WO2020002350A1 - Assay, method for production thereof, and use thereof - Google Patents

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WO2020002350A1
WO2020002350A1 PCT/EP2019/066871 EP2019066871W WO2020002350A1 WO 2020002350 A1 WO2020002350 A1 WO 2020002350A1 EP 2019066871 W EP2019066871 W EP 2019066871W WO 2020002350 A1 WO2020002350 A1 WO 2020002350A1
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WO
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assay
particles
target species
layer
polymer network
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/066871
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German (de)
French (fr)
Inventor
Anna Herrmann
Stefan RÖDIGER
Uwe Schedler
Peter SCHIERACK
Rainer Haag
Original Assignee
Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
PolyAn Gesellschaft zur Herstellung von Polymeren für spezielle Anwendungen und Analytik mbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg, PolyAn Gesellschaft zur Herstellung von Polymeren für spezielle Anwendungen und Analytik mbH filed Critical Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg
Publication of WO2020002350A1 publication Critical patent/WO2020002350A1/en

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form

Definitions

  • the invention relates to an in particular multiplexed assay for the analysis of an analyte containing several target species.
  • the invention further relates to a method for producing the assay and its use for analyzing an analyte.
  • Assays are molecular biological evidence that are used in particular in laboratory medicine and biotechnology. With the help of so-called capture molecules (also called capture probes) target species (also called biomarkers) of an analyte, such as viruses, proteins or nucleic acids, are detected. The evidence is based on molecule-specific affinity interactions, such as the hybridization of specific nucleic acid sequences, antigen-antibody interaction or protein-protein interactions.
  • Multiplexed assays are assays in which several analytes can be examined in a single run from a single sample and, in the best case, quantified. The further development of conventional assays to multiplex assays increases the analytical throughput and allows a higher information density with the same input.
  • antibody-binding markers can also be used, the multiplexed antibody detection being used, for example, for the research and elucidation of autoimmune diseases. That is why the development towards better multiplex detection systems for the healthcare system is of enormous importance and also economically interesting.
  • the most common two types of multiplex assays are the microarray and the microbead assay.
  • Microarray describes the arrangement of a large number of microspots on a solid phase, a different capture molecule (capture probe) for a biomarker being immobilized in each of these spots. Since it is known for each xy position which capture probe is there, a large number of biomarkers can be examined from one sample in just one measurement. The biggest problem with the microarrays is their reproducible processing and the high technical effort involved in manufacturing and evaluating them.
  • microbeads use micrometer-sized particles, the so-called microbeads, on the surface of which a capture probe is immobilized, in suspension.
  • Microbeads have one or more encodings that allow different populations to be distinguished from one another and assigned to the capture probe.
  • the coding is usually based on a color coding, for example the fluorescence wavelength, and / or the particle size.
  • a flow cytometer is usually used for detection.
  • a fluorescence microscope with appropriate software VideoScan
  • the coding of the microbeads is first analyzed, for example the color coding via a first channel of the flow cytometer or of VideoScan and the diameter.
  • the microbeads can be divided into different populations and assigned to the capture probe and thus to the biomarker immobilized on the capture probe.
  • the actual detection (and quantification) of the biomarker is then carried out using a further channel.
  • the amount of parameters that can be measured in such assays plays an important role. This amount is limited in microbead-based assays by the parameters size and coding fluorescence of the microbeads. If the difference in the selection parameter between two microbead populations is too small, incorrect assignments can occur. A complex mixture of biomolecules can interfere with detection in a simple microbead assay.
  • hydrogel materials Due to their hydrophilic, biocompatible and easily modifiable properties, hydrogel materials have been of great interest in numerous biotechnological applications in recent years. In particular, the solution-like properties and non-fouling in complex biological samples make hydrogels good substrates for biosensors. Hydrogel coatings and gel dot surfaces have been used in microarrays for nucleic acid assays and immunoassays. Using new microfabrication techniques, encoded particles can be synthesized from hydrogel materials. This has made it possible to develop suspension arrays based on hydrogels. Lithography processes and droplet-based microfluidic technologies enable the generation of hydrogel microbead libraries with unique spectral or graphic codes for the multiplex sensor technology (European Polymer Journal, 2015, 72, pp. 386-412).
  • the object of the invention is to provide an assay based on functionalized particles (microbeads) which overcomes the problems of conventional microbead assays.
  • the assay should be easy to manufacture and use, and should allow for more confident discrimination against populations.
  • the assay according to the invention for analyzing an analyte which contains a plurality of target species has a number of k layers which extend in the xy plane and are arranged one on top of the other in the z direction, k being an integer greater than or equal to 1.
  • Each of the k layers comprises:
  • a porous three-dimensional polymer network with a predetermined mesh size A porous three-dimensional polymer network with a predetermined mesh size
  • the assay according to the invention is characterized by various advantageous effects.
  • the particles are fixed in place by the three-dimensional polymer network, which makes handling the assay much easier and the assay can even be prepared and used repeatedly.
  • the polymer network enables the particles to adhere to a large number of different surfaces.
  • the polymer network allows a mesh size to be set which, although allowing the target species to penetrate the layer, excludes undesired larger constituents, for example cell fragments or the like, which increases the sensitivity and reproducibility.
  • the polymer network thus leads to a filter effect that prevents unwanted components.
  • the immobilization of the particles enables a location-specific assignment, which increases the number of detectable target species.
  • the number of detectable target species is increased if the number k of the polymer network / particle layers is 2 or more.
  • the maximum number of polymer network / particle layers is at most limited by the detection system used for the evaluation, which here is in particular a fluorescence microscope, for example an epifluorescence microscope or confocal fluorescence microscope.
  • the total height of the assay is limited by the available space of the microscope.
  • the number of layers is 2 to 10, in particular 2 to 6.
  • the particle populations differ in particular in the capture probes which are coupled to the carrier particles.
  • each population serves as a specific detector for a target species. Since several populations can be immobilized in each layer k, the degree of multiplexing increases by a / c-fold.
  • the mesh size of the polymer networks present in the layers should be so small that the particles are fixed, i.e. cannot move.
  • the mesh size should be at least so large that the target species contained in this layer Particle population can move as freely as possible within the pores in order to penetrate the layer and to be able to couple to the capture probe.
  • the mesh size of the polymer networks of the k layers decreases in the z direction in the direction of gravity, that is to say downwards.
  • the particle population that binds the smallest target species is arranged within the lowest layer.
  • the second lowest layer then contains the particle population that binds the second smallest target species, and so on.
  • the particle populations are arranged in the order of the size of their target species and that with increasing size of their target species in the z direction from bottom to top.
  • the filter effects of the hydrogel layers are used in a targeted manner so that, in the ideal case, only those target species whose complementary capture probes are arranged in one of the following layers can pass through. This can further improve the specificity of the detection.
  • an average mesh size of the polymer network is in the range from 1 nm to 1000 nm, in particular 1 nm to 200 nm, preferably 2 nm to 50 nm.
  • the mesh size in this area is small enough to immobilize the particles and optionally exclude certain molecule or particle sizes, and at the same time large enough to let the desired target species pass.
  • three-dimensional polymer network denotes a polymeric material that is cross-linked via covalent or non-covalent (preferably covalent bonds) and is therefore swellable or swollen in a solvent, so that pores form that form with are filled with the solvent.
  • the three-dimensional polymer network is preferably a hydrogel, which is therefore swellable or swollen in water. Hydrogels are particularly suitable for biological or biomedical applications.
  • the assay in addition to the k polymer network / particle layers, the assay comprises a further layer which is uppermost in terms of gravity and which has a porous polymer network with a predetermined pore size but no particles.
  • the polymer network of this “empty layer” has the largest mesh size of all existing layers. The mesh size of this uppermost empty layer is dimensioned so that large components of the analyte do not belong to the target species to be detected belong to be excluded.
  • the top layer of this version therefore only has a filter function.
  • the particles of a layer are preferably arranged in one layer within the xy plane. In this way, the selectivity between adjacent layers is increased.
  • the particles of different populations differ in their capture probes, so that each population can bind a specific target species.
  • the immobilization of the particles according to the invention in the three-dimensional polymer network offers the advantage that, in addition to coding, for example by means of fluorescence and size, spatial coding by the z position (if more than one polymer network / particle layer is present) is introduced. In this way, by appropriately focusing an instrument used in the evaluation (for example a microscope), a respective population can be identified solely on the basis of the position.
  • the particle populations can advantageously be distinguished from one another by one or more further coding properties in order to further improve the discrimination and identification of different populations.
  • the coding property can be a particle size, in particular a particle diameter and / or a particle diameter distribution; a particle shape; an optical property, in particular a color or fluorescence wavelength; a magnetic property; a particulate material; a particle coating material; a surface structure or a combination of several of these parameters.
  • the coding property is preferably a property of the carrier particles. Such particles are known, for example, from conventional microbe assays.
  • the particle populations are particularly preferably identifiable by a coding property (ie assignable to a capture probe) and additionally have an indicator property which enables a distinction to be made as to whether the corresponding target species has bound or not.
  • An optical property of the particles is particularly suitable for this purpose, for example an intensity or wavelength of an absorption or emission radiation of the particles, which changes when the target species bind. It is known, for example, to provide the carrier particles with a fluorescent label (fluorescent dye), the target species carrying a quencher so that the fluorescence decreases on binding. Alternatively, the target species can have its own optical property (for example fluorescence) or be provided with a fluorescent label (before or after binding to the capture probe) so that the fluorescence increases upon binding. In all of the above cases, it is not only possible to measure the qualitative binding of the target species, but also to measure the quantity, namely on the basis of the intensity. Such approaches are known from conventional assays.
  • the layer structure of the present invention is preferably arranged in a vessel or on a carrier.
  • the carrier has an array of a multiplicity of cavities or spots, an assay according to the invention in each of the cavities or on the spots, each with a number of / extending in the xy plane and in z-plane. Layers arranged on top of one another are arranged as described above.
  • Such a carrier can be designed as a microtiter plate, the wells of which serve as cavities.
  • the populations of particles of the different cavities preferably differ at least in the capture probes bound to the carrier particles.
  • the cavities determine the xy position of the different populations and thus allow their identification.
  • Another aspect of the invention relates to a method for producing the assay according to the invention, which provides a layered structure.
  • the process includes the following steps:
  • a mixture of the at least one particle population and the crosslinkable composition is applied to the substrate and crosslinked to obtain the three-dimensional polymer network in which the particles are embedded.
  • the composition preferably has a bi-functional polymer linker of a predetermined chain length and a more functional crosslinker.
  • the chain length of the bi-functional polymer linker defines the mesh size (pore size) of the resulting polymer network.
  • the chain length of the bi-functional polymer liner of a (/ c + 1) th repetition is chosen so that it is longer than the chain length in the kth repetition. In other words, the chain length (or molecular weight) of the lin- kers with every additional shift. In this way, an assay with increasing mesh size can be produced.
  • a polymer network in the form of a hydrogel from a crosslinked polyethylene glycol for example, a bi-functionalized polyethylene glycol of a defined chain length (defined molecular weight) can be crosslinked with a dendritic polyglycerol.
  • Yet another aspect of the present invention relates to the use of the assay according to the invention for analyzing an analyte containing several target species. Use includes the steps:
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a multiplex assay with three polymer network / particle layers according to one embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a multiplex assay according to the invention in a microtiter plate in a top view (A) and as a side view (B);
  • FIG. 3 shows fluorescence images of an assay according to the invention (A) and of particles in suspension (B), in each case 1 h after filling the preparation solution into a cavity (1), after drying overnight at room temperature (2), after resuspension by adding water (3) and after repeated washing, emptying and tapping (4);
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an assay with a polymer network / particle layer for the detection of a Fab fragment in the presence of an antibody according to an embodiment of the invention
  • FIG. 5 fluorescence intensities of the assay from FIG. 4 after different incubation times;
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an assay with two polymer network / particle layers for the detection of a Fab fragment and a 20-mer oligonucleotide in the presence of an antibody according to an embodiment of the invention
  • FIG. 7 fluorescence intensities of the first detection level (left) and second detection level (right) of the assay from FIG. 6 as a function of the incubation time;
  • FIG. 8 shows a schematic representation of reversible transitions of an assay according to the invention between a fully swollen state (a), a partially swollen state (b) and a dry state (c);
  • FIG. 9 swelling of various PEG hydrogels according to FIG. 8 over several drying and swelling cycles.
  • Figure 1 shows a highly schematic representation of a multiplex assay according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the illustration shows the assay designated overall by 1 in the xz plane, the yz plane being identical in the example shown.
  • a polymer network / particle layer is also referred to below as detection layer 10.
  • an optional further layer 20 is arranged on the top of the three detection layers 10, which is designed as an “empty layer” and as such has a further layer of a three-dimensional polymer network 11, but has no particles.
  • the polymer networks have a mesh size or pore size which increases from bottom to top, that is to say in the z direction, counter to gravity.
  • each of the detection layers 10 each comprises a population of particles 12, which are shown enlarged on the right.
  • Each particle 12 of a population has a carrier particle 13 and a capture probe 14 bound to the carrier particle 13, which is capable of specifically binding a target species of an analyte. So every population serves the Detection of another target species.
  • the populations differ in addition to the capture probe 14 also by a coding property which allows the population to be identified by a suitable detection method. The coding property is indicated here by different hatching of the carrier particles 13.
  • the assay 1 further comprises a vessel or a carrier 30, in or on which the
  • Layer structure of detection layers 10 and optionally the “empty layer” 20 is arranged.
  • FIG. 2 shows an assay product 100 according to the invention.
  • the assay product 100 comprises a carrier 30 on which an array of a plurality of assays 1 according to the invention is arranged.
  • the carrier 30 is designed as a so-called microtiter plate 31 with standardized dimensions.
  • the microtiter plate 31 has an array of, for example, 12 ⁇ 8 cavities 32, which are also referred to as wells.
  • an assay 1 according to the invention comprising a layer structure of detection layer (s) 10 and optionally the “empty layer” 20 is arranged, as shown in FIG. 1, for example.
  • the particles 12 arranged in the individual cavities 32 can belong to different populations and can therefore be sensitive to different target species.
  • the carrier 30 can also have the shape of a flat disk on which an array of spots, each with an assay 1, is applied.
  • polymer network 11 is understood to mean a polymer which is swollen or swellable in a liquid phase, three-dimensionally crosslinked.
  • the polymer network is preferably swollen or swellable in water or an aqueous phase, ie a hydrogel. This enables use for biomedical analyzes.
  • polymer networks that are swollen or swellable in organic solvents are also suitable for other applications.
  • the task of the polymer network is on the one hand to fix the particles.
  • the swollen polymer network must have a porosity that provides a solution-like environment for the diffusion of the target species so that they reach the particles.
  • the polymer network 11 forms pores or meshes, the size of which is defined by the chain lengths of the polymer between the crosslinking points.
  • the mesh size is so small that the particles 12 are fixed in place, so they cannot shift.
  • the mesh size is at least so large that the target species of the particle population contained in this layer 10 can move as freely as possible within the pores in order to be able to penetrate the layer and couple to the capture probe 13.
  • the mean mesh size of the polymer network is in particular in the range from 1 nm to 1000 nm, in particular from 1 nm to 200 nm, preferably 2 nm to 50 nm.
  • the mesh size of the polymer networks 11 of the k detection layers 10 and of the optional layer 20 can decrease in the z direction in the direction of gravity, that is to say from top to bottom. In this way, a graduated filter effect occurs, wherein only components with decreasing sizes are passed along the path of an analyte applied to the assay, and components whose hydrodynamic diameter exceeds the mesh size are kept at the respective interfaces between two layers 10, 20.
  • the polymer network of the bottom layer can have a small mesh size that can be penetrated by oligonucleotides, but not by larger biomolecules such as proteins or antibodies.
  • the polymer network of a middle layer can only pass through medium-sized molecules, for example a Fab fragment or protein, and exclude larger antibodies.
  • the molecules (target species) to be analyzed can be selectively directed into the respective layers. Since in principle a suitable filter effect can already be achieved by the polymer network 11 of the detection layer 10 arranged at the top, the “empty layer” 20 can also be dispensed with.
  • the polymer network 11 has ionic (cationic or anionic) groups.
  • a filter effect can also be achieved by repelling and thus holding back components of the analyte that are charged the same and allowing components that are charged in the opposite way to be let through.
  • This type of polyarization can also be implemented in combination with the graded mesh size shown above.
  • the polymer network 11 can be produced from a polymer linker which is crosslinked by means of a crosslinker.
  • the mesh size can be adjusted by a suitable choice of the chain length (or the molecular weight) of the polymer linker and / or the crosslinker.
  • the Crosslinking can be generated in a simple manner by the polymer linker being functionalized with a reactive group at each of its two chain ends and the crosslinker having three or more functional groups which are able to react with the functional groups to form a chemical bond.
  • the coupling reaction can take place spontaneously by mixing the two components, or can be triggered by adding an initiator or by irradiation with a suitable radiation.
  • the polymer network 11 should preferably be selected so that it behaves neutrally to the analyte and the particles, that is to say does not react or otherwise interact with any of the components. This property is also called bioorthogonal.
  • a suitable choice of the polymer network depending on the material of the carrier 30 onto which the particles are to be immobilized, enables good adhesion, so that a very stable bond between the substrate and the polymer network is obtained and thus the particles are also fixed with high stability ,
  • Suitable polymer systems include in particular polyethers, polyalcohols, polyacrylates, polyacylamides (including poly (N-isopropylacrylamide PNIPAM), polyimides (including polyetherimide PEI), agarose, celluloses, modified celluloses (including chitosan), polysaccharides, dextrans, polyvinyl pyrrolidones , Etc.
  • the polymer network 11 is a hydrogel which comprises a polyethylene glycol (PEG) crosslinked by a dendritic polyglycerol (dPG).
  • PEG polyethylene glycol
  • dPG dendritic polyglycerol
  • a suitable pair of functional groups that react spontaneously (without initiator, without thermal excitation and without photoexcitation) is, in particular, cyclooctin and azide.
  • Other pairs of functional groups are, for example, thiol and acrylate, which react with one another via a thiol-ene reaction, ketone / hydroxylamine, or groups that react with one another by means of a Diels-Alder reaction or a Staudinger ligation. In principle, other coupling reactions are possible as well as other gel components.
  • the crosslinking reaction proceeds quickly enough to avoid long reaction times.
  • the reaction time of the crosslinking should be slow enough so that the particles can sink onto the layer below during gelation. In this way, an arrangement of the particles in a defined plane is ensured, which can be detected sharply by an evaluation instrument, for example in a focal plane of a fluorescence microscope.
  • the reaction time can be varied by varying the concentration the temperature and / or possibly the concentration of an initiator are influenced.
  • no by-products should arise and the reaction should preferably take place at room temperature in order to make the preparation quick, easy and economical.
  • the reaction to gel formation should be bioorthogonal in order to prevent diffusing biomolecules from interacting with the network and from getting stuck in the gel unspecifically, making detection more difficult or falsifying.
  • the type of polymer network 11 can be identical or different for all layers 10, 20.
  • the same polymer system is preferably used for all layers 10, 20, optionally with varying mesh sizes.
  • the detection particles 12 have the function, on the one hand, of binding a target species as specifically as possible, and, on the other hand, of enabling identification of the target species on the basis of the position data of the particle within the assay and / or another coding property of the particle.
  • the particles 12 have capture probes 14 which are bound to carrier particles 13.
  • capture probe is used to denote a molecule or a chemical group which is able to interact as specifically as possible with the respective target species in order to bind them.
  • the capture probe should therefore have a high affinity for the target species and is selected accordingly depending on it.
  • the target species is a nucleic acid
  • the capture probe can be a complementary nucleic acid sequence that hybridizes with the target sequence.
  • the target species is an antibody
  • the capture probe can be a complementary antigen that interacts with the antibody via protein / protein interactions, or vice versa.
  • any type of chemical coupling reaction between the capture probe 14 and the target species can be implemented via a suitable choice of the capture probe 14.
  • the capture probe 14 is bound to the carrier particle 13.
  • the carrier particle 13 can consist of any material and is preferably inert in the respective system. Applicable materials include glasses, metals, plastics, or mixtures or composites of these materials.
  • the carrier particles 13 consist of a plastic, for example polymethyl methacrylate (PMMA).
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the carrier particles 13 can have any shape. They are preferably spherical Shape.
  • the size or the diameter of the carrier particles 13 is not limited and can be selected in the range from 100 nm to 1000 pm, in particular in the range from 1000 nm to 100 pm, preferably in the range from 8 pm to 20 pm.
  • the particles 12 Due to their fixation in the hydrogel 11, the particles 12 can already be identifiable by their position.
  • the identification is given in particular in the z direction by assignment to a specific detection layer 10.
  • identification via the xy coordinates may also be possible, in particular when arranged in a microtiter plate (see FIG. 2) or by means of another location-specific arrangement of the particles.
  • the particles 12 can also have a coding property that enables or facilitates an assignment of the particles to a specific population and thus to a specific capture probe 14.
  • Suitable coding properties include the particle size, in particular particle diameter and / or particle diameter distribution; the particle shape; an optical property such as color or fluorescent wavelength; a magnetic property; the particulate matter; a particle coating material; the surface structure or a combination of several of these parameters.
  • the coding property is preferably a property of the carrier particle 13.
  • the particles 12 additionally have an indicator property which enables a distinction to be made as to whether the corresponding target species has bound to a population or not.
  • the indicator property also allows quantification of the bound target species.
  • An optical property of the particles is particularly suitable for this purpose, for example an intensity or wavelength of an absorption or emission radiation of the particles, which changes when the target species bind. It is known, for example, to provide the carrier particles 13 with a fluorescent label (fluorescent dye), the target species carrying a quencher so that the fluorescence decreases on binding.
  • the target species can have its own optical property (for example fluorescence) or be provided with a fluorescent label (before or after binding to the capture probe), so that the fluorescence increases when bound. In all of the aforementioned cases, it is not only possible to measure the qualitative binding of the target species, but also to measure the quantity, namely on the basis of the intensity. Approaches of this type are known from conventional assays.
  • 12 microbeads can be used as particles within the scope of the invention, as are known from conventional microbead assays. Structure of the Assavs
  • the assay 1 comprises k detection layers containing the hydrogel 11 and one or more populations of particles 12.
  • the number k of layers 10 in which the detection is carried out can be tailored to the assay requirements. It is limited by the structure of the analysis instrument, which can reach its limits in the z direction.
  • a thickness of the layers 10 should at least be dimensioned such that the particles 12, in particular in a single-layer arrangement, are completely embedded.
  • the layer thickness is preferably larger than the (single-layer) particle layer by a predetermined amount.
  • Suitable layer thicknesses of layers 10, 20 are approximately in the range from 100 ⁇ m to 5 mm.
  • the total thickness of the layer structure of the assay 1 is thus the sum of all individual layer thicknesses of all detection layers 10 and optionally of the empty layer 20, whereby the layer thicknesses can be the same or different.
  • the particles 12 of a layer 10 are preferably arranged in one plane, in particular in one layer, in order to enable a possible sharp focus and slight discrimination from an adjacent layer 10.
  • the particles 12 can be arranged near the interface to the layer below or to the carrier 30.
  • Assay 1 according to the invention is produced in layers from bottom to top.
  • At least a first population of particles 12 is applied, for example sprinkled, onto the substrate 30, in particular onto the bottom of a cavity 32 of a microtiter plate 31. This results in a uniform distribution of the first particle population on the substrate.
  • a crosslinkable composition is applied to the particles 12 and the crosslinking (gelation) is optionally initialized or simply waited, whereby the first (bottom) layer 10 of a polymer network 11 is obtained, which embeds the first particle population and fixes it to the bottom.
  • the “empty layer” 20 can optionally be generated by merely applying and crosslinking a crosslinkable composition to the top detection layer 10.
  • the particles 12 and the cross-linkable composition are not applied sequentially, but instead a mixture of particles 12 and cross-linkable composition is applied to the support 30 or the layer 10 underneath for each detection layer 10, and the composition is formed of the hydrogel. In this case, it is desirable for the crosslinking reaction to proceed slowly enough to allow the particles to sink onto the substrate 30 or the layer 10 underneath.
  • the crosslinkable composition contains components which form the polymer network after their crosslinking reaction, as well as a suitable solvent for these components, in particular water or an aqueous phase, and optionally initiators.
  • the crosslinkable components can in principle comprise polymerizable monomers and crosslinkers, so that the crosslinking reaction takes place simultaneously with the polymerization.
  • production is preferably carried out from components which have already been prepolymerized (polymer linkers) and are crosslinked using a crosslinker (see explanations on the polymer network above). In this way, the mesh sizes of the individual layers to be produced can be checked more easily.
  • the assay is used to analyze an analyte that contains several target species by applying the analyte to the top layer (top detection layer 10 or empty layer 20) of the assay 1, for example by pipetting on. Since the particles 12 are fixed in the polymer network / hydrogel 11, mechanical loads such as washing, shaking or pipetting through are also unproblematic.
  • the system is then allowed to incubate for a predetermined time to allow diffusion of the target species into the respective target layers 10. Due to the solution-like environment of the polymer network, the diffusion is slowed down, which the target species can however, they move freely in those layers in which the gel pores allow.
  • the predetermined time depends in particular on the number k of layers 10 and the sizes of the target species. Incubation times in the range from a few minutes to a few days, in particular 2 hours to 24 hours, have proven successful.
  • the evaluation then takes place, which comprises a spatially resolved detection of the particles 12 and a determination of the target species bound to the particles 12.
  • the detection of the particles 12 or the instrument used for this purpose is determined by the type of the particles 12, in particular by their coding. If the particles are labeled with fluorescence, detection is carried out using a fluorescence microscope, for example.
  • the spatially resolved detection comprises in particular the z coordinate, for which the focus of the microscope is set on the respective layer 10, so that the detected fluorescence wavelength becomes maximum. This is preferably done using the instrument's autofocus.
  • xy coding can also take place, in particular by arranging different assays 1 in the cavities 32 of a microtiter plate 31.
  • an xy table on which the assay is arranged is adjusted or by adjusting the optics of the instrument in the xy plane. Since it is known for each coordinate in three-dimensional space which particle population is arranged there, ie which target species can theoretically be present here, it is now only necessary to determine whether a target species and optionally how much of it has bound.
  • the target species itself can have a measurable property, for example fluoresce itself or carry a fluorescence marker. In this case, the corresponding intensity of the fluorescence is measured and evaluated. The more molecules of the corresponding target species have bound at one location (for example in a z-plane), the higher the fluorescence measured at this location.
  • the particles 12 can be equipped with a fluorescence marker so that the target species acts as a fluorescence quencher.
  • the more target species has bound the lower the fluorescence intensity measured at one location.
  • the evaluation is carried out with the aid of software which, on the one hand, recognizes and can assign the fluorescence coding of the microbeads 12.
  • the shell of the microbeads is analyzed in a further channel, the intensity of the fluorescence being dependent on the amount of the bound target molecule. For each level and for each selected microbead population, one obtains a fluorescence intensity that correlates with the amount of target.
  • an area in the z direction is specified in which the software automatically focuses the microbeads of a level and the evaluation can be carried out.
  • This z range for the autofocus defines the minimum distance that must lie between the planes k and k i + 1 . It depends on the roughness of the surface of a hydrogel layer and thus on the height distribution of the individual microbeads 12 within the level. The more plan the microbeads are, the sharper the software can focus and the more levels can be accommodated in the total layer thickness D. This increases the speed of the analysis.
  • the methods for detection are essentially known from the methods described in the introduction and can be used analogously.
  • the assay according to the invention has the advantage that the particles can already be identified by their three-dimensional position. In this way, coding may be dispensed with or the number of coding properties per population may be reduced.
  • 12 spherical fluorescence-coded microbeads made of PMMA (from PolyAn GmbH, Germany) with average particle diameters of 12 pm and 18 pm were used as particles.
  • PEG linker eg PEG 3 kDa, PEG 6 kDa or PEG 10 kDa
  • dPG dendritic polyglycerol
  • the microbeads should not be able to penetrate the meshes of the hydrogel and should be permanently immobilized on the corrugated floor due to the coating with the hydrogel.
  • FIG. 3B shows that the microbeads in the buffer are initially evenly distributed in the well (B1), by drying (B2) aggregates form in the middle of the well. Resuspension (B3) distributes the microbeads evenly again, but in a different arrangement. If the well is emptied and washed once with buffer solution (B4), no microbeads remain in the well.
  • the microbeads covered with hydrogel according to the invention show that the arrangement of the microbeads on the well bottom does not change at any time. Even after repeated washing and tapping, the microbeads remain fixed to the floor by the hydrogel (FIG. 3A).
  • an assay 1 was produced by applying a microbead population 12 to a well bottom of a microtiter plate and overlaying and immobilizing with the hydrogel 11 (PEG 6 kDa) (see FIG. 4).
  • the microbeads 12 carried an antibody which, in solution with both components of the analyte, the Fab fragment 15 and the antibody 16, showed an affinity interaction.
  • a first population of microbeads 12-i provided with a fluorescence-labeled oligonucleotide (capture probe for a complementary oligonucleotide 20mer 17), was overlaid in the first layer 10i with a hydrogel according to the invention (PEG 6 kDa) and immobilized.
  • Microbeads 12 2 which carried an antibody were overlaid and immobilized in the second layer 10 2 by means of a hydrogel (PEG 10 kDa) with a larger mesh size.
  • the hydrogel also separated the two populations of microbeads 12-i and 12 2 from each other.
  • the same assay 1 as shown in Figure 6 was prepared in seven wells of an 8-well strip (Nunc TM NucleoLink TM).
  • the two microbead populations 12-i and 12 2 were given in suspension in the eighth well.
  • 15 ml solution of the target species listed below (alone or in mixtures) were added to the wells prepared in this way and filled up with PBS buffer to a total volume of 45 ml.
  • the assay according to the invention is used as a dried product. can be driven and stored and the user receives a ready-to-use product simply by adding an aqueous solution or water. In the wet, swollen state, the gels are able to form the layers and open their pores for the diffusion of the target species.
  • the dried state of the assay is advantageous for storage and transport from the manufacturer to the user, as the assay is even less susceptible to external influences (temperature, mechanical defects such as cracks, cross-contamination, etc.).

Abstract

The invention relates to an assay for the analysis of a complex analyte. The assay (1) comprises at least one layer (10), which comprises: • a porous three-dimensional polymer network (11) having a predetermined mesh size, and • at least one population of particles (12) embedded and immobilised in the three-dimensional polymer network (11), each of the particles comprising a carrier particle (13) and a capture probe (14) bound to the carrier particle (13), which capture probe makes it possible to bind to a target species (15, 17) of the analyte. The immobilisation of the particles (12) by means of the polymer network (11) makes it possible to increase the specificity of the assay and facilitates the application. In a preferred embodiment a plurality of such layers are stacked one above the other, as a result of which the assay (1) can analyse a plurality of target species (15, 17) in a single measurement.

Description

Beschreibung  description
Assay, Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung Assay, process for its preparation and its use
Die Erfindung betrifft einen insbesondere multiplexen Assay zur Analyse eines Analysats ent- haltend mehrere Targetspezies. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung des Assays sowie seine Verwendung zur Analyse eines Analysats. The invention relates to an in particular multiplexed assay for the analysis of an analyte containing several target species. The invention further relates to a method for producing the assay and its use for analyzing an analyte.
Technologischer Hintergrund der Erfindung Technological background of the invention
Assays sind molekularbiologische Nachweise, die insbesondere in der Labormedizin und Bio- technologie Anwendung finden. Mithilfe von so genannten Fängermolekülen (auch Fängerson- den genannt) werden Targetspezies (auch Biomarker genannt) eines Analysats nachgewiesen, wie zum Beispiel Viren, Proteine oder Nukleinsäuren. Die Nachweise beruhen auf molekülspezi- fischen Affinitätsinteraktionen, wie etwa der Hybridisierung spezifischer Nukleinsäuresequen- zen, Antigen-Antikörper-Wechselwirkung oder Protein-Protein-Interaktionen. Als multiplexe As- says bezeichnet man Assays, bei denen in einem einzigen Durchgang aus einer einzigen Probe gleich mehrere Analyten untersucht und im besten Falle quantifiziert werden können. Die Wei- terentwicklung konventioneller Assays zu multiplexen Assays erhöht den analytischen Durch- satz und erlaubt eine höhere Informationsdichte bei gleichem Input. Damit sind multiplexe As- says unerlässlicher Bestandteil in vielen Bereichen der Molekulardiagnostik und der klinischen Diagnostik. Die Veranlagung für viele Krankheiten wie zum Beispiel Krebs, Alzheimer, Stoff- wechselerkrankungen oder Herz-Kreislauferkrankungen, sowie deren Ausbruch, Ursache und Verlauf hängen häufig von mehreren Faktoren ab. So kann es allein bei Nukleinsäuresequen- zen zu verschiedenen Veränderungen kommen, wie zum Beispiel zum Einzelnukleotid- Polymorphismus (SNP, engl. Single Nukleotide Polymorphism), zur Deletion, Insertion oder Genduplikation, die alle eine Genfunktion beeinflussen können. Weiterhin wird in der Pharma- kogenomik untersucht, wie Medikamente von verschiedenen Organismen unterschiedlich meta- bolisiert werden, was ebenfalls abhängig von multiplen Faktoren ist. Neben Nukleinsäuren kön- nen auch Antikörper bindende Marker genutzt werden, wobei die multiplexe Antikörperdetektion zum Beispiel für die Erforschung und Aufklärung von Autoimmunerkrankungen genutzt werden kann. Deshalb ist die Entwicklung hin zu besseren multiplexen Detektionssystemen für das Ge- sundheitswesen von enormer Bedeutung und auch wirtschaftlich interessant. Die geläufigsten beiden Arten von multiplexen Assays sind der Microarray und der Microbead- Assay. Assays are molecular biological evidence that are used in particular in laboratory medicine and biotechnology. With the help of so-called capture molecules (also called capture probes) target species (also called biomarkers) of an analyte, such as viruses, proteins or nucleic acids, are detected. The evidence is based on molecule-specific affinity interactions, such as the hybridization of specific nucleic acid sequences, antigen-antibody interaction or protein-protein interactions. Multiplexed assays are assays in which several analytes can be examined in a single run from a single sample and, in the best case, quantified. The further development of conventional assays to multiplex assays increases the analytical throughput and allows a higher information density with the same input. This makes multiplex assays an indispensable component in many areas of molecular diagnostics and clinical diagnostics. The predisposition to many diseases such as cancer, Alzheimer's, metabolic diseases or cardiovascular diseases, as well as their outbreak, cause and course often depend on several factors. For example, nucleic acid sequences alone can lead to various changes, such as, for example, single nucleotide polymorphism (SNP, single nucleotide polymorphism), deletion, insertion or gene duplication, all of which can influence gene function. Furthermore, pharmacogenomics is investigating how drugs are metabolized differently by different organisms, which also depends on multiple factors. In addition to nucleic acids, antibody-binding markers can also be used, the multiplexed antibody detection being used, for example, for the research and elucidation of autoimmune diseases. That is why the development towards better multiplex detection systems for the healthcare system is of enormous importance and also economically interesting. The most common two types of multiplex assays are the microarray and the microbead assay.
Microarray bezeichnet die Anordnung von sehr vielen Microspots auf einer festen Phase, wobei in jedem dieser Spots ein anderes Fängermolekül (Fängersonde) für einen Biomarker immobili- siert ist. Da zu jeder xy-Position bekannt ist, welche Fängersonde sich dort befindet, können aus einer Probe in nur einer Messung sehr viele Biomarker untersucht werden. Das größte Problem der Microarrays ist deren reproduzierbare Abarbeitung und der hohe technische Auf- wand der Herstellung und Auswertung. Microarray describes the arrangement of a large number of microspots on a solid phase, a different capture molecule (capture probe) for a biomarker being immobilized in each of these spots. Since it is known for each xy position which capture probe is there, a large number of biomarkers can be examined from one sample in just one measurement. The biggest problem with the microarrays is their reproducible processing and the high technical effort involved in manufacturing and evaluating them.
Bekannte multiplexe Microbead-Assays hingegen verwenden mikrometergroße Partikel, die so genannten Microbeads, auf deren Oberfläche eine Fängersonde immobilisiert ist, in Suspensi- on. Microbeads weisen eine oder mehrere Kodierungen auf, die es erlauben, unterschiedliche Populationen voneinander zu unterscheiden und der Fängersonde zuzuordnen. In der Praxis beruht die Kodierung in der Regel auf einer Farbkodierung, zum Beispiel die Fluoreszenzwel- lenlänge, und/oder die Partikelgröße. Zur Detektion wird meist ein Durchflusszytometer genutzt. Um die Microbeads auch stationär untersuchen zu können und zusätzlich kinetische Studien durchführen zu können, kann ein Fluoreszenzmikroskop mit entsprechender Software (Vi- deoScan) zur Auswertung und Diskriminierung genutzt werden. Zur Auswertung wird zunächst die Kodierung der Microbeads analysiert, beispielsweise die Farbkodierung über einen ersten Kanal des Durchflusszytometers bzw. von VideoScan und der Durchmesser. Hierdurch können die Microbeads in verschiedene Populationen eingeteilt und der Fängersonde und damit dem an der Fängersonde immobilisierten Biomarker zugeordnet werden. Zur Untersuchung des Pro- bengemischs erfolgt dann mit einem weiteren Kanal die eigentliche Detektion (und Quantifizie- rung) des Biomarkers. Die Menge an Parametern, die in solchen Assays gemessen werden können, spielt dabei eine wichtige Rolle. Diese Menge ist in Microbead-basierten Assays limi- tiert durch die Parameter Größe und Kodierungsfluoreszenz der Microbeads. Ist der Unter- schied des Selektionsparameters zwischen zwei Microbead-Populationen zu gering, kann es zu fehlerhaften Zuordnungen kommen. Ein komplexes Biomolekülgemisch kann die Detektion in einem einfachen Microbead-Assay stören. Known multiplexed microbead assays, on the other hand, use micrometer-sized particles, the so-called microbeads, on the surface of which a capture probe is immobilized, in suspension. Microbeads have one or more encodings that allow different populations to be distinguished from one another and assigned to the capture probe. In practice, the coding is usually based on a color coding, for example the fluorescence wavelength, and / or the particle size. A flow cytometer is usually used for detection. In order to also be able to examine the microbeads stationary and also to be able to carry out kinetic studies, a fluorescence microscope with appropriate software (VideoScan) can be used for evaluation and discrimination. For the evaluation, the coding of the microbeads is first analyzed, for example the color coding via a first channel of the flow cytometer or of VideoScan and the diameter. In this way, the microbeads can be divided into different populations and assigned to the capture probe and thus to the biomarker immobilized on the capture probe. To examine the sample mixture, the actual detection (and quantification) of the biomarker is then carried out using a further channel. The amount of parameters that can be measured in such assays plays an important role. This amount is limited in microbead-based assays by the parameters size and coding fluorescence of the microbeads. If the difference in the selection parameter between two microbead populations is too small, incorrect assignments can occur. A complex mixture of biomolecules can interfere with detection in a simple microbead assay.
Aufgrund ihrer hydrophilen, biokompatiblen und gut modifizierbaren Eigenschaften fanden Hyd- rogelmaterialien in den letzten Jahren ein großes Interesse in zahlreichen biotechnologischen Anwendungen. Insbesondere die lösungsähnlichen Eigenschaften und das Non-Fouling in komplexen biologischen Proben machen Hydrogele zu guten Substraten für die Biosensorik. Hydrogel-Beschichtungen und Gel-Dot-Oberflächen wurden in Microarrays für Nukleinsäure- Assays und Immunoassays eingesetzt. Durch neue Mikrofabrikationstechniken können kodierte Partikel aus Hydrogelmaterialien synthetisiert werden. Dadurch ist eine Entwicklung von Sus- pensionsarrays auf Hydrogelbasis möglich geworden. Lithographieverfahren und tröpfchenba- sierte mikrofluidische Technologien ermöglichen die Generierung von Hydrogel- Microbeadbibliotheken mit eindeutigen spektralen oder grafischen Codes für die Multiplex- Sensorik (European Polymer Journal, 2015, 72, S. 386-412). Due to their hydrophilic, biocompatible and easily modifiable properties, hydrogel materials have been of great interest in numerous biotechnological applications in recent years. In particular, the solution-like properties and non-fouling in complex biological samples make hydrogels good substrates for biosensors. Hydrogel coatings and gel dot surfaces have been used in microarrays for nucleic acid assays and immunoassays. Using new microfabrication techniques, encoded particles can be synthesized from hydrogel materials. This has made it possible to develop suspension arrays based on hydrogels. Lithography processes and droplet-based microfluidic technologies enable the generation of hydrogel microbead libraries with unique spectral or graphic codes for the multiplex sensor technology (European Polymer Journal, 2015, 72, pp. 386-412).
Kurze Beschreibung der Erfindung Brief description of the invention
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen auf funktionalisierten Partikeln (Micro- beads) beruhenden Assay bereitzustellen, der die Probleme herkömmlicher Microbead-Assays überwindet. Insbesondere sollte der Assay einfach herzustellen und zu handhaben sein und eine sicherere Diskriminierung der Populationen erlauben. The object of the invention is to provide an assay based on functionalized particles (microbeads) which overcomes the problems of conventional microbead assays. In particular, the assay should be easy to manufacture and use, and should allow for more confident discrimination against populations.
Diese Aufgaben werden ganz oder zumindest teilweise durch einen Assay, ein Verfahren zu seiner Herstellung sowie seine Verwendung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der vorliegenden Beschreibung. These objects are achieved in whole or at least in part by an assay, a method for its production and its use with the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims and the present description.
Der erfindungsgemäße Assay zur Analyse eines Analysats, das mehrere Targetspezies enthält, weist eine Anzahl von k sich in xy-Ebene erstreckenden und in z-Richtung aufeinander ange- ordneten Schichten auf, wobei k eine ganze Zahl von größer/gleich 1 ist. Dabei umfasst jede der k Schichten: The assay according to the invention for analyzing an analyte which contains a plurality of target species has a number of k layers which extend in the xy plane and are arranged one on top of the other in the z direction, k being an integer greater than or equal to 1. Each of the k layers comprises:
• ein poröses dreidimensionales Polymernetzwerk mit einer vorbestimmten Maschenweite, und  A porous three-dimensional polymer network with a predetermined mesh size, and
• zumindest eine Population von in dem Polymernetzwerk eingebetteten und immobilisierten Partikeln, jeweils umfassend einen Trägerpartikel und eine an dem Trägerpartikel gebun- dene Fängersonde, die eine Targetspezies des Analysats vorzugsweise spezifisch zu bin- den vermag.  • at least one population of particles embedded and immobilized in the polymer network, each comprising a carrier particle and a capture probe bound to the carrier particle, which preferably is able to specifically bind a target species of the analyte.
Der erfindungsgemäße Assay zeichnet sich durch verschiedene vorteilhafte Effekte aus. So sind die Partikel durch das dreidimensionale Polymernetzwerk fixiert, wodurch die Handhabung des Assays sehr erleichtert wird und der Assay sogar aufbereitet und wiederholt verwendet werden kann. Das Polymernetzwerk ermöglicht eine Haftung der Partikel auf einer Vielzahl un- terschiedlichster Oberflächen. Zudem erlaubt das Polymernetzwerk die Einstellung einer Ma- schenweite, die zwar der Targetspezies das Eindringen in die Schicht erlaubt, jedoch uner- wünschte größere Bestandteile, beispielsweise Zellfragmente oder dergleichen, ausschließt, wodurch die Sensitivität und Reproduzierbarkeit erhöht wird. Das Polymernetzwerk führt somit zu einem Filtereffekt, der unerwünschte Bestandteile abhält. Ferner wird durch die Immobilisie- rung der Partikel eine ortsspezifische Zuordnung ermöglicht, wodurch die Anzahl der detektier- baren Targetspezies erhöht wird. Dieser Vorteil besteht bereits im Fall von einer einzigen Schicht (k = 1 ), in welcher die Partikel in der xy-Ebene fixiert und somit bei ortsselektiver An- ordnung unterschiedlicher Populationen innerhalb der Schichtebene mehrere Targetspezies nachweisbar sind. Durch die Polymereinbettung der Partikel können diese ortsspezifisch und mit höherer Genauigkeit detektiert werden und die Spezifität und Sensitivität bei Messung eines Targetspezies in einem komplexen Analysats verbessert werden. The assay according to the invention is characterized by various advantageous effects. The particles are fixed in place by the three-dimensional polymer network, which makes handling the assay much easier and the assay can even be prepared and used repeatedly. The polymer network enables the particles to adhere to a large number of different surfaces. In addition, the polymer network allows a mesh size to be set which, although allowing the target species to penetrate the layer, excludes undesired larger constituents, for example cell fragments or the like, which increases the sensitivity and reproducibility. The polymer network thus leads to a filter effect that prevents unwanted components. Furthermore, the immobilization of the particles enables a location-specific assignment, which increases the number of detectable target species. This advantage already exists in the case of a single layer (k = 1), in which the particles are fixed in the xy-plane and thus multiple target species can be detected when different populations are arranged in a location-selective manner within the layer plane. The polymer embedding of the particles enables them to be detected in a location-specific manner and with greater accuracy, and the specificity and sensitivity when measuring a target species in a complex analyte can be improved.
Die Anzahl nachweisbarer Targetspezies wird erhöht, wenn die Anzahl k der Polymernetz- werk/Partikel-Schichten 2 oder mehr ist. In diesem Fall wird als ein weiterer Ortsparameter, der eine Zuordnung einer Partikelpopulation erlaubt, die z-Position erschlossen. Das heißt, inner- halb des kartesischen Koordinatensystems kann eine dreidimensionale Diskriminierung von Partikelpopulationen anhand der Koordinaten x, y, z erfolgen. Gegenüber einer einzigen Poly- mernetzwerk/Partikel-Schicht (k = 1) erhöht sich somit die theoretisch maximal mögliche Anzahl diskriminierbarer Partikelpopulation und somit nachweisbarer Targetspezies um einen Faktor k. The number of detectable target species is increased if the number k of the polymer network / particle layers is 2 or more. In this case, the z position is opened up as a further spatial parameter that allows an assignment of a particle population. This means that within the Cartesian coordinate system, three-dimensional discrimination of particle populations can take place on the basis of the coordinates x, y, z. Compared to a single polymer network / particle layer (k = 1), the theoretically maximum possible number of discriminable particle population and thus detectable target species increases by a factor k.
Die maximale Anzahl der Polymernetzwerk/Partikel-Schichten ist allenfalls durch das zur Aus- wertung verwendete Detektionssystem begrenzt, das hier insbesondere ein Fluoreszenzmikro- skop, beispielsweise ein Epifluoreszenzmikroskop oder konfokales Fluoreszenzmikroskop ist.The maximum number of polymer network / particle layers is at most limited by the detection system used for the evaluation, which here is in particular a fluorescence microscope, for example an epifluorescence microscope or confocal fluorescence microscope.
So wird die Gesamthöhe des Assays limitiert durch den zur Verfügung stehenden Raum des Mikroskops. In einer Ausgestaltung beträgt die Anzahl der Schichten 2 bis 10, insbesondere 2 bis 6. The total height of the assay is limited by the available space of the microscope. In one configuration, the number of layers is 2 to 10, in particular 2 to 6.
Die Populationen der Partikel unterscheiden sich insbesondere in den Fängersonden, die an den Trägerpartikeln gekoppelt sind. Somit dient jede Population als ein spezifischer Detektor für eine Targetspezies. Da in jeder Schicht k mehrere Populationen immobilisiert werden können, erhöht sich der Multiplexgrad um ein /c-faches. The particle populations differ in particular in the capture probes which are coupled to the carrier particles. Thus, each population serves as a specific detector for a target species. Since several populations can be immobilized in each layer k, the degree of multiplexing increases by a / c-fold.
Die Maschenweite der in den Schichten vorhandenen Polymernetzwerke sollte so klein sein, dass die Partikel fixiert sind, sich also nicht bewegen können. Die Maschenweite sollte anderer- seits mindestens so groß sein, dass sich die Targetspezies der in dieser Schicht enthaltenen Partikelpopulation weitestgehend frei innerhalb der Poren bewegen kann, um in die Schicht einzudringen und an die Fängersonde koppeln zu können. The mesh size of the polymer networks present in the layers should be so small that the particles are fixed, i.e. cannot move. On the other hand, the mesh size should be at least so large that the target species contained in this layer Particle population can move as freely as possible within the pores in order to penetrate the layer and to be able to couple to the capture probe.
In einer bevorzugten Ausgestaltung nimmt die Maschenweite der Polymernetzwerke der k Schichten in z-Richtung in Richtung der Schwerkraft, also nach unten ab. Insbesondere in die sem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass diejenige Partikelpopulation, welche die kleinste Targetspezies bindet, innerhalb der untersten Schicht angeordnet ist. Die zweitunterste Schicht enthält dann die Partikelpopulation, welche die zweitkleinste Targetspezies bindet, und so weiter. Mit anderen Worten werden die Partikelpopulationen in der Reihenfolge der Größe ihrer Targetspezies und zwar mit zunehmender Größe ihrer Targetspezies in z-Richtung von unten nach oben angeordnet. In diesen Ausgestaltungen werden die Filtereffekte der Hydrogel- schichten gezielt genutzt, um im idealen Fall stets nur diejenigen Targetspezies durchzulassen, deren komplementären Fängersonden in einer der folgenden Schichten angeordnet sind. Hier- durch kann die Spezifität des Nachweises noch weiter verbessert werden. In a preferred embodiment, the mesh size of the polymer networks of the k layers decreases in the z direction in the direction of gravity, that is to say downwards. In this context in particular, it is preferably provided that the particle population that binds the smallest target species is arranged within the lowest layer. The second lowest layer then contains the particle population that binds the second smallest target species, and so on. In other words, the particle populations are arranged in the order of the size of their target species and that with increasing size of their target species in the z direction from bottom to top. In these configurations, the filter effects of the hydrogel layers are used in a targeted manner so that, in the ideal case, only those target species whose complementary capture probes are arranged in one of the following layers can pass through. This can further improve the specificity of the detection.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine mittlere Maschenweite des Polymernetzwerks im Bereich von 1 nm bis 1000 nm, insbesondere 1 nm bis 200 nm, vor- zugsweise 2 nm bis 50 nm, liegt. Wie vorstehend bereits ausgeführt, ist in diesem Bereich die Maschenweite klein genug, um die Partikel zu immobilisieren und optional bestimmte Molekül- oder Teilchengrößen auszuschließen, und gleichzeitig groß genug, um die erwünschten Target- spezies durchzulassen. In a preferred embodiment of the invention it is provided that an average mesh size of the polymer network is in the range from 1 nm to 1000 nm, in particular 1 nm to 200 nm, preferably 2 nm to 50 nm. As already stated above, the mesh size in this area is small enough to immobilize the particles and optionally exclude certain molecule or particle sizes, and at the same time large enough to let the desired target species pass.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Begriff„dreidimensionales Polymer- netzwerk“ ein polymeres Material, das über kovalente oder nicht kovalente (vorzugsweise kova- lente Bindungen) quervernetzt ist und somit in einem Lösungsmittel quellbar oder gequollen vorliegt, sodass sich Poren ausbilden, die mit dem Lösungsmittel gefüllt sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem dreidimensionalen Polymernetzwerk um ein Hydrogel, das also in Was- ser quellbar bzw. gequollen vorliegt. Hydrogele eignen sich insbesondere für biologische oder biomedizinische Anwendungen. In the context of the present application, the term “three-dimensional polymer network” denotes a polymeric material that is cross-linked via covalent or non-covalent (preferably covalent bonds) and is therefore swellable or swollen in a solvent, so that pores form that form with are filled with the solvent. The three-dimensional polymer network is preferably a hydrogel, which is therefore swellable or swollen in water. Hydrogels are particularly suitable for biological or biomedical applications.
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Assay - zusätzlich zu den k Polymernetz- werk/Partikel-Schichten - eine weitere, bezüglich der Schwerkraft oberste Schicht, die ein porö- ses Polymernetzwerk mit einer vorbestimmten Porengröße, jedoch keine Partikel aufweist. Ins- besondere weist das Polymernetzwerk dieser„Leerschicht“ die größte Maschenweite aller vor- handenen Schichten auf. Dabei ist die Maschenweite dieser obersten Leerschicht so bemes- sen, dass große Bestandteile des Analysats, die nicht zu den zu detektierenden Targetspezies gehören, ausgeschlossen werden. Der obersten Schicht dieser Ausführung kommt somit aus- schließlich eine Filterfunktion zu. In an advantageous embodiment, in addition to the k polymer network / particle layers, the assay comprises a further layer which is uppermost in terms of gravity and which has a porous polymer network with a predetermined pore size but no particles. In particular, the polymer network of this “empty layer” has the largest mesh size of all existing layers. The mesh size of this uppermost empty layer is dimensioned so that large components of the analyte do not belong to the target species to be detected belong to be excluded. The top layer of this version therefore only has a filter function.
Vorzugsweise sind die Partikel einer Schicht einlagig innerhalb der xy-Ebene angeordnet. Auf diese Weise wird die Trennschärfe zwischen aneinander angrenzenden Schichten erhöht. The particles of a layer are preferably arranged in one layer within the xy plane. In this way, the selectivity between adjacent layers is increased.
Wie bereits erwähnt, unterscheiden sich die Partikel unterschiedlicher Populationen in ihren Fängersonden, sodass jede Population eine bestimmte Targetspezies zu binden vermag. Dar- über hinaus bietet die erfindungsgemäße Immobilisierung der Partikel in dem dreidimensionalen Polymernetzwerk den Vorteil, dass zusätzlich zur Kodierung etwa durch Fluoreszenz und Größe eine räumliche Kodierung durch die z-Position (sofern mehr als eine Polymernetzwerk/Partikel- Schicht vorhanden ist) eingeführt wird. Auf diese Weise kann durch entsprechende Fokussie- rung eines bei der Auswertung verwendeten Instruments (beispielsweise eines Mikroskops) eine Identifizierung einer jeweiligen Population allein aufgrund der Position erfolgen. As already mentioned, the particles of different populations differ in their capture probes, so that each population can bind a specific target species. In addition, the immobilization of the particles according to the invention in the three-dimensional polymer network offers the advantage that, in addition to coding, for example by means of fluorescence and size, spatial coding by the z position (if more than one polymer network / particle layer is present) is introduced. In this way, by appropriately focusing an instrument used in the evaluation (for example a microscope), a respective population can be identified solely on the basis of the position.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Partikelpopulationen mit Vorteil durch eine oder mehrere weitere Kodierungseigenschaften voneinander unterscheidbar, um die Diskrimi- nierung und Identifizierung verschiedener Populationen noch weiter zu verbessern. In diesem Zusammenhang kann die Kodierungseigenschaft eine Partikelgröße, insbesondere ein Partikel- durchmesser und/oder eine Partikeldurchmesserverteilung; eine Partikelform; eine optische Eigenschaft, insbesondere eine Farbe oder Fluoreszenzwellenlänge; eine magnetische Eigen- schaft; ein Partikelmaterial; ein Partikelbeschichtungsmaterial; eine Oberflächenstruktur oder eine Kombination mehrerer dieser Parameter sein. Die Kodierungseigenschaft ist vorzugsweise eine Eigenschaft der Trägerpartikel. Derartige Partikel sind etwa aus herkömmlichen Microbe- ad-Assays bekannt. In a preferred embodiment of the invention, the particle populations can advantageously be distinguished from one another by one or more further coding properties in order to further improve the discrimination and identification of different populations. In this context, the coding property can be a particle size, in particular a particle diameter and / or a particle diameter distribution; a particle shape; an optical property, in particular a color or fluorescence wavelength; a magnetic property; a particulate material; a particle coating material; a surface structure or a combination of several of these parameters. The coding property is preferably a property of the carrier particles. Such particles are known, for example, from conventional microbe assays.
Besonders bevorzugt sind die Partikelpopulationen durch eine Kodierungseigenschaft identifi- zierbar (d.h. einer Fängersonde zuordenbar) und weisen zusätzlich eine Indikatoreigenschaft auf, die eine Unterscheidung darüber ermöglicht, ob die entsprechende Targetspezies gebun- den hat oder nicht. Zu diesem Zweck ist insbesondere eine optische Eigenschaft der Partikel geeignet, etwa eine Intensität oder Wellenlänge einer Absorptions- oder Emissionsstrahlung der Partikel, welche sich bei Bindung der Targetspezies ändert. Bekannt ist etwa, die Trägerpartikel mit einer Fluoreszenzmarkierung (Fluoreszenzfarbstoff) auszustatten, wobei die Targetspezies einen Quencher tragen, sodass bei Bindung die Fluoreszenz abnimmt. Alternativ kann die Tar- getspezies eine eigene optische Eigenschaft aufweisen (zum Beispiel Fluoreszenz) oder mit einer Fluoreszenzmarkierung (vor oder nach der Bindung an die Fängersonde) ausgestattet werden, sodass bei Bindung die Fluoreszenz zunimmt. In allen vorgenannten Fällen ist nicht nur die Messung der qualitativen Bindung der Targetspezies möglich, sondern auch die Erfas- sung der Quantität, nämlich aufgrund der Intensität. Derartige Ansätze sind aus herkömmlichen Assays bekannt. The particle populations are particularly preferably identifiable by a coding property (ie assignable to a capture probe) and additionally have an indicator property which enables a distinction to be made as to whether the corresponding target species has bound or not. An optical property of the particles is particularly suitable for this purpose, for example an intensity or wavelength of an absorption or emission radiation of the particles, which changes when the target species bind. It is known, for example, to provide the carrier particles with a fluorescent label (fluorescent dye), the target species carrying a quencher so that the fluorescence decreases on binding. Alternatively, the target species can have its own optical property (for example fluorescence) or be provided with a fluorescent label (before or after binding to the capture probe) so that the fluorescence increases upon binding. In all of the above cases, it is not only possible to measure the qualitative binding of the target species, but also to measure the quantity, namely on the basis of the intensity. Such approaches are known from conventional assays.
Die Schichtstruktur der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise in einem Gefäß bzw. auf einem Träger angeordnet. In besonders bevorzugter Ausführung weist der Träger ein Array einer Viel- zahl von Kavitäten oder Spots auf, wobei in den Kavitäten bzw. auf den Spots jeweils ein Assay gemäß der Erfindung mit jeweils einer Anzahl von / sich in xy-Ebene erstreckenden und in z- Richtung aufeinander angeordneten Schichten wie vorstehend beschrieben angeordnet sind.The layer structure of the present invention is preferably arranged in a vessel or on a carrier. In a particularly preferred embodiment, the carrier has an array of a multiplicity of cavities or spots, an assay according to the invention in each of the cavities or on the spots, each with a number of / extending in the xy plane and in z-plane. Layers arranged on top of one another are arranged as described above.
Ein solcher Träger kann etwa als Mikrotiterplatte ausgeführt sein, deren Wells als Kavitäten dienen. Dabei unterscheiden sich vorzugsweise die Populationen von Partikeln der verschiede- nen Kavitäten zumindest durch die an den Trägerpartikeln gebundenen Fängersonden. In die sem Ausführungsbeispiel legen die Kavitäten die xy-Position der verschiedenen Populationen fest und erlauben somit ihre Identifizierung. Such a carrier can be designed as a microtiter plate, the wells of which serve as cavities. The populations of particles of the different cavities preferably differ at least in the capture probes bound to the carrier particles. In this exemplary embodiment, the cavities determine the xy position of the different populations and thus allow their identification.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Assays, das einen schichtweisen Aufbau vorsieht. Das Verfahren umfasst die folgenden Schrit te: Another aspect of the invention relates to a method for producing the assay according to the invention, which provides a layered structure. The process includes the following steps:
• Aufbringen zumindest einer Population Partikel auf ein Substrat und  Application of at least one population of particles to a substrate and
• Aufbringen einer vernetzbaren Zusammensetzung auf die Partikel, Vernetzen der Zusam- mensetzung unter Erhalt des dreidimensionalen Polymernetzwerks, in welches die Partikel eingebettet sind.  • Applying a crosslinkable composition to the particles, crosslinking the composition while maintaining the three-dimensional polymer network in which the particles are embedded.
Diese Schritte werden /c-fach wiederholt, entsprechend der Anzahl k der herzustellenden Poly- mernetzwerk/Partikel-Schichten.  These steps are repeated / c-fold, corresponding to the number k of the polymer network / particle layers to be produced.
In alternativer Ausführung wird eine Mischung der zumindest einen Partikelpopulation und der vernetzbaren Zusammensetzung auf das Substrat aufgegeben und vernetzt unter Erhalt des dreidimensionalen Polymernetzwerks, in welches die Partikel eingebettet sind. In an alternative embodiment, a mixture of the at least one particle population and the crosslinkable composition is applied to the substrate and crosslinked to obtain the three-dimensional polymer network in which the particles are embedded.
Die Zusammensetzung weist vorzugsweise einen bi-funktionalen Polymerlinker einer vorbe- stimmten Kettenlänge und einen höher-funktionalen Vernetzer auf. Auf diese Weise definiert die Kettenlänge des bi-funktionalen Polymerlinkers die Maschenweite (Porengröße) des entstehen- den Polymernetzwerks. Insbesondere wird hier die Kettenlänge des bi-funktionalen Polymerlin- kers einer (/c+1 )-ten Wiederholung so gewählt, dass diese länger ist als die Kettelänge in der k- ten Wiederholung. Anders gesagt, nimmt die Kettenlänge (bzw. das Molekluargewicht) des Lin- kers mit jeder weiteren Schicht zu. Auf diese Weise lässt sich ein Assay mit schichtweise zu- nehmender Maschenweite herstellten. Zur Herstellung eines Polymernetzwerks in Form eines Hydrogels aus einem vernetzten Polyethylenglykol kann beispielsweise ein bi-funktionalisiertes Polyethylenglykol definierter Kettenlänge (definierten Molekluargewichts) mit einem dendriti- schen Polyglycerol vernetzt werden. The composition preferably has a bi-functional polymer linker of a predetermined chain length and a more functional crosslinker. In this way, the chain length of the bi-functional polymer linker defines the mesh size (pore size) of the resulting polymer network. In particular, the chain length of the bi-functional polymer liner of a (/ c + 1) th repetition is chosen so that it is longer than the chain length in the kth repetition. In other words, the chain length (or molecular weight) of the lin- kers with every additional shift. In this way, an assay with increasing mesh size can be produced. To produce a polymer network in the form of a hydrogel from a crosslinked polyethylene glycol, for example, a bi-functionalized polyethylene glycol of a defined chain length (defined molecular weight) can be crosslinked with a dendritic polyglycerol.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungs- gemäßen Assays zur Analyse eines Analysats enthaltend mehrere Targetspezies. Die Verwen- dung umfasst die Schritte: Yet another aspect of the present invention relates to the use of the assay according to the invention for analyzing an analyte containing several target species. Use includes the steps:
• Aufbringen des Analysats auf die in Richtung der Schwerkraft obersten Schicht des Assays; Applying the analyte to the top layer of the assay in the direction of gravity;
• Inkubieren für eine vorbestimmte Zeit; und Incubate for a predetermined time; and
• ortsaufgelöstes Detektieren der Partikel und Detektieren der an den Partikeln gebundenen Targetspezies.  • spatially resolved detection of the particles and detection of the target species bound to the particles.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. Unless otherwise stated in the individual case, the various embodiments of the invention mentioned in this application can advantageously be combined with one another.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnun- gen erläutert. Es zeigen: The invention is explained below in exemplary embodiments on the basis of the associated drawings. Show it:
Figur 1 eine schematisierte Darstellung eines multiplexen Assays mit drei Polymer- netzwerk/Partikel-Schichten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; FIG. 1 shows a schematic representation of a multiplex assay with three polymer network / particle layers according to one embodiment of the invention;
Figur 2 einen erfindungsgemäßen multiplexen Assay in einer Mikrotiterplatte in Drauf- sicht (A) sowie als Seitenansicht (B); FIG. 2 shows a multiplex assay according to the invention in a microtiter plate in a top view (A) and as a side view (B);
Figur 3 Fluoreszenzaufnahmen eines erfindungsgemäßen Assays (A) sowie von Par- tikeln in Suspension (B), jeweils 1 h nach Einfüllen der Präparationslösung in eine Kavität (1 ), nach Trocknung über Nacht bei Raumtemperatur (2), nach Resuspension durch Zugabe von Wasser (3) und nach mehrmaligem Wa- schen, Ausleeren und Ausklopfen (4); 3 shows fluorescence images of an assay according to the invention (A) and of particles in suspension (B), in each case 1 h after filling the preparation solution into a cavity (1), after drying overnight at room temperature (2), after resuspension by adding water (3) and after repeated washing, emptying and tapping (4);
Figur 4 eine schematisierte Darstellung eines Assays mit einer Polymernetz- werk/Partikel-Schicht zum Nachweis eines Fab-Fragments in Gegenwart ei- nes Antikörpers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Figur 5 Fluoreszenzintensitäten des Assays aus Figur 4 nach verschiedenen Inkuba- tionszeiten; FIG. 4 shows a schematic representation of an assay with a polymer network / particle layer for the detection of a Fab fragment in the presence of an antibody according to an embodiment of the invention; FIG. 5 fluorescence intensities of the assay from FIG. 4 after different incubation times;
Figur 6 eine schematisierte Darstellung eines Assays mit zwei Polymernetz- werk/Partikel-Schichten zum Nachweis eines Fab-Fragments und eines 20mer-Oligonukleotids in Gegenwart eines Antikörpers gemäß einer Ausfüh- rungsform der Erfindung; FIG. 6 shows a schematic representation of an assay with two polymer network / particle layers for the detection of a Fab fragment and a 20-mer oligonucleotide in the presence of an antibody according to an embodiment of the invention;
Figur 7 Fluoreszenzintensitäten der ersten Detektionsebene (links) und zweiten De- tektionsebene (rechts) des Assays aus Figur 6 in Abhängigkeit von der Inku- bationszeit; FIG. 7 fluorescence intensities of the first detection level (left) and second detection level (right) of the assay from FIG. 6 as a function of the incubation time;
Figur 8 eine schematisierte Darstellung reversibler Übergänge eines erfindungsge- mäßen Assays zwischen einem voll gequollenen Zustand (a), einem teilweise gequollenen Zustand (b) und einem trockenen Zustand (c); und FIG. 8 shows a schematic representation of reversible transitions of an assay according to the invention between a fully swollen state (a), a partially swollen state (b) and a dry state (c); and
Figur 9 Quellung verschiedener PEG-Hydrogele gemäß Figur 8 über mehrere Trock- nungs- und Quellzyklen. FIG. 9 swelling of various PEG hydrogels according to FIG. 8 over several drying and swelling cycles.
Figur 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung einen multiplexen Assay gemäß einer beispielhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung zeigt den insgesamt mit 1 bezeichneten Assay in der xz-Ebene, wobei die yz-Ebene im dargestellten Beispiel iden- tisch wäre. Der Assay 1 umfasst eine Anzahl von k (hier k = 3) Schichten 10, die jeweils ein dreidimensionales Polymernetzwerk 1 1 sowie zumindest eine Population von in dem Polymer- netzwerk 11 eingebetteten und immobilisierten Partikeln 12 umfasst. Eine solche Polymernetz- werk/Partikel-Schicht wird nachfolgend auch als Detektionsschicht 10 bezeichnet. Im gezeigten Beispiel ist auf der obersten der drei Detektionsschichten 10 eine optionale weitere Schicht 20 angeordnet, die als„Leerschicht“ ausgebildet ist und als solche eine weitere Schicht eines drei- dimensionalen Polymernetzwerks 1 1 , jedoch keine Partikel aufweist. Die Polymernetzwerke weisen im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Maschenweite bzw. Porengröße auf, die von unten nach oben, also in z-Richtung entgegen der Schwerkraft zunimmt. Figure 1 shows a highly schematic representation of a multiplex assay according to an exemplary embodiment of the present invention. The illustration shows the assay designated overall by 1 in the xz plane, the yz plane being identical in the example shown. The assay 1 comprises a number of k (here k = 3) layers 10, each of which comprises a three-dimensional polymer network 11 and at least one population of particles 12 embedded and immobilized in the polymer network 11. Such a polymer network / particle layer is also referred to below as detection layer 10. In the example shown, an optional further layer 20 is arranged on the top of the three detection layers 10, which is designed as an “empty layer” and as such has a further layer of a three-dimensional polymer network 11, but has no particles. In the exemplary embodiment shown, the polymer networks have a mesh size or pore size which increases from bottom to top, that is to say in the z direction, counter to gravity.
Im gezeigten Beispiel umfasst jede der Detektionsschichten 10 jeweils eine Population von Par- tikeln 12, die rechts vergrößert dargestellt sind. Jedes Partikel 12 einer Population weist ein Trägerpartikel 13 und eine an dem Trägerpartikel 13 gebundene Fängersonde 14 auf, die eine Targetspezies eines Analysats spezifisch zu binden vermag. Somit dient jede Population der Detektion einer anderen Targetspezies. In dem gezeigten Beispiel unterscheiden sich die Popu- lationen neben der Fängersonde 14 auch durch eine Kodierungseigenschaft, die eine Identifi zierung der Population durch ein geeignetes Detektionsverfahren erlaubt. Die Kodierungseigen- schaft ist hier durch unterschiedliche Schraffuren der Trägerpartikel 13 angedeutet. In the example shown, each of the detection layers 10 each comprises a population of particles 12, which are shown enlarged on the right. Each particle 12 of a population has a carrier particle 13 and a capture probe 14 bound to the carrier particle 13, which is capable of specifically binding a target species of an analyte. So every population serves the Detection of another target species. In the example shown, the populations differ in addition to the capture probe 14 also by a coding property which allows the population to be identified by a suitable detection method. The coding property is indicated here by different hatching of the carrier particles 13.
Der Assay 1 umfasst ferner ein Gefäß oder einen T räger 30, in bzw. auf welchem die The assay 1 further comprises a vessel or a carrier 30, in or on which the
Schichtstruktur aus Detektionsschichten 10 und gegebenenfalls der„Leerschicht“ 20 angeord- net ist. Layer structure of detection layers 10 and optionally the “empty layer” 20 is arranged.
Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäßes Assay-Produkt 100. Das Assay-Produkt 100 umfasst einen Träger 30, auf dem ein Array einer Vielzahl von Assays 1 gemäß der Erfindung angeordnet ist. Im dargestellten Beispiel ist der Träger 30 als eine so genannte Mikrotiterplatte 31 mit standar- disierten Abmessungen ausgebildet. Die Mikrotiterplatte 31 weist ein Array aus beispielsweise 12 x 8 Kavitäten 32 auf, die auch als Wells bezeichnet werden. In jeder Kavität 32 ist ein erfin dungsgemäßer Assay 1 umfassend eine Schichtstruktur aus Detektionsschicht(en) 10 und ge- gebenenfalls der„Leerschicht“ 20 angeordnet, wie etwa in Figur 1 gezeigt. Dabei können die in den einzelnen Kavitäten 32 angeordneten Partikel 12 unterschiedlichen Populationen angehö- ren und somit für unterschiedliche Targetspezies sensitiv sein. FIG. 2 shows an assay product 100 according to the invention. The assay product 100 comprises a carrier 30 on which an array of a plurality of assays 1 according to the invention is arranged. In the example shown, the carrier 30 is designed as a so-called microtiter plate 31 with standardized dimensions. The microtiter plate 31 has an array of, for example, 12 × 8 cavities 32, which are also referred to as wells. In each cavity 32, an assay 1 according to the invention comprising a layer structure of detection layer (s) 10 and optionally the “empty layer” 20 is arranged, as shown in FIG. 1, for example. The particles 12 arranged in the individual cavities 32 can belong to different populations and can therefore be sensitive to different target species.
Abweichend von Figur 2 kann der Träger 30 auch die Gestalt einer planen Scheibe aufweisen, auf der ein Array aus Spots mit jeweils einem Assay 1 aufgebracht ist. Deviating from FIG. 2, the carrier 30 can also have the shape of a flat disk on which an array of spots, each with an assay 1, is applied.
Nachfolgend sollen die Komponenten des erfindungsgemäßen Assays näher erläutert werden. The components of the assay according to the invention are to be explained in more detail below.
Polvmernetzwerk Polvmernetzwerk
Mit Polymernetzwerk 11 wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein in einer flüssigen Pha- se gequollenes oder quellfähiges, dreidimensional vernetztes Polymer verstanden. Vorzugswei- se ist das Polymernetzwerk in Wasser oder einer wässrigen Phase gequollen oder quellfähig, also ein Hydrogel. Dies ermöglicht den Einsatz für biomedizinische Analysen. Für andere An- wendungen sind jedoch auch Polymernetzwerke geeignet, die in organischen Lösungsmitteln gequollen oder quellfähig sind. In the context of the present invention, polymer network 11 is understood to mean a polymer which is swollen or swellable in a liquid phase, three-dimensionally crosslinked. The polymer network is preferably swollen or swellable in water or an aqueous phase, ie a hydrogel. This enables use for biomedical analyzes. However, polymer networks that are swollen or swellable in organic solvents are also suitable for other applications.
Aufgabe des Polymernetzwerks ist einerseits die Fixierung der Partikel. Andererseits muss das gequollene Polymernetzwerk eine Porosität aufweisen, die eine lösungsähnliche Umgebung für die Diffusion der Targetspezies bietet, damit diese die Partikel erreichen. Das Polymernetzwerk 1 1 bildet hierzu Poren oder Maschen aus, deren Größe durch die Ketten- längen des Polymers zwischen den Vernetzungspunkten definiert werden. Dabei ist die Ma- schenweite so klein, dass die Partikel 12 ortsfest fixiert sind, sich also nicht verlagern können. Die Maschenweite ist andererseits mindestens so groß, dass sich die Targetspezies der in die- ser Schicht 10 enthaltenen Partikelpopulation weitestgehend frei innerhalb der Poren bewegen kann, um in die Schicht eindringen und an die Fängersonde 13 koppeln zu können. Die mittlere Maschenweite des Polymernetzwerks liegt insbesondere im Bereich von 1 nm bis 1000 nm, insbesondere von 1 nm bis 200 nm, vorzugsweise 2 nm bis 50 nm. The task of the polymer network is on the one hand to fix the particles. On the other hand, the swollen polymer network must have a porosity that provides a solution-like environment for the diffusion of the target species so that they reach the particles. For this purpose, the polymer network 11 forms pores or meshes, the size of which is defined by the chain lengths of the polymer between the crosslinking points. The mesh size is so small that the particles 12 are fixed in place, so they cannot shift. On the other hand, the mesh size is at least so large that the target species of the particle population contained in this layer 10 can move as freely as possible within the pores in order to be able to penetrate the layer and couple to the capture probe 13. The mean mesh size of the polymer network is in particular in the range from 1 nm to 1000 nm, in particular from 1 nm to 200 nm, preferably 2 nm to 50 nm.
Die Maschenweite der Polymernetzwerke 11 der k Detektionsschichten 10 sowie der optionalen Schicht 20 kann in z-Richtung in Richtung der Schwerkraft, also von oben nach unten abneh- men. Auf diese Weise entsteht ein abgestufter Filtereffekt, wobei entlang des Weges eines auf den Assay aufgegebenen Analysats nur Bestandteile mit abnehmenden Größen durchgelassen werden und Bestandteile, deren hydrodynamischer Durchmesser die Maschengröße übersteigt, an den jeweiligen Grenzflächen zwischen zwei Schichten 10, 20 abgehalten werden. Beispiels- weise kann das Polymernetzwerk der untersten Schicht eine geringe Maschenweite aufweisen, die von Oligonukleotiden durchdrungen werden kann, nicht jedoch von größeren Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen oder Antikörpern. Dabei kann das Polymernetzwerk einer mittleren Schicht nur mittelgroße Moleküle, zum Beispiel ein Fab-Fragment oder Protein, durchlassen und größere Antikörper ausschließen. Durch die geeignete Auswahl der Porengrößen können die zu analysierenden Moleküle (Targetspezies) in die jeweiligen Schichten selektiv dirigiert werden. Da grundsätzlich ein geeigneter Filtereffekt bereits durch das Polymernetzwerk 1 1 der zuoberst angeordnete Detektionsschicht 10 erzielt werden kann, kann auf die„Leerschicht“ 20 auch verzichtet werden. The mesh size of the polymer networks 11 of the k detection layers 10 and of the optional layer 20 can decrease in the z direction in the direction of gravity, that is to say from top to bottom. In this way, a graduated filter effect occurs, wherein only components with decreasing sizes are passed along the path of an analyte applied to the assay, and components whose hydrodynamic diameter exceeds the mesh size are kept at the respective interfaces between two layers 10, 20. For example, the polymer network of the bottom layer can have a small mesh size that can be penetrated by oligonucleotides, but not by larger biomolecules such as proteins or antibodies. The polymer network of a middle layer can only pass through medium-sized molecules, for example a Fab fragment or protein, and exclude larger antibodies. By appropriately selecting the pore sizes, the molecules (target species) to be analyzed can be selectively directed into the respective layers. Since in principle a suitable filter effect can already be achieved by the polymer network 11 of the detection layer 10 arranged at the top, the “empty layer” 20 can also be dispensed with.
In Ausgestaltungen der Erfindung weist das Polymernetzwerk 11 ionische (kationische oder anionische) Gruppen auf. Hierdurch kann ebenfalls ein Filtereffekt erzielt werden, indem gleich- geladene Bestandteile des Analysats abgestoßen und somit zurückgehalten werden und entge- gengesetzt geladene Bestandteile durchgelassen werden. Diese Art der Polyarisierung kann auch in Kombination zu der vorstehend dargestellten abgestuften Maschenweite realisiert wer- den. In embodiments of the invention, the polymer network 11 has ionic (cationic or anionic) groups. In this way, a filter effect can also be achieved by repelling and thus holding back components of the analyte that are charged the same and allowing components that are charged in the opposite way to be let through. This type of polyarization can also be implemented in combination with the graded mesh size shown above.
Das Polymernetzwerk 1 1 kann aus einem Polymerlinker hergestellt sein, der mittels eines Ver- netzers vernetzt ist. Dabei kann die Maschenweite durch geeignete Wahl der Kettenlänge (bzw. des Molekulargewichts) des Polymerlinkers und/oder des Vernetzers eingestellt werden. Die Vernetzung lässt sich auf einfache Weise erzeugen, indem der Polymerlinker an seinen beiden Kettenenden mit jeweils einer reaktiven Gruppe funktionalisiert ist und der Vernetzer drei oder mehr funktionelle Gruppen aufweist, die mit den funktionellen Gruppen unter Ausbildung einer chemischen Bindung zu reagieren vermögen. Dabei kann in Abhängigkeit von der Art der funk- tionellen Gruppen die Kupplungsreaktion spontan durch Mischen der beiden Komponenten er- folgen oder durch Zugabe eines Initiators oder durch Bestrahlung mit einer geeigneten Strah- lung ausgelöst werden. The polymer network 11 can be produced from a polymer linker which is crosslinked by means of a crosslinker. The mesh size can be adjusted by a suitable choice of the chain length (or the molecular weight) of the polymer linker and / or the crosslinker. The Crosslinking can be generated in a simple manner by the polymer linker being functionalized with a reactive group at each of its two chain ends and the crosslinker having three or more functional groups which are able to react with the functional groups to form a chemical bond. Depending on the type of functional groups, the coupling reaction can take place spontaneously by mixing the two components, or can be triggered by adding an initiator or by irradiation with a suitable radiation.
Aus stofflicher Hinsicht ist das Polymernetzwerk 11 vorzugsweise so zu wählen, dass es sich neutral gegenüber dem Analysat und den Partikeln verhält, also mit keiner der Komponenten reagiert oder anderweitig wechselwirkt. Diese Eigenschaft wird auch als bioorthogonal bezeich- net. Gleichzeitig ermöglicht eine geeignete Wahl des Polymernetzwerks in Abhängigkeit von dem Material des Trägers 30, auf welches die Partikel immobilisiert werden sollen, eine gute Haftung, so dass ein sehr stabiler Verbund zwischen Substrat und Polymernetzwerk erhalten wird und somit auch die Partikel mit hoher Stabilität fixiert werden. From a material point of view, the polymer network 11 should preferably be selected so that it behaves neutrally to the analyte and the particles, that is to say does not react or otherwise interact with any of the components. This property is also called bioorthogonal. At the same time, a suitable choice of the polymer network, depending on the material of the carrier 30 onto which the particles are to be immobilized, enables good adhesion, so that a very stable bond between the substrate and the polymer network is obtained and thus the particles are also fixed with high stability ,
Geeignete Polymersysteme umfassen insbesondere Polyether, Polyalkohole, Polyacrylate, Po- lyacylamide (u.a. Poly(N-isopropylacrylamid PNIPAM), Polyimide (u.a. Polyetherimid PEI), Aga- rose, Zellulosen, modifizierte Zellulosen (u.a. Chitosan), Polysaccharide, Dextrane, Polyvi- nylpyrrolidone, etc. Suitable polymer systems include in particular polyethers, polyalcohols, polyacrylates, polyacylamides (including poly (N-isopropylacrylamide PNIPAM), polyimides (including polyetherimide PEI), agarose, celluloses, modified celluloses (including chitosan), polysaccharides, dextrans, polyvinyl pyrrolidones , Etc.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Polymernetzwerk 11 ein Hydrogel, das ein durch ein dendritisches Polyglycerol (dPG) vernetztes Polyethylenglykol (PEG) umfasst. Ein geeignetes Paar funktioneller Gruppen, die spontan (ohne Initiator, ohne thermische Anregung und ohne Photoanregung) miteinander reagieren, ist insbesondere Cyclooktin und Azid. Weitere Paare funktioneller Gruppen sind etwa Thiol und Acrylat, die zum Beispiel über eine Thiol-En-Reaktion miteinander reagieren, Keton/Hydroxylamin, oder Gruppen, die im Wege einer Diels-Alder- Reaktion oder einer Staudinger-Ligation miteinander reagieren. Prinzipiell sind andere Kupp- lungsreaktionen möglich sowie andere Gelkomponenten. Bevorzugt ist, dass die Vernetzungs- reaktion schnell genug verläuft, um lange Reaktionszeiten zu vermeiden. Sofern die Herstellung der Schicht aus einer Mischung aus Vernetzungszusammensetzung und Partikeln erfolgt, sollte die Reaktionzeit der Vernetzung andererseits langsam genug ablaufen, so dass die Partikel während der Gelierung auf die darunter liegende Schicht absinken können. Auf diese Weise wird eine Anordnung der Partikel in einer definierten Ebene gewährleistet, die durch ein Aus- wertungsinstrument, beispielsweise in einer Fokusebene eines Fluoreszenzmikroskops, scharf erfasst werden kann. Die Reaktionszeit kann u.a. durch die Variation der Konzentration, durch die Temperatur und/oder gegebenenfalls der Konzentration eines Initiators beeinflusst werden. Es sollten bevorzugt keine Nebenprodukte entstehen und die Reaktion möglichst bei Raum- temperatur stattfinden, um die Präparation schnell, einfach und ökonomisch zu gestalten. Die Reaktion zur Gelbildung sollte bioorthogonal sein um zu verhindern, dass diffundierende Biomo- leküle mit dem Netzwerk interagieren und unspezifisch im Gel hängen bleiben und somit die Detektion erschweren oder verfälschen. In an advantageous embodiment, the polymer network 11 is a hydrogel which comprises a polyethylene glycol (PEG) crosslinked by a dendritic polyglycerol (dPG). A suitable pair of functional groups that react spontaneously (without initiator, without thermal excitation and without photoexcitation) is, in particular, cyclooctin and azide. Other pairs of functional groups are, for example, thiol and acrylate, which react with one another via a thiol-ene reaction, ketone / hydroxylamine, or groups that react with one another by means of a Diels-Alder reaction or a Staudinger ligation. In principle, other coupling reactions are possible as well as other gel components. It is preferred that the crosslinking reaction proceeds quickly enough to avoid long reaction times. If the layer is produced from a mixture of crosslinking composition and particles, the reaction time of the crosslinking, on the other hand, should be slow enough so that the particles can sink onto the layer below during gelation. In this way, an arrangement of the particles in a defined plane is ensured, which can be detected sharply by an evaluation instrument, for example in a focal plane of a fluorescence microscope. The reaction time can be varied by varying the concentration the temperature and / or possibly the concentration of an initiator are influenced. Preferably, no by-products should arise and the reaction should preferably take place at room temperature in order to make the preparation quick, easy and economical. The reaction to gel formation should be bioorthogonal in order to prevent diffusing biomolecules from interacting with the network and from getting stuck in the gel unspecifically, making detection more difficult or falsifying.
Die Art des Polymernetzwerks 1 1 kann für alle Schichten 10, 20 identisch oder unterschiedlich sein. Bevorzugt wird das gleiche Polymersystem für sämtliche Schichten 10, 20 gegebenenfalls mit variierenden Maschenweiten eingesetzt. The type of polymer network 11 can be identical or different for all layers 10, 20. The same polymer system is preferably used for all layers 10, 20, optionally with varying mesh sizes.
Partikel particle
Die Detektionspartikel 12 haben einerseits die Funktion, eine Targetspezies möglichst spezi- fisch zu binden, und andererseits, eine Identifizierung der Targetspezies anhand der Positions- daten des Partikels innerhalb des Assays und/oder einer anderen Kodierungseigenschaft des Partikels zu ermöglichen. The detection particles 12 have the function, on the one hand, of binding a target species as specifically as possible, and, on the other hand, of enabling identification of the target species on the basis of the position data of the particle within the assay and / or another coding property of the particle.
Zum Zweck der spezifischen Bindung weisen die Partikel 12 Fängersonden 14 auf, die an Trä- gerpartikel 13 gebunden sind. Mit Fängersonde wird vorliegend ein Molekül oder eine chemi- sche Gruppe bezeichnet, das/die eine möglichst spezifische Wechselwirkung mit der jeweiligen Targetspezies einzugehen vermag, um diese zu binden. Die Fängersonde sollte somit eine ho- he Affinität zur Targetspezies aufweisen und wird dementsprechend abhängig von dieser ge- wählt. Handelt es sich bei der Targetspezies etwa um eine Nukleinsäure, so kann die Fänger- sonde eine komplementäre Nukleinsäuresequenz sein, die mit der Targetsequenz hybridisiert. Ist die Targetspezies ein Antikörper, so kann die Fängersonde ein komplementäres Antigen sein, das mit dem Antikörper über Protein/Protein-Wechselwirkungen interagiert, oder umge- kehrt. Darüber hinaus ist jede Art chemischer Kopplungsreaktion zwischen Fängersonde 14 und Targetspezies über eine geeignete Wahl der Fängersonde 14 realisierbar. For the purpose of specific binding, the particles 12 have capture probes 14 which are bound to carrier particles 13. In the present case, capture probe is used to denote a molecule or a chemical group which is able to interact as specifically as possible with the respective target species in order to bind them. The capture probe should therefore have a high affinity for the target species and is selected accordingly depending on it. If the target species is a nucleic acid, for example, the capture probe can be a complementary nucleic acid sequence that hybridizes with the target sequence. If the target species is an antibody, the capture probe can be a complementary antigen that interacts with the antibody via protein / protein interactions, or vice versa. In addition, any type of chemical coupling reaction between the capture probe 14 and the target species can be implemented via a suitable choice of the capture probe 14.
Die Fängersonde 14 ist an das Trägerpartikel 13 gebunden. Das Trägerpartikel 13 kann aus einem beliebigen Material bestehen und verhält sich vorzugsweise inert in dem jeweiligen Sys- tem. Infrage kommende Materialien umfassen Gläser, Metalle, Kunststoffe oder Mischungen oder Komposite aus diesen Werkstoffen. In beispielhaften Ausführungen bestehen die Träger- partikel 13 aus einem Kunststoff, beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA). Die Träger- partikel 13 können eine beliebige Form aufweisen. Vorzugsweise haben sie eine sphärische Gestalt. Die Größe bzw. der Durchmesser der Trägerpartikel 13 ist nicht limitiert und kann im Bereich von 100 nm bis 1000 pm, insbesondere im Bereich von 1000 nm bis 100 pm, bevorzugt im Bereich von 8 pm bis 20 pm gewählt werden. The capture probe 14 is bound to the carrier particle 13. The carrier particle 13 can consist of any material and is preferably inert in the respective system. Applicable materials include glasses, metals, plastics, or mixtures or composites of these materials. In exemplary embodiments, the carrier particles 13 consist of a plastic, for example polymethyl methacrylate (PMMA). The carrier particles 13 can have any shape. They are preferably spherical Shape. The size or the diameter of the carrier particles 13 is not limited and can be selected in the range from 100 nm to 1000 pm, in particular in the range from 1000 nm to 100 pm, preferably in the range from 8 pm to 20 pm.
Aufgrund ihrer Fixierung im Hydrogel 11 können die Partikel 12 bereits durch ihre Position iden- tifizierbar sein. So ist die Identifizierung insbesondere in z-Richtung durch Zuordnung zu einer bestimmten Detektionsschicht 10 gegeben. Darüber hinaus kann auch eine Identifizierung über die xy-Koordinaten möglich sein, insbesondere bei Anordnung in einer Mikrotiterplatte (S. Figur 2) oder durch anderweitige ortsspezifische Anordnung der Partikel. Due to their fixation in the hydrogel 11, the particles 12 can already be identifiable by their position. The identification is given in particular in the z direction by assignment to a specific detection layer 10. In addition, identification via the xy coordinates may also be possible, in particular when arranged in a microtiter plate (see FIG. 2) or by means of another location-specific arrangement of the particles.
Optional können die Partikel 12 zudem eine Kodierungseigenschaft aufweisen, die eine Zuord- nung der Partikel zu einer bestimmten Population und somit einer bestimmten Fängersonde 14 ermöglicht oder erleichtert. Geeignete Kodierungseigenschaften umfassen die Partikelgröße, insbesondere Partikeldurchmesser und/oder Partikeldurchmesserverteilung; die Partikelform; eine optische Eigenschaft, wie Farbe oder Fluoreszenzwellenlänge; eine magnetische Eigen- schaft; das Partikelmaterial; ein Partikelbeschichtungsmaterial; die Oberflächenstruktur oder eine Kombination mehrerer dieser Parameter. Die Kodierungseigenschaft ist vorzugsweise eine Eigenschaft des Trägerpartikels 13. Optionally, the particles 12 can also have a coding property that enables or facilitates an assignment of the particles to a specific population and thus to a specific capture probe 14. Suitable coding properties include the particle size, in particular particle diameter and / or particle diameter distribution; the particle shape; an optical property such as color or fluorescent wavelength; a magnetic property; the particulate matter; a particle coating material; the surface structure or a combination of several of these parameters. The coding property is preferably a property of the carrier particle 13.
Besonders bevorzugt weisen die Partikel 12 zusätzlich eine Indikatoreigenschaft auf, die eine Unterscheidung darüber ermöglicht, ob die entsprechende Targetspezies an eine Population gebunden hat oder nicht. Idealerweise lässt die Indikatoreigenschaft auch eine Quantifizierung der gebundenen Targetspezies zu. Zu diesem Zweck ist insbesondere eine optische Eigen- schaft der Partikel geeignet, etwa eine Intensität oder Wellenlänge einer Absorptions- oder Emissionsstrahlung der Partikel, welche sich bei Bindung der Targetspezies ändert. Bekannt ist etwa, die Trägerpartikel 13 mit einer Fluoreszenzmarkierung (Fluoreszenzfarbstoff) auszustat- ten, wobei die Targetspezies einen Quencher tragen, sodass bei Bindung die Fluoreszenz ab- nimmt. Alternativ kann die Targetspezies eine eigene optische Eigenschaft aufweisen (zum Bei- spiel Fluoreszenz) oder mit einer Fluoreszenzmarkierung (vor oder nach der Bindung an die Fängersonde) ausgestattet werden, sodass bei Bindung die Fluoreszenz zunimmt. In allen vor- genannten Fällen ist nicht nur die Messung der qualitativen Bindung des Targetspezies mög- lich, sondern auch die Erfassung der Quantität, nämlich aufgrund der Intensität. Derartige An- sätze sind aus herkömmlichen Assays bekannt. Particularly preferably, the particles 12 additionally have an indicator property which enables a distinction to be made as to whether the corresponding target species has bound to a population or not. Ideally, the indicator property also allows quantification of the bound target species. An optical property of the particles is particularly suitable for this purpose, for example an intensity or wavelength of an absorption or emission radiation of the particles, which changes when the target species bind. It is known, for example, to provide the carrier particles 13 with a fluorescent label (fluorescent dye), the target species carrying a quencher so that the fluorescence decreases on binding. Alternatively, the target species can have its own optical property (for example fluorescence) or be provided with a fluorescent label (before or after binding to the capture probe), so that the fluorescence increases when bound. In all of the aforementioned cases, it is not only possible to measure the qualitative binding of the target species, but also to measure the quantity, namely on the basis of the intensity. Approaches of this type are known from conventional assays.
Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung als Partikel 12 Microbeads einsetzbar, wie sie aus herkömmlichen Microbead-Assays bekannt sind. Aufbau des Assavs In principle, 12 microbeads can be used as particles within the scope of the invention, as are known from conventional microbead assays. Structure of the Assavs
Der erfindungsgemäße Assay 1 umfasst k Detektionsschichten, enthaltend das Hydrogel 1 1 und eine oder mehrere Populationen an Partikeln 12. Je höher die Anzahl k der Schichten, des- to mehr Partikelpopulationen können in dem Assay angeordnet und desto mehr Targetspezies können detektiert werden. Die Anzahl k der Schichten 10, in denen die Detektion vorgenommen wird, kann auf die Assayanforderungen zugeschnitten werden. Sie ist limitiert durch den Aufbau des Analyseinstruments, das in z-Richtung an seine Grenzen stoßen kann. The assay 1 according to the invention comprises k detection layers containing the hydrogel 11 and one or more populations of particles 12. The higher the number k of the layers, the more particle populations can be arranged in the assay and the more target species can be detected. The number k of layers 10 in which the detection is carried out can be tailored to the assay requirements. It is limited by the structure of the analysis instrument, which can reach its limits in the z direction.
Eine Dicke der Schichten 10 sollte mindestens so bemessen sein, dass die Partikel 12, insbe- sondere in einlagiger Anordnung, vollständig eingebettet sind. Vorzugsweise ist die Schichtdi- cke um ein vorbestimmtes Maß größer als die (einlagige) Partikelschicht. Geeignete Schichtdi- cken der Schichten 10, 20 liegen etwa im Bereich von 100 pm bis 5 mm. Die Gesamtdicke des Schichtaufbaus des Assays 1 ist somit die Summe aller individueller Schichtdicken sämtlicher Detektionsschichten 10 und gegebenenfalls der Leerschicht 20, wobei die Schichtdicken gleich oder unterschiedlich sein können. A thickness of the layers 10 should at least be dimensioned such that the particles 12, in particular in a single-layer arrangement, are completely embedded. The layer thickness is preferably larger than the (single-layer) particle layer by a predetermined amount. Suitable layer thicknesses of layers 10, 20 are approximately in the range from 100 μm to 5 mm. The total thickness of the layer structure of the assay 1 is thus the sum of all individual layer thicknesses of all detection layers 10 and optionally of the empty layer 20, whereby the layer thicknesses can be the same or different.
Die Partikel 12 einer Schicht 10 sind vorzugsweise in einer Ebene, insbesondere einlagig ange- ordnet, um eine möglich scharfe Fokussierung und leichte Diskriminierung von einer benachbar- ten Schicht 10 zu ermöglichen. Insbesondere können die Partikel 12, wie in Figur 1 gezeigt, nahe der Grenzfläche zur darunterliegenden Schicht angeordnet sein bzw. zum Träger 30. The particles 12 of a layer 10 are preferably arranged in one plane, in particular in one layer, in order to enable a possible sharp focus and slight discrimination from an adjacent layer 10. In particular, as shown in FIG. 1, the particles 12 can be arranged near the interface to the layer below or to the carrier 30.
Herstellung des Assavs Production of the Assav
Die Herstellung des erfindungsgemäßen Assays 1 erfolgt schichtweise von unten nach oben. Assay 1 according to the invention is produced in layers from bottom to top.
Gemäß einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird zumindest eine erste Population von Partikeln 12 auf das Substrat 30, insbesondere auf den Boden einer Kavität 32 einer Mikrotiter- platte 31 aufgebracht, beispielsweise aufgestreut. Hierbei kommt es zu einer gleichmäßigen Verteilung der ersten Partikelpopulation auf dem Substrat. Anschließend wird eine vernetzbare Zusammensetzung auf die Partikel 12 gegeben und die Vernetzung (Gelierung) gegebenenfalls initialisiert oder einfach abgewartet, wobei die erste (unterste) Schicht 10 eines Polymernetz- werks 1 1 erhalten wird, das die erste Partikelpopulation einbettet und am Boden fixiert. Nach ausreichender Vernetzung (Gelbildung) wird auf die erste Schicht eine zweite Population von Partikeln aufgegeben und auf diese eine weitere vernetzbare Zusammensetzung, die nach dem Vernetzen die zweite Polymerschicht 10 ausbildet, welche die zweite Partikelpopulation einbet- tet und auf der ersten Schicht fixiert. Diese Schritte werden so oft mit weiteren Partikelpopulati- onen wiederholt, bis die gewünschte Anzahl k von Detektionsschichten 10 aufgebaut ist. Optio- nal kann zum Abschluss die„Leerschicht“ 20 erzeugt werden, indem lediglich eine vernetzbare Zusammensetzung auf die oberste Detektionsschicht 10 aufgegeben und vernetzt wird. According to a preferred production method, at least a first population of particles 12 is applied, for example sprinkled, onto the substrate 30, in particular onto the bottom of a cavity 32 of a microtiter plate 31. This results in a uniform distribution of the first particle population on the substrate. Subsequently, a crosslinkable composition is applied to the particles 12 and the crosslinking (gelation) is optionally initialized or simply waited, whereby the first (bottom) layer 10 of a polymer network 11 is obtained, which embeds the first particle population and fixes it to the bottom. After sufficient crosslinking (gel formation), a second population of particles is applied to the first layer and a further crosslinkable composition, which after the Crosslinking forms the second polymer layer 10, which embeds the second particle population and fixes it on the first layer. These steps are repeated with further particle populations until the desired number k of detection layers 10 is built up. At the end, the “empty layer” 20 can optionally be generated by merely applying and crosslinking a crosslinkable composition to the top detection layer 10.
In einem alternativen Ansatz erfolgt die Aufgabe der Partikel 12 und der vernetzbaren Zusam- mensetzung nicht sequentiell, sondern es wird für jede Detektionsschicht 10 eine Mischung aus Partikeln 12 und vernetzbarer Zusammensetzung auf den Träger 30 bzw. die darunterliegende Schicht 10 gegeben und die Zusammensetzung unter Ausbildung des Hydrogels vernetzt. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass die Vernetzungsreaktion langsam genug abläuft, um den Partikeln ein Absinken auf das Substrat 30 bzw. die darunterliegende Schicht 10 zu erlau- ben. In an alternative approach, the particles 12 and the cross-linkable composition are not applied sequentially, but instead a mixture of particles 12 and cross-linkable composition is applied to the support 30 or the layer 10 underneath for each detection layer 10, and the composition is formed of the hydrogel. In this case, it is desirable for the crosslinking reaction to proceed slowly enough to allow the particles to sink onto the substrate 30 or the layer 10 underneath.
Die vernetzbare Zusammensetzung enthält Komponenten, die nach ihrer Vernetzungsreaktion das polymere Netzwerk ausbilden, sowie ein geeignetes Lösungsmittel für diese Komponenten, insbesondere Wasser oder eine wässrige Phase, und gegebenenfalls Initiatoren. Die vernetzba- ren Komponenten können prinzipiell polymerisationsfähige Monomere und Vernetzer umfassen, so dass die Vernetzungsreaktion gleichzeitig mit der Polymerisation erfolgt. Vorzugsweise er- folgt die Herstellung jedoch aus bereits vorpolymerisierten Komponenten (Polymerlinker), die mit einem Vernetzer vernetzt werden (s. Ausführungen zum Polymernetzwerk oben). Auf diese Weise lassen sich die zu erzeugenden Maschenweiten der einzelnen Schichten leichter kontrol- lieren. The crosslinkable composition contains components which form the polymer network after their crosslinking reaction, as well as a suitable solvent for these components, in particular water or an aqueous phase, and optionally initiators. The crosslinkable components can in principle comprise polymerizable monomers and crosslinkers, so that the crosslinking reaction takes place simultaneously with the polymerization. However, production is preferably carried out from components which have already been prepolymerized (polymer linkers) and are crosslinked using a crosslinker (see explanations on the polymer network above). In this way, the mesh sizes of the individual layers to be produced can be checked more easily.
Anwendung des Assavs Application of the Assavs
Die Anwendung des Assays zur Analyse eines Analysats, das mehrere Targetspezies enthält, erfolgt, indem das Analysat auf die oberste Schicht (oberste Detektionsschicht 10 bzw. Leer- schicht 20) des Assays 1 aufgegeben wird, beispielsweise aufpipettiert wird. Da die Partikel 12 im Polymernetzwerk/Hydrogel 1 1 fixiert sind, sind auch mechanische Belastungen wie Wa- schen, Schütteln oder Durchpipettieren unproblematisch. The assay is used to analyze an analyte that contains several target species by applying the analyte to the top layer (top detection layer 10 or empty layer 20) of the assay 1, for example by pipetting on. Since the particles 12 are fixed in the polymer network / hydrogel 11, mechanical loads such as washing, shaking or pipetting through are also unproblematic.
Anschließend lässt man das System für eine vorbestimmte Zeit inkubieren, um eine Diffusion der Targetspezies in die jeweiligen Zielschichten 10 zu ermöglichen. Durch die lösungsähnliche Umgebung des Polymernetzwerks ist die Diffusion zwar verlangsamt, die Targetspezies können sich jedoch in denjenigen Schichten frei bewegen, in denen die Gelporen es zulassen. Die vor- bestimmte Zeit hängt insbesondere von der Anzahl k der Schichten 10 und von den Größen der Targetspezies ab. Es haben sich Inkubationszeiten im Bereich von wenigen Minuten bis einigen Tagen, insbesondere 2 h bis 24 h bewährt. The system is then allowed to incubate for a predetermined time to allow diffusion of the target species into the respective target layers 10. Due to the solution-like environment of the polymer network, the diffusion is slowed down, which the target species can however, they move freely in those layers in which the gel pores allow. The predetermined time depends in particular on the number k of layers 10 and the sizes of the target species. Incubation times in the range from a few minutes to a few days, in particular 2 hours to 24 hours, have proven successful.
Anschließend erfolgt die Auswertung, die eine ortsaufgelöste Detektion der Partikel 12 und ein Bestimmen der an den Partikeln 12 gebundenen Targetspezies umfasst. Die Detektion der Par- tikel 12 bzw. das hierfür eingesetzte Instrument bestimmt sich nach Art der Partikel 12 insbe- sondere nach ihrer Kodierung. Sind die Partikel fluoreszenzmarkiert, erfolgt die Detektion etwa mit einem Fluoreszenzmikroskop. Die ortsaufgelöste Detektion umfasst insbesondere die z- Koordinate, wofür der Fokus des Mikroskops auf die jeweilige Schicht 10 eingestellt wird, so dass die detektierte Fluoreszenzwellenlänge maximal wird. Dies erfolgt vorzugsweise mittels Autofokus des Instruments. Darüber hinaus kann auch eine xy-Kodierung erfolgen, insbesonde- re indem unterschiedliche Assays 1 in den Kavitäten 32 einer Mikrotiterplatte 31 angeordnet sind. Hierzu erfolgt eine Verstellung eines xy-Tisches, auf dem der Assay angeordnet ist, oder durch Verstellung der Optik des Instruments in xy-Ebene. Da für jede Koordinate im dreidimen- sionalen Raum bekannt ist, welche Partikelpopulation dort angeordnet ist, d.h. welche Target- spezies hier theoretisch vorhanden sein kann, muss nun nur noch bestimmt werden, ob eine Targetspezies und optional wieviel von dieser angebunden hat. Im einfachsten Fall kann die Targetspezies selbst eine messbare Eigenschaft aufweisen, beispielsweise selbst fluoreszieren oder einen Fluoreszenzmarker tragen. In diesem Fall wird die entsprechende Intensität der Flu- oreszenz gemessen und ausgewertet. Je mehr Moleküle der entsprechenden Targetspezies an einem Ort (beispielsweise in einer z-Ebene) gebunden haben, desto höher wird die an diesem Ort gemessene Fluoreszenz. Alternativ können die Partikel 12 mit einem Fluoreszenzmarker ausgestattet sein, so dass die Targetspezies als Fluoreszenzquencher wirkt. In diesem Fall wird die an einem Ort gemessene Fluoreszenzintensität umso niedriger, je mehr Targetspezies ge- bunden hat. Die Auswertung erfolgt mit Hilfe einer Software, die zum einen die Fluoreszenzko- dierung der Microbeads 12 erkennt und zuordnen kann. Zum anderen wird in einem weiteren Kanal die Hülle der Microbeads analysiert, wobei hier die Intensität der Fluoreszenz von der Menge des gebundenen Targetmoleküls abhängig ist. Man erhält also für jede Ebene und zu jeder gewählten Microbeadpopulation eine Fluoreszenzintensität, die mit der Menge an Target korreliert. Um die jeweiligen Ebenen auslesen zu können, wird ein Bereich in z-Richtung vorge- geben, in dem die Software automatisch die Microbeads einer Ebene fokussiert und die Aus- wertung vollzogen werden kann. Dieser z-Bereich für den Autofokus legt den Mindestabstand fest, der zwischen den Ebenen k, und ki+1 liegen muss. Er ist abhängig von der Rauigkeit der Oberfläche einer Hydrogelschicht und damit von der Höhenverteilung der einzelnen Microbeads 12 innerhalb der Ebene. Je planer die Microbeads ausliegen, desto schärfer kann die Software fokussieren und desto mehr Ebenen können in der Gesamtschichtdicke D untergebracht wer- den. Somit wird die Geschwindigkeit der Analyse erhöht. The evaluation then takes place, which comprises a spatially resolved detection of the particles 12 and a determination of the target species bound to the particles 12. The detection of the particles 12 or the instrument used for this purpose is determined by the type of the particles 12, in particular by their coding. If the particles are labeled with fluorescence, detection is carried out using a fluorescence microscope, for example. The spatially resolved detection comprises in particular the z coordinate, for which the focus of the microscope is set on the respective layer 10, so that the detected fluorescence wavelength becomes maximum. This is preferably done using the instrument's autofocus. In addition, xy coding can also take place, in particular by arranging different assays 1 in the cavities 32 of a microtiter plate 31. For this purpose, an xy table on which the assay is arranged is adjusted or by adjusting the optics of the instrument in the xy plane. Since it is known for each coordinate in three-dimensional space which particle population is arranged there, ie which target species can theoretically be present here, it is now only necessary to determine whether a target species and optionally how much of it has bound. In the simplest case, the target species itself can have a measurable property, for example fluoresce itself or carry a fluorescence marker. In this case, the corresponding intensity of the fluorescence is measured and evaluated. The more molecules of the corresponding target species have bound at one location (for example in a z-plane), the higher the fluorescence measured at this location. Alternatively, the particles 12 can be equipped with a fluorescence marker so that the target species acts as a fluorescence quencher. In this case, the more target species has bound, the lower the fluorescence intensity measured at one location. The evaluation is carried out with the aid of software which, on the one hand, recognizes and can assign the fluorescence coding of the microbeads 12. On the other hand, the shell of the microbeads is analyzed in a further channel, the intensity of the fluorescence being dependent on the amount of the bound target molecule. For each level and for each selected microbead population, one obtains a fluorescence intensity that correlates with the amount of target. In order to be able to read out the respective levels, an area in the z direction is specified in which the software automatically focuses the microbeads of a level and the evaluation can be carried out. This z range for the autofocus defines the minimum distance that must lie between the planes k and k i + 1 . It depends on the roughness of the surface of a hydrogel layer and thus on the height distribution of the individual microbeads 12 within the level. The more plan the microbeads are, the sharper the software can focus and the more levels can be accommodated in the total layer thickness D. This increases the speed of the analysis.
Die Methoden zur Detektion sind im Wesentlichen aus den eingangs beschriebenen Verfahren bekannt und können analog angewendet werden. Gegenüber den bekannten Microbead- Assays, bei denen die Partikel als Suspension in einer flüssigen Phase vorliegen und ausge- wertet werden, weist der erfindungsgemäße Assay den Vorteil auf, dass die Partikel bereits durch ihre dreidimensionale Position identifizierbar sind. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine Kodierung verzichtet oder die Anzahl der Kodierungseigenschaften pro Population redu- ziert werden. The methods for detection are essentially known from the methods described in the introduction and can be used analogously. Compared to the known microbead assays, in which the particles are in the form of a suspension in a liquid phase and are evaluated, the assay according to the invention has the advantage that the particles can already be identified by their three-dimensional position. In this way, coding may be dispensed with or the number of coding properties per population may be reduced.
Anwendunqsbeispiele Application Examples
In allen nachfolgend beschriebenen Beispielen wurden als Partikel 12 sphärische fluoreszenz- kodierte Microbeads aus PMMA (Fa. PolyAn GmbH, Deutschland) mit mittleren Partikeldurch- messern von 12 pm und 18 pm verwendet. In all of the examples described below, 12 spherical fluorescence-coded microbeads made of PMMA (from PolyAn GmbH, Germany) with average particle diameters of 12 pm and 18 pm were used as particles.
Die Hydrogele wurden jeweils durch Vernetzen von mit Cyclooctin homobifunktionalisierten Po- lyethylenglykol-Linkern mit unterschiedlichen Molekulargewichten (PEG-Linker, z.B. PEG 3 kDa, PEG 6 kDa oder PEG 10 kDa) mit einem mit Azid-Gruppen mehrfach funktionalisiertem dendri- tischen Polyglycerol (dPG, z.B. MW = 1-10 kDa) hergestellt. Die Vernetzungsreaktion wurde jeweils bei Raumtemperatur in wässriger Phase durchgeführt. The hydrogels were each crosslinked by cyclooctin homobifunctionalized polyethylene glycol linkers with different molecular weights (PEG linker, eg PEG 3 kDa, PEG 6 kDa or PEG 10 kDa) with a dendritic polyglycerol (dPG , e.g. MW = 1-10 kDa). The crosslinking reaction was carried out in each case at room temperature in the aqueous phase.
Beispiel 1 - Versuche zur Stabilität des Assays Example 1 - Assays for Assay Stability
Die Microbeads sollen, wie vorstehend beschrieben, nicht die Maschen des Hydrogels penetrie- ren können und durch die Überschichtung mit dem Hydrogel dauerhaft am Wellboden immobili- siert werden. Um das zu zeigen, wurde ein Assay gemäß der Erfindung in Kavitäten (Wells) eines Kavitätsstreifens (Nunc™ NucleoLink™) hergestellt, umfassend eine Schicht Microbeads, die in einem Hydrogel aus einem PEG-Netzwerk eingebettet wurden ( k = 1 ). As described above, the microbeads should not be able to penetrate the meshes of the hydrogel and should be permanently immobilized on the corrugated floor due to the coating with the hydrogel. To demonstrate this, an assay according to the invention was prepared in wells of a cavity strip (Nunc ™ NucleoLink ™) comprising a layer of microbeads embedded in a hydrogel from a PEG network (k = 1).
Diese Assays gemäß der Erfindung wurden verschiedenen Bedingungen ausgesetzt und die Anordnung der Microbeads in den nachfolgenden Zuständen (1 ) bis (4) am Wellboden mit Hilfe eines Fluoreszenzmikroskop verfolgt (siehe Bilderserie in Fig. 3A). Als Vergleich wurde die glei- che Population an Microbeads, jedoch in Suspension anstelle des Hydrogels, den gleichen Be- handlungen ausgesetzt (siehe Bilderserie in Fig. 3B). These assays according to the invention were exposed to various conditions and the arrangement of the microbeads in the following states (1) to (4) on the well bottom was monitored using a fluorescence microscope (see image series in FIG. 3A). As a comparison, the same The same population of microbeads, but in suspension instead of hydrogel, was subjected to the same treatments (see picture series in Fig. 3B).
(1 ) Präparationslösung, 1 h nach Einfüllen in das Well.  (1) Preparation solution, 1 h after filling into the well.
(2) Eintrocknen lassen, über Nacht bei Raumtemperatur.  (2) Allow to dry, overnight at room temperature.
(3) Resuspension durch Zugabe von Wasser und mehrmaliges Auf- und Abpipettieren. (3) Resuspension by adding water and repeated pipetting up and down.
(4) Nach dem Waschen, umfassend Ausleeren, Ausklopfen und einmaliges (Fig. 3B) bzw. mehrmaliges Waschen (Fig. 3A) mit PBS Puffer. (4) After washing, emptying, tapping and washing once (Fig. 3B) or several times (Fig. 3A) with PBS buffer.
Die Bilderserie in Figur 3B zeigt, dass die Microbeads in Puffer zunächst gleichmäßig im Well verteilt sind (B1 ), durch Eintrocknen (B2) bilden sich Aggregate in der Mitte des Wells. Durch Resuspension (B3) werden die Microbeads erneut gleichmäßig verteilt, jedoch in geänderter Anordnung. Wird der Well entleert und einmal mit Pufferlösung gewaschen (B4), bleiben keine Microbeads im Well zurück. Hingegen zeigen die erfindungsgemäß mit Hydrogel überschichte- ten Microbeads, dass sich die Anordnung der Microbeads am Wellboden zu keinem Zeitpunkt ändert. Auch nach mehrmaligem Waschen und Ausklopfen bleiben die Microbeads durch das Hydrogel am Boden fixiert (Figur 3A). The series of images in FIG. 3B shows that the microbeads in the buffer are initially evenly distributed in the well (B1), by drying (B2) aggregates form in the middle of the well. Resuspension (B3) distributes the microbeads evenly again, but in a different arrangement. If the well is emptied and washed once with buffer solution (B4), no microbeads remain in the well. On the other hand, the microbeads covered with hydrogel according to the invention show that the arrangement of the microbeads on the well bottom does not change at any time. Even after repeated washing and tapping, the microbeads remain fixed to the floor by the hydrogel (FIG. 3A).
Beispiel 2 - Filtereffekt des Assays Example 2 - Filter effect of the assay
Das Vermögen des erfindungsgemäßen Assays, große Moleküle auszuschließen, während kleinere diffundieren können, wurde beispielhaft an einem Analysat enthaltend einen fluores- zenzmarkierten Antikörper sowie ein vergleichsweise kleines, ebenfalls fluoreszenzmarkiertes Fab-Fragment (Fragment antigen binding), also einem Antikörper-Fragment, untersucht. Hierzu wurde ein Assay 1 hergestellt, indem eine Microbeadpopulation 12 an einem Wellboden einer Mikrotiterplatte aufgebracht und mit dem Hydrogel 11 (PEG 6 kDa) überschichtet und immobili- siert wurde (s. Figur 4). Als Fängersonde trugen die Microbeads 12 einen Antikörper, der in Lö- sung mit beiden Komponenten des Analysats, dem Fab-Fragment 15 und dem Antikörper 16, eine Affinitätsinteraktion zeigt. Nach Hinzugabe des Analysats auf den Assay 1 wurde über ei- nen Zeitraum von 7 Tagen inkubiert. Zu Beginn und nach 24 h, 48 h und 7 Tagen wurden in der Fokusebene der Microbeads 12 die Intensitäten jeweils der Fluoreszenzwellenlänge des Fab- Fragments 15 und des Antikörpers 16 ausgelesen. Das Ergebnis ist in Figur 5 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass selbst nach 7 Tagen der größere Antikörper 16 nur ein schwach detektierbares Signal zeigt, während das kleinere Fab-Fragment bereits nach 24 h deutlich an den Microbeads 12 nachweisbar ist. Figur 4 zeigt, dass die kleineren Fab-Moleküle 15 die Netzwerkporen des Hydrogels 11 zu durchwandern vermögen, während die größeren Antikörper 16 kaum in das Netzwerk eindringen. Beispiel 3 - Multiplexer Assay The ability of the assay according to the invention to exclude large molecules while smaller ones can diffuse was examined, for example, using an analyte containing a fluorescence-labeled antibody and a comparatively small, also fluorescence-labeled Fab fragment (fragment antigen binding), that is to say an antibody fragment. For this purpose, an assay 1 was produced by applying a microbead population 12 to a well bottom of a microtiter plate and overlaying and immobilizing with the hydrogel 11 (PEG 6 kDa) (see FIG. 4). As a capture probe, the microbeads 12 carried an antibody which, in solution with both components of the analyte, the Fab fragment 15 and the antibody 16, showed an affinity interaction. After the analyte had been added to assay 1, incubation was carried out over a period of 7 days. At the beginning and after 24 h, 48 h and 7 days, the intensities of the fluorescence wavelength of the Fab fragment 15 and of the antibody 16 were read out in the focal plane of the microbeads 12. The result is shown in FIG. 5. It can be seen that even after 7 days, the larger antibody 16 shows only a weakly detectable signal, while the smaller Fab fragment is clearly detectable on the microbeads 12 after only 24 hours. FIG. 4 shows that the smaller Fab molecules 15 can migrate through the network pores of the hydrogel 11, while the larger antibodies 16 hardly penetrate the network. Example 3 - Multiplexer Assay
Als konzeptionellen Beweis für die Fähigkeit zur multiplexen Detektion wurde ein erfindungs- gemäßer Assay 1 mit zwei Detektionsschichten 10i und 102 hergestellt (k = 2, Figur 6). Dazu wurde eine erste Population an Microbeads 12-i, versehen mit einem fluoreszenzmarkierten Oligonukleotid (Fängersonde für ein komplementäres Oligonukleotid 20mer 17), in der ersten Schicht 10i mit einem erfindungsgemäßen Hydrogel (PEG 6 kDa) überschichtet und immobili- siert. Microbeads 122, die einen Antikörper trugen, wurden in der zweiten Schicht 102 durch ein Hydrogel (PEG 10 kDa) mit größerer Maschenweite überschichtet und immobilisiert. Durch das Hydrogel waren beide Populationen der Microbeads 12-i und 122 auch räumlich voneinander getrennt. Der gleiche Assay 1 , wie in Figur 6 dargestellt, wurde in sieben Wells eines 8-Well Streifens (Nunc™ NucleoLink™) hergestellt. In dem achten Well wurden zu Vergleichszwecken die beiden Mikrobead-Populationen12-i und 122 in Suspension gegeben. In die so präparierten Wells wurden je 15 mί Lösung der im Folgenden aufgeführten Targetspezies (allein oder in Mi- schungen) gegeben und mit PBS Puffer zu einem Gesamtvolumen von 45 mί aufgefüllt. An assay 1 according to the invention with two detection layers 10i and 10 2 was produced as conceptual proof of the ability for multiplex detection (k = 2, FIG. 6). For this purpose, a first population of microbeads 12-i, provided with a fluorescence-labeled oligonucleotide (capture probe for a complementary oligonucleotide 20mer 17), was overlaid in the first layer 10i with a hydrogel according to the invention (PEG 6 kDa) and immobilized. Microbeads 12 2 which carried an antibody were overlaid and immobilized in the second layer 10 2 by means of a hydrogel (PEG 10 kDa) with a larger mesh size. The hydrogel also separated the two populations of microbeads 12-i and 12 2 from each other. The same assay 1 as shown in Figure 6 was prepared in seven wells of an 8-well strip (Nunc ™ NucleoLink ™). For comparison purposes, the two microbead populations 12-i and 12 2 were given in suspension in the eighth well. 15 ml solution of the target species listed below (alone or in mixtures) were added to the wells prepared in this way and filled up with PBS buffer to a total volume of 45 ml.
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(Oligo = 20mer Detektionsoligonukleotid mit Quenchermolekül markiert (17); Fab = Fab- Fragment mit einem Fluoreszenzfarbstoffmolekül markiert (15), Ab = Antikörper mit einem Fluo- reszenzfarbstoffmolekül markiert (16), Fluorescent Oligo = willkürliche Oligonukleotidsequenz mit einem Fluoreszenzfarbstoffmolekül markiert)  (Oligo = 20mer detection oligonucleotide labeled with quencher molecule (17); Fab = Fab fragment labeled with a fluorescent dye molecule (15), Ab = antibody labeled with a fluorescent dye molecule (16), Fluorescent Oligo = arbitrary oligonucleotide sequence labeled with a fluorescent dye molecule)
Die entsprechenden Fluoreszenzintensitäten beider Schichten 10-i und 102 in Well Nr. 1 bis 7 sowie die Fluoreszenzintensitäten der Suspension in Well Nr. 8 wurden über einen Zeitraum von 48 Stunden mit einer Software (VideoScan) ausgelesen (s. Figur 7). In allen Wells, in de- nen das Detektionsoligonukleotid 17 zugegeben wurde, wurde in der ersten Ebene 10i die am Microbead 12-i bestehende Fluoreszenz gequencht. Auch in den Wells, in denen nicht nur das Detektionsoligonukleotid 17 alleinig sondern auch in Mischung mit den anderen fluoreszenz- markierten Molekülen 15, 16 zugegeben wurde (Well 4, 5 und 6), wurde die am Microbead be- stehende Fluoreszenz gequencht (siehe Fig. 7 links, ungefüllte Symbole). Das zeigt, dass eine eindeutige Detektion möglich ist und die Hintergrundfluoreszenz der zugegebenen Lösung zu keinem Artefakt in der Detektion führt. In den Wells jedoch, in denen das Detektionsoligonukleo- tid 17 nicht zugegeben wurde, bleibt die Fluoreszenz erhalten (siehe Fig. 7 links, gefüllte Sym- bole). Ebenso wurde in allen Wells, in denen das Fab-Fragment 15 zugefügt wurde, ein linearer Anstieg der Fluoreszenz die am Microbead 122 in der zweiten Ebene 102 erhalten (siehe Fig. 7 rechts, ungefüllte Symbole). Der deutlich flachere Anstieg im Vergleich zu den Microbeads in Suspension (siehe Fig. 7 rechts, x-Marker, Ab_solution), ist mit der verlangsamten Diffusion durch die Maschen des Hydrogels zu erklären. In allen Fällen jedoch, in denen der Antikörper (Ab) 16 zugegeben wurde, wurde bis zum Ende der Messzeit kein Anstieg der Fluoreszenz be- obachtet. Zudem ist an dem Erhalt der Fluoreszenz in der ersten Schicht 10i nach Zugabe des unspezifischen Oligonukleotids (siehe Fig. 7 links, fluorescent Oligo, gefüllte Kreise) zu erken- nen, dass das willkürliche Oligonukleotid nicht unspezifisch an dem Oligonukleotid der Fänger- sonde bindet. The corresponding fluorescence intensities of both layers 10-i and 10 2 in wells No. 1 to 7 and the fluorescence intensities of the suspension in wells No. 8 were read out over a period of 48 hours using software (VideoScan) (see FIG. 7). In all wells in which the detection oligonucleotide 17 was added, the fluorescence existing on the microbead 12-i was quenched in the first level 10i. The fluorescence on the microbead was also quenched in the wells in which not only the detection oligonucleotide 17 was added alone but also in a mixture with the other fluorescence-labeled molecules 15, 16 (wells 4, 5 and 6) (see FIG 7 left, unfilled symbols). This shows that a clear detection is possible and the background fluorescence of the added solution does not lead to any artifact in the detection. However, the fluorescence is retained in the wells in which the detection oligonucleotide 17 was not added (see FIG. 7, left, filled symbols). Likewise, a linear became in all wells, in which the Fab fragment 15 was added Increase in the fluorescence obtained on the microbead 12 2 in the second level 10 2 (see FIG. 7 right, unfilled symbols). The much flatter increase compared to the microbeads in suspension (see Fig. 7 right, x-marker, Ab_solution) can be explained by the slowed diffusion due to the mesh of the hydrogel. In all cases, however, in which the antibody (Ab) 16 was added, no increase in fluorescence was observed until the end of the measuring time. In addition, the fact that the fluorescence is retained in the first layer 10i after the addition of the non-specific oligonucleotide (see FIG. 7 left, fluorescent oligo, filled circles) shows that the arbitrary oligonucleotide does not bind non-specifically to the oligonucleotide of the capture probe.
Wie in Figur 6 schematisch dargestellt, konnten also sehr kleine flexible Moleküle wie das 20mere Oligonukleotid 17 den gesamten Assay 1 durchdringen. Das kleine bis mittelgroße Fab- Fragment 15 hat dagegen nur die oberste Schicht 102 durchdrungen, die untere Schicht 10-i jedoch nicht erreicht. Große Moleküle, wie hier am Beispiel des Antikörpers 16 gezeigt, können somit effektiv ausgeschlossen werden. Es ergibt sich eine räumlich getrennte, größenselektive Detektion. As shown schematically in FIG. 6, very small flexible molecules such as the 20-mer oligonucleotide 17 were able to penetrate the entire assay 1. The small to medium-sized Fab fragment 15, on the other hand, has only penetrated the top layer 10 2 , but has not reached the bottom layer 10-i. Large molecules, as shown here using the example of antibody 16, can thus be effectively excluded. The result is a spatially separate, size-selective detection.
Beispiel 4 - Reversibilität der Quellung Example 4 - Reversibility of swelling
In diesem Versuch wurden zwei Ebenen Microbeads mittels einer Hydrogelschicht immobilisiert sowie räumlich voneinander getrennt (siehe Figur 8). Dabei wurden Hydrogele unterschiedlicher Maschenweiten eingesetzt (PEG 3 kDa, PEG 6 kDa, PEG 10 kDa). Diese Systeme wurden über eine Gesamtzeit von bis zu 4 Wochen mehreren Trocknungs-/Quell-Zyklen unterworfen, wobei jeder Zyklus den Übergang des Hydrogels aus einem vollständig gequollenen Zustand (Fig. 8a) in einen vollständig getrockneten, kollabierten Zustand (Fig. 8c) und erneute Quellung durch Zugabe von Wasser umfasste. Wie in Figur 9 dargestellt, ließ sich das kleinmaschige Hydrogel PEG 3 kDa über 5 Zyklen ausreichend reversibel trocknen und erneut quellen. Für die beiden größerporigen Hydrogele PEG 6 kDa und PEG 10 kDa konnte dies sogar für 7 Zyklen gezeigt werden. Es ist also möglich, die durch das Hydrogel separierten Ebenen reversibel eintrocknen und wieder aufschwellen zu lassen, ohne dass das Gel reißt und die Microbeads durch die Ma- schen in tiefere Ebenen fallen. In this experiment, two levels of microbeads were immobilized using a hydrogel layer and spatially separated from one another (see FIG. 8). Hydrogels of different mesh sizes were used (PEG 3 kDa, PEG 6 kDa, PEG 10 kDa). These systems were subjected to multiple drying / swelling cycles for a total of up to 4 weeks, each cycle transitioning the hydrogel from a fully swollen state (Fig. 8a) to a fully dried, collapsed state (Fig. 8c) and re-swelling by adding water included. As shown in FIG. 9, the small-mesh hydrogel PEG 3 kDa was sufficiently reversibly dried over 5 cycles and swelled again. For the two larger pore hydrogels PEG 6 kDa and PEG 10 kDa this could even be shown for 7 cycles. It is therefore possible to reversibly dry and swell the layers separated by the hydrogel without the gel tearing and the microbeads falling through the mesh into deeper layers.
Um den erfindungsgemäßen Assay leicht und wirtschaftlich handhabbar zu gestalten, ist es von Vorteil, dass für die Anwendung möglichst wenige Komponenten und Fachwissen benötigt wer- den. Dieser Versuch belegt, dass der erfindungsgemäße Assay als getrocknetes Produkt ver- trieben und gelagert werden kann und der Anwender durch einfaches Hinzugeben einer wässri- gen Lösung oder Wasser ein gebrauchsfertiges Produkt erhält. Im nassen, geschwollenen Zu- stand sind die Gele in der Lage, die Ebenen auszubilden und ihre Poren für die Diffusion der Targetspezies zu öffnen. Der getrocknete Zustand des Assays ist für die Lagerung und den T ransport vom Hersteller zum Anwender von Vorteil, da der Assay so noch weniger anfällig für äußere Einflüsse ist (Temperatur, mechanische Defekte wie Risse, Kreuz-Kontamination etc.). In order to make the assay according to the invention easy and economically manageable, it is advantageous that as few components and specialist knowledge as possible are required for the application. This experiment proves that the assay according to the invention is used as a dried product. can be driven and stored and the user receives a ready-to-use product simply by adding an aqueous solution or water. In the wet, swollen state, the gels are able to form the layers and open their pores for the diffusion of the target species. The dried state of the assay is advantageous for storage and transport from the manufacturer to the user, as the assay is even less susceptible to external influences (temperature, mechanical defects such as cracks, cross-contamination, etc.).
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
Assay assay
Schicht / Detektionsschicht Layer / detection layer
dreidimensionales Polymernetzwerk / Hydrogel Partikel / Microbead three-dimensional polymer network / hydrogel particles / microbead
Trägerpartikel carrier particles
Fängersonde capture probe
Targetspezies target species
Antikörper antibody
Targetspezies target species
oberste Schicht / Leerschicht top layer / empty layer
T räger / Gefäß / Substrat Carrier / vessel / substrate
Mikrotiterplatte microtiter plate
Kavität / Well Cavity / well
Assay-Produkt Assay Product

Claims

Patentansprüche claims
1. Assay (1 ) zur Analyse eines Analysats enthaltend mehrere Targetspezies (15, 17), wo bei der Assay (1 ) eine Anzahl von k sich einer xy-Ebene erstreckenden und in z- Richtung aufeinander angeordneten Schichten (10) aufweist, wobei k eine ganze Zahl von 1 oder größer als 1 ist und jede Schicht (10) Folgendes umfasst: 1. Assay (1) for analyzing an analyte containing a plurality of target species (15, 17), where in the assay (1) a number k of layers (10) extending on an xy plane and arranged in the z direction have one another, wherein k is an integer of 1 or greater than 1 and each layer (10) comprises:
• ein poröses dreidimensionales Polymernetzwerk (11 ) mit einer vorbestimmten Ma- schenweite, und  • a porous three-dimensional polymer network (11) with a predetermined mesh size, and
• zumindest eine Population von in dem Polymernetzwerk (1 1 ) eingebetteten und im- mobilisierten Partikeln (12), jeweils umfassend ein Trägerpartikel (13) und eine an dem Trägerpartikel (13) gebundene Fängersonde (14), die eine Targetspezies (15, 17) des Analysats zu binden vermag.  • at least one population of particles (12) embedded and immobilized in the polymer network (11), each comprising a carrier particle (13) and a capture probe (14) bound to the carrier particle (13), which contains a target species (15, 17 ) of the analyte.
2. Assay (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Partikel (12) unterschiedliche Populationen unter- schiedliche Fängersonden (14) aufweisen, die unterschiedliche Targetspezies (15, 17) zu binden vermögen. 2. Assay (1) according to claim 1, wherein the particles (12) have different populations of different capture probes (14) which are able to bind different target species (15, 17).
3. Assay (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei k eine ganze Zahl von 2 oder größer ist, ins- besondere eine Zahl von 2 bis 10. 3. Assay (1) according to claim 1 or 2, wherein k is an integer of 2 or greater, in particular a number from 2 to 10.
4. Assay (1 ) nach Anspruch 3, wobei eine Maschenweite der Polymernetzwerke (1 1 ) der k Schichten (10) in z-Richtung in Richtung der Schwerkraft abnimmt. 4. Assay (1) according to claim 3, wherein a mesh size of the polymer networks (1 1) of the k layers (10) decreases in the z direction in the direction of gravity.
5. Assay (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend eine weitere, bezüglich der Schwerkraft oberste Schicht (20), die ein poröses Polymernetzwerk (1 1 ) mit einer vorbestimmten Porengröße und keine Partikel (12) aufweist. 5. Assay (1) according to one of the preceding claims, further comprising a further layer (20) which is uppermost in terms of gravity and which has a porous polymer network (11) with a predetermined pore size and no particles (12).
6. Assay (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Maschenwei- te des Polymernetzwerks (1 1 ) im Bereich von 1 nm bis 1000 nm liegt. 6. Assay (1) according to one of the preceding claims, wherein an average mesh size of the polymer network (1 1) is in the range from 1 nm to 1000 nm.
7. Assay (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das dreidimensionale Po- lymernetzwerk (11 ) ein Hydrogel ist. 7. Assay (1) according to one of the preceding claims, wherein the three-dimensional polymer network (11) is a hydrogel.
8. Assay (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (12) einer Schicht (10) einlagig innerhalb der xy-Ebene angeordnet sind. 8. Assay (1) according to one of the preceding claims, wherein the particles (12) of a layer (10) are arranged in one layer within the xy plane.
9. Assay (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Partikel (12) unter- schiedlicher Populationen durch zumindest eine Kodierungseigenschaft unterscheidbar sind, wobei die Kodierungseigenschaft eine Partikelgröße, eine Partikelform, eine opti- sche Eigenschaft, eine magnetische Eigenschaft, ein Partikelmaterial, eine Partikelbe- schichtungsmaterial und/oder eine Oberflächenstruktur ist. 9. Assay (1) according to one of the preceding claims, wherein the particles (12) of different populations are distinguishable by at least one coding property, the coding property being a particle size, a particle shape, an optical property, a magnetic property, a particle material , is a particle coating material and / or a surface structure.
10. Assay-Produkt (100), umfassend einen T räger (30), auf dem ein Array einer Vielzahl von Assays (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche angeordnet ist. 10. Assay product (100) comprising a carrier (30) on which an array of a plurality of assays (1) according to one of the preceding claims is arranged.
11. Verfahren zur Herstellung des Assays (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den sich /c-fach wiederholenden Schritten: 11. A method for producing the assay (1) according to one of claims 1 to 10, with the / c-fold repeating steps:
• Aufbringen zumindest einer Population Partikel (12) auf einen Träger (30) und • Applying at least one population of particles (12) to a carrier (30) and
• Aufbringen einer vernetzbaren Zusammensetzung auf die Partikel (12), Vernetzen der Zusammensetzung unter Erhalt des dreidimensionalen Polymernetzwerks (11 ), in welches die Partikel (12) eingebettet sind. • Applying a crosslinkable composition to the particles (12), crosslinking the composition while maintaining the three-dimensional polymer network (11) in which the particles (12) are embedded.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei die Zusammensetzung einen bi-funktionalen Poly- merlinker einer vorbestimmten Kettenlänge und einen höher-funktionalen Vernetzer aufweist. 12. The method of claim 11, wherein the composition comprises a bi-functional polymer linker of a predetermined chain length and a higher-functional crosslinker.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei k mindestens 2 beträgt und wobei die Kettenlänge des bi-funktionalen Polymerlinkers einer (/c+1 )-ten Wiederholung länger ist als in der k- ten Wiederholung. 13. The method of claim 12, wherein k is at least 2 and wherein the chain length of the bi-functional polymer linker of a (/ c + 1) th iteration is longer than in the kth iteration.
14. Verwendung des Assays (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Analyse eines Ana- lysats enthaltend mehrere Targetspezies (15, 17), mit den Schritten: 14. Use of the assay (1) according to one of claims 1 to 10 for the analysis of an analyte containing several target species (15, 17), with the steps:
• Aufbringen des Analysats auf die in Richtung der Schwerkraft obersten Schicht (10, 20) des Assays (1 );  • applying the analyte to the top layer (10, 20) of the assay (1) in the direction of gravity;
• Inkubieren für eine vorbestimmte Zeit; und  Incubate for a predetermined time; and
• ortsaufgelöstes Detektieren der Partikel (12) und Bestimmen der an den Partikeln (12) gebundenen Targetspezies (15, 17). • spatially resolved detection of the particles (12) and determination of the target species (15, 17) bound to the particles (12).
5. Verwendung des Assays (1 ) nach Anspruch 14, wobei das ortsaufgelöste Detektieren der Partikel (12) und das Detektieren der an den Partikeln (12) gebundenen Targetspe- zies (15, 17) mittels eines Fluoreszenzmikroskops, insbesondere eines Epifluoreszenz- mikroskops oder konfokalen Fluoreszenzmikroskops erfolgt. 5. Use of the assay (1) according to claim 14, wherein the spatially resolved detection of the particles (12) and the detection of the target species (15, 17) bound to the particles (12) by means of a fluorescence microscope, in particular an epifluorescence microscope or confocal fluorescence microscope.
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