JP4170082B2

JP4170082B2 - マイクロアレイおよびその製造方法

Info

Publication number: JP4170082B2
Application number: JP2002349370A
Authority: JP
Inventors: 秀行島岡; 兼久横山
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2002-12-02
Filing date: 2002-12-02
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-12-02
Also published as: JP2004184143A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生理活性物質を固相基板に固定化してなるマイクロアレイおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロアレイのシグナル検出において、マイクロアレイ基板への試料の非特異的な結合・吸着は信号対雑音比を低下させる原因となり、検出精度を低下させる（たとえば非特許文献１参照）。生理活性物質の固定化工程前の基板表面には、生理活性物質を効率良く固定化するための化学的修飾が施されることが通常であり、たとえば生理活性物質が核酸の場合、アルデヒド基を導入したものが多用されている。官能基が活性な状態のままであると、試料の非特異的な結合・吸着が起こるため、固定化工程後に未反応の官能基の不活性化処理（ブロッキング処理）を行う必要がある（非特許文献２、および、非特許文献３を参照）。
【０００３】
従来のブロッキング処理は、アルブミン、トリス、スキムミルクに代表されるような物質を基板上に吸着させて官能基を遮蔽する方法が主流であった。しかしながら、この方法では、官能基の遮蔽により試料の基板への化学結合、化学吸着を抑制することは可能であるものの、基板への物理的吸着を抑制することはできず、シグナル検出精度を低下させる原因となっていた。
【０００４】
【非特許文献１】
「ＤＮＡマイクロアレイ実戦マニュアル」、林崎良英、岡崎康司編、羊土社、2000年、p.57
【非特許文献２】
「細胞工学別冊ＤＮＡマイクロアレイと最新ＰＣＲ法」、P.22、秀潤社、2000年
【非特許文献３】
「ＤＮＡチップ技術とその応用」、「蛋白質核酸酵素 43(13)」、君塚房夫、加藤郁之進著、共立出版、1998年、pp.2004〜2011
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、検出対象物質の非特異的な吸着・結合量が少なく検出精度の高いマイクロアレイを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の通りである。
（１）表面に生理活性物質が固定されており、該生理活性物質との相互作用により目標物質を捕捉し、その捕捉量の情報を検出するマイクロアレイであって、生理活性物質が固定されていない部分に負電荷を有する物質が導入されていることを特徴とするマイクロアレイであって、生理活性物質の固定および負電荷を有する物質の導入が、同種の官能基であるアルデヒド基を介してなされ、負電荷を有する物質が亜硫酸イオンであるマイクロアレイ。
（２）捕捉される目標物質が核酸である（１）記載のマイクロアレイ。
（３）表面に固定されている生理活性物質が核酸である（１）又は（２）記載のマイクロアレイ。
（４）アルデヒド基が、アミノアルキルシランのアミノ基を介して結合した多官能性アルデヒドに由来する（１）〜（３）いずれか記載のマイクロアレイ。
（５）生理活性物質がアミノ基を導入したオリゴヌクレオチドである（１）〜（４）記載いずれかのマイクロアレイ。
（６）基板がプラスチック製である（１）〜（５）いずれか記載のマイクロアレイ。
（７）プラスチックが飽和環状ポリオレフィンである（６）記載のマイクロアレイ。
（８）基板表面へのアルデヒド基導入工程、基板上への生理活性物質の固定化工程、負電荷を有する物質の導入工程を含むマイクロアレイの製造方法であって、負電荷を有する物質の導入工程が亜硫酸水素ナトリウム溶液への接触工程を含むマイクロアレイの製造方法。
（９）アミノアルキルシラン溶液への基板の接触工程、および、グルタルアルデヒド溶液への基板の接触工程を含む（８）記載のマイクロアレイの製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（基板の表面処理）
アルデヒド基は多くの生理活性物質に含まれているアミノ基との反応性が高いため、本発明のマイクロアレイに使用するマイクロアレイ基板表面にはアルデヒド基を導入することが好ましい。
基板表面へのアルデヒド基の導入方法として好適に用いられるのは、アミノ基導入の後に多官能性アルデヒドを反応させる方法である。基板表面へのアミノ基の導入には、アミノアルキルシラン処理、窒素雰囲気下でのプラズマ処理、アミノ基含有高分子物質のコーティングなどの方法を用いることができるが、処理の簡便性、均一性の観点から、アミノアルキルシラン処理が好ましい。アミノアルキルシラン処理は、アミノアルキルシラン溶液への基板の浸漬および熱処理によることが好ましい。アミノアルキルシラン溶液の濃度は、アミノ基の導入効率の観点から、０．１〜１０％が好ましく、０．１〜５％がより好ましく、さらに好ましくは１〜５％である。アミノ基の導入後に反応させる多官能性アルデヒドとしては、グルタルアルデヒド、オキサルアルデヒド、テレフタルアルデヒド、イソフタルアルデヒド、マロン酸ジアルデヒド、酒石酸ジアルデヒド、コハク酸ジアルデヒド、マレイン酸ジアルデヒド、フマル酸ジアルデヒド、デキストランジアルデヒド、過ヨウ素酸により酸化された糖類などを好ましく用いることができ、最も好ましくはグルタルアルデヒドである。基板表面のアミノ基とグルタルアルデヒドとの反応は、基板をグルタルアルデヒド溶液に浸漬する方法を好ましく用いることができる。グルタルアルデヒド溶液の濃度は、アミノ基とアルデヒド基の反応効率の観点から、好ましくは０．１〜２０％であり、０．５〜１０％がより好ましく、１〜５％がさらに好ましい。
【０００８】
（核酸の固定化）
以下、生理活性物質として核酸を用いる場合について記述する。核酸を固定化する際、基板上のアルデヒド基との反応性を高めるため、核酸に予めアミノ基を導入することが好ましい。アミノ基の導入位置は核酸の分子鎖末端あるいは側鎖であってもよいが、分子鎖末端に導入されていることが好ましい。核酸の基板上への固定化は、核酸溶液を基板上に点着して行うことが好ましい。点着後には必要に応じて熱処理、紫外線照射、所定時間の静置などの後処理を施すことができる。
【０００９】
（ブロッキング）
核酸の固定化後、基板上には未反応のアルデヒド基が残存しており、このままの状態で核酸溶液を接触させると基板表面への非特異的吸着が起こり易く、検出精度が低下する。そのため、核酸の固定化後にアルデヒド基のブロッキング処理を行う必要がある。従来の一般的なブロッキング処理では、基板上のアルデヒド基にアルブミンやトリスなど、核酸のハイブリダイゼーション反応に無関係な物質を結合させることによりアルデヒド基を不活性化する。しかしながらこの方法では、核酸の物理的吸着を抑える効果は期待できないため、検出精度の向上には限界がある。
【００１０】
核酸は主鎖のリン酸基に由来する負電荷を帯びているため、基板上に負電荷が存在すると静電的反発により基板への吸着は抑制される。すなわち、基板上に負電荷を付与することにより検出精度の高いマイクロアレイの作製が可能となる。基板上に負電荷を付与する方法として好適に用いられるのは、基板上のアルデヒド基への亜硫酸イオンの付加反応である。亜硫酸イオンの硫黄原子には非共有電子対が存在し、これがアルデヒド基のカルボニル炭素に求核付加する（「有機合成化学」飯田弘忠著、培風館、p.70、1995年）。アルデヒドの亜硫酸水素ナトリウム付加物は電離状態で負電荷を有することから、核酸との静電的反発により非特異的吸着が抑制される。亜硫酸イオンの付加の方法としては、亜硫酸水素ナトリウム溶液への基板の浸漬が好ましい。亜硫酸水素ナトリウムの濃度は、ブロッキング効率の観点から、好ましくは０．０１〜２０％、より好ましくは０．５〜１０％であり、さらに好ましくは１〜１０％である。
【００１１】
基板上に負電荷を付与する他の方法として、アルデヒド基との結合性を有する官能基と負電荷を併せ持つ物質によるブロッキングが挙げられる。たとえば、アルデヒド基との結合性の高いアミノ基、ヒドラジド基などと負電荷を併せ持つ物質を用いてブロッキングを行うことにより、静電的反発による核酸の吸着抑制効果が現れる。
【００１２】
また、負電荷を有する高分子化合物の核酸固定化後の基板へのコーティングによっても負電荷を付与することが可能であるが、バックグラウンド蛍光量の上昇を回避するため、低蛍光性の高分子化合物を用いることが好ましい。負電荷を有する高分子化合物としては、たとえば、ポリアクリル酸に代表されるカルボキシル基を含有する合成高分子、その他の解離基を有する合成高分子、カルボキシメチルセルロース、デキストラン誘導体などの天然由来高分子などを用いることができる。このとき、高分子化合物にアルデヒド基との結合性の高い官能基を導入することにより、ブロッキング効率はさらに向上する。
【００１３】
（基板の素材）
マイクロアレイ用基板の素材は、ガラス、プラスチック、金属その他を用いることができるが、表面処理の容易性、量産性の観点から、熱可塑性樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂としては、蛍光発生量の少ないものが好ましく、たとえばポリエチレン、ポリプロピレン等の直鎖状ポリオレフィン、環状ポリオレフィン、含フッ素樹脂等を用いることが好ましく、耐熱性、耐薬品性、低蛍光性、成形性に特に優れる飽和環状ポリオレフィンを用いることがより好ましい。ここで飽和環状ポリオレフィンとは、環状オレフィン構造を有する重合体単独または環状オレフィンとα−オレフィンとの共重合体を水素添加した飽和重合体をさす。
【００１４】
【実施例】
（実施例１）
飽和環状ポリオレフィンを材料として、射出成形法により７６×２４×１ｍｍの板状基板を作製した。基板を酸素雰囲気下のプラズマ処理により親水化処理した後、γ−アミノプロピルトリメトキシシランの２％水溶液に室温で浸漬後、純水でリンスしたのち、乾燥オーブン中、４５℃で２時間処理することにより、基板表面にアミノ基を導入した。引き続き、基板をグルタルアルデヒドの１％水溶液（ｐＨ７．４に調整）に３７℃で２時間浸漬することで基板表面のアミノ基とグルタルアルデヒドを反応させた。基板を純水で洗浄、風乾し、評価に供した。
【００１５】
評価１：５'末端にアミノ基を導入したオリゴＤＮＡ（オリゴ１と略称、倉敷紡績（株）製、塩基配列は、５'−TAGAAGCATTTGCGGTGGACGATG−３'）を０．１μｇ／μｌの濃度でスポッティング溶液（TeleChem International, Inc. 製「Micro Spotting Solution」）に溶解し、マイクロアレイスポッター（ニチリョー製スポッター「ＣＨＯＴ」）を用いて上記の基板上に点着した。点着後、基板を８０℃にて１時間ベーキングすることでオリゴ１を基板上に固定化した。亜硫酸水素ナトリウム（和光純薬工業（株）製、試薬特級）を２％の濃度で純水に溶解した
溶液に、ベーキング後の基板を１時間浸漬することでブロッキング処理を施した。ブロッキング処理後、基板を純水で洗浄し、風乾した。
５'末端にローダミン標識を施したオリゴＤＮＡ（オリゴ２と略称、倉敷紡績（株）製、塩基配列は、５'−CATCGTCCACCGCAAATGCTTCTA−３'）を２０ｎｇ／μｌの濃度でハイブリ用緩衝液（０．３Ｍ塩化ナトリウム、０．０３Ｍクエン酸３ナトリウム、０．２％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液）に溶解した。この溶液をブロッキング処理後の基板上に展開し、カバーグラスを被せたのち、６５℃で３時間静置することでハイブリダイゼーション反応を進行させた。基板からカバーグラスを除去し、０．５％ドデシル硫酸ナトリウム水溶液および純水で洗浄、風乾後、ハイブリダイズしたオリゴ２の蛍光量を測定した。
【００１６】
評価２：アルデヒド導入後の基板に、ＤＮＡを点着しないまま、評価１の方法で亜硫酸イオンによるブロッキング処理を施した。オリゴ２を評価１の方法で２０ｎｇ／μｌの濃度に調製した溶液を基板上に点着し、洗浄した。洗浄後に基板上に残存したオリゴ２の蛍光量を測定した。
【００１７】
（比較例１）
実施例１と同様にプラスチック基板にアルデヒド基を導入した。
評価１：実施例１と同様にオリゴ１を固定化した。ブロッキング処理を施さないまま、基板を純水で洗浄した。実施例１と同様にオリゴ２をハイブリダイゼーションさせ、ハイブリダイズしたオリゴ２の蛍光量を測定した。
評価２：アルデヒド導入後の基板に、ブロッキング処理を施さないままオリゴ２を２０ｎｇ／μｌの濃度に調製した溶液を基板上に点着し、洗浄した。洗浄後に基板上に残存したオリゴ２の蛍光量を測定した。
【００１８】
（比較例２）
実施例１と同様にプラスチック基板にアルデヒド基を導入した。
評価１：実施例１と同様にオリゴ１を固定化した。スキムミルク（和光純薬工業（株）製）を１％の濃度で純水に溶解した溶液に基板を１時間浸漬することでブロッキング処理を施した。ブロッキング処理後、基板を純水で洗浄した。実施例１と同様にオリゴ２をハイブリダイゼーションさせ、ハイブリダイズしたオリゴ２の蛍光量を測定した。
評価２：アルデヒド導入後の基板に、ＤＮＡを点着しないまま、評価１の方法でスキムミルクによるブロッキング処理を施した。オリゴ２を２０ｎｇ／μｌの濃度に調製した溶液を基板上に点着し、洗浄した。洗浄後に基板上に残存したオリゴ２の蛍光量を測定した。
【００１９】
（比較例３）
実施例１と同様にプラスチック基板にアルデヒド基を導入した。
評価１：実施例１と同様にオリゴ１を固定化した。トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタン（和光純薬工業（株）製、試薬特級）を０．１Ｍの濃度で純水に溶解し、塩酸でｐＨを８に調整した。この溶液に基板を１時間浸漬することでブロッキング処理を施した。ブロッキング処理後、基板を純水で洗浄した。実施例１と同様にオリゴ２をハイブリダイゼーションさせ、ハイブリダイズしたオリゴ２の蛍光量を測定した。
評価２：アルデヒド導入後の基板に、ＤＮＡを点着しないまま、評価１の方法でトリス（ヒドロキシメチル）アミノメタンによるブロッキング処理を施した。オリゴ２を２０ｎｇ／μｌの濃度に調製した溶液を基板上に点着し、洗浄した。洗浄後に基板上に残存したオリゴ２の蛍光量を測定した。
【００２０】
実施例および比較例における蛍光量の測定には、Packard BioChip Technologies社製マイクロアレイスキャナー「ScanArray」を用いた。測定条件は、評価１においては、励起波長５５５ｎｍ、測定波長５７０ｎｍ、レーザー出力９０％、ＰＭＴ感度４５％、解像度３０ｎｍであり、評価２においては、励起波長５５５ｎｍ、測定波長５７０ｎｍ、レーザー出力９０％、ＰＭＴ感度７０％、解像度３０ｎｍであった。
【００２１】
評価１の結果を表１に示す。実施例１と比較例１〜３で同等の蛍光量となり、本発明のマイクロアレイを用いてハイブリダイゼーション反応が検出可能であることが示された。
評価２の結果を表２に示す。実施例１においてオリゴＤＮＡの吸着量が有意に低く、本発明のマイクロアレイは非特異的な吸着が抑制されていることが示された。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、検出対象物質の非特異的な吸着・結合量が少なく検出精度の高いマイクロアレイを得ることができる。

Claims

表面に生理活性物質が固定されており、該生理活性物質との相互作用により目標物質を捕捉し、その捕捉量の情報を検出するマイクロアレイであって、生理活性物質が固定されていない部分に負電荷を有する物質が導入されていることを特徴とするマイクロアレイであって、生理活性物質の固定および負電荷を有する物質の導入が、同種の官能基であるアルデヒド基を介してなされ、負電荷を有する物質が亜硫酸イオンであるマイクロアレイ。
捕捉される目標物質が核酸である請求項１記載のマイクロアレイ。
表面に固定されている生理活性物質が核酸である請求項１または２記載のマイクロアレイ。
アルデヒド基が、アミノアルキルシランのアミノ基を介して結合した多官能性アルデヒドに由来する請求項１〜３いずれか記載のマイクロアレイ。
生理活性物質がアミノ基を導入したオリゴヌクレオチドである請求項１〜４記載いずれかのマイクロアレイ。
基板がプラスチック製である請求項１〜５いずれか記載のマイクロアレイ。
プラスチックが飽和環状ポリオレフィンである請求項６記載のマイクロアレイ。
基板表面へのアルデヒド基導入工程、基板上への生理活性物質の固定化工程、負電荷を有する物質の導入工程を含むマイクロアレイの製造方法であって、負電荷を有する物質の導入工程が亜硫酸水素ナトリウム溶液への接触工程を含むマイクロアレイの製造方法。
アミノアルキルシラン溶液への基板の接触工程、および、グルタルアルデヒド溶液への基板の接触工程を含む請求項８記載のマイクロアレイの製造方法。