JP2022543213A - 核酸増幅試験のためのシステムおよびモジュール - Google Patents

核酸増幅試験のためのシステムおよびモジュール Download PDF

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Abstract

核酸増幅試験のためのシステムが提供される。システムは、消耗性増幅モジュールと、増幅モジュールを受け取るためのリーダモジュールとを備える。増幅モジュールは、試験試料を収容するための反応容器と、反応容器と熱接触し、試験試料を加熱するように反応容器に熱を加えるように制御可能なヒータ要素を備えるヒータと、ヒータ要素および試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、ヒータと熱接触するヒートシンクまたはヒートスプレッダとを備える。リーダモジュールは、ヒータ要素および／または試験試料の決定温度に応答して、ヒータ要素をオン状態とオフ状態との間で選択的に制御するためのヒータコントローラと、ヒータコントローラとヒータとを接続するための電気ヒータインターフェースとを備える。システムは、試験試料を冷却するように反応容器から熱を差し引くためのヒートシンクを備える。増幅モジュールはヒートシンクを備えてもよい。レシーバモジュールは、ヒートシンクおよび熱インターフェースを備えてもよく、増幅モジュールは、熱インターフェースと熱接触するためのヒートスプレッダを備えてもよい。

Description

背景技術
本発明は、核酸増幅試験のためのシステム、および当該システムのためのモジュールに関する。
反応器が必要とされる例示的なプロセスは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によるＤＮＡ増幅であり、反応器は、ＰＣＲの完了時間を短縮するための高速熱サイクリングに適している。別の例は、多段階反応の各段階の温度を調整することによって塩基付加を最適化することができる合成によるＤＮＡ配列決定である。
ＰＣＲは、約６０℃から９５℃の温度間の反復温度サイクリングを必要とする。従来、高価なペルチェ素子を用いて、昇温が必要な場合にはヒートシンクから試料に熱を導入し、降温が必要な場合には試料からヒートシンクに熱を導入する加熱冷却が行われている。ヒートシンクは、ファンによって冷却されることが多い。
この手法には、例えば以下のように多くの欠点がある。必要とされる装置は大型で高価であり、消費電力が大きい。熱サイクル中に温度を変化させる装置の部分の熱容量は、試料の熱容量よりも著しく大きく、その結果、エネルギー使用量が増加し、熱サイクリングが遅くなる。温度勾配速度は制限されており、熱サイクリング時間は、ペルチェ素子、および試料と熱接触して収容するために使用される部品を通る、および試料自体を通る、長い熱拡散時間によって増加する。これらの要因は、遅くてエネルギー的に非効率的なＰＣＲ熱サイクリングをもたらす。
従来のペルチェベースの熱サイクリング機器は、リーダ部内の層状バルク熱ブロックおよび複雑な熱インターフェースを含む、いくつかの部分を含む。この機器は、熱電ブロックと、受動的または強制対流冷却のためのフィンを備えた大きなヒートシンクとを必要とする。
この構成要素は、繰り返しの熱サイクリングの機械的応力のために寿命が限られているため、システムから大量のこの材料を廃棄すること、ならびに熱電（ペルチェ）素子を排除することが有利であろう。
別の従来のペルチェベースの熱サイクリング機器は、内部の試料の温度を制御するためのシステムを有する反応容器を備える。反応容器は、熱接触領域を提供しながら容積を密封するために両側に薄い熱融着フィルムを有するポリプロピレンフレームを備える。消耗部との熱接触は、ばねクリップ、ならびに消耗部の壁を膨張させるために反応容器に加えられる空気圧によって提供される。この配置は、低熱質量部とのより密接な熱接触を提供することにより、従来の熱サイクリングに勝る利点を有するが、反応混合物との熱接触を達成するために複雑なクランプおよび膨張を必要とする。反応体積はまた、熱接触領域と比較してかなり厚く、これは、側面の体積では中央の体積と比較してより速い温度変化が観察されるため、熱サイクリングの勾配速度を制限する。
別の従来のペルチェベースの熱サイクリング機器は、リーダの熱インターフェース部に加熱および温度検知手段を備える。温度センサは、熱伝達に使用され得る試料の中心の領域を占め、センサとヒータトラックとの間の距離は、測定された温度とヒータおよび試料温度との間の不一致をもたらし得る。
本発明は、従来技術の問題の１つまたは複数を少なくともある程度緩和することを目的とする。
発明の概要
本発明の一態様によれば、核酸増幅試験のためのシステムが提供され、システムは、消耗性増幅モジュールと、増幅モジュールを受け取るためのリーダモジュールとを備え、増幅モジュールは、試験試料を収容するための反応容器と、反応容器と熱接触し、試験試料を加熱するように反応容器に熱を加えるように制御可能なヒータ要素を備えるヒータと、ヒータ要素および試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、試験試料を冷却するように反応容器から熱を差し引くためにヒータと熱接触するヒートシンクとを備え、リーダモジュールは、ヒータ要素および／または試験試料の決定温度に応答して、ヒータ要素をオン状態とオフ状態との間で選択的に制御するためのヒータコントローラと、ヒータコントローラとヒータとを接続するための電気ヒータインターフェースとを備える。
本発明の別の態様によれば、核酸増幅試験のためのシステムが提供され、システムは、消耗性増幅モジュールと、増幅モジュールを受け取るためのリーダモジュールとを備え、増幅モジュールは、試験試料を収容するための反応容器と、反応容器と熱接触し、試験試料を加熱するように反応容器に熱を加えるように制御可能なヒータ要素を備えるヒータと、ヒータ要素および試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、ヒータと熱接触しているヒートスプレッダとを備え、リーダモジュールは、ヒータ要素および／または試験試料の決定温度に応答して、オン状態とオフ状態との間でヒータ要素を選択的に制御するためのヒータコントローラと、ヒータコントローラとヒータとを接続するための電気ヒータインターフェースと、ヒートシンクと、ヒートシンクと熱接触する熱インターフェースであって、熱インターフェースが、試験試料を冷却するように反応容器から熱を差し引くために、増幅モジュールがリーダモジュールによって受け取られたときにヒートスプレッダと熱接触するように適合されている、熱インターフェースとを備える。
本発明は、熱サイクリングＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応）法に特に適用可能である。
本明細書で使用される場合、「消耗」という用語は、その一般的な意味、すなわち、典型的には単回使用後にその寿命に達して廃棄される、使い捨て製品の意味を持つ。
消耗性増幅モジュール内にヒータおよび温度センサを含めることは、有利には、高度な温度均一性で反応容積（反応容器）の温度の迅速かつ正確な調整を可能にする。したがって、特許請求される発明は、低コストの装置において迅速かつ正確な熱制御を提供する。リーダモジュールにヒータコントローラを設けることにより、消耗性増幅モジュールを簡便にコンパクトにすることができ、増幅モジュールに設けられるシステムのその他のより使い捨て可能にし易い低コストの要素と共にヒータ制御装置を廃棄しなければならないというコスト面の影響を回避する。
熱インターフェースおよびヒートシンクは、一体構造を形成してもよい。
ヒートスプレッダは、ヒートシンクよりも熱容量が小さくてもよい。
リーダモジュールは、ヒートシンクを冷却するように構成された冷却装置を備えてもよい。冷却装置は、熱電冷却器またはファンを備えてもよい。
システムは、ヒータとヒートシンクまたはヒートスプレッダとの間に当該熱接触を提供するように構成されたヒータ支持体を備えてもよい。ヒータ支持体の熱抵抗×面積の積は、１×１０－４から１×１０－２Ｋ．ｍ２／Ｗの範囲、好ましくは３×１０－４から３×１０－３Ｋ．ｍ２／Ｗの範囲であり得る。
リーダモジュールは、増幅モジュールがリーダモジュールによって受け取られたときに試験試料中の反応を検出するための光学システムを備えることができ、光学システムは、光学システムを増幅モジュールに接続するための光学インターフェースと、試験試料に光を供給するための光源と、試験試料による光の透過、吸収、反射、または発光の変化を検出するための光検出器とを備える。
リーダモジュールは、増幅モジュールがリーダモジュールによって受け取られたときに試験試料の圧力および／または動きを制御するための空気圧システムを備えることができ、空気圧システムは、空気圧システムを増幅モジュールに接続するための空気圧インターフェースと、空気圧インターフェースを介して試験試料に圧力および／または動きを提供するための空気圧ポンプと、空気圧ポンプを制御するための空気圧コントローラとを備える。
増幅モジュールは、反応容器に収容された試験試料の電気化学的変化を検出するための検出器を備えてもよく、リーダモジュールは、増幅モジュールがリーダモジュールによって受け取られたときに電気ヒータインターフェースを介して検出器から信号を受信するように適合されてもよい。
ヒータ要素は、温度センサを備えてもよく、ヒータ要素の温度は、ヒータ要素の電気抵抗から決定可能である。
リーダモジュールは、複数の当該増幅モジュールを受け取るように適合されてもよい。
リーダモジュールは、それぞれの増幅モジュールによって収容された複数の試験試料に対して同期試験および／または非同期試験を実行するように適合されてもよい。
本発明の別の態様によれば、核酸増幅試験用のシステムのリーダモジュールに挿入するための消耗性増幅モジュールが提供され、増幅モジュールは、試験試料を収容するための反応容器と、反応容器と熱接触し、試験試料を加熱するように反応容器に熱を加えるために外部コントローラから制御信号を受信するように適合されているヒータ要素を備えるヒータと、ヒータ要素および試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、試験試料を冷却するように反応容器から熱を差し引くためにヒータと熱接触するヒートシンクとを備える。
本発明の別の態様によれば、核酸増幅試験用のシステムのリーダモジュールに挿入するための消耗性増幅モジュールが提供され、増幅モジュールは、試験試料を収容するための反応容器と、反応容器と熱接触し、試験試料を加熱するように反応容器に熱を加えるために外部コントローラから制御信号を受信するように適合されているヒータ要素を備えるヒータと、ヒータ要素および試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、ヒータと熱接触するヒートスプレッダであって、ヒートスプレッダが、試験試料を冷却するように反応容器から熱を差し引くために、増幅モジュールがリーダモジュールによって受け取られたときに、リーダモジュールのヒートシンクの熱インターフェースと熱接触するように適合されている、ヒートスプレッダとを備える。
図面の簡単な説明
次に、添付の図面を参照して、例を説明する。
一例による、消耗性モジュールとリーダモジュールとを備えるシステムを示す。 別の例による、消耗性モジュールとリーダモジュールとを備えるシステムを示す。 消耗性モジュールとリーダモジュールとを備える例示的な製品を示す。 例えば図３に示す製品のシステム概略図である。 リーダモジュールに受け取られた消耗性モジュールを示す。 複数の消耗性モジュールを受け取るためのリーダモジュールを示す。 例示的な消耗性モジュールの構造を示す。 例示的な消耗性モジュールの構造を示す。 例示的な消耗性モジュールの構造を示す。 消耗性モジュールのプリント回路トレースを示す。 消耗性モジュールの電気ヒータ接続を示す。 ＤＮＡ配列を検出するための一連のアッセイ工程を示す。 ＲＮＡ配列を検出するための一連のアッセイ工程を示す。 消耗性モジュールの概略平面図を示す。 空間多重蛍光検出のために試料が分割されている流体チャネルを示す。 保持工程が熱サイクルに含まれる場合の熱抵抗の好ましい範囲を示す。
発明を実施するための形態
図１を参照すると、核酸増幅試験（ＮＡＡＴ）のための例示的なシステムは、消耗部１００とリーダ部１０１とを備える。消耗部１００は、反応容器１０２と、ヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂ（図１では集合的に１０３とラベル付けされている）と、ヒートシンク１０４とを備える。リーダ部１０１は、温度制御およびヒータ駆動電子機器１０６を備える。この例示的なシステムは、ＮＡＡＴを実行するためにただ１つの電気インターフェース１０５を必要とする。
使用時に、反応容器１０２は、ＮＡＡＴのための反応を行うために必要とされる試薬および試料を含む。消耗部１００は、予め装填された試薬を含むことができ、使用時に試験試料を追加することができる。
試験結果は、温度に大きく依存する反応速度によって測定されることが多いため、ＮＡＡＴにおいて正確で均一な熱制御を達成することが重要である。ヒートシンク１０４、ヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂを消耗部に含めることにより、反応容器１０２内の試料体積と、温度制御熱エンジン、すなわちヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂならびにヒートシンク１０４との間に均一で恒久的な熱接触を有することが可能になる。
状況によっては、例えば、環境の持続可能性またはコストの懸念により、各試験で無視できない量の金属ヒートシンク材料の廃棄を回避するために、消耗部１００に高熱質量のヒートシンクを含めることは望ましくない場合がある。図２は、リーダ２０１内にヒートシンク２０４を設けることによって消耗部２００内の材料を低減する代替構成を示す。この例では、リーダ２０１は、温度駆動電子機器２０６および電気インターフェース２０５に加えて、ヒートシンク２０４と消耗部２００との間の熱インターフェース２０７を含む。
特に単純で低コストの接続機構を使用する場合、リーダ表面と消耗部との間の熱接触の良好な均一性を達成することが困難な場合がある。この問題に対処するために、消耗部は、高い熱伝導率を有する材料の薄い熱拡散層２０６を備える。この例では、消耗部１００は、ヒートスプレッダ２０６とヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂとの間に配置された任意選択のヒータ支持層２０８を含む。あるいは、ヒートスプレッダ２０６は、反応容器２０２およびヒータ温度センサ２０３ｂと直接に、近接して均一に接触するように配置される。この例では、ヒータ支持体は、ヒートスプレッダ２０６とヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂとの間で材料の連続層として構成されるが、ヒータ支持体は、ヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂをヒートスプレッダ２０６上で支持するように様々な異なる方法で構成されてもよいことが理解されよう。例えば、ヒータ支持体は、ヒートスプレッダ２０６とヒータ１０３ａおよび温度センサ１０３ｂとの間の構造材料に不連続性を有する、リブ付き構造を備えてもよい。
また、ヒータ１０３ａの非駆動時に、ヒートシンク１０４への熱流によるヒータ１０３ａおよび反応容器１０２の冷却速度を制御することが望ましい。冷却速度は、ヒータ支持層２０８の熱抵抗ＲＴに依存し、これは、所与の温度プロファイルおよびヒートシンク温度Ｔｓｉｎｋおよびヒータ出力ｐＨｅａｔに対する熱サイクリング時間を最小化するように最適化することができる。ＴＬＯＷとＴＨＩＧＨとの間の熱サイクリングに必要な時間は、加熱時間が冷却時間に等しいときに最小化され、この条件は、以下のようにＲＴ＝ＲＴ，Ｏｐｔのときに満たされる。
ＲＴ，Ｏｐｔ＝（ＴＨＩＧＨ＋ＴＬＯＷ－２ ＴＳｉｎｋ）／ｐＨｅａｔ。
添付の表１は、ヒータ電力、最適熱抵抗、および熱サイクル時間の値の例を示す。これらは、面積５０ｍｍ２および熱容量０．０４ Ｊ／Ｋの反応面積の場合について示されており、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する。
添付の表２は、熱サイクルが７２℃で１秒の持続時間の保持工程を含む場合のヒータ電力、最適熱抵抗、および熱サイクル時間の値の例を示す。これらは、面積５０ｍｍ２および熱容量０．０４ Ｊ／Ｋの反応面積の場合について示されており、３０℃のヒートシンク温度で６０℃と９５℃との間を循環する。
図３は、患者の近くの環境でこれらの試験を実施するための低コストの可搬式器具を用いてＮＡＡＴを実施するためのシステムに応答するための全試料用の例示的な製品を示す。この例では、リーダ部３０１は、試験の結果をユーザに示すためのディスプレイ３０２と、ユーザ制御のためのボタン３０５とを含む。消耗部３００は、非実験室職員が訓練をほとんどまたは全く伴わずに試験を行うことを可能にするために、単純な試料装填３０３のための空間（すなわち、空洞または容積）ならびに充填可能な試薬ウェル３０４を備える。
図４は、例えば図３に示す製品のシステム概略図である。この例では、消耗部４００は、反応容器４０２におけるＮＡＡＴの準備ができているスワブ４１２から装填された試料を調整するための試料準備機能４１１を含む。ヒータ、温度センサおよびヒートスプレッダ４０３は、消耗部４００に含まれる。消耗部およびリーダ４０１は、電気的に４２０、熱的に４２１、光学的に４２２、および流体的に４２３インターフェース接続される。リーダ４０１内の電子機器は、閉ループヒータ制御装置４０６によって媒介される電源４０９からの電力を供給することによって、外部ユーザインターフェース（図３の３０２および３０５）ならびにヒータ４０３の温度を制御する。システムの制御は、例えばペルチェ素子または可変速ファンを介したヒートシンク４０４の能動冷却４０７を含むことができる。
試料準備工程４１１は、例えば、空気圧インターフェースを介して消耗部４００の流体に計量圧力および容積を提供するための空気ポンプおよび圧力センサを含むことができる流体システム４１０によって制御される。この例示的なシステムは、試験の結果を検出するために光学検出方法を使用する。リーダ４０１と消耗性反応容器（または流体セル）４０２との間の光学インターフェース４２２は、この例では、光源およびレンズ４１３、励起および発光フィルタ４１４、ならびに光検出器４１５を備える、リーダ光学システムにポート接続されている。この構成は、光の１つの波長で励起し、蛍光の波長で検出することによって、蛍光プローブを介して、増幅されたＤＮＡの存在を検出するために使用され得る。
図５は、消耗部５００が挿入された（受け取られた）例示的な小型リーダ５０１の断面を示す。電子接続部５２０および空気圧接続部５２３は、リーダ５０１の同じ面に配置されて、機器５３０に便利に挿入することができる単一面の消耗部５００を可能にする。一例では、急速冷却熱サイクリングを必要とする試験のための熱質量を増加させるために、消耗性ヒートスプレッダまたはヒートシンク５０４とリーダヒートシンク５２１との間に二次機械的インターフェースが設けられる。消耗部５００のヒートシンク５０４とリーダ５０１のヒートシンク５２１との間の熱インターフェースは、消耗部５００の単純な機械的組み立ておよび挿入のための摺動接点を含むことができる。
分析物は、光学インターフェース５２２を使用して、またはヒータ制御部と同じ電気インターフェース５２０を介して直接、検出することができる。光学インターフェースが使用される場合、消耗部５００上の光学面の数を減らすために、反応容積５０２を含む流体部の平面に垂直な照明および検出を用いて、図５に示すように構成することができる。試料中の核酸を検出および／または定量するために、一連の検出方法を使用することができ、概要は添付の表３に含まれる。
図６は、デスクトップリーダ６０１がいくつかの消耗部６３０を受け入れて、同時に、互いに同期して、または非同期的に、複数の試験を実行することができる、マルチアップシステムのための例示的な製品を示す。リーダ６０１は、試験結果を出力するためのディスプレイ６０２を備える。患者に近い設定におけるこのシステムの利点は、システム制御の一部を別個の消耗部インターフェース間で共有することができるため、試験のスループットを高め、リーダの試験ごとのコストを削減することである。
反応容器は、良好な温度均一性および制御を維持すべきである。特に、容器の反応容積の構造は、その幅に比べて薄くすることができ、反応容積は、ヒータ、温度センサおよび反応容積の間の均一で良好な熱接触によって容器の熱容量を支配する。
図７は、例示的なシステム消耗部の断面図である。この例では、反応容積空洞７１０は、エンボス加工、射出成形などのプロセスを介して流体基板材料７０２から構成され、薄い封止層７１１を介して閉じられる。封止層７１１の厚さは、反応容積７１０内の温度精度および熱サイクリング速度の要件によって決定される。このフィルムは、接着剤またはヒートシールプロセスを介して流体基板材料に取り付けられてもよく、同じまたは同様のプロセスを介して、このフィルムの他方の面がヒータおよび温度センサに取り付けられてもよい。
この例では、加熱および温度検知は、標準的な積層およびエッチングプリント回路基板（ＰＣＢ）またはフレキシブル回路プロセスを使用して安価に製造された絶縁基板７０５上の抵抗トレース７０３を介して実行される。これらのトレースはまた、スパッタリング、蒸発または電気めっきなどのプロセスによって形成されてもよい。絶縁基板材料７０５の裏面は、試験の過程にわたって反応容積７１０の受動的冷却を可能にするために、高い熱質量を有するヒートシンク７０４に高い均一な熱コンダクタンスで接合される。より低温のヒートシンク７０４およびより高温の反応容積７１０は、熱的に平衡化し、したがって、安定で一貫した冷却速度を維持するために、ヒートシンク７０４の温度上昇は、試験の過程にわたって最小、例えば１０℃未満でなければならない。
図８は、図２に示すようなシステム例に関する断面図を示し、ヒートシンク部８０４はリーダ部に設けられ、システムは消耗部とリーダとの間に熱インターフェース８２０を備える。従来のシステムは、均一で低抵抗の熱接触を達成することが困難である。逆に、この例では、消耗部は、反応容器８１０に横方向に均一な熱表面を提供するための熱拡散層８０６を備え、熱インターフェース８２０に必要な精度を低下させる。この熱拡散層８０６は、絶縁基板８０５の裏側の電気回路トレース８０３、例えば多層プリント回路基板上の別の銅層と同じプロセスによって構成することができる。反応容積８１０、流体基板材料８０２、および薄い流体封止層８１１は、図７に示す通りである。
光学的検出方法を使用するシステムでは、迷信号を防止し、ノイズフロアを改善するために、材料のスタックに光学層を含めることが必要とされる場合がある。図９は、反応容器９１０の断面におけるこの光学層９２１の追加を示し、光学基材９０２は、反応容積９１０内の変化を観察するのに十分に透明である。例えば、ＦＲ４などのＰＣＢ材料は、試料の蛍光検出を妨害し得る蛍光特性を有し、したがって、流体封止層９１１および９０３ヒータ回路トレースの間または内部に不透明層を含むことが有益である。不透明層は、光透過に対する障壁として、および光検出器によって受信される信号を増加させるための反射器として機能する薄い金属層であってもよい。
図９の９２１で示される位置で金属または他の高熱伝導層を使用することは、熱拡散層であるという追加の利点を有する。熱拡散層は、試料または周囲の流体セルの熱容量よりも著しく小さい熱容量を有しながら、試料容積９１０内の温度の均一性を高めることができるので、ヒートスプレッダ層を含めることは、試料温度を変化させるために必要な加熱および冷却力を著しく増加させない。
図１０Ａは、ヒータ付き消耗部の２つの反応容積１０００のためのプリント回路トレース１００３、および温度測定トレース１００１の例示的なレイアウトを示す。単一層は、標準的な既製のＰＣＩＥエッジコネクタに適合してリーダとの電気インターフェース１００４を形成するように設計されている。トレース１００３は、ヒータ、温度検知、および流体測定用の別の組の電極を接続し、消耗部を通って進む。この例では、チップ内の流体がアッセイのこの段階に到達したことを検出するために、リーダ部内の静電容量感知電子機器を使用して、液体が電極を通過して流れるときの回路基板の上の流体層の誘電率の変化が測定される。
消耗部上の液体の存在または流れを検出する利点は、消耗部上の液体の位置を計算するためにリーダで生成された変位量を測定または制御する必要なしに、流体制御を可能にすることである。この消耗部構造で使用できるいくつかの技術があり、静電容量および抵抗感知の両方が、一組の電極付近の液体の存在を検出することができる。抵抗検知技術はより安定であるが、反応容積と電気的に接触する電極を必要とするのに対して、静電容量測定は、より高感度の電子機器を必要とするが、薄い流体封止層を通して測定することができ、ヒータトラックと同じプリント回路層に製造された電気トラックを使用することができる。
消耗部内の液体の存在または流れを検出するためのさらなる技術は、ヒータおよび感知トレースを使用して熱測定を実行することである。流れは、上流および下流の温度感知トレースの間に位置する中央ヒータトレースを使用して熱パルスの飛行時間を観察することによって測定される。液体の存在は、流体チャネルの近くに配置されたヒータトラックまたはその近くでの熱容量の増加および対応する温度変化の減少を観察することによって測定することができる。
図１０Ｂは、消耗部回路基板上のヒータ領域の拡大図を示し、ヒータへの様々な電気接続を示す。ヒータ抵抗、したがって反応容器温度の正確な測定のために、ヒータトラックへの４線ケルビン接続が提供される。ヒータ電気接続部を駆動電流１０３２、１０３４および電圧感知１０３６、１０３８に分割することにより、ヒータ領域にわたる電圧が、ヒータトラックへの電流の入口および出口のポイントで測定される。電圧感知インターフェースを横切る電流はほとんど流れず、リーダと消耗部との間の電気インターフェース内の電気抵抗がヒータトレース抵抗の測定に及ぼす影響は最小限に抑えられる。これは、抵抗温度測定を使用して反応容器温度制御の精度および信頼性を向上させるので、別個の／分離可能なリーダおよび消耗部にとって有利である。
２つの外側接続部１０４２および１０４４は、ガード・ヒータ・トラックを主ヒータ以上の温度に駆動して、エッジ効果を補償することによってヒータゾーン内の温度均一性を改善するために設けられ、それにより反応容積全体にわたって均一な温度を維持し、反応の効率を改善する。
一例では、消耗部は、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）アッセイを実行して特定の配列の出現を検出するように設計することができる。図１１は、開示されるシステムによってそのようなアッセイをどのように実行することができるかについてのプロセスフローチャートを示す。試料は、サンプリング装置１１０１、すなわちスワブを使用して収集され、消耗部に装填される。消耗部またはサンプリング装置は、サンプリング装置１１０２から細胞またはＤＮＡを溶出するための酵素および試薬を含み得る溶出液を含み得、流体システムは、ＤＮＡおよび酵素を保持しながら汚染物質および反応阻害物を除去するために、液体を濾過システム１１０４に押し込む。アッセイが細胞ＤＮＡを調べるように設計されている場合、細胞は、増幅工程１１０６の前に溶解１１０５を受けて、細胞壁を含まないＤＮＡ鎖を破壊する必要がある。熱溶解法が使用される場合、溶解および増幅は、温度制御された反応容器内で行われる。
従来のシステムおよび方法を超える利点は、全反応容積の温度を速い勾配速度で正確に制御および変更（加熱または冷却）できることである。熱サイクリング増幅技術が使用される場合、このシステムは、ＤＮＡ増幅を定量的に検出し、かつ従来のＤＮＡ検出装置よりもはるかに短い時間で標的ＤＮＡ配列の存在および濃度を決定するために、典型的には２０から６０の間の必要な数の熱サイクルを実行することができる。熱サイクリング後、上記の表１に記載の方法の１つを介して検出された増幅ＤＮＡおよび結果は、ユーザに表示されるか、またはオンラインデータベースにアップロードされる。
一例では、対象の核酸がリボ核酸（ＲＮＡ）である場合、消耗部は、「逆転写」 ＰＣＲ試験（ＲＴ－ＰＣＲ）を実行するように設計することができる。図１２を参照すると、試料を採取して装置に装填した後１２０１、酵素を含まない溶出液でスワブから試料を溶出させ１２０３、濾過し、溶解して、ＲＮＡを反応混合物に放出させる。次に、混合物をＲＴ酵素に導入する。これは、溶解工程中のＲＴ酵素の損傷を防ぐためにこの段階で行われ、酵素を凍結乾燥させて消耗部の貯蔵寿命を延ばすことを可能にする。凍結乾燥した酵素の再懸濁１２０６に伴う既知の問題は、酵素が発泡性であり得、混合物中に気泡を生成する傾向があり、増幅検出を困難にし得ることである。このリスクを軽減するために、脱気または気泡トラップ工程１２０７を用いて、増幅チャンバ内で非ガス状混合物が確実に終了するようにし、そこで混合物を加熱してＲＮＡをＤＮＡに逆転写し１２０８、熱サイクリングして特定のＤＮＡ配列の存在を検出する１２０９。増幅されたＤＮＡは、上記の表１に記載の方法の１つを介して検出される。
システムの消耗部内の反応容器の熱設計を最適化して、添付の表４に記載のＮＡＡＴ温度依存プロセスを実行することができる。
図１３は、様々なアッセイプロセスのために指定された領域を有するＮＡＡＴシステムの消耗部の一例を平面図で示す。スナップ閉鎖蓋機構１３０１は、試料を消耗部内に密封する。この特徴は、流体システムを加圧し、チャネルを通して液体を駆動し、または箔シールを破壊するための作動力を提供するために使用することもできる。電気接続領域１３０２は、標準的なＰＣＢエッジコネクタに差し込まれるように設計されており、同じ面には、プッシュフィット空気圧接続１３０３用のポートが配置されている。溶出液１３０４を貯蔵するためのリザーバは、箔シールなどを使用して消耗部の乾燥部分から密封されてもよく、シールは、領域１３０５への試料装填後に破壊されてもよい。溶出液は、試料を装填領域１３０５からフィルタ１３０６を通って運び、次に、任意の試料細胞またはウイルス粒子を溶解して核酸を放出させるように設計された反応領域１３０７に運ぶ。溶解は、試料を加熱することによって行われてもよく、その場合、反応領域１３０７は、第１のヒータ１３１２の上に位置する。
溶解工程の後、試料と溶出液の混合物を１３０８で乾燥または凍結乾燥した試薬および酵素と混合し、次に気泡トラップ／脱気領域１３０９に流すことができる。次に、気泡を含まない混合物は、第２のヒータ１３１３上に位置する第２の反応容器１３１０内に移動される。試料は、特定の核酸配列を増幅するための異なるプライマーセットを各々含む、第２の反応容器１３１０内の別個の検出チャンバに分割されてもよい。検出される各試験または制御シーケンスには、別個の検出チャンバが使用されてもよい。第２のヒータ１３１３は、ＰＣＲ増幅のための熱サイクリングを提供するために使用されてもよい。試験の結果は、光学検出領域１３１１内で光学的に検出することができる。増幅後、場合により、反応容器の温度を上げ、増幅されたＤＮＡの熱変性を検出することによって融解曲線を測定することができる。
図１４は、４つの特定の核酸配列、または３つの試験配列および陽性対照配列を検出するための例示的な消耗部反応容器の平面図を示す。この例では、検出チャンバ１４０１は蛇行チャネルから形成され、エアポケットなしで４つのチャネルすべての均一な充填を確実にする。チャンバが満たされると粘性抵抗を増加させるために、反応容器１４０２への入力は出口１４０３よりもはるかに広く、毛細管圧が各検出チャンバ入力で確実にバーストすることが分かる。
図１５は、保持工程が熱サイクルに含まれる場合の熱抵抗の好ましい範囲１５０１を示す。ＰＣＲサイクルは、融解、アニーリングおよび伸長工程からなり、伸長は、反応の最も時間のかかる部分であることが多く、保持工程を必要とし得る。この例では、ＰＣＲ反応における伸長のための時間を可能にするために、７２℃で１秒の保持工程が含まれる。伸長に必要な時間は、ポリメラーゼの速度および増幅されるＤＮＡ配列の長さに応じて異なり得る。１秒の保持工程は、１００から１５０塩基対の範囲の長さ、典型的には核酸ベースの診断試験に使用される長さを有するＤＮＡ配列の迅速な増幅に適切であり得、より長い配列は一般に、より長い伸長時間を必要とする。保持工程の持続時間は、最適には、伸長を可能にするのに十分長いが、著しく長くはならず、そうでなければ、サイクル時間全体を支配し、望ましくないように延長する。当業者であれば、上記の例では１秒として例示されている保持工程持続時間の調整が、本発明の全体的な動作に大きな影響を与えることなく行われ得ることを容易に理解するであろう。
図１５のグラフは、低熱サイクル時間および１サイクル当たりの低エネルギー消費の両方を可能にするための熱抵抗の値の好ましい範囲を示しており、保持工程を含む最小熱サイクル時間ｔｃｙｃｌｅ１５０４は、最大の好ましい値１５０３よりも熱抵抗が大きい場合に望ましくないほど大きくなり（＞５秒）、一方、１サイクル当たりの消費エネルギーＥｃｙｃｌｅ１５０５は、最小の好ましい値１５０２よりも熱抵抗が小さい場合に望ましくないほど大きくなる（＞１０Ｊ）。要約すると、範囲３×１０－３から３×１０－２Ｋ．ｍ２／Ｗの熱抵抗×セル面積の積ＲＴ、Ｏｐｔ×Ａｃｅｌｌは、１サイクル当たりのエネルギー消費が低い（Ａｃｅｌｌ＝５×１０－５ ｍ ２ではＥｃｙｃｌｅ＜１０Ｊ）高速熱サイクリング（ｔｃｙｃｌｅ＜５秒）に好ましい。
この検出チャンバ構成では、単波長蛍光検出を使用することができる。反応混合物を反応容器内のいくつかのチャンバに分割することにより、１種類の光源のみで複数のプローブを評価することが可能になる。
ウイルス感染症の症状を呈する患者の迅速な診断は、検査結果を待つ間に隔離する必要がある患者が少ないため、患者のより速い治療経路および医療サービスの負担の軽減を可能にすることができる。従来、分子検査（例えばＮＡＡＴ）は、検査結果を医療従事者に返すために数日ではないにしても少なくとも数時間かかる、中央研究室によって行われる。記載されたシステムは、この試験を患者にもたらし、試料を減少させて回答時間を数分にする可能性を有する。
このシステムの１つの具体的な用途は、患者に近い環境でインフルエンザウイルス感染を検出することである。患者からの試料は、喉、鼻または頬のスワブから収集され、消耗部に装填されてもよく、それによりウイルスは溶出液によって溶出され、反応混合物は濾過されて大きな汚染物質を除去した後、溶解反応容器に移動する。溶解後、混合物を逆転写酵素に提示し、必要に応じて脱気する。次に、混合物は、反応容器１４０２で検出チャンバに分割され、４つのチャンバ１４０１の各々は、インフルエンザＡ、インフルエンザＢ、呼吸器合胞体ウイルス（ＲＳＶ）の主要株に対するプローブおよび陽性対照を含み得る。この反応容器を逆転写のために高温に制御し、次に混合物を熱的に循環させてＰＣＲを行う。
システムは、消耗部内の温度センサを使用して測定された反応混合物の熱特性を使用して、試験の結果を分析することができる。
消耗部、例えば空気圧および電気接点へのすべての機械的インターフェースは、簡単で堅牢な消耗性挿入部を可能にするために単一の面に設けられてもよい。
消耗部は、試料調製物および反応容器容積を収容するための巨視的な流体基板層、薄い流体封止層、絶縁基板材料上の熱ヒータおよび温度検知領域を形成する電気回路トレース、ならびに消耗部とリーダとの間の正確な熱接触の必要性を回避するための熱拡散層を含むことができる。
消耗部では、電気回路トレース層と流体反応チャンバとの間に薄い熱拡散層が挟まれてもよい。
消耗部は、電気回路トレースと反応容積との間に蛍光遮断層を備えて、基板層内の固有蛍光、例えば回路上の光学的に不透明なソルダーマスクまたは薄い流体封止層内またはその上の金属化から光学的バックグラウンドノイズを排除することができる。
消耗部は、ヒータと反応容器との間に結合を形成するように積層された熱融着性または接着性コーティングポリマーフィルムを有する流体層から構成されてもよい。
消耗部は、重要なプロセス段階で流体充填状態を検出するためにヒータと同じ電気基板上の静電容量または抵抗インターフェースの変化を検出するように構成された液体検知電極を備えることができる。
消耗部は、熱検出方法を介して流体の存在または流れを検出するために、ヒータと同じ電気基板とインターフェースする電極を備えることができる。
消耗部は、ＤＮＡ増幅のための分析プロセスを実行するための領域を含むことができ、領域は、試料装填領域、酵素および試薬を含む溶出液を圧送するための貯蔵領域、溶出および濾過領域、熱または化学的細胞溶解のための容器、ＤＮＡ増幅のための付随するヒータおよび制御装置を備えた反応容器、消耗部アッセイ領域を通して試薬を駆動するための空気圧または機械的接続のための領域、および電気的接続を含む。
消耗部を使用する方法は、処理中の手動ユーザ装填、すなわち試料装填中にスワブを通り越して溶出緩衝液のシリンジを作動させることによる試料の事前濾過および濃縮を含むことができる。
消耗部は、流体セルから気泡を捕捉または除去するために熱溶解および再懸濁段階の後にチップ上のマイクロ流体機構を含むことができる。
消耗部を使用する方法は、温度制御された反応容器内で６０～９０℃の範囲で試料セルを溶解することを含み得、７５～８０℃が好ましい。
消耗部を使用する方法は、５０～７０℃、好ましくは６０～６５℃の領域で温度制御された反応容器内での標的ＲＮＡのＤＮＡへの逆転写を含み得る。
消耗部は、流体基板内のプロセス領域、例えば溶解反応容器または増幅反応容器を作成するための蛇行チャネルを含み得る。
単一波長の空間的に多重の蛍光を使用してアンプリコンの存在を検出することができ、消耗部は異なるプライマー配列を有する複数の空間的に分離された増幅領域を含み、リーダは消耗部増幅領域と一致する複数の検出器を含む。
システムは、ウイルスの存在を検出するために使用され得る。ウイルス試料を収集し、サンプリング装置から溶出させ、濾過してできるだけ多くの細胞および他の大きな汚染物質を除去し、次にウイルス培地を溶解してＲＮＡを放出させる。逆転写酵素を溶出ＲＮＡと混合し、次に気泡を抽出し、培地を検出反応容器に移動させ、そこで逆転写が起こり、ＰＣＲプライマーおよび／またはプローブが混合される。ここで熱サイクリングが起こり、標的ウイルスの存在が検出される。
このシステムを使用して、インフルエンザウイルスの１つまたは複数の株、例えばインフルエンザＡおよびインフルエンザＢの存在、ならびにヒトオルトニューモウイルス、以前のヒト呼吸器合胞体ウイルスの存在、およびシステムの正しい動作を評価するための陽性対照を検出することができる。
本発明は、その好ましい実施形態に関連して説明されており、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、多くの異なる方法で修正され得ることが理解されよう。
Figure 2022543213000002
Figure 2022543213000003
Figure 2022543213000004
Figure 2022543213000005

Claims (15)

  1. 核酸増幅試験のためのシステムであって、前記システムが、消耗性増幅モジュールと、前記増幅モジュールを受け取るためのリーダモジュールとを備え、
    前記増幅モジュールが、
    試験試料を収容するための反応容器と、
    前記反応容器と熱接触し、前記試験試料を加熱するように前記反応容器に熱を加えるように制御可能なヒータ要素を備えるヒータと、
    前記ヒータ要素および前記試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、
    前記試験試料を冷却するように前記反応容器から熱を差し引くために前記ヒータと熱接触するヒートシンクと
    を備え、
    前記リーダモジュールが、
    前記ヒータ要素および／または試験試料の前記決定温度に応答して、前記ヒータ要素をオン状態とオフ状態との間で選択的に制御するためのヒータコントローラと、
    前記ヒータコントローラと前記ヒータとを接続するための電気ヒータインターフェースと
    を備える、システム。
  2. 核酸増幅試験のためのシステムであって、前記システムが、消耗性増幅モジュールと、前記増幅モジュールを受け取るためのリーダモジュールとを備え、
    前記増幅モジュールが、
    試験試料を収容するための反応容器と、
    前記反応容器と熱接触し、前記試験試料を加熱するように前記反応容器に熱を加えるように制御可能なヒータ要素を備えるヒータと、
    前記ヒータ要素および前記試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、
    前記ヒータと熱接触しているヒートスプレッダと
    を備え、
    前記リーダモジュールが、
    前記ヒータ要素および／または試験試料の前記決定温度に応答して、オン状態とオフ状態との間で前記ヒータ要素を選択的に制御するためのヒータコントローラと、
    前記ヒータコントローラと前記ヒータとを接続するための電気ヒータインターフェースと、
    ヒートシンクと、
    前記ヒートシンクと熱接触する熱インターフェースであって、前記熱インターフェースが、前記試験試料を冷却するように前記反応容器から熱を差し引くために、前記増幅モジュールが前記リーダモジュールによって受け取られたときに前記ヒートスプレッダと熱接触するように適合されている、熱インターフェースと
    を備える、システム。
  3. 前記熱インターフェースと前記ヒートシンクが一体構造を形成する、請求項２に記載のシステム。
  4. 前記ヒートスプレッダが、前記ヒートシンクよりも小さい熱容量を有する、請求項２または３に記載のシステム。
  5. 前記リーダモジュールが、前記ヒートシンクを冷却するように構成された冷却装置を備え、好ましくは前記冷却装置が熱電冷却器またはファンを備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  6. 前記ヒータと前記ヒートシンクまたは前記ヒートスプレッダとの間に前記熱接触を提供するように構成されたヒータ支持体を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  7. 前記ヒータ支持体の熱抵抗×面積の積が、１×１０－４から１×１０－２Ｋ．ｍ２／Ｗの範囲、好ましくは３×１０－４から３×１０－３Ｋ．ｍ２／Ｗの範囲である、請求項６に記載のシステム。
  8. 前記リーダモジュールが、前記増幅モジュールが前記リーダモジュールによって受け取られたときに前記試験試料中の反応を検出するための光学システムを備え、前記光学システムが、
    前記光学システムを前記増幅モジュールに接続するための光学インターフェースと、
    前記試験試料に光を供給するための光源と、
    前記試験試料による光の透過、吸収、反射、または発光の変化を検出するための光検出器と
    を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  9. 前記リーダモジュールが、前記増幅モジュールが前記リーダモジュールによって受け取られたときに前記試験試料の圧力および／または動きを制御するための空気圧システムを備え、前記空気圧システムが、
    前記空気圧システムを前記増幅モジュールに接続するための空気圧インターフェースと、
    前記空気圧インターフェースを介して前記試験試料に圧力および／または動きを提供するための空気圧ポンプと、
    前記空気圧ポンプを制御するための空気圧コントローラと
    を備える、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  10. 前記増幅モジュールが、前記反応容器に収容された前記試験試料の電気化学的変化を検出するための検出器を備え、
    前記リーダモジュールが、前記増幅モジュールが前記リーダモジュールによって受け取られたときに前記電気ヒータインターフェースを介して前記検出器から信号を受信するように適合される、
    先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  11. 前記ヒータ要素が前記温度センサを備え、前記ヒータ要素の前記温度が、前記ヒータ要素の電気抵抗から決定可能である、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  12. 前記リーダモジュールが、複数の前記増幅モジュールを受け取るように適合される、先行する請求項のいずれか１項に記載のシステム。
  13. 前記リーダモジュールが、前記それぞれの増幅モジュールによって収容された複数の試験試料に対して同期試験および／または非同期試験を実行するように適合される、請求項１２に記載のシステム。
  14. 核酸増幅試験用のシステムのリーダモジュールに挿入するための消耗性増幅モジュールであって、前記増幅モジュールが、
    試験試料を収容するための反応容器と、
    前記反応容器と熱接触し、前記試験試料を加熱するように前記反応容器に熱を加えるために外部コントローラから制御信号を受信するように適合されているヒータ要素を備えるヒータと、
    前記ヒータ要素および前記試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、
    前記試験試料を冷却するように前記反応容器から熱を差し引くために前記ヒータと熱接触するヒートシンクと
    を備える、消耗性増幅モジュール。
  15. 核酸増幅試験用のシステムのリーダモジュールに挿入するための消耗性増幅モジュールであって、前記増幅モジュールが、
    試験試料を収容するための反応容器と、
    前記反応容器と熱接触し、前記試験試料を加熱するように前記反応容器に熱を加えるために外部コントローラから制御信号を受信するように適合されているヒータ要素を備えるヒータと、
    前記ヒータ要素および前記試験試料の少なくとも一方の温度を決定するための温度センサと、
    前記ヒータと熱接触するヒートスプレッダであって、前記ヒートスプレッダが、前記試験試料を冷却するように前記反応容器から熱を差し引くために、前記増幅モジュールが前記リーダモジュールによって受け取られたときに、前記リーダモジュールのヒートシンクの熱インターフェースと熱接触するように適合されている、ヒートスプレッダと
    を備える、消耗性増幅モジュール。
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