JP3543001B2 - Method for labeling or detecting substances using luminescent aryl sulfonate cyanine dye - Google Patents

Method for labeling or detecting substances using luminescent aryl sulfonate cyanine dye Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光アリールスルホネートシアニン染料を用いた物質の標識および検出に関する。
【0002】
【従来の技術】
吸光特性を有するシアニンおよび関連染料は写真フィルムに用いられてきた。斯かる染料は吸光特性を必要とするが、ルミネッセンス(蛍光若しくは燐光)特性を必要としない。これまでルミネッセンス特性を有するシアニン染料は非常に限られた用途しかなかった。斯かる用途に取分け蛋白のスルフヒドリル基を標識することが含まれる。「スルフヒドリル試薬染料は筋形質小網嚢(SR)からの迅速Ca2+解放を開始させる(Sulfhydryl Reagent DyesTrigger the Rapid Release of Ca from Sacoplasmic Reticulum Vesicles(SR))」と題する論文で、Salama G.Waggoner A.S.Abramson J.は、ヨードアセチル基を有するシアニン発色団がCa2+解放を開始させるべくpH6.7で筋形質小網蛋白上のスルフヒドリル基と共有結合を形成するのに用いられたことを報告している(Biophysical Journal、47、456a(1985))。この論文はまた、蛍光染料が蛋白の標識ないし単離に用いられたことを述べている。
【0003】
「レチニリデン結合箇所から離れたロドプシン分子領域での配座変化の力学(Kinetics of Conformational Changes in a Region of the Rhodopsin Molecule AwayFrom the Retinylidene Binding Site)」と題する論文で、Waggoner A.S.、Jenkins P.L.、Carpenter J.P.およびGupta R.は、牛ロドプシンのF1領域上のスルフヒドリル基が660nmで吸光度を有するシアニン染料により共有標識されたことを報告している〔Biophysical Journal、33、292a(1985)〕。ここでも、特に蛋白のスルフヒドリル基を標識するのにシアニン染料を用いたことが報告されているが、蛍光染料の使用については開示されていない。
【0004】
「細胞生物学における問題への蛍光フォトブリーチ技法の応用に関する国際ゼミ(International Workshop on the Application of Fluorescence photobleaching Techniques to Problems in Cell Biology)」と題する記事には蛋白質に複合され得しかもスペクトルの濃赤領域で励起されうるシアニンタイプ蛍光プローブに関するJacobson K.、Elson E.、Koppel D.およびWebb W.の論文が報告されている(Fed.Proc.42:72−79(1983))。
【0005】
上記三つの論文のいずれにも記述されている唯一のシアニンプローブは特に蛋白質のスルフヒドリル基に共有結合するものである。記述されている唯一の特定シアニン化合物はヨードアセチル基を有するもので、該基はシアニン染料をスルフヒドリル基と共有反応させる。上記記事はいずれもシアニン染料と蛋白質以外の物質又はスルフヒドリル基以外の蛋白質上任意基との共有反応を開示していない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多くの非蛋白質物質はスルフヒドリル基を有さず、また多くの蛋白質は該基を蛍光探査に有用とする程十分には有していない。しかも、スルフヒドリル基(−SHSH−)は空気の存在でジスルフィド(−S−S−)に容易に酸化し、それによって蛍光プローブへの共有結合に受容されなくなる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水性液体中の成分を標識する方法を提供する。該方法は、
(a) 前記成分を含有する前記液体に、芳香族核に結合したスルホン酸基若しくはスルホネート基少なくとも1個を有するシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料よりなる群から選ばれる発光染料を加え、該染料は前記成分と反応性であり、そして
(b) 前記染料が前記成分を標識するように前記染料と前記成分とを反応させる
ことを含む。
【0008】
本発明の別の態様においては、水性液体中の成分を標識する方法が提供される。該方法は、
(a) 前記成分を含有する前記液体に、複素環式核の1個ないし2個以上の環に結合したスルホン酸基若しくはスルホネート基少なくとも1個を含有するスルホインドレニン基剤およびナフトスルホインドレニン基剤ポリメチン染料よりなる群から選ばれる発光染料を加え、該染料は前記成分と反応性であり、
(b) 前記染料が前記成分を標識するように前記染料と前記成分とを反応させ、そして
(c) 前記標識成分を光学的方法により検出する
ことを含む。
【0009】
本発明の別の態様においては、第1成分を標識し、標識された前記第1成分を用いて第2成分と結合させ標識第2成分を形成する方法が提供される。該方法は、
(a) 前記第1成分を含有する水性液体に、芳香族核に結合したスルホン酸基若しくはスルホネート基少なくとも1個を含有するシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料よりなる群から選ばれる発光染料を加え、該染料は前記第1成分と反応性であり、
(b) 前記染料が前記第1成分を発光標識して標識第1成分をもたらすように前記染料と前記第1成分とを反応させ、
(c) 前記標識第1成分を前記第2成分に結合させて標識第2成分を形成し、そして
(d) 前記標識第2成分を光学的方法により検出する
ことを含む。
【0010】
本発明のさらに別の態様においては、スルホシアニン染料標識物質と、すべてが単一励起波長で有意に光を吸収するが異なる波長で蛍光を発する別異の蛍光物質1種若しくは2種以上とを混合し、次いで前記蛍光物質をすべて、単一波長の光で励起させ、そして前記蛍光物質の各々を、それらの異なる蛍光波長でそれら個々の蛍光信号を検出することにより計量することを含む方法が提供される。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明に従えば、物質の蛍光ないし燐光検出のために適当な反応条件下、蛋白質および他物質上のスルフヒドリル基のみならずアミン(−NH )およびヒドロキシ(OH)基その他アルデヒド(−CHO)基の如き基と共有反応する置換基を有するシアニンおよび関連ポリメチン染料が開発された。本発明は、従来法のヨードアセチルシアニン染料の使用およびその、スルフヒドリル基との特異反応性よりもかなりの益をもたらす。アミンおよびヒドロキシ基はスルフヒドリル基よりも蛋白ないし他の物質中で優勢であり、安定である。それによって、特定蛋白有無の探査に蛍光シアニン染料を用いるとき、被探査蛋白に多くの染料分子が結合しうるので、より強い蛍光ないし燐光の光度信号が出される。しかも、アミンないしヒドロキシ基は、当然スルフヒドリル、アミン若しくはヒドロキシ基を含まない重合体粒子の如き標識の所望される成分に、より容易に付加される。
【0012】
本発明はまた、標識蛋白又は他物質の有無ないし量が、該標識成分をクロマトグラフィー法で分離後探査されうるように、アミン若しくはヒドロキシ基又は他の反応基と共有反応する基を含む発光シアニン染料を用いて混合物中の染料と反応しうるアミン若しくはヒドロキシ基又は他の基を有する蛋白又は他の原料を標識する方法に関する。先に引用せる文献に依れば、明らかにスルフヒドリル基は、特に蛋白分子上のスルフヒドリル基が非常に少なくまた或る場合該基が蛋白の機能で有意な役割を果たす故に共有反応用に選定された。それ故、著者が蛋白構造上のスルフヒドリル基の特定位置を確認する試みは可能であった。また、上記文献で、スルフヒドリル基は特定蛋白の構造変化を探査し或いは該変化をもたらすプローブとして用いられた。斯くして、染料による吸光の変化又は染料結合による解放カルシウムイオンの変化を判断するために、プローブの結合場所を知ることが必要であった。
【0013】
大部分の蛋白上のスルフヒドリル基は非常に少ない故に、探査に十分な全ルミネッセンスをもたらすのに該スルフヒドリル基数が十分でないことがある。これとは対照的に、アミンないしヒドロキシ基数は蛋白分子上に数において有意に多く且つ広く分散しているので分子上の多数箇所に蛍光プローブを結合させることができ、それによって蛋白検出が容易になるため吸光若しくは蛍光変化の判断が排除される。
【0014】
本発明は発光ポリメチンシアニンないし関連ポリメチン染料による蛋白その他、核酸、DNA、薬物、トキシン、血液細胞、微生物物質、粒子、プラスチック若しくはガラス表面材、重合体膜等を含む物質の、該物質上アミン若しくはヒドロキシ箇所での標識に関する。有利なことに、染料は、標識物質を含む水性ないし他の媒体に可溶である。本発明は標識1段法に加えて標識2段法に関する。標識2段法では、抗体の如き第一成分を、該成分上の、アミン、ヒドロキシ、アルデヒド若しくはスルフヒドリル箇所を含む箇所で標識しうる。標識された成分は、抗体が特異な抗原の如き第二成分のプローブとして用いられる。
【0015】
先に記した従来技術では、スルフヒドリル基と共有反応するプローブを用いることにより、シアニンプローブによる結合箇所の特異性が達成された。本発明の2段法に従えば、第一段階でシアニンないし関連プローブを抗体の如き第一成分上のアミン、アルデヒド、スルフヒドリル、ヒドロキシ若しくは他の基と反応させることができ、而して第二ないし染色段階で抗体は抗原の如き第二成分での所望の特異性を達成しうる。この特異性は抗体への抗原結合箇所により調べられる。
【0016】
本発明はまた、ターゲット分子上のアミン、ヒドロキシ、アルデヒド若しくはスルフヒドリル基への共有結合を可能にする基を含む発光ポリメチンシアニンおよび関連化合物に関する。本発明は抗原のプローブとなりうるこれら発光シアニン化合物で標識された単一クローン抗体および他の成分に関する。ターゲットが1種の細胞であるとき、本発明は、該細胞に結合する標識抗体の量を測定するのに用いることができる。この測定は、細胞のルミネッセンスの相対的明暗を調べることによって実施しうる。
【0017】
本発明は、系の特定蛋白若しくは他成分の濃度を調べるのに用いることができる。もし、プローブと反応しうる蛋白上の反応基数が既知なら、分子当りの蛍光を知ることができ、また系の分子濃度を系の全ルミネッセンス強度によって調べることができる。
【0018】
本方法は、系の蛋白の混合物すべてを標識し、次いで標識蛋白をクロマトグラフィーの如き任意手段で分離することにより系の各種の蛋白ないし他の物質を定量するのに用いることができる。次いで、分離せる発光性の蛋白量を調べることができ、クロマトグラフィー検出系で、標識物質上の染料位置を確認することができる。
【0019】
本発明はまた、抗体により標識された種々の細胞数を調べるのに使用しうる。この数の調査は系の複数種の細胞を標識し次いで標識細胞を系外に分離することにより実施しうる。また、標識細胞は系外の非標識細胞からも分離することができる。
【0020】
本発明の別の具体化は、抗体の如き別異の複数第一成分にして、各々が抗原の如き別異の第二成分に特異な第一成分に夫々結合した複数の発光シアニン若しくは関連染料を、抗原混合物中複数抗原の各々を同定するのに用いられるマルチパラメーター方法を含む。この具体化に従えば、各抗体は、他のプローブを標識するのに用いられる染料とは別異の吸光およびルミネッセンス波長特性を有する染料で別個に標識される。次いで、標識抗体はすべて、夫々特定の標識抗体により染色されうる抗原の如き第二成分を含むと分析された生物学的調製物に加えられる。未反応染料物質は、もしそれが分析を妨げるなら、洗浄によって調製物から全て除去されうる。生物学的調製物は次いで種々の励起波長に付される。用いられる各励起波長は特定の共役染料の励起波長である。励起波長に相当する発光波長の光度を調べるのにルミネッセンス顕微鏡又は、励起波長の光を選択し且つルミネッセンスの波長を選定するフィルター若しくはモノクロメーターを有するフローシトメター又は蛍光分光光度計の如き他のルミネッセンス検出系が用いられる。特定の共役染料の発光波長に相当する波長でのルミネッセンス強度は、染料が結合する抗体に結合した抗原の量を示す。或る場合、各々が別異の波長で蛍光を発する混合物中の物質2種以上からのルミネッセンスを励起するのに単一励起波長を用いることができ、その各蛍光波長における個々の蛍光強度を検出することにより各標識種の量を測定することができる。所望なら、吸光検出法を用いることができる。本発明の2段法は、ルミネッセンス若しくは吸光検出系で第一物質−染料複合物が方向づけられる別の物質の有無を探査するのに染料と結合した第一物質を用いる任意系に適用されうる。例えば、染料はDNA若しくはRNA断片に結合して染料結合DNA若しくはRNAフラグメントを形成し得、次いでそれは断片が相補的なDNA若しくはRNA主鎖に方向づけられる。同じ試験方法はDNAの相補的主鎖の有無を探査するのに用いることができる。
【0021】
本発明のシアニンおよび関連染料は特に、広範囲の励起および発光波長を有する特定のシアニンおよび関連染料が合成されうる故に、種々の励起および発光波長の染料を必要とする成分混合物分析によく適合する。特定の励起および発光波長を有する特定のシアニンおよび関連染料は、メチン基の数又はシアニン環構造を変えることにより合成することができる。このようにして、レーザー例えばHeNe若しくはダイオードレーザーの如き特定の励起光源に相当する特定励起波長を有する染料を合成することができる。
【0022】
本発明は、反応条件下発光性の高いまた吸光度の高いシアニンおよび関連染料分子を蛋白、ペプチド、炭水化物、核酸、誘導核酸、脂質、他の特定の生物学的分子、生物学的細胞上のアミン、ヒドロキシ、アルデヒド、スルフヒドリル若しくは他の基並びに可溶性重合体、重合体粒子、重合体表面材、重合体膜、ガラス表面材および他の粒子ないし表面材の如き非生物学的物質に共有反応させることに関する。ルミネッセンスには高感度の光学的技法が包含されるので、標識が非常に低い量で存在するときでさえ染料「標識」の有無を探査定量することができ、かくして染料標識試薬を用いて標識された物質の量を測定することができる。最も有用な染料は吸光度が高く(ε=70,000〜250,000lb/モルcm又はそれ以上)、非常に発光性であり、少なくとも5〜80%以上の量子収量を有する。該量は染料そのものに当てはまり、また標識物質に結合した染料にも当てはまる。
【0023】
斯かるカラー標識試薬の重要な適用は発光性単一クローン抗体の産生である。単一クローン抗体は、特定の化学的箇所又は細胞表面上若しくは細胞内「マーカー」に非常に堅く且つ特異的に結合する蛋白分子である。それ故、これら抗体は、特定細胞種(例えばHLA、T細胞、バクテリアおよびウイルス等)および異常細胞を同定するのに莫大な研究と臨床適用とを有する。従来、細胞に結合した抗体は種々の方法による抗体の標識によって計量されており、そして標識は放射性標識(ラジオイムノアッセイ)、酵素(ELISA技法)又は蛍光染料(通常フルオレセイン、ロダミン、Texas Red(登録商標)若しくは紅藻素)によって遂行されてきた。臨床的抗体試薬のほとんどの製造業者ないしユーザーは放射性トレーサーの使用に伴う問題の排除を望んでおり、そのためルミネッセンスが最も有望な代替法の一つと考えられている。実際、多くの業者は今日、単一クローン抗体で標識されたフルオレセイン、Texas Red(登録商標)、ロダミンおよび紅藻素を市場に出している。
【0024】
近年、細胞上の蛍光抗体を検出する光学的/電子工学的装置は複雑さを増している。例えば、フロー血球計算法を用いて個々の細胞上の蛍光抗体量を、細胞5,000個/秒までの割合で測定することができ、また顕微鏡および溶液蛍光技法も進歩している。これら装置は、スペクトルのUV、可視および近IR領域の多くの波長で蛍光を励起することができる。今日受容される有用な蛍光標識試薬のほとんどは400〜580nmスペクトル領域で励起しうる。例外は、蛋白に共有結合し得且つ若干長い波長で励起しうる。海洋性生物から単離されたいくつかのフィコビリプロテインタイプ顔料である。それ故、今日市販されている装置で分析される生物学的ないし非生物学的物質の標識で新たな標識試薬が有効となることが必要な580〜約900nm範囲の大スペクトル窓がある。このスペクトル領域で励起しうる新しい試薬は、種々の特異性を有する抗体が各々別異の着色蛍光染料で標識しうる故に細胞上マーカーのマルチカラールミネッセンス分析の実施を可能にする。斯くして、分析される各細胞に関し同時にいくつかのマーカーの有無を調べることができる。
【0025】
本発明はまた、生物学的ないし非生物学的物質に共有結合しうる発光(蛍光若しくは燐光)シアニン、メロシアニンおよびスチリル染料そのものに関する。メロシアニンおよびスチリル染料は本発明のためのシアニン染料に関連すると認められる。新しい標識試薬そのものは、特にそれが標識成分に結合しているとき初めに定義せる波長の光例えば450〜900nmスペクトル範囲の波長の光で励起しうる。細胞のバックグラウンド蛍光はより低い波長で概ね生じる。それ故、標識試薬はバックグラウンド蛍光とは区別される。特に有利なのは633nmの光を吸収する誘導体である。何故なら、該誘導体は、安価で、強く、安定で、寿命の長いHeNeレーザー給源により励起されうるからである。次いで、標識成分により蛍光ないし燐光放出される、二番目に定義した波長の光が検出されうる。蛍光若しくは燐光は一般に励起光より長い波長を有する。検出段階は、励起波長の散乱光を吸収するための、また検体とともに用いられる特定の染料標識に相当するルミネッセンスの対応波長を通過させるためのフィルターを有するルミネッセンス顕微鏡を用いることができる。斯かる光学顕微鏡については米国特許第4,621,911号に記述されている。
【0026】
シアニンおよび関連染料がすべて発光性というわけではない。しかしながら、本発明の染料には、発光性であるシアニンおよび関連染料が含まれる。それらは比較的安定性であり、多くは反応溶液好ましくは水溶液に可溶である。結合染料そのものは、特にそれが標識成分に結合しているとき少なくとも50,000好ましくは100,000l/モルcmの分子吸光係数(ε)を有する。吸光係数は分子が光を吸収する能力の尺度である。本発明の結合染料は少なくとも2%好ましくは少なくとも10%の量子収量を有する。加えて、本発明の結合染料は400〜900nm好ましくは600〜900nmスペクトル範囲の光を吸収し且つ発生する。
【0027】
アリールスルホン化染料
本明細書に記載の如きアリールスルホネートないしアリールスルホン酸置換染料が、アリールスルホネートないしアリールスルホン酸基のない類似染料に比べ本質的に蛍光が強く、改良された光安定性および水溶性を有すると分かった。用語アリールスルホネートないしアリールスルホン酸基を本明細書で用いるとき、それは、単一環芳香族構造又はナフタレン構造の如き融合環構造を含む芳香族環構造に結合した互換可能なアリールスルホン酸基若しくはアリールスルホネート基を意味する。単一環芳香族構造若しくは融合環芳香族構造はポリメチン、シアニン、メロシアニン若しくはスチリルタイプ染料中に存在しうる。
【0028】
通常シアニン染料を含む同一平面分子構造を有する多くの染料は、特に、緩衝液ないし生理的食塩水における如く無機塩も亦存在するとき水溶液中で二量体ないしそれ以上の結合体を形成しやすい。これらの結合体は通常単量体吸収の短波長側にシフトした吸収バンドを有し、概ね非常に弱い蛍光種である。水溶液でのシアニン染料の結合体易形成傾向は特に写真工業で周知である〔West W.& Pierce S.、J.Phys.Chem.,69;1894(1965);Sturmer D.M.、Spec.Top in Heterocyclic Chemistry,30(1974)〕。
【0029】
多くの染料分子特にシアニン染料分子は水溶液中結合体を形成しやすい。然るに、アリールスルホネート染料はこれらの結合体形成傾向を最低限で有すると分かった。アリールスルホネート染料を蛍光標識試薬の形成に用いるとき、それは、蛋白又は抗体の如き他の分子に高い表面密度で結合する場合結合体形成傾向が低下する。塩溶液(例 150mM塩化ナトリウム)中特定染料分子が結合体を形成する傾向は、同じ染料分子が蛋白の表面上で結合体を形成する傾向の尺度として採用されうる。それ故、染料分子が水性塩溶液中結合体を形成する傾向が最低限であることが望ましい。第2図に示すデーターを用いて、特定のアリールスルホネート化染料が水性塩溶液中高濃度でさえ結合体を形成する傾向が低いことを例示することができる。
【0030】
第1図は、水性緩衝液に溶解せる典型的シアニン染料の単量体吸収スペクトルおよび二量体吸収スペクトルを示す。これらのスペクトルを生じさせるのに用いられる染料N,N’−ジ−スルホブチルインドジカルボシアニンはアリールスルホネート基を有さず、ミリモル範囲未満の濃度でさえ二量体を容易に形成する。二量体スペクトルは濃度の異なる染料スペクトルから算定された(West & Pearce、1965の方法参照)。燐酸塩緩衝剤入り食塩溶液中3ミリモルの濃度では、単量体および二量体バンドの吸収はほぼ等しかった。
【0031】
改善されたスルホインドジカルボシアニンN,N’−ジエチルインドジカルボシアニン−5,5’−ジスルホン酸のスペクトルを第2図に示す。この染料は濃度10ミリモルまでの食塩溶液中結合体の兆候を何ら示さなかった。
【0032】
特定の反応染料が抗体の如き蛋白に定義された反応条件で結合する効率を測定することは常法である。試験染料はN,N’−ジカルボキシペンチルインドジカルボシアニン−5,5’−ジスルホン酸のビス−N−ヒドロキシスクシンイミドであった。第3図は、このスルホシアニン染料活性エステルがpH9.2の炭酸塩緩衝液中で羊免疫グロブリンと効率よく反応し、反応溶液中相対的染料ないし抗体濃度に依って1未満〜20以上の範囲にわたる染料:抗体モル比を有する共有標識抗体分子を形成することを例示する。データーに最小2乗法を適用して得た勾配は、斯かる条件下この染料の標識効率が約80%であることを示している。同様の調査で、フルオレセインイソチオシアネート(FITC)が約20%の効率を以て反応した。
【0033】
新規なスルホインドジカルボシアニン染料の活性エステルの反応性は羊免疫グロブリン(IgG)を標識することによって調べられた。蛋白(4mg/ml)を0.1モル炭酸塩緩衝液(pH9.2)に溶かした。無水ジメチルホルムアミドに溶解せる反応性染料のアリコートを蛋白試料に加えて初期の染料:蛋白モル比を得た。30分後、ゲル透過クロマトグラフィー(Sephadex G−50)により羊結合染料から蛋白を分離した。得られた染料:蛋白モル比を分光光度計で調べ、これを第3図に示す。
【0034】
低い染料:蛋白比において、標識蛋白の吸収スペクトルは、遊離単量体染料のスペクトルと密接に対応するバンドを示す。高度標識され(染料:蛋白比の高い)或は、水性溶液中凝集傾向の高い染料で標識された抗体分子は往々、水性溶液中単量体染料吸収バンドよりも短波長で現われる新しい吸収ピークを有することが見出されている。新しい吸収ピークの波長はしばしば、染料の二量体吸収スペクトル特性を示す領域に入る(第1図参照)。
【0035】
抗体の標識度が高いほど短波長:長波長吸収ピーク比は高い。この、より短い波長吸収ピークは第4図中約590nmで見ることができる。第4図中、より長い波長(645nm)ピークは、抗体に結合した単量体染料分子による。第4図の抗体吸収スペクトルをもたらすのに用いた標識試薬N,N’−ジカルボブチルインドジカルボシアニン−5,5’−酢酸のビス−N−ヒドロキシスクシンイミドエステルはアリールスルホネート基を有さず、水性塩溶液中でまた、それが反応した抗体上で二量体を容易に形成する。重要なこととして、これら抗体の蛍光励起スペクトルは、短波長ピークでの標識抗体の励起が、長波長ピークで励起する程多くは蛍光を比例的に生成しないことを示す。この考察は、短波長吸収ピークが抗体分子上の非蛍光二量体ないし結合体の形成によるという概念と調和する。
【0036】
本発明者等は、第3図のデーターを得るのに使用したアリールスルホネートシアニン染料が、二量体の特徴的吸収波長におけるはるかにより小さな吸収ピーク(第5図参照)によって判断される如く抗体分子上で容易には結合しないことを見出した。これは、抗体および他の「非結合性」標識試薬が蛍光のより強い標識蛋白を産生すべきなので重要である。実際、アリールスルホシアニンは平均染料/抗体比が比較的高いときでさえ鮮明な蛍光抗体を産生する(第6図参照)。
【0037】
第4図にカルボキシインドジカルボシアニン染料で標識された羊免疫グロブリンを示す。第5図は、新規なスルホインドジカルボシアニン染料と結合した蛋白を示す。前者の試料において増加した二量体の存在(第1図参照)は明らかである。両調製物で染料:蛋白モル比はほぼ同じであるけれども、第5図に示す蛋白は第4図に示す試料よりも蛍光が強かった。
【0038】
蛍光染料で標識された鮮明な蛍光性抗体又は他の蛋白を有するには、蛋白上染料分子当りの平均量子収量ができるだけ高いことが重要である。一般に、蛋白上染料分子の表面密度が高くなる(すなわち染料/蛋白比が増加する)につれ、染料の平均量子収量が低下する。この効果は時折、標識度の高い蛋白の表面上染料相互作用の結果として生じるケンチングに起因してきた。確かに、蛋白表面上非蛍光二量体の形成はこのケンチングに寄与しうる。第6図は、染料/蛋白比が高くなるにつれアリールスルホシアニン染料の平均量子収量が緩徐に低下することを示している(菱形印を繋ぐ曲線)。これとは対照的に、丸印を繋ぐ曲線は、染料/蛋白比が高くなるにつれ非アリールスルホシアニン染料(N,N’−ジ−スルホブチルインドジカルボシアニン−5−イソチオシアネート)の結合に関する平均量子収量の非常に迅速な低下があることを示している。それ故、第6図に例示されるスルホシアニン染料は、他の染料に比較して、特に抗体分子当り染料分子1〜10個の標識範囲でより鮮明な蛍光抗体を産生する。
【0039】
標識蛋白上の個々の染料分子の平均蛍光量子収量はこれら生物分子から得られる蛍光信号の尺度である。燐酸塩緩衝剤入り食塩溶液中の新規なスルホインドジカルボシアニン染料で標識された羊免疫グロブリン(IgG)からのデーターは第6図の菱形印を繋いだ曲線で示される。第6図の丸印を繋いだ曲線は、比較のためインドジカルボシアニン−イソチオシアネート反応性染料で標識した蛋白を示す。第6図で、染料/蛋白比0での量子収量は緩衝液中反応性染料(遊離染料)のメチルアミン付加物に関する値を示す。
【0040】
バックグラウンド方法
発光プローブは、分子および細胞を分析分離しまた他物質を検出定量するのに有用な試薬である。非常に少ない数の発光分子が最適環境下で検出することができる。BarakとWebbは、SITカメラを用いて細胞のLDL受理に関連した50個未満の蛍光脂質類似物を可視化した(J.Cell Biol.90:595−604(1981)〕。粒子若しくは特定細胞に関連した10,000個未満のフルオレセイン分子の検出にフロー血球計算法を用いることができる〔Muirhead、HoranおよびPoste、Bio/Technology 3:337−356(1985)〕。蛍光プローブ応用のいくつかの特定例は、(1)蛍光フロー血球計算法、蛍光賦活細胞分類および蛍光鏡検法という技法による細胞混合物中の細胞の部分母集団の同定および分離、(2)蛍光免疫アッセイの技法で別の種に結合する物質(例えば抗原−抗体反応物)の濃度測定および(3)蛍光染色の技法によるゲルおよび他の不溶性担体中の物質のローカリゼイションである。これらの技法については、Herzenberg等、「細胞免疫学(Cellular Immunology)」、第3版、第22章;Blackwell Scientific Publications、1978(蛍光賦活細胞分類)およびGoldman、「蛍光抗体法(Fluorescence Antibody Methods)」、ニューヨーク所在Academic Press、1968(蛍光鏡検法および蛍光染色(fluorescence microscopy and fluorescence staining))並びに Applications of Fluorescence in the Biomedical Sciences、編集Taior等、Alan Liss Inc.、1986に記載されている。
【0041】
上記目的に蛍光を用いるとき、蛍光物質の選定に多くの制約がある。一つの制約は蛍光物質の吸収および放出特性である。なぜなら、多くのリガンド、受容体および、検体例えば血液、尿素、脳脊髄液中の物質は蛍光を発し、蛍光標識の蛍光の正確な測定を干渉するからである。この現象はオートフルオレッセンス又はバックグラウンド蛍光と呼ばれる。別の考慮すべき点は、蛍光物質の、リガンドおよび受容体並びに他の生物学的ないし非生物学的物質への結合能力と斯かる蛍光物質に対する結合の効果である。多くの状況で、別の分子への結合は蛍光物質の蛍光特性における実質的変化をもたらし得、或る場合蛍光物質の量子効率を実質的に損ない或いは低下させる。蛍光物質との結合が、標識分子の機能を不活性にすることも可能である。三つ目の考慮すべき点は、鋭敏検出の場合高くあるべき蛍光物質の量子効率である。四つ目の考慮すべき点は、できるだけ大きくあるべき蛍光物質の吸光能又は吸光率である。また、蛍光分子が近接状態にあるとき互いに干渉してセルフケンチングを生じるか否かが関係する。更に、蛍光物質が他の化合物と或は該蛍光物質そのものにより或は該物質が結合している化合物との関連において容器壁と非特異結合するか否かも関係する。
【0042】
上記方法の適用性および価値はふさわしい蛍光化合物の入手性と密接に結付く。特に、長波長可視領域(黄〜近赤外)で発光する蛍光物質が入用である。なぜなら、これら発色団の励起はオートフルオレッセンスをあまり生ぜず、またスペクトルの全可視および近赤外領域を使用しうるとき別異の波長で発光する多数の発色団が同時分析できるからである。広く用いられている蛍光化合物フルオレセインは緑領域では有用なエミッターであるけれども、特定の免疫検定および細胞分析系ではフロオレセイン吸収波長での励起により生じるバックグラウンドオートフルオレッセンスが検出感度を制限する。しかしながら、慣用の赤蛍光標識ロダミンはフルオレセインより効果が低いと分かった。Texas Red(登録商標)は578nmで励起しうる有用な標識試薬であり、610nmで最大限に蛍光を発する。
【0043】
フィコビリプロテインは、その高い吸光率と高い量子収量の故に重要な貢献をなしてきた。斯かる発色団含有蛋白は多くの蛋白に共有結合し得、而して鏡検法およびフロー血球計算法での蛍光抗体アッセイに用いられる。フィコビリプロテインは、(1)蛋白標識法が比較的複雑であり、(2)蛋白標識効率が通常高くなく(典型的には平均0.5フィコビリプロテイン分子/蛋白)、(3)フィコビリプロテインが天然物で、その調製および精製が複雑であり、(4)フィコビリプロテインが高価であり、(5)680nmで最大限蛍光を発するアロフィコシアニンより更に赤領域スペクトルで蛍光を発する標識試薬として有効なフィコビリプロテインが現存せず、(6)フィコビリプロテインが比較的化学的に不安定であり、(7)それが比較的容易に光褪色し、(8)フィコビリプロテインが33,000〜240,000範囲の分子量を持つ大蛋白であり、代謝産物、薬物、ホルモン、誘導ヌクレオチドおよび、抗体を含む多くの蛋白の如き標識が望ましい多くの物質より大きいという欠点を有する。後者の欠点は特に重大である。なぜなら、大きなフィコビリプロテインで標識された抗体、アビジン、DNAハイブリダイゼーションプローブ、ホルモンおよび小分子は複合錯体の寸法によって課せられた立体的制限故にそのターゲットに結合し得ず、またターゲットへの結合物の結合速度が低分子量結合物に対して緩徐だからである。
【0044】
組織学、細胞学、免疫検定を含む他の技法も亦、長い波長での高い量子効率、吸収および放出特性を示し、簡単な結合手段を有し且つ非特異的干渉の事実上ない蛍光物質の使用から実質的益を受ける。
【0045】
発明のアウトライン
本発明は、標識成分の検定および定量化目的で比較的大きな吸光率および高い量子収量を有する蛍光アリールスルホネート化シアニンおよび関連染料を用いる。蛍光シアニンおよび関連染料は、抗体、抗原、アビジン、ストレプトアビジン、蛋白、ペプチド、誘導ヌクレオチド、炭水化物、脂質、生物学的細胞、バクテリア、ウイルス、血液細胞、組織細胞、ホルモン、リンフォカイン、トレース生物分子、トキシンおよび薬物の如き生物学的物質を標識するのに用いることができる。また、蛍光染料は、可溶性重合体、重合体ないしガラス粒子、薬物、導体、半導体、ガラスないし重合体表面材、重合体膜および他の固体粒子の如き非生物学的物質を標識するのにも用いることができる。標識される成分は、他の物質を含む混合形で存在しうる。標識反応が生じる混合物は液体混合物特に水混合物でありうる。検出段階は顕微鏡スライドの如き液体若しくは乾燥状態の混合物を以て生じうる。
【0046】
本発明は、ターゲット分子に好ましくはアミン若しくはヒドロキシ部位或る場合にはスルフヒドリル若しくはアルデヒド部位で共有結合する反応性基のシアニン分子への編入により変性すべきシアニン染料を必要とする。本発明はまた、シアニンおよび関連染料構造の試験液体への溶解性を高めて(1)標識反応での取扱いを容易にし、(2)標識される蛋白の表面上での染料結合の防止を助成し且つ(3)生物学的物質および表面材ないしアッセイ装置への標識物質の非特異的結合の防止を助成すべくシアニンおよび関連染料構造の使用ないし変性を用いる。
【0047】
シアニンおよび関連染料は、現存の蛍光標識試薬に勝る重要な利点を供する。先ず第一に、400〜約1100nm範囲のスペクトル領域で吸光ないし発光するシアニンおよび関連染料が合成される。斯くして、これら染料の反応性誘導体は、複数の標識物質を同時測定することが必要なアッセイ用に調製されうる。この種のマルチカラー(若しくはマルチパラメーター)分析は簡素化、コスト効果或は、粒子の複雑な混合物中の各粒子上の異なる標識種の比(例えばマルチパラメーターフロー血球計算法若しくは蛍光顕微鏡による複雑な混合物中の個々の血液細胞上の抗原マーカーの比)の決定に望ましい。第二に、多くのシアニンおよび関連染料は強く光を吸収し且つ蛍光を発する。第三に、多くのシアニンおよび関連染料は比較的光安定性で、蛍光顕微鏡下迅速には漂白しない。第四に、簡単且つ効果的な結合試薬であるシアニンおよび関連染料誘導体を製造することができる。第五に、多くの構造および合成方法が有効であり、またこの種の染料は多目的である。それ故、試薬を多少水溶性にするのに多くの構造上の変性を行なうことができる。そのチャージは、それが結合する分子をかき乱さないようまた非特異的結合が低下しうるよう変化しうる。第六に、フィコビリプロテインとは異なって、シアニン染料は比較的小さく(分子量=1,000)、そのためその結合域に迅速到達し或はその機能を遂行する標識分子能力を目立つほど立体障害しない。
【0048】
斯くして、シアニンタイプ染料標識剤は多くの潜在的利点を供する。斯かる染料は、液体特に水性液体中での成分1種ないし2種以上の選択的標識に用いることができる。次いで、標識成分は光学的方法又はルミネッセンス方法により検出することができる。別法として、標識成分は、それが強い親和性を有する別の成分の染色に用いられ、而して後者の成分は光学的ないしルミネッセンス方法で検出される。この場合、染料は標識成分のアミン、ヒドロキシ、アルデヒド若しくはスルフヒドリル基と反応する。例えば、標識成分は抗体であり得、それが強い親和性を有する染色された成分は生物学的細胞、抗原若しくはハプテン、又は抗原若しくはハプテンを含有する生物学的細胞ないし粒子でありうる。別の例では、標識成分はアビジンで、染色される成分はビオチニル化物質でありうる。また、ポリメチンシアニンタイプ染料と結合したレクチンを用いて特定の炭水化物基を検出定量することができる。加えて、発光シアニンおよび関連染料はDNA若しくはRNAフラグメントに結合しうる。DNA若しくはRNA標識フラグメントは、DNAないしRNAを含有する試料中特定の相補ヌクレオチド序列の有無および量を調べる蛍光ハイブリダイゼーションプローブとして用いることができる。また、該染料はホルモンないしリガンド(例 ホルモン、蛋白、ペプチド、リンフォカイン、代謝産物)に結合し、次いで該ホルモンないしリガンドは受容体に結合しうる。
【0049】
反応性シアニンの他の用途に関する特許の記述
Miraha等(米国特許第4,337,063号)並びにMasuda等(米国特許第4,404,289号、同第4,405,711号および同第4,414,325号)は、N−ヒドロキシスクシンイミド活性エステル基を有する種々のシアニン染料を合成している。これらの特許は、上記試薬が写真感光剤として用いられうることを示している。該試薬の見込まれる蛍光性質は上記特許に記述されておらず、事実そのプロセスには蛍光が必要とされない。上記特許に列挙された染料のほとんどは弱い蛍光しか発せず、特に光安定性でなく、その溶解特性も、標識物資の蛍光検出を伴う多くの用途に最適でない。
【0050】
Exekiel等(英国特許第1,529,202号)は、共有反応性分子として用いることのできる多くのシアニン染料誘導体を提示している。この試薬に用いられる反応性基は、モノ−若しくはジクロロトリアジン基が属するアジン基である。該英国特許は写真フィルム感光剤としての上記試薬の開発および使用に関する。蛍光はそのプロセスに必要でなく、記述された試薬のほとんどは蛍光を発しない。この英国特許は、標識物質を検出ないし定量することを目的とした反応性シアニン染料の開発および使用に関するものでない。
【0051】
具体化の説明
本発明は、標識されている物質を、それがルミネッセンス検出方法により検出され且つ/或は定量されうるよう発光性とするため発光シアニンおよびシアニンタイプ染料を生物学的物質、非生物学的分子および巨大分子並びに粒子に共有結合させる方法に関する。
【0052】
本発明は、液体中の成分を検出する際、該液体に可溶の染料で、該染料を成分上のアミンないしヒドロキシ基場合によってアルデヒドないしスルフヒドリル基と共有結合させる置換基を含有するシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料よりなる群から選ばれる染料を加えてそれが上記成分を標識するようにする方法に関する。標識成分はルミネッセンス若しくは光吸収方法により検出され且つ/或は定量される。標識成分が抗体、DNAフラグメント、ホルモン、リンフォカイン又は薬物であるときは、該標識成分を、それが結合する別の成分の有無を調べるのに用いることができ、而して該別の成分を検出し且つ/或は定量することができる。
【0053】
任意の有効なルミネッセンス又は吸光検出段階を用いることができる。例えば、検出段階は、液体を初めに定義した波長の光で照明する光学的検出段階とすることができる。次いで、標識成分により蛍光ないし燐光を発せられる別の定義波長での光が検出される。検出はまた、光学的吸光によるものとしうる。例えば、検出段階は、液体に初めの定義波長の光を通し次いで液体により伝導される光波長を確認することを含む。
【0054】
所望なら、検出段階は、成分へのシアニン若しくは関連発色団の結合を化学的に検出する化学分析を含みうる。
共有標識試薬を創生すべく変性されうるシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料の基本構造を以下に示す:
シアニン
【0055】
【化1】

Figure 0003543001
メロシアニン
【0056】
【化2】
Figure 0003543001
スチリル
【0057】
【化3】
Figure 0003543001
下記のものはポリメチンタイプ染料の更に特定した例である:
シアニン
【0058】
【化4】
Figure 0003543001
メロシアニン
【0059】
【化5】
Figure 0003543001
スチリル
【0060】
【化6】
Figure 0003543001
シアニン
【0061】
【化7】
Figure 0003543001
メロシアニン
【0062】
【化8】
Figure 0003543001
スチリル
【0063】
【化9】
Figure 0003543001
上記構造において、
XおよびYはO,Sおよび
【0064】
【化10】
Figure 0003543001
よりなる群から選ばれ、
ZはOおよびSよりなる群から選ばれ、そして、
mは1,2,3および4よりなる群から選ばれる整数である。
【0065】
上記式において、メチン基の数は部分的に励起カラーを決定する。環式アジン構造も亦、部分的に励起構造を決定しうる。しばしば、mのより高い値は増加ルミネッセンスないし吸光度に寄与する。4より高いmの値では、化合物は不安定になる。そこでは、環構造での変性により更にルミネッセンスが付与されうる。m=2のとき、励起波長は約650nmで、該化合物は正しく蛍光を発生する。最大発光波長は最大励起波長より概ね15〜100nm大きい。
【0066】
各分子中R ,R ,R ,R ,R ,R およびR 基の少なくとも一つ(好ましくは一つのみ場合により二つないし三つ以上)は、染料を標識成分に結合させるための反応基である。或る試薬に関しては、各分子上R ,R ,R,R ,R ,R およびR 基の少なくとも一つは、発色団の溶解性を高め或は標識成分の標識の選択性ないし染料による標識成分の標識位置に影響する基でありうる。
【0067】
上記式において、R,R(存在時)およびR10(存在時)の少なくとも一つはスルホネート基の少なくとも一つを含む。用語スルホネート基はスルホン酸を含むものとする。なぜなら、スルホネート基はイオン化スルホン酸に過ぎないからである。
【0068】
発色団に直接若しくは間接に結合してR,R,R,R,R,RおよびR基を形成しうる反応基として、イソチオシアネート、イソシアネート、モノクロロトリアジン、ジクロロトリアジン、モノ−ないしジ−ハロゲン置換ピリジン、モノ−ないしジ−ハロゲン置換ジアジン、マレイミド、アジリジン、スルホニルハリド、酸ハリド、ヒドロキシスクシンイミドエステル、ヒドロキシスルホスクシンイミドエステル、イミドエステル、ヒドラジン、アジドニトロフェニル、アジド、3−(2−ピリジルジチオ)プロピオンアミド、グリオキサルおよびアルデヒドを含有する基の如き反応部分が含まれうる。
【0069】
有効アミノ、ヒドロキシおよびスルフヒドリル基を有する成分の標識に特に有用なR,R,R,R,R,RおよびR基の特定例として次のものが含まれる。
【0070】
【化11】
Figure 0003543001
(ここで、Q又はWの少なくとも一つはI、Br又はClの如き残基である)、
【0071】
【化12】
Figure 0003543001
2段階法で抗体を標識するのに用いることのできる有効スルフヒドリルを有する成分の標識に特に有用なR,R,R,R,R,RおよびR基の特定例は次のものである:
【0072】
【化13】
Figure 0003543001
(ここで、QはI又はBrの如き残基である)、
【0073】
【化14】
Figure 0003543001
および
【0074】
【化15】
Figure 0003543001
(ここで、nは0又は整数である)。
【0075】
光賦活架橋による成分の標識に特に有用なR,R,R,R,R,RおよびR基の特定例として
【0076】
【化16】
Figure 0003543001
が含まれる。
【0077】
水溶性を高め、或は試料中不適当な成分への標識成分の望ましくない非特異性結合を減じ、或いはまた蛍光のケンチングをもたらしうる標識成分上の反応性発色団2種以上の相互作用を低下させるために、R,R,R,R,R,RおよびR基を周知の極性ないし帯電化学基から選定することができる。例は−E−Fであり、ここでFはヒドロキシ、スルホネート、スルフェート、カルボキシレート、置換アミノ又は第四アミノを示し、Eは−(CH(n=0,1,2,3又は4)の如きスペーサー基を示す。有用な例にはアルキルスルホネート−(CHSO3−および−(CH−SO3−が含まれる。
【0078】
本発明の発光染料のポリメチン鎖はまた、ポリメチン鎖の炭素原子2個以上の間のブリッジを形成する環式化学基1個以上を含みうる。これらのブリッジは染料の化学的安定性若しくは光安定性を高めるのに役立ち得、また染料の吸光ないし発光波長を変えたり量子収量の吸光係数を変化させるのに用いられうる。改良された溶解特性はこの変性によって達成することができる。
【0079】
本発明に従えば、標識成分は抗体、蛋白、ペプチド、酵素基質、ホルモン、リンフォカイン、代謝産物、レセプタ、抗原、ハプテン、レクチン、アビジン、ストレプタビジン、トキシン、炭水化物、寡糖類、多糖類、核酸、デオキシ核酸、誘導核酸、誘導デオキシ核酸、DNAフラグメント、RNAフラグメント、誘導DNAフラグメント、誘導RNAフラグメント、天然薬物、ウイルス粒子、バクテリア粒子、ウイルス成分、イースト成分、血液細胞、血液細胞成分、生物細胞、非細胞血液成分、バクテリア、バクテリア成分、天然ないし合成脂質嚢、合成薬物、毒薬、環境汚染物質、重合体、重合体粒子、ガラス粒子、ガラス表面材、プラスチック粒子、プラスチック表面材、重合体膜、導体および半導体でありうる。
【0080】
或る成分との反応時633nmで光を吸収しうるシアニン又は関連発色団を調製することができ、而して検出工程は、このスペクトル波長で発光するヘリウムネオンレーザーを用いることができる。また、或る成分との反応時700nmと900nmとの間で最大限に光を吸収しうるシアニン又は関連染料を調製することができ、而して検出工程は、スペクトルのこの領域で光を放出するレーザーダイオードを用いることができる。
【0081】
選択性
上に列挙した反応性基は、適当なpH条件を含む適当な反応条件が用いられる限り蛋白その他生物学的若しくは非生物学的分子、巨大分子、表面材又は粒子上の特定官能基を標識するのに比較的特異性である。
【0082】
反応性シアニン、メロシアニンおよびスチリル染料並びにそれらの生成物の特性
本発明の染料のスペクトル特性は、本明細書に記載の官能化によっては認めうるほど変化しない。標識蛋白その他の化合物のスペクトル特性も亦、蛋白その他の物質に結合してないベース染料分子とさほど異ならない。単独若しくは標識物質に結合した本発明に記載の染料は概ね、大きな吸光係数(ε=100,000〜250,000)と、或る場合には0.4程度の高い量子収量を有し、そして400〜900nmのスペクトル範囲で光を発生する。斯くして、それらは発光検出用試薬を標識するものとして特に価値がある。
【0083】
光学的検出方法
標識ないし染色成分を検出するのに任意の方法を用いることができる。検出方法は、初めに定義された波長の光で標識物質を含む混合物を照明する光源を用いることができる。該混合物により伝達され或は該混合物により蛍光ないし発光される第二波長で光を検出する既知装置が用いられる。斯かる検出装置に蛍光分光計、吸収分光測光、蛍光顕微鏡、透過光顕微鏡ないしフロー血球計算器、ファイバーオプチックセンサーおよび免疫検定装置が含まれる。
【0084】
本発明の方法は、単数ないし複数の標識成分への染料結合を検出するのに化学的分析方法を用いることもできる。化学的分析方法には赤外スペクトロメトリー、NMRスペクトロメトリー、吸収スペクトロメトリー、蛍光スペクトロメトリー、質量スペクトロメトリーおよびクロマトグラフィー方法が含まれうる。
【0085】
【実施例】
例 1
スルホインドジカルボシアニンと蛋白との結合に対するpHの影響
0.1M炭酸塩緩衝液中の羊γ−グロブリン(4mg/ml)試料を室温で10倍モル過剰の下記スルホインドジカルボシアニン活性エステル(m=2)と室温で混合した:
【0086】
【化17】
Figure 0003543001
5秒〜30分範囲の適当な時間、セファデックスG−50上でのゲル透過クロマトグラフィーにより蛋白試料を非共有結合染料から分離した。蛋白の最大標識は10分後に生じて、pH8.5、8.9および9.4でインキュベートした試料に関し夫々5.8、6.4および8.2の最終的染料/蛋白モル比をもたらした。染料/蛋白比を5とするのに必要な時間および異なるpHでの生成物の量子収量を次表に示す:
pH 時間(sec) 量子収量
8.5 115 0.09
8.9 53 0.09
9.4 6.5 0.17
上記データーは、この染料で標識した蛋白がpH9未満よりもpH9.4において良好であることを示している。緩衝液のpHが高いほど、結合反応は非常に迅速であるが、標識効率が優れ、生成物の蛍光度が高い。量子収率は標識蛋白上の染料分子当りの平均量子収量を表わす。
【0087】
例 2
スルホインドカルボシアニン活性エステルと蛋白との結合
pH7.4の燐酸塩緩衝剤入り塩水(PBS)に溶解せる羊γ−グロブリン(1mg/ml)を、0.1M炭酸ナトリウムを用いてpH9.4に調節した。種々の染料/蛋白モル比を得るためにこの蛋白溶液のアリコートにシアニン染料標識剤(例1の構造、m=1)を加えた。室温で30分のインキュベーション後、PBSを溶離剤とするセファデックスG−50ゲル透過クロマトグラフィーにより分離した。生成物中蛋白に共有結合した染料のモル比は、初期染料/蛋白比3、6、12、24および30に関し夫々1.2、3.5、5.4、6.7および11.2であった。
【0088】
例 3
スルホインドジカルボシアニンによるAECMデキストランの標識
デキストラン分子当り平均16個のアミノ基を含有するN−アミノエチル−カルボキシアミドメチル(AECM)デキストランを平均分子量70000のデキストランから合成した〔Inman、J.K.,J.Immunol.114:704−709(1975)〕。pH9.4の、0.1M炭酸塩緩衝液に溶解せるAECM−デキストラン(1mg/250μl)の一部分をスルホインドジカルボシアニン活性エステル(例1の構造、m=2)0.2mgに加えて染料/蛋白モル比10を得た。混合物を室温で30分間攪拌した。次いで、溶離緩衝液として酢酸アンモニウム(50mM)を用いたセファデックスG−50ゲル透過クロマトグラフィーによりデキストランを非結合染料から分離した。各デキストラン分子に平均2.2個の染料分子が共有結合した。
【0089】
例 4
特異抗体のスルホインドジカルボシアニン活性エステル標識
1.1M炭酸塩緩衝液(pH9.4)中のネズミIgG(1mg/ml)に対し特異な羊γ−グロブリンとスルホインドジカルボシアニン活性エステル(例1の構造、m=2)とを染料分子/蛋白分子比8で混合した。室温で3分間のンキュベーション後、標識混合物を、燐酸塩緩衝剤入り塩水(pH7.4)で平衡させたセファデックスG−50上でのゲル濾過により分離した。回収された蛋白には、各蛋白に共有結合した平均4.4の染料分子が含まれた。
【0090】
例 5
羊抗マウスIgG抗体に結合したスルホインドジカルボシアニン染料によるヒトリンパ球の染色ないし顕微鏡可視化
新たに単離した抹消血リンパ球をマウス抗−β2−ミクログロブリン(0.25μg10細胞)により0℃で30分間処理した。細胞をDMEM緩衝液で二回洗浄し、次いでスルホインドジカルボシアニン標識羊抗−マウスIgG抗体(1μg/10細胞)で処理した。0℃で30分間のインキュベーション後、細胞を遠心処理して過剰の抗体を除去し、細胞を再度DMEM緩衝液で洗浄した。蛍光顕微鏡で分析すべく細胞のアリコートをスライド上に固定させた。顕微鏡下、スライド上のリンパ球を610〜630nmの光で照射し、イメージデジタル化装置およびテレビモニターに取付けたCOTU赤色感知性増強テレビカメラによって650〜700nmの蛍光を検出した。この方法で染色した細胞は顕微鏡下蛍光を示した。対照実験で、一次マウス抗−β2−ミクログロブリン抗体の使用を省いたほかは上記の如く染色および分析を行なった。対照試料は顕微鏡下で蛍光を示さず、而してスルホインドシアニン標識羊抗−マウス抗体がリンパ球への有意な非特異性結合をもたらさないことを示した。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1図は、N,N’−ジスルホブチルインドジカルボシアニン染料の単量体吸収スペクトルおよび二量体スペクトルを示す。
【図2】第2図は、N,N’−ジエチルインドジカルボシアニン−5,5’−ジスルホン酸染料のスペクトルを示す。
【図3】第3図は、N,N’−ジカルボキシペンチルインドジカルボシアニン−5,5’−ジスルホン酸のビス−N−ヒドロキシスクシンイミド染料による羊免疫グロブリンの標識反応における染料/蛋白モル比を示す。
【図4】第4図は、N,N’−ジカルボブチルインドジカルボシアニン−5,5’−酢酸のビス−N−ヒドロキシスクシンイミドエステルで標識された抗体の吸収スペクトルを示す。
【図5】第5図は、新規なスルホインドジカルボシアニン染料と結合した蛋白の吸収スペクトルを示す。
【図6】第6図は、染料/蛋白比の上昇に伴うアリールスルホシアニン染料の量子収量(菱形印)変化と非アリールスルホシアニン染料のそれ(丸印)との比較を示す。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to labeling and detection of substances using luminescent aryl sulfonate cyanine dyes.
[0002]
[Prior art]
Cyanines and related dyes with light absorbing properties have been used in photographic films. Such dyes require light absorbing properties but do not require luminescent (fluorescent or phosphorescent) properties. Heretofore, cyanine dyes having luminescent properties have had very limited uses. Such uses include, among other things, labeling the sulfhydryl groups of the protein. "Sulfhydryl reagent dye is a rapid Ca from sarcoplasmic reticulum (SR)2+Initiate release (Sulfhydryl Reagent Dies Trigger the Rapid Release of Ca)2  from Sacoplasmic Reticulum Vehicles (SR)). Wagoner A. S. Abramson J. Indicates that the cyanine chromophore having an iodoacetyl group is Ca2+It has been reported that it was used to form a covalent bond with a sulfhydryl group on myoplasmic reticulum protein at pH 6.7 to initiate release (Biophysical Journal, 47, 456a (1985)). The article also states that fluorescent dyes have been used for labeling or isolating proteins.
[0003]
"Kinetics of Conformal Changes in a Region of the Rhodopsin Molecule Away from the Retiredene's Journal of Aging from the Retinylide," A Kinetics of Conformal Changes in a Region of the Rhodopsin Molecule Away from the Retinylidene. S. Jenkins P .; L. Carpenter J. et al. P. And Gupta R.A. Report that a sulfhydryl group on the F1 region of bovine rhodopsin was covalently labeled with a cyanine dye having an absorbance at 660 nm [Biophysical Journal, 33, 292a (1985)]. Again, it is reported that a cyanine dye was used to label the sulfhydryl group of the protein, but the use of a fluorescent dye was not disclosed.
[0004]
"International Works on the Application of Fluorescence photobleaching Technologies to Problems in Cell biology in the International Seminar on the Application of Fluorescent Photobleaching Techniques to Problems in Cell Biology" Jacobson K. for cyanine-type fluorescent probes that can be excited by Elson E. et al. Koppel D .; And Webb W. (Fed. Proc. 42: 72-79 (1983)).
[0005]
The only cyanine probes described in any of the above three articles are those which covalently bind, especially to the sulfhydryl groups of proteins. The only specific cyanine compounds described have an iodoacetyl group, which causes the cyanine dye to covalently react with the sulfhydryl group. None of the above articles disclose the covalent reaction of a cyanine dye with a substance other than a protein or any group on a protein other than a sulfhydryl group.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, many non-proteinaceous materials do not have sulfhydryl groups, and many proteins do not have enough of these groups to be useful for fluorescence probing. Moreover, the sulfhydryl groups (-SHSH-) readily oxidize to disulfides (-SS-) in the presence of air, thereby rendering them unacceptable for covalent bonding to the fluorescent probe.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a method for labeling components in an aqueous liquid. The method comprises:
(A) To the liquid containing the component, a luminescent dye selected from the group consisting of cyanine, merocyanine, and styryl dyes having at least one sulfonic acid group or sulfonate group bonded to an aromatic nucleus is added. Is reactive with the components, and
(B) reacting the dye with the component such that the dye labels the component
Including.
[0008]
In another aspect of the invention, a method is provided for labeling a component in an aqueous liquid. The method comprises:
(A) a sulfoindolenine base and a naphthosulfoindolenine containing at least one sulfonic acid group or sulfonate group bonded to one or more rings of a heterocyclic nucleus in the liquid containing the above components; Adding a luminescent dye selected from the group consisting of base polymethine dyes, said dye being reactive with said components;
(B) reacting the dye with the component such that the dye labels the component;
(C) detecting the label component by an optical method;
Including.
[0009]
In another aspect of the invention, there is provided a method of labeling a first component and using the labeled first component to bind to a second component to form a labeled second component. The method comprises:
(A) adding, to the aqueous liquid containing the first component, a luminescent dye selected from the group consisting of cyanine, merocyanine, and styryl dyes containing at least one sulfonic acid group or sulfonate group bonded to an aromatic nucleus; A dye is reactive with the first component;
(B) reacting the dye with the first component such that the dye luminescently labels the first component to provide a labeled first component;
(C) binding the labeled first component to the second component to form a labeled second component;
(D) detecting the labeled second component by an optical method;
Including.
[0010]
In yet another embodiment of the present invention, a sulfocyanine dye-labeled material is combined with one or more different fluorescent materials, all of which significantly absorb light at a single excitation wavelength but fluoresce at different wavelengths. A method comprising mixing, then exciting all of the fluorescent materials with a single wavelength of light, and weighing each of the fluorescent materials by detecting their respective fluorescent signals at their different fluorescent wavelengths. Provided.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
According to the present invention, under appropriate reaction conditions for the fluorescence or phosphorescence detection of a substance, not only sulfhydryl groups on proteins and other substances but also amines (-NH2  ) And related polymethine dyes having substituents that covalently react with groups such as hydroxy (OH) groups and other aldehyde (-CHO) groups have been developed. The present invention provides significant benefits over the use of conventional iodoacetyl cyanine dyes and their specific reactivity with sulfhydryl groups. Amine and hydroxy groups predominate and are more stable in proteins or other substances than sulfhydryl groups. Accordingly, when a fluorescent cyanine dye is used for the search for the presence or absence of a specific protein, a large amount of dye molecules can bind to the protein to be searched, so that a stronger fluorescent or phosphorescent light intensity signal is output. Moreover, the amine or hydroxy groups are naturally more easily added to the desired components of the label, such as sulfhydryl, amine or hydroxy group free polymer particles.
[0012]
The present invention also provides a luminescent cyanine containing an amine or hydroxy group or a group that covalently reacts with another reactive group so that the presence or absence or amount of a labeled protein or other substance can be detected after separating the labeled component by chromatography. The present invention relates to a method for labeling a protein or other raw material having an amine or a hydroxy group or another group capable of reacting with a dye in a mixture using the dye. According to the references cited earlier, apparently sulfhydryl groups are chosen for covalent reactions, especially because the sulfhydryl groups on protein molecules are very few and in some cases they play a significant role in the function of the protein. Was. Therefore, it was possible for the author to attempt to identify the specific position of the sulfhydryl group on the protein structure. Further, in the above-mentioned literature, the sulfhydryl group was used as a probe to probe a structural change of a specific protein or to cause the change. Thus, it was necessary to know the location of the probe to determine the change in absorbance due to the dye or the change in free calcium ion due to dye binding.
[0013]
Because the number of sulfhydryl groups on most proteins is very small, the number of sulfhydryl groups may not be sufficient to provide sufficient total luminescence for probing. In contrast, the number of amine or hydroxy groups is significantly higher in number and widely dispersed on the protein molecule, allowing the fluorescent probe to bind to multiple locations on the molecule, thereby facilitating protein detection. Therefore, determination of light absorption or change in fluorescence is eliminated.
[0014]
The present invention relates to the use of luminescent polymethinecyanine or related polymethine dyes for proteins, other nucleic acids, DNAs, drugs, toxins, blood cells, microbial substances, particles, plastic or glass surface materials, polymer films, etc. For labeling at the hydroxy site. Advantageously, the dye is soluble in aqueous or other media containing the label. The present invention relates to the two-stage labeling method in addition to the one-stage labeling method. In the two-step labeling method, a first component, such as an antibody, can be labeled at a location on the component that includes an amine, hydroxy, aldehyde, or sulfhydryl moiety. The labeled component is used as a probe for a second component such as an antigen specific for the antibody.
[0015]
In the prior art described above, specificity of a binding site by a cyanine probe was achieved by using a probe that covalently reacts with a sulfhydryl group. According to the two-step method of the present invention, in a first step, a cyanine or related probe can be reacted with an amine, aldehyde, sulfhydryl, hydroxy or other group on a first component, such as an antibody, and thus a second step. At the stage of staining, the antibody can achieve the desired specificity with a second component, such as an antigen. This specificity is determined by the site of antigen binding to the antibody.
[0016]
The present invention also relates to luminescent polymethinecyanines and related compounds containing groups that allow covalent attachment to amine, hydroxy, aldehyde or sulfhydryl groups on the target molecule. The present invention relates to monoclonal antibodies and other components labeled with these luminescent cyanine compounds that can serve as antigen probes. When the target is a single cell, the present invention can be used to determine the amount of labeled antibody that binds to the cell. This measurement can be performed by examining the relative brightness of the luminescence of the cells.
[0017]
The present invention can be used to determine the concentration of specific proteins or other components of the system. If the number of reactive groups on the protein that can react with the probe is known, the fluorescence per molecule can be known, and the molecular concentration of the system can be determined by the total luminescence intensity of the system.
[0018]
The method can be used to quantitate various proteins or other substances in the system by labeling the entire mixture of proteins in the system and then separating the labeled proteins by any means such as chromatography. Next, the amount of the luminescent protein to be separated can be examined, and the position of the dye on the labeling substance can be confirmed by a chromatography detection system.
[0019]
The present invention can also be used to determine the number of various cells labeled with an antibody. A survey of this number can be performed by labeling multiple cells of the system and then separating the labeled cells out of the system. Labeled cells can also be separated from unlabeled cells outside the system.
[0020]
Another embodiment of the present invention provides a plurality of different luminescent cyanines or related dyes, each bound to a different first component, such as an antibody, each of which is bound to a first component specific to a different second component, such as an antigen. Include multiparameter methods used to identify each of a plurality of antigens in an antigen mixture. According to this embodiment, each antibody is separately labeled with a dye having a different absorbance and luminescence wavelength characteristic than the dye used to label the other probe. All labeled antibodies are then added to the biological preparation which has been analyzed to contain a second component, such as an antigen, each of which can be stained by the particular labeled antibody. Unreacted dye material can be entirely removed from the preparation by washing if it interferes with the analysis. The biological preparation is then subjected to various excitation wavelengths. Each excitation wavelength used is that of the particular conjugate dye. A luminescence microscope for examining the luminous intensity of the emission wavelength corresponding to the excitation wavelength, or other luminescence such as a flow cytometer or a fluorescence spectrophotometer having a filter or monochromator that selects the light of the excitation wavelength and selects the wavelength of the luminescence. A detection system is used. The luminescence intensity at a wavelength corresponding to the emission wavelength of a particular conjugate dye indicates the amount of antigen bound to the antibody to which the dye binds. In some cases, a single excitation wavelength can be used to excite luminescence from two or more substances in a mixture, each emitting fluorescence at a different wavelength, and detecting the individual fluorescence intensity at each of the fluorescence wavelengths By doing so, the amount of each labeled species can be measured. If desired, absorbance detection can be used. The two-stage method of the present invention can be applied to any system that uses a first substance bound to a dye to probe for the presence of another substance to which the first substance-dye complex is directed in a luminescence or absorbance detection system. For example, a dye can bind to a DNA or RNA fragment to form a dye-bound DNA or RNA fragment, which is then directed to a DNA or RNA backbone where the fragment is complementary. The same test method can be used to probe for the complementary backbone of DNA.
[0021]
The cyanine and related dyes of the present invention are particularly well-suited for component mixture analysis that requires dyes of various excitation and emission wavelengths because specific cyanine and related dyes having a wide range of excitation and emission wavelengths can be synthesized. Certain cyanines and related dyes having particular excitation and emission wavelengths can be synthesized by changing the number of methine groups or the cyanine ring structure. In this way, a dye having a specific excitation wavelength corresponding to a specific excitation light source, such as a laser, for example HeNe or a diode laser, can be synthesized.
[0022]
The present invention provides a method for converting cyanine and related dye molecules that are highly luminescent and have high absorbance under reaction conditions into proteins, peptides, carbohydrates, nucleic acids, derived nucleic acids, lipids, other specific biological molecules, amines on biological cells. Co-reacting with non-biological substances such as hydroxy, aldehyde, sulfhydryl or other groups and soluble polymers, polymer particles, polymer facings, polymer membranes, glass facings and other particles or facings About. Since luminescence involves sensitive optical techniques, the presence or absence of a dye `` label '' can be probed and quantified even when the label is present in very low amounts, and thus labeled using a dye labeling reagent. The amount of the substance can be measured. The most useful dyes have high absorbance (ε = 70,000-250,000 lb / mol cm or more), are very luminescent, and have quantum yields of at least 5-80% or more. The amount applies to the dye itself and also to the dye bound to the label.
[0023]
An important application of such color labeling reagents is in the production of luminescent monoclonal antibodies. Monoclonal antibodies are protein molecules that bind very tightly and specifically to specific chemical sites or "markers" on or in the cell surface. Therefore, these antibodies have enormous research and clinical applications in identifying specific cell types (eg, HLA, T cells, bacteria and viruses, etc.) and abnormal cells. Conventionally, antibody bound to cells has been quantified by labeling the antibody by various methods, and the label can be a radioactive label (radioimmunoassay), an enzyme (ELISA technique) or a fluorescent dye (usually fluorescein, rhodamine, Texas Red®). ) Or red algae). Most manufacturers or users of clinical antibody reagents want to eliminate the problems associated with the use of radiotracers, so luminescence is considered one of the most promising alternatives. In fact, many vendors today market fluorescein, Texas Red®, rhodamine, and red algain labeled with monoclonal antibodies.
[0024]
In recent years, optical / electronic devices for detecting fluorescent antibodies on cells have become increasingly complex. For example, flow cytometry can be used to measure the amount of fluorescent antibody on individual cells at rates up to 5,000 cells / second, and microscopy and solution fluorescence techniques have advanced. These devices can excite fluorescence at many wavelengths in the UV, visible and near IR regions of the spectrum. Most of the useful fluorescent labeling reagents accepted today can be excited in the 400-580 nm spectral region. The exception is that they can be covalently attached to proteins and can be excited at slightly longer wavelengths. Some phycobiliprotein-type pigments isolated from marine organisms. Therefore, there is a large spectral window in the 580 to about 900 nm range where new labeling reagents need to be effective at labeling biological or non-biological substances that are analyzed on instruments commercially available today. New reagents that can be excited in this region of the spectrum allow the performance of multicolor luminescence analysis of markers on cells since antibodies with different specificities can each be labeled with different colored fluorescent dyes. In this way, the presence or absence of several markers can be checked simultaneously for each cell analyzed.
[0025]
The invention also relates to the luminescent (fluorescent or phosphorescent) cyanine, merocyanine and styryl dyes themselves which can be covalently linked to biological or non-biological substances. Merocyanine and styryl dyes are recognized as being related to the cyanine dyes for the present invention. The new labeling reagent itself can be excited with light of a wavelength that is initially defined, particularly when it is bound to a labeling component, for example, light having a wavelength in the 450-900 nm spectral range. Background fluorescence of the cells generally occurs at lower wavelengths. Therefore, the labeling reagent is distinguished from the background fluorescence. Particularly advantageous are derivatives that absorb light at 633 nm. Because the derivatives can be excited by a cheap, strong, stable and long-lived HeNe laser source. The light of the second defined wavelength, which is fluorescent or phosphorescent emitted by the labeling component, can then be detected. Fluorescence or phosphorescence generally has a longer wavelength than the excitation light. The detection step can use a luminescence microscope having a filter to absorb scattered light at the excitation wavelength and to pass the corresponding wavelength of luminescence corresponding to the particular dye label used with the analyte. Such an optical microscope is described in U.S. Pat. No. 4,621,911.
[0026]
Not all cyanines and related dyes are luminescent. However, the dyes of the present invention include cyanine and related dyes that are luminescent. They are relatively stable and are often soluble in the reaction solution, preferably an aqueous solution. The binding dye itself has a molecular extinction coefficient (ε) of at least 50,000, preferably 100,000 l / mol cm, especially when it is bound to a labeling component. The extinction coefficient is a measure of the ability of a molecule to absorb light. The binding dyes of the present invention have a quantum yield of at least 2%, preferably at least 10%. In addition, the binding dyes of the present invention absorb and generate light in the 400-900 nm, preferably 600-900 nm, spectral range.
[0027]
Aryl sulfonated dye
The arylsulfonate or arylsulfonic acid-substituted dyes as described herein have been found to be inherently more fluorescent and have improved photostability and water solubility as compared to analogous dyes without arylsulfonate or arylsulfonic acid groups. Was. As used herein, the term arylsulfonate or arylsulfonate group refers to a compatible arylsulfonate or arylsulfonate group attached to a single ring aromatic structure or to an aromatic ring structure including a fused ring structure such as a naphthalene structure. Means a group. Single ring or fused ring aromatic structures can be present in polymethine, cyanine, merocyanine or styryl type dyes.
[0028]
Many dyes having a coplanar molecular structure, usually including cyanine dyes, are liable to form dimers or more conjugates in aqueous solution, especially when inorganic salts are also present, such as in buffers or saline. . These conjugates usually have an absorption band shifted to the shorter wavelength side of the monomer absorption, and are generally very weak fluorescent species. The tendency of cyanine dyes to form conjugates in aqueous solutions is particularly well known in the photographic industry [West W. et al. & Pierce S. ,J. Phys. Chem. Sturmer D., 69; 1894 (1965); M. ,Spec. Top in Heterocyclic Chemistry, 30 (1974)].
[0029]
Many dye molecules, especially cyanine dye molecules, tend to form conjugates in aqueous solution. Thus, aryl sulfonate dyes have been found to have a minimal tendency to form these conjugates. When an arylsulfonate dye is used in forming a fluorescent labeling reagent, it has a reduced tendency to form conjugates when it binds to other molecules, such as proteins or antibodies, at a high surface density. The tendency of a particular dye molecule to form a conjugate in a salt solution (eg, 150 mM sodium chloride) can be taken as a measure of the tendency of the same dye molecule to form a conjugate on the surface of a protein. It is therefore desirable that the dye molecules have a minimal tendency to form conjugates in aqueous salt solutions. The data shown in FIG. 2 can be used to illustrate that certain arylsulfonated dyes have a low tendency to form conjugates even at high concentrations in aqueous salt solutions.
[0030]
FIG. 1 shows a monomer absorption spectrum and a dimer absorption spectrum of a typical cyanine dye dissolved in an aqueous buffer. The dye N, N'-di-sulfobutylindodicarbocyanine used to generate these spectra has no arylsulfonate groups and readily forms dimers even at concentrations below the millimolar range. The dimer spectrum was calculated from the dye spectra at different concentrations (see West & Peerce, 1965). At a concentration of 3 mM in phosphate buffered saline solution, the absorption of the monomer and dimer bands was approximately equal.
[0031]
The spectrum of the improved sulfoindodicarbocyanine N, N'-diethylindodicarbocyanine-5,5'-disulfonic acid is shown in FIG. This dye showed no sign of conjugate in saline solution up to a concentration of 10 mM.
[0032]
It is common practice to measure the efficiency with which a particular reactive dye binds to a protein, such as an antibody, under defined reaction conditions. The test dye was N, N'-dicarboxypentylindodicarbocyanine-5,5'-disulfonic acid bis-N-hydroxysuccinimide. FIG. 3 shows that the sulfocyanine dye active ester efficiently reacts with sheep immunoglobulin in a pH 9.2 carbonate buffer, and ranges from less than 1 to more than 20 depending on the relative dye or antibody concentration in the reaction solution. Illustrating the formation of covalently labeled antibody molecules having a dye: antibody molar ratio over a range. The slope obtained by applying the least-squares method to the data indicates that the labeling efficiency of the dye under such conditions is about 80%. In a similar study, fluorescein isothiocyanate (FITC) reacted with an efficiency of about 20%.
[0033]
The reactivity of the active ester of the novel sulfoindodicarbocyanine dye was determined by labeling sheep immunoglobulin (IgG). The protein (4 mg / ml) was dissolved in a 0.1 molar carbonate buffer (pH 9.2). An aliquot of the reactive dye dissolved in anhydrous dimethylformamide was added to the protein sample to obtain an initial dye: protein molar ratio. After 30 minutes, proteins were separated from sheep-bound dye by gel permeation chromatography (Sephadex G-50). The resulting dye: protein molar ratio was determined with a spectrophotometer and is shown in FIG.
[0034]
At low dye: protein ratios, the absorption spectrum of the labeled protein shows a band that closely corresponds to that of the free monomeric dye. Antibody molecules that are highly labeled (high dye: protein ratio) or labeled with a dye that has a high tendency to aggregate in aqueous solutions often have new absorption peaks that appear at shorter wavelengths than the monomer dye absorption bands in aqueous solutions. Has been found to have. The wavelength of the new absorption peak often falls in the region exhibiting the dimer absorption spectral properties of the dye (see FIG. 1).
[0035]
The higher the degree of labeling of the antibody, the higher the short wavelength: long wavelength absorption peak ratio. This shorter wavelength absorption peak can be seen at about 590 nm in FIG. In FIG. 4, the longer wavelength (645 nm) peak is due to monomer dye molecules bound to the antibody. The labeling reagent N, N'-dicarbobutylindodicarbocyanine-5,5'-acetic acid bis-N-hydroxysuccinimide ester used to produce the antibody absorption spectrum of FIG. 4 has no arylsulfonate group. In aqueous salt solutions, it also readily forms dimers on the antibody with which it has reacted. Importantly, the fluorescence excitation spectra of these antibodies indicate that excitation of the labeled antibody at the short wavelength peak does not produce fluorescence proportionally as much as it does at the long wavelength peak. This consideration is consistent with the notion that the short wavelength absorption peak is due to the formation of a non-fluorescent dimer or conjugate on the antibody molecule.
[0036]
We have found that the arylsulfonate cyanine dye used to obtain the data of FIG. 3 shows that the antibody molecule has a much smaller absorption peak at the characteristic absorption wavelength of the dimer (see FIG. 5). It has been found above that it does not bind easily. This is important because antibodies and other "non-binding" labeling reagents should produce more fluorescently labeled proteins. In fact, aryl sulfocyanines produce sharp fluorescent antibodies even when the average dye / antibody ratio is relatively high (see FIG. 6).
[0037]
FIG. 4 shows sheep immunoglobulin labeled with a carboxyindodicarbocyanine dye. FIG. 5 shows a protein conjugated with a novel sulfoindodicarbocyanine dye. The presence of increased dimer in the former sample (see FIG. 1) is evident. Although the dye: protein molar ratio was approximately the same in both preparations, the protein shown in FIG. 5 was more fluorescent than the sample shown in FIG.
[0038]
To have a clear fluorescent antibody or other protein labeled with a fluorescent dye, it is important that the average quantum yield per dye molecule on the protein be as high as possible. In general, as the surface density of dye molecules on protein increases (ie, the dye / protein ratio increases), the average quantum yield of the dye decreases. This effect has sometimes been attributed to quenching as a result of dye interactions on the surface of highly labeled proteins. Indeed, the formation of non-fluorescent dimers on the protein surface can contribute to this quenching. FIG. 6 shows that the average quantum yield of the arylsulfocyanine dye decreases slowly with increasing dye / protein ratio (curve connecting diamonds). In contrast, the curves connecting the circles relate to the binding of the non-arylsulfocyanine dye (N, N'-di-sulfobutylindodicarbocyanine-5-isothiocyanate) as the dye / protein ratio increases. This shows that there is a very rapid drop in the average quantum yield. Therefore, the sulfocyanine dyes illustrated in FIG. 6 produce sharper fluorescent antibodies than other dyes, especially in the labeling range of 1-10 dye molecules per antibody molecule.
[0039]
The average fluorescence quantum yield of individual dye molecules on a labeled protein is a measure of the fluorescence signal obtained from these biomolecules. Data from sheep immunoglobulin (IgG) labeled with the novel sulfoindodicarbocyanine dye in phosphate buffered saline solution is shown in FIG. 6 by the curve connecting the diamonds. The curve connecting the circles in FIG. 6 shows the protein labeled with the indodicarbocyanine-isothiocyanate reactive dye for comparison. In FIG. 6, the quantum yield at a dye / protein ratio of 0 shows a value for a methylamine adduct of a reactive dye (free dye) in a buffer solution.
[0040]
Background method
Luminescent probes are useful reagents for analyzing and separating molecules and cells and detecting and quantifying other substances. A very small number of luminescent molecules can be detected under optimal circumstances. Barak and Webb used a SIT camera to visualize less than 50 fluorescent lipid analogs associated with LDL reception in cells (J. Cell Biol. 90: 595-604 (1981)). Flow cytometry can be used to detect fewer than 10,000 fluorescein molecules [Mirhead, Horan and Poste, Bio / Technology 3: 337-356 (1985)] Some specific examples of fluorescent probe applications. Can be used to identify and separate subpopulations of cells in a cell mixture by techniques such as (1) fluorescence flow cytometry, fluorescence-activated cell sorting and fluorescence microscopy, and (2) separate species by fluorescence immunoassay techniques. Technique for measuring the concentration of a substance to be bound (for example, an antigen-antibody reactant) and (3) fluorescent staining The localization of substances in gels and other insoluble carriers according to Herzenberg et al., "Cellular Immunology", 3rd edition, Chapter 22; Blackwell Scientific Publications, 1978. Fluorescence Activated Medicine and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection and Fluorescence Inspection encodes, edited by Taior et al., Alan Lis Inc., 1986.
[0041]
When using fluorescence for the above purposes, there are many restrictions on the choice of fluorescent material. One limitation is the absorption and emission characteristics of the phosphor. This is because many ligands, receptors and substances in analytes such as blood, urea, and cerebrospinal fluid fluoresce and interfere with the accurate measurement of the fluorescence of the fluorescent label. This phenomenon is called autofluorescence or background fluorescence. Another consideration is the ability of the fluorescent substance to bind ligands and receptors, as well as other biological or non-biological substances, and the effect of such binding to the fluorescent substance. In many situations, binding to another molecule can result in a substantial change in the fluorescent properties of the fluorescent material, in some cases substantially impairing or reducing the quantum efficiency of the fluorescent material. It is also possible that the binding to the fluorescent substance makes the function of the label molecule inactive. A third consideration is the quantum efficiency of the fluorescent material, which should be high for sensitive detection. A fourth consideration is the absorbance or extinction of the fluorescent material, which should be as large as possible. Further, it is related whether or not the self-quenching occurs when the fluorescent molecules interfere with each other when in the proximity state. It also concerns whether the fluorescent substance non-specifically binds to the container wall in relation to other compounds or to the fluorescent substance itself or to the compound to which the substance is bound.
[0042]
The applicability and value of the above method is closely tied to the availability of suitable fluorescent compounds. Particularly, a fluorescent substance which emits light in a long wavelength visible region (yellow to near infrared) is necessary. This is because the excitation of these chromophores produces less autofluorescence and multiple chromophores emitting at different wavelengths can be analyzed simultaneously when the full visible and near infrared region of the spectrum can be used. Although the widely used fluorescent compound fluorescein is a useful emitter in the green region, background autofluorescence caused by excitation at the fluorescein absorption wavelength limits detection sensitivity in certain immunoassays and cell analysis systems. However, conventional red fluorescently labeled rhodamine was found to be less effective than fluorescein. Texas Red® is a useful labeling reagent that can be excited at 578 nm and emits maximal fluorescence at 610 nm.
[0043]
Phycobiliprotein has made an important contribution due to its high extinction coefficient and high quantum yield. Such chromophore-containing proteins can be covalently linked to many proteins, and are thus used in microscopy and fluorescent antibody assays in flow cytometry. Phycobiliproteins are: (1) protein labeling methods are relatively complex, (2) protein labeling efficiency is usually not high (typically an average of 0.5 phycobiliprotein molecules / protein), and (3) phycobiliprotein The protein is a natural product, its preparation and purification are complicated, (4) phycobiliprotein is expensive, and (5) as a labeling reagent which emits fluorescence in the red region spectrum more than allophycocyanin which emits maximum fluorescence at 680 nm. No effective phycobiliprotein exists, (6) phycobiliprotein is relatively chemically unstable, (7) it is relatively easily photobleached, and (8) phycobiliprotein is 33,000. Large proteins with molecular weights of up to 240,000, and labels such as metabolites, drugs, hormones, derived nucleotides, and many proteins, including antibodies, are desirable. It has the disadvantage that have greater than a lot of substance. The latter disadvantage is particularly significant. Because antibodies, avidin, DNA hybridization probes, hormones and small molecules, labeled with large phycobiliproteins, cannot bind to the target due to steric limitations imposed by the size of the complex complex, and will not bind to the target. This is because the binding rate is slower for the low molecular weight binder.
[0044]
Other techniques, including histology, cytology, and immunoassays, also exhibit high quantum efficiency at long wavelengths, absorption and emission properties, have simple binding means, and are virtually free of non-specific interference. Benefit from use.
[0045]
Invention outline
The present invention uses fluorescent arylsulfonated cyanines and related dyes with relatively high extinction and high quantum yields for the purpose of assaying and quantifying labeled components. Fluorescent cyanines and related dyes include antibodies, antigens, avidin, streptavidin, proteins, peptides, derived nucleotides, carbohydrates, lipids, biological cells, bacteria, viruses, blood cells, tissue cells, hormones, lymphokines, trace biomolecules, It can be used to label biological substances such as toxins and drugs. Fluorescent dyes can also be used to label non-biological substances such as soluble polymers, polymer or glass particles, drugs, conductors, semiconductors, glass or polymer facings, polymer films and other solid particles. Can be used. The component to be labeled can be in a mixed form with other substances. The mixture in which the labeling reaction takes place can be a liquid mixture, especially a water mixture. The detection step can occur with a liquid or a dry mixture, such as a microscope slide.
[0046]
The present invention requires a cyanine dye to be modified by incorporation into the cyanine molecule of a reactive group that is covalently bonded to the target molecule, preferably at an amine or hydroxy site and in some cases a sulfhydryl or aldehyde site. The present invention also enhances the solubility of cyanine and related dye structures in test liquids, (1) facilitates handling in labeling reactions, and (2) helps prevent dye binding on the surface of the labeled protein. And (3) the use or modification of cyanine and related dye structures to help prevent non-specific binding of the label to biological materials and surface materials or assay devices.
[0047]
Cyanines and related dyes offer important advantages over existing fluorescent labeling reagents. First, cyanines and related dyes that absorb or emit in the spectral range of 400 to about 1100 nm are synthesized. Thus, the reactive derivatives of these dyes can be prepared for assays that require simultaneous measurement of multiple labeling substances. This type of multi-color (or multi-parameter) analysis can be simplified, cost-effective, or the ratio of different labeled species on each particle in a complex mixture of particles (e.g., multi-parameter flow cytometry or complexities with fluorescence microscopy). It is desirable to determine the ratio of antigen markers on individual blood cells in the mixture. Second, many cyanines and related dyes absorb light strongly and fluoresce. Third, many cyanines and related dyes are relatively photostable and do not bleach quickly under a fluorescence microscope. Fourth, it is possible to produce cyanine and related dye derivatives, which are simple and effective coupling reagents. Fifth, many structures and synthetic methods are available, and this type of dye is versatile. Therefore, many structural modifications can be made to make the reagent somewhat water soluble. The charge can vary so as not to disturb the molecule to which it binds and to reduce non-specific binding. Sixth, unlike phycobiliproteins, cyanine dyes are relatively small (molecular weight = 1,000) and therefore do not sterically hinder the labeled molecule's ability to reach its binding zone quickly or perform its function. .
[0048]
Thus, cyanine type dye labels offer many potential advantages. Such dyes can be used for the selective labeling of one or more components in liquids, especially aqueous liquids. The label component can then be detected by an optical or luminescence method. Alternatively, the labeled component is used to stain another component for which it has a strong affinity, and the latter component is detected by optical or luminescent methods. In this case, the dye reacts with the amine, hydroxy, aldehyde or sulfhydryl group of the labeling component. For example, the labeling component can be an antibody, and the stained component that has strong affinity can be a biological cell, an antigen or hapten, or a biological cell or particle containing an antigen or hapten. In another example, the labeling component can be avidin and the component to be stained can be a biotinylated substance. In addition, a specific carbohydrate group can be detected and quantified using a lectin bound to a polymethine cyanine type dye. In addition, luminescent cyanines and related dyes can bind to DNA or RNA fragments. The DNA or RNA-labeled fragment can be used as a fluorescent hybridization probe for examining the presence and amount of a specific complementary nucleotide sequence in a sample containing DNA or RNA. Also, the dye binds to a hormone or ligand (eg, a hormone, protein, peptide, lymphokine, metabolite), which can then bind to a receptor.
[0049]
Patent description for other uses of reactive cyanine
(U.S. Pat. No. 4,337,063) and Masuda et al. (U.S. Pat. Nos. 4,404,289, 4,405,711 and 4,414,325) disclose N-hydroxy Various cyanine dyes having succinimide active ester groups have been synthesized. These patents show that the above reagents can be used as photographic photosensitizers. The potential fluorescent properties of the reagents are not described in the above patents, and in fact the process does not require fluorescence. Most of the dyes listed in the above patents emit only weak fluorescence, are not particularly photostable and their solubility properties are not optimal for many applications involving fluorescence detection of labeled substances.
[0050]
Exekiel et al. (GB 1,529,202) present a number of cyanine dye derivatives that can be used as covalently reactive molecules. The reactive group used in this reagent is an azine group to which a mono- or dichlorotriazine group belongs. The UK patent relates to the development and use of the above reagents as photographic film sensitizers. Fluorescence is not required for the process and most of the reagents described do not fluoresce. This UK patent does not relate to the development and use of reactive cyanine dyes for the purpose of detecting or quantifying labeling substances.
[0051]
Description of incarnation
The present invention relates to the use of luminescent cyanines and cyanine-type dyes for making biological substances, non-biological molecules and luminescent cyanines and cyanine-type dyes to render the substance being labeled luminescent so that it can be detected and / or quantified by luminescence detection methods. The present invention relates to a method for covalently bonding to macromolecules and particles.
[0052]
The present invention relates to a cyanine, merocyanine containing a substituent which is soluble in the liquid when the component is detected in the liquid and which covalently bonds the dye to an amine or a hydroxy group on the component and optionally an aldehyde or a sulfhydryl group. And a method of adding a dye selected from the group consisting of styryl dyes so that it labels the above components. The label component is detected and / or quantified by luminescence or light absorption methods. When the labeling component is an antibody, a DNA fragment, a hormone, a lymphokine or a drug, the labeling component can be used to determine the presence or absence of another component to which it binds, thus detecting the other component. And / or can be quantified.
[0053]
Any effective luminescence or absorbance detection step can be used. For example, the detecting step may be an optical detecting step in which the liquid is illuminated with light of the initially defined wavelength. Next, light at another defined wavelength that is fluorescent or phosphorescent by the labeling component is detected. Detection may also be by optical absorption. For example, the detecting step includes passing light of an initially defined wavelength through the liquid and then identifying the light wavelength transmitted by the liquid.
[0054]
If desired, the detecting step can include a chemical analysis that chemically detects binding of the cyanine or related chromophore to the component.
The basic structures of cyanine, merocyanine and styryl dyes that can be modified to create covalent labeling reagents are shown below:
Cyanine
[0055]
Embedded image
Figure 0003543001
Merocyanine
[0056]
Embedded image
Figure 0003543001
Styryl
[0057]
Embedded image
Figure 0003543001
The following are more specific examples of polymethine type dyes:
Cyanine
[0058]
Embedded image
Figure 0003543001
Merocyanine
[0059]
Embedded image
Figure 0003543001
Styryl
[0060]
Embedded image
Figure 0003543001
Cyanine
[0061]
Embedded image
Figure 0003543001
Merocyanine
[0062]
Embedded image
Figure 0003543001
Styryl
[0063]
Embedded image
Figure 0003543001
In the above structure,
X and Y are O, S and
[0064]
Embedded image
Figure 0003543001
Selected from the group consisting of
Z is selected from the group consisting of O and S;
m is an integer selected from the group consisting of 1, 2, 3, and 4.
[0065]
In the above formula, the number of methine groups partially determines the excitation color. Cyclic azine structures can also partially determine the excited structure. Often, higher values of m contribute to increased luminescence or absorbance. At values of m higher than 4, the compound becomes unstable. There, further luminescence can be imparted by modification in the ring structure. When m = 2, the excitation wavelength is about 650 nm and the compound correctly emits fluorescence. The maximum emission wavelength is approximately 15 to 100 nm larger than the maximum excitation wavelength.
[0066]
R in each molecule1  , R2  , R3  , R4  , R5  , R6  And R7  At least one of the groups (preferably only one and possibly two or more) is a reactive group for attaching the dye to the labeling component. For some reagents, R on each molecule1  , R2  , R3, R4  , R5  , R6  And R7  At least one of the groups can be a group that enhances the solubility of the chromophore or affects the selectivity of the label of the label component or the location of the label on the label component.
[0067]
In the above formula, R8, R9(If present) and R10At least one of the (when present) contains at least one of the sulfonate groups. The term sulfonate group shall include sulfonic acid. This is because the sulfonate group is only an ionized sulfonic acid.
[0068]
Linked directly or indirectly to the chromophore1, R2, R3, R4, R5, R6And R7As a reactive group capable of forming a group, isothiocyanate, isocyanate, monochlorotriazine, dichlorotriazine, mono- or di-halogen substituted pyridine, mono- or di-halogen substituted diazine, maleimide, aziridine, sulfonyl halide, acid halide, hydroxysuccinimide Reactive moieties such as esters, hydroxysulfosuccinimide esters, imide esters, hydrazine, azidonitrophenyl, azido, 3- (2-pyridyldithio) propionamide, glyoxal and groups containing aldehydes can be included.
[0069]
R which is particularly useful for labeling components having effective amino, hydroxy and sulfhydryl groups1, R2, R3, R4, R5, R6And R7Specific examples of groups include:
[0070]
Embedded image
Figure 0003543001
(Where at least one of Q or W is a residue such as I, Br or Cl),
[0071]
Embedded image
Figure 0003543001
R that is particularly useful for labeling components having effective sulfhydryls that can be used to label antibodies in a two-step method1, R2, R3, R4, R5, R6And R7Particular examples of groups are:
[0072]
Embedded image
Figure 0003543001
(Where Q is a residue such as I or Br),
[0073]
Embedded image
Figure 0003543001
and
[0074]
Embedded image
Figure 0003543001
(Where n is 0 or an integer).
[0075]
Particularly useful for labeling components by photoactivated crosslinking1, R2, R3, R4, R5, R6And R7As a specific example of a group
[0076]
Embedded image
Figure 0003543001
Is included.
[0077]
Increase the solubility in water or reduce the undesired non-specific binding of the labeled component to unsuitable components in the sample, or otherwise inhibit the interaction of two or more reactive chromophores on the labeled component that can result in quenching of fluorescence. To reduce, R1, R2, R3, R4, R5, R6And R7The groups can be selected from known polar or charged chemical groups. An example is -EF, where F represents hydroxy, sulfonate, sulfate, carboxylate, substituted amino or quaternary amino, and E is-(CH2)nAnd a spacer group such as (n = 0, 1, 2, 3, or 4). Useful examples include alkylsulfonate- (CH2)3SO3-And-(CH2)4-SO3-Is included.
[0078]
The polymethine chain of the luminescent dyes of the present invention may also include one or more cyclic chemical groups that form a bridge between two or more carbon atoms of the polymethine chain. These bridges can help to increase the chemical or photostability of the dye and can be used to change the absorption or emission wavelength of the dye or to change the extinction coefficient of the quantum yield. Improved dissolution properties can be achieved by this modification.
[0079]
According to the present invention, the labeling component is an antibody, protein, peptide, enzyme substrate, hormone, lymphokine, metabolite, receptor, antigen, hapten, lectin, avidin, streptavidin, toxin, carbohydrate, oligosaccharide, polysaccharide, nucleic acid, deoxy. Nucleic acid, derived nucleic acid, derived deoxynucleic acid, DNA fragment, RNA fragment, derived DNA fragment, derived RNA fragment, natural drug, virus particle, bacterial particle, virus component, yeast component, blood cell, blood cell component, biological cell, non-cell Blood components, bacteria, bacterial components, natural or synthetic lipid sac, synthetic drugs, poisons, environmental pollutants, polymers, polymer particles, glass particles, glass surface materials, plastic particles, plastic surface materials, polymer films, conductors and It can be a semiconductor.
[0080]
Cyanines or related chromophores that can absorb light at 633 nm upon reaction with certain components can be prepared, and the detection step can use a helium-neon laser emitting at this spectral wavelength. Also, it is possible to prepare cyanines or related dyes that are capable of maximally absorbing light between 700 nm and 900 nm upon reaction with certain components, so that the detection step emits light in this region of the spectrum. A laser diode can be used.
[0081]
Selectivity
The reactive groups listed above label proteins or other specific functional groups on biological or non-biological molecules, macromolecules, surface materials or particles as long as appropriate reaction conditions are used, including appropriate pH conditions. Relatively specific.
[0082]
Characteristics of reactive cyanine, merocyanine and styryl dyes and their products
The spectral properties of the dyes of the present invention are not appreciably changed by the functionalization described herein. The spectral properties of the labeled protein or other compound also do not differ significantly from the base dye molecule which is not bound to the protein or other substance. The dyes according to the invention, alone or bound to a label, generally have a large extinction coefficient (ε = 100,000-250,000), and in some cases as high a quantum yield as 0.4, and It emits light in the 400-900 nm spectral range. Thus, they are particularly valuable as labels for luminescence detection reagents.
[0083]
Optical detection method
Any method can be used to detect the label or the staining component. The detection method can use a light source that illuminates the mixture containing the labeling substance with light of the wavelength defined initially. Known devices are used that detect light at a second wavelength transmitted by or fluoresced or emitted by the mixture. Such detection devices include fluorescence spectrometers, absorption spectroscopy, fluorescence microscopes, transmission light microscopes or flow cytometers, fiber optic sensors, and immunoassay devices.
[0084]
The methods of the present invention may also employ chemical analysis methods to detect dye binding to one or more labeling components. Chemical analysis methods can include infrared spectrometry, NMR spectrometry, absorption spectrometry, fluorescence spectrometry, mass spectrometry and chromatographic methods.
[0085]
【Example】
Example 1
Effect of pH on binding of sulfoindodicarbocyanine to protein
A sample of sheep γ-globulin (4 mg / ml) in 0.1 M carbonate buffer was mixed at room temperature with a 10-fold molar excess of the following sulfoindodicarbocyanine active ester (m = 2) at room temperature:
[0086]
Embedded image
Figure 0003543001
The protein sample was separated from the non-covalent dye by gel permeation chromatography on Sephadex G-50 for an appropriate time ranging from 5 seconds to 30 minutes. Maximum labeling of the protein occurred after 10 minutes, resulting in final dye / protein molar ratios of 5.8, 6.4 and 8.2 for samples incubated at pH 8.5, 8.9 and 9.4, respectively. . The time required for a dye / protein ratio of 5 and the quantum yield of the product at different pHs are shown in the following table:
pH  Time (sec)  Quantum yield
8.5 115 0.09
8.9 53 0.09
9.4 6.5 0.17
The above data show that the protein labeled with this dye is better at pH 9.4 than below pH 9. The higher the pH of the buffer, the faster the binding reaction, but the better the labeling efficiency and the higher the fluorescence of the product. The quantum yield indicates the average quantum yield per dye molecule on the labeled protein.
[0087]
Example 2
Binding of sulfoindocarbocyanine active ester to protein
Sheep γ-globulin (1 mg / ml) dissolved in phosphate buffered saline (PBS) at pH 7.4 was adjusted to pH 9.4 using 0.1 M sodium carbonate. An aliquot of this protein solution was added with a cyanine dye label (the structure of Example 1, m = 1) to obtain various dye / protein molar ratios. After incubation at room temperature for 30 minutes, the cells were separated by Sephadex G-50 gel permeation chromatography using PBS as an eluent. The molar ratio of dye covalently bound to protein in the product was 1.2, 3.5, 5.4, 6.7 and 11.2 for the initial dye / protein ratios of 3, 6, 12, 24 and 30, respectively. there were.
[0088]
Example 3
Labeling of AECM dextran with sulfoindodicarbocyanine
N-aminoethyl-carboxamidomethyl (AECM) dextran containing an average of 16 amino groups per dextran molecule was synthesized from dextran with an average molecular weight of 70000 [Inman, J. et al. K. , J. et al. Immunol.114: 704-709 (1975)]. A portion of AECM-dextran (1 mg / 250 μl) dissolved in 0.1 M carbonate buffer, pH 9.4, is added to 0.2 mg of sulfoindodicarbocyanine active ester (structure of Example 1, m = 2) and dye / Protein molar ratio of 10. The mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. Dextran was then separated from unbound dye by Sephadex G-50 gel permeation chromatography using ammonium acetate (50 mM) as elution buffer. An average of 2.2 dye molecules were covalently attached to each dextran molecule.
[0089]
Example 4
Sulfoindodicarbocyanine active ester labeling of specific antibodies
Dyeing of a sheep γ-globulin specific for murine IgG (1 mg / ml) in a 1.1 M carbonate buffer (pH 9.4) and a sulfoindodicarbocyanine active ester (structure of Example 1, m = 2) The mixture was mixed at a molecular / protein molecular ratio of 8. After incubation for 3 minutes at room temperature, the labeling mixture was separated by gel filtration on Sephadex G-50 equilibrated with phosphate buffered saline (pH 7.4). The recovered proteins contained an average of 4.4 dye molecules covalently linked to each protein.
[0090]
Example 5
Staining or microscopic visualization of human lymphocytes with sulfoindodicarbocyanine dye conjugated to sheep anti-mouse IgG antibody
Freshly isolated peripheral blood lymphocytes were purified from mouse anti-β2-microglobulin (0.25 μg106Cells) at 0 ° C. for 30 minutes. The cells were washed twice with DMEM buffer and then sulfonedodicarbocyanine-labeled sheep anti-mouse IgG antibody (1 μg / 106Cells). After a 30 minute incubation at 0 ° C., the cells were centrifuged to remove excess antibody and the cells were washed again with DMEM buffer. Aliquots of cells were fixed on slides for analysis by fluorescence microscopy. Under a microscope, lymphocytes on slides were illuminated with light at 610-630 nm, and fluorescence at 650-700 nm was detected by a COTU red-sensitive enhanced television camera attached to an image digitizer and television monitor. Cells stained by this method showed fluorescence under the microscope. In control experiments, staining and analysis were performed as described above, except that the use of the primary mouse anti-β2-microglobulin antibody was omitted. Control samples did not show fluorescence under the microscope, indicating that sulfoindocyanine-labeled sheep anti-mouse antibody did not result in significant non-specific binding to lymphocytes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a monomer absorption spectrum and a dimer spectrum of an N, N′-disulfobutylindodicarbocyanine dye.
FIG. 2 shows the spectrum of N, N′-diethylindodicarbocyanine-5,5′-disulfonic acid dye.
FIG. 3 shows a dye / protein molar ratio in a labeling reaction of sheep immunoglobulin with a bis-N-hydroxysuccinimide dye of N, N′-dicarboxypentylindodicarbocyanine-5,5′-disulfonic acid. Is shown.
FIG. 4 shows the absorption spectrum of an antibody labeled with bis-N-hydroxysuccinimide ester of N, N′-dicarbobutylindodicarbocyanine-5,5′-acetic acid.
FIG. 5 shows an absorption spectrum of a protein bound to a novel sulfoindodicarbocyanine dye.
FIG. 6 shows a comparison of the change in quantum yield (diamonds) of arylsulfocyanine dyes with that of non-arylsulfocyanine dyes (circles) with increasing dye / protein ratio.

Claims (4)

水性液体中の成分を標識する方法であって、
(a) 前記成分を含有する前記液体に、芳香族核に結合したスルホン酸基若しくはスルホネート基少なくとも1個を有するシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料よりなる群から選ばれる発光染料を加え、該染料は前記成分と反応性であり、
(b) 前記染料が前記成分を標識するように前記染料と前記成分とを反応させ、そして
(c) 前記標識成分を光学的方法により検出する
ことを含む方法。
A method for labeling a component in an aqueous liquid,
(A) To the liquid containing the component, a luminescent dye selected from the group consisting of cyanine, merocyanine, and styryl dyes having at least one sulfonic acid group or sulfonate group bonded to an aromatic nucleus is added. Reactive with the components,
(B) reacting the dye with the component such that the dye labels the component; and (c) detecting the labeled component by an optical method.
前記成分が、抗体、蛋白、ペプチド、酵素基質、ホルモン、リンフォカイン、代謝産物、レセプタ、抗原、ハプテン、レクチン、トキシン、炭水化物、糖類、寡糖類、多糖類、ヌクレオチド、誘導ヌクレオチド、核酸、デオキシ核酸、誘導核酸、誘導デオキシ核酸、DNAフラグメント、RNAフラグメント、誘導DNAフラグメント、誘導RNAフラグメント及び薬物から選ばれる、請求項1に記載の方法 The component is an antibody, protein, peptide, enzyme substrate, hormone, lymphokine, metabolite, receptor, antigen, hapten, lectin, toxin, carbohydrate, saccharide, oligosaccharide, polysaccharide, nucleotide, derived nucleotide, nucleic acid, deoxy nucleic acid, The method according to claim 1, wherein the method is selected from an induced nucleic acid, an induced deoxynucleic acid, a DNA fragment, an RNA fragment, an induced DNA fragment, an induced RNA fragment, and a drug . 水性液体中の発光標識成分であって、芳香族核に結合したスルホン酸基若しくはスルホネート基少なくとも1個を有するシアニン、メロシアニンおよびスチリル染料よりなる群から選択される発光染料であって、かつ、前記成分と共有結合的に反応性であり、前記成分に結合している前記発光染料を含む、発光標識成分 A luminescent label component in an aqueous liquid, wherein the luminescent dye is selected from the group consisting of cyanine, merocyanine, and styryl dyes having at least one sulfonic acid group or sulfonate group bonded to an aromatic nucleus; and A luminescent labeling component that is covalently reactive with the component and comprises the luminescent dye attached to the component . 前記成分が、抗体、蛋白、ペプチド、酵素基質、ホルモン、リンフォカイン、代謝産物、レセプタ、抗原、ハプテン、レクチン、トキシン、炭水化物、糖類、寡糖類、多糖類、ヌクレオチド、誘導ヌクレオチド、核酸、デオキシ核酸、誘導核酸、誘導デオキシ核酸、DNAフラグメント、RNAフラグメント、誘導DNAフラグメント、誘導RNAフラグメント及び薬物よりなる群から選ばれる、請求項3に記載の発光標識成分。The component is an antibody, protein, peptide, enzyme substrate, hormone, lymphokine, metabolite, receptor, antigen, hapten, lectin, toxin, carbohydrate, saccharide, oligosaccharide, polysaccharide, nucleotide, derived nucleotide, nucleic acid, deoxy nucleic acid, The luminescent label component according to claim 3, which is selected from the group consisting of a derivative nucleic acid, a derivative deoxynucleic acid, a DNA fragment, an RNA fragment, a derivative DNA fragment, a derivative RNA fragment and a drug.
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