CN117813057A - 采样装置 - Google Patents

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Abstract

一种采样装置，包括具有尖突(112)的手柄(110)，该尖突具有暴露的或可暴露以获取生物样本的工作表面，以及吸收如此获取的样本的多孔结构。易碎的塞子(152)位于尖突和贮存器(128)之间。在塞子破裂时，贮存器能够向尖突提供流体，将样本输送和分配到反应腔室(114)中，在反应腔室(114)中可以对样本进行分析反应，例如，对通过在多孔尖突中预功能化的膜破坏剂从样本中释放的核酸进行等温扩增。该装置还可以包括位于尖突和塞子之间的冻干试剂丸(150)，该冻干试剂丸可以被来自贮存器的液体重构。

Description

采样装置
技术领域
本发明涉及收集临床样本并制备它们以用于分析，例如通过分子生物学处理技术，如核酸扩增和/或检测；更具体地说，涉及一种用于该目的的采样装置，特别适用于临床护理点(POC)或需求点(PON)设置，但也用于发送到远程实验室进行测试。它还设想了多功能套件形式的装置，从该多功能套件中可以组装出适合于所考虑的研究的专用实施例。
背景技术
聚合酶链式反应(PCR)是一种扩增核酸的方便方法，用于检测生物样本中特定核酸(DNA或RNA)的存在。除了其他目的之外，它还被用作鉴别病原体或疾病标记的诊断方法。扩增核酸样本的其他方法包括等温扩增方法，如重组酶聚合酶扩增(RPA)和环介导等温扩增(LAMP)。
在任何这样的诊断测试之前，需要进行一定量的样本制备，以便以与所使用的扩增过程相容的状态呈现核酸。基于实验室的提取方法通常适合于提供高浓度的高纯度核酸，目的是获得尽可能多的核酸。这是以简单性为代价的，而且基于实验室的提取技术通常需要能够使用与临床环境不兼容的试剂和设备，如离心机。
临床样本的制备只需要足够的核酸来进行测试。这是一个重要的区别，因为它提供了提取过程的显著简化。例如，已知使用简单的滤纸使得能够从生物样本中的目标捕获足够的核酸，用于随后经由PCR的诊断，甚至从复杂的样本基质(如全血)中也是如此(Fuehrer et al.J Clin Microbio1.2011，49(4)，1628-1630；Bu et al.AnalyticalBiochemistry 375(2)，370-372；Zou et al(2017)Nucleic acid purification fromplants，animals and microbes in under 30seconds，PLoS Biol 15(11)，e2003916)。
以Readygo Diagnostics Limited的名义申请的国际专利申请PCT/EP2021/057315描述了一种用于收集和处理生物样本的采样装置，特别是(但不仅限于)用于DNA和RNA分析程序的目的。该申请的内容通过引用并入本文。其中描述的装置包括：
(a)尖突，具有暴露或能够暴露的工作表面，用于获取生物样本，并且还具有适于吸收如此获取的生物样本物质的多孔结构；
(b)主体，具有适于在手中保持和用手操纵的形式，并且其中，所述尖突连接到或能够连接到所述主体；和
(c)贮存器，适于与所述尖突流体连通，以提供流体通过所述尖突的通道。
本发明人现在已经设计了该装置的改进版本，并且已经确定改进的特征允许样本收集和处理的改进。
发明内容
在国际专利申请PCT/EP2021/057315中描述的采样装置包括多孔的、吸收性的尖突，该尖突被固持在适于在手中保持和用手操纵的主体内，以及适于与尖突流体连通、以提供流体通过尖突的通道的贮存器。在使用中，生物样本——例如，含有DNA和/或RNA的样本——被吸附到尖突上。然后，流体从贮存器通过尖突，以便释放和清洗样本，并将其传递到反应容器中，在那里可以进行合适的化验。
本发明通过结合位于贮存器和尖突之间的折断阀(snap valve)来适应这种设计，以便在阀打开之前防止流体通过。尽管本文中主要结合对于核酸的分子诊断测试中的使用来描述该设备，但是应当理解，可以用本发明收集和/或处理其他生物分子，例如蛋白质、脂质等；也可以是细胞碎片，如细胞膜或细胞包被碎片，或亚细胞器。
本发明的目的是提供一种装置的配置，其使得能够收集不同类型的样本，这些样本可以以各种物理形式存在，例如液体(例如血液、唾液或尿液)，或者作为组织或物体表面上的生物膜或细胞材料(例如法医鉴定中的接触表面DNA样本)。
还描述了对该装置的基本形式的可选修改，其使得能够浓缩来自样本中的成分(例如，核酸)以提高灵敏度，或者使得能够获得更大体积的样本，或者更简单地获得样本。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于获得生物样本以进行分析的装置，包括：
(a)尖突，其具有暴露或可暴露的工作表面，用于获取生物样本，并且还具有适于吸收如此获取的生物样本物质的多孔结构；
(b)主体，其具有适于在手中保持和用手操纵的形式，并且其中，尖突连接到或可连接到主体；和
(c)贮存器，位于主体内并适于与尖突流体连通，以提供流体通过尖突的通道；其中该装置进一步包括：
(d)塞子，位于贮存器和尖突之间的流体通道内，以防止流体在贮存器和尖突之间通过，所述塞子是易碎的，以便打开流体通道，从而允许流体在贮存器和尖突之间通过；并且其中，该装置还包括通气孔，该通气孔位于或邻近主体的尖突所连接或可连接的一部分。
易碎的塞子(在本文中也可以称为折断阀)因此防止流体流动，直到它被打开，从而防止不希望的流体流动(例如，在使用装置之前，或者在使用者希望处理保留在尖突上的样本之前)。然而，发明人已经确定，未打开的折断阀的存在会阻碍样本被吸入尖突。因此，该装置在主体的尖突连接或可连接的部分处或附近包含通气孔。这允许当折断阀被密封时毛细流动进入尖突。
在一些实施例中，易碎的塞子可以包括薄弱部分(例如，薄壁区域)，当施加力时，塞子将在该薄弱部分优先破裂。该部分的破裂将暴露出延伸穿过塞子其余部分、因此在贮存器和尖突之间的流体连通通道。塞子可以包括不完全限制流体流通的渐缩部分和完全限制流体流通但包括内部流体连通通道的干涉部分，薄弱部分位于这两个部分之间的过渡处或附近。渐缩部分将不包括贯穿其中的完整流体通道，直到被折断。
在一些实施例中，主体由相对软的塑料材料形成；例如聚乙烯，如吹塑聚乙烯。这使得制造变得容易。易碎的塞子可以由较硬的塑料材料形成，例如硬的结晶聚苯乙烯，与主体的相应部分相比，其尺寸稍大。这允许完全过盈配合，从而防止液体通过。易碎的塞子的较硬的结构允许它干净地破裂或折断，并且与薄弱部分相结合，这将折断引导到期望的位置，例如在渐缩部分和干涉部分之间的过渡处或附近。
通气孔可以设置在主体中(例如，作为针孔开口或类似物)，靠近尖突的最靠近贮存器的端部(与尖突的暴露于样本的远端相对)定位。优选地，孔位于主体的与尖突重叠的区域，尽管在一些实施例中，孔可以位于主体的该部分上方(即，比尖突的端部更靠近贮存器)。在一些实施例中，通气孔可以与销、套环或类似物结合，以帮助将尖突固持在位。在优选实施例中，孔位于沿着尖突长度的大约一半到四分之三的距离之间，该距离是从离贮存器最远的端部测量的。在一些实施例中，通气孔包括沿着尖突长度的凹槽或其他特征部，以便在尖突和主体之间提供气流。这可以与设置在主体中的孔结合提供，或者分开提供。
贮存器通常位于主体内(例如，作为手动操作的球形物)。贮存器可操作以将流体推向尖突和/或从尖突抽出流体。优选地，贮存器可通过手动挤压贮存器来被操作，尽管也可使用其他选择，例如，柱塞、按钮、杠杆等。在一些实施例中，贮存器被加压以向尖突提供流体。贮存器可以可移除地附接到尖突——这种布置便于为该装置提供套件形式，因为如果需要，各种部件可以互换或替换。
贮存器可以包含液体试剂制剂，用于处理，优选洗脱在尖突上获得的样本。
主体优选地是适于在手中保持和用手操纵的形式。例如，主体通常可以是细长的，并且优选具有与书写工具(例如钢笔或铅笔)相似的尺寸。以这种方式，主体和尖突的组合对于使用者来说会感觉很熟悉，并且可以容易地应用于样本的收集。尽管通常期望尖突是一次性元件，但是主体可以被构造成用新尖突而被重复使用。
本发明提供了一种获得和制备样本以用于分析的方便手段，分析特别是通过核酸扩增过程如PCR、RPA或LAMP，但也可能通过其它分析途径如免疫检测。这至少部分是通过尖突实现的，该尖突用于通过吸收液体或部分液体来收集样本，或者擦拭包含生物样本的表面。
在一种形式中，尖突具有凿子形或倾斜凿子形的工作表面，以便于在精细点、在精细边缘或作为宽笔划采集样本。这在从各种表面获得样本的法医学中可以特别有用。
易碎的塞子防止液体离开贮液器，直到使用者准备好使用该装置。液体可以以各种方式使用；在一个实施例中，液体可以在样本收集之前提供给尖突，以便润湿尖突。这有助于从干燥的样本表面收集样本(例如，从已经被接触的区域进行法医收集；或从前鼻孔收集)。在其他实施例中，尖突可以是干燥的，以用于收集例如液体样本，例如血液、唾液、尿液等，并且球形物中的液体稍后用于从尖突取回分析物。我们还惊奇地发现，干燥的尖突在收集鼻部样本(例如，从前鼻孔)方面是有效的；这意味着相同形式的装置可以用于从口腔或鼻子收集样本。
注意，本发明的某些实施例不需要在这样的可挤压球形物中供应液体。其他格式同等地适用于与本发明一起使用；例如，包括柱塞、按钮等的固体腔室，以允许液体在压力下排出。柱塞或按钮可以被分度，以允许更精确地确定要提供的液体量。
合适的是，提供至少一个可移除的帽以在使用之前和/或之后遮盖尖突。一个这样的帽可以在使用前设置在尖突上，并且在使用后可以更换以保护在尖突上获得的样本。
帽可以设置有开口，以允许包含样本的液滴在压力下从由球形物通过尖突挤出的液体中分配。
可以提供反应腔室——方便地以可移除的帽的形式——用于处理和/或分析在尖突上获得的样本。该装置还可以包括试剂制剂，该试剂制剂具有用于这种治疗和/或分析的一种或多种合适的试剂。试剂制剂合适地为冻干或干燥形式，以提供长期储存的室温稳定性。这种试剂可以例如包括蛋白酶或去污剂，或用于从样本中检测特定核酸靶的扩增试剂((例如，通过等温核酸扩增，优选使用表1中列举的方法之一)。在优选的实施例中，试剂制剂可以在主体内提供；例如位于球形物和尖突之间。在这样的实施例中，在使用中，液体可以从球形物被提供给尖突，并且随后或者被抽回主体中或者被冲入单独的反应腔室((例如，帽)中，以便将样本运送到试剂可以起作用的腔室中。帽可以是光学透明的，以允许用户看到样本和/或试剂的存在。在一些实施例中，试剂可以包括在限定条件下(例如，样本中特定目标的存在)提供变色反应的器件，从而提供样本分析的快速和容易的读取。
尖突可以设置有水色标记，以指示获取的水性样本的量。例如，标记可以设置在沿着尖突长度的特定点上，以便指示预定量的水性样本何时已经被吸入尖突。或者，该标记可以采用在整个尖突上的水敏染料的形式，其与存在的水量成比例地出现或消失。
可以设置便于加热尖突的器件，用于干燥样本、浓缩样本或增加可以吸取的样本体积。该加热器件优选包括能够通过感应加热的元件。尖突可以包括热变色标记，以指示已经达到适当的温度范围。
本发明提供了获得和制备样本以用于分析的方便手段(分析例如通过核酸扩增过程，如PCR或等温扩增)。这部分地是通过尖突实现的，尖突用于通过吸收液体或部分液体来收集样本，或者擦拭包含生物样本的表面。通过流体连接联接到该尖突的是可挤压容器(或否则可操作的贮存器)，在一种作用模式中，该可挤压容器向尖突提供液体(并通过尖突)，从而释放分析物(例如核酸)用于分析。
如下文更详细描述的，尖突可以包括用于处理在尖突上获得的样本的活性剂，优选地，尖突被所述活性剂功能化。活性剂优选包含一种或多种膜破坏试剂，其具有裂解细胞(例如细菌)或病毒的能力，从而释放其组分。例如，可以收集裂解细胞的DNA和/或RNA用于进一步处理或分析；替代地，可以收集脂质、蛋白质或肽，或亚细胞器，或细胞碎片，包括细胞膜或细胞壁碎片。优选地，活性剂对人类无毒。一种优选的活性剂包括季铵化合物(QAC)，更优选的活性剂是氯化十六烷吡啶(cetyl pyridinium chloride)，尽管可以使用替代物(例如，如表2中所述的替代物，单独或组合)。在一些实施例中，活性剂是冻干或干燥的形式，并且贮存器包含用于再水合活性剂的水性流体。活性剂的其他用途可以是捕获可能抑制分析过程的某些成分。一个优选的应用是收集用于例如SARS-CoV-2的横向流动测试的样本。这种病毒的典型横向流动测试检测核衣壳，而不是刺突蛋白，因此病毒需被破裂以允许进行有效的测试。在传统测试中，这是通过搅动或物理破坏样本来实现的。相反，本发明允许化学破坏，其初始数据表明给出了一个数量级的更好的灵敏度，显示了在横向流动测试装置中使病毒破裂并将核衣壳暴露于抗体的效率提高。
在一个特别优选的实施例中，样本是液体生物样本，并且尖突包含干燥的无毒活性剂，其裂解样本中的细菌或病毒。这种配置特别适合于获得和处理(例如)来自患者的唾液样本：唾液经由毛细作用被吸收到尖突中，并且其自身将使干燥的活性剂再水合，从而允许裂解发生并随后将核酸释放到尖突中。该试剂的无毒性质允许直接从患者的口腔中采样，而不必使用中间收集步骤。
该优选实施例还提供了进一步的优点。尖突的多孔结构将已知体积的样本吸入其中，从而保持对多个患者采样的一致性；这种一致性通过使用干燥试剂来增强，其减少了样本的稀释。此外，使用干燥的裂解试剂结合已知的样本体积意味着试剂在最佳活性浓度下再水合，同时最大化释放的物质的量用于随后的分析。通过使用包含在分配器中的预定体积的试剂从尖突清洗，可以从尖突洗脱收集的样本用于后续分析；同样，由于分配器包含已知体积的试剂，并且尖突将吸收已知体积的唾液，因此可以保持采样的一致性，并且将获得唾液样本的已知稀释度。这具有这样的优点，即可以用该装置提供准确量的分析试剂(例如，用于等温核酸扩增的测试化学品)，从而减少浪费并确保分析的高可靠性。
此外，可以选择干燥的裂解试剂的量，使得在用来自贮存器的已知体积冲洗后，试剂的浓度足够低，从而不会抑制随后的分析而导致灵敏度损失。
用于裂解细胞或病毒以释放核酸的典型试剂是有毒的，因此直接用于患者是不安全的。这种试剂还会抑制核酸扩增或检测，因此必须在处理前从样本中移除。相反，对无毒裂解剂的选择允许直接从患者身上采样，同时也与样本的直接处理兼容。
因此，本发明提供了一种用于收集和分析的单个装置，其中，由于对试剂以及尖突和贮存器尺寸的选择，使用该装置的过程的每个步骤都与后续步骤兼容。
该装置的可选修改使得能够浓缩来自样本中的成分(例如，核酸)，以便提高灵敏度或者使得能够处理更大体积的样本。
因此，本发明可以提供单个一次性装置来获取样本，并测试样本中特定目标分析物如核酸的存在。
在该装置的一些实施例中，(a)尖突位于贮存器的出口中，其从该出口伸出用于样本收集，并用于随后连接到反应腔室的入口；或者(b)尖突位于反应腔室的入口，它从该入口伸出用于样本收集，并用于随后连接到贮存器的出口。
优选地，尖突可以可移除地连接到主体，并且该装置设置有多个可更换的尖突和/或多个主体和/或多个反应腔室。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于组装这里描述的采样装置的套件，该套件包括选择的尖突和/或主体，和/或附件元件，例如帽和试剂，本发明的采样装置可以由这些内容组装成适合于特定的预期用途。这在目标分析物的性质和特征未知的情况下很重要，但在采样装置的市场非常特殊或受限的情况下也很重要，例如在表面的法医检查中。
尽管本文主要描述了关于获得和使用测试样本来分析其特征核酸含量，但是本发明也可以应用于免疫学(抗体/抗原)测试程序，或者实际上在存在合适检测试剂的情况下应用于收集和/或检测可能在生物样本中发现的其他分析物。例如，脂质、蛋白质、肽、亚细胞器或碎片、细胞膜或细胞壁碎片等，都可以在本发明的合适应用中被收集和处理。
本发明能够提供一种测试采样装置及其使用方法，其中该装置包括多孔基体，以吸收限定体积的测试样本，并将样本暴露于已经通过干燥过程预功能化到尖突中的活性成分。当样本渗入(wick)尖突时，会使这些组分重新水合。从那里，提取的核酸(或免疫诊断学中的蛋白质，或脂质等)可立即获得，或可在运输过程中干燥，用于随后通过将缓冲液送回尖突，进行通过缓冲液交换的洗脱。
附图说明
图1是用于样本收集和制备的装置的平面图；
图2示出了该装置的主要部件的分解平面图；
图3示出了手柄部件的平面图；
图4示出了本发明的装置的分解图，包括易碎的塞子；
图5和图6示出了易碎的塞子在装置内定位的详细视图；和
图7显示了用各种样本收集技术进行的SARS-CoV-2横向流动测试的结果。
具体实施方式
如图1至3所示，样本收集装置的一个实施例(例如，如国际专利申请PCT/EP2021/057315中所述)具有钢笔的大致形式和尺寸，包括细长手柄10，该手柄10在一端具有样本收集尖突12，该尖突12被可移除的保护帽14覆盖。
尖突12承载在轴18的端部，并且具有采样端表面16和边缘19，在该实施例中，采样端表面16具有倾斜的凿子形式，从而呈现尖点17，边缘19的两侧是平坦表面21。
轴18被保持在塑料收集器部件20中，该塑料收集器部件20适当地具有外部模制件以帮助操作者抓握。
手柄10包含由柔性材料制成的内部导管26，该内部导管26从外部暴露的可挤压球形物28纵向延伸到短轴30，收集器部件20被推入配合到该短轴30上，被夹在适当位置，并由O形环24密封，以便与尖突轴18的端部流体连接。
尖突12由多孔材料制成，以便于样本材料的吸收、从球形物28挤出的流体到达其的流通和/或流体从其到达球形物28的流通。
图4示出了根据本发明的装置。如上所述，该装置也包括手柄110，该手柄110具有覆盖有帽114的尖突112和可挤压的球形物128。该装置还包括位于尖突112和易碎的塞子152之间的冻干试剂丸150。
在图5和6中更详细地示出了易碎的塞子152的布置。塞子152包括柱形部分154和渐缩部分156，柱形部分154以过盈配合的方式坐置在内部导管126内，渐缩部分156允许流体进入导管126和渐缩部分156的外表面之间的区域。柱形部分154包括沿着塞子延伸一半的中心流体导管158。薄弱区域160形成在渐缩部分156和柱形部分154之间的连结部处。通气孔162形成在装置的壁中，与尖突112对齐，在尖突的端部朝向球形物128。
手柄110和球形物128由软聚乙烯吹塑而成，易碎的塞子152是硬的结晶聚苯乙烯，与吹塑部件的圆筒相比尺寸稍大。这允许完全过盈配合，从而防止液体通过。聚苯乙烯的晶体结构允许它在薄弱区域160被用户干净地破裂或折断。当这样做时，中心流体导管158被允许与渐缩部分156的外表面流体连通，从而允许流体在球形物128和尖突112之间流动。
通气孔162用于当易碎的塞子未破裂时允许样本被吸入尖突112，否则在单元的密封特性下毛细流动是不可能的。
可选和操作功能
本发明的采样装置可仅用于获取样本并保存样本以供以后或其它地方的测试，或者它可提供用于在采样装置本身中进行这种测试的手段，例如通过LAMP、RPA或其它等温扩增方法(参见例如表1)。这将构成该装置的特别有利的用途。
尖突
合适的尖突材料包括基于棉花的材料，或者优选基于塑料的基体，例如PE或PVDF，其可以以一定的密度范围制造，以吸收和保留不同粘度的生物样品。尖突结构的精确细节可以根据使用本发明的具体应用而变化，技术人员将能够选择合适的材料和密度。例如，当要收集的样本是唾液时，一种这样的合适材料是大约90％孔隙率的圆柱形PE/PP吸液芯。
记号笔尖突通常由多孔压制纤维制成，例如毛毡或纤维素，或者由多孔压制塑料球制成，以形成开放的孔隙结构。本发明中的尖突可以适当地是类似的材料或结构，并且优选地具有限定的孔隙率(空隙率)。
尖突可以被设计成特定于任务的，或者被设计成处理一个范围的不同任务。对于法医工作来说，方便的是具有一种尖突设计，其允许对于某些应用对表面进行精细擦拭，或者允许使用较宽的表面在较宽的区域进行采样。还可以方便地，提供可以在潮湿时使用的尖突，以收集例如来自表面擦拭的干燥样本或来自前鼻孔或表皮的样本；或者提供可以在干燥时使用的尖突，以收集液体样本，例如血液、尿液、唾液等。
毡制笔尖通常被设计成允许来自同一个尖突的或细或宽的墨水笔划。这里在尖突中采用了相同的设计原理。呈现表面16、17、19和21的形状被特别设计用于从表面收集样本，例如在法医工作中，其中端表面16的倾斜凿形使得样本能够从表面作为精细点、精细边缘或作为宽笔划被获取。然而，尖突不需要具有那里描述和示出的结构特征。在其最简单的情况下，它可以仅仅呈现钝的或圆形的端部，该端部本质上仅仅是轴18的延伸。
尖突的多孔形式将为液体测试样本的吸收提供毛细管空间。多孔结构可以被设计成将已知体积的样本流体(例如唾液)吸入其毛细管空间，从而调节所采集的样本量并使测试更加一致。
尖突可以被处理以形成带负电荷的表面，和/或用阴离子去污剂处理，和/或用生物杀灭剂处理，以提供从目标核酸组分中裂解或去除样本的细胞或病毒组分的手段。
纤维素纤维有轻微的负(阴离子)电荷。纤维素的羟基(-OH)也可以部分或全部与各种试剂反应，以提供具有有用性质的衍生物。因此，尖突可以具有带负电荷的表面，该表面结合并保留来自测试样本的带正电荷的离子(例如Fe3+)，并且球形物用于使中性或带负电荷的离子和分子(例如DNA)流动离开尖突并远离阳离子组分。
大多数活细胞，如细菌，都被脂肪脂质双层所包围。不同亚细胞膜的脂质组成不同——哺乳动物的质膜具有更高的胆固醇和鞘脂含量。病毒还具有被认为与宿主膜相同的包膜脂质(磷脂、鞘脂、一些胆固醇)。
有许多不同的化学基团破坏细胞的脂质层，从而显示出抗菌或抗病毒的特性。如果这些被用于使装置的尖突功能化，那么渗入尖突的细胞(包括细菌)或病毒将破裂，从而释放它们的DNA和RNA(或其他细胞或病毒组分，如脂质、蛋白质、亚细胞器或碎片、膜或细胞壁碎片等)。
下面所附的表2给出了使尖突功能化的示例。漱口水制剂(显示在阴影区域)似乎特别有用，因为它们被已知是生物安全和有效的，从而允许消费者将该装置放入他们的口中以自行收集唾液用于测试。例如，氯化十六烷吡啶(cetyl pyridinium chloride，CPC)是各种漱口水的活性成分，并已被证明是一种膜破坏剂(Popkin et al，Cetylpyridiniumchloride(CPC)exhibits potent，rapid activity against influenza viruses invitro and in vivo，Pathogens and Immunity，2017；2(2)：253-69)。
组合可以提供针对不同生物体的脂双层的靶向活性，使得相同的制剂可以用于一系列目标，或者它可以提供具有额外抗菌或抗病毒活性的靶向制剂，使得样本在使用后是生物安全的。
试剂可以通过功能化(例如-OH基团)通过合适的化学键共价结合到尖突上，或者它们可以干燥到尖突材料中并在与样本水合时变得有活性。
将制剂干燥到尖突上，使唾液(或其他测试样本)的稀释最小化，并因此使裂开的物质吸收回到尖突基质中。表2中所示的漱口水配方已被证明在几秒钟内对病毒和细菌产生作用。因此，尖突提供以下支持功能：
1、待可选地在其上干燥抗病毒和/或抗微生物制剂的基质，其消除了用处理稀释唾液样本的需要；
2、当插入口中时引起唾液产生；
3、吸收被引出的唾液；
4、含有已知量的唾液。
唾液样本可被收集并被引入管中用于后续处理。或者可能希望将采样器(尖突)插入口中并就地收集唾液。在这种情况下，尖突可以用能够破裂打开细胞(如细菌)或病毒、从而释放DNA和/或RNA和/或其他细胞或病毒组分、但无毒的化合物处理，因此使得产品以这种方式使用是安全的。
可挤压的球形物
球形物的一个用途是作为水性介质的来源，将测试样本材料从尖突冲洗到帽或其他接收部中。它还可以具有再水合帽中或装置内其它位置处的干燥试剂的功能。
可被保持在球形物中的合适液体包括纯净水、milli-q水和缓冲液(例如TRIS-Cl/TE缓冲液)。
对于使用已经干燥的样本，可以还需要最初是空的球形物(见下文)。随着钳被释放，通过经过尖突吸取水或其他载体液体，球形物可以被用来再水合样本。
本发明的装置可以在不采用可挤压球形物的情况下使用。例如，在法医工作中，使用者有时可能想要使用他们自己的水，而不是装置提供的水，在这种情况下，可以提供空的球形物，或者将钳留在原位，或者省略整个手柄结构，只留下尖突和帽组件，用于尖突中捕获的测试材料的后续分析。在进一步的实施例中，球形物不必是可挤压的，并且可以提供其他器件来将流体从球形物推到尖突和/或从尖突推出(例如，柱塞、按钮、杠杆等)。
帽
作为封闭结构，帽将气密地密封尖突，以便安全运输。
一旦核酸或其他目标样本物质被提取到尖突中，就可以使用从可挤压球供应的液体将它们沉积到帽或试管中。然而，帽设计的变化，或一个或多个附加帽的提供，可以为该装置提供可变或扩展的用途。
例如，帽的一种设计可以具有沉积孔洞。在压力下从可挤压球形物施加液体将迫使液体通过尖突并进入帽。继续施加压力将迫使液体通过帽中的孔洞，并允许单滴提取的物质沉积到诸如移液器的管中。液滴的尺寸和尺寸分布很大程度上是孔洞的几何形状的函数。
在该装置的一种变型中，干燥的试剂可以设置在主体内，例如，在球形物和尖突之间的腔室中。来自球形物的流体可以用于再水合腔室中的试剂，并且或者将再水合的试剂通过尖突推入帽中，或者进入尖突并被抽回到承载样本的腔室中，在那里可以发生反应。
样本干燥和可选的加热
携带生物样本的尖突会随着时间自然变干，这由外部环境、温度和湿度决定。如果样本首先被收集并在将来的某个时间点(例如下一个工作日)被送到别处进行处理，这可以是一个方便的过程。然而，自然干燥时间可能会受到环境因素(例如，低温或高湿度)的影响，并且可能存在某些应用，其中优选干燥更快速地进行，以便于护理点(POC)、需求点(PON)或现场测试。
可以通过对装置施加热量来辅助干燥，例如通过将装置放入热空间如干燥炉或加热块中。然而，干燥炉通常不便于使用，因为它们代表一件大型专用设备，通常不可运输到实验室之外。因此可以使用与装置结构相关联的加热元件来提供热量。例如，尖突的轴周围的轴环可以被加热，优选通过非接触感应场加热。感应加热器可以作为单独的小型装置提供，该装置将是便携式的，并且对于有限的资源设置是方便的，例如在实验室之外或在小型实验室环境中。
加热元件可以沿着轴的长度延伸，或者它可以朝向轴的远离尖突的端部定位，如图所示。可以使用任何合适的感应材料，并且可以是非金属，例如碳纤维
加热也可以用于热裂解包含在尖突中的样本中的生物材料。这对于释放核酸以使它们对于分子扩增可获得，以及使装置中的样本在生物学上安全是很重要的。
根据所进行的测试类型，可以通过以受控方式加热来生成试剂。
样本浓度
除了加热尖突以干燥样本之外，还可以利用热量来浓缩样本，或者利用热量、通过蒸发来增加会被吸收的样本的体积。尖突中的液体通过端部处液相的蒸发被吸到热前沿。因此，该前沿将从较湿的尖突产生样本的连续毛细抽吸。如果未被加热的尖突位于一定体积的液体中，例如在贮存器中，那么当液体在被加热的端部处蒸发时，所有的液体将最终被吸入尖突。以这种方式，尖突中的液体将变得浓缩，直到液体样本的供应耗尽。这种途径也可以用于通过将尖突放在舌头下并施加感应加热来提取大量的唾液样本。蒸发的水以水蒸气(蒸汽)的形式流失到局部环境中。因为体积很小(<200μL)并且在几分钟内蒸发，所以冷凝物很少。
因此，加热不仅可以用于加速干燥过程，而且可以允许更多的样本流入尖突，从而从比尖突本身内部的体积更大的液体量中浓缩分析物。
样本释放
在释放提取的材料之前，尖突可能需要被干燥(见上文)。
核酸是带负电荷的分子。如果尖突也带负电荷，那么核酸被相同的电荷排斥，并且当核酸被迫通过尖突时，很容易释放到流动相中。
根据尖突的表面化学性质，尖突也可以带正电荷以结合核酸。可以改变这种带电(例如通过缓冲液交换)以促进流动相中结合的核酸的释放。通常pH值的变化会释放出某些带电分子。
当然可以收集其他细胞或病毒组分；根据组分和尖突的性质，已知合适的化学物质和方法允许样本的保留和随后的释放。
使用反馈
尖突可以被处理以提供关于使用的反馈信息。例如，可以在尖突上采用指示染料来显示尖突何时和/或如何被用来获得液体样本。
热变色墨水在已经暴露于特定温度下时会变色。水色墨水在变湿时会变色。可能希望在某些情况下使用这些来指示装置何时已经被使用，以及装置是否已被正确使用。例如，这些可以应用于尖突，以提供尖突已经暴露于足够液体的视觉指示，或者尖突是否已经被加热到例如>90℃的视觉指示。
因此，通过用水色墨水处理尖突的远端部分，一旦尖突已经接收了足够的液体以将尖突填充到该标记位置，就会发生颜色变化。这对于给出该装置已经被使用并且已经收集了足够的材料的肯定指示是有用的。
尖突的多孔结构可以被设计成将已知体积的样本流体(例如唾液)吸入其毛细管空间，从而调节所采集的样本量并使测试更加一致。
表面处理化学物质可以向尖突添加裂解能力。一些生物杀灭化学物质由于其作用方式也提供了裂解能力。其他化学方法提供了一种捕获某些化学基团的手段，这对于含有高浓度抑制性组分的样本(如尿液)非常重要。
裂解化学
Whatman，Inc的国际专利申请WO00/62023和WO02/16383描述了使用涂覆的过滤介质(FTA处理的硝酸纤维素)裂解细胞和分离核酸的方法，所述过滤介质涂覆有阴离子去污剂，例如SDS。涂层裂解细胞，并且FTA处理的过滤器吸附核酸。涂层未与过滤器共价结合，并且可以通过洗涤移除。核酸可以从过滤器中洗脱出来用于后续处理。这些材料对于本发明的实践可以是有用的。
生物杀灭剂
欧洲专利申请EP2855677A1描述了一种基于纸的系统，其在室温下工作，能够破裂细菌、真菌和病毒细胞，并通过用生物杀灭剂使表面功能化而将核酸释放到溶液中用于直接PCR分析。生物杀灭剂优选包括多个官能团。官能团优选包括涉及将试剂结合到基质上的结合组分；疏水组分；和带电组分。疏水组分可以与细胞壁或细胞膜相互作用并穿透细胞壁或细胞膜。这些材料对于本发明的实践可以是有用的。
在优选的实施例中，疏水组分可以是烷基链，例如C5-C30烷基，优选C10-C20烷基。随着烷基链穿透脆弱的细胞壁，细胞壁被削弱和刺破。带电组分优选带正电荷，可以吸引带电荷的细胞壁，并且可以在接触细胞膜时破坏离子流和体内平衡，从而有助于破坏细胞并释放核酸。带电组分优选是季铵基团。结合组分可以包含羟基。
在优选的实施例中，官能团优选是烷基链(疏水组分)、甲硅烷基(结合组分)和氯化铵基团(带电组分)。优选的生物杀灭剂包括甲硅烷基化的季铵化合物(SiQAC)；特别是3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵(3-(trimethoxysilyl)propyldimethyloctadecyl ammonium chloride，3-TPAC)。其他生物杀灭剂包括氯胺苯(benzyl ammonium chlorides)。SiQAC的致死作用模式通常被接收为是通过将带正电荷的分子吸附到带负电荷的细胞表面、通过SiQAC分子上的亲脂链破坏细胞膜、以及通过膜扩散导致细胞裂解来进行的。
技术人员将知道可以使用的其他合适的生物杀灭剂。特定试剂的选择将由上述优选官能团的存在和预期生物样本的性质来指导，例如，当待处理的样本是哺乳动物细胞样本时，没有细胞壁可穿透，其它官能团可能是合适的。
关于可以使用的其他组合物的综述，参见“Siedenbiedel and Tiller(2012)Polymers，(4)46-71”(Siedenbiedel and Tiller(2012)Polymers，(4)46-71)。可用于本发明的生物杀灭剂的具体示例包括：
(i)遥爪聚-(2-烷基-1，3-噁唑啉)(Telechelic poly-(2-alkyl-1，3-oxazolines))。
(ii)具有经由PEtOx接枝的抗微生物DDA基团的纤维素基纤维，其在接触时杀死接近的微生物细胞(Bieser et al.，Contact-Active Antimicrobial and PotentiallySelf-Polishing Coatings Based on Cellulose，2011，Macromol.Biosci.，11，111-121)。
(iii)皂苷(类固醇或三萜苷)，常见于大量植物中，长期以来已知对红细胞膜具有裂解作用，许多皂苷已知是抗微生物的(Francis et a1.，British Journal ofNutrition.2002，(88)587-605)。已经对皂苷的透膜特性进行了广泛的研究。还观察到这些结构不同的化合物杀死原生生物，并作为抗真菌剂和抗病毒剂。当用皂苷处理时，来自人红细胞的分离的细胞膜产生直径的孔，与在人工膜中产生/>的孔相比(Seeman etal.Structure of membrane holes in osmotic and saponin hemolysis，1973，Journalof Cell Biology(56)，519-527)。
结合组分
壳聚糖改性的Fusion 5滤纸(从GE Healthcare购买的未改性滤纸)已被成功开发用于DNA提取和浓缩(Francis et al.，British Journal of Nutrition，2002，(88)587-605)。改性滤纸采用两种独立的机制：长链DNA分子与滤纸纤维基质的物理缠结，以及DNA对壳聚糖改性的过滤纤维的静电吸附。这使得DNA能够结合和捕获到纤维上，并随后在PCR之前洗涤抑制剂。
用例场景
1、样本收集
样本收集器可以单独使用，作为大规模或集中化测试过程的一部分。例如，2020年SARS-CoV-2疫情见证了世界范围内实施的各种大规模测试策略。这些测试通常在集中化的实验室网络中进行，每天处理成千上万的样本。
在使用具有尖突的样本收集器、该尖突已经用已知的化合物功能化以破裂打开病毒的脂质衣壳，可以在家中收集样本，用于随后通过邮件回寄。这减少了采集鼻咽样本的需要，而采集鼻咽样本需要熟练人员有效地采集。样本收集器可以设置有垫圈零件，该垫圈零件与机器人样本处理实验室中的自动液体处理单元的塑料移液管尖突相接。在一些实施例中，帽可以被设计成接收收集的样本，该样本随后使用来自球形物的液体从尖突洗脱；帽然后可以被取下，密封，并送去进一步处理。或者，尖突本身可以被取下并且在不进行洗脱的情况下送去进一步处理。
额外的好处是，当样本被处理并运送回测试设施时，病毒破裂，并且RNA被释放到尖突中。将预先裂解的材料带回实验室进行洗脱允许更简单地检测样本，而无需在实验室进行提取。
同样的途径也可用于其他需要更集中化的测试的目标。
尖突可以由根据任务提供不同特性的不同材料制成。有两种主要的塑料特别有用，聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚乙烯(PE)。
PVDF是一种高度非反应性的热塑性含氟聚合物，由偏二氟乙烯聚合而成。PVDF是一种特殊塑料，用于要求最高纯度以及耐溶剂、酸和碳氢化合物的应用中。它通常被制造成用烧结工艺制成的钢笔笔尖。它们通常形成具有良好流动特性并且可以具有不同“硬度”的尖突。如果需要在物理过程中使用尖突，例如擦拭表面或压碎样本，以便释放渗出物，然后将渗出物吸入尖突并进行测试，这是特别有用的。
PE是一种轻质、耐用的热塑性塑料，具有可变的晶体结构。它是世界上生产最广泛的塑料之一(全世界每年生产数千万吨)。PE用于例如薄膜、管、塑料零件、层压板等应用中。PE已经被用于制造具有开放结构的材料，这种材料在收集唾液时特别有用。可以控制制造以提供不同保留和流动速度的材料。
2、样本收集和分配
这种组合允许样本收集和提取物质的洗脱进入另一个测试，例如分子诊断或免疫诊断。已知体积被吸入尖突材料，在那里特定的功能化作用于包含在样本基质中的微生物。使用包含在装置的分配器/球形物元件中的试剂将提取的物质从尖突上冲洗下来。将再水合缓冲液从分配器推过尖突，将唾液冲洗到测试帽中。由于尖突吸收规定的体积((例如25μL)并且分配器/球形物具有已知的体积(例如200μL)，所以通过体积的控制产生了已知的唾液稀释。
3、样本收集、分配和测试
这种组合允许专业的现场护理和消费者的柜台测试。通过吮吸尖突的端部来收集唾液产生了收集到尖突中的唾液。5分钟后，收集到足够的唾液，并且目标细菌被功能化到尖突基质中的抗菌剂分解。这将核酸释放到水相中。将再水合缓冲液从分配器/球形物推动经过尖突，将唾液冲洗到测试帽中。由于尖突吸收规定的体积(例如25μL)并且分配器/球形物具有已知的体积(例如200μL)，所以通过体积的控制产生了已知的唾液稀释。测试化学品，优选用于等温扩增，例如重组酶聚合酶扩增，被再水合，并且如果目标DNA存在于尖突中，经过一段时间将产生颜色变化。这可以是使用pH指示剂的简单颜色变化(例如，由黄色变为红色)，也可以是荧光颜色的显现(例如，由蓝色变为绿色)。
一些特定的应用
本发明的应用是广泛的，因为该装置提供了从采样、样本处理、洗脱和测试所需的所有步骤。下面给出了具体应用的示例；
牙周疾病或牙周炎是由牙菌斑微生物群落内的生态失调引起的，引起组织稳态的破坏(Hajishengallis et al，Beyond the red complex and into more complexity：thepolymicrobial synergy and dysbiosis(PSD)model of periodontal diseaseetiology，Mol Oral Microbiol.2012；27：409-419)。它影响10-15％的成年人，是世界范围内牙齿脱落的最常见原因。一种可以在OTC上买到的测试可以允许人们在家里更好地跟踪导致牙周病的细菌的丰富程度。
如果样本中存在牙周病的任何主要原因，提供能够报告阳性的系统作为OTC装置将特别有用——例如，以下六种可能被认为是牙周病的指征的种类：
牙龈卟啉单胞菌，ATCC33277
伴放线放线杆菌，ATCC29523
具核梭杆菌，2号
福赛登革菌，ATCC43937
中间普氏菌，ATCC25611
血管链球菌，ATCC33397
牙龈卟啉单胞菌和伴放线放线杆菌已经被显示是导致牙周组织(包围和支撑牙齿的组织)慢性炎症疾病的关键细菌。这两种细菌分别在33％和44％的中度牙周炎患者中发现，在60％和40％的重度牙周炎患者中发现。(Troil-Lind én et al，(1995).SalivaryLevels of Suspected Periodontal Pathogens in Relation to Periodontal Statusand Treatment.Journal of Dental Research)。
一些癌症：大约四分之一的口腔癌和三分之一的喉癌与HPV相关，但在年轻患者中，大多数喉癌现在与HPV相关。2009-2010年进行的一项研究得出结论，十分之一的美国男性和不到百分之四的美国女性在口腔中具有HPV感染。2017年发表的另一项研究发现，在美国，百分之六的男性和百分之一女性在口腔中携带有可能致癌的HPV病毒。
有确凿的证据支持使用唾液作为在口咽癌(OPC)患者中检测HPV的DNA的诊断测试对象。(Rosenthal et al.Detection ofHPV related oropharyngeal cancer in oralrinse specimens，Oncotarget 2017；8：109393-109401and Chai et al，A pilot studyto compare the detection of HPV-16biomarkers in salivary oral rinses withtumour p 16(INK4a)expression in head and neck squamous cell carcinomapatients.BMC Cancer.2016；16：178)。
此外，通过不同方法(流涎或口腔冲洗液)收集的唾液中HPV的DNA的检测产生了可比较的结果，并显示出对HPV检测的良好敏感性，再次支持了使用唾液作为OPC的诊断介质的可行性。(Tang et al，High-risk human papillomavirus detection inoropharyngeal cancers：Comparison of saliva sampling methods，Head Neck.2018)。
如果唾液样本中存在HPV的任何主要致癌基因型，提供能够报告阳性的系统作为OTC装置将是特别有用的。
对虾白斑病是由白斑综合症病毒(WSSV)引起的。这是养殖暖水虾中经济上最重要的疾病，自20世纪90年代出现以来，造成了约80亿至150亿美元的广泛经济损失。疾病的早期诊断对于控制疾病爆发和避免作物损失至关重要。
提供一种系统，该系统能够首先压碎虾的一部分以释放含有WSSV的血红素，然后将血红素吸收到尖突中用于核酸提取、洗脱和测试，该系统作为用于农业诊断的装置将是特别有用的。
示例-横向流动测试
使用所述装置收集替代样本，用于SARS-CoV-2的横向流动化验。在该示例中，用柠檬醛将尖突功能化，以便从任何病毒颗粒中释放核衣壳，并且用含有BSA和tween的PBS缓冲液填充贮存器。
替代样本是掺入猪粘液中的SARS-CoV-2，猪粘液是一种公认的横向流动装置测试替代物。在使用本文所述装置收集的阳性和阴性样本与使用常规横向流动测试装置套件(来自Surescreen Ltd)收集的阳性样本之间进行了比较。
在样本收集和处理后，将样本加入横向流动测试中。结果如图7所示--从左到右，测试套件172是用本文所述装置收集的阴性样本；测试套件174是用本文描述的装置收集的阳性样本；测试套件176是用传统横向流动测试装置套件收集的阳性样本。此外，测试套件176用从处理中获得的两倍量的样本进行测试。可以看出，在使用化学功能化的尖突(其通过化学手段释放核衣壳)收集和处理后，测试套件174提供了强信号，与通过物理手段释放的传统套件的信号相当。
这表明本文所述的装置在没有物理破坏的情况下、以适合下游测试和分析的形式有效地释放生物材料。
表1：等温扩增方法概述
表2
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Claims (25)

1.一种用于获得生物样本进行分析的装置，包括：
(a)尖突，具有暴露或能够暴露的工作表面，用于获取生物样本，并且还具有适于吸收如此获取的生物样本物质的多孔结构；
(b)主体，具有适于在手中保持和用手操纵的形式，并且其中，所述尖突连接到或能够连接到所述主体；和
(c)贮存器，位于所述主体内并适于与所述尖突流体连通，以提供流体通过所述尖突的通道；其中，所述装置进一步包括：
(d)塞子，位于所述贮存器和所述尖突之间的流体通道内，以防止流体在所述贮存器和所述尖突之间的流通，所述塞子是易碎的，以便打开流体通道，从而允许流体在所述贮存器和所述尖突之间的流通；并且其中，所述装置还包括通气孔，所述通气孔位于或邻近所述主体的所述尖突所连接或可连接的一部分。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，易碎的塞子包括薄弱部分，当施加力时，所述塞子将在所述薄弱部分处优先破裂，以暴露延伸穿过所述塞子的其余部分、因此在所述贮存器和所述尖突之间的流体连通通道。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，所述易碎的塞子包括渐缩部分和干涉部分，所述渐缩部分不完全限制所述流体通道，所述干涉部分完全限制所述流体通道。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述主体由较软的塑料材料形成；所述易碎的塞子由较硬的塑料材料形成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通气孔与销、套环或类似物结合，以将所述尖突在所述装置中固持在位。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通气孔包括沿着所述尖突的长度设置的凹槽，以便在所述尖突和所述主体之间提供气流。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述通气孔包括形成在所述主体中的开口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述贮存器能够操作以将流体推向所述尖突和/或从所述尖突抽出流体；优选地，其中，所述贮存器能够通过手动挤压所述贮存器来操作。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述尖突与水色标记相关联，以指示所获取的水性物质的量。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述贮存器包含液体试剂制剂，用于对尖突上所获得的样本进行处理，优选进行洗脱。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述尖突包括用于处理尖突上所获得的样本的活性剂，并且优选地，所述尖突被所述活性剂功能化。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述活性剂包括一种或多种能够裂解细菌或病毒的膜破坏试剂。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，还包括反应腔室，所述反应腔室用于接收从所述贮存器供应并在与所述样本接触后从所述尖突排出的流体。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述反应腔室可移除地定位，以便覆盖所述尖突。
15.根据前述权利要求中任一项所述的装置，包括用于处理所述样本的试剂制剂。
16.根据权利要求15所述的装置，其中，所述试剂制剂为冻干或干燥形式。
17.根据权利要求15或16所述的装置，其中，所述试剂制剂包括用于检测所述样本中特定核酸目标的一种或多种试剂。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述试剂制剂包括用于核酸等温扩增的试剂。
19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述等温扩增是重组酶聚合酶扩增。
20.根据权利要求15至19中任一项所述的装置，其中，所述试剂制剂在检测到所述特定核酸目标的情况下提供视觉信号。
21.根据权利要求15或16所述的装置，其中，所述试剂制剂包括用于检测所述样本中特定蛋白质、肽和/或脂质的一种或多种试剂。
22.根据权利要求21所述的装置，其中，所述试剂制剂包括用于对所述样本中的目标进行基于免疫测定的检测的一种或多种试剂。
23.根据前述权利要求中任一项所述的装置，以套件形式提供。
24.一种根据前述权利要求中任一项所述的装置在收集和制备用于横向流动试验的病毒样本中的用途。
25.根据权利要求24所述的用途，其中，所述病毒样本是SARS-CoV-2样本。
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