JP7430301B2 - 遺伝子サンプルを識別且つ区別するためのシステムと方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2017年5月9日出願の米国仮特許出願第62/503,502号、2017年8月17日出願の米国仮特許出願第62/546,929号、及び2017年11月15日出願の米国仮特許出願第62/586,760号の利益を主張するものであり、これらの各々は全ての目的のためにその全体において参照により本明細書に組み込まれる。
下記の用語は、当業者によるこれら用語の理解に加えて、本明細書に使用されるような用語の意味を示すために議論される。本明細書及び特許請求の範囲で使用されるように、「a」、「and」、及び「the」は、内容が他に明確に示していない限り、複数の参照を含む場合がある。例えば、用語「細胞」は、複数の細胞、そしてその混合物も含み得る。
標的核酸配列は、被験体を互いに識別する、或いは抗生物質耐性又は病原性などの標的の属性を区別する、任意の核酸配列であり得る。場合によっては、複合サンプルに存在する1つを超える被験体は、実質的に同一であり、且つ標準的なマイクロアレイ技術を駆使しても解決するのが難しい場合もある、ゲノムを有する。場合によっては、1つを超える被験体は、90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%、99%、99.1%、99.2%、99.3%、99.4%、99.5%、99.6%、99.7%、99.8%、99.9%、99.99%、99.999%同一であるゲノムを有する。場合によっては、1つを超える被験体は、微生物の1つ以上の異なる菌株、例えば、細菌、ウイルス、真菌などの1つ以上の菌株である。
ITPは、異なる電圧、電界強度、電流、サンプル入力濃度、及び演算時間を含む様々な異なる操作パラメータで実施することができる。
本明細書に開示される検出装置は、複数の統合プローブを含み得る。場合によっては、検出装置は反応チャンバを含む。場合によっては、複数のプローブは反応チャンバに統合される。場合によっては、反応チャンバは、PCRウェル、アレイスポット、ドロップレット、電極、又は微小流体チャネルである。場合によっては、電極は、金、イリジウム、白金、銅、又はこれらの組み合わせを含む。場合によっては、反応チャンバは少なくとも1つの孔を含む。他の場合、本明細書に開示される検出装置は更に複数の反応チャンバを含む。場合によっては、複数の反応チャンバは、複数のPCRウェル、複数のアレイスポット、複数のドロップレット、複数の電極、又は複数の微小流体チャネルである。場合によっては、検出装置は単回用装置である。
幾つかの実施形態において、本明細書に記載される方法は、複数の異なる被験体を含むサンプル中の標的被験体を識別するための方法である。幾つかの実施形態において、本明細書に記載される方法は、複数の異なる被験体を含むサンプル中の複数の複数の標的被験体を識別するための方法である。幾つかの実施形態において、標的被験体は少なくとも1つの標的核酸を含む。幾つかの実施形態において、複数の標的被験体は複数の標的核酸を含み、複数の標的被験体の各々は少なくとも1つの標的核酸を含む。
本開示の幾つかの態様において、検出装置のプローブへの標的核酸の結合が検出される。検出は、当業者に既知の任意の方法を包含し得る。場合によっては、検出は、標的核酸分子、プローブ、又はその両方に存在する検出可能なラベルを検出することを含む。他の場合、検出は、標的核酸分子とプローブとの相互作用に基づいて生成されるシグナルを検出することを含む。幾つかの実施形態において、シグナルは、蛍光シグナル、電気化学シグナル、又は一定の電流インピーダンスである。
本開示のシステムは1つ以上のコンピュータシステムを含み得る。本開示の技術及びデバイスは、操作、自動化、サンプル処理、データ処理、データの送信、分析、結果の提示、及び他の機能に対してコンピュータシステムを使用することができる。図3は、データを受信し、サンプル中の被験体の存在又は不在を識別するなど、本開示の方法を実施するようにプログラムされた、又はそうでなければ構成される、コンピュータシステム(301)を示す。コンピュータシステム(301)は、シングルコア又はマルチコアプロセッサ、或いは並列処理のための複数のプロセッサであり得る、中央処理装置(CPU、本明細書では「プロセッサ」及び「コンピュータプロセッサ」)(305)を含む。コンピュータシステム(301)はまた、メモリ(310)(例えば、ランダムアクセスメモリ、リードオンリーメモリ、フラッシュメモリ)と、電子記憶装置(315)(例えば、ハードディスク)と、1つ以上の他のコンピュータシステムと通信するための通信インターフェース(320)(例えば、ネットワークアダプタ)と、キャッシュ、他のメモリ、データストレージ、及び/又は電子ディスプレイアダプタなどの周辺装置(125)とを含む。メモリ(310)、記憶装置(315)、インターフェース(320)、及び周辺装置(325)は、マザーボードなどの通信バス(実線)を介してCPU(305)と通信する。記憶装置(315)は、データを記憶するための記憶装置(又はデータリポジトリ)であり得る。コンピュータシステム(301)は、通信インターフェース(320)の助けを借りてコンピュータネットワーク(「ネットワーク」)(330)に動作可能に連結される。ネットワーク(330)は、インターネット、インターネット及び/又はエクストラネット、或いはインターネットと通信しているイントラネット及び/又はエクストラネットであり得る。ネットワーク(330)は、場合によっては、電気通信及び/又はデータネットワークである。ネットワーク(330)は、クラウドコンピューティングなどの分散コンピューティングを可能にする1つ以上のコンピュータサーバーを含み得る。ネットワーク(330)は、場合によっては、コンピュータシステム(301)の助けを借りて、コンピュータシステム(301)に連結されたデバイスがクライアント又はサーバとして挙動することを可能にする、ピアツーピアネットワークを実装することができる。コンピュータシステムは、物理的にデバイスの近くにある必要はなく;有線又は無線の様式を介してデバイスと通信することができる。
前記方法及びシステムはレポートの作成を提供し、ここでレポートは、複合サンプルに存在する1つ以上の被験体を識別することができる。代替的に、レポートは、検出装置に含まれる全ての特徴の読み出しに関する詳細情報を提供することができる。レポートは、本明細書に記載される方法の結果がエンドユーザーに中継される技術であり得る。レポートは、スクリーン又は電子ディスプレイに表示され、或いは例えば1枚の紙に印刷され得る。場合によっては、レポートはネットワークを介して送信される。場合によっては、ネットワークはインターネットである。場合によっては、レポートは手動で作成され得る。他の場合、レポートは自動的に作成され得る。場合によっては、レポートはリアルタイムで作成され得る。場合によっては、レポートは、モバイルデバイス、スマートフォン、タブレット、又は別のネットワーク使用可能なデバイスに提供され得る。
サンプルを得る。サンプルは複数の被験体を含む。識別されるべき各被験体のゲノムを得る。被験体のゲノムの非重複領域を識別する。非重複領域に特異的なプローブを設計する。
被験体に特異的な特徴を含むバイオチップを構築する。各特徴は、個々の被験体に特異的な複数のプローブを含む。
多くのタイプの被験体を含む試験サンプルを得る。サンプルのDNAを一斉に得る。増幅なしで、DNAをバイオチップにハイブリダイズする。複数の標的がバイオチップの表面上のプローブに結合する。十分な数のプローブが特徴内で結合されると、シグナルは検出可能であり、被験体に特異的な特徴は陽性と呼ばれる。陽性の特徴は、サンプル中の被験体の存在を示す。場合によっては、陽性シグナルは、特異的な有機体又は種の存在を示す。別の場合、陽性シグナルは、対象の特異的な遺伝子又は形質の存在を示す。
2段階EDC(1-エチル-3-(3-ジメチルアミノプロピル)カルボジイミド塩酸塩)プロトコルを利用して、シリカビーズへのプローブの固定化を改善した。シリカビーズを、低濃度のEDCで処理し、洗浄し、続いてより高濃度のEDCで処理した。下記の表3は、プローブの固定化の効率に対する異なるEDC濃度の効果を実証している。
プローブを、M13バクテリオファージに由来するM13mp8ファージベクターに設計した。簡単に、M13mp8配列を、GenBank Viruses, Bacteria, and Humanのデータベース及び「天然」M13バクテリオファージ配列に対してクエリした。M13mp8が22の固有の領域(例えば図4を参照)及び380の固有の35-merを有することが判定された。これら配列を使用して、M13mp8を複合サンプルと区別可能な10のプローブを生成した。プローブを、様々なGC含量/Tm及びヘアピンTmを有するように設計した。場合によっては、プローブを、以下を含むように修飾した:1.修飾なし;2.アミノ修飾(5’);3.アミノ修飾(5’)+Cy5(3’)。場合によっては、標的核酸を、修飾なし又はCy3(5’)修飾のいずれかで生成した。図5は、本明細書に提供される方法を使用して設計されたプローブの例を示す。
ウイルス(TBV)及び非ウイルス(TBA)の結核サンプルの2つのカテゴリーを、ビーズベースのプローブを使用して分析した。プローブを、異なるプールに入れて選択し、様々な多重のプローブを生成した。プローブをその後、1ミクロンのビーズ上に置いた。その後、これらのビーズを、TB株の特異的な標的(TBV)、及びプローブが結合すべきでない非特異的標的(TBA)を使用してハイブリダイズした。
384のサンプルウェルを含むマイクロウェルプレートを備えた検出装置を構築し、各ウェルは固有の被験体に特異的な特徴に相当する。各特徴は、個々の被験体に特異的な、複数の未結合の統合プローブを含む。
多くのタイプの被験体を含む試験サンプルを得る。サンプルのDNAを一斉に得る。増幅なしで、DNAをマイクロウェルプレートの各ウェルに適用し、ここで、ウェルの中の相補的プローブへとハイブリダイズすることが可能であり、各プローブはレポーター及びクエンチャーを含んでおり、続くマイクロウェルプレートのPCTは結果として、標的核酸がその相補的プローブにハイブリダイズするウェルにおいて、FRETにより生成される検出可能な蛍光シグナルをもたらす。このシグナルの検出はサンプル中の被験体の存在を示す。場合によっては、陽性シグナルは、特異的な有機体又は種の存在を示す。別の場合、陽性シグナルは、対象の特異的な遺伝子又は形質の存在を示す。
5つの金電極が配置される微小流体チャネルを備えたチップを含む検出装置が構築される。固有の被験体に特異的な特徴の30bp以内の配列に相当する第2(捕捉)のプローブを各電極に固定する。各電極は、異なる被験体に特異的な特徴を検出する。
多くのタイプの被験体を含む試験サンプルを得る。サンプルのDNAを一斉に得る。増幅なしで、DNAを、5つの被験体に特異的な特徴を表現する標的核酸に相補的な複数の統合プローブと組み合わせて、微小流体チャネルに適用する。各プローブはフェロセンラベルを含み、その標的で標識されたプローブのハイブリダイゼーションは、標的核酸:フェロセンで標識されたプローブ複合体を生成する。電極上での標的核酸:フェロセンで標識されたプローブ複合体の相補的な第2のプローブへの微小流体チャネルハイブリダイゼーションへの適用後、結果として、電圧の適用後の電極により電気化学シグナルの生成がもたらされる。このシグナルの検出はサンプル中の被験体の存在を示す。場合によっては、陽性シグナルは、特異的な有機体又は種の存在を示す。別の場合、陽性シグナルは、対象の特異的な遺伝子又は形質の存在を示す。
2つの孔を更に含む微小流体チャネルを含む検出装置を構築する。この例において、第1の孔は、第1の電圧を放射する第1の電極を含み、第2の孔は、第2の電圧を放射する第2の電極を含む。この二重の孔に基づくシステムを使用した検出を、複数の統合プローブに対して行うことができる。
多くのタイプの被験体を含む試験サンプルを得る。サンプルのDNAを一斉に得る。増幅なしで、DNAを、5つの被験体に特異的な特徴を表現する標的核酸に相補的な複数の統合プローブと組み合わせて、微小流体チャネルに適用する。各プローブは、それが5つの被験体に特異的な特徴のどれに対応するかに応じて異なる数のPEG分子を含む。例えば、第1の被験体に特異的な特徴へのプローブは1つのPEG分子を含み、第2の被験体に特異的な特徴へのプローブは2つのPEG分子を含む。孔を通ってその相補的なプローブに結合される標的核酸の継代は結果として、固有の電流インピーダンスシグナルをもたらす。このシグナルの検出はサンプル中の被験体の存在を示す。場合によっては、陽性シグナルは、特異的な有機体又は種の存在を示す。別の場合、陽性シグナルは、対象の特異的な遺伝子又は形質の存在を示す。
部分的に組み立てたフローセルを、アミノシランスライドに3つのレーン(20μl/レーン)感圧性接着剤(PSA)のカットアウトを付けることにより、作成した。プローブを各株に対して生成し、プローブは各株に固有の核酸配列を含んでいた。プローブを使用して、Staphylococcus、メチシリン感受性S.aureus(MSSA)、及びメチシリン耐性S.epidermidis(MRSE)の2つの異なる株を区別した。プローブをCOOHシリカビーズに抱合した。標的を、この実験のために別個の反応において、数千もの同一のビーズにハイブリダイズして、プローブの特異性を評価した。ビーズを超音波処理し、1X TEにおいて約1分間希釈した。その後、ビーズをアミノシラン表面上へと堆積させ、少なくとも10分間インキュベートした。この堆積プロセスを、単一レーンの煩雑性及び/又は弁別の研究に対して最大3回実行した。フローセルを、PSAにフローセル上部を取り付けることにより完成させた。1X TEをフローセルに通して時用紙、未結合のビーズをウォッシュアウトした。
ITPを、シリコン基板上で実施した(例えば図13、図14A-14Hを参照)。化学蒸着法を使用して、ビーズアレイ表面上に酸化ケイ素層を作成し、その厚みは約500ナノメートル(nm)であった。入口(1302)と出口(1303)を持つフローセル(1301)は、再び拡張する前に、長さ約4cm、幅800μm、及び高さ75μmの寸法、及び、約200μmの幅へと狭まるフローセル長さ中央にテーパー状部分(1304)を備えて、PDMSにおいて製造された。PDMSフローセルの下部表面は、放電棒を使用して起動され、酸化ケイ素表面へのPDMSの結合を可能とした。フローセルの入口及び出口の端部にある2つのポートにおける白金ワイヤーを200Vの電圧に設定し、結果として生じる電流は約100μAであった。サンプルを充填し、DNAの濃縮結合(1305)をCy3で蛍光標識し、形成し、チャネルを下って移動させた。DNAの充填、濃縮、ハイブリダイゼーション、及び検出に対する総時間は、約25分であった。Cy3及び標的DNAの濃度は25nMであり、プロセスは0.25nMの濃度で成功裡に繰り返された。図14Aは、入口ポートを出る蛍光標識されたサンプルDNAを示す。図14Bは、フローセルチャネルに集中し始めるDNAバンドを示す。図14Cは、フローセルチャネルに形成される、集中したDNAバンドを示す。図14Dは、フローセルチャネルのテーパー状部分の「咽喉部」に進入するDNAバンドを示す。図14Eは、咽喉部を通って移動するDNAバンドを示す。図14Fは、咽喉部の端部に近づくDNAバンドを示す。図14Gは、フローセルチャネルのアレイハイブリダイゼーション領域に進入するDNAバンドを示す。図14Hは、フローセルチャネルのハイブリダイゼーション領域におけるDNAバンドを示す。
Claims (16)
- a.1つ以上の分析物を含むサンプルを提供する工程、及び
b.チャネル中の等速電気泳動(ITP)によって前記1つ以上の分析物を濃縮する又は輸送する工程を含む方法であって、
前記チャネルの表面は、シリコン基板と前記表面に結合するアレイに配置される複数のプローブからなる工程と、
前記アレイの単一特徴におけるプローブは、当該プローブに少なくとも2つの種を含むと共に、前記シリコン基板は絶縁層からなる工程を含み、
c.前記アレイの前記単一特徴に関連したシグナルを単一の解像度要素に統合するため、前記1つ以上の分析物の少なくとも一部の、前記プローブへの結合に関連したシグナルを検出する工程、
を含む、ことを特徴とする方法。 - 前記絶縁層は酸化ケイ素を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記絶縁層は少なくとも約250ナノメートルの厚さである、ことを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 前記表面は少なくとも1つのウェルを含む、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのウェルはマイクロウェルである、ことを特徴とする請求項4に記
載の方法。 - 前記少なくとも1つのウェルはウェルのアレイを含む、ことを特徴とする請求項4に記
載の方法。 - 前記プローブの少なくとも2つの種は各々、同じ被験体に特異的である、ことを特徴と
する請求項1に記載の方法。 - 前記被験体は、有機体の種、有機体の株、有機体の分岐群、遺伝学的変異体、病原体の
形質、抵抗性の形質、および有機体の種の個々のメンバーからなる群から選択される、こ
とを特徴とする請求項7に記載の方法。 - 前記ITPは、約800ボルト以下の電圧で実施される、ことを特徴とする請求項1に
記載の方法。 - 前記チャネルは、100マイクロメートル以下の高さを持つ、ことを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 前記チャネルは、狭窄部分又はテーパー状部分を含まない、ことを特徴とする請求項1
に記載の方法。 - 前記チャネルは、2000マイクロメートル以下の幅を持つ、ことを特徴とする請求項
1に記載の方法。 - 前記分析物は核酸を含む、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記分析物を前記表面上のプローブに結合する工程を更に含む、ことを特徴とする請求
項1に記載の方法。 - 前記分析物を検出する工程を更に含む、ことを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記分析物を前記表面上のプローブに結合する工程、及び前記分析物を検出する工程を
更に含み、ここで、前記方法は約60分以下で実施される、ことを特徴とする請求項1に
記載の方法。
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