JP6168140B2 - 反応生成物をリアルタイムにサンプリングするための方法 - Google Patents
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Description
図1Aは、本発明のマイクロ流体デバイス100の実施態様を図示する。デバイスは、反応を行うためのチャンバ11を含む。
(1)vfast(tload)< 距離A、
(2)vslow(tload+tpreload+tload) > 距離A、
(3)vslow(tload)> 距離B。
ここで、vfast、vslow、距離A、及び距離Bは、上記で定義した通りであり、tloadとtpreloadは、それぞれロードステップ及びプレロードステップを行なうために電位差が加えられる時間である。従って、時間tloadの間、移動度μを有する成分は、距離μE(tload)-=v(tload)=Dloadを移動することになる。ロードステップ及びプレロードステップの間に動いた相対的距離のデバイス設計への適用は既に述べたが、ステップそれ自体は以下に、さらに説明する。
(1’)vfast(tload)< 距離A;0.03(10)=0.3cm<距離A
(2’)vslow(tload+tpreload+tload) > 距離A;0.02(40)=0.8>距離A
(3’)vslow(tload)> 距離B;0.02(10)=0.2cm>距離B
(1’)距離C>0.3cm−距離B
(2’)距離C<0.8cm−距離B
(3’)距離B<0.2cm
本明細書に記載の設計条件を満たすデバイスは、チャンバからの2つ又はそれ以上のサンプルを時系列に分析するために、本明細書に開示された方法を用いて操作することができる。本方法は、チャンバ内容物を時間の関数として分析するために有用である。本方法は、チャンバ内で行われる反応の進行の追跡、又はチャンバの内容物を時間とともに監視することに用途を見出せる。例えば、核酸増幅反応で生成する増幅産物の量の増加、又は酵素反応若しくは結合反応の動態を測定することができる。1つの具体的な適用は、PCR反応の進行を追跡することに関する。PCR増幅産物は、各サイクルの後又は選択されたサイクルの後、チャンバからサンプルを取り除き、各サンプルを分析チャンネルネットワークで分離分析することによって解析することができる。
印加される間に、最も遅い荷電した分析物成分が、少なくともチャンバ11からロードチャンネル/分離チャンネル交差部16までの距離を移動するような時間の間、印加される。
1−1.デバイス
PCR−CEマイクロ流体デバイスは、ラミネート加工によって接合された射出成型ポリカーボネート基板およびポリカーボネートフィルム(GE Plastics社、125 μm Lexan 8010)から製造した。マイクロ流体デバイスの設計は図1Aに示す。デバイス全体の寸法は、約45.5mm×25.5mm×5.5mmである。反応チャンバは、約350μmの深さ及び約25μLの体積を有する。ロードチャンネル、プレロードチャンネル、分離チャンネル、及びサイド・チャンネルは、それぞれ約30μmの深さ及び40μmの幅である。電極は、ラミネート加工する前にポリカーボネートフィルム上にプリントされたスクリーンであった。製造されたとき、電極は、基板/フィルムラミネート加工デバイスのウェルに添加される溶液と接触する位置に配置される。
E. coli配列を増幅させるためのプライマーは、以下の配列を合成し、プライマー対として用いた:
配列番号1:(順方向プライマー)5’−ATCTATGACTGTACGCCACTGTCCCTAG
配列番号2:(逆方向プライマー)5’−GCCTAGCAAACTCGGAAGATT
実施例1−1のマイクロ流体デバイスは、実施のために以下のように準備した。分析チャンネルネットワークは、TAPS緩衝液(200mM)pH8、ポリジメチルアクリルアミド篩マトリックス(2.5%)、及びエチジウムブロミド二量体蛍光色素を含む分離ゲルで満たした。実施例1−2のPCR反応液(25μL)を、アクセス・ウェル6にロードし、毛細管作用でチャンバ11に送達させた。ウェル7は、PCR緩衝液で満たした。他のウェルは、分離ゲル又はマーカー又は焦点用色素で満たした。試薬の分配は、以下の表に示した。最後に、15μLのシリコーン油(20cst)をウェル5及び6(反応チャンバへの注入口)ならびにウェル7に添加した。
ゲル緩衝液:MgCl2(3mM)、TAPS(200mM)、pH8.0;
ゲル:PDMA31−146(2.5%)、EthDのゲル緩衝液溶液(0.15μM);
焦点用色素:5−カルボキシテトラメチルローダミン(TAMRA)(0.2μM)、EthDのゲル緩衝液溶液(0.15μM);
マーカー:Fermentas社製 NoLimits DNA:15、300、500bpのゲル緩衝液溶液(各1ng/μL);
PCR緩衝液:1×Taq緩衝液、MgCl2(3mM)、dNTP(0.4mM)、ウシ血清アルブミン(BSA)(100mg/mL)。
実施例1−3で用意したロードされたマイクロ流体デバイスのリアルタイムPCR−CE分析は、以下のように実施した。PCRサーモサイクリングのプロトコルは、次の一連の、変性、アニーリング及び伸長の温度と時間でプログラム化した:
サイクル1:98℃で60秒間、58℃で14秒間、及び77℃で8秒間;
サイクル2〜16:98℃で7秒間、62℃で14秒間、及び77℃で8秒間;
サイクル17〜最後:98℃で7秒間、62℃で14秒間、及び77℃で39秒間。
実施例1−4に記載のPCR及び電気泳動のプロトコルを実施することによって、反応生成物のサンプルは、サイクル17で始まる各サイクルの後に取り出し、キャピラリー電気泳動分析に付した。サイクル20、22、24、26、28、30、32、34、及び36の生成物を分析する電気泳動図は、図8A(左から右、上段から下段に)に示した。サイクル20を分析した電気泳動図では、左上に、3つのマーカーのピークがはっきり見える。3つのピークは、それぞれ15、300及び500の塩基対マーカーである。予想される増幅産物(100塩基対)のピークは、矢印で示した。予想される増幅産物のピークは、右上の電気泳動図(サイクル24を分析)では辛うじて確認できたが、示された最後の電気泳動図(サイクル36を分析)では明確に確認できた。
2−1.デバイス
実施例1-1に記載のデバイスを使用した。
C型肝炎ウイルス(HCV)及びMS2バクテリオファージ、RNAファージを増幅させるためのプライマーを準備し、RT−PCR反応液に含めた。さらに、この実施例では、それぞれのプライマーの1つのプライマーは、蛍光色素5−カルボキシテトラメチルローダミン(TAMRA)で標識した。
HCVプライマー:
配列番号3:5’−(TAMRA)-GAAAGCGTCTAGCCATGGCGT−3’
配列番号4:5’−CTCGCAAGCACCCTATCAGGCA−3’
MS2プライマー:
配列番号5:5’−GGTATAGTGTGGGAAAAGGTG−3’
配列番号6:5’−(TAMRA)-ACGAGAACGAACTGAGTAAAG−3’
PCR緩衝液(下記参照)
1×dNTP 0.4mM
KODエキソ(−)ポリメラーゼ(東洋紡社) 0.05μg/μL
HCVプライマー 0.4μM(それぞれ)
MS2プライマー 0.1μM(それぞれ)
DMSO 5%
HCVウイルス粒子 50〜50,000コピー/30μL
MS2ウイルス粒子 40,000コピー/30μL
PCR内部コントロールプラスミド 〜1,000コピー/30μL
HCV High Positive Control ウイルス粒子は、世界保健機構標準 NIBSC 96/798に較正された製品であり、Acrometrix社(Benicia, CA)から入手した。MS2バクテリオファージ、15597−B1株は、Virapur社(San Diego, CA)から入手した。
実施例2−1のマイクロ流体デバイスは、操作のために以下のように準備した。分析チャンネルネットワークは、pH8のTAPS緩衝液(200mM)、及びポリジメチルアクリルアミドマトリックス(3%)を含む分離ゲルで満たした。まず、分離ゲル(15μL)をウェル1に添加し、ウェル1にかかる陽圧を用いてゲルをチャンネルネットワークの中に導入した。次いで分離ゲル(15μL)をウェル3、4、及び9のそれぞれに添加した。次に、15μLの焦点用色素をウェル2に添加し、そして次に15μLのDNAマーカー溶液をウェル8に添加した。実施例2−2のPCR反応液(28μL)はウェル5を経由してチャンバに添加した。チャンバが完全に満たされた後、15μLの分離ゲル緩衝液をウェル7に添加し、そして軽い圧力を10秒間ウェル7に加えた。最後に、15μLのシリコーン油(20cst)をウェル5及び6(反応チャンバへの導入口)及びウェル7に添加した。
ゲル緩衝液:MgCl2(3mM)、TAPS(200mM)、pH8.0;
ゲル:PDMA31−146のゲル緩衝液溶液(3%);
PCR緩衝液:1×KOD緩衝液、MgCl2(3mM)、TAPS(200mM)(pH8.0)、Proclin 300(0.2%)
DNAマーカー:TAMRAで標識した300及び500塩基対のdsDNAのゲル緩衝液溶液(それぞれ1ng/μL)。
ロードされたマイクロ流体デバイスを、実施例1−3に記載されるようにサーマルサイクラ―装置に取り付けた。
実施例2−3によって準備したロードされたマイクロ流体デバイスのリアルタイムRTPCR−CE分析を、以下のように実施した。
逆転写酵素(RT)反応を、マイクロ流体デバイスを42℃で20分間インキュベートすることによって行った。
PCRサーモサイクリングのプロトコルを、次の一連の、変性、アニーリング、及び伸長の温度と時間で実施した:
サイクル1〜14:101℃で7秒間、60℃で14秒間、及び74℃で8秒間;
サイクル15〜40:101℃で7秒間、62℃で14秒間、及び77℃で39秒間。
最初の14サイクルを実施した後、サイクル15から始め、各PCRサイクルの後、PCR反応液中のサンプル成分を電気泳動によってチャンバから取り出し、分離チャンネルに移動し、そして電気泳動によって分析した。各ウェルの電極における電位又は電流は、以下のプロトコルに従ってコントロールした:
実施例2−4に記載のPCR及び電気泳動のプロトコルを実施することにより、反応生成物のサンプルは、サイクル15で始まる各サイクルの後に取り出され、キャピラリー電気泳動分析に付された。サイクル23、24、25、26、27、28、29、30、及び31によって生成された生成物を分析した電気泳動図を、図10A(左から右、上段から下段に)に示した。サイクル23の生成物を分析する電気泳動図では、左上に、2つのマーカーのピークがはっきり見える。2つのピークは、それぞれ300及び500の塩基対マーカーである。予想される増幅産物(100塩基対)のピークを、矢印で示す。予想されるHCV増幅産物のピークは、右上の電気泳動図(サイクル25で生成)で、辛うじて確認できる。MS2及び内部コントロール(IC)のピークは、サイクル28を始めとして明白である。
3−1.デバイス
実施例1-1に記載のデバイスを使用した。
バクテリオファージ−λゲノムの200塩基領域を増幅するためのプライマーを、下記の配列を合成し、PCR反応液を調製するために使用した。逆方向プライマーは、蛍光色素5−カルボキシテトラメチルローダミン(TAMRA)で標識した。
ファージ−λプライマー:
配列番号7:(順方向プライマー)5’−CGGGATAACACGCTCACCATGA
配列番号8:(逆方向プライマー)5’−TAMRA-GGCCAGACCGAGCCTTCAATAC
実施例3−1のマイクロ流体デバイスを、操作のために以下のように準備した。分析チャンネルネットワークを、実施例2−3で説明したように、pH8のTAPS緩衝液(200mM)及びポリジメチルアクリルアミド篩マトリックス(3%)を含む分離ゲルで満たした。実施例3−2のPCR反応液(25μL)をアクセス・ウェル6にロードし、毛細管作用でチャンバ11に送達させた。ウェル7を、PCR緩衝液で満たした。シリコーン油(15μL、20cst)をウェル5及び6(反応チャンバへの注入口)及びウェル7に添加した。他のウェルを、以下の表に示した試薬の分配によって示されるように分離ゲル又はマーカー又は焦点用色素で満たした。
焦点用色素:5−カルボキシテトラメチルローダミン(TAMRA)のゲル緩衝液溶液(0.2μM);
ゲル緩衝液:MgCl2(3mM)、TAPS(200mM)、pH8.0;
ゲル:PDMA31−146のゲル緩衝液溶液(3%);
PCR緩衝液:1×KOD緩衝液、MgCl2(3mM)、TAPS(200mM)(pH8.0)、Procline 300(0.2%)
DNAマーカー:TAMRAで標識した300及び500塩基対のdsDNAのゲル緩衝液溶液(それぞれ1ng/μL)。
ロードされたマイクロ流体デバイスは、実施例1−3に記載されるようにサーマルサイクラ―装置に取り付けた。
実施例3−3で準備したロードされたマイクロ流体デバイスのリアルタイムPCR−CE分析を、以下のように実施した。PCRサーモサイクリングのプロトコルを、次の一連の、変性、アニーリング、及び伸長の温度と時間でプログラミングした:
サイクル1:104℃で120秒間、63.8℃で14秒間、及び74.5℃で8秒間、
サイクル2〜16:101℃で7秒間、63.8℃で14秒間、及び74.5℃で8秒間、
サイクル17:101℃で7秒間、63.8℃で14秒間、及び74.5℃で59秒間、
以下を終わりまで繰り返す、
サイクル18(偶数):101℃で7秒間、63.8℃で14秒間、及び74.5℃で39秒間、
サイクル19(奇数):101℃で7秒間、63.8℃で14秒間、及び74.5℃で8秒間。
実施例3−4に記載のPCR及び電気泳動のプロトコルを実施することによって、反応生成物のサンプルは、サイクル18で始まる偶数サイクルの後に取り出し、マイクロ流体デバイス中のキャピラリー電気泳動によって分析した。サイクル18、20、22、24、26、28、30、32、及び34の生成物を分析する一連の電気泳動図を、図11Aに示した。電気泳動図で、DNAマーカーのピークは約25秒(300bpマーカー)及び30秒(500bpマーカー)で見てすぐに分かる。約15秒のピークはプライマーであり、200bpの標的増幅産物(矢印で示す)は約22秒に現れる。予想される増幅産物のピークは、上部中央の電気泳動図(サイクル20の生成物)では辛うじて確認できるが、示された最後の電気泳動図(サイクル34の生成物)では電気泳動図を支配していた。図11Bは、PCRサイクルの関数とした標的増幅産物量の成長曲線を示し、4回の繰り返し実験から方法の再現性を明示している。
Claims (20)
- チャンバ;チャンバからロード廃棄ウェルに通じるロードチャンネル;分離先頭ウェル(head well)から分離廃棄ウェルに通じ、ロードチャンネルと交差する分離チャンネル;及びロードチャンネルと分離チャンネルの交差部(ロードチャンネル/分離チャンネル交差部)とチャンバとの間に位置するロードチャンネルからプレロード廃棄ウェルに通じるプレロードチャンネル、を含むマイクロ流体デバイス内で、サンプル成分を分析するための方法であって、その方法は以下のステップを含み、且つ下記ステップ(c)と(d)は、少なくとも部分的に時間内でオーバーラップする、上記方法:
(a)アッセイ溶液をチャンバに加える;
(b)第1の長さの時間、チャンバとロード廃棄ウェルの間に第1の電圧を印加し、(i)アッセイ溶液から最初に取り出され、そして予めロードチャンネルに移動したサンプル成分の第1のセットを、ロードチャンネル/分離チャンネル交差部領域に移動させ、且つ(ii)アッセイ溶液から二度目に取り出されたサンプル成分の第2のセットをチャンバからロードチャンネルに移動させる;
(c)ステップ(b)の後、第2の長さの時間、チャンバとプレロード廃棄ウェルの間に第2電圧を印加して、アッセイ溶液からの二度目のサンプル成分の第2のセットをチャンバから取り出しプレロード廃棄ウェルに向けてロードチャンネルへ移動させ続ける;及び
(d)ステップ(b)の後、第3の長さの時間、分離先頭ウェルと分離廃棄ウェルの間に第3の電圧を印加して、サンプル成分の第1のセットをロードチャンネル/分離チャンネル交差部領域から分離チャンネルに導入し、分離チャンネル内のサンプル成分の第1のセットの分析を行う。 - ステップ(c)は、ステップ(d)が終了する前に終了する、請求項1に記載の方法。
- ステップ(c)は、ステップ(b)が終了する時に開始する、請求項2に記載の方法。
- ステップ(d)は、ステップ(b)が終了する時に開始する、請求項3に記載の方法。
- ステップ(b)は、ステップ(d)が終了した後に繰り返される、請求項2に記載の方法。
- ステップ(b)、(c)、及び(d)のサイクルが、少なくとも10回繰り返される、請求項5に記載の方法。
- ステップ(a)の後で、チャンバ内で少なくとも1つの核酸増幅反応を行うことをさらに含んでなる請求項1に記載の方法であって、下記一連のステップ(b)〜(e)が少なくとも2回繰り返され:
ステップ(b);
ステップ(c);
ステップ(d);及び
ステップ(e):ステップ(c)の終わりに開始する少なくとも1回の増幅サイクルを行う;
ここで:
一連のステップが最初に実施されるときは、ステップ(d)は場合により除外され;
次の一連のステップは、ステップ(d)及びステップ(e)が終った後に開始し;
そして場合により、一連のステップが繰り返される最後のときは、その一連のステップはステップ(b)及びステップ(d)だけを含む;上記方法。 - 請求項7に記載の方法であって;
ステップ(c)及びステップ(d)は、各ステップ(b)が終わるときに開始し;そして
各ステップ(c)の終わりに始まる1サイクルの増幅サイクルは、各ステップ(e)で行なわれる;上記方法。 - チャンバ;チャンバからロード廃棄ウェルに通じるロードチャンネル;分離先頭ウェルから分離廃棄ウェルに通じ、ロードチャンネルと交差する分離チャンネル;及びチャンバとロードチャンネル/分離チャンネル交差部の間の位置のロードチャンネルからプレロード廃棄ウェルに通じるプレロードチャンネルを含むマイクロ流体デバイス内で、サンプル成分を分析するための方法であって、その方法は以下のステップを含む、上記方法:
(a)アッセイ溶液をチャンバに加える;
(b)分離先頭ウェルと分離廃棄ウェルの間に、第1の長さの時間、第1の電圧を印加し、予めロードチャンネル/分離チャンネル交差部領域に移動した最初のアッセイ溶液からのサンプル成分の第1のセットを分離チャンネルに導入し、そして分離チャンネル内のサンプル成分の第1のセットの分析を行う;
(c)チャンバとプレロード廃棄ウェルの間に、第2の長さの時間、第2の電圧を印加し、2度目のアッセイ溶液からのサンプル成分の第2のセットを、チャンバからロードチャンネルを経由してプレロードチャンネルに移動させる;
(d)ステップ(b)の後、プレロード廃棄ウェルとロード廃棄ウェルの間に、第3の長さの時間、第3の電圧を印加し、サンプル成分の第2のセットをプレロードチャンネルからロードチャンネルに、そしてロードチャンネル/分離チャンネル交差部領域に移動させる。 - ステップ(b)と(c)は少なくとも部分的に時間内でオーバーラップする、請求項9に記載の方法。
- ステップ(b)と(c)がほぼ同時に開始する、請求項10に記載の方法。
- ステップ(c)はステップ(b)が終了する前に終了する、請求項11に記載の方法。
- ステップ(c)はステップ(d)が終了した後繰り返される、請求項12に記載の方法。
- ステップ(b)はステップ(d)が終了した後に繰り返され、それによって次のサンプルの分離チャンネルへの導入及び分析が開始される、請求項11に記載の方法。
- ステップ(b)、(c)、及び(d)のサイクルが少なくとも10回繰り返される、請求項14に記載の方法。
- サンプル成分が電気泳動によって移動する、請求項9に記載の方法。
- サンプルが少なくとも1つのポリヌクレオチドを含む、請求項9に記載の方法。
- ステップ(a)の後チャンバ内で少なくとも1つの核酸増幅反応を行うことをさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 請求項18に記載の方法であって、下記一連のステップ(b)〜(e)が少なくとも2回繰り返され:
ステップ(b);
ステップ(c);
ステップ(d);そして
ステップ(e):ステップ(c)の終わりに開始する少なくとも1回の増幅サイクルを行う;
ここで:
一連のステップが最初に実施されるときは、ステップ(b)は場合により除外され;
次の一連のステップはステップ(d)後に開始されステップ(e)で終る;
そして場合により、一連のステップが繰り返される最後のときは、その一連のステップはステップ(b)だけを含む;上記方法。 - 請求項19に記載の方法であって;
ステップ(b)及びステップ(c)は、ほぼ同時に開始し;そして
各ステップ(c)の終わりに始まる1サイクルの増幅サイクルは、各ステップ(e)で行なわれる;上記方法。
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