RU2380418C1 - Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof - Google Patents

Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof Download PDF

Info

Publication number
RU2380418C1
RU2380418C1 RU2008138958/13A RU2008138958A RU2380418C1 RU 2380418 C1 RU2380418 C1 RU 2380418C1 RU 2008138958/13 A RU2008138958/13 A RU 2008138958/13A RU 2008138958 A RU2008138958 A RU 2008138958A RU 2380418 C1 RU2380418 C1 RU 2380418C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nucleic acids
module
microcolumn
lysis
purification
Prior art date
Application number
RU2008138958/13A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Андреевич Ходаков (RU)
Дмитрий Андреевич Ходаков
Дмитрий Дмитриевич Мамаев (RU)
Дмитрий Дмитриевич Мамаев
Иван Васильевич Филатов (RU)
Иван Васильевич Филатов
Дмитрий Александрович Юрасов (RU)
Дмитрий Александрович Юрасов
Алексей Игоревич Черепанов (RU)
Алексей Игоревич Черепанов
Ольга Валерьевна Смолдовская (RU)
Ольга Валерьевна Смолдовская
Екатерина Игоревна Дементьева (RU)
Екатерина Игоревна Дементьева
Сергей Анатольевич Лапа (RU)
Сергей Анатольевич Лапа
Дмитрий Александрович Грядунов (RU)
Дмитрий Александрович Грядунов
Владимир Михайлович Михайлович (RU)
Владимир Михайлович Михайлович
Александр Сергеевич Заседателев (RU)
Александр Сергеевич Заседателев
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
Федеральное агентство по науке и инновациям
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, Федеральное агентство по науке и инновациям filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН
Priority to RU2008138958/13A priority Critical patent/RU2380418C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2380418C1 publication Critical patent/RU2380418C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples contains reagent reservoirs and reaction capacities, microchannels and valves required to handle the liquids in the module. The module comprises an inleak chamber for introduction of the biological sample, a lysis reservoir containing a membrane, reservoirs for dissolved lytic buffers, a microcolumn containing a solid-phase sorbent for binding nucleic acids, a reservoir for flush buffer and ethanol to discharge residual proteins and salt crystals from the microcolumn, an eluting buffer reservoir, an outlet port compatible to a standard microtube, a waste collection reservoir. The method for recovery and purification of nucleic acids from biological samples involves filtration of a sample through the membrane, lysis of the microorganism cells kept on the membrane, binding of nucleic acids on the microcolumn, washing nucleic acids from proteins and salt crystals, elution of nucleic acids from the microcolumn in the tube. All the stages of recovery and purification are carried out in automatic mode in the microfluid module that isolates the sample from environment.
EFFECT: invention allows reducing cost price of the nucleic acid preparation.
14 cl, 17 dwg, 1 tbl, 8 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Изобретение относится к молекулярной биологии, микробиологии и медицине и касается сменного микрофлюидного модуля для выделения и очистки нуклеиновых кислот (НК) из биологических образцов, в котором в автоматическом режиме осуществляются все стадии выделения и очистки нуклеиновых кислот, и способа выделения и очистки НК из клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц с использованием микрофлюидного модуля.The invention relates to molecular biology, microbiology and medicine, and relates to a removable microfluidic module for the isolation and purification of nucleic acids (NK) from biological samples, in which all stages of isolation and purification of nucleic acids, and a method for the isolation and purification of NK from cells of microorganisms are carried out automatically and / or viral particles using a microfluidic module.

Уровень техникиState of the art

Анализ НК необходим как для проведения широкого круга исследований в разных областях науки, так и для использования в клинической диагностике, фармакологии, медицине, биотехнологии, охране окружающей среды и др. Выделение НК (ДНК и/или РНК), как правило, является первой стадией ряда молекулярно-генетических исследований, включающих также амплификацию НК (ПЦР и другие методы), клонирование и секвенирование фрагментов генома, конструирование кДНК-библиотек и т.д. В связи с этим получение препаратов НК высокой степени очистки остается актуальной задачей. Для выделения НК используют как биологический материал (животные и растительные клетки, ткани, физиологические жидкости (кровь, слюна и др.)), так и образцы почвы, воды, пищевых продуктов. Современные требования к лабораторным методам выделения НК включают универсальность протокола для получения очищенной ДНК и РНК из различных биологических образцов, быстроту, эффективность и безопасность выполнения процедуры для персонала. Возрастают требования к чистоте получаемых препаратов и воспроизводимости процедуры.Analysis of NK is necessary both for conducting a wide range of studies in various fields of science, and for use in clinical diagnostics, pharmacology, medicine, biotechnology, environmental protection, etc. Isolation of NK (DNA and / or RNA), as a rule, is the first stage a number of molecular genetic studies, which also include amplification of NK (PCR and other methods), cloning and sequencing of genome fragments, construction of cDNA libraries, etc. In this regard, obtaining high purity NK preparations remains an urgent task. To isolate NK, both biological material (animal and plant cells, tissues, physiological fluids (blood, saliva, etc.)) and soil, water, and food products are used. Modern requirements for laboratory methods for ND extraction include the universality of the protocol for obtaining purified DNA and RNA from various biological samples, the speed, efficiency, and safety of performing the procedure for personnel. There are increasing requirements for the purity of the preparations obtained and the reproducibility of the procedure.

Для концентрирования клеток микроорганизмов из биологических образцов используются следующие методики: фильтрация образца (Icuta, К., Maruo, S., Fujisawa, Т., Yamada, A. Micro Concentrator with OptoSense Micro Reactor for Biochemical IC Chip Family - 3D Composite Structure and Experimental Verification Proc. of 12th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS'99), Orlando, 1999: p.376-381), электрокинетическая фокусировка (C.R.Cabrera, P.Yager, Continuous concentration of bacteria in a microfluidic flow cell using electrokinetic techniques. Electrophoresis, 2001, v.22, p.355-362), микродиализ (F.Xiang, Y. Lin, J.Wen, D.W.Matson, R.D.Smith. An integrated microfabricated device for dual microdialysis and on-line ESI-ion trap mass spectrometry for analysis of complex biological samples. Anal Chem., 1999, v.71, p.1485-1490), аффинная хроматография с целью концентрирования клеток и последующей твердофазной экстракции НК (С.Yu, M.H.Davey, F.Svec, J.M.Frechet, Monolithic porous polymer for on-chip solid-phase extraction and preconcentration prepared by photoinitiated in situ polymerization within a microfluidic device. Anal Chem., 2001, v.73, p.5088-5096).The following methods are used to concentrate microorganism cells from biological samples: sample filtration (Icuta, K., Maruo, S., Fujisawa, T., Yamada, A. Micro Concentrator with OptoSense Micro Reactor for Biochemical IC Chip Family - 3D Composite Structure and Experimental Verification Proc. Of 12th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS'99), Orlando, 1999: p.376-381), electrokinetic focusing (CRCabrera, P. Yager, Continuous concentration of bacteria in a microfluidic flow cell using electrokinetic techniques. Electrophoresis, 2001, v. 22, p. 355-362), microdialysis (F.Xiang, Y. Lin, J.Wen, DWMatson, RDSmith. An integrated microfabricated device for dual microdialysis and on-line ESI -ion trap mass spectrometry for analysis of complex biological samples. Anal Chem., 1999, v. 71, p .1485-1490), affinity chromatography for cell concentration and subsequent solid-state extraction of NK (C. Yu, MHDavey, F. Svec, JM Frechet, Monolithic porous polymer for on-chip solid-phase extraction and preconcentration prepared by photoinitiated in situ polymerization within a microfluidic device. Anal Chem., 2001, v. 73, p. 5088-5096).

Наиболее предпочтительной является процедура фильтрации клеток через специализированную мембрану благодаря простоте, экспрессности и возможности реализации в миниатюрном устройстве. Более того, сконцентрированные клетки могут быть подвергнуты лизису непосредственно на мембране после фильтрации.Most preferred is the procedure for filtering cells through a specialized membrane due to its simplicity, expressivity and the possibility of implementation in a miniature device. Moreover, concentrated cells can be lysed directly on the membrane after filtration.

В качестве мембран для фильтрации могут быть использованы фильтры из боросиликатного стекла, целлюлозные мембраны, PTFE фильтры, мембраны из поливинилидендифторида. Однако ряд материалов является непригодным для использования в качестве фильтрующих материалов:Filters made of borosilicate glass, cellulose membranes, PTFE filters, polyvinylidene difluoride membranes can be used as filtration membranes. However, a number of materials is unsuitable for use as filter materials:

- фильтры из боросиликатного стекловолокна могут содержать остаточное количество воды (растворов) после окончания фильтрации, а также обладают сильным ингибирующим эффектом в отношении ПЦР;- filters made of borosilicate glass fiber may contain a residual amount of water (solutions) after filtration is completed, and also have a strong inhibitory effect against PCR;

- целлюлозные мембраны являются хрупкими и также ингибируют ПЦР;- cellulose membranes are fragile and also inhibit PCR;

- PTFE фильтры, в силу гидрофобных свойств, являются неприменимыми для фильтрации водных растворов.- PTFE filters, due to their hydrophobic properties, are not suitable for filtering aqueous solutions.

Наиболее предпочтительными являются фильтры на основе поливинилидендифторида (PVDF фильтры). Благодаря своей гидрофильной структуре, химической инертности, механической прочности, легкости в обработке и отсутствием ингибирующего эффекта на ПЦР данный тип фильтров может быть использован для осуществления механического концентрирования и химического лизиса клеток в формате миниатюрного закрытого устройства (микрофлюидного модуля).Most preferred are polyvinylidene difluoride filters (PVDF filters). Due to its hydrophilic structure, chemical inertness, mechanical strength, ease of processing and the absence of an inhibitory effect on PCR, this type of filter can be used to perform mechanical concentration and chemical lysis of cells in the form of a miniature closed device (microfluidic module).

Основным недостатком известных методик лизиса клеток и вирусных частиц является то, что в процессе выполнения процедуры наряду с целевыми нуклеиновыми кислотами экстрагируется множество субстанций, способных к ингибированию ПЦР.The main disadvantage of the known methods of lysis of cells and viral particles is that during the procedure, along with the target nucleic acids, many substances are extracted that are capable of inhibiting PCR.

Среди основных методик физического разрушения клеток, таких как метод замораживания-оттаивания (C.R.Kuske, K.L.Banton, D.L.Adorada, P.C.Stark, K.K.Hill, P.J.Jackson, Small-Scale DNA Sample Preparation Method for Field PCR Detection of Microbial Cells and Spores in Soil. Appl Environ Microbiol, 1998, v.64, p.2463-2472), метод суспендированной гомогенизации (W.Liesack, E.Stackebrandt, Occurrence of novel groups of the domain Bacteria as revealed by analysis of genetic material isolated from an Australian terrestrial environment. J Bacteriol., 1992, v.174, p.5072-5078), метод облучения ультразвуком (Т.С.Marentis, В.Kusler, G.G.Yaralioglu, S.Liu, E.O.Haeggstrom, B.T.Khuri-Yakub. Microfluidic sonicator for real-time disruption of eukaryotic cells and bacterial spores for DNA analysis. Ultrasound Med Biol., 2005, v.31, p.1265-1277), метод растирания в жидком азоте (R.A.Hurt, X.Qiu, L.Wu, Y.Roh, A.V.Palumbo, J.M.Tiedje, J.Zhou, Simultaneous recovery of RNA and DNA from soils and sediments. Appl Environ Microbiol., 2001, v.67, p.4495-4503), наиболее используемыми являются методы замораживания-оттаивания и суспендированной гомогенизации. Однако такие подходы ограниченно реализуемы в миниатюрных микрофлюидных системах.Among the main methods of physical destruction of cells, such as the freeze-thaw method (CRKuske, KLBanton, DLAdorada, PCStark, KKHill, PJJackson, Small-Scale DNA Sample Preparation Method for Field PCR Detection of Microbial Cells and Spores in Soil . Appl Environ Microbiol, 1998, v. 64, p. 2463-2472), method of suspended homogenization (W. Liesack, E. Stackebrandt, Occurrence of novel groups of the domain Bacteria as revealed by analysis of genetic material isolated from an Australian terrestrial environment. J Bacteriol., 1992, v. 174, p.5072-5078), ultrasonic irradiation method (T. S. Marentis, B. Kusler, GGYaralioglu, S. Liu, EOHaeggstrom, BTKhuri-Yakub. Microfluidic sonicator for real-time disruption of eukaryotic cells and bacterial spores for DNA analysis. Ultrasound Med Biol., 2005, v.31, p. 1265-1277), method ra erases in liquid nitrogen (RAHurt, X. Qiu, L. Wu, Y. Roh, AV Palumbo, JMTiedje, J. Zhou, Simultaneous recovery of RNA and DNA from soils and sediments. Appl Environ Microbiol., 2001, v. 67, p.4495-4503), the most used are methods of freezing-thawing and suspended homogenization. However, such approaches are limitedly implemented in miniature microfluidic systems.

Химические методы лизиса используют различные солюбилизирующие и дестабилизирующие агенты, такие как поверхностно-активные вещества, например SDS (J.B.Herrick, D.N.Miller, E.L.Madsen, W.C.Ghiorse, Extraction, purification, and amplification of microbial DNA from sediments and soils. In: J.F.Burke (ed.), PCR: essential techniques. John Wiley & Sons, N.Y., 1996, p.130-133), Triton X-100, саркозил и др. (W.E.Holben, Isolation and purification of bacterial community DNA from environmental samples. In: C.J.Hurst, G.R.Knudsen, M.J.McInerney, L.D.Stetzenbach, M.V.Walter (ed.), Manual of methods in environmental microbiology. American Society for Microbiology, Washington, D.C., 1997, p.431-436), хаотропные агенты типа гуанидинтиоцианата (гидрохлорида) и перхлората натрия. Помимо этого химический лизис включает стадию высокотемпературной инкубации (60°С и более).Chemical methods of lysis use various solubilizing and destabilizing agents, such as surfactants, for example SDS (JB Herrick, DNMiller, ELMadsen, WCGiorse, Extraction, purification, and amplification of microbial DNA from sediments and soils. In: JF Burke (ed.), PCR: essential techniques. John Wiley & Sons, NY, 1996, p. 130-133), Triton X-100, sarcosyl et al. (WEHolben, Isolation and purification of bacterial community DNA from environmental samples. In: CJ Hurst, GRKnudsen, MJMcInerney, LD Statzenbach, MV Walter (ed.), Manual of methods in environmental microbiology. American Society for Microbiology, Washington, DC, 1997, p. 431-436), chaotropic agents such as guanidine thiocyanate (hydrochloride) and sodium perchlorate. In addition, chemical lysis includes a stage of high-temperature incubation (60 ° C or more).

Ряд лизирующих процедур также основывается на использовании ферментов для разрушения клеточных стенок и мембран, таких как лизоцим, субтилизин, протеиназа К (Р.А.Rochelle, J.C.Fry, R.J.Parkes, A.J.Weightman, DNA extraction for 16S rRNA gene analysis to determine genetic diversity in deep sediment communities. FEMS Microbiol. Lett, 1992, v.100. p.59-66).A number of lysis procedures are also based on the use of enzymes for the destruction of cell walls and membranes, such as lysozyme, subtilisin, proteinase K (P.A. Rochelle, JCFry, RJParkes, AJWeightman, DNA extraction for 16S rRNA gene analysis to determine genetic diversity in deep sediment communities. FEMS Microbiol. Lett, 1992, v. 100. p. 59-66).

Для выделения НК разработан целый ряд методов экстракции и очистки (см., например, J.Sambrook, D.W.Russel, Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001, N.Y., v. 1, ch. 1, 2, 6, 7; Short protocols in molecular biology, Wiley, 1995). Широко известные методы выделения плазмидной и геномной ДНК включают разрушение (лизис) клеток различными методами и последующую экстракцию НК фенолом, смесью фенола с хлороформом, осаждение НК этанолом. Используют также центрифугирование в градиенте CsCl2. Для очистки НК применяют хроматографические методы. Для выделения мРНК из клеток и тканей используют экстракцию образца смесью фенол - гуанидинтиоцианат - хлороформ. Недостатками таких методов являются длительность выделения НК (не менее 3,5 ч), многостадийность процесса, необходимость применения органических растворителей, а также малый выход продукта (не более 50%, для РНК - около 7%).A variety of extraction and purification methods have been developed to isolate NK (see, e.g., J. Sambrook, DW Russell, Molecular Cloning: A Laboratory Manual. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2001, NY, v. 1, ch. 1, 2, 6 , 7; Short protocols in molecular biology, Wiley, 1995). Well-known methods for the isolation of plasmid and genomic DNA include destruction (lysis) of cells by various methods and subsequent extraction of NK with phenol, a mixture of phenol with chloroform, and ND precipitation with ethanol. CsCl 2 gradient centrifugation was also used. Chromatographic methods are used to purify nanocrystals. To isolate mRNA from cells and tissues, a sample is extracted with a mixture of phenol - guanidine thiocyanate - chloroform. The disadvantages of such methods are the duration of NC extraction (at least 3.5 h), the multi-stage process, the need to use organic solvents, and the low yield of the product (no more than 50%, for RNA - about 7%).

Для экстракции НК из лизатов клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц применяют гель-фильтрацию на смолах типа Sepharose/Sephadex и твердофазную экстракцию НК на кремниевых сорбентах. Твердофазная экстракция НК является предпочтительным методом, так как, помимо простоты и скорости выполнения методики, данный принцип выделения нуклеиновых кислот легко адаптируется в формат микрофлюидной системы.For the extraction of NK from cell lysates of microorganisms and / or viral particles, gel filtration on Sepharose / Sephadex resins and solid-phase NK extraction on silicon sorbents are used. Solid-phase extraction of ND is the preferred method, since, in addition to the simplicity and speed of the procedure, this principle of nucleic acid isolation is easily adapted to the microfluidic system format.

В настоящее время для экстракции НК используют следующие типы сорбентов:Currently, the following types of sorbents are used for ND extraction:

- силикагели;- silica gels;

- стекловолокнистые фильтры;- fiberglass filters;

- химически модифицированное стекло.- chemically modified glass.

Известен способ выделения ДНК из клинических образцов с использованием силикатного сорбента (Short protocols in molecular biology, Wiley, 1995), а также мелкодисперсного (стандартизованного по размеру) стекла (М.Beld, С.Sol, J.Goudsmit, R. Boom, Fractionation of nucleic acids into single-stranded and double-stranded forms. Nucl. Acids Res., 1996, v.24. p.2618-2619). Способ заключается в адсорбции ДНК на силикатном сорбенте в присутствии гуанидинтиоцианата с последующей промывкой и элюцией. Силикатный сорбент обладает низкой емкостью (на 1 мг мелкодисперсного стекла: адсорбируется 0,5 мкг ДНК). Данный способ позволяет выделять ДНК длиной более 40000 п.н., при этом удается элюировать с силикатного сорбента не более 50% ДНК в связи с тем, что от 50 до 60% адсорбированной ДНК необратимо связывается с мелкодисперсным стеклом. Таким образом, выход ДНК длиной не менее 40000 п.н. составляет от 40 до 50%.A known method of DNA extraction from clinical samples using a silicate sorbent (Short protocols in molecular biology, Wiley, 1995), as well as finely divided (standardized in size) glass (M. Beld, C. Sol, J. Goudsmit, R. Boom, Fractionation of nucleic acids into single-stranded and double-stranded forms. Nucl. Acids Res., 1996, v.24. p.2618-2619). The method consists in adsorption of DNA on a silicate sorbent in the presence of guanidine thiocyanate, followed by washing and elution. The silicate sorbent has a low capacity (per 1 mg of fine glass: 0.5 μg of DNA is adsorbed). This method allows to isolate DNA with a length of more than 40,000 bp, while it is possible to elute from the silicate sorbent no more than 50% of the DNA due to the fact that from 50 to 60% of the adsorbed DNA irreversibly binds to fine glass. Thus, a DNA yield of at least 40,000 bp makes up from 40 to 50%.

Описаны методы твердофазной очистки ДНК, которые могут быть осуществлены на специализированном микрочипе или реализованы в микрожидкостном формате (Nucleic acid purification using silica gel and glass particles, патент США 5808041. Методы основаны на сорбции ДНК на частицах кварца или в системе золь-гель в присутствии хаотропных солей, с последующим удалением примесей при промывке водно-спиртовой смесью и элюированием ДНК буферным раствором, в котором можно проводить ПЦР (К.А.Wolfe, М.С.Breadmore, J.P.Ferrance, M.E.Power, J.F.Conroy, P.M.Norris, J.P.Landers, Toward a microchip-based solid-phase extraction method for isolation of nucleic acids. Electrophoresis, 2002, v.23, p.727-733). Сорбенты на основе микрочастиц кремния (сорбция в присутствии хаотропных агентов) используются также для выделения РНК из биологических образцов, содержащих ДНК и РНК (Process and kit for isolating and purifying RNA from biological sources, патент США 5155018). Известен способ выделения и очистки РНК, включающий адсорбцию на аэросиле в среде хаотропного агента, отделение сорбента и связанной с ним НК, элюцию НК с аэросила и очистку целевого продукта. (О.Г.Грибанов, А.В.Щербаков, Н.А.Перевозчикова, В.В.Дрыгин, А.А.Гусев. Простой метод выделения и очистки РНК. Биоорг.химия, 1997, т.23, с.763-765). Недостатками данных способов являются длительность, трудоемкость и недостаточно высокий выход целевого продукта (НК) (не более 50%).Solid-phase DNA purification methods are described that can be carried out on a specialized microchip or implemented in a microfluidic format (Nucleic acid purification using silica gel and glass particles, US Pat. No. 5808041. Methods are based on sorption of DNA on quartz particles or in a sol-gel system in the presence of chaotropic salts, followed by removal of impurities during washing with a water-alcohol mixture and elution of DNA with a buffer solution in which PCR can be performed (K.A. Wolfe, M.C. Breadmore, JPFerrance, MEPower, JFConroy, PMNorris, JPLanders , Toward a microchip-based solid-phase extraction method for isolation of nucleic acids. Electrophoresis, 2002, v.23, p.727-733) Sorbents based on silicon microparticles (sorption in the presence of chaotropic agents) are also used to isolate RNA from biological samples containing DNA and RNA (Process and kit for isolating and purifying RNA from biological sources, US patent 5155018). A known method for the isolation and purification of RNA, including adsorption on Aerosil in a medium of a chaotropic agent, separation of the sorbent and associated NK, elution of NK from Aerosil and purification of the target product. (O.G. Gribanov, A.V. Shcherbakov, N.A. Perevozchikova, V.V. Drygin, A. A. Gusev. A simple method for the isolation and purification of RNA. Bioorg.chemistry, 1997, v.23, p. 763-765). The disadvantages of these methods are the duration, complexity and not high enough yield of the target product (NK) (not more than 50%).

Для выделения и очистки НК описано также применение гель-фильтрации (Method for separating long-chain nucleic acids, патент США 5057426) и ионообменных матриц (рН dependent ion exchange matrix and method of use in the isolation of nucleic acids, патент США 6310199; Method and system for RNA analysis by matched ion polynucleotide chromatography, патент США 6475388).The use of gel filtration (Method for separating long-chain nucleic acids, US Pat. No. 5,057,426) and ion exchange matrices (pH dependent ion exchange matrix and method of use in the isolation of nucleic acids, US Pat. No. 6310199; Method, are also described for the isolation and purification of ND. and system for RNA analysis by matched ion polynucleotide chromatography, U.S. Patent 6,475,388).

Описаны способы выделения НК с использованием металлических магнитных частиц, таких как частицы железа, цинка и др., содержащие носители, которые способны специфически сорбировать НК. Магнитные частицы с адсорбированной НК осаждаются под действием магнитного поля. Увеличение сорбционной емкости частиц достигается путем модификации их поверхности (Magnetic particles for purifying nucleic acids, патент США 6919444; Particles having a magnetic core and outer glass layer for separating biological material, патент США 6255477).Methods are described for separating nanocrystals using metallic magnetic particles, such as particles of iron, zinc, etc., containing carriers that are capable of specifically adsorbing nanocrystals. Magnetic particles with adsorbed nanocrystals are deposited under the influence of a magnetic field. An increase in the sorption capacity of particles is achieved by modifying their surface (Magnetic particles for purifying nucleic acids, U.S. Patent 6,919,444; Particles having a magnetic core and outer glass layer for separating biological material, US 6255477).

Компанией Qiagene запатентован метод последовательного выделения ДНК и РНК из одного и того же образца (Method for sequentially isolating DNA and RNA from the same nucleic acid-containing sample, WO 2004/108925), включающий добавление к образцу хаотропного агента, осаждение НК спиртом, взаимодействие с функциональной НК-связывающей поверхностью и последовательную элюцию ДНК и РНК. Метод основан на различии в кинетике связывания и элюции ДНК и РНК. Связывающей поверхностью могут являться, например, стеклянные шарики или магнитные частицы.Qiagene has patented a method for sequentially isolating DNA and RNA from the same sample (Method for sequentially isolating DNA and RNA from the same nucleic acid-containing sample, WO 2004/108925), including the addition of a chaotropic agent to the sample, precipitation of NK with alcohol, and interaction with a functional NK-binding surface and sequential elution of DNA and RNA. The method is based on the difference in the kinetics of binding and elution of DNA and RNA. The bonding surface may be, for example, glass balls or magnetic particles.

Все вышеописанные способы представляют собой последовательность процедур, проводимых вручную. Этапу очистки ДНК обязательно предшествует лизис клеток и осаждение белков и нерастворимых частиц, поэтому большинство процедур выделения НК включает несколько последовательных стадий центрифугирования, что приводит к увеличению времени выделения НК, увеличению стоимости процедуры, уменьшению выхода НК за счет потерь при отборе супернатанта, содержащего НК, после центрифугирования. Основными недостатками всех ручных процедур являются трудоемкость и недостаточная эффективность (недостаточно высокий выход НК). Кроме того, в некоторых методах выделения используются токсичные органические растворители (фенол и др.), что накладывает дополнительные требования к организации помещений и квалификации персонала.All of the above methods are a series of manual procedures. The stage of DNA purification is necessarily preceded by cell lysis and precipitation of proteins and insoluble particles; therefore, most NK isolation procedures involve several successive centrifugation steps, which leads to an increase in NK isolation time, an increase in the cost of the procedure, and a decrease in NK yield due to losses in the selection of supernatant containing NK, after centrifugation. The main disadvantages of all manual procedures are the complexity and lack of efficiency (insufficiently high yield of ND). In addition, some organic methods use toxic organic solvents (phenol, etc.), which imposes additional requirements on the organization of premises and personnel qualifications.

В настоящее время рядом компаний разработаны автоматизированные устройства, выполняющие обработку клинических образцов и выделение из них НК. Система COBAS AmpliPrep фирмы Roche Diagnostics (США/Швейцария) предназначена для автоматического выделения ДНК и РНК из биологических жидкостей, таких как сыворотка и плазма крови, на основе технологии, использующей магнитные частицы. В сочетании с набором реагентов COBAS TaqMan® Assays система проводит быстрый автоматический ПЦР в реальном времени с полученной ДНК для детекции вирусов гепатита С, гепатита В и ВИЧ.Currently, a number of companies have developed automated devices that process clinical samples and extract NK from them. The COBAS AmpliPrep system from Roche Diagnostics (USA / Switzerland) is designed to automatically extract DNA and RNA from biological fluids, such as serum and blood plasma, based on technology using magnetic particles. In combination with the COBAS TaqMan® Assays reagent kit, the system performs fast, real-time, automatic PCR with the DNA obtained to detect hepatitis C, hepatitis B and HIV viruses.

Автоматизированное устройство фирмы Thermo Electron (США) Thermo's KingFisher производит очистку ДНК, РНК и белков на основе перемещения магнитных частиц. Для анализа используются образцы физиологических жидкостей (кровь, плазма, моча, слюна) объемом 20-200 мкл. Аппарат рассчитан на одновременную обработку 24 образцов.Thermo's KingFisher automated device from Thermo Electron (USA) purifies DNA, RNA and proteins based on the movement of magnetic particles. For analysis, samples of physiological fluids (blood, plasma, urine, saliva) with a volume of 20-200 μl are used. The device is designed for simultaneous processing of 24 samples.

Компания Qiagen (Германия) выпускает прибор QIAsymphony SP для одновременной автоматической очистки НК из 96 образцов, например, для выделения вирусных НК или геномной ДНК из образцов крови. Технология выделения основана на применении колонок с магнитными частицами, поверхность которых содержит конъюгат никеля с агарозой. Система состоит из картриджей, заполненных необходимыми реагентами, из которых дозированно подаются растворы и ферменты для обработки клинического образца в процессе выделения НК. Картриджи в процессе выделения открываются автоматически, что сводит к минимуму риск заражения или контаминации.Qiagen (Germany) launches QIAsymphony SP for simultaneous automatic purification of NK from 96 samples, for example, for isolation of viral NK or genomic DNA from blood samples. The extraction technology is based on the use of columns with magnetic particles, the surface of which contains a conjugate of nickel with agarose. The system consists of cartridges filled with the necessary reagents, from which solutions and enzymes are dosed to process the clinical sample in the process of ND extraction. Cartridges are automatically opened during the selection process, which minimizes the risk of infection or contamination.

Рабочая станция BioRobot MDx (Qiagen, Германия) включает 8 каналов (колонок) со сменными фильтрами. Ввод и дальнейшее продвижение образца осуществляется вакуумными насосами, стадия центрифугирования отсутствует. Вся процедура полностью управляется компьютером согласно соответствующему протоколу для выделения геномной ДНК из крови или вирусной ДНК и/или РНК из сыворотки и плазмы.The BioRobot MDx workstation (Qiagen, Germany) includes 8 channels (columns) with replaceable filters. The input and further advancement of the sample is carried out by vacuum pumps; there is no centrifugation stage. The entire procedure is fully computer controlled according to the appropriate protocol for the isolation of genomic DNA from blood or viral DNA and / or RNA from serum and plasma.

Настольная рабочая станция 'X-tractor GeneTM System' (Corbett Technologies, Австралия) представляет собой роботизированную систему, предназначенную для автоматической экстракции НК из образцов объемом до 200 мкл, полностью воспроизводящую ручное выделение НК.The X-tractor GeneTM System workstation (Corbett Technologies, Australia) is a robotic system designed to automatically extract NK from samples up to 200 μl, fully reproducing manual NK extraction.

Компанией Bioneer Corp. заявлено устройство для автоматической очистки ДНК (Automatic DNA purification apparatus, WO/2001/025482), состоящее из многочисленных контейнеров для растворов, каналов для прохождения жидкостей, регулируемых клапанами, вакуумного блока, штативов, шприцов для точного количественного введения и отсасывания жидкостей. Устройство также воспроизводит ручную процедуру выделения ДНК, но в автоматическом режиме.Bioneer Corp. claimed device for automatic DNA purification (Automatic DNA purification apparatus, WO / 2001/025482), consisting of numerous containers for solutions, channels for the passage of liquids, adjustable valves, a vacuum unit, racks, syringes for accurate quantitative introduction and suction of liquids. The device also reproduces a manual DNA extraction procedure, but in automatic mode.

Описана автоматизированная система-робот для идентификации биологически опасных агентов (Automatic identification of bioagents, WO/2005/009202), Isis Pharmaceuticals, США. Система состоит из двух блоков, разделенных воздушным шлюзом, в первом из которых проводится выделение и очистка ДНК, а во втором - ПЦР для идентификации агента. Для защиты от контаминации давление в первом блоке поддерживается выше, чем внешнее атмосферное давление, а во втором блоке - ниже. Система полностью автоматизирована.An automated robot system for identifying biohazard agents is described (Automatic identification of bioagents, WO / 2005/009202), Isis Pharmaceuticals, USA. The system consists of two units separated by an air lock, in the first of which DNA is extracted and purified, and in the second, PCR to identify the agent. To protect against contamination, the pressure in the first block is maintained higher than the external atmospheric pressure, and in the second block it is lower. The system is fully automated.

Все существующие в настоящее время полностью автоматизированные устройства по подготовке клинических образцов являются сложными конструкциями, основанными на применении робототехники, что определяет их громоздкость, высокую стоимость (более 70 тыс.долл. США) и дороговизну проведения анализов и эксплуатации. Эти устройства, в основном, воспроизводят ручные способы выделения НК, но с использованием роботов: перемещение пробирок, многоканальное дозирование реактивов. Они являются закрытыми системами, не допускающими вмешательство оператора в ход процесса. При эксплуатации таких систем необходимы постоянные закупки реагентов данной фирмы, которые предназначены для данного конкретного прибора.All currently existing fully automated devices for the preparation of clinical samples are complex designs based on the use of robotics, which determines their bulkiness, high cost (more than 70 thousand US dollars) and the high cost of analysis and operation. These devices mainly reproduce manual methods of ND extraction, but using robots: moving tubes, multichannel dosing of reagents. They are closed systems that prevent operator intervention in the process. During the operation of such systems, constant purchases of reagents of this company, which are intended for this particular device, are necessary.

Из-за вышеуказанных недостатков роботизированных систем обработки образцов существует тенденция перехода от громоздких полностью интегрированных систем к небольшим гибким устройствам, которые осуществляют манипуляции с исследуемыми образцами, позволяя пользователю модифицировать компоненты устройства и регулировать процесс в соответствии со специфическими требованиями.Due to the above disadvantages of robotic sample processing systems, there is a tendency to move from bulky fully integrated systems to small flexible devices that manipulate the samples to be studied, allowing the user to modify the components of the device and adjust the process according to specific requirements.

Существуют относительно простые и дешевые устройства для обработки образцов, содержащих НК, которые позволяют полностью и частично автоматизировать процесс. Фирмой Millipore Corporation запатентовано устройство для выделения НК из клеток, вирусных частиц и микоплазмы, состоящее из системы фильтрующих элементов (пористых мембран), через которые последовательно пропускают образец (Filter device for the isolation of a nucleic acid, EP 183242 A2). На первой пористой мембране, изготовленной из полисахарида или полиэфирсульфона, выполняется лизис клеток; полученный лизат поступает на стекловолоконный фильтр для последующей очистки и элюции НК. Фильтрующие мембраны соединены системой клапанов. Устройство может быть как одноразового, так и многоразового использования. Для одновременной обработки нескольких образцов несколько фильтрующих устройств могут быть собраны в кассету. Недостатками данного устройства являются необходимость ручного введения реагентов и наличие стадий центрифугирования.There are relatively simple and cheap devices for processing samples containing nanocrystals, which make it possible to fully and partially automate the process. Millipore Corporation has patented a device for separating NK from cells, viral particles, and mycoplasma, consisting of a system of filtering elements (porous membranes) through which a sample is passed sequentially (Filter device for the isolation of a nucleic acid, EP 183242 A2). Cell lysis is performed on a first porous membrane made of polysaccharide or polyethersulfone; the resulting lysate enters a glass fiber filter for subsequent purification and elution of the NK. The filtering membranes are connected by a valve system. The device can be either disposable or reusable. For the simultaneous processing of several samples, several filtering devices can be collected in a cassette. The disadvantages of this device are the need for manual introduction of reagents and the presence of centrifugation stages.

Описан метод очистки НК путем прохождения образца через систему статических смесителей, на которых происходит лизис клеток, осаждение клеточного дебриса, осаждение НК из лизата, с последующими центрифугированием и очисткой методом ионообменной хроматографии (Methods for purifying nucleic acids, WO/2000/005358, фирма Valentis, США). К недостаткам данного способа, так же как и предыдущего, относится необходимость проведения центрифугирования.A method for cleaning NK by passing a sample through a system of static mixers on which cell lysis, deposition of cell debris, deposition of NK from a lysate, followed by centrifugation and purification by ion exchange chromatography (Methods for purifying nucleic acids, WO / 2000/005358, Valentis) are described. , USA). The disadvantages of this method, as well as the previous one, are the need for centrifugation.

Запатентовано устройство для выделения НК (Nucleic acid isolation, WO/2005/012521, Inivitrogen Corp., США), представляющее собой картридж, состоящий из пробирки, соединенной с фильтрующим элементом и далее с колонкой для очистки НК. Фильтрующий элемент содержит несколько слоев фильтров, колонка включает носитель, способный связывать НК, например носитель с переменным зарядом. Манипуляции с образцом осуществляются с помощью шприца или насоса. Недостатком данного метода является необходимость предварительной обработки образца перед введением его в картридж: проведение лизиса клеток, разбавление сыворотки крови и т.п.A device for separating NK (Nucleic acid isolation, WO / 2005/012521, Inivitrogen Corp., USA) is patented, which is a cartridge consisting of a tube connected to a filter element and then to a column for cleaning NK. The filter element contains several layers of filters, the column includes a carrier capable of binding NK, for example a carrier with a variable charge. Sample manipulations are carried out using a syringe or pump. The disadvantage of this method is the need for preliminary processing of the sample before introducing it into the cartridge: cell lysis, dilution of blood serum, etc.

В последние 10 лет получили распространение устройства для обработки биологических образцов и выделения НК на основе микрофлюидных или микрожидкостных систем, содержащих сеть микроканалов диаметром 100 мкм и менее, через которые пропускаются биологические образцы и растворы реагентов, а также резервуары, в которых проводится разделение компонентов, очистка, концентрирование и другие процедуры. В состав микрофлюидных систем входят также перемешивающие устройства, микродозаторы, микронасосы, фильтры и др. Описан ряд микрофлюидных устройств для получения очищенных нуклеиновых кислот, которые используют для различных целей, например для проведения ПЦР. Предложены простые микрофлюидные устройства, в которых выделение НК проводится в одну или несколько стадий, а также сложные управляемые компьютером системы, состоящие из многочисленных микроканалов, клапанов и резервуаров.In the last 10 years, devices for processing biological samples and separating nanocrystals based on microfluidic or microfluidic systems containing a network of microchannels with a diameter of 100 μm or less, through which biological samples and reagent solutions are passed, as well as reservoirs in which the components are separated, have become widespread. , concentration and other procedures. Microfluidic systems also include mixing devices, microdosers, micropumps, filters, etc. A number of microfluidic devices are described for producing purified nucleic acids, which are used for various purposes, for example, for PCR. Simple microfluidic devices have been proposed in which NC extraction is carried out in one or several stages, as well as complex computer-controlled systems consisting of numerous microchannels, valves and reservoirs.

Примерами достаточно простых устройств являются микрофлюидное устройство для очистки ДНК при взаимодействии образца с диатомитом (Purification and amplification of nucleic acids in a microfluidic device, WO/2008/002725, Bio-Rad, США); микрофлюидное устройство для выделение геномной ДНК из лейкоцитов человека, в котором ДНК из образца связывается с поверхностью канала, модифицированного ДНК-связывающим реагентом (DNA purification and analysis on nanoengineered surfaces, WO/2006/081324); микрочип, в котором очистка ДНК происходит путем последовательного прохождения через серию хроматографических микроколонок, селективно сорбирующих примесные вещества, такие как белки, пептиды, липиды, пектины и др., а последняя колонка селективно связывает ДНК (DNA purification in a multi-stage, multi-phase microchip, WO/2008/058204). Недостатками таких устройств являются низкий выход НК, а также необходимость ручного введения реагентов на разных стадиях выделения и очистки.Examples of fairly simple devices are a microfluidic device for DNA purification in the interaction of a sample with diatomite (Purification and amplification of nucleic acids in a microfluidic device, WO / 2008/002725, Bio-Rad, USA); a microfluidic device for isolating genomic DNA from human leukocytes, in which DNA from a sample binds to the surface of a channel modified with a DNA binding reagent (DNA purification and analysis on nanoengineered surfaces, WO / 2006/081324); a microchip in which DNA purification occurs by sequentially passing through a series of chromatographic microcolumns that selectively sorb impurities such as proteins, peptides, lipids, pectins, etc., and the last column selectively binds DNA (DNA purification in a multi-stage, multi- phase microchip, WO / 2008/058204). The disadvantages of such devices are the low yield of NK, as well as the need for manual introduction of reagents at different stages of isolation and purification.

Описано микрофлюидное устройство и метод концентрирования и очистки НК из биологических образцов (Methods for nucleic acid isolation and kits using a microfluidic device and concentration step, WO/2005/068627, 3M Innovative Properties company, США), включающее резервуар для загрузки образца и камеры для обработки и перемешивания, соединенные каналами и клапанами. Образец после загрузки подвергается действию лизирующего раствора, переходит далее в камеру для обработки, где проходит несколько стадий концентрирования и разбавления, а также дополнительный лизис и удаление раствора, содержащего ингибиторы, которые мешают проведению ПЦР с полученной ДНК. Недостатком данной системы является возможность лишь частичной очистки НК, в основном, от ингибиторов ПЦР.A microfluidic device and a method for concentrating and purifying NK from biological samples are described (Methods for nucleic acid isolation and kits using a microfluidic device and concentration step, WO / 2005/068627, 3M Innovative Properties company, USA), including a reservoir for loading a sample and a chamber for processing and mixing, connected by channels and valves. After loading, the sample is subjected to the action of a lysing solution, then passes to the processing chamber, where several stages of concentration and dilution take place, as well as additional lysis and removal of the solution containing inhibitors that interfere with PCR with the obtained DNA. The disadvantage of this system is the possibility of only partial purification of NK, mainly from PCR inhibitors.

Описан микрофлюидный картридж для проведения дифференцированного лизиса клеток различных типов, включающего обработку ультразвуком и лизис с использованием химических агентов, и дальнейшей частичной очистки ДНК (Microfluidic differential extraction cartridge, WO/2005/028635, Microfluidic systems, США). Данный микрофлюидик предназначен, в основном, для лизиса клеток, и с его помощью осуществляется лишь частичная очистка НК.A microfluidic cartridge is described for differentiated lysis of various types of cells, including sonication and lysis using chemical agents, and further partial DNA purification (Microfluidic differential extraction cartridge, WO / 2005/028635, Microfluidic systems, USA). This microfluidic is intended mainly for cell lysis, and with its help only partial purification of NK is carried out.

Предложено монолитное микрофлюидное устройство для экстракции ДНК и РНК, в основном из образцов крови (Nucleic acid purification chip, WO/2005/066343, Сингапур), состоящее из субстрата на основе кремния, входных и выходных отверстий для введения и выведения образца крови, а также буферов для обработки образца в объеме нескольких микролитров, микромешалки, камеры для лизиса, камеры, содержащей ДНК-связывающий материал и систему клапанов. Описан также метод изготовления монолитного устройства, содержащего вышеуказанные компоненты. Данное устройство позволяет выделять НК только из образца определенного типа (кровь).A monolithic microfluidic device for extracting DNA and RNA, mainly from blood samples (Nucleic acid purification chip, WO / 2005/066343, Singapore), consisting of a silicon-based substrate, inlet and outlet openings for introducing and removing a blood sample, and buffers for processing a sample in the amount of several microliters, a micromixer, a lysis chamber, a chamber containing DNA-binding material and a valve system. Also described is a method of manufacturing a monolithic device containing the above components. This device allows you to select NK only from a sample of a certain type (blood).

Для защиты выделенной с помощью микрофлюидных систем ДНК от контаминации предложено устройство для автоматического выделения НК из биологических образцов (Automated nucleic acid isolation, WO/I 997/047967, Sarnoff Corp., Франция), состоящее из кассеты, в которой проводится химическая обработка образца, и съемного запечатанного контейнера для хранения полученной НК.To protect DNA extracted using microfluidic systems from contamination, a device is proposed for automatic NK isolation from biological samples (Automated nucleic acid isolation, WO / I 997/047967, Sarnoff Corp., France), consisting of a cassette in which the sample is chemically processed, and a removable sealed container for storing received NK.

Примером более сложной микрофлюидной системы является устройство, представляющее собой совокупность модулей, в первом из которых происходит связывание и очистка целевого продукта (НК), а второй модуль является собственно микрофлюидным устройством, осуществляющим детекцию и анализ полученного продукта (Microfluidic devices, WO/2008/030631, фирма Microchip biotechnologies, США). Лизис клеток осуществляется обработкой ультразвуком в проточном режиме. Очистка ДНК осуществляется путем взаимодействия с магнитными частицами, содержащими аффинный носитель. Магнитное поле создается вращающимся магнитным блоком.An example of a more complex microfluidic system is a device that is a collection of modules, in the first of which binding and purification of the target product (ND) takes place, and the second module is the microfluidic device itself, which detects and analyzes the resulting product (Microfluidic devices, WO / 2008/030631 , Microchip biotechnologies, USA). Cell lysis is carried out by ultrasonic treatment in a flow mode. DNA purification is carried out by interaction with magnetic particles containing an affinity carrier. A magnetic field is created by a rotating magnetic block.

Фирмой Siemens (Германия) предложен плоский картридж (карта) для автоматического анализа ДНК или белков, содержащий систему микроканалов и микрополостей, формирующих емкости для содержащихся в них сухих реагентов, а также способ его изготовления методом литья под давлением (Arrangement for integrated and automated DNA or protein analysis in a single-use cartridge, method for producing such a cartridge and operating method for DNA or protein analysis using such a cartridge, WO/2006/042838). Сухие реагенты вносятся в открытые каналы, которые после этого заклеиваются пленкой. Картридж является одноразовым устройством. Образец вносится в готовый к анализу картридж, и результаты получают в полностью автоматическом режиме при помещении картриджа в считывающее устройство.Siemens (Germany) proposed a flat cartridge (card) for automatic analysis of DNA or proteins, containing a system of microchannels and microcavities that form containers for the dry reagents contained in them, as well as a method for its manufacture by injection molding (Arrangement for integrated and automated DNA or protein analysis in a single-use cartridge, method for producing such a cartridge and operating method for DNA or protein analysis using such a cartridge, WO / 2006/042838). Dry reagents are introduced into open channels, which are then sealed with a film. The cartridge is a disposable device. The sample is entered into a cartridge ready for analysis, and the results are obtained in a fully automatic mode when the cartridge is placed in a reader.

Описан также ряд микрофлюидных аппаратов, в которых одновременно производится выделение ДНК и ее амплификация, а в ряде устройств - и последующая детекция. Примером такой системы может служить устройство для выделения и амплификации ДНК из биологических жидкостей фирмы Micronics (США) (Method and system for microfluidic manipulation, amplification and analysis of fluids, for example, bacteria assays and antiglobulin testing, WO/2004/065010, патент США 7416892). Устройство представляет собой одноразовую микрофлюидную карту и предназначено для анализа бактерий в биологических жидкостях и диагностики некоторых заболеваний. Карта имеет встроенную фильтрующую мембрану, на которой задерживаются клетки, которые далее подвергаются лизису. Через мембрану последовательно пропускают серию растворов: растворы для отмывки, растворы, содержащие ферменты, растворы для амплификации и детекции. Проводится ПЦР-амплификация полученной ДНК в соответствующем температурном режиме, а далее ПЦР-продукт смывается с мембраны и передается на детектирующий элемент с прозрачным окошком для визуальной детекции.A number of microfluidic devices are also described, in which DNA is extracted and amplified simultaneously, and in a number of devices, subsequent detection is also performed. An example of such a system is a device for the isolation and amplification of DNA from biological fluids (Micronics, USA) (Method and system for microfluidic manipulation, amplification and analysis of fluids, for example, bacteria assays and antiglobulin testing, WO / 2004/065010, U.S. patent 7416892). The device is a disposable microfluidic map and is intended for the analysis of bacteria in biological fluids and the diagnosis of certain diseases. The card has a built-in filtering membrane on which cells are retained, which are then lysed. A series of solutions is passed through the membrane sequentially: washing solutions, solutions containing enzymes, solutions for amplification and detection. PCR amplification of the obtained DNA is carried out in the appropriate temperature mode, and then the PCR product is washed off the membrane and transferred to the detection element with a transparent window for visual detection.

Описана микрофлюидная система («лаборатория-на-чипе») для детекции некоторых возбудителей инфекционных заболеваний (Университет Пенсильвании, США). В состав системы входит коллектор образца (слюны), одноразовая пластиковая кассета (микрофлюидный чип) для обработки образца, включающая систему для проведения лизиса, экстракции НК, ПЦР, мечения ПЦР-продукта, платформа-контроллер для управления подачей реагентов, температурой, клапанами, а также лазерный сканер для считывания результатов (Z.Chen, M.G.Mauk, J.Wang, W.R.Abrams, P.L.Corstjens, R.S.Niedbala, D.Malamud, H.H.Bau, A microfluidic system for saliva-based detection of infectious diseases. Ann. N.Y.Acad. Sci., 2007, v.1098, p.429-436).A microfluidic system (lab-on-a-chip) is described for the detection of certain infectious agents (University of Pennsylvania, USA). The system includes a sample collector (saliva), a disposable plastic cartridge (microfluidic chip) for sample processing, including a system for lysis, extraction of nanocrystals, PCR, labeling of a PCR product, a platform controller for controlling the flow of reagents, temperature, valves, and also a laser scanner for reading results (Z. Chen, MGMauk, J. Wang, WRAbrams, PLCorstjens, RS Niedbala, D. Malamud, HHBau, A microfluidic system for saliva-based detection of infectious diseases. Ann. NYAcad . Sci., 2007, v. 1098, p. 429-436).

Фирмой Canon U.S. Life Sciences, США предложено устройство для анализа геномной ДНК, состоящее из картриджа, в котором проводится выделение ДНК, инжектора, с помощью которого ДНК передается на микрофлюидный чип, включающий зону для ПЦР-амплификации, зону для детекции и зону для анализа ДНК (Method and molecular diagnostic device for detection, analysis and identification of genomic DNA, WO 2007028084). Выделение ДНК происходит в реакционной камере с использованием магнитных частиц или материалов, меняющих свойства под действием электрического заряда.Canon U.S. Life Sciences, USA proposes a device for analyzing genomic DNA, consisting of a cartridge in which DNA is extracted, an injector, with which DNA is transferred to a microfluidic chip, including a PCR amplification zone, a detection zone and a DNA analysis zone (Method and molecular diagnostic device for detection, analysis and identification of genomic DNA, WO 2007028084). DNA is isolated in the reaction chamber using magnetic particles or materials that change properties under the influence of an electric charge.

Предложен полностью автоматизированный портативный микрофлюидный чип для обнаружения патогенных микроорганизмов методом ПЦР с детекцией в реальном времени (Real-time PCR detection of microorganisms using an integrated microfluidics platform, WO/2006/085948, Cornell Research Foundation, США). Микрочип включает модуль для очистки ДНК, который с помощью микроканалов соединен с модулем для ПЦР-детекции. Лизис клеток проводится в растворе, содержащем хаотропные соли; далее проводится отмывка водно-спиртовым раствором для удаления белков и липидов. Автоматическая система детекции состоит из интегрированного микропроцессора, системы клапанов и насосов, устройств для термоциклирования и флуоресцентной детекции. Детекция осуществляется методом ПЦР в реальном времени с использованием флуоресцентного красителя. Устройство можно использовать как в лабораториях, так и в полевых условиях.A fully automated portable microfluidic chip for detecting pathogenic microorganisms by real-time PCR (Real-time PCR detection of microorganisms using an integrated microfluidics platform, WO / 2006/085948, Cornell Research Foundation, USA) is proposed. The microchip includes a module for DNA purification, which is connected via microchannels to a module for PCR detection. Cell lysis is carried out in a solution containing chaotropic salts; Further, washing with an aqueous-alcoholic solution is carried out to remove proteins and lipids. The automatic detection system consists of an integrated microprocessor, a system of valves and pumps, devices for thermal cycling and fluorescence detection. Detection is carried out by real-time PCR using a fluorescent dye. The device can be used both in laboratories and in the field.

Компанией CombiMatrix Corp., США, разработано миниатюрное микрофлюидное устройство, состоящее из ДНК-микрочипа, содержащего 12000 зондов, и микрофлюидного картриджа, имеющего в своем составе микрофлюидные насосы, мешалки, клапаны, микроканалы, микрорезервуары для реагентов. На чипе осуществляется электрохимический синтез олигонуклеотидных зондов. Перемешивание жидкостей в картридже осуществляется пропусканием микропузырьков, генерируемых электрохимическими микронасосами. Электрохимические насосы также используются для перекачивания жидкостей внутри картриджа. После внесения образца проводится ПЦР и гибридизация на микрочипе. Устройство полностью автономно, т.е. не требуется никаких внешних источников реагентов, насосов и т.п., что устраняет возможность контаминации образца. Устройство использовали для идентификации субтипов вируса гриппа А генотипированием участков генов гемагглютинина и нейраминидазы (R.H.Liu, M.J.Lodes, Т.Nguyen, Т.Siuda, M.Slota, H.S.Fuji, A.McShea, Validation of a fully integrated microfluidic array device for influenza A subtype identification and sequencing. Anal. Chem., 2006, v.78, p.4184-4193), а также для исследования экспрессии генов клеток лейкемии человека (R.H.Liu, Т.Nguyen, К.Schwarzkopf, H.S.Fuji, A.Petrova, T.Siuda, К.Peyvan, M.Bizak, D.Danley, A.McShea, Fully integrated miniature device for automated gene expression DNA microarray processing. Anal. Chem., 2006, v.78, p.1980-1986).CombiMatrix Corp., USA, has developed a miniature microfluidic device, consisting of a DNA microchip containing 12000 probes, and a microfluidic cartridge, which includes microfluidic pumps, mixers, valves, microchannels, microreserves for reagents. An electrochemical synthesis of oligonucleotide probes is carried out on a chip. The mixing of liquids in the cartridge is carried out by passing microbubbles generated by electrochemical micropumps. Electrochemical pumps are also used to pump liquids inside the cartridge. After the sample is introduced, PCR and hybridization are performed on a microchip. The device is completely autonomous, i.e. no external sources of reagents, pumps, etc. are required, which eliminates the possibility of sample contamination. The device was used to identify influenza A virus subtypes by genotyping of hemagglutinin and neuraminidase gene regions (RHLiu, MJLodes, T.Nguyen, T. Siuda, M.Slota, HSFuji, A.McShea, Validation of a fully integrated microfluidic array device for influenza A subtype identification and sequencing. Anal. Chem., 2006, v. 78, p. 4184-4193), as well as for studying the expression of human leukemia cell genes (RHLiu, T. Nguyen, K. Schwarzkopf, HSFuji, A. Petrova, T. Siuda, K. Payvan, M. Bizak, D. Danley, A. Mc Shea, Fully integrated miniature device for automated gene expression DNA microarray processing. Anal. Chem., 2006, v. 78, p. 1980-1986 )

Анализ научной и патентной литературы позволяет сделать вывод, что в настоящее время существует множество способов выделения и очистки НК, некоторые из которых позволяют осуществлять автоматизацию процесса. Однако, несмотря на то что разработан ряд устройств для автоматического получения НК, не существует универсального устройства, которое позволяет быстро, воспроизводимо и с высоким выходом выделять НК из биологических образцов в полностью автоматическом режиме. Существующие автоматические роботизированные системы дороги, громоздки и сложны в использовании, а более простые системы осуществляют либо неполную очистку НК, либо выход НК недостаточен, либо они предназначены для выделения ДНК из образца определенного типа, например только из крови, слюны и др., либо проводят анализ образца на наличие одного конкретного заболевания.An analysis of the scientific and patent literature allows us to conclude that at present there are many methods for the isolation and purification of ND, some of which allow the automation of the process. However, despite the fact that a number of devices have been developed for the automatic production of NK, there is no universal device that allows one to quickly, reproducibly and with high yield separate NK from biological samples in a fully automatic mode. Existing automated robotic systems are expensive, cumbersome and difficult to use, while simpler systems either perform incomplete purification of NK, or NK output is insufficient, or they are designed to isolate DNA from a sample of a certain type, for example, only from blood, saliva, etc., or analysis of the sample for the presence of one specific disease.

В лабораториях РФ в настоящее время все процедуры выделения и очистки нуклеиновых кислот из клинического материала производятся вручную. Отсутствие недорогой и надежной аппаратуры, позволяющей автоматизировать процедуру обработки клинических образцов, создает условия повышенного риска заражения инфекционным материалом, а также приводит к возникновению ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Последнее неизбежно сказывается на профилактике здоровья населения и эффективности лечения больных.In the laboratories of the Russian Federation, at present, all procedures for the isolation and purification of nucleic acids from clinical material are carried out manually. The lack of inexpensive and reliable equipment to automate the processing of clinical samples creates conditions for an increased risk of infection with infectious material, and also leads to false positive and false negative results. The latter inevitably affects the prevention of public health and the effectiveness of treatment of patients.

Таким образом, в данной области существует острая потребность в разработке устройства для автоматизированного выделения НК, которое бы выгодно отличалось от известных из уровня техники решений простотой проведения анализа, эффективностью выделения (высоким выходом) НК, а также невысокой стоимостью.Thus, in this area there is an urgent need to develop a device for automated extraction of NK, which would be favorably different from the known solutions from the prior art by the simplicity of analysis, the efficiency of isolation (high yield) of NK, as well as low cost.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Первый аспект изобретения относится к сменному микрофлюидному модулю для автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов, содержащему резервуары для реагентов и реакционные объемы, микроканалы и клапана, необходимые для перемещения жидкостей внутри модуля. Микрофлюидный модуль включает:The first aspect of the invention relates to a replaceable microfluidic module for automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples, containing reagent tanks and reaction volumes, microchannels and valves necessary for moving liquids within the module. The microfluidic module includes:

а) приемную камеру для ввода образца;a) a receiving chamber for introducing a sample;

б) резервуар для лизиса, содержащий мембрану для задерживания на ней клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц;b) a lysis tank containing a membrane for retaining microorganism cells and / or viral particles on it;

в) резервуары для растворов лизирующего буфера, содержащего реагенты для эффективного разрушения клеточной стенки и/или вирусного капсида;c) reservoirs for solutions of lysis buffer containing reagents for the effective destruction of the cell wall and / or viral capsid;

г) микроколонку, содержащую твердофазный сорбент для связывания нуклеиновых кислот;g) a microcolumn containing a solid-phase sorbent for binding nucleic acids;

д) резервуары для промывочного буфера и этанола для промывки микроколонки с целью удаления остаточных белков и кристаллов соли;e) tanks for washing buffer and ethanol for washing the microcolumn in order to remove residual proteins and salt crystals;

е) резервуар для элюирующего буфера для растворения нуклеиновых кислот, связанных на твердофазном сорбенте в микроколонке;e) a reservoir for an elution buffer for dissolving nucleic acids bound on a solid-phase sorbent in a microcolumn;

ж) выходной порт, совместимый со стандартной микропробиркой;g) an output port compatible with a standard microtube;

з) резервуар для сбора отходов реакций.h) a tank for collecting reaction waste.

В одном из своих воплощений сменный микрофлюидный модуль характеризуется тем, что он содержит только пневматические клапана, осуществляющие коммутацию газожидкостных потоков, в то время как все необходимые электромагнитные компоненты, осуществляющие подачу давления, нагрев, перемешивание в индивидуальных резервуарах модуля, размещены в управляющей установке-контроллере.In one of its embodiments, the replaceable microfluidic module is characterized in that it contains only pneumatic valves for switching gas-liquid flows, while all the necessary electromagnetic components for supplying pressure, heating, mixing in the individual tanks of the module are located in the control unit-controller .

В своем следующем воплощении микрофлюидный модуль характеризуется тем, что в резервуаре для лизиса модуль содержит металлический стержень в инертной оболочке, необходимый для осуществления перемешивания на стадии лизиса.In its next embodiment, the microfluidic module is characterized in that in the lysis tank the module contains a metal rod in an inert shell, necessary for mixing at the stage of lysis.

Наконец, еще в одном своем воплощении микрофлюидный модуль характеризуется тем, что модуль выполнен из материалов, инертных по отношению к используемым реагентам и не сорбирующих НК. Могут быть использованы материалы, такие как, например, полипропилен, оргстекло, латекс, силикон, но не ограничиваясь ими.Finally, in yet another embodiment, the microfluidic module is characterized in that the module is made of materials that are inert with respect to the reagents used and do not sorb NK. Can be used materials, such as, for example, polypropylene, Plexiglas, latex, silicone, but not limited to.

Другим аспектом изобретения является способ автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов с использованием сменного микрофлюидного модуля, содержащего набор реагентов, необходимых для осуществления процедуры выделения НК.Another aspect of the invention is a method for the automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples using a removable microfluidic module containing a set of reagents necessary for the implementation of the procedure for the allocation of NK.

Способ характеризуется тем, что все манипуляции по выделению и очистке НК выполняются внутри сменного микрофлюидного модуля, изолирующего образец от внешней среды.The method is characterized in that all manipulations for the extraction and purification of nanocrystals are performed inside a removable microfluidic module that isolates the sample from the external environment.

Способ предусматривает следующие последовательные стадии, выполняемые в автоматическом режиме, после ввода исследуемого образца в приемную камеру микрофлюидного модуля:The method involves the following successive stages, performed in automatic mode, after entering the test sample into the receiving chamber of the microfluidic module:

а) фильтрация биологического образца через мембрану, задерживающую клетки микроорганизмов и/или вирусы;a) filtering a biological sample through a membrane that traps cells of microorganisms and / or viruses;

б) лизис задержанных на мембране клеток микроорганизмов и/или вирусов;b) lysis of microorganisms and / or viruses detained on the cell membrane;

в) связывание нуклеиновых кислот на микроколонке, содержащей твердофазный сорбент;c) binding of nucleic acids on a microcolumn containing a solid-phase sorbent;

г) отмывка нуклеиновых кислот от белков и кристаллов соли на колонке с твердофазным сорбентом;d) washing of nucleic acids from proteins and salt crystals on a solid-phase sorbent column;

д) элюция нуклеиновых кислот с микроколонки в отдельную пробирку.e) elution of nucleic acids from a microcolumn into a separate tube.

В одном из воплощений способ характеризуется тем, что на стадии (а) фильтрацию биологического образца осуществляют через мембрану с целью задерживания на ней микроорганизмов и вирусов. Мембрану для фильтрации выбирают из группы мембран, включающей мембраны из поливинилидендифторида, боросиликатного стекла, целлюлозные мембраны, но не ограничиваясь ими.In one embodiment, the method is characterized in that, in step (a), the biological sample is filtered through a membrane in order to trap microorganisms and viruses on it. The filtration membrane is selected from the group of membranes, including, but not limited to, polyvinylidene difluoride, borosilicate glass, and cellulose membranes.

В своем следующем воплощении способ характеризуется тем, что лизис микроорганизмов и вирусов на мембране на стадии (б) осуществляется путем последовательной обработки реагентами, разрушающими клеточные стенки бактерий и/или оболочки вирусных частиц. В качестве ферментов для разрушения клеточных стенок и мембран используют лизоцим, субтилизин, протеиназу К и другие ферменты. Далее добавляют лизирующий буфер, содержащий хаотропный агент в высокой концентрации (3-6 моль/л). Хаотропные реагенты выбирают из группы солей гуанидина, например гуанидинтиоцианат или гуанидингидрохлорид, но не ограничиваясь ими.In its next embodiment, the method is characterized in that the lysis of microorganisms and viruses on the membrane in stage (b) is carried out by sequential treatment with reagents that destroy the cell walls of bacteria and / or the shell of viral particles. As enzymes for the destruction of cell walls and membranes, lysozyme, subtilisin, proteinase K and other enzymes are used. Then add a lysis buffer containing a chaotropic agent in high concentration (3-6 mol / l). Chaotropic reagents are selected from the group of guanidine salts, for example, but not limited to guanidine thiocyanate or guanidine hydrochloride.

В своем следующем воплощении способ характеризуется тем, что на стадии (в) осуществляют сорбцию НК на твердофазном сорбенте в присутствии раствора хаотропного агента в высокой концентрации (3-6 моль/л) путем пропускания лизата через микроколонку, содержащую твердофазный сорбент. Твердофазный сорбент выбирают из группы сорбентов, включающей силикагели, стекловолоконные фильтры, химически модифицированное стекло.In its next embodiment, the method is characterized in that, in step (c), NK is sorbed on a solid-phase sorbent in the presence of a solution of a chaotropic agent in a high concentration (3-6 mol / L) by passing the lysate through a microcolumn containing a solid-phase sorbent. The solid-phase sorbent is selected from the group of sorbents, including silica gels, glass fiber filters, chemically modified glass.

В еще одном из воплощений способ характеризуется тем, что на стадии (г) отмывку от белков и кристаллов соли проводят путем последовательного пропускания через микроколонку, содержащую связанные на твердофазном сорбенте НК, растворов промывочного буфера и этанола из соответствующих резервуаров сменного модуля, а смыв НК с микроколонки осуществляют путем пропускания элюирующего буфера, подаваемого из соответствующего резервуара микрофлюидного модуля, через микроколонку в отдельную микропробирку.In yet another embodiment, the method is characterized in that, in step (d), washing of the proteins and salt crystals is carried out by sequentially passing through a microcolumn containing NK, solutions of washing buffer and ethanol from the corresponding reservoirs of the removable module, and washing the NK off microcolumns are carried out by passing an eluting buffer supplied from the corresponding reservoir of the microfluidic module through the microcolumn into a separate microtube.

В еще одном своем воплощении способ характеризуется тем, что стадии (а)-(д) выполняются последовательно в автоматическом режиме в сменном микрофлюидном модуле, который помещается в установку-контроллер, управляемый программным обеспечением, реализующим алгоритм управления клапанами, осуществляющими перемещение растворов биологического образца и реагентов в резервуарах сменного модуля.In yet another embodiment, the method is characterized in that steps (a) to (e) are performed sequentially in automatic mode in a replaceable microfluidic module, which is placed in a controller installation controlled by software that implements a control algorithm for valves moving biological sample solutions and reagents in the tanks of the plug-in module.

В качестве биологического образца для выделения и очистки НК могут быть использованы образцы сыворотки крови, плазмы крови или культуральные жидкости, содержащие клетки микроорганизмов и/или вирусные частицы.As a biological sample for the isolation and purification of NK, samples of blood serum, blood plasma or culture fluids containing microorganism cells and / or viral particles can be used.

Другие аспекты настоящего изобретения будут ясны из прилагаемых фигур, подробного описания и формулы изобретения.Other aspects of the present invention will be apparent from the accompanying figures, detailed description, and claims.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими фигурами, на которых:The invention is illustrated by the following figures, in which:

Фиг.1 представляет схему селективной экстракции НК из лизата клеток и/или вирусных частиц на микроколонке, содержащей твердофазный сорбент.Figure 1 is a diagram of the selective extraction of NK from a cell lysate and / or viral particles on a microcolumn containing a solid-phase sorbent.

Фиг.2 представляет принципиальную схему (конфигурацию) сменного модуля с обозначением резервуаров с необходимыми реагентами, а также объемов, в которых осуществляется лизис бактериальных клеток/вирусных частиц и экстракция НК.Figure 2 is a schematic diagram (configuration) of a removable module with the designation of tanks with the necessary reagents, as well as volumes in which the lysis of bacterial cells / virus particles and the extraction of NK.

Обозначения: к1, к2а, к2б, к3, к4, к4а, к5 - жидкостные/воздушные клапана.Designations: K1, K2A, K2B, K3, K4, K4A, K5 - liquid / air valves.

Фиг.3 представляет конструктивные элементы сменного модуля. Обозначения:Figure 3 represents the structural elements of the replaceable module. Designations:

1 - основная рабочая платформа, формирующая резервуары (оргстекло);1 - the main working platform forming the reservoirs (plexiglass);

2 - эластичная мембрана (нитрил);2 - elastic membrane (nitrile);

3 - полукорпус (оргстекло);3 - half-shell (plexiglass);

4 - вставка каналообразующая, самогерметизирующаяся, с пробками, прокалываемыми для заправки модуля (латекс);4 - insert channel-forming, self-sealing, with plugs punctured to refuel the module (latex);

5 - верхняя крышка (оргстекло);5 - top cover (plexiglass);

6 - стержень стальной в тефлоновой оболочке (мешальник);6 - steel rod in a Teflon shell (mixer);

7 - кольцо уплотнительное (латекс);7 - a sealing ring (latex);

8 -мембрана (фильтр) для концентрирования клеток;8-membrane (filter) for cell concentration;

9 - цилиндр с суспензией силикагеля (микроколонка);9 - cylinder with a suspension of silica gel (microcolumn);

10 - фиксирующие клипсы.10 - fixing clips.

Фиг.4А представляет фотографию сменного модуля с заправленными реагентами в сборе.Fig. 4A is a photograph of a replacement module assembly with charged reagents.

Фиг.4Б представляет элементы сменного модуля (рабочая платформа и полукорпус).Fig. 4B represents the elements of a replaceable module (working platform and half-housing).

Фиг.5 представляет фотографию управляющей установки-контроллера (вид сверху) с подсоединенным сменным модулем.5 is a photograph of a control unit-controller (top view) with a plug-in module connected.

Обозначения:Designations:

1 - электроклапаны;1 - electrovalves;

2 - форсунки.2 - nozzles.

Фиг.6 представляет схему устройства пневмоклапанов и резервуаров для хранения растворов сменного модуля для выделения НК.6 is a diagram of the device of pneumatic valves and reservoirs for storing solutions of a removable module for the allocation of NK.

Обозначения:Designations:

1 - резервуар с раствором;1 - a reservoir with a solution;

2 - каналы для перетекания растворов;2 - channels for the flow of solutions;

3 - отверстия для подачи воздуха;3 - holes for air supply;

4 - клапан;4 - valve;

5 - мембрана.5 - membrane.

Фиг.7 (А-В) представляет принцип перемещения растворов из резервуара в резервуар через пневмоклапан в сменном модуле для выделения НК.Fig. 7 (A-B) represents the principle of moving solutions from a reservoir to a reservoir through a pneumatic valve in a replaceable module for extracting ND.

Фиг.8 представляет принцип управления направлением перетекания растворов в резервуарах сменного модуля для выделения НК.Fig. 8 represents the principle of controlling the direction of flow of solutions in the reservoirs of the plug-in module for the allocation of NK.

Обозначения:Designations:

1 - клапан 1;1 - valve 1;

2 - клапан 2.2 - valve 2.

Фиг.9 представляет принцип перемешивания растворов в резервуаре сменного модуля для выделения НК.Fig.9 represents the principle of mixing solutions in the reservoir of the replaceable module for the selection of NK.

Фиг.10 представляет диалоговое окно клиентской части программного обеспечения для управления процессом выделения НК в сменном модуле.Figure 10 represents a dialog box of the client part of the software for controlling the process of allocating NK in a plug-in module.

Фиг.11 представляет результат выделения НК из грамотрицательных бактериальных клеток (Escherichia coli и Salmonella typhimurium) при использовании автоматизированного способа выделения на основе сменного микрофлюидного модуля и стандартного метода выделения. Электрофорез в 1% агарозном геле. Дорожки:11 represents the result of the isolation of NK from gram-negative bacterial cells (Escherichia coli and Salmonella typhimurium) using an automated isolation method based on a removable microfluidic module and a standard isolation method. Electrophoresis in 1% agarose gel. Tracks:

1 - Молекулярный маркер λ/Hind III;1 - Molecular marker λ / Hind III;

2 - НК, выделенные из культуры E.coli (~109 кл/мл) стандартным методом;2 - NK isolated from E. coli culture (~ 10 9 cells / ml) by the standard method;

3 - НК, выделенные из культуры S.typhimurium (~109 кл/мл) в микрофлюидном модуле;3 - NK isolated from the culture of S. typhimurium (~ 10 9 cells / ml) in the microfluidic module;

4 - НК, выделенные из культуры E.coli (~109 кл/мл) в микрофлюидном модуле.4 - NK isolated from E. coli culture (~ 10 9 cells / ml) in microfluidic module.

Фиг.12 представляет результат выделения НК из грамположительных бактериальных клеток (Bacillus thuringiensis, ~109 кл/мл) при использовании автоматизированного способа выделения на основе сменного микрофлюидного модуля и стандартного метода выделения. Электрофорез в 1% агарозном геле. Дорожки:Fig. 12 represents the result of NK isolation from gram-positive bacterial cells (Bacillus thuringiensis, ~ 10 9 cells / ml) using an automated isolation method based on a removable microfluidic module and a standard isolation method. Electrophoresis in 1% agarose gel. Tracks:

1 - НК, выделенные стандартным методом;1 - NC, isolated by the standard method;

2 - НК, выделенные с использованием микрофлюидного модуля;2 - NK isolated using a microfluidic module;

3 - НК, выделенные с использованием микрофлюидного модуля без добавления лизоцима;3 - NK isolated using a microfluidic module without the addition of lysozyme;

4 - молекулярный маркер λ/Hind III.4 - molecular marker λ / Hind III.

Фиг.13 представляет результаты проведения ПЦР с ДНК вируса гепатита B в качестве матрицы, выделенной с использованием микрофлюидного модуля из различных разведений образца плазмы крови (108-101 вирусных частиц в образце исходно).Fig. 13 presents the results of PCR with hepatitis B virus DNA as a matrix isolated using a microfluidic module from various dilutions of a blood plasma sample (10 8 -10 1 virus particles in the sample initially).

Обозначения:Designations:

'К-' - отрицательный контроль реакции;'K-' - negative reaction control;

'М' - молекулярный маркер '100 bp Ладдер' (Силекс, Россия).'M' - molecular marker '100 bp Ladder' (Sileks, Russia).

Фиг.14А представляет результаты проведения ПЦР с ДНК E.coli в качестве матрицы, выделенной из различных разведений клеток (108-102 в 1 мл исходного образца) с использованием автоматизированной процедуры на основе сменного микрофлюидного модуля. Обозначения:Figa presents the results of PCR with E. coli DNA as a matrix isolated from various dilutions of cells (10 8 -10 2 in 1 ml of the original sample) using an automated procedure based on a removable microfluidic module. Designations:

'К-' - отрицательный контроль реакции;'K-' - negative reaction control;

'К+' - положительный контроль реакции (в качестве матрицы использована ДНК, выделенная стандартным методом);'K +' - positive control of the reaction (DNA isolated using the standard method was used as a matrix);

'М' - молекулярный маркер 'PUC/MSP I' (Силекс, Россия).'M' - molecular marker 'PUC / MSP I' (Sileks, Russia).

Фиг.14Б представляет результаты проведения ПЦР с ДНК В.thuringiensis в качестве матрицы, выделенной из различных разведений клеток (108-102 в 1 мл исходного образца) с использованием автоматизированной процедуры на основе сменного микрофлюидного модуля.Fig.14B presents the results of PCR with B. thuringiensis DNA as a matrix isolated from various dilutions of cells (10 8 -10 2 in 1 ml of the original sample) using an automated procedure based on a replaceable microfluidic module.

'К-' - отрицательный контроль реакции;'K-' - negative reaction control;

'К+' - положительный контроль реакции (в качестве матрицы использована ДНК, выделенная стандартным методом);'K +' - positive control of the reaction (DNA isolated using the standard method was used as a matrix);

'М' - молекулярный маркер 'PUC/MSP I' (Силекс, Россия).'M' - molecular marker 'PUC / MSP I' (Sileks, Russia).

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Целью настоящего изобретения является создание сменного микрофлюидного модуля для автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов и способа автоматизированного выделения нуклеиновых кислот из биологических образцов с использованием микрофлюидного модуля.The aim of the present invention is to provide a removable microfluidic module for the automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples and a method for the automated isolation of nucleic acids from biological samples using a microfluidic module.

Сменный микрофлюидный модуль для автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов содержит:Replaceable microfluidic module for automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples contains:

а) приемную камеру для ввода биологического образца;a) a receiving chamber for introducing a biological sample;

б) резервуар для лизиса, содержащий мембрану для задерживания на ней клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц;b) a lysis tank containing a membrane for retaining microorganism cells and / or viral particles on it;

в) резервуары для растворов лизирующего буфера, содержащего реагенты для эффективного разрушения клеточной стенки и/или вирусного капсида;c) reservoirs for solutions of lysis buffer containing reagents for the effective destruction of the cell wall and / or viral capsid;

г) микроколонку, содержащую твердофазный сорбент для связывания нуклеиновых кислот;g) a microcolumn containing a solid-phase sorbent for binding nucleic acids;

д) резервуары для промывочного буфера и этанола для промывки микроколонки с целью удаления остаточных белков и кристаллов соли;e) tanks for washing buffer and ethanol for washing the microcolumn in order to remove residual proteins and salt crystals;

е) резервуар для элюирующего буфера для растворения нуклеиновых кислот, связанных на твердофазном сорбенте в микроколонке;e) a reservoir for an elution buffer for dissolving nucleic acids bound on a solid-phase sorbent in a microcolumn;

ж) выходной порт, совместимый со стандартной микропробиркой;g) an output port compatible with a standard microtube;

з) резервуар для сбора отходов реакций.h) a tank for collecting reaction waste.

В процессе выделения и очистки НК внутри сменного микрофлюидного модуля происходит фильтрация биологического образца через мембрану, лизис микроорганизмов и вирусов, задержанных на мембране, пропускание лизата через микроколонку, содержащую твердофазный сорбент, связывание нуклеиновых кислот с сорбентом в присутствии хаотропного агента в высокой концентрации с последующей отмывкой от белков и кристаллов соли и элюция нуклеиновых кислот с микроколонки в отдельную пробирку.In the process of ND extraction and purification inside the interchangeable microfluidic module, the biological sample is filtered through the membrane, lyses microorganisms and viruses trapped on the membrane, the lysate is passed through a microcolumn containing a solid-phase sorbent, nucleic acids are bound to the sorbent in the presence of a high concentration of chaotropic agent, followed by washing from proteins and salt crystals and elution of nucleic acids from a microcolumn into a separate tube.

Биологический образец вводится в приемную камеру микрофлюидного модуля. Раствор образца далее пропускают через мембрану из поливинилидендифторида, боросиликатного стекла, целлюлозы или других материалов, задерживающую микроорганизмы и/или вирусы. Лизис задержанных на мембране микроорганизмов и вирусов проводится непосредственно на мембране.A biological sample is introduced into the receiving chamber of the microfluidic module. The sample solution is then passed through a membrane of polyvinylidene difluoride, borosilicate glass, cellulose or other materials that trap microorganisms and / or viruses. Lysis of microorganisms and viruses detained on the membrane is carried out directly on the membrane.

Процесс разрушения клеточной стенки микроорганизмов и/или вирусной оболочки происходит посредством комбинированного химического и энзиматического лизиса, где задержанные на мембране клетки и/или вирусные частицы последовательно обрабатывают сначала раствором фермента для разрушения клеточных стенок и мембран (например, лизоцим), затем лизирующим буфером, содержащим хаотропный агент (гуанидинтиоцианат в концентрации 5 моль/л) и детергент (Triton Х-100). Хаотропный агент (гуанидинтиоцианат) используется с целью солюбилизации клеточных белков и удаления остатков клеточных стенок. Кроме того, в присутствии хаотропного агента нуклеиновые кислоты легко сорбируются на силикатных поверхностях, что позволило удалить стадию экстракции нуклеиновых кислот смесью фенол-хлороформ, а также адаптировать метод к формату микрофлюидного модуля.The process of destruction of the cell wall of microorganisms and / or the viral envelope occurs through a combined chemical and enzymatic lysis, where the cells and / or virus particles detained on the membrane are sequentially treated first with an enzyme solution to destroy the cell walls and membranes (for example, lysozyme), then with a lysis buffer containing chaotropic agent (guanidine thiocyanate at a concentration of 5 mol / l) and detergent (Triton X-100). A chaotropic agent (guanidine thiocyanate) is used to solubilize cell proteins and remove cell wall residues. In addition, in the presence of a chaotropic agent, nucleic acids are easily sorbed on silicate surfaces, which made it possible to remove the stage of extraction of nucleic acids with a phenol-chloroform mixture, as well as to adapt the method to the microfluidic module format.

Разрушение клеток с последующей твердофазной сорбцией-десорбцией позволяет получить выход НК, эквивалентный стандартной методике с использованием экстракции смесью фенол-хлороформ и последующим переосаждением этанолом (Примеры №4-8).The destruction of cells followed by solid-phase sorption-desorption allows you to get the yield of NK, equivalent to the standard method using extraction with a mixture of phenol-chloroform and subsequent reprecipitation with ethanol (Examples No. 4-8).

Выделение и очистка НК с помощью твердофазной сорбции основаны на их необратимой (по отношению к растворению в том же буфере) адсорбции на твердой фазе; далее проводится промывка и элюция. В процессе сорбции происходит удаление примесей, ингибирующих ферментативные реакции. Для связывания НК со структурой сорбента доступно только около 20% всей площади поверхности частиц сорбента. Однако остальная поверхность, в том числе внутренняя поверхность пор, остается свободной для связывания мелких примесей, таких как гем - небелковая часть гемоглобина, хорошо известный ингибитор ПЦР. Наличие этой дополнительной площади связывания для мелких примесей очень важно для всей колонки, т.к. оно предотвращает «конкуренцию» молекул мелких примесей и ДНК за места связывания.Isolation and purification of nanocrystals using solid-phase sorption are based on their irreversible (relative to dissolution in the same buffer) adsorption on the solid phase; then flushing and elution are carried out. In the process of sorption, the removal of impurities that inhibit enzymatic reactions occurs. Only about 20% of the total surface area of the sorbent particles is available for binding ND to the sorbent structure. However, the rest of the surface, including the inner surface of the pores, remains free to bind small impurities, such as the heme - non-protein part of hemoglobin, a well-known PCR inhibitor. The presence of this additional binding area for fine impurities is very important for the entire column, because it prevents the "competition" of molecules of small impurities and DNA for binding sites.

Принцип метода выделения НК посредством сорбции-десорбции на сорбенте заключается в следующем (Фиг.1). Раствор НК, совместно с другим компонентами клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц в лизирующем/сорбционном буфере, пропускается через микроколонку, заполненную сорбционным веществом (твердофазным сорбентом). Благодаря специфическому составу лизирующего/сорбционного буфера нуклеиновые кислоты связываются с сорбентом, в то время как другие компоненты (белки, углеводы, полисахариды, липиды и др.) сорбции не подвергаются. По окончании сорбции осуществляется процедура промывки колонки промывочными буферами, содержащими этанол, благодаря чему происходит отмывка колонки от солевых кристаллов и других низкомолекулярных соединений, неспецифически сорбировавшихся на сорбенте; при этом в силу нерастворимости НК в спирте ДНК и РНК остаются на колонке. После просушки колонки потоком воздуха, НК элюируют низкосолевым буфером (ТЕ буфер) или водой, свободной от нуклеаз. Таким образом, очистка НК при использовании описанной процедуры занимает не более 15 минут.The principle of the method of separation of NK through sorption-desorption on the sorbent is as follows (Figure 1). NK solution, together with other components of microorganism cells and / or viral particles in a lysis / sorption buffer, is passed through a microcolumn filled with a sorption substance (solid-phase sorbent). Due to the specific composition of the lysis / sorption buffer, nucleic acids bind to the sorbent, while other components (proteins, carbohydrates, polysaccharides, lipids, etc.) are not sorbed. At the end of the sorption, the column is washed with washing buffers containing ethanol, due to which the column is washed from salt crystals and other low molecular weight compounds that are non-specifically adsorbed on the sorbent; due to the insolubility of NK in alcohol, DNA and RNA remain on the column. After drying the column with air flow, NK are eluted with a low salt buffer (TE buffer) or nuclease-free water. Thus, the cleaning of the NK using the described procedure takes no more than 15 minutes.

Таким образом, при выделении и очистке НК с использованием микрофлюидного модуля используются следующие реагенты и буферы:Thus, the following reagents and buffers are used when separating and purifying NK using a microfluidic module:

на стадии лизиса - раствор ферментов для разрушения клеточных стенок и мембран, таких как лизоцим, субтилизин, протеиназа К и др., и Лизирующий буфер (ЛБ), содержащий хаотропный агент в высокой концентрации (3-6 моль/л). В качестве хаотропных агентов можно использовать, например, соли гуанидина (гуанидинтиоцианат, гуанидингидрохлорид и др.);at the stage of lysis, a solution of enzymes for the destruction of cell walls and membranes, such as lysozyme, subtilisin, proteinase K, etc., and Lysing buffer (LB) containing a high concentration of a chaotropic agent (3-6 mol / L). As chaotropic agents, for example, guanidine salts (guanidine thiocyanate, guanidine hydrochloride, etc.) can be used;

на стадии экстракции НК в микроколонке, содержащей твердофазный носитель (силикагели, стекловолоконные фильтры, химически модифицированное стекло и др.), - промывочный буфер (ПБ), содержащий хаотропный агент, а также раствор 70% этанола;at the stage of ND extraction in a microcolumn containing a solid-phase carrier (silica gels, glass fiber filters, chemically modified glass, etc.), a washing buffer (PB) containing a chaotropic agent, as well as a solution of 70% ethanol;

на стадии элюции НК с сорбента - раствор буфера для элюции, например буфер ТЕ.at the stage of elution of NK from the sorbent, a solution of the buffer for elution, for example, TE buffer.

В заявленном изобретении предложен сменный микрофлюидный модуль, в котором последовательно осуществляются все стадии выделения НК. Модуль содержит резервуары, микроканалы и клапаны, осуществляющие перемещение реакционных жидкостных объемов в процессе выделения НК, и выполнен из материалов, инертных по отношению к используемым реагентам и не сорбирующих НК.In the claimed invention, a replaceable microfluidic module is proposed in which all stages of NC extraction are successively carried out. The module contains tanks, microchannels and valves that move the reaction liquid volumes in the process of separating nanocrystals, and is made of materials inert to the reagents used and not sorbing the nanocrystals.

Принципиальная схема сменного микрофлюидного модуля представлена на Фиг.2.A schematic diagram of a replaceable microfluidic module is presented in Figure 2.

Биологический образец вводится в резервуар 'Проба', объем которого составляет 500 мкл. Объем резервуара 'Лизоцим' составляет 100 мкл, что вполне достаточно при используемой рабочей концентрации фермента. Объем резервуара, содержащего Лизирующий буфер (ЛБ), составляет 500 мкл. Задерживание клеток и/или вирусных частиц на мембране осуществляется путем фильтрации образца из резервуара 'Проба' через резервуар 'Фильтр. Резервуар для лизиса' в сосуд 'Резервуар для отходов реакций', объем которого составляет 2 мл. В силу того что в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса' осуществляется последовательная обработка клеток сначала лизоцимом, затем лизирующим буфером, суммарный объем данного сосуда составляет 700 мкл.A biological sample is introduced into the Sample tank, the volume of which is 500 μl. The volume of the reservoir 'Lysozyme' is 100 μl, which is quite enough with the used working concentration of the enzyme. The volume of the reservoir containing Lysis buffer (LB) is 500 μl. The retention of cells and / or viral particles on the membrane is carried out by filtering the sample from the reservoir "Sample" through the reservoir "Filter. Lysis tank 'into the vessel' Reaction waste tank ', the volume of which is 2 ml. Due to the fact that in the vessel 'Filter. The lysis tank 'sequentially treats the cells first with lysozyme, then with lysis buffer, the total volume of this vessel is 700 μl.

По достижении необходимого состава лизирующей смеси, она пропускается через микроколонку, содержащую силикагель в качестве агента, сорбирующего НК. Объем данного резервуара определяется объемом суспензии силикагеля и составляет 50 мкл. На стадии проектирования объем резервуара для Промывочного буфера (ПБ) составляет 500 мкл. Объем резервуара 'Этанол', используемого в сменном модуле, соответствует 400 мкл. Наконец, с целью концентрирования препарата НК, сорбированного в микроколонке, объем элюирующего буфера (ТЕ) составляет 100 мкл. Таким образом, на этапе проектирования сменного модуля суммарный объем всех сосудов и микроканалов оказывается менее 10 мл.Upon reaching the required composition of the lysing mixture, it is passed through a microcolumn containing silica gel as an agent sorbing NK. The volume of this tank is determined by the volume of the suspension of silica gel and is 50 μl. At the design stage, the tank volume for the Wash Buffer (WB) is 500 μl. The volume of the Ethanol reservoir used in the plug-in module is 400 µl. Finally, in order to concentrate the NK preparation sorbed in a microcolumn, the volume of the elution buffer (TE) is 100 μl. Thus, at the design stage of the plug-in module, the total volume of all vessels and microchannels is less than 10 ml.

Температурный оптимум работы лизоцима составляет 37°С. Соответственно, данная температура обеспечивается в резервуарах 'Лизоцим' и 'Фильтр. Резервуар для лизиса' при достижении данной стадии выделения НК.The temperature optimum of lysozyme is 37 ° C. Accordingly, this temperature is provided in the tanks' Lysozyme 'and' Filter. Lysis reservoir 'when reaching this stage of NK isolation.

Лизирующий буфер содержит хаотропный агент, например гуанидинтиоцианат (ГТЦ), в концентрации выше 3 моль/л. При этом раствор ГТЦ в такой концентрации способен к образованию кристаллов при температурах 37°С и ниже. Данное обстоятельство может препятствовать перемещению растворов через каналы сменного модуля, а также уменьшать концентрацию хаотропного агента в целом, негативно отражаясь на лизисе и последующей сорбции НК на микроколонке. В связи с вышеизложенным в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса' на стадии добавления Лизирующего буфера обеспечивается температура 60°С.The lysing buffer contains a chaotropic agent, for example guanidine thiocyanate (GTZ), in a concentration above 3 mol / L. In this case, the GTZ solution in this concentration is capable of forming crystals at temperatures of 37 ° C and below. This circumstance can impede the movement of solutions through the channels of the plug-in module, as well as reduce the concentration of the chaotropic agent as a whole, negatively affecting the lysis and subsequent sorption of nanocrystals on the microcolumn. In connection with the foregoing, in the vessel 'Filter. The lysis tank 'at the stage of adding Lysis buffer is provided at a temperature of 60 ° C.

С целью эффективного и равномерного лизиса в данном резервуаре предусмотрено перемешивание растворов на стадиях обработки ферментом для разрушения клеточных стенок и мембран и лизирующим буфером. Аналогичные требования по температуре предъявляются также к резервуару 'Пром. буфер', содержащему раствор, в состав которого входит гуанидинтиоцианат в высокой концентрации. Термостатирование растворов может быть осуществлено, например, при использовании элементов Пельтье, размещенных в управляющем устройстве непосредственно под указанными резервуарами микрофлюидного модуля. Перемешивание в объеме 'Фильтр. Резервуар для лизиса' может быть осуществлено помещением в резервуар стального стержня в тефлоновой оболочке (мешальника) диаметром, не превышающим диаметр резервуара, и размещением источника электромагнитного поля в управляющем устройстве.For the purpose of effective and uniform lysis, this tank provides for mixing of solutions at the stages of treatment with an enzyme to destroy cell walls and membranes and a lysis buffer. Similar temperature requirements are also applied to the 'Prom. a buffer 'containing a solution which contains guanidine thiocyanate in high concentration. Thermostating of the solutions can be carried out, for example, using Peltier elements located in the control device directly under the indicated reservoirs of the microfluidic module. Stirring in volume 'Filter. The lysis tank 'can be carried out by placing a steel rod in a Teflon shell (mixer) with a diameter not exceeding the diameter of the tank and placing an electromagnetic field source in the control device.

С целью возможной модификации способа выделения НК для его применения в отношении сложных объектов для выделения НК, таких как бактериальные споры, в сменном модуле предусмотрен резервный сосуд ('R' на Фиг.2) объемом 500 мкл для введения дополнительных реактивов, необходимых на стадии лизиса.In order to possibly modify the method for separating NK for its use in relation to complex objects for the isolation of NK, such as bacterial spores, a 500 µl reserve vessel ('R' in Fig. 2) is provided in the replaceable module for introducing additional reagents required at the stage of lysis .

На основании проведенного выше проектирования сменного модуля и адаптации способа выделения НК предложена последовательность операций, необходимая для проведения процедуры выделения и очистки НК в сменном модуле с использованием разработанного способа. Названия клапанов даны в соответствии с их обозначением на Фиг.2.Based on the design of the plug-in module carried out above and the adaptation of the ND extraction method, the sequence of operations necessary for carrying out the ND extraction and purification procedure in the removable module using the developed method is proposed. The names of the valves are given in accordance with their designation in figure 2.

1. Ввод биологического образца в резервуар 'Проба' сменного модуля. Все необходимые растворы, входящие в состав НК-протокола, подготовлены и заправлены в соответствующие резервуары сменного модуля.1. Entering the biological sample into the sample tank of the plug-in module. All the necessary solutions that are part of the NK Protocol are prepared and filled in the corresponding reservoirs of the replaceable module.

2. Активация клапана к1. Подача внешнего давления на резервуар 'Проба'. Фильтрация биологического образца из сосуда 'Проба' через мембрану в резервуаре 'Фильтр. Резервуар для лизиса' в сосуд 'Резервуар для отходов реакций'. Закрытие клапана к1.2. Activation of valve k1. Applying external pressure to the Sample tank. Filtration of a biological sample from a 'Sample' vessel through a membrane in a 'Filter' tank. Tank for lysis' into the vessel 'Tank for reaction waste'. Closing valve k1.

3. Активация клапана к2а. Нагрев резервуаров 'Лизоцим' и 'Фильтр. Резервуар для лизиса' до 37°С. Добавление раствора фермента из резервуара 'Лизоцим' к клеткам на фильтре в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса'. Включение перемешивающего устройства. Закрытие клапана к2а. Инкубация клеток с лизоцимом в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса' в течение 5 минут.3. Activation of the k2a valve. Heating tanks' Lysozyme 'and' Filter. Lysis tank 'up to 37 ° C. Adding an enzyme solution from the Lysozyme reservoir to the cells on the filter in the Filter vessel. Reservoir for lysis'. Turn on the mixing device. Closing valve k2a. Incubation of cells with lysozyme in the vessel 'Filter. Lysis tank for 5 minutes.

4. Активация клапана к2б. Нагрев резервуара 'Фильтр. Резервуар для лизиса' до 60°С. Добавление раствора ЛБ из резервуара 'Лиз. Буфер (ЛБ)' к реакционной смеси в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса'. Закрытие клапана к2б. Инкубация реакционной смеси в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса' в течение 5 минут.4. Activation of the k2b valve. Tank heating 'Filter. Lysis tank 'up to 60 ° C. Adding a solution of LB from the reservoir 'Liz. Buffer (LB) 'to the reaction mixture in the vessel' Filter. Reservoir for lysis'. Closing valve k2b. Incubation of the reaction mixture in the vessel 'Filter. Lysis tank for 5 minutes.

5. Выключение нагревательного элемента и перемешивающего устройства в сосуде 'Фильтр. Резервуар для лизиса'. Активация клапанов к3 и к4. Прохождение реакционной смеси из резервуара "Фильтр. Резервуар для лизиса' через микроколонку с твердофазным сорбентом 'Микроколонка' в сосуд 'Резервуар для отходов реакций'. Закрытие клапанов к3 и к4.5. Turning off the heating element and the mixing device in the vessel 'Filter. Reservoir for lysis'. Activation of valves k3 and k4. The passage of the reaction mixture from the filter tank. Lysis tank 'through a microcolumn with solid phase sorbent' Microcolumn 'into the vessel' Reaction waste tank '. Closing valves k3 and k4.

6. Нагрев резервуара 'Пром. буфер' до 55°С. Подача внешнего давления в резервуар 'Пром. буфер'. Активация клапанов к4а и к4. Прохождение раствора из резервуара 'Пром. буфер' через микроколонку с сорбирующим агентом 'Микроколонка' в сосуд 'Резервуар для отходов реакций'. Закрытие клапанов к4а и к4. Выключение нагрева в резервуаре 'Пром. буфер'.6. Tank heating 'Prom. buffer 'up to 55 ° C. Supply of external pressure to the tank 'Prom. buffer'. Activation of valves k4a and k4. The passage of the solution from the tank 'Prom. buffer 'through the microcolumn with the sorbent agent' Microcolumn 'into the vessel' Reaction waste tank '. Closing valves k4a and k4. Switching off heating in the tank 'Prom. buffer'.

7. Подача внешнего давления в резервуар 'Этанол'. Активация клапана к4. Прохождение раствора из резервуара 'Этанол' через микроколонку с сорбирующим агентом 'Микроколонка' в сосуд 'Резервуар для отходов реакций'. Закрытие клапана к4а.7. Supply of external pressure to the Ethanol tank. K4 valve activation. The passage of the solution from the ethanol tank through the microcolumn with the sorbent agent Microcolumn into the vessel for the reaction waste tank. Closing valve k4a.

8. Подача внешнего давления в резервуар 'ТЕ'. Активация клапана к5. Прохождение раствора из резервуара 'ТЕ' через микроколонку с сорбирующим агентом 'Микроколонка' в сосуд 'Резервуар для НК'. Закрытие клапана к5.8. The supply of external pressure to the tank 'TE'. K5 valve activation. The passage of the solution from the reservoir 'TE' through the microcolumn with the sorbent agent 'Microcolumn' into the vessel 'Tank for NK'. Closing valve k5.

9. Предложенный алгоритм реализации способа выделения НК в сменном модуле, а также требования к объемам и нагреву элементов модуля используются для разработки жидкостных и воздушных клапанов, создания сменного модуля и управляющей установки-контроллера, а также программного обеспечения, осуществляющего управление процедурой выделения НК.9. The proposed algorithm for implementing the method for separating NK in a plug-in module, as well as the requirements for volumes and heating of module elements are used to develop liquid and air valves, create a plug-in module and a control unit-controller, as well as software that manages the procedure for extracting NK.

Далее изобретение проиллюстрировано примерами, которые предназначены для обеспечения лучшего понимания сущности заявленного изобретения, но не должны рассматриваться как ограничивающие данное изобретение.The invention is further illustrated by examples, which are intended to provide a better understanding of the essence of the claimed invention, but should not be construed as limiting the invention.

ПримерыExamples

Пример 1. Конструктивные элементы микрофлюидного модуля для выделения ПК и управляющей установки-контроллера.Example 1. The structural elements of the microfluidic module for the selection of the PC and the control unit controller.

На Фиг.3 представлены конструктивные элементы сменного модуля для выделения НК.Figure 3 presents the structural elements of a removable module for highlighting NK.

Сборка модуля осуществляется в следующем порядке:Module assembly is carried out in the following order:

1. Устанавливают эластичную мембрану 2 в рабочую платформу 1.1. Install the elastic membrane 2 in the working platform 1.

2. Помещают мешальник 6 в соответствующий резервуар 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.2. Place agitator 6 in the appropriate reservoir 'Filter. Reservoir for lysis'.

3. Вставляют полукорпус 3 в соответствующие посадочные отверстия рабочей платформы 1.3. Insert the half-shell 3 into the corresponding landing holes of the working platform 1.

4. Плотно прижав полукорпус и рабочую платформу друг к другу, проводят предварительное скрепление их фиксирующими клипсами 10 в угловых точках.4. Firmly pressing the half-shell and the working platform to each other, carry out a preliminary fastening of their fixing clips 10 at corner points.

5. Вставляют 2 уплотнительных кольца 7 в соответствующие элементы полукорпуса 3.5. Insert 2 o-rings 7 into the corresponding elements of the half-shell 3.

6. Устанавливают мембрану для концентрирования клеток 8 в соответствующий резервуар 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.6. Install a membrane for concentrating cells 8 in the appropriate reservoir 'Filter. Reservoir for lysis'.

7. Устанавливают цилиндр с суспензией силикагеля в резервуар 'Микроколонка'.7. Install a cylinder with a suspension of silica gel in the tank "Microcolumn".

8. Вставляют каналобразующую вставку с прокалываемыми пробками 4 для заправки реагентов в модуле в посадочное место в верхней крышке 5.8. Insert the channel-forming insert with punctured plugs 4 for refueling the reagents in the module into the seat in the top cover 5.

9. Вставляют элементы, собранные в п.5.1.8 (верхняя крышка и каналообразующая мембрана) в соответствующие посадочные места в полукорпусе 3 и фиксируют клипсами 10.9. Insert the elements collected in paragraph 5.1.8 (the top cover and the channel-forming membrane) into the corresponding seats in the half-shell 3 and fix with clips 10.

В качестве материала для изготовления рабочей платформы, полукорпуса и верхней крышки использовано оргстекло. Резервуары и технологические отверстия изготовлены сверлением с последующей полировкой для удаления стеклянной пыли, а также возможных микротрещин и микровыступов, способных к неспецифической сорбции НК в присутствии хаотропного агента в высокой концентрации. Аналогичные требования предъявлялись к материалам для изготовления эластичной мембраны и каналообразующей вставки. Для изготовления данных элементов были использованы латекс и нитрил, предварительно проверенные на отсутствие сорбирующих эффектов в отношении НК.As a material for the manufacture of a working platform, half-shell and upper cover, plexiglass was used. The tanks and technological holes are made by drilling and polishing to remove glass dust, as well as possible microcracks and microprotrusions capable of nonspecific sorption of nanocrystals in the presence of a high concentration of a chaotropic agent. Similar requirements were imposed on materials for the manufacture of an elastic membrane and a channel-forming insert. For the manufacture of these elements, latex and nitrile were used, previously tested for the absence of sorbing effects in relation to nanocrystals.

Фиг.4 демонстрирует фотографии рабочих макетов сменного модуля. На Фиг.4А представлена фотография заправленного модуля в сборе, готового к проведению анализа. На Фиг.4Б представлены элементы модуля - рабочая платформа 1 и полукорпус 3.Figure 4 shows photographs of the working layouts of the plug-in module. On figa presents a photograph of the refilled module assembly, ready for analysis. On Figb presents the elements of the module - a working platform 1 and a half-housing 3.

Головной прибор состоит из набора электроклапанов и форсунок, микрокомпрессора, нагревательных элементов, блока питания, электронной схемы для соединения установки-контроллера с компьютером.The head instrument consists of a set of electrovalves and nozzles, a microcompressor, heating elements, a power supply, an electronic circuit for connecting the controller to a computer.

Элетроклапана предназначены для регулирования работы пневмоклапанов, расположенных в сменном модуле. Элетроклапан представляет собой соленоид постоянного тока. Шток соленоида перекрывает через инертную мембрану капиллярное соединение входного и выходного отверстия. Шток изначально подпружинен, и клапан закрыт.При подаче постоянного напряжения на электромагнит, шток втягивается, давая возможность давлению воздуха, созданному микрокомпрессором, приподнять мембрану и открыть клапан.Electric valves are designed to regulate the operation of pneumatic valves located in a replaceable module. The electric valve is a direct current solenoid. The solenoid rod closes through the inert membrane the capillary connection of the inlet and outlet. The stem is initially spring-loaded and the valve is closed. When a constant voltage is applied to the electromagnet, the stem is retracted, allowing the air pressure created by the microcompressor to lift the diaphragm and open the valve.

Блок форсунок предназначен для обеспечения возможности регулирования давления, подаваемого в воздушные магистрали сменного модуля (давление для запирания штоков клапанов и давление для перемещения жидкостей). Для обеспечения возможности регулировать давление в системе, форсунки управлялись постоянным напряжением с широтно-импульсной модуляцией.The nozzle block is designed to provide the ability to control the pressure supplied to the air lines of the plug-in module (pressure to lock valve stems and pressure to move fluids). To provide the ability to regulate the pressure in the system, the nozzles were controlled by a constant voltage with pulse-width modulation.

Микрокомпрессор предназначен для создания потока воздуха. Микрокомпрессор представляет собой мембранный либо плунжерный насос, способный создавать избыточное давление воздуха до 2 атм. Также для устранения кавитаций после компрессора перед модулем располагали демпфер.The microcompressor is designed to create an air stream. The microcompressor is a diaphragm or plunger pump capable of creating excess air pressure up to 2 atm. Also, to eliminate cavitation after the compressor, a damper was placed in front of the module.

Нагревание соответствующих резервуаров осуществляли элементами Пельтье, расположенными под гнездом установки сменного модуля в блоке контроллера. Для общего управления элементами Пельтье, клапанами и форсунками был разработан единый микропроцессорный блок.The heating of the respective tanks was carried out by Peltier elements located under the socket of the installation of the replaceable module in the controller unit. For the general control of Peltier elements, valves and nozzles, a single microprocessor unit has been developed.

На Фиг.5 представлена фотография (вид сверху) установки-контроллера. Установка содержит 16 электроклапанов и 2 форсунки, обеспечивающие управление пневмоклапанами. Сменный модуль помещен в специальное гнездо установки контроллера. Сопряжение модуля с установкой-контроллером осуществляется за счет точного позиционирования штоков штуцеров контроллера с приемными отверстиями сменного модуля. Элементы Пельтье и магнитная мешалка располагаются под гнездом сменного модуля. Блоки управления и питания, а также микрокомпрессор являются выносными. Управление макетом осуществляется по интерфейсам USB2.0 или IEEE802.3i с помощью разработанного программного обеспечения.Figure 5 presents a photograph (top view) of the installation of the controller. The installation contains 16 electrovalves and 2 nozzles, providing control of pneumatic valves. The replaceable module is placed in a special socket for installing the controller. The module is coupled with the controller installation due to the exact positioning of the stems of the controller nozzles with the receiving holes of the replaceable module. Peltier elements and a magnetic stirrer are located under the socket of the plug-in module. The control and power units, as well as the microcompressor, are remote. The layout is controlled via USB2.0 or IEEE802.3i with the help of developed software.

Пример 2. Реализация управлением перемещения газожидкостных потоков, а также перемешивания растворов в сменном модуле для выделения НК.Example 2. The implementation of the management of the movement of gas-liquid flows, as well as mixing solutions in a removable module for the selection of NK.

При изготовлении сменного микрофлюидного модуля были сформулированы и реализованы следующие принципы управления и перемещения жидкостных и воздушных потоков.In the manufacture of a replaceable microfluidic module, the following principles of control and movement of liquid and air flows were formulated and implemented.

- Движущая сила перекачивания жидкостей и запирания клапанов (пневмоклапанов) - давление сжатого воздуха.- The driving force for pumping liquids and locking valves (pneumatic valves) is the pressure of compressed air.

- Отсутствие контакта веществ, находящихся в резервуарах, как с атмосферой, так и со сжатым воздухом, за счет наличия упругих мембранных проставок.- Lack of contact of substances in the tanks, both with the atmosphere and with compressed air, due to the presence of elastic membrane spacers.

В начальный момент все клапаны являются закрытыми, за счет натяжения мембраны клапана на его патрубки, т.к. конструктивно сила натяжения мембраны клапана много больше силы натяжения мембраны резервуара (например, в силу большей толщины мембраны клапана) (см. Фиг.6). Перекачивание растворов осуществляется подачей давления на мембрану резервуара с раствором, при этом подачи давления на соответствующий клапан, через который происходит перетекание жидкости, осуществляться не должно (Фиг.7, А-В). В объем под мембраной того резервуара, из которого необходимо перекачать раствор, следует подать избыточное давление, способное преодолеть сопротивление клапана. Регулировка скорости течения жидкости осуществляется за счет увеличения/уменьшения подаваемого давления и/или изменением диаметра отверстия.At the initial moment, all valves are closed, due to the tension of the valve membrane on its nozzles, because structurally, the tension force of the valve membrane is much greater than the tension force of the membrane of the tank (for example, due to the greater thickness of the valve membrane) (see Fig.6). The pumping of solutions is carried out by applying pressure to the membrane of the reservoir with the solution, while the pressure supply to the corresponding valve through which the fluid flows must not be carried out (Fig. 7, A-B). In the volume under the membrane of the tank from which it is necessary to pump the solution, an excess pressure should be applied that can overcome the valve resistance. The adjustment of the fluid flow rate is carried out by increasing / decreasing the supplied pressure and / or changing the diameter of the hole.

Управление направлением перетекания раствора осуществляется по следующей схеме (Фиг.8). При подаче одинакового давления в объем под мембраной резервуара с раствором и в объем под мембраной клапана 1 перетекания раствора через клапан 1 не будет (клапан 1 полностью закрыт). Весь раствор потечет через правый клапан 2, т.к. в этом случае раствору необходимо преодолеть только сопротивление натянутой мембраны клапана.Management of the direction of flow of the solution is carried out according to the following scheme (Fig. 8). When the same pressure is applied to the volume under the membrane of the solution tank and into the volume under the membrane of valve 1, the solution will not flow through valve 1 (valve 1 is completely closed). All solution will flow through the right valve 2, as in this case, the solution needs to overcome only the resistance of the stretched valve membrane.

Для осуществления перемешивания в сосуде модуля 'Фильтр. Резервуар для лизиса' при обработке ферментом для разрушения клеточных стенок и мембран и лизирующим буфером, в основании резервуара была сконструирована ниша для магнитной мешалки (Фиг.9). Данное решение позволяет избежать сразу двух критических вопросов - целостность мембраны и отсутствие дополнительных мертвых объемов, обусловленных объемом мешалки. Генерирование внешнего переменного электромагнитного поля осуществляется с помощью системы активных электромагнитов, смонтированных в установке-контроллере, управление которыми происходит с помощью микропроцессорного блока.For mixing in the vessel of the filter module. A lysis tank 'when treated with an enzyme to destroy cell walls and membranes and a lysis buffer, a niche for a magnetic stirrer was constructed at the base of the tank (Figure 9). This solution avoids two critical issues at once - the integrity of the membrane and the absence of additional dead volumes due to the volume of the mixer. The generation of an external alternating electromagnetic field is carried out using a system of active electromagnets mounted in a controller, which are controlled by a microprocessor unit.

Пример 3. Алгоритм управления клапанами, осуществляющими перемещение растворов реагентов и биологического образца в резервуарах сменного модуля.Example 3. The control algorithm for valves that carry out the movement of solutions of reagents and biological sample in the tanks of the replaceable module.

На Фиг.10 представлен интерфейс клиентской части программного обеспечения (ПО), управляющего работой установки-контроллера со сменным модулем для выделения НК.Figure 10 presents the interface of the client part of the software (software) that controls the operation of the installation of the controller with a removable module for the allocation of NK.

Клиентская часть ПО предназначена для манипулирования электроклапанами (а1-а7) и пневмоклапанами (к1-к5) (открытие/закрытие) посредством нажатия на пиктограмму соответствующего клапана, а также для задания температуры инкубации реакционной смеси в соответствующих резервуарах.The client part of the software is intended for manipulating electrovalves (a1-a7) and pneumatic valves (k1-k5) (opening / closing) by clicking on the icon of the corresponding valve, as well as for setting the incubation temperature of the reaction mixture in the corresponding tanks.

Инициализация обмена данными по интерфейсам USB2.0 или Ethernet осуществляется кнопкой 'Connect'. Остановка программы или экстренное прерывание производится при помощи кнопки 'STOP!'Initialization of data exchange via USB2.0 or Ethernet is carried out using the 'Connect' button. A program stop or an emergency interruption is made using the 'STOP!' Button

Реализация открытия/закрытия электроклапанов осуществляется путем подачи напряжения 12 В на соответствующий выход электрической части клапана и контролируется специальной микропрограммой, загруженной в микропроцессор. Регулировка производится одновременно по 15 каналам, рассчитанным на управление 14 клапанами и перемешивающим устройством в объеме 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.The opening / closing of electrovalves is realized by applying a voltage of 12 V to the corresponding output of the electrical part of the valve and is controlled by a special microprogram loaded into the microprocessor. Adjustment is made simultaneously through 15 channels, designed to control 14 valves and a mixing device in the volume of the 'Filter. Reservoir for lysis'.

Перемещение растворов реагентов и биологического образца в сменном модуле в процессе выделения НК осуществляется по следующему алгоритму.The movement of the reagent solutions and the biological sample in the plug-in module during the NC extraction process is carried out according to the following algorithm.

Стадия 1. Ввод биологического образца в приемную камеру (Резервуар 'Проба') модуля.Stage 1. Entering the biological sample into the receiving chamber (Reservoir 'Sample') of the module.

- нажать на пиктограмму 'Connect' (инициализация обмена данных по портам ввода-вывода, сброс всех клапанов в закрытое состояние).- click on the 'Connect' icon (initialization of data exchange on I / O ports, resetting all valves to closed state).

Стадия 2. Фильтрация биологического образца через фильтр в резервуаре для лизиса.Stage 2. Filtration of a biological sample through a filter in a lysis tank.

- открыть электроклапан а1.- open the electrovalve a1.

- открыть пневмоклапан k1.- open the pneumatic valve k1.

- открыть пневмоклапан k4.- open the k4 pneumatic valve.

- визуально проконтролировать перетекание образца в жидкой фазе из резервуара 'Проба' в объем 'Фильтр. Резервуар для лизиса' и далее в объем 'Резервуар для отходов реакции'. Биологический материал (клетки) остаются на фильтре.- visually check the flow of the sample in the liquid phase from the tank 'Sample' into the volume 'Filter. Tank for lysis' and further to the volume of 'Tank for waste reaction'. Biological material (cells) remain on the filter.

- закрыть пневмоклапан k1.- close the pneumatic valve k1.

- закрыть пневмоклапан k4.- close the k4 pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а1.- close the solenoid valve a1.

Стадия 3. Обработка биологического материала (клеток/вирусных частиц) лизоцимом.Stage 3. Processing of biological material (cells / viral particles) with lysozyme.

- установить температуру резервуара 'Лизоцим' на 37°С.- set the temperature of the Lysozyme tank to 37 ° С.

- установить температуру резервуара 'Фильтр. Резервуар для лизиса' на 37°С.- set the tank temperature 'Filter. Tank for lysis' at 37 ° C.

- подождать 1 мин.- wait 1 min.

- открыть электроклапан а3.- open the electrovalve a3.

- открыть пневмоклапан k2a.- open the k2a pneumatic valve.

- визуально проконтролировать перетекание реагента из резервуара 'Лизоцим' в объем 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.- visually check the flow of the reagent from the Lysozyme reservoir into the Filter volume. Reservoir for lysis'.

- закрыть пневмоклапан k2a.- close the k2a pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а3.- close the solenoid valve a3.

- включить перемешивающее устройство в резервуаре 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.- turn on the mixing device in the filter tank. Reservoir for lysis'.

- выключить нагрев резервуара 'Лизоцим.'- turn off the heating of the tank 'Lysozyme.'

- подождать 2 мин.- wait 2 minutes

Стадия 4. Окончательный лизис биологического материала (клеток микроорганизмов/вирусных частиц) с использованием Лизирующего буфера.Stage 4. The final lysis of biological material (cells of microorganisms / viral particles) using Lysis buffer.

- установить температуру резервуара 'Фильтр. Резервуар для лизиса' на 60°С.- set the tank temperature 'Filter. Lysis tank 'at 60 ° C.

- подождать 1 мин.- wait 1 min.

- открыть электроклапан а4.- open the electric valve a4.

- открыть пневмоклапан k2б.- open the pneumatic valve k2b.

- визуально проконтролировать перетекание реагента из резервуара 'Лиз. буфер' в объем 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.- visually check the flow of the reagent from the reservoir 'Liz. buffer 'to volume' Filter. Reservoir for lysis'.

- закрыть пневмоклапан k2б.- close the pneumatic valve k2b.

- закрыть электроклапан а4.- close solenoid valve a4.

- подождать 4 мин.- wait 4 minutes

Стадия 5. Сорбция нуклеиновых кислот на микроколонке.Stage 5. Sorption of nucleic acids on a microcolumn.

- выключить перемешивающее устройство в резервуаре 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.- turn off the agitator in the filter tank. Reservoir for lysis'.

- выключить нагрев резервуара 'Фильтр. Резервуар для лизиса'.- turn off the heating of the tank 'Filter. Reservoir for lysis'.

- открыть электроклапан а2.- open the solenoid valve a2.

- открыть пневмоклапан k3.- open the k3 pneumatic valve.

- открыть пневмоклапан k4.- open the k4 pneumatic valve.

- визуально проконтролировать перетекание образца в жидкой фазе из резервуара 'Фильтр. Резервуар для лизиса' через компонент 'Микроколонка' в объем 'Резервуар для отходов реакции'.- visually check the flow of the sample in the liquid phase from the reservoir 'Filter. Lysis tank 'through the' Microcolumn 'component to the volume' Reaction waste tank '.

- закрыть пневмоклапан k3.- close the k3 pneumatic valve.

- закрыть пневмоклапан k4.- close the k4 pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а2.- close the solenoid valve a2.

Стадия 6. Промывка нуклеиновых кислот на микроколонке с использованием промывочного буфера.Stage 6. Washing of nucleic acids in a microcolumn using a wash buffer.

- установить температуру резервуара 'Пром. буфер' на 55°С.- set the tank temperature 'Prom. buffer 'at 55 ° C.

- подождать 1 мин.- wait 1 min.

- открыть электроклапан а5.- open the solenoid valve a5.

- открыть пневмоклапан k4a.- open the k4a pneumatic valve.

- открыть пневмоклапан k4.- open the k4 pneumatic valve.

- визуально проконтролировать перетекание реагента из резервуара 'Пром. буфер' через компонент 'Микроколонка' в объем 'Резервуар для отходов реакции'.- visually check the flow of the reagent from the reservoir 'Prom. buffer 'through the component' Microcolumn 'into the volume' Tank for reaction waste '.

- закрыть пневмоклапан k4.- close the k4 pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а5.- close the solenoid valve a5.

- выключить нагрев резервуара 'Пром. буфер'- turn off the tank heating 'Prom. buffer'

Стадия 7. Промывка нуклеиновых кислот на микроколонке с использованием Этанола.Stage 7. Washing of nucleic acids in a microcolumn using Ethanol.

- открыть электроклапан а7.- open the solenoid valve a7.

- открыть пневмоклапан k4.- open the k4 pneumatic valve.

- - визуально проконтролировать перетекание реагента из резервуара 'Этанол' через компонент 'Микроколонка' в объем 'Резервуар для отходов реакции'.- - visually check the flow of the reagent from the Ethanol tank through the Microcolumn component to the volume of the Reaction Waste Tank.

- закрыть пневмоклапан k4.- close the k4 pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а7.- close the solenoid valve a7.

Стадия 8. Элюция НК с микроколонки с использованием буфера ТЕ.Stage 8. Elution of the NK from the microcolumn using the TE buffer.

- открыть электроклапан а6.- open the solenoid valve a6.

- открыть пневмоклапан k5.- open the k5 pneumatic valve.

- визуально проконтролировать перетекание реагента из резервуара 'ТЕ' через компонент 'Микроколонка' в объем 'Резервуар для препарата НК'.- visually check the flow of the reagent from the TE tank through the Microcolumn component to the volume of the Tank for NK preparation.

- закрыть пневмоклапан k5.- close the k5 pneumatic valve.

- закрыть электроклапан а6.- close the solenoid valve a6.

Стадия 9. Сброс параметров программы в исходное состояниеStage 9. Resetting the program parameters to the initial state

- нажать пиктограмму 'STOP!'- click on the 'STOP!' icon

- отсоединить от сменного модуля микропробирку с раствором выделенных НК.- disconnect from the plug-in module a microtube with a solution of extracted NK.

Пример 4. Выделение НК из грамотрицательных клеток с использованием микрофлюидного модуля.Example 4. The selection of NK from gram-negative cells using a microfluidic module.

Сборку сменного микрофлюидного модуля проводили, как описано в Примере 1. Растворы реагентов и буферов были заправлены в соответствующие резервуары сменного модуля в следующих композициях:The replacement microfluidic module assembly was carried out as described in Example 1. The reagent and buffer solutions were filled into the corresponding replacement module reservoirs in the following compositions:

Лизирующий буфер (ЛБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA и 4,9% Triton Х-100 (Sigma, США), деионизованная вода.Lysing buffer (LB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA and 4.9% Triton X-100 (Sigma, USA), deionized water.

Промывочный буфер (ПБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Wash buffer (PB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Раствор лизоцима (Лизоцим): 10 мг/мл лизоцима, 0,15 моль/л Трис рН 8.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Lysozyme solution (Lysozyme): 10 mg / ml lysozyme, 0.15 mol / L Tris pH 8.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Этанол: 70% этанол (ректификат).Ethanol: 70% ethanol (rectified).

Буфер для элюции (ТЕ): 0,15 моль/л Трис рН 7.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Elution buffer (TE): 0.15 mol / L Tris pH 7.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

С целью подготовки микроколонки сменного модуля в полипропиленовый цилиндр высотой 8 мм, диаметром 1,5 мм, объемом 10 мкл наносили 5 мкл водной суспензии силикагеля G60 Merck (Германия).In order to prepare the microcolumns of the plug-in module, 8 μl of an aqueous suspension of silica gel G60 Merck (Germany) was applied into a polypropylene cylinder 8 mm high, 1.5 mm in diameter, 10 μl in volume.

0,5 мл культуры грамотрицательных клеток Escherichia coli и Salmonella typhimurium добавляли в приемную камеру сменного модуля, после чего камеру закрывали, модуль подсоединяли к установке-контроллеру, запускали программное обеспечение и проводили выделение НК по алгоритму, описанному в Примере 3.0.5 ml of a culture of gram-negative cells of Escherichia coli and Salmonella typhimurium was added to the receiving chamber of the plug-in module, after which the chamber was closed, the module was connected to the controller, the software was started, and NK was isolated according to the algorithm described in Example 3.

В качестве метода сравнения использовали стандартную процедуру лизиса с последующей фенол-хлороформной экстракцией и переосаждением НК этанолом (центрифугирование при 13 тыс.об/мин, общее время выполнения процедуры - более 3 часов). Оценку эффективности выделения НК осуществляли по электрофоретической картине в 1% агарозном геле, путем визуального сравнения интенсивности полос в дорожках, содержащих НК, выделенные с использованием сменного микрофлюидного модуля и с использованием стандартного метода выделенияAs a comparison method, the standard lysis procedure was used, followed by phenol-chloroform extraction and reprecipitation of NC with ethanol (centrifugation at 13 thousand rpm, the total time of the procedure was more than 3 hours). Assessment of the efficiency of NK extraction was carried out according to the electrophoretic picture in a 1% agarose gel, by visual comparison of the intensity of the bands in tracks containing NK isolated using a replaceable microfluidic module and using the standard isolation method

Результаты выделения НК из грамотрицательных клеток с использованием сменного микрофлюидного модуля и стандартного метода выделения представлены на Фиг.11.The results of the selection of NK from gram-negative cells using a removable microfluidic module and a standard method of isolation are presented in Fig.11.

Как свидетельствуют результаты, представленные на Фиг.11, применение автоматизированной процедуры на основе микрофлюидного модуля позволяет эффективно выделять как ДНК, так и РНК из грамотрицательных клеток.As evidenced by the results presented in Fig. 11, the use of an automated procedure based on the microfluidic module allows efficient isolation of both DNA and RNA from gram-negative cells.

Пример 5. Выделение НК из грамположительных клеток с использованием микрофлюидного модуля.Example 5. The selection of NK from gram-positive cells using a microfluidic module.

Сборку сменного микрофлюидного модуля проводили, как описано в Примере 1. Растворы реагентов и буферов были заправлены в соответствующие резервуары сменного модуля в следующих композициях:The replacement microfluidic module assembly was carried out as described in Example 1. The reagent and buffer solutions were filled into the corresponding replacement module reservoirs in the following compositions:

Лизирующий буфер (ЛБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA и 4,9% Triton Х-100 (Sigma, США), деионизованная вода.Lysing buffer (LB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA and 4.9% Triton X-100 (Sigma, USA), deionized water.

Промывочный буфер (ПБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Wash buffer (PB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Раствор лизоцима (Лизоцим): 10 мг/мл лизоцима, 0,15 моль/л Трис рН 8.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Lysozyme solution (Lysozyme): 10 mg / ml lysozyme, 0.15 mol / L Tris pH 8.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Этанол: 70% этанол (ректификат).Ethanol: 70% ethanol (rectified).

Буфер для элюции (ТЕ): 0,15 моль/л Трис рН 7.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Elution buffer (TE): 0.15 mol / L Tris pH 7.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

С целью подготовки микроколонки сменного модуля в полипропиленовый цилиндр высотой 8 мм, диаметром 1,5 мм, объемом 10 мкл наносили 5 мкл водной суспензии силикагеля G60 Merck (Германия).In order to prepare the microcolumns of the plug-in module, 8 μl of an aqueous suspension of silica gel G60 Merck (Germany) was applied into a polypropylene cylinder 8 mm high, 1.5 mm in diameter, 10 μl in volume.

В один из сменных модулей в резервуар 'Лизоцим' вместо раствора лизоцима добавляли буфер ТЕ.Instead of a lysozyme solution, TE buffer was added to one of the plug-in modules in the Lysozyme reservoir.

0,5 мл культуры грамположительных клеток Bacillus thuringiensis добавляли в приемную камеру сменного модуля, после чего камеру закрывали, модуль подсоединяли к установке-контроллеру, запускали программное обеспечение и проводили выделение НК по алгоритму, описанному в Примере 3. Выделение проводили в сменном модуле, содержащем раствор лизоцима в соответствующем резервуаре, и в модуле, содержащем буфер ТЕ вместо лизоцима в соответствующем объеме.0.5 ml of a culture of gram-positive cells of Bacillus thuringiensis was added to the receiving chamber of the plug-in module, after which the chamber was closed, the module was connected to the controller installation, the software was started and NK was isolated according to the algorithm described in Example 3. Isolation was carried out in a plug-in module containing lysozyme solution in an appropriate tank, and in a module containing TE buffer instead of lysozyme in the appropriate volume.

В качестве метода сравнения использовали стандартную процедуру лизиса с последующей фенол-хлороформной экстракцией и переосаждением НК этанолом (центрифугирование при 13 тыс.об/мин, общее время выполнения процедуры - более 3 часов). Оценку эффективности выделения НК осуществляли по электрофоретической картине в 1% агарозном геле, путем визуального сравнения интенсивности полос в дорожках, содержащих НК, выделенные с использованием сменного микрофлюидного модуля и с использованием стандартного метода выделения.As a comparison method, the standard lysis procedure was used, followed by phenol-chloroform extraction and reprecipitation of NC with ethanol (centrifugation at 13 thousand rpm, the total time of the procedure was more than 3 hours). Assessment of the efficiency of NK extraction was carried out according to the electrophoretic picture in a 1% agarose gel, by visual comparison of the intensity of the bands in tracks containing NK isolated using a replaceable microfluidic module and using the standard isolation method.

Результаты выделения НК из клеток В.thuringiensis с использованием сменного микрофлюидного модуля и стандартного метода выделения представлены на Фиг.12.The results of the selection of NK from B. thuringiensis cells using a replaceable microfluidic module and a standard isolation method are presented in Fig. 12.

Как свидетельствуют результаты, представленные на Фиг.12, добавление лизоцима кардинально влияет на эффективность выделения как РНК, так и ДНК. В случае отсутствия лизоцима (Дорожка 3) в составе реагентов для лизиса в сменном модуле наблюдается лишь частичный лизис бактерий, что приводит к практически полной потере НК. Таким образом, стадия обработки клеток лизоцимом является необходимым компонентом автоматизированной процедуры с использованием сменного модуля. Разработанная процедура позволяет выделять НК из грамположительных клеток с эффективностью, сравнимой со стандартным методом выделения.As shown by the results presented in Fig. 12, the addition of lysozyme dramatically affects the efficiency of isolation of both RNA and DNA. In the absence of lysozyme (Lane 3) in the composition of the reagents for lysis in the replacement module, only partial lysis of bacteria is observed, which leads to an almost complete loss of NK. Thus, the stage of processing cells with lysozyme is a necessary component of an automated procedure using a removable module. The developed procedure allows NK to be isolated from gram-positive cells with an efficiency comparable to the standard isolation method.

Пример 6. Оценка эффективности выделения вирусной ДНК из образцов плазмы крови с использованием автоматизированной процедуры на основе сменного микрофлюидного модуля.Example 6. Evaluation of the effectiveness of the isolation of viral DNA from blood plasma samples using an automated procedure based on a removable microfluidic module.

Сборку сменного микрофлюидного модуля проводили, как описано в Примере 1. Растворы реагентов и буферов были заправлены в соответствующие резервуары сменного модуля в следующих композициях:The replacement microfluidic module assembly was carried out as described in Example 1. The reagent and buffer solutions were filled into the corresponding replacement module reservoirs in the following compositions:

Лизирующий буфер (ЛБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA и 4,9% Triton Х-100 (Sigma, США), деионизованная вода.Lysing buffer (LB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA and 4.9% Triton X-100 (Sigma, USA), deionized water.

Промывочный буфер (ПБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Wash buffer (PB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Раствор лизоцима (Лизоцим): 10 мг/мл лизоцима, 0,15 моль/л Трис рН 8.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Lysozyme solution (Lysozyme): 10 mg / ml lysozyme, 0.15 mol / L Tris pH 8.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Этанол: 70% этанол (ректификат).Ethanol: 70% ethanol (rectified).

Буфер для элюции (ТЕ): 0,15 моль/л Трис рН 7.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Elution buffer (TE): 0.15 mol / L Tris pH 7.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

С целью подготовки микроколонки сменного модуля в полипропиленовый цилиндр высотой 8 мм, диаметром 1,5 мм, объемом 10 мкл наносили 5 мкл водной суспензии силикагеля G60 Merck (Германия).In order to prepare the microcolumns of the plug-in module, 8 μl of an aqueous suspension of silica gel G60 Merck (Germany) was applied into a polypropylene cylinder 8 mm high, 1.5 mm in diameter, 10 μl in volume.

Образцы плазмы крови (200 мкл), содержащей вирус гепатита В в различных концентрациях, добавляли в приемную камеру сменного модуля, после чего камеру закрывали, модуль подсоединяли к установке-контроллеру, запускали программное обеспечение и проводили выделение НК по алгоритму, описанному в Примере 3.Samples of blood plasma (200 μl) containing hepatitis B virus in various concentrations were added to the receiving chamber of the replaceable module, after which the chamber was closed, the module was connected to the controller unit, the software was started, and NK was isolated according to the algorithm described in Example 3.

В качестве стандартной методики проводили выделение вирусной ДНК из плазмы крови с использованием коммерческого набора QIAamp DSP Virus Kit (Кат №60704, Qiagen, Германия).As a standard technique, viral DNA was isolated from blood plasma using a commercial QIAamp DSP Virus Kit (Cat No. 60704, Qiagen, Germany).

С целью оценки эффективности процедуры, проводили ПЦР с выделенной ДНК в качестве матрицы и с праймерами, специфичными к геному вируса гепатита В (ген X). Результаты представлены на Фиг.13.In order to evaluate the effectiveness of the procedure, PCR was performed with isolated DNA as a template and with primers specific for the hepatitis B virus genome (gene X). The results are presented in Fig.13.

Как показывают результаты, представленные на Фиг.13, разработанная автоматизированная процедура на основе микрофлюидного модуля позволяет эффективно выделять вирусную ДНК из образцов плазмы крови до 102 частиц в исследуемом образце. При этом полученный препарат ДНК может быть использован непосредственно в ПЦР.As the results shown in Fig. 13 show, the developed automated procedure based on the microfluidic module allows efficient isolation of viral DNA from blood plasma samples of up to 10 2 particles in the test sample. In this case, the obtained DNA preparation can be used directly in PCR.

Пример 7. Оценка эффективности выделения НК из бактериальных клеток (E.coli и B.thuringiensis) в диапазоне 102-108 клеток в 1 мл исходного образца с использованием автоматизированной процедуры на основе сменного микрофлюидного модуля.Example 7. Evaluation of the effectiveness of the selection of NK from bacterial cells (E. coli and B. thuringiensis) in the range of 10 2 -10 8 cells in 1 ml of the original sample using an automated procedure based on a removable microfluidic module.

Сборку сменных микрофлюидных модулей проводили, как описано в Примере 1. Растворы реагентов и буферов были заправлены в соответствующие резервуары сменного модуля в следующих композициях:Replacement microfluidic modules were assembled as described in Example 1. The reagent and buffer solutions were filled into the corresponding interchangeable module tanks in the following compositions:

Лизирующий буфер (ЛБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA и 4,9% Triton Х-100 (Sigma, США), деионизованная вода.Lysing buffer (LB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA and 4.9% Triton X-100 (Sigma, USA), deionized water.

Промывочный буфер (ПБ): 5 моль/л ГТЦ (Sigma, США), 0,15 моль/л Трис, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Wash buffer (PB): 5 mol / L GTZ (Sigma, USA), 0.15 mol / L Tris, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Раствор лизоцима (Лизоцим): 10 мг/мл лизоцима, 0,15 моль/л Трис рН 8.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Lysozyme solution (Lysozyme): 10 mg / ml lysozyme, 0.15 mol / L Tris pH 8.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

Этанол: 70% этанол (ректификат).Ethanol: 70% ethanol (rectified).

Буфер для элюции (ТЕ): 0,15 моль/л Трис рН 7.0, 0,05 моль/л EDTA, деионизованная вода.Elution buffer (TE): 0.15 mol / L Tris pH 7.0, 0.05 mol / L EDTA, deionized water.

С целью подготовки микроколонки сменного модуля в полипропиленовый цилиндр высотой 8 мм, диаметром 1,5 мм, объемом 10 мкл наносили 5 мкл водной суспензии силикагеля G60 Merck (Германия).In order to prepare the microcolumns of the plug-in module, 8 μl of an aqueous suspension of silica gel G60 Merck (Germany) was applied into a polypropylene cylinder 8 mm high, 1.5 mm in diameter, 10 μl in volume.

0,5 мл культуры E.coli и B.thuringiensis в разведениях в диапазоне 102-108 клеток в 1 мл добавляли в приемную камеру сменного модуля, после чего камеру закрывали, модуль подсоединяли к установке-контроллеру, запускали программное обеспечение и проводили выделение НК по алгоритму, описанному в Примере 3.0.5 ml of a culture of E. coli and B. thuringiensis in dilutions in the range of 10 2 -10 8 cells in 1 ml was added to the receiving chamber of the plug-in module, after which the chamber was closed, the module was connected to the controller-installation, the software was started and isolation was performed NK according to the algorithm described in Example 3.

В качестве метода сравнения использовали стандартную процедуру лизиса с последующей фенол-хлороформной экстракцией и переосаждением НК этанолом (центрифугирование при 13 тыс.об/мин, общее время выполнения процедуры - более 3 часов). Оценку эффективности выделения НК осуществляли путем проведения ПЦР с выделенной ДНК в качестве матрицы и с праймерами, специфичными к геномам E.coli и B.thuringiensis (ген gyrA), с последующим электрофоретическим разделением продуктов ПЦР в 2% агарозном геле.As a comparison method, the standard lysis procedure was used, followed by phenol-chloroform extraction and reprecipitation of NC with ethanol (centrifugation at 13 thousand rpm, the total time of the procedure was more than 3 hours). The efficiency of NK isolation was assessed by PCR with the extracted DNA as a template and with primers specific for the E. coli and B. thuringiensis genomes (gyrA gene), followed by electrophoretic separation of PCR products on a 2% agarose gel.

На Фиг.14 представлены результаты проведения ПЦР с ДНК, выделенной с использованием автоматизированной процедуры на основе сменных микрофлюидных модулей из разведений культур E.coli (А) и B.thuringiensis (В) в диапазоне 102-108 клеток в 1 мл исходного образца. Как свидетельствуют представленные результаты, заявляемый способ автоматизированного выделения НК с использованием сменных микрофлюидных модулей позволяет проводить анализ в широком диапазоне концентраций бактериальных клеток в биологическом образце.On Fig presents the results of PCR with DNA isolated using an automated procedure based on replaceable microfluidic modules from dilutions of cultures of E. coli (A) and B.thuringiensis (B) in the range of 10 2 -10 8 cells in 1 ml of the original sample . As evidenced by the presented results, the inventive method for the automated extraction of NK using replaceable microfluidic modules allows analysis in a wide range of concentrations of bacterial cells in a biological sample.

Пример 8. Оценка суммарных потерь при выделении НК с использованием автоматизированной процедуры на основе сменного микрофлюидного модуля.Example 8. Evaluation of the total losses in the allocation of NK using an automated procedure based on a removable microfluidic module.

Подготовку сменных модулей и выделение НК из культур клеток E.coli и B.thuringiensis осуществляли, как описано в Примерах 3-7.The preparation of plug-in modules and the selection of NK from cell cultures of E. coli and B. thuringiensis was carried out as described in Examples 3-7.

Оценку суммарных потерь при выделении НК на этапе лабораторных испытаний проводили путем проведения стадий выделения НК с использованием автоматизированной процедуры на основе сменных микрофлюидных модулей и стандартной методики выделения НК с последующим измерением концентраций ДНК на спектрофотометре. Процедуру выделения выполняли в трех повторностях. Результаты представлены в Таблице 1.The total losses during the extraction of NK at the stage of laboratory testing were estimated by carrying out the stages of NK isolation using an automated procedure based on replaceable microfluidic modules and a standard technique for NK isolation with subsequent measurement of DNA concentrations on a spectrophotometer. The isolation procedure was performed in triplicate. The results are presented in Table 1.

Таблица 1Table 1 Определение концентраций ДНК, выделенной из клеток E.coli и B.thuringiensis с использованием автоматизированной процедуры на основе микрофлюидных модулей и стандартной процедуры выделенияDetermination of DNA concentrations isolated from E. coli and B.thuringiensis cells using an automated procedure based on microfluidic modules and a standard isolation procedure Концентрации ДНК, выделенной из клеток E.coli стандартным методомConcentration of DNA isolated from E. coli cells by standard method Концентрации ДНК, выделенной из клеток E.coli с использованием микрофлюидного модуляConcentrations of DNA isolated from E. coli cells using a microfluidic module Концентрации ДНК, выделенной из клеток B.thuringiensis стандартным методомConcentrations of DNA isolated from B.thuringiensis cells by standard method Концентрации ДНК, выделенной из клеток B.thuringiensis с использованием микрофлюидного модуляThe concentration of DNA isolated from B.thuringiensis cells using microfluidic module 12,2 нг/мкл12.2 ng / μl 10,8±0,4 нг/мкл10.8 ± 0.4 ng / μl 14,1 нг/мкл14.1 ng / μl 13,6±0,5 нг/мкл13.6 ± 0.5 ng / μl 1,01 нг/мкл1.01 ng / μl 0,9±0,1 нг/мкл0.9 ± 0.1 ng / μl 1,01 нг/мкл1.01 ng / μl 0,866±0,05 нг/мкл0.866 ± 0.05 ng / μl

Представленные в Таблице 1 результаты свидетельствуют, что во всех экспериментах концентрация нуклеиновых кислот, выделенных с использованием заявленной автоматизированной процедуры НК, измеренная по поглощению на спектрофотометре, отличалась от концентрации НК, выделенных стандартным методом, не более чем на 20%, что демонстрирует высокую эффективность разработанной автоматизированной процедуры.The results presented in Table 1 indicate that in all experiments the concentration of nucleic acids isolated using the claimed automated NK procedure, measured by absorption on a spectrophotometer, differed from the concentration of NK isolated by the standard method by no more than 20%, which demonstrates the high efficiency of the developed automated procedure.

Таким образом, представленное изобретение позволяет проводить выделение и очистку нуклеиновых кислот бактерий и/или вирусов из биологических образцов (кровь, плазма, культуральные жидкости) с использованием сменного микрофлюидного модуля, в котором в автоматическом режиме осуществляются все стадии выделения и очистки нуклеиновых кислот. Способ включает стадии концентрирования (задерживания) клеток возбудителя на мембране, лизис и последующую экстракцию НК путем пропускания полученного лизата через твердофазный носитель с одновременной сорбцией на нем НК, промывку сорбента и связанной с ним НК, элюцию НК. Изобретение позволяет проводить выделение нуклеиновых кислот клеток микроорганизмов и/или вирусов из биологических образцов в автоматическом режиме с низкими потерями (не более 20%), низкой себестоимостью, малым временем, необходимым для получения результата. Способ не требует дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала. Полученный препарат НК может быть использован без дополнительной очистки непосредственно в амплификации или гибридизации НК с целью непосредственной идентификации инфекционного агента в исследуемом образце или для проведения дальнейшего молекулярно-генетического анализа.Thus, the presented invention allows the isolation and purification of nucleic acids of bacteria and / or viruses from biological samples (blood, plasma, culture fluids) using a removable microfluidic module, in which all stages of the isolation and purification of nucleic acids are carried out automatically. The method includes the stage of concentration (retention) of pathogen cells on the membrane, lysis and subsequent extraction of NK by passing the resulting lysate through a solid-phase carrier with simultaneous sorption of NK on it, washing the sorbent and associated NK, and eluting NK. The invention allows the selection of nucleic acids of cells of microorganisms and / or viruses from biological samples in automatic mode with low losses (not more than 20%), low cost, short time required to obtain a result. The method does not require expensive equipment and highly qualified personnel. The resulting NK preparation can be used without additional purification directly in the amplification or hybridization of NK to directly identify the infectious agent in the test sample or to conduct further molecular genetic analysis.

Все патенты, публикации, научные статьи и другие документы и материалы, цитируемые или упоминаемые здесь, включены в настоящее описание путем отсылки в такой степени, как если бы каждый из этих документов был включен путем отсылки индивидуально или приведен здесь в его полном виде.All patents, publications, scientific articles, and other documents and materials cited or referenced herein are hereby incorporated by reference to the extent that each of these documents was individually incorporated by reference or is presented in its entirety.

Хотя предпочтительные воплощения настоящего изобретения и их преимущества были подробно описаны выше, специалист в данной области сможет внести различные изменения, дополнения, не выходя при этом за рамки данного изобретения, которые определяются прилагаемой ниже формулой изобретения.Although the preferred embodiments of the present invention and their advantages have been described in detail above, a person skilled in the art will be able to make various changes, additions, without going beyond the scope of this invention, which are defined by the appended claims.

Claims (14)

1. Сменный микрофлюидный модуль для автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов, содержащий резервуары для реагентов и реакционные объемы, микроканалы и клапана, необходимые для перемещения жидкостей внутри модуля, характеризующийся тем, что он включает:
а) приемную камеру для ввода биологического образца;
б) резервуар для лизиса, содержащий мембрану для задерживания на ней клеток микроорганизмов и/или вирусных частиц;
в) резервуары для растворов лизирующего буфера, содержащего реагенты для разрушения клеточной стенки микроорганизмов и/или вирусного капсида;
г) микроколонку, содержащую твердофазный сорбент для связывания нуклеиновых кислот;
д) резервуары для промывочного буфера и этанола для удаления с микроколонки остаточных белков и кристаллов соли;
е) резервуар для элюирующего буфера для растворения нуклеиновых кислот, связанных на твердофазном сорбенте в микроколонке;
ж) выходной порт, совместимый со стандартной микропробиркой;
з) резервуар для сбора отходов реакций.
1. A replaceable microfluidic module for the automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples, containing tanks for reagents and reaction volumes, microchannels and valves necessary for moving liquids inside the module, characterized in that it includes:
a) a receiving chamber for introducing a biological sample;
b) a lysis tank containing a membrane for retaining microorganism cells and / or viral particles on it;
c) reservoirs for solutions of lysing buffer containing reagents for the destruction of the cell wall of microorganisms and / or viral capsid;
g) a microcolumn containing a solid-phase sorbent for binding nucleic acids;
e) tanks for washing buffer and ethanol to remove residual proteins and salt crystals from the microcolumn;
e) a reservoir for an elution buffer for dissolving nucleic acids bound on a solid-phase sorbent in a microcolumn;
g) an output port compatible with a standard microtube;
h) a tank for collecting reaction waste.
2. Микрофлюидный модуль по п.1, характеризующийся тем, что он содержит только пневматические клапана, осуществляющие коммутацию газожидкостных потоков, в то время как все необходимые электромагнитные компоненты, осуществляющие подачу давления, нагрев, перемешивание в индивидуальных резервуарах модуля, размещены в управляющей установке-контроллере.2. The microfluidic module according to claim 1, characterized in that it contains only pneumatic valves for switching gas-liquid flows, while all the necessary electromagnetic components for supplying pressure, heating, mixing in the individual tanks of the module are located in the control unit the controller. 3. Микрофлюидный модуль по п.1, характеризующийся тем, что резервуар для лизиса содержит металлический стержень в инертной оболочке для осуществления перемешивания реакционной смеси на стадии лизиса.3. The microfluidic module according to claim 1, characterized in that the lysis tank contains a metal rod in an inert shell for mixing the reaction mixture at the stage of lysis. 4. Микрофлюидный модуль по п.1, характеризующийся тем, что он выполнен из материалов, инертных по отношению к используемым реагентам и не сорбирующих нуклеиновые кислоты.4. The microfluidic module according to claim 1, characterized in that it is made of materials inert to the reagents used and not sorbing nucleic acids. 5. Способ автоматизированного выделения и очистки нуклеиновых кислот из биологических образцов, включающий следующие стадии:
а) фильтрацию биологического образца через мембрану, задерживающую клетки микроорганизмов и/или вирусы;
б) лизис задержанных на мембране клеток микроорганизмов и/или вирусов;
в) связывание нуклеиновых кислот на микроколонке, содержащей твердофазный сорбент;
г) отмывку нуклеиновых кислот от белков и кристаллов соли на колонке с твердофазным сорбентом;
д) элюцию нуклеиновых кислот с микроколонки в отдельную пробирку;
и характеризующийся тем, что биологический образец вводят в приемную камеру микрофлюидного модуля по п.1 и все стадии выделения и очистки нуклеиновых кислот осуществляют внутри модуля.
5. A method for automated isolation and purification of nucleic acids from biological samples, comprising the following stages:
a) filtering the biological sample through a membrane that traps cells of microorganisms and / or viruses;
b) lysis of microorganisms and / or viruses detained on the cell membrane;
c) binding of nucleic acids on a microcolumn containing a solid-phase sorbent;
d) washing the nucleic acids from proteins and salt crystals on a solid-phase sorbent column;
e) elution of nucleic acids from the microcolumn into a separate tube;
and characterized in that the biological sample is introduced into the receiving chamber of the microfluidic module according to claim 1, and all stages of the isolation and purification of nucleic acids are carried out inside the module.
6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что на стадии (б) лизис задержанных на мембране клеток микроорганизмов и вирусов проводят последовательным добавлением лизирующих растворов для разрушения клеточной стенки микроорганизмов и/или вирусного капсида из соответствующих резервуаров микрофлюидного модуля.6. The method according to claim 5, characterized in that at the stage (b) the lysis of microorganisms and viruses detained on the membrane membrane is carried out by the sequential addition of lysis solutions to destroy the cell wall of microorganisms and / or the viral capsid from the corresponding microfluidic module reservoirs. 7. Способ по п.5, характеризующийся тем, что на стадии (в) связывание нуклеиновых кислот на твердофазном сорбенте осуществляют путем пропускания лизата через микроколонку, содержащую суспензию твердофазного сорбента.7. The method according to claim 5, characterized in that at the stage (c) the binding of nucleic acids on a solid-phase sorbent is carried out by passing the lysate through a microcolumn containing a suspension of a solid-phase sorbent. 8. Способ по п.5, характеризующийся тем, что на стадии (г) отмывку от белков и кристаллов соли проводят путем последовательного пропускания через микроколонку, содержащую связанные на твердофазном сорбенте нуклеиновые кислоты, растворов промывочного буфера и этанола из соответствующих резервуаров сменного модуля, а смыв нуклеиновых кислот с микроколонки в отдельную микропробирку на стадии (д) осуществляют путем пропускания через микроколонку элюирующего буфера, подаваемого из соответствующего резервуара микрофлюидного модуля.8. The method according to claim 5, characterized in that in step (d), the washing from proteins and salt crystals is carried out by sequentially passing through a microcolumn containing nucleic acids bound to a solid-phase sorbent, wash buffer and ethanol solutions from the corresponding replaceable module tanks, and flushing of nucleic acids from the microcolumn into a separate microtube in stage (e) is carried out by passing through the microcolumn an elution buffer supplied from the corresponding microfluidic module reservoir. 9. Способ по п.5, характеризующийся тем, что сменный микрофлюидный модуль помещают в установку-контроллер, управляемый программным обеспечением, реализующим алгоритм управления клапанами, осуществляющими перемещение биологического образца и растворов реагентов внутри сменного модуля.9. The method according to claim 5, characterized in that the interchangeable microfluidic module is placed in a controller installation controlled by software that implements an algorithm for controlling valves moving a biological sample and reagent solutions inside the interchangeable module. 10. Способ по п.5, характеризующийся тем, что в качестве биологического образца используют кровь, сыворотку крови, плазму крови или культуральные жидкости, содержащие клетки микроорганизмов и/или вирусные частицы.10. The method according to claim 5, characterized in that as a biological sample use blood, blood serum, blood plasma or culture fluids containing microorganism cells and / or viral particles. 11. Способ по п.5, характеризующийся тем, что используют мембрану для задерживания микроорганизмов и/или вирусных частиц, выполненную из материала, выбранного из группы, включающей поливинилидендифторид, боросиликатное стекло, целлюлозу.11. The method according to claim 5, characterized in that they use a membrane to trap microorganisms and / or viral particles made of a material selected from the group consisting of polyvinylidene difluoride, borosilicate glass, cellulose. 12. Способ по п.6, характеризующийся тем, что в качестве лизирующих буферов используют раствор лизоцима и раствор, содержащий хаотропный агент.12. The method according to claim 6, characterized in that as lyse buffers use a solution of lysozyme and a solution containing a chaotropic agent. 13. Способ по п.12, характеризующийся тем, что в качестве хаотропного агента используют гуанидинтиоцианат или гуанидингидрохлорид.13. The method according to p. 12, characterized in that as a chaotropic agent using guanidine thiocyanate or guanidine hydrochloride. 14. Способ по п.7, характеризующийся тем, что твердофазный сорбент выбирают из группы сорбентов, включающей силикагели, стекловолоконные фильтры, химически модифицированное стекло. 14. The method according to claim 7, characterized in that the solid-phase sorbent is selected from the group of sorbents, including silica gels, glass fiber filters, chemically modified glass.
RU2008138958/13A 2008-10-01 2008-10-01 Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof RU2380418C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008138958/13A RU2380418C1 (en) 2008-10-01 2008-10-01 Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008138958/13A RU2380418C1 (en) 2008-10-01 2008-10-01 Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2380418C1 true RU2380418C1 (en) 2010-01-27

Family

ID=42122108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008138958/13A RU2380418C1 (en) 2008-10-01 2008-10-01 Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2380418C1 (en)

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510509C1 (en) * 2012-07-16 2014-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук Microfluid system for immunoassay
RU2542408C2 (en) * 2010-11-18 2015-02-20 Байонир Корпорейшн Device for automatic cleaning of nucleic acid, and method for protection against aerosol
RU2545404C2 (en) * 2010-04-30 2015-03-27 Байонир Корпорейшн Device for automatic purification of biological specimens provided with magnetic field applicator, method of extraction of target matter from biological specimen and protein extraction and purification
RU2588905C2 (en) * 2011-01-21 2016-07-10 Биокартис Нв Micropump or normally closed microvalve
RU2592687C1 (en) * 2015-06-30 2016-07-27 Евгений Александрович Тоневицкий Device of micro fluid system valves pneumatic control
RU2595374C2 (en) * 2014-04-09 2016-08-27 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Молекулярной Биологии Им. В.А. Энгельгардта Российской Академии Наук (Имб Ран) Method for automated extraction with simultaneous purification of nucleic acids from several biological samples
RU2603473C2 (en) * 2011-04-22 2016-11-27 Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик Microfluidic system for controlling concentration of molecules for stimulating target cell
RU2617947C2 (en) * 2012-05-25 2017-04-28 Эпистем Лимитед Nucleic acids isolation
RU183946U1 (en) * 2018-05-21 2018-10-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" MICROFLUID CHIP CELL BLOCK
RU2681914C2 (en) * 2013-10-15 2019-03-13 Байо Молекьюлар Системс Пти Лтд Improved thermocycler
RU2733122C2 (en) * 2015-07-17 2020-09-29 Стат-Диагностика Энд Инновэйшн, С.Л. Container for dry chemical reagents
RU200301U1 (en) * 2019-05-31 2020-10-15 Общество с ограниченной ответственностью "ИНФРАКАП-МЕДИЦИНА" MICROFLUID CHIP FOR MULTI-PARAMETRIC IMMUNO ASSAY
US11041797B2 (en) 2017-12-23 2021-06-22 Lumacyte, LLC Microfluidic chip device for optical force measurements and cell imaging using microfluidic chip configuration and dynamics
RU2758909C1 (en) * 2018-05-16 2021-11-02 Милдендо Гезельшафт Фюр Микрофлюидише Системе Мбх Microfluidic device and method for its use for separation, purification and concentration of fluid components
RU2764676C1 (en) * 2017-12-23 2022-01-19 ЛУМАСАЙТ ЭлЭлСи Apparatus with a microfluid chip for measuring the optical strength and imaging cells using the microfluid chip configuration and dynamics
RU2778345C2 (en) * 2021-02-04 2022-08-17 Общество с ограниченной ответственностью "ИННОДЕТЕКТ" Autonomous diagnostic microfluid platform with integrated magnetic microparticles for active mixing of reagents, equipped with one-sided valve system, controlled by operator by means of pressing on flexible membranes
US11913870B2 (en) 2017-12-23 2024-02-27 Lumacyte, Inc. Microfluidic chip device for optical force measurements and cell imaging using microfluidic chip configuration and dynamics

Cited By (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2545404C2 (en) * 2010-04-30 2015-03-27 Байонир Корпорейшн Device for automatic purification of biological specimens provided with magnetic field applicator, method of extraction of target matter from biological specimen and protein extraction and purification
RU2542408C2 (en) * 2010-11-18 2015-02-20 Байонир Корпорейшн Device for automatic cleaning of nucleic acid, and method for protection against aerosol
RU2588905C2 (en) * 2011-01-21 2016-07-10 Биокартис Нв Micropump or normally closed microvalve
RU2603473C2 (en) * 2011-04-22 2016-11-27 Сантр Насьональ Де Ля Решерш Сьянтифик Microfluidic system for controlling concentration of molecules for stimulating target cell
RU2617947C2 (en) * 2012-05-25 2017-04-28 Эпистем Лимитед Nucleic acids isolation
RU2510509C1 (en) * 2012-07-16 2014-03-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук Microfluid system for immunoassay
RU2681914C2 (en) * 2013-10-15 2019-03-13 Байо Молекьюлар Системс Пти Лтд Improved thermocycler
RU2595374C2 (en) * 2014-04-09 2016-08-27 Федеральное Государственное Бюджетное Учреждение Науки Институт Молекулярной Биологии Им. В.А. Энгельгардта Российской Академии Наук (Имб Ран) Method for automated extraction with simultaneous purification of nucleic acids from several biological samples
WO2017003317A1 (en) * 2015-06-30 2017-01-05 Евгений Александрович ТОНЕВИЦКИЙ Device for pneumatically controlling valves of a microfluidic system
RU2592687C1 (en) * 2015-06-30 2016-07-27 Евгений Александрович Тоневицкий Device of micro fluid system valves pneumatic control
US10843193B2 (en) 2015-07-17 2020-11-24 Stat-Diagnostica & Innovation, S.L. Dry chemistry container
RU2733122C2 (en) * 2015-07-17 2020-09-29 Стат-Диагностика Энд Инновэйшн, С.Л. Container for dry chemical reagents
US11041797B2 (en) 2017-12-23 2021-06-22 Lumacyte, LLC Microfluidic chip device for optical force measurements and cell imaging using microfluidic chip configuration and dynamics
RU2764676C1 (en) * 2017-12-23 2022-01-19 ЛУМАСАЙТ ЭлЭлСи Apparatus with a microfluid chip for measuring the optical strength and imaging cells using the microfluid chip configuration and dynamics
US11561164B2 (en) 2017-12-23 2023-01-24 Lumactye, Inc. Microfluidic chip device for optical force measurements and cell imaging using microfluidic chip configuration and dynamics
US11913870B2 (en) 2017-12-23 2024-02-27 Lumacyte, Inc. Microfluidic chip device for optical force measurements and cell imaging using microfluidic chip configuration and dynamics
RU2758909C1 (en) * 2018-05-16 2021-11-02 Милдендо Гезельшафт Фюр Микрофлюидише Системе Мбх Microfluidic device and method for its use for separation, purification and concentration of fluid components
RU183946U1 (en) * 2018-05-21 2018-10-10 Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр "БиоКлиникум" MICROFLUID CHIP CELL BLOCK
RU200301U1 (en) * 2019-05-31 2020-10-15 Общество с ограниченной ответственностью "ИНФРАКАП-МЕДИЦИНА" MICROFLUID CHIP FOR MULTI-PARAMETRIC IMMUNO ASSAY
RU2778345C2 (en) * 2021-02-04 2022-08-17 Общество с ограниченной ответственностью "ИННОДЕТЕКТ" Autonomous diagnostic microfluid platform with integrated magnetic microparticles for active mixing of reagents, equipped with one-sided valve system, controlled by operator by means of pressing on flexible membranes
RU219011U1 (en) * 2023-02-15 2023-06-21 Общество с ограниченной ответственностью "БИОКЕМИКАЛ" Microfluidic chip for recognition of bacteria in food

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2380418C1 (en) Replaceable microfluid module for automated recovery and purification of nucleic acids from biological samples and method for recovery and purification nucleic acids with using thereof
US10464065B2 (en) Nucleic acid purification
US9506847B2 (en) Method and system for selective isolation of target biological molecules in a general purpose system
JP5977921B2 (en) Apparatus, system and method for purifying nucleic acids
US20070125942A1 (en) Apparatuses, systems and methods for isolating and separating biological materials
AU2010266034A1 (en) Capture and elution of bio-analytes via beads that are used to disrupt specimens
RU110746U1 (en) DEVICE FOR SIMULTANEOUS AUTOMATED ISOLATION AND PURIFICATION OF NUCLEIC ACIDS FROM SEVERAL BIOLOGICAL SAMPLES
RU84381U1 (en) DEVICE FOR AUTOMATED ISOLATION OF NUCLEIC ACIDS
CN113817600A (en) Sample processing and detecting device and application thereof
US20110263044A1 (en) Device and method for the automatic detection of biological particles
AU2017235971B2 (en) Nucleic Acid Purification
US10975425B2 (en) Rapid nucleic isolation method and fluid handling devices
KR20240027088A (en) Universal Assay Cartridges and Methods of Use
Mamaev et al. Method for automated extraction and purification of nucleic acids and its implementation in microfluidic system
RU2595374C2 (en) Method for automated extraction with simultaneous purification of nucleic acids from several biological samples
US20070073049A1 (en) Method and apparatus for nucleic purification using ion-permeable polymer-coated electrode
JP2014124097A (en) Cartridge for analysis of nucleic acid and device for analysis of nucleic acid
AU2013205155A1 (en) Nucleic acid purification

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 3-2010 FOR TAG: (73)

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20111002

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20140620

PD4A Correction of name of patent owner
PC41 Official registration of the transfer of exclusive right

Effective date: 20170227

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181002