JP7448202B2 - プローブ分子探索装置、及び、プローブ分子の探索方法 - Google Patents
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Description
[2] 上記酸化還元活性分子が、[Fe(CN)6]3-、[Fe(CN)6]4-、[Ru(CN)6]3-、[Ru(CN)6]4-、[Mn(CN)6]3-、[Mn(CN)6]4-、[W(CN)8]3-、[W(CN)8]4-、[Os(CN)6]3-、[Os(CN)6]4-、[Mo(CN)8]3-、[Mo(CN)8]4-、[Cr(CN)6]3-、[Co(CN)6]3-、[PtCl6]2-、[SbCl6]3-、[RhCl6]3-、及び、[IrCl6]2-からなる群より選択される少なくとも1種の金属錯体の塩である、[1]に記載のプローブ分子探索装置。
[3] 上記電流応答がピーク形状である、[1]又は[2]に記載のプローブ分子探索装置。
[4] 上記プローブ分子が、タンパク質、ペプチド、核酸、及び、核酸類似体からなる群より選択される少なくとも1種である、[1]~[3]のいずれかに記載のプローブ分子探索装置。
[5] 二次元アレイ状に配列されたウェルを有し、上記ウェルは、内部に液体を収容可能であり、上記ウェルの内部には、収容された上記液体と接触するように電極が配置され、上記電極には標的分子と特異的に結合し複合体を形成するためのプローブ分子が固定されてなる、電極付きウェルプレートの上記ウェルに収容された酸化還元活性分子を含有するコントロール検体液について、上記電極の電位を掃引して、上記酸化還元活性分子の酸化、及び、還元からなる群より選択される少なくとも一方に由来する電流応答を測定することと、上記電流応答が、予め定めた基準を満足する場合、ユーザーに対して、上記コントロール検体液に標的分子を添加して、上記ウェル内で検体液を調製するよう促す情報を表示することと、上記検体液が収容された上記ウェルの電極の電位を掃引して、測定された電流応答を上記コントロール検体液の電流応答と比較することと、比較の結果、検体液の電流応答がコントロール検体液の電流応答より小さい場合、プローブ分子と標的分子とが複合体を形成可能であると判断するための情報を表示することと、を含むプローブ分子の探索方法。
以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施形態に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に制限されるものではない。
なお、本明細書において、「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
プローブ分子探索装置100は、接続具102と、電気化学測定デバイス103と、プロセッサ104と、記憶デバイス105と、表示デバイス106と、入力デバイス107とを有する。
電気化学測定デバイス103、プロセッサ104、記憶デバイス105、表示デバイス106、及び、入力デバイス107は、バス(図1中BUSと表示されている)を介して相互にデータを交換できるよう構成されている。
電極付きウェルプレートは、基材201と、対電極203、作用電極204、及び、参照電極205とを有し、各電極は、基材201に二次元配列状に配置された凹欠構造であるウェル202の底部に配置されている。
なお、電極付きウェルプレート110は、ウェル202を4×3の12個有しているが、本プローブ分子探索装置に用いる電極付きウェルプレートは、上記に制限されず、より多くのウェルを有していてもよい。ウェルの数は、例えば、96個、384個、及び、1536個等であってもよい。本プローブ分子探索装置では、各ウェルの電極はそれぞれ接続具を介して後述する電気化学測定デバイス103と接続されている。各電極の電位の設定、及び、測定値の取得は、電気化学測定デバイス103によってそれぞれ独立に行われる。そのため、ウェルの数が多いほど、測定の効率がより高まる。
作用電極204は、ウェルの底面の中心付近を占めており、その周囲に円弧状の対電極203と参照電極205とが配置されている。作用電極204がウェル202の底面を中心付近を占めていると、収容された検体中の標的分子が作用電極204(すなわちその上に固定されたプローブ分子)と接触しやすい点で好ましい。
なお、電極付きウェルプレート110の各ウェル202には、作用電極204と、対電極203と、参照電極205とが配置されているが、電極付きウェルプレート110の各ウェルが有する電極の数は上記に制限されず、少なくとも一対(2個)の電極を有していればよい。また、電極の数の上限は特に制限されず、一般に10個以下が好ましく、6個以下がより好ましい。その場合、作用電極、及び、対電極をそれぞれ1つずつと、4個以下の参照電極とを有している形態が好ましい。
また、図2のウェル202は、基材201の表面の開口と、ウェルの底面の面積とが略同一であるが、上記に制限されず、基材の表面の開口から、ウェル底面に向かうウェルの深さ方向に向かって先細り形状のウェルであってもよい。ウェルが先細り形状である場合、収容された標的分子が、底面の中心部により移動しやすく、その位置を制御しやすいため、作用電極と接触させやすい点で好ましい。
また、スチレン/ブタジエン、α-メチルスチレン/ジメチルシロキサン、又はポリジメチルシロキサン、ポリフェニルメチルシロキサン、及び、ポリトリフルオロプロピルメチルシロキサン等も使用できる。
作用電極204の材質としては特に制限されないが、例えば、金属材料としては、貴金属(金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)等)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)、チタン(Ti)、ニッケル(Ni)等が挙げられる。また、ステンレス、ハステロイ、インコネル、モネル、及び、ジュラルミン等の合金であってもよい。
また、炭素材料、例えば、カーボン、及び、グラファイト(グラフェン等)も使用できるプローブ分子の固定化がより容易である点で、作用電極204の材質は貴金属が好ましく、金がより好ましい。
アプタマーはDNA、RNA、核酸類似体、又は、これらの組み合わせであってもよい。また、含まれる塩基も、機能性、又は、修飾核酸塩基であってもよい。
また、アプタマーは、上記以外にも、プリン塩基、及び、ピリミジン塩基の公知の類似構造を有していてもよい。
プリン塩基、及び、ピリミジン塩基に類似する構造としては、例えば、アジリジニルシトシン、4-アセチルシトシン、5-フルオロウラシル、5-ブロモウラシル、5-カルボキシメチルアミノメチル-2-チオウラシル、5-カルボキシメチル-アミノメチルウラシル、イノシン、N6-イソペンテニルアデニン、1-メチルアデニン、1-メチルシュードウラシル、1-メチルグアニン、1-メチルリノシン、2、2-ジメチルグアニン、2-メチルアデニン、2-メチルグアニン、3-メチルシトシン、5-メチルシトシンN6-メチルアデニン、7-メチルグアニン、5-メチルアミノメチル-ウラシル、5-メトキシアミノメチル-2-チオウラシル、β-D-マンノシルクエオシン、5-メトキシウラシル、ウラシル-5-オキシ酢酸メチルエステル、シュードウラシル、クエオシン、2-チオシトシン、5-メチル-2-チオウラシル、2-チオウラシル、4-チオウラシル、5-メチルウラシル、ウラシル-5-オキシ酢酸、及び、2、6-ジアミノプリン等が挙げられる。
このような類似構造としては、例えば、2′-O-メチル-、2′-O-アリル-、2′-フルオロ、及び、2′-アジド-リボース等の2′-置換糖等が挙げられる。また、アラビノース、キシロース、リキソース、ピラノース、フラノース、及び、セドヘプツロース等であってもよい。
リンカー分子は、作用電極204の表面にプローブ分子を連結することができる任意の分子を含み、例えば、アルカン、アルケン、アルキン、アルコール、チオール、有機酸、エーテル、エステル、二硫化物、チオエステル、アミン、アミド、アミノ酸、ヌクレオチド、ポリマー、糖類、イオン複合体、ペプチド、及び、タンパク質等が挙げられる。
まず、作用電極204が金電極であって、プローブ分子がアプタマーである場合、金-チオール結合を介した固定方法が使用できる。アプタマーの末端にチオール基を修飾し、溶液中でインキュベートすることで、金電極表面にアプタマーを固定できる。
また、アビジン、ストレプトアビジン、及び、ニュートラルアジビン等で被覆された金電極上にビオチン化アプタマーを固定する方法も適用できる。
また、作用電極2045がグラファイト電極である場合、1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide hydrochloride(EDC)等のカップリング試薬と、N-Hydroxysuccinimide(NHS)とを加えてインキュベートすることで、表面のカルボン酸を活性エステルに変換する。ここに末端をアミノ基で修飾したアプタマーを加えるとカップリング反応が起き、アミド結合を介してアプタマーを固定することができる。
図4は、接続具102と、接続具102に接続された状態の電極付きウェルプレート110とを表す側面図である。
図5には、スペーサー基材401の平面図を示した。
また、図6には、スペーサー基材401のA-B断面図を示した。
電極付きウェルプレート110を接続具102上に配置すると、パッド210に対してピン703が接触する。同様に、パッド212に対してピン704が接触し、パッド211に対して、ピン703が接続する。
各ピンは、図示しない配線等によって電気化学測定デバイス103と接続され、ウェル毎に同一の又は異なる条件を設定して、同時並行で電気化学測定ができるよう構成されている。
また、ピン702~704には、電極203~205の材料としてすでに説明した材料を用いることができる。
プロセッサ104は、例えば、マイクロプロセッサ、プロセッサコア、マルチプロセッサ、ASIC(application-specific integrated circuit)、FPGA(field programmable gate array)、及び、GPGPU(General-purpose computing on graphics processing units)等である。
記憶デバイス105は、例えば、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Disk Drive)、フラッシュメモリ、及び、SSD(Solid State Drive)等である。
電気化学測定デバイス103は、例えば、ポテンシオスタットである。
また、表示デバイス106は、後述する入力デバイス107と一体として構成されていてもよい。この場合、表示デバイス106がタッチパネルディスプレイであって、GUI(Graphical User Interface)を提供する形態が挙げられる。
基準は、典型的には、酸化還元電位等を含むように設定された数値範囲であることが好ましい。
また、コントロール検体液は、酸化還元活性分子以外にも、支持電解質等を含有していてもよい。
表示部903は、接続確認部905によるコントロール検体液の電流応答と基準との比較の結果、測定された電流応答が予め定めた基準を満足する、典型的には基準の数値範囲内に含まれる場合、コントロール検体液に対して更に標的分子を添加して、上記ウェル内で検体液を調製するよう促す情報を表示する。
次に、本プローブ分子探索装置を用いてプローブ分子を探索する方法について説明する。
まず、本プローブ分子探索装置を用いてプローブ分子を探索する際の、基本的な測定原理について、図10を用いて説明する。
なお、標的分子としては、ウィルス以外でもよく、デオキシリボ核酸、リボ核酸、タンパク質又はペプチド、及び、多糖類等であってもよい。
図10のように、各検体からは、酸化還元活性分子の酸化還元反応に由来するピーク形状の電流応答曲線が得られることが理解される。更に、このピーク電流(ピークトップの電流Ia、Ib、Ic)の大きさは、それぞれ、検体中のウィルス力価の増加に応じで減少することも理解される。
図11は、ピーク電流と検体のウィルス力価との関係の模式図である。図11からも、ウィルス力価の増加に従って、ピーク電流が減少することが理解される。
図12A~Cは、電極付きウェルプレートの平面模式図であり、各図は同一の電極付きウェルプレートの同一部分を示す図である。このうち、図12Aは、図中に注釈として「well position」と記載されているとおり、ウェル位置についての本明細書における呼称を表す図である。図12Bは、図中に注釈として「specimen」と記載されているとおり、各ウェルに収容された検体の種類を表す図である。なお、収容されている検体については後述する。
また、図12Cは、図中に注釈として「probe」と記載されているとおり、各ウェルの作用電極に固定されたプローブ分子の種類を表す図である。「I」「II」「III」はそれぞれ同一のプローブ分子を意味する記号である。
収容されている検体は「Ctrl」と表示されたコントロール検体、「low titer」と記載されている、ウィルス力価の低い検体(「低力価検体」)、及び、「high titer」と記載されているウィルス力価の高い検体(「高力価検体」)である。
低力価検体、及び、高力価検体に含まれる標的分子はそれぞれ同一種類のウィルスである。コントロール検体は上記ウィルスを含有していない。
低力価検体と高力価検体とにおけるウィルス力価をそれぞれどのように調整するかは特に制限されず、期待する測定可能範囲(下限値~上限値)等に応じて設定すればよい。
本明細書において、酸化還元活性分子とは、典型的には電気化学的手法によって、酸化、及び/又は、還元され得る任意の分子または分子複合体を意味する。一般に、酸化還元活性分子は、電位を印加することで、作用電極表面で酸化、又は、還元されるため、この酸化還元活性分子の酸化/還元反応に由来する電流が作用電極で測定される。
金属錯体としては、例えば、[Fe(CN)6]3-、[Fe(CN)6]4-、[Ru(CN)6]3-、[Ru(CN)6]4-、[Mn(CN)6]3-、[Mn(CN)6]4-、[W(CN)8]3-、[W(CN)8]4-、[Os(CN)6]3-、[Os(CN)6]4-、[Mo(CN)8]3-、[Mo(CN)8]4-、[Cr(CN)6]3-、[Co(CN)6]3-、[PtCl6]2-、[SbCl6]3-、[RhCl6]3-、及び、[IrCl6]2-等が挙げられる。
なお、検体中には、2種以上の酸化還元活性分子が含有されていてもよく、検体が2種以上の酸化還元活性分子を含有する場合、その含有量は上記数値範囲内が好ましい。
なお、図12Dは、SWV法の測定結果をまとめて表示する画面表示であるが、電極の電位を掃引する方法としてはこれに制限されない。電位の掃引の方法としては、電流応答がピーク形状となる方法が好ましく、SWV法の他、サイクリックボルタンメトリー(CV)法、及び、微分パルスボルタンメトリー(DPV)法等であってもよい。
まず、A1、B1、C1の比較では、A1及びC1は、B1と比較して、より大きなピーク電流が得られることが理解される。
これらのウェルには、コントロール検体が収容されており、このことから、A1、及び、C1(プローブ分子I、及び、プローブ分子III)は、B2(プローブ分子II)と比較して、検体中の酸化還元活性分子の酸化還元電流をより高感度に検出できることが理解される。
A2、B2、C2にはそれぞれ低力価検体が収容されている。これをそれぞれ左隣のウェル(コントロール検体)の結果と比較する。例えば、A1、A2に着目し、コントロール検体のピーク電位(例えば、IA1)に対する低力価検体のピーク電位(例えば、IA2)の比率を計算する。このようにして、IA2/IA1、IB2/IB1、及び、IC2/IC1を計算し、互いに比較すると、プローブ分子IIは、他と比較して、この値がより大きいことが理解される。
この結果から、プローブ分子IIは、他と比較すると、より感度が悪い、又は、標的分子との結合性がより悪い可能性があることが理解される。
プローブ分子IにおけるIA2に対するIA3の比(IA3/IA2)と、プローブ分子IIIにおけるIC2に対するIC3の比(IC3/IC2)とを比較すると、プローブ分子Iの方がより小さい。これにより、プローブ分子Iは、ダイナミックレンジがより広い可能性があることが理解される。
まず、プロセッサ104は、電気化学測定デバイス103を制御して、接続具102を介して接続された作用電極204の電位を掃引する(ステップS10)。このとき、各ウェルにはコントロール検体液が収容されている。各ウェルにコントロール検体を収容する方法としては、用手的に行われていもよいし、すでに説明した自動分注デバイスにより自動的に行われてもよい。
特に本プローブ分子探索装置においては、典型的には、プローブ分子と標的分子との結合により電流応答がより小さくなるため、本ステップによって接触の不良の可能性を排除することができるという効果がある。
この場合、電極付きウェルプレート110が再接続されると、入力部904を介したユーザーからの指示、又は、電極付きウェルプレート110の再接続を検知したことをトリガーとして、再度ステップS10が実行される。
Claims (8)
- 内部に収容された液体と接触するように配置され、標的分子と特異的に結合し複合体を形成するためのプローブ分子が固定された電極を有する複数のウェルが二次元アレイ状に配列されてなる電極付きウェルプレートの前記電極と接続される接続具と、
前記接続具を介して前記電極と接続され、前記電極の電位を掃引し、前記電極の電流応答を測定する電気化学測定デバイスと、
前記ウェルに収容された酸化還元活性分子を含有するコントロール検体液について、前記電気化学測定デバイスにより測定された電流応答を、予め定めた基準と比較する接続確認部と、
前記比較の結果、前記電流応答が、予め定めた基準を満足する場合、前記コントロール検体液に更に標的分子を添加して、前記ウェル内で検体液を調製するよう促す情報を表示する表示部と、
前記検体液が収容されたウェルの電極の電位が前記電気化学測定デバイスにより掃引されて測定される電流応答を、前記コントロール検体液の電流応答と比較する比較部と、を有し、
前記表示部は、前記検体液と前記コントロール検体液の電流応答の比較の結果、前記検体液の電流応答の方がより小さい場合、前記プローブ分子と前記標的分子とが複合体を形成可能だと判断するための情報を表示し、
前記複数のウェルの各々が前記液体を個別に収容し、かつ前記複数のウェルごとに前記電極が設けられた、プローブ分子探索装置。 - 前記酸化還元活性分子が、[Fe(CN)6]3-、[Fe(CN)6]4-、[Ru(CN)6]3-、[Ru(CN)6]4-、[Mn(CN)6]3-、[Mn(CN)6]4-、[W(CN)8]3-、[W(CN)8]4-、[Os(CN)6]3-、[Os(CN)6]4-、[Mo(CN)8]3-、[Mo(CN)8]4-、[Cr(CN)6]3-、[Co(CN)6]3-、[PtCl6]2-、[SbCl6]3-、[RhCl6]3-、及び、[IrCl6]2-からなる群より選択される少なくとも1種の金属錯体の塩である、請求項1に記載のプローブ分子探索装置。
- 前記電流応答がピーク形状である、請求項1又は2に記載のプローブ分子探索装置。
- 前記プローブ分子が、タンパク質、ペプチド、核酸、及び、核酸類似体からなる群より選択される少なくとも1種である、請求項1~3のいずれか1項に記載のプローブ分子探索装置。
- 前記複数のウェルの一部のウェルに、他のウェルとは別の種類の前記コントロール検体液が収容された、請求項1~4のいずれか1項に記載のプローブ分子探索装置。
- 前記接続確認部は、前記電流応答と前記基準との比較を前記複数のウェルごとに行う、請求項1~5のいずれか1項に記載のプローブ分子探索装置。
- 前記複数のウェルのうちの少なくとも二つにおいて前記プローブ分子が異なる、請求項1~6のいずれか1項に記載のプローブ分子探索装置。
- 二次元アレイ状に配列された複数のウェルを有し、前記ウェルは、内部に液体を収容可能であり、前記ウェルの内部には、収容された前記液体と接触するように電極が配置され、前記電極には標的分子と特異的に結合し複合体を形成するためのプローブ分子が固定されてなる、電極付きウェルプレートの前記ウェルに収容された酸化還元活性分子を含有するコントロール検体液について、前記電極の電位を掃引して、前記酸化還元活性分子の酸化、及び、還元からなる群より選択される少なくとも一方に由来する電流応答を測定することと、
前記電流応答が、予め定めた基準を満足する場合、ユーザーに対して、前記コントロール検体液に標的分子を添加して、前記ウェル内で検体液を調製するよう促す情報を表示することと、
前記検体液が収容された前記ウェルの電極の電位を掃引して、測定された電流応答を前記コントロール検体液の電流応答と比較することと、
比較の結果、検体液の電流応答がコントロール検体液の電流応答より小さい場合、プローブ分子と標的分子とが複合体を形成可能であると判断するための情報を表示することと、を含み、
前記複数のウェルの各々が前記液体を個別に収容し、かつ前記複数のウェルごとに前記電極が設けられた、プローブ分子の探索方法。
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