DE102007062154A1 - Process for the preparation and use of stochastically arranged arrays of test substances - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Herstellung und Anwendung von stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen. Die Herstellung und Testung großer Serien von Substanzen, typischerweise von Wirkstoffkandidaten, ist mit einem großen Präparationsaufwand verbunden. Bisher werden die Testsubstanzen separat in einem biokompatiblen Medium gelöst und in einzelne, speziell adressierte Probenkammern dosiert. Zudem ergibt sich aufgrund der geringen Mengen und der Geometrie der Probenkammern ein vor allem für zellbiologische Tests ungünstiges Oberflächen-Volumen-Verhältnis. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die mit speziell auf das Verfahren abgestimmten Molekülbausteinen ausgestatteten Testsubstanzen an Trägerharz-Beads gebunden und in einer zufällig verteilten Anordnung auf einer Trägerplatte immobilisiert. Von dieser Vorlage können die Testsubstanzen ortsgenau auf eine oder mehrere Assay-Platten übertragen werden, auf deren Oberfläche die Substanztests durchgeführt werden. Der Arbeitsaufwand ist unabhängig von der Zahl der Testsubstanzen. Die Zuordnung der einzelnen Substanz-Spots zu den Originalen auf der Trägerplatte wird durch intelligente Mustererkennungsverfahren realisiert. Das Verfahren eignet sich insbesondere für umfangreiche Testreihen zur medizinisch-biologischen Aktivität von Substanzen, aber auch für die Untersuchung zellbiologischer Proben und für Antikörpertests.The present invention relates to a method for the efficient production and use of stochastically arranged arrays of test substances. The production and testing of large series of substances, typically drug candidates, involves a great deal of preparation. So far, the test substances are dissolved separately in a biocompatible medium and dosed into individual, specially addressed sample chambers. In addition, due to the small quantities and the geometry of the sample chambers, an unfavorable surface-volume ratio, especially for cell biological tests, results. In the method according to the invention, the test substances equipped with molecular building blocks specially tailored to the process are bound to carrier resin beads and immobilized in a randomly distributed arrangement on a carrier plate. From this template, the test substances can be transferred precisely to one or more assay plates on the surface of the substance tests are performed. The workload is independent of the number of test substances. The assignment of the individual substance spots to the originals on the carrier plate is realized by intelligent pattern recognition methods. The method is particularly suitable for extensive series of tests on the medical-biological activity of substances, but also for the investigation of cell biological samples and for antibody tests.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienten Erzeugung und Anwendung von stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen.The The present invention relates to a method for efficient production and application of stochastically arranged arrays of test substances.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Array zufällig verteilter Substanzen, die von einem zufällig verteilten Array aus polymeren Trägerharzen stammen, unter Beibehaltung der räumlichen Anordnung spiegelbildlich auf eine Testoberfläche übertragen wird. Das Verfahren ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Weise die Anzahl der Arbeitsschritte zur Vorbereitung der Arrays für die vorzugsweise medizinisch-biologischen und diagnostischen Tests unabhängig von der Zahl der Substanzen ist, die auf ihre biologische Aktivität getestet werden sollen.The Method is characterized in that an array random Distributed substances by a randomly distributed Array of polymeric carrier resins, while maintaining the spatial arrangement mirror image transferred to a test surface becomes. The method is also characterized in that on this Identify the number of steps required to prepare the arrays for the preferably medical-biological and diagnostic Tests are independent of the number of substances that are on their biological activity should be tested.
Das Protokoll zum Nachweis der chemischen Struktur der im Assay als biologisch aktiv erkannten Substanzen wurde an die Erfordernisse der stochastisch angeordneten Arrays angepasst. Die Zuordnung der einzelnen Substanz-Spots im Testarray zu den Trägerharz-Partikeln und damit die Identifizierung der Testverbindungen erfolgt mittels intelligenter Mustererkennungsverfahren.The Protocol to demonstrate the chemical structure of the assay as biologically active substances were identified to the requirements adapted to the stochastically arranged arrays. The assignment of the individual Substance spots in the test array to the carrier resin particles and thus the identification of the test compounds by means of intelligent pattern recognition process.
Stand der TechnikState of the art
Seit ihrer Erfindung Anfang der 90er Jahre,, haben die Mikroarrays, speziell die Biochips, die Prozesse der medizinisch-biologischen Forschung wesentlich vereinfacht. Dabei werden die Testsubstanzen, meistens Nukleinsäuren, Proteine oder Peptide, die mit medizinisch-biologisch relevanten Molekülen, Zellen oder Mikroorganismen Wechselwirken, in einer hochdichten Anordnung in spezifisch adressierbaren Kompartimenten einer Testfläche aufgebracht. Diese Anordnung ermöglicht die parallele Untersuchung einer Probe mit einer großen Anzahl verschiedener Reaktanden.Since its invention in the early 90s . , the microarrays, especially the biochips, have greatly simplified the processes of medical-biological research. The test substances, usually nucleic acids, proteins or peptides, which interact with medically-biologically relevant molecules, cells or microorganisms, are applied in a highly dense arrangement in specifically addressable compartments of a test area. This arrangement allows the parallel examination of a sample with a large number of different reactants.
Jedoch ist die Herstellung von Arrays ortsaufgelöst angeordneter Testsubstanzen, insbesondere die systematische Herstellung und Anordnung einer sehr großen Zahl von Wirkstoffkandidaten, mit den gegenwärtigen Technologien immer noch sehr zeit- und materialaufwändig.however is the production of arrays arranged spatially resolved Test substances, in particular the systematic production and arrangement a very large number of drug candidates, with the Current technologies are still very time and material consuming.
Die
momentan am weitesten verbreiteten Techniken zur Herstellung von
Mikroarrays sind neben der Synthese der Testsubstanzen direkt auf
den Testoberflächen (
Die Verfahren der Kombinatorischen Festphasensynthese erlauben durch geeignete Reaktionsführung die Synthese von Millionen Verbindungen innerhalb weniger Tage. Diese Verbindungen können mit sehr hohem apparativen und zeitlichen Aufwand aus den Synthese-Beads freigesetzt und dann in einzelnen Gefäßen getestet werden.The Methods of combinatorial solid phase synthesis allow by appropriate reaction the synthesis of millions of compounds within a few days. These compounds can be very high expenditure on equipment and time released from the synthesis beads and then tested in individual containers.
Dies geschieht meist durch Pipettieren von Stammlösungen der Testsubstanzen in einzelne Probenkammern von Testplatten. Dafür stehen z. B. automatisierte xyz-Pipettiervorrichtungen, die die Kompartimente adressieren, in denen der Assay durchgeführt werden soll, zur Verfügung.This usually happens by pipetting of stock solutions of Test substances in individual sample chambers of test plates. Therefore stand z. B. automated xyz pipetting devices, the Address compartments in which the assay is performed should be available.
Zur rationellen Durchführung einer großen Zahl von medizinisch-biologischen und diagnostischen Tests werden zunehmend miniaturisierte Verfahren eingesetzt. So stehen für die biologische Testung von Substanzen z. B. Mikrotiterplatten mit 1536 Probenkammern zur Verfügung. Aufgrund der kleinen Volumina, die in diese Probenkammern pipettiert werden und aufgrund des ungünstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, ist insbesondere die Durchführung von zellbiologischen Tests in diesen Mikrotiterplatten nur eingeschränkt möglich.to rational implementation of a large number of Medical-biological and diagnostic tests are increasing miniaturized method used. So stand for the biological testing of substances z. B. Microtiter plates with 1536 Sample chambers available. Due to the small volumes, which are pipetted into these sample chambers and due to the unfavorable Ratio of surface to volume, in particular the performance of cell biological tests in these microtiter plates only limited possible.
Es wurden auch schon Untersuchungen durchgeführt, bei denen die synthetisierten Verbindungen auf den Synthese-Beads belassen und direkt mit den Zielmolekülen (andere kleine Moleküle, Proteine, DNA oder andere Biopolymere) in Kontakt gebracht wurden. Jedoch besteht hier die Gefahr, dass die Testergebnisse durch die Trägerharze beeinflusst werden.Studies have also been carried out in which the synthesized compounds remain on the synthesis beads and directly with the target molecules (other small molecules, proteins, DNA or other biopolymers). However, there is a risk here that the test results are influenced by the carrier resins.
Zur Reduzierung des Aufwandes können Kollektionen von mit verschiedenen Substanzen beladenen Trägerharz-Beads gemeinsam untersucht werden. Die erhaltenen Testergebnisse für die Substanzgemische stellen Mittelwerte dar, sind dann jedoch schwer zu interpretieren und von eingeschränktem Nutzen für die Wirkstoffentwicklung.to Reduction of the effort can collections of having different Substances loaded carrier resin beads examined together become. Set the obtained test results for the substance mixtures Are then difficult to interpret and from limited benefit for drug development.
Ein
alternativer Ansatz zu der ortsaufgelösten Adressierung
ist die Durchführung der Assays in flüssigen Suspensionen.
Hierbei sind die Testsubstanzen an durch Farbe, Form, Größe
oder chemisch-physikalische Parameter codierte Trägerpartikel
gebunden. Die Codierung erfolgt in den meisten Varianten durch einen oder
mehrere Fluoreszenz-Farbstoffe (
Alle
diese Technologien sind instrumentell sehr aufwändig. Deshalb
wurden einige Methoden zur Herstellung und Anwendung von stochastischen
Arrays entwickelt. Hierbei werden die Testsubstanzen ebenfalls an
Trägerpartikel gebunden und aus der flüssigen
Phase durch spezielle Gelatine-Beschichtungen (
Außer
für Nukleinsäuren (
Obwohl der Ansatz der spektral adressierbaren Träger-Partikel einen wesentlichen Fortschritt gegenüber den bisher üblichen ortsaufgelöst adressierten Mikroarrays darstellt, besteht weiterhin ein erheblicher Bedarf bei der Vereinfachung des Produktionsprozesses und der Senkung der Kosten für medizinisch-biologische Mikroarrays.Even though the approach of spectrally addressed carrier particles a significant improvement over the usual spatially resolved addressed microarray represents exists There is still a significant need for simplifying the production process and lowering the cost of medical biological microarrays.
Aufgabenstellungtask
Die Erfindung stellt sich daher zur Aufgabe, ein effizientes Verfahren zur ortsaufgelösten Herstellung von Arrays der durch Kombinatorische Festphasensynthese hergestellten Testsubstanzen bereitzustellen, das eine Übertragung der Testsubstanzen von einer Trägerplatte auf eine oder mehrere Testplatten ermöglicht und bei dem die Präparations- und Übertragungszeit unabhängig von der Zahl der zu testenden Verbindungen ist. Zudem soll das erfindungsgemäße Verfahren die Durchführung der medizinisch-biologischen und diagnostischen Tests direkt auf den Testoberflächen, vorzugsweise in einer Testebene, mit einer breiten Palette von Medien und unabhängig von einer Stammlösung, ermöglichen.The Invention is therefore the task of an efficient method for the spatially resolved production of arrays by combinatorial Provide solid phase synthesis prepared test substances, a transfer of the test substances from a carrier plate enabled on one or more test plates and in which the preparation and transfer time independent of the number of compounds to be tested. In addition, the inventive Procedures the implementation of medical-biological and diagnostic tests directly on the test surfaces, preferably at a test level, with a wide range of media and independent of a stock solution.
Die Aufgabenstellung umfasst daher sowohl die Lösung des Problems der enormen Zunahme der erforderlichen Pipettierschritte mit der Zunahme der zu testenden Substanzen, als auch die Lösung des Problems des ungünstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, das bei der Miniaturisierung medizinisch-biologischer Tests entsteht.The Task therefore includes both the solution of the problem the enormous increase of the necessary pipetting steps with the Increase in the substances to be tested, as well as the solution the problem of the unfavorable relationship of Surface to volume, which in the miniaturization medical-biological Tests are done.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein erstmals beschriebenes Verfahren zur Herstellung und Anwendung von stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen, wie es im Anspruch 1 dargestellt ist. Bevorzugte Ausführungsformen dieses Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 35 beansprucht. Die Ansprüche 36 und 38 betreffen die Anwendung des Verfahrens bei der Durchführung von Wirkstoff-Screenings, medizinisch-biologischen Tests und in der medizinischen Diagnostik. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.The object is achieved by a first-described method for the production and application of stochastically arranged arrays of test substances, as set forth in claim 1. Preferred embodiments of this method are claimed in claims 2 to 35. Claims 36 and 38 relate to the use of the method in the performance of drug screening, medical biological testing and in medical diagnostics. The wording of all claims is hereby incorporated by reference into the content of the description.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht in seinen wesentlichen Merkmalen aus der Synthese von an ein Trägerharz gebundenen und in ihren Eigenschaften spezifisch an das Verfahren angepassten Testsubstanzen, einer immobilisierten Trägerharz-Bead-Monolager auf einer Trägerplatte als Quelle für die Testsubstanzen, einer Oberflächen-modifizierten Testplatte zur Aufnahme des stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen, einer Routine zur Zuordnung der einzelnen Substanz-Spots zu ihrer Quelle sowie einem analytischen Protokoll zum Nachweis der chemischen Struktur der Testsubstanzen auf der Trägerplatte.The inventive method consists in its essential Characteristics of the synthesis of bound to a carrier resin and in their properties specifically adapted to the process Test substances, an immobilized carrier resin bead monolayer on a carrier plate as a source of the test substances, a surface-modified test plate for recording of the stochastically arranged array of test substances, a routine to assign the individual substance spots to their source as well an analytical protocol for the detection of the chemical structure the test substances on the support plate.
Nach der Lehre der Erfindung werden die für das erfindungsgemäße Verfahren benötigten Testverbindungen so hergestellt, dass sie an ein Trägerharz gebunden vorliegen und in ihren Eigenschaften spezifisch an das Verfahren angepasst sind. Sie enthalten einen orthogonal zu den Syntheseschritten spaltbaren Linker (Prinzip 1), ein Übertragungsprinzip (Prinzip 2) und einen biokompatiblen Spacer (Prinzip 3), wobei diese Prinzipien auch einzeln oder in beliebigen Kombinationen auftreten können. Die Prinzipien 1 bis 3 können sowohl vor, während, als auch nach der Synthese, vorzugsweise während der Festphasensynthese, in die Testverbindungsmoleküle eingeführt werden.To The teaching of the invention are those for the inventive Process required test compounds prepared so that they are bound to a carrier resin and in their properties are specifically adapted to the process. They contain one Orthogonal to the synthesis steps cleavable linker (Principle 1), a transmission principle (principle 2) and a biocompatible Spacer (principle 3), these principles also individually or in Any combination can occur. The principles 1 to 3 can be before, during, as well as after the synthesis, preferably during the solid phase synthesis, be introduced into the test compound molecules.
Bei der bevorzugten Herstellung der Testsubstanzen mit den bekannten Verfahren der Kombinatorischen Festphasensynthese werden die Startmoleküle an ein vorbehandeltes, funktionalisiertes Trägerharz angebunden und anschließend die Zielsubstanzen in aufeinanderfolgenden Syntheseschritten systematisch aufgebaut. Besonders bevorzugt wird als Startmolekül der Linker gemäß Prinzip 1 verwendet. Mit Hilfe dieses Verfahrens und durch geeignete Reaktionsführung können komplexe Verbindungs-Bibliotheken innerhalb weniger Tage hergestellt werden.at the preferred preparation of the test substances with the known Methods of combinatorial solid phase synthesis become the starting molecules attached to a pretreated, functionalized carrier resin and then the target substances in successive Synthesis steps systematically constructed. Particularly preferred as starting molecule of the linker according to principle 1 used. With the help of this method and by appropriate reaction can create complex connection libraries within a few days getting produced.
Nach dem Abschluss der Synthesen können Trägerharze aus mehreren Synthesen gemischt werden. Somit liegt ein stochastisch verteiltes Pulver aus vorzugsweise vereinzelten Synthese-Beads, die mit verschiedenen Testsubstanzen beladen sind, vor.To the completion of the syntheses can carrier resins be mixed from several syntheses. Thus, a stochastic lies distributed powder of preferably singulated synthesis beads, loaded with various test substances.
Die gemischten Synthese-Beads mit den die Prinzipien 1 bis 3 tragenden Testverbindungen werden auf einer vorzugsweise planaren Unterlage (Trägerplatte) durch einen für den Biotest verträglichen, nicht toxischen Klebstoff in zufälliger Anordnung, vorzugsweise in einer Monolayer, fixiert. Bevorzugt erfolgt dies durch Pulver-, Tauch- oder Zentrifugalbeschichtung und nachfolgendes Kämmen. Auf der Trägerplatte entsteht ein stochastisch angeordnetes Array von mit verschiedenen Testsubstanzen beladenen Synthese-Beads.The mixed synthesis beads bearing the principles 1 to 3 Test compounds are placed on a preferably planar pad (Support plate) by a biotest compatible, non-toxic adhesive in random arrangement, preferably in a monolayer, fixed. This is preferably done by powder, Dip or centrifugal coating and subsequent combing. On the support plate creates a stochastically arranged Array of synthetic beads loaded with different test substances.
Zur Erleichterung der Deconvolution von positiv getesteten Verbindungen, vorzugsweise in der massenspektroskopischen Analyse, können aber auch Kompartimentierungen auf der Trägerplatte vorgenommen werden. Dazu werden spezifische Mischungen oder auch sortenreine Beads, die aufgrund des Syntheseverfahrens nach bestimmten Kriterien vorsortiert wurden, in Probenkammern, vorzugsweise die Kavitäten von Mikrotiterplatten eingefüllt. Die Synthese-Beads werden in der vorgegebenen Anordnung, vorzugsweise durch Tauch- oder Zentrifugalbeschichtung und nachfolgendes Kämmen, auf der Klebstoffschicht der Trägerplatte in einer Monolayer fixiert. Auf der Trägerplatte entstehen voneinander abgegrenzte Felder von Arrays aus festgelegten Mischungen von Synthese-Beads, die mit Testsubstanzen beladen sind.to Facilitating the deconvolution of positively tested compounds, preferably in mass spectroscopic analysis but also compartmentalizations are made on the carrier plate. For this purpose, specific mixtures or even pure beads, which presorted according to certain criteria due to the synthesis process were, in sample chambers, preferably the cavities of Filled microtiter plates. The synthesis beads are in the predetermined arrangement, preferably by immersion or centrifugal coating and subsequent combing, on the adhesive layer of the Support plate fixed in a monolayer. On the carrier plate arise from each other delimited fields defined by arrays Mixtures of synthetic beads loaded with test substances.
Zur Übertragung der Testsubstanzen werden die Trägerplatte und die vorzugsweise planare Testplatte aufeinander gelegt. An den Trägerharz-Beads bilden sich, idealerweise unterstützt durch ein Medium, vorzugsweise singuläre Kontaktzonen aus. Das die Übertragung unterstützende Medium ist bevorzugt ein Lösungsmittelfilm, vorzugsweise aus Wasser oder Pufferlösung.For transmission The test substances are the carrier plate and preferably planar test plate placed on top of each other. On the carrier resin beads form, ideally supported by a medium, preferably singular contact zones. That's the transmission supporting medium is preferably a solvent film, preferably from water or buffer solution.
Mit physikalischen, biologisch/enzymatischen oder chemischen Methoden werden die Testverbindungen an den Linkern (Prinzip 1) von den Synthese-Beads abgespalten und anschließend innerhalb der Kontaktzonen, vermittelt durch Prinzip 2 und Prinzip 3, auf die Oberfläche der Testplatte übertragen. Dabei sorgt Prinzip 2 für eine spezifische und ortsaufgelöste Interaktion der Testverbindungen mit der Testoberfläche.With physical, biological / enzymatic or chemical methods become the test compounds on the linkers (principle 1) of the synthesis beads split off and then within the contact zones, mediated by Principle 2 and Principle 3, on the surface transferred to the test plate. Here, principle 2 ensures a specific and spatially resolved interaction of the test compounds with the test surface.
Der Oberflächen-Kontakt zwischen Trägerplatte, Trägerharz-Bead und Testplatte ist vom Material und der Größe der Synthese-Beads, dem verwendeten Medium sowie den Eigenschaften der Oberflächen und der Testumgebung, die vorzugsweise fallspezifisch aufeinander abgestimmt werden, bestimmt. Als Interaktionsprinzip (Prinzip 2) werden grundlegende chemische, physikalische und biologische, vorzugsweise kovalente, ionische, elektrostatische, adhesive oder Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen genutzt.The surface contact between the carrier plate, carrier resin bead and test plate is determined by the material and the size of the synthesis beads, the medium used and the properties of the surfaces and the test environment, which are preferably matched to each other case-specifically. As interaction principle (principle 2), basic chemical, physical and biological, preferably covalent, ionic, electrostatic, adhesive or ligand-receptor interactions are used.
Auf
der Testplatte entsteht nach Trennung von der Trägerplatte
ein stochastisches, in Relation zur Trägerplatte spiegelbildlich
angeordnetes Array von Testsubstanzen (
Darin liegen die Testverbindungen, bedingt durch den direkten Kontakt zwischen den Synthese-Beads und den Oberflächen und unter Nutzung der Prinzipien 2 und 3, in weitgehend singulären, homogenen Substanz-Spots vor. Die Verbindungen sind durch das auf den Assay angepasste biokompatible Übertragungsprinzip (Prinzip 2) in einheitlicher Ausrichtung auf der Unterlage fixiert und durch den auf den Assay angepassten biokompatiblen Spacer (Prinzip 3) räumlich voneinander sowie von der Unterlage getrennt.In this are the test compounds, due to the direct contact between the synthesis beads and the surfaces and under Use of principles 2 and 3, in largely singular, homogeneous substance spots. The connections are through the assay adapted biocompatible transfer principle (Principle 2) fixed in a uniform orientation on the substrate and by the biocompatible spacer adapted to the assay (Principle 3) spatially separated from each other and from the substrate.
Aufgrund der Beladung der Synthese-Beads mit mehreren Molekülen einer Testsubstanz können von einer Trägerplatte durch Wiederholung des Übertragungsprozesses mehrere identische Testplatten als Kopien hergestellt werden. Auch kann die übertragene Substanzmenge durch die Dauer und Intensität des Übertragungsprozesses gesteuert werden, was zur Herstellung von Konzentrationsreihen genutzt werden kann.by virtue of the loading of the multi-molecule synthesis beads a test substance can from a carrier plate by repeating the transfer process several identical Test plates are made as copies. Also, the transmitted Substance quantity through the duration and intensity of the transfer process controlled, which used for the production of concentration series can be.
Die geeigneten Nachweise zur Untersuchung der Interaktion der Testsubstanzen mit spezifischen Zielmolekülen, sogenannten Targets, die vorzugsweise aus nativen, modifizierten Zellen bzw. dem Diagnosematerial isoliert werden und sortenrein oder in Targetmischungen, löslich oder auf/in Zellen gebunden vorliegen, werden direkt auf der Testplatte durchgeführt.The appropriate evidence to study the interaction of the test substances with specific target molecules, so-called targets, the preferably from native, modified cells or the diagnostic material be isolated and sorted or in target mixtures, soluble or bound on / in cells are directly on the test plate carried out.
Die
Zuordnung von in den vorzugsweise medizinisch-biologischen oder
diagnostischen Tests positiv/negativ identifizierten Spots zu den
entsprechenden Testsubstanzen erfolgt mittels intelligenter Verfahren der
Mustererkennung. Dazu wird die Trägerplatte durch mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren übertragbare Marker
gekennzeichnet. Diese Marker sind vorzugsweise Trägerharz-Beads,
die mit Verbindungen beladen sind, die Fluoreszenz-Farbstoffe enthalten
sowie die Prinzipien 1 bis 3 aufweisen. Die Marker werden zusammen
mit dem Synthese-Bead-Gemisch auf die Trägerplatte aufgetragen.
Idealerweise sind die markierten Trägerharz-Beads stochastisch über
die gesamte Fläche der Trägerplatte verteilt.
Anhand der Überlagerung von aus mindestens 3 Punkten bestehenden
Marker-Mustern auf der Träger- und der Testplatte wird
eine exakte Bestimmung der Koordinaten sämtlicher Spots
auf den Platten und damit eine eineindeutige Zuordnung der einzelnen
Substanz-Spots auf den Testplatten zu den Synthese-Beads auf der
Trägerplatte möglich. Alternativ können
Markierungen oder eine Skala direkt auf den Platten angebracht werden.
Ein Beispiel für die spiegelbildliche Übertragung
des Marker-Musters von der Träger- auf die Testplatte sowie
ein mögliches Koordinatensystem zeigt
Mathematische Algorithmen zu Korrektur von Übertragungsfehlern, wie Verzerrungs-, Torsions- und Schrumpf-Effekten, können zur Verbesserung der Genauigkeit der Zuordnung benutzt werden.mathematical Algorithms for correcting transmission errors, such as distortion, Torsion and shrinkage effects, can help improve the accuracy of the assignment can be used.
Mit geeigneten Analysenmethoden, vorzugsweise Laserdesorption und Massenspektrometrie, können die entsprechend wirksamen Testsubstanzen durch Analyse der auf den positiv/negativ getesteten Trägerharz-Beads verbleibenden Testverbindungs-Moleküle identifiziert werden.With suitable analytical methods, preferably laser desorption and mass spectrometry, can the correspondingly effective test substances by Analysis of the on the positive / negative tested carrier resin beads remaining test compound molecules are identified.
Die Erfindung umfasst ferner Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es findet vor allem Einsatz bei der Durchführung von biochemischen und biologischen Testserien, bei denen die Wirkung einer großen Anzahl von Verbindungen, bevorzugt Peptide, Proteine und organische Moleküle, in möglichst einem Arbeitschritt vergleichend untersucht werden soll. Insbesondere in der Untersuchung der biologischen Aktivität spezifischer Testsubstanzen, in der Untersuchung zellbiologischer Proben, in Antikörpertests und in der medizinisch-biologischen Diagnostik liegen erfindungsgemäße Anwendungsfelder.The The invention also encompasses fields of application of the invention Process. It is mainly used in the implementation of biochemical and biological test series in which the effect of a large number of compounds, preferably peptides, proteins and organic molecules, in as much as one step to be examined comparatively. Especially in the investigation the biological activity of specific test substances, in the study of cell biological samples, in antibody tests and in medical-biological diagnostics are inventive Application fields.
In der Pharmazie eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren vor allem für die Untersuchung von Struktur-Wirkungs-Beziehungen im Rahmen der Wirkstoff-Entwicklung, wo die Interaktion einer großen Anzahl Testsubstanzen mit isolierten Targets, wie Zellen und Mikroorganismen, betrachtet wird.In pharmacy is the inventive Method especially for the study of structure-activity relationships in the context of drug development, where the interaction of a large Number of test substances with isolated targets, such as cells and microorganisms, is looked at.
Das erfindungsgemäße Verfahren der hier erstmals beschriebenen ortsaufgelösten Übertragung stochastisch angeordneter Arrays von Testsubstanzen ohne Pipettierschritte und apparatetechnischen Aufwand löst die Probleme nach dem Stand der Technik, die bei den bislang üblichen Methoden zur Präparation von Testumgebungen für Screening-Versuche und durch die Miniaturisierung medizinisch-biologischer Tests entstehen. Das betrifft sowohl die die Probleme der enormen Zunahme der erforderlichen Pipettierschritte mit der Zunahme der zu testenden Substanzen als auch das ungünstige Verhältnis von Oberfläche zu Volumen.The Inventive process of the invention first described here spatially resolved transmission of stochastically arranged Arrays of test substances without pipetting steps and apparatus engineering Effort solves the problems of the prior art that in the usual methods of preparation of test environments for screening experiments and by the Miniaturization of medical-biological tests arise. That concerns both the problems of enormous increase in the required pipetting steps with the increase in the substances to be tested as well as the unfavorable one Ratio of surface to volume.
Die Erfindung löst die oben genannten Probleme, indem stochastisch angeordnete Arrays von Testsubstanzen durch direkten Kontakt zwischen Synthese-Beads und vorzugsweise planaren Oberflächen hergestellt und übertragen werden. Es entstehen Arrays singulärer, jeweils aus Molekülen einer einzelnen Verbindung bestehender Substanz-Spots. Die Untersuchungen zur Interaktion der Testsubstanzen werden direkt auf der Testoberfläche durchgeführt. Auf diese Weise entfallen sämtliche Pipettierschritte zur Herstellung einer Testumgebung. Das bietet den Vorteil, dass die Anzahl der Arbeitsschritte für die Übertragung der Testverbindungen und damit der Zeitaufwand für die Präparation unabhängig von der Zahl der Testsubstanzen ist. Durch die idealerweise monomolekulare Beschichtung der Testplatte ist die Durchführung der Tests in einer Testebene möglich, was einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellt.The Invention solves the above problems by being stochastic Arranged arrays of test substances by direct contact between Synthesis beads and preferably prepared planar surfaces and transferred. Arrays emerge singular, each consisting of molecules of a single compound existing Substance spots. The studies on the interaction of the test substances are performed directly on the test surface. In this way, eliminates all pipetting for Production of a test environment. This offers the advantage that the Number of steps for the transfer the test compounds and thus the time required for the Preparation independent of the number of test substances is. By the ideally monomolecular coating of the test plate it is possible to carry out the tests in a test level, which is another advantage of the invention Represents process.
Nach der Präparation einer Trägerplatte können mehrere identische Testplatten mit sehr hoher Präzision hergestellt werden. Der zeitliche Aufwand für die Übertragung ist überschaubar. Der Übertragungsprozess an sich nimmt einen Zeitraum von ca. 20 s in Anspruch, unabhängig von der Zahl der Testsubstanzen und der Größe der Träger-/Testplatten.To the preparation of a carrier plate can several identical test plates with very high precision getting produced. The time required for the transfer is manageable. The transfer process itself takes a period of about 20 s, regardless on the number of test substances and the size the carrier / test plates.
Abhängig von der Größe der Trägerharz-Beads ist eine mit handelsüblichen Bio-Chips vergleichbare Beladung der Testoberflächen möglich. Beispielsweise konnten bei einem Bead-Durchmesser von 20 μm 250.000 Beads pro cm2 auf der Testplatte immobilisiert werden.Depending on the size of the carrier resin beads, a loading of the test surfaces comparable to commercial bio chips is possible. For example, with a bead diameter of 20 μm, 250,000 beads per cm 2 could be immobilized on the test plate.
Die räumliche Zuordnung der nach der Durchführung der medizinisch-biologischen oder diagnostischen Tests vorliegenden Spots zu den Trägerharz-Beads auf der Trägerplatte ist in Abhängigkeit vom Bead-Durchmesser mit einer Variabilität von weniger als mit 2 μm möglich.The spatial assignment of after implementation present the medical-biological or diagnostic tests Spots on the carrier resin beads on the carrier plate is variable depending on the bead diameter less than 2 μm possible.
Das Prinzip der stochastischen Verteilung der Testsubstanzen auf den Testplatten, der geringe Zeitaufwand und die Möglichkeit der Herstellung von Testplatten-Kopien ermöglichen es nunmehr, die Tests mit hoher Redundanz durchzuführen. Dies beinhaltet mit gegenüber Zufallseffekten oder Umgebungseinflüssen an einzelnen Molekülen oder Positionen der Testplatte sehr robusten Tests einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens.The Principle of the stochastic distribution of the test substances on the Test plates, the small amount of time and the opportunity the production of test plate copies now make it possible perform the tests with high redundancy. this includes with respect to random effects or environmental influences individual molecules or positions of the test plate very much robust tests another advantage of the invention Process.
Zudem können durch Wahl der Abspaltungsbedingungen Konzentrationsreihen erstellt werden.moreover can by selecting the Abspaltungsbedingungen concentration series to be created.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen ist somit sehr flexibel, robust und ohne technischen Aufwand durchführbar.The inventive method for the preparation of stochastically arranged arrays of test substances is thus very flexible, robust and feasible without technical effort.
Näheres zu besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen, wobei die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden individuellen Merkmale jeweils für sich und in beliebigen Kombinationen miteinander beansprucht sind. Die Ausführungsbeispiele sind rein illustrativ und schränken die Reichweite der Erfindung nicht ein.For details, to particularly preferred embodiments of the invention Method and other features and advantages of the invention from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the subclaims, wherein the above mentioned and to be explained below individual Features in each case and in any combination are claimed together. The embodiments are purely illustrative and limit the reach of Invention not a.
In den beiliegenden Abbildungen zeigt:In The attached figures show:
Ausführungsbeispieleembodiments
Beispiel A – Ausführung der PrinzipienExample A - Execution the principles
Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Synthese der Testverbindungen zusätzliche funktionelle Gruppen in die Molekülstruktur eingebaut, die die beschriebenen Prinzipien repräsentieren.For the realization of the method according to the invention become additional in the synthesis of the test compounds functional groups incorporated into the molecular structure, that represent the principles described.
Prinzip 1 – orthogonal spaltbarer LinkerPrinciple 1 - orthogonally cleavable left
Grundlage dieses Prinzips ist ein zu den Syntheseschritten orthogonal spaltbarer Linker. Der an die NH2-Funktionalität der Trägerharz-Beads angebundene Photolinker 4-Bromomethyl-3-nitrobenzoesäure bietet nach der Substitution mit Methylamin eine Amidgruppe für die Ankopplung und/oder Synthese der gewünschten Testsubstanzen.The basis of this principle is an orthogonally cleavable linker to the synthesis steps. The photolinker 4-bromomethyl-3-nitrobenzoic acid attached to the NH 2 functionality of the carrier resin beads offers, after the substitution with methylamine, an amide group for the coupling and / or synthesis of the desired test substances.
Hierfür wurde die klassische Festphasensynthese mit Fmoc- und Aloc-Schutzgruppenchemie angewandt. Die Seitenketten wurden zudem mit klassischen Aminosäureschutzgruppen wie Boc und tBu geschützt.Therefor became the classical solid-phase synthesis with Fmoc and Aloc-protecting group chemistry applied. The side chains were also provided with classical amino acid protecting groups like Boc and tBu protected.
Nach vollendeter Synthese und dem Aufbringen der Bead-Monolayer auf die Trägerplatte wurde das Synthesekonjugat durch UV-Bestrahlung gezielt freigesetzt. Mit der Bestrahlungsdauer, der Wellenlänge und der Intensität des verwendeten UV-Lichts konnte die Menge des pro Synthese-Bead freigesetzten synthetischen Konjugates beeinflusst werden.To completed synthesis and the application of the bead monolayer on the Support plate became the synthesis conjugate by UV irradiation deliberately released. With the irradiation time, the wavelength and the intensity of the UV light used could Amount of synthetic conjugate released per synthesis bead to be influenced.
Der verwendete Photolinker war während der Synthese stabil. Die Photolyse hinterließ eine Methylamid-Gruppe am synthetischen Konjugat, die die vorzugsweise medizinisch-biologischen Tests nicht beeinflusste.Of the used photolinker was stable during synthesis. Photolysis left a methylamide group on the synthetic one Conjugate that does not have the preferably medical-biological tests affected.
Die
Syntheseschemata zur Anbindung des Photolinkers an die Trägerharz-Beads
sowie zum Abspaltungsmechanismus sind in
Prinzip 2 – ÜbertragungsprinzipPrinciple 2 - Transmission principle
Grundlage dieses Prinzips ist eine übertragende und verankernde funktionelle Gruppe im Synthesekonjugat, die stets an die Testumgebung und die Funktionalisierung der Testoberfläche angepasst wird. Vorzugsweise verwendet man grundlegende chemische und physikalische Interaktionen wie hydrophobe oder elektrostatische Wechselwirkungen, kovalente oder ionische Bindungen, Photoaffinität oder biologische Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen.basis this principle is a functional and functional transferring and anchoring Group in the synthesis conjugate always to the test environment and the Functionalization of the test surface is adjusted. Preferably you use basic chemical and physical interactions such as hydrophobic or electrostatic interactions, covalent or ionic bonds, photoaffinity or biological Ligand-receptor interactions.
In
dem dargestellten Beispiel wurden die Testsubstanzen durch Anbindung
von Pam3Cys-OH (
Die gegenseitigen Anziehungskräfte waren so stark, dass die Substanz-Schicht auf der Testplatte in wässrigen Lösungen stabil war. Nur mit lipidlösenden organischen Lösungsmitteln, wie Dichlormethan, lässt sich diese Verankerung wieder lösen.The mutual attractions were so strong that the Substance layer on the test plate in aqueous solutions was stable. Only with lipid-dissolving organic solvents, Like dichloromethane, this anchorage can be restored to solve.
Prinzip 3 – biokompatibler SpacerPrinciple 3 - biocompatible spacer
Prinzip 3 besitzt als Spacer zwei funktionelle Eigenschaften. Einerseits soll es die lipophile Pam3Cys-Gruppe (stellvertretend für alle Konjugate aus Prinzip 2) räumlich vom biologisch aktiven Teil des Synthesekonjugates trennen. Damit wird der Einfluss der Eigenschaften des Grundkonjugates, wie die aufgrund des Prinzips 2 stark reduzierte Wasserlöslichkeit der Testsubstanzen oder Toxizitätseffekte, auf die Testergebnisse minimiert. Andererseits soll es die gegenseitige Ausrichtung der Gesamtkonjugate auf der Testoberfläche unterstützen. Als biokompatibler Spacer wurde das Pentapeptid Serin-Lysin-Lysin-Lysin-Lysin verwendet. Als seitliche Verlängerung des am Photolinker angekoppelten Lysins wurden 2 Moleküle β-Alanin angebunden. Im weiteren wurden an dieser Funktionalität die biologisch aktiven Konjugate synthetisiert.Principle 3 has two functional properties as a spacer. On the one hand, it should spatially separate the lipophilic Pam 3 Cys group (representative of all conjugates of Principle 2) from the biologically active part of the synthesis conjugate. Thus, the influence of the properties of the basic conjugate, such as the greatly reduced water solubility of the test substances or toxicity effects due to the principle 2, is minimized to the test results. On the other hand, it should support the mutual alignment of the total conjugates on the test surface. The biocompatible spacer used was the pentapeptide serine-lysine-lysine-lysine-lysine. Two molecules of β-alanine were attached as a lateral extension of the lysine coupled to the photolinker. Furthermore, the biologically active conjugates were synthesized using this functionality.
Hieraus
ergab sich das in
Die biologisch aktiven Konjugate konnten mit üblicher Festphasensynthese hergestellt werden. Aufgrund der Prinzipien 1 bis 3 verhielten sich alle Gesamtkonjugate bei der Übertragung der Arrays von der Trägerplatte zur Testplatte, unabhängig von der individuellen Testsubstanz, ähnlich. Zudem sorgte die positive Ladung der Lysine für eine erhöhte Wasserlöslichkeit und die gegenseitige ionische Abstoßung der einzelnen Konjugate.The biologically active conjugates could be prepared by conventional solid-phase synthesis getting produced. Due to the principles 1 to 3 behaved all the total conjugates in the transmission of the arrays of the carrier plate to the test plate, regardless of the individual test substance, similar. In addition, the worried positive charge of lysine for increased water solubility and the mutual ionic repulsion of the individual conjugates.
Beispiel B – Festphasensynthese eines GrundkonjugatesExample B - Solid Phase Synthesis a basic conjugate
Das Trägerharz TentaGel S-NH2 wurde mit dem Photolinker 4-Bromomethyl-3-nitrobenzoesäure beladen (Schritt 1) und mit Methylamin substituiert (Schritt 2).The carrier resin TentaGel S-NH 2 was charged with the photolinker 4-bromomethyl-3-nitrobenzoic acid (step 1) and substituted with methylamine (step 2).
Anschließend
wurde der Spacer durch schrittweise Ankopplung von Fmoc-Lys(Aloc)-OH,
3 Molekülen Fmoc-Lys(Boc)-OH und Fmoc-Ser(tBu)-OH, jeweils
nach Abspaltung der Fmoc-Schutzgruppe, aufgebaut (Schritte 3 und
4). Nach erneuter Abspaltung der Fmoc-Schutzgruppe wurde das Pam3Cys-OH als lipophile Gruppe angebunden.
Das entstandene Grundkonjugat zeigt
Nach
Abspaltung der Aloc-Schutzgruppe (Schritt 5) des ersten Lysins wurden
2 Moleküle Fmoc-β-Alanin-OH sowie die biologisch
aktive Testverbindung in der Seitenkette angebunden. Die
Die nach der Trennung vom Trägerharz (Schritt 7) resultierende Verbindung wies hydrophobe Eigenschaften mit einer dennoch guten Wasserlöslichkeit von mindestens 1 mg/ml auf.The after separation from the carrier resin (step 7) resulting Compound showed hydrophobic properties with nevertheless good Water solubility of at least 1 mg / ml.
Der Erfolg der einzelnen Syntheseschritte wurde mittels HPLC-ESI-MS überprüft. Dazu wurden jeweils Proben des mit dem Zwischenprodukt beladenen Trägerharzes entnommen und alle Schutzgruppen abgespalten (Schritt 6). Das Synthesekonjugat wurde photochemisch vom Trägerharz getrennt (Schritt 7) und das Zwischenprodukt analysiert.Of the Success of the individual synthesis steps was checked by means of HPLC-ESI-MS. For this purpose, in each case samples of the loaded with the intermediate product Removed carrier resin and split off all protective groups (Step 6). The synthesis conjugate became photochemically from the carrier resin separated (step 7) and the intermediate analyzed.
Die einzelnen Syntheseschritte sind im Folgenden detailliert beschrieben. Alle angegebenen Mengen beziehen sich auf eine Ausgangsmenge von 1 g Trägerharz.The individual synthesis steps are described in detail below. All stated amounts refer to a starting amount of 1 g of carrier resin.
Schritt 1 – Anbindung des Photolinkers
an das Trägerharz (
1 g TentaGel S-NH2-Harz (Rapp Polymere GmbH; Beladungskapazität 0,25 mmol/g; Durchmesser 20 μm) wurde 4-mal mit je 5 ml DMF gewaschen.1 g of TentaGel S-NH 2 resin (Rapp Polymere GmbH, loading capacity 0.25 mmol / g, diameter 20 μm) was washed 4 times with 5 ml of DMF each time.
4-Bromomethyl-3-nitrobenzoesäure (3 Equiv.; 0,195 g; 0,75 mmol) und HOBt·H2O (3 Equiv.; 0,115 g; 0,75 mmol) wurden in 12,5 ml DMF gelöst, DIC (3 Equiv.; 1,16 ml; 7,5 mmol) wurde zugegeben und die Lösung 30 min bei Raumtemperatur gerührt.4-Bromomethyl-3-nitrobenzoic acid (3 equiv, 0.195 g, 0.75 mmol) and HOBt · H 2 O (3 equiv; 0.115 g, 0.75 mmol) were dissolved in 12.5 ml of DMF, DIC ( 3 equiv; 1.16 ml; 7.5 mmol) was added and the solution was stirred at room temperature for 30 min.
Anschließend wurde die Lösung zu dem gewaschenen Harz gegeben und die Mischung mindestens 16 h bei Raumtemperatur geschüttelt.Subsequently The solution was added to the washed resin and the Shake mixture for at least 16 h at room temperature.
Das Harz wurde abfiltriert, gewaschen (je 6 × 5 ml DMF, DCM, MeOH) und unter Vakuum getrocknet.The Resin was filtered off, washed (6 × 5 ml DMF, DCM, MeOH) and dried under vacuum.
Die Vollständigkeit der Reaktion wurde mit dem Kaiser-Ninhydrin-Test überprüft.The Completeness of the reaction was checked with the Kaiser-ninhydrin test.
Schritt 2 – Methylamidierung
des Photolinkers (
Zu dem getrockneten Harz wurden 8 ml trockenes DMSO und anschließend 8 M Methylamin in EtOH (20 Equiv.; 0,575 ml; 4,6 mmol) gegeben. Die Mischung wurde 3–3,5 h bei Raumtemperatur geschüttelt.To To the dried resin was added 8 ml of dry DMSO and then Add 8M methylamine in EtOH (20 equiv; 0.575 mL, 4.6 mmol). The mixture was shaken for 3-3.5 h at room temperature.
Das Harz wurde abfiltriert und gewaschen (3 × 8 ml DMSO, 6 × 8 ml DMF, 6 × 8 ml DCM, 6 × 8 ml MeOH, 3 × 8 ml DMF).The Resin was filtered off and washed (3 x 8 ml DMSO, 6 x 8 ml DMF, 6 x 8 ml DCM, 6 x 8 ml MeOH, 3 x 8 ml of DMF).
Der Chloranil-Test war positiv.Of the Chloranil test was positive.
Schritt 3 – Anbindung von Fmoc-Aminosäuren
(
3 Equiv. einer Fmoc-Aminosäure oder einer anderen Verbindung mit einer Carboxyl-Gruppe, wie z. B. Pam3Cys-OH, und HOBt·H2O (3 Equiv.; 0,115 g; 0,75 mmol) wurden in 8 ml DMF gelöst und DIC (3 Equiv.; 1,16 ml; 7,5 mmol) wurde zugegeben. Im Falle des Pam3Cys-OH wurde eine Mischung aus DCM und DMF (1:1 v:v) verwendet, um die Löslichkeit zu verbessern.3 Equiv. a Fmoc amino acid or other compound having a carboxyl group, such as. PAM 3 Cys-OH, and HOBt · H 2 O (3 equiv, 0.115 g, 0.75 mmol) were dissolved in 8 mL of DMF and DIC (3 equiv; 1.16 mL, 7.5 mmol). was added. In the case of Pam 3 Cys-OH, a mixture of DCM and DMF (1: 1 v: v) was used to improve solubility.
Die Lösung wurde zu dem Harz gegeben und die Mischung mindestens 45 min, bei längerkettigen oder schlecht löslichen Aminosäuren mindestens 3 h, geschüttelt.The Solution was added to the resin and the mixture at least 45 min, for longer-chained or poorly soluble Amino acids at least 3 h, shaken.
Das Harz wurde abfiltriert und mit 8 × 8 ml DMF gewaschen.The Resin was filtered off and washed with 8x8 ml of DMF.
Der Chloranil-Test war negativ.Of the Chloranil test was negative.
Schritt 4 – Abspaltung der Fmoc-Schutzgruppen
(
Eine Lösung aus Piperidin in DMF (8 ml; 30% v:v) wurde zu dem Harz gegeben und die Mischung 20 min geschüttelt.A Solution of piperidine in DMF (8 ml, 30% v: v) became the Add the resin and shake the mixture for 20 minutes.
Das Harz wurde abfiltriert, 1-mal mit 8 ml DMF gewaschen und nochmals für 15 min mit einer Lösung aus Piperidin in DMF (8 ml; 30% v:v) geschüttelt.The Resin was filtered off, washed once with 8 ml of DMF and again for 15 min with a solution of piperidine in DMF (8 ml, 30% v: v) shaken.
Das Harz wurde abfiltriert und mit 6 × 8 ml DMF gewaschen.The Resin was filtered off and washed with 6 x 8 ml of DMF.
Die Vollständigkeit der Reaktion wurde mit dem Kaiser-Ninhydrin-Test überprüft. Bei negativem Testergebnis wurde die Abspaltung mit doppelter Inkubationszeit wiederholt.The Completeness of the reaction was checked with the Kaiser-ninhydrin test. In the case of a negative test result, the cleavage was done with twice the incubation time repeated.
Schritt 5 – Abspaltung der Aloc-SchutzgruppenStep 5 - Cleave the Aloc-protecting groups
Pd(PPh3)4 (1,1 Equiv.) wurde in 10 ml DCM mit 5% Essigsäure und 2,5% Morpholin gelöst.Pd (PPh 3 ) 4 (1.1 equiv.) Was dissolved in 10 ml DCM with 5% acetic acid and 2.5% morpholine.
Die Lösung wurde zu dem 5-mal mit DCM gewaschenen Harz gegeben und die Mischung mindestens 6 h geschüttelt.The Solution was added to the resin washed 5 times with DCM and shake the mixture for at least 6 hours.
Das Harz wurde abfiltriert und je 5-mal mit DCM mit 5% Essigsäure, reinem DCM, DMF und DCM gewaschen.The Resin was filtered off and 5 times each with DCM with 5% acetic acid, washed pure DCM, DMF and DCM.
Die Vollständigkeit der Reaktion wurde mit dem Kaiser-Ninhydrin-Test überprüft.The Completeness of the reaction was checked with the Kaiser-ninhydrin test.
Schritt 6 – Abspaltung der Boc- und SeitengruppenStep 6 - Splitting the Boc and page groups
8 ml einer Lösung aus 95% TFA und 5% H2O (v:v) wurden zu dem Harz gegeben und die Mischung 40–60 min geschüttelt.8 ml of a solution of 95% TFA and 5% H 2 O (v: v) was added to the resin and the mixture was shaken for 40-60 min.
Das Harz wurde abfiltriert und mit 8 × 8 ml DMF gewaschen.The Resin was filtered off and washed with 8x8 ml of DMF.
Die Vollständigkeit der Reaktion wurde mit dem Kaiser-Ninhydrin-Test überprüft.The Completeness of the reaction was checked with the Kaiser-ninhydrin test.
Schritt 7 – Photochemische Abspaltung
vom Trägerharz (
Zur Überprüfung der Synthese wurden jeweils 5 mg Harz entnommen und in 1 ml 80% tert. Butylalkohol/Wasser aufgenommen. Die Mischung wurde 10 min geschüttelt und abfiltriert.For checking 5 mg of resin were taken from the synthesis in each case and 80% in 1 ml. tert. Butyl alcohol / water added. The mixture was 10 min shaken and filtered off.
Anschließend wurde nochmals 1 ml 80% tert. Butylalkohol/Wasser zugegeben. Nun wurde die Mischung für 90 min mit UV-Licht der Wellenlänge 365 nm bestrahlt und anschließend abfiltriert.Subsequently was again 1 ml of 80% tert. Butyl alcohol / water added. Now was the mixture for 90 min with UV light of the wavelength Irradiated 365 nm and then filtered off.
Die Bestrahlung wurde nach nochmaliger Zugabe von 1 ml 80% tert. Butylalkohol/Wasser mit einer Belichtungszeit von 30 min wiederholt und das Harz anschließend abfiltriert.The Irradiation was tert after further addition of 1 ml of 80% tert. Butyl alcohol / water repeated with an exposure time of 30 minutes and then the resin filtered off.
Das Harz wurde mit 400 μl Ethanol gemischt und nach 3 min Inkubationszeit abfiltriert.The Resin was mixed with 400 μl ethanol and after 3 minutes incubation time filtered off.
Die Filtrate aller Schritte der UV-Bestrahlung wurden vereinigt, schockgefroren und lyophilisiert.The Filtrates of all steps of UV irradiation were combined, snap frozen and lyophilized.
Das erhaltene farblose Pulver wurde für die weiteren Untersuchungen verwendet.The colorless powder obtained was for further study used.
Beispiel C – Kopplung des Grundkonjugates mit BiotinExample C - coupling of the basic conjugate with biotin
An das gemäß Ausführungsbeispiel B hergestellte Grundkonjugat wurde Biotin, stellvertretend für verschiedene potentiell bioaktive Verbindungen, angebunden und das Reaktionsprodukt analytisch untersucht.At that produced according to embodiment B. Basic conjugate was biotin, representative of various potentially bioactive compounds, attached and the reaction product analyzed analytically.
Durchführung der KopplungsreaktionCarrying out the coupling reaction
Für
die Synthese wurden 50 mg des mit dem Grundkonjugat beladenen Harzes
(
Als Spacer-Seitenkette wurden 2 Moleküle β-Alanin und 2 Moleküle ε-Aminocapronsäure an das Aloc-geschützte Lysin und anschließend das Biotin angekoppelt. Danach wurden alle Schutzgruppen abgespalten (Schritte 3 bis 6 in Ausführungsbeispiel B).When Spacer side chain were 2 molecules of β-alanine and 2 molecules of ε-aminocaproic acid the Aloc-protected lysine and then the Biotin coupled. Afterwards all protecting groups were split off (Steps 3 to 6 in Embodiment B).
10 mg des mit dem Syntheseprodukt beladenen Trägerharzes wurden für die folgende photochemische Abspaltung eingesetzt. Dabei wurde die Abspaltungsprozedur in Abweichung zu Schritt 7 in Ausführungsbeispiel B 4-mal wiederholt.10 mg of the carrier resin loaded with the synthesis product used for the following photochemical cleavage. The cleavage procedure was different from step 7 in Example B repeated 4 times.
Analyse des ReaktionsproduktesAnalysis of the reaction product
Ein Teil der resultierenden 3,2 mg der Testverbindung Pam3Cys-SK3K(βA-βA-Aca-Aca-Biotin)-NCH3 wurde in Wasser gelöst und mittels HPLC-ESI-MS analysiert.A portion of the resulting 3.2 mg of the test compound Pam 3 Cys-SK 3 K (βA-βA-Aca-Aca-biotin) -NCH 3 was dissolved in water and analyzed by HPLC-ESI-MS.
In
dem in
Wie aus dem Massenspektrum erkennbar ist, stellt die Zielverbindung das Hauptprodukt dar.As can be seen from the mass spectrum, provides the target compound the main product.
Beispiel D – Kopplung des Grundkonjugates mit einer chemischen BibliothekExample D - Coupling of the basic conjugate with a chemical library
Nach
dem Split-and-Mix-Prinzip wurde auf das Grundkonjugat (
8
mg dieser Bibliothek wurden mittels photochemischer Abspaltung freigesetzt
und aufkonzentriert. Die erhaltenen Massenspektren (
Beispiel E – Herstellung einer Trägerplatte mit einer Bead-MonolayerExample E - Production a carrier plate with a bead monolayer
Ausgangspunkt für den ortsaufgelösten Übertragungsprozess der Testsubstanzen ist die Fixierung der Synthese-Beads auf einer Trägerplatte, idealerweise in einer Monolayer.starting point for the spatially resolved transmission process The test substances is the fixation of the synthesis beads on one Carrier plate, ideally in a monolayer.
Als Trägerplatte wurde ein Kunststoff-Polymer verwendet, auf das eine dünne, nur wenige Mikrometer dicke, UV-durchlässige sowie erwiesenermaßen biologisch inaktive Klebstoffschicht aufgebracht wurde.When Support plate was a plastic polymer used on a thin, only a few microns thick, UV-permeable and proven biologically inactive adhesive layer was applied.
Um eine Bead-Monolayer herzustellen, benötigt man 4 Teilschritte, die im Folgenden beschrieben sind.Around To make a bead monolayer, you need 4 sub-steps, which are described below.
Spezifizierung der BeadsSpecification of the beads
Die Trägerharz-Beads besitzen im trockenen, ungequollenen Zustand eine einheitliche Größe von 20 μm im Durchmesser. In einem Gramm trockenem Material sind 240 Millionen Beads enthalten. Die mittlere Beladung des Trägerharzes beträgt 240 μmol pro g. Dies entspricht einer Ladungskapazität von ca. 1 pmol bzw. 6·10–11 Molekülen pro Bead.The carrier resin beads have a uniform size of 20 μm in diameter in the dry, unswollen state. One gram of dry material contains 240 million beads. The average loading of the carrier resin is 240 μmol per g. This corresponds to a charge capacity of about 1 pmol or 6 x 10 -11 molecules per bead.
Alle Trägerharz-Beads besitzen eine einheitliche Struktur, Größe, Form, Beladung und Funktionalisierung. Im folgenden wird eine NH2-Funktionalisierung der Beads verwendet.All carrier resin beads have a uniform structure, size, shape, loading and functionalization. In the following, an NH 2 -functionalization of the beads is used.
Vereinzeln der BeadsSeparating the beads
Um aus dem Bead-Pulver die Trägerharz-Partikel zu einer Monolayer auf der Trägerplatte formen zu können, ist es unabdingbar, diese zuvor zu vereinzeln, da bei der Synthese gelegentlich Verklebungen auftreten.Around from the bead powder, the carrier resin particles to a monolayer Being able to shape it on the carrier plate is what it is indispensable to separate these before, since in the synthesis occasionally Adhesions occur.
Hierfür wurden die Beads in 60°C warmem tert. Butylalkohol aufgenommen, für 20 min mit Ultraschall behandelt und anschließend für weitere 20 min geschüttelt, wobei die Temperatur stets über 40°C gehalten wurde.Therefor the beads were heated in 60 ° C tert. Butyl alcohol added, sonicated for 20 min and then Shaken for another 20 min, taking the temperature was always kept above 40 ° C.
Waren die Beads im Pulver noch nicht genügend vereinzelt, wurden sie 1 h in n-Methyl-pyrrolidinon geschüttelt und danach 3-mal mit Diethylether gewaschen. Anschließend wurden sie wieder in 60°C warmer tert. Butylalkohol aufgenommen und die ursprüngliche Prozedur wiederholt.Were the beads in the powder were not isolated enough, were shaken for 1 h in n-methyl-pyrrolidinone and then Washed 3 times with diethyl ether. Then they became again in 60 ° C warmer tert. Butyl alcohol added and the original procedure is repeated.
Die Lösung mit den vereinzelten Beads wurde durch flüssigen Stickstoff schockgefroren und bei –80°C und 0,5 mbar Druck lyophilisiert.The Solution with the isolated beads was by liquid Nitrogen flash frozen and stored at -80 ° C and 0.5 mbar pressure lyophilized.
Es blieb ein feines Pulver zurück, welches weniger als 0,5‰ nichtvereinzelte Beads enthielt.It remained a fine powder, which did not singulate less than 0.5 ‰ Contained beads.
Aufbringen der Beads auf die TrägerplatteApply the beads to the support plate
Für diesen Teilschritt können alternativ drei verschiedene Beschichtungstechniken verwendet werden.For this sub-step can alternatively be three different ones Coating techniques are used.
Bei der Pulverbeschichtung wurde die Trägerplatte mit der Klebstoffschicht nach unten im oberen Teil einer Beschichtungskammer montiert. Ein von unten in die Beschichtungskammer eintretender Gasstrahl verwirbelte die dort am Boden liegenden Beads und trug sie zur Trägerplatte, wo sie haften blieben. Sobald die Klebstoffschicht bedeckt war, hafteten keine weiteren Beads mehr an der Trägerplatte. Es bildete sich vornehmlich eine Monolayer aus. Bei der Tauchbeschichtung wurden die Beads auf die Klebstoffschicht der Trägerplatte gestreut, bzw. die Trägerplatte wurde in die Beads getaucht. An dem Klebstofffilm blieben nur Beads haften, die direkten Kontakt mit der Trägerplatte hatten. Eine Monolayer entstand. Überschüssiges Material wurde durch Abstreichen, Abpinseln bzw. Abblasen mit einem Gasstrahl entfernt.at the powder coating became the carrier plate with the adhesive layer mounted down in the upper part of a coating chamber. One from the bottom into the coating chamber entering gas jet swirled the beads lying there on the ground and carried them to the carrier plate, where they stuck. Once the adhesive layer was covered, no further beads adhered to the support plate. It formed mainly a monolayer. For dip coating the beads were placed on the adhesive layer of the carrier plate scattered, or the support plate was immersed in the beads. On the adhesive film remained only beads adhere, the direct contact had with the carrier plate. A monolayer was created. excess Material was removed by wiping, brushing or blowing off with a Gas jet removed.
Bei der Zentrifugalbeschichtung wurde die Trägerplatte zusammen mit den Beads in die Beschichtungskammer gegeben. Die Beschichtungskammer wurde so in eine Zentrifuge eingelegt, dass die Beads durch die Zentrifugalkraft in die Klebstoffschicht der Trägerplatte gedrückt wurden. Danach wurde die Beschichtungskammer umgedreht, sodass durch die bei der erneuten Zentrifugation entstehenden Fliehkräfte die überschüssigen Beads von der Trägerplatte entfernt wurden. Abstand und Drehzahl wurden jeweils so gewählt, dass die Beads fest in die Klebstoffschicht eingedrückt bzw. nicht wieder aus dieser herausgelöst wurden. Zurück blieb eine Monolayer.at the centrifugal coating was the support plate together with the beads in the coating chamber. The coating chamber was inserted into a centrifuge so that the beads through the Centrifugal force in the adhesive layer of the carrier plate were pressed. Thereafter, the coating chamber was turned over, so that by centrifugal forces arising during centrifugation again the excess beads from the backing plate were removed. Distance and speed were each chosen so that the beads are pressed firmly into the adhesive layer or were not removed from this again. Back remained a monolayer.
Immobilisierung der Beads auf der TrägerplatteImmobilization of the beads on the carrier plate
Mikroskopische Aufnahmen der beschichteten Trägerplatten zeigten noch einige Bead-Cluster und Überlagerungen. Außerdem waren die Beads noch nicht genügend fixiert. Deshalb erfolgte als nächster Schritt das Kämmen.microscopic Images of the coated carrier plates still showed some bead clusters and overlays. Furthermore the beads were not fixed enough. That's why the next step is combing.
Dazu wurde ein Metallgrat in einem spitzen Winkel zur Zugrichtung über die Oberfläche der Bead-beschichteten Trägerplatte gezogen. Hierbei war die Spitze des Grates so zu führen, dass die darunter liegenden Beads in die Klebstoffschicht hineingedrückt wurden. Durch die Ziehbewegung ordneten sich die Beads zu einer dichten Lager, Fehlstellen in der Schicht wurden geschlossen.To a metal ridge turned over at an acute angle to the pulling direction the surface of the bead-coated carrier plate drawn. Here, the top of the ridge was so lead that the underlying beads pressed into the adhesive layer were. By pulling the beads arranged themselves to a tight bearings, defects in the layer were closed.
Entfernung nicht fixierter und/oder hinausragender BeadsRemoval of unfixed and / or protruding Beads
Im zweiten Schritt des Kämmens wurde der Grat in einem stumpfen Winkel zur Zugrichtung auf der Trägeroberfläche angesetzt. Hierdurch wurden überstehende Beads, nicht fest haftende Bruchstücke und Bead-Cluster angehoben und aus der Beschichtung entfernt.in the second step of combing, the ridge became dull in one Angle to the direction of pull on the carrier surface stated. As a result, supernatant beads, not solid sticking fragments and bead clusters raised and out the coating removed.
Abschließend wurde die Trägeroberfläche mit Druckluft abgeblasen, um Bruchstücke und Staub zu entfernen.Finally the carrier surface was blown off with compressed air, to remove debris and dust.
Es entstand eine Monolayer, die nahezu keine überstehenden Beads oder Cluster mehr enthielt.It created a monolayer, which almost no protruding Beads or clusters contained more.
Vergleich der BeschichtungstechnikenComparison of coating techniques
Mit
allen drei Beschichtungstechniken konnte eine Bead-Monolayer erreicht
werden. Pulverbeschichtung und Tauchbeschichtung zeigen nach dem
Kämmen nahezu ideale Schichten (
Die Größe der Trägerplatte kann bei allen drei Techniken prinzipiell beliebig gewählt werden.The Size of the backing plate can be at all principle, three techniques can be chosen arbitrarily.
Beispiel F – Übertragung eines stochastisch angeordneten Arrays von Testsubstanzen auf die TestplatteExample F - Transmission a stochastically arranged array of test substances on the test drive
Die
hier beispielhaft verwendeten Screening-Verbindungen waren über
den photochemisch spaltbaren Linker 4-Bromomethyl-3-nitrobenzoesäure
an den NH2-funktionalisierten Trägerharz-Beads
verankert. Als bioinerter Spacer wurde das Pentapeptid Serin-Lysin-Lysin-Lysin-Lysin
mit einer β-Alanin-β-Alanin-Seitenkette und als
lipohile Gruppe Pam3Cys-OH verwendet (
Die
beschichtete Seite der entsprechend Ausführungsbeispiel
E präparierten Trägerplatte, die auf einer Fläche
von 25 × 74 mm ca. 4 Millionen Beads trug (
Durch
Einstrahlung von UV-Licht (365 nm) wurde der Photolinker gespalten.
Die vom Trägerharz getrennten Testverbindungen diffundierten
durch die feuchte Quellschicht der Beads (
Nach
der Entfernung der Trägerplatte verblieb pro Synthese-Bead
ein isolierter Substanz-Spot, der ausschließlich Moleküle
einer Testverbindung enthielt (
Unter den gewählten Reaktionsbedingungen (Bestrahlungs- und Verweilzeiten) war der Abspaltungs- und Übertragungsprozess nicht vollständig. Es verblieb deshalb noch genügend synthetisches Konjugat der Testverbindungen an den Beads. Somit konnte eine Trägerplatte durch Wiederholung des Prozesses zur Herstellung mehrerer identischer Testplatten (Kopien) verwendet werden.Under the selected reaction conditions (irradiation and residence times) the spin-off and transfer process was not complete. There remained therefore still enough synthetic conjugate the test compounds on the beads. Thus could a carrier plate by repeating the process of making several identical ones Test plates (copies) can be used.
Beispiel G – Evaluierung des TransfersExample G - Evaluation of the transfer
Transfer von FluorophorenTransfer of fluorophores
Für
die interne Kontrolle des Transfers und der Zuordnung von Spot-Mustern
wurden auf dem Grundkonjugat (
Die fluoreszierenden Beads wurden, wie in Ausführungsbeispiel E beschrieben, auf eine Trägerplatte aufgebracht. Davon wurden nach den Methoden von Ausführungsbeispiel F drei nahezu identische Testplatten hergestellt.The were fluorescent beads, as in the embodiment E, applied to a carrier plate. From that were three according to the methods of embodiment F produced almost identical test plates.
Um die Zuordnung des Spot-Musters der Schicht zu dem Bead-Muster der Trägerplatte zu erleichtern, wurde keine dichte Monolayer aufgetragen.Around the assignment of the spot pattern of the layer to the bead pattern of the To facilitate carrier plate, was no dense monolayer applied.
Die
eineindeutige Zuordnung der einzelnen Spots war innerhalb einer
Variationsbreite von maximal 1 μm möglich. Auch
Torsions-Effekte konnten korrigiert werden. Lediglich Verformungen
der Testplatten führten zu geringfügigen Abweichungen
(
Einfluss von Bindungs-Reaktionen auf der TestoberflächeInfluence of binding reactions on the test surface
Zur Kontrolle der Stabilität des Spot-Musters auf den Testplatten während der medizinisch-biologischen Tests wurde ein weiterer Versuch durchgeführt. Dafür wurde ein stochastisch angeordnetes Array aus nicht beladenen, mit Carboxyfluorescein und mit Biotin beladenen Trägerharz-Beads nach den Methoden von Ausführungsbeispiel E auf eine Trägerplatte aufgetragen. Davon wurden drei identische Testplatten nach den Methoden von Ausführungsbeispiel F hergestellt.to Check the stability of the spot pattern on the test plates during the medical-biological tests was another Trial performed. This was a stochastic arranged array of unloaded, with carboxyfluorescein and loaded with biotin carrier resin beads by the methods of embodiment E on a support plate applied. Of these, three identical test plates were prepared by the methods made of embodiment F.
Auf den Testoberflächen wurde eine Bindungsreaktion mit einem Fluoreszenz-markierten Streptavidin durchgeführt. Die Spot-Muster aller vier Platten wurden anschließend verglichen. Nach Korrektur der Torsions- und Verzerrungs-Effekte war eine Zuordnung der Spots mit einer Variationsbreite von maximal 2 μm möglich.On The test surfaces were given a binding reaction with a Fluorescence-labeled streptavidin performed. The spot pattern all four plates were then compared. To Correction of the torsion and distortion effects was an assignment Spots with a maximum variation of 2 μm possible.
Somit konnte gezeigt werden, dass die nach dem Transfer des Arrays durchgeführte Bindungsreaktion keinen Einfluss auf die Stabilität des Spot-Musters auf der Testplatte hatte. Einzelne nachgewiesene Übertragungsfehler sind aufgrund der redundanten Information aus dem stochastischen Array unproblematisch.Consequently could be shown that performed after the transfer of the array Binding reaction does not affect the stability of the Had spot pattern on the test plate. Single proven transmission errors are due to the redundant information from the stochastic Array unproblematic.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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