JP2019526794A - 生物検体の検出のための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

試料中の検体の存在および／またはレベルを検出および／またはモニタリングするための検知システム、およびそれを利用した方法を提供する。当該検知システムは、ナノ構造体または複数ナノ構造体と、ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルとを具備し、ヒドロゲルが、検体と選択的に相互作用する検知部分と会合し、且つ検体と接触したときに、（１つまたは複数の）ナノ構造体が電気特性の検出可能な変化を示すように構成されているものである。【選択図】 図１Ａ

Description

関連出願
本出願は、２０１６年８月２２日に出願した米国仮特許出願第６２／３７７，７７５号の優先権を主張する、発明の名称：「皮下検知のための方法およびシステム」（代理人整理番号：７０７９１）という国際特許出願と同時の出願である。これら特許出願の内容の全てが、本参照により本明細書に組み込まれる。

本出願は、２０１６年８月２２日に出願した、米国仮特許出願第６２／３７７，７７６号の優先権を主張するものであり、その内容の全てが、本参照により本明細書に組み込まれる。

本発明のいくつかの実施形態は検知に関し、より詳細には、生物学的試料等の試料中の検体（生物検体等であるが、これに限定されないもの）の存在および／または量を決定するための方法およびシステム、ならびにこれらの使用に関するが、これらに限定されるものではない。

主としてほとんどの生物試料が非常に多様性が高く複雑な混合物であるという事実故に、効率的な生体分子の分離および精製のための技法の開発は、現代のゲノミクス、プロテオミクス、およびバイオセンシングの領域において、非常に重要である。現在実践されている技法の大半は、特定の標的分子（例えば、代謝産物、タンパク質）を複雑な生物試料から迅速かつ選択的に分離および濃縮する能力に欠けており、ラボ・オン・チップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）検知デバイスと統合することは困難である。

標的代謝産物の検出は最も注目される技法の１つであり、数多く検討されてきた。効率的な連続式代謝センサの開発は、現代の医療および生体試料分析（インビボおよびエクスビボ）において極めて重要である。

代謝は、エネルギーを生成または消費する、生体における生化学的プロセスを包含する。代謝反応は、細胞の増殖および死、細胞による構造の再編成、および細胞の環境に対する応答を調節する。

異常な代謝反応は、正常な生理機能を妨げて重篤な組織不全をもたらし、例えば、癌および糖尿病を含む多くの疾病に関連する。

癌は、代謝の変化を伴う一般的なヒト疾病の一例である。改変された細胞代謝は癌の特徴であり、細胞の悪性化、ならびに腫瘍の発生、増殖および維持の一因となる。改変されたグルコース代謝は癌の発達を促進し、癌細胞は正常な組織と比較してはるかに大量のグルコースを消費し、はるかに大量の乳酸塩を分泌することなどが研究からわかってきた。

したがって、癌の代謝をモニタリングするために癌代謝に関連した複雑なネットワークを理解することは、癌における代謝の重要性を理解し、治療の効果を予測し、個別治療を促進するために必要だと考えられる。例えば、Munoz-Pinedo et al. Cell Death Dis 2012, 3:e248、およびGriffin and Shockcor, Nature reviews Cancer 2004,4(7):551-561を参照されたい。

半導体ナノワイヤは、それらの表面上に吸着された化合物種に対して極めて高い感度を示すことが知られている。ナノワイヤ装置では、帯電した検体のナノワイヤ表面への結合によって、コンダクタンス変化、またはワイヤ中を流れる電流の変化がもたらされる。１Ｄ（１次元）ナノスケール形態および極めて大きい体積に対する表面比のおかげで、コンダクタンス変化は平面型のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）よりもナノワイヤベースのセンサにおいてはるかに高く、単一の分子検出が可能である程度まで感度を増大できる。

したがって、ナノワイヤベースの電界効果トランジスタ（ＮＷ−ＦＥＴ）は、ここ１０年で化学的および生物学的な化合物種を検出するための強力な新しいセンサになり得ると考えられてきた。例えば、その全てが本明細書に示されるかのように、参照により組み込まれる、Patolsky et al., Analytical Chemistry 78,4260-4269(2006)、Stern et al., IEEE Transactions on Electron Devices 55,3119-3130(2008)、Cui et al., Science 293,1289-1292(2001)、およびPatolsky et al. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 101,14017-14022(2004)を参照されたい。

例えばＤＮＡ及びタンパク質等の、医療診断に関連する多数の生体分子種の同時多重検出のためのナノワイヤー電気装置の研究も行われきた（Zheng et al., Nature Biotechnology 23,1294-1301(2005)、Timko et al., Nano Lett.9,914-918(2009)、及びLi et al., Nano Lett.4,245-247(2004)）。

一般に、ＮＷ−ＦＥＴ構成では、ゲート電位が所定のソースドレイン電圧（ＶＳＤ）のチャネルコンダクタンスを制御し、ゲート電圧（ＶＧＤ）の調節によって測定されるソースドレイン電流（ＩＳＤ）が変化する。ＦＥＴとして動作するＮＷセンサの場合、ＮＷ内部の担体伝導に対する帯電した分子の電場ゲーティング効果が検知機構となる。マイクロサイズの材料又はバルク材料から形成されている装置と比較して、ナノ装置の高い感度は、小さい寸法とより大きい表面／体積比とに密接に関連している。生物学的検体分子の殆どが固有の電荷を有するため、ナノワイヤー表面に対する結合は、半導体ＳｉＮＷに対する分子ゲートの役割をはたすことができる（上述のCui et al., 2001）。

結合親和性を使って代謝産物を標的化する抗体／酵素ナノワイヤーＦＥＴが、例えば、Lu et al. Bioelectrochemistry 2007,71(2):211-216、Patolsky et al. Nanowire-based biosensors.Anal Chem 2006,78(13):4260-4269、及びYang et al. Nanotechnology 2006,17(11):S276-S279に開示されている。

酸化反応によって代謝産物を検出する、電気化学的に高感度のナノワイヤーセンサは、例えば、Lu et al. Biosens Bioelectron 2009,25(1):218-223、Krivitsky et al. Nano letters 2012,12(9):4748-4756、Shao et al. Adv Funct Mater 2005,15(9):1478-1482、Su et al. Part Part Syst Char 2013,30(4):326-331、及びTyagi et al. Anal Chem 2009,81(24):9979-9984に開示されている。

米国特許第７，６１９，２９０号、米国特許出願公開第２０１０／００２２０１２号及び対応出願は、とりわけ、センサとして使用できる官能化ナノワイヤーから構成されたナノスケール装置を教示している。

Clavaguera et al.は、化学的に官能化されたケイ素ナノリボン電界効果トランジスタを使用した、神経剤のサブｐｐｍ検出のための方法を開示した（Clavaguera et al., Angew.Chem.Int.Ed.2010,49,1-5）。

ＳｉＯ_２表面化学は、分散された応答を介してアセトン蒸気及びヘキサン蒸気を区別することができる「ナノ電子鼻」ライブラリーの構成に使用されている（Nature Materials Vol.6, 2007, pp.379-384）。

米国特許出願公開第２０１０／０３２５０７３号は、気体状のＮＯを吸収するように設計されたナノ装置を開示している。国際公開第２０１１／０００４４３号には、官能化ナノワイヤーを使用して、ニトロ含有化合物を検出するナノ装置が記載されている。

Duan et al.［Nature Nanotechnology, Vol. 7, 2012, pp. 174-179］は、シリコンナノワイヤＦＥＴ検出器と、ＦＥＴを細胞内流体（細胞質基質）に接続する電気的に絶縁性のＳｉＯ_２ナノチューブとを記載している。膜電位差Ｖｍが変化するとき、ナノチューブ内の細胞質基質の電位が変動して、ＦＥＴのコンダクタンスＧを変化させる。

Kosaka et al.［Nature Nanotechnology, Vol. 9, 2014, pp. 1047-1053］は、表面固定型抗体を使用する、血清中のがんバイオマーカーの検出を開示している。

Krivitsky et al.［Nano letters 2012, 12(9): 4748-4756］は、全血および他の複雑な生物試料の直接分析のための、オンチップ包括的ＳｉＮＷフィルタリング／選択的分離／脱塩／予備濃縮プラットフォームを記載している。最初に、極めて大きな結合表面積を有する、粗度が制御された抗体修飾ＳｉＮＷフォレストを使用して、未処理の生物試料から必要なタンパク質分析物を分離し、次に、制御された液体媒体中に標的タンパク質を放出させ、その後、同じチッププラットフォーム上で作製されたＳｉＮＷ型ＦＥＴアレイによって、標的タンパク質を検出する。

国際公開第２０１５／０５９７０４号は、１つ以上の試料チャンバと流体連通した、酸化還元反応性ナノ構造体ＦＥＴアレイを用いる１つ以上の検知コンパートメントを具備した、一体化されたマイクロ流体ナノ構造体検知システムを開示する。当該システムによる、生理学的溶液における細胞代謝活性の多重リアルタイムモニタリングが示されており、オーダーメード医療のための代謝ネットワークと、癌の要件との理解を進めるうえで効率的なツールであることが明示されている。

Revzin et al. Langmuir 2001, 17, 5440-5447は、フォトリソグラフィーでシリコン基板またはガラス基板の上にパターン形成された、ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート、ジメタクリレート、およびテトラアクリレートに基づく、架橋ヒドロゲルマイクロ構造体を記載している。さらに、ｐＨ感度の蛍光色素と結合した固定化タンパク質を含有する、このようなヒドロゲルディスクのアレイを記載している。

Piao et al., Biosensors and Bioelectronics 65 (2015) 220-225は、高感度なインサイチュのグルコースモニタリングシステムとして機能し得る、酵素組込型マイクロ流体デバイスにおいて気中水型（water-in-air）液滴を使用する、液滴生成型マイクロ流体システムを記載している。このシステムは、マイクロ流体チャネルの中間に構築されたグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）酵素固定化ヒドロゲルの薄膜構造と、グルコース試料、セイヨウワサビペルオキシダーゼ（ＨＲＰ）、およびＡｍｐｌｅｘ Ｒｅｄ基質を含有するナノリットルスケールの気中水型液滴とから形成される。当該液滴は、空気による水相の流動収束によって生成されるものである。液滴が酵素捕捉ヒドロゲルを通過する際に、グルコースとのＧＯｘ媒介触媒反応が発生し、液滴中に蛍光レソルフィン生成物が形成される。

さらなる背景技術としては、例えば、Chen et al., Nano Today (2011) 6, 131-54およびそこで引用されている参考文献、ならびにStern et al., Nature Nanotechnology, 2009が挙げられる。

本発明の一部の実施形態の一態様によれば、試料中の検体の存在および／またはレベルを検出および／またはモニタリングするための検知システムであって、ナノ構造体と、ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルとを具備し、ヒドロゲルが、検体と選択的に相互作用する検知部分と会合し、且つ検体と接触したときには、ナノ構造体が電気特性の検出可能な変化を示すように構成されている、検知システムが提供される。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、試料は、生物学的試料である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検出および／またはモニタリングは、インビトロ、エクスビボまたはインビボで行われる。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検体は、生物検体である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知部分は、検体に特異的な試薬である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検体は、代謝産物である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知部分は、代謝産物に特異的な酸化還元酵素である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知部分は、オキシダーゼである。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検体は、バイオマーカータンパク質である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検体は抗原であり、検知部分は当該抗原に特異的な抗体である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知部分と検体との相互作用は、可逆的である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは、少なくとも１種のポリ（アルキレングリコール）ポリマー鎖を含む架橋ポリマー網目構造を含む。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは、結合部分を介してナノ構造体に共有結合している。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、結合部分は、炭化水素鎖を含む。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは生物学的部分を含浸させることが可能であり、且つ生物学的部分の活性を維持することが可能であるものから選択される。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検体と接触したときに、ヒドロゲルが変形し、変形がナノ構造体の電気特性の検出可能な変化をもたらす。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、変形は、ヒドロゲルの体積変化を含む。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、変形は、ヒドロゲル中の分子および／または電荷の空間分布の変化を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、電気特性は、ナノ構造の表面上の電子密度を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ナノ構造体は、ナノワイヤである。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ナノ構造体は、半導体ナノ構造体である。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、半導体ナノ構造体は、ケイ素を含む。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、半導体ナノ構造体は、トランジスタである。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知システムは、複数のナノ構造体を具備する。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは、複数のナノ構造体のうちの少なくとも２つに共有結合している。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、複数のナノ構造は、実質的に同一である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、複数のナノ構造体の少なくとも一部においては、ヒドロゲルが第１の検知部分と会合し、複数のナノ構造体の他の少なくとも一部においては、ヒドロゲルが第２の検知部分と会合し、第１の検知部分と第２の検知部分とは互いに異なる。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知システムは、共有結合したヒドロゲルを有する少なくとも１つのナノ構造体を更に具備し、ヒドロゲルが非検知部分と会合している。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは、ナノ粒子の形状である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、ヒドロゲルは、フィルム状である。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知システムは、基板を更に具備し、基板の上および／または中にナノ構造体または複数のナノ構造体が堆積している。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知システムは、標識剤を用いない。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、検知システムは、電気特性の変化を検出するように構成および配置された検出器を更に具備する。

本発明の一部の実施形態の一態様によれば、本明細書において実施形態のいずれかおよびそれらの任意の組み合わせとして記載した検知システムを備える検知コンパートメントと、検知コンパートメントと連通した少なくとも１つの追加コンパートメントとを具備する、システムが提供される。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、少なくとも１つの追加コンパートメントは、検知コンパートメントと流体連通している。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、流体連通は、マイクロチャネルによって行われる。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、少なくとも１つの追加コンパートメントは、試料の少なくとも一部を収容するように構成されている。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、少なくとも１つの追加コンパートメントは、治療的活性成分を収容するように構成されている。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、追加コンパートメントは、治療的活性成分を制御可能に放出するように構成されている。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、追加コンパートメントは、ナノ構造体の電気特性の検出可能な変化に応答して、治療的活性成分を制御可能に放出するように構成されている。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、少なくとも１つの追加コンパートメントは、追加の検知システムを備える。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、本明細書において実施形態のいずれかおよびそれらの任意の組み合わせとして記載したシステムの検知システムは、検体をインビボで検出および／またはモニタリングするように構成されている。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、本明細書において実施形態のいずれかおよびそれらの任意の組み合わせとして記載したシステムの検知システムは、皮膚パッチの形態である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、本明細書において実施形態のいずれかおよびそれらの任意の組み合わせとして記載したシステムの検知システムは、検体をエクスビボで検出および／またはモニタリングするように構成されている。

本発明の一部の実施形態の一態様によれば、試料中の少なくとも１種の検体の存在および／またはレベルを検出および／またはモニタリングする方法であって、試料の少なくとも一部を、本明細書において実施形態のいずれかおよびそれらの任意の組み合わせとして記載した検知システムまたはこれを具備するシステムと接触させることを含み、電気特性の検出可能な変化が試料中の検体の存在および／またはレベルの指標となる、方法が提供される。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、試料は生物学的試料である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、生物学的試料は被験体から採取されたものであり、検出および／またはモニタリングはエクスビボで行われる。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、生物学的試料は被験体の器官または組織であり、決定および／またはモニタリングはインビボで行われる。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、接触は連続的である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、方法は、被験体中の前記検体と関連する疾病を診断および／またはモニタリングするためのものである。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、システムは、治療的活性成分を放出するように構成されたコンパートメントを更に具備し、被験体の疾病に対する治療的活性成分の有効性の決定および／またはモニタリング、ならびに／あるいは疾病の治療のためのものである。

特に定義しない限り、本明細書で使用する全ての技術および／または科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者により通常理解されるものと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと同様のまたは等価な方法および材料を、本発明の実施形態の実践または試験に使用することができるが、例示的な方法および／または材料が下記に記載されている。矛盾する場合、定義を含む特許明細書が優先する。加えて、材料、方法、および実施例は単なる例示であり、必ずしも限定を意図するものではない。

本発明の実施形態の方法および／またはシステムの実施は、選択されたタスクを手動、自動、またはそれらの組み合わせで実行または完了することを含み得る。更に、本発明の方法および／またはシステムの実施形態の実際の器具類および設備によれば、いくつかの選択されたタスクは、ハードウェア、ソフトウエア、もしくはファームウェア、または、オペレーティングシステム、またはそれらの組み合わせを使用して実施され得る。

例えば、本発明の実施形態において選択されたタスクを実行するためのハードウェアは、チップまたは回路として提供してもよい。ソフトウエアとしては、本発明の実施形態において選択されたタスクを、任意の好適なオペレーティングシステムを使用して、コンピュータにより実行される複数のソフトウエア命令として提供してもよい。本発明の例示的な実施形態では、本明細書に記載の方法および／またはシステムの例示的な実施形態による１つ以上のタスクは、複数の命令を実行するための計算プラットフォーム等のデータプロセッサにより実行される。データプロセッサは、命令および／またはデータを格納する揮発性メモリ、ならびに／もしくは、命令および／またはデータを格納する不揮発性記憶装置、例えば磁気ハードディスクおよび／またはリムーバブルメディアを含んでもよい。ネットワーク接続が提供されてもよい。ディスプレイおよび／またはキーボードもしくはマウス等のユーザー入力装置が提供されてもよい。

本発明のいくつかの実施形態について、その例示のみを目的として添付の図面を参照して本明細書に記載する。以下、特に図面を詳細に参照して示される事項（particulars）は、例示を目的とし、また本発明の実施形態の詳細な説明を目的とすることを強調する。同様に、図面と共に示す説明は、本発明の実施形態をどのように実践し得るかを当業者に明らかにする。

図１Ａは、本発明の一部の実施形態に係る例示的な検知システムの概略図である。 図１Ｂは、本発明の一部の実施形態に係る例示的な検知システムの概略図である。 図１Ｃは、本発明の一部の実施形態に係る例示的な検知システムの概略図である。 図１Ｄは、本発明の一部の実施形態に係る例示的な検知システムの概略図である。 図２Ａおよび２Ｂは、本発明の一部の実施形態に基づき行われた実験において使用したＳｉＮＷ ＦＥＴシステムの概略図（図２Ａ）、およびＳｉＮＷ ＦＥＴシステムを構築するための例示的な工程の概略図（図２Ｂ）である。 図３は、本発明の一部の実施形態に基づき行われた実験において使用した、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルが固定化されたＳｉＮＷ ＦＥＴシステムの調製を示す概略図である。 図４は、シリコンナノワイヤがＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムで被覆された、本発明の例示的な実施形態に係るＳｉＮＷ ＦＥＴ検知システムのＳＥＭ画像を示す。挿入図は、ＳｉＮＷ ＦＥＴシステム上のＧＯｘ−ヒドロゲルフィルムの表面形状測定値を示す。 図５は、実施例２および図３に示した、ＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化されたＧＯｘ含浸ヒドロゲルによるグルコースの例示的な検知を示す。 図６は、実施例２に示した、ＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化された抗体含浸ヒドロゲルによる、対応抗原の例示的な検知の概略図である。 図７Ａおよび７Ｂは、挿入図に示すＳｉＮＷチップシステムの接触によって得られた正規化信号を示すグラフであり、ＳｉＮＷチップシステムは、２００本のＳｉＮＷがプリント基板上に堆積し、ヒドロゲル−ＧＯｘ膜（赤印）で被覆したものである。当該ＳｉＮＷチップシステムを、１５５ｍＭリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）溶液そのもの、ならびに１ｍＭグルコースおよび１０ｍＭグルコースを含有する１５５ｍＭリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）溶液に接触させたときに得られた正規化信号を示すグラフ（図７Ａ）、および同じＳｉＮＷチップシステムをピルベートを含有する１５５ｍＭリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）溶液と接触させたときに得られた正規化信号を示すグラフ（図７Ｂ）である。

本発明のいくつかの実施形態は検知に関し、より詳細には、生物学的試料等の試料中の検体（生物検体等であるが、これに限定されないもの）の存在および／または量を決定するための方法およびシステム、ならびにこれらの使用に関するが、これらに限定されるものではない。

本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、必ずしもその用途が、以下の記載によって提供される説明、ならびに／あるいは図面および／または実施例で示される具体例によって明示されるような詳細な構成および要素や方法の組み立てに限定されるものではないことを理解するべきである。本発明は、他の実施形態が可能であり、また、さまざまな方法で実践もしくは遂行することが可能である。

本発明者らは、生物検体を検出およびモニタリングする際に使用可能な検知システムを設計し、当該検知システムの実践に成功した。この検知システムは、例えば、インビボとエクスビボの両方において、生物学的試料中の生物検体の、場合によってはリアルタイムで連続的な、多重モニタリングに使用可能である。この検知システムは、例えば、生理環境中の代謝活性のモニタリングに使用可能である。

本実施形態の検知システムは、少なくとも１つ、好ましくは複数のナノ構造体を具備し、標的生物検体と高い特異性で相互作用する検知部分が、そこに固定化されている。検知部分は、ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルを用いて固定化されている。ヒドロゲルは、検知部分と会合（例えば、含浸）している。検知部分と生物検体との間の相互作用の結果、ナノ構造体の電気特性の検出可能な変化が生じ、それによって生物検体の存在および／または量の検出が達成される。ナノ構造体の電気特性の検出可能な変化は、ヒドロゲルと会合した検知部分と対応する生物検体との間の特異的な相互作用の結果として生じる、ヒドロゲルの選択的な変形（例えば、膨張または収縮、またはヒドロゲル中の分子および／または電荷の空間分布におけるその他な変化）である。ナノ構造体の表面に結合したヒドロゲルの変形は、ナノ構造体表面の電気特性の変化、例えば、ナノワイヤ表面上の電荷密度の変化をもたらし、これにより伝導度が変化する。

本実施形態の検知システムは、感度が非常に高く、検体（標的分子）をピコモル以下の濃度で検出可能である。

本実施形態の検知システムは、検体の高速検出、例えば、試料を接触させてから１０分未満、または５分未満、またはそれより短い時間内での検体の検出を可能にする。

本実施形態の検知システムは、検体のリアルタイムで連続的なモニタリングを可能にし、したがって、生理環境中の（例えば、インビボでの）生物検体の存在および／またはレベルのモニタリングに使用可能である。

本実施形態の検知システムは、試料を前処理する必要がなく、試料の実質的な特徴への干渉および／または有害な薬剤の使用を行うことなく、生物学的試料の分析が可能となる。

更に有利な点は、本実施形態の検知システムが標識剤を用いないことであり、更なる時間と（例えば、励起化および画像化のための）装置が必要な分光学的測定を用いる必要がない。

本実施形態の検知システムは、非常に少量の試料体積で検体をモニタリング可能である。

更に有利な点は、本実施形態の検知システムが低い製造コストを特徴とすることであり、検知部分とその対応する検体との相互作用が可逆的である場合には再利用可能であり、したがって、連続モニタリングが可能となる。

本実施形態の検知システムは、検知システムを備える検知コンパートメントと流体連通した追加コンパートメントを具備するシステムに一体化することができる。このようなシステムには、分析する試料を流すこと、および／または治療的活性成分を放出させることができる。追加コンパートメントは、例えば、マイクロチャネルを介して、ナノ構造体と流体連通していてもよい。

検知システムは、例えば、異なる検知部分を備えるアレイを形成する、複数のナノ構造体を具備していてもよく、これにより、さまざまな検体の多重検出およびモニタリングが可能となる。

検知システムは、例えば、臨床現場、実験室分析（例えば、血液試料の分析）、および研究目的にで使用するために、ラボ・オン・チップシステムに一体化してもよい。あるいは、検知システムを、インビボ用途で使用するための、埋込可能なデバイスまたは他の構成に一体化してもよい。

したがって、本実施形態の検知システムは、慢性代謝疾患（糖尿病など）への対処、または生物検体と関連する疾病（癌等であるがこれらに限定されない）の個別化医療のための、代謝産物等の生物検体の高速かつ安価な検出を可能とする。

本実施形態の検知システムは、ゲノミクス、プロテオミクスおよびバイオセンシング等の分野における効率的な研究ツールとしても役立ち得る。

本発明の実施形態は、検知システムおよび方法、ならびにさまざまな診断、治療、および研究用途におけるそれらの使用に関する。

検知システム：
本発明の一部の実施形態の一態様によれば、ナノ構造体と、ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルとを具備し、ヒドロゲルは検体と選択的に相互作用する検知部分と会合する、検知システムが提供される。

本発明の実施形態に係る検知システムは、試料（例えば、生物学的試料）中の検体の存在および／または量を検出（例えば、決定および／またはモニタリング）するように構成されている。

検知システムは、検体と接触したときに、ナノ構造体が電気特性の検出可能な変化を示すように構成されている。

本発明の一部の実施形態によれば、システムは、検体と接触したときに、ヒドロゲルが変形し、当該変形がナノ構造体の電気特性の検出可能な変化をもたらすように構成されている。

ここで図面を参照すると、図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による検知システム１００の概略図である。

システム１００は、１つ以上のナノ構造体１０２を備えてもよい。ナノ構造体１０２は、細長いことが好ましい。複数（即ち、２つ以上）のナノ構造体１０２が使用される場合、ナノ構造体１０２は、場合によりアレイに配置されることが好ましい。例えば、ナノ構造体は、図１Ｂに示すように、互いに略平行に配置されてもよい。

本明細書で使用する「細長いナノ構造体」は、概して、固体物質で形成されている３次元体を指し、また、その長手方向に沿った任意の地点で、少なくとも１つの断面寸法を有し、いくつかの実施形態では、１マイクロメートル未満、または５００ナノメートル未満、または２００ナノメートル未満、または１５０ナノメートル未満、または１００ナノメートル未満、または更には７０ナノメートル未満、５０ナノメートル未満、２０ナノメートル未満、１０ナノメートル未満、または５ナノメートル未満の２つの直断面寸法を有する。いくつかの実施形態では、断面寸法は、２ナノメートル未満または１ナノメートル未満であってもよい。

いくつかの実施形態において、ナノ構造体は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートルまたは１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の少なくとも１つの断面寸法を有する。

ナノ構造体の長さは、その断面に略直交する、その伸長範囲を表す。本発明のいくつかの実施形態によれば、ナノ構造体の長さは、１０ｎｍ〜５０マイクロメートルの範囲である。

細長いナノ構造体の断面は、円形、正方形、矩形、楕円形および管状を含むが、これらに限定されない任意の形状を有してもよい。規則的形状および不規則形状が含まれる。

本発明のさまざまな例示的な実施形態において、ナノ構造体は、本明細書で「ナノワイヤ」と称される非空洞構造である。

「ワイヤ」は伝導性を有する、即ちそれ自体に電荷を通過させる能力を有する任意の材料を指す。

いくつかの実施形態において、ナノワイヤは、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲の平均直径を有する。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体は、中空チューブに成形されており、中空チューブは、長手方向軸線に沿って完全に中空であることが好ましい。本明細書では、「ナノチューブ」または「ナノチューブ構造」と称す。

ナノチューブは、単層ナノチューブ、多層ナノチューブ、またはそれらの組み合わせであってもよい。

いくつかの実施形態において、ナノチューブの平均内径は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲である。

多層ナノチューブの場合、いくつかの実施形態では、間隔距離は、０．５ナノメートル〜２００ナノメートル、または１ｎｍ〜１００ｎｍ、または１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であってもよい。

本明細書に記載のナノ構造体を形成するための好適な材料の選択は、本発明の実施形態を有利に実践するために本明細書で提供するガイドラインを考慮すれば、当業者は明白かつ容易に再現できるであろう。一部の実施形態では、本実施形態のナノ構造体は、半導体ナノ構造体である。半導体ナノ構造体は、例えば、ＩＶ族の半導体元素、ならびに元素周期表のＩＩ族、ＩＩＩ族、ＩＶ族、Ｖ族およびＶＩ族のいずれかに由来する２つ以上の元素のさまざまな組み合わせから形成され得る。

本明細書で使用する「族」は、当業者が理解するその通常の定義が付与される。例えば、ＩＩＩ族元素は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎおよびＴｌを含み；ＩＶ族元素は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｎおよびＰｂを含み；Ｖ族元素は、Ｎ、Ｐ、Ａｓ、ＳｂおよびＢｉを含み；ＶＩ族元素は、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ、ＴｅおよびＰｏを含む。

一部の実施形態では、ナノ構造体は、炭素ナノ構造体、例えば、カーボンナノチューブである。

本発明のいくつかの実施形態において、ナノ構造体は、「ドーパント」として既知のドナー原子でドープされた（例えば、半導体）材料から形成されている。本発明の実施形態は、ドーピングして、ｎ型（格子構造の完成に必要とされるよりも過剰の電子）およびｐ型（格子構造の完成に必要とされるよりも不足する電子）の両方のドーピングを達成することを想定している。ｎ型材料中の過剰な電子、またはｐ型材料中に残された正孔（電子の不足）は、それぞれ、負電荷担体および正電荷担体としての役割を果たす。ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントとして好適なドナー原子は、当技術分野にて既知である。

例えば、ナノ構造体は、例えばＢ（これらに限定されるものではないが、典型的にはジボランである）、ＧａもしくはＡｌでドープされたケイ素から形成されて、ｐ型半導体ナノ構造体を提供するか、または、Ｐ（これらに限定されるものではないが、典型的にはホスフィンである）、ＡｓもしくはＳｂでドープされたケイ素から形成されて、ｎ型半導体ナノ構造体を提供してもよい。

いくつかの実施形態において、検知システムは、例えば化学蒸着を用いることにより基板上で成長させた複数のナノワイヤおよび／またはナノチューブを含む。ナノワイヤおよび／またはナノチューブが得られた後に（例えば、フォトリソグラフィーにより）基板をエッチングし、ナノワイヤおよび／またはナノチューブを検知コンパートメント内に所望のように配置してもよい。あるいはレーザー触媒成長（ＬＣＧ）を用いてナノワイヤを形成してもよい。本明細書に記載のナノ構造体を形成する、および複数のナノ構造体のアレイを構成する、任意の方法が考えられる。

いくつかの実施形態において、検知システムは、複数のナノ構造体、例えば１平方センチメートル当たり２〜２０００個のナノ構造体を含む。ナノ構造体は、本明細書に記載のナノワイヤやナノチューブ、およびそれらの組み合わせを含んでもよい。

例示的なナノチューブ、およびこれを調製する方法は、国際公開第２０１０／０５２７０４号に開示されており、そこに示されるように、その全体が参照により組み込まれる。

下記に更に詳細に記載される任意の他の（例えば、半導体）ナノ構造体も考えられる。

検知システム１００は、ナノ構造体１０２と共有結合したヒドロゲル１０６を、更に具備し、当該共有結合は、所望により、そして好ましくは、リンカー１０４を介したものである。ヒドロゲル１０６は、検体（例えば、生物検体）１１０と接触したときに、ナノ構造体１０２が電気特性の検出可能な変化を示すように選択される。ヒドロゲル１０６は、複数（例えば、２つ以上）のリンカー１０４を介してナノ構造体１０２に結合してもよい。ヒドロゲル１０６は、複数のリンカー１０４を介して複数のナノ構造体１０２に結合してもよい。

ヒドロゲル１０６は、以下で更に詳細に記載するように、検体１１０と選択的に相互作用する検知部分１０８と会合している。検知部分１０８は、以下で更に詳細に記載するように、ナノ構造体１０２に結合したヒドロゲル１０６と会合している。

「会合する」とは、ヒドロゲル１０６と検知部分１１０とが少なくとも物理的相互作用下にあり、これにより、検知部分１０８がヒドロゲル１０６の中および／または表面に組み込まれていることを意味する。検知部分１０８はヒドロゲル１０６の表面に吸収されていてもよく、または、好ましくは、検知部分１０８はヒドロゲル１０６に封入されている（含浸されている）。

ヒドロゲル１０６は、検体１１０と相互作用すると変形し、ナノ構造体１０２の電気特性の変化をもたらす。

例えば、ナノ構造体１０２は、ナノ構造体１０２のある領域、またはナノ構造体１０２の全長に亘って、電子または正孔の密度変化を示してもよい。この結果、ナノ構造体１０２は、例えば、その伝導率または抵抗率の変化を示す。

変形は、体積変化、長さ（例えば、直径）の変化、表面積の変化、基板との接触面積の変化、ナノ構造体１０２との接触面積の変化、およびヒドロゲル１０６の形状の変化等の、これらに限定されない、変形パラメータで表すことができる。

変化するパラメータは、典型的には、検知部分１０８と検体１１０との間の相互作用の種類に依存する。

一部の実施形態では、変形は、ヒドロゲルの体積変化を含む。ヒドロゲル１０６は、検体１１０と相互作用すると、例えば、体積増加（例えば、膨張）または体積減少（例えば、収縮）を示し得る。ヒドロゲル１０６の体積変化は、ナノ構造体１０２の電気特性の変化を誘発する。

一部の実施形態では、変形は、ヒドロゲル１０６中の分子および／または電荷の空間分布の変化を含む。

一部の実施形態では、パラメータの変化は、ヒドロゲル１０６中の分子および／または電荷の空間分布の変化である。

ヒドロゲル１０６中の分子の空間分布の変化は、例えば、ヒドロゲル１０６を形成している分子間の分子間距離の変化である。

このような変化は、例えば、ヒドロゲル１０６中に検体１１０が蓄積することに起因する。例えば、検体１１０がタンパク質（例えば、抗原）またはオリゴヌクレオチド等の生体分子である場合、その検知部分１０８との結合に起因したヒドロゲル１０６中での生体分子の蓄積により、ヒドロゲルの分子間の分子間距離が変化する。別の例では、検体１１０が検知部分１０８と相互作用し、それにより化学反応が生じて反応生成物が形成される場合、このような反応生成物の存在は、ヒドロゲル分子における分子間距離の変化を誘発する。ナノ構造体１０２の表面に近接するヒドロゲル分子間の分子間距離の変化は、本明細書に記載のように、ナノ構造体１０２の電気特性の変化をもたらす。

上記に代えて、または上記に加えて、ヒドロゲル１０６中の分子の空間分布の変化は、例えば、ヒドロゲル１０６を形成している分子以外の分子の濃度変化でもよい。

例えば、検体１１０のヒドロゲル１０６中への拡散には、検知部分１０８と検体１１０との間の相互作用時に形成される反応生成物が関与し得る。このような反応生成物の形成は、反応生成物の濃度上昇をもたらし、ナノ構造体１０２の表面の近傍における反応生成物濃度のこのような変化は、ナノ構造体１０２の電気特性の変化を誘発する。

このような反応生成物が帯電した化合物種（例えば、酸、塩基、カチオン、アニオン）である場合、このような分子の濃度変化もまた、ヒドロゲル１０６中の電荷分布の変化をもたらす。

ヒドロゲル１０６中の分子の電荷分布の変化は、例えば、ヒドロゲルのｐＨの変化、即ち、ヒドロゲル中のプロトン分子の濃度変化に起因し得る。ヒドロゲル１０６のｐＨ変化は、検体１１０と検知部分１０８との間の相互作用（例えば、酸の形成を伴う化学反応）によって生ずるか、または検体１１０自体が酸性もしくはアルカリ性部分を含む場合に生ずる可能性がある。

ヒドロゲル１０６中の分子の電荷分布の変化は、上記に代えて、または上記に加えて、ヒドロゲル１０６中の帯電した化合物種の濃度変化に起因し得る。このような帯電した化合物種の濃度変化は、検体１１０そのものが帯電した化合物種を含むこと、および／または検体１１０と検知部分１０８との間の相互作用に起因して、帯電した化合物種が形成されることによって生じる可能性がある。

検体１１０と相互作用したときのヒドロゲル１０６の分子および／または電荷の空間分布の変化は、約５％〜約８０％、または約５％〜約５０％となり得、これら範囲内の全ての中間値および部分範囲が含まれる。

一部の実施形態では、ヒドロゲル１０６は、ヒドロゲルナノ粒子の形態である。

図１Ｂは、複数のナノ構造体を具備するシステム１００の実施形態を示す。本発明の一部の実施形態によれば、検知システム１００は、アレイとして、好ましくは図１Ｂに示されるように互いに平行に配置された、複数のナノ構造体１０２を具備する。

複数のリンカー１０４を介して、複数のナノ構造体１０２にヒドロゲル１０６を結合することができる。ヒドロゲル１０６は、１つのリンカー１０４を介して各ナノ構造体に結合してもよいが、図１Ｂに例示したように、複数のリンカー１０４を介して各ナノ構造体に結合してもよい。一部の実施形態では、ヒドロゲル１０６はナノ構造体１０２のアレイ上にフィルムを形成し、このフィルムは、リンカー１０４を介して複数のナノ構造体１０２に結合している。

ヒドロゲル１０６がヒドロゲルナノ粒子である実施形態では、単数もしくは複数のヒドロゲルナノ粒子は、各ナノ構造体に共有結合していてもよい。または、ヒドロゲルナノ粒子は、２つ以上のナノ粒子に結合してもよい。

複数のナノ構造体１０２を用いる場合、ナノ構造体の全てが、検知部分１０８と会合した同じヒドロゲルに共有結合していてもよい。あるいは、図１Ｂに図示したように、ナノ構造体１０２の一部が、検知部分１０８と会合したヒドロゲル１０６に結合し、ナノ構造体１０２の少なくとも他の一部が、検知部分１０８とは異なる部分１１８と会合したヒドロゲル１０６に結合する。部分１１８は、検知部分１０８とは異なり、異なる検体と選択的に相互作用する検知部分とすることができる。これにより、複数の検体を連続的にまたは同時に検出することが可能となる。あるいは、部分１１８は、以下で更に詳細に記載するように（実施例４を参照）、生理環境中で検知システム１００の自己較正を行うために使用する、本明細書に記載の非検知部分である。

システム１００（図１Ａおよび１Ｂ）中のナノ構造体１０２の特性の変化は、通信回線１１４を介してナノ構造体１０２と通信する検出器１１２により検出することができる。複数のナノ構造体が使用される場合、ナノ構造体のそれぞれは、別個の通信チャネル上で検出器１１２と通信することが好ましい。

検出器１１２は、電気（例えば、半導体）特性の検出が可能なタイプのものであれば、いかなるものでもよい。

例えば、検出器１１２は、電気特性の変化に対応する電気的な量を測定するように構成されてもよい。電気的な量は、例えば電圧、電流、伝導率、抵抗、インピーダンス、インダクタンス、電荷等であってもよい。

検出器は、典型的には電源と電圧計または電流計を具備する。一部の実施形態では、１０，０００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態では、１，０００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態では、１００ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態では、１０ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができ、一部の実施形態では、１ｎＳ未満のコンダクタンス変化を検出することができる。

例えば、検体１１０と検知部分１０８との間の相互作用がヒドロゲル１０６のパラメータを変化させ、このパラメータの変化が、ナノ構造体１０２の電子または正孔の密度を変化させる場合、検出器１１２は、ナノ構造体１０２に電圧を印加し、ナノ構造体１０２を通る電流を測定するように構成されてもよい。本発明のいくつかの実施形態では、ナノ構造体１０２は、ソース電極およびドレイン電極（図示せず、図１Ｃ参照）と接触している。これらの実施形態では、検出器１１２は、所望により、そして好ましくは、ソース電極とドレイン電極との間にソースドレイン電圧を印加し、ソースドレイン電流の変化を測定するように構成される。本発明のいくつかの実施形態では、ナノ構造体１０２がトランジスタ（電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などであるが、これに限定されない）を形成するように、ナノ構造体１０２は、ソース電極、ドレイン電極およびゲート電極と接触する。これらの実施形態では、検出器１１２は好ましくは、ソース電極とドレイン電極との間にソースドレイン電圧を印加し、またゲート電極にもゲート電圧を印加して、ソースドレイン電流の変化を測定するように構成されてもよい。

図１Ｃは、ナノ構造体１０２がトランジスタ１２０（例えばＦＥＴ）を形成する実施形態における、ナノ構造体１０２の概略図である。トランジスタ１２０はソース電極１２２、ドレイン電極１２４、ゲート電極１２６を具備し、ナノ構造体１０２はチャネルとしての役割を果たす。ゲート電極１２６を介してチャネルナノ構造体１０２にゲート電圧を印加することができる。ゲート電極１２６は、所望により、そして好ましくは、しかし必須ではないが、ギャップ１２８によってナノ構造体１０２から隔てられていることが好ましい。いくつかの実施形態では、ゲート電極１２６の電圧がゼロの場合、ナノ構造体１０２は、いずれの自由電荷担体も含まず、実質的に絶縁体である。ゲート電圧が増大するにつれ、それによって生じる電場は、ソース電極１２２およびドレイン電極１２４から電子（またはより一般的には、電荷担体）を引き込み、ナノ構造体１０２は伝導性になる。いくつかの実施形態では、ゲート電圧は印加されず、電荷担体密度の変化は、検知部分１０８と検体１１０との間の相互作用のみにより達成される。

ナノ構造体の電気特性が、検体を含む試料との相互作用に応答して変動する場合、検出可能な信号が生成され得ることがわかっている。例えば、チャネルの電気特性の変化によってゲート電圧に対してトランジスタの特徴的な応答（例えば、ゲート電圧の関数としてのソースドレイン電流）が変化し、この変化は検出および分析され得る。

ナノ構造体１０２は、（図１Ｂに示した）基板１１６上に形成されるか、または基板１１６中に部分的にもしくは完全に埋め込まれていてもよい。

基板は、例えばエラストマー系ポリマー基板であってもよい。好適なエラストマー系ポリマー基板材料は、一般的に、製造プロセス（ソフトリソグラフィー、ステレオリソグラフィーおよび３次元のジェット印刷等）と、これから実行する工程に含まれる条件に対する適合性とに基づいて選択する。そのような状態としては、例えば、強い酸性やアルカリ性、圧力（例えば、基板がマイクロチャネルを用いる場合）、温度、イオン濃度等が挙げられる。更に、エラストマー系ポリマー基板材料は、システムにより実行されるべき分析または合成の必須成分に対して不活性であるがゆえに選択されることもある。エラストマー系ポリマー基板材料はまた、好適な材料で被覆されてもよい。

エラストマー系ポリマーの代表的な例としては、これらに限定されるものではないが、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタンおよびシリコーンが挙げられる。

ヒドロゲル（例えば、図１Ａおよび１Ｂに示されるヒドロゲル１０６）、リンカー（例えば、図１Ａおよび１Ｂに示されるリンカー１０４）、検知部分（例えば、図１Ａおよび１Ｂに示される検知部分１０８ならびに／または図１Ｂに示される検知部分１１８）、検体（例えば、図１Ａおよび１Ｂに示される検体１１０）、およびこれらの間の相互作用、ならびに本実施形態の検知システムの任意の追加構成要素の種々の実施形態について、以下に示す。

ヒドロゲルおよびリンカー：
本明細書および当技術分野において、「ヒドロゲル」という用語は、少なくとも２０％、典型的には少なくとも５０％、または少なくとも８０％、および最大で約９９．９９（質量）％の水を含有する、３次元繊維状網目構造を示す。ヒドロゲルは、その大部分が水であるにもかかわらず、液体分散媒中の天然ポリマー鎖および／または合成ポリマー鎖で構成された３次元架橋固体様網目構造によって、固体または半固体のように振る舞う材料とみなすことができる。本発明の一部の実施形態によれば、ヒドロゲルは、それを調製するために用いた前駆体に応じて、さまざまな長さおよび化学組成のポリマー鎖を含有していてもよい。ポリマー鎖は、化学結合（共有結合、水素結合およびイオン／錯／金属結合、典型的には共有結合）によって相互に接続された（架橋した）モノマー、オリゴマー、ブロックポリマー単位から構成されていてもよい。網目構造を構成する材料は、セグメント間に相互接続（架橋）を有する細長く延びた構造を形成する、小型の凝集性の分子、粒子、またはポリマーのいずれかを含む。架橋は、共有結合、配位相互作用、静電気相互作用、疎水性相互作用、もしくは双極子−双極子相互作用または網目構造セグメント間の鎖の絡み合いの形態であり得る。本実施形態との関連では、ポリマー鎖は事実上、親水性であることが好ましい。

ヒドロゲルは、本発明の実施形態によれば、生物由来であってもよく、合成によって調製してもよい。

本発明の一部の実施形態によれば、ヒドロゲルは生体適合性であり、生物学的部分がそこに含浸または蓄積されたときに、生物学的部分の活性が維持される、即ち、生物学的部分の活性の変化が、生理学的媒体中での生物学的部分の活性と比較して、３０％以下、または２０％以下、または１０％以下となるようなものである。生物学的部分は、検知部分１０８または検体１１０でもよい。

本実施形態に係るヒドロゲル１０６を形成するために使用可能な例示的なポリマーまたは共重合体としては、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリビニルピロリドン、および上記のいずれかの共重合体が挙げられる。他の例としては、架橋基によって官能化された、または適合する架橋剤と組み合わせて使用可能な、ポリエーテル、ポリウレタン、およびポリ（エチレングリコール）が挙げられる。

いくつかの非限定的な具体例としては、ポリ（２−ビニルピリジン）、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（Ｎ−イソプロピルアクリルアミド）、ポリ（Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド）、ポリ（Ｎ−（Ｎ−プロピル）アクリルアミド）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（２−ヒドロキシアクリルアミド）、ポリ（エチレングリコール）アクリレート、ポリ（エチレングリコール）メタクリレート、およびデキストラン、アルギネート、アガロースなどの多糖、ならびに上記のいずれかの共重合体が挙げられる。

このようなポリマー鎖を形成するヒドロゲル前駆体は想定され、そこにはそれらの任意の組み合わせが含まれる。

ヒドロゲルは、典型的には、二官能性、三官能性、または多官能性のモノマー、オリゴマー、もしくはポリマーから形成されるか、またはこれらの存在下で形成される。これらはヒドロゲル前駆体またはヒドロゲル形成剤と総称され、２つ、３つまたはより多くの重合性基を有する。複数の重合性基の存在によってこのような前駆体は架橋性となり、３次元網目構造の形成が可能となる。

例示的な架橋性モノマーとしては、これらに限定されるものではないが、２つまたは３つの重合性官能基を有し、そのうちの１つが架橋性官能基となるものである、ジアクリレートモノマーおよびトリアクリレートモノマーのファミリーが挙げられる。例示的なジアクリレートモノマーとしては、これらに限定されるものではないが、メチレンジアクリレート、およびポリ（エチレングリコール）_ｎジメタクリレート（ｎＥＧＤＭＡ）のファミリーが挙げられる。例示的なトリアクリレートモノマーとしては、これらに限定されるものではないが、トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリトールトリアクリレート、トリス（２−ヒドロキシエチル）イソシアヌレートトリアクリレート、イソシアヌル酸トリス（２−アクリロイルオキシエチル）エステル、エトキシ化トリメチロールプロパントリアクリレート、ペンタエリスリチルトリアクリレート、およびグリセロールトリアクリレート、ホスフィニリジントリス（オキシエチレン）トリアクリレートが挙げられる。

ヒドロゲルは、軟質、脆性、および易破壊性の材料から、硬質、弾性、および靱性の材料に及ぶ物理形態をとることができる。軟質ヒドロゲルは、弾性および粘弾性パラメータを含むレオロジーパラメータによって特徴付けることができ、一方で硬質ヒドロゲルは、引張強度パラメータ、弾性率、貯蔵弾性率、および損失弾性率によって好適に特徴付けられる。なお、これらの用語は当業者に知られている。

ヒドロゲルの軟らかさ／硬さは、とりわけ、ポリマー鎖の化学組成、「架橋度」（鎖間を互いに接続する連結の数）、水性媒体の含有量および組成、ならびに温度によって支配される。

ヒドロゲルは、本発明の一部の実施形態によれば、巨大分子のポリマー状成分および／または繊維状成分を含有してもよく、これら成分は主架橋網目構造には化学的に接続されていないが、それらと機械的に絡み合っている、および／または埋没している。このような巨大分子の繊維状成分は、（例えば、メッシュ構造に）織られていてもよいし、または織られていなくてもよく、一部の実施形態では、ヒドロゲルの繊維状網目構造の強化材料として働くことができる。このような巨大分子の非限定的な例としては、ポリカプロラクトン、ゼラチン、ゼラチンメタクリレート、アルギネート、アルギネートメタクリレート、キトサン、キトサンメタクリレート、グリコールキトサン、グリコールキトサンメタクリレート、ヒアルロン酸（ＨＡ）、ＨＡメタクリレート、および他の架橋されていない天然ポリマー鎖または合成ポリマー鎖などが挙げられる。本発明の任意の実施形態のいくつかによれば、このような架橋されていない添加剤の量は少なく、典型的には、ヒドロゲル形成前駆体溶液１ｍｌ当たり、１００ｍｇを超えることはない。

一部の実施形態では、ヒドロゲルは多孔質であり、一部の実施形態では、ヒドロゲル中の細孔の少なくとも一部は、ナノスケール範囲の平均体積を有するナノ細孔である。

本発明に記載の任意の実施形態のいくつかでは、ヒドロゲルとナノ構造体の表面上の適合する反応性基との間に直接またはリンカーを介して形成される共有結合によって、ヒドロゲルがナノ構造体の表面に共有結合する。

ナノ構造体の表面上の反応性基は、ナノ構造体表面に固有のもの、または好適な処理によって生成されたものでもよい。ナノ構造体がＳｉＮＷまたはケイ素ナノチューブであるいくつかの実施形態では、ナノ構造体の表面上に遊離ヒドロキシル基がもともと存在し、官能性部分を取り付けるために使用され得る。

あるいは、本明細書に記載のナノ構造体は、表面反応性基を生成するように最初に表面修飾される。そのような表面修飾は、例えば、ナノ構造体表面に固有の官能基に二官能性リンカー分子を結合させることにより行われてもよく、その二官能性リンカー分子は、これら固有の官能基との結合を形成可能な反応性基を一端に含み、ヒドロゲルに共有結合する反応性基を他端に含む。

いくつかの実施形態において、ヒドロゲルは、本明細書に記載のように、二官能性リンカーを介してナノ構造体に結合する。

例示的なそのようなリンカーは、シリルから誘導されたものである。当該シリルは、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を形成する、ケイ素ナノ構造体表面に固有のヒドロキシル基とシリルとの相互作用を可能せしめる１つ、２つまたは３つのリビング基と、ヒドロゲルと共有結合可能な反応性基を末端とする１つ、２つまたは３つの炭化水素基（例えばアルキル、アルキレン、シクロアルキル、アリール）とを含む。

あるいは、リンカーは、１つ、２つまたは３つのＯＲ’基と、１つ、２つまたは３つの炭化水素基（例えばアルキル、アルキレン、シクロアルキル、アリール）とを含む、オルトシリケートから誘導されたものであってもよく、ＯＲ’基はケイ素ナノ構造体表面に固有のヒドロキシル基と相互作用して、−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ結合を形成し得るものであり、炭化水素基は、ヒドロゲルと共有結合することが可能な反応性基を末端とするものである。

例示的な実施形態では、反応性基は、リンカー（結合部分）がヒドロゲルの一部を形成することができるような、少なくとも１種のヒドロゲル前駆体の１つ以上の重合性基と化学的に適合する重合性基である。

例えば、ヒドロゲルがポリアクリレート鎖からできており、本明細書に記載のジアクリレートおよび／またはトリアクリレート前駆体から形成されている場合、好適なリンカーは、少なくとも１種がアクリレート基を末端とする１つ以上の炭化水素鎖を含む、シリルまたはオルトシリケートから誘導されたものである。アクリレート基は、ヒドロゲル前駆体のアクリレート基と重合／架橋して、その結果、ヒドロゲルによるナノ構造体の表面への共有結合を生じる。

一部の実施形態では、リンカーが炭化水素鎖を含む場合、これはいずれの長さであってもよい。例えば、炭化水素鎖の長さは、炭素原子数が１〜１０^６個、または１〜１０^３個、または１〜１００個、または１〜５０個、または１〜２０個、または１〜１０個であり得、これら範囲の中の値および部分範囲が含まれる。

例示的な実施形態では、リンカーは、アクリレート基を末端とするアルキルを含むハロシリルアルキル（例えば、トリクロロシリルアルキル）から誘導されたものである。

例示的な実施形態では、リンカーは、アクリレート基を末端とする、アルキルを含むアルコキシシリルアルキル（例えば、トリアルコキシシリルアルキル）から誘導されたものである。

これらの実施形態のいくつかでは、アルキルはプロピルである。他のアルキル、例えば、エチル、ブチル、ペンチル、およびヘキシル、ならびにより高級なアルキルも想定される。

検知部分および検体：
本実施形態に係る検知システムは、検体と、当該検体と選択的に相互作用する検知部分との、選択的（特異的）相互作用に基づいて動作可能である。

本明細書全体を通して、「検体」という用語は、同義的に「標的検体」または「標的分子」とも称され、ペプチド、タンパク質、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、およびポリヌクレオチド等であるが、これらに限定されない小分子および生体分子を含む、化学的および生物学的な化合物種を包含する。

一部の実施形態では、本明細書に記載のように、試料は生物学的試料であり、検体は生物検体、即ち、生体系、例えば、本明細書に記載のように、被験体の生物系に存在する化学的および生物学的な化合物種である。

一部の実施形態では、生物検体は、バイオマーカーである。

「バイオマーカー」という用語は、被験体における疾病または疾患の存在および／または重篤度の指標となる化学的および生物学的な化合物種を示す。例示的なバイオマーカーとしては、代謝産物等の小分子、抗原、ホルモン、受容体、および任意の他のタンパク質等の生体分子、ならびにポリヌクレオチドが挙げられる。医学的状態の存在および／または重篤度の指標となる任意の別の化合物種も想定される。

本明細書に記載の検知システムで使用可能な検知部分は、検体と選択的に相互作用する化学的または生物学的部分である。検知部分と検体との間の相互作用は、典型的には結合を伴い、活性化および／または化学反応等の化学的相互作用を更に伴ってもよい。

「選択的に相互作用する」とは、検知部分と検体との結合が、他の化合物種、それも構造的または官能性において類似する化合物種、との結合よりもはるかに高いレベルであることを意味する。一部の実施形態では、検知部分は、検知部分と検体との結合親和性が、１ｍＭ以下、１００ｎＭ以下、または１０ｎＭ以下、または１ｎＭ以下、または１０^−１０Ｍ以下、または１０^−１２Ｍ以下、更にはより低い、例えば、１０^−１５Ｍという低い解離定数Ｋｄによって特徴付けられるものである。

検知部分と検体との間の相互作用は、可逆的であっても非可逆的であってもよいが、可逆的であることが好ましい。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、検体と検知部分は、本明細書に記載のように、親和性を有する対を形成する。

一部の実施形態では、検体は生物検体であり、例えば、本明細書に記載のバイオマーカーであり、検知部分は、ＦＤＡによって定義される、検体に特異的な試薬である（２１ ＣＦＲ ８６４．４０２０の（ＡＳＲｓ）を参照）。

一部の実施形態では、生物検体と検知部分は、１０^−５Ｍ未満、または１０^−７Ｍ未満、または１０^−８Ｍ未満、１０^−９Ｍ未満、または１０^−１０Ｍ未満の解離定数Ｋ_Ｄによって特徴付けられる、親和性を有する対を形成する。

例示的な親和性を有する対としては、これらに限定されるものではないが、酵素−基質対、ポリペプチド−ポリペプチド対（例えば、ホルモンと受容体、リガンドと受容体、抗体と抗原、多量体タンパク質の２本の鎖）、ポリペプチド−小分子対（例えば、アビジンまたはストレプトアビジンとビオチン、酵素−基質）、二本鎖を形成する２つのポリヌクレオチド等の、ポリヌクレオチドとその同族であるポリヌクレオチド（例えば、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ、ＲＮＡ−ＤＮＡ）、ポリペプチド−ポリヌクレオチド対（例えば、ポリペプチドとＤＮＡまたはＲＮＡとから形成される複合体、例えば、アプタマー）、ポリペプチド−金属対（例えば、タンパク質キレート化剤と金属イオン）、ポリペプチドと炭水化物（レプチン−炭水化物）などが挙げられる。

本実施形態との関連では、親和性を有する対の一方の構成要素は検体であり、他方は検知部分である。

一部の実施形態では、検知部分は酵素であり、検体は酵素の基質である。

一部の実施形態では、検体は代謝産物であり、酵素は代謝産物に特異的な酸化還元酵素（例えば、オキシダーゼまたはレダクターゼ）である。

一部の実施形態では、代謝産物はグルコースであり、酵素は、本明細書においてＧＯｘまたはＧＯＸと略記される、グルコースオキシダーゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はラクテートであり、酵素はラクテートオキシダーゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はピルベートであり、酵素はピルベートオキシダーゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はヒポキサンチンであり、酵素はキサンチンオキシダーゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はＮＡＤ（Ｐ）Ｈであり、酵素はＮＡＤ（Ｐ）Ｈオキシダーゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はスーパーオキシド（Ｏ_２ ⁻）であり、酵素はスーパーオキシドジスムターゼである。

一部の実施形態では、代謝産物はアルデヒドであり、酵素は対応するアルデヒドオキシダーゼである。

更なる例としては、ベータ−ガラクトシダーゼ、アルカリホスファターゼ、およびベータグルコロニダーゼ等のオキシダーゼ、ならびにそれに対応する基質が挙げられる。

更なる例としては、レダクターゼおよびデヒドロゲナーゼ等の酵素、ならびにそれに対応する基質が挙げられる。

一部の実施形態では、検体はタンパク質バイオマーカー、例えば、受容体または抗原であり、検知部分は当該タンパク質のリガンド、例えば、それぞれ受容体リガンドまたは抗体である。

一部の実施形態では、検体は抗原であり、検知部分は、本明細書に記載のように、当該抗原に高い親和性を有する抗体またはその断片である。

例示的な実施形態では、抗原は心筋トロポニンＩであり、検知部分は抗心筋トロポニンＩである。任意の他の抗原−抗体対も考えられる。

追加の構成要素：
本明細書に記載の検知システム（例えば、検知システム１００）は、他の構成要素、コンパートメント、または他のシステムと一体化することができる。

本発明の一部の実施形態の一態様によれば、検知システムは、本実施形態の検知システムを備える少なくとも１つの検知コンパートメントと、少なくとも１つの追加コンパートメントとを具備するシステムに一体化される。

一部の実施形態では、検知システム（例えば、検知システム１００）は、マイクロ流体システムに一体化される。

図１Ｄは、検知コンパートメント１２中に検知システム１００を組み込んだシステム３００の概略図である。システム３００は、検知コンパートメント１２と（例えば、流体）連通したコンパートメント２０を具備する。システム３００は、２つ以上のコンパートメント２０を具備していてもよく、２つ以上のコンパートメント２０は互いにおよび／または検知コンパートメント１２と連通している。

一部の実施形態では、システム３００はマイクロ流体システムであり、複数のコンパートメントは互いに流体連通している。

コンパートメント２０の１つ以上はチャンバであってもよい。

「チャンバ」は、本明細書で使用する場合、流体（例えば、試料溶液、試薬溶液）を収容するように構成された閉鎖または開放された囲まれた部分を指す。

一部の実施形態では、コンパートメント２０は、マイクロリットル〜ミリリットルの範囲内の量の流体を収容するように構成された、本明細書に記載のチャンバである。

一部の実施形態では、コンパートメント２０は、ウェル型のチャンバである。

コンパートメント２０は、マイクロチャネル２２、例えば、検知システム１００内のナノ構造体１０２が堆積された基板（例えば、図１Ｂに示される基板１１６）内のマイクロチャネルによって、検知システムと流体連通していてもよい。コンパートメント２０は、マイクロチャネル表面の上部またはマイクロチャネルの表面内に配置されてもよい。複数のコンパートメントを使用する場合、各コンパートメントは、本明細書に記載の構成のいずれかを独立に採用することができる。

本明細書で使用する「マイクロチャネル」という用語は、断面寸法が最大でも１ｍｍ未満、より好ましくは５００μｍ未満、より好ましくは４００μｍ未満、より好ましくは３００μｍ未満、より好ましくは２００μｍ未満、例えば１００μｍ以下である、流体チャネルを指す。

マイクロチャネルおよびコンパートメント（例えば、検知コンパートメント１２およびコンパートメント２０）は、全て基板内に形成されていてもよく、この基板は、ナノ構造体（検知システム１００中のナノ構造体１０２）を支持する基板と同じであってもよく、または所望により異なる基板であってもよい。

一部の実施形態では、マイクロ流体システム（例えば、システム３００）は、試料の少なくとも一部を収容するように構成されたチャンバ状のコンパートメント２０を具備する。即ち、試料またはその一部はコンパートメント２０の中に導入され、次いで、（例えば、マイクロチャネルにより）検知システム１００を備える検知コンパートメント１２に導入される。このようなコンパートメントも、本明細書では試料コンパートメントまたは試料チャンバと称される。

上記に代えて、または上記に加えて、システム３００は、治療的活性成分（薬物）を収容するように構成された（例えば、チャンバ状）コンパートメント２０を具備する。一部の実施形態では、コンパートメント２０は、薬物を放出するように構成される。一部の実施形態では、コンパートメント２０は、検体１１０が検知システム１００中の検知部分１０８と接触したときに検出される電気特性の変化に応答して、薬物を制御可能に放出するように構成される。このようなコンパートメントも、本明細書では薬物コンパートメントまたは薬物チャンバと称する。

システム１００は、場合によっては、１つ以上の検知コンパートメント１２（図１Ｄには、表現を簡潔とするために、検知コンパートメント１２を１つのみ図示している）内に組み込まれていることが好ましい。任意の実施形態のいくつかにおいて、複数の検知システム１００が同一の検知コンパートメント内に含まれ、常にそれらの間で流体連通している。任意の実施形態のいくつかにおいて、検知システムは２つ以上の検知コンパートメント内に含まれ、各検知コンパートメント内で、複数のナノ構造体が常にそれらの間で流体連通している。あるいは、コンパートメント２０は、検知システム１００と同一であっても異なっていてもよい検知システムを備える、追加の検知コンパートメントであってもよい。

２つ以上の検知システム１００が含まれる場合、検知システムは、検知部分の種類、またはヒドロゲル中に組み込まれた部分、またはナノ構造体の種類により、互いに異なっていてもよい。例えば、１つの検知システムが第１の検体を検出するための検知部分を具備していてもよく、１つの検知システムが、第１の検体と異なる第２の検体を検出するための検知部分を具備していてもよく、以下同様である。別の例では、１つの検知システムが検知部分を具備するシステム１００であってもよく、１つの検知システムが、類似の検知システムであるが、例えば自己較正のための、本明細書に記載の非検知部分を具備する検知システムであってもよい。例えば、１つの検知システムが、検知部分１０８と共に図１Ｂに示すナノ構造体１０２を具備していてもよく、１つの検知システムが、部分１１８と共に図１Ｂに示すナノ構造体１０２を具備していてもよい。

検知コンパートメント１２およびコンパートメント２０は、場合によっては、これらの間を流体連通させるマイクロチャネル２２を介して接続されていることが好ましい。本発明の一部の実施形態では、システム３００は、流体連通を確立および遮断するための、分解可能な弁（construable valve）２４を具備する。複数の検知コンパートメント１２が存在する場合、場合によっては、検知コンパートメントの全てが、それぞれの複数のマイクロチャネルを介して同一のコンパートメントに接続されていることが好ましい。あるいは、システム３００は、少なくとも２つの検知コンパートメントがマイクロチャネルを介して少なくとも２つの異なるコンパートメントに接続された、複数のコンパートメントを具備していてもよい。一般に、複数のマイクロチャネル２２は、必ずしもそうではなくともよいが、同じ面に係合している。例えば、コンパートメント１２、マイクロチャネル２２およびコンパートメント２０は全て、マイクロチャネル２２が基板上で同じ面に係合するように、基板内に形成されてもよい。

マイクロチャネル２２は、これらに限定されるものではないが、ソフトリソグラフィー、熱エンボス加工、ステレオリソグラフィー、３次元のジェット印刷、ドライエッチングおよび射出成形などの当技術分野にて既知の任意の技術によって基板（例えば、図１Ｂに示される基板１１６）上に形成され得る。

本発明のいくつかの実施形態において検知コンパートメント、マイクロチャネルおよび他のコンパートメントは、同じ基板上に形成され、本発明のいくつかの実施形態において検知コンパートメントは、マイクロチャネルおよび他のコンパートメントとは異なる基板上に形成される。異なる基板が使用される場合、異なる基板は、検知コンパートメントと他のコンパートメントとの間の制御可能な流体連通を維持するような接続、または分離状態であってもよい。例えば、２つの別個の基板の間の制御可能な流体連通は、導管によって確保することができる。検知コンパートメントおよび他のコンパートメントが同じ基板上に形成される場合、それらは任意の位置関係で基板上に配置されてもよい。例えば、本発明のいくつかの実施形態では、検知コンパートメントは、基板上で全ての他のコンパートメントから離れた領域に配置され、本発明のいくつかの実施形態では、検知コンパートメントが中心に存在すると共に、他のコンパートメントが検知コンパートメントを少なくとも部分的に包囲するように分布させてもよい。

システム３００は、弁２４のそれぞれを選択的に操作して、コンパートメント２０からコンパートメント１２への流体の流れを制御するように構成されたコントローラ３０を備えることが好ましい。

コントローラ３０は、データプロセッサ（図示せず）を含む、または汎用コンピュータまたは専用電気回路であってもよいプロセッサとつながっていてもよい。コントローラ３０は、データプロセッサのメモリ内に格納され得る所定の検知プロトコルに従って、弁２４を自動的に操作することが好ましい。

本発明のいくつかの実施形態において、コンパートメント１２は、（例えば、洗浄操作の後）流体を排出することができる出口ポート３６を具備する。コンパートメント１２からの流体の除去を容易にする出口チャネル３８がポート３６に接続されていてもよい。コンパートメント１２内へ流体が流れる間にコンパートメント１２内で生成されるプラス圧力によって、流体をポート３６からチャネル３８内に流してもよい。あるいは、更に流体を当技術分野にて知られているように、チャネル３８内に（例えば、図示はしないがポンプを使用して）マイナス圧力を加えることによって、ポート３６を通ってチャネル３８内に流してもよい。

本発明の一部の実施形態では、コンパートメント２０は、例えば、試料および／または薬物を導入するための入口（図示せず）を備える。
例示的な構成：
一部の実施形態では、検知システム１００は、インビボで使用するように構成される。

一部の実施形態では、システム３００は、インビボで使用するように構成される。一部の実施形態では、システム３００は、１つ以上の検知コンパートメント１２と１つ以上の薬物コンパートメント２０とを具備し、インビボで使用するように構成される。これらの実施形態のいくつかにおいて、検知コンパートメント１２および薬物コンパートメント２０のうちの１つ以上は、単数または複数のマイクロニードルの形態であってもよい。

インビボでの使用に好適な任意の構成が考えられる。

例示的な実施形態では、検知システム１００またはシステム３００は、皮膚パッチとして構成される。

一部の実施形態では、検知システム１００またはシステム３００は、エクスビボで使用するように構成される。例示的な実施形態では、検知システム１００またはシステム３００は、本明細書に記載のように、ラボ・オン・チップシステムとして構成される。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、検知システム（例えば、検知システム１００）は、標識剤（例えば、発色団、蛍光剤、燐光剤、造影剤、放射性薬剤など）を用いない。

一部の実施形態では、システム３００は標識剤を用いない。

製造：
本発明の実施形態は更に、本明細書に記載の検知システムを製造方法に関する。

一部の実施形態では、本明細書に記載の検知システムは、その表面上に重合性基を有するナノ構造体と、ヒドロゲル前駆体（１種のヒドロゲル形成剤、または複数のヒドロゲル形成剤の混合物）、検知部分および開始剤を含む反応混合物とを、ヒドロゲルの形成が起こる条件下で接触させることによって、製造する。反応混合物は、典型的には、ヒドロゲル前駆体、検知部分および開始剤を含む水溶液である。

一部の実施形態では、この方法は、当該接触の前に、ナノ構造体の表面上に重合性基を生成させることを更に含む。表面重合性基は、リンカーに係わる実施形態と関連して本明細書に記載のように、ナノ構造体の表面にもともと存在する官能基と共有結合を形成するための反応性基と、重合性基とを含む、二官能性試薬を使用することによって生成することができる。

一部の実施形態では、接触は、ヒドロゲル前駆体溶液をナノ構造体の表面上に堆積させることによって行う。堆積は、例えば、スピンコーティングによって行うことができる。任意の他の堆積法も考えられる。

一部の実施形態では、ヒドロゲルの形成を起こすための条件には、例えば、ヒドロゲル前駆体の重合を開始するための触媒が含まれ得る。重合性基および／または架橋性基の性質に従って、好適な触媒を選択することができる。例えば、アクリレート基等のフリーラジカル重合によって重合する重合性基に対しては、フリーラジカル開始剤を、使用する。カチオン重合によって重合する重合性基に対しては、カチオン性開始剤を使用する。好適な触媒は、当業者に周知である。

一部の実施形態では、ヒドロゲルを形成をするための条件には、電磁線（例えば紫外線）への曝露を含む。これに代えて、またはこれに加えて、上記条件は熱エネルギーへの曝露を含む。

検知方法：
本明細書に記載の任意の実施形態のうちのいくつかの態様によれば、標的分子の検出方法が提供される。本明細書で使用する場合、また当技術分野においては、「検出する」とは、標的分子（および本明細書に記載の検体）の存在および／または量を決定することを包含する。長期間にわたり、連続的または間欠的に行う場合、当該検出は、標的分子の存在および／または量のモニタリングに用いることができる。

本明細書に記載の検知システムの任意のものは、本明細書に記載のように、標的分子を含む試料とシステムとを接触させることにより、標的分子を検出するのに有用である。

検知システムが、本明細書に記載のマイクロ流体システムの一部を形成する場合、接触は、試料コンパートメントと試料と接触させること（例えば、導入、流入、注入等）によって行うことができる。次いで、各試料コンパートメントと検知コンパートメントとの間の流体連通を制御することにより、検知を行うことができる。

２種類以上のナノ構造体が（同一または異なる検知システムまたはコンパートメント内に）用いられる場合、試料を全てのナノ構造体または全ての検知システムと同時に接触させることによって、検知を同時に行うことができる。接触を連続して行う場合、連続する検知の間に検知コンパートメントの１つ以上を洗浄することができる。

一部の実施形態では、システムは、洗浄流体（例えば、洗浄溶液）を収容するコンパートメント（例えば、チャンバ）を更に具備していてもよい。一部の実施形態では、ヒドロゲルを「正常化」する、即ち、検体分子、または検体と検知部分もしくは試料中に存在する任意の他の成分との間の相互作用時に生成した化合物を除去するために、洗浄溶液を使用する。

一部の実施形態では、接触は、試料が連続的に検知システムと接触しているように連続的に行い、試料中の検体の存在および／または量もしくはレベルを連続的にモニタリングする。

検体を含む溶液、場合によっては生理学的溶液（例えば、生理学的媒体）を検知システムと（直接または本明細書に記載のように試料コンパートメントを介して）接触させるとき、検知システムにより生成される信号は、試料中の検体の存在および／またはレベルの指標となる。

さまざまな濃度のさまざまな検体に関してこの方法によって生成された信号の参照データを使用して、後に更に詳細に述べるように、より複雑な試料から獲得されたデータを処理して、検体のレベルのモニタリングおよび分析を行うことができる。それにより、例えば、異常な状態または状態の改善を判定することができる。

一部の実施形態では、試料そのものを検知システムと接触させる。

あるいは、最初に試料を、例えば試料コンパートメント内で処理し、次いで検知システムと接触させる。

例示的な実施形態において、細胞を試料コンパートメント（例えば、チャンバ）に導入し、培養条件に供される。例えば、試料コンパートメント内の１つのチャンバ内に保管されている培地を、細胞を収容するチャンバと流体連通させる。その後、培養した細胞が、場合により生存率アッセイに供されて、生細胞数、および／または細胞の増殖率を決定する。例えば、チャンバ内の培養細胞の一部は、生存率アッセイまたは増殖アッセイのための条件を含む他のチャンバと流体連通してもよい。上記に代えて、または上記に加えて、培養細胞の一部を、例えば、療法または治療薬（例えば、医薬、または任意の他の治療）と接触させることによって、他の治療に供し、次いで、当該医薬または治療の存在下で培養してもよい。更に、細胞は、最初に培養した後に、医薬または治療を含むチャンバに流すことにより、医薬または他の治療に供してもよい。あるいは、細胞を他のチャンバに流してもよく、また医薬または治療を含む溶液は異なるチャンバに導入し、細胞と同じチャンバに流してもよい。

方法に関して本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかにおいて、本明細書に記載のようにチャンバを検知コンパートメントと流体連通させた後、試料コンパートメントの１つ以上のチャンバ内に存在する１種以上の洗浄溶液を、検知コンパートメントと流体連通させる。

試料：
本明細書に記載の検知システムの任意の１つと接触させる試料は、例えば、検体を含有する溶液、または、その代わりに、検体を生成する物質を含有する溶液であってもよい。

あるいは、より複雑な試料、例えば細胞、生物学的試料、細胞を含む生物学的試料などであり、それぞれの試料は、薬剤、試薬、媒質等を追加で含み得る。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかでは、試料は細胞を含み、本方法は細胞内の検体の存在および／または量を決定するのに使用してもよい。

検体が代謝産物である場合、本方法は、細胞の代謝活性を決定、モニタリングおよび／または分析するのに使用してもよい。

本明細書では、「細胞」は、上記の代謝活性が測定され得る原核生物または真核生物細胞を指す。細胞は、細菌、酵母、植物、昆虫または哺乳動物の細胞であってもよい。特定の実施形態によれば、細胞は、ヒト細胞である。細胞は、単一細胞を指し得るが、複数の細胞も指し得ることが理解されるであろう。細胞は、（組織を構成していない）単離された細胞、または組織もしくは組織断片中の細胞であってもよい。特定の実施形態によれば、細胞がＰＢＭＣである場合、アッセイは１０^３〜１０^１０の細胞に対して行われる。特定の実施形態によれば、細胞の数は１０^６〜１０^７である。

細胞は、分化した細胞、分化していない細胞（例えば、幹細胞）または脱分化した細胞であってもよい。

一実施形態によれば、細胞は、免疫系の細胞、即ち白血球（white blood cell）（即ち、白血球細胞（leukocyte））である。例としては、好中球、好酸球、好塩基球、リンパ球（Ｔ細胞またはＢ細胞）、単球、マクロファージおよび樹状細胞が挙げられる。

別の実施形態によれば、細胞は、例えば癌細胞等の、任意の組織の病原性細部または罹患細胞である。本教示に従って検出され得る他の疾病および医学的状態を、下記に示す。

本教示に従って分析され得る他の細胞としては、胚細胞（ＩＶＦ適格性診断のため）、赤血球、血小板、細菌感染細胞、真菌感染細胞、およびウィルス感染細胞が挙げられるが、これらに限定されない。

即ち細胞は、単離した細胞集団であって、特定細胞からなる高純度のサブセット、例えば、同型遺伝子細胞集団（例えば、純度＞８０％）であるＴ細胞など、またはさまざまな種類の免疫細胞を含む異型遺伝子細胞集団である末梢血白血球（ＰＢＬ）や単核細胞などであり得る。

細胞は、培養されていない一次細胞、培養された一次細胞、またはクローン細胞（例えば細胞株）であってもよい。

細胞は、付着細胞、または懸濁液中の細胞であってもよい。

更なる実施形態によれば、細胞は、遺伝子操作されていなくても、または遺伝子操作されていてもよい。

本明細書に記載の任意の実施形態のいくつかによれば、それぞれが異なる細胞または異なる細胞の溶液を含む２つ以上の試料を、システムに同時に導入してもよい（例えば各試料を、試料コンパートメント内の異なるチャンバに導入する）。試料は前処理をせずに導入してもよい。

これらの試料のそれぞれは、本明細書に記載のように、検知を行う前に同じまたは異なる治療に供してもよい。

同じ試料を異なる治療に供してもよく、検知はそれぞれに供した後に行われる。

本明細書に記載の試料は、細胞生物学的試料であってもよい。

例示的な細胞生物学的試料としては、血液（例えば、末梢血白血球、末梢血単核細胞、全血、臍帯血）、固形組織生検材料、脳脊髄液、尿、リンパ液、ならびに呼吸器、腸管および泌尿生殖器官のさまざまな外分泌物、滑液、羊水、ならびに絨毛膜絨毛が挙げられるが、これらに限定されない。

生検材料としては、切開もしくは切除生検を含む外科生検材料、細針吸引物等、完全切除物、または体液が挙げられるが、これらに限定されない。生検材料の回収方法は、当技術分野にて周知である。

システムに接触する際に、本明細書に記載の任意の試料中の細胞は、導入したチャンバ内において、生理学的培地中や追加の試薬（例えば、本明細書に記載のような医薬）の存在下で増殖させてもよい。

一部の実施形態では、試料は、被験体から採取した生理学的試料、例えば、本明細書に記載のように、細胞生物学的試料である。これらの実施形態では、検体（生物検体）の検出はエクスビボで行われる。

一部の実施形態では、試料は被験体の組織または器官であり、検体（生物検体）の検出はインビボで行われる。

これらの実施形態では、本明細書に記載の検知システム、または本明細書に記載の検知システムを収容するマイクロ流体システムは、被験体の組織または器官を接触させるように構成される。例示的な実施形態では、検知システムまたは検知システムを具備するシステムは、皮膚パッチとして構成され、例えばマイクロニードルにより、被験体の組織（例えば、血液組織）を検知システムと接触させる。被験体の器官または組織をインビボで接触させることが可能な任意の他の構成も考えられる。

用途：
本明細書の実施形態の検知システムは、これらに限定されるものではないが、化学的用途、遺伝学的用途、生化学的用途、薬学的用途、生物医学的用途、医療用途、放射線学的用途および環境への用途を含む多数の用途に使用することができる。

検知は標的分子が検知コンパートメントと接触すると検出可能な変化が生じるように選択され得る。

医療用途の場合、本実施形態の検知システムは、後に記載および例示するように、診断および患者の管理に好適である。環境への用途の場合、本実施形態の検知システムは、空気または水の汚染物質、化学的薬剤、生物有機体または放射線の状況等の有害な材料または状態を検出するのに好適である。遺伝学的および生化学的用途の場合、本実施形態の検知システムは、「ラボ・オン・チップ」として知られる手法において、ＤＮＡ、および他の巨大分子もしくはより小さい分子、またはそれらの分子間の反応を試験および／または分析するのに好適である。

本実施形態の検知システムはまた、単一細胞の生化学的および生物物理学的研究の領域にて使用することができる。例えば、検知システムは所定のタイプの細胞または細胞群を単離することができる。

本実施形態のシステムおよび方法は、多数のタイプの流体媒質中の標的分子、および流体媒質中に存在する物体の存在の検知に使用することができる。この物体は、有機材料、無機材料、生物学的材料、高分子材料または任意の他の材料を含んでもよい。例えば、流体媒質は、全血または血液成分のいずれかである血液製剤を含んでもよく、その場合、物体は赤血球、白血球、血小板等であってもよい。流体媒質はまた、これらに限定されるものではないが唾液、脳脊髄、尿等を含む他の体液を含んでもよい。さまざまな緩衝液、およびこれらに限定されるものではないが、核酸溶液、タンパク質溶液、ペプチド溶液、抗体溶液などの溶液も考えられる。これらに限定されるものではないが、酸化剤、還元剤、酵素、受容体リガンド、細胞外成分、代謝産物、脂肪酸、ステロイドなどさまざまな生物学的および化学的な成分も考えられる。

流体媒質中の物体はまた、細胞、細菌、細胞小器官、血小板、巨大分子、ベシクル、リガンド等の可溶性因子に特異的な抗体で覆われたマイクロビーズ、遮られた（shaded）受容体、および脂肪組織または微生物を含む生物学的材料等が挙げられるが、これらに限定されない他の材料を含んでもよい。本明細書の実施形態のシステムおよび方法により操作される物体はまた、ラテックス、ケイ素ポリアミド等の合成（高分子または非高分子）材料から形成されてもよく、またはそのような材料を含んでもよい。物体は、光学的に可視または透明であってもよい。物体は、光を放射しまたは他の物体に接合されて、その検出を容易にしてもよい。

本明細書に記載の検知方法は、多様な診断および療法の用途に使用することができる。

いくつかの実施形態では、細胞を含む試料は更に治療薬を含み、本明細書に記載の方法は、治療薬との接触後の細胞の活性を決定またはモニタリングするために使用される。

このような方法は、細胞に対する治療薬の有効性を決定するのに使用することができる。

いくつかの実施形態において、検体は代謝産物であり、本方法は細胞の代謝活性（ＭＡ）をモニタリングするためのものである。

本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、細胞の代謝活性のモニタリング方法が提供される。本方法は、細胞を本明細書に記載のいずれか１つの検知システムと接触させることにより実施する。

この態様のいくつかの実施形態では、細胞を本明細書に記載のマイクロ流体システムに接続し、培養した後、培養細胞の一部を本明細書に記載のように好適な検知コンパートメントと流体連通させてもよい。

細胞の代謝活性のモニタリング方法は、例えば細胞の代謝活性を変更することが可能な薬剤の同定に使用することができ、例えば本明細書に記載のシステム内で培養した細胞を試験薬剤を含む条件に供した後、本明細書に記載のように、その代謝活性を決定する。培養した細胞は、異なるチャンバ内の異なる薬剤に同時に供してもよく、次にチャンバのそれぞれを、検知に供してもよい。

被験体となる、本明細書に記載の生物学的試料を、本明細書に記載の任意の実施形態における方法の試料として使用して、代謝活性に関連した被験体の疾病の診断に使用することができる。

あるいは、そのような方法は、改変された代謝活性に関連した被験体の疾病の治療のモニタリングに使用されてもよい。

いくつかの実施形態では、本方法は、少なくとも２つの試料を検知システムと接触させることを含み、少なくとも２つの試料中の検体の存在および／または量を同時にまたは連続して決定するための方法である。例示的な一実施形態において、前記２つの試料の１つは健康な細胞、もう１つは罹患細胞であり、本方法は罹患細胞における代謝活性変化の比較を可能にする。例示的な一実施形態において、前記２つの試料は罹患細胞を含み、１つは療法条件（例えば医薬または治療）に供され、もう１つは他の療法条件に供されるか、いずれの条件にも供されず、本方法は、療法条件の結果である罹患細胞の代謝活性変化の比較を可能にする。したがってこの実施態様は、試験した治療薬の治療有効性の指標を提供する。

本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、診断を必要とする被験体における改変された代謝活性に関連した疾病の診断方法が提供される。本方法は、被験体の細胞試料（本明細書に記載の生物学的細胞試料）を、本明細書に記載の検知システムと接触させ、本明細書に記載のように、試料中の１つ以上の代謝産物の存在および／または量を決定することにより達成される。

被験体は、通常の健康診断を受けている健康な動物またはヒトであってもよい。あるいは、被験体は、癌等の改変された代謝活性に関連した疾病の危険度の高いもの（例えば、遺伝学的に罹患しやすい被験体、癌の病歴および／または家族歴を有する被験体、発癌性物質、職業危険や環境危険に曝露されている被験体）、および／または、癌の疑わしい臨床的兆候（例えば、排泄物中の血液または下血、不明な疼痛、発汗、不明な発熱、拒食症に至るまでの不明な体重減少、用便習慣の変化（便秘および／または下痢）、しぶり腹（不完全な排便の感覚、特に直腸癌の場合）、貧血および／または全身の脱力感）を有する被験体であってもよい。

本明細書で使用する「診断」または「診断する」は、病状（例えば、疾病、疾患、状態または症候群）の有無の決定、病状または症状の分類、病状の重篤度の決定、病状の進行のモニタリング、病状の予後および／または回復の見込みの予測、ならびに特定の疾病に関する被験体のスクリーニングの実施を指す。

本明細書で使用する「改変された代謝活性に関連した疾病」は、正常で健康な（疾病を発症していない）被験体から得た同種の細胞集団と比較して、代謝活性のシフトを経た細胞集団により特徴付けられる疾病を指す。代謝活性のシフトを経た細胞集団とは、病原性細胞集団（即ち、疾病の原因となる細胞、例えば癌細胞）または非病原性細胞集団（例えば、疾病と闘う細胞、例えば固形癌に対する免疫細胞）であってもよい。例えば、腫瘍学においては、癌細胞の大部分、およびクローン性増殖を経ている免疫系のいくつかの集団は、大部分の正常な細胞のような比較的低速の解糖とその後のミトコンドリア内でのピルビン酸塩の酸化によるのではなく、高速の解糖とその後の細胞質内での乳酸産生によりエネルギーを生成する。

いくつかの実施形態によれば、同一の細胞組成の正常で健康な（非罹患）試料中の１種以上の代謝産物のレベル（存在および／または量）は、被験細胞のモニタリングに使用されたものと同一の条件下で決定する。

被験細胞と、対照（正常な、非罹患）細胞との間に見られる代謝活性（１種以上の代謝産物のレベル）におけるシフト（即ち、変化）は、同一条件下で得られる代謝産物レベルから立証されるものであり、改変された代謝活性プロファイルに関連した疾病の指標となる。

したがって、例えば、本明細書に記載の方法により得られた、乳酸塩のような代謝産物のレベル（量）に関するデータを、場合によりグルコースおよび／またはピルビン酸塩のレベルに関するデータと組み合わせて、正常な細胞内のこれら代謝産物のうちの１種以上のレベルを表すデータと比較し、被験体が癌を有するか否かを決定することができる。更に、そのようなデータを他のデータと比較して、生物学的細胞試料中のこれら代謝産物のうちの１種以上のレベルに基づいて、癌のタイプ、および／またはその起源、および／またはそのステージをより正確に決定することができる。

代謝活性アッセイの結果は、結果を分類し、最終的な診断を補助する決定ツリーモデルに供してもよい。好ましい実施形態によれば、少なくとも２種のモデルを組み合わせる。そのようなモデルの例としては、ＣＨＡＩＤ、Ｃ５およびＣ＆Ｒ Ｔｒｅｅが挙げられるが、これらに限定されない。ロジスティックモデルを更に適用してもよい。

代謝産物と同様に、他のバイオマーカーの存在および／または量を決定することを、細胞生物学的試料の異常な活性を決定するために使用することができる。例えば、本方法を、疾病と関連する受容体の過剰発現を検出するため、または疾病の指標となる抗原等のバイオマーカーの存在および／または量を検出するために用いることができる。

本教示に従って（下記に更に記載するように）診断および治療が可能な医学的状態の例としては、癌、病原性感染症および自己免疫疾患が挙げられるが、これらに限定されない。特定の例を以下に提供する。

炎症性疾患としては、慢性炎症性疾患および急性炎症性疾患が挙げられるが、これらに限定されない。

過敏症疾患に関連した炎症性疾患としては、これらに限定されるものではないが、Ｉ型過敏症、ＩＩ型過敏症、ＩＩＩ型過敏症、ＩＶ型過敏症、即時型過敏症、抗体媒介過敏症、免疫複合体媒介過敏症、Ｔリンパ球媒介過敏症およびＤＴＨなどが挙げられる。これらに限定されるものではないが、例として以下が含まれる。

喘息等のＩ型または即時型過敏症。

これらに限定されるものではないが、以下のＩＩ型過敏症リウマチ様疾患：リウマチ様自己免疫疾患、関節リウマチ、脊椎炎、強直性脊椎炎、全身性疾患、全身性自己免疫疾患、全身性エリトマトーデス、硬化症、全身性硬化症、腺性疾患、腺性自己免疫疾患、自己免疫性膵炎、糖尿病、Ｉ型糖尿病、甲状腺疾患、自己免疫性甲状腺疾患、グレーブス病、甲状腺炎、特発性自己免疫甲状腺炎、橋本甲状腺炎、粘液水腫、特発性粘液水腫；自己免疫生殖疾患、卵巣疾患、卵巣自己免疫、自己免疫抗精子不妊症（autoimmune antisperm infertility）、習慣性流産（repeated fetal loss）、神経変性疾患、神経疾患、神経性自己免疫疾患、多発性硬化症、アルツハイマー病、重症筋無力症、運動神経障害、ギラン・バレー症候群、神経障害および自己免疫性神経障害、筋無力症、ランバート・イートン筋無力症症候群、傍腫瘍性神経疾患、小脳萎縮症、傍腫瘍性小脳萎縮症、非傍腫瘍性全身硬直症候群、小脳萎縮症、進行性小脳萎縮症、脳炎、ラスムッセン脳炎、筋萎縮性側索硬化症、シデナム舞踏病（Sydeham chorea）、ジル・ドゥ・ラ・トゥレット症候群、多腺性内分泌障害、自己免疫多腺性内分泌障害；神経障害、免疫異常神経障害（dysimmune neuropathy）；神経性筋強直症、後天性神経性筋強直症、先天性多発性関節拘縮症、心血管系疾患、心血管系自己免疫疾患、アテローム性動脈硬化症、心筋梗塞、血栓症、肉芽腫症、ウェゲナー肉芽腫症、動脈炎、高安動脈炎および川崎症候群；抗第八因子自己免疫疾患；脈管炎、壊死性小血管脈管炎（necrotizing small vessel vasculitises）、顕微鏡的多発性血管炎、チャーグ・ストラウス症候群、糸球体腎炎、微量免疫型巣状性壊死性糸球体腎炎（pauci-immune focal necrotizing glomerulonephritis）、半月体形成性糸球体腎炎；抗リン脂質症候群；心不全、心不全における作動薬様アドレナリン受容体抗体、血小板減少性紫斑病；溶血性貧血、自己免疫性溶血性貧血、胃腸疾患、胃腸管の自己免疫疾患、腸疾病、慢性炎症性肝疾患、セリアック病、筋肉組織の自己免疫疾患、筋炎、自己免疫筋炎、シェーグレン症候群；平滑筋自己免疫疾患、肝疾患、自己免疫性肝疾患、自己免疫性肝炎および原発性胆汁性肝硬変等。

これらに限定されるものではないが、以下のＩＶ型またはＴ細胞媒介過敏症：リウマチ様疾患、関節リウマチ、全身性疾患、全身性自己免疫疾患、全身性エリトマトーデス、腺性疾患、腺性自己免疫疾患、膵疾患、自己免疫性膵炎、１型糖尿病；甲状腺疾患、自己免疫性甲状腺性疾患、グレーブス病；卵巣疾患、前立腺炎、自己免疫性前立腺炎、多腺性症候群、自己免疫多腺性症候群、Ｉ型自己免疫多腺性症候群、神経疾患、自己免疫性神経疾病、多発性硬化症、神経炎、視神経炎、重症筋無力症、全身硬直症候群、心血管系疾患、シャーガス病における心臓性自己免疫、自己免疫血小板減少性紫斑病、抗ヘルパーＴリンパ球自己免疫、溶血性貧血、肝疾患、自己免疫性肝疾患、肝炎、慢性活動性肝炎、胆汁性肝硬変、原発性胆汁性肝硬変、腎疾患、自己免疫性腎疾患、腎炎、間質性腎炎、結合組織疾患、耳疾患、自己免疫性結合組織疾患、自己免疫性耳疾患、内耳の疾病、皮膚疾患（skin disease）、皮膚疾患（cutaneous disease）、皮膚疾患（dermal disease）、水疱性皮膚疾患、尋常性天疱瘡、類天疱瘡および落葉状天疱瘡。

遅延型過敏症の例としては、接触性皮膚炎および薬物発疹が挙げられるが、これらに限定されない。

Ｔリンパ球媒介過敏症のタイプの例としては、ヘルパーＴリンパ球および細胞毒性Ｔリンパ球が挙げられるが、これらに限定されない。

ヘルパーＴリンパ球媒介過敏症の例としては、Ｔ_ｈ１リンパ球媒介過敏症およびＴ_ｈ２リンパ球媒介過敏症が挙げられるが、これらに限定されない。

心血管系疾患、リウマチ様疾患、腺性疾患、胃腸疾患、皮膚疾患、肝疾患、神経疾患、筋疾患、腎疾患、生殖に関連した疾患、結合組織疾患、および全身性疾患等であるがこれらに限定されない自己免疫疾患。

心血管系疾患の例としては、アテローム性動脈硬化症、心筋梗塞、血栓症、ウェゲナー肉芽腫症、高安動脈炎、川崎症候群、抗因子ＶＩＩＩ自己免疫疾患、壊死性小血管炎、顕微鏡的多発性血管炎、チャーグ・ストラウス症候群、微量免疫型（pauci-immune）巣状壊死性および半月体形成性糸球体腎炎、抗リン脂質症候群、抗体誘導性心不全、血小板減少性紫斑病、自己免疫性溶血性貧血、シャーガス病における心臓自己免疫、および抗ヘルパーＴリンパ球自己免疫が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫リウマチ様疾患の例としては、関節リウマチおよび強直性脊椎炎が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性腺疾患の例としては、膵疾患、Ｉ型糖尿病、甲状腺疾患、グレーブス病、甲状腺炎、特発性自己免疫甲状腺炎、橋本甲状腺炎、特発性粘液水腫、卵巣自己免疫、自己免疫抗精子不妊症、自己免疫性前立腺炎およびＩ型自己免疫多腺性症候群が挙げられるが、これらに限定されない。疾病としては、膵臓の自己免疫疾患、１型糖尿病、自己免疫性甲状腺疾患、グレーブス病、特発性自己免疫甲状腺炎、橋本甲状腺炎、特発性粘液水腫、卵巣自己免疫、自己免疫抗精子不妊症、自己免疫性前立腺炎およびＩ型自己免疫多腺性症候群が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性胃腸疾患の例としては、慢性炎症性腸疾患、セリアック病、結腸炎、回腸炎およびクローン病が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性皮膚疾患の例としては、尋常性天疱瘡、類天疱瘡および落葉状天疱瘡などの自己免疫性水疱皮膚疾患が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性肝疾患の例としては、肝炎、自己免疫慢性活動性肝炎、原発性胆汁性肝硬変および自己免疫性肝炎が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性神経疾患の例としては多発性硬化症、アルツハイマー病、重症筋無力症、神経障害、運動神経障害；ギラン・バレー症候群および自己免疫性神経障害、筋無力症、ランバート・イートン筋無力症症候群；傍腫瘍性神経疾患、小脳萎縮症、傍腫瘍性小脳萎縮症および全身硬直症候群；非傍腫瘍性全身硬直症候群、進行性小脳萎縮症、脳炎、ラスムッセン脳炎、筋萎縮性側索硬化症、シデナム舞踏病、ジル・ドゥ・ラ・トゥレット症候群および自己免疫多内分泌疾患；免疫異常神経障害；後天性神経性筋強直症、先天性多発性関節拘縮症、神経炎、視神経炎および神経変性疾患が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性筋疾患の例としては、筋炎、自己免疫筋炎および原発性シェーグレン症候群および平滑筋自己免疫疾患が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫性腎疾患の例としては、腎炎および自己免疫間質性腎炎が挙げられるが、これらに限定されない。

生殖に関連した自己免疫疾患の例としては、習慣性流産が挙げられるが、これに限定されない。

自己免疫性結合組織疾患の例としては、耳疾患、自己免疫耳疾患、および内耳の自己免疫疾患が挙げられるが、これらに限定されない。

自己免疫全身性疾患の例としては、全身性エリトマトーデスおよび全身性硬化症が挙げられるが、これらに限定されない。

慢性感染性疾患、亜急性感染性疾患、急性感染性疾患、ウィルス性疾患、細菌性疾患、原生動物性疾患、寄生虫症、真菌症、マイコプラズマ疾患およびプリオン疾患等であるがこれらに限定されない感染性疾患。

移植片拒絶、慢性移植片拒絶、亜急性移植片拒絶、超急性移植片拒絶、急性移植片拒絶および移植片対宿主病等であるがこれらに限定されない、移植片の移植に関連した疾患を含む移植片拒絶疾患。

喘息、蕁麻疹、じん麻疹、花粉アレルギー、粉塵ダニアレルギー、毒液アレルギー、化粧品アレルギー、ラテックスアレルギー、化学的アレルギー、薬物アレルギー、昆虫咬傷アレルギー、動物鱗屑アレルギー、棘植物（stinging plant）アレルギー、ツタウルシアレルギーおよび食物アレルギーを含むがこれらに限定されないアレルギー疾病。

特定の実施形態によれば、疾病は、癌である。

癌疾患としては、癌腫、リンパ腫、芽細胞腫、肉腫および白血病が挙げられるが、これらに限定されない。癌疾患の特定の例としては、これらに限定されるものではないが、以下のものが挙げられる：慢性骨髄性白血病、成熟を伴う急性骨髄性白血病、急性前骨髄球性白血病、好塩基球の増大を伴う急性非リンパ球性白血病、急性単球性白血病、好酸球増加症を有する急性骨髄単球性白血病等の骨髄性白血病；バーキット型非ホジキン悪性リンパ腫等の悪性リンパ腫；急性リンパ性（lumphoblastic）白血病、慢性リンパ性白血病等のリンパ性（Lymphoctyic）白血病；固形腫瘍良性髄膜腫、唾液腺の混合腫瘍、結腸腺腫等の骨髄増殖性疾患；小細胞肺癌、腎臓癌、子宮癌、前立腺癌、膀胱癌、卵巣癌、結腸癌、肉腫、脂肪肉腫、粘液性肉腫、滑膜肉腫、横紋筋肉腫（alveolar）、骨外性粘液型軟骨肉腫（chonodrosarcoma）、ユーイング腫瘍等の腺癌。その他には、精巣および卵巣の未分化胚細胞腫、網膜芽細胞腫、ウィルムス腫瘍、神経芽腫、悪性黒色腫、中皮腫、乳房、皮膚、膵臓、子宮頸部、前立腺、および卵巣の腫瘍が挙げられる。

よって、本発明の教示は、疾病の検出に使用され得る。以下は、早期の癌の検出に関する非限定的な実施形態である。

本教示に従って行われる疾病診断に続き、ゴールドスタンダード法を用いたスクリーニング結果の実証が行われる。診断が本発明の教示によって、またはゴールドスタンダード法を用いて実証された後、被験者には診断が通知され、必要に応じて治療される。したがって本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、それを必要とする被験者における疾病治療の方法が提供される。当該方法は以下を含む。

（ａ）上述した方法に従って、被験者における疾病の存在を診断し；
（ｂ）当該診断に基づいて被験者を治療する。

本発明の実施形態は、疾病治療の個々の被験者に対する最適化、被験者における疾病治療のモニタリング、被験者のための治療の決定、および被験者における疾病の治療を可能にする薬剤の同定に関係する多様な用途を有する。

本発明の一部の実施形態の一態様によれば、疾病治療を個々の被験体に対して最適化する方法が提供される。当該方法は：
少なくとも１種の医薬と共に細胞を含む、被験体から得た生物学的試料について、本明細書に記載のいずれか１つの関連方法（その任意の実施形態も含む）から選ばれた任意の１種を用いて、被験体の生物学的試料中の生物検体の存在および／または量を決定することを含み、
細胞中の生物検体のレベルが、同一条件下で試験した正常かつ健康な細胞試料の生物検体のレベルに近づくようなシフトは、医薬が疾病に効果的であるという指標となる。

本明細書で使用する「個々の被験体に対して最適化した治療」は、それぞれに合わせた治療計画（treatment regimen）（例えば、医薬の種類や用量）を作製するためのエクスビボの方法を指す。

本明細書で使用する「医薬」は、薬、医薬品または製剤の処方を意味し、本明細書においては相互に交換可能に使用される。医薬の例としては、化学治療薬、抗生物質、抗寄生虫薬、抗ウィルス薬等が挙げられるが、これらに限定されない。

本明細書全体を通じて、任意の関連した実施形態に関して使用する「療法」は、本明細書で医薬とも称される治療薬、および放射線、脱水、失活等の他の治療を示す。

生物学的試料の細胞は、本明細書に記載のようなシステムの試料コンパートメント内で、医薬または任意の他の治療と接触することができる。

これらの実施形態との関連では、「接触する」とは、医薬が細胞膜と接触し、必要であれば細胞内に取り込まれるような条件下で、医薬を細胞に近づけることを指す。したがって、例えば、接触は、緩衝条件下において、医薬が細胞の表現型（例えば、細胞毒性または細胞増殖抑制効果）に影響し得るのに十分な温度と時間で行われるべきである。接触は、インビトロ、エクスビボまたはインビボで実施することができる。

特定の実施形態によれば、「細胞中の生物検体のレベルが、同一条件下で試験した正常かつ健康な細胞試料の生物検体のレベルに近づくようなシフト」は、少なくとも１０％の局所的または全体的（プロファイル全体に亘る）シフトを指し、好ましくは、対照の正常かつ健康な細胞試料と１００％同じになるようなシフトを指す。

当業者により所定の閾値を超えたと認識されるシフトは、効果的な治療であったことの指標となる。

本発明のいくつかの実施形態の態様によれば、被験体における疾病治療のモニタリング方法が提供される。当該方法は：
（ａ）疾病に対する少なくとも１種の医薬を被験体に投与することと、
（ｂ）試料中の１つ以上の生物検体のレベルを決定することとを含み、細胞中の生物検体のレベルが、同一条件下で試験した正常かつ健康な細胞試料の生物検体のレベルに近づくようなシフトは、疾病に効果的な治療であるという指標となる。

本明細書で使用する「約」は、±１０％または±５％を指す。

「具備する（comprise）」、「具備している（comprising）」、「含む（include）」「含んでいる（including）」、「有している（having）」およびそれらの活用形は、「含むが、限定されない」ことを意味する。

「からなる」は、「含み、限定される」ことを意味する。

「から実質的になる」は、組成物、方法または構造が追加の成分、工程および／または部分を含み得ると定義する。しかし、追加の成分、工程および／または部分は、特許請求される組成物、方法または構造の基本的かつ新規な特性を実質的に変更しない場合に限られる。

本明細書で使用する単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他を指示しない限り、複数を対象とする。例えば、「化合物（a compound）」または「少なくとも１種の化合物」には、複数の化合物が含まれ、それらの混合物をも含み得る。

本願全体を通して、本発明のさまざまな実施形態は、範囲形式にて示され得る。範囲形式での記載は、単に利便性および簡潔さのためであり、本発明の範囲の柔軟性を欠く制限でではないことを理解されたい。したがって、範囲の記載は、可能な下位の範囲の全部、およびその範囲内の個々の数値を特異的に開示していると考えるべきである。例えば、１〜６等の範囲の記載は、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６等の部分範囲のみならず、その範囲内の個々の数値、例えば１、２、３、４、５および６も特異的に開示するものとする。これは、範囲の大きさに関わらず適用される。

本明細書に数値範囲が示される場合、それは常に示される範囲内の任意の引用数（分数または整数）を含むことを意図する。第１の指示数と第２の指示数「との間の範囲」という表現と、第１の指示数「から」第２の指示数「までの範囲」という表現は、本明細書で代替可能に使用され、第１の指示数および第２の指示数と、それらの間の分数および整数の全部を含むことを意図する。

本明細書で使用する「方法」は、所定の課題を達成するための様式、手段、技術および手順を意味し、化学、薬理学、生物学、生化学および医療の各分野の従事者に既知のもの、または既知の様式、手段、技術および手順から従事者が容易に開発できるものが含まれるが、これらに限定されない。

異常な活性、疾病または病態と関連して本明細書で使用する「治療する」とは、病態の進行の抑止、実質的な阻害、遅延、もしくは逆転、病態の臨床的もしくは審美的症状の実質的な寛解、または病態の臨床的もしくは審美的症状の悪化の実質的な予防を含む。

本明細書全体を通して、「結合部分」または「結合基」は、化合物中の２つ以上の部分または基を接続する基を示す。結合部分は、典型的には二官能性化合物または三官能性化合物から誘導され、二官能または三官能の官能性部分（radical moiety）とみなすことができる。これらは、それぞれ、２つまたは３つの原子を介して２つまたは３つの他の部分と接続している。

例示的な結合部分としては、本明細書に定義されるような１つ以上のヘテロ原子が介在していてもよい、炭化水素部分もしくは炭化水素鎖、および／または以下に列挙する、結合基として定義される任意の化学基が挙げられる。

本明細書において化学基を「末端基」と称する場合、化学基中の１つの原子を介して別の基と接続された置換基であると解釈されたい。

本明細書全体を通して、「炭化水素」は、炭素原子と水素原子とから主に構成された化学基の総称である。炭化水素は、アルキル、アルケン、アルキン、アリール、および／またはシクロアルキルで構成されていてもよく、これらは各々が、置換または非置換であってもよく、１つ以上のヘテロ原子が介在していてもよい。炭化水素は結合基でも末端基でもよい。

本明細書で使用する「アミン」は、−ＮＲｘＲｙ基および−ＮＲｘ−基の両方を示し、ＲｘおよびＲｙは、それぞれ独立して水素、アルキル、シクロアルキル、またはアリールであり、これらは以下に定義される通りである。

したがって、アミン基は、ＲｘおよびＲｙの両方が水素である第１級アミン、Ｒｘが水素であり、Ｒｙがアルキル、シクロアルキルもしくはアリールである第２級アミン、またはＲｘおよびＲｙのそれぞれが独立してアルキル、シクロアルキルもしくはアリールである第３級アミンであり得る。

あるいは、ＲｘおよびＲｙは、それぞれ独立して、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、カルボニル、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｎ−カルバメート、Ｏ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。

本明細書において「アミン」は、アミンが本明細書で以下に定義する末端基である場合には、−ＮＲｘＲｙ基を表し、アミンが本明細書で以下に定義する結合基または結合部分の一部である場合には、−ＮＲｘ−基を表す。

「アルキル」は、直鎖および分岐鎖基を含む飽和脂肪族炭化水素を示す。アルキル基は、１〜２０個の炭素原子を有することが好ましい。本明細書で数値範囲、例えば「１〜２０」が述べられる場合、この範囲は置換基、この場合アルキル基が、１個の炭素原子、２個の炭素原子、３個の炭素原子等、２０個迄の炭素原子を含み得ることを意味する。アルキルは、炭素原子数が１〜１０の中間サイズのアルキルであることがより好ましい。特に示さない限り、アルキルは、炭素原子数が１〜４の低級アルキル（Ｃ（１−４）アルキル）であることが最も好ましい。アルキル基は、置換されたものでも、非置換のものでもよい。置換されたアルキルは１つ以上の置換基を有していてもよく、各置換基は独立に、例えば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｎ−カルバメート、Ｏ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。

アルキル基は、末端基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、隣接する１つの原子に結合し、または結合基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、鎖中の少なくとも２つの炭素を介して２つ以上の部分と結合している。アルキルが結合基である場合、本明細書において「アルキレン」または「アルキレン鎖」とも称する。

本明細書で使用されるアルケンおよびアルキンは、本明細書で定義されるように、それぞれ１つ以上の二重結合または三重結合を含む、アルキルである。

「シクロアルキル」は、炭素のみからなる単環式環基または縮合環（即ち、隣接する炭素原子対を共有する環）基であって、環のうちの１つ以上が、完全に共役したｐｉ電子系を有さないものを示す。例としては、これらに限定されるものではないが、シクロヘキサン、アダマンチン、ノルボルニル、イソボルニルなどが挙げられる。シクロアルキル基は、置換されたものでも、非置換のものでもよい。置換されたシクロアルキルは１つ以上の置換基を有していてもよく、各置換基は独立に、例えば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｎ−カルバメート、Ｏ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。シクロアルキル基は、末端基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、隣接する１つの原子に結合し、または結合基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、２つ以上の位置で２つ以上の部分に結合する。

「複素脂環基」は、（１つまたは複数の）環内に１種以上の原子、例えば窒素、酸素および硫黄等、を有する単環基または縮合環基を示す。環は、１つ以上の二重結合も有し得る。しかしながら、環は、完全に共役したｐｉ電子系を有さない。代表的な例は、ピペリジン、ピペラジン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、モルホリノ、オキサリジンなどである。複素脂環基は置換されたものでも、非置換のものでもよい。置換された複素脂環基は１つ以上の置換基を有していてもよく、各置換基は独立に、例えば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｏ−カルバメート、Ｎ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。複素脂環基は、末端基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、隣接する１つの原子に結合し、または結合基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、２つ以上の位置で２つ以上の部分に結合する。

「アリール」は、炭素のみからなる単環基または縮合多環基（即ち、隣接する炭素原子対を共有する環）を示す。アリール基は、置換されたものでも、非置換のものでもよい。置換されたアリールは１つ以上の置換基を有していてもよく、各置換基は独立に、例えば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｎ−カルバメート、Ｏ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。アリール基は、末端基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、隣接する１つの原子に結合し、または結合基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、２つ以上の位置で２つ以上の部分に結合する。

「ヘテロアリール」は、（１つまたは複数の）環内に１種以上の原子、例えば窒素、酸素および硫黄等、を有し、更に完全に共役したｐｉ電子系を有する単環基または縮合環基（即ち、隣接する炭素原子対を共有する環）を示す。ヘテロアリール基の例としては、これらに限定されるものではないが、ピロール、フラン、チオフェン、イミダゾール、オキサゾール、チアゾール、ピラゾール、ピリジン、ピリミジン、キノリン、イソキノリンおよびプリンが挙げられる。ヘテロアリール基は、本明細書で定義した置換されたものでも、非置換のものでもよい。置換されたヘテロアリールは１つ以上の置換基を有していてもよく、各置換基は独立に、例えば、ヒドロキシアルキル、トリハロアルキル、シクロアルキル、アルケニル、アルキニル、アリール、ヘテロアリール、複素脂環式アミン、ハロゲン化物、スルホネート、スルホキシド、ホスホネート、ヒドロキシ、アルコキシ、アリールオキシ、チオヒドロキシ、チオアルコキシ、チオアリールオキシ、シアノ、ニトロ、アゾ、スルホンアミド、Ｃ−カルボキシレート、Ｏ−カルボキシレート、Ｎ−チオカルバメート、Ｏ−チオカルバメート、尿素、チオ尿素、Ｏ−カルバメート、Ｎ−カルバメート、Ｃ−アミド、Ｎ−アミド、グアニル、グアニジンおよびヒドラジンであってもよい。ヘテロアリール基は、末端基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、隣接する１つの原子に結合し、または結合基であってもよく、その場合は先に定義したしたように、２つ以上の位置で２つ以上の部分に結合する。代表的な例は、ピリジン、ピロール、オキサゾール、インドール、プリン等である。

「ハロゲン化物」および「ハロ」は、フッ素、塩素、臭素またはヨウ素を示す。

「ハロアルキル」は、１種以上のハロゲン化物で置換した、先に定義したしたアルキル基を示す。

「スルフェート」は、先に定義したしたような−Ｏ−Ｓ（＝Ｏ）_２−ＯＲｘ末端基、または先に定義したしたような−Ｏ−Ｓ（＝Ｏ）_２−Ｏ−結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「チオスルフェート」は、先に定義したしたような−Ｏ−Ｓ（＝Ｓ）（＝Ｏ）−ＯＲｘ末端基または−Ｏ−Ｓ（＝Ｓ）（＝Ｏ）−Ｏ−結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「スルファイト」は、先に定義したしたような−Ｏ−Ｓ（＝Ｏ）−Ｏ−Ｒｘ末端基または−Ｏ−Ｓ（＝Ｏ）−Ｏ−基結合基を示し、Ｒｘ’は、先に定義したした通りである。

「チオスルファイト」は、先に定義したしたような−Ｏ−Ｓ（＝Ｓ）−Ｏ−Ｒｘ末端基または−Ｏ−Ｓ（＝Ｓ）−Ｏ−基結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「スルフィネート」は、先に定義したしたような−Ｓ（＝Ｏ）−ＯＲｘ末端基または−Ｓ（＝Ｏ）−Ｏ−基結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「スルホキシド」または「スルフィニル」は、上記で定義されたような−Ｓ（＝Ｏ）Ｒｘ末端基または−Ｓ（＝Ｏ）−結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「スルホネート」は、先に定義したしたような−Ｓ（＝Ｏ）_２−Ｒｘ末端基または−Ｓ（＝Ｏ）_２−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「Ｓ−スルホンアミド」は、先に定義したしたような−Ｓ（＝Ｏ）_２−ＮＲｘＲｙ末端基または−Ｓ（＝Ｏ）_２−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「Ｎ−スルホンアミド」は、先に定義したしたようなＲｘＳ（＝Ｏ）_２−ＮＲｙ−末端基または−Ｓ（＝Ｏ）_２−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「ジスルフィド」は、先に定義したしたような−Ｓ−ＳＲｘ末端基または−Ｓ−Ｓ−結合基を指し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「ホスホネート」は、先に定義したしたような−Ｐ（＝Ｏ）（ＯＲｘ）（ＯＲｙ）末端基または−Ｐ（＝Ｏ）（ＯＲｘ）（Ｏ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「チオホスホネート」は、先に定義したしたような−Ｐ（＝Ｓ）（ＯＲｘ）（ＯＲｙ）末端基または−Ｐ（＝Ｓ）（ＯＲｘ）（Ｏ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「ホスフィニル」は、先に定義したしたような−ＰＲｘＲｙ末端基または−ＰＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「ホスフィンオキシド」は、先に定義したしたような−Ｐ（＝Ｏ）（Ｒｘ）（Ｒｙ）末端基または−Ｐ（＝Ｏ）（Ｒｘ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「ホスフィンスルフィド」は、先に定義したしたような−Ｐ（＝Ｓ）（Ｒｘ）（Ｒｙ）末端基または−Ｐ（＝Ｓ）（Ｒｘ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「ホスファイト」は、先に定義したしたような−Ｏ−ＰＲｘ（＝Ｏ）（ＯＲｙ）末端基または−Ｏ−ＰＲｘ（＝Ｏ）（Ｏ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは本明細書に定義した通りである。

「カルボニル」または「カーボネート」は、本明細書で使用する場合、先に定義したしたような−Ｃ（＝Ｏ）−Ｒｘ末端基または−Ｃ（＝Ｏ）−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「チオカルボニル」は、本明細書で使用する場合、先に定義したしたような−Ｃ（＝Ｓ）−Ｒｘ末端基または−Ｃ（＝Ｓ）−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「オキソ」は、本明細書で使用する場合、（＝Ｏ）基を示し、酸素原子は、示された位置における原子（例えば、炭素原子）と二重結合によって結合している。

「チオオキソ」は、本明細書で使用する場合、（＝Ｓ）基を示し、硫黄原子は、示された位置における原子（例えば、炭素原子）と二重結合によって結合している。

「オキシム」は、先に定義したしたような＝Ｎ−ＯＨ末端基または＝Ｎ−Ｏ−結合基を示す。

「ヒドロキシル」は、−ＯＨ基を示す。

「アルコキシ」は、本明細書に定義した−Ｏ−アルキルおよび−Ｏ−シクロアルキル基の両方を示す。

「アリールオキシ」は、本明細書に定義した−Ｏ−アリールおよび−Ｏ−ヘテロアリール基の両方を示す。

「チオヒドロキシ」は、−ＳＨ基を示す。

「チオアルコキシ」は、本明細書に定義した−Ｓ−アルキル基、および−Ｓ−シクロアルキル基の両方を示す。

「チオアリールオキシ」は、本明細書に定義した−Ｓ−アリールおよび−Ｓ−ヘテロアリール基の両方を示す。

「ヒドロキシアルキル」は本明細書において「アルコール」とも称され、本明細書に記載のように、ヒドロキシ基で置換されたアルキルを示す。

「シアノ」は、−Ｃ≡Ｎ基を示す。

「イソシアネート」は、−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ基を示す。

「イソチオシアネート」は、−Ｎ＝Ｃ＝Ｓ基を示す。

「ニトロ」は、−ＮＯ_２基を示す。

「アシルハロゲン化物」は、−（Ｃ＝Ｏ）Ｒｚ基を示し、Ｒｚは、先に定義したしたハロゲン化物である。

「アゾ」または「ジアゾ」は、先に定義したしたＮ＝ＮＲｘ末端基または−Ｎ＝Ｎ−結合基を示し、Ｒｘは、先に定義したした通りである。

「ペルオキソ」は、先に定義したしたような−Ｏ−ＯＲｘ末端基または−Ｏ−Ｏ−結合基を示し、Ｒｘは先に定義したした通りである。

「カルボキシレート」は、本明細書で使用する場合、Ｃ−カルボキシレートおよびＯ−カルボキシレートを包含する。

「Ｃ−カルボキシレート」は、先に定義したした−Ｃ（＝Ｏ）−ＯＲｘ末端基または−Ｃ（＝Ｏ）−Ｏ−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「Ｏ−カルボキシレート」は、先に定義したした−ＯＣ（＝Ｏ）Ｒｘ末端基または−ＯＣ（＝Ｏ）−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

カルボキシレートは、直鎖状であっても環状であってもよい。環状の場合、Ｃ−カルボキシレート中でＲｘと炭素原子とが結合して環を形成し、この基はラクトンとも称される。あるいは、Ｏ−カルボキシレート中でＲｘとＯとが結合して環を形成する。環状カルボキシレートは、例えば、形成された環中の原子が別の基と結合している場合、結合基として機能し得る。

「チオカルボキシレート」は、本明細書で使用する場合、Ｃ−チオカルボキシレートおよびＯ−チオカルボキシレートを包含する。

「Ｃ−チオカルボキシレート」は、先に定義したした−Ｃ（＝Ｓ）−ＯＲｘ末端基または−Ｃ（＝Ｓ）−Ｏ−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

「Ｏ−チオカルボキシレート」は、先に定義したした−ＯＣ（＝Ｓ）Ｒｘ末端基または−ＯＣ（＝Ｓ）−結合基を示し、Ｒｘは、本明細書に定義した通りである。

チオカルボキシレートは、直鎖状であっても環状であってもよい。環状の場合、Ｃ−チオカルボキシレート中でＲｘと炭素原子とが結合して環を形成し、この基はチオラクトンとも称される。あるいは、Ｏ−チオカルボキシレート中でＲｘとＯとが結合して環を形成する。環状チオカルボキシレートは、例えば、形成された環中の原子が別の基と結合している場合、結合基として機能し得る。

「カルバメート」は、本明細書で使用する場合、Ｎ−カルバメートおよびＯ−カルバメートを包含する。

「Ｎ−カルバメート」は、先に定義したしたＲｙＯＣ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−末端基または−ＯＣ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「Ｏ−カルバメート」は、先に定義したした−ＯＣ（＝Ｏ）−ＮＲｘＲｙ末端基または−ＯＣ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

カルバメートは、直鎖状であっても環状であってもよい。環状の場合、Ｏ−カルバメート中でＲｘと炭素原子とが結合して環を形成する。あるいは、Ｎ−カルバメート中でＲｘとＯとが結合して環を形成する。環状カルバメートは、例えば、形成された環中の原子が別の基と結合している場合、結合基として機能し得る。

「カルバメート」は、本明細書で使用する場合、Ｎ−カルバメートおよびＯ−カルバメートを包含する。

「チオカルバメート」は、本明細書で使用する場合、Ｎ−チオカルバメートおよびＯ−チオカルバメートを包含する。

「Ｏ−チオカルバメート」は、先に定義したした−ＯＣ（＝Ｓ）−ＮＲｘＲｙ末端基または−ＯＣ（＝Ｓ）−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「Ｎ−チオカルバメート」は、先に定義したしたＲｙＯＣ（＝Ｓ）ＮＲｘ−末端基または−ＯＣ（＝Ｓ）ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

チオカルバメートは、本明細書でカルバメートについて記載されるように、直鎖状であっても環状であってもよい。

「ジチオカルバメート」は、本明細書で使用する場合、Ｓ−ジチオカルバメートおよびＮ−ジチオカルバメートを包含する。

「Ｓ−ジチオカルバメート」は、先に定義したした−ＳＣ（＝Ｓ）−ＮＲｘＲｙ末端基または−ＳＣ（＝Ｓ）ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「Ｎ−ジチオカルバメート」は、先に定義したしたＲｙＳＣ（＝Ｓ）ＮＲｘ−末端基または−ＳＣ（＝Ｓ）ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「尿素」は、本明細書で「ウレイド」とも称され、先に定義したした−ＮＲｘＣ（＝Ｏ）−ＮＲｙＲｑ末端基または−ＮＲｘＣ（＝Ｏ）−ＮＲｙ−結合基を示し、ＲｚおよびＲｙは、本明細書に定義した通りであり、Ｒｑは、ＲｘおよびＲｙに関して本明細書に定義した通りである。

「チオ尿素」は、本明細書で「チオウレイド」とも称され、−ＮＲｘ−Ｃ（＝Ｓ）−ＮＲｙＲｑ末端基または−ＮＲｘ−Ｃ（＝Ｓ）−ＮＲｙ−結合基を示し、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｑは、本明細書に定義した通りである。

「アミド」は、本明細書で使用する場合、Ｃ−アミドおよびＮ−アミドを包含する。

「Ｃ−アミド」は、先に定義したした−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＲｘＲｙ末端基または−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「Ｎ−アミド」は、先に定義したしたＲｘＣ（＝Ｏ）−ＮＲｙ−末端基またはＲｘＣ（＝Ｏ）−Ｎ−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

アミドは、直鎖状であっても環状であってもよい。環状の場合、Ｃ−アミド中でＲｘと炭素原子とが結合して環を形成し、この基はラクタムとも称される。環状アミドは、例えば、形成された環中の原子が別の基と結合している場合、結合基として機能し得る。

「グアニル」は、先に定義したしたＲｘＲｙＮＣ（＝Ｎ）−末端基または−ＲｘＮＣ（＝Ｎ）−結合基を示し、ＲｘおよびＲｙは、本明細書に定義した通りである。

「グアニジン」は、先に定義したした−ＲｘＮＣ（＝Ｎ）−ＮＲｙＲｑ末端基または−ＲｘＮＣ（＝Ｎ）−ＮＲｙ−結合基を示し、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｑは、本明細書に定義した通りである。

「ヒドラジン」は、先に定義したした−ＮＲｘ−ＮＲｙＲｑ末端基または−ＮＲｘ−ＮＲｙ−結合基を示し、Ｒｘ、Ｒｙ、およびＲｑは、本明細書に定義した通りである。

本明細書で使用するように、「ヒドラジド」は、先に定義したした−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−ＮＲｙＲｑ末端基または−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＲｘ−ＮＲｙ−結合基を表し、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｑは、本明細書に定義した通りである。

本明細書で使用されるように、「チオヒドラジド」は、先に定義したした−Ｃ（＝Ｓ）−ＮＲｘ−ＮＲｙＲｑ末端基または−Ｃ（＝Ｓ）−ＮＲｘ−ＮＲｙ−結合基を表し、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｑは、本明細書に定義した通りである。

本明細書で使用するように、「アルキレングリコール」は、−Ｏ−［（ＣＲｘＲｙ）_ｚ−Ｏ］_ｙ−Ｒｑ末端基または−Ｏ−［（ＣＲｘＲｙ）_ｚ−Ｏ］_ｙ−結合基を示し、Ｒｘ、ＲｙおよびＲｑは本明細書に定義した通りであり、ｚは、１〜１０、好ましくは２〜６、より好ましくは２または３の整数であり、ｙは、１以上の整数である。ＲｘおよびＲｙはいずれも水素であることが好ましい。ｚが２でｙが１である場合、この基はエチレングリコールである。ｚが３でｙが１である場合、この基はプロピレングリコールである。

ｙが４より大きい場合、このアルキレングリコールは本明細書においてポリ（アルキレングリコール）と称される。本発明の一部の実施形態では、ポリ（アルキレングリコール）基またはポリ（アルキレングリコール）部分は、１０〜２００個のアルキレングリコール繰返し単位を有していてもよく、したがって、ｚは１０〜２００、好ましくは１０〜１００、より好ましくは１０〜５０である。

「アクリレート」、「メタクリレート」、「アクリルアミド」および「メタクリルアミド」は以下の式により集合的に表すことができる。

式中、Ｒ_１がカルボキシレートである場合、この化合物はアクリレートまたはメタクリレートであり、Ｒ１がアミドである場合、この化合物はアクリルアミドまたはメタクリルアミドである。Ｒ_２がメチルである場合、この化合物はメタクリレートまたはメタクリルアミドである。

明確さのために別個の実施形態に関連して記載した本発明の所定の特徴はまた、１つの実施形態において、これら特徴を組み合わせて提供され得ることを理解されたい。逆に、簡潔さのために１つの実施形態に関連して記載した本発明の複数の特徴はまた、別々に、または任意の好適な部分的な組み合わせ、または適当な他の記載された実施形態に対しても提供され得る。さまざまな実施形態に関連して記載される所定の特徴は、その要素なしでは特定の実施形態が動作不能でない限り、その実施形態の必須要件であると捉えてはならない。

上述したように本明細書に記載され、特許請求の範囲に請求される本発明のさまざまな実施形態および態様は、以下の実施例によって実験的に支持されるものである。

ここで、上記の記載と共に本発明を限定することなく説明する以下の実施例に参照する。

実施例１
ＳｉＮＷ−ＦＥＴの作製
ＳｉＮＷ−ＦＥＴを、Patolsky et al., Nat Protoc. 2006;1(4):1711-24に従って作製した。６００ｎｍの酸化物層を有する３インチシリコンウエハ上に、フォトリソグラフィーにより、直径２０ｎｍのＰ型ＳｉＮＷ−ＦＥＴデバイスを作製した。

簡単には、５００ｎｍのＬＯＲ５Ａ（Ｍｉｃｒｏｃｈｅｍ社製）と５００ｎｍの１８０５（Ｓｈｉｐｌｅｙ社製）とからなる多層フォトレジスト構造体を使用して、ソース電極とドレイン電極とを蒸着させた。電極パターンの露光および現像の後、接点をそれぞれ電子ビームおよびＮｉの熱蒸着（６０ｎｍ）によって金属化し、次いで、８０℃でのプラズマ化学気相蒸着（ＩＣＰ−ＰＥＣＶＤ、Ａｘｉｃ Ｉｎｃ．社製）によって蒸着させたＳｉ_３Ｎ_４（厚さ６０ｎｍ）と、１０ｎｍのアルミナの層（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｎａｎｏｔｅｃｈ社製のＳａｖａｎｎａｈ ２００ ｓｙｓｔｅｍを使用したＡＬＤ堆積）とによる絶縁層で不動態化した。各ＦＥＴについて、ソース電極とドレイン電極との間の間隔は、２μｍであった。

この工程を図２Ｂに概略的に図示し、ＳｉＮＷ−ＦＥＴシステムを図２Ａに概略的に図示した。

下記の変更以外は、Patolsky et al., Nat Protoc. 2006;1(4):1711-24に従い、可撓性ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）エラストマーから流体送達デバイスを作製した。ＰＤＭＳを質量比１０：１で硬化剤と共に、６０℃において、終夜インキュベートした。次いで、得られたデバイスを寸法が１０×１０×５ｍｍの矩形片に切断した。上流のポリエチレンチューブ（ＰＥ ２０、Ｉｎｔｒａｍｅｄｉｃ社製）は、長さ１４ｃｍ、内径０．３８ｍｍであった。下流のＴｙｇｏｎチューブ（Ｓ−５０−ＨＬ、Ｔｙｇｏｎ社製）は、長さ１３ｃｍであった。

実施例２
検知部分を含浸したヒドロゲルの共有結合により修飾した、ＳｉＮＷ−ＦＥＴの調製
ＧＯｘ含浸ヒドロゲルを固定化するための、シリコンナノワイヤ（ＳｉＮＷ）ＦＥＴシステムの修飾を、図３に概略的に図示した。次のこの方法を簡単に説明する。

本明細書の実施例１に記載したように調製したＳｉＮＷ ＦＥＴを、酸素プラズマ処理（１５分、１００Ｗ、０．４００Ｔｏｒｒ）で活性化した。

次いで、ＳｉＮＷをアルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、室温で６０分間、ヘプタンと四塩化炭素の４：１比混合物を用いた３−（トリクロロシリル）プロピルメタクリレート（ＴＰＭ）の１ｍＭ溶液で処理し、その後、Revzin et al., Langmuir, 2001, 17, 5440-5447に記載の手順に従って、ヘキサンおよびイソプロパノールで洗浄した。得られた修飾ＳｉＮＷは、表面アクリレート基を特徴とする。

ヒドロゲルのＳｉＮＷ表面への結合を、Piao et al., Biosensors and Bioelectronics 65 (2015) 220-225に記載の手順と同様に行った。ポリ（エチレングリコール）ジアクリレート（ＰＥＧ−ＤＡ、ＭＷ５７５）と１重量％の２−ヒドロキシ−２−メチルプロピオフェノン（ＨＭＰＰ）開始剤とを含む原液を調製し、使用まで４℃で保存した。Ｔｒｉｓ緩衝液（ｐＨ７．４）中に６７容量％のＰＥＧ−ＤＡ原液と、３．３３ｍｇ／ｍＬグルコースオキシダーゼ（ＧＯｘ）とを含むヒドロゲル前駆体溶液を調製し、スピンコータ（ＷＳ−４００Ｂ−６ＮＰＰ／ＬＩＴＥ／１０Ｋ、Ｌａｕｒｅｌｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製）を使用したスピンコーティングによって、アクリレート修飾ＳｉＮＷ ＦＥＴ上に堆積させた。次に、紫外光（３２０〜３８０ｎｍフィルタ）に曝露して、ＳｉＮＷの表面上にＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムを形成した。残ったヒドロゲル前駆体溶液をリン酸緩衝生理食塩水（１５０ｍＭ、ｐＨ７．４）で洗い流した。

得られた修飾ＳｉＮＷ ＦＥＴシステムは、ＳｉＮＷの表面に共有結合し、ＧＯｘを含浸したポリ（エチレングリコール）ジアクリレートヒドロゲルを特徴とする。

他の検知部分を含浸させたヒドロゲルは、標的検体と選択的に相互作用する所望の検知部分でＧＯｘを置き換えることおよび／または他のヒドロゲル前駆体部分を用いることによって、同様に調製した。

他の部分（例えば非検知部分）を含浸させたヒドロゲルは、適宜に選択した部分でＧＯｘを置き換えることによって、同様に調製した。

非含浸ヒドロゲルも、検知部分を用いずにヒドロゲル前駆体溶液をスピンコーティングすることによって、同様に調製した。

図４は、Ｑｕａｎｔａ ２００ ＦＥＧ環境制御型走査電子顕微鏡（５ＫＶ、二次電子像）を用いて撮影した、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムが結合したシリコンナノワイヤデバイスのソース電極およびドレイン電極の、走査電子顕微鏡像を示す。挿入図は、Ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｅｒ Ｄｅｋｔａｋ（登録商標） ８ Ｖｅｅｃｏで得た、デバイス上のＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルムに対する表面形状測定データであり、ヒドロゲルの厚さ（シリコンウエハ表面と比較したヒドロゲルの高さ）を表す。

実施例３
検知
実施例２の修飾ＳｉＮＷ ＦＥＴシステムを利用して、標的検体と選択的に相互作用する検知部分を選択することにより、さまざまな生物検体の検知を行った。ナノワイヤ表面のヒドロゲルへの検体の導入（例えば、検体を含有する試料をＳｉＮＷ ＦＥＴシステムと接触）を行うと、ヒドロゲルマトリックスの特異的な変形が生じ、この変形が電荷分布（例えば、電荷密度）の変化をもたらし、システムの伝導度を変える。伝導度の変化は容易に検出可能であり、少なくとも試料中における検体の存在の指標となる。

例示的なアッセイにおいて、実施例２に記載のＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化されたＧＯｘ含浸ヒドロゲルを用い、例示的な代謝物質であるグルコースの検知を行った。このとき、以下のパラメータを適用した：Ｖ_{ソース−ドレイン}＝０．４ボルト、Ｖ_ゲート＝−０．５ボルト、ＰＤＭＳチャネル、流速：２０μｌ／分。

図５は、実施例２に記載したＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化されたＧＯｘ含浸ヒドロゲルによる、グルコースの例示的な検知の図解を示す。システムにグルコースを導入したときのＳｉＮＷの伝導度の増加の結果、ＳｉＮＷ ＦＥＴシステム中の電流が増加する。

図６は、実施例２に記載したＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化された抗体含浸ヒドロゲルによる、抗原の例示的な検知の図解を示す。システムに対応する抗原を導入したときのＳｉＮＷの伝導度が増加の結果、ＳｉＮＷ ＦＥＴシステム中の電流は増加する。

別の例示的なアッセイにおいて、１５５ｍＭリン酸緩衝生理食塩水（ＰＢＳ）中のさまざまな濃度のグルコース溶液、−０．５ボルトのゲート電圧および０．４ボルトのソース−ドレイン間電圧を用いて、実施例２に記載のＳｉＮＷ ＦＥＴシステムに固定化されたＧＯｘ含浸ヒドロゲルを使用したグルコースの検出を行った。試料を、ＰＤＭＳチャネルを介して２０μｌ／分の一定の流速でシステムに導入した。実験の全体に亘り、一定のゲート電圧（Ｖｇ＝−０．５ボルト）を印加した。実験の全体に亘り、一定のソース−ドレイン間電圧（Ｖｓｄ＝０．４ボルト）を印加したが、但し、図７Ａにおける１５０〜２５０秒、５５０〜６８０秒、および１１００〜１２００秒の間、および図７Ｂにおける０〜１００秒および６００〜７８０秒の間は、試料交換を行うために、ソース−ドレイン間電圧をオフにし（Ｖｓｄ＝０ボルト）。図７Ａは、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルＳｉＮＷ ＦＥＴデバイスに試料を導入することによって得られた信号を図示し、当該信号は下記順番に得られた：０〜１５０秒でデバイスをＰＢＳで洗浄し（Ｖｓｄ＝０．４、Ｖｇ＝−０．５）、２５０〜５５０秒でデバイスを１ｍＭグルコースのＰＢＳ用益で洗浄し（Ｖｓｄ＝０．４、Ｖｇ＝−０．５）、６８０〜１１００秒でデバイスを１０ｍＭグルコースのＰＢＳ溶液で洗浄した（Ｖｓｄ＝０．４、Ｖｇ＝−０．５）。図７Ｂは、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルＳｉＮＷ ＦＥＴデバイスに試料を導入することによって得られた信号を図示し、当該信号は下記順番に得られた：１００〜６００秒でデバイスを１０ｍＭピルベートのＰＢＳ溶液で洗浄し（Ｖｓｄ＝０．４、Ｖｇ＝−０．５）、８００〜１５００秒でデバイスをＰＢＳのみで洗浄した（Ｖｓｄ＝０．４、Ｖｇ＝−０．５）。

規格化信号を時間の関数として表したデータを収集した。これを図７Ａに示す。図７Ａに示すグラフにおいて、０〜１５０秒はＰＢＳのみから得られた信号を表し、２５０〜５５０秒は１ｍＭグルコースのＰＢＳ溶液から得られた信号を表し、６８０〜１１００秒は１０ｍＭグルコースのＰＢＳ溶液から得られた信号を表す。

図７Ａの挿入図中に、本アッセイで使用したナノワイヤチップシステムの画像を示す。このナノワイヤチップシステムは、プリント回路基板上に２００本のナノワイヤを具備し、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルフィルム（赤印）がその表面に固定化されている。

同じアッセイをピルベートのＰＢＳ溶液を含有する溶液を用いて行った。得られたデータを図７Ｂに示す。図７Ｂに示されるように、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルはピルベートに応答を示さなかった。このことは、ＧＯｘ含浸ヒドロゲルがグルコースに対して選択的に応答することを示している。図７Ｂに示すグラフにおいて、１００〜６００秒は１０ｍＭピルベートのＰＢＳ溶液から得られた信号を表し、８００〜１５００秒はＰＢＳのみから得られた信号を表す。

実施例４
較正
、生体の内部で検知システムの較正曲線を構築することは不可能なため、生物検体の量（レベル、濃度）をインビボで測定（例えばモニタリング）するために、自己較正法を開発した。この方法においては、ＳｉＮＷのアレイを具備する検知システムを利用し、当該検知システムのナノワイヤの一部は上記実施例２に記載した通りのものであり、ナノワイヤの一部には、非検知部分（即ち、生物検体に特異的ではなく、生物検体と相互作用しない部分）を含浸したヒドロゲルを結合している。このような部分は、例えば、ウシ血清アルブミン等のタンパク質である。上記の代わりに、ナノワイヤの一部には非含浸ヒドロゲルを結合した。このような非検知部分を含浸したヒドロゲルは特異的な変形を起こさないため、このようなナノワイヤから検出された信号は、生理環境のバックグラウンドを表す。

本発明をその特定の実施形態との関連で記載してきたが、多数の変更、修正および変化が当業者には明らかであろう。したがって、そのような変更、修正および変化の全ては、添付の特許請求の範囲の趣旨および広い範囲内に含まれることを意図するものである。

本明細書で言及される全ての刊行物、特許および特許出願は、個々の刊行物、特許および特許出願のそれぞれが具体的および個別に参照により本明細書に組み込まれる場合と同程度に、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。加えて、本明細書中の任意の参考文献の引用または特定は、それらの参考文献が本発明の先行技術として使用できることの容認として解釈されるべきではない。また、各節の表題が使用される範囲において、必ずしも限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (50)

1. 試料中の検体の存在および／またはレベルを検出および／またはモニタリングするための検知システムであって、ナノ構造体と、前記ナノ構造体に共有結合したヒドロゲルとを具備し、前記ヒドロゲルが、前記検体と選択的に相互作用する検知部分と会合し、且つ前記検体と接触したときに、前記ナノ構造体が電気特性の検出可能な変化を示すように構成されている、検知システム。
2. 前記試料が生物学的試料である、請求項１に記載の検知システム。
3. 前記検出および／またはモニタリングが、インビトロ、エクスビボまたはインビボで行われる、請求項２に記載の検知システム。
4. 前記検体が生物検体である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の検知システム。
5. 前記検知部分が検体に特異的な試薬である、請求項４に記載の検知システム。
6. 前記検体が代謝産物である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の検知システム。
7. 前記検知部分が、前記代謝産物に特異的な酸化還元酵素である、請求項６に記載の検知システム。
8. 前記検知部分がオキシダーゼである、請求項６または７に記載の検知システム。
9. 前記検体がバイオマーカータンパク質である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の検知システム。
10. 前記検体が抗原であり、前記検知部分が前記抗原に特異的な抗体である、請求項９に記載の検知システム。
11. 前記検知部分と前記検体との相互作用が可逆的である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検知システム。
12. 前記ヒドロゲルが、少なくとも１種のポリ（アルキレングリコール）ポリマー鎖を含む架橋ポリマー網目構造を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の検知システム。
13. 前記ヒドロゲルが、結合部分を介して前記ナノ構造体に共有結合している、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の検知システム。
14. 前記結合部分が炭化水素鎖を含む、請求項１３に記載の検知システム。
15. 前記ヒドロゲルが、生物学的部分を含浸させることが可能であり、且つ前記生物学的部分の活性を維持することが可能であるものから選択される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の検知システム。
16. 前記検体と接触したときに、前記ヒドロゲルが変形し、前記変形が前記ナノ構造体の前記電気特性の前記検出可能な変化をもたらす、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の検知システム。
17. 前記変形が、前記ヒドロゲルの体積変化を含む、請求項１６に記載の検知システム。
18. 前記変形が、前記ヒドロゲル中の分子および／または電荷の空間分布の変化を含む、請求項１６または１７に記載の検知システム。
19. 前記電気特性が、前記ナノ構造体の表面上の電子密度を含む、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の検知システム。
20. 前記ナノ構造体がナノワイヤである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の検知システム。
21. 前記ナノ構造体が半導体ナノ構造体である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の検知システム。
22. 前記半導体ナノ構造体がケイ素を含む、請求項２１に記載の検知システム。
23. 複数の前記ナノ構造体を具備する、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の検知システム。
24. 前記ヒドロゲルが、前記複数のナノ構造体のうちの少なくとも２つに共有結合している、請求項２３に記載の検知システム。
25. 前記複数のナノ構造体が実質的に同一である、請求項２３または２４に記載の検知システム。
26. 前記複数のナノ構造体の少なくとも一部においては、前記ヒドロゲルが第１の検知部分と会合し、前記複数のナノ構造体の他の少なくとも一部においては、前記ヒドロゲルが第２の検知部分と会合し、前記第１の検知部分と前記第２の検知部分とが互いに異なる、請求項２３または２４に記載の検知システム。
27. 共有結合したヒドロゲルを有する少なくとも１つのナノ構造体を更に具備し、前記ヒドロゲルが非検知部分と会合している、請求項２３〜２６のいずれか一項に記載の検知システム。
28. 前記ヒドロゲルがナノ粒子の形状である、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の検知システム。
29. 前記ヒドロゲルがフィルム状である、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の検知システム。
30. 基板を更に具備し、前記基板の上および／または中に前記ナノ構造体または前記複数のナノ構造体が堆積した、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の検知システム。
31. 標識剤を用いない、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の検知システム。
32. 前記電気特性の変化を検出するように構成および配置された検出器を更に具備する、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の検知システム。
33. 請求項１〜３２のいずれか一項に記載の検知システムを備える検知コンパートメントと、
    前記検知コンパートメントと連通した少なくとも１つの追加コンパートメントと
    を具備する、システム。
34. 前記少なくとも１つの追加コンパートメントが、前記検知コンパートメントと流体連通している、請求項３３に記載のシステム。
35. 前記流体連通がマイクロチャネルによって行われる、請求項３４に記載のシステム。
36. 前記少なくとも１つの追加コンパートメントが、前記試料の少なくとも一部を収容するように構成されている、請求項３３〜３５のいずれか一項に記載のシステム。
37. 前記少なくとも１つの追加コンパートメントが、治療的活性成分を収容するように構成されている、請求項３３〜３６のいずれか一項に記載のシステム。
38. 前記追加コンパートメントが、前記治療的活性成分を制御可能に放出するように構成されている、請求項３７に記載のシステム。
39. 前記追加コンパートメントが、前記ナノ構造体の電気特性の前記検出可能な変化に応答して、前記治療的活性成分を制御可能に放出するように構成されている、請求項３８に記載のシステム。
40. 前記少なくとも１つの追加コンパートメントが、追加の検知システムを備える、請求項３３〜３９のいずれか一項に記載のシステム。
41. 前記検体をインビボで検出および／またはモニタリングするように構成されている、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の検知システムまたは請求項１〜４０のいずれか一項に記載のシステム。
42. 皮膚パッチの形態である、請求項４１に記載の検知システムまたはシステム。
43. 前記検体をエクスビボで検出および／またはモニタリングするように構成されている、請求項１〜３２のいずれか一項に記載の検知システムまたは請求項１〜４０のいずれか一項に記載のシステム。
44. 試料中の少なくとも１種の検体の存在および／またはレベルを検出および／またはモニタリングする方法であって、前記試料の少なくとも一部を、請求項１〜３２および４１〜４３のいずれか一項に記載の検知システムまたは請求項３３〜４３のいずれか一項に記載のシステムと接触させることを含み、前記電気特性の前記検出可能な変化が前記試料中の前記検体の存在および／またはレベルの指標となる、方法。
45. 前記試料が生物学的試料である、請求項４４に記載の方法。
46. 前記生物学的試料が被験体から採取されたものであり、前記検出および／またはモニタリングがエクスビボで行われる、請求項４５に記載の方法。
47. 前記生物学的試料が被験体の器官または組織であり、前記検出および／またはモニタリングがインビボで行われる、請求項４５に記載の方法。
48. 前記接触が連続的である、請求項４７に記載の方法。
49. 被験体中の前記検体と関連する疾病を診断および／またはモニタリングするための、請求項４６〜４８のいずれか一項に記載の方法。
50. 前記システムが、治療的活性成分を放出するように構成されたコンパートメントを更に具備し、前記被験体の前記疾病に対する前記治療的活性成分の有効性の決定および／またはモニタリング、ならびに／あるいは前記疾病の治療のための、請求項４９に記載の方法。