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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Behandlung von Polymeren,
die auf elektrochemischem Weg synthetisiert wurden, im Hinblick
auf ihre Verwendung zum Aufbau von adressierten Matrices.
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Die
Konstruktion bzw. der Aufbau von Matrices auf Verbindungen, die
eine Affinität
für biologische
Produkte haben, zum Beispiel Matrices aus Peptiden, Oligonukleotiden
usw., kann auf mehrere Arten verwirklicht werden. Im Prinzip wurden
drei Verfahren beschrieben: die photochemisch gesteuerte Abscheidung
[FODOR S. et al., Science, 251, 767–773 (1991)], die mechanische
Abscheidung [KHRAPKO K. R. et al., DANN Sequencing and Mapping,
1, 375–338
(1991)] oder die elektrochemisch gesteuerte Abscheidung [internationale PCT-Anmeldung,
veröffentlicht
unter der Nummer WO 94/22889; LIVACHE et al., Nucl. Acids. Res.
22, 15, 2615–2921
(1994)].
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Die
Abscheidungen von Oligonukleotiden auf den verschiedenen Punkten
des Trägers
können
entweder durch Nukleotidsynthese in situ [FODOR S. et al.; PCT-Anmeldung
WO 94/22889] oder durch sukzessive Fixierungen von Oligonukleotiden,
die vorher synthetisiert wurden [FODOR S. et al.,; KHRAPKO K. R.
et al.; PCT-Anmeldung WO 94/22889], durchgeführt werden.
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Im
ersten Fall nimmt man ein Waschen der gesamten Trägeroberfläche nach
jeder Nukleotidaddition vor. Dieses Waschen dient einfach dazu,
den auf dem Träger
vorhandenen Reagenzüberschuss
zu eliminieren; das hat nichts mit der Natur des Trägers zu
tun.
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Im
zweiten Fall (sukzessive Fixierungen von Oligonukleotiden) wurden
zwei Behandlungstypen beschrieben; bestimmte Autoren [(SAIKI R.
K. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 89, 6230–6234 (1989), KRAPKO et al
(bereits zitiert) oder LAMTURE et al., Nucl. Acids. Res., 22, 2121–2125 (1994)]
führen
einen einzigen Endwaschgang des Trägers nach der Fixierung aller
Oligonukleotide durch. Dieses Waschen mit Wasser oder einem Hybridisierungspuffer
erlaubt es, die Sonden, die auf dem Träger nicht reagiert haben, zu
entfernen. Mit demselben Ziel spülen
LIVACHE et al. den Träger
zwischen jeder Oligonukleotidfixierung mit Wasser; demnach gibt
es in diesem Fall ebenso viele Spülungen wie Oligonukleotidkopplungen.
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Jedoch
haben die Erfinder festgestellt, dass, wenn mehrere Abscheidungen
von Polymeren, die in elektrochemischer Art erhalten werden, an
unterschiedlichen Punkten einer selben Elektrodenmatrix durchgeführt werden,
vereinzelte Kontaminationen zwischen Elektroden auftreten können. In
der Tat kann zur Zeit der Synthese eines Polymers auf der Elektrode
Nr. n in Gegenwart des Oligonukleotids n eine Kontamination durch das
Oligonukleotid n auf der Elektrode n – 1, die bereits durch ein
Oligonukleotid n – 1
bedeckt ist, beobachtet werden. Daraus ergibt sich ein schwach positives
Signal des Flecks n – 1
während
der Hybridisierung mit dem Oligonukleotid n. Dieses Phänomen kann
durch die Resultate von vier Kreuzhybridisierungen, die in der Publikation
von LIVACHE et al., Nucl. Acids. Res. 22, 15, 2615–2921 (1994)
beschrieben werden, illustriert werden. Auf den vier Abscheidungen
sind zwei leichte Kontaminationen (etwa 10% des Signalmaximums)
sichtbar. Sie wurden zu diesem Zeitpunkt als nicht spezifische Hybridisierungen
interpretiert; jedoch haben spätere Versuche
der Erfinder, die verschiedene Oligonukleotidsequenzen implizierten,
gezeigt, dass es sich tatsächlich
um Kontaminationen handelt.
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Für eine diagnostische
Verwendung einer an einen Träger
gebundenen Oligonukleotidmatrix ist es wichtig, dass dieser Typ
an Kontaminationen vollständig
eliminiert ist. Oder die Waschbehandlungen, die üblicherweise durchgeführt werden,
sind unzureichend, um dieses Resultat zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung hat sich die spezifische Behandlung von Polymeren,
die in elektrochemischer Art erhalten wurden, zum Ziel gesetzt,
um die vereinzelten Kontaminationsphänomene zu vermindern, sogar
zu eliminieren.
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Mit
diesem Ziel habe die Erfinder den Mechanismus einer elektrochemischen
Polymerisation untersucht. Man weiß, dass diese Polymerisation
insbesondere radikalische Reaktionen ablaufen lässt [GENIES et al., J. Electroanal.
Chem., 149, 101–113
(1993)]; und wenn ein Polymer n – 1 synthetisiert ist, kann
es gegebenenfalls reaktive Spezies, die fähig sind, Produkte während der
Polymerisation auf der Elektrode n für eine bestimmte Zeit an der
Oberfläche
zu halten.
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Die
Erfinder haben die Hypothese aufgestellt, dass man durch Reduzierung
der Oberflächenreaktivität des Polymeren
eine Eliminierung der Kontaminationen erreichen kann, die während der
adressierten Synthese von biologischen Molekülen an der Oberfläche des
Polymers beobachtet werden.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Syntheseverfahren für ein Copolymer
durch elektrochemische Copolymerisation, dadurch gekennzeichnet,
dass es eine Behandlung umfasst, die es ermöglicht, die Oberflächenreaktivität des Copolymers
zu reduzieren.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein Verfahren zur Herstellung
eines Copolymers der folgenden allgemeinen Formel (I):
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Durch
ektrochemische Copolymerisation einer Verbindung der folgenden allgemeinen
Formel (II):
mit einer Verbindung [A],
wobei
[A] eine Monomereinheit eines Polymeren darstellt, das durch elektrochemische
Copolymerisation erhalten werden kann, [B] eine Seitengruppe darstellt,
die ein Monomer oder ein Polymer sein kann, das durch kovalente
Bindung oder mittels eines Abstandhalters an die Einheit [A] gebunden
ist, und x und y ganze Zahlen darstellen, die gleich 1 oder höher sind,
wobei das Verfahren dadurch charakterisiert ist, dass es zu Beginn
der elektrochemischen Copolymerisation mindestens eine Stufe umfasst,
in der man das erhaltene Copolymer einer Behandlung unterwirft,
die eine Reduzierung seiner Oberflächenreaktivität erlaubt.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man unter „Oberflächenreaktivität" das Sichhalten von reaktiven
Spezies, die fähig
sind, eine Einheit der Formel (II) zu fixieren, an der Oberfläche des
gebildeten Copolymers; und unter „Verringerung der Oberflächenreaktivität" versteht man die
Inaktivierung mindestens eines Teils dieser reaktiven Spezies, was
die Fixierung nur einer geringen Menge oder einer Menge, die fast
Null ist, an Einheiten der Formel (II) ermöglicht. Die Kontaminationen,
die aus dieser Fixierung resultieren, werden somit unterdrückt oder
reduziert, bis sie nicht mehr nachweisbar sind oder nur ein vernachlässigbares
Signal produzieren, das von einem positiven Signal leicht unterscheidbar
ist.
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Nach
einer bevorzugten Durchführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt [A] ein Monomer eines Elektronenleiterpolymers
dar; vorzugsweise ist das Elektronenleiterpolymer ausgewählt aus
Polyacetylen, Polyazin, Poly(p-phenylen), Poly(p-phenylenvinylen),
Polypyren, Polypyrrol, Polythiophen, Polyfuran, Polyselenophen,
Polypyridazin, Polycarbazol, Polyanilin und ihren substituierten
Derivaten (die Substituenten können zum
Beispiel gesättigte
oder nicht-gesättigte
Kohlenwasserstoffketten (vorzugsweise C1-3-Ketten),
aromatische oder nichtaromatische Ringe oder Heterocyclen usw. sein);
das genannte Elektronenleiterpolymer kann auch ein Copolymer aus
zwei oder mehreren unterschiedlichen Monomeren [A] sein, beispielsweise
aus Pyrrolmonomeren und Thiophenmonomeren.
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Vorteilhafterweise
ist [A] eine Pyrroleinheit.
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Nach
einer bevorzugten Durchführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt [B] ein Nukleotid, ein Oligonukleotid
oder eines ihrer Derivate oder Analoga dar.
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Im
Rahmen der Beschreibung der vorliegenden Erfindung versteht man
zum Beispiel unter Nukleotidderivat oder -analogon modifizierte
Nukleotide wie die, die von UHLMANN [Chemical Review, 90: 4, 543–584 (1990)]
beschrieben werden; Nukleotidanaloga, die in die Zusammensetzung
synthetischer Oligonukleotide eintreten; Nukleotidderivate, die
geschützte
Funk tionen tragen, die üblicherweise
für die
Synthese der Nukleinsäuren
verwendet werden.
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[B]
kann auch eine nicht natürliche
Verbindung sein, die mit den Nukleinsäuren hybridisieren kann, zum
Beispiel solche, die von UHLMANN (vorher zitierte Publlikation)
beschrieben werden.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass drei Behandlungstypen durchgeführt werden
können,
um die Reaktivität
der Polymeren zu reduzieren:
- – Eine chemische
Behandlung auf der Basis von Produkten, die für ihre Antiradikalaktivität oder ihre
inhibierende Aktivität
bei der Radikalpolymerisation bekannt sind;
- – Eine
elektrochemische Behandlung, die es ermöglicht, das Polymer zu reduzieren
oder einer Überoxidation
zu unterwerfen;
- – Eine
Spülung
in Gegenwart von Produkten, die fähig sind, die sich im Wachstum
befindlichen Polymerketten, die auf dem Träger adsorbiert sind, zu eliminieren.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst die Behandlung, die zur Reduzierung
der Oberflächenreaktivität des Copolymers
durchgeführt
wird, mindestens:
- – eine chemische antiradikalische
Behandlung; oder auch
- – eine
elektrochemische Behandlung, die es ermöglicht, den Oxidationsgrad
des Polymers zu modifizieren, oder auch
- – eine
Behandlung, die mindestens eine Spülung in Gegenwart eines oberflächenaktiven
Mittels umfasst,
oder auch eine Kombination von mindestens
zwei der drei oben genannten Behandlungen.
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Eine
chemische Behandlung gemäß der Erfindung
kann in einfacher Weise durchgeführt
werden, indem eine Spülung
des Polymeren mit einer Lösung,
die ein Antiradikalprodukt enthält,
vorgenommen wird.
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Vorteilhafterweise
werden die Antioxidantien wie Tocopherolderivate (Familie des Vitamin
E) verwendet. Es ist auch vorteilhaft, Inhibitoren oder Verzögerungsmittel
für die
Radikalpolymerisation zu verwenden, wie zum Beispiel Nitrobenzol
oder Benzochinone, die klassische Verzögerungsmittel für die Polymerisation von
Styrol sind [ODIAN G., Principles of Polymerization, JOHN WILEY & Sons, Interscience
Publication (1981)]. Diese Produkte, die in einem adäquaten Lösungsmittel
gelöst
werden (zum Beispiel in Wasser, Acetonitril, Ethanol oder einem
Gemisch dieser Lösungsmittel)
haben sich in der Tat gleichermaßen gegenüber der Reaktivität von Polymeren,
die in elektrochemischer Art hergestellt wurden (zum Beispiel Polypyrrol)
als wirksam erwiesen.
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Die
elektrochemische Behandlung kann durchgeführt werden, indem das Leiterpolymer
in kontrollierter Art reduziert oder oxidiert wird, zum Beispiel
in einem elektrochemischen System mit drei Elektroden. Für die Durchführung dieser
Behandlung wird man einen Spannungsbereich wählen, in dem [B] stabil ist
(zum Beispiel –1
bis +1 V/ECS für
die Nukleinsäuren).
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Die
Spülung
in Gegenwart von oberflächenaktiven
Mitteln ermöglicht
die Eliminierung der kurzen Leiterpolymerketten, die noch reaktiv
sind. Vorzugsweise muss einer Spülung
mit einer Lösung,
die ein oberflächenaktives
Mittel enthält,
eine Spülung
oder mehrere Spülungen
folgen, die die Eliminierung der Spuren an oberflächenaktivem
Mittel anstreben. Wenn man mit geladenen Polymeren (wie zum Beispiel
Polypyrrol in seiner oxidierten Form) arbeitet, wird man vorzugsweise
nicht-ionische oberflächenaktive
Mittel wählen,
die leichter zu entfernen sein werden.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere dazu bestimmt, während der Synthese eine Reihe
von Copolymeren der allgemeinen Formel (I), von denen zwei mindestens
eine unterschiedliche Seitengruppe [B] umfassen, auf einem selben
Träger,
dessen Oberfläche
aus Elektroden besteht, die in einer Matrix angeordnet sind, verwendet
zu werden, wobei die Copolymere, die eine unterschiedliche Seitengruppe
[B] umfassen, von verschiedenen Elektroden getragen werden. In diesem
Fall werden die Copolymere der allgemeinen Formel (I) nacheinander,
jedes auf seinem jeweiligen Elektrodenträger, unter Verwendung eines
Verfahrens gemäß der Erfindung,
wie es oben definiert ist, synthetisiert. Anders ausgedrückt, nach
der Synthese jedes Copolymers wird eine Behandlung durchgeführt, die
das Ziel hat, seine Oberflächenreaktivität zu reduzieren
und seine Kontamination durch Reagentien, die in der folgenden Polymersynthese
verwendet werden, zu vermeiden.
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Die
Durchführung
eines Behandlungsverfahrens gemäß der Erfindung
erlaubt es somit im Gegensatz zu Spülungen mit Wasser oder mit
einem Puffer die Kontaminationen zwischen Elektroden zu eliminieren
und eine Matrix für
Elektroden zu erhalten, die vollständig getrennt sind. Die erfindungsgemäßen Behand lungen sind
leicht durchzuführen
und können
automatisiert werden.
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In
jedem Fall wird der Leiter Polymerträger, der das interessierende
biologische Molekül
trägt,
zum Beispiel nach dem Verfahren hergestellt, das im Patent WO 94/22889
beschrieben wird. Lediglich die Behandlungen, die nach der Synthese
jeder Abscheidung durchgeführt
werden, unterscheiden sich.
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Die
vorliegende Erfindung wird mithilfe der vollständigen Beschreibung, die folgt,
besser verständlich, wobei
sich die Beschreibung auf Beispiele bezieht, die das erfindungsgemäße Verfahren
verwenden.
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Es
ist jedenfalls selbstverständlich,
dass diese Beispiele nur zur Erläuterung
des Gegenstands der Erfindung angeführt werden und dass sie in
keiner Weise eine Beschränkung
darstellen.
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BEISPIEL 1: DURCHFÜHRUNG VON
VERFAHREN DER DEKONTAMINATION GEMÄSS DER ERFINDUNG WÄHREND DER
HERSTELLUNG VON POLYPYRROLMATRICES DURCH COPOLYMERISATION
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1) Synthese der Oligonukleotide
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Der
Syntheseträger
besteht aus einer Siliciumplatte, die 48 Elektroden trägt, die
unabhängig
voneinander und voneinander isoliert sind. Jede Elektrode ist ein
Quadrat mit der Seitenabmessung 25, 50, 100 oder 200 μm.
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Man
nimmt auf jeder Elektrode eine lokalisierte Synthese eines Polypyrrolpolymers
vor, auf welches in kovalenter Art ein Oligonukleotid durch Copolymerisation
von oxidierten Pyrrolkernen, von denen bestimmte das Oligonukleotid
tragen, gepfropft ist.
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Die
Polymerisation wird nach dem Verfahren, das in der PCT-Anmeldung WO 94/22889
beschrieben ist, in einer Lösung
durchgeführt,
die 2 × 10–2 M
Pyrrol, 6 × 10–8 M
substituiertes Pyrrol (Oligonukleotid, Träger einer Pyrrolgruppe, pyr
bezeichnet) und 0,1 M LiClO4 enthält, durchgeführt.
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Die
Oligonukleotide, die das Pyrrol in 5' tragen (Oligonukleotide G-pyr, T1-pyr,
T2-pyr) wurden nach dem Verfahren, das in der PCT-Anmeldung WO 94/22889
beschrieben ist, synthetisiert und durch Umkehrphasen-HPLC gereinigt.
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Die
Sequenz der verwendeten Oligonukleotide:
Oligo
G-pyr | 5'Pyrrol-CTCCAAGARAGGACCC
3' |
Oligo
T1-pyr | 5'Pyrrol-CTCCAGGCATTGAGC
3' |
Oligo
T2-pyr | 5'Pyrrol-CAACCCAACGCTACT
3' |
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Das
Matrixmodell, das zur Untersuchung der Kontaminationen verwendet
wurde, besteht aus einer kleinen Platte mit 5 Elektroden, die jede
eine unterschiedliche Abscheidung tragen, d. h. in der Reihenfolge
der Synthesen:
- – Elektrode 1: eine Abscheidung
von reinem Polypyrrol (negativer Vergleich)
- – Elektrode
2: eine Abscheidung eines Polypyrrol-Copolymers und des Oligonukleotids
G-pyr,
- – Elektrode
3: eine Abscheidung eines Polypyrrol-Copolymers und des Oligonukleotids
T1-pyr,
- – Elektrode
4: eine Abscheidung eines Polypyrrol-Copolymers und des Oligonukleotids
T2-pyr;
- - Elektrode 5: eine Abscheidung von reinem Polypyrrol.
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Nach
Anschluss der Elektrode, auf der die Abscheidung vorgenommen werden
soll, wird die kleine Platte in die Reaktionszelle in Gegenwart
einer Platingegenelektrode und einer Calumel-Referenzelektrode (ECS)
und 600 μl
Reaktionsmedium, das gegebenenfalls die gewünschten Oligonukleotide-Pyrrol
umfasst, eingeführt.
Die Oxidationsreaktionen des Monomers und der Reduktion des Polymers
werden durch cyclische Veränderung
der Spannung zwischen –0,35
und +0,85 V/ECS sichergestellt.
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Die
Integration des Stroms bezüglich
der Zeit (Menge der verbrauchten Elektronen) erlaubt eine Beurteilung
der Polymermasse, die auf der Oberfläche der Elektrode gebildet
wurde, und damit der Dicke des Films. Dies sichert eine gute Reproduzierbarkeit
der Synthesen.
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Nach
jeder Synthese werden die Zelle und die kleine Platte nach den verschiedenen
unten beschriebenen Verfahren gespült, dann wird die vorher verwendete
Elektrode abgetrennt und die folgende Elektrode wird angeschlossen.
Die kleine Platte wird dann in ein Reaktionsmedium getaucht, das
ein anderes Paar Oligonukleotid-Pyrrol enthält.
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Nach
dem letzten spezifischen Waschen wird die kleine Platte abgetrennt,
dann mit destilliertem Wasser gespült.
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2) Hybridisierung und
Detektion der Oligonukleotide
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Die
Kontrolle der Spezifität
der Abscheidungen wird durch Hybridisierung von komplementären Sonden
an die auf dem Träger
fixierten Oligonukleotide durchgeführt.
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Hybridisierung
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Die
Hybridisierungsreaktionen werden sukzessive bei 40°C während 15
min. in einem Endvolumen von 10 μl
Phosphatpuffer, 20 mM, pH 7,4, NaCl 300 mM, EDTA 2 mM, 0,5% SDS
in Gegenwart von 0,06 pMol Oligonukleotid, das in 5' biotinyliert ist,
jeweils komplementär
zur Sequenz G, T1 oder T2, durchgeführt.
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Detektion
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Nach
der Hybridisierung wird die kleine Platte bei Umgebungstemperatur
im Hybridisierungspuffer, der vierfach verdünnt ist, gewaschen. Nach einem
Spülen
in 0,4 M PBS-NaCl, 0,5% Tween 20, wird die kleine Platte 15 min.
bei Umgebungstemperatur in diesem selben Puffer in Gegenwart von
2,5 μg/ml
konjugiertes Streptavidin-Phycoerythrin inkubiert. Es wird eine
letzte Spülung
mit PBS-NaCl-Tween durchgerführt,
dann wird die kleine Platte auf einem Mikroskop-Objektträger montiert
und mit einem Deckgläschen
bedeckt.
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Die
Matrix wird dann durch Fluoreszenzmikroskopie betrachtet und die
Fluoreszenzintensität
jedes Punkts wird beurteilt.
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3) Einfluss der Behandlung
auf die Spezifität
der Lokalisierung des Fluoreszenzsignals
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Allgemeine Ausführungen
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Alle
Waschvorgänge
werden an der kleinen Platte und der Zelle bei Umgebungstemperatur
und nach jeder Polymersynthese (außer es ist etwas anderes angegeben)
nach einem der folgenden Protokolle durchgeführt.:
- 1)
Spülen
mit Wasser (identisch zu der in der PCT-Anmeldung WO 94/22889 beschriebenen),
- 2) langes Spülen
mit Wasser: fünf
aufeinander folgende Spülungen
mit Waaser,
- 3) elektrochemische Behandlung 1: Überoxidation der Abscheidung
bei 1,2 V/ECS während
1 min., dann Spülung
mit Wasser,
- 4) chemische Behandlung: „Gemisch
S" ist ein Lösungsmittel,
das 68% Acetonitril, 16% Ethanol und 16% Wasser umfasst); „Gemisch
S + VitE" ist eine
Verdünnung
einer alkoholischen Lösung
von 50 mM alpha-Tocopherol auf 1 mM im Lösungsmittel „S"; auf die Behandlung
folgt ein Spülen
mit Wasser; die Küvette
wird einfach mit Wasser gespült,
- 5) Spülen
in Gegenwart eines anionischen Detergens: Spülen mit Wasser, dann in einer
Lösung
von 0,5% Natriumdodecylsulfat (SDS), gefolgt von einer weiteren
Spülung
mit Wasser.
- 6) Spülung
in Gegenwart eines nicht-ionischen Detergens: Spülung mit Wasser, dann in einer
0,3%-igen Tween-20-Lösung,
gefolgt von einem weiteren Spülen
mit Wasser.
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b) Resultate
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Jede
erhaltene Matrix wird der Reihe nach mit den drei biotinylierten
Sonden, die zu den Oligonukleotiden G, T1 und T2 komplementär sind,
hybridisiert. Die Hybridisierung wird durch Bestimmung der Fluoreszenzintensität, wie es
unten angegeben wird, detektiert.
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Die
Resulstate werden in den Tabellen 1A bis 1F unten angegeben, die
die entsprechenden Resultate der Versuche 1 bis 6 wiedergeben.
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In
diesen Tabellen entspricht jede Spalte einer der Elektroden 1 bis
5; jede Reihe entspricht einer der Sonden, die zu G, T1 bzw. T2
komplementär
sind. Die Fluoreszenzintensität
jedes Punkts wird mit 0 bis +++ oder V(*, *), wenn das Resultat
zwischen den zwei in Klammern präzisierten
Grenzen variabel und nicht reproduzierbar ist, angegeben.
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Diese
Resultate zeigen, dass 3 Behandlungstypen wirksamer sind als die
Anfangsbehandlung (Nr. 1), um so die nicht spezifischen Reaktionen
infolge der Kontaminationen zu verringern:
- – Die Behandlung,
die eine Überoxidation
impliziert (Behandlung Nr. 3);
- – die
Spülung
in Gegenwart eines Produktes gegen Radikale: Vitamin E (Behandlung
Nr. 4);
- – die
Spülungen
in Gegenwart von oberflächenaktiven
Mitteln (Behandlung Nr. 5 und 6).