DE60030306T2

DE60030306T2 - Verfahren, System und Patrone zur Verarbeitung einer Nukleinsäure-Probe durch Oszillation der Patrone

Info

Publication number: DE60030306T2
Application number: DE60030306T
Authority: DE
Inventors: Peter Vischer
Original assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: F Hoffmann La Roche AG; Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: EP1224976A1; JP3970023B2; EP1623762A2; EP1224976B1; CA2364146C; EP1623762A3; ES2269093T3; US7435575B2; US20050170496A1; DE60030306D1; ATE337093T1; CA2364146A1; JP2002257830A; JP2007010684A; JP4512573B2; US20020155475A1; US6921639B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Verarbeitung einer Nukleinsäure-Probe, die in einer Flüssigkeit enthalten ist.
Die Erfindung betrifft weiter ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 zur Verarbeitung einer Nukleinsäure-Probe, die in einer Flüssigkeit enthalten ist.
Die Erfindung betrifft insbesondere die Verarbeitung einer in einer Flüssigkeit enthaltenen Nukleinsäure-Probe, die in einer Kassette eingeleitet ist, die einen chip-förmigen Träger mit einer biochemisch aktiven Oberfläche umfasst, die von einem opto-elektronischen Lesegerät gelesen werden kann.
Hintergrund der Erfindung
In dem Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein chip-förmiger Träger ein Substrat, insbesondere ein Glaschip von beispielsweise rechteckiger Form mit einer Dicke von beispielsweise 0,7 oder 1,0 mm. Eine sogenannte aktive Oberfläche ist eine Oberfläche, die mit einem Array von unterschiedlichen DNA-Schnipseln ("snippets") oder anderen molekularen Proben, beispielsweise DNA Oligonucleotiden-Proben bedeckt ist, die an bekannten Positionen auf der Oberfläche angeordnet sind. Diese Proben dienen zur Erkennung von DNA-Fragmenten mit einer komplementären DNA-Sequenz.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung und in einer bevorzugten Ausführungsform ist die oben genannte Kassette, insbesondere eine Kassette aus Kunststoff, die als Verpackungseinheit zum Verpacken eines solchen chip-förmigen Trägers verwendet wird, der üblicherweise DNA-Chip ge nannt wird. Weiter bevorzugt ist die Kassette als eine Einwegkassette ausgebildet.
DNA-Chips, die in solchen Kassetten enthalten sind, haben ein weites Anwendungsgebiet. Beispielsweise können sie eingesetzt werden, um die Strukturaktivitätsbeziehungen (structure-activity relationship) zwischen verschiedenen biologischen Materialien zu verstehen oder die DNA-Sequenzen von unbekannten biologischen Materialien zu ermitteln. Beispielsweise kann die DNA-Sequenz eines solchen unbekannten Materials ermittelt werden, zum Beispiel durch einen Prozess, der als Sequenzierung durch Hybridisation bekannt ist. In einem Verfahren der Sequenzierung durch Hybridisation wird eine Sequenz von verschiedenen Materialien an bekannten Positionen auf einer Oberfläche eines Chips gebildet. Eine Lösung, die eine oder mehrere Zielsequenzen (target) enthält, die entschlüsselt werden sollen, wird auf diese Oberfläche aufgebracht. Die Zielsequenzen binden oder hybridisieren nur mit komplementären Sequenzen auf dem Substrat. Die Positionen, an denen die Hybridisierung stattfindet, werden mit geeigneten Ermittlungssystemen ermittelt durch Kennzeichnen der Zielsequenzen mit einem fluoreszierenden Farbstoff, einem radioaktiven Isotop, Enzymen oder anderen Markern. Informationen über die Zielsequenzen können aus den durch solche Ermittlungssystem erhaltenen Daten extrahiert werden.
Durch Kombination verschiedener zur Verfügung stehender Technologien wie Photolitographie und Herstellungstechniken wurde ein beträchtlicher Fortschritt in der Herstellung und der Plazierung von diversen Materialien auf Chips des oben genannten Typs gemacht. Beispielsweise können Tausende von verschiedenen Sequenzen auf einem einzelnen Substrat von etwa 1,28 cm² in nur einem kleinen Bruchteil der Zeit hergestellt werden, die von herkömmlichen Verfahren gebraucht wird. Solche Verbesserungen machen diese Substrate praktisch für die Verwendung in verschiedenen Anwendungen, beispielsweise der biomedizinischen Forschung, der klinischen Diagnostik oder in industriellen Märkten, wie auch auf dem aufkommenden Feld der Gentechnik, das auf die Ermittlung der Beziehung zwischen genetischen Sequenzen und der menschlichen Physiologie fokussiert.
Zur effizienten Verwendung eines chip-förmigen Trägers des oben beschriebenen Typs ist es notwendig, dass die Proben-Lösung, die eine oder mehrere Zielsequenzen enthält, die entschlüsselt werden sollen, die aktive Oberfläche des chip-förmigen Trägers effektiv kontaktiert. Darüber hinaus soll dieser effektive Kontakt im Hinblick auf die relativ große Anzahl von zu verarbeitenden Probenlösungen mit einer hohen Reproduzierbarkeit und zu geringen Kosten erzielt werden.
Im Stand der Technik bekannte Ansätze zum Erreichen dieser Ziele erfordern Mittel, um eine Flüssigkeit, die eine Nukleinsäure-Probe in und aus einer Kammer einer Kassette pumpen, um den gewünschten effektiven Kontakt zwischen der Flüssigkeit, die die Probe enthält, und der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers zu erhalten. Dieser Ansatz ist zu teuer, zu mühsam und erfordert einen zu großen Raumbedarf zur Ausführung (working space) und kann deshalb nicht die heutigen Anforderungen an diese Art von Geräten erfüllen.
Die europäische Patentanmeldung EP-A-0695941 beschreibt eine Methode und ein Gerät zur Auswertung eines Probenchips gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 5.
Das in der EP-A-0695941 beschriebene Gerät umfasst einen Vortexer um die Kassette, beispielsweise mit 3000 Umdrehungen pro Minute zu drehen. Der Betrieb dieses Vortexers ist ähnlich zu dem eines Farbmischers.
Die internationale Patentanmeldung WO-A-9938612 beschreibt eine Vorrichtung mit einer Kassette, die eine U-förmige Fließkammer aufweist, wie in den 11a und 11b der WO-A-9938612 gezeigt ist.
Ein erster und ein zweiter Arm dieser Fließkammer bilden eine Unterkammer. In Gebrauch wird eine Flüssigkeit von der ersten Unterkammer zu der anderen mittels des Ventils und Pumpmittel bewegt. Die Kassette ist fest in der Vorrichtung angeordnet. Die in der WO-A-9938612 beschriebene Vorrichtung dient zur Separation von biologischen Partikeln auf einem bioelektrischen Chip durch Dielektrophorese. Diese Vorrichtung umfasst geeignete Röhren und Ventile, um Flüssigkeiten der Fließkammer zuzuführen und zum Entnehmen der Flüssigkeiten daraus mittels Pumpmitteln.
Die US-Patentbeschreibung Nr. 5,133,937 beschreibt ein Analysesystem zur Analyse einer biologischen Flüssigkeit. Dieses System umfasst eine austauschbare Kassetteneinheit, die eine Reaktionskammerstruktur mit einem extrahierten Enzym in der Reaktionskammer enthält. Dieses Enzym ist geeignet, um den interessierenden Bestandteil in einen durch ein Messsystem detektierbaren Bestandteil zu konvertieren.
Ein Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und ein System zu schaffen, die es ermöglichen, effektiven Kontakt mit einer Lösung zu schaffen, die in einer Kassette der oben genannten Art mit einer aktiven Oberfläche eines chip-förmigen Trägers verarbeitet wird, und dies mit einer hohen Reproduzierbarkeit und zu geringen Kosten.
Zusammenfassung und Hauptvorteile der Erfindung
Das oben genannte Ziel wird gemäß der Erfindung mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und mit einem System nach Anspruch 5 erzielt. Merkmale von bevorzugten Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Die Hauptvorteile der Erfindung sind, dass sie den oben genannten gewünschten effektiven Kontakt zwischen der Probenlösung und der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers mit hoher Reproduzierbarkeit und mit einfachen Mitteln erzielt, die es wiederum ermöglichen, dies alles zu geringen Kosten zu erreichen. Der letztgenannte Vorteil wird sehr wichtig, wenn eine Vielzahl von Kassetten gleichzeitig verarbeitet werden müssen, die jeweils eine Flüssigkeit einer Probe enthalten
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden anschließend im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kassette 12, wenn sie mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die eine Nukleinsäure-Probe enthält,
2 eine perspektivische Explosionszeichnung von Komponenten der Kassette 12, die im Detail das Innere einer Kammer 11 und eines Kanals 13 zeigen, die in einer Kanalplatte 21 gebildet sind, die ein Teil der Kassette 12 ist,
3 eine perspektivische Explosionsansicht von Komponenten der Kassette 12 in einer der Ansicht aus 2 entgegengesetzten Ansicht, die insbesondere die Innenfläche einer Chip-Platte 22 zeigt, die ein Teil der Kassette 12 ist, und eine aktive Oberfläche 15 einer Chip-Trägerplatte 14,
4 eine Draufsicht auf die Kanalplatte 21 der Kassette 12 und ihres Kanals 13,
5 eine Schnittansicht der Kanalplatte 21 der Kassette 12 und ihres Kanals 13,
6 die Kassette 12 und einen Kassettenhalter 16 in einer ersten Winkelposition 26,
7 verschiedene Winkelpositionen der Kassette 12,
8 ein System gemäß der Erfindung zur gleichzeitigen Handhabung einer Vielzahl von Kassetten 12,
9 einen Transportkopf mit einem Greifer 66 in dem Moment, in dem er eine Kassette 12 in einen Kassettenhalter positioniert,
10 eine Kassette 12 in einer ersten Winkelposition 26,
11 eine Kassette 12 in einer Winkelposition 29, die die gleiche ist, wie in 1 gezeigt, und
12 ein Diagramm der Veränderung der Winkelgeschwindigkeit ω = Δθ/dt über die Zeit der Schwingungsbewegung der Kassette 12.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Wie schematisch in 1 dargestellt, umfasst eine Kassette 12 eine Kammer 11, die einen gekrümmten Kanal 13 einschließt. Die Kassette 12 enthält einen chip-förmigen Träger 14 mit einer aktiven Oberfläche 15, die ein Array von Oligonucleotiden trägt und die einer Innenfläche 24 einer Kanalplatte 21 gegenüberliegt. Ein Teil der Kassette 12 wird nachfolgend mit Bezug auf 2 beschrieben.
Der chip-förmige Träger 14 ist in einem zentralen Bereich des Kanals 13 angeordnet. Ein Bereich des Kanals 13 liegt zwischen der aktiven Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 und der Innenfläche 24 der Kanalplatte 21. In 1 ist die Linie Z-Z eine vertikale Gerade.
1 zeigt einen Kassettenhalter 16 und eine Kassette 12 in einer Position 29, an der eine Mittelachse S-S der Kassette 12 in einer horizontalen Ebene liegt und somit rechtwinklig zur Linie Z-Z ist.
1 zeigt gerade eine mögliche Kassettenposition, die geeignet ist, um Flüssigkeit in die Kassette zu leiten oder um Flüssigkeit aus der Kassette zu entfernen. Eine andere und sogar bevorzugtere Kassettenposition für diesen Zweck ist eine, in der die Mittelachse S-S der Kassette einen Winkel größer 90° mit der horizontalen Ebene bildet, beispielsweise einen Winkel von 110°. Solch eine Position ist vorteilhafter zum Entnehmen der Flüssigkeit aus dem Kanal der Kassette, weil ihr unterer Arm stärker geneigt wird.
Mit der Kassette 12 in der in 1 gezeigten Position wird ein vorbestimmtes Volumen einer Flüssigkeit, die eine Nukleinsäure-Probe enthält, in die Kammer 11 durch eine Öffnung 35 der Kassette 12 mittels einer Pipettiernadel 17 eingebracht, die Teil einer nur teilweise in 1 gezeigten automatischen Pipettiereinheit 67 ist. Die Öffnung 35 wird als Einlass und Auslass der Kassette 12 verwendet. Der Pegel, der von einer Probe, die Flüssigkeit enthält, in der Kammer 11 erreicht wird, ist in 1 durch horizontale Liniensegmente 18 repräsentiert.
Ein Vorteil der in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Kassettenausführung und der zum Einleiten einer eine Probe enthaltenen Flüssigkeit in die Kassette ausgewählten Anfangsposition, ist, dass die Flüssigkeit anfänglich unter der unteren Ecke des chip-förmigen Trägers 14 verbleibt, wenn eine Flüssigkeit wie oben beschrieben in die Kassette eingebracht wird. Dies ermöglicht es, den Zeitpunkt, an dem die Bindereaktion zwischen der in der Flüssigkeit enthaltenen Probe und der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers beginnt, durch Wahl des Zeitpunkts, zu dem die Schwingungsbewegung der Kassette gestartet wird.
Wie detaillierter durch die perspektivischen Ansichten der 2 und 3 gezeigt, umfasst die Kassette 12 die folgenden Komponenten: Eine Kanalplatte 21, die eine Kammer 11 und einen Kanal 13 umfasst und ihre Form im Wesentlichen bestimmt, und eine Chip-Platte 22, die geeignet ist, einen chip-förmigen Träger 14 innerhalb eines Hohlraums 23 der Chip-Platte 22 aufzunehmen und zu halten. Die Kanalplatte 21 und die Chip-Platte 22 sind so ausgebildet und dimensioniert, dass sie zusammengebaut werden können, um die Kassette 12 zu bilden.
2 zeigt die folgenden Teile der Kassette 12: Die Innenfläche 24 der Kanalplatte 21, das Innere der Kammer 11 und des in der Kanalplatte 21 gebildeten Kanals 13, die Öffnung 35 der Kanalplatte 21, die als Einlass und Auslass der Kassette 12 verwendet wird, die Außenfläche 33 der Chip-Platte 22, die das Innere des Hohlraums 23 der Chip-Platte 22 und die Rückseite 19 des chip-förmigen Trägers 14, die auf der Rückseite seiner aktiven Oberfläche 15 liegt.
3 zeigt die folgenden Teile der Kassette 12, die nicht in 2 gezeigt sind:
Die Innenfläche 25 der Chip-Platte 22, die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 und die Außenfläche 34 der Kanalplatte 21.
Die Kanalplatte 21, die Chip-Platte 22 und andere Teile der Kassette 12 sind vorzugsweise aus Kunststoff, die im Spritzgussverfahren herstellbar und auch geeignet sind, um die anvisierten Prozessschritte zur Bearbeitung einer Flüssigkeit enthaltenen Probe der oben genannten Art auszuführen. Diese Kunststoffmaterialien sollen chemisch inert sein, so dass sie nicht mit der Verarbeitung der solche Flüssigkeiten enthaltenen Proben wechselwirken. Außerdem sollen die ausgesuchten Materialien zur Herstellung der Teile der Kassette 12 nicht fluoreszierend sein, so dass sie nicht die Fluoreszenzmessungen störend beeinflussen, die üblicherweise nach der Verarbeitung beispielsweise einer in einer Flüssigkeit enthaltenen Nukleinsäure-Probe durchgeführt werden. Die Kanalplatte 21 und die Chip-Platte 22 können, müssen aber nicht notwendigerweise transparent sein.
Wie in den 2 und 3 gezeigt, umfasst der obere Teil der Kanalplatte 21, wo die Öffnung 35 angeordnet ist, Überstände oder Zungen 31,32, die integrale Bestandteile der Kassette 12 sind und die so ausgebildet und dimensioniert sind, dass sie von einem geeigneten Greifer eines Transportgeräts gegriffen werden können, um eine Kassette 12 zu transportieren und in einen Kassettenhalter 16 einzusetzen und um eine Kassette 12 aus einem Kassettenhalter 16 zu entnehmen.
Der Herstellungsprozess einer Kassette 12 umfasst das Positionieren und Fixieren des chip-förmigen Trägers 14 in einem korrespondierenden Hohlraum 23, der in der Chip-Platte 22 vorhanden ist, beispielsweise mittels eines Abdichtrahmens 41 und eines Sicherungsrahmens 42 und durch Zusammenfügen der Kanalplatte 21 und der Chip-Platte mit dem daran befestigten Träger 14, um die Kassette 12 betriebsbereit zu bilden, wobei sich die aktive Oberfläche 15 des Trägers sich in der oben erwähnten Position in Bezug auf den Kanal 13 befindet. Der gerade beschriebene Zusammenbau der Kanalplatte 21 und der Chip-Platte 22 bildet die Kammer 11 und den Kanal 13 innerhalb der Kassette 12.
Die Mittel zur Positionierung und zum Fixieren des chip-förmigen Trägers 14 in dem Hohlraum 23, der in der Chip-Platte 22 vorhanden ist, sind vorzugsweise solche, die in der ebenfalls anhängigen europäischen Patentanmeldung Nr. 00810501.7 beschrieben sind. Die Anmeldung ist als EP 1 161 984 A1 veröffentlicht und hat den Titel "Device for packaging a chip shaped carrier and process for assembling a plurality of such carriers". Sie ist am 8. Juni 2000 durch den Anmelder dieser Anmeldung eingereicht worden.
Wie in den 4 und 5 detaillierter gezeigt, hat der gekrümmte Kanal 13 eine variable Weite und eine variable Tiefe entlang seiner Länge. Wie in 4 gezeigt, sind die Breite 37 bzw. 38 der Endabschnitte des Kanals 13 kleiner als die Breite 39 des zentralen Abschnitts dieses Kanals und die Breite des Kanals 13 nimmt kontinuierlich über einen Teil des Kanals 13 zu und erreicht einen Maximalwert an seiner Mitte. Wie in 5 gezeigt, hat die Tiefe des Kanals 13 einen minimalen Wert D1 an seinem zentralen Abschnitt, wo hingegen in den Endabschnitten des Kanals 13 (d.h. außerhalb seines zentralen Abschnittes) seine Tiefe D2 kontinuierlich wächst, mit wachsendem Abstand von der Mitte des Kanals 13 und einen Maximalwert an den Endabschnitten des Kanals 13 erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Änderung der Breite und der Tiefe des Kanals 13 entlang seiner Länge so gewählt und dimensioniert, dass der Querschnitt des Kanals 13 ziemlich oder wenigstens annähernd konstant über seine gesamte Länge oder wenigstens über einen wesentlichen Teil seiner Länge bleibt. Der relativ kleine Wert der Höhe (Tiefe) des Kanals 13 führt zu einer niedrigen Reynolds-Zahl und macht es deshalb möglich, eine laminare Strömung der Flüssigkeit in dem Kanal 13 zu erhalten, wenn die Kassette 12 zwischen zwei im folgenden beschriebenen Winkelpositionen hin und her schwingt. Der vorteilhafte Effekt einer solchen laminaren Strömung ist ein sehr effektiver und reproduzierbarer Kontakt zwischen der Nukleinsäure-Probe, die in der Flüssigkeit enthalten ist, und der aktiven Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14.
Ein zusätzlicher Vorteil, der aus der kombinierten Wahl eines Kanals mit einer gekrümmten Form und einen im wesentlichen konstanten Querschnitt über seiner Länge resultiert, ist, dass er eine kompakte Kassette 12 mit relativ geringen Abmessungen ermöglicht, was es wiederum ermöglicht, eine Vielzahl von solchen Kassetten in einer kompakt aufgebauten Vorrichtung zu plazieren.
Wie insbesondere aus den 4 und 5, aber auch aus den 2 und 3 hervorgeht, hat die Kammer 11 einen Innenraum und umfasst einen gekrümmten Kanal der innerhalb der Kammer 11 gebildet ist. Die Kammer 11 und der Kanal 13 sind Hohlräume, die zwischen der Innenfläche 24 der Kanalplatte 21 und der Innenfläche 25 der Chip-Platte 22 umfasst sind. Diese Innenflächen sind in 2 bzw. 3 gezeigt und sind im wesentlichen gegenüberliegend. Eine dieser Innenflächen ist eine Innenfläche 24 der Kanalplatte 21 und die andere ist eine Innenfläche 25 der Kanalplatte 22.
Um das Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen, wird die Kassette 12 in einen Kassettenhalter 16 gesteckt und dabei positioniert, was schematisch in den 1, 6 und 7 gezeigt ist.
Die Kassette 12 und der Kassettenhalter 16 sind so ausgebildet, dass die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 vorzugsweise in einer im wesentlichen vertikalen Ebene liegt, wenn die Kassette 12 in dem Kassettenhalter 16 angeordnet ist. Dennoch muss die aktive Oberfläche nicht vertikal sein. Sie kann auch geneigt oder sogar horizontal sein, auch wenn anzunehmen ist, dass diese Varianten weniger gut arbeiten.
Ein System gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Kassette 12 und einen Kassettenhalter 16 mit den oben beschriebenen Merkmalen und umfasst zusätzlich Mittel, um den Kassettenhalter und somit die Kassette 12 um eine Rotationsachse zu schwingen, die im wesentlichen senkrecht zu der oben genannten vertikalen Ebene ist.
Die Mittel, um den Kassettenhalter 16 zu schwingen, sind insbesondere geeignet, um den Kassettenhalter 16 und somit die Kassette 12 zwischen einer ersten Winkelposition 26 und einer zweiten Winkelposition 28 hin und her zu bewegen, wie es in 7 gezeigt ist. Während dieser Schwingungen liegt die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 in einer im wesentlichen vertikalen Ebene. 6 zeigt auch die Kassette 12 in der ersten Winkelposition 26.
7 zeigt verschiedene Winkelpositionen der Kassette 12. Wie aus der 7 entnommen werden kann, liegen die Winkelpositionen 26 bzw. 28 an gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenwinkelposition 27. An der ist die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 an dem tiefsten Teil seines Bewegungsweges während des Hin- und Herschwingens des Kassettenhalters 16 und der Kassette 12 zwischen der ersten und zweiten Winkelposition 26 bzw. 28. Wenn die Kassette 12 auf diese Art schwingt, wirkt die Schwerkraft auf die in dem Kanal 13 der Kassette 12 enthaltenen Flüssigkeit und hält den Pegel 18 der Flüssigkeit in einer horizontalen Ebene und bewirkt eine relative Bewegung der Flüssigkeit enthaltenden Probe in dem Kanal 13 in Bezug auf die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14. Die relative Bewegung schafft einen sehr effektiven Kontakt dieser Flüssigkeit, die diese Probe enthält mit der aktiven Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14.
In den 6 und 7 ist die Linie Z-Z eine vertikale Gerade.
An der Zwischenwinkelposition der Kassette 12 ist ihre Mittelachse S-S in einer vertikalen Position und ist deshalb parallel zu der Linie Z-Z. An der ersten Winkelposition 26 der Kassette 12 bildet ihre Mittelachse S-S einen positiven Winkel mit einer vertikalen Linie parallel zu der Linie Z-Z. An der zweiten Winkelposition 28 der Kassette 12 bildet ihre Mittelachse S-S einen negativen Winkel mit einer vertikalen Linie parallel zu der Linie Z-Z.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Winkelposition 26 an einem Winkel von etwa +40° in Bezug auf die Zwischenwinkelposition 27 positioniert. Die zweite Winkelposition 28 ist in einem Winkel von etwa –40° in Bezug auf die Zwischenwinkelposition 27 positioniert. Ein Winkel kleiner als +/–40° ist sogar noch bevorzugter, um die Größe der Kassette zu reduzieren.
Die Mittel zum Schwingen des Kassettenhalters 16 sind geeignet, um den Kassettenhalter 16 und die Kassette 12 in die in 1 gezeigte Winkelposition zu bringen, die in einem Winkel von 90° in Bezug auf die Zwischenwinkelposition 27 ist, wie in 7 gezeigt. Wie weiter oben erwähnt, ist ein Winkel größer 90°, zum Beispiel 110°C, ebenfalls geeignet und sogar zu bevorzugen.
Die Mittel zum Schwingen eines Kassettenhalters 16, der eine einzelne Kassette 12 hält, sind im wesentlichen sehr ähnlich zu den nachfolgend mit Bezug auf 8 beschriebenen Mitteln zum Schwingen eines Kassettenhalters 36, der geeignet ist, um eine Mehrzahl von Kassetten 12 zu halten.
8 zeigt eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Systems gemäß der Erfindung. Diese Ausführungsform umfasst einen Kassettenhalter 36 mit einer Vielzahl von kompakt angeordneten Kammern, von denen jede geeignet ist, um eine Kassette 12 aufzunehmen und zu halten, und Mittel zum Schwingen des Kassettenhalters 36. Dieses System ist deshalb geeignet, um eine Vielzahl von Kassetten 12 aufzunehmen und zu halten und um sie gleichzeitig in einer ähnlichen Weise zu schwingen, wie sie oben für den Fall eines einzelnen Kassettenhalters 16 beschrieben ist.
Kassetten 12 und der Kassettenhalter 36 sind so ausgebildet, dass die aktive Oberfläche 15 von jedem chip-förmigen Träger 14 vorzugsweise in einer im wesentlichen vertikalen Ebene liegt, wenn die Kassetten 12 in den Kassettenhalter 36 positioniert sind. Dennoch muss die aktive Oberfläche 15 nicht vertikal sein. Sie kann auch geneigt oder sogar horizontal sein, auch wenn anzunehmen ist, dass diese Varianten weniger gut arbeiten.
9 zeigt einen Transportkopf 65, der einen Greifer 66 hat, in dem Moment, in dem er eine Kassette 12 in einem Kassettenhalter 36 positioniert, wir in 8 gezeigt. Auch in 9 sind Mittel zum Schwingen des Kassettenhalters 36 und der Kassetten 12, die in dem Halter positioniert sind, gezeigt. Diese Mittel umfassen z.B. einen Schrittmotor oder einen DC-Motor 61, Antriebsmittel 62 und Kupplungsmittel 63, die zwischen dem Motor 61 und den Antriebsmitteln 62 angeordnet sind. Die Antriebsmittel 62 und die Kupplungsmittel 63 können beispielsweise einen Zahnriemen, ein Getriebe, ein Friktionsgetriebe oder ein Stahlband umfassen.
10 zeigt eine Kassette 12 in einer ersten Winkelposition 26.
11 zeigt eine Kassette 12 in einer Winkelposition 29, die die gleiche ist, wie die in 1 gezeigte. Auch in 11 ist ein Teil 67 einer Pipettiereinheit gezeigt. Dieser Teil 67 wird mittels eines Transportkopfes 65 bewegt, der wie ebenfalls oben beschrieben, einen Greifer 66 trägt und bewegt. Der Teil 67 der automatischen Pipettiereinheit umfasst eine Pipettiernadel 17, auch in 1 gezeigt.
12 zeigt als Beispiel ein Diagramm der Änderung der Winkelgeschwindigkeit ω = Δθ/dt über der Zeit, das mit den oben beschriebenen Mitteln zum Schwingen der Kassette 12 in dem Fall zu erzielen ist, wenn der Schwingungswinkel zwischen +40° und –40° variiert. Mit den in diesem Diagramm gezeigten Werten ist die Schwingungsfrequenz gleich 0,2 Hertz (cycle per second) pro Sekunde und die maximale Winkelgeschwindigkeit etwa 0,62 rad pro Sekunde oder 35,6° pro Sekunde. Eine Kassettenschwingung gemäß dem Diagramm von 12 wird verwendet, beispielsweise während eines Probenhybridisierungssschritts, der nachfolgend beschrieben wird. Für einen Probenspülschritt, nachfolgend beschrieben, hat die Veränderung der Schwingungswinkel über der Zeit eine ähnliche Form wie in 12, jedoch ist die Schwingungsfrequenz beispielsweise 0,4 Hertz.
In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich die Winkelfunktion über der Zeit von der in 12 gezeigten und hat eine annähernd sinusartige Form, damit die Bewegungsparameter (Ort, Geschwindigkeit, Beschleunigung) im Wesentlichen reibungslos variieren.
Ein Verfahren zur Verarbeitung einer in einer Flüssigkeit enthaltenen Nukleinsäure-Probe gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung kann mit Mitteln ausgeführt werden, die in diesem Beispiel beschrieben sind. Es umfasst die folgenden Schritte:

a) Einleiten einer Flüssigkeit, die eine Nukleinsäure-Probe enthält, in die Kammer 11 der Kassette 12 und in den Kanal 13, der in dieser Kammer gebildet ist,
b) Anordnen der Kassette 12 in dem Kassettenhalter 16, so dass die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 in einer im wesentlichen vertikalen Ebene liegt, wobei das Anordnen der Kassette 12 in dem Kassettenhalter 16 vor oder nach dem Einleiten der die Probe enthaltenden Flüssigkeit in die Kammer 11 stattfindet,
c) Schwingen des Kassettenhalters 16 und der Kassette 12 um eine Rotationsachse, die im wesentlichen senkrecht zu einer vertikalen Ebene verläuft, wodurch die Kassette 12 zwischen einer ersten Winkelposition 26 und einer zweiten Winkelposition 28 hin und her bewegt wird, die auf entgegengesetzten Seiten einer Zwischenwinkelposition 27 liegen, an der die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 im wesentlichen am tiefsten Teil seines durch die oben beschriebene Bewegung der Kassette 12 hervorgerufenen Bewegungswegs liegt, um eine Relativbewegung der im Kanal 13 enthal tenen Flüssigkeit in Bezug auf die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 zu bewirken.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren der gerade beschriebenen Art gleichzeitig an einer Vielzahl von Kassetten mittels eines Systems gemäß der Erfindung ausgeführt, dass für diesen Zweck angepasst ist und dass einen Kassettenhalter 36 und Mittel zum Schwingen umfasst, wie sie in den 6 bis 11 gezeigt sind.
Eine typische Verwendung eines Verfahrens und eines Systems gemäß der Erfindung ist das Ausführen von Prozessschritten eines sogenannten "post-PCR Prozesses" einer Nukleinsäure-Probe, die mittels eines PCR-Verfahrens oder ähnlichem vervielfältigt worden sind.
Solch ein post-PCR Prozess, der unter Verwendung der Kassette 12 ausgeführt wird, umfasst allgemein gesprochen die folgenden Schritte: Einleiten einer Flüssigkeit in die Kammer 11 und in den Kanal 13 der Kassette 12 zu einigen Zeitpunkten und Entnehmen der Flüssigkeit aus der Kammer 11 und dem Kanal 13 der Kassette zu anderen Zeitpunkten, mehrfaches Wiederholen dieser Schritte und Heizen und Kühlen der Kassette während eines vorbestimmten Zeitintervalls gemäß eines vorbestimmten Temperaturprofils, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 0 und 70°C. Die Flüssigkeit, die eine Nukleinsäure-Probe enthält, ist eine der Flüssigkeiten, die in die Kassette 11 eingeleitet und aus ihr entnommen werden. Eine andere Art von Flüssigkeit, die in dieser Art und Weise als Teil des Verfahrens verwendet wird, ist zum Beispiel eine Pufferflüssigkeit, die zum Spülen der Kammer 11 und des Kanals 13 während des Spülungsschritts verwendet wird, wie er nachfolgend beschrieben ist.
Eine post-PCR Verarbeitung einer vervielfältigten Nukleinsäure-Probe unter Verwendung der oben beschriebenen Geräte umfasst detaillierter beispielsweise die folgenden Schritte:
1. Einleiten der verstärkten Nukleinsäure-Probe in die Kassette
Eine Flüssigkeit mit dieser Probe wird in die Kassette 12 durch einen Einlass der Kassette und mittels der Pipettiernadel einer automatischen Pipettiereinheit, wie sie in 1 gezeigt ist, eingeleitet.
2. Probenhybridisierung
Während eines Hybridisierungsschrittes wird die Temperatur der Kassette auf einem vorbestimmten Wert mittels einer Wärme-Übertragung (heat transfer) gehalten. Über die gesamte Dauer dieses Schrittes, der üblicherweise 30 bis 60 Minuten dauert, der aber auch bis zu 8 Stunden dauern kann (beispielsweise für eine Genexpression) wird eine Relativbewegung der Flüssigkeit enthaltenen Probe in Bezug zu der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers und somit ein Fluss der Flüssigkeit über diese Oberfläche durch die oben beschriebenen Mittel hervorgerufen. In Verbindung mit diesem Schritt ist es wichtig, dass die Kammer und der Kanal in der Kassette so ausgebildet sind, dass eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit über der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers erzielt wird.
3. Probenspülung
In einem ersten Waschschritt (Spülen) wird das Innere der Kassette 12 mit einem Waschpuffer gespült, der durch einen Einlass in die Kassette fließt und sie durch einen Auslass wieder verläßt. Dieser Schritt wird bis zu zehn mal wiederholt.
4. Spülinkubation
Dieser Schritt dient zur Stabilisierung der Verarbeitung der Flüssigkeit enthaltenen Probe in der Kassette. Während dieses Schritts, der etwa 15 Minuten dauert, wird die Flüssigkeit auf einer anderen Temperatur gehalten, als während des Hybridisierungsschrittes und wird in Bezug zu der aktiven Oberfläche des chip-förmigen Trägers in der gleichen Art wie während des Hybridisierungsschrittes bewegt.
5. Färbungshybridisierung (stain hybridization)
In diesem Schritt wird eine fluoreszierende Lösung zu der Flüssigkeit enthaltenden Probe, die in der Kassette enthalten ist, damit individuell fluoreszierende Moleküle an die DNA Fragmente anhaften können. Während dieses Schrittes wird die Kassette wieder auf einer höheren Temperatur gehalten.
6. Farbspülung (stain rinse)
In diesem Schritt werden übrigbleibende freie fluoreszierende Moleküle aus der Kassette ausgewaschen, mittels Einführen eines Waschpuffers durch einen Einlass der Kassette in einer geeigneten ersten Position der Kassette und durch Ändern der Position der Kassette in eine zweite Position, an der die Flüssigkeit, die diese freien fluoreszierenden Moleküle trägt, aus der Kassette durch ihren Auslass ausgelassen wird. Dieser Schritt wird bis zu zehn Mal wiederholt.
7. Detektion
Nach dem Schritt 6. ist die Probe an die aktive Oberfläche 15 des chip-förmigen Trägers 14 gebunden. Die Oberfläche ist mit einem probenfreien Puffer geflutet und die Kassette, die die Flüssigkeit enthaltende Probe enthält, wird durch geeignete Transportmittel, die einen Greifer enthalten, zu einer Detektionseinheit bewegt, wo die aktive Oberfläche des chip-förmigen Trägers mit einem Laserstrahl gescannt wird und fluoreszierendes Licht, das von der aktiven Oberfläche als Antwort auf die Anregung abgestrahlt wird, durch ein geeignetes Messinstrument gemessen wird. Um diese Detektion ausführen zu können, hat die Kassette eine Öffnung, durch die der chip-förmige Träger und seine aktive Oberfläche für eine opto-elektronische Untersuchung zugänglich sind.

11: Kammer
12: Kassette
13: Kanal
14: chip-förmiger Träger eines Arrays von Oligonucleotiden
15: aktive Oberfläche des Trägers 14
16: Kassettenhalter
17: Pipettiernadel
18: Pegel der in der Kassette 11 enthaltenen Flüssigkeit
19: Rückseite des chip-förmigen Trägers
21: Kanalplatte
22: Chip-Platte
23: Hohlraum der Chip-Platte
24: Innenfläche der Kanalplatte
25: Innenfläche der Chip-Platte
26: erste Winkelposition
27: Zwischenwinkelposition
28: zweite Winkelposition
29: Winkelposition der Kassette 12 zur Durchführung eines Pipettiervorgangs
31: Zunge
32: Zunge
33: Außenfläche der Chip-Platte 22
34: Außenfläche der Kanalplatte 21
35: Öffnung (Einlass/Auslass)
36: Kassettenhalter
37: Breite des Endsegments des Kanals 13
38: Breite des Endsegments des Kanals 13
39: Breite des zentralen Abschnitts des Kanals 13
41: Abdichtrahmen
42: Sicherungsrahmen
61: Motor
62: Antriebsmittel
63: Kupplungsmittel
65: Transportkopf
66: Greifer
67: Pipettiereinheit
S-S: Mittelachse der Kassette 12
Z-Z: Eine vertikale Linie

Abwandlungen und alternative Ausführungsformen der Erfindung sind für den Fachmann in Bezug auf die vorausgehende Beschreibung offensichtlich. Dementsprechend ist die Beschreibung nur als Beispiel auszulegen und hat den Zweck, um den Fachleuten die beste Art der Ausführung der Erfindung zu lehren. Details der Vorrichtung und des beschriebenen Verfahrens können abweichen und die exklusive Verwendung aller Modifikationen, die im Rahmen der anhängenden Ansprüche liegen, wird reserviert.

Claims

Verfahren zur Verarbeitung einer Nukleinsäure-Probe, die in einer Flüssigkeit enthalten ist, umfassend (a) Einleiten der Flüssigkeit in eine Kammer (11) einer Kassette (12), die einen chip-förmigen Träger (14) enthält, dessen aktive Oberfläche (15) ein Array von Oligonucleotiden trägt, wobei die Kammer einen schmalen Innenraum hat und einen Kanal (13) enthält, der zwischen zwei Innenflächen der Kammer (11) angeordnet ist, und (b) Anordnen der Kassette in einem Kassettenhalter (16), wobei die aktive Oberfläche in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene liegt und die Kassette vor oder nach dem Einleiten der Flüssigkeit in die Kammer (11) in dem Kassettenhalter angeordnet wird, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass es weiter umfasst: (c) Schwingen des Kassettenhalters (16) und der Kassette (12) um eine Rotationsachse, die im wesentlichen senkrecht zur vertikalen Ebene verläuft, wodurch die Kassette (12) zwischen einer ersten Winkelposition (26) und einer zweiten Winkelposition (28) hin und her bewegt wird, die auf entgegengesetzten Seiten einer Zwischenwinkelposition (27) liegen, an der die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) im wesentlichen am tiefsten Teil seines durch die Schwingungsbewegung der Kassette (12) verursachten Bewegungsweges liegt, um eine Relativbewegung der im Kanal (13) enthaltenen Flüssigkeit in Bezug auf die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kanal (13) ein gekrümmter Kanal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kassette (12) derart vom Kassettenhalter (16) gehalten wird, dass die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (12) an einer zentralen Position des Kanals (13) angeordnet ist.
System zur Verarbeitung einer Nukleinsäure-Probe, die in einer Flüssigkeit enthalten ist, umfassend (a) eine Kassette (12), die enthält (a.1) einen chip-förmigen Träger (14) mit einer aktiven Oberfläche (15), die ein Array von Oligonucleotiden trägt und gegenüber einer Innenfläche (24) eines Teils (21) der Kassette (12) angeordnet ist, und (a.2) eine Kammer (11), die einen schmalen Innenraum hat und einen Kanal (13) umfasst, wobei ein Abschnitt des Kanals (13) zwischen der aktiven Oberfläche (15) und der Innenfläche (24) liegt, und die aktive Oberfläche in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene liegt, und (b) einen Kassettenhalter (16) zum Halten der Kassette, dadurch gekennzeichnet, dass das System weiter umfasst (c) Mittel zum Schwingen des Kassettenhalters (16) und dabei der Kassette (12) um eine Rotationsachse, die im wesentlichen senkrecht zur vertikalen Ebene verläuft, und dadurch die Kassette (12) zwischen einer ersten Winkelposition (26) und einer zweiten Winkelposition (28) hin und her bewegt, die auf gegenüberliegenden Seiten einer Zwischenwinkelposition (27) liegen, an welcher die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) im wesentlichen am tiefsten Teil seines durch die Schwingungsbewegung der Kassette verursachten Bewegungsweges ist, um eine Relativbewegung der im Kanal (13) enthaltenen Flüssigkeit in Bezug auf die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) zu bewirken.
System nach Anspruch 5, wobei der Kanal (13) ein gekrümmter Kanal ist.
System nach Anspruch 5, wobei die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) an einer zentralen Position des Kanals (13) angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, wobei der Kassettenhalter zum Halten der Kassette (12) derart ausgebildet ist, dass die aktive Oberfläche (15) des chip-förmigen Trägers (14) in einer im Wesentlichen vertikalen Ebene liegt.