JP2016512431A - 呼吸サンプルの収集および分析のためのシステム - Google Patents

Abstract

診断のために患者からサンプルを収集するためのシステムおよび方法が提供される。多くの実施形態では、サンプル収集および分析システムは、患者の気道感染もしくは他の疾患の診断のためのサンプル中に、患者の咳、くしゃみ、または呼吸から出る粒子を濃縮する。サンプル収集および分析システムは、患者インターフェースである事前収集アセンブリと、対象から排出された空気の量を効率的に捕捉すること、排出された空気をサンプル貯留器の方へ導くこと、ならびに排出された空気から所望の粒子サイズをサンプル貯留器の中に分離することを組み合わせて機能するサンプル貯留器と流体連通した収集器とを有する。

Description

（発明の分野）
本発明は、細菌または生物学的粒子を収集して分析するためのシステムに関し、より具体的には、環境からもしくは患者から細菌性感染、例えば、結核等について、診断用のサンプルを調製する、またはサンプルを直接診断するために使用され得る、空中浮遊細菌性あるいは生物学的粒子検出のためのエアロゾル収集システムを備えるシステムに関する。

（発明の背景）
呼吸器官の病気の診断用の良質サンプルを収集することは複数の課題を提起する。この課題は、異なる疾患状態間で微細な違いを持たされるが、共通する主題が現れる。例として、結核、インフルエンザ、および肺炎が、特定の診断課題をそれぞれ代表する３つの病気である。

活動性結核（ＴＢ）は、年間約２百万人の死亡をもたらし、それを世界的な感染性疾患から第２の主要な死亡原因にしている。世界中で推定９．３百万の人々が毎年ＴＢにかかり、そのうち約４．４百万人が未診断である。ＴＢはまた、重大な生物テロの脅威となる。結核菌（Ｍ．ｔｕｂｅｒｃｕｌｏｓｉｓ）は、ＮＩＡＩＤ Ｃａｔｅｇｏｒｙ Ｃ Ｐｒｉｏｒｉｔｙ Ｐａｔｈｏｇｅｎとして分類され、そして空中浮遊液滴を主に通して伝染される（わずか２つの液滴がＴＢ感染を引き起こし得る）。多剤耐性菌が、ＴＢ診断や治療をさらに複雑にして、生物テロ媒体としてそれの脅威を増大させる。適切に診断されるときにＴＢは治療され得る。現在、喀痰が、ＴＢ診断用に使用される最も一般的なサンプリング方法である。唾液サンプルに頼る診断法は、唾液の収集に付随する不利益に悩まされる。唾液は、一部の患者（子供や高齢者）から収集することが困難であり、喀出欠陥のある患者（患者の約２０％）からは達成不可能である。これらの場合において、喀痰誘発法や胃吸引等の処置が必要とされ、それらの全ては施すことが困難であり、そしてそれらは医療提供者を接触伝染性検体にさらすので危険である。他の場合には、気管支肺胞洗浄（ＢＡＬ）を伴う気管支鏡検査法が実行される。この処置は、高価であり、医師を必要とし、そして知覚状態で鎮静作用を伴う合併症をもたし得る。生物テロ攻撃の場合において、これらの方法は禁止になり得る。唾液サンプルが達成可能であるとき、口腔咽頭細菌叢、つば、粘液、および細胞残渣による汚染が診断法の感度や特異性に悪影響を及ぼす。非汚染および不希釈唾液でさえも、ＴＢに感染した患者において低濃度の結核菌を本質的に有することがある。

肺炎は、米国における感染性疾患の中で主要な死亡原因であり、米国では、毎年約１．１百人が入院し、約５０，０００人が死亡する。肺炎は、下気道（ＬＲＴ）の感染であり、典型的には、ウィルスおよび／または細菌によって引き起こされる。肺炎の診断における主要な課題は、良質サンプルを取得することであり、すなわち、肺炎の病原体は、ＬＲＴ感染を引き起こさずに健常者の上気道（ＵＲＴ）に定着することが多いからである。診断サンプルがＵＲＴ汚染物質を含む場合、サンプルは捨てられる（低診断歩留り）、あるいは誤った病原体が特定され得る（低特異性）。唾液または気管支肺胞洗浄液（ＢＡＬ）は、肺炎の病原体を特定するために使用される最も一般的なサンプルである。しかしながら、両サンプルは、かなりの制限を受ける。唾液は、全ての患者によって、特に５歳未満の子供において、作り出されることができない。誘発法の助けを用いたとしても、唾液は、肺炎患者のうち推定４０％において取得不可能である。収集されるとき、唾液サンプルは、ＵＲＴ細菌叢の汚染を受けて、サンプルの５０％までが捨てられる。ＢＡＬは、診断分析のための高品質サンプルを提供するが、それは侵襲性であり、鎮静作用を必要とし、したがって、危険性の高い患者においてのみ推薦される。結果として、地域感染型肺炎（ＣＡＰ）は、診断サンプルがない場合に広域スペクトル抗生物質の処方を使用して治療される。院内感染肺炎（ＨＡＰ）の疫学は、ＣＡＰと大幅に異なるため、ＨＡＰは、同じ経験的抗生物質の処方を用いて治療されることができず、むしろ、治療の前の病因の識別が必要である。ＨＡＰにおいて、ＢＡＬは診断のために推薦されるサンプルである。患者に対して最小限のリスクで易感染性ではないサンプルを取得して臨床業務における抗菌性管理を促進するために、非侵襲性の下部管サンプル収集の新たな方法が必要とされる。より良いサンプル収集が、ＣＡＰにおける病原体の診断において１０％未満の歩留りを改善して、ＨＡＰにおける侵襲性処置に取って代わることに役立つことになる。

季節性インフルエンザは、世界規模の公衆衛生に対する脅威であり、毎年３〜５万件の重症疾患と２５０，０００人の死亡をもたらす。広域的流行インフルエンザは、新たな株のときに発生し、それのための事前免疫がほとんど存在せず、人間集団において循環し始める。ごく最近、２００９年のＡ（Ｈ１Ｎ１）豚インフルエンザの広域的流行は、追加の２８０，０００人の死亡をもたらした。驚くことに、例えば、Ａ（Ｈ１Ｎ１）豚インフルエンザやＡ（Ｈ５Ｎ１）鳥インフルエンザ等の一定のインフルエンザ株は、下気道に感染して重症疾患をもたらす増大された傾向がある。インフルエンザの診断は、典型的には、鼻咽頭（ＮＰ）スワブを使用して、上気道の喉および鼻腔から収集されるサンプルに対して実行される。しかしながら、侵襲性手順のみが、下気道インフルエンザの適切な診断のためにサンプルを収集することができる。特に、最近のＡ（Ｈ１Ｎ１）広域的流行の間に、多くのインフルエンザ症状が、ＮＰスワブサンプルから陰性として診断されたが、下気道サンプルからは陽性として診断された。これらの発見は、重度のインフルエンザのような病を患う患者からの下気道サンプルを分析する必要性を強調する。抗ウィルス療法を行うことが、より適切に適用され得、それによって、患者の治療を改善する。最終的に、専ら上気道サンプルから収集されたインフルエンザ観察データは、下気道を優先的に標的にする新生菌株見落とし得る。経気管吸引、気管支肺胞洗浄、および肺生検等の下気道からサンプルを取得する現在の方法は、非常に侵襲性である。

他の疾患状態もまた、サンプル収集方法論における改善から恩恵を受け得る。これらは、限定されないが、非結核マイコバクテリア感染および呼吸合胞体ウィルスを含み得る。しかしながら、これらの３つの病気だけによって提示される課題は、診断法の分野が、改善されたサンプル収集方法論の利益になるであろうことを実証する。

（発明の要旨）
多くの実施形態において、本開示は、細菌または生物学的粒子を収集して分析するための、ならびに環境から、または患者から、例えば、結核等の細菌性感染について、診断用のサンプルを調製するための、あるいはサンプルを直接診断するためのシステムに関する。

いくつかの実施形態では、本発明は、生物学的サンプル収集器システムに関し、このシステムは、
・中に含まれる任意の生物学的微粒子を含む患者からの呼気の全体が、収集器システム内に捕捉されるように、患者と係合するように構成された、事前収集アセンブリと、
・標的生物学的微粒子をサンプル媒体内に取り込んで、診断分析に適したサンプル分析物を形成するためのサンプル媒体をその中に有する容積を定義する、サンプル貯留器と、
・事前収集アセンブリとサンプル貯留器との間で流体連通するとともに、その終端部において流体集束ノズルを有する収集器であって、この呼気から標的サイズよりも大きな該生物学的微粒子を選択して、サンプル媒体中への標的生物学的微粒子の効率的な移動が得られるように、この標的生物学的微粒子を上記サンプル貯留器に導くように構成された、収集器とを含み、
・ここで、呼気の少なくとも一部は、いずれの一回の呼吸においても上記事前収集アセンブリを通って上記収集器中に流れ、そして上記呼気の残りは、上記事前収集アセンブリ内に一時的に貯蔵される。

他の実施形態では、流体集束ノズルの入口とこのノズルの上流の収集器との間に形成される角度は、上記ノズルの入口における再循環ゾーンの形成が妨げられるように構成され、ここで、ノズルの長さは、上記生物学的微粒子がそれらの終端速度に達することを妨げるように構成され、ここで、ノズルの直径は、粒子の跳ね返りを減らすとともに特定の流速における収集を増やすように構成され、そしてここで、ノズルの長さのノズルの直径に対する比率は、上記生物学的微粒子がノズルの壁に交わらないように構成される。

さらに他の実施形態では、サンプル貯留器は、収集器と流体接続するカートリッジモジュール中に組み込まれ、このカートリッジモジュールは、上記収集器システムから取り外し可能であり、そして診断分析器の入力部と協動して係合するように構成される。いくつかのそのような実施形態では、サンプル貯留器を含むカートリッジモジュールは、外部雰囲気からサンプル媒体を隔離するように構成された自己封止機構を備える。他のそのような実施形態では、サンプル貯留器を含むカートリッジモジュールの部分は、診断分析器の入力部中に上記サンプル媒体を吐出するための機構を含む。

さらに他の実施形態では、サンプル貯留器内に含まれたサンプル媒体は、錠剤、造粒塩、液体、薄膜、およびゲルから成る群から選択された形態をとる。

なおもさらなる他の実施形態では、サンプル貯留器への入口は、流体集束ノズルに対向して配置される。いくつかのそのような実施形態では、サンプル貯留器内に含まれたサンプル媒体の露出した表面は、ノズルの直径と類似するように寸法を定められる。他のそのような実施形態では、サンプル媒体は液体であり、そしてサンプル貯留器は、ノズルの端部とサンプル媒体の露出した表面との間に空隙をさらに備え、そしてここで、空隙の断面、ノズルの断面、およびノズルの端部とサンプル媒体の露出した表面との間の距離は、サンプル媒体の露出した表面における呼気の速度が２０ｍ／秒未満であるように構成される。

なおもさらなる他の実施形態では、ノズルの端部からサンプル媒体の露出した表面の間の距離とノズル直径との比率は、１．２以上であるか、または１．６以下である。

なおもさらなる他の実施形態では、ノズル入口における再循環ゾーンの形成が妨げられるように、流体集束ノズルの入口と上記ノズルの上流の収集器との間に形成された角度は、３０o未満である。

なおもさらなる他の実施形態では、ノズルの長さのノズルの直径に対する比率は、２．２５未満である。

なおもさらなる他の実施形態では、ノズル直径は、上記粒子の直径によって乗じられた、サンプル媒体の表面における生物学的微粒子の速度が、５０未満であるように構成され、目的の粒子サイズの収集効率が０．９よりも大きいように、サンプル媒体の表面に対する生物学的微粒子の跳ね返りを制御する。

なおもさらなる他の実施形態では、収集器は、特定の流れ容量を有し、そして上記事前収集器アセンブリは、収集器の流れ容量を超える患者からの呼気の任意の部分を捕捉するように構成された一時的貯蔵容積をさらに備える。いくつかのそのような実施形態では、一時的貯蔵部は一方向バルブ機構を含み、それによって、一時的貯蔵容積に捕捉された息が、患者によって吸入されることを妨げられ、患者による吸入の間に収集器の中に捕捉された息を放出する。他のそのような実施形態では、一方向バルブは、自動化された機構または患者による手動のいずれか１つによって起動される。なおも他のそのような実施形態では、事前収集器アセンブリは、事前収集器アセンブリを通して患者による息の吸入を可能にする第２の一方向バルブをさらに備える。さらに他のそのような実施形態では、一時的貯蔵容積は、潜在的なエネルギーとして呼気の量と呼気の仕事量の両方の少なくとも一部を貯蔵するように、上記一時貯蔵容積は弾性材料から形成され、そしてここで、潜在的なエネルギーは、上記収集システムの中に呼気の上記貯蔵された部分を放出することによって動的な流れに変換され得る。

なおもさらなる他の実施形態では、上記事前収集器アセンブリは、上記標的生物学的微粒子から標的サイズよりも大きな生物学的微粒子をフィルタリング除去するためのフィルタ機構をさらに備える。いくつかのそのような実施形態では、標的サイズよりも大きな微粒子が、バルブに衝突し、そして上記収集器に入ることを妨げられるように、上記フィルタ機構は、患者による吐き出しの間に曲がるように構成された一方向バルブを備える。

なおもさらなる他の実施形態では、上記収集器は、第１および第２の端部を有する空気力学的な衝撃器であって、その中に流体経路を画定する空気力学的な衝撃器をさらに備え、そしてここで、この空気力学的な衝撃器は、気体サンプルに減速慣性力を加え、そしてここで、上記慣性力の大きさは、低慣性力においては上記サンプル内の任意の生物学的微粒子が上記衝撃器を無傷で通過するように、そして閾値を上回る慣性力においてはサンプル内の任意の生物学的微粒子が溶解してその内部成分を放出するように変動され得る。いくつかのそのような実施形態では、標的生物学的微粒子の内部成分は、ＤＮＡを含む。

なおもさらなる他の実施形態では、上記システムは、患者の呼気の十分な量が収集されているという指標を提供するように構成された能動制御をさらに含む。いくつかのそのような実施形態では、この能動制御は、特徴的生物学的物質のためのインジケータおよび患者からの呼気の物理的測定から成る群から選択される。

なおもさらなる他の実施形態では、上記事前収集器アセンブリは、粒子成長を妨げるように構成された湿度制御システムをさらに備える。

追加の実施形態や特徴が、以下に続く記載において一部明記され、また、一部は、明細書の調査後に当業者に明らかになるであろう、または開示された主題の実施によって習得されるであろう。本開示の本質や利点のさらなる理解は、この開示の一部を形成する明細書や図面の残りの部分を参照にすることによって実現されてもよい。

この記載は、以下の図面やデータグラフを参照にしてより十分に理解されることになり、それらは、開示の種々の実施形態として提示されるものであり、開示の範囲の完全な詳述として解釈されるべきではない。

図１は、本発明の実施形態による、サンプル収集および分析システムの実施形態の概略図を提供する。 図２ａ−２ｃは、本発明の実施形態による、カートリッジモジュールおよびサンプル移動の機構の実施形態の概略図を提供する。 図３ａ−３ｃは、本発明の実施形態による、収集器の断面に示されるサンプル貯留器の概略図を提供する。 図４は、本発明の実施形態による、先細リングを使用して平坦表面上のその縁に固定されたポリカーボネート表面におけるサンプル貯留器の概略図を提供する。 図５は、本発明の実施形態による、ｄ２およびｘ２が収集効率およびサンプル貯留器表面における速度に関係しているという関係を示す、計算流体力学（ＣＦＤ）シミュレーションから取得されたデータグラフを提供する。 図６は、本発明の実施形態による、収集器の断面の概略図および収集器ノズルの入口における速度のＣＦＤデータ駆動型のベクトルを提供する。 図７は、本発明の実施形態による、ノズル角度と壁損失との間の関係を示すＣＦＤシミュレーションから取得されたデータグラフを提供する。 図８ａおよび８ｂは、本発明の実施形態による、異なるノズル喉の長さを有する収集器の実施形態の断面の概略図を提供するものであり、概略図上の重ね合わせが、ＣＦＤデータ駆動型の粒子飛跡である。 図９ａおよび９ｂは、本発明の実施形態による、収集効率と衝突速度に対するノズル直径（ｄ１）の関係を示すデータグラフを提供する。 図１０ａ−１０ｃは、本発明の実施形態による、事前収集器アセンブリの概略図を提供する。 図１１ａは、本発明の実施形態による、事前収集器アセンブリ断面の概略図を提供するものであり、それによって、一方向バルブが低域通過フィルタとして機能して、概略図上の重ね合わせは、ＣＦＤデータ駆動型の１０μｍ粒子飛跡ならびに空気速度の輪郭である。図１１ｂは、本発明の実施形態による、２つの異なるバルブ曲げ角度に対する粒子直径の関数として粒子貫通を示すデータグラフを提供する。 図１２ａは、本発明の実施形態による、細胞破壊や収集を図示するとともに、収集貯留器における細胞に対するＤＮＡの比率を決定するための測定過程を示す、収集器の実施形態の概略図を提供する。図１２ｂは、本発明の実施形態による、より高いＰ１／Ｐ０における細胞破壊に起因する細胞外のＤＮＡの増加を示すデータグラフを提供する。 図１３は、本発明の実施形態による、サンプル収集システムの概略図を提供する。 図１４は、先行技術のＡｎｄｅｒｓｏｎ収集器と比較して、図１３に示される本発明の実施形態を使用する検出改良を示すデータグラフを提供する。

（発明の詳細な説明）
ここで図面を参照にすると、診断のために患者からサンプルを収集するためのシステムおよび方法が図示される。多くの実施形態では、サンプル収集および分析システムが、患者の気道感染もしくは他の疾患の診断のためにサンプルにおいて患者の咳、くしゃみ、または呼吸から出る粒子を濃縮する。（図１に概略的に示されるように）いくつかのそのような実施形態では、サンプル収集および分析システム（１）は、（患者インターフェース２である）事前収集アセンブリと、この事前収集アセンブリとサンプル貯留器（４）との間で流体連通している収集器（３）であって、被験体から排出された空気の容量を効率的に捕捉するし、サンプル貯留器に向かって排出された空気を向け、ならびにサンプル貯留器中に排出された空気から所望の粒子サイズを分離することを組み合わせて機能する、収集器を有する。

多くの実施形態では、サンプル貯留器内に収集された排出粒子は、診断デバイスセンサの変換器において信号を生成する分析物の供給源である。そのような実施形態では、この分析物は、病気のシグネチャを提供する有機、無機、もしくは生物学的分子を含有する液体液滴；断片もしくは無傷の生存または死滅細菌細胞、ウィルス、あるいは被験体に由来する細胞を含有する液体液滴；ならびに乾燥断片もしくは無傷の生存または死滅細菌細胞、ウィルス、あるいは対象に由来する細胞のうちの任意の１つまたはそれを上回るものであり得る。本開示の目的には、これらの粒子（または分析物）は、収集貯留器を構成する物質とともにサンプル（５）として呼ばれ、そのサンプルは、診断デバイス（６）に移動され得、問題になっている疾患の診断結果を生じる。

以下に続く実施形態は、上記機能を提供し、サンプル収集システムにおいて任意の組み合わせで使用されることができる。

上記機能を提供するサンプル収集および分析システムの要素の特定の実施形態が、以下に詳細に記載されることになるが、これらの実施形態および要素が、特定の用途の要求に対して必要に応じて種々のそのようなシステムのいずれかとの任意の組み合わせで使用されてもよいことが理解されるべきである。

カートリッジモジュールおよびサンプル移動機構
多くの実施形態では、サンプル収集および分析システムは、完全統合型患者−診断デバイスとして使用されるように構成される。そのような動作は、サンプル収集デバイスから適切な診断デバイスへのサンプルの継ぎ目のない移動を要求する。これを実現するために、サンプルがサンプル貯留器内に収集される。以下により詳細に記述されることになるように、サンプル貯留器媒体は、多くの形態をとり得る。サンプル媒体にかかわらず、実施形態では、サンプルが、診断デバイスに連続的にまたは一括（バッチ式）で移動されることができる。連続的な移動のために、マイクロ流体システムが統合されることになり、それによって、収集された物質が、診断デバイスに直接移動され、その診断デバイスは、米国特許公開第２０１３／０２１７０２９号において前に記載されたように、物質を一括でまたは実時間に検出することができ、その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる。しかしながら、一括移動の実施形態では、カートリッジモジュール（７）が、サンプル収集システムに組み込まれてもよい。多くの実施形態では、モジュールは、サンプルの移動を容易にする機構を含む。そのような実施形態では、カートリッジモジュールは、以下の設計要素のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。
・サンプル収集システムの統合された部分である簡単に取り外し可能なモジュール
・患者とサンプルを容易に関連付けるために、バーコード等による標識
・サンプル貯留器（これは、次いで、サンプルを含むように構成される）を含むこと
・診断デバイスとの互換性および直接的協動性、例えば、カートリッジモジュールは、診断デバイス（例えば、Ｃｅｐｈｅｉｄ Ｘｐｅｒｔ^ＴＭまたはＢｉｏＦｉｒｅ ＦｉｌｍＡｒｒａｙ^ＴＭ）と係合し得、そしてサンプルその中に分与し得ること
・以下に記載されるサンプルを収集する幾何学的形態との協動性

多くのそのような実施形態では、サンプル移動の機構が、カートリッジモジュールに組み込まれ、そのような機構は、機械的、電気的、もしくは任意の機構または組み合わせである。そのような取り外し機構は、以下の設計要素のうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。
・ねじり外すこと、パチンと取り外すこと（ｓｎａｐ−ｏｆｆ）の一方か両方、または他の機構を含む取り外し手段。
・収集システムからいったん取り外されると、サンプル貯留器を封止する自己封止カートリッジモジュールであって、したがって、バイオハザードを含有し得るサンプルが、外部環境に露出されること、またはそのようなバイオハザードに対して人々を露出することを防ぎ、そしてまた外部環境要素によるサンプルの汚染を妨げる、自己封止カートリッジモジュール。（図２ａおよび２ｂに概略的に示される）いくつかの実施形態では、収集器（１２）からのカートリッジモジュール（１０）の取り外しが、ばね（図示せず）を通してフラップを強制的に押して、サンプル貯留器（１８）内に収容された分析物を含有する液体（１６）を導く開口（１４）を遮断する。
・多くの実施形態では、カートリッジモジュールはまた、貯蔵媒体（ビヒクル）として機能する。そのような実施形態では、カートリッジモジュールは、収集前および診断デバイスにサンプルを移動する前（すなわち、収集後）にサンプル貯留器を保存する。したがって、カートリッジモジュールは、広い温度範囲に耐えてサンプル貯留器およびそれが収容するサンプルの完全性を維持するように構成される（収集後の貯蔵の場合には低温度、および収集前の棚貯蔵の場合には高温度）。
・（図２ｃに示されるように）さらに他の実施形態では、分配機構は、特定の診断デバイスとのカートリッジモジュールの統合、後に標準的な移動ピペットが使用される標準的使用のチューブもしくはバイアル、または任意の他の容器の中へのサンプルの移動を可能にする。そのような実施形態では、機構が、カートリッジモジュールの中に構築され、サンプル貯留器内のサンプルを能動的に押し出し、それによって、外側環境からの移動を隔離するように生成される封止（シール）がある。サンプル貯留器媒体が（以下に記載されるような）錠剤（タブレット）であるいくつかのそのような実施形態では、カートリッジモジュール内のデバイス（クリッカー等）が、診断デバイス（チューブ等）の中に錠剤を機械的に吐出して、これは、水または他の緩衝液を含有し得、ここで、収集された分析物を含む錠剤が溶解され得検出の準備が整い得る。サンプル貯留器媒体が（以下に記載されるように）緩衝液である、別の実施形態では、カートリッジモジュールが、注射器において使用される種類のプランジャ等の機構（図示せず）を収容し得、それによって、ピストンが、分析物を含有する液体を容器に対して駆動する。

上記特徴を組み込んでいるカートリッジモジュールの特定の実施形態の操作が、図２ａ−２ｃに関して記載される。そのような実施形態では、図２ａに示されるように、サンプル収集システム（１２）が、カートリッジモジュール（１０）を含む全ての部分とともに予め包装されることになる。サンプルが患者から収集された後、カートリッジモジュールが、図２ｂに示されるように外される。そのような実施形態では、カートリッジモジュール（１０）がサンプル貯留器（１６）を含む。収集器において、患者によって発生された粒子が、ノズルを通って流れる。収集器を通る流れを生成する機構が、以下により詳細に記載されることになる。収集器において、サンプル貯留器は、ノズルを出る流れに対して垂直に配置され、それは、流れを曲げる。粒子は、方向の変化に従うことができず、そしてサンプル貯留器の方へ導かれ、そこでそれらは収集される。（収集器とサンプル領域に関するノズルおよびそれの配置の十分な記載について、例えば、上記で引用した米国特許公開第２０１３／０２１７０２９号を参照）。この実施形態では、サンプル貯留器は、流入呼気の流れを集束するノズルに面した空洞（２０）であって、しかも液体緩衝液（１６）をサンプル貯留器媒体として収容する、ノズルに面する空洞（２０）である。分析物は、媒体内に収集され、それが分析サンプルになる。一旦、カートリッジモジュール（１０）が外されると、サンプル貯留器（１６）におけるオリフィス（１４）が、ある機構を使用して閉まり（図示せず）、一実施形態では、この機構は、図２ｂに示されるように、ばねであり得る。次いで、カートリッジモジュールが、サンプルを保存する貯蔵デバイスとして使用され得る。次いで、カートリッジモジュールが、図２ｃに示されるように、封止を生成する診断デバイス（２２）の受け入れポート（２４）と統合する。次いで、カートリッジモジュールが、ある機構を通してサンプルを分配するように操作され得、一実施形態では、この機構は、プランジャ（図示せず）であることができ、それはまた、オリフィスが開くことを強制して、分析物を吐出する。

サンプル貯留器設計
実施形態では、サンプル貯留器は、患者の咳、くしゃみ、または息から分離された粒子を受け取り、それらを濃縮する媒体として定義される。したがって、実施形態では、貯留器内に収容される物質は、診断デバイスの中に供給される前にサンプルが２ｍＬより少ないことを可能にするのに十分なほど小さい。サンプル貯留器媒体（図３ａ−３ｃにおける２６、２８、３０）の寸法は、ノズル直径（ｄ１）と類似する。サンプル貯留器それ自体（３２、３４、３６）は、ノズル（３８、４０、４２）に対向して位置し、そして変動する幾何学的形態のものであり得、それらのうちのいくつかが図３ａ−３ｃに示される。図３ａと３ｂに示される幾何学的形態の両方が、ノズルから出る空気が平坦な板に遭遇するという点で類似の収集特性を有する。

中に粒子が収集されるサンプル貯留器媒体（２６、２８、３０）は変動し得、一部は特定の幾何学的形態だけに適し、他はそうではない。全てのこれらのサンプル貯留器媒体における共通因子は、それらが下流の診断検出方法論と適合する必要があることである。例えば、使用される方法が、分析物を検出するためのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）増幅である場合には、ＰＣＲを抑制しない媒体が使用される必要がある。例えば、図３ａにおける幾何学的形態は、平坦な固体材料または薄膜（２６）を用いる使用に適する。この設計の一実施形態は、ポリカーボネート薄膜（４４）の使用であり、それは、先細リング（４８）を使用して平坦表面（４６）上のその縁に固定される（図４を参照）。分析物は、平坦な固体材料の表面上に存在し、薄膜を抽出液体内に配置することによって液体に移動され得る。無傷細胞の抽出が、１分間音波処理を使用して行われ得、またはＤＮＡが、ＤＮＡ抽出キットを使用して抽出されることができる。

他の実施形態は、図３ｂに提供された幾何学的形態に示されるように、薄膜において取得されることができない、より厚い固体物材料適する。例えば、種々の塩は、薄膜として不安定である。したがって、これらの場合において選ばれる物質は、溶解する物質である必要がある。一実施形態では、選ばれた塩は、造粒され、サンプル貯留器（３４）に挿入される。分析物が表面上に収集され、収集後、分析物が溶解によって液体の中に抽出される。別の実施形態では、ポリエチレングリコール（ＰＥＧ）ゲルまたは粘性液体が、サンプル貯留器内に配置される。異なる長さのＰＥＧ分子は、異なる含水レベルで水溶性である。この特性は、次いで、分析物を含有するＰＥＧゲルの溶解を制御するために使用され得る。

図３ｃに概略的に示される実施形態では、図３ａおよび３ｂに関して記述された物質の全てが使用され得る。加えて、上記で引用した米国特許公開第２０１３／０２１７０２９号に記載されるような、液体収集が可能である。そのような実施形態では、空洞（５０）が、サンプル貯留器に関して配置され、気流がサンプル貯留器の収集表面（５２）（液体、薄膜、または固体）に接触する前に減速することを可能にする。これは、気流が、液体表面から液滴を運んで、最終的には、サンプル（３０）を使い果たすことを妨げる。しかしながら、注意深い検討が、空洞（５０）を適切に設計することに関して行われる必要がある。いくつかの実施形態では、空洞（５０）に対する開口は直径ｄ２を有し、そして液体はこの開口から距離ｘ２に配置される。これらの２つのパラメータは、ノズル直径ｄ１に関して制御される必要がある。

適切なパラメータの決定において、２つの相反する事象、すなわち、１）粒子の収集効率（すなわち、どのくらいの粒子が液体に貫通するか）、および２）液体表面における空気の速度（すなわち、空気は、それが表面に接触する際に液体を運ぶことになるか）が、バランスをとられる必要がある。空気が液体を枯渇することを妨げるために、空気速度が、１０〜２０ｍ／秒の間にある必要がある。図５は、異なるノズルパラメータにおけるＣＦＤシミュレーションの速度および収集効率結果、つまり、ｄ２／ｄ１およびｘ２／ｄ１に対する変化を示す。示されるように、表面における速度は、ｄ２／ｄ１の減少に伴って、およびｘ２／ｄ１の増加に伴って減少し、そして収集効率は同じ効果を有する。実施形態では、図５に示される曲線が、ノズルおよび収集器設計指針として使用されてもよい。例えば、ｄ２／ｄ１＝２の場合に２０ｍ／秒の速度を実現するために、ｘ２／ｄ１は、１０に等しい必要がある（図５における破線を参照）。それらの条件において、収集効率は、約６０％である。さらに、各動作条件について異なる曲線が生成される。したがって、図５に示される曲線が、緩衝液等の特定量の液体を保存する空洞を構成するために使用されてもよい。さらに、寸法ｄ３を設定することによって、液体表面の表面張力が制御されてもよい。特に、ｄ３が減少するにつれて、表面張力が増加して、液体が逃げることをより困難にさせる。

収集器幾何学的形態および動作条件
収集器の幾何学的形態はまた、粒子壁損失、粒子の跳ね返り、粒子収集、製造可能性および使用の容易さを制御するように設計されてもよい。収集器の設計に重要である幾何学的形態における複数のパラメータがある。これらのパラメータのうちのいくつかの最適化を提供する例示的な実施形態が、図３ａおよび３ｂにおいて提供される収集器の実施形態に提供され、また、図３ｃに示される実施形態を含んで普遍的に適用されてもよい。

（ノズル角度パラメータ）
図６において（θ_１）として注釈されたノズルの角度は、粒子収集の効率に影響を及ぼし得る収集器幾何学的形態パラメータのうちの１つである。図６に示されるように、高ノズル角度（θ_１）において、再循環ゾーン（５４）が、ノズル喉入口（５６）領域内に生成される。このゾーンは、ノズル（５６）の入口における粒子損失を結果としてもたらし、これらの粒子が収集貯留器媒体に達することを妨げる。より低角度で、これらのゾーンが消失する。ノズル喉入口における製造誤りのレッジが、ノズル喉の入口領域において類似の障害を生み、より大きい角度の効果を増幅して、壁上の粒子損失の増大を結果としてもたらす。図７は、ノズル角度との関係における粒子損失を示し、収集器ノズル角度の設定において使用されることができる。図７はまた、どのようにレッジが損失に影響を及ぼすかを示し、それはまた、収集器の設定において設計原理として使用されることができる。

（ノズル喉の長さ）
例示的な収集器ノズル喉の配列や幾何学的形態が、図８ａおよび８ｂに提供される。示されるように、ノズル喉（６０）の長さ（Ｔ）が、ノズル出口（６２）における空気および粒子の速度を決定する。十分に長いノズル喉は、空気がノズルを出る前に十分に発達した流れに達することを可能にする。しかしながら、ノズルは、ノズル出口（６２）における粒子速度、したがって、粒子損失を低減するのに十分なほど短くするべきである。粒子が達することができる最大終端速度は、ノズル出口（６２）における気体速度のものである。ノズル出口（６２）における粒子速度は、それが収集表面における粒子の最終速度（または衝突速度）を決定するような別のパラメータである。特に、低速度は、跳ね返り効果をなくす傾向がある。次いで、最適な長さは、十分に発達した気流と、壁上の最小の粒子速度および損失とを可能にする。

図８ａおよび８ｂは、ＣＦＤ計算された粒子飛跡（６４）を示すことによって１０μｍ粒子の場合の概念を図示する。これらの大きな粒子は、高緩和時間τｐを有し、ノズル喉入口（６８）における流れ方向を変えることによって引き起こされる高速の流れ変化に適合することができない。より短いノズル喉（図８ａ）（Ｔ／ｄ１＝２．２５であり、式中、Ｔはノズル喉の長さである）では、粒子飛跡は、反転するが（６６）、壁に交わらない。これは、粒子が壁（６９）に交わり効率損失を結果としてもたらす、より長いノズル（図８ｂ）（Ｔ／ｄ１＝８．８９）の場合には該当しない。終端粒子速度は、気体速度に比例する。１μｍの粒子だけが終端速度に達する。低衝突速度が要求されることを考慮すると、この実施形態では、Ｔ／ｄ１＝２．２５のノズル長が選ばれることになる。これは、選ばれた流速に依存するが、この設計原理は、全ての動作流速に依然として適用することが理解されるであろう。

（ノズル直径および動作圧力）
収集器の流速の決定はまた、サンプル収集システムの設計全体を構成する際に使用されてもよい。例えば、実施形態では、それは、事前収集器アセンブリ（または以下に記述されるような患者インターフェース）の設計に影響を及ぼす。適切な流速を仮定することが、以下に記述される基準を使用して決定され、次いで、ノズルの直径が、特定の規則に従って設定されることができる。

ノズル直径（ｄ１）は、衝突速度に最も大きな影響を与える。低衝突速度（ｖｉ・ｄｐ＜５）が粒子の跳ね返りをなくすために要求され、式中、ｖｉが粒子速度であり、ｄｐが粒子直径である。すなわち、直径が大きくなればなるほど、（一定の堆積流量における）衝突速度が低くなる。低速度が望ましくないいくつかの場合においては、以下に記載されるように、ｖｉ．ｄｐは多くても５のオーダー内であり得、粒子の跳ね返りを制御する。粒子の跳ね返りは、収集効率の損失を結果としてもたらす。速度が低すぎる場合、粒子は、収集貯留器媒体中に駆動されることなく、空気の流れに従い、そして収集器を出る可能性があるため、収集効率の損失を結果としてもたらし得る。したがって、粒子衝突速度および収集効率は、ノズル直径を得るようにバランスをとられ得る。例えば、図９は、毎分５および６．５リットルの流速の場合の動作直径の領域を示す。

（ノズルとプレートの距離）
ノズルとプレートの距離、ｘ１／ｄ１は、比率が１．２≦ｘ１／ｄ１≦１．６の間にあるときに、毎分５リットルの動作条件において粒子収集または衝突速度に何の影響も及ぼさない。より高い比率では、小さな粒子が気流に取り込まれ得、収集効率の低下を結果としてもたらす。

一時的な咳の流れに対するサンプル収集システムの適合
予備の臨床データは、患者の排出物質のかなりの部分が従来のサンプル収集設計において失われることを示す。事前収集器アセンブリ（または患者インターフェース）における捕捉機構の欠乏とともに不十分な流速が、咳量のかなりの部分が先の設計の出口を通って逃げることを引き起こす。（注記：咳流速は、咳の開始から約０．１秒で２８８Ｌ／分にピークとなり、合計で約０．５秒継続する。患者の咳によって生じる平均の合計量は、男性患者における１Ｌと女性患者における０．７５Ｌの間で変動する。例えば、Ｇｕｐｔａ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎｄｏｏｒ Ａｉｒ，１９：５１７−５２５，２００９を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。したがって、実施形態では、サンプル収集システムは、測定された咳流速に構成される。いくつかの実施形態では、サンプル収集システムは、収集器を通して流速を増加するように構成される。他の実施形態では、一時貯蔵領域が提供され、そこでは、過剰の咳容量が、サンプル収集システムによって引き抜かれる前に存在し得る。さらに他の実施形態では、上記方法の両方が、相乗効果的に使用され得る。

（収集器流速を使用する流れ補償）
約３００Ｌ／分のピーク咳流速で咳の約１００％が捕捉される。すなわち、サンプル収集システムが、約３００Ｌ／分の流速（Ｑ）でサンプリングされる場合、それは、咳全体を捕捉することになる。しかしながら、咳流速は、時間に対して非線形であるため（以下の表１を参照）、咳のかなりの部分が、より低いＱ値において捕捉されることができる。ノズル直径、ｄ１の平方は、ノズルを通る流れの臨界領域、したがって最大流速（Ｑｍａｘ）を定義する。換言すれば、特定のＱに達するために要求される直径、最小ｄ１は、ｄ１であり、ここでは、Ｑｍａｘ＝Ｑである。最小ｄ１が、表１に列挙される。例えば、６０Ｌ／分の流速で、咳量の４０％が捕捉され得、そして２．５ｍｍの最小ｄ１が、その流速を実現するために要求される。

（事前収集器アセンブリを使用する流れ補償）
したがって、実施形態では、咳流速に対するサンプル収集システムの適合が、サンプル収集システムのサンプル貯留器に導かれることができない過剰の容量が、収集器の流速に等しい速度で貯蔵され、引き抜かれることを可能にする、一時貯蔵部を生成することによって実現される。前に記載されたように、サンプル収集システムは、２つの主要部分、すなわち、図１と図１０に示されるような、事前収集器アセンブリ（または、患者インターフェース）、および収集器を備え得る。いくつかの実施形態では、事前収集器アセンブリ（ＰＣＡ）が、一時貯蔵部を生成するように構成され、それによって、過剰の咳容量が、収集器によって引き抜かれる前に存在する。そのような実施形態では、ＰＣＡ（７０）は、以下の仕様のうちの１つまたはそれを上回るものを有する。
・それは、使用後に使い捨て可能であり得る。
・それは、気道の外部開口とインターフェースする入口（７２）を含む。この入口インターフェース（７２）は、封止（シール）を生成し、そしてサンプル収集システムに向かって方向付けられる咳、くしゃみ、息、または気道の任意の他のエアロゾル出力を可能にする。一実施形態では、入口は、マウスピースであることができる。別の実施形態では、入口は、マスクであることができる。なおも別の実施形態では、入口は、鼻孔を通って吐き出される息を引き抜くノーズピースであることができる。
・患者からの流れを管理する機構を含む。吐き出し相の間、機構によって流速Ｑにおける気道からの出力が、Ｑ１で動作する収集器（７６）に方向付けられ、そして残りの流れＱ２は、外部環境への損失なしで貯留器（７８）に向けられる。いくつかの実施形態では、それによって貯留器内に捕捉された空気が、吸入の間に入口（７２）を通って患者によって引き抜かれることを妨げられる機構が提供される。他の実施形態では、それによって捕捉された吐き出された容量が、吸入の間にＱ１の割合で収集器（７６）の方に向けられる機構が提供される。
○図１０ａに示される１つのそのような実施形態では、ＰＣＡ機構が、２つの一方向バルブ（８０、８２）から成る。一実施形態では、一方向バルブ（８０、８２）が、一方向へのそれの曲げを制限する表面に取り付けられたシリコーンゴムから成ることができる。別の実施形態では、一方向バルブ（８０、８２）が電子的に制御されることができる。そのような実施形態では、吐き出しの際、このＰＣＡは、患者（９０）からの主要な流れの方向にある角度で配置された拡張可能な貯留器に一方向バルブ（８２）を通して咳の容量を方向付ける。一実施形態では、この貯留器は、それが膨張されている際に抵抗をもたらさない膨張可能なプラスチック袋であり得る。別の実施形態では、この貯留器は、弾性抵抗が提供されるように、本質的にバルークに類似する弾性材料から作製される。吸入の間、同じ一方向バルブ（８２）が、捕捉された吐き出された量が、貯留器から出ることを防ぎ、それを収集器（７６）の方へ導く。同じ相の間に、他の一方向バルブ（８０）が、患者が、ＰＣＡ（７０）を通して周囲の空気を吸入することを可能にする。
○図１０ｂに示される別のそのような実施形態では、この機構は、ただ１つの一方向バルブ（８２）が使用されることを除いて、上記したものに類似する。これは、患者が、ＰＣＡを使用している間に呼吸することを妨げる。患者は、代わりに、ＰＣＡを取り外すことによって、呼吸するように指示される。
○図１０ｃに示されるなおも別のそのような実施形態では、この機構は、上記したものに類似するのに対して、貯留器（７８）が、患者からの主用な流れの方向に直列に配置される。
・一方向バルブが、開くゲートとして動作して、空気が力に反応して一方向にあることを可能にする。一実施形態では、バルブを開く力は、患者から出る空気である。別の実施形態では、バルブを開く力は、ＰＣＡ上に配置されたボタンを使用して患者によって制御されたばねを通じて供給される。
・静電気散逸性であるプラスチック部分でできており、粒子をＰＣＡ壁に引き付け得、かつシステムにおける損失をもたらし得る、表面電荷を回避する。
・それは、手持ち式である。
・貯留器（７８）の容積は、２つのパラメータ、すなわち、患者が咳を再び充填し得る前にそれが貯蔵する必要がある咳の数と、収集器（７６）の流速とに基づいて変動する。

従来のサンプル収集設計は、空気流れを管理するＰＣＡを実現する必要性を避けることを試みていた。例えば、Ｆｅｎｎｅｌｌｙ ｅｔ ａｌ．は、使い捨て可能ではなく、動作の間にオートクレーブ処理される必要がある、金属キャニスタを使用する（例えば、Ｆｅｎｎｅｌｌｙ， ｅｔ ａｌ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ａｎｄ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃａｒｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，１８６（５）：４５０−４５７，２０１２を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。そのような従来のデバイスにおいて、収集器は、キャニスタ内に配置される。さらに、吐き出された出力の全てが収集器に向けられる記載された発明とは異なり、従来のキャニスタは、フィルタ型の出口を提供して、過剰の空気が逃げることを可能にする。最終的に、貯留器が拡張可能である現在の設計とは異なり、キャニスタは、固定された設置面積を有し、それが手持ち式であることを除外する。別の試みにおいて、Ｌｉｎｄｓｌｅｙ ｅｔ ａｌ．は、患者からの余分な空気を収容する拡張ピストンを備えた金属チャンバを使用する（例えば、Ｌｉｎｄｓｌｅｙ， ｅｔ ａｌ．， ＰｌｏＳ ｏｎｅ，５（１１）：ｅ１５１００，２０１０を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。ここで再び同じ問題が、Ｌｉｎｄｓｌｅｙのシステムが空気の全てを収集デバイスの方へ導くことを除いて、存在する。しかしながら、逆流を妨げるために、Ｌｉｎｄｌｅｙは、咳をした後に手動コルクを使用して、空気が金属ピストンチャンバを逃避することを妨げる。

他の先行技術は、ｐｎｅｕｍｏｎｉａｃｈｅｃｋ^ＴＭ等のフィルタリングを使用する方法を含む（例えば、Ｓｃｈｏｌｚ ｅｔ ａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｄｅｖｉｃｅ、４（４）：０４１００５、２０１０を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。本明細書に記載された実施形態とは異なり、これらのフィルタリングデバイスは、フィルタ表面に限定される。さらに、フィルタ表面積が、フィルタリングデバイスを通る流速を決定する一方で、上記されるように、実施形態では、サンプル収集システムの収集貯留器は、収集器の流速全体に影響を及ぼさない。

サイズセパレータとしての事前収集器アセンブリ
事前収集器アセンブリ（または、患者インターフェース）は、別の機能を有する。すなわち、収集器に達する粒子のためのスクリーニングデバイスである。収集器は、収集貯留器においてここでは、ｄｐ，ｃ＜ｄｐであるサイズの粒子（ｄｐ）を収集するように設計される。しかしながら、特定の疾患状態においては、サンプル収集システムの目的は、ｄｐ，ｃ＜ｄｐ＜ｄｐ，１であるサイズの粒子（ｄｐ）を収集することである。収集器内自体およびそれ自体では、これを実現することができない。事前収集器アセンブリ（または、患者インターフェース）は、ｄｐ＞ｄｐ，１の粒子が収集器の収集貯留器に達することを除外するように設計されることができる。したがって、実施形態では、サンプル収集システムは、ｄｐ，ｃ＜ｄｐ＜ｄｐ，１であるサイズの粒子（ｄｐ）を収集するように設計されることができる。咳エアロゾルのサイズは、その起始部位と関連し、すなわち、５μｍを下回る直径を有する粒子（ｄｐ）が下気道（ＬＲＴ）から生じる一方で、１０μｍを上回るｄｐを有するものは、上気道（ＵＲＴ）から生じる（例えば、Ｆｅｎｎｅｌｌｙ ｅｔ ａｌ．，Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ ａｎｄ Ｃｌｉｎｉｃａｌ Ｃａｒｅ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，１６９（５）：６０４−６０９，２００４を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。排他的に、ＬＲＴサンプルが、肺炎等の診断を取得することが必要とされる病気においては、ＰＣＡは、上記されるように低域通過フィルタ機構を含む。この場合において、ＰＣＡは、５μｍを上回るｄｐを有する粒子を優先的に除外する。代替的に、唾液残渣等の非常に大きな粒子残渣だけが、事前収集器アセンブリにおいて阻止されることができる。

図１１Ａに示される一実施形態では、一方向バルブ（８４）を備える低域通過フィルタ機構（８３）が、患者（８６）から始まり、収集器入口（８８）で終わる流れの経路に配置される。一方向バルブが、吐き出しの間に曲がる（８８）ように構成される。曲げ角度は、患者によって作り出された流れならびに物質の種類や幾何学的寸法等のバルブの固有特性に依存して変動する。患者の咳によって発生した平均（２ｌｐｓ）流速が研究されるＣＦＤシミュレーション（図１１Ｂ）において、粒子（９０）が、バルブ表面上で捕捉される。この実施形態では、角度が５５度であるように選ばれ、その上に作用する空気力学的力を０．７Ｎ未満まで減らし、バルブは、２０μｍを超えるｄｐを有する粒子の３０％がＰＣＡを通過して収集器に達することを可能にすることが示される（貫通−Ｐ、図１１Ｂを参照）。ｄｐ＝１０μｍの場合には、約５０％のＰが、それをバルブを過ぎて収集器まで行かせることを可能にし、粒子飛跡（９０）は、図１１ＢにおいてＰを計算するために使用される１０，０００個の粒子のサブセットを示す。記載されるように、幾何学的形態は、貫通Ｐを減らすために改良されることができる。１つのそのような修正は、より小さな曲げ角度を可能にするようにバルブ材料を変更することである。曲げ角度における１０度の降下（５５度から４５度まで）が、１０μｍを上回る粒子の貫通を約１０％まで減らす（図１１を参照）。別の修正は、バルブ直径を減らすことであり、空気の速度を増加させて、それは、次いで、貫通を減らす。別の修正は、バルブと入口との間の距離を減らすことであり、粒子にバルブの周りの変化する流れに反応するための時間を少なくし、それは、次いで、貫通を減らす。

実施形態は、いくつかの疾患に関して上記に記載されたが、ＵＲＴおよびＬＲＴの両サンプルが、インフルエンザ等の診断を取得することが有益である病気において、ＰＣＡが、粒子サイズの除外を回避するように設計される。とはいえ、いくつかの除外が、患者から出る非常に大きな唾液物に関して残り得る。

破壊された細胞からＤＮＡを収集する能力
以前より、細菌細胞が、空気力学的な衝撃において溶解されることが実証されている（例えば、Ｓｉｓｌｉａｎ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，６５（４）：１４９０−１５０２，２０１０を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。図１２Ａを参照すると、衝撃破壊の条件において無傷細胞（９２）の一部が収集器ノズル（９４）を通過することが示されている。破壊に続く、細胞成分（９６）、具体的には、ゲノムＤＮＡの収集は、従来のデバイスにおいて決して示されていない。しかしながら、一旦細胞が破壊されると、細胞成分は、収集貯留器（９８）に向かい得るか、あるいは空気の経路（１００）に従い得る。実施形態では、溶解された細胞からのゲノムＤＮＡの収集を実証するために、ＤＮＡの総質量が、収集緩衝液中の細胞の総数と比較される。図１２Ａに示されるように、ＤＮＡ質量（１０４）と細胞の数（１０６）の両測定が、収集実験後、同じサンプルに対して行われる。一旦細胞濃度（細胞／μＬ）および質量濃度（ｆｇ／μＬ）が測定されると、細胞あたりのＤＮＡの質量（ｆｇ／細胞単位のｆＤＮＡ）が、次いで、計算されることができる。大腸菌（Ｅ．ｃｏｌｉ）は、５ｆｇ／細胞の細胞あたりのゲノムＤＮＡを含有する。細胞が溶解されないという限定においては、ゲノムＤＮＡは細胞内に完全に含まれ、したがって、測定されたｆＤＮＡは、５ｆｇ／細胞に等しくあるはずである。ｆＤＮＡの値が増加するにつれて、より多くのゲノムＤＮＡは細胞外にあり、破壊された細胞の細胞成分の収集を示す。

図１２Ｂは、それぞれｎ回繰り返された４つの異なる実験についてボックスプロットにおいて計算されたｆＤＮＡデータを示す。ＡＮＯＶＡ試験を使用して、ｐ値がデータを統計的に分析するために計算される。細胞懸濁物のｆＤＮＡが実行された。４．５ｆｇ／細胞の平均が対照実験について算出され、それは、大腸菌の場合に予期される５ｆｇ／細胞に統計的に等しい。このデータは、１）測定方法が有効であり、大腸菌におけるゲノムＤＮＡの既知の質量に似るという結果を生じることと、２）開始培養が、細胞外のゲノムＤＮＡを含有しないこととを確立する。次の３つの実験において、細胞が、３つの異なる圧力条件で噴霧および収集され、ここでは、Ｐ１およびＰ２は、それぞれ、収集器において、収集器ノズル（９４）の下流と上流の圧力であり、すなわち、Ｐ１／Ｐ０＝０．９７（ｎ＝９）、０．５０（ｎ＝１１）、および０．１５（ｎ＝１０）である。空気力学的な衝撃が、Ｐ１／Ｐ０＜０．５３において生成され、したがって、破壊が、Ｐ１／Ｐ０＝０．９７において予期されず、他の２つの条件について破壊が予測される。衝撃が存在しない条件において、平均ｆＤＮＡが９．６ｆｇ／細胞であり、わずかに高いが対照（ｐ＝０．１９）とは有意に異ならない。ｘ＝０．５０と０．１５では、それぞれ、ｆＤＮＡ＝２５．２ｆｇ／細胞と３８．７ｆｇ／細胞である。空気力学的な衝撃を伴う２つの条件の場合、両方のｆＤＮＡ値が、対照（ｐ＜０．０５）よりも有意に高いが、２つの条件の場合のｆＤＮＡは、相互と有意に異ならなかった（ｐ＝０．２１）。図１２Ｂにおける文字Ａ、Ｂ、およびＣは、どの分布が統計的に区別できるかを示す。すなわち、２つの分布が同じ文字を有する場合には、それらは、統計的に等しいと考えられる。示されるように、細胞成分の統計的に有意な量が、より高いＰ１／Ｐ０に関してより低いＰ１／Ｐ０で収集され、衝撃が細胞を破壊すること、しかも細胞成分が収集貯留器内に集められることを示す。

収集器を通る流れを生成する機構
サンプル収集システムのいくつかの実施形態は、収集器を通る流れを確立することを含む。
ａ）サンプル収集システムの一実施形態では、患者によって作り出された陽圧が、収集器を通る流れを駆動する。
ｂ）別の実施形態では、事前収集器アセンブリ貯留器が、陽圧を提供して、収集器を通る流れを駆動する。１つのそのような実施形態では、貯留器は、患者の吐き出した物質によって膨張され得る、バルーンと同種の弾性材料でできている。弾性貯留器に供給される吐き出された物質は、一方向バルブによって逆流が妨げられる。弾性貯留器の膨張は、潜在的なエネルギーとして患者の呼気の仕事量を貯蔵する。弾性貯留器が、次いで、この潜在的なエネルギーを流れの動的エネルギーに変換することによって収集器を通る流れを駆動する。
ｃ）別の実施形態では、収集器の下流に配置された真空ポンプが、収集器を通る流れを駆動する。なおも別の実施形態では、ポンプが、再充電可能および携帯可能なものであることができる。なおも別の実施形態では、産業真空ラインが、流れを駆動する。

適切な収集を確立する能動制御
サンプル収集システムの一実施形態では、能動制御が、吐き出された物質が収集されたことを確実にするために含まれる。能動制御は、特定の有機、無機、または生物学的分子であり得る特定のシグネチャのための試験であり得る。この試験はまた、断片もしくは無傷の生存または死滅細菌細胞、ウィルス、または被験体から生じる細胞の特定のシグネチャのためであり得る。要件は、特定のシグネチャが全てのひとに存在することである。そのような特定のシグネチャの一実施形態が、全ての患者の口腔内に存在する細菌Ｓ．Ｍｉｔｉｓおよびその任意の成分である。特定のシグネチャの別の実施形態は、肺胞内流体に存在するグルタチオン分子である。そのような試験の一実施形態は、十分な吐出物質が収集されたことを示す色の変化等の実時間の読み取りである。そのような試験の別の実施形態では、特定のシグネチャの読み取りが、実際の診断デバイスが分析物について試験するときに示される。能動制御はまた、物理的測定であり得る。一実施形態では、能動制御は、どのくらいの容量が患者から排出されたかという測定であることができる。

湿度制御
患者から放出されるいくつかの粒子は、分析物を含有する液体液滴の形態にある。これらの液滴のサイズは、サンプル収集システムにおける湿度に依存する。サンプル収集システムの一実施形態では、ＰＣＡ内に吸湿性物質を配置することは、湿度を下げる。１つのそのような実施形態では、ＰＣＡ全体が、ナイロン等の吸湿性プラスチックから作製され得る。別のそのような実施形態では、シリカゲル等の吸湿性物質が、ＰＣＡの種々の部分において配置され得る。そのような物質が配置されることができるＰＣＡの１つのそのような領域は、前の節においてより詳細に記載された貯留器である。別の実施形態では、環境からの清潔で乾燥した空気が、患者の出力と混合される。

（例示の実施形態）
実施例１：サンプル収集システムの例示の実施形態
図１３は、複数の側面を組み合わせるサンプル収集システムの一実施形態を示す。サンプル収集システム（１０９）は、事前収集器アセンブリ（１０８）および収集器（１１０）から成る。事前収集器アセンブリは、図１０ｃに示される実施形態に描写された患者からの流れを管理する機構を含む。さらに、実施形態では、事前収集器アセンブリは、図１１に描写されるような５０％を超える効率を伴う１０μｍを超える液滴を除外する機構を含む。この実施形態では、事前収集器アセンブリは、３つの端部（１１４、１１６、１１８）を有するＴ接合部（１１２）から成り、１つの端部がマウスピース（１１４）に、第２のものが袋（１１６）に、そして第３のものが収集器（１１８）に接続するが、袋とマウスピースは、図１３に示されていない。加えて、具体化された事前収集器アセンブリは、一方向バルブ（１２０）を含み、それは、プラスチックリング（１２３）上に載るシリコーンフラップ（１２２）から作製されており、それは、Ｔ接合部に挿入される。このフラップは、患者の流れがバルブに遭遇するとき、収集器（１１０）に向かってその縁を曲げる一方向にだけ開くことができる。この実施形態で使用される収集器（１１０）は、カートリッジモジュールを含まない。サンプル貯留器（１２４）は、図４の実施形態に記載されたものであり、幾何学的形態が、図６−９に関して記述した設計規則を使用して設定される。実施形態は、確認された緑膿菌感染を伴うＣＦ患者上で臨床で試験した。これらの患者は、最も標準的な培養技術を使用して緑膿菌に対して陽性であることが確認された。図１３における例示的なサンプル収集システムは、１４人の患者のうち１３人に咳陽性ＰＣＲ結果を生じる。

実施例２：Ｆｅｎｎｅｌｌｙの収集システム上の改善
上記した例示的なサンプル収集システムは、Ｆｅｎｎｅｌｌｙの収集システムにおいて使用される、Ａｎｄｅｒｓｅｎの衝撃器と対比され得、それは、環境サンプリングのために１９５８年に開発されが、バイオエアロゾルの収集における熟練者が、臨床サンプルの診断検出のために設計されたものでなかった。特に、７Ｈ１１寒天培地等の選択培地上の細菌の堆積が、細胞に構造的にダメージを与えて、９９％まで生き残れなくさせ得ることが示されている（例えば、Ｓｔｅｗａｒｔ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ，６１（４）：１２３２−１２３９，１９９５を参照（その開示は、参照によって本明細書に組み込まれる））。さらに、ＰＣＲの準備ができたＤＮＡの効率的な抽出は、寒天培地プレートの大きな領域に起因して実用的ではない。最終的に、設定が、研究使用のために設計され、臨床使用のためには実用的ではなく、すなわち、衝撃器は、移送および殺菌を妨げる大きな（約２０インチ×８インチ）金属チャンバ内に配置される。サンプル収集システムおよびＡｎｄｅｒｓｅｎの衝撃器の例示的な実施形態は、共通貯留器からエアロゾル化された大腸菌をサンプリングすることによって研究室において試験した。図１４は、３５サイクルのＰＣＲを有する例示的なサンプル収集システムの検出の限界が、培養を用いるＡｎｄｅｒｓｅｎの衝撃器のそれよりも少なくとも１０倍低いこと（より良い検出限界）を示す。

（均等物の原則）
上記から推測され得るように、上述した概念が、本発明の実施形態に従って種々の配列において実施されることができる。したがって、本発明は、特定の詳細な側面で記載されているが、多くの追加的な修正や変形が、当業者に明らかであろう。したがって、本発明は、具体的に記載されたもの以外の他のもので実施されてもよいことが理解されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、全ての点で例示的であって、制限的ではないとして考慮されるべきである。

Claims (25)

1. 生物学的サンプル収集器システムであって、
   中に含有される任意の生物学的微粒子を含む、患者からの呼気の全体が、前記収集器システム内に捕捉されるように、前記患者と係合するように構成された、事前収集アセンブリと、
   診断分析に適したサンプル分析物を形成するために、標的生物学的微粒子をサンプル媒体内に取り込むための、前記サンプル媒体をその中に有する容積を定義する、サンプル貯留器と、
   前記事前収集アセンブリと前記サンプル貯留器との間で流体連通するとともに、その終端部において流体集束ノズルを有する収集器であって、前記呼気から標的サイズよりも大きな前記生物学的微粒子を選択して、前記サンプル媒体の中への前記標的生物学的微粒子の効率的な移動が得られるように、標的の前記生物学的微粒子を前記サンプル貯留器に向けるように構成された、収集器と、
   を備え、
   ここで、前記呼気の少なくとも一部が、いずれの一回の呼吸においても前記事前収集アセンブリを通って前記収集器の中に流れ、前記呼気の残りが、前記事前収集アセンブリ内に一時的に貯蔵される、生物学的サンプル収集器システム。
2. 前記流体集束ノズルの入口と前記ノズルの上流の前記収集器との間に形成された角度が、前記ノズル入口における再循環ゾーンの形成が妨げられるように構成され、前記ノズルの長さが、前記生物学的微粒子がそれらの終端速度に達することを妨げるように構成され、前記ノズルの直径が、粒子の跳ね返りを減らして、特定の流速における収集を増やすように構成され、前記ノズルの前記長さの前記ノズルの前記直径に対する比率が、前記生物学的微粒子が前記ノズルの壁に交わらないように構成される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記サンプル貯留器は、前記収集器と流体接続するカートリッジモジュールの中に組み込まれ、前記カートリッジモジュールが、前記収集器システムから取り外し可能であり、診断分析器の入力部と協動して係合するように構成される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記サンプル貯留器を含む前記カートリッジモジュールは、外部雰囲気から前記サンプル媒体を隔離するように構成された自己封止機構を備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記サンプル貯留器を含む前記カートリッジモジュールの部分は、診断分析器の入力部の中に前記サンプル媒体を吐出するための機構を含む、請求項３に記載のシステム。
6. 前記サンプル貯留器内に含まれた前記サンプル媒体は、錠剤、造粒塩、液体、薄膜、およびゲルから成る群から選択された形態をとる、請求項１に記載のシステム。
7. 前記サンプル貯留器に対する入口部は、前記流体集束ノズルに対向して配置される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記サンプル貯留器内に含まれた前記サンプル媒体の露出した表面は、前記ノズルの直径と類似するように寸法を定められる、請求項７に記載のシステム。
9. 前記サンプル媒体は液体であり、前記サンプル貯留器は前記ノズルの端部と前記サンプル媒体の露出した表面との間に空隙をさらに備え、前記空隙の断面、前記ノズルの断面、および前記ノズルの端部と前記サンプル媒体の前記露出した表面との間の距離は、前記サンプル媒体の前記露出した表面における前記呼気の速度が２０ｍ／秒未満であるように構成される、請求項７に記載のシステム。
10. 前記ノズルの前記端部から前記サンプル媒体の前記露出した表面の間の前記距離と前記ノズル径との比率は、１．２を上回るまたはそれと等しく、かつ１．６未満またはそれと等しい、請求項２に記載のシステム。
11. 前記ノズル入口における再循環ゾーンの形成が妨げられるように、前記流体集束ノズルの前記入口と該ノズルの上流の前記収集器との間に形成された前記角度は、３０o未満である、請求項２に記載のシステム。
12. 前記ノズルの前記長さの前記ノズルの前記直径に対する前記比率は、２．２５未満である、請求項２に記載のシステム。
13. 前記ノズル直径は、前記粒子直径によって乗じられた前記サンプル媒体の前記表面における前記生物学的微粒子の速度が５０未満であるように構成され、目的の粒子サイズの収集効率が０．９よりも大きいように、前記サンプル媒体の表面に対する生物学的微粒子の跳ね返りを制御する、請求項２に記載のシステム。
14. 前記収集器は、特定の流れ容量を有しており、前記事前収集器アセンブリは、前記収集器の前記流れ容量を超える前記患者からの前記呼気の任意の部分を捕捉するように構成された一時貯蔵容積をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
15. 前記一時貯蔵部は、一方向バルブ機構を含み、それによって、前記一時貯蔵容積において捕捉された息が、前記患者によって吸入されることが妨げられ、前記患者による吸入の間に前記捕捉された息を前記収集器の中に放出する、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記一方向バルブは、自動化された機構または前記患者による手動のいずれか１つによって起動される、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記事前収集器アセンブリは、前記事前収集器アセンブリを通って前記患者による息の吸入を可能にする第２の一方向バルブをさらに備える、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記一時貯蔵容積は、潜在的なエネルギーとして前記呼気の量と前記呼気の仕事量との両方のうちの少なくとも一部を貯蔵するように前記一時貯蔵容積が弾性材料から形成され、そして前記潜在的なエネルギーは、前記呼気の前記貯蔵された部分を前記収集システム中に放出することによって、動的流れに変換され得る、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記事前収集器アセンブリは、前記標的生物学的微粒子から標的サイズよりも大きな生物学的微粒子をフィルタリング除去するためのフィルタ機構をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
20. 前記フィルタ機構は、一方向バルブであって、前記標的サイズよりも大きな微粒子が前記バルブに衝突して、前記収集器に入ることが妨げられるように、患者による吐き出しの間に曲がるように構成された一方向バルブを備える、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記収集器は、第１および第２の端部を有するとともにその中に流体経路を画定する空気力学的な衝撃器をさらに備え、前記空気力学的な衝撃器が気体サンプルに減速慣性力を加え、そして前記慣性力の大きさが、低慣性力において前記サンプル内の任意の生物学的微粒子が前記衝撃器を無傷で通過するように、ならびに閾値を上回る慣性力において前記サンプル内の任意の生物学的微粒子が溶解して、その内部成分を放出するように変動され得る、請求項１に記載のシステム。
22. 前記標的生物学的微粒子の前記内部成分は、ＤＮＡを含む、請求項２１に記載のシステム。
23. 前記患者の前記呼気の十分な量が収集されているという指標を提供するように構成された、能動制御をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
24. 前記能動制御は、シグネチャ生物学的物質のためのインジケータおよび前記患者からの前記呼気の物理的測定から成る群から選択される、請求項２３に記載のシステム。
25. 前記事前収集器アセンブリは、粒子成長を妨げるように構成された、湿度制御システムをさらに備える、請求項１に記載のシステム。