JP2013523169A - １マイクロリットル未満の体積用の、手動介入手段を備えたプランジャポンプ - Google Patents

Abstract

生物試料の顕微鏡支援されるマイクロマニピュレーションにおいて使用される、１マイクロリットル未満の容積用の自動化された高精度のプランジャポンプは、ハウジング（１）とポンプヘッド（８）とを有しており、このポンプヘッドは、１つの共通の又は別個の流入及び流出開口（１０）を備えた作業室（９）を画定しており、この場合、この作業室（９）の容積は、該作業室に挿入可能な軸方向可動のプランジャ（７）によって可変である。プランジャ（７）は、ねじ山付きスピンドル（５）又はねじ山付きスピンドル（５）にねじ山を介して係合しているスピンドルナット（６）によって軸方向に可動であり、ねじ山付きスピンドル（５）及び／又はスピンドルナット（６）は回転駆動可能であり、それぞれ他方は回転方向でロック可能に構成されている。

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載した形式の、１マイクロリットル未満の体積用の、手動介入手段を備えた高精度のプランジャポンプに関する。

背景技術
純粋集積細胞培養又は個別の細胞の分子分析は、医学的なゲノミクス及びプロテオミクスの重要な前提条件であり、将来患者の医学的なプロファイリングにとって重要となる可能性がある。この目的の達成は、従来は細胞マニピュレーション（例えば細胞収集又はマイクロインジェクション）における機械的及びプロセス技術的な制約に基づいて困難でしかなく、少なからぬ時間を要した。特に、遺伝子型及び表現型の特徴付けに必要な個別の細胞並びに稀少な細胞の、微量のサンプルからの分離は極めて困難であった。それというのも、個別の細胞を研究員が顕微鏡で検出して、次いで検出された細胞を手動でキャピラリを用いて操作せねばならなかったからである。このためには、正確に規定された流体体積をキャピラリ内で運動させることが必要であり、これにより例えば、個別の細胞又は細胞内容物をキャピラリを介して取り出すこと、又は１つの細胞に別の細胞の成分（例えば細胞核）を注入することが、極端に多く吸い込まれた又は注入された材料によって細胞が損傷されること無しで可能になる。

上で述べた制約の内の１つは、特に体積測定及び負圧／正圧の供給に使用されるポンプに関するものであり、これらのポンプは、１マイクロリットル未満から１ナノリットルまでのオーダの流体体積を高精度で吸い込む若しくは吐き出す必要がある。小さなポンプ容積延いては小さなポンプ寸法に基づいて、ピストンポンプにおいて必要な、ポンプシリンダに対するポンプピストンのシールは容易ではないので、細胞試料のマニピュレーションにおいては、いわゆるプランジャポンプが使用され、これらのプランジャポンプの場合は、プランジャの、シリンダに侵入している箇所だけしかシールせずに済む。

上述した体積の精度を、顕微鏡での細胞検出との同時調整において維持するためには、細胞の検出並びにマニピュレーションを、プランジャがハンドホイールの回転によって操作される、例えばEppendorf社のCellTram-マイクロインジェクタ又はButter Instrument社のXenoWorks（登録商標）を用いて、部分的に更に手動で行う。細胞マニピュレーションにおけるこのような手動手順は、当然のことながら特に時間がかかるものであり、延いては処理されるべきサンプルの増大し続ける数に関して次第に適さなくなっており、最終的には所要の個人費用に基づいて適さなくなっている。

他方では、前記手動式のポンプを、ハンドホイールに結合された駆動モータを介して運転することが知られている。マニピュレーションシステムの自動化の別の試みは、マイクロプロセッサにより制御される電動モータにプランジャが直接に結合されている、Drummond Science社のマイクロインジェクションピペットNanoject IIを用いて行われた。但し前記の電動化されたポンプの場合は、ポンプの駆動が極めて遅く、延いては例えばキャピラリ交換毎に必要な、流体の「バックフィリング」等のサービス介入に極めて時間がかかってしまうか、それどころか不可能ですらあるという問題が生じる。電動化されたポンプをこのために手動で簡単に操作することもできない。それというのも、電動化されたハンドポンプの場合は、まず最初に手間のかかるモータの分離を行わねばならない一方で、自動化されたマイクロインジェクションピペットにおいて手動操作は全く想定されていないからである。

発明の開示
したがって本発明の課題は、自動でも手動でも運転可能で、充填若しくは保守のための手動介入を可能にし、且つ高い容積精度でも機械的に影響を受けない、１マイクロリットル未満の体積用の自動化されたプランジャポンプを提供することにある。

この課題は、請求項１に記載の特徴を有する、自動化された高精度のプランジャポンプによって解決される。別の有利な構成は、従属請求項に記載されている。

本発明による、自動化された高精度のプランジャポンプは、ハウジングとポンプヘッドとを有しており、このポンプヘッドは１つの共通の又は別個の流入及び流出開口を備えた作業室を画定しており、この場合、この作業室の容積は、当該作業室に挿入可能な軸方向に可動のプランジャによって可変であり、このプランジャは、ねじ山付きスピンドル又はこのねじ山付きスピンドルにねじ山を介して係合しているスピンドルナットによって軸方向に可動であり、ねじ山付きスピンドル及び／又はスピンドルナットは回転駆動可能であるか、若しくは回転方向でロック可能に構成されている。

この構成により、本発明によるプランジャポンプは、機械的に相互分離可能な２つの駆動系を有している。それというのも、プランジャの軸方向運動は、ねじ山付きスピンドルの駆動によってか、又はスピンドルナットの駆動によって、それぞれ他方の駆動系とは無関係に生ぜしめられるからである。つまり、例えばポンプを充填するべくプランジャを動かすために、従来技術におけるように一方の駆動系を手間をかけて分離することは最早不要であり、駆動装置がねじ山付きナットに直接に結合されていることに基づいて、精密で、使用又は保守目的のために簡単に操作可能なポンプが提供され得る。この場合、このような使用介入及び保守介入は、ポンプ媒体の充填だけに限定されるものではなく、とりわけ作業室若しくは作業室に接続可能なキャピラリ／ピペットの洗浄又はクリーニングも含まれる。つまり、前記介入は比較的頻繁に行われるべき作業であって、これらの作業にかかる時間は今や、ポンプのより迅速且つ簡単な操作に基づき著しく少ない。

要するに本発明は全体として、小さな機械的手間で生物試料の迅速且つ効率的な、延いては低コストのマイクロマニピュレーションを可能にするプランジャポンプを提供する。このプランジャポンプは、機械的な構成部材の信頼性及び安全性の点で優れていて、傑出した使いやすさを有している。それというのも、ユーザが細胞収集プロセスに介入する手段を有しているからである。

この場合、好ましくはプランジャポンプは駆動装置としてモータを有しており、このモータはスピンドルナット及び／又はねじ山付きスピンドルと係合しており且つスピンドルナット及び／又はねじ山付きスピンドルを介して、回転方向でロックされたねじ山付きスピンドル若しくは回転方向でロックされたスピンドルナットに作用結合して、プランジャを駆動するようになっている。例えば、ハウジング内に回転可能に取り付けられたスピンドルナットがモータによって駆動されると、スピンドルナットにねじ山を介して係合している回転方向でロックされたねじ山付きスピンドルが軸方向に運動させられ、これにより、ねじ山付きスピンドルに結合されたプランジャも運動させられて、ポンプの作業室の容積を変える。

好ましい構成において、ねじ山付きスピンドル及び／又はスピンドルナットには、前置された伝動装置が設けられている。これにより、プランジャの軸方向移動をモータの好ましい回転数に最適に適合させて、その機能を変更することが可能である。他方では、このような伝動装置（例えば遊星歯車伝動装置）は手動介入を簡単に可能にする、つまり、伝動装置を手動で回転するための介入ポイントを提供し、次いでこの伝動装置の手動回転はプランジャの運動に変換される。別のオプションとして、手動で操作されるねじ山付きスピンドルを、相応の伝達比を備えて電動化してもよい。

プランジャポンプの特に好ましい構成では、ロック可能なねじ山付きスピンドル、ロック可能なスピンドルナット又はモータにクラッチが設けられており、このクラッチは、好ましくはスリップクラッチである。つまり、このクラッチは安全機構を成していて、例えば作業室への異物の侵入又はユーザ側の誤操作によってポンプに過剰な負荷がかけられた場合に、ポンプのセンシティブな駆動系及びモータにおける機械的な損傷を防止する。この場合、前記クラッチは手動式でも、自動化されていてもよい。

プランジャは、好ましくはねじ山付きスピンドルに一緒に回転するように結合されており、これは簡単且つ廉価に実現され得る結合であって、例えばプランジャとねじ山付きスピンドルとの間の（解離可能な）摩擦結合によって得られる。この場合特に、プランジャはねじ山付きスピンドルに相対回動不能に結合されていてもよく、このことは、プランジャが所要のシール内で回転せず延いてはシールの摩耗が減じられるという利点を有している。

プランジャポンプの別の好ましい構成において、ポンプヘッドには、作業室に通じる、好ましくは指向性の弁が設けられている。このことは付加的にポンプ媒体の充填を容易にし、この場合前記指向性は、例えば逆止弁の形態で、ポンプ媒体の不都合な流出を防ぐ。

最後に、ポンプヘッドにリミットスイッチを設けることが好ましく、このリミットスイッチは作業室内でのプランジャの終端位置を知らせる。前記リミットスイッチは、制御装置に接続することができ、この制御装置は、プランジャが作業室の軸方向の端壁にぶつからないこと、若しくはねじ山付きスピンドル又はスピンドルナットがその終端位置を越えては移動されない又は回転されないということを保証する。

本発明による自動化された高精度のプランジャポンプの第１実施形態の概略断面図である。 本発明による自動化された高精度のプランジャポンプの第２実施形態の概略断面図である。

発明を実施するための形態
以下に、本発明の有利な実施形態を図面につき説明する。最初に本発明の利用分野をより良く理解するために、任意の個々の又は稀少な細胞の自動化された分離を説明する。この自動化された分離は、細胞識別、細胞収集及び細胞放出の３段階で進行する。

この目的のために発明者は、倒立型顕微鏡（反転顕微鏡）、細胞識別ユニット、自動化されたキャピラリ調節、自動化されたポンプ及びスライディングテーブルを基礎としたシステムを用意した。収集及び放出は、高精度のポンプ（以下に詳しく説明）により制御される。このポンプは、細胞分離過程のためにナノリットル体積のポンプ媒体を使用するプロセスの進行を確定させ、これにより、プロセス終了時に実施されるべき、単に１マイクロリットルの媒体中の細胞試料の分子分析のための基盤をもたらすものである。

この場合、（非接着性の）細胞は、機械的な負荷を全く受けない：細胞収集は、細胞を取り囲む液体流に基づいてしか行われない。このようにして、最適な条件下では、部分的に接着性の細胞でさえも収集可能である。細胞と、収集に用いられるキャピラリとの間に接触は生じない。キャピラリ直径は、細胞直径よりも著しく大きくてよい。例えば、６μｍの直径を有する細胞は、４０μｍの直径のキャピラリによって効率的に収集され得る。

細胞の放出は、種々様々なターゲットキャリヤ（デポジット）に対して行うことができる。この場合、いわゆる「グリッドデポジット」とは、格子状のポイントデポジット（例えばAmpliGrid（登録商標）等）又は格子状に配置された小型容器（IBIDIサンプルポケットスライド等）である。個別ポイントデポジットは、透明カバー、ＰＣＲ試験管又はマイクロ流体デバイスから成っていてよい。ターゲットキャリヤが如何なる状態であろうとも、ターゲットキャリヤの大きさは一般に標準規格のスライドの大きさを上回るべきでなく、これにより、ターゲットキャリヤはスライディングテーブル上のスライドのマルチプルホルダに挿入可能である。

細胞の収集及び放出は、手動式から、細胞識別を伴う完全に自動化された操作形式まで、種々様々な形式で行うことができる。但し、手動操作形式の場合でも、システムのいずれかの構成要素（顕微鏡、ポンプ、キャピラリ）を手動で操作することは不要である。全ての操作過程は、ユーザによってＰＣから開始される。

次に、本発明によるプランジャポンプの第１実施形態の概略断面図を示す図１に基づいて、細胞の収集及び放出に重要なプランジャポンプの機能形式を説明する。プランジャポンプはハウジング１と、このハウジングに固定的に取り付けられたポンプヘッド８とを有している。ポンプヘッド８内には作業室９が位置しており、この作業室９内には操作中、ポンプ媒体、例えばオイル又は収集しようとする生物試料に対して不活性の液体が収容されている。しかしまた、空気又はガスをポンプ媒体として使用することも考えられる。作業室は、本実施形態では細長く、注射器に似せて形成されていて、一方の端部に、ポンプ媒体が吸い込まれるか又は吐き出される流出入開口を有している。

細長い作業室９の他方の端部には、シールを介してプランジャ（プランジャピストン）７が挿入されており、このプランジャは、作業室内で軸方向に（つまり作業室の長手方向伸長部に沿って）運動可能であり且つその自己体積によって、作業室内の流体の相応する体積を押し退ける。換言すると、プランジャ７の往復運動によって、作業室の供与可能な容積が変化させられる。プランジャ７の、作業室とは反対側の端部はねじ山付きスピンドル５に結合されており、この場合、この結合は図１では剛性的に示されているが、軸受けを介して自由に回転するように形成されていてもよい。

ハウジング内で軸方向に可動のホルダ１２に支承されているねじ山付きスピンドル５は、やはりハウジングに対して相対的に移動可能に配設されており且つそのねじ山を介してスピンドルナット６に螺合している。スピンドルナット６は移動不能だが、回転可能にハウジング１（又はポンプヘッド８）内に支承されている。スピンドルナット６自体は、電動モータ２の軸とねじ山を介して係合していて、電動モータ２によって回転駆動される。更に、ねじ山付きスピンドル５のプランジャ７から遠い側の端部には、ポンプを手動で駆動するためのハンドホイール３が設けられている。

ハンドホイール３とホルダ１２との間にはスリップクラッチ４が位置しており、このスリップクラッチ４は、例えば波形座金のばね力に基づいて、ハンドホイール３延いてはねじ山付きスピンドル５の回転に抗して作用し且つ通常運転においてこれらの回転を阻止している。

つまり、運転中はスピンドルナット６が電動モータ２によって回転され、移動不能のスピンドルナット６のこの回転は、回転しない（ロックされた）ねじ山付きスピンドル５の長手方向運動に変換され、このねじ山付きスピンドル５の長手方向運動が、ポンプのプランジャ７を作業室内でやはり軸方向に移動させる。ねじ山付きナット６の直接駆動に基づいて、ナノリットル範囲の極めて正確に規定された容積変化に対応する、プランジャ７の極めて正確且つ制御可能な移動が得られる。この極めて正確な容積変化によって、やはり正確に規定されたポンプ媒体流が生ぜしめられ、この媒体流によって個々の細胞又は細胞成分を分離及び収集することができる。

運転中に流体流れ若しくはポンプ容積を修正すること、又はポンプ媒体を補充することが必要となった場合は、ハンドホイール３を介してプランジャポンプを操作することができる。この場合はまず最初にモータ２が停止されて、スピンドルナット６の回転が止められる。ハンドホイール３を回転させると、スリップクラッチ４のロック作用が克服されて、ねじ山付きスピンドル５がハウジング内で回転させられる。モータ２は遮断されていて、スピンドルナット６は回転しない（ロックされている）ので、ねじ山付きスピンドル５はナット６を介してねじ回されて、プランジャ７を作業室９内で軸方向に移動させる。

図２には、本発明によるプランジャポンプの第２実施形態が示されている。図１に示した第１実施形態とは異なり、この場合はねじ山付きスピンドル５がプランジャ７に直接にではなく、つまり並進的に接続されている。プランジャ７はむしろ、転がり軸受け１３を介してスピンドルナット６に連結されており、このスピンドルナット６は、駆動モータ２と一緒に軸方向で可動にハウジング１内に配置されている、即ち、ハウジング１に位置固定されてはおらず、これによりプランジャ７と一緒に軸方向に移動する。これに対してねじ山付きスピンドル５は並進運動不能にハウジング１に取り付けられていて、摩擦クラッチを介して回転不能に位置固定されている。モータ２の運転時にスピンドルナット６が回転して、摩擦クラッチによって回転不能に位置固定されたねじ山付きスピンドル５に沿って軸方向に移動する。この場合、スピンドルナット６はプランジャ７も作業室９内で軸方向に移動させる。

図１若しくは図２で説明した両実施形態のプランジャポンプにおいて、過剰なトルクがねじ山付きスピンドル５に作用した場合は、スリップクラッチ４がスリップしてねじ山付きスピンドル５の回転を可能にし、これにより、スピンドルナット６の並進運動が止められる。このようにして、プランジャポンプの精密な機構が、誤操作又はその他の事情に基づいて損傷されないということが保証されている。

Claims (9)

1. ハウジング（１）と、
   １つの共通の又は別個の流入及び流出開口（１０）を備えた作業室（９）を画定するポンプヘッド（８）とを有し、
   前記作業室（９）の容積が、該作業室に挿入可能な、軸方向に可動のプランジャ（７）によって可変である、
   １マイクロリットル未満の体積用の自動化された高精度のプランジャポンプであって、
   前記プランジャ（７）は、ねじ山付きスピンドル（５）又は該ねじ山付きスピンドル（５）にねじ山を介して螺合しているスピンドルナット（６）によって軸方向に可動であり、
   前記ねじ山付きスピンドル（５）及び／又はスピンドルナット（６）は、回転駆動可能であり且つそれぞれ他方はクラッチ（４）によって回転方向でロック可能に構成されていることを特徴とする、１マイクロリットル未満の体積用の自動化された高精度のプランジャポンプ。
2. 前記プランジャポンプはモータ（２）を有しており、該モータは、スピンドルナット（６）及び／又はねじ山付きスピンドル（５）に係合していて、スピンドルナット（６）及び／又はねじ山付きスピンドル（５）を介して、回転方向でロックされたねじ山付きスピンドル（５）若しくは回転方向でロックされたスピンドルナット（６）に作用結合してプランジャ（７）を駆動するようになっている、請求項１記載のプランジャポンプ。
3. 前記ねじ山付きスピンドル（５）及び／又はスピンドルナット（６）に、前置された伝動装置が設けられている、請求項１又は２記載のプランジャポンプ。
4. 前記クラッチ（４）は、スリップクラッチである、請求項１又は２又は３記載のプランジャポンプ。
5. 前記クラッチ（４）は、手動式であるか又は自動化されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のプランジャポンプ。
6. 前記スピンドルナット（６）は、前記ハウジング（１）に対して、又は前記プランジャ（７）に対して、遊び無く緊締された
   転がり軸受け（１３）を介して支承されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のプランジャポンプ。
7. 前記プランジャ（７）は、前記ねじ山付きスピンドル（５）に一緒に回転するように、特に相対回動不能に結合されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のプランジャポンプ。
8. 前記ポンプヘッドは、作業室に通じる、好ましくは指向性の弁を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載のプランジャポンプ。
9. 前記ポンプヘッド（８）内に、前記作業室（９）における前記プランジャ（７）の終端位置を知らせるリミットスイッチが設けられている、請求項１から８までのいずれか１項記載のプランジャポンプ。

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