RU2260046C2 - Cellular microarray and using thereof in living cell investigations - Google Patents
Cellular microarray and using thereof in living cell investigations Download PDFInfo
- Publication number
- RU2260046C2 RU2260046C2 RU2003104015/13A RU2003104015A RU2260046C2 RU 2260046 C2 RU2260046 C2 RU 2260046C2 RU 2003104015/13 A RU2003104015/13 A RU 2003104015/13A RU 2003104015 A RU2003104015 A RU 2003104015A RU 2260046 C2 RU2260046 C2 RU 2260046C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cells
- cell
- gel
- microchip
- microcells
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области молекулярной биологии, микробиологии и биотехнологии и касается способа изготовления микрочипов на основе клеток, иммобилизованных в его элементах. Такие микрочипы могут найти применение в молекулярной и клеточной биологии, биотехнологии, микробиологии, при определении антимикробной активности антибиотических препаратов в экспериментальной фармакологии, при исследовании окружающей среды, в медицине и для других приложений. Описывается способ изготовления микрочипа, в гелевых элементах которого иммобилизованы прокариотические или эукариотические клетки. Микрочип изготавливается путем полимеризации гелеобразующего раствора, содержащего иммобилизуемые клетки. Причем гелеобразующие растворы перед полимеризацией наносят на подложку в виде микрокапель.The invention relates to the field of molecular biology, microbiology and biotechnology and relates to a method for the manufacture of microchips based on cells immobilized in its elements. Such microchips can be used in molecular and cellular biology, biotechnology, microbiology, in determining the antimicrobial activity of antibiotic drugs in experimental pharmacology, in environmental studies, in medicine, and for other applications. A method for manufacturing a microchip is described, in the gel elements of which prokaryotic or eukaryotic cells are immobilized. A microchip is made by polymerizing a gelling solution containing immobilized cells. Moreover, gelling solutions before polymerization are applied to the substrate in the form of microdrops.
Уровень техникиState of the art
Известен ряд методов анализа наследственных признаков, закономерностей роста и развития и прочих свойств прокариотических и эукариотических клеток. В частности, существует группа методов мониторинга жизнедеятельности клеток в условиях воздействия на них различных факторов.A number of methods are known for analyzing hereditary traits, patterns of growth and development, and other properties of prokaryotic and eukaryotic cells. In particular, there is a group of methods for monitoring the vital functions of cells under the influence of various factors on them.
Для получения данных о развитии бактериальной популяции наиболее распространены методы:To obtain data on the development of a bacterial population, the most common methods are:
1. регистрации оптической плотности бактериальной суспензии;1. registration of the optical density of the bacterial suspension;
2. подсчета колоний на твердой среде [C.E.Clifton. Introduction to bacterial physiology. 1957];2. colony counting on solid medium [C.E. Clifton. Introduction to bacterial physiology. 1957];
3. подсчета числа клеток в камере Petroff-Hauser [C.E.Clifton. Introduction to bacterial physiology. 1957];3. counting the number of cells in a Petroff-Hauser chamber [C.E. Clifton. Introduction to bacterial physiology. 1957];
4. проточной цитометрии [H.B.Steen. Flow cytometry of bacteria: glimpses from the past with a view to the future. J. of Microbiological Methods 42 (2000) 65-74].4. flow cytometry [H.B.Steen. Flow cytometry of bacteria: glimpses from the past with a view to the future. J. of Microbiological Methods 42 (2000) 65-74].
Однако методы 1,2 и 3 довольно трудоемки, требуют значительного участия исследователя, часто не позволяют проводить параллельный анализ нескольких образцов, обладают низким потенциалом для автоматизации, следовательно, затратны по времени и стоимости. Проточная цитометрия - высокоавтоматизированный метод, позволяющий быстро получать данные при минимальных усилиях со стороны исследователя. Однако, помимо того, что проточные цитометры и расходные материалы к ним имеют высокую стоимость, этот метод предназначен более для многопараметрического скрининга, чем для наблюдений одного или нескольких параметров в динамике.However,
Клетки, как многокомпонентные биокаталитические системы, используются в биосенсорах для анализа окружающей среды [Simonian A.L. et al. A biosensor for L-proline determination by use of immobilized microbial cells. / Appl. Biochem, Biotechnol. 1992 Sep;36(3):199-210; Rainina E.I. The development of a new biosensor based on recombinant E.coli for the direct detection of organophosphorus neurotoxins. / Biosens. Bioelectron. 1996;11(10):991-1000]. Однако методы, использующие подобные биосенсоры, позволяют определять одномоментно незначительное число (чаще -один) загрязнителей окружающей среды. Биосенсоры на основе ферментов [Simonian A.L. et al. A tryptophan-2-monooxygenase based amperometric biosensor for L-tryptophan determination: use of a competitive inhibitor as a tool for selectivity increase. /Biosens. Bioelectron 1997; 12(5):363-71] в большинстве своем обладают тем же недостатком.Cells, as multicomponent biocatalytic systems, are used in biosensors for environmental analysis [Simonian A.L. et al. A biosensor for L-proline determination by use of immobilized microbial cells. / Appl. Biochem, Biotechnol. 1992 Sep; 36 (3): 199-210; Rainina E.I. The development of a new biosensor based on recombinant E. coli for the direct detection of organophosphorus neurotoxins. / Biosens. Bioelectron 1996; 11 (10): 991-1000]. However, methods using such biosensors make it possible to simultaneously determine an insignificant number (often one) of environmental pollutants. Enzyme-based biosensors [Simonian A.L. et al. A tryptophan-2-monooxygenase based amperometric biosensor for L-tryptophan determination: use of a competitive inhibitor as a tool for selectivity increase. / Biosens. Bioelectron 1997; 12 (5): 363-71] for the most part have the same drawback.
Методом определения активности противомикробных препаратов в отечественной фармакопее является метод диффузии антибиотиков в агар путем сравнения размеров зон угнетения роста тест-микробов [Государственная фармакопея СССР: Вып.2. Общие методы анализа. Лекарственное растительное сырье/ МЗ СССР. - М.: Медицина, 1989]. Он обладает недостатками, указанными выше для методов 1, 2 и 3.A method for determining the activity of antimicrobial agents in the domestic pharmacopeia is the method of diffusion of antibiotics into agar by comparing the sizes of zones of inhibition of growth of test microbes [State Pharmacopoeia of the USSR:
Известный метод выявления чувствительности микроорганизмов к антибиотикам - метод серийных разведении - состоит в регистрации наличия (или отсутствия) роста культуры в ряде пробирок с жидкой питательной средой, содержащих серию концентраций антибиотика. [Bryan L.E. Bacterial resistance and susceptibility to chemotherapeutic agents. Cambridge University press. Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney, 1982]. Несмотря на высокую информативность, этот метод не нашел широкого применения в лабораторной диагностике по совокупности следующих недостатков:A well-known method for detecting the sensitivity of microorganisms to antibiotics - the method of serial dilution - consists in recording the presence (or absence) of culture growth in a number of tubes with a liquid nutrient medium containing a series of antibiotic concentrations. [Bryan L.E. Bacterial resistance and susceptibility to chemotherapeutic agents. Cambridge University press. Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney, 1982]. Despite the high information content, this method has not found wide application in laboratory diagnostics for the combination of the following disadvantages:
- требует проведения пробы отдельно для каждой исследуемой культуры;- requires a test separately for each studied culture;
- требует большого количества расходных материалов (пробирок, плашек, антибиотиков и пр.);- requires a large number of consumables (test tubes, dies, antibiotics, etc.);
- результат анализа может быть получен через 18-20 часов.- the result of the analysis can be obtained after 18-20 hours.
Кроме того, существующие рутинные методы определения резистентности бактерий к антибиотикам обладают общими недостатками, отмеченными выше для методов 1,2 и 3.In addition, existing routine methods for determining bacterial resistance to antibiotics have the common drawbacks noted above for
Выявление активности цитостатических и прочих фармацевтических препаратов по отношению к животным клеткам, на стадиях разработки, производства (текущий контроль) и применения (индивидуальный подбор) сопряжено с использованием следующих методов: МТТ-тест [Carmichael, J.. et al. (1987) Cancer Research 47: 936}, проточная цитометрия, ArrayScan™-цитометрия. Одним из серьезных недостатков МТТ-теста является высокая частота (до 30%) неудачных экспериментов, результаты которых не могут быть корректно интерпретированы. Недостатком двух других методов является высокая стоимость оборудования и расходных материалов.The identification of the activity of cytostatic and other pharmaceutical preparations in relation to animal cells at the stages of development, production (current control) and application (individual selection) is carried out using the following methods: MTT test [Carmichael, J .. et al. (1987) Cancer Research 47: 936}, flow cytometry, ArrayScan ™ cytometry. One of the serious drawbacks of the MTT test is the high frequency (up to 30%) of unsuccessful experiments, the results of which cannot be correctly interpreted. The disadvantage of the other two methods is the high cost of equipment and supplies.
Несмотря на наличие большого числа способов анализа свойств клеток и исследования различных объектов окружающей среды с помощью клеток, потребность в разработке новых, более совершенных сохраняется.Despite the existence of a large number of methods for analyzing the properties of cells and studying various environmental objects using cells, the need to develop new, more advanced ones remains.
Задачей данного изобретения является разработка способа, который бы позволил:The objective of the invention is to develop a method that would allow:
1. упростить анализ признаков, закономерностей роста и развития и прочих свойств клеток прокариот и эукариот;1. simplify the analysis of signs, patterns of growth and development and other properties of prokaryotic and eukaryotic cells;
2. упростить мониторинг жизнедеятельности клеток в условиях воздействия на них различных факторов;2. to simplify the monitoring of cell activity under the influence of various factors on them;
3. расширить возможности анализа объектов окружающей среды (вода, почва и пр.) на предмет наличия в них определенных химических веществ;3. expand the capabilities of analysis of environmental objects (water, soil, etc.) for the presence of certain chemicals in them;
4. упростить определение активности антибиотических, цитостатических и других фармацевтических препаратов по отношению к клеткам прокариот и эукариот; что приведет к снижению стоимости описанных исследований, сокращению времени их проведения и трудоемкости.4. simplify the determination of the activity of antibiotic, cytostatic and other pharmaceutical preparations in relation to prokaryotic and eukaryotic cells; which will lead to a decrease in the cost of the described studies, a reduction in the time of their carrying out and labor input.
Решение поставленных задач мы видим в применении технологии биологических микрочипов. А именно, биологического микрочипа на основе клеток (или т.н. клеточного микрочипа). В настоящее время известны способы изготовления биологических микрочипов на основе ДНК [патент РФ №2157385] и белков [Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., Voloshchuk S., Chupeeva V., Mirzabekov A. Protein Microchips: Use for Immunoassay and Enzymatic Reactions. Analytical Biochemistry 278, 123-131 (2000)]. Однако точное перенесение существующей технологии их изготовления для создания клеточного микрочипа не представляется возможным, т.к. вышеуказанная технология предусматривает применение процессов, губительных для эукариот и большинства прокариот. Это полимеризация под действием ультрафиолетового облучения, контакт с органическим растворителем и пр.We see the solution of the tasks in the application of the technology of biological microchips. Namely, a biological microchip based on cells (or the so-called cell microchip). Currently known methods of manufacturing biological microarrays based on DNA [RF patent No. 2157385] and proteins [Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., Voloshchuk S., Chupeeva V., Mirzabekov A. Protein Microchips: Use for Immunoassay and Enzymatic Reactions. Analytical Biochemistry 278, 123-131 (2000)]. However, the exact transfer of the existing technology for their manufacture to create a cell microchip is not possible, because the above technology involves the use of processes that are detrimental to eukaryotes and most prokaryotes. This is polymerization under the influence of ultraviolet radiation, contact with an organic solvent, etc.
Иммобилизация клеток в различных гелях широко освещена в научной литературе. Описаны способы иммобилизации прокариотических и эукариотических клеток в агарозе, альгинате [D.Roger, A.David, H.David (1996) Plant Physiol. 112: 1191-1199], акриламиде и других гелях [Н.С.Егоров, Н.С.Ландау, Е.А.Борман, И.Б.Котова (1984) Прикладная биохимия и микробиология, т.XX, вып.5, с.579-592]. Практически любой вид клеток может быть иммобилизован [D.Roger, A.David, H.David (1996) Plant Physiol. 112: 1191-1199].The immobilization of cells in various gels is widely reported in the scientific literature. Methods of immobilization of prokaryotic and eukaryotic cells in agarose, alginate [D. Roger, A. David, H. David (1996) Plant Physiol. 112: 1191-1199], acrylamide and other gels [N.S. Egorov, N.S. Landau, E.A. Borman, I. B. Kotova (1984) Applied Biochemistry and Microbiology, vol. XX, issue 5 , p. 579-592]. Almost any kind of cell can be immobilized [D. Roger, A. David, H. David (1996) Plant Physiol. 112: 1191-1199].
Таким образом, поставленные задачи решаются в результате использования в способе исследования клеточного микрочипа.Thus, the tasks are solved as a result of using a cell microchip in the research method.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Одним из аспектов изобретения является клеточный микрочип, который представляет собой подложку, содержащую гелевые элементы, в которых иммобилизованы клетки. Основу гелевых элементов выбирают из группы, состоящей из акриламида, альгината, каррагенана, коллагена, фибрина, агара, агарозы, желатина, поливинилового спирта, производных кремниевой кислоты (например, силикагель) и т.д. Гелевый элемент клеточного микрочипа имеет размер пор, достаточный для проникновения питательных веществ и веществ, взаимодействие которых с клетками необходимо исследовать. Материал подложки клеточного микрочипа выбирают из группы, состоящей из стекла различных сортов, металлов, пластических материалов, керамических материалов, полимерных носителей (полиметилметакрилат, полистирол, полипропилен, и т.д.), любых композиционных материалов и т.д. Подложка представляет собой пластину, изготовленную и обработанную таким образом, чтобы удерживать на своей поверхности гелевые элементы микрочипа. Подложка клеточного микрочипа также может представлять собой пористую пластину, изготовленную и обработанную таким образом, чтобы удерживать в своем объеме гелевые элементы микрочипа. Клетки, иммобилизуемые в элементах клеточного микрочипа, могут быть представителями как эукариот, так и прокариот. Клеточный микрочип может быть применен в области создания биосенсоров, тестирования питательных сред, определения активности антибактериальных и цитостатических препаратов, для мониторинга развития популяции микроорганизмов в условиях воздействия на них различных факторов, выявления антибиотикочувствительности микроорганизмов, скрининга клонов при создании геномных библиотек, генодиагностики инфекций различной природы, а также других приложений.One aspect of the invention is a cellular microchip, which is a substrate containing gel elements in which cells are immobilized. The base of the gel elements is selected from the group consisting of acrylamide, alginate, carrageenan, collagen, fibrin, agar, agarose, gelatin, polyvinyl alcohol, silicic acid derivatives (e.g., silica gel), etc. The gel element of the cell microchip has a pore size sufficient for the penetration of nutrients and substances, the interaction of which with the cells must be investigated. The substrate material of the cell microchip is selected from the group consisting of glass of various grades, metals, plastic materials, ceramic materials, polymer carriers (polymethyl methacrylate, polystyrene, polypropylene, etc.), any composite materials, etc. The substrate is a plate made and processed in such a way as to hold the gel elements of the microchip on its surface. The cell microchip substrate may also be a porous plate made and processed in such a way as to retain the gel elements of the microchip in its volume. Cells immobilized in the elements of the cell microchip can be representatives of both eukaryotes and prokaryotes. A cell microchip can be used in the field of creating biosensors, testing nutrient media, determining the activity of antibacterial and cytostatic drugs, for monitoring the development of a population of microorganisms under the influence of various factors, identifying the antibiotic sensitivity of microorganisms, screening clones for creating genomic libraries, gene diagnostics of infections of various nature, as well as other applications.
Изобретением предлагается также способ исследования живых клеток на клеточном микрочипе, включающий инкубацию микрочипа, регистрацию флюоресцентного сигнала, обусловленного исследуемым свойством, с последующей его оценкой в сравнении с контролем.The invention also proposes a method for studying living cells on a cellular microchip, including incubating the microchip, recording a fluorescence signal due to the property being studied, followed by its evaluation in comparison with the control.
Способ предполагает использование клеточного микрочипа, раскрываемого в данном изобретении.The method involves the use of a cellular microchip disclosed in this invention.
Способ предполагает, что основу гелевого элемента клеточного микрочипа выбирают из группы, состоящей из акриламида, альгината, каррагенана, коллагена, фибрина, агара, агарозы, желатина, поливинилового спирта, производных кремниевой кислоты (например, силикагель), и т.д.The method assumes that the basis of the gel element of the cell microarray is selected from the group consisting of acrylamide, alginate, carrageenan, collagen, fibrin, agar, agarose, gelatin, polyvinyl alcohol, silicic acid derivatives (e.g., silica gel), etc.
Кроме того, в способе используют микрочип, в котором гелевый элемент имеет размер пор, достаточный для проникновения питательных веществ и веществ, взаимодействие которых с клетками необходимо исследовать.In addition, the method uses a microchip in which the gel element has a pore size sufficient for the penetration of nutrients and substances, the interaction of which with the cells must be investigated.
Далее, в способе материал подложки клеточного микрочипа выбирают из группы, состоящей из стекла различных сортов, металлов, керамических материалов, полимерных носителей (полиметилметакрилат, полистирол, полипропилен, и т.д.), любых композиционных материалов и т.д., и подложка клеточного микрочипа представляет собой пластину, изготовленную и обработанную таким образом, чтобы удерживать на своей поверхности гелевые элементы микрочипа, или подложка клеточного микрочипа представляет собой пористую пластину, изготовленную и обработанную таким образом, чтобы удерживать в своем объеме гелевые элементы микрочипа.Further, in the method, the substrate material of the cell microchip is selected from the group consisting of glass of various grades, metals, ceramic materials, polymer carriers (polymethyl methacrylate, polystyrene, polypropylene, etc.), any composite materials, etc., and the substrate a cell microchip is a plate made and processed so as to hold the gel elements of the microchip on its surface, or the substrate of the cell microchip is a porous plate made and processed by kim way to keep in volume gel elements of the microchip.
Способ характеризуется тем, что клетки, подлежащие иммобилизации, выбирают из группы эукариот или из группы прокариот, причем клетки находятся не обязательно в лиофилизированном состоянии.The method is characterized in that the cells to be immobilized are selected from the group of eukaryotes or from the group of prokaryotes, the cells being not necessarily in a lyophilized state.
Кроме того, в изобретении раскрывается способ изготовления микрочипа на основе клеток, иммобилизованных в геле, приготовленного путем полимеризации гелеобразующего раствора, содержащего иммобилизуемые клетки. Причем гелеобразующие растворы, содержащие взвесь клеток, наносят на подложку в виде микрокапель, после чего проводят полимеризацию.In addition, the invention discloses a method of manufacturing a microchip based on cells immobilized in a gel prepared by polymerizing a gel-forming solution containing immobilized cells. Moreover, gel-forming solutions containing a suspension of cells are applied to the substrate in the form of microdrops, after which polymerization is carried out.
Перечень фигурList of figures
На фигуре 1 схематически представлена инкубационная камера и цифрами обозначены: 1 - заглушки; 2 - кварцевое стекло; 3 - прокладка; 4 - микрочип.The figure 1 schematically presents the incubation chamber and the numbers denote: 1 - plugs; 2 - quartz glass; 3 - gasket; 4 - microchip.
На фигуре 2 графически представлена кинетика роста сигнала от ячеек бактериального микрочипа, инкубировавшегося в среде LB с ампицилином (50 мкг/мл), и где кривые цифрами обозначены: 1 - кривая от ячеек с Е.coli, устойчивыми к ампицилину; 2 и 3 - кривые от ячеек с E.coli, чувствительными к ампицилину.The figure 2 graphically shows the kinetics of signal growth from cells of a bacterial microchip incubated in LB medium with ampicillin (50 μg / ml), and where the curves are indicated by numbers: 1 - curve from cells with E. coli resistant to ampicillin; 2 and 3 - curves from cells with E. coli sensitive to ampicillin.
На фигуре 3 представлен результат инкубации акриламидного микрочипа в среде с антибиотиком.The figure 3 presents the result of incubation of an acrylamide microchip in a medium with an antibiotic.
На фигуре 4 представлены результаты инкубации бактериального микрочипа в среде с антибиотиком, где цифрами 1 и 2 обозначены чувствительные штаммы, а цифрами 3 и 4 - устойчивые штаммы.The figure 4 presents the results of incubation of the bacterial microchip in an environment with an antibiotic, where the
На фигуре 5 показаны гелевые элементы микрочипа после инкубации в питательной среде с антибиотиком (А - ячейка с чувствительной культурой, а Б - ячейка с устойчивой культурой).The figure 5 shows the gel elements of the microchip after incubation in a nutrient medium with an antibiotic (A is a cell with a sensitive culture, and B is a cell with a stable culture).
Подробное раскрытие изобретенияDetailed Disclosure of Invention
1. Поверхность подложки предварительно обрабатывают таким образом, чтобы микрокапли геля после нанесения и полимеризации прочно удерживались на ней.1. The surface of the substrate is pre-treated so that the microdroplets of the gel after application and polymerization are firmly held on it.
2. Готовят серию гелеобразующих растворов, содержащих соответствующие культуры микроорганизмов.2. Prepare a series of gelling solutions containing the appropriate culture of microorganisms.
3. Процедура нанесения реализуется вручную, автоматическим микродозатором или иначе. Одинаковые по объему микрокапли геля наносят друг от друга на расстоянии, равном 1/2 их диаметра или большем.3. The application procedure is carried out manually, by an automatic microdoser or otherwise. The gel microdroplets of the same volume are applied from each other at a distance equal to 1/2 of their diameter or greater.
4. Реакция полимеризации осуществляется надлежащим образом после нанесения.4. The polymerization reaction is carried out properly after application.
5. Изготовленный микрочип может быть использован сразу, либо законсервирован.5. The fabricated microchip can be used immediately or canned.
А. Примером кратковременной консервации может служить хранение микрочипа в стерильном изотоническом растворе при 4°С.A. An example of short-term preservation is the storage of a microchip in a sterile isotonic solution at 4 ° C.
Б. В случае долгосрочного хранения микрочипа на основе прокариот или дрожжей можно применить лиофильное высушивание или криоконсервацию при -50°С, -70°С готового микрочипа, либо использование лиофилизированных микроорганизмов на стадии изготовления микрочипа.B. In the case of long-term storage of a microchip based on prokaryotes or yeast, freeze-drying or cryopreservation at -50 ° C, -70 ° C of the finished microchip can be used, or the use of lyophilized microorganisms at the stage of manufacture of the microchip.
Применение полиакриламидного геля при изготовлении микрочипов на основе животных клеток неприемлемо, т.к. вызывает гибель 100% клеток. Наиболее подходящим для этой цели представляется альгинат. Проблема фиксации альгинатных гелевых элементов к поверхности подложки решается следующим образом. На поверхности стекла, обработанного Bind-Silane, формируется тонкий слой (5-10 мкм) полиакриламидного геля (аналогично [Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., Voloshchuk S., Chupeeva V., Mirzabekov A. Protein Microchips: Use for Immunoassay and Enzymatic Reactions. Analytical Biochemistry 278, 123-131 (2000)], но вместо маски используется прозрачное кварцевое стекло), на который наносятся микрокапли альгината с клетками и полимеризуются в CaCl2. При этом гелевые элементы прочно фиксируются к подложке. Более технологичным решением является нанесение микрокапель на химически модифицированную поверхность стекла. Для специалистов в области химии не составит особых затруднений найти способ химической пришивки альгината к поверхности стекла.The use of polyacrylamide gel in the manufacture of microchips based on animal cells is unacceptable, because causes the death of 100% of the cells. Alginate seems to be the most suitable for this purpose. The problem of fixing alginate gel elements to the surface of the substrate is solved as follows. A thin layer (5-10 μm) of polyacrylamide gel (similar to [Arenkov P., Kukhtin A., Gemmell A., Voloshchuk S., Chupeeva V., Mirzabekov A. Protein Microchips: Use) forms on the surface of Bind-Silane-treated glass. for Immunoassay and Enzymatic Reactions. Analytical Biochemistry 278, 123-131 (2000)], but instead of a mask, transparent quartz glass is used) onto which microdroplets of alginate with cells are applied and polymerized in CaCl 2 . In this case, the gel elements are firmly fixed to the substrate. A more technological solution is the application of microdrops on a chemically modified glass surface. For specialists in the field of chemistry, it will not be difficult to find a way to chemically sew alginate to the glass surface.
Нанесение гелеобразующих растворов осуществляют, как описано в патенте РФ №2157385. Предпочтительно для нанесения раствора в виде микрокапель использовать подающее устройство, позволяющее с высокой скоростью распределять микрообъемы большого числа растворов по плоской поверхности.The application of gelling solutions is carried out as described in the patent of the Russian Federation No. 2157385. It is preferable to use a feeding device for applying the solution in the form of microdrops, which allows to distribute at high speed the microvolumes of a large number of solutions on a flat surface.
Предлагаемый способ позволяет в одну стадию нанести микрочип с высокой плотностью элементов матрицы, что необходимо для параллельных манипуляций с большим количеством клеток. Предлагаемый способ дает возможность использовать клеточные микрочипы в качестве биосенсора для анализа элементов окружающей среды (вода, почва и т.д.) на предмет наличия в них широкого спектра загрязнителей, мониторинга развития популяции микроорганизмов в условиях воздействия на них различных факторов, скрининга клонов при создании геномных библиотек, диагностики инфекций различной природы, тестирования активности антимикробных и цитостатических средств, влияния лекарственных препаратов на микрофлору кишчника (в случае иммобилизации представителей кишечной микрофлоры в элементах микрочипа), резистентности выделенных от пациента культур к антибиотикам и т.д.The proposed method allows in one step to apply a microchip with a high density of matrix elements, which is necessary for parallel manipulations with a large number of cells. The proposed method makes it possible to use cell microarrays as a biosensor for analyzing environmental elements (water, soil, etc.) for the presence of a wide range of pollutants in them, monitoring the development of the microorganism population under the influence of various factors on them, and screening for clones genomic libraries, diagnosis of infections of various nature, testing the activity of antimicrobial and cytostatic agents, the effect of drugs on the intestinal microflora (in case of immobilization tion representatives of the intestinal microflora in the microchip elements), isolated from a patient resistance to antibiotics crops, etc.
В качестве подложки для микрочипа можно использовать предметное стекло. Оно обрабатывается реагентом, который модифицирует поверхность стекла ненасыщенными группами. Таким реагентом может являться, например Н-[3-(триэтоксисилил)пропил]акриламид, аллилтриэтоксисилан и другие. Для изготовления клеточного микрочипа на основе бактерий или дрожжей предпочтительно в качестве одного из мономеров использовать акриламид.As a substrate for a microchip, a slide can be used. It is treated with a reagent that modifies the surface of the glass with unsaturated groups. Such a reagent may be, for example, H- [3- (triethoxysilyl) propyl] acrylamide, allyl triethoxysilane and others. For the manufacture of a cell microchip based on bacteria or yeast, it is preferable to use acrylamide as one of the monomers.
Далее, приводятся примеры изготовления и применения клеточных микрочипов на основе E.coli. Описание данных примеров не должно быть использовано для ограничения притязаний данного патента, оно лишь иллюстрирует возможность для специалистов в данной области осуществить изобретение.The following are examples of the manufacture and use of cell microarrays based on E. coli. The description of these examples should not be used to limit the claims of this patent, it only illustrates the possibility for specialists in this field to implement the invention.
Чтобы показать принципиальную возможность исследования свойств клеток при помощи микрочипа, выполнены модельные эксперименты по определению антибиотикорезистентности различных штаммов E.coli.To demonstrate the fundamental possibility of studying the properties of cells using a microchip, model experiments were performed to determine the antibiotic resistance of various E. coli strains.
Пример 1Example 1
В эксперименте используются следующие штаммы: JM-109; DH5a, pBR 322, ampr; BL21 (DE3) pLysS, chmr; BL21 (DE3) pLysS, pET23b, chmr ampr. Приготавливают гелеобразующую смесь следующего состава: 5% акриламид-N,N'-метиленбисакриламид 19:1, 1×PBS (pH 7,2), 60% глицерин, 0,5% персульфат аммония и 10% (v/v) суспензия ночной культуры E.coli (приведена к оптической плотности OD600=2 ОЕ) в питательной среде LB. Нанесение на поверхность стекла осуществляют вручную или на роботе (Arrayer GMS 417, Genetic Microsystems) пином ⌀500 или 375 мкм. Соответственно. Стекло предварительно обрабатывают Bind-Silane. Сформированную матрицу растворов помещают в сосуд известного объема и вносят в него TEMED из расчета 0,1-1 мкл/1 дм3 объема сосуда.The following strains are used in the experiment: JM-109; DH5a, pBR 322, amp r ; BL21 (DE3) pLysS, chm r ; BL21 (DE3) pLysS, pET23b, chm r amp r . A gelling mixture of the following composition is prepared: 5% acrylamide-N, N'-methylene bisacrylamide 19: 1, 1 × PBS (pH 7.2), 60% glycerol, 0.5% ammonium persulfate and 10% (v / v) night suspension culture of E. coli (reduced to optical density OD 600 = 2 OE) in a nutrient medium LB. Application to the glass surface is carried out manually or on a robot (Arrayer GMS 417, Genetic Microsystems) with a pin ⌀500 or 375 μm. Respectively. Glass is pretreated with Bind-Silane. The formed matrix of solutions is placed in a vessel of known volume and TEMED is added to it at the rate of 0.1-1 μl / 1 dm 3 of vessel volume.
Выдерживают 3 мин. Полученный микрочип помещают в инкубационную камеру (фиг.1), которую заполняют жидкой питательной средой LB, содержащей один из антибиотиков и маркер нуклеиновых кислот в живых клетках SYTO 9. В процессе эксперимента температура в камере поддерживается на уровне 37°С, и каждые 5 мин регистрируется флуоресцентный сигнал от ячеек микрочипа. Результаты отражаются в виде кривых Iнорм(t) (фиг.2), где Iнорм - нормированная интенсивность флуоресцентного сигнала. Наблюдается яркий сигнал от ячеек, содержащих штаммы, устойчивых к антибиотику бактерий, и сигнал, близкий к фоновому от ячеек со штаммами чувствительных бактерий, что отражено на фиг.3.Stand for 3 minutes. The obtained microchip is placed in an incubation chamber (Fig. 1), which is filled with LB liquid nutrient medium containing one of the antibiotics and a nucleic acid marker in SYTO 9 living cells. During the experiment, the temperature in the chamber is maintained at 37 ° C and every 5 min a fluorescent signal from the microchip cells is recorded. The results are reflected in the form of curves of I norms (t) (figure 2), where I norms - normalized intensity of the fluorescent signal. There is a bright signal from cells containing strains resistant to the antibiotic of bacteria, and a signal close to the background from cells with strains of sensitive bacteria, which is reflected in figure 3.
Характерный экспоненциальный рост сигнала происходит в результате размножения устойчивых к антибиотику бактерий в ячейках микрочипа и накопления ими флуоресцентного красителя, содержащегося в питательной среде (кривая 1 на фиг.2). При этом в гелевой ячейке образуются отдельные колонии. Сигнал от ячеек с чувствительными к антибиотику микроорганизмами практически не увеличивается (кривые 2,3 на фиг.2). На фиг.3 представлено изображение микрочипа в конце эксперимента. Для регистрации сигнала используется оборудование, состоящее из люминесцентного микроскопа, CCD-камеры и персонального компьютера с соответствующим програмным обеспечением [1. A-Д.Мирзабеков (1992) Биоорганическая химия Т.32, №10-11, с.1361-1374; 2. A.D.Mirzabekov (1994) Tibtech January (vol.12)]. Данный пример показывает возможность применения акриламидного геля для изготовления микрочипа на основе прокариот.A characteristic exponential growth of the signal occurs as a result of the multiplication of antibiotic-resistant bacteria in the microchip cells and their accumulation of the fluorescent dye contained in the nutrient medium (
Пример 2Example 2
Микрокапли гелеобразующей смеси, находящейся при 37°С и содержащей 3% легкоплавкой агарозы, 25% глицерина и 5% (v/v) суспензию ночной культуры Е.coli, наносились на стеклянную подложку, покрытую тонким слоем (20 мкм) полиакриламидного геля и охлажденную до 0°С. При этом образовывались агарозные гелевые элементы, прочно закрепленные на подложке. Дальнейший ход эксперимента аналогичен описанному в Примере 1. Результаты приведены на фиг.4. Данный пример иллюстрирует возможность использования агарозы в качестве гелевой основы элементов микрочипа.Microdroplets of a gel-forming mixture at 37 ° C and containing 3% low-melting agarose, 25% glycerol, and 5% (v / v) suspension of E. coli overnight culture were applied to a glass substrate coated with a thin layer (20 μm) of polyacrylamide gel and cooled up to 0 ° С. In this case, agarose gel elements were formed that were firmly attached to the substrate. The further course of the experiment is similar to that described in Example 1. The results are shown in figure 4. This example illustrates the possibility of using agarose as a gel base for microchip elements.
Пример 3Example 3
Приводимый пример иллюстрирует возможность применения клеточного микрочипа в качестве альтернативы методу серийных разведении [Bryan L.E. Bacterial resistance and susceptibility to chemotherapeutic agents. Cambridge University press. Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney, 1982].The example given illustrates the possibility of using a cell microchip as an alternative to the serial dilution method [Bryan L.E. Bacterial resistance and susceptibility to chemotherapeutic agents. Cambridge University press. Cambridge, London, New York, New Rochelle, Melbourne, Sydney, 1982].
Приготавливается гелеобразующая смесь следующего состава: 5% акриламид-N,N'-метиленбисакриламид 19:1, 1×PBS (pH 7,2), 60% глицерин, 0,5% персульфат аммония. Бактериальные культуры, выделенные у пациентов, предварительно выращиваются на твердой среде. Все интересующие колонии отбирают петлей и вносят в отдельные пробирки с гелеобразующим раствором, тщательно суспендируют. Автоматическим микродозатором отбирают по 0,1-0,2 мкл из каждой пробирки и в определенном порядке наносят на предметное стекло, обработанное Bind-Silane. Полимеризуют в парах TEMEDa (см. Пример 1). Количество изготавливаемых микрочипов определяется числом антибиотиков, чувствительность к которым необходимо проверить и колличеством разведении этих антибиотиков. На каждый микрочип наносят каплю (покрывающую все элементы) жидкой среды LB, содержащей определенную концентрацию одного из антибиотиков. Микрочипы помещаются во влажную камеру и инкубируются 3-4 часа при 37°C. Регистрацию результатов осуществляют следующим образом. Микрочипы промывают водой, помещают под микроскоп (400х) и оценивают наличие колоний в каждой ячейке микрочипа (фиг.5А). Отсутствие колоний в ячейке (фиг.5Б) свидетельствует об эффективности данного антибиотика в данной концентрации в отношении данной культуры.A gelling mixture of the following composition is prepared: 5% acrylamide-N, N'-methylenebisacrylamide 19: 1, 1 × PBS (pH 7.2), 60% glycerol, 0.5% ammonium persulfate. Bacterial cultures isolated from patients are pre-grown on solid medium. All colonies of interest are selected by loop and introduced into separate tubes with a gel-forming solution, carefully suspended. An automatic microdoser selects 0.1-0.2 μl from each tube and, in a specific order, is applied to a Bind-Silane-treated glass slide. Polymerized in TEMEDa vapors (see Example 1). The number of manufactured microchips is determined by the number of antibiotics, the sensitivity of which must be checked and the number of dilutions of these antibiotics. A drop (covering all elements) of LB liquid medium containing a certain concentration of one of the antibiotics is applied to each microchip. Microchips are placed in a humid chamber and incubated for 3-4 hours at 37 ° C. The registration of the results is as follows. The microchips are washed with water, placed under a microscope (400 x ) and the presence of colonies in each cell of the microchip is evaluated (Fig. 5A). The absence of colonies in the cell (Fig.5B) indicates the effectiveness of this antibiotic at a given concentration in relation to this culture.
Как следует из описания заявки, специалисты в данной области без особых трудностей смогут найти усовершенствования предложенного изобретения, которые тоже подпадают под его объем, который отражен в формуле изобретения.As follows from the description of the application, specialists in this field can easily find improvements to the proposed invention, which also fall within its scope, which is reflected in the claims.
Источники и публикации, перечисленные в описании, являются неотъемлемой его частью, как если бы все их содержание было включено в описание.Sources and publications listed in the description are an integral part of it, as if all their contents were included in the description.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003104015/13A RU2260046C2 (en) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | Cellular microarray and using thereof in living cell investigations |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003104015/13A RU2260046C2 (en) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | Cellular microarray and using thereof in living cell investigations |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003104015A RU2003104015A (en) | 2004-07-10 |
RU2260046C2 true RU2260046C2 (en) | 2005-09-10 |
Family
ID=35847967
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003104015/13A RU2260046C2 (en) | 2001-10-19 | 2001-10-19 | Cellular microarray and using thereof in living cell investigations |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2260046C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2644683C2 (en) * | 2012-03-30 | 2018-02-13 | Сентро Насьональ Де Биопрепарадос (Байосен) | Method for obtaining of three-dimensional structures used for the detection, isolation or counting of microorganisms |
-
2001
- 2001-10-19 RU RU2003104015/13A patent/RU2260046C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Н.С.ЕГОРОВ, Микробы антагонисты и биологические методы определения антибиотической активности, М., Высшая школа, 1965, с.83. Методы почвенной микробиологии, под ред. проф. Д.Г.ЗВЯГИНЦЕВА, Изд. Московский университет, 1980, с.27. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2644683C2 (en) * | 2012-03-30 | 2018-02-13 | Сентро Насьональ Де Биопрепарадос (Байосен) | Method for obtaining of three-dimensional structures used for the detection, isolation or counting of microorganisms |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20240198332A1 (en) | Devices and methods for analyzing biological samples | |
US10577638B2 (en) | Systems, devices, and methods for microbial detection and identification, and antimicrobial susceptibility testing | |
Ivnitski et al. | Biosensors for detection of pathogenic bacteria | |
AU756412B2 (en) | Device and methods for determination of analyte in a solution | |
US7338778B2 (en) | Luminescent method for determining cell oxygen consumption | |
AU2010201140B2 (en) | Sensitive and rapid biodetection | |
Boitard et al. | Growing microbes in millifluidic droplets | |
Kim et al. | Recent developments of chip-based phenotypic antibiotic susceptibility testing | |
CA2868703A1 (en) | Method and device for detecting metabollically active cells | |
US10465227B2 (en) | Microbial testing devices, methods of making microbial testing devices and methods of identifying novel antimicrobial drug candidates | |
Bettaieb et al. | Immobilization of E. coli bacteria in three-dimensional matrices for ISFET biosensor design | |
US6509166B1 (en) | Detection and quantification of one or more target analytes in a sample using spatially localized analyte reproduction | |
Fesenko et al. | Biosensing and monitoring of cell populations using the hydrogel bacterial microchip | |
RU2260046C2 (en) | Cellular microarray and using thereof in living cell investigations | |
Elad et al. | Microbial cell arrays | |
KR20140011086A (en) | Kit and method for detecting food-borne bacteria | |
US20200347337A1 (en) | Method of selecting microorganism isolates on a high-density growth platform | |
Kim et al. | Recent advances in genetic technique of microbial report cells and their applications in cell arrays | |
US20210254123A1 (en) | Method for the detection of microorganisms and disk-shaped sample carriers | |
Evans | Cell-based biosensors in proteomic analysis | |
Fesenko et al. | Alginate gel biochip for real-time monitoring of intracellular processes in bacterial and yeast cells | |
Ergin | Bacterial biofilm detection methods in the laboratory | |
EP3740585B1 (en) | Improving detection of microorganisms | |
WO1989007880A2 (en) | Process for producing biochemicals | |
CN1306270C (en) | Analyte propagation detection and quantification in a sample using spatial localization |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141020 |