JPWO2005071056A1 - Biochip and method for testing functionality of sample solution using the same - Google Patents

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憲和 西野
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孝明 馬場
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珠樹 加藤
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隆 安田
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Abstract

血液などの酵素活性や免疫学的特性を網羅的に測定して病理学的診断を行う際のデータの取り扱い性や信頼性に優れ、化学処理が容易でしかも検出部の集積度を高められ微量の検体溶液でも酵素活性及びその傾向を取得できるバイオチップを提供する。チップ基板11に導入される試料溶液中の酵素を検出するバイオチップであって、全体が渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで前記チップ基板上に形成された試料溶液流路12と、試料溶液流路12に所定順で複数配置され所定の酵素に対してそれぞれ異なる活性を有する酵素活性検知部13と、を備える。Excellent data handling and reliability when making comprehensive measurements of enzyme activities such as blood and immunological properties and performing pathological diagnosis, easy chemical treatment, and increased detection density. A biochip capable of acquiring enzyme activity and its tendency even with the sample solution of is provided. A biochip for detecting an enzyme in a sample solution introduced into the chip substrate 11, and the sample solution channel 12 formed on the chip substrate in a channel pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape as a whole And a plurality of enzyme activity detectors 13 arranged in the sample solution flow path 12 in a predetermined order and having different activities with respect to a predetermined enzyme.

Description

本発明は、酵素に対する試料溶液の活性や反応挙動をパターン化して網羅的に検出することができるバイオチップ、及びバイオチップを用いた試料溶液の機能性検査方法に関する。   The present invention relates to a biochip capable of comprehensively detecting activity and reaction behavior of a sample solution with respect to an enzyme and a method for testing the functionality of the sample solution using the biochip.

従来、単一の蛍光性酵素基質ペプチドを用い、溶液中の蛍光変化によって酵素活性を測定する技術が多くの酵素−蛍光性基質ペアに対して確立されている。
また、このような酵素活性の多種測定を同時並行して行うために、基板上にDNAやRNAを加水分解した反応物を多数固定してチップ化する手法が開発されている。
例えば多数のオリゴヌクレオチドをガラス等の基板上に固定化して、アレイとしたものはDNAチップと呼ばれ、病理、医療、創薬、食品、および環境等の分野で関連する遺伝子の解析に多用されている。
また、DNAチップと同様にプロテインチップ(サイファージェン社の登録商標)を用いて遺伝子産物であるタンパク質を網羅的に検索する技術の開発が進められている。生命現象がみられるところにDNAが存在するのと同様に、タンパク質分解酵素(プロテアーゼ)も存在する。従って、プロテアーゼを網羅的に検出することができれば、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスに関する生体情報が得られる等、個人のヘルスケアに必要な技術となる。プロテアーゼを網羅的に検出するには、タンパク質としての一分子の存在を科学的に定性定量する方法がある。
しかしながら、タンパク質の断片化はタンパク質機能の喪失をもたらすため、生体高分子の立体構造を保持したまま基板上に固定化することはその形態的な問題から容易ではなく、技術上のネックになっている。
Conventionally, techniques for measuring enzyme activity by changing fluorescence in a solution using a single fluorescent enzyme substrate peptide have been established for many enzyme-fluorescent substrate pairs.
In addition, in order to perform such multiple measurements of enzyme activity in parallel, a technique has been developed in which a large number of reaction products obtained by hydrolyzing DNA or RNA are immobilized on a substrate to form a chip.
For example, an array obtained by immobilizing a large number of oligonucleotides on a substrate such as glass is called a DNA chip, and is often used for analysis of genes related in the fields of pathology, medicine, drug discovery, food, and the environment. ing.
In addition, development of a technique for exhaustively searching for proteins that are gene products using a protein chip (registered trademark of Cyphergen Co., Ltd.) in the same manner as a DNA chip is underway. Proteolytic enzymes (proteases) exist just as DNA exists where life phenomena are observed. Therefore, if proteases can be comprehensively detected, it becomes a technique necessary for personal health care, such as obtaining biological information related to homeostasis consisting of the secretion, production, and degradation processes of peptide hormones. In order to detect proteases comprehensively, there is a method for scientifically qualitatively determining the presence of one molecule as a protein.
However, since protein fragmentation results in loss of protein function, it is not easy to immobilize it on a substrate while maintaining the three-dimensional structure of the biopolymer, which is a technical bottleneck. Yes.

近年、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究的分野の発展に伴って、タンパク質のような断片化による欠点がなく化学的な取り扱いやデータのライブラリ化が容易な酵素を用いた方法が注目され、複数の酵素に対する活性を検出する必要性が生じており、酵素に対して活性を有する感応物質を用いてその変化に伴う吸収光や蛍光等を溶液中で測定する技術が種々研究されている。
例えば、特許文献1には、タンパク質分解酵素の一種であるカスパーゼにより特異的に切断される基質ペプチドの両端を蛍光基で修飾し、カスパーゼにより基質ペプチドが切断されて生じる蛍光基の蛍光波長や蛍光強度を測定してカスパーゼを含む溶液の酵素活性を検出するようにした蛍光プローブが記載されている。
また、このような酵素活性の測定方法としては、蛍光測定用マイクロプレートに形成されたセルに検体溶液を注入し、プレートリーダを用いてセルの蛍光を測定する方法がある。
特開2000−316598号公報
In recent years, with the development of medical fields such as pathological diagnosis and research fields such as proteome analysis, enzymes that do not have the disadvantages of fragmentation such as proteins and are easy to handle chemically and create a data library are used. As a result, there is a need to detect the activity against multiple enzymes, and there is a technology for measuring absorbed light and fluorescence in solution using a sensitive substance that is active against enzymes. Various studies have been conducted.
For example, in Patent Document 1, both ends of a substrate peptide that is specifically cleaved by caspase, which is a type of proteolytic enzyme, are modified with a fluorescent group, and the fluorescence wavelength and fluorescence of the fluorescent group generated by cleaving the substrate peptide are cleaved. A fluorescent probe is described which measures the intensity and detects the enzymatic activity of a solution containing caspase.
As a method for measuring such enzyme activity, there is a method in which a sample solution is injected into a cell formed on a microplate for fluorescence measurement, and the fluorescence of the cell is measured using a plate reader.
JP 2000-316598 A

しかしながら前記従来の技術では以下のような課題を有していた。
(1)特許文献1に記載の技術では、特定のタンパク質分解酵素に対する試料溶液の酵素活性が検出されるだけなので、多種多様の酵素やタンパク質を含む血液などの複雑系に対応させて、その酵素活性や免疫学的特性などを網羅的に測定して、測定対象となる試料溶液の特徴を多くのライブラリデータなどの中で位置付けて病理学的診断などを行うには複雑な手順の繰り返しが必要で測定の信頼性や迅速性に欠けるという課題があった。
(2)また、酵素センサとして特定の酵素に対する特異性が予め知られている基質ペプチドを用いる必要があるので、この基質ペプチドを多数特定配置してこれをセンサとして複雑な免疫系等を解析するには、基礎データの膨大な蓄積を要するという課題があった。
(3)ミリメートルサイズのセルを有するマイクロプレートに検体溶液を注入して蛍光プローブの蛍光変化を測定する従来の方法では、多数の酵素活性を調べるためには大量の溶液を必要とし、かつハンドリングも煩雑となる。そのため、蛍光測定を行う際にはマイクロプレートの交換に時間を要し、測定効率を高めることができず測定に時間を要するという課題を有していた。
(4)さらにセンサ物質と酵素とが結合又は反応しあう際の時系列データなどの取得が困難で動的解析性に欠けるという課題があった。
(5)基板上でアレイ状に酵素基質を結合させることから、同時並行測定を行うためには基板表面を酵素を含む試料溶液に浸す必要があり、試料溶液をミリリットル単位で必要として試料溶液を多量に要するという課題があった。
(6)蛍光性酵素基質ペプチドを用い、溶液中の蛍光変化によって酵素活性を測定する技術では単一の酵素測定の為に溶液用の蛍光測定ウェルをひとつ必要とし、多数の蛍光測定装置を用いたとしても蛍光測定にはウェル100個当たり数分を必要とし、精密な定量性を確保するための各ウェル毎に時間変化測定を行う場合には数時間以上の時間を必要とし効率性に欠けるという課題があった。
(7)酵素活性検出バイオチップの研究レベルにおいては、トリメトキシアミノプロピルシラン等を介して酵素基質のペプチドをガラス等の基板上表面に結合し、この表面を酵素溶液に浸すことによって蛍光発光を検出している。しかしながら、基板上の蛍光性基質ペプチドの結合量が低いことから、酵素活性あるなしの定性的な結果を得ることはできても、定量性を要求される用途には使用し難いという課題があった。
(8)また、基板上への蛍光性基質ペプチドの結合量が安定せずかつ結合量の定量が困難であることから、複数の酵素基質ペプチド間の結果の比較を行うことができず、単一チップ上で同時に酵素活性を定量することは困難である。
However, the conventional techniques have the following problems.
(1) Since the technique described in Patent Document 1 only detects the enzyme activity of a sample solution with respect to a specific proteolytic enzyme, the enzyme is adapted to a complex system such as blood containing various enzymes and proteins. It is necessary to repeat complicated procedures to measure the activity and immunological characteristics comprehensively, and to locate the characteristics of the sample solution to be measured in many library data and perform pathological diagnosis. However, there was a problem that the measurement was not reliable or quick.
(2) Further, since it is necessary to use a substrate peptide whose specificity for a specific enzyme is known in advance as an enzyme sensor, a large number of the substrate peptides are specified and analyzed to analyze a complicated immune system or the like. However, there was a problem of requiring a huge accumulation of basic data.
(3) In the conventional method of measuring the fluorescence change of a fluorescent probe by injecting a specimen solution into a microplate having a millimeter-sized cell, a large amount of solution is required to examine a large number of enzyme activities, and handling is also necessary. It becomes complicated. Therefore, when performing fluorescence measurement, it took time to replace the microplate, and the measurement efficiency could not be improved, and it took time to measure.
(4) Further, there is a problem that it is difficult to acquire time series data when the sensor substance and the enzyme are bound or react with each other and lacks dynamic analysis.
(5) Since the enzyme substrate is bound in an array on the substrate, it is necessary to immerse the substrate surface in the sample solution containing the enzyme in order to perform simultaneous measurement, and the sample solution is required in milliliter units. There was a problem of requiring a large amount.
(6) The technology that uses a fluorescent enzyme substrate peptide to measure enzyme activity based on changes in fluorescence in the solution requires one fluorescence measurement well for a single enzyme measurement, and uses multiple fluorescence measurement devices. Even if the fluorescence measurement requires several minutes per 100 wells, it takes several hours or more to perform the time-varying measurement for each well in order to ensure precise quantitativeness. There was a problem.
(7) At the research level of enzyme activity detection biochip, the peptide of the enzyme substrate is bound to the surface of a substrate such as glass via trimethoxyaminopropylsilane, and the surface is immersed in the enzyme solution to emit fluorescence. Detected. However, since the binding amount of the fluorescent substrate peptide on the substrate is low, there is a problem that even if qualitative results can be obtained with or without enzyme activity, it is difficult to use for applications that require quantitativeness. It was.
(8) In addition, since the binding amount of the fluorescent substrate peptide on the substrate is not stable and it is difficult to quantify the binding amount, the results cannot be compared among a plurality of enzyme substrate peptides. It is difficult to quantify enzyme activity simultaneously on one chip.

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、血液などの酵素活性や免疫学的特性を網羅的に測定して病理学的診断を行う際のデータの取り扱い性や信頼性、迅速性に優れ、化学処理が容易でしかも検出部の集積度を高められ微量の検体溶液でも酵素活性及びその傾向を取得できるバイオチップを提供することを目的とする。
また本発明は、基礎データの蓄積を要せず、しかも時系列データの解析性に優れ、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定できる操作性と効率性に優れた試料溶液の機能性検査方法を提供することを目的とする。
The present invention was made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and handling and reliability of data when performing pathological diagnosis by comprehensively measuring enzyme activity and immunological characteristics such as blood, An object of the present invention is to provide a biochip that is excellent in rapidity, easy in chemical treatment, and capable of increasing the degree of integration of the detection unit and acquiring enzyme activity and its tendency even with a small amount of sample solution.
In addition, the present invention does not require accumulation of basic data, is excellent in the analysis of time-series data, and has excellent operability and efficiency in which the enzyme activity of a sample solution can be measured in a short time using a small amount of sample solution. It aims at providing the functionality inspection method of a sample solution.

本発明の請求項1に記載のバイオチップは、チップ基板に導入される試料溶液中の酵素を検出するバイオチップであって、全体が渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで前記チップ基板上に形成された試料溶液流路と、前記試料溶液流路に所定順で複数配置され所定の酵素に対してそれぞれ異なる活性を有する酵素活性検知部と、を有して構成される。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配列されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
The biochip according to claim 1 of the present invention is a biochip for detecting an enzyme in a sample solution introduced into a chip substrate, and the entire chip has a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape. A plurality of sample solution channels formed on the substrate, and enzyme activity detection units arranged in a predetermined order in the sample solution channels and having different activities with respect to a predetermined enzyme are configured.
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow path formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.

ここで、試料溶液としては、病理診断などの対象となる血液や尿を含む体液や培養液などを適用できる。試料溶液は生体試料(血液等)をそのまま、あるいはフィルタや遠心分離等で血球成分等を除去したものを用いることができる。また、生体試料を基に酵素が活性を発現するような条件設定(pH調整、活性剤導入など)を行ったものを使用することもできる。pH調整剤としては、Tris−HCl,Hepes−KOH等の緩衝剤を反応バッファーとして添加することができる。また、酵素活性の発現に必要な塩類や活性保護剤を添加することもできる。
検知対象となる酵素としては、トリプシン,キモトリプシン,トロンビン,プラスミン,カリクレイン,ウロキナーゼ,エラスターゼ等のセリンプロテアーゼ、ペプシン,カテプシンD,レニン,キモシン等のアスパラギン酸プロテアーゼ、カルボキシペプチダーゼA,B,コラゲナーゼ,サーモリシン等のメタロプロテアーゼ、カテプシンB,H,L,カルパイン等のシステインプロテアーゼ等の内部のペプチド結合を切断するエンドペプチダーゼ、血液凝固系プロテアーゼ、捕体系プロテアーゼ、ホルモンプロセシング酵素等が該当する。
検知対象となる酵素が不活性状態を持つ場合、トリプシン等の添加または内在阻害剤の除去により、それらを活性化させることもできる。
Here, as the sample solution, a body fluid or a culture solution containing blood or urine to be subjected to pathological diagnosis or the like can be applied. As the sample solution, a biological sample (blood or the like) can be used as it is, or a blood cell component or the like removed by a filter, centrifugation, or the like. Moreover, what performed the condition setting (pH adjustment, active agent introduction | transduction, etc.) that an enzyme expresses activity based on a biological sample can also be used. As a pH adjuster, a buffering agent such as Tris-HCl or Hepes-KOH can be added as a reaction buffer. In addition, salts and active protective agents necessary for the expression of enzyme activity can be added.
Examples of enzymes to be detected include serine proteases such as trypsin, chymotrypsin, thrombin, plasmin, kallikrein, urokinase, elastase, aspartic proteases such as pepsin, cathepsin D, renin, chymosin, carboxypeptidase A, B, collagenase, thermolysin, etc. Endopeptidases that cleave internal peptide bonds such as cysteine proteases such as metalloproteases, cathepsins B, H, L, and calpain, blood coagulation proteases, capture proteases, hormone processing enzymes, and the like.
When the enzymes to be detected have an inactive state, they can be activated by adding trypsin or the like or removing the endogenous inhibitor.

チップ基板としては、酵素特異性を有しないガラス質や合成樹脂質などの基質のものが用いられる。また、ペプチド結合を形成するための縮合反応に用いられる溶媒(クロロホルム,ジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素類、酢酸エチル等のエステル類、N,N−ジメチルホルムアミド,ジメチルスルホキシド等の極性有機溶媒、ジオキサン,テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール,エタノール等のアルコール類、ピリジン等)に不溶性の合成樹脂(ポリスチレン等)製やガラス製等で平板状や球面等の湾曲面状等に形成されたものが用いられる。ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標)等の市販の固相有機合成用担体も用いることができる。   As the chip substrate, a substrate such as glass or synthetic resin having no enzyme specificity is used. Solvents used in condensation reactions to form peptide bonds (halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloromethane, esters such as ethyl acetate, polar organic solvents such as N, N-dimethylformamide and dimethyl sulfoxide, dioxane , Ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol and ethanol, pyridine, etc.) made of insoluble synthetic resin (polystyrene, etc.) or glass, etc., formed into a curved surface such as a flat plate or spherical surface It is done. A commercially available carrier for solid phase organic synthesis such as Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotops can also be used.

試料溶液流路は、チップ基板の垂直断面が矩形状、U字状、溝状などに形成された部分である。試料溶液流路の流路パターンは、単数もしくは複数の上流側開口部から下流側開口部に向けて試料溶液が流れるように連続して若しくは分岐して、平面視で渦巻き状や、ツリー状、放射状、ジグザグ状などに形成することができる。これにより、試料液体流路の集積度を高め、バイオチップを小型化・コンパクト化することができる。
試料溶液流路は、チップ基板上に機械的あるいは化学的に刻んで、100μL以下程度の容積、流路幅および深さが1mm以下程度に形成することができる。これらの上限値より大きくなるにつれ、チップ基板上の試料溶液流路の集積度が低下し、チップ基板上に形成させる蛍光パターンの特定が困難になる傾向がみられるからである。
試料溶液流路の一端側には、単数若しくは複数の上流側開口部に連設して試料溶液を供給するための窪み状等の液供給部を形成することができる。窪み状等に形成された液供給部に試料溶液を一旦供給しておけば、後は放置しておくだけで、試料溶液を液供給部から試料液体流路に毛管現象等で順次移動させることができるからである。液供給部には供給される血液(試料溶液)中の赤血球や白血球、リンパ球などを除くためのメンブレンフィルムなどのフィルタを必要に応じて設け、これよって、試料溶液が流路壁に付着してその流れが妨げられないようにすることができる。
試料溶液流路の他端側には、単数若しくは複数の下流側開口部に連設して試料溶液を貯めるための液貯留部を形成することができる。この液貯留部は、チップ基板の中央または周縁部に形成された凹部状の部分である。これによって、試料溶液流路の他端側から液貯留部へ試料溶液が流出するため、試料溶液流路から液貯留部への試料溶液の流れを形成することができるので、試料溶液流路内で試料溶液が滞留することなく、試料溶液内の酵素の作用によって酵素活性検知部から切断されたオリゴペプチドを試料溶液内に確実に遊離させることができ、酵素活性の検出感度を高めることができる。
The sample solution channel is a portion in which the vertical cross section of the chip substrate is formed in a rectangular shape, a U shape, a groove shape, or the like. The flow pattern of the sample solution flow path is continuous or branched so that the sample solution flows from one or a plurality of upstream openings toward the downstream openings, and in a plan view, a spiral shape, a tree shape, It can be formed in a radial shape, a zigzag shape, or the like. Thereby, the integration degree of a sample liquid flow path can be raised and a biochip can be reduced in size and size.
The sample solution channel can be formed on the chip substrate mechanically or chemically so that the volume, channel width, and depth of about 100 μL or less are about 1 mm or less. This is because the degree of integration of the sample solution flow path on the chip substrate decreases as the value becomes larger than these upper limit values, and it tends to be difficult to specify the fluorescent pattern to be formed on the chip substrate.
On one end side of the sample solution flow path, a recess-like liquid supply section for supplying the sample solution can be formed in a row with one or a plurality of upstream openings. Once the sample solution is supplied to the liquid supply part formed in the shape of a depression, the sample solution can be moved sequentially from the liquid supply part to the sample liquid flow path by capillary action etc. Because you can. The liquid supply part is provided with a filter such as a membrane film for removing red blood cells, white blood cells, lymphocytes, etc. in the supplied blood (sample solution) as necessary, so that the sample solution adheres to the channel wall. So that the flow is not obstructed.
On the other end side of the sample solution flow path, a liquid storage part for storing the sample solution can be formed continuously with one or a plurality of downstream openings. This liquid storage part is a recessed part formed in the center or peripheral part of the chip substrate. As a result, the sample solution flows out from the other end side of the sample solution flow path to the liquid storage section, so that a flow of the sample solution from the sample solution flow path to the liquid storage section can be formed. The oligopeptide cleaved from the enzyme activity detection part by the action of the enzyme in the sample solution can be reliably released into the sample solution without stagnation of the sample solution, and the detection sensitivity of the enzyme activity can be increased. .

酵素活性検知部は、特定の酵素に対して選択的特異的な反応挙動を有するペプチド鎖などの感応基質などが配置されて構成される。このような酵素特異的反応などに伴って感応基質の蛍光波長や蛍光強度などの光学的特性や電気的特性が変化し、これを検出することができる。
酵素活性検知部を試料溶液流路内に複数配し、この酵素活性検知部の光を受けることができる位置等にCCDやCMOS素子の集積体等からなるイメージセンサを配置した場合は、チップ基板上の二次元蛍光イメージを取得して、酵素活性検知部の時系列蛍光データ又は所定時間経過後の蛍光データを得ることができる。
試料溶液流路内に互いに隣接して配置される酵素活性検知部は、隔壁などを介してセル状に周囲と隔絶するように配置する必要はなく、チップ基板の試料溶液流路の底部に沿って平面状に連続配列するようにしてもよい。
なお、蛍光基が結合したペプチドからなるそれぞれ独立した酵素活性検知部の試料溶液流路内への配置は、例えば市販のDNAチップ用プロッタ等を用いたり、顕微鏡を見ながらシリンジを使ったりして配置することができる。また、渦巻き状などに形成された試料溶液流路内の所定領域毎にその表面に酵素特異性を付与させたポリスチレン樹脂などの球状粒子や平板等を充填し、それぞれ独立した酵素活性検知部を配列することも可能である。
The enzyme activity detection unit is configured by arranging a sensitive substrate such as a peptide chain having a selective and specific reaction behavior with respect to a specific enzyme. With such an enzyme-specific reaction or the like, the optical characteristics such as the fluorescence wavelength and fluorescence intensity of the sensitive substrate and the electrical characteristics change, and this can be detected.
A chip substrate when a plurality of enzyme activity detectors are arranged in the sample solution flow path, and an image sensor comprising a CCD or CMOS device integrated body is arranged at a position where the enzyme activity detector can receive light. By acquiring the upper two-dimensional fluorescence image, time-series fluorescence data of the enzyme activity detection unit or fluorescence data after a predetermined time can be obtained.
The enzyme activity detectors arranged adjacent to each other in the sample solution channel need not be arranged so as to be separated from the surroundings in a cell shape via a partition wall or the like, but along the bottom of the sample solution channel of the chip substrate. Alternatively, they may be arranged continuously in a planar shape.
In addition, the arrangement of each independent enzyme activity detection unit made of a peptide to which a fluorescent group is bound in the sample solution flow path is, for example, using a commercially available DNA chip plotter or using a syringe while looking at a microscope. Can be arranged. In addition, each predetermined region in the sample solution flow path formed in a spiral shape is filled with spherical particles such as polystyrene resin or flat plate with enzyme specificity on the surface thereof, and an independent enzyme activity detector is provided. It is also possible to arrange them.

請求項2に記載のバイオチップは、請求項1に記載の発明において、前記酵素活性検知部が、(a)その基端側が前記チップ基板に結合されその他端側に結合されるペプチド鎖との化学結合状態によってその蛍光周波数や蛍光強度などの蛍光特性が変動される蛍光基と、(b)アミノ酸の組み合わせからなる特定アミノ酸配列のペプチド鎖により付与される酵素特異性の結合部を介して前記蛍光基に結合されるオリゴペプチドと、を備えて構成される。
この構成によって、請求項1に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)チップ基板に結合した蛍光基と、蛍光基に酵素によって切断されるペプチド結合で結合したオリゴペプチドとを備えているので、酵素と反応させてペプチド結合の切断が起こるとオリゴペプチドが遊離される。オリゴペプチドが遊離した蛍光基の蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度はその遊離前とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(2)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができるとともに、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めバイオチップを小型化できる。
(3)微小容量の試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
(4)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
(5)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列した場合は、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
(6)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
(7)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
The biochip according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the enzyme activity detection unit is (a) a peptide chain whose base end is bound to the chip substrate and bound to the other end. The fluorescent group whose fluorescence characteristics such as the fluorescence frequency and the fluorescence intensity are changed depending on the chemical binding state, and (b) the enzyme-specific binding portion provided by the peptide chain of a specific amino acid sequence consisting of a combination of amino acids. And an oligopeptide bonded to a fluorescent group.
With this configuration, in addition to the operation of the first aspect, the following operation is provided.
(1) Since it has a fluorescent group bound to the chip substrate and an oligopeptide bound to the fluorescent group by a peptide bond that is cleaved by an enzyme, the oligopeptide is released when the peptide bond is cleaved by reacting with the enzyme Is done. Since the fluorescence wavelength of the fluorescent group released from the oligopeptide or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is different from that before the release, the enzyme activity can be detected using changes in fluorescence intensity or the like as an index.
(2) Since the fluorescent group is bonded in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. In addition to detecting the activity, the biochip can be miniaturized by dramatically increasing the degree of integration of the enzyme activity detector that can detect the enzyme activity.
(3) Enzyme activity can be detected simply by using a sample solution that fills a very small volume of the sample solution flow path. Therefore, a large amount of sample solution is not required for measurement, and even a small amount of sample solution can be used for enzyme activity. Can be detected.
(4) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution flow path with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
(5) Since the enzyme specificity for a specific enzyme and the like is determined by the respective amino acid sequences constituting the oligopeptide, when possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in the sample solution channel on the chip substrate in a certain order In the case of the same sample solution, images of the same fluorescent pattern arrangement are always obtained. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
(6) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
(7) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein is not required in advance for all such amino acid sequences, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.

ここで、オリゴペプチドは、アミノ酸数個からなるペプチド鎖で構成されたペプチドであって、分子量が大きく塊状などのタンパク質とは異なって略線状の形態を有している。このオリゴペプチドのアミノ酸配列によって、このオリゴペプチドが結合される蛍光基との結合部分における酵素特異性を特徴付けることができる。   Here, the oligopeptide is a peptide composed of a peptide chain consisting of several amino acids, and has a substantially linear form unlike a protein having a large molecular weight and a mass. The amino acid sequence of the oligopeptide can characterize the enzyme specificity at the binding site with the fluorescent group to which the oligopeptide is bound.

蛍光基としては、オリゴペプチドとのペプチド結合が酵素によって切断される前後において、蛍光波長や蛍光強度に変化が生じるものが用いられる。特に、ペプチド鎖との結合部とペプチド結合したときは特定波長領域において非蛍光物質であり、ペプチド結合が切断されてペプチド鎖が遊離したときに該特定波長領域において蛍光を発する蛍光基、例えば、4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)、7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン(ACC)、p−ニトロアニリド、α−ナフチルアミド、α−ナフチルエステル等が好適に用いられる。
結合部に位置するアミノ酸残基は、酵素によってC末端側のペプチド結合が選択的に切断されるものが用いられる。これにより、蛍光基と結合していた結合部を遊離させて蛍光基の蛍光強度や蛍光周波数を変化させることができるからである。
また、オリゴペプチドを所定の長さ(例えば15Å程度)以上のペプチド鎖で形成した場合には、個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖の切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出もできるようにすることができ、検出できる酵素の種類を増やすことができる。
As the fluorescent group, those in which the fluorescence wavelength and the fluorescence intensity change before and after the peptide bond with the oligopeptide is cleaved by the enzyme are used. In particular, a fluorescent group that emits fluorescence in the specific wavelength region when the peptide bond is bonded to the peptide chain and is a non-fluorescent substance in the specific wavelength region when the peptide bond is cleaved to release the peptide chain, for example, 4-Methylcoumaryl-7-amide (MCA), 7-amino-4-carboxymethylcoumarin (ACC), p-nitroanilide, α-naphthylamide, α-naphthyl ester and the like are preferably used.
As the amino acid residue located at the binding site, one in which the peptide bond on the C-terminal side is selectively cleaved by an enzyme is used. This is because it is possible to change the fluorescence intensity and the fluorescence frequency of the fluorescent group by releasing the binding portion that has been bonded to the fluorescent group.
In addition, when the oligopeptide is formed with a peptide chain having a predetermined length (for example, about 15 mm) or more, the substrate specificity for each amino acid is not high, but rather, elastase required for the action of cleaving a relatively long peptide chain. Such enzymes can be detected, and the types of enzymes that can be detected can be increased.

アミノ酸配列は、例えばA(アラニン)、B(プロリン)、C(リジン)、D(フェニルアラニン)の各アミノ酸を要素とするペプチド鎖で構成して、酵素活性検知部が試料溶液流路内にペプチド鎖の各要素の規則組み合わせ順に配列した場合は、基本的なアミノ酸について蓄積された基礎データに基づいて、検査データの解析や評価を容易かつ迅速に行うことができる。また、基礎的アミノ酸からなるオリゴペプチドをそのA〜Dの文字コード順などの降順や昇順に規則配列するように公知のペプチド鎖の合成手段を用いて機械的に構成することができ、バイオチップ生産の効率性にも優れている。   The amino acid sequence is composed of, for example, peptide chains having amino acids of A (alanine), B (proline), C (lysine), and D (phenylalanine) as elements, and the enzyme activity detection unit has a peptide in the sample solution channel. When arranged in the order of the rule combination of each element of the chain, analysis and evaluation of test data can be performed easily and quickly based on basic data accumulated for basic amino acids. In addition, the biochip can be mechanically constructed using known peptide chain synthesis means so that oligopeptides composed of basic amino acids are regularly arranged in descending or ascending order such as the character code order of A to D. Excellent production efficiency.

請求項3に記載のバイオチップは、請求項1又は2に記載の発明において、前記蛍光基がアミノメチルクマリン系蛍光基であって、シランカップリング剤などで化学修飾された前記チップ基板上に結合されて構成される。
この構成によって、請求項1又は2に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)蛍光基をシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも蛍光基のチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
(2)アミノメチルクマリン系蛍光基を用いるので、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なるその優れた蛍光特性を有効に利用して、選択性に優れた酵素活性検知部を構成することができる。
The biochip according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the fluorescent group is an aminomethylcoumarin fluorescent group and is chemically modified with a silane coupling agent or the like. Composed and configured.
With this configuration, in addition to the operation described in claim 1 or 2, the following operation is provided.
(1) Since the fluorescent group is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the fluorescent group to the chip substrate is an action of an enzyme or the like in the sample solution. Therefore, the biochip is not easily cut and the stability and durability of the biochip can be improved.
(2) Since an aminomethylcoumarin-based fluorescent group is used, it is possible to construct an enzyme activity detection unit having excellent selectivity by effectively utilizing its excellent fluorescence characteristics that differ depending on the binding state with each oligopeptide.

ここで、シランカップリング剤としては例えば、アミノプロピルトリメトキシシランなどが適用できる。
アミノメチルクマリン系蛍光基としては、4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)、7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン(ACC)などが含まれる。
Here, as the silane coupling agent, for example, aminopropyltrimethoxysilane can be applied.
Examples of the aminomethylcoumarin-based fluorescent group include 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA), 7-amino-4-carboxymethylcoumarin (ACC), and the like.

請求項4記載のバイオチップは、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の発明において、前記チップ基板が透光性であって、その背面側にCCDやCMOS素子などを配列したイメージセンサ基板が積層されて構成されている。
この構成によって、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウムなどの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
The biochip according to claim 4 is the image according to any one of claims 1 to 3, wherein the chip substrate is translucent, and a CCD, a CMOS element, or the like is arranged on the back side thereof. A sensor substrate is laminated.
With this configuration, in addition to the operation described in any one of claims 1 to 3, the following operation is provided.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide, the enzyme activity detectors are arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.

イメージセンサ基板としては、周知の半導体製作技術によりシリコン薄板上にフォトダイオードが二次元配置された感光部及びその信号出力部を備えて形成されるCCDやCMOS素子などを適用することができる。   As the image sensor substrate, it is possible to apply a CCD or CMOS element formed by providing a photosensitive portion in which photodiodes are two-dimensionally arranged on a silicon thin plate and a signal output portion thereof by a known semiconductor manufacturing technique.

請求項5記載のバイオチップは、請求項1乃至4の内いずれか1項に記載の発明において、前記チップ基板の前記試料溶液流路が形成された面側に保護層を備えて構成されている。
この構成によって、請求項1乃至4の内いずれか1項に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性をさらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
The biochip according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 4, wherein the biochip is provided with a protective layer on a surface side of the chip substrate on which the sample solution flow path is formed. Yes.
With this configuration, in addition to the operation described in any one of claims 1 to 4, the following operation is provided.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, and measurement accuracy, reliability, and stability can be further enhanced.
(2) When the sample solution flow path is covered with a light-transmitting protective layer, excitation light can be irradiated from the protective layer side, and the fluorescence change of the fluorescent group can be measured from the outside. In addition, the biochip is excellent in handling and storage properties after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.

保護層は例えば、酸化珪素や酸化アルミニウムなどで形成されたセラミック被膜を試料溶液流路が形成されたチップ基板上に添着して構成させることができる。
また、蛍光基の励起波長を通過するフィルタを保護層として被覆することもできる。これにより、前記試料溶液流路が形成された面側から光を照射し、酵素活性検知部の蛍光を検出することができる位置等にCCD等のイメージセンサを配置することで酵素活性を検出することができる。
For example, the protective layer can be configured by attaching a ceramic coating formed of silicon oxide, aluminum oxide, or the like on the chip substrate on which the sample solution flow path is formed.
A filter that passes the excitation wavelength of the fluorescent group can also be coated as a protective layer. Thereby, light is irradiated from the surface side where the sample solution flow path is formed, and the enzyme activity is detected by arranging an image sensor such as a CCD at a position where fluorescence of the enzyme activity detection unit can be detected. be able to.

請求項6に記載の試料溶液の機能性検査方法は、請求項1乃至5の内いずれか1項に記載のバイオチップの前記試料溶液流路の液貯留部に試料溶液を所定条件で供給する試料溶液供給工程と、前記試料溶液流路上に配列された前記酵素活性検知部毎の状態変化により形成される前記チップ基板上の二次元イメージをその特定波長域を除去するフィルタで処理してその時系列データ又は所定時間後の結果データを取得するデータ取得工程と、前記時系列データ又は結果データを予め同一測定条件で蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的データ処理手段により各ライブラリデータとのパターン適合度を判定するデータ判定工程と、を有して構成されている。
この構成によって、以下の作用を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
The method for testing the functionality of the sample solution according to claim 6 supplies the sample solution to the liquid storage part of the sample solution flow path of the biochip according to any one of claims 1 to 5 under a predetermined condition. A sample solution supply step and a two-dimensional image on the chip substrate formed by a state change for each of the enzyme activity detection units arranged on the sample solution flow path are processed with a filter that removes the specific wavelength region, and A data acquisition step of acquiring series data or result data after a predetermined time, and comparing each of the time series data or result data with library data stored in advance under the same measurement conditions, by pattern recognition means and statistical data processing means And a data determination step for determining a pattern matching degree with the library data.
This configuration has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Since there is a data judgment step for comparing the time series data or result data obtained in this way with the library data and calculating the degree of pattern matching with each library data, a small amount of data can be obtained without requiring accumulation of basic data. The enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using this sample solution, and the operability and efficiency are excellent.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.

請求項1記載の発明によれば、以下のような効果が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配置されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
According to invention of Claim 1, the following effects are acquired.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow paths formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.

請求項2記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて、以下の効果を有する。
(1)チップ基板に結合した蛍光基と、蛍光基に酵素によって切断されるペプチド結合で結合したオリゴペプチドとを備えているので、酵素と反応させてペプチド結合の切断が起こるとオリゴペプチドが遊離される。オリゴペプチドが遊離した蛍光基の蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度はその遊離前とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(2)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができ、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めることができる。
(3)試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
(4)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
(5)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列しておくことにより、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
(6)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
(7)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
According to invention of Claim 2, in addition to the effect of Claim 1, it has the following effects.
(1) Since it has a fluorescent group bound to the chip substrate and an oligopeptide bound to the fluorescent group by a peptide bond that is cleaved by an enzyme, the oligopeptide is released when the peptide bond is cleaved by reacting with the enzyme Is done. Since the fluorescence wavelength of the fluorescent group released from the oligopeptide or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is different from that before the release, the enzyme activity can be detected using changes in fluorescence intensity or the like as an index.
(2) Since the fluorescent group is bonded in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. The activity can be detected, and the degree of integration of the enzyme activity detector that can detect the enzyme activity can be dramatically increased.
(3) Since the enzyme activity can be detected simply by using a sample solution sufficient to fill the sample solution flow path, a large amount of sample solution is not required for measurement, and the enzyme activity can be detected even with a small amount of sample solution. It can be carried out.
(4) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution flow path with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
(5) Since the enzyme specificity for a specific enzyme and the like is determined by the respective amino acid sequences constituting the oligopeptide, two possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in a sample solution channel on the chip substrate in a certain order. As a result, the same fluorescent pattern array image can always be obtained for the same sample solution. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
(6) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
(7) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein is not required in advance for all such amino acid sequences, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.

請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)蛍光基をシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも蛍光基のチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
(2)アミノメチルクマリン系蛍光基を用いるので、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なるその優れた蛍光特性を有効に利用して、選択性に優れた酵素活性検知部を構成することができる。
According to invention of Claim 3, in addition to the effect of Claim 1 or 2, it has the following effects.
(1) Since the fluorescent group is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the fluorescent group to the chip substrate is an action of an enzyme or the like in the sample solution. Therefore, the biochip is not easily cut and the stability and durability of the biochip can be improved.
(2) Since an aminomethylcoumarin-based fluorescent group is used, it is possible to construct an enzyme activity detection unit having excellent selectivity by effectively utilizing its excellent fluorescence characteristics that differ depending on the binding state with each oligopeptide.

請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至3の内いずれか1の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウムなどの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
According to invention of Claim 4, in addition to the effect of any one of Claims 1 thru | or 3, it has the following effects.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide, the enzyme activity detectors are arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.

請求項5記載の発明によれば、請求項1乃至4の内いずれか1に記載の効果に加えて、以下の効果を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性をさらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
According to invention of Claim 5, in addition to the effect of any one of Claims 1 thru | or 4, it has the following effects.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, and measurement accuracy, reliability, and stability can be further enhanced.
(2) When the sample solution flow path is covered with a light-transmitting protective layer, excitation light can be irradiated from the protective layer side, and the fluorescence change of the fluorescent group can be measured from the outside. In addition, the biochip is excellent in handling and storage properties after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.

請求項6記載の発明によれば、以下の効果を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
According to invention of Claim 6, it has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Since there is a data judgment step for comparing the time series data or result data obtained in this way with the library data and calculating the degree of pattern matching with each library data, a small amount of data can be obtained without requiring accumulation of basic data. The enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using this sample solution, and the operability and efficiency are excellent.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.

酵素活性検知部の酵素活性検出原理を示す模式図Schematic diagram showing the enzyme activity detection principle of the enzyme activity detector 異なる配置構成を有した酵素活性検知部の模式図Schematic diagram of enzyme activity detector with different arrangement 実施の形態1におけるバイオチップの模式斜視図Schematic perspective view of the biochip in the first embodiment 試料溶液流路に配列された酵素活性検知部の状態を示す模式図Schematic diagram showing the state of the enzyme activity detectors arranged in the sample solution flow path 実施の形態1におけるバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性をイメージセンサを用いて測定する場合の構成図Configuration diagram for measuring enzyme activity of sample solution introduced into biochip in embodiment 1 using image sensor 実施の形態2におけるバイオチップの模式図Schematic diagram of biochip in embodiment 2 実施の形態2におけるバイオチップの変形例を示す模式図Schematic diagram showing a modification of the biochip in the second embodiment アミノ酸の組み合わせごとに蛍光強度をプロットしたグラフGraph plotting fluorescence intensity for each amino acid combination

符号の説明Explanation of symbols

1 チップ基板
2 蛍光基
3 オリゴペプチド
4 酵素
5 蛍光波長が変化した蛍光基
6 オリゴペプチド
7 第1の蛍光基
7a 蛍光が観察されるようになった第1の蛍光基
8 第2のオリゴペプチド
9 第2の蛍光基
10 バイオチップ
11 チップ基板
12 試料溶液流路
13 酵素活性検知部
14 液供給部
15 液貯留部
20 イメージセンサ
21 レンズ
22,23 フィルタ
24 イメージセンサ
30 バイオチップ
31 チップ基板
32 試料溶液流路
32a 酵素活性検知部
33 上部フィルタ
34 イメージセンサ基板
35 下部フィルタ
36 酸化珪素層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chip substrate 2 Fluorescent group 3 Oligopeptide 4 Enzyme 5 Fluorescent group in which the fluorescence wavelength was changed 6 Oligopeptide 7 First fluorescent group 7a First fluorescent group in which fluorescence is observed 8 Second oligopeptide 9 Second fluorescent group 10 Biochip 11 Chip substrate 12 Sample solution flow path 13 Enzyme activity detection unit 14 Liquid supply unit 15 Liquid storage unit 20 Image sensor 21 Lens 22, 23 Filter 24 Image sensor 30 Biochip 31 Chip substrate 32 Sample solution Flow path 32a Enzyme activity detection unit 33 Upper filter 34 Image sensor substrate 35 Lower filter 36 Silicon oxide layer

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の実施の形態に係るバイオチップにおける酵素活性検知部の酵素活性検出原理を示す模式図である。
図中、1は酸化珪素やガラス等で平板状に機械的あるいは化学的に製溝された部分(試料溶液流路)を備えたチップ基板、2はチップ基板1にペプチド結合等で直接結合した4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)等の蛍光基、3は蛍光基2とペプチド結合で結合されたアミノ酸,ペプチド等のオリゴペプチド、4は蛍光基2とオリゴペプチド3の結合を選択的に切断するセリンプロテアーゼ等の基質特異性を有する酵素、5は酵素4によって選択的にオリゴペプチド3が遊離されたことにより蛍光波長等が変化した7−アミノ−メチルクマリン(AMC)等の蛍光基である。以上のように構成される酵素活性検出部は、公知のペプチド合成の手法を用いて合成され、チップ基板1上に結合される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an enzyme activity detection principle of an enzyme activity detection unit in a biochip according to an embodiment of the present invention.
In the figure, 1 is a chip substrate having a portion (sample solution flow path) that is mechanically or chemically formed into a flat plate shape with silicon oxide or glass, and 2 is directly bonded to the chip substrate 1 by a peptide bond or the like. Fluorescent group such as 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA), 3 is an amino peptide bonded to fluorescent group 2 by peptide bond, oligopeptide such as peptide, 4 selectively binds fluorescent group 2 to oligopeptide 3 An enzyme having substrate specificity, such as serine protease to be cleaved, 5 is a fluorescent group such as 7-amino-methylcoumarin (AMC) whose fluorescence wavelength has been changed by selective release of oligopeptide 3 by enzyme 4. is there. The enzyme activity detection unit configured as described above is synthesized by using a known peptide synthesis technique and is bonded onto the chip substrate 1.

以下、図1を参照して酵素活性の検出原理について説明する。
図1(a)に示す4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)等の蛍光基2は特定波長領域において非蛍光物質であり蛍光を示さない。このチップ基板1に酵素4を含む試料溶液を接触させ反応させると、基質特異性を有する酵素4は、蛍光基2とオリゴペプチド3との間のペプチド結合を切断する(図1(b)参照)。
オリゴペプチド3が遊離した蛍光基5は7−アミノ−メチルクマリン(AMC)等の該特定波長領域における蛍光物質となり、蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度は、オリゴペプチド3とペプチド結合した蛍光基2とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる(図1(c)参照)。
Hereinafter, the principle of detecting enzyme activity will be described with reference to FIG.
The fluorescent group 2 such as 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA) shown in FIG. 1A is a non-fluorescent substance in a specific wavelength region and does not exhibit fluorescence. When the sample solution containing the enzyme 4 is brought into contact with the chip substrate 1 and reacted, the enzyme 4 having substrate specificity cleaves the peptide bond between the fluorescent group 2 and the oligopeptide 3 (see FIG. 1B). ).
The fluorescent group 5 from which the oligopeptide 3 is released becomes a fluorescent substance in the specific wavelength region such as 7-amino-methylcoumarin (AMC), and the fluorescence wavelength or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is a fluorescent group that is peptide-bonded to the oligopeptide 3 Therefore, the enzyme activity can be detected using a change in fluorescence intensity or the like as an index (see FIG. 1 (c)).

なお、ここでは蛍光基2がチップ基板1に直接結合された場合について説明したが、蛍光基2をアミノ酸,ペプチド等を介してチップ基板1に結合させる場合もある。これにより、チップ基板1と酵素作用点との距離を適正化することができ、チップ基板1の影響を受けずに酵素活性をより正確に検出することができるという作用が得られる。なお、この場合、蛍光基2とチップ基板1との間のアミノ酸,ペプチド等は酵素特異性を有しない分子又は化合物で合成する。酵素が作用して蛍光基2がチップ基板1から遊離するのを防止するためである。   Although the case where the fluorescent group 2 is directly bonded to the chip substrate 1 has been described here, the fluorescent group 2 may be bonded to the chip substrate 1 via an amino acid, a peptide, or the like. As a result, the distance between the chip substrate 1 and the enzyme action point can be optimized and the enzyme activity can be detected more accurately without being affected by the chip substrate 1. In this case, amino acids, peptides and the like between the fluorescent group 2 and the chip substrate 1 are synthesized with molecules or compounds having no enzyme specificity. This is to prevent the fluorescent group 2 from being released from the chip substrate 1 by the action of the enzyme.

図2は、図1とは異なる配置構成を有した酵素活性検知部の模式図である。
図2において、6はチップ基板1にその一端が固定化された第1のオリゴペプチド、7はオリゴペプチド6の側鎖に導入された第1の蛍光基、8はペプチド結合で第1のオリゴペプチド6と結合した第2のオリゴペプチド、9は第2のオリゴペプチドに結合し第1の蛍光基7と蛍光共鳴エネルギー移動を起こす第2の蛍光基、7aは蛍光共鳴エネルギー移動によって本来観察されるはずの第2の蛍光基9の蛍光が減衰し、代わりに蛍光が観察されるようになった第1の蛍光基である。
ここで、蛍光共鳴エネルギー移動とは、ある2つの蛍光化合物が距離的に近い位置に存在するとき、その2つの蛍光化合物のうちの一方(ドナーという)の蛍光スペクトルと他方(アクセプターという)の励起スペクトルとが重なりをもつ場合、ドナーの励起波長のエネルギーを当てると本来観察されるはずのドナーの蛍光が減衰し、代わりにアクセプターの蛍光が観察される現象をいう。
この酵素活性検知部では、酵素4によって第2のオリゴペプチドが遊離されて2つの蛍光化合物が距離的に遠い位置に存在することになったため、本来観察されるはずの第2の蛍光基9の蛍光が減衰し、代わりに第1の蛍光基7の蛍光が観察され(7a)、酵素活性を検出することができる。
FIG. 2 is a schematic diagram of an enzyme activity detection unit having an arrangement configuration different from that in FIG.
In FIG. 2, 6 is a first oligopeptide having one end immobilized on the chip substrate 1, 7 is a first fluorescent group introduced into the side chain of the oligopeptide 6, 8 is a peptide bond and the first oligopeptide A second oligopeptide bound to peptide 6, 9 is a second fluorescent group that binds to the second oligopeptide and causes fluorescence resonance energy transfer with the first fluorescent group 7, and 7a is originally observed by fluorescence resonance energy transfer. This is the first fluorescent group in which the fluorescence of the second fluorescent group 9 that should be attenuated is attenuated and fluorescence is observed instead.
Here, the fluorescence resonance energy transfer means that when two fluorescent compounds are present at positions close to each other, the fluorescence spectrum of one of the two fluorescent compounds (referred to as a donor) and the excitation of the other (referred to as an acceptor). When there is an overlap with the spectrum, this is a phenomenon in which the donor fluorescence that should be observed is attenuated when the excitation wavelength energy of the donor is applied, and the acceptor fluorescence is observed instead.
In this enzyme activity detection unit, the second oligopeptide is released by the enzyme 4 and the two fluorescent compounds are located far away from each other. Therefore, the second fluorescent group 9 that should originally be observed is detected. The fluorescence is attenuated, and the fluorescence of the first fluorescent group 7 is observed instead (7a), and the enzyme activity can be detected.

ここで、第1の蛍光基7、第2の蛍光基9としては、蛍光共鳴エネルギー移動が起こるドナーとアクセプターの組合せを用いることができる。例えば、第1の蛍光基7(又は第2の蛍光基9)の蛍光波長と重なる波長域に吸収帯をもつ原子団である第2の蛍光基9(又は第1の蛍光基7)が用いられる。具体的には、(7−メトキシクマリン−4−イル)アセチル(MOAc),アントラニロイルベンジル(ABz),N−メチルアントラニル酸(Nma)等とジニトロフェニル(Dnp)の組合せ、DabsylとEDANS(5−(2'-アミノエチル)アミノナフタレン−1−スルホン酸)の組合せ、トリプトファン(Trp)と5−ジメチルアミノ−1−ナフタレンスルホン酸(Dns)の組合せ、カルボキシジクロロフルオレセイン(CDCF)とカルボキシメチルローダミン(CTMR)の組合せ、カルボキシジクロロフルオレセイン(CDCF)とカルボキシX−ローダミン(CXR)の組合せ、ルシファーイエロー(LY)とカルボキシメチルローダミン(CTMR)の組合せ等が用いられる。
これらのドナーやアクセプターのいずれが第1の蛍光基7になっても第2の蛍光基9になっても構わない。第1の蛍光基7にスペクトル変化が生じれば酵素活性の測定指標にすることができるからである。
なお、第1のオリゴペプチド6の側鎖に導入された第1の蛍光基7と第2のオリゴペプチド8に各々結合した第1の蛍光基7と第2の蛍光基9の結合部間の長さは、100Å以下であることが望ましい。この距離が長くなるにつれ蛍光共鳴エネルギー移動が小さくなり蛍光強度等の変化が小さくなる傾向がみられ、100Åより長くなるとこの傾向が著しく蛍光強度の変化が著しく小さくなり感度が低下するからである。
このように酵素活性検知部を構成することにより、個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖を切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出を容易に行うことができ検出感度を高めることができる。
Here, as the first fluorescent group 7 and the second fluorescent group 9, a combination of a donor and an acceptor in which fluorescence resonance energy transfer occurs can be used. For example, the second fluorescent group 9 (or the first fluorescent group 7) which is an atomic group having an absorption band in a wavelength region overlapping with the fluorescent wavelength of the first fluorescent group 7 (or the second fluorescent group 9) is used. It is done. Specifically, the combination of (7-methoxycoumarin-4-yl) acetyl (MOAc), anthraniloylbenzyl (ABz), N-methylanthranilic acid (Nma) and the like and dinitrophenyl (Dnp), Dabsyl and EDANS ( 5- (2′-aminoethyl) aminonaphthalene-1-sulfonic acid), tryptophan (Trp) and 5-dimethylamino-1-naphthalenesulfonic acid (Dns), carboxydichlorofluorescein (CDCF) and carboxymethyl A combination of rhodamine (CTMR), a combination of carboxydichlorofluorescein (CDCF) and carboxy X-rhodamine (CXR), a combination of lucifer yellow (LY) and carboxymethyl rhodamine (CTMR), and the like are used.
Any of these donors and acceptors may be the first fluorescent group 7 or the second fluorescent group 9. This is because if a spectral change occurs in the first fluorescent group 7, it can be used as a measurement index of enzyme activity.
In addition, between the coupling | bond part of the 1st fluorescence group 7 and the 2nd fluorescence group 9 which were each couple | bonded with the 1st fluorescence group 7 and the 2nd oligopeptide 8 which were introduce | transduced into the side chain of the 1st oligopeptide 6 The length is desirably 100 mm or less. This is because as the distance becomes longer, the fluorescence resonance energy transfer becomes smaller and the change in the fluorescence intensity or the like tends to become smaller.
By configuring the enzyme activity detection unit in this way, it is possible to easily detect an enzyme such as elastase which has a low substrate specificity for each amino acid and rather requires a relatively long peptide chain for its cleaving action. Detection sensitivity can be increased.

(実施の形態1)
図3は以上の酵素活性検出原理が適用される本発明の実施の形態1におけるバイオチップの模式斜視図であり、図4は試料溶液流路に配列された酵素活性検知部の状態を示す模式図である。
図3において、10は本発明の実施の形態1におけるバイオチップ、11はバイオチップ10を構成して全体が略矩形板状に形成されたチップ基板、12はその全体が渦巻き状となってチップ基板11上に溝状に形成された試料溶液流路、13は試料溶液流路12内にセル状、スポット状に形成されそれぞれ所定の酵素活性を有して所定順で配置された酵素活性検知部、14は試料溶液流路12の外端側に設けられ試料溶液が供給される略矩形状の液供給部、15は試料溶液流路12の排出側となる渦巻き中心側に略円形状に設けられた液貯留部である。
バイオチップ10は、その全体が略矩形板状(一辺の長さ約20〜30mm、厚み約2mm)のガラス質やポリスチレン樹脂質などからなるチップ基板11に、流路幅約0.5mm、深さ約0.1mmの流路断面と有効流路長さ約90mmを有して互いに流路間隔0.5mmで渦巻き状に形成された試料溶液流路12を備えている。なお、液供給部14は一辺が約2.5mmの略正方形状に形成され、このような試料溶液流路12の有効容積は約4.5μLである。
このチップ基板11上の液供給部14に採取された血液サンプルなどの試料溶液が供給されて試料溶液流路12を毛管現象等によって順次移動して酵素活性検知部13に接触して試料溶液中に含まれる各酵素の活性や抗体反応性などの特性が検出されるようにしている。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a schematic perspective view of the biochip according to the first embodiment of the present invention to which the above-described enzyme activity detection principle is applied, and FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the enzyme activity detection unit arranged in the sample solution flow path. FIG.
In FIG. 3, 10 is a biochip according to the first embodiment of the present invention, 11 is a chip substrate constituting the biochip 10 and formed in a substantially rectangular plate shape, and 12 is a chip that is spirally formed as a whole. A sample solution flow path 13 formed in the shape of a groove on the substrate 11 is formed in a cell shape and a spot shape in the sample solution flow path 12, and each has a predetermined enzyme activity and is arranged in a predetermined order. , 14 is a substantially rectangular liquid supply portion provided on the outer end side of the sample solution flow path 12 to which the sample solution is supplied, and 15 is substantially circular on the spiral center side which is the discharge side of the sample solution flow path 12 It is the liquid storage part provided.
The biochip 10 as a whole is formed on a chip substrate 11 made of glass or polystyrene resin having a substantially rectangular plate shape (length of about 20 to 30 mm on one side and thickness of about 2 mm), a flow path width of about 0.5 mm, and a depth. A sample solution channel 12 having a channel cross section of about 0.1 mm and an effective channel length of about 90 mm and formed in a spiral shape with a channel interval of 0.5 mm is provided. The liquid supply unit 14 is formed in a substantially square shape with a side of about 2.5 mm, and the effective volume of the sample solution channel 12 is about 4.5 μL.
A sample solution such as a blood sample collected in the liquid supply unit 14 on the chip substrate 11 is supplied, and sequentially moves through the sample solution flow path 12 by capillary action or the like to come into contact with the enzyme activity detection unit 13 to be in the sample solution. Characteristics such as the activity and antibody reactivity of each enzyme contained in are detected.

酵素活性検知部13は、チップ基板11上に渦巻き状に形成された試料溶液流路12の底部にセル状、窪み状又は平坦なスポット状サイトとして形成され、それぞれ異なる酵素活性を備えたものが互いに所定間隔をおいて順次配列されるように構成されている。
酵素活性検知部13は、図3及び図4に示すように略溝状に形成された試料溶液流路12の底面にその一端側が結合される蛍光基Kと、蛍光基Kの他端側に結合され例えばA〜Dの4サイトに配置されるアミノ酸配列からなるオリゴペプチドとで構成される。
蛍光基Kは例えばアミノメチルクマリン系蛍光基であって、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なる蛍光特性を有する。なお、必要に応じてチップ基板11をシランカップリング剤などで化学修飾処理して、蛍光基Kがチップ基板11の試料溶液流路12内に結合されるようにして、チップ基板11との結合の安定性と耐久性を高めることができる。
The enzyme activity detection unit 13 is formed as a cell-like, dent-like or flat spot-like site at the bottom of the sample solution flow path 12 formed in a spiral shape on the chip substrate 11 and has different enzyme activities. It is configured to be sequentially arranged at a predetermined interval.
As shown in FIGS. 3 and 4, the enzyme activity detector 13 includes a fluorescent group K whose one end is coupled to the bottom surface of the sample solution channel 12 formed in a substantially groove shape, and the other end of the fluorescent group K. It is comprised with the oligopeptide which consists of an amino acid sequence couple | bonded and arrange | positioned, for example at 4 sites of AD.
The fluorescent group K is, for example, an aminomethylcoumarin fluorescent group, and has different fluorescent characteristics depending on the binding state with each oligopeptide. If necessary, the chip substrate 11 is chemically modified with a silane coupling agent or the like so that the fluorescent group K is bonded into the sample solution flow path 12 of the chip substrate 11 so that the chip substrate 11 is bonded. Stability and durability can be increased.

蛍光基Kに接合するオリゴペプチドのA〜Dの各サイトには例えば、ala:アラニン、pro:プロリン、lys:リジン、phe:フェニルアラニンの内のいずれかの組み合わせからなるペプチド鎖が設定されるようにしている。
オリゴペプチドは例えば、(1)ala−pro−lys−phe、(2)pro−lys−phe−ala、(3)lys−phe−ala−pro、(4)phe−ala−pro−lysのようなアミノ酸配列に設定され、このような各アミノ酸配列に対応して、オリゴペプチドが結合される蛍光基の結合部の酵素特異性が規定されるようにしている。
For example, a peptide chain composed of any combination of ala: alanine, pro: proline, lys: lysine, and phe: phenylalanine is set at each site A to D of the oligopeptide conjugated to the fluorescent group K. I have to.
Examples of oligopeptides include (1) ala-pro-lys-phe, (2) pro-lys-phe-ala, (3) lys-phe-ala-pro, and (4) phe-ala-pro-lys. The amino acid sequence is set so that the enzyme specificity of the binding part of the fluorescent group to which the oligopeptide is bound is defined corresponding to each amino acid sequence.

各アミノ酸配列は、ペプチドをC末端から伸長していく固相法等の通常のペプチド合成法により合成することができる。また、目的とするアミノ酸配列のC末端側からN末端側へ逐次伸長していく逐次伸長法や、複数の短いペプチド断片を合成しペプチド断片間のカップリングにより伸長させる断片縮合法等を用いることができる。また、公知のペプチド合成機を用いて9−フルオレニルメチルオキシカルボニル(Fmoc)アミノ酸やt−ブチルオキシカルボニル(Boc)アミノ酸等を導入して合成することもできる。さらに、プロテアーゼを用いてペプチド結合を生成したり、遺伝子工学的手法を用いて合成することもできる。
さらに、ペプチド結合を形成するための縮合方法としては、例えば、アジド法、酸クロライド法、酸無水物法、混合酸無水物法、DCC法、DCC−アディティブ法、活性エステル法、カルボニルジイミダゾール法、酸化還元法、ウッドワード試薬Kを用いる方法等が用いられる。また、縮合反応を行う前に、公知の手段によりアミノ酸やペプチド中の反応に関与しないカルボキシル基、アミノ基等を保護したり、また反応に関与するカルボキシル基,アミノ基を活性化させたりしておくこともできる。
Each amino acid sequence can be synthesized by a normal peptide synthesis method such as a solid phase method in which the peptide is extended from the C-terminus. Also, use a sequential extension method that sequentially extends from the C-terminal side to the N-terminal side of the target amino acid sequence, or a fragment condensation method that synthesizes a plurality of short peptide fragments and extends them by coupling between peptide fragments. Can do. Moreover, 9-fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) amino acid, t-butyloxycarbonyl (Boc) amino acid, etc. can also be synthesize | combined using a well-known peptide synthesizer. Furthermore, a peptide bond can be generated using a protease, or it can be synthesized using a genetic engineering technique.
Furthermore, as a condensation method for forming a peptide bond, for example, azide method, acid chloride method, acid anhydride method, mixed acid anhydride method, DCC method, DCC-additive method, active ester method, carbonyldiimidazole method , A redox method, a method using Woodward reagent K, and the like are used. In addition, before the condensation reaction, the carboxyl group and amino group which are not involved in the reaction in amino acids and peptides can be protected by known means, or the carboxyl group and amino group involved in the reaction can be activated. It can also be left.

こうして、図4に示すようにアミノ酸配列の可能な組合せをそれぞれ有したS1〜Snの酵素活性検知部13を試料溶液流路12の底部に、例えば以下のように配列する。
S1:蛍光基−オリゴペプチド(1)(ala−pro−lys−phe)
S2:蛍光基−オリゴペプチド(2)(pro−lys−phe−ala)
S3:蛍光基−オリゴペプチド(3)(lys−phe−ala−pro)
S4:蛍光基−オリゴペプチド(4)(phe−ala−pro−lys)


Sn:蛍光基−オリゴペプチド(n)
このようにS1〜Snの酵素活性検知部が配列された試料溶液流路12に試料溶液を流して酵素活性検知部13と接触させることにより、試料溶液中の酵素やタンパク質がそれぞれ異なる酵素特異性が付与されたオリゴペプチドと蛍光基間の結合に作用してこの結合を切断する。この切断に伴う蛍光基の蛍光特性変化を光学的に検出することにより、渦巻き状に形成された試料溶液流路12を、試料溶液に固有の蛍光パターンとして表すことができる。
なお、S1〜Snにおけるオリゴペプチドのアミノ酸配列は、各アミノ酸配列についてその酵素活性などの特性や挙動が既知である必要はなく、バイオチップ10として特定のユニークな配列のものであればよい。このため、S1〜Snには、例えば周期的パターンを含むような規則配列やランダム配列のものなどが含まれる。
Thus, as shown in FIG. 4, the S1-Sn enzyme activity detectors 13 each having a possible combination of amino acid sequences are arranged at the bottom of the sample solution channel 12 as follows, for example.
S1: Fluorescent group-oligopeptide (1) (ala-pro-lys-phe)
S2: fluorescent group-oligopeptide (2) (pro-lys-phe-ala)
S3: fluorescent group-oligopeptide (3) (lys-phe-ala-pro)
S4: fluorescent group-oligopeptide (4) (phe-ala-pro-lys)


Sn: fluorescent group-oligopeptide (n)
In this way, by flowing the sample solution through the sample solution flow path 12 in which the enzyme activity detection units of S1 to Sn are arranged and contacting with the enzyme activity detection unit 13, the enzymes and proteins in the sample solution have different enzyme specificities. Acts on the bond between the oligopeptide to which is attached and the fluorescent group, thereby cleaving this bond. By optically detecting the fluorescence characteristic change of the fluorescent group accompanying this cutting, the sample solution flow path 12 formed in a spiral shape can be expressed as a fluorescence pattern unique to the sample solution.
In addition, the amino acid sequence of the oligopeptide in S1 to Sn does not need to be known in terms of characteristics and behavior such as enzyme activity for each amino acid sequence, and may be of a specific unique sequence as the biochip 10. For this reason, S1-Sn includes, for example, a regular array or a random array including a periodic pattern.

試料溶液流路12は、チップ基板11が酸化珪素やガラス質である場合にはエッチング加工などにより形成される。また、チップ基板11が合成樹脂などである場合にはエンボス加工、レーザビーム加工、マシンニングセンタを用いた研削加工などにより形成されるが、所定形状の金型を用いて合成樹脂を出発原料として射出成形やプレス成形などにより製造することもできる。
溝状に形成される試料溶液流路12の深さは約10〜200μm、幅は10〜1000μmの範囲とすることが好ましい。これは流路の深さや幅がそれぞれの下限値より小さくなると、試料溶液の粘性で流路が閉塞されたり、測定感度が不足するような傾向が現れ、逆に深さや幅がそれぞれの上限値より大きくなると、チップ基板上の酵素活性検知部の集積度が不足してチップ基板上に形成させる蛍光パターンの特定が困難になる傾向が生じるからである。
The sample solution channel 12 is formed by etching or the like when the chip substrate 11 is made of silicon oxide or glass. Further, when the chip substrate 11 is made of synthetic resin or the like, it is formed by embossing, laser beam processing, grinding using a machining center, or the like. It can also be manufactured by injection molding or press molding.
The depth of the sample solution flow path 12 formed in a groove shape is preferably about 10 to 200 μm, and the width is preferably in the range of 10 to 1000 μm. If the depth and width of the flow path become smaller than the lower limit values, the flow path will be blocked due to the viscosity of the sample solution, or the measurement sensitivity will be insufficient. This is because when the size is larger, the degree of integration of the enzyme activity detection unit on the chip substrate becomes insufficient, and it becomes difficult to specify the fluorescent pattern to be formed on the chip substrate.

液供給部14はチップ基板11の辺側に配置されて不織布フィルタやメンブレンフィルムなどの血液中の赤血球などを除去するフィルタを設けることもできる。これによって、供給される試料溶液中の赤血球や白血球などを濾過して試料溶液の粘性等を調整することができるので、試料溶液流路12の壁部に付着して流路が閉塞されるのを効果的に防止できる。   The liquid supply unit 14 may be provided on the side of the chip substrate 11 and may be provided with a filter that removes red blood cells in blood such as a nonwoven fabric filter and a membrane film. As a result, red blood cells, white blood cells, and the like in the supplied sample solution can be filtered to adjust the viscosity of the sample solution, so that the flow path is blocked by adhering to the wall of the sample solution flow path 12. Can be effectively prevented.

続いて、以上のように構成されたバイオチップ10に適用される試料溶液の機能性検査方法について、図4に示す酵素活性検知部の特定酵素に対する動作模式図を参照しながら説明する。
まず、それぞれ固有の酵素活性を有する酵素活性検知部13をチップ基板11上に渦巻き状に形成された試料溶液流路12の各サイトS1〜Snにそれぞれ所定パターンで配置したバイオチップ10を用意して、試料溶液供給工程において、このバイオチップ10の液供給部14に血液などの試料溶液を所定流量や温度の条件で供給する。これによって、液供給部14に供給された血液成分等が試料溶液流路12に供給されて、各S1〜Snのサイトの酵素活性検知部13に毛管現象等を利用して順次接触させることができる。
こうして、図示するように血液成分中の特定の酵素に対して感応性を有したオリゴペプチドと蛍光基との結合部分が切断され、蛍光基の蛍光特性が切断前の状態(ここではαとする)から切断後の状態(ここではβとする)に変化する。この結果、試料溶液流路12に沿うS1〜Snのサイトにおける蛍光基の状態は、その初期状態X(α、α、α、α、α・・・・・・)から、例えば検知状態Y(α、β、α、α、β・・・・・・・)のように表される。
Next, a method for testing the functionality of the sample solution applied to the biochip 10 configured as described above will be described with reference to a schematic operation diagram for a specific enzyme of the enzyme activity detector shown in FIG.
First, a biochip 10 is prepared in which enzyme activity detectors 13 each having a unique enzyme activity are arranged in a predetermined pattern at each site S1 to Sn of a sample solution flow path 12 formed in a spiral shape on a chip substrate 11. In the sample solution supply step, a sample solution such as blood is supplied to the liquid supply unit 14 of the biochip 10 at a predetermined flow rate and temperature. As a result, the blood component or the like supplied to the liquid supply unit 14 is supplied to the sample solution flow path 12 and sequentially brought into contact with the enzyme activity detection unit 13 at each of the sites S1 to Sn using capillary action or the like. it can.
Thus, as shown in the figure, the binding part between the oligopeptide having sensitivity to a specific enzyme in the blood component and the fluorescent group is cleaved, and the fluorescence characteristic of the fluorescent group is in a state before cleaving (here, α). ) To the state after cutting (here, β). As a result, the state of the fluorescent group at the sites S1 to Sn along the sample solution flow path 12 is changed from the initial state X (α, α, α, α, α,...), For example, to the detection state Y ( .alpha., .beta., .alpha., .alpha., .beta.

次のデータ取得工程においては、試料溶液流路12上の酵素活性検知部13毎における蛍光変化により形成されるチップ基板11上の二次元蛍光イメージをイメージセンサなどで取得して、その特定波長域を除去するフィルタで処理することにより、その時系列データ又は所定時間後の結果データを得ることができる。   In the next data acquisition step, a two-dimensional fluorescence image on the chip substrate 11 formed by the fluorescence change in each enzyme activity detection unit 13 on the sample solution flow path 12 is acquired by an image sensor or the like, and the specific wavelength range is obtained. The time series data or the result data after a predetermined time can be obtained by processing with a filter that removes.

データ判定工程においては、前記時系列データ又は所定時間後の結果データを、予め同一測定条件で各種のサンプルについて測定蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的判定手段などにより各ライブラリデータとのパターン適合度を判定して、各種の病理学的知見などを迅速かつ的確に得ることができる。   In the data determination step, the time series data or the result data after a predetermined time is compared with library data measured and accumulated for various samples in advance under the same measurement conditions, and each library is detected by a pattern recognition unit or a statistical determination unit. The degree of pattern matching with data can be determined, and various pathological findings can be obtained quickly and accurately.

以上説明したように、バイオチップ10を用いる試料溶液の機能性検査方法では、血液や尿等を含む試料溶液を検査対象とし、酵素特異性を付与するオリゴペプチドでアレイ化された試料溶液流路に導いて反応させる。この酵素反応の結果を蛍光強度を検出するイメージセンサで取得して、この取得されたデータをライブラリデータと比較して、試料溶液に含まれるプロテアーゼ混合物の活性を網羅的に検出することができる。また、試料溶液流路12が渦巻状に形成されているので、毛管現象等で試料溶液流路12内を移動する試料溶液の速度を略一定にでき、取得した時系列データの再現性に優れ、さらに分岐せずひと続きなので、試料液体流路12における液供給部14からの道のりの長さと蛍光強度等とを1対1の関係で表すことができ、ライブラリデータとの比較を容易に行うことができる。
このようにプロテアーゼを網羅的に検出して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られるので、これを個人のヘルスケアに効率的に活用することができる。
こうして、バイオチップを用いた試料溶液の機能性検査方法を、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究的分野に適用して、複数の酵素の活性を高速で、かつ少量のサンプルで測定することができる。
As described above, in the sample solution functionality testing method using the biochip 10, the sample solution flow path arrayed with oligopeptides that impart enzyme specificity with the sample solution containing blood, urine, etc. as the test target Lead to react. The result of the enzyme reaction can be acquired by an image sensor that detects fluorescence intensity, and the acquired data can be compared with library data to comprehensively detect the activity of the protease mixture contained in the sample solution. Further, since the sample solution flow path 12 is formed in a spiral shape, the speed of the sample solution moving in the sample solution flow path 12 due to capillary action or the like can be made substantially constant, and the reproducibility of the acquired time series data is excellent. Further, since it continues without branching, the length of the path from the liquid supply unit 14 in the sample liquid channel 12 and the fluorescence intensity can be expressed in a one-to-one relationship, and comparison with the library data is facilitated. be able to.
In this way, comprehensive detection of proteases provides biological information on homeostasis, which is a process of secretion, production, and degradation of peptide hormones, which can be used efficiently for personal health care. .
In this way, the functional test method for sample solutions using biochips is applied to medical fields such as pathological diagnosis and research fields such as proteome analysis, so that the activity of multiple enzymes can be increased at high speed and in small quantities. Can be measured with a sample.

次に、イメージセンサを用いてバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性を測定する具体的な構成について説明する。
図5は実施の形態1におけるバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性をイメージセンサを用いて測定する場合の構成図である。
図5において、20はバイオチップ10の上部に配置されレンズ21を介してチップ基板11上の酵素活性検知部13における二次元データを取得するためのイメージセンサである。このように、イメージセンサ20をチップ基板11から離して置く形態のものでは、酵素活性検知部13の蛍光基の状態変化がレンズ21などの光学系を介してイメージセンサ20上に結像して読み取られる。
Next, a specific configuration for measuring the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip using an image sensor will be described.
FIG. 5 is a configuration diagram when the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip in Embodiment 1 is measured using an image sensor.
In FIG. 5, reference numeral 20 denotes an image sensor which is arranged on the biochip 10 and acquires two-dimensional data in the enzyme activity detection unit 13 on the chip substrate 11 via the lens 21. As described above, in the configuration in which the image sensor 20 is placed away from the chip substrate 11, the state change of the fluorescent group of the enzyme activity detection unit 13 forms an image on the image sensor 20 through the optical system such as the lens 21. Read.

以上のように実施の形態1におけるバイオチップは構成されているので、チップ基板11の試料溶液流路12に酵素を含む極微量の試料溶液を導入させチップ基板11の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができる。さらに、個別の試料ごとに基板に溶液を注入するセル等を形成する必要がなく酵素活性検知部13及び試料溶液流路12を微小化できるので、チップ基板11において酵素の検出部の集積度を飛躍的に高めることができる。
また、酵素を含む極微量の試料溶液を使用するだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
As described above, since the biochip in the first embodiment is configured, only a very small amount of sample solution containing an enzyme is introduced into the sample solution channel 12 of the chip substrate 11 and the fluorescence intensity of the chip substrate 11 is measured. To detect enzyme activity. Furthermore, since it is not necessary to form a cell or the like for injecting the solution into the substrate for each individual sample, the enzyme activity detection unit 13 and the sample solution flow channel 12 can be miniaturized, so that the integration degree of the enzyme detection unit on the chip substrate 11 can be increased. It can be improved dramatically.
In addition, since enzyme activity can be detected simply by using a very small amount of sample solution containing an enzyme, a large amount of sample solution is not required for measurement, and enzyme activity can be detected even with a small amount of sample solution. Can do.

(実施の形態2)
図6はチップ基板をイメージセンサ上に直接配置してバイオチップに導入される試料溶液の酵素活性を測定する場合の本発明の実施の形態2におけるバイオチップの模式図である。
図6において、22は酵素活性検知部13が試料溶液流路12内に配列されたチップ基板11の表面に配置された透光性を有する保護層としてのフィルタであり、酵素活性検知部13の励起波長は通過させるが蛍光波長は遮断するような選択性を有している。23はチップ基板11の背面に配置されたフィルタであり、酵素活性検知部13の蛍光波長は通過させるが励起波長は遮断するような選択性を有している。24はチップ基板11の裏面側にフィルタ23を介して配設されたCCD等のイメージセンサである。
なお、本実施の形態においては、チップ基板11は透光性を有するガラス製等で形成されている。
これにより、実施の形態2におけるバイオチップは、酵素活性検知部13の蛍光を密着配置されたイメージセンサ24の検出素子でそのまま読み取ることができるので、レンズ等の光学系を要さずコンパクト化することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic diagram of the biochip in Embodiment 2 of the present invention when the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip is measured by arranging the chip substrate directly on the image sensor.
In FIG. 6, reference numeral 22 denotes a filter as a light-transmitting protective layer disposed on the surface of the chip substrate 11 in which the enzyme activity detection unit 13 is arranged in the sample solution flow path 12. The selectivity is such that the excitation wavelength is allowed to pass but the fluorescence wavelength is blocked. Reference numeral 23 denotes a filter disposed on the back surface of the chip substrate 11 and has a selectivity that allows the fluorescence wavelength of the enzyme activity detector 13 to pass but blocks the excitation wavelength. Reference numeral 24 denotes an image sensor such as a CCD disposed on the back side of the chip substrate 11 via a filter 23.
In the present embodiment, the chip substrate 11 is made of translucent glass or the like.
As a result, the biochip in the second embodiment can be made compact without requiring an optical system such as a lens, because the fluorescence of the enzyme activity detector 13 can be read as it is with the detection element of the image sensor 24 arranged in close contact. be able to.

図7は実施の形態2におけるイメージセンサを積層させたバイオチップの変形例を示す模式図である。
図7において、30は実施の形態2における変形例のバイオチップ、31は酸化珪素からなる透光性を有するチップ基板、32はチップ基板31に溝状にエッチング等で形成された試料溶液流路、32aは試料溶液流路32内に配列された酵素活性検知部、33は試料溶液流路32の開口面を覆うように配置され所定波長の蛍光を透過させるためのガラスまたは有機物からなる上部フィルタ、34はチップ基板31の裏面側に下部フィルタ35を介して積層配置されたCMOS素子等が集積化されたイメージセンサ基板、36はイメージセンサ基板34の表面を保護する酸化珪素層であり、イメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成する際に絶縁層(保護層)としてCVD等の手段で形成されたものである。
なお、上部フィルタ33は酵素活性検知部32aの励起波長は通過させるが蛍光波長は遮断するような選択性を有しており、下部フィルタ35は酵素活性検知部32aの蛍光波長は通過させるが励起波長は遮断するような選択性を有している。
また、チップ基板31はイメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成する際に絶縁層(保護層)としてCVD等の手段で形成された酸化珪素層と同様に、CVD等で形成されている。
以上のように構成された本実施の形態におけるバイオチップ30は、イメージセンサ基板34の酸化珪素層36上に直接配置された下部フィルタ35の投影面上にチップ基板31の酵素活性検知部32aが位置するように構成されており、チップ基板31をイメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成するのと同様の半導体製造技術を用いて製造されているので、製造工程が短縮できるという作用が得られる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a modification of the biochip in which the image sensors in Embodiment 2 are stacked.
In FIG. 7, 30 is a biochip according to a modification of the second embodiment, 31 is a translucent chip substrate made of silicon oxide, and 32 is a sample solution channel formed in the chip substrate 31 by etching or the like in a groove shape. 32a is an enzyme activity detector arranged in the sample solution flow path 32, and 33 is an upper filter made of glass or organic material that is disposed so as to cover the opening surface of the sample solution flow path 32 and transmits fluorescence of a predetermined wavelength. , 34 is an image sensor substrate in which CMOS elements and the like are stacked on the back side of the chip substrate 31 via a lower filter 35, and 36 is a silicon oxide layer that protects the surface of the image sensor substrate 34. When the CMOS element or the like of the sensor substrate 34 is formed, the insulating layer (protective layer) is formed by means such as CVD.
The upper filter 33 has such selectivity that the excitation wavelength of the enzyme activity detector 32a is allowed to pass but the fluorescence wavelength is blocked, and the lower filter 35 is excited to pass the fluorescence wavelength of the enzyme activity detector 32a. The wavelength has such selectivity that it blocks.
The chip substrate 31 is formed by CVD or the like, similar to a silicon oxide layer formed by means such as CVD as an insulating layer (protective layer) when forming a CMOS element or the like of the image sensor substrate 34.
In the biochip 30 according to the present embodiment configured as described above, the enzyme activity detection unit 32a of the chip substrate 31 is provided on the projection surface of the lower filter 35 disposed directly on the silicon oxide layer 36 of the image sensor substrate 34. Since the chip substrate 31 is manufactured by using the same semiconductor manufacturing technology as that for forming the CMOS element or the like of the image sensor substrate 34, the manufacturing process can be shortened. .

以下、本発明を実施例を参照してさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例で説明するアミノ酸、ペプチド、保護基、溶媒等は、当該技術分野で慣用されている略号又はIUPAC-IUBの命名委員会で採用された略号を使用する。
例えば、以下の略号を使用している。Ala:アラニン、Pro:プロリン、Lys:リジン、Phe:フェニルアラニン、Aca:アミノカプロン酸、Ac:アセチル、ACC:7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン、Boc:t−ブチルオキシカルボニル、Lys(Boc):側鎖t-ブチルオキシカルボニル保護リジン、DCC:ジシクロヘキシルカルボジイミド、DCM:ジクロロメタン、DIEA:N,N−ジイソプロピルエチルアミン、DMF:N,N−ジメチルホルムアミド、EtOH:エタノール、Fmoc:9−フルオレニルメチルオキシカルボニル、HATU:o−(7−アザベンゾトリアゾール−1−イル)−1,1,3,3−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート、HBTU:o−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−1,1,3,3−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート、HOAt:1−ヒドロキシ−7−アゾベンゾトリアゾール、HOBt:1−ヒドロキシベンゾトリアゾール、TFA:トリフルオロ酢酸。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.
For the amino acids, peptides, protecting groups, solvents, and the like described in the present Examples, abbreviations commonly used in the technical field or abbreviations adopted by the IUPAC-IUB naming committee are used.
For example, the following abbreviations are used. Ala: alanine, Pro: proline, Lys: lysine, Phe: phenylalanine, Aca: aminocaproic acid, Ac: acetyl, ACC: 7-amino-4-carboxymethylcoumarin, Boc: t-butyloxycarbonyl, Lys (Boc): Side chain t-butyloxycarbonyl protected lysine, DCC: dicyclohexylcarbodiimide, DCM: dichloromethane, DIEA: N, N-diisopropylethylamine, DMF: N, N-dimethylformamide, EtOH: ethanol, Fmoc: 9-fluorenylmethyloxy Carbonyl, HATU: o- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate, HBTU: o- (benzotriazol-1-yl) -1,1 , 3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate, HOAt: 1-hydroxy-7-azoben Triazole, HOBt: 1-hydroxybenzotriazole, TFA: trifluoroacetic acid.

実施例1では、酵素活性検知部を形成させるための予備実験として、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合球状基板を合成して酵素(トリプシンとキモトリプシン)に対する活性の測定を行った。以下、その方法について説明する。
なお、このような球状基板を、渦巻き状などに形成された試料溶液流路の酵素活性検知部S1〜Snとなる各領域に充填配置してバイオチップを構成することができる。
<ペプチジル蛍光基結合球状基板の合成>
基板としては球状の市販のNH-PEGA-resin(渡辺化学工業製)を用いた。固相合成用ベッセルを垂直に固定し、NH-PEGA-resin(0.05 mmol/g, 0.5 g)を入れてベッセルのコックを開いた状態でDMF(10 ml)を流し溶媒を置換した。次いで、ベッセルのコックを閉じ、Fmoc-Aca-OH (0.13 mmol, 44 mg), HBTU(0.13 mmol, 48 mg), DIEA(0.13 mmol, 0.022ml)をDMF(2 ml)に溶解させて加え、一晩反応させた。反応後、コックを開きDMF(10 ml)および メタノール(10 ml)で洗浄し、Fmoc-Aca-PEGA resinを得た。
In Example 1, as a preliminary experiment for forming an enzyme activity detection unit, a peptidyl fluorescent group-bound spherical substrate was synthesized as an enzyme activity detection substrate, and the activity on enzymes (trypsin and chymotrypsin) was measured. The method will be described below.
In addition, a biochip can be configured by filling and arranging such a spherical substrate in each region to be the enzyme activity detection units S1 to Sn of the sample solution flow path formed in a spiral shape or the like.
<Synthesis of peptidyl fluorescent group-bonded spherical substrate>
As a substrate, spherical NH 2 -PEGA-resin (manufactured by Watanabe Chemical Industry) was used. The vessel for solid phase synthesis was fixed vertically, NH 2 -PEGA-resin (0.05 mmol / g, 0.5 g) was added, DMF (10 ml) was allowed to flow with the vessel cock open, and the solvent was replaced. Then close the vessel cock and add Fmoc-Aca-OH (0.13 mmol, 44 mg), HBTU (0.13 mmol, 48 mg), DIEA (0.13 mmol, 0.022 ml) dissolved in DMF (2 ml), Reacted overnight. After the reaction, the cock was opened and washed with DMF (10 ml) and methanol (10 ml) to obtain Fmoc-Aca-PEGA resin.

次に、ベッセル中のFmoc-Aca-PEGA resin(0.05 mmol/g, 0.5 g)に、コックを開いた状態でDMF(10 ml)を流し、溶媒置換および洗浄を行った。コックを閉じて20%ピペリジン/DMFを入れ、30分反応させ、脱Fmocを行った。その後、コックを開いて20%ピペリジン/DMFを除去し、次いでDMF(10 ml) を用いて洗浄した。次に、コックを閉じた状態でFmoc-Aca-OH(3 eq), HATU(3 eq), HOAt(3eq), DIEA(5eq)をDMF(2 ml)に溶解させて加え、3時間反応させた。その後コックを開け、DMF(10 ml),メタノール(10 ml)を用いて洗浄し、基板(PEGA resin)に結合部(Aca-Aca-)が結合したFmoc-Aca-Aca-PEGA resinを得た。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml)で1回洗浄した後、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Lys(Boc)-ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg, 54 mmol), HOBt・H2O (8.3 mg, 54 mmol)を加え24 時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させて蛍光基(ACC)が結合部(Aca-Aca-)に結合したFmoc-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- PEGA resin を得た。
その後、DMF (1 ml)で1回洗浄し、DIEA (32 ml, 183 mmol) および無水酢酸(8.5 ml, 90 mmol)をDMF (1 ml)に希釈して加え1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、 DCM (1 ml)で3回洗浄を行い、未反応物のアセチル化を行った。
Next, DMF (10 ml) was allowed to flow through the Fmoc-Aca-PEGA resin (0.05 mmol / g, 0.5 g) in the vessel with the cock open, and solvent substitution and washing were performed. The cock was closed and 20% piperidine / DMF was added and reacted for 30 minutes to remove Fmoc. The cock was then opened to remove 20% piperidine / DMF and then washed with DMF (10 ml). Next, with the cock closed, Fmoc-Aca-OH (3 eq), HATU (3 eq), HOAt (3 eq), and DIEA (5 eq) were dissolved in DMF (2 ml) and allowed to react for 3 hours. It was. The cock was then opened and washed with DMF (10 ml) and methanol (10 ml) to obtain Fmoc-Aca-Aca-PEGA resin in which the binding part (Aca-Aca-) was bound to the substrate (PEGA resin). .
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 mL). After washing three times with DCM (1 ml) and once with DMF (1 ml), Fmoc-Lys (Boc) -ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg , 54 mmol), HOBt · H 2 O (8.3 mg, 54 mmol) was added and allowed to react for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give a fluorescent group. Fmoc-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin in which (ACC) was bound to the binding site (Aca-Aca-) was obtained.
Then, it was washed once with DMF (1 ml), DIEA (32 ml, 183 mmol) and acetic anhydride (8.5 ml, 90 mmol) were diluted in DMF (1 ml) and stirred for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to acetylate the unreacted product.

次いで、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄しFmoc-Pro-Lys(Boc)- ACC-Aca-Aca- PEGA resinを得た。
以下、Fmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resin にFmoc-Ala-OHを用いて同様の操作を繰り返しペプチドを伸長し、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)が結合したAla-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resinを得た。その後、コックを閉じてDIEA (2.5 mmol, 0.435 ml),無水酢酸(1.25 mmol, 0.117 ml)をDMF(2 ml)に希釈して加え1時間反応させて結合部の末端基がアセチル化されたAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resinを得た。
ベッセルにAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resin(0.05 mmol, 0.5 mg)を入れ、コックを開いた状態でDCM(10 ml)を流し溶媒を置換した後、コックを閉じて25%TFA/DCM(2 ml)を入れ、30分反応させ、脱Bocを行った後、DCM(10 ml),H2O (10 ml)を用いて洗浄し、目的とする実施例1のペプチジル蛍光基結合球状基板(Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin)を得た。
Subsequently, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin.
Hereinafter, Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin was used to repeat the same procedure using Fmoc-Ala-OH, and the peptide was extended to attach the binding moiety (Ala-Ala -Pro-Lys) bound to Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin. Then, the cock was closed and DIEA (2.5 mmol, 0.435 ml) and acetic anhydride (1.25 mmol, 0.117 ml) were diluted in DMF (2 ml) and reacted for 1 hour to acetylate the terminal group of the bond. Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin was obtained.
Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin (0.05 mmol, 0.5 mg) was placed in the vessel, and DCM (10 ml) was flowed with the cock open to replace the solvent. Then, close the cock and add 25% TFA / DCM (2 ml), react for 30 minutes, remove Boc, wash with DCM (10 ml), H2O (10 ml) The peptidyl fluorescent group-bonded spherical substrate (Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin) of Example 1 was obtained.

<酵素活性の測定>
96ウェルの蛍光測定用マイクロプレートのウェルA〜Dに、実施例1の酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合球状基板Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resinと以下の溶液を入れ、実験開始時の蛍光値と30分後の蛍光値との差を測定した。蛍光値は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで測定した。
A:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )240 μl、トリプシン(1 mg/1 ml)から10μl
B:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )240 μl、キモトリプシン(1 mg/1 ml)から10 μl
C:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )250 μl
D:20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )250 μl,
なお、ウェルAとウェルBとの異なる点は酵素の種類であり、ウェルA(又はウェルB)とウェルCとの異なる点は酵素の有無であり、ウェルA(又はウェルB,C)とウェルDとの異なる点は酵素活性検出用基板の有無である。
各ウェルについて実験開始時の蛍光値と30分後の蛍光値との差を(表1)に示す。
<Measurement of enzyme activity>
The peptidyl fluorescent group-bound spherical substrate Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin as the enzyme activity detection substrate of Example 1 was added to wells A to D of a 96-well fluorescence measurement microplate. The following solutions were added, and the difference between the fluorescence value at the start of the experiment and the fluorescence value after 30 minutes was measured. The fluorescence value was measured at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm using a WALLAC ARVO ™ SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer).
A: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 240 μl, trypsin (1 mg / 1 ml) to 10 μl
B: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 240 μl, chymotrypsin (1 mg / 1 ml) to 10 μl
C: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 250 μl
D: 250 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2),
The difference between well A and well B is the type of enzyme, and the difference between well A (or well B) and well C is the presence or absence of an enzyme. Well A (or well B, C) and well The difference from D is the presence or absence of a substrate for enzyme activity detection.
The difference between the fluorescence value at the start of the experiment and the fluorescence value after 30 minutes is shown in Table 1 for each well.

(表1)のウェルA,BとウェルCの蛍光値を比較して、実施例1の酵素活性検出用基板は、トリプシンが存在するウェルAでは約315倍、キモトリプシンが存在するウェルBでは約10倍異なることが確認された。これにより、実施例1の酵素活性検出用基板を適用して酵素の量や酵素の種類等に対応した酵素活性の検出が可能であることが示された。また、ウェルAとウェルBの蛍光値を比較して、実施例1の酵素活性検出用基板は、トリプシンの場合の蛍光値がキモトリプシンの場合の蛍光値と比較して約30倍以上大きいことが確認された。これは、実施例1の酵素活性検出用基板の蛍光基と結合する結合部のアミノ酸がリジンであり、トリプシンは主にリジンのC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有していることから発現したものであると推察される。一方、キモトリプシンは主に芳香族アミノ酸残基のC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有しているため、反応前後の蛍光値の変化が小さかったと推察される。
これにより、実施例1の酵素活性検出用基板は酵素によって特異性を有するため、活性を有する酵素の定性分析が可能であることが示された。また、同一の種類の酵素活性検出用基板に同一種類の酵素を含有する検体溶液を接触させ所定時間後における蛍光値を測定すれば、蛍光値の変化は酵素の作用を受けて修飾された分子の数に対応するので、酵素の定量分析が可能であると推察された。
Comparing the fluorescence values of wells A and B and well C in Table 1, the enzyme activity detection substrate of Example 1 was about 315 times in well A where trypsin was present, and about 315 times in well B where chymotrypsin was present. It was confirmed that the difference was 10 times. Thus, it was shown that the enzyme activity corresponding to the amount of enzyme, the type of enzyme, and the like can be detected by applying the enzyme activity detection substrate of Example 1. Further, comparing the fluorescence values of well A and well B, the enzyme activity detection substrate of Example 1 has a fluorescence value in the case of trypsin that is approximately 30 times or more larger than that in the case of chymotrypsin. confirmed. This is because the amino acid of the binding part that binds to the fluorescent group of the enzyme activity detection substrate of Example 1 is lysine, and trypsin has the specificity of selectively cleaving the peptide bond mainly on the C-terminal side of lysine. It is guessed that it was expressed from On the other hand, chymotrypsin mainly has the specificity of selectively cleaving the peptide bond on the C-terminal side of the aromatic amino acid residue, so it is presumed that the change in fluorescence value before and after the reaction was small.
Accordingly, it was shown that the enzyme activity detection substrate of Example 1 has specificity depending on the enzyme, so that qualitative analysis of the enzyme having activity is possible. In addition, if a sample solution containing the same type of enzyme is brought into contact with the same type of enzyme activity detection substrate and the fluorescence value is measured after a predetermined time, the change in the fluorescence value is affected by the action of the enzyme. It was speculated that quantitative analysis of the enzyme was possible.

実施例2では、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板を合成して酵素の活性測定を行った。以下、その方法について説明する。なお、以下に述べる合成方法を適用して酵素活性検知部を形成でき、試料溶液流路の各領域にそれぞれ異なる酵素特異性を有した酵素活性検知部を所定パターンで配列することができる。   In Example 2, an enzyme activity was measured by synthesizing a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate as a substrate for enzyme activity detection. The method will be described below. The enzyme activity detector can be formed by applying the synthesis method described below, and enzyme activity detectors having different enzyme specificities can be arranged in a predetermined pattern in each region of the sample solution flow path.

<ペプチジル蛍光基結合平面基板の合成>
基板としては、ペプチド合成用多板状合成樹脂製担体(ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標))を1プレートだけ切り離し平面状とした合成樹脂製担体を用いた。
スクリュー管に基板としての合成樹脂製担体lantern 1個 (ミモートプス社D-series, 導入率18 mmol / 個) を入れ、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌しFmoc基の除去を行った。DCM (1 ml)で3回、DMF (1 ml) で洗浄した後、Fmoc-Aca-OH(19 mg 54 mmol), DCC (17 mg 81 mmol), HOBt・H2O (8 mg 54 mmol)をDMF (1 ml)に溶解させて加え24時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させてFmoc-Aca-lanternを得た。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Aca-OH (19 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄し、基板(lantern)に結合部(Aca-Aca)の一端が固定化されたFmoc-Aca-Aca-lanternを得た。
<Synthesis of a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate>
As the substrate, a synthetic resin carrier made by separating only one plate from a multi-plate synthetic resin carrier for peptide synthesis (Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotops Co., Ltd.) was used.
Put one synthetic resin carrier lantern (Mimotops D-series, introduction rate 18 mmol / piece) as a substrate in the screw tube and stir for 30 minutes with 20% piperidine / DCM (1 mL) to remove the Fmoc group. Went. After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Aca-OH (19 mg 54 mmol), DCC (17 mg 81 mmol), HOBt · H2O (8 mg 54 mmol) were DMF. It was dissolved in (1 ml) and added to react for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give Fmoc- Obtained Aca-lantern.
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Aca-OH (19 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Aca-Aca-lantern with one end of the binding site (Aca-Aca) immobilized on the substrate (lantern) It was.

次いで、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml)で1回洗浄してlanternを膨潤させ、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Lys(Boc)-ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg, 54 mmol), HOBt・H2O (8.3 mg, 54 mmol)を加え24 時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させて結合部(Aca-Aca)に蛍光基(ACC)が結合したFmoc-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
その後、DMF (1 ml)で1回洗浄し、DIEA (32 ml, 183 mmol) および無水酢酸(8.5 ml, 90 mmol)をDMF (1 ml)に希釈して加え1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、 DCM (1 ml)で3回洗浄を行い、未反応物のアセチル化を行った。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄しFmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
Subsequently, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 mL). Fmoc-Lys (Boc) -ACC-OH (36 mg, 54 mmol), washed with DCM (1 ml) three times and DMF (1 ml) once to swell lantern and dissolved in DMF 1 ml, DCC (11 mg, 54 mmol) and HOBt · H2O (8.3 mg, 54 mmol) were added and reacted for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give a binding site. Fmoc-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern in which a fluorescent group (ACC) was bound to (Aca-Aca) was obtained.
Then, it was washed once with DMF (1 ml), DIEA (32 ml, 183 mmol) and acetic anhydride (8.5 ml, 90 mmol) were diluted in DMF (1 ml) and stirred for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to acetylate the unreacted product.
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern.

以下、Fmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lantern にFmoc-Ala-OHを用いて同様の操作を2回繰り返してペプチドを伸長させ、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)が結合したFmoc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- lanternを得た。
その後、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、DMF (1 mL)、DIEA 32 ml (183 mmol) および無水酢酸8.5 ml(90 mmol) をDMF (1 mL)に希釈して加え、1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回lanternを洗浄し、25% TFA/DCMを用いて30分反応させてBoc基の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、H2O (1 ml)で5回、DCM(1 ml)で3回洗浄し、減圧乾燥を行い、結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)の末端基がアセチル化されたAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- lanternを得た。
25%TFA/DCM(1ml)を用いてLys側鎖のBoc基を除去し、目的とする実施例2の酵素活性検出用基板(Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-lantern)を得た。
Hereinafter, Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern was repeated twice using Fmoc-Ala-OH to elongate the peptide, and bound to the fluorescent group (ACC) (Ala Fmoc-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern to which -Ala-Pro-Lys) was bound was obtained.
Thereafter, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing with DMF (1 ml) 3 times with DCM (1 ml), DMF (1 mL), DIEA 32 ml (183 mmol) and acetic anhydride 8.5 ml (90 mmol) were added to DMF (1 mL). Diluted and added for 1 hour. Thereafter, the lantern was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml), and reacted with 25% TFA / DCM for 30 minutes to remove the Boc group. Then, wash 3 times with DCM (1 ml), 5 times with H2O (1 ml), 3 times with DCM (1 ml), dry under reduced pressure, and end group of the binding site (Ala-Ala-Pro-Lys) Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern was obtained in which was acetylated.
The Boc group of Lys side chain was removed using 25% TFA / DCM (1 ml), and the target enzyme activity detection substrate of Example 2 (Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca- lantern).

<酵素活性の測定>
実施例2の酵素活性検出用基板に、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2)を100 μl, メタノール100 μl, トリプシン(1 mg/1 ml)を 50 μl加え、反応前と反応後の蛍光値を測定した。蛍光値は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで測定した。
その結果、初期蛍光値は39000、18時間反応後の蛍光値は145000であり、蛍光値が約4倍変化することが確認された。これにより、基板としてlanternを用いた実施例2の酵素活性検出用基板においても、活性を有する酵素の検出が可能であることが示された。
<Measurement of enzyme activity>
100 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2), 100 μl of methanol, and 50 μl of trypsin (1 mg / 1 ml) were added to the enzyme activity detection substrate of Example 2 and reacted. The fluorescence values before and after the reaction were measured. The fluorescence value was measured at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm using a WALLAC ARVO ™ SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer).
As a result, the initial fluorescence value was 39000, the fluorescence value after reaction for 18 hours was 145000, and it was confirmed that the fluorescence value changed about 4 times. Thereby, it was shown that the enzyme having activity can be detected even in the enzyme activity detection substrate of Example 2 using lantern as the substrate.

実施例3では、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板を合成して酵素の活性測定を行った。以下、その方法について説明する。
<ペプチジル蛍光基結合平面基板の合成>
基板としては、ペプチド合成用多板状合成樹脂製担体(ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標))を1プレートだけ切り離して平面状とした合成樹脂製担体を用いた。
スクリュー管に基板としての合成樹脂製担体lantern 1個 (ミモートプス社D-series, 導入率18 mmol / 個) を入れ、20%ピペリジン / DCM (1 mL) を用いて30分撹拌しFmoc基を切り出した。 DCM洗浄 (1 ml×3) 後、DMF (1 ml×1) でlanternを膨潤させDMF 1 mlに溶解させたFmoc-Aca-OH 20.0 mg (56.6 mmol), DCC 17.5 mg (84.5 mmol), HOBt・H2O 8.8 mg (57.5 mmol)を加え23時間撹拌した。DMF (1 ml×2), DCM (1 ml×2), DCM / EtOH = 1:1 (1 ml×2), EtOH (1 ml×2), DCM (1 ml×1), ジエチルエーテル(1 ml×1)で樹脂を洗浄した後乾燥させ、Fmoc-Aca-lanternを得た。
In Example 3, an enzyme activity was measured by synthesizing a peptidyl fluorescent group-bonded flat substrate as a substrate for enzyme activity detection. The method will be described below.
<Synthesis of a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate>
As the substrate, a synthetic resin carrier made flat by separating only one plate from a multi-plate synthetic resin carrier for peptide synthesis (Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotopus Co., Ltd.) was used.
Put 1 lantern of synthetic resin carrier lantern (Mimotops D-series, introduction rate 18 mmol / piece) into the screw tube and stir for 30 minutes with 20% piperidine / DCM (1 mL) to cut out the Fmoc group. It was. Fmoc-Aca-OH 20.0 mg (56.6 mmol), DCC 17.5 mg (84.5 mmol), HOBt in which lantern was swollen with DMF (1 ml × 1) and dissolved in 1 ml of DMF after DCM washing (1 ml × 3) -H2O 8.8 mg (57.5 mmol) was added and it stirred for 23 hours. DMF (1 ml x 2), DCM (1 ml x 2), DCM / EtOH = 1: 1 (1 ml x 2), EtOH (1 ml x 2), DCM (1 ml x 1), diethyl ether (1 The resin was washed with ml × 1) and dried to obtain Fmoc-Aca-lantern.

次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を切り出しDCM洗浄 (1 ml×3)した後、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Aca-OH 23.0mg (65.1mmol), HATU 21.6 mg (56.8 mmol), HOAt 8.1 mg (59.5 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) を加え1時間撹拌させた。DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3) で洗浄し基板(lantern)に結合部(Aca-Aca)の一端が固定化されたFmoc-Aca-Aca-lanternを得た。次いで、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3)を行ってH-Aca-Aca-lanternを得た。
次いで、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Phe-ACC-OH(33.4 mg 56.7 mmol)、DCC 12.5 mg (60.6 mmol), HOBt・H2O 8.9 mg (58.0 mmol)を加え22時間撹拌した。DMF (1 ml×2), DCM (1 ml×2), DCM / EtOH = 1:1 (1 ml×2), EtOH (1 ml×2), DCM (1 ml×1), ジエチルエーテル(1 ml×1)で洗浄後、乾燥させ結合部(Aca-Aca)に蛍光基(ACC)が結合したFmoc-Phe-ACC-Aca-Aca-Lanternを得た。
Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to excise the Fmoc group, washed with DCM (1 ml × 3), and then 23.0 mg of Fmoc-Aca-OH dissolved in 1 ml of DMF ( 65.1 mmol), HATU 21.6 mg (56.8 mmol), HOAt 8.1 mg (59.5 mmol), and DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) were added and stirred for 1 hour. The plate was washed with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3) to obtain Fmoc-Aca-Aca-lantern in which one end of the binding portion (Aca-Aca) was immobilized on the substrate (lantern). Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, and washed with DCM (1 ml × 3) to obtain H-Aca-Aca-lantern.
Subsequently, Fmoc-Phe-ACC-OH (33.4 mg 56.7 mmol), DCC 12.5 mg (60.6 mmol), HOBt * H2O 8.9 mg (58.0 mmol) dissolved in 1 ml of DMF were added and stirred for 22 hours. DMF (1 ml x 2), DCM (1 ml x 2), DCM / EtOH = 1: 1 (1 ml x 2), EtOH (1 ml x 2), DCM (1 ml x 1), diethyl ether (1 After washing with ml × 1), drying was performed to obtain Fmoc-Phe-ACC-Aca-Aca-Lantern in which the fluorescent group (ACC) was bound to the binding portion (Aca-Aca).

次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3)した。次いで、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Pro-OH 24.7mg (73.2 mmol), HATU 21.4 mg (56.2 mmol), HOAt 8.2 mg (60.2 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) を加え1時間撹拌させた後、DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3)で洗浄しFmoc-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
以下、これと同様の操作を行ってFmoc-Ala-OHを2回導入し、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Phe)が結合したFmoc-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
その後、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3) 後、DMF (1 mL)、DIEA 32 ml (183 mmol) および無水酢酸8.5 ml(90 mmol) を加え、1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3) で洗浄を行い、結合部(Ala-Ala-Pro-Phe)の末端基をアセチル化して、目的とする実施例3の酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板Ac-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, and washed with DCM (1 ml × 3). Next, Fmoc-Pro-OH 24.7 mg (73.2 mmol), HATU 21.4 mg (56.2 mmol), HOAt 8.2 mg (60.2 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) dissolved in DMF 1 ml were added and stirred for 1 hour. After washing with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3), Fmoc-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lantern was obtained.
Thereafter, Fmoc-Ala-OH was introduced twice by introducing Fmoc-Ala-Pro-Phe with the binding moiety (Ala-Ala-Pro-Phe) bound to the fluorescent group (ACC). -Obtained ACC-Aca-Aca-lantern.
Then, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, washed with DCM (1 ml × 3), DMF (1 mL), DIEA 32 ml (183 mmol) and anhydrous Acetic acid 8.5 ml (90 mmol) was added and allowed to stir for 1 hour. Thereafter, washing with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3) is performed, and the terminal group of the binding site (Ala-Ala-Pro-Phe) is acetylated to achieve the target enzyme activity of Example 3 A peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate Ac-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lantern was obtained as a detection substrate.

<酵素活性の測定>
蛍光測定用マイクロプレートのウェルA,Cに実施例2の酵素活性検出用基板(導入率2μmol/基板)を、ウェルB,Dに実施例3の酵素活性検出用基板(導入率2μmol/基板)を入れ、各々に20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2)を100 μl, メタノール100 μlを加え、さらに以下の酵素50μgを加えて反応させた。
A:キモトリプシン
B:キモトリプシン
C:トリプシン
D:トリプシン
測定は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで、酵素を加える前の蛍光値と酵素を加えてから30分後の蛍光値とを測定し、その差を求めた。
各ウェルにおける算出された蛍光値の差を(表2)に示す。
<Measurement of enzyme activity>
The substrate for enzyme activity detection of Example 2 (introduction rate 2 μmol / substrate) in wells A and C of the microplate for fluorescence measurement, and the substrate for enzyme activity detection in Example 3 (introduction rate 2 μmol / substrate) in wells B and D Each was added with 100 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl 2) and 100 μl of methanol, and further 50 μg of the following enzyme was added and reacted.
A: Chymotrypsin B: Chymotrypsin C: Trypsin D: Trypsin The measurement was performed using a WALLAC ARVOTM SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer) at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm. The fluorescence value after 30 minutes was measured and the difference was obtained.
The difference in the fluorescence value calculated in each well is shown in (Table 2).

表2によれば、キモトリプシンに対しては、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸が芳香族アミノ酸の1種のフェニルアラニンである実施例3の酵素活性検出用基板で大きな蛍光値の変化が確認された。また、トリプシンに対しては、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸がリジンである実施例2の酵素活性検出用基板で大きな蛍光値の変化が確認された。これらの変化の差は、キモトリプシンは主に芳香族アミノ酸残基のC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有しており、トリプシンは主にリジンのC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有していることから発現したものであると推察される。これにより、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸の種類を変えることにより、酵素の種類に対する活性検出能を変えられることが明らかになった。   According to Table 2, for chymotrypsin, a large change in the fluorescence value was confirmed on the enzyme activity detection substrate of Example 3 in which the amino acid at the binding portion that binds to the fluorescent group was one kind of phenylalanine of the aromatic amino acid. It was. In addition, for trypsin, a large change in fluorescence value was confirmed on the enzyme activity detection substrate of Example 2 in which the amino acid at the binding site that binds to the fluorescent group was lysine. The difference between these changes is that chymotrypsin has the specificity of selectively cleaving peptide bonds mainly on the C-terminal side of aromatic amino acid residues, and trypsin mainly reduces peptide bonds on the C-terminal side of lysine. It is presumed that it was expressed because of its specificity for selective cleavage. As a result, it became clear that the activity detection ability for the type of enzyme can be changed by changing the type of amino acid at the binding site that binds to the fluorescent group.

通常のペプチド合成用レジン1gにAca 0.3 mmolを実施例1のようにして導入し、これを361個のグループに分けた。このそれぞれのレジンにペプチド合成装置を用いてACCを導入し、ついでシステインを除く19種類のアミノ酸残基を2回導入し、最後に脱保護後アセチル基でキャッピングを行った。これにより361種類のペプチドを樹脂上で合成した。
各樹脂からペプチドを切り出し、361種類のC端無保護ペプチドを得た。
ガラス基板上、あるいはイメージセンサ上の保護層(絶縁層)として構築された酸化珪素層の(チップ基板)上にエッチングで流路幅500μm、流路深さ100μmの渦巻き状の試料溶液流路を形成した。なお、試料供給部として深さ100μm、縦横の長さが2.5mm正方の凹部をエッチングで試料溶液流路の一端部に連設形成した。
この試料溶液流路内の全面をアミノ基でコーティングし、ここに上記の酵素活性検知部としての361種類のペプチドを縮合剤(HATU)を用いて導入した。導入にはギルソン社製の自動スポッター(型式:222XL)を用い、1種類のペプチドは流路幅500μmの中心の約200μmの円内に導入し、約100μmの間隔をあけて他の種類のペプチドを次々に導入した。
このペプチドを導入した試料溶液流路の上面に、蓋(保護層)をかねて蛍光励起光を透過するフィルタ(350±10nmより長い波長を遮断するもの)を圧着した。イメージセンサ基板に蛍光発光フィルタ(450±10nmより短い波長を遮断するもの)を接着し、さらにその上にチップ基板を配置して実施の形態2で説明したものと同様のバイオチップを製造した。
0.3 g of Aca was introduced into 1 g of ordinary resin for peptide synthesis as in Example 1 and divided into 361 groups. ACC was introduced into each of these resins using a peptide synthesizer, then 19 kinds of amino acid residues except cysteine were introduced twice, and finally capping with an acetyl group was performed after deprotection. Thereby, 361 kinds of peptides were synthesized on the resin.
Peptides were cut out from each resin to obtain 361 types of C-terminal unprotected peptides.
On a glass substrate or a silicon oxide layer (chip substrate) constructed as a protective layer (insulating layer) on an image sensor, a spiral sample solution flow path having a flow path width of 500 μm and a flow path depth of 100 μm is formed by etching. Formed. In addition, as a sample supply portion, a concave portion having a depth of 100 μm and a vertical and horizontal length of 2.5 mm was continuously formed at one end portion of the sample solution flow channel by etching.
The entire surface of the sample solution flow channel was coated with amino groups, and 361 types of peptides as the enzyme activity detection unit were introduced into the sample solution flow channel using a condensing agent (HATU). For the introduction, an automatic spotter (model: 222XL) manufactured by Gilson was used, and one kind of peptide was introduced into a circle of about 200 μm at the center of a flow path width of 500 μm, and another kind of peptide was spaced at an interval of about 100 μm. Peptides were introduced one after the other.
A filter (which cuts off wavelengths longer than 350 ± 10 nm) that presses the cover (protective layer) and transmits fluorescence excitation light was pressure-bonded to the upper surface of the sample solution flow channel into which the peptide was introduced. A fluorescent chip (which cuts off wavelengths shorter than 450 ± 10 nm) was adhered to the image sensor substrate, and a chip substrate was further disposed thereon to manufacture a biochip similar to that described in the second embodiment.

テスト用の試料として、トリプシンを中心とした酵素群1と、キモトリプシンを中心とした酵素群2の溶液(20nM、5mM HEPES pH7.4)を準備した。これを上記のバイオチップ2つにマイクロシリンジを用いてそれぞれ導入し、導入開始時点からのイメージセンサの出力を記録した。
イメージセンサの出力から各スポット(酵素活性検知部)の蛍光強度をそれぞれ10msec毎に算出し、それを元に各スポット毎の酵素活性(蛍光強度)を計算した。
As a test sample, a solution of enzyme group 1 centered on trypsin and enzyme group 2 centered on chymotrypsin (20 nM, 5 mM HEPES pH 7.4) was prepared. This was introduced into each of the two biochips using a microsyringe, and the output of the image sensor from the start of introduction was recorded.
The fluorescence intensity of each spot (enzyme activity detection unit) was calculated every 10 msec from the output of the image sensor, and the enzyme activity (fluorescence intensity) for each spot was calculated based on that.

図8は各スポットを構成するアミノ酸ごとにその蛍光強度をプロットしたグラフである。図8においてx軸及びy軸はそれぞれのアミノ酸の組み合わせ配列を示し、z軸はこのアミノ酸の組み合わせに対応したそれぞれの蛍光強度を示している。
図8から同一の酵素活性検知部の配列を有するバイオチップで出力された蛍光強度のパターンが酵素群1と酵素群2では異なることが確認された。これにより、例えば、人の体液を試料溶液として用い、その酵素活性を本発明のバイオチップを用いて定期的にイメージデータとして検出することにより、体液中の酵素活性が変化しているか否かを網羅的にモニタリングすることができ、病理学的診断等を的確かつ迅速に行うことができることが確認された。
FIG. 8 is a graph in which the fluorescence intensity is plotted for each amino acid constituting each spot. In FIG. 8, the x-axis and the y-axis indicate the combination sequences of the respective amino acids, and the z-axis indicates the fluorescence intensity corresponding to the combination of the amino acids.
From FIG. 8, it was confirmed that the fluorescence intensity patterns output from the biochips having the same enzyme activity detection unit array differ between enzyme group 1 and enzyme group 2. Thus, for example, by using human body fluid as a sample solution and detecting the enzyme activity as image data periodically using the biochip of the present invention, it is determined whether or not the enzyme activity in the body fluid has changed. It was confirmed that comprehensive monitoring was possible and pathological diagnosis and the like could be performed accurately and promptly.

本発明のバイオチップは、病理、医療、創薬、食品、および環境等の分野で関連する酵素やタンパク質、遺伝子を含む試料溶液の解析に適用して、その酵素活性などの特性データを網羅的に評価特定することができ、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究に資することができる。   The biochip of the present invention is applied to the analysis of sample solutions containing enzymes, proteins, and genes related in the fields of pathology, medical care, drug discovery, food, and environment, and comprehensively includes characteristic data such as enzyme activity. Can be evaluated and specified, and can contribute to medical fields such as pathological diagnosis and research such as proteome analysis.

【0004】
【0006】
本発明の請求項1に記載のバイオチップは、チップ基板に導入される試料溶液中の酵素を検出するバイオチップであって、全体が渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで前記チップ基板上に形成された試料溶液流路と、前記試料溶液流路に所定順で複数配置され所定の酵素に対してそれぞれ異なる活性を有する酵素活性検知部と、を有し、前記酵素活性検知部が、(a)前記チップ基板に直接又は酵素特異性を有しない分子若しくは化合物を介して結合され、他に結合されたペプチド鎖との化学結合状態によってその蛍光周波数や蛍光強度の蛍光特性が変動される蛍光基と、(b)アミノ酸の組み合わせからなる特定アミノ酸配列の前記ペプチド鎖により付与され酵素によって切断される酵素特異性の結合部を有し前記蛍光基に結合されたオリゴペプチドと、を有して構成される。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配列されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
(5)チップ基板に結合した蛍光基と、蛍光基に酵素によって切断されるペプチド結合で結合したオリゴペプチドとを備えているので、酵素と反応させてペプチド結合の切断が起こるとオリゴペプチドが遊離される。オリゴペプチドが遊離した蛍光基の蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度はその遊離前とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(6)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができるとともに、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めバイオチップを小型化できる。
(7)微小容量の試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
(8)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
(9)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列した場合は、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
(10)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
(11)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
【0007】
ここで、試料溶液としては、病理診断などの対象となる血液や尿を含む体液や培養液などを適用できる。試料溶液は生体試料(血液等)をそのまま、あるいはフィルタや遠心分離等で血球成分等を除去したものを用いることができる。また、生体試料を基に酵素が活性を発現するような条件設定(pH調整、活性剤導入など)を行ったものを


4/2
[0004]
[0006]
The biochip according to claim 1 of the present invention is a biochip for detecting an enzyme in a sample solution introduced into a chip substrate, and the entire chip has a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape. A plurality of sample solution channels formed on the substrate, and a plurality of enzyme activity detectors arranged in a predetermined order in the sample solution channels and having different activities with respect to a predetermined enzyme, and the enzyme activity detector However, (a) the fluorescence characteristics of the fluorescence frequency and the fluorescence intensity vary depending on the state of chemical bonding with the peptide chain bonded to the chip substrate directly or via a molecule or compound having no enzyme specificity. And (b) a specific amino acid sequence consisting of a combination of amino acids, which is attached by the peptide chain and cleaved by the enzyme, and has an enzyme-specific binding site that binds to the fluorescent group. Configured to include an oligopeptide that is, a.
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow path formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.
(5) Since it has a fluorescent group bound to the chip substrate and an oligopeptide bound to the fluorescent group with a peptide bond that is cleaved by an enzyme, the oligopeptide is released when the peptide bond is cleaved by reacting with the enzyme. Is done. Since the fluorescence wavelength of the fluorescent group released from the oligopeptide or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is different from that before the release, the enzyme activity can be detected using changes in fluorescence intensity or the like as an index.
(6) Since the fluorescent group is bonded in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. The activity can be detected, and the degree of integration of the enzyme activity detection unit capable of detecting the enzyme activity can be dramatically increased, and the biochip can be downsized.
(7) Enzyme activity can be detected simply by using a sample solution that fills a very small volume of sample solution flow path, so that a large amount of sample solution is not required for measurement, and even a small amount of sample solution can be used for enzyme activity. Can be detected.
(8) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution flow path with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
(9) Since the enzyme specificity for a specific enzyme and the like is determined by the respective amino acid sequences constituting the oligopeptide, when possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in the sample solution flow path on the chip substrate In the case of the same sample solution, images of the same fluorescent pattern arrangement are always obtained. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
(10) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
(11) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein for all such amino acid sequences is not required in advance, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.
[0007]
Here, as the sample solution, a body fluid or a culture solution containing blood or urine to be subjected to pathological diagnosis or the like can be applied. As the sample solution, a biological sample (blood or the like) can be used as it is, or a blood cell component or the like removed by a filter, centrifugation, or the like. In addition, those that have been subjected to condition settings (pH adjustment, activator introduction, etc.) that cause the enzyme to exhibit activity based on biological samples


4/2

【0007】
の底部に沿って平面状に連続配列するようにしてもよい。
なお、蛍光基が結合したペプチドからなるそれぞれ独立した酵素活性検知部の試料溶液流路内への配置は、例えば市販のDNAチップ用プロッタ等を用いたり、顕微鏡を見ながらシリンジを使ったりして配置することができる。また、渦巻き状などに形成された試料溶液流路内の所定領域毎にその表面に酵素特異性を付与させたポリスチレン樹脂などの球状粒子や平板等を充填し、それぞれ独立した酵素活性検知部を配列することも可能である。
【0011】


[0007]
You may make it continuously arrange | position in a planar form along the bottom part.
In addition, the arrangement of each independent enzyme activity detection unit made of a peptide to which a fluorescent group is bound in the sample solution flow path is, for example, using a commercially available DNA chip plotter or using a syringe while looking at a microscope. Can be arranged. In addition, each predetermined region in the sample solution flow path formed in a spiral shape is filled with spherical particles such as polystyrene resin or flat plate with enzyme specificity on the surface thereof, and an independent enzyme activity detector is provided. It is also possible to arrange them.
[0011]


7

【0008】
【0012】
ここで、オリゴペプチドは、アミノ酸数個からなるペプチド鎖で構成されたペプチドであって、分子量が大きく塊状などのタンパク質とは異なって略線状の形態を有している。このオリゴペプチドのアミノ酸配列によって、このオリゴペプチドが結合される蛍光基との結合部分における酵素特異性を特徴付けることができる。
【0013】
蛍光基としては、オリゴペプチドとのペプチド結合が酵素によって切断される前後において、蛍光波長や蛍光強度に変化が生じるものが用いられる。特に、ペプチド鎖との結合部とペプチド結合したときは特定波長領域において非蛍光物質であり、ペプチド結合が切断されてペプチド鎖が遊離したときに該特定波長領域において蛍光を発する蛍光基、例えば、4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)、7−アミノ−4−カル


[0008]
[0012]
Here, an oligopeptide is a peptide composed of a peptide chain consisting of several amino acids, and has a substantially linear form unlike a protein such as a lump having a large molecular weight. The amino acid sequence of the oligopeptide can characterize the enzyme specificity in the binding moiety with the fluorescent group to which the oligopeptide is bound.
[0013]
As the fluorescent group, those in which the fluorescence wavelength and the fluorescence intensity change before and after the peptide bond with the oligopeptide is cleaved by the enzyme are used. In particular, a fluorescent group that is a non-fluorescent substance in a specific wavelength region when a peptide bond is formed with a peptide chain bond, and emits fluorescence in the specific wavelength region when the peptide bond is cleaved and the peptide chain is released, for example, 4-Methylcoumalyl-7-amide (MCA), 7-amino-4-cal


8

【0009】
ボキシメチルクマリン(ACC)、p−ニトロアニリド、α−ナフチルアミド、α−ナフチルエステル等が好適に用いられる。
結合部に位置するアミノ酸残基は、酵素によってC末端側のペプチド結合が選択的に切断されるものが用いられる。これにより、蛍光基と結合していた結合部を遊離させて蛍光基の蛍光強度や蛍光周波数を変化させることができるからである。
また、オリゴペプチドを所定の長さ(例えば15Å程度)以上のペプチド鎖で形成した場合には、個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖の切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出もできるようにすることができ、検出できる酵素の種類を増やすことができる。
【0014】
アミノ酸配列は、例えばA(アラニン)、B(プロリン)、C(リジン)、D(フェニルアラニン)の各アミノ酸を要素とするペプチド鎖で構成して、酵素活性検知部が試料溶液流路内にペプチド鎖の各要素の規則組み合わせ順に配列した場合は、基本的なアミノ酸について蓄積された基礎データに基づいて、検査データの解析や評価を容易かつ迅速に行うことができる。また、基礎的アミノ酸からなるオリゴペプチドをそのA〜Dの文字コード順などの降順や昇順に規則配列するように公知のペプチド鎖の合成手段を用いて機械的に構成することができ、バイオチップ生産の効率性にも優れている。
【0015】
請求項2に記載のバイオチップは、請求項1に記載の発明において、前記蛍光基がアミノメチルクマリン系蛍光基であって、シランカンプリング剤などで化学修飾された前記チップ基板上に結合されて構成される。
この構成によって、請求項1に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)蛍光基をシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも蛍光基のチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
(2)アミノメチルクマリン系蛍光基を用いるので、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なるその優れた蛍光特性を有効に利用して、選択性に優れた酵素活性検知部を構成することができる。
【0016】
ここで、シランカップリング剤としては例えば、アミノプロピルトリメトキシシランなどが


9/1
[0009]
Boxymethylcoumarin (ACC), p-nitroanilide, α-naphthylamide, α-naphthyl ester and the like are preferably used.
As the amino acid residue located at the binding site, one in which the peptide bond on the C-terminal side is selectively cleaved by an enzyme is used. This is because it is possible to change the fluorescence intensity and the fluorescence frequency of the fluorescent group by releasing the binding portion that has been bonded to the fluorescent group.
In addition, when the oligopeptide is formed with a peptide chain having a predetermined length (for example, about 15 mm) or more, the substrate specificity for each amino acid is not high, but rather, elastase required for the action of cleaving a relatively long peptide chain. Such enzymes can be detected, and the types of enzymes that can be detected can be increased.
[0014]
The amino acid sequence is composed of, for example, peptide chains having amino acids of A (alanine), B (proline), C (lysine), and D (phenylalanine) as elements, and the enzyme activity detection unit has a peptide in the sample solution channel. When arranged in the order of the rule combination of each element of the chain, analysis and evaluation of test data can be performed easily and quickly based on the basic data accumulated for basic amino acids. In addition, the biochip can be mechanically constructed using known peptide chain synthesis means so that oligopeptides composed of basic amino acids are regularly arranged in descending or ascending order such as the character code order of A to D. Excellent production efficiency.
[0015]
A biochip according to a second aspect is the biochip according to the first aspect, wherein the fluorescent group is an aminomethylcoumarin-based fluorescent group and is bonded onto the chip substrate chemically modified with a silane coupling agent or the like. Configured.
With this configuration, in addition to the operation of the first aspect, the following operation is provided.
(1) Since the fluorescent group is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the fluorescent group to the chip substrate is an action of an enzyme or the like in the sample solution. Therefore, the biochip is not easily cut and the stability and durability of the biochip can be improved.
(2) Since an aminomethylcoumarin-based fluorescent group is used, it is possible to construct an enzyme activity detection unit having excellent selectivity by effectively utilizing its excellent fluorescence characteristics that differ depending on the binding state with each oligopeptide.
[0016]
Here, examples of the silane coupling agent include aminopropyltrimethoxysilane.


9/1

【0010】
適用できる。
アミノメチルクマリン系蛍光基としては、4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)、7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン(ACC)などが含まれる。
【0017】
請求項3記載のバイオチップは、請求項1又は2に記載の発明において、前記チップ基板が透光性であって、その背面側にCCDやCMOS素子などを配列したイメージセンサ基板が積層されて構成されている。
この構成によって、請求項1又は2に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウ厶などの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
【0018】
イメージセンサ基板としては、周知の半導体製作技術によりシリコン薄板上にフォトダイオードが二次元配置された感光部及びその信号出力部を備えて形成されるCCDやCMOS素子などを適用することができる。
【0019】
請求項4記載のバイオチップは、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の発明において、前記チップ基板の前記試料溶液流路が形成された面側に保護層を備えて構成されている。
この構成によって、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性をさらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起


10
[0010]
Applicable.
Examples of the aminomethylcoumarin-based fluorescent group include 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA), 7-amino-4-carboxymethylcoumarin (ACC), and the like.
[0017]
The biochip according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the chip substrate is translucent, and an image sensor substrate in which CCDs, CMOS elements, and the like are arranged on the back side is laminated. It is configured.
With this configuration, in addition to the operation described in claim 1 or 2, the following operation is provided.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide soot, the enzyme activity detection unit is arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.
[0018]
As the image sensor substrate, it is possible to apply a CCD or CMOS element formed by providing a photosensitive portion in which photodiodes are two-dimensionally arranged on a silicon thin plate and a signal output portion thereof by a known semiconductor manufacturing technique.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the biochip according to any one of the first to third aspects, further comprising a protective layer on the surface of the chip substrate on which the sample solution flow path is formed. Yes.
With this configuration, in addition to the operation described in any one of claims 1 to 3, the following operation is provided.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, and measurement accuracy, reliability, and stability can be further enhanced.
(2) When the sample solution channel is covered with a translucent protective layer, excitation is performed from the protective layer side.


10

【0011】
光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
【0020】
保護層は例えば、酸化珪素や酸化アルミニウムなどで形成されたセラミック被膜を試料溶液流路が形成されたチップ基板上に添着して構成させることができる。
また、蛍光基の励起波長を通過するフィルタを保護層として被覆することもできる。これにより、前記試料溶液流路が形成された面側から光を照射し、酵素活性検知部の蛍光を検出することができる位置等にCCD等のイメージセンサを配置することで酵素活性を検出することができる。
【0021】
請求項5に記載の試料溶液の機能性検査方法は、請求項1乃至4の内いずれか1項に記載のバイオチップの前記試料溶液流路の液貯留部に試料溶液を所定条件で供給する試料溶液供給工程と、前記試料溶液流路上に配列された前記酵素活性検知部毎の状態変化により形成される前記チップ基板上の二次元イメージをその特定波長域を除去するフィルタで処理してその時系列データ又は所定時間後の結果データを取得するデータ取得工程と、前記時系列データ又は結果データを予め同一測定条件で蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的データ処理手段により各ライブラリデータとのパターン適合度を判定するデータ判定工程と、を有して構成されている。
この構成によって、以下の作用を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して


11
[0011]
In addition to being able to irradiate light and measuring the fluorescence change of the fluorescent group from the outside, it is excellent in handling and storage of the biochip after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.
[0020]
For example, the protective layer can be configured by attaching a ceramic coating formed of silicon oxide, aluminum oxide, or the like on the chip substrate on which the sample solution flow path is formed.
A filter that passes the excitation wavelength of the fluorescent group can also be coated as a protective layer. Thereby, light is irradiated from the surface side where the sample solution flow path is formed, and the enzyme activity is detected by arranging an image sensor such as a CCD at a position where fluorescence of the enzyme activity detection unit can be detected. be able to.
[0021]
The sample solution functionality inspection method according to claim 5 supplies the sample solution to the liquid storage part of the sample solution flow path of the biochip according to any one of claims 1 to 4 under a predetermined condition. A sample solution supply step and a two-dimensional image on the chip substrate formed by a state change for each of the enzyme activity detection units arranged on the sample solution flow path are processed with a filter that removes the specific wavelength region, and A data acquisition step of acquiring series data or result data after a predetermined time, and comparing each of the time series data or result data with library data stored in advance under the same measurement conditions, by pattern recognition means and statistical data processing means And a data determination step for determining a pattern matching degree with the library data.
This configuration has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Compare the time series data or result data obtained in this way with library data.


11

【0012】
各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
【発明の効果】
【0022】
請求項1記載の発明によれば、以下のような効果が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配置されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
(5)チップ基板に結合した蛍光基と、蛍光基に酵素によって切断されるペプチド結合で結合したオリゴペプチドとを備えているので、酵素と反応させてペプチド結合の切断が起こるとオリゴペプチドが遊離される。オリゴペプチドが遊離した蛍光基の蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度はその遊離前とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(6)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができ、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めることができる。
(7)試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
(8)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
(9)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列しておくことにより、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
(10)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
(11)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
【0023】


12/2
[0012]
Since it has a data judgment process that calculates the degree of pattern matching with each library data, the enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using a small amount of sample solution without the need to accumulate basic data, and operability and efficiency Excellent in properties.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.
【The invention's effect】
[0022]
According to invention of Claim 1, the following effects are acquired.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow paths formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.
(5) Since it has a fluorescent group bound to the chip substrate and an oligopeptide bound to the fluorescent group with a peptide bond that is cleaved by an enzyme, the oligopeptide is released when the peptide bond is cleaved by reacting with the enzyme. Is done. Since the fluorescence wavelength of the fluorescent group released from the oligopeptide or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is different from that before the release, the enzyme activity can be detected using changes in fluorescence intensity or the like as an index.
(6) Since the fluorescent group is bonded in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. The activity can be detected, and the degree of integration of the enzyme activity detector that can detect the enzyme activity can be dramatically increased.
(7) Since the enzyme activity can be detected simply by using a sample solution sufficient to fill the sample solution flow path, a large amount of sample solution is not required for measurement, and the enzyme activity can be detected even with a small amount of sample solution. It can be carried out.
(8) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution flow path with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
(9) Since the enzyme specificity for a specific enzyme or the like is determined by the respective amino acid sequences constituting the oligopeptide, two possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in a sample solution channel on the chip substrate in a certain order. As a result, the same fluorescent pattern array image can always be obtained for the same sample solution. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
(10) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
(11) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein for all such amino acid sequences is not required in advance, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.
[0023]


12/2

【0014】
【0024】
請求項2記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)蛍光基をシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも蛍光基のチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
(2)アミノメチルクマリン系蛍光基を用いるので、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なるその優れた蛍光特性を有効に利用して、選択性に優れた酵素活性検知部を構成することができる。
【0025】
請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウムなどの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
【0026】
請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至3の内いずれか1に記載の効果に加えて、以下の効果を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性を


14
[0014]
[0024]
According to invention of Claim 2, in addition to the effect of Claim 1, it has the following effects.
(1) Since the fluorescent group is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the fluorescent group to the chip substrate is an action of an enzyme or the like in the sample solution. Therefore, the biochip is not easily cut and the stability and durability of the biochip can be improved.
(2) Since an aminomethylcoumarin-based fluorescent group is used, it is possible to construct an enzyme activity detection unit having excellent selectivity by effectively utilizing its excellent fluorescence characteristics that differ depending on the binding state with each oligopeptide.
[0025]
According to invention of Claim 3, in addition to the effect of Claim 1 or 2, it has the following effects.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide, the enzyme activity detectors are arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.
[0026]
According to invention of Claim 4, in addition to the effect of any one of Claims 1 thru | or 3, it has the following effects.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, ensuring measurement accuracy, reliability, and stability.


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【0015】
さらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
【0027】
請求項5記載の発明によれば、以下の効果を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
【図面の簡単な説明】
【0028】
[図1]酵素活性検知部の酵素活性検出原理を示す模式図
[図2]異なる配置構成を有した酵素活性検知部の模式図
[図3]実施の形態1におけるバイオチップの模式斜視図
[図4]試料溶液流路に配列された酵素活性検知部の状態を示す模式図
[図5]実施の形態1におけるバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性をイメー


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[0015]
It can be further increased.
(2) When the sample solution flow path is covered with a light-transmitting protective layer, excitation light can be irradiated from the protective layer side, and the fluorescence change of the fluorescent group can be measured from the outside. In addition, the biochip is excellent in handling and storage properties after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.
[0027]
According to invention of Claim 5, it has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Since there is a data judgment step for comparing the time series data or result data obtained in this way with the library data and calculating the degree of pattern matching with each library data, a small amount of data can be obtained without requiring accumulation of basic data. The enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using this sample solution, and the operability and efficiency are excellent.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.
[Brief description of the drawings]
[0028]
[FIG. 1] Schematic diagram showing the principle of enzyme activity detection of the enzyme activity detector [FIG. 2] Schematic diagram of the enzyme activity detector having a different arrangement configuration [FIG. 3] A schematic perspective view of the biochip in the first embodiment [FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the enzyme activity detectors arranged in the sample solution flow path. FIG. 5 shows the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip in the first embodiment.


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本発明は、酵素に対する試料溶液の活性や反応挙動をパターン化して網羅的に検出することができるバイオチップ、及びバイオチップを用いた試料溶液の機能性検査方法に関する。   The present invention relates to a biochip capable of comprehensively detecting activity and reaction behavior of a sample solution with respect to an enzyme and a method for testing the functionality of the sample solution using the biochip.

従来、単一の蛍光性酵素基質ペプチドを用い、溶液中の蛍光変化によって酵素活性を測定する技術が多くの酵素−蛍光性基質ペアに対して確立されている。
また、このような酵素活性の多種測定を同時並行して行うために、基板上にDNAやRNAを加水分解した反応物を多数固定してチップ化する手法が開発されている。
例えば多数のオリゴヌクレオチドをガラス等の基板上に固定化して、アレイとしたものはDNAチップと呼ばれ、病理、医療、創薬、食品、および環境等の分野で関連する遺伝子の解析に多用されている。
また、DNAチップと同様にプロテインチップ(サイファージェン社の登録商標)を用いて遺伝子産物であるタンパク質を網羅的に検索する技術の開発が進められている。生命現象がみられるところにDNAが存在するのと同様に、タンパク質分解酵素(プロテアーゼ)も存在する。従って、プロテアーゼを網羅的に検出することができれば、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスに関する生体情報が得られる等、個人のヘルスケアに必要な技術となる。プロテアーゼを網羅的に検出するには、タンパク質としての一分子の存在を科学的に定性定量する方法がある。
しかしながら、タンパク質の断片化はタンパク質機能の喪失をもたらすため、生体高分子の立体構造を保持したまま基板上に固定化することはその形態的な問題から容易ではなく、技術上のネックになっている。
Conventionally, techniques for measuring enzyme activity by changing fluorescence in a solution using a single fluorescent enzyme substrate peptide have been established for many enzyme-fluorescent substrate pairs.
In addition, in order to perform such multiple measurements of enzyme activity in parallel, a technique has been developed in which a large number of reaction products obtained by hydrolyzing DNA or RNA are immobilized on a substrate to form a chip.
For example, an array obtained by immobilizing a large number of oligonucleotides on a substrate such as glass is called a DNA chip, and is often used for analysis of genes related in the fields of pathology, medicine, drug discovery, food, and the environment. ing.
In addition, development of a technique for exhaustively searching for proteins that are gene products using a protein chip (registered trademark of Cyphergen Co., Ltd.) in the same manner as a DNA chip is underway. Proteolytic enzymes (proteases) exist just as DNA exists where life phenomena are observed. Therefore, if proteases can be comprehensively detected, it becomes a technique necessary for personal health care, such as obtaining biological information related to homeostasis consisting of the secretion, production, and degradation processes of peptide hormones. In order to detect proteases comprehensively, there is a method for scientifically qualitatively determining the presence of one molecule as a protein.
However, since protein fragmentation results in loss of protein function, it is not easy to immobilize it on a substrate while maintaining the three-dimensional structure of the biopolymer, which is a technical bottleneck. Yes.

近年、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究的分野の発展に伴って、タンパク質のような断片化による欠点がなく化学的な取り扱いやデータのライブラリ化が容易な酵素を用いた方法が注目され、複数の酵素に対する活性を検出する必要性が生じており、酵素に対して活性を有する感応物質を用いてその変化に伴う吸収光や蛍光等を溶液中で測定する技術が種々研究されている。
例えば、特許文献1には、タンパク質分解酵素の一種であるカスパーゼにより特異的に切断される基質ペプチドの両端を蛍光基で修飾し、カスパーゼにより基質ペプチドが切断されて生じる蛍光基の蛍光波長や蛍光強度を測定してカスパーゼを含む溶液の酵素活性を検出するようにした蛍光プローブが記載されている。
また、このような酵素活性の測定方法としては、蛍光測定用マイクロプレートに形成されたセルに検体溶液を注入し、プレートリーダを用いてセルの蛍光を測定する方法がある。
特開2000−316598号公報
In recent years, with the development of medical fields such as pathological diagnosis and research fields such as proteome analysis, enzymes that do not have the disadvantages of fragmentation such as proteins and are easy to handle chemically and create a data library are used. As a result, there is a need to detect the activity against multiple enzymes, and there is a technology for measuring absorbed light and fluorescence in solution using a sensitive substance that is active against enzymes. Various studies have been conducted.
For example, in Patent Document 1, both ends of a substrate peptide that is specifically cleaved by caspase, which is a type of proteolytic enzyme, are modified with a fluorescent group, and the fluorescence wavelength and fluorescence of the fluorescent group generated by cleaving the substrate peptide are cleaved. A fluorescent probe is described which measures the intensity and detects the enzymatic activity of a solution containing caspase.
As a method for measuring such enzyme activity, there is a method in which a sample solution is injected into a cell formed on a microplate for fluorescence measurement, and the fluorescence of the cell is measured using a plate reader.
JP 2000-316598 A

しかしながら前記従来の技術では以下のような課題を有していた。
(1)特許文献1に記載の技術では、特定のタンパク質分解酵素に対する試料溶液の酵素活性が検出されるだけなので、多種多様の酵素やタンパク質を含む血液などの複雑系に対応させて、その酵素活性や免疫学的特性などを網羅的に測定して、測定対象となる試料溶液の特徴を多くのライブラリデータなどの中で位置付けて病理学的診断などを行うには複雑な手順の繰り返しが必要で測定の信頼性や迅速性に欠けるという課題があった。
(2)また、酵素センサとして特定の酵素に対する特異性が予め知られている基質ペプチドを用いる必要があるので、この基質ペプチドを多数特定配置してこれをセンサとして複雑な免疫系等を解析するには、基礎データの膨大な蓄積を要するという課題があった。
(3)ミリメートルサイズのセルを有するマイクロプレートに検体溶液を注入して蛍光プローブの蛍光変化を測定する従来の方法では、多数の酵素活性を調べるためには大量の溶液を必要とし、かつハンドリングも煩雑となる。そのため、蛍光測定を行う際にはマイクロプレートの交換に時間を要し、測定効率を高めることができず測定に時間を要するという課題を有していた。
(4)さらにセンサ物質と酵素とが結合又は反応しあう際の時系列データなどの取得が困難で動的解析性に欠けるという課題があった。
(5)基板上でアレイ状に酵素基質を結合させることから、同時並行測定を行うためには基板表面を酵素を含む試料溶液に浸す必要があり、試料溶液をミリリットル単位で必要として試料溶液を多量に要するという課題があった。
(6)蛍光性酵素基質ペプチドを用い、溶液中の蛍光変化によって酵素活性を測定する技術では単一の酵素測定の為に溶液用の蛍光測定ウェルをひとつ必要とし、多数の蛍光測定装置を用いたとしても蛍光測定にはウェル100個当たり数分を必要とし、精密な定量性を確保するための各ウェル毎に時間変化測定を行う場合には数時間以上の時間を必要とし効率性に欠けるという課題があった。
(7)酵素活性検出バイオチップの研究レベルにおいては、トリメトキシアミノプロピルシラン等を介して酵素基質のペプチドをガラス等の基板上表面に結合し、この表面を酵素溶液に浸すことによって蛍光発光を検出している。しかしながら、基板上の蛍光性基質ペプチドの結合量が低いことから、酵素活性あるなしの定性的な結果を得ることはできても、定量性を要求される用途には使用し難いという課題があった。
(8)また、基板上への蛍光性基質ペプチドの結合量が安定せずかつ結合量の定量が困難であることから、複数の酵素基質ペプチド間の結果の比較を行うことができず、単一チップ上で同時に酵素活性を定量することは困難である。
However, the conventional techniques have the following problems.
(1) Since the technique described in Patent Document 1 only detects the enzyme activity of a sample solution with respect to a specific proteolytic enzyme, the enzyme is adapted to a complex system such as blood containing various enzymes and proteins. It is necessary to repeat complicated procedures to measure the activity and immunological characteristics comprehensively, and to locate the characteristics of the sample solution to be measured in many library data and perform pathological diagnosis. However, there was a problem that the measurement was not reliable or quick.
(2) Further, since it is necessary to use a substrate peptide whose specificity for a specific enzyme is known in advance as an enzyme sensor, a large number of the substrate peptides are specified and analyzed to analyze a complicated immune system or the like. However, there was a problem of requiring a huge accumulation of basic data.
(3) In the conventional method of measuring the fluorescence change of a fluorescent probe by injecting a specimen solution into a microplate having a millimeter-sized cell, a large amount of solution is required to examine a large number of enzyme activities, and handling is also necessary. It becomes complicated. Therefore, when performing fluorescence measurement, it took time to replace the microplate, and the measurement efficiency could not be improved, and it took time to measure.
(4) Further, there is a problem that it is difficult to acquire time series data when the sensor substance and the enzyme are bound or react with each other and lacks dynamic analysis.
(5) Since the enzyme substrate is bound in an array on the substrate, it is necessary to immerse the substrate surface in the sample solution containing the enzyme in order to perform simultaneous measurement, and the sample solution is required in milliliter units. There was a problem of requiring a large amount.
(6) The technology that uses a fluorescent enzyme substrate peptide to measure enzyme activity based on changes in fluorescence in the solution requires one fluorescence measurement well for a single enzyme measurement, and uses multiple fluorescence measurement devices. Even if the fluorescence measurement requires several minutes per 100 wells, it takes several hours or more to perform the time-varying measurement for each well in order to ensure precise quantitativeness. There was a problem.
(7) At the research level of enzyme activity detection biochip, the peptide of the enzyme substrate is bound to the surface of a substrate such as glass via trimethoxyaminopropylsilane, and the surface is immersed in the enzyme solution to emit fluorescence. Detected. However, since the binding amount of the fluorescent substrate peptide on the substrate is low, there is a problem that even if qualitative results can be obtained with or without enzyme activity, it is difficult to use for applications that require quantitativeness. It was.
(8) In addition, since the binding amount of the fluorescent substrate peptide on the substrate is not stable and it is difficult to quantify the binding amount, the results cannot be compared among a plurality of enzyme substrate peptides. It is difficult to quantify enzyme activity simultaneously on one chip.

本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、血液などの酵素活性や免疫学的特性を網羅的に測定して病理学的診断を行う際のデータの取り扱い性や信頼性、迅速性に優れ、化学処理が容易でしかも検出部の集積度を高められ微量の検体溶液でも酵素活性及びその傾向を取得できるバイオチップを提供することを目的とする。
また本発明は、基礎データの蓄積を要せず、しかも時系列データの解析性に優れ、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定できる操作性と効率性に優れた試料溶液の機能性検査方法を提供することを目的とする。
The present invention was made in order to solve the above-mentioned conventional problems, and handling and reliability of data when performing pathological diagnosis by comprehensively measuring enzyme activity and immunological characteristics such as blood, An object of the present invention is to provide a biochip that is excellent in rapidity, easy in chemical treatment, and capable of increasing the degree of integration of the detection unit and acquiring enzyme activity and its tendency even with a small amount of sample solution.
In addition, the present invention does not require accumulation of basic data, is excellent in the analysis of time-series data, and has excellent operability and efficiency in which the enzyme activity of a sample solution can be measured in a short time using a small amount of sample solution. It aims at providing the functionality inspection method of a sample solution.

本発明の請求項1に記載のバイオチップは、チップ基板に導入される試料溶液中の酵素を検出するバイオチップであって前記チップ基板上に形成された試料溶液流路と、前記試料溶液流路に所定順で複数配置され所定の酵素に対してそれぞれ異なる活性を有する酵素活性検知部と、を有し、前記酵素活性検知部が、前記チップ基板に直接又は酵素特異性を有しない分子若しくは化合物を介して結合された第1のオリゴペプチドと、前記第1のオリゴペプチドの側鎖に導入された第1の蛍光基と、ペプチド結合で前記第1のオリゴペプチドと結合した第2のオリゴペプチドと、前記第2のオリゴペプチドに結合し酵素によって前記第2のオリゴペプチドが遊離されることにより前記第1の蛍光基と蛍光共鳴エネルギー移動を起こす第2の蛍光基と、を有して構成される。
この構成により、以下のような作用が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配列されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
(5)チップ基板に結合した第1のオリゴペプチドと、第1のオリゴペプチドの側鎖に導入された第1の蛍光基と、ペプチド結合で第1のオリゴペプチドと結合した第2のオリゴペプチドと、第2のオリゴペプチドに結合し酵素によって第2のオリゴペプチドが遊離されることにより第1の蛍光基と蛍光共鳴エネルギー移動を起こす第2の蛍光基と、を備えているので、酵素によって第2のオリゴペプチドが遊離されて2つの蛍光化合物が距離的に遠い位置に存在することになると、本来観察されるはずの第2の蛍光基の蛍光が減衰し、代わりに第1の蛍光基の蛍光が観察され、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(6)個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖を切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出を容易に行うことができ検出感度を高めることができる。
)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができるとともに、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めバイオチップを小型化できる。
)微小容量の試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
10)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列した場合は、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
11)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
12)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
The biochip of claim 1 of the present invention is a biochip for detecting an enzyme in a sample solution to be introduced into the chip substrate, and a sample solution flow path formed in the chip substrate, the sample solution A plurality of enzyme activity detection units arranged in a predetermined order in a flow path and having different activities with respect to a predetermined enzyme, wherein the enzyme activity detection unit is not directly on the chip substrate or has no enzyme specificity. Alternatively , the first oligopeptide bound via a compound, the first fluorescent group introduced into the side chain of the first oligopeptide, and the second oligopeptide bound to the first oligopeptide via a peptide bond An oligopeptide and a second fluorescence that causes fluorescence resonance energy transfer with the first fluorescent group by binding to the second oligopeptide and releasing the second oligopeptide by an enzyme When configured with a.
With this configuration, the following effects can be obtained.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow path formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.
(5) The first oligopeptide bound to the chip substrate, the first fluorescent group introduced into the side chain of the first oligopeptide, and the second oligopeptide bound to the first oligopeptide by peptide bonds And the second fluorescent peptide that binds to the second oligopeptide and is released by the enzyme to cause the first fluorescent group and the second fluorescent group to cause fluorescence resonance energy transfer . When the second oligopeptide is released and the two fluorescent compounds are present at a distance, the fluorescence of the second fluorescent group that should be observed is attenuated. Instead, the first fluorescent group The enzyme activity can be detected using a change in fluorescence intensity or the like as an index.
(6) The substrate specificity with respect to each amino acid is not high, and rather, an enzyme such as elastase that requires a relatively long peptide chain for cleaving can be easily detected, and the detection sensitivity can be increased.
( 7 ) Since the fluorescent group is bound in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. The activity can be detected, and the degree of integration of the enzyme activity detection unit capable of detecting the enzyme activity can be dramatically increased, and the biochip can be downsized.
( 8 ) Since the enzyme activity can be detected simply by using a sample solution that fills the small volume sample solution flow path, a large amount of sample solution is not required for measurement, and even a small amount of sample solution does not require enzyme activity. Can be detected.
( 9 ) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution channel with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
( 10 ) Since the enzyme specificity for a specific enzyme and the like is determined by the respective amino acid sequences constituting the oligopeptide, when possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in the sample solution flow path on the chip substrate In the case of the same sample solution, images of the same fluorescent pattern arrangement are always obtained. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
( 11 ) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
( 12 ) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein is not required in advance for all such amino acid sequences, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.

ここで、試料溶液としては、病理診断などの対象となる血液や尿を含む体液や培養液などを適用できる。試料溶液は生体試料(血液等)をそのまま、あるいはフィルタや遠心分離等で血球成分等を除去したものを用いることができる。また、生体試料を基に酵素が活性を発現するような条件設定(pH調整、活性剤導入など)を行ったものを使用することもできる。pH調整剤としては、Tris−HCl,Hepes−KOH等の緩衝剤を反応バッファーとして添加することができる。また、酵素活性の発現に必要な塩類や活性保護剤を添加することもできる。
検知対象となる酵素としては、トリプシン,キモトリプシン,トロンビン,プラスミン,カリクレイン,ウロキナーゼ,エラスターゼ等のセリンプロテアーゼ、ペプシン,カテプシンD,レニン,キモシン等のアスパラギン酸プロテアーゼ、カルボキシペプチダーゼA,B,コラゲナーゼ,サーモリシン等のメタロプロテアーゼ、カテプシンB,H,L,カルパイン等のシステインプロテアーゼ等の内部のペプチド結合を切断するエンドペプチダーゼ、血液凝固系プロテアーゼ、捕体系プロテアーゼ、ホルモンプロセシング酵素等が該当する。
検知対象となる酵素が不活性状態を持つ場合、トリプシン等の添加または内在阻害剤の除去により、それらを活性化させることもできる。
Here, as the sample solution, a body fluid or a culture solution containing blood or urine to be subjected to pathological diagnosis or the like can be applied. As the sample solution, a biological sample (blood or the like) can be used as it is, or a blood cell component or the like removed by a filter, centrifugation, or the like. Moreover, what performed the condition setting (pH adjustment, active agent introduction | transduction, etc.) that an enzyme expresses activity based on a biological sample can also be used. As a pH adjuster, a buffering agent such as Tris-HCl or Hepes-KOH can be added as a reaction buffer. In addition, salts and active protective agents necessary for the expression of enzyme activity can be added.
Examples of enzymes to be detected include serine proteases such as trypsin, chymotrypsin, thrombin, plasmin, kallikrein, urokinase, elastase, aspartic proteases such as pepsin, cathepsin D, renin, chymosin, carboxypeptidase A, B, collagenase, thermolysin, etc. Endopeptidases that cleave internal peptide bonds such as cysteine proteases such as metalloproteases, cathepsins B, H, L, and calpain, blood coagulation proteases, capture proteases, hormone processing enzymes, and the like.
When the enzymes to be detected have an inactive state, they can be activated by adding trypsin or the like or removing the endogenous inhibitor.

チップ基板としては、酵素特異性を有しないガラス質や合成樹脂質などの基質のものが用いられる。また、ペプチド結合を形成するための縮合反応に用いられる溶媒(クロロホルム,ジクロロメタン等のハロゲン化炭化水素類、酢酸エチル等のエステル類、N,N−ジメチルホルムアミド,ジメチルスルホキシド等の極性有機溶媒、ジオキサン,テトラヒドロフラン等のエーテル類、メタノール,エタノール等のアルコール類、ピリジン等)に不溶性の合成樹脂(ポリスチレン等)製やガラス製等で平板状や球面等の湾曲面状等に形成されたものが用いられる。ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標)等の市販の固相有機合成用担体も用いることができる。   As the chip substrate, a substrate such as glass or synthetic resin having no enzyme specificity is used. Solvents used in condensation reactions to form peptide bonds (halogenated hydrocarbons such as chloroform and dichloromethane, esters such as ethyl acetate, polar organic solvents such as N, N-dimethylformamide and dimethyl sulfoxide, dioxane , Ethers such as tetrahydrofuran, alcohols such as methanol and ethanol, pyridine, etc.) made of insoluble synthetic resin (polystyrene, etc.) or glass, etc., formed into a curved surface such as a flat plate or spherical surface It is done. A commercially available carrier for solid phase organic synthesis such as Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotops can also be used.

試料溶液流路は、チップ基板の垂直断面が矩形状、U字状、溝状などに形成された部分である。試料溶液流路の流路パターンは、単数もしくは複数の上流側開口部から下流側開口部に向けて試料溶液が流れるように連続して若しくは分岐して、平面視で渦巻き状や、ツリー状、放射状、ジグザグ状などに形成することができる。これにより、試料液体流路の集積度を高め、バイオチップを小型化・コンパクト化することができる。
試料溶液流路は、チップ基板上に機械的あるいは化学的に刻んで、100μL以下程度の容積、流路幅および深さが1mm以下程度に形成することができる。これらの上限値より大きくなるにつれ、チップ基板上の試料溶液流路の集積度が低下し、チップ基板上に形成させる蛍光パターンの特定が困難になる傾向がみられるからである。
試料溶液流路の一端側には、単数若しくは複数の上流側開口部に連設して試料溶液を供給するための窪み状等の液供給部を形成することができる。窪み状等に形成された液供給部に試料溶液を一旦供給しておけば、後は放置しておくだけで、試料溶液を液供給部から試料液体流路に毛管現象等で順次移動させることができるからである。液供給部には供給される血液(試料溶液)中の赤血球や白血球、リンパ球などを除くためのメンブレンフィルムなどのフィルタを必要に応じて設け、これよって、試料溶液が流路壁に付着してその流れが妨げられないようにすることができる。
試料溶液流路の他端側には、単数若しくは複数の下流側開口部に連設して試料溶液を貯めるための液貯留部を形成することができる。この液貯留部は、チップ基板の中央または周縁部に形成された凹部状の部分である。これによって、試料溶液流路の他端側から液貯留部へ試料溶液が流出するため、試料溶液流路から液貯留部への試料溶液の流れを形成することができるので、試料溶液流路内で試料溶液が滞留することなく、試料溶液内の酵素の作用によって酵素活性検知部から切断されたオリゴペプチドを試料溶液内に確実に遊離させることができ、酵素活性の検出感度を高めることができる。
The sample solution channel is a portion in which the vertical cross section of the chip substrate is formed in a rectangular shape, a U shape, a groove shape, or the like. The flow pattern of the sample solution flow path is continuous or branched so that the sample solution flows from one or a plurality of upstream openings toward the downstream openings, and in a plan view, a spiral shape, a tree shape, It can be formed in a radial shape, a zigzag shape, or the like. Thereby, the integration degree of a sample liquid flow path can be raised and a biochip can be reduced in size and size.
The sample solution channel can be formed on the chip substrate mechanically or chemically so that the volume, channel width, and depth of about 100 μL or less are about 1 mm or less. This is because the degree of integration of the sample solution flow path on the chip substrate decreases as the value becomes larger than these upper limit values, and it tends to be difficult to specify the fluorescent pattern to be formed on the chip substrate.
On one end side of the sample solution flow path, a recess-like liquid supply section for supplying the sample solution can be formed in a row with one or a plurality of upstream openings. Once the sample solution is supplied to the liquid supply part formed in the shape of a depression, the sample solution can be moved sequentially from the liquid supply part to the sample liquid flow path by capillary action etc. Because you can. The liquid supply part is provided with a filter such as a membrane film for removing red blood cells, white blood cells, lymphocytes, etc. in the supplied blood (sample solution) as necessary, so that the sample solution adheres to the channel wall. So that the flow is not obstructed.
On the other end side of the sample solution flow path, a liquid storage part for storing the sample solution can be formed continuously with one or a plurality of downstream openings. This liquid storage part is a recessed part formed in the center or peripheral part of the chip substrate. As a result, the sample solution flows out from the other end side of the sample solution flow path to the liquid storage section, so that a flow of the sample solution from the sample solution flow path to the liquid storage section can be formed. The oligopeptide cleaved from the enzyme activity detection part by the action of the enzyme in the sample solution can be reliably released into the sample solution without stagnation of the sample solution, and the detection sensitivity of the enzyme activity can be increased. .

酵素活性検知部は、特定の酵素に対して選択的特異的な反応挙動を有するペプチド鎖などの感応基質などが配置されて構成される。このような酵素特異的反応などに伴って感応基質の蛍光波長や蛍光強度などの光学的特性や電気的特性が変化し、これを検出することができる。
酵素活性検知部を試料溶液流路内に複数配し、この酵素活性検知部の光を受けることができる位置等にCCDやCMOS素子の集積体等からなるイメージセンサを配置した場合は、チップ基板上の二次元蛍光イメージを取得して、酵素活性検知部の時系列蛍光データ又は所定時間経過後の蛍光データを得ることができる。
試料溶液流路内に互いに隣接して配置される酵素活性検知部は、隔壁などを介してセル状に周囲と隔絶するように配置する必要はなく、チップ基板の試料溶液流路の底部に沿って平面状に連続配列するようにしてもよい。
なお、蛍光基が結合したペプチドからなるそれぞれ独立した酵素活性検知部の試料溶液流路内への配置は、例えば市販のDNAチップ用プロッタ等を用いたり、顕微鏡を見ながらシリンジを使ったりして配置することができる。また、渦巻き状などに形成された試料溶液流路内の所定領域毎にその表面に酵素特異性を付与させたポリスチレン樹脂などの球状粒子や平板等を充填し、それぞれ独立した酵素活性検知部を配列することも可能である。
The enzyme activity detection unit is configured by arranging a sensitive substrate such as a peptide chain having a selective and specific reaction behavior with respect to a specific enzyme. With such an enzyme-specific reaction or the like, the optical characteristics such as the fluorescence wavelength and fluorescence intensity of the sensitive substrate and the electrical characteristics change, and this can be detected.
A chip substrate when a plurality of enzyme activity detectors are arranged in the sample solution flow path, and an image sensor comprising a CCD or CMOS device integrated body is arranged at a position where the enzyme activity detector can receive light. By acquiring the upper two-dimensional fluorescence image, time-series fluorescence data of the enzyme activity detection unit or fluorescence data after a predetermined time can be obtained.
The enzyme activity detectors arranged adjacent to each other in the sample solution channel need not be arranged so as to be separated from the surroundings in a cell shape via a partition wall or the like, but along the bottom of the sample solution channel of the chip substrate. Alternatively, they may be arranged continuously in a planar shape.
In addition, the arrangement of each independent enzyme activity detection unit made of a peptide to which a fluorescent group is bound in the sample solution flow path is, for example, using a commercially available DNA chip plotter or using a syringe while looking at a microscope. Can be arranged. In addition, each predetermined region in the sample solution flow path formed in a spiral shape is filled with spherical particles such as polystyrene resin or flat plate with enzyme specificity on the surface thereof, and an independent enzyme activity detector is provided. It is also possible to arrange them.

ここで、オリゴペプチドは、アミノ酸数個からなるペプチド鎖で構成されたペプチドであって、分子量が大きく塊状などのタンパク質とは異なって略線状の形態を有している。このオリゴペプチドのアミノ酸配列によって、このオリゴペプチドが結合される蛍光基との結合部分における酵素特異性を特徴付けることができる。   Here, the oligopeptide is a peptide composed of a peptide chain consisting of several amino acids, and has a substantially linear form unlike a protein having a large molecular weight and a mass. The amino acid sequence of the oligopeptide can characterize the enzyme specificity at the binding site with the fluorescent group to which the oligopeptide is bound.

蛍光基としては、オリゴペプチドとのペプチド結合が酵素によって切断される前後において、蛍光波長や蛍光強度に変化が生じるものが用いられる。特に、ペプチド鎖との結合部とペプチド結合したときは特定波長領域において非蛍光物質であり、ペプチド結合が切断されてペプチド鎖が遊離したときに該特定波長領域において蛍光を発する蛍光基、例えば、4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)、7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン(ACC)、p−ニトロアニリド、α−ナフチルアミド、α−ナフチルエステル等が好適に用いられる。
結合部に位置するアミノ酸残基は、酵素によってC末端側のペプチド結合が選択的に切断されるものが用いられる。これにより、蛍光基と結合していた結合部を遊離させて蛍光基の蛍光強度や蛍光周波数を変化させることができるからである。
また、オリゴペプチドを所定の長さ(例えば15Å程度)以上のペプチド鎖で形成した場合には、個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖の切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出もできるようにすることができ、検出できる酵素の種類を増やすことができる。
As the fluorescent group, those in which the fluorescence wavelength and the fluorescence intensity change before and after the peptide bond with the oligopeptide is cleaved by the enzyme are used. In particular, a fluorescent group that emits fluorescence in the specific wavelength region when the peptide bond is bonded to the peptide chain and is a non-fluorescent substance in the specific wavelength region when the peptide bond is cleaved to release the peptide chain, for example, 4-Methylcoumaryl-7-amide (MCA), 7-amino-4-carboxymethylcoumarin (ACC), p-nitroanilide, α-naphthylamide, α-naphthyl ester and the like are preferably used.
As the amino acid residue located at the binding site, one in which the peptide bond on the C-terminal side is selectively cleaved by an enzyme is used. This is because it is possible to change the fluorescence intensity and the fluorescence frequency of the fluorescent group by releasing the binding portion that has been bonded to the fluorescent group.
In addition, when the oligopeptide is formed with a peptide chain having a predetermined length (for example, about 15 mm) or more, the substrate specificity for each amino acid is not high, but rather, elastase required for the action of cleaving a relatively long peptide chain. Such enzymes can be detected, and the types of enzymes that can be detected can be increased.

アミノ酸配列は、例えばA(アラニン)、B(プロリン)、C(リジン)、D(フェニルアラニン)の各アミノ酸を要素とするペプチド鎖で構成して、酵素活性検知部が試料溶液流路内にペプチド鎖の各要素の規則組み合わせ順に配列した場合は、基本的なアミノ酸について蓄積された基礎データに基づいて、検査データの解析や評価を容易かつ迅速に行うことができる。また、基礎的アミノ酸からなるオリゴペプチドをそのA〜Dの文字コード順などの降順や昇順に規則配列するように公知のペプチド鎖の合成手段を用いて機械的に構成することができ、バイオチップ生産の効率性にも優れている。   The amino acid sequence is composed of, for example, peptide chains having amino acids of A (alanine), B (proline), C (lysine), and D (phenylalanine) as elements, and the enzyme activity detection unit has a peptide in the sample solution channel. When arranged in the order of the rule combination of each element of the chain, analysis and evaluation of test data can be performed easily and quickly based on basic data accumulated for basic amino acids. In addition, the biochip can be mechanically constructed using known peptide chain synthesis means so that oligopeptides composed of basic amino acids are regularly arranged in descending or ascending order such as the character code order of A to D. Excellent production efficiency.

請求項2に記載のバイオチップは、請求項1に記載の発明において、前記第1のオリゴペプチドが、化学修飾された前記チップ基板上に結合されて構成される。
この構成によって、請求項1に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)第1のオリゴペプチドをシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも第1のオリゴペプチドのチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
The biochip according to claim 2 is configured by binding the first oligopeptide onto the chemically modified chip substrate in the invention according to claim 1.
With this configuration, in addition to the operation of the first aspect, the following operation is provided.
(1) Since the first oligopeptide is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the first oligopeptide to the chip substrate can be improved. It is not easily cleaved by the action of the enzyme in the inside, and the stability and durability of the biochip can be improved.

ここで、シランカップリング剤としては例えば、アミノプロピルトリメトキシシランなどが適用できる。   Here, as the silane coupling agent, for example, aminopropyltrimethoxysilane can be applied.

請求項3記載のバイオチップは、請求項1又は2に記載の発明において、前記チップ基板が透光性であって、その背面側にイメージセンサ基板が積層されて構成されている。
この構成によって、請求項1又は2に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウムなどの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
A biochip according to a third aspect is the invention according to the first or second aspect, wherein the chip substrate is translucent and an image sensor substrate is laminated on the back side thereof.
With this configuration, in addition to the operation described in claim 1 or 2, the following operation is provided.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide, the enzyme activity detectors are arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.

イメージセンサ基板としては、周知の半導体製作技術によりシリコン薄板上にフォトダイオードが二次元配置された感光部及びその信号出力部を備えて形成されるCCDやCMOS素子などを適用することができる。   As the image sensor substrate, it is possible to apply a CCD or CMOS element formed by providing a photosensitive portion in which photodiodes are two-dimensionally arranged on a silicon thin plate and a signal output portion thereof by a known semiconductor manufacturing technique.

請求項4記載のバイオチップは、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の発明において、前記チップ基板の前記試料溶液流路が形成された面側に保護層を備えて構成されている。
この構成によって、請求項1乃至3の内いずれか1項に記載の作用に加えて以下の作用を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性をさらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the biochip according to any one of the first to third aspects, further comprising a protective layer on the surface of the chip substrate on which the sample solution flow path is formed. Yes.
With this configuration, in addition to the operation described in any one of claims 1 to 3, the following operation is provided.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, and measurement accuracy, reliability, and stability can be further enhanced.
(2) When the sample solution flow path is covered with a light-transmitting protective layer, excitation light can be irradiated from the protective layer side, and the fluorescence change of the fluorescent group can be measured from the outside. In addition, the biochip is excellent in handling and storage properties after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.

保護層は例えば、酸化珪素や酸化アルミニウムなどで形成されたセラミック被膜を試料溶液流路が形成されたチップ基板上に添着して構成させることができる。
また、蛍光基の励起波長を通過するフィルタを保護層として被覆することもできる。これにより、前記試料溶液流路が形成された面側から光を照射し、酵素活性検知部の蛍光を検出することができる位置等にCCD等のイメージセンサを配置することで酵素活性を検出することができる。
For example, the protective layer can be configured by attaching a ceramic coating formed of silicon oxide, aluminum oxide, or the like on the chip substrate on which the sample solution flow path is formed.
A filter that passes the excitation wavelength of the fluorescent group can also be coated as a protective layer. Thereby, light is irradiated from the surface side where the sample solution flow path is formed, and the enzyme activity is detected by arranging an image sensor such as a CCD at a position where fluorescence of the enzyme activity detection unit can be detected. be able to.

請求項5に記載の試料溶液の機能性検査方法は、請求項1乃至4の内いずれか1項に記載のバイオチップの前記試料溶液流路の液貯留部に試料溶液を所定条件で供給する試料溶液供給工程と、前記試料溶液流路上に配列された前記酵素活性検知部毎の状態変化により形成される前記チップ基板上の二次元イメージをその特定波長域を除去するフィルタで処理してその時系列データ又は所定時間後の結果データを取得するデータ取得工程と、前記時系列データ又は結果データを予め同一測定条件で蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的データ処理手段により各ライブラリデータとのパターン適合度を判定するデータ判定工程と、を有して構成されている。
この構成によって、以下の作用を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
The sample solution functionality inspection method according to claim 5 supplies the sample solution to the liquid storage part of the sample solution flow path of the biochip according to any one of claims 1 to 4 under a predetermined condition. A sample solution supply step and a two-dimensional image on the chip substrate formed by a state change for each of the enzyme activity detection units arranged on the sample solution flow path are processed with a filter that removes the specific wavelength region, and A data acquisition step of acquiring series data or result data after a predetermined time, and comparing each of the time series data or result data with library data stored in advance under the same measurement conditions, by pattern recognition means and statistical data processing means And a data determination step for determining a pattern matching degree with the library data.
This configuration has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Since there is a data judgment step for comparing the time series data or result data obtained in this way with the library data and calculating the degree of pattern matching with each library data, a small amount of data can be obtained without requiring accumulation of basic data. The enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using this sample solution, and the operability and efficiency are excellent.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.

請求項1記載の発明によれば、以下のような効果が得られる。
(1)少量の試料溶液を供給するだけで試料溶液の流れを試料溶液流路に形成させ、試料溶液中の酵素をそれぞれ異なる酵素活性を備えた酵素活性検知部と反応させることができる。こうして、この各酵素活性検知部における酵素反応に伴う状態変化を光学的または電気的に検出することにより、試料溶液に固有の活性挙動をチップ基板上に表示された二次元イメージとして網羅的に取得することができる。
(2)この二次元イメージのデータを同様に取得された既知のライブラリデータなどと比較参照することにより特定したりグループ化したりして、試料溶液の酵素活性や免疫特性を網羅的に把握して病理学的診断などを的確かつ迅速に行うことができる。
(3)渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで形成された試料溶液流路に、それぞれ異なる活性を備えた酵素活性検知部が配置されているので、取得された二次元イメージデータに基づく病理診断などをコンピュータによるデータのパターン認識処理を介せず目視により直接行うこともできる。また、試料溶液流路を特定の幾何学的配列にして形成することによりデータ取得時におけるスキャン操作の容易化や、データ処理の省略化なども図ることができる。
(4)チップ基板に蛍光基をDNAチップ用プロッタや印刷手段などを用いて結合させて試料溶液検知セルを構成することができ、検出部の集積度を飛躍的に高めることができ、極微量の試料溶液を用いてその酵素活性などのデータを効率的に得ることができる。
(5)チップ基板に結合した第1のオリゴペプチドと、第1のオリゴペプチドの側鎖に導入された第1の蛍光基と、ペプチド結合で第1のオリゴペプチドと結合した第2のオリゴペプチドと、第2のオリゴペプチドに結合し酵素によって第2のオリゴペプチドが遊離されることにより第1の蛍光基と蛍光共鳴エネルギー移動を起こす第2の蛍光基と、を備えているので、酵素によって第2のオリゴペプチドが遊離されて2つの蛍光化合物が距離的に遠い位置に存在することになると、本来観察されるはずの第2の蛍光基の蛍光が減衰し、代わりに第1の蛍光基の蛍光が観察され、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる。
(6)個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖を切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出を容易に行うことができ検出感度を高めることができる。
)チップ基板上の試料溶液流路内に蛍光基が結合しているので、酵素を含む極微量の試料溶液を試料溶液流路中に満たしチップ基板の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができ、酵素活性を検出できる酵素活性検知部の集積度を飛躍的に高めることができる。
)試料溶液流路を満たすだけの試料溶液を用いるだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
)試料溶液流路を流れる試料溶液中の酵素と酵素活性検知部の特異的な結合部位とが接触することで、この酵素に対応したオリゴペプチドと蛍光基との結合部が切断され、蛍光共鳴エネルギーなどの変化に伴って蛍光基の蛍光発光周波数をシフトさせたり、その蛍光強度を変動させたりすることができる。この変化を励起光照射下でフィルタなどを通してその輝点変化を観察したり、または蛍光スペクトルを計測してデータ化したりすることができる。
10)特定酵素などに対する酵素特異性はオリゴペプチドを構成するそれぞれのアミノ酸配列により決まるので、このアミノ酸配列の可能な組み合わせを一定の順序でチップ基板上の試料溶液流路に二次元配列しておくことにより、同じ試料溶液であれば常に同一の蛍光パターン配列のイメージが得られる。従って、このイメージデータを既知成分のデータを含むライブリーデータと比較することにより、その酵素特異性の傾向などから病理学的特性を網羅的に判定することができる。
11)アミノ酸配列を構成するアミノ酸としては、タンパク質に含まれる20種以上のものが設定可能である。アミノ酸配列を4種のアミノ酸で構成した場合は、20=160000種以上もの順列組み合わせからなるペプチド鎖の一部または全部を試料溶液流路の各酵素活性検知部に配列することができる。
12)このようなアミノ酸配列の全てについて特定の酵素やタンパク質に対する酵素活性などの知見を予め必要としないので、コンピュータによる制御手段を適用してその規則配列を機械的に形成させることができ、一定のアミノ酸配列からなるペプチド鎖を順次試料溶液流路に配置させることができ、既知または未知の酵素に対する所定の酵素活性を備えて規格構成されたバイオチップを容易に製造して提供できる。
According to invention of Claim 1, the following effects are acquired.
(1) By supplying a small amount of sample solution, a flow of the sample solution can be formed in the sample solution flow path, and the enzymes in the sample solution can be reacted with enzyme activity detection units having different enzyme activities. In this way, by detecting optically or electrically the state change associated with the enzyme reaction in each enzyme activity detector, the activity behavior specific to the sample solution is comprehensively acquired as a two-dimensional image displayed on the chip substrate. can do.
(2) The two-dimensional image data is identified and grouped by comparing with reference to known library data obtained in the same way, and the enzyme activity and immune characteristics of the sample solution are comprehensively understood. Pathological diagnosis can be performed accurately and promptly.
(3) Since the enzyme activity detectors having different activities are arranged in the sample solution flow paths formed in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, the acquired two-dimensional image data It is also possible to directly perform pathological diagnosis based on visual observation without using a pattern recognition process of data by a computer. In addition, by forming the sample solution flow path with a specific geometric arrangement, it is possible to facilitate the scanning operation at the time of data acquisition and to omit the data processing.
(4) A sample solution detection cell can be constructed by binding a fluorescent group to a chip substrate using a DNA chip plotter, printing means, etc., and the degree of integration of the detector can be dramatically increased. Thus, data such as enzyme activity can be efficiently obtained using the sample solution.
(5) The first oligopeptide bound to the chip substrate, the first fluorescent group introduced into the side chain of the first oligopeptide, and the second oligopeptide bound to the first oligopeptide by peptide bonds And the second fluorescent peptide that binds to the second oligopeptide and is released by the enzyme to cause the first fluorescent group and the second fluorescent group to cause fluorescence resonance energy transfer . When the second oligopeptide is released and the two fluorescent compounds are present at a distance, the fluorescence of the second fluorescent group that should be observed is attenuated. Instead, the first fluorescent group The enzyme activity can be detected using a change in fluorescence intensity or the like as an index.
(6) The substrate specificity with respect to each amino acid is not high, and rather, an enzyme such as elastase that requires a relatively long peptide chain for cleaving can be easily detected, and the detection sensitivity can be increased.
( 7 ) Since the fluorescent group is bound in the sample solution flow path on the chip substrate, the enzyme can be obtained simply by filling the sample solution flow path with a very small amount of sample solution containing the enzyme and measuring the fluorescence intensity of the chip substrate. The activity can be detected, and the degree of integration of the enzyme activity detector that can detect the enzyme activity can be dramatically increased.
( 8 ) Since the enzyme activity can be detected simply by using a sample solution that fills the sample solution flow path, a large amount of sample solution is not required for measurement, and the enzyme activity can be detected even with a small amount of sample solution. It can be carried out.
( 9 ) By contacting the enzyme in the sample solution flowing through the sample solution channel with the specific binding site of the enzyme activity detection unit, the binding unit between the oligopeptide corresponding to this enzyme and the fluorescent group is cleaved, The fluorescence emission frequency of the fluorescent group can be shifted or its fluorescence intensity can be changed with changes in fluorescence resonance energy or the like. This change can be observed through a filter or the like under excitation light irradiation, or can be converted into data by measuring a fluorescence spectrum.
( 10 ) Since the enzyme specificity for a specific enzyme and the like is determined by each amino acid sequence constituting the oligopeptide, possible combinations of these amino acid sequences are two-dimensionally arranged in a sample solution channel on the chip substrate in a certain order. As a result, the same fluorescent pattern array image can always be obtained for the same sample solution. Therefore, by comparing this image data with library data including data of known components, pathological characteristics can be comprehensively determined from the tendency of the enzyme specificity.
( 11 ) As the amino acids constituting the amino acid sequence, 20 or more types included in the protein can be set. When the amino acid sequence is composed of four types of amino acids, a part or all of peptide chains comprising 20 4 = 160000 or more permutations can be arranged in each enzyme activity detection part of the sample solution flow path.
( 12 ) Since knowledge of enzyme activity for a specific enzyme or protein is not required in advance for all such amino acid sequences, the regular sequence can be mechanically formed by applying computer control means, Peptide chains consisting of a certain amino acid sequence can be sequentially arranged in the sample solution flow path, and a biochip configured with a predetermined enzyme activity for a known or unknown enzyme can be easily produced and provided.

請求項2記載の発明によれば、請求項1の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)第1のオリゴペプチドをシランカップリング剤で化学修飾されたチップ基板に結合させるので、結合をより確実に強化することができ、しかも第1のオリゴペプチドのチップ基板に対する結合が試料溶液中の酵素などの作用で容易に切断されることがなく、バイオチップの安定性と耐久性を高めることができる。
According to invention of Claim 2, in addition to the effect of Claim 1, it has the following effects.
(1) Since the first oligopeptide is bound to the chip substrate chemically modified with the silane coupling agent, the binding can be strengthened more reliably, and the binding of the first oligopeptide to the chip substrate can be improved. It is not easily cleaved by the action of the enzyme in the inside, and the stability and durability of the biochip can be improved.

請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2の効果に加えて以下の効果を有する。
(1)酸化珪素や酸化アルミニウムなどの透光性材からなるチップ基板の背面側にイメージセンサ基板が積層されているので、酵素活性検知部が所定のパターンで配列されたチップ基板背面側からの蛍光変化を直接的にしかも二次元画像として取得できる。
(2)酵素活性検知部をそのチップ基板上に高密度で集積させた状態で試料溶液中の酵素成分の解析を行えるので、コンパクトで信頼性に優れたバイオチップを提供できる。
According to invention of Claim 3, in addition to the effect of Claim 1 or 2, it has the following effects.
(1) Since the image sensor substrate is laminated on the back side of the chip substrate made of a light-transmitting material such as silicon oxide or aluminum oxide, the enzyme activity detectors are arranged from the back side of the chip substrate arranged in a predetermined pattern. The fluorescence change can be acquired directly and as a two-dimensional image.
(2) Since the enzyme component in the sample solution can be analyzed in a state where the enzyme activity detector is integrated on the chip substrate at a high density, a biochip having a compact size and excellent reliability can be provided.

請求項4記載の発明によれば、請求項1乃至3の内いずれか1に記載の効果に加えて、以下の効果を有する。
(1)チップ基板上に溝状などに形成された試料溶液流路の開口部が酸化珪素膜などの透光性又は不透光性の保護層で被覆されているので、導入される試料溶液が試料溶液流路中で空気と接触することなく保護され、測定精度や信頼性、安定性をさらに高めることができる。
(2)透光性の保護層で試料溶液流路を被覆した場合には、その保護層側から励起光を照射したり、蛍光基の蛍光変化をその外部から測定したりすることができる上に、試料溶液を試料溶液流路に導入後のバイオチップのハンドリング性や保存性にも優れている。
According to invention of Claim 4, in addition to the effect of any one of Claims 1 thru | or 3, it has the following effects.
(1) Since the opening of the sample solution channel formed in the shape of a groove on the chip substrate is covered with a light-transmitting or non-light-transmitting protective layer such as a silicon oxide film, the sample solution to be introduced Is protected without contact with air in the sample solution flow path, and measurement accuracy, reliability, and stability can be further enhanced.
(2) When the sample solution flow path is covered with a light-transmitting protective layer, excitation light can be irradiated from the protective layer side, and the fluorescence change of the fluorescent group can be measured from the outside. In addition, the biochip is excellent in handling and storage properties after the sample solution is introduced into the sample solution flow path.

請求項5記載の発明によれば、以下の効果を有する。
(1)全体が渦巻き状やツリー状、放射状などに形成された試料溶液流路に試料溶液を供給する試料溶液供給工程を有するので、試料溶液流路の酵素活性検知部と試料溶液中の酵素とを接触させ、この酵素に対して特異的に作用して切断するオリゴペプチドと蛍光基との結合を切断させることができる。
(2)次にこの酵素活性検知部毎の酵素切断による蛍光基の蛍光特性などの変化により二次元イメージを取得するデータ取得工程を有するので、複雑な計算処理を行うことなく多種類のオリゴペプチドに対応する蛍光挙動を二次元イメージとして網羅的に取り込むことができる。
(3)このように取得される時系列データ又は結果データをライブラリデータと比較して各ライブラリデータとのパターン適合度を算出するデータ判定工程を有するので、基礎データの蓄積を要することなく、少量の試料溶液を用いて試料溶液の酵素活性を短時間で測定でき、操作性と効率性に優れている。
(4)血液中などのプロテアーゼは混合物として生体内外に存在するので、混合物のまま酵素活性のみを網羅的に検出して、これをペプチドライブラリのデータと比較、参照して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解の過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られ、個人のヘルスケアに資することができる。
According to invention of Claim 5, it has the following effects.
(1) Since the sample solution supply step of supplying the sample solution to the sample solution channel formed entirely in a spiral shape, tree shape, radial shape or the like is provided, the enzyme activity detection unit of the sample solution channel and the enzyme in the sample solution And the bond between the fluorescent peptide and the oligopeptide that specifically cleaves the enzyme can be cleaved.
(2) Next, since there is a data acquisition step for acquiring a two-dimensional image by changing the fluorescence characteristics of the fluorescent group by enzyme cleavage for each enzyme activity detection unit, many kinds of oligopeptides are performed without performing complicated calculation processing. The fluorescence behavior corresponding to can be comprehensively captured as a two-dimensional image.
(3) Since there is a data judgment step for comparing the time series data or result data obtained in this way with the library data and calculating the degree of pattern matching with each library data, a small amount of data can be obtained without requiring accumulation of basic data. The enzyme activity of the sample solution can be measured in a short time using this sample solution, and the operability and efficiency are excellent.
(4) Since proteases in blood and the like exist as a mixture in vivo and in vivo, only the enzyme activity is comprehensively detected in the mixture, and this is compared with the data of the peptide library, and the peptide secretion is secreted. Biometric information on homeostasis, which is a process of generation and decomposition, can be obtained, which can contribute to personal health care.

以下、本発明の一実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の参考例に係るバイオチップにおける酵素活性検知部の酵素活性検出原理を示す模式図である。
図中、1は酸化珪素やガラス等で平板状に機械的あるいは化学的に製溝された部分(試料溶液流路)を備えたチップ基板、2はチップ基板1にペプチド結合等で直接結合した4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)等の蛍光基、3は蛍光基2とペプチド結合で結合されたアミノ酸,ペプチド等のオリゴペプチド、4は蛍光基2とオリゴペプチド3の結合を選択的に切断するセリンプロテアーゼ等の基質特異性を有する酵素、5は酵素4によって選択的にオリゴペプチド3が遊離されたことにより蛍光波長等が変化した7−アミノ−メチルクマリン(AMC)等の蛍光基である。以上のように構成される酵素活性検出部は、公知のペプチド合成の手法を用いて合成され、チップ基板1上に結合される。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an enzyme activity detection principle of an enzyme activity detector in a biochip according to a reference example of the present invention.
In the figure, 1 is a chip substrate having a portion (sample solution flow path) that is mechanically or chemically formed into a flat plate shape with silicon oxide or glass, and 2 is directly bonded to the chip substrate 1 by a peptide bond or the like. Fluorescent group such as 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA), 3 is an amino peptide bonded to fluorescent group 2 by peptide bond, oligopeptide such as peptide, 4 selectively binds fluorescent group 2 to oligopeptide 3 An enzyme having substrate specificity, such as serine protease to be cleaved, 5 is a fluorescent group such as 7-amino-methylcoumarin (AMC) whose fluorescence wavelength has been changed by selective release of oligopeptide 3 by enzyme 4. is there. The enzyme activity detection unit configured as described above is synthesized by using a known peptide synthesis technique and is bonded onto the chip substrate 1.

以下、図1を参照して酵素活性の検出原理について説明する。
図1(a)に示す4−メチルクマリル−7−アミド(MCA)等の蛍光基2は特定波長領域において非蛍光物質であり蛍光を示さない。このチップ基板1に酵素4を含む試料溶液を接触させ反応させると、基質特異性を有する酵素4は、蛍光基2とオリゴペプチド3との間のペプチド結合を切断する(図1(b)参照)。
オリゴペプチド3が遊離した蛍光基5は7−アミノ−メチルクマリン(AMC)等の該特定波長領域における蛍光物質となり、蛍光波長又は所定の波長における蛍光強度は、オリゴペプチド3とペプチド結合した蛍光基2とは異なるので、蛍光強度等の変化を指標として酵素活性を検出することができる(図1(c)参照)。
Hereinafter, the principle of detecting enzyme activity will be described with reference to FIG.
The fluorescent group 2 such as 4-methylcoumaryl-7-amide (MCA) shown in FIG. 1A is a non-fluorescent substance in a specific wavelength region and does not exhibit fluorescence. When the sample solution containing the enzyme 4 is brought into contact with the chip substrate 1 and reacted, the enzyme 4 having substrate specificity cleaves the peptide bond between the fluorescent group 2 and the oligopeptide 3 (see FIG. 1B). ).
The fluorescent group 5 from which the oligopeptide 3 is released becomes a fluorescent substance in the specific wavelength region such as 7-amino-methylcoumarin (AMC), and the fluorescence wavelength or the fluorescence intensity at a predetermined wavelength is a fluorescent group that is peptide-bonded to the oligopeptide 3 Therefore, the enzyme activity can be detected using a change in fluorescence intensity or the like as an index (see FIG. 1 (c)).

なお、ここでは蛍光基2がチップ基板1に直接結合された場合について説明したが、蛍光基2をアミノ酸,ペプチド等を介してチップ基板1に結合させる場合もある。これにより、チップ基板1と酵素作用点との距離を適正化することができ、チップ基板1の影響を受けずに酵素活性をより正確に検出することができるという作用が得られる。なお、この場合、蛍光基2とチップ基板1との間のアミノ酸,ペプチド等は酵素特異性を有しない分子又は化合物で合成する。酵素が作用して蛍光基2がチップ基板1から遊離するのを防止するためである。   Although the case where the fluorescent group 2 is directly bonded to the chip substrate 1 has been described here, the fluorescent group 2 may be bonded to the chip substrate 1 via an amino acid, a peptide, or the like. As a result, the distance between the chip substrate 1 and the enzyme action point can be optimized and the enzyme activity can be detected more accurately without being affected by the chip substrate 1. In this case, amino acids, peptides and the like between the fluorescent group 2 and the chip substrate 1 are synthesized with molecules or compounds having no enzyme specificity. This is to prevent the fluorescent group 2 from being released from the chip substrate 1 by the action of the enzyme.

図2は、図1とは異なる配置構成を有した本発明の一実施の形態における酵素活性検知部の模式図である。
図2において、6はチップ基板1にその一端が固定化された第1のオリゴペプチド、7はオリゴペプチド6の側鎖に導入された第1の蛍光基、8はペプチド結合で第1のオリゴペプチド6と結合した第2のオリゴペプチド、9は第2のオリゴペプチドに結合し第1の蛍光基7と蛍光共鳴エネルギー移動を起こす第2の蛍光基、7aは蛍光共鳴エネルギー移動によって本来観察されるはずの第2の蛍光基9の蛍光が減衰し、代わりに蛍光が観察されるようになった第1の蛍光基である。
ここで、蛍光共鳴エネルギー移動とは、ある2つの蛍光化合物が距離的に近い位置に存在するとき、その2つの蛍光化合物のうちの一方(ドナーという)の蛍光スペクトルと他方(アクセプターという)の励起スペクトルとが重なりをもつ場合、ドナーの励起波長のエネルギーを当てると本来観察されるはずのドナーの蛍光が減衰し、代わりにアクセプターの蛍光が観察される現象をいう。
この酵素活性検知部では、酵素4によって第2のオリゴペプチドが遊離されて2つの蛍光化合物が距離的に遠い位置に存在することになったため、本来観察されるはずの第2の蛍光基9の蛍光が減衰し、代わりに第1の蛍光基7の蛍光が観察され(7a)、酵素活性を検出することができる。
FIG. 2 is a schematic diagram of an enzyme activity detection unit according to an embodiment of the present invention having an arrangement configuration different from that in FIG.
In FIG. 2, 6 is a first oligopeptide having one end immobilized on the chip substrate 1, 7 is a first fluorescent group introduced into the side chain of the oligopeptide 6, 8 is a peptide bond and the first oligopeptide A second oligopeptide bound to peptide 6, 9 is a second fluorescent group that binds to the second oligopeptide and causes fluorescence resonance energy transfer with the first fluorescent group 7, and 7a is originally observed by fluorescence resonance energy transfer. This is the first fluorescent group in which the fluorescence of the second fluorescent group 9 that should be attenuated is attenuated and fluorescence is observed instead.
Here, the fluorescence resonance energy transfer means that when two fluorescent compounds are present at positions close to each other, the fluorescence spectrum of one of the two fluorescent compounds (referred to as a donor) and the excitation of the other (referred to as an acceptor). When there is an overlap with the spectrum, this is a phenomenon in which the donor fluorescence that should be observed is attenuated when the excitation wavelength energy of the donor is applied, and the acceptor fluorescence is observed instead.
In this enzyme activity detection unit, the second oligopeptide is released by the enzyme 4 and the two fluorescent compounds are located far away from each other. Therefore, the second fluorescent group 9 that should originally be observed is detected. The fluorescence is attenuated, and the fluorescence of the first fluorescent group 7 is observed instead (7a), and the enzyme activity can be detected.

ここで、第1の蛍光基7、第2の蛍光基9としては、蛍光共鳴エネルギー移動が起こるドナーとアクセプターの組合せを用いることができる。例えば、第1の蛍光基7(又は第2の蛍光基9)の蛍光波長と重なる波長域に吸収帯をもつ原子団である第2の蛍光基9(又は第1の蛍光基7)が用いられる。具体的には、(7−メトキシクマリン−4−イル)アセチル(MOAc),アントラニロイルベンジル(ABz),N−メチルアントラニル酸(Nma)等とジニトロフェニル(Dnp)の組合せ、DabsylとEDANS(5−(2'-アミノエチル)アミノナフタレン−1−スルホン酸)の組合せ、トリプトファン(Trp)と5−ジメチルアミノ−1−ナフタレンスルホン酸(Dns)の組合せ、カルボキシジクロロフルオレセイン(CDCF)とカルボキシメチルローダミン(CTMR)の組合せ、カルボキシジクロロフルオレセイン(CDCF)とカルボキシX−ローダミン(CXR)の組合せ、ルシファーイエロー(LY)とカルボキシメチルローダミン(CTMR)の組合せ等が用いられる。
これらのドナーやアクセプターのいずれが第1の蛍光基7になっても第2の蛍光基9になっても構わない。第1の蛍光基7にスペクトル変化が生じれば酵素活性の測定指標にすることができるからである。
なお、第1のオリゴペプチド6の側鎖に導入された第1の蛍光基7と第2のオリゴペプチド8に各々結合した第1の蛍光基7と第2の蛍光基9の結合部間の長さは、100Å以下であることが望ましい。この距離が長くなるにつれ蛍光共鳴エネルギー移動が小さくなり蛍光強度等の変化が小さくなる傾向がみられ、100Åより長くなるとこの傾向が著しく蛍光強度の変化が著しく小さくなり感度が低下するからである。
このように酵素活性検知部を構成することにより、個々のアミノ酸に対する基質特異性が高くなく、むしろ比較的長いペプチド鎖を切断作用に必要とするエラスターゼ等の酵素の検出を容易に行うことができ検出感度を高めることができる。
Here, as the first fluorescent group 7 and the second fluorescent group 9, a combination of a donor and an acceptor in which fluorescence resonance energy transfer occurs can be used. For example, the second fluorescent group 9 (or the first fluorescent group 7) which is an atomic group having an absorption band in a wavelength region overlapping with the fluorescent wavelength of the first fluorescent group 7 (or the second fluorescent group 9) is used. It is done. Specifically, the combination of (7-methoxycoumarin-4-yl) acetyl (MOAc), anthraniloylbenzyl (ABz), N-methylanthranilic acid (Nma) and the like and dinitrophenyl (Dnp), Dabsyl and EDANS ( 5- (2′-aminoethyl) aminonaphthalene-1-sulfonic acid), tryptophan (Trp) and 5-dimethylamino-1-naphthalenesulfonic acid (Dns), carboxydichlorofluorescein (CDCF) and carboxymethyl A combination of rhodamine (CTMR), a combination of carboxydichlorofluorescein (CDCF) and carboxy X-rhodamine (CXR), a combination of lucifer yellow (LY) and carboxymethyl rhodamine (CTMR), and the like are used.
Any of these donors and acceptors may be the first fluorescent group 7 or the second fluorescent group 9. This is because if a spectral change occurs in the first fluorescent group 7, it can be used as a measurement index of enzyme activity.
In addition, between the coupling | bond part of the 1st fluorescence group 7 and the 2nd fluorescence group 9 which were each couple | bonded with the 1st fluorescence group 7 and the 2nd oligopeptide 8 which were introduce | transduced into the side chain of the 1st oligopeptide 6 The length is desirably 100 mm or less. This is because as the distance becomes longer, the fluorescence resonance energy transfer becomes smaller and the change in the fluorescence intensity or the like tends to become smaller.
By configuring the enzyme activity detection unit in this way, it is possible to easily detect an enzyme such as elastase which has a low substrate specificity for each amino acid and rather requires a relatively long peptide chain for its cleaving action. Detection sensitivity can be increased.

(実施の形態1)
図3は以上の酵素活性検出原理が適用される本発明の実施の形態1におけるバイオチップの模式斜視図であり、図4は試料溶液流路に配列された酵素活性検知部の状態を示す模式図である。
図3において、10は本発明の実施の形態1におけるバイオチップ、11はバイオチップ10を構成して全体が略矩形板状に形成されたチップ基板、12はその全体が渦巻き状となってチップ基板11上に溝状に形成された試料溶液流路、13は試料溶液流路12内にセル状、スポット状に形成されそれぞれ所定の酵素活性を有して所定順で配置された酵素活性検知部、14は試料溶液流路12の外端側に設けられ試料溶液が供給される略矩形状の液供給部、15は試料溶液流路12の排出側となる渦巻き中心側に略円形状に設けられた液貯留部である。
バイオチップ10は、その全体が略矩形板状(一辺の長さ約20〜30mm、厚み約2mm)のガラス質やポリスチレン樹脂質などからなるチップ基板11に、流路幅約0.5mm、深さ約0.1mmの流路断面と有効流路長さ約90mmを有して互いに流路間隔0.5mmで渦巻き状に形成された試料溶液流路12を備えている。なお、液供給部14は一辺が約2.5mmの略正方形状に形成され、このような試料溶液流路12の有効容積は約4.5μLである。
このチップ基板11上の液供給部14に採取された血液サンプルなどの試料溶液が供給されて試料溶液流路12を毛管現象等によって順次移動して酵素活性検知部13に接触して試料溶液中に含まれる各酵素の活性や抗体反応性などの特性が検出されるようにしている。
(Embodiment 1)
FIG. 3 is a schematic perspective view of the biochip according to the first embodiment of the present invention to which the above-described enzyme activity detection principle is applied, and FIG. 4 is a schematic diagram showing the state of the enzyme activity detection unit arranged in the sample solution flow path. FIG.
In FIG. 3, 10 is a biochip according to the first embodiment of the present invention, 11 is a chip substrate constituting the biochip 10 and formed in a substantially rectangular plate shape, and 12 is a chip that is spirally formed as a whole. A sample solution flow path 13 formed in the shape of a groove on the substrate 11 is formed in a cell shape and a spot shape in the sample solution flow path 12, and each has a predetermined enzyme activity and is arranged in a predetermined order. , 14 is a substantially rectangular liquid supply portion provided on the outer end side of the sample solution flow path 12 to which the sample solution is supplied, and 15 is substantially circular on the spiral center side which is the discharge side of the sample solution flow path 12 It is the liquid storage part provided.
The biochip 10 as a whole is formed on a chip substrate 11 made of glass or polystyrene resin having a substantially rectangular plate shape (length of about 20 to 30 mm on one side and thickness of about 2 mm), a flow path width of about 0.5 mm, and a depth. A sample solution channel 12 having a channel cross section of about 0.1 mm and an effective channel length of about 90 mm and formed in a spiral shape with a channel interval of 0.5 mm is provided. The liquid supply unit 14 is formed in a substantially square shape with a side of about 2.5 mm, and the effective volume of the sample solution channel 12 is about 4.5 μL.
A sample solution such as a blood sample collected in the liquid supply unit 14 on the chip substrate 11 is supplied, and sequentially moves through the sample solution flow path 12 by capillary action or the like to come into contact with the enzyme activity detection unit 13 to be in the sample solution. Characteristics such as the activity and antibody reactivity of each enzyme contained in are detected.

酵素活性検知部13は、チップ基板11上に渦巻き状に形成された試料溶液流路12の底部にセル状、窪み状又は平坦なスポット状サイトとして形成され、それぞれ異なる酵素活性を備えたものが互いに所定間隔をおいて順次配列されるように構成されている。
酵素活性検知部13は、図3及び図4に示すように略溝状に形成された試料溶液流路12の底面にその一端側が結合される蛍光基Kと、蛍光基Kの他端側に結合され例えばA〜Dの4サイトに配置されるアミノ酸配列からなるオリゴペプチドとで構成される。
蛍光基Kは例えばアミノメチルクマリン系蛍光基であって、各オリゴペプチドとの結合状態によって異なる蛍光特性を有する。なお、必要に応じてチップ基板11をシランカップリング剤などで化学修飾処理して、蛍光基Kがチップ基板11の試料溶液流路12内に結合されるようにして、チップ基板11との結合の安定性と耐久性を高めることができる。
The enzyme activity detection unit 13 is formed as a cell-like, dent-like or flat spot-like site at the bottom of the sample solution flow path 12 formed in a spiral shape on the chip substrate 11 and has different enzyme activities. It is configured to be sequentially arranged at a predetermined interval.
As shown in FIGS. 3 and 4, the enzyme activity detector 13 includes a fluorescent group K whose one end is coupled to the bottom surface of the sample solution channel 12 formed in a substantially groove shape, and the other end of the fluorescent group K. It is comprised with the oligopeptide which consists of an amino acid sequence couple | bonded and arrange | positioned, for example at 4 sites of AD.
The fluorescent group K is, for example, an aminomethylcoumarin fluorescent group, and has different fluorescent characteristics depending on the binding state with each oligopeptide. If necessary, the chip substrate 11 is chemically modified with a silane coupling agent or the like so that the fluorescent group K is bonded into the sample solution flow path 12 of the chip substrate 11 so that the chip substrate 11 is bonded. Stability and durability can be increased.

蛍光基Kに接合するオリゴペプチドのA〜Dの各サイトには例えば、ala:アラニン、pro:プロリン、lys:リジン、phe:フェニルアラニンの内のいずれかの組み合わせからなるペプチド鎖が設定されるようにしている。
オリゴペプチドは例えば、(1)ala−pro−lys−phe、(2)pro−lys−phe−ala、(3)lys−phe−ala−pro、(4)phe−ala−pro−lysのようなアミノ酸配列に設定され、このような各アミノ酸配列に対応して、オリゴペプチドが結合される蛍光基の結合部の酵素特異性が規定されるようにしている。
For example, a peptide chain composed of any combination of ala: alanine, pro: proline, lys: lysine, and phe: phenylalanine is set at each site A to D of the oligopeptide conjugated to the fluorescent group K. I have to.
Examples of oligopeptides include (1) ala-pro-lys-phe, (2) pro-lys-phe-ala, (3) lys-phe-ala-pro, and (4) phe-ala-pro-lys. The amino acid sequence is set so that the enzyme specificity of the binding part of the fluorescent group to which the oligopeptide is bound is defined corresponding to each amino acid sequence.

各アミノ酸配列は、ペプチドをC末端から伸長していく固相法等の通常のペプチド合成法により合成することができる。また、目的とするアミノ酸配列のC末端側からN末端側へ逐次伸長していく逐次伸長法や、複数の短いペプチド断片を合成しペプチド断片間のカップリングにより伸長させる断片縮合法等を用いることができる。また、公知のペプチド合成機を用いて9−フルオレニルメチルオキシカルボニル(Fmoc)アミノ酸やt−ブチルオキシカルボニル(Boc)アミノ酸等を導入して合成することもできる。さらに、プロテアーゼを用いてペプチド結合を生成したり、遺伝子工学的手法を用いて合成することもできる。
さらに、ペプチド結合を形成するための縮合方法としては、例えば、アジド法、酸クロライド法、酸無水物法、混合酸無水物法、DCC法、DCC−アディティブ法、活性エステル法、カルボニルジイミダゾール法、酸化還元法、ウッドワード試薬Kを用いる方法等が用いられる。また、縮合反応を行う前に、公知の手段によりアミノ酸やペプチド中の反応に関与しないカルボキシル基、アミノ基等を保護したり、また反応に関与するカルボキシル基,アミノ基を活性化させたりしておくこともできる。
Each amino acid sequence can be synthesized by a normal peptide synthesis method such as a solid phase method in which the peptide is extended from the C-terminus. Also, use a sequential extension method that sequentially extends from the C-terminal side to the N-terminal side of the target amino acid sequence, or a fragment condensation method that synthesizes a plurality of short peptide fragments and extends them by coupling between peptide fragments. Can do. Moreover, 9-fluorenylmethyloxycarbonyl (Fmoc) amino acid, t-butyloxycarbonyl (Boc) amino acid, etc. can also be synthesize | combined using a well-known peptide synthesizer. Furthermore, a peptide bond can be generated using a protease, or it can be synthesized using a genetic engineering technique.
Furthermore, as a condensation method for forming a peptide bond, for example, azide method, acid chloride method, acid anhydride method, mixed acid anhydride method, DCC method, DCC-additive method, active ester method, carbonyldiimidazole method , A redox method, a method using Woodward reagent K, and the like are used. In addition, before the condensation reaction, the carboxyl group and amino group which are not involved in the reaction in amino acids and peptides can be protected by known means, or the carboxyl group and amino group involved in the reaction can be activated. It can also be left.

こうして、図4に示すようにアミノ酸配列の可能な組合せをそれぞれ有したS1〜Snの酵素活性検知部13を試料溶液流路12の底部に、例えば以下のように配列する。
S1:蛍光基−オリゴペプチド(1)(ala−pro−lys−phe)
S2:蛍光基−オリゴペプチド(2)(pro−lys−phe−ala)
S3:蛍光基−オリゴペプチド(3)(lys−phe−ala−pro)
S4:蛍光基−オリゴペプチド(4)(phe−ala−pro−lys)


Sn:蛍光基−オリゴペプチド(n)
このようにS1〜Snの酵素活性検知部が配列された試料溶液流路12に試料溶液を流して酵素活性検知部13と接触させることにより、試料溶液中の酵素やタンパク質がそれぞれ異なる酵素特異性が付与されたオリゴペプチドと蛍光基間の結合に作用してこの結合を切断する。この切断に伴う蛍光基の蛍光特性変化を光学的に検出することにより、渦巻き状に形成された試料溶液流路12を、試料溶液に固有の蛍光パターンとして表すことができる。
なお、S1〜Snにおけるオリゴペプチドのアミノ酸配列は、各アミノ酸配列についてその酵素活性などの特性や挙動が既知である必要はなく、バイオチップ10として特定のユニークな配列のものであればよい。このため、S1〜Snには、例えば周期的パターンを含むような規則配列やランダム配列のものなどが含まれる。
Thus, as shown in FIG. 4, the S1-Sn enzyme activity detectors 13 each having a possible combination of amino acid sequences are arranged at the bottom of the sample solution channel 12 as follows, for example.
S1: Fluorescent group-oligopeptide (1) (ala-pro-lys-phe)
S2: fluorescent group-oligopeptide (2) (pro-lys-phe-ala)
S3: fluorescent group-oligopeptide (3) (lys-phe-ala-pro)
S4: fluorescent group-oligopeptide (4) (phe-ala-pro-lys)


Sn: fluorescent group-oligopeptide (n)
In this way, by flowing the sample solution through the sample solution flow path 12 in which the enzyme activity detection units of S1 to Sn are arranged and contacting with the enzyme activity detection unit 13, the enzymes and proteins in the sample solution have different enzyme specificities. Acts on the bond between the oligopeptide to which is attached and the fluorescent group, thereby cleaving this bond. By optically detecting the fluorescence characteristic change of the fluorescent group accompanying this cutting, the sample solution flow path 12 formed in a spiral shape can be expressed as a fluorescence pattern unique to the sample solution.
In addition, the amino acid sequence of the oligopeptide in S1 to Sn does not need to be known in terms of characteristics and behavior such as enzyme activity for each amino acid sequence, and may be of a specific unique sequence as the biochip 10. For this reason, S1-Sn includes, for example, a regular array or a random array including a periodic pattern.

試料溶液流路12は、チップ基板11が酸化珪素やガラス質である場合にはエッチング加工などにより形成される。また、チップ基板11が合成樹脂などである場合にはエンボス加工、レーザビーム加工、マシンニングセンタを用いた研削加工などにより形成されるが、所定形状の金型を用いて合成樹脂を出発原料として射出成形やプレス成形などにより製造することもできる。
溝状に形成される試料溶液流路12の深さは約10〜200μm、幅は10〜1000μmの範囲とすることが好ましい。これは流路の深さや幅がそれぞれの下限値より小さくなると、試料溶液の粘性で流路が閉塞されたり、測定感度が不足するような傾向が現れ、逆に深さや幅がそれぞれの上限値より大きくなると、チップ基板上の酵素活性検知部の集積度が不足してチップ基板上に形成させる蛍光パターンの特定が困難になる傾向が生じるからである。
The sample solution channel 12 is formed by etching or the like when the chip substrate 11 is made of silicon oxide or glass. Further, when the chip substrate 11 is made of synthetic resin or the like, it is formed by embossing, laser beam processing, grinding using a machining center, or the like. It can also be manufactured by injection molding or press molding.
The depth of the sample solution flow path 12 formed in a groove shape is preferably about 10 to 200 μm, and the width is preferably in the range of 10 to 1000 μm. If the depth and width of the flow path become smaller than the lower limit values, the flow path will be blocked due to the viscosity of the sample solution, or the measurement sensitivity will be insufficient. This is because when the size is larger, the degree of integration of the enzyme activity detection unit on the chip substrate becomes insufficient, and it becomes difficult to specify the fluorescent pattern to be formed on the chip substrate.

液供給部14はチップ基板11の辺側に配置されて不織布フィルタやメンブレンフィルムなどの血液中の赤血球などを除去するフィルタを設けることもできる。これによって、供給される試料溶液中の赤血球や白血球などを濾過して試料溶液の粘性等を調整することができるので、試料溶液流路12の壁部に付着して流路が閉塞されるのを効果的に防止できる。   The liquid supply unit 14 may be provided on the side of the chip substrate 11 and may be provided with a filter that removes red blood cells in blood such as a nonwoven fabric filter and a membrane film. As a result, red blood cells, white blood cells, and the like in the supplied sample solution can be filtered to adjust the viscosity of the sample solution, so that the flow path is blocked by adhering to the wall of the sample solution flow path 12. Can be effectively prevented.

続いて、以上のように構成されたバイオチップ10に適用される試料溶液の機能性検査方法について、図4に示す酵素活性検知部の特定酵素に対する動作模式図を参照しながら説明する。
まず、それぞれ固有の酵素活性を有する酵素活性検知部13をチップ基板11上に渦巻き状に形成された試料溶液流路12の各サイトS1〜Snにそれぞれ所定パターンで配置したバイオチップ10を用意して、試料溶液供給工程において、このバイオチップ10の液供給部14に血液などの試料溶液を所定流量や温度の条件で供給する。これによって、液供給部14に供給された血液成分等が試料溶液流路12に供給されて、各S1〜Snのサイトの酵素活性検知部13に毛管現象等を利用して順次接触させることができる。
こうして、図示するように血液成分中の特定の酵素に対して感応性を有したオリゴペプチドと蛍光基との結合部分が切断され、蛍光基の蛍光特性が切断前の状態(ここではαとする)から切断後の状態(ここではβとする)に変化する。この結果、試料溶液流路12に沿うS1〜Snのサイトにおける蛍光基の状態は、その初期状態X(α、α、α、α、α・・・・・・)から、例えば検知状態Y(α、β、α、α、β・・・・・・・)のように表される。
Next, a method for testing the functionality of the sample solution applied to the biochip 10 configured as described above will be described with reference to a schematic operation diagram for a specific enzyme of the enzyme activity detector shown in FIG.
First, a biochip 10 is prepared in which enzyme activity detectors 13 each having a unique enzyme activity are arranged in a predetermined pattern at each site S1 to Sn of a sample solution flow path 12 formed in a spiral shape on a chip substrate 11. In the sample solution supply step, a sample solution such as blood is supplied to the liquid supply unit 14 of the biochip 10 at a predetermined flow rate and temperature. As a result, the blood component or the like supplied to the liquid supply unit 14 is supplied to the sample solution flow path 12 and sequentially brought into contact with the enzyme activity detection unit 13 at each of the sites S1 to Sn using capillary action or the like. it can.
Thus, as shown in the figure, the binding part between the oligopeptide having sensitivity to a specific enzyme in the blood component and the fluorescent group is cleaved, and the fluorescence characteristic of the fluorescent group is in a state before cleaving (here, α). ) To the state after cutting (here, β). As a result, the state of the fluorescent group at the sites S1 to Sn along the sample solution flow path 12 is changed from the initial state X (α, α, α, α, α,...), For example, to the detection state Y ( .alpha., .beta., .alpha., .alpha., .beta.

次のデータ取得工程においては、試料溶液流路12上の酵素活性検知部13毎における蛍光変化により形成されるチップ基板11上の二次元蛍光イメージをイメージセンサなどで取得して、その特定波長域を除去するフィルタで処理することにより、その時系列データ又は所定時間後の結果データを得ることができる。   In the next data acquisition step, a two-dimensional fluorescence image on the chip substrate 11 formed by the fluorescence change in each enzyme activity detection unit 13 on the sample solution flow path 12 is acquired by an image sensor or the like, and the specific wavelength range is obtained. The time series data or the result data after a predetermined time can be obtained by processing with a filter that removes.

データ判定工程においては、前記時系列データ又は所定時間後の結果データを、予め同一測定条件で各種のサンプルについて測定蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的判定手段などにより各ライブラリデータとのパターン適合度を判定して、各種の病理学的知見などを迅速かつ的確に得ることができる。   In the data determination step, the time series data or the result data after a predetermined time is compared with library data measured and accumulated for various samples in advance under the same measurement conditions, and each library is detected by a pattern recognition unit or a statistical determination unit. The degree of pattern matching with data can be determined, and various pathological findings can be obtained quickly and accurately.

以上説明したように、バイオチップ10を用いる試料溶液の機能性検査方法では、血液や尿等を含む試料溶液を検査対象とし、酵素特異性を付与するオリゴペプチドでアレイ化された試料溶液流路に導いて反応させる。この酵素反応の結果を蛍光強度を検出するイメージセンサで取得して、この取得されたデータをライブラリデータと比較して、試料溶液に含まれるプロテアーゼ混合物の活性を網羅的に検出することができる。また、試料溶液流路12が渦巻状に形成されているので、毛管現象等で試料溶液流路12内を移動する試料溶液の速度を略一定にでき、取得した時系列データの再現性に優れ、さらに分岐せずひと続きなので、試料液体流路12における液供給部14からの道のりの長さと蛍光強度等とを1対1の関係で表すことができ、ライブラリデータとの比較を容易に行うことができる。
このようにプロテアーゼを網羅的に検出して、ペプチド性ホルモンの分泌、生成、分解過程からなるホメオスターシスなどに関する生体情報が得られるので、これを個人のヘルスケアに効率的に活用することができる。
こうして、バイオチップを用いた試料溶液の機能性検査方法を、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究的分野に適用して、複数の酵素の活性を高速で、かつ少量のサンプルで測定することができる。
As described above, in the sample solution functionality testing method using the biochip 10, the sample solution flow path arrayed with oligopeptides that impart enzyme specificity with the sample solution containing blood, urine, etc. as the test target Lead to react. The result of the enzyme reaction can be acquired by an image sensor that detects fluorescence intensity, and the acquired data can be compared with library data to comprehensively detect the activity of the protease mixture contained in the sample solution. Further, since the sample solution flow path 12 is formed in a spiral shape, the speed of the sample solution moving in the sample solution flow path 12 due to capillary action or the like can be made substantially constant, and the reproducibility of the acquired time series data is excellent. Further, since it continues without branching, the length of the path from the liquid supply unit 14 in the sample liquid channel 12 and the fluorescence intensity can be expressed in a one-to-one relationship, and comparison with the library data is facilitated. be able to.
In this way, comprehensive detection of proteases provides biological information on homeostasis, which is a process of secretion, production, and degradation of peptide hormones, which can be used efficiently for personal health care. .
In this way, the functional test method for sample solutions using biochips is applied to medical fields such as pathological diagnosis and research fields such as proteome analysis, so that the activity of multiple enzymes can be increased at high speed and in small quantities. Can be measured with a sample.

次に、イメージセンサを用いてバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性を測定する具体的な構成について説明する。
図5は実施の形態1におけるバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性をイメージセンサを用いて測定する場合の構成図である。
図5において、20はバイオチップ10の上部に配置されレンズ21を介してチップ基板11上の酵素活性検知部13における二次元データを取得するためのイメージセンサである。このように、イメージセンサ20をチップ基板11から離して置く形態のものでは、酵素活性検知部13の蛍光基の状態変化がレンズ21などの光学系を介してイメージセンサ20上に結像して読み取られる。
Next, a specific configuration for measuring the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip using an image sensor will be described.
FIG. 5 is a configuration diagram when the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip in Embodiment 1 is measured using an image sensor.
In FIG. 5, reference numeral 20 denotes an image sensor which is arranged on the biochip 10 and acquires two-dimensional data in the enzyme activity detection unit 13 on the chip substrate 11 via the lens 21. As described above, in the configuration in which the image sensor 20 is placed away from the chip substrate 11, the state change of the fluorescent group of the enzyme activity detection unit 13 forms an image on the image sensor 20 through the optical system such as the lens 21. Read.

以上のように実施の形態1におけるバイオチップは構成されているので、チップ基板11の試料溶液流路12に酵素を含む極微量の試料溶液を導入させチップ基板11の蛍光強度等を測定するだけで酵素活性を検出することができる。さらに、個別の試料ごとに基板に溶液を注入するセル等を形成する必要がなく酵素活性検知部13及び試料溶液流路12を微小化できるので、チップ基板11において酵素の検出部の集積度を飛躍的に高めることができる。
また、酵素を含む極微量の試料溶液を使用するだけで酵素活性を検出することができるので、測定の際に多量の試料溶液を必要とせず、微量の試料溶液でも酵素活性の検出を行うことができる。
As described above, since the biochip in the first embodiment is configured, only a very small amount of sample solution containing an enzyme is introduced into the sample solution channel 12 of the chip substrate 11 and the fluorescence intensity of the chip substrate 11 is measured. To detect enzyme activity. Furthermore, since it is not necessary to form a cell or the like for injecting the solution into the substrate for each individual sample, the enzyme activity detection unit 13 and the sample solution flow channel 12 can be miniaturized, so that the integration degree of the enzyme detection unit on the chip substrate 11 can be increased. It can be improved dramatically.
In addition, since enzyme activity can be detected simply by using a very small amount of sample solution containing an enzyme, a large amount of sample solution is not required for measurement, and enzyme activity can be detected even with a small amount of sample solution. Can do.

(実施の形態2)
図6はチップ基板をイメージセンサ上に直接配置してバイオチップに導入される試料溶液の酵素活性を測定する場合の本発明の実施の形態2におけるバイオチップの模式図である。
図6において、22は酵素活性検知部13が試料溶液流路12内に配列されたチップ基板11の表面に配置された透光性を有する保護層としてのフィルタであり、酵素活性検知部13の励起波長は通過させるが蛍光波長は遮断するような選択性を有している。23はチップ基板11の背面に配置されたフィルタであり、酵素活性検知部13の蛍光波長は通過させるが励起波長は遮断するような選択性を有している。24はチップ基板11の裏面側にフィルタ23を介して配設されたCCD等のイメージセンサである。
なお、本実施の形態においては、チップ基板11は透光性を有するガラス製等で形成されている。
これにより、実施の形態2におけるバイオチップは、酵素活性検知部13の蛍光を密着配置されたイメージセンサ24の検出素子でそのまま読み取ることができるので、レンズ等の光学系を要さずコンパクト化することができる。
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a schematic diagram of the biochip in Embodiment 2 of the present invention when the enzyme activity of the sample solution introduced into the biochip is measured by arranging the chip substrate directly on the image sensor.
In FIG. 6, reference numeral 22 denotes a filter as a light-transmitting protective layer disposed on the surface of the chip substrate 11 in which the enzyme activity detection unit 13 is arranged in the sample solution flow path 12. The selectivity is such that the excitation wavelength is allowed to pass but the fluorescence wavelength is blocked. Reference numeral 23 denotes a filter disposed on the back surface of the chip substrate 11 and has a selectivity that allows the fluorescence wavelength of the enzyme activity detector 13 to pass but blocks the excitation wavelength. Reference numeral 24 denotes an image sensor such as a CCD disposed on the back side of the chip substrate 11 via a filter 23.
In the present embodiment, the chip substrate 11 is made of translucent glass or the like.
As a result, the biochip in the second embodiment can be made compact without requiring an optical system such as a lens, because the fluorescence of the enzyme activity detector 13 can be read as it is with the detection element of the image sensor 24 arranged in close contact. be able to.

図7は実施の形態2におけるイメージセンサを積層させたバイオチップの変形例を示す模式図である。
図7において、30は実施の形態2における変形例のバイオチップ、31は酸化珪素からなる透光性を有するチップ基板、32はチップ基板31に溝状にエッチング等で形成された試料溶液流路、32aは試料溶液流路32内に配列された酵素活性検知部、33は試料溶液流路32の開口面を覆うように配置され所定波長の蛍光を透過させるためのガラスまたは有機物からなる上部フィルタ、34はチップ基板31の裏面側に下部フィルタ35を介して積層配置されたCMOS素子等が集積化されたイメージセンサ基板、36はイメージセンサ基板34の表面を保護する酸化珪素層であり、イメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成する際に絶縁層(保護層)としてCVD等の手段で形成されたものである。
なお、上部フィルタ33は酵素活性検知部32aの励起波長は通過させるが蛍光波長は遮断するような選択性を有しており、下部フィルタ35は酵素活性検知部32aの蛍光波長は通過させるが励起波長は遮断するような選択性を有している。
また、チップ基板31はイメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成する際に絶縁層(保護層)としてCVD等の手段で形成された酸化珪素層と同様に、CVD等で形成されている。
以上のように構成された本実施の形態におけるバイオチップ30は、イメージセンサ基板34の酸化珪素層36上に直接配置された下部フィルタ35の投影面上にチップ基板31の酵素活性検知部32aが位置するように構成されており、チップ基板31をイメージセンサ基板34のCMOS素子等を形成するのと同様の半導体製造技術を用いて製造されているので、製造工程が短縮できるという作用が得られる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing a modification of the biochip in which the image sensors in Embodiment 2 are stacked.
In FIG. 7, 30 is a biochip according to a modification of the second embodiment, 31 is a translucent chip substrate made of silicon oxide, and 32 is a sample solution channel formed in the chip substrate 31 by etching or the like in a groove shape. 32a is an enzyme activity detector arranged in the sample solution flow path 32, and 33 is an upper filter made of glass or organic material that is disposed so as to cover the opening surface of the sample solution flow path 32 and transmits fluorescence of a predetermined wavelength. , 34 is an image sensor substrate in which CMOS elements and the like are stacked on the back side of the chip substrate 31 via a lower filter 35, and 36 is a silicon oxide layer that protects the surface of the image sensor substrate 34. When the CMOS element or the like of the sensor substrate 34 is formed, the insulating layer (protective layer) is formed by means such as CVD.
The upper filter 33 has such selectivity that the excitation wavelength of the enzyme activity detector 32a is allowed to pass but the fluorescence wavelength is blocked, and the lower filter 35 is excited to pass the fluorescence wavelength of the enzyme activity detector 32a. The wavelength has such selectivity that it blocks.
The chip substrate 31 is formed by CVD or the like, similar to a silicon oxide layer formed by means such as CVD as an insulating layer (protective layer) when forming a CMOS element or the like of the image sensor substrate 34.
In the biochip 30 according to the present embodiment configured as described above, the enzyme activity detection unit 32a of the chip substrate 31 is provided on the projection surface of the lower filter 35 disposed directly on the silicon oxide layer 36 of the image sensor substrate 34. Since the chip substrate 31 is manufactured by using the same semiconductor manufacturing technology as that for forming the CMOS element or the like of the image sensor substrate 34, the manufacturing process can be shortened. .

以下、本発明を実施例を参照してさらに具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例で説明するアミノ酸、ペプチド、保護基、溶媒等は、当該技術分野で慣用されている略号又はIUPAC-IUBの命名委員会で採用された略号を使用する。
例えば、以下の略号を使用している。Ala:アラニン、Pro:プロリン、Lys:リジン、Phe:フェニルアラニン、Aca:アミノカプロン酸、Ac:アセチル、ACC:7−アミノ−4−カルボキシメチルクマリン、Boc:t−ブチルオキシカルボニル、Lys(Boc):側鎖t-ブチルオキシカルボニル保護リジン、DCC:ジシクロヘキシルカルボジイミド、DCM:ジクロロメタン、DIEA:N,N−ジイソプロピルエチルアミン、DMF:N,N−ジメチルホルムアミド、EtOH:エタノール、Fmoc:9−フルオレニルメチルオキシカルボニル、HATU:o−(7−アザベンゾトリアゾール−1−イル)−1,1,3,3−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート、HBTU:o−(ベンゾトリアゾール−1−イル)−1,1,3,3−テトラメチルウロニウムヘキサフルオロホスフェート、HOAt:1−ヒドロキシ−7−アゾベンゾトリアゾール、HOBt:1−ヒドロキシベンゾトリアゾール、TFA:トリフルオロ酢酸。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. The present invention is not limited to these examples.
For the amino acids, peptides, protecting groups, solvents, and the like described in the present Examples, abbreviations commonly used in the technical field or abbreviations adopted by the IUPAC-IUB naming committee are used.
For example, the following abbreviations are used. Ala: alanine, Pro: proline, Lys: lysine, Phe: phenylalanine, Aca: aminocaproic acid, Ac: acetyl, ACC: 7-amino-4-carboxymethylcoumarin, Boc: t-butyloxycarbonyl, Lys (Boc): Side chain t-butyloxycarbonyl protected lysine, DCC: dicyclohexylcarbodiimide, DCM: dichloromethane, DIEA: N, N-diisopropylethylamine, DMF: N, N-dimethylformamide, EtOH: ethanol, Fmoc: 9-fluorenylmethyloxy Carbonyl, HATU: o- (7-azabenzotriazol-1-yl) -1,1,3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate, HBTU: o- (benzotriazol-1-yl) -1,1 , 3,3-tetramethyluronium hexafluorophosphate, HOAt: 1-hydroxy-7-azoben Triazole, HOBt: 1-hydroxybenzotriazole, TFA: trifluoroacetic acid.

実施例1では、酵素活性検知部を形成させるための予備実験として、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合球状基板を合成して酵素(トリプシンとキモトリプシン)に対する活性の測定を行った。以下、その方法について説明する。
なお、このような球状基板を、渦巻き状などに形成された試料溶液流路の酵素活性検知部S1〜Snとなる各領域に充填配置してバイオチップを構成することができる。
<ペプチジル蛍光基結合球状基板の合成>
基板としては球状の市販のNH-PEGA-resin(渡辺化学工業製)を用いた。固相合成用ベッセルを垂直に固定し、NH-PEGA-resin(0.05 mmol/g, 0.5 g)を入れてベッセルのコックを開いた状態でDMF(10 ml)を流し溶媒を置換した。次いで、ベッセルのコックを閉じ、Fmoc-Aca-OH (0.13 mmol, 44 mg), HBTU(0.13 mmol, 48 mg), DIEA(0.13 mmol, 0.022ml)をDMF(2 ml)に溶解させて加え、一晩反応させた。反応後、コックを開きDMF(10 ml)および メタノール(10 ml)で洗浄し、Fmoc-Aca-PEGA resinを得た。
In Example 1, as a preliminary experiment for forming an enzyme activity detection unit, a peptidyl fluorescent group-bound spherical substrate was synthesized as an enzyme activity detection substrate, and the activity on enzymes (trypsin and chymotrypsin) was measured. The method will be described below.
In addition, a biochip can be configured by filling and arranging such a spherical substrate in each region to be the enzyme activity detection units S1 to Sn of the sample solution flow path formed in a spiral shape or the like.
<Synthesis of peptidyl fluorescent group-bonded spherical substrate>
As a substrate, spherical NH 2 -PEGA-resin (manufactured by Watanabe Chemical Industry) was used. The vessel for solid phase synthesis was fixed vertically, NH 2 -PEGA-resin (0.05 mmol / g, 0.5 g) was added, DMF (10 ml) was allowed to flow with the vessel cock open, and the solvent was replaced. Then close the vessel cock and add Fmoc-Aca-OH (0.13 mmol, 44 mg), HBTU (0.13 mmol, 48 mg), DIEA (0.13 mmol, 0.022 ml) dissolved in DMF (2 ml), Reacted overnight. After the reaction, the cock was opened and washed with DMF (10 ml) and methanol (10 ml) to obtain Fmoc-Aca-PEGA resin.

次に、ベッセル中のFmoc-Aca-PEGA resin(0.05 mmol/g, 0.5 g)に、コックを開いた状態でDMF(10 ml)を流し、溶媒置換および洗浄を行った。コックを閉じて20%ピペリジン/DMFを入れ、30分反応させ、脱Fmocを行った。その後、コックを開いて20%ピペリジン/DMFを除去し、次いでDMF(10 ml) を用いて洗浄した。次に、コックを閉じた状態でFmoc-Aca-OH(3 eq), HATU(3 eq), HOAt(3eq), DIEA(5eq)をDMF(2 ml)に溶解させて加え、3時間反応させた。その後コックを開け、DMF(10 ml),メタノール(10 ml)を用いて洗浄し、基板(PEGA resin)に結合部(Aca-Aca-)が結合したFmoc-Aca-Aca-PEGA resinを得た。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml)で1回洗浄した後、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Lys(Boc)-ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg, 54 mmol), HOBt・H2O (8.3 mg, 54 mmol)を加え24 時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させて蛍光基(ACC)が結合部(Aca-Aca-)に結合したFmoc-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- PEGA resin を得た。
その後、DMF (1 ml)で1回洗浄し、DIEA (32 ml, 183 mmol) および無水酢酸(8.5 ml, 90 mmol)をDMF (1 ml)に希釈して加え1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、 DCM (1 ml)で3回洗浄を行い、未反応物のアセチル化を行った。
Next, DMF (10 ml) was allowed to flow through the Fmoc-Aca-PEGA resin (0.05 mmol / g, 0.5 g) in the vessel with the cock open, and solvent substitution and washing were performed. The cock was closed and 20% piperidine / DMF was added and reacted for 30 minutes to remove Fmoc. The cock was then opened to remove 20% piperidine / DMF and then washed with DMF (10 ml). Next, with the cock closed, Fmoc-Aca-OH (3 eq), HATU (3 eq), HOAt (3 eq), and DIEA (5 eq) were dissolved in DMF (2 ml) and allowed to react for 3 hours. It was. The cock was then opened and washed with DMF (10 ml) and methanol (10 ml) to obtain Fmoc-Aca-Aca-PEGA resin in which the binding part (Aca-Aca-) was bound to the substrate (PEGA resin). .
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 mL). After washing three times with DCM (1 ml) and once with DMF (1 ml), Fmoc-Lys (Boc) -ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg , 54 mmol), HOBt · H 2 O (8.3 mg, 54 mmol) was added and allowed to react for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give a fluorescent group. Fmoc-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin in which (ACC) was bound to the binding site (Aca-Aca-) was obtained.
Then, it was washed once with DMF (1 ml), DIEA (32 ml, 183 mmol) and acetic anhydride (8.5 ml, 90 mmol) were diluted in DMF (1 ml) and stirred for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to acetylate the unreacted product.

次いで、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄しFmoc-Pro-Lys(Boc)- ACC-Aca-Aca- PEGA resinを得た。
以下、Fmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resin にFmoc-Ala-OHを用いて同様の操作を繰り返しペプチドを伸長し、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)が結合したAla-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resinを得た。その後、コックを閉じてDIEA (2.5 mmol, 0.435 ml),無水酢酸(1.25 mmol, 0.117 ml)をDMF(2 ml)に希釈して加え1時間反応させて結合部の末端基がアセチル化されたAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resinを得た。
ベッセルにAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-PEGA resin(0.05 mmol, 0.5 mg)を入れ、コックを開いた状態でDCM(10 ml)を流し溶媒を置換した後、コックを閉じて25%TFA/DCM(2 ml)を入れ、30分反応させ、脱Bocを行った後、DCM(10 ml),H2O (10 ml)を用いて洗浄し、目的とする実施例1のペプチジル蛍光基結合球状基板(Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin)を得た。
Subsequently, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin.
Hereinafter, Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin was used to repeat the same procedure using Fmoc-Ala-OH, and the peptide was extended to attach the binding moiety (Ala-Ala -Pro-Lys) bound to Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin. Then, the cock was closed and DIEA (2.5 mmol, 0.435 ml) and acetic anhydride (1.25 mmol, 0.117 ml) were diluted in DMF (2 ml) and reacted for 1 hour to acetylate the terminal group of the bond. Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin was obtained.
Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-PEGA resin (0.05 mmol, 0.5 mg) was placed in the vessel, and DCM (10 ml) was flowed with the cock open to replace the solvent. Then, close the cock and add 25% TFA / DCM (2 ml), react for 30 minutes, remove Boc, wash with DCM (10 ml), H2O (10 ml) The peptidyl fluorescent group-bonded spherical substrate (Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin) of Example 1 was obtained.

<酵素活性の測定>
96ウェルの蛍光測定用マイクロプレートのウェルA〜Dに、実施例1の酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合球状基板Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resinと以下の溶液を入れ、実験開始時の蛍光値と30分後の蛍光値との差を測定した。蛍光値は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで測定した。
A:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )240 μl、トリプシン(1 mg/1 ml)から10μl
B:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )240 μl、キモトリプシン(1 mg/1 ml)から10 μl
C:Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )250 μl
D:20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2 )250 μl,
なお、ウェルAとウェルBとの異なる点は酵素の種類であり、ウェルA(又はウェルB)とウェルCとの異なる点は酵素の有無であり、ウェルA(又はウェルB,C)とウェルDとの異なる点は酵素活性検出用基板の有無である。
各ウェルについて実験開始時の蛍光値と30分後の蛍光値との差を(表1)に示す。
<Measurement of enzyme activity>
The peptidyl fluorescent group-bound spherical substrate Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin as the enzyme activity detection substrate of Example 1 was added to wells A to D of a 96-well fluorescence measurement microplate. The following solutions were added, and the difference between the fluorescence value at the start of the experiment and the fluorescence value after 30 minutes was measured. The fluorescence value was measured at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm using a WALLAC ARVO ™ SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer).
A: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 240 μl, trypsin (1 mg / 1 ml) to 10 μl
B: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 240 μl, chymotrypsin (1 mg / 1 ml) to 10 μl
C: Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-PEGA resin (wet) 5 mg, 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2) 250 μl
D: 250 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2),
The difference between well A and well B is the type of enzyme, and the difference between well A (or well B) and well C is the presence or absence of an enzyme. Well A (or well B, C) and well The difference from D is the presence or absence of a substrate for enzyme activity detection.
The difference between the fluorescence value at the start of the experiment and the fluorescence value after 30 minutes is shown in Table 1 for each well.

(表1)のウェルA,BとウェルCの蛍光値を比較して、実施例1の酵素活性検出用基板は、トリプシンが存在するウェルAでは約315倍、キモトリプシンが存在するウェルBでは約10倍異なることが確認された。これにより、実施例1の酵素活性検出用基板を適用して酵素の量や酵素の種類等に対応した酵素活性の検出が可能であることが示された。また、ウェルAとウェルBの蛍光値を比較して、実施例1の酵素活性検出用基板は、トリプシンの場合の蛍光値がキモトリプシンの場合の蛍光値と比較して約30倍以上大きいことが確認された。これは、実施例1の酵素活性検出用基板の蛍光基と結合する結合部のアミノ酸がリジンであり、トリプシンは主にリジンのC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有していることから発現したものであると推察される。一方、キモトリプシンは主に芳香族アミノ酸残基のC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有しているため、反応前後の蛍光値の変化が小さかったと推察される。
これにより、実施例1の酵素活性検出用基板は酵素によって特異性を有するため、活性を有する酵素の定性分析が可能であることが示された。また、同一の種類の酵素活性検出用基板に同一種類の酵素を含有する検体溶液を接触させ所定時間後における蛍光値を測定すれば、蛍光値の変化は酵素の作用を受けて修飾された分子の数に対応するので、酵素の定量分析が可能であると推察された。
Comparing the fluorescence values of wells A and B and well C in Table 1, the enzyme activity detection substrate of Example 1 was about 315 times in well A where trypsin was present, and about 315 times in well B where chymotrypsin was present. It was confirmed that the difference was 10 times. Thus, it was shown that the enzyme activity corresponding to the amount of enzyme, the type of enzyme, and the like can be detected by applying the enzyme activity detection substrate of Example 1. Further, comparing the fluorescence values of well A and well B, the enzyme activity detection substrate of Example 1 has a fluorescence value in the case of trypsin that is approximately 30 times or more larger than that in the case of chymotrypsin. confirmed. This is because the amino acid of the binding part that binds to the fluorescent group of the enzyme activity detection substrate of Example 1 is lysine, and trypsin has the specificity of selectively cleaving the peptide bond mainly on the C-terminal side of lysine. It is guessed that it was expressed from On the other hand, chymotrypsin mainly has the specificity of selectively cleaving the peptide bond on the C-terminal side of the aromatic amino acid residue, so it is presumed that the change in fluorescence value before and after the reaction was small.
Accordingly, it was shown that the enzyme activity detection substrate of Example 1 has specificity depending on the enzyme, so that qualitative analysis of the enzyme having activity is possible. In addition, if a sample solution containing the same type of enzyme is brought into contact with the same type of enzyme activity detection substrate and the fluorescence value is measured after a predetermined time, the change in the fluorescence value is affected by the action of the enzyme. It was speculated that quantitative analysis of the enzyme was possible.

実施例2では、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板を合成して酵素の活性測定を行った。以下、その方法について説明する。なお、以下に述べる合成方法を適用して酵素活性検知部を形成でき、試料溶液流路の各領域にそれぞれ異なる酵素特異性を有した酵素活性検知部を所定パターンで配列することができる。   In Example 2, an enzyme activity was measured by synthesizing a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate as a substrate for enzyme activity detection. The method will be described below. The enzyme activity detector can be formed by applying the synthesis method described below, and enzyme activity detectors having different enzyme specificities can be arranged in a predetermined pattern in each region of the sample solution flow path.

<ペプチジル蛍光基結合平面基板の合成>
基板としては、ペプチド合成用多板状合成樹脂製担体(ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標))を1プレートだけ切り離し平面状とした合成樹脂製担体を用いた。
スクリュー管に基板としての合成樹脂製担体lantern 1個 (ミモートプス社D-series, 導入率18 mmol / 個) を入れ、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌しFmoc基の除去を行った。DCM (1 ml)で3回、DMF (1 ml) で洗浄した後、Fmoc-Aca-OH(19 mg 54 mmol), DCC (17 mg 81 mmol), HOBt・H2O (8 mg 54 mmol)をDMF (1 ml)に溶解させて加え24時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させてFmoc-Aca-lanternを得た。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Aca-OH (19 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄し、基板(lantern)に結合部(Aca-Aca)の一端が固定化されたFmoc-Aca-Aca-lanternを得た。
<Synthesis of a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate>
As the substrate, a synthetic resin carrier made by separating only one plate from a multi-plate synthetic resin carrier for peptide synthesis (Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotops Co., Ltd.) was used.
Put one synthetic resin carrier lantern (Mimotops D-series, introduction rate 18 mmol / piece) as a substrate in the screw tube and stir for 30 minutes with 20% piperidine / DCM (1 mL) to remove the Fmoc group. Went. After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Aca-OH (19 mg 54 mmol), DCC (17 mg 81 mmol), HOBt · H2O (8 mg 54 mmol) were DMF. It was dissolved in (1 ml) and added to react for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give Fmoc- Obtained Aca-lantern.
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Aca-OH (19 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Aca-Aca-lantern with one end of the binding site (Aca-Aca) immobilized on the substrate (lantern) It was.

次いで、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基の除去を行った。DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml)で1回洗浄してlanternを膨潤させ、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Lys(Boc)-ACC-OH (36 mg, 54 mmol), DCC (11 mg, 54 mmol), HOBt・H2O (8.3 mg, 54 mmol)を加え24 時間反応させた。反応終了後、DMF (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回、EtOH (1 ml)で2回、DCM (1 ml)で2回洗浄した後、減圧下乾燥させて結合部(Aca-Aca)に蛍光基(ACC)が結合したFmoc-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
その後、DMF (1 ml)で1回洗浄し、DIEA (32 ml, 183 mmol) および無水酢酸(8.5 ml, 90 mmol)をDMF (1 ml)に希釈して加え1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、 DCM (1 ml)で3回洗浄を行い、未反応物のアセチル化を行った。
次に、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol), DIEA (16 ml, 90 mmol) をDMF (1 ml)に溶解させて加え1時間反応させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回洗浄しFmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
Subsequently, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 mL). Fmoc-Lys (Boc) -ACC-OH (36 mg, 54 mmol), washed with DCM (1 ml) three times and DMF (1 ml) once to swell lantern and dissolved in DMF 1 ml, DCC (11 mg, 54 mmol) and HOBt · H2O (8.3 mg, 54 mmol) were added and reacted for 24 hours. After completion of the reaction, it was washed twice with DMF (1 ml), twice with DCM (1 ml), twice with EtOH (1 ml) and twice with DCM (1 ml), and then dried under reduced pressure to give a binding site. Fmoc-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern in which a fluorescent group (ACC) was bound to (Aca-Aca) was obtained.
Then, it was washed once with DMF (1 ml), DIEA (32 ml, 183 mmol) and acetic anhydride (8.5 ml, 90 mmol) were diluted in DMF (1 ml) and stirred for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to acetylate the unreacted product.
Next, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing 3 times with DCM (1 ml) and DMF (1 ml), Fmoc-Pro-OH (18 mg, 54 mmol), HATU (20 mg, 54 mmol), HOAt (7 mg, 54 mmol) ), DIEA (16 ml, 90 mmol) was dissolved in DMF (1 ml) and reacted for 1 hour. Then, it was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml) to obtain Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern.

以下、Fmoc-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca-lantern にFmoc-Ala-OHを用いて同様の操作を2回繰り返してペプチドを伸長させ、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)が結合したFmoc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- lanternを得た。
その後、20%ピペリジン/DCM (1 ml) を用いて30分撹拌してFmoc基 の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、DMF (1 ml) 洗浄を行った後、DMF (1 mL)、DIEA 32 ml (183 mmol) および無水酢酸8.5 ml(90 mmol) をDMF (1 mL)に希釈して加え、1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml)で3回、DCM (1 ml)で3回lanternを洗浄し、25% TFA/DCMを用いて30分反応させてBoc基の除去を行った。その後、DCM(1 ml)で3回、H2O (1 ml)で5回、DCM(1 ml)で3回洗浄し、減圧乾燥を行い、結合部(Ala-Ala-Pro-Lys)の末端基がアセチル化されたAc-Ala-Ala-Pro-Lys(Boc)-ACC-Aca-Aca- lanternを得た。
25%TFA/DCM(1ml)を用いてLys側鎖のBoc基を除去し、目的とする実施例2の酵素活性検出用基板(Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca-lantern)を得た。
Hereinafter, Fmoc-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern was repeated twice using Fmoc-Ala-OH to elongate the peptide, and bound to the fluorescent group (ACC) (Ala Fmoc-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern to which -Ala-Pro-Lys) was bound was obtained.
Thereafter, the Fmoc group was removed by stirring for 30 minutes using 20% piperidine / DCM (1 ml). After washing with DMF (1 ml) 3 times with DCM (1 ml), DMF (1 mL), DIEA 32 ml (183 mmol) and acetic anhydride 8.5 ml (90 mmol) were added to DMF (1 mL). Diluted and added for 1 hour. Thereafter, the lantern was washed 3 times with DMF (1 ml) and 3 times with DCM (1 ml), and reacted with 25% TFA / DCM for 30 minutes to remove the Boc group. Then, wash 3 times with DCM (1 ml), 5 times with H2O (1 ml), 3 times with DCM (1 ml), dry under reduced pressure, and end group of the binding site (Ala-Ala-Pro-Lys) Ac-Ala-Ala-Pro-Lys (Boc) -ACC-Aca-Aca-lantern was obtained in which was acetylated.
The Boc group of Lys side chain was removed using 25% TFA / DCM (1 ml), and the target enzyme activity detection substrate of Example 2 (Ac-Ala-Ala-Pro-Lys-ACC-Aca-Aca- lantern).

<酵素活性の測定>
実施例2の酵素活性検出用基板に、20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2)を100 μl, メタノール100 μl, トリプシン(1 mg/1 ml)を 50 μl加え、反応前と反応後の蛍光値を測定した。蛍光値は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで測定した。
その結果、初期蛍光値は39000、18時間反応後の蛍光値は145000であり、蛍光値が約4倍変化することが確認された。これにより、基板としてlanternを用いた実施例2の酵素活性検出用基板においても、活性を有する酵素の検出が可能であることが示された。
<Measurement of enzyme activity>
100 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2), 100 μl of methanol, and 50 μl of trypsin (1 mg / 1 ml) were added to the enzyme activity detection substrate of Example 2 and reacted. The fluorescence values before and after the reaction were measured. The fluorescence value was measured at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm using a WALLAC ARVO ™ SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer).
As a result, the initial fluorescence value was 39000, the fluorescence value after reaction for 18 hours was 145000, and it was confirmed that the fluorescence value changed about 4 times. Thereby, it was shown that the enzyme having activity can be detected even in the enzyme activity detection substrate of Example 2 using lantern as the substrate.

実施例3では、酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板を合成して酵素の活性測定を行った。以下、その方法について説明する。
<ペプチジル蛍光基結合平面基板の合成>
基板としては、ペプチド合成用多板状合成樹脂製担体(ミモートプス社製ランタンシリーズ(登録商標))を1プレートだけ切り離して平面状とした合成樹脂製担体を用いた。
スクリュー管に基板としての合成樹脂製担体lantern 1個 (ミモートプス社D-series, 導入率18 mmol / 個) を入れ、20%ピペリジン / DCM (1 mL) を用いて30分撹拌しFmoc基を切り出した。 DCM洗浄 (1 ml×3) 後、DMF (1 ml×1) でlanternを膨潤させDMF 1 mlに溶解させたFmoc-Aca-OH 20.0 mg (56.6 mmol), DCC 17.5 mg (84.5 mmol), HOBt・H2O 8.8 mg (57.5 mmol)を加え23時間撹拌した。DMF (1 ml×2), DCM (1 ml×2), DCM / EtOH = 1:1 (1 ml×2), EtOH (1 ml×2), DCM (1 ml×1), ジエチルエーテル(1 ml×1)で樹脂を洗浄した後乾燥させ、Fmoc-Aca-lanternを得た。
In Example 3, an enzyme activity was measured by synthesizing a peptidyl fluorescent group-bonded flat substrate as a substrate for enzyme activity detection. The method will be described below.
<Synthesis of a peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate>
As the substrate, a synthetic resin carrier made flat by separating only one plate from a multi-plate synthetic resin carrier for peptide synthesis (Lantern series (registered trademark) manufactured by Mimotopus Co., Ltd.) was used.
Put 1 lantern of synthetic resin carrier lantern (Mimotops D-series, introduction rate 18 mmol / piece) into the screw tube and stir for 30 minutes with 20% piperidine / DCM (1 mL) to cut out the Fmoc group. It was. Fmoc-Aca-OH 20.0 mg (56.6 mmol), DCC 17.5 mg (84.5 mmol), HOBt in which lantern was swollen with DMF (1 ml × 1) and dissolved in 1 ml of DMF after DCM washing (1 ml × 3) -H2O 8.8 mg (57.5 mmol) was added and it stirred for 23 hours. DMF (1 ml x 2), DCM (1 ml x 2), DCM / EtOH = 1: 1 (1 ml x 2), EtOH (1 ml x 2), DCM (1 ml x 1), diethyl ether (1 The resin was washed with ml × 1) and dried to obtain Fmoc-Aca-lantern.

次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を切り出しDCM洗浄 (1 ml×3)した後、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Aca-OH 23.0mg (65.1mmol), HATU 21.6 mg (56.8 mmol), HOAt 8.1 mg (59.5 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) を加え1時間撹拌させた。DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3) で洗浄し基板(lantern)に結合部(Aca-Aca)の一端が固定化されたFmoc-Aca-Aca-lanternを得た。次いで、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3)を行ってH-Aca-Aca-lanternを得た。
次いで、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Phe-ACC-OH(33.4 mg 56.7 mmol)、DCC 12.5 mg (60.6 mmol), HOBt・H2O 8.9 mg (58.0 mmol)を加え22時間撹拌した。DMF (1 ml×2), DCM (1 ml×2), DCM / EtOH = 1:1 (1 ml×2), EtOH (1 ml×2), DCM (1 ml×1), ジエチルエーテル(1 ml×1)で洗浄後、乾燥させ結合部(Aca-Aca)に蛍光基(ACC)が結合したFmoc-Phe-ACC-Aca-Aca-Lanternを得た。
Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to excise the Fmoc group, washed with DCM (1 ml × 3), and then 23.0 mg of Fmoc-Aca-OH dissolved in 1 ml of DMF ( 65.1 mmol), HATU 21.6 mg (56.8 mmol), HOAt 8.1 mg (59.5 mmol), and DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) were added and stirred for 1 hour. The plate was washed with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3) to obtain Fmoc-Aca-Aca-lantern in which one end of the binding portion (Aca-Aca) was immobilized on the substrate (lantern). Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, and washed with DCM (1 ml × 3) to obtain H-Aca-Aca-lantern.
Subsequently, Fmoc-Phe-ACC-OH (33.4 mg 56.7 mmol), DCC 12.5 mg (60.6 mmol), HOBt * H2O 8.9 mg (58.0 mmol) dissolved in 1 ml of DMF were added and stirred for 22 hours. DMF (1 ml x 2), DCM (1 ml x 2), DCM / EtOH = 1: 1 (1 ml x 2), EtOH (1 ml x 2), DCM (1 ml x 1), diethyl ether (1 After washing with ml × 1), drying was performed to obtain Fmoc-Phe-ACC-Aca-Aca-Lantern in which the fluorescent group (ACC) was bound to the binding portion (Aca-Aca).

次に、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3)した。次いで、DMF 1 mlに溶解させたFmoc-Pro-OH 24.7mg (73.2 mmol), HATU 21.4 mg (56.2 mmol), HOAt 8.2 mg (60.2 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) を加え1時間撹拌させた後、DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3)で洗浄しFmoc-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
以下、これと同様の操作を行ってFmoc-Ala-OHを2回導入し、蛍光基(ACC)に結合部(Ala-Ala-Pro-Phe)が結合したFmoc-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
その後、20%ピペリジン/DCM (1 mL) を用いて30分撹拌してFmoc基を除去し、DCM洗浄 (1 ml×3) 後、DMF (1 mL)、DIEA 32 ml (183 mmol) および無水酢酸8.5 ml(90 mmol) を加え、1時間撹拌させた。その後、DMF (1 ml×3), DCM (1 ml×3) で洗浄を行い、結合部(Ala-Ala-Pro-Phe)の末端基をアセチル化して、目的とする実施例3の酵素活性検出用基板としてのペプチジル蛍光基結合平面基板Ac-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lanternを得た。
Next, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, and washed with DCM (1 ml × 3). Next, Fmoc-Pro-OH 24.7 mg (73.2 mmol), HATU 21.4 mg (56.2 mmol), HOAt 8.2 mg (60.2 mmol), DIEA 15.7 ml (90.2 mmol) dissolved in DMF 1 ml were added and stirred for 1 hour. After washing with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3), Fmoc-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lantern was obtained.
Thereafter, Fmoc-Ala-OH was introduced twice by introducing Fmoc-Ala-Pro-Phe with the binding moiety (Ala-Ala-Pro-Phe) bound to the fluorescent group (ACC). -Obtained ACC-Aca-Aca-lantern.
Then, the mixture was stirred with 20% piperidine / DCM (1 mL) for 30 minutes to remove the Fmoc group, washed with DCM (1 ml × 3), DMF (1 mL), DIEA 32 ml (183 mmol) and anhydrous Acetic acid 8.5 ml (90 mmol) was added and allowed to stir for 1 hour. Thereafter, washing with DMF (1 ml × 3) and DCM (1 ml × 3) is performed, and the terminal group of the binding site (Ala-Ala-Pro-Phe) is acetylated to achieve the target enzyme activity of Example 3 A peptidyl fluorescent group-bonded planar substrate Ac-Ala-Ala-Pro-Phe-ACC-Aca-Aca-lantern was obtained as a detection substrate.

<酵素活性の測定>
蛍光測定用マイクロプレートのウェルA,Cに実施例2の酵素活性検出用基板(導入率2μmol/基板)を、ウェルB,Dに実施例3の酵素活性検出用基板(導入率2μmol/基板)を入れ、各々に20 mM Tris HCl buffer(pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl2)を100 μl, メタノール100 μlを加え、さらに以下の酵素50μgを加えて反応させた。
A:キモトリプシン
B:キモトリプシン
C:トリプシン
D:トリプシン
測定は、WALLAC ARVOTM SX 1420 マルチラベルカウンタ(パーキンエルマー製)を用いて励起波長370nm、蛍光波長460nmで、酵素を加える前の蛍光値と酵素を加えてから30分後の蛍光値とを測定し、その差を求めた。
各ウェルにおける算出された蛍光値の差を(表2)に示す。
<Measurement of enzyme activity>
The substrate for enzyme activity detection of Example 2 (introduction rate 2 μmol / substrate) in wells A and C of the microplate for fluorescence measurement, and the substrate for enzyme activity detection in Example 3 (introduction rate 2 μmol / substrate) in wells B and D Each was added with 100 μl of 20 mM Tris HCl buffer (pH 7.2, 100 mM NaCl, 50 mM CaCl 2) and 100 μl of methanol, and further 50 μg of the following enzyme was added and reacted.
A: Chymotrypsin B: Chymotrypsin C: Trypsin D: Trypsin The measurement was performed using a WALLAC ARVOTM SX 1420 multilabel counter (manufactured by PerkinElmer) at an excitation wavelength of 370 nm and a fluorescence wavelength of 460 nm. The fluorescence value after 30 minutes was measured and the difference was obtained.
The difference in the fluorescence value calculated in each well is shown in (Table 2).

表2によれば、キモトリプシンに対しては、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸が芳香族アミノ酸の1種のフェニルアラニンである実施例3の酵素活性検出用基板で大きな蛍光値の変化が確認された。また、トリプシンに対しては、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸がリジンである実施例2の酵素活性検出用基板で大きな蛍光値の変化が確認された。これらの変化の差は、キモトリプシンは主に芳香族アミノ酸残基のC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有しており、トリプシンは主にリジンのC末端側のペプチド結合を選択的に切断する特異性を有していることから発現したものであると推察される。これにより、蛍光基と結合する結合部のアミノ酸の種類を変えることにより、酵素の種類に対する活性検出能を変えられることが明らかになった。   According to Table 2, for chymotrypsin, a large change in the fluorescence value was confirmed on the enzyme activity detection substrate of Example 3 in which the amino acid at the binding portion that binds to the fluorescent group was one kind of phenylalanine of the aromatic amino acid. It was. In addition, for trypsin, a large change in fluorescence value was confirmed on the enzyme activity detection substrate of Example 2 in which the amino acid at the binding site that binds to the fluorescent group was lysine. The difference between these changes is that chymotrypsin has the specificity of selectively cleaving peptide bonds mainly on the C-terminal side of aromatic amino acid residues, and trypsin mainly reduces peptide bonds on the C-terminal side of lysine. It is presumed that it was expressed because of its specificity for selective cleavage. As a result, it became clear that the activity detection ability for the type of enzyme can be changed by changing the type of amino acid at the binding site that binds to the fluorescent group.

通常のペプチド合成用レジン1gにAca 0.3 mmolを実施例1のようにして導入し、これを361個のグループに分けた。このそれぞれのレジンにペプチド合成装置を用いてACCを導入し、ついでシステインを除く19種類のアミノ酸残基を2回導入し、最後に脱保護後アセチル基でキャッピングを行った。これにより361種類のペプチドを樹脂上で合成した。
各樹脂からペプチドを切り出し、361種類のC端無保護ペプチドを得た。
ガラス基板上、あるいはイメージセンサ上の保護層(絶縁層)として構築された酸化珪素層の(チップ基板)上にエッチングで流路幅500μm、流路深さ100μmの渦巻き状の試料溶液流路を形成した。なお、試料供給部として深さ100μm、縦横の長さが2.5mm正方の凹部をエッチングで試料溶液流路の一端部に連設形成した。
この試料溶液流路内の全面をアミノ基でコーティングし、ここに上記の酵素活性検知部としての361種類のペプチドを縮合剤(HATU)を用いて導入した。導入にはギルソン社製の自動スポッター(型式:222XL)を用い、1種類のペプチドは流路幅500μmの中心の約200μmの円内に導入し、約100μmの間隔をあけて他の種類のペプチドを次々に導入した。
このペプチドを導入した試料溶液流路の上面に、蓋(保護層)をかねて蛍光励起光を透過するフィルタ(350±10nmより長い波長を遮断するもの)を圧着した。イメージセンサ基板に蛍光発光フィルタ(450±10nmより短い波長を遮断するもの)を接着し、さらにその上にチップ基板を配置して実施の形態2で説明したものと同様のバイオチップを製造した。
0.3 g of Aca was introduced into 1 g of ordinary resin for peptide synthesis as in Example 1 and divided into 361 groups. ACC was introduced into each of these resins using a peptide synthesizer, then 19 kinds of amino acid residues except cysteine were introduced twice, and finally capping with an acetyl group was performed after deprotection. Thereby, 361 kinds of peptides were synthesized on the resin.
Peptides were cut out from each resin to obtain 361 types of C-terminal unprotected peptides.
On a glass substrate or a silicon oxide layer (chip substrate) constructed as a protective layer (insulating layer) on an image sensor, a spiral sample solution flow path having a flow path width of 500 μm and a flow path depth of 100 μm is formed by etching. Formed. In addition, as a sample supply portion, a concave portion having a depth of 100 μm and a vertical and horizontal length of 2.5 mm was continuously formed at one end portion of the sample solution flow channel by etching.
The entire surface of the sample solution flow channel was coated with amino groups, and 361 types of peptides as the enzyme activity detection unit were introduced into the sample solution flow channel using a condensing agent (HATU). For the introduction, an automatic spotter (model: 222XL) manufactured by Gilson was used, and one kind of peptide was introduced into a circle of about 200 μm at the center of a flow path width of 500 μm, and another kind of peptide was spaced at an interval of about 100 μm. Peptides were introduced one after the other.
A filter (which cuts off wavelengths longer than 350 ± 10 nm) that presses the cover (protective layer) and transmits fluorescence excitation light was pressure-bonded to the upper surface of the sample solution flow channel into which the peptide was introduced. A fluorescent chip (which cuts off wavelengths shorter than 450 ± 10 nm) was adhered to the image sensor substrate, and a chip substrate was further disposed thereon to manufacture a biochip similar to that described in the second embodiment.

テスト用の試料として、トリプシンを中心とした酵素群1と、キモトリプシンを中心とした酵素群2の溶液(20nM、5mM HEPES pH7.4)を準備した。これを上記のバイオチップ2つにマイクロシリンジを用いてそれぞれ導入し、導入開始時点からのイメージセンサの出力を記録した。
イメージセンサの出力から各スポット(酵素活性検知部)の蛍光強度をそれぞれ10msec毎に算出し、それを元に各スポット毎の酵素活性(蛍光強度)を計算した。
As a test sample, a solution of enzyme group 1 centered on trypsin and enzyme group 2 centered on chymotrypsin (20 nM, 5 mM HEPES pH 7.4) was prepared. This was introduced into each of the two biochips using a microsyringe, and the output of the image sensor from the start of introduction was recorded.
The fluorescence intensity of each spot (enzyme activity detection unit) was calculated every 10 msec from the output of the image sensor, and the enzyme activity (fluorescence intensity) for each spot was calculated based on that.

図8は各スポットを構成するアミノ酸ごとにその蛍光強度をプロットしたグラフである。図8においてx軸及びy軸はそれぞれのアミノ酸の組み合わせ配列を示し、z軸はこのアミノ酸の組み合わせに対応したそれぞれの蛍光強度を示している。
図8から同一の酵素活性検知部の配列を有するバイオチップで出力された蛍光強度のパターンが酵素群1と酵素群2では異なることが確認された。これにより、例えば、人の体液を試料溶液として用い、その酵素活性を本発明のバイオチップを用いて定期的にイメージデータとして検出することにより、体液中の酵素活性が変化しているか否かを網羅的にモニタリングすることができ、病理学的診断等を的確かつ迅速に行うことができることが確認された。
FIG. 8 is a graph in which the fluorescence intensity is plotted for each amino acid constituting each spot. In FIG. 8, the x-axis and the y-axis indicate the combination sequences of the respective amino acids, and the z-axis indicates the fluorescence intensity corresponding to the combination of the amino acids.
From FIG. 8, it was confirmed that the fluorescence intensity patterns output from the biochips having the same enzyme activity detection unit array differ between enzyme group 1 and enzyme group 2. Thus, for example, by using human body fluid as a sample solution and detecting the enzyme activity as image data periodically using the biochip of the present invention, it is determined whether or not the enzyme activity in the body fluid has changed. It was confirmed that comprehensive monitoring was possible and pathological diagnosis and the like could be performed accurately and promptly.

本発明のバイオチップは、病理、医療、創薬、食品、および環境等の分野で関連する酵素やタンパク質、遺伝子を含む試料溶液の解析に適用して、その酵素活性などの特性データを網羅的に評価特定することができ、病理学的診断などの医学的分野やプロテオーム解析等の研究に資することができる。   The biochip of the present invention is applied to the analysis of sample solutions containing enzymes, proteins, and genes related in the fields of pathology, medical care, drug discovery, food, and environment, and comprehensively includes characteristic data such as enzyme activity. Can be evaluated and specified, and can contribute to medical fields such as pathological diagnosis and research such as proteome analysis.

酵素活性検知部の酵素活性検出原理を示す模式図Schematic diagram showing the enzyme activity detection principle of the enzyme activity detector 異なる配置構成を有した酵素活性検知部の模式図Schematic diagram of enzyme activity detector with different arrangement 実施の形態1におけるバイオチップの模式斜視図Schematic perspective view of the biochip in the first embodiment 試料溶液流路に配列された酵素活性検知部の状態を示す模式図Schematic diagram showing the state of the enzyme activity detectors arranged in the sample solution flow path 実施の形態1におけるバイオチップに導入された試料溶液の酵素活性をイメージセンサを用いて測定する場合の構成図Configuration diagram for measuring enzyme activity of sample solution introduced into biochip in embodiment 1 using image sensor 実施の形態2におけるバイオチップの模式図Schematic diagram of biochip in embodiment 2 実施の形態2におけるバイオチップの変形例を示す模式図Schematic diagram showing a modification of the biochip in the second embodiment アミノ酸の組み合わせごとに蛍光強度をプロットしたグラフGraph plotting fluorescence intensity for each amino acid combination

符号の説明Explanation of symbols

1 チップ基板
2 蛍光基
3 オリゴペプチド
4 酵素
5 蛍光波長が変化した蛍光基
6 オリゴペプチド
7 第1の蛍光基
7a 蛍光が観察されるようになった第1の蛍光基
8 第2のオリゴペプチド
9 第2の蛍光基
10 バイオチップ
11 チップ基板
12 試料溶液流路
13 酵素活性検知部
14 液供給部
15 液貯留部
20 イメージセンサ
21 レンズ
22,23 フィルタ
24 イメージセンサ
30 バイオチップ
31 チップ基板
32 試料溶液流路
32a 酵素活性検知部
33 上部フィルタ
34 イメージセンサ基板
35 下部フィルタ
36 酸化珪素層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Chip substrate 2 Fluorescent group 3 Oligopeptide 4 Enzyme 5 Fluorescent group in which the fluorescence wavelength was changed 6 Oligopeptide 7 First fluorescent group 7a First fluorescent group in which fluorescence is observed 8 Second oligopeptide 9 Second fluorescent group 10 Biochip 11 Chip substrate 12 Sample solution flow path 13 Enzyme activity detection unit 14 Liquid supply unit 15 Liquid storage unit 20 Image sensor 21 Lens 22, 23 Filter 24 Image sensor 30 Biochip 31 Chip substrate 32 Sample solution Flow path 32a Enzyme activity detection unit 33 Upper filter 34 Image sensor substrate 35 Lower filter 36 Silicon oxide layer

Claims (6)

チップ基板に導入される試料溶液中の酵素を検出するバイオチップであって、全体が渦巻き状やツリー状、放射状などの流路パターンで前記チップ基板上に形成された試料溶液流路と、前記試料溶液流路に所定順で複数配置され所定の酵素に対してそれぞれ異なる活性を有する酵素活性検知部と、を有することを特徴とするバイオチップ。   A biochip for detecting an enzyme in a sample solution introduced into a chip substrate, the sample solution flow path formed on the chip substrate in a flow path pattern such as a spiral shape, a tree shape, or a radial shape, and A biochip comprising a plurality of enzyme activity detectors arranged in a sample solution flow path in a predetermined order and having different activities with respect to a predetermined enzyme. 前記酵素活性検知部が、(a)その基端側が前記チップ基板に結合されその他端側に結合されるペプチド鎖との化学結合状態によってその蛍光周波数や蛍光強度などの蛍光特性が変動される蛍光基質と、(b)アミノ酸の組み合わせからなる特定アミノ酸配列のペプチド鎖により付与される酵素特異性の結合部を介して前記蛍光基質に結合されるオリゴペプチドと、を備えたことを特徴とする請求項1に記載のバイオチップ。   The enzyme activity detection unit is (a) a fluorescence whose fluorescence characteristics such as a fluorescence frequency and a fluorescence intensity are changed depending on a chemical bond state with a peptide chain that is bonded to the chip substrate on the base end side and to the other end side. And (b) an oligopeptide that is bound to the fluorescent substrate via an enzyme-specific binding portion that is imparted by a peptide chain having a specific amino acid sequence composed of a combination of amino acids. Item 10. The biochip according to item 1. 前記蛍光基質がアミノメチルクマリン系蛍光基質であって、シランカップリング剤などで化学修飾された前記チップ基板上に結合されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のバイオチップ。   The biochip according to claim 1 or 2, wherein the fluorescent substrate is an aminomethylcoumarin-based fluorescent substrate and is bonded onto the chip substrate chemically modified with a silane coupling agent or the like. 前記チップ基板が透光性であって、その背面側にCCDやCMOS素子などを配列したイメージセンサ基板が積層されていることを特徴とする請求項1乃至3の内いずれか1項に記載のバイオチップ。   4. The image sensor substrate according to claim 1, wherein the chip substrate is translucent, and an image sensor substrate on which a CCD, a CMOS element, and the like are arranged is laminated on the back side thereof. 5. Biochip. 前記チップ基板の前記試料溶液流路が形成された面側に透光性又は不透光性の保護層を備えていることを特徴とする請求項1乃至4の内いずれか1項に記載のバイオチップ。   5. The light-transmitting or non-light-transmitting protective layer is provided on a surface side of the chip substrate on which the sample solution flow path is formed. 5. Biochip. 請求項1乃至5の内いずれか1項に記載のバイオチップの前記試料溶液流路に試料溶液を所定条件で供給する試料溶液供給工程と、
前記試料溶液流路上に配列された前記酵素活性検知部毎の状態変化により形成される前記チップ基板上の二次元イメージをその特定波長域を除去するフィルタで処理してその時系列データ又は所定時間後の結果データを取得するデータ取得工程と、
前記時系列データ又は結果データを予め同一測定条件で蓄積されたライブラリデータと比較してパターン認識手段や統計的データ処理手段により各ライブラリデータとのパターン適合度を判定するデータ判定工程と、
を有することを特徴とする試料溶液の機能性検査方法。
A sample solution supplying step of supplying a sample solution to the sample solution channel of the biochip according to any one of claims 1 to 5 under a predetermined condition;
A two-dimensional image on the chip substrate formed by a state change for each of the enzyme activity detectors arranged on the sample solution flow path is processed with a filter that removes the specific wavelength region, and the time series data or after a predetermined time A data acquisition process for acquiring the result data of
A data determination step of comparing the time series data or the result data with the library data stored in advance under the same measurement conditions to determine the degree of pattern matching with each library data by the pattern recognition means or the statistical data processing means,
A method for testing the functionality of a sample solution, comprising:
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