DE3943870B4 - Luminescently labeled component of an aqueous liquid - Google Patents
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Abstract
Lumineszierend markierte Komponente einer wässrigen Flüssigkeit, umfassend einen Lumineszenz-Farbstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-, Merocyanin-, und Styryl-Farbstoffen, wobei der genannte Farbstoff mit der genannten Komponente kovalent reaktiv und an diese gebunden ist, wobei die Komponente ein Molekül ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus biologischen Zellen, Antikörpern, Proteinen, Peptiden, Enzymsubstraten, Hormonen, Lymphokinen, Metaboliten, Rezeptoren, Antigenen, Haptenen, Lektinen, Toxinen, Kohlenhydraten, Zuckern, Oligosacchariden, Polysacchariden, Nukleotiden, derivatisierten Nukleotiden, Nukleinsäuren, Deoxynukleinsäuren, derivatisierten Nukleinsäuren, derivatisierten Deoxynukleinsäuren, DNA-Fragmenten, RNA-Fragmenten, derivatisierten DNA-Fragmenten, derivatisierten RNA-Fragmenten und Arzneimitteln, oder wobei die Komponente ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus löslichen Polymeren, Kunststoffteilchen, Kunststoffoberflächen, Glasteilchen und Glasoberflächen.luminescent labeled component of an aqueous Liquid, comprising a luminescent dye selected from the group consisting of Cyanine, merocyanine, and styryl dyes, said Dye covalently reactive with the said component and to this is bound, wherein the component is a molecule selected from the group consisting of biological cells, antibodies, proteins, Peptides, enzyme substrates, hormones, lymphokines, metabolites, receptors, Antigens, haptens, lectins, toxins, carbohydrates, sugars, Oligosaccharides, polysaccharides, nucleotides, derivatized Nucleotides, nucleic acids, Deoxynukleinsäuren, derivatized nucleic acids, derivatized deoxynucleic acids, DNA fragments, RNA fragments, derivatized DNA fragments, derivatized RNA fragments and drugs, or wherein the component is selected from the group consisting of soluble Polymers, plastic particles, plastic surfaces, glass particles and glass surfaces.
Description
Cyanin-Farbstoffe und damit verwandte Polymethin-Farbstoffe mit lichtabsorbierenden Eigenschaften sind bereits in photographischen Filmen verwendet worden. Obgleich solche Farbstoffe lichtabsorbierende Eigenschaften erfordern, benötigen sie keine Lumineszenz-(Fluoreszenz- oder Phosphoreszen-)Eigenschaften. Cyanin-Farbstoffe mit Lumineszenz-Eigenschaften haben bislang eine nur sehr eingeschränkte Verwertung erfahren. Eine solche Verwendung ist beispielsweise die Markierung der Sulfhydrylgruppe von Proteinen. In einem Bericht, Salama, G., Waggoner, A.S. und Abramson J., wird unter dem Titel "Sulfhydrylreagens-Farbstoffe lösen die rasche Freisetzung von Ca2+ aus Sarcoplasmin-Reticulum-Bläschen (SR)" aus Biophysical Journal, 47, 456a (1985), festgestellt, daß Cyanin-Chromophore mit einer Iodacetylgruppe zur Bildung von kovalenten Bindungen mit Sulfhydrylgruppen auf dem Sarcoplasmin-Reticulum-Protein bei einem pH-Wert von 6,7, um die Ca2+-Freisetzung auszulösen, verwendet wurden. In dem Bericht heißt es auch, daß Fluoreszenz-Farbstoffe dazu verwendet wurden, um diese Proteine zu markieren und zu isolieren.Cyanine dyes and related polymethine dyes having light absorbing properties have been used in photographic films. Although such dyes require light-absorbing properties, they do not require luminescence (fluorescence or phosphorescence) properties. Cyanine dyes with luminescent properties have so far experienced only a very limited recovery. One such use is, for example, the labeling of the sulfhydryl group of proteins. In a report, Salama, G., Wagoner, AS and Abramson J., entitled "Sulfhydryl Reagent Dyes Solve Rapid Release of Ca 2+ from Sarcoplasmin Reticulum Vesicles (SR)" from Biophysical Journal, 47, 456a (1985), found that cyanine chromophores having an iodoacetyl group were used to form covalent bonds with sulfhydryl groups on the sarcoplasmin reticulum protein at pH 6.7 to induce Ca 2+ release. The report also states that fluorescent dyes were used to label and isolate these proteins.
In einem Bericht von Waggoner, A.S., Jenkins, P.L., Carpenter, J.P. und Gupta, R. mit dem Titel "Kinetik von Konformationsveränderungen in einem Bereich des Rhodopsin-Moleküls, von der Retinyliden-Bindungsstelle entfernt" in Biophysical Journal, 33, 292a (1981), stellen die Autoren fest, daß die Sulfhydrylgruppe auf dem F1-Bereich von Vieh-Rhodopsin mit einem Cyanin-Farbstoff mit einer Absorption bei 660 nm kovalent markiert worden ist. Auch gemäß diesem Bericht werden Cyanin-Farbstoffe zum spezifischen Markieren der Sulfhydrylgruppe eines Proteins verwendet. Die Verwendung von Fluores zenz-Farbstoffen wird jedoch in diesem Bericht nicht beschrieben.In a report by Wagoner, A.S., Jenkins, P.L., Carpenter, J.P. and Gupta, R., entitled "Kinetics of conformational in a region of the rhodopsin molecule, from the retinylidene binding site removed "in Biophysical Journal, 33, 292a (1981), the authors state that the sulfhydryl group on the F1 area of cattle rhodopsin with a cyanine dye has been covalently labeled with an absorbance at 660 nm. Also according to this Report cyanine dyes for specific labeling of the sulfhydryl group a protein used. The use of fluorescence dyes however, is not described in this report.
Ein Artikel mit der Überschrift "Internationaler Workshop über die Anwendung von Fluoreszenz-Photobleichungstechniken auf Probleme der Zellbiologie" von Jacobson K., Elson E., Koppel D., Webb W. in Fed. Proc. 42:72–79 (1983), berichtet über einen Artikel, der von A. Waggoner eingereicht wurde.One Article titled "International Workshop on the Application of fluorescence photobleaching techniques to problems Cell Biology "by Jacobson K., Elson E., Koppel D., Webb W. in Fed. Proc. 42: 72-79 (1983), reports about an article submitted by A. Wagoner.
Dieser bezieht sich auf Fluoreszenz-Sonden vom Cyanintyp, die an Proteine konjugiert werden können und die im tieferen Rotbereich des Spektrums angeregt werden können.This refers to cyanine-type fluorescence probes attached to proteins can be conjugated and which can be excited in the deeper red region of the spectrum.
In den obengenannten drei Berichten werden als einzige Cyanin-Sonden nur solche erwähnt, die sich kovalent spezifisch an die Sulfhydrylgruppe eines Proteins anheften. Die einzige speziell genannte Cyaninverbindung ist eine solche, die eine Iodacetylgruppe aufweist, welche Gruppe bewirkt, daß der Cyanin-Farbstoff gegenüber der Sulfhydrylgruppe kovalent reaktiv wird. In keinem der obenangegebenen Berichte wird die kovalente Reaktion eines Cyanin-Farbstoffs mit irgendeinem anderen Material als einem Protein oder mit irgendeiner anderen Gruppe auf einem Protein als einer Sulfhydrylgruppe beschrieben.In the three reports mentioned above are the only cyanine probes mentioned, covalently specific to the sulfhydryl group of a protein to pin. The only specifically mentioned cyanine compound is one those having an iodoacetyl group which causes group that the Cyanine dye over the sulfhydryl group becomes covalently reactive. In none of the above Reports the covalent reaction of a cyanine dye with any material other than a protein or any one another group described on a protein as a sulfhydryl group.
Viele Nicht-Proteinmaterialien haben jedoch keine Sulfhydrylgruppen, und viele Proteine weisen keine genügende Anzahl von Sulfhydrylgruppen auf, um diese Gruppen für die Zwecke der Fluoreszenz-Sondierung geeignet zu machen. Dazu kommt noch, daß Sulfhydrylgruppen (-SHSH-) leicht zu Disulfiden (-S-S-) in Gegenwart von Luft oxidiert werden und daher für die kovalente Anheftung an eine Fluoreszenz-Sonde nicht mehr verfügbar werden.Lots However, non-proteinaceous materials have no sulfhydryl groups, and many proteins do not have enough Number of sulfhydryl groups on these groups for the purpose to make the fluorescent probing suitable. Additional to that, that sulfhydryl groups (-SHSH-) readily oxidized to disulfides (-S-S-) in the presence of air and therefore for covalent attachment to a fluorescent probe becomes unavailable.
Erfindungsgemäß wurden nun Cyanin- und damit verwandte Polymethin-Farbstoffe entwickelt, die Substituentengruppen besitzen, die unter geeigneten Reaktionsbedingungen nicht nur mit Sulfhydrylgruppen, sondern auch mit Amin-(-NH2-) und Hydroxy-(-OH-)Gruppen oder anderen Gruppen, wie Aldehyd-(-CHO-)Gruppen, auf Proteinen und anderen Materialien kovalent reaktiv sind, um eine Fluoreszenz- und Phosphoreszenz-Erfassung dieser Materialien zu ermöglichen. Durch die Erfindung werden erhebliche Vorteile gegenüber der Verwendung der Iodacetyl-Cyanin-Farbstoffe nach dem Stand der Technik und ihrer spezifischen Reaktivität mit Sulfhydrylgruppen realisiert. Amin- und Hydroxygruppen herrschen in Proteinen und anderen Materialien stärker vor als Sulfhydrylgruppen, und sie sind stabiler. Wenn daher Fluoreszenz-Cyanin-Farbstoffe zur Erfassung des Vorhandenseins von bestimmten Proteinen verwendet werden, wird ein stärkeres Fluoreszenz- oder Phosphoreszenz-Lichtintensitätssignal abgegeben, weil eine größere Anzahl von Farbstoffmolekülen an das zu sondierende Protein angeheftet werden kann. Weiterhin werden Amin- und Hydroxygruppen leichter an Komponenten, die markiert werden sollen, wie Polymerteilchen, die von Natur aus weder Sulfhydryl-, Amin- oder Hydroxygruppen enthalten, angeheftet.According to the invention, cyanine and related polymethine dyes have now been developed which have substituent groups which, under suitable reaction conditions, have not only sulfhydryl groups but also amine (-NH 2 ) and hydroxy (-OH) groups or other groups. like covalently reactive aldehyde (- CHO) groups on proteins and other materials to allow fluorescence and phosphorescence detection of these materials. The invention provides significant advantages over the use of the prior art iodoacetyl-cyanine dyes and their specific reactivity with sulfhydryl groups. Amines and hydroxy groups are more prevalent in proteins and other materials than sulfhydryl groups, and they are more stable. Therefore, when fluorescence cyanine dyes are used to detect the presence of certain proteins, a stronger fluorescence or phosphorescence light intensity signal is emitted because a larger number of dye molecules can be attached to the protein to be probed. Furthermore, amine and hydroxy groups are more likely to be attached to components that are to be labeled, such as polymer particles that inherently contain neither sulfhydryl, amine or hydroxy groups.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren, bei dem Lumineszenz-Cyanin-Farbstoffe, die eine Gruppe enthalten, die mit Amingruppen oder Hydroxygruppen oder anderen reaktionsfähigen Gruppen kovalent reaktiv sind, dazu verwendet werden, um Proteine oder andere Materialien mit einer Amin- oder Hydroxygruppe oder einer anderen Gruppe, die dazu imstande ist, sich mit dem Farbstoff in einem Gemisch umzusetzen, verwendet, so daß das Vorhandensein und das Ausmaß des markierten Proteins oder des anderen Materials erfaßt werden kann, nachdem die markierten Komponenten durch chromatographische Methoden abgetrennt worden sind. Nach den obenangegebenen Druckschriften wurde offenbar die Sulfhydrylgruppe speziell deswegen für die kovalente Reaktion ausgewählt, weil sich auf einem Proteinmolekül so wenige dieser Gruppen befinden und weil in manchen Fällen die Sulfhydrylgruppe in der Funktion des Proteins eine signifikante Rolle spielt. Die Autoren konnten daher annehmen, daß der spezielle Ort einer Sulfhydrylgruppe auf einer Proteinstruktur festgestellt werden kann. Gemäß diesen Druckschriften wurde der für die Sulfhydrylgruppe spezifische Farbstoff auch als Sonde verwendet, um Strukturveränderungen in einem speziellen Protein zu erfassen oder zu erzeugen. Um eine Veränderung der Lichtabsorption durch den Farbstoff oder das durch die Farbstoffbindung freigesetzte Calciumion zu interpretieren, war es erforderlich, zu wissen, wo die Sonde gebunden ist.The invention also relates to a process in which luminescent cyanine dyes containing a group covalently reactive with amine groups or hydroxy or other reactive groups are used to utilize proteins or other materials having an amine or hydroxy group or other group capable of reacting with the dye in a mixture such that the presence and extent of the labeled protein or protein other material can be detected after the labeled components have been separated by chromatographic methods. Apparently, according to the above references, the sulfhydryl group was chosen for the covalent reaction because there are so few of these groups on a protein molecule and because in some cases the sulfhydryl group plays a significant role in the function of the protein. The authors were therefore able to conclude that the specific location of a sulfhydryl group on a protein structure can be determined. According to these references, the dye specific for the sulfhydryl group has also been used as a probe to detect or produce structural changes in a particular protein. In order to interpret a change in light absorption by the dye or the calcium ion released by dye binding, it was necessary to know where the probe was bound.
Da auf den meisten Proteinmolekülen so wenige Sulfhydrylgruppen sind, können diese Gruppen nicht genügend zahlreich sein, um eine angemessene Gesamtlumineszenz für Erfassungsuntersuchungen zu ergeben. Demgegenüber sind Amin- und Hydroxygruppen signifikant zahlreicher, und sie sind auf einem Proteinmolekül weit dispergiert, wodurch es ermöglicht wird, daß eine Fluoreszenz-Sonde an vielfache Stellen auf dem Molekül angefügt wird, wodurch eine Interpretation der Lichtabsorptions- und Fluoreszenzveränderungen durch Erleichterung der Erfassung des Proteins ausgeschlossen wird.There on most protein molecules as few sulfhydryl groups are, these groups can not be sufficiently numerous to provide adequate overall luminescence for detection studies to surrender. In contrast, For example, amine and hydroxy groups are significantly more numerous and they are on a protein molecule widely dispersed, which makes it possible will that one Fluorescence probe is attached to multiple sites on the molecule, whereby an interpretation of the light absorption and fluorescence changes by Facilitation of the capture of the protein is excluded.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Markierung mit Lumineszenz-Polymethin-Cyanin- und verwandten Polymethin-Farbstoffen, wie Merocyanin- und Styryl-Farbstoffen, von Proteinen und anderen Materialien mit Einschluß von Nucleinsäuren, DNA, Arzneimitteln, Toxinen, Blutzellen, mikrobiellen Materialien, Teilchen, Kunststoff- oder Glasoberflächen, Polymermembranen etc. an einer Amin- oder Hydroxystelle auf den genannten Materialien. Die Farbstoffe sind vorteilhafterweise in einem wäßrigen oder einem anderen Medium, in dem das markierte Material enthalten ist, löslich. Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweistufiges Markierungsverfahren zusätzlich zu einem einstufigen Markierungsverfahren. Bei dem zweistufigen Markierungsverfahren kann eine primäre Komponente, wie ein Antikörper, an Stellen darauf mit Einschluß von Amin-, Hydroxy-, Aldehyd- oder Sulfhydrylstellen, markiert werden, und die markierte Komponente wird als Sonde für die sekundäre Komponente, wie ein Antigen, für das der Antikörper spezifisch ist, verwendet.The The present invention relates to luminescent polymethine cyanine labeling. and related polymethine dyes, such as merocyanine and styryl dyes, of proteins and other materials including nucleic acids, DNA, Medicines, toxins, blood cells, microbial materials, particles, plastic or glass surfaces, Polymer membranes etc. at an amine or hydroxystelle on the mentioned materials. The dyes are advantageously in an aqueous or another medium containing the labeled material, soluble. The present invention relates to a two-stage labeling method additionally to a one-step marking procedure. In the two-stage Labeling method may involve a primary component, such as an antibody Include on it including Amine, hydroxy, aldehyde or sulfhydryl sites, and the labeled component is used as a probe for the secondary component, like an antigen, for the antibody is specific.
Gemäß dem oben diskutierten Stand der Technik wurde die Spezifizität der Stelle der Anheftung durch eine Cyanin-Sonde dadurch erhalten, daß eine Sonde verwendet wurde, die gegenüber einer Sulfhydrylgruppe kovalent reaktiv ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen zweistufigen Verfahren können Cyanin- und damit verwandte Sonden in einer ersten Stufe mit Amin-, Aldehyd-, Sulfhydryl-, Hydroxy- oder anderen Gruppen auf einer ersten Komponente, wie einem Antikörper, umgesetzt werden, worauf der Antikörper die gewünschte Spezifizität in einer zweiten Komponente, wie einem Antigen, in einer zweiten oder Anfärbungsstufe erhalten kann, wobei die Spezifizität durch die Antigenstelle der Anheftung an den Antikörper bestimmt wird.According to the above The prior art discussed was the specificity of the site the attachment by a cyanine probe obtained by a probe was used opposite covalently reactive with a sulfhydryl group. According to the two-stage according to the invention Procedures can Cyanine and related probes in a first stage with amine, Aldehyde, sulfhydryl, hydroxy or other groups on a first Component, such as an antibody, whereupon the antibody has the desired specificity in one second component, such as an antigen, in a second or staining step the specificity by the antigenic site of the Attach to the antibody is determined.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch Lumineszenz-Polymethin-Cyanin-Verbindungen und damit verwandte Verbindungen, die Gruppen enthalten, die sie in die Lage versetzen, kovalent an Amin-, Hydroxy-, Aldehyd- oder Sulfhydrylgruppen auf einem Targetmolekül angeheftet zu werden. Die Erfindung richtet sich weiterhin auf monoklonale Antikörper und andere Komponenten, die mit diesen Lumineszenz-Cyanin-Verbindungen markiert sind und die dazu imstande sind, Sonden für Antigene zu sein. Wenn das Target eine Zelltype ist, dann kann die vorliegende Erfindung dazu verwendet werden, die Menge der markierten Antikörper zu messen, die an die genannte Zelltype angeheftet ist. Die Messung kann in der Weise erfolgen, daß man die relative Helligkeit oder Abschwächung der Lumineszenz der Zellen erfaßt.The The present invention also relates to luminescent polymethine cyanine compounds and related compounds that contain groups that they covalently attach to amine, hydroxy, aldehyde or Sulfhydryl groups to be attached to a target molecule. The Invention is further directed to monoclonal antibodies and other components containing these luminescent cyanine compounds are labeled and capable of detecting probes for antigens be. If the target is a cell type, then the present one Be used to increase the amount of labeled antibody measure that is attached to said cell type. The measurement can be done in such a way that one the relative brightness or attenuation of the luminescence of the cells detected.
Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, die Konzentration eines bestimmten Proteins oder einer anderen Komponente in einem System zu bestimmen. Wenn die Anzahl der reaktiven Gruppen auf einem Protein, das mit einer Sonde umgesetzt werden kann, bekannt ist, dann ist die Fluoreszenz pro Molekül bekannt, und die Konzentration dieser Moleküle in dem System kann anhand der Gesamt-Lumineszenzintensität des Systems ermittelt werden.The The present invention can be used to determine the concentration a particular protein or component in one System to determine. If the number of reactive groups on one Protein that can be reacted with a probe is known then the fluorescence per molecule is known, and the concentration of these molecules in the system can be determined by the total luminescence intensity of the system be determined.
Das Verfahren kann dazu angewendet werden, um eine Vielzahl von Proteinen oder anderen Materialien in einem System quantitativ zu bestimmen, indem man alle eines Gemisches von Proteinen in dem System markiert und sodann die markierten Proteine durch irgendwelche Maßnahmen, wie chromatographische Maßnahmen, abtrennt. Die Menge der abgetrennten Proteine, die lumineszieren, kann bestimmt werden. In chromatographischen Erfassungssystemen kann der Ort des Farbstoffs auf dem markierten Material ermittelt werden.The Procedure can be applied to a variety of proteins or to quantify other materials in a system, by marking all of a mixture of proteins in the system and then the labeled proteins by any means, like chromatographic measures, separates. The amount of separated proteins that luminesce, can be determined. In chromatographic detection systems the location of the dye on the labeled material can be determined.
Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, um die Anzahl von verschiedenen Zellen, die mit einem Antikörper etikettiert sind, zu bestimmen. Diese Bestimmung kann in der Weise erfolgen, daß man eine Vielzahl von Typen der Zellen in einem System etikettiert und sodann die etikettierten Zellen außerhalb des Systems abtrennt. Auch können die etikettierten Zellen von nichtetikettierten Zellen außerhalb des Systems abgetrennt werden.The Invention may also be used to determine the number of different ones Cells with an antibody are labeled to determine. This provision may be in the way done that one a variety of types of cells labeled in a system and then the labeled cells are separated outside the system. Also can the labeled cells of unlabelled cells outside be separated from the system.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Multiparameter-Verfahren, bei dem eine Vielzahl von Lumineszenz-Cyanin- oder verwandten Farbstoffen verwendet wird, die jeweils an eine Vielzahl von verschiedenen primären Komponenten, wie Antikörpern, angeheftet sind, wobei jeder Farbstoff für eine unterschiedliche sekundäre Komponente, wie ein Antigen, spezifisch ist, um jeden einer Vielzahl der genannten Antigene in einem Gemisch von Antigenen zu identifizieren. Gemäß dieser Ausführungsform wird jeder der genannten Antikörper gesondert mit einem Farbstoff mit verschiedener Lichtabsorption und verschiedenen Lumineszenzwellenlängen-Eigenschaften als der Farbstoff, der zur Markierung der anderen Sonden verwendet wird, markiert. Sodann werden alle markierten Antikörper zu einem zu analysierenden biologischen Präparat gegeben, das sekundäre Komponenten, wie Antigene, enthält, welche jeweils durch bestimmte markierte Antikörper angefärbt werden können. Irgendwelche nichtumgesetzten Farbstoffmaterialien können aus dem Präparat beispielsweise durch Auswaschen entfernt werden, wenn sie die Analyse stören. Das biologische Präparat wird sodann einer Vielzahl von Anregungswellenlängen ausgesetzt, wobei jede verwendete Anregungswellenlänge die Anregungswellenlänge eines bestimmten konjugierten Farbstoffs ist. Ein Lumineszenz-Mikroskop oder ein anderes Lumineszenz-Erfassungssystem, wie ein Fließ-Cytometer oder ein Fluoreszenz-Spektrophotometer, das Filter oder Monochrometer zur Auswahl der Strahlen der Anregungswellenlänge und zur Auswahl der Wellenlängen der Lumineszenz aufweist, wird dazu verwendet, um die Intensität der Strahlen der Emissionswellenlänge, die der Anregungswellenlänge entspricht, zu bestimmen. Die Intensität der Lumineszenz bei Wellenlängen, die der Emissionswellenlänge eines bestimmten konjugierten Farbstoffs entspricht, zeigt die Menge des Antigens an, die an den Antikörper gebunden ist, an den der Farbstoff angefügt ist. In bestimmten Fällen kann eine einzige Wellenlänge der Anregung dazu verwendet werden, um Lumineszenz von zwei oder mehreren Materialien in einem Gemisch zu erregen, wobei jede Fluoreszenz bei einer verschiedenen Wellenlänge und die Menge jeder markierten Art dadurch gemessen werden kann, daß man ihre individuelle Fluoreszenzintensität bei der jeweiligen Fluoreszenzwellenlänge erfaßt. Gewünschtenfalls kann eine Lichtabsorptions-Erfassungsmethode angewendet werden. Das erfindungsgemäße Zweistufen-Verfahren kann auf ein beliebiges System angewendet werden, bei dem ein mit einem Farbstoff konjugiertes primäres Material und dem Farbstoff ge- oder Lichtabsorptions-Erfassungssystem verwendet wird, um das Vorhandensein eines anderen Materials zu erfassen, auf das das Konjugat aus dem primären Material in dem Farbstoff gerichtet ist. So kann beispielsweise der Farbstoff an ein Fragment von DNA oder RNA konjugiert sein, um ein mit Farbstoff konjugiertes DNA- oder RNA-Fragment zu bilden, das sodann auf einen Hauptstrang von DNA oder RNA gerichtet wird, zu dem das Stück komplementär ist. Das gleiche Testverfahren kann dazu verwendet werden, um das Vorhandensein von irgendeinem komplementären Hauptstrang von DNA zu erfassen.A another embodiment of the present invention a multiparameter method in which a plurality of luminescence cyanine or related dyes used, each to a variety of different primary Components, such as antibodies, attached, each dye being for a different secondary component, as an antigen, is specific to each of a variety of Identify antigens in a mixture of antigens. According to this embodiment is any of the mentioned antibodies Separately with a dye with different light absorption and various luminescence wavelength characteristics as the dye, the used to mark the other probes marked. thereupon become all labeled antibodies given to a biological preparation to be analyzed, the secondary components, like antigens, contains, which can each be stained by specific labeled antibodies. any unreacted dye materials can be obtained from the preparation, for example be removed by washing out if they interfere with the analysis. The biological preparation is then exposed to a variety of excitation wavelengths, with each used excitation wavelength the excitation wavelength a particular conjugated dye. A luminescence microscope or another luminescence detection system, such as a flow cytometer or a fluorescence spectrophotometer, the filter or monochrometer for selecting the excitation wavelength rays and for selecting the wavelengths of the Luminescence is used to determine the intensity of the rays the emission wavelength, that of the excitation wavelength corresponds to determine. The intensity of luminescence at wavelengths that the emission wavelength corresponds to a particular conjugated dye, the amount shows of the antigen bound to the antibody to which the Dye is added. In certain cases can be a single wavelength the excitation can be used to detect luminescence from two or more excite multiple materials in a mixture, each fluorescence at a different wavelength and the amount of each labeled species can be measured thereby that he their individual fluorescence intensity detected at the respective fluorescence wavelength. If desired, For example, a light absorption detection method can be used. The two-stage process according to the invention can be applied to any system in which one with a dye conjugated primary material and the dye ge or light absorption detection system used to indicate the presence of another material too detect the conjugate of the primary material in the dye is directed. For example, the dye may be attached to a fragment of DNA or RNA conjugated to a dye conjugate DNA or RNA fragment, which then on a main strand of DNA or RNA to which the piece is complementary. The same test method can be used to detect the presence from any complementary Main strand of DNA to capture.
Die erfindungsgemäßen Cyanin- und damit verwandten Farbstoffe sind besonders gut für die Analyse eines Gemisches von Komponenten geeignet, bei dem Farbstoffe einer Vielzahl von Anregungs- und Emissionswellenlängen erforderlich sind, weil spezielle Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe synthetisiert werden können, die einen weiten Bereich von Anregungs- und Emissionswellenlängen haben. Spezielle Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe mit spezifischen Anregungs- und Emissionswellenlängen können synthetisiert werden, indem die Anzahl der Methingruppen variiert wird oder indem die Cyanin-Ringstrukturen modifiziert werden. Auf diese Weise ist es möglich, Farbstoffe mit besonderen Anregungswellenlängen zu synthetisieren, um einer besonderen Anregungs-Lichtquelle, wie einem Laser, zum Beispiel einem HeNe-Laser oder einem Diodenlaser, zu entsprechen.The cyanine according to the invention and related dyes are particularly good for the analysis of a Mixture of components suitable in which dyes of a variety of excitation and emission wavelengths are required because special cyanine and related dyes can be synthesized which have a wide range of excitation and emission wavelengths. Special cyanine and related dyes with specific Excitation and emission wavelengths can be synthesized by varying the number of methine groups or by modifying the cyanine ring structures. On This way it is possible dyes with special excitation wavelengths to synthesize to a special excitation light source, such as a laser, for example a HeNe laser or a diode laser, correspond to.
Die Erfindung betrifft die kovalente Reaktion von hochlumineszenten und hochlichtabsorbierenden Cyanin- und damit verwandten Farbstoffmolekülen unter Reaktionsbedingungen mit Amin-, Hydroxy-, Aldehyd-, Sulfhydryl- oder anderen Gruppen auf Proteinen, Peptiden, Kohlenhydraten, Nucleinsäuren, derivatisierten Nucleinsäuren, Lipiden, bestimmten anderen biologischen Molekülen, biologischen Zellen sowie nichtbiologischen Materialien, beispielsweise löslichen Polymeren, Polymerteilchen, Polymeroberflächen, Polymermembranen, Glasoberflächen und anderen Teilchen und Oberflächen. Da die Lumineszenz hochempfindliche optische Techniken umfaßt, kann die Anwesenheit dieser Farbstoff-"Etiketten" erfaßt und selbst dann quantitativ bestimmt werden, wenn das "Etikett" nur in sehr geringen Mengen vorhanden ist. Somit können die Farbstoffmarkierungs-Reagentien dazu verwendet werden, die Menge eines Materials, das markiert worden ist, zu messen. Die am besten geeigneten Farbstoffe sind hoch lichtabsorbierend (ε = 70.000 bis 250.000 l/mol-cm oder höher) und sehr lumineszent, und sie haben Quantenausbeuten von mindestens 5% bis 80% oder mehr. Die qualitativen Eigenschaften betreffen die Farbstoffe selbst und Farbstoffe, die an ein markiertes Material konjugiert sind.The invention relates to the covalent reaction of highly luminescent and high-light absorbing cyanine and related dye molecules under reaction conditions with amine, hydroxy, aldehyde, sulfhydryl or other groups on proteins, peptides, carbohydrates, nucleic acids, derivatized nucleic acids, lipids, certain other biologicals Molecules, biological cells and non-biological materials, such as soluble polymers, polymer particles, polymer surfaces, polymer membranes, glass surfaces and other particles and surfaces. Since luminescence involves highly sensitive optical techniques, the presence of these dye "labels" can be detected and quantified even if the "label" is present only in very small amounts. Thus, the dye-labeling reagents can be used to measure the amount of material that has been labeled. The most suitable dyes are highly light-absorbing (ε = 70,000 to 250,000 l / mol-cm or higher) and very luminescent, and have quantum yields of at least 5% to 80% or more. Qualitative properties concern the dyes themselves and dyes that correspond to a labeled material are greedy.
Eine wichtige Anwendung für diese Farbmarkierungs-Reagentien ist die Herstellung von lumineszierenden monoklonalen Antikörpern, Monoklonale Antikörper sind Proteinmoleküle, die sich sehr eng und sehr spezifisch an bestimmte chemische Stellen oder "Marker" auf Zelloberflächen oder innerhalb von Zellen binden. Diese Antikörper besitzen daher eine enorme Forschungseignung und klinische Eignung zur Identifizierung von bestimmten Zelltypen (zum Beispiel HLA-Klassifizierung, T-Zell-Subsets, Bakterien- und Virenklassifizierung etc.) und erkrankte Zellen. In der Vergangenheit ist die Menge des an eine Zelle gebundenen Antikörpers dadurch quantitativ bestimmt worden, daß man den Antikörper auf verschiedene Weise markiert hat. Das Markieren ist mit einer radioaktiven Markierung (Radioimmuno-Assay), einem Enzym (ELISA-Techniken) oder einem Fluoreszenz-Farbstoff (gewöhnlich Fluorescein, Rhodamin, Texasrot® oder Phycoerythrin) bewerkstelligt worden. Die meisten Hersteller und Anwender von klinischen Antikörper-Reagentien möchten von den mit der Verwendung von radioaktiven Tracern inhärenten Problemen wegkommen, so daß die Lumineszenz als eine der vielversprechendsten Alternativen angesehen wird. Tatsächlich liefern nunmehr viele Firmen mit Fluorescein, Texasrot®, Rhodamin und Phycoerythrin markierte monoklonale Antikörper.An important application for these color-labeling reagents is the production of luminescent monoclonal antibodies. Monoclonal antibodies are protein molecules that bind very tightly and very specifically to particular chemical sites or "markers" on cell surfaces or within cells. These antibodies therefore have tremendous research capability and clinical utility to identify particular cell types (for example, HLA classification, T-cell subsets, bacterial and viral classification, etc.) and diseased cells. In the past, the amount of antibody bound to a cell has been quantified by labeling the antibody in various ways. The marking has been accomplished with a radioactive label (radioimmunoassay), an enzyme (ELISA techniques) or a fluorescent dye (usually fluorescein, rhodamine, Texas Red ®, or phycoerythrin). Most manufacturers and users of clinical antibody reagents wish to avoid the inherent problems with the use of radioactive tracers, so that luminescence is considered to be one of the most promising alternatives. In fact, now provide many companies with fluorescein, Texas Red ®, rhodamine and phycoerythrin labeled monoclonal antibodies.
In den letzten Jahren ist die optische/elektronische Instrumentierung für die Erfassung von fluoreszierenden Antikörpern auf Zellen komplizierter geworden. So kann beispielsweise die Fließ-Cytometrie dazu verwendet werden, um die Menge von fluoreszierendem Antikörper auf individuellen Zellen mit einer Rate von bis zu 5.000 Zellen pro Sekunde zu bestimmen. Auch mikroskopische und Lösungs-Fluoreszenztechniken haben Fortschritte erzielt. Diese Instrumente können eine Fluoreszenz bei vielen Wellenlängen des UV-, sichtbaren und nahen IR-Bereichs des Spektrums erregen. Doch können die meisten der derzeit verfügbaren, verwendbaren Fluoreszenz-Markierungs-Reagentien nur im 400- bis 580-nm-Bereich des Spektrums angeregt werden. Die Ausnahmen sind einige der Pigmente vom Phycobiliprotein-Typ, die aus Meeresorganismen isoliert worden sind und die kovalent an Proteine angeheftet werden können. Diese können bei etwas niedrigeren Wellenlängen angeregt werden. Es gibt daher ein großes Spektralfenster im Bereich von 580 bis ungefähr 900 nm, wo es notwendig ist, daß neue Markierungs-Reagentien zur Markierung von biologischen und nichtbiologischen Materialien verfügbar werden, wobei die Analyse mit der derzeit verfügbaren Instrumentierung durchgeführt werden soll. Neue Reagentien, die in diesem Spektralbereich anregbar sind, würden es ermöglichen, Multifarb-Lumineszenzanalysen von Markern auf Zellen durchzuführen, da Antikörper mit verschiedenen Spezifizitäten jeweils mit einem verschieden gefärbten Fluoreszenz-Farbstoff markiert werden könnten. Somit könnte das Vorhandensein von mehreren Markern gleichzeitig für jede analysierte Zelle bestimmt werden.In In recent years, the optical / electronic instrumentation for the Capture of fluorescent antibodies to cells more complicated become. For example, flow cytometry can be used be to the amount of fluorescent antibody on individual cells at a rate of up to 5,000 cells per second. Also microscopic and solution fluorescence techniques have made progress. These instruments can fluoresce in many wavelength of the UV, visible and near IR region of the spectrum. But you can most of the currently available, usable fluorescence labeling reagents only in the 400 to 580 nm range of the spectrum are excited. The exceptions are some of the pigments of the phycobiliprotein type isolated from marine organisms and which can be covalently attached to proteins. These can at slightly lower wavelengths be stimulated. There is therefore a large spectral window in the area from 580 to about 900 nm, where it is necessary that new Labeling reagents for labeling of biological and non-biological Materials available using the analysis currently available should. New reagents that are excitable in this spectral region, would make it possible Multi-Color Lumineszenzanalysen from markers to cells, there antibodies with different specificities each with a different colored fluorescent dye could be marked. Thus, that could Presence of multiple markers simultaneously for each analyzed Cell to be determined.
Die Erfindung betrifft auch lumineszierende (fluoreszierende oder phosphoreszierende) Cyanin-, Merocyanin- und Styryl-Farbstoffe selbst, die an biologische und nichtbiologische Materialien kovalent angeknüpft werden können. Merocyanin- und Styryl-Farbstoffe werden für die Zwecke dieser Erfindung als mit Cyanin-Farbstoffen verwandt angesehen. Die neuen Markierungs-Reagentien selbst, jedoch insbesondere dann, wenn sie mit einer markierten Komponente konjugiert sind, können durch Licht von ersten definierten Wellenlängen, zum Beispiel durch Licht in Wellenlängenbereichen des Spektrums von 450 bis 900 nm, angeregt werden. Die Hintergrund-Fluoreszenz von Zellen erfolgt im allgemeinen bei einer niedrigeren Wellenlänge. Daher werden sich die Markierungs-Reagentien gegenüber der Hintergrund-Fluoreszenz unterscheiden. Von besonderem Interesse sind die Derivate, die Licht bei 633 nm absorbieren, da sie durch billige, intensive, stabile und langlebige HeNe-Laserquellen angeregt werden können. Licht von zweiten definierten Wellenlängen, das durch die markierte Komponente fluoresziert oder phosphoresziert wird, kann sodann erfaßt werden. Das fluoreszierte oder phosphoreszierte Licht hat im allgemeinen eine größere Wellenlänge als das Anregungslicht. In der Erfassungsstufe kann ein Lumineszenz-Mikroskop verwendet werden, das einen Filter zur Absorption von Streulicht der Anregungswellenlänge und zum Durchgang der Wellenlänge hat, die der Lumineszenz entspricht, die der jeweiligen Farbstoffmarkierung entspricht, die mit der Probe verwendet wird. Ein derartiges optisches Mikroskop ist zum Beispiel in der US-PS 4 621 911 beschrieben.The Invention also relates to luminescent (fluorescent or phosphorescent) Cyanine, merocyanine and styryl dyes themselves covalently attached to biological and nonbiological materials be linked can. Merocyanine and Styryl dyes are used for the purposes of this invention as related to cyanine dyes considered. The new labeling reagents themselves, but especially when conjugated to a labeled component, can by light of first defined wavelengths, for example by light in wavelength ranges of the spectrum from 450 to 900 nm. The background fluorescence Cells are generally at a lower wavelength. Therefore, be the labeling reagents are opposite to the background fluorescence differ. Of particular interest are the derivatives, the light Absorb at 633 nm, as they pass through cheap, intense, stable and durable HeNe laser sources can be stimulated. Light of second defined wavelengths, which is marked by the Component is fluorescent or phosphoresced, can then be detected. The fluorescent or phosphorescent light generally has a larger wavelength than the excitation light. In the detection stage, a luminescence microscope be used, which has a filter for absorbing stray light the excitation wavelength and to the passage of the wavelength has, corresponding to the luminescence, that of the respective dye marking corresponds to that used with the sample. Such an optical Microscope is described, for example, in US Pat. No. 4,621,911.
Nicht alle Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe sind lumineszierend. Jedoch schließen die erfindungsgemäßen Farbstoffe solche Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe ein, die lumineszierend sind. Sie sind relativ photostabil, und viele sind in der Reaktionslösung, vorzugsweise einer wäßrigen Lösung, löslich. Die konjugierten Farbstoffe selbst, jedoch insbesondere, wenn sie mit einer markierten Komponente konjugiert sind, haben molare Extinktionskoeffizieten (ε) von mindestens 50.000 und vorzugsweise mindestens 100.000 Liter pro mol-cm. Der Extinktionskoeffizient ist ein Maß der Fähigkeit der Moleküle, Licht zu absorbieren. Die erfindungsgemäßen konjugierten Farbstoffe haben Quantenausbeuten von mindestens 2% und vorzugsweise mindestens 10%. Dazu absorbieren und emittieren die erfindungsgemäßen konjugierten Farbstoffe Licht im Spektralbereich von 400 bis 900 nm und vorzugsweise im Spektralbereich von 600 bis 900 nm.Not all cyanine and related dyes are luminescent. However close the dyes of the invention such cyanine and related dyes which are luminescent are. They are relatively photostable, and many are in the reaction solution, preferably an aqueous solution, soluble. The conjugated dyes themselves, but especially when combined with conjugated to a labeled component have molar extinction coefficients (ε) of at least 50,000 and preferably at least 100,000 liters per mol-cm. The extinction coefficient is a measure of the molecules' ability to light to absorb. The conjugated dyes of the invention have quantum yields of at least 2% and preferably at least 10%. For this purpose, the conjugated compounds according to the invention absorb and emit Dyes light in the spectral range from 400 to 900 nm and preferably in the spectral range from 600 to 900 nm.
Arylsulfonierte FarbstoffeArylsulfonierte dyes
Es wurde nun gefunden, daß die hierin beschriebenen Arylsulfonat- oder Arylsulfonsäure-Farbstoffe ihrer Natur nach stärker fluoreszierend sind und verbesserte Photostabilitäts- und Wasserlöslichkeitseigenschaften haben als ähnliche Farbstoffe ohne Arylsulfonat- oder Arylsulfonsäuregruppen. Die hierin verwendeten Bezeichnungen Arylsulfonat oder Arylsulfon säure sollen Arylsulfonsäuregruppen oder Arylsulfonatgruppen bezeichnen, wobei die genannten Gruppen an aromatische Ringstrukturen angefügt sind, mit Einschluß einer einzigen aromatischen Ringstruktur oder einer kondensierten Ringstruktur, beispielsweise einer Naphthalinstruktur. Die einzige aromatische Ringstruktur oder die kondensierte aromatische Ringstruktur kann in Polymethin-, Cyanin-, Merocyanin- oder Styryl-Farbstoffen vorhanden sein.It has now been found that the arylsulfonate or arylsulfonic acid dyes of theirs described herein Nature after stronger are fluorescent and have improved photostability and water solubility properties have as similar Dyes without arylsulfonate or arylsulfonic acid groups. The ones used herein Designations of arylsulfonate or arylsulfonic acid are arylsulfonic acid groups or aryl sulfonate groups, said groups are added to aromatic ring structures, with inclusion of a single aromatic ring structure or a fused ring structure, for example, a naphthalene structure. The only aromatic Ring structure or the fused aromatic ring structure can present in polymethine, cyanine, merocyanine or styryl dyes be.
Viele Farbstoffe mit planaren Molekularstrukturen mit Einschluß von üblichen Cyanin-Farbstoffen neigen dazu, in wäßriger Lösung Dimere und Aggregate höherer Ordnung zu bilden, und zwar insbesondere dann, wenn gleichfalls anorganische Salze vorhanden sind, wie es beispielsweise in gepufferten Lösungen und physiologischer Kochsalzlösung der Fall ist. Diese Aggregate haben gewöhnlich Absorptionsbanden, die zu der kurzen Wellenlängenseite der Monomerabsorption verschoben sind, und sie sind im allgemeinen sehr schwach fluoreszierende Arten. Die Tendenz der Cyanin-Farbstoffe, in wäßriger Lösung leicht Aggregate zu bilden, ist insbesondere in der Photographie gut bekannt (West, W., und Pierce S., J. Phys. Chem., 69:2894 (1965); Sturmer, D.M., Spec. Top in Heterocyclic Chemistry, 30 (1974)).Lots Dyes with planar molecular structures including customary Cyanine dyes tend to form dimers and higher order aggregates in aqueous solution to form, especially if also inorganic Salts are present, as for example in buffered solutions and physiological Saline the case is. These aggregates usually have absorption bands, the to the short wavelength side of monomer absorption, and they are in general very weakly fluorescent species. The tendency of cyanine dyes, in aqueous solution easily Forming aggregates is well known, especially in photography (West, W., and Pierce S., J. Phys. Chem., 69: 2894 (1965); Sturmer, D.M., Spec. Top in Heterocyclic Chemistry, 30 (1974)).
Viele
Farbstoffmoleküle
und insbesondere Cyanin-Farbstoffmoleküle neigen dazu, in wäßriger Lösung Aggregate
zu bilden. Es ist gefunden worden, daß die Arylsulfonat-Farbstoffe
eine minimale Neigung haben, diese Aggregate zu bilden. Bei Verwendung
zur Bildung von fluoreszierenden Markierungs-Reagentien haben die
Arylsulfonat-Farbstoffe eine verminderte Neigung, Aggregate zu bilden,
wenn sie mit hohen Oberflächendichten
an Proteine oder andere Moleküle,
wie Antikörper,
gebunden werden. Die Tendenz eines bestimmten Farbstoffmoleküls, Aggregate
in einer Salzlösung
(zum Beispiel 150 mM Natrium chlorid-Lösung) zu bilden, kann als Maß der Neigung
des gleichen Farbstoffmoleküls
zur Bildung von Aggregaten auf der Oberfläche von Proteinen genommen
werden. Für
Farbstoffmoleküle
wird es daher angestrebt, daß sie
eine minimale Neigung haben, in wäßrigen Salzlösungen Aggregate
zu bilden. Die Werte der
Die
Das
Spektrum des verbesserten Sulfoindodicarbocyanins, N,N'-Diethyl-indodicarbocyanin-5,5'-disulfonsäure, ist
in
Üblicherweise
wird die Wirksamkeit, mit der sich ein bestimmter reaktiver Farbstoff
an ein Protein, beispielsweise einen Antikörper, kuppelt, unter definierten
Reaktionsbedingungen bestimmt. Der getestete Farbstoff war der Bis-N-hydroxysuccinimidester
von N,N'-Di-carboxypentyl-indodicarbocyanin-5,5'-disulfonsäure. Die
Die
Reaktivität
des aktiven Esters des neuen Sulfoindodicarbocyanin-Farbstoffs wurde
dadurch untersucht, daß Schaf-Immunoglobulin
(IgG) markiert wurde. Das Protein (4 mg/ml) wurde in 0,1 m Carbonat-Puffer (pH
= 9,2) aufgelöst.
Aliquote Teile des reaktiven Farbstoffs, gelöst in wasserfreiem Dimethylformamid,
wurden zu den Proteinproben gegeben, um die ursprünglichen
Molverhältnisse
Farbstoff:Protein zu ergeben. Nach 30 Minuten wurde das Protein
von dem unkonjugierten Farbstoff durch Gel-Permeationschromatographie
(Sephadex G-50) abgetrennt. Die resultierenden Molverhältnisse
Farbstoff:Protein wurden spektrophotometrisch bestimmt, und sie
sind in
Bei
niedrigen Verhältnissen
von Farbstoff zu Protein zeigen die Absorptionsspektren der markierten Proteine
Banden, die eng den Spektren des freien monomeren Farbstoffs entsprechen.
Bei Antikörpermolekülen, die
stark markiert worden sind (hohe Verhältnisse Farbstoff:Protein)
oder die mit Farbstoffen mit großer Neigung zur Aggregation
in wäßrigen Lösungen markiert
worden sind, wird oft festgestellt, daß sie neue Absorptionspeaks
haben, die bei kürzeren
Wellenlängen
erscheinen als die Absorptionsbanden des monomeren Farbstoffs in wäßriger Lösung. Die
Wellenlänge
des neuen Absorptionspeaks fällt
häufig
in einen Bereich, der für
das Dimer-Absorptionsspektrum des Farbstoffs charakteristisch ist
(vgl.
Stärker markierte
Antikörper
haben höhere
Verhältnisse
von kurzen zu langen Wellenlängen-Absorptionspeaks.
Dieser kürzere
Wellenlängen-Absorptionspeak
kann in
Es
wurde gefunden, daß das
zum Erhalt der Werte der
Schaf-Immunoglobulin
(IgG), das mit einem Carboxyindodicarbocyanin-Farbstoff markiert
worden ist, ist in
Um
glänzende
bzw. hell fluoreszierende Antikörper
oder andere Proteine, die mit Fluoreszenz-Farbstoffen markiert worden
sind, zu erhalten, ist es von Wichtigkeit, daß die mittlere Quantenausbeute
pro Farbstoffmolekül
auf dem Protein so hoch wie möglich
ist. Es ist allgemein festgestellt worden, daß, wenn die Oberflächendichte
der Farbstoffmoleküle
auf dem Protein zunimmt (d.h., wenn das Verhältnis von Farbstoff zu Protein
zunimmt), dann die mittlere Quantenausbeute der Farbstoffe vermindert
wird. Dieser Effekt ist manchmal dem Auslöschen zugeschrieben worden,
das als Ergebnis einer Farbstoff-Farbstoff-Wechselwirkung auf der Oberfläche von
stärker
markierten Proteinen stattfindet. Die Bildung von nichtfluoreszierenden
Dimeren auf Proteinoberflächen
kann mit Sicherheit zu diesem Auslöschen beitragen. Die
Die
mittlere Fluoreszenz-Quantenausbeute der einzelnen Farbstoffmoleküle auf den
markierten Proteinen ist ein Maß des
von diesen Biomolekülen
erhältlichen
Fluoreszenzsignals. Werte von Schaf-Immunoglobulin (IgG), das mit
dem neuen Sulfoindodicarbocyanin-Farbstoff in phosphatgepufferter
Kochsalzlösung markiert
worden war, sind in der Kurve mit Diamantensymbolen der
Hintergrund-VerfahrenBackground method
Lumineszenz-Sonden sind wertvolle Reagentien für die Analyse und Trennung von Molekülen und Zellen und für die Erfassung und quantitative Bestimmung von anderen Materialien. Eine sehr kleine Anzahl von lumineszierenden Molekülen kann unter optimalen Umständen erfaßt werden. Barak und Webb sehen weniger als 50 Fluoreszenz-Lipid-Analoge im Zusammenhang mit der LDL-Rezeption von Zellen unter Verwendung einer SIT-Kamera, J. Cell. Biol. 90:595-605 (1981). Die Fließ-Cytometrie kann dazu verwendet werden, um weniger als 10.000 Fluoresceinmoleküle zu erfassen, die mit Teilchen oder bestimmten Zellen assoziiert sind (Muirhead, Horan und Poste, Bio/Technology 3:337–356 (1985)). Einige spezielle Beispiele für die Anwendung von Fluoreszenz-Sonden sind (1) die Identifizierung und Trennung von Subpopulationen von Zellen in einem Gemisch von Zellen durch die Techniken der Fluoreszenz-Fließ-Cytometrie, der Fluoreszenz-aktivierten Zellsortierung und der Fluoreszenz-Mikroskopie; (2) die Bestimmung der Konzentration einer Substanz, die sich an eine zweite Art bindet (zum Beispiel Antigen-Antikörper-Reaktionen), bei der Technik des Fluoreszenz-Immunoassays; (3) die Lokalisierung von Substanzen in Gelen und anderen unlöslichen Trägern durch die Techniken der Fluoreszenz-Anfärbung. Diese Techniken werden von Herzenberg et al., "Cellular Immunology", 3. Auflage, Kapitel 22; Blackwell Scientific Publications, 1978 (Fluoreszenzaktiviertes Zellsortieren); und von Goldman, "Fluorescence Antibody Methods", Academic Press, New York, 1968 (Fluoreszenz-Mikroskopie und Fluoreszenz-Anfärbung); und in "Applications of Fluorescence in the Biomedical Sciences", herausgegeben von Taylor et al., Alan Liss Inc., 1986, beschrieben.Luminescence probes are valuable reagents for the analysis and separation of molecules and cells and for detection and quantitative determination of other materials. A very small one Number of luminescent molecules can be detected under optimal circumstances. Barak and Webb see less than 50 fluorescence lipid analogues in the Related to the LDL reception of cells using a SIT camera, J. Cell. Biol. 90: 595-605 (1981). Flow cytometry can be used to detect less than 10,000 fluorescein molecules, associated with particles or certain cells (Muirhead, Horan and Poste, Bio / Technology 3: 337-356 (1985)). Some special examples for the application of fluorescence probes are (1) the identification and separating subpopulations of cells in a mixture of Cells through the techniques of fluorescence flow cytometry, the fluorescence-activated Cell sorting and fluorescence microscopy; (2) the provision the concentration of a substance that binds to a second species (for example, antigen-antibody reactions), in the technique of fluorescence immunoassay; (3) the localization of substances in gels and other insoluble carriers by the techniques of Fluorescence staining. These techniques are described by Herzenberg et al., Cellular Immunology, 3rd Edition, Chapter 22; Blackwell Scientific Publications, 1978 (Fluorescence activated cell sorting); and Goldman, "Fluorescence Antibody Methods ", Academic Press, New York, 1968 (fluorescence microscopy and fluorescence staining); and in "Applications of Fluorescence in the Biomedical Sciences ", edited by Taylor et al., Alan Liss Inc., 1986.
Bei der Verwendung von Fluoreszenzmitteln für die obigen Zwecke bestehen hinsichtlich der Wahl des Fluoreszenzmittels viele Beschränkungen. Eine Beschränkung besteht in den Absorptions- und Emissionseigenschaften des Fluoreszenzmittels, da viele Liganden, Rezeptoren und Materialien in der Testprobe, zum Beispiel Blut, Urin, Cerebrospinal-Flüssigkeit, fluoreszieren und die genaue Bestimmung der Fluoreszenz der fluoreszierenden Probe stören. Diese Erscheinung wird als Autofluoreszenz oder Hintergrund-Fluoreszenz bezeichnet. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Fähigkeit des Fluoreszenzmittels, mit Liganden und Rezeptoren und anderen biologischen und nichtbiologischen Materialien zu konjugieren, und der Effekt einer solchen Konjugation auf das Fluoreszenzmittel. In vielen Situationen kann die Konjugierung an ein anderes Molekül zu einer wesentlichen Veränderung der Fluoreszenz- Eigenschaften des Fluoreszenzmittels führen und in manchen Fällen sogar die Quantenleistung des Fluoreszenzmittels wesentlich zerstören oder vermindern. Es ist auch möglich, daß die Konjugierung mit dem Fluoreszenzmittel die Funktion des zu markierenden Moleküls inaktiviert. Eine dritte Erwägung liegt in der Quantenleistung des Fluoreszenzmittels, die für eine empfindliche Erfassung hoch sein sollte. Eine vierte Erwägung ist die Lichtabsorptionsfähigkeit oder der Extinktionskoeffizient des Fluoreszenzmittels, der so groß wie möglich sein sollte. Von Wichtigkeit ist auch, ob sich die Fluoreszenzmoleküle miteinander umsetzen, wenn sie sich in enger Nähe befinden, was zu einem Selbstauslöschen führen würde. Eine weitere Befürchtung geht dahin, ob eine nichtspezifische Bindung des Fluoreszenzmittels an andere Verbindungen oder Behälterwände entweder selbst oder in Verbindung mit der Verbindung, an die das Fluoreszenzmittel konjugiert wird, erfolgt.at the use of fluorescers for the above purposes many restrictions on the choice of fluorescer. A limitation consists in the absorption and emission properties of the fluorescer, since many ligands, receptors and materials in the test sample, For example, blood, urine, cerebrospinal fluid, fluoresce and the accurate determination of the fluorescence of the fluorescent sample to disturb. This phenomenon is called autofluorescence or background fluorescence designated. Another aspect is the ability of the fluorescer to with ligands and receptors and other biological and non-biological Conjugate materials, and the effect of such conjugation on the fluorescent agent. In many situations, the conjugation to another molecule to a significant change the fluorescence properties lead the fluorescent agent and in some cases even significantly destroy the quantum efficiency of the fluorescer or Reduce. It is also possible, that the Conjugation with the fluorescent agent the function of the to be labeled molecule inactivated. A third consideration lies in the quantum efficiency of the fluorescer, which is responsible for a sensitive Capture should be high. A fourth consideration is light absorption capability or the extinction coefficient of the fluorescent agent to be as large as possible should. Of importance is also whether the fluorescence molecules are related when they are in close proximity, which would lead to self-extinction. A further fear goes there, whether a non-specific binding of the fluorescer to other connections or container walls either itself or in conjunction with the compound to which the fluorescer is conjugated takes place.
Die Anwendbarkeit und der Wert der obenbeschriebenen Methoden sind eng an die Verfügbarkeit von geeigneten fluoreszierenden Verbindungen gekoppelt. Insbesondere besteht ein Bedarf an fluoreszierenden Substanzen, die in dem längeren Wellenlängenbereich des sichtbaren Bereichs (Gelb bis nahes Infrarot) emittieren, da die Anregung dieser Chromophoren weniger Autofluoreszenz und auch vielfache Chromophoren ergibt, die bei verschiedenen Wellenlängen fluoreszieren, die gleichzeitig analysiert werden können, wenn die gesamten sichtbaren und die nahen Infrarotbereiche des Spektrums verwendet werden können. Fluorescein, eine weit verwendete fluoreszierende Verbindung, ist eine geeignete Emissionsverbindung im grünen Bereich, obgleich bei bestimmten Immunoassays und Zellanalysensystemen die Hintergrund-Autofluoreszenz, welche durch Anregung bei Fluorescein-Absorptionswellenlängen erzeugt wird, die Empfindlichkeit der Erfassung beschränkt. Jedoch hat sich das herkömmliche rotfluoreszierende Markierungsmittel Rhodamin als weniger wirksam als Fluorescein erwiesen. Texasrot® ist ein geeignetes Markierungsmittel, das bei 578 nm angeregt werden kann und maximal bei 610 nm fluoresziert.The utility and value of the methods described above are closely linked to the availability of suitable fluorescent compounds. In particular, there is a need for fluorescent substances that emit in the longer wavelength range of the visible region (yellow to near infrared) since the excitation of these chromophores results in less autofluorescence and also multiple chromophores that fluoresce at different wavelengths that can be analyzed simultaneously when the entire visible and near infrared regions of the spectrum can be used. Fluorescein, a widely used fluorescent compound, is a suitable green emitting compound, although in certain immunoassays and cell analysis systems, the background autofluorescence produced by excitation at fluorescein absorption wavelengths limits the sensitivity of detection. However, the conventional red fluorescent marker rhodamine has been found to be less effective than fluorescein. Texas Red ® is a suitable labeling agent that can be excited at 578 nm and exhibits maximum fluorescence nm at 610th
Phycobiliproteine haben einen wichtigen Beitrag wegen ihres hohen Extinktionskoeffizienten und der hohen Quantenausbeute gemacht. Diese Chromophor enthaltenden Proteine können kovalent an viele Proteine gebunden werden, und sie werden in Fluoreszenz-Antikörper-Assays in der Mikroskopie und der Fließ-Cytometrie verwendet. Die Phycobiliproteine haben jedoch folgende Nachteile: (1) die Protein-Markierungsverfahrensweise ist relativ komplex; (2) die Protein-Markierungsleistung ist gewöhnlich nicht hoch (typischerweise ein Mittel von 0,5 Phycobiliprotein-Moleküle pro Protein); (3) das Phycobiliprotein ist ein Naturprodukt, und seine Herstellung und Reinigung ist komplex; (4) die Phycobiliproteine sind teuer; (5) es sind keine Phycobiliproteine als Markierungs-Reagentien verfügbar, die weiter zum roten Bereich des Spektrums als Allophycocyanin fluoreszieren, welches maximal bei 680 nm fluoresziert; (6) die Phycobiliproteine sind chemisch relativ instabil; (7) sie sind leicht einer Photobleichung unterworfen; (8) die Phycobiliproteine sind große Proteine mit Molekulargewichten im Bereich von 33.000 bis 240.000, und sie sind größer als viele Materialien, die markiert werden sollen, wie Metabolite, Arzneimittel, Hormone, derivatisierte Nucleotide und viele Proteine mit Einschluß von Antikörpern. Der letztgenannte Nachteil ist von besonderer Wichtigkeit, da Antikörper, Avidin, DNA-Hybridisierungs-Sonden, Hormone und kleine Moleküle, die mit den großen Phycobiliproteinen markiert sind, nicht dazu imstande sein können, sich an ihre Targets wegen sterischer Begrenzungen zu binden, die durch die Größe des konjugierten Komplexes auferlegt werden. Die Bindungsrate von Konjugaten an Targets ist gegen über niedermolekularen Konjugaten langsam.Phycobiliproteins have made an important contribution because of their high extinction coefficient and high quantum efficiency. These chromophore-containing proteins can be covalently linked to many proteins and used in fluorescence antibody assays in microscopy and flow cytometry. However, the phycobiliproteins have the following disadvantages: (1) the protein labeling ver driving is relatively complex; (2) protein labeling performance is usually not high (typically an average of 0.5 phycobiliprotein molecules per protein); (3) the phycobiliprotein is a natural product and its preparation and purification is complex; (4) the phycobiliproteins are expensive; (5) no phycobiliproteins are available as labeling reagents which fluoresce farther to the red region of the spectrum than allophycocyanin, which fluoresces at 680 nm at most; (6) the phycobiliproteins are chemically relatively unstable; (7) they are easily subject to photobleaching; (8) The phycobiliproteins are large proteins with molecular weights in the range of 33,000 to 240,000 and are larger than many materials to be labeled, such as metabolites, drugs, hormones, derivatized nucleotides and many proteins including antibodies. The latter disadvantage is of particular importance, since antibodies, avidin, DNA hybridization probes, hormones, and small molecules labeled with the large phycobiliproteins may not be able to bind to their targets because of steric constraints imposed by them the size of the conjugated complex can be imposed. The binding rate of conjugates to targets is slow compared to low molecular weight conjugates.
Durch andere Techniken, wie Histologie, Cytologie, Immunoassays, würden auch erhebliche Vorteile durch die Verwendung eines Fluoreszenzmittels mit hoher Quanteneffizienz, Absorptions- und Emissionseigenschaften bei längeren Wellenlängen und mit einfacher Durchführung der Konjugierung, die von einer nichtspezifischen Interferenz im wesentlichen frei sind, erfahren.By Other techniques, such as histology, cytology, immunoassays, would also significant advantages through the use of a fluorescer with high quantum efficiency, absorption and emission properties at longer wavelengths and with simple implementation the conjugation, which is characterized by a nonspecific interference in the are essentially free, experienced.
Gemäß der Erfindung werden reaktive fluoreszierende arylsulfonierte Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe mit relativ großen Extinktionskoeffizienten und hohen Quantenausbeuten zum Zwecke der Erfassung und quantitativen Bestimmung von markierten Komponenten verwendet.According to the invention be reactive fluorescent arylsulfonated cyanine and thus related dyes with relatively high extinction coefficients and high quantum yields for the purpose of detection and quantitative Determination of labeled components used.
Fluoreszierende Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe können zur Markierung von biologischen Materialien, wie Antikörpern, Antigenen, Avidin, Streptavidin, Proteinen, Peptiden, derivatisierten Nucleotiden, Kohlenhydraten, Lipiden, biologischen Zellen, Bakterien, Viren, Blutzellen, Gewebezellen, Hormonen, Lymphokinen, biologischen Spurenmolekülen, Toxinen und Arzneimitteln, verwendet werden. Fluoreszenz-Farbstoffe können auch zur Markierung von nichtbiologischen Materialien, wie löslichen Polymeren und polymeren und Glasteilchen, Arzneimitteln, Leitern, Halbleitern, Glas- und Polymeroberflächen, Polymermembranen und anderen festen Teilchen, verwendet werden. Die zu markierende Komponente kann auch in einem Gemisch mit anderen Materialien vorliegen. Das Gemisch, in dem die Markierungsreaktion stattfindet, kann ein flüssiges Gemisch, insbesondere ein wäßriges Gemisch, sein. Die Erfassungsstufe kann mit dem Gemisch in flüssigem oder trockenem Zustand, beispielsweise einem Objektträger, durchgeführt werden.fluorescent Cyanine and related dyes can be used to label biological materials, like antibodies, Antigens, avidin, streptavidin, proteins, peptides, derivatized Nucleotides, carbohydrates, lipids, biological cells, bacteria, Viruses, blood cells, tissue cells, hormones, lymphokines, biological Trace molecules Toxins and drugs. Fluorescent dyes can also for marking non-biological materials, such as soluble Polymers and polymeric and glass particles, drugs, ladders, Semiconductors, glass and polymer surfaces, polymer membranes and others solid particles are used. The component to be marked may also be in a mixture with other materials. The Mixture in which the labeling reaction takes place, a liquid mixture, in particular an aqueous mixture, be. The detection step can be with the mixture in liquid or dry state, such as a slide, performed.
Erfindungsgemäß ist es erforderlich, daß Cyanin-Farbstoffe durch die Einarbeitung einer reaktiven Gruppe in das Cyaninmolekül modifiziert werden. Diese reaktive Gruppe heftet sich kovalent an ein Ziel- bzw. Targetmolekül, vorzugsweise an eine Amin- oder Hydroxystelle, und in manchen Fällen an eine Sulfhydryl- oder Aldehydstelle. Die Erfindung verwendet auch die Modifizierung oder Verwendung von Cyanin- und damit verwandten Farbstoffstrukturen, um ihre Löslichkeit in der Testflüssigkeit zu erhöhen, um (1) ihre Handhabung bei Markierungsreaktionen leichter zu machen, (2) die Aggregation des Farbstoffs auf der Oberfläche der zu markierenden Proteine zu verhindern helfen und (3) die nichtspezifische Bindung von markierten Materialien an biologische Materialien und an Oberflächen und die Assayvorrichtung zu verhindern helfen.It is according to the invention required that cyanine dyes modified by the incorporation of a reactive group in the cyanine molecule become. This reactive group attaches itself covalently to a target or target molecule, preferably to an amine or hydroxystelle, and in some cases a sulfhydryl or aldehyde site. The invention also uses the modification or use of cyanine and related Dye structures to their solubility in the test fluid to increase, (1) to make it easier to handle in labeling reactions, (2) the aggregation of the dye on the surface of the help to prevent proteins to be labeled and (3) the non-specific Binding of labeled materials to biological materials and on surfaces and help prevent the assay device.
Die Cyanin- und die damit verwandten Farbstoffe bieten einen wichtigen Vorteil über derzeit verfügbare fluoreszierende Markierungs-Reagentien. Zum ersten sind Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe synthetisiert worden, die in einem Bereich des Spektrums von 400 bis nahezu 1100 nm absorbieren und emittieren. Somit können reaktive Derivate dieser Farbstoffe für Assays hergestellt werden, die eine gleichzeitige Messung einer Anzahl von markierten Materialien erfordern. Die Vielfarben-(oder Multiparameter-)analyse dieser Art kann im Interesse der Einfachheit, der Kostenwirksamkeit oder zur Bestimmung von Verhältnissen von verschiedenen markierten Arten auf jedem Teilchen in einem komplexen Gemisch von Teilchen zweckmäßig sein (zum Beispiel der Verhältnisse von Antigen-Markern auf individuellen Blutzellen in einem komplexen Gemisch durch Multiparameter-Fließ-Cytometrie oder Fluoreszenz-Mikroskopie). Zum zweiten absorbieren und fluoreszieren viele Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe stark.The Cyanine and its related dyes provide an important Advantage over currently available fluorescent labeling reagents. The first is cyanine and related dyes have been synthesized in one Absorb range of the spectrum from 400 to nearly 1100 nm and emit. Thus, you can reactive derivatives of these dyes are prepared for assays, a simultaneous measurement of a number of marked materials require. The multicolor (or multiparameter) analysis of this kind may be in the interest of simplicity, cost effectiveness or Determination of ratios of different marked species on each particle in a complex Mixture of particles be appropriate (for Example of the conditions of antigen markers on individual blood cells in a complex Mixture by multiparameter flow cytometry or fluorescence microscopy). Secondly, many cyanine absorbs and fluoresces related dyes strong.
Zum dritten sind viele Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe relativ photostabil, und sie bleichen nicht ohne weiteres im Fluoreszenz-Mikroskop. Zum vierten können Cyanin- und damit verwandte Derivate hergestellt werden, die einfache und wirksame Kupplungs-Reagentien sind. Zum fünften sind viele Strukturen und synthetische Verfahrensweisen verfügbar, und die Klasse der Farbstoffe ist vielfältig. Es können daher viele Strukturmodifikationen durchgeführt werden, um die Reagentien mehr oder weniger wasserlöslich zu machen. Ihre Ladung kann verändert werden, so daß sie das Molekül nicht stören, an das sie angefügt sind, wodurch die nichtspezifische Bindung reduziert werden kann. Zum sechsten sind im Gegensatz zu den Phycobiliproteinen die Cyanin-Farbstoffe relativ klein (Molekulargewicht = 1000), so daß sie nicht nennenswerterweise mit der Fähigkeit des markierten Moleküls sterisch interferieren, ihre Bindungsstelle rasch zu erreichen oder ihre Funktion auszuüben.Third, many cyanine and related dyes are relatively photostable, and they do not readily bleach in a fluorescence microscope. Fourth, cyanine and related derivatives can be prepared which are simple and effective coupling reagents. Fifth, many structures and synthetic procedures are available, and the class of dyes is diverse. Thus, many structural modifications can be made to render the reagents more or less water-soluble. Their charge can be altered so that they do not disturb the molecule to which they are attached, where can be reduced by the non-specific binding. Sixth, unlike the phycobiliproteins, the cyanine dyes are relatively small (molecular weight = 1000), so that they do not significantly interfere sterically with the ability of the labeled molecule to rapidly reach or perform its binding site.
Somit bringen Cyanin-Farbstoff-Markierungsmittel viele potentielle Vorteile mit sich. Diese Farbstoffe können dazu verwendet werden, um ein oder mehrere Komponenten in einer Flüssigkeit, insbesondere einer wäßrigen Flüssigkeit, selektiv zu markieren. Die markierten Komponenten können sodann durch optische oder Lumineszenzmethoden erfaßt werden. Alternativ kann die markierte Komponente dazu verwendet werden, um eine zweite Komponente anzufärben, für die sie eine starke Affinität besitzt. Die Anwesenheit der zweiten Komponente wird sodann durch optische oder Lumineszenzmethoden festgestellt. In diesem Fall wird der Farbstoff mit einer Amin-, Hydroxy-, Aldehyd- oder Sulfhydrylgruppe auf der markierten Komponente umgesetzt. So kann beispielsweise die markierte Komponente ein Antikörper sein, und die angefärbte Komponente, für die sie eine starke Affinität hat, kann eine biologische Zelle, ein Antigen oder ein Hapten oder eine biologische Zelle oder ein Teilchen, das das genannte Antigen oder Hapten enthält, sein. Gemäß einem weiteren Beispiel ist die markierte Komponente Avidin, und die angefärbte Komponente kann ein biotinyliertes Material sein. Auch können Lectine, die mit Polymethin-Cyanin-Farbstoffen konjugiert sind, dazu verwendet werden, um spezielle Kohlenhydratgruppen zu erfassen und quantitativ zu bestimmen. Weiterhin können Lumineszenz-Cyanin- und damit verwandte Farbstoffe an Fragmente von DNA oder RNA angeheftet werden. Die markierten Fragmente von DNA oder RNA können als Fluoreszenz-Hybridisierungssonden verwendet werden, um das Vorhandensein und die Menge von spezifischen komplementären Nucleotid-Sequenzen in Proben, die DNA oder RNA enthalten, zu identifizieren. Auch kann der Farbstoff an ein Hormon oder an einen Liganden (zum Beispiel ein Hormon, ein Protein, ein Peptid, ein Lymphokin, einen Metaboliten) angefügt werden, das bzw. der danach an einen Rezeptor angefügt wird.Consequently Cyanine dye markers bring many potential advantages with himself. These dyes can be used to create one or more components in one Liquid, in particular an aqueous liquid, to mark selectively. The labeled components can then be detected by optical or Lumineszenzmethoden. Alternatively, you can the marked component can be used to create a second component to color, for the she has a strong affinity has. The presence of the second component is then through optical or luminescence detected. In this case will the dye having an amine, hydroxy, aldehyde or sulfhydryl group implemented on the marked component. So, for example the labeled component is an antibody, and the stained component, for you a strong affinity has, can be a biological cell, an antigen or a hapten or a biological cell or a particle containing said antigen or contains hapten, be. According to one another example is the labeled component avidin, and the stained component may be a biotinylated material. Also, lectins containing polymethine cyanine dyes are conjugated to special carbohydrate groups to capture and quantify. Furthermore, luminescence cyanine and attaching related dyes to fragments of DNA or RNA become. The labeled fragments of DNA or RNA can be used as Fluorescence hybridization probes are used to detect the presence and the amount of specific complementary nucleotide sequences in To identify samples containing DNA or RNA. Also can the dye to a hormone or to a ligand (for example, a Hormone, a protein, a peptide, a lymphokine, a metabolite) added which is then added to a receptor.
Für andere Zwecke in Patentschriften beschriebene reaktive Cyanin-FarbstoffeFor others Purpose described in patents reactive cyanine dyes
Gemäß den US-PSen 4 337 063 (Miraha et al.), 4 404 289, 4 405 711 und 4 414 325 (Masuda et al.) ist eine Vielzahl von Cyanin-Farbstoffen synthetisiert worden, die aktive N-Hydroxysuccinimidester-Gruppen enthalten. Diese Patente zeigen, daß diese Reagentien als photographische Sensibilisatoren verwendet werden können. Die möglichen Fluoreszenz-Eigenschaften dieser Reagentien sind in den Patenten nicht genannt. Tatsächlich sind auch für diese Prozesse keine Fluoreszenz-Eigenschaften erforderlich. Die meisten der in diesen Patentschriften genannten Farbstoffe sind nur schwach fluoreszierend, und sie sind nicht besonders photostabil. Weiterhin sind ihre Löslichkeitseigenschaften für viele Anwendungszwecke nicht optimal, die eine Fluoreszenzerfassung von markierten Materialien beinhalten würden.According to the US-PSen 4,337,063 (Miraha et al.), 4,404,289, 4,405,711 and 4,414,325 (Masuda et al.) a variety of cyanine dyes have been synthesized, containing the active N-hydroxysuccinimide ester groups. These patents show that this Reagents can be used as photographic sensitizers can. The possible Fluorescence properties of these reagents are in the patents not known. Indeed are also for these processes do not require fluorescence properties. The Most of the dyes mentioned in these patents are only weakly fluorescent, and they are not particularly photostable. Furthermore, their solubility properties for many Applications not optimal, the fluorescence detection of would contain marked materials.
In der GB-PS 1 529 202 (Exekiel et al.) werden zahlreiche Cyanin-Farbstoffderivate beschrieben, die als kovalent reagierende Moleküle verwendet werden. Die in diesen Reagentien verwendete reaktive Gruppe ist eine Azingruppe, zu der Mono- und Dichlortriazingruppen gehören. Diese Druckschrift bezieht sich auf die Entwicklung und die Verwendung dieser Reagentien als Sensibilisatoren für photographische Filme. Für dieses Verfahren ist keine Fluoreszenz erforderlich, und die meisten der darin beschriebenen Reagentien sind nicht fluoreszierend. Schließlich bezieht sich diese Druckschrift nicht auf die Entwicklung und Verwendung von reaktiven Cyanin-Farbstoffen zum Zwecke der Erfassung und quantitativen Bestimmung von markierten Materialien.In GB Patent 1,529,202 (Exekiel et al.) discloses numerous cyanine dye derivatives described which are used as covalently reacting molecules. In the Reactive group used in these reagents is an azine group, to the mono and Dichlortriazineruppen belong. This document refers to the development and use these reagents as sensitizers for photographic films. For this Procedure does not require fluorescence, and most of the Reagents described therein are not fluorescent. Finally, refers This document does not refer to the development and use of reactive cyanine dyes for the purpose of detection and quantitative Determination of marked materials.
Die vorliegende Erfindung betrifft Methoden zum kovalenten Anheften von lumineszierenden Cyanin- und cyaninartigen Farbstoffen an biologische Materialien, nichtbiologische Materialien und Makromoleküle und Teilchen, damit diese Materialien lumineszierend markiert werden. Auf diese Weise kann das markierte Material durch Lumineszenz-Erfassungsmethoden erfaßt und/oder quantitativ bestimmt werden.The The present invention relates to methods for covalent attachment of luminescent cyanine and cyanine dyes to biologicals Materials, non-biological materials and macromolecules and particles, so that these materials are labeled luminescent. To this The labeled material can be detected by luminescence detection methods detected and / or quantified.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung einer Komponente in einer Flüssigkeit, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zu der genannten Flüssigkeit einen Farbstoff zusetzt, der aus der Gruppe bestehend aus Cyanin-, Merocyanin- und Styryl-Farbstoffen ausgewählt ist und der in der Flüssigkeit löslich ist und einen Substituenten enthält, damit er mit Amin- und Hydroxygruppen und möglicherweise mit Aldehyd- und Sulfhydrylgruppen auf der genannten Komponente kovalent reaktiv wird, so daß die genannte Komponente markiert wird. Die markierte Komponente wird sodann durch Lumineszenz- oder Lichtabsorptionsmethoden erfaßt und/oder quantitativ bestimmt. Wenn die markierte Komponente ein Antikörper, ein DNA-Fragment, ein Hormon, ein Lymphokin oder ein Arzneimittel ist, dann kann die markierte Komponente dazu verwendet werden, um das Vorhandensein einer zweiten Komponente, an die es gebunden wird, zu identifizieren, worauf die zweite Komponente erfaßt und/oder quantitativ bestimmt werden kann.The The invention relates to a method for detecting a component in a liquid, which is characterized in that one to the said liquid Add a dye selected from the group consisting of cyanine, Merocyanine and Styryl dyes selected is and in the liquid soluble is and contains a substituent, in order to work with amine and hydroxy groups and possibly aldehyde and sulfhydryl groups becomes covalently reactive on said component, so that said Component is highlighted. The marked component is then through Luminescent or Light absorption methods detected and / or quantified. If the marked component is on Antibody, a DNA fragment, a hormone, a lymphokine or a drug is, then the marked component can be used to the presence of a second component to which it is bound to identify what the second component detects and / or can be determined quantitatively.
Jede beliebige Lumineszenz- oder Lichtabsorptions-Erfassungsstufe kann angewendet werden. So kann beispielsweise die Erfassungsstufe eine optische Erfassungsstufe sein, bei der die Flüssigkeit mit Licht von ersten definierten Wellenlängen bestrahlt wird. Licht mit zweiten definierten Wellenlängen, das durch die markierte Komponente fluoresziert oder phosphoresziert wird, wird hierauf erfaßt. Die Erfassung kann auch durch optische Lichtabsorption erfolgen. So kann beispielsweise die Erfassungsstufe in der Weise durchgeführt werden, daß man Licht mit ersten definierten Wellenlängen durch die Flüssigkeit leitet und sodann die Wellenlänge des Lichts, das durch die Flüssigkeit hindurchgelassen wird, bestimmt.each Any luminescence or light absorption detection stage can be applied. For example, the detection level can be a be optical detection stage, in which the liquid with light from first defined wavelengths is irradiated. Light with second defined wavelengths, the fluoresced or phosphoresced through the labeled component will be detected. The detection can also be done by optical light absorption. Thus, for example, the detection stage can be carried out in the manner that he Light with first defined wavelengths through the liquid conducts and then the wavelength the light passing through the liquid is passed, determined.
Gewünschtenfalls kann die Erfassungsstufe auch eine chemische Analyse umfassen, um chemisch eine Anheftung des Cyanins oder eines verwandten Chromophors an die Komponente zu erfassen.If desired, the detection stage may also include a chemical analysis to chemically attaching the cyanine or a related chromophore to the component.
Die Grundstrukturen der Cyanin-, Merocyanin- und Styryl-Farbstoffe, die modifiziert werden können, um kovalente Markierungs-Reagentien zu erzeugen, sind nachfolgend gezeigt: The basic structures of the cyanine, merocyanine and styryl dyes which can be modified to produce covalent labeling reagents are shown below:
Spezifischere Beispiele von Polymethin-Cyanin-Farbstoffen sind wie folgt: More specific examples of polymethine cyanine dyes are as follows:
In
diesen Strukturen sind
X und Y aus der Gruppe, O, S undausgewählt;
Z ist aus der Gruppe
O und S ausgewählt
und
m ist eine ganze Zahl, die aus der Gruppe bestehend aus
1, 2, 3 und 4 ausgewählt
ist.In these structures are
X and Y from the group, O, S and selected;
Z is selected from the group O and S and
m is an integer selected from the group consisting of 1, 2, 3 and 4.
In den obigen Formeln bestimmt die Anzahl der Methingruppen zum Teil die Anregungsfarbe. Die cyclischen Azinstrukturen können auch zum Teil die Anregungsfarbe bestimmen. Oftmals tragen höhere Wert von m zu einer gesteigerten Lumineszenz und Absorption bei. Bei Werten von m oberhalb 4 wird die Verbindung instabil. Eine weitere Lumineszenz kann durch Modifikationen der Ringstrukturen verliehen werden. Wenn m = 2, dann ist die Anregungswellenlänge etwa 650 nm, und die Verbindung ist sehr stark fluoreszierend. Maximale Emissionswellenlängen sind im allgemeinen 15 bis 100 nm höher als die maximalen Anregungswellenlängen.In the above formulas, the number of methine groups partly determines the excitation color. The cyclic azine structures can also partially determine the excitation color. Often, higher values of m contribute to increased luminescence and absorption. At values of m above 4, the connection becomes unstable. Further luminescence can be imparted by modifications of the ring structures. If m = 2, then the excitation wavelength is about 650 nm, and the compound is very strongly fluorescent rend. Maximum emission wavelengths are generally 15 to 100 nm higher than the maximum excitation wavelengths.
Mindestens einer, vorzugsweise nur einer, und möglicherweise zwei oder mehr der genannten Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7 in jedem Molekül ist bzw. sind eine reaktive Gruppe zur Anheftung des Farbstoffs an die markierte Komponente. Für bestimmte Reagentien kann mindestens eine der Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7 auf jedem Molekül auch eine Gruppe sein, die die Löslichkeit des Chromophors erhöht oder die Selektivität der Markierung der markierten Komponente beeinträchtigt oder die Position der Markierung der markierten Komponente durch den Farbstoff beeinträchtigt.At least one, preferably only one, and possibly two or more of said R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 groups in each molecule is or are a reactive group for attachment of the dye the marked component. For certain reagents, at least one of R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 on each molecule may also be a group which increases the solubility of the chromophore or the selectivity of the label of the labeled component impaired or impaired the position of the label of the labeled component by the dye.
In den genannten Formeln umfaßt mindestens eine der genannten Gruppen R8, R9 (wenn vorhanden) und R10 (wenn vorhanden) mindestens eine Sulfonatgruppe. Die Bezeichnung Sulfonat soll Sulfonsäure einschließen, da die Sulfonatgruppe nur eine ionisierte Sulfonsäure darstellt.In said formulas, at least one of said R 8 , R 9 (if present) and R 10 (if present) comprises at least one sulfonate group. The term sulfonate is intended to include sulfonic acid because the sulfonate group is only an ionized sulfonic acid.
Reaktive Gruppen, die direkt oder indirekt an den Chromophor angefügt werden können, um die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7 zu bilden, können reaktive Gruppierungen einschließen, beispielsweise Gruppen, die Isothiocyanat, Isocyanat, Monochlortriazin, Dichlortriazin, Mono- oder Dihalogen-substituiertes Pyridin, Mono- oder Dihalogen-substituiertes Diazin, Maleimid, Aziridin, Sulfonylhalogenid, Säurehalogenid, Hydroxysuccinimidester, Hydroxysulfosuccinimidester, Imidoester, Hydrazin, Azidonitrophenyl, Azid, 3-(2-Pyridyldithio)-proprionamid, Glyoxal und Aldehyd enthalten.Reactive groups which may be added directly or indirectly to the chromophore to form the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 may include reactive moieties, for example groups which include isothiocyanate , Isocyanate, monochlorotriazine, dichlorotriazine, mono- or dihalogen-substituted pyridine, mono- or dihalogen-substituted diazine, maleimide, aziridine, sulfonyl halide, acid halide, hydroxysuccinimide ester, hydroxysulfosuccinimide ester, imidoester, hydrazine, azidonitrophenyl, azide, 3- (2-pyridyldithio) -proprionamide, glyoxal and aldehyde.
Spezielle Beispiele für die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7, die besonders gut für Markierungskomponenten mit verfügbaren Amino-, Hydroxy- und Sulfhydrylgruppen geeignet sind, sind die folgenden Gruppen: wobei mindestens eines von Q oder W eine Austrittsgruppe, wie I, Br, Cl, ist: Specific examples of the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 , which are particularly suitable for labeling components with available amino, hydroxy and sulfhydryl groups, are the following groups: wherein at least one of Q or W is a leaving group such as I, Br, Cl,
Spezielle Beispiele von Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7, die besonders gut zum Markieren von Komponenten mit verfügbaren Sulfhydrylgruppen geeignet sind und die in einem Zweistufen-Verfahren zur Markierung von Antikörpern verwendet werden können, sind die folgenden Gruppen: worin Q eine Austrittsgruppe, wie I oder Br, ist: worin n 0 oder eine ganze Zahl ist.Specific examples of groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 which are particularly well suited for labeling components with available sulfhydryl groups and which are used in a two-step method for labeling antibodies can, are the following groups: wherein Q is a leaving group such as I or Br: where n is 0 or an integer.
Spezielle Beispiele für die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7, die besonders gut zum Markieren von Komponenten durch lichtaktiviertes Vernetzungsverknüpfen geeignet sind, sind die folgenden Gruppen: Specific examples of the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 , which are particularly well suited for labeling components by photoactivated crosslinking, are the following groups:
Zum Zwecke der Erhöhung der Wasserlöslichkeit oder der Verminderung einer unerwünschten nichtspezifischen Bindung der markierten Komponente an ungeeignete Komponenten in der Probe oder zur Verminderung von Reaktionen zwischen zwei oder mehreren reaktiven Chromophoren auf der markierten Komponente, was zum Auslöschen der Fluoreszenz führen könnte, können die Gruppen R1, R2, R3, R4, R5, R6 und R7 aus den gut bekannten polaren und elektrisch geladenen chemischen Gruppen ausgewählt werden. Beispiele hierfür sind -E-F, wobei F Hydroxy, Sulfonat, Sulfat, Carboxylat, substituiertes Amino oder quaternäres Amino ist und wobei E eine Abstandsgruppe, wie -(CH2)n- ist, wobei n 0, 1, 2, 3 oder 4 ist. Geeignete Beispiele sind zum Beispiel Alkylsulfonat, -(CH2)3SO3⊝ und (CH2)4-SO3⊝.For the purpose of increasing the water solubility or reducing undesired nonspecific binding of the labeled moiety to unsuitable components in the sample or to reduce reactions between two or more reactive chromophores on the labeled moiety, which could lead to quenching of the fluorescence, the groups R 1 , R 2 , R 3 , R 4 , R 5 , R 6 and R 7 are selected from the well known polar and electrically charged chemical groups. Examples are -EF, wherein F is hydroxy, sulfonate, sulfate, carboxylate, substituted amino or quaternary amino and wherein E is a spacer group such as - (CH 2 ) n -, where n is 0, 1, 2, 3 or 4 , Suitable examples are, for example, alkylsulfonate, - (CH 2 ) 3 SO 3⊝ and (CH 2 ) 4 -SO 3⊝ .
Die Polymethinkette der Lumineszenz-Farbstoffe gemäß der Erfindung kann auch eine oder mehrere cyclische chemische Gruppen enthalten, die Brücken zwischen zwei oder mehreren der Kohlenstoffatome der Polymethinkette bilden. Diese Brücken könnten dazu dienen, die chemische oder die Photostabilität des Farbstoffs zu erhöhen, und sie könnten dazu verwendet werden, die Absorptions- und Emissionswellenlängen des Farbstoffes zu verändern oder seinen Extinktionskoeffizienten oder seine Quantenausbeute zu verändern. Verbesserte Löslichkeitseigenschaften könnten durch diese Modifizierung erhalten werden.The Polymethine chain of the luminescent dyes according to the invention may also be a or more cyclic chemical groups containing the bridges between form two or more of the carbon atoms of the polymethine chain. These bridges could serve the chemical or photostability of the dye to increase, and they could to be used, the absorption and emission wavelengths of the dye to change or its extinction coefficient or its quantum yield to change. improved solubility could obtained by this modification.
Erfindungsgemäß kann die markierte Komponente aus folgenden Substanzen ausgewählt werden: Antikörpern, Proteinen, Peptiden, Enzymsubstraten, Hormonen, Lymphokinen, Metaboliten, Rezeptoren, Antigenen, Haptenen, Lectinen, Avidin, Streptavidin, Toxinen, Kohlenhydraten, Oligosacchariden, Polysacchariden, Nucleinsäuren, Deoxynucleinsäuren, derivatisierten Nucleinsäuren, derivatisierten Deoxynucleinsäuren, DNA-Fragmenten, RNA-Fragmenten, derivatisierten DNA-Fragmenten, derivatisierten RNA-Fragmenten, natürlichen Arzneimitteln, Virusteilchen, Bakterienteilchen, Viruskomponenten, Hefekomponenten, Blutzellen, Blutzellkomponenten, biologischen Zellen, nichtzellulären Blutkomponenten, Bakterien, bakteriellen Komponenten, natürlichen und synthetischen Lipidbläschen, synthetischen Arzneimitteln, Giften, umweltverschmutzenden Stoffen, Polymeren, Polymerteilchen, Glasteilchen, Glasoberflächen, Kunststoffteilchen, Kunststoffoberflächen, Polymermembranen, Leitern und Halbleitern.According to the invention, the labeled component can be selected from the following substances: antibodies, proteins, Peptides, enzyme substrates, hormones, lymphokines, metabolites, receptors, Antigens, haptens, lectins, avidin, streptavidin, toxins, carbohydrates, Oligosaccharides, polysaccharides, nucleic acids, deoxynucleic acids, derivatized nucleic acids, derivatized deoxynucleic acids, DNA fragments, RNA fragments, derivatized DNA fragments, derivatized RNA fragments, natural Medicines, virus particles, bacterial particles, viral components, Yeast components, blood cells, blood cell components, biological cells, non-cellular Blood components, bacteria, bacterial components, natural and synthetic lipid vesicles, synthetic medicines, poisons, pollutants, Polymers, polymer particles, glass particles, glass surfaces, plastic particles, Plastic surfaces, Polymer membranes, conductors and semiconductors.
Ein Cyanin oder ein damit verwandter Chromophor kann auch hergestellt werden, der, wenn er mit einer Komponente umgesetzt wird, Licht bei 633 nm absorbieren kann. In der Erfassungsstufe kann ein Helium-Neon-Laser verwendet werden, der Licht bei dieser Wellenlänge des Spektrums emittiert. Auch kann ein Cyanin- oder damit verwandter Farbstoff hergestellt werden, der, wenn er mit einer Komponente umgesetzt wird, Licht maximal zwischen 700 nm und 900 nm absorbieren kann. In diesem Fall kann in der Erfassungsstufe eine Laserdiode verwendet werden, die Licht in diesem Bereich des Spektrums emittiert.One Cyanine or a related chromophore can also be made which, when implemented with a component, will light at 633 nm can absorb. In the detection stage can be a helium-neon laser be used, which emits light at this wavelength of the spectrum. Also, a cyanine or related dye can be made which, when implemented with a component, will light maximum between 700 nm and 900 nm can absorb. In this case can be used in the detection stage, a laser diode, the Light emitted in this region of the spectrum.
Selektivitätselectivity
Die obenangegebenen reaktiven Gruppen sind relativ spezifisch für die Markierung bestimmter funktioneller Gruppen auf Proteinen und anderen biologischen oder nichtbiologischen Molekülen, Makromolekülen, Oberflächen oder Teilchen, vorausgesetzt, daß geeignete Reaktionsbedingungen mit Einschluß von geeigneten pH-Bedingungen angewendet werden.The The above reactive groups are relatively specific for the label certain functional groups on proteins and other biologicals or nonbiological molecules, Macromolecules, surfaces or Particles, provided that suitable Reaction conditions including appropriate pH conditions be applied.
Eigenschaften der reaktiven Cyanin-, Merocyanin- und Styryl-Farbstoffe und ihrer ProdukteProperties of the reactive Cyanine, merocyanine and styryl dyes and their products
Die Spektraleigenschaften der erfindungsgemäßen Farbstoffe werden durch die hierin beschriebene Funktionalisierung nicht nennenswert verändert. Die Spektraleigenschaften der markierten Proteine und der anderen Verbindungen sind gleichfalls nicht sehr verschieden von denjenigen des Grund-Farbstoffmoleküls, das nicht an ein Protein oder ein anderes Material konjugiert worden ist. Die hierin beschriebenen Farbstoffe haben, allein oder an ein markiertes Material konjugiert, im allgemeinen große Extinktionskoeffizienten (ε = 100.000 bis 250.000), hohe Quantenausbeuten so hoch wie 0,4 in bestimmten Fällen, und sie absorbieren und emittieren Licht im Spektralbereich von 400 bis 900 nm. Somit sind sie von besonderem Wert als Markierungs-Reagentien für die Lumineszenz-Erfassung.The Spectral properties of the dyes of the invention are characterized by does not appreciably alter the functionalization described herein. The Spectral properties of the labeled proteins and the other compounds are also not very different from those of the basic dye molecule, the not conjugated to a protein or other material is. The dyes described herein have, alone or on a labeled material conjugated, generally large extinction coefficients (ε = 100,000 to 250,000), high quantum yields as high as 0.4 in certain cases and they absorb and emit light in the spectral range of 400 to 900 nm. Thus, they are of particular value as labeling reagents for the Luminescence detection.
Optische ErfassungsmethodenOptical detection methods
Zur Erfassung bzw. Bestimmung einer markierten oder gefärbten Komponente kann jede beliebige Methode angewendet werden. Die Erfassungsmethode kann eine Lichtquelle verwenden, die das Gemisch, welches das markierte Material enthält, mit Licht mit ersten definierten Wellenlängen bestrahlt. Bekannte Vorrichtungen werden verwendet, die Licht mit zweiten Wellenlängen erfassen, welches Licht durch das Gemisch hindurchgelassen worden ist oder das durch das Gemisch fluoresziert oder luminesziert wird. Solche Erfassungsvorrichtungen sind beispielsweise Fluoreszenz-Spektrometer, Absorptions-Spektrophotometer, Fluoreszenz-Mikroskope, Lichtdurchlässigkeits-Mikroskope und Fließ-Cytometer, optische Fasersensoren und Immunoassay-Instrumente.to Detection or determination of a marked or colored component Any method can be used. The collection method can use a light source that has the mixture that marked it Contains material, irradiated with light at first defined wavelengths. Known devices are used, which capture light with second wavelengths, which light has passed through the mixture or through the Mixture fluoresces or luminesces. Such detection devices Examples are fluorescence spectrometers, absorption spectrophotometers, Fluorescence microscopes, translucent microscopes and flow cytometers, fiber optic sensors and immunoassay instruments.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch chemische Analysenmethoden verwendet werden, um die Anheftung des Farbstoffs an die markierte Komponente oder die markierten Komponenten zu erfassen. Beispiele für chemische Analysenmetho den sind die Infrarot-Spektrometrie, die NMR-Spektrometrie, die Absorptions-Spektrometrie, die Fluoreszenz-Spektrometrie, die Massen-Spektrometrie und die Chromatographie.at the method according to the invention can Also, chemical analysis methods are used to attach of the dye to the labeled component or components capture. examples for Chemical analysis methods are infrared spectrometry NMR spectrometry, absorption spectrometry, fluorescence spectrometry, the mass spectrometry and the chromatography.
Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.The Invention is illustrated in the examples.
Beispiel 1example 1
Effekt des pH-Werts auf die Konjugierung von Sulfoindodicarbocyanin mit ProteinEffect of pH on the conjugation of sulfoindodicarbocyanine with protein
Proben von Schaf-γ-Globulin (4 mg/ml) in 0,1 m Carbonat-Puffern (pH = 8,5, 8,9 und 9,4) wurden bei Raumtemperatur mit einem 10fachen molaren Überschuß des folgenden aktiven Sulfoindodicarbo-cyaninesters (m = 2) vermischt.rehearse of sheep γ-globulin (4 mg / ml) in 0.1 M carbonate buffers (pH = 8.5, 8.9 and 9.4) at room temperature with a 10-fold molar excess of the following sulfoindodicarbo-cyanine active ester (m = 2) mixed.
Zu geeigneten Zeitpunkten, die sich von 5 Sekunden bis 30 Minuten erstreckten, wurden Proteinproben von nichtkovalent angeheftetem Farbstoff durch Gel-Permeationschromatographie auf Sephadex® G-50 abgetrennt. Die maximale Markierung des Proteins erfolgte nach 10 Minuten und ergab End-Molverhält nisse von Farbstoff/Protein von 5,8, 6,4 und 8,2 für die Proben, die bei pH-Werten von 8,5, 8,9 bzw. 9,4 inkubiert worden waren. Die Zeiten, die erforderlich waren, um ein Farbstoff/Protein-Verhältnis von 5 und Quantenausbeuten der Produkte bei den verschiedenen pH-Werten zu ergeben, sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt: At appropriate times, which ranged from 5 seconds to 30 minutes, protein samples were separated from non-covalently attached thereto a dye by gel permeation chromatography on Sephadex ® G-fiftieth The maximum labeling of the protein occurred after 10 minutes and gave final dye ratios of dye / protein of 5.8, 6.4, and 8.2 for the samples, which were stable at pH 8.5, 8.9, and 8.2, respectively. 9.4 were incubated. The times required to give a dye / protein ratio of 5 and quantum yields of the products at the various pH values are summarized in the following table:
Diese Werte zeigen, daß die Protein-Markierung mit diesem Farbstoff bei einem pH-Wert von 9,4 besser ist als bei einem pH-Wert von unterhalb 9. In dem Puffer mit höherem pH-Wert war die Konjugierungsreaktion sehr rasch, doch war die Markierungswirksamkeit ausgezeichnet, und das Produkt war stärker fluoreszierend. Der Wert der Quantenausbeute gibt die mittlere Quantenausbeute pro Farbstoffmolekül auf dem markierten Protein wieder.These data indicate that the protein labeling with this dye is better at pH 9.4 than at pH below 9. In the higher pH buffer, the conjugation was greater action very quickly, but the labeling efficiency was excellent and the product was more fluorescent. The value of the quantum yield represents the average quantum yield per dye molecule on the labeled protein.
Beispiel 2Example 2
Konjugation des aktiven Sulfoindocarbocyaninesters mit ProteinConjugation of the active Sulfoindocarbocyanine ester with protein
Schaf-γ-Globulin (1 mg/ml), gelöst in phosphatgepufferter Kochsalzlösung (PBS) mit einem pH-Wert von 7,4, wurde mit 0,1 m Natriumcarbonat auf einen pH-Wert von 9,4 eingestellt. Ein Cyanin-Farbstoff-Markierungsmittel (Struktur in Beispiel 1, m = 1) wurde zu aliquoten Teilen dieser Proteinlösung zugegeben, um verschiedene Molverhältnisse von Farbstoff/Protein zu ergeben. Nach 30minütiger Inkubation bei Raumtemperatur wurden die Gemische durch Gel-Permeationschromatographie auf Sephadex® G-50 unter Elution mit PBS aufgetrennt. Das Molverhältnis der Farbstoffe, die kovalent an die Proteine in den Produkten angeheftet worden waren, war 1,2, 3,5, 5,4, 6,7 und 11,2 für Anfangsverhältnisse von Farbstoff/Protein von 3, 6, 12, 24 bzw. 30.Sheep γ-globulin (1 mg / ml) dissolved in pH 7.4 phosphate buffered saline (PBS) was adjusted to pH 9.4 with 0.1 M sodium carbonate. A cyanine dye marker (structure in Example 1, m = 1) was added to aliquots of this protein solution to give different dye / protein molar ratios. After 30 minutes incubation at room temperature, the mixtures by gel permeation chromatography on Sephadex ® G-50 were separated by eluting with PBS. The molar ratio of the dyes covalently attached to the proteins in the products was 1.2, 3.5, 5.4, 6.7 and 11.2 for initial ratios of dye / protein of 3, 6, 12, 24 or 30.
Beispiel 3Example 3
Markierung von AECM-Dextran mit einem SulfoindodicarbocyaninLabeling of AECM-Dextran with a sulfoindodicarbocyanine
N-Aminoethyl-carboxamidomethyl-(AECM-)Dextran mit einem Mittelwert von 16 Aminogruppen pro Dextranmolekül wurde aus Dextran mit einem mittleren MW von 70.000 synthetisiert (Inman, J.K., J. Immunol. 114: 704–709 (1975)). Ein Teil des AECM-Dextrans (1 mg/250 μl), gelöst in 0,1 m Carbonat-Puffer, mit einem pH-Wert von 9,4 wurde zu 0,2 mg des aktiven Sulfoindodicarbocyaninesters (Struktur in Beispiel 1, m = 2) gegeben, wobei ein Farbstoff/Protein-Molverhältnis von 10 erhalten wurde. Das Gemisch wurde 30 Minuten bei Raumtemperatur gerührt. Das Dextran wurde sodann von nichtkonjugiertem Farbstoff durch Sephadex® G-50-Gel-Permeationschromatographie unter Verwendung von Ammoniumacetat (50 mM) als Elutions-Puffer abgetrennt. Ein Durchschnitt von 2,2 Farbstoffmolekülen war kovalent an jedes Dextranmolekül gebunden.N-aminoethyl carboxamidomethyl (AECM) dextran having an average of 16 amino groups per dextran molecule was synthesized from dextran with an average MW of 70,000 (Inman, JK, J. Immunol., 114: 704-709 (1975)). A portion of the AECM-dextran (1 mg / 250 μl) dissolved in 0.1 M carbonate buffer pH 9.4 was added to 0.2 mg of the active sulfoindodicarbocyanine ester (structure in Example 1, m = 2) to give a dye / protein molar ratio of 10. The mixture was stirred at room temperature for 30 minutes. The dextran was then separated from unconjugated dye by Sephadex ® G-50 gel permeation chromatography using ammonium acetate (50 mM) as an elution buffer. An average of 2.2 dye molecules was covalently bound to each dextran molecule.
Beispiel 4Example 4
Markierung eines spezifischen Antikörpers mit aktivem SulfoindodicarbocyaninesterMarking a specific antibody with active sulfoindodicarbocyanine ester
Gegen Murin IgG spezifisches Schaf-γ-Globulin (1 mg/ml) in 0,1 m Carbonat-Puffer (pH = 9,4) wurde mit dem aktiven Sulfoindodicarbocyaninester (Struktur in Beispiel 1, m = 2) mit einem Verhältnis von 8 Farbstoffmolekülen pro Proteinmolekül vermischt. Nach 30minütigem Inkubieren bei Raumtemperatur wurde das Markierungsgemisch durch Gelfiltration auf Sephadex® G-50, das mit phosphatgepufferter Kochsalzlösung (pH = 7,4) ins Gleichgewicht gebracht worden war, aufgetrennt. Das gewonnene Protein enthielt einen Mittelwert von 4,5 Farbstoffmolekülen, die kovalent an jedes Proteinmolekül angeheftet waren.Murine IgG-specific sheep γ-globulin (1 mg / ml) in 0.1M carbonate buffer (pH = 9.4) was treated with the active sulfoindodicarbocyanine ester (structure in Example 1, m = 2) at a ratio of 8 Dye molecules per protein molecule mixed. After 30 minutes of incubation at room temperature, the labeling mixture by gel filtration on Sephadex ® G-50 which had been equilibrated with phosphate buffered saline (pH = 7.4) was separated. The recovered protein contained an average of 4.5 dye molecules covalently attached to each protein molecule.
Beispiel 5Example 5
Anfärbung und mikroskopische Sichtbarmachung von Human-Lymphozyten mit Sulfoindodicarbocyanin-Farbstoff, der an Schaf-Anti-Maus-IgG-Antikörper kunjugiert warStaining and microscopic visualization of human lymphocytes with sulfoindodicarbocyanine dye, which conjugates to sheep anti-mouse IgG antibody was
Frisch isolierte periphere Blutlymphozyten wurden bei 0°C 30 Minuten lang mit Maus-Anti-β2-Mikroglobulin (0,25 μg/106 Zellen) behandelt. Die Zellen wurden zweimal mit DMEM-Puffer gewaschen und sodann mit dem mit Sulfoindodicarbocyanin markierten Schaf-Anti-Maus-IgG-Antikörper (1 μg/106 Zellen) behandelt. Nach 30minütiger Inkubierung bei 0°C wurde überschüssiger Antikörper durch Zentrifugieren der Zellen entfernt, und die Zellen wurden erneut zweimal mit DMEM-Puffer gewaschen. Aliquote Teile der Zellen wurden auf Objektträgern zur Analyse durch Fluoreszenz-Mikroskopie befestigt. Unter dem Mikroskop wurden die Lymphozyten auf dem Objektträger mit Licht mit 610 bis 630 nm bestrahlt, und die Fluoreszenz bei 650 bis 700 nm wurde mit einer rotempfindlichen verstärkten COHU-Fernsehkamera erfaßt, welche an einen Bilddigitalisierer und einen Fernsehmonitor angeschlossen war. Die nach dieser Methode angefärbten Zellen zeigten unter dem Mikroskop eine Fluoreszenz. In einem Kontrollexperiment wurde die Verwendung des primären Maus-Anti-β2-Mikroglobulin-Antikörpers weggelassen, doch wurde die Färbung und die Analyse sonst wie oben beschrieben durchgeführt. Die Kontrollprobe zeigte unter dem Mikroskop keine Fluoreszenz, was darauf hinweist, daß der mit Sulfoindocyanin markierte Schaf-Anti-Maus-Antikörper keine signifikante nichtspezifische Bindung an Lymphozyten ergibt.Freshly isolated peripheral blood lymphocytes were treated with mouse anti-β2 microglobulin (0.25 μg / 10 6 cells) at 0 ° C for 30 minutes. The cells were washed twice with DMEM buffer and then treated with the sulfoindodicarbocyanine-labeled sheep anti-mouse IgG antibody (1 μg / 10 6 cells). After incubation at 0 ° C for 30 minutes, excess antibody was removed by centrifugation of the cells, and the cells were again washed twice with DMEM buffer. Aliquots of the cells were mounted on microscope slides for analysis by fluorescence microscopy. Under the microscope, the lymphocytes on the slide were irradiated with light of 610 to 630 nm, and the fluorescence of 650 to 700 nm was detected with a red-sensitive amplified COHU television camera connected to an image digitizer and a television monitor. The cells stained by this method showed fluorescence under the microscope. In a control experiment, the use of the primary mouse anti-β2-microglobulin antibody was omitted, but staining and analysis were otherwise performed as described above. The control sample showed no fluorescence under the microscope, indicating that the sulfoindocyanine-labeled sheep anti-mouse antibody does not give significant non-specific binding to lymphocytes.
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