CN112881729A - 一种药物浓度梯度产生和加样装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种药物浓度梯度产生和加样装置，包括药物浓度梯度产生组件和药物溶液自动化加样组件；所述药物浓度梯度产生组件包括进样口、进样管道和若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池，进样口、进样管道连接各溶液储存池顶部，进样管道与溶液储存池可拆卸连接，溶液储存池的底部设有出液口；所述药物溶液自动化加样组件为设置在对应溶液储存池顶部的可拆卸连接施压组件，用于驱动药物溶液从不同体积的溶液储存池底部的出液口中喷出。本发明的药物浓度梯度产生和加样装能够依次实现样品浓度梯度产生和进样操作，自动化程度高，方便与其他设备集成；同时本发明简便易行，制造成本低廉，适合大批量、自动化、高通量药物筛选等研究工作。

Description

一种药物浓度梯度产生和加样装置及其应用

技术领域

本发明涉及高通量药物筛选装置技术领域，更具体地，涉及一种不同药物的浓度梯度产生和加样装置及其应用。

背景技术

药物筛选是现代药物开发流程中寻找具有特定生理活性化合物，并检验其生物活性、生化作用和药用价值的重要步骤。按照筛选流程一般包括生化水平、细胞水平和模型动物水平的筛选内容。随着现代基因组学、蛋白质组学以及计算生物、生物芯片等技术的进步，生化、细胞层面的筛选已经达到高通量筛选水平。高通量药物筛选建立在分子、细胞实验方法基础上，采用自动化操作系统，在高通量微孔板等工具载体上进行筛选工作，同时利用高灵敏检测器和快速计算方法对实验数据进行采集和分析，计算分析结果汇入相应数据库。

具体来看，在微孔板或微坑阵列上进行筛选工作时，不同种药物和不同浓度药物自动化快速进样，是实现药物及药物浓度高通量筛选的关键操作步骤。而在当下多数实验环境下，实验者往往采用手动加样方式，先人工稀释不同药物，然后逐个手动加入到96或384孔板中，耗时耗力；设置合适的药物浓度梯度是实现药物浓度筛选的关键参数，现有的微流控浓度梯度芯片，例如中国专利CN101629143A公开了用于高通量药物筛选的微流控细胞阵列芯片、方法及应用，虽然微流控芯片可以产生所设计的浓度梯度，但芯片设计较为复杂，不方便与其他进样设备集成，同时微流管道中液体流动连续，不能实现固定体积样品控制加样，且微流管道中容易残留溶液，造成低浓度时误差较大。因此，亟需在具体筛选工作中，设计合适的药物浓度梯度产生和加样装置，进而实现自动化加样和检测，可加快筛选进程，降低人力和时间成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种药物浓度梯度产生和加样装置。

本发明的第二个目的在于提供所述药物浓度梯度产生和加样装置的应用。

本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种药物浓度梯度产生和加样装置，包括药物浓度梯度产生组件和药物溶液自动化加样组件；所述药物浓度梯度产生组件包括进样口、进样管道和若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池，进样口、进样管道连接各溶液储存池顶部，进样管道与溶液储存池可拆卸连接，溶液储存池的底部设有出液口；所述药物溶液自动化加样组件为设置在对应溶液储存池顶部的可拆卸连接施压组件，用于驱动药物溶液从不同体积的溶液储存池底部的出液口中喷出实现进样。

本申请的药物浓度梯度产生和加样装置，包含药物浓度梯度产生组件和药物溶液加样组件，所述药物浓度梯度产生组件利用溶液体积梯度代替药物浓度梯度，不同体积的药物溶液进样后，将在同规格筛选孔板中产生所需要的浓度梯度。使用时，一定浓度的药物溶液经外部进样器如移液枪等连接进样口，通过进样管道将药物溶液注入对应溶液储存池，药物溶液先暂时储存在不同体积的样品池中，随后经施压组件驱动喷出，即可在同规格筛选孔板中产生所需要的浓度梯。

优选地，所述若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池为阵列排列，按照等比数列或者等差数列的顺序排列。本发明对于阵列数不做限制，可根据实际需求做出调整。

进一步优选地，所述阵列排列为5×5、8×8或10×10，以及其他所需规模的阵列。

进一步优选地，所述若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池横向容积体积按照等差数列排序，纵向容积体积按照等比数列排序。例如：以5×5阵列为例横向储存池容积可依次为最大储存池容积的4/5～1/5，纵向储存池容积可依次为最大储存池容积1/2～(1/2)⁴；以10×10阵列为例，横向储存池容积可依次为最大储存池容积的9/10～1/10，纵向储存池容积可依次为最大储存池容积1/2～(1/2)⁹。制造出一系列浓度梯度变化。本发明对于溶液储存池的体积不做限制，可根据实际需求做出调整。

优选地，连接横向储存池的进样管道为分叉形，进样口通过管道分叉后直接与储存池相连，即一级管道分叉后直接与储存池相连；连接纵向储存池的进样管道为阶梯形，即进样口通过一级管道先与最大容积的储存池相连，最大容积储存池顶部再通过管道与下一级储存池顶部相连，以此类推。

优选地，所述溶液储存池的容积大小可通过调整储存池高度和底面积实现。

优选地，所述施压组件为压电陶瓷加压组件或气压驱动组件。包括电驱动或气压驱动的活塞或外盖，压电陶瓷通电后，或者气压阀打开后，受压的活塞或外盖给储存池内的溶液施压，药物溶液受到压力后从溶液储存池内顺利喷出。

具体地，所述压电陶瓷加压组件包括驱动电源、电极、压电陶瓷、震动隔板。

具体地，所述气压驱动组件包括弹性活塞或外盖，及外接的空气压缩机。

优选地，所述进样口和进样管道由疏水或疏油材料支撑，或表面涂有疏水或疏油涂层。

优选地，所述溶液储存池由疏水或疏油材料制成，或涂有疏水或疏油涂层。以保证药物溶液能在储存池中暂时保存并在施压后全部流出，出液口喷嘴由疏水或疏油材料制成，或涂有疏水或疏油涂层。

一种利用上述任一所述装置实现药物浓度梯度产生和加样的方法，包括以下先后步骤：

S1.预先配置较高浓度的药物溶液，母液浓度可根据所需的浓度梯度倍数进行设计，然后利用移液枪或者其他外接自动化进样设备，将特定体积的药物溶液经进样口、进样管道转移到溶液储存池，并充满整个溶液储存池；

S2.启动自动加样组件，接通电源，压电陶瓷给震动隔板施加压力，或者采用气压驱动组件，储存池内不同体积的溶液受压力从喷嘴顺利流出，筛选孔板孔洞中将产生预定的药物浓度梯度。

优选地，溶液储存池顶部设有传感器，用于检测溶液储存池液面高度，当药物溶液刚好装满相应行或列的溶液储存池时，传感器将信号传递给外接自动化进样设备，停止进样。

优选地，所述药物浓度梯度产生组件由多个进样口、进样管道和后接的若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池组成，可实现不同药物浓度梯度的产生和进样。当需要利用多种药物同时产生浓度梯度和加样，可通过改变器件进样口和进样管道数量来满足实验需求。

优选地，多个进样口可以与多个外接自动化进样设备连接，进样口每次能够将特定体积的药物溶液转移进溶液储存池，药物溶液能够刚好装满相应行或列的溶液储存池。

优选地，所述药物浓度梯度产生组件和自动化加样组件是两个相互独立的系统，所需要的药物溶液体积梯度产生之后，进样口、进样管道将和下接的溶液储存池分离；随后压电陶瓷或气压驱动组件将重新接入样品储存池，施压后驱动药物溶液流出。

本发明的药物浓度梯度产生和加样装置能够应用于单一药物产生浓度梯度和自动加样，以及多种药物浓度梯度同时产生和自动加样。

具体地，所述单一药物产生浓度梯度和自动加样方法主要包括以下步骤：

S1.提前配置较高浓度药物溶液母液，可准备一种或多种浓度，浓度设计应考虑经储存池加样后稀释的倍数；亲水溶剂最好选用进样管道、储存池经疏水处理过的器件，亲油溶剂最好选用进样管道、储存池经疏油处理过的器件；

S2.利用移液枪或其他自动进样设备等将药物溶液母液经进样口、进样管道注射入不同容积的储存池，以5×5储存池阵列为例，横向储存池可保存5种体积按照等差数列排列的药物溶液，纵向储存池可保存5种体积按照等比数列排列的药物溶液，药物溶液因喷嘴表面张力作用暂时保存在储存池中；

S3.溶液体积梯度产生之后，进样口、进样管道与储存池分离，压力驱动组件转入并开始工作。通电或打开气压阀后，储存池内溶液受到来自外盖或活塞的压力作用而顺利喷出；药物溶液喷出后，断开驱动电源，或关闭气压阀，一次药物浓度梯度产生-加样循环结束，储存池可重新接收其他药物溶液。

S4.不同体积药物溶液经加样器注入到同规格筛选孔板微孔中，溶液体积梯度转化为药物浓度梯度。

具体地，所述多种药物同时产生浓度梯度和自动加样方法主要包括以下步骤：

S1.提前配置多种药物的较高浓度母液，可准备一种或多种浓度，浓度设计应考虑经储存池加样后稀释的倍数；亲水溶剂最好选用进样管道、储存池经疏水处理过的器件，亲油溶剂最好选用进样管道、储存池经疏油处理过的器件。

S2.利用移液枪或其他自动进样设备等将多种药物溶液母液经多个进样口、进样管道注射入不同容积的储存池，以5×5储存池阵列为例，所开发的器件至少可以产生5种药物的浓度梯度，并实现同时自动加样，药物溶液因喷嘴表面张力作用暂时保存在储存池中。

S3.溶液体积梯度产生之后，进样口、进样管道与储存池分离，压力驱动组件转入并开始工作。通电或打开气压阀后，储存池内溶液受到来自外盖或活塞的压力作用而顺利喷出。药物溶液喷出后，断开驱动电源，或关闭气压阀，一次药物浓度梯度产生-加样循环结束，储存池可重新接收其他药物溶液。

S4.不同体积药物溶液经加样器注入到同规格筛选孔板微孔中，溶液体积梯度转化为药物浓度梯度，纵向微孔中保存的是具有不同浓度的同种药物溶液，横向微孔中保存的是不同种药物溶液。

本发明还提供上述任一所述的药物浓度梯度产生和加样装置在包括在新型药物筛选、药物浓度筛选、细胞培养、类器官培养或细胞毒性检测中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的药物浓度梯度产生和加样装置，其药物浓度梯度产生组件通过将药物浓度梯度等价转化为溶液体积梯度，溶液体积梯度产生在不同容积的储存池阵列中，药物溶液经加样器注入同规格筛选孔，最后在筛选孔板上产生所需要的药物浓度梯度，能够满足产生等比或等差浓度梯度的实验要求，与微流控浓度梯度芯片相比，本发明方法简便，操作易行。而自动化加样组件通电后储存池内溶液会受压而全部流出，从而实现自动化同时加样，无需人力手动挤出；本发明将药物浓度梯度产生组件和自动加样组件集成在同一器件中，操作自动化程度高，器件方便与其他外部设备连接，能够真正实现高通量筛选过程，将极大简化实验操作流程，同时降低人力和时间成本。

附图说明

图1为本发明药物浓度梯度产生和加样装置立体图。A为单一药物浓度梯度产生和加样装置外观图；B为多种药物浓度梯度产生和加样装置外观图(以5×5储存池阵列为例)。

图2为本发明药物浓度梯度产生和加样装置左视图。A为单一药物浓度梯度产生和加样装置左视图；B为多种药物浓度梯度产生和加样装置左视图(以5×5储存池阵列为例)，不同高度的储存池能够产生等比数列的浓度梯度。

图3为本发明药物浓度梯度产生和加样装置正视图。A为单一药物浓度梯度产生和加样装置正视图；B为多种药物浓度梯度产生和加样装置正视图(以5×5储存池阵列为例)，不同宽度的储存池能够产生等差数列的浓度梯度。

图4为本发明药物浓度梯度产生和加样装置的浓度梯度产生原理及横向储存池的进样管道连接图(以5×5储存池阵列为例)。

图5为本发明所药物浓度梯度产生和加样装置的浓度梯度产生原理及纵向储存池的进样管道连接图(以5×5储存池阵列为例)。

图6为本发明药物浓度梯度产生和加样装置的加样组件及加样原理图。A为自动电驱动进样组件及加样原理图；B为自动气压驱动进样组件及加样原理图(以5×5储存池阵列为例)。

图7为本发明产生的盐酸阿霉素药物浓度梯度经酶标仪测定的结果(以5×5储存池阵列为例)。

图8为本发明药物浓度梯度产生和加样装置和微流控浓度梯度芯片联用示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。

除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。

实施例1

如图1～5所示，一种药物浓度梯度产生和加样装置，包括药物浓度梯度产生组件1和药物溶液自动化加样组件2；所述药物浓度梯度产生组件包括进样口11、进样管道12和若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池13(以5×5储存池阵列为例)，相互之间可拆卸连接；进样口11、进样管道12连接各溶液储存池13，溶液储存池的底部设有出液口14，出液口为喷嘴结构；如图6(A)，所述药物溶液自动化加样组件2为可拆卸连接设置在每个溶液储存池顶部的压电陶瓷加压部件，其由上至下包括电极21、压电陶瓷22和振动隔板23，电极再与外部的驱动电源24连接，用于驱动药物溶液从溶液储存池底部的喷嘴中喷出实现自动进样。本装置使用时，先通过进样口和进样管道向溶液储存池中进样，溶液储存于储存池后，拆下进样口及进样管，装上自动化加样组件，再通过施压实现自动进行。具体地，本实施所述溶液储存池阵列为5×5阵列，横向储存池(主视图)容积依次设计为1000微升、800微升、600微升、400微升和200微升(等差排列)，纵向储存池(左视图)容积为上一级储存池容积的一半，以1000微升为例，则本纵列储存池容积依次为1000微升、500微升、250微升、125微升和62微升，可拆卸连接均为螺纹连接。如图1A、2A和3A所示，当为单一药物浓度梯度产生和加样装置时，设有一个进样口时，连接横向储存池的进样管道可设计成树形，即进样口经一级管道分叉后直接与储存池相连(图4)；连接纵向储存池的管道可设计成阶梯形，即进样口经一级管道先与最大容积的储存池相连，最大容积储存池顶部伸出管道与下一级储存池顶部相连，以此类推(图5)，其可以呈等比和等差产生不同浓度的同种药物溶液。如图1B、2B和3B所示，当为多种药物浓度梯度产生和加样装置时，沿横向分别设有5个进样口，每排纵向储存池均有一个进样口，连接纵向储存池的管道依然成阶梯形，即进样口经一级管道先与最大容积的储存池相连，最大容积储存池顶部伸出管道与下一级储存池顶部相连，从而使纵向微孔中保存的是具有不同浓度的同种药物溶液，横向微孔中保存的是不同种药物溶液。所述进样口11可与外部进样器如移液枪、自动进样器等其他外部设备相连，进行进样操作。

利用所述药物浓度梯度产生和加样装置产生梯度药物浓度的方法，包括如下步骤：

(1)预先配置较高浓度的药物溶液，母液浓度可根据所需的浓度梯度倍数进行设计，然后利用移液枪或者其他外接自动化进样设备，将特定体积的药物溶液经进样口、进样管道转移到溶液储存池，并充满整个溶液储存池；

(2)启动自动加样组件，接通电源，压电陶瓷给震动隔板施加压力，储存池内不同体积的溶液受压力从喷嘴顺利流出，筛选孔板孔洞中将产生预定的药物浓度梯度。

本实施例所制造的浓度梯度产生和加样设备用于药物及浓度的筛选，单细胞、细胞团或类器官的培养和筛选。

利用盐酸阿霉素作为模式药物，来检验所开发的浓度梯度产生-加样器的应用可行性。首先准备较高浓度的阿霉素溶液，母液经进样口、进样管道转移入不同大小的储存池中，随后打开气压阀，气体推动活塞施压，储存池内溶液受压喷出，进入同规格筛选孔板中。利用酶标仪读取每孔480nm左右的吸光度值，从而可利用盐酸阿霉素浓度-吸光度标准曲线推算出每孔溶液的阿霉素实际浓度。根据设计原理，不同体积溶液进入孔板后将产生相应的浓度梯度，标准曲线推算出的结果能很好地证实这一点(图7)。

实施例2

一种药物浓度梯度产生和加样装置，与实施例1基本相同，唯一不同在于加样组件；如图6B，所述药物溶液自动化加样组件2为设置在每个溶液储存池顶部的气压驱动组件，其包括弹性活塞25，气压阀26及空气压缩机27，弹性活塞设置在溶液储存池顶部，通过气体管道与外部的气压阀和空气压缩机相连，用于驱动药物溶液从溶液储存池底部的喷嘴中喷出，同样能够实现大批量自动化加样。当药物溶液充满整个溶液储存池时，采用气压驱动组件，储存池内不同体积的溶液受压力从喷嘴顺利流出，筛选孔板孔洞中将产生预定的药物浓度梯度。

实施例3

如图8，本实施例提供了一种3D树形梯度产生器和本发明开发的浓度梯度产生-加样器联合使用的方法，用3D树形梯度产生器替代进样口和进样管，与溶液储存池可拆卸连接，溶液浓度梯度通过微流控浓度梯度芯片产生，具有梯度浓度的溶液暂时保存在储存池中，随后通过自动加样组件转移入孔板中。

本实施例所开发的浓度梯度产生-加样器与3D树形梯度产生器联合使用的方法可用于药物及浓度的筛选，单细胞、细胞团或类器官的培养和筛选。

为检验浓度梯度产生-加样联用平台的应用可行性，将所开发器件应用于细胞计数和培养领域。首先准备较高细胞浓度的培养液母液，母液经3D树形梯度产生器转移进储存池，最后通过自动加样组件转移入血球计数板中。在显微镜下读出计数板不同部位的细胞数量并计算出细胞浓度，证实通过浓度梯度产生-加样联用平台得到的细胞浓度梯度与所预设的浓度梯度一致。

Claims (10)

1.一种药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，包括药物浓度梯度产生组件和药物溶液自动化加样组件；所述药物浓度梯度产生组件包括进样口、进样管道和若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池，进样口、进样管道连接各溶液储存池顶部，进样管道与溶液储存池可拆卸连接，溶液储存池的底部设有出液口；所述药物溶液自动化加样组件为设置在对应溶液储存池顶部的可拆卸连接施压组件，用于驱动药物溶液从不同体积的溶液储存池底部的出液口中喷出实现进样。

2.根据权利要求1所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池为阵列排列，按照等比数列或者等差数列的顺序排列。

3.根据权利要求2所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述阵列排列为5×5、8×8或10×10，以及其他所需规模的阵列。

4.根据权利要求3所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述若干个依次排列具有梯度大小容积的溶液储存池横向容积体积按照等差数列排序，纵向容积体积按照等比数列排序。

5.根据权利要求3所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，连接横向储存池的进样管道为分叉形，进样口通过管道分叉后直接与储存池相连；连接纵向储存池的进样管道为阶梯形，进样口通过一级管道先与最大容积的储存池相连，最大容积储存池顶部再通过管道与下一级储存池顶部相连。

6.根据权利要求1所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述溶液储存池的容积大小可通过调整储存池高度和底面积实现。

7.根据权利要求1所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述施压组件为压电陶瓷加压组件或气压驱动组件。

8.根据权利要求7所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述压电陶瓷加压组件包括驱动电源、电极、压电陶瓷、震动隔板。

9.根据权利要求7所述的药物浓度梯度产生和加样装置，其特征在于，所述气压驱动组件包括弹性活塞或外盖，及外接的空气压缩机。

10.权利要求1～9任一所述的药物浓度梯度产生和加样装置在新型药物筛选、药物浓度筛选、细胞培养、类器官培养或细胞毒性检测中的应用。

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