JP5181157B2 - マイクロエレクトロニックアレイ上の生体分子付着部位 - Google Patents
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Description
発明の分野
本発明は、電子的にアドレス可能なマイクロアレイの浸透層と組み合わせた官能基の取り込みに関する。より詳細には、本発明は、マイクロアレイ上の特定の位置にて活性化でき、および/または生体分子を付着させるために高密度まで重合できる特異的官能基が含まれるマイクロエレクトロニックアレイ浸透層およびそれらの製造に関する。
【0002】
発明の背景
以下の記載は本発明に関連する情報の概要を提供する。本明細書に提供されたいずれの情報も特許請求された本発明に対して先行技術であること、ならびに特におよび暗黙のうちに参照されたいずれの刊行物も本発明の先行技術であることを承認するものではない。
【0003】
肉眼的および顕微鏡的なアレイについての付着化学の技術は、近年非常な注目を浴びている。しかしながら、アッセイ感度の要求が増大しているので、生体分子の付着におけるより大きな特異性ならびにより高密度の付着した生体分子を供することができる付着化学についての必要性も増大している。
【0004】
共有結合的および非共有結合的な付着化学がよく開発されているが、エレクトロニックマイクロアレイで経験されたいくらかの基礎的な困難性を克服した進歩はほとんどない。例えば、本エレクトロニックマイクロアレイでの問題点には、特異的な捕捉/検出部位のない生体分子の非特異的結合および電子的アドレス指定の前、中および後のかかる生体分子の受動的な結合を制御するための不能が含まれる。これらの問題点の結果、決して非標的分子と標的分子とは理想的に区別されない。同様に、使用における現行の付着化学は、捕捉部位に対する非標的分子の望ましくない受動的結合と遭遇することなくして、標的分子の複数部位または連続的部位のアドレス指定中に未使用の捕捉部位を操作するのを困難としてきた。
【0005】
低特異性の結合および非標的からの標的の区別の問題点に解決策を提供することにおいて、発明者らは、該マイクロアレイ上の標的結合部位の密度をかなり増加させる方法によって、結合の特異性ならびに標的区別の増強を供する生体分子の付着についての付着化学を提供する。さらに、本方法は、該マイクロアレイ電極を用いて、標的結合部位の付着性を配置するために提供する。
【0006】
多数の当該技術に関与するマイクロアレイ付着性が結合の特異性を増強するためのマスキング技術に関連するが、ある方法を用いて、化学部位でパターン化されるのが望ましい表面を電子的に処理した。SouthernによるPCT出願WO93/22480では、表面を電気化学的にパターン化する方法が開示され、ここに、電極グリッドは電解質と溶液接触しておよび直接的に接触してパターン化されることが望ましい表面に隣接して配置される。該電極グリッドは、基板表面上での分子の付着性、分子の除去または分子の化学的修飾を指令する電位を供する。かかる電子的処理プロセス後、該グリッドを取り出す。かかる方法が非電子的表面をパターン化するための手段を供するが、それは受動的アレイ様式だけに適用できる。加えて、該方法は、アレイの初期形成においてのみ適用でき、活動的な「要求応答(on-demand)」手法におけるアレイには適用できない。
【0007】
他の技術は付着性化学に集中してきた。例えば、米国特許第5,919,523号においてSundbergらは、誘導体化したガラススライドに直接的に分子を付着させるのに典型的に用いた付着化学を開示している。かかる化学は、核酸配列を付着および合成するために設計され、ここに、1つの有用な態様は、基板表面の湿潤性についての必要性である。かかる化学は、本発明のエレクトニックマイクロアレイが、本発明の付着および重合化学反応図式に関与する反応性部位を含む電極上の多孔性(porous)浸透層を必要とする点で、本発明に用いたものとはさらに区別される。
【0008】
前記の例の双方において、典型的な付着性化学での場合のごとく、付着した分子の結合レベルは、基板表面上に存在する反応性部位数に制限される。かくして、基板に、注目する分子を結合するための付着部位が劇的に増加するかかる方法において、一般的には、基板表面を誘導体化する方法についての要求が残っている。発明者らは、電子的にアドレス可能なマイクロアレイの浸透層を含む特に基板に関するかかる方法を見出した。
【0009】
核酸プローブを用いる標的分子のハイブリダイゼーションおよび検出の当該技術においてよく理解されているように、該マイクロアレイの検出表面上に結合している高密度の捕捉プローブを有することが重要である。従来の表面修飾技術において、表面上の利用可能な基を誘導体化して、捕捉プローブに結合できる機能的部位を含ませる。捕捉プローブ結合は、今度は、検出表面上の誘導体化された基または結合部位の数および利用可能性に依存する。感染性疾患検出、ゲノム研究等のごとき多数の適用において、非常に低レベルの核酸を検出するための能力が必要である。このために、本発明は、表面修飾の新規な方法を提供し、ここに、捕捉プローブ(すなわち、誘導体化された生体分子)を結合するための複数の付着部位を有する官能基のポリマーが浸透層上に存在する。また、かかる付着部位の利用可能性は、該アレイ上の予め決められた位置に配置できる。これは、マイクロアレイ上の生体分子の特異的および非特異的な結合間の区別の増大のために提供する。
【0010】
発明の概要
定義
本明細書に用いるごとき「誘導体化された生体分子」とは、テスト試料中の分子の原子団に接触し、その存在を検出するために用いる分子を意味する。一般的には、これらには、少なくとも部分的に、ストレプトアビジン、ビオチン、フェニルボロン酸(PBA)およびサリチルヒドロキサム酸(SHA)のごとき化学部位に付着した核酸、蛋白質、ペプチド、酵素および抗体のごとき分子が含まれる。また、誘導体化された生体分子には、酸化リボース、アミン停止、またはHermanson(Hermanson, G. T. Bioconjugate Techniquescopyright 1996, Academic Press, San Diego, CA(ここに出典明示して本明細書の一部とみなす))によって概説されるごときよく知られたバイオコンジュゲート対合のいずれかの原子団を含むオリゴヌクレオチド、および/または(1999年8月13日に出願された同時係属出願第09/374,338号に記載されたpRNAに関する)pRNAのごとき代替的核酸構造が含まれる。一般的には、該生体分子への化学部位の付着は、共有結合を含む。該マイクロアレイへの誘導体化された生体分子の付着に関して、かかる付着は「A」またはR部位のいずれを用いてもよく、また共有結合または非共有結合のいずれを用いてもよい。
【0011】
本明細書に用いるごとき「マイクロアレイ」とは、米国特許第5,632,957号(ここに出典明示して本明細書の一部とみなす)における「APEXチップ」と命名されたアレイのごとき電子的にアドレス可能なマイクロアレイを意味する。
【0012】
本明細書に用いるごとき「浸透層」とは、前記定義のマイクロアレイのごとき電子的にアドレス可能なマイクロチップ上の間隔を空けた電極アレイを覆っている多孔性マトリックスコーティングを意味する。該浸透層は、任意の数の物質を含有できる。好ましい態様において、該層は、基底浸透層マトリックス内で共重合されたか、あるいは頂部または表面層として存在するR部位の形態にて、生体分子付着部位を有するアガロースまたは重合したアクリルアミドもしくはメタクリルアミドヒドロゲルのごとき物質を含む基底ポリマー層を含む。かかる部位には、チオール、ケトン、アルデヒド、マレイミド、アミン、ヒドラジド、ヒドラジン、メタクリルアミド−SHA、ハロ−アセトアミド、ブロモプロピルアミンおよびブロモアセチル−プロピル−メタクリルアミドならびにHermanson(同上、Hermanson)によって概説されたものが含まれる。該浸透層は、浸透層ポリマーマトリックスと共重合されるか、または浸透層ポリマーマトリックスに接合されるいずれかの官能基の包含がさらに考えられる。接合される場合、該官能基は、該基が接合反応と同一の反応にて重合されるか、あるいは従前の重合形態にて接合できるような重合反応において接合できる。さらに依然として、その大部分の完全な形態において、該浸透層により、生体分子の付着が考えられる。
【0013】
本明細書に用いるごとき「平均蛍光強度」またはMFIは、1秒間につき検出カメラインテグレーション時間を標準化するに際しての注目する領域にわたる蛍光検出中のピクセルカウント値の平均を意味する。その数値範囲は、浸透層の作成により変化するであろう。ある実験からもう一つの実験へのMFI値は、光設定、フィルター、標準化前のインテグレーション時間、光強度、および初期蛍光体濃度を含めた多数の因子のために10,000程度のファクターで変動し得る。ある実験からもう一つの実験へのMFI値の直接的比較は推奨されないが、所与の組の実験内の識別シグナル(differentiating signal)の比較は許される。
【0014】
「官能基」とは、化学変換を受けることができるいずれかの化学部位を意味する。
本発明の具体例は、電子的にアドレス可能なマイクロアレイ上の使用のための浸透層および浸透層製造についての方法を提供し、ここに、「P−X−R」と示された官能基は、該層の製造中の共重合によって、あるいは予め成形された基底浸透層に接合させることによって浸透層に組込まれる。これらの官能基は可変性であるが設計において単純である。それらは、一般的に別々の機能を果たすが、いくらかの環境において、同様の機能を果たすことができる2つの反応性中心(すなわち、該P部位および該R部位)を含む。
【0015】
該R部位は、誘導体化された生体分子にまたは同一のP−X−R式のさらなる官能基に、またはPおよび/またはR部位における変化を有する以外は同一の式の官能基に結合できる。R部位がさらなるP−X−R基に結合する場合、後記の溶液またはスラリープロセスのいずれかにおける重合反応を含む接合方法が提供され、ここに、該R部位は付加された基のPまたはR部位と反応する。さらなる具体例において、P部位は、第2の付加された基等のPまたはR部位と反応できる。また、付加されるべき官能基は、基底浸透層への付加に先立ち前に重合できる。該R部位が誘導体化された生体分子またはさらなる官能基に結合するかを問わず、該R部位は、R部位の化学構造のために直接的に結合できるか(すなわち、R基が「活性化される」必要はない)、活性化後にだけ結合するであろうかかる化学的に調製されるものであり得る。活性化は、非特異的にまたは特異的にのいずれでも誘導できる。活性化が非特異的に開始される場合、該R基は、マイクロアレイを覆っている溶液を介するpH変化を生じることによって活性化される。活性化が特異的に開始される場合、該R基は、浸透層の下にある電極の位置に対応してマイクロアレイ上の特定の位置の直上の特異的な位置だけにマイクロアレイを覆っている溶液中のpH変化を生成することによって活性化される。
【0016】
該P部位は、単一の単量体としてまたはさらなるP−X−Rの他のP部位との重合反応に関与するように設計される。また、それらは、基底浸透層の反応性中心(すなわち、「A」部位)に、または浸透層に従前に組込まれた官能基のR部位に結合できる。この場合、浸透層(「A」またはR)に付着すべき官能基のP部位は、Rまたは「A」に付着するために利用できる以外のポリマーに既に組込まれ得るか、あるいは該P部位は重合反応に同時に関与しつつ付着できる。
【0017】
前記のR基に結合する場合のごとく、該重合反応は、溶液またはスラリーのプロセスのいずれかで実施でき、ここに、該P部位は「A」またはR部位および/または付加された官能基のP部位と反応できる。Pが「A」またはR部位に結合する場合において、かかる反応性中心の「A」またはR部位は、活性化される必要がない化学部位または代替的に活性化を必要とするものいずれも含み得る。Pがもう一つのP部位との重合に関与する場合において、溶液またはスラリーの接合は、全マイクロアレイを横切って適用できる加熱および/または照射に感受性である「重合イニシエーター反応性分子」を用いることによって非特異的に開始できる。
【0018】
重合の開始ならびに「A」およびR部位の活性化は、前記のR部位の場合のごとく、特異的または非特異的に開始できる。しかしながら、特異的な開始に関して、重合はいくつかの方法で実施できる。例えば、1つの具体例において、加熱または照射よりむしろマイクロアレイを覆っている溶液中の電子的に発生したpH変化に感受性である化学的イニシエーターを用いることができる。もう一つの具体例において、紫外線照射を用いて、重合を開始でき、ここに、「指令された」照射の使用は、重合を電極上だけに生じるために必要とされる。さらにもう1つの具体例において、重合は、重合しているP部位を特異的に活性化した「A」またはR部位に接合することによって予め決定された位置に特異的に向けることができる。
【0019】
X部位は、他の化学部位または官能基と通常は反応しないリンカー部位として機能する。1つの具体例において、Xはリンカーとして機能し、一方、もう一つの具体例において、Xはスペサーエレメントとして機能するが、さらにもう一つの具体例において、Xは化学結合であってもよい。
【0020】
当業者によって理解されるであろうごとく、後記の「A」、P、XおよびRの各々は、誘導体化した生体分子を結合し、それによって電子的にアドレス可能なマイクロアレイの特異性および感度を増大するために利用可能である高密度のR部位の付加のために提供される。
【0021】
浸透層技術において当業者が理解可能なごとく、電子的にアドレス可能なマイクロチップの浸透層は、任意の数の分子構造を含み得る。好ましい具体例において、かかる層は、一般的には、多孔性物質を含む基底浸透層を含む。本発明の使用に適当なかかる物質には、アガロース、キトサン、(アクリルアミド、メタクリルアミド、ポリエチレングリコール、ビニルピロリドンから形成された)ポリマー、およびゾル−ゲルのごときかかる物質が含まれる。かかる物質よりなる基底浸透層は、エレクトロニックマイクロアレイにいくつかの利点を供する。例えば、それらは、電極と覆っている溶液との間の絶縁を供する。また、それらは、電子表面と覆っている溶液との間のイオン交換を可能とするのに適当な多孔性マトリックスを供する。また、それらは、蛋白質および核酸のごとき注目する種々の分子を付着させるために化学部位を結合するのに用いることができる反応性中心「A」を有する骨格(例えば、官能基)を提供し;また、ゾル−ゲルのごとき無機物質を用いて、1999年7月15日に出願された同時係属出願シリアル番号第09/354,931号に記載されたごとき基底浸透層を形成できる。これらの多孔性ガラスは、シランカップリング剤と反応して、「A」およびR部位を導入できる。
【0022】
本発明に関して、1つの具体例において、基底浸透層マトリックスの「A」部位と命名された反応性中心は、式P−X−Rを有する機能性分子のごとき、注目する分子を付着するために提供される。該「A」部位は、それらが機能性分子と反応し、機能性分子に付着するように設計でき、またはさらなる付着化学(deposition chemistry)における関与に先立ち活性化されるに違いないように設計できる。1つの好ましい具体例において、「A」部位は、アレイ上のいずれの活性化した「A」部位も付着化学に関与できるように非特異的に活性化できる。もう一つの好ましい具体例において、「A」部位は、付着化学がそれらの特異的に活性化された部位だけにて発生するように浸透層マトリックス下に位置する下にある微小電極に電位を供することによって予め決定された部位(すなわち、捕捉部位)にて特異的に活性化できる。「A」部位の特異的および非特異的な活性化の双方において、浸透層を覆っている溶液を作成して、「A」部位の活性化に好ましい(非特異的な活性の場合には全アレイ、特異的な活性化の場合には捕捉部位だけを横切る)pH条件における変化を経験する。非特異的活性化の場合、pH変化は、溶液容量を換えることによって引き起こされ、一方、特異的な活性化の場合、pH変化は、捕捉部位にて供された電位によって引き起こされる。
【0023】
もう一つの具体例において、「A」部位は、基底浸透層の形成の間に式P−X−Rを有する官能基と反応でき、ここに、形成後、浸透層は、さらなる付着化学に利用可能な「A」部位に代えてそれに対して誘導体化した。この具体例において、P部位は、浸透層基底に付着し、R部位はさらなる付着化学に利用可能である。この具体例の1つの態様において、R部位は、誘導体化された生体分子またはさらなる官能基のいずれとも直接的に反応するように設計できる。この具体例のもう一つの態様において、該R部位は、生体分子および官能基のさらなる付着化学に関与するのに先立ち活性化されることが必要であるように設計できる。後記のごとき一例において、該生体分子に付着する誘導体部位は、P−X−R官能基と考えることができる。「A」部位でのごとく、活性化が必要な場合において、活性化は特異的または非特異的のいずれでも開始できる。
【0024】
もう一つの具体例において、付着化学は、浸透層上に位置した「A」またはR部位に対する、従前に重合された状態または重合反応のいずれかにおいて式P−X−Rを有する官能基の溶液およびスラリー接合を含む。付加された基が従前に重合されたが、接合手順の間に重合されたかいずれにせよ、接合は、付加されるべき官能基のP部位と「A」またはR基のいずれかとの間に生じる。前記のごとく、「A」またはRとPとの間の結合は、それらの各々の化学的構成に依存して「A」またはRの活性化を必要とし得る。活性化が必要とされる場合、かかる活性化は、特異的または非特異的のいずれでも開始できる。非特異的活性化は、マイクロアレイを覆っている溶液中での高いまたは低いいずれのpH変化によっても実施できる。特異的活性化は、特異的な捕捉部位の電極にバイアスをかけて、それらの部位でのpH変化を誘導することによって開始できる。
【0025】
もし必要ならば「A」またはRの活性化と同時に、または活性化が必要でない場合には、「A」および/またはR部位への官能基の接合は、本発明のスラリーまたは溶液法のいずれを用いても開始できる。「A」またはR基が活性化を必要とするので、接合は、特異的または非特異的な方法のいずれでも実施できる。加えて、接合は、従前に重合したP−X−Rマトリックスの接合、マトリックス官能基が重合されている同一時間での接合を含むことができる。重合が接合中に生じる場合、加熱または照射によって活性化される化学的重合イニシエーターが好ましい。これは、接合プロセスにおける多用途性が特異的な方法で実施されるのを可能とする。換言すれば、活性化を必要とする「A」またはRの使用を特異的に活性化して、スラリーまたは溶液接合反応において重合可能な官能基と反応させて、該アレイ上の特異的な位置にて官能基を接合できる。
【0026】
スラリー接合方法において、官能基は、イニシエーター分子と濃縮された形態でアレイ上に層状とする。適当な反応条件下にて、イニシエーターおよび機能性分子のP部位が反応して、浸透基底層に結合した機能分子のポリマーを形成する。溶液接合法において、イニシエーター分子および機能分子を可溶性混合物中でアレイ上に層状とする。いずれの場合にも、官能基の高密度接合が生じ、高密度生体分子付着部位を供する。接合は、捕捉部位に濃縮された重合のための電子的なバイアスを用いて特異的に、または全アレイを横切って非特異的に実施できる。
【0027】
他の具体例において、本発明により、マイクロアレイへの誘導体化された生体分子の付着が考えられる。前記のごとく、かかる分子の付着はR部位を介する。いずれの場合でも、接合は、用いられた化学に依存して共有結合または非共有結合のいずれも含む。官能基が複数にて付加されることが一般的に考えられるので、該アレイに生体分子を付着させる能力は、非常に高密度まで劇的に増大される。
【0028】
さらにもう一つの具体例において、浸透層の「A」またはRは、pHが不安定(高または低pH)であるチオエステル部位を含む。この具体例において、特異的な電子的にアドレス可能な捕捉部位を正または負にバイアスをかけて、予め決定された捕捉部位にてチオエステルを活性化し、P−X−R官能基または誘導体化した生体分子のいずれかの結合を可能とする。
【0029】
浸透層骨格上の「A」部位に関して、一般的には、「A」は、さらなる官能基を結合するために用いることができる反応性中心を含む。これは、遊離ラジカル反応にて反応するのに感受性であるポリマー骨格中の炭素原子、あるいは直接的に反応するまたは増感(すなわち、活性化)に続いて活性化されるのいずれかであろう第三炭素のごときポリマー骨格に付着した化学部位を含み、ここに、活性化は一般的にはP部位とのさらなる反応に関与する種の形成を含む。「A」の定義に含まれるのは、当業者によって認識されるごとく、生体分子を一緒にカップリングさせるのに用いられるよく知られたバイオコンジュゲート対合(同上、Hermanson)である。
【0030】
さらにもう一つの具体例において、浸透層の「A」またはRは、酸性溶液または電子的なバイアスを用いて加水分解して、特定の捕捉部位にて誘導体化した生体分子またはP−X−R官能基の付着のためのアルデヒド官能性を得ることができる。この態様の好ましい具体例において、該捕捉部位は、溶液中の水を酸化して、アセタール基の酸性加水分解のための低pHを生じさせ、誘導体化した生体分子または官能基と反応させるために用いることができるアルデヒド基を得るように電子的にバイアスがかけられる。
【0031】
さらにもう1つの好ましい具体例において、接合し重合した官能基は、浸透層が膨潤するのに関連する先の問題点を克服する。さらにもう一つの具体例において、反応性部位の電子的または非電子的な活性化のいずれを用いて結合しようと、重合された官能基の使用は、非重合技術と比較して背景蛍光性の減少を可能とする。本発明の方法により、さらに、プラズマ接合を含めた他の接合方法の使用が考えられ、ここに、気体は低圧力にて放電に曝露される。次いで、イオン化された気体は存在しているポリマー上への単量体の接合、引き続いての重合を開始する。(さらなる詳細については、John Wiley and Sons, New York, NYによるOdian, G. Principles of Polymerization 第3版,Copyright 1991;232頁およびその中の参考文献(ここに出典明示して本明細書の一部とみなす)を参照されたし)。
【0032】
さらにもう一つの具体例において、本発明の方法は、アレイ上の生体分子の高密度の付着のために提供される。
【0033】
好ましい具体例の詳細な記載
本発明の具体例により、浸透層でコーティングされた電子的マイクロアレイおよびかかるマイクロアレイの製造方法が提供され、ここに、該浸透層は高密度の誘導体化された生体分子を付着させるための官能基を含む。かかるアレイの製造に関して、官能基は、単純であるが多用途の式を有する化学部位を含み、それは、該基がいくつかの方法にて浸透層上に組込まれるのを可能とする。
【0034】
該官能基は、式:
P−X−R
[式中、Pは化学基を含み、その設計は、反応させることが望ましい基の性質に依存して変更できる。Pと反応することが望ましい基に拘らず、該P部位は、重合反応におけるもう一つのP反応性中心への結合、および/または浸透層マトリックスの「A」と命名された反応性中心の結合、および/またはもう一つの官能基のR部位への結合に関与できる反応性中心を常に含む。該P部位がもう一つのP部位反応性中心に結合することを意図するか、あるいは反応性中心「A」に結合することを意図する場合、Pは、限定されるものではないが、置換されたまたは置換されていないα、βの不飽和カルボニルを含むアルケニル部位、ここに、該二重結合は、酸素に二重結合し、もう一つの酸素、窒素、ハロゲンまたは炭素に単結合する炭素に直接的に付着し;ビニル、ここに、該二重結合は、酸素、窒素、ハロゲン、リンまたはイオウに単結合し;アリル、ここに、該二重結合は、酸素、窒素、ハロゲン、リンまたはイオウに結合する炭素に単結合し;ホモアリル、ここに、該二重結合は、もう一つの炭素に単結合する炭素に単結合し、次いで、そのもう一つの炭素が、酸素、窒素、ハロゲン、リンまたはイオウに単結合し;アルキニル部位、ここに、三重結合は2つの炭素原子間に存在する、よりなる群から選択される。該P部位が、R部位に結合することを意図される場合、Pは置換されたまたは置換されていないα、βの不飽和カルボニル、ビニル、アリルおよびホモアリル基ならびにアルキンよりなる群から選択される。また、この具体例内では、Pは、アセタール、エポキシド、エステル、カルボン酸、アミド、ハロ−アセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、チオエステル、ジスルフィド、アルデヒド、ケトン、ヒドラジド、ヒドラジンおよびアミン;ならびにHermanson(同上、Hermanson)にリストされたものよりなる群から選択できる。選定されたP部位および用いられた反応条件に依存して、Pの反応性中心は、重合および/またはカップリング反応に関与するように反応性とできる。後記の例に記載したごとく、重合条件には、スラリー接合法または溶液接合法の使用を含み得る。好ましい具体例において、該P部位は重合反応に関与し、(「A」の場合には)マトリックス骨格自体の性質のため、または(R部位の場合には)官能基が構成中または接合に先立ついずれかにて該層に組込まれるためのいずれかにて浸透マトリックスに既に組込まれた「A」またはR部位のいずれかに結合するように設計される。
【0035】
Xは、化学結合、1〜10個の炭素原子のアルキル基、2〜10個の炭素原子のアルケニル基、アルキルエステル、ケトン、アミド、チオエステル、アルキルエーテル、アミド基、カルボニルおよび/またはそのいずれかの組合せよりなる群から選択される部位である。
【0036】
本明細書に用いられるごときアルキルとは、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、tert−ブチル、イソブチル、sec−ブチル、ネオペンチル、tert−ペンチル等のごとき直鎖および分岐した炭化水素部位を示す。かかるアルキルは、限定されるものではないが、ヒドロキシ、オキソ、アミノ、チオ、シアノ、ニトロ、スルホ等を含めた様々な置換基で置換できる。アルケニルとは、1以上の炭素−炭素結合が二重結合であって、二重結合していない炭素がアルキルまたは置換されたアルキルである炭化水素を示す。アルケニル炭化水素基は、直鎖であってもよく、または1以上の分岐を含んでいてもよい。アミノとは、2つの水素原子、アルキル部位およびその組合せに結合した窒素原子を含む部位をいう。アミドとは、酸素原子に二重結合したおよびアミノ部位に単結合した炭素原子を含む部位をいう。
【0037】
Rは、共有結合的または非共有結合的のいずれかで生体分子を付着させるか、あるいはP−X−R基に結合させるための化学基である。RがP−X−R官能基に結合することを意図される場合、Rは、化学結合、ビニル、アリル、ホモアリル、アセタール、エステル、カルボン酸、アミド、ハロ−アセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、チオエステル、ジスルフィド、アルデヒド、ケトン、ヒドラジド、ヒドラジンおよびアミン;ならびにHermanson(同上、Hermanson)にリストされたものよりなる群から選択できる。Rが誘導体化した生体分子に付着することを意図される場合、Rは化学結合、ストレプトアビジン、ストレプトアビジンの一部分、ビオチン、フェニルボロン酸、サリチリック(salicylic)ヒドロキサム酸、ジスルフィド、チオエステル、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、ヒドラジド、ヒドラジン、アミン、アセタール、ケトン、アルデヒド、ジアルデヒド、ブロモ−またはヨード−アセトアミドおよびエステルならびにHermanson(同上、Hermanson)にリストされたものよりなる群から選択できる。Rが生体分子または官能基のいずれを問わず、選定されたRの特定の部位に依存して、該R部位は、付着が生じ得る前に直接的に反応するか、あるいは最初に活性化を必要とするかのいずれかであり得る。
【0038】
浸透層ポリマー骨格上の「A」部位に関して、一般的には、「A」は、遊離ラジカル反応にて反応するのに感受性であるポリマー骨格中の炭素原子を含むか、あるいは第三炭素またはアセタールのごときポリマー骨格に結合した化学部位を含むかのいずれかの反応性中心を含み、それは、直接的に反応するか、または増感(すなわち、活性化)後に活性化され、ここに、活性化はP部位とのさらなる反応に関与するであろう種の形成を一般的に含む。P、XおよびRの各々についての例を図18および表Iに供する。
【0039】
【表1】
【表2】
(表1の続き)
【表3】
(表1の続き)
【0040】
付着している官能基および誘導体化した生体分子を付着させるための化学は、選定された各部位の性質に依存して変更できる。いくらかの場合、「A」またはRがPまたは誘導体化された生体分子への結合において反応および関与するために、結合が生じるべき部位との直接的接触だけが引き起こされる必要がある。例えば、「A」またはRがエステルを含むならば、誘導体化された生体分子は、ヒドラジド部位を含むことだけが必要である。結合に活性化が必要でない部位には、アルデヒド、ケトン、アミン、ヒドラジン、ヒドラジド、ハロアセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステルおよびエステルが含まれる。これらの各々は、表IIに示された以下の組合せにおいて反応につき対合できる。
【0041】
【表4】
【0042】
他の場合において、「A」、R、Pまたは生体分子の誘導体化された部分は、結合または付着が生じるように活性化されなければならない。この場合において、化学部位は、ジスルフィド、チオエステル、第三炭素、アルケン、アルキルエーテル、アセタールおよびカルボン酸のいずれかを含み得る。活性化を必要とするかかる部位は、表IIIに示されるごとく対合できる。
【0043】
【表5】
【0044】
結合が先立つ活性化を必要とする部位(「A」、R、Pまたは誘導体化された生体分子のいずれかを問わず)を用いて実施されるか否かを問わず、該付着は、共有結合または非共有結合を含む得る。官能基または誘導体化された分子のいずれの付着についても活性化が必要でない場合には、全マイクロアレイの浸透層上に存在する反応性部位は、付着反応における関与に付される。これは、いずれかの部分のアレイ上の生体分子のさらなる付着のための官能基の高密度のR部位の組込みを可能とする。
【0045】
活性化が付着が生じるために必要である場合、該部位は、特異的または非特異的のいずれかで活性化できる。非特異的活性化は、一般的には、全マイクロアレイの浸透層上に存在する活性化を必要とする部位の活性化を可能とする。他方の特異的活性化は、アレイ上に存在する活性化を必要とする選択された部位だけの活性化のために供する。好ましい具体例において、特異的な活性化は、発生した電荷は、電極の直上の、マイクロアレイを覆っている溶液のごとき溶液のpHに直接的に影響するので、該アレイの予め選択された電極に(正または負のいずれかの)電位を印加することによって行われる。このように、活性化を必要とする部位(AまたはR)は、化学的変換を受け、ある部位、例えば、P、Rの反応性中心または誘導体化された生体分子への付着に利用可能となる。この特異的な活性化は、アレイの特異的な捕捉部位が「要求応答」バイアスに対して生体分子についての高密度の結合能を供することができる点で、本発明に高度の多様性を提供する。
【0046】
さらに、本発明の付着化学(attachment chemistry)は、新規な接合方法を含み、ここに、官能基は、かかる接合方法と組み合せて前記の種々の付着化学を用いて浸透層上に組込まれる。1つの態様において、接合は、スラリー法で行われる。もう一つの具体例において、接合は溶液法で行われる。スラリーまたは溶液を問わず、官能基は、全アレイを横切ってまたは予め選択された位置だけで組み込まれる。全アレイを横切る付着を考える具体例では、一般的には、「A」および/またはR部位は先の活性化を必要としても必要としなくてもよい。
【0047】
さらに、本発明の接合方法に用いた付着化学は、従前に重合された官能基の使用または付着中の官能基の重合を可能とする反応条件の使用のいずれかを用いて考えられる。いずれの場合にも、接合は、官能基が「A」またはR部位のいずれかを有する予め形成された基底浸透層に付着されることを含み、ここに、該「A」部位は、浸透層の反応性中心であり、該R部位は個々のP−X−R官能基の「共重合」から存在するか、あるいは個々のP−X−R基、従前に重合されたP−X−R基または接合と同時に重合されたP−X−R基の形態のいずれかにて官能基の先の接合から存在する。
【0048】
異なる化学構造を持つ単量体の基を重合することによるマイクロアレイ上の浸透層の形成中の官能基の付着は、「共重合」と命名される。この具体例において、Pの反応性中心は、マイクロアレイ上の浸透層の形成中、浸透層ポリマーの反応性中心に付着するようになる。反応性Pは、重合された官能基に既に組込まれるか、あるいはそれが浸透層マトリックスに付着されるように官能基の同時の重合に関与できる。一般的には、共重合を介する付着は、非特異的な付着化学を用い、浸透層に組込まれる官能基は、全アレイを介して付着する。
【0049】
予め形成された浸透層上への官能基の付着は、「接合(grafting)」と称する。1つの好ましい具体例において、接合は、スラリー接合を用いて行われる。この方法において、式P−X−Rを有する官能基は、反応を誘導するに際して、(1)浸透層の反応性中心(すなわち、「A」またはRのいずれか)とP部位の反応性中心との間の結合、および(2)P部位上の反応性中心を介する官能基の重合の双方を開始するイニシエーター分子で濃縮されたスラリー中の浸透層と接触される。官能基が従前に重合された場合、接合プロセスは、主として浸透層への従前に重合した基の付着だけに関連する。スラリー接合法の詳細は、後記の実施例2に提供される。この方法の好ましい具体例において、官能基およびイニシエーターは、部分的にだけ溶液中に存在する。
【0050】
もう一つの好ましい具体例において、接合は、溶液接合を用いて行うことができる。この方法において、式P−X−Rを有する官能基は、反応を誘導するに際して、(1)浸透層の反応性中心(すなわち、「A」またはRのいずれか)とP部位の反応性中心との間の結合、および(2)P部位上の反応性中心を介する官能基の重合の双方を開始するイニシエーター分子を含む溶液中の浸透層と接触される。官能基が従前に重合された場合、接合プロセスは、主として浸透層への従前に重合した基の付着だけに関連する。溶液接合法の詳細は、後記の実施例3に提供される。この方法の好ましい具体例において、官能基およびイニシエーターは、溶液中に完全に溶解される。
【0051】
スラリーまたは溶液の接合を用いるかを問わず、本発明の方法は、非特異的または特異的な様式のいずれかにて接合を行う多様性を可能とする。非特異的様式が用いられた場合、「A」および/またはR部位は、活性化を必要とするものを含み得る。活性化を必要とするこれらの部位では、接合は、覆っている溶液のpH条件を変更すことによって全アレイを横切って適用できる。特異的活性化が接合中に考えられる場合、接合は、イニシエーターおよび官能基の使用と組み合わせて活性化を必要とする「A」およびR部位を用いてマイクロアレイの電極上にのみ生じるように指向できる。図19および20は、生体分子を付着するための複数のR部位を結合する種々の立体配置を示す。図20は、それが浸透層の化学構造を示す点で、より詳細である。図19は、付加されたP−X−R基の種々の変更を示す。”A”において、P−X−R基は、浸透層に対する接合反応において重合された。該接合は、非特異的または特異的のいずれであってもよい。該模式図は、浸透層のいくらかの反応性中心が接合から保つことができる点で特異的なものを示す。活性化を必要としないR部位が存在するならば、一旦、かかる接合が生じたならば、誘導体化された生体分子は、活性化なくして直接的に付着し、あるいは活性化を必要とするR部位が存在する場合、R部位はさらに”C”および”D”で示される非特異的または特異的なモードのいずれかで生体分子を付着させるためにさらに活性化できる。”B”において、P−X−R基は、個々に浸透層に共重合するように示され、その後、さらなるP−X−R基または誘導体化された生体分子のいずれかのさらなる付着につき非特異的または特異的にそれらは前記のごとき誘導体化した生体分子に直接的に付着できるか、適当なR部位が存在することを仮定することによって活性化できる。
【0052】
共有結合を達成するための接合した単量体の付着は、かなり多数の方法によって開始できる。例えば、接合は、イニシエーター(例えば、AIBN、過酸化ベンゾイル)の熱分解、イニシエーターの光分解性開裂(例えば、50%の2,4,6−トリメチルベンゾイル−ジフェニル−ホスフィンオキシドおよび50%の2−ヒドロキシ−2−メチル−1−フェニル−プロパン−1−オンの混合物のUV開始(Daracur 4265、Ciba-Speciality Chemicals C; Tarrytown New York)(以後、D4265という)、酸化還元反応(例えば、硫酸セリウム(IV))、電離放射線(例えば、α、β、γまたはX線)、プラズマ開始(アルゴン、窒素、酸素)または過塩素酸テトラブチルアンモニウムを用いる電子的開始を用いてもよく、ここに、該接合は、電流を用いて予め選択された部位上にだけ生じる(Samal, S. K.; Nayak, B. J. Polym. Sci. Polym. Chem. Ed. 1988, 21,1035、ここに出典明示して本明細書の一部とみなす)。さらに、接合プロセスは、反応に先立ち活性化されなければならない化学部位を用いることによって該アレイの予め決定された位置に特に指向される。
【0053】
さらにもう一つの具体例において、付着の特異性は、重合および接合を開始するために用いたイニシエーターの特性を使用することによって、または電気化学的活性化によって引き起こされ得る。一般的には、イニシエーターは、加熱または照射のいずれかでの接触によって反応性となるように誘導される。また、この具体例において、活性化を必要とする「A」またはR部位との組合せを問わず、スラリーまたは溶液方法のいずれかを用いる接合は、該アレイの予め選択された位置だけに放射の接触をマスキングすることによって該アレイ上の予め決定された位置に特に指令できる。特異的な活性化のもう一つの方法は、電気化学的に設計されたイニシエーターにおいて遊離ラジカルを生成する条件下にて電極にバイアスをかけることである。
【0054】
本発明の態様をさらに明確にするために、種々の態様の付着化学の次の記載を以下に詳述する。
1つの具体例において、重合接合反応における官能基P−X−Rを浸透層の「A」に付着する。これは以下の通り図示でき、ここに、Xは、化学結合:
【0055】
【化1】
【0056】
である。
この概略図の化学反応の例は:
【0057】
【化2】
【0058】
である。
もう一つの具体例において、官能基は共重合されるか、あるいは「A」部位を介して浸透層マトリックスに化学結合され、R部位を介してさらなる重合接合に利用可能である。概略図で示されたXは、単一の化学結合ではない。
【0059】
【化3】
【0060】
さらなる具体例において、さらなるP'−X'−R'基は、浸透層への(共重合または接合中のいずれかにて)従前に結合した官能基の(Rが活性化を必要とするか否かを問わず)R部位上に重合できる。ここに、その結果を次の通り図示でき、ここに、重合している官能基中のX'は、化学結合:
【0061】
【化4】
【0062】
である。
Rが最初に活性化されなけらばならない部位を含む前記の概略図についての化学反応の例は:
【0063】
【化5】
【0064】
である。
重合拡張は多数の付加のために連続でき、次の概略図:
【0065】
【化6】
【0066】
においてZ−bioと表した生体分子を結合するのに利用可能な非常に多数のR部位を含むポリマーの長鎖を形成できる。
【0067】
好ましい具体例において、生体分子に付着した誘導体のZは、好ましくは、化学結合、ストレプトアビジン、ビオチン、フェニルボロン酸、サリチリック(salicylic)ヒドロキサム酸、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、ヒドラジド、ヒドラジン、アミン、ケトン、アルデヒド、ジアルデヒド、ブロモ−またはヨード−アセトアミドおよびエステルならびにHermanson(Hermanson 同上)にリストされたものよりなる群から選択される。1つの具体例において、誘導体化された部位は、いくつかのR部位に付着できる。かかる状態は、図21に図示され、ここに、PBA部位は、R部位を別々に含むSHAに付着する。
【0068】
接合中の重合の例は、次のごとく図示できる:
【0069】
【化7】
【0070】
ここに、Pは単量体の反応性二重結合部位であり、Xはアルケンとカルボニル炭素との間の化学結合であって、Rは、生体分子に付着させるために用いたカルボキシ基である。70℃を超えて加熱した場合のイニシエーターは窒素ガスを追い出し、浸透層からの水素を抜き取る2つのラジカル種を生成する。次いで、このラジカル骨格は、単量体の二重結合と反応して、該骨格と単量体との間に共有結合を形成し、新しく結合した単量体内の三級ラジカルも生成する。このラジカルは、重合反応を続けることができ、その結果、ポリマー骨格を生じる。
【0071】
前記の反応は、該ポリマーが浸透層の表面上に広がって非電子的に、または該アレイの特定の捕捉部位でのポリマーの特異的な置換を高密度で生じる電極にバイアスをかけることから活性化されるイニシエーターを用いて電子的にのいずれかで開始できる。反応が重合反応における成長化ポリマーについての付着部位として関与できる反応性部位を含む基底浸透層の存在下にて行う場合、その結果は、全アレイを横切るまたは特定の位置にてのいずれかにてアレイ表面上のポリマー鎖の成長化または重合している塊を含むアレイである。図22Aおよび22Bおよび23は、アクリルアミドP−X−R基(図22B)またはアクリル性−NHSエステル(図23)のいずれかを用いる接合重合を示す概略図である。図22Bは、図22Aに描かれたものについてのより詳細な機序を示す。いずれの場合においても、示されるごとく、重合塊(polymerizing mass)が、浸透層の表面上に形成される。本発明の他の具体例では、この成長重合反応は非特異的または特異的に指令できる。
【0072】
以下の実施例において、官能基が電子的にアドレス可能なマイクロアレイの浸透層に添加される種々の実験が開示される。実施例1において、先行技術の付着化学が示され、ここに、生体分子付着レベルは本発明のものに関して限定される。また、この実施例は、P−X−Rとして使用した本発明の付着部位が先行の付着化学方法に少なくとも同等なレベルまで生体分子の付着を供することを示す。実施例2は、3つの付着の反応図式を示し、ここに、本発明のために開発された接合方法は「スラリー」法を含む。実施例3は、浸透層に対する官能基の付着についての溶液接合を示す。実施例4は、「プラズマ接合」方法の利用性を供する実験を提供する。実施例5は、3つの実験を供し、ここに、付着に先立ち活性化を必要とする反応性中心Rを有する浸透層が形成される。加えて、その実施例は、該アレイの捕捉部位だけに官能基の結合が生じるような電子的なバイアスを用いて特異的な付着を行う能力を提供する。実施例6は、誘導体化された生体分子の付着に先立ち活性化されなければならない部位を含む反応性中心Rを示す。
【0073】
実施例1
先行技術において典型的に用いられた付着化学は、基板表面上の利用可能な反応性部位数によって限定される。全ての反応部位では、1つの部位だけが試料内の標的種の検出に関与する分子構造を結合するために付着できる。例えば、基板上の全ての反応性部位では、1つの検出プローブだけが結合できる。
【0074】
本発明の付着化学を用いたいくらかの化学部位が先行技術において知られた同等な化学のレベルまで少なくとも機能することを示すために、3つの実験を行い、ここに、生体分子を付着する化学基がマイクロアレイ上に配置され、重合なくして処理された。得られた結果は、該アレイに対して個々に利用可能な部位だけに与えられた。
【0075】
a)実験1−シアノメチル保護されたサリチリックヒドロキサム酸ペンチルマレイミド(SA(OCM)−X−Mal)の付着
9:0.5:0.5のアクリルアミド/メチレンビスアクリルアミド/N,N'−ビス(アクリロイル)シスタミンおよびUVイニシエーターとしてD4265を含む基底ヒドロゲル浸透層で層状としたマイクロアレイをマレイミドリンカーと反応させて、浸透層上に付着マトリックスを形成した。特に、該アレイを窒素下にてpH8.2の0.5MトリスHCL中の10mlの20mM DTT中で1時間インキュベートして、N,N'−ビス(アクリロイル)シスタミンのジスルフィド結合を開裂させた。該アレイをpH6.0の50mM酢酸ナトリウムで3回洗浄した。次に、2mlのDMF中の8.5mgのSA(OCM)−X−Malの溶液を20mlのpH6.0の酢酸ナトリウムに添加し、該アレイをその酢酸塩溶液中で45分間インキュベートした。これに続いて(pH8.5の0.1M NaHCO3中の)1M NH2OHを添加し、3時間反応させ、水中で該アレイをさらに洗浄した。
【0076】
結合アッセイは、複数のPBAで標識されたT12プローブ、特異的な付着部位、およびBodipy Texas Red 蛍光色素の電子的アドレス指定を用いて行った(PBAn−T12−BTR、ここに、nは1と8との間の数である)(400nA/捕捉部位、2分間にて、50mMヒスチジン緩衝液中の50nm)。T12−BTRを非特異的対照として用いて、同一条件下にてアドレス指定した。図1Aに示すごとく、PBA標識プローブがアドレス指定された捕捉部位(カラム2および4)は、特異的結合を示した。非常に低レベルの非特異的結合がカラム3および5に観察された。図1Bは、図1Aにおける結果の平均の棒グラフを示す。示された結合の全レベルは、パッド当り5×107分子の範囲に関連する。かかるレベルは、公知の先行技術の付着化学に匹敵する。
【0077】
b)実験2− N−プロピル−ブロモアセトアミド(SA(OCM)−X−BrAc)の付着
直前の実験1に記載された基底浸透層を含有したマイクロアレイを窒素下にてpH8.2の0.5MトリスHCl中の100μlの20mMジチオトレイトール(DTT)と共に1時間インキュベートした。次いで、該アレイをpH6.0の50mM酢酸ナトリウムで3回洗浄した。該マイクロアレイをpH=8の5.0mlのトリス−HClに希釈した11.0mgのSA(OCM)−X−BrAcを含有する1.0mlの溶液からの0.40mlの溶液を含む溶液で処理し、3時間インキュベートした。該アレイを水で洗浄し、0.1M NaHCO3中のNH2OHの1M溶液で処理し、再度多量の水で洗浄した。400nA/パッド、2分間にて50mMヒスチジン緩衝液中の50nMのPBA−T12−BTRの電子的結合。T12−BTRを非特異的標的として用いて、同一条件下にてアドレス指定した。アドレス指定後、チップを標準的な洗浄プロトコールに付した。図24Aに示すごとく、PBA標識プローブがアドレス指定された特異的な捕捉部位(カラム1および3)は、特異的結合を示した。非常に低レベルの非特異的結合はカラム2および4に観察された。図24Aは、図24Aにおける結果の平均の棒グラフを示す。結合の全レベルは、5×107蛍光体/5000μm2パッドの範囲である。かかるレベルは、公知の先行技術の付着化学に匹敵する。
【0078】
c)実験3−シアノメチル保護サリチリックヒドロキサム酸NHSエステル(SA(OCM)−X−NHS)の付着
前記の実験1に記載された基底浸透層を含有したマイクロアレイを第一級アミンを含有するように修飾した。該アレイを窒素下にてpH8.2の0.5MトリスHCl中の10mlの20mM DTTと共に1時間インキュベートした。次に、8μlの0.5M 3−ブロモプロピルアミンを窒素下、37℃にて2時間添加した。これに続いて、0.5Mトリス−HCl中の9μlの2M DTTを添加し、30分間インキュベートし、続いて水で洗浄した。次いで、該アレイを乾燥DMFですすぎ、次いで、乾燥DMF中の80μlの25mM SA(OCM)−X−NHSで覆った。トリメチルアミン(8μl)を添加し、該アレイを室温にて2.5時間インキュベートした。次いで、該アレイを乾燥DMFで3回および水で3回洗浄した。最後に、(0.1M NaHCO3、pH8.5中の)1M NH2OHを3時間覆って、続いてチップを水中で洗浄した。
【0079】
結合アッセイは、2分間の400nA/部位を用いる50mMヒスチジン緩衝液中のPBA−T12−BTR(50nm)の電子的アドレス指定によって行った。T12−BTRを非特異的対照として用いて、同一条件下にてアドレス指定した。プローブをアドレス指定した後、該アレイを前記のごときSTE中での洗浄に付した。図3Aは付着結果を示し、ここに、特異的結合(カラム1および3)は強力であったが、非特異的結合(カラム2および4)は明らかに低かった。図3Bは、特異的および非特異的な結合間の比の棒グラフを示し、ここに、該レベルは、典型的な付着化学に匹敵した。
【0080】
かくして、前記の実験から、発明者らは、化学的付着部位が本発明の電子的にアドレス可能なマイクロアレイの浸透層の反応性中心に結合できることを示した。さらに、かかる付着は、現行の付着技術に匹敵する。発明者らが本発明の方法を用いて付着させることを所望する付着化学部位は機能的であるので、発明者らは、本発明の接合方法ならびに特異的および非特異的な活性化を用いてそれらの付着をさらにテストした。
【0081】
実施例2
この実験において、マイクロアレイ上の特定の位置にて生体分子を付着させるための化学部位は、予め形成された浸透層上に接合される。一つの具体例において、本発明のために開発された接合方法は、「スラリー」法を含む。この方法は、アクリルアミドベースのヒドロゲル浸透層上に高密度の接合活性化部位(例えば、置換されたアクリルアミドまたはメタクリルアミド単量体)を達成する。本方法において、高濃度の熱活性化されたイニシエーターを用いて、予め形成された浸透層上の接合を得る。
【0082】
好ましい具体例において、スラリーは、室温にて双方がわずかに可溶である重合イニシエーターおよび付着単量体から作成される。スラリーは、イニシエーターおよび単量体の粒子は、予め成形されたポリマー層の表面上にあるマイクロアレイの基底浸透層に適用される。次いで、温度を上昇させて、イニシエーターを活性化し、粒子を溶解させ、その結果、予め形成されたポリマー層の表面付近で局所的にイニシエーターラジカルおよび溶解した単量体を高濃度とする。単量体の付着(すなわち、接合)および単量体の重合は同時に生じ、その結果、浸透層に重合した官能基が共有結合する。このように、生体分子付着部位(すなわち、R部位)を、ポリマー層の上部領域まで主として分離し、引き続いて、下にある電極または電極の電気化学的な酸化の電気分解産物によって生じ得るいずれかの有害な効果から単離される。
【0083】
基板層上の利用可能な部位からだけに起因する付着部位を有するシステムに比較して、本発明の接合システムは、付着している生体分子についての部位の密度をかなり増加させ、結果的に非特異的な結合のための背景の減少を可能とする。
【0084】
実施例2についての実験
a)実験1
基底ヒドロゲル浸透層を、メチレン−ビスアクリルアミドで架橋したアクリルアミドを含む電子的にアドレス可能なマイクロアレイ上に形成した。基底層の形成に先立ち、下にある基板をアルゴンプラズマを用いて広範にきれいにした。基底層をUV重合を用いて作成した(90%アクリルアミド、10%ビス、DMSO/H2O(50/50の容量/容量)、0.3mg/ml D4265でのUV重合)。形成後、該アレイを70℃にて15分間乾燥させ、水ですすいで、別の時間で乾燥した。
【0085】
付着層を、10mlの20%DMSO/80%H2O中のメタクリルアミドSHA(Meth−SHA)(15mg/ml)およびAIBN(30mg/ml)を用いて接合した。該アレイは、この混合物と80℃にて1時間接触させ、続いてDMSOおよび水ですすいだ。同一反応条件を用いてSHAが存在しない対照アレイを製造した。表IVは、Meth−SHAおよびAIBNのモル%を供する。また、リストされたのは、接合したマイクロアレイを10μM PBA−ATA5−BTRに10分間曝露後に得られたプローブ密度である。
【0086】
【表6】
【0087】
b)実験2
この実験において、基底浸透層は、実験例1の前記のごとく作成した。付着層は、300μlの33%DMSO/67%水中の5mgのMeth−SHAおよび6mgのAIBNのスラリー混合物を用いて接合した。100μlのスラリーをアレイ基底浸透層に負荷し、80℃にて1時間加熱した。次いで、処理したアレイをDMSO、水ですすぎ、乾燥した。また、対照アレイを直前のごとくSHAなくして製造した。表Vは、この構築体の結果を示す。この実験において、プローブ密度は、SHAのない対照よりも約3オーダー大きい。
【0088】
【表7】
【0089】
c)実験3
基底浸透層を持つマイクロアレイを前記のごとく作成した。付着層をアレイ上に構築して、基底層への付着層の結合の性質をテストした。AIBNを用いていない対照アレイを構築した(すなわち、300μlの33%DMSO/67%水と混合した5mgのMeth−SHA、その100μlのスラリーをアレイ上に層状とし、80℃にて1時間加熱した)。SHAおよびAIBNを用いない第2の対照アレイを製造した(すなわち、100μlの33%DMSO/67%H2Oを80℃にて1時間加熱した)。表VIに示すごとく、プローブ密度は、前記の表Vに含まれているSHAおよびAIBNを含むプローブ密度に比較して非常に低い。従って、AIBNは、Meth−SHAの好結果の接合に必要である。加えて、その結果は、Meth−SHAが基底層に単に拡散するではなく、それに共有結合することを示唆する。また、この結果は、AIBNのない実験1および2において得られた非特異的な結合のレベルが真の受動的な非特異的な結合から起因し、残っているMeth−SHAのためではないことを示す。この示唆は、Meth−SHAなしおよびAIBNなしでの実験3において得られたポジティブな非特異的な結合のレベルが実験1および2でテストされたアレイに対して得られたシグナルより実際上大きいものであるという事実から導かれる。
【0090】
【表8】
【0091】
図4は、前記の実験の結果をまとめる。示されるごとく、付着レベルは、捕捉部位当り108〜109のオーダーのプローブ密度のハイブリダイゼーションを生じ得る。図4のエントリー3および4は、適用された付着化学の安定性を示す。(「SHA有り/AIBN有り/40時間浸漬後」で標識された)エントリー3は、40時間水に浸漬した後のエントリー2の平均の平均結合強度を示し、蛍光におけるわずかな損失だけを示す。次いで、エントリー4は、蛍光体での特異的なDNAに対するさらなる曝露でのシグナルの回復を示し、浸透層に対して付着システムが傷つけられないことを示す。
d)実験4
マイクロアレイは、実験1に前記されたごとき標準的な基底浸透層で覆った。次いで、それらをイニシエーターとしてAIBNを用いるブロモアセチル−プロピル−メタクリルアミド(BacMac)でスラリー接合し(5mg BacMac、80℃にて1時間)、次いで、標準条件にて激しく洗浄した。
【0092】
結合アッセイは、末端のチオール、末端のホスホロチオエート、非還元のジスルフィドで修飾したか、あるいは修飾していないBTR標識ブローブを用いて行った。該プローブは、50mM β−アラニン、30秒、および部位当り50、100、200、400および800nAの電流で捕捉部位に電子的にアドレス指定した。アドレス指定後、該アレイを0.2×STE、1%SDSおよび水で洗浄し、次いで、画像化した。図2は、非還元のジスルフィドで置換されたBTR標識T11(プローブ6a19)が結合を与えなく、置換していないBTR標識T11(RCA7)が背景だけを与え、末端チオールを有するBTR標識T11(プローブ6a19.b)が特異的付着を与えて、ホスホロチオエートで置換されたBTR標識T11(プローブ13al)が特異的な付着を与えた。特異的付着レベルは、接合重合技術から生じた潜在的な結合部位数の増加のために実施例1に示されたレベルより優れている。
【0093】
実施例3
この実施例において、マイクロアレイ上の特定の位置での生体分子の付着につての化学部位は予め形成された浸透層上に接合する。一つの具体例において、本発明につき開発された接合方法は、「溶液」方法を含む。この方法は、アクリルアミド−ベースのヒドロゲル浸透層上の高密度の接合した活性化部位(例えば、置換されたアクリルアミドまたはメタクリルアミド単量体)を達成する。この方法において、高濃度の熱活性化イニシエーターを用いて、予め形成された浸透層上の接合を得る。
【0094】
好ましい具体例において、溶液は室温にて双方が可溶性である重合イニシエーターおよび付着単量体から作成する。該溶液をマイクロアレイの基底浸透層に適用し、次いで温度を上昇させてイニシエーターを活性化させ、その結果、予め形成されたポリマー層の表面付近に局所的にイニシエーターラジカルおよび単量体を高濃度とする。単量体の付着(すなわち、接合)および単量体の重合は同時に生じる結果、浸透層に対して重合した官能基が共有結合的に付着する。このように、生体分子付着部位(すなわち、R部位)は、ポリマー層の上部領域に主に分離され、結果的に下にある電極の電気分解産物および電極での直接的な電気化学的な酸化によって生じ得るいずれかの有害な効果から単離される。
【0095】
基板層上の利用可能な部位からだけ起因する付着部位を有するシステムに比較して、本発明の接合システムは、接合している生体分子の密度をかなり増加させ、その結果、非特異的結合のための背景の減少を可能とする。
【0096】
共有結合を達成するための接合した単量体の付着は、かなりの数の方法によって開始できる。例えば、接合は、イニシエーターの熱分解(例えば、AIBN、過酸化ベンゾイル)、イニシエーターの光分解開裂(例えば、D4265のUV開始)、酸化還元反応(例えば、硫酸セリウム(IV))、電離放射線(例えば、α、β、γまたはX線)またはプラズマ開始(例えば、アルゴン、窒素、酸素)を用いることができる。さらに、接合プロセスは、反応前に活性化されなけばならない化学部位を用いてアレイの予め決定された位置に特に指向できる。
【0097】
実施例3:実験1
この実験において、基底浸透層は、前記の実施例2の実験1のごとく作成した。付着層は、300μl DMSO中の5mg Meth−SHAおよび6mg AIBNの溶液を用いて接合した。100μlの溶液をアレイ基底浸透層上に負荷し、80℃にて1時間加熱した。次いで、処理したアレイは、DMSO、水ですすぎ、乾燥した。
【0098】
図17Bは、電子的逆ドットアッセイの結果を示す棒グラフであり、ここに、該捕捉プローブは、500nA/パッドにて1分間、アドレス指定し、続いて、400nA/パッドにて2分間、特異的および非特異的なBTR標識69−mer標識アドレス指定(500pM濃度)した。画像化に先立ちチップを1%SDSおよび0.2×STEで広範囲に洗浄した。
【0099】
カラム3は、特異的標的でアドレス指定し、カラム1および5は、非特異的標的でアドレス指定して、カラム2および4はアドレス指定しないままであった。画像は、図17Aに示す前記のごときストリンジェントな洗浄後に記録した。図17Bに示すごとき棒ブラフは、7×107プローブ/パッドの特異的結合を持つBTR標識標的の特異的結合についての高い識別を示す。前記の実験の結果は、生体分子の付着についての個々の官能基ならびに他の官能基の第1層を設ける溶液接合方法の利用性を示す。
【0100】
実施例4
「プラズマ接合」方法を用いるさらなる実験を行った。この具体例において、アレイを9:1のアクリルアミド/ビス−アクリルアミド重量/重量を含む基底浸透層で被覆した。次いで、該アレイをアルゴンプラズマ(50W、100SCCM)で処理し、続いて、DMSOまたは1:1のDMSO/H2O中のいずれかのメタクリルアミド−サリチルヒトロキサム酸(MA−SHA)の溶液で5分間覆った。該アレイを水で洗浄し、乾燥させた。接合の程度は、PBA−T12−BTRプローブのポジティブまたは電子的な付着によって決定した。図5は、種々の条件下にて接合したアレイ上のPBA−T12−BTRプローブのポジティブな結合を示す。特に、これらのアレイは、該アレイが1分間のアルゴンプラズマで接合した条件下にて捕捉部位当り約2×107のプローブ密度を与えた(図5は、対応するMFI/秒レベルに対応して示す)。図6は、2分間のアルゴンプラズマで接合したアレイに対する種々の電子的アドレス指定条件に続いてのプローブの結合を示す。捕捉部位当り1×107プローブにて電子的にアドレス指定されたアレイについての付着レベル(200nA、30秒間にて電子的なバイアスをかけた)。比較すると、スラリー接合は、部位当り2×108プローブの範囲の付着レベルを与えた。
【0101】
実施例5
この実施例において、官能基との付着に先立って活性化されなけばならない活性中心Rを有する浸透層を形成する。加えて、本実施例は、官能基の結合が該アレイの捕捉部位だけに生じるような電子的なバイアスを用いて特異的な付着を行う能力を提供する。
【0102】
基底浸透層は、塩酸3−アミノプロピルメタクリルアミド(APMA)メチレンビス−アクリルアミド(BIS)およびアクリルアミド(Am)の水溶液(30%固体)から、各々、5−5−90のモル%比を用いて製作した。N,N,N',N'−テトラメチルエチレンンジアミンを0.2容量/容量%にて、続いて、0.2容量/容量%の単量体混合物に対して最終濃度にて0.5g/mlの過硫酸アンモニウムを添加した。この溶液の7.5μlを従前にシラン化(3−トリメトキシシリルプロピルメタクリレートまたはTMSPM)した電子的にアドレス可能なマイクロチップのアレイ上に置き、次いで、(Cleveland OhioのBlue Coal-Slick 50社によって製造されたRain-XTMのごとき)疎水性シリコーン溶液で従前に処理したカバーガラス片で覆った。該単量体溶液は、室温にて90分間重合させた。被覆したマイクロチップをカバー片から取り出し、よく洗浄して、残りの単量体を除去した。遊離アミンを持つ被覆したマイクロチップをDMSO中の1.5mg/mlの4−(Nヒドロキシスクシンイミジル)−4−メルカプト−(メチルエステル)フタネート(SATP)および0.1MのpH7.5のリン酸緩衝液の溶液と反応させた。一晩反応させた後、該マイクロチップを緩衝液、DMSOおよび水で洗浄して、未結合のSATPを除去した。SATPとアミンとの反応は、チオエステル、ゆえに浸透層の誘導体化を与えた。そのチオエステル官能基は、高または低pH条件に対してさらに曝露した(すなわち、活性化)後、遊離チオールを含む能力を持つ浸透層表面を提供した。図7は、遊離チオール生成の反応図式を示す。
【0103】
チオエステルの活性化を正または負のバイアスのいずれかを用いて特異的な微小電極位置(すなわち、捕捉部位)にバイアスをかけることによって達成した。しかしながら、pH変化が電極上で局在化したままであることを保証するために、適当な緩衝液システムをバイアス条件の間に選択した。緩衝条件が余りも強いならば、電極上のpH変化は、最小化または消失しかねず、それによって、官能基の活性化を妨げる。また、緩衝液が余りも弱いならば、pH変化は局在化せず、捕捉部位の位置の範囲を超えて浸透層の活性化を可能とする。加えて、適当な電流をバイアス手順の間に選択した。余りにも小さな電流は、チオエステル結合を加水分解するのに必要とされる十分なpH変化を生成しないであろう。また、電流が余りにも大きいならば、緩衝液は、pH変化を局在化するのを保つたための困難な時間を有するであろう。
【0104】
この実施例において、3つの緩衝液条件を比較した。1つの実験において、緩衝液は、pH6.8の0.1Mリン酸ナトリウム、1mMトリエチルアミンを含有した。捕捉部位(直径80μm)を位置当り600nAの電流にて1分間バイアスをかけた。3'Hex蛍光体および5'ヨードアセトアミドを有した、チオール反応性官能基の20塩基のヌクレオチドをpH7.5の0.1Mリン酸ナトリウム水溶液、1mM EDTA中の20μM溶液として調製した。次いで、DNAオリゴマーを活性化したマイクロチップ浸透層と受動的に反応させた。緩衝液と水で何回かチップを洗浄後、チップを表面蛍光顕微鏡(epifluorescence micro-scope)下にて画像化した。図8に示すごとく、Hex標識DNAは、600nA/パッドを用いて付着部位にバイアスをかけた場合、背景を超える非常に高い比まで捕捉パッドに付着した。この結果は、適当な緩衝液系についての必要性およびチオエステル開裂および引き続いての官能基付着のための適当なpH変化を生成するのに必要な電流レベルに対する感度を示す。これらの試験に用いた電流での非リン酸緩衝液は、捕捉部位にて局所pHに対する有用な効果を供しなかった。
【0105】
図9は、特定の捕捉部位で付着したチオール基を有したおよび標識されたオリゴマーと反応したマイクロチップをさらに処理して、未反応チオール基がキャッピング部位の使用を介して不活性となり、それによって、マイクロチップ捕捉部位の特異性をさらに増強するこの例のもう一つの具体例を示す。
【0106】
さらに、この例によって用いることができる活性化を必要とする基には、アセタール、ケタール、イミン、TBOC、FMOC、トリチル、トリフルオロアセトアミド、他のエステルのごとき様々な酸不安定部位、および除去または加水分解できる部位が含まれる。この具体例に有用な基底不安定部位には、除去または加水分解できるエステル、アミド、置換されたリン酸塩、トシル、メシル、トリフレートおよびβ−シアノエチル部位が含まれる。
【0107】
また、活性化を必要とする部位を用いて、蛋白質固有の部位または選択された部位を付加する修飾を介して、酵素のごとき蛋白質を特異的に付着できる。
【0108】
実施例6
この実施例において、反応性中心Rが誘導体化された生体分子の付着に先立ち活性化しなければならない具体例を供する。この実施例は、官能基のPおよびR部位が生体分子を付着する所望の方法に依存して変更できる。
【0109】
アセタール部位は、活性化される場合、アルデヒド基が非捕捉部位アレイ表面を除外して捕捉部位上に特異的に形成されるようにヒドロゲル形成に組込まれる。アセタール基の使用は、様々な条件下にて反応でき、それによって捕捉部位で生体分子を付着するための様々な化学試薬および変形の使用を可能とする官能基を供する。例えば、アルデヒド反応性基とヒドラジドとの反応は、酸化リボース末端オリゴヌクレオチドの付着を可能とする。もう一つの例は、アルデヒドとアミン末端オリゴヌクレオチドとの直接的反応である。また、同様に、ビオチン化オリゴヌクレオチドに結合するために、アルデヒドと、ストレプトアビジンのごとき蛋白質のアミン基とを反応できる。
【0110】
この具体例において、アセタール部位を含む反応性中心Rをヒドロゲル形成に組込み、アセタール機能性を含む浸透層を得る。このアセタール機能性を活性化し、アセタール基の電気化学的に生じた酸加水分解を介してアルデヒド機能性に変換できる。水の電気化学的な酸化を用いて、アセタールを加水分解するのに必要な酸性条件を生成する。次いで、アルデヒド基を用い、ジヒドラジン、アミン末端オリゴヌクレオチドならびにビオチン化したオリゴヌクレオチドおよびストレプトアビジンを含む酸化リボースオリゴヌクレオチドの使用のごとき様々な付着反応図式によってP−X−R官能基を用いて、オリゴヌクレオチドのごとき生体分子を浸透層に結合する。
【0111】
特に、この実施例で用いたごときアセタール単量体(3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン、および2−ビニル−1,3−ジオキソラン)を架橋したアクリルアミドヒドロゲル中の共重合体によって浸透層マトリックスに組込んだ。その結果は、アセタール機能性を含むアレイ上に覆ったヒドロゲルである。アセタール基は、引き続いて電気化学的に生成した酸を介してアルデヒド基に加水分解した。加水分解に必要な低pHは、0.1M KCl溶液中の水の電気化学的酸化によって生成する。次いで、アルデヒドは、P−X−R官能基、結果的にオリゴヌクレオチド生体分子についての付着部位として用いた。
【0112】
3つの付着反応図式を評価した。反応図式1において、アルデヒドは、アジピン酸の(adipic)ジヒドラジドでの反応、続いて、酸化リボース末端オリゴヌクレオチドでの処理を介してヒドラジドに変換した。アセタールは、共重合した2−ビニル−1,3−ジオキソランを介して誘導した。反応図式2において、アルデヒドをアミン末端オリゴヌクレオチドと反応させた。この場合、アセタールは、2−ビニル−1,3−ジオキソランの共重合を介して誘導した。反応図式3において、アルデヒドをストレプトアビジン(S)上のアミン基と反応させ、引き続いて、ビオチン化オリゴヌクレオチドに付着させた。この反応図式を架橋アクリルアミドヒドロゲル上で用い、2−ビニル−1,3−ジオキソランまたは3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカンのいずれかと接合した。これらの反応図式の特定の詳細を以下に提供する(図10参照)。これらの反応図式における異なる官能基の使用は、アセタール機能性が式P−X−Rの異なる官能基に一般的であることを示す。さらに、それは、付着が注目する特異的部位に対して制御できることを示す。
【0113】
実施例6 実験
a)反応図式1
92.5%アクリルアミド、5%メチレン−ビスアクリルアミドおよび2.5%3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカンを含有するヒドロゲル基底浸透層を作成した。(30%固体)ヒドロゲルで覆ったマイクロアレイを、ヒドロゲル層の重合に先立ちアルゴンプラズマ(10分間)を用いて広範囲にきれいにした。重合をUVイニシエーターとして3mg/mlのVAO44の添加およびUV光への曝露によって開始した。65℃での10分間の引き続いての加熱を用いて、完全な硬化を保証した。DMSO/H2O(50/50 容量/容量)を溶媒として用いた。
【0114】
マイクロアレイは、5捕捉部位毎に5行を含んだ。行1、3および5は、0.1M KCl中で600nA/部位にて2分間バイアスをかけ、水で完全にすすいだ。次いで、マイクロアレイを32mg/mlのアジピックジヒドラジドを含有する1mlの0.1Mリン酸塩に1.5時間浸漬した。水でのすすぎを介した後、アレイをpH7.4の0.1Mリン酸緩衝液中で10μM酸化リボ−U ATA5で20分間インキュベートした。アレイを0.2×STE/1%SDSですすぎ、次いで、0.2×STEですすいで、いずれの酸化リボ−U ATA5も除去した。次いで、アレイをpH7.4の0.1Mリン酸/50mM NaCl緩衝液中のBodipy−Texas Redで標識した10μM RCA5で20分間インキュベートした。(ATA5およびRCA5は相互の完全相補体である)ハイブリダイゼーション後に、該アレイを0.2×STE/1%SDSですすぎ、次いで、0.2×STEですすいで、Bodipy−Texas Redで標識したいずれのRCA5も除去した。
【0115】
3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカンは、低pHに曝露した場合にアルデヒドを形成するアセタール含有化合物である。0.1M KCl中の600nA/部位での2分間の特異的部位のバイアスは、適当なレベルのプロトンを生成し、アセタール基を加水分解した。次いで、これらのアルデヒド基は、P−X−R官能基(すなわち、アジピンジヒドラジド)と反応させ、正にバイアスをかけた捕捉部位だけにアルデヒドを付着させた。酸化したATA5オリゴ(すなわち、誘導体化した生体分子)は、ジアルデヒド基を有し、次いで、それをR部位ヒドラジドと反応させた。図11は、選択された部位での特異的活性化、または特異的な活性化なくして(すなわち、非特異的結合)に続いてのATA5への標識した生体分子のRCA5−BTRの付着結果を示す。ハイブリダイゼーションは、部位当り600nAにて2分間の正のバイアスの特異的活性化を用いた場合、背景を超えて引き起こされた。
【0116】
b)反応図式2
この具体例において、ヒドロゲル基底浸透層は、85%アクリルアミド、5%メチレン−ビスアルキルアミドおよび5%の2−ビニル−1,3−ジオキソランよりなった。マイクロアレイを、ヒドロゲル層の重合に先立ちアルゴンプラズマ(10分間)を用いて広範囲にきれいにした。重合をイニシエーターとして、0.3mg/mlのD4265の添加によって開始し、UV光に曝露した。70℃までの30分間の引き続いての加熱を用いて、硬化を保証した。DMSO/H2O(50/50の容量/容量)を溶媒として用いた。
【0117】
図12は、生体分子の特異的付着の結果を示す棒グラフであり、ここに、選択された捕捉部位は0.1M KCl中で600nA/捕捉部位にて2分間バイアスをかけてR部位アセタールをアルデヒドに活性した。活性化後、アレイを水で完全にすすいだ。次いで、マイクロアレイをTexas Redで標識した10μMのアミン末端ATA7を含有するpH8の0.1Mリン酸緩衝液の50μlの溶液で被覆した。30分間インキュベートした後、マイクロアレイを0.2×STE/1%SDSですすぎ、次いで、0.2×STEですすいで、いずれの未結合のアミン末端Texas Red標識のATA7も除去した。
【0118】
図12によって示すごとく、付着は、600nA/捕捉部位にて2分間バイアスをかけた電極だけに生じた。付着レベルは、部位当り約107プローブであった。この例は、アセタール基の電気化学的に生成した酸加水分解によって形成されたアルデヒド基へのアミン末端オリゴヌクレオチドの直接的な付着を示した。
【0119】
c)反応図式3
この具体例において、基底浸透層は、90%アクリルアミドおよび10%メチレン−ビスアクリルアミドよりなった(1/1のDMSO/H2O中30重量%)。D4265をUVイニシエーターとして用いて、試料をUV光に曝露した。アレイを60℃にて1時間硬化させ、すすぎ、次いで60℃にて乾燥させた。
【0120】
この例において、ビニルアセタール部位は、第1のP−X−R官能基[式中、Pはビニルであり、Xは化学結合であって、Rはアセタールである]を含むと考えることができる。該アセタール部位は、アルケン部位の重合を通じる「スラリー」接合を介して浸透層の反応性中心に結合された。この重合プロセスは、スラリー接合法の適用可能性を例示する。
【0121】
スラリーアプローチは、イニシエーターおよび官能基が室温にて不完全に可溶であり、かくして、イニシエーターおよび官能基のスラリーを創製する溶媒系を用いる。イニシエーターおよび官能基の粒子は、浸透基底層の表面の表面上外に位置する。90℃までの温度の増加に際して、イニシエーターは、反応性となり、スラリーの成分を溶解させて、予め形成されたポリマー基底層の表面付近に局所的に高濃度の官能基およびイニシエーターを生じる。この結果、ヒドロゲルへの官能基の付着部位Pの共有結合を生じる。この実施例において、アセタール単量体は、等重量のビニルアセタールおよびイニシエーターとして機能するAIBNを用いて浸透層上に接合した。5mgの単量体およびAIBNは、100μlDMSOに溶解させ、次いで、200μlの水の添加でスラリーとした。接合は、マイクロアレイ表面上への50μlのスラリーの添加および90℃での1時間インキュベートし、続いて、多量のDMSOおよび水での洗浄によって達成された。
【0122】
第2のP−X−R官能基[式中、Pがアミンであり、Xが化学結合であって、Rがストレプトアビジンである]をストレプトアビジンの形態にて添加した。この官能基を電気的脱保護(0.1M KCl中の300nA/捕捉部位、45〜60秒)の後に(この場合、R部位はアルデヒドを含む)活性化部位に結合した。この工程は、アセタール基の電気化学的に生じた酸性加水分解を引き起こし、注目する捕捉部位の直上にアルデヒドを形成した。ストレプトアビジン官能基(1mg/ml)を1時間受動的に適用し、続いて今後はシアノ水素化ホウ素ナトリウムで洗浄した(1時間)。
【0123】
前記工程は、テストマイクロアレイ上で行われ、ここに、カラム1〜4はアセタールで接合し、活性化してアルデヒド部位を生成し、官能基ストレプトアビジンを付加した。カラム5は、非特異的付着を調べるためのアセタール表面として残した。カラム1および3は、電極当り400nAにて2分間Bodipy Texas Redで標識した50nMのビオチン化T12で電子的にアドレス指定した。カラム2および4は、Bodipy Texas Redで標識した50nMのビオチン化していないT12で電子的にアドレス指定した。かくして、カラム1および3は特異的な付着を提供し、一方、カラム2および4は非特異的な付着を提供した。次いで、該マイクロアレイを少なくとも10分間0.2×STE、1%SDS中で洗浄し、すすぎ、さらに10分間0.2×STEに浸漬した。最後に、該アレイを水中ですすぎ、ヒスチジン緩衝液中で画像化した。
【0124】
図13は、全アレイが10μM溶液としてのビオチンT12−BTRに1時間曝露させた前記の製作したマイクロアレイの結果を示す。示されるごとく、結合は、カラム1〜4にて生じたが、カラム5では生じなく、すなわち、結合は、特異的に活性化された部位だけに生じた。
【0125】
図14において、アレイは、前記ごとく製造したが、カラム1および3は300nA/部位にて30秒間活性化し、一方、カラム3および4は60秒間曝露させた。活性化後、アレイをストレプトアビジンと反応させ、カラム1および3上の特定の部位で電子的にアドレス指定し、カラム2および4は、非特異的なプローブ(ビオチン化していないオリゴ)でアドレス指定した。捕捉部位の蛍光分析は、電子的な活性化の量の指標が官能基の結合に重要であることを提供した。示されるごとく、カラム1はカラム3と比較して蛍光強度を有さず、これはカラム1の部位上のストレプトアビジンの欠如を示す。かくして、用いた条件下での活性化の時間は、カラム1部位にて完全な活性化を供するのに十分ではなかった。カラム1、2および4に記録された蛍光値が図14に示すごとき同様の数値を有することは興味深い。カラム4に用いたオリゴがストレプトアビジンに結合するためのビオチンを欠くが、カラム1および2が十分なストレプトアビジンを欠くという事実は、非特異性が、部分的に、多孔性浸透層中へのオリゴを駆動する電流のためであり得ることを示唆する。
【0126】
非特異的な結合をさらにテストするために、アレイを前記のごとく調製した。カラム1および3はビオチンT12−BTRでアドレス指定し、続いて50mMヒスチジン緩衝液でアレイを洗浄し、今度はカラム2および4をビオチン化されていないプローブでアドレス指定した。図15に示されたごとく、非特異的結合に対する特異的結合は非常に明確であった。いくらかの背景がカラム2および4で観察されたという事実は、図16に示されたさらなる研究をまだ刺激し、ここに、ビオチンT12−BTRをカラム1、3および5にアドレス指定し、洗浄し、画像化した。示すごとく、カラム1および3は、期待されたごとくハイブリダイズされ、一方、今まで活性化されなかったカラム5は限界背景を示した。これらのデータは、受動的な結合およびオリゴ捕捉の双方が起こり、限界レベルの背景を生じることを示唆する。
【0127】
前記の実験の結果は、個々の官能基(すなわち、アセタール)の一次層の下にあり、および第2の官能基層(すなわち、ストレプトアビジン部位)を結合するスラリー接合方法の利用性を示す。加えて、その結果は、緩衝液中の電気化学的に発生したpH変化を用いるマイクロアレイ上の特に選択された部位にて活性化機能性部位の利用性を示す。さらに、ヒドロゲルポリマー浸透層への官能基の接合およびオリゴヌクレオチドの電子的なアドレス指定は、特異的および非特異的な付着のレベルに対する情報を提供する。さらに、2−ビニル−1,3−ジオキソランまたは3,9−ジビニル−2,4,8,10−テトラオキサスピロ[5,5]ウンデカン官能基では、特異的な電子的な付着密度は、部位当り108プローブのオーダーにあり、一方、非特異的なものは10ないし100倍小さかった。
【0128】
前記は、本発明の具体例の例示であることを意図し、何ら本発明を限定するものではない。本発明は、特定の修飾に関して記載されているが、種々の同等物、変更および修飾はその精神および範囲から逸脱することなく行うことができ、かかる同等な具体例は本明細書に含まれるべきものであると理解されるので、その詳細は限定として構築されるものではない。個々の各刊行物または特許出願は、特におよび個々に示されて、出典明示して本明細書の一部とみなされるような同一の範囲まで出典明示して本明細書の一部とみなす。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1Aおよび1Bは、アレイ表面上のマレイミドの付着後のプローブ付着密度の結果を示す。図1Aは、カラム2および4が特異的結合につき二連であり、一方、カラム3および5は、非特異的結合につき二連である。カラム1は、標識プローブがアドレス指定されていないゼロ結合対照である。図1Bは、MFI/秒で表された特異的結合と非特異的結合との間の相対的な差を示す棒グラフである。このレベルは、1×107の結合密度に対応する。
【図2】 図2は、ブロモ−アセトプロピルメタクリルアミド付着層を持つ基底浸透層(30%の9:1のアクリルアミド/N,N'−メチレンビスアクリルアミド比)がプローブでアドレス指定された実験の結果を示す棒グラフである。プローブオリゴは、500nMで存在し、β−アラニンは50mMにて存在した。アドレス指定時間は30秒間であって、該アレイを検出に先立ち0.2×STEおよび1%SDSで洗浄した。
【図3】 図3Aおよび3Bは、拘束されたアミンまたはアミンエステルとのアクリレートエステルの重合に続いてのプローブ付着密度の結果である。図3Aは、カラム1および3が二連の特異的結合であり、一方、カラム2および4が二連の非特異的結合である顕微鏡写真である。図3Bは、特異的および特異的な結合の相対強度を示す。強度は、行1から行5までの光強度勾配の増加のために、行1から行5まで増加している。
【図4】 図4は、スラリー接合技術を用いる接合実験の結果を示す棒グラフである。
【図5】 図5は、種々のプラズマ接合条件を使用するプラズマ接合方法に続いてのプローブの受動的付着を示す棒グラフである。
【図6】 図6は、プラズマ接合方法に続いてのプローブの電子的付着を示す棒グラフである。該グラフは、種々のアドレス指定条件下にてプローブ結合レベルを示す。
【図7】 高または低pHのいずれかによるチオエステル開裂は活性化したチオール基を与え、今度はそれが生体分子を付着するための化学部位に結合できるか、あるいはポリマーを付着するための化学部位に結合できる。
【図8】 図8は、官能基付着を援助するための電子的に発生したpH変化に続いて捕捉部位にて標識したDNAオリゴマーのその検出または欠如を示す棒グラフである。該グラフは、3つの異なる緩衝液を用い、200、400および600nAにて1分間バイアスをかける付着の結果を示す。用いた緩衝液は、pH6.8の0.1M NaPO4/トリエチルアミン;モルホリノエタンスルホン酸;および酢酸ナトリウムであった。
【図9】 図9は、捕捉部位(マイクロロケーション)にてチオエステルの特異的活性化に続いてかかる捕捉部位だけにて生体分子を特異的に結合し、非捕捉部位の位置にて未反応基をキャッピングすることを示す模式図である。この図において、付着化学には、高密度の生体分子付着の付着を達成するための非電子的付着および特異的な電子的バイアスの双方の使用が含まれた。
【図10】 図10は、アセタール反応性中心を使用する異なる付着反応図式についての3つの反応性配列を示す。
【図11】 図11は、アセタール基を含む特異的捕捉部位が活性化された具体例(図10の反応図式1)からの結果を示す棒グラフである。
【図12】 図12は、特異的捕捉部位が活性化された具体例(図10の反応図式2)からの結果を示す棒グラフである。
【図13〜16】 図13ないし16は、特異的活性化の種々の結果および標識プローブの結合(図10の反応図式3)を示す顕微鏡写真である。図13は、電子的に脱保護したパッド上の受動的付着を特に示す。図14は、アルデヒドへのアセタールの十分な脱保護のために必要な電子条件を示す。図15および16は、脱保護されたアセタール部位上の標識捕捉分子の特異的および非特異的な付着を示す。
【図17】 図17Aおよび17Bは、SHAメタクリルアミド誘導体の溶液接合に続いてのプローブ付着密度の結果を示す。図17Aは、カラム3が特異的結合であるが、カラム1および5が二連の非特異的結合である顕微鏡写真である。図17Bは、特異的および非特異的な結合の相対強度を示す。
【図18】 図18は、P、XおよびR部位の例を示す。これらはいずれの組合せでも混合および対合できる。
【図19および20】 図19および20は、浸透層へのP−X−R基の付加の種々の変更の模式的ダイアグラムを示す。図20は、図19より詳細な化学構造を示す。
【図21】 図21は、メタクリルアミドがPであり、Xが化学結合であって、RがSHAである式P−X−Rの官能基の付着化学の一形態を示す。
【図22】 図22Aは、スラリー接合についての反応図式を示し、ここに、イニシエーターAIBNは、基底層上の溶液から析出し、一方、メタクリルアミド単量体を含む官能基が共沈し、該表面上の溶液中に部分的に残っている。加熱および/またはUV照射のいずれかを使用して、AIBN形成の反応性遊離ラジカルを反応させる。該遊離ラジカルは、ポリマーについての付着部位を供する基底浸透層マトリックスから水素を取り除く。
図22Bは、図22Aに示されたプロセスについての化学的メカニズムの詳細を示す。
【図23】 図23は、求核性ヒドラジド修飾した基底浸透層を強力な親電子物質のアクリロイル−NHSエステルに曝露する本発明の具体例を示す。反応に際して、アクリロイル基は浸透層に固定され、重合されるであろう。
【図24】 図24Aおよび24Bは、先行技術において記載された方法のごときブロモアセトアミド結合を介するSHAの付着に続いてのプローブ付着密度の結果を示す。図24Aは、カラム1および3が特異的結合であるが、カラム2および4が非特異的結合である顕微鏡写真である。カラム5はアドレス指定されていない。図24Bは、特異的および非特異的な結合の相対強度を示す。
Claims (35)
- 基板上に形成された複数の電子的にプログラム可能なマイクロロケーションを含む電子的にアドレス可能なマイクロアレイであって、該マイクロロケーションの各々は作用微小電極を含み、少なくともいくつかの微小電極は官能基のポリマーが少なくとも1つその上に接合された浸透層で覆われており、各官能基は式P-X-R:
[式中、Pは浸透層のモノマー単位およびここに定義されるもう1つの同一または異なるP-X-R基よりなる群から選択された1もしくは2の部位と共有結合した重合可能な部位であり;
Xは、共有結合、あるいは1〜10個の炭素原子のアルキル基、2〜10個の炭素原子のアルケニル基、アルキルエステル、ケトン、アミド、エーテル、チオエステル、アミド基およびカルボニルまたはそのいずれかの組合せから選択されるリンカーであり;
Rは、生体分子または誘導体化された生体分子を共有結合的または非共有結合的のいずれかで付着させるか、あるいは、ここに定義されるさらなる同一または異なるP-X-R基を共有結合的に付着させるための官能基であり;
該少なくとも1つのポリマーの各々の該R部位の少なくとも1つは、生体分子または誘導体化された生体分子を共有結合的または非共有結合的のいずれかで付着させるための官能基である]
を有することを特徴とする該マイクロアレイ。 - 該少なくとも1つのポリマーの各々の1つのP-X-R基のP部位が該ポリマーのもう1つのP-X-R基のP部位に共有結合している請求項1記載のマイクロアレイ。
- 該もう1つのP-X-R基が、その骨格がお互いに共有結合している複数のP-X-R基のP部位を含んでいるポリマーの一部である、請求項2記載のマイクロアレイ。
- ポリマー内の該P-X-R基の各々1つのPおよび/またはR部位が同一である、請求項3記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々の1つのP-X-R基のR部位が該ポリマーのもう1つのP-X-R基のP部位と結合している、請求項1記載のマイクロアレイ。
- 該もう1つのP-X-R基が、その骨格がお互いに共有結合している複数のP部位を含むポリマーの一部である、請求項5記載のマイクロアレイ。
- ポリマー内の該P-X-R基の各々1つのPおよび/またはR部位が同一である、請求項6記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々の1つのP-X-R基のP部位は浸透層マトリックスと、および該ポリマーのもう1つのP-X-R基のP部位と共有結合し、該もう1つのP-X-R基の該P部位は該ポリマーのさらなるP-X-R基のP部位とさらに共有結合している、請求項1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々の1つのP-X-R基のP部位は浸透層マトリックスと共有結合し、および該P-X-R基のR部位は該ポリマーのもう1つのP-X-R基のP部位と共有結合し、該もう1つのP-X-R基の該P部位は該ポリマーのさらなるP-X-R基のP部位とさらに共有結合している、請求項1記載のマイクロアレイ。
- 浸透層はアクリルアミド、ビスアクリルアミド、メタクリルアミド、N−アルキルアクリルアミド、機能化したエチレングリコール誘導体、N−ビニルピロリジノン、ビス−シスタミン、アクリレート、メタクリレート、およびアクリロニトリルよりなる群から選択される単量体から重合されたポリマーを含む、請求項1ないし9いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該生体分子が、ビニル、アリル、ホモアリル、アセタール、エステル、カルボン酸、アミド、ハロ−アセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、チオエステル、ジスルフィド、アルデヒド、ケトン、ヒドラジド、ヒドラジンまたはアミンから選択される化学部位で誘導体化された、請求項1ないし10いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のP部位の少なくとも1つが、アルケニル、α,β不飽和カルボニル、ビニル、アリルまたはホモアリル部位から選択される、請求項1ないし11のいずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のP部位の少なくとも1つが、アセタール、エポキシド、エステル、カルボン酸、アミド、ハロ−アセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、チオエステル、ジスルフィド、アルデヒド、ケトン、ヒドラジド、ヒドラジンまたはアミン部位から選択される、請求項1ないし11いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つが、共有結合、ストレプトアビジン、ストレプトアビジンの部分、ビオチン、フェニルボロン酸、サリチリックヒドロキサム酸、ビニル、アリル、ホモアリル、アセタール、エステル、カルボン酸、アミド、ハロ−アセトアミド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、チオエステル、ジスルフィド、アルデヒド、ケトン、ヒドラジド、ヒドラジンまたはアミン部位から選択される、請求項1ないし13いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つが、ストレプトアビジン、ストレプトアビジンの部分、またはビオチンから選択される、請求項1ないし13いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つが、アルデヒド、ケトン、アミン、ヒドラジン、ヒドラジド、ハロアセトアミド、エポキシド、チオール、ホスホロチオレートモノエステル、またはエステル部位から選択される、請求項1ないし13いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つが、フェニルボロン酸またはサリチリックヒドロキサム酸から選択される、請求項14記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つが、ジスルフィド、チオエステル、第三級炭素、アルケン、アルキルエーテル、アセタールまたはカルボン酸から選択される、請求項1ないし13いずれか1記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つがチオエステル部位である、請求項18記載のマイクロアレイ。
- 該少なくとも1つのポリマーの各々のR部位の少なくとも1つがアセタール部位である、請求項18記載のマイクロアレイ。
- 該P-X-R基のR部位が同一である、請求項1ないし4および8いずれか1記載のマイクロアレイ。
- Rが該誘導体化された生体分子またはさらなるP-X-R基のいずれかを結合するための化学反応に関与するのに先立った活性化段階を必要とする部位である、請求項1ないし13いずれか1記載のマイクロアレイ。
- Rが塩基性または酸性条件のどちらかによる活性化を必要とする請求項22記載のマイクロアレイ。
- 酸性もしくは塩基性条件が、該マイクロアレイを適切なpHの緩衝液に接触させる、pHを変更するために電位をマイクロアレイの該微小電極の少なくとも1つに印加する、または両者の組合せから選択された方法によって作り出される、請求項23記載のマイクロアレイ。
- 請求項1ないし24いずれか1記載の電子的にアドレス可能なマイクロアレイ上に生体分子のマイクロアレイを作成する方法であって、P-X-R基のR部位を該生体分子と接触させることを含み、該生体分子の各々は、該R部位に共有結合的または非共有結合的のいずれかで結合することができる部位を有することを特徴とする、該方法。
- 請求項22記載の電子的にアドレス可能なマイクロアレイ上に誘導体化生体分子のマイクロアレイを作成する方法であって、
a.該官能基のポリマーの各々のR部位の1以上が該誘導体化された生体分子に結合するように、P-X-R基のR部位を活性化し;
b.該誘導体化生体分子と(a)の活性化されたR部位を接触させることを特徴とする該方法。 - R部位が、反応性チオールを形成するように活性化されたチオエステル部位である請求項26記載の方法。
- R部位が、アルデヒドを形成するように活性化されたアセタール部位である請求項26記載の方法。
- 基板上に形成された複数の電子的にプログラム可能なマイクロロケーションを含む電子的にアドレス可能なマイクロアレイであって、該マイクロロケーションの各々は作用微小電極を含み、少なくともいくつかの微小電極は官能基のポリマーが少なくとも1つその上に接合された浸透層で覆われており、各官能基は式P-X-R:
[式中、Pは浸透層のモノマー単位およびここに定義されるもう1つの同一または異なるP-X-R基よりなる群から選択された1もしくは2の部位と共有結合した重合可能な部位であり;
Xは、共有結合、あるいは1〜10個の炭素原子のアルキル基、2〜10個の炭素原子のアルケニル基、アルキルエステル、ケトン、アミド、エーテル、チオエステル、アミド基およびカルボニルまたはそのいずれかの組合せから選択されるリンカーであり;
Rは、生体分子または誘導体化された生体分子を共有結合的または非共有結合的のいずれかで付着させるか、あるいは、ここに定義されるさらなる同一または異なるP-X-R基を共有結合的に付着させるための官能基であり;
該少なくとも1つのポリマーの各々の該R部位の少なくとも1つは、生体分子または誘導体化された生体分子を共有結合的または非共有結合的のいずれかで付着させるための官能基である]
を有することを特徴とする該マイクロアレイを作成する方法であって、
a)該浸透層と、重合イニシエーターおよび式P-X-Rを有する重合可能な単量体を含む接合用スラリーとを接触させ、;次いで
b)単量体の重合を開始し、それによりP−X−R基は共有結合的に浸透層の分子マトリックス上に接合されることを特徴とする該方法。 - さらに、接合基のR部位と、該R部位に結合することができる誘導体化生体分子を接触させることを含む請求項29記載の方法。
- 重合イニシエーターがAIBN、過硫酸アンモニウムおよびTEMED、過酸化ベンゾイル、D4265、硫酸セリウム(IV)、または電磁波照射によって活性化可能なイニシエーターから選択される請求項29記載の方法。
- 該浸透層がヒドロゲルである請求項29記載の方法。
- ヒドロゲルが重合したアクリルアミドを含む請求項32記載の方法。
- Pがアルケニル部位、α,β−不飽和カルボニル、ビニル、アリルおよびホモアリル基から選択される請求項29記載の方法。
- Rが、生体分子と結合するのに先立って活性化されなければならない部位である請求項29記載の方法。
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