beads, removing the colored colloid from solution and modifying the beads to red (FIG. 20). Beads displaying small molecules that did not bind to GST remained colorless when incubated with GST-bound colloids (FIG. 21). A second negative control, in which glutathione-coated beads were incubated with 30 μl of NTA-Ni colloid in the absence of GST, showed that the NTA-Ni colloid did not bind nonspecifically to the bead surface or to glutathione. Was.
[0116]
Example 5: Example of control of electron permeability of SAM
This example demonstrates the ability to form a SAM that includes enhanced electronic communication. The SAM is formed on a surface including a first tightly packed species and a mixture of a second species of different molecular structure that enhances the permeability of the SAM to electronic communication. Defects or openings are formed in the SAM so that the fluid to which the surface is exposed can be in electrical communication with the surface. Specifically, the sulfur-containing small molecule having a destructive structure with respect to the SAM as a whole was stably incorporated into the SAM, and enhanced permeability to electrons was shown. This example shows that the surface can be made relatively electrically conductive and can subsequently support cell growth.
[0117]
The water-soluble ferrocene derivative is an electrolyte solution: 500 μM NaClO4In a 100 mM solution of ferrocenedicarboxylic acid. The working electrode was a SAM-derivatized gold-coated electrode containing different amounts of the 2-unit molecular wire (MF1). The peak height at the characteristic ferrocene potential was plotted as a function of molecular wire density. As a negative control, the gold-coated electrode was derivatized with an insulating SAM consisting of 100% tri-ethylene glycol terminated thiol. FIG. 22 shows that the "conductivity" of the SAM, or the ability of electrons in solution to penetrate the SAM, is a function of the density of the two-unit molecular wire integrated into the SAM. This system was used to test the conductivity of electrodes modified with a series of sulfur-containing compounds. Compounds were dissolved in DMF at 50% {candidate drug and 50%} tri-ethylene glycol terminated thiol. The electrodes were derivatized as described in Example 1. Table 2 tabulates the candidate drug and the height of the resulting current peak when analyzed by ACV. FIG. 22 shows two experimental results of a monolayer conductivity test as a function of monolayer destruction by poly (ethynylphenylthiol).
[0118]
SAMs were formed on gold chips from 500 μM triethylene glycol terminated thiol in DMF and either 500 μM mercaptobenzothiazole or 2-mercaptoethyl ether. The chip was fixed between a flat surface and a 1 ml volume silicon gasket. The ferrocene dicarboxylic acid solution was dissolved in 500
[0119]
Table 2. The electrodes were derivatized with the following compounds in a tri-ethylene glycol terminated thiol background. Electrode fabrication was performed as described in Example 1. The “conductivity” or permeability of the surface was assayed by measuring the magnitude of the current peak resulting from the oxidation / reduction of ferrocenedicarboxylic acid in an electrolyte solution (0.5 M NaClO 4). The ability of each compound to resist non-specific binding was assayed by immersing each surface in BSA (bovine serum albumin) prior to measurement. Non-specifically adsorbed proteins will prevent conduction of electrons from the monolayer to the electrodes.
[0120]
[Table 2]
[0121]
Example 6: Detection of protein-protein interaction
This example demonstrates the utility of colloid particles with immobilized signaling entities and immobilized proteins (see FIG. 27).
[0122]
Histidine-tagged glutathione-S-transferase (GST-His) was linked to an NTA-SAM-coated colloid displaying 40 μM ΔNTA-Ni and 100 μM ferrocentiol. Commercial magnetic beads displaying protein A were coated with anti-GST antibody to a binding volume of 1/10, added to GST-colloid in a ratio of 1: 5, and placed on top of a magnet with 50% ΔMF- Measured on 1 @ SAM coated electrodes. The magnet attracted the magnetic beads to the electrode surface, forming a thick, visible precipitate. The GST-colloid interacted with the GST antibody on the magnetic beads and was attracted to the electrode surface, producing a current peak at about 280 mV. Two negative controls were used, one in which GST did not bind to the colloid surface, and another one in which the GST antibody did not bind to the magnetic beads. None of the negative controls produced a current peak. FIG. 25 plots the results of this example. The solid line represents the interaction between GST-His-presenting colloids and anti-GST / Abs on magnetic beads. ○ represents magnetic beads displaying antibodies incubated with colloids not displaying GST. ● represents beads that do not display antibodies incubated with colloids that display GST.
[0123]
Example 7: Cell detection
This example includes a mixture that includes a molecular species that enhances electrical communication across the SAM, and forms a defect in the SAM to form a SAM on the surface where the fluid to which the surface is exposed can be in electrical communication with the surface. Together with the benefits of linking a colloid with an immobilized signaling entity to a protein. The protein is then immobilized on cells connected to the surface of the SAM-presenting electrode. The defect in this case is caused by the bulk of the molecule incorporated in the SAM containing the phenyl ring.
[0124]
HUVEC cells were suspended in medium and placed in a flask with SAM coated on a gold surface. The SAM contained 50% linear thiol, and 50% 2-unit poly (ethynylphenyl) thiol (MF1). 5 μl of 8.4 mM {RGD-His peptide solution} was added to the medium, and the cells were incubated overnight at 37 ° C. to adhere to the electrode surface. Approximately 16 hours later, 100 μl of SAM-coated colloid presenting NTA for capturing the RGD-His peptide and ferrocene for signaling was added to the cells and incubated at room temperature for 20 minutes. The electrodes were then washed with buffer and any unbound colloid was washed off and measured. Current peaks were recorded between 200 and 250 mV. The negative control was cells incubated with His-GST, an inappropriate protein that could not bind to the cells. Colloids were added to the negative control, the electrodes were washed with buffer and measurements were taken. No peak was seen in the negative control. FIG. 26 shows the peak generated (solid line) when a colloid presenting a his-tagged ligand for a ferrocene signaling entity and a cell surface receptor was carried to the electrode surface by cell / surface interaction. Diamonds represent negative controls, colloids displayed inappropriate proteins selected to not bind to cell surface receptors.
[0125]
Example 8: Detection of ligand-receptor interaction for unmodified ligand
This example demonstrates the ability to measure protein / ligand interactions in the absence of SPR without labeling either protein or ligand. Specifically, exposing the ligand to a protein that is presumed to interact with the ligand by forming a SAM containing the ligand and ferrocene on the electrode surface, where the ligand has an electrical activity signal that is transmitted to the protein. There is a certain close relationship with the electroactive entity, ferrocene, which depends on the degree of proximity.
[0126]
The inventors have found that the characteristic oxidation potential of a ferrocene derivative may be shifted based on the local environment chemistry of the ferrocene derivative. As the protein is transported near the ferrocene derivative, a second current peak appears at the altered potential. The size of this changed peak is proportional to the density of the protein in the system.
[0127]
A series of gold-coated electrodes were derivatized with a heterogeneous SAM containing a constant density of conductive molecular wire thiols and a variable density of methyl terminated thiols in a tri-ethylene glycol terminated thiol background. The following has been previously shown: 1) tri-ethylene glycol terminated SAMs resist non-specific adsorption of proteins; and 2) methyl terminated SAMs bind proteins, especially collagen. Thus, when the electrodes were incubated with collagen in solution, it was thought that the density of nonspecifically adsorbed collagen would increase as the density of methyl-terminated thiols increased. SAMs containing 2%, 4%, 10% and 15% methyl terminated thiols were formed on gold coated electrodes. One half of the electrode was incubated with 0.005 mg / ml collagen in PBS at 4 ° C. for 2 hours, and the other half was incubated with PBS only. The electrodes were analyzed by alternating current voltammetry (ACV) together with a water-soluble ferrocene derivative and ferrocene dicarboxylic acid dissolved in an electrolyte solution (0.5 M NaClO 4). Alternating oxidation / reduction of ferrocene at a characteristic potential produces a current peak. The magnitude of this current peak and the potential at which it occurred were recorded. For the low-density methyl-terminated thiol, the current peak occurred at about 450 mV; its size and location did not appear to be affected by the presence of the protein, collagen. At high densities of methyl-terminated thiols of 10% or more, a second current peak occurs at about 300 mV only in the presence of protein collagen. FIG. 28 shows a high density methyl terminated thiol electrode in the presence of ferrocene dicarboxylic acid. The solid line represents an electrode with collagen bound to methyl thiol. The hydrophobic environment created by collagen on the electrode surface shifts the oxidation potential of ferrocene, and two peaks are seen. Closed circles represent high density methyl-terminated thiol electrodes that are not bound to collagen and therefore do not affect ferrocene oxidation.
[0128]
This approach can be used to detect the presence of unmodified proteins, peptides, cells as follows: Mixed SAMs make ferrocenedicarboxylic acid SAMs linked to alkyl thiols permeable to electron flow. And a thiol that terminates at the binding partner of the target species (the binding partner may be histidine-tagged and bound to the electrode by binding to the NTA-Ni moiety in the SAM). If the target species is present in the sample solution, it will bind to its binding partner presented on the SAM. The presence of a protein near the SAM surface alters the chemical environment around ferrocenedicarboxylic acid, shifting its oxidation potential to a lower potential. The characteristic oxidation potential shift of the immobilized redox-active metal indicates the presence of the target species.
[0129]
No effect was observed when these experiments were performed with ferrocene derivatives without polar substituents on the ring. Therefore, for this approach to work, it is crucial that the immobilized redox-active metal is in a polar environment and that the immobilized binding partner (bound to the SAM by a thiol) is as small as possible. is there.
[0130]
Example 9: ELISA
A technique well known to those skilled in molecular or cell biology is the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) (Current Protocols in Molecular Biology,
[0131]
Using the techniques described herein greatly enhance the sensitivity of the ELISA and detect the presence of a target species immobilized using a natural ligand (protein or peptide) or drug candidate as a probe molecule. be able to. The presence of the immobilized species is detected by binding to a colloid-bound ligand that also presents multiple horseradish peroxidases (HRPO) or alkaline phosphatase (AP). Enzymes may be favored for colloids by various means, including a histidine tag directly linked to the enzyme, or by coupling a mouse-anti-goat enzyme-conjugated antibody to a goat antibody that binds to the colloid via histidine-tagged protein G. (Akerstom, B., Nielson, E., Bjorck, L. Journal of Biological Chemistry, 1987 Oct. 5 Vol. 262 (28); pgs. 13388-91 and Fahnes. Alexander, P., Nagle, J. and Filfila, D. (1986) Journal of Bacteriology Vol. 167, 870-880). By binding the ligand co-immobilized to the colloid with multiple enzymes to the target species instead of the second antibody, the ratio of signaling molecule to binding event is increased by orders of magnitude. Binding of one antibody or ligand on the colloid to the antigen displayed on the ELISA plate results in indirect binding of thousands or millions of enzymes. Alternatively, known species can be intentionally bound to the wells of the 96-well upper plate, and colloidally examined, each presenting a different drug candidate with a signaling enzyme. At present, this is not possible with current ELISA technology. This is because each drug candidate cannot bind to the enzyme. Alternatively, a natural ligand for the immobilized target may be presented on the colloid with the signaling enzyme, and drug candidates may be added to each well of the plate to disrupt the interaction. Unbound colloids, and thus their signals, are lost in the washing step. The target of the antibody- or ligand-presenting colloid may be a cell or protein bound directly or indirectly (by another antibody or ligand) to the ELISA plate. The advantage of this modification of the ELISA is not only sensitivity but also efficiency. Since hundreds of signaling enzymes remain bound to one antigen by colloids, substrate hydrolysis will occur faster and a proper interpretation will take less time.
[0132]
Example 10: Visual Detection of Interaction of Cell Surface Receptor with Colloid-Immobilized Ligand and Its Inhibition
This example was performed in the manner described in Example 3, except for the following. Cells were grown on multi-well plates. After the interaction, macroscopic examination showed selective modification of the cells by colloids at the location on the cells where the receptor was expressed. FIG. 29A shows a control in which no binding occurs. Peptides of any sequence were used. FIG. 29B shows the selective modification of cells by colloids at the location on the cell where the protein is expressed.
[0133]
Example 11: Detection of binding interaction between one binding partner non-specifically bound to a solid support and another partner bound to a colloid
The protein, specifically streptavidin (Promega), was non-specifically linked to a solid support, specifically Q-Sepharose. Its binding partner, biotin, was covalently linked to a thiol incorporated into a self-assembled monolayer on colloidal particles. When the colloid particles were exposed to the beads, they were immobilized by the binding between biotin and streptavidin, and the beads were colored red. FIG. 30A is a photographic copy of a computer digitized microscopic image of a bead modified by binding interaction (red in nature). FIG. 30B (control) is a similar image of unmodified beads; similar beads (streptavidin-bound) were exposed to colloids displaying inappropriate proteins.
[0134]
This example also importantly describes a self-assembled monolayer containing biotin on colloidal particles. Biotin SAMs were formed on colloids as follows. A solution containing 580 μM @ COOH-stopped thiol and 20 μM biotin-stopped thiol in DMF was made. The thiol was C11. Colloid production was performed as previously described, and the described 20 μM biotin and 580 μM @COOH thiol DMF solution was incubated with the colloid. Other steps were similar to those described above.
[0135]
Example 12: ELISA with multiple signaling of a single binding event
This example was performed similarly to a typical ELISA, with the following exceptions / details: detergents and surfactants were omitted from the washing step. GST was immobilized on a multiwell plate. Mouse anti-GST antibody was added to the wells and allowed to bind to GST. After a general washing step, a colloid displaying histidine-tagged protein G was added to the first set of wells (for experiments) and allowed to bind to anti-GST. A second set of wells (control) was not exposed to the protein G immobilized colloid. After another general washing step, all wells were exposed to horseradish peroxidase-conjugated goat anti-mouse antibody. All were then exposed to horseradish peroxidase substrate and sulfuric acid. The reaction proceeded in the usual way. Plates were analyzed on a multiwell spectrophotometer reader.
[0136]
The results of this example show that as horseradish peroxidase binds to multiple G positions on the colloid particles, the experimental wells signal six orders of magnitude greater than the control wells. FIG. 31 is a bar graph showing this six digit increase. This example illustrates the signaling of a single binding of a first biological or chemical agent to a second biological or chemical agent by multiple signaling entities. Signaling of multiple entities occurs simultaneously as they bind to the colloid particles.
[0137]
Example 13: Linking unmodified chemical or biological molecules to a self-assembled monolayer presented on a colloid surface, specifically linking streptavidin to a colloid
This example provides a technique for attachment of any essentially amine-containing entity to a surface that can present a carboxylic acid or salt thereof. The technique can be used to link entities to colloids by linking to a self-assembled monolayer formed on the colloid surface. Molecules linked to the self-assembled monolayer need not include any specific chemical functional groups, such as affinity tags, prior to binding. The only requirement is that it contain at least one primary amine, as found in many amino acids. Thus, the technique is particularly suitable for covalently attaching proteins or peptides having primary amino groups to a colloid presenting a carboxylic acid on the surface.
[0138]
Techniques for forming self-assembled monolayers on colloids have been described previously. The following specific details and proviso are added to these techniques.
[0139]
The protein was bound by forming an amide bond between the carboxylate (bound by SAM) on the colloid surface and the amine residue of the peptide. The amide bond was formed by applying a modified EDC / NHS coupling protocol. Successful coupling was tested by mixing a colloid presenting streptavidin with a colloid presenting a biotin group (via biotin SAM, described above). If streptavidin binds successfully, the two types of colloid will aggregate, the suspension will change color, and finally the colloid will precipitate, leaving a clear solution.
[0140]
The colloids used in the coupling procedure were prepared as described elsewhere and incubated in a thiol solution containing 540 μM (micromolar) COOH-stopped thiol, 60 μM {NTA-stopped thiol, and then 400 μM} ethylene glycol Formed by circulating heating in a stopped thiol. 50 μl colloid in PBS was treated with 50 μl 10 mM EDC, 40 mM NHS in water. After 7 minutes, the colloids were spun down by centrifugation, the liquid was removed and then resuspended in 500 μl (microliter) of 0.1 mg / ml {streptavidin} in phosphate buffer at pH 6.4. After 1.5 hours, the unreacted sites of the colloid were blocked by adding ethanolamine and the colloid was centrifuged to precipitate, then resuspended in 100 μL of pH 6.4 phosphate buffer and the excess, Unbound streptavidin was washed away. The colloid was then centrifuged again and precipitated, and resuspended in 50 μl PBS. To a mixture of 20 μL of phosphate buffer and 15 μl of biotin-presenting colloid, 15 μl of the previously prepared streptavidin-presenting colloid was added. This suspension was compared to a mixture of 35 μl phosphate buffer and 15 μl biotin presenting colloid. Addition of streptavidin-presenting colloid caused a rapid color change from red to blue. After 〜1010 minutes, the mixture of biotin colloid and streptavidin colloid became clear and a precipitate was seen at the bottom. The mixture without biotin colloid had no visual change and remained red.
[0141]
The protocol described above is applicable to the attachment of essentially any chemical or biological molecule, including amines, to a self-assembled monolayer on a colloid. The following modifications may be made as appropriate to ensure binding of one molecule to a single colloid, rather than binding to multiple colloids that result in aggregation. The concentration of the colloid in solution may be reduced while maintaining the concentration of the desired bound molecule and the concentration of the EDC / NHS reactant. One skilled in the art may make other minor modifications to the various molecules. Amine-containing molecules may be selected by one of skill in the art and include, but are not limited to, proteins, synthetic molecules, peptides, derivatized nucleic acids, and derivatized or naturally occurring biology, including other amines. Target molecules. One skilled in the art will appreciate that a variety of species may be synthesized with or linked to an amine or amine-containing species to enable linking to a colloid according to this aspect of the invention.
[0142]
Those skilled in the art will readily appreciate that all parameters described herein are exemplary and that the actual parameters will depend on the particular application for the method and apparatus in which the invention is used. Will. Therefore, the foregoing embodiments are presented by way of example only, and that the invention may be practiced differently from the specific description within the scope of the appended claims and their equivalents. You should understand.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 depicts a ligand linked to a metal-containing compound, such as ferrocene, via a dendrimer or polymer that interacts with the cognate cell surface receptor for the ligand on intact cells.
FIG. 2
FIG. 2 depicts a metal-containing compound, such as ferrocene, bound to a particle that interacts with the receptor for the cognate ligand of the ligand on intact cells.
FIG. 3
FIG. 3 shows proteins assembled into self-assembled monolayers on colloids, which also present redox-active metals for electronic or electrochemical signaling. Cells bearing the target receptor are incubated with a colloid bearing a cognate ligand for the receptor of interest and subsequently attracted electrophoretically or magnetically to the sensing electrode. The figures are not to scale, and the colloids may be made in various sizes, ranging from 20 gold atoms to several hundred nanometers in diameter.
FIG. 4
FIG. 4 depicts cells with MUC-1 incubated with an electronic signaling colloid bearing the tumor marker MUC-1 specific antibody, DF-3. The antibody binds to the colloid via a His-tagged protein G that binds to NTA / Ni (II) groups incorporated into a self-assembled monolayer on the colloid.
FIG. 5
FIG. 5 shows one embodiment of an assay that can be used to screen the ability of individual members of a drug library to inhibit interaction with cell surface receptors.
FIG. 6
FIG. 6 shows that by tying microwells (which may be disposable) to microelectrode arrays and robots, drug screening assays can be easily multiplexed. Analysis of the electrode array can be performed using a modified electrochemical analyzer that allows simultaneous analysis of multiple electrodes. The electrodes can be designed to be inserted into microwells (see arrows).
FIG. 7
FIG. 7 shows drug candidates that can be synthesized on particles that also have an electroactive signaling moiety or that can be covalently linked to them. Drug candidates linked to the signaling particles can be incubated with cells displaying the receptor of interest and control cells that do not express the receptor of interest. The signal will increase as a result of the drug-target interaction in this assay.
FIG. 8
FIG. 8 shows a tissue sample linked to a flexible, semi-permeable support by interaction with a peptide containing an RGD motif. The sample is then incubated with an electroactive signaling colloid having a ligand for the cell surface receptor of interest. The sample is washed and then connected to the microelectrode array. The electrode array can be manufactured such that the area of the electrode corresponds to the area of the cell. The sample can be further characterized by ACV and subsequently linked to histopathology.
FIG. 9
FIG. 9 shows an easily multiplexable protein-protein interaction assay based on generic recruitment and signaling particles. Self-assembled monolayers with NTA / Ni (II) ligands that selectively capture His-tagged proteins are formed on signaling colloids and gold-coated magnetic beads. Next, each particle type is briefly incubated with a different His-tagged protein. The magnetic field then attracts the magnetic beads to the sensing electrode. Only when the electroactive label on the colloid (which may be a redox active moiety) is carried to the electrode through the interaction between the first and second proteins, the signal is converted. Note that non-His-tagged proteins can also bind to common particles with self-assembled monolayers that display carboxy-terminated thiols.
FIG. 10
FIG. 10 shows a biotin terminated thiol-derivatized electroactive signaling colloid with an enzyme cleavage site (ECS). The magnetic beads are derivatized with streptavidin, and the magnetic beads and signaling colloid are then incubated with the enzyme and drug candidate of interest. If the drug candidate inhibits the action of the enzyme of interest, the site will not be cleaved and the signaling colloid will remain bound to the magnetic beads by biotin-streptavidin interaction. When the resulting complex magnetically binds to the sensing electrode, a current peak is obtained and the assay will be a signal increase detection assay.
FIG. 11
FIG. 11 shows a research method for screening drugs that modulate enzyme activity. In this scheme, the protein that is the target of the enzyme modification is linked to a colloid that also has an electroactive moiety. The chemical groups that the enzyme adds to the target protein are labeled with biotin. When the enzyme function is appropriate, the biotin-labeled compound is added to the protein on the signaling colloid. The complex thus obtained is further bound to streptavidin-coated magnetic beads. The complex is further electromagnetically attracted to the sensing electrode. Drug candidates may be added to the assay. Loss of signal compared to control would indicate that the drug candidate inhibited the activity of the enzyme, while an increase in signal would indicate that the drug increased the activity of the enzyme.
FIG.
FIG. 12 shows the chemical structures of the farnesyl group, farnesyl pyrophosphate, and geranyl-geranyl pyrophosphate.
FIG. 13
FIG. 13 shows the modification of a farnesyl- or geranyl-like moiety with a recognition group such as biotin.
FIG. 14
3 shows a farnesyl pyrophosphate derivative having a biotin moiety. Farnesyl protein transferase (FPT) enzymes catalyze the addition of farnesyl derivatives to RAS protein variants. When using magnetic beads with streptavidin to recruit the complex to the sensing electrode, the activity of the enzyme, or the ability of the drug candidate to modify the enzyme activity, can be quantified by measuring the current output.
FIG.
FIG. 15 shows that drug candidates may be evaluated for their ability to modulate enzyme activity. The spatially addressable microwell contains RAS protein (wild-type or mutant), FPT enzyme, biotin-modified addition group (farnesyl derivative), magnetic beads with streptavidin, and plus or minus drug candidates. The electrodes can be further analyzed by various electronic and electrochemical techniques, including alternating current voltammetry (ACV).
FIG.
FIG. 16 shows a plot of an ACV analysis of the interaction of an RGD-containing ligand with cells growing on a collagen-coated electrode.
FIG.
FIG. 17 shows a plot of an ACV analysis of the interaction of a (negative) control ligand with cells growing on a collagen-coated electrode.
FIG.
FIG. 18 shows a plot of an ACV analysis of cells growing on a metal support containing only a single type of conductive molecule.
FIG.
FIG. 19 shows a plot of an ACV analysis of the interaction of an RGD-containing ligand with cells growing on a metal support containing a heterogeneous monolayer of insulating and conducting molecules.
FIG.
FIG. 20 is a photocopy of a photograph of a colloid-modified bead, specifically a colloid bound to the bead by a protein / protein interaction.
FIG. 21
FIG. 21 is a photocopy of a photograph of the negative control of the experiment shown in FIG.
FIG. 22
FIG. 22 shows a plot representing the increase in conductivity of the monolayer with increasing proportion of conductive molecules (in the grass of insulating species).
FIG. 23
FIG. 23 shows a 2 unit molecular wire, a monomolecule of a conductive self-assembled monolayer containing poly (ethynylphenyl) thiol, MF1 for a negative control of a non-conductive self-assembled monolayer measured with a ferrocene solution. 3 shows an ACV analysis plot of the conductivity of the layer.
FIG. 24
FIG. 24 shows a plot of an ACV analysis of the conductivity of the monolayer of the two self-assembled monolayers of FIG. 23, measured against a higher conductivity monolayer, measured with the ferrocene solution.
FIG. 25
Figure 3 shows ACV analysis of protein / protein interaction as measured by binding of colloids to magnetic beads.
FIG. 26
FIG. 26 shows an ACV representation of redox signaling of protein immobilization to the cell surface and increased electronic communication across the self-assembled monolayer relative to controls.
FIG. 27
FIG. 27 is a graphical description of the assay, and a plot of protein / protein interaction as measured by colloid binding to magnetic beads is shown in FIG.
FIG. 28
FIG. 28 shows an ACV analysis plot of electrodes containing surface-bound proteins and their effect on ferrocene oxidation potential (solid line) and negative control (dotted line).
FIG. 29
FIGS. 29A and 29B are photocopy of photomicrographs (40 × magnification) of cells (29B) and control (29A) selectively colloidally modified at the site where the receptor is expressed.
FIG. 30
FIGS. 30A and 30B show computer digitized microscopy of nonspecifically binding protein-containing beads (30A) and control (30B) modified by colloidal particles with protein binding partners on self-assembled monolayers. This is a photo copy of the image.
FIG. 31
FIG. 31 is a bar graph showing six orders of magnitude improved signaling due to signaling a single binding event by multiple signaling entities.
FIG. 32
Figures 32A and 32B show an ACV plot of an experiment displaying the use of gravity to recruit signaling entities showing binding interactions to the surface, and controls.
Claims (204)
非コロイド構造へのコロイド粒子の固定化を測定することを包含する方法。A method comprising providing the colloid particles with the ability to be immobilized with respect to the non-colloid structure; and measuring the immobilization of the colloid particles to the non-colloid structure.
コロイド粒子に固定化された第1および/または第2の作用物質の推定結合パートナーをそれぞれが持つ複数のコロイド粒子を用意すること;
ビーズを粒子に暴露すること;そして
第1のビーズに対する第2のビーズへの粒子の結合を区別することを包含する、請求項9に記載の方法。Providing at least a first and a second non-colloidal structure comprising a polymer bead and at least a first and a second agent respectively associated with the first and the second bead;
Providing a plurality of colloid particles each having a putative binding partner of the first and / or second agent immobilized on the colloid particles;
10. The method of claim 9, comprising exposing the beads to the particles; and distinguishing binding of the particles to the second bead relative to the first bead.
それぞれが固定化された作用物質を持つ複数の、ビーズを包含する、非コロイド構造を用意すること;
コロイド粒子の第1のセットおよび第2のセットを用意することであって、第1のセットがそれに固定された作用物質の第1の推定結合パートナーをそれぞれ持ち、そして第2のセットがそれに固定された作用物質の第2の推定結合パートナーをそれぞれ持つこと;
少なくとも第1のビーズを粒子の第1のセットに、そして少なくとも第2のビーズを粒子の第2のセットに暴露すること;
第1のビーズへの第1の粒子のセットの結合に対して、ビーズへの第2の粒子のセットの結合を区別すること。10. The method of claim 9, comprising:
Providing a non-colloidal structure, including a plurality of beads, each with an immobilized agent;
Providing a first set and a second set of colloidal particles, wherein the first set has a first putative binding partner of the agent immobilized thereon, respectively, and the second set has immobilized thereon. Each having a second putative binding partner of the identified agent;
Exposing at least a first bead to a first set of particles and at least a second bead to a second set of particles;
Distinguishing the binding of a second set of particles to a bead relative to the binding of a first set of particles to a first bead.
その表面に受容体またはタンパク質を提示する細胞を用意すること;
コロイド粒子を用意すること;および
コロイド粒子を受容体またはタンパク質に結合させること。40. The method of claim 39, comprising:
Providing cells that present receptors or proteins on their surface;
Providing colloidal particles; and binding the colloidal particles to a receptor or protein.
第1の細胞を第1の細胞の細胞受容体またはタンパク質に対するリガンドおよびコロイド粒子、粒子への結合に適合したリガンド、ならびにリガンドと受容体またはタンパク質間の相互作用を妨害するための第1の候補薬物に暴露すること;および
第2の細胞にリガンドおよびコロイド、ならびにリガンドと受容体またはタンパク質間の相互作用を妨害するための第2の候補薬物を添加すること;ならびに
第1の細胞に対して第2の細胞への粒子の結合を区別するすること;
を包含する、請求項56に記載の方法。Providing at least the first and second cells at different locations;
Ligand and colloid particles for a cell receptor or protein of the first cell, ligand adapted for binding to the particle, and first candidate for disrupting the interaction between the ligand and the receptor or protein in the first cell Exposing to a drug; and adding a ligand and a colloid to a second cell, and a second candidate drug to disrupt an interaction between the ligand and a receptor or protein; Distinguishing the binding of the particles to a second cell;
57. The method of claim 56, comprising:
少なくとも2つの細胞を異なる位置に提供すること;
細胞受容体またはタンパク質に対する異なる標的タンパク質およびそれぞれの標的タンパク質への結合に適合したコロイド粒子にそれぞれの細胞を暴露すること;および
細胞受容体またはタンパク質への異なる標的タンパク質の結合を表す、細胞への粒子の結合を測定すること、を包含する方法。The method of claim 1, wherein the non-colloidal structure is a cell that exposes a receptor or protein on its surface, further comprising:
Providing at least two cells at different locations;
Exposing each cell to a different target protein for a cell receptor or protein and a colloidal particle adapted for binding to the respective target protein; and Measuring the binding of the particles.
a)i)コロイド(前記コロイドは細胞表面分子と相互作用することができるリガンドを包含する)を包含する溶液、およびii)成長細胞を包含する電極を包含する組成物(前記細胞は前記リガンドと相互作用することができる少なくとも1つの細胞表面分子を包含する)を提供すること、
b)少なくとも前記コロイドの部分を前記組成物に添加すること。A method that includes:
a) a solution comprising i) a colloid, wherein the colloid comprises a ligand capable of interacting with a cell surface molecule; and ii) a composition comprising an electrode comprising growing cells, said cells comprising said ligand and said ligand. Including at least one cell surface molecule capable of interacting).
b) adding at least a portion of the colloid to the composition.
c)前記リガンドと前記細胞表面分子の相互作用の尺度として前記コロイドの凝集を検出すること。118. The method of claim 118, further comprising:
c) detecting the aggregation of the colloid as a measure of the interaction between the ligand and the cell surface molecule.
a)i)コロイド(前記コロイドは細胞表面分子と相互作用することができるリガンドを含む)を包含する溶液、ii)候補薬物、およびiii)成長細胞を包含する電極を包含する組成物(前記細胞は前記リガンドと相互作用することができる少なくとも1つの細胞表面分子を包含する)を提供すること、
b)少なくとも前記コロイドの部分を前記薬物および前記組成物と混合すること。A method that includes:
a) a solution comprising i) a colloid, wherein the colloid comprises a ligand capable of interacting with a cell surface molecule; ii) a candidate drug; and iii) a composition comprising an electrode comprising growing cells (the cells comprising Comprises at least one cell surface molecule capable of interacting with said ligand).
b) mixing at least a portion of the colloid with the drug and the composition.
コロイド粒子
コロイド粒子に関して固定化されたシグナル伝達実体;および
コロイド粒子に関して固定化されたタンパク質。A composition comprising:
Colloid particles: signaling entities immobilized with respect to colloid particles; and proteins immobilized with respect to colloid particles.
生物学的または化学的作用物質に結合するように適合した複数のシグナル伝達実体を持つポリマーまたはデンドリマー。A composition comprising:
A polymer or dendrimer having a plurality of signaling entities adapted to bind to a biological or chemical agent.
試料により提示される結合パートナーに結合する能力が推測されるまたはそれを有する固定化された種を持つコロイド粒子に、第1および第2試料を暴露すること、
を包含する請求項172に記載の方法。Providing at least a first and a second biological sample;
Exposing the first and second samples to colloidal particles with immobilized species that are presumed to have or have the binding partner presented by the sample;
172. The method of claim 172 comprising:
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