Биологические микрочипы на алюминиевой подложке с ячейками из щеточных полимеров

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлен способ изготовления биологических микрочипов на алюминиевой подложке с гидрофильными ячейками из щеточных сополимеров с формированием матрицы ячеек методом фотолитографии. Поверхность алюминиевых подложек предварительно покрывали тонким, прочным, умеренно гидрофобным слоем перекрестно-сшитого полимера для исключения контакта с поверхностью алюминия компонентов, используемых при анализе нуклеиновых кислот. Алюминиевые подложки биочипов обладают высокой теплопроводностью и малой теплоемкостью, что актуально для мультиплексного ПЦР-анализа на чипе. В ячейках биочипа ковалентно иммобилизовали олигонуклеотидные зонды. Сохранение гибридизационной активности иммобилизованных ДНК-зондов показано в гибридизационном анализе с синтетической ДНК-мишенью, представляющей собой участок экзона 7 гена ABO человека. Представленные методы могут использоваться при разработке технологии параллельного множественного экспресс-микроанализа нуклеиновых кислот “лаборатория на чипе” для выявления соматических и инфекционных заболеваний человека

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

И. Ю. Шишкин

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

Г. Ф. Штылев

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

В. Е. Барский

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

С. А. Лапа

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

О. А. Заседателева

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

В. Е. Кузнецова

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

В. Е. Шершов

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

В. А. Василисков

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

С. А. Поляков

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

А. С. Заседателев

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

А. В. Чудинов

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: chud@eimb.ru
Россия, Москва, 119991

Список литературы

  1. Yershov G., Barsky V., Belgovskiy A., Kirillov E., Kreindlin E., Ivanov I., Parinov S., Guschin D., Drobishev A., Dubiley S., Mirzabekov A. (1996) DNA analysis and diagnostics on oligonucleotide microchips. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 93, 4913–4918. doi: 10.1073/pnas.93.10.4913
  2. Beaudet A.L., Belmont J.W. (2008) Array-based DNA diagnostics: let the revolution begin. Annu. Rev. Med. 59, 113–129. doi: 10.1146/annurev.med.59.012907.101800
  3. Gryadunov D., Dementieva E., Mikhailovich V., Nasedkina T., Rubina A., Savvateeva E., Fesenko E., Chudinov A., Zimenkov D., Kolchinsky A., Zasedatelev A. (2011) Gel-based microarrays in clinical diagnostics in Russia. Exp. Rev. Mol. Diagn. 11, 839–853. https://doi.org/10.1586/ERM.11.73
  4. Strizhkov B.N., Drobyshev A.L., Mikhailovich V.M., Mirzabekov A.D. (2000) PCR amplification on a microarray of gel-immobilized oligonucleotides: detection of bacterial toxin- and drug-resistant genes and their mutations. BioTechniques. 29, 844–857. doi: 10.2144/00294rr01
  5. Tillib S.V., Strizhkov B.N., Mirzabekov A.D. (2001) Integration of multiple PCR amplifications and DNA mutation analyses by using oligonucleotide microchip. Analyt. Biochemistry. 292, 155–160. doi: 10.1006/abio.2001.5082l
  6. Pemov A., Modi H., Chandler D.P., Bavykin S. (2005) DNA analysis with multiplex microarray-enhanced PCR. Nucl. Acids Res. 33, e11. doi: 10.1093/nar/gnh184
  7. Khodakov D.A., Zakharova N.V., Gryadunov D.A., Filatov F.P., Zasedatelev A.S., Mikhailovich V.M. (2008) An oligonucleotide microarray for multiplex real-time PCR identification of HIV-1, HBV, and HCV. BioTechniques. 44, 241–248. doi: 10.2144/000112628
  8. Chudinov A.V., Kolganova N.A., Egorov A.E., Fesenko D.O., Kuznetsova V.E., Nasedkina T.V., Vasiliskov V.A., Zasedatelev A.S., Timofeev E.N. (2015) Bridge DNA amplification of cancer-associated genes on cross-linked agarose microbeads. Microchim. Acta. 182, 557–463. doi: 10.1007/s00604–014–1357–8.
  9. Лапа С.А., Клочихина Е.С., Мифтахов Р.А., Заседателев А.С., Чудинов А.В. (2021) Мультиплексная ПЦР на чипе с прямой детекцией удлинения иммобилизованного праймера. Биоорган. химия. 47, 652–656. https://doi.org/10.31857/S0132342321050298
  10. Лапа C.А., Мифтахов Р.А., Клочихина Е.С., Аммур Ю.И., Благодатских С.А., Шершов В.Е., Заседателев А.С., Чудинов А.В. (2021) Разработка мультиплексной ОТ-ПЦР с иммобилизованными праймерами для идентификации возбудителей инфекционной пневмонии человека. Молекуляр. биология. 55, 944–955. doi: 10.1134/S0026893321040063)
  11. Lysov Y., Barsky V., Urasov D., Urasov R., Cherepanov A., Mamaev D., Yegorov Y., Chudinov A., Surzhikov S., Rubina A., Smoldovskaya O., Zasedatelev A. (2017) Microarray analyzer based on wide field fluorescent microscopy with laser illumination and a device for speckle suppression. Biomed. Optics Express. 8, 4798–4810. https://doi.org/10.1364/BOE.8.004798
  12. Spitsyn M.A., Kuznetsova V.E., Shershov V.E., Emelyanova M.A., Guseinov T.O., Lapa S.A., Nasedkina T.V., Zasedatelev A.S., Chudinov A.V. (2017) Synthetic route to novel zwitterionic pentamethine indocyanine fluorophores with various substitutions. Dyes Pigments. 147, 199–210. http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2017.07.052
  13. Barsky V., Perov A., Tokalov S., Chudinov A., Kreindlin E., Sharonov A., Kotova E., Mirzabekov A. (2002) Fluorescence data analysis on gel-based biochips. J. Biomol. Screening. 7, 247–257. https://doi.org/10.1177/108705710200700308
  14. Мифтахов Р.А., Иконникова А.Ю., Василисков В.А., Лапа С.А., Левашова А.И., Кузнецова В.Е., Шершов В.Е., Заседателев А.С., Наседкина Т.В., Чудинов А.В. (2023) Биочип с ячейками из щеточных полимеров с реактивными карбоксильными группами для анализа ДНК. Биоорган. химия. 49, 641–648. DOI: S0132342323050044
  15. Lee J.G., Cheong K.H., Huh N., Kim S., Choi J.W., Ko C. (2006) Microchip-based one step DNA extraction and real-time PCR in one chamber for rapid pathogen identification. Lab. Chip. 6, 886–895. https://doi.org/10.1039/B515876A
  16. Sin E.J., Moon Y.S., Lee Y.K., Lim J.O., Huh J.S., Choi S.Y., Sohn Y.S. (2012) Surface modification of aluminum oxide for biosensing application. Biomed. Engin: Applications, Basis, Commun. 24, 111–116. doi: 10.1142/S1016237212500093
  17. Chai C., Lee J., Takhistove P. (2010) Direct detection of the biological toxin in acidic environment by electrochemical impedimetric immunosensor. Sensors. 10, 11414–11427. https://doi.org/10.3390/s101211414
  18. Spitsyn M.A., Kuznetsova V.E., Shershov V.E., Emelyanova M.A., Guseinov T.O., Lapa S.A., Nasedkina T.V., Zasedatelev A.S., Chudinov A.V. (2017) Synthetic route to novel zwitterionic pentamethine indocyanine fluorophores with various substitutions. Dyes Pigments. 147, 199–210. http://dx.doi.org/10.1016/j.dyepig.2017.07.052
  19. Schubert J., Chanana M. (2019) Coating matters: review on colloidal stability of nanoparticles with biocompatible coatings in biological media, living cells and organisms. Curr. Med. Chem. 25(35), 4556–4586. doi: 10.2174/0929867325666180601101859
  20. Sim Y.J., Seo E.K. Choi G.J., Yoon S.J., Jang J. (2009) UV-induced crosslinking of poly(vinil acetate) films containing benzophenone. J. Korean Soc. Dyers Finishers. 21(4), 33–38. doi: 10.5764/TCF.2009.21.4.033
  21. Qu B.J., Xu Y.H., Ding L.H., Ranby B. (2000) A new mechanism of benzophenone photoreduction in photoinitiated crosslinking of polyethylene and its model compounds. J. Polym. Sci. A: Polym. Chem. 38(6), 999–1005. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099–0518(20000315)38:6<999:: AID-POLA9>3.0.CO;2–1
  22. Ogiwara Y., Kanda M., Takumi M., Kubota H. (1981) Photosensitized grafting on polyolefin films in vapor and liquid phases. J. Polym. Sci. Polym. Lett. Ed. 19, 457. https://doi.org/10.1002/pol.1981.130190905
  23. Мифтаxов Р.А., Лапа С.А., Шеpшов В.Е., Заcедателева О.А., Гуcейнов Т.О., Cпицын М.А., Кузнецова В.Е., Мамаев Д.Д., Лыcов Ю.П., Баpcкий В.Е., Тимофеев Э.Н., Заcедателев А.С., Чудинов А.В. (2018) Получение активныx каpбокcильныx гpупп на повеpxноcти полиэтилентеpефталатной пленки и количеcтвенный анализ этиx гpупп c помощью цифpовой люминеcцентной микpоcкопии. Биофизика. 63, 661–668. https://doi.org/10.1134/S0006350918040127)
  24. Sorokin N.V., Chechetkin V.R., Livshits M.A., Pan’kov S.V., Donnikov M.Y., Gryadunov D.A., Lapa S.A., Zasedatelev A.S. (2014) Discrimination between perfect and mismatched duplexes with oligonucleotide gel microchips: role of thermodynamic and kinetic effects during hybridization. J. Biomol. Struct. Dynamics. 22, 725–734. doi: 10.1080/07391102.2005.10507039

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема аминирования и флуоресцентного маркирования поверхности алюминиевой подложки.

Скачать (15KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структуры флуоресцентных красителей Cy5-pNP, Cy5-NH₂ и Cy3-pNP.

Скачать (14KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Микрофотография алюминиевой подложки в свете флуоресценции красителя Cy5 при выдержке 100 мс после модификации поверхности 3-аминопропилтриэтоксисиланом (АПТЭС) и маркирования флуоресцентным красителем Cy5. Показан график распределения сигналов вдоль проведенной линии на флуоресцентном изображении.

Скачать (22KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Схема расположения ячеек на подложке биочипа после УФ-полимеризации через фотомаску.

Скачать (19KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Схема получения ячеек из щеточных полимеров на поверхности алюминиевой подложки (а), активации карбоксильных групп (б), флуоресцентного маркирования карбоксильных групп (в), иммобилизации олигонуклеотидных зондов (г) и гибридизации с ДНК-мишенью (д).

Скачать (58KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микроскопическое изображение ячеек из щеточных полимеров на поверхности алюминиевой подложки в отраженном видимом свете. Ячейки размером 200 × 200 мкм с шагом 600 мкм.

Скачать (12KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Картина флуоресценции ячеек из щеточных полимеров на поверхности алюминиевой подложки в свете флуоресценции красителя Cy5 при выдержке 10 мс после активации карбоксильных групп и присоединения красителя Cy5-NH₂. Показан график распределения сигналов вдоль проведенной линии на флуоресцентном изображении.

Скачать (29KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Картина флуоресценции ячеек чипа на канале Cy3 с иммобилизованными ДНК-зондами при микрокапельном нанесении растворов, содержащих различные хаотропные реагенты. Выдержка 100 мс. Буфер карбонатный, рН 9.0, 5% глицерина. 1 – 10% формамида; 2 – 20% формамида; 3 – 10% DМSO; 4 – 20% DMSO; 5 – 0.01% Твин 20; 6 – 0.1% Твин 20; 7 – без добавок.

Скачать (15KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Картина флуоресценции ячеек чипа на канале Cy3 с иммобилизованными ДНК-зондами при микрокапельном нанесении растворов, содержащих различные концентрации глицерина. Выдержка 100 мс. Буфер карбонатный, рН 9.0, 10% формамида. 1 – пустые ячейки; 2 – 5% глицерина; 3 – 10% глицерина; 4 – 20% глицерина.

Скачать (9KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Картина флуоресценции ячеек чипа на канале Cy3 после иммобилизации олигонуклеотидных зондов, меченных Cy3. Показан график распределения сигналов вдоль проведенной линии на флуоресцентном изображении ряда 2 для зонда № 269.

Скачать (26KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Картина флуоресценции на канале Cy5 ячеек из щеточных полимеров на поверхности алюминиевой подложки после гибридизации с мишенью, маркированной красителем Cy5. Показаны графики распределения сигналов вдоль проведенной линии на флуоресцентном изображении ряда 1 зонда № 268 и ряда 2 зонда № 269.

Скачать (41KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024