JPH07508342A - 脂質膜センサー - Google Patents

脂質膜センサー

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JPH07508342A
JPH07508342A JP5518003A JP51800393A JPH07508342A JP H07508342 A JPH07508342 A JP H07508342A JP 5518003 A JP5518003 A JP 5518003A JP 51800393 A JP51800393 A JP 51800393A JP H07508342 A JPH07508342 A JP H07508342A
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エコール ポリテクニーク フェデラル ドゥ ローザンヌ(エーペーエフエル)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 脂質膜センサー 本発明は、自己集成性脂質分子の配列を含む新規膜センサーに、またこのような センサーをバイオセンサーとして使用することに関する。
2、関連技術の説明 バイオセンサーは、適当な電子装置、すなわち変換器と密接した生物学的感受性 物質を含む。変換器は、生物学的感受性物質とその周囲の流動媒体、すなわちア ナライトとの相互作用によって生じる生化学的シグナルを、定量化または処理可 能な電子的または光学的情報(二変換する。各種のバイオセンサーに用いられる 様々な種類の生物感受性物質が提案されている。酵素、抗体、抗原、レセプター タンパク質、哺乳類全細胞または組織はどれも潜在的に有用であることが示唆さ れている。しかしながら、これらの物質をセンサーに包含するためには、アナラ イトと相互作用して適当なシグナルを発生させるようにそれらを固定化する必要 がある。
バイオセンサーの種類の一つに脂質2分子層膜(BLM)に基づ(ものがある。
一般的な検討として、H,T、Tienらの「λ1olecUlarElect ronics : Biosensors and Biocomputers  J (F、T、 Hang編、Plenum Press、 New Yor k (1989) 、第259〜268頁)を参照されたい。この中に記載され ているBLMバイオセンサーのサブクラスは、2分子層の片面か支持体に固定さ れており、その反対面がアナライト溶液と接触しているようなセンサーである。
脂質2分子層は自己集成性、すなわち用いられる脂質分子は、支持体ニー脂質: 脂質− のように自身を配置する。ここで、記号”−”は負に荷電した基、例えばホスフ ェートまたはアセテートを表す。脂質2分子層は少数の生物感受性分子を含有す る。例示として、国際特許出願公開公報第WO8910,1159号(CS I RO) +;!、イオンチャンネルヲ提供スる試薬、例えばペプチドグラミシジ ンを含有するBLMについて記載している。ヒト絨毛膜ゴナドトロピン(hCG )に対する2価モノクローナル抗体のFAbフラグメントは水溶液中に存在する 。この抗体はイオンチャンネルをブロックするが、hCGアナライトが水溶液に 導入されると、インピーダンスの変化によって示されるように、ブロックが部分 的に解放される。これらのBLMにおいては、第1層かドデカンチオールの石で あり、第2層が酢酸脂質またはリン脂質の層であり、そして支持体がパラジウム 被覆ガラス電極である。チオール基がパラジウム表面への結合を提供する。国際 特許出願公開公MIEWO90102327号(Australian Mem brane andBiotechnology Re5earch [n5t itute)は、初期の研究の詳細な変型に関する。この明細書は、脂質をパラ ジウムのような金属表面に直接被覆する場合にはリン脂質頭基の代わりに第3の 残基を使用する必要があろうことを記載している。
欧州特許出願公開第441120号公報(Yeda)は、リン脂質を親水性スペ ーサーアームによって支持体に結合することによって、支持体とB L Mの間 に水層を提供することが望ましいと指摘している。例えば、スペーサーを有する リン脂質は下式(1):%式%() て示されるものであってもよい。上式中、PEはホスファチジルエタノールアミ ン残基を表し、またオキシエチレン基の数(n)は7〜25である。チオール基 がリン脂質を支持体に結合する。この結合様式によって、脂質層の組成において 、少量成分が支持体への結合に使用されるスペーサーを有するリン脂質から成る と同時に、リン脂質の本体か2分子層構造を画定するような混合脂質を使用する ことが可能になる(第4頁第34〜36行、第2図)。換言すると、2分子層が 少数の橋架は結合分子によって記録電極に結合され、2分子層の下面とNFm上 面との間に水性媒体で満たされるキャップが残る。BLMには、通常は閉じてい るかエフェクター分子が存在すると開放される「イオンチャンネル」をドープす る。このように、BLMは、2分子層の上面を取り囲む媒体にアナライトとして アセチルコリンを添加した場合に導電率か上昇するとされているアセチルコリン レセプターを含有することかできる。
H,Langらは、1991年8月26〜30日にパリで開イ在されたラングミ ュア−ブロンエツト膜に関する第5回国際会議において、ジスルフィド末端を有 するリン脂質分子によって第1層が金電極支持体に固定されているBLMについ て記載したポスターを掲示した。それらは以下の一般式て表すことがてきる。
R’ −0−P=O0=P−0−R’ (0−CH2Cl、2)n−S −S −(CH,、CH,、−0)。
上式中、R゛はリン脂質DPPA(1,2−シミリストイル−5n−グリセロ− 3−ホスファチジン酸)のジアシルグリセロ残基を表し、そしてnは1.2また は3である。BLMの第2層はD IVI P CまたはPOPC(1−バルミ トイル−2−オレオイル−5n−グリセロ−3−ホスホコリン)の層である。こ のポスターによると、全表面に結合したチオ脂質膜が、優れた長期安定性を示し 且つ膜タンパク質を取り込む理想的なマトリックスを提供する。
本発明の概要 ここで、上記ポスターに提案された膜がセンサーとして適切には機能しないこと がわかった。その問題は、第1層における剛性が高すぎることに原因があり、そ の第1層に(支持体へ結合させるための基を何ら含まない)リン脂質を比較的少 量導入することによって解決された。それゆえ、本発明はYeda特許明細書に 示唆されているものとはまったく反対の構造を提供する。本発明では、第1層が チオ脂質層であって、その中に少量の、例えば5〜25モル%、特に5〜20モ ル%のリン脂質分子が存在する。Yedaの文献では、第1層が非常に少量のチ オ脂質分子によって固定されたリン脂質である。
また、上記ポスターにあるようにジスルフィド固定分子を使用すると望ましいこ とがわかったので、本発明はこの点においてもYedaの文献とは異なるもので ある。Yedaが使用するようなチオールは、このように安定な固定を提供する ことがない。
本発明によると、(1)全記録表面、(2)各端部のジスルフィド(−3−S− )基にそれぞれオキシエチレン(−0−CH2−CH2)鎖を介して結合してい る2個のリン脂質分子の残基を含むチオ脂質の不完全層である第1脂質層であっ て、前記オキシエチレン鎖が、前記チオ脂質を自己集成性によって全表面に固定 できるほど十分に短く、しかし前記全表面と前記チオ脂質層の底部との間に水層 を捕捉させるほど十分に長く、前記チオ脂質が前記全表面に結合され、そして前 記不完全層が、室温において結合されない流動相を付与するリン脂質によって完 成される前記第1脂質層、並びに(3)リン脂質の第2脂質層、を含んて成るB LMセンサーが提供される。
好ましくは、チオ脂質は下式て示される。
OHOH 11o+ R’−0−P、OO,、P−0−R2 (0−CH2CH2)。−S −S −(CH2C)12−0)。
上式中、m及びnは1〜5てあり、そしてR1及びR2はリン脂質分子の残基で ある。m及びnが同してあり且つR1及びR2か同しであることが望ましい。
第1層のリン脂質は、いわゆる定座流動脂質相転移温度(orderedflu id−1ipid phase transition temperatur e)よりも高い単一成分または合成もしくは天然のリン脂質混合物のいずれかを 含むことにより、流動脂質層を提供することが好ましい。
センサーは、アナライトと結合することがてきるリガンド、特にアゴニストと結 合することができる天然レセプタータンパク質を含有するのが普通である。本発 明は、第2脂質層の上に水性媒体を含有するセルの形態にある上記のようなセン サーと、リガンドに結合するアナライト(検出または測定すべき物質)がセルに 添加されたときの脂′R2分子層の特性変化を検出するための手段とを含む装置 を包含する。好ましくは、水性媒体は電解質であり、そして変化が検出される特 性は電気抵抗またはキャパシタンス(それぞれ、ファラデーTi、流または容量 性電流から計算できる)である。
図面の簡単な説明 図は、(イオンチャンネルを擬似斜視図て示すために中央部で擬似垂直断面を切 り取った)本発明のB L Mセンサーの模式図を示す。
図面を参照すると、BLMセンサーは、電極であることができる全表面lと、こ れに接触している第1脂質層2と、その上を覆う第2脂質層3を含んで成る。セ ンサーに導入されるレセプタータンパク質を4で示す。
チオ脂質分子5は、切断されたジスルフィド結合によって全表面に結合している ように示されているが、これは模式的且つ非絶対的と考えるへきである。すなわ ち、ジスルフィド結合は実際にはそのままであることもてきる。リン脂[6にお いて、酸素原子は中実(黒塗)の卵形で示され、一方、他の基は大きな円形で示 される。
N原子はコリン残基のものである。水分子は線装飾卵形7で示される。便宜上、 これら二つの層におけるリン脂質は同じものとする。
というのは、これらの層は、全表面との完成反応が起こる前にチオ脂質層形成成 分を単に洗い流した後にリン脂質を加えることによって、後で形成することがで きるためである。加えられたリン脂質が不完全な第1層を「完成させ」、そして その上に同じ工程中で第2層を形成する。全表面の5〜25%が、第1工程で形 成される不完全チオ脂質単層では覆われずに残っているものと計算することがで きる。このことは、レセプタータンパク質(または酵素もしくは他のリガンド) に脂質2分子層を完全に貫通させ、よって全支持体の真上に親水性環境を到達さ せる必要があるので、有益である。この特徴について以下にさらに詳しく記載す る。
リン脂質は天然のものでも合成されたものでもよいが、便宜上、天然脂質やそれ らの混合物由来のホスファチジルコリン型のものから選ばれる。これらの化合物 は、左旋性(L)配置の通常DPPC1DMPC及びPOPCと略号化されてい る1、2−シパルミトール、1、 2−シミリストイル及びl−バルミトイル− 2−才レイル−5n−グリセロ−3−ホスホコリンである。D’PPCは4ビC の、DMPCは25°Cの、そしてPOPCは0℃の脂質相転移温度を示す。( これらの温度は、水中における脂質分散体に適用され、脂質が表面上の層として 存在する場合には若干高くなる)。通常の室温、すなわち15〜23°Cで使用 する場合には、第1層に所望の流動性を付与するため第1層にはDMPC及びP OPCの約l:1モル混合物が適当である。この比率は、特定の状況に適合させ るため、例えば0.5:1−1:1.5、好ましくは0. 8:1−1:1.  2の範囲内で調整することができる。転移温度が高いため、DPPCはPOPC を含む混合物中でしか、しかもその場合にも少量でしか使用することができない 。
式(3)で示されるリオ脂質は、全支持体から適正な距離のところにリン脂質の 長鎖炭化水素基を固定(anchor) L/、層の剛性を過剰に損失すること なく、全支持体とこれらの基の間に捕捉された水の親水性層を形成できるように 設計されている。オキシエチレン基の数(n)は適宜規定される。本発明者らは 、n=120長鎖ポリオキシエチレン基がチオ脂質層を生成しないことを示した 。チオ脂質分子が全表面に結合しそれに対して整列する自己集成が行われない。
式(3)において、R1基及びR2基は、好ましくはホスファチジン酸誘導体残 基、特に1分子のグリセロールと2分子の長鎖脂肪酸とのエステルの残基である 。長鎖脂肪酸は、パルミチン酸もしくはミリスチン酸のように飽和てあっても、 またはオレイン酸のように不飽和であってもよい。好ましくは、脂肪酸は14〜 22個の炭素原子を有する。ジスルフィドが対称性を示すべきとする原理的理由 は無い。すなわち、R1基及びR2基並びにm及びnの値はそれぞれ同じであっ ても異なってもよいが、それらを製造する実際上の問題としては同しであること が好ましい。
センサーの製作では、単に自己集成が起こるだけである。全支持体を、チオ脂質 の溶液または懸濁液、例えば洗剤溶液または水性小胞懸濁液と接触させる。完全 な層が形成される前にチオ脂質を除去してリン脂質を加える。先に説明したよう に、これは第1層を完成させ且つ2分子層を形成させる単一工程で適宜行われる が、非常に注意深く制御した量の第1のリン脂質を加えて第1層を完成させるこ とができず且つさほど慎重には制御しない量の第2のリン脂質を加えて第2層の 大部分(理論的には全部)を形成させる原理的理由は無い。
リガンドは、単独または第1のリン脂質と共に加えることが好ましい。
センサーは、第2層の上に水性媒体を保持するためセル(小さな区分室)の形態 て構築することが好ましい。検出すべきアナライトはその水性媒体に導入される 。
第1層におけるリン脂質に対するチオ脂質の比率は、リン脂質を加える時点を変 えることによって変更でき、輿望的には、(リン脂質の添加前に)第1層におけ る容量性電流を300〜l000nAとするか、及び/またはファラデー電流を 100〜400nAとする。
本発明のセンサーは、周囲の媒体から薬物、タンパク質、ウィルス、等を選択的 に結合することができる膜タンパク質レセプターを内在させるために用いた場合 に特別な用途がある。特定のリガンドがレセプターに結合するとレセプター内に 構造変化が誘発され、その変化を人工的もしくは生物学的なシグナル増幅反応と 結合させるか或いは直接に電気的または光学的手段によつ 出することができる 。適当な増幅反応には、ある種のレセプタータンパク質中にイオンチャンネルを 形成させ、そのレセプターにリガンドが選択的に結合することが引き金となる酵 素反応を誘発する方法がある。第1のタイプの増幅反応の例として、アセチルコ リン、GABA、グリシン、5−HT3 (セロトニン)レセプター及びナトリ ウム、カリウムまたはカルシウムチャンネルタンパク質によって提供されるよう なリガンド開閉式(ligand−gated)や電圧開閉式(vol tag e−gated)のイオンチャンネルがある。第2のタイプの反応例として、G タンパク質結合レセプター(アドレナリン産生、ドパミン産生、ムスカリン産生 、コレルギン産生(cholerginic)及びセロトリネルギン産生(se rotorinergic)レセプター):非ペプチドリガンド、例えばサブス タンスK、サブスタンスP、ニューロメゾイン(neuromed i n)、 アンギオテンシン、エンドセリン(endothelin)レセプター及びペプ チドリガンドとしてロドプシン並びに嗅覚レセプターなどの感覚レセプター類が 挙げられる。これら及びその他のレセプターについては当該技術分野では周知で あり、A、D、 StrosbergのEur、 J、 Biochem。
196、1−10 (1991)に検討されている。
本発明は、天然膜の脂質層を1回または数回横断することによって脂質2分子層 の外側まで張り出している膜タンパク質レセプターを内在させたバイオセンサー の形成に特定の用途がある。これらの膜タンパク質は、単一のポリペプチド鎖か ら、または数個のサブユニットのポリペプチド鎖から構成されることができる。
オリゴマー膜タンパク質複合体は、同じ(ホモオリゴマー)サブユニットから、 または異なる(ヘテロオリゴマー)サブユニットから構成される場合がある。本 発明のセンサーの膜は、第1層の脂質部分と固体表面の間に水の層を捕捉するよ うに表面に結合する限りでは有利である。
このような水層の厚さは数オングストローム、例えば1〜50人であることがで きる。水層の正確な厚さは第1層の組成によって変化する。この層によって、膜 を越えて張り出すレセプタータンパク質が、自然界で見い出される形状により近 くなることに符合して自然界における様式でリガンドの結合に応答することがで きる形状配置を採ることができる。
特に好ましいセンサーは、5 HT3 (セロトニン)レセプタータンパク質を 内在するセンサーである。5 HTsレセプターはリガンド開閉式イオンチャン ネルを形成することが知られている。ある種のリガンド、具体的には5−ヒドロ キシトリプタミン(セロトニン)及びl−フェニル−ビグアニドが、このレセプ ターのアゴニストとして作用すること、すなわち、タンパク質内のチャンネルの 開口を誘導しイオンが膜を横断して流れるようにすることが知られている。この レセプターに対するアンタゴニストとして作用する、すなわち、タンパク質の構 造を変化させて閉じた状態にする特定の薬物も知られている。これらの5 HT 2 レセプターアンタゴニストは薬理学的に重要である。それゆえ、本発明のバ イオセンサーは、5−HT、なとの生物感受性レセプタータンパク質に対するア ゴニストまたはアンタゴニストとしての薬理学的試薬の活性を評価する上で作用 である。
本発明のセンサーは、各種検出装置、とりわけ、2分子層が搭載される電極の電 気抵抗やキャパシタンスの変化を監視できるようにセンサーが変換器に密接して いる検出装置に用途がある。第2脂質層の上に水性媒体を含存し、アナライトを セルに加えたときの2分子層の特性変化を検出する手段を含有するセルの形態に あるような生物検出装置は、本発明のさらなる態様を形成する。本発明に包含さ れる池の装置は、生物感受性分子のコンフォメーション変化を監視するための他 の検出技法、例えば圧電測定法や表面プラスセン共鳴法(surface pl asmon resonance)に依存し、その検出手段は対応本発明を以下 の例によって説明する。
例1 トリエチレングリコールモノクロロヒドリンと、硫化水素ナトリウム1水和物と 、塩酸とから調製した1−メルカプトトリエチレングリコール3g(18ミリモ ル)を100m lのメタノールに溶解し、炭酸カリウム溶液(水50m1中に 9.5ミリモル、1. 3g)と混合した。loomlのメタノールに2.3g (9ミリモル)のヨウ素を含む溶液を室温で17f4ずつ加えて、ヨウ化カリウ ムを析出させた。黄色い色か残存する場合には脱色するまで少量の亜硫酸ナトリ ウムを添加した。蒸発乾固させた後、その残留物を30m1の塩化メチレンに懸 濁させ、そして冷却後に濾過法でヨウ化カリウムを分離した。得られた溶液を、 溶離液にCH2Cl2/λ1eOH(100:5)を用いて長さ5cmのシリカ ゲルカラムで精製した。その後、精製物を真空下で数時間乾燥すると、はとんど 無色の油状物2.2g(74%)が得られた。
’H−NMR(CDCl2): 6.−2.88 (t、j−6,6Hz、6H ,−OH,−CH2−5);3.55−3.58(m、4H,−C12−C)1 2−OH) ;3.6−3.75 [m、16H;−0−CH2−C112−0 −(6−3,63,);C)+2−CH2−5(6,,3,72,t、コ−6, 6Hz);CH2−0)11十分に乾燥した1、2−ンパルミl−イルー5n− グリセロ−3−ホスファチシン酸二ナトリウム塩(Fluka)I OOmg  (144Pモル)と2.4.6−ドリイソプロピルベンゼンスルホニルクロリド 78mg(288μモル)とを5mlの無水ピリジン中で超音波をかけながら懸 濁させた。それを透明溶液になるまで短時間温めた後、15分間攪拌した。19 mg (57μモル)のビス(8−ヒドロキシ−3,6−シオキサオクチル)ジ スルフィドを1mlの無水ピリジンに溶解し、先に調製した溶液に加えた。この 混合物を、湿分を排除しながら室温で一晩攪拌した。次いで、1mlの無水塩化 メチレンを加えた。この混合物を短時間温め、そしてさらに1時間の攪拌を継続 した。1mlの水を加え、そして15分後に、それを再度短時間温めて、最後に 減圧下で蒸発乾固させた。得られた黄色い残留物を20m1の無水ジエチルエー テルに懸濁(超音波)し、そして濾過した。
その濾液を蒸発させ、シリカゲルカラム(30cmx 1 cm)で精製した。
そのカラムをまず100m1のクロロホルムて洗浄し、次いてCHC1a/Me OHのグラジェント(100:3から100:4)を使用して生成物を溶離した 。痕跡量のシリカゲルを除くために、生成物をもう一度20m1のジエチルエー テルに溶解してから濾過した。
1mlのクロロホルムに溶解し、続いて10m1のアセトンを加えることによっ て再結晶化した。−15°Cで5時間経過後、白色析出物を濾過して単離し、そ して真空下で乾燥すると、無色の固体が63mg(ジスルフィドに対して69% )得られた。
CsJ+soO□oSzPzXH20の元素分析値:理論値 C61,16H1 0,+4 S 3.98 P 3.85分析値 6]、12 10.03 3. 88 3.753.67、 (b、12H,C−0−CH2−CH2−0−C) : 3.76(t、j−6,3Hz、4H,5−CH2−CJl12−); 3 .99−4.03(m、8H、PO−CH2−) ;4 、 +4−4 、44 (m、4H、−CH2−O−Co−) ;5.23(b、2H,:+CH) ’H−NMR(CDCl2): 6..2.97(b、81(,5−CH2,ρ −OH,)120)シリカゲルによる薄層クロマトグラフィーR,0,63(C HC13:MeOH:H20/65.25:4)例2及び3 例1と同様に、ビス(8−ヒドロキシ−3,6−シオキサオクチル)ジスルフィ ドの代わりにヒス(2−ヒドロキシエチル)ジスルフィド及びビス(5−ヒドロ キシ−3−オキサペンチル)ジスルフィド・を使用し、RがDPPCの残基であ り且つn=1まtこは2である式(2)の対応する化合物を調製した。
再結晶後、57%の収率てビス(2−(1,2−シックルミドイル−物(R=D PPA残基、n=1)か得られた。
C.、Hl.、O,、S2P.χH20の元素分析値理論値 C 61.98  H 10.26 S 4.47 P 4.32分析値 60,65 9.50  4.07 4.23CDCI3:CD.OD/2:lにおけるNMRデータは、 n=3の化合物のデータと同してあったか、但し、2,94及び3.76におけ るノくンドかそれそ第13.02及び400にソフトし、そして3.67及び3 .99〜4.03iこおける分離ハンドは認められず、4.17〜4.45にお けるバンドは12H多重線POーCH2ーCH<及び−CH.−0−CO−に帰 属する。
再結晶後、72%の収率でビス(5−(1.2−ジパルミトイル−sn−グリセ ロ−3−ホスホリル)−3−オキサペンチル〕ジスルフィド1水和物(R=DP PA残基、n=2)が得られた。
C7J+s20asS2P2XHzOの元素分析値:理論値 C 61.55  H 10.2O S 4.21 P 4.07分析値 60.18 9.44  4.07 4.05CDC1. :CD.OD/2+ 1におけるNMRデータ は、n=3の化合物のデータと同してあったが、但し、3.67のバンドが4H  PO−CHt−CHzに帰属する3.68のハンドに置き換わった。
2時間以内に新たに解剖した子ウシの脳から子ウシのエントルヒナル(ento rhinal)皮質及び海馬を単離した。すべての手順は特に断らない限り4° Cで実施した。まず、これらの脳(約50g)の組織を切断して小さな断片とし 、20mMのHEPES,130mMのKCI、0.5mMのM g C I  2、1mMのCaC L 、0.5mMのEDTA、ImMのDTT、0.1m MのPMSFを含有するpH7.4の複合緩衝液A(400ml)において1分 間細かくし、そしてガラス−PTFE−ホモジナイザーで磨砕均質化した。
次いて、そのホモジネートを50000gで10分間遠心分離して、細胞の可溶 性化合物と膜画分を分離した。その上清を捨て、ベレットを10倍体積の緩衝液 に再度溶解した。それをもう一度磨砕均質化し、上記のように遠心分離した。得 られたペレットを、8%スクロースを含有する少量の複合緩衝液Aに溶解して、 その後の使用時まで一50°Cて保存しておいた。
解凍した膜を20分間遠心分離(50000g)して、スクロースを含有する溶 液から分離した。残存している無傷の細胞を溶解するため、体積5倍の50mM  HEPES (pH7,4)にペレットを懸濁させ、超音波処理を施し、そし て30分間攪拌した。その懸濁液を遠心分離(5000(Ig、4°Cl2O分 間)した後、得られたペレットを約50m1の40mM溶液に攪拌しながら可溶 化させた。約1時間後、はぼ透明な溶液を100000gで2時間遠心分離して 、なおも存在する膜フラグメントをペレット化した。次いて、その溶液を、OP G/複合緩衝液で平衡化しておいた5−ヒドロキシトリプタミン(5−HT)ア ガロースカラム(Sigma H−7136、カラム寸法2.5X0.9 cm )に10m1/時の流速で充填した。そのカラムをカラム体積の5倍量の同し溶 液で(4ml/時の流速で)洗浄し、脂質と未結合タンパク質を除いた。最後に 、OPG/複合緩衝液中に100mMの5−HTを含む溶液約15m1を用いて 、結合した5−HT、レセプターを溶離した。過剰の5−HTを除去し且つ試料 体積を減少させるため、溶液を限外濾過(Amicon cell 3゜Yλ1 10膜)で最終タンパク質濃度が約1mg/mlになるまで濃縮し、そして−5 0°Cで保存した。
5−HT、レセプターのトリチウム標識IC3205−930に対する結合活性 を以下のように測定した。lμgのレセプタータンパク質を含むレセプター溶液 試料1μmに、放射線標識IC3205−930(6,12μCi/m1SSa ndoz AG、Ba s e I)の44.5nM水溶液を各種量で混合し、 複合緩衝液で全体を500μmとした。1.5時間インキュベートした後、レセ プターを析出させるために100μmのポリエチレングリコール400を加えた 。遠心分離(7000g、10分)後、上清とペレットを分離した。これらの試 料を4mlの液体シンチレーションカクテル(S[GNA−FLUOR:商品名 )と混合し、そして液体シンチレーションカウンター(Beckman Ins truments)を用いて放射能を測定した。
単離されたタンパク質は、5−HT、レセプターのアゴニスト及びアンタゴニス トに対する結合活性を示す。
例5 本発明にはよらない比較用の脂質2分子層膜センサーの製作(i)チオ脂質だけ の第1層を表面に形成オクチルグルコピラノシドなどの洗剤水溶液に溶解させた チオ脂質は、自発的に裸の全表面に吸着して、全表面への共有結合によって支持 された単一の脂質2分子層を集成する。この脂質2分子層の形成は、標準的なロ ックイン(Lock−in)増幅技法を用いて電気化学セルにおける電極の電気 インピーダンス及びキャパシタンスの付随変化を測定することによって観測され た。
電気化学セルの作用電極は、シリコンウェハー(導電率3〜5Ωcm)の厚さ8 00nmの二酸化珪素表面層内に写真平版で製作した円形トラフの裸のシリコン 表面に順次蒸着させた厚さ10nmのクロム層の上に1mm2の円形領域をもつ 厚さ200nmの金層からなるものとした。シリコンウェハーの裏側には厚さ1 0nmのCr層及び厚さ200nmのAu層を順次蒸着してシリコン電極に電気 接点を設けた。
裸の全表面は、100m1の98%硫酸(DAB、 Me r c k)にIg の重クロム酸カリウム(pur iss、、Fluka)を含む混合物中に試料 全体を1分間浸漬することによって調製した。次いて、その試料を脱イオン水で 十分に洗浄した。この手順を2回実施してから電極を電気化学セルの中に配置し た。
最初に、裸の金電極の電気特性を測定するため50μIの0. 1MKCl水溶 液をセルに加えた。標準的なロックイン増幅法で測定した電流値(独立した12 個の実験値の平均)は、容量性電流 Te、、=3400±70nA(±2%) ファラデー電流 1.、、、、〜4520±180nA(±4%)である。
次イテ、セル中の0.1M KCI水溶液50μNm0.5mlのチオ脂質/オ クチル−β−D−グルコピラノシド(OGP)(0,IM KCI中、チオ脂質 0.7mM及びOGP48mM)を添加した。この例では、例I〜3のチオ脂質 をそれぞれ使用した。
金電極へのチオ脂質の吸着は、作用電極とAg/AgC]参照電極の間に±17 .5mVの交流を印加し、ロックイン増幅器でファラデー電流及び容量性電流を 連続的に測定することによって調べた。
10分間の吸着時間後に形成したチオ脂質層のキャパシタンスは、1〜1.5μ F/cm’であった。洗剤を除去するために72時間後に純0.1M KCIで 脂質層を洗浄すると、対応するキャパシタンスは0.5.0.6及び0.7μF /cm”てあり、それらの電気抵抗は5〜IOMΩである。
(11)チオ脂質の第1層の上にリン脂質の第2層を形成上記(i)で調製した 膜をリン脂質のDPPC,DMPCまたはPOPCで処理すると2分子層膜が得 られる。
表1に記載した(金電極に結合した第1の完全なチオ脂質層と上部の第2リン脂 質層を含む)金で支持された混合脂質2分子層の得られたキャパシタンス値は、 0.7〜0.8μF/cmc)v!、囲にあることがわかっている従来の未支持 脂質2分子層の値と全体的に一致している。例えば、R,Benz & B、F 、 G15inのJ、Membrane Biology40293−314  (1,978)を参照されたい。これらの知見は、従来の未支持リン脂質膜の場 合と同等の電気特性を有する単一の支持された脂質2分子層の存在を示している 。
上記(例5)のように、金電極を清浄し、電気化学セルに挿入し、そしてチオ脂 質/オクチルグルコピラノシド(0,IM KCI中0 、 7 mM/ 48  mM)を用いてインキュベートした。電極のキャパシタンスとインピーダンス をロックイン増幅器で連続的に観測した。約2〜3分の吸着時間後、容量性電流 か約200nAの値に到達し、その時点てチオ脂質溶液を完全に除去し、試料を セルに接続したまま洗剤溶液E(0,IM KCI中55mM 0GP)によっ て安定な値か得られるまで数回洗浄した。これらの値は容量性電流て300〜1 000nA、ファラデー電流で100〜400nAの範囲にあった。洗浄工程終 了後、約50μmの溶液を残して他を除去した。これにより連続測定を可能にし た。
次いて、1mlのリン脂質/オクチルグルコピラノシド溶液(0,IM KCI 中、DPPC4,0mM、DMPC4,3mMまたはPOPC3,9mMをOP G41mMと共に含む)をセルに入れ、0.1M KCIで段階的に希釈した。
最初に50μmの体積を加え、次いて100μm、そして最後に500μIの部 分を加えた。希釈による電流応答のさらなる低下が観測できなくなった後に、そ の溶液を完全に0.1M KCIに交換した。2分子層全体の形成には(異なる 試料について何回も実施)、10〜30分かかった。最終電流測定値は、それぞ れ 1 、、、、、 =26.2±8.6.21.5±8.1及び22.7±4.2 Ic、、=131.9±2.6.108.7±11.1及び102.3±10. 3てあった。
金電極上の最終安定混合2分子層は、POPC及びDMPCのどちらのリン脂質 についても0.8(±10%)μF/cm”のキャパシタンス値を示す。抵抗値 は電極1mm”当たり0.5〜LMΩの範囲にある。
金電極上のチオ脂質及びリン脂質の混合単層と第2リン脂質単層とから成る混合 脂質2分子層は、表1に記載の混合2分子層に非常に近いキャパシタンス及び抵 抗値を示す。しかしながら、混合第1層を含む後者の混合2分子層は、膜透過タ ンパク質を包含させる必要かある。例えば、5−HT2レセプターの場合、例5 及び表1の種類の膜にはレセプターを包含することができない。
例5のように、Imrn2の金電極を清浄し、電気化学セルに挿入した。まず、 100μlのチオ脂質10PG(0,IM KCI中0.7mM/48mM)溶 液を加え、例6と同様に吸着工程を実施した。約2分後、溶液を完全に交換した 。試料を0.IM KCI中55mM OCPを含む溶液で数回洗浄した。
レセプター含有溶液を以下のように調製した。2mg (2,9μモル)のDM PCと、2mg (2,6μモル)のPOPC(すなわち、DMPC: POP Cのモル比は約I:1)と、2mg(41μモル)のOPGとを1mlの0.I M KCI中で溶液が透明になるまで超音波処理した。この溶液に15μgの5 −HT3レセプター(例4て使用した複合緩衝液Aと40mMのOPG中、1m g/ml)を混合し、100μIのレセプター含有溶液をセルに入れた。
約2分後、セル溶液を少量のO,LM KCIの添加により段階的に希釈した。
最後に、その溶液を0.1M KCIによって完全に交換した。得られた層は遅 くとも5時間以内に実験に供し、その後0、IM KCI中55rnMのOGP を含む溶液で洗浄することによって除去し、そして氷冷したレセプター溶液を用 いて再度形成した。こうして形成した脂質2分子層膜が示すレセプター二脂質モ ル比は約1:25.oooであった。その電気特性は例6のBLMと同等であり 、キャパシタンスが約0.75μF/cm”、そして抵抗値が試料1mm”当た り0.5〜IMΩであった。
比較のため、対応する純リン脂質/洗剤溶液を用いて金電極上の不完全チオ脂質 単層を完成することによって、レセプタータンパク質を含まない対応する脂質2 分子層を形成した。
50μmずつの5−HT溶液B(0,LM KCI中20μMの5−ITを含む )を(500μmのO,LM KCIを含有するセルに接続されている)内蔵レ セプターを含む層に連続的に加えた。
添加には約50秒の間隔を置いた(容量性及びファラデー電流が一定値に到達) 。独立した二つの実験で得られたデータを、添加した5−HT溶液の体積及び5 −HT濃度と共に表2に記載した。周囲の水性環境中の5−HT(レセプターの アゴニスト)濃度を増加させると、典型的な飽和型挙動が観測される。すなわち 、最初はアゴニスト濃度の増加と共に電気特性が変化するが、あるアゴニスト濃 度において膜のキャパシタンス及び抵抗が一定となる。
レセプターを含まない脂質層を用いて同じ実験を実施した。先と同し濃度範囲で 5−HTを適用しても、純脂質層の電気特性の変化はまったく観測されなかった 。
(iiiN−フェニルビグアニドによる5−HT、レセプターの刺激上記と同様 にレセプター含有系を構築した。同様に測定セルには500μlの0.1M K CIを入れたが、刺激用には、別のアゴニストの1−フェニルビグアニドを20 μMで0.LM KCI中に含む溶液Cを使用した。連続添加体積及び得られた l−フェニルビグアニド濃度並びに二つの実験で得られた電流応答を表3に記載 する。これらの結果は表2の結果と同等である。
表2及び表3の実験結果は、5−HT、レセプターが全支持脂質2仔子層中に包 含され、レセプターがそのアゴニストに結合する能力を保持していることを示し ている。その結合活性は、天然の生物細胞で観測される同じアゴニスト濃度範囲 において起こる。例えば、A、V、 Maricqらの5cience 254 .432−437 (1991)を参照されたい。
レセプターを含まない脂質2分子層を用いて同じ実験を行った。
種々の1−フェニルビグアニド濃度で得られた値を表4に記載する。
これらの結果は、レセプターを含まないセンサーの応答が、センサーにレセプタ ーか固定化されている場合よりもはるかに低いことを(11)に記載のように、 5−HT、レセプターを含有する支持された脂質2分子層を形成した。まず、セ ルに500μIのO,IMKCIを入れ、そして5−ヒドロキシトリプタミン溶 液Bを用いて(11)に記載のように刺激を行った。次に、系をO,IM KC Iで洗浄し、そして測定セルを0.1M KCIに10nMのIC3205−9 30(Sandoz AGより提供された)を含・む溶液500μIて再充填し た。この化合物は式(4)で示される。
最後に、0、IM KCIllOnMのIC3205−930と700μMの5 −ヒドロキシトリプタミンを含む混合物りを少しずつ添加して、TCS 205 −930の濃度を10nMで一定に保った。各添加後、容量性電流とファラデー 電流の値を安定化させた。
両方の実験データと異なる溶液の連続添加体積を表5に示す。ここでは、アンタ ゴニストIC3205−930が存在する場合としない場合との、レセプターに 対する5−HTの結合の濃度依存性を試験した。使用したアンタゴニストのレセ プターに対する解離定数はKd=0.7μMである。使用したアゴニストの解離 定数はKd=0.5〜lμMの範囲にある。アンタゴニストとアゴニストの結合 特性の違いは、表5に記載した実験結果を説明するものである。
10nMのIC3205−930の存在下でレセプターに結合するために必要な 5−HT濃度は、このアンタゴニストが存在しない場合の約40倍高い濃度であ る。このことは、金電極上のレセプターがアゴニストのみならずアンタゴニスト にも結合できることを示している。このように、このレセプターは、支持された 脂質2分子層中で生物学的に活性のある形態て再構築されている。
IC3205−930を適用しても、レセプターを含まない脂質2分子層の電気 特性の変化はまったく観測されなかった。
作用電極をゴム製O−リングによってセルの底部の小さな孔にシールした。この 0−リングを絶縁用の800nmのSiO2層と接触させ、そして環状電極に触 れないよう中央に位置させた。
大きなく幾何学的面積約1 cm” )AgC1被覆Ag線材を対向/参照電極 として使用し、作用電極から一定の距離をおいて固定した。インピーダンス測定 を、2チャンネルロックイン増幅器(EG&G5206型)をv=120Hzて 使用し、電気化学セルにU0=I7.5mV RMSを印加して行った。インピ ーダンスの実数部及び虚数部は、印加電圧によるそれぞれ同相にある電流(ファ ラデー成分11a+md)及び90°ずれた電流(容量性成分1c、、)から得 られた。これらの電流は、電極と直列に配置した1にΩの抵抗器で測定した。
金電極上の膜層のインピーダンスとキャパシタンスは、2個の電流成分11ar a+1及びIll、から、膜キャパシタンスC=1.../(2πvUo )に 近い膜抵抗R=Uo / I t−、−による膜の電気的挙動の簡単なモデルを 用いて測定した。
表1・純チオ脂質/リン脂質系の2分子層膜のキャパシタンスDPPC0,72 ±0.05 0.72±0.OIDMPC0,80±0.02 0.80±0. 0IPOPC0,77±0.02 0.78±0.03表2−5−ヒドロキシト リプタミンによるレセプター刺激の際の電B部 5−HT濃度 実験1 [nA ] 実験2 [nA]μl 8M llmrad Iea++ l1arad  Ices−023,398,420,996,4501,8225101,52 3,2100503,3326,2+03.4 24.5 102.150 4 .62 26.9 104.8 25.2 103.350 5.7+ 27. 3 105.6 25.6 104.350 6.66 27.5 106.5  26.0 105.150 7.50 27.7 106.8 26.2 1 05.650 8.24 27.7 +07.2 26.3 106.150  8.89 27.7 107.5 26.3 106.350 9.47 27 .7 107.8 26.3 106.550 +0.0 27.7 108. 1 26.3 106.550 10.5 27.7 108.1 26.3  106.5表3=1−フェニルビグアニドによるレセプター刺激の際の電流応答 0部 フェニルビグアニド 実験 1 [nA] 実験2 [nA]μm u  M (I a r a d I e * a [l a r a d I e  a s−019,794,920,396,7501,8223,696,32 2,797,3503,3326,197,125,098,0504,622 7,797,626,698,5505,7+ 28.9 98 28.3 9 9.250 6.67 29.7 98.3 29.0 99.450 7.5 0 30.1 98.4 29.5 99.5+00 8.89 30.6 9 8.5 29.8 99.6100 10 30.8 98.6 30.0 9 9.6200 +1.67 31.1 98.6 30.3 99.6200、  12.86 31.2 98.6 30.4 99.6500 14.74  31.2 98.6 30.4 99.6答 1−フェニルビグアニド 濃度 [μMl flared [nA] Icap  [口A]0 21、3 99.5 7、5 20.9 96.5 14.74 20.7 ’ 96.4 表5 : lonMのIcs 205−930が存在する場合としない場合にお ける5−ヒドロキシトリプタミンによるレセプター刺激の際の電流応答 8部 5−)(T IC3不在[nA] D部 5−HT IC3存在[nA] μm μλl flared Ices μl μλl +、・・・41・・・ 3 0.1 B9.0 16.6 10 14 89.1 16.150 1. 8 90.3 17.8 90 117 89.8 18.150 3.3 9 1.0 18.9 100 200 90.2 +9.150 4.6 91. 5 19.4 100 263 90.4 19.750 5.7 91.8  19.8 100 311 90.6 20.250 6.7 92.0 20 .1 100 350 90.7 20.550 7.5 92.1 20.3  100 382 90.7 20.7+00 8.9 92.3 20.7  100 408 90.7 20.8100 10.0 92.5 21.0  100 431 90.7 20.9200 +1.7 92.6 21.2  500 450 90.7 20.9純粋 20.0 92.6 21.2 純 粋 700 90.7 20.9国際調査報告 。rTzl−11Q’110O 976PCT/EP 93100976 フロントページの続き (72)発明者 ボーゲル、ホルスト スイス国、ツェーハー−1028プレベレンジュ、リュ ドウ ローザンヌ 1 5

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.(1)金記録表面、(2)各端部のジスルフィド(−S−S−)基にそれぞ れオキシエチレン(−O−CH2−CH2)鎖を介して結合している2個のリン 脂質分子の残基を含むチオ脂質の不完全層である第1脂質層であって、前記オキ シエチレン鎖が、前記チオ脂質を自己集成性によって金表面に固定できるほど十 分に短く、しかし前記金表面と前記チオ脂質層の底部との間に水層を捕捉させる ほど十分に長く、前記チオ脂質が前記金表面に結合され、そして前記不完全層が 、室温において結合されない流動相を付与するリン脂質によって完成される前記 第1脂質層、並びに(3)リン脂質の第2脂質層、を含んで成る脂質2分子層膜 センサー。
  2. 2.前記チオ脂質が下式(3): ▲数式、化学式、表等があります▼(3)(上式中、m及びnは1〜5であり、 そしてR1及びR2はリン脂質分子の残基である)で示される、請求の範囲1記 載のセンサー。
  3. 3.前記不完全層を完成させるために用いられるリン脂質が、DMPCとPOP Cとの混合物である、請求の範囲1または2に記載のセンサー。
  4. 4.前記混合物が0.5:1〜1:1.5のモル比である、請求の範囲3記載の センサー。
  5. 5.同じリン脂質によって第1層が完成され且つ第2層が形成された、請求の範 囲1、2、3または4に記載のセンサー。
  6. 6.前記金表面と前記第1層の脂質との間に薄い水層が捕捉されている請求の範 囲1〜6のいずれか一つに記載のセンサー。
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