用于检测样品分析物的结构和方法与流程

背景技术：

1、目前的个性化医疗绝大多数是以基因组为中心的，主要侧重于定量个体体内存在的基因。虽然这种方法已被证明非常有效，但它并不能为临床医生提供个人健康状况的完整图景。这是因为基因是个体的“蓝图”，它仅仅告知形成疾病的可能性。在个体中，这些“蓝图”首先需要被转录成rna，然后翻译成各种蛋白质分子，即细胞中真正的“起作用的东西”，才能对个体的健康产生影响。

2、蛋白质的浓度、蛋白质之间的相互作用(蛋白质-蛋白质相互作用或ppi)以及蛋白质与其他分子之间的相互作用与不同器官的健康、稳态调节机制以及这些系统与外部环境的相互作用存在错综复杂的关系。因此，有关蛋白质和蛋白质相互作用(例如ppi)的定量信息对于全面了解给定时间点的个人健康状况以及预测任何新出现的健康问题至关重要。例如，可以通过测量周围血液中肌钙蛋白i/ii和肌球蛋白轻链的浓度来推断心肌承受的压力大小(例如心脏病发作期间)。类似的蛋白质生物标志物也已被鉴定、验证并用于广泛多种器官功能障碍(例如肝脏疾病和甲状腺疾病)、特定癌症(例如结直肠癌或前列腺癌)和传染病(例如hiv和寨卡病毒)。这些蛋白质之间的相互作用对于药物开发也至关重要，并且越来越成为备受追捧的数据集。检测和定量给定体液样品中的蛋白质以及蛋白质与其他分子的相互作用的能力是此类医疗保健发展的组成部分。

技术实现思路

1、本公开总体上涉及用于检测和定量样品中的分析物分子的系统、结构和方法。

2、在一些实施例中，本文提供了一种用于检测样品中存在的分析物分子的方法，该方法包括：a)提供超分子结构，其包含：核心结构，其包含多个核心分子和在第一位置处联系至该核心结构的捕获分子，b)使该样品与该超分子结构接触，以及c)提供检测器分子组合物；以及d)基于由该检测器分子组合物提供的信号和由该超分子结构提供的相关信号来检测该分析物分子。

3、在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括定量样品中分析物分子的浓度。在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括识别检测到的分析物分子。在一些实施例中，本文公开的任何方法进一步包括当分析物分子以单个分子的计数或更高的计数存在于样品中时基于信号检测分析物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、dna、rna、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构是纳米结构。

4、在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构是纳米结构。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(dna)折纸结构、支架式核糖核酸(rna)折纸结构、支架式杂合dna:rna折纸结构、单链dna平铺结构、多链dna平铺结构、单链rna折纸结构、多链rna平铺结构、具有多个支架的阶级组成的dna或rna折纸结构、肽结构或其组合。

5、在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，相应分析物分子1)通过化学键结合至相应超分子结构的捕获分子和/或2)通过化学键结合至检测器分子组合物的检测器分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，捕获分子和检测器分子独立地包含蛋白质、肽、抗体、适体(rna和dna)、荧光团、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物例如peg或其组合。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，其中对于每个超分子结构：a)捕获分子通过捕获条形码联系至核心结构，其中捕获条形码包含第一捕获接头、第二捕获接头以及设置在第一捕获接头和第二捕获接头之间的捕获桥，其中第一捕获接头结合至第一核心接头，该第一核心接头结合至核心结构上的第一位置，其中捕获分子和第二捕获接头通过结合至第三捕获接头而联系在一起，以及b)检测器分子组合物包括检测器条形码，其中检测器条形码包含一个或多个接头。在一些实施例中，捕获桥和检测器分子组合物独立地包含聚合物核心。在一些实施例中，捕获桥的聚合物核心和检测器分子组合物的聚合物核心独立地包含特定序列的核酸(dna或rna)或聚合物如peg。

6、在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构进一步包含连接至核心结构的锚分子。在一些实施例中，锚分子经由锚条形码联系至核心结构，其中锚条形码包含第一锚接头、第二锚接头以及设置在第一锚接头和第二锚接头之间的锚桥，其中第一锚接头与第三核心接头结合，该第三核心接头与核心结构上的第三位置结合，其中锚分子与第二锚接头连接。在一些实施例中，锚分子包含胺、硫醇、dbco、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺(acrydite)、nhs-酯、特定序列的单链核酸(rna或dna)、一种或多种聚合物如peg或聚合引发剂或其组合。在一些实施例中，锚桥包含聚合物核心。在一些实施例中，锚桥的聚合物核心包含特定序列的核酸(dna或rna)或聚合物如peg。在一些实施例中，第三核心接头、第一锚接头、第二锚接头和锚分子独立地包含锚反应性分子或dna序列结构域。在一些实施例中，每个锚反应性分子独立地包含胺、硫醇、dbco、马来酰亚胺、生物素、叠氮化物、丙烯酸亚磷酰胺、nhs-酯、特定序列的单链核酸(rna或dna)、一种或多种聚合物如peg或聚合引发剂或其组合。在一些实施例中，锚分子通过化学键联系至第二锚接头。在一些实施例中，锚分子与第二锚接头共价键合。

7、在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，信号包括检测器条形码、捕获条形码或其组合，对应于结合至分析物的超分子结构，该分析物又结合至检测器分子组合物。在一些实施例中，每个检测器条形码提供对应于检测器分子的dna信号并提供指示其对于与相应检测器分子结合的分析物分子的特异性的信息。在一些实施例中，使用基因分型、qpcr、测序或其组合来分析检测器条形码。在一些实施例中，通过多重复用同时检测样品中的多个分析物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，每个超分子结构的捕获分子和检测器分子被配置为结合一种或多种特定类型的分析物分子。

8、在一些实施例中，对于包括使用本文公开的多个超分子结构的任何方法，多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。在一些实施例中，每个超分子结构包含规定的形状、尺寸、分子量或其组合，以减少或消除多个超分子结构之间的交叉反应。在一些实施例中，每个超分子结构包含多个捕获分子。在一些实施例中，每个超分子结构包含规定化学计量的捕获分子和检测器分子，以便减少或消除多个超分子结构之间的交叉反应。

9、在一些实施例中，一个或多个超分子结构附接至水凝胶多孔基质。在一些实施例中，每个超分子结构通过联系至相应超分子结构的相应核心结构的相应锚分子与水凝胶共聚。在一些实施例中，一个或多个超分子结构嵌入水凝胶内。在一些实施例中，多个超分子结构设置在基底上，例如具有形状的基底或平面基底上，其中基底包含多个结合位点，其中每个结合位点被配置为与相应的超分子结构联系。在一些实施例中，多个超分子结构被配置为检测相同的分析物分子。在一些实施例中，对于包括使用基底的任何方法，该方法进一步包括提供与检测器分子联系的多个信号传导元件。在一些实施例中，每个信号传导元件包含荧光分子或微珠、荧光聚合物、高电荷纳米颗粒或聚合物。在一些实施例中，多个超分子结构中的至少一个超分子结构被配置为检测与其他超分子结构不同的分析物分子。

10、在一些实施例中，对于包括使用平面基底的任何方法，进一步包括对每个超分子结构进行条形码化，以便识别每个超分子结构在平面基底上的位置。在一些实施例中，对于包括使用平面基底的任何方法，该方法包括提供本文所提供的多个信号传导元件，其被配置为与检测器分子联系。

11、在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包含生物颗粒或生物分子。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包含水溶液，该水溶液包含蛋白质、肽、肽片段、脂质、dna、rna、有机分子、病毒颗粒、外来体、细胞器、或其任何复合物。在一些实施例中，对于本文公开的任何方法，样品包括组织活检、血液、血浆、尿液、唾液、泪液、脑脊液、胞外液、培养细胞、培养基、废弃组织、植物物质、合成蛋白质、朊病毒、细菌和/或病毒样品或真菌组织、或其组合。在使样品与本文提供的超分子结构接触之前，可以对样品进行处理以从细胞中释放分析物或以其他方式制备用于分析的样品。样品可以是环境样品，例如废水或土壤样品。样品还可以是非生物样品。在实施例中，样品可以是来自化学处理步骤的样品、食品或营养组分的样品、或包装组分的样品。

12、在一些实施例中，本文提供了用于检测样品中的一个或多个分析物分子的基底，该基底包含多个超分子结构，每个超分子结构包含：a)包含多个核心分子的核心结构，和b)联系至超分子核心的捕获分子。

13、在一些实施例中，多个超分子结构的每个核心结构彼此相同。在一些实施例中，基底包括固体支持物、固体基底、聚合物基底或分子缩合物。在一些实施例中，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，一个或多个分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、dna、rna、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，每个超分子结构是纳米结构。在一些实施例中，每个核心结构是纳米结构。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，每个核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(dna)折纸结构、支架式核糖核酸(rna)折纸结构、支架式杂合dna:rna折纸结构、单链dna平铺结构、多链dna平铺结构、单链rna折纸结构、多链rna平铺结构、具有多个支架的阶级组成的dna或rna折纸结构、肽结构或其组合。在一些实施例中，相应的分析物分子1)通过化学键结合至捕获分子和/或2)通过化学键结合至检测器分子。在一些实施例中，捕获分子和检测分子独立地包含蛋白质、肽、抗体、适体(rna和dna)、荧光团、darpin、催化剂、聚合引发剂、聚合物例如peg或其组合。

14、在一些实施例中，其中对于基底的每个超分子结构：a)捕获分子通过捕获条形码联系至核心结构，其中捕获条形码包含第一捕获接头、第二捕获接头以及设置在第一捕获接头和第二捕获接头之间的捕获桥，其中第一捕获接头结合至第一核心接头，该第一核心接头结合至核心结构上的第一位置，其中捕获分子和第二捕获接头通过结合至第三捕获接头而联系在一起。捕获分子与分析物结合，该分析物又与检测器分子组合物的检测器分子结合。在实施例中，检测器分子组合物包括不与捕获分子联系并且在基底上不固定的单独的超分子结构。

15、在一些实施例中，包括捕获分子的超分子结构直接与基底材料相互作用以将超分子结构固定在基底上。在一些实施例中，包括捕获分子的超分子结构进一步包含联系至核心结构的如本文提供的锚分子，并且锚分子联系至基底以将超分子结构固定在基底上。

16、在一些实施例中，从基底读取或检测到的信号包括可以使用光学传感器、磁传感器和/或电传感器进行分析的检测器条形码、捕获条形码或其组合。检测技术包括电化学感测、基因分型、qpcr、测序或其组合。在一些实施例中，一个或多个超分子结构被配置为多重处理样品，其中同时检测样品中的多个分析物分子。在一些实施例中，每个超分子结构的捕获分子被配置为结合一种或多种特定类型的分析物分子。

17、在一些实施例中，样品包括复杂生物样品并且该方法提供单分子灵敏度，从而增加复杂生物样品内的一系列分子浓度的动态范围和定量捕获。在一些实施例中，分析物分子包括蛋白质、肽、肽片段、脂质、dna、rna、有机分子、无机分子、其复合物或其任何组合。在一些实施例中，超分子结构是纳米结构。在一些实施例中，核心结构是纳米结构。在一些实施例中，超分子结构包含规定的形状、尺寸、分子量或其组合，以减少或消除与另一超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，超分子结构包含多个捕获分子。

18、在一些实施例中，核心结构的多个核心分子排列成预定义的形状和/或具有规定的分子量。在一些实施例中，预定义形状被配置为限制或防止与另一个超分子结构的交叉反应。在一些实施例中，每个核心结构的多个核心分子包含一个或多个核酸链、一个或多个分支核酸、一个或多个肽、一个或多个小分子或其组合。在一些实施例中，核心结构独立地包含支架式脱氧核糖核酸(dna)折纸结构、支架式核糖核酸(rna)折纸结构、支架式杂合dna:rna折纸结构、单链dna平铺结构、多链dna平铺结构、单链rna折纸结构、多链rna平铺结构、具有多个支架的阶级组成的dna或rna折纸结构、肽结构或其组合。