JP2017514145A - 血液などの流体混合物を分離するためのデバイスおよび方法 - Google Patents

血液などの流体混合物を分離するためのデバイスおよび方法 Download PDF

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Abstract

２つの不混和相（液体および／または固体）を含む流体混合物の処理、特に分離のためのラボオンチップデバイスであって、入口リザーバ（１）と、分離チャネル（２）と、採取チャネル（５）と、出口（６）とを連続的に含む流体ライン（１、２、５、６）を含み、上記分離チャネル（２）は、上記２つの相への流体混合物の分離を可能にするように設計されたラボオンチップデバイス。

Description

本発明は、有利には、全血細胞と血漿／血清を分離するため、および生成された血漿／血清を例えば吸収材料に採取して分析するために使用されるデバイスおよび方法に関する。本発明は、乾燥血漿スポット（ｄｒｉｅｄ ｐｌａｓｍａ ｓｐｏｔ；ＤＰＳ）分析に特に適している。血球をなくすことによって徐々に生成されるサンプルの血漿／血清部分は、血球を多く含む部分から分離された後に処理（例えば濃縮、もしくは特定のタンパク質の除去）および／または分析することができる。
全血から血漿を分離するために使用される現在の方法（例えば遠心分離）は、一般に、数ミリリットルの血液を必要とする。血液サンプルのサンプリング、保管（ｓｔｏｒａｇｅ）、および処理は、侵襲性、コスト、および時間消費の面で改良することができる多くの工程である。生物学的分析における今日の趨勢は、分析予定の材料のサンプリング体積、ならびに試薬体積、時間、操作、および取扱いを減少させることである。これらの理由から、生物学的サンプルのオンサイト処理および／または分析を可能にする効果的なポイントオブケア（ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃａｒｅ；ＰＯＣ）デバイスを開発するために、多大な労力が費やされている。
生物学的分析は、通常は静脈穿刺によって得られる血漿を使用して行われるが、代替のサンプリング処置として、乾燥血液スポット（ＤＢＳ）の使用が、ここ数十年にわたって臨床および製薬業界で人気を得てきている。ＤＢＳサンプリングプロセスは、従来の血液サンプリングよりも侵襲性が低い。なぜなら、小さな指穿刺（ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｃｋ）後に、小さい体積（すなわち２０μＬ）のみが採取され、濾過紙カード（ｆｉｌｔｅｒ ｐａｐｅｒ ｃａｒｄ）にスポットされる（ｓｐｏｔｔｅｄ）からである。採取が容易であるため、ＤＢＳは、最低限しか訓練を受けていない技師によって非病院環境で、またはさらには患者自身によって自宅で得ることができる。さらに、病原体のほとんどは、乾燥中、濾過紙上で不活性化されており（感染の危険を最小限に減少し）、一方、対象の検体は、室温でさらに数カ月にわたって安定である。血液は、室温でクレジットカード形態のサンプルで維持することができるので、濾過紙カードの出荷および保管のコストは実質的に減少される。
濾過紙でのＤＢＳの最初の生物医学的な適用は、１９６３年まで遡る。その年、Ｒｏｂｅｒｔ Ｇｕｔｈｒｉｅ教授が、新生児集団でのフェニルケトン尿症の検出のためにこの代替サンプリング法を導入した。Ｌ−フェニルアラニンの検出は、十分に感度の良い微生物学的試験に基づいていたが、分析スループットが低かった。１９９０年代初頭に、ＰＣＲ、およびＥＬＩＳＡ、ＲＩＡ、またはＦＩＡを含めた免疫学的検定の開発が、高いスループットでの分析に適した許容できる待機時間で、ＤＢＳからのＤＮＡ、ウイルスＲＮＡ、抗体、およびホルモンの検出を可能にした。より最近では、ＤＢＳサンプリング形態は、液体クロマトグラフィ質量分析法（ＬＣ−ＭＳ）に基づく治療剤の監視、薬物動態研究、および毒物動態研究への適用に成功している。これらの複合的な利点は、特に問題のある脆弱な患者集団において、ＤＢＳ処理を患者に優しい血液採取用ツールにする。プロセスの容易さはまた、臨床前および臨床研究のための被験者（ヒトおよび動物）の動員の助けともなり得る。
ＤＢＳサンプリングは、その上記の利点にもかかわらず、薬物開発や臨床分析において、より広範には人々の介護においても滅多に実施されない。実際、濾過紙は受動支持体であり、これは、正確な体積測定および血漿分析を得るために外部操作を必要とする。総合的には、これらの外部工程は手間暇がかかり、従来の静脈穿刺に比べてＤＢＳを十分に競争力のあるものにしない。
特許文献１は、直接の複数サンプリングと、体積の制御と、流体濾過と、生化学的反応と、サンプル移送と、乾燥流体スポット用の従来の市販のカードでの乾燥流体スポット生成とのためのラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ｃｈｉｐ）ベースのシステムを開示している。オールインワン一体型ホルダ（ａｌｌ−ｉｎ−ｏｎｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｈｏｌｄｅｒ）内で、このシステムは、血液、血漿、または任意の他の流体の定量的分析と、分子の一部の変性および富化と、受動的なセルロース、非セルロース、吸収性、または非吸収性膜材料サンプリングにおける特定のスポット位置での乾燥流体スポットの生成とを保証するために必要な全プロセスを可能にする。このデバイスに関して述べられているように、血漿は、濾過プロセスから得られる。したがって、濾過膜が微小流体チャネルの入口に配置されて、流体を濾過し、全血から血球を分離する。興味深いものではあるが、このプロセスは、所要の体積の血漿を生成するのに十分でないことがある。膜の使用は、血球の溶解をもたらすことがあり、これは意図されないものである。さらに、生成された血漿の毛細管内への受動採取は、支援（例えば手動または機械的ポンピング）なしでは上手く行かないことがある。さらに、毛細管は、血漿を充填されている状態で膜と直接接触するので、所定の体積を正確に生成するには細心の注意を要する。
国際公開第２０１３／１４４７４３号
本発明は、少なくとも２つの不混和相（ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ ｐｈａｓｅ）（液体および／または固体）を含む流体混合物を処理するためのラボオンチップデバイスに関する。このデバイスは、入口リザーバ（１）と、分離チャネル（２）と、採取チャネル（５）と、出口（６）とを連続的に含む流体ラインを含み、上記分離チャネル（２）は、上記２つの相への流体混合物の分離を可能にするように設計される。
本文において、表現「上記２つの相への流体混合物の分離を可能にするように設計されたチャネル」は、それ自体従来技術で既に知られている多様な解決策を網羅する。分離は、特定のチャネル寸法、チャネル壁を構成する材料、およびチャネル内に位置する要素などによって誘発される。より一般的には、分離チャネル内で２つの相を分離することを可能にする任意の技術的な解決策を使用することができる。
本発明は、現在の技術水準に関するいくつかの改良を提供する。これは、膜または他の濾過材料を使用せずに、多相流体および懸濁液（例えば全血中の血球）の受動分離と、サンプル製造と、処理された流体の計測および隔離と、セルロース、非セルロース、吸収性、または非吸収性膜材料サンプリングにおける複数の乾燥血漿スポットの生成とを可能にする。さらに、サンプリング材料に移送される精製された流体（ｐｕｒｉｆｉｅｄ ｆｌｕｉｄ）（例えば血漿／血清）の体積が、生の物質（例えば血球および血漿／血清）からのその分離後に制御される。また、従来の乾燥スポットサンプリングカード上での分子の定量的分析も可能にする。本発明によるデバイスは、従来の乾燥スポットサンプリング支持体、例えば、＃９０３（登録商標）という銘柄の紙（Ｗｈａｔｍａｎ，Ｉｎｃ．（米国ニュージャージー州））、固相抽出乾燥マトリックススポッティング（Ａｇｉｌｅｎｔ（ドイツ））、または処理済み濾過紙、例えばＦＴＡおよびＦＴＡ Ｅｌｕｔｅという銘柄の紙またはＤＭＰＫ Ａ、Ｂ、もしくはＣカード（Ｗｈａｔｍａｎ，Ｉｎｃ．（米国ニュージャージー州））と共に使用される。
本発明の好ましい実施形態によれば、マイクロ流体チャネルは、毛細管作用によって、流体混合物（例えば血球）の沈降および分離と、精製された流体（例えば血球を含まない血漿または血清）の生成とを誘発するようにサイズ設定される。
本発明の別の実施形態では、デバイスは、気泡アクチュエータ、例えばソフトプッシュボタン（ｓｏｆｔ ｐｕｓｈ ｂｕｔｔｏｎ）を含み、気泡アクチュエータは、作動されたとき、マイクロ流体分離チャネル内に気泡を発生して、所定体積の処理された流体（例えば血漿／血清）を隔離する。その後、この能動的な計測は、収納媒体（ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉａ）への上記体積の流体（例えば血漿／血清）の移送を支援することができる。
本発明の別の実施形態では、保持要素は、いくつかの流体チャネルを含む。
本発明のいくつかの他の実施形態が特許請求の範囲で定義される。
本発明は、特に以下の図面によって示される非限定の例によって、以下でより良く理解される。
本発明によるデバイスの第１の例（デバイス上面図Ａ、３Ｄ図Ｂ、チャネル上面図Ｃ、チャネル断面図Ｄ）を示す図である。 特定体積の血漿を区切り、出口に向けた上記体積の血漿の移送を支援するための気泡の連続的な発生を示す図である。 本発明によるデバイスの別の例（３Ｄ図）を示す図である。 収納媒体での乾燥血漿スポットを示す図である。
以下の例では、デバイスが血液の分離のために使用される。当然、本発明は、そのような使用に限定されない。任意の適切な多相流体または粒子懸濁液が想定される。
図１に示されるデバイスは、血液供給リザーバ１と、分離チャネル２（本明細書の例では「沈降チャネル」とも称される）と、制限要素３と、血漿採取チャネル５と、計測チャネル１２を介して分離チャネル２に連絡するソフトプッシュボタン４と、デバイスの横方向側面に位置する出口６とを含む。
血液滴（典型的には１０〜５０μＬ）が、入口リザーバ１内に入れられる。血球７と血漿９が受動的に分離されて、沈降チャネル２内に入る（図１Ｃ参照）。生成された血漿９は、採取チャネル５に採取される。制限要素３、例えばバッフル（ｂａｆｆｌｅ）が、沈降チャネル２と採取チャネル５との間に位置する。制限要素３は、採取チャネル５の方向に向かう流体の適切な向きを保証する。沈降チャネル２の幾何形状（長さ、断面積、形状など）は、チャネル２内の血液力学的特性、したがって沈降特性に影響を及ぼす。
好ましくは、チャネル幾何形状は、制限要素３の位置の前で、流体サンプルに対する毛細管効果、すなわち駆動力（ｄｒｉｖｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）、したがって血球の沈降を誘発するように選択される。制限要素３の後、生成された血漿９は、所定の容積を有する採取チャネル５内に採取される。採取チャネル５の幾何形状は、沈降チャネル２内への血漿の速度、または液体を駆動する毛細管力を変更するように適用される。沈降チャネル２に関して、採取チャネル５の長さ、形状、および材料は、チャネル５に入る血漿９への毛細管効果、すなわち駆動力を誘発するように選択される。
採取チャネル５は、有利には、所定の体積（典型的には１〜１０μＬ）の血漿９を受け取るように較正される。この体積は、分析の要件に関して変更することができる。
採取チャネル５の充填後、ソフトボタン４が、圧力または任意の他の手段によって手動または自動で起動される。ソフトボタン４の起動は、採取チャネル５の入口で終端する計測チャネル１２を通る気泡８の発生を誘発する。気泡８は、沈降チャネル２と採取チャネル５との分離を連続的に可能にする。また、気泡８は、出口６から採取チャネル５を機械的に排出することも可能にする（図２参照）。有利には、出口６は、カード上面に位置する（図３参照）。この場合、採取チャネル５と出口６との間に垂直チャネル１３が形成される（図３参照）。
次いで、セルロースおよび／または非セルロース収納媒体を組み込むカード１０（図４）が出口６にあてがわれ（ａｐｐｌｉｅｄ）、指でカード１０を直接押す、または例えばデバイスにクリップ留めされた蓋を含めた任意の他の手段によってカード１０を押すことによって、所定の体積の血漿を採取する。出口６でのカード１０と流体との接触が、カードに乾燥流体スポット１１を生み出す。
図３の例では、採取チャネル５と出口６との間に垂直チャネル１３が画成される。有利には、デバイスは、垂直であって平行な複数のチャネル（図示せず）を含み、これらのチャネルは、一列に配置され、採取媒体１０のスポット位置１１の数に応じて複数の独立したサンプリングを可能にする。各チャネルは、好ましくは、それらのスポット位置１１に乾燥血漿スポットを生成するように設計される。
出口６は、異なる幾何形状を有していてもよく、円形でも非円形でもよい。
当然、本発明は、上の例で示されるデバイスに限定されない。
１ 入口リザーバ
２ 分離（沈降）チャネル
３ 制限要素
４ ソフトボタン
５ 採取チャネル
６ 出口
７ 血球
８ 気泡
９ 血漿
１０ カード
１１ 乾燥流体スポット
１２ 計測チャネル
１３ 出口垂直チャネル

Claims (18)

  1. ２つの不混和相（液体および／または固体）を含む流体混合物の処理、特に分離のためのラボオンチップデバイスであって、
    入口リザーバ（１）と、分離チャネル（２）と、採取チャネル（５）と、出口（６）とを連続的に含む流体ライン（１、２、５、６）を含み、
    前記分離チャネル（２）は、前記２つの相への流体混合物の分離を可能にするように設計された、前記ラボオンチップデバイス。
  2. 前記チャネル（２）は、毛細管作用によって、流体混合物（例えば血球）の沈降および分離と、精製された流体（例えば血球を含まない血漿または血清）の生成とを誘発するようにサイズ設定される、請求項１に記載のデバイス。
  3. 所定体積の処理された流体（例えば血漿／血清）を隔離するために、作動されたとき、前記流体ライン（１、２、５、６）内に気泡（８）を発生する気泡アクチュエータ（４）をさらに含む、請求項１または２に記載のデバイス。
  4. 前記分離チャネル（２）内での毛細管駆動力によって、精製された流体を生成するように適用された、請求項１〜３のいずれか１項に記載のデバイス。
  5. 前記分離チャネル（２）内での沈降によって、精製された流体を生成するように適用された、請求項１〜４のいずれか１項に記載のデバイス。
  6. チャネル寸法、および各表面の濡れ性は、充填速度の正確な制御を可能にするように調整される、請求項１〜５のいずれか１項に記載のデバイス。
  7. チャネル寸法、および各表面の濡れ性は、フロントフロー（ｆｒｏｎｔ ｆｌｏｗ）の形状の正確な制御を可能にするように調整される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のデバイス。
  8. 前記流体ライン（１、２、５、６）と連絡する計測チャネル（１２）を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載のデバイス。
  9. 所定体積の精製された物質を採取チャネル（５）内に隔離するために、前記計測チャネル（１２）は、前記相と不混和性の流体（例えば空気）を含むように適用される、請求項８に記載のデバイス。
  10. 前記計測チャネル（１２）内に流体を注入するためのアクチュエータ（４）を含む、請求項８または９に記載のデバイス。
  11. 前記アクチュエータ（４）は、可撓性材料（例えばＰＤＭＳまたはポリスチレン）の薄層によって形成されたプッシュボタンである、請求項１０に記載のデバイス。
  12. 分離チャネル（２）と採取チャネル（５）との間に、流体ライン内に位置する制限要素（３）を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のデバイス。
  13. 前記流体ライン（１、２、５、６）内に位置する抗凝固剤（ａｎｔｉｃｏａｇｕｌａｔｉｏｎ ａｇｅｎｔ）を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のデバイス。
  14. 複数の出口（６）を含む、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のデバイス。
  15. 複数の流体ライン（１、２、５、６）を含む、請求項１４に記載のデバイス。
  16. 前記出口（６）は、該デバイスの横方向側面に位置する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のデバイス。
  17. 前記出口（６）は、該デバイスの上面に位置する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のデバイス。
  18. 請求項１〜１７のいずれか１項に記載のデバイスを使用するための方法であって、
    リザーバ（１）に血液滴を充填する工程と、
    分離チャネル（２）内で血球（７）と血漿（９）を分離する工程と、
    生成された血漿を採取チャネル（５）内に採取する工程と、
    採取チャネル（５）の入口で気泡（８）を発生して、両方のチャネルを分離し、所定体積の血漿（９）を出口（６）に向けて押す工程と、
    セルロースまたは非セルロースサンプリング媒体（１０）を出口（６）にあてがい、乾燥血漿スポット（１１）を生成する工程と
    を含む、前記方法。
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