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JP2002531194A - In vivo biosensor device and method of use - Google Patents

In vivo biosensor device and method of use

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Publication number
JP2002531194A
JP2002531194A JP2000585651A JP2000585651A JP2002531194A JP 2002531194 A JP2002531194 A JP 2002531194A JP 2000585651 A JP2000585651 A JP 2000585651A JP 2000585651 A JP2000585651 A JP 2000585651A JP 2002531194 A JP2002531194 A JP 2002531194A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
implantable
polypeptide
cells
monolithic bioelectronic
bioelectronic device
Prior art date
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Ceased
Application number
JP2000585651A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ギャリー エス. セイラー,
マイケル エル. シンプソン,
ブルース エム. アップルゲイト,
スティーブン エー. リップ,
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Tennessee Research Foundation
Original Assignee
University of Tennessee Research Foundation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Tennessee Research Foundation filed Critical University of Tennessee Research Foundation
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Abstract

(57)【要約】 動物の身体内に移植された場合に、流体中の選択分析物を検出する、生物発光バイオレポーター集積回路デバイスが開示される。このデバイスは、バイオレポーターを含み、このバイオレポーターは、遺伝的に操作されて、cis−活性化応答エレメントを含む核酸セグメントを含み、このcis−活性化応答エレメントは、生物発光レポーターポリペプチドをコードする遺伝子に作動的に連結する選択された物質に応答性である。好ましい実施形態において、標的分析物は、グルコース、グルカゴン、またはインスリンである。このバイオセンサを標的物質に曝露することにより、応答エレメントが、このレポーターポリペプチドをコードする核酸配列をアップレギュレートさせて、検出および定量される発光応答を生成する。   (57) [Summary] Disclosed are bioluminescent bioreporter integrated circuit devices that detect a selected analyte in a fluid when implanted in an animal body. The device includes a bioreporter, the bioreporter being genetically engineered to include a nucleic acid segment comprising a cis-activation response element, wherein the cis-activation response element encodes a bioluminescent reporter polypeptide. Responsive to a selected substance that is operatively linked to the gene. In a preferred embodiment, the target analyte is glucose, glucagon, or insulin. By exposing the biosensor to a target substance, a response element upregulates the nucleic acid sequence encoding the reporter polypeptide, producing a luminescent response that is detected and quantified.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (1.0 発明の背景) 本願は、1998年12月2日に出願された米国仮出願第60/110,68
4号の優先権を主張する継続出願である。その出願の全体の内容は、特に参考と
して本明細書全体で援用する。
[0001] This application is related to US Provisional Application No. 60 / 110,68, filed December 2, 1998.
This is a continuation application claiming priority of No. 4. The entire contents of that application are specifically incorporated herein by reference.

【0002】 アメリカ政府は、国立衛生研究所から譲渡番号R21RR14169−01に
従って、本発明において一定の権利を有する。
[0002] The United States Government has certain rights in the invention according to Assignment Number R21RR14169-01 from the National Institutes of Health.

【0003】 (1.1 発明の分野) 本発明は、一般に一つ以上の対象の物質、分析物または動物の代謝物をモニタ
する移植可能な診断デバイス(すなわち、動物の体内に配置されたデバイス)の
分野に関する。さらに詳しくは、本発明は、人間の組織および循環系の分析物の
レベルをモニタおよび制御する移植可能なバイオセンサデバイスを提供する。例
示的な実施形態において、本装置は、糖尿病または低血糖の患者の血中グルコー
スのレベルをモニタするのに利用されるバイオセンサを含む。この開示されたセ
ンサは、また、外部または移植可能な薬物送達システムからの薬物または他の製
薬媒体の送達を制御または調節をするために使用され得る。例えば、そのデバイ
スはインサイチュで検出されたグルコースのレベルに応じてインシュリンの投与
量を制御する人工膵臓の一部を形成し得る。
1.1 Field of the Invention The present invention generally relates to implantable diagnostic devices (ie, devices located within an animal) that monitor one or more substances, analytes or metabolites of an animal of interest. ) Field. More specifically, the present invention provides an implantable biosensor device for monitoring and controlling levels of analytes in human tissue and the circulatory system. In an exemplary embodiment, the device includes a biosensor used to monitor blood glucose levels in a diabetic or hypoglycemic patient. The disclosed sensors can also be used to control or regulate the delivery of drugs or other pharmaceutical media from external or implantable drug delivery systems. For example, the device may form part of an artificial pancreas that controls insulin dosage in response to glucose levels detected in situ.

【0004】 (1.2 関連技術の説明) (1.2.1 バイオセンサ) バイオセンサは分析用測定要素と生物学的成分とを組み合わせるハイブリッド
デバイスである。生物学的成分は、標的分析物(単数または複数)と反応および
/または相互作用し、電子、光学または機械的変換器によって測定可能な応答を
生じる。現在利用可能な最も共通な構成は、酵素または抗体のような固定化高分
子を使用して、生物学的成分を形成する。分析物および固定化高分子の例には、
次のようなものが挙げられる。グルコースおよび固定化グルコースオキシダーゼ
(例えば、1995年のWilkinsら);硝酸塩および固定化硝酸塩レダク
ターゼ(例えば、1997年のWuら);過酸化水素・2.3−ジクロロフェノ
キシ酢酸および固定化ホースラディッシュペルオキシダーゼ(1998年のRu
btsovaら);アスパラギン酸および固定化L−アスパラギン酸(1995
年のCampanellaら)。
(1.2 Description of Related Art) (1.2.1 Biosensor) A biosensor is a hybrid device that combines an analytical measurement element and a biological component. The biological component reacts and / or interacts with the target analyte (s), producing a response that can be measured by an electronic, optical or mechanical transducer. The most common configurations currently available use immobilized macromolecules such as enzymes or antibodies to form biological components. Examples of analytes and immobilized polymers include:
Examples include the following: Glucose and immobilized glucose oxidase (e.g., Wilkins et al., 1995); nitrate and immobilized nitrate reductase (e.g., Wu et al., 1997); hydrogen peroxide, 2.3-dichlorophenoxyacetic acid, and immobilized horseradish peroxidase (e.g., Ru in 1998
btsova et al.); aspartic acid and immobilized L-aspartic acid (1995
Campanella et al.).

【0005】 (1.2.2 ホールセルバイオセンサ) ここ数年において、バイオセンサに対するさらなる改良が行われている。それ
は、無傷の生細胞(例えば、微生物または真核生物細胞)または固定化酵素の代
替になる細胞培養を利用する。微生物細胞は、バイオセンサ技術に特によく適し
ている。例えば、微生物細胞は物理的に強固であり、非常に過酷および広範に変
動する環境条件のもとでも存在できる。微生物細胞は、それらの環境に反応する
広範囲なレパートリーを有する。そして、それらは、これらの環境応答に非常に
敏感なレポーターシステムを生成するために遺伝的に操作され得る。特定のプロ
モーター配列を含むポリヌクレオチド配列は、所望のレポーター酵素(単数また
は複数)をコードする一つの遺伝子または多数の遺伝子と作動的に連結され、そ
れから、生細胞の中に導入および生細胞の中で維持される。標的分析物が存在す
る時、レポーター遺伝子は発現され、測定されたシグナルの生成に起因する酵素
(単数または複数)を生成する。一般に使われるレポーターシステムは、β−ガ
ラクトシダーゼ(lacZ)またはカテコール−2、3−ジオキシゲナーゼ(x
yIE)酵素(1993年のKricka)のどちらかを利用している。
[0005] 1.2.2 Whole-Cell Biosensors [0005] In recent years, further improvements have been made to biosensors. It utilizes intact living cells (eg, microbial or eukaryotic cells) or cell cultures that replace immobilized enzymes. Microbial cells are particularly well suited for biosensor technology. For example, microbial cells are physically robust and can exist under very harsh and widely varying environmental conditions. Microbial cells have an extensive repertoire that responds to their environment. And they can be genetically engineered to generate reporter systems that are very sensitive to these environmental responses. A polynucleotide sequence, including a particular promoter sequence, is operably linked to one or more genes encoding the desired reporter enzyme (s), and is then introduced into living cells and into living cells. Is maintained in. When the target analyte is present, the reporter gene is expressed, producing the enzyme (s) resulting from the production of the measured signal. Commonly used reporter systems include β-galactosidase (lacZ) or catechol-2,3-dioxygenase (x
yIE) enzyme (Kricka, 1993).

【0006】 残念ながら、これらのシステムの限界は、システムが標的物質(単数または複
数)に曝された後、その細胞は破壊的に溶解されなければならなず、酵素(単数
または複数)は、単離されなければならないことである。次いで、続いてこの溶
解物に一つ以上の二次代謝物を付加し、溶液中の酵素の(単数または複数)濃度
に比例する比色定量シグナルを得る。その結果、本来の標的物質の濃度を定量化
する手段を提供する。
[0006] Unfortunately, the limitations of these systems are that after the system is exposed to the target substance (s), the cells must be lysed destructively and the enzyme (s) It must be isolated. The lysate is then subsequently supplemented with one or more secondary metabolites to obtain a colorimetric signal proportional to the concentration of enzyme (s) in the solution. As a result, a means for quantifying the concentration of the original target substance is provided.

【0007】 そのようなセンサのごく最近の改良は、レポーターシステムとして緑の蛍光タ
ンパク質を利用し、細胞が比色定量シグナルを生成する破壊的なアッセイ技術を
必要としないという有意な利点を持っている。しかし、はじめに光の反応を惹起
するために、基質は緑の蛍光性のタンパク質構成物に加えられなければならない
ので、これらのシステムはかなり複雑で、インサイチュにおける分析物の検出に
ついてほとんど利点がない(1995年のPrasher)。
[0007] The most recent improvement of such a sensor utilizes the green fluorescent protein as a reporter system, with the significant advantage that cells do not require destructive assay techniques to generate colorimetric signals. I have. However, these systems are rather complex and have little advantage for the detection of analytes in situ, since the substrate must first be added to the green fluorescent protein constituent to elicit a light response ( (Prasher, 1995).

【0008】 (1.2.3 インビボセンサ) 一体型のインビボで移植可能なグルコースモニタの開発は、Wilkinsお
よびAtanasov(1995年)により最初に報告された。このシステムは
、マイクロバイオリアクター内で固定化されたグルコースオキシダーゼを使用し
ている。この酵素は、酸素分子によるβ−D−グルコースの酸化を触媒し、O2
の消費またはH22の生成に比例するグルコース濃度で、グルコノラクトンおよ
び過酸化水素に生じる。残念ながら、人間の血流中のグルコースオキシダーゼ阻
害分子の存在は、比例定数を差し引きする傾向があり、正確なグルコースをモニ
タし制御するのに不十分で不正確なデバイスが作られた(1997年のGoug
hら)。また、デバイスの比較的大きなサイズ(約5×7cm)が制限となり、
そのデバイスは移植可能なデバイスとしてその有用性を否定された。
1.2.3 In Vivo Sensors The development of an integrated in vivo implantable glucose monitor was first reported by Wilkins and Atanasov (1995). This system uses glucose oxidase immobilized in a microbioreactor. This enzyme catalyzes the oxidation of β-D-glucose by molecular oxygen, resulting in O 2
Glucose concentration which is proportional to the product of the consumption or of H 2 O 2 occurs gluconolactone and hydrogen peroxide. Unfortunately, the presence of glucose oxidase inhibitory molecules in the human bloodstream tends to subtract the proportionality constant, creating insufficient and inaccurate devices to monitor and control accurate glucose (1997). Goug
h et al.). Also, the relatively large size of the device (about 5 x 7 cm) is a limitation,
The device was denied its utility as an implantable device.

【0009】 その後、いくつものより小さいニードル−タイプセンサおよび微小透析グルコ
ースセンサが開発され、サイズ制限が回避された(1997年のGoughら、
1997年のSelam)にもかかわらず、それらのグルコースオキシダーゼ酵
素ベースシステムの信頼性は、それらの全体の効果および信頼性を制限する。
Subsequently, a number of smaller needle-type and microdialysis glucose sensors were developed to avoid size limitations (Gough et al., 1997,
Despite the 1997 Selam), the reliability of their glucose oxidase enzyme-based systems limits their overall efficacy and reliability.

【0010】 いくつかの不特定の電気化学的センサは、また、インビボのグルコースセンサ
になり得るものとして研究されてきた(例えば、1994年のYaoら、199
4年のLargerら)。しかし、限定された感受性、不安定性および限定され
た長期的な信頼性を含む問題は、それらの広範囲な使用を妨げてきた(1995
年のPatzerら)。Atanasovら(1997年)によれば、長期安定
性を有し、連続的に機能する移植可能なグルコースバイオセンサは、いまだ達成
されていない。
[0010] Some unspecified electrochemical sensors have also been studied as potential glucose sensors in vivo (eg, Yao et al., 199, 1994).
Lager et al. For 4 years). However, problems including limited sensitivity, instability, and limited long-term reliability have prevented their widespread use (1995).
Patzer et al.). According to Atanasov et al. (1997), a continuously functioning, implantable glucose biosensor with long-term stability has not yet been achieved.

【0011】 (1.3 従来技術の欠点) 過去数十年間のバイオセンサの著しい小型化にもかかわらず、それらは依然と
して比較的大きく、理想的な移植可能なデバイスとして役立つには突出している
。哺乳動物の生物発光レポーター細胞を用いる現在の方法は、測定可能な反応を
生じるためには、細胞溶解および外因性基質の添加を必要とする。結果的に、こ
れらの細胞は連続的なオンラインモニタデバイスとして役立つことができない。
1.3 Defects of the Prior Art Despite the significant miniaturization of biosensors in the past decades, they are still relatively large and stand out to serve as ideal implantable devices. Current methods using mammalian bioluminescent reporter cells require cell lysis and the addition of exogenous substrates to produce a measurable response. Consequently, these cells cannot serve as continuous online monitoring devices.

【0012】 したがって、耐久性があり、高価でなく、無線で、かつ薬物送達システムに遠
隔通信し、インシュリンなどの治療薬の制御された送達を提供し得る、 小さくて移植可能なモノリシック(すなわち、単一基質層上に構成される生物学
的および電気的成分の両方を含む)生体電子工学モニタの開発の必要性が残って
いる。
[0012] Thus, a small, implantable, monolithic (ie, durable, inexpensive, wireless, and telecommunications drug delivery system that can provide controlled delivery of therapeutic agents such as insulin) There remains a need for the development of bioelectronic monitors (including both biological and electrical components configured on a single substrate layer).

【0013】 (2.0 発明の要旨) 本発明は、動物の身体における特定の分析物を検出および定量するための移植
可能装置および方法を提供することにより、先行技術におけるこれらおよび他の
固有の制限を克服する。特に、本発明は、ヒトまたは動物における代謝産物、薬
物、ホルモン、毒素、またはウイルスのような微生物のインビボでの検出および
定量のためのデバイスを提供する。例示的な実施形態において、本発明は、ヒト
におけるグルコースの検出に有用なBBICデバイスを提供する。このようなデ
バイスは、最初にグルコースモニタリングのための正確なオンライン検出器を提
供し、そして外部薬物送達システムまたは移植可能薬物送達システムを介して薬
学的薬剤の投与を制御する能力を提供する。サイン分子(すなわち、癌細胞から
放出されたタンパク質など)、凝固因子、酵素など、ならびに血流中または間質
液中に存在する他の分析物の濃度を検出するためのBBICデバイスもまた、開
示される。腫瘍学の分野では、バイオセンサデバイスは、初期および寛解の両方
のモニタリング、化学療法の有効性のオンライン測定、および免疫系の刺激/活
性において有用性を見出す。同様に、バイオセンサデバイスは、医療の他の分野
で有用であり、これには、血餅の出現(発作、心臓麻痺など)に関連する酵素に
ついてのオンラインモニタリング、凝固因子の検出および定量(維持レベル)、
ホルモン置換、連続的薬物モニタリング(被告人、軍人などにおいて制御された
物質について試験する)、神経ガスおよび他の衰弱性薬剤に対する致死量以下の
曝露に対して曝露された軍人のモニタリング、精神病に影響する化合物のモニタ
レベルなどが挙げられる。
2.0 SUMMARY OF THE INVENTION [0013] The present invention provides these and other unique techniques in the prior art by providing an implantable device and method for detecting and quantifying a particular analyte in an animal's body. Overcome limitations. In particular, the present invention provides devices for the in vivo detection and quantification of microorganisms such as metabolites, drugs, hormones, toxins, or viruses in humans or animals. In an exemplary embodiment, the invention provides a BBIC device useful for detecting glucose in a human. Such devices initially provide an accurate on-line detector for glucose monitoring and provide the ability to control the administration of a pharmaceutical agent via an external or implantable drug delivery system. Also disclosed are BBIC devices for detecting the concentration of signature molecules (ie, proteins released from cancer cells, etc.), clotting factors, enzymes, etc., as well as other analytes present in the bloodstream or interstitial fluid. Is done. In the field of oncology, biosensor devices find utility in monitoring both early and remission, online measurement of chemotherapy efficacy, and stimulation / activity of the immune system. Similarly, biosensor devices are useful in other fields of medicine, including online monitoring for enzymes associated with blood clot appearance (stroke, heart attack, etc.), detection and quantification of coagulation factors (maintenance) level),
Hormone replacement, continuous drug monitoring (tests for controlled substances in defendants, military personnel, etc.), monitoring of military personnel exposed to sublethal exposure to nerve agents and other debilitating drugs, effects on mental illness And the monitor level of the compound.

【0014】 1実施形態において、動物の身体内の分析物を検出するための移植可能モノリ
シック生体電子工学デバイスが提供される。一般的な意味では、このデバイスは
、集積回路上に存在する物質上に作動可能に位置付けられるバイオレポーターを
備える。バイオレポーターは、標的分析物を代謝し得、そして分析物と接触した
場合、この代謝物に続いて光を放出する。このデバイスはさらに、放出光を検出
する集積回路に密接に配置されるセンサを備え、そしてバイオレポーターによっ
て生成される光の量に比例して、電気的シグナルを生成する。好ましくは、全体
の移植可能なデバイスは、生体適合性容器内に含まれ、この容器は、分析物の検
出が所望される動物の身体内に移植される。
In one embodiment, an implantable monolithic bioelectronic device for detecting an analyte in an animal body is provided. In a general sense, the device comprises a bioreporter operably positioned on a material present on the integrated circuit. The bioreporter can metabolize the target analyte and, when contacted with the analyte, emits light following the metabolite. The device further comprises a sensor closely located to the integrated circuit that detects the emitted light, and generates an electrical signal in proportion to the amount of light generated by the bioreporter. Preferably, the entire implantable device is contained in a biocompatible container, which is implanted in the animal body where detection of the analyte is desired.

【0015】 生体適合性容器は、窒化ケイ素、酸化ケイ素、または適切なポリマー性マトリ
クスから構成され得、ポリビニルアルコール、ポリL−リジン、およびアルギニ
ンのような例示的な物質が特に好ましい。ポリマー性マトリクスはまた、細孔性
ヒドロゲル、メッシュ強化ヒドロゲル、またはフィルター支持ヒドロゲルをさら
に含み得る。
[0015] The biocompatible container may be composed of silicon nitride, silicon oxide, or a suitable polymeric matrix, with exemplary materials such as polyvinyl alcohol, poly L-lysine, and arginine being particularly preferred. The polymeric matrix can also further include a porous hydrogel, a mesh-reinforced hydrogel, or a filter-supported hydrogel.

【0016】 特定の実施形態において、透明な生体適合性の生体耐性分離機を提供すること
も所望され得、この分離機は、光変換器とバイオレポーターとの間に作動可能に
配置される。
In certain embodiments, it may also be desirable to provide a transparent, biocompatible, bio-resistant separator, wherein the separator is operably disposed between the light converter and the bioreporter.

【0017】 バイオレポーターは、好ましくは、複数の真核生物細胞または原核生物細胞を
供え、これらの細胞は、標的分析物の存在に応答して、生物発光レポーターポリ
ペプチドを産生する。1以上の細菌の株のような原核生物細胞、および哺乳動物
細胞のような真核生物細胞が、特に好ましい。例示的な哺乳動物細胞は、膵島β
細胞、不死化幹細胞、または肝臓細胞のようなヒト細胞であり、不死化幹細胞が
特に好ましい。
The bioreporter preferably provides a plurality of eukaryotic or prokaryotic cells, which produce a bioluminescent reporter polypeptide in response to the presence of the target analyte. Prokaryotic cells, such as one or more bacterial strains, and eukaryotic cells, such as mammalian cells, are particularly preferred. An exemplary mammalian cell is pancreatic islet β
Human cells, such as cells, immortalized stem cells, or liver cells, with immortalized stem cells being particularly preferred.

【0018】 これらの細胞は、好ましくは、1以上の核酸セグメントを含み、この核酸セグ
メントは、分析物の存在に応答する細胞によって産生されるルシフェラーゼポリ
ペプチドまたは緑色蛍光タンパク質をコードする。好ましくは、この核酸セグメ
ントは、Aqueorea Victoria、Renilla renifo
rmis、またはヒト化緑色蛍光タンパク質、あるいはより好ましくは、細菌L
uxポリペプチド(例えば、LuxAポリペプチド、LuxBポリペプチド、L
uxCポリペプチド、LuxDポリペプチド、もしくはLuxEポリペプチド)
または本明細書中に記載されるポリペプチドに融合されたLuxABもしくはL
uxCDEをコードする。
These cells preferably contain one or more nucleic acid segments, which encode luciferase polypeptides or green fluorescent proteins produced by the cells in response to the presence of the analyte. Preferably, the nucleic acid segment is an Aqueorea Victoria, Renilla renifo
rmis, or humanized green fluorescent protein, or more preferably, bacterial L
ux polypeptide (eg, LuxA polypeptide, LuxB polypeptide, L
uxC polypeptide, LuxD polypeptide, or LuxE polypeptide)
Or LuxAB or L fused to a polypeptide described herein.
uxCDE code.

【0019】 遺伝子構築物を調製するために使用され得る例示的な細菌lux遺伝子配列と
しては、Virio fischerii、またはより好ましくは、Xenor
habdus luminescensのluxA遺伝子、luxB遺伝子、l
uxC遺伝子、luxD遺伝子、luxE遺伝子、luxAB遺伝子、またはl
uxCDE遺伝子が挙げられる。
Exemplary bacterial lux gene sequences that can be used to prepare the genetic construct include Virio fischerii, or more preferably, Xenor
habdus luminescens luxA gene, luxB gene, l
uxC gene, luxD gene, luxE gene, luxAB gene or l
uxCDE gene.

【0020】 本明細書中に記載される遺伝子構築物の調製のために使用され得る例示的なl
ux遺伝子配列としては、配列番号1に開示される遺伝子配列が挙げられる。例
示的なLuxポリペプチド配列は、配列番号2、配列番号3、配列番号4、配列
番号5および配列番号6に開示される。
An exemplary l that can be used for the preparation of the genetic constructs described herein
The ux gene sequence includes the gene sequence disclosed in SEQ ID NO: 1. Exemplary Lux polypeptide sequences are disclosed in SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4, SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6.

【0021】 Luxポリペプチドは、好ましくは、配列番号2から配列番号6に開示される
ポリペプチド配列の1以上からの少なくとも10の連続するアミノ酸配列を含む
。より好ましくは、Luxポリペプチドは、配列番号2から配列番号6に開示さ
れるポリペプチドの1以上からの少なくとも15の連続するアミノ酸配列を含み
、そしてより好ましくはさらに、配列番号2から配列番号6に開示されるポリペ
プチド配列の1以上からの少なくとも20の連続するアミノ酸配列を含む。
The Lux polypeptide preferably comprises at least 10 contiguous amino acid sequences from one or more of the polypeptide sequences disclosed in SEQ ID NO: 2 through SEQ ID NO: 6. More preferably, the Lux polypeptide comprises at least 15 contiguous amino acid sequences from one or more of the polypeptides disclosed in SEQ ID NO: 2 through SEQ ID NO: 6, and more preferably still further comprises SEQ ID NO: 2 through SEQ ID NO: 6. At least 20 contiguous amino acid sequences from one or more of the polypeptide sequences disclosed in US Pat.

【0022】 このようなポリペプチドは、好ましくは、配列番号1からの、少なくとも20
、少なくとも25、少なくとも30、少なくとも35、少なくとも40、または
少なくとも45以上の連続するヌクレオチドを含む核酸配列によってコードされ
る。
Such a polypeptide is preferably at least 20 amino acids from SEQ ID NO: 1.
, At least 25, at least 30, at least 35, at least 40, or at least 45 or more contiguous nucleotides.

【0023】 Luxコード核酸セグメントの発現は、好ましくは、Luxコードセグメント
に作動可能に連結された核酸調節配列によって調節される。好ましくは、この調
節配列は、標的分析物の存在に応答するシス作用性エレメントを含む。例示的な
シス作用性応答エレメントは、以下からなる群より選択される:S14遺伝子配
列、肝臓L−ピルビン酸キナーゼ遺伝子配列、肝臓6−ホスホフルクト−2−キ
ナーゼ遺伝子配列、膵島β細胞インスリン遺伝子配列、糸球体間質トランスフォ
ーミング増殖因子−β遺伝子配列、およびアセチル−コエンザイムAカルボキシ
ラーゼ遺伝子配列。
[0023] Expression of a Lux-encoding nucleic acid segment is preferably regulated by a nucleic acid regulatory sequence operably linked to the Lux-encoding segment. Preferably, the regulatory sequence includes a cis-acting element that responds to the presence of the target analyte. Exemplary cis-acting response elements are selected from the group consisting of: S14 gene sequence, liver L-pyruvate kinase gene sequence, liver 6-phosphofructo-2-kinase gene sequence, islet β cell insulin gene sequence, Glomerular stromal transforming growth factor-β gene sequence, and acetyl-Coenzyme A carboxylase gene sequence.

【0024】 例示的な実施形態において、シス作用性応答エレメントは、膵島β細胞インス
リン遺伝子配列または肝臓L−ピルビン酸キナーゼ遺伝子配列からの連続するヌ
クレオチド配列を含む。核酸配列の発現は、好ましくは、本明細書中に記載され
るL−ピルベートキナーゼコード遺伝子由来のもののようなプロモーター配列に
よって調節される。
In an exemplary embodiment, the cis-acting response element comprises a contiguous nucleotide sequence from the islet β-cell insulin gene sequence or liver L-pyruvate kinase gene sequence. The expression of the nucleic acid sequence is preferably regulated by a promoter sequence, such as from the L-pyruvate kinase encoding gene described herein.

【0025】 このデバイスはさらに、無線送信機、アンテナおよびバイオレポーター細胞を
維持し得る栄養物の供給源を備え得る。同様に、バイオレポーターを包含する生
体適合性容器はさらに、分析物へは浸透可能であるが、バイオレポーター細胞自
体へは浸透可能ではない膜を備え得る。このような半透膜は、分析物が、体液か
ら検出器デバイスへと自由に流れることを可能にするが、このデバイスから、こ
のデバイスが移植される身体の周囲組織または循環系へのバイオレポーター細胞
の移動は制限する。
The device may further comprise a wireless transmitter, an antenna and a source of nutrients capable of maintaining the bioreporter cells. Similarly, a biocompatible container containing a bioreporter can further comprise a membrane that is permeable to the analyte, but not the bioreporter cells themselves. Such a semipermeable membrane allows analytes to flow freely from bodily fluids to the detector device, from which bioreporters to the surrounding tissues or circulatory system of the body into which the device is implanted. Cell migration is restricted.

【0026】 1実施形態において、集積回路は、相補的金属酸化物半導体(CMOS)集積
回路である。この集積回路は、1以上の光変換器を備え得、光変換器自体は、1
以上の光ダイオードから構成され得る。同様に、この集積回路はまた、光ダイオ
ード、電流−周波数変換器、デジタルカウンター、および/またはデジタルデー
タもしくはアナログデータのいずれかを送信し得る送信機をさらに備え得る。
In one embodiment, the integrated circuit is a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuit. The integrated circuit may comprise one or more light converters, the light converters themselves comprising one or more light converters.
It can be composed of the above photodiodes. Similarly, the integrated circuit may further comprise a photodiode, a current-to-frequency converter, a digital counter, and / or a transmitter capable of transmitting either digital or analog data.

【0027】 本発明はまた、移植可能な制御された薬物送達系を提供し、この系は、BBI
Cデバイスおよび移植可能薬物送達ポンプの両方を備え、このポンプは、BBI
Cによって作動可能に制御され得、かつデバイスによる制御に応答して動物の身
体に薬物を送達し得る。本発明はまた、薬物が必要な患者にその薬物の制御され
た供給を提供する方法に関する。この方法は、一般的には、この患者の身体内に
、制御された薬物送達系を移植する工程を包含する。
[0027] The present invention also provides an implantable controlled drug delivery system comprising a BBI
A CBI device and an implantable drug delivery pump, the pump comprising a BBI
C can be operatively controlled and can deliver a drug to the animal's body in response to control by the device. The invention also relates to a method of providing a controlled supply of a drug to a patient in need thereof. The method generally involves implanting a controlled drug delivery system into the patient's body.

【0028】 本発明はまた、薬物が必要な患者に必要とされる薬物の量(例えば、適切な量
のインスリンを糖尿病患者に与える場合)を決定する方法を提供する。この方法
は、一般的に、この糖尿病患者の身体内に、グルコース、グルカゴン、インスリ
ン、もしくは別のグルコース代謝物のいずれかに応答性である1以上のBBIC
デバイスを移植する工程、およびこのデバイスによって体液中で検出される分析
物のレベルに基づいて、患者によって必要とされるインスリンの量を決定する工
程、を包含する。このデバイスが、高レベルのインスリンが必要とされることを
示す場合、適切な制御シグナルが、薬物送達系に送信され得、そしてさらなるイ
ンスリンが身体に注入される。このデバイスが、低レベルのインスリンが必要と
されることを示す場合、次いで、適切な制御シグナルが、薬物送達系に送信され
得、そしてより少ないインスリンが投与され得る。動物の身体におけるグルコー
スのこのような「リアルタイム」モニタリングは、一日中インスリンの制御され
た放出を可能にし、そして投与の特定の時間に多すぎるか少なすぎるかのいずれ
かであり得るインスリンの毎日またはより頻繁な注射の必要性を排除する。この
ことは、薬物のより費用効果の高い投与を与え、そしてまた、「必要に応じる(
as needed)」基準に基づいて、患者へのインスリンのより安定な投薬
を提供する。
The present invention also provides a method of determining the amount of a drug required for a patient in need of the drug (eg, when giving an appropriate amount of insulin to a diabetic patient). The method generally comprises in the body of the diabetic one or more BBICs responsive to either glucose, glucagon, insulin, or another glucose metabolite.
Implanting the device and determining the amount of insulin required by the patient based on the level of analyte detected in the body fluid by the device. If the device indicates that high levels of insulin are needed, an appropriate control signal can be sent to the drug delivery system, and additional insulin is injected into the body. If the device indicates that low levels of insulin are needed, then an appropriate control signal can be sent to the drug delivery system and less insulin can be administered. Such "real-time" monitoring of glucose in the animal's body allows for controlled release of insulin throughout the day and daily or more of insulin, which may be either too much or too little at a particular time of administration. Eliminates the need for frequent injections. This gives a more cost effective administration of the drug, and also "on demand (
Provide more stable dosing of insulin to the patient based on "as needed" criteria.

【0029】 本発明はまた、分析物の検出のためのキットを提供し、そしてこのようなキッ
トは一般的に、検出デバイスを使用するための適切な指示書と組み合わせて、開
示された1以上のBBICデバイスを備える。このようなキットはまた、デバイ
スの構成のための1以上の標準参照溶液を慣用的に備え得、そしてまた、保存ま
たは動物の身体内に移植される1回の使用のいずれかの間に、バイオレポーター
細胞を維持するための適切な保存または栄養媒体を備え得る。治療用キットの場
合において、このようなキットはまた、一般的に、動物の身体への薬物の投与の
ための1以上の制御された送達系を備える。
The present invention also provides kits for the detection of an analyte, and such kits generally comprise one or more of the disclosed one or more in combination with appropriate instructions for using the detection device. BBIC device. Such kits may also routinely comprise one or more standard reference solutions for the construction of the device, and also, during either storage or single use implanted into the animal's body, Appropriate storage or nutrient media may be provided to maintain bioreporter cells. In the case of therapeutic kits, such kits also generally include one or more controlled delivery systems for administration of the drug to the animal's body.

【0030】 本発明はまた、それが必要な動物の血中グルコースレベルを調節する方法を提
供する。この方法は、一般的に、BBICデバイスを使用して、患者の血流中ま
たは間質液中のグルコースのレベルをモニタリングする工程、および血中グルコ
ースレベルを調節するに十分な有効量のインスリン組成物を患者に投与する工程
を包含する。
The present invention also provides a method of regulating blood glucose levels in an animal in need thereof. The method generally comprises using a BBIC device to monitor the level of glucose in the bloodstream or interstitial fluid of the patient, and an effective amount of insulin composition sufficient to regulate blood glucose levels. Administering the article to the patient.

【0031】 この新たな型の生物発光ベースのバイオレポーターは、測定可能なシグナルを
生成するために細胞が破壊される不利な要求を伴わずに、標的物質をモニタリン
グし得る。このことは、同時に、オンラインで、かつリアルタイムで生じるモニ
タリングを可能にする(Simpsonら、1998a、1998b)。これら
の細胞は、レポーター酵素系についてのルシフェラーゼ遺伝子(原核生物におい
てはluxと称され、そして真核生物においてはlucと称される)に依存する
。米国特許出願番号第08/978,439号および国際特許出願番号第PCT
/US98/25295号(これらの各々を、その全体において、本明細書中で
参考として具体的に援用する)は、エキソサイチュまたはエキソビボで特定の分
子標的を検出するように設計された、内蔵型ミニチュア生物発光バイオレポータ
ー集積回路(「BBIC」)を開示する。
[0031] This new type of bioluminescence-based bioreporter can monitor target substances without the disadvantageous requirement that cells be disrupted to produce a measurable signal. This, at the same time, allows monitoring to occur online and in real time (Simpson et al., 1998a, 1998b). These cells rely on the luciferase gene for the reporter enzyme system (called lux in prokaryotes and luc in eukaryotes). US Patent Application No. 08 / 978,439 and International Patent Application No. PCT
/ US98 / 25295, each of which is specifically incorporated by reference herein in its entirety, is a self-contained miniature designed to detect specific molecular targets ex vivo or ex vivo. A bioluminescent bioreporter integrated circuit ("BBIC") is disclosed.

【0032】 本発明は、移植可能なBBICデバイスまたはインサイチュもしくはインビボ
のBBICデバイスに関し、このデバイスは、動物の身体内に移植され得、かつ
この動物内に存在する1以上の分析物の濃度を検出し得る。本発明の移植可能モ
ノリシック生体電子工学デバイスは、一般的に、基板、光の放出によって特定の
物質に応答し得るバイオレポーター、このバイオレオポーターを保持し得る、こ
の物質に添付された容器、光に応答して電気シグナルを生成するように作動する
光変換器を含む基板上の集積回路(ここで、このシグナルは、この物質の濃度を
示す);および動物の身体内に移植され得る生体適合性ハウジングを備え、ここ
のハウジングの一部は、半透膜を備えるバイオレポーター容器に変換し、この半
透膜は、動物の身体からの分析物の通過を可能にして、バイオセンサと接触させ
るが、移植されたデバイスを含む動物の身体への拡散からこのバイオレポーター
分子を制限する。このバイオレポーターは、溶液(すなわち、細胞懸濁物)中に
存在し得、そして半透膜によって容器に捕捉されるか、またはこのバイオレポー
ターは、選択的に透過可能なポリマーマトリックス(これは、溶液中の選択され
た物質がこのバイオレポーターに達することを可能にし得る)に被覆され得る。
好ましくは、このマトリックスは、光学的に透明である。
The present invention relates to an implantable BBIC device or an in situ or in vivo BBIC device that can be implanted in an animal body and detects the concentration of one or more analytes present in the animal. I can do it. The implantable monolithic bioelectronic device of the present invention generally comprises a substrate, a bioreporter capable of responding to a particular substance by emission of light, a container attached to the substance capable of holding the bioreoporter, a light, An integrated circuit on a substrate that includes a light transducer operable to generate an electrical signal in response to the signal, wherein the signal indicates the concentration of the substance; and a biocompatible implantable body in an animal. A housing, wherein a portion of the housing is converted to a bioreporter container comprising a semi-permeable membrane, which allows the passage of the analyte from the animal body to contact the biosensor. Limit this bioreporter molecule from spreading into the body of the animal, including the implanted device. The bioreporter can be in solution (ie, a cell suspension) and is captured in a container by a semi-permeable membrane, or the bioreporter can be selectively permeable to a polymer matrix, (Which may allow selected substances in solution to reach the bioreporter).
Preferably, the matrix is optically clear.

【0033】 この装置はさらに、基板と容器との間に生体耐性/生体適合性材料の層(例え
ば、窒化ケイ素の層)を備え得る。上記の集積回路は、好ましくはCMOS集積
回路であり、そして上記の光変換器は、好ましくは、光ダイオードである。
The device may further comprise a layer of a bioresistant / biocompatible material (eg, a layer of silicon nitride) between the substrate and the container. The integrated circuit is preferably a CMOS integrated circuit, and the light converter is preferably a photodiode.

【0034】 この集積回路はまた、電流−周波数変換器および/またはデジタルカウンター
を備え得る。さらに、この集積回路はまた、1以上の送信機を備え得る。このよ
うな送信機は、無線であっても、従来的な有線であってもよい。好ましい実施形
態において、この装置はまた、この送信機からの送信を受信し得る薬物送達デバ
イスを備える。
The integrated circuit may also include a current-to-frequency converter and / or a digital counter. Further, the integrated circuit may also include one or more transmitters. Such a transmitter may be wireless or conventional wired. In a preferred embodiment, the apparatus also comprises a drug delivery device capable of receiving the transmission from the transmitter.

【0035】 本発明のさらなる実施形態は、溶液中の選択された物質の検出のための移植可
能な装置である。この装置は、以下を備える:光に反応して回路内に電気シグナ
ルを入力するように適合された光変換器、放射光により溶液中の選択された物質
に対して反応し得るバイオレポーター、この物質に接触するように適合されたレ
ポーター、を有する集積回路;ならびに、バイオレポーターから放射された光で
光変換器をストライクするための、光変換器とバイオレポーターとの間に配置さ
れる透明で、生体適合性でかつ生体抵抗性の分離機。本発明の好ましい実施形態
において、選択される物質はグルコースである。このバイオレポーターは、1つ
以上の発光レポーター分子をコードするヌクレオチド配列を含む哺乳動物細胞で
あり得る。このようなヌクレオチド配列は、1つ以上のlux遺伝子を含み得る
。好ましい実施形態において、lux遺伝子は、luxCDE遺伝子および融合
luxAB遺伝子の両方を含む。1つの実施形態において、これらのlux遺伝
子は、Xenorhabdus luminescensに由来する。これらの
lux遺伝子は、1つ以上のcis−作動性グルコース応答エレメントを含む核
酸配列により調節され得る。例示的な実施形態において、このグルコース応答性
エレメントは、β膵島遺伝子または肝臓Lピルビン酸キナーゼ遺伝子に由来し得
る。非常に好ましい実施形態において、1つ以上のlux遺伝子の発現を駆動す
るために、p.LPK.LucFFプラスミドを用いて、1つ以上のグルコース応
答性エレメントおよびL−ピルビン酸キナーセプロモーターを提供する。バイオ
レポーターを構成する細胞は、懸濁され、半透膜によりIC上に配置され得る。
あるいは、バイオレポーターを構成するこの細胞は、ICに添付されたポリマー
マトリックス中にカプセル化されてもよい。このようなマトリックスは、溶液中
の選択された物質に透過性であり得る。
[0035] A further embodiment of the present invention is an implantable device for the detection of a selected substance in a solution. The device comprises: a light transducer adapted to input an electrical signal into the circuit in response to light; a bioreporter capable of reacting to selected substances in solution by radiation; An integrated circuit having a reporter adapted to contact a substance; and a transparent, light-transmitting and bio-reporter disposed between the bio-reporter for striking the light converter with light emitted from the bio-reporter. Biocompatible and bioresistant separator. In a preferred embodiment of the invention, the substance selected is glucose. The bioreporter can be a mammalian cell that contains a nucleotide sequence that encodes one or more luminescent reporter molecules. Such a nucleotide sequence may include one or more lux genes. In a preferred embodiment, the lux gene comprises both the luxCDE gene and the fused luxAB gene. In one embodiment, these lux genes are from Xenorhabdus luminescens. These lux genes can be regulated by nucleic acid sequences that include one or more cis-acting glucose response elements. In an exemplary embodiment, the glucose responsive element can be derived from a β-islet gene or a liver L-pyruvate kinase gene. In a very preferred embodiment, to drive the expression of one or more lux genes, p. LPK. The Luc FF plasmid is used to provide one or more glucose responsive elements and the L-pyruvate quinase promoter. The cells that make up the bioreporter can be suspended and placed on the IC by a semipermeable membrane.
Alternatively, the cells that make up the bioreporter may be encapsulated in a polymer matrix attached to the IC. Such a matrix can be permeable to the selected substance in solution.

【0036】 本発明のさらなる実施形態は、体液中の選択された物質を検出するための移植
可能なモノリシックバイオエレクトロニックデバイスに関する。このデバイスは
、一般に、以下を備える:生体適合性のハウジング;放射により選択された物質
に反応し得るバイオレポーター;および放射光の受容に応答して電気シグナルを
生成し得るセンサ。このようなデバイスはまた、バイオレポーターとセンサとの
間に配置される透明で、生体抵抗性でかつ生体適合性の分離機、ならびに生体適
合性ハウジングに配置される半透膜を備え得、これにより選択された物質はバイ
オレポーターに接近し得る。
A further embodiment of the present invention relates to an implantable monolithic bioelectronic device for detecting a selected substance in a body fluid. The device generally comprises: a biocompatible housing; a bioreporter capable of responding to a selected substance by radiation; and a sensor capable of generating an electrical signal in response to receiving emitted light. Such a device may also include a transparent, bioresistant and biocompatible separator disposed between the bioreporter and the sensor, as well as a semi-permeable membrane disposed in the biocompatible housing. May be accessible to the bioreporter.

【0037】 標準的な集積回路(IC)は、絶縁物質(例えば、二酸化ケイ素または窒化ケ
イ素)の層で被覆される。このプロセスは、不動態化(passivation
)と呼ばれ、そして湿度、汚染および機械的損傷からチップの表面を保護するよ
うに働く。BBICは、第2のコーティングを必要とする。このコーティングは
、生体適合性でかつ生体抵抗性でなければならず、化学的ストレスからOASI
Cを保護しなければならず、試験下の材料から光を効率的に透過するように光学
的に調整(tune)されなければならず、酸化物コーティングに付着しなけれ
ばならず、ピンホールがあってはならず、そして結合パッドにわたる開口および
バイオレポーターを維持またはサンプルを収集するために必要とされ得るいかな
る構造をも形成するためにパターン付けされ得なければならない。
A standard integrated circuit (IC) is coated with a layer of an insulating material (eg, silicon dioxide or silicon nitride). This process involves passivation.
) And serves to protect the surface of the chip from humidity, contamination and mechanical damage. BBIC requires a second coating. This coating must be biocompatible and bioresistant and must be free of OASI from chemical stress.
C must be protected, optically tuned to efficiently transmit light from the material under test, must adhere to the oxide coating, and Must not be, and must be able to be patterned to form openings across the binding pad and any structures that may be required to maintain or collect the sample.

【0038】 本発明は、バイオセンサの構成要素がキット形態でパッケージングされ得るこ
とを意図する。キットは、適切な容器手段中に、1つ以上のバイオレポーターお
よび光変換器を備える集積回路を備え得る。キットは、薬物送達デバイスをさら
に含み得る。
The present invention contemplates that the components of the biosensor can be packaged in kit form. The kit may comprise, in suitable container means, an integrated circuit comprising one or more bioreporters and light converters. The kit may further include a drug delivery device.

【0039】 以下の図は本明細書の一部を形成し、本発明の特定の局面をさらに明示するた
めに含まれる。本発明は、明細書に示される具体的な実施形態の詳細な説明と組
み合わせてこれらの1つ以上の図を参照することで、よりよく理解され得る。さ
まざなま図面の同等および対応する部分を参照するのに同じ番号を使用して、本
発明の例示的な実施形態を図において示す。
The following figures form part of the present specification and are included to further demonstrate certain aspects of the present invention. The present invention may be better understood with reference to one or more of these figures in combination with the detailed description of the specific embodiments set forth herein. Illustrative embodiments of the present invention are shown in the figures, using the same numbers to reference the same and corresponding parts of the various drawings.

【0040】 (例示的な実施例の説明) このルシフェラーゼシステムは、インビボのバイオセンサにおける用途に適合
されてきた。原核生物において、luxシステムは、遺伝子luxAおよびlu
xBによってコードされる2つのサブユニットから構成されるルシフェラーゼか
らなる。これらの遺伝子luxAおよびluxBは、対応する脂肪酸に対し、長
鎖脂肪アルデビドを酸化させ、その結果、約490nmの波長の青緑色の発光が
生じる(TuおよびMager、1995)。このシステムはまた、3つのタン
パク質からなる、多酵素から成る脂肪酸レダクターゼと、luxCによってコー
ドされるレダクターゼと、luxDによってコードされるトランスフェラーゼと
、脂肪酸をアルデビド基質に転換し、再生する、luxEによってコードされる
シンセターゼと含む。これらの遺伝子は、1つのオペロン内に含まれ、これによ
り、ユーザに特有のプロモータからのlux遺伝子カセットダウンストリームを
完全にクローニングして、生物発光を利用して遺伝子の発現をモニタリングする
ことが可能となる。生物発光バイオレポーターの大部分は、決定的に重要な化学
的ストレッサーおよび環境的ストレッサーを検出およびモニタリングするように
操作された、グラム陰性の生物体からなる(Ramanathanら、1997
、Steinbergら、1995)。グラム陽性細菌およびイースト細胞株に
おけるルシフェラーゼ融合もまた、成功裏に行われた(AndrewおよびRo
berts、1993、Srikanthaら、1996)。
DESCRIPTION OF ILLUSTRATIVE EXAMPLES The luciferase system has been adapted for use in in vivo biosensors. In prokaryotes, the lux system comprises the genes luxA and luxA
Consists of a luciferase composed of two subunits encoded by xB. These genes luxA and luxB oxidize long-chain fatty aldebids to the corresponding fatty acids, resulting in blue-green emission at a wavelength of about 490 nm (Tu and Mager, 1995). The system also comprises a multiprotein fatty acid reductase consisting of three proteins; a reductase encoded by luxC; a transferase encoded by luxD; And synthetase. These genes are contained within one operon, which allows complete cloning of the lux gene cassette downstream from a user-specific promoter to monitor gene expression using bioluminescence. Becomes The majority of bioluminescent bioreporters consist of gram-negative organisms engineered to detect and monitor critical chemical and environmental stressors (Ramanathan et al., 1997).
, Steinberg et al., 1995). Luciferase fusions in Gram-positive bacteria and yeast cell lines have also been performed successfully (Andrew and Ro).
berts, 1993, Srikantha et al., 1996).

【0041】 細菌レポーターにクローニングされる、真核生物ルシフェラーゼ遺伝子は、5
60nm近隣で発光するホタルルシフェラーゼ(luc)と、595nm近隣で
発光するコメツキムシルシフェラーゼ(lucOR)とを含む(Cebolla
ら、1995、Hastings、1996)。真核生物バイオレポーターは、
ラット膵島β細胞におけるグルコース濃度(Kennedyら、1997)と、
HeLa細胞におけるステロイド活性(Gagneら、1994)と、マウスの
線維芽細胞における紫外線の効果(Filatovら、1996)と、ヒトの肝
臓癌細胞における毒性効果(Andersonら、1995)と、乳癌細胞株に
おけるエストロゲン化合物および抗エストロゲン化合物(Demirpence
ら、1995)と、ヒト肝臓癌細胞株におけるエリスロポイエチン遺伝子誘導(
GuptaおよびGoldwasser、1996)とをモニタリングするよう
に設計されてきた。今まで、殆どの真核生物生物発光レポーターは、可測的な発
光応答を生成するためには、細胞の破壊と、外来の基質(通常はルシフェリン)
の付加とを必要とする。
The eukaryotic luciferase gene, cloned into a bacterial reporter, contains 5
Includes firefly luciferase (luc) emitting near 60 nm and click beetle luciferase (lucOR) emitting near 595 nm (Cebolla)
Et al., 1995, Hastings, 1996). Eukaryotic bioreporters
Glucose concentration in rat islet β cells (Kennedy et al., 1997);
Steroid activity in HeLa cells (Gagne et al., 1994), the effect of ultraviolet light in mouse fibroblasts (Filatov et al., 1996), the toxic effect in human liver cancer cells (Anderson et al., 1995), and in breast cancer cell lines. Estrogen compounds and antiestrogenic compounds (Demirence)
1995) and erythropoietin gene induction in human liver cancer cell lines (
Gupta and Goldwasser, 1996). To date, most eukaryotic bioluminescent reporters rely on cell destruction and extraneous substrates (usually luciferin) to produce a measurable luminescent response.
Need to be added.

【0042】 緑色蛍光タンパク(「GFP」)もまたレポーターシステムとして日常的に用
いられており、比色シグナルを生成するための細胞が破壊的なアッセイ技術を必
要としないという有意な利点を有する(Hanakamら、1996;Gryg
orczykら、1996;SiegelおよびIsacoff、1997;B
iondiら、1998)。しかし、先ず最初に光応答を開始するためには、基
質をGFP構成体に付加する必要がある(Prasher、1995)。ヒト化
GFPcDNAが開発されてきており、これは、哺乳動物の細胞(特に、ヒト由
来の細胞)における高レベル発現用に特に適合されている(Zolotukhi
n、1996)。ヒト化GFPは、ウイルスベクターを用いて、哺乳動物の細胞
に効率的に挿入され得る(Levyら、1996;Gramら、1998)。
Green fluorescent protein (“GFP”) is also routinely used as a reporter system and has the significant advantage that cells to generate colorimetric signals do not require disruptive assay techniques ( Hanakam et al., 1996; Gryg
orczyk et al., 1996; Siegel and Isacoff, 1997; B
iondi et al., 1998). However, the substrate must first be added to the GFP construct to initiate a light response (Prasher, 1995). Humanized GFP cDNAs have been developed which are particularly adapted for high level expression in mammalian cells, especially cells of human origin (Zolotukhi).
n, 1996). Humanized GFP can be efficiently inserted into mammalian cells using viral vectors (Levy et al., 1996; Gram et al., 1998).

【0043】 レポーター生物体からの生物発光シグナルの検出は、光学的変換器(例えば、
光電子増倍管、フォトダイオード、マイクロチャネルプレート、写真用フィルム
、電荷結合デバイス等)の使用を通じて達成される。光の収集および変換器への
転送は、レンズ、光ファイバーケーブル、またはリキッド光ガイドを通じて行わ
れる。しかし、小容量、リモート検出または複数の同時センシングを必要とする
アプリケーションの場合、小型かつ携帯可能であり、しかも高レベルの感度を保
持するような、新規な種類の計器装備が必要である。 4.1システムの概観 本発明は、選択された物質を検出する、移植可能なBBICを記載する。バイ
オレポーターは、選択された物質に応答するcis活性化応答要素を核酸配列が
含む、遺伝的に操作された細胞株である。好適な実施形態において、選択された
物質はグルコースである。バイオレポーターを選択された物質にさらすことによ
り、応答要素が、ルミネセンス応答を生成する1つ以上のポリペプチドをコード
する核酸配列を上方調節する。好適な実施形態において、ルミネセンス応答は、
原核生物のlux系によって生成される。
Detection of a bioluminescent signal from a reporter organism can be achieved by using an optical transducer (eg,
This is achieved through the use of photomultipliers, photodiodes, microchannel plates, photographic films, charge-coupled devices, etc. Light collection and transfer to the transducer can be through lenses, fiber optic cables, or liquid light guides. However, for applications requiring small capacity, remote sensing or multiple simultaneous sensing, a new class of instrumentation is needed that is small and portable, yet retains a high level of sensitivity. 4.1 System Overview The present invention describes an implantable BBIC that detects selected substances. A bioreporter is a genetically engineered cell line in which a nucleic acid sequence contains a cis activation response element that responds to a selected agent. In a preferred embodiment, the selected substance is glucose. By exposing the bioreporter to a selected agent, a response element up-regulates a nucleic acid sequence encoding one or more polypeptides that produces a luminescent response. In a preferred embodiment, the luminescence response is
Produced by the prokaryotic lux system.

【0044】 BBICのIC部分の機能は、バイオルミネセンスシグナルを検出し、フィル
タリングし、増幅し、デジタル化し、レポートすることである。実質的にこのI
Cは、完全なオンチップの実験器具、すなわちマイクロルミノメータとして機能
する。
The function of the IC part of the BBIC is to detect, filter, amplify, digitize and report on the bioluminescence signal. Substantially this I
C functions as a complete on-chip laboratory instrument, a microluminometer.

【0045】 シリコンベースのICは、トランジスタを形成するために通常用いられるPN
接合を用いて、近紫外、可視、および近赤外領域の光学シグナルを検出し得る(
Simpsonら、1999a)。n型ウェル/p型基板のフォトダイオードを
0.5μmのバルクCMOS ICプロセスに用いることにより、490nmバ
イオルミネセンス波長において、約66%の量子効率が測定されている(Sim
psonら、1999b)。様々なシグナルプロセス手順を用いることが可能で
ある。ただし、電流−周波数変換器回路からのパルスを計数することにより、長
い時定数の積分器が形成され、これは、ホワイトノイズ中の低レベルのバイオル
ミネセンスシグナルのための整合フィルタの、決定的な部分となる。上述のフォ
トダイオードをこのシグナルプロセス手順とともに用いることにより、13分間
の積分時間について175電子/秒のrmsノイズレベルが測定された。これは
、約500光子/秒の検出限界に対応する(Simpsonら、1999b)。
Silicon-based ICs use PN, which is commonly used to form transistors
The conjugation can be used to detect optical signals in the near ultraviolet, visible, and near infrared regions (
Simpson et al., 1999a). Approximately 66% quantum efficiency was measured at 490 nm bioluminescence wavelength by using an n-well / p-substrate photodiode in a 0.5 μm bulk CMOS IC process (Sim).
pson et al., 1999b). Various signal processing procedures can be used. However, by counting the pulses from the current-to-frequency converter circuit, a long time constant integrator is formed, which is the decisive factor of a matched filter for low-level bioluminescence signals in white noise. Part. Using the photodiode described above with this signal processing procedure, an rms noise level of 175 electrons / sec was measured for an integration time of 13 minutes. This corresponds to a detection limit of about 500 photons / second (Simpson et al., 1999b).

【0046】 トルエン感受性バイオレポーターであるP.putida TVA8を、カス
タム集積マイクロルミノメータ上に設置することにより、プロトタイプのBBI
Cを構築した。図6は、性質決定研究に用いたプロトタイプのBBIC(バイオ
レポーターエンクロージャを含む)を示す(Simpsonら、1998b:S
impsonら、1998c;Simpsonら、1998d)。
The toluene-sensitive bioreporter P. By placing putida TVA8 on a custom integrated microluminometer, a prototype BBI
C was constructed. FIG. 6 shows the prototype BBIC (including the bioreporter enclosure) used for the characterization study (Simpson et al., 1998b: S
impson et al., 1998c; Simpson et al., 1998d).

【0047】 細胞からのルミネセンスシグナルが来ていない状態で、積分時間を1分に設定
し、複数の測定を行った。漏れ電流により、約6カウント/分のシグナルが生成
され、標準偏差(σ)は0.22カウント/分であった。予想通り、σは積分時
間の平方根で減少した。1分ごとの測定を合計することにより、より長い積分時
間をオフラインで作成した。
With no luminescence signal from the cells, the integration time was set to one minute and a plurality of measurements were performed. The leakage current produced a signal of about 6 counts / minute with a standard deviation (σ) of 0.22 counts / minute. As expected, σ decreased with the square root of the integration time. A longer integration time was created off-line by summing the measurements every minute.

【0048】 BBIC細胞内および細胞のコントロールサンプル内において、トルエン蒸気
へさらすことによりバイオルミネセンスを誘導した。コントロールサンプルの測
定から、トルエン濃度はわずか1ppmであると見積もった。12カウント/分
(バックグラウンドよりも6カウント/分上である)のシグナルが測定された。
前もっての測定により、P.putida TVA8は、濃度が飽和するまで(
約10ppmのレベルに達する場合)、トルエン濃度に対して線形な応答を有す
ることがわかっている。積分時間の関数としてのこのBBICの最小検出可能ト
ルエン濃度を、図8に示す。一般に、最小検出可能濃度はまた、バイオレポータ
ー細胞の数およびフォトダイオードの面積の関数でもある。
[0048] Bioluminescence was induced in BBIC cells and in control samples of cells by exposure to toluene vapor. From measurements on control samples, the toluene concentration was estimated to be only 1 ppm. A signal of 12 counts / minute (6 counts / minute above background) was measured.
By prior measurement, P.I. putida TVA8 until the concentration is saturated (
It has been found that it has a linear response to toluene concentration when it reaches a level of about 10 ppm). The minimum detectable toluene concentration of this BBIC as a function of integration time is shown in FIG. Generally, the minimum detectable concentration is also a function of the number of bioreporter cells and the area of the photodiode.

【0049】 上述のマイクロルミノメータおよびバイオレポーターP.fluoresce
ns 5RLを用いて、ナフタレン感受性BBICを作製した。上述の同じ実験
手順を用いて、このBBICを濃度約10ppmのナフタレン蒸気にさらした。
240カウント/分のシグナルが記録された。
The microluminometer and bioreporter P. fluoresce
Naphthalene sensitive BBICs were made using ns 5RL. Using the same experimental procedure described above, the BBIC was exposed to naphthalene vapor at a concentration of about 10 ppm.
A signal of 240 counts / min was recorded.

【0050】 外因性基質の添加の必要をなくすためには、細胞自身が、ルシフェラーゼに対
する適切な基質を供給しなければならない。細菌系においては、基質は、lux
CDE遺伝子によってコードされる脂肪酸還元酵素複合体によって生成される。
この酵素複合体は、短鎖脂肪酸を対応するアルデヒドに還元する。ルシフェラー
ゼは次に、アルデヒドを対応する脂肪酸に酸化する。この反応のための好適な脂
肪酸は、真核生物中に存在するミリスチン酸である(Rudnickら、199
3)。ミリスチン酸は通常、膜結合に関連するアミノ末端のミリストイル化に関
与する(Borgeseら、1996、Brandら、1996)。
To eliminate the need for the addition of exogenous substrates, the cells themselves must supply the appropriate substrates for luciferase. In bacterial systems, the substrate is lux
Produced by the fatty acid reductase complex encoded by the CDE gene.
This enzyme complex reduces short chain fatty acids to the corresponding aldehyde. Luciferase then oxidizes the aldehyde to the corresponding fatty acid. A preferred fatty acid for this reaction is myristic acid, which is present in eukaryotes (Rudnick et al., 199).
3). Myristic acid is usually involved in amino-terminal myristoylation associated with membrane binding (Borgese et al., 1996; Brand et al., 1996).

【0051】 好適な実施形態において、グルコースモニタリング用のバイオレポーターは、
細胞破壊および外来基質(exogenous substrate)の添加を
必要とせずに、連続する基板上のグルコース濃度に応答して発光を示すように遺
伝子操作された哺乳動物生物発光レポーター細胞株である。哺乳動物生物発光レ
ポーター細胞を用いる現在の方法論は、測定可能な応答を引き起こすために、細
胞溶解および外来基質の添加を必要とする。結果的に、これらのセルは、連続的
なオンラインモニタリングデバイスとしては役立つことができない。好適な実施
形態において、この新たな細胞株は、グルコース濃度に応答することができる真
核生物luc遺伝子を含む、プラスミドに基づく系(p.LPK.LucFFとい
う名称)に組み込まれたX.luminescens由来のluxABおよびl
uxCDE遺伝子を利用して、生物発光レポーターを用いて構築される。lux
AB遺伝子でのluc遺伝子の置換により、生物発光測定がグルコース濃度とリ
アルタイムで起こることが可能であり、細胞破壊および基質の添加の必要性がな
くなる。
In a preferred embodiment, the bioreporter for glucose monitoring comprises:
A mammalian bioluminescent reporter cell line that has been genetically engineered to exhibit luminescence in response to glucose concentration on a continuous substrate without the need for cell disruption and the addition of exogenous substrates. Current methodology using mammalian bioluminescent reporter cells requires cell lysis and the addition of exogenous substrates to elicit a measurable response. Consequently, these cells cannot serve as continuous online monitoring devices. In a preferred embodiment, the new cell line is an X. lactis integrated in a plasmid-based system (designated p.LPK.Luc FF ) containing a eukaryotic luc gene capable of responding to glucose concentrations. luxAB and l from luminescens
Utilizing the uxCDE gene, it is constructed using a bioluminescent reporter. lux
Replacement of the luc gene with the AB gene allows bioluminescence measurements to occur in real time with glucose concentration, eliminating the need for cell disruption and the addition of substrate.

【0052】 移植可能なグルコースモニタリングBBICを形成するために、バイオレポー
ターが、IC光検出器上で適切な場所にバイオレポーターを留める、半透膜後方
の容器内に捕らえられ得る。あるいは、バイオレポーターは、ポリマーマトリッ
クス内に包まれ得る。BBICは、バイオレポーター領域を被覆する半透膜を有
する生体適合ハウジング内に封入される。この膜は、バイオレポーターへのグル
コースの通過は可能とするが、グルコース測定を妨害し得るさらに大きな分子の
通過を妨げる。グルコースがバイオレポーターに到達すると、グルコースは代謝
されて、細胞が可視光を発する。ICがこの光を検出し、このシグナルを増幅お
よびフィルタリングして、次いで、この測定を報告する。この測定は患者(例え
ば、腕時計型受信器)に報告され得るか、または膵臓とほぼ同様の機能をする閉
ループ系内のインシュリンポンプに報告され得る。
To form an implantable glucose monitoring BBIC, a bioreporter can be captured in a container behind the semi-permeable membrane that holds the bioreporter in place on an IC photodetector. Alternatively, the bioreporter can be encapsulated within a polymer matrix. The BBIC is encapsulated in a biocompatible housing with a semi-permeable membrane covering the bioreporter area. This membrane allows the passage of glucose to the bioreporter, but prevents the passage of larger molecules that can interfere with glucose measurements. When the glucose reaches the bioreporter, it is metabolized and the cells emit visible light. The IC detects the light, amplifies and filters the signal, and then reports the measurement. This measurement may be reported to the patient (eg, a wristwatch receiver) or to an insulin pump in a closed loop system that functions much like the pancreas.

【0053】 図1は本発明の斜視図を示す。検出されるグルコース10が、バイオレポータ
ーを被覆する半透膜12を通ってBBIC11に入る。
FIG. 1 shows a perspective view of the present invention. The glucose 10 to be detected enters the BBIC 11 through the semipermeable membrane 12 covering the bioreporter.

【0054】 図2は本発明の側面図を示す。BBICが、容器22内に保持されたバイオレ
ポーターを被覆する半透膜21を有する生体適合ハウジング20内に封入される
。バイオレポーターを構成する細胞は、懸濁形態であり得るか、またはポリマー
マトリックス内にカプセル化され得る。バイオレポーターは、保護被膜24によ
って光検出器23と隔てられる。単一の基板25が、シグナルの処理および発信
を行う付加回路26ならびに光検出器を含む。
FIG. 2 shows a side view of the present invention. The BBIC is encapsulated in a biocompatible housing 20 having a semi-permeable membrane 21 covering a bioreporter held in a container 22. The cells that make up the bioreporter can be in suspension or can be encapsulated in a polymer matrix. The bioreporter is separated from the photodetector 23 by a protective coating 24. A single substrate 25 includes additional circuitry 26 for processing and transmitting signals and a photodetector.

【0055】 図3は、集積回路(「IC」)の1つの実施形態のブロック図を示す。光検出
器は、電流−周波数変換器30に接続されるフォトダイオード33である。この
フォトダイオードは、電流をシンキングする(sinking)ことによって光
に反応する。電流は、デジタルカウンター31内に蓄積される一連のパルスに変
換される。一定時間におけるカウンター内のカウント数が、グルコース濃度と正
比例する、フォトダイオードによって収集される光の量と正比例する。デジタル
カウンター内のデジタル処理回路部は、測定されたグルコースレベルに基づいて
、インシュリンポンプに関する適切な次の工程を決定する。測定濃度、またはイ
ンシュリンポンプに対する次の指示が、無線発信器32を介して報告され得る。
これらの回路の全て(フォトダイオード、シグナル処理、および無線発信)は、
1つのIC上に製造することができる。
FIG. 3 shows a block diagram of one embodiment of an integrated circuit (“IC”). The light detector is a photodiode 33 connected to the current-frequency converter 30. The photodiode responds to light by sinking a current. The current is converted into a series of pulses stored in digital counter 31. The number of counts in the counter over a period of time is directly proportional to the amount of light collected by the photodiode, which is directly proportional to the glucose concentration. Digital processing circuitry within the digital counter determines the appropriate next step for the insulin pump based on the measured glucose level. The measured concentration, or the next indication to the insulin pump, may be reported via wireless transmitter 32.
All of these circuits (photodiode, signal processing, and radio transmission)
It can be manufactured on one IC.

【0056】 図4は、水および栄養素が供給されたバイオレポーターを示す。流体および栄
養素リザーバー141が、マイクロ流体ポンプ142に接続されているため、栄
養素および流体144が、バイオレポーターを封入するポリマーマトリックス1
43を介して流れ得る。これらの構成要素のそれぞれは、単一の基板140上に
構成することができる。
FIG. 4 shows a bioreporter supplied with water and nutrients. Since the fluid and nutrient reservoir 141 is connected to the microfluidic pump 142, the nutrient and fluid 144 can be used to encapsulate the bioreporter in the polymer matrix 1.
43. Each of these components can be configured on a single substrate 140.

【0057】 図5Aは、標準的なNウェルCMOS処理を用いて作製された、高品質の光検
出器を示す。この光検出器は、2つの並列した逆バイアスダイオードから成る。
上側のダイオードは、P+活性層45とNウェル46との間に形成され、下側の
ダイオードは、Nウェル46とP基板47との間に形成される。上側のダイオー
ドが良好な短波長感光性(short wavelength light s
ensitivity)(400〜550nm)を有する一方で、下側のダイオ
ードは、良好な長波長感光性(500〜1100nm)を提供する。よって、ダ
イオード全体では、400〜1100nmの範囲にわたって感光性を有する。検
査中の発光化合物41は、Si34層40およびSiO2層42によって光検出
器と隔てられる。
FIG. 5A shows a high quality photodetector made using standard N-well CMOS processing. This photodetector consists of two parallel reverse bias diodes.
The upper diode is formed between the P + active layer 45 and the N well 46, and the lower diode is formed between the N well 46 and the P substrate 47. The upper diode has good short wavelength light s
The lower diode provides good long-wavelength photosensitivity (500-1100 nm), while having an activity (400-550 nm). Therefore, the entire diode has photosensitivity over the range of 400 to 1100 nm. The luminescent compound 41 under test is separated from the photodetector by the Si 3 N 4 layer 40 and the SiO 2 layer 42.

【0058】 図10A、図10B、および図10Cは、グルコース濃度の増加または減少の
いずれかに反応するバイオレポーターを備えた、2つの分離型光検出器を含む移
植可能なバイオセンサの概略表示を示す。
FIGS. 10A, 10B, and 10C show schematic representations of an implantable biosensor including two separate photodetectors with a bioreporter responsive to either increasing or decreasing glucose concentration. Show.

【0059】 図10Bは、サイラスティック被覆を示すバイオセンサの側面図を示す。FIG. 10B shows a side view of a biosensor showing a silastic coating.

【0060】 図10Cは、バイオレポーターを免疫応答から保護するための選択的透過膜の
利用の概略表示を示す。
FIG. 10C shows a schematic representation of the use of a selectively permeable membrane to protect a bioreporter from an immune response.

【0061】 (4.2 光検出器) マイクロ照度計シグナル処理系の第1の要素は、光検出器である。光検出器の
主な必要条件は、以下の通りである。
(4.2 Photodetector) The first element of the microluminometer signal processing system is a photodetector. The main requirements for the photodetector are as follows.

【0062】 ・試験下の生物ルミネセンス化合物または化学ルミネセンス化合物によって発
光される光の波長に対する感度; ・寄生逆バイアスダイオードに起因する、低いバックグラウンドシグナル(す
なわち、漏れ電流); ・半導体デバイスにおける材料が、試験下の生物ルミネセンスまたは化学ルミ
ネセンスのプロセスを干渉することを防ぎ、試験下のプロセスがマイクロ照度計
の性能を低下させることを防ぐ、適切なコーティング;および ・マイクロ照度計回路部を作製するために用いられる製造プロセスとの適合性 これらの必要条件を満たす2つの光検出器構成が、以下に説明される。しかし
、このような光検出器を構成する代替的な方法が、特許請求の範囲によって規定
される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって用いられ
得ることが理解されるべきである。
• sensitivity to the wavelength of light emitted by the bioluminescent or chemiluminescent compound under test; • low background signal (ie, leakage current) due to parasitic reverse biased diodes; A suitable coating that prevents the material from interfering with the bioluminescent or chemiluminescent process under test and prevents the process under test from degrading the performance of the microluminometer; and Compatibility with the manufacturing process used to fabricate Two photodetector configurations that meet these requirements are described below. However, it should be understood that alternative ways of constructing such a photodetector may be used by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. is there.

【0063】 第1の実施形態において、光検出器は、標準的なN−ウェルCMOSプロセス
で製造される。図5Aに示すように、この検出器は、PMOSアクティブ領域と
N−ウェルとの間のPN接合を、N−ウェルと、P−型基板との間のPN接合と
並列に接続することによって、形成される。得られる検出器は、約400nm〜
約1100nmの範囲の光に対して感度がある。この範囲には、最も一般的に用
いられる生物ルミネセンスまたは化学ルミネセンスの化合物または有機体の発光
範囲450〜600nmが含まれる。デバイスが低いバックグラウンドシグナル
を有するという必要条件を満たすために、デバイスはゼロバイアスで動作し、ダ
イオードの動作電圧が基板電圧と等しく設定される。フォトダイオードコーティ
ングは、堆積された窒化ケイ素層、または半導体処理技術に適合する他の材料か
ら形成され得る。
[0063] In a first embodiment, the photodetector is manufactured in a standard N-well CMOS process. As shown in FIG. 5A, the detector connects the PN junction between the PMOS active region and the N-well in parallel with the PN junction between the N-well and the P-type substrate. It is formed. The resulting detector is approximately 400 nm
Sensitive to light in the range of about 1100 nm. This range includes the emission range of 450-600 nm for the most commonly used bioluminescent or chemiluminescent compounds or organisms. To meet the requirement that the device have a low background signal, the device operates at zero bias and the operating voltage of the diode is set equal to the substrate voltage. The photodiode coating may be formed from a deposited silicon nitride layer or other material compatible with semiconductor processing technology.

【0064】 光検出器の第2の実施形態において、検出器は、絶縁体上シリコン(SOI)
CMOSプロセスで製造される。SOIプロセスにおける内部漏れ電流は、活性
層と基板との間の埋め込み酸化物絶縁層が存在することに起因して、標準CMO
Sにおける内部漏れ電流より2〜3桁小さい。2つの光検出器構造は、SOIプ
ロセスにおいて想定される。図5Bの左側に示す第1の構造は、横向きのPIN
検出器からなる。このPIN検出器において、P−層は、P+コンタクト層によ
って形成され、I(固有)領域は、薄くドーピングされた活性層から形成され、
N領域は、SOI CMOSプロセスのN+コンタクト層から形成される。この
横向きの検出器のスペクトル感度は、活性層の厚さによって設定され、特定の生
物ルミネセンス化合物または化学ルミネセンス化合物に合わせられ得る。
In a second embodiment of the photodetector, the detector comprises silicon on insulator (SOI)
It is manufactured by a CMOS process. The internal leakage current in the SOI process is due to the presence of a buried oxide insulating layer between the active layer and the substrate, resulting in a standard CMO
2 to 3 orders of magnitude lower than the internal leakage current in S. Two photodetector structures are envisioned in the SOI process. The first structure shown on the left side of FIG.
Consists of a detector. In this PIN detector, the P- layer is formed by a P + contact layer, the I (intrinsic) region is formed by a lightly doped active layer,
The N region is formed from an N + contact layer in an SOI CMOS process. The spectral sensitivity of this sideways detector is set by the thickness of the active layer and can be tailored to a particular bioluminescent or chemiluminescent compound.

【0065】 図3Bの右側に示す第2の構造は、接合が、堆積されたケイ化コバルト(Co
Si2)または他の適切な材料層と薄くドーピングされた活性層との間のショッ
トキー接合から形成されることを除いて、第1の構造と同様である。
The second structure, shown on the right side of FIG. 3B, shows that the junction is deposited cobalt silicide (Co
Similar to the first structure, except that it is formed from a Schottky junction between a Si 2 ) or other suitable material layer and the lightly doped active layer.

【0066】 発明者は、上述の基準を満たすシリコンまたは半導体処理において、他の光検
出器構造が想定され得ることを考慮に入れている。
The inventors take into account that other photodetector structures can be envisioned in silicon or semiconductor processing that meet the above criteria.

【0067】 (4.3 低ノイズ電子部品) 低ノイズ電子部品は、マイクロ照度計シグナル処理系の第2の要素である。低
ノイズ電子部品の必要要件は、 ・光検出器によって提供される非常に低いシグナルレベルに対する感度; ・シグナル処理系における電子ノイズに対する耐性または補償; ・温度の変動に対する最小感度; ・電源電圧(バッテリ駆動アプリケーション用)の変化に対する最小感度; ・あるアプリケーションのために、電子部品は、検出されたシグナルレベルを
正確に記録するように十分な線形性およびダイナミックレンジを有さなければな
らない;および ・他のアプリケーションにおいて、電子部品は、電子ノイズおよび環境ノイズ
が存在してもシグナルの存在を簡単に検出しなければならない。
(4.3 Low-Noise Electronic Component) The low-noise electronic component is the second element of the micro illuminometer signal processing system. The requirements for low-noise electronics are: sensitivity to the very low signal levels provided by the photodetector; immunity or compensation to electronic noise in the signal processing system; minimum sensitivity to temperature variations; power supply voltage (battery Minimum sensitivity to changes (for drive applications); for some applications, the electronics must have sufficient linearity and dynamic range to accurately record the detected signal level; and In electronic applications, electronic components must easily detect the presence of a signal in the presence of electronic and environmental noise.

【0068】 これらの必要要件を満たす3つの実施形態を以下に記載する。しかし、これら
の要件を満たしながら小さなシグナルを検出する代替的な方法が特許請求の範囲
によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱せずに使用され得ることが
理解されるべきである。
Three embodiments meeting these requirements are described below. However, it should be understood that alternative methods of detecting small signals while meeting these requirements may be used without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the claims.

【0069】 図6Aは、非常に小さいシグナルを検出するための第1のアプローチを模式的
に示す。このデバイスは、標準のCMOS ICプロセスと互換な構造であるP
−拡散/N−ウェルフォトダイオードを、読み出し増幅器(フォトダイオードを
有する同じIC上に製造される)を有する開回路モードで使用する。発光シグナ
ルは、P−拡散およびN−ウェル中に電子−ホール対を生成する。P−拡散中の
光発生電子はNウェル中に注入され、他方N−ウェル中の光発生ホールは、P−
拡散中に注入される。N−ウェルは、接地電位に結合されるので、この領域には
電荷が蓄積しない。しかし、P−拡散は、CMOS増幅器の入力インピーダンス
(低周波数で無限に近づく)に取り付けられるだけなので、正電荷がこの領域に
蓄積する。したがって、P−拡散ノードにかかる電圧は上昇し始める。
FIG. 6A schematically illustrates a first approach for detecting very small signals. This device has a structure that is compatible with standard CMOS IC processes.
Using a diffuse / N-well photodiode in open circuit mode with a readout amplifier (manufactured on the same IC with the photodiode) The luminescent signal creates electron-hole pairs in the P-diffusion and N-wells. The photo-generated electrons during P-diffusion are injected into the N-well, while the photo-generated holes in the N-well are
Injected during diffusion. Since the N-well is coupled to ground potential, no charge accumulates in this region. However, since the P-diffusion is only attached to the input impedance of the CMOS amplifier (approaching infinity at low frequencies), positive charges accumulate in this region. Thus, the voltage on the P-diffusion node begins to rise.

【0070】 P−拡散電圧が上昇し始めると、P−拡散/N−ウェル光検出器は順方向にバ
イアスされ、これにより、光発生電流と反対の方向に電流を生成する。システム
が定常状態に達すると、P−拡散ノードにかかる電圧が光電流と正確に等しい大
きさ(しかし極性は反対)の順方向バイアス電流を生成する。このPN接合が理
想的なダイオード式からはずれなければ、出力電圧は以下の式によって与えられ
る: Vout=Vtln(Ip/(AIs)+1) (式1) ここで、Vtは熱電圧(室温で約26mV)、Ipは光電流、AはこのPN接合
の断面積、そしてIsは単位断面積を有するPN接合に対する逆飽和電流である
。Isの値は、ICプロセスおよび材料パラメータに大きく依存する。
As the P-diffusion voltage begins to rise, the P-diffusion / N-well photodetector is forward biased, thereby producing a current in the opposite direction to the photogenerated current. When the system reaches steady state, the voltage across the P-diffusion node produces a forward bias current of magnitude (but opposite polarity) exactly equal to the photocurrent. If the PN junction is not deviated from the ideal diode equation, the output voltage is given by the following equation: V out = V t ln ( I p / (AI s) +1) ( Equation 1) Here, V t is The thermal voltage (approximately 26 mV at room temperature), I p is the photocurrent, A is the cross-sectional area of this PN junction, and I s is the reverse saturation current for a PN junction having a unit cross-sectional area. The value of I s is highly dependent on the IC process and material parameters.

【0071】 2つの主なエラー電流が、低電流密度(再結合電流および発生電流)で動作す
るPN接合に存在する。非常に低い温度以外では、自由キャリアはPN接合空間
電荷領域においてランダムに生成される。この領域は高い電界を有するので、こ
れらの熱的に励起されたキャリアは、ただちに接合を横切って一掃され、そして
光電流と同じ方向へ電流成分(発生電流)を形成する。空間電荷領域を横切るキ
ャリアはまた、有限の再結合確率を有する。これにより、光電流とは反対方向へ
別の電流成分(再結合電流)が発生する。したがって、これらのエラー電流を考
慮すると、式1は、 Vout=Vtln((Ip+Ig−Ir)/(AIs)+1) (式2) となる。
Two main error currents are present at PN junctions operating at low current densities (recombination and generated currents). Other than at very low temperatures, free carriers are generated randomly in the PN junction space charge region. Since this region has a high electric field, these thermally excited carriers are immediately swept across the junction and form a current component (generated current) in the same direction as the photocurrent. Carriers that traverse the space charge region also have a finite recombination probability. As a result, another current component (recombination current) is generated in the direction opposite to the photocurrent. Therefore, considering these fault current, equation 1 becomes V out = V t ln (( I p + I g -I r) / (AI s) +1) ( Equation 2).

【0072】 この出力電圧は、一般に発明者らの制御できないパラメータの関数である。し
かし、発明者らは接合領域にわたってAを制御する。残念ながら、発明者らの出
力シグナルをより大きくするためには発明者らは小さなAが必要であり、他方高
い量子効率(QE)のためには発明者らは大きなAが必要である。
This output voltage is generally a function of a parameter that we cannot control. However, we control A over the junction area. Unfortunately, we need a small A to make our output signal larger, while we need a large A for high quantum efficiency (QE).

【0073】 図6Bは、これらの両方の要求を満たす第2のマイクロ照度計の実施形態を示
す。この回路は、効率的な光収集のために大きな面積の光検出器を使用するが、
フィードバックループにおいて小さな面積のダイオードを使用して光電流を相殺
する順方向バイアス電流を供給する。ここでも同様に、増幅器およびフィードバ
ックダイオードは、光検出器と同じIC上に製造される。この回路に対して、 Vout=3Vtln((Ip+Ig−Ir)/(Afbs)+1) (式3) ここで、Afbは、フィードバックダイオードの小さな断面積である。1つより
多くのダイオードがフィードバック経路において使用され、いずれの後段の増幅
器(any subsequent amplifier stage)のDC
オフセットに比較して大きな出力シグナルを生成する。この方法は、大きな面積
の光検出器を用いた光の効率的な収集を可能にし、なおかつフィードバック経路
の小さな面積のダイオードにより大きな出力電圧を生成する。
FIG. 6B shows a second microluminometer embodiment that satisfies both these requirements. This circuit uses a large area photodetector for efficient light collection,
A small area diode is used in the feedback loop to provide a forward bias current that cancels the photocurrent. Again, the amplifier and feedback diode are manufactured on the same IC as the photodetector. For this circuit, V out = 3 V t ln ((I p + I g −I r ) / (A fb I s ) +1) (Equation 3) where A fb is the small cross-sectional area of the feedback diode. . More than one diode is used in the feedback path, and the DC of any subsequent amplifier amplifier stage
Generates a large output signal compared to the offset. This method allows for efficient collection of light using a large area photodetector, while still producing a large output voltage with a small area diode in the feedback path.

【0074】 図6Bのフィードバック回路は、ゼロバイアスに光検出器を維持する。電位を
印加しないと、再結合電流および発生電流は相殺すべきである。式3は、より小
さなフィードバックダイオードにおけるより小さな再結合電流および発生電流が
無視できる場合、 Vout=3Vtln((Ip/(Afbs))+1) (式4) となる。
The feedback circuit of FIG. 6B maintains the photo detector at zero bias. If no potential is applied, the recombination and generated currents should cancel. Equation 3 becomes V out = 3V t ln ((I p / (A fb I s )) + 1) (Equation 4) when the smaller recombination current and generated current in the smaller feedback diode are negligible.

【0075】 図6Bに示す第2のマイクロ照度計の実施形態の主な利点は、以下を含む。The main advantages of the second microluminometer embodiment shown in FIG. 6B include:

【0076】 ・SNRは、完全にフォトダイオードによって決定され、小ダイオードおよび
増幅器からのノイズは無視できる。
The SNR is entirely determined by the photodiode, with negligible noise from small diodes and amplifiers.

【0077】 ・ダイオードは、増幅器の出力におけるシグナルレベルが次のステージのオフ
セット電圧(およびオフセット電圧ドリフト)に比較して有意になるまで、フィ
ードバックパスに追加され得る。
A diode can be added to the feedback path until the signal level at the output of the amplifier is significant compared to the next stage offset voltage (and offset voltage drift).

【0078】 ・この方法は、さらなるマスク、材料および製造工程を追加することなく標準
のCMOSプロセスと完全に互換性を有する。
The method is fully compatible with standard CMOS processes without adding additional masks, materials and manufacturing steps.

【0079】 ・この検出スキームは、アナログおよびディジタルシグナル処理回路ならびに
RF通信回路と同一のIC上で製造され得る。
This detection scheme can be manufactured on the same IC as analog and digital signal processing circuits and RF communication circuits.

【0080】 ・回路にパワーを印加することなく測定がなされ得る。パワーは測定値が読ま
れ得る前に印加されなければならないが、測定値はパワーを印加することなく得
られ得る。
• Measurements can be made without applying power to the circuit. Power must be applied before the measurement can be read, but the measurement can be obtained without applying power.

【0081】 図6Cに示す第3のマイクロ照度計の実施は、低周波数(フリッカ)増幅器ノ
イズの影響、および時間または温度に依存する、増幅器オフセット電圧の変化を
最小にするために、相関されたダブルサンプリング(CDS)を用いる。図6C
に示すように、キャパシタンスCdおよびノイズパワー分光密度Siを有するフォ
トダイオードが、フリップフロップ出力の論理レベルによって制御される1組の
スイッチを介して、フィードバックキャパシタンスCfおよび入力ノイズパワー
分光密度Svを有する積分プリアンプに接続される。フリップフロップ出力がL
OWであるとき、スイッチは光電流がプリアンプから流出するように位置づけら
れ、それによって積分器の出力電圧を上昇させる。ローパスフィルタによってフ
ィルタリングされた積分器の出力電圧が閾値VHIを越えると、上部比較器が「起
動」してフリップフロップを設定し、その出力をHIGHにする。検出器は変更
位置を切り換えて、電流を積分増幅器に流入させる。これにより、増幅器の出力
電圧が下降する。積分器の出力が第2の閾値VLO未満になると、下部比較器が「
起動」してフリップフロップを再設定し、その出力を再びLOWにする。上記プ
ロセスは、光電流が存在する限り繰り返される。
The third microluminometer implementation shown in FIG. 6C was correlated to minimize the effects of low frequency (flicker) amplifier noise and time or temperature dependent changes in amplifier offset voltage. Double sampling (CDS) is used. FIG. 6C
As shown, a photodiode having a capacitance C d and a noise power spectral density S i is coupled through a set of switches controlled by the logic level of the flip-flop output to a feedback capacitance C f and an input noise power spectral density S i. Connected to an integrating preamplifier with v . The flip-flop output is L
When OW, the switch is positioned so that the photocurrent flows out of the preamplifier, thereby increasing the output voltage of the integrator. When the output voltage of the integrator, filtered by the low-pass filter, exceeds the threshold V HI , the upper comparator “wakes up”, sets the flip-flop, and sets its output to HIGH. The detector switches the change position to allow current to flow into the integrating amplifier. As a result, the output voltage of the amplifier decreases. When the output of the integrator falls below the second threshold value V LO , the lower comparator outputs “
Activate "to reset the flip-flop and bring its output low again. The above process is repeated as long as the photocurrent is present.

【0082】 出力パルスの平均期間Δtは、以下の式により与えられる。The average period Δt of the output pulse is given by the following equation.

【0083】[0083]

【数1】 ここにおいて、VHIおよびVLOは比較器の閾値電圧であり、Ipはダイオード
の光電流である。2つのノイズ源が、Δtの測定値の誤りを引き起こす。Si
、主にフォトダイオードに関連する入力ノイズ電流パワー分光密度であり、Sv
は、主にプリアンプに関連する入力ノイズ電圧パワー分光密度である。ダイオー
ドノイズは、以下の式によって与えられる。
(Equation 1) Here, V HI and V LO are the threshold voltages of the comparator, and I p is the photocurrent of the diode. Two noise sources cause errors in the measurement of At. S i is the input noise current power spectral density mainly associated with the photodiode, and S v
Is the input noise voltage power spectral density mainly related to the preamplifier. The diode noise is given by the following equation.

【0084】[0084]

【数2】 ここにおいて、Isは、フォトダイオード逆飽和電流であり、Ipは光電流であ
る。光電流がゼロに近づくと、ノイズパワー分光密度が、4qIs2/Hzとい
う有限値に近づく。プリアンプのノイズ電圧Svは、その設計によって決定され
、V2/Hzという単位を有する。
(Equation 2) Here, I s is the photodiode reverse saturation current, I p is the photocurrent. As the photocurrent approaches zero, the noise power spectral density approaches a finite value of 4qI s A 2 / Hz. The noise voltage S v of the preamplifier is determined by its design and has a unit of V 2 / Hz.

【0085】 ダイオードノイズが積分器の出力に導入される点からの伝達関数は、ほぼ以下
の式によって与えられる。
The transfer function from the point at which diode noise is introduced at the output of the integrator is approximately given by:

【0086】[0086]

【数3】 ここにおいて、ω1は積分増幅器のコーナー周波数であり、s=jωである。
ここでスイッチの影響を無視すると、増幅器ノイズが積分器の出力に導入される
点からの伝達関数は、ほぼ以下の式によって与えられる。
(Equation 3) Here, ω 1 is the corner frequency of the integrating amplifier, and s = jω.
Here, ignoring the effect of the switch, the transfer function from the point where amplifier noise is introduced into the output of the integrator is given by approximately:

【0087】[0087]

【数4】 スイッチは、出力パルス列の切換え周波数未満で現れるノイズを減衰させる、
相関されたダブルサンプリング機能を果たす。相関されたダブルサンプリング回
路の伝達関数は、以下の式によって線形にまで近似される。
(Equation 4) The switch attenuates noise that appears below the switching frequency of the output pulse train,
Performs a correlated double sampling function. The transfer function of the correlated double sampling circuit is approximated to linear by the following equation:

【0088】[0088]

【数5】 ここにおいて、Δtは、出力パルス列の平均期間である。したがって、スイッ
チを考慮すると、増幅器ノイズが積分器の出力に導入される点からの伝達関数は
、ほぼ以下の式によって与えられる。
(Equation 5) Here, Δt is the average period of the output pulse train. Thus, considering the switch, the transfer function from the point at which amplifier noise is introduced at the output of the integrator is approximately given by:

【0089】[0089]

【数6】 これは重要な結果である。なぜなら、ノイズ電圧伝送関数に取り入れられた有
効ゼロ値によって、増幅器のフリッカーノイズの影響が減少するためである。こ
れは、フリッカーノイズが主要な影響を有し得るマイクロ照度計のCMOSイン
プリメンテーションにおいて特に有用である。
(Equation 6) This is an important result. This is because the effect of flicker noise of the amplifier is reduced by the effective zero value incorporated in the noise voltage transfer function. This is particularly useful in CMOS implementations of microluminometers where flicker noise can have a major effect.

【0090】 積分器の出力の平均平方出力ノイズは、以下の式によって与えられる:The mean square output noise of the output of the integrator is given by the following equation:

【0091】[0091]

【数7】 次いで、RMSノイズ電圧が、以下の式によって与えられる:(Equation 7) The RMS noise voltage is then given by the following equation:

【0092】[0092]

【数8】 測定期間におけるRMS誤差は、積分されたシグナルの傾きおよび積分器の出
力のノイズによって決定され、以下の関係式に従う:
(Equation 8) The RMS error during the measurement period is determined by the slope of the integrated signal and the noise at the output of the integrator and follows the relationship:

【0093】[0093]

【数9】 または、近似的に以下の式に従う:(Equation 9) Or, approximately, follow the formula:

【0094】[0094]

【数10】 Δtを測定中の誤差は、多くの出力パルスを収集し、平均期間を得ることによ
って減少し得る。測定された平均パルス期間の誤差は、収集されたパルス数の平
方根に比例して改善し、
(Equation 10) The error in measuring Δt can be reduced by collecting many output pulses and obtaining an averaging period. The error in the measured average pulse duration improves in proportion to the square root of the number of pulses collected,

【0095】[0095]

【数11】 となる。ここでtmeasは合計測定時間である。[Equation 11] Becomes Here, t meas is the total measurement time.

【0096】 従って、マイクロ照度計のインプリメンテーションは、以下の利点を有する: ・増幅器の低周波数の「フリッカー」ノイズが、相関二重サンプリングプロセス
によって減少する;そして ・理想的には、測定された光電流の精度は、時間の増加に伴いデータを獲得する
ことによって際限無く改善され得る。
Thus, the implementation of the microluminometer has the following advantages: The low-frequency "flicker" noise of the amplifier is reduced by the correlated double sampling process; and, ideally, the measured The accuracy of the photocurrent can be improved endlessly by acquiring data over time.

【0097】 当然のことながら、試験用の発光化合物によって生成したシグナルの寿命およ
び安定性によって課せられた実質的な制限によって、最終的にはこのインプリメ
ンテーションの分解能が決まる。
It will be appreciated that the substantial limitations imposed by the lifetime and stability of the signal generated by the luminescent compound under test ultimately determine the resolution of this implementation.

【0098】 (4.4 読み出し用電子機器) BBICから外部受信器またはインビボ薬物送達システムへとデータを通信す
るいくつかの方法が予想される。好適な実施形態において、通信方法は、光電流
のレベルをインビボ薬物送達システムまたは外部受信器内に含まれる計算回路に
伝えるオンチップ無線通信システムである。閉ループシステムにおいて、この計
算回路は、インビボ薬物送達システムが送達すべき薬物量を決定する。外部受信
器を用いる場合、ユーザ入力とともにBBICからのデータは、投与されるべき
薬物量を決定するために用いられる。外部受信器は、インビボ薬物送達システム
と通信する無線伝送回路を含んでもよいし、または薬物を手動で投与してもよい
。BBICデータを通信する他の方法は、以下を含む; ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、光電流に比例するDC電圧レベルを
生成すること ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、光電流に比例するDC電流レベルを
生成すること ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、レートが光電流に比例する論理パル
スストリングを生成すること ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、光電流に比例する数値を伝えるアナ
ログ−デジタル変換器のオンチップインプリメンテーション ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、光電流に比例する数を伝えるシリア
ル通信ポートまたはパラレル通信ポートのオンチップインプリメンテーション ・インビボ薬物送達システムに配線接続し、光電流が所定のレベルを超える場合
に論理フラグを生成すること ・光電流が所定のレベルを超える場合に無線周波数シグナルまたはビーコンを生
成すること インビボでの無線通信は、体液、組織、およびRFシグナルレベルに対する健
康に関する制限によるシグナルの減衰によって制限され得る。これにより、すべ
ての場合に対する最適な構成ではないかもしれないが、BBICおよびインビボ
薬物送達システムを近接して配置することを必要とし得る。このような場合、B
BICは、エキソビボで配置されるがBBICにより近接する外部受信器と通信
し得ることができる。この受信器は、エキソビボで配置されるがインビボ薬物送
達システムにより近接する送信器に(配線でまたは無線で)接続され得る。
4.4 Readout Electronics Several methods of communicating data from the BBIC to an external receiver or in vivo drug delivery system are envisioned. In a preferred embodiment, the communication method is an on-chip wireless communication system that communicates the level of the photocurrent to a computing circuit included in an in vivo drug delivery system or an external receiver. In a closed loop system, the computation circuit determines the amount of drug to be delivered by the in vivo drug delivery system. When using an external receiver, data from the BBIC along with user input is used to determine the amount of drug to be administered. The external receiver may include a wireless transmission circuit in communication with the in vivo drug delivery system, or may administer the drug manually. Other methods of communicating BBIC data include: Wiring to an in vivo drug delivery system to generate a DC voltage level proportional to the photocurrent Wiring to the in vivo drug delivery system and proportional to the photocurrent Wiring to an in vivo drug delivery system to generate a logic pulse string whose rate is proportional to the photocurrent Wiring to an in vivo drug delivery system to convey a numerical value proportional to the photocurrent On-chip implementation of an analog-to-digital converter On-chip implementation of a serial or parallel communication port hardwired to the in vivo drug delivery system and delivering a number proportional to the photocurrent Hardwired to the in vivo drug delivery system If the photocurrent exceeds a predetermined level, Generate radio frequency signals or beacons when photocurrent exceeds a predetermined level.In vivo wireless communication is limited by signal attenuation due to health fluid, tissue, and health restrictions on RF signal levels. Can be done. This may not be the optimal configuration for all cases, but may require that the BBIC and in vivo drug delivery system be placed in close proximity. In such a case, B
The BIC may be able to communicate with an external receiver located ex vivo but closer to the BBIC. The receiver may be connected (wired or wireless) to a transmitter located ex vivo but closer to the in vivo drug delivery system.

【0099】 BBICとともにインビボ薬物送達システムを制御する数多くのアルゴリズム
が予想される。これらは以下を含むが、これらに限定されない。 ・1つのBBICデータポイントによってのみ決定される所定の薬物レベルを投
与する簡易ルックアップテーブル ・所定数のデータポイントがプリセット閾値を越える場合、所定の薬物レベルを
投与する簡易ルックアップテーブル ・BBICシグナルの増加レートまたは減少レートによって薬物投与量を決定す
るアルゴリズム ・BBICデータポイントをメモリに格納されたデータポイントパターンに整合
させることによって、薬物投与量を決定するアルゴリズム ・BBICデータポイント履歴およびユーザ入力を用いて所望の結果を達成する
正確な薬物投与量を予想する学習アルゴリズム これらのアルゴリズムのいくつかは、BBICとインビボ薬物送達システムとの
間の双方向通信を必要とし得る。この場合、受信器はBBIC上に含まれる。
[0099] Numerous algorithms are envisioned to control the in vivo drug delivery system with the BBIC. These include, but are not limited to: A simple look-up table that administers a given drug level determined only by one BBIC data point Algorithm for determining drug dosage by increasing or decreasing rate. Algorithm for determining drug dosage by matching BBIC data points to data point patterns stored in memory. Using BBIC data point history and user input. Learning algorithms that predict the correct drug dosage to achieve the desired result Some of these algorithms may require two-way communication between the BBIC and the in vivo drug delivery system. In this case, the receiver is included on the BBIC.

【0100】 (4.5 生体適合性ハウジングおよび半透膜) このBBICは、バイオレポーター領域をカバーする半透膜とともに生体適合
性ハウジングに含まれる。カプセル形成および生理学的な拒絶を最小限にするた
めの、インプラントおよび補綴デバイスのための生体適合性カバーの調製は、広
範な研究領域である。例えば、米国特許第5,370,684号および米国特許
第5,387,247号(それぞれ、その全体が参考として本明細書中に具体的
に援用される)は、補綴デバイスへの生体適合性炭素薄膜(film)の適用を
開示する。二次元の織物(woven)または有機繊維の編まれた織物(fab
ric)を有する生体適合性インプラント材料は、米国特許第5,711,96
0号(その全体が本明細書中において具体的に含まれる)において開示される。
本体へ本発明の生体適合性表面を提示するために構築されたインプラントのため
の他のカバーは、米国特許第5,653,755号、米国特許第5,779,7
34号および米国特許第5,814,091号(それぞれは、その全体が参考と
して本明細書中に具体的に援用される)に記載される。さらに、コラーゲンコー
ティングおよびアルブミンコーティングは、インプラントおよび補綴デバイスの
生体適合性を改善することが示されている(Mariosら、1996;Ksa
nder,1988)。本発明は、ハウジングをコートするかまたは形成するか
のいずれかのための任意の適切な生体適合性材料の使用を意図する。
4.5 Biocompatible Housing and Semipermeable Membrane The BBIC is included in a biocompatible housing with a semipermeable membrane covering the bioreporter area. The preparation of biocompatible covers for implants and prosthetic devices to minimize encapsulation and physiological rejection is an extensive area of research. For example, U.S. Patent Nos. 5,370,684 and 5,387,247, each specifically incorporated herein by reference, describe biocompatible bioprosthetic devices. Disclosed is the application of a carbon film. Two-dimensional fabric (woven) or woven fabric (fab) of organic fibers
ric) is disclosed in US Pat. No. 5,711,96.
No. 0, which is specifically incorporated herein in its entirety.
Other covers for implants constructed to present the biocompatible surface of the present invention to a body are disclosed in US Pat. No. 5,653,755, US Pat. No. 5,779,7.
No. 34 and U.S. Pat. No. 5,814,091 each of which is specifically incorporated herein by reference. Furthermore, collagen and albumin coatings have been shown to improve the biocompatibility of implants and prosthetic devices (Marios et al., 1996; Ksa
nder, 1988). The present invention contemplates the use of any suitable biocompatible material for either coating or forming the housing.

【0101】 半透膜は、バイオレポーターをカバーし、そして集積回路上にそれを捕獲する
BBICハウジングの部分を備える。この膜により、より大きい分子の通過は妨
げるが、選択された物質(例えば、グルコース)をバイオレポーターに渡すこと
が可能になる。グルコースオキシダーゼを基礎とするバイオセンサを用いる使用
のために設計された膜はまた、本発明の好ましい実施形態において用いられ得る
。グルコースオキシダーゼを基礎とするバイオセンサを用いる使用のために研究
されそして設計された膜としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:
ポリテトラフルオロエチレン膜(VaidayaおよびWilkins,199
3);パーフルオリネート化(perfuluorinated)イオノマー膜
(Moussyら、1994);荷電および非荷電のポリカーボネート膜(Va
diyaおよびWilkins 1994);およびセルロースアセテート膜(
WangおよびYuan,1995;Sternbergら、1988)。さら
に、他の膜は、インスリンを産生するために生物工学処理された膵島細胞または
他の細胞の移植使用のために開発されてきた。この膜は、宿主の免疫系のエレメ
ントを排除しながらも、グルコースおよび他の代謝物に対して透過性でなければ
ならない。このような膜は、本発明を用いる使用に適合され得、そしてこの膜と
しては以下が挙げられるがこれらに限定されない:非対称ポリ(ビニルアルコー
ル)膜(Youngら、1996);ポリ(L−リジン)膜(Tziampaz
isおよびSambanis,1995);ポリウレタン(Zondervan
ら、1992);ヌクレオポア(nucleopore)膜(Ohgawara
ら、1998);およびアガロースゲル(Taniguchiら、1997)。
人工臓器を形成するための細胞の封入のための生体適合性の半透膜は、米国特許
第5,795,790号および米国特許第5,620,883号(それぞれその
全体が参考として本明細書中に具体的に援用されている)に記載されている。生
体適合性の半透過性のセグメント化されたブロックポリウレタンコポリマー膜お
よび所定の分子量範囲の分子を透過させるためのその使用は、米国特許第5,4
28,123号(その全体が参考として本明細書中に具体的に援用される)に開
示されている。本発明は、選択された物質がバイオレポーターに接近することを
可能にするが、ただしより大きい分子の通過を妨げる、任意の適切な半透膜の使
用を意図する。
The semi-permeable membrane comprises a portion of the BBIC housing that covers the bioreporter and captures it on an integrated circuit. The membrane prevents the passage of larger molecules, but allows the selected substance (eg, glucose) to pass to the bioreporter. Membranes designed for use with glucose oxidase-based biosensors can also be used in preferred embodiments of the present invention. Membranes that have been studied and designed for use with glucose oxidase-based biosensors include, but are not limited to:
Polytetrafluoroethylene membranes (Vaidaya and Wilkins, 199
3); perfluorinated ionomer membranes (Moussy et al., 1994); charged and uncharged polycarbonate membranes (Va
diya and Wilkins 1994); and cellulose acetate membranes (
Wang and Yuan, 1995; Sternberg et al., 1988). In addition, other membranes have been developed for use in transplanting islet cells or other cells that have been bioengineered to produce insulin. This membrane must be permeable to glucose and other metabolites, while eliminating elements of the host immune system. Such membranes can be adapted for use with the present invention, and include, but are not limited to: asymmetric poly (vinyl alcohol) membranes (Young et al., 1996); poly (L-lysine) ) Membrane (Tziampaz)
is and Sambanis, 1995); Polyurethane (Zondervan)
Et al., 1992); nucleopore membranes (Ohgawara).
Et al., 1998); and agarose gels (Taniguchi et al., 1997).
Biocompatible semipermeable membranes for encapsulation of cells to form artificial organs are disclosed in US Pat. Nos. 5,795,790 and 5,620,883, each of which is hereby incorporated by reference in its entirety. Which is specifically incorporated in this document). Biocompatible semi-permeable segmented block polyurethane copolymer membranes and their use to permeate molecules of a given molecular weight range are disclosed in US Pat.
No. 28,123, which is specifically incorporated herein by reference in its entirety. The present invention contemplates the use of any suitable semi-permeable membrane that allows the selected substance to access the bioreporter, but prevents the passage of larger molecules.

【0102】 (4.6 薬物送達デバイス) 無線遠隔測定により制御され得る、多くの薬物送達デバイス(移植可能デバイ
スおよび外付けデバイス)が以前に記載されている。例えば、米国特許第4,9
44,659号(その全体が参考として本明細書中に具体的に援用される)は、
外来患者での薬物送達のための移植可能な圧電ポンプを記載している。米国特許
第5,474,552号(その全体が本明細書中に具体的に含まれる)は、必要
な場合、グルコース、グルカゴン、またはインスリンのような複数の活性因子を
送達し得るグルコースセンサと組み合わせた使用のための移植可能ポンプを記載
している。別々のポンプがそれぞれの因子を送達するために用いられ得るか、ま
たはそれらの間で切り換え可能な単一のポンプが用いられ得る。米国特許第5,
569,186号(その全体が本明細書中に具体的に含まれる)は、グルコース
センサにより制御されるクローズドループの注入ポンプシステムを記載する。米
国特許第4,637,391号(その全体が本明細書中に具体的に含まれる)は
、薬学的因子の送達のための移植可能な遠隔操作型のマイクロポンプを記載して
いる。外部の薬物送達システムの使用が、本発明の他の実施形態において考慮さ
れる。例えば、米国特許第5,800,420号(その全体が本明細書中に具体
的に含まれる)は、真皮に伸長する中空送達ニードルを介して、液体薬物(例え
ば、インスリン)を送達する、皮膚表面に局所的に対するポンプ位置を開示する
。本発明の他の実施形態において、薬物送達システムは、BBICからの遠隔測
定制御とは逆に、バイオセンサデバイスとインターフェースをとり得、そして直
接制御され得る。
4.6 Drug Delivery Devices A number of drug delivery devices (implantable and external devices) have been described previously that can be controlled by wireless telemetry. For example, U.S. Pat.
No. 44,659, which is specifically incorporated herein by reference in its entirety,
An implantable piezoelectric pump for drug delivery in an outpatient is described. U.S. Patent No. 5,474,552, specifically incorporated herein in its entirety, discloses a glucose sensor that can deliver multiple activators, such as glucose, glucagon, or insulin, if needed. An implantable pump for use in combination is described. Separate pumps can be used to deliver each factor, or a single pump switchable between them can be used. US Patent 5,
No. 569,186, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes a closed loop infusion pump system controlled by a glucose sensor. U.S. Pat. No. 4,637,391, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes an implantable remotely operated micropump for the delivery of a pharmaceutical agent. The use of an external drug delivery system is contemplated in other embodiments of the present invention. For example, US Pat. No. 5,800,420, which is specifically incorporated herein in its entirety, delivers a liquid drug (eg, insulin) via a hollow delivery needle extending into the dermis. Disclose the pump location relative to the skin surface topically. In other embodiments of the invention, the drug delivery system may interface with the biosensor device and be controlled directly, as opposed to telemetry control from the BBIC.

【0103】 上記に記載されるポンプ送達システムは、本発明の使用を容易にするための例
である。ポンプシステム以外の薬物送達デバイスもまた、本発明により意図され
る。例えば、米国特許第5,421,816号(その全体が本明細書中に具体的
に含まれる)は、超音波の経皮的薬物送達システムを記載する。超音波エネルギ
ーを用いて、貯蔵された薬物を放出し、そして生物体の皮膚を通して血流中へ薬
物を強制的に移動させる。このように、本発明は、BBICグルコースモニタに
よって制御され得る任意の適切な薬物送達システムの使用を意図する。BBIC
グルコースモニタ使用を伴う、このような薬物送達システムおよびその使用の選
択を決定する因子は、本発明の開示に照らして当業者に公知である。
The pump delivery system described above is an example to facilitate use of the present invention. Drug delivery devices other than pump systems are also contemplated by the present invention. For example, US Pat. No. 5,421,816, which is specifically incorporated herein in its entirety, describes an ultrasonic transdermal drug delivery system. The ultrasonic energy is used to release the stored drug and force the drug through the skin of the organism and into the bloodstream. Thus, the present invention contemplates the use of any suitable drug delivery system that can be controlled by a BBIC glucose monitor. BBIC
The factors that determine the choice of such a drug delivery system and its use with glucose monitor use are known to those of skill in the art in light of the present disclosure.

【0104】 (4.7 生物発光バイオレポーター) 本発明の好ましい実施形態において、グルコースモニタリングのためのバイオ
レポーターは、哺乳動物の生物発光レポーター細胞株である。この細胞株は、遺
伝子操作され、連続的にグルコース濃度に応答して発光を生じる。移植可能な生
物発光センサは、ルシフェラーゼ反応に対する基質の外因性の添加なしに機能し
得る生物発光レポーターを必要とする。分子生物学で用いられる現在の真核生物
ルシフェラーゼシステムは、真核生物のルシフェリンの産生のための複雑な性質
のせいで、外因性の基質の添加を必要とする。細胞は、透過性にされるかまたは
溶解されるかのいずれかでなければならず、次いでルシフェリン含有アッセイ溶
液で処理されなければならない。このように、現在の真核生物ルシフェラーゼシ
ステムは、オンラインモニタリングの好ましい候補ではない。
4.7 Bioluminescent Bioreporter In a preferred embodiment of the present invention, the bioreporter for glucose monitoring is a mammalian bioluminescent reporter cell line. This cell line is genetically engineered and emits light continuously in response to glucose concentration. Implantable bioluminescent sensors require a bioluminescent reporter that can function without exogenous addition of a substrate to the luciferase reaction. Current eukaryotic luciferase systems used in molecular biology require the addition of exogenous substrates due to the complex nature of eukaryotic luciferin production. Cells must either be permeabilized or lysed and then treated with a luciferin-containing assay solution. Thus, current eukaryotic luciferase systems are not preferred candidates for online monitoring.

【0105】 外因性基質の添加の必要性は、細菌のlux遺伝子の使用により省かれ得る。
本発明の好ましい実施形態において、X.luminescensのlux遺伝
子、luxABおよびluxCDEが、生物発光レポーターシステムとして用い
られる。このX.luminescens luxAB遺伝子は、(他の細菌ル
シフェラーゼでは、30℃より上で有意な活性の損失をするが)37℃で最大の
温度安定性を示す、ルシフェラーゼ酵素のαサブユニットおよびβサブユニット
をコードする。このluxCDE遺伝子は、外因性基質の添加の必要性を排除す
ることが必要とされる。luxAB遺伝子によりコードされるルシフェラーゼの
アルデヒド基質は、luxCDE遺伝子によりコードされる脂肪酸リダクターゼ
複合体により生成される。この反応のための好ましい脂肪酸は、真核生物生物体
に存在するミリスチン酸であり(Rudnickら、1993)、従って真核生
物細胞は、このレセプターのための適切な宿主細胞である。酵素複合体は、相当
するアルデヒドに対して脂肪酸を減少する。次いで、ルシフェラーゼは、アルデ
ヒドを酸化して脂肪酸に戻す。
The need for the addition of exogenous substrates can be eliminated by the use of bacterial lux genes.
In a preferred embodiment of the present invention, The lux genes of luminescens, luxAB and luxCDE, are used as bioluminescent reporter systems. This X. The luminescens luxAB gene encodes the α and β subunits of the luciferase enzyme, exhibiting maximum temperature stability at 37 ° C. (although other bacterial luciferases lose significant activity above 30 ° C.). . This luxCDE gene is required to eliminate the need for the addition of exogenous substrates. The aldehyde substrate of luciferase encoded by the luxAB gene is produced by the fatty acid reductase complex encoded by the luxCDE gene. The preferred fatty acid for this reaction is myristic acid present in eukaryotic organisms (Rudnick et al., 1993), and eukaryotic cells are therefore suitable host cells for this receptor. The enzyme complex reduces fatty acids for the corresponding aldehyde. Luciferase then oxidizes the aldehyde back to fatty acids.

【0106】 他の生物発光核酸セグメントは、Vibrio fischerii、lux
CDABE、または外因性基質の添加を必要としないように適合され得る生物発
光し得る他の生物体由来のルシフェラーゼのlux遺伝子を含み得る。本発明の
他の実施形態において、核酸セグメントは、Aqueorea victori
aまたはRenilla reniformisのグリーン蛍光タンパク質をコ
ードする。
Other bioluminescent nucleic acid segments are available from Vibrio fischerii, lux
The lux gene for luciferase from CDABE, or other bioluminescent organisms that can be adapted so as not to require the addition of exogenous substrates, can be included. In another embodiment of the invention, the nucleic acid segment is an Aqueorea victory.
a or the green fluorescent protein of Renilla reniformis.

【0107】 (4.8.生物発光遺伝子を発現する組換えベクター) 本発明の1つの重要な実施形態は、1つ以上の生物発光ポリペプチドをコード
する1つ以上の核酸セグメントを含む組換えベクターである。このようなベクタ
ーは、真核生物宿主または原核生物宿主に移入され、そしてそれらの宿主中で複
製され得る。
4.8. Recombinant Vectors Expressing Bioluminescent Genes One important embodiment of the present invention is a recombinant vector comprising one or more nucleic acid segments encoding one or more bioluminescent polypeptides. Vector. Such vectors can be transferred to eukaryotic or prokaryotic hosts and replicated in those hosts.

【0108】 コードDNAセグメントは、組換えプロモーターまたは異種プロモーターの制
御下にあることが意図される。本明細書中において用いる場合、組換えプロモー
ターまたは異種プロモーターは、天然の環境中で結晶タンパク質またはペプチド
をコードするDNAセグメントとは通常関連しないプロモーターをいうことが意
図される。天然には、発現のために選択される細胞型、生物体または動物でさえ
の中でDNAセグメントの発現を効果的に指向するプロモーターを使用すること
が重要である。タンパク質発現のためのプロモーターおよび細胞型の組み合わせ
の使用は、分子生物学の当業者に一般に公知である(例えば、Sambrook
ら、1989を参照のこと)。この好ましい実施形態において、このようなプロ
モーターは、cis−作動性グルコース応答エレメントにより指向される。1つ
の好ましい実施形態において、このグルコース応答エレメントは、肝臓細胞およ
び膵島β細胞において、L−ピルビン酸キナーゼ(「L−PK)」プロモーター
を指向するL4ボックスである。L4ボックスは、非標準型Eボックスのタンデ
ムリピートからなる(Kennedyら、1997)。グルコースは、L4ボッ
クスへの上流刺激因子(「USF」)結合のトランス活性化能力を改変すること
により肝臓および膵臓のβ細胞を増強する(Kennedyら、1997;Do
ironら、1996)。
[0108] The coding DNA segment is intended to be under the control of a recombinant or heterologous promoter. As used herein, a recombinant or heterologous promoter is intended to refer to a promoter that is not normally associated with a DNA segment encoding a crystal protein or peptide in its natural environment. In nature, it is important to use a promoter that effectively directs the expression of the DNA segment in the cell type, organism or even animal chosen for expression. The use of promoter and cell type combinations for protein expression is generally known to those of skill in the art of molecular biology (eg, Sambrook).
Et al., 1989). In this preferred embodiment, such a promoter is directed by a cis-operated glucose response element. In one preferred embodiment, the glucose response element is an L4 box that directs the L-pyruvate kinase ("L-PK") promoter in liver cells and islet β cells. The L4 box consists of a tandem repeat of the non-standard E box (Kennedy et al., 1997). Glucose enhances liver and pancreatic β-cells by modifying the transactivation ability of upstream stimulating factor (“USF”) binding to the L4 box (Kennedy et al., 1997; Do).
iron et al., 1996).

【0109】 グルコースがUSFタンパク質のトランス活性化能力を制御する正確な機構は
明確でない。1つの可能性は、USFタンパク質の可逆的なリン酸化である。グ
ルコースは、キシロース5−ホスフェートを介しペントースホスフェートシャン
トを通じてリン酸化状態を変化し得る(Dorionら、1996)。別の機構
は、グルコース6−ホスフェートの細胞内濃度を介する(Foufelleら、
1992)。他のグルコース代謝物も意図され得る。リン酸化されたグルコース
代謝物としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:フルクトース6−
ホスフェート、6−ホスホグルコン酸、6−ホスホグルコノ−δ−ラクトン、リ
ブロース5−ホスフェート、リボース5−ホスフェート、エリスロース4−ホス
フェート、セドヘプツロース7−ホスフェート、グリセルアルデヒド3−ホスフ
ェート、およびジヒドロキシアセトンホスフェート。非リン酸化グルコース代謝
物としては、以下が挙げられるがこれらに限定されない:クエン酸、cis−ア
コニット酸、threo−イソクエン酸、コハク酸、フマル酸、リンゴ酸、オキ
サロ酢酸、ピルビン酸、および乳酸。
[0109] The exact mechanism by which glucose controls the transactivating ability of the USF protein is unclear. One possibility is the reversible phosphorylation of the USF protein. Glucose can change the phosphorylation state through pentose phosphate shunt via xylose 5-phosphate (Dorion et al., 1996). Another mechanism is through the intracellular concentration of glucose 6-phosphate (Foufelle et al.,
1992). Other glucose metabolites may be contemplated. Phosphorylated glucose metabolites include, but are not limited to: fructose 6-
Phosphate, 6-phosphogluconic acid, 6-phosphoglucono-δ-lactone, ribulose 5-phosphate, ribose 5-phosphate, erythrose 4-phosphate, sedoheptulose 7-phosphate, glyceraldehyde 3-phosphate, and dihydroxyacetone phosphate. Non-phosphorylated glucose metabolites include, but are not limited to, citric acid, cis-aconitic acid, threo-isocitric acid, succinic acid, fumaric acid, malic acid, oxaloacetic acid, pyruvic acid, and lactic acid.

【0110】 別のグルコース応答エレメント(L−PK遺伝子L4ボックスに対する配置に
類似する)は、ラットS14遺伝子の転写誘導に関与する調節配列である(Sh
ihら、1995)。記載された他のグルコース応答エレメントとしては、肝6
−ホスホフルクト−2−キナーゼ遺伝子(DupriezおよびRoussea
u、1997)、β島インスリン遺伝子(GermanおよびWang、199
4)、メサンギウムトランスホーミング増殖因子−β遺伝子(Hoffmanら
、1998)、およびアセチル補酵素Aカルボキシラーゼ(Girardら、1
997)が挙げられるが、これらに限定されない。本発明は、プロモーターを効
率的に方向付け得るか、またはそうでなければグルコースに応答してレポーター
タンパク質の発現を制御する任意のグルコース応答エレメントの使用を企図する
Another glucose response element (similar to the arrangement for the L4 box of the L-PK gene) is a regulatory sequence involved in the induction of transcription of the rat S14 gene (Sh
ih et al., 1995). Other glucose response elements described include liver 6
-Phosphofructo-2-kinase gene (Dupriez and Roussea)
u, 1997), β-islet insulin gene (German and Wang, 199).
4), mesangial transforming growth factor-β gene (Hoffman et al., 1998), and acetyl coenzyme A carboxylase (Girard et al., 1).
997), but is not limited thereto. The present invention contemplates the use of any glucose response element that can efficiently direct a promoter or otherwise control the expression of a reporter protein in response to glucose.

【0111】 好ましい実施形態において、組換えベクターは、1つ以上の生物発光ポリペプ
チドをコードする核酸セグメントを含む。非常に好ましい核酸セグメントは、X
.luminescens luxABおよびluxCDEというlux遺伝子
である。細菌ルシフェラーゼは、真核生物細胞での発現を最適化するように改変
されなければならない可能性がある。Almashanuら(1990)は、リ
ーディングフレームを破壊することなく、luxAからTAA終止コドンを除去
することによってV.harveyi由来のluxAB遺伝子、2つの遺伝子間
の介在領域、およびluxB由来の最初のメチオニンを融合した。この融合物は
、Saccharomyces cerevisiaeおよびDrosophi
la melanogasterにおいて首尾よく発現された。同じストラテジ
ーを、X.luminescens由来のluxABで使用した。得られた構築
物を配列決定して、遺伝的変化を確認し、融合物を生成し、そしてそれらを確認
した。融合領域の配列は、以下のとおりである:
[0111] In a preferred embodiment, the recombinant vector comprises a nucleic acid segment encoding one or more bioluminescent polypeptides. Highly preferred nucleic acid segments are X
. The lux genes are luminescens luxAB and luxCDE. Bacterial luciferase may need to be modified to optimize expression in eukaryotic cells. (1990) described the removal of the TAA stop codon from luxA without disrupting the reading frame. The luxAB gene from harveyi, the intervening region between the two genes, and the first methionine from luxB were fused. This fusion is based on Saccharomyces cerevisiae and Drosophila
It has been successfully expressed in la melanogaster. The same strategy is described in X. Used in luxAB from luminescens. The resulting constructs were sequenced to confirm genetic changes, generate fusions, and confirmed them. The sequence of the fusion region is as follows:

【0112】[0112]

【化1】 この融合物は、E.coliにおいて融合タンパク質を首尾よく発現し、そして
5.1.2節において記載されるように哺乳動物ベクターへ首尾よくクローニン
グされた。
Embedded image This fusion is E. coli. The fusion protein was successfully expressed in E. coli and successfully cloned into a mammalian vector as described in section 5.1.2.

【0113】 さらなる実施形態において、本発明者らは、発光産物または発光シグナルに直
接変換され得る産物を生成する反応を生じ得る1つ以上の酵素をコードする核酸
セグメントを含む組換えベクターを企図する。例えば、一般に使用されるβ−ガ
ラクトシダーゼまたはアルカリフォスファターゼ(alkaline phos
phates)酵素の基質は、市販されており、それぞれの酵素によって変換さ
れる場合に発光する(化学発光)。
In a further embodiment, we contemplate a recombinant vector comprising a nucleic acid segment encoding one or more enzymes capable of effecting a reaction that produces a luminescent product or a product that can be directly converted to a luminescent signal. . For example, commonly used β-galactosidase or alkaline phosphatase (alkaline phosphatase)
The substrates of the enzymes are commercially available and emit light when converted by the respective enzyme (chemiluminescence).

【0114】 別の重要な実施形態において、バイオセンサは、1つ以上の組換え発現ベクタ
ーを発現するforst形質転換細胞を少なくとも備える。この宿主細胞は、原
核生物細胞または真核生物細胞のいずれかであり得る。好ましい実施形態におい
て、この宿主細胞は、哺乳動物細胞である。宿主細胞としては、幹細胞、β島細
胞または肝臓細胞が挙げられ得る。好ましい実施形態において、この宿主細胞は
、同種細胞(すなわち、培養され、遺伝的に操作され、次いでBBICに組み込
まれた患者から採取された細胞)である。特に好適な宿主細胞は、X.lumi
nescensのlux遺伝子、luxABおよびluxCDEをコードする組
換えベクターを含む核酸セグメントを発現する宿主細胞である。これらの配列は
、X.luminescens lux系の転写タンパク質が37℃(ヒトの体
温周辺)で機能する能力を有するので、特に好ましい。
[0114] In another important embodiment, a biosensor comprises at least a first transformed cell expressing one or more recombinant expression vectors. The host cell can be either a prokaryotic or eukaryotic cell. In a preferred embodiment, the host cell is a mammalian cell. Host cells can include stem cells, beta islet cells, or liver cells. In a preferred embodiment, the host cell is an allogeneic cell (ie, a cell taken from a patient that has been cultured, genetically manipulated, and then integrated into the BBIC). Particularly preferred host cells are lumi
A host cell that expresses a nucleic acid segment containing a recombinant vector encoding the lux gene, luxAB and luxCDE of nescens. These sequences correspond to X. The luminescens lux transcription protein is particularly preferred because it has the ability to function at 37 ° C. (around human body temperature).

【0115】 広範に種々の方法が、生物発光または化学発光を遺伝子の安定な維持および発
現を可能にする条件下で微生物宿主に提供し得るポリペプチドを発現する核酸セ
グメントを導入するために利用可能である。当業者は、この核酸セグメントの発
現についての翻訳調節シグナルおよび転写調節シグナル、それらの調節制御下に
ある核酸セグメント、および宿主生物中の配列と相同なDNA配列(それによっ
て、組み込みが生じる)または宿主において機能的である複製系(それによって
組み込みまたは安定な維持が生じるか、もしくはその両方が生じる)を含むDN
A構築物を提供する。
A wide variety of methods are available for introducing nucleic acid segments that express a polypeptide that can provide bioluminescence or chemiluminescence to a microbial host under conditions that allow for stable maintenance and expression of the gene. It is. Those skilled in the art will recognize translational and transcriptional regulatory signals for the expression of this nucleic acid segment, the nucleic acid segments under their regulatory control, and DNA sequences homologous to sequences in the host organism (whereby integration occurs) or the host. Including a replication system that is functional in E. coli, thereby resulting in integration and / or stable maintenance, or both.
A construct is provided.

【0116】 転写開始シグナルは、プロモーターおよび転写開始の開始部位を含む。好まし
い場合、生物発光または化学発光を提供し得る核酸セグメントの調節された発現
を提供することが望ましく、ここで、この核酸セグメントの発現は、適切な環境
への放出後にのみ生じる。このことは、オペレーター、またはアクチベーターも
しくはエンハンサーに結合する領域を用いて達成され得る。これらは、微生物の
物理的環境または化学的環境における変化の際に誘導を可能にする。翻訳開始に
ついては、リボソーム結合部位および開始コドンが存在する。
[0116] Transcription initiation signals include a promoter and start site for transcription initiation. In preferred cases, it is desirable to provide regulated expression of a nucleic acid segment that can provide bioluminescence or chemiluminescence, where expression of the nucleic acid segment only occurs after release into a suitable environment. This can be achieved using an operator, or a region that binds to an activator or enhancer. These allow for induction upon changes in the physical or chemical environment of the microorganism. For translation initiation, there is a ribosome binding site and an initiation codon.

【0117】 種々の操作は、メッセンジャーRNAの発現を増強するために、特に、活性プ
ロモーターを使用することによって、およびメッセンジャーRNAの安定性を増
強する配列を使用することによって、利用され得る。転写および翻訳終止領域は
、終止コドン、ターミネーター領域、および必要に応じてポリアデニル化シグナ
ル(真核生物系において使用される場合)を含む。
A variety of manipulations can be utilized to enhance messenger RNA expression, particularly by using active promoters and by using sequences that enhance messenger RNA stability. Transcription and translation termination regions include stop codons, terminator regions, and optionally a polyadenylation signal (if used in eukaryotic systems).

【0118】 転写の方向、すなわち、コード配列またはセンス配列の5’から3’方向にお
いて、構築物は、転写調節領域(存在すれば)、およびプロモーター(ここで、
この調節領域は、プロモーターの5’側または3’側のいずれかに存在し得る)
、リボソーム結合部位、開始コドン、開始コドンと同じ相にあるオープンリーデ
ィングフレームを有する構造遺伝子、終止コドン、ポリアデニル化シグナル(存
在する場合)、ならびにターミネーター領域であり得る。二本鎖としてのこの配
列は、これ自体、微生物宿主の形質転換のために使用され得るが、通常、マーカ
ーを含むDNA配列とともに含まれ得る。ここで、第2のDNA配列は、宿主へ
のDNAの導入に間に発現構築物に結合され得る。
In the direction of transcription, ie, 5 ′ to 3 ′ of the coding or sense sequence, the construct comprises a transcription regulatory region (if present) and a promoter (where
This regulatory region can be on either the 5 'or 3' side of the promoter)
Ribosome binding site, initiation codon, structural gene having an open reading frame in phase with the initiation codon, termination codon, polyadenylation signal (if present), and terminator region. This sequence as a double strand may itself be used for transformation of a microbial host, but will usually be included with the DNA sequence containing the marker. Here, the second DNA sequence can be joined to the expression construct during the introduction of the DNA into the host.

【0119】 「マーカー」によって、本発明は、改変されたか、または形質転換された宿主
の選択を提供する構造遺伝子を言及する。このマーカーは、通常、選択的利点を
提供する(例えば、殺菌物質(biocide)耐性(例えば、抗生物質または
重金属に対する耐性);栄養素要求性宿主などに原栄養性を提供するために相補
性を提供する)。1つ以上のマーカーは、構築物の開発および宿主を改変するた
めに利用され得る。
By “marker”, the invention refers to a structural gene that provides for the selection of modified or transformed hosts. This marker usually provides a selective advantage (eg, biocide resistance (eg, resistance to antibiotics or heavy metals); provides complementation to provide prototrophy to an auxotrophic host, etc.). Do). One or more markers can be utilized for construct development and host modification.

【0120】 機能的複製系が存在しない場合、構築物はまた、少なくとも50塩基対(bp
)の配列、好ましくは少なくとも約100bpの配列、より好ましくは少なくと
も約1000bpの配列、そして通常は宿主中の配列と相同な配列の約2000
bp以下を含む。この方法において、正当な組換えの可能性が増強され、その結
果、この遺伝子は宿主に組み込まれ、そして宿主によって安定に維持される。望
ましくは、生物発光または化学発光を提供し得る核酸セグメントは、相補性を提
供する遺伝子および競合利点を提供する遺伝子に対して近位に存在する。従って
、生物発光または化学発光を提供し得る核酸セグメントが喪失する事象において
、得られた生物は、相補性遺伝子および競合利点を提供する遺伝子、またはその
両方を喪失しているようである。
In the absence of a functional replication system, the construct will also have at least 50 base pairs (bp
), Preferably a sequence of at least about 100 bp, more preferably a sequence of at least about 1000 bp, and usually about 2000 of sequences homologous to sequences in the host.
bp or less. In this way, the likelihood of legitimate recombination is increased so that the gene is integrated into the host and is stably maintained by the host. Desirably, the nucleic acid segment capable of providing bioluminescence or chemiluminescence is proximal to the gene providing for complementation and the gene providing competitive advantage. Thus, in the event of loss of a nucleic acid segment capable of providing bioluminescence or chemiluminescence, the resulting organism will likely have lost the complementing gene and / or the gene that provides the competitive advantage.

【0121】 多数の転写調節領域は、広範に種々の微生物宿主(例えば、細菌、バクテリオ
ファージ、シアノバクテリア、藻類、真菌など)から入手可能である。種々の転
写調節領域としては、trp遺伝子、lac遺伝子、gal遺伝子、λLおよび
λRプロモーター、tacプロモーターと関連する領域が挙げられる。例えば、
米国特許第4,332,898号;同第4,342,832号;および同第4,
356,270号(各々は、具体的にその全体が本明細書中に参考として援用さ
れる)を参照のこと。終結領域は、転写開始領域および異なる転写開始領域が宿
主に適合性かつ機能的である限り、転写開始領域または異なる転写開始領域と通
常は関連づけられた終結領域であり得る。本発明の好ましい実施形態において、
Kennedyら(1997)に記載されるように、Lピルビン酸キナーゼプロ
モーターおよびL4ボックスグルコース応答性エレメントを含むL−PK遺伝子
のフラグメントを用いる。非常に好ましい実施形態において、ホタルルシフェラ
ーゼをコードするluc遺伝子を除去し、そして融合したX.luminesc
ens luxAB遺伝子と置換されることを除いて、p.LPK.LucFF
ラスミドを用いる(Kennedyら、1997)。
A large number of transcription regulatory regions are available from a wide variety of microbial hosts, such as bacteria, bacteriophages, cyanobacteria, algae, fungi, and the like. Various transcription regulatory regions include those associated with the trp gene, lac gene, gal gene, λ L and λ R promoters, and the tac promoter. For example,
U.S. Pat. Nos. 4,332,898; 4,342,832;
356,270, each of which is specifically incorporated herein by reference in its entirety. The termination region may be a transcription initiation region or a termination region normally associated with a different transcription initiation region, so long as the transcription initiation region is compatible and functional with the host. In a preferred embodiment of the present invention,
As described in Kennedy et al. (1997), a fragment of the L-PK gene containing the L-pyruvate kinase promoter and the L4-box glucose responsive element is used. In a very preferred embodiment, the luc gene encoding firefly luciferase has been deleted and the fused X. luminesc
ens luxAB gene, except that p. LPK. The Luc FF plasmid is used (Kennedy et al., 1997).

【0122】 安定なエピソーム維持または組み込みが所望される場合、プラスミドが利用さ
れる(プラスミドは、宿主において機能的な複製系を用いる)。この複製系は、
染色体、宿主もしくは異なる宿主中に通常存在するエピソームエレメント、また
は宿主中で安定なウイルス由来の複製系由来であり得る。多数のプラスミドが利
用可能であり、例えば、pBR322、pACYC184、RSF1010、p
R01614などが挙げられる。例えば、Olsenら、1982;Bagda
sarianら、1981および米国特許第4,356,270号、同第4,3
62,817号、同第4,371,625号、および同第5,441,884号
(これらの各々は、本明細書中に参考として具体的に援用される)を参照のこと
When stable episomal maintenance or integration is desired, a plasmid is utilized (a plasmid uses a replication system that is functional in the host). This replication system
It may be from a chromosome, an episomal element normally present in the host or a different host, or a replication system derived from a virus that is stable in the host. A number of plasmids are available, for example, pBR322, pACYC184, RSF1010, p
R01614 and the like. See, for example, Olsen et al., 1982; Bagda.
Sarian et al., 1981 and U.S. Pat. Nos. 4,356,270;
Nos. 62,817, 4,371,625, and 5,441,884, each of which is specifically incorporated herein by reference.

【0123】 所望の遺伝子は、開始領域の調節制御下に存在するように、転写開始領域およ
び翻訳開始領域と、転写終結領域および翻訳終結領域との間に導入され得る。こ
の構築物は、プラスミドに含められ、このプラスミドは、少なくとも1つの複製
系を含むが、1つを超え得る。ここで、1つの複製系がプラスミドの発生の間に
クローニングするために使用され、そして第2の複製系は、最終宿主において機
能するために必要である。さらに、1つ以上のマーカーが存在し得、以前に記載
されている。組み込みが所望される場合、プラスミドは、望ましくは、宿主ゲノ
ムと相同な配列を含む。
A desired gene can be introduced between a transcription initiation and translation initiation region and a transcription termination and translation termination region such that it is under regulatory control of the initiation region. The construct is included in a plasmid, which contains at least one replication system, but can be more than one. Here, one replication system is used for cloning during the development of the plasmid, and a second replication system is required to function in the final host. In addition, one or more markers may be present and have been described previously. If integration is desired, the plasmid desirably contains sequences homologous to the host genome.

【0124】 形質転換体は、従来の方法に従って単離され得、通常、選択技術を用いる。こ
のことによって、存在する場合、非改変生物または転移している(transf
erring)生物に対してと同様に、所望の生物の選択が可能になる。次いで
、形質転換体は、生物発光または化学発光活性について試験され得る。所望であ
れば、望まれないまたは補助的なDNA配列は、部位特異的組換え系(例えば、
その全体が具体的に本明細書中に参考として援用される米国特許第5,441,
884号に記載された系)を用いることにより、組換え細菌から選択的に除去さ
れ得る。
[0124] Transformants can be isolated according to conventional methods and usually employ selection techniques. This allows the unmodified organism, if present, or being transposed (transf
erring, as well as for the organism, the selection of the desired organism is possible. The transformants can then be tested for bioluminescent or chemiluminescent activity. If desired, unwanted or auxiliary DNA sequences can be introduced into site-specific recombination systems (eg,
US Patent No. 5,441, which is specifically incorporated herein by reference in its entirety.
No. 884) can be selectively removed from recombinant bacteria.

【0125】 (4.9 インビボバイオセンサのアセンブリおよび保管) バイオセンサが、半透膜の後ろに懸濁液中に捕捉される、生体操作される細胞
からなる場合、マトリクス中にカプセル化されるものとは対照的に、この細胞は
、バイオセンサの移植時から移植の数時間前の任意の時間でBBICに添加され
得る。あるいは、バイオセンサは、ポリマーマトリクスにカプセル化された細胞
からなり得る。マトリクスは、生細胞のカプセル化において成功したことが以前
に示された物質を含み、これらの物質としては、ポリビニルアルコール、ゾル−
ゲル、およびアルギン酸塩(Cassidyら、1996)が挙げられる。カプ
セル化の前に、原核生物細胞株は、製造業者のプロトコルに従って、凍結乾燥シ
ステム(例えば、Savant)中で凍結乾燥され得る。凍結乾燥によって、長
期の保管(数年)を経ることが可能になり、単純な再水和プロトコルがBBIC
使用の前の細胞蘇生に必要とされる(Malikら、1993)。S.cere
visiae真核生物細胞は、同様に凍結乾燥され得る。真核生物細胞株(好ま
しくは、島β細胞、幹細胞、または肝細胞からなる)は、ポリビニルアルコール
メッシュ補強または微小孔フィルター支持されたヒドロゲル内のIC上にカプセ
ル化され得る。細胞カプセル化のこれらの型において以前首尾よく実行された(
Bakerら、1997;Burczakら、1996;Guら、1994;I
noueら、1991)。
4.9 Assembly and Storage of In Vivo Biosensors When a biosensor consists of bioengineered cells that are captured in suspension behind a semi-permeable membrane, they are encapsulated in a matrix. In contrast, the cells can be added to the BBIC at any time from the time of biosensor implantation to several hours prior to implantation. Alternatively, a biosensor may consist of cells encapsulated in a polymer matrix. The matrix includes materials previously shown to be successful in encapsulating live cells, including polyvinyl alcohol, sol-
Gels, and alginates (Cassidy et al., 1996). Prior to encapsulation, the prokaryotic cell line may be lyophilized in a lyophilization system (eg, Savant) according to the manufacturer's protocol. Lyophilization allows for long-term storage (several years) and a simple rehydration protocol makes BBIC
Required for cell resuscitation before use (Malik et al., 1993). S. cere
visiae eukaryotic cells can be lyophilized as well. Eukaryotic cell lines, preferably consisting of islet β cells, stem cells, or hepatocytes, can be encapsulated on IC in a polyvinyl alcohol mesh reinforced or microporous filter supported hydrogel. Previously performed successfully in these types of cell encapsulation (
Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996; Gu et al., 1994;
noue et al., 1991).

【0126】 しかし、哺乳動物細胞株の場合において、凍結乾燥は、代替とはならない。こ
のような場合において、哺乳動物細胞は、以前に記載されたように、ゾルゲルま
たは別の固定化マトリクス中にカプセル化され得、そしてBBICに付着され得
る。次いで、その封入が終了したBBICは、血清または別の適切な維持培地中
で保存されるか、または使用時まで維持される。不死化幹細胞株を使用する利点
は、長期の使用および保管のために明らかである。移植を、特定の適用に従って
行い得る。グルコース検出の場合において、間質液が接近可能である領域は最も
適切である。しかし、ホルモンまたは他の血液運搬分子(blood born
e molecule)を検出する特定の適用を伴う移植可能デバイスは、血流
に接近可能でなければならない。合成静脈またはカテーテルシステムは、標的分
子の血液レベルの連続モニタリングを可能にするために使用されることが必要で
あり得る。グルコース以外の特定の例は、結腸癌と関連づけられた分子を検出す
るためのインビボバイオセンサデバイスの使用である。この場合、バイオセンサ
が結腸内に移植される。
However, in the case of mammalian cell lines, lyophilization is not an alternative. In such a case, the mammalian cells can be encapsulated in a sol-gel or another immobilized matrix and attached to the BBIC as previously described. The encapsulated BBIC is then stored in serum or another suitable maintenance medium or maintained until use. The advantages of using immortalized stem cell lines are evident for long-term use and storage. Implantation can be performed according to the particular application. In the case of glucose detection, the area where interstitial fluid is accessible is most appropriate. However, hormones or other blood-borne molecules
Implantable devices with specific applications to detect emolecules must be accessible to the bloodstream. Synthetic vein or catheter systems may need to be used to allow for continuous monitoring of blood levels of target molecules. A particular example other than glucose is the use of in vivo biosensor devices to detect molecules associated with colon cancer. In this case, the biosensor is implanted in the colon.

【0127】 集積回路は、滅菌の、スタティックプルーフバッグに個々にパッケージングさ
れ得る。凍結乾燥細胞からなる原核生物ベースのおよび酵母真核生物のバイオセ
ンサは、約数年間にわたり、滅菌の、スタティックプルーフの、減圧密封バッグ
中に個々に保管され得る。細胞は、代表的には、使用前に、最小栄養培地中で再
水和される。哺乳動物細胞系は、BBIC上で個々に、または捕捉されている場
合には凍結して、または冷蔵してかのいずれかで、長期間凍結されたままである
(−150℃で7年まで)か、または短期間(数日間)保存のために冷蔵された
ままである。全ての場合において、細胞生存性は、BBICを目的の分析物の既
知の濃度に曝し、そのために、既知の大きさの定量的生物発光シグナルを生成す
ることによってチェックされ得る。分析物または参照「標準物質」の1つ以上の
コントロールバイアルは、診断キットの一部として含められ得るか、または移植
可能デバイスの適切な較正のために提供され得る。
The integrated circuits can be individually packaged in sterile, static-proof bags. Prokaryotic-based and yeast eukaryotic biosensors consisting of lyophilized cells can be stored individually in sterile, static-proof, vacuum-sealed bags for about several years. Cells are typically rehydrated in minimal nutrient media before use. Mammalian cell lines, either individually on the BBIC, or frozen or refrigerated if captured, remain frozen for extended periods of time (up to 7 years at -150 ° C). Or refrigerated for short term (several days) storage. In all cases, cell viability can be checked by exposing the BBIC to a known concentration of the analyte of interest, thus generating a quantitative bioluminescent signal of known magnitude. One or more control vials of the analyte or reference "standard" can be included as part of the diagnostic kit or provided for proper calibration of the implantable device.

【0128】 (4.10バイオセンサデバイスの埋め込みおよび使用) 本発明の好ましい実施形態において、BBIC分析物バイオセンサをその動物
の間質液と接触するように埋め込む。例えば、グルコースバイオセンサの場合に
おいて、間質液におけるグルコース反応速度論がコンパートメントモデリングに
よって予測され得ることが示された(Gastaldelliら、1997)。
特に、グルコースセンサの皮下配置が実証された(Schmidtら、1993
;Poitoutら、1993;Wardら、1994;Stenbergら、
1995;BantleおよびThomas、1997)。他の潜在的な分析物
バイオセンサ組織移植物部位としては、腹膜、胸膜および心膜が挙げられる(W
olfsonら、1982)。事実、本発明者らは、検出されつつある特定の分
析物または代謝物に依存して、その移植可能なバイオセンサが従来の外科的およ
び移植方法論を用いて、体中の任意の簡便な位置に配置され得ることを意図する
。例えば、そのデバイスは、検出される特定の分析物に依存して、間質液、リン
パ液、血液、血清、滑膜液または嚢脊髄液と接触されるような方法で移植され得
る。
4.10 Implanting and Using Biosensor Devices In a preferred embodiment of the present invention, a BBIC analyte biosensor is implanted in contact with the animal's interstitial fluid. For example, in the case of a glucose biosensor, it has been shown that glucose kinetics in interstitial fluid can be predicted by compartmental modeling (Gastaldelli et al., 1997).
In particular, subcutaneous placement of glucose sensors has been demonstrated (Schmidt et al., 1993).
Poitout et al., 1993; Ward et al., 1994; Steenberg et al.
1995; Bantle and Thomas, 1997). Other potential analyte biosensor tissue implant sites include the peritoneum, pleura and pericardium (W
olfson et al., 1982). In fact, we have found that depending on the particular analyte or metabolite being detected, the implantable biosensor can be placed in any convenient location in the body using conventional surgical and implantation methodologies. It is intended that it can be arranged in For example, the device can be implanted in such a way that it is contacted with interstitial fluid, lymph, blood, serum, synovial fluid or bursa-spinal fluid, depending on the particular analyte to be detected.

【0129】 特定の実施形態において、移植可能なデバイスは、特定の組織、器官または特
定の器官系と接触されるように配置され得る。同様に、そのバイオセンサを、そ
れが特定の、細胞内液、細胞間液またはその標的物質がモニタリングされ得る他
の任意の体液に接触させるように移植することが所望され得る。
[0129] In certain embodiments, the implantable device can be placed in contact with a particular tissue, organ, or a particular organ system. Similarly, it may be desirable to implant the biosensor so that it is in contact with a particular, intracellular, intercellular, or any other bodily fluid whose target substance may be monitored.

【0130】 本発明はまた、複数の異なる分析物の検出について複数のバイオセンサの使用
を意図する。例えば、グルコースモニタリングの場合において、1つ以上のデバ
イスを用いて、種々のグルコースまたはグルコース代謝物、グルカゴン、インス
リンなどをモニタリングし得る。同様に、1つ以上のバイオセンサデバイスを、
制御された薬物送達系において使用し得る。それ自体、そのデバイスは、そのバ
イオセンサによって制御され得、そしてある量(BBICデバイスによって検出
される1つ以上の分析物の濃度によって決定される)の特定の薬物、ホルモン、
タンパク質、ペプチドまたは他の薬学的組成物を動物の体内に導入し得る、薬物
送達ポンプ、またはデバイスに作動可能に接続され得る。従って、慢性医療状態
または長期の医療状態の場合または症状が長期にわたり持続する場合のような、
動物への薬物の長期投与を提供するにおいて特に所望される制御される薬物送達
径が本発明者らにより意図される。疼痛処置、心臓また他の心臓の制御因子、利
尿剤またはホルモンもしくはペプチド(例えば、インスリン)、あるいはグルカ
ゴンもしくはグルコースのような代謝物のような薬物の制御された長期送達は、
そのようなバイオセンサ/ポンプ系によって容易にされ得る。1つを超える薬物
もしくは代謝物をその動物へと送達することが必要な場合において、複数の薬物
送達系または単一の交換可能な薬物送達径が特に有用であることが意図される。
[0130] The present invention also contemplates the use of multiple biosensors for the detection of multiple different analytes. For example, in the case of glucose monitoring, one or more devices may be used to monitor various glucose or glucose metabolites, glucagon, insulin, and the like. Similarly, one or more biosensor devices can be
It can be used in controlled drug delivery systems. As such, the device may be controlled by the biosensor and a certain amount (determined by the concentration of one or more analytes detected by the BBIC device) of a particular drug, hormone,
It can be operably connected to a drug delivery pump or device that can introduce a protein, peptide or other pharmaceutical composition into the body of an animal. Thus, as in the case of chronic or long-term medical conditions or when symptoms persist for a long period of time,
A controlled drug delivery diameter that is particularly desirable in providing long term administration of the drug to the animal is contemplated by the inventors. Controlled long-term delivery of pain treatment, cardiac or other cardiac regulators, diuretics or drugs such as hormones or peptides (eg, insulin), or metabolites such as glucagon or glucose,
It can be facilitated by such a biosensor / pump system. Multiple drug delivery systems or a single interchangeable drug delivery diameter are contemplated to be particularly useful where it is necessary to deliver more than one drug or metabolite to the animal.

【0131】 宿主拒絶効果は、免疫単離技術によって最小化され得る。以前の研究によって
、ヒドロゲル膜に囲まれた生存する非宿主細胞が移植後の免疫拒絶から保護され
ることが示された(Bakerら、1997;Burczakら、1996:I
noueら、1991)。しかし、宿主の免疫系の体液性成分および細胞性成分
によるヒドロゲルブロックアクセスは、標的物質であるグルコースに対して透過
性のままである。Guら(1994)によって開発されたメッシュ強化されたポ
リビニルアルコールヒドロゲルバッグを使用して、BBICを完全にカプセル化
し得、これによって、免疫抑制性応答の移植無効(void)が可能になる。
[0131] Host rejection effects can be minimized by immunoisolation techniques. Previous studies have shown that viable non-host cells surrounded by a hydrogel membrane are protected from post-transplant immune rejection (Baker et al., 1997; Burczak et al., 1996: I.
noue et al., 1991). However, hydrogel block access by the humoral and cellular components of the host immune system remains permeable to the target substance glucose. The BBIC can be completely encapsulated using a mesh reinforced polyvinyl alcohol hydrogel bag developed by Gu et al. (1994), which allows for implantation of an immunosuppressive response.

【0132】 移植されたバイオセンサの宿主拒絶は、その宿主からの細胞がそのバイオセン
サ構築について使用される場合は問題ではない。しかし、他の細胞株が使用され
る場合は、シグネチャ分子または分析物の通過を許容するがバイオレポーター細
胞もしくは体細胞(白血球など)の通過は許容しない、その細胞とその適切な体
液との間にバリアを提供する必要があり得る。免疫抑制された患者は、影響され
ない。なぜなら、その移植物は、その患者に影響を与えるどんな種類の病原体を
も含まないからである。すべての場合において、開示されたBBICデバイスの
移植に関与する外科的方法は、外科的分野における当業者には周知である。
[0132] Host rejection of an implanted biosensor is not a problem if cells from that host are used for the biosensor construction. However, if other cell lines are used, the passage between the cell and its appropriate body fluid, allowing passage of signature molecules or analytes but not of bioreporter cells or somatic cells (such as leukocytes) May need to be provided with a barrier. Immunosuppressed patients are not affected. Because the implant does not contain any kind of pathogen affecting the patient. In all cases, the surgical methods involved in implanting the disclosed BBIC devices are well known to those skilled in the surgical arts.

【0133】 例示的な実施形態において、BBICグルコースセンサは、糖尿病におけるグ
ルコースをモニタリングするために使用され得る。しかし、そのようなセンサは
また、グルコース濃度が問題である他の状況(例えば、持久的競技においてまた
は低血糖または高血糖を含む他の状況)において使用され得る。そのような測定
は、長鎖または診断の目的のための終点であり得るか、またはそのセンサは、遠
隔測定を介してまたは直接的に、薬物送達系に連結され得る。
[0133] In an exemplary embodiment, a BBIC glucose sensor may be used to monitor glucose in diabetes. However, such sensors can also be used in other situations where glucose concentration is an issue, such as in endurance sports or other situations involving hypoglycemia or hyperglycemia. Such a measurement can be a long chain or an endpoint for diagnostic purposes, or the sensor can be coupled to the drug delivery system via telemetry or directly.

【0134】 グルコース以外の物質のための移植可能なBBICの使用は、治療的状況のあ
る範囲で用いられ得る。適切なシス活性化応答エレメントの取り込みで、BBI
Cは、多数の物質をモニタリングし得、そして慢性疼痛処置、癌治療、慢性免疫
抑制、ホルモン治療、コレステロール管理および心臓発作患者における乳酸閾値
において用途を見出し得る。例えば、第5.7節は、癌の検出および診断におい
てBBICの使用を記載する。
The use of implantable BBIC for substances other than glucose can be used in a range of therapeutic situations. With the incorporation of the appropriate cis-activated response element, BBI
C can monitor a number of substances and find use in chronic pain treatment, cancer therapy, chronic immunosuppression, hormonal therapy, cholesterol management and lactate threshold in heart attack patients. For example, Section 5.7 describes the use of BBIC in the detection and diagnosis of cancer.

【0135】 個々のバイオセンサは、細胞の生存および実行についてチェックするために較
正され得る。その較正は、そのセンサを種々の濃度の目的の分析物を含む溶液に
曝露することによって実施される。そのバイオレポーターは、特定の適用のため
に、その初期の構築の後に、一連の標準的な分析物濃度によって較正され得る。
オンライン性能全体は、その分析のリザーバを用いる微小流体を用いてモニタリ
ングされ得、これは、既知濃度をその細胞へと系統的に提供し、これは、生存に
ついて較正および試験の両方を可能にする。
[0135] Individual biosensors can be calibrated to check for cell viability and performance. The calibration is performed by exposing the sensor to solutions containing various concentrations of the analyte of interest. The bioreporter can be calibrated for a particular application after its initial construction with a range of standard analyte concentrations.
The overall online performance can be monitored using microfluidics using the reservoir of the assay, which systematically provides a known concentration to the cells, which allows both calibration and testing for viability .

【0136】 次いで、発光応答が、濃度およびそのパラメータセットに対して相関付けられ
る。生存度はまた、バイオ操作された細胞によって連続的にモニタリングされ得
る。この細胞において、そのレポーターは、連続的な発光を示す。生存の欠失は
、発光の減少をもたらす。この技術を使用して、多核細胞の生存度を検出した。
従って、BBICは、2つのバイオレポーターを含み、このバイオレポーターは
、選択された物質を検出し、そして第二のバイオレポーターは、細胞生存度に比
例した発光を示す。2つのバイオレポーターからのシグナルの比の測定によって
、生存度の何らかの欠失について自動補正する検出方法が与えられる。
The luminescence response is then correlated to the concentration and its parameter set. Viability can also be continuously monitored by the bioengineered cells. In this cell, the reporter shows continuous luminescence. Loss of survival results in reduced luminescence. This technique was used to detect multinucleated cell viability.
Thus, the BBIC contains two bioreporters, which detect the selected substance, and a second bioreporter that emits light proportional to cell viability. Measuring the ratio of the signals from the two bioreporters provides a detection method that automatically corrects for any loss of viability.

【0137】 一旦調製されると、そのバイオレポーターは、適切な維持培地(例えば、標準
的な組織培地、血清または他の適切な増殖処方物もしくは栄養処方物)に保存さ
れ得、次いで、移植前に較正され得る。このデバイスの生存度は、微小流体を用
いるか、または既知の標準もしくは他の参照溶液の定量によって、生物発光によ
ってチェックされて、移植前または後のその系の生存度および一体性を確認する
Once prepared, the bioreporter can be stored in a suitable maintenance medium, such as standard tissue medium, serum or other suitable growth or nutrient formulation, and then Can be calibrated. The viability of this device is checked by bioluminescence using microfluidics or by quantification of a known standard or other reference solution to confirm the viability and integrity of the system before or after implantation.

【0138】 本発明の特定の実施形態において、そのモノリシックバイオセンサデバイスは
、モニタリングされる個体の身体の外側において使用され得る。いくつかの臨床
設定において、そのモニタを使用して、体外様式で体液中のグルコースをモニタ
リングし得る。このデバイスは、病理学または法医学の分野においてでさえ使用
されて、身体組織または体液などにおける特定の分析物の量を検出し得る。同様
に、本発明はまた、獣医学におけるバイオセンサデバイスの使用を意図する。血
中のホルモンレベル(すなわち、乳汁産生を最適化するため)のモニタリングの
ため、人工授精効率を最大にするための多数の動物における発情(熱)の発症を
モニタリングするため、および産生された乳汁におけるホルモンレベルをオンラ
イン(乳房中)でモニタリングするためなどのそのようなデバイスの動物への移
植は、市販の家畜操作、畜産業にとって、および獣医学における当業者による使
用のために、特定の利益を提供することが意図される。
In certain embodiments of the present invention, the monolithic biosensor device can be used outside the body of the individual being monitored. In some clinical settings, the monitor may be used to monitor glucose in body fluids in an extracorporeal manner. This device can be used even in the field of pathology or forensics to detect the amount of a particular analyte, such as in body tissue or fluid. Similarly, the present invention also contemplates the use of biosensor devices in veterinary medicine. For monitoring hormone levels in the blood (ie, to optimize milk production), for monitoring the onset of estrus (fever) in a large number of animals to maximize the efficiency of artificial insemination, and for the milk produced Implantation of such devices into animals, such as for monitoring hormone levels online (in the breast) in animals, has certain benefits for commercial livestock operations, the livestock industry, and for use by those skilled in veterinary medicine. It is intended to provide

【0139】 (4.11 インビボバイオセンサを含む診断キット) 本明細書において記載される本発明の個々の構成要素は、個々に入手およびア
センブルされ得るが、本発明者らは、簡便のため、そのバイオセンサの構成要素
は、キット形態でパッケージされ得ることを意図する。キットは、適切な容器手
段中に、1つ以上のバイオレポーターおよび光変換器を含むICを備え得る。そ
のキットはまた、好ましくは、バイオセンサ装置の使用のための指示書を含み、
そしてさらに、必要に応じて、薬物送達装置または第二のバイオセンサ装置を含
み得る。そのキットは、1つ以上のバイオレポーターならびに光変換器および薬
物送達デバイスを含むICを備える単一の容器手段を備え得る。あるいは、本発
明のキットは、異なる容器手段を各構成要素について備え得る。そのような場合
、1つの容器は、1つ以上のバイオレポーターを、適切な媒体中またはポリマー
マトリクス中に予備カプセル化されるかのいずれかで、含み得、別の容器は、I
Cを備え、そして別の容器は、その薬物送達デバイスを備え得る。そのバイオレ
ポーターが予備カプセル化されている場合、そのキットは、1つ以上のカプセル
化媒体を備え得る。異なる容器手段の各構成要素のための使用によって、そのキ
ットの種々の構成要素の調節が可能となる。例えば、いくつかのバイオレポータ
ーが、検出することを望む物質に依存して、選択するために利用可能であり得る
。そのバイオレポーターを置き換えることによって、そのキットの残りの構成要
素を、全く異なる目的のために利用することが可能となり得、従って、構成要素
の再利用が可能になる。
4.11 Diagnostic Kits Including In Vivo Biosensors Although the individual components of the invention described herein can be obtained and assembled individually, we have identified, for simplicity, It is contemplated that the components of the biosensor can be packaged in kit form. The kit may comprise, in a suitable container means, an IC comprising one or more bioreporters and a light converter. The kit also preferably includes instructions for using the biosensor device,
And further, if desired, may include a drug delivery device or a second biosensor device. The kit may comprise a single container means comprising one or more bioreporters and an IC comprising a light converter and a drug delivery device. Alternatively, the kit of the invention may comprise a different container means for each component. In such a case, one container may contain one or more bioreporters, either pre-encapsulated in a suitable medium or in a polymer matrix, and another container may contain one or more bioreporters.
C, and another container may include the drug delivery device. If the bioreporter is pre-encapsulated, the kit may include one or more encapsulation media. The use of different container means for each component allows for adjustment of the various components of the kit. For example, some bioreporters may be available to select, depending on the substance that one wants to detect. Replacing the bioreporter may allow the remaining components of the kit to be utilized for entirely different purposes, thus permitting re-use of the components.

【0140】 その容器手段は、バイアル、試験管、パケット、スリーブ、収縮包装、または
他の容器手段のような容器であり得、その中には、そのキットの成分が配置され
得る。そのバイオレポーターまたは他の試薬はまた、それが所望される場合、よ
り小さな容器または送達ビヒクル中に分けて入れられ得る。
The container means may be a container, such as a vial, test tube, packet, sleeve, shrink wrap, or other container means, in which the components of the kit may be located. The bioreporter or other reagent may also be split into smaller containers or delivery vehicles if desired.

【0141】 本発明のキットはまた、例えば、注射もしくはブロー成形されたプラスチック
容器のような市販のために密封された個々の容器を含むための手段を備え得る。
その容器の中には、そのキットの所望の成分が保持される。
The kits of the present invention may also include means for containing individual sealed containers for marketing, such as, for example, injection or blown plastic containers.
The desired components of the kit are held in the container.

【0142】 容器の数に拘らず、本発明のキットはまた、ICの上へのそのバイオレポータ
ーの配置を補佐するための装置を備え得るか、またはそれとともにパッケージさ
れ得る。そのような装置は、シリンジ、ピペット、ピンセット、または任意の他
の類似の外科的デバイスもしくは移植デバイスであり得る。そのキットはまた、
1つ以上のステント、カテーテルまたは他の外科的装置を備えて、標的動物の身
体内への移植を容易にし得る。そのようなキットはまた、遠隔測定のためのデバ
イス、またはモニタリングデバイスから得られたデータの、データ保存もしくは
長期の記録のためのデバイスを備え得る。同様に、制御された薬物送達系の場合
において、そのキットは、上記のような1つ以上の薬物送達ポンプを備え得、そ
してまた、投与のための1つ以上の薬学的薬剤自体を含み得る。例として、グル
コースモニタリング系の場合において、その系は、代表的に、グルコース感受性
BBICデバイス、薬物送達ポンプ、その系の移植および/または使用のための
指示書、ならびに必要に応じて、インスリン、グルカゴンもしくは他の薬学的組
成物の参照標準もしくは薬学的処方物を備える。この系はまた、必要に応じて、
BBICデバイス中に含まれるバイオレポーター細胞の栄養的必要性を支持する
ために、増殖培地および/または保存培地を含み得る。
[0143] Regardless of the number of containers, the kits of the invention may also include or be packaged with devices to assist in placing the bioreporter on the IC. Such an apparatus may be a syringe, pipette, tweezers, or any other similar surgical or implantable device. The kit also
One or more stents, catheters or other surgical devices may be provided to facilitate implantation into the body of the target animal. Such a kit may also include a device for telemetry or a device for data storage or long-term recording of data obtained from the monitoring device. Similarly, in the case of a controlled drug delivery system, the kit may include one or more drug delivery pumps, as described above, and may also include one or more pharmaceutical agents themselves for administration. . By way of example, in the case of a glucose monitoring system, the system typically comprises a glucose sensitive BBIC device, a drug delivery pump, instructions for implantation and / or use of the system, and optionally insulin, glucagon. Alternatively, a reference standard or pharmaceutical formulation of another pharmaceutical composition is provided. The system can also optionally
Growth media and / or storage media may be included to support the nutritional needs of the bioreporter cells contained in the BBIC device.

【0143】 (5.0 実施例) 以下の実施例は、本発明の好ましい実施形態を実証するために含まれる。当業
者は、以下に実施例において開示される技術が、本発明の実施において十分機能
する本発明者らによって発見された技術を代表し、従って、その実施のための好
ましい形態を構成するとみなされ得ると理解されるべきである。しかし、当業者
は、本開示に鑑み、開示された特定の実施形態において多くの変更がなされ得、
そしてなおも、本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく類似もしくは同様の
結果を得ることができることを理解すべきである。
5.0 Examples The following examples are included to demonstrate preferred embodiments of the invention. Those skilled in the art will recognize that the techniques disclosed in the examples below are representative of the techniques discovered by the inventors that work well in the practice of the present invention and therefore constitute preferred embodiments for the practice thereof. It should be understood that you get. However, one of ordinary skill in the art, in light of the present disclosure, that many changes may be made in the particular embodiments disclosed,
It is still to be understood that similar or similar results can be obtained without departing from the spirit and scope of the invention.

【0144】 (5.1.実施例1:哺乳動物細胞株のための生物発光レセプターの構築) 移植可能な生物発光グルコースセンサの構築を容易にするために、ルシフェラ
ーゼ反応のための基質の外的添加なしに機能し得る生物発光レポーター系を製作
することが必要である。この外的添加は、種々の真核生物ルシフェラーゼについ
てのルシフェリンの生産の複雑な性質に起因する。細胞は、透過化または溶解の
いずれかがされねば成らず、次いで、ルシフェリンを含むアッセイ溶液で処理さ
れねばならない。従って、真核生物分子生物学において使用される生物発光レポ
ーターのこの状態によって、「オンライン」モニタリングは不適切となる。ホタ
ルルシフェラーゼは、単一の生存するラット島β細胞においてL−ピルビン酸キ
ナーゼプロモーター活性の調節を試験するために使用されている(Kenned
yら、1997)。しかし、これらの細胞は、発光応答を生成するために、Be
etleルシフェリンを用いて灌流されねばならなかった。
5.1. Example 1: Construction of a Bioluminescent Receptor for Mammalian Cell Lines To facilitate the construction of an implantable bioluminescent glucose sensor, the externalization of a substrate for the luciferase reaction There is a need to create a bioluminescent reporter system that can function without addition. This external addition results from the complex nature of luciferin production for various eukaryotic luciferases. The cells must be either permeabilized or lysed and then treated with an assay solution containing luciferin. Thus, this state of the bioluminescent reporter used in eukaryotic molecular biology makes "on-line" monitoring unsuitable. Firefly luciferase has been used to test the regulation of L-pyruvate kinase promoter activity in single living rat islet β cells (Kenned
y et al., 1997). However, these cells do not produce Be
Ele luciferin had to be perfused.

【0145】 この限定を排除するために、本発明についての好ましい生物発光レポーター系
は、外的な基質の添加を必要としない系である。細菌のルシフェラーゼベースの
検出系の場合において、これは、X.luminescensから生物発光遺伝
子を用いて達成され得る。この生物において、luxAおよびluxBの遺伝子
(または、単一の融合されたluxAluxB遺伝子)は、ルシフェラーゼ酵素
のαサブユニットおよびβサブユニットをそれぞれコードする(Meighen
ら、1991)。このルシフェラーゼは、37℃で最大の熱安定性を示し、他方
、他の細菌ルシフェラーゼは、30℃を超えると顕著に活性を喪失する。従って
、これらの細菌ルシフェラーゼは、わずかな改変を伴って真核生物細胞において
発現され得る。Almashanuら(1990)は、V.harveryから
のluxAB遺伝子を、luxAからTAA終止コドン、2つの遺伝子の間の介
在領域および読み枠を破壊すること無しにluxBから開始メチオニンを除去す
ることによって融合した。この融合物は、首尾よく、S.cerevisiae
およびD.melanogasterにおいて発現された。同じ戦略を用いて、
融合されたluxAB遺伝子配列は、X.luminescensからの遺伝子
を用いて開発された。
To eliminate this limitation, preferred bioluminescent reporter systems for the present invention are those that do not require the addition of an external substrate. In the case of a bacterial luciferase-based detection system, This can be achieved using a bioluminescent gene from luminescens. In this organism, the luxA and luxB genes (or a single fused luxAluxB gene) encode the α and β subunits of the luciferase enzyme, respectively (Meighen
Et al., 1991). This luciferase exhibits maximum thermostability at 37 ° C, while other bacterial luciferases lose significant activity above 30 ° C. Thus, these bacterial luciferases can be expressed in eukaryotic cells with minor modifications. Almashanu et al. (1990) describe in V.S. The luxAB gene from harvey was fused by removing the TAA stop codon from luxA, the intervening region between the two genes and the starting methionine from luxB without disrupting the reading frame. This fusion was successfully prepared by S.M. cerevisiae
And D. It was expressed in melanogaster. Using the same strategy,
The fused luxAB gene sequence has the X. Developed using genes from luminescens.

【0146】 外因性基質の添加の必要性を排除するために、細胞は、それ自体で、ルシフェ
ラーゼに対する適切な基質を提供しなければならない。細菌系において、この基
質は、luxCDE遺伝子によってコードされる脂肪酸レダクターゼ複合体によ
って生成される。この酵素複合体は、短鎖脂肪酸を対応するアルデヒドに還元す
る。次いで、このルシフェラーゼは、このアルデヒドを対応する脂肪酸に酸化す
る。この反応についての好ましい脂肪酸は、ミリスチン酸であり、これは、真核
生物中に存在する(Rudnickら、1993)。ミリスチン酸は、通常、膜
結合に関連するアミノ末端のミリストイル化に関与する(Borgeseら、1
996、Brandら、1996)。従って、ルシフェラーゼ基質の外因性供給
の必要性を除外するために、このバイオセンサはまた、好ましくは、3つのlu
xC、luxDおよびluxEにコードされるサブユニットをコードする核酸配
列を含む。luxAluxB遺伝子融合体の場合のように、このluxC、lu
xDおよびluxE遺伝子を融合して、この酵素複合体の3つのサブユニットを
コードする、単一のluxCDE遺伝子融合体を生成した。このような遺伝子融
合体の調製方法を以下に記載する: (5.1.1 luxABおよびluxCDE遺伝子の融合) luxAB遺伝子は、従来の分子生物学技術を使用して融合され得る。例えば
、ポリメラーゼ連鎖反応が、この目的のために慣用的に使用され得る。5’プラ
イマー(この配列は、luxA遺伝子の開始コドンについてATGで開始する)
、ならびに3’プライマー(ATT終止コドンの直前のコドンで終結する)を合
成することによる。次いで、これらのプライマーを増幅反応に使用し、そしてこ
の産物をゲル精製し得た。luxB遺伝子もまた、ATG開始メチオニンコドン
を排除するがそのリーディングフレームを保存するプライマーを使用して、上記
のように増幅し得る。PCRTM反応は、耐熱性ポリメラーゼ(例えば、Stra
tagene(La Jolla,CA)のPfuTMポリメラーゼ)を使用する
。このポリメラーゼは、末端デオキシトランスフェラーゼ活性を有さず、従って
、平滑末端を生じる。これらの得られたPCRTM産物を、平滑末端で連結(bl
unt−end ligated)し、次いで、この連結物を、Taqポリメラ
ーゼを使用して、luxA由来の5’プライマーおよびluxB由来の3’プラ
イマーを用いるPCRTMに供し、TAクローニング(Invitrogen,S
an Diego,CA)を容易にする。正しいフラグメントの方向を有する連
結物のみが増幅される。次いで、luxABアンプリコンをゲル精製し、そして
標準的な製造業者のプロトコルを使用して、適切なベクター(例えば、PCRI
TMベクター)にTAクローニングし、そしてE.coliに形質転換する。
[0146] To eliminate the need for the addition of exogenous substrates, the cells must themselves provide a suitable substrate for luciferase. In bacterial systems, this substrate is produced by the fatty acid reductase complex encoded by the luxCDE gene. This enzyme complex reduces short chain fatty acids to the corresponding aldehyde. The luciferase then oxidizes the aldehyde to the corresponding fatty acid. The preferred fatty acid for this reaction is myristic acid, which is present in eukaryotes (Rudnick et al., 1993). Myristic acid is commonly involved in myristoylation of the amino terminus associated with membrane binding (Borgese et al., 1).
996, Brand et al., 1996). Thus, to eliminate the need for an exogenous supply of luciferase substrate, the biosensor also preferably has three lus
Includes nucleic acid sequences encoding subunits encoded by xC, luxD and luxE. As in the case of the luxAluxB gene fusion, this luxC, lu
The xD and luxE genes were fused to generate a single luxCDE gene fusion, encoding the three subunits of this enzyme complex. A method for preparing such a gene fusion is described below: (5.1.1 Fusion of luxAB and luxCDE genes) The luxAB gene can be fused using conventional molecular biology techniques. For example, the polymerase chain reaction can be conventionally used for this purpose. 5 'primer (this sequence starts with ATG for the start codon of the luxA gene)
And by synthesizing a 3 'primer (terminating at the codon immediately before the ATT stop codon). These primers were then used in the amplification reaction and the product could be gel purified. The luxB gene can also be amplified as described above using primers that eliminate the ATG initiation methionine codon but preserve its reading frame. The PCR reaction is a thermostable polymerase (eg, Stra
tagene (Pfu polymerase from La Jolla, CA) is used. This polymerase has no terminal deoxytransferase activity and therefore produces blunt ends. These resulting PCR products were ligated at blunt ends (bl
The ligation was then subjected to PCR using the 5 ′ primer from luxA and the 3 ′ primer from luxB using Taq polymerase and TA cloning (Invitrogen, S.I.
an Diego, CA). Only ligations with the correct fragment orientation are amplified. The luxAB amplicon is then gel purified and the appropriate vector (eg, PCRI
I.TM. vector) and cloned into E. coli. E. coli.

【0147】 形質転換体を、n−デカナールの添加による光生成についてスクリーニングす
る。このn−デカナールは、ルシフェラーゼによって酸化された場合に、生物発
光を生じる。光を放出するコロニーのみが、選択される。なぜなら、これらは、
さらなる遺伝子操作のために適切な方向で存在するからである。luxCDE融
合体は、上記と同じストラテジーを使用して生成されるが、ただし、形質転換体
は、ミニプレップ、およびそれに続く、方向を決定するための制限消化分析によ
ってスクリーニングする。プラスミドは、E.coliで増幅し、回収し、そし
てCsCl勾配上で2回精製する。
Transformants are screened for light production by the addition of n-decanal. This n-decanal produces bioluminescence when oxidized by luciferase. Only colonies that emit light are selected. Because these are
This is because it exists in an appropriate direction for further genetic manipulation. The luxCDE fusion is generated using the same strategy as described above, except that the transformants are screened by miniprep followed by restriction digest analysis to determine orientation. The plasmid is E. coli. Amplify in E. coli, recover, and purify twice on a CsCl gradient.

【0148】 (5.1.2 luxABおよびluxCDEのHeLa細胞における発現) この融合した細菌ルシフェラーゼ構成要素の相対活性を測定するために、lu
xABを含むクローン化したフラグメントを、適切な哺乳動物発現ベクター(例
えば、pcDNA3.1)にクローニングし、そしてluxCDE含有フラグメ
ントを、適切な哺乳動物発現ベクター(例えば、pcDNA/Zeo3.1)(
Invitrogen,Faraday,CA)にクローニングする。両ベクタ
ーとも、挿入された遺伝子を構成的に発現する。次いで、HeLa細胞を、製造
業者のプロトコル(Promega,Madison,WI)に従って、lux
ABまたはluxABおよびluxCDEの両方でトランスフェクトし、そして
適切な抗生物質を使用して選択した。luxAB融合体を有する細胞を、n−デ
カナールに曝露し、そして生物発光について調べる。次いで、luxCDEでえ
同時トランスフェクトされたこれらの細胞を、生物発光について試験し、lux
CDE融合体の相対発現を確認する。これは、外因性アルデヒドの添加 対 内
因的に生成されるアルデヒドを介する、生物発光の比較を可能にする。
5.1.2 Expression of luxAB and luxCDE in HeLa cells To determine the relative activity of this fused bacterial luciferase component,
The cloned fragment containing xAB is cloned into a suitable mammalian expression vector (eg, pcDNA3.1) and the luxCDE-containing fragment is cloned into a suitable mammalian expression vector (eg, pcDNA / Zeo3.1) (
(Invitrogen, Faraday, CA). Both vectors constitutively express the inserted gene. HeLa cells were then luxed according to the manufacturer's protocol (Promega, Madison, WI).
Transfected with AB or both luxAB and luxCDE and selected using appropriate antibiotics. Cells bearing the luxAB fusion are exposed to n-decanal and examined for bioluminescence. These cells co-transfected with luxCDE were then tested for bioluminescence and lux
Confirm the relative expression of the CDE fusion. This allows for a comparison of bioluminescence via addition of exogenous aldehyde versus endogenously generated aldehyde.

【0149】 生物発光発現を増強するための代替的ストラテジーは、pcDNA3.1(S
tratagene,La Jolla,CA)に含まれる真核生物発現機構の
3つのコピーを含むベクターを操作する工程を包含する。これは、luxCDE
の個々の構成要素の発現を可能にする。なぜなら、この融合されたルシフェラー
ゼは、真核生物細胞株において発現されることがすでに示されているからである
(Almashanuら、1990)。
An alternative strategy to enhance bioluminescence expression is pcDNA3.1 (S
(Tratagene, La Jolla, Calif.) to manipulate a vector containing three copies of the eukaryotic expression machinery. This is luxCDE
Enables the expression of individual components of This is because the fused luciferase has already been shown to be expressed in eukaryotic cell lines (Almashhanu et al., 1990).

【0150】 (5.2 実施例2−−グルコース生物発光バイオセンサの構築) ホタルルシフェラーゼは、単一の生存中の島β細胞におけるL−ピルビン酸キ
ナーゼプロモーター活性の調節を試験する際に使用されている(Kennedy
ら、1997)。L4ボックスと命名されたグルコース応答エレメントは、近位
のプロモーター中にあることが決定されている。この領域を含む200bpフラ
グメントを、プラスミドpGL3Basic中のホタルルシフェラーゼ(luc
)の前にクローニングし、これにより、p.LPK.LucFFと命名されたグル
コースレポータープラスミドを生成した。結果は、16mMのグルコースに曝露
された単一の細胞の検出を生じたが、3mMのグルコースの場合に検出を生じな
かった。しかし、これらの細胞は、カブトムシルシフェリンを灌流されなければ
ならず、これは、オンラインバイオセンサに受容不可能なものにする。従って、
グルコースについての生物発光センサを、p.LPK.LucFF中のホタルルシ
フェラーゼを、以下に記載の融合luxAB遺伝子と置き換えることによって構
築した。
5.2 Example 2-Construction of a Glucose Bioluminescence Biosensor Firefly luciferase has been used in testing the regulation of L-pyruvate kinase promoter activity in single living islet β cells. (Kennedy
Et al., 1997). A glucose response element, termed the L4 box, has been determined to be in the proximal promoter. A 200 bp fragment containing this region was ligated with firefly luciferase (luc) in plasmid pGL3Basic.
), Which allows p. LPK. A glucose reporter plasmid named Luc FF was generated. The results resulted in the detection of single cells exposed to 16 mM glucose, but not at 3 mM glucose. However, these cells must be perfused with beetle luciferin, which makes them unacceptable for online biosensors. Therefore,
A bioluminescence sensor for glucose is available at p. LPK. Firefly luciferase in Luc FF was constructed by replacing the fused luxAB gene described below.

【0151】 (5.3 実施例3−−ラット島β細胞の生物発光レポーター構築物およびト
ランスフェクション) 生物発光レポータープラスミドを、p.LPK.LucFFからホタルルシフェ
ラーゼをコードするluc遺伝子を除去し、そしてこれを融合luxAB遺伝子
で置き換えることによって構築した。これは、p.LPK.LucFFからのlu
c遺伝子の切断およびluxAB遺伝子のクローニングによって達成された。得
られたプラスミドを、E.coli中で増幅し、そしてこのプラスミドDNAを
抽出し、そしてCsCl勾配上で2回精製した。
5.3 Example 3-Bioluminescent Reporter Construct and Transfection of Rat Islet β Cells The bioluminescent reporter plasmid was prepared as described in p. LPK. It was constructed by removing the Luc gene encoding firefly luciferase from Luc FF and replacing it with the fusion luxAB gene. This is p. LPK. Lu from Luc FF
This was achieved by truncating the c gene and cloning the luxAB gene. The resulting plasmid was transformed into E. coli. E. coli and the plasmid DNA was extracted and purified twice on a CsCl gradient.

【0152】 島細胞を、以前に記載されるように(Germanら、1990)調製し、そ
してこの生物発光レポーター構築物、および構成的に発現されるluxCDE構
築物を含むプラスミドを用いて、エレクトロポレーションによってトランスフェ
クトした。この構成は、細胞がこのレポーター遺伝子(luxAB)に利用可能
であるアルデヒド基質のプールを維持することを生じる。細胞を、3mM〜30
mMのグルコース濃度範囲での光生成についてスクリーニングした。トランスフ
ェクトされた細胞を、洗浄し、濃縮し、そして光を通さないセル中のマイクロウ
ェルに配置し、次いで、このセルを集積回路に接続した。異なる濃度のグルコー
スおよびアッセイ培地(Kennedyら、1997)を、これらのセルに添加
し、グルコースBBICの感受性および応答時間を試験した。
Islet cells were prepared as previously described (German et al., 1990) and electroporated using this bioluminescent reporter construct and a plasmid containing the constitutively expressed luxCDE construct. Transfected. This configuration results in the cell maintaining a pool of aldehyde substrates available for this reporter gene (luxAB). Cells are grown from 3 mM to 30
Screened for light production in the mM glucose concentration range. The transfected cells were washed, concentrated, and placed in microwells in a light-tight cell, which was then connected to an integrated circuit. Different concentrations of glucose and assay medium (Kennedy et al., 1997) were added to these cells to test the sensitivity and response time of glucose BBIC.

【0153】 (5.4 実施例4−−生物発光レポーター構築物の調製) レポーター遺伝子技術は、真核生物系および原核生物系の両方における遺伝子
調節の研究において広範に使用されている。種々の遺伝子は、調査される細胞株
に依存して使用される。しかし、BBIC技術を用いる場合、光の放出を生じる
レポーター遺伝子の使用が必要とされる。従って、生物発光ををコードするレポ
ーター遺伝子を利用する。他のレポーター遺伝子(例えば、β−ガラクトシダー
ゼをコードする遺伝子(lacZ))を利用する、以前に開発された全てのレポ
ーターを、標準的な分子技術を使用して生物発光バージョンに変換し得、そして
このレポーター遺伝子を、この特定の適用(改変lux系)に利用し得る。従っ
て、哺乳動物細胞株において遺伝子発現を試験するための任意の現存のレポータ
ー細胞株が、このluxレポーターに変換した場合のバイオレポーターとしての
使用に適応され得る。移植可能なシステムは、単に、適切なレポーター細胞株を
含む。表1は、移植可能なバイオセンサに利用され得る真核生物レポーター細胞
株の例のリストを示す。
5.4 Example 4—Preparation of Bioluminescent Reporter Constructs Reporter gene technology has been widely used in the study of gene regulation in both eukaryotic and prokaryotic systems. Various genes are used depending on the cell line being investigated. However, using BBIC technology requires the use of a reporter gene that produces light emission. Therefore, a reporter gene encoding bioluminescence is used. All previously developed reporters that utilize other reporter genes (eg, the gene encoding β-galactosidase (lacZ)) can be converted to a bioluminescent version using standard molecular techniques, and This reporter gene may be utilized for this particular application (modified lux system). Thus, any existing reporter cell line for testing gene expression in a mammalian cell line may be adapted for use as a bioreporter when converted to this lux reporter. Implantable systems simply include the appropriate reporter cell line. Table 1 shows a list of examples of eukaryotic reporter cell lines that can be utilized in implantable biosensors.

【0154】[0154]

【表1】 (5.5 実施例5−−グルコースバイオセンサおよびインスリン送達ポンプ
の構築および移植) 1つの実施形態において、直列であり、そしてグルコース濃度における偏差に
対して特異的に応答する、1対の生物発光レポーターを使用し得る。1つのバイ
オレポーターは、p.LPK.LucFFと命名されたプラスミドベースの系に組
み込まれた、X.luminescens由来のluxABおよびIuxCDE
遺伝子を利用する。このp.LPK.LucFFは、グルコース濃度に応答し得る
真核生物luc遺伝子(生物発光の増加は、グルコース濃度の増加に対応する)
を含む。この第2のバイオレポーターは、ホスホエノールピルビン酸カルボキシ
ラーゼ遺伝子(PEPCK)のプロモーターを含むプラスミド構築物を利用し、
このプロモーターもまた、グルコース濃度に応答するが、生物発光の増加は、グ
ルコースレベルの減少に対応する。各構築物へのluxABおよびluxCDE
遺伝子の組み込みは、生物発光測定がグルコース濃度における偏差とリアルタイ
ムで生じることを可能にし、このことは、細胞破壊および基質の添加の必要性を
消す。
[Table 1] 5.5 Example 5-Construction and Implantation of a Glucose Biosensor and an Insulin Delivery Pump In one embodiment, a pair of bioluminescences that are in series and specifically respond to deviations in glucose concentration A reporter may be used. One bioreporter is p. LPK. X. integrated into a plasmid-based system named Luc FF . luxAB and IuxCDE from luminescens
Utilize genes. This p. LPK. Luc FF is a eukaryotic luc gene that can respond to glucose concentration (increased bioluminescence corresponds to increased glucose concentration)
including. This second bioreporter utilizes a plasmid construct containing the promoter of the phosphoenolpyruvate carboxylase gene (PEPCK),
This promoter is also responsive to glucose concentration, but an increase in bioluminescence corresponds to a decrease in glucose levels. LuxAB and luxCDE for each construct
Gene incorporation allows bioluminescence measurements to occur in real time with deviations in glucose concentration, which eliminates cell destruction and the need for substrate addition.

【0155】 この実施形態において、この集積回路は、各バイオレポーターについての別々
の光検出器ユニットを備える(図9A、図9Bおよび図9C)。各構築物由来の
生物発光応答は、独立してモニタされ得、これは、このシグナルプロセシング回
路がグルコース濃度の増加に対する1つのバイオレポーター応答とグルコース濃
度の減少に対する第2のバイオレポーター応答との間を区別することを可能にす
る。このシグナルプロセシング回路は、その光検出器からのシグナルを処理し、
これをデジタル形式に変換し、そしてこの情報をその移植されたインスリンポン
プへリレーする(図10)。このバイオレポーターの直列セットは、検出器にお
ける、より正確なシグナルおよび冗長度を可能にする。低血糖症克服の時折の致
命性に起因して、この直列システムはまた、低血糖症の発症のより注意深いモニ
タリングおよび警告を可能にする。
In this embodiment, the integrated circuit comprises a separate photodetector unit for each bioreporter (FIGS. 9A, 9B and 9C). The bioluminescence response from each construct can be monitored independently, as the signal processing circuit switches between one bioreporter response to increasing glucose concentration and a second bioreporter response to decreasing glucose concentration. Allow to distinguish. This signal processing circuit processes the signal from the photodetector,
It is converted to digital form and this information is relayed to the implanted insulin pump (FIG. 10). This in-line set of bioreporters allows for more accurate signal and redundancy at the detector. Due to the occasional fatality of overcoming hypoglycemia, this tandem system also allows for more careful monitoring and alerting of the onset of hypoglycemia.

【0156】 この直列バイオレポーターシステムにおいて使用されるセルは、ヒドロゲル中
での装着または被包のいずれかによって直接的に、各光検出器に接続され得る(
Prevostら、1997)。これらのバイオレポーターを半透膜を使用して
分離して、低分子(例えば、グルコースおよびインスリン)のその膜を通る輸送
および免疫エフェクター細胞および抗体のフラックスの阻害を可能にすることが
必要であり得る(Monacoら、1993、Suzukiら、1998)。し
かし、サイトカインのような低分子はなお、この選択性の膜に進入し得、そして
これらの生物発光レポーター細胞株を干渉し得る。このアプローチは、当業者に
高費用で使用されている。
The cells used in this in-line bioreporter system can be connected to each photodetector either directly by mounting or encapsulation in a hydrogel (
Prevost et al., 1997). It is necessary to separate these bioreporters using a semi-permeable membrane to allow the transport of small molecules (eg, glucose and insulin) across the membrane and the inhibition of the flux of immune effector cells and antibodies. (Monaco et al., 1993; Suzuki et al., 1998). However, small molecules such as cytokines can still enter the selective membrane and interfere with these bioluminescent reporter cell lines. This approach has been used at high cost by those skilled in the art.

【0157】 適用可能な場合、生物発光レポーター細胞株は、その移植を受ける患者から直
接的に採取された細胞から構築され得る。このアプローチは、長期の移植片(例
えば、移植可能なインスリン送達)の場合に特に所望される。細胞は、患者から
得られ得、適切なモニタリング機能について遺伝子操作され得、細胞培養物中で
増殖され得、評価され得、そして長期の貯蔵の間保存され得る。患者自身の細胞
から発生される細胞株の使用は、特に望ましい。なぜなら、これは、宿主拒絶お
よびこの移植デバイスに対する免疫応答の生成の機会を減少するからである。好
ましくは、適切な場合に、幹細胞(達成可能ならば、不死化幹細胞)を使用し得
、そして適切な培養培地で維持および培養され得る。このような多能性、全能性
または他の不死化細胞株は、適切な長期移植可能デバイスの作製において、特定
の利点を提供する。
When applicable, bioluminescent reporter cell lines can be constructed from cells taken directly from the patient undergoing the transplant. This approach is particularly desirable for long-term implants (eg, implantable insulin delivery). Cells can be obtained from patients, genetically engineered for appropriate monitoring functions, grown in cell culture, evaluated, and stored for prolonged storage. The use of cell lines generated from the patient's own cells is particularly desirable. This is because it reduces the chance of host rejection and the generation of an immune response to the implanted device. Preferably, where appropriate, stem cells (if achievable, immortalized stem cells) can be used and maintained and cultured in a suitable culture medium. Such pluripotent, totipotent or other immortalized cell lines offer certain advantages in making suitable long-term implantable devices.

【0158】 移植前に、このバイオセンサは、インスリン送達ポンプおよびリザーバ上の補
助ポンプから送達される種々の濃度のグルコースを、セルを備えるチャンバに注
入して、較正され得る(図10)。これは、適切なパラメーターの決定を可能に
、適切な用量のインスリンが送達されるのを可能にする。一旦、パラメーターが
設定されると、このポンプは、インスリン送達について評価され得る。系統的に
、このグルコースバイオセンサは、この送達ポンプ中に含まれるグルコーススタ
ンダードを利用して、患者中で再較正される。
Prior to implantation, the biosensor can be calibrated by injecting various concentrations of glucose delivered from the insulin delivery pump and the auxiliary pump on the reservoir into the chamber containing the cell (FIG. 10). This allows the appropriate parameters to be determined and allows the appropriate dose of insulin to be delivered. Once the parameters are set, the pump can be evaluated for insulin delivery. Systematically, the glucose biosensor is recalibrated in the patient utilizing a glucose standard contained in the delivery pump.

【0159】 薬物送達システムの場合、グルコースバイオセンサは、ハードワイヤ接続また
は無線接続を介して送達ポンプに作動可能に接続され得る。バイオチップは、ポ
ンプのシグナルプロセシングネットワークに直接入力され、比例的にインスリン
を分配し得るデジタルデータを提供する。あるいは、このデジタルデータは、ア
ナログデータに変換され得、そしてポンプを制御するように使用され得る。無線
能力がバイオレポーターデバイスに添加される場合、このセンサの遠隔モニタリ
ングが可能である。例えば、この構成において、患者は無線送信機/受信機を移
植デバイスの近くの体外に置き、移植デバイスから遠隔ステーションまでデータ
を伝達し得る。いくつかの実施形態において、この無線送信機/受信機は、コン
ピュータプログラムされたものと連結され、ネットワーク(例えば、ローカルエ
リアネットワーク、広域ネットワーク、またはさらにはインターネット)にわた
って遠隔ステーションにデータを転送し得る。このような無線適用は、患者の遠
隔モニタリングおよびメンテナンスを可能にする。現在市場に、バイオセンサと
接続するための候補であるいくつかのポンプが存在する。1実施形態において、
Medtronic Synchronized注入システムが、薬物送達にお
いて広範に使用され、そしてポータブルコンピュータを利用して体外からポンプ
をプログラミングし得るように、使用され得る(www.asri.edu/n
euro/brochure/pain6.htm)。ポンプはまた、皮膚を通
して自己封着中隔(self−sealing septum)を介して再充填
され得る。このポンプは厚さ1インチで、直径3インチ、そして重さ約6オンス
である。このバイオセンサは、既存の電子ネットワークに統合され、ポータブル
コンピュータによる体外プログラミングを利用し得る。このチップは、送達ポン
プに動力供給するバッテリーを利用して、動力供給され得る。
For a drug delivery system, the glucose biosensor can be operably connected to the delivery pump via a hardwired or wireless connection. The biochip provides digital data that can be input directly into the signal processing network of the pump and proportionally distribute insulin. Alternatively, the digital data can be converted to analog data and used to control the pump. If wireless capability is added to the bioreporter device, remote monitoring of this sensor is possible. For example, in this configuration, the patient may place the wireless transmitter / receiver outside the body near the implanted device and transmit data from the implanted device to a remote station. In some embodiments, the wireless transmitter / receiver may be coupled to a computer programmed to transfer data to a remote station over a network (eg, a local area network, a wide area network, or even the Internet). . Such wireless applications allow for remote monitoring and maintenance of the patient. There are currently several pumps on the market that are candidates for connecting to biosensors. In one embodiment,
The Medtronic Synchronized infusion system is widely used in drug delivery and can be used to program the pump from outside the body using a portable computer (www.asri.edu/n).
euro / brochure / pain6. htm). The pump may also be refilled through the skin via a self-sealing septum. The pump is 1 inch thick, 3 inches in diameter, and weighs about 6 ounces. This biosensor can be integrated into existing electronic networks and utilize in vitro programming with portable computers. The tip can be powered using a battery to power the delivery pump.

【0160】 バイオセンサ/インスリンポンプ装置は、腹腔に局所麻酔を用いて外科的に移
植され得る。センサおよびポンプの両方は、単純性のため、および血流における
直接的なカテーテルの設置の合併症を避けるために、腹部の腹膜空間に移植され
得る。グルコース濃度をモニタし、そしてインスリンを患者によって要求される
ように腹膜に送達する(図10)。
The biosensor / insulin pump device can be surgically implanted in the abdominal cavity using local anesthesia. Both the sensor and the pump can be implanted in the abdominal peritoneal space for simplicity and to avoid complications of placing the catheter directly in the bloodstream. The glucose concentration is monitored and insulin is delivered to the peritoneum as required by the patient (FIG. 10).

【0161】 (5.6 実施例6−生物発光レポーター構築物ならびにラット膵島β細胞お
よびH4IIE肝癌細胞のトランスフェクション) PEPCK遺伝子の調節は、グルコース濃度の減少を検出するための生物発光
レポーターの構築に活用される。このシステムは、ホスホエノルピルビン酸カル
ボキシラーゼが糖新生における律速酵素であるので、高度に調節される。PEP
CK遺伝子発現は、糖質コルチコイドおよびcAMPの存在下で増加され、そし
てインスリンの存在下で減少される(Sasakiら、1984;Shortら
、1986)。ラット肝臓およびH4IIE肝癌細胞の両方において、インスリ
ン効果は優性であり、そして糖質コルチコイドおよびcAMPは相加的である。
PEPCKのプロモーター領域は、融合luxABの前にクローニングされる。
次いで、生じた構築物は、低グルコース濃度の存在下で増加した生物発光を産生
する。
5.6 Example 6-Bioluminescent Reporter Construct and Transfection of Rat Islet β-Cells and H4IIE Hepatoma Cells Modulation of the PEPCK gene is utilized to construct a bioluminescent reporter to detect decreased glucose levels Is done. This system is highly regulated since phosphoenolpyruvate carboxylase is the rate-limiting enzyme in gluconeogenesis. PEP
CK gene expression is increased in the presence of glucocorticoids and cAMP and decreased in the presence of insulin (Sasaki et al., 1984; Short et al., 1986). In both rat liver and H4IIE hepatoma cells, the insulin effect is dominant, and glucocorticoid and cAMP are additive.
The promoter region of PEPCK is cloned before the fusion luxAB.
The resulting construct then produces increased bioluminescence in the presence of low glucose concentrations.

【0162】 グルコース濃度の増加を検出するための生物発光レポータープラスミドを、p
.LPK.LucFFからホタルルシフェラーゼをコードするluc遺伝子を除く
こと、および融合luxABと置換することによって構築し得る。これを、p.
LPK.LucFFからluc遺伝子を切断すること、およびluxAB遺伝子に
クローニングすることによって達成する。低グルコース濃度を検出するための生
物発光レポータープラスミドを、以前に構築されたPEPCKプロモーターCA
T融合物(Petersenら、1988;Quinnら、1988)中のクロ
ラムフェニコールトランスフェラーゼ(CAT)遺伝子をluxAB遺伝子と置
換することによって構築する。生じたプラスミドを、E.coli中で増幅し、
そしてプラスミドDNAを抽出し、そしてCsCl勾配上で二回精製した。
A bioluminescent reporter plasmid for detecting an increase in glucose concentration
. LPK. It can be constructed by removing the Luc gene encoding firefly luciferase from Luc FF and replacing it with the fusion luxAB. This is called p.
LPK. This is achieved by cutting the luc gene from Luc FF and cloning into the luxAB gene. A bioluminescent reporter plasmid for detecting low glucose concentrations was prepared using the previously constructed PEPCK promoter CA.
It is constructed by replacing the chloramphenicol transferase (CAT) gene in the T fusion (Petersen et al., 1988; Quinn et al., 1988) with the luxAB gene. The resulting plasmid was transformed into E. coli. E. coli,
The plasmid DNA was then extracted and purified twice on a CsCl gradient.

【0163】 膵島細胞および肝癌細胞を、以前に記載された(Germanら、1990;
Petersen、1988)ように調製し得、そして、この生物発光レポータ
ー構築物と目的のプラスミド中に構築された構成的に発現されるluxCDE遺
伝子を含むプラスミドとを用いて同時トランスフェクトし得る。この構成を、レ
ポーター遺伝子(luxAB)に利用可能なアルデヒド基質のプールを、細胞が
維持することを生じる。細胞を、3mM〜30mMのグルコース濃度の範囲で、
光生成についてスクリーニングする。トランフェクトした細胞を洗浄し、濃縮し
、光拘束(light−tight)チャンバー中のマイクロウェル中に配置し
て、次いで、このチャンバーを集積回路に接続する。異なる濃度のグルコースお
よびアッセイ培地(Kennedyら、1997)を、細胞に添加し、グルコー
スBBICの感度および応答時間を試験する。最初の特徴付けの後、生物発光グ
ルコースレポーターをまた、フローセル中で試験し得る。細胞を集積回路上のカ
プセル化した培地中に置き、次いで異なる濃度のグルコース(3〜30mM)を
含む培地を、これらの細胞を通して灌流し、劇的な応答を試験する。
Pancreatic islet cells and hepatoma cells have been described previously (German et al., 1990;
(Petersen, 1988) and can be co-transfected with the bioluminescent reporter construct and a plasmid containing the constitutively expressed luxCDE gene constructed in the plasmid of interest. This configuration results in cells maintaining a pool of aldehyde substrates available for the reporter gene (luxAB). Cells are grown at glucose concentrations ranging from 3 mM to 30 mM,
Screen for light generation. The transfected cells are washed, concentrated, and placed in a microwell in a light-tight chamber, which is then connected to an integrated circuit. Different concentrations of glucose and assay medium (Kennedy et al., 1997) are added to the cells to test the sensitivity and response time of glucose BBIC. After initial characterization, the bioluminescent glucose reporter can also be tested in a flow cell. Cells are placed in encapsulated media on an integrated circuit, and media containing different concentrations of glucose (3-30 mM) is perfused through these cells to test for a dramatic response.

【0164】 (5.7 実施例7−糖尿病中のBBICおよび癌の検出) 結腸癌は、米国において肺癌の次の、第二の癌死の主要な原因であり、そして
年齢と共に発生率は増加し、結腸癌の97%は、40歳以上の人々において生じ
る(CoppolaおよびKarl、1998)。結腸癌のほとんどの場合が散
発性であるにもかかわらず、患者の15%において、一親等の親族における類似
の腫瘍に関する強い家族性の病歴が存在する(CoppolaおよびKarl、
1998)。これらの家族性癌(例えば、遺伝性非ポリポーシス結腸癌(HNP
CC)および家族性腺腫様ポリポーシス(FAP))は、推定の腫瘍抑制遺伝子
中の常染色体の優性遺伝性な遺伝的変異から生じ、そして病変のスペクトルは、
過形成−形成異常−腺腫−癌から生じる(CoppolaおよびKarl、19
98)。初期分子病変の多くが遺伝性結腸癌について公知であるので、これらは
、初期臨床検出のための新規のバイオセンサ戦略の開発に関する有用なモデルを
表す。バイオセンサは、生物学的成分をコンピューター化測定変換器と組み合せ
る混成デバイスである。
5.7 Example 7-BBIC and Cancer Detection During Diabetes Colon cancer is the leading cause of cancer death, second only to lung cancer in the United States, and the incidence increases with age However, 97% of colon cancers occur in people over the age of 40 (Coppola and Karl, 1998). Although most cases of colon cancer are sporadic, in 15% of patients there is a strong familial history of similar tumors in first-degree relatives (Coppola and Karl,
1998). These familial cancers (eg, hereditary non-polyposis colon cancer (HNP)
CC) and familial adenomatous polyposis (FAP)) result from autosomal dominant inherited mutations in putative tumor suppressor genes, and the spectrum of lesions
Hyperplasia-dysplasia-adenomas-arising from cancer (Coppola and Karl, 19
98). As many of the early molecular pathologies are known for hereditary colon cancer, they represent a useful model for developing new biosensor strategies for early clinical detection. Biosensors are hybrid devices that combine biological components with a computerized measurement transducer.

【0165】 本実施例は、移植可能なバイオセンサデバイスの適応を記載し、癌の初期検出
を可能にし、そして寛解および癌の再発のモニタリングのための手段を可能にす
る。本発明の最小化されたバイオセンサは移植可能に十分に小さく、細胞溶解物
またはさらなる基質を必要とすることなく光を生成するように操作されたレポー
ターシステムと併用され得るので、移植可能なデバイスの形態における、結腸癌
の初期診断のための強力な道具は、現在初めて可能である。
This example describes the adaptation of an implantable biosensor device, allows for early detection of cancer, and enables means for monitoring remission and cancer recurrence. Because the minimized biosensor of the present invention is small enough to be implantable and can be used in conjunction with a reporter system engineered to generate light without the need for cell lysates or additional substrates, an implantable device A powerful tool for early diagnosis of colon cancer in the form of is now possible for the first time.

【0166】 グルコースおよび他の代謝産物バイオセンサに関する上記のように、利用され
る誘導性のレポーターシステムは、真核生物レポーター細胞中に置かれるX.l
uminesceus由来のluxAB遺伝子およびluxCDE遺伝子に基づ
く。従って、特定の遺伝子またはそれらの産物の発現を、BBICデバイスによ
る生物発光の発現によって検出し得る。真核生物レポーター細胞をマイトマイシ
ンCで処理すると、この細胞は、分裂できなくなるが、まだ代謝的に応答し得、
そして定量的生物発光シグナルを生成する。
As described above with respect to glucose and other metabolite biosensors, the inducible reporter system utilized is based on the use of an X. coli in a eukaryotic reporter cell. l
It is based on the luxAB gene and luxCDE gene from luminesceus. Thus, the expression of specific genes or their products can be detected by the expression of bioluminescence by the BBIC device. When eukaryotic reporter cells are treated with mitomycin C, the cells are unable to divide but can still respond metabolically,
Then, a quantitative bioluminescence signal is generated.

【0167】 結腸癌は、米国において第二の癌死の主要な原因であり、この集団の少なくと
も50%は、70歳までに結腸直腸腫瘍を発症する(KinzlerおよびVo
gelstein、1996)。結腸直腸癌のほとんどの場合が散発性であるに
もかかわらず、15%は、遺伝性癌症候群、家族性腺腫様ポリポーシス(FAP
)および遺伝性非ポリポーシス結腸直腸癌(HNPCC)の結果である(Kin
zlerおよびVogelstein、1996)。家族性腺腫様ポリポーシス
は、結腸および直腸中の数百から数千の腺腫またはポリープの発生によって特徴
付けられる症候群であり、ほんの少数は、浸潤性の癌に発達する(Kinzle
rおよびVogelstein、1996)。adenomatous pol
yposis coli(APC)腫瘍抑制遺伝子の両方の対立遺伝子の機能喪
失によって、ヒトは悪性の癌を発症しやすくなる(CoppolaおよびMar
ks、1998)。さらに、ほとんどの散発性の結腸癌はまた、APC遺伝子中
の特定の変異を含むことが見出される(KinzerおよびVogelstei
n、1996)。遺伝性非ポリポーシス結腸直腸癌において、DNAミスマッチ
修復遺伝子(例えば、hMSH2およびhMSH1)中の変異に二次的な、顕著
なマイクロサテライト不安定性が存在する;単一で、高度な腫瘍が若年において
発達し、そして通常は右結腸に限局される(CoppolaおよびKarl、1
996;Smyrk、1994)。APCに変異を有する細胞は、一般には、染
色体の全ての区画の喪失から異数体であるのに対して、hMSH2またはhMS
H1に変異を有する細胞は、正倍数体である。
[0167] Colon cancer is the leading cause of the second cancer death in the United States, with at least 50% of this population developing colorectal tumors by age 70 (Kinzler and Vo).
gelstein, 1996). Although most cases of colorectal cancer are sporadic, 15% have inherited cancer syndrome, familial adenomatous polyposis (FAP).
) And hereditary non-polyposis colorectal cancer (HNPCC) (Kin
zler and Vogelstein, 1996). Familial adenomatous polyposis is a syndrome characterized by the development of hundreds to thousands of adenomas or polyps in the colon and rectum, only a few develop into invasive cancers (Kinzle
r and Vogelstein, 1996). adenomatous pol
Loss of function of both alleles of the yposis coli (APC) tumor suppressor gene predisposes humans to developing malignant cancers (Coppola and Mar)
ks, 1998). In addition, most sporadic colon cancers are also found to contain specific mutations in the APC gene (Kinzer and Vogelstei).
n, 1996). In hereditary non-polyposis colorectal cancer, there is significant microsatellite instability secondary to mutations in DNA mismatch repair genes (eg, hMSH2 and hMSH1); single, advanced tumors develop in young And is usually restricted to the right colon (Coppola and Karl, 1
996; Smyrk, 1994). Cells with mutations in the APC are generally aneuploid from loss of all compartments of the chromosome, whereas hMSH2 or hMSH2.
Cells having a mutation in H1 are euploid.

【0168】 結腸新形成の発生を引き起こす分子現象は、かなり十分に理解される(Kin
zlerおよびVogelstein、1996)。APCが完全に欠損したヒ
トは、早期アデノーマを進行させる、形成異常陰窩病巣と呼ばれる結腸の病変を
発症する(KinzlerおよびVogelstein、1996)。他の変異
(例えば、K−Rasまたはp53における変異)が蓄積し始め、そして腫瘍は
、後期アデノーマ、癌および転移性癌まで進行する(KinzlerおよびVo
gelstein、1996)。同様の進行は、HNPCCにおいても同様に見
られる。この遺伝子的現象の順序が、これらのタイプの癌の両方についてかなり
十分に理解されているため、これらの遺伝子的現象は、1種以上の改変された細
胞をインビトロ検出するために使用され得る高感度で特定の診断試験の開発のた
めの優れたモデルを表す。
The molecular phenomena that cause the development of colon neoplasia are fairly well understood (Kin
zler and Vogelstein, 1996). Humans who are completely deficient in APC develop lesions of the colon called dysplastic crypt foci that lead to early adenoma progression (Kinzler and Vogelstein, 1996). Other mutations (eg, mutations in K-Ras or p53) begin to accumulate and tumors progress to late adenomas, cancers and metastatic cancers (Kinzler and Vo)
gelstein, 1996). A similar progression is seen in HNPCC as well. Because the order of this genetic event is fairly well understood for both these types of cancer, these genetic events can be used to detect in vitro one or more modified cells. Represents an excellent model for the development of specific diagnostic tests with sensitivity.

【0169】 APC遺伝子は、病巣の癒着複合体における微小管の末端に局在化する細胞質
タンパク質をコードする(KinzlerおよびVogelstein、199
6)。細胞が陰窩を通って移動する場合、APCの発現は、この最終分化され、
そして局在化された結腸上皮細胞がアポトーシスを受けるまで、増加する(Ki
nzlerおよびVogelstein、1996)。カドヘリンは、ほとんど
の上皮細胞内の病巣癒着プラークに局在化される膜貫通タンパク質である(Ap
linら、1998)。各カドヘリンのカルボキシ末端は、カテニンして公知の
細胞質構造タンパク質と相互作用する(Aplinら、1998)。3つのタイ
プのカテニンがある:β−カテニンは、カドヘリンの細胞質ドメインに結合する
;−カテニンは、−アクチニンを介してβ−カテニンおよびアクチン細胞骨格に
結合する;−カテニンは、いくつかの細胞型において、β−カテニンの代わりに
機能する(Aplinら、1998)。β−カテニンはまた、分泌糖タンパク質
Wntおよびグリコゲンシンターゼキナーゼ3(GSK3)を含むシグナル伝達
経路の一部である(Aplinら、1998)。APCは、Wnt−β−カテニ
ン−GSK3経路のいくつかの成分(β−カテニンおよびγ−カテニン、GSK
3ならびにチューブリンを含む)と相互作用する(Aplinら、1998)。
結腸直腸癌における変異のほとんどは、APCのカルボキシ末端領域内であり、
その結果、APCはもはやβ−カテニンを結合しない(Aplinら、1998
)。実際には、−カテニンはAPCの下流に存在し、そして腫瘍抑制遺伝子とし
てのその機能のため重要である(Aplinら、1998)。Wnt経路が不活
性化される場合、GSK3はβ−カテニンのN末端をリン酸化し、それをユビキ
チン経路による分解について標的化する(Munemitsuら、1996)。
β−カテニンが蓄積する場合、これは、転写因子Lef−1/TCFを介して遺
伝子転写を活性化する(Morinら、1997)。APCは、GSK3と協奏
して作用して、−カテニン媒介転写活性を阻害する(KinzlerおよびVo
gelstein、1996)。
The APC gene encodes a cytoplasmic protein localized at the end of microtubules in the focal adhesion complex (Kinzler and Vogelstein, 199).
6). As cells move through the crypts, the expression of APCs becomes terminally differentiated,
And increase until the localized colon epithelial cells undergo apoptosis (Ki
nzler and Vogelstein, 1996). Cadherin is a transmembrane protein that is localized to focal adhesion plaques in most epithelial cells (Ap
lin et al., 1998). The carboxy terminus of each cadherin catenins to interact with known cytoplasmic structural proteins (Aplin et al., 1998). There are three types of catenin: β-catenin binds to the cytoplasmic domain of cadherin;-catenin binds to β-catenin and actin cytoskeleton via actinin; Function in place of β-catenin (Aplin et al., 1998). β-catenin is also part of a signaling pathway that includes the secreted glycoprotein Wnt and glycogen synthase kinase 3 (GSK3) (Aplin et al., 1998). APC is a component of the Wnt-β-catenin-GSK3 pathway (β-catenin and γ-catenin, GSK
3 (including Tubulin) (Aplin et al., 1998).
Most of the mutations in colorectal cancer are in the carboxy-terminal region of APC,
As a result, APC no longer binds β-catenin (Aplin et al., 1998).
). In fact, -catenin is downstream of the APC and is important for its function as a tumor suppressor gene (Aplin et al., 1998). When the Wnt pathway is inactivated, GSK3 phosphorylates the N-terminus of β-catenin and targets it for degradation by the ubiquitin pathway (Munemitsu et al., 1996).
When β-catenin accumulates, it activates gene transcription via the transcription factor Lef-1 / TCF (Morin et al., 1997). APC works in concert with GSK3 to inhibit -catenin-mediated transcriptional activity (Kinzler and Vo)
gelstein, 1996).

【0170】 遺伝性非ポリープ性結腸癌において、マイクロサテライト不安定性は、1つ以
上のDNAミスマッチ修復遺伝子における変異の結果である(Jiricny
1998;Nicholaidesら、1994)。少なくとも90%のHNP
CC腫瘍は、マイクロサテライト不安定性を有する(Karran 1996;
Smyrk 1994)。結腸直腸腫瘍におけるマイクロサテライト不安定性に
対する1つの潜在的なマーカーは、TGF−βのII型レセプターの不活性化で
ある(Markowitzら、1995)。βRIIの機能の低下は、HNPC
Cにおける結腸直腸アデノーマの増殖調節の減少および腫瘍の進行に関連する(
Wangら、1995)。結腸直腸腫瘍形成に関与するTGF−βの他のシグナ
ル伝達成分には、Smad3およびSmad4における変異が挙げられ、これら
の両方は、マウスにおいて、結腸直腸腺癌の発症を生じる(Zhuら、1998
;Takakuら、1998)。βRIIの機能の低下は、HNPCCにおける
早期病巣の有用なマーカーである(Markowitzら、1995)。
In hereditary non-polyposis colon cancer, microsatellite instability is the result of mutations in one or more DNA mismatch repair genes (Jirnicy).
1998; Nicholides et al., 1994). At least 90% HNP
CC tumors have microsatellite instability (Karran 1996;
Smyrk 1994). One potential marker for microsatellite instability in colorectal tumors is the inactivation of the type II receptor for TGF-β (Markowitz et al., 1995). Decreased function of βRII is due to HNPC
C associated with decreased colorectal adenoma growth regulation and tumor progression in C (
Wang et al., 1995). Other signaling components of TGF-β involved in colorectal tumorigenesis include mutations in Smad3 and Smad4, both of which result in the development of colorectal adenocarcinoma in mice (Zhu et al., 1998)
Takaku et al., 1998). Decreased function of βRII is a useful marker of early foci in HNPCC (Markowitz et al., 1995).

【0171】 APCにおける変異は、結腸直腸癌における最も一般的な変異であるため、T
細胞転写因子(Tcf)にに付いてのレポーター構築物を、転写活性の活性化に
ついて複数の結腸癌細胞株をスクリーニングするために考案した。APCまたは
β−カテニンのいずれかにおける変異は、非リン酸化細胞質β−カテニンの蓄積
を経るTcf応答性の転写の活性化を生じ(Morinら、1997)、そして
レポーター構築物の活性化の検出が、これらの遺伝子のいずれかにおける変異に
対するマーカーとして有用である。ベクターpDISPLAY(Invitro
gen)は、Tcfのプロモーターの、バイオレポーター細胞の表面での発現を
可能にする;この構築物は、以下のTcfプロモーターのタンデムセットからな
る:一方はluxABの遺伝子の上流、他方はluxCDEの上流。過剰のβ−
カテニンの存在下で、このプロモーター構築物はレポーターの活性を刺激し、そ
して生物発光が起こる。
The mutations in APC are the most common mutations in colorectal cancer,
A reporter construct for cellular transcription factor (Tcf) was devised to screen multiple colon cancer cell lines for activation of transcriptional activity. Mutations in either APC or β-catenin result in activation of Tcf-responsive transcription via accumulation of non-phosphorylated cytoplasmic β-catenin (Morin et al., 1997), and detection of reporter construct activation Useful as markers for mutations in any of these genes. Vector pDISPLAY (Invitro
gen) allows the expression of the promoter of Tcf on the surface of bioreporter cells; this construct consists of the following tandem set of Tcf promoters: one upstream of the luxAB gene and the other upstream of luxCDE. Excess β-
In the presence of catenin, this promoter construct stimulates reporter activity and bioluminescence occurs.

【0172】 一旦、HepG2およびHeLa細胞が、luxAB遺伝子をコードするpc
DNA3でトランスフェクトされると、これらの細胞をバイオセンサチップに付
着させる。これらの細胞は分裂し得ないことを保証することが必要であり、その
結果、転写および選別の後、これらの細胞に、60Co源からの6,000rad
のγ−放射を照射する(UT College of VeterinaryM
edicine)。いくつかの実施形態において、効率的な付着が起こり得るよ
うに、照射の前にバイオチップに細胞を付着することが必要であり得る。あるい
は、さらなる有糸分裂を防ぐために、マイトマイシンCで細胞を処理する。バイ
オチップはMatrigel(上皮細胞の付着を促進する基底膜材料)でコーテ
ィングされ得る。代替のアプローチは、これらの細胞をMatrigelに懸濁
し、そしてバイオチップの表面にゲルを形成させる。次いで、これらの細胞を、
この基底膜材料中に固定化し、そして摩擦による除去に供しない。必要に応じて
、チップの表面は、正味電荷(例えば、ポリ−L−リジン)を加えることによっ
て、外科的組織接着剤でその表面をコーティングすることによって、または生体
高分子をその表面に密接に接着させ得るいくつかの他の表面修飾を加えることに
よって、改変され得る。APCにおける変異は結腸直腸癌における最も一般的な
変異であるため、T細胞転写因子(Tcf)についてのレポーター構築物を、複
数の結腸癌細胞株を転写活性の活性化についてスクリーニングするために考案し
得る。
[0172] Once the HepG2 and HeLa cells had the pcx encoding the luxAB gene
When transfected with DNA3, these cells are attached to a biosensor chip. It is necessary to ensure that these cells cannot divide, so that after transcription and sorting, these cells are given 6,000 rad from a 60 Co source.
Γ-radiation (UT College of Veterinary M)
editine). In some embodiments, it may be necessary to attach cells to the biochip before irradiation so that efficient attachment can occur. Alternatively, the cells are treated with mitomycin C to prevent further mitosis. Biochips can be coated with Matrigel, a basement membrane material that promotes epithelial cell attachment. An alternative approach is to suspend these cells in Matrigel and form a gel on the surface of the biochip. These cells are then
It is immobilized in the basement membrane material and is not subjected to frictional removal. Optionally, the surface of the chip can be modified by adding a net charge (eg, poly-L-lysine), coating the surface with a surgical tissue adhesive, or allowing the biopolymer to adhere to the surface. It can be modified by adding some other surface modification that can be attached. Since mutations in APC are the most common mutations in colorectal cancer, reporter constructs for T cell transcription factor (Tcf) can be devised to screen multiple colorectal cancer cell lines for activation of transcriptional activity. .

【0173】 本発明はまた、全体的な形態学的変化の開始の前に変異細胞の存在を検出する
ための、結腸粘膜の内視鏡スクリーニングのために使用され得るバイオセンサを
提供する。悪性転換の小さな病巣を検出するために必要な感度については、1つ
より多い異常性の同時検出を試みる必要があり得る。例えば、多くの結腸腫瘍、
特にAPCにおける変異を伴う腫瘍は、シクロオキシゲナーゼ−2(COX−2
)を過剰発現し、そして多量のプロスタグランジンを分泌する(Kutcher
aら、1996;Shengら、1997;Coffeyら、1997;Kin
zlerおよびVogelstein、1996)。シクロオキシゲナーゼ−2
は、構成的に発現されないが、増殖因子および腫瘍プロモーターによって結腸上
皮細胞内で刺激される、早期応答遺伝子である(Kutcheraら、1996
;Shengら、1997;Coffeyら、1997)。腸管内腔において、
増加したレベルのプロスタグランジンの存在下で生物発光するように、レポータ
ー細胞をバイオ操作(bioengineer)することが可能である。プロス
タグランジンは細胞膜を自由に通過し、そしてレポーター細胞の細胞質に入り、
レポーター構築物を活性化し得る。luxAB遺伝子に融合されたシクロオキシ
ゲナーゼ−2プロモーターの使用によって、増加したレベルのプロスタグランジ
ンを検出するように、レポーター細胞を操作することはまた、結腸癌の早期検出
に有利であり得る。炎症ならびに新形成において、プロスタグランジンのレベル
は上昇し得るため、このアプローチは癌の診断のための適切な特異性を欠く。し
かし、このアプローチは、どの患者が特異的シクロオキシゲナーゼインヒビター
での処置により利益を得るかを決定するのに有用である。
The present invention also provides biosensors that can be used for endoscopic screening of colonic mucosa to detect the presence of mutant cells before the onset of global morphological changes. For the sensitivity required to detect small foci of malignant transformation, it may be necessary to attempt simultaneous detection of more than one abnormality. For example, many colon tumors,
In particular, tumors with mutations in APC are cyclooxygenase-2 (COX-2
) And secretes large amounts of prostaglandins (Kutcher
a et al., 1996; Sheng et al., 1997; Coffey et al., 1997; Kin.
zler and Vogelstein, 1996). Cyclooxygenase-2
Is an early response gene that is not constitutively expressed but is stimulated in colon epithelial cells by growth factors and tumor promoters (Kutchera et al., 1996)
Sheng et al., 1997; Coffey et al., 1997). In the intestinal lumen,
It is possible to bioengineer the reporter cells to bioluminescent in the presence of increased levels of prostaglandins. Prostaglandins pass freely through the cell membrane and enter the cytoplasm of the reporter cell,
The reporter construct can be activated. Engineering reporter cells to detect increased levels of prostaglandins by use of the cyclooxygenase-2 promoter fused to the luxAB gene may also be advantageous for early detection of colon cancer. Since prostaglandin levels can increase in inflammation as well as neoplasia, this approach lacks the appropriate specificity for cancer diagnosis. However, this approach is useful in determining which patients will benefit from treatment with a specific cyclooxygenase inhibitor.

【0174】 (6.0 参考文献) 以下の参考文献は、これらの参考文献が例示の手順または他の詳細な補充を本
明細書中に記載されるものに提供する程度まで、本明細書中で参考として詳細に
援用される。
6.0 References The following references, to the extent that these references provide illustrative procedures or other detailed supplements to those described herein, are provided. In detail for reference.

【0175】 米国特許第4,332,898号(1982年6月1日公布) 米国特許第4,342,832号(1982年8月3日公布) 米国特許第4,356,270号(1982年10月26日公布) 米国特許第4,362,817号(1982年12月7日公布) 米国特許第4,371,625号(1983年2月1日公布) 米国特許第5,441,884号(1995年8月15日公布) 米国特許第4,637,391号(1987年6月16日公布) 米国特許第4,944,659号(1990年7月31日公布) 米国特許第5,370,684号(1994年12月6日公布) 米国特許第5,387,247号(1995年2月7日公布) 米国特許第5,421,816号(1995年7月6日公布) 米国特許第5,428,123号(1998年6月27日公布) 米国特許第5,474,552号(1995年12月12日公布) 米国特許第5,569,186号(1996年10月29日公布) 米国特許第5,620,883号(1997年4月15日公布) 米国特許第5,653,755号(1997年8月5日公布) 米国特許第5,711,960号(1998年6月27日公布) 米国特許第5,779,734号(1998年7月14日公布) 米国特許第5,795,790号(1998年8月18日公布) 米国特許第5,800,420号(1998年9月1日公布) 米国特許第5,814,091号(1998年9月29日公布)US Pat. No. 4,332,898 (issued June 1, 1982) US Pat. No. 4,342,832 (issued August 3, 1982) US Pat. No. 4,356,270 (1982) U.S. Pat. No. 4,362,817 (promulgated on December 7, 1982) U.S. Pat. No. 4,371,625 (promulgated Feb. 1, 1983) U.S. Pat. No. 884 (issued on Aug. 15, 1995) US Pat. No. 4,637,391 (issued on Jun. 16, 1987) US Pat. No. 4,944,659 (issued on Jul. 31, 1990) US Pat. U.S. Pat. No. 5,387,247 (issued on Feb. 7, 1995) U.S. Pat. No. 5,421,816 (issued on Jul. 6, 1995) US Patent No. 5,4 US Patent No. 5,474,552 (promulgated on December 12, 1995) US Patent No. 5,569,186 (promulgated on October 29, 1996) US Patent No. 5,620,883 (issued on April 15, 1997) US Patent No. 5,653,755 (issued on August 5, 1997) US Patent No. 5,711,960 (on June 27, 1998) U.S. Pat. No. 5,779,734 (promulgated on July 14, 1998) U.S. Pat. No. 5,795,790 (promulgated on Aug. 18, 1998) U.S. Pat. No. 5,800,420 (1998) U.S. Pat. No. 5,814,091 (promulgated on September 29, 1998)

【0176】[0176]

【数12】 本明細書中で開示され請求される全ての組成物、方法、デバイス、装置および
システムは、本開示を考慮して、過度の実験なしに作製および実行し得る。本発
明の方法、デバイス、装置およびシステムは、好ましい実施形態に関して記載さ
れてきたが、本発明の概念、精神および範囲から逸脱することなく、変更が、こ
れらの方法、デバイス、装置およびシステム、ならびに本明細書中に記載される
方法の工程または工程の順序に適用され得ることが当業者に明らかである。より
詳細には、化学的または生理学的の両方で関連する特定の試剤が、本明細書中で
記載される試剤の代わりになり得るが、同一または同様の結果が達成されること
が明らかである。当業者に明らかな全てのこのような同様の置換および改変は、
添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の精神、範囲および概念
に含まれると見なされる。従って、特許を要求する独占権は上記の特許請求の範
囲に記載される通りである。
(Equation 12) All compositions, methods, devices, apparatus and systems disclosed and claimed herein can be made and executed without undue experimentation in light of the present disclosure. Although the methods, devices, apparatus and systems of the present invention have been described with reference to preferred embodiments, changes may be made in these methods, devices, apparatuses and systems, and without departing from the spirit, scope and scope of the present invention. It will be apparent to one skilled in the art that the steps or sequence of steps of the methods described herein may be applied. More specifically, it is clear that certain reagents, both chemically and physiologically relevant, can replace the reagents described herein, but achieve the same or similar results. . All such similar substitutions and modifications apparent to those skilled in the art are
It is considered to be within the spirit, scope and concept of the invention as defined by the appended claims. Accordingly, the exclusive right claiming a patent is as set forth in the following claims.

【配列表】 [Sequence list]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 図1は、本発明のある例示的な実施形態の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an exemplary embodiment of the present invention.

【図2】 図2は、本発明の例示的な実施形態の側面図である。FIG. 2 is a side view of an exemplary embodiment of the present invention.

【図3】 図3は、集積回路の例示的な実施形態のブロック図を示す。FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an integrated circuit.

【図4A】 図4Aは、標準的なNウェルCMOSプロセスを用いて作製され得る高品質な
光検出器を示す。
FIG. 4A illustrates a high quality photodetector that can be fabricated using a standard N-well CMOS process.

【図4B】 図4Bは、絶縁層上のシリコンのCMOSプロセスで製造される2つの光検出
器構造を示す。左はラテラルPIN検出器、右は結合がショットキー接合で形成
される点を除いて左側と同様のデバイスである。
FIG. 4B shows two photodetector structures fabricated in a CMOS process on silicon on an insulating layer. The left is a lateral PIN detector and the right is a device similar to the left except that the bond is formed by a Schottky junction.

【図5A】 図5Aは、P拡散層、Nウェル、P基板からなる単一フォトダイオードを示す
FIG. 5A shows a single photodiode comprising a P diffusion layer, an N well, and a P substrate.

【図5B】 効率的に光収集する広面積フォトダイオードおよびフィードバックループの小
面積ダイオードを用いて、光電流をキャンセルする順方向バイアス電流を供給す
る回路を示す。
FIG. 5B illustrates a circuit that provides a forward bias current to cancel photocurrent using a large area photodiode for efficient light collection and a small area diode for a feedback loop.

【図5C】 相関二重サンプリング(CDS)を用いて、増幅器オフセット電圧における時
間または温度依存変動と同様に、低周波数(フリッカ)増幅器ノイズの影響を最
小化する回路を示す。
FIG. 5C illustrates a circuit that uses correlated double sampling (CDS) to minimize the effects of low frequency (flicker) amplifier noise as well as time or temperature dependent variations in amplifier offset voltage.

【図6】 図6は、装置の電流−周波数変換器アーキテクチャを示す。FIG. 6 shows the current-to-frequency converter architecture of the device.

【図7】 図7は、プロトタイプのBBICバイオセンサを示す。FIG. 7 shows a prototype BBIC biosensor.

【図8】 図8は、Pseudomonas putida TVA8を使用するプロト
タイプBBICの集積時間の関数としてトルエンの検出可能な濃度の最小値を示
す。
FIG. 8 shows the minimum detectable concentration of toluene as a function of the integration time of a prototype BBIC using Pseudomonas putida TVA8.

【図9】 図9は、腹膜グルコースバイオセンサおよびインシュリンポンプの略図を示す
FIG. 9 shows a schematic of a peritoneal glucose biosensor and an insulin pump.

【図10】 図10Aは、グルコース濃度の増加または減少のいずれかに応答するバイオレ
ポーターを有する2つの別の光検出器を含む移植可能なバイオセンサの略図を示
す。図10Bは、サイラスティックカバーを示すバイオセンサの側面図を示す。
図10Cは、免疫応答からバイオレポーターを保護するための選択可能な透析膜
の利用の略図を示す。
FIG. 10A shows a schematic of an implantable biosensor that includes two additional photodetectors with a bioreporter responsive to either increasing or decreasing glucose concentration. FIG. 10B shows a side view of the biosensor showing the silastic cover.
FIG. 10C shows a schematic of the use of a selectable dialysis membrane to protect the bioreporter from the immune response.

【手続補正書】 【提出日】平成14年5月1日(2002.5.1) 【手続補正1】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】特許請求の範囲 【補正方法】変更 【補正内容】 【特許請求の範囲】 【手続補正2】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0027 【補正方法】変更 【補正内容】 【0027】 本発明はまた、移植可能な制御された薬物送達系を提供し、この系は、内蔵型 ミニチュア生物発光バイオレポーター集積回路(「BBIC」) デバイスおよび
移植可能薬物送達ポンプの両方を備え、このポンプは、BBICによって作動可
能に制御され得、かつデバイスによる制御に応答して動物の身体に薬物を送達し
得る。本発明はまた、薬物が必要な患者にその薬物の制御された供給を提供する
方法に関する。この方法は、一般的には、この患者の身体内に、制御された薬物
送達系を移植する工程を包含する。 【手続補正3】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0057 【補正方法】変更 【補正内容】 【0057】 図Aは、標準的なNウェルCMOS処理を用いて作製された、高品質の光検
出器を示す。この光検出器は、2つの並列した逆バイアスダイオードから成る。
上側のダイオードは、P+活性層45とNウェル46との間に形成され、下側の
ダイオードは、Nウェル46とP基板47との間に形成される。上側のダイオー
ドが良好な短波長感光性(short wavelength light s
ensitivity)(400〜550nm)を有する一方で、下側のダイオ
ードは、良好な長波長感光性(500〜1100nm)を提供する。よって、ダ
イオード全体では、400〜1100nmの範囲にわたって感光性を有する。検
査中の発光化合物41は、Si34層40およびSiO2層42によって光検出
器と隔てられる。 【手続補正4】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0065 【補正方法】変更 【補正内容】 【0065】 図Bの右側に示す第2の構造は、接合が、堆積されたケイ化コバルト(Co
Si2)または他の適切な材料層と薄くドーピングされた活性層との間のショッ
トキー接合から形成されることを除いて、第1の構造と同様である。 【手続補正5】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0069 【補正方法】変更 【補正内容】 【0069】 図Aは、非常に小さいシグナルを検出するための第1のアプローチを模式的
に示す。このデバイスは、標準のCMOS ICプロセスと互換な構造であるP
−拡散/N−ウェルフォトダイオードを、読み出し増幅器(フォトダイオードを
有する同じIC上に製造される)を有する開回路モードで使用する。発光シグナ
ルは、P−拡散およびN−ウェル中に電子−ホール対を生成する。P−拡散中の
光発生電子はNウェル中に注入され、他方N−ウェル中の光発生ホールは、P−
拡散中に注入される。N−ウェルは、接地電位に結合されるので、この領域には
電荷が蓄積しない。しかし、P−拡散は、CMOS増幅器の入力インピーダンス
(低周波数で無限に近づく)に取り付けられるだけなので、正電荷がこの領域に
蓄積する。したがって、P−拡散ノードにかかる電圧は上昇し始める。 【手続補正6】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0073 【補正方法】変更 【補正内容】 【0073】 図Bは、これらの両方の要求を満たす第2のマイクロ照度計の実施形態を示
す。この回路は、効率的な光収集のために大きな面積の光検出器を使用するが、
フィードバックループにおいて小さな面積のダイオードを使用して光電流を相殺
する順方向バイアス電流を供給する。ここでも同様に、増幅器およびフィードバ
ックダイオードは、光検出器と同じIC上に製造される。この回路に対して、 Vout=3Vtln((Ip+Ig−Ir)/(Afbs)+1) (式3) ここで、Afbは、フィードバックダイオードの小さな断面積である。1つより
多くのダイオードがフィードバック経路において使用され、いずれの後段の増幅
器(any subsequent amplifier stage)のDC
オフセットに比較して大きな出力シグナルを生成する。この方法は、大きな面積
の光検出器を用いた光の効率的な収集を可能にし、なおかつフィードバック経路
の小さな面積のダイオードにより大きな出力電圧を生成する。 【手続補正7】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0074 【補正方法】変更 【補正内容】 【0074】 図Bのフィードバック回路は、ゼロバイアスに光検出器を維持する。電位を
印加しないと、再結合電流および発生電流は相殺すべきである。式3は、より小
さなフィードバックダイオードにおけるより小さな再結合電流および発生電流が
無視できる場合、 Vout=3Vtln((Ip/(Afbs))+1) (式4) となる。 【手続補正8】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0075 【補正方法】変更 【補正内容】 【0075】 図Bに示す第2のマイクロ照度計の実施形態の主な利点は、以下を含む。 【手続補正9】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】0081 【補正方法】変更 【補正内容】 【0081】 図Cに示す第3のマイクロ照度計の実施は、低周波数(フリッカ)増幅器ノ
イズの影響、および時間または温度に依存する、増幅器オフセット電圧の変化を
最小にするために、相関されたダブルサンプリング(CDS)を用いる。図
に示すように、キャパシタンスCdおよびノイズパワー分光密度Siを有するフォ
トダイオードが、フリップフロップ出力の論理レベルによって制御される1組の
スイッチを介して、フィードバックキャパシタンスCfおよび入力ノイズパワー
分光密度Svを有する積分プリアンプに接続される。フリップフロップ出力がL
OWであるとき、スイッチは光電流がプリアンプから流出するように位置づけら
れ、それによって積分器の出力電圧を上昇させる。ローパスフィルタによってフ
ィルタリングされた積分器の出力電圧が閾値VHIを越えると、上部比較器が「起
動」してフリップフロップを設定し、その出力をHIGHにする。検出器は変更
位置を切り換えて、電流を積分増幅器に流入させる。これにより、増幅器の出力
電圧が下降する。積分器の出力が第2の閾値VLO未満になると、下部比較器が「
起動」してフリップフロップを再設定し、その出力を再びLOWにする。上記プ
ロセスは、光電流が存在する限り繰り返される。 【手続補正10】 【補正対象書類名】明細書 【補正対象項目名】図面の簡単な説明 【補正方法】変更 【補正内容】 【図面の簡単な説明】 【図1】 図1は、本発明のある例示的な実施形態の斜視図である。 【図2】 図2は、本発明の例示的な実施形態の側面図である。 【図3】 図3は、集積回路の例示的な実施形態のブロック図を示す。 【図4】 図4は、水および栄養素が供給されたバイオレポーターを示す。 【図4A】 図4Aは、標準的なNウェルCMOSプロセスを用いて作製され得る高品質な
光検出器を示す。 【図4B】 図4Bは、絶縁層上のシリコンのCMOSプロセスで製造される2つの光検出
器構造を示す。左はラテラルPIN検出器、右は結合がショットキー接合で形成
される点を除いて左側と同様のデバイスである。 【図5A】 図5Aは、P拡散層、Nウェル、P基板からなる単一フォトダイオードを示す
。 【図5B】 効率的に光収集する広面積フォトダイオードおよびフィードバックループの小
面積ダイオードを用いて、光電流をキャンセルする順方向バイアス電流を供給す
る回路を示す。 【図5C】 相関二重サンプリング(CDS)を用いて、増幅器オフセット電圧における時
間または温度依存変動と同様に、低周波数(フリッカ)増幅器ノイズの影響を最
小化する回路を示す。 【図6】 図6は、装置の電流−周波数変換器アーキテクチャを示す。 【図7】 図7は、プロトタイプのBBICバイオセンサを示す。 【図8】 図8は、Pseudomonas putida TVA8を使用するプロト
タイプBBICの集積時間の関数としてトルエンの検出可能な濃度の最小値を示
す。 【図9】 図9は、腹膜グルコースバイオセンサおよびインシュリンポンプの略図を示す
。 【図10】 図10Aは、グルコース濃度の増加または減少のいずれかに応答するバイオレ
ポーターを有する2つの別の光検出器を含む移植可能なバイオセンサの略図を示
す。図10Bは、サイラスティックカバーを示すバイオセンサの側面図を示す。
図10Cは、免疫応答からバイオレポーターを保護するための選択可能な透析膜
の利用の略図を示す。 【手続補正11】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図4 【補正方法】追加 【補正内容】 【図4】 【手続補正12】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図9 【補正方法】変更 【補正内容】 【図9】 【手続補正13】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図10 【補正方法】変更 【補正内容】 【図10】
[Procedure amendment] [Date of submission] May 1, 2002 (2002.5.1) [Procedure amendment 1] [Document name to be amended] Description [Item name to be amended] Claims [Amendment method] Change [Content of amendment] [Claims] [Procedure amendment 2] [Document name to be amended] Specification [Item name to be amended] 0027 [Correction method] Change [Details of amendment] The present invention is also portable. Provides a controlled drug delivery system, comprising both a self-contained miniature bioluminescent bioreporter integrated circuit ("BBIC") device and an implantable drug delivery pump, the pump being operable by the BBIC. It can be controlled and can deliver the drug to the animal's body in response to control by the device. The invention also relates to a method of providing a controlled supply of a drug to a patient in need thereof. The method generally involves implanting a controlled drug delivery system into the patient's body. [Amendment 3] [corrected document name] specification [corrected item name] 0057 [correction method] change [Correction contents] [0057] Figure 4 A is made using a standard N-well CMOS process , A high quality photodetector. This photodetector consists of two parallel reverse bias diodes.
The upper diode is formed between the P + active layer 45 and the N well 46, and the lower diode is formed between the N well 46 and the P substrate 47. The upper diode has good short wavelength light s
The lower diode provides good long-wavelength photosensitivity (500-1100 nm), while having an activity (400-550 nm). Therefore, the entire diode has photosensitivity over the range of 400 to 1100 nm. The luminescent compound 41 under test is separated from the photodetector by the Si 3 N 4 layer 40 and the SiO 2 layer 42. [Amendment 4] [corrected document name] second structure shown on the right side of the specification [corrected item name] 0065 [correction method] change [Correction contents] [0065] Figure 4 B, the bonding is deposited Cobalt silicide (Co
Similar to the first structure, except that it is formed from a Schottky junction between a Si 2 ) or other suitable material layer and the lightly doped active layer. [Amendment 5] [corrected document name] specification [corrected item name] 0069 [correction method] change [Correction contents] [0069] Figure 5 A is a first approach to detect very small signals Is schematically shown. This device has a structure that is compatible with standard CMOS IC processes.
Using a diffuse / N-well photodiode in open circuit mode with a readout amplifier (manufactured on the same IC with the photodiode) The luminescent signal creates electron-hole pairs in the P-diffusion and N-wells. The photo-generated electrons during P-diffusion are injected into the N-well, while the photo-generated holes in the N-well are
Injected during diffusion. Since the N-well is coupled to ground potential, no charge accumulates in this region. However, since the P-diffusion is only attached to the input impedance of the CMOS amplifier (approaching infinity at low frequencies), positive charges accumulate in this region. Thus, the voltage on the P-diffusion node begins to rise. [Amendment 6] [corrected document name] specification [corrected item name] 0073 [correction method] change [Correction contents] [0073] Figure 5 B, a second micro-luminometer satisfy both these requirements An embodiment will be described. This circuit uses a large area photodetector for efficient light collection,
A small area diode is used in the feedback loop to provide a forward bias current that cancels the photocurrent. Again, the amplifier and feedback diode are manufactured on the same IC as the photodetector. For this circuit, V out = 3 V t ln ((I p + I g −I r ) / (A fb I s ) +1) (Equation 3) where A fb is the small cross-sectional area of the feedback diode. . More than one diode is used in the feedback path, and the DC of any subsequent amplifier amplifier stage
Generates a large output signal compared to the offset. This method allows for efficient collection of light using a large area photodetector, while still producing a large output voltage with a small area diode in the feedback path. [Amendment 7] [corrected document name] specification [corrected item name] 0074 [correction method] change [Correction contents] [0074] Feedback circuit of FIG. 5 B maintains photodetector at zero bias. If no potential is applied, the recombination and generated currents should cancel. Equation 3 becomes V out = 3V t ln ((I p / (A fb I s )) + 1) (Equation 4) when the smaller recombination current and generated current in the smaller feedback diode are negligible. [Amendment 8] [corrected document name] specification [corrected item name] 0075 [Correction Procedure] The main advantage of embodiments of the changes [correction contents] [0075] The second micro-luminometer shown in FIG. 5 B Includes: [Amendment 9] [corrected document name] specification [corrected item name] 0081 [correction method] change [Correction contents] [0081] The third micro luminometer shown in FIG. 5 C implementation, a low frequency ( Flicker) Use correlated double sampling (CDS) to minimize the effects of amplifier noise and time or temperature dependent changes in amplifier offset voltage. Figure 5 C
As shown, a photodiode having a capacitance C d and a noise power spectral density S i is coupled through a set of switches controlled by the logic level of the flip-flop output to a feedback capacitance C f and an input noise power spectral density S i. Connected to an integrating preamplifier with v . The flip-flop output is L
When OW, the switch is positioned so that the photocurrent flows out of the preamplifier, thereby increasing the output voltage of the integrator. When the output voltage of the integrator, filtered by the low-pass filter, exceeds the threshold V HI , the upper comparator “wakes up”, sets the flip-flop, and sets its output to HIGH. The detector switches the change position to allow current to flow into the integrating amplifier. As a result, the output voltage of the amplifier decreases. When the output of the integrator falls below the second threshold value V LO , the lower comparator outputs “
Activate "to reset the flip-flop and bring its output low again. The above process is repeated as long as the photocurrent is present. [Procedure amendment 10] [Document name to be amended] Description [Item name to be amended] Brief description of drawings [Correction method] Change [Contents of amendment] [Brief description of drawings] [FIG. 1] FIG. FIG. 2 is a perspective view of an exemplary embodiment with a stub. FIG. 2 is a side view of an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a block diagram of an exemplary embodiment of an integrated circuit. FIG. 4 shows a bioreporter supplied with water and nutrients. FIG. 4A illustrates a high quality photodetector that can be fabricated using a standard N-well CMOS process. FIG. 4B shows two photodetector structures fabricated in a CMOS process on silicon on an insulating layer. The left is a lateral PIN detector and the right is a device similar to the left except that the bond is formed by a Schottky junction. FIG. 5A shows a single photodiode comprising a P diffusion layer, an N well, and a P substrate. FIG. 5B illustrates a circuit that provides a forward bias current to cancel photocurrent using a large area photodiode for efficient light collection and a small area diode for a feedback loop. FIG. 5C illustrates a circuit that uses correlated double sampling (CDS) to minimize the effects of low frequency (flicker) amplifier noise as well as time or temperature dependent variations in amplifier offset voltage. FIG. 6 shows the current-to-frequency converter architecture of the device. FIG. 7 shows a prototype BBIC biosensor. FIG. 8 shows the minimum detectable concentration of toluene as a function of the integration time of a prototype BBIC using Pseudomonas putida TVA8. FIG. 9 shows a schematic of a peritoneal glucose biosensor and an insulin pump. FIG. 10A shows a schematic of an implantable biosensor that includes two additional photodetectors with a bioreporter responsive to either increasing or decreasing glucose concentration. FIG. 10B shows a side view of the biosensor showing the silastic cover.
FIG. 10C shows a schematic of the use of a selectable dialysis membrane to protect the bioreporter from the immune response. [Procedure amendment 11] [Document name to be amended] Drawing [Item name to be amended] Fig. 4 [Correction method] Added [Content of amendment] [Fig. 4] [Procedure amendment 12] [Document name to be amended] Drawing [Item name to be amended] Fig. 9 [Correction method] Change [Content of amendment] [Fig. 9] [Procedure amendment 13] [Document name to be amended] Drawing [Item name to be amended] Fig. 10 [Correction method] Change [Content of amendment] [Fig. 10]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) A61P 3/10 G01N 27/30 A G01N 27/30 33/483 F 27/414 A61B 5/14 310 33/483 301U (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (72)発明者 セイラー, ギャリー エス. アメリカ合衆国 テネシー 37709, ブ レイン, マッキニー ロード, ボック ス 60, ルート 2 (72)発明者 シンプソン, マイケル エル. アメリカ合衆国 テネシー 37919, ノ ックスビル, ヌビン リッジ ロード 7745 (72)発明者 アップルゲイト, ブルース エム. アメリカ合衆国 テネシー 37919, ノ ックスビル, サザーランド アベニュー 3700 (72)発明者 リップ, スティーブン エー. アメリカ合衆国 テネシー 37906, ノ ックスビル, ナンバー137, サンビー ム レーン 6020 Fターム(参考) 2G045 AA13 CA25 CA26 DA31 FB05 4C038 KK10 KL01 KL09 KX01 KY10 4C084 AA16 MA65 NA13 ZC351 4C085 HH11 HH20 JJ11 KA26 KB82 KB92 KB99 LL07 4C167 AA74 BB61 CC04 EE08 GG16──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) A61P 3/10 G01N 27/30 A G01N 27/30 33/483 F 27/414 A61B 5/14 310 33 / 483 301U (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF , BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ) , UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR , BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO , RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Sailor, Gary S . United States Tennessee 37709, Blaine, McKinney Road, Box 60, Route 2 (72) Inventors Simpson, Michael El. United States Tennessee 37919, Knoxville, Nuvin Ridge Road 7745 (72) Inventor Applegate, Bruce M. United States Tennessee 37919, Knoxville, Sutherland Avenue 3700 (72) Inventor Rip, Steven A. United States Tennessee 37906, Knoxville, No. 137, Sunbeam Lane 6020 F-term (reference) 2G045 AA13 CA25 CA26 DA31 FB05 4C038 KK10 KL01 KL09 KX01 KY10 4C084 AA16 MA65 NA13 ZC351 4C085 HH11 HH20 JJ11 KA26 KB82 JJ11 KA26 KB82 KB82 EJ11 KB99 KA11 GG16

Claims (45)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 動物の身体内の分析物を検出するための、移植可能なモノリ
シック生体電子工学デバイスであって、該デバイスは、以下: (a)集積回路の基板の頂部のバイオレポーターであって、該バイオレポータ
ーは、該分析物と接触する場合に、該分析物を代謝し得、そして該代謝の結果と
して光を発光し得る、バイオレポーター;および (b)該集積回路に近接して配置されるセンサであって、該発光の受容に応答
して電気シグナルを生成する、センサ、 を備え、ここで、該デバイスが、該動物の該身体内に移植される生体適合性容器
内に収容される、移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
1. An implantable monolithic bioelectronic device for detecting an analyte in an animal body, the device comprising: (a) a bioreporter on top of an integrated circuit substrate. Wherein the bioreporter is capable of metabolizing the analyte when in contact with the analyte and emitting light as a result of the metabolism; and (b) in proximity to the integrated circuit. A sensor arranged to generate an electrical signal in response to receiving the luminescence, wherein the device is disposed within a biocompatible container implanted within the body of the animal. Contained, implantable, monolithic bioelectronic device.
【請求項2】 前記生体適合性容器がポリマーマトリックスを含む、請求項
1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
2. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said biocompatible container comprises a polymer matrix.
【請求項3】 前記ポリマーマトリックスが、ポリビニルアルコール、ポリ
−L−リジン、またはアルギネートを含む、請求項2に記載の移植可能なモノリ
シック生体電子工学デバイス。
3. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein said polymer matrix comprises polyvinyl alcohol, poly-L-lysine, or alginate.
【請求項4】 前記ポリマーマトリックスが、細孔ヒドロゲル、メッシュ強
化ヒドロゲル、またはフィルター支持ヒドロゲルをさらに含む、請求項2に記載
の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
4. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein the polymer matrix further comprises a pore hydrogel, a mesh reinforced hydrogel, or a filter supported hydrogel.
【請求項5】 前記集積回路が光変換器を備える、請求項1に記載の移植可
能なモノリシック生体電子工学デバイス。
5. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit comprises a light converter.
【請求項6】 前記光変換器と前記バイオレポーターとの間に作動的に配置
された、透明な生体適合性の生物耐性分離機をさらに備える、請求項5に記載の
移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
6. The implantable monolithic bioelectronic of claim 5, further comprising a transparent biocompatible bioresistant separator operatively disposed between said light converter and said bioreporter. Engineering device.
【請求項7】 前記バイオレポーターが、前記分析物の存在に応答して、生
物発光レポーターポリペプチドを産生する、複数の真核細胞または原核細胞を含
む、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
7. The implantable monolithic of claim 1, wherein the bioreporter comprises a plurality of eukaryotic or prokaryotic cells that produce a bioluminescent reporter polypeptide in response to the presence of the analyte. Bioelectronic devices.
【請求項8】 前記複数の原核細胞が細菌を含む、請求項7に記載の移植可
能なモノリシック生体電子工学デバイス。
8. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 7, wherein said plurality of prokaryotic cells comprises bacteria.
【請求項9】 前記複数の真核細胞が哺乳動物細胞を含む、請求項7に記載
の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
9. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 7, wherein said plurality of eukaryotic cells comprises mammalian cells.
【請求項10】 前記複数の真核細胞が、島β細胞、不死幹細胞、または肝
細胞を含む、請求項9に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
10. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 9, wherein said plurality of eukaryotic cells comprises islet β cells, immortal stem cells, or hepatocytes.
【請求項11】 前記複数の真核細胞が、組換えヒト不死幹細胞を含む、請
求項10に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
11. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 10, wherein said plurality of eukaryotic cells comprises recombinant human immortal stem cells.
【請求項12】 前記複数の細胞が、前記分析物の存在に応答して該細胞に
よって産生される、ルシフェラーゼポリペプチドまたは緑色蛍光タンパク質をコ
ードする核酸セグメントを含む、請求項7に記載の移植可能なモノリシック生体
電子工学デバイス。
12. The implantable cell of claim 7, wherein said plurality of cells comprises a nucleic acid segment encoding a luciferase polypeptide or green fluorescent protein produced by said cells in response to the presence of said analyte. Monolithic bioelectronic device.
【請求項13】 前記核酸セグメントが、Aqueorea victor
iaまたはRenilla reniformis緑色蛍光タンパク質をコード
する、請求項12に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
13. The nucleic acid segment according to claim 1, wherein the nucleic acid segment is Aqueorea Victor.
13. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein the device encodes ia or Renilla reniformis green fluorescent protein.
【請求項14】 前記核酸セグメントが、ヒト化緑色蛍光タンパク質をコー
ドする、請求項12に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
14. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein said nucleic acid segment encodes a humanized green fluorescent protein.
【請求項15】 前記核酸セグメントが、細菌性Luxポリペプチドをコー
ドする、請求項12に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
15. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein the nucleic acid segment encodes a bacterial Lux polypeptide.
【請求項16】 前記核酸セグメントが、細菌性LuxAポリペプチド、L
uxBポリペプチド、LuxCポリペプチド、LuxDポリペプチド、もしくは
LuxEポリペプチド、あるいはLuxAB融合ポリペプチドまたはLuxCD
E融合ポリペプチドをコードする、請求項15に記載の移植可能なモノリシック
生体電子工学デバイス。
16. The method according to claim 16, wherein the nucleic acid segment is a bacterial LuxA polypeptide, L
uxB polypeptide, LuxC polypeptide, LuxD polypeptide, or LuxE polypeptide, or LuxAB fusion polypeptide or LuxCD
16. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 15, which encodes an E-fusion polypeptide.
【請求項17】 前記核酸セグメントが、Vibrio fischeri
iまたはXenorhabdus luminescens LuxAポリペプ
チド、LuxBポリペプチド、LuxCポリペプチド、LuxDポリペプチド、
もしくはLuxEポリペプチド、あるいはLuxAB融合ポリペプチドまたはL
uxCDE融合ポリペプチドをコードする、請求項16に記載の移植可能なモノ
リシック生体電子工学デバイス。
17. The method according to claim 17, wherein the nucleic acid segment is Vibrio fischeri.
i or Xenorhabdus luminescens LuxA polypeptide, LuxB polypeptide, LuxC polypeptide, LuxD polypeptide,
Or LuxE polypeptide, or LuxAB fusion polypeptide or L
17. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 16, which encodes a uxCDE fusion polypeptide.
【請求項18】 前記核酸が、Xenorhabdus luminesc
ens LuxAポリペプチド、LuxBポリペプチド、LuxCポリペプチド
、LuxDポリペプチド、もしくはLuxEポリペプチド、あるいはLuxAB
融合ポリペプチドまたはLuxCDE融合ポリペプチドをコードする、請求項1
7に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
18. The method according to claim 18, wherein the nucleic acid is Xenorhabdus luminesc.
ens LuxA polypeptide, LuxB polypeptide, LuxC polypeptide, LuxD polypeptide, or LuxE polypeptide, or LuxAB
2. The fusion polypeptide or encodes a LuxCDE fusion polypeptide.
An implantable monolithic bioelectronic device according to claim 7.
【請求項19】 前記ポリペプチドが、配列番号1由来の少なくとも25の
連続したヌクレオチドを含む配列によりコードされる、請求項18に記載の移植
可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
19. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 18, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 25 contiguous nucleotides from SEQ ID NO: 1.
【請求項20】 前記ポリペプチドが、配列番号1由来の少なくとも30の
連続したヌクレオチドを含む配列によりコードされる、請求項19に記載の移植
可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
20. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 19, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 30 contiguous nucleotides from SEQ ID NO: 1.
【請求項21】 前記ポリペプチドが、配列番号1由来の少なくとも35の
連続したヌクレオチドを含む配列によりコードされる、請求項20に記載の移植
可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
21. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 20, wherein said polypeptide is encoded by a sequence comprising at least 35 contiguous nucleotides from SEQ ID NO: 1.
【請求項22】 前記核酸セグメントの発現が、前記分析物の存在に応答性
のcis−活性化エレメントを含む核酸配列により調節される、請求項16に記
載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
22. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 16, wherein expression of said nucleic acid segment is regulated by a nucleic acid sequence comprising a cis-activating element responsive to the presence of said analyte.
【請求項23】 前記cis−活性化応答性エレメントが、S14遺伝子配
列、肝L−ピルビン酸キナーゼ遺伝子配列、肝6−ホスホフルクト−2−キナー
ゼ遺伝子配列、β島インスリン遺伝子配列、メサンギウムトランスホーミング増
殖因子−β遺伝子配列、およびアセチル補酵素Aカルボキシラーゼ遺伝子配列か
らなる群から選択されるヌクレオチド配列である、請求項22に記載の移植可能
なモノリシック生体電子工学デバイス。
23. The cis-activation responsive element is S14 gene sequence, liver L-pyruvate kinase gene sequence, liver 6-phosphofructo-2-kinase gene sequence, β-islet insulin gene sequence, mesangial transforming growth factor. 23. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 22, which is a nucleotide sequence selected from the group consisting of a -β gene sequence and an acetyl coenzyme A carboxylase gene sequence.
【請求項24】 前記cis−活性化応答性エレメントが、β−島インスリ
ン遺伝子配列由来または肝L−ピルビン酸キナーゼ遺伝子配列由来の、連続した
ヌクレオチド配列を含む、請求項23に記載の移植可能なモノリシック生体電子
工学デバイス。
24. The implantable implant of claim 23, wherein said cis-activation responsive element comprises a contiguous nucleotide sequence from a β-islet insulin gene sequence or from a liver L-pyruvate kinase gene sequence. Monolithic bioelectronic device.
【請求項25】 前記核酸配列の発現が、L−ピルビン酸キナーゼコード遺
伝子由来のプロモーター配列により調節される、請求項12に記載の移植可能な
モノリシック生体電子工学デバイス。
25. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 12, wherein expression of said nucleic acid sequence is regulated by a promoter sequence derived from an L-pyruvate kinase encoding gene.
【請求項26】 前記分析物が、グルコース、グルカゴンまたはインスリン
である、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
26. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the analyte is glucose, glucagon or insulin.
【請求項27】 前記細胞を持続させ得る栄養素の供給源をさらに備える、
請求項7に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
27. The method further comprising a source of a nutrient capable of sustaining the cells.
An implantable monolithic bioelectronic device according to claim 7.
【請求項28】 無線送信機をさらに備える、請求項1に記載の移植可能な
モノリシック生体電子工学デバイス。
28. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising a wireless transmitter.
【請求項29】 アンテナをさらに備える、請求項1に記載の移植可能なモ
ノリシック生体電子工学デバイス。
29. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising an antenna.
【請求項30】 移植可能な薬物送達ポンプをさらに備え、該ポンプが、前
記デバイスにより制御され得、そして前記薬物を前記動物の前記身体へと送達し
得る、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
30. The implantable device of claim 1, further comprising an implantable drug delivery pump, wherein the pump can be controlled by the device and deliver the drug to the body of the animal. Monolithic bioelectronic device.
【請求項31】 前記生体適合性容器が、前記分析物に対しては透過性であ
るが前記バイオレポーターに対しては透過性でない膜をさらに備える、請求項1
に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
31. The biocompatible container further comprises a membrane permeable to the analyte but not permeable to the bioreporter.
An implantable monolithic bioelectronic device according to claim 1.
【請求項32】 前記バイオレポーターが、該バイオレポーターによる前記
分析物の代謝に続いて、前記光発光ポリペプチドを発現する、請求項1に記載の
移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
32. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said bioreporter expresses said light-emitting polypeptide following metabolism of said analyte by said bioreporter.
【請求項33】 前記生体適合性容器が、窒化ケイ素または酸化ケイ素を含
む、請求項2に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
33. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 2, wherein said biocompatible container comprises silicon nitride or silicon oxide.
【請求項34】 前記集積回路が、相補型金属酸化物半導体(CMOS)集
積回路である、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス
34. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit is a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) integrated circuit.
【請求項35】 前記光変換器がフォトダイオードを備える、請求項5に記
載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
35. The implantable monolithic bioelectronic device according to claim 5, wherein the light converter comprises a photodiode.
【請求項36】 前記集積回路が、フォトダイオード、および電流−周波数
変換器をさらに備える、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工学
デバイス。
36. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein said integrated circuit further comprises a photodiode and a current-to-frequency converter.
【請求項37】 前記集積回路が、電流−周波数変換器、およびデジタルカ
ウンターをさらに備える、請求項1に記載の移植可能なモノリシック生体電子工
学デバイス。
37. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, wherein the integrated circuit further comprises a current-to-frequency converter and a digital counter.
【請求項38】 送信機をさらに備える、請求項1に記載の移植可能なモノ
リシック生体電子工学デバイス。
38. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 1, further comprising a transmitter.
【請求項39】 前記送信機がデジタルデータを送信し得る、請求項38に
記載の移植可能なモノリシック生体電子工学デバイス。
39. The implantable monolithic bioelectronic device of claim 38, wherein said transmitter is capable of transmitting digital data.
【請求項40】 移植可能な制御された薬物送達システムであって、請求項
1に記載のデバイス、および該デバイスにより作動的に制御され得る移植可能な
薬物送達ポンプを備える、移植可能な制御された薬物送達システム。
40. An implantable controlled drug delivery system comprising the device of claim 1 and an implantable drug delivery pump that can be operatively controlled by the device. Drug delivery system.
【請求項41】 薬物の供給を必要とする患者に該薬物の制御された供給を
提供する方法であって、該患者の身体内に、請求項40に記載の制御された薬物
送達システムを移植する工程を包含する、方法。
41. A method of providing a controlled delivery of a drug to a patient in need thereof, wherein the controlled delivery system of claim 40 is implanted in the body of the patient. A method comprising the steps of:
【請求項42】 薬物を必要とする患者により要求される薬物の量を決定す
る方法であって、該患者の身体内に、請求項1に記載のデバイスを移植する工程
、および該デバイスからの出力に基づいて、該患者により要求される薬物の量を
決定する工程を包含する、方法。
42. A method for determining the amount of a drug required by a patient in need of the drug, the method comprising: implanting the device of claim 1 in the body of the patient; Determining the amount of drug required by the patient based on the output.
【請求項43】 請求項1に記載のデバイスおよび該デバイスの使用説明書
を備える、分析物を検出するためのキット。
43. A kit for detecting an analyte, comprising a device according to claim 1 and instructions for using the device.
【請求項44】 標準化された参照溶液をさらに備える、請求項43に記載
のキット。
44. The kit of claim 43, further comprising a standardized reference solution.
【請求項45】 血中グルコースレベルの調節を必要とする動物の血中グル
コースレベルを調節する方法であって、請求項1に記載のデバイスまたは請求項
43に記載のキットを使用して、患者の血流または間質液におけるグルコースの
レベルをモニタリングする工程、および該血中グルコースレベルを調節するに十
分な有効量のインスリン組成物を該患者に投与する工程を包含する、方法。
45. A method of regulating blood glucose levels in an animal in need of regulating blood glucose levels, said method comprising using a device according to claim 1 or a kit according to claim 43 to treat a patient with a blood glucose level. Monitoring the level of glucose in the bloodstream or interstitial fluid of the subject, and administering to the patient an effective amount of an insulin composition sufficient to regulate the blood glucose level.
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