JP2012247188A - Clinical examination using nanocarbon - Google Patents

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雅子 湯田坂
Yuzuru Ikehara
譲 池原
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睦郎 小倉
Toshiya Okazaki
俊也 岡崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a detection method in which, in a clinical examination using the substance originating from a living thing such as blood, as a sample, only a component to be detected can be detected with high sensitivity by being kept as it is without previously removing a biological material such as a corpuscle component other than an object to be detected.SOLUTION: A nanocarbon such as a single-walled carbon nanotube (SWCNT) emits near infrared light by photoexcitation and such emission is utilized, the near infrared light emitted by the detected object is utilized for detection by labeling a detection probe by the nanocarbon, thereby capable of detecting only a component to be detected with high sensitivity by being kept as it is without previously removing a biological material such as a corpuscle component other than an object to be detected.

Description

本発明は、近赤外領域で発光する標識プローブを用いる臨床検査技術に関する。   The present invention relates to a clinical examination technique using a labeled probe that emits light in the near infrared region.

昨今の技術開発を背景として、各種疾患バイオマーカー探索が進められており、「がん」等の疾患の早期発見に役立つ可能性が高い候補分子が相次いで報告されている。産業技術総合研究所の糖鎖医工学研究センターでも、本発明者らの一人である池原らが糖鎖分析技術のアドバンテージを最大限に生かして、疾患の発生と進展に伴って出現する未完成品糖タンパク質(図1)(=糖鎖修飾異性体)を疾患バイオマーカーとする研究を進めて来た。未完成品の糖タンパク質などの疾病マーカーを検出することで、がんや生活習慣病を早期発見できる。
最近、池原らは、肝炎に伴って生じる線維化を測定できる未完成糖鎖バイオマーカーを発見し、侵襲性の高い生検に代わって血液検査での検出評価を可能とした。さらに、胃がんの腹腔内再発や、胆管がん、卵巣がんのように発見が極めて難しい腫瘍の存在や進展についても、評価できる未完成糖鎖バイオマーカーの発見に成功している。今後、同様のアプローチで開発を進めると、動脈硬化やアルツハイマー病の検査診断にも展開可能であると予想される。しかし、血液・体腔液・胆汁などに存在する疾患マーカー分子を検出することで、これらの疾病の超早期診断を達成するためには、現在の臨床検査で一般に利用される検出技術では、十分な感度を得ることは難しい。
Searches for biomarkers of various diseases are being promoted against the background of recent technological development, and candidate molecules that are likely to be useful for early detection of diseases such as “cancer” have been reported one after another. Ikehara et al., One of the inventors of the present invention, at the Glycotechnology Research Center of the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology makes the most of the advantages of glycan analysis technology, and it appears that it appears as the disease develops and progresses We have been conducting research using the glycoprotein (Fig. 1) (= glycosylated isomer) as a disease biomarker. By detecting disease markers such as unfinished glycoproteins, cancer and lifestyle-related diseases can be detected early.
Recently, Ikehara et al. Discovered an incomplete glycan biomarker that can measure fibrosis caused by hepatitis and enabled detection evaluation in blood tests instead of highly invasive biopsy. Furthermore, we have succeeded in discovering unfinished glycan biomarkers that can be evaluated for the recurrence of gastric cancer in the abdominal cavity and the presence and progression of extremely difficult tumors such as bile duct cancer and ovarian cancer. In the future, if development is carried out using the same approach, it is expected to be applicable to laboratory diagnosis of arteriosclerosis and Alzheimer's disease. However, detection techniques commonly used in current clinical tests are not sufficient to achieve ultra-early diagnosis of these diseases by detecting disease marker molecules present in blood, body cavity fluid, bile, etc. It is difficult to obtain sensitivity.

一般に血液・体腔液・胆汁等をサンプルとする臨床検査では、血球等の細胞成分(赤血球や白血球、血小板、中皮、脱落細胞)を遠心分離やフィルター濾過により除去する。しかし、いずれの操作でも除ききれないので、これら生体物質が少なからず混入する事となり、疾患バイオマーカー検出のために使うプローブ分子の光を妨害吸収してしまい疾病検出感度を下げてしまう。同時に、血球成分等の細胞や、体腔液や胆汁に含まれるタンパクが非特異的に発光し、プローブ発光検出の際にノイズの原因ともなる。こうした成分によるプローブ発光の妨害吸収や自家発光ノイズは、超早期診断を目的としたさまざまな疾患バイオマーカーの高感度検出を邪魔し、その実用化において非常に大きな障害となっている。   In general, in a clinical test using blood, body cavity fluid, bile, etc. as a sample, cell components such as blood cells (red blood cells, white blood cells, platelets, mesothelial cells, dropped cells) are removed by centrifugation or filter filtration. However, since it cannot be removed by any operation, not a few of these biological substances are mixed, and the light of the probe molecules used for detecting the disease biomarker is disturbed and absorbed, and the disease detection sensitivity is lowered. At the same time, cells such as blood cell components, and proteins contained in body cavity fluid and bile emit nonspecifically, which causes noise when detecting probe luminescence. Interference absorption and self-emission noise of probe luminescence due to such components hinders high-sensitivity detection of various disease biomarkers for the purpose of ultra-early diagnosis, and are very serious obstacles to their practical application.

Journal of the American Chemical Society (2007) 5612-5620.Journal of the American Chemical Society (2007) 5612-5620. Analytical Chemistry (2009) Volume 81, 7885-7891.Analytical Chemistry (2009) Volume 81, 7885-7891. Leeuw et al. Nano Lett. 2007,7(9),2650-4Leeuw et al. Nano Lett. 2007,7 (9), 2650-4

本発明は、血液・体腔液・胆汁などの生体由来物をサンプルとする臨床検査において、検出対象以外の血球や成分などの生体物質を予め取り除くことなく、そのままで、検出対象成分のみを高感度で検出可能な、検出方法を提供することを課題とする。   The present invention is highly sensitive to only a detection target component without removing in advance a biological material such as blood cells and components other than the detection target in a clinical test using a biological derived material such as blood, body cavity fluid, and bile as a sample. It is an object of the present invention to provide a detection method that can be detected by the above method.

本発明者らは、単層カーボンナノチューブ(SWCNT)などのナノカーボンが光励起により近赤外光を発光することに着目し、検出プローブをナノカーボンにより標識することにより、検出された対象が発する近赤外光を検出に利用することで、検出対象以外の血球成分などの生体物質をサンプルから予め取り除くことなく、そのままで、検出対象成分のみを高感度で検出することが可能であることを見出し、本発明を完成した。   The present inventors have focused on the fact that nanocarbons such as single-walled carbon nanotubes (SWCNT) emit near-infrared light by photoexcitation. By labeling the detection probe with nanocarbon, the detected object emits near-infrared light. It has been found that by using infrared light for detection, it is possible to detect only the detection target component with high sensitivity without removing biological substances such as blood cell components other than the detection target from the sample in advance. The present invention has been completed.

近赤外光は生体透過性が高いため、in vivoイメージングや腋窩リンパ節検査などの体内診断の高感度化をゴールに、技術開発が試みられている。血液や体腔液を対象として検索する臨床検査においても、近赤外光が利用可能となれば、高感度化と多種類の疾病マーカーの同時検出が可能となるが、実現していない。実現のためには、近赤外波長領域で効率良く発光するプローブが必要である。
SWCNTは、450−1350nmの光励起により700−2300nmで発光する(図2にその一部の波長範囲の発光マップを示す)。この波長範囲は、生体物質によって吸収されにくいあるいは自家発光の少ない波長範囲(波長600−1300nm)をふくむ 。SWCNTは、近赤外色素分子や近赤外量子ドットに比べて、10倍以上の光学的耐久性があり、化学修飾も可能である。つまり、SWCNTは近赤外発光プローブとしての優位性は比類なく、近赤外光を利用した次世代臨床検査の実現を可能にする強力な新規材料である。SWCNTの発光は2002年に発見され、これまで、生体内のSWCNTイメージングなども試みられた(非特許文献3)ものの、そのもっとも有力な応用である臨床検査への検討はこれまで全くなされていない。
Since near-infrared light has high biological permeability, technological development has been attempted with the goal of increasing the sensitivity of in-vivo diagnostics such as in vivo imaging and axillary lymph node examination. Even in clinical examinations that search for blood and body cavity fluids, if near-infrared light can be used, high sensitivity and simultaneous detection of many types of disease markers are possible, but this has not been realized. For realization, a probe that efficiently emits light in the near-infrared wavelength region is required.
SWCNT emits light at 700-2300 nm by photoexcitation at 450-1350 nm (FIG. 2 shows a light emission map of a part of the wavelength range). This wavelength range includes a wavelength range (wavelength 600 to 1300 nm) that is difficult to be absorbed by a biological substance or has little self-emission. SWCNT has an optical durability of 10 times or more compared to near-infrared dye molecules and near-infrared quantum dots, and can be chemically modified. In other words, SWCNT has an unparalleled superiority as a near-infrared light emitting probe, and is a powerful new material that enables the realization of next-generation clinical tests using near-infrared light. SWCNT emission was discovered in 2002, and in vivo SWCNT imaging has been attempted (Non-Patent Document 3), but the most promising application to clinical testing has not been done so far. .

近赤外光の発光により、微量の検出対象を生体に由来する夾雑物が存在するサンプル中で検出するためには、また、微弱な近赤外光を検出する装置が必要とされる。
波長1000〜2000nmの近赤外光の検出には、通常シリコン電荷積分アンプに接続されたInGaAsフォトダイオードアレイを使用するが、室温付近においては、フォトダイオードの暗電流が大きくシリコンICで許容されるキャパシタンスでは、十分な積分時間が確保できない。この点は、フォトダイオードを液体窒素冷却することで解決可能であるが、価格や操作性の問題を鑑みると、臨床検査室での実用化は難しい。これに対して本発明者らの一人である小倉は、先に、極微弱光の計測が室温付近で可能となるよう、表面電流ブロック層を設けたヘテロバイポーラフォトトランジスタを開発した(PCT/JP2009/067689として特許出願中)。
この素子の特色として、内部増幅作用が大きいので(電流増幅率β〜数千)、外部電気回路によるノイズの影響を受けにくいこと、ベース領域に光励起キャリアの蓄積効果を持つため、電荷積分機能を内蔵していること、可視から赤外まで広い波長範囲に感度を有することなどが挙げられる。
更に、蛍光や透過スペクトラム計測の場合、光源を変調し、検出系を同期検波する(ロックイン 検波)ことにより暗電流成分を除去することが可能であるが、アレイ検出器に対しては、電子回路をIC化する必要があり、十分な対策が取られていない。
本発明者らは、フォトダイオードアレイのそれぞれの素子に、シリコンICによるロックインアンプアレイを接続することにより、室温アレイにおいてもフェムトワットレベルの微弱光検出を可能にした(上述のPCT/JP2009/067689)。
In order to detect a very small amount of detection target in a sample in which impurities derived from a living body exist by emitting near-infrared light, an apparatus that detects weak near-infrared light is also required.
For detection of near-infrared light with a wavelength of 1000 to 2000 nm, an InGaAs photodiode array connected to a silicon charge integrating amplifier is usually used. However, near room temperature, the photodiode has a large dark current and is allowed by a silicon IC. With capacitance, sufficient integration time cannot be secured. Although this point can be solved by cooling the photodiode with liquid nitrogen, it is difficult to put it into practical use in a clinical laboratory in view of problems of price and operability. On the other hand, Ogura, one of the present inventors, previously developed a heterobipolar phototransistor provided with a surface current blocking layer so as to enable measurement of extremely weak light near room temperature (PCT / JP2009). / 067689 patent pending).
As a feature of this element, since the internal amplification function is large (current amplification factor β to several thousand), it is difficult to be affected by noise from an external electric circuit, and has the effect of accumulating photoexcited carriers in the base region. It is built-in, and has sensitivity in a wide wavelength range from visible to infrared.
Furthermore, in the case of fluorescence or transmission spectrum measurement, it is possible to remove the dark current component by modulating the light source and synchronously detecting the detection system (lock-in detection). The circuit needs to be integrated into the IC, and sufficient measures have not been taken.
By connecting a lock-in amplifier array using a silicon IC to each element of the photodiode array, the present inventors made femtowatt level faint light detection possible even in a room temperature array (the above-mentioned PCT / JP2009 / 067689).

すなわち、本発明は、近赤外光を高感度に検出できるシステム機器の基盤技術の存在のもと、近赤外光で発光するSWCNTなどのナノカーボンを標識基材として、目的物の検出に必要な抗体などのプローブを修飾することにより、従来の可視波長帯域に加えて、近赤外波長帯域における蛍光標識を用いた血液生化学検査の検体検査を可能とするものである。更に、検出波長帯域を2μmまで拡張することにより、赤血球中の糖化ヘモグロビンやグルコースの光吸収・透過特性による、HbA1c定量や血糖値計測も並行して行うことが可能となり、成人病の予防的な検診に大きく貢献する。   That is, in the present invention, in the presence of the fundamental technology of system equipment that can detect near infrared light with high sensitivity, nanocarbon such as SWCNT that emits light with near infrared light is used as a labeling substrate to detect a target object. By modifying necessary probes such as antibodies, in addition to the conventional visible wavelength band, it is possible to perform a specimen test of a blood biochemical test using a fluorescent label in the near infrared wavelength band. Furthermore, by extending the detection wavelength band to 2 μm, it becomes possible to perform HbA1c quantification and blood glucose level measurement in parallel with the light absorption and transmission characteristics of glycated hemoglobin and glucose in erythrocytes, thereby preventing adult diseases. Contributes greatly to screening.

本出願は、具体的には、以下の発明を提供する。
〈1〉ナノカーボン(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ナノグラフェン、その他のナノカーボン)の特異な光学的性質(光吸収、発光、ラマン散乱光)を利用することを特徴とする、免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈2〉波長450−1350nmの光励起により波長700−2300nmで発光する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)あるいはナノグラフェンを発光標識として用いることを特徴とする、〈1〉に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈3〉ナノカーボン(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ナノグラフェン、その他のナノカーボン)を含有する発光標識物質。
〈4〉ナノカーボンが、波長450−1350nmの光励起により波長70−2300nmで発光する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)あるいはナノグラフェンであることを特徴とする、〈3〉に記載の発光標識物質。
〈5〉特定の抗原を認識する抗体にナノカーボンを結合させて成り、抗原抗体反応をナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、〈3〉または〈4〉に記載の発光標識物質。
〈6〉ストレプトアビジンおよびストレプトアビジンの関連分子にナノカーボンを結合させて成り、抗原に結合したビオチン化抗体とストレプトアビジンの反応物を、ナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、〈3〉または〈4〉に記載の発光標識物質。
〈7〉Protein G, Protein Aなどのイムノグロブリン結合タンパクにナノカーボンを結合させて成り、抗原に結合した抗体を検出するため、抗体と抗体結合タンパクの結合反応をナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、〈3〉または〈4〉に記載の発光標識物質。
〈8〉特定の抗原が、正常もしくは病的な状態になった際、血液や体腔液中に存在する各種の抗原(タンパクや糖鎖等の、がん関連抗原、疾患バイオマーカーを含む)であることを特徴とする、〈5〉に記載の発光標識物質。
〈9〉磁気ビーズ、セファロース、セファデックス等の担体に結合させた各種抗原に対する抗体をもちいてエンリッチしたサンプルについて、ナノカーボン標識抗体の結合後に、ナノカーボンの近赤外発光計測により抗原検出することを特徴とする、〈1〉または〈2〉に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈10〉疾病マーカーである抗原をナノカーボン標識抗体にて標識し、電気泳動にて捕集した後に、ナノカーボンの近赤外発光計測により抗原検出することを特徴とする、〈1〉または〈2〉に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈11〉単一検体において〈1〉〜〈10〉に記載の発光臨床検査法、あるいはこれと他の発光臨床検査法とを組み合わせて、異なった発光波長帯にて複数の抗原を検出することを特徴とする、免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈12〉単一検体において、異なった発光波長帯における複数の抗原からの発光強度比を用いることを特徴とする、〈11〉に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。
〈13〉〈11〉または〈12〉の紫外、可視、近赤外、赤外発光計測において、単一あるいは複数の励起光を変調して、それに同期して近赤外発光を検出する臨床検査装置。
〈14〉酵素免疫測定法(ELISA)において二次抗体に用いられるペルオキシダーゼあるいはアルカリフォスファターゼに代えて、SWCNT標識抗体を二次抗体として用いることを特徴とする、免疫測定法。
〈15〉〈2〉に記載されたSWCNTの発光波長に加え、他の異なる発光波長における蛍光標識も併用して、複数の抗体反応を同一検体にて測定する計測方法。
Specifically, the present application provides the following inventions.
<1> using the unique optical properties (light absorption, light emission, Raman scattering light) of nanocarbon (single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanohorn, nanographene, other nanocarbon), Immunoassay method or clinical test method.
<2> The immunoassay method or clinical test method according to <1>, wherein single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or nanographene that emit light at a wavelength of 700-2300 nm by photoexcitation at wavelengths of 450-1350 nm are used as a luminescent label. .
<3> A luminescent labeling substance containing nanocarbon (single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanohorn, nanographene, and other nanocarbon).
<4> The luminescent labeling substance according to <3>, wherein the nanocarbon is a single-walled carbon nanotube (SWCNT) or nanographene that emits light at a wavelength of 70-2300 nm by photoexcitation at a wavelength of 450-1350 nm.
<5> Nanoparticles bonded to an antibody that recognizes a specific antigen, and the antigen-antibody reaction is detected by measuring the fluorescence, Raman light, and light absorption of the nanocarbon, <3> or <4 The luminescent labeling substance according to>.
<6> Streptavidin and related molecules of streptavidin are combined with nanocarbon, and the reaction product of biotinylated antibody and streptavidin bound to the antigen is detected by measuring the fluorescence, Raman light, and light absorption of nanocarbon. The luminescent labeling substance according to <3> or <4>, wherein
<7> Combining nanocarbon with immunoglobulin-binding protein such as Protein G, Protein A, etc. In order to detect the antibody bound to the antigen, the binding reaction between the antibody and the antibody-binding protein is carried out by fluorescence of nanocarbon, Raman light, The luminescent labeling substance according to <3> or <4>, which is detected by measuring light absorption.
<8> Various antigens (including cancer-related antigens such as proteins and sugar chains, and disease biomarkers) present in blood and body cavity fluids when a specific antigen becomes normal or pathological The luminescent labeling substance according to <5>, which is characterized in that it exists.
<9> For samples enriched using antibodies against various antigens bound to carriers such as magnetic beads, Sepharose, Sephadex, etc., detect the antigens by nano-carbon near-infrared emission measurement after binding the nanocarbon-labeled antibodies. The immunoassay method or clinical test method according to <1> or <2>.
<10> An antigen that is a disease marker is labeled with a nanocarbon-labeled antibody, collected by electrophoresis, and then detected by near-infrared emission measurement of nanocarbon. <1> or <1> The immunoassay method or clinical test method according to 2>.
<11> Detecting a plurality of antigens in different emission wavelength bands by combining the luminescent clinical test method according to <1> to <10> or a combination with another luminescent clinical test method in a single specimen. An immunoassay method or a clinical test method characterized by
<12> The immunoassay method or clinical test method according to <11>, wherein, in a single specimen, a ratio of emission intensity from a plurality of antigens in different emission wavelength bands is used.
<13> Clinical examination for modulating near-infrared emission by modulating single or plural excitation light in the ultraviolet, visible, near-infrared and infrared emission measurement of <11> or <12> apparatus.
<14> An immunoassay characterized by using a SWCNT-labeled antibody as a secondary antibody in place of peroxidase or alkaline phosphatase used as a secondary antibody in an enzyme immunoassay (ELISA).
<15> A measurement method for measuring a plurality of antibody reactions in the same specimen by using a fluorescent label at another emission wavelength in addition to the emission wavelength of SWCNT described in <2>.

本発明により、近赤外光を発光するナノカーボンで検出対象を標識することによって、血液などの生体由来物をサンプルとする臨床検査において、検出対象以外の血球成分などの生体物質を予め取り除くことなく、そのままで、検出対象成分のみを高感度で検出することができる。
フローサイトメーターや共焦点レーザー顕微鏡では、利用できる波長域の拡大によって、得られる情報量が格段に増えてきた。本発明により、臨床検査機器も、今までの利用波長域400−500nm から、400−2300nmと近赤外領域にまで大幅に拡張することができ、得られる情報はさらに増加する。たとえば、異なる励起発光プローブを組み合わせる事で、1回のアッセイで同時に、数種類のバイオマーカーを検出評価できるようになる。本発明により、生体物質に対して透過性の高い近赤外光を使用することにより、生体由来の臨床サンプルを血清や血漿へと分離せずに検査ができるので、血球・血小板成分の分離操作によって失われていた情報を取得できるようになる。しかも、血清検査の際でも、混入した血球・血小板成分によるバイオマーカー由来のシグナル光吸収と非特異的ノイズが抑えられるので、微量バイオマーカーの検出が可能となり、がんやアルツハイマー病等の超早期発見・早期治療を可能とするなど、医学・医療の発展に大きく貢献できる。
本発明のSWCNTの近赤外発光を利用した臨床検査システムにより、世界ではじめて近赤外光を臨床検査へ持ち込むこととなり、診断薬・診断機器産業界に革命的な進歩をもたらす。
According to the present invention, by labeling a detection target with nanocarbon that emits near-infrared light, biological substances such as blood cell components other than the detection target are removed in advance in a clinical test using a biological derived material such as blood as a sample. Instead, only the detection target component can be detected with high sensitivity.
With flow cytometers and confocal laser microscopes, the amount of information that can be obtained has increased dramatically due to the expansion of the usable wavelength range. According to the present invention, the clinical laboratory equipment can be greatly expanded from the conventional wavelength range of 400-500 nm to 400-2300 nm and the near infrared region, and the obtained information is further increased. For example, by combining different excitation luminescence probes, several kinds of biomarkers can be detected and evaluated simultaneously in one assay. According to the present invention, the use of near-infrared light that is highly permeable to biological substances enables examination of biological samples derived from living organisms without separating them into serum or plasma. The information that was lost can be obtained. Moreover, even during serum testing, the biomarker-derived signal light absorption and non-specific noise due to the mixed blood cells and platelet components can be suppressed, making it possible to detect trace biomarkers, and extremely early such as cancer and Alzheimer's disease. It can greatly contribute to the development of medicine and medical care by enabling discovery and early treatment.
The clinical test system using near infrared emission of SWCNT of the present invention will bring near infrared light to clinical tests for the first time in the world, and will bring revolutionary progress to the diagnostics and diagnostic equipment industries.

完成された糖タンパク質と未完成品の比較模式図。Comparison schematic diagram of completed glycoprotein and unfinished product. SWCNTの2次元発光マップ。SWCNT two-dimensional emission map. SWCNTを用いた疾病マーカー(未完成糖たんぱくなどの抗原)検出の概念図。Conceptual diagram of detection of disease markers (antigens such as incomplete glycoproteins) using SWCNT. DSPE-PEGの分子構造。The molecular structure of DSPE-PEG. NHS-DSPE-PEGの分子構造。Molecular structure of NHS-DSPE-PEG. 赤外抗体反応検出装置Infrared antibody reaction detector 小型近赤外分光器を装着した全血分光蛍光装置の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the whole blood spectroscopic fluorescence apparatus equipped with the small near-infrared spectrometer. 図7の装置による全血蛍光分析スペクトラムと従来法によるスペクトラムの比較図。FIG. 8 is a comparison diagram of a whole blood fluorescence analysis spectrum by the apparatus of FIG. 7 and a spectrum by a conventional method. 小型分光器に代えて発光ダイオードとフィルター及び受光素子を用いた装置の例。An example of an apparatus using a light emitting diode, a filter, and a light receiving element instead of a small spectroscope. 本発明による検体の自動臨床検査装置の模式図。1 is a schematic diagram of an automatic clinical laboratory test apparatus according to the present invention.

実施例1.SWCNTを用いた近赤外発光による抗原抗体反応の検出
1)本実施例では、卵白アルブミン(OVA)をモデル抗原として抗原抗体反応を行い、抗原抗体反応を近赤外発光で検出した。
まず、モデル抗原に対するモノクローナル抗体を準備し、ELISAプレートに固相化した。モデル抗原を含むサンプル溶液を固相化したプレート上で、室温において2時間反応させた後に上澄を捨て、リン酸バッファーやトリスバッファーで良く洗った。次いで、SWCNTで標識したモデル抗原に対するポリクローナル抗体プローブ(SWCNT-標識抗体)をリン酸バッファーやトリスバッファー中で、室温で2時間反応させた。プレートをリン酸バッファーやトリスバッファーで良く洗うことで、未反応のSWCNT-標識抗体を、洗浄除去し、プレート上に検出されるSWCNT由来の近赤外蛍光を検出することで、抗原抗体反応の検出を行なった。
2)ELISAプレートに固相化した抗体を用いる系のほかに、Protein Gビーズに抗体を結合させてバッチ処理で使用することも可能である。Protein Gビーズを用いた場合、ビーズに結合しているProtein Gと抗体のFc部との結合を介して、抗体はビーズに結合できる。抗体を固相化したビーズを、モデル抗原を含むサンプル溶液中で、室温において2時間反応させた後に上澄を捨て、リン酸バッファーやトリスバッファーで良く洗った。次いで、SWCNTで標識したモデル抗原に対するポリクローナル抗体プローブ(SWCNT-標識抗体)をリン酸バッファーやトリスバッファー中で、室温で2時間反応させた。ビーズをよく洗うことで、未反応のSWCNT-標識抗体を除去し、ビーズに検出されるSWCNT由来の近赤外蛍光を検出することで、抗原抗体反応の検出を行なった。
Example 1. Detection of antigen-antibody reaction by near-infrared emission using SWCNT 1) In this example, an antigen-antibody reaction was performed using ovalbumin (OVA) as a model antigen, and the antigen-antibody reaction was detected by near-infrared emission.
First, a monoclonal antibody against a model antigen was prepared and immobilized on an ELISA plate. The sample solution containing the model antigen was allowed to react at room temperature for 2 hours on a plate on which the model antigen was immobilized, and then the supernatant was discarded and washed thoroughly with phosphate buffer or Tris buffer. Next, a polyclonal antibody probe (SWCNT-labeled antibody) against the model antigen labeled with SWCNT was reacted in a phosphate buffer or Tris buffer at room temperature for 2 hours. Washing and removing unreacted SWCNT-labeled antibody by washing the plate thoroughly with phosphate buffer or Tris buffer, and detecting near-infrared fluorescence derived from SWCNT detected on the plate. Detection was performed.
2) In addition to the system using the antibody immobilized on the ELISA plate, the antibody can be bound to Protein G beads and used in batch processing. When Protein G beads are used, the antibody can be bound to the beads via binding between Protein G bound to the beads and the Fc part of the antibody. The antibody-immobilized beads were reacted in a sample solution containing a model antigen at room temperature for 2 hours, and then the supernatant was discarded and washed thoroughly with phosphate buffer or Tris buffer. Next, a polyclonal antibody probe (SWCNT-labeled antibody) against the model antigen labeled with SWCNT was reacted in a phosphate buffer or Tris buffer at room temperature for 2 hours. By washing the beads thoroughly, unreacted SWCNT-labeled antibodies were removed, and by detecting near-infrared fluorescence derived from SWCNTs detected on the beads, the antigen-antibody reaction was detected.

これらの抗原抗体反応において使用するSWCNT-標識抗体の作製は、以下の手順で行った。
DSPE-PEGと抗体との結合
1)抗体125μgを50mMリン酸バッファー(pH7.2)6μlに溶かし、DSPE-PEG(図4参照、末端アミノ基)5μgを加え攪拌する。次に、WSC(1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride)触媒を8μg加え、4℃で10時間、スターラーで攪拌する。フィルターでろ過し、フィルター上に残った反応物をバッファーに溶かして回収する。
あるいは、
2)抗体125μgをNaHCO3緩衝液2.5μlに溶かす。純水5μgにNHS-PEG-DSPE(図5参照)を溶かし、抗体溶液に添加する。ボルテックスを用いて4℃、6時間で攪拌し、反応させる。反応溶液をゲル濾過にて精製し、回収する。
SWCNTの処理
まず、約1mgのカーボンナノチューブ(SWCNT)を約20mlの1重量%ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(SDBS)水溶液中に浸し、超音波破砕機によって分散させた。得られた分散液を171000gで2.5時間超遠心処理し、半透明な上澄み液(約10ml)を得た。
SWCNT-標識抗体プローブの作製
このSWCNT分散液の上澄み液1mlあたり、抗体を結合させた1mgのDSPE-PEGを加え、3分間バス型超音波洗浄機にかけ、抗体結合DSPE-PEGを完全に溶解させた。その後、分子量3500以下の分子を通過させる透析膜に入れ、5日間透析作業をおこなった。この透析作業によってSDBSを抗体結合DSPE-PEGに置き換えた。
The preparation of SWCNT-labeled antibodies used in these antigen-antibody reactions was performed according to the following procedure.
Binding of DSPE-PEG and antibody 1) Dissolve 125 μg of antibody in 6 μl of 50 mM phosphate buffer (pH 7.2), add 5 μg of DSPE-PEG (see FIG. 4, terminal amino group) and stir. Next, 8 μg of WSC (1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride) catalyst is added and stirred with a stirrer at 4 ° C. for 10 hours. Filter through a filter, and collect the reactant remaining on the filter by dissolving it in a buffer.
Or
2) Dissolve 125 μg of antibody in 2.5 μl of NaHCO 3 buffer. NHS-PEG-DSPE (see FIG. 5) is dissolved in 5 μg of pure water and added to the antibody solution. Stir at 4 ° C. for 6 hours using a vortex to react. The reaction solution is purified by gel filtration and collected.
Treatment of SWCNT First, about 1 mg of carbon nanotube (SWCNT) was immersed in about 20 ml of 1 wt% sodium dodecylbenzenesulfonate (SDBS) aqueous solution and dispersed by an ultrasonic crusher. The obtained dispersion was ultracentrifuged at 171000 g for 2.5 hours to obtain a translucent supernatant (about 10 ml).
Preparation of SWCNT- labeled antibody probe Add 1 mg of DSPE-PEG to which antibody is bound per 1 ml of the supernatant of this SWCNT dispersion, and apply it to a bath-type ultrasonic cleaner for 3 minutes to completely dissolve the antibody-bound DSPE-PEG. It was. Then, it put into the dialysis membrane which lets the molecule | numerator of molecular weight 3500 or less pass, and dialyzed for 5 days. This dialysis operation replaced SDBS with antibody-bound DSPE-PEG.

また、上記抗原抗体反応の詳細な手順は、以下のとおりである。
ELISAプレートでの反応系計測
PBSもしくは100mM Bicarbonate/carbonate coating bufferで20μg/mlに調整した抗OVA抗体溶液を50μl使用して、プレートを2時間室温でコートする。PBSでよく洗浄したのち、PBSに溶解した5%BSA溶液200μlをウエルに入れて、室温で30分間、ブロッキングする。PBSでよく洗浄した後、サンプルを加えて室温で2時間反応させたのち、PBSでよく洗浄する。次にPBS で20μg/mlに希釈したSWCNT-抗体プローブを室温で2時間反応させたのち、PBSでよく洗浄する。
プレートを乾かした後、発光を検出する。
磁気ビーズを用いたバッチ処理での反応系計測
Dynabeads ProteinG のプロトコールに従って、PBSで5μg/mlに調整した抗OVA抗体200μlを、1.5mgのDynabeads ProteinGと10分間反応させて、抗体の結合したDynabeadsを調整した。次に、モデル抗原を含むサンプル溶液500μlと室温で2時間反応させて、抗体の結合したDynabeadsで抗原を回収した。
つぎに、PBSでよく洗浄したのち、次にPBS で20μg/mlに希釈したSWCNT-抗体プローブ100μlと、室温で2時間反応させたのち、PBSでよく洗浄する。
Bufferを除いたのち、SWCNTの発光を検出する。
The detailed procedure of the antigen-antibody reaction is as follows.
Reaction system measurement on ELISA plate
The plate is coated for 2 hours at room temperature using 50 μl of anti-OVA antibody solution adjusted to 20 μg / ml with PBS or 100 mM bicarbonate / carbonate coating buffer. After thoroughly washing with PBS, 200 μl of 5% BSA solution dissolved in PBS is put into a well and blocked at room temperature for 30 minutes. After thoroughly washing with PBS, add the sample, react at room temperature for 2 hours, and then wash well with PBS. Next, the SWCNT-antibody probe diluted to 20 μg / ml with PBS is reacted at room temperature for 2 hours, and then washed well with PBS.
After the plate is dried, luminescence is detected.
Reaction system measurement in batch processing using magnetic beads
According to the protocol of Dynabeads Protein G, 200 μl of anti-OVA antibody adjusted to 5 μg / ml with PBS was reacted with 1.5 mg of Dynabeads Protein G for 10 minutes to prepare Dynabeads to which the antibody was bound. Next, 500 μl of a sample solution containing a model antigen was reacted at room temperature for 2 hours, and the antigen was recovered with Dynabeads to which the antibody was bound.
Next, after thoroughly washing with PBS, the mixture is reacted with 100 μl of SWCNT-antibody probe diluted to 20 μg / ml with PBS for 2 hours at room temperature, and then thoroughly washed with PBS.
After removing Buffer, SWCNT luminescence is detected.

また、標識プローブからの発光の検出は、以下のように行う。
磁気ビーズ-抗原-SWCNT-DSPE-PEG-抗体の検出
波長660nmの光照射により、SWCNTから波長1200nm前後の発光が観測できる。その近赤外発光スペクトルをInGaAs検出器を搭載した分光システムによって測定する。
更に、蛍光測定の場合、励起光を変調することが可能であることから、変調周期に対応して同期検波を行うロックインアンプ検出法を用いて微弱光の検出レベルを、暗電流相当レベル(数pW)からショットノイズ限界(〜数十fW)まで向上することが可能である。図6に、内部増幅作用を有するInGaAs近赤外フォトトランジスタアレイの各セルにロックインアンプおよびAD変換器を接続した高感度赤外光検出アレイモジュールを磁気ビーズ-抗原-SWCNT-DSPE-PEG-抗体の検出に用いた例を示す。この実施例の場合、暗電流の影響を抑制できるため、寒剤を使用せずにフェムトワットレベルの微弱光が検出可能である。
In addition, detection of luminescence from the labeled probe is performed as follows.
By irradiating magnetic beads-antigen-SWCNT-DSPE-PEG-antibody with light having a detection wavelength of 660 nm, light emission at a wavelength of about 1200 nm can be observed from SWCNT. Its near-infrared emission spectrum is measured by a spectroscopic system equipped with an InGaAs detector.
Furthermore, in the case of fluorescence measurement, since excitation light can be modulated, the detection level of weak light is set to a dark current equivalent level (using a lock-in amplifier detection method that performs synchronous detection corresponding to the modulation period ( It is possible to improve from a few pW) to a shot noise limit (up to several tens of fW). Fig. 6 shows a high-sensitivity infrared light detection array module in which a lock-in amplifier and an AD converter are connected to each cell of an InGaAs near-infrared phototransistor array having an internal amplification action. Magnetic beads-antigen-SWCNT-DSPE-PEG- The example used for the detection of an antibody is shown. In this embodiment, since the influence of dark current can be suppressed, faint watt level faint light can be detected without using a cryogen.

実施例2.3波長による修飾異性体検出のための装置の作製
臨床検査に於いて、血清中に存在するタンパクの翻訳後修飾の程度を測定する事により、疾病の存在や進展の検出評価をして、治療方針を決定するための重要な情報を得ている。その例として1)糖化ヘモグロビンに代表される糖化タンパクの定量的検出、2)胎児性がん抗原(AFP)やMUC1などの疾患に関連して出現する特徴的な糖鎖構造で修飾された糖タンパクの定量的検出を挙げる事ができる。1)糖化タンパクは、グルコースの非酵素的な糖化反応の結果生じる物質で、a)ヘモグロビンAや水晶体クリスタリン等の細胞内タンパク、b)アルブミン、アポタンパク、トランスフェリン、ハプトグロビンなどの血漿タンパク、c)カテプシンや膵リボアーゼなどの酵素類、d)血管内皮や赤血球膜タンパク質などの膜タンパクの糖化物が、その例として知られている。糖化ヘモグロビンや糖化アルブミンの検出は、耐糖能異常や糖尿病の他、肝硬変などの検出評価および診断に有効である。2)疾患に関連した糖鎖で修飾されたタンパクとして例えば、a)AFPのフコシル化を検出するためLens culimaris agglutinin-A(LCA)を活用して行なわれるAFP-L3検査は精度の高い肝細胞がんの検査であるし、b)Wisteria floribunda agglutinin (WFA)が反応するMUC1の検出は、胆道系に由来するがんのスクリーニングに有効であるし、c)WFAの反応するM2BPの検出は、ウイルス性肝炎で進行する線維化の進行を評価するのに有効な検査であるし、d)α-1 acid glycoproteinにおけるAspergillus Oryzae I-fucose specific lectin(AOL)とRicinus Communis Agglutinin (RCA-I)の結合率から、肝臓で生じる線維化を評価する事が可能であるし、e)血液中のシアル化糖鎖MUC1の検出は、間質性肺炎を検出する指標となっている。
以上いずれのバイオマーカー検査も、特定のタンパクに生じる翻訳後の修飾をそれぞれ、定量的に検出測定した後、疾患に特徴的な翻訳後修飾が生じている割合を算出することで、疾患の進行度を評価しているものである。2ないし3項目の測定結果をもとに計算される理由は、一つの反応系で同時に、複数の修飾異性体タンパクを測定できないことが理由である。このような状況を鑑み、以下1)の実施例では、糖化血清アルブミンの直接検出を、2)では糖タンパクにおける糖鎖修飾について、同時検出を行なった。
1)糖化アルブミンの検出:
Dynabeads ProteinG のプロトコールに従って、PBSで5μg/mlに調整した抗ヒトアルブミン抗体200μlを、1.5mgのDynabeads ProteinGと10分間反応させて、抗体の結合したDynabeadsを調整した。
次に、糖化アルブミンを含む血液サンプル溶液500μlと室温で2時間反応させた後、抗体の結合したDynabeadsで抗原を回収した。よく洗浄した後、SWCNT-抗体ヒトアルブミン抗体100μgと、室温で2時間反応させたのち、PBSでよく洗浄した。Dynabeads に結合しているSWCNT-抗体ヒトアルブミン抗体に由来するSWCNTの近赤外発光を定量的に測定して、血清中のアルブミン量を定量する。また、アルブミンに対する糖化アルブミンの比率は、1000nm−1400nmで捉えられるアルブミンと糖化アルブミンに特徴的な光吸収を利用して算出する。
2)疾患に関連した糖鎖で修飾されたタンパクの検出:
Dynabeads ProteinG のプロトコールに従って、PBSで5μg/mlに調整した抗ヒトα-1 acid glycoprotein抗体(または、抗M2BP抗体、抗MUC1抗体)200μlを、1.5mgのDynabeads ProteinGと10分間反応させて、抗体の結合したDynabeadsを調整した。次に、血液サンプル溶液500μlと室温で2時間反応させた後、抗体の結合したDynabeadsで抗原を回収した。回収したDynabeadsを良く洗浄した後、Biotin化したWFAまたは、MAL-II、AOL、RCA-Iを室温で20分間反応させた。PBSで良く洗浄した後、SWCNT-付加ストレプトアビジンを反応させて、上記レクチンの結合状態を発光により測定した。このような方法では、サンプルに特段の前処理をする必要がないので、1つの生体サンプルについて、複数のレクチンの反応性を検出することが可能である。
例えば、α-1 acid glycoproteinにみられる異なる3種類の糖鎖修飾異性体を同時に検出するためにはまず、抗ヒトα-1 acid glycoprotein抗体を結合させたDynabeadsで血液等の検体から回収し、あらかじめそれぞれに反応させておいた励起波長の異なるSWCNT-付加ストレプトアビジンとビオチン化AOL, ビオチン化 MAL-II、ビオチン化RCA-Iを後に、同時に反応させることで、一度に3つの修飾異性体を定量評価することができる。
また、SWCNTを発光波長の異なる3種類に分離して用い、各々に検出すべき3種類の抗原に特異的な抗体を付加することにより得られた3種類のSWCNT−抗体を用いることで、3種類のタンパクに付いて検体中の存在量を決定することができる。抗ヒトα-1 acid glycoprotein抗体、抗M2BP抗体、抗MUC1抗体を結合させたDynabeadsでこれらに対する抗原を回収し、回収された抗原を検出するための検出抗体をそれぞれ、励起波長のことなるSWCNTによりラベルしておいて使用することで、同時に、3つの抗原量を定量評価することができる。
図7は、小型近赤外分光器を装着した全血分光蛍光装置の断面模式図である。SWCNT赤外蛍光標識を付加された全血サンプルに対して発光ダイオードにより間欠的に近赤外光を照射すると、SWCNTは、赤外波長帯域において、発光ダイオード光に同期して蛍光を発する。この蛍光を、ロウパスフィルターにより照明光波長成分を除去し、凹面グレーティングにより、近赤外光検出アレイに分光しつつ集光する。同図では、それぞれ分光波長帯域の異なる3系統の分光計測システムを配置し、同一サンプルにおいて、同時に3ヶの波長帯における蛍光および吸収を測定する。
Example 2.3 Production of a device for detecting modified isomers by wavelength In clinical tests, the degree of post-translational modification of proteins present in serum is measured to evaluate the presence and progression of disease. And you have important information to decide the treatment policy. Examples include 1) quantitative detection of glycated proteins represented by glycated hemoglobin, and 2) sugars modified with characteristic sugar chain structures that appear in connection with diseases such as fetal cancer antigen (AFP) and MUC1. Mention can be made of quantitative detection of proteins. 1) Glycated protein is a substance resulting from the non-enzymatic glycation reaction of glucose, a) intracellular proteins such as hemoglobin A and lens crystallin, b) plasma proteins such as albumin, apoprotein, transferrin, haptoglobin, c) Examples thereof include enzymes such as cathepsins and pancreatic riboases, and d) glycated products of membrane proteins such as vascular endothelium and erythrocyte membrane proteins. Detection of glycated hemoglobin and glycated albumin is effective for detection evaluation and diagnosis of impaired glucose tolerance and diabetes, as well as cirrhosis of the liver. 2) For example, a) As a protein modified with a sugar chain related to a disease, a) AFP-L3 test performed using Lens culimaris agglutinin-A (LCA) to detect fucosylation of AFP is a highly accurate hepatocyte B) Detection of MUC1 that reacts with Wisteria floribunda agglutinin (WFA) is effective in screening for cancer derived from the biliary system, and c) Detection of M2BP that reacts with WFA. It is an effective test to evaluate the progression of fibrosis that progresses due to viral hepatitis. D) Aspergillus Oryzae I-fucose specific lectin (AOL) and Ricinus Communis Agglutinin (RCA-I) in α-1 acid glycoprotein Fibrosis occurring in the liver can be evaluated from the binding rate, and e) detection of sialylated sugar chain MUC1 in blood is an index for detecting interstitial pneumonia.
In any of the biomarker tests described above, each post-translational modification that occurs in a specific protein is quantitatively detected and measured, and then the ratio of the post-translational modification that is characteristic of the disease is calculated. The degree is evaluated. The reason for calculation based on the measurement results of 2 to 3 items is that a plurality of modified isomer proteins cannot be measured simultaneously in one reaction system. In view of such a situation, in the following example 1), the glycated serum albumin was directly detected, and in 2) the sugar chain modification in the glycoprotein was simultaneously detected.
1) Detection of glycated albumin:
According to the protocol of Dynabeads Protein G, 200 μl of anti-human albumin antibody adjusted to 5 μg / ml with PBS was reacted with 1.5 mg of Dynabeads Protein G for 10 minutes to prepare Dynabeads to which the antibody was bound.
Next, after reacting with 500 μl of a blood sample solution containing glycated albumin at room temperature for 2 hours, the antigen was recovered with Dynabeads to which the antibody was bound. After thoroughly washing, the mixture was reacted with 100 μg of SWCNT-antibody human albumin antibody at room temperature for 2 hours and then thoroughly washed with PBS. SWCNT-antibody bound to Dynabeads Quantitatively measures the near-infrared emission of SWCNT derived from human albumin antibody to quantify the amount of albumin in serum. The ratio of glycated albumin to albumin is calculated using light absorption characteristic of albumin and glycated albumin captured at 1000 nm to 1400 nm.
2) Detection of proteins modified with sugar chains associated with disease:
According to the protocol of Dynabeads ProteinG, 200 μl of anti-human α-1 acid glycoprotein antibody (or anti-M2BP antibody or anti-MUC1 antibody) adjusted to 5 μg / ml with PBS was reacted with 1.5 mg of Dynabeads ProteinG for 10 minutes. Adjusted the combined Dynabeads. Next, after reacting with 500 μl of the blood sample solution at room temperature for 2 hours, the antigen was recovered with Dynabeads to which the antibody was bound. The collected Dynabeads were thoroughly washed, and then biotinylated WFA or MAL-II, AOL, RCA-I was reacted at room temperature for 20 minutes. After thoroughly washing with PBS, SWCNT-added streptavidin was reacted, and the binding state of the lectin was measured by luminescence. In such a method, since it is not necessary to perform a special pretreatment on the sample, it is possible to detect the reactivity of a plurality of lectins in one biological sample.
For example, in order to simultaneously detect three different sugar chain-modified isomers found in α-1 acid glycoprotein, first, it is collected from a sample such as blood with Dynabeads to which an anti-human α-1 acid glycoprotein antibody is bound, By reacting SWCNT-added streptavidin with different excitation wavelengths and biotinylated AOL, biotinylated MAL-II, and biotinylated RCA-I at the same time, the three modified isomers can be reacted at the same time. It can be quantitatively evaluated.
In addition, by using SWCNT separated into three types having different emission wavelengths, and using three types of SWCNT-antibodies obtained by adding antibodies specific to the three types of antigens to be detected, It is possible to determine the abundance in the specimen for various types of proteins. Anti-human α-1 acid glycoprotein antibody, anti-M2BP antibody, and anti-MUC1 antibody-bound Dynabeads are used to recover the antigens against them, and the detection antibodies for detecting the recovered antigens are detected by SWCNTs with different excitation wavelengths. By labeling and using, three antigen amounts can be quantitatively evaluated simultaneously.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a whole blood spectroscopic fluorescence apparatus equipped with a small near infrared spectrometer. When the whole blood sample to which the SWCNT infrared fluorescent label is added is intermittently irradiated with near infrared light by a light emitting diode, the SWCNT emits fluorescence in synchronization with the light emitting diode light in the infrared wavelength band. The fluorescent light is condensed while removing the wavelength component of the illumination light with a low-pass filter and spectrally splitting into the near-infrared light detection array with the concave grating. In the figure, three systems of spectroscopic measurement systems having different spectral wavelength bands are arranged, and fluorescence and absorption in three wavelength bands are measured simultaneously in the same sample.

現在のバイオマーカーの検出は、シグナル検出に利用する光波長の制限があるため、臨床検査では通常、i)採血した全血から血球成分(赤血球や白血球、血小板)を除いた血漿、または、ii)血液を凝固させて血球成分と線維素を除いた血清をサンプルとして測定する。フィルター濾過により除去する方法も取り入れられているが、いずれの操作でもこれらの成分が除ききれない他、操作で生じる赤血球溶血によるヘモグロビンの混入がおこる。これらの生体由来物質混入は、疾患バイオマーカー検出評価で利用する発光(蛍光)を妨害吸収してしまい疾病検出感度を下げてしまう。同時に、血球成分が非特異的に発光し、プローブ発光検出の際にノイズの原因ともなる。こうした血球成分によるプローブ発光の妨害吸収や自家発光ノイズは、早期診断を目的とした疾患バイオマーカーの高感度検出を邪魔し、その実用化において非常に大きな障害となっている。
図8は、図7で示した装置により測定されたスペクトラムを、従来方法におけるスペクトラムと比較したものである。従来技術では、蛍光標識の発光波長は、高々800nmであるため、そのままではヘモグロビンの自家発光スペクトラムがバックグラウンド光として標識による蛍光を覆ってしまうので、まず、遠心分離器など大型の前処理装置により、赤血球を取り除く必要がある。また、蛍光標識の発光波長域が狭いので、通常1回の検出には1波長のみを使用するため、複数の抗原を検出するためには、それと同数の検体を用意する必要がある。
一方、本発明による蛍光検出装置では、ヘモグロビンによる発光帯よりも長波長における蛍光を高感度にて検出することができるため、サンプルは全血のままで解析装置に導入することができ、煩雑な前処理が不要であること、これにより遠心分離やフィルタリングの際の溶血などの影響が無いこと、その結果感度が数十倍向上すること、などの特徴がある。
また、肝機能、癌マーカーに加え、波長2μmまでの光の吸収を計測することにより、生活習慣病の監視に不可欠な血糖値の計測が安価に可能である。
さらにまた、可視、赤外の複数の発光帯で分光計測を行うことが可能であり、数種類の抗原をまとめて1つの反応ポットで検出を行うことができる。その結果、検体必要量が少ない、ランニングコストが安いなどの特徴がある。
図9は、小型分光器の代わりに、発光ダイオードとフィルターおよび単体の受光素子を3組配置した例を示す。この装置は、構造が簡単で安価であるため、診療所や個人病院における臨床検査に使用できる。
図10は、本発明で説明した検体分注、抗体添加、磁気ビーズ洗浄などの検体の処理を自動的に処理し、近赤外波長にて微弱蛍光を検出する装置の模式図を示す。比較的簡単な処理により、ヘモグロビンによる背景光を除去できる。
Current detection of biomarkers is limited by the wavelength of light used for signal detection, and is usually used in clinical tests.i) Plasma obtained by removing blood cell components (red blood cells, white blood cells, and platelets) from whole blood collected, or ii ) Serum obtained by coagulating blood to remove blood cell components and fibrin is measured as a sample. Although the method of removing by filter filtration is also taken in, these components cannot be removed by any operation, and hemoglobin is mixed by erythrocyte hemolysis caused by the operation. The contamination of these bio-derived substances obstructs and absorbs the luminescence (fluorescence) used in the disease biomarker detection evaluation and lowers the disease detection sensitivity. At the same time, blood cell components emit light non-specifically, which causes noise when detecting probe luminescence. Such interference and absorption of probe luminescence by autologous blood cell components and self-luminous noise interfere with high-sensitivity detection of disease biomarkers for the purpose of early diagnosis, and are very serious obstacles to their practical application.
FIG. 8 compares the spectrum measured by the apparatus shown in FIG. 7 with the spectrum in the conventional method. In the prior art, since the emission wavelength of the fluorescent label is at most 800 nm, the self-emission spectrum of hemoglobin will cover the fluorescence due to the label as background light, so first of all, using a large pretreatment device such as a centrifuge Need to remove red blood cells. In addition, since the emission wavelength range of the fluorescent label is narrow, normally only one wavelength is used for one detection, and therefore it is necessary to prepare the same number of specimens in order to detect a plurality of antigens.
On the other hand, the fluorescence detection device according to the present invention can detect fluorescence at a wavelength longer than the emission band of hemoglobin with high sensitivity, so that the sample can be introduced into the analysis device as whole blood, which is complicated. There is a feature that pre-treatment is unnecessary, that there is no influence of hemolysis or the like at the time of centrifugation or filtering, and as a result, sensitivity is improved by several tens of times.
In addition to liver function and cancer markers, by measuring light absorption up to a wavelength of 2 μm, blood sugar levels essential for monitoring lifestyle-related diseases can be measured at low cost.
Furthermore, spectroscopic measurement can be performed in a plurality of visible and infrared emission bands, and several types of antigens can be collected and detected in one reaction pot. As a result, there are features such as a small amount of specimen required and a low running cost.
FIG. 9 shows an example in which three sets of light emitting diodes, filters, and single light receiving elements are arranged instead of the small spectroscope. Since this device is simple and inexpensive, it can be used for clinical examinations in clinics and private hospitals.
FIG. 10 shows a schematic diagram of an apparatus for automatically processing the sample processing such as sample dispensing, antibody addition, and magnetic bead washing described in the present invention, and detecting weak fluorescence at near infrared wavelengths. Background light caused by hemoglobin can be removed by a relatively simple process.

Claims (15)

ナノカーボン(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ナノグラフェン、その他のナノカーボン)の特異な光学的性質(光吸収、発光、ラマン散乱光)を利用することを特徴とする、免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   An immunoassay method characterized by utilizing unique optical properties (light absorption, emission, Raman scattering light) of nanocarbon (single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanohorn, nanographene, and other nanocarbons) Or clinical laboratory methods. 波長450−1350nmの光励起により波長700−2300nmで発光する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)あるいはナノグラフェンを発光標識として用いることを特徴とする、請求項1に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   The immunoassay method or clinical test method according to claim 1, wherein single-walled carbon nanotubes (SWCNT) or nanographene that emit light at a wavelength of 700-2300 nm by photoexcitation at wavelengths of 450-1350 nm are used as a luminescent label. ナノカーボン(単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、ナノグラフェン、その他のナノカーボン)を含有する発光標識物質。   Luminescent labeling substance containing nanocarbon (single-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanohorn, nanographene, other nanocarbon). ナノカーボンが、波長450−1350nmの光励起により波長700−2300nmで発光する単層カーボンナノチューブ(SWCNT)あるいはナノグラフェンであることを特徴とする、請求項3に記載の発光標識物質。   The luminescent labeling substance according to claim 3, wherein the nanocarbon is a single-walled carbon nanotube (SWCNT) or nanographene that emits light at a wavelength of 700-2300 nm by photoexcitation with a wavelength of 450-1350 nm. 特定の抗原を認識する抗体にナノカーボンを結合させて成り、抗原抗体反応をナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、請求項3または4に記載の発光標識物質。   The luminescence according to claim 3 or 4, characterized in that nanocarbon is bound to an antibody recognizing a specific antigen, and the antigen-antibody reaction is detected by measurement of nanocarbon fluorescence, Raman light, and light absorption. Labeling substance. ストレプトアビジンおよびストレプトアビジンの関連分子にナノカーボンを結合させて成り、抗原に結合したビオチン化抗体とストレプトアビジンの反応物を、ナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、請求項3または4に記載の発光標識物質。   It consists of streptavidin and streptavidin-related molecules bound to nanocarbon, and detects the reaction product of biotinylated antibody and streptavidin bound to antigen by measuring fluorescence, Raman light, and light absorption of nanocarbon. The luminescent labeling substance according to claim 3 or 4. Protein G, Protein Aなどのイムノグロブリン結合タンパクにナノカーボンを結合させて成り、抗原に結合した抗体を検出するため、抗体と抗体結合タンパクの結合反応をナノカーボンの蛍光、ラマン光、光吸収の計測により検出することを特徴とする、請求項3または4に記載の発光標識物質。   In order to detect an antibody bound to an antigen by binding nanocarbon to an immunoglobulin-binding protein such as Protein G or Protein A, the binding reaction between the antibody and the antibody-binding protein is determined by the nanocarbon fluorescence, Raman light, and light absorption. The luminescent labeling substance according to claim 3 or 4, which is detected by measurement. 特定の抗原が、正常もしくは病的な状態になった際、血液や体腔液中に存在する各種の抗原(タンパクや糖鎖等の、がん関連抗原、疾患バイオマーカーを含む)であることを特徴とする、請求項5に記載の発光標識物質。   When a specific antigen becomes normal or pathological, it is a variety of antigens (including cancer-related antigens such as proteins and sugar chains, and disease biomarkers) that are present in blood and body cavity fluids. The luminescent labeling substance according to claim 5, characterized in that it is characterized in that 磁気ビーズ、セファロース、セファデックス等の担体に結合させた各種抗原に対する抗体をもちいてエンリッチしたサンプルについて、ナノカーボン標識抗体の結合後に、ナノカーボンの近赤外発光計測により抗原検出することを特徴とする、請求項1または2に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   For samples enriched using antibodies against various antigens bound to carriers such as magnetic beads, Sepharose, Sephadex, etc., the antigen detection is performed by nano-carbon near-infrared emission measurement after binding of the nanocarbon labeled antibody. The immunoassay method or clinical test method according to claim 1 or 2. 疾病マーカーである抗原をナノカーボン標識抗体にて標識し、電気泳動にて捕集した後に、ナノカーボンの近赤外発光計測により抗原検出することを特徴とする、請求項1または2に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   The antigen according to claim 1 or 2, wherein the antigen as a disease marker is labeled with a nanocarbon-labeled antibody and collected by electrophoresis, and then detected by near-infrared emission measurement of the nanocarbon. Immunoassay method or clinical test method. 単一検体において請求項1〜10に記載の発光臨床検査法、あるいはこれと他の発光臨床検査法とを組み合わせて、異なった発光波長帯にて複数の抗原を検出することを特徴とする、免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   The luminescent clinical test method according to claims 1 to 10 in a single specimen, or a combination thereof with another luminescent clinical test method, wherein a plurality of antigens are detected in different emission wavelength bands, Immunoassay method or clinical test method. 単一検体において、異なった発光波長帯における複数の抗原からの発光強度比を用いることを特徴とする、請求項11に記載の免疫測定方法あるいは臨床検査方法。   12. The immunoassay method or clinical test method according to claim 11, wherein the emission intensity ratio from a plurality of antigens in different emission wavelength bands is used in a single specimen. 請求項11または12の紫外、可視、近赤外、赤外発光計測において、単一あるいは複数の励起光を変調して、それに同期して近赤外発光を検出する臨床検査装置。   The ultraviolet ray, visible light, near infrared light, and infrared light emission measurement according to claim 11 or 12, wherein a single or a plurality of excitation lights are modulated and a near infrared light emission is detected in synchronization therewith. 酵素免疫測定法(ELISA)において二次抗体に用いられるペルオキシダーゼあるいはアルカリフォスファターゼに代えて、SWCNT標識抗体を二次抗体として用いることを特徴とする、免疫測定法。   An immunoassay characterized by using a SWCNT-labeled antibody as a secondary antibody in place of peroxidase or alkaline phosphatase used as a secondary antibody in an enzyme immunoassay (ELISA). 請求項2に記載されたSWCNTの発光波長に加え、他の異なる発光波長における蛍光標識も併用して、複数の抗体反応を同一検体にて測定する計測方法。   A measurement method for measuring a plurality of antibody reactions in the same specimen by using a fluorescent label at another different emission wavelength in addition to the emission wavelength of SWCNT according to claim 2.
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