DE60123948T2

DE60123948T2 - Automatisierte vorrichtung zur biologischen analyse

Info

Publication number: DE60123948T2
Application number: DE60123948T
Authority: DE
Inventors: Michel Gazeau
Original assignee: Genomic SA
Current assignee: Genomic SA
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2001-03-09
Publication date: 2007-06-14
Anticipated expiration: 2021-03-10
Also published as: FR2806165A1; JP2003529057A; FR2806165B1; EP1287327A2; WO2001067112A2; DE60123948D1; AU2001242552A1; US20030059341A1; US7285244B2; WO2001067112A3; EP1287327B1; ATE343122T1

Description

Biochips ermöglichen die gleichzeitige Analyse zahlreicher Moleküle. Dabei handelt es sich hauptsächlich um Nukleinsäuren und Proteine.
Das Basisprinzip besteht in der Erkenntnis und der Paarung zweier Moleküle, die Affinitäten aufweisen.
Eine der Molekülansammlungen ist ortsfest in Form von Mini- oder Mikro-Ablagerungen auf einem festen Träger, Gewebe, Glasplatte, Silizium-Chip, usw. befestigt. Das andere Molekül, im Allgemeinen in Lösung markiert, wird mit den auf dem festen Träger abgeschiedenen Proben in Kontakt versetzt. Nach einer Inkubationszeit wird der Überschuss an markiertem Molekül entfernt und der Träger gründlich gereinigt. Dabei handelt es sich darum, das von den auf den Ablagerungen zurück gehaltenen Molekülen abgegebene Signal zu erfassen und zu quantifizieren. In bestimmten Fällen kann das zurückgehaltene Molekül von den Ablagerungen „abgelöst" werden und man kann ein neues Molekül mit dem gleichen festen Träger testen.
Für die Bearbeitung von Biochips muss man im Allgemeinen die Ablagerungen mit verschiedenen Reagenzmitteln in Kontakt bringen und sie dann gründlich waschen. Die Temperatur der Reagenzmittel muss derjenigen der Biochips angepasst werden. Die Markierungen sind meistens fluoreszierend, man kann jedoch ebenfalls andere Markierungstechniken verwenden.
Das markierte Molekül ist ein seltenes und/oder teures Element. Daher muss man das erforderliche Volumen begrenzen. Die anderen Reagenzmittel, insbesondere die Waschprodukte, sind nicht so teuer und die Verringerung der verwendeten Volumen ist weitaus kleiner.
Die Unterlage EP947819 beschreibt einen Biochip-Bearbeitungsautomat für die biologische Analyse bestehend aus einer Zentrifuge mit einem Rotor, der einen Reaktor stützt. Die Ausbreitung erfolgt durch eine zentrifugale Bewegung der auf einem horizontalen Biochip gelagerten Flüssigkeit. Andere Zentrifugal-Automaten gemäß den Unterlagen US5589400 oder US4853188 scheiden Flüssigkeiten auf der Oberfläche von Mikroskoplamellen ab, die vertikal zum Ende der Speichen eines Rotors angeordnet sind. Ferner ist die Verwendung einer mobilen Lamelle für die Ausbreitung einer Flüssigkeit auf einer für die biologische Analyse dienenden Platte beispielsweise in der Unterlage EP047189 beschrieben.
Die Erfindung
Es handelt sich um einen Automaten gemäß den Ansprüchen 1 bis 13, der ohne menschliches Eingreifen in der Lage ist, die Bearbeitung von Biochips und die Erfassung der zu analysierenden Signale zu verwirklichen. Außer der Einsparung von Reagenzmitteln ermöglicht der Automat die Bearbeitung zahlreicher Biochips. Aufgrund seiner Einfachheit ist er ein relativ günstiges Gerät.
Das Herz des Geräts ist eine Zentrifuge mit niedriger Drehzahl, deren Winkelposition des Rotors beispielsweise mit einem Codierer exakt festgelegt werden kann.
Der Rotor, herausnehmbar oder nicht, besteht aus einer Nabe, an der Speichen befestigt sind. Jede Speiche trägt an ihrem Ende einen Reaktor, der nachstehend beschrieben wird. Der Deckel der Zentrifuge umfasst verschiedene Elemente:
Eine Anzahl von ortsfesten, in regelmäßigen Abständen angeordneten Düsen, deren Anzahl derjenigen der Reaktoren des Rotors entspricht und sich über einem Umfang befinden, dessen Radius gleich demjenigen des Zentrums der Reaktoren ist, um Flüssigkeit in diese zu leiten. Diese Düsen sind durch kalibrierte Katheter mit dem Deckel eines hermetischen Behälters verbunden, der eine Anzahl von die markierten Moleküle enthaltenden Rohren umfasst. Dieser Behälter kann beispielsweise anhand einer Gasflasche eine bestimmte Zeit lang unter einen bestimmten Druck gesetzt werden, was zur Folge hat, das über die Katheter ein gleiches Volumen der in den Rohren enthaltenen Flüssigkeiten in die Reaktoren gefördert wird. Dieser Behälter kann nach einem beliebigen Verfahren gekühlt werden, um eine gute Haltbarkeit der markierten Moleküle zu gewährleisten.
Eine Anzahl von am Deckel zwischen den anderen befestigten Düsen, die unter Druck oder Unterdruck an Flakons oder an Pumpen angeschlossen sind, ermöglicht die sukzessive Verteilung der gemeinsamen Reaktionsmittel in großem Volumen (einige Milliliter) in jeden Reaktor. Einige dieser Düsen können Flüssigkeiten für die Reinigung und die Dekontaminierung des Geräts abspritzen.
Eine mechanische Translationsvorrichtung an einer Speiche ermöglicht ein Biochips tragendes Gleitstück eines jeden Reaktors oder in anderen Fällen die Reaktoren selbst nacheinander an den Rand zu ziehen und wieder in ihre Ausgangsposition zurück zu versetzen. Diese Vorrichtung kann aus einer geführten Zahnstange bestehen, die über ein fest mit einer Welle eines Elektromotors verbundenes Ritzel angetrieben wird. Ein möglichst nah des Zentrums des mobilen Elements angeordneter Zapfen kann in die Zentrifuge eintauchen und beispielsweise anhand eines Nockens wieder hochfahren. Dieser Zapfen ermöglicht der Translationsvorrichtung, das Gleitstück oder den Reaktor einzuhaken.
Der Mantel der Zentrifuge weist einen Spalt auf, der von einem fest mit der mechanischen Translationsvorrichtung verbundenen Teil verschlossen werden kann und der das Biochips tragende Gleitstück oder den Reaktor durchlässt. Somit werden diese in den Bereich des Signalerfassungssystems platziert.
Der Mantel der Zentrifuge kann eine oder mehrere horizontale teleskopische Düsen umfassen, die entweder gestatten, Reaktionsmittel in jeden Reaktor einzuspritzen, oder die in ihnen enthaltenen Reaktionsmittel abzusaugen.
Die Form des Bodens des Behälters der Zentrifuge ist so ausgelegt, dass eine komplette Entleerung der verwendeten Reaktionsmittel möglich ist.
Die Temperatur innerhalb der Zentrifuge ist geregelt. Die sehr langsame Drehung der Reaktoren verbessert die Vereinheitlichung der Temperatur. Gegebenenfalls kann die Hygrometrie der Luft in dem Behälter kontrolliert werden.
Der Boden der Zentrifuge und/oder der Innenraum des Deckels können mit einem kreisförmigen Element ausgestattet sein, das eine geeignete Form aufweist, um Bewegungen von Teilen der Reaktoren zu bewirken.
Die Erfindung wird nachfolgend rein exemplarisch näher beschrieben, anhand einer Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren:
1, 2 und 3 zeigen jeweils eine Vorderansicht, eine Seitenansicht und eine Draufsicht des Reaktors;
4 zeigt eine Draufsicht der Zentrifuge;
5 und 6 eigen jeweils eine Seitenansicht und eine Vorderansicht der Tragvorrichtung mit zentripetalem Ventil;
7, 8 und 9 zeigen jeweils eine Seitenansicht, eine Vorderansicht und eine Draufsicht der Tragvorrichtung mit zentrifugaler Drainage;
10 und 11 zeigen jeweils eine Seitenansicht und eine Vorderansicht der kapillaren Tragvorrichtung.
Die an dem Ende der Speichen (7) des Rotors (8) der Zentrifuge (9) gemäß 4 befestigten Reaktoren (1) der 1 bis 3 sind in Bezug auf die durch den Speiche verlaufende Vertikale in einer durch diesen Speiche verlaufenden Ebene geneigt.
Sie umfassen drei Elemente:
Den Körper (3) des Reaktors, der von der Speiche (7) des Rotors (8) durchsetzt wird. Er weist an einer seiner beiden großen Flächen eine Führung auf. An dem unteren Teil der Außenfläche kann er eine Öffnung aufweisen, die mit einem schweren, anhand einer Feder beaufschlagten Stopfen verschlossen ist, der sich dank der zentripetalen Kraft von der Oberfläche entfernt und die Öffnung freigibt. Auf der gleichen Fläche kann er eine weitere Öffnung aufweisen, die von innen durch einen Stopfen verschlossen ist, der von einer Feder festgehalten wird. Setzt man eine teleskopische Düse auf diese Öffnung, kann eine unter Druck stehende Flüssigkeit in den Reaktor eingespritzt werden.
Ein Biochips (2) tragendes Gleitstück (4), das eine der beiden großen Flächen des Reaktors verschließt, wenn es mit dem Biochip bestückt und bis zum Anschlag in die Führung eingeführt ist. Der Biochip-Träger kann um einen bis zwei Millimeter in seiner Führung versetzt werden, ohne der Dichtheit des Reaktors zu schaden, um den Kontakt der Ablagerungen mit den Reaktionsmitteln zu verbessern. Er kann um sechs oder sieben Millimeter von seiner Ausgangsposition nach außen verlagert werden, um den Reaktor zu öffnen und das Ablaufen seines Inhalts zu ermöglichen. Schließlich kann er um einige Zentimeter von seiner Ausgangsposition verlagert werden, um den Behälter aus der Zentrifuge zu nehmen und sich in den Bereich des Signalerfassungssystems zu platzieren. Der Biochip-Träger oder in anderen Fällen die Reaktoren werden von der oben erwähnten mechanischen Translationsvorrichtung betätigt.
Ein aus einer Lamelle (6) bestehendes Rührwerk (5), die sich entweder auf das untere Teil des Biochips (2) abstützen und einen Raumwinkel bilden kann, der ein geringes Flüssigkeitsvolumen zurückhält, oder sich ab dieser Position auf den Biochip abstützt und das zurückgehaltene Flüssigkeitsvolumen ohne Luftblase auf dessen Oberfläche „verteilt", oder komplett in den Körper des Reaktors eintritt, um das Verschieben des Biochip-Trägers zu ermöglichen.
Der kontinuierliche Übergang zwischen diesen drei Positionen bewirkt das Abspritzen der Waschflüssigkeit auf die aktive Oberfläche des Biochips.
Das langsame Drehen der Reaktoren (1) bewirkt das Ansammeln der enthaltenen Flüssigkeit nach Außen. Das Anhalten dieser Drehung stoppt diese Ansammlung und bewirkt einen Rückfluss der Flüssigkeit zum Rotor (8). Das abwechselnde Drehen und Stoppen rührt die Flüssigkeit um und beschleunigt das Waschen der Biochips.
Andere Reaktorentypen können konzipiert werden, wie beispielsweise die drei Versionen von Tragvorrichtungen (10) gemäß 5 und 6, 7 bis 9 und 10 und 11. Sie sind einfacher und weniger aufwändig herzustellen, ermöglichen jedoch keine sehr nahe Annäherung der aktiven Oberfläche des Biochips für die Signalerfassung. In diesem Fall wird der gesamte Reaktor aus dem Behälter der Zentrifuge gestoßen.

Claims

Biochip-Bearbeitungsautomat für die biologische Analyse, bestehend aus einer Zentrifuge (9) mit einem Rotor (8), der mindestens einen einen Körper (3) aufweisenden Reaktor (1) stützt, und einem Biochip-Träger (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (1) ferner ein aus einer Lamelle (6) bestehendes Rührwerk (5) umfasst, wobei die Lamelle drei Positionen einnehmen kann, eine erste Position, in der sie sich auf das untere Teil des Biochips (2) abstützt und einen Raumwinkel bildet, der ein geringes Flüssigkeitsvolumen zurückhält, eine zweite Position, in der sie sich ab der ersten Position auf den Biochip (2) abstützt und das zurückgehaltene Flüssigkeitsvolumen ohne Luftblase auf dessen Oberfläche „verteilt", und eine dritte Position, in der sie komplett in den Körper des Reaktors (1) eintritt.
Biochip-Bearbeitungsautomat für die biologische Analyse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang des Rührwerks zwischen den drei Positionen kontinuierlich erfolgt.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren am Ende der Radien (7) des Rotors (8) der Zentrifuge (9) befestigt und in Bezug auf die durch den Radius (7) verlaufende Vertikale in einer durch diesen Radius (7) verlaufenden Ebene geneigt sind.
Automat für die biologische Analyse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktoren einen Körper (3) umfassen, der an einer seiner beiden großen Führungsflächen und an seinem unteren Teil der Außenfläche eine Öffnung aufweist, die mit einem schweren, anhand einer Feder beaufschlagten Stopfen verschlossen ist, der sich dank der zentripetalen Kraft von der Oberfläche entfernt und die Öffnung freigibt.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Stopfen versehene Fläche eine weitere Öffnung aufweist, die von innen durch einen Stopfen verschlossen ist, der von einer Feder festgehalten wird, um die Einspritzung einer unter Druck stehenden Flüssigkeit in den Reaktor zu ermöglichen.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor ein Biochips (2) tragendes Gleitstück (4) aufweist, das eine der beiden großen Flächen des Reaktors verschließt, wenn es mit dem Biochip bestückt und bis zum Anschlag in die Führung eingeführt ist.
Automat für die biologische Analyse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (8) gemäß abwechselnden Drehungs- und Stoppzyklen angetrieben wird, um einen Rückfluss der Flüssigkeit zum Rotor (8) zu bewirken.
Automat für die biologische Analyse nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Zentrifuge mit einem Deckel umfasst, der in regelmäßigen Abständen angeordnete ortsfeste Düsen aufweist, deren Anzahl derjenigen der Reaktoren (1) des Rotors (8) entspricht und sich über einem Umfang befinden, dessen Radius gleich demjenigen des Zentrums der Reaktoren (1) ist.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen über kalibrierte Katheter mit dem Deckel eines hermetischen Behälters verbunden sind, der eine Anzahl von die markierten Moleküle enthaltenden Rohren sowie Unterdrucksetzungsmittel umfasst.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel ferner Düsen umfasst, die an Flakons für die Verteilung der Reaktionsmittel in jeden Reaktor angeschlossen sind.
Automat für die biologische Analyse nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel ferner Düsen umfasst, die an Flakons für die Abspritzung von Flüssigkeiten für die Reinigung und die Dekontaminierung des Geräts angeschlossen sind.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine mechanische Translationsvorrichtung umfasst, mit der das Biochips (2) tragende Gleitstück (4) an den Rand gezogen und in seine Ausgangsposition zurückversetzt werden kann.
Automat für die biologische Analyse nach Anspruch 6 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner eine mechanische Translationsvorrichtung umfasst, mit der der Reaktor (1) an den Rand gezogen und in seine Ausgangsposition zurückversetzt werden kann.