【０００１】
（発明の分野）
本発明は核酸（例えばＤＮＡもしくはＲＮＡ）のサンプリングに関する。より具体的には、本発明は経皮的核酸サンプリングに関する。本発明は、皮膚細胞を貫通しかつ経皮的核酸サンプリングに作用するために皮膚を貫通する微小突起（ｍｉｃｒｏｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）を使用する。
【０００２】
（発明の背景）
ＤＮＡの試験は現在、血液サンプリングもしくは組織をぬぐうこと（ｓｗａｂｂｉｎｇ）、次いでＤＮＡのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅、およびその後増幅されたＤＮＡの分析により実施される。シリンジを使用する血液サンプリングは侵襲的かつ痛む。組織をぬぐうことは多くの患者にとって不便かつ不快である。ＤＮＡをサンプリングするための１つの普遍的な手順は、頬の内側に沿って細胞刷子（ｃｙｔｏ ｂｒｕｓｈ）を約３０秒間活発に回転させることにより得られる口腔内粘膜組織サンプルを使用する。
【０００３】
経皮的薬物送達の前に皮膚を機械的に穿刺することにより経皮的流動を高めるための多くの試みが存在する。例えば、Ｇｒｏｓｓらに公布された米国特許第５，２７９，５４４号、Ｌｅｅらに公布された同第５，２５０，０２３号、およびＧｅｒｓｔｅｌらに公布された同第３，９６４，４８２号明細書を参照されたい。これらの装置は、皮膚の外層を貫通させるために中空でないおよび中空の微小突起を利用する。
【０００４】
類似の皮膚を貫通させる微小突起を有する装置を使用する間質液中に含有される身体被検体（例えばブドウ糖）をサンプリングするための試みもまた存在する。間質液中の被検体含量がその後血液中のものと相互に関係づけられる。例えば、Ｃｏｒｍｉｅｒら、第ＷＯ ９７／４８４４１号；Ｊｏｓｅｐｈ、米国特許第５，１６１，５２３号；Ｅｒｉｃｋｓｏｎら、同第５，５８２，１８４号；Ｂｒｉｎｄａ、同第５，６８２，２３３号；Ｅｒｉｃｋｓｏｎら、同第５，７４６，２１７号およびＥｒｉｃｋｓｏｎら、同第５，８２０，５７０号明細書を参照されたい。Ｄａｄｄｏｎａら、米国特許第６，０９１，９７５号明細書は角質層を貫通する微小突起を有する診断装置を提供する。電気化学的センサーが、血中ブドウ糖濃度のような身体の被検体濃度を感知／測定するために微小突起上に直接設置される。間質液をサンプリングすることの利点の１つは、皮膚中で創製される創傷が血液サンプリングに必要とされる創傷ほど深くないことである。従って、こうした角質層を貫通する微小突起を使用する間質液サンプリングは、一般に、血液サンプリングより少なく侵襲的と考えられる。
【０００５】
しかしながら、遺伝子試験（例えば父親の試験、警察官／犯罪捜査官の業務において個体への血液／精液サンプルを合致させること）、医学的診断薬（例えば心疾患のような疾患の存在についておよび／もしくは疾患に対する素因について患者をスクリーニングすること）などの目的上、核酸のより少なく侵襲的なサンプリングに対する必要性がなお存在する。
【０００６】
（発明の記述）
本発明は、再現可能な大量生産の低費用装置を使用する経皮的ＤＮＡサンプリング方法を提供する。本発明は、複数の微小突起で、皮膚の最外層（すなわち角質層）を通ってかつ下にある表皮層、もしくは表皮および真皮層双方中に貫通させることを含んで成る。表皮／真皮層内の個々の皮膚細胞が貫通され、細胞の核およびその核酸を包含する細胞の内容物を放出させる。核酸が微小突起の表面上に被覆されかつ／もしくは微小突起上を被覆する吸収体中に吸収される。微小突起は、典型的には、約０．４ｍｍ未満の長さ、ならびになおより小さい幅および厚さを有する。
【０００７】
本発明の方法はまた、皮膚の間質液中に放出される核酸を抽出かつサンプリングするのにも使用することができる。前のとおり、皮膚の最外の角質層を貫通して経路を形成し、それを通って核酸を含有する間質液が引き抜かれる（すなわちサンプリングされる）。場合によっては、本発明の本態様で使用されるサンプリング装置は、微小切断された皮膚に部分的真空（本明細書で「陰圧」ともまた称される）を適用することができる。陰圧は該微小切断から間質液を流出させる。間質液を収集し、その中に含有される核酸を標準的ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）技術を使用して増幅し、そしてその後増幅された核酸を分析する。
【０００８】
本発明の一局面において、皮膚を貫通させるための装置は、それを通る複数の開口部、およびそれと一体のかつそれから下方に（すなわち皮膚に向かう方向に）伸長する複数の微小突起を有するシートを含んで成る。任意の陰圧に駆動される装置は、シート中の開口部を通して微小切断に部分的真空（すなわち吸引）を適用する。
【０００９】
本発明の別の局面において、動物中の核酸を分析する目的上皮膚の角質層を貫通するための装置の使用が提供される。該使用は、皮膚を貫通する微小突起で、皮膚の角質層を通って少なくとも下にある表皮層中に貫通させること、および核酸を含有する皮膚細胞を破壊もしくは除去することを包含する。破壊もしくは除去された皮膚細胞からの核酸を収集しそしてその後分析する。
【００１０】
（本発明を実施するための様式）
本発明は、皮膚から核酸サンプルを得る非観血的かつ痛みのない方法を提供する。本明細書で使用されるところの「核酸（１種もしくは複数）」という用語は、ＤＮＡ（すなわちデオキシリボ核酸）、ＤＮＡフラグメント、ＲＮＡ（リボ核酸）、ＲＮＡフラグメント、染色体、遺伝子、ならびに細胞の核および／もしくはミトコンドリア中で見出されるいずれかの他のポリ核酸配列またはそれらの部分を包含するために広範に使用される。
【００１１】
皮膚は、最低１個、好ましくは複数の、そしてより好ましくは非常に多数の小さな角質層を貫通する微小突起で貫通される。本発明は、サンプリングが無痛かつ非観血的であるために、いかなる大きさ、形状もしくは構造の微小突起にも制限されないとは言え、該微小突起は、約２５μｍないし約４００μｍの深さ、および好ましくは約５０μｍないし約３００μｍの深さまで皮膚中に貫通すべきである。複数の微小突起でこの深さまで貫通することは、あったとしてもほとんど出血がなく、有意の感覚（疼痛）がないことを確実にし、また、刃が死細胞の最外の角質層を通りそして表皮層中に、もしくは表皮および真皮層（生存皮膚細胞を含有する）双方中に浸透することができることをさらに確実にする。貫通することは、Ｔｒａｕｔｍａｎら、第ＷＯ ０１／４１８６３号明細書の図２２および２３に開示される型の装置を使用して、もしくは血液の液滴サンプリングのため皮膚中にランセットを駆動するのに使用される型の慣習的なばねを負荷された装置を使用して、皮膚表面に対して微小突起を強く固定することにより達成することができる。
【００１２】
表皮層中への貫通に際して、生存する表皮皮膚細胞の典型的な２０μｍの直径に関して典型的に大きい微小突起は、表皮層、もしくは表皮および真皮層双方中の多数の皮膚細胞を穿刺かつ／もしくはばらばらに破壊することができ、それらの細胞にそれらの内容物を放出させる。これは、皮膚細胞の核、および／もしくは皮膚細胞の核中に元は含有される核酸を、皮膚の細胞外液（間質液ともまた呼ばれる）に放出させる。この体液が、皮膚を貫通する微小突起の表面上に被覆されるか、もしくは微小突起を被覆する吸収体中に吸収される。結果として、細胞の核酸は皮膚を貫通する微小突起上に被覆もしくは吸収されたようになる。皮膚を貫通する微小突起は、典型的には金属、プラスチックもしくはシリコンのいずれかから作成され、それらの材料のいずれも、破裂された細胞の核酸を包含する細胞内（破裂された皮膚細胞から）および細胞外体液で適して被覆されることができる。核酸を含有する液が微小突起の表面上に被覆されれば、微小突起を皮膚から取り出し、そして核酸をＰＣＲ増幅および後の分析のため収集する。典型的な金属、プラスチックもしくはシリコンを基材とした微小突起を用いれば、核酸のサンプルは、場合によっては界面活性剤、緩衝剤およびプロテアーゼを含む滅菌水中で微小突起を浸積／インキュベートすることにより単純に収集することができる。ＤＮＡおよび／もしくはＲＮＡを含有する溶液中の標的遺伝子（１種もしくは複数）は、既知のポリメラーゼ連鎖反応技術を使用して増幅する。これらの技術は、例えば、Ｓａｉｋｉら、Ｐｒｉｍｅｒ−ｄｉｒｅｃｔｅｄ Ｅｎｚｙｍａｔｉｃ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＤＮＡ ｗｉｔｈ ａ Ｔｈｅｒｍｏｓｔａｂｌｅ ＤＮＡ Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ，Ｓｃｉｅｎｃｅ，２３９，４８７，１９８８に記述される。
【００１３】
標的遺伝子（１種もしくは複数）の増幅後に、Ｓａｉｋｉら、Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｅｎｚｙｍａｔｉｃａｌｌｙ Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｂｅｔａ−ｇｌｏｂｉｎ ａｎｄ ＨＬＡ−ＤＱＡ１ ｗｉｔｈ Ａｌｌｅｌｅ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｏｌｉｇｏｎｕｃｌｅｏｔｉｄｅ Ｐｒｏｂｅｓ，Ｎａｔｕｒｅ，３２４，１６３，１９８６に記述されるもののような標準的ＤＮＡ分析技術を使用して、分析を実施する。
【００１４】
今や詳細な図面を見れば、本発明の核酸をサンプリングするための皮膚を貫通する微小突起配列装置２の一例を全般的に図１に示す。装置２はシートもしくは板６の一表面から下方に伸長する複数の微小突起４（すなわち微小突起配列）を含んで成る（装置２が微小突起を示すために逆転された位置にある図１を参照されたい）。微小突起４は、装置がそれを通って核酸をサンプリングするために皮膚に対して押される場合に、角質層を通りそして少なくとも皮膚の表皮層中に浸透する。本明細書で使用されるところの「皮膚」という用語は、生存するもしくは死亡した動物、とりわけヒトの皮膚を指すが、しかし具体的には粘膜（例えば口腔内粘膜）を除外する。装置２は、好ましくは１ｃｍ２あたり最低約１０個の微小突起、およびより好ましくは１ｃｍ２あたり最低５０個の微小突起の微小突起密度を有する。類似の様式で、板６の単位面積あたりの開口部の数は、典型的には１ｃｍ２あたり最低約１０個の開口部、およびより典型的には１ｃｍ２あたり最低約１００個の開口部である。
【００１５】
微小突起４は、Ｃｏｒｍｉｅｒら、第ＷＯ ９７／４８４４０号明細書（その開示は引用することにより本明細書に組み込まれる）に記述される写真食刻工程を使用して形成することができる。この工程は、微小突起４を非常に小さな（すなわち数十ミクロン）尺度で再現可能に形成させる。
【００１６】
角質層を穿刺ための複数の微小突起４は、いずれかの予め決められた配置で、例えばいずれかの所望の数を有する列に間隔を空けられた微小突起の集団として、もしくは相互に関して１個の微小突起のいずれかの間隔を開けられた離れた関係で、装置２の一面の表面４８上に存在する。図１に示される態様の装置２は図２に示されるパターンにより製造される。各微小突起は、曲がることなく角質層の浸透を助長する幅および厚さを有する。微小突起の必要とされる長さは浸透されている皮膚の変動にさらされ、そして角質層の本来の厚さに対応する。本発明の主たる特徴の１つは微小突起が表皮中に角質層を浸透することであるからである。微小突起の長さに影響を及ぼす別の要因は微小突起の適用方法である。微小突起は、頻繁に、生存する動物の皮膚の弾性の特性により微小突起の長さに等しい深さまで皮膚を浸透しないからである。通常、微小突起は長さが約２５μｍないし約５００μｍであることができ、該長さは最も典型的には約１００μｍないし約４５０μｍの間である。
【００１７】
本発明で使用される微小突起配列装置のいずれのパターンも写真食刻工程で製造してよい。ステンレス鋼もしくはチタンのような金属の薄いシートもしくは板６を、微小刃様の構造を含有するパターンを用いて光石版印刷的に食刻する。一般に、薄層の乾燥レジストもしくは湿潤レジストを、約７μｍないし約１００μｍ厚、好ましくは約２５μｍないし約５０μｍ厚でシート上に適用する。レジストは、所望のパターンを有するマスクを使用して接触露光し（ｃｏｎｔａｃｔ ｅｘｐｏｓｅｄ）、そしてその後現像する。これらの操作は、それらがプリント回路基板の製造についてであるほぼ同じ方法で実施する。シートをその後、酸溶液を使用して食刻する。パターンがシート全体に食刻された後、シートを、シート中の開口部８に対応する複数の開口部を有するダイ上に置く。シートおよびダイ中の開口部に対応する複数の突起を有するパンチを、最初にシートおよびダイの上に配置する。最初の段階で、微小突起４はシート６の残部と同一面にある。その後、パンチ上の突起を開口部中にプレスし、かように、微小突起４を、図１に示されるとおりシート６の面に対しある角度（例えば実質的に垂直）になるように下方に曲げる。
【００１８】
一般に、微小突起４は、押抜かれた後にシート６の表面４８に対し約９０°の角度であるが、しかし、それらは、角質層の浸透が達成される限りは、垂直な位置から前方もしくは後方の他の角度で配置することができる。
【００１９】
本発明の別の態様は、皮膚を貫通する微小突起により形成される微小切断からＤＮＡを含有する細胞内および細胞外液を抽出し、ここで、該液は、皮膚の表面に部分的真空を適用する装置で抽出される。今や図４を見れば、装置１０の皮膚近位側に微小突起配列装置２を有する陰圧に駆動される装置１０が示される。装置１０および装置２は、組合せで、皮膚を貫通する微小突起により貫通もしくはばらばらに破壊される皮膚細胞から放出される核酸を含有する間質液の経皮的サンプリングに使用される。装置１０は、Ｉｓｈｉｂａｓｈｉ、米国特許第５，３２０，６０７号明細書（その開示は引用することにより本明細書に組み込まれる）に開示されるもののような既知の陰圧（すなわち吸引）を適用する装置である。装置１０は装置２の皮膚遠位の表面に据え付ける。装置２の皮膚近位側は皮膚２０の表面と接触し、微小突起４は少なくとも皮膚２０の角質層を通って伸長する。装置２の皮膚遠位側に対して装置１０を適切に封止することにより、装置１０により適用される陰圧が、シート６中の開口部８を通って吸引を適用させる。この様式で、核酸を含有する間質液が、皮膚２０中で切断された微小切断から抜き出されかつ装置１０中に引き出される。
【００２０】
ステンレス鋼もしくはチタンのような滅菌された金属から作成される被覆されない微小突起配列を使用することが好ましいとは言え、微小突起４および／もしくは板６の皮膚近位側を、角質層の貫通に際して核酸を含有する液体を吸収かつ保持することができる液体吸収材料の薄いコーティングで被覆することが可能である。板６の皮膚近位側を被覆する核酸除去／受領層を使用することもまた可能である。こうした除去／受領層は、Ｔｈｅｅｕｗｅｓら 第ＷＯ ９８／２８０３７号明細書（その開示は引用することにより本明細書に組み込まれる）に開示される。
【００２１】
核酸の流出に対する抵抗のような皮膚の大きな障壁特性は、第一に個々の皮膚細胞の壁に存する。従って、装置２中の微小突起は、角質層を通って貫通し、かつ、有意の出血を回避するように皮膚内の毛細管床中に貫通することなく角質層の真下の皮膚の層中の生存する皮膚細胞の細胞壁を破壊するように、大きさを定め、造形しかつ形成しなければならない。第二に、微小突起は、皮膚細胞から間質液中に放出される核酸を収集することに頼る態様についてはとりわけ、角質層中に開口部（すなわち微小切断）を創製しなければならない。
【００２２】
核酸を含有する細胞内および細胞外液は、微小突起が皮膚を貫通する際に実質的に同時に皮膚を貫通する微小突起を被覆するため、微小突起配列を、いずれかの認識しうる長さの時間の間、皮膚に固定もしくは別の方法で結合されたままにしておく必要は存在しない。従って、短い時間の期間の間、微小突起配列を皮膚上に結合されたままにしておくための慣習的な付着性の上塗層を提供することが、必要でないとは言え可能である。こうした系の一例を図３に開示し、辺縁の付着性の上塗層３が装置２を皮膚２０と貫通する関係で維持する。少なくとも、微小突起配列は、好ましくは、例えば試験被験体以外の供給源からの組織もしくは他の核酸を含有する物質を拾い上げることによるいかなる可能な交差汚染も回避するよう事前に滅菌するべきである。最も好ましくは、微小突起配列および皮膚に微小突起配列を適用するために使用されるいかなる装置も、使用前に滅菌されかつ封止された包装中に入れられる、単回使用の使い捨て装置として製造する。
【００２３】
シートおよび微小突起は、ガラス、セラミック、硬質ポリマー、金属および金属合金のような、微小突起を製造するために十分な強さおよび製造可能性を有する材料から作成することができる。金属および金属合金の例は、限定されるものでないが、チタン、ステンレス鋼、鉄、鋼、スズ、亜鉛、銅、白金、アルミニウム、ゲルマニウム、ニッケル、ジルコニウム、ならびにニッケル、モリブデンおよびクロムよりなるチタン合金、ニッケル、金、ロジウム、イリジウム、チタン、白金などでめっきされた金属を挙げることができる。ガラスの例は、シリコンおよびニューヨーク州コーニングのコーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）から入手可能な「フォトセラム（Ｐｈｏｔｏｃｅｒａｍ）」のような失透ガラスを包含する。硬質ポリマーの例は、限定されるものでないが、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、「ベークライト（Ｂａｋｅｌｉｔｅ）」、セルロースアセテート、エチルセルロース、スチレン／アクリロニトリルコポリマー、スチレンブタジエンコポリマー、アクリロニトリル／ブタジエン／スチレン（ＡＢＳ）コポリマー、ポリアクリレートおよびポリメタクリレートを包含するポリ塩化ビニルおよびアクリル酸ポリマーを挙げることができる。最も好ましくは、シートおよび微小突起はチタンもしくはステンレス鋼から作成する。
【００２４】
装置２の態様のいずれかの微小刃および開口部の数は、所望のＤＮＡサンプルの大きさ、および陰圧に駆動されるサンプリング装置が使用されるかどうか、ならびに当業者に明らかであろうような他の要因に関して変動可能である。以下の実施例は本発明の用途および利点を具体的に説明する。
実施例１
２名の兄弟姉妹および４名の無関係の個体で試験を実施する。各被験体において、処理部位（腹側前腕）を７０％滅菌イソプロピルアルコールパッドで浄化する。その後、皮膚部位を滅菌ガーゼパッドで乾燥させる。皮膚を、ばねを負荷されたアプリケーターを使用して微小突起装置を皮膚表面に対し強く固定することにより貫通させる。微小突起装置は、ポリイソブチレン接着剤で低密度ポリエチレン裏材料に接着された、２００μｍの長さおよび１ｃｍ２あたり３２０個の微小突起の密度をもつ微小突起を有する１ｃｍ２の円板形の微小突起配列を包含する。適用後に、系を滅菌鉗子で直ちに除去し、そして滅菌バイアルに入れかつ分析まで凍結させて（−２０℃）保存する。同一の被験体において、頬の内側を細胞刷子で３０秒間ぬぐうことにより追加のＤＮＡサンプルを得、それを直ちに滅菌バイアルに入れかつ分析まで凍結させて（−２０℃）保存する。
【００２５】
分析のために、バイアルをＤＮＡプロファイリングに特化された契約実験室に送付する。ＤＮＡは標準的手順を使用して抽出する。遺伝子ＤＱＡ１の多形をＰＣＲおよび逆ドットブロットハイブリダイゼーション手順により評価する。結果は、２名の兄弟姉妹が実際に関係している一方、残存する個体は全部に無関係であることを立証する。同一の結果が細胞刷子で得られる。
【００２６】
これらの結果は新たな核酸サンプリング法の妥当性を立証する。応用は、法廷、親子関係の分析、遺伝病に対する素因についての遺伝子試験および感染性疾患の検出を包含する。
【００２７】
本発明はその好ましい特定の態様に関して記述された一方、前述の記述ならびに実施例は具体的に説明することを意図しておりかつ本発明の範囲を制限することを意図していないことが理解されるべきである。本発明の範囲内の他の局面、利点および改変は、本発明が関する当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
発明にかかる、本発明の一態様による微小突起配列装置の皮膚近位側の拡大透視図であり；
【図２】
発明にかかる、本発明の一態様による微小突起配列パターンの部分的平面図であり；
【図３】
発明にかかる、付着性の上塗層で皮膚上の正しい位置に保持される微小突起ＤＮＡサンプリング配列の側断面図であり；そして
【図４】
発明にかかる、断面で示される微小突起ＤＮＡサンプリング配列を伴う任意の陰圧に駆動される装置の側面図である。[0001]
(Field of the Invention)
The present invention relates to the sampling of nucleic acids (eg, DNA or RNA). More specifically, the present invention relates to transdermal nucleic acid sampling. The present invention uses skin-penetrating microprojections to penetrate skin cells and affect percutaneous nucleic acid sampling.
[0002]
(Background of the Invention)
Testing of DNA is currently performed by blood sampling or swabbing of tissue, followed by polymerase chain reaction (PCR) amplification of the DNA, and subsequent analysis of the amplified DNA. Blood sampling using a syringe is invasive and painful. Wiping tissue is inconvenient and uncomfortable for many patients. One universal procedure for sampling DNA uses an intraoral mucosal tissue sample obtained by actively rolling a cyto brush along the inside of the cheek for about 30 seconds.
[0003]
There have been many attempts to enhance transdermal flow by mechanically piercing the skin prior to transdermal drug delivery. For example, U.S. Patent Nos. 5,279,544 issued to Gross et al., 5,250,023 issued to Lee et al., And 3,964,482 issued to Gerstel et al. Please refer to. These devices utilize solid and hollow microprojections to penetrate the outer layers of the skin.
[0004]
There have also been attempts to sample body subjects (eg, glucose) contained in interstitial fluid using devices with similar skin-piercing microprojections. The analyte content in the interstitial fluid is then correlated with that in the blood. For example, Cormier et al., WO 97/48441; Joseph, U.S. Patent No. 5,161,523; Erickson et al., 5,582,184; Brinda, 5,682,233; Erickson et al. See US Pat. No. 5,746,217 and Erickson et al., US Pat. No. 5,820,570. Daddona et al., US Pat. No. 6,091,975 provide a diagnostic device having microprojections that penetrate the stratum corneum. Electrochemical sensors are placed directly on the microprojections to sense / measure body analyte concentrations, such as blood glucose concentrations. One of the advantages of sampling interstitial fluid is that the wound created in the skin is not as deep as the wound required for blood sampling. Thus, interstitial fluid sampling using such microprojections that penetrate the stratum corneum is generally considered less invasive than blood sampling.
[0005]
However, genetic testing (e.g., testing of fathers, matching blood / semen samples to individuals in the work of police / criminal investigators), medical diagnostics (e.g., for the presence of diseases such as heart disease and / or For purposes such as screening patients for a predisposition to disease), there is still a need for less invasive sampling of nucleic acids.
[0006]
(Description of the invention)
The present invention provides a transdermal DNA sampling method that uses reproducible, mass-produced, low-cost equipment. The invention comprises penetrating a plurality of microprojections through the outermost layer of the skin (ie, the stratum corneum) and into the underlying epidermal layer, or both the epidermal and dermal layers. Individual skin cells in the epidermis / dermis layer are penetrated, releasing the cell nucleus and its contents, including its nucleic acids. The nucleic acids are coated on the surface of the microprojections and / or absorbed in the absorber covering the microprojections. Microprojections typically have a length of less than about 0.4 mm, and even smaller widths and thicknesses.
[0007]
The method of the present invention can also be used to extract and sample nucleic acids released into interstitial fluid of skin. As before, a pathway is formed through the outermost stratum corneum of the skin, through which interstitial fluid containing nucleic acids is withdrawn (ie, sampled). In some cases, the sampling device used in this aspect of the invention can apply a partial vacuum (also referred to herein as "negative pressure") to the microcut skin. Negative pressure causes interstitial fluid to flow out of the microsection. The interstitial fluid is collected, the nucleic acids contained therein are amplified using standard polymerase chain reaction (PCR) techniques, and the amplified nucleic acids are subsequently analyzed.
[0008]
In one aspect of the invention, an apparatus for penetrating the skin comprises a sheet having a plurality of openings therethrough and a plurality of microprojections integral therewith and extending therefrom (ie, in a direction toward the skin). Comprising. Devices driven by any negative pressure apply a partial vacuum (ie, suction) to the microcuts through openings in the sheet.
[0009]
In another aspect of the invention, there is provided the use of a device for penetrating the stratum corneum of the skin for the purpose of analyzing nucleic acids in an animal. The use includes penetrating the skin with microprojections through the stratum corneum of the skin and at least into the underlying epidermal layer, and destroying or removing nucleic acid-containing skin cells. Nucleic acids from broken or removed skin cells are collected and subsequently analyzed.
[0010]
(Form for implementing the present invention)
The present invention provides a non-invasive and painless method of obtaining a nucleic acid sample from the skin. As used herein, the term "nucleic acid (s)" refers to DNA (ie, deoxyribonucleic acid), DNA fragments, RNA (ribonucleic acids), RNA fragments, chromosomes, genes, and the nucleus and Widely used to include any other polynucleic acid sequences found in / or in mitochondria or portions thereof.
[0011]
The skin is penetrated by at least one, preferably a plurality, and more preferably a very large number of microprojections that penetrate the stratum corneum. Although the present invention is not limited to microprojections of any size, shape or structure because sampling is painless and non-invasive, the microprojections are between about 25 μm and about 400 μm deep, and Preferably it should penetrate into the skin to a depth of about 50 μm to about 300 μm. Penetration to this depth with multiple microprojections ensures that there is little, if any, bleeding, no significant sensation (pain), and that the blade passes through the outermost stratum corneum of dead cells and It further ensures that it can penetrate into the epidermal layer or into both the epidermal and dermal layers (containing live skin cells). Penetration can be achieved by using a device of the type disclosed in Trautman et al., WO 01/41863, FIGS. 22 and 23, or by driving a lancet into the skin for blood droplet sampling. This can be achieved by using a conventional spring-loaded device of the type used to firmly secure the microprojections to the skin surface.
[0012]
Upon penetration into the epidermal layer, microprojections typically large for a typical 20 μm diameter of surviving epidermal skin cells pierce and / or disintegrate the epidermal layer or a large number of skin cells in both the epidermal and dermal layers. And cause their cells to release their contents. This releases the nuclei of the skin cells and / or nucleic acids originally contained in the nuclei of the skin cells into the extracellular fluid of the skin (also called interstitial fluid). This bodily fluid is coated on the surface of the microprojections that penetrate the skin, or is absorbed into the absorber covering the microprojections. As a result, the nucleic acids of the cells become coated or absorbed on the microprojections that penetrate the skin. Microprojections that penetrate the skin are typically made of either metal, plastic, or silicon, any of which are intracellular (from ruptured skin cells) that contain the nucleic acids of the ruptured cells And can be suitably coated with extracellular body fluids. Once the solution containing nucleic acids is coated on the surface of the microprojections, the microprojections are removed from the skin and the nucleic acids are collected for PCR amplification and subsequent analysis. Using typical metal, plastic or silicon based microprojections, nucleic acid samples can be prepared by immersing / incubating the microprojections in sterile water, optionally containing detergents, buffers and proteases. It can simply be collected. The target gene (s) in solution containing DNA and / or RNA is amplified using known polymerase chain reaction techniques. These techniques are described, for example, in Saiki et al., Primer-directed Enzymatic Amplification of DNA with a Thermostable DNA Polymerase, Science, 239, 487, 1988.
[0013]
Following amplification of the target gene (s), Saiki et al., Analyzes of Enzymatically Amplified Beta-globin and HLA-DQA1 with Allele Speci? Perform the analysis using the technology.
[0014]
Turning now to the detailed drawings, an example of a skin-piercing microprojection array 2 for sampling nucleic acids of the present invention is shown generally in FIG. The device 2 comprises a plurality of microprojections 4 (i.e., a microprojection array) extending downward from one surface of the sheet or plate 6 (see FIG. 1 where the device 2 is inverted to show the microprojections). I want to do that). The microprojections 4 penetrate through the stratum corneum and at least into the epidermal layer of the skin when the device is pressed against the skin to sample nucleic acids therethrough. The term "skin" as used herein refers to the skin of living or dead animals, especially humans, but specifically excludes mucous membranes (eg, oral mucosa). Device 2, preferably at least about 10 microprojections per 1 cm 2, and more preferably has a microprojection density of minimum 50 microprojections per 1 cm 2. In a similar manner, the number of openings per unit area of the plate 6 is typically at least about 10 openings per cm 2 , and more typically at least about 100 openings per cm 2. is there.
[0015]
Microprojections 4 can be formed using the photographic etching process described in Cormier et al., WO 97/48440, the disclosure of which is incorporated herein by reference. This step allows the microprojections 4 to be formed reproducibly on a very small (ie tens of microns) scale.
[0016]
The plurality of microprojections 4 for piercing the stratum corneum may be arranged in any predetermined arrangement, for example as a group of microprojections spaced in any desired number of rows or one with respect to each other. Are present on one surface 48 of the device 2 in a spaced apart relationship. The device 2 of the embodiment shown in FIG. 1 is manufactured according to the pattern shown in FIG. Each microprojection has a width and thickness that facilitates penetration of the stratum corneum without bending. The required length of the microprojections is subject to variations in the skin that has penetrated, and corresponds to the natural thickness of the stratum corneum. One of the main features of the present invention is that the microprojections penetrate the stratum corneum into the epidermis. Another factor affecting the length of the microprojections is the method of applying the microprojections. Because microprojections often do not penetrate the skin to a depth equal to the length of the microprojections due to the elastic properties of the skin of living animals. Typically, the microprojections can be from about 25 μm to about 500 μm in length, and the length is most typically between about 100 μm to about 450 μm.
[0017]
Any pattern of the microprojection array device used in the present invention may be manufactured by a photolithography process. A thin sheet or plate 6 of a metal such as stainless steel or titanium is photolithographically etched using a pattern containing microblade-like structures. Generally, a thin layer of dry or wet resist is applied on the sheet at a thickness of about 7 μm to about 100 μm, preferably about 25 μm to about 50 μm. The resist is contact exposed using a mask having the desired pattern and then developed. These operations are performed in much the same way as they are for the manufacture of printed circuit boards. The sheet is then etched using an acid solution. After the pattern has been etched through the sheet, the sheet is placed on a die having a plurality of openings corresponding to openings 8 in the sheet. A punch having a plurality of protrusions corresponding to openings in the sheet and die is first placed over the sheet and die. In the first stage, the microprojections 4 are flush with the rest of the sheet 6. Thereafter, the projections on the punch are pressed into the openings, and the microprojections 4 are thus lowered downward at an angle (eg, substantially perpendicular) to the plane of the sheet 6 as shown in FIG. Bend.
[0018]
In general, the microprojections 4 are at an angle of about 90 ° with respect to the surface 48 of the sheet 6 after being punched out, but they are anterior or posterior from a vertical position as long as stratum corneum penetration is achieved Can be arranged at other angles.
[0019]
Another aspect of the invention is to extract intracellular and extracellular fluids containing DNA from microdissections formed by microprojections that penetrate the skin, wherein the fluid applies a partial vacuum to the surface of the skin. It is extracted by the applicable device. Turning now to FIG. 4, a negative pressure driven device 10 having a microprojection array device 2 on the skin proximal side of the device 10 is shown. Device 10 and device 2 are used in combination for percutaneous sampling of interstitial fluid containing nucleic acids released from skin cells that are penetrated or broken apart by microprojections that penetrate the skin. Apparatus 10 applies a known negative pressure (ie, suction) such as that disclosed in Ishibashi, US Pat. No. 5,320,607, the disclosure of which is incorporated herein by reference. Device. The device 10 is mounted on the distal skin surface of the device 2. The proximal skin side of the device 2 contacts the surface of the skin 20 and the microprojections 4 extend at least through the stratum corneum of the skin 20. By properly sealing the device 10 against the skin distal side of the device 2, the negative pressure applied by the device 10 causes suction to be applied through the openings 8 in the sheet 6. In this manner, interstitial fluid containing nucleic acids is withdrawn from microdissections cut in skin 20 and withdrawn into device 10.
[0020]
Although it is preferred to use an uncoated microprojection array made from a sterile metal such as stainless steel or titanium, the proximal skin side of the microprojections 4 and / or plate 6 may be penetrated by the stratum corneum It can be coated with a thin coating of a liquid absorbing material capable of absorbing and retaining a liquid containing nucleic acids. It is also possible to use a nucleic acid removal / reception layer that coats the proximal skin side of the plate 6. Such removal / reception layers are disclosed in Theewes et al., WO 98/28037, the disclosure of which is incorporated herein by reference.
[0021]
Large barrier properties of the skin, such as resistance to nucleic acid efflux, reside primarily in the walls of individual skin cells. Thus, the microprojections in the device 2 penetrate through the stratum corneum and survive in the layer of skin beneath the stratum corneum without penetrating into the capillary bed within the skin to avoid significant bleeding Must be sized, shaped and formed so as to destroy the cell walls of the skin cells in which it occurs. Second, the microprojections must create openings (ie, microdissections) in the stratum corneum, especially for those embodiments that rely on collecting nucleic acids released from skin cells into interstitial fluid.
[0022]
The intracellular and extracellular fluids containing nucleic acids cover the microprojections that penetrate the skin at substantially the same time as the microprojections penetrate the skin, so that the microprojection sequence is of any recognizable length. There is no need to remain fixed or otherwise attached to the skin for a period of time. Thus, it may be possible, if not necessary, to provide a conventional adhesive topcoat to keep the microprojection array bonded on the skin for a short period of time. An example of such a system is disclosed in FIG. 3, in which a marginal adhesive overcoat 3 maintains the device 2 in a penetrating relationship with the skin 20. At a minimum, the microprojection sequences should preferably be pre-sterilized to avoid any possible cross-contamination, for example by picking up tissue or other nucleic acid containing material from sources other than the test subject. Most preferably, the microprojection array and any devices used to apply the microprojection array to the skin are manufactured as single-use, disposable devices that are sterilized and placed in sealed packaging prior to use. .
[0023]
Sheets and microprojections can be made from materials having sufficient strength and manufacturability to produce microprojections, such as glass, ceramics, rigid polymers, metals and metal alloys. Examples of metals and metal alloys include, but are not limited to, titanium, stainless steel, iron, steel, tin, zinc, copper, platinum, aluminum, germanium, nickel, zirconium, and titanium alloys comprising nickel, molybdenum and chromium , Nickel, gold, rhodium, iridium, titanium, platinum and the like. Examples of glass include silicon and devitrified glass such as "Photoceram" available from Corning, Corning, NY. Examples of hard polymers include, but are not limited to, polystyrene, polymethyl methacrylate, polypropylene, polyethylene, "Bakelite", cellulose acetate, ethyl cellulose, styrene / acrylonitrile copolymer, styrene butadiene copolymer, acrylonitrile / butadiene / styrene ( ABS) copolymers, polyvinyl chloride and acrylic acid polymers, including polyacrylates and polymethacrylates. Most preferably, the sheets and microprojections are made from titanium or stainless steel.
[0024]
The number of microblades and openings in any of the embodiments of device 2 will be apparent to those skilled in the art, as is the size of the desired DNA sample, and whether a negative pressure driven sampling device is used. Variable with respect to other factors. The following examples illustrate the uses and advantages of the present invention.
Example 1
The test is performed on two siblings and four unrelated individuals. In each subject, the treatment site (ventral forearm) is cleaned with a 70% sterile isopropyl alcohol pad. Thereafter, the skin site is dried with a sterile gauze pad. The skin is penetrated by using a spring loaded applicator to secure the microprojection device to the skin surface. The microprojection device is a 1 cm 2 disk-shaped microprojection having microprojections with a length of 200 μm and a density of 320 microprojections per cm 2 , bonded to a low density polyethylene backing with a polyisobutylene adhesive. The sequence. After application, the system is immediately removed with sterile forceps and stored in sterile vials and frozen (−20 ° C.) until analysis. In the same subject, an additional DNA sample is obtained by wiping the inside of the cheek with a cell brush for 30 seconds, which is immediately placed in a sterile vial and stored frozen (-20 ° C) until analysis.
[0025]
The vials are sent to a contract laboratory dedicated to DNA profiling for analysis. DNA is extracted using standard procedures. The polymorphism of gene DQA1 is assessed by PCR and reverse dot blot hybridization procedures. The results demonstrate that the two siblings are indeed involved, while the remaining individuals are totally unrelated. Identical results are obtained with a cell brush.
[0026]
These results confirm the validity of the new nucleic acid sampling method. Applications include forensic analysis, paternity analysis, genetic testing for predisposition to genetic diseases, and detection of infectious diseases.
[0027]
While the invention has been described in terms of its preferred specific embodiments, it is understood that the foregoing description and examples are intended to be illustrative and not limiting the scope of the invention. Should be. Other aspects, advantages and modifications within the scope of the invention will be apparent to those skilled in the art to which the invention pertains.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 2 is an enlarged perspective view of the microprojection array device according to one embodiment of the present invention on the proximal side of the skin of the microprojection array device;
FIG. 2
1 is a partial plan view of a microprojection array pattern according to one embodiment of the present invention;
FIG. 3
FIG. 4 is a side cross-sectional view of a microprojection DNA sampling sequence held in place on the skin with an adhesive overcoat according to the invention; and
1 is a side view of an arbitrary negative pressure driven device with a microprojection DNA sampling array shown in cross-section according to the invention. FIG.