EP3784140A1 - Vorrichtung und verfahren zum vorbereiten von probenmaterial - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum vorbereiten von probenmaterial

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Publication number
EP3784140A1
EP3784140A1 EP19719508.4A EP19719508A EP3784140A1 EP 3784140 A1 EP3784140 A1 EP 3784140A1 EP 19719508 A EP19719508 A EP 19719508A EP 3784140 A1 EP3784140 A1 EP 3784140A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
receiving space
rotary body
liquid
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19719508.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Laermer
Jochen Hoffmann
Tino Frank
Paul Kallenberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3784140A1 publication Critical patent/EP3784140A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502715—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by interfacing components, e.g. fluidic, electrical, optical or mechanical interfaces
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M39/00—Tubes, tube connectors, tube couplings, valves, access sites or the like, specially adapted for medical use
    • A61M39/10—Tube connectors; Tube couplings
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M33/00—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus
    • C12M33/04—Means for introduction, transport, positioning, extraction, harvesting, peeling or sampling of biological material in or from the apparatus by injection or suction, e.g. using pipettes, syringes, needles
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
    • G01N1/28—Preparing specimens for investigation including physical details of (bio-)chemical methods covered elsewhere, e.g. G01N33/50, C12Q
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B10/00—Other methods or instruments for diagnosis, e.g. instruments for taking a cell sample, for biopsy, for vaccination diagnosis; Sex determination; Ovulation-period determination; Throat striking implements
    • A61B10/02—Instruments for taking cell samples or for biopsy
    • A61B10/0233—Pointed or sharp biopsy instruments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2200/00—Solutions for specific problems relating to chemical or physical laboratory apparatus
    • B01L2200/02—Adapting objects or devices to another
    • B01L2200/026—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details
    • B01L2200/027—Fluid interfacing between devices or objects, e.g. connectors, inlet details for microfluidic devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01L2200/06—Fluid handling related problems
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/04—Closures and closing means
    • B01L2300/041—Connecting closures to device or container
    • B01L2300/044—Connecting closures to device or container pierceable, e.g. films, membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0672—Integrated piercing tool
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0681—Filter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0475—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure
    • B01L2400/0487—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for preparing sample material.
  • the invention also relates to a microfluidic system with such a device.
  • Sampling device in particular a biopsy needle, known, consisting of a hollow needle with a distal opening with a
  • the sampling device is designed, for example, as a fine needle biopsy device.
  • the sampling device or fine needle biopsy device is used for the removal of animal, human and / or plant tissue. through
  • Fine needle biopsies are taken in suspected cases tissue material or cells from, for example, lung, thyroid or prostate.
  • this sample material is applied to a slide and examined by a pathologist.
  • the morphology of the cells is optically examined.
  • the so-called immunohistochemical staining identifies cell-specific features.
  • more and more genetic characteristics of the cells are determined.
  • the necessary sample preparation steps are usually extensive and are therefore often not carried out promptly. This sometimes results in therapies being prescribed without the knowledge of relevant mutational status. Disclosure of the invention
  • the sample receiving space preferably has a microfluidic volume, in particular a liquid volume, of one to one thousand microliters, preferably between ten and one hundred microliters.
  • the sample material is, for example, animal, human and / or plant tissue.
  • the sample material is taken, for example, with a suitable sampling device.
  • Sampling device is for example a biopsy needle or a biodetector with a functional or functionalized surface.
  • the functional or functionalized surface advantageously serves to isolate molecules or cells from the human body.
  • the functional or functionalized part of the biopsy needle is advantageously coated so that either cell-free DNA or cells of epithelial origin which express a certain surface protein, for example EpCAM, upon contact with the needle surface are bound by antibodies present there, for example anti-Ep-CAM , EpCAM is an abbreviation for the English term Epithelial Cell Adhesion Molecule.
  • the biopsy needle or biodetector is placed in the arm vein of a patient for thirty minutes, removed and washed. A physician then determines the number of fixed cells and / or determines the mutation status of the cells.
  • small sample volumes can be used with a high volume
  • Sensitivity are analyzed. Automation, miniaturization and parallelization also allow a reduction of manual steps, as well as a
  • sample preparation is performed off-chip - manually or with another device.
  • sample preparation is performed off-chip - manually or with another device.
  • Microfluidic systems are often needed for various applications.
  • a universal network system allows the analysis of
  • microfluidic analysis unit would often have to be readjusted, which involves a high development effort.
  • a solution must be found for pre-processing a rigid needle without the need to change the microfluidic analyzer at high cost (e.g., new injection molded parts). Otherwise, the advantage of almost completely automated processing is lost.
  • an immobilized sample can be converted into a suitable solution, suspension or dispersion. For this, among other things, it must be rinsed, but also the sample material must be peeled off or cell material released by lysis. This small sample volume can then be transferred directly into a microfluidic system for further processing.
  • the claimed rotary device is preferably airtight with a
  • cannula-shaped volume Connected to cannula-shaped volume. In this volume, the sample is submitted. By a predefined rotation, a defined amount of liquid can be injected and ejected into the cannula volume.
  • This system has the following advantages: The device has an intuitive and simple user design. This also does not allow specially trained personnel handling. In addition, this minimizes the risk of possible errors that could be committed by the user. Volumes are predefined and can not be changed and are pure through the complete
  • Sample material is located in a protected environment (inside the cannula).
  • the system is designed with the use of a cannula so that it can be used without loss or dilution.
  • Rigid shapes such as a swab, wire, needle, or fine biopsy punch, can be inserted into the cannula without changing their geometry.
  • the geometry of the microfluidic analysis system does not have to be specially adapted. This allows existing microfluidic systems to be described herein
  • the system described can be realized by an ensemble of a few, inexpensive disposable parts. This allows one in the medical field and desired
  • Microfluidic platform it is much easier to transfer a liquid sample bubble-free on the chip, as a rigid sample bubble-free on the microfluidic platform in liquid convict.
  • the chemicals needed for washing or lysis could be pre-stored on a chip. This increases the user-friendliness, since the number of individual parts of an overall system is minimized.
  • the application of the described invention is based on the target users known concepts. The operation of tools that have similar functions, such as syringes or pipettes, the patient-oriented personnel (for example, nurses, doctors, paramedics) are very familiar and needs no further training in the
  • Theme can be built by combining standard luer parts, which are standard in medical fluidics. These parts are standardized and can be adapted by slight modifications to commercially available components (for example, integration of seal, stop point). If samples can not be analyzed on-site, the device allows a first simple one
  • Sample preparation which converts the analyte in a small volume into a stable form (for example, fixed DNA) and then can be shipped in and with the small volume adapter.
  • the device can be further used to remove a small volume from a microfluidic system and apply it for further analysis. This is of interest insofar as results are further evaluated in clinical trials. Thus, a special result can be prepared directly for sequencing.
  • the sample receiving space comprises a volume that is less than ten milliliters.
  • the sample receiving space for example, has a volume of about ten to two hundred microliters.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the rotating device comprises a rotary body which is threadedly coupled to a fluid receiving space having a volume whose size is changed by rotating the rotary body relative to the thread or by twisting the thread relative to the rotary body becomes.
  • the volume of the liquid receiving space is larger, preferably at least two to three times as large as the volume of
  • the rotary body advantageously comprises a radially outward External thread, which is complementary to an internal thread of the aforementioned thread.
  • the rotary body is advantageously provided with a central through hole which fluidly connects the liquid receiving space to the sample receiving space.
  • the rotary body is designed according to a further embodiment as a Luer-lock element. Depending on the direction of rotation of the relative rotational movement, the volume of the liquid receiving space is smaller or larger. When the volume of the liquid receiving space becomes smaller, then fluid, in particular liquid, is released from the
  • Fluid receiving space ejected through the sample receiving space.
  • Preparatory steps such as washing, fixing and / or lysing, be subjected.
  • the sample which is now in liquid form, can be transferred in a simple manner, in particular reproducibly, by turning the rotary body.
  • the liquid sample is ejected from the sample receiving space.
  • the sample can advantageously be transferred directly to a lab-on-chip.
  • a liquid used for washing, fixing or lysing can already be stored in the lab-on-chip.
  • the required fluids in a corresponding microfluidic system can also be removed from the lab-on-chip.
  • the thread when the rotary body is rotated, the thread is advantageously fixedly arranged. If the thread is twisted, then advantageously the rotating body is arranged stationary.
  • a thread is referred to in particular as an internally threaded section which meshes with an externally threaded section, which in turn is formed on the rotary body.
  • the female threaded portion is formed, for example, in a hollow body in which the rotary body is rotatable.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the liquid receiving space is bounded by a hollow body which is internally threaded.
  • the hollow body has for example, the shape of a straight circular cylinder jacket closed at one end.
  • the thread is rotatable so that the limited volume of the hollow body of the
  • the closed end of the hollow body can be designed as a Luer lock element. Due to the luer-lock element can advantageously a non-functional or functionalized portion of a biopsy needle from the
  • the biopsy needle is advantageous in its functional or functionalized section
  • the biopsy needle can extend through the fluid receiving space through the closed end of the hollow body, which is advantageously designed as a luer lock element out.
  • the hollow body can be rotated relative to the rotary body to the volume of
  • Fluid receiving space defined to reduce or enlarge the rotary body can be held, for example, with one hand, while the hollow body is rotated with the other hand.
  • a further preferred exemplary embodiment of the device is characterized in that the hollow body has a sealed push-through area at an end facing away from the sample receiving space.
  • the hollow body has, for example, the shape of a straight circular cylinder jacket which is closed at one end.
  • the rotary body is rotatable via the thread, so that the volume of the liquid receiving space bounded by the hollow body changes when the rotary body is rotated in the hollow body.
  • the closed end of the hollow body can be designed as a Luer lock element. Due to the luer-lock element can advantageously a non-functional or functionalized portion of a biopsy needle from the
  • the biopsy needle is advantageous in its functional or functionalized section
  • the biopsy needle can extend through the fluid receiving space through the closed end of the hollow body, which is advantageously designed as a luer lock element out.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that a biopsy needle, as shown in Figure 14, in a
  • Lysis device is introduced. However, this does not have a rotating device for receiving liquid, but a attached, for example, in place 153 Peläusball (or the like). By means of this ball process liquids can be introduced or expelled into the capillary 15 by volume enlargement or reduction. This simplifies the
  • Sample receiving room communicates. As a result, it is achieved in a simple manner that the sample receiving space in the liquid
  • Liquid receiving space can be fed. At the same time, liquid can be expelled from the liquid receiving space through the sample receiving space.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the sample receiving space is bounded by a tubular body which is open at its end remote from the liquid receiving space. Liquid can be drawn in or expelled through the open end of the tubular body.
  • the tubular body is designed to be similar to a cannula or capillary.
  • the tubular body is advantageously combined with the rotary body.
  • the tubular body may be integrally connected to the rotary body.
  • Male thread portion is advantageously formed on a collar which is angled from the tubular body or a main body of the rotary body.
  • the tube body may also have an open end with a tip that is designed to be more or less similar to a pipette tip.
  • the rotary body for example a cannula or a capillary, with a suitable Sealing device can be fluidly connected to the rotary body in a simple manner.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the tubular body, the hollow body and / or the rotary body are combined with at least one sealing device / is.
  • the sample receiving space and the liquid receiving space apart from the open end of the tubular body, fluid-tight, in particular airtight, sealed to the environment.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the tubular body, the hollow body and / or the rotary body are combined with a filter device.
  • the filter device With the filter device, the implementation of individual process steps, such as a purification or
  • Sample receiving space has a connection for supplying and / or discharging a fluid.
  • the connection is provided, for example, on a connection body of the rotating device. But the connection can also be provided on one or the hollow body, the
  • connection can also be provided on an additional part, for example, as will be described below, on a T-piece.
  • the port is advantageous for supplying a fluid to remove all sample material from the fluid receiving space and the sample receiving space.
  • This advantageously provides a device for the lossless, microfluidic preparation of immobilized sample material, in particular on rigid needles, preferably by means of a two-phase system.
  • a fluid in particular an oil phase, can be supplied in order to completely remove a sample liquid from the sample receiving space, for example from a cannula, and transfer it lossless into a lab-on-chip platform.
  • the sample liquid is a liquid containing sample material.
  • a further preferred embodiment of the device is characterized in that the connection for supplying and / or discharging the fluid is provided as a third connection to a T-piece, the
  • the third connection is advantageously closed by a closure body.
  • the closure body advantageously serves to tightly close the third connection, specifically in particular when no fluid is supplied or removed via the third connection.
  • the closure body is advantageously designed as a luer lock element.
  • the T-piece with the third connection is advantageously also designed as a Luer-lock element. The design as a Luer-lock element or Luer-Lock elements, the handling of the device is simplified.
  • a second connection for the sample receiving space and the third port for supplying and / or discharging the fluid.
  • the third connection can be arranged transversely to the first two connections with respect to the T-piece.
  • the third connection may be arranged in relation to the T piece, but also parallel to the first two connections.
  • a syringe with a Luer connection can be screwed to the third connection of the T-piece or T-element instead of a closure body.
  • Fluid in particular oil, can be applied in a simple manner via the syringe by actuating a piston of the syringe.
  • the syringe may be attached to the third port of the tee orthogonally but also parallel to a capillary or cannula.
  • the invention further relates to a microfluidic system with a previously described apparatus for preparing sample material.
  • the microfluidic system includes in addition to the previously described
  • Apparatus for preparing sample material at least one
  • microfluidic chip This is a simple way one fully automated analysis of biological samples on site at the point of care.
  • Reagents are advantageously presented in the fluidic chip. With the reagents, the sample material can then be prepared, for example, washed.
  • the microfluidic chip advantageously comprises a sample input area.
  • the sample input area on the microfluidic chip includes, for example, an input channel adapted to receive the open end of the tubular body of the device described above.
  • the shape of the input channel is advantageously adapted for this purpose to the shape of the tubular body at its open end.
  • the input channel is in the microfluidic chip at at least one junction with a microfluidic
  • the invention also relates to a tubular body, a hollow body, a rotary body, a sealing device and / or a filter device for a previously described device for preparing sample material or for a previously described microfluidic system.
  • the parts mentioned are separately tradable.
  • the said parts are advantageously produced inexpensively from a suitable plastic material by injection molding. Depending on the number of parts required, production by three-dimensional printing or rapid prototyping is also possible. Depending on the type of used
  • Materials are also used in machining processes, such as milling. Individual parts or subregions can also by a
  • Forming processes such as hot stamping, are presented.
  • Suitable materials are, for example, biocompatible plastics.
  • the materials used advantageously have a small thermal expansion coefficient.
  • the tubular body is advantageously made of the same material as a capillary, in particular a glass capillary.
  • the tubular body may also be formed of metal.
  • a conventional syringe cannula can be used as a tubular body.
  • the invention also relates to a method for preparing sample material with a previously described device, in particular in a microfluidic system.
  • Lymph can be selectively removed from the patient. These are then lysed in a small volume. Especially in liquid biopsy applications, only a few cells can adhere to the needle by antibody selection and a small volume is of great importance for sensitive analysis. Should cells be transferred from a biopsy needle to a microfluidic platform, the cells adhering to the needle should be lysed in as small a volume as possible. This can be done, inter alia, in a glass cannula. In this case, defined volumes of lysis buffer can be raised. The challenge is often complete
  • the core of the method or the device is the loss-free processing of a limited sample volume in a cannula.
  • the limited sample volume is drawn in by means of a rotary device and ejected again. Possible fluid residues are completely displaced from the cannula via a side channel through an oil phase and the whole
  • Sample volume can be processed lossless.
  • the oil phase can be used in addition to further processing on a lab-on-chip system.
  • a sample volume can be completely removed from a cannula. This is especially an advantage when working with small volumes, little sample material is present (for example, small copy numbers of DNA strands with rare mutational patterns) or the volume for the
  • the sample By feeding oil through the cannula when transferring the sample to a Lab-On-Chip, the sample can be plugged directly into multiple oil phases as a plug and processed directly loss-free on the Lab-On-Chip platform.
  • volume retention can be achieved by pre-storage on a lab-on-chip platform
  • the lysis unit does not have to guarantee exact fitting.
  • the volume retention is guaranteed only by the volumes of the Lab-On-Chip platform.
  • the invention can be made of commercially available, standardized Luer parts
  • PCR means polymerase chain reaction.
  • the device also makes it possible to drive a multi-stage lysis process lossless.
  • Suitable materials are biocompatible plastics. Obviously, the same material from which the cartridge or a container of the
  • microfluidic system is used.
  • the material should have a small thermal expansion coefficient.
  • a glass capillary or even a syringe cannula made of metal can be used for the capillary.
  • Standard luer parts can also be used.
  • Syringes can be made of plastic or glass, but should be sealed (by Luer connection or gluing) connected to the T-element.
  • Figure 1 is a schematic representation of an apparatus for preparing sample material with a rotary body which is rotatably arranged in a hollow body, in longitudinal section;
  • Figure 2 is a schematic representation of a tubular body, which is connected by means of a sealing device fluid-tight with a coupling body, in
  • Figure 3 is a schematic representation of a tubular body, with a
  • Connecting body is combined, in longitudinal section;
  • Figure 4 shows a device similar to that in Figure 1 with a sealing device and with two stops in longitudinal section;
  • Figure 5 is a similar device as in Figure 4 with a
  • Figure 6 shows a similar device as in Figure 5 with a symbolic
  • Figure 7 shows a similar device as in Figure 5 with an additional third stop in longitudinal section
  • Figure 8 shows the device of Figure 7 after passing over the additional stop in a longitudinal section
  • Figure 9 is a flow diagram illustrating a method of preparing sample material with a device such as shown in Figures 1 and 4 through 8;
  • FIG. 10 shows a microfluidic system with a lab-on chip and an open end of a tubular body of the device from FIG. 1 in section;
  • FIG. 11 shows the open end of the tubular body of the device of Figure 1 with sample material, with a microfluidic container and with a
  • FIG. 12 shows the device from FIG. 5 with an additional filter device at the open end of the tubular body in longitudinal section;
  • Figure 13 is a similar device as in Figure 1 with a
  • FIG. 14 shows a further embodiment of a device for preparing sample material with an additional T-piece
  • Figures 15 to 17 is a schematic illustration of a method of using the apparatus of Figure 14 to completely transfer fluid from a cannula;
  • Figure 18 shows a variant of the device of Figure 14 when attaching a syringe to the tee
  • Figure 19 is a similar view as in Figure 18 when attaching a syringe from the top of the tee; the
  • Figures 20 to 23 is a schematic representation of a method, such as the device of Figure 14, which can be advantageously integrated into a fluidic flow for a lysis process with adhering to a biopsy needle cells in a lab-on-chip platform; and the Figures 24 to 26 an application of the apparatus of Figure 18, wherein two phases are preceded in the syringe.
  • the rotating device 1 shows a device 1 designed as a rotating device for preparing sample material 23, 33 (in FIGS. 2, 3, 5 through 8, 12, 13), shown schematically in longitudinal section.
  • the rotating device 1 comprises a rotary body 2, which is rotatable by means of a thread 3 in a hollow body 4.
  • the hollow body 4 has the shape of a straight circular cylinder, which is closed at its upper end in Figure 1. The hollow body 4 limits one
  • the thread 3 comprises an internally threaded portion 6 in the hollow body 4.
  • the female threaded portion 6 engages an externally threaded portion 7 of the thread 3 a.
  • the male threaded portion 7 is formed on a collar 8 of the rotary body 2.
  • the collar 8 is angled from a base body 9 of the rotary body 2.
  • the main body 9 of the rotary body 2 comprises a central through hole, which merges into a tubular body 10.
  • the tubular body 10 is designed, for example, as a capillary 11 with an open bottom end 12.
  • the capillary 11 bounded inside a sample receiving chamber 15 which is fluidly connected via the central through hole in the rotary body 2 with the liquid receiving space 5 in the hollow body 4.
  • a double arrow 13 indicates in FIG. 1 that the tubular body 10 moves up and down with the rotary body 2 when the rotary body 2 is rotated relative to the hollow body 4.
  • the movement of the rotary body 2, which is indicated by the double arrow 13, is also referred to as stroke.
  • stroke of the rotary body 2 the volume of the liquid receiving space 5 changes, as indicated by a double arrow 14 in Figure 1.
  • liquid is taken from the liquid accommodating space 5 through the liquid Sample receiving chamber 15 and the open end 12 of the tubular body 10 ejected.
  • liquid is drawn into the liquid receiving space 5 through the open end 12 of the tube body 10.
  • the liquid is provided at the open end 12 of the tubular body 10 via a suitable container (not shown in FIG. 1).
  • FIG. 2 shows how a tubular body 20, which is designed as a capillary 21, can be connected to a rotary body (2 in FIG. 1).
  • a seal 22 is provided on the capillary 21
  • an end portion of the capillary 21 is disposed within a coupling body 26.
  • the coupling body 26 includes a tip 27 that is made similar to the tip of a pipette. The free end of the tip 27 of the coupling body 26 bears sealingly against the seal 22.
  • the coupling body 26 is connected, for example, to a rotary body as shown in FIG. 1 and designated 2.
  • the connection between the rotary body and the coupling body 26 may be made in one piece.
  • sample material 23 is arranged on a sampling device 24.
  • the sampling device 24 is designed as a biopsy needle 25.
  • FIG. 2 only one functional or functionalized section of the biopsy needle 25 is arranged in the capillary 21.
  • FIG. 3 shows a tubular body 30 designed as a cannula 31.
  • sample material 33 is arranged on a sampling device 34.
  • the sampling device 34 comprises, for example, a biopsy needle 35 whose functional section is arranged inside the cannula 31. The rest of the biopsy needle 35 is passed through a connection body 39 with a coupling device 37.
  • the connecting body 39 is integrally connected to the tubular body 30. On its right-hand side in FIG. 3, the connecting body 39 has a connection 40, for example for a rotating device (not shown in FIG. 3).
  • the connection 40 is combined with a filter device 32.
  • the coupling device 37 comprises a luer lock element 38, which comprises a push-through region for the biopsy needle 35. A free end 36 protrudes in Figure 3 above from the coupling device 37 out.
  • connection body 39 tapers toward the tubular body 30.
  • Connecting body 39 with the tubular body 30 and the coupling device 37 and the filter device 32 is designed for example as a disposable part.
  • the rotary device which is connected to the terminal 40 is then designed, for example, as a reusable part.
  • the filter 32 advantageously serves to reduce the risk of contamination.
  • FIG. 4 shows how a predefined volume can be drawn in with a turning device 41.
  • the rotating device 41 must be airtight and rotated when drawing in liquid by a precisely defined number of revolutions.
  • the rotating device 41 comprises a
  • Rotary body 42 which is coupled via a thread 43 with a hollow body 44.
  • a sealing device 45 is arranged for sealing between the rotary body 42 and the hollow body 44.
  • the thread 43 is provided in the hollow body 44 with two stops 46, 47, by which the rotation of the rotary body 42 is limited in the hollow body 44.
  • the rotary body 42 comprises a main body 49 with a central through hole. Of the main body 49, a collar 48 is angled in Figure 4 above. At its lower end in FIG. 4, the rotary body 42 is connected to a tubular body 50.
  • the tubular body 50 includes a sample receiving space 15 which is connected to a liquid receiving space 5 within the rotary body 42 and within the hollow body 44, respectively. Due to the enlarging space within the rotating device 41 creates a negative pressure, which ensures that a well-defined volume of liquid is sucked into the rotating device 41 via the open end of the tubular body 50.
  • FIGS. 5 and 6 a device 51 designed as a rotary device is shown with a rotary body 52, which is connected via a thread 53 in a Hollow body 54 is rotatable.
  • a sealing device 55 serves to seal between the rotary body 52 and the hollow body 54 with the thread 53.
  • the rotary body 52 comprises a collar 58, which is angled from a base body 59.
  • the main body 59 is connected to a tubular body 60, which is designed as a capillary or cannula.
  • a sampling device 34 is arranged, which is designed as a biopsy needle 35.
  • the sample material 33 is at the
  • Sampling device 34 is arranged and is prepared by means of liquid for analysis. The liquid is sucked into the liquid receiving space 5 through the sample receiving space 15 inside the tube body 50.
  • the rotary body 52 is rotated defined.
  • the rotation of the rotary body 52 relative to the hollow body 54 is limited by two stops 56, 57 on the thread 53.
  • the rotary body 52 may also be referred to as an adapter piece and is designed in Figure 5 as a Luer-Lock with a Gummispetum.
  • a rigid sample such as the biopsy needle 35, or a functionalized rotary
  • a Luer lock is already equipped with a Luer lock.
  • the sample does not have to be prepared awkwardly, but can be used directly and treated.
  • FIG. 6 shows the possibility of a combination of several steps for later realizing a quantitative real-time polymerase chain reaction (PCR) within the device 51.
  • a PCR bead 61 is shown by way of example within the rotary body 52.
  • chemicals needed for preparation such as lyophysate, may be pre-stored in dried form.
  • FIGS. 7 and 8 show a device 71 designed as a rotating device with which a multi-step method can be carried out.
  • the device 71 comprises a rotary body 72, which by means of a thread 73 in a hollow body 74 is rotatable.
  • two sealing devices 75, 76 are provided for sealing between the hollow body 74 and the rotary body 72.
  • the rotary body 72 comprises a collar 78, which is angled away from a main body 79 of the rotary body 72.
  • the main body 79 of the rotary body 72 passes into a tubular body 80, which, as in the preceding
  • the sampling device 34 includes.
  • the hollow body 74 is combined with a sealing cylinder 77.
  • the sealing cylinder 77 has the shape of a straight circular cylinder jacket and is closed at its upper end in Figure 7. A non functional section of the
  • Sampling device extends through the closed end of the sealing cylinder 77th
  • the rotary body 72 comprises a central recess 70 in which the lower end of the sealing cylinder 77 engages in FIG.
  • the sealing cylinder 77 is firmly connected to the hollow body 74.
  • the rotary body 72 is relative to the
  • Seal cylinder 77 rotatable.
  • the thread 73 and the sealing means 75, 76 are arranged in an annular space, which is bounded radially inwardly by the sealing cylinder 77 and radially outwardly from the hollow body 74.
  • the collar 78 of the rotary body 72 is rotatable by the thread 73 between a total of three stops 66, 67, 68.
  • different stops 66 to 68 can be defined in a simple manner different volumes that are ejected or retracted by the device 71 during rotation of the rotary body 72 relative to the hollow body 74.
  • a first volume VI is drawn up once or several times in a first step.
  • the rotating device 71 with the Bund 78 rotated from the lower stop 66 to the additional central stop 68.
  • a further step is metered with a second volume V2 by being turned up to the upper stop 67.
  • the second volume is larger than the first volume.
  • Figure 8 it is shown how the rotary body 72 is moved with the collar 78 between the two stops 66 and 67 to retract or eject the second volume.
  • the additional central stop (68 in Figure 7) is destroyed in Figure 8 after a single run over and thus no longer available.
  • the implementation of a method is represented by rectangles 81 to 84, like the device 1; 41; 51; 71; 131 is used to sample a, for example, cells equipped with sampling device 24; 34, in particular a wire-equipped wire, for genetic analysis to prepare.
  • the cells are to be lysed in the device and the lysate transferred to a microfluidic analysis unit.
  • a washing step is indicated.
  • the sample needle is washed, for example, with a phosphate-buffered saline solution to remove susceptible residues from the sample receptacle, for example, blood, fat, culture medium.
  • the washing liquid is drawn through the open end of the tubular body in the device with the sample and ejected again.
  • a step fixing is indicated.
  • the sample is biologically fixed so that no more biochemical reactions take place in the cells.
  • a fixing solution for example
  • Formaldehyde or acetone mounted with the device, incubated and ejected again. Subsequently, it is advantageous to briefly wash again.
  • the rectangle 83 indicates a step of lysing.
  • internal cell material such as proteins or nucleic acids
  • a lysis solution for example distilled water, is raised and the cells are incubated therein.
  • a step sample transfer is indicated.
  • the lysate from step 83 is transferred directly into a microfluidic analysis unit.
  • the microfluidic analysis unit belongs to a microfluidic system, as indicated by 100 in FIG.
  • the microfluidic system 100 in FIG. 10 comprises a lab-on-chip 101.
  • the lab-on-chip 101 comprises a microfluidic channel system 102
  • Sample transfer is the tubular body 10 with its opening 12 in a
  • Insertion opening 103 of the lab-on chip 101 is arranged.
  • the positioning of the tubular body 10 is facilitated by a stop 104 in the insertion opening 103.
  • a defined amount of fluid, in particular liquid, for preparing a sample from the lab-on-chip 101 can then be drawn in in a simple manner. After preparing the sample, it can then also be ejected by means of the rotating device into a corresponding sample chamber of the lab-on chip 101.
  • FIG. 11 shows an application in a microfluidic system 110 with a possible magnetic cleaning.
  • the microfluidic system 110 comprises a microfluidic container 111 with magnetic beads 112
  • the tube body 10 which is designed, for example, as a cannula, is advantageously encased with a magnetic device 113.
  • the magnetic beads 112 are transported by a corresponding movement of the magnetic device 113 in the tubular body 10.
  • FIG. 12 shows, using the example of the device 71 shown in FIG. 7, that a filter device 120 can also be placed at the open end 12 of the tubular body 80. With the filter device 120, a purification or pre-cleaning of the sample can be implemented in a simple manner.
  • FIG. 13 shows a device 131 which is similar to the device 1 from FIG. To designate the same or similar parts are the same Reference numeral as used in Figure 1. To avoid repetition, reference is made to the preceding description of FIG.
  • the device 131 is a sampling device 34 with
  • Sample material 33 is arranged.
  • the device 131 comprises a sliding seal 132 for sealing between the rotary body 2 and the hollow body 4.
  • the sliding seal 132 allows a relatively simple seal and is advantageously attached to the hollow body 4.
  • FIGS. 14 to 26 show a device 141 for preparing
  • Sample material with a rotating device 142 shown schematically in various designs and applications.
  • the device 141 is closed at its upper end in the figures by a septum 143 fluid-tight and pressure-tight.
  • the septum 143 is, for example, a plug made of an elastic material, through which a biopsy needle 144 is inserted.
  • the biopsy needle 144 extends through the septum 143 into the interior of the device 141. In a functional region 145 of the device 141, a section 146 of the biopsy needle 144 is arranged. The portion 146 of the biopsy needle 144 is preferably a functionalized portion.
  • the rotary device 142 comprises a rotary body 147, which, as described above, via a (not shown in Figures 14 to 26) thread in the axial direction, ie in the figures 14 to 26 downwardly and upwardly, is movable when the Rotary body 147 is rotated.
  • the functional area 145 of the device 141 is designed as a sample receiving body 148.
  • the sample receiving body 148 may also be referred to as a tubular body and is designed, for example, as a capillary.
  • the device 141 Between the sample receiving body 148 and the rotating device 142, the device 141 includes a T-piece 150.
  • the T-piece 150 has a first port 151 for the sample receiving body 148 and a second port 152 for the rotary device 142 on.
  • the biopsy needle 144 extends, as indicated in FIG. 14 by a dashed line 149, lengthwise from top to bottom through the septum 143, through the rotary body 147 and through the T-piece 150 into the functional area 145 of the device 141.
  • the T-piece 150 comprises a third connection 153, which is closed in FIG. 14 in a fluid-tight and pressure-tight manner by a closing body 155.
  • the third connection 153 of the T-piece 150 is arranged perpendicularly or transversely to the longitudinal extent of the device 141.
  • the device 141 is shown with a T-piece 170, in which terminals 171 and 172 correspond to the terminals 151 and 152 of the T-piece 150.
  • a third port 173 is different from the T-piece 150 in the T-piece 170 parallel to the longitudinal extent or
  • the sample receiving body 148 in FIG. 14 is, for example, a cannula in which the functionalized biopsy needle 144 is disposed with sample material for fluidic processing.
  • the functionalized biopsy needle 144 is disposed with sample material for fluidic processing.
  • Sample receiving body 148 is connected via the T-piece 150 to the rotating device 142, with which by a rotational movement of the rotary body 147 fluid can be drawn through the open end of the cannula 148 and ejected.
  • a flow or a flow through the cannula 148 can be generated in a simple manner.
  • the closure body 155 is designed for example as a rotary lid closure and preferably normalized for Luer parts. If desired, the closure body 155 may be unscrewed to introduce a fluid into the device 141 via the third port 153 of the tee 150 via a suitable device, such as a syringe.
  • FIGS. 15 to 17 show how the device 141 from FIG. 14 is used to completely remove a fluid, in particular a fluid 154 containing the sample, which is also referred to as a sample, from the cannula 148.
  • an inert phase 159 in particular an oil phase, is transported through the cannula 148 in order to collect the fluid, in particular the sample material 154, in a container 156 at the open end of the cannula 148.
  • the container 156 preferably belongs to a lab-on-chip.
  • FIGS. 15 to 17 The process illustrated in FIGS. 15 to 17 is particularly in the
  • lysis in a small volume is important.
  • the lysate should be able to be processed lossless.
  • fluid can be drawn up into the cannula 148 with the aid of the rotary device 142, as can be seen in FIG.
  • Possible lysate residues for example individual drops, can remain in the cannula 148, as indicated in FIG. 16.
  • these lysate residues are displaced from the cannula 148 by the addition of oil until the complete lysate is collected in the container.
  • the feeding of the oil phase takes place via a fluid supply device 157, as indicated in FIG. 17 by an arrow 158.
  • Volume measurements can be omitted.
  • FIGS. 18 and 19 it is shown that the oil phase is conveyed by means of a syringe 162 via the connection 153; 173 can be introduced into the device 141.
  • the syringe 162 is advantageously designed as a Luer part and can instead of the closure body (155 in Figure 14) to the third port 153; 173 of the T-piece 150; 170 are bolted.
  • syringe 162 may be considered
  • Fluid supply can be used.
  • a piston of the syringe 162 can be actuated.
  • the syringe 162 is arranged orthogonal to the biopsy needle.
  • the syringe 162 is arranged parallel to the biopsy needle due to the other embodiment of the T-piece 170.
  • FIGS. 20 to 23 illustrate a method in which the device 141 can advantageously be integrated into a lab-on-chip platform in a fluidic sequence for a lysis process with cells adhering to a biopsy needle.
  • a liquid phase 183 is pre-stored in a sample input chamber 182.
  • the sample input chamber 182 is provided, for example, in a lab-on chip 181 of a microfluidic system 180.
  • the liquid phase or liquid 183 is a lysis buffer present in the volume to later realize a lyophilized bead of the chemicals for a subsequent analysis reaction, for example, sequencing.
  • the biopsy needle device 141 described above (not shown in FIGS. 20 to 23) is then used to draw in so much lysis buffer 183 that the cannula is completely filled, as can be seen in FIG.
  • the lysis can also by multiple high and
  • Pulling down lysis buffer are performed.
  • the stroke when pulling up and down the lysis is initiated by rotation of the rotary body 147, as indicated in Figure 21 by an arrow 184.
  • the lysate is completely expelled from the device 141 by oil 188.
  • phase separation is the now preserved lysis buffer volume including cell material in the sample input chamber 182, which is also referred to as an advance chamber.
  • the lysis buffer volume is then additionally covered by the oil.
  • the sample input chamber 182 can, as indicated in FIG. 23 by arrows 191 and 192, be actuated by a suitable microfluidic system of the microfluidic system 180.
  • a feeder channel 194 of the sample input chamber 182 is filled by means of oil 193. The lysate is then trapped between two oil phases and can be lost in the lab-on-chip system 181
  • first phase 201 is, for example, an aqueous phase.
  • second phase 202 is, for example, an oil phase.
  • Phase separation is advantageously achieved by a parallel arrangement of the syringe 162, as shown in FIG.
  • the desired phase separation ensures that the two phases 201, 202 in the syringe 162 do not mix.
  • a double arrow 204 indicates that the device 141 with the rotary device 142 can be used to draw in and expel fluid.
  • an arrow 211 indicates that first the aqueous phase 201, for example, is pushed through the cannula 148 and can be pumped up and down with the aid of the syringe 162, as indicated by arrows 212 to 214 in FIG.
  • the lysis buffer and the lysate mix with the liquid 201.
  • This is of particular interest when a lysis process is used, which consists of several steps. For example, basic lysis buffers are neutralized by an acid buffer before the lysate is further processed.
  • an arrow 218 indicates that, to complete the process, the second phase or oil phase 202 is introduced from the syringe 162 into the device 141.

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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

Beschreibung
Titel
Vorrichtung und Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial
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 Al 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 Ausstößen 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 Figur 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.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einem Drehkörper, der in einem Hohlkörper drehbar angeordnet ist, im Längsschnitt;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Rohrkörpers, der mit Hilfe einer Dichteinrichtung fluiddicht mit einem Kopplungskörper verbunden ist, im
Längsschnitt;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Rohrkörpers, der mit einem
Anschlusskörper kombiniert ist, im Längsschnitt;
Figur 4 eine ähnliche Vorrichtung wie in Figur 1 mit einer Dichteinrichtung und mit zwei Anschlägen im Längsschnitt;
Figur 5 eine ähnliche Vorrichtung wie in Figur 4 mit einer
Probenentnahmevorrichtung im Längsschnitt;
Figur 6 eine ähnliche Vorrichtung wie in Figur 5 mit einem symbolisch
angedeuteten PCR-Bead an der Probenentnahmevorrichtung;
Figur 7 eine ähnliche Vorrichtung wie in Figur 5 mit einem zusätzlichen dritten Anschlag im Längsschnitt;
Figur 8 die Vorrichtung aus Figur 7 nach einem Überfahren des zusätzlichen Anschlags im Längsschnitt; Figur 9 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer Vorrichtung, wie sie zum Beispiel in den Figuren 1 und 4 bis 8 dargestellt ist;
Figur 10 ein mikrofluidisches System mit einem Lab-on-Chip und einem offenen Ende eines Rohrkörpers der Vorrichtung aus Figur 1 im Schnitt;
Figur 11 das offene Ende des Rohrkörpers der Vorrichtung aus Figur 1 mit Probenmaterial, mit einem mikrofluidischen Behälter und mit einer
Magneteinrichtung im Längsschnitt;
Figur 12 die Vorrichtung aus Figur 5 mit einer zusätzlichen Filtereinrichtung am offenen Ende des Rohrkörpers im Längsschnitt;
Figur 13 eine ähnliche Vorrichtung wie in Figur 1 mit einer
Probenentnahmevorrichtung und mit einer Gleitdichtung im Längsschnitt;
Figur 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einem zusätzlichen T-Stück; die
Figuren 15 bis 17 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, wie die Vorrichtung aus Figur 14 genutzt wird, um Fluid vollständig aus einer Kanüle zu transportieren;
Figur 18 eine Variante der Vorrichtung aus Figur 14 beim Ansetzen einer Spritze an das T-Stück;
Figur 19 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 18 beim Ansetzen einer Spritze von oben an das T-Stück; die
Figuren 20 bis 23 eine schematische Darstellung eines Verfahrens, wie die Vorrichtung aus Figur 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 Figuren 24 bis 26 eine Anwendung der Vorrichtung aus Figur 18, wobei in der Spritze zwei Phasen vorgelagert werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine als Drehvorrichtung ausgeführte Vorrichtung 1 zum Vorbereiten von Probenmaterial 23, 33 (in den Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 1 nicht dargestellt) am offenen Ende 12 des Rohrkörpers 10 bereitgestellt.
In Figur 2 ist gezeigt, wie ein Rohrkörper 20, der als Kapillare 21 ausgeführt ist, an einen Drehkörper (2 in Figur 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 Figur 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 Figur 2 ist nur ein funktionaler oder funktionalisierter Abschnitt der Biopsienadel 25 in der Kapillare 21 angeordnet.
In Figur 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 Figur 3 rechten Seite einen Anschluss 40 zum Beispiel für eine Drehvorrichtung (in Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 4 oben ein Bund 48 abgewinkelt. An seinem in Figur 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 Unterdrück, 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 Figuren 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 Figur 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.
Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 7 wird zum Beispiel in einem ersten Schritt einmalig oder mehrmalig ein erstes Volumen VI 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 Figur 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 Figur 7) ist in Figur 8 nach einem einmaligen Überfahren zerstört und somit nicht mehr vorhanden.
In Figur 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 Figur 10 mit 100 bezeichnet ist.
Das mikrofluidische System 100 in Figur 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.
Figur 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 Figur 12 ist am Beispiel der in Figur 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 Figur 13 ist eine Vorrichtung 131 dargestellt, die der Vorrichtung 1 aus Figur 1 ähnelt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der Figur 1 verwiesen.
In der Vorrichtung 131 ist eine Probenentnahmevorrichtung 34 mit
Probenmaterial 33 angeordnet. Um Unterschied zu der Vorrichtung 1 in Figur 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 Figuren 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 Figuren 14 bis 26 nicht dargestelltes) Gewinde in axialer Richtung, also in den Figuren 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 Figur 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 Figur 14 durch einen Verschlusskörper 155 fluiddicht und druckdicht verschlossen ist. In den Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 15 bis 17 ist dargestellt, wie die Vorrichtung 141 aus Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 15 sieht. Mögliche Lysatrückstände, zum Beispiel einzelne Tropfen, können, wie in Figur 16 angedeutet ist, in der Kanüle 148 verbleiben. Diese Lysatrückstände werden, wie man in Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 18 ist die Spritze 162 orthogonal zur Biopsienadel angeordnet. In Figur 19 ist die Spritze 162 aufgrund der anderen Ausführung des T-Stücks 170 parallel zur Biopsienadel angeordnet.
In den Figuren 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 Figuren 20 bis 23 nicht dargestellt) wird dann benutzt, um so viel Lysepuffer 183 einzuziehen, dass die Kanüle vollständig gefüllt ist, wie man in Figur 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 Figur 21 durch einen Pfeil 184 angedeutet ist.
Dann wird, wie in Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 19 gezeigt ist. Durch die gewünschte Phasentrennung wird erreicht, dass sich die beiden Phasen 201, 202 in der Spritze 162 nicht vermischen.
In Figur 24 ist durch einen Doppelpfeil 204 angedeutet, dass die Vorrichtung 141 mit der Drehvorrichtung 142 genutzt werden kann, um Fluid einzuziehen und auszustoßen.
In Figur 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 Figur 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 Figur 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.

Claims

Ansprüche
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der
abgedichtete Durchsteckbereich (38) eine das Probenmaterial tragende Nadel (35) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsaufnahmeraum (5) fluidisch mit dem
Probenaufnahmeraum (15) in Verbindung steht.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
13. 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.
14. Mikrofluidisches System (100) mit einer Vorrichtung (1;41;51;71;131;141) zum Vorbereiten von Probenmaterial (33) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Verfahren zum Vorbereiten von Probenmaterial mit einer Vorrichtung
(1;41;51;71;131;141) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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