WO2006136314A1 - Magnetpartikel mit einer geschlossenen, ultradünnen silikaschicht, verfahren zu deren herstellung und verwendung - Google Patents

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WO2006136314A1
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Karlheinz Hildenbrand
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Siemens Medical Solutions Diagnostics Gmbh
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Definitions

  • Magnetic particles with a closed, ultrathin silica layer, process for their preparation and use Magnetic particles with a closed, ultrathin silica layer, process for their preparation and use
  • the present invention relates to magnetic particles coated with silica (SiO 2), wherein the silicate layer is closed and dense and characterized by an extremely small thickness in the range of a few nanometers - hereinafter also referred to as a silica nano layer.
  • this invention describes an improved process for the preparation of these silicate-containing magnetic particles, which compared to the prior art leads to a product with a closed silicate layer and thereby also to a greatly improved purity.
  • the new process prevents uncontrolled formation of aggregates and clusters of silicates on the magnetite surface, which has a positive effect on the properties and biological applications mentioned in the following.
  • the new process also enables the depletion of nanoparticulate solid particles based on fractionated centrifugation.
  • the magnetic particles according to the invention show an optimized magnetization and suspension behavior and a very advantageous flow behavior of plastic surfaces.
  • These high-purity silica particles coated with silicon dioxide are preferably used for the isolation of nucleic acids from cell or tissue samples, the separation taking place by means of magnetic fields from a sample matrix.
  • These particles are particularly well suited for the automated purification of nucleic acids, mostly from biological body samples, for their detection with different amplification methods.
  • molecular diagnostics has become increasingly important. Molecular diagnostics has found its way into the clinical diagnosis of diseases. This includes the measurement of molecular markers to improve the diagnosis of a disease, the early detection, monitoring of a disease during therapy, the prognosis of diseases and the prediction of effects or side effects of drugs (including detection of infectious agents, detection of mutations of the Genome, prediction of effect or side effects of drugs on the basis of predefined or acquired in the course of a disease genomes, detection of circulating tumor cells and identification of risk factors for the predisposition of a disease). But also in veterinary medicine, environmental analysis and food testing methods of molecular diagnostics are now used. A further area of application is examinations at pathological / cytological institutes or in the context of forensic issues.
  • the prerequisite for carrying out an assay in molecular diagnostics is generally the isolation of DNA or RNA from the sample to be analyzed. While there are methods of analysis, such as BDNA-based assays that allow nucleic acid isolation and detection reaction to be performed in concert, but PCR, the molecular biological method most widely used in molecular diagnostics, almost always requires the use of previously purified nucleic acids because of its ability to be influenced by exogenous factors.
  • the classical preparation methods for nucleic acids are based on a liquid-liquid extraction.
  • phenol-chloroform extraction of DNA from body samples.
  • the high workload and the need, sometimes highly toxic substances -using-to-have ⁇ has-diese ⁇ ⁇ learn-but-last-in-the-years can appear solid phase-based methods into the background-favor-of heavily-.
  • the sample preparation for the actual analytical procedure can be subdivided into four basic steps, largely independent of the respective problem: 1. Conditioning of the solid phase; 2. selective or specific binding of the analyte to the solid phase and removal of the remaining sample matrix; 3. Wash out any impurities from the solid phase; and 4. Elute the enriched and purified analyte.
  • nucleic acids With regard to selective and reversible binding of nucleic acids, the long known property of nucleic acids is exploited, under chaotropic or other high salt conditions, i. at high concentrations of chaotropic or other salts, specifically on silicate-containing adsorbents such as glass flour [Proc. Natl. Acad. USA 76 (1979) 615-619, Anal. Biochem. 121 (1982) 382-387], diamatomaceous earth [Methods Enzymol. 65 (1979) 176-182] or native silica [J. Clin. Microbiol. 28 (1990) 495-503, EP 0 389 063 Bl] to bind.
  • silicate-containing adsorbents such as glass flour [Proc. Natl. Acad. USA 76 (1979) 615-619, Anal. Biochem. 121 (1982) 382-387], diamatomaceous earth [Methods Enzymol. 65 (1979) 176-18
  • magnetic particles which carry a high density of SiOH groups on the surface play an outstanding role. Indeed, SiOH groups are known to undergo reversible binding with nucleic acids. Silica-modified magnetic particles are also the subject of the present invention.
  • such magnetic particles have to fulfill, in addition to magnetizability and nucleic acid binding capacity, a number of further boundary conditions which are described in more detail below.
  • Magnetic particles of Fe 3 O 4 which are available, for example, from the company Lanxess under the name Bayoxide E for electrographic toners having primary particle sizes in the range of about 0.1 to 1 ⁇ m, in terms of particle size fulfill almost ideal conditions.
  • the important boundary condition of the "suspension stability" which is important for biological applications can be achieved, which on the one hand must be so stable that it does not become appreciable after shaking within a few minutes, for example 10 to 15 minutes (adsorption phase of the nucleic acids) Sedimentation comes while After application of the magnetic field, the magnetic particles loaded with nucleic acids have to be completely separated within a few minutes, for example within 1 to 5 minutes, in view of the shortest possible analysis times.
  • some commercially produced magnetic particles for example the Bayoxide E series from Lanxess, have a certain nucleic acid binding capacity even without special aftertreatment because they carry SiOH groups in bulk and thus also to a lesser extent on the surface Because of the low nucleic acid adsorption capacity, relatively large amounts of magnetic particles are required in such products, which makes it difficult to work up small sample volumes.
  • silica particles with a high density of SiOH surface groups which due to their hydrophilicity very advantageously bead off in particular from plastic walls such as the microtiter plates, behave very favorably. Accordingly, in many magnetic particle developments for nucleic acid isolation, the silica content is dominant over the magnetic content.
  • silica particles obtained by hydrolysis of reactive silica compounds, such as, for example, tetraethoxysilane (TEOS) in the presence of magnetite particles are magnetizable by magnetite inclusion.
  • the magnetic properties are greatly reduced in accordance with the reduced magnetite content.
  • the thus-prepared magnetic silica particles have much less favorable morphological properties, such as very heterogeneous particle size and particle size distribution, it being noted that large, non-spherical particles can cause clogging in automatic pipetting operations.
  • Extractable ingredients
  • PCR Polymerase Chain Reaction
  • TMA Transcription Mediated Amplification
  • LCR Low Capase Chain Reaction
  • NASBA- Nucleic
  • the magnetic particles prepared for the purification of nucleic acids must meet special purity requirements. If industrially produced iron oxides, such as, for example, Bayoxides from the company Lanxess, are used, this task is by no means trivial, since the magnetite particles have a certain porosity and surface roughness. Therefore, both in the process of iron oxide production and in the subsequent treatment with silica impurities can be trapped in the micropores, which can interfere with later processes as enzyme poisons or in the case of colored impurities in the photometric evaluation.
  • industrially produced iron oxides such as, for example, Bayoxides from the company Lanxess
  • Silica coating can be positively influenced.
  • the silica-modified magnetic particles should be so far optimized in terms of extractable impurities that leakage of impurities or iron compounds is prevented from the magnetite core and neither a disturbance of the biological detection reactions nor the photometric evaluation are possible.
  • WO 03/058649 Based on magnetic particles Bayoxide E from Lanxess, WO 03/058649 describes an elegant process for silica deposition on the particle surface with waterglass solutions, for example waterglass HK 30 from Cognis.
  • a stepwise dilution of the pH in the Bayoxide E / water glass solution equivalent to a stepwise pH shift from strongly alkaline (pH 11.5) to neutral (pH 7)
  • a gentle deposition of silica at the magnetic particle surface occurs, as in WO 03 / 058649, the pH reduction by addition of acids (WO 98/31840), so it can be stored at the acid drip point for uncontrolled " conversion of water glass to silica (SiO 2 ) -come in their structural magnetic particles, so that the
  • the formation of very small silica aggregates or clusters on the surface is not completely prevented.
  • silica-modified magnetic particles described in WO 03/058649 showed good properties with regard to surface structure and nucleic acid binding behavior, it was possible to observe very disadvantageous yellow-brown supernatants in the long-term behavior (after a few weeks' life) of the corresponding aqueous suspensions. In biological assays in which surfactants are usually used, this effect is already observed after shorter periods. In addition to water-glass components, traces of iron compounds and very fine magnetite particles could be detected analytically in these colored supernatants. Obviously, these contaminants were trapped by the silica surface into the porous magnetic particle structure, from where they diffused outward over time. These observations also indicate that the silicate layer with the batch process described in WO 03/058649 is not completely closed or irregularly distributed and thus can not prevent the escape of iron compounds.
  • the surface properties are important. While Bayoxide E 8707 with pH 6.5 has a slightly acidic surface, the Type Bayoxide E 8706 used now has a neutral pH, and even slightly alkaline values (pH 7.5) depending on the batch. Surprisingly, it has been found that even these slightly alkaline surface properties can induce water glass silica deposition. Usually, the silica is separated from the strongly alkaline water glass solutions by addition of acids.
  • Mulder's "Basic Principles of Membrane Technology” a known separation or purification method, operating at constant volumes, ie, replacing the permeate flow containing the contaminants with the same volume of incoming fresh water
  • this continuous purification process was carried out until the effluent permeate quality exceeds the purity of the incoming fresh water ssers corresponded, which took about 12 to 15 hours depending on the batch size.
  • Silica surface have a novel, namely ultra-thin silica structure with which, if necessary, the improved purification or the increased purity can be correlated.
  • Silicate layer of up to 5 nm Silicate layer of up to 5 nm.
  • inventive method also describes layer thicknesses of 2 nm and most preferably also layer thicknesses of 0.5 nm - -
  • the particles thus coated have a surface coating characterized by e.g. prevents the escape of iron ions into the surrounding solution.
  • the method according to the invention is characterized by a closed and dense silicate layer, which also correlates with the improved purity or reduced observed dirt effects in the supernatant.
  • the purity of the silica-coated magnetic particles produced by this process according to the invention is substantially better in comparison with the process described in WO 03/058649.
  • visible discoloration of the supernatant after preparation and washing no longer occur (see Examples 2 and 3).
  • the dense and closed silica layer prevents the escape of visible or even invisible impurities, for example iron ions, which may disturb the amplification methods or the optical evaluation of biological experiments (see Examples 4 and 5).
  • Nano-layer of silicon positively influences the properties and biological applications described below.
  • magnetic silica coated particles includes magnetite cores coated with a nano layer of silica. - -
  • closed and dense silica layer comprises a uniform, homogeneous, single to multiple molecular silica layer in the range of less than 5 nm, more preferably with a layer thickness of 2 nm, most preferably with a layer thickness of 0.5 to 0.2 nm In particular, this closed silica layer prevents the escape of iron compounds and iron ions into the surroundings of the silica-coated magnetic particle.
  • improved manufacturing process includes an easy to carry out but very intensive washing process with the aid of a micro- or ultrafiltration unit, which leads to an extreme purity of the silica-coated magnetic particle, after an initial precipitation of the nano-layer of silicate on the Particle surface to a slow, controlled and continuous dilution and thus lowering of the pH value to neutral pH values in the reaction solution whereby an extremely uniform, dense, closed and homogeneous silicate layer is formed on the magnetite surface Furthermore disturbing aggregate or cluster formations of silicates prevented or largely reduced.
  • centrifugation technique encompasses the use of centrifugation or simple gravity techniques, whereby the desired fractions are sedimented, while the unwanted nanoparticulate constituents can be discarded by removing the supernatant
  • this effect can be detected by the depleted small-particle fractions
  • the starting suspension is centrifuged at about 3000 g for 15 min, the supernatant is removed and an equal amount of water or buffer is added, resuspended and these steps are repeated several times (up to 10x)
  • the gravity technique rather than centrifuging, simply wait a longer time until most of the particles settle to the bottom of the vessel and then exchange the aqueous supernatant ht.
  • optimum magnetization behavior encompasses the property of the particles according to the invention to have the largest possible proportion of magnetite and thus completely separated from the sample matrix during the purification by applying a magnetic field from outside to a reaction vessel within a few minutes, for example within 1 to 5 minutes This should be taken into account as hardware components in particular with regard to the shortest possible cleaning times in an automated process on a pipetting robot and the use of the most economical possible magnets with limited magnetic field strengths.
  • suspension behavior comprises the property of the particles according to the invention, due to an optimal particle size distribution, to behave in such a way that during the purification After a shaking period of a few minutes, for example 10 to 15 minutes (adsorption phase of the nucleic acids), no appreciable sedimentation occurs.
  • optimum drainage of plastic surfaces includes the property of the particles according to the invention to have a low affinity to the plastic articles used in biological purification processes due to a hydrophilic surface finish.
  • the plastic articles used include, inter alia, polystyrene, polyethylene and polypropylene vessels or so-called microtiter plates of comparable plastics Shape and Size.
  • the specific silica layer of the magnetic particles according to the invention allows a repulsive interaction with these plastic surfaces, so that the coated magnetic particles roll off these surfaces and do not undergo any major interactions, which ultimately can lead to a loss of yield in a biological purification process of nucleic acids.
  • isolation comprises the purification of the nucleic acid from a biological plant using "the above-mentioned silica-coated magnetic particles and is essentially divided into the following individual steps:
  • automated purification encompasses variants of this process in which the manual labor of human personnel is replaced completely or even in partial steps, and in particular, the steps of digesting the biological body sample with a specific buffer, adding magnetic particles, incubating at a certain temperature, removing unabsorbed sample components, washing, eluting bound nucleic acids from the particles at a certain temperature and separating them the eluate from the particle suspension application.
  • nucleic acids includes oligomeric and polymeric ribonucleotides or 2'-deoxyribonucleotides having a chain length of more than 10 monomer units.
  • the monomer units in nucleic acids are linked via phosphoric acid diester bonds between 3'- and 5'-hydroxyl group of adjacent monomer units and to the l 'atom of the respective carbohydrate component is glycosidically bonded to a heterocyclic base.
  • Nucleic acids can form double and triple strands by forming intermolecular hydrogen bonds.
  • protein / nucleic acid complexes and nucleic acids with synthetic nucleotides such as morpholinos or PNA's (peptide-nucleic-acids), meant.
  • detection with different amplification methods encompasses the amplification of the purified nucleic acids by means of various molecular biological technologies, in particular PCR, transcription-mediated amplification (TMA), LCA or also NASBA and the subsequent or simultaneous detection of the amplification products
  • TMA transcription-mediated amplification
  • NASBA NASBA-mediated amplification
  • the detection, in particular of the PCR, can also be carried out under real-time conditions by the use of kinetic methods with the aid of fluorescence technology or on a classical agarose gel.
  • the "real-time" PCR enables a very good quantitative determination of nucleic acids using appropriate calibrators.
  • the critical factor in limiting the clinical sensitivity is the efficient purification of the nucleic acids Nucleic acids, ie efficient binding to the magnetic particle and reversible release under PCR compatible conditions.
  • Another object of the invention is a kit for carrying out a erf ⁇ ndungswashen method, which contains the following components:
  • the present invention represents an important contribution to nucleic acid diagnosis.
  • the Silka coated magnetite beads settle. This process may be accelerated by applying a magnetic field. After a waiting time of one hour, the supernatant is aspirated. For workup, 4 l of water are added while stirring for about 10 minutes. The supernatant is sucked off again. This washing process is repeated at least four times until the last washing water has reached a pH of 7.5-7.0.
  • Example 2 Production of Highly Pure Silicate-Coated Magnetite Particles from Bay Oxide E 8706 with Waterglass 37/40, Continuous Reduction of the pH Value by "Crossflow Microfiltration” The reaction part described in Example 1 was repeated, but the work-up was not carried out stepwise or batchwise, but with the aid of the microfiltration unit "Centramate®” from the company PALL with a 0.2 ⁇ m Supor® membrane cassette.
  • the magnetic particle suspension was sucked by means of a pump via a hose and passed over the membrane cassette, wherein the permeate was discarded, while the retentate was returned to the reaction vessel.
  • the amount equivalent to the permeate was reintroduced to the particle suspension.
  • Si content 4.9 atom% - Si determined according to -ESCA.
  • the particle suspension purified by ultrafiltration showed no discoloration in the supernatant even after standing for several months at RT.
  • Si content 3.0% Si.
  • the difference of 0.6 atom% was accordingly separated by the silica treatment with water glass at the particle surface. This results in a silica layer thickness of 0.2 nm.
  • Example 5 Behavior of aqueous supernatants of the silica-coated magnetic particles in RT-PCR
  • aqueous supernatants of the two different silica-coated magnetic particles were removed under magnetization.
  • Particle lot HIEl 3266 was prepared by the production process according to the invention with continuous washing in a microfiltration unit (see Examples 2 and 3).
  • Particle lot HIE12106R2 was prepared by sequential washing several times (see WO 03/058649 A1, based on Bayoxide E 8707). Both supernatants were then added to a quantitative one-step RT-PCR.
  • the so-called quantitative one-step RT (reverse transcription) PCR was performed on the MX4000 from Stratagene. 5 ⁇ l of the supernatants of the two particle supernatants or 5 ⁇ l of water were added as a control to 20 ⁇ l of master mix.
  • PCR program was: 30 min at 45 ° C, 10 min at 95 ° C, 45 cycles of 15 sec 96 ° C, 60 sec at 63 0 C and 30 sec at 72 ° C).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische mit Silika (SiO2) beschichtete Partikel, wobei die Silikaschicht geschlossen und dicht ist und sich durch eine extrem geringe Dicke im Bereich von wenigen Nanometern - im Folgenden auch als Silika-Nanoschicht genannt - auszeichnet. Darüber hinaus beschreibt diese Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung dieser silikahaltigen Magnetpartikel, welches im Vergleich zum Stand der Technik zu einem Produkt mit einer geschlossenen Silikaschicht und dadurch bedingt auch zu einer stark verbesserten Reinheit führt. Darüber hinaus verhindert das neue Verfahren eine unkontrollierte Aggregat- und Clusterbildung von Silikaten an der Magnetitoberfläche, wodurch die im weiteren genannten Eigenschaften und biologischen Anwendungen positiv beeinflusst werden Das neue Verfahren ermöglicht außerdem die Abreicherung von nanopartikulären Feststoffpartikeln auf Basis einer fraktionierten Zentrifugation. Die erfindungsgemäßen Magnetpartikel zeigen ein optimiertes Magnetisierungs- und Suspensionsverhalten sowie ein sehr vorteilhaftes Ablaufverhalten von Kunststoffoberflächen. Diese hochreinen mit Siliziumdioxid beschichteten Magnetpartikel werden bevorzugt für die Isolierung von Nukleinsäuren aus Zell- oder Gewebeproben eingesetzt, wobei die Abtrennung mittels magnetischer Felder aus einer Probenmatrix erfolgt. Diese Partikel eignen sich besonders gut zur automatisierten Aufreinigung von Nukleinsäuren, meistens aus biologischen Körperproben, zwecks deren Nachweis mit verschiedenen Amplifikationsmethoden.

Description

Magnetpartikel mit einer geschlossenen, ultradünnen Silikaschicht, Verfahren zu deren Herstellung und Verwendung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf magnetische mit Silika (SiO2) beschichtete Partikel, wobei die Silikatschicht geschlossen und dicht ist und sich durch eine extrem geringe Dicke im Bereich von wenigen Nanometern - im Folgenden auch als Silika-Nanoschicht genannt — auszeichnet. Darüber hinaus beschreibt diese Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung dieser silikathaltigen Magnetpartikel, welches im Vergleich zum Stand der Technik zu einem Produkt mit einer geschlossenen Silikatschicht und dadurch bedingt auch zu einer stark verbesserten Reinheit führt. Darüber hinaus verhindert das neue Verfahren eine unkontrollierte Aggregat- und Clusterbildung von Silikaten an der Magnetitoberfläche, wodurch die im weiteren genannten Eigenschaften und biologischen Anwendungen positiv beeinflusst werden Das neue Verfahren ermöglicht außerdem die Abreicherung von nanopartikulären Feststoffpartikeln auf Basis einer fraktionierten Zentrifugation. Die erfindungsgemäßen Magnetpartikel zeigen ein optimiertes Magnetisierungs- und Suspensionsverhalten sowie ein sehr vorteilhaftes Ablaufverhalten von Kunststöffoberflächen. Diese hochreinen mit Siliziünϊdiöxid beschichteten Mägnetpartikel werden bevorzugt für die Isolierung von Nukleinsäuren aus Zell- oder Gewebeproben eingesetzt, wobei die Abtrennung mittels magnetischer Felder aus einer Probenmatrix erfolgt. Diese Partikel eignen sich besonders gut zur automatisierten Aufreinigung von Nukleinsäuren, meistens aus biologischen Körperproben, zwecks deren Nachweis mit verschiedenen Amplifikationsmethoden.
In jüngster Zeit gewinnt die Molekulare Diagnostik zunehmend an Bedeutung. Die Molekulare Diagnostik hat Eingang gefunden in die klinische Diagnostik von Erkrankungen. Dies umfasst die Vermessung von molekularen Markern zur Verbesserung der Diagnosestellung einer Krankheit, der frühzeitigen Erkennung, des Monitorens einer Erkrankung während der Therapie, der Prognose von Erkrankungen sowie der Prädiktion von Wirkungen bzw. Nebenwirkungen von Medikamenten (u.a. Nachweis von Infektionserregern, Nachweis von Mutationen des Genoms, Vorhersage von Wirkung bzw. Nebenwirkungen von Medikamenten anhand von vorgegebenen oder im Laufe einer Erkrankung erworbenen Erbgutmustern, Entdeckung von zirkulierenden Tumorzellen und Identifizierung von Risikofaktoren für die Prädisposition einer Erkrankung). Aber auch in der Veterinärmedizin, der Umweltanalytik und Nahrungsmitteltestung finden Methoden der molekularen Diagnostik mittlerweile ihre Anwendung. Ein weiteres Anwendungsgebiet stellen Untersuchungen an pathologischen/zytologischen Instituten oder im Rahmen forensischer Fragestellungen dar. Aber auch im Rahmen der Gesundheitsvorsorge (z.B. Untersuchungen von Blutkonserven auf Infektionserreger-Freiheit) wird die Gen-Diagnostik mittlerweile eingesetzt und der Gesetzgeber plant, solche Testungen per Gesetz in Zukunft anzuordnen. Methoden, die auch bei der klinischen Molekularen Diagnostik zum Einsatz kommen (wie z.B. Hybridisierungs- oder Amplifikations- techniken wie die PCR (Polymerase Chain Reaction), TMA (Transcription Mediated Ampli- fication), LCR (Ligase Chain Reaction), bDNA (branched DNA) oder NASBA-(Nucleic Acid Sequence Based Amplification) gehören auch bei wissenschaftlichen Grundlagenarbeiten zu den Routineverfahren.
Voraussetzung für die Durchführung eines Assays in der Molekularen Diagnostik ist im Allgemeinen die Isolierung von DNA oder RNA aus der zu analysierenden Probe. Zwar gibt es Analyseverfahren, wie z.B. bDNA-basierte Tests, die es erlauben, Nukleinsäureisolierung und Nachweisreaktion gemeinsam durchzuführen, doch erfordert die PCR als die in der Molekularen Diagnostik am weitesten verbreitete molekularbiologische Methode wegen ihrer Beeinflussbarkeit durch exogene Faktoren nahezu immer die Verwendung von vorher gereinigten Nukleinsäuren.
Die klassischen Präparationsverfahren für Nukleinsäuren beruhen dabei auf einer Flüssig-Flüssig Extraktion. Als Beispiel sei hier die Phenol-Chloroform Extraktion von DNA aus Körperproben genannt. Der hohe Arbeitsaufwand und die Notwendigkeit, teilweise hochtoxische Substanzen -verwenden-zu-müssen^hat-dieseΛ^erfahren-jedoch-in-den-vergangenen-Jahren stark-zu-Gunsten-von festphasebasierten Verfahren in den Hintergrund treten lassen.
Bei der Verwendung von festphasebasierten Extraktionsverfahren von Nukleinsäuren lässt sich die Probenvorbereitung zum eigentlichen Analysengang, weitgehend unabhängig von der jeweiligen Fragestellung in vier Grundschritte unterteilen: 1. Konditionierung der festen Phase; 2. selektive oder spezifische Bindung des Analyten an die feste Phase und Entfernung der übrigen Probe- matrix; 3. Herauswaschen von eventuellen Verunreinigungen aus der festen Phase und 4. Elution des angereicherten und gereinigten Analyten.
Hinsichtlich selektiver und reversibler Bindung von Nukleinsäuren macht man sich die lange bekannte Eigenschaft von Nukleinsäuren zu nutze, unter chaotropen oder anderen Hochsalzbedingungen, d.h. bei hohen Konzentrationen von chaotropen oder anderen Salzen, spezifisch an silikathaltige Adsorbentien wie Glasmehl [Proc. Natl. Acad. USA 76 (1979) 615-619, Anal. Biochem. 121 (1982) 382-387], diamatomeenerde [Methods Enzymol. 65 (1979) 176-182] oder native Kieselerde [J. Clin. Microbiol. 28 (1990) 495-503, EP 0 389 063 Bl] zu binden. Mit Hilfe eines ein wasserlösliches organisches Lösungsmittel enthaltenen Puffers, in der Regel ist das ein niederer aliphatischer Alkohol, werden dann Verunreinigungen von dem Adsorbens gewaschen, der Träger getrocknet und die adsorbierten Nukleinsäuren mit destilliertem Wasser oder einem sogenannten Niedrigsalzpuffer, d. h. Puffer mit geringer Ionenstärke, eluiert.
Im Hinblick auf vollständige und kostengünstige Automatisierung der Nukleinsäureisolierung spielen Verfahren mit superparamagnetischen Adsorbentien eine zunehmend wichtige Rolle. Im einfachsten Ausführungsfall (WO 01/46404) werden kommerziell hergestellte Magnetpartikel, die für technische Anwendungen, wie bspw. elektrographische Toner hergestellt werden, ohne weitere Modifizierung direkt zur Nukleinsäureaufbereitung eingesetzt.
Derartige großtechnisch hergestellte Produkte erfüllen zwar einige der wichtigsten Voraus- Setzungen, wie eine gewisse Nukleinsäureadsorption und Magnetisierbarkeit. Auf der anderen Seite können diese kommerziell verfügbaren Produkte wichtige Randbedingungen, die hinsichtlich hochsensitiver und reproduzierbarer Ergebnisse unabdingbar sind, nicht erfüllen. Zum Beispiel ist es gerade auf dem Gebiet der Virusdiagnostik (z.B. HCV oder HTV) von entscheidender Bedeutung die viralen Nukleinsäuren quantitativ aus dem Serum oder Plasma - also mit nahezu 100% Ausbeute — zu extrahieren um daraus eine akkurate Viruskonzentration im Serum/Plasma abzuleiten und damit Therapieentscheidungen zu treffen. Vor dem Hintergrund der optischen Auswertung spielt auch die Reinheit der Magnetpartikel eine entscheidende Rolle. Gerade bei Magnetitpartikeln, die häufig noch mikroporös sind, kann es durch Diffusion von Eisenatomen aus dem Partikel heraus zu gefärbten Lösungen kommen, die Transmissions- oder Reflektions- messungen empfindlich stören können.
Es sind deshalb zahlreiche Entwicklungen von Magnetpartikeln für biologische Anwendungen, speziell im Hinblick auf manuelle und automatisierte Nukleinsäureisolierung, beschrieben.
Hierbei spielen magnetische Partikel, die an der Oberfläche eine hohe Dichte von SiOH Gruppen tragen, eine überragende Rolle. Von SiOH Gruppen ist nämlich bekannt, dass sie reversible Bindungen mit Nukleinsäuren eingehen können. Silika modifizierte Magnetpartikel sind auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Im Hinblick auf hochsensitive, quantitative und reproduzierbare Ergebnisse müssen derartige Magnetpartikel neben Magnetisierbarkeit und Nukleinsäurebindungsvermögen eine Reihe weiterer Randbedingungen erfüllen, die im Folgenden näher beschrieben werden.
Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung:
Es hat sich gezeigt, dass magnetische Partikel aus Fe3O4 (Magnetit), die bspw. von der Fa. Lanxess unter dem Namen Bayoxide E für elektrographische Toner mit Primärpartikelgrößen im Bereich von ca. 0.1 bis 1 μm verfügbar sind, bzgl. Partikelgröße nahezu ideale Voraussetzungen erfüllen. Mit derartigen Partikelgrößen kann nämlich die wichtige Randbedingung der für biolo- gische Anwendungen wichtigen „Suspensionsstabilität" erreicht werden. Diese muss einerseits so beständig sein, dass es nach Schütteln innerhalb einiger Minuten, bspw. 10 bis 15 Minuten (Adsorptionsphase der Nukleinsäuren) zu keiner nennenswerten Sedimentation kommt, während nach Anlegung des Magnetfeldes die mit Nukleinsäuren beladenen Magnetpartikel im Hinblick auf möglichst kurze Analysezeiten innerhalb weniger Minuten, bspw. innerhalb 1 bis 5 Minuten, vollständig abgetrennt werden müssen.
In diesem Zusammenhang weisen die verfügbaren Magnetpartikel aus Fe3C^ (Magnetit) leider noch dahingehend Mängel auf, dass auch geringe Mengen an sehr feinen Magnetitpartikeln im Nanometerbereich enthalten sind.
Diese unerwünschten Nebenprodukte, die wegen ihrer großen Oberfläche beträchtliche Mengen Nukleinsäuren binden können, werden im Magnetfeld leider nicht innerhalb weniger Minuten abgetrennt und somit kann der Informationsgehalt dieser Nukleinsäuren — gerade im Hinblick auf quantitative Vermessung der Nukleinsäuren - verloren gehen.
Neben diesen Ausbeuteverlusten führt das auch zu nicht klaren, oft gelbbraunen Überständen, die sowohl die kommerzielle Vermarktung negativ beeinflussen können als auch bei der photometrischen Auswertung der Eluate stören.
Es wäre daher von großem Vorteil wenn dieser „nanopartikuläre Magnetitpartikelanteil" für die hier beschriebene biologischen Anwendung abgetrennt werden könnte.
Silikatgehalt:
Wie oben erwähnt, besitzen einige großtechnisch hergestellte Magnetpartikel, bspw. die Bayoxide E Serie der Fa. Lanxess auch ohne spezielle Silika Nachbehandlung ein gewisses Nukleinsäure- bindungsvermögen, da sie herstellbedingt im „bulk" und damit in geringem Maße auch an der Oberfläche SiOH Gruppen tragen. Wegen der geringen Nucleinsäureadsorptionskapazität werden bei solchen Produkten entsprechend relativ große Magnetpartikelmengen benötigt, wodurch die Aufarbeitung kleiner Probenvolumina erschwert wird.
Außerdem besitzen derartige Produkte ein für die hier beschriebene Anwendung ungünstiges Benetzungsverhalten von Gefäßwänden, wie Glas oder den Kunststoffwänden in Mikrotiterplatten, die bei der Nukleinsäureaufreinigung routinemäßig eingesetzt werden. So bleiben in wässerigen Suspensionen erhebliche Mengen der nicht modifizierten, relativ hydrophoben Magnetitpartikel an den Mikrotiterplattenwänden adsorbiert und führen so zu Pipettierungenauigkeiten und Ausbeuteverlusten.
Sehr günstig verhalten sich in diesem Zusammenhang Partikel mit einer hohen Dichte von SiOH Oberflächengruppen, die wegen ihrer Hydrophilie sehr vorteilhaft insbesondere von Kunststoffwänden wie z.B. den genannten Mikrotiterplatten abperlen. Bei vielen Magnetpartikelentwicklungen für die Nucleinsäureisolierung ist dementsprechend der Silikaanteil gegenüber dem Magnetitanteil dominant. Wie bspw. in WO 01/71732 beschrieben, erhält man durch Hydrolyse von reaktiven Silikaverbindungen, wie bspw. Tetraethoxysilan (TEOS) in der Anwesenheit von Magnetitpartikeln, Silikapartikel, die durch den Magnetit- einschluss magnetisierbar sind. Wegen der hohen Dichte an SiOH Gruppen an der Oberfläche zeigen derartige Partikel zwar eine hohe Nukleinsäurebindungskapazität sowie ein günstiges Benetzungsverhalten der Mikrotiterplattenwände, auf der anderen Seite sind jedoch, dem verringerten Magnetitgehalt entsprechend, die magnetischen Eigenschaften stark reduziert. Außerdem besitzen die so hergestellten magnetischen Silikapartikel, deutlich ungünstigere morphologische Eigenschaften, wie z.B. sehr heterogene Teilchengröße und Teilchengrößenverteilung, wobei zu erwähnen ist, dass große, nicht kugelförmige Teilchen zur Verstopfung bei den automatischen Pipettiervorgängen fuhren können.
Extrahierbare Bestandteile:
Die-nach dem-Magnetpartikelverfahren-isolierten-Nukleinsäuren-werden-in-der Regel-weiteren- Prozessen, wie bspw. einer PCR (Polymerase Chain Reaction), TMA (Transcription Mediated Amplifϊcation), LCR (Ligase Chain Reaction oder NASBA-(Nucleic Acid Sequence Based Amplification) unterworfen. Es handelt sich hierbei um hochsensible, enzymgesteuerte Verfahren, die durch zahlreiche Verunreinigungen und Eisenverbindungen, die bspw. als Enzymgifte wirken können, gestört werden.
Daher müssen die für die Nukleinsäureaufreinigung hergestellten Magnetpartikel besondere Reinheitsanforderungen erfüllen. Werden großtechnisch hergestellte Eisenoxide, wie bspw. Bayoxide der Fa. Lanxess eingesetzt, so ist diese Aufgabenstellung durchaus nicht trivial, da die Magnetitpartikel eine gewisse Porosität sowie eine Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Daher können sowohl aus dem Prozess der Eisenoxidherstellung als auch bei der nachfolgenden Silikabehandlung Verunreinigungen in die Mikroporen eingeschlossen werden, die bei späteren Prozessen als Enzymgifte oder im Falle von gefärbten Verunreinigungen bei der photometrischen Auswertung stören können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung:
Ausgehend von kommerziell verfügbaren Magnetpartikeln sollen Silika modifizierte Magnet- partikel mit einer hohen Dichte an SiOH Oberflächengruppen und einer geschlossenen und dichten nhnrflaclionccliiplit αne Qüil-αt
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Morphologie noch die sehr guten magnetischen Eigenschaften der Ausgangsprodukte wesentlich beeinflusst werden. Ebenso soll das Benetzungsverhalten an Kunststoffoberflächen durch die - -
Silikabeschichtung positiv beeinflusst werden. Darüber hinaus sollen die Silika modifizierten Magnetpartikel hinsichtlich extrahierbarer Verunreinigungen so weit optimiert sein, dass ein Austreten von Verunreinigungen bzw. Eisenverbindungen aus dem Magnetitkern verhindert wird und weder eine Störung der biologischen Nachweisreaktionen noch der photometrischen Auswertung möglich sind.
Nächstliegender Stand der Technik:
Ausgehend von Magnetpartikeln Bayoxide E der Fa. Lanxess beschreibt WO 03/058649 ein elegantes Verfahren zur Silika Abscheidung an der Partikeloberfläche mit Wasserglaslösungen, bspw. Wasserglas HK 30 der Fa. Cognis. Durch ein schrittweises Verdünnen des pH Wertes in der Bayoxide E / Wasserglaslösung, gleichbedeutend mit einer schrittweisen pH Verschiebung vom stark alkalischen (pH 11.5) zum Neutralen (pH 7) kommt es zu einer schonenden Abscheidung von Silika an der Magnetpartikeloberfläche Erfolgt, wie in WO 03/058649 erwähnt, die pH Absenkung durch Zugabe von Säuren (WO 98/31840), so kann es an der Säureeintropfstelle zur unkontrollierten" Umwandlung von Wasserglas zu Silika (SiO2) -kommen in deren Struktur- Magnet- partikel eingelagert werden, sodass die oben erwähnte kontrollierte Silika Abscheidung an der Magnetpartikeloberfläche bei weitem nicht erreicht wird. . Trotzdem last sich in dem in WO 03/058649 beschriebenen „Batchverfahren" die Bildung von kleinsten Silikaaggregaten bzw- Clustern an der Oberfäche nicht vollständig verhindern.
Während also die in WO 03/058649 beschriebenen Silika modifizierten Magnetpartikel bzgl. Oberflächenstruktur und Nukleinsäurebindungsverhalten gute Eigenschaften zeigten, konnte im Langzeitverhalten (nach einigen Wochen Standzeit) der entsprechenden wässerigen Suspensionen sehr nachteilige gelbbraune Überstände beobachtet werden. In biologischen Assay's bei denen in der Regel auch Tenside eingesetzt werden, ist dieser Effekt bereits nach kürzeren Standzeiten zu beobachten. Analytisch konnten in diesen gefärbten Überständen neben Wasserglaskomponenten, Spuren von Eisenverbindungen sowie sehr feine Magnetitpartikel nachgewiesen werden. Offensichtlich waren diese Verunreinigungen durch die Silikaoberfläche in die poröse Magnetpartikelstruktur eingeschlossen, von wo sie im Laufe der Zeit nach außen diffundierten. Diese Beobachtungen deuten zudem darauf hin, dass die Silikatschicht mit dem in WO 03/058649 beschriebenen Batchverfahren nicht vollständig geschlossen bzw. unregelmäßig verteilt ist und somit das Austreten von Eisenverbindungen nicht verhindern kann.
Detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung
Im Hinblick auf Eliminierung der eben genannten extrahierbaren Störkomponenten, wurden die im Folgenden beschriebenen verfahrenstechnischen Optimierungen durchgeführt, wobei der Fort- schritt durch Vergleich mit dem in WO 03/058649 beschriebenen Verfahren dokumentiert wird. Allerdings wurde bei den hier beschriebenen Versuchen im Gegensatz zu den Beispielen von WO 03/058649 nicht Bayoxide E 8707, das nicht mehr als Standardprodukt verfügbar ist, sondern die sehr ähnliche Type Bayoxide E 8706 eingesetzt. In beiden Fällen handelt es sich um Fe3θ4 Magnetite, die herstellbedingt einen geringen Anteil Si enthalten, wobei bei der Type 8707 der Fe/Si Gehalt 99.1/0.9 und bei Bayoxide E 8706 99.4/0.4 beträgt. Wichtig im Hinblick auf das erfindungsgemäße Verfahren ist die Oberflächenbeschaffenheit, v.a. der pH Wert der Fe3θ4 Magnetite. Während Bayoxide E 8707 mit pH 6.5 eine leicht acide Oberfläche besitzt, wurde bei der nun eingesetzten Type Bayoxide E 8706 ein neutraler pH Wert, je nach Charge sogar leicht alkalische Werte (pH 7.5) ermittelt. Überraschenderweise wurde gefunden, dass selbst diese leicht alkalischen Oberflächeneigenschaften die Wasserglas - Silika Abscheidung induzieren können. Üblicherweise erfolgt die Silikaabscheidung aus den stark alkalischen Wasserglaslösungen durch Zugabe von Säuren.
Tn den Verεleichsversuchen wurde nun überraschender Weise gefunden, dass bzgl. extrahierbarer Bestandteile deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden können, wenn anstelle des in WO 03/058649 beschriebenen schrittweisen pH Absenkens ein kontinuierliches Verfahren, wie bspw. ein Membranverfahren eingesetzt wird. Hierbei wurde, wie in den Beispielen näher beschrieben, die wässrige Wasserglas/Magnetpartikel Suspension nach einer Reaktionszeit von einer Stunde mittels „cross flow Mikrofiltration" aufgereinigt. Bei der „cross flow Mikrofϊltration", die bei geringem Überdruck durchgeführt wird, handelt es sich, wie in „Basic Principles of Membrane Technology" von M. Mulder beschrieben, um eine bekannte Trenn- bzw. Aufreinigungsmethode. Es wird hierbei bei konstanten Volumina gearbeitet, d.h. der die Verunreinigungen enthaltende Permeatvolumenstrom wird durch den gleichen Volumenstrom an zulaufendem Frischwasser ersetzt. Im Gegensatz zu dem in der Biologie bekannten Dialyseverfahren können bei der Mikrofiltration dem Porendurchmesser entsprechend nicht nur niedermolekulare Salze sondern auch partikuläre Verunreinigungen abgetrennt werden. Dieser kontinuierliche Reinigungsprozess wurde solange durchgeführt, bis die abfließende Permeatqualität dem Reinheitsgrad des zulaufenden Frischwassers entsprach, was je nach Ansatzgröße ca. 12 bis 15 Stunden dauerte.
Bei der oberflächenanalytischen Charakterisierung mittels ESCA wurde nun völlig überraschend festgestellt, dass die so hergestellten Silika modifizierten Magnetpartikel im Hinblick auf die
Silika Oberfläche eine neuartige, nämlich ultradünne Silikastruktur aufweisen, mit der ggf. die verbesserte Aufreinigung bzw. die erhöhte Reinheit korreliert werden kann. Diese Silika-
Nanoschicht zeichnet sich uuich eine gleichmäßig über die ganze Partikeloberfläche verteilte
Silikatschicht von bis zu 5 nm. Darüber hinaus beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren aber auch Schichtdicken von 2 nm und ganz besonders bevorzugt auch Schichtdicken von 0.5 nm bis - -
0.2 nm. Die so beschichteten Partikelhaben eine Oberflächenbeschichtung, die dadurch charakterisiert ist, dass sie z.B. den Austritt von Eisenionen in die umgebende Lösung verhindert.
Die Herstellung eines Magnetpartikels mit einer Silikaschichtdicke von 0.2 nm ist in Bsp. 3 beschrieben.
Des weiteren zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren durch eine geschlossene und dichte Silikatschicht aus, was auch mit der verbesserten Reinheit bzw. verringerten beobachteten Dreckeffekten im Überstand korreliert. Die Reinheit der nach diesem erfϊndungsgemäßen Verfahren hergestellten silikabeschichteten Magnetpartikel ist im Vergleich zu dem in WO 03/058649 beschriebenen Verfahren wesentlich besser. Somit treten sichtbare Verfärbungen des Überstandes nach der Herstellung und Waschung nicht mehr auf (s. Beispiel 2 und 3). Insbesondere verhindert die dichte und geschlossene Silikaschicht das Austreten von sichtbar oder auch unsichtbaren Verunreinigungen, bspw. Eisenionen, die die Ampliiϊkationsmethoden bzw. die optische Auswertung biologischer Experimente stören können, (s. Beispiel 4 und 5).
Darüber hinaus wurde überraschenderweise gefunden, dass die Bildung von Aggregat- und Clusterbildung von Silikaten an der Magnetitoberfläche durch die langsame und kontinuierliche
Verdünnung und somit Absenkung des pH Wertes auf neutrale Werte in dem beschriebenen
Membranfiltrationsverfahren nahezu vollständig verhindert bzw. im Vergleich zum in WO
03/058649 beschriebenen „Batchverfahren" noch mal stark reduziert wird. Diese wohldefinierte
Nanoschicht von Silizium beeinflusst die im folgenden beschriebene Eigenschaften und biologischen Anwendungen positiv.
Des weiteren wurde gefunden, dass zusätzliche Produktoptimierungen hinsichtlich klarer Überstände dadurch erzielt werden können, dass im Anschluss an das Membranverfahren eine fraktionierte Zentrifugation, die eine Abtrennung langsam sedimentierender Eisenoxidpartikel ermöglicht, durchgeführt wird.
Bei den so hergestellten Proben, die als wässerige Suspensionen gehandhabt werden, konnten alle Kriterien, wie eine dem Ausgangsprodukt absolut identische Magnetisierbarkeit, unveränderte Morphologie, hohe Nukleinsäurebindungskapazität, günstiges Abperlen von den Mikrotiterplatten- wänden, hervorragende Suspensionsstabilität bei problemloser Abtrennung der Magnetpartikel im Magnetfeld innerhalb weniger Minuten ohne nennenswerte Verunreinigungen im Überstand, erreicht werden.
Der Ausdruck „magnetische mit Silika beschichtete Partikel" umfasst Magnetit-Kerne, die mit einer Nanoschicht aus Silika beschichtet sind. - -
Der Ausdruck „ geschlossene und dichte Silikaschicht" umfasst eine gleichmäßige, homogene, ein- bis mehrfache molekulare Silikaschicht im Bereich von weniger als 5 nm, besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke von 2 nm, ganz besonders bevorzugt mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 0.2 nm. Diese geschlossene Silikaschicht verhindert insbesondere den Austritt von Eisenverbindungen und Eisenionen in die Umgebung des silikabeschichteten Magnetpartikels.
Der Ausdruck „verbessertes Verfahren zur Herstellung" umfasst einen leicht durchführbaren aber sehr intensiven Waschprozess mit Hilfe einer Mikro- bzw. Ultrafiltrationseinheit, der zu einer extremen Reinheit des silikabeschichteten Magnetpartikels führt. In diesem Verfahren kommt es nach einer initialen Präzipitation der Nanoschicht von Silikat auf der Partikeloberfläche zu einer langsamen, kontrollierten und kontinuierlichen Verdünnung und damit Absenkung des pH Wertes auf neutrale pH- Werte in der Reaktionslösung wodurch eine extrem gleichmäßige, dichte, geschlossene und homogene Silikatschicht sich auf der Magnetitoberfläche ausbildet. Des Weiteren werden störende Aggregat- oder Clusterbildungen von Silikaten verhindert bzw. weitgehend reduziert.
Der Ausdruck „Anreicherung von nanopartikulären Bestandteilen mit Hilfe der Zentrifugations- technik" umfasst die Anwendung von Zentrifugations- oder einfachen Gravitationstechniken. Dabei kommt es zur Sedimentation der gewünschten Fraktionen, während die unerwünschten nanopartikulären Bestandteile durch Abnahme des Überstandes verworfen werden können. Durch Bestimmung der Teilchengrößenverteilung mittels Ultrazentrifugation kann dieser Effekt anhand der abgereicherten kleinteiligen Fraktionen nachgewiesen werden. Bei der Zentrifugnationstechnik wird die Ausgangssuspension 15 min zentrifugiert bei ca. 3000g, der Überstand abgenommen und eine gleiche Menge Wasser oder Puffer hinzu gegeben, resuspendiert und diese Schritte mehrmals (bis zu 10x wiederholt. Bei der Gravitationstechnik wird anstelle der Zenrtrifugation einfach eine längere Zeit gewartet bis sich ein Grossteil der Partikel am Boden des Gefäßes abgesetzt hat und anschließend der wässrige Überstand ausgetauscht.
Der Ausdruck „optimales Magnetisierungsverhalten" umfasst die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Partikel einen möglichst großen Magnetitanteil zu haben und somit unter Anlegen eines Magnetfeldes von außen an ein Reaktionsgefäß innerhalb weniger Minuten, bspw. innerhalb 1 bis 5 Minuten, vollständig von der Probenmatrix während der Aufreinigung abgetrennt zu werden. Dies ist insbesondere im Hinblick auf möglichst kurze Aufreinigungszeiten in einem automatisierten Verfahren auf einem Pipettierroboter und die Verwendung von möglichst kostengünstigen Magneten mit begrenzten Magnetfeldstärken als Hardwarekomponenete zu berücksichtigen.
Der Ausdruck „Suspensionsverhalten" umfasst die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Partikel aufgrund einer optimale Korngrößenverteilung sich so zu verhalten, dass es während der Aufreini- - i υ - gungsphase nach Schütteln innerhalb einiger Minuten, bspw. 10 bis 15 Minuten (Adsorptionsphase der Nukleinsäuren) zu keiner nennenswerten Sedimentation kommt.
Der Ausdruck „optimales AblaufVerhalten von Kunststoffoberflächen" umfasst die Eigenschaft der erfindungsgemäßen Partikel aufgrund einer hydrophilen Oberflächenbeschaffenheit eine geringe Affinität zu den in biologischen Aufreinigungsprozessen verwendeten Kunststoffartikeln zu besitzen. Die verwendeten Kunststoffartikel umfassen u.a. Polystyrol, Polyethylen- und Polypropylengefäße bzw. sogenannte Mikrotiterplatten aus vergleichbaren Kunststoffen jeglicher Form und Größe. Die spezifische Silikaschicht der erfindungsgemäßen Magnetpartikel ermöglicht dabei eine abstoßende Wechselwirkung mit diesen Kunststoffoberflächen, sodass die beschichteten Magnetpartikel von diesen Oberflächen abperlen und keine größeren Wechselwirkungen eingehen, welche letztendlich in einem biologischen Aufreinigungsverfahren von Nukleinsäuren zu einem Ausbeuteverlust führen können.
Der Ausdruck „Isolierung" umfasst die Aufreinigung der Nukleinsäure aus einer biologischen Pfobe unter Verwendung"der oben genannten silikabeschichteten Magnetpartikel und-teilt sich im- wesentlichen in folgende Einzelschritte auf:
a) Aufschließen der Probe in einem Reaktionsgefäß mit einem Lysepuffer und nach Inkubation Zugabe von einem Bindungspuffer, welcher vorzugsweise sogenannte chaotrope Salze, besonders bevorzugt Guanidin(ium)isothiocyanat, in hoher Molarität enthält
b) Zugabe von silikatbeschichteten Magnetpartikeln
c) Inkubation bei einer Temperatur, bei der die Nukleinsäure an die Magnetpartikel bindet
d) Entfernung nicht gebundener Bestandteile aus dem Reaktionsansatz durch Anlegen eines Magnetfeldes, welches die Magnetpartikel von der umliegenden Flüssigkeit abtrennt
e) Mehrmaliges Zugeben eines Waschpuffers mit anschließender Entnahme desgleichen bei Magnetisierung der Partikel zur Reinigung der Nukleinsäure von unspezifisch gebundenen Molekülen
f) Zugabe eines Elutionspuffers unter Bedingungen, wo die Nukleinsäure von dem Magnetpartikel getrennt wird
g) Abtrennen des Eluats mit der Nukleinsäure nach erneutem Anlegen eines Magnetfeldes
Der Ausdruck „automatisierte Aufreinigung" umfasst Varianten dieses Verfahren, in denen die manuelle Arbeitskraft von menschlichem Personal ganz oder auch nur in Teilschritten ersetzt und insbesondere bei den Schritten der Aufschließung der biologischen Körperprobe mit einem speziellen Puffer, der Zugabe von magnetischen Partikeln, der Inkubation bei einer bestimmten Temperatur, der Entfernung nicht absorbierter Probenbestandteile, den Waschschritten, der Elution gebundener Nukleinsäuren von den Partikeln bei einer bestimmten Temperatur und dem Abtrennen des Eluats von der Partikelsuspension Anwendung findet.
Der Ausdruck "Nukleinsäuren" umfasst oligomere und polymere Ribonukleotide bzw. 2'-Desoxy- ribonukleotide mit einer Kettenlänge von mehr als 10 Monomereinheiten. Die Monomereinheiten in Nukleinsäuren sind über Phosphorsäurediesterbindungen zwischen 3'- und 5 '-Hydroxylgruppe benachbarter Monomereinheiten verknüpft und an das l '-Atom der jeweiligen Kohlenhydrat- komponente ist glykosidisch eine heterocyclische Base gebunden. Nukleinsäuren können durch Ausbildung von intermolekularen Wasserstoffbrückenbindungen Doppel- und Dreifachstränge ausbilden.
Ebenso sind Protein-/Nukleinsäurekomplexe sowie Nukleinsäuren mit synthetischen Nukleotiden, wie Morpholinos oder PNA's (peptide-nucleic-acids), gemeint.
Der Ausdruck „biologische Körperprobe" umfasst nukleinsäurehaltiges, biologisches Material, wie z.B. Gesamtblut, Blutserum oder Blutplasma, insbesondere virushaltiges Serum oder Plasma, dabei ganz besonders HTV und HCV infizierte Serumproben, ,3uffy Coat" (= weiße Blutkörperchenfraktion des Blutes), Faeces, Ascites, Abstriche, Sputum, Organpunktate, Biopsien, Gewebeschnitte, dabei ganz besonders unterschiedlich fixierte, insbesondere mit formalinhaltigen Fixantien, und in paraffin-eingebettete Gewebeschnitte, Sekrete, Liquor, Galle, Lymphflüssigkeit, Urin, Stuhl, Sperma, Zellen und Zellkulturen. Ebenso kann es sich um Nukleinsäuren handeln, welche aus biochemischen Prozessen stammen und anschließend aufgereinigt werden sollen.
Der Ausdruck „Nachweis mit verschiedenen Amplifikationsmethoden" umfasst die Vervielfältigung der aufgereinigten Nukleinsäuren mit Hilfe verschiedener molekularbiologischer Technologien, insbesondere der PCR, der transkriptionsmediierten Amplifikation (TMA), LCA oder auch NASBA und die anschließende oder simultane Detektion der Amplifikationsprodukte. Ebenso ist der Nachweis mit Signalamplifikationsmethoden, wie z.B. der bDNA, also ohne Nukleinsäureamplifikation gemeint. Die Detektion insbesondere der PCR kann durch die Anwendung kinetischer Verfahren mit Hilfe der Fluoreszenztechnologie auch unter „real-time" Bedin- gungen durchgeführt werden oder auf einem klassischen Agarose-Gel erfolgen. Insbesondere die „real-time" PCR ermöglicht eine sehr gute quantitative Bestimmung von Nukleinsäuren unter Verwendung von entsprechenden Kalibratoren. Kritisch und limitierend für die klinische Sensitivi- tät (Vermeidung von falsch negativen Ergebnissen) ist dabei die effiziente Aufreinigung der Nukleinsäuren, d.h. effiziente Bindung an das Magnetpartikel und reversible Freisetzung unter PCR kompatiblen Bedingungen.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Kit zur Durchführung eines erfϊndungsgemäßen Verfahrens, das folgende Bestandteile enthält:
(a) Reagenzien zum Aufschließen der Probe
(b) Silikahaltige Magnetpartikel oder eine Suspension von silikahaltigen Magnetpartikeln
(c) Waschpuffer
(d) Elutionspuffer
Für die einzelnen Komponenten des Kits gelten die vorstehenden Ausführungen und nach- folgenden Beispiele. Einzelne oder mehrere Komponenten des Kits können auch in veränderter Form Verwendung finden.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, aufgrund der Verwendung von speziell hergestellten silikabeschichteten Magnetpartikeln besonders effizient, automatisiert und quantitativ Nukleinsäuren aus biologischen Körperprobenaufzureinigen und mit entsprechenden Amplifika- tionstechniken nachzuweisen.
Somit stellt die vorliegende Erfindung einen wichtigen Beitrag für die Nukleinsäurediagnostik dar.
Beispiele
Nachfolgend werden beispielhaft Protokolle zur Durchführung der beschriebenen Erfindung gegeben. In diesen Beispielen werden exakte Reaktionsbedingungen für die jeweilige aufzureinigende Nukleinsäure angegeben, allerdings können verschiedene Parameter, wie z.B. Magnet- partikelmenge, Inkubations- und Waschtemperatur, Inkubations- und Waschzeiten sowie die Konzentration von Lysispuffer, Waschpuffer und Elutionspuffer, in Abhängigkeit von der jeweiligen auzureinigenden Nukleinsäure variiert werden.
Beispiel 1: Herstellen von silikatbeschichteten Magnetit-Partikeln aus Bayoxide E 8706 mit Wasserglas 37/40 durch schrittweise Absenkung des pH Wertes (analog dem Verfahren aus WO 03/058649 Al)
Reaktionsteil:
In einem 6 1 Dreihalskolben mit KPG Rührer werden 4000 g Wasserglaslösung 37/40 (Cognis GmbH) vorgelegt. Unter Rühren werden 2000 g Bayoxide 8706 (Bayer AG) innerhalb von 10 Minuten zugegeben. Anschließend wird noch eine Stunde bei RT nachgerührt.
Aufarbeitung:
Nach Abschalten des Rührers setzen sich die Silka beschichteten Magnetitbeads ab. Dieser Prozess kann durch Anlegen eines Magnetfeldes ggf. beschleunigt werden. Nach einer Wartezeit von einer Stunde wird der Überstand abgesaugt. Zur Aufarbeitung werden 4 1 Wasser zugegeben wobei ca. 10 Min gerührt wird. Der Überstand wird wiederum abgesaugt. Dieser Waschprozess wird noch mindestens viermal wiederholt, bis das letzte Waschwasser einen pH Wert von 7.5-7.0 erreicht hat.
Eigenschaften der Silika-Magnetpartikel:
Zeta Potenzial: - 50.2
Silika Gehalt nach ESCA: 7.0 Atom % Si
Reinheit: Nach 10 tägigem Stehen bei RT war der Überstand gelb/braun gefärbt.
Beispiel 2: Herstellen von hochreinen silikatbeschichteten Magnetit-Partikeln aus Bayoxide E 8706 mit Wasserglas 37/40, kontinuierliche Absenkung des pH Wertes durch „cross flow Mikrofiltration" Der in Beispiel 1 beschriebene Reaktionsteil wurde wiederholt, die Aufarbeitung erfolgte jedoch nicht schritt- bzw. batchweise, sondern mit Hilfe der Mikrofiltrationseinheit „Centramate®" der Fa. PALL mit einer 0.2 μm Supor® Membrankassette.
Dazu wurde die Magnetpartikelsuspension mit Hilfe einer Pumpe über einen Schlauch abgesaugt und über die Membrankassette geleitet, wobei das Permeat verworfen wurde, während das Retentat in das Reaktionsgefäß zurückgeleitet wurde. Die dem Permeat equivalente Menge wurde der Partikelsuspension neu zugeführt.
Nach einer Filtrationszeit von 12 h hatte das Permeat bzgl. pH und Leitfähigkeit die Qualität des Orginalwassers erreicht und der Reinigungsprozess war beendet.
Eigenschaften des Endproduktes:
Ze ta Potenzial: - 41 mV
Si Gehalt: 4.9 Atom% - Si bestimmt nach -ESCA. -Silika Gehalt des Ausgangsproduktes Bayoxide 8706: 2.4 Atom % Si.
Der Differenzbetrag 2.5 Atom % Si wurde dementsprechend durch die Silikabehandlung mit Wasserglas an der Partikeloberfläche abgeschieden. Daraus errechnet sich eine Silikaschichtdicke von 0.4 nm.
Reinheit: Die durch Ultrafiltration aufgereinigte Partikelsuspension zeigte auch nach mehrmonatigem Stehen bei RT keine Verfärbung im Überstand.
Beispiel 3:
Herstellen von hochreinen silikatbeschichteten Magnetit-Partikeln aus Bayoxide E 8706 und Wasserglas 37/40 unter kontinuierlicher Absenkung des pH Wertes durch „cross flow Mikrofiltration" und anschließende fraktionierte Zentrifugation
Das in Bsp. 2 beschriebene Endprodukt wurde mit Hilfe einer Zentrifuge (Eppendorf 5810) bei 3225 g 7 Minuten lang zentrifugiert. Während der Hauptteil (> 98%) des Produktes sedimentiert war, verblieb ein dunkelbraun gefärbter Überstand der verworfen wurde.
Der Rückstand wurde wiederum in Wasser aufgenommen, zentrifugiert und vom farbigen Überstand abgetrennt. Diese fraktionierte Zentrifugation wurde noch 8 mal wiederholt, bis der Überstand farblos war. Eigenschaften des Endproduktes (Neuntes Zentrifugat):
Zeta Potenzial: - 35 mV
Si Gehalt: 3.0% Si. Der Differenzbetrag 0.6 Atom % wurde dementsprechend durch die Silikabehandlung mit Wasserglas an der Partikeloberfläche ab- geschieden. Daraus errechnet sich eine Silikaschichtdicke von 0.2 nm.
Reinheit: Der Überstand der so hergestellten Magnetpartikelsuspension blieb auch bei mehrmonatigem Lagern völlig farblos.
Diese Produktqualität zeigte insbesondere hinsichtlich magnetische Abtrennung hervorragende Werte. So konnte nach Anlegen eines Magneten bereits nach weniger als 20 Sekunden ein absolut klarer Überstand beobachtet werden.
Beispiel 4: Optische Vermessung von wässrigen Überständen aus silikabeschichteten "Mägnetpärtikelsuspensionen"
In diesem Experiment wurden die Absorptionspsektren von zwei wässrigen Überständen der silikabeschichteten Magnetpartikel mit der Lotbezeichnung HIEl 3266 (entstammt dem erfindungs- gemäßen Verfahren aus Beispiel 2) und 3) und der Lotbezeichnung HIE12106R2 (entstammt aus dem Verfahren aus WO 03/058649 Al, basierend auf dem Bayoxide E 8707) mit dem Spektro- meter der Firma Nanodrop in einem Bereich von 221 - 750 nm aufgenommen (s. Abbildung 1).
Als Referenz wurde ein Wasserspektrum aufgenommen, welches von diesen Spektren abgezogen wurde. Als Kontrolle wurde noch mal ein Wasserspektrum als Probe aufgenommen (Nulllinie).
Aus den Spektren wird ersichtlich, dass die wässrigen Überstände der silikabeschichteten Magnetpartikel HIEl 3266 ein ähnliches Absorptionsverhalten wie Wasser haben. Hingegen zeigen die Absorptionslinien der Überstände von HIE12106R2 ein deutlich verändertes und erhöhtes Ab- sorptionsverhalten bis in einen Bereich von ca. 500 nm.
Daraus wird ersichtlich, dass das neue, erfindungsgemäße Herstellverfahren mit kontinuierlichem Waschen (Partikel HIEl 3266) in einer Mikrofiltrationseinheit im Vergleich zu dem Partikel HIE12106R2 mit sequentiellem mehrmaligem Waschen bzw. schrittweisen absenken des pH- Wertes (s.a. WO 03/058649 Al) zu verringerten Dreckeffekten bzw. Austreten von Eisenverbindungen im Überstand führt. Diese Dreckeffekte bei Partikel HIE12106R2 äußern sich durch sichtliche Verfärbung der Überstände über die Zeit sowie das erhöhte Absorptionsverhalten. Darüber hinaus indizieren diese verringerten Dreckeffekte im Überstand eine geschlossene Silikaschicht auf den Partikeln aus dem erfindungsgemäßen Verfahren. 1 C
Beispiel 5: Verhalten von wässrigen Überständen der silikabeschichteten Magnetpartikeln bei der RT-PCR
Es wurden die wässrigen Überstände der zwei unterschiedlich silikabeschichteten Magnetpartikeln (Lotbezeichnungen HIEl 3266 und HEE12106R2) unter Magnetisierung abgenommen. Partikellot HIEl 3266 wurde mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren mit kontinuierlichem Waschen in einer Mikrofiltrationseinheit hergestellt (s. Beispiel 2 und 3). Partikellot HIE12106R2 wurde durch sequentielles mehrmaliges Waschen hergestellt (s. WO 03/058649 Al, basierend auf dem Bayoxide E 8707). Beide Überstände wurden anschließend zu einer quantitativen Einschritt RT-PCR hinzugespikt:
Die so genannte quantitative Einschritt RT (Reverse Transkription)-PCR wurde auf dem MX4000 von Stratagene durchgeführt. Dabei wurden 5 μl der Überstände der einzelnen beiden Partikelüberstände bzw. 5 μl Wasser als Kontrolle zu 20 μl Mastermix gegeben. Dieser beinhaltet folgende Komponenten: 400 nM Primer A, 400 nM Primer B, 10 ng MCF-7 RNA (Ambion), Taqman-Primer-200 nMrlx"Buffer-Av5-niM-Mgei2rl72-mM-oΕ^T-Ps— 8-U-RNaseInhibitor,— 20-U MuLV Reverse Transcriptase, 1.25 U Taq Gold (alles von Applied Biosystems). Das PCR Programm lautete: 30 min at 45°C, 10 min bei 95°C, 45 Zyklen mit 15 sec bei 96°C, 60 sec bei 630C und 30 sec bei 72°C).
Die Ansätze wurden in eine 96well Mikrotiterplatte (Stratagene) gegeben und nach Verschließen ins Analysegerät gestellt. Nach dem Lauf wird mit Hilfe der Gerätesoftware bei einem gewählten Basiswert (Fluoreszenzintensität) im exponentiellen Amplifikationsbereich der Signalkurven jeder Probe ein individueller Q- Wert (Zykluszahl, wo der gewählte Basiswert die Amplifikationskurve schneidet) zugeordnet.
Aus der Abbildung 2 wird ersichtlich das die Amplifϊkationskurven mit Überständen von Partikel HIE 13266 vergleichbar zu den Amplifϊkationskurven mit Wasser als Probe sind. Hingegen sieht man eine rechtsseitige Verschiebung der Amplifϊkationskurven um etwa 3 Ct- Werte mit Überständen aus HIE12106R2, was auf eine Interferenz bzw. negative Beeinflussung der RT-PCR Effizienz hindeutet.

Claims

Patentansprüche
1. Silikabeschichtete Magnetpartikel, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine geschlossene Oberflächenbeschichtung mit Silikat mit einer maximalen Schichtdicke von 5 nm haben.
2. Silikabeschichtete Magnetpartikel, gemäß Anspruch 1 mit einer maximalen Schichtdicke an Silikat von 2 nm.
3. Silikabeschichtete Magnetpartikel, gemäß Anspruch 1 mit einer maximalen Schichtdicke an Silikat von 0,5 nm.
4. Silikabeschichtete Magnetpartikel gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, wobei das magnetische Material Eisenoxid bzw. Magnetit ist.
5. Silikabeschichtete Magnetpartikel nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenverteilung zwischen 0,1 und 1 μm liegt
6. Verfahren zur Herstellung von Partikeln nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die initiale Silikatabscheidung aus Wasserglas oder Kieselsol auf den Magnetitpartikeln durch die Oberflächeneigenschaften des Eisenpartikels ausgelöst wird und anschließend die Oberfläche durch langsame, kontinuierliche Verdünnung und
Absenkung des pH Wertes auf neutrale pH Werte geglättet und abgedichtet wird.
7. Verfahren zur Aufreinigung von Nukleinsäuren aus biologischen Körperproben unter Verwendung von Magnetpartikeln nach den Ansprüchen 1 bis 5.
8. Verfahren nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Nukleinsäure um RNA oder DNA handelt
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich RNA von HCV oder HTV handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich RNA oder DNA aus fixierten Körperproben handelt
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