JP2013537806A5

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Publication number: JP2013537806A5
Application number: JP2013529581A
Authority: JP
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2031-09-27

Claims

標的分子の１つ以上の特徴を評価するための装置（２０、５６）であって、
前記装置が
― バイオチップを受容するための手段（２２）であって、
前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子は電荷を持ち、前記基質（１６）からの前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子を拘束するように適合する、手段（２２）と、
― 前記マーカーで生成される前記信号を検出するための手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）と、
― 前記バイオチップが前記受容手段（２２）において受容される時、前記プローブ分子（１０）が曝露される、外部電場を生成するための手段（２８、２９）と、
― 制御手段であって、
前記制御手段は、
（Ａ）前記バイオチップが前記受容手段（２２）において受容される時、前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加し、および
（Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部電場を印加するよう、前記電場生成手段（２８）を制御するように構成され、
前記制御手段は、工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間の時間の関数として、前記基質（１６）からの前記距離を示している前記信号を記録するよう、前記信号検出手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）を制御するようにさらに構成され、
前記制御手段は、所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返すようになど、前記電場生成手段（２８）および前記信号検出手段（３４、３８〜４４、５８〜６２）を制御するように構成され、前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子（１０）の前記第２の一部のプロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するようになど、前記記録された信号を組み合わせるように構成される、制御手段と、
― 前記標的分子の前記１つ以上の特徴を判定するようになど、前記組み合わされた信号を分析および／または処理するための、分析モジュール（４６）と、
― 前記標的分子の前記少なくとも１つ以上の特徴を出力するための、出力デバイスを直接または間接的に連結するための、出力デバイス（５４）またはインターフェースと、を含んでなる、装置（２０、５６）。
前記分析モジュール（４６）は、
― 工程（Ａ）および（Ｂ）の間での前記外部場のスイッチングと、前記時間依存信号の所定の閾値への到達との間の時間遅延を判定し、前記所定の閾値は、好ましくは、前記組み合わされた値の最大値の所定の割合に対応し、および／もしくは
― 前記組み合わされた信号の時間導関数を判定し、および／もしくは
― 前記組み合わされた信号を、分析モデルまたはシミュレーションから取得される、経験的データまたはモデルデータと比較するようになど、前記組み合わされた信号を分析および／または処理するように構成され、並びに／または
前記分析モジュール（４６）は、以下の標的分子の特徴、
― 有効なストークス半径、サイズ、分子量、
― 特に、折り畳み状態および／もしくは球状構造からの逸脱である、前記標的分子の形状、
― 前記標的分子へのさらなる分子の追加、
― 前記標的分子の前記電荷、のうちの１つ以上を評価するように構成され、
ならびに／または前記分析モジュールは、前記プローブ分子の流体環境の温度変化もしくは化学環境の変化を判定し、および／もしくは前記標的分子上の温度変化もしくは前記化学環境の変化の効果を判定するように構成される、請求項１に記載の装置（２０、５６）。
前記電場生成手段（２８）は、第１の極性と第２の極性との間をスイッチする方形波信号を生成するように構成される、波形発生器（２８）を含んでなり、
前記第１および／または第２の極性の期間は、前記プローブ分子（１０）が、特に、少なくとも１μｓ、好ましくは、少なくとも１０μｓであるよう、それぞれ前記第２の部分と前記基質（１６）との間の最大および最小距離の前記それぞれの状態を獲得することができるように、十分長く選択され、および／または
前記制御手段は、組み合わされた信号に対して、工程（Ａ）および（Ｂ）を少なくとも１０回、好ましくは、１０^３から１０^７回繰り返すように適応する、請求項１または２に記載の装置（２０、５６）。
前記検出手段は、蛍光マーカー（１２）から放射される単一光子を検出するための検出器（３４）と、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部電場の前記スイッチングと、前記検出された光子との間の時間間隔を判定するための手段（３８〜４２）とを含んでなり、前記制御手段は、ヒストグラムの中に各時間間隔を記録するように構成され、前記検出手段は、好ましくは、ランプ波発生器（４２）に電圧の増大を開始させる第１のトリガー信号として、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記電場の前記スイッチングを受信するようになど、前記電場生成手段（２８）と作動的に連結し、前記電圧の増大を停止する第２のトリガーとして、光子の前記検出を受信するようになど、前記単一の光子検出器（３４）と作動的に連結する、前記ランプ波発生器（４２）を含んでなり、
前記増大した電圧は、前記２つのトリガー間の前記時間遅延と、少なくとも略比例する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の装置（２０）。
前記検出手段は、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の距離を示している、前記アナログ信号を増幅するための増幅器（６０）と、
前記増幅された時間依存信号を記録および記憶するための手段（６２）、特に、デジタル記憶オシロスコープ型デバイスと、を含んでなり、
前記記録および記憶手段（６２）は、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部場の前記スイッチングによって、前記時間依存信号を記録するようトリガーされるように、前記電場生成手段（２８）と作動的に連結し、
前記記録および記憶手段（６２）は、平均時間分解信号を生成するよう、前記時間依存信号を組み合わせるように構成され、ならびに／または
前記装置（２０）は、前記プローブ分子（１０）が前記標的分子に曝露された後、または前記プローブ分子（１０）の標的分子への前記曝露が終結した後それぞれに、前記組み合わされた信号の前記時間導関数の前記最大値が、やがてどのように時間変動するかを観察することによって、前記プローブ分子（１０）に結合する前記標的分子の順方向速度（ｋ _ｏｎ）、および／または前記プローブ分子（１０）を離れる前記標的分子の逆方向速度（ｋ _ｏｆｆ）を判定するようにさらに構成され、ならびに／または
前記装置（２０）は、静的外部場上の前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分の前記距離を示している、前記信号の前記依存度の測定および分析に基づき、前記標的分子の前記電荷を判定するようにさらに構成される、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置（２０）。
前記モデルは、前記プローブ分子（１０）が、時間依存外部場において時間ｔに

を獲得する確率を定義する、

を生じ、標的分子のサイズおよび／またはストークス半径は、

に関する前記確率のドリフトおよび／または拡散によって、前記モデルにおいて説明される、請求項２に記載の装置（２０）。
前記分析モジュール（４６）は、前記組み合わされた時間分解信号を、ドリフトおよび／または拡散係数を含有する、フォッカープランク方程式の

に対する解に適合することによって、前記拡散係数またはドリフト係数を判定するように構成され、前記判定されたドリフトおよび／または拡散係数から、前記標的分子の前記サイズおよび／またはストークス半径を導出するように構成され、および／または
前記

は、前記基質（１６）に対する前記プローブ分子（１０）の角度αによってパラメータ化され、前記拡散係数は、回転拡散係数である、請求項６に記載の装置。
以下の判定、すなわち、
― 試料の中のある標的分子の存在、
― 試料の中の標的分子の濃度、
― 所与の標的分子によって占有される、プローブ分子（１０）の画分、または
・同じプローブ分子捕獲部に結合することができる、異なる標的分子、または
・異なる構成の中の同じ標的分子、の化学量論比、のうちの１つ以上を判定するようにさらに適応し、以下の工程、すなわち、
（Ａ）前記試料をバイオチップに曝露する工程であって、前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子（１０）は電荷を持ち、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の前記距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子、または前記標的分子のグループのうちの前記標的分子の各々を結合することができる、捕獲部（１４）を含んでなる、工程と、
（Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
（Ｃ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部場を印加する工程であって、
工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
（Ｄ）所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返し、かつ前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子の前記第２の一部の前記プロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するようになど、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
（Ｅ）以下の工程のうちの一つ、
― 前記組み合わされた信号を、前記標的に対する所定の信号と比較することによって、ある標的分子の前記存在を特定する工程、または
― 前記標的なしのプローブ分子（１０）、または前記組み合わされた信号に適合する、それに結合されたそれぞれの標的分子を伴う前記プローブ分子（１０）に対応する、所定の信号の重ね合わせの係数を判定する工程、
を実行する工程と、
を実行する、請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の装置（２０）。
プローブ分子（１０）に結合する標的分子の１つ以上の特徴を評価するための方法であって、
前記プローブ分子は、第１の極性で電荷を持ち、
前記プローブ分子は、基質（１６）に付着する第１の部分を有し、
前記プローブ分子は、前記基質（１６）から前記プローブ分子の第２の部分の距離を示している信号を生成することを可能にするための、マーカー（１２）を有し、
前記方法が、以下の工程、
（Ａ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
（Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部場を印加する工程であって、
工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
（Ｃ）所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返し、かつ前記基質に接近する、および／または前記基質から離れる、前記プローブ分子の前記第２の一部の前記プロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するようになど、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
（Ｄ）前記標的分子の前記１つ以上の特徴を判定するようになど、前記組み合わされた信号を分析する工程と、を含んでなる、方法。
前記組み合わされた信号を分析する前記工程（Ｄ）は、以下の
― 工程（Ａ）および（Ｂ）の間での前記外部場のスイッチングと、前記組み合わされた時間依存信号の所定の閾値への到達との間の時間遅延を判定し、前記所定の閾値は、好ましくは、前記組み合わされた信号の最大値の所定の割合に対応する工程と、
― 前記組み合わされた信号の前記時間導関数を判定する工程と、
― 前記組み合わされた信号を、分析モデルもしくはシミュレーションから取得される、経験的データまたはモデルデータと比較する工程と、のうちの１つ以上を含んでなり、ならびに／または
前記組み合わされた信号を分析する前記工程（Ｄ）は、
以下の標的分子の特徴、
― 有効なストークス半径、サイズ、分子量、
― 特に、折り畳み状態および／または球状構造からの逸脱である、前記標的分子の形状、
― 前記標的分子へのさらなる分子の追加、
― 前記標的分子の前記電荷、のうちの１つ以上を評価する工程と、
ならびに／または前記プローブ分子（１０）の流体環境の温度変化または化学環境の変化を判定し、および／もしくは前記標的分子上の温度変化または前記化学環境の変化の効果を判定する工程と、を含んでなる、請求項９に記載の方法。
前記外部場は、第１および第２の極性の間をスイッチする方形波信号であり、前記第１および／または第２の極性の期間は、前記プローブ分子が、特に、少なくとも１μｓ、好ましくは、少なくとも１０μｓであるよう、それぞれ前記第２の部分と前記基質との間の最大および最小距離の前記それぞれの状態を獲得することができるように、十分長く選択され、および／または
前記工程（Ａ）および（Ｂ）は、少なくとも１０回、好ましくは、１０^３から１０^７回繰り返され、ならびに／または
前記マーカーは、蛍光マーカー（１２）であり、前記基質から前記プローブ分子の前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、前記マーカー（１２）が前記基質（１６）に接近するにつれ、消光される前記蛍光マーカーから放射される光の強度であり、
工程（Ｃ）は、好ましくは、
― 前記蛍光マーカーから放射される単一光子を検出し、工程（Ａ）および（Ｂ）の間の前記外部電場の前記スイッチングと、前記検出された光子との間の前記時間間隔を判定する工程と、
― ヒストグラムの中に各検出された時間間隔を記録する工程と、を含んでなる、請求項９または１０に記載の方法。
工程（Ｃ）は、
― 前記アナログ信号を増幅し、特に、デジタル記憶オシロスコープ型デバイスで、前記時増幅された時間依存信号を記録する工程であって、前記記録する工程は、工程（Ａ）および（Ｂ）の間で前記外部場をスイッチすることによってトリガーされる、工程と、
― 平均時間分解信号を生成するように、前記時間依存信号を組み合わせる工程と、を含んでなり、ならびに／または
前記基質は、作用電極（１６）によって形成され、前記外部場を印加する工程は、工程（Ａ）の間、前記第１の極性とは異なる第２の極性の電位を、前記作用電極（１６）に印加する工程と、工程（Ｂ）の間、前記第１の極性の電位を前記作用電極（１６）に印加する工程と、を含んでなり、および／もしくは
前記プローブ分子（１０）は荷電ポリマー、特に、ＤＮＡ分子、電荷を持った棒状ナノ物体またはナノワイヤーであり、ならびに／または
前記方法は、異なる時間におよび／または異なる標的分子濃度に対して取得される、複数の組み合わされた信号から、以下のパラメータ、
― 前記標的分子と前記プローブ分子との間の結合速度、
― 前記標的分子と前記プローブ分子との間の解離速度、
― 親和性定数、
― 解離定数、のうちの１つ以上を判定する工程をさらに含んでなる、請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
前記捕獲部に結合する前記標的分子の順方向速度（ｋ_ｏｎ）、および／または前記捕獲部を離れる前記標的分子の逆方向速度（ｋ_ｏｆｆ）は、前記プローブ分子（１０）が前記標的分子に曝露された後、または前記プローブ分子（１０）の標的分子への前記曝露が終結した後それぞれに、前記組み合わされた信号の前記時間導関数の前記最大値が、やがてどのように時間変動するかを観察することによって判定され、ならびに／または
前記方法が、静的外部場上の前記基質から前記プローブ分子の前記第２の部分の前記距離を示している、前記信号の依存度の測定および分析に基づき、前記標的分子の前記電荷を判定する工程をさらに含んでなる、請求項９ないし１２のいずれか一項に記載の方法。
前記モデルは、前記プローブ分子が、時間依存外部場において時間ｔに

を獲得する確率を定義する、

を生じ、標的分子のサイズおよび／またはストークス半径は、

に関する前記確率のドリフトおよび／または拡散によって、前記モデルにおいて説明され、
拡散係数またはドリフト係数は、好ましくは、前記組み合わされた時間分解信号を、前記ドリフトおよび／または拡散係数を含有する、フォッカープランク方程式の

に対する解に適合することによって判定され、前記標的分子の前記サイズおよび／またはストークス半径は、前記ドリフトおよび／または拡散係数から導出され、ならびに／または
前記

は、前記基質に対する前記プローブ分子の角度αによってパラメータ化され、前記拡散係数は、回転拡散係数である、請求項１０に記載の方法。
以下の判定、すなわち、
― 試料の中のある標的分子の存在、
― 試料の中の標的分子の濃度、
― 所与の標的分子によって占有される、プローブ分子（１０）の画分、または
・同じプローブ分子捕捉部に結合することができる、異なる標的分子、もしくは
・異なる構成の中の同じ標的分子、
― の化学量論比、のうちの１つ以上を判定する方法であって、以下の、
（Ａ）前記試料をバイオチップに曝露する工程であって、前記バイオチップは、プローブ分子（１０）が、その第１の部分を伴い付着する基質（１６）を含んでなり、前記プローブ分子（１０）は電荷を持ち、前記基質（１６）から前記プローブ分子（１０）の第２の部分の前記距離を示している、信号を生成することを可能にするためのマーカー（１２）を有し、前記プローブ分子（１０）は、前記標的分子、または前記標的分子のグループのうちの前記標的分子の各々を結合することができる、捕捉部（１４）を含んでなる、工程と、
（Ｂ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）に接近させる、外部電場を印加する工程と、
（Ｃ）前記プローブ分子（１０）の前記第２の部分を、前記基質（１６）から離れさせる、外部場を印加する工程であって、
工程（Ａ）および／または工程（Ｂ）の間、前記基質（１６）から前記第２の部分の前記距離を示している前記信号は、時間の関数として記録される、工程と、
（Ｄ）所定の回数の間、工程（Ａ）および（Ｂ）を繰り返し、かつ前記基質（１６）に接近する、および／または前記基質（１６）から離れる、前記プローブ分子の前記第２の一部の前記プロセスを示している、平均化された時間分解信号を生成するようになど、前記記録された信号を組み合わせる、工程と、
（Ｅ）以下の、工程のうち一つ、
―前記組み合わされた信号を、前記標的に対する所定の信号と比較することによって、ある標的分子の前記存在を特定する工程、
―前記標的なしのプローブ分子（１０）、または前記組み合わされた信号に適合する、それに結合されたそれぞれの標的分子を伴う前記プローブ分子（１０）に対応する、所定の信号の重ね合わせの係数を判定する工程、を実行する工程と、を含んでなる、方法。