JP2018523094A - 検体の電気泳動分離および分析のためのシステムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、米国国立衛生研究所によって認可された認可番号R43GM112236の下で政府の支援を受けて行われた。政府は、本発明において特定の権利を有している。
本出願は、2015年5月20日に出願された「Systems and Methods for Electrophoretic Separation and Analysis of Analytes」という標題の米国仮特許出願第62/164,495号の優先権および利益を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
すべての時限(timed)工程を正確に制御し、scWB分析の実行のために、電界およびUV照射の均一で反復可能で安全な適用を提供する、一体型のオプトエレクトロニクスインスツルメントが構築された。一体型のインスツルメントは、分離とUVフォトキャプチャーとの間の時間を最小化し、したがって、拡散性の分散および分離分解能の喪失を制限する。外部ユーザーへの安全な配備のために、高電圧およびUV光の機械的なインターロッキングが実装された。下記に、最適化されたシステムコンポーネントについての詳細、および、一体型のプロトタイプの実証された安全動作および許容可能な分析性能についての詳細が提示されている。
反復式のプロトタイピングおよび設計プロセスが、最終的な一体型のscWBデバイスの中で使用するための除去可能な電気泳動セルを構築し、テストし、および最適化するために用いられた。除去可能な電気泳動セルの設計は、たとえば、電極の近くでの電解バブル形成を低減させるように構成され、電解バブル形成は、セルの中の液体表面をカバーするように広がり、電界を摂動させ、また、後続のUV露出工程の間に、UV光の一部分を遮断する。さらに、設計は、たとえば、信頼性の高いチップ接着および反復可能なバッファー追加を増加させるように構成された。
いくつかの候補の光源がテストされた。ベンゾフェノン捕獲化学的性質は、330〜360ナノメートル(nm)の範囲で活性化されることが知られており、ライトニング硬化ランプは、316nmおよび365nmにおいて、かなりのパワーを有する広範囲の出力を有する。310nmから365nm波長範囲において、いくつかのコンパクトな光源が評価された。高パワーの(1200マイクロワット(mW)/cm2)365nmLED(Hamamatsu)の下で、捕獲は観察されなかった。コンパクトなUV蛍光チューブランプが、UV Systems(Renton、WA)から得られ、バルブの性能は、それぞれ、365nmおよび312nmに中心を置く広範囲の出力と比較された。両方のバルブは、330〜360nmの範囲において、かなりのパワー出力を有している。312nm波長バルブは、365nmバルブと比較して、捕獲効率のかなりの増加を生み出した(4分露出に関して、69%対10%)。312nmバルブに対する露出時間を1分まで低減させることは、(4分の露出時間に関して、69%と比較して)52%の測定された平均捕獲効率を生み出し、捕獲効率の適度な低減を伴って、露出時間が4分から低減され得るということを示唆する。
一体型の高電圧電気泳動およびUV露出ユニットが使用され、すべての時限工程を正確に制御し、電界およびUV照射の均一で反復可能で安全な適用を提供する。一体型のオプトエレクトロニクスインスツルメント300が構築され、それは、カスタム設計された除去可能な電気泳動セル320、チップ340(たとえば、上記に説明されているものなど)、および、UVシステムからの312nmUVバルブを組み込み、電気泳動およびUV露出工程の安全で自動化された連続的な動作を可能にする(たとえば、図14A〜図14Dを参照)。キー分析工程:溶解時間、電気泳動ランタイム、電圧、およびUV露出時間(図14Bおよび図14C)にわたって、ユーザーが制御することを可能にするために、グラフィッカルユーザーインターフェースを備えたタッチスクリーン310が開発された。
〜1mLの溶解バッファーによって10〜15秒にわたってチップをカバーし、次いで、迅速に溶解バッファーを電気泳動バッファーと交換することによって、scWBチップの中に定着させられている細胞を溶解させる能力が実証された。図4、図5、および図7を参照して説明されている除去可能な電気泳動セルおよび器具類を使用して、過度の流体摂動なしに、チップの上方のバッファーを急速に交換することによって、マイクロウェルの内側の溶解させられたタンパク質の喪失が最小化され得る。
Claims (61)
- 目標検体の存在に関して生物学的なサンプルを分析するためのシステムであって、前記システムは、
ハウジングを有する分析デバイスであって、
前記ハウジングの中に配置され、電気泳動セルを受け入れるように構成された受容部であって、前記電気泳動セルは、活性化されたときに前記目標検体に共有結合する活性化可能な官能基を備えたポリマー分離媒体を含むチップを受け入れるように構成された凹部エリアを有しており、前記チップは、前記生物学的なサンプルを受け入れるように構成されている、受容部、および、
前記活性化可能な官能基を活性化させるために活性化エネルギーを供給するように構成されている、活性化エネルギーの供給源
を含む、分析デバイスと、
前記活性化エネルギーの供給源に操作可能に連結されているコンピューターコントローラーであって、前記活性化エネルギーの供給源を活性化させ、活性化エネルギーを前記ポリマー分離媒体へ適用し、前記活性化可能な官能基を活性化させるように動作可能である、コンピューターコントローラーと
を含む、システム。 - 前記受容部は、前記電気泳動セルを除去可能に受け入れる、請求項1に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、前記ハウジングの中に含まれている、請求項1に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、電子デバイスの中に含まれており、前記電子デバイスは、前記ハウジングに対してリモートに位置しており、有線ネットワークおよび無線ネットワークのうちの少なくとも一方を介して、前記分析デバイスと通信している、請求項1に記載のシステム。
- 前記分析デバイスは、前記ハウジングの中に配置された電力供給源を含み、電源は、前記コンピューターコントローラーに電力を提供し、前記目標検体の前記存在に関して前記生物学的なサンプルを分析するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記活性化エネルギーの供給源は、紫外線放射線の供給源である、請求項1に記載のシステム。
- 前記電気泳動セルは、前記凹部エリアの両側に少なくとも1つの電極を含む、請求項1に記載のシステム。
- 前記分析デバイスは、前記ハウジングの中に配置された電力供給源を含み、前記電力供給源は、前記少なくとも1つの電極に電力を提供し、前記凹部エリアを横切って電界を発生させるように構成されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、一定時間にわたって前記電界の電界強度を制御するように構成されている、請求項8に記載のシステム。
- 前記分析デバイスは、前記凹部エリアの中の溶液のレベリングの程度を感知するように構成されたレベリングセンサーを含み、比較的高い程度のレベリングは、前記電界の中に、比較的に低い程度の空間的な摂動を結果として生じさせる、請求項1に記載のシステム。
- 前記凹部エリアの中の前記溶液のレベリングの程度の指示を提供するように構成された1つまたは複数のレベリングインジケーターをさらに含む、請求項10に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、前記電気泳動セルが前記受容部の中へ挿入されているときに、前記チップの上の識別部材を識別するように構成されたセンサーに操作可能に連結されている、請求項1に記載のシステム。
- 前記識別部材は、1次元の識別バーコードまたは2次元の識別バーコードのうちの少なくとも一方を含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記識別部材は、無線周波数識別(RFID)ユニットを含む、請求項12に記載のシステム。
- 前記識別部材は、一意的な識別部材である、請求項12に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、メモリーを含み、前記メモリーは、前記識別部材および前記識別部材の識別に関連付けられたデータを記憶するように構成されている、請求項12に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、リモートコンピューターシステムと通信しており、前記コンピューターコントローラーは、前記識別部材および前記識別部材の前記識別のうちの少なくとも一方に関連付けられたデータを、前記リモートコンピューターシステムのメモリーから送信または読み出すように構成されている、請求項12に記載のシステム。
- 前記識別部材は、前記分析のために分析パラメーターのセットを決定する、請求項12に記載のシステム。
- 前記コンピューターコントローラーは、所与の識別部材および分析パラメーターのセットをリモートコンピューターシステムにアップロードするように構成されている、請求項18に記載のシステム。
- 前記センサーは、前記識別部材を光学的に識別する光学的なセンサーである、請求項12に記載のシステム。
- 前記システムは、リンシングフィクスチャーをさらに含み、前記リンシングフィクスチャーの角度は、前記チップに対するバッファー溶液の流量を制御する、請求項1に記載のシステム。
- 前記チップに隣接するプロービングフィクスチャーをさらに含む、請求項1に記載のシステム。
- ベースおよび蓋部を含むハウジングと、
前記ベースの内部表面によって画定された受容部であって、前記受容部は、電気泳動セルを受け入れるように構成されており、前記電気泳動セルは、チップに連結されるように構成されており、前記チップは、活性化されていることに応じて、前記チップの上に配置された生物学的なサンプルの中の目標検体と共有結合するように構成されている官能基を備えたポリマー分離媒体を含む、受容部と、
前記蓋部の内部表面に連結されている放射線エネルギー供給源であって、前記放射線エネルギー供給源は、前記官能基を活性化させるように動作可能な活性化エネルギーを供給するように構成されている、放射線エネルギー供給源と、
前記ハウジングの中に配置され、前記受容部から流体的に隔離された電力供給源であって、前記電気泳動セルが前記受容部の中に配置されているときに、前記電気泳動セルに電気的に連結されるように構成されている、電力供給源と、
前記ハウジングに連結され、前記受容部から流体的に隔離されたコンピューターコントローラーであって、前記電気泳動セルが前記生物学的なサンプルを分析するために前記受容部の中に配置されているときに、前記放射線エネルギー供給源および前記電気エネルギー供給源を活性化させるように動作可能である、コンピューターコントローラーと
を含む、装置。 - 前記受容部は、前記電気泳動セルを除去可能に受け入れる、請求項23に記載の装置。
- 前記ハウジングは、約50センチメートル(cm)よりも小さい長さ、約50cmよりも小さい幅、および、約50cmよりも小さい高さのうちの少なくとも1つを有している、請求項23に記載の装置。
- 前記長さ、前記幅、および前記高さのうちの少なくとも1つは、約40cmよりも小さい、請求項25に記載の装置。
- 前記放射線エネルギー供給源は、可視光、紫外(UV)光、または赤外光のうちの少なくとも1つからの電磁放射線である、請求項23に記載の装置。
- 前記放射線エネルギー供給源の外部面は、光学フィルターを含む、請求項23に記載の装置。
- 前記光学フィルターは、前記光学フィルターを通して、分析に適合する波長のサブセットを通過させるように構成されており、前記波長のサブセットは、UVスペクトルの波長範囲内にある、請求項28に記載の装置。
- 前記光学フィルターは、バッファー溶液の凝縮を低減させるように構成されている、請求項28に記載の装置。
- 前記装置は、前記コンピューターコントローラーに動作可能に連結されている電子的なディスプレイをさらに含み、前記電子的なディスプレイは、ユーザーインターフェースを有しており、前記ユーザーインターフェースは、前記生物学的なサンプルを分析するために、前記コンピューターコントローラーに関する指示を示すユーザー入力を受け入れるように構成されている、請求項23に記載の装置。
- 前記ハウジングは、複数のスロットを画定しており、前記複数のスロットのうちのそれぞれのスロットは、前記電力供給源に電気的に接続されているピンを収容するように構成されており、少なくとも1つのピンが前記電気泳動セルの伝導性の接触パッドに隣接しているときに、電気的な接続が形成され、前記伝導性の接触パッドは、前記少なくとも1つの電極に電気的に接続されている、請求項23に記載の装置。
- 前記コンピューターコントローラーは、少なくとも1つのピンの電圧極性を方向付けし、前記電界の方向を制御するように構成されている、請求項32に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのピンは、スプリング荷重式のピンである、請求項32に記載の装置。
- 前記複数のスロットは、複数の電気泳動セルフォームファクターおよび複数の電極構成のうちの少なくとも1つを収容するように構成されている、請求項32に記載の装置。
- 前記ハウジングは、複数のレベリングフィートに連結されており、前記レベリングフィートは、前記ハウジングに対して調節され、前記チップに対して溶液をレベリングするように構成されている、請求項23に記載の装置。
- 前記ハウジングは、溶液の供給源をさらに含む、請求項23に記載の装置。
- 前記溶液は、バッファー溶液である、請求項37に記載の装置。
- 前記コンピューターコントローラーは、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、前記溶液の供給源から前記チップへ溶液の流れを方向付けるように構成されている、請求項37に記載の装置。
- 前記溶液の供給源は、弁に動作可能に連結されており、前記コンピューターコントローラーは、開いた構成と閉じた構成との間で前記弁を移行させるように動作可能であり、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、前記溶液の供給源から前記チップへ溶液の流れを方向付ける、請求項37に記載の装置。
- 前記溶液の供給源は、少なくとも第1の溶液および第2の溶液を含有しており、前記コンピューターコントローラーは、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、少なくとも前記第1の溶液および前記第2の溶液を前記溶液の供給源から前記チップへ別々に導入するように構成されている、請求項37に記載の装置。
- 前記溶液の供給源は、複数の溶液を含有しており、前記コンピューターコントローラーは、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、前記複数の溶液のうちのそれぞれの溶液を前記溶液の供給源から前記チップへ連続して別々に導入するように構成されている、請求項37に記載の装置。
- 前記ハウジングは、少なくとも1つのインターロッキングスイッチを含む、請求項23に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのインターロッキングスイッチをロックすることは、前記活性化エネルギーの供給源の活性化を可能にする、請求項43に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのインターロッキングスイッチをロックすることは、電力供給源の活性化を可能にする、請求項44に記載の装置。
- 目標検体の存在に関して生物学的なサンプルを分析するために、分析デバイスの受容部の中に配置されるように構成された電気泳動セルの本体部であって、前記本体部は、凹部エリアを画定する、本体部と、
前記チップの表面が前記本体部の表面と実質的に面一状態になるように、前記凹部エリアの中に配置されるように構成されたチップであって、前記チップは、活性化されていることに応じて、前記チップの上に配置された前記生物学的なサンプルの中の目標検体と共有結合するように構成されている官能基を備えたポリマー分離媒体を含む、チップと、
前記本体部に連結された伝導性の接触パッドであって、前記伝導性の接触パッドは、前記電気泳動セルが前記受容部の中に配置されているときに、前記分析デバイスの電源に電気的に接続されるように構成されている、伝導性の接触パッドと、
前記本体部の中に配置され、前記伝導性の接触パッドに電気的に接続されている電極であって、前記電極は、前記電気泳動セルが前記受容部の中に配置されているときに、前記電源からの電流の流れに応じて、前記凹部エリアを横切って電界を作り出すように構成されている、電極と、
前記凹部エリアの少なくとも1つの側に配置された堰構造体であって、前記堰構造体は、前記凹部エリアを横切る溶液の流れを制御するように構成されている、堰構造体と
を含む、装置。 - 前記電極は、第1の電極であり、前記伝導性の接触パッドは、第1の伝導性の接触パッドであり、前記装置は、
前記本体部の中に配置されている第2の電極であって、前記第2の電極は、第2の伝導性の接触パッドに電気的に接続されており、前記第2の伝導性の接触パッドは、前記電気泳動セルが前記受容部の中に配置されているときに、前記電源に電気的に接続されており、前記第1の電極は、前記凹部エリアの第1の側に配置されており、前記第2の電極は、前記凹部エリアの第2の側に配置されている、第2の電極
をさらに含む、請求項46に記載の装置。 - 前記チップは、消耗品である、請求項46に記載の装置。
- 前記ポリマー分離媒体は、内部に複数のマイクロウェルが形成されている、請求項46に記載の装置。
- 前記複数のマイクロウェルのうちのそれぞれのマイクロウェルは、前記生物学的なサンプルからの単一細胞を収容するように構成されており、前記複数のマイクロウェルのうちのそれぞれのマイクロウェルは、約100ミクロンよりも小さい直径を有している、請求項49に記載の装置。
- 前記ポリマー分離媒体は、架橋されている、請求項46に記載の装置。
- 前記官能基は、ベンゾフェノン基である、請求項46に記載の装置。
- 前記官能基は、前記紫外線スペクトル範囲内の電磁放射線によって活性化される、請求項46に記載の装置。
- 前記堰構造体は、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、前記チップの上部表面の上のバブルを捕捉するように構成されている、請求項46に記載の装置。
- 前記堰構造体は、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、バブルが前記チップの上部表面の上に浮遊することを防止するように構成されている、請求項46に記載の装置。
- 前記堰構造体は、前記電気泳動セルが前記受容部の中にあるときに、前記電界の中の摂動、前記活性化エネルギーの供給源によって発生させられる波長の遮断、および、バッファー溶液の流体運動のうちの少なくとも1つを低減させるように構成されている、請求項46に記載の装置。
- 前記電気泳動セルは、前記受容部の中に除去可能に配置されている、請求項46に記載の装置。
- 前記チップは、識別部材を含み、前記分析デバイスは、前記電気泳動セルが前記受容部の中へ挿入されるときに前記識別部材を識別するように構成されたセンサーを含む、請求項46に記載の装置。
- 前記識別部材は、1次元の識別バーコード、2次元の識別バーコード、および無線周波数識別(RFID)ユニットのうちの少なくとも1つを含む、請求項58に記載の装置。
- 前記識別部材は、前記生物学的なサンプルを分析するための分析パラメーターのセットを決定する、請求項58に記載の装置。
- 前記本体部は、前記本体部からの溶液の除去を可能にするように構成された注ぎフィーチャーおよび吐出フィーチャーのうちの少なくとも1つを含む、請求項46に記載の装置。
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