DE102018206469A1

DE102018206469A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial

Info

Publication number: DE102018206469A1
Application number: DE102018206469.5A
Authority: DE
Inventors: Franz Laermer; Jochen Hoffmann; Tino Frank; Paul Kallenberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-04-26
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2019-10-31
Also published as: EP3784140A1; WO2019206944A1; CN111989048A; US20210114024A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Vorbereiten von Probenmaterial, wobei die Vorrichtung (1) als Drehvorrichtung ausgeführt ist, mit der durch eine Drehbewegung eine definierte Menge Flüssigkeit in einen Probenaufnahmeraum (15) für das Probenmaterial eingezogen oder aus dem Probenaufnahmeraum (15) für das Probenmaterial ausgestoßen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein mikrofluidisches System mit einer derartigen Vorrichtung.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 050 347 A1 ist eine Probenentnahmevorrichtung, insbesondere eine Biopsienadel, bekannt, bestehend aus einer Hohlnadel mit einer distalen Öffnung mit einem Umfangsrand und einem in der Hohlnadel geführten verschieblichen Stilett mit einer Spitze und einer Länge, dass die Spitze aus der distalen Öffnung der Hohlnadel ragen kann. Die Probenentnahmevorrichtung ist zum Beispiel als Feinnadelbiopsie-Vorrichtung ausgeführt. Die Probenentnahmevorrichtung beziehungsweise Feinnadelbiopsie-Vorrichtung wird zur Entnahme tierischen, menschlichen und/oder pflanzlichen Gewebes verwendet. Mittels Feinnadelbiopsien werden in Verdachtsfällen Gewebematerial oder Zellen aus beispielsweise Lunge, Schilddrüse oder Prostata entnommen. Klassischerweise wird dieses Probenmaterial auf einen Objektträger aufgebracht und von einem Pathologen begutachtet. Hierbei wird beispielsweise die Morphologie der Zellen optisch untersucht. Durch das sogenannte immunohistochemische Anfärben werden zellspezifische Merkmale identifiziert. Darüber hinaus werden auch immer häufiger genetische Merkmale der Zellen bestimmt. Die hierfür notwendigen Probenvorbereitungsschritte sind meist umfangreich und werden daher häufig nicht zeitnah durchgeführt. Dies führt in einigen Fällen dazu, dass Therapien ohne das Wissen um relevanten Mutationsstatus verschrieben werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial ist vorteilhaft als Drehvorrichtung ausgeführt, mit der durch eine Drehbewegung eine definierte Menge Flüssigkeit in einen Probeaufnahmeraum für das Probenmaterial eingezogen oder aus dem Probenaufnahmeraum für das Probenmaterial ausgestoßen werden kann. Der Probenaufnahmeraum hat vorzugsweise ein mikrofluidisches Volumen, insbesondere ein Flüssigkeitsvolumen, von eins bis eintausend Mikrolitern, bevorzugt zwischen zehn und hundert Mikrolitern. Bei dem Probenmaterial handelt es sich zum Beispiel um tierisches, menschliches und/oder pflanzliches Gewebe. Das Probenmaterial wird zum Beispiel mit einer geeigneten Probenentnahmevorrichtung entnommen. Bei der Probenentnahmevorrichtung handelt es sich zum Beispiel um eine Biopsienadel oder um einen Biodetektor mit einer funktionalen oder funktionalisierten Fläche. Die funktionale oder funktionalisierte Fläche dient vorteilhaft zur Isolierung von Molekülen oder Zellen aus dem menschlichen Körper. Mit der Biopsienadel können einem Patienten Zellen, insbesondere Tumorzellen, entnommen werden, die in der Blutbahn zirkulieren. Der Funktionale oder funktionalisierte Teil der Biopsienadel ist vorteilhaft so beschichtet, dass entweder zellfreie DNA oder Zellen epithelialen Ursprungs, die ein bestimmtes Oberflächenprotein, beispielsweise EpCAM, exprimieren, bei Kontakt mit der Nadeloberfläche von dort vorhandenen Antikörpern, zum Beispiel anti Ep-CAM, gebunden werden. EpCAM ist eine Abkürzung für die englischen Begriffe Epithelial Cell Adhesion Molecule. Bei einer Anwendung wird die Biopsienadel beziehungsweise der Biodetektor zum Beispiel für dreißig Minuten in die Armvene eines Patienten eingebracht, entnommen und gewaschen. Ein Arzt bestimmt dann die Anzahl an fixierten Zellen und/oder bestimmt den Mutationsstatus der Zellen. In einem mikrofluidischen System können kleine Probenmengen mit einer hohen Sensitivität analysiert werden. Automation, Miniaturisierung und Parallelisierung erlauben zudem eine Reduktion von händischen Schritten, sowie eine Verminderung von dadurch verursachten Fehlern. Vor einem mikrofluidischen Analyseprozess muss die makroskopische Probe aber zunächst in die mikroskopische oder fluidische Fluidumgebung überführt werden.
Diese sogenannte World-to-chip Interface verlangt standardmäßig das Aufbereiten einer Eingabelösung beziehungsweise Eingabeprobe. Typischerweise wird die Probeaufbereitung off-chip - händisch oder mit einem anderen Gerät - ausgeführt. Dies hat zur Folge, dass durch Fluidtransport zwischen verschiedenen Gefäßen und dem Einsatz von verschiedenen Lösemitteln und Waschschritten, die meist schon tiefkonzentrierte Probe noch weiter verdünnt wird. Auch besteht die Gefahr von Kontaminationen oder Zerfall des fragilen Probematerials durch zeitintensive Schritte.
Eine Point-of-care Analyse, welche die meisten Lab-on-Chip Anwendungen verfolgen, verlangt eine schnelle Probenanalyse, ohne komplizierte und arbeitsintensive Arbeitsschritte, welche normalerweise nur von geschultem Personal in Zentrallaboren ausgeführt werden.
Mikrofluidische Systeme werden häufig für verschiedene Anwendungen gebraucht. Ein universelles Netzwerksystem erlaubt die Analyse von verschiedenen Problemstellungen. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Ansätzen ist oft eine andersartige Probenaufbereitung. Dazu müsste oft die mikrofluidische Analyseeinheit neu angepasst werden, was mit einem hohen Entwicklungsaufwand verbunden ist. Wenn also zum Beispiel eine Probe einer Nadelbiopsie in ein System für eine flüssige Probe überführt werden soll, muss eine Lösung für die Vorprozessierung einer starren Nadel gefunden werden, ohne dass die mikrofluidische Analyseeinheit mit hohem Kostenaufwand verändert werden muss (e.g. neue Spritzgussteile). Andernfalls geht der Vorteil der fast vollständig automatisierten Prozessierung verloren.
Mit der beanspruchten Drehvorrichtung ist es möglich, schnell, einfach und präzise wohldefinierte kleine Mengen an unterschiedlichen Flüssigkeiten aufzuziehen und wieder auszustoßen, um damit immobilisierte Proben mikrofluidisch in die geeignete Eingabeform zu überführen. So kann eine immobilisierte Probe in eine geeignete Lösung, Suspension oder Dispersion überführt werden. Dazu muss diese unter anderem gespült, aber auch das Probenmaterial abgelöst werden oder Zellmaterial durch Lyse freigesetzt werden. Dieses kleine Probenvolumen kann dann direkt in ein mikrofluidisches System zur weiteren Prozessierung überführt werden.
Die beanspruchte Drehvorrichtung ist vorzugsweise luftdicht mit einem kanülenförmigen Volumen verbunden. In diesem Volumen wird die Probe vorgelegt. Durch eine vordefinierte Drehung kann eine definierte Menge an Flüssigkeit in das Kanülenvolumen ein- und ausgestoßen werden. Dieses System bringt folgende Vorteile mit sich: Die Vorrichtung hat ein intuitives und einfaches Nutzerdesign. Dies ermöglicht auch nicht speziell geschultem Personal das Handling. Außerdem ist dadurch die Gefahr von möglichen Fehlern, die vom Nutzer begangen werden könnten, minimiert. Volumina sind vordefiniert und können nicht verändert werden und sind rein durch den vollständigen Drehvorgang definiert. Darüber hinaus wird durch den Einsatz von transparenten Kanülen, zum Beispiel aus Glas, eine optische Sichtkontrolle der Handling-Vorgänge ermöglicht, was eine zusätzliche Handling-Sicherheit bietet. Durch Einsatz von transparenten Kanülen, zum Beispiel aus Glas, wird weiterhin vorteilhaft eine optische Analyse des Probenmaterials, zum Beispiel eine Zellzählung mit Hilfe eines Mikroskops, ermöglicht, wobei sich das Probenmaterial in einer geschützten Umgebung (im Inneren der Kanüle) befindet. Das System ist durch den Einsatz einer Kanüle so entworfen, dass verlust- und auch verdünnungsfrei gearbeitet werden kann. Starre Formen, wie zum Beispiel ein Swab, Draht, eine Nadel oder ein feines Stanzwerkzeug einer Biopsie können in die Kanülenform eingebracht werden, ohne dass deren Geometrie verändert werden muss. Auch muss dabei die Geometrie des mikrofluidischen Analysesystems nicht sonderlich angepasst werden. Dies erlaubt bestehende mikrofluidische Systeme mit dem hier beschriebenen Probevorbereitungssystem zu ergänzen, ohne das System zu adaptieren. Das beschriebene System ist weitgehend geschlossen. Dadurch wird das Kontaminationsrisiko um mehrere Faktoren gesenkt. Das beschriebene System kann durch ein Ensemble von wenigen, kostengünstigen Einwegteilen realisiert werden. Dies erlaubt eine im medizinischen Bereich erwünschte und standardmäßige Einweganwendung. Lösungen zur Reinigung und Verhinderung von Kreuzkontamination müssen nicht entwickelt werden. Durch das Einziehen und Ausstoßen der definierten Menge an Flüssigkeit lässt sich die Wahrscheinlichkeit, Luftblasen innerhalb der Probeflüssigkeit zu bekommen, reduzieren. Für eine anschließende Analyse, auf zum Beispiel einer mikrofluidischen Plattform, ist es sehr viel einfacher, eine flüssige Probe blasenfrei auf den Chip zu transferieren, als eine starre Probe blasenfrei auf der mikrofluidischen Plattform in Flüssigkeit zu überführen. Die für das Waschen oder die Lyse nötigen Chemikalien könnten zum Beispiel auf einem Chip vorgelagert werden. Dadurch wird die Nutzerfreundlichkeit erhöht, da die Anzahl der Einzelteile eines Gesamtsystems minimiert wird. Die Anwendung der beschriebenen Erfindung basiert auf den Zielanwendern bekannten Konzepten. Das Bedienen von Werkzeugen, welche ähnliche Funktionen, wie Spritzen oder Pipetten haben, sind dem patientennahen Personal (zum Beispiel Pfleger, Ärzte, Sanitäter) bestens vertraut und braucht keine weitere Einschulung in die Thematik. Das System kann durch Kombination von handelsüblichen Luer-Teilen, welche in der medizinischen Fluidik standardmäßig angewandt werden, gebaut werden. Diese Teile sind genormt vorhanden und können durch leichte Abänderungen an handelsübliche Bauteile angepasst werden (zum Beispiel Integration von Dichtung, Anschlagstelle). Falls Proben nicht direkt vor Ort analysiert werden können, so erlaubt die Vorrichtung eine erste einfache Probevorbereitung, welche den Analyten im kleinen Volumen in eine stabile Form (zum Beispiel fixierte DNA) überführt und dann im und mitsamt dem Adapter kleinem Volumen verschickt werden kann. Die Vorrichtung kann weiter dazu benutzt werden, um ein kleines Volumen aus einem mikrofluidischen System wieder zu entfernen und für weitere Analysen anzuwenden. Dies ist insofern interessant, wenn in klinischen Studien Resultate weiter evaluiert werden. So kann ein spezielles Resultat direkt für eine Sequenzierung aufbereitet werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Probenaufnahmeraum ein Volumen umfasst, das kleiner als zehn Milliliter ist. Der Probenaufnahmeraum hat zum Beispiel ein Volumen von etwa zehn bis zweihundert Mikroliter.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung einen Drehkörper umfasst, der über ein Gewinde mit einem Flüssigkeitsaufnahmeraum mit einem Volumen gekoppelt ist, dessen Größe durch Verdrehen des Drehkörpers relativ zu dem Gewinde oder durch Verdrehen des Gewindes relativ zu dem Drehkörper verändert wird. Das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums ist größer, vorzugsweise mindestens zwei- bis dreimal so groß wie das Volumen des Probenaufnahmeraums. Der Drehkörper umfasst vorteilhaft radial außen ein Außengewinde, das komplementär zu einem Innengewinde des vorab genannten Gewindes ist. Darüber hinaus ist der Drehkörper vorteilhaft mit einem zentralen Durchgangsloch ausgestattet, das den Flüssigkeitsaufnahmeraum fluidisch mit dem Probenaufnahmeraum verbindet. Der Drehkörper ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel als Luer-Lock-Element ausgeführt. Je nach Drehrichtung der Relativdrehbewegung wird das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums kleiner oder größer. Wenn das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums kleiner wird, dann wird Fluid, insbesondere Flüssigkeit, aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum durch den Probenaufnahmeraum ausgestoßen. Wenn das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums größer wird, dann wird Flüssigkeit durch den Probenaufnahmeraum in den Flüssigkeitsaufnahmeraum eingezogen. So kann das Probenmaterial auf einfache Art und Weise Vorbereitungsschritten, wie Waschen, Fixieren und/oder Lysieren, unterzogen werden. Sobald die vorbereiteten Schritte abgeschlossen sind, kann die nun in flüssiger Form vorliegende Probe durch Verdrehen des Drehkörpers auf einfache Art und Weise, insbesondere reproduzierbar, übergeben werden. Dabei wird die flüssige Probe aus dem Probenaufnahmeraum ausgestoßen. So kann die Probe vorteilhaft direkt an ein Lab-on-Chip übergeben werden. Je nach Ausführung kann eine zum Waschen, Fixieren oder Lysieren verwendete Flüssigkeit auch bereits in dem Lab-on-Chip vorgehalten werden. Mit der beanspruchten Vorrichtung können die benötigten Flüssigkeiten in einem entsprechenden mikrofluidischen System auch aus dem Lab-on-Chip entnommen werden. In Bezug auf dieses Ausführungsbeispiel ist das Gewinde, wenn der Drehkörper verdreht wird, vorteilhaft feststehend angeordnet. Wenn das Gewinde verdreht wird, dann ist vorteilhaft der Drehkörper feststehend angeordnet. Selbstverständlich können die beiden Teile, also der Drehkörper und das Gewinde, auch beide relativ gegeneinander verdreht werden. Als Gewinde wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein Innengewindeabschnitt bezeichnet, der mit einem Außengewindeabschnitt kämmt, der wiederum an dem Drehkörper ausgebildet ist. Der Innengewindeabschnitt ist zum Beispiel in einem Hohlkörper ausgebildet, in dem der Drehkörper drehbar ist.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum von einem Hohlkörper begrenzt wird, der innen mit dem Gewinde ausgestattet ist. Der Hohlkörper hat zum Beispiel die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels, der an einem Ende geschlossen ist. In dem Hohlkörper ist der Drehkörper über das Gewinde so drehbar, dass sich das von dem Hohlkörper begrenzte Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums verändert, wenn der Drehkörper in dem Hohlkörper verdreht wird. Das geschlossene Ende des Hohlkörpers kann als Luer-Lock-Element ausgeführt sein. Durch das Luer-Lock-Element kann vorteilhaft ein nicht funktionaler oder funktionalisierter Abschnitt einer Biopsienadel aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum herausgeführt werden. Die Biopsienadel ist mit ihrem funktionalen oder funktionalisierten Abschnitt vorteilhaft in dem Probenaufnahmeraum angeordnet. Je nach Ausführung der Biopsienadel kann sich die Biopsienadel durch den Flüssigkeitsaufnahmeraum durch das geschlossene Ende des Hohlkörpers, das vorteilhaft als Luer-Lock-Element ausgeführt ist, heraus erstrecken. Selbstverständlich kann auch der Hohlkörper relativ zu dem Drehkörper verdreht werden, um das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums definiert zu verkleinern oder zu vergrößern. Dann kann der Drehkörper zum Beispiel mit einer Hand festgehalten werden, während der Hohlkörper mit der anderen Hand verdreht wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper an einem dem Probenaufnahmeraum abgewandten Ende einen abgedichteten Durchsteckbereich aufweist. Der Hohlkörper hat zum Beispiel die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels, der an einem Ende geschlossen ist. In dem Hohlkörper ist der Drehkörper über das Gewinde so drehbar, dass sich das von dem Hohlkörper begrenzte Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums verändert, wenn der Drehkörper in dem Hohlkörper verdreht wird. Das geschlossene Ende des Hohlkörpers kann als Luer-Lock-Element ausgeführt sein. Durch das Luer-Lock-Element kann vorteilhaft ein nicht funktionaler oder funktionalisierter Abschnitt einer Biopsienadel aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum herausgeführt werden. Die Biopsienadel ist mit ihrem funktionalen oder funktionalisierten Abschnitt vorteilhaft in dem Probenaufnahmeraum angeordnet. Je nach Ausführung der Biopsienadel kann sich die Biopsienadel durch den Flüssigkeitsaufnahmeraum durch das geschlossene Ende des Hohlkörpers, das vorteilhaft als Luer-Lock-Element ausgeführt ist, heraus erstrecken.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Biopsienadel, wie in 14 gezeigt, in eine Lysevorrichtung eingeführt wird. Diese weist jedoch keine Drehvorrichtung für die Aufnahme von Flüssigkeit auf, sondern einen beispielsweise an Stelle 153 angebrachten Peläusball (oder ähnliches). Mittels dieses Balles können durch Volumenvergrößerung oder -verkleinerung Prozessflüssigkeiten in die Kapillare 15 eingebracht oder ausgestoßen werden. Dies vereinfacht die Fluidaktuierungseinheit gegenüber dem zuvor genannten Drehmechanismus.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum fluidisch mit dem Probenaufnahmeraum in Verbindung steht. Dadurch wird auf einfache Art erreicht, dass über den Probenaufnahmeraum Flüssigkeit in den Flüssigkeitsaufnahmeraum eingezogen werden kann. Gleichzeitig kann durch den Probenaufnahmeraum Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum ausgestoßen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Probenaufnahmeraum von einem Rohrkörper begrenzt wird, der an seinem dem Flüssigkeitsaufnahmeraum abgewandten Ende offen ist. Durch das offene Ende des Rohrkörpers kann Flüssigkeit eingezogen oder ausgestoßen werden. Der Rohrkörper ist so oder so ähnlich wie eine Kanüle oder Kapillare ausgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper oder der Drehkörper einen Außengewindeabschnitt aufweist, der komplementär zu einem Innengewindeabschnitt ausgebildet ist, der in dem Flüssigkeitsaufnahmeraum angeordnet ist. Der Rohrkörper ist vorteilhaft mit dem Drehkörper kombiniert. Der Rohrkörper kann einstückig mit dem Drehkörper verbunden sein. Der Außengewindeabschnitt ist vorteilhaft an einem Bund ausgebildet, der von dem Rohrkörper oder einem Grundkörper des Drehkörpers abgewinkelt ist. Der Rohrkörper kann auch ein offenes Ende mit einer Spitze aufweisen, die so oder so ähnlich wie eine Pipettenspitze ausgeführt ist. Dann kann der Drehkörper, zum Beispiel eine Kanüle oder eine Kapillare, mit einer geeigneten Dichteinrichtung auf einfache Art und Weise fluidisch mit dem Drehkörper verbunden werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper, der Hohlkörper und/oder der Drehkörper mit mindestens einer Dichteinrichtung kombiniert sind/ist. So können der Probenaufnahmeraum und der Flüssigkeitsaufnahmeraum, abgesehen von dem offenen Ende des Rohrkörpers, fluiddicht, insbesondere luftdicht, gegenüber der Umgebung abgedichtet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper, der Hohlkörper und/oder der Drehkörper mit einer Filtereinrichtung kombiniert sind. Mit der Filtereinrichtung kann die Umsetzung einzelner Verfahrensschritte, wie einer Aufreinigung oder Vorreinigung des Probenmaterials, effektiver gestaltet werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum oder der Probenaufnahmeraum einen Anschluss zum Zuführen und/oder Abführen eines Fluids aufweist. Der Anschluss ist zum Beispiel an einem Anschlusskörper der Drehvorrichtung vorgesehen. Der Anschluss kann aber auch an einem beziehungsweise dem Hohlkörper vorgesehen sein, der den Flüssigkeitsaufnahmeraum begrenzt. Der Anschluss kann aber auch an einem zusätzlichen Teil vorgesehen sein, zum Beispiel, wie im Folgenden noch beschrieben ist, an einem T-Stück. Der Anschluss dient vorteilhaft zum Zuführen eines Fluids, um sämtliches Probenmaterial aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum und dem Probenaufnahmeraum zu entfernen. Dadurch wird vorteilhaft eine Vorrichtung zur verlustfreien, mikrofluidischen Vorbereitung von immobilisiertem Probenmaterial, insbesondere an starren Nadeln, vorzugsweise mittels eines Zweiphasensystems, geschaffen. Über den Anschluss kann ein Fluid, insbesondere eine Ölphase, zugeführt werden, um eine Sampleflüssigkeit vollständig aus dem Probenaufnahmeraum, zum Beispiel aus einer Kanüle, zu entfernen und verlustfrei in eine Lab-On-Chip-Plattform zu übergeben. Als Sampleflüssigkeit wird eine Flüssigkeit bezeichnet, die Probenmaterial enthält. Darüber hinaus können über den Anschluss Teilaufgaben einer Flüssigkeitsvorverlagerung beziehungsweise -vorlegung und das Bereitstellen einer Flüssigkeit übernommen werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss zum Zuführen und/oder Abführen des Fluids als dritter Anschluss an einem T-Stück vorgesehen ist, das den Flüssigkeitsaufnahmeraum und/oder den Probenaufnahmeraum begrenzt. Der dritte Anschluss ist vorteilhaft durch einen Verschlusskörper verschließbar. Der Verschlusskörper dient im Betrieb der Vorrichtung vorteilhaft dazu, den dritten Anschluss dicht zu verschließen, und zwar insbesondere dann, wenn über den dritten Anschluss kein Fluid zugeführt oder abgeführt wird. Der Verschlusskörper ist vorteilhaft als Luer-Lock-Element ausgeführt. Das T-Stück mit dem dritten Anschluss ist vorteilhaft ebenfalls als Luer-Lock-Element ausgeführt. Durch die Ausführung als Luer-Lock-Element beziehungsweise Luer-Lock-Elemente wird die Handhabung der Vorrichtung vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das T-Stück einen ersten Anschluss für die Drehvorrichtung, einen zweiten Anschluss für den Probenaufnahmeraum und den dritten Anschluss zum Zuführen und/oder Abführen des Fluids aufweist. Der dritte Anschluss kann, bezogen auf das T-Stück, quer zu den ersten beiden Anschlüssen angeordnet sein. Der dritte Anschluss kann, bezogen auf das T-Stück, aber auch parallel zu den ersten beiden Anschlüssen angeordnet sein. An den dritten Anschluss des T-Stücks oder T-Elements kann anstelle eines Verschlusskörpers auch eine Spritze mit einem Luer-Anschluss geschraubt werden. Über die Spritze kann auf einfache Art und Weise Fluid, insbesondere Öl, appliziert werden, indem ein Kolben der Spritze betätigt wird. Die Spritze kann an dem dritten Anschluss des T-Stück orthogonal aber auch parallel zu einer Kapillare oder Kanüle angebracht werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein mikrofluidisches System mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial. Das mikrofluidische System umfasst zusätzlich zu der vorab beschriebenen Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial mindestens einen mikrofluidischen Chip. Dadurch wird auf einfache Art und Weise eine vollautomatisierte Analyse biologischer Proben unmittelbar vor Ort am Point of Care ermöglicht. In dem fluidischen Chip werden vorteilhaft Reagenzien vorgelegt. Mit den Reagenzien kann das Probenmaterial dann vorbereitet, zum Beispiel gewaschen, werden. Der mikrofluidische Chip umfasst vorteilhaft einen Probeneingabebereich. Der Probeneingabebereich an dem mikrofluidischen Chip umfasst zum Beispiel einen Eingabekanal, der geeignet ist, das offene Ende des Rohrkörpers der vorab beschriebenen Vorrichtung aufzunehmen. Die Gestalt des Eingabekanals ist zu diesem Zweck vorteilhaft an die Gestalt des Rohrkörpers an seinem offenen Ende angepasst. Der Eingabekanal ist in dem mikrofluidischen Chip an mindestens einer Verbindungsstelle mit einem mikrofluidischen Netzwerk verbunden. Dadurch wird beziehungsweise werden das Vorbereiten oder Prozessieren des Probenmaterials, zum Beispiel das Waschen und Anfärben des Probenmaterials, erheblich vereinfacht.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Rohrkörper, einen Hohlkörper, einen Drehkörper, eine Dichteinrichtung und/oder eine Filtereinrichtung für eine vorab beschriebene Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial oder für ein vorab beschriebenes mikrofluidisches System. Die genannten Teile sind separat handelbar. Die genannten Teile werden vorteilhaft aus einem geeigneten Kunststoffmaterial kostengünstig im Spritzgussverfahren hergestellt. Je nach Anzahl der benötigten Teile ist auch eine Herstellung durch dreidimensionales Drucken oder Rapid-Prototyping möglich. Je nach Art der verwendeten Materialien werden auch spanende Bearbeitungsverfahren, wie Fräsen, angewendet. Einzelne Teile oder Teilbereiche können auch durch ein Umformverfahren, wie Heißprägen, dargestellt werden. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung werden, soweit möglich, handelsübliche Luer-Teile, insbesondere mit Einsatz eines Dichtrings, verwendet. Als Materialien eignen sich zum Beispiel biokompatible Kunststoffe. Die verwendeten Materialien haben vorteilhaft einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der Rohrkörper ist vorteilhaft aus dem gleichen Material wie eine Kapillare, insbesondere eine Glaskapillare, gebildet. Der Rohrkörper kann aber auch aus Metall gebildet sein. Je nach Ausführung kann eine herkömmliche Spritzenkanüle als Rohrkörper verwendet werden.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer vorab beschriebenen Vorrichtung, insbesondere in einem mikrofluidischen System.
Mittels Biopsienadeln können Zellen aus Geweben oder Fluiden (Blut, Lymphflüssigkeit) selektiv aus dem Patienten entfernt werden. Anschließend werden diese in einem kleinen Volumen lysiert. Insbesondere in Anwendungen der flüssigen Biopsie können durch Antikörperselektion nur wenige Zellen an der Nadel haften und ein kleines Volumen ist für eine sensitive Analyse von großer Wichtigkeit. Sollten Zellen von einer Biopsienadel auf eine mikrofluidische Plattform übertragen werden, sollten die an der Nadel haftenden Zellen in einem möglichst kleinen Volumen lysiert werden. Dies kann unter anderem in einer Glaskanüle erfolgen. Dabei können definierte Volumen an Lysepuffer aufgezogen werden. Die Herausforderung ist dann oft die vollständige Entleerung dieser Kanülen, insbesondere, wenn nach seltenen Zellen (zum Beispiel Tumorzellern mit spezifischer Punktmutation, Immunzellen mit speziellen Antigen, Stammzellen) gesucht wird. Da kann jeder kleine Rückstand einen Totalverlust der Information bedeuten.
Kern des Verfahrens beziehungsweise der Vorrichtung ist das verlustfreie Prozessieren eines beschränkten Probenvolumens in einer Kanüle. Dabei wird das beschränkte Probenvolumen mittels Drehvorrichtung eingezogen und wieder ausgestoßen. Mögliche Fluidrückstände werden via eines Seitenkanals durch eine Ölphase vollständig aus der Kanüle verdrängt und das gesamt Probevolumen kann verlustfrei weiterverarbeitet werden. Die Ölphase kann zusätzlich zur Weiterprozessierung auf einem Lab-On-Chip-System genutzt werden.
Durch die Anwendung der hier beschriebenen Vorrichtung und genutzten Prozessen ergeben sich folgende Vorteile:

a) Ein Probevolumen kann vollständig aus einer Kanüle entfernt werden. Dies ist besonders ein Vorteil, wenn mit kleinen Volumina gearbeitet wird, wenig Probenmaterial vorhanden ist (zum Beispiel kleine Kopienzahlen an DNA-Strängen mit seltenen Mutationsmustern) oder das Volumen für die Quantifizierung exakt sein muss.
b) Die eingesetzte Ölphase kann für Folgeprozesse weitergenutzt werden. Insbesondere für eine Weiterverarbeitung auf eine Lab-On-Chip-Plattform, welche Zweiphasensysteme verwendet, ist das ein Vorteil.
c) Durch das Nachschieben von Öl durch die Kanüle beim Übertragen der Probe auf ein Lab-On-Chip, kann die Probe direkt als Plug in mehreren Ölphasen eingeschlossen werden und direkt verlustfrei auf der Lab-On-Chip-Plattform weiter verarbeitet werden.
d) Volumenerhalt kann durch Vorlagerung auf einer Lab-On-Chip-Plattform garantiert werden. Die Lyseeinheit muss kein exaktes Aufziehen garantieren. Der Volumenerhalt ist alleine durch die Volumina der Lab-On-Chip-Plattform garantiert.
e) Die Erfindung lässt sich aus handelsüblichen, genormten Luer-Teilen realisieren. Insbesondere sind diese Teile aus bio- und PCR-kompatiblen Materialien gefertigt. PCR bedeutet Polymerase-Kettenreaktion.
f) Die Vorrichtung erlaubt es auch, ein mehrstufiges Lyseverfahren verlustfrei zu fahren.
g) Das Fluidverfahren, welches die Vorrichtung ermöglicht, vermindert die händischen Schritte, welche vor der automatischen On-Chip-Prozessierung erfolgen, auf ein Minimum. Auch müssen diese nicht metrisch-präzise sein. Die Präzision ist durch die Volumenverlagerung garantiert.
h) Die vollständige, verlustfreie Entleerung vermeidet ein Nachjustieren von Volumina und eventueller Verdünnungen. Nachjustieren bedeutet immer, dass eine Volumenmessung und ein Rückkopplungssystem implementiert werden muss. Dies führt zu komplexeren Systemen und einem höheren Entwicklungsaufwand, was bei Point-of-Care-Anwendungen beschränkt gewünscht ist.

Als Material eignen sich biokompatible Kunststoffe. Naheliegend wird dasselbe Material, aus der die Kartusche beziehungsweise ein Behälter des mikrofluidischen Systems besteht, benutzt. Das Material sollte einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Für die Kapillare kann - wie bereits erwähnt - eine Glaskapillare oder auch eine Spritzenkanüle aus Metall eingesetzt werden. Standard-Luer-Teile können auch verwendet werden. Spritzen können aus Kunststoff oder Glas gefertigt sein, sollten aber abgedichtet (durch Luer-Anschluss oder auch Klebung) zum T-Element verbunden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einem Drehkörper, der in einem Hohlkörper drehbar angeordnet ist, im Längsschnitt;
2 eine schematische Darstellung eines Rohrkörpers, der mit Hilfe einer Dichteinrichtung fluiddicht mit einem Kopplungskörper verbunden ist, im Längsschnitt;
3 eine schematische Darstellung eines Rohrkörpers, der mit einem Anschlusskörper kombiniert ist, im Längsschnitt;
4 eine ähnliche Vorrichtung wie in 1 mit einer Dichteinrichtung und mit zwei Anschlägen im Längsschnitt;
5 eine ähnliche Vorrichtung wie in 4 mit einer Probenentnahmevorrichtung im Längsschnitt;
6 eine ähnliche Vorrichtung wie in 5 mit einem symbolisch angedeuteten PCR-Bead an der Probenentnahmevorrichtung;
7 eine ähnliche Vorrichtung wie in 5 mit einem zusätzlichen dritten Anschlag im Längsschnitt;
8 die Vorrichtung aus 7 nach einem Überfahren des zusätzlichen Anschlags im Längsschnitt;
9 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer Vorrichtung, wie sie zum Beispiel in den 1 und 4 bis 8 dargestellt ist;
10 ein mikrofluidisches System mit einem Lab-on-Chip und einem offenen Ende eines Rohrkörpers der Vorrichtung aus 1 im Schnitt;
11 das offene Ende des Rohrkörpers der Vorrichtung aus 1 mit Probenmaterial, mit einem mikrofluidischen Behälter und mit einer Magneteinrichtung im Längsschnitt;
12 die Vorrichtung aus 5 mit einer zusätzlichen Filtereinrichtung am offenen Ende des Rohrkörpers im Längsschnitt;
13 eine ähnliche Vorrichtung wie in 1 mit einer Probenentnahmevorrichtung und mit einer Gleitdichtung im Längsschnitt;
14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einem zusätzlichen T-Stück; die
15 bis 17 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, wie die Vorrichtung aus 14 genutzt wird, um Fluid vollständig aus einer Kanüle zu transportieren;
18 eine Variante der Vorrichtung aus 14 beim Ansetzen einer Spritze an das T-Stück;
19 eine ähnliche Darstellung wie in 18 beim Ansetzen einer Spritze von oben an das T-Stück; die
20 bis 23 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, wie die Vorrichtung aus 14, das vorteilhaft in einen fluidischen Ablauf für einen Lyseprozess mit an einer Biopsienadel haftenden Zellen in eine Lab-On-Chip-Plattform integriert werden kann; und die
24 bis 26 eine Anwendung der Vorrichtung aus 18, wobei in der Spritze zwei Phasen vorgelagert werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine als Drehvorrichtung ausgeführte Vorrichtung 1 zum Vorbereiten von Probenmaterial 23, 33 (in den 2; 3, 5 bis 8, 12, 13) schematisch im Längsschnitt dargestellt. Die Drehvorrichtung 1 umfasst einen Drehkörper 2, der mit Hilfe eines Gewindes 3 in einem Hohlkörper 4 drehbar ist. Der Hohlkörper 4 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylinders, der an seinem in 1 oberen Ende geschlossen ist. Der Hohlkörper 4 begrenzt einen Flüssigkeitsaufnahmeraum 5.
Das Gewinde 3 umfasst einen Innengewindeabschnitt 6 in dem Hohlkörper 4. In den Innengewindeabschnitt 6 greift ein Außengewindeabschnitt 7 des Gewindes 3 ein. Der Außengewindeabschnitt 7 ist an einem Bund 8 des Drehkörpers 2 ausgebildet. Der Bund 8 ist von einem Grundkörper 9 des Drehkörpers 2 abgewinkelt.
Der Grundkörper 9 des Drehkörpers 2 umfasst ein zentrales Durchgangsloch, das in einen Rohrkörper 10 übergeht. Der Rohrkörper 10 ist zum Beispiel als Kapillare 11 mit einem unten offenen Ende 12 ausgeführt. Die Kapillare 11 begrenzt innen einen Probenaufnahmeraum 15, der fluidisch über das zentrale Durchgangsloch in dem Drehkörper 2 mit dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 5 in dem Hohlkörper 4 verbunden ist.
Durch einen Doppelpfeil 13 ist in 1 angedeutet, dass sich der Rohrkörper 10 mit dem Drehkörper 2 hoch und runter bewegt, wenn der Drehkörper 2 relativ zu dem Hohlkörper 4 verdreht wird. Die Bewegung des Drehkörpers 2, die durch den Doppelpfeil 13 angedeutet ist, wird auch als Hub bezeichnet. Durch den Hub des Drehkörpers 2 verändert sich das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums 5, wie durch einen Doppelpfeil 14 in 1 angedeutet ist.
Wenn das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums 5 kleiner wird, dann wird Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsaufnahmeraum 5 durch den Probenaufnahmeraum 15 und das offene Ende 12 des Rohrkörpers 10 ausgestoßen. Wenn das Volumen des Flüssigkeitsaufnahmeraums 5 größer wird, dann wird Flüssigkeit durch das offene Ende 12 des Rohrkörpers 10 in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 5 eingezogen. Die Flüssigkeit wird über einen geeigneten Behälter (in 1 nicht dargestellt) am offenen Ende 12 des Rohrkörpers 10 bereitgestellt.
In 2 ist gezeigt, wie ein Rohrkörper 20, der als Kapillare 21 ausgeführt ist, an einen Drehkörper (2 in 1) angeschlossen werden kann. Zur Darstellung einer fluiddichten Verbindung ist an der Kapillare 21 eine Dichtung 22 angebracht. Oberhalb der Dichtung 22 ist ein Endabschnitt der Kapillare 21 innerhalb eines Kopplungskörpers 26 angeordnet. Der Kopplungskörper 26 umfasst eine Spitze 27, die so ähnlich ausgeführt ist wie die Spitze einer Pipette. Das freie Ende der Spitze 27 des Kopplungskörpers 26 liegt dichtend an der Dichtung 22 an.
Der Kopplungskörper 26 ist zum Beispiel mit einem Drehkörper, wie er in 1 dargestellt und mit 2 bezeichnet ist, verbunden. Die Verbindung zwischen dem Drehkörper und dem Kopplungskörper 26 kann einstückig ausgeführt sein. In der Kapillare 21 ist Probenmaterial 23 an einer Probenentnahmevorrichtung 24 angeordnet. Die Probenentnahmevorrichtung 24 ist als Biopsienadel 25 ausgeführt. In 2 ist nur ein funktionaler oder funktionalisierter Abschnitt der Biopsienadel 25 in der Kapillare 21 angeordnet.
In 3 ist ein als Kanüle 31 ausgeführter Rohrkörper 30 dargestellt. In der Kanüle 31 ist Probenmaterial 33 an einer Probenentnahmevorrichtung 34 angeordnet. Die Probenentnahmevorrichtung 34 umfasst zum Beispiel eine Biopsienadel 35, deren funktioneller Abschnitt innerhalb der Kanüle 31 angeordnet ist. Der Rest der Biopsienadel 35 ist durch einen Anschlusskörper 39 mit einer Kopplungseinrichtung 37 hindurchgeführt.
Der Anschlusskörper 39 ist einstückig mit dem Rohrkörper 30 verbunden. Der Anschlusskörper 39 weist auf seiner in 3 rechten Seite einen Anschluss 40 zum Beispiel für eine Drehvorrichtung (in 3 nicht dargestellt) auf. Der Anschluss 40 ist mit einer Filtereinrichtung 32 kombiniert.
Die Kopplungseinrichtung 37 umfasst ein Luer-Lock-Element 38, das einen Durchsteckbereich für die Biopsienadel 35 umfasst. Ein freies Ende 36 ragt in 3 oben aus der Kopplungseinrichtung 37 heraus.
Der Anschlusskörper 39 läuft zu dem Rohrkörper 30 hin spitz zu. Der Anschlusskörper 39 mit dem Rohrkörper 30 und der Kopplungseinrichtung 37 sowie der Filtereinrichtung 32 ist zum Beispiel als Einwegteil ausgeführt. Die Drehvorrichtung, die an den Anschluss 40 angeschlossen wird, ist dann zum Beispiel als Mehrwegteil ausgeführt. Dabei dient der Filter 32 vorteilhaft dazu, eine Kontaminationsgefahr zu verringern.
In 4 ist dargestellt, wie mit einer Drehvorrichtung 41 ein vordefiniertes Volumen eingezogen werden kann. Dazu muss die Drehvorrichtung 41 luftdicht sein und beim Einziehen von Flüssigkeit um eine genau definierte Anzahl an Umdrehungen gedreht werden. Die Drehvorrichtung 41 umfasst einen Drehkörper 42, der über ein Gewinde 43 mit einem Hohlkörper 44 gekoppelt ist. Eine Dichteinrichtung 45 ist zur Abdichtung zwischen dem Drehkörper 42 und dem Hohlkörper 44 angeordnet.
Das Gewinde 43 ist in dem Hohlkörper 44 mit zwei Anschlägen 46, 47 versehen, durch welche das Verdrehen des Drehkörpers 42 in dem Hohlkörper 44 begrenzt wird. Der Drehkörper 42 umfasst einen Grundkörper 49 mit einem zentralen Durchgangsloch. Von dem Grundkörper 49 ist in 4 oben ein Bund 48 abgewinkelt. An seinem in 4 unteren Ende ist der Drehkörper 42 mit einem Rohrkörper 50 verbunden.
Der Rohrkörper 50 umfasst einen Probenaufnahmeraum 15, der mit einem Flüssigkeitsaufnahmeraum 5 innerhalb des Drehkörpers 42 beziehungsweise innerhalb des Hohlkörpers 44 verbunden ist. Durch den sich vergrößernden Raum innerhalb der Drehvorrichtung 41 entsteht ein Unterdruck, der dafür sorgt, dass ein genau definiertes Volumen an Flüssigkeit über das offene Ende des Rohrkörpers 50 in die Drehvorrichtung 41 gesaugt wird.
In den 5 und 6 ist eine als Drehvorrichtung ausgeführte Vorrichtung 51 mit einem Drehkörper 52 dargestellt, der über ein Gewinde 53 in einem Hohlkörper 54 drehbar ist. Eine Dichteinrichtung 55 dient zur Abdichtung zwischen dem Drehkörper 52 und dem Hohlkörper 54 mit dem Gewinde 53. Der Drehkörper 52 umfasst einen Bund 58, der von einem Grundkörper 59 abgewinkelt ist. Der Grundkörper 59 ist mit einem Rohrkörper 60 verbunden, der als Kapillare oder Kanüle ausgeführt ist.
In dem Rohrkörper 60 ist eine Probenentnahmevorrichtung 34 angeordnet, die als Biopsienadel 35 ausgeführt ist. Das Probenmaterial 33 ist an der Probenentnahmevorrichtung 34 angeordnet und wird mit Hilfe von Flüssigkeit zur Analyse vorbereitet. Die Flüssigkeit wird durch den Probenaufnahmeraum 15 innerhalb des Rohrkörpers 50 in den Flüssigkeitsaufnahmeraum 5 eingesaugt. Zu diesem Zweck wird der Drehkörper 52 definiert verdreht. Das Verdrehen des Drehkörpers 52 relativ zu dem Hohlkörper 54 wird durch zwei Anschläge 56, 57 an dem Gewinde 53 begrenzt.
Der Drehkörper 52 kann auch als Adapterstück bezeichnet werden und ist in 5 als Luer-Lock mit einem Gummispetum ausgeführt. Das liefert den Vorteil, dass eine starre Probe, wie zum Beispiel die Biopsienadel 35, oder ein funktionalisierter Dreht, bereits mit einem Luer-Lock ausgestattet ist. Dadurch entfällt eine umständliche Bearbeitung des Drahts, was die Gefahr einer unerwünschten Kontamination beziehungsweise Zerstörung der Probe stark minimiert. Außerdem muss die Probe nicht erst umständlich vorbereitet werden, sondern kann direkt eingesetzt und behandelt werden.
6 zeigt die Möglichkeit einer Kombination von mehreren Schritten zur späteren Durchführung einer quantativen Echtzeit-Polymerase-Kettenreaktion (PCR) innerhalb der Vorrichtung 51. Ein PCR-Bead 61 ist beispielhaft innerhalb des Drehkörpers 52 dargestellt. Zur Vorbereitung benötigte Chemikalien, wie zum Beispiel Lyophysat, können zum Beispiel in getrockneter Form vorgelagert werden.
In den 7 und 8 ist eine als Drehvorrichtung ausgeführte Vorrichtung 71 dargestellt, mit der ein Mehrschrittverfahren durchgeführt werden kann. Die Vorrichtung 71 umfasst einen Drehkörper 72, der mit Hilfe eines Gewindes 73 in einem Hohlkörper 74 drehbar ist. Zur Abdichtung zwischen dem Hohlkörper 74 und dem Drehkörper 72 sind zwei Dichteinrichtungen 75, 76 vorgesehen.
Der Drehkörper 72 umfasst einen Bund 78, der von einem Grundkörper 79 des Drehkörpers 72 abgewinkelt ist. Der Grundkörper 79 des Drehkörpers 72 geht in einen Rohrkörper 80 über, der, wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Probenentnahmevorrichtung 34 umfasst.
Der Hohlkörper 74 ist mit einem Dichtzylinder 77 kombiniert. Der Dichtzylinder 77 hat die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels und ist an seinem in 7 oberen Ende geschlossen. Ein nicht funktioneller Abschnitt der Probenentnahmevorrichtung erstreckt sich durch das geschlossene Ende des Dichtzylinders 77.
Der Drehkörper 72 umfasst eine zentrale Ausnehmung 70, in welche das in 7 untere Ende des Dichtzylinders 77 eingreift. Der Dichtzylinder 77 ist fest mit dem Hohlkörper 74 verbunden. Der Drehkörper 72 ist relativ zu dem Dichtzylinder 77 drehbar. Das Gewinde 73 und die Dichteinrichtungen 75, 76 sind in einem Ringraum angeordnet, der radial innen von dem Dichtzylinder 77 und radial außen von dem Hohlkörper 74 begrenzt wird. Der Bund 78 des Drehkörpers 72 ist durch das Gewinde 73 zwischen insgesamt drei Anschlägen 66, 67, 68 drehbar.
Mit 66 ist ein unterer Anschlag bezeichnet. Mit 67 ist ein oberer Anschlag bezeichnet. Ein zusätzlicher mittlerer Anschlag 68 ist zwischen den beiden Anschlägen 66 und 67 angeordnet. In 7 ist der Bund 78 des Drehkörpers 72 zwischen den beiden Anschlägen 66 und 68 angeordnet. Mit den unterschiedlichen Anschlägen 66 bis 68 können auf einfache Art und Weise unterschiedliche Volumina definiert werden, die beim Verdrehen des Drehkörpers 72 relativ zu dem Hohlkörper 74 durch die Vorrichtung 71 ausgestoßen oder eingezogen werden.
Bei der Durchführung eines Mehrschrittverfahrens mit der Vorrichtung 71 in 7 wird zum Beispiel in einem ersten Schritt einmalig oder mehrmalig ein erstes Volumen V1 aufgezogen. Zu diesem Zweck wird die Drehvorrichtung 71 mit dem Bund 78 vom unteren Anschlag 66 bis zu dem zusätzlichen mittleren Anschlag 68 gedreht. In einem weiteren Schritt wird mit einem zweiten Volumen V2 dosiert, indem bis zu dem oberen Anschlag 67 gedreht wird. Das zweite Volumen ist größer als das erste Volumen.
In 8 ist gezeigt, wie der Drehkörper 72 mit dem Bund 78 zwischen den beiden Anschlägen 66 und 67 bewegt wird, um das zweite Volumen einzuziehen oder auszustoßen. Der zusätzliche mittlere Anschlag (68 in 7) ist in 8 nach einem einmaligen Überfahren zerstört und somit nicht mehr vorhanden.
In 9 ist durch Rechtecke 81 bis 84 die Durchführung eines Verfahrens dargestellt, wie die Vorrichtung 1; 41; 51; 71; 131 genutzt wird, um eine zum Beispiel mit Zellen bestückte Probenentnahmevorrichtung 24; 34, insbesondere einen mit Zellen bestückten Draht, für eine genetische Analyse vorzubereiten. Dabei sollen die Zellen in der Vorrichtung lysiert werden und das Lysat in eine mikrofluidische Analyseeinheit überführt werden. Durch das Rechteck 81 ist ein Schritt Waschen angedeutet. Die Probennadel wird zum Beispiel mit einer Phosphat-gepufferten Salzlösung gewaschen, um anfällige Rückstände von der Probeaufnahme, zum Beispiel Blut, Fett, Kulturmedium, zu entfernen. Zu diesem Zweck wird die Waschflüssigkeit durch das offene Ende des Rohrkörpers in die Vorrichtung mit der Probe eingezogen und wieder ausgestoßen.
Durch das Rechteck 82 ist ein Schritt Fixieren angedeutet. Beim Fixieren wird die Probe biologisch fixiert, damit keine biochemischen Reaktionen in den Zellen mehr ablaufen. Zu diesem Zweck wird eine Fixierlösung, zum Beispiel Formaldehyd oder Aceton, mit der Vorrichtung aufgezogen, inkubiert und wieder ausgestoßen. Anschließend wird vorteilhaft nochmals kurz gewaschen.
Durch das Rechteck 83 ist ein Schritt Lysieren angedeutet. Beim Lysieren wird internes Zellmaterial, wie Proteine oder Nukleinsäuren, durch die Lyse freigegeben. Zu diesem Zweck wird eine Lyselösung, zum Beispiel destilliertes Wasser, aufgezogen und die Zellen darin inkubiert.
Durch das Rechteck 84 ist ein Schritt Probeübergabe angedeutet. Hierbei wird das Lysat von Schritt 83 direkt in eine mikrofluidische Analyseeinheit übergeben.
Die mikrofluidische Analyseeinheit gehört zu einem mikrofluidischen System, wie es in 10 mit 100 bezeichnet ist.
Das mikrofluidische System 100 in 10 umfasst ein Lab-on-Chip 101. Das Lab-on-Chip 101 umfasst ein mikrofluidisches Kanalsystem 102. Zur Probeübergabe wird der Rohrkörper 10 mit seiner Öffnung 12 in einer Einführöffnung 103 des Lab-on-Chips 101 angeordnet. Das Positionieren des Rohrkörpers 10 wird durch einen Anschlag 104 in der Einführöffnung 103 vereinfacht.
Mit Hilfe der Drehvorrichtung kann dann auf einfache Art und Weise eine definierte Menge Fluid, insbesondere Flüssigkeit, zum Vorbereiten einer Probe aus dem Lab-on-Chip 101 eingezogen werden. Nach dem Vorbereiten der Probe kann diese dann ebenfalls mit Hilfe der Drehvorrichtung in eine entsprechende Probenkammer des Lab-on-Chips 101 ausgestoßen werden.
11 zeigt eine Anwendung in einem mikrofluidischen System 110 mit einer möglichen Magnetreinigung. Das mikrofluidische System 110 umfasst einen mikrofluidischen Behälter 111 mit magnetischen Beads 112. Bei der Magnetreinigung werden die magnetischen Beads 112 mit einer funktionalisierten Oberfläche in den Rohrkörper 10 eingebracht und wieder ausgestoßen. Nach Art der Funktionalisierung binden die Beads störende Bestandteile oder die gesuchte Probe. Dazu ist der zum Beispiel als Kanüle ausgeführte Rohrkörper 10 vorteilhaft mit einer Magneteinrichtung 113 ummantelt. Die magnetischen Beads 112 werden durch eine entsprechende Bewegung der Magneteinrichtung 113 in dem Rohrkörper 10 transportiert.
In 12 ist am Beispiel der in 7 dargestellten Vorrichtung 71 gezeigt, dass am offenen Ende 12 des Rohrkörpers 80 auch eine Filtereinrichtung 120 platziert werden kann. Mit der Filtereinrichtung 120 kann auf einfache Art und Weise eine Aufreinigung oder Vorreinigung der Probe umgesetzt werden.
In 13 ist eine Vorrichtung 131 dargestellt, die der Vorrichtung 1 aus 1 ähnelt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der 1 verwiesen.
In der Vorrichtung 131 ist eine Probenentnahmevorrichtung 34 mit Probenmaterial 33 angeordnet. Um Unterschied zu der Vorrichtung 1 in 1 umfasst die Vorrichtung 131 eine Gleitdichtung 132 zur Abdichtung zwischen dem Drehkörper 2 und dem Hohlkörper 4. Die Gleitdichtung 132 ermöglicht eine relativ einfache Abdichtung und ist vorteilhaft an dem Hohlkörper 4 befestigt.
In den 14 bis 26 ist eine Vorrichtung 141 zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer Drehvorrichtung 142 schematisch in verschiedenen Ausführungen und Anwendungen dargestellt. Die Vorrichtung 141 ist an ihrem in den Figuren oberen Ende durch ein Septum 143 fluiddicht und druckdicht verschlossen. Bei dem Septum 143 handelt es sich zum Beispiel um einen Stopfen aus einem elastischen Material, durch das eine Biopsienadel 144 hindurchgesteckt ist.
Die Biopsienadel 144 erstreckt sich durch das Septum 143 in das Innere der Vorrichtung 141. In einem Funktionsbereich 145 der Vorrichtung 141 ist ein Abschnitt 146 der Biopsienadel 144 angeordnet. Bei dem Abschnitt 146 der Biopsienadel 144 handelt es sich vorzugsweise um einen funktionalisierten Abschnitt.
Die Drehvorrichtung 142 umfasst einen Drehkörper 147, der, wie vorab beschrieben ist, über ein (in den 14 bis 26 nicht dargestelltes) Gewinde in axialer Richtung, also in den 14 bis 26 nach unten und nach oben, bewegbar ist, wenn der Drehkörper 147 verdreht wird.
Der Funktionsbereich 145 der Vorrichtung 141 ist als Probenaufnahmekörper 148 ausgeführt. Der Probenaufnahmekörper 148 kann auch als Rohrkörper bezeichnet werden und ist zum Beispiel als Kapillare ausgeführt.
Zwischen dem Probenaufnahmekörper 148 und der Drehvorrichtung 142 umfasst die Vorrichtung 141 ein T-Stück 150. Das T-Stück 150 weist einen ersten Anschluss 151 für den Probenaufnahmekörper 148 und einen zweiten Anschluss 152 für die Drehvorrichtung 142 auf. Die Biopsienadel 144 erstreckt sich, wie in 14 durch eine gestrichelte Linie 149 angedeutet ist, der Länge nach von oben nach unten durch das Septum 143, durch den Drehkörper 147 und durch das T-Stück 150 bis in den Funktionsbereich 145 der Vorrichtung 141.
Das T-Stück 150 umfasst einen dritten Anschluss 153, der in 14 durch einen Verschlusskörper 155 fluiddicht und druckdicht verschlossen ist. In den 14 bis 18, 21, 22 und 24 bis 26 ist der dritte Anschluss 153 des T-Stücks 150 senkrecht oder quer zur Längserstreckung der Vorrichtung 141 angeordnet.
In 19 ist die Vorrichtung 141 mit einem T-Stück 170 dargestellt, bei dem Anschlüsse 171 und 172 den Anschlüssen 151 und 152 des T-Stücks 150 entsprechen. Ein dritter Anschluss 173 ist im Unterschied zu dem T-Stück 150 bei dem T-Stück 170 parallel zu der Längserstreckung beziehungsweise Längsachse der Vorrichtung 141 angeordnet.
Bei dem Probenaufnahmekörper 148 in 14 handelt es sich zum Beispiel um eine Kanüle, in welcher die funktionalisierte Biopsienadel 144 mit Probenmaterial zur fluidischen Bearbeitung angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist der Probenaufnahmekörper 148 über das T-Stück 150 an die Drehvorrichtung 142 angeschlossen, mit welcher durch eine Drehbewegung des Drehkörpers 147 Fluid durch das offene Ende der Kanüle 148 eingezogen und ausgestoßen werden kann.
Durch das T-Stück 150 wird mit dem dritten Anschluss 153 ein Kanal bereitgestellt, der im Betrieb der Vorrichtung 141 genutzt werden kann, um Flüssigkeiten von oben durch das T-Stück 150 in die Kanüle 148 zu fördern. So kann auf einfache Art und Weise ein Fluss beziehungsweise eine Strömung durch die Kanüle 148 erzeugt werden.
Der Verschlusskörper 155 ist zum Beispiel als Drehdeckelverschluss ausgeführt und vorzugsweise für Luer-Teile normiert. Bei Bedarf kann der Verschlusskörper 155 abgeschraubt werden, um ein Fluid mit einer geeigneten Vorrichtung, zum Beispiel einer Spritze, über den dritten Anschluss 153 des T-Stücks 150 in die Vorrichtung 141 einzubringen.
In den 15 bis 17 ist dargestellt, wie die Vorrichtung 141 aus 14 genutzt wird, um ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit 154 mit der Probe, die auch als Sample bezeichnet wird, vollständig aus der Kanüle 148 zu entfernen. Zu diesem Zweck wird, wie in 17 angedeutet ist, eine Inertphase 159, insbesondere eine Ölphase, durch die Kanüle 148 transportiert, um das Fluid, insbesondere das Probenmaterial 154, in einem Behälter 156 am offenen Ende der Kanüle 148 zu sammeln. Der Behälter 156 gehört vorzugsweise zu einem Lab-on-Chip.
Das in den 15 bis 17 dargestellte Verfahren ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Biopsienadel von Bedeutung, wenn das an der Biopsienadel haftende Material, in der Regel Zellen, in ein möglichst kleines Volumen überführt und das Gesamtvolumen weiterverarbeitet werden soll. Insbesondere bei der Anreicherung von seltenen Zellen, zum Beispiel zirkulierenden Tumorzellen mit bestimmten Mutationen, Immunzellen mit definierten Epitopen und Antigenen oder Stammzellen, ist eine Lyse in einem kleinen Volumen wichtig.
Darüber hinaus sollte das Lysat verlustfrei weiterverarbeitet werden können. Mit der Vorrichtung 141 kann mit Hilfe der Drehvorrichtung 142 Fluid in die Kanüle 148 aufgezogen werden, wie man in 15 sieht. Mögliche Lysatrückstände, zum Beispiel einzelne Tropfen, können, wie in 16 angedeutet ist, in der Kanüle 148 verbleiben. Diese Lysatrückstände werden, wie man in 17 sieht, durch das Nachschieben von Öl aus der Kanüle 148 verdrängt, bis das vollständige Lysat in dem Behälter gesammelt ist.
Das Nachschieben der Ölphase erfolgt über eine Fluidzuführeinrichtung 157, wie in 17 durch einen Pfeil 158 angedeutet ist. Durch ein langsames Nachschieben der Ölphase wird eine unerwünschte Durchmischung in dem Zweiphasensystem verhindert. So kann das Öl dann durch eine Phasentrennung abdekantiert werden oder als Versiegelung weiter benutzt werden.
Wird in dem Behälter 156 eine bestimmte Menge an Lysepuffer vorgelagert, kann auch nur ein Teil dieses Volumens zur Lyse eingezogen werden und, wie oben beschrieben, wieder vollständig in das Vorlagerungsgefäß beziehungsweise den Behälter 156 zurückgeführt werden. So wird ein Volumenerhalt ermöglicht, wodurch ein aufwendiges Volumenadjustieren und aufwendige Volumenmessungen entfallen können.
In den 18 und 19 ist gezeigt, dass die Ölphase mit Hilfe einer Spritze 162 über den Anschluss 153; 173 in die Vorrichtung 141 eingebracht werden kann. Die Spritze 162 ist vorteilhaft als Luer-Teil ausgeführt und kann anstelle des Verschlusskörpers (155 in 14) an den dritten Anschluss 153; 173 des T-Stücks 150; 170 angeschraubt werden. So kann die Spritze 162 als Fluidzuführeinrichtung verwendet werden. Zum Applizieren der Ölphase kann ein Kolben der Spritze 162 betätigt werden. In 18 ist die Spritze 162 orthogonal zur Biopsienadel angeordnet. In 19 ist die Spritze 162 aufgrund der anderen Ausführung des T-Stücks 170 parallel zur Biopsienadel angeordnet.
In den 20 bis 23 ist ein Verfahren dargestellt, wie die Vorrichtung 141 vorteilhaft in einem fluidischen Ablauf für einen Lyseprozess mit an einer Biopsienadel haftenden Zellen in eine Lab-on-Chip-Plattform integriert werden kann. Bei dem schematisch dargestellten Prozess wird eine flüssige Phase 183 in einer Probeneingabekammer 182 vorgelagert. Die Probeneingabekammer 182 ist zum Beispiel in einem Lab-on-Chip 181 eines mikrofluidischen Systems 180 vorgesehen.
Bei der flüssigen Phase beziehungsweise Flüssigkeit 183 handelt es sich um einen Lysepuffer, der in dem Volumen vorliegt, um später ein lyophilisiertes Bead mit den Chemikalien für eine anschließende Analysereaktion, zum Beispiel Sequenzierung, zu realisieren. Die vorab beschriebene Vorrichtung 141 mit der Biopsienadel (in den 20 bis 23 nicht dargestellt) wird dann benutzt, um so viel Lysepuffer 183 einzuziehen, dass die Kanüle vollständig gefüllt ist, wie man in 21 sieht. Die Lyse kann auch durch mehrfaches Hoch- und Runterziehen von Lysepuffer ausgeführt werden. Der Hub beim Hoch- und Runterziehen der Lyse wird durch Drehung des Drehkörpers 147 initiiert, wie in 21 durch einen Pfeil 184 angedeutet ist.
Dann wird, wie in 22 durch einen Pfeil 187 angedeutet ist, das Lysat durch Öl 188 vollständig aus der Vorrichtung 141 ausgestoßen. Durch Phasentrennung befindet sich das nun konservierte Lysepuffervolumen inklusive Zellmaterial in der Probeneingabekammer 182, die auch als Vorlagerkammer bezeichnet wird. Das Lysepuffervolumen ist dann zusätzlich durch das Öl überschichtet.
Die Probeneingabekammer 182 kann, wie in 23 durch Pfeile 191 und 192 angedeutet ist, durch eine geeignete Mikrofluidik des mikrofluidischen Systems 180 angesteuert werden. Dabei wird mittels Öl 193 ein Zubringerkanal 194 der Probeneingabekammer 182 gefüllt. Das Lysat ist dann zwischen zwei Ölphasen eingeschlossen und kann verlustfrei in dem Lab-on-Chip-System 181 transportiert werden.
In den 24 bis 26 ist die Anwendung mit einer Spritze 162 gezeigt, in der eine erste Phase 201 und eine zweite Phase 202 vorgelagert ist. Bei der ersten Phase 201 handelt es sich zum Beispiel um eine wässrige Phase. Bei der zweiten Phase 202 handelt es sich zum Beispiel um eine Ölphase. Eine Phasentrennung wird vorteilhaft durch eine parallele Anordnung der Spritze 162 erreicht, wie sie in 19 gezeigt ist. Durch die gewünschte Phasentrennung wird erreicht, dass sich die beiden Phasen 201, 202 in der Spritze 162 nicht vermischen.
In 24 ist durch einen Doppelpfeil 204 angedeutet, dass die Vorrichtung 141 mit der Drehvorrichtung 142 genutzt werden kann, um Fluid einzuziehen und auszustoßen.
In 25 ist durch einen Pfeil 211 angedeutet, dass zunächst die zum Beispiel wässrige Phase 201 durch die Kanüle 148 durchgeschoben wird und mit Hilfe der Spritze 162 hoch und runter gepumpt werden kann, wie in 25 durch Pfeile 212 bis 214 angedeutet ist. Dabei vermischen sich der Lysepuffer und das Lysat mit der Flüssigkeit 201. Dies ist insbesondere interessant, wenn ein Lyseverfahren angewandt wird, welches aus mehreren Schritten besteht. So werden zum Beispiel basische Lysepuffer durch einen sauren Puffer neutralisiert, bevor das Lysat weiterverarbeitet wird.
In 26 ist durch einen Pfeil 218 angedeutet, dass zum Abschluss des Verfahrens die zweite Phase beziehungsweise Ölphase 202 aus der Spritze 162 in die Vorrichtung 141 eingebracht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005050347 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung (1;41;51;71;131;141) zum Vorbereiten von Probenmaterial (33), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1;41;51;71;131;141) als Drehvorrichtung (142) ausgeführt ist, mit der durch eine Drehbewegung eine definierte Menge Flüssigkeit in einen Probenaufnahmeraum (15) für das Probenmaterial (33) eingezogen oder aus dem Probenaufnahmeraum (15) für das Probenmaterial (33) ausgestoßen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehvorrichtung (1;41;51;71;131;142) einen Drehkörper (2;42;52;72;147) umfasst, der über ein Gewinde (13;43;53;73) mit einem Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) mit einem Volumen gekoppelt ist, dessen Größe durch Verdrehen des Drehkörpers (2;42;52;72;147) relativ zu dem Gewinde (13;43;53;73) oder durch Verdrehen des Gewindes (13;43;53;73) relativ zu dem Drehkörper (2;42;52;72;147) verändert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) von einem Hohlkörper (4;44;54;74) begrenzt wird, der innen mit dem Gewinde (13;43;53;73) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlkörper (4;44;54;74) an einem dem Probenaufnahmeraum (15) abgewandten Ende einen abgedichteten Durchsteckbereich (38) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der abgedichtete Durchsteckbereich (38) eine das Probenmaterial tragende Nadel (35) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) fluidisch mit dem Probenaufnahmeraum (15) in Verbindung steht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenaufnahmeraum (15) von einem Rohrkörper (10) begrenzt wird, der an seinem dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) abgewandten Ende offen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (10) oder der Drehkörper (2;42;52;72) einen Außengewindeabschnitt (7) aufweist, der komplementär zu einem Innengewindeabschnitt (6) ausgebildet ist, der in dem Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (10), der Hohlkörper (4;44;54;74) und/oder der Drehkörper (2;42;52;72) mit mindestens einer Dichteinrichtung (45;55;75,76;132) kombiniert sind/ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (10), der Hohlkörper (4;44;54;74) und/oder der Drehkörper (2;42;52;72) mit einer Filtereinrichtung (32;120) kombiniert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) oder der Probenaufnahmeraum (15) einen Anschluss (40;153;173) zum Zuführen und/oder Abführen eines Fluids aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss (40;153;172) zum Zuführen und/oder Abführen des Fluids als dritter Anschluss an einem T-Stück (150;170) vorgesehen ist, das den Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) und/oder den Probenaufnahmeraum (15) begrenzt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das T-Stück (150;170) einen ersten Anschluss(151;171) für die Drehvorrichtung, einen zweiten Anschluss (152;172) für den Probenaufnahmeraum (15) und den dritten Anschluss (153;173) zum Zuführen und/oder Abführen des Fluids aufweist.
Mikrofluidisches System (100) mit einer Vorrichtung (1;41;51;71;131;141) zum Vorbereiten von Probenmaterial (33) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer Vorrichtung (1;41;51;71;131;141) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.