JP5744170B2 - 生物学的マーカーのイメージング中に検出可能な光子の数を増加させるための方法 - Google Patents
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Description
1.生物発光、
2.化学発光、
3.蛍光。
a)FPP−Lが少なくとも1つの第1の光子を生成するのに適した条件を提供するステップと、
b)前記細胞、組織、または生物に近接して配置されたFPP−Uを提供するステップであって、ステップa)の前記少なくとも1つの第1の光子が前記FPP−Uを励起し、前記FPP−Uが少なくとも1つの第2の光子を放出するステップと
を含み、
前記FPP−Lと前記FPP−Uが結合しておらず、かつ前記少なくとも1つの第2の光子(複数可)のそれぞれが、前記少なくとも1つの第1の光子(複数可)のそれぞれよりエネルギーが低いことを特徴とする方法が提供される。
a)第1のFPPが少なくとも1つの第1の光子を生成するのに適した条件を提供するステップと、
b)前記細胞、組織、または生物に近接して配置された第2のFPPを提供するステップであって、ステップa)の前記少なくとも1つの第1の光子が前記第2のFPPを励起し、前記第2のFPPが少なくとも1つの第2の光子を放出するステップと、
を含み、
ステップb)が少なくともさらに1回繰り返され、各追加のステップについて、前記第1のFPPまたは第2のFPP以外のさらなるFPPが前記細胞、組織、または生物に近接して配置され、前記さらなるFPPは、以前のステップにおいて放出された少なくとも1つの光子によって特異的に励起され、次に少なくともさらなる光子を放出し、
最終ステップにおいて、前記さらなる光子が検出され、
前記複数のFPPは結合しておらず、かつ前記少なくとも1つの光子(複数可)のそれぞれは、以前のステップからの前記少なくとも1つの光子(複数可)のそれぞれより波長が長いことを特徴とするカスケード法が提供される。
本発明による少なくとも1つのFPP−Uと、
本発明による方法の実行に関する指示書と
を少なくとも含み、
少なくとも1つのFPP−Uは、生物学的マーカーの発光スペクトルと重なる励起スペクトルを有し、したがって試験されている系内で生物学的マーカーに近接して配置されているとき、FUEL機構を介して、検出することができる光子を放出するキットが提供される。
少なくとも1つの本発明によるFPP−Lと
本発明による方法の実行に関する指示書と
を含み、
少なくとも1つのFPP−Lは、生物学的マーカーの励起スペクトルと重なる発光スペクトルを有し、したがって試験されている系内で生物学的マーカーに近接して配置されているとき、生物学的マーカーにFUEL機構を介して、検出することができる光子を放出させるキットが提供される。
一般的な試薬
luxオペロンを発現するプラスミドを担持する生物発光大腸菌(RT57と呼ばれるpUC18−mini−Tn7T−Gm−lux)は、Choiら(20)に記載されており、全体を通してRT57と記されている。Qtracker705非標的化量子ドットは、Invitrogenから入手し、使用するまで暗所で、4℃で保持した(QD705と記す)。寒天プレートを調製するために、加温滅菌した寒天25mLを、滅菌条件下で10cmのペトリ皿に添加し、冷却させた。コンゴレッド(Sigma)は、滅菌したH2O中1%w/vとして調製した。パール構築のために、低融点アガロース(Lonza、France)を使用した。通常の生理食塩水(0.9%のNaCl、PSと呼ぶ)を社内(in house)で調製し、すべての希釈のために使用した。コンゴレッド+寒天プレート(CRAgar)については、滅菌したH2O中の1%w/vコンゴレッド(Sigma)4mLを、加温滅菌した寒天400mLに添加し、寒天中0.01%の最終的な色素濃度にした。この溶液を十分混合し、次いで25mLを10cmのペトリ皿に添加し、冷却させた。得られる皿は、5mmの厚さの層の寒天またはCRAgarを含有する。寒天およびCRAgarが固化した後、調製したプレートの上下を逆にし、使用するまで4℃で貯蔵した。すべての動物実験について、メスの生後6週間のBalb/cマウス(Janvier、France)を使用した。
細菌の準備
イメージングの日前に、RT57の一晩培養を確立した。翌朝、OD600を取得し、必要な場合、1000細菌/5μLの最終濃度の食塩水を実現するのに実施した適切な希釈に応じて蒔いた。次いで、所望の配向(一般に5μLのアリコートの3×4マトリックス)に応じて細菌を蒔いた。
QD705の長距離励起
小容積の使い捨てキュベット(Ratiolab、ドイツ)上に2mm×3mmの2つの光学ウインドウを作るのに黒いテープを使用し、2つのウインドウをキュベットの向かい合った面に据え、底部の近くだが離して配置した。この改変されたキュベットを、一晩培養からのRT57ストック1mLで満たし、1枚の黒い紙で覆い、Ivisイメージングシステム内に置いた。黒い紙により、RT57の生物発光の観察を阻害した。2つの改変されていない小容積のキュベットを、PS 1mL、または以前に述べたQD705溶液1mLで満たし、次いで、RT57を含有する改変されたキュベットのいずれかの側に、3つのキュベットが軸方向に整列し、中心のキュベットと外側のキュベットの間の距離が10mm(面間)になるように配置した。得られた発光を、オープンフィルターセット、およびQD705フィルターセットについて観測した。取得後、改変されていない2つのキュベットと、中心のキュベットの間の距離を5mm伸ばし、発光を観察した。3つの異なる細菌培養物について、合計で最大30mm離れるまで、それを繰り返した。
QD705の添加による赤色光子生成の増大
1枚の黒い紙で離された直列の2つの石英キュベットを使用して、複数の実験条件を確立した(図7の挿入表、PS:生理食塩水;QD705:QD705溶液;RT57:生物発光大腸菌;CR:コンゴレッド)。生物発光光子を通過させるために、小さいウインドウを紙に切り込んだ。この紙は、2つのキュベットの間の物理的な分離ももたらし、QD705とRT57の間で物理的な接触がまったく起こり得ないことを確実にした。各条件について、発光強度を、RT57特異的フィルターセットおよびQD705特異的フィルターセットの両方の下で観察し(それぞれ480およびQD705と記す)、各条件を3通り実施した。
スペクトルの取得
1nmのスリット幅を有し、480nm/分のスキャン速度に設定したPerkin−Elmer UV/可視デュアルパス分光計を使用することによって、コンゴレッド、マウスの全血、肝臓、および肺についての吸収スペクトルを取得した(図1)。参照として滅菌水を使用した。各取得について、各分析物1mLを、1cmの経路長を有する1mLのプラスチックキュベットに加えた。RT57生物発光の発光スペクトルは、25℃で、サーモスタットを備えた1cmの経路長の石英キュベットを使用して、PTI Quanta−Master QM4CW蛍光分光計(PTI、Lawrenceville、NJ)を用いて記録した。発光は、5nmのスリット幅で、400〜750nmで記録した。QD705の励起スペクトルおよび発光スペクトルは、5nmのスリット幅で取得した。
インビトロでの生物発光イメージング
冷却されたCCDおよびフィルターホイールを備えたIVIS 100動物全身イメージングシステム(Xenogen Corporation、Caliper Life Sciences、Alameda、CA)を、すべての生物発光画像を取得するのに使用した。使用したフィルターは、610ロングパス(610LP)およびCy5.5バンドパス(695nm〜770nm、QD705フィルターとも呼ばれる)であった。フィルターホイール内の1つの位置を、総光検出のために空に保ち、オープンフィルターセットと呼んだ。各実験について、CCDを−105℃に冷却し、暗箱を37℃に加温した。別段の記載のない限り、Living Image(Xenogen)ソフトウェアバージョン3.1の取得設定を、以下のように設定した:3つすべてのフィルターセットについて5分の取得時間、8×bin、視野C(20cm)、およびf−ストップ1。時間経過実験の場合では、オープン、610LP、およびCy5.5の画像を順次取得し、次いで45分の遅延が続き、1時間の画像サイクルを作り出すように画像シーケンスを確立した。このサイクルを目標まで繰り返した。
非結合の生物発光細菌を使用した量子ドットの遠距離励起
RT57−QD705光子生成に対する距離の効果を測定するのに2つの異なる条件を確立し、条件1は、4枚の寒天プレートを伴い、条件2は、2枚の寒天プレートおよび2枚のCRAgarプレートを使用した(図3)。細菌およびQD705を配置する前に、必要とするプレートを4℃の保管場所から取り出し、室温に加温させ、汚染物質を点検した。条件1については、細菌溶液の12の5μLのアリコートを、50μg/mLの最終濃度のゲンタマイシンとともに、寒天プレート上に3行×4列(3×4)マトリックスで、ピペットで移した。それぞれ1000細胞を含む細菌の液滴を寒天(プレート1)中に定着させた。第2の寒天プレートは、プレートのスタックが最終的な構造になるまで脇に置いておいた(プレート2)。次いでQD705の2μLの3つのアリコートを、細菌を含むプレート(プレート1)の上に積み重ねられるとき、QD705の各アリコートが、列3の細菌の各アリコートと垂直に整列するように、第3の寒天プレート(プレート3)上にピペットで移した。第2のセットのQD705のアリコートを、各アリコートをプレート1上の列4の対応する細菌と整列させて、第4の寒天プレート(プレート4)上に配置した。最後に、細菌が寒天中に定着したことを確認した後、QD705の2μLのアリコートを、プレート1上の列2に位置した各細菌アリコート上に直接添加した。プレートを逆さにし、底部にプレート1、次いで空のプレート2、その後プレート3およびプレート4の順序で積み重ねた。次いでこのスタックをIvis 100内に置き、画像シーケンスを開始した。条件2については、プレート2およびプレート3が寒天の代わりにCRAgarからなっていたことを除いて、同じ手順を続けた。プレート高さの合計は14mmと測定され、寒天またはCRAgarの深さは5mmであった(図3)。RT57と対応するQD705のアリコートとの間の総距離は以下の通りであった:列2について0mm、列3について28mm、および列4について42mm。
QD705の非結合励起
生物発光RT57が、物理的な結合を必要とすることなくQD705を励起することができるかどうかを判定するために、一連の1.5mLのエッペンドルフチューブを準備した。第1のチューブに、細菌ストック10μLを含め、生理食塩水(PS)を使用して100μLまで希釈した。第2のチューブは、細菌ストック10μL、QD705 4μL、およびPS 86μLを使用して準備した。100μLまで希釈したQD705 4μlを含む第1の対照、およびPS 100μLのみからなる第2の対照を用いて、2つの発光対照を確立した。4つすべてのチューブをピペットで穏やかに混合し、均質な溶液にし、イメージングシステム内に置き、シグナルのクロスオーバーを最小限にするために、黒いプラスチックセパレーターを各チューブの間に置いた。得られる生物発光を、両フィルターセットの下で5秒間観察した。QD705の存在を、蛍光イメージングを使用して確認した。
エクスビボでの生物発光イメージング
メスの生後6週間のBalb/cマウス3匹をケタミン/キシラジンで麻酔した。各マウスについて、心穿刺を実施して血液1mLを得た。肝臓を取り出し、冷やしたPBS 2mL中に入れた。最後に、肺も取り出し、冷やしたPBS 1mL中に入れた。次いで臓器を、機械的ホモジナイザーを使用してホモジナイズし、血液とともに、さらに使用するまで氷上で保持した。各マウスを頚部脱臼によって屠殺した。次いで臓器を、機械的ホモジナイザーを使用してホモジナイズし、血液とともに、さらに使用するまで氷上で保持した。すべての動物実験は、フランス国家倫理規定(French National Ethics regulations)に従って行った。
インビボでの生物発光イメージング
メスのBalb/cマウスをイソフルラン(2.5%)で麻酔した。麻酔下で、マウスの左大腿の深さ3mmに、QDを含む、または含まない25〜50μLの細菌懸濁液を筋肉内注射し、IVIS 100を使用して画像化した。明視野像を最初に撮り、続いてオープンフィルター、610LPフィルター、およびCy5.5フィルターを用いて、生物発光像を撮った。Living Image(v3.1、Xenogen corp.)ソフトウェアを使用して画像を分析した。
「パール」を使用したインビボでのFUELイメージング
インビボでのFUELを実証するために、アガロース、またはアガロースとQD705の混合物によって層を重ねたRT57ベースのコアからなる2%のアガロースパールを構築した。簡単に言えば、個々の「パール」を作り出すために、RT57ストック12.5μLを、加温した4%のアガロース12.5μLと混合し、パラフィルム上にピペットで移した。25μLのパールコアを冷却させた後、PS 5μLまたはQD705ストック5μLと、5%のアガロース7.5μLとの混合物をパールコア上にピペットで移し、それぞれ、対照パールおよびFUELパールを形成した。パールを構築した後、メスの生後6週間のBalb/cマウス3匹を、ケタミン/キシラジンを使用して化学的に麻酔した。次いで、電気カミソリを使用して3匹すべてのマウスの後肢の背側および腹側の両方の毛を剃った。両後肢の内側に小さな切開部を作り、対照(RT57)パールまたはFUEL(RT57およびQD705)パールを皮下に配置することを可能にした。次いでマウスをIvis 100内に置き、オープンフィルターセットおよびQD705フィルターセットの両方について、発光を腹側から観察した。次いでマウスを転がし、両フィルターセットについて発光を背側から観察した。
スペクトルの比較
RT57の生物発光の発光スペクトル、およびQD705の励起/発光スペクトルを重ね合わせた、コンゴレッド(CR)の正規化されたUV/可視光吸収プロットを、図1Aで見ることができる。示したように、QD705の励起スペクトルは、生物発光の発光と大いに重なる一方で、QD705の蛍光発光は、703nmを中心とすることが見出された。有用な光吸収スペクトルを取得するために、血液を、滅菌したH2Oで300倍に希釈し、一方肝臓および肺を、やはり滅菌したH2Oでそれぞれ200倍に希釈した(図1B)。
懸濁液中の生物発光細菌によるQD705の非結合励起
生物発光大腸菌が、いずれのカップリング化学反応または結合を必要とすることなく、QD705を励起することができるかどうかを判定するために、RT57およびQD705の溶液を別個のチューブ内に単独で分配し、または混合し、得られた発光生成を、2つの異なる発光フィルターセット(オープンおよびCy5.5)の下で、3つの対照(RT57単独、QD705単独、およびPS)と比較した。
細菌ルシフェラーゼ−QD705 FUELプローブ対の距離依存性
普通の励起を介した生物発光光子をレッドシフトさせることの重要性を実証するために、マウスの血液、肝臓、および肺の光吸収を模倣する単純なモデルを開発した。一般的な色素のコンゴレッド(CR)は、マウスの血液、肝臓、および肺と同様に、RT57と重なった吸収スペクトルを有することが見出された。CRは、705nmで光吸収をほとんど示さなかった。検出可能な光子に対する吸収体のCRAgarの効果を、2つの異なる条件下で、RT57およびRT57+QD705のアリコートの上に寒天およびCRAgarのプレートを積み重ねることによって観察した(図3)。先に述べたように、2つの異なる条件について異なるフィルターセットを使用して、3つの連続した5分の取得を得た。条件1は、4枚の標準寒天プレートの使用を含んでいた一方で、条件2では、中心の2枚の寒天プレートをCRAgarプレートと置き換えた(図3Aおよび3B)。増殖実験を、各条件について3通りで繰り返し、Ivis 100を使用して観察した。図4Aは、条件2についての全光子束の経時的な増加を示し、一方、図4Bは、条件2についての増殖実験の最後に取得した一般的な生物発光の画像を示す。図から分かるように、列2(RT57+QD705)は、他の列より著しく明るい。この差異は、図4Cでより明らかに観察することができる。ここでは、列2、3、および4についての全光子束を、列1(RT57のみ)に対して正規化した。列2について全光子束の大きな増加が観察され、列3について小さな増加が観察され、列4において、増加は本質的にまったく観察されない。
QD705の添加に由来する赤色光子生成の増大
1枚の黒い紙で離された直列の2つの石英キュベットを使用して、複数の実験条件を確立した。これらの条件を図7に概略的に示す。ここでPS:生理食塩水;QD705:QD705溶液;RT57:生物発光大腸菌;CR:コンゴレッドである。
エクスビボの試料を通じた光子透過率
3匹の異なるマウスから3通りでQDおよび細菌をマウスに注射する前に、インビボ条件をシミュレートするために、MWB(マウス全血)、ホモジナイズされた肝臓、およびホモジナイズされた肺を使用した。ここでは、RT57およびRT57+QD705を含む寒天プレートを、先に記載したように調製した。ピンホールを有する1枚の黒い紙を、ピンホールがRT57およびRT57+QD705のアリコートと適切に整列するように、寒天プレートの上に置いた。最後に、黒色96ウェルプレートを黒い紙と寒天プレートの上に置いた。
この技法の能力を実証するために、原理実験のインビボでの証明を実施した。QD705および細菌懸濁液を、麻酔下でマウスの大腿に順次注射した。2匹目のマウスに細菌単独を注射し、標準的な生物発光生成についての対照として使用した。各マウスの生物発光生成率を、3つの異なるフィルターセットの下で同時に収集した(図9)。図から分かるように、各フィルターセットの下で、QD705を注射したマウスについて、測定される生物発光の増大が観察された。表3は、QD705が存在する場合に検出される光子の著しいシフトを示す。
共有結合性化学反応がまったく施されなかった溶液中の条件下で、RT57発光がQD705発光を引き起こしたので、これは、検出された現象の機構は、密接な分子近接という基準によって束縛されるBRET(特徴的に放射性の)機構によって説明されないことを示した。
インビボでシグナル検出を増強するためのFUELの使用
固化した2%のアガロースの50μLのビーズ中に懸濁させた生物発光大腸菌を、BALB/cマウスの左大腿内側に皮下移植した。アガロース中の細菌の別の50μLのビーズを調製し、705nmの赤色に発光波長を有する10μLの量子ドットの層でコーティングした。この第2のビーズを、同じマウスの右大腿内側に皮下移植した。
FUEL機構
したがって本発明者らは、懸濁液中に混合されると、生物発光細菌は、生物発光の発光ピークと、QD705の広い吸収スペクトルとの著しいスペクトルの重なりのためにQDを励起することができ、それによってこの現象が、レッドシフトがなければ特徴的に青色の細菌生物発光の逆説的なレッドシフトによって立証されることを示した。
参考文献
Claims (16)
- 対象とする細胞、組織、または生物中の光子生成発光性生物学的マーカーの存在を判定するための方法であって、
a)FPP−Lが少なくとも1つの第1の光子を生成するのに適した条件を提供するステップと、
b)前記細胞、組織、または生物に近接して配置されたFPP−Uを提供するステップであって、ステップa)の前記少なくとも1つの第1の光子が前記FPP−Uを励起し、前記FPP−Uが少なくとも1つの第2の光子を放出するステップと
を含み、
前記FPP−Lと前記FPP−Uが結合しておらず、かつ前記少なくとも1つの第2の光子(複数可)のそれぞれが、前記少なくとも1つの第1の光子(複数可)のそれぞれより波長が長いことを特徴とする方法。 - 前記FPP−Lが生物学的マーカーである、請求項1に記載の方法。
- 前記生物学的マーカーが生物発光性である、請求項2に記載の方法。
- 前記生物学的マーカーが化学発光性である、請求項2に記載の方法。
- 前記生物学的マーカーが蛍光性である、請求項2に記載の方法。
- 前記生物学的マーカーが、650nm未満の波長を有する光子を放出する、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、前記生物学的マーカーより長い波長を有する光子を放出する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、650〜900nmの波長を有する光子を放出する、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 細胞、組織、または生物内の少なくとも2つの光子生成生物学的マーカーの存在を判定するステップを含み、前記少なくとも2つの生物学的マーカーのそれぞれは、重ならない範囲の波長内の光子を放出し、前記光子は、それぞれが少なくとも1つの光子を放出する前記FPP−Uの少なくとも2つのサブセットのうちの少なくとも1つを励起し、前記FPP−Uの各前記サブセットによって放出される前記少なくとも1つの光子は、重ならない範囲の波長内にある、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、前記細胞、組織、または生物の特定の部分に前記FPP−Uを向ける手段を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、前記細胞、組織、または生物の内部に配置される、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、前記細胞、組織、または生物の外部に配置される、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、前記細胞、組織、または生物の内部および外部に配置される、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記FPP−Uが、量子ドット、カーボンナノチューブ、蛍光タンパク質、ダイヤモンドナノ結晶、金属ポルフィリンの群から選択される、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 対象とする細胞、組織、または生物中の光子生成発光性生物学的マーカーの存在を判定するための方法であって、
a)第1のFPPが少なくとも1つの第1の光子を生成するのに適した条件を提供するステップと、
b)前記細胞、組織、または生物に近接して配置された第2のFPPを提供するステップであって、ステップa)の前記少なくとも1つの第1の光子が前記第2のFPPを励起し、前記第2のFPPが少なくとも1つの第2の光子を放出するステップと
を含み、
ステップb)が少なくともさらに1回繰り返され、各追加のステップについて、前記第1のFPPまたは第2のFPP以外のさらなるFPPが前記細胞、組織、または生物に近接して配置され、前記さらなるFPPは、以前のステップにおいて放出された少なくとも1つの光子によって特異的に励起され、次に少なくとも1つのさらなる光子を放出し、 最終ステップにおいて、前記少なくとも1つのさらなる光子が検出され、
前記生物学的マーカーは、前記第1のFPPまたは前記第2のFPPであり、
前記複数のFPPは結合しておらず、かつ前記少なくとも1つの光子(複数可)のそれぞれは、以前のステップからの前記少なくとも1つの光子(複数可)のそれぞれより波長が長いことを特徴とする方法。 - 請求項1から13のいずれか一項に記載の方法を実施するためのキットであって、
請求項1から13のいずれか一項に記載のFPP−U分子と、
請求項1〜6及び9のいずれか一項に記載の生物学的マーカーによって生成される光子を吸収する化合物と、
請求項1から13のいずれか一項に記載の方法の実行に関する指示書と
を含むキット。
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