JP5663328B2 - 核酸分析装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＤＮＡシーケンサ内でノズルと試薬注入口へのずれを、検出する核酸分析装置に関する。

１９９０年から２００５年の間に３０億ドルの予算を投じたヒトゲノム計画では、解読が最も容易な部分（全体の９３％）を予定よりも２〜３年早く読み取ることができ、非特許文献１にみられるように解読に必要な技術や方法を遺産として残した。そうした技術はその後もさらに改良が進み、今日では約２０００万ドル（＄２×１０⁷）程度で、実用に耐えられる精度でのゲノム解読が可能になった。それでもなお、この金額では大規模な塩基配列解読ができるのは、専門の解読センターか、巨額の予算を得た大きな研究プロジェクトに限られる。しかし、配列決定のコストが下がれば、より大量のゲノムを多数扱うことができる。例えば患者と健常者のゲノムの比較が可能となり、結果としてゲノム情報の価値の向上が期待される。非特許文献２にみられるようにこのような基礎的データの取得は将来のテーラーメード医療への発展に大きく寄与することが予想される。

上述した状況の下、米国立衛生研究所（ＮＩＨ）が資金援助している「革新的ゲノム配列決定技術」のための２つのプログラムは、２００９年までにヒトゲノム解読１人分で１０万ドル（＄１×１０⁵）、そしてそれを２０１４年までに１０００ドル（＄１×１０³）にすることを目標としている。いわゆる「１０００ドルゲノム」解読技術の開発である。

既に非特許文献３にみられるように４５４Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ社，Ｓｏｌｅｘａ社およびＡＢ社の３社の次世代シーケンサが商品化されている。これらの技術は既に従来技術の１／１０〜１／１００のコストを達成している。また、１回の解析により計測可能な塩基数も１０⁹オーダーを達成している。医療現場において個人レベルのゲノム配列解読がルーチン・ワークとなるためにはコストと高スループット化の両方が必要になる。したがって低コストかつ高スループットを実現する装置が次世代シーケンサに求められる。

特表２００８−５２８０４０号公報

Ｎａｔｕｒｅ Ｒｅｖｉｅｗｓ，ｖｏｌ５，ｐｐ３３５，２００４ 『ヒトゲノム完全解読から「ヒト」理解へ』、ｐｐ２５３、服部正平、東洋書店、２００５ Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ.４４９，ｐｐ６２７，２００７

従来の装置では、チューブを通して試薬をフローセルに注入していたため、反応に不要な試薬量（デッドボリューム）がチューブの流路分あり、試薬のコストがかかっていた。これを打開する方法の一つとしてシリンジを用いてフローセルに試薬を直接注入するダイレクトインジェクション方式がある。この方式を採用することにより、デッドボリュームがなくなり、試薬注入時間も短縮され、低コスト化かつスループットの向上が実現する。

ダイレクトインジェクション方式では、ノズルと試薬挿入口の相対位置が一定である必要がある。ノズルがアクセスする試薬挿入口には下記の２つがある。
（１）筐体上の反応用試薬ラック
（２）ステージ上のフローセルへの注入口

（１）はフローセルへ注入する試薬を準備する試薬ラックであり、ノズルが移動する筐体上に存在する。しかし、筐体自身のゆがみやノズルを固定しているガイド部分の経時変化、さらにはユーザーなどのアクセスによるノズル先端の曲がりにより、時間と共に出荷時の相対位置とずれてきてしまう。

（２）はステージ上にあるフローセル上の試薬挿入口である。ＤＮＡシーケンサでは、フローセルはＸＹ方向に駆動するステージ上にのっている。蛍光検出装置の解析速度を上げるため、検出対象のスライドガラスは、設置された駆動部分の動きに合わせて検出器の検出範囲を高速で移動する。この際、検出する画像の精度を上げるためには、検出対象のスライドガラスは振動しないようにする必要があり、ステージは床からの振動を排除するため、除振ゴム上にのっており、シリンジが駆動する筐体部分と切り離している。これにより、（１）での相対位置ずれの原因に加えて、ゴムの経時変化、ステージの位置再現性の劣化などがあげられる。

ノズルと試薬挿入口の相対位置は（１），（２）共に出荷時に装置に記憶させておくが、時間と共にずれてしまうと、試薬が正常にフローチップに挿入されず、装置の故障，エラー停止，測定結果の不正確性を引き起こす。

本発明の目的は、ノズルと試薬注入口との相対位置のずれによる不具合を解消した核酸分析装置を提供することである。

核酸分析装置は、解析対象の核酸を有するフローセルと、フローセルを支持する支持部材と、フローセルへ試薬を吸引及び／又は吐出するノズルと、ノズルを移動させるアームと、フローセルを温調する温調機構と、フローセル上の反応の画像を取得する検出器と、試薬を保持する試薬ラックと、を有し、ノズルの位置を検知するセンサを備えている。

このようなセンサを設けることにより、ノズルと試薬注入口との相対的な位置を把握することができ、正確な位置へ試薬を注入することができる。

塩基配列決定装置の概略図。 フローセル上構造の概略図。 基準位置再現性の図。

ここでは、本発明の実施の形態の一例を説明する。塩基配列決定装置とは、ＣＣＤカメラによってフローセル上の蛍光を検出することで、ＤＮＡの塩基配列を解析する機能を有する装置である。

塩基配列決定装置の具体的な構成の例を、図１を用いて説明する。塩基配列決定装置は、反応用試薬を保持している試薬ラック１０１と、測定対象物であるフローセル１０２と、試薬ラック１０１やフローセル１０２上の試薬挿入口２０１にアクセスして試薬を吸い込み、吐き出すノズル１０３と、ノズル１０３を移動させるアーム１０４と、アーム１０４が駆動するガイド１０５と、フローセル１０２の温調機構１０６と、フローセル１０２と温調機構１０６を保持するスライドテーブル１０７と、スライドテーブル１０７を移動させるためのＸＹステージ１０８と、フローセル１０２上の画像をとる検出器１０９と、ＸＹステージ１０８と検出器１０９を保持するブリッジ筐体１１０と、ブリッジ筐体１１０に外部からの振動を減らすためのダンパー１１１からなる。

前処理を行った直径１μｍ以下のビーズが付着したフローセル１０２を温調機構１０６にセットする。ＸＹステ−ジ１０８は保持している温調機構１０６をノズル１０３がアクセス可能な場所まで運搬する。ノズル１０３は試薬ラック１０１より試薬を吸引し、フローセル上の試薬挿入口２０１へ放出する。試薬挿入口２０１より放出された試薬はフローセル１０２上を流れ、廃液は廃液チューブ２０２を通してスライドガラス上から廃液入れ２０３に排出される。この試薬注入作業と温度調整により化学反応を行い、反応が終了したらフローセル１０２をＸＹステージ１０８が検出器１０９検出可能範囲まで移動させ、画像を取得し、解析する。この動作で１塩基分のＤＮＡを解析することができ、必要な長さまでＤＮＡの塩基が伸長するまで繰り返す。

以上に示したように、ＤＮＡの塩基を伸長させるためには、ノズル１０３が試薬を吸引し注入する工程を正確に行わなくてはいけない。スループットの向上と低コスト化のため、シリンジから直接シリンジ挿入口に試薬を注入する方式を採用する場合、ノズル１０３と試薬ラック１０１と試薬挿入口２０１の相対位置が合っている必要があり、出荷時に各場所の相対位置を装置に記憶させる。しかし、装置を使用していく上で、下記の要因などでノズルと試薬ラックや試薬挿入口が合わなくなる場合がある。
（１）筐体の傾き
（２）ガイド１０５の傾き
（３）ノズル１０３のたわみ
（４）ダンパー１１１の劣化によるブリッジ筐体１１０の傾き
（５）ＸＹステージの劣化による停止位置のずれ

これらのずれが起こった場合、出荷時の相対位置では正確に挿入できなくなる。そこで、ノズルが自動検知できるセンサを、試薬ラック上とブリッジ筐体上に設置し、相対位置のずれがある場合はセンサの値をもとに補正することとする。

具体的には下記の通りである。図２に示すようにフローセル上の試薬挿入口は、１枚のフローセル上に６つ（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６）存在する。なお、図２では、温調機構１０６の図示を省略している。これらの挿入口とノズル１０３の位置の相対位置は出荷時に各装置固有の値として決めておく。一方、フローセル１０２を保持しているスライドテーブル１０７上に図２のＸ方向の基準値とするためのＸ方向基準値用センサ（ＰＩセンサ）３０７とＹ方向を基準値とするためのＹ方向基準値用センサ（ＰＩセンサ）３０８を設置する。ＰＩセンサは２つの棒の間にセンサが走っており、金属などが通過しＹ方向基準値用センサ３０８を切ると反応する。スライドテーブル１０７を固定した状態でノズルを２つの棒の間を通るように動かす。ソフトでセンサが切れる場所までノズルがくるとノズル１０３が止まるようにしておき、止まった場所のノズル１０３の値を基準値とする。これらは、回路とソフトで、自動で行うことができる。これをＸ方向基準値用センサ３０７，Ｙ方向基準値用センサ３０８で行い、試薬挿入口３０１−３０６と共に各装置固有の値として装置に記憶させておく。その後、装置立上げ毎に、Ｘ方向基準値用センサ３０７，Ｙ方向基準値用センサ３０８の基準値が出荷時と比べてずれていないかを確認する。Ｘ方向基準値用センサ３０７，Ｙ方向基準値用センサ３０８と試薬挿入口３０１−３０６の絶対位置は、時間がたっても一定なので、Ｘ方向基準値用センサ３０７，Ｙ方向基準値用センサ３０８の基準値が出荷時と比べてずれた距離分だけ試薬挿入口３０１−３０６も各方向にずれていることとなる。この時、出荷時の相対位置にずれた距離を加減した値を使用中の真の相対位置とする。次回装置を使用するときは、前回の基準値と相対位置をもとに行う。さらに上下方向の基準値もＰＩセンサを用いて確認する。Ｘ方向基準値用センサ３０７，Ｙ方向基準値用センサ３０８のいずれかのＰＩセンサをノズルが検出した場合、ノズルをテーブルから離れる方向に動かし、センサを切らなくなる位置を算出することで実現できる。

試薬ラック上も同様に２つのＰＩセンサを設置し、試薬ラック上の試薬が入っている各穴とＰＩセンサの絶対位置を出荷時に装置に記憶させ、使用中にはＰＩセンサのずれた距離をもとに各穴とノズルの真の相対位置を算出するものとする。

ＰＩセンサは基準値となるため、ノズル通過時の再現性が必要になる。ＰＩセンサでのノズルの再現性は＜３ｐｌｕｓｅとしている。図３に示すように、ノズルの移動速度を変えることで＜３ｐｌｕｓｅを達成することができ、ＰＩセンサを基準値として使用可能である。また、上下方向の補正においては、安定した値を得るため、停止位置からさらに押し込み、ノズルを試薬ラックやテーブルから離れる方向に動かすこととする。

このノズル位置検出機能を用いることで、ノズルと試薬挿入口のずれ量を検知・補正することができ、フローセルへの誤った試薬挿入がなくなり、装置の信頼性が増す。またシリンジからの装置内部への試薬放出を防ぐことができ、装置の故障を防ぐことができる。ノズル挿入に影響しない範囲での装置本体のゆがみを自動で補正することができ、サービスマンによる再補正の手間が省かれる。

前述したノズル位置検出は近接センサでもよい。

実施例１の場合のノズル位置検出は液面検知センサ機能がついているノズルにおいては、液面検知機能をもちいてもよい。この場合、ＰＩセンサではなく液面検知センサ機能が検出できる金属を基準場所として設置する。

実施例３の場合、液面検知機能が検出できる液体を基準場所として設置してもよい。

実施例１の場合、基準値の検出にＸＹステージ側を動かしてもよい。

実施例２の場合、ＰＩセンサの位置はブリッジ筐体上でもよい。これはブリッジ筐体とフローセル上に６つ（３０１，３０２，３０３，３０４，３０５，３０６）の試薬挿入口の絶対位置はずれないからである。

実施例１の場合、ブリッジ筐体の経時変化によるずれが起こらない場合は、基準値は試薬ラック側に１つでもよい。

１０１ 試薬ラック
１０２ フローセル
１０３ ノズル
１０４ アーム
１０５ ガイド
１０６ 温調機構
１０７ スライドテーブル
１０８ ＸＹステージ
１０９ 検出器
１１０ 筐体
１１１ ダンパー
２０１ 試薬挿入口
２０２ 廃液チューブ
２０３ 廃液入れ
３０１−３０６ 試薬挿入口
３０７ Ｘ方向基準値用センサ
３０８ Ｙ方向基準値用センサ

Claims (5)

1. 解析対象の核酸を有するフローセルと、フローセルを温調する温調機構と、フローセルおよび温調機構を支持する支持部材と、支持部材を移動させるためのＸＹステージと、フローセルへ試薬を吸引及び／又は吐出するノズルと、ノズルを移動させるアームと、フローセル上の反応の画像を取得する検出器と、ＸＹステージと検出器を保持する筐体と、試薬を保持する試薬ラックと、を有し、
   上記試薬ラックは、上記筐体の外側に設けられており、
   ノズルの位置を検知するセンサを備え、
   上記センサは、上記支持部材および試薬ラック上に少なくとも２つずつ設けられており、
   これらのセンサにより、ノズルとフローセルの水平方向の相対位置の補正、および、ノズルと試薬ラックの水平方向の相対位置の補正を独立して行うことを特徴とする核酸分析装置。
2. 請求項１において、
   上記センサは、フローセルに試薬が流れる方向及び該方向と直交する方向にノズルが通
   過した際にその通過を検知するセンサであることを特徴とする核酸分析装置。
3. 請求項１において、
   上記センサは、ＰＩセンサであることを特徴とする核酸分析装置。
4. 請求項１において、
   上記センサは、近接センサであることを特徴とする核酸分析装置。
5. 請求項１において、
   上記ノズルは液面検知センサを備えていることを特徴とする核酸分析装置。

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