JP2013505442A - 一体型カートリッジ - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、その全文を参照文献として本明細書に援用する2009年9月21日出願の米国仮特許出願第61/272,397号の優先権を主張する。
一定の実施形態においては、サンプル調製チャンバー10は細胞サンプルを溶解するためのサンプル溶解手段をさらに含む。図2に示す実施形態においては、サンプル調製チャンバー10は多数の細胞溶解ビーズ13および磁石15を有する磁気撹拌子14を収容する。無傷の細胞の懸濁液をサンプル調製チャンバー10に加え、さらにサンプル調製チャンバー10に回転磁場を適用し、細胞を溶解するのに十分な回転速度で磁気撹拌子14を回転させる。
サンプルの処理を目的とした簡易型カートリッジも開示される。カートリッジは、入口および出口を有するサンプル調製チャンバー、ならびに入口および出口を有するサンプル精製チャンバーを含む。サンプル調製チャンバーは、その中に排置された磁気撹拌子および多数の細胞溶解ビーズを含む。サンプル精製チャンバーは抽出フィルターを収容し、かつサンプル調製チャンバーと流動的に連絡する。
タンパク質精製能力および核酸精製能力を共に有するデュアルファンクションカートリッジも開示される。簡単に述べると、デュアルファンクションカートリッジは核酸精製モジュールおよびタンパク質精製モジュールを収容する。各モジュールはサンプル精製チャンバーおよびサンプル溶離チャンバーを収容する。1つの実施形態においては、モジュールは単一のサンプル調製チャンバーおよび/または単一の廃液チャンバーを共有する。他の実施形態においては、モジュールは単一のサンプル調製チャンバーを共有するが、各モジュールは専用の廃液チャンバーを収容する。さらに他の実施形態においては、各モジュールは専用のサンプル調製チャンバーおよび廃液チャンバーを有する。適切なカートリッジベース設定は、核酸およびタンパク質の同時精製または核酸およびタンパク質の連続精製を可能とするよう構築することができる。
マイクロアレイベースサンプル分析(MBSA)システムも開示される。図4に示すように、MBSAシステム200の実施形態はカートリッジホルダー210、流動制御サブシステム220、光学サブシステム230、制御ソフトウェア240および、任意選択で、サーモサイクラー250を含む。
(A.流動サブシステム)
流動サブシステムは3種類の機能的コンポーネント:二方向微量流動ポンプ、選択バルブ、およびカートリッジ「ピン」バルブよりなる。図5は、一体型カートリッジに接続されたポンプおよび選択バルブを示す流動サブシステムの模式図である。流動配置は、Global FIAより入手可能である二方向ポンプおよび選択バルブの組合せを用いる。図5に示すように、流動サブシステムは流動マニホールド90を介して一体型カートリッジと接続され、かつ一体型カートリッジ100の外部の貯蔵容器に様々な試薬を保持する。
嚢状サーモサイクラーサブシステムは、そのいずれもが本明細書に参照文献として援用される米国特許出願番号第11/843,843号および第12/232,669号に記載される。
図11Aは、光学サブシステムの1つの実施形態を示す模式図である。低コスト光学サブシステムは、比較的複雑度の低いアレイ(アレイエレメント数<50)を読み取ることを目的として開発される。リーダーのこのサブシステムにおいて用いられるCCDカメラは、解像度659×493ピクセルかつピクセルサイズ7.4×7.4μmの1/3”光学フォーマットの微小非冷却カメラ(例:ProsilicaモデルEC650)である。
MBSAシステムのための作業の順序は以下の通りである。ユーザーは一体型カートリッジにサンプルを導入する。次にシステムが以下の自動化ステップを実施する:サンプルを調製し、Bladder Thermocycler(商標)を用いてPCRを実施し、PCR産物をハイブリダイゼーションおよび/またはAPEX反応混合物と混合し、混合物をマイクロアレイチャンバーに移し、マイクロアレイとのハイブリダイゼーションを実施し、さらにマイクロアレイ画像を検出する。
この実施例は、法医学用途に利用することも可能な身体外観マーカーのSNP遺伝子型解析用微量流動制御システムの実施可能性を証明する。実験環境では、サンプル調製、PCR増幅およびアレル特異的配列プライマー伸長(AS−APEX)用コンポーネントを組み合わせ、眼色マーカーを検出するための一体型システムを形成する。システムは、液状物操作サブシステム(例:ポンプ)、サーマルサイクリングサブシステム(例:Akonni Bladder Thermocycler)、光学器具(例:Akonni Reader)、ディスポーザブル一体型カートリッジ(すなわちAkonni TruTip、Akonni PCR/TruArrayフローセル、微量流動回路、および微量流動バルブ)およびカートリッジドッキングステーションを含む。
一体型分析システムの制御を目的として、DX3000自動タスク実行プログラムと称するソフトウェアプログラムが作成された。3つの主要なサブシステム(流動操作サブシステム、サーモサイクラーサブシステム、および光学サブシステム)の制御を目的として、National Instruments産業用コンピュータ(NI 3110)上のLabviewにおいてコードを書いた。NI 3110は、一方のコアがWindows用のタスクを実行し、かつもう一方のコアがReal−Timeオペレーティングシステム(OS)用のタスクを実行するデュアルコアプロセッサを有する。このアーキテクチャにより、ユーザーインターフェースの管理、連続通信および画像処理といった高レベルのWindowsタスク、ならびにヒーター、リニアアクチュエーター、サーモサイクラーポンプ、および時間が厳密に決められたイベントの制御といった低レベルの決定論的タスクを実行することが可能となる。Real−Time OSは、アナログ入力、アナログ出力、およびデジタルI/OモジュールをスキャンするEthercat I/Oモジュールと通信する。
一体型カートリッジは、タンパク質精製能力および核酸精製能力を共に含むよう変更することができる。図23は、デュアルファンクション一体型カートリッジ300の1つの実施形態を示す。簡潔に述べると、カートリッジ300はタンパク質精製モジュールおよび核酸精製モジュールを含む。タンパク質精製モジュールはタンパク質廃液タワーT1、タンパク質精製タワーT2、タンパク質溶離タワーT3、カートリッジピンバルブCV1、CV2、CV3およびCV4ならびにルアー作動バルブLV1、LV2、LV3およびLV4を含む。核酸精製モジュールは、核酸廃液タワーT4、サンプル調製タワーT5、核酸精製タワーT6、核酸溶離タワーT7、カートリッジピンバルブCV5、CV6、CV7、CV8およびCV9、ならびにルアー作動バルブLV5、LV6、LV7、LV8およびLV9を含む。
1)A.全てのCVを閉じる。
B.サンプル500μLをサンプル入口よりT5に入れる。
C.CV6およびCV7を開く。
D.細胞溶解液500μLをLV5よりT5に入れる(LV7を大気にベントしながら)。
2)混合用空気をLV5よりT5に入れる(LV7を大気にベントしながら)。
3)室温で5分間インキュベートする。
4)A.CV6を閉じ、CV8を開く(CV7は開いたままとし、CV8はタンパク質精製プロトコルの開始まで開いたままとする)。
B.LV7より空気を流す(LV8を大気にベントしながら)。
C.LV8より空気を流す(LV7を大気にベントしながら)。
ステップBとCを5回繰り返す。混合物はT5とT6の間で往復して流れ、T6で止まる。
5)A.CV7を閉じ、CV2を開く。
B.LV8より空気を流し(LV2を大気にベントしながら)、混合物1mLをT1に押し出す。
6)A.CV6を開き、CV2を閉じる。
B.洗浄液をLV5よりT6に入れる(LV8を大気にベントしながら)。
C.CV6を閉じ、CV7を開く。
D.LV8より空気を流す(LV7を大気にベントしながら)。
E.LV7より空気を流す(LV8を大気にベントしながら)。
ステップDとEを5回繰り返す。洗浄液はT5とT6の間で往復して流れ、T6で止まる。
E.CV7を閉じ、CV5を開く。
F.LV8より空気を流し(LV6を大気にベントしながら)、洗浄液をT4に押し出す。
7)A.CV6を開き、CV5を閉じる。
B.空気をLV5よりT6に入れる(LV8を大気にベントしながら)。
8)A.溶離液をLV5よりT6に入れる(LV8を大気にベントしながら)。
B.CV6を閉じ、CV9を開く。
C.LV8より空気を流す(LV9を大気にベントしながら)。
D.LV9より空気を流す(LV8を大気にベントしながら)。
ステップCとDを5回繰り返す。混合物はT6とT7の間で往復して流れ、T7で止まる。
9) A.CV1およびCV2を開き、その他のCVは全て閉じる。
B.タンパク質結合液をLV1よりT1に入れる(LV2を大気にベントしながら)。
10)混合用空気をLV1よりT1に入れる(LV2を大気にベントしながら)。
11)室温で2分間インキュベートする。
12)A.CV3を開き、CV1を閉じる(CV2は開いたままとし、CV3はプロトコルの終了まで開いたままとする)。
B.ポンプアームを後方に引き、接続導管を経て溶液250μLをT1からT2に引き出す(LV2およびLV3はベントしない)。
C.ポンプアームを前方に押し、接続導管を経て溶液250μLをT1からT2に押し出す(LV2およびLV3はベントしない)。
ステップBおよびCを10〜15回繰り返す。CV2の直上かつT1の直下に位置するカートリッジ上の一方向チェックバルブによって、溶液は一方向ループにのみ流れる。
D.CV5を開き、CV2を閉じる。
E.LV3より空気を流し(LV6を大気にベントしながら)、溶液をT4に押し出す。
註:この段階でタンパク質廃液チャンバー(T1)が満たされているので、核酸廃液チャンバー(T4)が用いられている。
E.CV1を開き、CV5を閉じる。
13)A.洗浄液をLV1よりT2に入れる(LV3を大気にベントしながら)。
B.CV5を開き、CV1を閉じる。
C.LV3より空気を流し(LV6を大気にベントしながら)、洗浄液をT4に押し出す。
D.CV1を開き、CV5を閉じる。
ステップA〜Dを5回繰り返す。洗浄液をT2に加えた後T4に流し込む。
14)空気をLV1よりT2に加える(LV3を大気にベントしながら)。
15)空気の流量を上げて残余の液体を吹き飛ばす。
16)A.溶離液をLV1よりT2に加える(LV3を大気にベントしながら)。
B.CV1を閉じ、CV4を開く。
C.LV3より空気を流す(LV4を大気にベントしながら)。
D.LV4より空気を流す(LV3を大気にベントしながら)。
ステップCとDを5回繰り返す。溶離液はT2とT3の間で往復して流れ、T3で止まる。
Claims (31)
- サンプルの処理および分析を目的とした一体型カートリッジであって:
サンプル入口および出口を有するサンプル調製チャンバー;および
ハウジングおよび前記ハウジング内部の抽出フィルターを含む第1の交換可能なサンプル精製ユニットを受容するよう構成された第1のサンプル精製チャンバーであって、
前記抽出フィルターが第1の目的分子と特異的に結合することを特徴とし、かつ前記第1のサンプル精製チャンバーがサンプル調製チャンバーのサンプル出口と流動的に連絡するサンプル入口を有することを特徴とするサンプル精製チャンバーを含む前記一体型カートリッジ。 - 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記サンプル入口が前記サンプル調製チャンバーの上部に位置しかつ前記サンプル出口が前記サンプル調製チャンバーの下部に位置することを特徴とし、かつ前記サンプル出口がサンプル混合処理中に前記サンプル調製チャンバーに気体を送出するポンプに接続されることを特徴とする前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記第1のサンプル精製チャンバーと流動的に連絡する第1の溶離チャンバーをさらに含み、前記第1の溶離チャンバーが前記第1のサンプル精製チャンバー内の前記抽出フィルターから溶離した分子を捕集する前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、第1の廃液チャンバーをさらに含み、前記第1の廃液チャンバーが前記サンプル精製チャンバーと流動的に連絡する、前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、ハウジングおよび前記ハウジング内部の抽出フィルターを含む第2の交換可能なサンプル精製ユニットを受容するよう適合化された第2のサンプル精製チャンバーをさらに含み、前記抽出フィルターが第2の目的分子と特異的に結合し、前記第2のサンプル精製チャンバーが前記サンプル調製チャンバーと流動的に連絡する、前記一体型カートリッジ。
- 請求項5に記載の一体型カートリッジであって:
前記第2のサンプル精製チャンバーのサンプル入口およびサンプルレザバーポケットと接続されるカートリッジバルブ;および
サンプル液の一方向流動を確保するチェックバルブであって、
第1のバルブ状態にある時、前記カートリッジバルブがサンプル液に前記カートリッジバルブを経て前記レザバーポケットを充填することを可能とすることを特徴とし、かつ第2のバルブ状態にある時、前記カートリッジバルブが前記レザバーポケット中の前記サンプル液に前記カートリッジバルブを経て前記第2のサンプル精製チャンバーに流入することを可能とすることを特徴とするチェックバルブをさらに含む、前記一体型カートリッジ。 - 請求項5に記載の一体型カートリッジであって、前記第2のサンプル精製チャンバーのサンプル入口と接続される二方向ポンプをさらに含む前記一体型カートリッジ。
- 請求項5に記載の一体型カートリッジであって、前記第1の目的分子が核酸分子でありかつ前記第2の目的分子がタンパク質分子であることを特徴とする前記一体型カートリッジ。
- 請求項5に記載の一体型カートリッジであって:
前記第1のサンプル精製チャンバーと流動的に連絡する第1の溶離チャンバーであって、前記第1の溶離チャンバーが前記第1のサンプル精製チャンバー内の前記抽出フィルターから溶離した分子を捕集する前記第1の溶離チャンバー;および
前記第2のサンプル精製チャンバーと流動的に連絡する第2の溶離チャンバーであって、前記第2の溶離チャンバーが前記第2のサンプル精製チャンバー内の前記抽出フィルターから溶離した分子を捕集する前記第2の溶離チャンバーをさらに含む前記一体型カートリッジ。 - 請求項9に記載の一体型カートリッジであって、第1の廃液チャンバーをさらに含む一体型カートリッジ。
- 請求項10に記載の一体型カートリッジであって:
前記第2のサンプル精製チャンバーと流動的に連絡する第2の廃液チャンバーをさらに含む前記一体型カートリッジ。 - 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記サンプル調製チャンバーが磁気撹拌子および多数の細胞溶解ビーズを収容することを特徴とする前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記サンプル調製チャンバーの前記サンプル出口と接続される第1のバルブおよび前記サンプル精製チャンバーの前記サンプル入口と接続される第2のバルブをさらに含む前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、着脱式、交換可能なサンプル分析ユニットが1基のマイクロアレイを含むサンプル分析チャンバーを少なくとも1基含むことを特徴とする、前記着脱式、交換可能なサンプル分析ユニットをさらに含む前記一体型カートリッジ。
- 請求項14に記載の一体型カートリッジであって、前記着脱式、交換可能なサンプル分析ユニットが増幅チャンバー内で増幅反応を実施するよう構成された前記チャンバーをさらに含む、前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記カートリッジ内部の液状物の動きを制御する1基またはそれ以上のピンバルブをさらに含む前記一体型カートリッジ。
- 請求項16に記載の一体型カートリッジであって、前記の1基またはそれ以上のピンバルブが1基またはそれ以上のリニアアクチュエーターによって制御されること特徴とする前記一体型カートリッジ。
- 請求項16に記載の一体型カートリッジであって、1個またはそれ以上のルアーテーパー突起を有する1基のカートリッジベースとの契合を可能とする1つまたはそれ以上のルアー作動バルブをさらに含む前記一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記サンプル調製チャンバーおよび前記サンプル精製チャンバーが前記サンプル調製チャンバーおよび前記サンプル精製チャンバーの最上部に気泡が上昇することを確保する直立型タワー形状に設計されることを特徴とする一体型カートリッジ。
- 請求項1に記載の一体型カートリッジであって、前記一体型カートリッジの内部の流動物の動きを促進する微量流動導管をさらに含み、前記微小導管の内面が前記微量流動導管の内部で気泡のトラッピングを軽減する親水性フィルムにより完全にまたは部分的に被覆されるかまたはコーティングされることを特徴とする前記一体型カートリッジ。
- 請求項20に記載の一体型カートリッジであって、前記微量流動導管が逆圧を軽減するために十分大きな直径を有しかつ再現可能な射出成形形体を可能とすることを特徴とする前記一体型カートリッジ。
- マイクロアレイベースサンプル分析(MBSA)システムであって:
交換可能なカートリッジが反応チャンバーおよびマイクロアレイを収容する着脱式、交換可能なサンプル分析ユニットを受容するよう構成されることを特徴とする前記の交換可能なカートリッジを受容するよう適合化されたカートリッジホルダー;
流動物の流動を制御する流動制御サブシステム;および
マイクロアレイの画像をキャプチャーするよう構成された光学サブシステムを含む前記MBSAシステム。 - 請求項22に記載のMBSAシステムであって:
反応処理中に前記反応チャンバーにおいて温度を制御するよう構成されたサーモサイクリングシステムをさらに含む前記MBSAシステム。 - 請求項23に記載のMBSAシステムであって、前記サーモサイクリングシステムが互いに向かい合う2個の柔軟性嚢を含む嚢状サーモサイクラーを含むことを特徴とする前記MBSAシステム。
- 請求項22に記載のMBSAシステムであって、前記光学サブシステムがレーザー光源を含むことを特徴とする前記MBSAシステム。
- 請求項22に記載のMBSAシステムであって、前記光学サブシステムが高輝度LED光源を含むことを特徴とする前記MBSAシステム。
- 請求項22に記載のMBSAシステムであって、前記光学サブシステムが蛍光撮像および蛍光非依存的撮像ができることを特徴とする前記MBSAシステム。
- 請求項27に記載のMBSAシステムであって、前記光学サブシステムが蛍光撮像のための第1の光源および蛍光非依存的撮像のための第2の光源を含むことを特徴とする前記MBSAシステム。
- 請求項28に記載のMBSAシステムであって、前記第2の光源が発光ダイオード(LED)であることを特徴とするMBSAシステム。
- 請求項29に記載のMBSAシステムであって、前記LEDが反射光の暗視野照明を目的として構成されることを特徴とするMBSAシステム。
- 請求項29に記載のMBSAシステムであって、前記LEDが透過光の傾斜照明を目的として構成されることを特徴とするMBSAシステム。
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