JP2010515053A5

JP2010515053A5 - アッセイシステムの正規化方法

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Publication number: JP2010515053A5
Application number: JP2009544124A
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Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2027-12-27

Description

蛍光標識されたＤＮＡのような内部標準は、電気泳動アッセイ中のピークを揃える内部標準として、及び蛍光標識された検体ピークからのピークシグナルを正規化する（ノーマライズ：normalize）定量的基準マーカーとしても使用できる。検体ピークの強度は、試験試料中の検体の濃度を定量化するために使用されたシグナルである。励起レーザー光強度、光焦点などにおける変動のように、導入試料の容量又は標識の検出感度に影響を与えるアッセイシステム中に変動が存在すると、検体用のシグナルが影響を受けて検体濃度の測定に誤差が生じる。内部標準に対してシグナルを正規化する（ノーマライジング：normalizing）ことで、検出感度、試料容量の誤差、及びチップチャネル深度の変動による検出容量の変動のようなチップ変動におけるシステムの変動に対してシグナルをコントロールできる。

コンダクタンス（conductance）の変化の測定は、チップ形状の測定としても使用できる。なぜならば、測定されたコンダクタンス（conductance）は緩衝液伝導率、チャネルの長さ及び断面積の関数であるためである。熱可塑性プラスチック材料のフォトリソグラフィー加工又は成形によって作製されたチップのチャネル形状の1つの主要な変数は、深度寸法にあるといえる。前記コンダクタンスを、機器上の基準チップに対する機器上の新しいチップの初期測定値に参照付けることによって、アッセイシグナルを正規化して（normalize）、チップ形状のシグナル強度への影響を補正することが可能となり、このシグナル強度への影響は主にチップチャネルの深さと幅であり、そのうち深さは主要な変数となり得る。

本発明に従って、アッセイシステムの正規化（ノーマライゼーション：normalization）方法が提示され、この正規化（normalization）方法は、アッセイシステム内に内部標準溶液を含有する緩衝液を具備し；アッセイに先立って緩衝液の電気コンダクタンス（conductance）測定値を求め；電気コンダクタンス（conductance）測定値に基づいて緩衝液の濃度変化を求め；アッセイ結果を正規化する（normalizing）ために緩衝液の濃度変化に基づいて内部標準溶液の濃度を決定する、ことを含む。

本方法で述べられるシステムはマイクロ流体電気泳動アッセイシステムであってもよく、本アッセイシステムでは、アッセイ結果は蛍光内部標準シグナル及び内部標準溶液の濃度に基づいて正規化（normalized）してもよい。

さらに、本発明は、アッセイシステム内に複数の緩衝液成分を具備し、その成分の内の１つが内部標準溶液を含有し；アッセイに先立って複数の緩衝液成分の電気伝導率測定値を求め；伝導率測定値に基づいて複数の緩衝液成分内の塩又はイオンの濃度変化を求め；そして、アッセイ結果を正規化する（normalizing）ために塩又はイオンの濃度変化に基づいて内部標準溶液の濃度を決定する工程を含む、アッセイシステムの正規化（ノーマライゼーション：normalization）方法である。

本アッセイシステムはマイクロ流体電気泳動アッセイシステムであってもよく、また制御部材は内部標準溶液の濃度に基づいて、又は記憶部材に記憶された蛍光内部標準シグナルを用いてアッセイ結果を正規化する（normalize）ことができる。この制御部材は、電気コンダクタンス測定値を記憶部材に記憶された標準情報と比較することによって本システムの形状寸法の変動（geometric dimensional variations）に対してアッセイ結果を正規化する（normalize）こともできる。

さらに、本発明は、アッセイシステム内に内部標準溶液を含有する緩衝液を具備し；アッセイに先立って緩衝液の電気コンダクタンス（conductance）測定値を求め；そして、電気コンダクタンス（conductance）測定値に基づいてアッセイ結果を正規化する（normalizing）こと、を含むアッセイシステムの正規化（ノーマライゼーション：normalization）方法に関する。

さらに、本方法は、電気コンダクタンス（conductance）測定値に基づいて緩衝液の濃度変化を求め；そしてアッセイ結果を正規化する（normalizing）ために緩衝液の濃度変化に基づいて内部標準溶液の濃度を決定する工程を含んでもよい。

さらに、本正規化（ノーマライゼーション：normalization）方法は、電気コンダクタンス（conductance）測定値をあらかじめ決められたデータと比較する工程と；この比較に基づいてアッセイ結果を正規化する（normalizing）工程を含んでもよい。

図１は伝導率とＮａＣｌ濃度との関係の例である。図２は伝導率と内部標準濃度との関係の例である。図３は伝導率対ＮａＣｌ濃度に関するデータの例示的グラフを示す。図４は伝導率対ＨｉＬｙｔｅＩＳ濃度に関するデータの例示的グラフを示す。図５はマイクロチャネルと連結されているウェルを具備するデバイスの例である。図６は図５に示されたデバイスと同等の電気回路の例である。図７はアッセイシステムの例である。図８はＴＢ−ＬＢ電流を使用する正規化（normalization）の実施例のグラフである。図９はＨＯ−ＬＢ電流を使用する正規化（normalization）の実施例のグラフである。

マイクロ流体デバイス中の蛍光プローブについて測定されたシグナルの正規化（normalization）のための蛍光内部標準の使用は、内部標準（ＩＳ）シグナルの安定性不足に苦しんでいる。試料希釈緩衝液や抗体試薬のような試薬又は分離緩衝液が、内部標準を含有する場合、その標準の濃度は、内部標準を保管するために使用される保管容器内での蒸発又は結露の程度に応じて変化する。アッセイを行っている日の間中に、この容器の蓋が外されていた場合、室温での蒸発の程度はきわめて大きく、１ないし２週間の使用で１０％から２０％のオーダーである。これにより、正規化（normalization）のためにこの内部標準を使用したアッセイ結果に偏りが生じる。

電気伝導率の測定値又は電気伝導率と蛍光内部標準シグナルとの測定値の組み合せを用いることにより、機器及びチップの変動が試験結果に大きな偏りもたらさないようマイクロ流体アッセイからの蛍光シグナルを正規化（normalized）できる。最初の測定値、つまり内部標準含有溶液の電気伝導率を、内部標準の変化を制御及び補正するために使用してもよい。

蒸発又は結露による内部標準溶液の濃度変化は、内部標準溶液の電気伝導率変化と相関している場合もある。ＩＳ溶液電気伝導率は、ＮａＣｌ又は他のイオン緩衝液などの溶液中の緩衝塩の濃度によって支配される。この電気伝導率はＮａＣｌの濃度と比例するため、初期電気伝導率が求まったら、安定電流計が、ＮａＣｌ濃度変化の程度を測定するのに使用できる。ＮａＣｌ濃度変化が分かっている場合、内部標準などの他の緩衝液成分での変化を外挿することが可能である。それによって、マイクロ流体システムの耐用年数の期間中、内部標準濃度を校正することができ、またこのＩＳはアッセイシグナルを正規化（normalize）するのに信頼して使用できる。

より多くの電気的接触が欠如しているため、抵抗Ｒ_ｎをさらに成分に細分することはできない。しかしながら、目指すことはチャネル形状（geometry）（特に深さ）による変動及びウェルにおける蒸発を補正することにある。これら両方の要因は、すべての試薬バイアル及びウェルにおいて同一と考えられる蒸発を含めて、チップ全体に共通しているが、その理由は、チップ全体は形状（geometry）が同一で、同一の外部条件に曝されるからである。正規化（normalizing）要因として電気コンダクタンスＧ_ｎ＝１／Ｒ_ｎを使用することによってこれはなしうる。

以下の考察において、Ｇ_ｎは試料プラグの実際のコンダクタンスによって最も影響を受けるものであるため、Ｇ_ｎは正規化（normalizing）コンダクタンスとしての使用が考えられる。しかしながら、蒸発はすべてのウェルで同様であり、また厚みの変動もデバイス全体を通じて同様であると仮定すると、いかなる測定コンダクタンスも使用可能であろう。たとえば、Ｇ_２３＝１／Ｒ_２３は上記で確立された意味合いにおいて使用可能であり、これによって構造体のそれぞれのアームの個々のコンダクタンスを引用する必要がなくなる。個々の特定の状況によって何が最善の選択かが分かる。

要約すると、蒸発することで増分だけ塩及び電気伝導率が高くなる場合は、蒸発の割合が、個々の容器とウェルとの間で一定であることが予測される。つまり、測定可能な電気抵抗値又はコンダクタンス値のいずれかが正規化（normalization）目的に使用できるということである。これは、実際に試料を含有しないデバイスのセグメントのコンダクタンス値を含む。

本発明で記述された方法は、電流を測定するために電極を用いるマイクロ流体電気泳動アッセイ又は他のアッセイの正規化（normalization）に使用してもよい。電流測定値は、蒸発を補正（correct）する目的で内部標準を標準化（standardize）又は正規化（mormalize）するために使用できるだけでなく、この電流はチャネルの寸法（dimension）、深さ、及び幅の変動を補正（correct）するためにも使用できる。形状（geometry）におけるマイクロ流体デバイスの変動は、チャネルの深さと幅の変動によって主に起こる。微細加工はしばしば、チャネルを直接形成するためにガラス又はシリコンマスターをエッチングするか、又は熱可塑性高分子（プラスチック）基板にチャネルを生成するのに使用されるモールドを形成するという、シリコン加工技術を含む。これらの技術ではチャネルの形状（geometry）に微妙な変動が生じることもある。

付与されたマイクロ流体チャネルデザインの伝導率は、緩衝液電気伝導率及びチャネルの断面積の関数である。したがって、チャネルの深さ／形状（geometry）と緩衝液が満たされたチャネルネットワークのコンダクタンスとの間にきわめて直接的な関係が存在する。公称断面／伝導率が特定されている場合、その公称値からの偏差はコンダクタンスの測定によって計算することができる。その上、蛍光アッセイのようなチャネル断面に依存しているアッセイからのアッセイシグナルは、開封直後のボトルについて標準電気伝導率を有する標準化アッセイ緩衝液を用いて、チャネルのコンダクタンスを測定することによって正規化（normalized）することができる。

本方法では、良く特徴付けられた試薬を含有するシステム及び明確なマイクロ流体デバイスにおける独立したパラメータ、緩衝液コンダクタンスを測定することにより内部標準を正規化する（normalize）手段について説明する。新鮮な（fresh）内部標準溶液の伝導率は独自に、又は蒸発のような試薬濃度の均一な変動を受けるシステムの一部として測定してもよい。収集されたコンダクタンス測定値は、蛍光アッセイシグナル測定値のようなマイクロ流体チャネル寸法（dimension）に依存するアッセイシグナルを正規化（normalize）するのに使用してもよい。

本アッセイシステム１００はマイクロ流体電気泳動システムであってもよく、また制御システム１３０は、内部標準溶液の濃度に基づいて、又は記憶部材に記憶された蛍光内部標準シグナルを用いてアッセイ結果を正規化（normalize）してもよい。また、制御部材１３０は、電気コンダクタンス測定値を記憶部材に記憶された標準情報と比較することによって本システムの形状寸法の変動（geometric dimensional variations）についてアッセイ結果を正規化（normalize）してもよい。
あらかじめ決められた情報は、塩濃度又はイオン濃度の情報を内部標準溶液の濃度と関連付けるためのデータとしてもよい。

緩衝液組成物の蒸発及び結露の状態をシミュレートするため、各ウェルの緩衝液組成物の濃度を、１０％きざみで８０％から１２０％まで変化させた。実際のアッセイでは、緩衝液濃度は蒸発又は結露によって変化することもあるが、検体試料溶液は使用直前に供給されるため、ＡＦＰ濃度自体は変化しないであろう。したがって、この実験については、ＡＦＰ抗体試料を最終的に１００ｐＭの一定濃度となるように試料緩衝液と混合した。図５を参照すると、個々の実験では、ＩＳを含有する緩衝液組成物を「ＤＮＡ−Ａｂ」ウェルに注入し、ＡＦＰ−Ｌ１を含有する緩衝液組成物を「試料」ウェルに注入し、蛍光標識第２抗ＡＦＰ抗体を含有する緩衝液組成物を「標識−Ａｂ」ウェルに注入し、ＴＢウェル用の緩衝液組成物を「ＴＢ」ウェルに注入し、ＨＯ及びＬＢウェル用の緩衝液組成物を「ＨＯ」ウェル及び「ＬＢ」ウェルに注入し；そしてＷＡ１、ＷＡ２、ＷＡ３及びＷＡ４から陰圧を印加することにより各緩衝液をチャネルに導入した。個々の実験では、緩衝液をキャピラリーチャネルに注入した後、キャピラリー電気泳動（ＣＥ）を実施した。
電気泳動中にキャピラリーチャネルで抗原−抗体反応と分離が起こる。キャピラリーチャネル（分離ゾーン）の特定ポイントで、分離されたＩＳシグナル及び抗原−抗体複合体シグナルが検出された。電気泳動中は、ＴＢウェル−ＬＢウェル間の電流シグナル及びＨＯウェル−ＬＢウェル間の電流シグナルをモニタリングし、それらをＩＳピークを正規化（normalize）するのに用いた。
ＩＳピークを以下の式によって正規化（normalized）した。

式中、ＩＳ_Sampleは結露又は蒸発が起こっていたと想定されるＩＳピークシグナルを表している。Ａ_Sampleは結露又は蒸発が起こっていた電流を表している。Ａ_Referenceは結露または蒸発が起こっていない電流を表している。ＩＳ_Normalizedは測定された電流で正規化（normalized）されたＩＳシグナルを表わしている。

ＡＦＰシグナルを以下の式によって正規化した。

式中、ＡＦＰ_Sampleは結露又は蒸発が起こっていたと想定されるＡＦＰピークシグナルを表している。ＩＳ_Referenceは結露又は蒸発が起こっていないＩＳシグナルを表している。ＡＦＰ_NormalizedはＡＦＰの正規化（normalized）シグナルを表している。

様々な測定シグナル及びＴＢ−ＬＢ電流及びＨＯ−ＬＢ電流を使用した正規化（normalization）の結果を、以下の表２及び表３に示す。

表２：ＴＢ-ＬＢ電流による正規化（normalization）

表３：ＨＯ-ＬＢ電流による正規化（normalization）

これらの表の結果がそれぞれ図８及び図９にプロットされている。いずれの場合でも、その対応するＩＳ_Sampleシグナルによる正規化（normalization）後のＡＦＰシグナルは、緩衝液のＩＳ_Sample濃度がますます濃縮されるため、緩衝液濃度の上昇に伴って減少する。しかしながら、各緩衝液濃度について、それに対応するＩＳ_Normalizedシグナルによる正規化（normalization）後のＡＦＰシグナルは、１００％緩衝液濃度時のＡＦＰシグナルに近い値である（濃縮又は結露は起こらない）。すなわち、対応する正規化（normalized）ＩＳシグナルによって正規化（normalized）されるＡＦＰシグナルは平面曲線（flat curve）を与える。実施例は、ＩＳが組み入れられている緩衝液濃度が、たとえば蒸発又は結露などによってたとえ変化しても、このＩＳピークシグナルを適切に正規化（normalized）できることを示している。

Claims

以下の構成を有するアッセイシステムの正規化方法、
アッセイシステム内に内部標準溶液を含有する緩衝液を具備し；
アッセイに先立って前記緩衝液の電気伝導率測定値を求め；
前記電気伝導率測定値に基づいて前記緩衝液の濃度変化を求め；
アッセイ結果を正規化するために前記緩衝液の前記濃度変化に基づいて前記内部標準溶液の濃度を決定する。
前記緩衝液が内部標準のために用意される、請求項１に記載の方法。
前記緩衝液は複数の成分を含み、その成分の内の１つが内部標準溶液である、請求項１に記載の方法。
前記緩衝液は複数の成分を含み、その成分の内の１つが前記内部標準溶液であり；そして前記緩衝液の電気伝導率測定値は前記複数の成分の総電気伝導率である、請求項１に記載の方法。
前記内部標準溶液の濃度は前記緩衝液の前記濃度変化を外挿することによって求められる、請求項４に記載の方法。
前記緩衝液の前記電気伝導率は前記緩衝液の塩又はイオンの濃度とほぼ比例する、請求項１に記載の方法。
さらに、アッセイに先立って前記電気伝導率測定値を求める前に、前記緩衝液の初期濃度及び対応する前記緩衝液の電気伝導率測定値を求めることを含む、請求項１に記載の方法。
前記システムがマイクロ流体電気泳動アッセイシステムである、請求項１に記載の方法。
前記アッセイ結果は、蛍光内部標準シグナル及び前記内部標準溶液の濃度に基づいて正規化される、請求項１に記載の方法。
以下の構成を有するアッセイシステムの正規化方法、
アッセイシステム内に複数の緩衝液成分を具備し、その成分の内の１つが内部標準溶液を含有し；
アッセイに先立って前記複数の緩衝液成分の電気伝導率測定値を求め；
前記電気伝導率測定値に基づいて前記複数の緩衝液成分内の塩又はイオンの濃度変化を求め；
アッセイ結果を正規化するために塩又はイオンの前記濃度変化に基づいて前記内部標準溶液の濃度を決定する。
前記緩衝液成分の前記電気伝導率測定値は、前記緩衝液成分の総電気伝導率測定値である、請求項１０に記載の方法。
前記内部標準溶液の濃度は、前記複数の緩衝液成分内の塩又はイオンの前記濃度変化を外挿することによって求められる、請求項１１に記載の方法。
前記緩衝液の電気伝導率は前記緩衝液の塩又はイオンの濃度とほぼ比例する、請求項１０記載の方法。
さらに、アッセイに先立って前記電気伝導率測定値を求める前に、前記緩衝液成分の初期濃度及び前記緩衝液成分の対応する電気伝導率測定値をあらかじめ決めることを含む、請求項１０に記載の方法。
前記システムがマイクロ流体電気泳動アッセイシステムである、請求項１０に記載の方法。
前記アッセイ結果は蛍光内部標準シグナル及び内部標準溶液の濃度に基づいて正規化される、請求項１０に記載の方法。
以下の構成を有するアッセイシステム、
緩衝液試薬を収容するウェルを有し、そのウェルの内の１つが内部標準溶液を収容するウェルを具備する基板；
前記緩衝液試薬を収容する前記ウェル間で電気伝導率を測定するための回路部材；
前記ウェル間で電気伝導率測定値から前記緩衝液試薬の塩濃度又はイオン濃度を測定するための制御部材；
あらかじめ決められた情報を記憶する記憶部材を含み；
前記制御部材が前記記憶部材中のあらかじめ決められた情報に基づいて前記塩濃度又はイオン濃度から前記内部標準溶液の濃度を外挿する。
前記システムがマイクロ流体電気泳動アッセイシステムである、請求項１７に記載のアッセイシステム。
前記制御部材は前記内部標準溶液の濃度に基づいてアッセイ結果を正規化する、請求項１７に記載のアッセイシステム。
前記制御部材は前記内部標準溶液の濃度及び前記記憶部材に記憶された蛍光内部標準シグナルに基づいてアッセイ結果を正規化する、請求項１７に記載のアッセイシステム。
あらかじめ決められた情報は、塩濃度情報又はイオン濃度情報を前記内部標準溶液の濃度と関連付けるデータである、請求項１７に記載のアッセイシステム。
前記制御部材は、電気伝導率測定値を前記記憶部材に記憶された標準情報と比較することによって前記システムの形状寸法の変動に対してアッセイ結果を正規化する、請求項１７に記載のアッセイシステム。
以下の構成を有するアッセイシステムの正規化方法、
前記アッセイシステム内に内部標準溶液を含有する緩衝液を具備し；
アッセイに先立って前記緩衝液の電気伝導率測定値を求め；そして、
前記電気伝導率測定値に基づいてアッセイ結果を正規化する。
さらに、前記電気伝導率測定値に基づいて前記緩衝液の濃度変化を求め；
前記アッセイ結果を正規化するために前記緩衝液の濃度変化に基づいて前記内部標準溶液の濃度を決定すること、を含む請求項２３に記載の正規化方法。
さらに、前記電気伝導率測定値をあらかじめ決められたデータと比較し；そして、
その比較に基づいて前記アッセイ結果を正規化することを、含む請求項２３に記載の正規化方法。