JP2023529567A - Nucleic Acid Amplification Assay Using 3-D Magnetic Resonance Imaging Detection for Screening Large Populations - Google Patents

Nucleic Acid Amplification Assay Using 3-D Magnetic Resonance Imaging Detection for Screening Large Populations Download PDF

Info

Publication number
JP2023529567A
JP2023529567A JP2022569574A JP2022569574A JP2023529567A JP 2023529567 A JP2023529567 A JP 2023529567A JP 2022569574 A JP2022569574 A JP 2022569574A JP 2022569574 A JP2022569574 A JP 2022569574A JP 2023529567 A JP2023529567 A JP 2023529567A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
nucleic acid
lamp
mri
target nucleic
nanoparticles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2022569574A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ロガナサム ドライサミー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority claimed from PCT/US2021/032650 external-priority patent/WO2021231993A1/en
Publication of JP2023529567A publication Critical patent/JP2023529567A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)

Abstract

本発明は、ナノ粒子結合複合体形成による核酸増幅およびMRIまたはNMR検出を用いた、SARS CoV-2などの病原体からの核酸のハイスループットスクリーニングおよび検出のための方法を提供する。特定の実施形態では、MRIは、複数の増幅された核酸-ナノ粒子複合体を同時に検出する三次元MRIである。特定の実施形態において、核酸は、等温LAMP技術によって増幅される。他の実施形態では、核酸はPCRによって増幅される。本発明の方法は、パンデミック状況における多数のサンプルの迅速なスクリーニングに特に有用である。【選択図】 図1The present invention provides methods for high-throughput screening and detection of nucleic acids from pathogens such as SARS CoV-2 using nucleic acid amplification and MRI or NMR detection by nanoparticle binding complex formation. In certain embodiments, the MRI is three-dimensional MRI that detects multiple amplified nucleic acid-nanoparticle complexes simultaneously. In certain embodiments, nucleic acids are amplified by isothermal LAMP technology. In other embodiments, nucleic acids are amplified by PCR. The methods of the invention are particularly useful for rapid screening of large numbers of samples in pandemic situations. [Selection diagram] Fig. 1

Description

本出願は、米国仮特許出願番号62/704,540(2020年5月14日出願)および63/133,431(2021年1月4日出願) の35USC§119に基づく優先権の利益を主張する。これらは参照により本明細書に組み込まれる。 This application claims priority benefit under 35 USC §119 of U.S. Provisional Patent Application Nos. 62/704,540 (filed May 14, 2020) and 63/133,431 (filed January 4, 2021) do. These are incorporated herein by reference.

発明の分野
本発明は、三次元イメージングを使用して、多数のサンプル中の1つまたは複数の標的核酸配列の存在または非存在を同時に検出するための方法およびシステムに関する。具体的には、本発明は、三次元(3-D)磁気共鳴検出を使用した、ヒト臨床検体中の核酸配列の大規模で高感度かつ迅速な検出に関する。本発明の方法は、多数のヒトおよび/またはヒト以外の動物において、風土病、伝染病、特にパンデミックの状況で必要に応じて、生物学的標本(例えば、鼻スワブ、唾液、痰、血液など)中の微生物学的病原体(例えば、ウイルス、細菌、真菌)の存在についての診断的スクリーニングに特に有用である。
FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to methods and systems for simultaneously detecting the presence or absence of one or more target nucleic acid sequences in multiple samples using three-dimensional imaging. Specifically, the present invention relates to large-scale, sensitive and rapid detection of nucleic acid sequences in human clinical specimens using three-dimensional (3-D) magnetic resonance detection. The methods of the present invention can be used in large numbers of human and/or non-human animals to test biological specimens (e.g., nasal swabs, saliva, sputum, blood, etc.) as needed in endemic, epidemic, particularly pandemic situations. ) for the presence of microbiological agents (eg, viruses, bacteria, fungi).

核酸増幅法を用いて特定の核酸配列の存在を検出することは、強力な診断ツールである。ポリメラーゼ連鎖反応(polymerase chain reaction:PCR)、ループ媒介等温増幅(Loop Mediated Isothermal Amplification:LAMP)およびその他の方法により、多数のサンプルに存在する特異性標的DNA配列を迅速に増幅することができる。逆転写(reverse transcription:RT)増幅の発見と臨床利用により、細菌、真菌、人間を含む植物および動物、ならびに生命体における、RNAウイルス(インフルエンザ、SARS、MERS、COVID-19、デングウイルス、C型肝炎、E型肝炎、西ナイル熱、エボラウイルス、狂犬病、ポリオ、おたふくかぜ、および麻疹ウイルスなど)、ならびにDNAウイルス(例えば、パピローマウイルス、ポックスウイルス、ヘルペスウイルス、およびアデノウイルス)からの遺伝物質の検出が可能になった。 Detecting the presence of specific nucleic acid sequences using nucleic acid amplification methods is a powerful diagnostic tool. Polymerase chain reaction (PCR), Loop Mediated Isothermal Amplification (LAMP) and other methods can rapidly amplify specific target DNA sequences present in large numbers of samples. The discovery and clinical use of reverse transcription (RT) amplification has enabled the detection of RNA viruses (influenza, SARS, MERS, COVID-19, dengue virus, hepatitis C) in bacteria, fungi, plants and animals, including humans, and organisms. , hepatitis E, West Nile, Ebola virus, rabies, polio, mumps, and measles viruses), and DNA viruses (e.g., papillomaviruses, poxviruses, herpesviruses, and adenoviruses). became possible.

最近のSARS?CoV?2パンデミックは、ウイルス病原体の迅速でハイスループットな大規模監視の緊急の必要性と重要性を実証した。SARS-CoV-2ウイルスおよび関連するコロナウイルス(重症急性呼吸器症候群(SARS)および中東呼吸器症候群(MERS)を引き起こす)の急速な拡散は、非常に危険であることが証明されており、ウイルスの伝染を止めるために長期間にわたり世界の大部分が閉鎖されている。このような致命的なウイルスの拡散を制御するには、感染した個人を特定、追跡、隔離できるように、迅速な検出が必要である。 The recent SARS-CoV-2 pandemic demonstrated the urgent need and importance of rapid, high-throughput, large-scale surveillance of viral pathogens. The rapid spread of the SARS-CoV-2 virus and related coronaviruses (causing Severe Acute Respiratory Syndrome (SARS) and Middle East Respiratory Syndrome (MERS)) has proven to be extremely dangerous, and the virus Large parts of the world have been shut down for an extended period of time to stop the spread of the virus. Controlling the spread of such deadly viruses requires rapid detection so that infected individuals can be identified, tracked and isolated.

COVID-19は、2019年12月に中国の湖北省武漢で最初に認識された、新たに出現したコロナウイルスである重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(coronavirus - Severe Acute Respiratory Syndrome coronavirus 2:SARS-CoV-2)によって引き起こされる気道感染症である。このウイルスの配列は、SARS-CoV-2がSARSコロナウイルス1と密接に関連するベータコロナウイルスであることを示唆している。Wu et al., “A new coronavirus associated with human respiratory disease in China” Nature 579:265 (2020)を参照。 COVID-19 is a newly emerging coronavirus first recognized in Wuhan, Hubei Province, China in December 2019, severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS). CoV-2) is a respiratory tract infection. The sequence of this virus suggests that SARS-CoV-2 is a betacoronavirus closely related to SARS-coronavirus-1. See Wu et al., “A new coronavirus associated with human respiratory disease in China” Nature 579:265 (2020).

SARS-CoV-2に感染した世界中の何億人もの人々をクリーニングおよび診断するには、1日当たり数百万の臨床サンプルを低コストで処理できる方法およびシステムが必要である。従来のシステムではこれらの目標を達成するには遅かったため、感染が急増し、多くの人がCOVI-19で死亡した。 Cleaning and diagnosing the hundreds of millions of people worldwide infected with SARS-CoV-2 requires methods and systems that can process millions of clinical samples per day at low cost. As the conventional system was slow to reach these goals, infections surged and many died from COVI-19.

SARS?CoV?2などのRNAウイルスに対する標準的な分子診断試験は、ウイルスRNA抽出および定量的逆転写PCR(quantitative reverse transcriptase PCR:RT?qPCR)を含む多段階プロセスである。多くの企業がウイルスRNAを増幅するRT-PCRキットを製造しているが、あらゆる規模でのRNA抽出は困難である。診断ラボでは、特定の試薬と消耗品を必要とする自動化されたプラットフォームを使用して、一度に限られた数のサンプルに対して実行される。この柔軟性のなさは、既存の研究設備を備えた大規模な新しい研究所を建設して試験能力を高め、非特異的な試薬やプラスチックを使用できるようにするよりオープンなプラットフォームでRNAを抽出するという多大な努力につながっている。 A standard molecular diagnostic test for RNA viruses such as SARS-CoV-2 is a multi-step process involving viral RNA extraction and quantitative reverse transcriptase PCR (RT-qPCR). Many companies produce RT-PCR kits that amplify viral RNA, but RNA extraction is difficult at any scale. Diagnostic labs use automated platforms that require specific reagents and consumables to run on a limited number of samples at a time. This inflexibility has led to the construction of large new laboratories with existing laboratory equipment to increase testing capacity and to allow the use of non-specific reagents and plastic RNA extraction on a more open platform. involved a great deal of effort to

都市中心部に住む何百万人もの人々から短期間で収集された鼻スワブ(nasal swab)および口腔唾液サンプル(oral saliva samples)などのヒトサンプルの大規模で迅速なスクリーニングは、間違いなくパンデミックの蔓延を防ぐのに役立つだろう。大規模なスクリーニングには、プロセスを自動化するための調整された取り組みとシステムを必要とする複数の工程が必要である。これらの手順は次のとおりである。 Large-scale, rapid screening of human samples, such as nasal swabs and oral saliva samples collected over a short period of time from millions of people living in urban centers, will undoubtedly help prevent pandemics. It will help prevent the spread. Large-scale screening requires multiple steps that require coordinated efforts and systems to automate the process. These steps are:

a. サンプル収集、
b. サンプルの梱包と処理場所への輸送、
c. 病原体を殺し、遺伝物質を放出するためのウイルスの不活化とサンプルの溶解(lysis)、
d. 核酸の精製と濃縮、
e. ウイルスRNAの逆転写、
f. LAMPまたはPCRを使用した核酸増幅、
g. 増幅されたDNAの検出、
h. データ処理による結果の可視化
i. 収集されたサンプルにおける陽性サンプルと陰性サンプルの同定(identification)、および個人の診断への翻訳、
j. 任意に、ウイルス株とその変異体の同定。
a. sample collection,
b. Sample packaging and transportation to the processing site,
c. virus inactivation and sample lysis to kill pathogens and release genetic material;
d. purification and concentration of nucleic acids,
e. reverse transcription of viral RNA,
f. nucleic acid amplification using LAMP or PCR;
g. detection of amplified DNA,
h. Visualization of results from data processing i. identification of positive and negative samples in the collected samples and translation into individual diagnoses;
j. Optionally, identification of virus strains and their variants.

これらの工程は、迅速で、信頼性が高く、正確で、実行可能な結果を??サンプルからタイムリーかつ費用対効果の高い方法で回答するために適切に編成する必要があり、それにより、隔離、治療、および接触追跡を介して病気の蔓延を阻止するために介入する必要がある。 These processes must be well orchestrated to provide fast, reliable, accurate and actionable results from samples in a timely and cost-effective manner, thereby Intervention is needed to stop the spread of the disease through isolation, treatment and contact tracing.

現在のCOVID-19パンデミックにおいて、伝統的なRT-PCRの先行技術の方法は、1システムにつき1日当たり少数のヒトサンプルのみをスクリーニングできる制限された能力を提供した。従来の病気の監視では、大規模なスクリーニングの必要はなかったが、その制限はCOVID-19の多くの犠牲者にとって致命的であることが判明した。利用可能な技術では、パンデミックの初期には、大規模な集団のスクリーニングに1日以上、最大で1週間以上かかった。利用可能なスクリーニング方法では、感染者が特定されるまでに、ウイルスはさらに多くの人々に広がり、このパンデミックは制御不能になり、世界中に広がった. In the current COVID-19 pandemic, traditional RT-PCR prior art methods offered limited capacity to screen only a small number of human samples per day per system. Conventional disease surveillance has not required mass screening, but its limitations have proven fatal for many victims of COVID-19. With available technology, screening large populations took more than a day, and up to more than a week, in the early days of the pandemic. By the time available screening methods identified infected individuals, the virus had spread to more people and the pandemic spiraled out of control and spread worldwide.

以下を含むいくつかのボトルネックが特定されており、これにより検査能力が需要と必要性を満たすことができなかった;科学的に訓練された技術者が抽出を行う必要があり、人々から鼻のサンプルを採取すヒトの臨床サンプルから核酸を抽出するためには多くの工程が必要であり、抽出のためには複雑なオートメーション装置、大量の消耗品、多数の科学的に訓練された技術者が必要であり、ヒトサンプルを採取するためには多くの医療従事者が必要だった。また自己採取のための適切な手段はなかった。世界中で毎日何億ものヒトサンプルを処理するには、高価で洗練されたリアルタイムPCRおよびリアルタイムLAMP機器、大量の試薬、大量の個人用保護具、および大量のラボスペースが必要だった。 Several bottlenecks have been identified that have prevented testing capacity from meeting demand and need, including; Extracting nucleic acids from human clinical samples requires many steps, requiring complex automated equipment, a large amount of consumables, and a large number of scientifically trained technicians. was required, and a large number of medical workers were required to collect human samples. Also, there was no suitable means for self-collection. Processing hundreds of millions of human samples daily worldwide required expensive and sophisticated real-time PCR and real-time LAMP instruments, large amounts of reagents, large amounts of personal protective equipment, and large amounts of lab space.

PCR法の使用は、プロセスを著しく遅らせた。なぜなら、特別に設計された機器が、毎分または数十回の増幅サイクル中にサンプルの温度を急速に変化させる必要があり、そのような機器は、特にすべてのサンプルに専用の検出器を備え、それぞれがサンプル量をリアルタイムで追跡し、結果をグラフィカルにプロットする洗練された高価な機器を使用しても、リアルタイムPCRが使用される場合、サンプル容量が限られているからである。LAMPなどのより単純な方法は、単一の温度で核酸増幅を実行し、このボトルネックを克服する可能性がある。 The use of PCR methods slowed down the process significantly. This is because specially designed instruments must rapidly change the temperature of samples every minute or during tens of amplification cycles, and such instruments are especially equipped with detectors dedicated to every sample. , each using sophisticated and expensive instruments that track sample volume in real time and graphically plot results, sample volumes are limited when real-time PCR is used. Simpler methods such as LAMP perform nucleic acid amplification at a single temperature and may overcome this bottleneck.

COVID?19の経験に照らして、新しい病原体が出現したときのために、迅速に適応および展開するのに十分迅速で、ハイスループットで、機敏な病原体検出方法が引き続き必要とされている。 In light of the COVID-19 experience, there continues to be a need for pathogen detection methods that are rapid, high-throughput, and agile enough to be rapidly adapted and deployed for when new pathogens emerge.

発明の概要
本発明は、以下の工程を含む、標的核酸を検出するための方法を提供する。
a) 標的核酸を含むサンプルを提供する工程;
b) 標的核酸を少なくとも1つのプライマー(primer)で増幅する工程であって、該少なくとも1つのプライマーがビオチン化(biotinylated)されており、それによりビオチン化された標的核酸を調製する工程;
c) 該ビオチン化された標的核酸をストレプトアビジン-ナノ粒子(streptavidin-nanoparticles)と反応させ、それにより増幅された標的核酸-ナノ粒子複合体(target nucleic acid-nanoparticle complexes)を形成する工程;および、
d) MRIまたはNMRで該核酸-ナノ粒子複合体を検出する工程。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a method for detecting a target nucleic acid comprising the steps of: a.
a) providing a sample containing a target nucleic acid;
b) amplifying a target nucleic acid with at least one primer, said at least one primer being biotinylated, thereby preparing a biotinylated target nucleic acid;
c) reacting the biotinylated target nucleic acid with streptavidin-nanoparticles, thereby forming amplified target nucleic acid-nanoparticle complexes; and ,
d) detecting the nucleic acid-nanoparticle complex by MRI or NMR.

特定の実施形態では、標的核酸の増幅工程はLAMPまたはPCR、RT-LAMPまたはRT-PCR、および逆転写を含むことができる。 In certain embodiments, the target nucleic acid amplification step can comprise LAMP or PCR, RT-LAMP or RT-PCR, and reverse transcription.

特定の実施形態では、サンプルは、唾液または鼻スワブなどのヒト臨床サンプルである。 In certain embodiments, the sample is a human clinical sample such as saliva or nasal swabs.

特定の態様では、キレート剤、プロテイナーゼK、グアニジウム塩酸塩、グアニジウム組成物およびそれらの組み合わせの少なくとも1つで処理され、細胞を溶解または解離するか、または会合タンパク質から核酸を放出するが、典型的には核酸の単離または精製を必要としない。 In certain aspects, treatment with at least one of a chelating agent, proteinase K, guanidinium hydrochloride, guanidinium compositions, and combinations thereof to lyse or dissociate cells or release nucleic acids from associated proteins, although typically does not require nucleic acid isolation or purification.

標的核酸は、SARS-CoV-2またはその変異体などの病原性ウイルスまたは細菌などの病原体の核酸であり得る。 The target nucleic acid can be the nucleic acid of a pathogen such as a pathogenic virus or bacteria such as SARS-CoV-2 or variants thereof.

本発明はまた、標的核酸の存在について、上記のように複数のサンプルをスクリーニングするための方法を提供し、以下の工程を含む:
a) 標的核酸を含む複数の臨床サンプルを提供する工程;
b) 少なくとも1つのプライマーを用いて複数の臨床サンプルの各々における標的核酸を増幅する工程であって、少なくとも1つのプライマーがビオチン化されており、それにより複数のビオチン化された標的核酸サンプルを調製する工程;
c) 複数のビオチン化標的核酸試料のそれぞれをストレプトアビジン結合ナノ粒子と反応させ、それにより複数の増幅された標的核酸-ナノ粒子複合体を形成する工程;および、
d) MRIまたはNMRにより複数の核酸-ナノ粒子複合体を検出する工程。
The invention also provides a method for screening a plurality of samples as described above for the presence of a target nucleic acid, comprising the steps of:
a) providing a plurality of clinical samples containing the target nucleic acid;
b) amplifying a target nucleic acid in each of a plurality of clinical samples using at least one primer, wherein at least one primer is biotinylated, thereby preparing a plurality of biotinylated target nucleic acid samples; the step of
c) reacting each of a plurality of biotinylated target nucleic acid samples with streptavidin-conjugated nanoparticles, thereby forming a plurality of amplified target nucleic acid-nanoparticle complexes; and
d) detecting multiple nucleic acid-nanoparticle complexes by MRI or NMR.

標的核酸の増幅には、LAMPまたはPCRまたはRT-LAMPまたはRT-PCRが含まれ得る。特定の態様では、標的核酸の増幅には逆転写が含まれる。
特定の実施形態では、MRIは、複数の核酸-ナノ粒子複合体を同時に検出する3-D MRIである。
Amplification of the target nucleic acid can include LAMP or PCR or RT-LAMP or RT-PCR. In certain aspects, amplification of the target nucleic acid includes reverse transcription.
In certain embodiments, the MRI is 3-D MRI that detects multiple nucleic acid-nanoparticle complexes simultaneously.

図1は、本発明の一実施形態に示される陽性サンプルおよび陰性サンプルのLAMP反応から得られた代表的なMRI画像である。FIG. 1 is a representative MRI image obtained from a LAMP reaction of positive and negative samples shown in one embodiment of the present invention. 図2は、本発明の別の第2の実施形態において示される陽性サンプルおよび陰性サンプルのLAMP反応から得られる代表的なMRI画像である。FIG. 2 is a representative MRI image obtained from a LAMP reaction of positive and negative samples shown in another second embodiment of the invention. 図3は、LAMP反応後に磁性ナノ粒子が未使用のプライマーに結合し、ナノビーズ間に強い会合を形成する様子を示す画像であり、図1のMRI画像をもたらす実施形態である。FIG. 3 is an image showing magnetic nanoparticles binding to virgin primers and forming strong associations between the nanobeads after the LAMP reaction, an embodiment that yields the MRI image of FIG. 図4は、MRI検出PCRおよびRT?PCR検出を示すMRI画像である。FIG. 4 is an MRI image showing MRI-detected PCR and RT-PCR detection. 図5は、本発明の一実施形態によるDNA分析物を検出するためのプロセスを示す。パネルAは、使用したテンプレート、プライマー、およびナノ粒子を示している。パネルBは、プロセスの方法の手順を示している。B=ビオチン(biotin)。S=ストレプトアビジン。NP=ナノ粒子コア。FIG. 5 shows a process for detecting DNA analytes according to one embodiment of the invention. Panel A shows the template, primers and nanoparticles used. Panel B shows the method steps of the process. B = biotin. S = streptavidin. NP = nanoparticle core. 図6Aは、非ゼロスピンNMR活性原子核のスピンのランダム配向を示す。図6Bは、図6AのNMR活性原子核に対する均一磁場の効果を示す。図6Cは、図6Bの配向されたNMR活性原子核に対する高周波RFパルスの効果を示す。FIG. 6A shows the random orientation of the spins of non-zero spin NMR active nuclei. FIG. 6B shows the effect of a uniform magnetic field on the NMR-active nuclei of FIG. 6A. FIG. 6C shows the effect of a high frequency RF pulse on the oriented NMR-active nuclei of FIG. 6B. 図7は、NMR活性原子核についてのスピン-格子緩和(T1)(上のパネル)およびスピン-スピン緩和(T2)(下のパネル)を示す。Aパネルでは、原子核はバルク磁化ベクトルの方向に配向された均一磁場内に示されている。原子核は高周波パルスに応答して再配向し(Bパネル)、最終的にバルク磁化ベクトルの方向に向かって「緩和」する(Cパネル)。FIG. 7 shows spin-lattice relaxation (T1) (top panel) and spin-spin relaxation (T2) (bottom panel) for NMR-active nuclei. In panel A, nuclei are shown in a uniform magnetic field oriented in the direction of the bulk magnetization vector. The nuclei reorient in response to the radio frequency pulse (B panel) and eventually "relax" towards the bulk magnetization vector (C panel).

詳細な説明
定義
前述の一般的な説明と以下の詳細な説明の両方が、例示的かつ説明的なものにすぎず、特許請求される本発明を限定するものではないと理解すべきである。本明細書で使用される単数形の使用は、特に断りのない限り、複数形を含む。本明細書で使用される時、「または」は、特に明記しない限り「および/または」を意味する。本明細書で使用される場合、「含む」などの用語、またはその任意の他の変形は非限定的に理解されるべきであり、プロセス、方法、組成物、反応混合物、キット、または装置は、それらの要素のみを含むのではなく非排他的な包含をカバーすることを意図しており、そのようなプロセス、方法、組成物、反応混合物、キット、または装置に明示的に列挙されていない固有の他の要素を含む場合がある。本明細書で使用されているセクションの見出しは、構成のみを目的としており、説明されている主題を限定するものとして解釈されるべきではない。
DETAILED DESCRIPTION DEFINITIONS It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not restrictive of the invention as claimed. As used herein, the use of the singular includes the plural unless specifically stated otherwise. As used herein, "or" means "and/or" unless stated otherwise. As used herein, terms such as “comprising,” or any other variation thereof, are to be understood as non-limiting, processes, methods, compositions, reaction mixtures, kits, or devices comprising , are intended to cover non-exclusive inclusion rather than including only those elements, not expressly recited in such processes, methods, compositions, reaction mixtures, kits, or devices. May contain other unique elements. The section headings used herein are for organizational purposes only and are not to be construed as limiting the subject matter described.

特定の定義が提供されない限り、本明細書に記載される分子生物学、生化学、および有機化学に関連して使用される命名法、ならびに実験手順および技術は、当技術分野で知られているものである。標準的な化学的および生物学的記号および略語は、そのような記号および略語によって表されるフルネームと同じ意味で使用される。したがって、例えば、「デオキシリボ核酸」および「DNA」という用語は、同一の意味を有すると理解される。化学合成、化学分析、組換えDNA法、およびオリゴヌクレオチド合成のための標準的な技術を使用することができる。反応および精製技術は、例えば、当技術分野で一般的に達成されるように、または本明細書に記載されるように、製造業者の仕様書に従ってキットを使用して行うことができる。前述の技術および手順は、一般に、当技術分野で周知の従来の方法に従って、および本明細書全体で引用および議論される様々な一般的またはより具体的な参考文献に記載されているように実行され得る。例えば以下が参照され、その全体が本明細書に組み込まれる;Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory Manual (2d ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y. (1989)); Maniatis et al., 1982 Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, Plainview, New York; Harlow & Lane, Antibodies: A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y. (1988)); Rieger et al, 1991 Glossary of genetics: classical and molecular, 5th Ed., Berlin: Springer-Verlag; Current Protocols in Molecular Biology, F.M. Ausubel et al, Eds., Current Protocols, a joint venture between Greene Publishing Associates, Inc. and John Wiley & Sons, Inc., (1998 Supplement); Wu (Ed.) 1993 Meth. Enzymol. 218, Part I; Wu (Ed.) 1979 Meth. Enzymol. 68; Wu et al, (Eds.) 1983 Meth. Enzymol. 100 and 101; Grossman and Moldave (Eds.) 1980 Meth. Enzymol. 65; Miller (ed.) 1972 Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New York; Old and Primrose, 1981 Principles of Gene Manipulation, University of California Press, Berkeley; Schleif and Wensink, 1982 Practical Methods in Molecular Biology; Glover (Ed.) 1985 DNA Cloning Vol. I and II, IRL Press, Oxford, UK; Hames and Higgins (Eds.) 1985 Nucleic Acid Hybridization, IRL Press, Oxford, UK; and Setlow and Hollaender 1979 Genetic Engineering: Principles and Methods, Vols. 1-4, Plenum Press, New York。 Unless specific definitions are provided, the nomenclature and laboratory procedures and techniques used in connection with molecular biology, biochemistry and organic chemistry described herein are known in the art. It is. Standard chemical and biological symbols and abbreviations are used interchangeably with the full names represented by such symbols and abbreviations. Thus, for example, the terms "deoxyribonucleic acid" and "DNA" are understood to have the same meaning. Standard techniques for chemical synthesis, chemical analysis, recombinant DNA methods, and oligonucleotide synthesis can be used. Reactions and purification techniques can be performed using kits according to manufacturer's specifications, eg, as commonly accomplished in the art or as described herein. The foregoing techniques and procedures are generally performed according to conventional methods well known in the art and as described in the various general or more specific references cited and discussed throughout this specification. can be See, for example, Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory Manual (2d ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y. (1989)); Maniatis et al. ., 1982 Molecular Cloning, Cold Spring Harbor Laboratory, Plainview, New York; Harlow & Lane, Antibodies: A Laboratory Manual (Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor, N.Y. (1988)); Rieger et al, 1991 Glossary of genetics : classical and molecular, 5th Ed., Berlin: Springer-Verlag; Current Protocols in Molecular Biology, F.M. Ausubel et al, Eds., Current Protocols, a joint venture between Greene Publishing Associates, Inc. and John Wiley & Sons, Inc. , (1998 Supplement); Wu (Ed.) 1993 Meth. Enzymol. 218, Part I; Wu (Ed.) 1979 Meth. Enzymol. Grossman and Moldave (Eds.) 1980 Meth. Enzymol. 65; Miller (ed.) 1972 Experiments in Molecular Genetics, Cold Spring Harbor Laboratory, Cold Spring Harbor, New York; Old and Primrose, 1981 Principles of Gene Manipulation, University of California Press, Berkeley; Schleif and Wensink, 1982 Practical Methods in Molecular Biology; Glover (Ed.) 1985 DNA Cloning Vol. I and II, IRL Press, Oxford, UK; Hames and Higgins (Eds.) 1985 Nucleic Acid Hybridization, IRL Press , Oxford, UK; and Setlow and Hollaender 1979 Genetic Engineering: Principles and Methods, Vols. 1-4, Plenum Press, New York.

化学における一般的な用語の定義は、Compendium of Chemical Terminology (IUPAC recommendations), 2nd Ed., 1997, Blackwell Science Inc, Oxford, U.K. (McNaught, ed.) に見出すことができる。これは、goldbook (dot) iupac (dot) orgで、ワールドワイドウェブ上の検索可能なオンラインフォームで入手でき、これは本明細書に参照として組み込まれる。NMRに関連する原理、方法、計算、および用語については、以下が参照され、これは本明細書に参照として組み込まれる;Levitt, 2008, Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance John, 2nd Ed., John Wiley & Sons, Inc., West Sussex, England; Palmer, III, et al., 2005, Protein NMR Spectroscopy, Second Edition: Principles and Practice, Elsevier Academic Press, San Diego, CA; Ernst et al. (eds.), 1990, Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions, Oxford University Press, Oxford, UK; Mehring et al., 2001, Object-Oriented Magnetic Resonance: Classes and Objects, Calculations and Computations, Academic Press, San Diego, CA; Abragam, 1961, The Principles of Nuclear Magnetism, (International Series of Monographs on Physics, Book 32), Oxford: Clarendon Press, Clarendon, UK; Slichter, 1990, Principles of Magnetic Resonance, Springer, Berlin; Fukushima et al, 1981, Experimental Pulse NMR: A Nuts and Bolts Approach, Addison-Wesley, London。 Definitions of common terms in chemistry can be found in Compendium of Chemical Terminology (IUPAC recommendations), 2nd Ed., 1997, Blackwell Science Inc, Oxford, UK (McNaught, ed.). It is available in a searchable online form on the World Wide Web at goldbook (dot) iupac (dot) org, which is incorporated herein by reference. For principles, methods, calculations and terminology related to NMR, see Levitt, 2008, Spin Dynamics: Basics of Nuclear Magnetic Resonance John, 2nd Ed., which is incorporated herein by reference. John Wiley & Sons, Inc., West Sussex, England; Palmer, III, et al., 2005, Protein NMR Spectroscopy, Second Edition: Principles and Practice, Elsevier Academic Press, San Diego, CA; Ernst et al. (eds. ), 1990, Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions, Oxford University Press, Oxford, UK; Mehring et al., 2001, Object-Oriented Magnetic Resonance: Classes and Objects, Calculations and Computations, Academic Press, San Diego, CA; Abragam, 1961, The Principles of Nuclear Magnetism, (International Series of Monographs on Physics, Book 32), Oxford: Clarendon Press, Clarendon, UK; Slichter, 1990, Principles of Magnetic Resonance, Springer, Berlin; Fukushima et al, 1981, Experimental Pulse NMR: A Nuts and Bolts Approach, Addison-Wesley, London.

本明細書および特許請求の範囲で使用される「a」または「an」は、それが使用される文脈に応じて、1つまたは複数を意味し得ることが理解されるべきである。したがって、例えば、「細胞」への言及は、少なくとも1つの細胞、2つの細胞、または複数(3つ以上)の細胞を意味し得る。 It should be understood that "a" or "an" as used in the specification and claims can mean one or more depending on the context in which it is used. Thus, for example, reference to "a cell" can mean at least one cell, two cells, or multiple (three or more) cells.

本明細書で使用される「約」は、「約」と呼ばれる数が、記載された数プラスマイナス1-10%を含むことを意味する。例えば、「約」50ヌクレオチドは、場合によって45-55ヌクレオチド、または49-51ヌクレオチドを意味する。ここに記載されている場合は常に、「45-55」などの数値範囲は、指定された範囲内の各整数を指す。たとえば、「45-55ヌクレオチド」は、核酸が45ヌクレオチド、46ヌクレオチドから55ヌクレオチドまでを含むことを意味する。説明する範囲に「1.2%-10.5%」などの小数値が含まれる場合、その範囲は最小増分の各小数値を指す所定の範囲で示される。たとえば、「1.2%-10.5%」は、10.5%までの1.2%、1.3%、1.4%、1.5%などなどから10.5%の割合を意味する。「1.20%-10.50%」は、パーセンテージが1.20%、1.21%、1.22%、1.23%などで、10.50%以下であることを示す。 As used herein, "about" means that the number referred to as "about" includes the stated number plus or minus 1-10%. For example, "about" 50 nucleotides means 45-55 nucleotides, or 49-51 nucleotides, as the case may be. Whenever written herein, a numerical range such as "45-55" refers to each integer within the specified range. For example, "45-55 nucleotides" means that the nucleic acid contains 45, 46 to 55 nucleotides. Where the range to be described includes fractional values such as "1.2%-10.5%", the range is shown with a given range referring to each fractional value in the smallest increment. For example, "1.2%-10.5%" would change the percentage from 1.2%, 1.3%, 1.4%, 1.5%, etc. up to 10.5% to 10.5%. means. "1.20%-10.50%" indicates that the percentage is 1.20%, 1.21%, 1.22%, 1.23%, etc. and is less than or equal to 10.50%.

本明細書で使用される「転写」は、RNAポリメラーゼ(例えば、DNA依存性RNAポリメラーゼ)によって触媒されるDNAの1つの鎖(すなわち、テンプレート)のRNAコピーの酵素的合成を指す。「逆転写」とは、逆転写酵素ポリメラーゼ(例えば、RNA依存性DNAポリメラーゼ)によって触媒される、RNAの一方の鎖(すなわち、テンプレート)のDNAコピーの酵素的合成を指す。 As used herein, "transcription" refers to the enzymatic synthesis of RNA copies of one strand of DNA (ie, the template) catalyzed by an RNA polymerase (eg, a DNA-dependent RNA polymerase). "Reverse transcription" refers to the enzymatic synthesis of DNA copies of one strand of RNA (ie, template), catalyzed by a reverse transcriptase polymerase (eg, an RNA-dependent DNA polymerase).

本明細書で使用される「標的分析物」または「標的」は、限定されないが、アッセイで検出することが望ましく、サンプル中に存在し得る任意の分子、分子複合体、細胞または他の物質を指す。本発明の特定の態様において、核酸標的は、アビジンおよびストレプトアビジンに対して例外的な結合親和性を有するビオチンでタグ付けすることができ、ナノ粒子にカップリングされた標的特異的結合部位がアビジンまたはストレプトアビジンである時に、本発明の方法による標的の見地を容易にする。ビオチンとアビジンまたはストレプトアビジンの間に形成される結合は、約10-14から10-15MのKdで既知の非共有結合の中で最も高い親和性を持っている。ビオチンは、末端標識プライマーを使用してPCR中にDNAに組み込むことができる小分子で、一方または両方の末端にビオチンを有する二本鎖DNA産物を生成する。ビオチンは、ビオチン-4-dUTP などのビオチン化デオキシリボヌクレオシド 5’-三リン酸(dNTP)およびエキソヌクレアーゼを含まない熱安定性DNAポリメラーゼ(例: VentR R (exo-), New England Biolabs, Ipswich, MA)を使用してPCR中にDNAに組み込むこともできる。Tasara et al., Nucleic Acids Research, 2003, Vol. 31:2636-46, 2003を参照。 A "target analyte" or "target" as used herein includes, but is not limited to, any molecule, molecular complex, cell or other substance that is desired to be detected in an assay and may be present in a sample. Point. In certain embodiments of the invention, nucleic acid targets can be tagged with biotin, which has exceptional binding affinity for avidin and streptavidin, and the target-specific binding sites coupled to the nanoparticles are avidin or streptavidin, which facilitates target viewing by the methods of the invention. The bond formed between biotin and avidin or streptavidin has the highest affinity of any known non-covalent bond with a Kd of about 10 −14 to 10 −15 M. Biotin is a small molecule that can be incorporated into DNA during PCR using end-labeled primers, producing a double-stranded DNA product with biotin at one or both ends. Biotin is a biotinylated deoxyribonucleoside 5'-triphosphate (dNTP) such as biotin-4-dUTP and an exonuclease-free thermostable DNA polymerase (e.g. Vent R R (exo-), New England Biolabs, Ipswich). , MA) can also be used to incorporate into DNA during PCR. See Tasara et al., Nucleic Acids Research, 2003, Vol.

dTTPをビオチン-4-dUTPで置き換え、適切なテンプレートと組み合わせることにより、標的分析物の高度なビオチン化が促進される。ストレプトアビジンとアビジンは、それぞれビオチンの4分子に結合する多量体タンパク質である。 Replacing dTTP with biotin-4-dUTP and combining with the appropriate template facilitates high biotinylation of target analytes. Streptavidin and avidin are multimeric proteins that each bind four molecules of biotin.

さらに、ビオチンはストレプトアビジンに協調的に結合すると考えられているため、複数のビオチン分子が単一のストレプトアビジンに結合し、より高次のNPC-A複合体が形成される(後述)。Sano et al., J. Biol. Chem., 265: 3369-3373,1990を参照(参照により本明細書に組み込まれる)。ストレプトアビジンに結合するビオチンの高い比率が望ましくない状況では、ストレプトアビジンの一価、二価、三価、および組み換え型を使用することができる。 Fairhead, et al. J. Mol. Biol. 426: 199-214 (2014)を参照(参照により本明細書に組み込まれる。) In addition, biotin is believed to bind streptavidin cooperatively, so that multiple biotin molecules bind to a single streptavidin to form higher order NPC-A complexes (discussed below). See Sano et al., J. Biol. Chem., 265: 3369-3373, 1990 (incorporated herein by reference). In situations where a high proportion of biotin bound to streptavidin is not desired, monovalent, bivalent, trivalent and recombinant forms of streptavidin can be used. See Fairhead, et al. J. Mol. Biol. 426: 199-214 (2014), incorporated herein by reference.

したがって、図5に示されている本発明の一実施形態では、標的分析物は核酸であるか、標的は核酸を含む細胞またはウイルスであり、それらはビオチン化プライマーを使用して増幅される。 Thus, in one embodiment of the invention illustrated in Figure 5, the target analyte is nucleic acid or the target is a cell or virus containing nucleic acid, which are amplified using biotinylated primers.

また、「標的分析物」という用語によって企図されるのは、無傷の標的(intact target)の代理(surrogate)として標的分析物に由来する種である。例えば、ウイルスに特異的な核酸を検出することにより、ウイルスを検出することができる。そのような代用物(例えば、DNAおよびRNA)は、本発明の特定の実施形態に従ってウイルスを検出する目的のための標的分析物と考えることができる。このような場合、ウイルス特異的核酸を検出することを「ウイルスを検出する」と呼ぶ。当業者は、行うことができる推論および行うことができない推論を含む、標的分析物と代理分子との間の区別を理解するであろう。例えば、ウイルス核酸の検出は、伝染性および複製可能なウイルスが存在するかどうかを示さない。 Also contemplated by the term "target analyte" are species derived from the target analyte as surrogates for the intact target. For example, viruses can be detected by detecting virus-specific nucleic acids. Such surrogates (eg, DNA and RNA) can be considered target analytes for purposes of detecting viruses according to certain embodiments of the invention. In such cases, detecting the virus-specific nucleic acid is referred to as "detecting the virus." Those skilled in the art will understand the distinction between target analytes and surrogate molecules, including inferences that can and cannot be made. For example, detection of viral nucleic acid does not indicate whether an infectious and replication-competent virus is present.

本明細書で使用される「サンプル」という用語は、物質のアリコートをいい、多くの場合生物学的物質に由来することができる水溶液または水性懸濁液を指し、標的分析物を含む可能性のあるものであることができる。本発明の方法によって検体の存在についてアッセイされるサンプルとしては、例えば、細胞、組織、ホモジネート、溶解物、抽出物、精製または部分精製されたタンパク質および他の生体分子およびそれらの混合物があげられる。本発明の方法で典型的に使用される試料の非限定的な例には、全血、血清、血漿、脳脊髄液、喀痰、気管支洗浄液、気管支吸引液、尿、リンパ液、および呼吸器の様々な外分泌物、腸および泌尿生殖路、涙、唾液、乳、白血球、骨髄腫などのヒトおよび動物の体液;細胞培養上清などの体液;固定されているか固定されていない組織標本、固定されているか固定されていない細胞標本;空気サンプル、土壌サンプル、エアロゾル、ハイドロゾル、表面(ウェットまたはドライ)から得られたワイプサンプル(ウェットまたはドライ)、水またはその他の液体、食品と臨床検体、たとえば血液、尿、唾液、組織、痰、便などとの複合体などの環境サンプルがあげられる。 As used herein, the term "sample" refers to an aliquot of material, often an aqueous solution or suspension that can be derived from a biological material, that may contain a target analyte. can be something. Samples assayed for the presence of analytes by the methods of the invention include, for example, cells, tissues, homogenates, lysates, extracts, purified or partially purified proteins and other biomolecules, and mixtures thereof. Non-limiting examples of samples typically used in the methods of the invention include whole blood, serum, plasma, cerebrospinal fluid, sputum, bronchial lavage, bronchial aspirate, urine, lymph, and various respiratory fluids. human and animal body fluids such as exocrine secretions, intestinal and urogenital tracts, tears, saliva, milk, leukocytes, myeloma; body fluids such as cell culture supernatants; fixed or unfixed tissue specimens; or unfixed cell specimens; air samples, soil samples, aerosols, hydrosols, wipe samples (wet or dry) obtained from surfaces (wet or dry), water or other liquids, food and clinical specimens such as blood, Examples include environmental samples such as urine, saliva, tissue, sputum, stool and complexes.

本発明の方法で使用されるサンプルは、アッセイされる組織、細胞、抽出物または他の材料、特に生物学的材料の性質に基づいて変化する。細胞または他の生物学的材料から例えばホモジネート、懸濁液、溶液、抽出物および画分(核酸を含む)を調製する方法は、当技術分野で周知であり、本明細書に記載の方法に適合するサンプルを得るために容易に適合させることができる。 Samples used in the methods of the invention will vary based on the nature of the tissue, cell, extract or other material being assayed, particularly the biological material. Methods for preparing, for example, homogenates, suspensions, solutions, extracts and fractions (containing nucleic acids) from cells or other biological material are well known in the art and include the methods described herein. It can be easily adapted to obtain matched samples.

本明細書で使用される「増幅」は、DNAまたはRNAフラグメントまたは領域などのポリヌクレオチドの同一のコピーを作成するプロセスを指す。増幅は、LAMPポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって達成することができるが、当技術分野で知られている他の方法が、本発明のDNA断片を増幅するのに適している場合がある。 As used herein, "amplification" refers to the process of making identical copies of a polynucleotide, such as a DNA or RNA fragment or region. Amplification can be accomplished by LAMP polymerase chain reaction (PCR), although other methods known in the art may be suitable for amplifying the DNA fragments of this invention.

「標的DNAまたはRNA配列」または「標的DNAまたはRNA」は、検出、キャラクタリゼーション、または定量化が望まれる対象のDNAまたはRNA配列である。標的DNAの実際のヌクレオチド配列は、知られているか知られていない可能性がある。「標的DNAまたはRNAフラグメント」または「標的フラグメント」は、標的DNAまたはRNA配列を含むDNAまたはRNAのセグメントである。標的断片は、試料から単離するか、または例えば剪断、超音波処理、または1つまたは複数の制限エンドヌクレアーゼによる消化を含む任意の方法によって生成することができる。 A "target DNA or RNA sequence" or "target DNA or RNA" is a DNA or RNA sequence of interest that is desired to be detected, characterized, or quantified. The actual nucleotide sequence of target DNA may or may not be known. A "target DNA or RNA fragment" or "target fragment" is a segment of DNA or RNA that contains a target DNA or RNA sequence. Target fragments can be isolated from a sample or generated by any method including, for example, shearing, sonication, or digestion with one or more restriction endonucleases.

本明細書で使用される場合、「テンプレート」はポリヌクレオチドであり、それから相補的なオリゴまたはポリ-ヌクレオチドのコピーが合成されるポリヌクレオチドである。 As used herein, a "template" is a polynucleotide from which complementary oligo- or poly-nucleotide copies are synthesized.

「合成」は、一般に、化学的手段または酵素的手段を介して核酸を生成するプロセスを指す。化学合成は、典型的には、使用できる核酸の一本鎖、ならびにプライマーおよびプローブを生成するために使用される。酵素を介した「合成」には、テンプレートからの転写と複製の両方が含まれる。合成には、ターゲットの単一コピーまたは複数コピーの作成が含まれる。「複数のコピー」とは、少なくとも2つのコピーを意味する。「コピー」は、テンプレート配列との完全な配列相補性または同一性を必ずしも意味しない。例えば、コピーには、ヌクレオチド類似体、意図的な配列変更(テンプレートにハイブリダイズ可能であるが相補的ではない配列を含むプライマーを介して導入される配列変更など)、および/または合成の間に起きる配列エラーが含まれることができる。 "Synthesis" generally refers to the process of producing nucleic acids through chemical or enzymatic means. Chemical synthesis is typically used to generate usable single strands of nucleic acid, as well as primers and probes. Enzymatically mediated "synthesis" includes both transcription and replication from a template. Synthesis involves making a single copy or multiple copies of a target. "Multiple copies" means at least two copies. A "copy" does not necessarily imply perfect sequence complementarity or identity with the template sequence. For example, copies may include nucleotide analogues, deliberate sequence alterations (such as sequence alterations introduced via primers containing sequences hybridizable to the template but not complementary), and/or during synthesis. Sequence errors that occur can be included.

「ポリヌクレオチド」および「核酸(分子)」という用語は、任意の長さのヌクレオチドのポリマー形態を指すために交換可能に使用される。ポリヌクレオチドは、デオキシリボヌクレオチド、リボヌクレオチドおよび/またはそれらの類似体を含み得る。ヌクレオチドは、修飾されていても修飾されていなくてもよく、任意の三次元構造を持ち、既知または未知の任意の機能を奏することができる。「ポリヌクレオチド」という用語は、一本鎖、二本鎖、および三重らせん分子を含む。以下は、ポリヌクレオチドの非限定的な実施形態である:遺伝子または遺伝子フラグメント、エキソン、イントロン、mRNA、tRNA、rRNA、リボザイム、cDNA、組換えポリヌクレオチド、分岐ポリヌクレオチド、プラスミド、ベクター、任意の配列の単離されたDNA、任意の配列の単離されたRNA、核酸プローブおよびプライマー。 The terms "polynucleotide" and "nucleic acid (molecule)" are used interchangeably to refer to polymeric forms of nucleotides of any length. A polynucleotide may comprise deoxyribonucleotides, ribonucleotides and/or analogs thereof. Nucleotides can be modified or unmodified, have any three-dimensional structure, and can perform any known or unknown function. The term "polynucleotide" includes single-, double-, and triple-stranded molecules. The following are non-limiting embodiments of polynucleotides: genes or gene fragments, exons, introns, mRNA, tRNA, rRNA, ribozymes, cDNA, recombinant polynucleotides, branched polynucleotides, plasmids, vectors, any sequence. isolated DNA of any sequence, isolated RNA of any sequence, nucleic acid probes and primers.

「オリゴヌクレオチド」は、一本鎖または二本鎖核酸の2から約100のヌクレオチドのポリヌクレオチドを指し、典型的にはDNAである。オリゴヌクレオチドは、オリゴマーまたはオリゴとしても知られており、遺伝子および他の生物学的物質から単離するか、当技術分野で知られている方法によって化学的に合成することができる。「プライマー」は少なくとも6ヌクレオチドを含むオリゴヌクレオチドを指し、通常一本鎖であり、酵素媒介核酸合成の開始のための3’-ヒドロキシル末端を提供する。「ポリヌクレオチドプローブ」または「プローブ」は、相補的なポリヌクレオチド配列に特異的にハイブリダイズするポリヌクレオチドである。本明細書で使用される場合、「特異的に結合する(specifically binds)」または「特異的にハイブリダイズする(specifically hybridizes)」とは、所定の条件下での分子の別の分子への結合、二重鎖形成、またはハイブリダイズを指す。したがって、プローブまたはプライマーは、所与の結合条件下で意図された標的ポリヌクレオチドのみに「特異的にハイブリダイズ」し、抗体は、所与の結合条件下で意図された標的抗原のみに「特異的に結合」する。所与の条件は、結合またはハイブリダイゼーションについて示された条件であり、当業者の知識の範囲内である緩衝液、イオン強度、温度および他の因子を含む。当業者はまた、特異的結合が破壊または解離され、したがって、例えば抗体-抗原、受容体-リガンドおよびプライマー-標的ポリヌクレオチドの組み合わせを溶出(eluting)またはメルティング(melting)できる条件についても熟知している。 "Oligonucleotide" refers to a polynucleotide of 2 to about 100 nucleotides of single- or double-stranded nucleic acid, typically DNA. Oligonucleotides, also known as oligomers or oligos, can be isolated from genes and other biological material or chemically synthesized by methods known in the art. A "primer" refers to an oligonucleotide containing at least 6 nucleotides, usually single-stranded, that provides a 3'-hydroxyl terminus for initiation of enzyme-mediated nucleic acid synthesis. A "polynucleotide probe" or "probe" is a polynucleotide that specifically hybridizes to a complementary polynucleotide sequence. As used herein, "specifically binds" or "specifically hybridizes" refers to the binding of a molecule to another molecule under defined conditions. , duplex formation, or hybridisation. Thus, a probe or primer will "specifically hybridize" only to its intended target polynucleotide under given binding conditions, and an antibody will only "specifically hybridize" to its intended target antigen under given binding conditions. to “bind”. Conditions given are those indicated for binding or hybridization and include buffers, ionic strength, temperature and other factors within the purview of those skilled in the art. Those skilled in the art are also familiar with the conditions under which specific binding is broken or dissociated, thus allowing, for example, eluting or melting antibody-antigen, receptor-ligand and primer-target polynucleotide combinations. ing.

「核酸配列」は、DNAまたはRNAなどのオリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチドにおけるヌクレオチド塩基の配列を指す。二本鎖分子の場合、一本鎖を使用して両方の鎖を表すことができ、相補的な鎖はワトソン-クリック塩基対によって推測される。 A "nucleic acid sequence" refers to a sequence of nucleotide bases in an oligonucleotide or polynucleotide such as DNA or RNA. For double-stranded molecules, single strand can be used to refer to both strands, with the complementary strand inferred by Watson-Crick base pairing.

「相補的」または「相補性」という用語は、第2のポリヌクレオチド(オリゴヌクレオチドでもよい)と「逆方向会合(antiparallel association)」している第1のポリヌクレオチド(オリゴヌクレオチドでもよい)に関して使用される。本明細書で使用される場合、「逆方向会合」という用語は、2つの会合したポリヌクレオチドの個々のヌクレオチドまたは塩基が、ワトソン・クリックの塩基対規則に従って実質的に対になるような、2つのポリヌクレオチドの整列を指す。相補性は、ポリヌクレオチドの塩基の一部のみが塩基対合規則に従って一致する「部分的」であり得る。しかしながら、ポリヌクレオチド間に「完全な」または「総合的な(total)」相補性が存在し得る。核酸技術の当業者は、例えば、オリゴヌクレオチドであることができる第1のポリヌクレオチドの長さ、第1ののポリヌクレオチドの塩基組成および配列、イオン強度および誤って組合せられた塩基対の発生率を含む多くの変数の考慮により、二本鎖の安定を経験的に決定することができる。 The terms "complementary" or "complementarity" are used in reference to a first polynucleotide (which may be an oligonucleotide) in "antiparallel association" with a second polynucleotide (which may be an oligonucleotide). be done. As used herein, the term "reverse association" refers to two associations such that the individual nucleotides or bases of two associated polynucleotides are substantially paired according to the Watson-Crick base pairing rules. It refers to an alignment of two polynucleotides. Complementarity can be "partial," in which only some of the bases of the polynucleotides are matched according to the base pairing rules. However, there may be "complete" or "total" complementarity between the polynucleotides. Those skilled in the art of nucleic acid technology will know, for example, the length of the first polynucleotide, which can be an oligonucleotide, the base composition and sequence of the first polynucleotide, the ionic strength and the incidence of base pairing errors. Duplex stability can be determined empirically by consideration of a number of variables, including .

本明細書で使用する「ハイブリダイゼーション」という用語は、6個以上のヌクレオチドを含むオリゴヌクレオチドおよびポリヌクレオチドを含む、相補的核酸の塩基対形成に関して使用される。ハイブリダイゼーションおよびハイブリダイゼーションの強さ(すなわち、核酸間の会合の強さ)は、核酸間の相補性の程度、関連する反応条件のストリンジェンシー(stringency)、形成されたハイブリッドの融解温度(Tm)、および二本鎖核酸内のG:C比などの要因によって影響を受ける。一般に、「ハイブリダイゼーション」法は、相補的ポリヌクレオチドを標的核酸(すなわち、直接的または間接的手段によって検出される配列)にアニーリングすることを含む。 As used herein, the term "hybridization" is used in reference to the base-pairing of complementary nucleic acids, including oligonucleotides and polynucleotides containing 6 or more nucleotides. Hybridization and the strength of hybridization (i.e., the strength of association between nucleic acids) are measured by the degree of complementarity between nucleic acids, the stringency of the relevant reaction conditions, the melting temperature (Tm) of the hybrids formed. , and the G:C ratio within the double-stranded nucleic acid. Generally, "hybridization" methods involve annealing a complementary polynucleotide to a target nucleic acid (ie, the sequence detected by direct or indirect means).

相補配列を含む2つのポリヌクレオチドおよび/またはオリゴヌクレオチドの、互いに配置され、塩基ペアリング相互作用を介して互いにアニールされる能力は、よく認識された現象である。 The ability of two polynucleotides and/or oligonucleotides containing complementary sequences to be aligned with each other and annealed to each other via base-pairing interactions is a well-recognized phenomenon.

核酸の非特異的ハイブリダイゼーションが観察される場合、反応は、低ストリンジェンシーの代わりに中ストリンジェンシーまたは高ストリンジェンシーなどのより高いストリンジェンシーで実施することができる。本明細書で使用する「高ストリンジェンシー」とは、60から65℃で0.2から0.5xSSCでのハイブリダイゼーション、または二本鎖形成が起こるために2つの一本鎖核酸間の100%の相補性を必要とする条件を指す。「中ストリンジェンシー」は50から60℃で1から2xSSCを指し、「低ストリンジェンシー」は40から50℃で4から6xSSCを指す。ここで、1xSSCは0.15M NaCl、0.015M クエン酸ナトリウムである。核酸間のある程度のミスマッチは、中および低ストリンジェンシーで許容される。当業者は、さらに核酸ハイブリダイゼーションのストリンジェンシーを増加させるか減少させるために使用することができる他の条件および薬剤(たとえば、上昇した温度、ホルムアミドの追加あるいはより高GC含量の選択された核酸分析物)に精通しているだろう。 If non-specific hybridization of nucleic acids is observed, the reaction can be performed at higher stringency, such as medium stringency or high stringency instead of low stringency. As used herein, "high stringency" means hybridization at 0.2 to 0.5 x SSC at 60 to 65°C, or 100% refers to the condition requiring complementarity of "Medium stringency" refers to 1 to 2 x SSC at 50 to 60°C, and "low stringency" refers to 4 to 6 x SSC at 40 to 50°C. where 1×SSC is 0.15M NaCl, 0.015M sodium citrate. Some degree of mismatch between nucleic acids is tolerated at medium and low stringency. Those skilled in the art will appreciate other conditions and agents that can be used to further increase or decrease the stringency of nucleic acid hybridization (e.g. elevated temperature, addition of formamide or higher GC content of selected nucleic acid assays). things).

「複合体」は、成分の集合である。複合体は安定している場合も安定していない場合もあり、直接的または間接的に検出されることができる。例えば、本明細書に記載されるように、反応の特定の成分および反応の生成物のタイプが与えられると、複合体の存在を推測することができる。例えば、本明細書に記載の不完全転写法(abortive transcription method)において、複合体は一般に、最終不完全転写または複製産物などの最終反復合成産物に関する中間体である。 A "complex" is a collection of components. Complexes may or may not be stable and can be detected directly or indirectly. For example, as described herein, the existence of complexes can be inferred given the particular components of the reaction and the type of product of the reaction. For example, in the abortive transcription methods described herein, complexes are generally intermediates for final repetitive synthesis products, such as final abortive transcription or replication products.

本明細書で使用する用語「接触」(すなわち、標的分析物をナノ粒子と接触させること)は、一般に、1つの成分、試薬、標的分析物またはサンプルを別のものに接近させることを指す。例えば、接触は、磁性ナノ粒子を含む溶液を標的分析物を含むサンプルと混合することを含み得る。「接触」は、標的とナノ粒子をインビトロで一緒にインキュベートすることを含むことを意図している(例えば、標的分析物を含む液体サンプルにナノ粒子を添加する)。 As used herein, the term "contacting" (i.e., bringing the target analyte into contact with the nanoparticles) generally refers to bringing one component, reagent, target analyte or sample into close proximity with another. For example, contacting can include mixing a solution containing magnetic nanoparticles with a sample containing a target analyte. "Contacting" is intended to include incubating the target and the nanoparticles together in vitro (eg, adding the nanoparticles to a liquid sample containing the target analyte).

本明細書で使用される「実質的に」という用語は、かなりの範囲または程度を指す。例えば、「実質的に均一」は、ナノ粒子が液体全体に大部分または大きな程度分散している懸濁液を表すために使用できるが、ナノ粒子の分布のわずかな変動が懸濁液内の異なる場所に存在する場合がある。他の文脈では、「実質的に」という用語は、他の用語と組み合わせた場合、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、または少なくとも99%を意味する。例えば、「実質的に含まない」(例えば、「汚染物質を実質的に含まない」、「標的分析物を実質的に含まない」、「ナノ粒子を実質的に含まない」または同等の表現)とは、溶液、液体、サンプルなどが、少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、少なくとも99%または少なくとも約100%、汚染物質、標的分析物、ナノ粒子またはそれらの等価物などの言及された物質を含まないことを意味する。対照的に、「実質的に類似した」組成物、プロセス、方法、溶液などは、参照と少なくとも80%、少なくとも85%、少なくとも90%、少なくとも95%、または少なくとも99%、組成物、プロセス、方法、溶液、または本明細書で前述した組成物、プロセス、方法、溶液、または参照によりその全体が本明細書に組み込まれる前述のプロセスまたは方法に類似することを意味する。 The term "substantially" as used herein refers to a substantial extent or degree. For example, "substantially uniform" can be used to describe a suspension in which the nanoparticles are dispersed to a large extent or to a large extent throughout the liquid, whereas slight variations in the distribution of the nanoparticles can occur within the suspension. May exist in different locations. In other contexts, the term "substantially" when combined with other terms means at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, or at least 99%. For example, "substantially free" (e.g., "substantially free of contaminants", "substantially free of target analytes", "substantially free of nanoparticles" or equivalent expressions) means that a solution, liquid, sample, etc., contains at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, at least 99%, or at least about 100%, a contaminant, target analyte, nanoparticle or equivalent thereof It means that it does not contain the mentioned substances such as In contrast, a "substantially similar" composition, process, method, solution, etc. is at least 80%, at least 85%, at least 90%, at least 95%, or at least 99%, a composition, process, method, solution, etc. Means similar to a method, solution, or composition, process, method, solution previously described herein, or any of the foregoing processes or methods, which are incorporated herein by reference in their entirety.

本明細書で使用される「結合部位」は、分子の別の分子への特徴的な結合に関与する、分子内の特定の原子群を指す。結合部位は、例えば別の分子への結合など、それらの機能特性を保持しながら、さまざまなベース分子に結合または統合できる官能基の一種である。特に、「標的分析物特異的結合部位」は、それらの類似の標的分析物に結合し、ナノ粒子などのベース分子に組み込まれるかまたは結合されると、標的特異的結合をナノ粒子に付与する。本発明の方法での使用に適した標的特異的結合部位としては、非限定的に、天然抗体および合成抗体、核酸、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質、有機小分子、リガンド、受容体、炭水化物(例えば単糖、多糖、砂糖)、アプタマーおよびそれらの組み合わせがあげられる。 As used herein, a "binding site" refers to a specific group of atoms within a molecule that participates in the characteristic binding of a molecule to another molecule. Binding sites are a class of functional groups that can be attached or integrated into various base molecules while retaining their functional properties, eg binding to another molecule. In particular, "target analyte-specific binding sites" bind their analogous target analytes and impart target-specific binding to the nanoparticles when incorporated or attached to a base molecule such as a nanoparticle. . Target-specific binding sites suitable for use in the methods of the invention include, but are not limited to, natural and synthetic antibodies, nucleic acids, peptides, polypeptides, proteins, small organic molecules, ligands, receptors, carbohydrates (e.g. monosaccharides, polysaccharides, sugars), aptamers and combinations thereof.

本明細書で使用される「検出する」、「検出」、および「検出される」という用語は、当業者に知られている通常の意味を有し、検出されるべき分子(例えば、核酸)の存在または非存在の検出、または分子の量の検出をいう。 The terms "detect," "detection," and "detected," as used herein, have their ordinary meanings known to those of skill in the art and refer to the molecules (e.g., nucleic acids) to be detected. or the detection of the amount of a molecule.

「マイクロアレイ」および「アレイ」は、化合物、サンプル、またはオリゴまたはポリヌクレオチドなどの分子の集合の配置を指すために交換可能に使用される。配列は通常、「アドレス指定可能(addressable)」であり、集合の個々のメンバーが配列内で一意の同定可能な位置を持つ。アレイは、ガラススライドなどの固体基板上、ニトロセルロース膜などの半固体基板上、またはチューブやマイクロタイタープレートウェルなどの容器内で形成できる。アレイの一般的な配置は、96ウェルマイクロタイタープレートなどの8行×12列構成、および384ウェルPCRプレートなどの16行×24列構成である。本発明の方法における使用は、当業者の知識の範囲内である。 "Microarray" and "array" are used interchangeably to refer to an arrangement of a collection of compounds, samples, or molecules such as oligos or polynucleotides. Arrays are typically "addressable", with each member of the set having a uniquely identifiable position within the array. Arrays can be formed on solid substrates such as glass slides, on semi-solid substrates such as nitrocellulose membranes, or in containers such as tubes or microtiter plate wells. Common arrangements for arrays are 8 rows by 12 columns, such as in 96-well microtiter plates, and 16 rows by 24 columns, such as in 384 well PCR plates. Use in the methods of the invention is within the knowledge of those skilled in the art.

「固体支持体」という用語は、例えば捕捉プローブまたは他のオリゴヌクレオチドまたはポリヌクレオチド、ポリペプチド、抗体または他の所望の分子または複合体を固定化するために使用できる任意の固相を指す。適切な固体支持体は当技術分野で周知であり、非限定的な例として、マイクロタイタープレートなどの反応トレイのウェルの壁、試験管の壁、ポリスチレンビーズ、常磁性または非磁性ビーズ、ガラススライド、ニトロセルロースメンブレン、ナイロンメンブレン、ラテックス粒子などの微粒子があげられる。固体支持体の典型的な材料には、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリスチレン、セルロース、アガロース、デキストラン、ガラス、ナイロン、ラテックスおよびそれらの誘導体が含まれるが、これらに限定されない。さらに、固体支持体はコーティングされていてもよく、所望の分子の接着を促進するため、および/または非特異的結合または他の望ましくない相互作用を決定するために、誘導体化または修飾される。特定の「固相」の選択は、通常は重要ではなく、使用する方法およびアッセイに応じて当業者が選択することができる。好都合なことに、固体支持体は、様々な検出方法に適応するように選択することができる。例えば、96ウェルプレートまたは384ウェルプレートは、例えばロボットワークステーションによって自動化されるアッセイ、および/または例えばプレートリーダーを使用して検出されるアッセイに使用することができる。 The term "solid support" refers to any solid phase that can be used, for example, to immobilize capture probes or other oligonucleotides or polynucleotides, polypeptides, antibodies or other molecules or complexes of interest. Suitable solid supports are well known in the art and non-limiting examples include walls of wells in reaction trays such as microtiter plates, walls of test tubes, polystyrene beads, paramagnetic or non-magnetic beads, glass slides. , nitrocellulose membranes, nylon membranes, latex particles and the like. Typical materials for solid supports include, but are not limited to, polyvinyl chloride (PVC), polystyrene, cellulose, agarose, dextran, glass, nylon, latex and derivatives thereof. Additionally, solid supports may be coated, derivatized or modified to promote attachment of desired molecules and/or to determine non-specific binding or other undesirable interactions. The choice of a particular "solid phase" is generally not critical and can be selected by one skilled in the art depending on the method and assay used. Conveniently, the solid support can be selected to accommodate various detection methods. For example, 96-well plates or 384-well plates can be used for assays that are automated, eg, by robotic workstations, and/or detected using, eg, plate readers.

分子を固相に固定化するための適切な方法には、イオン性、疎水性、共有結合など、およびそれらの組み合わせが含まれる。ただし、固定化の方法は通常重要ではなく、キャラクタリゼーションされていない吸着メカニズムが関与する場合がある。したがって、本明細書で使用する「固体支持体」は、不溶性であるか、またはその後の反応によって不溶性にすることができる任意の物質を指すことができる。固体支持体は、捕捉試薬を引き付けて固定化する固有の能力により選択することができる。あるいは、固体支持体は、例えば「捕捉」試薬を引き付けて固定化する能力を有する追加の分子を保持することができる。「検出限界」、「閾値」、および「検出閾値」は、正確に検出できる標的の最低の量または濃度を指すために互換的に使用される。 Suitable methods for immobilizing molecules to solid phases include ionic, hydrophobic, covalent bonding, etc., and combinations thereof. However, the method of immobilization is usually not critical and may involve uncharacterized adsorption mechanisms. Accordingly, "solid support" as used herein can refer to any material that is insoluble or can be rendered insoluble by subsequent reaction. Solid supports can be selected for their inherent ability to attract and immobilize capture reagents. Alternatively, the solid support can carry additional molecules that have the ability to attract and immobilize, for example, "capture" reagents. "Detection limit," "threshold," and "detection threshold" are used interchangeably to refer to the lowest amount or concentration of target that can be accurately detected.

本明細書で使用される「伝染病」とは、コミュニティ、集団、または地域内の多数の人々に影響を与える伝染性疾患(すなわち、伝染性( transmissible)、感染性および/または接触感染性(contagious))を指す。「パンデミック」とは、複数の国または大陸に広がった伝染病を指す。「風土病」とは、州や国などの特定の人口または地理的地域に限定された伝染病を指す。 As used herein, "communicable disease" means a contagious disease (i.e., transmissible, contagious and/or contagious) that affects a large number of people within a community, population, or area. contagious)). "Pandemic" means an infectious disease that has spread to more than one country or continent. "Endemic" means an epidemic confined to a particular population or geographical area, such as a state or country.

本発明は、磁場を使用してナノ粒子を検出することができ、標的特異的結合部位に結合して「標的分析物特異性ナノ粒子」を形成したナノ粒子を含む、ナノ粒子の運動および相互作用に影響を与えるために利用することもできるという観察に基づいている。特に、磁場を使用して、ナノ粒子を動かし、ナノ粒子を濃縮し、ナノ粒子の凝集を促進することができる。これは、標的特異的ナノ粒子上の標的特異的部位とその類似標的との結合に影響を与え、標的の存在下で標的特異的ナノ粒子複合体を形成するために使用することができる。 The present invention is capable of detecting nanoparticles using a magnetic field, and the movement and interaction of nanoparticles, including nanoparticles bound to target-specific binding sites to form "target-analyte-specific nanoparticles." It is based on the observation that it can also be used to influence behavior. In particular, magnetic fields can be used to move nanoparticles, concentrate nanoparticles, and promote aggregation of nanoparticles. This can be used to influence the binding of target-specific sites on target-specific nanoparticles to their analogous targets, forming target-specific nanoparticle complexes in the presence of target.

本発明は、標的分析物を非常に高い感度で迅速に検出する方法を提供し、それにより、標的分析物が非常に希釈されている場合でも、数時間以内、多くの場合、30分から60分以内に検出可能なシグナルを得る。本発明は、磁場をナノ粒子を検出するために使用することができ、また、標的分析物特異性結合部位に結合して「標的分析物特異的ナノ粒子」を形成したナノ粒子を含む、ナノ粒子の運動および相互作用に影響を与えるために利用することができるという観察に基づいている。特に、磁場を使用して、ナノ粒子を動かし、ナノ粒子を濃縮し、ナノ粒子の凝集を促進することができる。これは、標的特異的ナノ粒子上の標的特異的部位とその類似標的との結合に影響を与え、標的の存在下で標的特異的ナノ粒子複合体を形成するために使用することができる。 The present invention provides a very sensitive and rapid method of detecting target analytes, whereby even when the target analytes are highly diluted, within hours, often 30 to 60 minutes. obtain a detectable signal within The present invention is directed to nanoparticles, including nanoparticles that can use magnetic fields to detect nanoparticles and that have bound target analyte-specific binding sites to form "target analyte-specific nanoparticles." It is based on the observation that it can be used to influence particle motion and interactions. In particular, magnetic fields can be used to move nanoparticles, concentrate nanoparticles, and promote aggregation of nanoparticles. This can be used to influence the binding of target-specific sites on target-specific nanoparticles to their analogous targets, forming target-specific nanoparticle complexes in the presence of target.

当技術分野で公知であり、以下で詳細に論じるように、ナノ粒子の凝集は、NMR技術を使用して検出することができる。本発明によれば、標的特異的ナノ粒子と標的との複合体を含有するサンプルのNMRシグナルは、サンプルを制御された磁気濃度、破壊および再懸濁プロセスに供することによって増加および最適化することができる。 As known in the art and discussed in detail below, aggregation of nanoparticles can be detected using NMR techniques. According to the present invention, the NMR signal of a sample containing target-specific nanoparticle-target complexes is increased and optimized by subjecting the sample to a controlled magnetic concentration, disruption and resuspension process. can be done.

したがって、本発明は、磁気共鳴測定に基づく標的分析物の検出方法を提供する。この方法では、通常は非磁性シェルに包まれている、常磁性または超常磁性成分を有するナノメートルスケールの粒子である「ナノ粒子」を使用する。これは、分析物に直接的または間接的に結合する部位(「標的分析物特異的結合部位」)に結合される。本発明の一態様では、磁気共鳴「ナノスイッチ」の形態の磁性ナノ粒子を使用して、標的分析物が検出される。磁気共鳴ナノスイッチは、標的分析物または様々な形態の標的分析物による、隣接する水分子のスピン-スピン緩和時間(すなわち、スピン-スピン デフェージング時間またはT2)の変化を伴う分散状態とクラスター化状態との間で切り替わるように誘導される磁性ナノ粒子である。そのような実施形態では、測定可能なT2値は、サンプル中のナノ粒子の凝集度に依存する。 Accordingly, the present invention provides a method of detecting target analytes based on magnetic resonance measurements. This method uses "nanoparticles", which are nanometer-scale particles with a paramagnetic or superparamagnetic component, usually encased in a non-magnetic shell. It is attached to a site that directly or indirectly binds the analyte (a "target analyte-specific binding site"). In one aspect of the invention, magnetic nanoparticles in the form of magnetic resonance "nanoswitches" are used to detect target analytes. Magnetic resonance nanoswitches are dispersed states and clustered with changes in the spin-spin relaxation time (i.e. spin-spin dephasing time or T2) of adjacent water molecules by the target analyte or various forms of the target analyte. Magnetic nanoparticles that are induced to switch between states. In such embodiments, the measurable T2 value depends on the degree of aggregation of the nanoparticles in the sample.

核磁気共鳴
「核磁気共鳴」または「NMR」は、磁場中の原子核が電磁放射を吸収し、再放射または「共鳴」する物理現象である。奇数の陽子および/または中性子を含む原子核は、「非ゼロスピン」と呼ばれる固有の磁気モーメントと角運動量を持ち、NMR活性である。陽子と中性子の数が偶数の原子核は、全スピンがゼロであるため、NMRに対して不活性である。有利なことに、水分子中の水素は非ゼロスピンの原子核を有するため、水溶性分子のNMR分析は水溶液中で頻繁に行われる。
Nuclear Magnetic Resonance "Nuclear Magnetic Resonance" or "NMR" is the physical phenomenon by which atomic nuclei in a magnetic field absorb and re-emit or "resonate" electromagnetic radiation. Atomic nuclei containing an odd number of protons and/or neutrons have an intrinsic magnetic moment and angular momentum called "non-zero spin" and are NMR active. Atomic nuclei with an even number of protons and neutrons are inert to NMR because their total spin is zero. Advantageously, NMR analysis of water-soluble molecules is frequently performed in aqueous solutions, since hydrogen in water molecules has nuclei with non-zero spin.

磁場内に配置されると、NMR活性原子核(すなわち、「非ゼロスピン原子核」)は、同位体の周波数特性で電磁放射を吸収する。核スピンによる共鳴吸収は、正しい周波数(つまり、同位体のラーモア周波数)の電磁放射が使用された場合にのみ発生する。核磁気共鳴の現象は、磁化を測定可能にする。共鳴周波数と強度は、磁場の強さに正比例する。 When placed in a magnetic field, NMR-active nuclei (ie, “non-zero spin nuclei”) absorb electromagnetic radiation with an isotopic frequency characteristic. Resonant absorption by nuclear spins only occurs when electromagnetic radiation of the correct frequency (ie the Larmor frequency of the isotope) is used. The phenomenon of nuclear magnetic resonance makes magnetization measurable. The resonant frequency and intensity are directly proportional to the strength of the magnetic field.

NMRに基づく技術は、典型的には、一連のシーケンシャル工程を含む:
1. 適用された、空間的および時間的に一定な(「均一な」)磁場における磁気原子核スピンの整列(「分極」);
2. 電磁パルス、通常はラジオ周波数(RF)パルスの適用による原子核スピンの整列の乱れ(「励起」);および。
3. 共鳴エネルギー「シグナル」の測定。
NMR-based techniques typically involve a series of sequential steps:
1. alignment (“polarization”) of magnetic nuclear spins in an applied spatially and temporally constant (“uniform”) magnetic field;
2. Disordering of nuclear spins (“excitation”) by application of an electromagnetic pulse, usually a radio frequency (RF) pulse; and.
3. Measurement of resonance energy "signal".

非ゼロスピン原子を含む磁化されていないサンプルでは、??NMR活性原子核のスピンはランダムな方向を向いている。図6Aを参照。 In an unmagnetized sample containing non-zero spin atoms, the spins of the ??NMR-active nuclei are randomly oriented. See Figure 6A.

均一磁場の存在下での分極により、NMR活性原子核が均一磁場の方向に整列する。図6B参照。 Polarization in the presence of a uniform magnetic field aligns the NMR active nuclei in the direction of the uniform magnetic field. See Figure 6B.

本明細書で使用される場合、「均一な磁場」は、サンプル容積などの容積全体にわたって同じ大きさおよび方向を有するものを指す。均一な磁場は原子核のスピンの向きを変えるが、不均一な磁場のように磁化可能な原子を動かさないことに注意すべきである。個々の磁気原子核スピンの分極は容易に検出できないが、整列の磁気モーメントは、サンプル内の検出可能な非ゼロスピン原子核の和のベクトル量である。したがって、サンプル中のこれらのベクトル量の合計(「バルク磁化ベクトル」あるいは「バルク磁化」; 図6Bの破線の矢印)は検知器を使用して測定される。 As used herein, a "uniform magnetic field" refers to one that has the same magnitude and direction throughout a volume, such as a sample volume. It should be noted that a uniform magnetic field reorients the spins of atomic nuclei, but does not move magnetizable atoms like an inhomogeneous magnetic field. The magnetic moment of alignment is the vector quantity of the sum of the detectable non-zero spin nuclei in the sample, although the polarization of the individual magnetic nucleus spins is not readily detectable. The sum of these vector quantities in the sample (“bulk magnetization vector” or “bulk magnetization”; dashed arrows in FIG. 6B) is therefore measured using a detector.

適切な電磁エネルギーを適用すると、個々の原子核ベクトルのスピンが摂動され(perturbed)、バルク磁化ベクトルが再配向する。適切な電磁パルスは、典型的には、関連する非ゼロスピン原子核(例えば、H)に対するラーモア周波数のラジオ周波数(RF)パルスであり、典型的には均一磁場の方向に垂直な面に印加される。Hのラーモア周波数は24.58MHz/Tである。パルスの持続時間が十分である場合、バルク磁化ベクトルは、図6Cに示されるように、均一磁場に垂直な面に再配向する。バルク磁化ベクトルは、RFパルスに応答して再配向する時間経過と共に、または再配向が発生した時点で検出および記録できる。 Application of appropriate electromagnetic energy perturbeds the spin of individual nuclear vectors and reorients the bulk magnetization vector. A suitable electromagnetic pulse is typically a radio frequency (RF) pulse at the Larmor frequency to the relevant non-zero spin nuclei (e.g. H), typically applied in a plane perpendicular to the direction of the homogeneous magnetic field. . The Larmor frequency of H is 24.58 MHz/T. If the pulse duration is sufficient, the bulk magnetization vector reorients in the plane perpendicular to the uniform magnetic field, as shown in FIG. 6C. The bulk magnetization vector can be detected and recorded over time as it reorients in response to an RF pulse, or when reorientation occurs.

リラクゼーション
配列の摂動(非ゼロスピン原子核の励起)に続いて、バルク磁化ベクトルは時間の経過とともに元の定常状態に回復する。このプロセスは、原子核の「磁気緩和」と呼ばれる。この緩和を説明するために、単一指数関数的プロセス(single-exponential process)の2つの基礎的な時定数(T1およびT2)が使用される。
Relaxation Following perturbation of the array (excitation of non-zero spin nuclei), the bulk magnetization vector recovers to its original steady state over time. This process is called nuclear "magnetic relaxation". Two fundamental time constants (T1 and T2) of the single-exponential process are used to describe this relaxation.

T1-縦方向またはスピン-格子緩和
第1の磁場の方向(z軸)に沿ったバルク磁化ベクトルの回復(図7、上のパネルを参照)は、「スピン-格子緩和時間」または「縦緩和時間」(T1)によって説明される。T1は、原子核スピン系から隣接する原子や分子(「格子」)を含むその周囲へのエネルギーの移動速度を定量化する。T1測定により、NMRを使用した複雑な生体分子の構造特性評価が可能になる。ここで、格子へのエネルギーの移動は、分子内の周囲の原子の性質によって影響を受ける。通常、T1はミリ秒から秒のオーダーである。T1は、検出コイルを使用してサンプルのバルク磁化ベクトルの変化を脱分極パルスと分極測定の間の時間の関数として観察することによって検出できる。
T1—Longitudinal or Spin-Lattice Relaxation Recovery of the bulk magnetization vector along the direction of the first magnetic field (z-axis) (see FIG. 7, top panel) is called the “spin-lattice relaxation time” or “longitudinal relaxation time”. time” (T1). T1 quantifies the rate of transfer of energy from the nuclear spin system to its surroundings, including neighboring atoms and molecules (the "lattice"). T1 measurements allow structural characterization of complex biomolecules using NMR. Here, energy transfer to the lattice is affected by the properties of the surrounding atoms within the molecule. T1 is typically on the order of milliseconds to seconds. T1 can be detected by using a detection coil to observe the change in the bulk magnetization vector of the sample as a function of time between the depolarizing pulse and the polarization measurement.

T2-横方向またはスピン-スピン緩和
第1の磁場の方向に垂直な平面(xy平面)(図7の下のパネルを参照)におけるバルク磁化ベクトルの回復は、「スピン-スピン緩和時間」または「横緩和時間」(T2)と呼ばれる。T2は、格子へのエネルギー伝達なしで部分的に横平面にあるスピン間のエネルギー伝達速度を定量化する。水性信号の場合、T2は一般に100ミリ秒以上の範囲である。一方、固体サンプルは、一般に1から100マイクロ秒の範囲のT2値を持っている。
T2—transverse or spin-spin relaxation The recovery of the bulk magnetization vector in the plane perpendicular to the direction of the first magnetic field (xy-plane) (see FIG. 7 lower panel) is called the “spin-spin relaxation time” or “ called the "transverse relaxation time" (T2). T2 quantifies the energy transfer rate between spins in the partially transverse plane without energy transfer to the lattice. For aqueous signals, T2 is typically in the range of 100 milliseconds or more. Solid samples, on the other hand, typically have T2 values in the range of 1 to 100 microseconds.

スピン-スピン緩和は、通常、一連のRFパルスによって測定され、「スピンエコー信号」を生じさせる。スピンエコーは、90度のパルスとそれに続く小さな遅延時間(τ)、引き続く180度のパルス(90°-τ-180°)によって生成される。最初の時間と同じ時間の2番目のτが使用された後にバルク磁化ベクトルが記録される。この一連のRFパルスと時間遅延を使用して、最初のτの間に、最初の磁場に垂直な平面内のバルク磁化を含む核磁気モーメントを最初にディフェイズ(dephase)し、2番目のτの間にこの平面内の残りのバルク磁化を再びフォーカスさせる。この後者の再集束によりエコー信号が生成され、これを検出して記録することができる。 Spin-spin relaxation is usually measured by a train of RF pulses, giving rise to a "spin echo signal". A spin echo is generated by a 90 degree pulse followed by a small delay time (τ) followed by a 180 degree pulse (90°-τ-180°). The bulk magnetization vector is recorded after a second τ of the same time as the first is used. This sequence of RF pulses and time delays is used to first dephase the nuclear magnetic moment containing the bulk magnetization in the plane perpendicular to the first magnetic field during the first τ, and during the second τ refocus the remaining bulk magnetization in this plane during . This latter refocusing produces an echo signal, which can be detected and recorded.

スピン-スピン緩和を測定する最も一般的な方法は、Carr and Purcell ("Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments", Physical Rev.94:630-638 (1954))に述べられている方法であり、この改良方法が、 Meiboom and Gill ("Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Times", Rev. Scientific Instruments 29: 688-691 (1958))に述べられている。これらは、参照され本明細書に組み込まれる。 The most common method for measuring spin-spin relaxation is that described by Carr and Purcell ("Effects of Diffusion on Free Precession in Nuclear Magnetic Resonance Experiments", Physical Rev.94:630-638 (1954)). and this modified method is described by Meiboom and Gill ("Modified Spin-Echo Method for Measuring Nuclear Relaxation Times", Rev. Scientific Instruments 29: 688-691 (1958)). These are incorporated herein by reference.

カー=パーセルの方法の改良Meiboom-ギル(CPMG)方法は、一連の小さな時間遅れを使用し、上に記述された最初の90°-τ-180°シーケンスの後に180°のパルスを印加した。次いで得られたバルク磁化ベクトル-[90x-(τ-180y -τ-record)n]が続く。スピン エコー信号の振幅は、エコー時に残っているバルク磁化に比例し、時間の経過とともに(通常はnの値が増加するにつれて)連続的に小さくなる。したがって、種々の値のnの後のバルク磁化ベクトルの強度を測定し、緩和時間T2の単一指数減衰にデータをフィッティングすることによりT2の直接的な尺度を提供することができる。 The Meiboom-Gill (CPMG) method, a modification of the Kerr-Purcell method, used a series of small time delays and applied a 180° pulse after the initial 90°-τ-180° sequence described above. Then follows the resulting bulk magnetization vector −[90x−(τ−180y −τ−record)n]. The amplitude of the spin echo signal is proportional to the bulk magnetization remaining in the echo and decreases continuously over time (usually with increasing values of n). Therefore, measuring the strength of the bulk magnetization vector after various values of n and fitting the data to the monoexponential decay of the relaxation time T2 can provide a direct measure of T2.

NMRを実行し、緩和定数(例えば、T1およびT2)を決定するのに適した機器およびソフトウェアは、Bruker Corp. (Tucson, A Z; e.g. Minispec, NanoBay and AVANCE NMR with Dynamics Center software), HTS-110 Limited (Lower Hutt, NZ; e.g. Field Cycling Relaxometer), Magritek (San Diego, CA; e.g. KeaNMR), Oxford Instruments (Austin, TX; e.g., Pulsar with SpinFlow software)を始めとする様々なベンダーから利用することができる。通常、20MHzで動作するNMR分光計を使用できる。サンプル コイルは、100マイクロリットルのサンプルを50から100%の充填率で満たすのに十分小さい必要がある。CPMG(Car-Purcell-Meiboom-Gill)パルス シーケンスを使用して、20MHzのRFフィールドでT2を測定できる。 Suitable equipment and software for performing NMR and determining relaxation constants (e.g., T1 and T2) is from Bruker Corp. (Tucson, A Z; e.g. Minispec, NanoBay and AVANCE NMR with Dynamics Center software), HTS-110. Available from a variety of vendors including Limited (Lower Hutt, NZ; e.g. Field Cycling Relaxometer), Magritek (San Diego, CA; e.g. KeaNMR), Oxford Instruments (Austin, TX; e.g., Pulsar with SpinFlow software). can. An NMR spectrometer typically operating at 20 MHz can be used. The sample coil should be small enough to fill 100 microliters of sample with a fill factor of 50 to 100%. A CPMG (Car-Purcell-Meiboom-Gill) pulse sequence can be used to measure T2 in a 20 MHz RF field.

MRI対NMR
MRIは、NMR分光法と同じ物理的効果を利用し、典型的には、それを構成する原子の共鳴特性によって未知の化合物を同定するために使用される。NMRとMRIの両方で、サンプルを静磁場に置き、ラジオ波エネルギーで短時間励起し、そのエネルギーを再放出させる。NMRは、再放出されたエネルギーの特徴的な周波数を検出する。これは、分子の構造に基づいて非常にわずかに異なる。MRIは、磁気的に整列した陽子(人体の水中で一般的)の破壊と、ラジオ波励起後の再整列に焦点を当てており、これは陽子/水分子が存在する組織の厚さと硬度に基づいて変化する。再放出された光子がMRIの検出器に到達するのを注意深く監視することで、さまざまな組織の位置と形状を特定できる。MRI装置は、そのような形状や位置を3Dで生成および分析するために開発された。したがって、3次元配列のサンプルの分析に適している。
MRI versus NMR
MRI utilizes the same physical effects as NMR spectroscopy and is typically used to identify unknown compounds by the resonance properties of their constituent atoms. In both NMR and MRI, a sample is placed in a static magnetic field, briefly excited with radio frequency energy, and re-emitted. NMR detects characteristic frequencies of re-emitted energy. It differs very slightly based on the structure of the molecule. MRI focuses on the disruption of magnetically aligned protons (common in water in the human body) and their realignment after radio frequency excitation, which depends on the thickness and hardness of the tissue in which the protons/water molecules reside. change based on By carefully monitoring the reemitted photons as they reach the MRI detector, the location and shape of various tissues can be determined. MRI equipment has been developed to generate and analyze such shapes and positions in 3D. Therefore, it is suitable for analysis of a three-dimensional array of samples.

NMR分光法とMRIイメージングの主な違いは、NMRは放出された放射線の周波数(振動する陽子の速度に関連する)に基づいて情報(化学構造に対応する光のスペクトル)を生成することである。代わりに、MRIは体のさまざまな部分から到達する放射線の強度(再放出された光子の量)を使用して情報(体の画像)を生成する。高密度または固体構造内の陽子は、破壊的な電波が体の組織に適用されると、多かれ少なかれ位置ずれを起こしやすい傾向があり、その結果、その領域から来る再放出光子の数が少なくなり、結果として得られる画像の領域が暗くなる。 The main difference between NMR spectroscopy and MRI imaging is that NMR produces information (a spectrum of light that corresponds to a chemical structure) based on the frequency of the emitted radiation (related to the velocity of vibrating protons). . Instead, MRI uses the intensity of radiation (the amount of re-emitted photons) arriving from different parts of the body to produce information (an image of the body). Protons in high densities or solid structures are more or less prone to misalignment when destructive radio waves are applied to body tissue, resulting in fewer reemitted photons coming from that region. , areas of the resulting image are darkened.

ナノ粒子の磁気共鳴効果
一般に長いT2(2,000ミリ秒のオーダー程度)を有する水性媒体において、ナノ粒子を添加すると、ナノ粒子が溶液全体に均一に分散または懸濁している場合、一般に磁気共鳴特性T2が低下する。この効果は、各ナノ粒子が「脱分極中心」として機能し、隣接する水分子の脱分極に起因すると考えられている。しかし、水性環境中のナノ粒子(本明細書で指定されたタイプおよびサイズの)が凝集、凝縮、濃縮、沈殿などによってクラスタ化されると、脱分極中心の数が減少し、したがってT2への影響も減少する。その結果、ナノ粒子が分散されたとき、水溶液のT2は媒体のT2に対して増加する。通常、本発明の方法では、T2の増加は、ナノ粒子の凝集に依存する脱分極中心の減少に比例する。
Magnetic Resonance Effect of Nanoparticles In an aqueous medium, which generally has a long T2 (on the order of 2,000 milliseconds), the addition of nanoparticles generally results in a magnetic resonance effect if the nanoparticles are uniformly dispersed or suspended throughout the solution. Characteristic T2 is lowered. This effect is believed to be due to the depolarization of neighboring water molecules, with each nanoparticle acting as a 'depolarizing center'. However, when nanoparticles (of the types and sizes specified herein) in an aqueous environment are clustered by aggregation, condensation, condensation, precipitation, etc., the number of depolarizing centers is reduced, thus leading to T2 The impact is also reduced. As a result, the T2 of the aqueous solution increases relative to the T2 of the medium when the nanoparticles are dispersed. Generally, in the method of the invention, an increase in T2 is proportional to a decrease in depolarization centers dependent on nanoparticle aggregation.

ナノ粒子の凝集が、ナノ粒子、特に標的特異的ナノ粒子と標的との相互作用に依存する場合、この効果を溶液中の標的の検出に利用することができる:標的が存在しない場合、ナノ粒子は分散し、その結果、溶液中の水の全体的な脱分極が起こり、したがって、短いT2が観察される;ターゲットの存在下では、標的特異的ナノ粒子がターゲットと複合体を形成し、脱分極中心の数が減少するため、(分散したナノ粒子の懸濁液と比較して)全体的な脱分極が減少し、T2が増加する。この効果は、図4に示されている。 If the aggregation of nanoparticles depends on the interaction of nanoparticles, particularly target-specific nanoparticles, with targets, this effect can be exploited for the detection of targets in solution: in the absence of target, nanoparticles disperses, resulting in a global depolarization of the water in solution and thus a short T2 is observed; in the presence of the target, the target-specific nanoparticles form a complex with the target and Since the number of polarization centers is reduced, the overall depolarization is reduced (compared to dispersed nanoparticle suspensions) and T2 is increased. This effect is illustrated in FIG.

さらに、本発明のナノ粒子は、磁場によって引き付けられるため、不均一な磁場において磁場強度が最も高い領域に集中することができる。本明細書において、「不均一磁場」とは、磁場が場所によって変化するものをいう。通常、不均一な磁場は、磁場の発生源(つまり、磁石)に最も近い場所で最も強く、発生源からの距離が増加するにつれて大きさが減少する(「均一な磁場」では、磁場が領域全体で同じマグニチュードと方向を持つ)。 Furthermore, the nanoparticles of the present invention are attracted by magnetic fields and can be concentrated in areas of highest magnetic field strength in non-uniform magnetic fields. As used herein, the term "inhomogeneous magnetic field" refers to a magnetic field that varies with location. Typically, an inhomogeneous magnetic field is strongest closest to the source of the magnetic field (i.e., the magnet) and decreases in magnitude with increasing distance from the source (in a "uniform magnetic field", the magnetic field spreads over a region have the same magnitude and direction throughout).

本発明の方法で使用されるナノ粒子などの常磁性材料は、不均一磁場内では移動するが、均一磁場内では移動しない。例えば、外部磁石が液体中のナノ粒子の懸濁液を含む試験管と接触し、それにより不均一な磁場が生じると、ナノ粒子は外部磁石に向かって引き寄せられ、図4に示すように、磁石に隣接する管の内面に集中する(チューブD)。効果は外部磁石の存在に依存するため、磁石を取り除くとナノ粒子が解放される。濃縮されたナノ粒子は、拡散によって最終的に再分配され、液体全体に分散され、再分配のプロセスは、後述するように、混合、攪拌、掻き取りなどによる再懸濁によって加速されることができる。 Paramagnetic materials such as nanoparticles used in the method of the invention move in a non-uniform magnetic field, but not in a homogeneous magnetic field. For example, when an external magnet contacts a test tube containing a suspension of nanoparticles in a liquid, thereby creating a non-uniform magnetic field, the nanoparticles are attracted towards the external magnet, as shown in FIG. Concentrate on the inner surface of the tube adjacent to the magnet (tube D). Since the effect depends on the presence of an external magnet, the nanoparticles are released when the magnet is removed. The concentrated nanoparticles are ultimately redistributed by diffusion and dispersed throughout the liquid, and the process of redistribution can be accelerated by resuspension by mixing, stirring, scraping, etc., as described below. can.

ナノ粒子の特性
本発明によるナノ粒子は、単分散(磁性材料の単結晶、例えば、ナノ粒子当たりの超常磁性酸化鉄などの金属酸化物の単結晶)または多分散(複数の結晶、例えば、ナノ粒子あたり2、3、または4つの結晶)。磁性金属酸化物はまた、コバルト、マグネシウム、亜鉛、ケイ素、スズ、チタン、ビスマス、および/またはこれらの金属と鉄との混合物を含むことができる。本発明の方法での使用が意図されるナノ粒子の重要な特徴および特性には、以下が含まれる;(i)高い緩和性、すなわち水の緩和に強い効果を有する;(ii)ナノ粒子が水溶液中に懸濁したままとなるのに十分小さいサイズ;(iii)本発明のアッセイ方法で使用される条件下で磁石を使用してナノ粒子を濃縮することができる十分に大きなサイズ;および(iv)溶液中での安定性、すなわちナノ粒子は溶解せず、沈殿しない。
Properties of Nanoparticles Nanoparticles according to the present invention may be monodisperse (single crystal of magnetic material, e.g. single crystal of metal oxide such as superparamagnetic iron oxide per nanoparticle) or polydisperse (multiple crystals, e.g. 2, 3 or 4 crystals per particle). Magnetic metal oxides can also include cobalt, magnesium, zinc, silicon, tin, titanium, bismuth, and/or mixtures of these metals with iron. Important features and properties of nanoparticles contemplated for use in the methods of the present invention include; (i) having high relaxivity, i.e., having a strong effect on water relaxation; (ii) nanoparticles are (iii) a size large enough to allow the nanoparticles to be concentrated using a magnet under the conditions used in the assay method of the invention; and ( iv) stability in solution, ie the nanoparticles do not dissolve or precipitate.

本発明の特定の実施形態で使用される場合、100から200nmのナノ粒子は、隣接する水分子を脱分極するのに非常に効果的であることが判明しており、その結果、T2が約2,000ミリ秒から約100ないし約200ミリ秒に減少する。サイズは不均一な磁場によって容易に濃縮され、沈殿することなく長期間懸濁液中に留まることができる。有利なことに、より小さなナノ粒子への非特異的結合も最小限に抑えることができる。約75nm、約100nm、約125nm、約150nm、約175nm、約200nm、約225nm、約250nm、275nm、約250nm、約300nm、約325nm、約350nm、約375nm、400nm、約425nm、約450nm、約450および500nm以上などの、少なくとも約60nmから約500nmの範囲のナノ粒子が、本発明の方法で使用するために企図される。特に適切なナノ粒子サイズとしては、少なくとも約80nmから約180nm、例えば約85nm、約90nm、約95nm、約100nm、約105nm、約110nm、約115nm、約120nm、約125nm、約130nm、約135nm、約140nm、約145nm、約150nm、約155nm、約160nm、約165nm、約170nm、約175nmがあげられる。 When used in certain embodiments of the present invention, 100 to 200 nm nanoparticles have been found to be very effective at depolarizing adjacent water molecules, resulting in T2 of about It decreases from 2,000 milliseconds to about 100 to about 200 milliseconds. The size is easily concentrated by a non-uniform magnetic field and can remain in suspension for long periods without settling. Advantageously, non-specific binding to smaller nanoparticles can also be minimized. about 75 nm, about 100 nm, about 125 nm, about 150 nm, about 175 nm, about 200 nm, about 225 nm, about 250 nm, 275 nm, about 250 nm, about 300 nm, about 325 nm, about 350 nm, about 375 nm, 400 nm, about 425 nm, about 450 nm, about Nanoparticles ranging from at least about 60 nm to about 500 nm, such as 450 and 500 nm and larger, are contemplated for use in the methods of the invention. Particularly suitable nanoparticle sizes include at least about 80 nm to about 180 nm, such as about 85 nm, about 90 nm, about 95 nm, about 100 nm, about 105 nm, about 110 nm, about 115 nm, about 120 nm, about 125 nm, about 130 nm, about 135 nm, about 140 nm, about 145 nm, about 150 nm, about 155 nm, about 160 nm, about 165 nm, about 170 nm, about 175 nm.

ナノ粒子の調製
生物学的用途のための様々なポリマー被覆金属酸化物「コア」粒子の合成は、先行技術、特に磁気共鳴イメージング用途に開示されている。例には、本発明の方法での使用に適した200未満の磁化可能なナノ粒子が含まれる。
Preparation of Nanoparticles The synthesis of various polymer-coated metal oxide "core" particles for biological applications has been disclosed in the prior art, particularly for magnetic resonance imaging applications. Examples include less than 200 magnetizable nanoparticles suitable for use in the methods of the invention.

ナノ粒子コアは任意のタイプの磁化できる材料(例えば、常磁性または超常磁性)から既知の技術を使用して、調製されることができ、たとえば、Fe、Co、Sn、Al、Ni、Ti、Bi、Zr、Pt、Pd、Sr、Ir、Ca、Mg、Mn、Baおよび/またはZnが使用できる。特定の実施形態では、ナノ粒子は、金属酸化物、たとえば酸化鉄、例えばマグネタイト(Fe)およびマグヘマイト(γ-Fe)、FeやCoなどの純金属、FePtなどの合金から、共沈、熱分解および/または還元、ミセル合成、水熱合成、プラズマベースおよびレーザー熱分解技術を含むさまざまな方法を使用して製造することができる。Fu et al., Angewandte Chemie Int’l Ed. 46:1222-44, 2007)を参照。これは参照され、本明細書に組み込まれる。共沈は、Fe2+/Fe3+塩の水溶液からFeおよびγ-Feなどの酸化鉄を合成するために使用できる。たとえば、PCT国際公開第2006/125452号を参照。これは参照され、本明細書に組み込まれる。これは、水溶液中の塩化第二鉄および塩化第一鉄のアルカリ共沈による酸化鉄粒子の調製を開示している。 Nanoparticle cores can be prepared from any type of magnetizable material (e.g. paramagnetic or superparamagnetic) using known techniques, e.g. Fe, Co, Sn, Al, Ni, Ti, Bi, Zr, Pt, Pd, Sr, Ir, Ca, Mg, Mn, Ba and/or Zn can be used. In certain embodiments, the nanoparticles are made from metal oxides, such as iron oxides, such as magnetite (Fe 3 O 4 ) and maghemite (γ-Fe 2 O 3 ), pure metals such as Fe and Co, alloys such as FePt. , coprecipitation, pyrolysis and/or reduction, micellar synthesis, hydrothermal synthesis, plasma-based and laser pyrolysis techniques. Fu et al., Angewandte Chemie Int'l Ed. 46:1222-44, 2007). This is referenced and incorporated herein. Coprecipitation can be used to synthesize iron oxides such as Fe 3 O 4 and γ-Fe 2 O 3 from aqueous solutions of Fe 2+ /Fe 3+ salts. See, for example, PCT Publication No. WO2006/125452. This is referenced and incorporated herein. It discloses the preparation of iron oxide particles by alkaline co-precipitation of ferric chloride and ferrous chloride in aqueous solution.

単分散磁性ナノ結晶は、安定化界面活性剤を含有する高沸点有機溶媒中で有機金属化合物を熱分解することによって合成することができる。米国特許第7,029,514号を参照。この米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。別のアプローチでは、所望の反応物質を含有する油中水型マイクロエマルジョンを混合し、凝集させ(coalesce)、その中に沈殿物を有するミセルを形成する。したがって、そのようなマイクロエマルションは、ナノ粒子を形成するためのナノリアクターとして使用することができる。例えば、米国特許第8,512,665参照。この米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。水熱合成では、合成中に存在する液体、固体、および溶液相の界面で発生する一般的な相移動および分離メカニズムを利用して、さまざまな異なるナノ結晶を合成できる。例えば、米国特許第7,732,015参照。この米国特許は参照により本明細書に組み込まれる。参照により本明細書に組み込まれる米国特許公開第2004/0009118号は、固体の金属の微粒子のエアゾールを生成し、微粒子を金属蒸気へするのに十分に高い温度でプラズマホットゾーンを有するプラズマを生成し、プラズマホットゾーンにエアゾールを向けることにより、金属酸化物ナノ粒子を生産する方法を開示する。 Monodisperse magnetic nanocrystals can be synthesized by pyrolysis of organometallic compounds in high-boiling organic solvents containing stabilizing surfactants. See U.S. Pat. No. 7,029,514. This US patent is incorporated herein by reference. In another approach, water-in-oil microemulsions containing the desired reactants are mixed and coalesced to form micelles with precipitates therein. Such microemulsions can therefore be used as nanoreactors to form nanoparticles. See, for example, US Pat. No. 8,512,665. This US patent is incorporated herein by reference. Hydrothermal synthesis can synthesize a wide variety of different nanocrystals by exploiting common phase transfer and separation mechanisms that occur at the interfaces of the liquid, solid, and solution phases present during synthesis. See, for example, US Pat. No. 7,732,015. This US patent is incorporated herein by reference. U.S. Patent Publication No. 2004/0009118, incorporated herein by reference, produces an aerosol of solid metal particulates and generates a plasma having a plasma hot zone at a temperature sufficiently high to convert the particulates into a metal vapor. and directing an aerosol into a plasma hot zone to produce metal oxide nanoparticles.

本発明の方法で使用するのに適したさらなる磁性粒子は、米国特許第4,554,088、5,055,288、5,262,176、5,512,439、および7,459,145、および米国特許公開第2003/0092029、2003/0124194、2006/0269965、および2008/0305048に開示されている。これらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。 Additional magnetic particles suitable for use in the methods of the present invention are disclosed in U.S. Pat. and US Patent Publication Nos. 2003/0092029, 2003/0124194, 2006/0269965, and 2008/0305048. These disclosures are incorporated herein by reference in their entireties.

上記の技術を使用して生成されたナノ粒子の懸濁液は、典型的には、サイズなどの様々な特性を有する粒子を含む。ナノ粒子懸濁液の不均一な性質は、本発明の方法における懸濁液の性能を低下させる可能性がある。 Nanoparticle suspensions produced using the techniques described above typically contain particles having various characteristics such as size. The heterogeneous nature of nanoparticle suspensions can reduce the performance of the suspensions in the methods of the invention.

粒子の均一性を改善する方法は、注射可能な液体としての使用を意図した分散水性系の製造について記載されている。このような均質化方法には、ローター・ステーター法および高圧法が含まれる。液体ジェットまたは液体スロットノズル高圧均質化機(例えば、Microfluidics, a division of MFIC, Corp., Newton, Mass.から入手可能)の使用は、高い機械的エネルギーの印加を可能にする(例えば、米国特許第5,635,206;5,595,687を参照(参照により本明細書に組み込まれる)。 Methods for improving particle homogeneity have been described for the preparation of dispersed aqueous systems intended for use as injectable liquids. Such homogenization methods include rotor-stator methods and high pressure methods. The use of liquid jet or liquid slot nozzle high pressure homogenizers (eg, available from Microfluidics, a division of MFIC, Corp., Newton, Mass.) allows the application of high mechanical energy (see, for example, US Pat. 5,635,206; 5,595,687 (incorporated herein by reference).

非水性成分が酸化物を含有する、制御された凝集とそれに続くエマルション中での乾燥を用いた金属酸化物ナノ粒子組成物の製造のための高圧均質化装置が、触媒材料{例えば、米国特許第5,304,364号、参照により本明細書に組み込まれる)、電子写真顔料粒子、セラミック粉末、フェルト材料、スプレー層、活性物質キャリア、およびイオン交換樹脂の工業生産に関連して報告されている(例えば、米国特許第5,580,692号、参照により本明細書に組み込まれる)。ならびに。エマルションは、2つ以上の不溶性液体の多相系の分散液である。エマルションは、少なくとも1つの連続(外)相(例えば、水)と1つの分離(分散または内)相(例えば、油)から構成される。エマルションは熱力学的に不安定である。 A high-pressure homogenizer for the production of metal oxide nanoparticle compositions using controlled agglomeration followed by drying in emulsions in which the non-aqueous component contains oxides, catalyst materials [e.g. No. 5,304,364, incorporated herein by reference), reported in connection with the industrial production of electrophotographic pigment particles, ceramic powders, felt materials, spray layers, active material carriers, and ion exchange resins. (eg, US Pat. No. 5,580,692, incorporated herein by reference). as well as. Emulsions are multiphase dispersions of two or more insoluble liquids. Emulsions are composed of at least one continuous (external) phase (eg water) and one separate (dispersed or internal) phase (eg oil). Emulsions are thermodynamically unstable.

医薬品、化粧品、化学工業および食品産業におけるエマルジョンおよび懸濁液の調製または安定化のために、高圧均質化装置がしばしば使用される。ナノスケールの金属酸化物は、流動化装置内で高剪断力を使用して調製できることも知られている(例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第5,417,956号)。たとえば、一部の用途では、最大200メガPa(MPa)またはそれ以上の圧力が使用される。 High pressure homogenizers are often used for the preparation or stabilization of emulsions and suspensions in the pharmaceutical, cosmetic, chemical and food industries. It is also known that nanoscale metal oxides can be prepared using high shear forces in fluidizers (eg, US Pat. No. 5,417,956, incorporated herein by reference). For example, pressures up to 200 MegaPas (MPa) or more are used in some applications.

典型的には、ナノ粒子コアはポリマーまたは他の物質でコーティングされて、コアを安定化し、標的特異的結合部位が結合できる材料を提供する。本明細書で使用される「結合(conjugate)」または「結合された」という用語は、共有結合または別の方法で一緒に連結された2つの分子を指す。適切な表面コーティングへの結合は、当技術分野で周知の方法、例えばWong, et al., Chemistry of Protein and Nucleic Acid Cross-Linking and Conjugation, 2nd Ed. (CRC Press; Boca Raton, FL) and Hermanson, “Bioconjugate Techniques, 3rd Ed.” Academic Press, New York, 2013iに記載の方法で提供することができる。これらは参照により本明細書に組み込まれる。一般に、ナノ粒子に対する結合部位の比率は、結合部位に対するナノ粒子の所望の割合を与えるように制御することができる。 Typically, the nanoparticle core is coated with a polymer or other substance to stabilize the core and provide a material to which target-specific binding sites can be attached. The terms "conjugate" or "bonded" as used herein refer to two molecules that are covalently or otherwise linked together. Conjugation to suitable surface coatings is accomplished by methods well known in the art, such as those described in Wong, et al., Chemistry of Protein and Nucleic Acid Cross-Linking and Conjugation, 2nd Ed. (CRC Press; Boca Raton, FL) and Hermanson, "Bioconjugate Techniques, 3rd Ed." Academic Press, New York, 2013i. These are incorporated herein by reference. In general, the ratio of binding sites to nanoparticles can be controlled to give the desired ratio of nanoparticles to binding sites.

最も一般的に使用されるコーティング材料は、様々な形態のデキストランである。アラビノガラクタン、デンプン、グリコサミノグリカン、タンパク質(例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第6,576,221号)、およびシリカなどの他の適合性炭水化物も使用される。そのような方法の1つは、デキストランの存在下でのFe(II)塩およびFe(III)塩の沈殿である(例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第4,452,773号)。修正された方法は、同じ装置内での超音波処理とそれに続く熱処理の使用を含む(例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第4,827,945号)。この方法の品質は、磁気分類によって強化される(例えば、参照により本明細書に組み込まれるPCT国際公開番号WO 90/07380)。さらなるカプセル化/コーティングは、安定化のための両親媒性の物質の使用によりナノ粒子の特性を改善することができる。これは、米国特許第5,545,395号および欧州特許EP 0272091号に記載されており、これらは参照により本明細書に組み込まれる)。 The most commonly used coating material is dextran in various forms. Other compatible carbohydrates such as arabinogalactans, starches, glycosaminoglycans, proteins (eg, US Pat. No. 6,576,221, incorporated herein by reference), and silica are also used. One such method is precipitation of Fe(II) and Fe(III) salts in the presence of dextran (e.g., US Pat. No. 4,452,773, incorporated herein by reference). ). A modified method involves the use of sonication followed by heat treatment within the same apparatus (eg, US Pat. No. 4,827,945, incorporated herein by reference). The quality of this method is enhanced by magnetic sorting (eg, PCT International Publication No. WO 90/07380, incorporated herein by reference). Further encapsulation/coating can improve the properties of the nanoparticles through the use of amphiphilic substances for stabilization. This is described in US Pat. No. 5,545,395 and EP 0272091, which are incorporated herein by reference).

湿式化学合成は、ポリマー成分でコーティングするか(コアシェル法)、またはポリマーの存在下で行うことができる(ワンポット法)。コアシェル法では、酸化鉄のコアは水溶液中で凝集しやすいため、酸化鉄に安定化物質を添加する必要がある。両親媒性物質(例えば、参照により本明細書に組み込まれるPCT国際公開WO01/56546号)または帯電した表面を有する追加のナノ粒子を安定剤として選択することができる(例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第4,280,918号)。 Wet-chemical synthesis can be performed either by coating with the polymer components (core-shell method) or in the presence of the polymer (one-pot method). In the core-shell method, iron oxide cores tend to aggregate in an aqueous solution, so it is necessary to add a stabilizing substance to the iron oxide. Amphiphiles (e.g. PCT International Publication No. WO 01/56546, incorporated herein by reference) or additional nanoparticles with charged surfaces can be selected as stabilizers (e.g. (U.S. Pat. No. 4,280,918, incorporated in ).

ただし、安定剤として使用される界面活性物質は、ナノ粒子表面の機能に影響を与え、制限する可能性がある。ワンポット法では、酸化鉄の形成中にポリマーを直接コーティングして、形成プロセスと溶液からの結晶の成長を安定させる。 However, surfactants used as stabilizers can affect and limit nanoparticle surface functionality. The one-pot method coats the polymer directly during iron oxide formation to stabilize the formation process and crystal growth from solution.

特定の実施形態において、コーティングは、標的特異的結合部位への結合を促進するために官能化される。本発明のナノ粒子コーティングでの使用が考えられる官能基としては、非限定的に、アミノ、カルボキシル、スルフヒドリル、アミン、イミン、エポキシ、ヒドロキシル、チオール、アクリレート、および/またはイソシアノ基があげられる。カルボキシ官能化ナノ粒子は、例えば、Gormanの方法に従って作製することができる(PCT国際公開番号WO00/61191を参照)。より安定にコーティングされ、アミノ官能化されたナノセンサーは、例えば、金属酸化物粒子コアのデキストランコーティングをエピクロロヒドリンで架橋し、次にアンモニアで処理して官能アミノ基を提供することにより調製できる。アミン化された架橋酸化鉄ナノ粒子(アミノ-CLIO)は、1粒子あたり40個のアミノ基を持ち、平均粒子サイズが約40から約50nmで作られる。これらの粒子は、サイズの変化やデキストランコートの損失なしに、120℃、30分間でのインキュベーションなどの過酷な処理に耐えることができる。 In certain embodiments, the coating is functionalized to facilitate binding to target-specific binding sites. Functional groups contemplated for use in the nanoparticle coatings of the present invention include, without limitation, amino, carboxyl, sulfhydryl, amine, imine, epoxy, hydroxyl, thiol, acrylate, and/or isocyano groups. Carboxy-functionalized nanoparticles can be made, for example, according to Gorman's method (see PCT International Publication No. WO 00/61191). More stably coated, amino-functionalized nanosensors have been prepared, for example, by cross-linking the dextran coating of metal oxide particle cores with epichlorohydrin, followed by treatment with ammonia to provide functional amino groups. can. Aminated cross-linked iron oxide nanoparticles (amino-CLIO) are made with 40 amino groups per particle and an average particle size of about 40 to about 50 nm. These particles can withstand harsh treatments such as incubation at 120° C. for 30 minutes without change in size or loss of dextran coat.

本発明の方法で使用するに適している、様々なサイズおよび組成物のナノ粒子は、商業的に得ることができ、たとえば、Sigma Aldrich (St. Louis, MO), Nanocs Inc. (NY, NY), NanoComposix (San Diego, CA), MKNano (Missisauga, ON, Canada), Miltenyi Biotec (San Diego, CA), Ademtech (Pessac, France), Chemicell GmbH (Berlin, Germany), Corpuscular Inc. (Cold Spring, New York), Nvigen Inc. (Sunnyvale, CA), NanoTherics Ltd. (Staffordshire UK), Cytodiagnostics Inc. (Burlington, Ontario, Canada), Eprui Nanoparticles & Microspheres Co. (Nanjing, China), Polysciences, IncR, SA. (Warrington, PA)から得ることができる。市販のナノ粒子には、コーティングされたもの、コーティングされていないもの、官能化されたものもあり、並びにビオチン、アビジン、ストレプトアビジン、二次抗体、プロテインA、プロテインGなどの一般的な結合部位に結合したナノ粒子もある。 Nanoparticles of various sizes and compositions suitable for use in the methods of the invention can be obtained commercially, for example, from Sigma Aldrich (St. Louis, MO), Nanocs Inc. (NY, NY ), NanoComposix (San Diego, CA), MKNano (Missisauga, ON, Canada), Miltenyi Biotec (San Diego, CA), Ademtech (Pessac, France), Chemicell GmbH (Berlin, Germany), Corpuscular Inc. (Cold Spring, New York), Nvigen Inc. (Sunnyvale, CA), NanoTherics Ltd. (Staffordshire UK), Cytodiagnostics Inc. (Burlington, Ontario, Canada), Eprui Nanoparticles & Microspheres Co. (Nanjing, China), Polysciences, Inc R , SA. (Warrington, PA). Commercially available nanoparticles are coated, uncoated, functionalized, and have common binding sites such as biotin, avidin, streptavidin, secondary antibodies, protein A, protein G, etc. There are also nanoparticles bound to

標的核酸検出アッセイ
特定の態様において、本発明は、標的特異的ナノ粒子とそれらの標的との間の反応が、磁場によって影響を受け、磁場を使用して検出され得るという観察に基づく。標的特異的ナノ粒子が標的に特異的に結合し、それによりナノ粒子-標的複合体を形成する、標的を検出するための方法が提供される。磁場が水溶液中の複合体に適用され、それによりナノ粒子が磁化される。適用された磁場は、均一でない場合、ナノ粒子に力を及ぼす。ナノ粒子-ターゲット複合体は、適用された磁力と隣接するナノ粒子の合成磁力に応答して移動する。さらに、ナノ粒子とその複合体との間の相互作用は、適用された磁場に応答するナノ粒子の動きによって強化され得る。
Target Nucleic Acid Detection Assays In certain embodiments, the present invention is based on the observation that reactions between target-specific nanoparticles and their targets are affected by and can be detected using a magnetic field. Methods are provided for detecting targets in which target-specific nanoparticles specifically bind to the target, thereby forming nanoparticle-target complexes. A magnetic field is applied to the complex in aqueous solution, thereby magnetizing the nanoparticles. The applied magnetic field exerts a force on the nanoparticles if it is not uniform. The nanoparticle-target complex moves in response to the applied magnetic force and the resultant magnetic force of adjacent nanoparticles. Furthermore, the interaction between nanoparticles and their complexes can be enhanced by nanoparticle motion in response to an applied magnetic field.

磁気共鳴シグナルは、複合体および既知の液体を含むサンプルから、サンプルをラジオ周波(radio frequency:RF)放射に曝露することによって誘発される。T2などのサンプルの磁気共鳴特性は、磁気共鳴信号から決定することができる。標的の存在は、試料の磁気共鳴特性を、測定されたまたは既知の対照試料および標準の磁気共鳴特性と比較することによって検出することができる。 A magnetic resonance signal is induced from a sample containing the complex and the known liquid by exposing the sample to radio frequency (RF) radiation. Magnetic resonance properties of a sample, such as T2, can be determined from the magnetic resonance signals. The presence of a target can be detected by comparing the magnetic resonance properties of a sample with those of measured or known control samples and standards.

有利なことに、本発明の方法は、近接干渉、汚れ、クラッター、細胞破片などの生物学的干渉物質、タンパク質性干渉物質、ヘモグロビンおよびフミン酸(キレート鉄を含む)などの常磁性干渉物質にもかかわらず、非常に高い特異性で標的核酸の検出を可能にする。 Advantageously, the method of the present invention is effective against biological interferents such as proximity interferences, stains, clutter, cell debris, proteinaceous interferents, paramagnetic interferents such as hemoglobin and humic acid (including chelated iron). Nevertheless, it allows the detection of target nucleic acids with very high specificity.

本発明の方法は、エアロゾル、ヒドロゾル、食品などの複合媒体、および血液、尿、唾液、組織、喀痰、便などの臨床検体を含むがこれらに限定されない液体媒体または他の形態で存在する標的核酸の検出に有用である。 The methods of the present invention allow target nucleic acids present in liquid media or other forms including, but not limited to, complex media such as aerosols, hydrosols, foods, and clinical specimens such as blood, urine, saliva, tissue, sputum, stool, etc. is useful for the detection of

標的核酸が分析される液体は、非ゼロスピンを有する原子核を含む任意の流体材料であり得る。スピンがゼロでない原子核のみがNMR現象を引き起こす。水分子中の水素などの液体中の分子が非ゼロスピンの原子核を有する場合、液体はそのような原子核を含む。あるいは、液体は、19Fラーモア周波数で磁気共鳴信号を生成するフッ素添加溶質などの溶質または懸濁液として非ゼロスピン原子核を含むことができる。しかしながら、本発明の目的のために、液体は典型的には水または水溶液であり、特に断らない限り、用語「液体」、「流体」、「既知の液体」、「液体媒体」および「溶液」は水または水溶液を指す。 The liquid in which the target nucleic acid is analyzed can be any fluid material containing nuclei with non-zero spin. Only nuclei with non-zero spin cause NMR phenomena. If the molecules in the liquid have nuclei with non-zero spin, such as hydrogen in water molecules, the liquid contains such nuclei. Alternatively, the liquid can contain non-zero spin nuclei as a solute or suspension, such as a fluorinated solute that produces a magnetic resonance signal at the 19 F Larmor frequency. However, for the purposes of the present invention, a liquid is typically water or an aqueous solution and unless otherwise specified the terms "liquid", "fluid", "known liquid", "liquid medium" and "solution" are used. refers to water or an aqueous solution.

本発明は、病原体特異的核酸(すなわち、標的核酸)の核酸増幅を磁気共鳴画像法(MRI)または核磁気共鳴(NMR)検出と組み合わせる病原体検出を提供する方法を提供する。本発明の方法は、部分的には、MRI/NMR検出が、より従来の核酸検出方法とは異なり、測定されるサンプルの光学特性によって影響されないラジオ周波数範囲で測定可能なシグナルを生成するため、迅速なサンプル調製を利用することができる。本発明の方法は、世界中の多くの国の政府によって許可されており、核酸抽出および浄化ステップの必要なしで、臨床(例えば、患者の診断に使用される病院または診療所)および専用のMRI機器の両方を使用して唾液とスワブサンプル内のCOVID-19を検出するために採用されている。 The present invention provides methods for providing pathogen detection that combine nucleic acid amplification of pathogen-specific nucleic acids (ie, target nucleic acids) with magnetic resonance imaging (MRI) or nuclear magnetic resonance (NMR) detection. The methods of the present invention are useful, in part, because MRI/NMR detection produces measurable signals in the radio frequency range that, unlike more conventional nucleic acid detection methods, are not affected by the optical properties of the sample being measured. Rapid sample preparation is available. The method of the present invention has been approved by the governments of many countries around the world, allowing clinical (e.g., hospital or clinic used for patient diagnosis) and dedicated MRI applications without the need for nucleic acid extraction and purification steps. Both instruments have been employed to detect COVID-19 in saliva and swab samples.

本発明の方法は、単一のMRIシステムを使用して単一の場所で1日に10万個のサンプルを可能にする並行処理工程から生じる。MRI(またはNMR)は、サンプルを調製するおよびアッセイを実施するために使用される他のデバイスおよび機器と統合される必要はない。さらに、MRI検出は迅速であるため、機器の利用可用性に応じて迅速に実行できる。数分で数万以上のサンプルアッセイを測定できる。本発明の方法は、COVID-19 パンデミック時に使用された従来のPCR法と比較して、行われた同じドルの投資に対して2桁大きい容量を提供し、インフラストラクチャおよび運用コストを80から95%節約し、アッセイのコストは同等またはそれ以下である。 The method of the present invention results from parallel processing steps that allow 100,000 samples per day at a single site using a single MRI system. MRI (or NMR) need not be integrated with other devices and instruments used to prepare samples and perform assays. Furthermore, MRI detection is rapid and can be performed quickly depending on equipment availability. Tens of thousands of sample assays can be measured in minutes. The method of the present invention offers two orders of magnitude greater capacity for the same dollar of investment made, reducing infrastructure and operating costs by 80 to 95% compared to conventional PCR methods used during the COVID-19 pandemic. % savings and the cost of the assay is comparable or less.

本明細書に記載のこの方法は、スクリーニングされた多数の個体に対応する増幅された核酸サンプルの迅速、高感度、大規模検出を可能にする。一実施形態では、LAMPアッセイが実施され、続いてMRIおよび/またはNMR検出が行われる。市販のNMRシステムと多種多様なMRIイメージャーを使用して、高い感度と特異性で標的核酸を検出する。 The methods described herein allow for rapid, sensitive, large-scale detection of amplified nucleic acid samples corresponding to large numbers of screened individuals. In one embodiment, a LAMP assay is performed followed by MRI and/or NMR detection. Target nucleic acids are detected with high sensitivity and specificity using commercially available NMR systems and a wide variety of MRI imagers.

本発明の検出方法はまた、PCR、RT-PCR、LAMP、RT-LAMP、および今日利用可能なプライマー配列を使用する任意の他の方法を含む、ほとんどの既知の核酸増幅方法によって生成された増幅された核酸、これはビオチン(または別の結合部位)で修飾されることができる、を検出するために適用可能であり、採用される。 The detection method of the present invention also includes amplified DNA generated by most known nucleic acid amplification methods, including PCR, RT-PCR, LAMP, RT-LAMP, and any other method using primer sequences available today. It is applicable and employed for detecting modified nucleic acids, which can be modified with biotin (or another binding site).

本発明の方法は、相補的結合分子であるストレプトアビジンと組み合わせたビオチンなどの相補的結合分子を必要とする。ビオチン-ストレプトアビジンの代わりに、他の相補的な結合化学物質を使用できるが、これはプライマーに結合できることを条件とする。 The method of the invention requires a complementary binding molecule such as biotin in combination with the complementary binding molecule streptavidin. Other complementary binding chemistries can be used instead of biotin-streptavidin, provided they are capable of binding to the primer.

本発明のMRIおよびNMR検出技術は、MRI造影剤として、およびインビトロでの研究ツールとして臨床的に使用されてきたナノメートルスケールの常磁性粒子(ナノ粒子)を利用する。 The MRI and NMR detection techniques of the present invention utilize nanometer-scale paramagnetic particles (nanoparticles) that have been used clinically as MRI contrast agents and as in vitro research tools.

一実施形態では、核酸増幅は、以下に記載するようにRT-LAMPを使用して達成される。別の増幅方法を使用する場合は、方法の変更が必要になる場合がある。しかし、必要な変更は、本開示の教示に基づき、十分に当業者ができるレベル内にある。 In one embodiment, nucleic acid amplification is accomplished using RT-LAMP as described below. Modifications to the method may be required if a different amplification method is used. However, the necessary modifications are well within the capability of those skilled in the art based on the teachings of this disclosure.

本発明の方法は、以下の工程を含む:
a. 標的核酸、例えばSARS-CoV-2などのウイルスを含むサンプルを提供する。特定の実施形態では、臨床サンプルを収集するためのLAMP手段、例えば収集装置(唾液用のチューブおよび漏斗、綿棒、呼吸サンプルを収集するためのタブなど)が提供される。
b. 核酸を保存し、その分解を防ぐ条件下で、サンプルを実験室に輸送すること。当業者は、適切な温度の維持およびヌクレアーゼ阻害剤による処理が、サンプル収集と実験室での処理との間の時間の長さに応じて必要とされる場合があることを理解するであろう。
c. サンプルを処理して標的核酸を放出させること。これには、細胞を溶解する試薬、および/またはキレート剤(Chelex)、プロテイナーゼ K、塩酸グアニジウム、グアニジウム組成物およびバッファーなどの核酸関連タンパク質を解離除去する試薬の存在下でサンプルを加熱することが含まれる。
d. 標的特異的プライマーの存在下で標的核酸の領域を増幅する。
特定の実施形態では、核酸は最初に逆転写酵素を使用して逆転写され、得られたcDNAは、適切なDNAポリメラーゼ、ヌクレオチド、補因子、および当技術分野で周知の他の成分の存在下で、LAMPまたはPCRプロトコルに従って増幅される。LAMPを使用する場合、5’→3’DNAポリメラーゼ活性を持ちながら5’→3’エキソヌクレアーゼ活性を欠くBstポリメラーゼなどの鎖置換DNAポリメラーゼを使用して増幅を行う。PCRが使用される場合、Taqポリメラーゼなどの熱安定性DNAポリメラーゼが使用される。
e. 特定の態様において、プライマーの1つまたは複数がビオチン化される。ビオチン化は、1つまたは複数のビオチン化ヌクレオチドでプライマーを合成すること、または合成後にプライマーを化学的または酵素的に修飾することを含む、当技術分野で知られている任意の方法によって達成することができる。
f. 時間および温度の条件は、標的核酸を増幅するために使用される方法(例えば、PCRまたはLAMP)に応じて異なる。たとえば、温度が約50℃と約100℃の間でサイクルする一方、等温ランプは単一の温度で実行される。
g. 増幅された標的核酸をナノ粒子と接触させ、ナノ粒子は増幅された標的核酸に特異的に結合する。標的核酸-ナノ粒子複合体を形成する。いくつかの実施形態では、ナノ粒子はストレプトアビジンに結合している。
h. 標的核酸-ナノ粒子複合体を磁場装置に曝露し、標的DNAの存在下でシグナル増幅を可能にする。
i. MRIシステムでシグナルを検出し、特定の増幅された標的核酸-ナノ粒子複合体の存在または非存在を同定する。
j. MRI画像処理ソフトウェアを使用してMRI検出の結果を収集し、分析する。
The method of the invention comprises the following steps:
a. A sample is provided that contains a target nucleic acid, eg, a virus such as SARS-CoV-2. In certain embodiments, LAMP means for collecting clinical samples are provided, such as collection devices (tubes and funnels for saliva, swabs, tabs for collecting respiratory samples, etc.).
b. Transport the sample to the laboratory under conditions that preserve the nucleic acid and prevent its degradation. Those skilled in the art will appreciate that maintenance of appropriate temperature and treatment with nuclease inhibitors may be required depending on the length of time between sample collection and laboratory processing. .
c. Treating the sample to release the target nucleic acid. This may involve heating the sample in the presence of reagents that lyse cells and/or reagents that dissociate and remove nucleic acid-associated proteins such as Chelex, proteinase K, guanidinium hydrochloride, guanidinium compositions and buffers. included.
d. A region of target nucleic acid is amplified in the presence of target-specific primers.
In certain embodiments, the nucleic acid is first reverse transcribed using a reverse transcriptase and the resulting cDNA is transcribed in the presence of a suitable DNA polymerase, nucleotides, cofactors, and other components well known in the art. and amplified according to LAMP or PCR protocols. When using LAMP, amplification is performed using a strand displacement DNA polymerase such as Bst polymerase, which has 5' to 3' DNA polymerase activity but lacks 5' to 3' exonuclease activity. When PCR is used, a thermostable DNA polymerase such as Taq polymerase is used.
e. In certain embodiments, one or more of the primers are biotinylated. Biotinylation is accomplished by any method known in the art, including synthesizing the primer with one or more biotinylated nucleotides or chemically or enzymatically modifying the primer after synthesis. be able to.
f. Time and temperature conditions will vary depending on the method (eg, PCR or LAMP) used to amplify the target nucleic acid. For example, an isothermal ramp is run at a single temperature while the temperature cycles between about 50°C and about 100°C.
g. The amplified target nucleic acid is contacted with the nanoparticles, and the nanoparticles specifically bind to the amplified target nucleic acid. A target nucleic acid-nanoparticle complex is formed. In some embodiments, the nanoparticles are bound to streptavidin.
h. The target nucleic acid-nanoparticle complex is exposed to a magnetic field device, allowing signal amplification in the presence of target DNA.
i. Signals are detected with an MRI system to identify the presence or absence of specific amplified target nucleic acid-nanoparticle complexes.
j. MRI detection results are collected and analyzed using MRI image processing software.

一実施形態では、増幅は、核酸の逆転写ループ媒介等温増幅(Reverse Transcription Loop Mediated Isothermal amplification:RT-LAMP)に依存して、単一工程でCOVID-19 RNAを増幅し、半自動化または自動化された処理プラットフォームでの、迅速、超高スループット、オープンアクセス、またはランダムアクセスソリューションを可能にし、市販のMRIイメージャーを使用して、これらのアッセイ産物を非常に多数で検出する。 In one embodiment, the amplification relies on Reverse Transcription Loop Mediated Isothermal amplification (RT-LAMP) of nucleic acids to amplify COVID-19 RNA in a single step and is semi-automated or automated. It enables rapid, ultra-high-throughput, open-access, or random-access solutions on a sophisticated processing platform to detect these assay products in very large numbers using commercially available MRI imagers.

本発明の方法のランダムアクセス能力
本発明のシステムおよび方法は、様々なサンプル調製方法、様々な核酸増幅方法、様々なアッセイタイプ(LAMPアッセイ、RT-LAMPアッセイ、PCR、逆転写PCR(RT-PCR)、免疫アッセイ、ELISAなど)の統合を、ハードウェア、さらに重要なことには、磁気処理およびMRIまたはNMR検出と適合性の試薬、たとえばプライマー、ナノ粒子、およびさまざまなプローブなどに変更を加えることによって可能にする。本発明の一態様では、サンプル収集から病原体細胞からのRNAおよびDNA抽出まで、RNAまたはDNA増幅および磁気処理工程前ならびにMRI検出前に、ヒト臨床サンプルを処理するために、ランダムアクセスコンパティブルサブシステム(random access compatible subsystems)を組み立てる必要がある。
Random Access Capabilities of the Methods of the Invention The systems and methods of the invention can be used in a variety of sample preparation methods, a variety of nucleic acid amplification methods, a variety of assay types (LAMP assays, RT-LAMP assays, PCR, reverse transcription PCR (RT-PCR). ), immunoassays, ELISAs, etc.) with modifications to the hardware and more importantly to magnetic processing and reagents compatible with MRI or NMR detection, such as primers, nanoparticles, and various probes. make it possible by In one aspect of the invention, random access compatible sub-substrates are used for processing human clinical samples from sample collection to RNA and DNA extraction from pathogen cells, prior to RNA or DNA amplification and magnetic processing steps and prior to MRI detection. It is necessary to assemble the system (random access compatible subsystems).

特定の態様によれば、MRI検出LAMPまたはRT?LAMPアッセイを使用して、唾液、スワブ、血液、尿、糞便、喀痰、便、および人体から採取された任意の液体などの任意のサンプルタイプから、ウイルス、細菌および真菌を含む任意の病原体由来の核酸を検出する。サンプル調製方法は、異なるサンプルタイプでは異なるが、本発明の方法は、LAMP増幅からMRI検出まで実質的に同じである。この機能は、「ランダムサンプルアクセス」または「ランダムアクセス」という用語でも識別され、残りのシステム要素とコンポーネントの大部分またはすべてを変更せずに、さまざまなサンプルタイプを部分的に異なる方法で処理できる。 According to certain aspects, from any sample type such as saliva, swabs, blood, urine, feces, sputum, stool, and any liquid taken from the human body using MRI detection LAMP or RT-LAMP assays. Detects nucleic acids from any pathogen, including viruses, bacteria and fungi. Although sample preparation methods differ for different sample types, the methods of the present invention are substantially the same from LAMP amplification to MRI detection. This feature, also identified by the term "random sample access" or "random access", allows different sample types to be processed in a partially different way without changing most or all of the remaining system elements and components. .

特に、本発明は、上記のボトルネックのほとんどを回避する。たとえば、低コストの広く利用可能なマシンと単純なヒーターを使用してエンドポイント増幅 (RT-LAMPやエンドポイントRT-PCRなど)を実行し、それにより高スループット、オープンアクセス、またはランダムアクセス半自動化または自動化されたプラットフォームで実現し、また市販のMRIシステムを検出に使用する。上述の本発明の工程では、他の工程を変更することなく、各工程または任意の工程を変更する柔軟性がある。本発明のシステムおよびMRI検出方法の異なる要素のこのランダムまたはオープンアクセス能力は、短時間で分析できるサンプルの量を増やすのに役立つ。 In particular, the present invention avoids most of the above bottlenecks. For example, endpoint amplification (such as RT-LAMP and endpoint RT-PCR) can be performed using low-cost, widely available machines and simple heaters, resulting in high-throughput, open-access, or random-access semi-automation. or implemented on an automated platform and using commercially available MRI systems for detection. In the process of the present invention described above, there is flexibility to change each or any step without changing other steps. This random or open access capability of the different elements of the system and MRI detection method of the present invention helps increase the amount of sample that can be analyzed in a short period of time.

例えば、サンプル採取方法が唾液からスワブに変更されても、他の工程またはシステム構成要素に影響を及ぼさないため、変更することができる。ランダムアクセス機能により、発現した病原体の検出、さまざまな臨床および環境サンプルとその収集方法、さまざまなサンプル調製方法、さまざまなタイプのLAMPおよびPCRプライマーとプローブを迅速に変更することもできる。 For example, the sampling method can be changed from saliva to swabs without affecting other processes or system components. Random access capabilities also enable rapid alteration of expressed pathogen detection, different clinical and environmental samples and their collection methods, different sample preparation methods, different types of LAMP and PCR primers and probes.

96および384ウェルの加熱ブロック、96または384ウェルの超音波処理ブロックを使用して、数千のSARS-CoV-2ウイルス標本に対して、MRIシステムによって検出可能な多数のRT-LAMPアッセイを実行する間、半自動または自動ピペットまたはロボットはウイルスの溶解と増幅および検出のために、試薬やその他の液体を9プレートに供給できる。これらの工程は、他の工程が完了するのを待たずに同時に実行できる。 Performing multiple RT-LAMP assays detectable by MRI systems on thousands of SARS-CoV-2 virus specimens using 96- and 384-well heating blocks, 96- or 384-well sonication blocks Meanwhile, a semi-automatic or automatic pipette or robot can deliver reagents and other liquids to the 9 plates for virus lysis, amplification and detection. These steps can be performed simultaneously without waiting for other steps to complete.

MRI検出プラットフォームのさまざまな要素のランダムサンプルアクセスまたはオープンアクセス機能、つまりサンプル収集、サンプル調製、それに続くMRI検出前のウイルスRNAに対して使用されるループ媒介等温増幅(RT-LAMP)法を採用することで、プロセスが合理化され、効率が最大化される。LAMP法では、4から6個の特別に設計された標的特異的プライマーを使用して、等温条件下で特異性の高い特定の核酸を迅速に増幅できる。LAMP反応プロセスは、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)とは異なり、変性工程を必要とせず、DNAポリメラーゼの鎖置換活性によってDNA増幅が起こる。LAMP法は、細菌やウイルスを含むさまざまな微生物や病原体の検出に広く適用されている。RNAウイルスのような病原体のRNAゲノムを検知する場合、LAMPは逆転写(RT)と組み合わされ、核酸増幅のRT-LAMP分析を提供した。 Employ random sample access or open access capabilities of various elements of the MRI detection platform: sample collection, sample preparation, and subsequent loop-mediated isothermal amplification (RT-LAMP) method used for viral RNA prior to MRI detection. This streamlines processes and maximizes efficiency. The LAMP method uses 4 to 6 specially designed target-specific primers to rapidly amplify specific nucleic acids with high specificity under isothermal conditions. The LAMP reaction process, unlike the polymerase chain reaction (PCR), does not require a denaturation step and DNA amplification occurs through the strand displacement activity of DNA polymerases. The LAMP method is widely applied to the detection of various microorganisms and pathogens including bacteria and viruses. When detecting RNA genomes of pathogens such as RNA viruses, LAMP was combined with reverse transcription (RT) to provide RT-LAMP analysis of nucleic acid amplification.

MRIを用いたLAMPアッセイのエンドポイント検出のランダムアクセス能力により、臨床サンプルおよび環境サンプル、あらゆる種類のサンプル収集方法、さまざまなサンプル調製方法および市販のキットから、さまざまな種類の病原体、バイオマーカーの検出が可能になる。また非常に柔軟なランダムアクセスモダリティにより、さまざまなタイプのプライマーとプローブを使用できる。 Random access capability of LAMP assay endpoint detection using MRI enables detection of a wide variety of pathogens, biomarkers from clinical and environmental samples, all types of sample collection methods, various sample preparation methods and commercial kits. becomes possible. A very flexible random access modality allows the use of different types of primers and probes.

数千のSARS-CoV-19ウイルスサンプルに対してMRIで検出可能な多数のRT-LAMPアッセイを実行するために、業界標準の96および384ウェルの加熱ブロック、96および384ウェルの超音波処理ブロック、ウイルス溶解とRT-LAMP RNA増幅のために、試薬やその他の液体を96または384ウェルプレートに分注できる自動ピペットまたはロボットを使用できる。 Industry-standard 96- and 384-well heating blocks, 96- and 384-well sonication blocks to perform multiple MRI-detectable RT-LAMP assays on thousands of SARS-CoV-19 virus samples Automated pipettes or robots that can dispense reagents and other liquids into 96- or 384-well plates for viral lysis and RT-LAMP RNA amplification can be used.

3-Dセンサーによるアッセイの3次元同時検出
対応する反応チューブ/ウェルで RT-LAMP、LAMP、PCR、またはRT-PCRを使用して生成された核酸アンプリコン(nucleic acid amplicons)を、MRI検出を使用して同時に検出すると、MRIサンプルコイル内に配置されたときにすべてのサンプルを同時に定量的に検出できる。MRIは、脳や体の小さな部分を視覚化し、損傷した細胞や組織、腫瘍などの異常な構造の有無を定性的に識別するためのイメージングデバイスである。同じ概念が、PCRおよびLAMPアッセイの多数のアンプリコンのin vitro検出に適用される。MRIサンプルコイル(ヘッドまたはボディコイルまたはホールボディコイル)内に配置された単一から数百、さらには数千のサンプルプレートからの画像は、画像処理後に、3次元アレイとして配置されたすべてのサンプルの3D画像を提供する。これは、人間の脳のさまざまなスライスをMRIでピクセルまたはボクセルの形で識別することに似ている。これらの2次元のピクセルと3次元のボクセルは、それらのピクセルまたはボクセルに対応する脳の特性を示している。脳組織のこれらの種の領域で測定された緩和パラメータは、3D画像とその2Dスライスとして再構築される。アッセイの3次元配列の2次元でプロットされたピクセルは、結果を視覚化し、1と0で表される陽性と陰性に変換するために使用される。脳組織のこれらの種の領域で測定された緩和パラメータは、3D画像とその2Dスライスとして再構築される。アッセイの3次元配列の2次元でプロットされたピクセルは、結果を視覚化し、1と0で表される陽性と陰性に変換するために使用される。
3-Dimensional Simultaneous Detection of Assays with 3-D Sensors Nucleic acid amplicons generated using RT-LAMP, LAMP, PCR, or RT-PCR in corresponding reaction tubes/wells are combined with MRI detection. When used and detected simultaneously, all samples can be quantitatively detected simultaneously when placed in the MRI sample coil. MRI is an imaging device for visualizing small parts of the brain or body and qualitatively identifying the presence or absence of abnormal structures such as damaged cells, tissue, and tumors. The same concept applies to in vitro detection of multiple amplicons in PCR and LAMP assays. Images from a single to hundreds or even thousands of sample plates placed in an MRI sample coil (head or body coil or whole body coil), after image processing, all samples placed as a three-dimensional array provides a 3D image of This is analogous to identifying different slices of the human brain in pixels or voxels in an MRI. These 2D pixels and 3D voxels indicate the brain properties corresponding to those pixels or voxels. Relaxation parameters measured in these species regions of brain tissue are reconstructed as 3D images and their 2D slices. Pixels plotted in two dimensions of the three-dimensional array of assays are used to visualize the results and convert positives and negatives represented by 1's and 0's. Relaxation parameters measured in these species regions of brain tissue are reconstructed as 3D images and their 2D slices. Pixels plotted in two dimensions of the three-dimensional array of assays are used to visualize the results and convert positives and negatives represented by 1's and 0's.

本発明の方法は、従来の光学検出システムとは異なり、サンプルの三次元アレイを検出することができる。各アッセイは光学検出器を使用して増幅および検出されるが、センサーからの光は、数回の増幅サイクルまたは時間ごとに専用の光源を使用して各アッセイに照射される。従来技術の方法とは異なり、本明細書に開示される方法は、信号の検出およびサンプルの位置または数の同定を可能にするDCおよびAC磁場ならびにDCおよびRFパルスのシーケンスを使用する。先行技術の方法は、サンプルのすぐ隣に存在しなければならない光源および光学検出システムを使用し、このシステムはシステム全体に高度に統合され、検出プロセスの始めから終わりまで処理する目的下に、システムが構成される。 The method of the present invention can detect a three-dimensional array of samples, unlike conventional optical detection systems. Each assay is amplified and detected using an optical detector, while light from the sensor is illuminated to each assay using a dedicated light source for several amplification cycles or hours. Unlike prior art methods, the methods disclosed herein use DC and AC magnetic fields and sequences of DC and RF pulses that enable signal detection and sample location or number identification. Prior art methods use a light source and an optical detection system that must be in the immediate vicinity of the sample and which are highly integrated into the overall system, with the aim of handling the detection process from start to finish. is configured.

MRI技術を使用する本発明の方法は、3次元における非常に小さい体積の検出を可能にし、3次元空間におけるそれぞれの小さい体積からの信号の処理を可能にする。MRIは何十年もの間、生体内医療画像処理に使用されてきたが、パンデミック スクリーニングに同じ方法を使用することはこれまでに報告されていない。本発明は、ゲノム科学、ナノテクノロジー、合成遺伝子セグメント、遺伝子配列の機能化・官能化、迅速なアッセイを行うための結合化学、磁場対応アッセイプロセス、迅速なサンプル収集方法、ヒトまたは動物標本の迅速なサンプル溶解および消化方法、機能化・官能化ナノ粒子、画像処理方法およびソフトウェアツール、またさらに市販のMRIシステムおよびMRIエリアの専門知識などの科学および技術におけるさまざまな最新の開発の統合によって促進される、3Dフォーマットでの数万のサンプルの検出を提供する。 The method of the invention using MRI technology allows detection of very small volumes in three dimensions and allows processing of signals from each small volume in three-dimensional space. Although MRI has been used for in vivo medical imaging for decades, the use of the same method for pandemic screening has not been previously reported. The present invention relates to genomics, nanotechnology, synthetic gene segments, functionalization and functionalization of gene sequences, conjugation chemistry for rapid assays, magnetic field-enabled assay processes, rapid sample collection methods, rapid detection of human or animal specimens. facilitated by the integration of various latest developments in science and technology such as advanced sample lysis and digestion methods, functionalized and functionalized nanoparticles, image processing methods and software tools, as well as commercially available MRI systems and expertise in the MRI area. provides detection of tens of thousands of samples in 3D format.

本発明は、核酸アンプリコンのMRI検出方法を提供する。これは現在の最先端技術とは根本的に異なる。なぜなら、この3次元検知システムは他の3Dアレイパターンの上に配置されたサンプルの3Dスタック中のそれぞれのサンプルを識別することができるからである。高周波と磁場は相乗的に作用し、磁場勾配と高周波位相エンコード法を使用して各サンプルを同定する。これらの磁場とその特性は、MRIのピクセルを使用して、存在するサンプルの特徴を持つ画像で各サンプルの位置を同定する。各サンプルチューブから収集されたMRI画像のピクセルは、特定の核酸配列の有無を同定する。 The present invention provides methods for MRI detection of nucleic acid amplicons. This is fundamentally different from the current state of the art. This is because the 3D sensing system can identify each sample in a 3D stack of samples placed on top of another 3D array pattern. The radio frequency and magnetic field act synergistically, and each sample is identified using magnetic field gradients and radio frequency phase encoding techniques. These magnetic fields and their properties identify the location of each sample in an image with the characteristics of the sample present using the pixels of the MRI. Pixels of the MRI image collected from each sample tube identify the presence or absence of specific nucleic acid sequences.

本発明の方法を使用すると、ヒトまたは動物サンプルにおける病原体検出のためにヘルスケアシステムで利用可能なほぼすべてのMRIシステムを「そのまま」使用できるか、または容易に適合させることができる。広範囲にわたる磁場を持つMRIシステムは、この方法を使用して検証されているため、これらのシステムをグローバルに展開して、世界中のCOVID-19疾患の蔓延と戦うことができる。低磁場(65ミリテスラから3000ミリテスラの間)のMRIシステムがテストされ、臨床サンプル中の病原体の存在または非存在を特定する際に、実質的に同じ結果が得られた。 Using the methods of the present invention, virtually any MRI system available in healthcare systems can be used "as is" or easily adapted for pathogen detection in human or animal samples. MRI systems with a wide range of magnetic fields have been validated using this method, allowing these systems to be deployed globally to combat the spread of COVID-19 disease around the world. Low-field (between 65 millitesla and 3000 millitesla) MRI systems have been tested with substantially the same results in identifying the presence or absence of pathogens in clinical samples.

MRIで検出された核酸は、以下の多くのMRIシステムで検出されたサンプルの比較によって示されるように、磁場に関係なく同じ結果を与える;低磁場MRIシステム 65ミリテスラフィールドのHyperfine MRI、200ミリテスラフィールドのEsaote C-Scan、300ミリテスラのEsaote O-Scan、中程度磁場の1000 ミリテスラフィールドのONI MRIシステム、1500ミリテスラフィールドのSiemens Magnetomシステム、3テスラ Varian および GEシステム。さらに、本発明の方法は、世界中に設置されたさまざまなベンダーおよびシステムからの広範囲のMRIシステムで検証されている。 MRI-detected nucleic acids give the same results regardless of the magnetic field, as shown by the following comparison of samples detected on a number of MRI systems; Esaote C-Scan, 300 mTesla Esaote O-Scan, medium field 1000 mTsla field ONI MRI system, 1500 mTsla field Siemens Magnetom system, 3 Tesla Varian and GE systems. Additionally, the method of the present invention has been validated on a wide range of MRI systems from various vendors and systems installed worldwide.

MRIを使用して、少量のアッセイ液に対する三次元視覚化能力を使用すると、時間単位または分単位で処理される多数のサンプルのデータ処理を同時に視覚化することができる。提案されたMRI検出システムには、シーケンシャルに他の工程を遅くすることがあるサブシステムがないため、検出のボトルネックはない。 Using MRI, the three-dimensional visualization capability for small volumes of assay fluid can be used to simultaneously visualize the data processing of many samples processed over hours or minutes. There is no detection bottleneck in the proposed MRI detection system because there are no subsystems that could sequentially slow down other processes.

先行技術の方法とは異なり、本MRI法は、サンプル調製システムに接続されておらず、ラジオ波信号がサンプルの純度によって大きく影響されないので、純粋なサンプルを必要としない。PCRおよびLAMP増幅を妨害する可能性と同時に光信号検出のために、阻害剤を核酸サンプルから除去する必要があるために準備と処理に非常に長い時間がかかる、光学的に検出されるリアルタイムPCRおよびRT-LAMPシステムとは異なる。本発明の方法は、光学的阻害剤の影響を受けないので、急速溶解法、およびサンプルの化学的処理または加熱を使用するサンプル処理方法が必要なすべてである。 Unlike prior art methods, the present MRI method does not require a pure sample as it is not connected to a sample preparation system and the radio frequency signal is not significantly affected by sample purity. Optically detected real-time PCR, which requires very long preparation and processing times due to the need to remove inhibitors from the nucleic acid sample, potentially interfering with PCR and LAMP amplification, as well as for optical signal detection and RT-LAMP systems. Since the method of the present invention is immune to optical inhibitors, all that is required is a rapid dissolution method and a sample processing method that uses chemical treatment or heating of the sample.

本発明のMRI検出方法は、MRI造影剤としてインビボで使用されるナノメートルスケールの常磁性粒子(ナノ粒子)を含む磁気共鳴および磁気検出技術の先行技術に部分的に依存する。従来技術では、これらの磁性ナノ粒子は、MRIイメージングの前に患者または動物に注入される。造影剤が標的細胞に選択的に結合すると、スピン緩和パラメータが局所的に変化し、MRI画像のコントラストが変化するため、画像のコントラストが向上し、人体の腫瘍細胞や非腫瘍細胞などの視覚化が向上する。 The MRI detection method of the present invention relies in part on the prior art of magnetic resonance and magnetic detection technology involving nanometer-scale paramagnetic particles (nanoparticles) used in vivo as MRI contrast agents. In the prior art, these magnetic nanoparticles are injected into patients or animals prior to MRI imaging. Selective binding of the contrast agent to target cells locally alters the spin relaxation parameter and alters the contrast of the MRI image, thus enhancing the image contrast and enabling visualization of tumor and non-tumor cells, etc. in the human body. improves.

本発明は、同様のナノ粒子原理を使用するが、それらは、臨床試料中に存在する低濃度のために検出が困難な核酸に適用される。ナノ粒子を介したMRIおよびNMR検出を使用して検査できる臨床サンプルには、非侵襲的に収集された唾液、鼻腔スワブ、喀痰、尿、便サンプル、および血液や組織などのより侵襲的に収集されたサンプルが含まれる。 The present invention uses similar nanoparticle principles, but they apply to nucleic acids that are difficult to detect due to the low concentrations present in clinical samples. Clinical samples that can be examined using nanoparticle-mediated MRI and NMR detection include non-invasively collected saliva, nasal swabs, sputum, urine and stool samples, and more invasively collected such as blood and tissue. Contains samples that have been

1次元NMRを使用した単一テストの定量化:
本発明の別の態様では、MRIの背後にある基本技術である核磁気共鳴(NMR)として知られる同じ基本的な方法を使用して、処理されたアッセイを市販のNMRシステムを使用して検出し、さらにウイルスまたは細菌病原体負荷、個々の標本のそれらの株を一次元で特定、検証、または定量化する。対照的に、定量化を伴わない多数のサンプルのハイスループット分析にMRIを使用する実施形態は、3次元での検出として定義される。この一次元検出は、同じ病原体または異なる病原体の各株の既知のプライマー(合成核酸セグメント)などのRT-LAMPおよびRT-PCRアッセイ要素にも依存している。磁場強度の低または中程度の端部が検知プローブとして使用される磁気ナノ粒子にほとんど影響がないので、検出に使用されるMRIシステムは、2.5MHzから150MHzのNMR周波数範囲にある。
Quantification of a single test using 1D NMR:
In another aspect of the invention, the same basic method known as nuclear magnetic resonance (NMR), the underlying technology behind MRI, is used to detect processed assays using commercially available NMR systems. and further identify, validate, or quantify the viral or bacterial pathogen load, their strains in individual specimens in one dimension. In contrast, embodiments using MRI for high-throughput analysis of large numbers of samples without quantification are defined as detection in three dimensions. This one-dimensional detection also relies on RT-LAMP and RT-PCR assay components such as known primers (synthetic nucleic acid segments) for each strain of the same pathogen or different pathogens. The MRI systems used for detection are in the NMR frequency range of 2.5 MHz to 150 MHz, since the low or medium edge of magnetic field strength has little effect on the magnetic nanoparticles used as sensing probes.

これらの好ましいNMRシステムには、2.5MHzから150MHzの範囲の、Bruker minispecシステム、Thermo Fisher Pico Spinシステム、Magritek bench top NMR システム、Waveguide formula handheld NMR システム、および広範囲周波数のBruker and Varian NMR装置を含む自家製および市販のベンチトップNMRシステムが含まれる。 These preferred NMR systems include Bruker minispec systems, Thermo Fisher Pico Spin systems, Magritek bench top NMR systems, Waveguide formula handheld NMR systems, and broad frequency Bruker and Va Includes rian NMR equipment Homemade and commercially available benchtop NMR systems are included.

MRI検出LAMPおよびRT-LAMPアッセイデザイン:
本発明の特定の方法は、6つの異なるプライマー、すなわちF3、B3、FIP、BIP、ループFおよびループを必要とする、LAMPまたはRT?LAMPアッセイを使用して、増幅されたDNAを検出することにアプローチする。LAMPは、標的遺伝子の6つの異なる領域を認識するように特異的に設計された最初の4つのプライマーの使用により特徴付けられる。LAMP アッセイはよく知られており、ワールド ワイド ウェブ上で図式的に説明されている。たとえば、以下を参照:www [dot] neb [dot] com/applications/dna-amplification-pcr-and-qpcr/isothermal-amplification/loop-mediated-isothermal-amplification-lamp。
MRI-Detected LAMP and RT-LAMP Assay Design:
A particular method of the invention detects amplified DNA using a LAMP or RT-LAMP assay, which requires six different primers: F3, B3, FIP, BIP, loop F and loop to approach. LAMP is characterized by the use of the first four primers specifically designed to recognize six different regions of the target gene. The LAMP assay is well known and illustrated graphically on the World Wide Web. See, for example: www [dot] neb [dot] com/applications/dna-amplification-pcr-and-qpcr/isothermal-amplification/loop-mediated-isothermal-amplification-lamp.

使用した4つのプライマーは以下の通りである:
a. フォワード インナー プライマー(Forward Inner Primer:FIP):FIPは、3’末端のF2領域と5’末端のFlc領域からなる。F2領域は、テンプレート配列のF2c領域に相補的である。Flc領域は、テンプレート配列のFlc領域と同一である。
b. バックワード インナー プライマー(Backward Inner Primer:BIP):BIP は、3’末端のB2領域と5’末端のBlc領域からなる。B2領域は、テンプレート配列のB2c領域に相補的である。Blc領域は、テンプレート配列のBlc領域と同一である。
c. フォワード アウター プライマー(Forward Outer Primer:F3):このプライマーは、テンプレート配列のF3c領域に相補的なF3領域からなる。このプライマーは、FIPよりも長さが短く、濃度が低い。
d. バックワード アウター プライマー(Backward Outer Primer:B3 Primer):このプライマーは、テンプレート配列のB3c領域に相補的なB3領域からなる。
The four primers used are as follows:
a. Forward Inner Primer (FIP): FIP consists of the 3′-terminal F2 region and the 5′-terminal Flc region. The F2 region is complementary to the F2c region of the template sequence. The Flc region is identical to the Flc region of the template sequence.
b. Backward Inner Primer (BIP): BIP consists of the B2 region at the 3' end and the Blc region at the 5' end. The B2 region is complementary to the B2c region of the template sequence. The Blc region is identical to the Blc region of the template sequence.
c. Forward Outer Primer (F3): This primer consists of the F3 region complementary to the F3c region of the template sequence. This primer is shorter in length and lower in concentration than FIP.
d. Backward Outer Primer (B3 Primer): This primer consists of the B3 region complementary to the B3c region of the template sequence.

重要なLAMPプライマーセット(FIP、BIP、F3、および B3)が決定された後、増幅時間を短縮し、特異性を向上させるループプライマーが設計される。 After the critical LAMP primer sets (FIP, BIP, F3, and B3) are determined, loop primers are designed to reduce amplification time and improve specificity.

LAMPまたはRT?LAMPの先行技術で使用される段階的アプローチは、文献および先行技術に記載されており、本発明のMRI検出方法との関連を示し、新しい発明の方法を実施し、MRIで検出されたLAMP産物の要素を理解するために必要な変更を強調することを目的として以下に簡単に記載されている。 The stepwise approach used in the LAMP or RT-LAMP prior art has been described in the literature and the prior art, shows relevance to the MRI detection method of the present invention, implements the new invention method, and is detected in MRI. A brief description is provided below for the purpose of highlighting the modifications necessary to understand the elements of the LAMP product produced.

LAMP法の先行技術では、サンプル溶液中のRNAおよび前述のMRI検出可能なビオチン化プライマーを含む反応溶液の成分は、60から65℃の一定温度でインキュベートされる。その結果、以下の工程が観察された。プロセスは、loopamp [dot] eiken [dot] co [dot] jp/e/lamp/rt_principle.htmlのワールドワイドWebで表示されるRT-LAMP in RT-LAMP method - Principle: RT-LAMPを示す図を参照して、以下に詳細に説明する。 In the prior art of the LAMP method, the components of the reaction solution, including the RNA in the sample solution and the aforementioned MRI-detectable biotinylated primers, are incubated at a constant temperature of 60-65°C. As a result, the following steps were observed. The process is based on the diagram showing the RT-LAMP in RT-LAMP method - Principle: RT-LAMP displayed on the World Wide Web at loopamp [dot] eiken [dot] co [dot] jp/e/lamp/rt_principle.html. Reference is made to the following detailed description.

RT-LAMP STEP-1:BIPプライマーがテンプレートRNAにアニールし、逆転写酵素の活性によりcDNAが合成される。独自にビオチン化されたプライマーは、5’末端にビオチンを持つプライマーの16の可能な組み合わせを使用して増幅に使用される。商用ベンダー(IDT Technologies、USA)が種々のビオチンの位置とデザインでこれらを提供する。これらのプライマーは、RT-LAMP産物の後処理に重要なナノ粒子に結合するために、選択的にビオチン化された。ビオチン結合プライマーを使用する任意の実施形態では、LAMPまたはRT-LAMPアッセイに参加することができ、MRI法またはNMR法を使用して下流で検出することができる。 RT-LAMP STEP-1: The BIP primer anneals to the template RNA, and cDNA is synthesized by the activity of reverse transcriptase. Uniquely biotinylated primers are used for amplification using 16 possible combinations of primers with biotin at their 5' ends. A commercial vendor (IDT Technologies, USA) offers these with different biotin locations and designs. These primers were selectively biotinylated for binding to nanoparticles, which is important for post-processing of RT-LAMP products. Any embodiment using biotin-conjugated primers can participate in LAMP or RT-LAMP assays and can be detected downstream using MRI or NMR methods.

BIPまたはFIPプライマーは、標的配列の相補的なセクションに結合するB2およびF2部位の結果として鎖置換を開始する。このプロセスは、例えば、反応媒体中のBstポリメラーゼによる置換によって起こる。 BIP or FIP primers initiate strand displacement as a result of the B2 and F2 sites binding to complementary sections of the target sequence. This process occurs, for example, by displacement by Bst polymerase in the reaction medium.

RT?LAMP STEP?2:F3プライマーはBIPプライマーの外側の領域にアニールする。逆転写酵素の活性により、新しいcDNAが合成され、同時にBIPプライマーによって先に形成されたcDNA鎖が解放される。 RT-LAMP STEP-2: The F3 primer anneals to the region outside the BIP primer. The activity of reverse transcriptase synthesizes new cDNA and simultaneously releases the cDNA strand previously formed by the BIP primer.

RT-LAMP STEP-3:工程(2)から、BIPから合成された一本鎖cDNAが解放される。次に、FIPプライマーは、この一本鎖cDNAにアニールする。 RT-LAMP STEP-3: Single-stranded cDNA synthesized from BIP is released from step (2). The FIP primer then anneals to this single-stranded cDNA.

RT-LAMP STEP-4:逆転写工程(3)から、鎖置換活性を有するDNAポリメラーゼの活性により、FIPのF2領域の3’末端が開始点となり、相補的DNA鎖が合成される。 RT-LAMP STEP-4: From the reverse transcription step (3), a complementary DNA strand is synthesized from the 3' end of the F2 region of FIP as a starting point by the activity of a DNA polymerase having strand displacement activity.

RT?LAMP STEP?5:F3プライマーはFIPの外側の領域にアニールし、その3’末端が合成の開始点となり、同時にFIPによって先に形成されたDNA鎖を解放する。 RT-LAMP STEP-5: The F3 primer anneals to the outer region of FIP and its 3' end becomes the starting point for synthesis, simultaneously releasing the DNA strand previously formed by FIP.

RT?LAMP STEP?6:テンプレートDNA鎖とともにF3プライマーにより合成されたDNA鎖は二本鎖DNAを形成する。 RT-LAMP STEP-6: The DNA strand synthesized by the F3 primer together with the template DNA strand form double-stranded DNA.

RT-LAMP STEP-7:工程(5)で解放されたFLP結合DNA鎖は両端に相補配列を含むため、自己アニールしてダンベル様構造を形成する。この構造(7)は、LAMPサイクリング増幅の出発構造となる。 RT-LAMP STEP-7: Since the FLP-bound DNA strand released in step (5) contains complementary sequences at both ends, it self-anneals to form a dumbbell-like structure. This structure (7) serves as the starting structure for LAMP cycling amplification.

RT?LAMP STEP?8:ダンベル様DNA構造(7)は、5’末端でループを広げてDNA合成を延長する自己プライミングDNA合成によりステムループDNAに迅速に変換される。BIPはステムループDNAの一本鎖領域にアニーリルして、工程(8)でDNA合成を開始し、先に合成された鎖を解放する。 RT-LAMP STEP-8: The dumbbell-like DNA structure (7) is rapidly converted to stem-loop DNA by self-priming DNA synthesis that unfolds the loop at the 5' end and prolongs DNA synthesis. BIP anneals to single-stranded regions of stem-loop DNA and initiates DNA synthesis in step (8), releasing the previously synthesized strand.

RT-LAMP STEP-9:この解放された一本鎖は、FlcおよびFI領域が相補的であるため、3’末端でステムループ構造を形成する。次に、FI領域の3’末端から、自己構造をテンプレートとしてDNA合成が開始され、BIP結合した相補鎖が解放される。構造(9)が形成される。 RT-LAMP STEP-9: This released single strand forms a stem-loop structure at the 3'end because the Flc and FI regions are complementary. Next, DNA synthesis is initiated from the 3' end of the FI region using the self-structure as a template, and the BIP-bound complementary strand is released. Structure (9) is formed.

RT?LAMP STEP?10:次いで、解放されたBIP結合一本鎖は、両端がそれぞれ相補的なFI?FlcおよびBlc?B1領域を有するダンベル様構造を形成する。この構造は構造(7)の反転構造である。 RT-LAMP STEP-10: The released BIP-bound single strands then form a dumbbell-like structure with complementary FI-Flc and Blc-B1 regions at each end. This structure is the inverse of structure (7).

RT?LAMP STEP?11:工程(7)と同様に、構造(10)は、FI領域の3’末端から始まる自己プライミングDNA合成を進行させる。さらに、FIPはF2c領域にアニールし、DNA鎖の合成を開始する。このFlP結合DNA鎖は、自己プライミングDNA合成の鎖置換によって解放される。したがって、工程(7)、(8)および(10)と同様に、工程(10)および(11)が進行し、構造(7)が再び形成される。 RT-LAMP STEP-11: Similar to step (7), structure (10) allows self-priming DNA synthesis to proceed starting from the 3' end of the FI region. In addition, FIP anneals to the F2c region and initiates DNA strand synthesis. This FIP-bound DNA strand is released by strand displacement of self-priming DNA synthesis. Thus steps (10) and (11) proceed in the same manner as steps (7), (8) and (10) to form structure (7) again.

RT?LAMP STEP?12:工程(9)(または工程(12))で生成された構造により、FIP(またはBIP)が一本鎖F2c領域(またはB2c領域)にアニールし、DNA合成が二本鎖DNAを解放することによって継続する。このプロセスの結果として、同じ鎖上の標的配列の交互逆方向反復からなる様々なサイズの構造が形成される。 RT-LAMP STEP-12: The structure generated in step (9) (or step (12)) causes FIP (or BIP) to anneal to the single-stranded F2c region (or B2c region), allowing DNA synthesis to occur in two strands. Continue by releasing strand DNA. As a result of this process, structures of various sizes are formed consisting of alternating inverted repeats of the target sequence on the same strand.

上記のすべての工程において、ビオチンは保存され、生成物および残りの生成物において利用可能であり、これらはMRIイメージングを使用するMRI検出のためのアッセイの下流の調製に利用される。 In all the above steps, biotin is conserved and available in the product and residual products, which are utilized in downstream preparation of assays for MRI detection using MRI imaging.

MRI法を使用する場合、T2と呼ばれるMR緩和時間が長いMRI画像において「明るいスポット」を与える不成功の反応と比較して、増幅が成功した後の成功したLAMPアッセイは、T2と呼ばれるMR緩和時間がより短く、MRI画像において「より暗いスポット」をもたらす。磁場の存在下での官能基との相互作用により緩和時間を変化させる能力を持つナノビーズを選択することで、暗いものから明るいものへ、またはその逆への切り替えも可能である。 When using the MRI method, a successful LAMP assay after successful amplification is associated with a MR relaxation termed T2 compared to an unsuccessful reaction giving a "bright spot" in the MRI image with a long MR relaxation time termed T2. Shorter times result in "darker spots" in the MRI image. It is also possible to switch from dark to light or vice versa by choosing nanobeads with the ability to change the relaxation time by interacting with functional groups in the presence of a magnetic field.

本発明の一実施形態では、DNAの増幅に関与するLAMPプライマーは、以下に示すようにビオチン化される。相補的な官能基であるストレプトアビジンは、アッセイに追加されるナノ粒子に結合し、特に3次元でのMRI検出の場合、磁気共鳴ベースの検出プロセスの必須要素である。 In one embodiment of the invention, the LAMP primers involved in DNA amplification are biotinylated as shown below. A complementary functional group, streptavidin, binds to nanoparticles added to the assay and is an essential component of magnetic resonance-based detection processes, especially for MRI detection in three dimensions.

LAMPを使用する本発明の実施形態において、ビオチンは、プライマーの5’末端でプライマーBIP、FIP、ループFおよびループBに結合される。以下に示すのは、MRI検出を可能にするプライマーのいくつかの異なる配列と組み合わせである。 In embodiments of the invention using LAMP, biotin is attached to primers BIP, FIP, loop F and loop B at the 5' ends of the primers. Shown below are several different sequences and combinations of primers that allow MRI detection.

1. 5’-F3-3’
2. 5’-B3-3’
3. 5’-ビオチン-FIP-3’
4. 5’-ビオチン-BIP-3’
5. 5’-ビオチン-ループ F-3’
6. 5’-ビオチン-ループ B-3’
1. 5'-F3-3'
2. 5'-B3-3'
3. 5'-biotin-FIP-3'
4. 5'-Biotin-BIP-3'
5. 5'-biotin-loop F-3'
6. 5'-biotin-loop B-3'

F3およびB3のビオチン化は、成功したシグナルシグナルを与えず、また陽性および陰性のLAMPアッセイ間の差を与えず、したがってF3およびB3はビオチン化されない。3から6までの5つの他の可能な結合オプション、およびすべての配列と組み合わせでは、異なる陽性および陰性アッセイ強度を示すMRI画像が得られる。 Biotinylation of F3 and B3 did not give a successful signal and no difference between positive and negative LAMP assays, therefore F3 and B3 are not biotinylated. Five other possible binding options, from 3 to 6, and all sequences and combinations yield MRI images showing different positive and negative assay intensities.

上に列挙した6つのLAMPプライマーにおいて、プライマーF3およびB3は、5’末端にビオチンなどの官能基を有しない。これらの2つのプライマーは、それらに結合した官能基が加えられた場合、標的DNAの存在および非存在を区別することができず、したがって、本発明のMRI検出LAMPまたはRT-LAMPアッセイとは認められない。上記の6つのLAMPプライマーでは、FIP、BIP、ループF、およびループBの4つのプライマーのうち少なくとも1つが官能基としてイオチン化されている。ストレプトアビジンは、MRI特性を陽性と陰性の区別を示すように変化させるナノビーズに付着またはコーティングする必要がある相補的な官能基である。 In the six LAMP primers listed above, primers F3 and B3 do not have functional groups such as biotin at their 5' ends. These two primers, when added with functional groups attached to them, cannot distinguish between the presence and absence of target DNA and are therefore not recognized as MRI-detecting LAMP or RT-LAMP assays of the present invention. can't In the six LAMP primers described above, at least one of the four primers FIP, BIP, loop F, and loop B is iotinylated as a functional group. Streptavidin is a complementary functional group that needs to be attached or coated on the nanobeads that alter their MRI properties to distinguish between positive and negative.

5’末端にビオチン基が付加された(プライマーの5’末端がビオチン化されているとも呼ばれる)LAMPプライマーの好ましい組み合わせを、本発明の方法において好ましい順に以下に列挙する。 Preferred combinations of LAMP primers with a biotin group added to the 5' end (also referred to as the 5' end of the primer being biotinylated) are listed below in order of preference in the method of the present invention.

FIPプライマーのみの5’末端にビオチン、
BIPプライマーのみの5’末端にビオチン、
FIPおよびBIPプライマーの5’末端にビオチン、
ループFプライマーのみの5’末端にビオチン、
ループBプライマーのみの5’末端にビオチン、
ループFおよびループBプライマーの5’末端にビオチン、
FIPプライマーおよびループFプライマーの5’末端にビオチン、
FIPプライマーおよびループBプライマーの5’末端にビオチン、
BIPプライマーおよびループFプライマーの5’末端にビオチン、
BIPプライマーとループBプライマーの5’末端にビオチン、
FIPプライマー、BIPプライマー、ループFプライマーの5’末端にビオチン、
FIPプライマー、BIPプライマー、ループBプライマーの5’末端にビオチン、
FIPプライマー、ループFプライマー、ループBプライマーの5’末端にビオチン、
BIPプライマー、ループFプライマー、ループBプライマーの5’末端にビオチン、
FIBプライマー、BIPプライマー、ループBプライマー、ループFプライマーの5’末端にビオチン。
biotin at the 5′ end of the FIP primer only,
biotin at the 5' end of the BIP primer only,
biotin at the 5' end of the FIP and BIP primers,
biotin at the 5' end of the loop F primer only,
biotin at the 5' end of the loop B primer only,
biotin at the 5' ends of the loop F and loop B primers,
biotin at the 5' ends of the FIP and Loop F primers,
biotin at the 5′ ends of the FIP and Loop B primers,
biotin at the 5' end of the BIP primer and the loop F primer,
biotin at the 5′ ends of the BIP and Loop B primers;
biotin at the 5' end of FIP primer, BIP primer, loop F primer,
biotin at the 5′ ends of the FIP, BIP and loop B primers;
biotin at the 5′ end of the FIP primer, loop F primer, loop B primer;
biotin at the 5' end of the BIP primer, the loop F primer, the loop B primer;
Biotin at the 5' end of FIB, BIP, Loop B, Loop F primers.

MRI検出LAMPアッセイの一実施形態では、ビオチンがFIP LAMPプライマーのみの5’末端に結合されており、最低コストのプライマーにしている。最も単純な設計では、他のプライマーはビオチン化されていない。あるいは、BIPプライマーをビオチン化して、FIPを官能化しないで残すこともできる。最も単純な設計では、FIPおよびBIP LAMPプライマーからの2つのうちの1つが、LAMP反応で変更される2つのプライマーのうちの1つにすることができ、したがって、メーカーがビオチン化プライマーごとに多額の費用を請求するため、プライマーコストの点で安価になる。対応する磁性ナノ粒子はストレプトアビジンでコーティングされているため、「未使用」のビオチン化FIPプライマーは、磁性ナノ粒子に結合したストレプトアビジンに強く結合し、特定のLAMP反応がなくてもナノ粒子の容易な捕捉を可能にする。 In one embodiment of the MRI detection LAMP assay, biotin is attached to the 5' end of the FIP LAMP primer only, making it the lowest cost primer. In the simplest design the other primers are not biotinylated. Alternatively, the BIP primer can be biotinylated, leaving the FIP unfunctionalized. In the simplest design, one of the two from the FIP and BIP LAMP primers can be one of the two primers that are modified in the LAMP reaction, thus requiring manufacturers to pay large sums for each biotinylated primer. is charged, it becomes inexpensive in terms of primer cost. Since the corresponding magnetic nanoparticles are streptavidin-coated, the 'virgin' biotinylated FIP primers bind strongly to the streptavidin bound to the magnetic nanoparticles, and even without a specific LAMP reaction the nanoparticles Allows easy capture.

一実施形態では、ビオチンがBIPLAMPプライマーの5’末端に結合されている。FIPプライマーはビオチン化されていないため、このデザインは非常にシンプルである。BIP LAMPプライマーは、LAMP反応で変更する必要がある唯一のプライマーである。対応する磁性ナノ粒子はストレプトアビジンでコーティングされているため、「未使用」のビオチン化BIPプライマーは磁性ナノ粒子内のストレプトアビジンに強く結合し、特定のLAMP反応がなくてもナノ粒子の容易な捕捉を可能にする。 In one embodiment, biotin is attached to the 5' end of the BIPLAMP primer. This design is very simple because the FIP primer is not biotinylated. The BIP LAMP primer is the only primer that needs to be changed in the LAMP reaction. Since the corresponding magnetic nanoparticles are streptavidin-coated, the 'virgin' biotinylated BIP primers bind strongly to streptavidin within the magnetic nanoparticles, allowing easy activation of the nanoparticles without a specific LAMP reaction. Allow capture.

一実施形態において、ビオチンは、FIPおよびBIP LAMPプライマーの両方の5’末端に結合されている。2つのプライマー FIPおよびBIP LAMPプライマーに変更を加えると、ビオチンなどの結合分子が結合した各プライマーにメーカーが多額の費用を請求するため、プライマーのコストが高くなる。対応する磁性ナノ粒子はストレプトアビジンでコーティングされているため、「未使用」のビオチン化FIPおよびBIPプライマーは磁性ナノ粒子内のストレプトアビジンに強く結合し、特定のLAMP反応がなくてもFIPおよびBIPプライマーの両方によるナノ粒子の強い親和性と容易な捕捉を可能にする。 In one embodiment, biotin is attached to the 5' ends of both the FIP and BIP LAMP primers. Modifications to the two primers FIP and BIP LAMP primers increase the cost of the primers as the manufacturer charges a large amount for each primer with attached binding molecules such as biotin. Since the corresponding magnetic nanoparticles are coated with streptavidin, the 'virgin' biotinylated FIP and BIP primers bind strongly to streptavidin within the magnetic nanoparticles, leading to FIP and BIP activation even in the absence of a specific LAMP reaction. It allows for strong affinity and easy capture of nanoparticles by both primers.

一実施形態では、ビオチンがBIP LAMPプライマーの5’末端に付着している。FIPプライマーはビオチン化されていないため、この設計は非常にシンプルである。BIP LAMPプライマーは、LAMP反応で変更する必要がある唯一のプライマーである。対応する磁性ナノ粒子はストレプトアビジンでコーティングされているため、ビオチンに結合した「未使用」のBIPプライマーは磁性ナノ粒子内のストレプトアビジンに強く結合し、特定のLAMP反応がなくてもナノ粒子の容易な捕捉を可能にする。 In one embodiment, biotin is attached to the 5' end of the BIP LAMP primer. This design is very simple because the FIP primer is not biotinylated. The BIP LAMP primer is the only primer that needs to be changed in the LAMP reaction. Since the corresponding magnetic nanoparticles are streptavidin-coated, the 'virgin' BIP primer conjugated to biotin binds strongly to streptavidin within the magnetic nanoparticles, leading to the activation of the nanoparticles without a specific LAMP reaction. Allows easy capture.

一実施形態において、ビオチンは、FIPおよびBIP LAMPプライマーの両方の5’末端に結合されている。2つのプライマー FIPおよびBIP LAMPプライマーに変更を加えると、ビオチンなどの結合分子が結合した各プライマーにメーカーが多額の費用を請求するため、プライマーのコストが高くなる。対応する磁性ナノ粒子はストレプトアビジンでコーティングされているため、ビオチンに結合した「未使用」のFIPおよびBIPプライマーは磁性ナノ粒子内のストレプトアビジンに強く結合し、特定のLAMP反応がなくてもFIPおよびBIPプライマーの両方によるナノ粒子の強力な親和性と容易な捕捉を可能にする。 In one embodiment, biotin is attached to the 5' ends of both the FIP and BIP LAMP primers. Modifications to the two primers FIP and BIP LAMP primers increase the cost of the primers as the manufacturer charges a large amount for each primer with attached binding molecules such as biotin. Since the corresponding magnetic nanoparticles are streptavidin-coated, 'virgin' FIP and BIP primers conjugated to biotin bind strongly to streptavidin within the magnetic nanoparticles, allowing FIP to occur even in the absence of a specific LAMP reaction. It allows strong affinity and facile capture of the nanoparticles by both the and BIP primers.

本発明の一実施形態では、20から200ナノメートルのストレプトアビジン結合Super Magナノ粒子が、最大の柔軟性、速度および感度で使用される。ナノビーズのサイズ、ナノ粒子の結合能力は、アッセイにおけるナノビーズの最適濃度によって決定される。 In one embodiment of the invention, 20-200 nanometer streptavidin-conjugated Super Mag nanoparticles are used for maximum flexibility, speed and sensitivity. The size of the nanobeads and the binding capacity of the nanoparticles are determined by the optimal concentration of nanobeads in the assay.

検出に使用されるナノ粒子のサイズは、MRI検出において変化する。小さいナノビーズは高磁場MRIで使用され、大きいナノビーズは低磁場MRIシステムで使用され、検出プロセスをより簡単かつ高感度にする。 The size of nanoparticles used for detection varies in MRI detection. Small nanobeads are used in high-field MRI and large nanobeads are used in low-field MRI systems, making the detection process simpler and more sensitive.

本発明の一実施形態では、ナノ粒子の表面に共有結合したストレプトアビジンの単層を有するSuper Magナノ粒子は、ビオチン結合部位のほとんどを、使用されておらず、LAMP反応に参加していないビオチン化プライマーの結合を立体的に利用可能にする。広い表面積、優れたコロイド安定性、および独自の表面コーティングにより、Streptavidin Super Magは高い結合能力、低い非特異的結合、および捕捉のための高速磁気結合を示す。 In one embodiment of the invention, a Super Mag nanoparticle with a monolayer of streptavidin covalently attached to the surface of the nanoparticle leaves most of the biotin binding sites unused and not participating in the LAMP reaction. sterically available binding of the primer. Due to its large surface area, excellent colloidal stability, and unique surface coating, Streptavidin Super Mag exhibits high binding capacity, low non-specific binding, and fast magnetic binding for capture.

本明細書に記載のMRI検出方法は、MRI検出システムによる迅速で大規模な無抽出試料処理を可能にする終点検出アプローチである。これは、リアルタイム定量的ポリメラーゼ連鎖反応(rt-qPCR)のような広範な物理的および化学的原理を使用するDNAおよびRNAからの核酸アンプリコンの存在を検出する先行技術の検出技術とは対照的である。逆転写定量的ポリメラーゼ連鎖反応(RT-qPCR)は、サンプルを監視する専用センサーを使用した蛍光分光法で検出されることがほとんどである。等温増幅法LAMPまたはRT-LAMPの場合、エンドポイントで濁度、熱量測定、蛍光を使用する頻度は低く、ほぼリアルタイム検出モードでほとんどのアンプリコンが検出される。 The MRI detection method described herein is an endpoint detection approach that allows for rapid, large-scale, extraction-free sample processing by MRI detection systems. This is in contrast to prior art detection techniques that detect the presence of nucleic acid amplicons from DNA and RNA using a wide range of physical and chemical principles such as real-time quantitative polymerase chain reaction (rt-qPCR). is. Reverse transcription quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR) is most often detected by fluorescence spectroscopy using a dedicated sensor to monitor the sample. For the isothermal amplification methods LAMP or RT-LAMP, endpoints less frequently use turbidity, calorimetry, fluorescence, and most amplicons are detected in near-real-time detection mode.

COVID-19ウイルスRNAの異なる遺伝子セグメントに対して、また他のウイルスインフルエンザA型およびB型ウイルスRNAセグメント、多くの他のウイルス、COVID-19のさまざまな株や出現しているその他のウイルス変異体、さらには変異しているさまざまな遺伝子セグメントに対して、上記で説明されたものと類似するアプローチで、試験され、検証され、適用されている。 against different gene segments of COVID-19 viral RNA, as well as other viruses influenza A and B viral RNA segments, many other viruses, various strains of COVID-19 and other viral variants emerging , and also to various gene segments that are mutated, with approaches similar to those described above have been tested, validated and applied.

本発明の方法の最も重要な要素は、任意の他の検出方法によって検出された任意のRT-LAMPまたはLAMPアッセイを、MRI検出可能な3-Dフォーマットにすることである。本発明の特定の実施形態では、選択的LAMPプライマーと特異性LAMPプライマー上の結合分子とが組み合わされ、該選択的LAMPプライマーは適合する結合分子でコーティングされたを設計し、これらの特異的LAMPプライマー上のと一致する結合部位でコーティングされた磁性ナノ粒子に結合するために使用される特異的結合分子に結合するように設計される。 The most important element of the method of the invention is to bring any RT-LAMP or LAMP assay detected by any other detection method into an MRI-detectable 3-D format. In certain embodiments of the invention, a selective LAMP primer is combined with a binding molecule on a specific LAMP primer, the selective LAMP primer is coated with a matching binding molecule, and these specific LAMP Designed to bind to specific binding molecules used to bind to coated magnetic nanoparticles with binding sites that match those on the primers.

MRIシグナル生成は、様々なプライマーおよび増幅生成物中に存在するビオチン部位に付着したナノ粒子の結合により発生し、これらは、緩和パラメータ、すなわち一緒になってコントラストの変化をもたらすT2およびT1の変化をもたらす、この方法の必須要素である。ここで、T2は、T2強調画像として知られるMRI画像とNMRの両方で最も重要なパラメーターであり、検出と定量化はT2測定値を使用して行われる。3-D MRIで検出された画像強度には、ターゲットRNAやDNAなどの特定のターゲット核酸の存在下および非存在下で、これらの磁性ナノ粒子によって生成される変動があり、また、反応管内で使用されていない特異性LAMPプライマーの存在によっても変動する。 MRI signal generation is generated by the binding of nanoparticles attached to biotin sites present in various primers and amplification products, which together lead to changes in the relaxation parameters, T2 and T1, which lead to changes in contrast. is an essential element of this method, resulting in Here, T2 is the most important parameter in both MRI images and NMR, known as T2-weighted images, and detection and quantification are performed using T2 measurements. Image intensities detected by 3-D MRI have variations produced by these magnetic nanoparticles in the presence and absence of specific target nucleic acids, such as target RNA and DNA, and also in reaction tubes. It also varies due to the presence of unused specific LAMP primers.

成功したLAMP反応の終わりに、特異的標的LAMPプライマーは、反応によって増幅される標的核酸の存在下で増幅プロセスによってほとんど消費される。特異性標的核酸が存在しない場合、プライマーは反応チューブに残る。反応のこれらの要素により、これらの反応生成物の一意の同定が可能になり、その結果、MRI信号の信号強度が変化する。 At the end of a successful LAMP reaction, the specific target LAMP primer is mostly consumed by the amplification process in the presence of the target nucleic acid to be amplified by the reaction. If no specific target nucleic acid is present, the primer remains in the reaction tube. These components of the reaction allow unique identification of these reaction products, resulting in changes in signal strength of the MRI signal.

特異性LAMP増幅の場合、結合分子を含む特異性LAMPプライマーは、成功したLAMP反応プロセスによって保護される。成功したLAMP反応では、後で反応混合物に追加されたナノ粒子は、特異性LAMP増幅工程によって「遮蔽」または「隠蔽」された結合分子を検出しない。LAMP特異的反応が存在しない場合、プライマーは自由に浮遊する。これは、結合分子が機能化ナノ粒子に効果的に結合する「残り」のすべてのプライマーが反応に含まれるためである。結合分子を介した「残り」のプライマーの結合は、相補的な結合化学物質でコーティングされたナノ粒子プローブ分子と結合し、反応中に分離できない強力な結合を形成する。 For specific LAMP amplification, specific LAMP primers containing binding molecules are protected by a successful LAMP reaction process. In a successful LAMP reaction, nanoparticles added later to the reaction mixture will not detect binding molecules that are "masked" or "hidden" by the specificity LAMP amplification step. In the absence of LAMP-specific reaction, primers float freely. This is because all "leftover" primers whose binding molecules effectively bind to the functionalized nanoparticles are included in the reaction. Binding of the "remainder" primer via the binding molecule binds to a nanoparticle probe molecule coated with complementary binding chemistry, forming a strong bond that cannot be separated during the reaction.

したがって、「プライマーの消費」をもたらす成功したLAMP反応は、ナノ粒子とのプライマー結合部位を奪うため、ナノ粒子は分散したままになり、ナノ粒子間の弱い結合は機械的な力で容易に破壊される。したがって、特異性LAMP反応が成功すると、磁性ナノ粒子がLAMP反応チューブ内に均一に分散される。さらに、大量の特異性LAMP産物は、アッセイにおける磁性ナノ粒子のさらなる分散につながる。したがって、失敗したLAMP反応は、特異性LAMP反応の場合に、所定の核スピン緩和につながる反応媒体中の磁性ナノ粒子の均一な分布につながる。 Thus, a successful LAMP reaction that results in 'primer consumption' deprives the nanoparticles of the primer binding sites so that the nanoparticles remain dispersed and the weak bonds between the nanoparticles are easily broken by mechanical forces. be done. Therefore, when the specific LAMP reaction is successful, the magnetic nanoparticles are evenly dispersed within the LAMP reaction tube. Furthermore, large amounts of specific LAMP products lead to further dispersion of magnetic nanoparticles in the assay. A failed LAMP reaction therefore leads to a uniform distribution of magnetic nanoparticles in the reaction medium leading to a defined nuclear spin relaxation in the case of a specific LAMP reaction.

あるいは、磁性ナノ粒子の「未使用」プライマーへの結合は、磁性ナノ粒子の磁気分離および不均一な分布を可能にするこれらのプライマーによるナノ粒子の効果的な捕捉をもたらす。特定の「未使用」プライマーとナノ粒子の間に強い結合がある場合、磁性ナノ粒子は機械的な力によって容易に分散できず、その結果、アッセイ媒体中の磁性ナノ粒子の分布が不均一になる。これにより、緩和時間が有意に異なる信号となり、LAMPアッセイの信頼性が高まり、迅速かつ大規模になる。 Alternatively, binding of magnetic nanoparticles to 'virgin' primers results in effective capture of the nanoparticles by these primers allowing magnetic separation and non-uniform distribution of the magnetic nanoparticles. If there is a strong bond between the specific 'virgin' primer and the nanoparticles, the magnetic nanoparticles cannot be easily dispersed by mechanical forces, resulting in a non-uniform distribution of the magnetic nanoparticles in the assay medium. Become. This results in signals with significantly different relaxation times, making the LAMP assay more reliable, rapid and large scale.

??
MRIを使用する場合、特異的増幅後の成功したLAMPアッセイは、より長い緩和時間を有する「明るいスポット」をもたらす非特異的またはより産物の不在と比較して、「ブラックホール」または「より暗いスポット」をもたらす。別の実施形態では、逆の結果が、RT-LAMPプライマーおよび生成物中に存在するビオチンと結合するナノ粒子の表面特性を化学的に変化させることによって実証された。つまり、「暗いスポット」はウイルスRNAが存在しないことを表し、「明るいスポット」はウイルスRNAが存在することを表する。この反対の信号は、RT-LAMP増幅工程の前にアッセイ媒体内における表面特性を変更できる化学物質の添加によって達成された。
??
When using MRI, a successful LAMP assay after specific amplification is a 'black hole' or 'darker' compared to the absence of non-specific or more product resulting in a 'bright spot' with a longer relaxation time. bring the spot. In another embodiment, the opposite result was demonstrated by chemically altering the surface properties of the nanoparticles that bind biotin present in the RT-LAMP primer and product. That is, "dark spots" represent the absence of viral RNA, and "bright spots" represent the presence of viral RNA. This opposite signal was achieved by the addition of chemicals capable of altering surface properties within the assay medium prior to the RT-LAMP amplification step.

MRI検出PCRまたはRT-PCRアッセイ
本発明の別の実施形態において、RT-PCRアンプリコンは、特異的な設計のプライマーを用いてMRIを使用して検出するために合成される。RT-PCRには、RT-LAMPでも検出されるCOVID-19の遺伝子セグメントをターゲットにすることができるフォワードプライマーとリバースプライマーの2つのプライマーが必要である。RT-PCRとRT-LAMPのアンプリコンは質的に大きく異なる。RT-PCRプライマーも両方のPCRプライマーの5’末端でビオチン化されている。
MRI Detection PCR or RT-PCR Assays In another embodiment of the invention, RT-PCR amplicons are synthesized for detection using MRI using primers of specific design. RT-PCR requires two primers, a forward primer and a reverse primer, that can target COVID-19 gene segments that are also detected by RT-LAMP. The RT-PCR and RT-LAMP amplicons are qualitatively very different. The RT-PCR primers are also biotinylated at the 5' ends of both PCR primers.

MRI検出アッセイ用のさらなるシステムとサブシステム
以下のプロセス、方法およびサブシステムの1つまたは複数は、LAMPまたはRT-LAMPアッセイを使用して核酸を迅速かつ高感度に検出するための本発明の方法に関連する。
Additional Systems and Subsystems for MRI Detection Assays One or more of the following processes, methods and subsystems are methods of the invention for the rapid and sensitive detection of nucleic acids using LAMP or RT-LAMP assays. is connected with.

混合生成物は、多数の磁石の磁気アレイの存在下でユニークなプロセスを行い、このプロセスは反応がより速く起こるように促進し、核種シグナルを磁気的に増強することによってシグナルを劇的に増加させる。より正確には、このプロセスはコントラストを増加させるか、またはシグナルを強くし、または陰性アッセイと陽性アッセイの間のシグナルの差を大きくする。 The mixed products undergo a unique process in the presence of a magnetic array of large numbers of magnets, which drives the reaction to occur faster, dramatically increasing the signal by magnetically enhancing the nuclide signal. Let More precisely, this process increases the contrast or intensifies the signal or the difference in signal between negative and positive assays.

MRI画像は、臨床MRI装置を使用して収集され、すべての処理されたサンプルのアレイを使用してそれらを視覚的に見るか、および/または後で、MRIデータを読み取り、転送し、処理して3Dから線形データを示し、陽性と陰性を非常に高速に示すソフトウェアプログラムを使用する。 MRI images are acquired using clinical MRI equipment, and an array of all processed samples are used to visually view them and/or read, transfer and process the MRI data at a later time. We use a software program that shows linear data from 3D and shows positives and negatives very quickly.

Fiji(ImageJ)およびこの目的のために開発されたMatlabプログラムなどの利用可能な画像処理ソフトウェアツールを使用して、反応管からの信号測定に利用できる測定に利用可能なすべてのMRI装置で使用できるソフトウェアを使用して、MRI画像を処理し、試験結果を自動的に示す。 Available for signal measurement from reaction tubes using available image processing software tools such as Fiji (ImageJ) and the Matlab program developed for this purpose on all available MRI machines. Software is used to process the MRI images and automatically present test results.


例-1
好ましい実施形態の工程の詳細な説明と、南北アメリカ、アフリカ、アジアなどを含む世界中のさまざまな政府から承認を受け、COVID-19を検出するために世界中で使用されている唾液の中のCOVID-19試料を検出するためのパンデミックスクリーニングのための市販のアッセイ。
example example-1
A detailed description of the process of the preferred embodiment and the saliva used worldwide to detect COVID-19, approved by various governments around the world, including the Americas, Africa, Asia, etc. A commercially available assay for pandemic screening to detect COVID-19 samples.

標本収集:
インド、ナイジェリア、および米国の多くの場所で唾液およびスワブ標本を収集し、比較試験をゴールドスタンダードRT-PCR試験法で行って、RT-LAMPおよびRT-PCRのMRIを使用した検出が95-100%に近く、結果は標準化されたテストに匹敵することを示した。
Specimen collection:
Saliva and swab specimens were collected at multiple locations in India, Nigeria, and the United States, and a comparative study was performed with the gold standard RT-PCR test method, showing 95-100 detection using MRI for RT-LAMP and RT-PCR. %, indicating that the results are comparable to the standardized test.

1,000を超えるヒト唾液および鼻スワブサンプルが、インドの病院および医科大学(SVS医科大学、メブブナガル、インド)への来院者から収集され、これらのサンプルを複数の方法で試験して、結果間の相関関係を示した。RT-qPCRアッセイキットは、Thermo Fisher から購入したもので、TaqPath(登録商標)COVID-19 Combo Kit として知られている。Qiagen RNA Extraction Kits を使用して、スワブと唾液サンプルから抽出したRNAに対してリアルタイム定量的RT-PCRテストが実行された。RT-qPCRアッセイを実施するために従来技術を採用する商用システムは、Quant Studio 5と呼ばれ、米国のThermo Fisherから購入された。 More than 1,000 human saliva and nasal swab samples were collected from visitors to Indian hospitals and medical colleges (SVS Medical College, Mevvnagar, India), and these samples were tested in multiple ways with inter-results. showed a correlation of The RT-qPCR assay kit was purchased from Thermo Fisher and is known as the TaqPath® COVID-19 Combo Kit. Real-time quantitative RT-PCR tests were performed on RNA extracted from swab and saliva samples using Qiagen RNA Extraction Kits. A commercial system that employs conventional technology to perform RT-qPCR assays is called Quant Studio 5 and was purchased from Thermo Fisher, USA.

インドで試験および比較された唾液サンプルの数は250であり、そのうち119サンプルがCOVID-19ウイルスに対して陰性であり、131サンプルが陽性の唾液サンプルであった。Quant Studio(蛍光ベースの光学検出)を使用して検出されたRT-qPCRを使用した比較研究と、MRI、NMR、およびゲル電気泳動を使用してRT-LAMPが検出された。同じ患者からの同じ唾液サンプルとスワブサンプルも、これらすべての方法を使用してテストされ、結果は、陽性サンプルで97%一致、陰性サンプルで99%一致を示す技術間のほぼ完全な一致を示した。 The number of saliva samples tested and compared in India was 250, of which 119 samples were negative for COVID-19 virus and 131 samples were positive saliva samples. Comparative studies using RT-qPCR detected using Quant Studio (fluorescence-based optical detection) and RT-LAMP using MRI, NMR and gel electrophoresis were detected. The same saliva and swab samples from the same patient were also tested using all these methods and the results showed near perfect agreement between the techniques with 97% concordance for positive samples and 99% concordance for negative samples. rice field.

COVID-19に対して広く使用されている分子試験(RT-PCRおよびRT-LAMP)は、鼻スワブ試料に対して最初から実施された。毎日200万から300万人の鼻スワブを採取するには、何十万人もの医療従事者と看護師が必要だった。検査数を数千万人に増やす際のボトルネックの1つは、唾液検体の採取によって解消された。この方法では、自己採取した唾液を使用した。唾液の収集は、プラスチック製の漏斗と、漏斗にねじで接続された5mLチューブからなる低コストのデバイスを使用して行われた。唾液を自己収集する人は、唾液を排出した後、漏斗をスクリューキャップに交換する。本発明の方法を実施するために必要な唾液量は、10マイクロリットル未満である。採取された唾液の量は、100マイクロLから1mLの間だった。収集チューブまたはバイアルに唾液を収集した後、唾液は、固定または移動式ラボである試験施設に輸送される。唾液の温度は約4から8℃に保たれている。唾液サンプルは、バイアル内のCOVID-19ウイルスの品質と初期量に悪影響を与えることなく、1から2日間20から30℃の温度に保たれた。別のオプションとして、鼻スワブ標本を処理した。ウイルス輸送培地(VTM)に保存されたスワブサンプルは、唾液に採用されたのと同じプロセスに従って直接処理された。処理された唾液とスワブのVTMの量は、25マイクロLのRT-LAMP反応で約4から6マイクロLである。 Widely used molecular tests for COVID-19 (RT-PCR and RT-LAMP) were initially performed on nasal swab samples. Collecting two to three million nasal swabs each day required hundreds of thousands of medical workers and nurses. One of the bottlenecks in increasing the number of tests to tens of millions has been overcome by collecting saliva samples. The method used self-collected saliva. Saliva collection was performed using a low-cost device consisting of a plastic funnel and a 5 mL tube screwed to the funnel. Those who self-collect saliva replace the funnel with a screw cap after draining saliva. The amount of saliva required to practice the method of the invention is less than 10 microliters. The volume of saliva collected was between 100 microL and 1 mL. After collecting saliva in collection tubes or vials, the saliva is transported to the testing facility, which may be a fixed or mobile lab. The temperature of saliva is maintained at about 4-8°C. Saliva samples were kept at a temperature of 20-30° C. for 1-2 days without adversely affecting the quality and initial quantity of COVID-19 virus in the vials. As another option, nasal swab specimens were processed. Swab samples stored in viral transport medium (VTM) were processed directly following the same process employed for saliva. The amount of VTM in processed saliva and swabs is approximately 4 to 6 microL for a 25 microL RT-LAMP reaction.

b.COVID-19検体の梱包と発送
唾液サンプルは同日中に試験場所に運ばれ、保存溶液は必要なかった。安全な除染パッケージに入ったサンプルの発送は、郵便で送られるか、収集スタッフによって直接配達される。
b. Packing and Shipping of COVID-19 Specimens Saliva samples were delivered to the study site on the same day and did not require preservative solutions. Sample shipments in secure decontamination packages can be sent by mail or delivered in person by collection staff.

c.唾液中に存在するCOVID-19ウイルスは、本発明の方法の簡単なプロセスを使用して不活化および溶解された。安全で簡単に250マイクロLのRT-LAMP反応チューブに追加できるように、85から98℃の温度の温水を追加した。加える水の量は、集めた唾液の量とほぼ同じである。この不活性化によってウイルスも殺され、ウイルスからRNAを放出するために、唾液処理バッファーと化学物質を使用して溶解工程が実行される。 c. COVID-19 virus present in saliva was inactivated and lysed using the simple process of the method of the present invention. Hot water at a temperature of 85-98° C. was added for safe and easy addition to 250 microL RT-LAMP reaction tubes. The amount of water added is about the same as the amount of saliva collected. This inactivation also kills the virus, and a lysis step is performed using saliva processing buffers and chemicals to release the RNA from the virus.

溶解バッファーの添加に続いて、唾液処理バッファーと化学物質の混合物を90から98℃の温度で2から10分間加熱する。ヒアリング温度が高いほど加熱時間が短くなる。好ましい実施形態では、95℃で10分間加熱された。本発明の方法の好ましい実施形態では、カオトロピック剤および最強の変性剤であるグアニジニウム塩が、10マイクロMから100マイクロMの濃度範囲で、液体の形態で使用され、唾液酵素の活性を低下させ、溶解度を高め、および唾液の粘度を低下させた。 Following the addition of the lysis buffer, the saliva processing buffer and chemical mixture is heated at a temperature of 90-98° C. for 2-10 minutes. The higher the hearing temperature, the shorter the heating time. In a preferred embodiment, it was heated at 95°C for 10 minutes. In a preferred embodiment of the method of the present invention, the chaotropic agent and the strongest denaturant guanidinium salt are used in liquid form at concentrations ranging from 10 microM to 100 microM to reduce the activity of salivary enzymes, Increased solubility and decreased saliva viscosity.

d.RT-LAMP反応は、Lucigen, USA New England Bio Labs (NEB), USA and Optigene, UK.の3社のベンダーから容易に入手できるRT-LAMPマスターミックスを使用して実行された。CatLog 番号1700および1804の市販のすぐに使用できるマスターミックスを使用した。MRI法を使用したCOVID検出のためのRT-LAMPのためのプライマー設計は、RT-LAMPプライマーのいくつかのセットを使用して実行された。各プライマーセットは、COVID-19ゲノムの特定の領域をターゲットにしている。公開された文献で入手可能なプライマーを使用した。特許の前のセクションに記載されているように、ビオチン添加のすべての配列および組み合わせは、以下のリストのプライマーを使用して検証された。 d. RT-LAMP reactions were performed using RT-LAMP master mixes readily available from three vendors: Lucigen, USA New England Bio Labs (NEB), USA and Optigene, UK. CatLog Nos. 1700 and 1804 commercial ready-to-use master mixes were used. Primer design for RT-LAMP for COVID detection using MRI method was performed using several sets of RT-LAMP primers. Each primer set targets a specific region of the COVID-19 genome. Primers available in the published literature were used. All biotinylated sequences and combinations were verified using the primers listed below, as described in the previous section of the patent.

文献からのいくつかのLAMPプライマーが検証され、場合によっては、新しいプライマーが設計および最適化された(異なるCOVID?19遺伝子セグメント、バリアントおよび他の標的に対して)。MRI検出RT-LAMPの好ましい実施形態について以下に挙げるプライマーセットは、刊行物(参考文献1)から入手し、主にビオチン付加によって可能になるMRI検出ができるようにプライマーに改変を加えて、商用ベンダー(Integrated DNA technologies (IDT), USA) によって提供される精製プロセスを使用して任意に精製を行った。 Several LAMP primers from the literature were validated and in some cases new primers were designed and optimized (against different COVID-19 gene segments, variants and other targets). The primer sets listed below for the preferred embodiment of the MRI-detection RT-LAMP were obtained from a publication (ref. 1), with modifications to the primers to enable MRI detection primarily by biotinylation, and commercially available. Optionally purification was performed using the purification process provided by the vendor (Integrated DNA technologies (IDT), USA).

参考文献-1:Rabe, B. A. & Cepko, C. SARS-CoV-2 detection using isothermal amplification and a rapid, inexpensive protocol for sample inactivation and purification. Proc. Nat. Acad. Sci.(PNAS) 117, 24450-24458 (2020)。 Reference-1: Rabe, B. A. & Cepko, C. SARS-CoV-2 detection using isothermal amplification and a rapid, inexpensive protocol for sample inactivation and purification. Proc. Nat. Acad. Sci.(PNAS) 117, 24450-24458 (2020).

プライマー選択と合成DNAの設計
Orflab遺伝子セグメント、すなわちF3、B3、ビオチン-FIP、およびビオチン-BIPのビオチン化オリゴは、上記の参考文献で入手可能なプライマーを改変して設計された。またループプライマーのセット(5’端にビオチンを含むかまたは含まないLFおよびLB)は、リンカーとギャップを埋めることによって、選択された遺伝子セグメントのギャップを埋めることによって設計された。合成DNAは、同じソフトウェアを使用して作成され、商用ベンダー(IDT、米国)の助けを借りて合成された。
Primer Selection and Synthetic DNA Design Biotinylated oligos for the Orflab gene segments, namely F3, B3, biotin-FIP, and biotin-BIP, were designed by modifying the primers available in the above references. A set of loop primers (LF and LB with or without biotin at the 5' end) were also designed by gap-filling selected gene segments by gap-filling with linkers. Synthetic DNA was generated using the same software and synthesized with the help of a commercial vendor (IDT, USA).

すべてのオリゴはIDTに注文し、IDTが提供するTE水に100マイクロMの濃度で再懸濁した。オリゴを組み合わせて、次のように100マイクロLの10xプライマーミックスを以下のように作成した:4マイクロLのビオチン-FIP、4マイクロLのビオチン-BIP、0.5マイクロLのF3、0.5マイクロLのB3、1マイクロLのビオチン-LF、および1マイクロLのビオチン-LB、および100マイクロLにする量のヌクレアーゼを含まない水。 All oligos were ordered from IDT and resuspended in TE water provided by IDT at a concentration of 100 microM. The oligos were combined to make 100 microL of 10x primer mix as follows: 4 microL biotin-FIP, 4 microL biotin-BIP, 0.5 microL F3, 0. 5 microL B3, 1 microL Biotin-LF, and 1 microL Biotin-LB, and nuclease-free water to make 100 microL.

すべてのRT-LAMP反応は、NEBプロトコル(E1700およびM1804)によって記載されるように設定され、62℃で実行された。 All RT-LAMP reactions were set up as described by the NEB protocol (E1700 and M1804) and performed at 62°C.

この研究で使用されたすべてのウイルスRNA配列は精製されたRNAであり、ヌクレアーゼを含まない水で段階的に希釈されたさまざまなCOVID-19株について BEI Resources からさまざまなウイルスコントロールを受け取った。 All viral RNA sequences used in this study were purified RNA, and various virus controls were received from BEI Resources for various COVID-19 strains serially diluted in nuclease-free water.

MRI検出RT-LAMPプライマーの組み合わせの好ましい実施形態は、以下のプライマー-ビオチンの組み合わせを使用して検証され提示される。プライマーは、上記の18の組み合わせに従ってビオチンを結合して設計され、MRI画像が記録され、画像は増幅されたCOVID-19遺伝子セグメントの有無を示した。 Preferred embodiments of MRI detection RT-LAMP primer combinations are validated and presented using the following primer-biotin combinations. Primers were designed with biotin conjugated according to the above 18 combinations and MRI images were recorded showing the presence or absence of amplified COVID-19 gene segments.

本発明は、LAMP法を使用して増幅されたcDNAに変換されたRNAを有するCOVID-19ウイルスについて検証され、また、実験室で死滅したCIVID-19ウイルスを使用し、後にCOVID-19ウイルス感染者から収集された数千のサンプルを用いて臨床検査室で検証された。一致するターゲットCOVIDウイルス、一致するターゲットRNA、および一致するcDNAは、本発明を検証するLAMPアンプリコンの後処理後にMRI画像を記録すると、より暗い画像をもたらした。 The present invention was validated for COVID-19 virus with RNA converted to cDNA amplified using the LAMP method, and also using laboratory-killed CIVID-19 virus and post-COVID-19 virus infection. It has been validated in a clinical laboratory using thousands of samples collected from individuals. Matching target COVID virus, matching target RNA, and matching cDNA resulted in darker images when MRI images were recorded after post-processing of LAMP amplicons validating the present invention.

米国IDTの助けを借りて商業的に設計および合成された合成cDNAを以下に示す。 A synthetic cDNA that was designed and synthesized commercially with the help of IDT, USA is shown below.

ORFlab 遺伝子標的配列( ヌクレオチド2101-2581 of Genbank Accession No. NC 045512.2):
2101 gctaactaac atctttggca ctgtttatga aaaactcaaa cccgtccttg attggcttga
2161 agagaagttt aaggaaggtg tagagtttct tagagacggt tgggaaattg ttaaatttat
2221 ctcaacctgt gcttgtgaaa ttgtcggtgg acaaattgtc acctgtgcaa aggaaattaa
2281 ggagagtgtt cagacattct ttaagcttgt aaataaattt ttggctttgt gtgctgactc
2341 tatcattatt ggtggagcta aacttaaagc cttgaattta ggtgaaacat ttgtcacgca
2401 ctcaaaggga ttgtacagaa agtgtgttaa atccagagaa gaaactggcc tactcatgcc
2461 tctaaaagcc ccaaaagaaa ttatcttctt agagggagaa acacttccca cagaagtgtt
2521 aacagaggaa gttgtcttga aaactggtga tttacaacca ttagaacaac ctactagtga
(SEQ ID NO: 10)
ORFlab gene target sequence (nucleotides 2101-2581 of Genbank Accession No. NC 045512.2):
2101 gctaactaac atctttggca ctgtttatga aaaactcaaa cccgtccttg attggcttga
2161 agagaagttt aaggaaggtg tagagtttct tagagacggt tgggaaattg ttaaatttat
2221 ctcaacctgt gcttgtgaaa ttgtcggtgg acaaattgtc acctgtgcaa aggaaattaa
2281 ggagagtgtt cagacattct ttaagcttgt aaataaattt ttggctttgt gtgctgactc
2341 tatcattatt ggtggagcta aacttaaagc cttgaattta ggtgaaacat ttgtcacgca
2401 ctcaaaggga ttgtacagaa agtgtgttaa atccagagaa gaaaactggcc tactcatgcc
2461 tctaaaagcc ccaaaagaaa ttatcttctt agagggagaa acacttccca cagaagtgtt
2521 aacagaggaa gttgtcttga aaactggtga tttacaacca ttagaacaac ctactagtga
(SEQ ID NO: 10)

この好ましい実施形態のORFlab遺伝子を標的とする6つのCOVID-19 LAMPプライマーを以下に示す。FIPおよびBIPプライマーは、その5末端にビオチン分子を使用して設計された。 The six COVID-19 LAMP primers targeting the ORFlab gene of this preferred embodiment are shown below. FIP and BIP primers were designed with a biotin molecule at their 5-end.

F3 Primer: 5 ’ -CGGT GGAC AAATT GTC AC-3 ’ (SEQ ID NO:l)
B3 Primer: 5 ’ -CTT CTCT GGATTT AAC AC ACTT -3 ’ (SEQ ID NO:2)
FIP Primer: 5 ’ -Biotin-TC AGC AC AC A AAGCC AAAAATTT ATTTTT CT GT G CAAAGGAAATTAAGGAG-3 ’ (SEQ ID NO:3)
BIP Primer: 5 ’ -Biotin-T ATT GGT GGAGCT AAACTT AAAGCCTTTTCT GT AC AA TCCCTTTGAGTG-3’(SEQ ID NO:4
Loop F Primer: 5 ’ -TT AC AAGCTT A AAGAAT GTCT GAAC ACT -3 ’ (SEQ ID NO:5)
Loop B Primer: 5 ’ -TT GAATTTAGGT GAAACATTT GTC ACG-3 ’ (SEQ ID NO:6)
F3 Primer: 5'-CGGT GGAC AAATT GTC AC-3' (SEQ ID NO:l)
B3 Primer: 5'-CTT CTCT GGATTT AAC AC ACTT-3' (SEQ ID NO:2)
FIP Primer: 5'-Biotin-TC AGC AC AC A AAGCC AAAAATTT ATTTTCT GT G CAAAGGAAATTAAGGAG-3' (SEQ ID NO:3)
BIP Primer: 5'-Biotin-T ATT GGT GGAGCT AAACTT AAAGCCTTTTCT GT AC AA TCCCTTTGAGTG-3' (SEQ ID NO:4
Loop F Primer: 5 ' -TT AC AAGCTT A AAGAAT GTCT GAAC ACT -3 ' (SEQ ID NO:5)
Loop B Primer: 5 '-TT GAATTTAGGT GAAACATTT GTC ACG-3 ' (SEQ ID NO:6)

COVID?19のRT?LAMPプライマー配列のこの実施形態では、FIPおよびBIPプライマーの両方が、それらの5末端に結合したビオチン分子を用いて設計された。 In this embodiment of the COVID-19 RT-LAMP primer sequence, both the FIP and BIP primers were designed with a biotin molecule attached to their 5-end.

他の配列および組み合わせで同じORFlab遺伝子を標的とする同じ6つのLAMPプライマーの設計を以下に示す:BIP、FIP、ループBおよびループFは、プライマーの5’末端でビオチン分子と結合している。 Designs of the same six LAMP primers targeting the same ORFlab gene with other sequences and combinations are shown below: BIP, FIP, loop B and loop F are attached to the biotin molecule at the 5' ends of the primers.

以下は、すべてのテストされた実施形態を有するプライマーであり、陽性検体と陰性検体との間で測定可能かつ観察可能な差異を示す、4つの選択されたプライマー(FIP、BIP、ループBおよびループF)のうちの1つまたは複数に少なくとも1つのビオチンを有する。4つすべてのプライマーにビオチンを有することは、あまり好ましくないが、この実施形態はまた、陽性サンプルと陰性サンプルとの間のコントラスト差を与える。4つの同定されたプライマーすべてにビオチンを付着させる必要はない。定性的な検出方法であり定量的な方法ではないので、3-DでMRIを使用して陽性と陰性を検出する際には追加の利点はなく、より多くのプライマーにより多くのビオチン部位を付加することはコストの増大を招くので好ましくない。 Below are four selected primers (FIP, BIP, loop B and loop F) has at least one biotin in one or more. Having biotin in all four primers is less preferred, but this embodiment also provides a contrast difference between positive and negative samples. It is not necessary to attach biotin to all four identified primers. Since it is a qualitative detection method and not a quantitative method, more biotin sites are added to more primers, with no additional advantage when using MRI in 3-D to detect positives and negatives. It is not preferable to do so because it causes an increase in cost.

F3 Primer: 5 ’ -CGGT GGAC AAATT GTC AC-3 ’ (SEQ ID NO:l)
B3 Primer: 5 ’ -CTT CTCT GGATTT AAC AC ACTT -3 ’ (SEQ ID NO:2)
FIP Primer: 5’ -Biotin- T C AGC AC AC AAAGCC AAAAATTT ATTTTT CT GT GC AAAGGAA ATT AAGGAG-3 ’ (SEQ ID NO:3)
BIP Primer: 5 ’ -Biotin-T ATT GGT GGAGCT AAACTT AAAGCCTTTTCT GTAC AAT CCCTTT GAGT G-3 ’ (SEQ ID NO:4)
Loop F Primer: Biotin-5’ TT AC AAGCTTAAAGAATGTCTGAAC ACT-3’ (SEQ ID NO:5)
Loop B Primer: 5 ’ -Biotin-TT GAATTT AGGT GAAAC ATTT GT C ACG-3 ’ (SEQ ID NO:6)
F3 Primer: 5'-CGGT GGAC AAATT GTC AC-3' (SEQ ID NO:l)
B3 Primer: 5'-CTT CTCT GGATTT AAC AC ACTT-3' (SEQ ID NO:2)
FIP Primer: 5' -Biotin- TC AGC AC AC AAAGCC AAAAATTT ATTTT CT GT GC AAAGGAA ATT AAGGAG-3' (SEQ ID NO:3)
BIP Primer: 5 ' -Biotin-T ATT GGT GGAGCT AAACTT AAAGCCTTTTCT GTAC AAT CCCTTT GAGT G-3 ' (SEQ ID NO:4)
Loop F Primer: Biotin-5' TT AC AAGCTTAAAGAATGTCTGAAC ACT-3' (SEQ ID NO:5)
Loop B Primer: 5' -Biotin-TT GAATTT AGGT GAAAC ATTT GTC ACG-3' (SEQ ID NO:6)

ビオチン結合の4つのプライマーに由来する16の実施形態は、アッセイで使用される6つのプライマーを含む全てのLAMPおよびRT-LAMPアッセイに適用可能である。 Sixteen embodiments derived from biotin-conjugated four primers are applicable to all LAMP and RT-LAMP assays containing the six primers used in the assay.

好ましい実施形態では、ビオチンの組み合わせを有する上記のプライマーを、New England Bio Labs(カタログ番号NEB 1700シリーズおよび/またはNEB 1804シリーズ)またはOptiGene RT-LAMP マスターミックス、または Lucigen RT-LAMP マスターミックスの市販のシングルチューブRT-LAMPマスターミックスに添加する。これはさまざまな濃度の上記の6種類のプライマーの最適化されたプライマーミックスと混合される(4から16マイクロMのFIPおよびBIP、1から4マイクロMのループBおよびループFプライマー、および0.5から2.0マイクロMのF3およびB3プライマー)。このマスターミックスは、COVID-19ウイルスおよび上記の他のRNAウイルスのRT-LAMP増幅を実行するために、熱処理、バッファー処理、およびホモジナイズされた唾液に追加される。増幅工程には、逆転写(RT)を実行するために使用される酵素およびその他の成分の添加が含まれる。増幅工程はまた、反応試薬および緩衝液中に存在する別の酵素を使用する核酸増幅を含む。60から67℃の温度でLAMP反応を行う。NEBおよびOptiGeneマスターミックスの場合は60から65℃、Lucigen RT-LAMPマスターミックスの場合は67℃で実行されるRT-LAMP反応が完了した。好ましいアッセイは、ステップRTおよびLAMPを実行するために同じ温度を使用し、それは同じ温度で実行される。一般に10分から60分の間続くことができる増幅工程の後、好ましい実施形態では、それは15分から30分に制限される。時間は、アプリケーションに定義されたパフォーマンス予測パラメータに応じて調整される。増幅が完了したら、RT-LAMPアッセイ試薬を85℃に加熱して、増幅が完了した後に考えられる予定外の反応を防止するか停止するオプションの工程を行う。そして、8、96、または384個のサンプルを含む増幅されたサンプルトレイがヒーターから取り出され、冷蔵温度で保存される。 In a preferred embodiment, the above primers with biotin combinations are obtained from New England Bio Labs (catalog number NEB 1700 series and/or NEB 1804 series) or OptiGene RT-LAMP master mix, or the commercially available Lucigen RT-LAMP master mix. Add to single tube RT-LAMP master mix. This is mixed with an optimized primer mix of the above six primers at varying concentrations (4-16 microM FIP and BIP, 1-4 microM Loop B and Loop F primers, and 0. 5 to 2.0 microM F3 and B3 primers). This master mix is added to heat-treated, buffered and homogenized saliva to perform RT-LAMP amplification of COVID-19 virus and other RNA viruses described above. The amplification step includes the addition of enzymes and other components used to perform reverse transcription (RT). The amplification step also includes nucleic acid amplification using other enzymes present in the reaction reagents and buffers. The LAMP reaction is carried out at a temperature of 60-67°C. RT-LAMP reactions run at 60-65° C. for NEB and OptiGene master mixes and 67° C. for Lucigen RT-LAMP master mixes were completed. A preferred assay uses the same temperature to perform steps RT and LAMP, which are performed at the same temperature. After the amplification step, which can generally last between 10 and 60 minutes, in preferred embodiments it is limited to 15 to 30 minutes. The time is adjusted according to application-defined performance prediction parameters. Once amplification is complete, the RT-LAMP assay reagents are heated to 85° C., an optional step to prevent or stop possible unintended reactions after amplification is complete. Amplified sample trays containing 8, 96, or 384 samples are then removed from the heater and stored at refrigerated temperatures.

工程aからdは両方の実施形態(RT?PCRおよびRT?LAMP)について妥当であるが、RT?LAMPについて上述した工程は、MRI検出RT?PCRアンプリコンを作製する際に同等であるが異なる要素または工程を有する。ORFlab遺伝子の遺伝子セグメントをターゲットとするRT-PCR プライマーは、両方のプライマーに結合したビオチンの1つの構成のみを以下に示す。 Although steps a through d are valid for both embodiments (RT-PCR and RT-LAMP), the steps described above for RT-LAMP are equivalent but different in making MRI-detected RT-PCR amplicons. have elements or steps. RT-PCR primers targeting a gene segment of the ORFlab gene are shown below with only one configuration of biotin attached to both primers.

MRI検出アンプリコンを検出するために使用されるRT-PCRパラメータは以下の通りである。T2が長い明るい画像は陽性サンプルを表し、T2が短い暗いスポットは陰性サンプルを表する。RT-PCRテスト用のPCRプライマーは、IDTによって合成されたもので、以下に示されている。各PCR反応混合物には、1XPrimeTime(登録商標) Gene Expression Master Mix(IDT、米国から購入)、0.25マイクロM濃度のPCRプライマー、および10fgの合成COVID-19ターゲット(IDT、米国製)が含まれていた。PCRは、Applied Biosystems Veriti 9902 4375786 PCR 96ウェル サーマルサイクラーを使用して、温度プロフィール95℃で3分間、続いて50サイクル(95℃で15秒間、60℃で1分間)の増幅を行った。 The RT-PCR parameters used to detect MRI-detected amplicons are as follows. Bright images with long T2 represent positive samples and dark spots with short T2 represent negative samples. PCR primers for RT-PCR testing were synthesized by IDT and are shown below. Each PCR reaction mixture contained 1XPrimeTime® Gene Expression Master Mix (purchased from IDT, USA), 0.25 microM concentration of PCR primers, and 10 fg of synthetic COVID-19 target (from IDT, USA). It was PCR was performed using an Applied Biosystems Veriti 9902 4375786 PCR 96-well thermal cycler with a temperature profile of 95°C for 3 minutes followed by 50 cycles of amplification (95°C for 15 seconds, 60°C for 1 minute).

PCRプライマーの参考文献:
Mohamed El-Tholotha, b, Haim H. Baua, and Jinzhao Songa,, A Single and Two-Stage, Closed-Tube, Molecular Test for the 2019 Novel Coronavirus (COVID-19) at Home, Clinic, and Points of Entry”, Pre-Print published at doi: 10.26434/chemrxiv.11860137. vl
References for PCR primers:
Mohamed El-Tholotha, b, Haim H. Baua, and Jinzhao Songa,, A Single and Two-Stage, Closed-Tube, Molecular Test for the 2019 Novel Coronavirus (COVID-19) at Home, Clinic, and Points of Entry” , Pre-Print published at doi: 10.26434/chemrxiv.11860137.vl

フォワードプライマー: 5’ -Biotin- CCCTGTGGGTTTTACACTTAA- 3 ’ (SEQ ID NO:7)
リバースプライマー: 5’ -Biotin- ACGATTGTGCATCAGCTGA- 3 ’ (SEQ ID NO:8)
Forward primer: 5' -Biotin- CCCTGTGGGTTTTACACTTAA- 3' (SEQ ID NO:7)
Reverse primer: 5' -Biotin- ACGATTGTGCATCAGCTGA- 3' (SEQ ID NO:8)

アッセイを検証するために使用した合成遺伝子セグメントを以下に示すが、これは米国IDTの助けを借りて作成されたものである。 The synthetic gene segment used to validate the assay is shown below and was generated with the help of IDT, USA.

5 ’ -CTGCT AAAGCTT AC AAAGATT ATCTAGCT AGTGGGGGAC AACC AATC ACTAATTGTGTTA AGAT GTT GT GT AC AC AC ACT GGT ACT GGT C AGGC AAT A AC AGTT AC ACCGGAAGCC AAT AT GGAT C AAGAATCCTTT GGT GGT GC ATCGT GTT GT CT GT ACT GCCGTT GCC AC AT AGAT C ATCC AAAT CCT AAAGGATTTT GT GACTT AAAAGGT AAGT AT GT AC AA AT ACCT AC AACTT GT GCT AAT GACCCT GT GGGTTTT AC ACTT AAAAAC AC AGTCT GT ACCGTCT GCGGT AT GT GGAAAGGTTATGGCTGTAGTTGTGATCAACTCCGCGAACCCATGCTTCAGTCAGCTGATGCACAATCGTTTTTAAACGGGTTTGCGGTGTAAGTGCAGCCCGTCTTACACCGTGCGGC AC AGGC ACT AGT ACT GAT GTCGT AT AC AGGGCTTTT GAC ATCT AC AAT GATAAAGTAGCTGGTTTTGCTAAATTCCTAAAAACTAATTGTTGTCGCTTCCAAGAAAAGGACGAAGATGAC AATTT AATT GATT CTT ACTTT GT AGTT AAGAGAC AC ACTTT CT CT AACT ACC AAC AT GAAGA AACAATTTATAATTTACTT- 3’ (SEQ ID NO:9) 5 ' -CTGCT AAAGCTT AC AAAGATT ATCTAGCT AGTGGGGGAC AACC AATC ACTAATTGTGTTA AGAT GTT GT GT AC AC AC AC ACT GGT ACT GGT C AGGC AAT A AC AGTT AC ACCGGAAGCC AAT AT GGAT C AAGAATCCTTT GGT GGT GC ATCGT GTT GT CT GT ACT GCCGTT GCC AC AT AGAT C ATCC AAAT CCT AAAGGATTTT GT GACTT AAAAGGT AAGT AT GT AC AA AT ACCT AC AACTT GT GCT AAT GA CCCT GT GGGTTTT AC ACTT AA AAAC AC AGTCT GT ACCGTCT GCGGT AT GT GGAAAGGTTATGGCTGTAGTTGTGATCAACTCCGCGAACCCATGCTTCAGTCAGCTGATGCACAATCGTTTTTAAACGGGTTTGCGGTGTAAGTGCAGCCC GTCTTACACCGTGCGGC AC AGGC ACT AGT ACT GAT GTCGT AT AC AGGGCTTTT GAC ATCT AC AAT GATAAAGTAGCTGGTTTTGCTAAATTCCTAAAAACTAATTGTTGTCGCTTCCAAGAAAAGGACGAAGATGAC AATTT AATT GATT CTT ACTTT GT AGTT AAGAGAC AC ACTTT CT CT AACT ACC AAC AT GAAGA AACAATTTATAATTTACTT- 3' (SEQ ID NO:9)

MRI感受性プローブと混合された増幅産物は、最大のシグナルを得るように作製され、LAMPプロセス中に作製された産物に特異的である。 Amplification products mixed with MRI-sensitive probes are produced for maximum signal and are specific for products produced during the LAMP process.

50から150ナノメートルのサイズのMRI感受性ストレプトアビジン結合Super Magナノ粒子を、使用するMRI装置の磁場に応じてこの試験で使用する。50nmの小さなナノビーズは高磁場MRIで使用され、100nmの大きなナノビーズは低磁場MRIシステム(最大300ミリテスラ)で使用される。 MRI-sensitive streptavidin-conjugated Super Mag nanoparticles of size 50 to 150 nanometers are used in this study, depending on the magnetic field of the MRI machine used. Small nanobeads of 50 nm are used in high field MRI and large nanobeads of 100 nm are used in low field MRI systems (up to 300 millitesla).

混合生成物は、MRIシステム内の不均一な磁場または均一な磁場、またはその両方の下で、好ましいプロセスを受ける。これは他の用途でビーズを分離する際に使用される磁気分離装置の好ましい実施形態で実施される。不均一磁気の存在下で96ウェルおよび384ウェル形式で組み立てられた多数の磁石のアレイは、MRIを使用する本発明の検出方法のために最適化される。このプロセスは、結合反応がより速く起こるように促進し、このプロセスは、磁気的に核酸シグナルを増強することによってシグナルを劇的に増加させる。より正確には、このプロセスは、コントラスト、またはシグナルの強度、または陰性と陽性の間のシグナルの差を増加させる。 The mixed product undergoes preferred processes under a non-uniform magnetic field, a uniform magnetic field, or both within an MRI system. This is done in a preferred embodiment of a magnetic separation device used in separating beads for other applications. Arrays of multiple magnets assembled in 96-well and 384-well formats in the presence of heterogeneous magnetism are optimized for the detection method of the present invention using MRI. This process encourages the binding reaction to occur faster, and this process dramatically increases the signal by magnetically enhancing the nucleic acid signal. More precisely, this process increases the contrast, or intensity of the signal, or the difference in signal between negative and positive.

Hyperfine MRIシステムおよびEasote O-scanを使用して、96ウェルプレートでMRI画像をイメージングした。Hyperfine MRIシステムは、処理されたサンプルのT2値も測定できる。Hyperfine MRIシステムを使用してT2値を測定し、60MHz Nanalysis Benchtop NMR Spectrometer を使用して行われたベンチトップNMR測定値と比較した。ワシントン大学NMR施設(BrukerとVarian製)で利用可能なさまざまなNMRシステムで測定されたT2値で、陽性サンプルと陰性サンプル間のさまざまなNMRでのT2値の違いを確認した。NMR測定値とMRI画像および測定値は、T2値が次の範囲にあることを示した。 MRI images were imaged in 96-well plates using a Hyperfine MRI system and an Easote O-scan. The Hyperfine MRI system can also measure T2 values of processed samples. T2 values were measured using a Hyperfine MRI system and compared to benchtop NMR measurements made using a 60 MHz Nanalysis Benchtop NMR Spectrometer. T2 values measured on various NMR systems available at the University of Washington NMR Facility (Bruker and Varian) confirmed the difference in T2 values at various NMRs between positive and negative samples. NMR measurements and MRI images and measurements showed T2 values in the following range.

RT?FAMPおよびRT?PCRアンプリコンの両方について、T2値は100ミリ秒から1800ミリ秒の間で測定された。300ミリ秒未満のT2値は「暗いスポット」を示し、500ミリ秒を超えるT2値は「明るいスポット」を示す。コントラストは、300ミリ秒から500ミリ秒の間の値で変化する。既知のウイルスRNAまたはDNA(陽性)とウイルスまたはRNAを含まない(陰性)、陽性および陰性の対照サンプルの明るさは、MRIで、データ処理の助けをするソフトウエアを使用して未知のサンプルの陽性と陰性を決定するためのリファレンスとして使用される。画像処理ソフトウェアは、MRIデータについての決定を行うために使用される。これはサンプルから収集されたMRI画像の自動処理を可能にするMATFABおよびFiji(ImageJ)を使用して開発された For both RT-FAMP and RT-PCR amplicons, T2 values were measured between 100 ms and 1800 ms. A T2 value less than 300 ms indicates a 'dark spot' and a T2 value greater than 500 ms indicates a 'bright spot'. The contrast varies with values between 300 ms and 500 ms. Brightness of known viral RNA or DNA (positive) and no viral or RNA (negative), positive and negative control samples were measured on MRI for unknown samples using software to aid in data processing. Used as a reference for determining positives and negatives. Image processing software is used to make decisions about the MRI data. It was developed using MATFAB and Fiji (ImageJ) to allow automated processing of MRI images collected from samples.

この実施例は、同じアンプリコンを同定するためにNMRがどのように使用できるかを示し、使用されるナノ粒子はNMRとMRIの両方で同じである。本発明は、利用可能なサンプルの数が少ない状況でNMRを使用して実施することができる。 This example shows how NMR can be used to identify the same amplicon, and the nanoparticles used are the same for both NMR and MRI. The present invention can be practiced using NMR in situations where the number of available samples is small.

NMRは、製造業者(Nanalysis)によって提供されたカスタムパルスシーケンスを使用して測定が行われる場合、T2の値を与える。これらのパルスシーケンスは、マシンごとに異なる名前が付けられており、NanalysisではOneを使用した。T2を決定するために使用した方法はCPMG(Carr-Purcell-Meiboom-Gill)の実験である。なぜなら、このシーケンスではシステムに不均一性が存在する場合に場の不均一性の効果にフォーカスすることができるからである。 NMR gives values for T2 when measurements are made using a custom pulse sequence provided by the manufacturer (Nanalysis). These pulse sequences are named differently on different machines, and One was used in Nanalysis. The method used to determine T2 is the CPMG (Carr-Purcell-Meiboom-Gill) experiment. This is because the sequence allows us to focus on the effects of field inhomogeneities in the presence of inhomogeneities in the system.

T2値は、RT-LAMPおよびRT-PCR増幅時間およびサンプル中のウイルス負荷に応じて、定性的情報を与えるだけでなく、定量的情報もある程度与える。本発明はまた、10分から90分の間の短い増幅時間でRT-PCRおよびRT-LAMP産物を定量して、様々な量のウイルス負荷またはDNAを定量するためにも使用される。 The T2 value gives not only qualitative information, but also quantitative information to some extent, depending on the RT-LAMP and RT-PCR amplification time and the viral load in the sample. The invention is also used to quantify RT-PCR and RT-LAMP products with short amplification times between 10 and 90 minutes to quantify varying amounts of viral load or DNA.

MRI画像は、すべての処理されたサンプルのアレイを使用する臨床MRI装置を使用して収集され、それらを視覚的に見るか、および/または、3DからのMRIデータを読み取り、転送し、処理して3Dから線形データを示すソフトウェアプログラムを使用し、陽性か陰性かを非常に高速に示す。MRI画像は、Fiji(ImageJ)およびMatlabプログラムなどのこの目的のために開発された利用可能な画像処理ソフトウェアツールを使用して処理され、反応管からの信号を測定するために利用可能なすべてのMRIマシンで使用できるソフトウェアを使用して、テストの結果を自動的に示す。 MRI images were collected using clinical MRI equipment using arrays of all processed samples, viewed visually and/or read, transferred and processed MRI data from 3D. We used a software program that shows linear data from 3D in a very fast way to indicate positive or negative. MRI images were processed using available image processing software tools developed for this purpose, such as Fiji (ImageJ) and Matlab programs, and all available to measure the signal from the reaction tubes. The results of the test are automatically presented using software available on the MRI machine.

図2aおよび2bの図は、RT-LAMPから得られたMRI画像を示し、図2cはRT-PCRから得られたMRI画像を示す。RT-LAMPとRT-PCRから得られたMRI画像の間に質的な違いはない。 The illustrations in Figures 2a and 2b show MRI images obtained from RT-LAMP and Figure 2c shows an MRI image obtained from RT-PCR. There is no qualitative difference between MRI images obtained from RT-LAMP and RT-PCR.

図面の説明:
明細書に組み込まれ、明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、説明とともに、本発明の原理を説明するのに役立つ。
Drawing Description:
The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.

図1:本発明の一実施形態において、陽性サンプルおよび陰性サンプルについてLAMP反応から得られた代表的なMRI画像が示されている。本発明では、ビオチン官能基がプライマーの5’末端に付加されるが、LAMPプライマーのリストおよび上記で特定されたそれらのそれぞれの位置を必要とする。暗い画像が陽性を表し、明るい画像が陰性アッセイを表す。この実施形態はまた、エンドツーエンドアッセイプロセス中に生成物に結合したナノプローブのサイズにも関連する。より暗い陽性および明るい陰性は、100nmサイズ未満の特定のサイズのプライマーによって達成される(例:10nm、20nm、30nm、40nm、50nm、60nm、70nm、100nmおよびその間の値)。同じことを他のサイズに拡張することもできるが、上記のサイズ間で最高のコントラストが得られ、理想的には50nm近傍である Figure 1: Representative MRI images from LAMP reactions for positive and negative samples are shown in one embodiment of the present invention. In the present invention, a biotin function is added to the 5' end of the primer, requiring a list of LAMP primers and their respective positions identified above. Dark images represent positives and light images represent negative assays. This embodiment also relates to the size of the nanoprobes attached to the product during the end-to-end assay process. Darker positives and brighter negatives are achieved with primers of specific size less than 100 nm size (eg 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm, 50 nm, 60 nm, 70 nm, 100 nm and values in between). The same can be extended to other sizes, but it gives the best contrast between the above sizes, ideally around 50nm

より暗いまたは黒い陽性およびより明るいまたはより輝度の高い陰性を示す図1は、視覚的に示されるだけでなく、ソフトウェアを使用して測定および処理される。これらの強度は変化し、異なるMRIパルスシーケンス、パルスパラメーターを使用して陽性と陰性の差を強調することができる。これらのパラメーターは、T1やT2などの測定値または既知の緩和パラメーター、およびそれらに関連する他の緩和パラメーターに基づいて調整される。MRIパルスシーケンスと磁場パルス勾配は、暗いスポットと明るいスポットの相対的な明るさまたは強度とサイズを調整する上で重要な役割を果たす。したがって、MRI画像のコントラストは、MRI静磁場、パルス磁場、および磁場勾配の存在下で、これらの磁気共鳴緩和パラメーターによって決定される。 FIG. 1, showing darker or blacker positives and lighter or brighter negatives, is not only shown visually, but is also measured and processed using software. These intensities can be varied and different MRI pulse sequences, pulse parameters can be used to emphasize the difference between positive and negative. These parameters are adjusted based on measured or known relaxation parameters, such as T1 and T2, and other relaxation parameters associated with them. MRI pulse sequences and magnetic field pulse gradients play an important role in adjusting the relative brightness or intensity and size of dark and bright spots. Thus, MRI image contrast is determined by these magnetic resonance relaxation parameters in the presence of MRI static magnetic fields, pulsed magnetic fields, and magnetic field gradients.

図2:陽性サンプルおよび陰性サンプルのLAMP反応から得られた代表的なMRI画像が、本発明の別の第2の実施形態に示されている。この発明にはプライマーの5’末端に付加されたビオチン官能基と、LAMPプライマーのリストおよび上記で特定されたそれらのそれぞれの位置が必要である。暗い画像がネガを表し、明るいイメージャーが陽性アッセイを表す画像である。この実施形態はまた、エンドツーエンドアッセイプロセス中に生成物に結合するナノプローブの大きなサイズにも関連している。より明るい陽性とより暗い陰性は、50から400の間の特定のサイズのプライマー、理想的には約100nmのサイズ(例:50nm、75nm、100nm、125nm、150nm、200nm、250nm、300nm、400nmおよびその間の値)で達成される。同じことを他のサイズに拡張することもできるが、最適なコントラストは上記のサイズ間で、理想的には50から150nmの範囲で達成された。 Figure 2: Representative MRI images obtained from LAMP reactions of positive and negative samples are shown in another second embodiment of the invention. This invention requires a biotin function added to the 5' end of the primer and a list of LAMP primers and their respective positions identified above. Dark images represent negatives and bright imagers represent positive assays. This embodiment is also related to the large size of the nanoprobes that bind to the product during the end-to-end assay process. Brighter positives and darker negatives are primers of a specific size between 50 and 400, ideally a size of about 100 nm (e.g. 50 nm, 75 nm, 100 nm, 125 nm, 150 nm, 200 nm, 250 nm, 300 nm, 400 nm and values in between). The same could be extended to other sizes, but optimum contrast was achieved between the above sizes, ideally in the range of 50 to 150 nm.

明るい陽性およびより暗い陰性を示す図2はまた、陰性と陽性との間の結合プロセスを変更または切り替えることができる特定の試薬を使用してアッセイを処理されるが、明るい陽性をもたらす結合を増強するために使用されるさらなる試薬を必要とする。これらの特別な試薬は、プライマーに結合したビオチンと磁気ビーズに結合したストレプトアビジン、および磁場の存在下でのそれらの相対的な相互作用と結合に作用する。陽性と陰性の間の「ナノスイッチング」は、3つの要素がシステムとして連携して異なる関係時間を与え、最終的に陽性に異なる明るさ/コントラストを与えるために発生している。図1に記載の実施形態と図2に記載の実施形態との間のこの切り替えの理由は、作用する複数の力およびそれらの相対的強度、ナノビーズのサイズ、プライマー、LAMP産物に起因する。これは、pH値、粘度、侵入性、および上記のパラメーターと特性の間の相互作用を持つバッファーと試薬の存在によってさらに変更される。第2の実施形態は、多次元の実験アプローチにおける体系的な方法での上記パラメータの最適化により成功した。LAMPおよびサンプル処理バッファの使用もこれらのプロセスを妨害し、この実施形態で最適化、検証、およびファイナライズされたすべてのものであり、結果の一貫性がこの複雑なパラメータ空間の下で実証された。 Figure 2 showing bright positives and darker negatives The assay is also processed using specific reagents that can alter or switch the binding process between negatives and positives, but enhance binding leading to bright positives. requires additional reagents that are used to These special reagents affect the primer-bound biotin and magnetic bead-bound streptavidin and their relative interaction and binding in the presence of a magnetic field. "Nano-switching" between positives and negatives occurs because the three elements work together as a system to give different relative times and ultimately different brightness/contrast to the positives. The reason for this switch between the embodiment described in Figure 1 and the embodiment described in Figure 2 is due to the multiple forces acting and their relative strengths, the size of the nanobeads, the primers, the LAMP products. This is further modified by pH values, viscosities, invasiveness, and the presence of buffers and reagents with interactions between the above parameters and properties. A second embodiment was successful due to the optimization of the above parameters in a systematic way in a multidimensional experimental approach. The use of LAMP and sample processing buffers also interfered with these processes, all of which were optimized, validated, and finalized in this embodiment, and the consistency of results was demonstrated under this complex parameter space. .

本発明の例示的な実施形態によれば、図11は、図1および図2は、円形ディスクによって表される1つの黒または白のスポットによって同定される個々のサンプルから処理された各アッセイを表す、MRI装置を使用して収集された3次元画像を示す。MRI検出のこの好ましい実施形態によると、目標は、ウイルスおよび細菌について数百または数千ものアッセイを同時にスクリーニングできるハイスループット検出モダリティを開発することである。このようなモダリティは、大規模な人口スクリーニング、パンデミック発生中の迅速な診断、およびそのような発生中の病気の広がりのリアルタイム追跡などの用途に使用できる。高スループット検出は、一般的に診断時間の短縮にも役立つ。特定の標的病原体の存在を決定するためのアッセイにおいて、磁気共鳴緩和時間T2の変化を測定する新規な技術に本発明は基づいている。ここでは、病院で利用可能な市販の磁気共鳴画像法(MRI)システムを使用して、Covid-19 コロナウイルスなどの標的ウイルスを持っているものとそうでないものを区別するT2強調画像を使用して複数のアッセイを同時に読み取ることが提案されている。このMRIベースの方法は、病院やMRIセンターの固定システム、モバイルトレーラーに取り付けられたシステム、および患者の幅広いアクセスを可能にする小型で安価なポータブルシステムなど、既存のMRIスキャナーの設置ベースを活用できる。 According to an exemplary embodiment of the invention, Figures 11, 1 and 2 show each assay processed from an individual sample identified by one black or white spot represented by a circular disc. Fig. 3 shows a three-dimensional image acquired using an MRI apparatus, representing; According to this preferred embodiment of MRI detection, the goal is to develop a high-throughput detection modality that can simultaneously screen hundreds or thousands of assays for viruses and bacteria. Such modalities can be used for applications such as large-scale population screening, rapid diagnosis during pandemic outbreaks, and real-time tracking of disease spread during such outbreaks. High-throughput detection also generally helps reduce diagnostic time. The present invention is based on a novel technique for measuring changes in magnetic resonance relaxation time T2 in assays for determining the presence of specific target pathogens. Here, we use T2-weighted images to distinguish between those that carry a target virus, such as the Covid-19 coronavirus, and those that do not, using a commercially available magnetic resonance imaging (MRI) system available in hospitals. It has been proposed to read multiple assays simultaneously using This MRI-based method can leverage the existing installed base of MRI scanners, including fixed systems in hospitals and MRI centers, systems mounted on mobile trailers, and small, inexpensive portable systems that enable wide patient access. .

本発明の好ましい実施形態は、平均的なMRIシステムが、装填および取り出し時間を含めて、5から15分ごとに最大4000のアッセイを検出することを可能にする。検出可能なアッセイへのサンプル数の前処理では、同時に処理できるサンプル数に制限はない。LAMPまたはRT-LAMPアッセイは20から30分で処理できる(サンプルの溶解や磁気処理などの前処理および後処理工程を除く)。サンプルごとに計算した場合にMRI検出にかかる時間は比較的短く、ほとんどのポリメラーゼ連鎖反応(PCR)アッセイよりも高速である。 Preferred embodiments of the present invention allow an average MRI system to detect up to 4000 assays every 5 to 15 minutes, including loading and unloading time. There is no limit to the number of samples that can be processed simultaneously in preprocessing the number of samples to detectable assays. A LAMP or RT-LAMP assay can be processed in 20 to 30 minutes (excluding pre- and post-treatment steps such as sample lysis and magnetic treatment). The time taken for MRI detection when calculated per sample is relatively short and faster than most polymerase chain reaction (PCR) assays.

本発明の好ましい実施形態によれば、磁気共鳴画像法(MRI)は、磁場勾配とRFパルスとの適切な組み合わせを使用してサンプルから空間的に分解された信号で画像を取得することを含む。2次元イメージングでは、たとえばZ方向に磁気勾配を適用して、測定用のXY平面内のサンプルのスライスを選択する。 According to a preferred embodiment of the present invention, Magnetic Resonance Imaging (MRI) involves acquiring images with spatially resolved signals from a sample using a suitable combination of magnetic field gradients and RF pulses. . In two-dimensional imaging, magnetic gradients are applied, for example in the Z direction, to select slices of the sample in the XY plane for measurement.

本発明の好ましい実施形態によれば、図3は、MRI検出RT-LAMP増幅アッセイの主な工程を示している。 According to a preferred embodiment of the invention, Figure 3 shows the main steps of an MRI-detected RT-LAMP amplification assay.

本発明の例示的な実施形態によれば、以下に示す説明および図は、MRI検出RT-LAMP増幅アッセイの主要な工程を示す。これらの手順は、光学的に検出されるRT-LAMPに似ており、病原体の検出に適用される。MRI検出アッセイは光学的に検出されるRT-LAMPアッセイと似ているが、ナノ粒子がMRIに敏感なプローブとして使用されているため、大きく異なる。MRI感受性ナノ粒子とプライマーとの結合の化学、およびアッセイ産物は大きく異なる。手順は、ターゲット病原体のMRI検出の前の、合成されたRNAおよびcDNA配列で予想される変更を示す代表的な図で説明されている。 According to an exemplary embodiment of the present invention, the description and figures presented below illustrate the major steps of an MRI-detected RT-LAMP amplification assay. These procedures are similar to optically detected RT-LAMP and are applied to the detection of pathogens. Although the MRI detection assay is similar to the optically detected RT-LAMP assay, it differs significantly because nanoparticles are used as MRI-sensitive probes. The chemistry of conjugation between MRI-sensitive nanoparticles and primers, and the assay products vary widely. The procedure is illustrated with representative figures showing expected alterations in synthesized RNA and cDNA sequences prior to MRI detection of target pathogens.

LAMPまたはRT-LAMP反応の後、表面を有する磁性ナノ粒子またはスーパー磁性ナノ粒子をストレプトアビジンで修飾して、反応媒体中に存在するビオチン分子に結合させる。結合は、特に2つのプライマーFIP および/またはBIPがビオチン化されている(ビオチンが5’末端に結合している)場合に、LAMPプライマーに対して強力である。ビオチンをプライマーに付加できる部位としてのさまざまな配列が上に列挙されており、すべての組み合わせが検証され、結果は図1および図2に示されている本発明のアプローチを示している。 After the LAMP or RT-LAMP reaction, the surface-bearing magnetic nanoparticles or supermagnetic nanoparticles are modified with streptavidin to bind biotin molecules present in the reaction medium. Binding is strong for LAMP primers, especially when the two primers FIP and/or BIP are biotinylated (biotin attached to the 5' end). Various sequences are listed above as sites to which biotin can be added to the primers, all combinations were tested and the results demonstrate the inventive approach shown in FIGS.

図3は、図1のMRI画像をもたらす実施形態の1つである、ナノビーズ間に強い会合を形成するLAMP反応の後に、磁性ナノ粒子が未使用のプライマーにどのように結合するかを示す。LAMP産物の非存在下でのこれらのナノビーズは、勾配磁場または強い磁場の存在下でビオチン-ストレプトアビジン結合誘導凝集により大きなクラスターを形成することによりMRI検出を可能にし、長いT1および/またはT2をもたらし、明るいMRI画像を提供する。 FIG. 3 shows how magnetic nanoparticles bind to unused primers after a LAMP reaction that forms strong associations between the nanobeads, one of the embodiments leading to the MRI images of FIG. These nanobeads in the absence of LAMP products enabled MRI detection by forming large clusters by biotin-streptavidin binding-induced aggregation in the presence of gradient or strong magnetic fields, resulting in long T1 and/or T2. and provide bright MRI images.

図3は、ビオチン分子が付着した隠れた/使用されたプライマーを有するLAMPアンプリコンのセグメント間で、ナノビーズハイブリダイゼーションがどのように起こるかを示し、アンプリコンによるナノビーズ表面での立体障害によってナノビーズハイブリダイゼーションは少し、それらの間の反発をもたらす。したがって、ナノビーズは反応媒体中に均一に分布および分散したままであり、短いT1および/またはT2が暗い画像を与える。最終工程では、LAMP産物を磁気ナノビーズ溶液と混合し、ストリング勾配磁場の存在下で約5から10分間インキュベートして、ナノビーズと「未使用」または残りのLAMPプライマーとの迅速な結合を可能にする。 Figure 3 shows how nanobead hybridization occurs between segments of LAMP amplicons with hidden/used primers attached with biotin molecules, and steric hindrance at the nanobead surface by the amplicons leads to nanobead hybridization. Bridization brings a bit of backlash between them. Thus, the nanobeads remain uniformly distributed and dispersed in the reaction medium and short T1 and/or T2 give dark images. In a final step, the LAMP product is mixed with the magnetic nanobead solution and incubated in the presence of a string gradient magnetic field for about 5-10 minutes to allow rapid binding of the nanobeads to "unused" or remaining LAMP primers. .

図3は、図1のMRI画像をもたらす実施形態の1つである、ナノビーズ間に強い会合を形成するLAMP反応の後に、磁性ナノ粒子が未使用のプライマーにどのように結合するかを示す。LAMP産物の非存在下でのこれらのナノビーズは、勾配磁場または強い磁場の存在下でビオチン-ストレプトアビジン結合誘導凝集により大きなクラスターを形成することによりMRI検出を可能にし、長いT1および/またはT2をもたらし、明るいMRI画像を提供する。 FIG. 3 shows how magnetic nanoparticles bind to unused primers after a LAMP reaction that forms strong associations between the nanobeads, one of the embodiments leading to the MRI images of FIG. These nanobeads in the absence of LAMP products enabled MRI detection by forming large clusters by biotin-streptavidin binding-induced aggregation in the presence of gradient or strong magnetic fields, resulting in long T1 and/or T2. and provide bright MRI images.

図3は、ビオチン分子が結合した隠れた/使用されたプライマーを有するLAMPアンプリコンのセグメント間で、ナノビーズハイブリダイゼーションがどのように起こるかを示し、アンプリコンによるナノビーズ表面での立体障害によって減少し、それらの間の反発をもたらす。したがって、ナノビーズは反応媒体中に均一に分布および分散したままであり、短いT1および/またはT2が暗い画像を与える。最終工程では、LAMP産物を磁気ナノビーズ溶液と混合し、ストリング勾配磁場の存在下で約5から10分間インキュベートして、ナノビーズと「未使用」または残りのLAMPプライマーとの迅速な結合を可能にする。 Figure 3 shows how nanobead hybridization occurs between segments of LAMP amplicons with hidden/used primers bound by biotin molecules, reduced by steric hindrance on the nanobead surface by the amplicons. , resulting in a backlash between them. Thus, the nanobeads remain uniformly distributed and dispersed in the reaction medium and short T1 and/or T2 give dark images. In a final step, the LAMP product is mixed with the magnetic nanobead solution and incubated in the presence of a string gradient magnetic field for about 5-10 minutes to allow rapid binding of the nanobeads to "unused" or remaining LAMP primers. .

インフルエンザA型およびB型は、エンドポイントRT?LAMPアッセイで検証されている。MRIに基づくCOVID?19、COVID?19の様々な株のLAMPおよびRT?LAMP検出は、MRIコイル内にRT?LAMPをスタッキングし、自動化されたソフトウェアを使用してMRI画像を処理することによって、数分で多数のアッセイを可能にする。COVIDおよびインフルエンザウイルスについて、反応あたり20から100のRNAコピーの分析感度と、それぞれ98.3%および100%の診断感度と特異性がこのアプローチによって達成された。 Influenza A and B have been validated in the endpoint RT-LAMP assay. MRI-based LAMP and RT-LAMP detection of various strains of COVID-19, COVID-19 by stacking RT-LAMP in an MRI coil and processing the MRI images using automated software. Enables multiple assays in minutes. Analytical sensitivities of 20 to 100 RNA copies per reaction and diagnostic sensitivities and specificities of 98.3% and 100%, respectively, were achieved by this approach for COVID and influenza viruses.

MRI検出PCRおよびRT?PCR検出もまた、COVID?19について検証され、図4に示されている MRI detection PCR and RT-PCR detection were also validated for COVID-19 and are shown in Figure 4

Claims (23)

以下の工程を含む、標的核酸を検出する方法:
a) 標的核酸を含むサンプルを提供する工程;
b) 少なくとも1つのプライマーを用いて標的核酸を増幅する工程、ここで該少なくとも1つのプライマーはビオチン化され、それによりビオチン化された標的核酸を調製する;
c) ビオチン化された標的核酸をストレプトアビジン-ナノ粒子と反応させ、それにより増幅された標的核酸-ナノ粒子複合体を形成する工程;および
d) MRIまたはNMRで前記核酸-ナノ粒子複合体を検出する工程。
A method of detecting a target nucleic acid comprising the steps of:
a) providing a sample containing a target nucleic acid;
b) amplifying a target nucleic acid using at least one primer, wherein said at least one primer is biotinylated, thereby preparing a biotinylated target nucleic acid;
c) reacting the biotinylated target nucleic acid with streptavidin-nanoparticles, thereby forming amplified target nucleic acid-nanoparticle complexes; and d) analyzing said nucleic acid-nanoparticle complexes by MRI or NMR. The step of detecting.
標的核酸の増幅がLAMPまたはPCRを含む、請求項1記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein amplification of the target nucleic acid comprises LAMP or PCR. 標的核酸の増幅が逆転写を含む、請求項1記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein amplification of the target nucleic acid comprises reverse transcription. 前記方法がRT?LAMPまたはRT?PCRで行われる、請求項3に記載の方法。 4. The method of claim 3, wherein said method is performed with RT-LAMP or RT-PCR. サンプルがヒト臨床サンプルである、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the sample is a human clinical sample. ヒト臨床試料が唾液または鼻スワブである、請求項5記載の方法。 6. The method of claim 5, wherein the human clinical sample is saliva or a nasal swab. 試料が、キレート剤、プロテイナーゼK、塩酸グアニジウム、グアニジウム組成物およびそれらの組み合わせの少なくとも1つで処理され、細胞を溶解もしくは解離するか、または会合タンパク質から核酸を放出する、請求項1に記載の方法。 2. The sample of claim 1, wherein the sample is treated with at least one of a chelating agent, proteinase K, guanidinium hydrochloride, guanidinium compositions, and combinations thereof to lyse or dissociate cells or release nucleic acids from associated proteins. Method. 核酸の単離または精製を必要としない、請求項7記載の方法。 8. The method of claim 7, which does not require isolation or purification of nucleic acids. 標的核酸が病原体の核酸である、請求項1記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the target nucleic acid is a pathogen nucleic acid. 病原体が病原性ウイルスまたはバクテリアである、請求項9記載の方法。 10. The method of claim 9, wherein the pathogen is a pathogenic virus or bacterium. ウイルスがSARS-CoV-2またはその変種である、請求項10記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein the virus is SARS-CoV-2 or variants thereof. 以下の工程を含む、標的核酸の存在について複数のサンプルをスクリーニングする方法:
a) 標的核酸を含む複数の臨床サンプルを提供する工程;
b) 少なくとも1つのプライマーを用いて複数の臨床サンプルの各々における標的核酸を増幅する工程であって、少なくとも1つのプライマーがビオチン化されていることにより、複数のビオチン化された標的核酸サンプルを調製する工程;
c) 複数のビオチン化標的核酸サンプルのそれぞれをストレプトアビジン結合ナノ粒子と反応させ、それにより複数の増幅された標的核酸-ナノ粒子複合体を形成する工程;および
d) MRIまたはNMRにより複数の核酸-ナノ粒子複合体を検出する工程。
A method of screening multiple samples for the presence of a target nucleic acid comprising the steps of:
a) providing a plurality of clinical samples containing the target nucleic acid;
b) amplifying a target nucleic acid in each of a plurality of clinical samples using at least one primer, wherein at least one primer is biotinylated to prepare a plurality of biotinylated target nucleic acid samples; the step of
c) reacting each of a plurality of biotinylated target nucleic acid samples with streptavidin-conjugated nanoparticles, thereby forming a plurality of amplified target nucleic acid-nanoparticle complexes; and d) reacting a plurality of nucleic acids by MRI or NMR. - Detecting nanoparticle complexes.
標的核酸を増幅することがLAMPまたはPCRを含む、請求項12に記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein amplifying the target nucleic acid comprises LAMP or PCR. 標的核酸の増幅が逆転写を含む、請求項12記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein amplifying the target nucleic acid comprises reverse transcription. 標的核酸の増幅がRT-LAMPまたはRT-PCRである、請求項12記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein the amplification of target nucleic acid is RT-LAMP or RT-PCR. 複数のサンプルがヒト臨床サンプルである、請求項12に記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein the plurality of samples are human clinical samples. ヒト臨床試料が唾液または鼻スワブである、請求項16記載の方法。 17. The method of claim 16, wherein the human clinical sample is saliva or a nasal swab. 前記複数の臨床サンプルが、キレート剤、プロテイナーゼK、グアニジウム塩酸塩、グアニジウム組成物およびそれらの組み合わせの少なくとも1つで処理され、細胞を溶解または解離し、または会合タンパク質から核酸を放出する、請求項12に記載の方法。 4. The plurality of clinical samples are treated with at least one of chelating agents, proteinase K, guanidinium hydrochloride, guanidinium compositions and combinations thereof to lyse or dissociate cells or release nucleic acids from associated proteins. 12. The method according to 12. 核酸の単離または精製を必要としない、請求項18記載の方法。 19. The method of claim 18, which does not require nucleic acid isolation or purification. 標的核酸が病原体の核酸である、請求項12記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein the target nucleic acid is a pathogen nucleic acid. 病原体が病原性ウイルスまたはバクテリアである、請求項20記載の方法。 21. The method of claim 20, wherein the pathogen is a pathogenic virus or bacterium. ウイルスがSARS-CoV-2またはその変種である、請求項21記載の方法。 22. The method of claim 21, wherein the virus is SARS-CoV-2 or a variant thereof. 前記複数の核酸?ナノ粒子複合体を同時に検出するMRIが、3?D MRIである、請求項12に記載の方法。 13. The method of claim 12, wherein the MRI that simultaneously detects the plurality of nucleic acid-nanoparticle complexes is 3-D MRI.
JP2022569574A 2021-01-04 2021-05-16 Nucleic Acid Amplification Assay Using 3-D Magnetic Resonance Imaging Detection for Screening Large Populations Pending JP2023529567A (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163133431P 2021-01-04 2021-01-04
US63/133,431 2021-01-04
PCT/US2021/032650 WO2021231993A1 (en) 2020-05-14 2021-05-16 Nucleic acid amplification assay using 3-d magnetic resonance imaging detection for screening large populations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2023529567A true JP2023529567A (en) 2023-07-11

Family

ID=87074472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2022569574A Pending JP2023529567A (en) 2021-01-04 2021-05-16 Nucleic Acid Amplification Assay Using 3-D Magnetic Resonance Imaging Detection for Screening Large Populations

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2023529567A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6649518B2 (en) NMR systems and methods for analyte detection
Zhang et al. Recent advances on magnetic relaxation switching assay-based nanosensors
Schrittwieser et al. Homogeneous biosensing based on magnetic particle labels
Hsing et al. Micro‐and nano‐magnetic particles for applications in biosensing
Zhao et al. Rapid detection of Listeria monocytogenes in food by biofunctionalized magnetic nanoparticle based on nuclear magnetic resonance
Haun et al. Magnetic nanoparticle biosensors
Zhang et al. Molecular sensing with magnetic nanoparticles using magnetic spectroscopy of nanoparticle Brownian motion
JP5289939B2 (en) How to detect a specimen
Tian et al. Ferromagnetic resonance biosensor for homogeneous and volumetric detection of DNA
US7863022B2 (en) Amplification of nucleic acids with magnetic detection
Konry et al. Particles and microfluidics merged: perspectives of highly sensitive diagnostic detection
Uddin et al. Lab-on-a-disc agglutination assay for protein detection by optomagnetic readout and optical imaging using nano-and micro-sized magnetic beads
JP2005513475A (en) Sensor and method for measuring the area density of magnetic nanoparticles on a microarray
Zhao et al. Rapid detection of Cronobacter sakazakii in dairy food by biofunctionalized magnetic nanoparticle based on nuclear magnetic resonance
Yang et al. Magnetic nanoparticles for high-sensitivity detection on nucleic acids via superconducting-quantum-interference-device-based immunomagnetic reduction assay
Huang et al. Rapid identification of urinary tract infections based on ultrasensitive bacteria detection using volumetric bar-chart chip
US20080309323A1 (en) Method for biochemical analysis
CN116194776A (en) Systems and methods for cell capture, biomarker detection, and contactless cell lysis
Hu et al. Magnetic-separation-assisted magnetic relaxation switching assay for mercury ion based on the concentration change of oligonucleotide-functionalized magnetic nanoparticle
US20230220497A1 (en) Nucleic acid amplification assay using 3-d magnetic resonance imaging detection for screening large populations
Freitas et al. Magnetoresistive DNA chips
Gui-Ying et al. Progresses of magnetic relaxation switch sensor in medical diagnosis and food safety analysis
JP2023529567A (en) Nucleic Acid Amplification Assay Using 3-D Magnetic Resonance Imaging Detection for Screening Large Populations
US20190338341A1 (en) Methods and device for electromagnetic detection of polymerase chain reaction
Chen et al. Nanoparticles based sensors for rapid detection of foodborne pathogens