JP5629306B2 - 生物由来の生理活性物質の測定方法及び測定用試薬キット - Google Patents

生物由来の生理活性物質の測定方法及び測定用試薬キット Download PDF

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Description

本発明は、エンドトキシンやβ−D−グルカンなど、カブトガニの血球抽出物であるLALとの反応によってゲル化する特性を有する生物由来の生理活性物質を含有する試料において、前記生理活性物質を検出しまたはその濃度を測定するための測定方法及び、同検出または濃度測定に用いられる試薬キットに関する。
エンドトキシンはグラム陰性菌の細胞壁に存在するリポ多糖であり、最も代表的な発熱性物質である。このエンドトキシンに汚染された輸液、注射薬剤、血液などが人体に入ると、発熱やショックなどの重篤な副作用を惹起するおそれがある。このため、上記の薬剤などは、エンドトキシンにより汚染されることが無いように管理することが義務付けられている。
ところで、カブトガニの血球抽出物(以下、「LAL : Limulus amoebocyte lysate」ともいう。)の中には、エンドトキシンによって活性化されるセリンプロテアーゼが存在する。そして、LALとエンドトキシンとが反応する際には、エンドトキシンの量に応じて活性化されたセリンプロテアーゼによる酵素カスケードによって、LAL中に存在するコアギュロゲンがコアギュリンへと加水分解されて会合し、不溶性のゲルが生成される。このLALの特性を用いて、エンドトキシンを高感度に検出することが可能である。
また、β−D−グルカンは真菌に特徴的な細胞膜を構成しているポリサッカライド(多糖体)である。β−D−グルカンを測定することにより、カンジダやアスペルギルス、クリプトコッカスのような一般の臨床でよく見られる真菌のみならず、稀な真菌も含む広範囲において真菌感染症のスクリーニングなどが可能となる。β−D−グルカンの測定においても、カブトガニの血球抽出成分がβ−D−グルカンによって凝固(ゲル凝固)する特性を利用して、β−D−グルカンを高感度に検出することが可能となっている。
上記したエンドトキシンやβ−D−グルカンなどの、カブトガニの血球抽出成分によって検出可能な生物由来の生理活性物質(以下、所定生理活性物質ともいう)の検出または濃度測定(以下、これを単に所定生理活性物質の測定ともいう。)を行う方法としては、LALと混和した試料を静置し、一定時間後に容器を転倒させて、試料の垂れ落ちの有無により試料がゲル化したかどうかを判定し、試料に一定濃度以上の所定生理活性物質が含まれるか否かを調べる半定量的なゲル化法がある。また、所定生理活性物質の別の高感度な定量法として、LALと所定生理活性物質との反応によるゲルの生成に伴う試料の濁りを経時的に計測して解析する比濁法(試料を攪拌しながら濁りを計測する攪拌比濁法を含む。)や、酵素カスケードにより加水分解されて発色する合成基質を用いる比色法などがある。
上記の定量法のうち比濁法は、低濃度の所定生理活性物質を作用させたときには、活性化される酵素が少ないためゲルの生成が検出されるまでに非常に長い反応時間を要する場合があった。一方比色法は、試料の濁り(血脂質など)や混入する色素(溶血によるヘモグロビンなど)の影響を受け易いという不都合があった。これらのことから、特に、救急時における患者の血液中の所定生理活性物質の測定や、人工透析時の透析液や血液中の所定生理活性物質の測定には、上記の比濁法や比色法は必ずしも最適な方法とは言えなかった。
また、LALと所定生理活性物質とを混和した試料を攪拌することによりゲル微粒子を早期に生成させるとともに、ゲル微粒子により散乱されるレーザー光の強度からゲル微粒子の大きさと数を解析して、凝集初期のゲル微粒子生成を測定するレーザー光散乱粒子計測法が提案されている。この方法によれば、測定時間を比濁法に比べて約3分の1に短縮でき、且つ、試料の濁りや色の影響を低減できることが報告されている。
しかしながら、上記のレーザー光散乱粒子計測法を用いたとしても、低濃度の所定生理活性物質の測定には40〜50分の測定時間を要する。また、レーザー光散乱粒子計測法においては微小空間領域の粒子を観察するため光学系が複雑となり、多検体測定が困難であるという不都合があった。
これに対し、LAL中に含まれる蛋白質を、予め薬液中に分散したポリスチレンラテックスなどの微粒子の表面に結合させた試薬を作り、この試薬とエンドトキシンを含む試料とを混和させる、所定生理活性物質の測定方法が提案されている。これによれば、微粒子上の蛋白質に所定生理活性物質を作用させて微粒子同士を会合させ、早期に大きな凝集塊を生成させることができる。そして、この凝集塊の生成を光学的に測定することでエンドトキシンの検出または濃度測定を極めて短時間で行うことが可能となる。
しかしながら、上記ポリスチレンラテックスの微粒子を用いた測定法においては、高温で乾熱滅菌処理を行なうことが困難なため、試薬の調製中に試薬がエンドトキシンに汚染されてしまうおそれがあった。また、ポリスチレンラテックスの微粒子上にLAL中の蛋白質を結合するためには、ポリスチレンラテックスの微粒子表面にカルボキシル基などの官能基を固定する必要があり、試薬の調製のための工数が多くなる不都合があった。このことは、試薬がエンドトキシンに汚染される危険性を助長することにもなっていた。
特許第2667695号公報 特開平2009−150723号公報 特開2004−061314号公報 特開平10−293129号公報 国際公開第WO2008/038329号パンフレット
Satoshi Fukuzaki, Hiromi Urano and Kazuya Nagata "Adsorption of bovine serum albumin onto metal oxide surfaces", Journal of Fermentation and Bioengineering Volume 81, Issue 2, 1996, Pages 163-167 福崎智司、浦野博水「酸化物の表面電荷特性とタンパク質の吸着挙動」、防菌防黴誌、Volume 27, No.1, 1999, Pages 33-40
本発明は上述の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、LAL中に含まれる蛋白質を予め薬液中に分散した微粒子の表面に結合させた試薬を、より簡単に調製可能であり、所定生理活性物質の検出または濃度測定の精度を向上させることが可能な技術を提供することである。
本発明に係る所定生理活性物質の測定方法においては、LAL中に含まれる蛋白質を、予め準備され薬液中に分散した微粒子の上に吸着させた試薬を作る。そして、この試薬に所定生理活性物質を含む試料を作用させることにより、微粒子同士を会合させて早期に大きな凝集塊を生成させ、この凝集塊の生成を検出することで所定生理活性物質の測定を行う。そして、上記の微粒子を無機性の素材で形成したことを最大の特徴とする。
より詳細には、カブトガニの血球の抽出物に含まれる所定の蛋白質を、試薬中に分散可能な微粒子の表面に吸着させ、
前記蛋白質が吸着した前記微粒子が分散した試薬と試料とを混和させ、
前記試薬と前記試料との混和液におけるゲルの生成を検出することで、前記試料中に存在する生物由来の生理活性物質の検出を行いまたは、前記ゲルの生成の程度を測定することで前記生理活性物質の濃度を測定する、生物由来の生理活性物質の測定方法であって、
前記微粒子は無機性の素材で形成されたことを特徴とする。
ここで、カブトガニの血球の抽出物であるLAL中に含まれる蛋白質を微粒子の上に吸着させた状態で所定生理活性物質を作用させると、前述のように、LAL単体に所定生理活性物質を作用させた場合と比較して、より大きな凝集塊を早期に生成することが分かっている。これは、微粒子上の蛋白質が所定生理活性物質の作用で惹起される酵素カスケードにより加水分解されてコアギュリンとなり、これらが微粒子同士を会合させることによると考えられている。
本発明においては、この現象を利用し、微粒子同士を会合させてより大きな凝集塊を早期に生成させ、LALと試料との混和液におけるゲルの生成を促進することとした。これによれば、所定生理活性物質の検出または濃度の測定を迅速且つ簡便に行うことが可能になる。
なお、上記において所定の蛋白質は、所定生理活性物質と反応してゲルを生成させる特性を有するものであり、少なくともコアギュロゲンを含む。また、セリンプロテアーゼ等の他の蛋白質を含んでいてもよい。また、本発明においてゲルの生成とは、上記の微粒子同士の会合による凝集塊の生成、微粒子に吸着していないコアギュリンが会合することによるゲルの粒子の生成、LALと試料との混和液のゲル化、の少なくともいずれかを含んだ現象を意味している。
また、本発明においてゲルの生成の程度とは、例えば、上記の微粒子同士の会合による凝集塊及び、微粒子に結合または吸着していないコアギュリンが会合することによるゲルの粒子の大きさまたは数の増加を意味する。あるいは、LAL試薬と試料との混和液のゲル化に起因する混和液の物理、化学特性(例、濁度)の変化を意味する。
ここで、上記の微粒子としてポリスチレンラテックス等の樹脂製の微粒子を用いた場合について考える。この場合には、まず、微粒子の製造過程において高熱が作用する工程がない(高熱を作用させると樹脂が変性してしまう)ため、微粒子自体が初期段階で所定生理活性物質に汚染されていないという保証が得られづらい。また、上記の樹脂製の微粒子にはコアギュロゲンなどのLAL中の蛋白質が比較的吸着されづらいために、微粒子上にカルボキシル基などの官能基を固定して活性化するための工程が必要となる。このことにより、試薬の調製工程が複雑になってしまう。また、このことは、調製過程において試薬が所定生理活性物質に汚染される機会が増加することにも繋がっていた。
これに対し本発明では、上記の微粒子を無機性の素材で形成することとした。そうすると、微粒子を樹脂などの有機性の素材で形成した場合と比較して、微粒子自体の耐熱性を向上させられるため、試薬の調製過程において乾熱滅菌処理を行なうことができる。その結果、調整過程において試薬が所定生理活性物質に汚染されることを抑制できる。また、樹脂などの有機性の素材で微粒子を形成した場合と比較して、蛋白質の微粒子への吸着性を向上させることができる。従って、微粒子上にカルボキシル基などの官能基を固定させなくとも、静電的に蛋白質を微粒子表面に吸着させることができ、試薬の調製工程を大幅に簡略化することができる。また、このことにより、調製過程において試薬が所定生理活性物質に汚染される機会を減少させることができる。なお、無機性の素材の例としては、例えば金属酸化物や鉱物を挙げることができる。
また、本発明において上記の微粒子は、アルミナ、チタニア、カオリン、酸化マンガンのいずれかにより形成されるようにしてもよい。これらの素材で微粒子を形成すれば、LAL中の蛋白質の微粒子への吸着性をより確実に向上させることができるとともに、微粒子の光散乱性または光吸収性を向上させることができる。そうすれば、比濁法において試料とLAL試薬の混和液の吸光度の変化をより明確に検出することが可能となり、また、レーザー光散乱法において前記混和液からの散乱光強度のピークをより明確に検出することが可能となる。その結果、より高精度に所定生理活性物質の測定を行なうことが可能となる。
また、微粒子を上記の素材で形成すれば、微粒子として充分な機械的強度を得られるため、試料と微粒子を含む試薬とを混和させて攪拌した際にも、機械的な負荷によって微粒子が粉砕され、混和液の物理的、光学的性質が変化することを抑制できる。
ここで、前記所定の蛋白質は、カブトガニの血球抽出物から精製されたコアギュロゲンであってもよい。
前述のように、LALに所定生理活性物質を作用させた際の凝集反応においては、コアギュロゲンがLAL中の酵素カスケードにより加水分解されてコアギュリンとなり、これらが微粒子同士を会合させる。従って、LAL中の蛋白質を予め精製してコアギュロゲンのみを抽出し、微粒子に吸着させておくことで、より効率的に微粒子同士を会合させることが可能となり、より早期に凝集塊を生成させることが可能となる。
また、本発明においては、前記所定の蛋白質が吸着した前記微粒子が分散した試薬を、さらに、カブトガニの血球の抽出物と混合し、
前記混合と同時または混合後において、前記試薬と前記試料とを混和させるようにしてもよい。
これによれば、蛋白質が結合または吸着した微粒子が分散した試薬に対して、さらにLAL中の蛋白質を補給しておくことができる。そうすると、所定生理活性物質を含有する試料と混和した際に、より確実に所定生理活性物質を試薬中のセリンプロテアーゼに作用させ、微粒子上に吸着されたコアギュロゲン及び、混合されたLAL中のコアギュロゲンを加水分解してコアギュリンとすることができる。その結果、より確実に、微粒子上に吸着されたコアギュリン同士または、微粒子上に吸着されたコアギュリンと混合されたLAL中のコアギュリンとを会合させることができ、微粒子を中心とした凝集塊の生成を促進することができる。これにより、より短時間での所定生理活性物質の測定が可能となる。
また、これによれば、LAL中の蛋白質を予め精製してコアギュロゲンのみを抽出し、微粒子に結合または吸着させた場合にも有利である。すなわちこれらの場合でも、前記試薬と所定生理活性物質を含有する試料とを混和した際に、より確実に所定生理活性物質をセリンプロテアーゼに作用させることができる。
なお、上記においては、前記所定の蛋白質が吸着した前記微粒子が分散した試薬を、さらに、カブトガニの血球の抽出物と混合し、その上で所定生理活性物質を含有する試料と混和するところ、この混和の時期は、前記血球抽出物との混合の後であってもよいし、混合と同時であってもよい。しかし、試薬中に補給されたコアギュロゲンやセリンプロテアーゼをより均一に分散させておけるという点では、所定生理活性物質を含有する試料との混和は、前記試薬と前記血球抽出物との混合時から所定時間が経過した後とするのが望ましい。
また、本発明は、カブトガニの血球の抽出物に含まれる所定の蛋白質を、試薬中に分散可能な微粒子の表面に吸着させて調製された、生物由来の生理活性物質の測定用試薬キットであって、前記微粒子は、無機性の素材で形成されたことを特徴とする生物由来の生理活性物質の測定用試薬キットであってもよい。
その場合、前記微粒子は、金属酸化物または鉱物で形成されるようにしてもよい。また、前記微粒子は、アルミナ、チタニア、カオリン、酸化マンガンのいずれかの素材で形成されるようにしてもよい。また、所定の蛋白質は、カブトガニの血球の抽出物から精製されたコアギュロゲンであってもよい。
なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。
本発明にあっては、LAL中に含まれる蛋白質を予め薬液中に分散した微粒子の表面に結合させた試薬を、より簡単に調製可能であり、所定生理活性物質の検出または濃度測定の精度を向上させることが可能となる。
本発明の実施例におけるLAL結合ビーズの凝集メカニズムについて説明するための図である。 攪拌比濁法によるエンドトキシン濃度測定で、製造例1に係るLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と用いなかった場合の各々における、エンドトキシン濃度と検出時間との関係を示したグラフである。 レーザー光散乱粒子計測法によるエンドトキシン濃度測定で、製造例2に係るLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と用いなかった場合の各々における、検出粒子数の時間的変化を示したグラフである。 レーザー光散乱粒子計測法によるエンドトキシン濃度測定で、製造例2に係るLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と用いなかった場合の各々における、エンドトキシン濃度と検出時間との関係を示したグラフである。 チタニア粒子を用いたLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と用いなかった場合の各々における、エンドトキシン濃度と検出時間との関係を示したグラフである。 実施例4におけるビーズ1の素材の各々についての、波長430nmの光を入射した場合における吸光度を示したグラフである。 攪拌比濁法によるエンドトキシン濃度測定で、アルミナ、カオリン、酸化マンガンの各々をビーズの素材としたLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と、LAL結合ビーズ試薬を用いなかった場合の各々における、光透過率の時間的変化を示したグラフである。 攪拌比濁法によるエンドトキシン濃度測定で、アルミナ、シリカの各々をビーズの素材としたLAL結合ビーズ試薬を用いた場合と、LAL結合ビーズ試薬を用いなかった場合の各々における、光透過率の時間的変化を示したグラフである。 ハイドロキシアパタイトをビーズの素材とした場合の、光透過率と攪拌時間との関係を示したグラフである。 エンドトキシンまたはβ―D−グルカンにより、LALがゲル化する過程及び、その検出方法について説明するための概略図である。
LALとエンドトキシンとが反応してゲルが生成される過程はよく調べられている。図 10に示すように、エンドトキシンがLAL中のセリンプロテアーゼであるC因子に結合すると、C因子は活性化して活性型C因子となる、活性型C因子はLAL中の別のセリンプロテアーゼであるB因子を加水分解して活性化させ活性化B因子とする。この活性化B因子は直ちにLAL中の凝固酵素の前駆体を加水分解して凝固酵素とし、さらに、この凝固酵素がLAL中のコアギュロゲンを加水分解してコアギュリンを生成する。そして、生成したコアギュリンが互いに会合して不溶性のゲルをさらに生成し、LAL全体がこれに巻き込まれてゲル化すると考えられている。
また、同様にβ−D−グルカンがLAL中のG因子に結合すると、G因子は活性化して活性型G因子となる、活性型G因子はLAL中の凝固酵素の前駆体を加水分解して凝固酵素とする。その結果、エンドトキシンとLALとの反応と同様、コアギュリンが生成され、生成したコアギュリンが互いに会合して不溶性のゲルをさらに生成する。
この一連の反応は哺乳動物に見られるクリスマス因子やトロンビンなどのセリンプロテアーゼを介したフィブリンゲルの生成過程に類似している。このような酵素カスケード反応はごく少量の活性化因子であっても、その後のカスケードを連鎖して活性化していくために非常に強い増幅作用を有する。従って、エンドトキシンやβ−D−グルカンなどの所定生理活性物質についてLALを用いて測定すれば、サブピコグラム/mLオーダーのきわめて微量の所定生理活性物質を検出することが可能になっている。以下においては、所定生理活性物質としてエンドトキシンを例にとって説明を続けるが、本発明はエンドトキシンのみならず、β−D−グルカンを始め他の所定生理活性物質に適用することが可能である。
エンドトキシンを定量することが可能な測定法としては前述のように比濁法(攪拌比濁法を含む)ならびに、レーザー光散乱粒子計測法などが挙げられる。図10に示すように、これらの測定法は上述のLALの酵素カスケード反応によって生成されるコアギュリンの会合物を前者は試料の濁りとして、後者は系内に生成されるゲルの微粒子として検出することで、高感度な測定を可能にしている。
しかしながら、比濁法では個々のコアギュリンはナノメータオーダーの微小な粒子であるため、これらが漸次会合していっても、光学的に検出可能な大きさまで成長しないと濁りとして検出できない。また、比濁法においては一般的に試料を静置して系全体におけるゲルの生成を待つので、コアギュリン同士の衝突確率が低く、会合の速度は必ずしも速くない。従って、比濁法を用いた場合には、エンドトキシンの検出または濃度測定が可能なるまでには相当の時間を要する場合があった。
それに対して、レーザー光散乱粒子計測法では、系内に生成されたゲルの微粒子を直接測定するため、比濁法よりも高感度であり、且つ、一般的にLALと検体からなる試料を強制的に攪拌するので、比濁法と比較して短時間でゲルの生成を検出できる。しかしながら、レーザー光散乱粒子計測法においては、微小空間領域の粒子を観察するため光学系が複雑となり、簡便な装置による測定が困難である場合があった。
本実施形態においては、予め、比濁法あるいは、レーザー光散乱粒子計測法で検出され得るか、検出され得る限界より若干小さいサイズの無機物からなる微粒子の表面にコアギュロゲンを結合させておく。そして、これをLAL試薬と混合して調製した試薬に、エンドトキシンを含有する試料を混和する。これにより、LAL中に生成されるコアギュリンと微粒子上に吸着されたコアギュリンとを会合させ、また、微粒子上に吸着されたコアギュリン同士を会合させて、短時間で、比濁法あるいは、レーザー光散乱粒子計測法で検出可能なサイズの凝集塊を生成する。その結果、比濁法あるいは、レーザー光散乱粒子計測法によって、より迅速にエンドトキシンの測定を行うことができる。
図1には、本実施例による微粒子の凝集メカニズムを示した。図1において中央の矢印の左側はエンドトキシンと反応する前の試薬の模式図である。矢印の右側はエンドトキシンと反応した後の試薬の模式図である。
図1に示すとおり、反応前は、本実施例における微粒子であるビーズ1と、微粒子の表面に結合されたコアギュロゲン2と、微粒子の表面に結合されていないコアギュロゲン3とが分散した状態である。なお、以下において便宜上、ビーズ1にコアギュロゲン2を結合させた状態の微粒子をLAL結合ビーズ10と呼ぶことにする。
ここで、ビーズ1に用いられる素材が満たすべき条件について考える。ビーズ1に用いられる素材は、まず、ビーズ1自体を乾熱滅菌処理できるものが望ましい。換言すると、樹脂などの有機性の素材ではなく無機性の素材が望ましい。そうすれば、ビーズ1の形成段階またはLAL結合ビーズ10の調整段階においてエンドトキシンを乾熱滅菌で熱により不活性化することが可能となり、LAL結合ビーズ10がエンドトキシンに汚染される危険性を低下させることができる。
また、ビーズ1に用いられる素材は、蛋白質の吸着性の高い素材であることが求められる。なお、非特許文献1には、ウシ血清アルブミンのシリカ、チタニア、ならびに、アルミナへの吸着量が蛋白質の等電点と酸化金属の零電荷点の視点から論ぜられている。また、非特許文献2では、酸化金属の零電荷点は溶液中に存在する緩衝液の種類によって 大きく変化する場合があることが示されている。ここで、蛋白質の吸着性の高い素材であるか否かは、蛋白質の等電点とビーズ1の零電荷点との関係によって定められる。すなわち、ビーズ1が蛋白質を吸着するためにはビーズ1と蛋白質との間に電位差があることが要求される。例えばコアギュロゲンが電気的に中和されるpHである等電点は約10であるという報告があるので、コアギュロゲンとの間で充分な電位差を有する素材としては、チタニア(pH6.1)、ジルコニア(pH7.3)などが挙げられる。また、非特許文献2にあるように、アルミナは零電荷点がアルカリ側に高いが(pH9.0)、溶液に含まれる緩衝液の影響を受け易く、零電荷点が大きく酸性側にシフトする。そのため、アルミナでも、リムルス試薬のように緩衝液を含む充分にコアギュロゲンを吸着することが充分に可能である。
なお、コアギュロゲンの等電点は約10と、アルカリ側に非常に高くなっているため、例えばpH7付近の中性の環境(試薬の調整及び使用時にはpH6−8に収まることが多い)においては、コアギュロゲンはプラス側に荷電していると考えられる。従って、蛋白質をより強力に吸着するには中性の環境(pH7)でビーズ1がマイナス側に帯電するような零電荷点を有する素材がより望ましいと言える。このとき、零電荷点がマイナス側に帯電している素材であっても良いし、適当な緩衝液が存在する環境においてマイナス側に帯電するような素材であっても良い。
また、ビーズ1の素材としては、凝集が生じた際の濁りの強度がある程度以上強いことが求められる。本実施例では、LAL中の蛋白質とエンドトキシンとの反応に基づくビーズ1の凝集を比濁法やレーザー光散乱粒子法などの光学的手段によって測定する。換言すると、ビーズ1が分散された混和液による透過光や散乱光の強度変化を利用してビーズ1の凝集を測定する。従って、ビーズ1の素材としては、光を散乱し易い白色の素材、あるいは、光を吸収し易い黒色あるいは特定の有色の素材が望ましい。
その他、本実施例におけるエンドトキシンの測定に有利なビーズ1の素材としては、使用中に水に溶解しないものが望ましい。また、攪拌のし易さの観点から比重が水に近く極端に大きくない素材が望ましい。さらに、攪拌によって粒径が変化しては困るので、攪拌に耐える程度の機械的な強度を有するものが望ましい。
以上の要件より、ビーズ1の素材としては、無機物の中でも、中性領域の水に不溶の酸化金属の粒子または鉱物の粒子が望ましい。酸化金属粒子の例としては、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナ、セリア、酸化マンガン、フェライト並びに、これらの複合物あるいは混合物が挙げられる。その他、マグネシア(MgO)、カルシア(CaO)、アルミナ(Al)、アルミナ−チタニア(Al−TiO)、ムライト(3Al-2SiO)、スピネル(Al−MgO)、ジルコニア(ZrO)、クロミア(Cr)、イットリア(Y)、セリア(CeO)、チタン酸バリウム(BaTiO)、ハフニア(HfO)などが、本実施例に係るビーズ1の素材として使用できる可能性がある。
その他、本実施形態のビーズ1としては、粒度が揃っていることも要求される。特に、レーザー光散乱粒子計測法でエンドトキシンの測定を行う場合には粒度の均一性は重要な要因となる。エンドトキシンとLAL結合ビーズ10を含む試薬とを混和させた場合に、ビーズ1の粒度が不均一だと凝集の進行がばらついてしまう。その結果、濁度や粒子数の変化が緩慢になって測定精度が低下したり、測定の再現性が低下するなどの不都合が生じるおそれがある。既に、充分な粒度均一性を有する粒子として流通している素材としては、チタニア、アルミナ、酸化マンガンなどを挙げることができる。
なお、ビーズ1上にコアギュロゲン2を吸着させる際には、LAL中に含まれる蛋白質を選別することなくビーズ1に吸着させてもよいし、LAL中のコアギュロゲンを精製して吸着させてもよい。LAL中に含まれる蛋白質を選別することなく微粒子に吸着させる方法をとった場合には、ビーズ1上にコアギュロゲン2以外の蛋白質も吸着される可能性もあるが、LAL中のコアギュロゲンを精製する工程を省略することができるので試薬の調製、精製に係るコストを低減することができる。なお、その場合には、図1において、ビーズ1上及び、ビーズ1の周囲の試薬中にコアギュロゲン2、3以外に、LAL中に含まれる他の蛋白質(不図示)がより多く存在することとなる。
次に、本実施形態におけるLAL結合ビーズ試薬による実際のエンドトキシンの検出または濃度測定について、ビーズ1の素材としてポリスチレンラテックスを使用した場合と比較しつつ説明する。
<比較製造例1>(ポリスチレンラテックスを用いた場合)
まず、比較製造例として、カルボキシル基をビーズ表面に有するポリスチレンラテックス粒子とLAL試薬とを不可逆的な酵素阻害剤を作用させた環境下で結合させたLAL結合ビーズ試薬の製造例について説明する。具体的には、カルボキシル基を表面に有するビーズ1として、Polyscience社製の粒径0.45μm、あるいは、1.0μmのPolybead Calboxylate Microsphere(以下「PCM」と略す。)を用いた。
LAL試薬としては、和光純薬製のエンドトキシン検出試薬であるリムルスHS−Tシングルテストワコー(以下「LAL試薬」または「リムルス試薬」と略す。)を用いた。1.0mLのPCMを最大容量2.0mLの遠心管に入れて、さらにpH9.6の0.1M炭酸バッファを最大容量まで加えてよく混合した後、卓上遠心器で12500rpmにて5分間遠心してPCMを沈殿させて上澄みを除去した。この炭酸バッファとの混和、遠心、上澄みの除去といった一連の作業をさらに2回繰り返し、次に、沈殿させたPCMにpH4.5の0.02Mのリン酸バッファを最大容量まで加えて混和させた後、同様に遠心分離、上澄みの除去という操作を合計3回行なった。
次に、遠心分離して上澄みを除去したPCMに対し、オートクレーブにて121℃、20分の条件で加熱処理を行った。これにより、この時点でPCMがエンドトキシンに汚染されていたとしても、当該エンドトキシンのかなりの部分を不活性化することができる。その後さらに、バッファによる洗浄を行った。
次に、得られたPCMの沈殿物にリン酸バッファを0.75mL加え、さらに、0.75mLの2.0%カルボジイミド水溶液(水溶性カルボジイミド、同仁化学製)を加えて、室温で3時間転倒攪拌法を用いて攪拌してPCM上のカルボキシル基を活性化させた。
反応後のPCMは遠心して上澄みを除去した後、再び、同様にリン酸バッファで3回洗浄し、最後に得られたPCMの沈殿物にpH8.5の0.2Mホウ酸バッファ0.5mLを加えて懸濁させた。次に、LAL試薬にホウ酸バッファを0.25mL加えて溶解させたLAL試薬溶液を2本用意し、これらとPCM懸濁液を混合して容量を1.0mLとした。さらに、これにセリンプロテアーゼ阻害剤であるPMSF(Phenylmethanesulfonyl fluoride)を最終濃度で4mMになるように加えた。混合溶液中のPCM上にある活性化したカルボキシル基とLAL中の各蛋白質が持つアミノ基がアミド結合するように室温で4時間以上攪拌して反応させた。
その後、混合溶液を遠心して上澄みを除去した後、1.2mLのホウ酸バッファに再懸濁させ、さらに、この溶液に0.25Mの2−アミノエタノール/ホウ酸バッファを50μL加えて室温で30分転倒攪拌させて、PCM上の未反応の活性化カルボキシル基をアミノエタノールで消費した。さらに、PCM懸濁液を遠心してPCM沈殿物を得た後に注射用生理食塩水(大塚製薬製)で再懸濁、遠心、上澄みの除去による一連の操作で合計3回洗浄してLAL結合ビーズ試薬を得た。最後に、防腐剤と界面活性剤とを添加してLAL結合ビーズ試薬を最適濃度に調整した。
以上のように、ビーズ1の素材としてポリスチレンラテックスを用いた場合には、非常に多くの工程を踏んでLAL結合ビーズ試薬を得ることとなり、LAL結合ビーズ試薬を得るために2日を費やす場合もある。
これに対し、本実施形態に係るLAL結合ビーズ試薬では、ビーズ1として無機物の金属酸化物粒子、具体的にはアルミナの微粒子を使用することとした。以下、ビーズ1としてアルミナの微粒子を使用した場合のLAL結合ビーズ試薬の調製法について説明する。
アルミナ製のビーズ1は、例えば、霧状のアルミのエアロゾルを火炎に吹きつけ、エアロゾルの各粒子を酸化させることにより形成してもよい。これからも分かるように、アルミナのビーズ1は、通常1000℃以上の高温において形成されるので、少なくともビーズ1の形成段階においては、微粒子がエンドトキシンに汚染されていないことを保証できる。
なお、アルミナに関しては、粒子サイズが大きい場合(一次粒子のサイズとして0.3〜0.4μm)は粒子自体が強い光散乱体であるために、光透過率(吸光度)を測定する手法に適している。粒子サイズが小さい場合(一次粒子のサイズとして0.1μm以下)は粒子自体はそれほど強い散乱を発生させないので、光散乱計測法(レーザー光散乱粒子計測法、レイリー散乱法など)での使用に適していると言える。
<製造例1>(光透過率測定用のLAL結合ビーズの製造)
デンカ製の球状アルミナ粒子ASFP−20(平均粒径0.3μm)を、念のため乾熱処理(250℃、3時間)し、コンタミしているエンドトキシンを熱により不活性化した。球状アルミナ粒子は、高温で乾熱滅菌することが可能なので、この段階においてもエンドトキシンをより完全に不活性化することができる。
次に、球状アルミナ粒子を20mg/mLの濃度になるように注射用蒸留水に分散させ、1000rpmで3分間遠心し、ダマになっている粒子や大粒径の粒子を遠沈して除去した。次に、球状アルミナ粒子の分散液をリムルス試薬(和光純薬、HS−T)1本に対して300μLになるように加えてリムルス試薬を溶解させた。ボルテックスミキサーで攪拌して混和させた後、アルミブロックヒーターを用いて60℃で20分間熱処理して球状アルミナ粒子へのリムルス試薬中の蛋白質の吸着と固定を行った。
なお、前述のように球状アルミナ粒子はコアギュロゲンなどの蛋白質に対して強い吸着力を有しており、さらに加熱によってより蛋白質を吸着、固定し易い状態となる。従って本実施形態では、より簡単な工程で球状アルミナ粒子への蛋白質の固定を実現することができる。また、この熱処理によりリムルス試薬中のセリンプロテアーゼは完全に失活する。従って、球状アルミナ粒子を用いた場合には、PMSFなどのセリンプロテアーゼ阻害剤を添加する必要なくなる。加熱処理後、防腐剤(アジ化ナトリウム)と界面活性剤(TritonX-100)を0.05%になるように加えて、総量が3.0mLになるように注射用蒸留水で希釈した。
このように、ビーズ1の素材として、無機物であり、金属酸化物であるアルミナの微粒子を用いたことにより、LAL結合ビーズ試薬の製造工程を極めて簡単にすることができた(合計30分〜1時間)。これにより、LAL結合ビーズ試薬の調整中にエンドトキシンによる汚染が発生する危険性を低減することができる。また、ビーズ1が無機物(金属酸化物)であるので高温の熱処理によってエンドトキシンを完全に不活性化することができる。
また、ビーズ1の素材としてポリスチレンラテックスの微粒子を用いた場合には、微粒子上に固定されたカルボキシル基とLAL中の蛋白質とをアミド結合することで結合させた。この場合には、蛋白質どうしの架橋が生じ易く、結果として、ビーズ1の凝縮物が出来易く、ビーズ1の分散性を均一に維持することが困難な場合があった。
それに対し、素材として球状アルミナ粒子を用いた場合は、アルミナの微粒子が有する蛋白質に対する吸着力によってアルミナ表面に蛋白質を吸着・固定する。従って、ビーズ1の濃度と蛋白質の濃度とを調整することで、ビーズ1どうしを架橋させることなく、ビーズ1の表面全体を蛋白質で覆うような状態を作ることが可能である。そうすると、ビーズ1どうしが不用意に凝集してしまうことを抑制でき、LAL結合ビーズ試薬における分散の均一性を向上させることができる。なお、本製造例では、アルミブロックヒーターを用いて60℃で20分間熱処理することで、球状アルミナ粒子へのリムルス試薬中の蛋白質の吸着と固定を行ったが、球状アルミナ粒子は充分に高い蛋白質の吸着性を有しているので、熱処理は必ずしも必要ではない。
<製造例2>(レーザー光散乱粒子計測法用のLAL結合ビーズの製造)
アエロジル社製アルミナ粒子ALuC(1次粒子粒径0.03μm)を乾熱処理(250℃、3時間)し、コンタミしているエンドトキシンを熱により不活性化した。次に、粒子を10mg/mLの濃度になるように注射用蒸留水に分散させ、3000rpmで1分間遠心し、ダマになっている粒子や大粒径の粒子を遠沈して除去した。次に、微粒子の分散液を2倍に注射用蒸留水で希釈し、リムルス試薬(和光純薬、HS−T)1本に対して100μLになるように加えてリムルス試薬を溶解させた。
ボルテックスミキサーで攪拌して混和させた後、アルミブロックヒーターを用いて60℃で20分間熱処理してアルミナ微粒子へのリムルス試薬中の蛋白質の吸着と固定を行った。また、この熱処理によりリムルス試薬中のセリンプロテアーゼは完全に失活した。加熱処理後、防腐剤(アジ化ナトリウム)と界面活性剤(TritonX-100)を0.05%になるように加えて、総量が1.5mLになるように注射用蒸留水で希釈した。
<製造例3>(エンドトキシンフリーガラス容器)
光透過率測定法ではφ6mm、長さ50mmのガラス製で、試料を攪拌するためのステンレス製の攪拌子(φ0.75mm、長さ3.5mm)を内在した専用の容器を、一方、レーザー散乱粒子計測法では、φ7mm、長さ50mmのガラス製で、試料を攪拌するためのステンレス製の攪拌子(φ1mm、長さ5mmを)を内在した専用の容器を使用した。これらの容器をガラス容器の開口部をアルミ箔で覆い、さらに、20本ずつアルミ箔で小分けに梱包したものを鉄製の乾熱処理缶に詰め、250℃で3時間加熱処理して、エンドトキシンを不活性化した。
次に、上記で製造した球状アルミナ粒子を用いたLAL結合ビーズ試薬を用いたエンドトキシン測定について説明する。
<実施例1>(光透過率測定)
エンドトキシン希釈系列(2、0.2、0.02、0.002、0.0002EU/mLになるように注射用蒸留水で希釈して調製)50μLを製造例3で製造した測定用ガラス容器(φ6mm)に入れた。次に、リムルス試薬(和光純薬製ES−II)を製造例1で製造したLAL結合ビーズ試薬100μLで溶解させ、そのうちの50μLを上記のエンドトキシン希釈水が入ったガラス容器に移注し、攪拌比濁型エンドトキシン測定装置(EX−100、興和)を用いて測定を行った。また、同時にリムルス試薬をLAL結合ビーズ試薬ではなく、注射用蒸留水100μLで溶解させ、そのうちの50μLをエンドトキシン希釈水が入ったガラス容器に移注し、同様に測定を行った。
エンドトキシンがリムルス試薬と反応するとLAL結合ビーズが含まれない試料ではリムルス試薬中に不溶性の蛋白質であるコアギュリンが生成されるため、混和液が濁って光透過率が減少してくる。一方、LAL結合ビーズ試薬を用いた混和液ではもともと試薬がビーズによって白濁しているが、コアギュリンの生成が開始した初期にコアギュリンがビーズ上に生成されたコアギュリンと会合してビーズが凝集するために濁りがなくなり、光透過率が一旦上昇する。光透過率が急激に変化する変局点を検出する手法(並列差分法)を用いて変局点が現われた時刻をエンドトキシン検出時間とした。
図2にはエンドトキシン濃度を横軸に、検出時間を縦軸に取り、両対数でプロットしたグラフを示す。図2に示すように、本発明のLAL結合ビーズ試薬を使用することにより、エンドトキシン濃度の測定精度は維持しつつ大幅な測定時間の短縮が可能であることが分かった。また、図2から分かるように、LAL結合ビーズ試薬を使用しない場合には、エンドトキシン濃度が低い領域では検出時間が極端に長くなっており、現実的に測定不可能な領域が広くなっている。従って、本実施例におけるLAL結合ビーズ試薬を用いることでエンドトキシン濃度の測定限界を広げることが可能となる。
<実施例2>(レーザー光散乱粒子計測)
エンドトキシン希釈系列(2、0.2、0.02、0.002、0.0002EU/mLになるように注射用蒸留水で希釈して調製)100μLを製造例3で製造した測定用ガラス容器(φ7mm)に入れた。次に、リムルス試薬(和光純薬製ES−II)を製造例1で製造したLAL結合ビーズ懸濁液100μLで溶解させ、それを上記のエンドトキシン希釈水が入ったガラスキュベットに移注し、レーザー光散乱粒子計測装置(EX−300、興和)を用いて測定を行った。
また、同時にリムルス試薬をLAL結合ビーズ試薬ではなく、注射用蒸留水100μLで溶解させ、それをエンドトキシン希釈水が入ったガラス容器に移注し、同様に測定を行った。エンドトキシンがリムルス試薬と反応するとLAL結合ビーズが含まれない混和液ではリムルス試薬中に不溶性の蛋白質であるコアギュリンが生成されるため、試料中にゲル粒子が発生する。これは光を散乱するため、EX−300によってゲル微粒子として検出される。
一方、LAL結合ビーズを混和液に含む場合、製造例2で製造したLAL結合ビーズ試薬は製造例1のLAL結合ビーズ試薬と比較して濁りが少なく、EX−300で測定してもほとんど光散乱体として検出されない。しかし、エンドトキシンを作用させて反応が進行すると試料中にコアギュリンが生成され、LAL結合ビーズを架橋していくので、ゲル粒子として検出されるようになる。図3には、LAL結合ビーズ試薬とエンドトキシンとの混和後の経過時間と、検出された粒子数との関係のグラフを示す。
図3に示されるように、LAL結合ビーズが存在しない場合、コアギュリン(5nm程度)が検出可能な大きさに成長するまで時間がかかるが、LAL結合ビーズが存在するとコアギュリン単独の粒子が充分な大きさに成長するのを待たずに、会合したビーズ1が凝集微粒子として検出されるため、検出粒子数の立ち上がりが早くなる。図4にはエンドトキシン濃度を横軸に、検出時間を縦軸に取り、両対数でプロットしたグラフを示す。図4に示すように、本発明のLAL結合ビーズ試薬を使用することによりエンドトキシン濃度の測定精度は維持しつつ大幅な測定時間の短縮が可能であることが分かった。なお、本測定ではエンドトキシンの検出はゲル粒子の総数が20を越えた時刻とした。
<実施例3>
次に、ビーズ1としてチタニア粒子を用いた場合について説明する。本実施例においては、チタニア粒子(日本アエロジル製Aeroxide P25)を250℃で3時間乾熱処理し、混入しているエンドトキシンを熱により完全に不活性化した。次に、これを10mg/mLになるように注射用蒸留水(大塚製薬製)で分散させたのち、150μLをリムルス試薬(HS−T、和光純薬製)に加えて試薬を溶解した後、60℃で20分加熱して粒子表面にリムルス試薬の蛋白質を吸着及び固定させた。さらに、これを注射用蒸留水で3.0mLになるように希釈し、そのうちの2.0mLでリムルス試薬(ES-IIマルチテスト試薬、和光純薬製)を溶解し、溶解した試薬50μLとエンドトキシン希釈系列溶液50μLを測定容器内で混和させ、攪拌比濁法測定装置(EX−100、興和製)でエンドトキシン凝集反応を測定した。
上記の測定の結果、アルミナをビーズ1として用いた場合と略同様の現象が観察された。すなわち、凝集反応の初期にはビーズ1の会合により光透過率が一旦上昇した。そして、その後に光透過率が減少した。本実施例におけるLAL結合ビーズ試薬を使用した場合とLAL結合ビーズ試薬を使用しない場合におけるエンドトキシン濃度とエンドトキシン検出時間の関係を図5に示す。図5に示すように両軸を対数でプロットするといずれも直線近似され、チタニア粒子のビーズ1を使用した場合にも、エンドトキシン濃度の測定精度を維持しつつ測定時間を大幅に短縮することが可能であることがわかった。
<実施例4>
次に、ビーズ1に用いられる酸化金属微粒子として、アルミナ(電気化学工業(デンカ)製球状アルミナASFP−20)、シリカ(日本アエロジル製Aerosil300)、チタニア(日本アエロジル製Aeroxide P25)、および、酸化マンガン(IV)粉末(関東化学製)を、鉱物微粒子としてハイドロキシアパタイト(コバレントマテリアル製)、カオリン(関東化学製)、および、ベントナイト(関東化学製)を用いて、これらの無機性の素材で形成されたビーズ1によりLAL結合ビーズ試薬を調製し、エンドトキシン測定時間の短縮効果を調べた。
これらのビーズ1を250℃で3時間乾熱処理し、コンタミしたエンドトキシンの熱による不活性化を行い、それぞれのビーズ1の濃度が100mg/mLとなるように注射用蒸留水で懸濁した。これらの粒子懸濁液を10mg/mLに希釈し、波長430nmの光を入射させた場合における吸光度は各々図6のようになった。
図6に示すように、最も高い吸光度を示したのはチタニア(Ti)であり、アルミナ(Al)、カオリン(Kao)の順番で吸光度は低くなった。また、ベントナイト(Ben)、酸化マンガン(Mn)、ハイドロキシアパタイト(HAP)、シリカ(Si)の粒子懸濁液ではカオリン(Kao)の場合より低い吸光度が得られた。次に、予め50μLの注射用蒸留水で溶解しておいたリムルス試薬(和光純薬製HS−Tシングルテスト)に対してこれらの粒子懸濁液50μLを加えてボルテックスミキサーで攪拌し、それぞれを60℃で30分間処理し、粒子上にリムルス試薬中の蛋白質を固定化した。
アルミナ、ならびに、チタニア原料のものは3.0mLに、それ以外の原料のものは1.5mLになるように注射用蒸留水で希釈し、さらに、それぞれのビーズ液50μLをエンドトキシン希釈溶液(0.02EU/mL)で溶解したリムルス試薬(ES-II、和光純薬製)50μLと混和させて、攪拌比濁法測定装置(EX−100、興和製)を用いて凝集反応を調べた。
測定結果を図7に示す。図7においては、今回調べた無機性の粒子では、既に効果について述べたチタニア、アルミナのほかに、カオリン、酸化マンガンにおいても凝集反応初期にビーズ1が会合して光透過率が上昇する現象が顕著であることが確認された。一方、シリカ、ベントナイトを用いた場合は、凝集反応初期に光透過率が上昇する相が小さく、LAL結合ビーズ試薬を用いることによる効果はあまり大きくなかった。図8にはシリカを用いた場合の結果を示す(図8中の領域Aはエンドトキシン凝集反応と無関係に光透過率が減少していく相、領域Bは若干粒子の凝集により光透過率が上昇しているように見える相である)。シリカを用いた場合に上記のように光透過率の上昇が弱くなる原因としては、重量あたりの吸光度が低いことが主因として挙げられる。
また、ビーズ1としてハイドロキシアパタイトを用いた場合は、LALとエンドトキシンとの反応に起因する凝集反応とは無関係に光透過率が減少して行く現象が観察された。ハイドロキシアパタイトにおけるこの現象の原因としては、ハイドロキシアパタイトは機械的強度が弱く、攪拌により崩壊してしまうため、凝集反応とは無関係に崩壊したビーズ1による光透過率の減少が生じたためと考えられる。図9には、ハイドロキシアパタイトの崩壊による光透過率の変化のグラフを示す。
上記より、LAL結合ビーズ試薬を製造するに当たっては、ビーズ1の素材として、(1)蛋白質の吸着性が高い。(2)重量あたりの吸光度が高い。(3)攪拌という外力に対して崩壊しないだけの機械的強度を有する。という条件を満たすものが望ましいことが確認された。また、アルミナ、チタニア、カオリン、酸化マンガンは、上記の条件を満たすことで、ビーズ1として充分に使用可能な素材であることが確認された。
なお、本発明の微粒子に使用される無機性の素材は、例示されたものに限られないことは当然である。(1)蛋白質の吸着性が高い。(2)重量あたりの吸光度が高い。(3)攪拌という外力に対して崩壊しないだけの機械的強度を有する。という条件を満たす素材であれば使用することができる。それらの条件を満たす素材の組成が複合化合物である場合はもちろんのこと、組成の異なるビーズを複数混合したものであっても良い。例えば、シリカアルミナ、アルミナチタニア、チタニアジルコニア等を使用することも可能であるし、アルミナ、チタニア、シリカを素材としたビーズを適当な割合で混合して使用しても構わない。
なお、本実施形態における製造例1及び2では、LAL中に含まれる蛋白質を選別することなくビーズ1に吸着させてLAL結合ビーズ試薬を調製している。しかし、上記の実施例のように、LAL結合ビーズ試薬をさらにLAL試薬と混合した上で、エンドトキシンを含有する試料と混和し、LAL結合ビーズ10を凝集させる場合には、LAL結合ビーズ10を形成するビーズ1上にはなるべく多くのコアギュロゲンが吸着していることが望ましい。従って、LAL結合ビーズ10を生成する際には、LAL中に含まれる蛋白質を選別することなくビーズ1に結合させるよりもむしろ、精製したコアギュロゲンをビーズ1に吸着させるようにしてもよい。
なお、上記の実施例において調製されたLAL結合ビーズ試薬は、本発明におけるエンドトキシンの測定用試薬キットに相当する。
1・・・ビーズ
2・・・コアギュロゲン
3・・・コアギュロゲン
10・・・LAL結合ビーズ

Claims (5)

  1. カブトガニの血球の抽出物に含まれる所定の蛋白質を、試薬中に分散可能な微粒子の表面に吸着させ、
    前記蛋白質が吸着した前記微粒子が分散した試薬と試料とを混和させ、
    前記試薬と前記試料との混和液におけるゲルの生成を検出することで、前記試料中に存在する生物由来の生理活性物質の検出を行いまたは、前記ゲルの生成の程度を測定することで前記生理活性物質の濃度を測定する、生物由来の生理活性物質の測定方法であって、
    前記微粒子は無機性の素材で形成され
    前記微粒子は、アルミナ、チタニア、カオリン、酸化マンガンのいずれかの素材で形成されたことを特徴とする生物由来の生理活性物質の測定方法。
  2. 前記所定の蛋白質は、カブトガニの血球の抽出物から精製されたコアギュロゲンであることを特徴とする請求項1に記載の生物由来の生理活性物質の測定方法。
  3. 前記所定の蛋白質が吸着した前記微粒子が分散した試薬を、さらに、カブトガニの血球の抽出物と混合し、
    前記混合と同時または混合後において、前記試薬と前記試料とを混和させることを特徴とする請求項1または2に記載の生物由来の生理活性物質の測定方法。
  4. カブトガニの血球の抽出物に含まれる所定の蛋白質を、試薬中に分散可能な微粒子の表面に吸着させて調製された、生物由来の生理活性物質の測定用試薬キットであって、前記微粒子は、無機性の素材で形成され
    前記微粒子は、アルミナ、チタニア、カオリン、酸化マンガンのいずれかの素材で形成されたことを特徴とする生物由来の生理活性物質の測定用試薬キット。
  5. 前記所定の蛋白質は、カブトガニの血球の抽出物から精製されたコアギュロゲンであることを特徴とする請求項4に記載の生物由来の生理活性物質の測定用試薬キット。
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