PL108743B1 - Method of controlling the course of enzymatic reactionsand other biochemical reactions - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób kontrolowania przebiegu reakcji enzymatycznych i innych reakcji bioche¬ micznych, podczas których substancja, której aktywnosc albo stezenie ma byc mierzone, dziala na podloze wlasciwe dla danej reakcji biochemicznej.Sposób wedlug wynalazku nadaje sie miedzy innymi do oznaczania aktywnosci enzymatycznej, zwlaszcza enzymów typu proteaz seryny (trombina, plazmina, trypsyna itp.).Niektóre z tych enzymów reguluja koagulacje krwi i fibry- nolize, a odchylenia od normalnej ilosci enzymu powodu¬ ja zmiany chorobowe, takie jak krwotoki albo tromboza.Sposób wedlug wynalazku mozna tez stosowac do badania reakcji immunologicznych, takich jak laczenie sie antygenu 2 przeciwcialem, czynnika hamujacego z enzymem, chwyt- nika z hormonem lub chwytnika z steroidem.Znany jest sposób sledzenia przebiegu reakcji enzyma¬ tycznych za pomoca tak zwanych elektrod enzymowych, polegajacy na tym, ze mierzy sie poprzez przepony róznice potencjalów wlasciwa dla odpadowych produktów reakcji (patrz. D.A. Gough i J.D. Andrade, Enzym Electrodes, Science, tom 180, str. 380—384).Przy badaniu reakcji imunologicznych znanymi sposo¬ bami stosuje sie szklane plyty metalizowane niklem, na których antygeny sa absorbowane, tworzac na powierzchni warstwe i gdy taka szklana plyte zanurzy sie w roztworze zawierajacym przeciwciala, wówczas zachodzi laczenie sie antygenów z przeciwcialami, co powoduje zwiekszanie grubosci wartswy. Proces tego laczenia sledzi sie mierzac grubosc tej warstwy optycznie, za pomoca elipsomierza (patrz A. Rothen, Immunologie and enzymatic reaactions 10 15 20 25 30 carried out at a solid-liauid interface, Physiol. Chem. and Physics 5,1973).Znane jest równiez okreslenie aktywnosci enzymatycz¬ nej metoda konduktometryczna — patrz AJ. Lawrence i G.R. Moores, Conductometry in Enzyme Studies, Eur.J. Biochem 24 (1972), str. 538—546. Wiadomo takze, ze organiczne czasteczki moga byc adsorbowane na powierz¬ chniach elektrod i zmieniaja elektryczne wlasciwosci tych elektrod (patrz J.O'M i A.K.N. Reddy, Modern Electro- chemistry, Plenum Press, tom 2, rozdzial 7.Znane jest równiez przygotowywanie specjalnych podlozy o wysokiej wrazliwosci na dzialanie enzymów, zwlaszcza podlozy typu amidowego, ulegajacych hydroli¬ zie w obecnosci enzymu wytwarzajacego produkty chromo- forowe. Wystepujaca zmiane barw mozna latwo mierzyc spektrofotometrycznie, np. za pomoca spektrometru absor¬ pcyjnego. Podloze, które mozna stosowac do optycznego wykrywania aktywnosci enzymatycznej i które ulatwia np. kliniczne ustalanie ilosci antytrombiny i protrombiny, jest opisane w opisie patentowym Stanów Zjedn. Am. nr 3 884 896.Wada tych metod optycznego wykrywania jest koniecz¬ nosc stosowania dosc skomplikowanych i kosztownych aparatów oraz to, ze do pomiaru niezbedna jest znaczna ilosc podloza. Poza tym, nie mozna tymi metodami badac bezposrednio enzymatycznej aktywnosci we krwi, a to ze wzgledu na nieprzezroczystosc krwi. Zamiast tego trzeba stosowac plazme (usuniete czerwone cialka krwi) albo surowice (równiez usuniety fibrynogen).Wynalazek nie ma opisanych wyzej wad znanych spo- 108 743108 743 3 sobów, a glówna jego cecha jest to, ze najpierw mierzy sie pojemnosc pomiedzy dwiema elektrodami w obecnosci f^amego tylko jjodtóza, a nastepnie mierzy sie pojemnosc . miedzyelektrodowa |o dodaniu substnacji, której aktywnosc r dbo stezenie ma byc okreslone, przy czym miara aktywnos- | jri**lbo*JcCzeBia" jest; zmiana pojemnosci w jednostce czasu |_ifJb^Kc^itóJ^^ pojemnosci.Sposób wedlug wynalazku opisano ponizej szczególowo w odniesieniu do rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urzadzenia do pomiaru pojemnosci miedzyelektro- dowej, fig. 2 przedstawia uproszczony schemat obwodu urzadzenia pomiarowego, fig. 3 przedstawia wykres mierzo¬ nej pojemnosci jako funkcji czasu, po dodaniu badanej substancji, fig. 4 przedstawia schemat wyjasniajacy sposób postepowania przy oznaczaniu aktywnosci enzymatycznej, fig. 5 przedstawia krzywa pokrywania czasteczek zaadsor- bowanego substratu (~1/C,) jako funkcje stezenia podloza w roztworze, fig. 6 przedstawia schemat wyjasniajacy sposób postepowania przy badaniu reakcji imunologicz- nej, a fig. 7 przedstawia schemat wyjasniajacy sposób postepowania pizy badaniu reakcji biochemicznej, w której dzialaniu ulega podlozewotaczajacymroztworze.Przy stosowaniu sposobu wedlug wynalazku do okresla¬ nia enzymatycznej aktywnosci proteaz seryny proces jest oparty na tym, ze stosuje sie substrat ulegajacy adsorpcji na metalicznej powierzchni i nastepnie ulegajacy desorpcji w obecnosci badanego eznymu. Za pomoca urzadzenia pomiarowego przedstawionego na fig. 1 mierzy sie impe- dancje pomiedzy dwiema platynowymi elektrodami 2 i 3, zanurzonymi w roztworze 4.Urzadzenie pomiarowe zawiera mostek impedancyjny 1, generator sygnalów 5 i wzmacniacz z wskaznikiem zerowym 6. Poczatkowo urzadzenie pomiarowe zawiera tylko roz¬ twór buforowy o wartosci pH = 8,2 i stezeniu jonowym 0,15. Przy tych wartosciach pH i stezenia jonowego badane enzymy maja optymalna aktywnosc. Jezeli pomiar prowa¬ dzi sie przy stosunkowo malej czestotliwosci, np. w opi¬ sywanym przykladzie 100 kHz, wówczas wzrost jonowego stezenia powoduje polaryzacje elektrody. Szeregowy opór R, (fig. 2) okresla sie na podstawie przewodnictwa elektro¬ litu, a pojemnosc Cg glównie na podstawie polaryzacji elektrody i ewentualnie zaadsorbowanej warstwy czaste¬ czek: Jak pokazano na fig. 1, urzadzenie pomiarowe jest tak polaczone, ze tworzy jedno z ramion mostka impedan- cyjnego. Jezeli do buforowego roztworu doda sie mala ilosc polipeptydowego podloza, takiego jak opisane w opisie patentowym Stanów Zj. Am. nr 3 884 896, wówczas mierzona pojemnosc C, zmienia sie jako funkcja czasu (fig. 3), a mianowicie maleje w miare adsorbowania czaste¬ czek polipeptydu na powierzchniach elektrod. Stopniowo osiaga sie stan równowagi pomiedzy czasteczkami polipep¬ tydu w roztworze i czasteczkami zaadsorbowanymi na po¬ wierzchniach elektrod. Prawdopodobnie na powierzchniach elektrod adsorbowana jest wówczas jednoczasteczkowa warstwa czasteczek podloza.Jezeli nastepnie doda sie roztwór enzymu majacego zdolnosc rozszczepiania polipeptydu (punkt A na fig. 3), wówczas mierzona pojemnosc C, ulegnie ponownie zmianie, a mianowicie rosnie i osiaga pierwotna wartosc, jak to uwidoczniono na fig. 3. Zmiana pojemnosci zalezy glównie od tego, ze dodany enzym oddzialywuje na zaadsorbo- wany polipeptyd. Mozna dodawac enzym taki jak trombjna, trypsyna lub plazmina (proteazy seryny), które hydroli- zuja podloze polipeptydowe, przy czym zaadsorbowane 4 czasteczki staja sie calkowicie lub czesciowo luzne, to jest „zostaja zuzyte", co powoduje zmiane pojemnosci pomiarowego urzadzenia. Zmiana pojemnosci w jednostce czasu i poczatkowe nachylenie krzywej b na fig. 3 jest 5 miara enzymatycznej aktywnosci.Urzadzenie pomiarowe moze byc cechowane za pomoca znanej ilosci enzymu i krzywa cechowania mozna nastepnie wykorzystywac mierzac roztwór o nieznanej zawartosci enzymu. Jezeli prowadzi sie pomiar plazmy krwi, wówczas 10 znaczenie ma ilosc antyenzymu. Ilosc te mozna okreslic dodajac do plazmy znana ilosc enzymu, przy czym po uplywie kilku minut, gdy antyenzym ulegl zahamowaniu, mierzy sie pozostala ilosc enzymu. Jezeli proces ten pro¬ wadzi sie dla dwóch róznych ilosci enzymu lub plazmy, 15 wówczas droga ekstrapolacji mozna ustalic pierwotna iloscantyenzymu.Schemat podany na fig. 4 wyjasnia sposób wedlug wy¬ nalazku w odniesieniu do okreslania aktywnosci enzyma¬ tycznej, przy czym a oznacza urzadzenie pomiarowe 20 z elektrodami zanurzonymi w roztworze podloza i czasteczki S podloza sa rozrzucone pomiedzy czasteczkami w roztwo¬ rze i czasteczkami zaadsorbowanymi na powierzchniach elektrod. Przy malym stezeniu stosunek pomiedzy nimi jest staly, a gdy stezenie wzrasta, wówczas powierzchnie 25 elektrod sa stopniowo zapelniane i ilosc dodawanych czaste¬ czek, które ulegaja adsorpcji, stale maleje. Wykres na fig. 5 przedstawia grubosc warstwy przy róznych stezeniach podloza polipeptydowego (ilosc polipeptydu o stezeniu 1 mM w 0,5 ml roztworu buforowego). Wykres ten uwi- so docznia, ze prawdopodobnie przy wyzszych stezeniach adsorpcji ulega jednoczasteczkowa warstwa czasteczek podloza, a dalsze dodawanie podloza zwieksza glównie liczbe czasteczek w roztworze.Po dodaniu enzymu (patrz b na fig. 4) jego czasteczki 35 dzialaja na czasteczki podloza zarówno w roztworze jak i na czasteczki zaadsorbowane. Wykres c na fig. 4 przedsta¬ wia zmiane pojemnosci C3 w zaleznosci od czasu, gdy dodawane sa najpierw czasteczki S podloza i nastepnie czasteczki E enzymu. Poniewaz urzadzenie pomiarowe 40 wykrywa tylko zmiany w liczbie zaadsorbowanych czaste¬ czek, przeto pozadane jest, aby dzialaniu enzymu ulegla mozliwie duza liczba czasteczek zaadsorbowanych. Urzadze¬ nie to jest wiec najbardziej czule w obecnosci okreslonej ilosci dodanego peptydu, zas przy malym stezeniu peptydu 45 czulosc ta jest mniejsza, gdyz stopien zapelnienia powierz¬ chni elektrod jest maly, zas przy zbyt wysokich stezeniach dodany enzym dziala glównie na czasteczki podloza w roz¬ tworze. Wykonane próby swiadcza równiez o tym, ze takie warunki optymalne faktycznie istnieja. 5 W omawianym przykladzie stosuje sie podloze polipepty¬ dowe typu podanego w opisie patentowym Stanów Zj. Am. nr 3 884 896, a mianowicie zwiazek o ogólnym wzorze podanym na rysunku, w którym Rt oznacza atom wodoru, rodnik alkilokarbonylowy o 1—12 atomach wegla w rodniku 55 alkilowym, rodnik a-aminoalkilokarbonylowy o prostym rodniku alkilowym zawierajacym 1—12 atomów wegla, rodnik cykloheksylokarbonylowy, rodnik ©-cykloheksylo- alkilokarbonylowy o 1—6 atomach wegla o prostym rodniku alkilowym, rodnik 4-aminoetylocykloheksylokarbo- oo nylowy, rodnik benzoilowy, ewentualnie zawierajacy 1 lub wieksza liczbe podstawników takich jak atomy chlorowców, rodniki metylowe, rodniki fenylowe i grupy aminowe, albo tez RL oznacza rodnik ro-fenyloalkilokarbonylowy o 1—6 atomach wegla w prostym rodniku alkilowym, 65 rodnik benzenosulfonylowy lub 4-toluenosulfonylowy albo108 743 5 rodnik N a-benzoilofenyloalanylowy, R2 oznacza rodnik fenylowy, benzylowy, 4-hydroksybenzylowy, 4-metoksy- benzylowy lub 4-metylobenzylowy, R3 oznacza prosty, rozgaleziony lub cykliczny rodnik alkilowy o 3—8 atomach wegla, rodnik fenylowy lub benzylowy, R4 oznacza atom wodoru lub rodnik guanylowy, Rs oznacza rodnik fenylowy, nitrofenylowy, metylonitrofenylowy, dwunitrofenylowy, na- ftylowy, nitronaftylowy, chinolilowy lub nitrochinolilowy, a n oznacza liczbe 3 lub 4, albo tez sole tych zwiazków,.Podloze tego typu wrazliwe jest na trombine i inne enzymy - proteolityczne, typu peptydohydrolaz. Enzymy te hydroli- zuja podloze, przy czym otrzymuje sie produkt chromofo- rowy, który mozna mierzyc spektrofotometrycznie. Stoso¬ wane tu podloze nie jest w zadnej mierze najodpowiedniej¬ sze do wykrywania elektrycznego w opisany sposób, ale glównie chodzi o to, aby podloze to scisle przylegalo do elektrod i aby jego duza czesc ulegala rozluznieniu pod wplywem enzymatycznej hydrolizy, dzieki czemu nastepuje znaczna zmiana pojemnosci metalowych elektrod. Podloze powinno przeto przylegac do powierzchni elektrod tak, aby moglo byc nastepnie rozluzniane pod wplywem enzymu.Badania wykazaly, ze w celu uzyskania najlepszej spraw¬ nosci wykrywania podloze nie powinno calkowicie nasycac powierzchni elektrod.W opisanym przykladzie podloze dodawano do roztworu buforowego w urzadzeniu pomiarowym, przy czym pod¬ loze to jest adsorbowane na metalowych elektrodach.Proces wedlug wynalazku mozna jednak prowadzic i w ten sposób, ze najpierw przygotowuje sie elektrody majace na powierzchniach warstwe podloza i nastepnie elektrody te zanurza sie w badanym roztworze eznymu i obserwuje zmiane pojemnosci. Takwiec nie jest konieczne, aby podloze ulegalo adsorpcji na metalowej elektrodzie, gdyz mozna podloze to zwiazac z powierzchnia elektrody np. chemicz¬ nie, o ile po takim zwiazaniu czasteczki podloza sa wrazliwe na dzialanie enzymu, a mianowicie czesc lub cala czasteczka podloza ulega rozluznieniu pod wplywem enzymu.Schemat podany na fig. 6 wyjasnia sposób postepowania wedlug wynalazku przy badaniu reakcji imunologicznej typu laczenia sie antygenu z przeciwcialem. W przykladzie tym stosuje sie urzadzenie pomiarowe analogiczne do przedstawionego na fig. 1, przy czym powierzchnie elek¬ trod 2 i 3 moga byc pokryte antygenem przed rozpoczeciem próby, albo mozna zanurzyc elektrody w roztworze za¬ wierajacym antygen, który ulega adsorpcji na powierz¬ chniach elektrod, po czym mierzy sie pojemnosc. Nastepnie elektrody zanurza sie w roztworze zawierajacym przeciw¬ ciala, przy czym ulegaja one polaczeniu z zaadsorbowanym antygenem tak, ze warstwa na powierzchni elektrod wzrasta i pojemnosc Cs maleje. Fig. 6a przedstawia elektrody za¬ nurzone w roztworze buforowym 4. Po dodaniu antygenu jego czasteczki S sa adsorbowane na powierzchniach elektrod az do ustalenia sie równowagi pomiedzy iloscia antygenu w roztworze i iloscia antygenu zaadsorbowanego na powierzchniach elektrod (patrz b). Nastepnie dodaje sie do roztworu przeciwciala E, przy czym czesc ich wiaze sie z antygenem w roztworze i czesc z antygenem na powierz¬ chniach elektrod (patrz. c). Równiez i tu osiaga sie stan równowagi, jak to przedstawia krzywa d, obrazujaca sze¬ regowo pojemnosci Cs pomiedzy powierzchniami elektrod jako funkcje czasu dodawania antygenu S i przeciwcial E.Poczatkowe nachylenie krzywej po dodaniu przeciwcial jest uzaleznione od stezenia przeciwcial i stanowi ilosciowa miare tego stezenia. Wartosc te mozna tez ustalic na pod- 6 stawie calkowitej zmiany pojemnosci po dodaniu przeciw¬ cial.W przykladzie opisanym ponizej podloze powinno skladac sie z antygenów, których czasteczki maja zdolnosc 5 przylegania do elektrod tak, aby czasteczki przeciwcial mogly byc zwiazane z czasteczkami antygenów, tworzac warstwe utrzymujaca sie silnie na elektrodzie. Jezeli zas taki kompleks antygen-przeciwcialo utrzymuje sie tylko luzno na elektrodzie, wówczas proces prowadzi sie w sposób 10 opisany w poprzednim przykladzie.Do wykrywania przeciwciala istnieje pewne optymalne stezenie antygenów, zalezne od równowagi pomiedzy antygenami w roztworze i antygenami na powierzchni elektrody, albo tez od równowagi pomiedzy pojedynczym 15 i zwiazanym antygenem i czasteczkami przeciwcial.Jezeli badana substancja dziala tylko na podloze w roz¬ tworze, wówczas proces prowadzi sie w ten sposób, ze substancje te dodaje sie do roztworu w urzadzeniu pomiaro¬ wym, co powoduje zmniejszenie stezenia czasteczek podlo¬ za w roztworze. W celu utrzymania równowagi pomiedzy podlozem w roztworze i podlozem zaadsorbowanym, substrat zaadsorbowany ulega uwolnieniu z powierzchni elektrody, co powoduje zmniejszenie warstwy na tej po¬ wierzchni i tym samym wzrost pojemnosci Cg (patrz fig. 7 d) 25 Zmiane pojemnosci w jednostce czasu, to jest nachylenie ¦krzywej po dodaniu badanej substancji, okresla sie na pod¬ stawie stezenia tej substancji. Tosamo odnosi sie do calko¬ witej zmiany pojemnosci, nastepujacej po uplywie dlugiego czasu, przy czym fakt ten mozna wykorzystywac do mie¬ rzenia stezenia abo aktywnosci badanej substancji.W wielu przypadkach badana substancja dziala zarówno na podloze w roztworze i na podloze na elektrodach.Zmiana pojemnosci zalezy wówczas od obu tych procesów, 35 ale moze byc wykorzystywana jako ilosciowa miara stezenia albo aktywnosci dodanej substancji.W opisanych wyzej przykladach stosowano elektrody platynowe, ale mozna tez stosowac elektrody z innych metali, takich jak miedz, srebro, molibden, tytan, zloto, 40 pallad i chromonikiel. Mozna równiez stosowac i inne typy elektrod, takie jak elektrody z pólprzewodników. W przykla¬ dach tych stosuje sie tez korzystnie mostek impedancyjny z wyjsciami do przedstawiania zmian pojemnosci w jed¬ nostce czasu („chwilowa aktywnosc enzymatyczna") i cal- 45 kowitej zmiany pojemnosci („zcalkowana aktywnosc enzy¬ mytaczna").Zastrzezenia patentowe 50 1. Sposób kontrolowania przebiegu reakcji enzymatycz¬ nych i innych reakcji biochemicznych, podczas których substancja, której aktywnosc albo stezenie ma byc mierzone, dziala na podloze wlasciwe dla danej reakcji biochemicznej, znamienny tym, ze jako wartosc kontrolna okresla sie 55 pojemnosc w urzadzeniu pomiarowym zawierajacym elektrody pokryte podlozem, po czym do urzadzenia po¬ miarowego wprowadza sie substancje, której aktywnosc albo stezenie ma byc mierzone i nastepnie mierzy sie zmiane pojemnosci, otrzymujac ilosciowa miare aktywnosci albo 60 stezenia substancji zawartej w badanej próbce i oddzialy¬ wujacej na okreslone podloze, zwiazane z elektrodami. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze pojem¬ nosc pomiedzy elektrodami mierzy sie za pomoca elektrycz¬ nego mostka impedancyjnego. 65 3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze okresla108 743 sie proteazy serynowe, przy czym jako podloze stosuje sie polipeptydy dajace sie rozszczepiac, wlasciwe dla proteaz serynowych. 4. Sposób wedlug zastrz. 3, znamienny tym, ze jako podloze stosuje sie zwiazek o ogólnym wzorze podanym na rysunku, w którym Rj oznacza atom wodoru, rodnik alkilokarbonylowy o 1—12 atomach wegla w rodniku alkilowym, rodnik a-aminoalkilokarbonylowy o prostym rodniku alkilowym zawierajacym 1—12 atomów wegla, rodnik cykloheksylokarbonylowy, rodnik oa-cykloheksylo- alkilokarbonylowy o 1—6 atomach wegla w prostym rod¬ niku alkilowym, rodnik 4-aminoetylocykloheksylokarbony- lowy, rodnik benzoilowy, ewentualnie zawierajacy 1 lub wieksza liczbe podstawników takich jak atomy chlorowców, rodniki metylowe, rodniki fenylowe i grupy aminowe, albo tez Rj oznacza rodnik co-fenyloalkilokarbonylowy o 1—6 atomach wegla w prostym rodniku alkilowym, rodnik benzenosulfonylowy lub 4-toluenosulfonylowy albo 10 15 8 rodnik N a-benzoilofenyloalanylowy, R2 oznacza rodnik fenylowy, benzylowy, 4-hydroksybenzylowy, 4-metoksy- benzylowy lub 4-metylobenzylowy, R3 oznacza prosty, rozgaleziony albo .cykliczny rodnik alkilowy o 3—8 ato¬ mach wegla, rodnik fenylowy lub benzylowy, R4 oznacza atom wodoru lub rodnik guanylowy, R5 oznacza rodnik fenylowy, nitrofenylowy, metylonitrofenylowy, dwunitro- fenylowy, naftylowy, nitronaftylowy, chinolilowy albo nitrochinolilowy, a n oznacza liczbe 3 lub 4, albo tez sole tych zwiazków, 5. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze stosuje sie podloze, którego czasteczki sa inhibitorami dla czaste¬ czek, których aktywnosc albo stezenie ma byc oznaczane. 6. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze stosuje sie podloze, którego czasteczki skladaja sie z receptorów hormonów, których aktywnosc albo stezenie ma byc ozna¬ czane. k -4— IM 2H—z£^H Fig. 1 ^ cfi Rs Fig. 2108 743 Fig. 3 s s s ¦s u s \5\ J\ l/l 5* s to — S S ss £ s * ;/ * ^ dlii/) tf *s s s s s (a) b) V\E (c) —~\ Fig. 4108 743 *-ul Fig. 5 s s s 1 1 co co tn S W J/1 m ui s s s s en la- lu tn en s tn s £ s s t s Ic) Fig. 6108 743 s s " c ca co 5 ca CO CA CO S CA CO <" S S s s FS ES " •/ " CA s H s ES s S ES S 1 Cd Fig. 7 0 o o R,-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-Rt R, (CH2)n NH PL PL PL PL PL PL PL PL

Claims (1)

1.