JP2009543042A - 生物試験アレイを作る方法及び生物試験アレイを作るためのプリンタデバイスの使用 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板上に生物流体のアレイを堆積させることにより生物試験アレイを作るプリンタデバイスに関する。本発明は更に、生物試験アレイの生産における斯かるデバイスの使用に関する。本発明は、生物試験アレイを作る方法にも関する。本発明は更に、生物試験アレイにも関する。本発明による方法は、フェールプルーフであり、卓越した品質の生物試験アレイを生じさせる。

Description

本発明は、生物流体のアレイを基板に堆積させることにより生物試験アレイを作るプリンタデバイスに関する。本発明は更に、生物試験アレイの製造における斯かるデバイスの使用に関する。本発明は、生物試験アレイを作る方法にも関する。本発明は更に、生物試験アレイにも関する。

基板上の生物流体のアレイは、生物試験アレイに使用される。例えば、特定のバクテリア、ウイルス又は菌類の存在に関する人間の血液又は組織サンプルの解析に使用される。アレイは、特殊なバクテリア、ウイルス又は菌類に属するたんぱく質、ＤＮＡ又はＲＮＡシーケンスといった所定の指示要素に対する選択的なバインディング能力を備えるスポットからなる。異なる要素に対して異なる特異度を持つスポットとすることにより、さまざまな異なる要素に対するアッセイを同時に実行するのにそのアレイが使用されることができる。指示要素の存在は、例えば、試験サンプルの蛍光ラベリングにより視覚化されることができる。これは、結果として、その特殊な要素が付着するスポットにおける検出可能な蛍光を生じさせる。斯かるアレイを用いることは、単一の実行において、特定のバクテリア、ウイルス及び／又は菌類を示す大量の要素に対してサンプルの高スループットなスクリーニングを可能にする。

特殊な指示要素を含む生物流体を適用することにより、メンブレーンといった基板にスポットはプリントされる。適切な生物流体は例えば、特殊なＤＮＡシーケンス又は抗体の溶液とすることができる。プリンティングは通常、アレイに含まれることになる各異なる生物流体に対して異なるプリントヘッドを用いることにより、基板での生物流体の堆積のため特別にデザインされたプリンティングデバイスにより実行される。しかしながら、斯かるプリントヘッドは、うまく行かないことが知られており、結果として、例えば、基板上のアレイにおける消失スポット(missing spot)によって、信頼性の無い検査を生じさせるか、又は所定量の生物流体を含まないスポットを生じさせる。消失スポットは検出されることができない。その結果、消失スポットにより決定される要素が実際にはサンプルに存在している場合でさえ陰性の結果を生じさせる。生物流体の量が少ないスポットは、結果として、実際のレベルより試験サンプルにおける特殊な要素のレベルが低いことを示す偽の結果をもたらすであろう、そのスポットに対する低い検出レベルを生じさせ、又は所定の閾値レベル以下に検出レベルが落ちる場合陰性の結果を生じさせる場合がある。これらは偽の陰性結果と呼ばれる。

本発明の目的は、より信頼性の高い生物試験アレイを提供することにある。

本発明は、基板上に生物流体のアレイを堆積させることにより、生物試験アレイを生産するプリンタデバイスを提供する。そのデバイスは、上記基板上に生物流体の水滴を堆積させる少なくとも１つの１次ノズルを具備する少なくとも１つのプリントヘッドと、上記基板に対して上記プリントヘッドを位置決めする位置決め手段と、上記１次ノズルによる堆積における欠陥を検出する検出手段と、上記検出手段と上記位置決め手段とに接続される制御手段とを有し、特殊な生物流体専用の１次ノズルそれぞれに対して上記プリンタデバイスが、同じ特殊な生物流体専用の少なくとも１つの２次ノズルを有し、上記１次ノズルによる堆積における所定の欠陥が上記検出手段により検出される場合、上記制御手段は、上記２次ノズルを使用するようプログラムされる。斯かるプリンタデバイスは、より少ない欠陥を備える生物試験アレイを生み出すことができる。また、斯かるデバイスを用いて、より高い生産率が達成されることができる。なぜなら、ノズルが故障した場合にプリントヘッドの交換に無駄な時間が浪費されないからである。というのも、斯かる欠陥は、プリンタデバイスにより直ちに位置調整され、２次ノズルの使用により克服されるからである。別の時間節約的な要素は、製造後の品質制御に時間がかからないということである。なぜなら、改良されたプリンタは、ミスプリントされる生物試験アレイの数が最小化されることを確実にするからである。プリントヘッド及びノズルは特に、生物流体の堆積に適合される。生物流体という用語は、基板上のサンプルにおける特定の生分子に特異的にバインドするのに使用されるＤＮＡシーケンス又は抗体といった生物バインディング物質を含む流体をカバーする。プリントヘッドは、複数のノズルを持つことができる。特殊な種類の生物流体それぞれに対して１つの専用プリントヘッドを持つことが有利である。しかしながら、異なる生物流体を同じプリントヘッドにある異なるノズルに誘導することも可能である。位置決め手段は、基板の正確な位置の上に特殊なノズルを位置決めするため、所望の位置に正確に生物流体の水滴を堆積させるため、１つ又は複数のプリントヘッド及び／又は基板を動かし及び運搬するようデザインされる。通常、プリントヘッド又は基板のいずれかのみを動かすが、そのプリントヘッド及び基板の両方を動かすシステムも考えられる。１次ノズルによる堆積における欠陥を検出する検出手段は、プリント処理の任意の物理特性に基づかれることができる。制御手段は通常、検出手段及び位置決め手段に接続されるマイクロプロセッサを含み、基板上の生物流体の所定のアレイを生み出すのに必要な情報を含む。その情報は特に、ノズル及び基板の位置に関するものである。各ノズルの位置と特殊な生物流体プリントヘッドからのスポットが堆積されることになる正確な場所とは、制御手段を用いて監視される。２次ノズル又はバックアップノズルは、１次ノズルの１つと同じ特殊な生物流体専用にされる。こうして、２次ノズルは、生産処理を停止させたり、１次ノズルを交換することなく、１次ノズルによる任意の検出された欠陥又はミスを訂正することができる。

好ましくは、上記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルが、同じプリントヘッドに配置される。こうして、１次ノズルから２次ノズルへと切り替えるために、基板に対する同じプリントヘッドのわずかな相対的な再配置のみを必要とする。これは、生産速度の改善にも役立つ。

別の好ましい実施形態では、上記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルが、異なるプリントヘッドに配置される。斯かる構成は、２次ノズルが生産処理を実行する間、１次ノズルが配置されるプリントヘッドを保守又は交換することを容易にする。従って、生産処理の中断が最小化される。

最も好ましくは、少なくとも１つの２次ノズルが、同じプリントヘッドに配置され、上記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルは、少なくとも１つの異なるプリントヘッドに配置される。従って、上述した両方の利点を得ることができる。即ち、基板に対するプリントヘッドのわずかな再配置のみで１次ノズルから２次ノズルへの切り替えが可能となり、一方、１次ノズルから２次ノズルへの切り替えることで交換又は保守が可能であるので、ワークフローの中断は最小化される。

好ましくは、上記プリンタデバイスが、複数のプリントヘッドを有する。複数のプリントヘッドは、最適なワークフローを可能にする。各プリントヘッドは、異なる生物流体に対するノズルを有することができる。しかしながら、好ましくは、各プリントヘッドは、単一の生物流体専用である。これは、より簡単な構造及びプリントヘッドのより簡単な交換を可能にする。

好ましくは、上記プリンタデバイスが、複数の２次ノズルを有する。複数の２次ノズルは、１つ又は複数のノズルが保守又は交換される場合、生産処理を継続することを可能にする。従って、デバイスのダウンタイムは最小化されることができる。

好ましい実施形態において、上記プリンタデバイスが、一緒にアレイとしてグループ化される複数のプリントヘッドを有し、上記アレイは、適用される異なる生物流体それぞれに対して少なくとも１つのノズルを有する。多数の異なる生物流体がプリントされることになる場合、プリントヘッドのグループが、複数のアレイ状に構成されることができる。プリントヘッドの各アレイは、動作可能なユニットを独立して形成する。

好ましくは、上記プリンタデバイスが、複数の同一のアレイを有する。斯かるアレイのプリントヘッドは、相互に交換可能であり、柔軟な作業法を可能にする。

好ましい実施形態において、上記検出手段が、光学センサを有する。光学センサは、信頼性があり、感度が良い。光学センサは好ましくは、基板における堆積された生物流体の量を定量化するよう適合される。従って、特定のスポットにおける生物流体の不足量が決定されることができ、続いて、２次ノズルにより所定の量まで追加されることができる。デバイスは、同じ又は異なる検出方法専用の複数の光学センサを有することができる。光学センサは、音響センサといった他の検出手段と結合されることができる。

別の好ましい実施形態において、上記検出手段が、音響センサを有する。その音響センサは、ノズルにより堆積される生物流体の量を決定するよう適合されることができる。その音響センサは、例えば光学センサといった他の検出手段と組み合わされることができる。

有利には、上記検出手段が、上記ノズルの音響的又は光学的特性を測定するよう適合され、上記制御手段は、上記ノズルの測定された特性を上記ノズルの所定の特性と比較することにより欠陥を決定するようプログラムされる。従って、１次ノズルが故障し、結果として２次ノズルが作動されることになるかどうかが、容易に検出される。好ましくは、その検出手段及び制御手段は、ノズルにより堆積される生物流体の量を、例えば、堆積された量の生物流体と測定された特性との間の所定の関係を用いて定量化するよう構成される。検出手段の好ましい実施形態において、バックライトが、メンブレーンといった光学的に透過な基板の下に配置される。短い時間期間の間、生物流体の水滴が、１次ノズルにより基板上に堆積されるとき、この水滴は、カメラにより量子化されることができるメンブレーンとの光学コントラストとして検出可能である。基板上で検出されるスポットは、プログラムされる所定のパターンと比較される。スポットが消失している場合、又はスポットが堆積される生物流体の量において不足している場合、２次ノズルがこれらのエラーを訂正するため作動される。エラーの検出は、故障している１次ノズルのクリーニング又はディアクティベーションも引き起こすことができる。

有利には、上記検出手段が、上記基板の音響的又は光学的特性を測定するよう適合され、上記制御手段は、上記基板の測定された特性を上記基板の所定の特性と比較することにより欠陥を決定するようプログラムされる。

好ましくは、検出手段及び制御手段は、ノズルにより堆積された生物流体の量を量子化するよう構成され、例えば、堆積された生物流体の量と測定された特性との間の所定の関係を用いて量子化される。

好ましい実施形態では、上記検出手段が、上記１次ノズルにより上記基板の所定の位置に堆積された生物流体の量を決定する定量化手段を有し、上記制御手段は、上記基板に堆積されることになる生物流体の所定の総量に等しい総堆積量を生み出すよう、上記２次ノズルに同じ生物流体の追加量を堆積させるようプログラムされる。こうして、最終的な堆積量が、生物流体の所定量に等しい。これは、より高品質な最終製品を生じさせ、欠陥が原因による製品の歩留まりを少なくする。量子化手段は例えば、量子化される生物流体のタイプに基づき、蛍光、光吸収、光散乱又は他の光学的特性を決定する光学センサを有することができる。

本発明は、基板を有し、上記基板上に複数の生物流体が堆積される生物試験アレイの生産における、本発明によるプリンタデバイスの使用にも関する。斯かる機械で生産される生物試験アレイは、欠陥を含みにくく、従って信頼性が高い。更に、斯かるデバイスでの生産はより高速であり、よりコスト効率が良い。なぜなら、そのデバイスは、ノズル及び／又はプリントヘッドの保守又は交換のためのダウンタイムが少ないからである。

本発明は更に、請求項１乃至１４のいずかに記載のプリンタデバイスを用いて、基板上に複数の生物流体を堆積させることにより生物試験アレイを生産する方法にも関し、上記基板に対してプリンタヘッドを位置決めするステップと、上記１次ノズルにより上記基板上に生物流体の水滴を堆積させるステップと、上記１次ノズルによる堆積における欠陥を検出し、上記１次ノズルにより堆積された量の生物流体における欠陥が検出された場合、続いて上記２次ノズルにより堆積させるステップとを有する。

本発明は、本発明の方法により得られる、複数の生物流体が堆積される基板を有する、生物試験アレイにも関する。斯かる機械で生産される生物試験アレイは、欠陥を含みにくく、従って信頼性が高い。生産時に基板に堆積される生物流体は必ずしも、最終製品において流体であるというわけではない。実際に、基板における生物流体スポットは例えば、最終製品における固体スポット又はゲルスポットとすることができる。通常、生物試験アレイは１００〜１０００スポットを有するが、より多くの量も使用される。各スポットは通常、ノズルにより堆積されることになる流体の１ナノリットルまでを表す。スポットの直径は通常、１０〜５００μｍの間にあり、好ましくは、５０〜２００μｍの間にある。アレイパターン内のスポット間の距離は通常、１０〜５００μｍの間にあり、好ましくは７５〜４００μｍの間にある。生物流体の堆積を実現するにはインクジェット技術が適用されることができる。孔のあるメンブレーンが好ましい基板である。

基板に対して異なるスポットを適用するため各異なる生物流体専用の少なくとも１つのノズルが存在することが好ましい。更に好ましくは、生物流体の各タイプが、少なくとも１つの専用プリントヘッドを持つことである。本発明によるデバイスの好ましい実施形態において、少なくとも２つのプリントヘッドが、単一のタイプの生物流体専用とされる。その基板は例えば、孔のあるメンブレーンとすることができる。

本発明は更に、本発明による生物試験アレイを有する、生物試験キットを有する。生物試験アレイとは別に、そのキットは、蛍光ラベル、バッファ溶液及びサンプル調整のための他のツールを有することができる。

本発明が以下、非限定的な例示により更に詳細に説明されることになる。

図１は、直径約６ミリ、所定のパターンでプリントされた４３の異なる生物流体を有する１２８のスポット２１のパターンで覆われた円形メンブレーン２２に堆積されたスポット２１を有する生物試験アレイ２０を示す。スポット２１には、番号が振られ、各番号は、一様な遺伝子番号を表すか、又は参照物質を含む。遺伝子シーケンスは、複数の相互に離れた位置にあるアレイ２０における複数の複製(duplicate)において生じることに留意されたい。メンブレーン２２は、支持構造体２３上に適合される。これが唯一の例であるので、スポットの数は、変化することができ、通常、遺伝子シーケンスの数及び使用される複製の数に応じてより大きくなるであろう。支持構造体(ホルダ)２３を備えるメンブレーン２２が、カートリッジ２４に配置される。カートリッジ２４において、異なるバクテリアのＤＮＡに対する異なる遺伝子シーケンス特性を含む血液サンプルが、アレイ状のスポット２１を有するメンブレーン２２と接触されるようにもたらされる。異なるＤＮＡタイプ(遺伝子シーケンス)が、異なるプリント捕捉スポットに付く。この図において、異なるスポットが視覚化される。番号１〜１８は、９つの異なる病原体と９つのレジスタンスとを表す。測定の信頼性のため、同じ生物選択的捕捉物質が４つの異なるスポットにプリントされる。これらの四分円２５のそれぞれにおいて、同じ数のスポットが異なる隣接スポットを持ち、隣接スポット２１からの過度の露出が原因で、強くないスポット(less intense spot)２１が検出されないことを防ぐ。メンブレーン２２にわたる強度較正分布のため、メンブレーンの角における４つのスポットＤだけでなく、強度較正スポットがプリントされる(Ｒ１〜Ｒ１０)。ＰＣＲ制御スポットＰ１、Ｐ２も、ＰＣＲを用いて適切なＤＮＡ増幅を有効にするのにプリントされる。

図２ａ及び図２ｂは、異なる生物流体を伴う基板３２をプリントするための多数のマルチノズルプリントヘッド３１のプリンタヘッド固定プレート３０の構造を示す。各生物流体は、例えば、図１に示されるようなＤＮＡシーケンスを含むことができる。明確さのため、わずか１０のプリントヘッド３１が図示される。５つの異なる生物流体専用のノズル３３を各プリントヘッドが６つ有する。各生物流体に対するノズルは、２つの異なるプリントヘッド３１上に存在する。しかしながら、単一のプリントヘッド３１が、異なる生物流体専用のノズル３３を含むことは考えられない。メンブレーン３２は、４つのアレイのドット３４を用いて４つでプリントされる。より異なるタイプの生物流体を備える生物試験アレイを生産するため、プリントヘッド３１の対応するより大きな数が必要とされる。プリント方向は矢印Ｘで示され、ドットは方向Ｙにおける行に配置される。これはプリント方向Ｘに直交するものである。

プリント処理の信頼性におけるかなりの増加は、流体につき２つのプリントヘッドを平行に(ユニゾン又はタンデムで)用いるとき得られる。この考えは図２ａ及び図２ｂに表される。図２ａにおいて、最初の５つのプリントヘッド３１が、次のセットである後続の５つのプリントヘッド３１と同じになるようにして５つの異なる流体を備える態様で、プリントヘッド３１はグループ化される。図２ｂは、同じ流体で満たされるプリントヘッド３１が互いに隣接して配置されるような構成を示す。プリント処理を制御するソフトウェアは、異なるプリントヘッドがプリントヘッド固定プレート上どこに配置されるかを正確に位置調整する。プリント処理を開始する前、すべてのノズル３３が光学的にチェックされ、適切な機能のための基準特性として、音響的な指紋が記録される。プリントの間連続的に、実際の圧力記録が、音響及び／又は光学指紋と比較される。ノズルの記録が、その指紋から所定の閾値分偏差する場合、全体のプリント処理を制御するソフトウェアがノズル３１を停止し、必要な流体の量が、同じ流体を含むプリントヘッドの対応する２次ノズル３１により堆積されるように構成される。こうして、２次ノズルが１次ノズルの作業を引き継ぎ、従って、より高速な生産速度を可能にし、デバイスのダウンタイムを減らしつつ、プリントヘッド及びノズルのこれらの構成が、１次ノズルの修復及び保守の可能性を提供する。ノズル３１の保守は、例えば、ノズルプレートの洗浄及び／又はクリーニングを含むことができる。また、生み出されるアレイ状のドットの品質は改善され、結果として、欠陥品(例えば、スポットがない品又はミスプリントされたスポットを備える品)が少なくなり、無駄が減らせる。

図３は、２つのメンブレーン４１が取り付けられたプリンタデバイス４０を示し、それは、線形アレイプリンタヘッド４３、４４のアセンブリ４２に対して複数の基板４１を供給する細長いトレーの一部である。プリンタヘッド４３、４４の動作は、従来より知られる検出手段を用いて光学的及び／又は音響的に監視される。ノズル４５が機能しなくなる場合、新しいセットのノズル４６が作動するよう、ある機構によってプリントヘッド４３がＹ方向に動かされる。その図は、プリントの間に必要とされるノズルの量の２倍を備えるプリントヘッドを示す。従って、各動作ノズル４５に対して１つのバックアップノズル４６が存在する。基板における行の数及びプリントヘッドのノズルの数は、より柔軟性を高めるため及びより高いレベルのフェールプルーフを提供するため増加されることができる。

図４は、２つのセットのプリントヘッド５０、５１が本発明により構成されるようなプリンタデバイスを示す。第１のセットのプリントヘッド５０は、基板５２上にプリントされたドットを持つ。光学検出手段(図示省略)が、プリントされるべき所定のパターンに対して２つの欠陥５３を検出する。続いて、第２のセットのプリントヘッド５１が、新しいドット５４を適用することにより省略されたドット５３を訂正し、その結果、訂正された所定のパターンを備える基板５５を生じさせる。

当業者であれば、図示された非限定的な例示の多くの変形及び結合が本発明から直接得られるであろう。

生物試験アレイを示す図である。 本発明による方法の実施形態を示す図である。 本発明による方法の実施形態を示す図である。 本発明によるデバイスを示す図である。 本発明による別のプリンタデバイスを示す図である。

Claims (17)

1. 基板上に生物流体のアレイを堆積させることにより、生物試験アレイを生産するプリンタデバイスであって、
   前記基板上に生物流体の水滴を堆積させる少なくとも１つの１次ノズルを具備する少なくとも１つのプリントヘッドと、
   前記基板に対して前記プリントヘッドを位置決めする位置決め手段と、
   前記１次ノズルによる堆積における欠陥を検出する検出手段と、
   前記検出手段と前記位置決め手段とに接続される制御手段とを有し、前記プリンタデバイスが、特殊な生物流体専用の１次ノズルそれぞれに対して、同じ特殊な生物流体専用の少なくとも１つの２次ノズルを有し、
   前記１次ノズルによる堆積における所定の欠陥が前記検出手段により検出される場合、前記制御手段は、前記２次ノズルを使用するようプログラムされる、プリンタデバイス。
2. 前記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルが、同じプリントヘッドに配置される、請求項１に記載のプリンタデバイス。
3. 前記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルが、異なるプリントヘッドに配置される、請求項１又は２に記載のプリンタデバイス。
4. 少なくとも１つの２次ノズルが、同じプリントヘッドに配置され、前記１次ノズル及び少なくとも１つの２次ノズルが、少なくとも１つの異なるプリントヘッドに配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載のプリンタデバイス。
5. 前記プリンタデバイスが、複数のプリントヘッドを有する、請求項１乃至４のいずれかに記載のプリンタデバイス。
6. 前記プリンタデバイスが、複数の２次ノズルを有する、請求項１乃至５のいずれかに記載のプリンタデバイス。
7. 前記プリンタデバイスが、一緒にアレイとしてグループ化される複数のプリントヘッドを有し、前記アレイは、適用される異なる生物流体それぞれに対して少なくとも１つのノズルを有する、請求項１乃至６のいずれかに記載のプリンタデバイス。
8. 前記プリンタデバイスが、複数の同一のアレイを有する、請求項７に記載のプリンタデバイス。
9. 前記検出手段が、光学センサを有する、請求項１乃至８のいずれかに記載のプリンタデバイス。
10. 前記検出手段が、音響センサを有する、請求項１乃至９のいずれかに記載のプリンタデバイス。
11. 前記検出手段が、前記ノズルの音響的又は光学的特性を測定するよう適合され、前記制御手段は、前記ノズルの測定された特性を前記ノズルの所定の特性と比較することにより欠陥を決定するようプログラムされる、請求項１乃至１０のいずれかに記載のプリンタデバイス。
12. 前記検出手段が、前記基板の音響的又は光学的特性を測定するよう適合され、前記制御手段は、前記基板の測定された特性を前記基板の所定の特性と比較することにより欠陥を決定するようプログラムされる、請求項１乃至１１のいずれかに記載のプリンタデバイス。
13. 前記検出手段が、前記１次ノズルにより前記基板の所定の位置に堆積された生物流体の量を決定する定量化手段を有し、前記制御手段は、前記基板に堆積されることになる生物流体の所定の総量に等しい総堆積量を生み出すよう、前記２次ノズルに同じ生物流体の追加量を堆積させるようプログラムされる、請求項１乃至１２のいずれかに記載のプリンタデバイス。
14. 基板を有し、前記基板上に複数の生物流体が堆積される生物試験アレイの生産における、請求項１乃至１３のいずれかに記載のプリンタデバイスの使用。
15. 請求項１乃至１４のいずかに記載のプリンタデバイスを用いて、基板上に複数の生物流体を堆積させることにより生物試験アレイを生産する方法において、
    前記基板に対してプリンタヘッドを位置決めするステップと、
    前記１次ノズルにより前記基板上に生物流体の水滴を堆積させるステップと、
    前記１次ノズルによる堆積における欠陥を検出し、前記１次ノズルにより堆積された生物流体の量において欠陥が検出された場合、続いて前記２次ノズルにより堆積させるステップとを有する、方法。
16. 請求項１５に記載の方法により得られる、複数の生物流体が堆積される基板を有する、生物試験アレイ。
17. 請求項１６に記載の生物試験アレイを有する、生物試験キット。

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