JP6161072B2 - 多チャンネル式化学発光計測システム - Google Patents
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Description
また、その他のバイオアッセイとして、通常「分子イメージングプローブ」を用いるアッセイ法が広く使われている。例えば、細胞内での蛋白質−蛋白質相互作用を発色でイメージングする方法であり、非特許文献3等の蛍光蛋白質間蛍光共鳴エネルギー転移を利用したフレート法(FRET)、非特許文献4等の蛍光蛋白質や発光蛋白質を2分割し、その蛋白質断片間の再結合による発光回復を特徴とする2分子型自己相補法(2−molecule−format protein-fragment complementation assay(PCA))等が知られている。
一方、本発明者らは、既に、非特許文献5等の蛋白質組継ぎ反応を用いたアッセイ法(protein splicing assay (PSA))以外にも非特許文献6及び特許文献1等の一分子型生物発光プローブ(integrated−molecule−format bioluminescent probe;又は簡単にsingle−chain probe)のような単一分子内蛋白質−蛋白質間の相互作用の検出法を開発している。更にその派生手法として、非特許文献7及び特許文献2等の発光酵素の遺伝子配列を円順列置換(circular permutation)したことを特徴とする生物発光プローブも開発している。更に、非特許文献8及び特許文献3等の発光酵素に人為的な歪みをかけることによって起こる酵素活性の相違を指標とした分子歪みセンサー(molecular tension−indexed bioluminescent probe)も開発している。更に最近では、非特許文献9等のレポータージーンアッセイと一分子型生物発光プローブを合体した多重リガンド認識型生物発光プローブ(multiple recognition−type bioluminescent probe)を開発し、このプローブは、一つの検量物質に対して2回センシングすることを特徴とする。更に、特許文献4等の2色の一分子型生物発光プローブを組み合わせることによって「マルチカラー生物発光イメージングプローブセット」を開発し、このプローブは、検体の多面的な生理活性の多色イメージングできることを特徴としている。
一方、(2)の化学発光を用いる手法は、前述した問題はないが、蛍光に比べて微弱光であり、光を発するためには基質を要する問題点があった。特に、化学発光の一種である生物発光の場合には「酵素」に依存するため、塩濃度、温度、pH、重金属イオンの濃度等によっても発光強度が容易に変動する問題がある。また、化学発光は基質導入後、直ちに輝度を落としてしまうため(発光安定性が悪いため)、多数のサンプルを計測する場合に最初のサンプルの測定時と最後のサンプル測定時に時差が生じるため、正確な測定が不可能であった。
また、多数のサンプルを測定する際、従来法では個々のサンプルの取り扱いが難しく、各サンプルを毎度受光部に差し込まなければならないなど、人為的な操作ミスの可能性と測定の煩雑さが問題であった。
従来のルミノメーターを用いた発光サンプルの測定は、光点という概念が用いられていた。即ち、発光サンプルを一つの光点だと想定し、その光点に合わせて機械的な設計がなされてきた。ところが、発光サンプルの実態は溶液であり、溶液量もサンプルによってまちまちであるため起こる機械設計と実態のミスマッチも無視できない問題点である。
既製の多チャンネル理化学装置や製品(例、96穴プレート(8×12)、8チャンネルピペット、PCRチューブ、6チャンネルマイクロスライド(特許文献8参照)など)は、サンプルチューブ間距離が全て9mmのピッチに規格統一されている。しかしながら市販の何れの分光装置もこのような規格に対応しながら多サンプル同時測定ができるものはなかった。したがって、従来の化学発光測定において、多サンプル同時計測のニーズがあった場合、1サンプルの発光顕微鏡観察、ルミノメーターによる1サンプルずつの計測、マイクロプレートリーダーによる順次1サンプル測定(即ち、96穴プレートを少しずつ動かして順次に1回・1サンプル測定を行う)を行うほかなく、この光計測手段の不備により、多数のサンプルを計測する場合に最初のサンプルの測定時と最後のサンプル測定時に時差が生じるため正確な測定が不可能であった問題点、多サンプルを取り扱う人為的ミスや煩雑さの問題、従来の計測械は発光サンプルを光点と見做したために起こる不正確さ(従って、1サンプルに付き多点集光が理想的)、多チャンネル規格に対応できる分光器が不在だった。
また、従来の二大発光測定装置であるルミノメーターの問題点(感度は良いが、サンプル処理能が悪い)とマイクロプレートの問題点(サンプル処理能が良いが、感度が悪い)も解決する必要がある。
また、最近では96穴プレート上の発光を「カメラ撮影技術」により同時計測する手法が開発されており、多数の蛍光や発光サンプルの同時計測ができるようになった(FDSS/μCELL、浜松ホトニクス社製)。ところが、このシステムは効率的な集光システムが不在のままカメラ撮影をするものであり、本発明でいうサンプルのキャップ側面保持・同時ハンドリングシステムとは大きく異なり、大型装置で装置価格も高額である。
本発明は、従来の化学発光における前述した様々な問題点を解決または軽減しつつ、高い感度で使用上の便利性、高速サンプル処理能、分光能を持ち合わせた発光測定装置の開発とともにそれを実現するための効率的な集光光学系、クロストークを遮断する壁面とミラー状の内面を持つキャップを含むサンプル導入システム、その装置を統合的に制御するソフトウェアシステムの構築を実現することを目的とする。
詳述すれば、多数の化学発光サンプル(8連チューブ等)の化学発光信号を最大限高感度に測定するために、まずミラー式穿孔キャップの穿孔に8連チューブを差し込み、そのキャップを光検出部に載せる方式を採用しているため、化学発光信号が逃されずミラー式穿孔キャップに反射されて下部の光検出部に集光される特徴があり、キャップの穿孔に横からの挿し込みによるサンプルの取り扱いの便利さと精度の向上を実現した。
また、サンプルから出る発光を、一サンプルあたり3地点から集光し平均化するように集光用の光ファイバーを構成すれば、サンプルの3回同時測定の効果も実現できた。
また、化学発光受光部と多チャンネルホトマルの受光部の両者間を、光ファイバーを用いて連結することにより、化学発光受光部を囲碁盤様に羅列し、その間隔が多様な化学発光サンプルチューブ(汎用の8連PCRチューブ、マイクロチューブ、多チャンネルマイクロスライド(ibidi社製の6チャンネルマイクロスライドなど)に対応できるように工夫した。
また、多チャンネル・複数地点の化学発光信号に対してホトマルが同一感度で応答できるように、まずそれぞれのチャンネルごとの加電圧の微調整が独立してできるように構成するとともに、さらに網羅的な電圧調製・データ処理ができるように制御システムを構築した。
また、本発明は上記多チャンネル化学発光計測システムにおいて、前記隔壁及び前記穿孔の壁面はミラー状であることを特徴とする。
また、本発明は上記多チャンネル化学発光計測システムにおいて、前記多チャンネルミラー式穿孔キャップの前記穿孔を設けた横面と対向する横面を平面に形成し、当該対向する横面が底となるようにミラー式穿孔キャップを水平面上に載置した状態でも前記穿孔で多連または単独のPCRサンプルチューブを挿入保持できるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は上記多チャンネル化学発光計測システムにおいて、前記受光部はチャンネル毎に複数地点で測定することを特徴とする。
また、本発明は上記多チャンネル化学発光計測システムにおいて、前記制御手段はパソコンであることを特徴とする。
また、本発明によれば、各チャンネル間の時差なしに信頼性の高い化学発光の同時計測ができ化学発光信号の経時減少も最小限に抑えることができ、従来にない簡便で、高感度、高サンプル処理能を持ち、高集光能を持つものであって、そのため、従来の発光計測装置にない高いサンプル処理能、利便性、精密な化学発光測定手段を提供できる。また本発明によれば、ミラー式穿孔キャップにより多様なサンプルチューブをそのまま使用可能な許容範囲の広いサンプル導入部を実現したので、幅広い光計測ニーズに対応でき、簡便で信頼性が高く、アッセイ準備・操作時間の短縮、高感度測定によるサンプル量の少量化、高いサンプル処理能を実現できた。
本発明の多チャンネル式化学発光計測システムは以下のような化学発光、生物発光を出すバイオアッセイへの応用が想定できる。昆虫由来の発光酵素からの生物発光を用いたATP測定法(雑菌測定)、酸化ラジカルの発光測定法、ルミノールの酸化を含む化学発光サンプルの測定法、レポータージーンアッセイ(reporter−gene assay)、ツーハイブリットアッセイ(two−hybrid assay)、タンパク質相補法(protein complementation assay)、インテインを介したタンパク質スプライシング法(intein−mediated protein splicing assay)、一分子型生物発光プローブ法(single−chain probe−based assay)、二分子型生物発光プローブ法(two−molecule−format bioluminescent probe−based assay)を行う際に利用できる。
例えば、レポータージーンアッセイを行う際、市販の6チャンネルのマイクロスライド(ibidi社製)上のレポーター発現ベクターを持つ真核細胞を培養しリガンド刺激を行い、レポーター蛋白質の細胞内蓄積を待つ。その後、基質を添加することによって生細胞が発光することから、本発明の多チャンネル式化学発光計測システムのミラー式穿孔キャップを用いて生きた細胞のままで効率的に光測定すればよい。
また、前記細胞を細胞溶解液で溶解した後、細胞ライセットを市販の200μLチューブやPCRチューブに入れて測定すればよい。
また、一分子型生物発光プローブを用いる場合、市販の6チャンネルのマイクロスライド(ibidi社製)上の細胞を培養し一分子型生物発光プローブを発現させ、当該細胞にリガンド刺激を行う。リガンド刺激後、基質を添加することによって細胞を発光させ、本発明の多チャンネル式化学発光計測システムを用いることにより多数のサンプルからの発光を多点・同時で光測定すればよい。
多数のリガンド活性の測定は、通常の生物発光アッセイに準じて実施すればよく、特に制限なく従来のプロトコルが適用できる。
PCRチューブやマイクロスライド上で培養した多数の細胞にそれぞれ化学物質やホルモン、薬剤候補物質、毒性物質などをマルチチャンネルピペットを用いて操作すればよくて、それから出る発光値を本発明の多チャンネル式発光測定システムとミラー式穿孔キャップを用いることにより寸時に計測すれば良い。
また、発光の分別のためには、それぞれの目的に合致する光学フィルターを検出部に構えることにより、発光の中でも特に関心のある波長の光を選別して測定することも可能である。このような光学フィルターを用いることにより、発光サンプルのマルチカラー測定を行えば良い。
本発明におけるその他の用語や概念は、発明の実施形態の説明や実施例において詳しく規定する。なお、用語は基本的にはIUPAC−IUB Commission on Biochemical Nomenclatureによるものであり、あるいは当該分野において慣用的に使用される用語の意味に基づくものである。また発明を実施するために使用する様々な技術は、特にその出典を明示した技術を除いては、公知の文献等に基づいて当業者であれば容易かつ確実に実施可能である。例えば、遺伝子工学および分子生物学的技術はJ.Sambrook,E.F.Fritsch&T.Maniatis, "Molecular Cloning:A Laboratory Manual(2nd edition),Cold Spring Harbor Laboratory Press,Cold Spring Harbor,New York(1989);D.M.Glover et al.ed.,DNA Cloning",2nd ed.,Vol.1to4,(The Practical Approach Series),IRL Press,Oxford University Press(1995);Ausubel,F.M. et al.,Current Protocols in Molecular Biology,John Wiley&Sons,New York,N.Y,1995;日本生化学会編、「続生化学実験講座1、遺伝子研究法II」、東京化学同人(1986);日本生化学会編、「新生化学実験講座2、核酸III(組換えDNA技術)」、東京化学同人(1992);R.Wu ed.,"Methods in Enzymology",Vol.68(Recombinant DNA), Academic Press,New York(1980);R.Wu et al. ed.,"Methods in Enzymology",Vol.100(Recombinant DNA,Part B)&101(Recombinant DNA, Part C),Academic Press,New York(1983); R.Wu et al. ed.,"Methods in Enzymology", Vol.153(Recombinant DNA,Part D),154(Recombinant DNA,Part E)&155(Recombinant DNA,Part F),Academic Press,New York(1987)などに記載の方法あるいはそこで引用された文献記載の方法またはそれらと実質的に同様な方法や改変法により行うことができる。また、本発明で使用する各種タンパク質やペプチド、あるいはそれらをコードするDNAについては、既存のデータベース
(URL:http://www.ncbi.nlm.nih.gov/等)
から入手することができる。
図1に、本発明の多チャンネルミラー式穿孔キャップの一例として8チャンネル式の構造を示す。図において、8チャンネルのミラー式穿孔キャップには8個の空洞が設けられ、各空洞は、図3の多チャンネル式化学発光計測システム(図では8チャンネル式)の発光サンプル測定基盤に蓋をしたとき、発光サンプル測定基盤側の各チャンネル(Ch1〜Ch8)に対向するように形成され、各空洞間のピッチと発光サンプル測定基盤側の各チャンネル間のピッチとは何れも、汎用のPCRサンプルチューブ及び多チャンネルマイクロスライドや8チャンネルピペット等のチャンネル間のピッチと共通の9mmのピッチで形成されている。各空洞間には隔壁を設けてチャンネル間でのクロストークを防止し、空洞内壁はミラー状で上部に逃げようとする化学発光の光を下部に集光させる構造を備えている。さらに、ミラー式穿孔キャップには横面から穿孔が設けてあり、各穿孔のピッチは前記空洞のピッチと同じであり、各穿孔は発光サンプル測定基盤に蓋をしたときにやや下向きになるように穿たれ(図では15°の先下り傾斜)、穿孔の先は空洞に貫通しており、穿孔にサンプルチューブを挿入保持したとき、サンプルチューブの発光部が空洞内に位置する構造であり、また、穿孔内壁はミラー状に形成されており空洞内壁と同様に上部に逃げようとする化学発光の光を下部に集光させる構造である。
図2は8チャンネルのミラー式穿孔キャップの使用例を説明するための図で、(a)は8チャンネルのミラー式穿孔キャップの穿孔に単独のマイクロチューブを2個挿入した例、(b)は8チャンネルのミラー式穿孔キャップの穿孔に8連PCRチューブを挿入した例、(c)は8チャンネルのミラー式穿孔キャップの空洞に6チャンネルマイクロスライドを挿入した例を示している(6チャンネルマイクロスライドに対しては両端の2つを除いた中寄りの6つの空洞が対応する)。このように、8チャンネルのミラー式穿孔キャップを用いることにより、単独のマイクロチューブ・8連PCRチューブ・6チャンネルマイクロスライドに対して対応することができ、さらに、その各チャンネル間は壁面により隔たれているため、相互サンプル間のクロストークが殆どなく、ミラー状の壁面によりサンプルから出る発光を効率的に集光できるものである。
また、8チャンネルのミラー式穿孔キャップにおいて穿孔を設けた横面と対向する横面を図1のごとく平面にしておけば、当該対向する横面が底となるようにミラー式穿孔キャップを水平面上に載置した状態でも穿孔で単独のマイクロチューブ及び8連PCRチューブを挿入保持することができ、例えばこの状態での8チャンネルピペットによる注液等の操作も可能となる。
発光サンプル測定基盤の8つのチャンネルのピッチは、ミラー式穿孔キャップの空洞及び穿孔と同じく、汎用のPCRサンプルチューブ及び多チャンネルマイクロスライドや8チャンネルピペット等のチャンネル間のピッチと共通の9mmのピッチで形成されており、化学発光計測時には発光サンプル測定基盤の上は8チャンネルのミラー式穿孔キャップで覆われ、各チャンネル間はミラー式穿孔キャップの壁面により隔たれているため、相互サンプル間のクロストークが防止できる。また8つのチャンネル毎に3地点集光のできるように光ファイバーを設置したため、単一サンプルに対して3地点集光による平均値などが反映できるように工夫されている。このような構成により発光サンプル測定基盤の上に多数サンプルの同時・多点計測が実現できる。
図4に、多点同時計測の利点を示すために、発光サンプル測定基盤とホトマルの受光部を繋げる光ファイバーの本数を1本(一点集光)、2本(2点集光)、3本(3点集光)に変えることによる発光値の相違とその変動係数(CV)を測定した結果を示す。まず光源(light source)として発光パルスゼネレーター用いたパルス光を産生し、図4(A)に示すように、その光パルスに対して1点集光した場合(他の2点は遮光する)、2点集光した場合(他の1点は遮光する)、3点集光(全部開光する)した場合において、ホトマル側で受けたそれぞれの光の強度(図4(B)参照)とCV値(図4(C)参照)を計測した。その結果、図4(B)によれば、チャンネル1位置(Ch1)における発光輝度は1、2、3点集光順に上がることが分かった。また、図4(C)によれば、CV値も3点集光の場合が少ないこと(精度が良い)が分かった。隣のチャンネル2位置(Ch2)においても同様の傾向が観察できた。ここでCV値は、変動係数(CV)=標準偏差/平均値として求めた。
なお、上記説明では光ファイバーによるものを例示したが、光ファイバーの束ともいえるファイバーオプティックプレート(FOP)を用いても同様の装置を構築することができ、例えば、FOPを加工して発光サンプル測定基盤とホトマルの受光部を繋げることによっても同様に多チャンネル同時光計測が感度良く実現できる
まず、図5は、同じ発光サンプルに対して同一信号が得られるように各チャンネルの加電圧を統括して調整ができるようにしたソフトウェア画面の一例を示したものである。8チャンネルの化学発光計測システムで得られた測定結果をA/Dコンバーターで同時処理しパソコンにオンライン転送する構成とし、また、携帯性と省エネ性を実現するためにパソコンのUSB3.0電源で全て作動できるように電源ラインを調製した。また多用な発光サンプルに対して光検出ができるように発光サンプリング速度を1万回−100万回に幅広く調整できる構成とした。
次に、図6は、このように構築された8チャンネル式化学発光計測システムが正常に作動することを確認するために、任意の光源に対する各発光チャンネルの応答を確認した結果を示したものである。まず、チャンネル8位置のみに光を加える操作で反復的に発光信号が上下することが図6(A)で確認でき、また、チャンネル5に対してパルスゼネレーターを照射したところ、チャンネル5だけが反復して強く反応していることが図6(B)で確認できた。なお、このような8チャンネル間の発光測定値の統括は、上記した図5のソフトウェア画面上での加電圧調整により行うことができる。
図7は、本発明の多チャンネル化学発光計測システムを用いた場合と、従来のルミノメーターによる場合及び96穴プレートリーダーを用いた場合とで、発光サンプルの測定時間等を比較した図である。
まずCOS−7細胞を96穴プレートに培養し、各ウェル上の細胞に本発明者の既開発のストレスホルモン感受性を持つ一分子型生物発光プローブをコードするプラスミドを、脂質導入試薬(TransIT−LT1)を用いて導入した。プラスミドを導入した24時間後に市販の細胞溶バッファー(Promega)を用いて細胞ライセットを作った。8チャンネル式マイクロピペットを用いて各ウェル上の細胞ライセット10μLを8連チューブに入れ、8チャンネル式マイクロピペットを用いて40μLのセレンテラジン入りの基質溶液を同時に付加し発光させ、本発明の8チャンネル化学発光計測システムで光測定を行った(8連チューブを8チャンネルのミラー式穿孔キャップの穿孔に挿入保持)。
一方、同様の条件で光測定時間を比較するために前記同様の細胞ライセットを96穴プレートに10μLずつ移し、基質導入インジェクターが付いているコロナ電気のマイクロプレートリーダー(SH−9000lab)を用いて自動基質導入モードで光測定を行った。
また、同様の条件で光測定時間を比較するために、既存のルミノメーター(GloMax20/20n,Promega)を用いて、同じ発光サンプル10μLの光測定を行った。
それらの結果をまとめたものが図7である。同一発光サンプルに対する測定時間は、ルミノメーターでは21分、96穴プレートリーダーでは5分、本発明のシステムでは3分が所要された。また発光測定値の標準偏差値(SD)は、ルミノメーターでは0.34、96穴プレートリーダーでは0.53、本発明のシステムでは0.11を示した。この結果によれば、本発明のシステムではルミノメーターの3倍の精度、96穴プレートリーダーの5倍の精度で発光測定が可能であることを示しており、また、測定時間も本発明のシステムではルミノメーターの1/6、96穴プレートリーダーの約1/2の測定時間で測定できることが確認できた。
図8に、本発明の多チャンネル化学発光計測システムを用いた測定例を示す。
まず、市販の細胞培養用の6チャンネルマイクロスライド(ibidi社製)にサル腎臓由来のCOS−7細胞を植え、6チャンネルマイクロスライド面積の9割が細胞に埋まるまで細胞を培養した。その細胞に図8(A)で示す生物発光カプセルをコードするプラスミドを遺伝子導入し、更に24時間培養した。その後、培地を除き、このバッファーには、スタウロスポリン(STS;最終濃度:10μM)有り又は無しのHBSSバッファー(基質(セレンテラジン)は同量含有)に交換した。このバッファー交換後の2分、10分、15分時点で6チャンネルマイクロスライドからでる生物発光を、本発明の8チャンネル化学発光計測システムで測定した(6チャンネルマイクロスライドの上は8チャンネルのミラー式穿孔キャップで覆う)。
STS無しの条件では、発光カプセルが細胞膜に局在し、STS刺激有りの条件では発光酵素がカスパーゼ3により切り出される(図8(B)参照)。このメカニズムによりSTS有り無しの条件に依存して発光輝度の相違が発生する。
その結果、図8(C)で示すようにSTS依存的は発光輝度の相違が観察できた。
Claims (5)
- 化学発光サンプル測定基盤に設けた多チャンネルの受光部と、多チャンネルの受光部毎に光ファイバーで接続された多チャンネルホトマルと、多チャンネルホトマルを統括的に制御する制御手段と、前記化学発光サンプル測定基盤の上部に設けた多チャンネルの受光部を覆う多チャンネルミラー式穿孔キャップを備えた多チャンネル化学発光計測システムであって、
前記多チャンネルミラー式穿孔キャップには前記化学発光サンプル測定基盤の多チャンネルの受光部それぞれに対向する空洞が穿たれるとともに空洞間には隔壁が設けられており、前記多チャンネルミラー式穿孔キャップの横面から各空洞に貫通する穿孔が設けてあり、
前記多チャンネルの受光部のピッチと前記空洞のピッチと前記穿孔のピッチは、多連PCRサンプルチューブ及び多チャンネルマイクロスライドの共通のピッチに設計されており、前記空洞は多チャンネルマイクロスライドをチャンネル毎に収容可能に形成され、前記穿孔は多連PCRサンプルチューブを挿入保持可能に形成されていることを特徴とする多チャンネル化学発光計測システム。 - 前記隔壁及び前記穿孔の壁面はミラー状であることを特徴とする請求項1記載の多チャンネル化学発光計測システム。
- 前記多チャンネルミラー式穿孔キャップの前記穿孔を設けた横面と対向する横面を平面に形成し、当該対向する横面が底となるようにミラー式穿孔キャップを水平面上に載置した状態でも前記穿孔で多連または単独のPCRサンプルチューブを挿入保持できるようにしたことを特徴とする請求項1または2記載の多チャンネル化学発光計測システム。
- 前記受光部はチャンネル毎に複数地点で測定することを特徴とする請求項1ないし3の何れかに記載の多チャンネル化学発光計測システム。
- 前記制御手段はパソコンであることを特徴とする請求項1ないし4の何れかに記載の多チャンネル化学発光計測システム。
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