JP4033862B2 - 生体関連物質検出用マイクロアレイ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
このようなDNAマイクロアレイの例として、複数の区画を有し、各区画が中空繊維により形成されており、各区画にはキャプチャープローブがゲル状物を介して保持されている生体関連物質検出用マイクロアレイが提案されている(特許文献1、特許文献2)。
このマイクロアレイは、例えば以下の(1)〜(3)を順次行う方法により製造される。
(1)複数本の中空繊維を、中空繊維の各繊維軸が同一方向となるように3次元に配列し、その配列をポリウレタン樹脂等の接着剤を用いて固定し、中空繊維束を製造する工程。
(2)キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を各中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する工程。
(3)繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する工程。
この製造方法は、フォトリソグラフィー法やスポッティング法と比較して高価な製造設備を必要とせず、製造工程が簡略化できるという利点を有する。
また、これにより製造されたマイクロアレイは、所定長の中空繊維の中空部にキャプチャープローブがゲル状物を介して保持されているため、単にシートの表面に保持させる場合と比較すると、一区画により多くの量のキャプチャープローブを保持することができる。さらには電気泳動によるハイブリダイゼーション反応を行うことができる。
空洞や隙間が生じる原因として、酸素による重合阻害が考えられる。例えば、電気泳動用のポリアクリルアミドのスラブゲルを製造する際、予めゲル前駆体重合性溶液を脱気することは通常行われる操作である。
具体的には中空繊維に溶解している酸素や中空繊維束を製造する際に使用したポリウレタン樹脂等の包埋剤に溶解している酸素が中空繊維の中空部へ移動し、重合反応を阻害することがわかった。
また、通常行われている窒素置換等の脱気操作では、中空繊維に溶解している酸素やポリウレタン樹脂等に溶解している酸素を完全に除去することは非常に困難であることが分かった。
さらには、重合反応を行う際、前記溶液中の水分が中空繊維に浸透し中空部内から漏出することにより空洞や隙間が生じることが分かった。このような現象は予測もしえなかったことである。
(1)数本の有機材料からなる複層の中空繊維を、中空繊維の各繊維軸が同一方向となるように3次元に配列し、その配列を固定して、中空繊維束を製造する工程。
(2)キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を各中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する工程。
(3)繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する工程。
(1)キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を有機材料からなる複層の中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する工程。
(2)各繊維軸が同一方向となるように複数本の中空繊維を3次元に配列し、その配列を固定して、中空繊維束を製造する工程。
(3)繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する工程。
複層の中空繊維は、水蒸気透過係数が250×10-13以下の有機材料で構成される層と、酸素透過係数が0.3×10-13以下の有機材料で構成される層を有することが好ましい。1つの有機材料がこれらの水蒸気透過係数と酸素透過係数を満足する態様も含まれる。
水蒸気透過係数とは、材料をフィルム状に成型して膜の両側に一定の水蒸気の分圧差を与えた場合に、単位面積単位時間に透過する水蒸気の量として定義されcm3(273.15K;1.013×105Pa)×cm/(cm2×s×Pa)で表される(出典:J. Brandup, E. H. Immergut 「Polymer Handbook (5th Edition) 」 VI; Permeability and Diffusion data)。
水蒸気透過係数が250×10-13以下の有機材料としては、低密度ポリエチレン(68×10-13)、高密度ポリエチレン(9×10-13)、ポリプロピレン(51×10-13)等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート(113×10-13)等のポリエステル、テフロンTM(6×10-13)、ポリフッ化ビニリデン(10.1×10-13)等のフッ素系材料、ポリ塩化ビニリデン(7×10-13)、ポリ塩化ビニル(206×10-13)等の塩素系材料が挙げられる。
また、塩化ビニル−塩化ビニリデン、塩化ビニル−アクリロニトリル、塩化ビニリデン−アクリロニトリル、塩化ビニル−酢酸ビニル、塩化ビニリデン−スチレン、アクリロニトリル−スチレン、エチレン−酢酸ビニル等の共重合体も例示できる。
酸素透過係数とは、材料をフィルム状に成型して膜の両側に一定の酸素の分圧差を与えた場合に、単位面積単位時間に透過する酸素の量として定義されcm3(273.15K;1.013×105Pa)×cm/(cm2×s×Pa)で表される(出典:J. Brandup, E. H. Immergut 「Polymer Handbook (5th Edition) 」 VI; Permeability and Diffusion data)。
酸素透過係数が0.3×10-13以下の有機材料としては、高密度ポリエチレン(0.3×10-13)等のポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレート(0.014×10-13)等のポリエステル、ポリアミド6(0.0285×10-13)、ポリアミド66等のポリアミド、ポリフッ化ビニリデン(0.06×10-13)等のフッ素系材料、ポリ塩化ビニル(0.034×10-13)、ポリ塩化ビニリデン(0.00383×10-13)等の塩素系材料、ポリメチルメタクリレート(0.116×10-13)、アクリロニトリル共重合体等が挙げられる。
単量体成分の濃度は単量体の種類にもよるが、例えばアクリルアミド系単量体の場合は2〜20質量%程度である。
例えば、核酸を用いる場合、生細胞からのDNAの調製は、Blinらの方法(Nucleic Acids Res.3.2303(1976))等により行うことができ、また、RNAの抽出については、Favaloroらの方法(Methods.Enzymol.65.718(1980))等により行うことができる。
そのような中空繊維束の製造方法としては、例えば、粘着シート等のシート状物に複数本の中空繊維を所定の間隔をもって平行に配置し、シート状とした後、このシートを螺旋状に巻き取る方法(特開平11-108928号公報参照)が挙げられる。
また、複数の孔が所定の間隔をもって設けられた多孔板2枚を孔部が一致するように重ねあわせ、それらの孔部に、中空繊維を通過させ、2枚の多孔板の間隔を開き、2枚の多孔板間の、中空繊維の周辺に硬化性樹脂原料を充満させ硬化させる方法(特開2001-133453号公報参照)が挙げられる。
「固定」とは接着剤等を用いて各中空繊維の配列が乱れないような状態にすることをいう。接着剤としては、ポリウレタン樹脂、エポキシ樹脂等を用いることができる。また、隣接する中空繊維の外表面を相互に融着することによって中空繊維束を固定することもできる。
固定は、配列した中空繊維の全長又は所定部分に対して行う。配列した中空繊維の少なくとも一方の端部から適当な長さの部分は固定しない状態としても良い。この場合、後述する中空繊維の中空部内へのゲル前駆体重合性溶液の導入操作が容易となる。
中空繊維の本数は目的に応じて適宜設定できる。例えば10〜1000本程度である。各中空繊維の配列の間隔は中空繊維の外径や本数に応じて適宜設定される。また、その間隔は一定であることが好ましい。
「ゲル前駆体重合性溶液」とは、キャプチャープローブの他に前述の単量体、多官能性単量体、重合開始剤、及び水等を含むものである。
キャプチャープローブは目的に応じて必要な種類(数)が準備される。例えば、中空繊維の本数と同一の数のキャプチャープローブを準備し、各中空繊維に互いに異なる1種類のキャプチャープローブを導入することができる。また、複数本の中空繊維に同じキャプチャープローブを導入することもできる。
また、ゲル前駆体重合性溶液は予め脱気しておくことが好ましい。さらには、第1の工程で製造した中空繊維束を予め脱気しておくことが好ましい。
ゲル前駆体重合性溶液は、真空吸引法等によって中空繊維の中空部へ導入される。例えば、まず中空繊維束とゲル前駆体重合性溶液をデシゲーター内に設置する。次いで、中空繊維束の中空繊維が固定されていない端部を、この溶液中に浸し、デシゲーター内を減圧状態し、中空繊維の中空部内にこの溶液を導入する。
導入後、ゲル前駆体重合性溶液を含む中空繊維束を加熱することにより重合反応を開始する。重合温度は使用する単量体等により適宜選択される。
中空繊維束の切断は、ミクロトーム、レーザー、等を使用することができる。得られる薄片の厚みは、5mm以下であり、好ましくは0.1mm〜1mmである。
即ち、まずキャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を有機材料からなる複層の中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する。次いで、各繊維軸が同一方向となるように複数本の中空繊維を3次元に配列し、その配列を固定して、中空繊維束を得る。最後にその中空繊維束を繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する。
その場合、重合反応、中空繊維束の製造方法、切断方法は第1番目の製造方法に準じて行う。
外径13mm、内径9mmのポリカーボネートパイプを用いて、プリフォーム延伸法により、外径0.30mm、内径0.18mm、長さ150mmのポリカーボネート製中空繊維を製造した。
次に、ポリ塩化ビニリデンを主成分とするラテックス(呉羽化学株式会社製 クレハロン 固形分量 50wt%)を入れた容器中にその中空繊維を浸漬して0.8m/minの速度で引き取り、ディップコートして、中空繊維の最外層に約5μmの厚さのポリ塩化ビニリデン層を形成した。
図1に示す配列固定器具を利用して中空繊維束を製造した。なお、図中のx、y、zは直交の3次元軸であり、x軸は繊維の長手方向と一致する。
まず、直径0.32mmの孔が、孔の中心間距離を0.12mmとして、縦横各16列で合計256個設けられた厚さ0.1mmの多孔板2枚を準備した。これらの多孔板を重ね合わせて、そのすべての孔に、(1)で得られた中空繊維を1本づつ、通過させた。
X軸方向に各繊維に0.1Nの張力をかけた状態で2枚の多孔板の位置を移動させて、中空繊維の一方の端部から20mmの位置と100mmの位置の2ヶ所に固定した。即ち、2枚の多孔板の間隔を80mmとした。
次いで、多孔板間の空間の周囲3面を板状物で囲った。このようにして上部のみが開口状態にある容器を得た。
次に、この容器の上部から容器内に樹脂原料を流し込んだ。樹脂としては、ポリウレタン樹脂接着剤(日本ポリウレタン工業(株)ニッポラン4276、コロネート4403)の総重量に対し、2.5質量%のカーボンブラックを添加したものを使用した。25℃で1週間静置して樹脂を硬化させた。次いで多孔板と板状物を取り除き、中空繊維束を得た。
得られた中空繊維束をデシケーター中に入れ内部を窒素置換した後、16時間静置することで、ポリウレタン樹脂接着剤中の酸素濃度を低下させた。
合成機DNA/RNA synthesizer (model394)(PEバイオシステムズ社製)を用いて、GCATのオリゴヌクレオチドを合成した。これらは、一般的手法によって脱保護及び精製して使用した。
得られたGCAT(500nmol/ml)50μl、グリシジルメタクリレート 5μl及びジメチルホルムアミド(DMF)5μlを混合し、70℃で2時間反応させ、水190μlを加えて、100nmol/mlのメタクリレート基を有するGCAT(MA-GCAT)を得た。
次に、表1に示す質量比で混合した単量体及び開始剤を含むゲル前駆体重合性溶液を調製した。
次に、キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を前述のデシケーター内に設置した。デシケーター内を減圧状態にしたのち、中空繊維束の繊維束が固定されていない一方の端部(図2)をこの溶液中に浸漬した。デシケーター内に窒素ガスを封入し、中空繊維の中空部にキャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を導入した。
次いで、容器内を70℃とし、3時間かけて重合反応を行った。
このようにしてキャプチャープローブがゲル状物を介して中空繊維の中空部に保持された中空繊維束を得た。
(4)で得られた中空繊維束を、ミクロトームを用いて繊維の長手方向と直交する方向でスライスし、厚さ0.5mmの薄片シート50枚を得た。スライス時に中空繊維からゲル状物は脱落しなかった。
得られた薄片シート50枚について、ゲル状物の形態、中空繊維内壁とゲル状物との界面を実体顕微鏡で観察した。
その結果、すべてのシートで、中空繊維の中空部にゲル状物が保持されており、中空繊維内壁とゲル状物との界面には隙間がないことを確認した。また、ゲル状物には空洞はなかった。
すなわち、外層となる外径12mm、内径10mmのPMMAパイプに中間層となる外径10mm、内径9mmのPPパイプを挿入し、さらに内層となる外径9mm、内径7mmのPMMAパイプを挿入した複合パイプを、180℃に加熱した炉の中に一部挿入し、引き伸ばした。延伸後の中空繊維は、外径 0.3mm、内径 0.175mm 長さ 150mmである。各層の厚みは、外層及び内層が 0.025mm、中間層が0.0125mmであった。
以下、実施例1の(2)〜(5)と同様の操作を行った。
その結果、すべてのシートで、中空繊維の中空部にゲル状物が保持されており、中空繊維内壁とゲル状物との界面には隙間がないことを確認した。また、ゲル状物には空洞はなかった。
溶融紡糸法により、ポリプロピレン製の中空繊維(外径0.3mm、内径0.2mm、長さ150mm)を製造した。その中空繊維を使用して、実施例1の(2)〜(5)と同様の操作を行った。その結果、実施例1の(2)の工程において、X軸方向に0.1Nの張力をかけた際、糸の降伏強度が小さいため、糸が伸びた。糸の直径が不均一となったため、中空繊維束を製造することができなかった。
プリフォーム延伸法により、外径10mm、内径6mmのポリメチルメタクリレート(PMMA)パイプを用いて、外径0.3mm、内径0.18mm、長さ150mmのPMMA製中空繊維を製造した。その中空繊維を使用して、実施例1の(2)〜(5)と同様の操作を行った。その結果、中空繊維内壁とゲル状物との界面に隙間が生じていた。原因は、重合反応の際、水が中空繊維の内壁から中空繊維中に浸透し中空部内から漏出したためと思われる。
溶融紡糸法により、低密度ポリエチレン製中空繊維(外径0.3mm、内径0.2mm、長さ150mm)を製造し、実施例1の(2)〜(5)と同様の操作を行った。その結果、重合反応が完結せず、中空繊維の中空部はゾル状態となっていた。
原因は、中空繊維やポリウレタン樹脂に溶解している酸素が重合を阻害したためと思われる。
プリフォーム延伸法により、外径13mm、内径9mmのポリカーボネートパイプを用いて、外径0.3mm、内径0.18mm、長さ150mmのポリカーボネート製中空繊維を製造した。その中空繊維を使用して、実施例1の(2)〜(5)と同様の操作を行った。その結果、中空繊維内壁とゲル状物との界面に隙間が生じていた。原因は、重合反応の際、水が中空繊維の内壁から中空繊維中に浸透し中空部内から漏出したためと思われる。
図2は、中空繊維の繊維束を示す図である。
21: 多孔板
31: 中空繊維
41: 板状物
Claims (2)
- 以下の(1)〜(3)の工程を順次行う工程を含む生体関連物質検出用マイクロアレイの製造方法。
(1)複数本の有機材料からなる複層の中空繊維を、中空繊維の各繊維軸が同一方向となるように3次元に配列し、その配列を固定して、中空繊維束を製造する工程であって、前記複層の中空繊維が、水蒸気透過係数が 250 × 10 -13 以下の有機材料で構成される層と、酸素透過係数が 0.3 × 10 -13 以下の有機材料で構成される層を有するものである、前記工程。
(2)キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を各中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する工程。
(3)繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する工程。 - 以下の(1)〜(3)の工程を順次行う工程を含む生体関連物質検出用マイクロアレイの製造方法。
(1)キャプチャープローブを含むゲル前駆体重合性溶液を有機材料からなる複層の中空繊維の中空部に導入し、重合反応を行い、キャプチャープローブが保持されたゲル状物を生成する工程であって、前記複層の中空繊維が、水蒸気透過係数が 250 × 10 -13 以下の有機材料で構成される層と、酸素透過係数が 0.3 × 10 -13 以下の有機材料で構成される層を有するものである、前記工程。
(2)各繊維軸が同一方向となるように複数本の中空繊維を3次元に配列し、その配列を固定して、中空繊維束を製造する工程。
(3)繊維の長手方向に交叉する方向で、切断して中空繊維束を薄片化する工程。
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