JP2015507918A - 超高速核酸抽出装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

本発明の一実施形態の核酸抽出装置によれば、核酸抽出に際して、自動化、超小型化及び超高速化が図られ、喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料に制限されることなく、サンプル溶液の消耗量を最小化させ、しかも、信頼性の高い核酸抽出効率を維持及び／または改善することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料から核酸を抽出するための装置に関する。
最近、遺伝子レベルで疾病を診断、治療または予防するために細胞、バクテリアまたはウィルスなどの生物学的試料から核酸を抽出する技術が核酸増幅反応技術と連携されて広く活用されている。また、疾病の診断、治療または予防に加えて、顧客注文型新薬の開発、法医学、環境ホルモン検出など様々な分野において生物学的試料から核酸を抽出する技術が求められているのが現状である。
従来の核酸抽出技術の一例として、細胞を含む試料をＳＤＳやプロテアーゼ（ｐｒｏｔｅｉｎａｓｅ）Ｋで処理して可溶化させた後にフェノールでタンパク質を変性除去して核酸を精製する方法が挙げられる。しかしながら、フェノール抽出法は多くの処理工程を行うことを余儀なくされるため長時間がかかるだけではなく、核酸抽出効率が研究者の経験と熟練性によって大幅に左右されて信頼性が大幅に低下するという問題点があった。最近には、このような問題を解消するために、核酸と特異的に結合するシリカやガラス繊維を用いるキットが用いられている。前記シリカやガラス繊維は、タンパク質、細胞代謝物質などとの結合比が低いため相対的に高い濃度の核酸を得ることができる。このような方法は、フェノール抽出法と比較したときに簡便であるというメリットはあるが、重合酵素連鎖反応（ＰＣＲ）などの酵素反応を強く阻害するカオトロピック試薬やエタノールを用いるためこれらの物質を完全に除去しなければならず、この理由から、操作が非常に煩雑であり、しかも、長時間がかかるという欠点がある。最近、フィルタを用いて核酸を直接的に精製する方法が特許文献１に開示されているが、この方法においては、試料をフィルタに通させて細胞をフィルタに吸着させた後、フィルタに吸着された細胞を溶解させ、フィルタでろ過した後に、フィルタに吸着された核酸を洗浄及び溶出させる。しかしながら、細胞をフィルタに吸着させた後に核酸を溶出させるためには、細胞の種類に応じてフィルタを選択することを余儀なくされるという問題があり、使用装置が大型化及び複雑化して研究者にとって使い勝手が悪いという欠点がある。
国際公開特許第００／２１９７３号
上記の従来の核酸抽出技術の問題点を解消するために、本発明は、既存の核酸抽出装置及び核酸抽出方法とは異なり、自動化、超小型化及び超高速化が図られ、喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料に制限されることなく、サンプル溶液の消耗量を最小化させ、しかも、信頼性の高い核酸抽出効率を維持及び／または改善することのできる核酸抽出装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態は、基板と、前記基板の上部面に配置され、核酸抽出用マイクロ流体チップの下部面が密接されるように水平面が設けられた板状のチップ収容部を有するチップ支持体と、前記チップ収容部の水平面に配置されるが、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップの下部全面のうちの一部に熱を加えるように構成されたヒーターと、を備えることを特徴とする生物学的試料から核酸を抽出するための装置を提供する。
本発明の一実施形態において、前記ヒーターは、接触式板状の熱ブロックであってもよい。
また、前記チップ支持体の上部には、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップの上部面が密接されるように水平面付きチップカバーがさらに配設されていてもよい。
さらに、前記核酸抽出装置は、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液の流れを制御するように構成された流体制御モジュール９００をさらに備えていてもよい。
さらに、前記核酸抽出装置は、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液に提供される熱量を制御するように前記ヒーターと接続された熱制御モジュールをさらに備えていてもよい。
さらに、前記核酸抽出装置は、流入部と、前記流入部と接続された第１チャンネル領域に配置されるが、前記流入部を介して導入される生物学的試料に外部から得られた熱を伝えるように構成された加熱部と、前記加熱部と接続された第２チャンネル領域に配置されるが、核酸に対応する大きさの物質を通過可能な第１フィルタと、前記第１フィルタと接続された第３チャンネル領域に配置されるが、前記核酸と特異的に結合可能な核酸結合物質を有する核酸分離部と、前記核酸分離部と接続された第４チャンネル領域に配置されるが、前記核酸に対応する大きさの物質を通過可能な第２フィルタと、前記第２フィルタと接続された流出部と、を備えるものであり、上部水平面及び下部水平面を備える板状に形成された核酸抽出用マイクロ流体チップをさらに備えていてもよい。
また、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１チャンネル領域から第４チャンネル領域を備えるチャンネルは流体が疎通可能なように構成されるが、前記チャンネルの幅及び深さはそれぞれ０．００１〜１０ｍｍの範囲内に収まっていてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１フィルタ及び第２フィルタは０．１〜０．４μｍの範囲の直径を有する気孔を備えるが、０．０１〜１０ｍｍの範囲の厚さを有していてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１フィルタ及び第２フィルタは０．２μｍの直径を有する気孔を備えるが、０．０１〜０．５ｍｍの厚さを有していてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸分離部は核酸結合物質であってその表面に核酸結合官能基が付着されたビードが配備されていてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸結合官能基が付着されたビードは、０．００１〜２０ｍｍの範囲内の直径を有していてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸分離部は、１μｇ〜２００ｍｇの範囲内で核酸結合官能基が付着されたビードを備えていてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップは、プラスチック材質から製作されてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップは、第１板と、前記第１板の上に配置されるが、前記第１チャンネル領域から第４チャンネル領域を備えるチャンネルが配置された第２板と、前記第２板の上に配置されるが、前記流入部及び前記流出部が配置された第３板と、を備えていてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの前記第１板及び第３板は、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｅｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ、ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる材質を含み、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第２板は、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ、ＰＡ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ、ＰＰＥ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ、ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＰＶＣ）、ポリビニリデンフロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質を含んでいてもよい。
さらに、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第３板の流入部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲内に収まり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの流出部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲内に収まり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１板及び第３板の厚さは０．０１〜２０ｍｍの範囲内に収まり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第２板の厚さは３０μｍ〜１０ｍｍの範囲内に収まってもよい。
本発明に係る核酸抽出装置によれば、核酸抽出に際して、自動化、超小型化及び超高速化が図られ、喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料に制限されることなく、サンプル溶液の消耗量を最小化させ、しかも、信頼性の高い核酸抽出効率を維持及び／または改善することができる。
本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す説明図 チップカバーを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す説明図 流体制御モジュールを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す説明図 熱制御モジュールを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す説明図 本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップを示す説明図 本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップの断面図及び平面図 図５に示す核酸抽出用マイクロ流体チップが本発明の一実施形態による核酸抽出用装置に取り付けられた状態を示す説明図
以下、添付図面に基づき、本発明の一実施形態について詳細に説明する。後述する説明は本発明の一実施形態を容易に理解するためのものに過ぎず、このような説明により本発明の保護範囲が制限されることはない。
図１は、本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す。
図１によれば、生物学的試料から核酸を抽出するための本発明の一実施形態による核酸抽出用装置は基板５００と、前記基板５００の上部面に配置され、核酸抽出用マイクロ流体チップ（図示せず）の下部面が密接されるように水平面が配備された板状のチップ収容部６５０を有するチップ支持体６００と、前記チップ収容部６５０の水平面に配置されるが、前記チップ収容部６５０に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップの下部全面のうちの一部に熱を加えるように構成されたヒーター７００と、を備える。
前記核酸抽出装置とは、核酸抽出のためのあらゆる工程を行うように構成された装置のことをいい、本明細書に記述されていないものであっても、核酸を抽出するために求められる様々なモジュールをさらに備えていてもよいことはいうまでもない。
前記基板５００は、前記基板５００内に配置された後述するヒーター７００の加熱及び温度の維持によりその物理的及び／または化学的な性質が変わることなく、且つ、前記基板５００内におけるヒーター以外の部分に熱伝導による変形を起こさないあらゆる材質から製作されてもよい。前記基板５００は、プラスチック、ガラス、シリコンなどの材質から透明または半透明に製作されてもよいが、これに制限されるものではない。前記基板５００は様々な形状に製作されてもよいが、本発明の一実施形態による核酸抽出装置の小型化のために、図１に示すように、水平面を備える板状に製作されてもよい。
前記チップ支持体６００は、後述する本発明に係る核酸抽出用マイクロ流体チップが取り付けられる部分であり、前記基板５００の上部面に配置され、前記核酸抽出用マイクロ流体チップ（図示せず）が安定的に取り付けられるような材質から作製されてもよいことはいうまでもない。なお、前記チップ支持体６００は、核酸抽出用マイクロ流体チップ（図示せず）の下部面が密接されるように水平面が配備された板状のチップ収容部６５０を備える。前記チップ収容部６５０が板状に製作されることにより、これと核酸抽出用マイクロ流体チップの下部面が密接され、これにより、後述するヒーター７００から伝わる熱接触面積が広くなり、伝熱速度が増大され、核酸抽出用マイクロ流体チップの内部に収容される反応溶液の安定した流体の制御が可能であり、少量の反応溶液でも核酸抽出反応を行うことが可能になる。
前記ヒーター７００は、核酸抽出用マイクロ流体チップ（図示せず）が前記チップ支持体６００に取り付けられたときに前記核酸抽出用マイクロ流体チップの一部に熱を供給するためのモジュールである。前記ヒーター７００は、種々に実現可能であるが、核酸抽出用マイクロ流体チップのできる限り広い表面積に熱を伝えるとともに、伝熱速度を増大させるために、接触式板状の熱ブロックであることが好ましい。本発明の一実施形態において、前記ヒーター７００は前記チップ収容部６００の水平面に配置されるが、前記チップ収容部６００に取り付けられる核酸抽出用マイクロ流体チップの下部全面のうちの一部に熱を加えるように構成される。
図２は、チップカバーを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す。
図２によれば、本発明の一実施形態による核酸抽出用装置は、前記チップ支持体６００の上部に前記チップ収容部６５０に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップ（図示せず）の上部面が密接されるように水平面が配備されたチップカバー８００をさらに備えていてもよい。前記チップカバー８００は、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの安定した取り付けを支持し、前記核酸抽出用マイクロ流体チップから熱が放出されることを遮断して前記核酸抽出用マイクロ流体チップ内における速やかな核酸抽出反応を引き起こす。前記チップカバー８００は、上記の目的を達成するために様々な形状に製作可能であるが、板状に製作されることが好ましい。
図３は、流体制御モジュールを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す。
図３によれば、本発明の一実施形態による核酸抽出用装置は、前記チップ収容部６５０に取り付けられる核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液の流れを制御するように構成された流体制御モジュール９００をさらに備えていてもよい。前記流体制御モジュール９００は、前記チップ支持体６００に取り付けられる核酸抽出用マイクロ流体チップの流入部及び／または流出部と接続されて前記核酸抽出用マイクロ流体チップの内部に核酸抽出のための溶液を導入したり、及び／または、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの内部に存在する溶液を外部に排出したりするように構成されてもよく、及び／または、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの内部において反応溶液の移動を制御するように構成されてもよい。前記流体制御モジュール９００は、様々な構成要素を備えていてもよいが、例えば、流体移動通路である微細チャンネル、流体移動の駆動力を提供する空圧ポンプ、流体移動の開閉が制御可能な弁、及び核酸結合バッファ、溶出バッファ、シリカゲル（ｓｉｌｉｃａ ｇｅｌ）、蒸留水（ＤＷ）など核酸抽出のために求められる様々な溶液を含む貯溜チャンバーなどをさらに備えていてもよいことはいうまでもない。
図４は、熱制御モジュールを備える本発明の一実施形態による核酸抽出用装置を示す。
図４によれば、本発明の一実施形態による核酸抽出用装置は、前記チップ収容部６５０に取り付けられる核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液に提供される熱量を制御するように前記ヒーター７００と接続された熱制御モジュール７５０をさらに備えていてもよい。前記熱制御モジュール７５０は、前記ヒーター７００への電力の供給を制御することにより、前記ヒーター７００の発熱または冷却を制御して、前記核酸抽出用マイクロ流体チップ内において所定の温度及び手順により核酸抽出反応が起こるようにする。一方、図４には示されていないが、本発明の一実施形態による核酸抽出用装置は、前記ヒーター７００と、前記カバー８００と、前記流体制御モジュール９００及び前記熱制御モジュール７５０を自動的に制御するための電子制御モジュール（図示せず）をさらに備えていてもよい。前記電子制御モジュールは、予め記憶されているプログラムにより核酸抽出用マイクロ流体チップ内において定量の核酸が抽出可能なように前記各モジュールを精度よく制御することができる。前記予め記憶されているプログラムとは、例えば、核酸抽出に関する一連の段階に関するプログラムを含む。
図５は、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップを示す。
図５によれば、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップ１は、生物学的試料から核酸を抽出するためのものであり、流入部１０と、前記流入部１０と接続された第１チャンネル領域に配置されるが、前記流入部１０を介して導入される生物学的試料に外部から得られた熱を伝えるように構成された加熱部２０と、前記加熱部２０と接続された第２チャンネル領域に配置されるが、核酸に対応する大きさの物質が通過可能な第１フィルタ３０と、前記第１フィルタ３０と接続された第３チャンネル領域に配置されるが、前記核酸と特異的に結合可能な核酸結合物質４５を有する核酸分離部４０と、前記核酸分離部４０と接続された第４チャンネル領域に配置されるが、前記核酸に対応する大きさの物質が通過可能な第２フィルタ５０と、前記第２フィルタ５０と接続された流出部６０と、を備える。
前記核酸抽出用マイクロ流体チップ（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｃｈｉｐ）とは、核酸抽出のための構成要素、すなわち、流入部（ｉｎｌｅｔ）と、流出部（ｏｕｔｌｅｔ）と、前記流入部及び流出部を接続するチャンネル（ｃｈａｎｎｅｌ）と、第１フィルタ及び第２フィルタなど規格がミリメートル（ｍｍ）またはマイクロメートル（μｍ）単位である超小型チップのことをいう。
前記生物学的試料は、ＤＮＡまたはＲＮＡなどの核酸を含む生物学的物質であり、例えば、動物細胞、植物細胞、病原菌、カビ、バクテリア、ウィルスなどを含む液体試料であってもよいが、本発明はこれらに制限されるものではない。
前記流入部１０は、前記生物学的試料または核酸抽出のための溶液などが前記マイクロ流体チップの内部に導入される部分であり、前記流出部６０は、前記生物学的試料から取得された核酸、核酸抽出のための溶液、その他の廃棄物（ｗａｓｔｅ）などが前記マイクロ流体チップの外部に排出される部分である。この場合、必要に応じて、流入部１０と流出部６０は、それぞれ流出部及び流入部の役割を果たしてもよい。前記核酸抽出のための溶液は、核酸抽出時に求められるあらゆる溶液を含み、例えば、蒸留水、核酸結合バッファ（ｂｉｎｄｉｎｇ ｂｕｆｆｅｒ）、溶出バッファ（ｅｌｕｔｉｏｎ ｂｕｆｆｅｒ）などであってもよい。一方、前記流入部１０及び前記流出部６０は、チャンネル７０により流体が疎通可能なように接続され、後述する加熱部２０と、第１フィルタ３０と、核酸分離部４０及び第２フィルタ５０などの構成要素は前記チャンネル７０に駆動可能なように配置されて各機能を行う。前記チャンネル７０は様々な規格を有するように構成されてもよいが、前記チャンネルの幅及び深さはそれぞれ０．００１〜１０ｍｍの範囲内に収まることが好ましい。後述する第１、第２、第３及び第４チャンネル領域は、前記流入部１０から前記流出部６０までの順次的な配置を意味するものであり、前記チャンネル７０内の特定の位置に制限されることはない。
前記加熱部２０は、前記流入部１０を介して導入された溶液（生物学的試料を含む）に外部から得られた熱が加えられる部分であり、前記流入部１０と接続された第１チャンネル領域に配置される。例えば、前記流入部１０を介して細胞、バクテリアまたはウィルスを含む試料が導入される場合、前記細胞、バクテリアまたはウィルスが前記加熱部２０に達すれば瞬時に約８０〜１００℃に加熱されるため、前記細胞、バクテリアまたはウィルスの外壁が破壊され、その細胞内物質が外部に放出される（細胞溶解）。前記加熱部２０には、本発明の一実施形態による核酸抽出装置のヒーター７０から接触方式により熱が供給される。
前記第１フィルタ３０は、所定の大きさの気孔（ｐｏｒｅ）を有する構造体であり、流体の流れ方向に前記気孔を介して大きさ別に通過物質及び非通過物質を区別する役割を果たす。本発明の一実施形態において、前記第１フィルタ３０は前記加熱部２０と接続された第２チャンネル領域に配置され、核酸に対応する大きさの物質を通過させるように構成される。前記第１フィルタ３０は、前記加熱部２０を用いた加熱により生成された溶解産物のうち核酸よりも大きな物質を前記加熱部２０に捕集するが、核酸及びそれに対応する大きさを有する物質はろ過して後述する核酸分離部４０に移動させる。前記第１フィルタ３０は、様々な規格を有するように構成可能であり、０．１〜０．４μｍの範囲の直径を有する気孔を備えるが、０．０１〜１０ｍｍの範囲の厚さを有することが好ましい。より好ましくは、前記第１フィルタ３０は、０．２μｍの直径を有する気孔を備えるが、０．０１〜０．５ｍｍの厚さを有することが好ましい。
前記核酸分離部４０は、核酸またはこれに対応する大きさを有する物質のうち前記核酸を選択的に分離するためのものである。図５によれば、前記核酸分離部４０は、前記第１フィルタ３０と後述する第２フィルタ５０との間の空間であり、前記核酸と特異的に結合可能な核酸結合物質４５を備えている。前記核酸結合物質４５は、核酸と特異的に結合可能なあらゆる物質を含む。前記核酸結合物質４５は、核酸結合官能基が付着されたものであり、例えば、シリカ（ＳｉＯ２）ビード、ビオチン（ｂｉｏｔｉｎ）またはストレプトアビジン（Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ）付きビードであってもよい。前記核酸結合官能基付きビードは、様々な規格を有するように構成されてもよいが、０．００１〜２０ｍｍの範囲内の直径を有することが好ましい。また、前記核酸分離部４０は、前記核酸結合官能基付きビードを様々な含量で含んでいてもよいが、１μｇ〜２００ｍｇの範囲内で含むことが好ましい。前記核酸結合物質４５に核酸が特異的に結合された後、前記核酸分離部４０の内部を洗浄してこの物質を除去すれば、前記核酸結合部４０にはターゲット核酸−核酸結合物質４５の複合体（ｃｏｍｐｌｅｘ）のみが残留する。その後、前記核酸分離部４０に溶出バッファが提供されれば、前記ターゲット核酸が前記複合体から分離される。
前記第２フィルタ５０は、上述した第１フィルタ３０のように、所定の気孔を有する構造体であり、流体の流れ方向に前記気孔を介して大きさ別に通過物質及び非通過物質を区別する役割を果たす。本発明の一実施形態において、前記第２フィルタ５０は、前記核酸分離部４０と接続された第４チャンネル領域に配置され、核酸に対応する大きさの物質を通過できるように構成される。前記第２フィルタ５０は、前記核酸分離部４０において前記核酸結合物質４５を捕集するが、前記核酸結合物質４５から分離された核酸はろ過して前記流出部６０に移動させる。前記第２フィルタ５０は様々な規格を有するように構成可能であり、０．１〜０．４μｍの範囲の直径を有する気孔を備えるが、０．０１〜０．５ｍｍの範囲の厚さを有することが好ましい。さらに好ましくは、前記第２フィルタ５０は、０．２μｍの直径を有する気孔を備えるが、０．３ｍｍの厚さを有することが好ましい。
図６は、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップの断面図及び平面図である。
図６によれば、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップ１は、第１板１００と、前記第１板の上に配置されるが、前記第１チャンネル領域から第４チャンネル領域を備えるチャンネル７０が配置された第２板２００と、前記第２板２００の上に配置されるが、前記流入部１０及び前記流出部６０が配置された第３板３００と、を備えていてもよい。本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップは様々な材質から製作可能であるが、好ましくは、プラスチック材質から製作される。このように、プラスチック材質を用いる場合、プラスチックの厚さを調節するだけで伝熱効率を増大させることができ、製作工程が単純であり、しかも、製造コストを大幅に節減することができる。
一方、前記第１板１００及び第３板３００は、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｅｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ、ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる材質を含み、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第２板は、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ、ＰＡ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ、ＰＰＥ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ、ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＰＶＣ）、ポリビニリデンフロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質を含んでいてもよい。また、前記第３板の流入部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲内に収まり、前記流出部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲内に収まり、前記第１板及び第３板の厚さは０．０１〜２０ｍｍの範囲内に収まり、前記第２板の厚さは３０μｍ〜１０ｍｍの範囲内に収まることが好ましい。なお、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップは、必要に応じて、２以上の流入部と、流出部及びこれらを接続するチャンネルを備えるように構成されてもよく、この場合、一つのチップ上において２以上の生物学的試料から核酸を抽出することができて速やかに且つ効率よく核酸を抽出することができる。
図７は、図５に示す核酸抽出用マイクロ流体チップが本発明の一実施形態による核酸抽出用装置に取り付けられた状態を示す。
図７によれば、板状の核酸抽出用マイクロ流体チップ１が本発明の一実施形態による核酸抽出装置の前記チップ収容部６５０に密着されるように取り付けられた状態で核酸抽出反応が行われる。具体的に、本発明の一実施形態による核酸抽出装置を用いて生物学的試料から核酸を抽出する方法は、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップ１を提供するステップ（マイクロ流体チップ提供ステップ）と、前記マイクロ流体チップ１の流入部を介して喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料を導入するステップ（生物学的試料導入ステップ）と、前記導入された生物学的試料を前記マイクロ流体チップ１の加熱部に移動させた後に前記ヒーター７００を介して前記マイクロ流体チップ１の加熱部に熱を加えて前記生物学的試料を溶解させるステップ（生物学的試料溶解ステップ）と、前記溶解ステップにおいて取得された物質を前記マイクロ流体チップ１の第１フィルタに移動させた後、前記第１フィルタを介して通過させ、前記第１フィルタを通過していない物質を除去するステップ（第１フィルタを用いたろ過ステップ）と、前記第１フィルタを通過した物質を前記マイクロ流体チップ１の核酸分離部に移動させた後、前記第１フィルタを通過した物質のうち核酸を前記核酸結合物質に結合させ、前記核酸結合物質に結合されていない物質を除去するステップ（核酸分離ステップ）と、前記核酸結合物質から前記核酸を分離させ、前記分離された核酸を前記第２フィルタに移動させた後、第２フィルタを介して通過させるステップ（第２フィルタを用いたろ過ステップ）と、前記第２フィルタを通過した物質を前記流出部に移動させた後、前記流出部を介して前記核酸を抽出するステップ（核酸抽出ステップ）と、を含んでいてもよい。したがって、本発明に係る核酸抽出用装置を用いれば、核酸抽出反応に際して、自動化、超小型化及び超高速化が図られ、喀痰、血液、細胞、尿、唾液、組織など生物学的試料に制限されることなく、サンプル溶液の消耗量を最小化させ、しかも、信頼性の高い核酸抽出効率を維持及び／または改善することができる。
実験例．核酸抽出の算出量及び進行時間の確認
先ず、結核菌株細胞を対象として、通常のチューブを用いる核酸抽出装置と本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップを用いる核酸抽出装置をそれぞれ用いてＤＮＡを抽出した後、その算出量及び進行時間を確認した。
通常の核酸抽出ステップは、下記の通りである。結核菌株細胞を準備し、前記結核菌株細胞を６％のＮａＯＨ及び４％のＮａＬＣと１：１：１の割合で混合してサンプル溶液を製造した。次いで、前記サンプル溶液を遠心分離して上澄み液を除去した（２０分、４３００ｒｐｍ、４℃）。次いで、サンプル溶液に蒸留水（ＤＷ）１ｍlを添加し、ボルテックスした後、前記サンプル溶液を他のチューブに移した。次いで、前記サンプル溶液をさらに遠心分離した後、上澄み液を除去した（３分、１２０００ｒｐｍ、常温）。次いで、前記サンプル溶液に蒸留水（ＤＷ）１ｍlを添加し、ボルテックスした。次いで、前記サンプル溶液に蒸留水（ＤＷ）５００μlを添加し、誘電体ＤＮＡを得た（この場合、商業的に利用可能なＱＩＡａｍｐ ＤＮＡキットを用いた）。その結果、最終的なＤＮＡ産物は約１００μlが得られ、最終的なＤＮＡ産物を得るのに約１時間以上かかった。
次いで、本発明の一実施形態による核酸抽出用マイクロ流体チップ１及び核酸抽出装置を用いて、同じ結核菌株細胞から核酸を抽出したが、その詳細な過程は、下記の通りである。結核菌株細胞を準備し、前記結核菌株細胞を６％のＮａＯＨ及び４％のＮａＬＣと１：１：１の割合で混合してサンプル溶液を製造した。次いで、図１に示す核酸抽出用マイクロ流体チップ｛２５×７２×２ｍｍ、シリカビード（ＯＰＳ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ、ＬＬＣ）、フィルタ（Ｗｈａｔｍａｎ）｝の流入部にシリンジを用いて前記サンプル溶液を導入した（約１分かかった）。次いで、本発明の一実施形態によるマイクロ流体チップの流入部にシリカゲル及び１ＸのＤＮＡ結合バッファ（ｂｉｎｄｉｎｇ ｂｕｆｆｅｒ）３００μlを導入した後、本発明の一実施形態によるマイクロ流体チップの加熱部を９５℃に急速に加熱した（約１分３０秒かかった）。次いで、本発明の一実施形態によるマイクロ流体チップの流入部を介してサンプル溶液中の廃棄物を除去し、溶出バッファ１００μlを導入した（約３０秒かかった）。次いで、本発明の一実施形態によるマイクロ流体チップの流出部を介して最終産物を得た。確認したところ、最終的なＤＮＡ産物は約１００μlが得られ、最終的なＤＮＡ産物を得るのに合計で約７分かかった。この場合、前記実験を手作業ではなく、自動化核酸抽出装置を用いて行う場合、その所要の時間は約５分以内に短縮されるということはいうまでもない。
前記実験の結果、本発明の一実施形態によるマイクロ流体チップ及び核酸抽出装置を用いれば、核酸抽出産物の量はそのまま維持されるのに対し、既存の核酸抽出方法とは異なり、合計の所要の時間は大幅に短縮させることができるということを確認することができる。

Claims (16)

  1. 基板と、
    前記基板の上部面に配置され、核酸抽出用マイクロ流体チップの下部面が密接されるように水平面が設けられた板状のチップ収容部を有するチップ支持体と、
    前記チップ収容部の水平面に配置され、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップの下部全面のうちの一部に熱を加えるように構成されたヒーターと、を備える
    ことを特徴とする生物学的試料から核酸を抽出する装置。
  2. 前記ヒーターは、接触式板状の熱ブロックである
    請求項１に記載の装置。
  3. 前記チップ支持体の上部には、前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップの上部面が密接されるように水平面が配備されたチップカバーが配設される
    請求項１に記載の装置。
  4. 前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液の流れを制御する流体制御モジュールを備える
    請求項１に記載の装置。
  5. 前記チップ収容部に取り付けられる前記核酸抽出用マイクロ流体チップに収容された反応溶液に提供される熱量を制御するように前記ヒーターと接続された熱制御モジュールを備える
    請求項１に記載の装置。
  6. 流入部と、
    前記流入部と接続された第１チャンネル領域に配置され、前記流入部を介して導入される生物学的試料に外部から得られた熱を伝えるように構成された加熱部と、
    前記加熱部と接続された第２チャンネル領域に配置され、核酸に対応する大きさの物質を通過可能な第１フィルタと、
    前記第１フィルタと接続された第３チャンネル領域に配置され、前記核酸と特異的に結合可能な核酸結合物質を有する核酸分離部と、
    前記核酸分離部と接続された第４チャンネル領域に配置され、前記核酸に対応する大きさの物質を通過可能な第２フィルタと、
    前記第２フィルタと接続された流出部と、を備え、
    また、上部水平面及び下部水平面を備える板状に形成された核酸抽出用マイクロ流体チップを備える
    請求項１に記載の装置。
  7. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１チャンネル領域から、第４チャンネル領域を備えるチャンネルは流体が疎通可能なように構成され、前記チャンネルの幅及び深さはそれぞれ０．００１〜１０ｍｍの範囲である
    請求項６に記載の装置。
  8. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１フィルタ及び第２フィルタは、０．１〜０．４μｍの範囲の直径を有する気孔を備え、０．０１〜１０ｍｍの範囲の厚さを有する
    請求項６に記載の装置。
  9. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１フィルタ及び第２フィルタは、０．２μｍの直径を有する気孔を備え、０．０１〜０．５ｍｍの厚さを有する
    請求項８に記載の装置。
  10. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸分離部は核酸結合物質であって、その表面に核酸結合官能基が付着されたビードが配備されている
    請求項６に記載の装置。
  11. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸結合官能基が付着されたビードは、０．００１〜２０ｍｍの範囲の直径を有する
    請求項１０に記載の装置。
  12. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの核酸分離部は、１μｇ〜２００ｍｇの範囲で核酸結合官能基が付着されたビードを備える
    請求項１０に記載の装置。
  13. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップは、プラスチック材質から製作される
    請求項６に記載の装置。
  14. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップは、第１板と、前記第１板の上に配置され、前記第１チャンネル領域から第４チャンネル領域を備えるチャンネルが配置された第２板と、前記第２板の上に配置され、前記流入部及び前記流出部が配置された第３板と、を備える
    請求項６に記載の装置。
  15. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの前記第１板及び第３板は、ポリジメチルシロキサン（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ、ＰＤＭＳ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｅｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｒｃｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、ポリプロピレンカーボネート（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＰＣ）、ポリエーテルスルホン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ、ＰＥＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＥＴ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる材質を含み、
    前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第２板は、ポリメチルメタクリレート（ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ、ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、ＣＯＣ）、ポリアミド（ｐｏｌｙａｍｉｄｅ、ＰＡ）、ポリエチレン（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＥ）、ポリプロピレン（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＰＰ）、ポリフェニレンエーテル（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ、ＰＰＥ）、ポリスチレン（ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅ、ＰＳ）、ポリオキシメチレン（ｐｏｌｙｏｘｙｍｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ、ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ、ＰＴＦＥ）、ポリビニールクロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｃｈｌｏｒｉｄｅ、ＰＶＣ）、ポリビニリデンフロリド（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｆｌｕｏｒｉｄｅ、ＰＶＤＦ）、ポリブチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｂｕｔｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ、ＰＢＴ）、フッ素化エチレンプロピレン（ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ ｅｔｈｙｌｅｎｅｐｒｏｐｙｌｅｎｅ、ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシアルカン（ｐｅｒｆｌｕｏｒａｌｋｏｘｙａｌｋａｎｅ、ＰＦＡ）及びこれらの組み合わせよりなる群から選ばれる熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂材質を含む
    請求項１４に記載の装置。
  16. 前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第３板の流入部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲であり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの流出部の直径は０．１〜５．０ｍｍの範囲であり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第１板及び第３板の厚さは０．０１〜２０ｍｍの範囲であり、前記核酸抽出用マイクロ流体チップの第２板の厚さは３０μｍ〜１０ｍｍの範囲である
    請求項１４に記載の装置。
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