CN219695028U - 极性代谢物自动化处理设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种极性代谢物自动化处理设备，包括涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道、进样瓶内衬管、高分辨液相质谱系统、恒温箱体以及传输管道；涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道均设置在恒温箱体中；传输管道包括流入管道以及流出管道；高速离心机内设置有EP离心管；流入管道贯穿恒温箱体的侧壁并通过涡旋混合器与高速离心机内的EP离心管相贯通；高速离心机对EP离心管离心后，将离心后的液体通过流出管道注入进样瓶内衬管中；进样瓶内衬管置于自动化挟持轨道上并随自动化挟持轨道同步移动；自动化挟持轨道将进样瓶内衬管输送至高分辨液相质谱系统中进行检测。本实用新型具有检测效率高、检测精度高等优点。

Description

极性代谢物自动化处理设备

技术领域

本实用新型属于生物样本检测领域或者药物研发领域，涉及一种极性代谢物自动化处理设备，尤其涉及一种生物样本或者器官芯片灌流液的检测中所用的极性代谢物自动化处理设备。

背景技术

作为新药研发流程重要组成部分，药物安全性评价研究的难点在于，如何基于候选药物在动物安全性评价试验和人源细胞试验的结果，来判断其对人体器官可能造成的风险与伤害。尽管培养皿中体外培养的细胞与药物间相互作用的结果，是一种简单且高通量的基本的药物筛选和测试方法，但这些细胞模型缺乏体内组织的微结构和生理功能。迄今为止，动物试验仍然是药物临床前安全性有效性评价验证的黄金标准。药物的动物模型研究能够相对模拟药物对人类器官和多器官水平功能的影响，然而，其成本高、周期长、且受多种因素影响，难以完全模拟药物在人体内的代谢机制研究。此外，由于模式动物与人类在比较生理学以及代谢体系上存在巨大的差异性，因此，当已经在临床前研究中取得安全性有效性评价的成果转化至临床研究时，尤其是进行Ⅰ期临床试验时，药物“首次进入人体”或增加剂量，极易让临床志愿者处于高度风险的境地。动物试验中取得的结果，在临床研究实验中的准确性和可重复性也受到挑战。部分药物在临床前研究阶段未表现出对动物的不良影响，在临床试验阶段却表现出对患者的肝、心、肾功能的损害。毫无疑问，动物试验推动了安全有效的药物应用于临床，为医学进步做出了重大贡献。然而，继续将其作为药物筛选的强制性流程也可能产生不利影响。

随着生命科学技术的高速发展，研究者们不断探索动物试验的替代方案。动物模型具有整体性，但与人体存在种属差异；人源细胞不存在种属差异，但缺乏整体性。器官芯片(Organ-on-a-Chip)技术通过在组织特异性立体环境中培养人源细胞，实现了两者优势的结合。器官芯片通常由微流体、活细胞组织和刺激/给药装备等关键部分组成，具有两方面显著特征：(1)芯片平台上组织的3D性质和排列，呈现和整合多种细胞类型以反映细胞的生理平衡，呈现与建模组织相关的生物力学。(2)器官芯片具有精准的尺寸和微通道，能够精确地实现细胞有序化，调控各种流体和化学参数以提供可控的培养条件，有效反映人体组织和器官的体内微观结构和功能特征。器官芯片可分为单器官芯片和多器官芯片，目前研究者们已成功构建肺、肝、肾、肠、心、脑、血液、骨骼、皮肤、神经、胰岛、肿瘤等单器官芯片和多种多器官芯片。许多国家和组织正积极推动器官芯片的相关研究，器官芯片技术可用于毒理学测试平台、药物筛选、器官重建与制造、用于研究COVID-19疗法及疫苗的安全性、疾病的早期诊断及精确治疗、识别物种特异性毒性、太空实验等领域。相信随着器官芯片技术的进一步推广使用，器官芯片技术将在药物发现、航天医学、个性医疗以及环境评估等方方面面释放出非常巨大的应用空间。由于器官芯片具有便捷、灵敏、快速等优点，预测人类药物毒性相比于现有模型具有更高的特异性和选择性。

在药效和毒性评价中存在重要的应用前景。尽管器官芯片在药物毒性评估方面具有突出优势，其发展和应用仍然存在一定的限制和挑战。首先是活细胞的来源。通常用于构建器官芯片的活细胞包括原代细胞、细胞系和诱导多能干细胞(iPSC)。原代细胞难以获取、数量有限、增值潜力低，且须通过侵入性操作采集，患者来源细胞的不可用性和不可靠性也是一个重大障碍。细胞系相对容易培养和扩增，但通常缺乏目标器官的表型功能特征。尽管使用灌注和/或共培养可以实现改善，通常没有更好的选择时器官芯片才使用细胞系。iPSC来源于小细胞或组织样本(如血液)，具有患者特异性，能够扩展和选择性分化成多个谱系，为多器官器官芯片提供了无限的患者特异性细胞来源。iPSC可产生自体靶器官或组织，能够构建用于个性化疾病建模和药物筛选的患者特定器官芯片。使用单个iPSC生成器官芯片中的所有组织单元将能够表现基因型和表型的影响。然而，并非所有细胞谱系均可源自同一iPSC系，有效实现iPSC分化和成熟仍然是该领域的挑战之一。目前文献中已成功构建不同来源的由原代细胞、细胞系、诱导多能干细胞衍生的肝、肾器官芯片，使用不同来源细胞构建器官芯片的优点和缺点可能会因器官芯片的设计而异，这对器官芯片的设计能力提出了要求。

其次，基于器官芯片的高通量筛选尚未实现。当前大多数器官芯片的应用通常与离线检测结合，检测物质的品种与数量有限。目前已与器官芯片结合的在线检测方法主要包括两方面：①通过电化学监测芯片微环境，确定芯片模型的部分生物学功能，包括细胞层的完整性、线粒体的功能等；②光学检测，电化学传感和不连续质谱分析(见后)等分析手段，通过与器官芯片设备集成，分析目标分子；但这些所谓“在线检测手段”在不同程度上，存在器官芯片未能完全模拟生物体内微环境以及系统的不完全在线分析等现实问题。

基础研究走向应用存在一定的技术瓶颈。而在生物样本的分析检测中，组学技术因其一次分析能够观察到成百上千的代谢物质的变化，在不同水平上包括分子基因水平("基因组学")，蛋白质水平("蛋白质组学")和代谢物水平("代谢组学")，分析待测物的结构和功能，实现在不同分子水平上对目标样本信息的全面解析。组学分析手段在疾病诊断、生物标志物的发现、药物安全性评价及药理学研究等多个方面已成为主流研究手段。具体而言，蛋白质组学研究特定状态下蛋白整体水平的存在状态和活动规律；代谢组学以生命体的代谢物为研究对象，主要研究分子量1000以下的小分子物质；基因组学的研究对象包括基因组的结构、功能、进化、定位、编辑等，以及它们对生物体的影响；在进行生物样本分析时，可以整合几个组学水平的信息，从深层次挖掘候选关键因子；通过将基因、mRNA、调控因子、蛋白、代谢等不同层面之间信息进行整合，构建代谢调控网络，深层次理解各组学之间的调控及因果关系，更深入地认识生物进程和疾病过程中复杂性状的分子机理和遗传基础，即“多组学整合分析”。在进行组学研究时生物样本中所含物质众多，实现对其全景分析具有极大的挑战性。

随着检测技术的不断发展，具有高灵敏度、高质量分辨率和高质量精度、宽动态范围等优点的高分辨质谱技术(HRMS)，在复杂样品检测以及组学研究中的应用越来越广泛，它能够将化合物质量高度精确测量到小数点后四位，从而准确推断出小分子物质的确切结构，且HRMS在定性检测含有多种物质的复杂样品时不需要借助标准品对分析物，分析条件进行逐一优化，减少了分析前处理的繁琐程度，且对色谱的要求也较低。当要进行靶向定量研究时，可以使用内标来制定标准曲线，已经实现了一次检测对1000种靶标物质的绝对定量的商业化检测。目前，基于超高液相色谱高分辨质谱联用技术的非靶向代谢组学方法一次便可获得上万个质谱特征峰(即液质系统)，相信随着质谱数据库的不断完善扩充，越来越多的谱图信息被注释，在进行代谢组学、脂质组学、蛋白组学检测时将有望获得更多更准确的物质信息。

将器官芯片与基于高分辨质谱的多组学整合分析技术相结合，乃至拓展延伸到结合在线监测手段，即时、快速、高效地评估药物心肝肾毒性，将是器官芯片的一大发展前景。综上所述，现有的药物安全性评价器官芯片研究领域发展尚不完全还存在诸多问题，如检测物质品种与数量有限；国际国内缺乏通用型与标准化的产品；检测耗时较长，手工处理繁琐；所谓“在线检测手段”存在器官芯片未能完全模拟生物体内微环境，以及系统的不完全在线分析；急需确立药物安全性评价器官芯片系统标准毒物安全性评价运行机制模式、器官细胞与组织全真内环境模拟、损伤标记物全面解析、流程简化和缩短检测时间(避免生物信息损失)、国际通用标准化产品开发、全真在线分析实现、质控体系的构建与基于多组学整合分析的药物测试应用协同控制实现技术突破。

然而，生物样本中或者器官芯片灌流液中代谢物质组、脂质组以及蛋白质组的提取，以及提取后的送样上机检测均是手动操作，无疑会导致检测精度的不准确、检测结果不均一，检测效率低。

实用新型内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种提高检测效率、提升检测精度的极性代谢物自动化处理设备。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述极性代谢物自动化处理设备包括涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道、进样瓶内衬管、高分辨液相质谱系统、恒温箱体以及传输管道；所述涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道均设置在恒温箱体中；所述传输管道包括流入管道以及流出管道；所述高速离心机内设置有EP离心管；所述流入管道贯穿恒温箱体的侧壁并通过涡旋混合器与高速离心机内的EP离心管相贯通；所述高速离心机对EP离心管离心后，将离心后的液体通过流出管道注入进样瓶内衬管中；所述进样瓶内衬管置于自动化挟持轨道上并随自动化挟持轨道同步移动；所述自动化挟持轨道将进样瓶内衬管输送至高分辨液相质谱系统中进行检测。

作为优选，本实用新型所采用的涡旋混合器包括基座、转动盘、驱动电机、第一管道、混合柱以及第二管道；所述驱动电机置于基座内部；所述转动盘置于基座顶部；所述驱动电机与转动盘相连并驱动转动盘沿转动盘的轴向转动；所述流入管道通过第一管道与混合柱内部相连通；所述混合柱通过第二管道与高速离心机内的EP离心管相贯通；所述混合柱置于转动盘上并随转动盘同步转动。

作为优选，本实用新型所采用的涡旋混合器还包括设置在混合柱上的超声发生器。

作为优选，本实用新型所采用的超声发生器是一个或两个，所述超声发生器是两个时，两个超声发生器对称设置在混合柱外表面。

作为优选，本实用新型所采用的涡旋混合器还包括与混合柱内部相贯通的冲洗管道。

作为优选，本实用新型所采用的恒温箱体的温度是4℃恒温。

本实用新型的优点是：

本实用新型提供了一种极性代谢物自动化处理设备包括涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道、进样瓶内衬管、高分辨液相质谱系统、恒温箱体以及传输管道；涡旋混合器、高速离心机、自动化挟持轨道均设置在恒温箱体中；传输管道包括流入管道以及流出管道；高速离心机内设置有EP离心管；流入管道贯穿恒温箱体的侧壁并通过涡旋混合器与高速离心机内的EP离心管相贯通；高速离心机对EP离心管离心后，将离心后的液体通过流出管道注入进样瓶内衬管中；进样瓶内衬管置于自动化挟持轨道上并随自动化挟持轨道同步移动；自动化挟持轨道将进样瓶内衬管输送至高分辨液相质谱系统中进行检测。本实用新型提供的极性代谢物自动化处理设备用于生物样本或者器官芯片在线提取灌流液中的极性代谢物的检测液，并进入极性物质检测条件的高分辨液相质谱系统，进行定性定量分析，其优点在于，可以通过分类处理生物样本或者器官芯片灌流液，分类处理分析同一类别物质信息，使用非常便利，极大提升工作效率，提高检测精度。此外，涡旋混合器是具有自洁功能的涡旋混合器，其目的在于生物样本或者器官芯片灌流液的自动化处理功能实现所需。

附图说明

图1是本实用新型所提供的极性代谢物自动化处理设备的结构示意图；

图2是本实用新型所采用的具有自洁及超声功能的涡旋混合器的结构示意图；

其中：

21-涡旋混合器；22-高速离心机；23-自动化挟持轨道；24-进样瓶内衬管；25-高分辨液相质谱系统；26-恒温箱体。

具体实施方式

参见图1，本实用新型所提供的极性代谢物自动化处理设备，包括涡旋混合器21、高速离心机22、自动化挟持轨道23、进样瓶内衬管24、高分辨液相质谱系统25以及恒温箱体26；进样瓶内衬管24置于自动化挟持轨道23并随自动化挟持轨道23同步移动。涡旋混合器21、高速离心机22、自动化挟持轨道23均设置在恒温箱体26中。

生物样本溶液或者器官芯片灌流液通过流入管道流至涡旋混合器21中，通过涡旋混合器21对灌流液进行涡旋混合后注入高速离心机22的EP离心管中；高速离心机22对EP离心管进行离心后，将离心后的生物样本溶液或者器官芯片灌流液注入至进样瓶内衬管24中；自动化挟持轨道23将进样瓶内衬管24输送至高分辨液相质谱系统25中进行检测。

恒温箱体26的温度是4℃恒温。

涡旋混合器21是具有自洁功能的涡旋混合器，其目的在于生物样本溶液或者器官芯片灌流液的自动化处理功能实现所需。如图2所示，涡旋混合器包括基座、转动盘、驱动电机、第一管道、混合柱以及第二管道；驱动电机置于基座内部；转动盘置于基座顶部；驱动电机与转动盘相连并驱动转动盘沿转动盘的轴向转动；流入管道通过第一管道与混合柱内部相连通；混合柱通过第二管道与高速离心机内的EP离心管相贯通；混合柱置于转动盘上并随转动盘同步转动。

优选的，本实用新型所采用的涡旋混合器还包括设置在混合柱上的超声发生器。本实用新型所采用的超声发生器是一个或两个，超声发生器是两个时，两个超声发生器对称设置在混合柱外表面。超声发生器装置，其目的在于在涡旋混合的同时，通过超声振动作用最大程度增加极性物质融入极性溶剂的可能。

优选的，本实用新型所采用的涡旋混合器还包括与混合柱内部相贯通的冲洗管道。冲洗管道例如可以包括一个高速射流出口，其外联高压输水装置，当需要使用自洁功能时，将驱动洁净水流，高速冲洗器件内部。所有具备自洁功能的器件，也设置有负压疏水出口，在自洁功能实施时和实施后将废水排出器件，完成自洁。

该装置的工作次序具体是：

①该设备的自动吸针(本实用新型所提供的极性代谢物自动化处理设备在液体的转移时，均采用自动化吸针进行，下同)可每次吸取灌流液50μL；通过流入管道注入涡旋混合器21中；同时向涡旋混合器21注入150μL预冷的冰甲醇(含1μg/ml的2-氯苯丙氨酸为内标)，自动化涡旋3min。

②涡旋混合器21具有自洁清洗功能；附带自洁高压散射流喷水管道进口，与自洁后导流清洗液的负压功能设置的出口；可在检测后实现自动清洁。

③涡旋混合器21延伸序贯耦合了一个高速离心机22，涡旋完成后的测试液会通过流入管道注入高速离心机22的EP管(高速离心机22中该EP管位的对位，预置内装200μL洁净水的平衡EP管)中，然后高速离心机22在12000r/min的条件下离心10min，离心完的上清液将被自动吸针吸入到第二个EP管中。此处及以下所述的EP管，均配备松软材质制成的管盖，方便吸针插入与抽离。

④EP管中的上清液会被12000r/min再次离心5min，其上清液会被自动化吸针吸入到流出管道并通过流出管道注入进样瓶内衬管24中，携带上清液的进样瓶内衬管24在自动化挟持轨道23的带动下装载到高分辨液相质谱系统25中测试分析。高分辨液相质谱系统25适配相应的检测条件、自建库、公共库。

Claims (6)

1.一种极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述极性代谢物自动化处理设备包括涡旋混合器（21）、高速离心机（22）、自动化挟持轨道（23）、进样瓶内衬管（24）、高分辨液相质谱系统（25）、恒温箱体（26）以及传输管道；所述涡旋混合器（21）、高速离心机（22）、自动化挟持轨道（23）均设置在恒温箱体（26）中；所述传输管道包括流入管道以及流出管道；所述高速离心机（22）内设置有EP离心管；所述流入管道贯穿恒温箱体（26）的侧壁并通过涡旋混合器（21）与高速离心机（22）内的EP离心管相贯通；所述高速离心机（22）对EP离心管离心后，将离心后的液体通过流出管道注入进样瓶内衬管（24）中；所述进样瓶内衬管（24）置于自动化挟持轨道（23）上并随自动化挟持轨道（23）同步移动；所述自动化挟持轨道（23）将进样瓶内衬管（24）输送至高分辨液相质谱系统（25）中进行检测。

2.根据权利要求1所述的极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述涡旋混合器（21）包括基座、转动盘、驱动电机、第一管道、混合柱以及第二管道；所述驱动电机置于基座内部；所述转动盘置于基座顶部；所述驱动电机与转动盘相连并驱动转动盘沿转动盘的轴向转动；所述流入管道通过第一管道与混合柱内部相连通；所述混合柱通过第二管道与高速离心机（22）内的EP离心管相贯通；所述混合柱置于转动盘上并随转动盘同步转动。

3.根据权利要求2所述的极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述涡旋混合器（21）还包括设置在混合柱上的超声发生器。

4.根据权利要求3所述的极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述超声发生器是一个或两个，所述超声发生器是两个时，两个超声发生器对称设置在混合柱外表面。

5.根据权利要求2或3或4所述的极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述涡旋混合器（21）还包括与混合柱内部相贯通的冲洗管道。

6.根据权利要求5所述的极性代谢物自动化处理设备，其特征在于：所述恒温箱体（26）的温度是4℃恒温。