RU2402612C2 - Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation - Google Patents

Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2402612C2
RU2402612C2 RU2008100428/13A RU2008100428A RU2402612C2 RU 2402612 C2 RU2402612 C2 RU 2402612C2 RU 2008100428/13 A RU2008100428/13 A RU 2008100428/13A RU 2008100428 A RU2008100428 A RU 2008100428A RU 2402612 C2 RU2402612 C2 RU 2402612C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
biochip
hybridization
oligonucleotides
newborns
cells
Prior art date
Application number
RU2008100428/13A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008100428A (en
Inventor
Татьяна Павловна Шкурат (RU)
Татьяна Павловна Шкурат
Владимир Витальевич Руденко (RU)
Владимир Витальевич Руденко
Сергей Робертович Малхосьян (RU)
Сергей Робертович Малхосьян
Original Assignee
Татьяна Павловна Шкурат
Владимир Витальевич Руденко
Сергей Робертович Малхосьян
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Татьяна Павловна Шкурат, Владимир Витальевич Руденко, Сергей Робертович Малхосьян filed Critical Татьяна Павловна Шкурат
Priority to RU2008100428/13A priority Critical patent/RU2402612C2/en
Publication of RU2008100428A publication Critical patent/RU2008100428A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2402612C2 publication Critical patent/RU2402612C2/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: presence or absence of DNA mutations is determined by hybridisation of obtained fragments on specialised oligonucleotide biochip. For this purpose used are amplification of PAH, CFTR, PAX8, GALT genes and obtaining of single-strand fluorescently marked product by method of nick-translation and restriction, prepared is biochip for screening of newborns for diseases, which contains set of immobilised oligonucleotides SEQ ID NO: 1-82. Interpretation of hybridisation results is carried out by comparison of intensity of fluorescent signals, obtained in perfect and imperfect hybridisation.
EFFECT: invention allows to obtain novel accelerated method of mass screening of newborns for presence of predisposition to monogenic diseases.
5 cl, 4 tbl, 4 ex

Description

Изобретение относится к молекулярной биологии, микробиологии и медицине. Изобретение также относится к технологии изготовления биочипов, находящих применение в молекулярной биологии при секвенировании и картировании ДНК, детектировании мутаций и целого ряда медицинских приложений.The invention relates to molecular biology, microbiology and medicine. The invention also relates to the technology of manufacturing biochips that are used in molecular biology for DNA sequencing and mapping, mutation detection, and a number of medical applications.

Точная диагностика в сочетании с детальным анализом типа наследования того или иного заболевания имеет определяющее значение для формирования групп риска, то есть отбора семей, в которых вероятность рождения больных детей повышена. Прежде всего, это те семьи, где уже есть или был ребенок, страдающий каким-либо моногенным наследственным заболеванием. Фенилкетонурия, врожденный гипотиреоз, муковисцидоз и галактоземия - часто встречающиеся в детском возрасте наследственные патологии. Муковисцидоз - одно из наиболее часто встречающихся наследственных заболеваний, вызываемое мутацией гена трансмембранного регулятора. Это заболевание характеризуется поражением экзокринных желез жизненно важных органов и систем и имеет тяжелое течение и прогноз особенно при позднем выявлении.Accurate diagnosis in combination with a detailed analysis of the type of inheritance of a particular disease is crucial for the formation of risk groups, that is, the selection of families in which the probability of giving birth to sick children is increased. First of all, these are families where there is already or was a child suffering from some kind of monogenic hereditary disease. Phenylketonuria, congenital hypothyroidism, cystic fibrosis and galactosemia are often inherited pathologies in childhood. Cystic fibrosis is one of the most common hereditary diseases caused by a mutation in the transmembrane regulator gene. This disease is characterized by damage to the exocrine glands of vital organs and systems and has a severe course and prognosis especially with late detection.

Своевременное обнаружение предрасположенности к данным заболеваниям и соответствующая терапия позволяют резко повысить качество жизни детей с моногенными заболеваниями.Timely detection of a predisposition to these diseases and appropriate therapy can dramatically improve the quality of life of children with monogenic diseases.

В настоящее время известно несколько десятков методов используемых для скрининга новорожденных на моногенные заболевания. Например, можно выделить следующие.Currently, there are several dozen methods used to screen newborns for monogenic diseases. For example, the following can be distinguished.

Известен «Способ диагностики врожденного гипотиреоза» с помощью скрининг-контроля уровня тиреотропина (ТТГ) или уровня общего тироксина (Т4) в сухих пятнах крови новорожденных иммунофлуоресцентным методом с использованием наборов «Delfia Neonatal hTSH and T4» (Дедов И.И., Петерков В.А., Безлепкина О.Б., Алексеева P.M. Скринингпрограмма ранней диагностики и лечения врожденного гипотиреоза у детей. Методические рекомендации. М., 1996, - с.14-19). Недостатки данного метода: рекомендуется контроль в динамике через 2-3 недели, чтобы обеспечить надежность скрининга, в результате заместительная терапия начинается не ранее чем через месяц после рождения.The well-known "Method for the diagnosis of congenital hypothyroidism" using screening control of thyrotropin level (TSH) or the level of total thyroxine (T4) in dry blood spots of newborns by immunofluorescence method using kits "Delfia Neonatal hTSH and T4" (Dedov II, Peterkov V .A., Bezlepkina OB, Alekseeva PM Screening program for early diagnosis and treatment of congenital hypothyroidism in children. Methodical recommendations. M., 1996, - p.14-19). The disadvantages of this method: it is recommended that the control in dynamics after 2-3 weeks to ensure the reliability of screening, as a result, replacement therapy begins no earlier than a month after birth.

Известен «Способ диагностики муковисцидоза» (Патент RU №2141670, 1999.11.20) Пробу пота пациента обрабатывают сильнокислотными катеонитами в кислотной форме в присутствии кислотно-основного индикатора. Предварительно сильнокислотные катеониты в кислотной форме отмывают дистиллированной водой до нейтральной реакции. Определение концентрации хлорида натрия проводят спектрофотометрически, а муковисцидоз диагностируют по возрастанию концентрации хлорида натрия в поте пациента. Использование данного метода возможно, начиная только с 4 месяца жизни ребенка.The well-known "Method for the diagnosis of cystic fibrosis" (Patent RU No. 2141670, 1999.11.20). A patient's sweat sample is treated with strongly acidic catheonites in acid form in the presence of an acid-base indicator. Pre-strongly acidic cateonites in acid form are washed with distilled water until neutral. Determination of the concentration of sodium chloride is carried out spectrophotometrically, and cystic fibrosis is diagnosed by increasing the concentration of sodium chloride in the sweat of the patient. Using this method is possible starting from only 4 months of a child’s life.

Известен «Способ диагностики врожденного гипотиреоза у новорожденных» (Патент RU №2138807, 1999.09.27). Метод основан на кристаллоскопии сыворотки крови новорожденных: каплю крови наносят на предметное стекло, накрывают покровным стеклом и инкубируют в термостате 2-2,5 часа, полученные образцы исследуют на поляризационном микроскопе; образец, имеющий характерное кристаллическое включение холестерина, реагирует на поляризационный свет в виде оптически активных морфотипов-сферолитов, у здоровых лиц морфотипы-сферолиты не определяются. Недостатком метода является ручное определение наличия/отсутствия морфотипов-сферолитов, при котором (особенно при проведении скрининговых исследований ввиду большого количества анализов) резко повышается вероятность ошибки и увеличивается стоимость метода в человеко-часах. Кроме того, метод используется лишь на 5-й день после рождения, в то время как каждый день без заместительной терапии при данном заболевании имеет большое значение для развития.The well-known "Method for the diagnosis of congenital hypothyroidism in newborns" (Patent RU No. 2138807, 1999.09.27). The method is based on crystalloscopy of the blood serum of newborns: a drop of blood is applied to a glass slide, covered with a coverslip and incubated in a thermostat for 2-2.5 hours, the obtained samples are examined on a polarizing microscope; a sample having a characteristic crystalline inclusion of cholesterol reacts to polarizing light in the form of optically active spherulite morphotypes; in healthy individuals, spherulite morphotypes are not detected. The disadvantage of this method is the manual determination of the presence / absence of spherulite morphotypes, in which (especially when conducting screening studies due to the large number of analyzes), the probability of error increases sharply and the cost of the method in man-hours increases. In addition, the method is used only on the 5th day after birth, while every day without replacement therapy for this disease is of great importance for development.

Известен «Способ диагностики муковисцидоза» (Патент RU №2151188, 2000.06.20). Способ заключается в следующем: геномную ДНК выделяют из 5-10 мл периферической крови по стандартной методике с использованием протеиназы К с последующей экстракцией фенол/хлороформом. Для амплификации нормального аллеля используют прямой праймер 5'-GGCAC-CATTA-AAGAA-ААТАТ-САТСТТ-3', оканчивающийся на 3'-конце тринуклеотидом СТТ, отсутствующем в мутантном аллеле. Для амплификации аллеля с делецией используют прямой праймер 5'-GGCAC-CATTA-AAGAA-AATAT-CATTG-G-3', без СТТ, оканчивающийся последующим за ним тринуклеотидом TGG на 3'-конце. В качестве обратного праймера для амплификации обоих аллелей используют праймер 5'-CATTC-ACAGT-AGCTT-ACCCA-3'. Недостатком данного метода является определение только одной частой мутации, которая определяется у 56% больных муковисцидозом на территории России. Остальные 44% больных имеют другие мутации и у них диагностика муковисцидоза данным методом невозможна.The well-known "Method for the diagnosis of cystic fibrosis" (Patent RU No. 2151188, 2000.06.20). The method consists in the following: genomic DNA is isolated from 5-10 ml of peripheral blood according to the standard method using proteinase K followed by extraction with phenol / chloroform. For amplification of the normal allele, the direct primer 5'-GGCAC-CATTA-AAGAA-AATAT-SATSTT-3 ', ending at the 3'-end with CTT trinucleotide, absent in the mutant allele, is used. For amplification of the deletion allele, the direct primer 5'-GGCAC-CATTA-AAGAA-AATAT-CATTG-G-3 ', without CTT, is used, ending with the subsequent TGG trinucleotide at the 3'-end. As a reverse primer, 5'-CATTC-ACAGT-AGCTT-ACCCA-3 'primer is used to amplify both alleles. The disadvantage of this method is the determination of only one frequent mutation, which is determined in 56% of patients with cystic fibrosis in Russia. The remaining 44% of patients have other mutations and they cannot diagnose cystic fibrosis with this method.

Известен «Способ определения точечных нуклеотидных замен в ДНК микобактерий, способ диагностики устойчивости микобактерий к рифампицину, биочип для осуществления этих способов» (Патент RU.N0 2175015, 2001.10.20). Проводят амплификацию фрагмента rроВ гена с получением одноцепочечного флюоресцентно меченого продукта методом ПЦР. Готовят биочип для определения рифампицин-устойчивых микобактерий. Проводят гибридизацию амплифицированного меченого продукта на биочип. Регистрируют результаты гибридизации и интерпретируют их путем сравнения интенсивности флюоресценции сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации. Биочип представляет собой микроматрицу с ячейками, в которых иммобилизован набор олигонуклеотидов. Последовательности последних приведены в описании. Верхний ряд биочипа содержит олигонуклеотиды, комплементарные последовательности ДНК дикого типа. Соответствующий столбец под каждой ячейкой содержит олигонуклеотиды, комплементарные последовательностям ДНК мутантных типов, ответственных за замену одной аминокислоты. Диагностику устойчивости микобактерий туберкулеза к рифампицину проводят путем определения точечных нуклеотидных замен в ДНК возбудителя. Данный способ является наиболее близким по существенным признакам к заявляемому.The well-known "Method for determining point nucleotide substitutions in the DNA of mycobacteria, a method for diagnosing the resistance of mycobacteria to rifampicin, a biochip for implementing these methods" (Patent RU.N0 2175015, 2001.10.20). The fragment of the rpoB gene is amplified to obtain a single chain fluorescently labeled product by PCR. A biochip is prepared to determine rifampicin-resistant mycobacteria. The amplified labeled product is hybridized to a biochip. The results of hybridization are recorded and interpreted by comparing the fluorescence intensity of the signals obtained with perfect and imperfect hybridization. The biochip is a microarray with cells in which a set of oligonucleotides is immobilized. The sequences of the latter are given in the description. The upper row of the biochip contains oligonucleotides complementary to wild-type DNA sequences. The corresponding column under each cell contains oligonucleotides that are complementary to mutant DNA sequences that are responsible for replacing one amino acid. Diagnostics of the resistance of mycobacterium tuberculosis to rifampicin is carried out by determining point nucleotide substitutions in the DNA of the pathogen. This method is the closest in essential features to the claimed.

Описана «Молекулярная диагностика галактоземии» (Патент US №6420550, 2002.07.16), предназначенная для детекции мутации в гене GALT, с помощью набора, включающего: (а) пробы, каждая из которых длиной от 10 до 25 нуклеотидов, содержащие последовательности, комплементарные к следующим последовательностям: TGGTTGGAT, TGCCGGGTA, TTCCCGCCA, CCAATTATG, CTGGGACCA, и GCCTGTAAG, и (b) праймеры для амплификации, каждый длиной по крайней мере 14 нуклеотидов, и комплементарный к последовательности, отобранной из SEQ ID NO: 7, которая является результатом амплификации области гена GALT, содержащего сайты мутаций. Набор по первому пункту, в котором праймеры включают единственный набор, который амплифицирует область человеческого гена GALT, включающего SEQ ID NO: 8. Недостатком данного метода является его ограниченность для массового скрининга только одним заболеванием - галактоземией.Describes the "Molecular Diagnosis of Galactosemia" (US Patent No. 6420550, 2002.07.16), designed to detect mutations in the GALT gene, using a kit that includes: (a) samples, each of which is from 10 to 25 nucleotides in length, containing complementary sequences to the following sequences: TGGTTGGAT, TGCCGGGTA, TTCCCGCCA, CCAATTATG, CTGGGACCA, and GCCTGTAAG, and (b) amplification primers, each at least 14 nucleotides long, and complementary to the sequence selected from SEQ ID NO: 7, which is the result of amplification, which is the result of amplification SEQ ID NO: 7, which is regions of the GALT gene containing sites mutations. The kit according to the first paragraph, in which the primers include the only kit that amplifies the region of the human GALT gene, including SEQ ID NO: 8. The disadvantage of this method is its limited scope for mass screening of only one disease - galactosemia.

Известен «Метод диагностики заболеваний, связанных с дефектом трансмембранного регулятора проводимости при муковисцидозе» (Патент US №7160729, 2007.01.09 Method for detecting diseases that are associated with defects of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein). Метод основан на дестабилизации CFTR-зависимой регуляции объема клеток и дальнейшее определение объема обработанных клеток, при этом изменившие объем клетки являются здоровыми, а если клетки не изменили объем, диагностируют муковисцидозThe well-known "Method for the diagnosis of diseases associated with a defect in the transmembrane conductivity regulator for cystic fibrosis" (US Patent No. 7160729, 2007.01.09 Method for detecting diseases that are associated with defects of cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) protein). The method is based on the destabilization of CFTR-dependent regulation of cell volume and the further determination of the volume of treated cells, while the cells that changed the volume are healthy, and if the cells have not changed the volume, cystic fibrosis is diagnosed

Известен «Способ генетического скрининга врожденных нарушений метаболизма у новорожденных с помощью тандемной масс-спектрометрии», который заключается в восстановлении активности ферментов из образца крови пациента и определении ферментативной активности, концентрации фермента или анализируемого вещества по количеству связавшегося с ними флуоресцентно-меченного субстрата. (Заявка US №2005/0048499, TANDEM MASS SPECTROMETRY METHOD FOR THE GENETIC SCREENING OF INBORN ERRORS OF METABOLISM IN NEWBORNS). Недостатки - возможность определить генетические отклонения только по продукту этого гена. Для осуществления метода необходимо очень дорогое оборудование и высококвалифицированные специалисты, что также удорожает метод.The well-known "Method for genetic screening of congenital metabolic disorders in newborns using tandem mass spectrometry", which consists in restoring the activity of enzymes from a patient’s blood sample and determining the enzymatic activity, concentration of the enzyme or analyte by the amount of fluorescently labeled substrate bound to them. (Application US No. 2005/0048499, TANDEM MASS SPECTROMETRY METHOD FOR THE GENETIC SCREENING OF INBORN ERRORS OF METABOLISM IN NEWBORNS). Disadvantages - the ability to determine genetic abnormalities only by the product of this gene. To implement the method requires very expensive equipment and highly qualified specialists, which also increases the cost of the method.

Общий недостаток вышеперечисленных методов: их нецелесообразно применять для массового скрининга, т.к. они трудоемки и позволяют диагностировать только одно заболевание.A common drawback of the above methods: they are impractical to apply for mass screening, because they are laborious and allow you to diagnose only one disease.

Знаменательным достижением биотехнологии последних лет стали биочипы. Точнее всего их описывает английское название DNA-microarrays, т.е. это организованное размещение молекул ДНК на специальном носителе. Необычные устройства позволяют за короткое время определять несколько тысяч аллергенов, онкогенов, различных биологически активных веществ, и даже генетических дефектов. За короткое время биологические микрочипы выделились в самостоятельную область анализа с приложениями от исследования фундаментальных проблем молекулярной биологии и молекулярной эволюции до практических применений в медицине, фармакологии, экологии, судебно-медицинской экспертизе и др.A significant achievement of biotechnology in recent years has become biochips. Most accurately, the English name DNA-microarrays describes them, i.e. This is an organized placement of DNA molecules on a special carrier. Unusual devices allow for a short time to identify several thousand allergens, oncogenes, various biologically active substances, and even genetic defects. In a short time, biological microchips have emerged as an independent field of analysis with applications ranging from studying the fundamental problems of molecular biology and molecular evolution to practical applications in medicine, pharmacology, ecology, forensic science, etc.

Технология биочипов, заменяющих целые иммунологические лаборатории, дает возможность в тысячи и десятки тысяч раз увеличить производительность большинства диагностических методов и резко снизить себестоимость анализов.The technology of biochips replacing entire immunological laboratories makes it possible to increase the productivity of most diagnostic methods by thousands and tens of thousands of times and dramatically reduce the cost of analysis.

Известны способы изготовления биочипов на основе гидрогелей, в которых технологический цикл состоит из этапов: (1) подготовки подложки, (2) формирования на ней матрицы ячеек геля, (3) нанесения на ячейки растворов биологических макромолекул в соответствии с заранее составленной схемой биочипа, (4) химической обработки ячеек с целью иммобилизации молекул-зондов, (5) отмывки и просушки полученных биочипов.Known methods for the manufacture of biochips based on hydrogels, in which the technological cycle consists of the steps of: (1) preparing a substrate, (2) forming a matrix of gel cells on it, (3) applying biological macromolecules to the cells in accordance with a predefined biochip scheme, ( 4) chemical treatment of cells with the aim of immobilization of probe molecules, (5) washing and drying of the obtained biochips.

Известен способ приготовления биочипа (Патент US №5574142, 1996.11.12), согласно которому используют специальную тонкослойную (5 мкм) камеру с реакционным объемом, ограниченным с одной стороны подложкой будущего биочипа, а с другой - окном, прозрачным в УФ-области. Ячейки биочипа формируют одну за другой путем циклического выполнения следующих операций: (1) заполнения камеры композицией с соответствующим зондом, (2) полимеризации композиции в месте нахождения будущей ячейки под действием УФ-излучения, сфокусированным в квадратное пятно необходимого размера, (3) промывки камеры перед заполнением ее очередным раствором.A known method of preparing a biochip (US Patent No. 5574142, 1996.11.12), according to which a special thin-layer (5 μm) chamber is used with a reaction volume limited on one side by the substrate of the future biochip and on the other a window transparent in the UV region. Biochip cells are formed one after another by cyclically performing the following operations: (1) filling the chamber with a composition with an appropriate probe, (2) polymerizing the composition at the location of the future cell under the influence of UV radiation, focused into a square spot of the required size, (3) washing the chamber before filling it with another solution.

Известен «Способ изготовления микрочипа на основе олигонуклеотидов» (Патент RU №2157385, 2000.10.10.), согласно которому изготовляют микрочип на основе олигонуклеотидов, иммобилизованных в органическом геле, приготовленном путем сополимеризации непредельных производных олигонуклеотидов с ненасыщенными мономерами, причем водно-солевые растворы, содержащие ненасыщенные мономеры, модифицированные непредельными фрагментами олигонуклеотиды и компонент каталитической системы, индуцирующей полимеризацию, растворимый только в воде, наносят на стеклянную подложку в виде микрокапель и проводят сополимеризацию мономеров погружением сформированной матрицы в не смешивающийся с водой органический растворитель, содержащий растворенный другой компонент каталитической системы.The known "Method for the manufacture of a microchip based on oligonucleotides" (Patent RU No. 2157385, 2000.10.10.), According to which a microchip is made on the basis of oligonucleotides immobilized in an organic gel prepared by copolymerization of unsaturated derivatives of oligonucleotides with unsaturated monomers, moreover, water-salt solutions containing unsaturated monomers, oligonucleotides modified with unsaturated fragments, and a component of a polymerization-inducing polymerization system soluble only in water are applied to eklyannuyu substrate as microdroplets and the copolymerization is carried out by immersing the formed matrix monomers in a water-immiscible organic solvent containing a dissolved catalyst system of the other component.

Известно изобретение «Композиция (К) для иммобилизации биологических макромолекул в гидрогелях методом сополимеризации, способ приготовления композиции и биочип» (Патент RU №2206575, 2003.06.20), которое относится к композициям (К) для полимеризационной иммобилизации биологических макромолекул в гидрогелях при формировании биочипов К=аА+bB+cC+dD+eE, включающим А - мономер на основе производных акриловой и метакриловой кислот; В - водорастворимый сшивающий агент; С - модифицированную биологическую макромолекулу, содержащую ненасыщенную группу, D - водорастворимое соединение как компонент среды проведения сополимеризации; Е - воду, где а, b, с, d, е - процентное содержание (X) каждого компонента в композиции (Х=m/v100% для твердых веществ и X=v/v100% для жидких веществ), в которой общее содержание мономера и сшивающего агента лежит в интервале 3-40% (3(a+b)(40), соотношение мономера и сшивающего агента находится в пределах 97:3-60:40, а процентное содержание компонентов С, D и Е находится в пределах (с) от 0,0001% до 10%; (d) от 0% до 90%; (е) от 5% до 95%, способу их приготовления, к модифицированным биологически значимым соединениям ДНК и белкам, биочипу, в котором сформированный на подложке слой ила разделен пустыми промежутками на несколько ячеек, причем каждая из ячеек может содержать либо не содержать иммобилизованные макромолекулы, а макромолекулы, иммобилизованные в разных ячейках, могут различаться по своей природе и свойствам, и двум способам проведения полимеризационно-цепной реакции на биочипе.The invention is known "Composition (K) for immobilization of biological macromolecules in hydrogels by copolymerization, a method for preparing a composition and biochip" (Patent RU No. 2206575, 2003.06.20), which relates to compositions (K) for polymerization immobilization of biological macromolecules in hydrogels during the formation of biochips K = aA + bB + cC + dD + eE, including A - a monomer based on derivatives of acrylic and methacrylic acids; B is a water soluble crosslinking agent; C is a modified biological macromolecule containing an unsaturated group, D is a water-soluble compound as a component of the copolymerization medium; E is water, where a, b, c, d, e is the percentage (X) of each component in the composition (X = m / v100% for solids and X = v / v100% for liquid substances), in which the total content the monomer and the crosslinking agent is in the range of 3-40% (3 (a + b) (40), the ratio of the monomer and the crosslinking agent is in the range 97: 3-60: 40, and the percentage of components C, D and E is in the range (c) from 0.0001% to 10%; (d) from 0% to 90%; (e) from 5% to 95%, the method of their preparation, to modified biologically significant DNA compounds and proteins, a biochip in which silt layer on the substrate is separated by empty gaps into several cells, each cell may or may not contain immobilized macromolecules, and macromolecules immobilized in different cells may differ in nature and properties, and two methods of carrying out a polymerization-chain reaction on a biochip.

Однако известные композиции для иммобилизации биологических макромолекул в гидрогелях при формировании биочипов, биочипы и способы их изготовления имеют ряд недостатков.However, known compositions for immobilizing biological macromolecules in hydrogels during the formation of biochips, biochips and methods for their manufacture have several disadvantages.

1. Использование только акриламида как гелеобразующего компонента и N,N'-метиленбисакриламида как сшивающего агента при изготовлении гелей сильно ограничивает спектр получаемых гидрогелей по структуре и пористости.1. The use of only acrylamide as a gel-forming component and N, N'-methylenebisacrylamide as a crosslinking agent in the manufacture of gels greatly limits the spectrum of hydrogels obtained in structure and porosity.

2. Модифицированные олигонуклеотиды, используемые для изготовления биочипов, содержат только 5'-концевую метакриламидную группу, связанную с молекулой олигонуклеотида кислотолабильной фосфорамидной связью, или концевую аллильную группу, обладающую низким сродством к акриламиду и N,N'-метиленбисакриламиду в реакции сополимеризации.2. The modified oligonucleotides used for the manufacture of biochips contain only the 5'-terminal methacrylamide group bonded to the oligonucleotide molecule with an acid labile phosphoramide bond or the terminal allyl group having low affinity for acrylamide and N, N'-methylene bisacrylamide in the copolymerization reaction.

3. Известные биочипы отличаются низкой воспроизводимостью свойств гелевых ячеек и неоднородностью распределения в объеме ячейки иммобилизуемого соединения.3. Known biochips are characterized by low reproducibility of the properties of gel cells and heterogeneous distribution in the cell volume of the immobilized compound.

4. Известный способ проведения химической полимеризации компонентов композиции при изготовлении биочипа осуществляют в атмосфере влажного азота, что снижает эффективность полимеризации.4. A known method of chemical polymerization of the components of the composition in the manufacture of a biochip is carried out in an atmosphere of moist nitrogen, which reduces the efficiency of polymerization.

5. Известный способ фотоиндуцируемой полимеризации использует УФ-излучение с длиной волны 254 нм, что приводит к деструкции олигонуклеотидов.5. The known method of photoinduced polymerization uses UV radiation with a wavelength of 254 nm, which leads to the destruction of oligonucleotides.

6. Известные способы изготовления биочипов технически сложны и используют процедуры, не обеспечивающие необходимой однородности и воспроизводимости свойств гелевых ячеек и плохо поддающиеся автоматизации.6. Known methods for manufacturing biochips are technically complex and use procedures that do not provide the necessary uniformity and reproducibility of the properties of gel cells and are poorly automated.

Вышеперечисленные недостатки методов диагностики моногенных заболеваний и биочипов для их осуществления устраняются заявляемым изобретением.The above disadvantages of the methods for the diagnosis of monogenic diseases and biochips for their implementation are eliminated by the claimed invention.

Задача настоящего изобретения - создание нового ускоренного метода массового скрининга новорожденных на наличие предрасположенности к моногенным заболеваниям. В основу изобретения положена также задача создания биочипа, обеспечивающего оптимальное функционирование иммобилизованных в нем биологически значимых макромолекул.The present invention is the creation of a new accelerated method of mass screening of newborns for a predisposition to monogenic diseases. The basis of the invention is also the task of creating a biochip that ensures the optimal functioning of biologically significant macromolecules immobilized in it.

Поставленная задача решается новым способом обнаружения большого количества мутаций в ДНК обследуемого за один анализ крови. В заявленном методе предложено использование: получения одноцепочечных меченых фрагментов ДНК генома человека непосредственно из клинического образца (цельной пуповинной крови). Присутствие или отсутствие мутаций ДНК определяют с помощью гибридизации полученных фрагментов на специализированном олигонуклеотидном биочипе. Метод включает также способы регистрации и интерпретации результатов анализа. Существенные признаки метода:The problem is solved in a new way to detect a large number of mutations in the DNA of the subject in a single blood test. The claimed method proposes the use of: obtaining single-stranded labeled DNA fragments of the human genome directly from a clinical sample (whole umbilical cord blood). The presence or absence of DNA mutations is determined by hybridization of the obtained fragments on a specialized oligonucleotide biochip. The method also includes methods for recording and interpreting analysis results. Salient features of the method:

(а) выделение геномной ДНК из клинического образца и амплификацию гена и получение одноцепочечного флюоресцентно меченого продукта; (б) - приготовление биочипа с иммобилизованными нуклеотидами; (в) - гибридизацию амплифицированного меченого продукта на биочипе; (г) - регистрацию и (д) - интерпретацию результатов гибридизации путем сравнения интенсивности флюоресцентных сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации. Новым в данной методике является то, что на стадии (а) используют амплификацию РАН, CFTR, PAX8, GALT генов и получение одноцепочечного флюоресцентно меченого продукта методом ник-трансляции и рестрикции, при этом на стадии (а) применяется рестриктаза DPN2; на стадии (б) приготавливают биочип для скрининга новорожденных, содержащий набор иммобилизованных олигонуклеотидов SEQ ID 1-82 (табл.1-4); на стадии (в) осуществляют гибридизацию меченого амплифицированного продукта на указанном биочипе; на стадии (г) регистрацию результатов проводят на длине волны 635 нм и 532 нм для красителей Су5 и Су3 соответственно; на стадии (д) - интерпретацию результатов гибридизации осуществляют путем сравнения интенсивности флюоресцентных сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации: если в ячейке первого ряда такого участка интенсивность сигнала выше, чем в остальных рядах, и выше порогового уровня определяемого отрицательным контролем, образец относят к дикому типу по данному нуклеотиду (не имеющему мутации в данном положении); если интенсивность сигнала в ячейке 2, 3 или 4 ряда отдельно или попарно (например, ячейки 2 и 3 ряда) выше, чем в остальных рядах и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем образец, относят к мутантному типу по данному нуклеотиду; если интенсивность сигнала в ячейке первого ряда и одной из ячеек 2, 3 или 4 ряда выше, чем в остальных ячейках участка и выше порогового уровня определяемого отрицательным контролем, то образец относят к гетерозиготному типу.(a) isolation of genomic DNA from a clinical sample and amplification of the gene and obtaining a single-stranded fluorescently labeled product; (b) - preparation of a biochip with immobilized nucleotides; (c) - hybridization of the amplified labeled product on a biochip; (d) - registration; and (e) - interpretation of hybridization results by comparing the intensity of fluorescent signals obtained with perfect and imperfect hybridization. What is new in this technique is that at stage (a) amplification of the RAS, CFTR, PAX8, GALT genes and the production of a single-stranded fluorescently labeled product by nick translation and restriction are used, with the restriction enzyme DPN2 applied in stage (a); at the stage (b) a biochip is prepared for screening newborns containing a set of immobilized oligonucleotides SEQ ID 1-82 (Tables 1-4); at the stage (c) carry out the hybridization of the labeled amplified product on the specified biochip; in step (d), the results are recorded at a wavelength of 635 nm and 532 nm for the dyes Su5 and Su3, respectively; at the stage (e) - the interpretation of the results of hybridization is carried out by comparing the intensity of the fluorescent signals obtained with perfect and imperfect hybridization: if in the cell of the first row of such a section the signal intensity is higher than in the other rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample is referred to wild type for a given nucleotide (not having a mutation in this position); if the signal intensity in a cell of rows 2, 3 or 4 separately or in pairs (for example, cells of rows 2 and 3) is higher than in the remaining rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample is classified as a mutant type for this nucleotide; if the signal intensity in the cell of the first row and one of the cells of the 2nd, 3rd or 4th row is higher than in the remaining cells of the section and above the threshold level determined by the negative control, then the sample is classified as heterozygous.

Размер амплифицированного одноцепочечного флюоресцентно меченого фрагмента составляет около 60 п.о.The size of the amplified single stranded fluorescently labeled fragment is about 60 bp.

В качестве клинического образца используют пуповинную кровь новорожденного.The umbilical cord blood of a newborn is used as a clinical sample.

Биочип для скрининга новорожденных содержит набор иммобилизованных олигонуклеотидов SEQ ID 1-82 и 10 неспецифичных олигонуклеотидов в качестве контроля, применение которого позволяет детектировать точечные мутации и делеции в генах РАН, CFTR, PAX8, GALT с высокой специфичностью, а порядок размещения олигонуклеотидов обеспечивает возможность наиболее достоверно оценить наличие или отсутствие мутации и ее точную локализацию. При этом биочип содержит набор олигонуклеотидов SEQ ID 1-82 и 10 неспецифичных олигонуклеотидов в качестве контроля, а также олигонуклеотиды, комплементарные олигонуклеотидам SEQ ID 1-82. А также он содержит от 1 до 4 копий набора олигонуклеотидов SEQ ID 1-82.The biochip for screening newborns contains a set of immobilized oligonucleotides SEQ ID 1-82 and 10 non-specific oligonucleotides as a control, the use of which allows the detection of point mutations and deletions in the genes of RAS, CFTR, PAX8, GALT with high specificity, and the order of placement of oligonucleotides provides the most reliable way assess the presence or absence of a mutation and its exact localization. Moreover, the biochip contains a set of oligonucleotides SEQ ID 1-82 and 10 non-specific oligonucleotides as a control, as well as oligonucleotides complementary to oligonucleotides SEQ ID 1-82. And also it contains from 1 to 4 copies of a set of oligonucleotides SEQ ID 1-82.

Новый технический результат изобретения состоит в том, что разработанные нами новые приемы изобретения позволяют быстро и с высокой точностью провести анализ ДНК новорожденных на наличие предрасположенности к следующим наследственным заболеваниям: муковисцидоз, врожденный гипотиреоз, галактоземия, фенилкетонурия, при этом для анализа достаточно одной пробы пуповинной крови.A new technical result of the invention consists in the fact that the new methods of the invention that we have developed allow us to quickly and accurately analyze the DNA of newborns for a predisposition to the following hereditary diseases: cystic fibrosis, congenital hypothyroidism, galactosemia, phenylketonuria, and only one cord blood sample is sufficient to analyze .

Достижение нового технического результата обусловлено следующими положениями.Achieving a new technical result is due to the following provisions.

Применение рестрикции и ник-трансляции позволяет получать меченые фрагменты небольшого размера - около 60 п.о. - геномной ДНК. Получаемые одноцепочечные меченые фрагменты ДНК способны вступать в специфическое гибридизационное взаимодействие с олигонуклеотидами, иммобилизованными на биочипе. Известный порядок расположения олигонуклеотидов на биочипе дает возможность установить наличие или отсутствие мутаций генов, ответственных за развитие моногенных заболеваний в образце ДНК. Разработанные условия подготовки образца и гибридизации обеспечивают высокую степень дифференциации между теми ячейками биочипа, где прошла гибридизация, и теми, где не возникло специфических гибридизационных комплексов. Дизайн олигонуклеотидов обеспечивает абсолютную специфичность их взаимодействия с участками генов, ответственных за развитие моногенных заболеваний, содержащими исследуемую мутацию. Регистрация и обработка результатов осуществляется специализированной программой, позволяющей достоверно определить наличие сигнала по отношению к фоновому уровню.The use of restriction and nick translation allows to obtain labeled fragments of a small size - about 60 bp - genomic DNA. The resulting single-stranded labeled DNA fragments are capable of entering into a specific hybridization interaction with oligonucleotides immobilized on a biochip. The known arrangement of oligonucleotides on the biochip makes it possible to establish the presence or absence of mutations in the genes responsible for the development of monogenic diseases in a DNA sample. The developed conditions for sample preparation and hybridization provide a high degree of differentiation between those cells of the biochip where hybridization has passed and those where no specific hybridization complexes have arisen. The design of oligonucleotides ensures the absolute specificity of their interaction with the regions of genes responsible for the development of monogenic diseases containing the studied mutation. Registration and processing of results is carried out by a specialized program that allows you to reliably determine the presence of a signal in relation to the background level.

Подробное описание способа и клинические примеры его выполнения.A detailed description of the method and clinical examples of its implementation.

Набор олигонуклеотидов (ячейки биочипа) приведенных в SEQ ID I - 82 (Табл. 1-4) наносят на стеклянную подложку в виде капель с максимальной аккуратностью и воспроизводимостью с помощью роботов (например, BioOdyssey, Bio-Rad, США). Каждая сформированная ячейка представляет собой полусферу диаметром 1 мкм и периодом около 8 мкм и содержит иммобилизованный олигонуклеотид - зонд, комплементарный последовательности участка гена, связанного с наличием или отсутствием предрасположенности к моногенному заболеванию.The set of oligonucleotides (biochip cells) shown in SEQ ID I - 82 (Table 1-4) is applied to a glass substrate in the form of droplets with maximum accuracy and reproducibility using robots (e.g., BioOdyssey, Bio-Rad, USA). Each formed cell is a hemisphere with a diameter of 1 μm and a period of about 8 μm and contains an immobilized oligonucleotide probe, complementary to the sequence of the gene region associated with the presence or absence of a predisposition to a monogenic disease.

Олигонуклеотиды для иммобилизации на биочипе синтезированы на автоматическом синтезаторе (типа 394 DNA/RNA synthesizer. Applied Biosystems, США) и содержат спейсер со свободной аминогруппой 3'-Ammo-Modifier C7 CPG 500 (Glen Research) для последующей иммобилизации на подложку биочипа.Oligonucleotides for immobilization on a biochip were synthesized on an automatic synthesizer (type 394 DNA / RNA synthesizer. Applied Biosystems, USA) and contain a spacer with a free amino group 3'-Ammo-Modifier C7 CPG 500 (Glen Research) for subsequent immobilization on a biochip substrate.

Берут 1 мл пуповинной крови новорожденного, выделяют геномную ДНК с помощью коммерческого набора DNA Box 500 (Protrans).Take 1 ml of the cord blood of the newborn, isolate genomic DNA using a commercial DNA Box 500 kit (Protrans).

Полученную геномную ДНК фрагментируют с помощью рестриктазы DPN2. После фрагментации ДНК проводят реакцию ник-трансляции с помощью Klenow Fragment (Sigma, 40 ед/мкл) в присутствии Cy5-dCTP или Су3-dCTP (Amersham, I мМ раствор). Затем очищают ДНК с помощью фильтра microcon 30 (Amicon/Millipore) и проводят гибридизацию на биочипе.The resulting genomic DNA is fragmented using restriction enzyme DPN2. After DNA fragmentation, a nick translation reaction was performed using Klenow Fragment (Sigma, 40 u / μl) in the presence of Cy5-dCTP or Cy3-dCTP (Amersham, I mM solution). DNA is then purified using a microcon 30 filter (Amicon / Millipore) and hybridization is carried out on a biochip.

Гибридизацию меченого образца на биочипе проводят в буфере следующего состава: 1М GuSCN; 50 мМ HEPES, рН 7,5; 5 мМ ЭДТА, рН 7.0. Гибридизацию выполняют в коммерчески производимой гибиридизационной камере объемом 30 мкл (Sigma) в течение ночи (16-18 часов) при 65°С. Отмывку проводят трижды в следующих буферах.Hybridization of the labeled sample on the biochip is carried out in a buffer of the following composition: 1M GuSCN; 50 mM HEPES, pH 7.5; 5 mM EDTA, pH 7.0. Hybridization is carried out in a commercially-produced hybridization chamber with a volume of 30 μl (Sigma) overnight (16-18 hours) at 65 ° C. Washing is carried out three times in the following buffers.

Первая отмывка: 2Х SSC, 0.03% SDS, 5 мин 70°С (для точного отделения специфичного от неспецифичного гибридизационного сигнала).First wash: 2X SSC, 0.03% SDS, 5 min 70 ° C (for precise separation of the specific from non-specific hybridization signal).

Вторая отмывка: 1X SSC, 5 мин при комнатной температуре.Second wash: 1X SSC, 5 min at room temperature.

Третья отмывка: 0.2Х SSC, 5 мин при комнатной температуре.Third wash: 0.2X SSC, 5 min at room temperature.

Регистрацию и фиксирование гибридизационной картины проводят с помощью автоматического комплекса, состоящего из сканера биочипов типа Innoscan 700 (Inopsys) и компьютера, на длине волны 635 нм и 532 нм для красителей Су5 и Су3 соответственно. Обработку интенсивности флуоресцентного сигнала проводят с помощью программы MapixSoftware (Inopsys).Registration and fixation of the hybridization pattern is carried out using an automatic complex consisting of a Innoscan 700 (Inopsys) type biochip scanner and a computer at a wavelength of 635 nm and 532 nm for Su5 and Su3 dyes, respectively. Processing the intensity of the fluorescent signal is carried out using the program MapixSoftware (Inopsys).

По наличию флуоресценции в ячейках биочипа делают выводы о наличии, либо отсутствии исследуемого полиморфизма в определенном гене.The presence of fluorescence in the cells of the biochip draw conclusions about the presence or absence of the studied polymorphism in a particular gene.

Обработка клинического образца.Clinical sample processing.

Выделение геномной ДНК.Isolation of genomic DNA.

Выделение геномной ДНК осуществляют с помощью коммерчески производимого набора DNA Box 500 (Protrans) согласно рекомендаций производителя.Genomic DNA is isolated using a commercially available DNA Box 500 kit (Protrans) according to the manufacturer's recommendations.

Мечение ДНК флуоресцентными красителями.Labeling DNA with fluorescent dyes.

Полученную геномную ДНК фрагментируют с помощью рестриктазы DPN2. После фрагментации ДНК проводят реакцию ник-трансляции с помощью Klenow Fragment (Sigma, 40 ед/мкл) в присутствии Cy5-dCTP или Су3-dCTP (Amersham, I мМ раствор). Затем очищают ДНК с помощью фильтра microcon 30 (Amicon/Millipore) и проводят гибридизацию на биочипе.The resulting genomic DNA is fragmented using restriction enzyme DPN2. After DNA fragmentation, a nick translation reaction was performed using Klenow Fragment (Sigma, 40 u / μl) in the presence of Cy5-dCTP or Cy3-dCTP (Amersham, I mM solution). DNA is then purified using a microcon 30 filter (Amicon / Millipore) and hybridization is carried out on a biochip.

Гибридизация меченого образца на биочипе.Hybridization of a labeled sample on a biochip.

Гибридизацию меченного образца на биочипе проводят в буфере следующего состава: 1М GuSCN; 50 мМ HEPES, рН 7,5; 5 мМ ЭДТА, рН 7.0. Гибридизацию выполняют в коммерчески производимой гибиридизационной камере объемом 30 мкл (Sigma) в течение ночи (16-18 часов) при 65°С. Отмывку проводят трижды в следующих буферах.Hybridization of the labeled sample on the biochip is carried out in a buffer of the following composition: 1M GuSCN; 50 mM HEPES, pH 7.5; 5 mM EDTA, pH 7.0. Hybridization is carried out in a commercially-produced hybridization chamber with a volume of 30 μl (Sigma) overnight (16-18 hours) at 65 ° C. Washing is carried out three times in the following buffers.

Первая отмывка: 2Х SSC, 0.03% SDS, 5 мин 70°С (для точного отделения специфичного от неспецифичного гибридизационного сигнала).First wash: 2X SSC, 0.03% SDS, 5 min 70 ° C (for precise separation of the specific from non-specific hybridization signal).

Вторая отмывка: 1X SSC, 5 мин при комнатной температуре.Second wash: 1X SSC, 5 min at room temperature.

Третья отмывка: 0.2Х SSC, 5 мин при комнатной температуре.Third wash: 0.2X SSC, 5 min at room temperature.

Регистрация и интерпретация результатов гибридизации - стадия (д).Registration and interpretation of hybridization results - stage (d).

Регистрацию и фиксирование гибридизационной картины проводят с помощью автоматического комплекса, состоящего из сканера биочипов типа Innoscan 700 (Inopsys) и компьютера на длине волны 635 нм и 532 нм для красителей Су5 и Су3 соответственно. Обработку интенсивности флуоресцентного сигнала проводят визуально или с помощью программы MapixSoftware (Inopsys).Registration and fixation of the hybridization pattern is carried out using an automatic complex consisting of a biochip scanner of the Innoscan 700 type (Inopsys) and a computer at a wavelength of 635 nm and 532 nm for dyes Su5 and Su3, respectively. Processing the intensity of the fluorescent signal is carried out visually or using MapixSoftware (Inopsys).

Интерпретацию результатов проводят следующим образом.The interpretation of the results is as follows.

Внутри каждого участка биочипа размером 1 на 4 ячейки визуально или с помощью программного обеспечения сравнивают интенсивности флуоресцентного сигнала. Если в ячейке первого ряда такого участка интенсивность сигнала выше, чем в остальных рядах, и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, образец относят к дикому типу по данному нуклеотиду (не имеющему мутации в данном положении). Если интенсивность сигнала в ячейке 2-го, 3-го или 4-го ряда отдельно или попарно (например, ячейки 2-го и 3-го ряда) выше, чем в остальных рядах и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, образец относят к мутантному типу по данному нуклеотиду (тип и расположение мутации устанавливают путем сравнения со схемой расположения олигонуклеотидов на биочипе). Если интенсивность сигнала в ячейке первого ряда и одной из ячеек 2-го, 3-го или 4-го ряда выше, чем в остальных ячейках участка и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, то образец относят к гетерозиготному типу (одна аллель - дикий тип, вторая аллель - мутантный тип). В результате выдается заключение о наличии или отсутствии мутаций в анализируемых положениях соответствующих генов.Within each 1-by-4-cell sized area of the biochip, the fluorescence signal intensities are visually or using software. If in the cell of the first row of such a section the signal intensity is higher than in the other rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample is assigned to the wild type for this nucleotide (which does not have a mutation in this position). If the signal intensity in the cell of the 2nd, 3rd or 4th row separately or in pairs (for example, cells of the 2nd and 3rd row) is higher than in the remaining rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample is to the mutant type for a given nucleotide (the type and location of the mutation is established by comparison with the arrangement of oligonucleotides on the biochip). If the signal intensity in the cell of the first row and one of the cells of the 2nd, 3rd or 4th row is higher than in the remaining cells of the section and above the threshold level determined by the negative control, then the sample is classified as heterozygous (one allele is wild type, second allele - mutant type). As a result, a conclusion is issued on the presence or absence of mutations in the analyzed positions of the corresponding genes.

Олигонуклеотидный биочип для скрининга новорожденных на моногенные заболевания.Oligonucleotide biochip for screening newborns for monogenic diseases.

Олигонуклеотиды для иммобилизации на биочипе синтезируют на автоматическом синтезаторе (типа 394 DNA/RNA synthesizer. Applied Biosystems, США) и содержат спейсер со свободной аминогруппой 3'-Amino-Modifier C7 CPG 500 (Glen Researh) для последующей иммобилизации на подложку биочипа или 5'-Amino-Modifier C6 (Glen Researh) для введения флуоресцентной метки. Введение флуоресцентной метки Су5 осуществляют в соответствии с рекомендациями производителя. (Amersham)Oligonucleotides for immobilization on a biochip are synthesized on an automatic synthesizer (type 394 DNA / RNA synthesizer. Applied Biosystems, USA) and contain a spacer with a free amino group 3'-Amino-Modifier C7 CPG 500 (Glen Researh) for subsequent immobilization on a biochip substrate or 5 ' -Amino-Modifier C6 (Glen Researh) for introducing a fluorescent label. The introduction of a fluorescent label Su5 carried out in accordance with the manufacturer's recommendations. (Amersham)

Синтезированный набор олигонуклеотидов (ячейки биочипа) наносят на стеклянную подложку в виде капель с максимальной аккуратностью и воспроизводимостью с помощью роботов (BioOdyssey, Bio-Rad, США). Каждая сформированная ячейка представляет собой полусферу диаметром 1 мкм и периодом около 8 мкм и содержит иммобилизованный олигонуклеотид - зонд, комплементарный последовательности участка гена, связанного с наличием или отсутствием предрасположенности к моногенному заболеванию.The synthesized set of oligonucleotides (biochip cells) is applied to the glass substrate in the form of drops with maximum accuracy and reproducibility using robots (BioOdyssey, Bio-Rad, USA). Each formed cell is a hemisphere with a diameter of 1 μm and a period of about 8 μm and contains an immobilized oligonucleotide probe, complementary to the sequence of the gene region associated with the presence or absence of a predisposition to a monogenic disease.

Структура биочипа.The biochip structure.

Биочип представляет собой набор олигонуклеотидов, иммобилизованных на твердой подложке.The biochip is a set of oligonucleotides immobilized on a solid support.

Для детекции мутаций типа SNP используют набор олигонуклеотидов, состоящий из двух частей. Первая часть представляет собой множество олигонуклеотидов, каждый олигонуклеотид точно комплементарен участку ДНК гена, содержащему исследуемую позицию. Вторая часть набора состоит из олигонуклеотидов, точно комплементарных участку ДНК гена, содержащему исследуемую позицию, за исключением нуклеотида в исследуемой позиции таким образом, что на одну исследуемую позицию приходится 3 олигонуклеотида с разными нуклеотидами в исследуемом положении. В итоге на одно исследуемое положение для одной цепи ДНК приходится 4 олигонуклеотида, отличающиеся нуклеотидом в исследуемом положении. Такой подход позволяет определить, какой из нуклеотидов А, С, G или Т находится в исследуемой позиции и соответственно сделать заключение о наличии или отсутствии мутации в данном положении. В набор олигонуклеотидов биочипа входят олигонуклеотиды, комплементарные как прямой цепи ДНК гена, так и обратной. Кроме того, набор олигонуклеотидов может быть нанесен на биочип в нескольких копиях (от 1 до 4 копий). Это позволяет повысить чувствительность анализа.To detect mutations of the SNP type, a two-part oligonucleotide set is used. The first part is a lot of oligonucleotides, each oligonucleotide is exactly complementary to the DNA segment of the gene containing the test position. The second part of the kit consists of oligonucleotides that are exactly complementary to the part of the DNA of the gene containing the test position, with the exception of the nucleotide in the test position, so that 3 oligonucleotides with different nucleotides in the test position fall on one test position. As a result, 4 oligonucleotides, differing in the nucleotide in the studied position, fall to one studied position for one DNA strand. This approach allows us to determine which of the nucleotides A, C, G or T is in the studied position and, accordingly, make a conclusion about the presence or absence of a mutation in this position. The set of biochip oligonucleotides includes oligonucleotides that are complementary to both the forward strand of the gene’s DNA and the reverse. In addition, a set of oligonucleotides can be applied to the biochip in several copies (from 1 to 4 copies). This allows you to increase the sensitivity of the analysis.

Для детекции делеций используют набор олигонуклеотидов, состоящий из двух частей. Первая часть набора олигонуклеотидов такая же, как и для детекции мутаций типа SNP. Вторая часть состоит из множества олигонуклеотидов, точно комплементарных участку ДНК гена, за исключением того, что в данных олигонуклеотидах отсутствует нуклеотид(ы) в исследуемом положении. В результате для исследования одной делеций в одной цепи ДНК используется 2 олигонуклеотида. В набор олигонуклеотидов биочипа входят олигонуклеотиды, комплементарные как прямой цепи ДНК гена, так и обратной. Кроме того, набор олигонуклеотидов может быть нанесен на биочип в нескольких копиях (от 1 до 4 копий).To detect deletions, a two-part oligonucleotide set is used. The first part of the set of oligonucleotides is the same as for the detection of mutations of the SNP type. The second part consists of many oligonucleotides that are exactly complementary to the region of the gene’s DNA, except that these oligonucleotides lack nucleotide (s) in the test position. As a result, 2 oligonucleotides are used to study one deletion in one DNA strand. The set of biochip oligonucleotides includes oligonucleotides that are complementary to both the forward strand of the gene’s DNA and the reverse. In addition, a set of oligonucleotides can be applied to the biochip in several copies (from 1 to 4 copies).

Олигонуклеотиды синтезируют на автоматическом синтезаторе ДИК и наносят на биочип таким образом, что олигонуклеотиды, комплементарные участку гена прямой цепи ДНК («прямые» олигонуклеотиды), содержащему 1 положение мутации расположены в столбик один за другим, при этом верхнее положение занимает олигонуклеотид, комплементарный дикому типу гена (т.е. не содержащий мутации). Олигонуклеотиды, комплементарные участку гена обратной цепи ДНК, содержащему соответствующее положение мутации, располагают таким же образом, как и «прямые». Олигонуклеотиды располагают на биочипе случайным образом с учетом выше указанных условий. Для увеличения чувствительности метода биочип может содержать от 2-х до нескольких копий набора олигонуклеотидов. Кроме того, на биочипе расположены 10 ячеек, содержащих неспецифичные к исследуемому геному олигонуклеотиды, выполняющие роль отрицательного контроля.Oligonucleotides are synthesized on a DIC automatic synthesizer and applied to the biochip in such a way that oligonucleotides complementary to a portion of the DNA straight chain gene (“direct” oligonucleotides) containing 1 mutation position are arranged in a column one after the other, while the oligonucleotide complementary to the wild type occupies the upper position gene (i.e., not containing a mutation). Oligonucleotides complementary to the region of the DNA reverse chain gene containing the corresponding mutation position are positioned in the same way as the “straight lines”. Oligonucleotides are placed on the biochip randomly, taking into account the above conditions. To increase the sensitivity of the method, the biochip may contain from 2 to several copies of a set of oligonucleotides. In addition, on the biochip there are 10 cells containing oligonucleotides that are nonspecific to the genome under study, which play the role of a negative control.

Статистика и клинические примерыStatistics and clinical examples

При клинических испытаниях предлагаемого способа выявления мутаций было обследовано 10 новорожденных с клиническим диагнозом фенилкетонурия, 7 новорожденных с клиническим диагнозом муковисцидоз, 2 новорожденных с диагнозом врожденный гипотиреоз, 1 ребенок с диагнозом галактоземия и 40 здоровых новорожденных. В результате испытаний предлагаемого способа были получены следующие результаты:In clinical trials of the proposed method for detecting mutations, 10 newborns with a clinical diagnosis of phenylketonuria, 7 newborns with a clinical diagnosis of cystic fibrosis, 2 newborns with a diagnosis of congenital hypothyroidism, 1 child with a diagnosis of galactosemia and 40 healthy newborns were examined. As a result of testing the proposed method, the following results were obtained:

- среди больных фенилкетонурией 8 новорожденных оказались гомозиготами по мутации R408W/R408W, 1 - гетерозиготой с генотипом R408W/R261Q, 1 - гетерозиготой с генотипом I65T/R408W по гену РАН.- among patients with phenylketonuria, 8 newborns were homozygous for the R408W / R408W mutation, 1 was heterozygous with the R408W / R261Q genotype, 1 was heterozygous with the I65T / R408W genotype according to the RAS gene.

- среди больных муковисцидозом 6 новорожденных являлись гомозиготами DelF508/DelF508 и один - оказался гетерозиготой с генотипом G542X/DelF508 по гену CFTR.- among patients with cystic fibrosis, 6 newborns were DelF508 / DelF508 homozygotes and one turned out to be heterozygous with the GTR542X / DelF508 genotype according to the CFTR gene.

- среди больных врожденным гипотиреозом один ребенок являлся гомозиготой по мутации Q40P/Q40P, другой - гетерозиготой с генотипом R31H/X по гену РАХ8.- among patients with congenital hypothyroidism, one child was homozygous for the Q40P / Q40P mutation, and the other was heterozygous with the R31H / X genotype for the PAX8 gene.

- среди новорожденных с диагнозом галактоземия 1 больной являлся гомозиготой по мутации Q188R по гену GALT.- among newborns with a diagnosis of galactosemia, 1 patient was homozygous for the Q188R mutation in the GALT gene.

Клинический пример 1.Clinical example 1.

Больная Ш-ва. Диагноз фенилкетонурия был поставлен в 2005 в результате проведения скрининговых исследований. Материалом для скринингового исследования служили бланки с кровью новорожденных, проживающих на территории Ростовской области. Уровень ФА определяли с применением «набора реагентов для количественного определения ФА в сухих пятнах крови флуориметрическим методом - «ФА-Флуор» (ООО «Инновационные биотехнологии», Россия) на приборе «Флюороскан-2» («Labsystems», Финляндия).Patient Sh-va. Phenylketonuria was diagnosed in 2005 as a result of screening studies. The material for the screening study was blanks with the blood of newborns living in the Rostov Region. The level of FA was determined using a “reagent kit for the quantitative determination of FA in dry blood stains using the fluorimetric method - FA-Fluor (Innovative Biotechnologies LLC, Russia) using the Fluoroscan-2 instrument (Labsystems, Finland).

Уровень фенилаланина у больной Ш-вой на момент постановки на учет (1 мес.) - 769,8 мкмоль/л (рефересные значения до 120,0 мкмоль/л). На момент проведения нашего исследования (2007 г.) больная получала диету, и значения ФА находились в пределах физиологической нормы.The level of phenylalanine in patient Sh-how at the time of registration (1 month) is 769.8 μmol / L (reference values up to 120.0 μmol / L). At the time of our study (2007), the patient was receiving a diet, and the values of FA were within the physiological norm.

Нами было проведено молекулярно-генетическое типирование по заявляемому методу с помощью биочипа на 6 наиболее частых мутаций в гене РАН (ФАГ) (R408W, P281L, R261Q, R158Q, R252W, I65T).We carried out molecular genetic typing according to the claimed method using a biochip for the 6 most frequent mutations in the RAS gene (FAG) (R408W, P281L, R261Q, R158Q, R252W, I65T).

С помощью предлагаемого метода установлен генотип больной Ш-вой: - R408W/R408W.Using the proposed method, the patient’s genotype Sh-how was established: - R408W / R408W.

Клинический пример 2.Clinical example 2.

Больной А-ин. Диагноз врожденный гипотиреоз был поставлен в 2007 в возрасте 1 месяц в результате проведения скрининговых исследований по определению уровня тиреотропного (ТТГ) в сухих пятнах крови новорожденных иммунофлуоресцентным методом с использованием наборов «Delfia Neonatal hTSH». У больного А-ина концентрация ТТГ на 3 день после родов 124 мкЕд/мл при норме до 20 мкЕд/мл.Patient A-in. The diagnosis of congenital hypothyroidism was made in 2007 at the age of 1 month as a result of screening studies to determine the level of thyroid-stimulating (TSH) in dry blood spots of newborns by the immunofluorescence method using Delfia Neonatal hTSH kits. In patient A-in, the TSH concentration on the 3rd day after delivery is 124 μU / ml, with a norm of up to 20 μU / ml.

Нами было проведено молекулярно-генетическое типирование по заявляемому методу с помощью разработанного нами биочипа на 5 наиболее частых мутаций в гене РАХ8 (R31H, Q40P, С57O, L62R, R108X). С помощью биочипа установлен генотип больного А -ина: - Q40P/Q40PWe carried out molecular genetic typing according to the claimed method using the biochip we developed for the 5 most frequent mutations in the PAX8 gene (R31H, Q40P, C57O, L62R, R108X). Using the biochip, the genotype of the patient A -in was determined: - Q40P / Q40P

Клинический пример 3.Clinical example 3.

Больной Ц-ко. Диагноз муковисцидоз был поставлен в возрасте 3 лет на основании клинической картины - хронический бронхолегочный процесс и кишечный синдром, наличие муковисцидоза у сибса и положительного результата потового теста концентрации хлорида натрия.Patient Ts-ko. The diagnosis of cystic fibrosis was made at the age of 3 years on the basis of the clinical picture - chronic bronchopulmonary process and intestinal syndrome, the presence of cystic fibrosis in siblings and a positive result of a sweat test of sodium chloride concentration.

Определение концентрации хлорида натрия проводили спектрофотометрически. У больного Ц-ко регистрировали положительный трехкратный потовый тест с содержанием хлоридов пота выше 60 мм.The concentration of sodium chloride was determined spectrophotometrically. Patient C-co recorded a positive triple sweat test with a sweat chloride content above 60 mm.

Нами было проведено молекулярно-генетическое типирование по заявленной методике с помощью биочипа на 5 наиболее частых мутаций в гене CFTR (delF508, G542X, G551D, N1303K, W1282X).We carried out molecular genetic typing according to the claimed method using a biochip for the 5 most frequent mutations in the CFTR gene (delF508, G542X, G551D, N1303K, W1282X).

С помощью разработанного нами биочипа установлен генотип больного Ц-ко:Using the biochip we developed, the patient’s genotype Ts-ko was established:

- DelF508/DelF508.- DelF508 / DelF508.

Клинический пример 4.Clinical example 4.

У новорожденного К-ова из пуповинной крови была выделена ДНК и проанализирована с помощью предлагаемого метода. Генотипирование проводилось на наличие следующих мутаций: в гене РАН (R408W, P281L, R261Q, R158Q, R252W, I65T), в гене CFTR (delF508, G542X, G551D, N1303K, W1282X), в гене GALT (Q188R, K285N, L195P, F171S, S135L), в гене РАХ8 (R31H, Q40P, С57O, L62R, R108X)/ Было установлено, что новорожденный К-ов являлся гетерозиготой с генотипом R408W/- по гену РАН, других исследуемых мутаций обнаружено не было. При проведении через 1 месяц после рождения исследования в рамках скрининговой программы отклонения в биохимических показателях обнаружены не были.In the newborn K-ova, DNA was isolated from cord blood and analyzed using the proposed method. Genotyping was carried out for the following mutations: in the RAS gene (R408W, P281L, R261Q, R158Q, R252W, I65T), in the CFTR gene (delF508, G542X, G551D, N1303K, W1282X), in the GALT gene (Q188R, K28517, , S135L), in the PAX8 gene (R31H, Q40P, C57O, L62R, R108X) / It was found that the newborn K-s was heterozygous with the R408W / genotype - according to the RAS gene, no other mutations studied were found. When conducting 1 month after the birth of the study in the framework of the screening program, deviations in biochemical parameters were not detected.

Преимущества для клинической практики заявляемого нами способа диагностики и биочипа для его осуществления состоят в следующем.The advantages for clinical practice of our proposed diagnostic method and biochip for its implementation are as follows.

Продолжительность анализа составляет 24 ч. Точность метода составляет 98% и перекрывает 78% случаев обнаруженных моногенных заболеваний у детей.The duration of the analysis is 24 hours. The accuracy of the method is 98% and covers 78% of cases of detected monogenic diseases in children.

Условия гибридизации и отмывки обеспечивают высокую степень дифференциации между совершенными и несовершенными гибридизационными дуплексами, и таким образом позволяют осуществлять процедуру в условиях ординарной диагностической лабораторииHybridization and washing conditions provide a high degree of differentiation between perfect and imperfect hybridization duplexes, and thus allow the procedure to be carried out in an ordinary diagnostic laboratory

Метод выгодно отличается от существующих в настоящее время аналогов простотой выполнения и низкой себестоимостью и может быть широко рекомендован в клиническую практику.The method compares favorably with existing analogues by its simplicity and low cost and can be widely recommended in clinical practice.

Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003
Figure 00000004

Claims (5)

1. Биочип для скрининга новорожденных на моногенные заболевания, содержащий набор иммобилизованных олигонуклеотидов SEQ ID NO:1-82, также олигонуклеотиды комплементарные им, и 10 неспецифичных олигонуклеотидов в качестве контроля, с числом копий данного набора от 1 до 4.1. A biochip for screening newborns for monogenic diseases, containing a set of immobilized oligonucleotides SEQ ID NO: 1-82, also oligonucleotides complementary to them, and 10 non-specific oligonucleotides as a control, with the number of copies of this set from 1 to 4. 2. Способ скрининга новорожденных на моногенные заболевания с использованием биочипа по п.1, включающий: (а) выделение геномной ДНК из клинического образца и амплификацию гена и получение одноцепочного флюоресцентно меченого продукта; (б) приготовление биочипа по п.1 с иммобилизованными нуклеотидами; (в) гибридизацию амплифицированного меченого продукта на биочипе; (г) регистрацию и (д) интерпретацию результатов гибридизации путем сравнения интенсивности флюоресцентных сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации, отличающийся тем, что на стадии (а) используют амплификацию РАН, CFTR, PAX8, GULT генов и получение одноцепочного флюоресцентно меченого продукта методом ник-трансляции и рестрикции; на стадии (б) приготавливают биочип по п.1 для скрининга новорожденных, содержащий набор иммобилизованных олигонуклеотидов SEQ ID NO:1-82; на стадии (в) осуществляют гибридизацию меченого амплифицированного продукта на указанном биочипе; на стадии (г) регистрацию результатов проводят на длине волны 635 нм и 532 нм для красителей Су5 и Су3 соответственно; на стадии (д) интерпретацию результатов гибридизации осуществляют путем сравнения интенсивности флюоресцентных сигналов, полученных при совершенной и несовершенной гибридизации: если в ячейке первого ряда такого участка интенсивность сигнала выше, чем в остальных рядах, и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, образец относится к дикому типу по данному нуклеотиду (не имеющему мутации в данном положении); если интенсивность сигнала в ячейке 2-го, 3-го или 4-го ряда отдельно или попарно (например, ячейки 2-го и 3-го ряда) выше, чем в остальных рядах, и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, образец относят к мутантному типу по данному нуклеотиду; если интенсивность сигнала в ячейке первого ряда и одной из ячеек 2-го, 3-го или 4-го выше, чем в остальных ячейках участка, и выше порогового уровня, определяемого отрицательным контролем, то образец относят к гетерозиготному типу.2. A method for screening newborns for monogenic diseases using the biochip according to claim 1, comprising: (a) isolating genomic DNA from a clinical sample and amplifying a gene and obtaining a single chain fluorescently labeled product; (b) preparing a biochip according to claim 1 with immobilized nucleotides; (c) hybridization of the amplified labeled product on a biochip; (d) recording and (e) interpreting the results of hybridization by comparing the intensity of fluorescent signals obtained with perfect and imperfect hybridization, characterized in that stage (a) uses amplification of the RAS, CFTR, PAX8, GULT genes and obtaining a single-chain fluorescently labeled product by nick translation and restriction; in step (b), the biochip according to claim 1 is prepared for screening newborns containing a set of immobilized oligonucleotides SEQ ID NO: 1-82; at the stage (c) carry out the hybridization of the labeled amplified product on the specified biochip; in step (d), the results are recorded at a wavelength of 635 nm and 532 nm for the dyes Su5 and Su3, respectively; at the stage (e), the interpretation of the results of hybridization is carried out by comparing the intensity of the fluorescent signals obtained with perfect and imperfect hybridization: if in the cell of the first row of such a section the signal intensity is higher than in the remaining rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample refers to wild type for a given nucleotide (not having a mutation in this position); if the signal intensity in the cell of the 2nd, 3rd or 4th row separately or in pairs (for example, cells of the 2nd and 3rd row) is higher than in the other rows and above the threshold level determined by the negative control, the sample belong to the mutant type for this nucleotide; if the signal intensity in the cell of the first row and one of the cells of the 2nd, 3rd or 4th is higher than in the other cells of the section and above the threshold level determined by the negative control, then the sample is classified as heterozygous. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что клинический образец включает пуповинную кровь новорожденного.3. The method according to claim 2, characterized in that the clinical sample includes cord blood of a newborn. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что на стадии (а) применяется рестриктаза DPN2.4. The method according to claim 2, characterized in that at the stage (a) the restriction enzyme DPN2 is used. 5. Способ по п.2, отличающийся тем, что размер амплифицированного одноцепочного флюоресцентно меченого фрагмента составляет около 60 п.о. 5. The method according to claim 2, characterized in that the size of the amplified single-stranded fluorescently labeled fragment is about 60 bp
RU2008100428/13A 2008-01-09 2008-01-09 Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation RU2402612C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008100428/13A RU2402612C2 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008100428/13A RU2402612C2 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008100428A RU2008100428A (en) 2009-07-20
RU2402612C2 true RU2402612C2 (en) 2010-10-27

Family

ID=41046594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008100428/13A RU2402612C2 (en) 2008-01-09 2008-01-09 Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2402612C2 (en)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008100428A (en) 2009-07-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3348640B1 (en) Amplified nucleic acid detection method and detection device
EP0070687B1 (en) Light-emitting polynucleotide hybridization diagnostic method
US20080318238A1 (en) Method of detecting gene mutation
EP2843058B1 (en) Method for amplifying nucleic acid and method for detecting amplified nucleic acid
JP2002538785A (en) Customized oligonucleotide microchips that convert multigene information into simpler patterns are portable and reusable
Chinault et al. Application of dual-genome oligonucleotidearray-based comparative genomic hybridization to the molecular diagnosis of mitochondrial DNA deletion and depletion syndromes
US8178343B2 (en) Gene cluster diagnosis apparatus
JP2000228999A (en) Multi-genotype of population
WO2008102924A1 (en) Microarray for detection of mitochondrial dna mutation and method for diagnosis of diabetes using the same
EP3447154A1 (en) Method for detection of mutations, polymorphisms and specific dna sequences on dna matrices with dna imaging techniques for the use in medical diagnostics and forensic genetics
RU2402612C2 (en) Method of screening newborns for monogenic diseases and biochip for said method realisation
JP2022145606A (en) Highly sensitive methods for accurate parallel quantification of nucleic acids
CN115948531A (en) Primer group and method for detecting non-deletion type thalassemia and application of primer group
RU2402771C2 (en) Method of screening cardiovascular diseases and biochip for said method realisation
RU2453606C2 (en) Method for extended screening of predisposition to cardiovascular diseases and biochip for implementing such method
WO2004050906A1 (en) Methylation dna detecting method
CN110305947A (en) The detection method of chromosome long segment insertion and the long segment based on MassARRAY platform are inserted into detection method
RU216994U1 (en) DNA microarray for molecular genetic study of predisposition to the development of severe distal neuropathy and diabetic foot syndrome in patients with type 1 and type 2 diabetes mellitus
Mishra et al. Recent techniques for the detection of β-thalassemia: a review
US20090117552A1 (en) Method for Detection and Quantification of Target Nucleic Acids in a Sample
RU2795795C1 (en) Method for detecting genetic risk factors for development of alzheimer type dementia on the basis of hydrogel matrix biochip
JP2002078500A (en) Method for analyzing gene polymorphism
Zou et al. DNA microarrays: applications, future trends, and the need for standardization
EP4215619A1 (en) Methods for sensitive and accurate parallel quantification of nucleic acids
JP2004500076A (en) Gene chip for newborn screening

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20100726