JP7055020B2 - 薬剤に対する生物の応答のマイクロ流体測定 - Google Patents

薬剤に対する生物の応答のマイクロ流体測定 Download PDF

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Description

相互参照
本願は、2014年11月5日に出願された米国仮出願第62/075,648号の恩典を主張し、前記出願は参照によりそのすべてが本明細書に組み入れられる。
連邦政府の資金提供を受けた研究に関する言明
本発明は、米国国立衛生研究所（NIH）によって交付された助成金番号EB012946、GM074961およびDP1OD003584ならびに米国国防高等研究計画局による協力協定番号HR-0011-11-2-0006に基づく資金提供を受けてなされた。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
技術分野
本願は、マイクロ流体力学の分野、ならびに生物学的実体の検出および増幅の分野に関する。
発明の背景
抗生物質耐性は世界中で公衆衛生にとって差し迫った大きな脅威となっている。CDC（U.S. Department of Health and Human Services, 2013, 114）およびWHO（Organization, 2014, 257）による統計は、大量かつ非選択的に抗生物質を使用する現行のパラダイムは継続不可能であることを、警告し、強調している。処置選択肢が限られているグラム陰性生物における耐性の出現が特に懸念される。診療所における広域抗生物質の乱用が薬剤耐性病原体の発生と蔓延の主要原因であるが、耐性と戦うには、あらゆる場における診断技術の発展が必要である。
医療を改良するために、臨床検査室は、病原体を同定してその抗微生物薬感受性を決定するための迅速な検査を必要としている。検査室は、現在、培養に基づく方法によって同定および抗微生物薬感受性検査（AST）を行っており、これは24～48時間を要する。医師には、どんな生物が存在するかも、細菌の負荷量も、さまざまな治療的アプローチに対するその生物の感受性も、すぐにはわからないので、臨床家は、広域（例えば第2世代および第3世代）抗生物質による処置を選ぶことが多く、不顕性感染または疑陽性症例を処置する場合さえある。抗生物質の過剰処方は、複合症例、再発症例、および専門症例において、最も深刻である。これには、発熱児、閉塞患者、例えばBPHを持つ男性、腎結石を持つ男性、特に機器使用が繰り返された場合、妊娠中に感染した女性、入院患者、および易感染性患者が含まれる。これらの状況では、臨床家は、より積極的な処置を行いがちである。所要時間を短縮すれば、臨床医は、遅滞なく正しい抗微生物薬レジメンを施行することにより、患者の医療を改良することが可能になるだろう。このように、抗微生物薬耐性の出現という課題を改善し、医療を改良するために、プライマリケアの場にいる医師は、病原体を同定しその抗微生物薬感受性を決定するための超迅速検査を必要としている。それゆえに、必要なものは、感染症および抗微生物薬耐性または抗微生物薬感受性を迅速かつ正確に診断するためのデバイスおよび方法である。
一局面において、本発明は、がん細胞を含む細胞または病原体を含む微生物の同定、それらの負荷量の定量、抗生物質などの薬剤に対するそれらの感受性または耐性の診断を迅速に行うことができるデバイスおよび方法を提供する。いくつかの態様では、本デバイスによって、臨床試料または環境試料を含むさまざまな試料タイプを起源としうる個々の微生物または細胞を使った薬剤感受性または薬剤耐性の表現型検出および代謝プロファイリングが可能になりうる。限定するわけではないが、これらの試料タイプには、血液、脳脊髄液（CSF）、唾液および尿を含めることができ、水または院内環境表面からの試料などといった環境試料も含めることができる。いくつかの態様では、本デバイスにより、汚染フリーのプラットホームにおいて、細胞を抗生物質などの薬剤と共にインキュベートした後、核酸または他の分子を迅速に抽出し定量することが可能になる。本デバイスでは、マイクロ流体力学デバイスにおけるデジタル単一分子測定を使用することができ、これは、検出限界を改良する超高感度測定をもたらすと同時に、病原体を汚染物と区別する上で重要な、そしてまた薬剤耐性生物と薬剤感受性生物または薬剤耐性細胞と薬剤感受性細胞とをより早期に区別することを可能にする上でも重要な、定量的データを与える。いくつかの態様において、これらのデバイスは、臨床試料からの個別の微生物または細胞の状態を区別することができ、例えば抗生物質などの薬剤に対するそれらの個別の応答のタイミングを理解することができて、超迅速薬剤感受性測定をもたらす。
いくつかの態様において、試料に関連するデータは、空間的に隔離された2つ以上のコンパートメントであって、それらコンパートメントのそれぞれが試料の一部分を含むものからの測定値を含む。
いくつかの態様において、試料は核酸増幅を受ける。いくつかの態様において、核酸増幅反応はループ媒介等温増幅（LAMP）反応である。いくつかの態様において、核酸増幅反応はPCR反応である。いくつかの態様において、本方法は、約55～65℃で、または55～65℃の温度範囲で行われる。いくつかの態様では、試料の少なくとも一部分を、少なくとも2つまたはそれ以上を含むアレイに分配する。いくつかの態様において、アレイはSlipChipである。いくつかの態様において、増幅される核酸はRNAである。
細菌の集団の第1部分からのターゲット分子を含む第1試料および該細菌の集団の第2部分からのターゲット分子を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が抗生物質で処理されており、かつ第2部分が抗生物質で処理されていない、該工程;第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程を含む、試料からのターゲット分子を検出し定量するための方法であって、該反応後に、閾値数のターゲット分子が、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される該方法も、ここに提供する。
いくつかの態様において、閾値数は0、1、2、3、4、または5より大きい。いくつかの態様において、分析領域への各試料の分布は、分析領域の少なくとも一部はターゲット分子を有さず、分析領域の少なくとも一部は1つのターゲット分子しか有さないように達成される。いくつかの態様において、分析領域への各試料の分布は、分析領域のうちの少なくとも1つがターゲット分子を1つしか含有しないように達成される。いくつかの態様において、第1試料は試薬を含み、複数の第1分析領域を試薬と接触させる工程は、第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程を構成する。いくつかの態様において、第2試料は試薬を含み、複数の第2分析領域を試薬と接触させる工程は、第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程を構成する。
いくつかの態様において、反応は核酸増幅を含む。いくつかの態様において、核酸増幅は本質的に等温である。いくつかの態様において、核酸増幅はポリメラーゼ連鎖反応である。いくつかの態様において、核酸増幅は、核酸配列ベース増幅法（NASBA）、自家持続配列複製法（3SR）、ループ媒介等温増幅法（LAMP）、鎖置換増幅法（SDA）、全ゲノム増幅、多置換増幅法、鎖置換増幅法、ヘリカーゼ依存的増幅法、ニッキング酵素増幅反応、組換えポリメラーゼ増幅法、逆転写PCR、またはライゲーション媒介PCRである。
いくつかの態様において、分析領域はウェルを含む。いくつかの態様において、ターゲット分子は核酸である。いくつかの態様において、試薬は核酸増幅試薬である。いくつかの態様において、試料からのターゲット分子を検出し定量する方法は、分析領域のそれぞれを核酸の増幅にとって有効な条件に曝露する工程を、さらに含む。
いくつかの態様において、ターゲット分子は細菌染色体またはプラスミドのセグメントを含む。いくつかの態様において、ターゲット分子は、複製起点から50kDa未満、100kDa未満、200kDa未満、または400kDa未満にある。いくつかの態様において、ターゲット分子は、該細菌染色体またはプラスミド上の遺伝子の配列を含む。いくつかの態様において、ターゲット分子はmRNAを含む。いくつかの態様において、ターゲット分子は増幅反応によって増幅され、該増幅反応はターゲット分子の配列に相補的なプライマーを含む。いくつかの態様において、mRNAはrecAまたはlexAをコードする。
いくつかの態様において、試薬は複数の試薬領域に配置される。いくつかの態様において、接触は、複数の試薬領域を第1または第2の複数の分析領域と流体連通状態に置くことによって達成される。いくつかの態様において、接触は、試薬領域を含む基材と第1および第2の複数の分析領域を含む基材との間の相対的運動を達成することを含む。いくつかの態様において、試料からのターゲット分子を検出し定量する方法は、細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、各複数の分析領域における閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出を分析する工程を、さらに含む。
いくつかの態様において、ターゲット分子は第1試料中の細菌から取り出されたものであり、抗生物質への細菌の最初の曝露とターゲット分子の取り出しとの間の時間は、増殖期中の細菌の平均倍加時間未満である。いくつかの態様において、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出は、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、3時間未満、2時間未満、または1時間未満で行われる。いくつかの態様において、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出は、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、45分未満、30分未満、15分未満、または10分未満で行われる。いくつかの態様において、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出は、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、3時間未満、2時間未満、または1時間未満で行われる。いくつかの態様において、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出は、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、45分未満、30分未満、15分未満、または10分未満で行われる。
いくつかの態様において、第1試料からの細菌は、2時間を超えない、1時間を超えない、45分を超えない、30分を超えない、15分を超えない、または10分を超えない期間にわたって、抗生物質で処理されたものである。いくつかの態様において、抗生物質への第1試料からの細菌の最初の曝露から検出工程までの時間は、3時間未満、2時間未満、1時間未満、45分未満、または30分未満である。
いくつかの態様において、第1の複数の分析領域は、少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む。いくつかの態様において、第2の複数の分析領域は、少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む。いくつかの態様において、第1および第2の複数の分析領域への第1試料および第2試料の分布は並行して行われる。いくつかの態様において、第1試料または第2試料は、10,000、5,000、1,000、500、200、100、50、20、または10個未満のターゲット分子を含む。
細菌の集団の第1部分からのターゲット分子を含む第1試料および該細菌の集団の第2部分からのターゲット分子を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が抗生物質で処理されており、かつ第2部分が抗生物質で処理されていない、該工程;第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程であって、該反応後に、閾値数のターゲット分子が、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、該工程;および、細菌の集団における該抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、検出の結果を分析する工程を含む、細菌の集団における抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法も、ここに提供する。
細菌の集団を複数のクローン単離領域に分布させる工程であって、クローン単離領域の少なくとも一部が、それぞれ、単離された単一細菌を含有すると統計的に見積もられるように、該分布が達成される、該工程;複数のクローン集団が生じるように、単離された単一細菌のそれぞれを拡大する工程;複数のクローン集団のそれぞれを、複数の処理領域からの少なくとも1つの処理領域および複数の対照領域からの少なくとも1つの対照領域に分布させる工程;第1の複数の処理領域を抗生物質と接触させ、複数の対照領域は抗生物質と接触させない工程;第1の複数の処理領域のそれぞれおよび複数の対照領域のそれぞれについて、各クローン集団からの1つまたは複数のターゲット分子を、相異なる複数の分析領域に分布させる工程;第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程を含む、細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法であって、該反応後に、閾値数のターゲット分子が、相異なる複数の分析領域の一部に検出され、相異なる複数の分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される該方法も、ここに提供する。
いくつかの態様において、細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法は、複数のクローン集団の少なくとも一部における抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、検出の結果を分析する工程を、さらに含む。
細胞の集団の第1部分からのターゲット分析物を含む第1試料および該細胞の集団の第2部分からのターゲット分析物を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が薬剤で処理されており、かつ第2部分が薬剤で処理されていない、該工程;第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出する工程を含む方法であって、該反応後に、閾値数のターゲット分析物が、第1分析領域および第2分析領域の一部に検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される該方法も、ここに提供する。
複数の分析領域、核酸増幅のコンポーネントを含む複数の試薬領域を含む容器であって、複数の分析領域と複数の試薬領域とが互いに隔離されている第1位置と、複数の分析領域の少なくとも一部が複数の試薬領域の少なくとも一部と流体連通状態にある第2位置との間で、他方に対して動くように構成された第1層および第2層を含む、該容器;ならびに細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定するための使用説明書を含むキットも、ここに提供する。
いくつかの態様において、核酸増幅のコンポーネントは、recA mRNAまたはlexA mRNAを増幅するためのプライマーを含む。いくつかの態様において、核酸増幅のコンポーネントは、複製起点から50kDa未満、100kDa未満、200kDa未満、または400kDa未満にある細菌染色体またはプラスミド上の核酸ターゲットを増幅するためのプライマーを含む。いくつかの態様において、容器は、少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む。いくつかの態様において、容器は、少なくとも10、20、30、40、または50個の試薬領域を含む。
いくつかの態様において、抗生物質は、アミノグリコシド、セファロスポリン、テトラサイクリン、スルホンアミド、マクロライド、バンコマイシン、およびβ-ラクタムからなる群より選択される。これらの態様のいくつかにおいて、説明書には、抗生物質で処理していない細菌の集団の一部分と比較したときの、抗生物質で処理した細菌の集団の一部分における核酸ターゲット検出の減少は、その細菌の集団がその抗生物質に対して感受性であることを示すことが示される。
いくつかの態様において、抗生物質は、HPUra、ヒドロキシ尿素、トリメトプリム、シプロフロキサシン、およびMMCからなる群より選択される。これらの態様のいくつかにおいて、説明書には、抗生物質で処理していない細菌の集団の一部分と比較したときの、抗生物質で処理した細菌の集団の一部分における核酸ターゲット検出の増加は、その細菌の集団がその抗生物質に対して感受性であることを示すことが示される。
インキュベーションモジュール、試料調製モジュール、およびデジタル定量モジュールを含み、各モジュールを他のモジュールと流体連通状態に置くように構成することができる、試料を処理するためのデバイスであって、インキュベーションモジュールは生物を薬剤と共にインキュベートするように構成されたインキュベーションチャンバーを含み、試料調製モジュールは該生物から核酸を抽出するように構成されており、デジタル定量モジュールは反応エリアにおける該核酸の存在または非存在のデジタル検出を行うように構成された複数の反応エリアを含むデバイスも、ここに提供する。
[本発明1001]
細菌の集団の第1部分からのターゲット分子を含む第1試料および該細菌の集団の第2部分からのターゲット分子を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が抗生物質で処理されており、かつ第2部分が抗生物質で処理されていない、該工程;
第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;
第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程
を含む方法であって、
該反応後に、閾値数のターゲット分子が、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、該方法。
[本発明1002]
閾値数が0、1、2、3、4、または5より大きい、本発明1001の方法。
[本発明1003]
分析領域への各試料の分布が、分析領域の少なくとも一部はターゲット分子を有さず、分析領域の少なくとも一部は1つのターゲット分子しか有さないように達成される、本発明1001の方法。
[本発明1004]
分析領域への各試料の分布が、分析領域のうちの少なくとも1つはターゲット分子を1つしか含有しないように達成される、本発明1001の方法。
[本発明1005]
第1試料が前記試薬を含み、複数の第1分析領域を該試薬と接触させる工程が第1試料を複数の第1分析領域に分布させる前記工程を構成する、本発明1001の方法。
[本発明1006]
第2試料が前記試薬を含み、複数の第2分析領域を該試薬と接触させる工程が第2試料を複数の第2分析領域に分布させる前記工程を構成する、本発明1001の方法。
[本発明1007]
前記反応が核酸増幅を含む、本発明1001の方法。
[本発明1008]
核酸増幅が本質的に等温である、本発明1007の方法。
[本発明1009]
核酸増幅がポリメラーゼ連鎖反応である、本発明1007の方法。
[本発明1010]
核酸増幅が、核酸配列ベース増幅（NASBA）、自家持続配列複製法（3SR）、ループ媒介等温増幅法（LAMP）、鎖置換増幅法（SDA）、全ゲノム増幅、多置換増幅法、鎖置換増幅法、ヘリカーゼ依存的増幅法、ニッキング酵素増幅反応、組換えポリメラーゼ増幅法、逆転写PCR、およびライゲーション媒介PCRからなる群より選択される、本発明1007の方法。
[本発明1011]
分析領域がウェルを含む、本発明1001の方法。
[本発明1012]
ターゲット分子が核酸である、本発明1001の方法。
[本発明1013]
前記試薬が核酸増幅試薬である、本発明1012の方法。
[本発明1014]
分析領域のそれぞれを核酸の増幅にとって有効な条件に曝露する工程をさらに含む、本発明1013の方法。
[本発明1015]
ターゲット分子が細菌染色体またはプラスミドのセグメントを含む、本発明1001の方法。
[本発明1016]
ターゲット分子が複製起点から50kDa未満、100kDa未満、200kDa未満、または400kDa未満にある、本発明1015の方法。
[本発明1017]
ターゲット分子が細菌染色体またはプラスミド上の遺伝子の配列を含む、本発明1015の方法。
[本発明1018]
ターゲット分子がmRNAを含む、本発明1001の方法。
[本発明1019]
ターゲット分子がターゲット分子の配列に相補的なプライマーを含む増幅反応によって増幅される、本発明1001の方法。
[本発明1020]
mRNAがrecAまたはlexAをコードする、本発明1018の方法。
[本発明1021]
前記試薬が複数の試薬領域に配置される、本発明1001の方法。
[本発明1022]
接触させる工程が、複数の試薬領域を第1または第2の複数の分析領域と流体連通状態に置くことによって達成される、本発明1018の方法。
[本発明1023]
接触させる工程が、試薬領域を含む基材と第1および第2の複数の分析領域を含む基材との間の相対的運動を達成する工程を含む、本発明1022の方法。
[本発明1024]
細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、各複数の分析領域における閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出を分析する工程をさらに含む、本発明1001の方法。
[本発明1025]
ターゲット分子が第1試料中の細菌から取り出されたものであり、抗生物質への細菌の最初の曝露とターゲット分子の取り出しとの間の時間が、増殖期中の細菌の平均倍加時間未満である、本発明1001の方法。
[本発明1026]
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出が、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、3時間未満、2時間未満、または1時間未満で行われる、本発明1001の方法。
[本発明1027]
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出が、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、45分未満、30分未満、15分未満、または10分未満で行われる、本発明1026の方法。
[本発明1028]
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出が、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、3時間未満、2時間未満、または1時間未満で行われる、本発明1001の方法。
[本発明1029]
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出が、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、45分未満、30分未満、15分未満、または10分未満で行われる、本発明1028の方法。
[本発明1030]
第1試料からの細菌が、2時間を超えない、1時間を超えない、45分を超えない、30分を超えない、15分を超えない、または10分を超えない期間にわたって抗生物質で処理されたものである、本発明1001の方法。
[本発明1031]
抗生物質への第1試料からの細菌の最初の曝露から検出工程までの時間が、3時間未満、2時間未満、1時間未満、45分未満、または30分未満である、本発明1001の方法。
[本発明1032]
第1の複数の分析領域が少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む、本発明1001の方法。
[本発明1033]
第2の複数の分析領域が少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む、本発明1001の方法。
[本発明1034]
第1および第2の複数の分析領域への第1試料および第2試料の分布が並行して行われる、本発明1001の方法。
[本発明1035]
第1試料または第2試料が、10,000、5,000、1,000、500、200、100、50、20、または10個未満のターゲット分子を含む、本発明1001の方法。
[本発明1036]
細菌の集団の第1部分からのターゲット分子を含む第1試料および該細菌の集団の第2部分からのターゲット分子を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が抗生物質で処理されており、かつ第2部分が抗生物質で処理されていない、該工程;
第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;
第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程であって、該反応後に、閾値数のターゲット分子が、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、該工程; ならびに
細菌の集団における該抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、検出の結果を分析する工程
を含む、細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法。
[本発明1037]
細菌の集団を複数のクローン単離領域に分布させる工程であって、クローン単離領域の少なくとも一部がそれぞれ単一の単離された細菌を含有すると統計的に見積もられるように、該分布が達成される、該工程;
複数のクローン集団が生じるように、単一の単離された細菌のそれぞれを拡大する工程;
複数のクローン集団のそれぞれを、複数の処理領域からの少なくとも1つの処理領域および複数の対照領域からの少なくとも1つの対照領域に分布させる工程;
第1の複数の処理領域を抗生物質と接触させ、複数の対照領域は抗生物質と接触させない工程;
第1の複数の処理領域のそれぞれおよび複数の対照領域のそれぞれについて、各クローン集団からの1つまたは複数のターゲット分子を相異なる複数の分析領域に分布させる工程;
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程
を含む、細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法であって、
該反応後に、閾値数のターゲット分子が、相異なる複数の分析領域の一部に検出され、相異なる複数の分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、該方法。
[本発明1038]
前記複数のクローン集団の少なくとも一部における抗生物質に対する耐性または感受性を決定するために、検出の結果を分析する工程をさらに含む、本発明1037の方法。
[本発明1039]
細胞の集団の第1部分からのターゲット分析物を含む第1試料および該細胞の集団の第2部分からのターゲット分析物を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が薬剤で処理されており、かつ第2部分が薬剤で処理されていない、該工程;
第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;
第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;ならびに
第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出する工程
を含む方法であって、
該反応後に、閾値数のターゲット分析物が、第1分析領域および第2分析領域の一部に検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、該方法。
[本発明1040]
複数の分析領域、
核酸増幅のコンポーネントを含む複数の試薬領域
を含む容器であって、複数の分析領域と複数の試薬領域とが互いに隔離されている第1位置と、複数の分析領域の少なくとも一部が複数の試薬領域の少なくとも一部と流体連通状態にある第2位置との間で、他方に対して動くように構成された第1層および第2層を含む、該容器;ならびに
細菌の集団における、抗生物質に対する耐性または感受性を決定するための使用説明書
を含む、キット。
[本発明1041]
核酸増幅のコンポーネントがrecA mRNAまたはlexA mRNAを増幅するためのプライマーを含む、本発明1039のキット。
[本発明1042]
核酸増幅のコンポーネントが、複製起点から50kDa未満、100kDa未満、200kDa未満、または400kDa未満にある細菌染色体またはプラスミド上の核酸ターゲットを増幅するためのプライマーを含む、本発明1039のキット。
[本発明1043]
前記容器が少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む、本発明1039のキット。
[本発明1044]
前記容器が少なくとも10、20、30、40、または50個の試薬領域を含む、本発明1039のキット。
[本発明1045]
抗生物質が、アミノグリコシド、セファロスポリン、テトラサイクリン、スルホンアミド、マクロライド、バンコマイシン、およびβ-ラクタムからなる群より選択される、本発明1039のキット。
[本発明1046]
前記抗生物質で処理していない細菌の集団の一部分と比較したときの、前記抗生物質で処理した細菌の集団の一部分における核酸ターゲット検出の減少が、その細菌の集団がその抗生物質に対して感受性であることを示すことを、説明書が示す、本発明1045のキット。
[本発明1047]
抗生物質が、HPUra、ヒドロキシ尿素、トリメトプリム、シプロフロキサシン、およびMMCからなる群より選択される、本発明1039のキット。
[本発明1048]
前記抗生物質で処理していない細菌の集団の一部分と比較したときの、前記抗生物質で処理した細菌の集団の一部分における核酸ターゲット検出の増加が、その細菌の集団がその抗生物質に対して感受性であることを示すことを、説明書が示す、本発明1047のキット。
[本発明1049]
インキュベーションモジュール、試料調製モジュール、およびデジタル定量モジュールを含み、各モジュールを他のモジュールと流体連通状態に置くように構成することができる、試料を処理するためのデバイスであって、
インキュベーションモジュールが生物を薬剤と共にインキュベートするように構成されたインキュベーションチャンバーを含み、試料調製モジュールが該生物からターゲット分析物を抽出するように構成されており、デジタル定量モジュールが反応エリアにおける該ターゲット分析物の存在または非存在のデジタル検出を行うように構成された複数の反応エリアを含む、該デバイス。
参照による組み入れ
本明細書において言及する刊行物、特許、および特許出願はすべて、あたかも個々の刊行物、特許、または特許出願が参照により本明細書に組み入れられると具体的かつ個別に示されている場合と同じ程度に、参照により本明細書に組み入れられる。
本明細書には、例えば限定するわけではないが本明細書に挙げる用途を含む用途に、個別に、またはさまざまな組み合わせで使用することができる、いくつかのデバイスおよび方法を記載する。さらにまた、それらは、以前に記載された応用に、以前に開示されたデバイスおよび方法とのさまざまな組み合わせで使用することもできる。
本願には、以下の出願が、参照により、ありとあらゆる目的でそのまま組み入れられる:2011年4月5日に出願された米国出願第61/516,628号「Digital Isothermal Quantification of Nucleic Acids Via Simultaneous Chemical Initiation of Recombinase Polymerase Amplification（RPA）Reactions on Slip Chip」;2011年5月9日に出願された米国出願第61/518,601号「Quantification of Nucleic Acids With Large Dynamic Range Using Multivolume Digital Reverse Transcription PCR（RT-PCR）On A Rotational Slip Chip Tested With Viral Load」;2011年9月20日に出願された米国出願第13/257,811号「Slip Chip Device and Methods」;2010年3月23日に出願された国際出願PCT/US2010/028361号「Slip Chip Device and Methods」;2009年11月18日に出願された米国出願第61/262,375号「Slip Chip Device and Methods」;2009年3月24日に出願された米国出願第61/162,922号「Slip Chip Device and Methods」;2010年3月22日に出願された米国出願第61/340,872号「Slip Chip Device and Methods」;2012年4月5日に出願された米国出願第13/440,371号「Analysis Devices, Kits, And Related Methods For Digital Quantification Of Nucleic Acids And Other Analytes」;2012年5月9日に出願された米国出願第13/467,482号「Multivolume Devices, Kits, Related Methods for Quantification and Detection of Nucleic Acids and Other Analytes」;2013年4月22日に出願された米国出願第13/868,028号「Fluidic Devices and Systems for Sample Preparation or Autonomous Analysis」;2013年4月22日に出願された米国出願第13/868,009号「Fluidic Devices for Biospecimen Preservation」;2013年4月22日に出願された国際出願PCT/US2013/037658「Fluidic Devices for Biospecimen Preservation」;2013年4月22日に出願された国際出願PCT/US2013/037660「Fluidic Devices and Systems for Sample Preparation or Autonomous Analysis」;2013年4月24日に出願された米国出願第13/869,856号「Slip-Induced Compartmentalization」;2013年10月4日に出願された国際出願PCT/US2013/063594「Methods and Systems for Microfluidics Imaging and Analysis」;2014年4月18日に出願された国際出願PCT/US2014/034728「Parallelized Sample Handling」;2014年7月17日に出願された国際出願PCT/US2014/047092「Digital Assay for Quantifying and Concentrating Analytes」;2014年8月15日に出願された米国出願第62/038,036号「The Pumping Lid: Devices and Methods for Programmable Generation of Positive and Negative Pressures」;2014年9月15日に出願された米国出願第62/050,647号「Digital Microfluidics Methods for Optimizing Isothermal Amplification Reactions」;2014年9月18日に出願された国際出願PCT/US2014/056401「System and Method for Movement and Timing Control」;および2014年10月16日に出願された国際出願番号PCT/US2014/060977「Enhanced Nucleic Acid Identification and Detection」。
本発明の新規な特徴は本願の請求項に具体的に記載する。本発明の原理が利用されている例示的態様を述べる以下の詳細な説明と、添付の図面とを参照することによって、本発明の特徴および利点のより良い理解が得られるであろう。
尿路感染症（UTI）大腸菌（Escherichia coli）単離株における、複製起点に対してマッピングされたrDNA遺伝子の位置を示す。 UTI患者からの大腸菌（E. coli）単離株から配列決定されたゲノム例の環状図およびそのゲノム上のrRNA遺伝子の場所を示す。 薬剤がDNAレベルおよびRNAレベルに及ぼす効果を、感受性細胞における複製起点との近接性に基づいて図解している。 複製起点からの距離が異なる、単一細胞からのターゲットに関して、抗生物質なし、抗生物質A、および抗生物質Bが、複製効率、複製フォーク停止、およびデジタル検出の結果に及ぼす効果を図示している。 尿試料中の細胞の、薬剤に対する耐性または感受性を、本発明の一態様に従って決定するワークフローを図示している。 本発明の一態様によるインキュベーションモジュールを含む統合型デバイスの図である。 本発明の一態様によるインキュベーションモジュールを含む統合型デバイスの図である。 本発明の一態様によるインキュベーションモジュールを含む統合型デバイスの図である。 本発明の一態様による、統合型デバイスと共に使用されるブリスター包装、試薬パック、または他のタイプの容器の写真である。 本発明の一態様による、バネまたはモーターによって駆動される1つまたは複数の層を持つ操作モジュールの図である。 不均一集団からの個々の細胞における薬剤処理に対する応答としての変化を検出する目的で単一分子測定および単一細胞測定を行うためのフローチャートである。 単一の統合型デバイスで試料のアッセイとそのアッセイからの結果を提供するポイントオブケアデバイスのためのフローチャートである。 10分、20分、および30分の時点で測定された、2.5μg/mLシプロフロキサシンで処理したシプロフロキサシン感受性大腸菌（各時点における右側のバー）および無処理試料（各時点における左側のバー）に関する、qPCRで決定されたrDNAコピー数の倍率変化を図示している。 図12Aは、0分、15分、および30分の時点で測定された、2.5μg/mLシプロフロキサシンで処理したシプロフロキサシン感受性大腸菌（各時点における右側のバー）および無処理試料（各時点における左側のバー）に関する、qPCRで決定されたrDNAコピー数の倍率変化を示す。図12Bは、SlipChipでのデジタルPCRによって決定されたそれを示す。 15分の時点で測定された、0.75μg/mLシプロフロキサシンで処理したシプロフロキサシン感受性大腸菌および無処理試料に関する、SlipChipでのデジタルPCRによって決定されたrDNAコピー数の倍率変化を示す。 図14Aは、30分の時点で測定された、テトラサイクリンで処理した感受性大腸菌および耐性大腸菌ならびに無処理試料に関する、定量PCRによって決定されたrDNAコピー数の倍率変化を示す。図14Bは、45分の時点で測定された、トリメトプリム/スルファメトキサゾールで処理した感受性大腸菌および耐性大腸菌ならびに無処理試料に関する、定量PCRで決定されたrDNAコピー数の倍率変化を示す。 UTI大腸菌単離株のゲノムにおけるoriCからのfeoB、recAおよびDna阻害因子タンパク質遺伝子の相対的距離を示す。x軸は個々のゲノムを表す（恣意的に編成したもの）。 BHI培地中、2.5μg/mlのシプロフロキサシンに15分間曝露した後（「処理」）の、感受性細菌および耐性細菌（A）における、UTI臨床単離株大腸菌ゲノムにおけるDNAフラグメントコピー数を定量するためのサイクル閾値（Ct）。 図17Aおよび図17Bは、BHI培地中、2.5μg/mLのシプロフロキサシンで20分間処理した後と、抗生物質を含まないBHI培地中に20分入れておいた後の、シプロフロキサシンに対して感受性（S）および耐性（R）であるUTI臨床単離株における、FeoB遺伝子発現およびRecA遺伝子発現のRNA定量を示す。 BHI培地中、10μg/mLのシプロフロキサシンで20分間処理した後と、抗生物質を含まないBHI培地中に20分入れておいた後の、シプロフロキサシンに対して感受性および耐性であるUTI臨床単離株におけるFeoB遺伝子発現およびRecA遺伝子発現のRNA定量を示す。
発明の詳細な説明
別段の定義がある場合を除き、本明細書において使用する技術用語および科学用語はすべて、本願請求項の内容が属する技術分野の当業者が一般に理解しているものと同じ意味を有する。本明細書における開示の全体を通して言及する特許、特許出願、出願公開および刊行物、GENBANK配列、ウェブサイトおよび他の出版物はすべて、別段の注記がある場合を除き、参照によりそのすべてが本明細書に組み入れられる。本明細書における用語に複数の定義がある場合には、この項における定義が優先される。URLまたは他の同様の識別子またはアドレスに言及する場合、それらの識別子は変更される場合があり、インターネット上の特定情報は変遷しうるが、等価な情報は公知であり、例えばインターネットおよび/または適当なデータベースを検索することなどによって容易にアクセスすることができると理解される。それらへの言及は、そのような情報が入手可能であること、そしてそのような情報が公に浸透していることの証拠となる。
本明細書において使用する場合、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈上そうでないことが明確である場合を除き、複数の指示対象を包含する。本願において、単数形の使用は、別段の具体的言明がある場合を除き、複数形を包含する。本明細書において使用する場合、「または」の使用は、別段の言明がある場合を除き、「および/または」を意味する。さらにまた、「を含む（including）」という用語および他の形態（例えば「include」、「includes」および「included」）の使用は、限定ではない。
本明細書では、範囲および量を、「約」特定値または範囲という形で表現する場合がある。「約」は正確な量も包含する。したがって「約10度」とは、「約10度」を意味する他、「10度」も意味する。一般に、「約」という用語は、実験誤差内と予想されるであろう量を包含しうる。
アッセイ
本明細書に記載するデバイスおよび方法は、ある生物における薬剤感受性または薬剤耐性を検出するためのアッセイに応用することができる。検出は、アッセイによって生成するシグナル、例えばある生物におけるある薬剤に対する耐性または感受性に関連する核酸を検出するためのアッセイによって生成するシグナル、またはそのような核酸の定量によって生成するシグナルの検出であることができる。
アッセイは、薬剤に曝露された生物からの核酸で反応（例えば増幅）を実行する工程、および反応の結果（例えば反応の帰結、陽性シグナルまたは陰性シグナルの生成）を、薬剤に曝露されていない生物からの核酸で実行された反応と比較する工程を含むことができる。これにより、その薬剤に対するその生物の感受性または耐性を明らかにすることができる。
ある特定の態様において、本方法は、微生物を含有する試料の一部分を薬剤に曝露する工程を含む。いくつかの態様において、本方法は、前記微生物から核酸を抽出する工程をさらに含む。いくつかの態様において、本方法は、前記微生物からの核酸の配列特異的定量を行う工程を含む。その定量情報は、次に、薬剤に対する微生物の耐性または感受性を決定または定量するために使用される。
アッセイはデジタル形式で実行することができる。つまり、パーティション（すなわち分析領域）の一部はシグナルを与えないが他のパーティションはシグナルを与えるような形でパーティションに分割された試料に対して、アッセイを実行することができる。いくつかの態様において、パーティションは1個またはゼロ個のターゲット分析物（例えばターゲット細胞、細胞の一部分、またはターゲット分子、例えば核酸分子もしくはタンパク質）を含有する。場合により、一部のパーティションは2つ以上のターゲット分析物を含有することができる。いくつかの態様において、反応効率は、陽性シグナルを獲得するために閾値数のターゲット分析物が要求されるようなものである。これらの場合、パーティションの一部が閾値を上回るいくつかのターゲット分析物を含有し、パーティションの一部が閾値を下回るいくつかのターゲット分析物を含有するのであれば、その形式はデジタルである。いくつかの態様において、閾値は、ターゲット分析物が少ない一部のパーティションがシグナルを生成する一方で、ターゲット分析物が多い一部のパーティションはシグナルを生成しないというように、パーティション間で変動する場合がある。これらの場合も、一部のパーティションがシグナルを生じず、一部がシグナルを生じる限りは、複数のウェルに適用される確率的閾値に基づいてデジタル検出を行うことができる。
場合によっては、大多数のパーティションが1個またはゼロ個のターゲット分析物を含有する。このデジタル形式または単一分子形式は、同定、検出、遺伝子型別、SNP検出、レアアレル検出、および核酸の定量を含む本明細書に記載のアッセイと共に使用することができる。
アッセイは、約600分、540分、480分、420分、360分、300分、240分、180分、120分、110分、100分、90分、80分、70分、60分、50分、40分、30分、20分、15分、10分、9分、8分、7分、6分、5分、4分、3分、2分、もしくは1分、またはそれ未満で実行することができる。アッセイは、少なくとも約50％、60％、70％、80％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.9％、または99.99％の正確度を有することができる。偽陽性率は、10％未満、1％未満、0.1％未満、0.01％未満、0.001％未満、または0.0001％未満でありうる。偽陰性率は、10％未満、1％未満、0.1％未満、0.01％未満、0.001％未満、または0.0001％未満でありうる。
アッセイは、コピー数変動（CNV）を検出するために使用することができる。CNVは構造変動の一形態であり、DNAの1つまたは複数のセクションのコピー数を変化させるゲノムのDNAの変化である。CNVは、一定の染色体上で欠失または重複している比較的大きなゲノムの領域に対応しうる。他のタイプの遺伝子変動と同様に、いくつかのCNVは、疾患に対する感受性または耐性と関連付けられている。がん細胞では遺伝子コピー数が上昇しうる。本明細書に記載する方法では、染色体レベルでの遺伝子変化を同定することも可能である。
DNA複製を測定（例えばCNVを検出）することによる抗生物質感受性検査法は、真核生物を含むすべての単細胞生物および多細胞生物における、抗生物質ならびに細胞成長およびゲノムDNA複製を損なう他の作用物質に対する応答の評価に応用することができる。「相対的染色体DNA複製速度」の測定は、薬剤（例えば抗生物質）の存在下および非存在下で成長する感受性細胞と、薬剤の存在下および非存在下で成長する耐性細胞とを識別するための有用な可測パラメータである。いくつかの態様では、本明細書に開示するデバイスおよび方法を使って、これらのマーカーの相違を、細胞の平均分裂時間より短い期間内に観察することができ、細胞分裂に依存する検出方法よりも早く、その細胞における細胞複製を検出することが可能になる。それゆえ、本明細書に記載する方法およびデバイスによって、薬剤耐性である細胞と薬剤感受性である細胞とを迅速に識別することが可能になる。ここに提供する方法およびデバイスは、ヒト細胞のスクリーニング（例えば処置に応じて行われる腫瘍生検のモニタリングなどにおけるもの）を含む、任意の薬剤スクリーニングにも応用することができる。
一態様では、抗生物質の存在下および非存在下で細胞を短期間インキュベートしてから細胞内のrDNAのコピー数を測定し、その変化の大きさの相違を使って、細胞の薬剤耐性および薬剤感受性を決定する。いくつかの態様において、rDNAコピーの変化は、核酸増幅技法（例えばqPCRまたはデジタルPCRまたはデジタル等温増幅など）を使って決定され、その結果を使って薬剤に対する耐性または感受性が決定される。いくつかの態様において、薬剤感受性を決定するための方法は、デジタル定量を使用する。いくつかの態様では、起点に近い選択された遺伝子/起点から遠い選択された遺伝子の比を測定するために、個々の細胞を起源とする平均DNAフラグメントコピー数が、デジタルに定量される。
いくつかの態様において、薬剤感受性検査はRNAに基づき、例えば転写レベルを比較することなどによる。いくつかの態様において、薬剤感受性検査はRNAに基づき、デジタル定量を使って転写レベルを比較することなどによる。いくつかの態様において、定量戦略（例えば、数ある中でも、NASBA、qRT-PCR、シークエンシング、ナノストリング（nanostring）など）が適当でありうる。いくつかの態様では、試料から得られた細胞からのRNAがデジタル形式で定量される。いくつかの態様では、個々の細胞における遺伝子ターゲット発現レベルが、本明細書に記載するデバイスなどのデバイスでの単一細胞測定によって定量される。
アッセイは、recA mRNAなどの核酸の定量的検出に使用することができる。例えば患者から試料を採取する工程、試料中のRNAにアクセスしまたは試料からRNAを抽出する工程、少なくとも1つのRT-LAMPプライマーを使ってmRNAを定性的形式および/または定量的形式で逆転写し増幅する工程、およびrecA mRNAなど（ただしそれに限定されるわけではない）の核酸の存在を確認するために増幅について調べる工程、を含む方法を使用することができる。
いくつかの態様では、相対的なRNA増幅および/またはDNA増幅が使用される。いくつかの態様では、相対的なRNA定量および/またはDNA定量が使用される。いくつかの態様では、RNA定量および/またはDNA定量にデジタル検出が使用される。いくつかの態様では、複数の信頼できるRNAターゲットおよび/またはDNAターゲットが、マルチプレックス形式で同時に使用されるであろう。いくつかの態様では、同じ生理学的プロセスまたは抗生物質応答機序に関与する複数のRNAターゲットおよび/またはそれらの遺伝子を使用することができる。
いくつかの態様において、本発明は、腫瘍細胞の薬剤耐性検査に応用することができるであろう。いくつかの態様において、本発明は、がん性細胞の薬剤耐性検査に応用することができるであろう。本明細書に記載するデバイスは、臨床試料タイプ（例えば入院患者と外来患者、前処理済試料と未処理試料など）、感染レベル（例えば陰性と陽性と汚染）、および試料の保管/操作（例えば新鮮試料とホウ酸保存処理試料と冷蔵試料など）を含む、さまざまな試料タイプでの使用に応用することができる。
いくつかの態様では、染色および遺伝子マーカーの組み合わせにより、本明細書に記載するデバイスおよび方法を使って、成長の遅い微生物の薬剤耐性を判定することが可能である。いくつかの態様では、細胞成長の遺伝子マーカーと抗生物質感受性の遺伝子マーカーとの組み合わせを使って、成長の遅い細胞の遺伝的抗生物質耐性を決定することができる。
本明細書に記載するアッセイ、反応、および技法は、チューブ、毛細管、液滴、マイクロ流体デバイス（例えばSlipChipデバイス）、ウェル、ウェルプレート、マイクロプレート、マイクロ流体ウェル、マイクロ流体液滴、エマルション、固形支持体（例えばビーズまたはマイクロアレイ）、マイクロチップ、またはゲル（例えば2Dゲル、3Dゲル）、ならびに表面およびゲル内でのポロニー（polony）PCRの場合のような「ポロニー」を含むゲル内での反応など、任意の適切なプラットホームで行うことができる。
一態様において、細胞の耐性または感受性を決定するためのアッセイは、次のように行われる。細胞を、さまざまなマトリックス（例えばBactoブレインハートインフュージョンブロス（BHI）、BHIとプールヒト尿との混合物、および/またはヒト全尿）において、所望の密度（例えば101細胞/mL、102細胞/mL、103細胞/mL、104細胞/mL、105細胞/mL、106細胞/mL、107細胞/mL、108細胞/mL、または109細胞/mL）まで（例えば37℃で）前培養してから、希釈し、薬剤と共に、または薬剤なしで、インキュベートする。いくつかの態様では、インキュベーションを所望の温度（例えば37℃）で行ってから、所望の濃度の抗生物質による処理が行われる。細胞は、ある期間（例えば＜10分、10分、15分、20分、30分、45分、60分、または＞60分）にわたって、抗生物質と共に、および抗生物質なしで、インキュベートすることができ、その後、培養物または元の検査試料のアリコートを、核酸抽出に使用する。核酸は、標準的な方法（例えば、数ある中でも、一工程DNA抽出緩衝液または一工程RNA抽出緩衝液（例えばEpicentreから入手可能）など）を使って抽出することができる。いくつかの態様では、抽出に続き、例えば定量PCRまたはデジタルPCRなどの核酸増幅技法を使って、核酸を定量する。エンテロバクター（Enterobacter）中の23S遺伝子を定量するには、エンテロバクターに特異的な以下の23Sプライマーを使用することができる:
Figure 0007055020000001
;428bp産物。（Matsuda K, Tsuji H, Asahara T, Kado Y, Nomoto K.「Sensitive Quantitative Detection of Commensal Bacteria by rRNA-Targeted Reverse Transcription-PCR」Applied and Environmental Microbiology. 2007;73（1）:32-39. doi:10.1128/AEM.01224-06参照）。大腸菌ゲノムは、わずかな配列相違を持つ7つの相異なるオペロン、例えばrrnA、rrnB、rrnC、rrnD、rrnE、rrnG（別名rrnF）、およびrrnHを含有している。本明細書において使用する「rDNA」という用語は、rRNAオペロンの配列を指す。この用語は、コード配列と非コード配列/スペーサーの両方を包含する。いくつかの態様において、本発明は、rDNAを利用して、最も保存的な配列と、特定の種をターゲットとするプライマーを設計するための十分に可変的な配列との両方を得る。rRNAをコードする典型的オペロン（例えばGenBank:J01695.2）は、5S、16Sおよび23S rRNAならびにtRNAをコードし、これらの配列間にスペーサーを有する。rDNA遺伝子を複製マーカーとして使用する場合は、rRNAオペロンのコード部分に対するプライマーか、それらの間のスペーサーに対するプライマーか、その両方を選択することができる。
試料
本明細書には、試料の分析に関係する方法、デバイスおよびシステムを開示する。いくつかの態様において、本発明の方法は、生物から試料を得る工程を含む。試料は対象（例えば患者またはペット）から得ることができ、試料としては、血液、糞便、尿、唾液または他の体液を挙げることができる。試料の取得は、患者によるか、医療従事者によることができる。限定するわけではないが、医療従事者の例としては、医師、救急救命士、看護師、第一対応者、心理士、理学療法要員（medical physics personnel）、臨床看護師、外科医、歯科医、および他の任意の医療従事者が挙げられる。試料は、任意の体液、例えば羊水、眼房水、胆汁、リンパ液、乳汁、間質液、血液、血漿、耳垢（耳あか）、カウパー腺液（尿道球腺液（pre-ejaculatory fluid））、乳び、び汁、女性の射精（female ejaculate）、帯下、粘液、唾液、尿、吐瀉物、涙液、腟液、汗、血清、精液、皮脂、膿汁、胸水、脳脊髄液、滑液、細胞内液、および硝子体液などから得ることができる。一例において、試料は採血によって得られ、この場合は、医療従事者が対象から例えば注射器などによって採血する。
試料は試料収集容器に収集することができる。いくつかの態様において、試料収集容器は、検出可能な情報でコード化されている。例えば検出器はバーコードを認識することができる。バーコードは試料がどこで収集されたか、または誰から収集されたかに関する情報を有しうる。検出器はこの情報を得て、それを、試料に関して生成したデータを処理または送信するために使用する。例えば、カメラ付き電話で試料収集容器の写真を撮ることができる。カメラ付き電話は患者を同定する容器上のバーコードを認識することができる。次に、カメラ付き電話は、その試料に関して生成したデータを、その試料を得た患者に関連付けることができる。関連付けられたデータは、次に、その患者またはその患者の医師に送信することができる。いくつかの態様では、試料収集容器および試料分析ユニットの単一画像が作製される。
食品試料も分析することができる。試料は、潜在的にターゲット生物を含む任意の組成物であることができる。試料の供給源には、地熱および熱水地帯、酸性土壌、硫気孔（sulfotara）および泥間欠泉、水たまり、酵素が中性～アルカリ性である温泉および間欠泉、海洋放線菌、後生動物、内共生物および外共生物、熱帯土壌、温帯土壌、乾燥地土壌、堆肥パイル（compost pile）、肥料パイル（manure pile）、海底堆積物、淡水堆積物、水濃縮物、過塩性極低温海氷、極地ツンドラ、サルガッソ海、外遠洋（open ocean pelagic）、海雪、微生物マット（鯨骨生物群集、湧水、および熱水噴出孔など）、昆虫および線虫腸内微生物群集（insect and nematode gut microbial communities）、内生植物、着生植物水試料（epiphytic water sample）、工業用地および生息地外（ex situ）富化物などがあるが、それらに限定されるわけではない。加えて、試料は、真核生物、原核生物、粘液細菌（エポチロン）、大気、水、堆積物、土壌または岩石、植物試料、食品試料、腸試料、唾液試料、血液試料、汗試料、尿試料、脊髄液試料、組織試料、腟スワブ、糞便試料、羊水試料、指紋、咳によって生じるエアロゾルを含むエアロゾル、皮膚試料、組織、例えば生検による組織、および/または口腔内洗浄液試料から単離することもできる。他の試料タイプには、臨床検査用試料（例えば入院患者と外来患者、前処理済試料と未処理試料など）、感染レベル検査用試料（例えば陰性と陽性と汚染など）、および試料の保管/操作検査用試料（例えば新鮮試料とホウ酸保存処理試料と冷蔵試料）などがある。
試料は生物を含むことができる。試料は微生物を含むことができる。試料中の微生物数は10未満、100未満、1,000未満、104未満、105未満、または106未満であることができる。いくつかの態様において、試料は、処理済み（例えば濃縮済み、濾過済みなど）の試料である。
試料は生物からのターゲット分析物を含むことができる。ターゲット分析物としては、例えば、細胞、細胞の部分、ポリペプチド、または核酸を挙げることができる。核酸は無細胞核酸であることができる。核酸は細胞から単離することができる。核酸は一本鎖または二本鎖であることができる。ターゲット分析物はDNAまたはRNAを含むことができる。場合により、RNAは、tRNA、mRNA、rRNA、trRNA、snRNA、snoRNA、smY、scaRNA、gRNA、RNase P、RNase MRP、aRNA、crRNA、incRNA、miRNA、piRNA、siRNA、tasiRNA、rasiRNA、7SK、vRNA、またはそれらの任意の組み合わせである。DNAは、ssDNA、dsDNA、cDNA、またはそれらの任意の組み合わせであることができる。場合により、DNAは、遺伝子または遺伝子フラグメントを含む。遺伝子または遺伝子フラグメントは突然変異を含むことができる。突然変異は、点突然変異、挿入、欠失、増幅、転座、逆位、コピー数変動、および/または他の突然変異を含みうる。場合により、DNAは、非コード領域を含む。非コード領域は、機能的配列、調節要素、イントロン、エクソン、偽遺伝子、反復配列、トランスポゾン、ウイルス要素、テロメア、遺伝子スイッチ、転写因子部位、オペレーター、エンハンサー、サイレンサー、プロモーター、インスレーター、および/または他の領域を含みうる。場合により、DNAはcDNAを含む。場合により、DNAは細菌またはウイルスに由来する。場合により、DNAは細胞から収集される。いくつかの例では、DNAが細胞内にある。場合により、DNAは細胞外にある。
ターゲット分析物はRNAを含みうる。場合により、RNAはmRNAを含む。場合により、RNAは非コードRNA（ncRNA）を含む。非コードRNAは、トランスファーRNA（tRNA）、リボソームRNA（rRNA）、トランスファー・メッセンジャーRNA（tmRNA）、核小体低分子RNA（snoRNA）、マイクロRNA（miRNA）、低分子干渉RNA（siRNA）、核内低分子RNA（snRNA）、piwi相互作用RNA（piRNA）、ロングncRNA（lncRNA）、および/または他のタイプのncRNAを含みうる。場合により、RNAは、細菌またはウイルスに由来する。場合により、RNAは細胞から収集される。いくつかの例において、RNAは細胞内にある。場合により、RNAは細胞外にある。
本明細書において可換的に使用する「核酸」および「核酸分子」という用語は、ヌクレオチド、すなわちリボヌクレオチド、デオキシリボヌクレオチド、またはその両方で構成される分子を指す。この用語は、リボヌクレオチドおよびデオキシリボヌクレオチドのモノマーおよびポリマーを包含し、ポリマーの場合には、リボヌクレオチドおよび/またはデオキシリボヌクレオチドが、5'→3'連結によって一つに接続されている。ただし、連結は、例えば5'→2'連結を含む核酸など、核酸合成技術分野において公知の連結であればどれでも含むことができる。核酸分子に使用されるヌクレオチドは天然物であるか、天然の塩基対で塩基対関係を形成する能力を有する合成的に生産された類似体であることができる。塩基対合関係を形成する能力を有する非天然塩基の例には、アザピリミジン類似体およびデアザピリミジン類似体、アザプリン類似体およびデアザプリン類似体、ならびに他の複素環式塩基類似体であって、プリン環およびピリミジン環の炭素原子および窒素原子の1つまたは複数がヘテロ原子、例えば酸素、硫黄、セレン、リンなどで置換されているものなどがあるが、それらに限定されるわけではない。核酸は試料から検出することができる。
本明細書において使用する「オリゴヌクレオチド」という用語は、複数のヌクレオチドを含む核酸分子を指す。オリゴヌクレオチドは約2個～約300個のヌクレオチドを含むことができる。
ターゲット分析物は、細胞成長の遺伝子マーカーおよび抗生物質感受性の遺伝子マーカーを含みうる。ターゲット分析物は、腫瘍細胞の薬剤耐性または薬剤感受性に関するマーカーを含みうる。ターゲット分析物は、薬剤による処理に対する応答として細胞生存性をアッセイするために、例えば酸化感受性色素で検出することができる酸化ストレスに関するマーカーを含みうる。いくつかの態様において、ターゲット分析物はポリペプチドまたはタンパク質を含む。いくつかの態様において、ターゲット分析物は、細胞膜または細胞膜関連分子を含み、それら細胞膜または細胞膜関連分子の変化は、薬剤に対する生物の応答に関連付けられる。
生物
「生物」という用語は、細菌、酵母、真菌、ウイルス、原生生物（原生動物、微細藻類）、古細菌、植物および真核生物を含む任意の生物または微生物を指す。真核生物は単細胞真核細胞であることができる。細菌にはグラム陽性細菌およびグラム陰性細菌が含まれる。「生物」という用語は、本発明の方法によって検出し同定することができる核酸を含む生体およびウイルスを指す。生物には、細菌、古細菌、原核生物、真核生物、ウイルス、原生動物、マイコプラズマ、真菌、植物および線虫が含まれるが、それらに限定されるわけではない。異なる生物は異なる株、異なる品種、異なる種、異なる属、異なる科、異なる目、異なる綱、異なる門、および/または異なる界であることができる。生物は、土壌抽出物、海底堆積物、淡水堆積物、温泉、棚氷、地球外試料、岩の裂け目、雲を含む環境供給源から分離される場合、水性環境からの微粒子に付着している場合、および多細胞生物との共生関係に関与している場合がある。そのような生物の例には、ストレプトミセス（Streptomyces）属、および自然供給源からの特徴づけられていない/未知の種があるが、それらに限定されるわけではない。生物には、遺伝子組換え生物または遺伝子改変生物を含めることができる。生物にはトランスジェニック植物を含めることができる。生物には、遺伝子改変作物を含めることができる。遺伝子改変はどの生物でも行うことができる。遺伝子改変されうる生物の例には、オオバコ、ヤムイモ、モロコシ、サツマイモ、ダイズ、キャッサバ、ジャガイモ、コメ、コムギ、またはトウモロコシがある。
生物として、例えば以下の細菌性病原体を挙げることができる:アエロモナス・ハイドロフィラ（Aeromonas hydrophila）および他の種（spp.）;炭疽菌（Bacillus anthracis）;セレウス菌（Bacillus cereus）;クロストリジウム（Clostridium）属のボツリヌス神経毒素産生種;ブルセラ・アボルタス（Brucella abortus）;ブルセラ・メリテンシス（Brucella melitensis）;ブルセラ・スイス（Brucella suis）;バークホルデリア・マレイ（Burkholderia mallei）（旧名:シュードモナス・マレイ（Pseudomonas mallei））;バークホルデリア・シュードマレイ（Burkholderia pseudomallei）（旧名:シュードモナス・シュードマレイ（Pseudomonas pseudomallei））;カンピロバクター・ジェジュニ（Campylobacter jejuni）;クラミジア・シタッシ（Chlamydia psittaci）;ボツリヌス菌（Clostridium botulinum）;ボツリヌス菌;クロストリジウム・パーフリンジェンス（Clostridium perfringens）;コクシジオイデス・イミチス（Coccidioides immitis）;コクシジオイデス・ポサダシ（Coccidioides posadasii）;コウドリア・ルミナンチウム（Cowdria ruminantium）（心水病）;コクシエラ・ブルネッティ（Coxiella burnetii）;大腸菌-腸毒素産生性（ETEC）、大腸菌-腸管病原性（EPEC）、大腸菌-O157:H7腸管出血性（EHEC）、および大腸菌-腸管侵襲性（EIEC）などの腸毒性大腸菌群（EEC群）;エーリキア・シャフェンシス（Ehrlichia chaffeensis）などのエーリキア属;フランシセラ・ツラレンシス（Francisella tularensis）;レジュネラ・ニューモフィラ（Legionella pneumophila）;リベロバクター・アフリカヌス（Liberobacter africanus）;リベロバクター・アジアチカス（Liberobacter asiaticus）;リステリア・モノサイトゲネス（Listeria monocytogenes）;その他の腸内菌、例えばクレブシエラ（Klebsiella）、エンテロバクター、プロテウス（Proteus）、シトロバクター（Citrobacter）、アエロバクター（Aerobacter）、プロビデンシア（Providencia）、およびセラチア（Serratia）;ウシ型結核菌（Mycobacterium bovis）;結核菌（Mycobacterium tuberculosis）;マイコプラズマ・カプリコルム（Mycoplasma capricolum）;マイコプラズマ・ミコイデス亜種ミコイデス（Mycoplasma mycoides ssp mycoides）;ペロノスクレロスポラ・フィリピネンシス（Peronosclerospora philippinensis）;ファコプソラ・パキリジ（Phakopsora pachyrhizi）;プレジオモナス・シゲロイデス（Plesiomonas shigelloides）;ラルストニア・ソラナセラム（Ralstonia solanacearum）系統3、生物型2;リケッチア・プロワゼッキ（Rickettsia prowazekii）;リケッチア・リケッチ（Rickettsia rickettsii）;サルモネラ（Salmonella）属;スクレロフトラ・ライシアエ変種ゼアエ（Schlerophthora rayssiae varzeae）;シゲラ（Shigella）属;黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）;レンサ球菌（Streptococcus）属;シンチトリウム・エンドビオチカム（Synchytrium endobioticum）;コレラ菌（Vibrio cholerae）非O1型;コレラ菌O1型;腸炎ビブリオ（Vibrio parahaemolyticus）および他のビブリオ（Vibrio）属;ビブリオ・バルニフィカス（Vibrio vulnificus）;イネ白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae）;ピアス病菌（Xylella fastidiosa）（柑橘類斑入り萎黄病株）;エンテロコリチカ菌（Yersinia enterocolitica）および仮性結核菌（Yersinia pseudotuberculosis）;ならびにペスト菌（Yersinia pestis）。
本明細書に開示する方法およびデバイスで検出し分析することができる公知の薬剤耐性特性を持つ病原体の非限定的リストには、クロストリジウム・ディフィシル（Clostridium difficile）、カルバペネム耐性腸内細菌科（CRE）、薬剤耐性淋菌（Neisseria gonorrhoeae）、多剤耐性アシネトバクター（Acinetobacter）、薬剤耐性カンピロバクター（Campylobacter）、フルコナゾール耐性カンジダ（真菌）、広スペクトルβ-ラクタマーゼ産生腸内細菌科（ESBLs）、バンコマイシン耐性エンテロコッカス（Enterococcus）（VRE）、多剤耐性緑膿菌（Pseudomonas aeruginosa）、薬剤耐性非腸チフス・サルモネラ、薬剤耐性チフス菌（Salmonella Typhi）、薬剤耐性シゲラ、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌（MRSA）、薬剤耐性肺炎球菌（Streptococcus pneumoniae）、薬剤耐性結核菌（M. tuberculosis）、バンコマイシン耐性黄色ブドウ球菌（VRSA）、エリスロマイシン耐性A群レンサ球菌、およびクリンダマイシン耐性B群レンサ球菌などがある。
抗微生物/抗生物質化合物
薬剤に対する生物の耐性または感受性を示すために、生物を薬剤と共にインキュベートして応答を決定する。いくつかの態様において、薬剤は、腫瘍を処置するための化合物を含む。いくつかの態様において、薬剤は、抗生物質化合物または抗微生物化合物である。本明細書において使用する抗微生物薬という用語は、微生物を殺すかその成長を阻害するために使用される天然起源、半合成起源または合成起源の任意の物質を包含するものとする。好ましい態様において抗微生物薬は微生物の宿主を害さない。本明細書において使用する「抗微生物薬」という用語と「抗生物質」という用語とは交換可能である。抗微生物薬または抗生物質化合物の例には、アミカシン、ゲンタマイシン、カナマイシン、ネオマイシン、ネチルマイシン、トブラマイシン、パロモマイシン、ストレプトマイシン、スペクチノマイシン（Bs）、ゲルダナマイシン、ハービマイシン、リファキシミン、ロラカルベフ、エルタペネム、ドリペネム、イミペネム/シラスタチン、メロペネム、セファドロキシル、セファゾリン、セファロチン（cefalotin）/セファロシン（cefalothin）、セファレキシン、セファクロル、セファマンドール、セフォキシチン、セフプロジル、セフロキシム、セフィキシム、セフジニル、セフジトレン、セフォペラゾン、セフォタキシム、セフポドキシム、セフタジジム、セフチブテン、セフチゾキシム、セフトリアキソン、セフェピム、セフタロリンフォサミル、セフトビプロール、テイコプラニン、バンコマイシン、テラバンシン、ダルババシン、オリタバンシン、クリンダマイシン、リンコマイシン、ダプトマイシン、アジスロマイシン、クラリスロマイシン、ジリスロマイシン、エリスロマイシン、ロキシスロマイシン、トロレアンドマイシン、テリスロマイシン、スピラマイシン、アズトレオナム、フラゾリドン、ニトロフラントイン（Bs）、リネゾリド、ポシゾリド、ラデゾリド、トレゾリド、アモキシシリン、アンピシリン、アズロシリン、カルベニシリン、クロキサシリン、ジクロキサシリン、フルクロキサシリン、メズロシリン、メチシリン、ナフシリン、オキサシリン、ペニシリンG、ペニシリンV、ピペラシリン、ペニシリンG、テモシリン、チカルリシン、アモキシシリン/クラブラネート、アンピシリン/スルバクタム、ピペラシリン/タゾバクタム、チカルリシン/クラブラネート、バシトラシン、コリスチン、ポリミキシンB、シプロフロキサシン、エノキサシン、ガチフロキサシン、ゲミフロキサシン、レボフロキサシン、ロメフロキサシン、モキシフロキサシン、ナリジクス酸、ノルフロキサシン、オフロキサシン、トロバフロキサシン、グレパフロキサシン、スパルフロキサシン、テマフロキサシン、マフェナイド、スルファセタミド、スルファジアジン、スルファジアジン銀、スルファジメトキシン、スルファメチゾール、スルファメトキサゾール、スルファニルイミド（初期（archaic））、スルファサラジン、スルフイソキサゾール、トリメトプリム-スルファメトキサゾール（コトリモキサゾール）（TMP-SMX）、スルホンアミドクリソイジン（sulfonamidochrysoidine）（初期）、デメクロサイクリン、ドキシサイクリン、ミノサイクリン、オキシテトラサイクリン、テトラサイクリン、クロファジミン、ダプソン、カプレオマイシン、シクロセリン、エタンブトール（Bs）、エチオンアミド、イソニアジド、ピラジナミド、リファンピシン（米国ではリファンピン）、リファブチン、リファペンチン、ストレプトマイシン、アルスフェナミン、クロラムフェニコール（Bs）、ホスホマイシン、フシジン酸、メトロニダゾール、ムピロシン、プラテンシマイシン、キヌプリスチン/ダルホプリスチン、チアンフェニコール、チゲサイクリン（Bs）、チニダゾール、およびトリメトプリム（Bs）があるが、それらに限定されるわけではない。
異なる抗生物質または抗微生物薬は、異なる作用機序を有する可能性があり、複製伝播および複製再開に異なる影響を及ぼしうる。一部の静菌性抗生物質（例えばアミノグリコシド、セファロスポリン、テトラサイクリン、スルホンアミド、およびマクロライド）はタンパク質合成を阻害し、一方、殺菌性抗生物質は細胞壁（例えばバンコマイシンおよびβ-ラクタム）または細菌DNA（例えばフルオロキノロン）に作用することができる。トリメトプリムおよびスルファメトキサゾールなど、一部の抗生物質は代謝経路を妨害してDNA複製に間接的に影響を及ぼし、一部（ニトロフラントイン）はDNA複製を含む細胞内での複数の過程に影響を及ぼす。
いくつかの態様では、あらゆる抗生物質群に関して、DNA複製に対する抗生物質の効果を増強するために、処理条件が調節されるであろう。いくつかの態様では、あらゆる抗生物質群に関して、DNA複製に対する抗生物質の効果の観察を迅速化するために、処理条件が調節されるであろう。いくつかの態様において、この開示に記載する方法は、相対的な遺伝子定量によって、抗生物質感受性を検査する。
ターゲット/ターゲット分析物
いくつかの態様において、ここに提供する方法およびデバイスは、抗微生物薬の存在または非存在に対する応答としての微生物の成長を示す分析物（例えばマーカー）をターゲットとする。いくつかの態様では、OriCに近い遺伝子（例えばコンピテンス遺伝子など）の発現量およびコピー数の変化が測定される。本発明者らの方法およびデバイスにより、関心対象の各細菌種について、oriの近傍における総遺伝子コピー数の迅速かつ高感度な定量が可能になる。
ゆっくりと成長する細胞は、それらの染色体を、よりゆっくりと複製しうるので、抗生物質の影響を受ける細胞と抗生物質によって殺される細胞とを区別することが可能になる。加えて、代謝作用が損なわれている細胞は、より多くの、またはより少ない、特異的RNAターゲットを生成しうる。これらのターゲットの選択と定量を本明細書において説明する。
いくつかの態様において、関心対象のターゲット分析物はDNAである。いくつかの態様では、DNA領域、例えば公表された細菌ゲノムにおいて多重コピーで表されるものが、ターゲットとして選択される（例えばrDNA）。いくつかの態様では、2つ以上のターゲット（例えばDNAフラグメントまたは遺伝子）が同時定量のために選択され、それらのターゲットは、複製起点の近くに位置することができ、かつ/または両方の複製方向に関与しうる。いくつかの態様では、2つ以上のターゲット（例えばDNAフラグメントまたは遺伝子）が同時定量のために選択され、それらのターゲットのうちの1つまたは複数は複製起点の近くに位置し、かつ1つまたは複数のターゲットは複製起点から遠い。細胞の数を独立して測定する必要がないいくつかの態様では、これらのターゲットを一定の時点で（場合によっては、複製が完了する前に）測定することによって、複製を迅速に検出することができる。これは、試料中に存在する細胞が極めて少ない場合、および/または分析される細胞が極めて少ない場合、および/または分割された試料の各部分に存在する細胞の数の正確度がポアソン統計によって制限される場合には、貴重になる。
いくつかの態様では、抗微生物薬処理による遺伝子重複を検出することで、感受性株の検出が可能になるであろう。いくつかの態様において、遺伝子量アプローチのターゲットには、OriまたはOriCの近傍（例えばOriCから50kb以内、100kb以内、150kb以内、200kb以内、および/または300kb以内）に位置する遺伝子を含めることができる。いくつかの態様では、薬剤感受性細胞におけるDNA/遺伝子量が、減少ではなくむしろ増加するであろう。
いくつかの態様では、公表された細菌ゲノムにおいて単一コピーまたは多重コピーで表されるDNAターゲットが、ターゲットとして選択される（例えば、数ある中でも、rDNA、feoB遺伝子、rpoB遺伝子、コンピテンス遺伝子など）。いくつかの態様では、2つ以上のターゲット（DNAフラグメントまたは遺伝子など）が同時定量のために選択され、これらは、両方向で複製起点の近くに優先的に位置しうる。いくつかの態様において、関心対象のターゲットはリボソームDNA（rDNA）配列である。リボソーム遺伝子配列は、細菌間でよく保存されているが、特異的なプローブおよび/またはプライマーを選択することなどにより、同定および/または群同定のためのターゲットとして使用することができる。
いくつかの迅速に成長する細菌種では、リボソーム遺伝子（ならびに転写および翻訳と関係する多くの遺伝子）は、複製起点の近くに優先的に位置する傾向があることが示されており、このことから、ゲノム安定性に関連することが示された進化圧の存在が示唆される（Etienne Couturier, Eduardo P. C. Rocha「Replication-associated gene dosage effects shape the genomes of fast-growing bacteria but only for transcription and translation genes」2006, Molecular microbiology, Volume 59, Issue 5, Pages 1506-1518 , DOI: 10.1111/j.1365-2958.2006.05046.）。これらの遺伝子は、複製を定量するためのターゲットとして使用することができ、それにより、成長条件に曝露された生物を、短期間で、例えば細胞複製期間より短い期間で、検出することが可能になる。これらの遺伝子をデジタル定量のターゲットとして使用すれば、不完全なDNA複製（細胞分裂前に起こるもの）でさえ検出することができる。
例えば、UTI感染症に関連付けられた11の利用可能なゲノム配列決定済大腸菌株のサブセットにおいて、複製起点に対するrDNA遺伝子の位置をマッピングした。図1は、UTI大腸菌単離株におけるoriCからのrDNAの相対的距離を表す。赤いドット（一番上と一番下の列）は、両方のレプリコア（replichore）について環状染色体におけるOriCから複製の終結点までの距離を示すことによってゲノムサイズを説明している。リボソーム遺伝子の分布が異なる稀な例は、実験室条件下での人工的選択を受けた細菌のゲノム、例えばグラフの左から5番目のゲノム（これは、UTI臨床単離株ではなく、ニトロフラントイン耐性によって選択されたUTI患者の腸からの大腸菌である（GenBank: CP007265.1））に属している。これらは複製起点の近くに集まるというrDNA遺伝子の傾向を示している。
複製起点の近くに集まるrDNAのもう一つの例を図2に示す。これは、UTI患者から配列決定されたゲノム例の環状図である。ゲノムのリボソームRNAコード領域が赤色で明示されている。複製起点（OriC）は図2の最上部に明示されている。rDNAは複製起点の近くに優先的に集まっている。
いくつかの態様において、本明細書に開示する方法は、関心対象の細胞の少なくとも一部では、染色体分割に特別な時間順序が存在しうるという事実を利用する。例えば大腸菌では、染色体ダイナミクスが、染色体の一定のパーツの分割を特別な時間順序で決定する。いくつかの態様において、初期に複製される遺伝子ターゲットの定量は、耐性細菌と感受性細菌の、より高い分解能での決定、またはより迅速な決定を可能にするであろう。加えて、複製起点および複製終結点は、異なる鎖をリーディング鎖とするレプリコアに、ゲノムを分割する。いくつかの態様では、リーディング鎖上およびラギング鎖上のターゲット遺伝子を、選択的にターゲットとすることで、複製が損なわれている場合と損なわれていない場合とで、それらの異なる転写レベルを測定することができる。
いくつかの態様では、複製起点の近傍に位置するDNAフラグメントおよび遺伝子（例えば起点そのもの、またはgln udhA dnaBもしくは一部のrDNAなどといった直近の遺伝子）の定量が行われる。いくつかの態様では、抗生物質処理細胞と無処理細胞との間での細胞あたりのコピー数の相違を、本明細書に記載する方法およびデバイス（例えばデジタル増幅）によって検出することができる。
いくつかの態様では、複製の終結部位（ter）の近傍に位置するDNAターゲットが定量される。それらはゲノムのなかで最後に複製される部分なので、これらの領域が示す細胞成長状態または抗生物質の存在に基づくコピー数の変動は、少なくなる傾向がある。いくつかの態様では、ter近くのDNAターゲットの複製の測定を使って、他のターゲットから得られるデータを標準化することができる。例えば、いくつかの態様において、ゲノム全体を複製するには十分でない短い薬剤曝露時間において、これらのter近傍領域は装填された細胞数の尺度として使用することができ、一方、それらよりoriに近い領域は、DNA複製および薬剤への耐性にアクセスするために使用することができる。これは、例えば装填された細胞の数が少なく（例えば100個未満または10個未満）、それゆえに測定が困難な場合に有用である。いくつかの態様では、薬剤処理ありおよび/または薬剤処理なしでのこれらの領域におけるコピー数の変動が、耐性細菌と感受性細菌とを識別するために使用される。複製フォークの機能停止を引き起こす抗微生物薬などの薬剤は、この効果をさらに増幅することができる。いくつかの態様において、ターゲット核酸配列の複製は、薬剤（例えば抗生物質）の存在下でインキュベートされた細胞（例えば細菌）における遺伝子の耐性プロファイルを決定するために使用することができる。
いくつかの態様では、抗生物質処理ありおよび/または抗生物質処理なしでのこれらのターゲットの相対的定量を使って、抗生物質感受性が決定されるであろう。これは、耐性株と感受性株との極めて迅速な区別を可能にすることができる。
いくつかの態様において、例えば細胞の新しい複製フォークが複製起点から動き始める時に、他の古い複製フォークは再開イベントとは独立して複製を続けることができる（Fossum, S., E. Crooke, et al.（2007）「Organization of sister origins and replisomes during multifork DNA replication in Escherichia coli」The EMBO Journal 26（21）:4514-4522、Mohan C. Joshi, et al., 2010,「Escherichia coli sister chromosome separation includes an abrupt global transition with concomitant release of late-splitting intersister snaps」PNAS, vol. 108 no. 7, 2765-2770）。したがって、いくつかの態様において、薬剤耐性/感受性検査に使用される遺伝子ターゲットは、起点から離れて位置することができる（例えば薬剤耐性/感受性の決定にとってoriCは依然として十分に速く複製されるであろう）。
複製起点に近いターゲットを使用すれば、細胞中の総遺伝物質におけるこれらの遺伝子の相対的コピー数を定量することで、抗生物質処理下の感受性細胞および耐性細胞を、DNA複製の完了前にまたは細胞分裂の完了前に、より早く同定することができる。いくつかの態様において、感受性生物における薬剤への曝露は複製を減少させるので、薬剤で処理された感受性生物のターゲット遺伝子のコピー数は、耐性生物または無処理生物のターゲット遺伝子のコピー数より少ない。しかし一部の抗生物質は、感受性細胞において、染色体DNAの一定領域のコピー数を増加させる。図3は、抗生物質投与に対する感受性細胞の効果、具体的にはトリメトプリムによる処理後の大腸菌における相対的DNAコピー数を、両ter領域において0と交差する線で示す複製起点（oriC）からの距離と比較して、図解している（Slager, J., M. Kjos, et al.（2014）「Antibiotic-Induced Replication Stress Triggers Bacterial Competence by Increasing Gene Dosage near the Origin」Cell 157（2）:395-406）。図3は、トリメトプリムへの曝露後に、ゼロのベースラインと比較して、DNAコピー数が複製起点の近くでピークに達することを示している。
多くの抗生物質（例えばキノロン類）は複製フォーク停止を誘発する。DNA複製開始が続くなかでの複製フォーク停止の直接的帰結として、DNA複製をターゲットとする抗生物質はすべて、起点近傍遺伝子のコピー数をアップレギュレートし、細菌における転写の全体的変化を誘発する。これは、薬剤で処理された感受性生物においてDNA複製を遅くする抗生物質とは反対の結果を生じ、陽性結果の数の増加をもたらす。成長を遅くする抗生物質および複製フォーク停止を誘発する抗生物質について予想される本明細書に記載のデジタルアッセイの結果を図4に示す。図4において「抗生物質A」は、感受性細胞において複製効率の低減をもたらし、よって複製起点近くの遺伝子コピーの数を耐性細胞と比較して低下させる抗微生物薬を表す。「抗生物質B」は、細胞における複製フォーク停止をもたらすことで、複製起点の近くでは新しい複製開始の増加をもたらし、よって複製起点近くの遺伝子コピーの数を耐性細胞と比較して増加させる抗微生物薬を表す。
図4にいう「抗生物質A」には、タンパク質合成を阻害する静菌性抗生物質（アミノグリコシド、セファロスポリン、テトラサイクリン、スルホンアミド、およびマクロライドなど）および細胞壁に作用する殺菌性抗生物質（例えばバンコマイシンおよびβ-ラクタム）が含まれる。DNA複製を遅くするこれらの抗生物質の場合、いくつかの態様では、例えば二価鉄、pHおよびマグネシウムイオンの濃度を制御し、好気条件を確保することなどにより、細胞における酸化ストレスを誘発するように、抗生物質曝露が改変される。
図4にいう「抗生物質B」には、感受性細胞において染色体DNAの一定領域のコピー数を増加させる抗生物質が含まれる。例えば、セレウス菌、黄色ブドウ球菌、および大腸菌ならびに肺炎球菌において、oriC-ter比はいくつかの抗生物質処理（例えばHPUra、ヒドロキシ尿素、トリメトプリム、シプロフロキサシン、およびMMC）による影響を受けることが知られている。これらの抗生物質は、トリメトプリムがDNA複製に間接的に影響を及ぼすように、染色体複製を損なうことが知られている。ニトロフラントインは、複製を含む多くの細胞プロセスを直接的に損なう。6（p-ヒドロキシフェニルアゾ）-ウラシル（HPUra）はグラム陽性細菌DNAの選択的阻害因子である。ヒドロキシカルバミドはデオキシリボヌクレオチドの生産を減少させる。シプロフロキサシンは、DNAジャイレースおよびトポイソメラーゼとの相互作用によって複製フォークを停止させDNAフラグメント化を引き起こすフルオロキノロンである。（Slager, J., M. Kjos, et al.（2014）「Antibiotic-Induced Replication Stress Triggers Bacterial Competence by Increasing Gene Dosage near the Origin」Cell 157（2）:395-406、およびTamayo M, Santiso R, Gosalvez J, Bou G, Fernandez JL.「Rapid assessment of the effect of ciprofloxacin on chromosomal DNA from Escherichia coli using an in situ DNA fragmentation assay」BMC Microbiology. 2009;9:69）。
どちらかのタイプの抗生物質に対する細胞の耐性または感受性は、本明細書に記載する方法およびデバイスを使って検出することができる。さらにまた、デジタルPCRは、複製フォーク停止前にコピーされた遺伝子が染色体DNAまたはプラスミドDNAからフラグメント化されるかどうかに依存して、異なる結果を与えるであろう。フラグメント化されない場合、それらは相異なるウェルに分離することができないので、細胞を特徴づけるための追加の分解能レベルを与える。異なる抗生物質処理下で核様体から遊離するDNAフラグメントは、核様体のDNAループの推定サイズおよび突出したDNAジャイレース媒介切断部位（Snyder M, Drlica K.「DNA gyrase on the bacterial chromosome: DNA cleavage induced by oxolinic acid」J Mol Biol. 1979;131（2）:287-302、Condemine, Smith CL.「Transcription regulates oxolinic acid-induced DNA gyrase cleavage at specific sites on the E. coli chromosome」Nucleic Acids Res. 1990;18（24）:7389-7396、およびHsu Y-H, Chung M-W, Li T-K.「Distribution of gyrase and topoisomerase IV on bacterial nucleoid: implications for nucleoid organization」Nucleic Acids Res. 2006;34（10）:3128-3138）と同様の50～100kbのサイズであると推定される（Tamayo M, Santiso R, Gosalvez J, Bou G, Fernandez JL.「Rapid assessment of the effect of ciprofloxacin on chromosomal DNA from Escherichia coli using an in situ DNA fragmentation assay」BMC Microbiology. 2009;9:69）。
いくつかの態様では、本明細書に開示する方法を使って、薬剤耐性細胞と薬剤感受性細胞とを識別するために、短い時間枠内に局所的に増幅された遺伝子および遺伝子フラグメントが検出される。いくつかの態様において、本方法は、一部の抗生物質が複製起点近くに位置するDNAフラグメント、例えばいくつかのコンピテンス遺伝子および複製起点そのものの優先的増幅を引き起こすという事実を利用する。いくつかの態様では、両レプリコアにおいて複製起点から50～200kb以内に位置するDNAフラグメントまたは遺伝子が、少数の細胞から、それらの薬剤感受性を決定するためにデジタル形式で定量されるであろう。いくつかの態様において、本方法は、一部の抗生物質がDNAフラグメントの蓄積を引き起こすという事実を利用する。これは、複製フォークの停止を引き起こす抗生物質によって引き起こされることが示されている。これは、蓄積される領域内の遺伝子の定量、蓄積される領域外の遺伝子の定量、または両者間の比の定量によって分析することができる。
いくつかの態様では、染色体上の選択された位置に関する相対的複製速度の変化を、感受性単離株では、薬剤への曝露後20分未満で検出することができる。いくつかの態様において、染色体上の選択された位置に関する相対的複製速度の相違は、一定の時点後にのみ認識可能であり、その時点は、抗生物質のタイプ、生物、細胞、および/または薬剤が異なれば異なりうる。いくつかの態様において、細菌染色体上の選択された位置に関する相対的複製速度の変化は、感受性単離株では、薬剤への曝露後、5、10、15、20、25、30、45、60、90、120、150、または180分未満で検出することができる。
いくつかの態様では、複製再開時間の制御をある程度確保するために、シフトアッププロトコール（例えば成長および遺伝子発現およびDNA複製を刺激するために栄養素およびシグナリング分子を添加するもの）を使用することができる。
いくつかの態様では、遺伝子発現の変化を、生物における抗微生物薬感受性または抗微生物薬耐性のマーカーとして使用する。いくつかの態様において、薬剤感受性検査はRNAに基づき、例えば転写レベルを比較することによる。いくつかの態様において、薬剤感受性検査はRNAに基づき、例えばデジタル定量を使って転写レベルを比較することによる。いくつかの態様では、抗微生物薬に対する応答として耐性または感受性に関連するマーカーを測定することができる。
いくつかの態様では、薬剤または抗生物質に対する応答として異なる調節を受ける遺伝子を使用することができる。これらの遺伝子には、例えば、抗生物質誘発性酸化ストレスに対する応答としてOxyRおよびSoxSによって誘導されるrecAおよびLexA（Barczak, et al., 2012, Proceedings of the National Academy of Sciences, 6217-6222）遺伝子を含めることができる（Dwyer, et al., 2014, Proceedings of the National Academy of Sciences, E2100-E2109）。
感受性細菌では、短時間の薬剤曝露に対する応答として多くのRNAターゲットがアップレギュレートまたはダウンレギュレートされることが示されている。そのような多くの遺伝子は、培養条件の変動に対する応答として、また単離株ごとに、発現レベルの有意な変化も示す。一部の遺伝子発現（例えばSOS応答に関与するrecA）は複数の抗生物質に対する応答としていくつかの種でアップレギュレートされるが、他の転写変化は生物特異的かつ/または機序特異的である。
（qPCR、マイクロアレイ、RNAseqによる）RNAターゲットRNAレベルの変化は、宿主の細胞からまたは他の微生物からの非特異的核酸の存在ゆえに、そして臨床試料からの阻害因子の存在、または処理時間の短さゆえに、バルク（例えばルーチンの逆転写および等温増幅またはPCR増幅）では、短時間の薬剤/抗生物質処理後に、既存の方法を使って検出することが困難な場合がある。いくつかの態様では、局所濃度が高いボリュームにターゲットを分離することで、そのような試料でも信頼できる迅速な定量を可能にするために、バイナリー、デジタルおよびマルチボリュームデジタル形式を使用することができる。
いくつかの態様では、極めて少ない細胞数（例えば血液または脳脊髄液）でも耐性プロファイルの検出を可能にするために、細胞中に存在するコピー数の高いDNAターゲットが使用されるであろう。例えば、大腸菌株および単離株の大半のゲノムでは、少なくとも2つの、ただし潜在的には数多くの複製フォークが存在するために、約7コピーのrDNAがあり、その成長速度に依存して、場合によっては、1細胞あたり12～35のrDNAコピーを有すると予想することができるだろう（「E.coli and Salmonella, cellular and molecular biology」Frederic C. Neidhardt, editor in Chief. v2. ASM press, Washington DC. 1996）。いくつかの態様において、存在する細胞数が極めて少ない場合に、細胞中のコピー数の多い遺伝子を使用すれば、定量の統計的分解能が向上することにより、抗生物質耐性の決定が可能になるであろう。いくつかの態様において、この定量は増幅によって行われる。いくつかの態様において、この定量にはデジタル増幅法が利用される。
いくつかの態様では、公に利用できる研究、例えばBroad Instituteによって公表されているものなどから、追加のターゲットが評価される。いくつかの態様では、分析のターゲットが、DNA/RNA-seqデータの分析から生成される。いくつかの態様では、定量戦略（例えば、数ある中でも、NASBA、qRT-PCR、シークエンシング、ナノストリングなど）を使用することができる。いくつかの態様では、デジタル形式で試料から得られた細胞からのRNAが定量される。いくつかの態様では、個々の細胞における遺伝子ターゲット発現レベルが、単一細胞測定によって定量される。
薬剤（例えばシプロフロキサシン）に対する細胞の応答を評価するためのマルチプレックス使用および/または個別使用に使用することができるRNAターゲットの例示的なリストを表1に掲載する。
Figure 0007055020000002
Figure 0007055020000003
Figure 0007055020000004
本デバイスのいくつかの態様では、あらゆる単一細胞における酸化ストレスを検出するために、反応性種を使用することができる。生育不能な細胞は細胞質内を還元環境に維持することができないので、酸化感受性色素が生存アッセイの大半を構成している。
いくつかの態様において、本明細書に開示するデバイスおよび方法は、抗生物質誘発性酸化ストレス応答の証拠としてOxyRおよびSoxR転写因子によってアップレギュレートされる遺伝子の発現の増加を検出するために使用することができる。これらの遺伝子は、例えばsodA（Mn補因子型スーパーオキシドジスムターゼをコードする）およびacrAB（多剤排出ポンプをコードする）、soxS（二次転写因子）、ならびにKatGおよびAhp遺伝子、OxyS、RecAなどである。
いくつかの態様では、Feイオンの輸送と調節に関与するRNAターゲットおよび/またはそれらの遺伝子が選択される。いくつかの態様では、酸化ストレス応答に関与するRNAターゲットおよび/またはそれらの遺伝子が選択される。
FeoBは二価鉄取り込み（FeoB）輸送体ファミリーに属する二価鉄取り込み系である（Kammler M, Schoen C, Hantke K.「Characterization of the ferrous iron uptake system of Escherichia coli」Journal of Bacteriology. 1993;175（19）:6212-6219）。FeoBは、大腸菌単離株全RNA発現のRNAseq分析においてシプロフロキサシン処理に対する応答として転写がダウンレギュレートされると報告されている数多くの遺伝子の一つである（Shishkin, A.A., G. Giannoukos, et al.（2015）「Simultaneous generation of many RNA-seq libraries in a single reaction」Nat Meth 12（4）: 323-325）。FeoB転写は、Furによる抑制を受けていることが知られている。いくつかの態様において、ターゲットは、Furによる活性化または抑制を受ける遺伝子から選択される。
FeoB発現はRstAB二成分システムによる活性化も受ける。いくつかの態様において、ターゲットは、RastAB二成分システムによる活性化または抑制を受ける遺伝子から選択されるであろう。
いくつかの態様において、細胞を抗生物質に曝露するために使用する培地のpHおよびMg2+濃度は、抗生物質に対する細胞応答を強化するために、本明細書に記載する方法に合わせて増減されるであろう。いくつかの態様において、細菌細胞は、抗生物質に対する応答としてのFeoB発現の変化の強さを増加させるために、相対的に低いMg2+、低いpH（温和な酸性条件）、および選択され制御された異なるFeレベルで処理される。
いくつかの態様において、本明細書に記載の方法は、1）低Mgおよび低Fe（2+）ならびに低pH（温和な酸性条件）で細胞をプレインキュベートする工程、および2）高Fe（2+）と一緒に抗生物質を添加する工程を含む。いくつかの態様において、本方法は、1）低Mgおよび高Fe（2+）ならびに低pH（温和な酸性条件）で細胞をプレインキュベートする工程、および2）抗生物質を添加する工程を含む。
いくつかの態様では、FeoB発現レベルの測定による最も迅速な/最も信頼できるASTのために条件を最適化する目的で、溶存酸素、PH、Fe2+、銀イオン濃度、Mg2+濃度、および 他の塩類濃度の調整が行われる。これらの変動は、この文書で言及する遺伝子発現ターゲットと組み合わせることができる。これは、これらのターゲットの定量による、より高い分解能での抗生物質感受性の決定を可能にするであろう。いくつかの態様では、抗生物質の存在下でインキュベートされる細菌に空気/酸素が提供される。いくつかの態様では、過酸化物の添加によって細菌における酸化ストレスが強化される。
いくつかの態様において、ターゲット分析物は、個別のターゲットまたはターゲットの群、例えば、pH、Mg2+および酸化ストレスに応答する類似の機能を持つタンパク質をコードする一群の遺伝子からのRNA（例えば上述の、そして鉄代謝に関連付けられる遺伝子群）を含むことができる。いくつかの態様において、ターゲット分析物は、酸化ストレス（酸化的ストレス）に関連する一群の遺伝子からのRNAを含むであろう。
いくつかの態様では、抗生物質感受性を決定するために、recA遺伝子および/またはrecA RNAが定量される。いくつかの態様では、抗生物質感受性を決定するために、SOS応答における他の遺伝子が、定量のターゲットとして使用される。いくつかの態様では、抗生物質感受性を決定するために、FeoB RNAおよび/またはrecA RNAが定量される。いくつかの態様では、抗生物質感受性および抗生物質耐性を決定するために、FeoB RNAおよびrecA RNAを定量して、それらの比を検出する。いくつかの態様では、抗生物質に対する応答としてアップレギュレートおよびダウンレギュレートされる他の遺伝子が一緒に定量され、微生物における抗生物質感受性または抗生物質耐性を決定するために、それらの比が検出される。
いくつかの態様において、本デバイスは、単一細胞でのリアルタイムRT-PCRによって耐性および感受性の細胞または微生物を検出するために、前駆体rRNAおよびリボソームRNAマーカーの組み合わせを使用する。いくつかの態様において、本デバイスは、ユニバーサル薬剤感受性検出および/または特異的薬剤耐性検出のためのマーカーの組み合わせを統合することができる。
試料処理
いくつかの態様において、微生物は、ある薬剤に対するその応答をアッセイし、その微生物がその薬剤に対して耐性であるか感受性であるかを決定するために、薬剤に曝露される。いくつかの態様において、単離株は、さまざまなマトリックス（例えば、数ある中でも、細菌培養培地またはヒト尿）中で前培養するか、それらマトリックスに前曝露することができ、次に、さまざまな薬剤（例えば抗生物質、例えばシプロフロキサシン、ニトロフラントイン、トリメトプリム、テトラサイクリン、およびスルファメトキサゾールなど）の存在下または非存在下でインキュベートすることができ、ここでは、複数の薬剤および/または複数の添加剤への曝露が、同じデバイスで実質上同時に行われる。いくつかの態様において、微生物は、薬剤への曝露中は実質上分裂しない。いくつかの態様において、単一細胞として拘束された微生物、または細胞の小さな群内および/もしくは凝集物内にある微生物は、薬剤に対して、平均集団より迅速に応答する。
本明細書に記載のデバイスおよび方法は、微生物の一部が単一細胞として、または細胞の小さな群および/もしくは凝集物として制限された場合、同じコンパートメント内に例えば3個未満の細胞、10個未満の細胞、30個未満の細胞、100個未満の細胞を含むことができる。コンパートメントの容積は100fL～1nL、1nL～100nL、または100nL～500nLの範囲にありうる。
いくつかの態様において、デジタルアッセイは、クローン単離領域への、試料からの単一細胞の拘束を使用することができる。いくつかの態様では、試料から複数のクローン集団を生じさせるために、単離された細胞のそれぞれがクローン単離領域において培養される。いくつかの態様において、単離された細胞は、拡大の前または後に、薬剤で処理される。いくつかの態様では、単離された細胞からの培養および拡大後に、クローン集団が2つ以上の処理領域に分配される。したがって、クローン集団の少なくとも一部分を薬剤で処理することができ、一方、クローン集団の他の一部分は薬剤で処理されない。次に、クローン集団中の細胞が1つまたは複数の薬剤に対して感受性であるか耐性であるかを決定するために、本明細書に記載のアッセイを行うことができる。
いくつかの態様では、薬剤に対する微生物の応答を加速するために、特別な培養条件（例えばクオラムセンシング分子、ガス分圧、温度など）を使用することができる。いくつかの態様において、生物は、例えばH2S、CO、およびNOを含有するガスまたはガス混合物に曝露される。そのようなガスは、例えば抗生物質に対する微生物の感受性に影響を及ぼすことが知られている。そのようなガスは、ガス混合物で希釈することができ、それらのガス混合物は、嫌気性、好気性、または低酸素性（microoxic）であることができる。そのようなガス混合物はCO2を含有することができる。
いくつかの態様では、薬剤に対する微生物の応答を加速するために、微生物と真核生物および/または他の微生物との共培養を使用する。
いくつかの態様では、培養における複製の平均数および/または場所および/または開始の時間を制御するための措置がとられる。例えば細胞は、抗生物質への曝露に先だって、高栄養条件または低栄養条件に置くことができる。いくつかの態様において、成長条件の変化（例えば感染血液を栄養に富む培地と混合することなど）への細胞の環境馴化は、DNA複製速度の変動を引き起こすであろう。いくつかの態様では、成長培地の変更によって、この効果を和らげることができる。いくつかの態様では、このノイズを上回る複製速度の変化の捕捉が、データ分析によって可能になりうる。いくつかの態様では、培地が複製に及ぼす効果を使って、薬剤処理の効果を強化することができる。
いくつかの態様では、細胞が、次のように抗生物質に曝露される。細胞を、Bactoブレインハートインフュージョンブロス（BHI）、BHIとプールヒト尿との混合物、およびヒト全尿を含むさまざまなマトリックス中、最大109細胞/mLの密度まで、37℃で前培養した後、希釈し、抗生物質と共に、または抗生物質なしで、インキュベートする。処理に使用される抗生物質には、シプロフロキサシン、ニトロフラントイン、トリメトプリム、テトラサイクリン、およびスルファメトキサゾールが含まれる。インキュベーションは、105～108細胞/mLの範囲にある出発濃度で、37℃において行い、次に、処理に依存して0.75μg/mL～156μg/mLの範囲にある抗生物質濃度で処理した。細胞を、抗生物質ありおよび抗生物質なしで、10分、15分、20分、30分、45分、または60分など、一定期間にわたってインキュベートした後、培養物のアリコートを核酸抽出に使用した。
いくつかの態様では、微生物を、4時間未満、3時間未満、2時間未満、1時間未満、30分未満、15分未満、10分未満、5分未満、3分未満、または1分未満の時間にわたって、薬剤に曝露する。
核酸は分析前に抽出することができる。核酸を抽出するために使用するプロトコールの詳細は、試料と、実施するそのアッセイとに依存する。ターゲット細菌からの核酸の抽出は、通常、細胞溶解工程と、それに続く核酸精製とを伴う。細胞溶解工程は細胞膜および核膜を破壊して、遺伝物質を放出させる。これは多くの場合、ドデシル硫酸ナトリウムなどの溶解界面活性剤を使って達成され、これは、細胞中に存在する多量のタンパク質も変性させる。
次に核酸を、アルコール沈殿工程で精製するか（通常は氷冷エタノールまたはイソプロパノール）、または固相精製工程で精製することができる（典型的には、高濃度のカオトロピック塩の存在下で、カラム中のシリカマトリックス、樹脂、または常磁性ビーズに適用した後に、洗浄を行い、次に低イオン強度緩衝液で溶出させる）。核酸沈殿前の随意工程は、試料をさらに精製するためにタンパク質を消化する、プロテアーゼの添加である。
いくつかの態様において、核酸は一工程DNA抽出緩衝液または一工程RNA抽出緩衝液（Epicentreから入手できる）を含む標準的方法を使って抽出される。抽出に続いて、定量PCRおよびデジタルPCRを含む核酸増幅技法を使って、核酸を定量した。
いくつかの態様では、試料の微生物を溶解する。いくつかの態様では、試料から阻害因子が除去される。いくつかの態様では、試料中の阻害因子を失活させる。いくつかの態様では、核酸の分解を防止するための条件または試薬に、試料を曝露する。いくつかの態様では、試料がリボソームRNA枯渇処理に付される。いくつかの態様では、不要なRNAが試料から除去される。いくつかの態様では、試料中の微生物が、遊離の核酸に結合してその増幅を防止する試薬、例えばPMAおよびEMAで処理される。いくつかの態様では、不要な核酸の増幅を防止するための光化学反応を開始させるために、試料に照射を行う。いくつかの態様では、抽出された核酸を定量前にさらに精製する。
いくつかの態様において、定量反応前の試料調製に要する時間は、2時間未満、1時間未満、30分未満、15分未満、10分未満、5分未満、3分未満、1分未満、または30秒未満である。
いくつかの態様では、変性、制限消化、フラグメント化、複製されたDNAフラグメントの消化などの技法を、デジタル定量前に使用する。これにより、検出および増幅用の個別ボリュームへの個別遺伝子の単離を強化することができる。いくつかの態様において、ターゲット遺伝子を保持するDNA分子の個別ボリュームへの単離を容易にするために、遺伝子間での制限消化を使用することができる。例えばいくつかの態様において、1ゲノムあたり7つのコピーを持つ大腸菌中のrDNAをターゲットとして使用した場合、デジタル実験は、1つの大きなゲノムフラグメントあたり1つの陽性ボリュームを示すことしかできない。ゲノムを変性し、フラグメント化し、かつ/または消化すれば、各遺伝子を個別のボリュームに分離することができて、単一のゲノムから1つのデバイスでの分析用に24～70のテンプレート陽性ボリュームが得られるだろう。
いくつかの態様では、死細胞からの核酸の増幅を阻害する作用物質が使用されるであろう（例えばプロピジウムモノアジド（PMA）またはエチジウムモノアジド）。いくつかの態様では、抗生物質とのインキュベーション前に、細胞が、死細胞からの核酸の増幅を阻害するそのような作用物質で処理されるであろう。いくつかの態様では、抗生物質とのインキュベーション後に、細胞が、死細胞からの核酸の増幅を阻害するそのような作用物質で処理されるであろう。
いくつかの態様では、定量前に、例えば、関心対象のフラグメントを検出および定量に適した状態に保ちつつ、複製されたターゲット遺伝子のコピーを複数含有するDNAのフラグメントが分離されるように、染色体DNAの制限消化が行われる。
いくつかの態様では、例えば陽性テンプレートの数を二倍にするために、1つまたは複数の変性工程が行われる（例えば、所与の試料において、大腸菌細胞が一定条件下で12～35コピーのrDNA遺伝子（成長速度、個体の齢および個体の状態に依存する）を有しうるとすると、変性後には例えば24～70のフラグメントを与える;これは、場合によっては、デジタルアプローチにおける可視化を改良することができる）。
いくつかの態様では、阻害された細胞と活発に複製している細胞との間の分解能が増加するように、変性または消化を使って複製フォークのDNAを分離させることができる - 新しく複製されたDNAの断片が異なるウェルに分配されうる。
いくつかの態様において、デジタルアッセイは、個別反応ボリュームへの、数個または単一のターゲット分子の拘束を使用することができる。独立したボリュームへの、ターゲットDNA鎖の分離を強化するために、複製の完了前に、変性因子（例えば、数ある中でも、熱、尿素、塩化グアニジウム、酸、塩基、機械的ひずみ、酵素、制限酵素）を使用することができる。これは、例えば複数のターゲット領域が単一ゲノム内に存在する場合には、特に有用でありうる。
いくつかの態様では、デジタル定量を行う前に、全染色体DNAの変性が行われる。
増幅
いくつかの態様では、ターゲット分析物（例えばターゲット核酸）を増幅するために、核酸増幅反応が行われる。増幅反応には、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、核酸配列ベース増幅法（NASBA）、自家持続配列複製法（3SR）、ループ媒介等温増幅法（LAMP）、鎖置換増幅法（SDA）、全ゲノム増幅、多置換増幅法、鎖置換増幅法、ヘリカーゼ依存的増幅法、ニッキング酵素増幅反応、組換えポリメラーゼ増幅法、逆転写PCRまたはライゲーション媒介PCRが含まれうる。核酸の増幅方法または検出方法には、PCR、RT-PCR、または等温増幅法を含む他の方法が含まれうるが、それらに限定されるわけではない。等温核酸増幅法には、鎖置換増幅法（SDA）、転写媒介増幅法、核酸配列ベース増幅法（NASBA）、リコンビナーゼポリメラーゼ増幅法（RPA）、ローリングサークル増幅法、ラミフィケーション増幅法（ramification amplification）、ヘリカーゼ依存的等温DNA増幅法、ループ媒介等温増幅法（LAMP）、シグナル増幅とターゲット増幅の両方に基づく方法、例えば分岐DNA法に基づく検出方法、ハイブリダイゼーション連鎖反応、または核酸ベースの論理ゲートおよびDNA回路（例えばQian and Winfree「Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades」Science 2011;6034:1196-1201を参照されたい）が含まれうるが、それらに限定されるわけではない。
増幅反応アッセイはPCRであることができる。PCRはこの分野では周知であり、E. van Pelt-Verkuil et al.「Principles and Technical Aspects of PCR Amplification」Springer, 2008には、このタイプの反応の包括的説明が掲載されている。
PCRは、複雑なDNAのバックグラウンドに抗してターゲットDNA配列を増幅する強力な技法である。RNAを（PCRで）増幅したい場合は、そのRNAをまず、逆転写酵素と呼ばれる酵素を使ってcDNA（相補DNA）に転写しなければならない。その後、得られたcDNAがPCRによって増幅される。
PCRは、反応を持続させるための条件が許容されうる限り進行する指数的プロセスである。反応のコンポーネントは、次のとおりである:
1.プライマー対-ターゲット配列に隣接する領域に相補的な約10～30ヌクレオチドを持つ短いDNAの一本鎖、
2.DNAポリメラーゼ-DNAを合成する耐熱性酵素、
3.デオキシリボヌクレオシド三リン酸（dNTP）-新しく合成されるDNA鎖に組み込まれるヌクレオチドを提供する、
4.緩衝液-DNA合成にとって最適な化学環境を提供する。
PCRを使用する態様において、反応のコンポーネントは試料と接触していることができる。試料を保持する容器に反応のコンポーネントを添加することができる。反応のコンポーネントが容器中に存在していて、試料を添加することができる。いくつかの態様において、キットは、少なくとも1つの容器がPCR反応のコンポーネントを保持している複数の小容器を含むことができる。キットは、SlipChipおよび反応のコンポーネントを含むことができる。
PCRでは、典型的には、抽出された核酸が入っている小さなチューブ（約10～50マイクロリットル）に、これらの反応物を入れる。チューブをサーマルサイクラー（反応をさまざまな時間にわたって一連の異なる温度にさらす装置）に入れる。各熱サイクルに関する標準的プロトコールは、変性相、アニーリング相、および伸長相を伴う。伸長相は時にはプライマー伸長相と呼ばれる。そのような3工程プロトコールに加えて、アニーリング層と伸長相とを合わせた2工程熱プロトコールも使用することができる。変性相では、通例、DNA鎖を変性させるために反応の温度を90～95℃に上昇させ、アニーリング相ではプライマーをアニールさせるために温度を約50～60℃に低下させ、次に伸長相では、プライマー伸長のために温度を60～72℃の最適DNAポリメラーゼ活性温度に上昇させる。このプロセスを周期的に約20～40回程度繰り返す。その最終結果は、プライマーの間にあるターゲット配列の何百万ものコピーの生成である。
増幅反応アッセイはPCRの一変法であることができる。増幅反応アッセイは、標準的PCRプロトコールの一群の変法、例えば、数ある中でも、分子診断用に開発されたマルチプレックスPCR、リンカープライミングPCR（linker-primed PCR）、ダイレクトPCR、タンデムPCR、リアルタイムPCRおよび逆転写PCRなどから選択することができる。
増幅反応アッセイはマルチプレックスPCRであることができる。マルチプレックスPCRでは、異なるDNA配列に特異的であるさまざまなサイズのアンプリコンを生成させるために、単一PCR混合物内で複数のプライマーセットを使用する。複数の遺伝子を一度にターゲットとすることにより、本来なら数回の実験を必要とするであろう追加情報を、1回の検査実施から得ることができる。
いくつかの態様では、例えば複数のプライマーセットを反応混合物に添加し、それぞれが同じボリューム内のそれぞれの指定されたターゲットを増幅する、マルチプレックスPCR反応が行われる。別の態様では、試料を複数のより小さなボリュームへと分割し、そこに単一のプライマーセットを導入する。
増幅反応アッセイは、ライゲーションアダプターPCRとも呼ばれるリンカープライミングPCRであることもできる。リンカープライミングPCRは、ターゲット特異的プライマーを必要とせず、複雑なDNA混合物中の本質的にすべてのDNA配列の核酸増幅を可能にするために使用される方法である。この方法ではまず、適切な制限エンドヌクレアーゼ（酵素）でターゲットDNA集団を消化する。次に、適切な突出端を持つ二本鎖オリゴヌクレオチドリンカー（アダプターとも呼ばれる）をターゲットDNAフラグメントの末端にリガーゼ酵素を使ってライゲーションする。次に、リンカー配列に特異的なオリゴヌクレオチドプライマーを使って核酸増幅を行う。このようにして、リンカーオリゴヌクレオチドで挟まれたDNA供給源のすべてのフラグメントを増幅することができる。
増幅反応アッセイはダイレクトPCRであることができる。ダイレクトPCRとは、核酸抽出を一切行わずに、または最小限の核酸抽出しか行わずに、試料に対して直接的にPCRを行う系をいう。適当なケミストリーと試料濃度とにより、最小限のDNA精製でPCRを行うか、ダイレクトPCRを行うことが可能である。ダイレクトPCRのためにPCRケミストリーに施される調整には、緩衝液強度の増加、高い活性と処理能力を有するポリメラーゼの使用、および潜在的ポリメラーゼ阻害因子とキレートする添加剤の使用が含まれる。
増幅反応アッセイはタンデムPCRであることができる。タンデムPCRは、正しいアンプリコンが増幅される可能性を増加させるために、2つの相異なる核酸増幅ラウンドを利用する。タンデムPCRの一形態は、2対のPCRプライマーを使って、別個の核酸増幅ラウンドで単一の座を増幅するネステッドPCRである。増幅反応アッセイはネステッドPCRであることができる。第1プライマー対はターゲット核酸配列の外側の領域にある核酸配列にハイブリダイズする。第2増幅ラウンドにおいて使用される第2プライマー対（ネステッドプライマー）は第1PCR産物内に結合し、ターゲット核酸を含有する第2のPCR産物を生成するが、これは第1のPCR産物より短くなりうる。この戦略の背後にある論理は、第1核酸増幅ラウンド中の誤りによって間違った座が増幅されたとしても、それが第2プライマー対によってもう一度増幅される可能性は極めて低いので、特異性が増加するというものである。
増幅反応アッセイはリアルタイムPCRであることができる。増幅反応アッセイは定量PCRであることができる。リアルタイムPCRまたは定量PCRは、PCR産物の量をリアルタイムで測定するために使用される。反応において一組の標準と一緒にフルオロフォア含有プローブまたは蛍光色素を使用することにより、試料中の核酸の出発量を定量することが可能である。これは、処置選択肢が試料中の病原体負荷量に依存して異なりうる分子診断において、とりわけ有用である。
増幅反応アッセイは逆転写PCR（RT-PCR）であることができる。RNAからDNAを増幅するために逆転写PCR（RT-PCR）を使用することができる。逆転写酵素はRNAを相補DNA（cDNA）に逆転写する酵素であり、その相補DNAは次にPCRによって増幅される。RT-PCRは、遺伝子の発現を決定するための発現プロファイリングに使用するか、転写開始部位および転写終結部位を含むRNA転写産物の配列を同定するために使用することができる。これはヒト免疫不全ウイルスまたはC型肝炎ウイルスなどのRNAウイルスを増幅するために使用することができる。
増幅反応アッセイは等温であることができる。等温増幅は、増幅反応時にターゲット核酸の熱変性に頼らないため、温度を何度も迅速に変化させる必要がない、核酸増幅の一形態である。それゆえに、等温核酸増幅法は検査室環境内でも検査室環境外でも実行することができる。いくつかの等温核酸増幅法が開発されており、これには鎖置換増幅法（SDA）、転写媒介増幅法（TMA）、核酸配列ベース増幅法（NASBA）、リコンビナーゼポリメラーゼ増幅法（RPA）、ローリングサークル増幅法（RCA）、ラミフィケーション増幅法（RAM）、ヘリカーゼ依存的等温DNA増幅法（HDA）、環状ヘリカーゼ依存的増幅法（cHDA）、ループ媒介等温増幅法（LAMP）、単一プライマー等温増幅法（SPIA）、シグナル媒介RNA増幅技術（Signal Mediated Amplification of RNA Technology）（SMART）、自家持続配列複製法（3SR）、ゲノム指数増幅反応（GEAR）および等温多置換増幅法（IMDA）が含まれるが、それらに限定されるわけではない。そのような増幅ケミストリーのさらなる例は、例えば参照によりその全体が本明細書に組み入れられる（「Isothermal nucleic acid amplification technologies for point-of-care diagnostics: a critical review, Pascal Craw and Wamadeva Balachandrana Lab Chip, 2012, 12, 2469-2486, DOI: 10.1039/C2LC40100B」）に記載されている。PCR作動温度より低い温度で作動する等温増幅法は、例えば制限酵素が典型的PCR作動温度下では十分には安定でない場合にその制限酵素と増幅プロセスとの適合性を改良するために使用することができる。
さらにまた、シグナル増幅とターゲット増幅の両方に基づく検出方法、例えば分岐DNA法に基づく検出方法も、このアプローチにおいて使用することができる。例えば分岐DNA法に基づく検出方法では、（例えばTsongalis「Branched DNA Technology in Molecular Diagnostics」Am J Clin Pathol 2006;126:448-453に記載されているように）キャプチャエクステンダー（capture extender）およびラベルエクステンダー（label extender）の結合に使用される2つの位置の間にある位置においてターゲットを切断することができる酵素を使用することで、制限酵素がターゲットを認識し切断した場合に、アッセイにおいて得られるシグナルを低減することができる。
増幅反応アッセイは鎖置換増幅法（SDA）であることができる。鎖置換増幅法（SDA）は、半修飾DNAの無修飾鎖にニックを入れる一定の制限酵素の能力および下流の鎖を伸長して置き換える5'-3'エキソヌクレアーゼ欠損ポリメラーゼの能力に依拠しうる。次に、センス反応とアンチセンス反応をカップリングすることによって、指数的核酸増幅を達成することができ、ここでは、センス反応による鎖置換がアンチセンス反応のテンプレートとして役立つ。従来の方法でDNAを切断するのではなくDNA鎖の一方にニックを生じさせるニッカーゼ酵素、例えばN. Alw1、N. BstNB1およびMly1などの使用を、この反応において用いることができる。SDAは、熱安定性制限酵素（Ava1）と熱安定性エキソ-ポリメラーゼ（Bstポリメラーゼ）との併用によって改良された。この組み合わせは、反応の増幅効率を108倍増幅から1010倍増幅へと増加させることが示されているので、この技法を使ってユニークな単一コピー分子を増幅することが可能である。
増幅反応アッセイは転写媒介増幅法（TMA）であることができる。増幅反応アッセイは核酸配列ベース増幅法（NASBA）であることができる。転写媒介増幅法（TMA）および核酸配列ベース増幅法（NASBA）では、RNA配列はコピーするが、対応するゲノムDNAはコピーしないように、RNAポリメラーゼを使用することができる。この技術では、2つのプライマーと2つまたは3つの酵素、すなわちRNAポリメラーゼ、逆転写酵素、および任意で、RNase H（逆転写酵素がRNase活性を持っていない場合）とを使用することができる。一方のプライマーは、RNAポリメラーゼのためのプロモーター配列を含有することができる。核酸増幅の第1工程では、このプライマーがターゲットリボソームRNA（rRNA）の所定の部位にハイブリダイズする。逆転写酵素は、プロモータープライマーの3'端からの伸長によってターゲットrRNAのDNAコピーを生成することができる。その結果生じるRNA:DNA二重鎖中のRNAは、逆転写酵素にRNase活性があるならその活性によって、または追加のRNase Hによって、分解されうる。次に、第2のプライマーがDNAコピーに結合する。このプライマーの末端から逆転写酵素によって新しいDNA鎖が合成されて、二本鎖DNA分子が生成する。RNAポリメラーゼは、DNAテンプレート中のプロモーター配列を認識して、転写を開始する。新たに合成されたRNAアンプリコンのそれぞれは、前記のプロセスに再び入って、新しい複製ラウンドのテンプレートとして役立つ。
増幅反応アッセイはリコンビナーゼポリメラーゼ増幅法（RPA）であることができる。リコンビナーゼポリメラーゼ増幅法（RPA）では、テンプレートDNAへの相対するオリゴヌクレオチドプライマーの結合とDNAポリメラーゼによるそれらの伸長とによって、特異的DNAフラグメントの等温増幅が達成される。二本鎖DNA（dsDNA）テンプレートを変性させるために加熱は必ずしも必要でない。その代わりにRPAでは、dsDNAをスキャンし、コグネイト部位における鎖交換を容易にするために、リコンビナーゼ-プライマー複合体を使用することができる。結果として生じる構造は、置換されたテンプレート鎖と相互作用する一本鎖DNA結合タンパク質によって安定化され、よって分枝点移動によるプライマーの放出を防止する。リコンビナーゼ解体は、オリゴヌクレオチドの3'端を鎖置換DNAポリメラーゼ、例えば枯草菌（Bacillus subtilis）Pol I（Bsu）の大フラグメントがアクセス可能な状態にし、続いてプライマー伸長が起こる。指数的核酸増幅はこのプロセスの周期的反復によって達成される。
増幅反応アッセイはヘリカーゼ依存的増幅法（HDA）であることができる。ヘリカーゼ依存的増幅法（HDA）は、プライマーハイブリダイゼーションとそれに続くDNAポリメラーゼによるプライマー伸長用の一本鎖テンプレートを生じさせるためにDNAヘリカーゼ酵素を使用する点で、インビボ系を模倣している。HDA反応の第1工程では、ヘリカーゼ酵素がターゲットDNAを横切って、2本の鎖を連結している水素結合を破壊し、次にそれらが一本鎖結合タンパク質によって結合される。ヘリカーゼによる一本鎖ターゲット領域の露出は、プライマーのアニーリングを可能にする。次にDNAポリメラーゼが遊離のデオキシリボヌクレオシド三リン酸（dNTP）を使って各プライマーの3'端を伸長することで、2つのDNA複写物を生産する。複製された2つのdsDNA鎖が独立して次のHDAサイクルに入ることで、ターゲット配列の指数的核酸増幅がもたらされる。
増幅反応アッセイはローリングサークル増幅（RCA）であることができる。他のDNAベースの等温技法には、DNAポリメラーゼが環状DNAテンプレートを巡って持続的にプライマーを伸長することで、その環状物の数多くの反復コピーからなる長いDNA産物を生成する、ローリングサークル増幅（RCA）がある。この反応の終わりまでに、ポリメラーゼは、環状テンプレートの何千ものコピーを、コピーの鎖が元のターゲットDNAに係留された状態で生成する。これにより、ターゲットの空間的分解とシグナルの迅速な核酸増幅とが可能になる。1012個までのテンプレートのコピーを1時間で生成させることができる。ラミフィケーション増幅法はRCAの一変形であり、閉じた環状のプローブ（Cプローブ）またはパッドロックプローブと、処理能力の高いDNAポリメラーゼとを利用して、等温条件下でCプローブを指数的に増幅する。
増幅反応アッセイはループ媒介等温増幅（LAMP）であることができる。LAMPは高い選択性を与え、DNAポリメラーゼと、ターゲットDNA上の全部で6つの相異なる配列を認識する特別に設計された4つのプライマーのセットとを使用する。ターゲットDNAのセンス鎖およびアンチセンス鎖を含有する内側のプライマーがLAMPを開始する。次に、外側のプライマーによってプライミングされた鎖置換DNA合成により、一本鎖DNAが放出される。これは、ターゲットの他端にハイブリダイズする第2の内側および外側プライマーによってプライミングされるDNA合成のテンプレートとして役立ち、これにより、ステム-ループDNA構造が生成する。後続のLAMPサイクリングでは、1つの内側プライマーが前記産物上のループにハイブリダイズして置換DNA合成を開始し、元のステム-ループDNAと、ステムの長さが2倍になった新しいステム-ループDNAとを与える。サイクリング反応を続けると1時間未満でターゲットのコピーが数多く蓄積する。最終産物は、ターゲットの数個の逆方向反復と、同じ鎖中の交互に並んだターゲットの逆方向反復間でのアニーリングによって形成された複数のループを持つカリフラワー様の構造とを有するステム-ループDNAである。
いくつかの態様において、増幅は、mRNAを定量するための一工程デジタル逆転写ループ媒介等温増幅（dRT-LAMP）反応であり、すべての反応がここで行われる。LAMPは、カルセイン中のマンガンをマグネシウムで置き換えることによって、明るい蛍光シグナルを与える。いくつかの態様では、次に、市販のセルフォンカメラを使ってこの蛍光を検出し、カウントすることができる。
核酸ベースの論理ゲートおよびDNA回路を核酸増幅に使用することができる。制限酵素を核酸ベースの論理ゲートおよびDNA回路と共に使用すれば、DNAネットワークに固有の漏出問題を低減しまたは停止させることができる。制限酵素とDNAネットワークの両方の分子認識能力を組み合わせることにより、制限酵素論理ゲートは、バイオコンピュータデバイス（biocomputational device）を設計し構築するための、高活性なコンポーネント（highly active component）になりうる（例えば、Qian and Winfree,「Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades」Science 2011; 6034: 1196-1201を参照されたい）。
いくつかの態様では、使用する増幅を、例えば水溶液、ポリマーマトリックス、固形支持体などといった、種々の異なる媒体において行うことができる。
検出
アッセイ結果は、限定するわけではないが光学的技法、電気的技法または磁気的技法などといった、反応の進行または結果を検出するために使用される一連のリードアウトから選ばれたリードアウトまたは検出機構を含むことができる。例として、電気化学的リードアウト、例えば蛍光リードアウト、比色リードアウト、化学発光を含む光学的リードアウト、電気シグナル、消光、プローブ結合、プローブハイブリダイゼーション、金属ラベリング、造影剤ラベリング、吸光度、質量分析、シークエンシング、ラテラルフローストリップ、および不均質体（例えば沈殿、気泡）の生成が挙げられるが、それらに限定されるわけではない。
リードアウト機構は蛍光を含むことができる。例えば蛍光色素は核酸を標識するために使用することができ、核酸産物が多い反応ほど、多くの蛍光シグナルを与えることができる。蛍光色素としては、臭化エチジウム、ベルベリン、プロフラビン、ダウノマイシン、ドキソルビシン、サリドマイド、YOYO-1、SYBR Green I、SYBR Green II、オキサゾールイエロー（YO）、チアゾールオレンジ（TO）、PicoGreen（PG）、TOTO、TO-PRO、SYTOX、SYTO、他のシアニン色素、およびカルセインを挙げることができるが、それらに限定されるわけではない。蛍光強度は終点において測定するか、またはリアルタイムで測定して、反応進行の測定を可能にすることができる。例えば、所与の蛍光レベルを、デジタルコンパートメントまたは準デジタルコンパートメントからの陽性シグナルに関する閾値として設定することができる。
場合により、シグナルは、捕捉されたターゲット分析物に結合するようにデジタルユニットに適用されたレポーター部分およびアフィニティー部分を持つ分子から生じさせることができる。レポーター分子またはレポーター部分は蛍光性であることができる。デジタルユニットまたは捕捉領域は、結合していないレポーターを除去するために洗浄することができる。場合により、レポーター分子は、カルセインまたはカルセインとセチルトリメチルアンモニウムブロミド（カルセイン-CTAB）であることができる。場合により、レポーターはインターカレート色素であることができる。ターゲット分析物は、例えば酸化および還元されうる基質分子を電気活性化することなどによって電気シグナルを生じうる酵素で標識することができる。ラベリングは、例えばサンドイッチアッセイの場合のように、アフィニティー作用物質との結合によって起こりうる。ラベリングはインターカレート色素によって起こりうる。
リードアウト機構は質量分析を含むことができる。例えば、サイズの異なる核酸（例えば制限消化またはライゲーションによるもの）を質量分析によって識別しかつ/またはカウントすることができる。あるいは、リードアウト機構は質量分析なしで作動することもできる。
リードアウト機構は、ゲル電気泳動などの電気泳動を含むことができる。例えば、サイズの異なる核酸（例えば制限消化またはライゲーションによるもの）を、電気泳動によって同定しまたは識別することができる。あるいは、リードアウト機構は電気泳動なしで作動することもできる。
リードアウト機構はシークエンシングを含むことができる。シークエンシング、すなわち配列決定技法は、限定するわけではないが、サンガーシークエンシング、Illumina（Solexa）シークエンシング、パイロシーケンシング、次世代シークエンシング、マキサム・ギルバートシークエンシング、連鎖停止法、ショットガンシークエンシング、またはブリッジPCRなどの方法によって行うことができ、次世代シークエンシング法は、大規模並列シグネチャー（massively parallel signature）シークエンシング、ポロニー（polony）シークエンシング、SOLiDシークエンシング、Ion Torrent半導体シークエンシング、DNAナノボールシークエンシング、Heliscope単分子シークエンシング、単分子リアルタイム（SMRT）シークエンシング、ナノポアDNAシークエンシング、トンネル電流DNAシークエンシング、ハイブリダイゼーションによるシーケンシング、質量分析によるシークエンシング、マイクロ流体サンガーシークエンシング、顕微鏡法に基づく技法、RNAポリメラーゼシークエンシングまたはインビトロウイルスハイスループットシークエンシングを含みうる。
シグナルは電磁気的であることができる。シグナルはビーズなどの物理的対象の存在または非存在を含むことができる。捕捉されたターゲット分析物は蛍光剤または造影剤で標識することができる。ターゲット分析物は、蛍光シグナルを生じさせることができる酵素で標識することができる。ターゲット分析物は、基質に変色を生じさせ、比色シグナルを生じることができる酵素で標識することができる。場合により、シグナルは、アフィニティー分子に結合していて、捕捉されたターゲット分析物に結合するようにデジタルユニットに適用される、レポーター分子から生成しうる。
シークエンシングリードは反応産物を同定するために使用することができ、所与の核酸産物について生成するシークエンシングリードの数は、反応を評価するために使用することができる。例えば、所与のシークエンシングリード数を、デジタルコンパートメントまたは準デジタルコンパートメントからの陽性シグナルについての閾値として設定することができる。あるいは、リードアウト機構はシークエンシングなしで作動することもできる。
マルチプレックス化シグナル検出は、マルチプレックス化シグナル検出において、同じボリューム内の多くのシグナルを識別する能力ならびに異なるボリュームからの異なるシグナルを識別する能力があることを保証する。
バイナリー定量/デジタル増幅
いくつかの態様において、本明細書に記載する方法およびアッセイはデジタルおよびバイナリー定量方法を使用する。デジタル方法は、低濃度の細胞を含有する試料（例えば試料（例えば血液）が、低濃度ではあるが、それでも臨床上意味のある範囲内の濃度、または生命を脅かす疾病にさえ相当する範囲内の濃度の病原体（例えば1mLあたり1細菌細胞または10細胞/mL）を有する場合など）における、ターゲットの定量を可能にする。いくつかの態様において、本明細書に記載するデジタル方法は、感受性細胞と耐性細胞との間の信頼できる定量分解能を保証するために使用することができる。
バイナリー定量のプロセスは、ターゲット分析物を含有しうる試料から始まる。ターゲット分析物は、定量対象または探索対象である分子、例えば、特定の核酸、特定の核酸配列、遺伝子、またはタンパク質などでありうる。試料は、数多くの別個の反応ボリュームに分配することができる。いくつかの態様において、反応ボリュームは別個の分析領域である。いくつかの実施形態において、別個の反応ボリュームは、例えば、別個のウェル、チャンバー、スライドの表面上のエリア、液滴、ビーズ、またはアリコートなど、物理的に隔離されている。いくつかの実施形態において、別個の反応ボリュームは同じ容器内にあることができ、例えばターゲット分析物は基材に固定するか、ビーズに取り付けることができる。反応ボリュームは、ビーズ上にあるか、スライドの表面上にあるか、または基材に取り付けることができる。試料は、反応ボリュームの全部ではなく一部が陽性シグナルを生成するように、数多くの別個の反応ボリュームに分布させる。
個々の反応ボリュームが陽性シグナルを生成するための閾値を下回る数または上回る数のターゲット分析物を含有するように、数多くの別個の反応ボリュームに、試料を分布させる。反応ボリュームからの陽性シグナルの生成は、その反応ボリュームによって捕捉、補集、または結合されたターゲット分析物の数または濃度に依存しうる。場合により、反応ボリュームによって捕捉、補集、または結合された閾値数のターゲット分析物が、その反応ボリュームから陽性シグナルが生成することを可能にする。陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、少なくとも約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50個またはそれ以上のターゲット分析物であることができる。陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、多くとも約1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、または50個のターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、1個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、2個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、3個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は4個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、5個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、6個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、7個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、8個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、9個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、陽性シグナル生成を可能にするための閾値数のターゲット分析物は、10個から19個までのターゲット分析物であることができる。場合により、反応ボリュームに捕捉、補集、または結合された閾値濃度の分析物が、陽性シグナルがその反応ボリュームから生成することを可能にする。陽性シグナル生成を可能にするためのターゲット分析物の閾値濃度は、少なくとも約ゼロゼプトモル濃度（zM）、1zM、10zM、100zM、1アトモル濃度（aM）、10aM、100aM、1フェムトモル濃度（fM）、10fM、100fM、1pM、10pM、100pM、1nM、10nM、100nM、1μM、10μM、100μM、1mM、10mM、100mM、1M、またはそれ以上であることができる。陽性シグナル生成を可能にするためのターゲット分析物の閾値濃度は、多くとも約1fM、10fM、100fM、1pM、10pM、100pM、1nM、10nM、100nM、1μM、10μM、100μM、1mM、10mM、100mM、1M、またはそれ未満であることができる。反応ボリュームからの陽性シグナル生成を可能にするためのターゲット分析物の閾値数または閾値濃度は制御することができる。閾値数または閾値濃度を制御するために反応ボリュームには阻害因子を使用することができる。例えば、シグナルをある反応ボリュームから生成させるには、その反応ボリューム中の阻害因子の数または濃度よりも高い数または高い濃度のターゲット分析物を必要とすることができる。
場合により、反応ボリュームから陽性シグナルが生成する確率は、その反応ボリュームによって捕捉、補集、または結合されたターゲット分析物の数または濃度に依存する。反応ボリュームから陽性シグナルが生成する確率は制御することができる。例えばシグナル生成反応の効率を制御し、それによって、シグナル生成の確率を制御することができる。所与の数または濃度のターゲット分析物では、効率が低い反応ほど、シグナル生成の確率が低くなる。
いくつかの態様では、個々の反応ボリュームに含まれるターゲット分析物の個別的存在がゼロになるか、ターゲット分析物の個別的存在が1つまたは複数になるように、試料を数多くの別個の反応ボリュームに分布させる。1つまたは複数の分子とは、ゼロでない数の分子を意味しうる。1つまたは複数の分子とは、1分子を意味しうる。いくつかの態様において、1つまたは複数の分子は、1分子、2分子、3分子、4分子...などを意味しうる。いくつかの態様において、各別個の反応ボリュームはウェルに含まれている。いくつかの態様では、各反応ボリュームが平均で1つ未満の個別ターゲット分析物分子を含むように、試料を分布させる。いくつかの態様では、ほとんどの反応ボリュームがゼロ分子または1分子のターゲット分析物を含むように、試料を分布させる。次に、定性的な「イエスまたはノー」式検査を行って、離散した陽性反応ボリュームおよび陰性反応ボリュームのパターンを読み取ることにより、各反応ボリュームが1つまたは複数のターゲット分析物を含有するか否かを決定することができる。陽性反応ボリュームは、1つまたは複数のターゲット分析物を含有すると決定された反応ボリュームであることができる。陽性反応ボリュームは、1つまたは複数のターゲット分析物の存在と相関するシグナルを有すると決定された反応ボリュームであることができる。陽性反応ボリュームは、1つまたは複数のターゲット分析物の存在と相関する閾値を上回るシグナルを有すると決定された反応ボリュームであることができる。いくつかの態様において、陽性反応ボリュームは1と定量されるか、2、3などといった1の単純倍数と定量され、一方、陰性反応ボリュームは、0または閾値未満と定量される。いくつかの態様において、陽性反応ボリュームは1と定量され、陰性反応ボリュームは0と定量される。陰性反応ボリュームは、含有するターゲット分析物がゼロであると決定された反応ボリュームであることができる。陰性反応ボリュームは、1つまたは複数のターゲット分析物の存在と相関するシグナルを有さない反応ボリュームであることができる。陰性反応ボリュームは、1つまたは複数のターゲット分析物の存在と相関する閾値を上回るシグナルを有さない反応ボリュームであることができる。各反応ボリュームを陽性反応ボリュームまたは陰性反応ボリュームと決定および/または指定することを、バイナリーアッセイまたはデジタルアッセイということができる。この「イエスまたはノー式検査」またはこの類の検査をバイナリーアッセイと呼ぶことができる。次に、どの反応ボリュームが陰性反応ボリュームであり、どの反応ボリュームが陽性反応ボリュームであるかという、この定性的分析を、ポアソン分析を使って、試料中のターゲット分析物の定量的濃度へと変換することができる。数多くの反応ボリュームを使用することにより、大きなダイナミックレンジを達成することができる。サイズの異なる反応ボリュームを有するデバイスを使用することにより、高ダイナミックレンジを達成することができる。高ダイナミックレンジは、試料を数多くのウェルおよび/または異なるサイズのウェルに分配することによって、達成することができる。
このプロセス全体を核酸のバイナリー定量と呼ぶことができる。このプロセスを、ターゲット分析物の数をカウントする工程と呼ぶことができる。いくつかの態様において、バイナリー定量は、各反応ボリュームが含有するターゲット分析物の数がゼロまたはゼロ以外になるように試料を複数の反応ボリュームに分配し;ターゲット分析物に関して、どの反応ボリュームが陽性反応ボリュームであり、どの反応ボリュームが陰性反応ボリュームであるかを決定および/または指定し;そして陽性反応ボリュームおよび陰性反応ボリュームに関する情報を試料中のターゲット分析物の量または濃度に関する情報に変換するプロセスである。いくつかの態様では、ターゲット分析物の絶対数が決定される。いくつかの態様において、どの反応ボリュームが陽性反応ボリュームでありどの反応ボリュームが陰性反応ボリュームであるかに関する情報の、試料中のターゲット分析物の量、分子の絶対数、または濃度に関する情報への変換は、ターゲット分析物のデジタル定量と呼ばれる。いくつかの態様において、ターゲット分析物は核酸である。いくつかの態様では、核酸のバイナリー定量が達成される。いくつかの態様では、核酸ターゲット分析物のバイナリー定量が決定され、ここでは試料が、SlipChip上にあるいくつかの反応ボリュームに分配される。
いくつかの態様において、試料中のターゲット分析物のバイナリー定量は、試料を複数の反応ボリュームに空間的に分離することなく達成することができる。これらの態様ではターゲット分析物を情報的分離によってカウントすることができる。いくつかの態様において、試料中のターゲット分析物は、ターゲット分析物を情報保持分子のプールでタグ付けし、増幅またはコピーし、増幅またはコピーされた相異なる情報保持分子の数をカウントすることで、ターゲット分析物の出発数の定量を得るプロセスによるバイナリー定量を得る（例えばWO2012148477参照）。いくつかの態様において、情報保持分子は化学的バーコードのプールであることができる。いくつかの態様において、情報保持分子は一組の核酸配列であることができる。
デジタル分析は、RNA濃度またはDNA濃度を定量する方法としてポリメラーゼ連鎖反応（PCR）、組換えポリメラーゼ増幅法（RPA）、およびループ媒介増幅法（LAMP）を使って、達成することができる。等温ケミストリーを使用することができるRPAおよびLAMPなどの増幅は、家庭での使用および資源の限られた場での使用に、よく適しうる。特にLAMPケミストリーは、家庭での使用および資源の限られた場での使用にとって魅力的な候補である。というのも、これは、相対的に広い温度許容範囲を有することができ、簡単かつ安価な化学ベースのヒーターおよび相変化材料で作動することができ、陽性ウェルでは蛍光ゲインを有することができるからである。
ロバストネス
ロバストネスとは、一連の反復定量測定が変動する実験条件下で一組の類似する測定結果を与える程度であるということができる。例えば、現実の世界に見いだされるさまざまな条件下で、セルフォンカメラを使って、類似する測定をSlipChipでうまく行うことができる。類似する測定結果とは同一の測定結果であることができる。類似する測定結果とは同じ診断であることができる。類似する測定結果とは同じ答えであることができる。類似する測定結果とは、互いに実験誤差内にある2つ以上の測定結果を意味しうる。類似する測定結果は、統計的に有意な一貫したアウトカムを与えることができる。類似する測定結果は、類似する数の大きさ、例えば互いに5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、200％、1,000％以内の数の大きさを持ちうる。ロバストなアッセイは、所与の一組の条件下で測定された場合のうち、例えば25％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、85％、90％、95％、96％、97％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.99％を超える頻度で、類似する測定結果をもたらしうる。
さまざまなタイプのアッセイがロバストなアッセイでありうる。核酸増幅および定量アッセイはロバストでありうる。タンパク質、または例えば細胞、エキソソーム、リポソーム、細菌、ウイルスなどの他のターゲットを検出するためのアッセイは、ロバストでありうる。LAMPアッセイはロバストでありうる。RT-LAMPアッセイはロバストでありうる。dRT-LAMPアッセイはロバストでありうる。バイナリーLAMP反応はロバストでありうる。バイナリー二工程LAMP反応はロバストでありうる。PCR反応はロバストでありうる。qPCRアッセイはロバストでありうる。定量的核酸増幅反応はロバストでありうる。定性的核酸増幅反応はロバストでありうる。核酸配列の増幅に基づいて健康アウトカムを診断するための方法はロバストでありうる。SlipChip内でのプロセスはロバストでありうる。LAMP反応後のSlipChipのイメージングおよび分析はロバストなプロセスでありうる。
dRT-LAMPの絶対効率は、i）より効率のよい逆転写酵素を使用すること、ii）DNA-RNAハイブリッドを破壊するためにRNase Hを導入すること、およびiii）RT工程中はBIPプライマーだけを添加することによって、10倍以上、例えば約2％から約28％に、増加させることができる。dRT-LAMPは、プラスチック製SlipChipデバイスと適合可能であり、この二工程法を使ってHIV RNAを定量することができる。dRT-LAMP定量結果は、場合によっては、患者のHIV RNAの配列に極めて鋭敏であった。
アッセイは実験変数に関してロバストでありうる。アッセイは所与の温度範囲に関してロバストでありうる。アッセイはある温度範囲にわたってロバストでありうる。アッセイがロバストでありうるいくつかの非限定的範囲として、例えば1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、6℃、7℃、8℃、9℃、10℃、11℃、12℃、16℃、20℃、24℃、28℃、32℃、40℃、50℃、60℃、80℃、100℃、150℃、200℃、250℃、または300℃が挙げられる。アッセイがロバストである温度範囲は、絶対温度スケール上の温度に中心を有しうる。アッセイがロバストである温度範囲の中心となりうるいくつかの非限定的温度として、例えば-40℃、-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、室温、25℃、30℃、35℃、体温、37℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、80℃、90℃、100℃、110℃、150℃、または200℃が挙げられる。いくつかの態様において、バイナリーLAMPアッセイは、試料中の核酸配列を増幅し、次いで撮像し、定量するために使用される。これらの態様において、アッセイは、約60℃を中心とする9℃の温度範囲にわたって、核酸配列のロバストな定量であることができる。試料中の核酸配列を増幅し、次いで撮像し、定量するために使用されるバイナリーLAMPアッセイは、約55℃から約66℃までの温度範囲にわたってロバストでありうる。いくつかの態様では、SlipChipを撮像し、データを処理することで、約5℃から約70℃までの温度範囲にわたってロバストな知見を得ることができる。
アッセイは時間に関してロバストでありうる。アッセイは、ある範囲の時点で、一貫した結果を与えることができる。アッセイは終点リードアウトだけを必要としうる。バイナリーDNA増幅実験は終点リードアウトだけを必要としうる。終点リードアウトは、増幅の完了時近くに得るか、その時点より後の時点で得ることができる。ロバストなDNA増幅アッセイは、反応の終了時近くの時点および/または反応が完了した後の時点で、一貫した結果を与えうる。アッセイがロバストでありうる反応時間の非限定的な範囲として、例えば0.01分、0.1分、0.5分、1分、2分、3分、4分、5分、6分、7分、8分、9分、10分、12分、14分、16分、20分、24分、28分、32分、40分、45分、50分、1.0時間、2時間、3時間、4時間、5時間、6時間、8時間、10時間、12時間、16時間、18時間、1日、2日、3日、7日、1ヶ月、または1年が挙げられる。場合により、バイナリーDNA増幅実験は正確な時間の知識を必要としない。バイナリーDNA増幅の出力は、最適反応時間を超える反応時間の変動に対してロバストでありうる。いくつかの態様において、SlipChipでのd-LAMPアッセイは、例えばLAMP反応開始の40分後から60分後までの20分間にわたってロバストである。
アッセイは雰囲気湿度の変動に関してロバストでありうる。いくつかの態様において、アッセイは雰囲気湿度とは無関係にロバストでありうる。いくつかの態様において、アッセイはある範囲の雰囲気湿度においてロバストでありうる。その湿度範囲は約0％～100％の相対湿度でありうる。アッセイがロバストでありうる雰囲気湿度の範囲は、約30℃において空気1立方メートルあたり水約0～約40グラムでありうる。いくつかの態様において、アッセイは、例えば約0％の湿度から約40％、50％、60％、70％、80％、90％、または100％の湿度まで、ロバストでありうる。いくつかの態様において、アッセイは、約40％、50％、60％、70％、80％、90％、または100％の湿度範囲にわたってロバストでありうる。いくつかの態様において、SlipChipで行われるd-LAMPアッセイは、約0％から約100％までの雰囲気湿度の湿度範囲において、ロバストなアッセイとして、撮像し、分析することができる。
いくつかの態様において、アッセイは定量分析的測定結果を与える。例えば本発明は、試料内の核酸配列の量および/または濃度を定量的な量として測定し、ディスプレイすることができる。この測定は、例えば核酸配列の化学増幅中、光学データの測定中、および/またはデータ処理中に存在する実験条件に関して、ロバストでありうる。
いくつかの態様において、ターゲットの濃度の小さな相違は、抗生物質処理に対する2つ以上の遺伝子の応答を定量することによって、より大きな統計的有意性で分解することができる。例えば、薬剤で処理した試料を無処理の試料と比較した場合に、2つの遺伝子が濃度に1.2倍の変化を起こす場面において、もし定量がこの1.2倍の相違を約0.10のp値で与えるとすると、その相違は、独立して分析する場合には、統計的に有意でないだろう。しかし（処理細菌核酸と無処理細菌核酸とが同じである）という同じ全体的帰無仮説を有する数個の独立した検定からの結果を組み合わせるためのフィッシャーの方法を使用すれば、個々の検定より低いp値が得られるであろう。別個の検定からのp値を組み合わせるために使用される検定統計量はχ2であり、式は
Figure 0007055020000005
である。
例えば、それぞれが0.10のp値を持つ2つの独立した検定をこの方法を使って組み合わせると、全体的p値は0.05になるだろう。これは95％の信頼水準で有意である。いくつかの態様において、POC診断には、デジタルNA（核酸）定量がより適している。
いくつかの態様では、薬剤感受性を決定するために、複数遺伝子からのRNAの比が使用される。いくつかの態様において、このアプローチは、遺伝子発現の相対的変化を測定するために、ハウスキーピング遺伝子の使用を含みうる。いくつかの態様において、これには、薬物処理に対する応答としてアップレギュレートされる遺伝子とダウンレギュレートされる遺伝子との間の比の使用が含まれる。いくつかの態様では、遺伝子の比を使用することで、試料中に存在する細胞が少ない場合に、いくつかの態様ではわずか1細胞でも、応答の定量の感度を高めることができる。
分析
本明細書に記載する例示的な方法およびシステムは、さまざまな形態のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、専用プロセッサ、またはそれらの組み合わせに実装することができると理解すべきである。これらの命令およびプログラムは、非一時的コンピュータ可読媒体によって遂行することができ、かつ/またはそれら可読媒体に格納することができる。本発明の方法は、1つまたは複数のプログラム記憶デバイス上に有形に体現されたアプリケーションプログラムとして、ソフトウェアに実装することができる。アプリケーションプログラムは、適切なアーキテクチャを含む任意の機械、デバイス、またはプラットホームで遂行することができる。さらに、本明細書に記載するシステムおよび方法の一部はソフトウェアに実装されるので、システムコンポーネント（またはプロセス工程）間の実際の接続は、本発明がプログラムされる方法に依存して異なりうることを、理解すべきである。
試料中のターゲット分析物の数または濃度は、反応ボリュームから生成したシグナルに基づいて計算することができる。試料中のターゲット分析物の数または濃度を計算するために、陽性反応ボリュームの数、場所、タイプ、またはそれらの組み合わせを使用することができる。試料中のターゲット分析物の数または濃度を計算するために、陽性捕捉領域の数、場所、タイプ、またはそれらの組み合わせを使用することができる。
アッセイ結果は、結果を理論的モデルと比較することによって決定することができる。例えば、ポアソン統計解析を応用して、蛍光領域および非蛍光領域の数を定量することができる。異なるボリュームのウェルからの結果を組み合わせることによって、標準誤差が完全に最小化され、非常に広いダイナミックレンジにわたって高品質な分析が提供される。
本明細書に記載するコンピュータコンポーネント、ソフトウェアモジュール、関数、データストアおよびデータ構造は、それらの作動に必要なデータフローが可能になるように、互いに直接的または間接的に接続することができる。モジュールという用語の意味には、ソフトウェア操作を行うコードユニットも包含され（ただしそれらに限定されるわけではない）、例えばサブルーチンコードユニットとして、またはソフトウェア関数コードユニットとして、またはオブジェクトとして（オブジェクト指向型パラダイムの場合）、またはアプレットとして、またはコンピュータスクリプト言語で、または他のタイプのコンピュータコードとして実装されうることにも留意されたい。ソフトウェアコンポーネントおよび/または機能性は、当面の状況に応じて、単一のコンピュータ上にあってもよいし、複数のコンピュータに分散していてもよい。さらにもう一つの局面では、本明細書に記載の方法を遂行するようにプロセッサに命令するコンピュータ可読命令を含む、コンピュータ可読媒体が提供される。命令はソフトウェアランタイム環境において作動することができる。さらにもう一つの局面では、ネットワークを使って送信することができるデータシグナルが提供され、それらのデータシグナルは、本明細書に記載の方法の工程において計算されたデータが含まれる。データシグナルは、有線または無線ネットワークによって送信されるパケット化されたデータを、さらに含むことができる。ある局面において、コンピュータ可読媒体はコンピュータ可読命令を含み、それらの命令は、遂行された場合に、試料から得られたデータに基づいて患者における医学的状態の確率の計算を実行する。コンピュータ可読命令は、プロセッサのソフトウェアランタイム環境において作動することができる。いくつかの態様において、ソフトウェアランタイム環境は、よく使用される関数、およびソフトウェアパッケージが要求する機構を提供する。ソフトウェアランタイム環境の例には、コンピュータオペレーティングシステム、仮想マシン、または分散オペレーティングシステムが含まれるが、それらに限定されるわけではなく、ランタイム環境の例は他にもいくつか存在する。コンピュータ可読命令はパッケージングして、ソフトウェア製品、アプリケーション、またはソフトウェアパッケージの一部として販売することができる。例えば命令をアッセイキットと同梱することができる。
コンピュータ可読媒体は記憶ユニットであることができる。コンピュータ可読媒体は、サーバー、プロセッサ、またはコンピュータによるアクセスが可能な任意の利用可能な媒体であることもできる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータベースのシステムの一部として組み込むことができ、医学的状態のコンピュータベースの判定に使用することができる。
いくつかの態様において、本明細書に記載の計算は、コンピュータシステムで実行することができる。コンピュータシステムは、以下のいずれかまたはすべてを含むことができる:プロセッサ、記憶ユニット、ソフトウェア、ファームウェア、ネットワーク通信デバイス、ディスプレイ、データ入力、およびデータ出力。コンピュータシステムはサーバーであることができる。サーバーは、ネットワーク越しに複数の入力デバイスおよび/または複数の出力デバイスに通信する中央サーバーであることができる。サーバーは、少なくとも1つの記憶ユニット、例えばハードドライブまたはプロセッサもしくは外部デバイスによってアクセスされる情報を格納しておくための他の任意のデバイスを含むことができ、その記憶ユニットは1つまたは複数のデータベースを含むことができる。一態様において、データベースは、何百～何百万という試料からのデータに対応する何百ないし何百万～何千万というデータポイントを格納することができる。記憶ユニットは外部データベースから読み出された履歴データまたはユーザーによって入力された履歴データも格納することができる。ある態様では、記憶ユニットが、サーバーと通信している入力デバイスまたはサーバーと通信した入力デバイスから受け取ったデータを格納する。記憶ユニットは複数のデータベースを含むことができる。ある態様では、複数のデータベースのそれぞれが、複数の試料のそれぞれに対応する。個々のデータベースは、複数の考えうる試料束縛ユニット（sample containment unit）に関する情報も含むことができる。さらに、コンピュータシステムは、複数のサーバーを含むことができる。プロセッサは、記憶ユニットまたは入力デバイスからのデータにアクセスして、そのデータから出力の計算を行うことができる。プロセッサは、ユーザーによって与えられた、またはコンピュータシステムもしくはサーバーによって与えられた、ソフトウェアまたはコンピュータ可読命令を遂行することができる。プロセッサは、患者データを入力デバイスから直接受け取るための手段、記憶ユニットに対象データを格納する手段、およびデータを処理するための手段を有しうる。プロセッサは、ユーザーまたはユーザーインターフェースからの命令を受け取るための手段も含むことができる。プロセッサはメモリ、例えばランダムアクセスメモリを有しうる。一態様では、プロセッサと通信状態にある出力が設けられる。計算を行った後、プロセッサは出力、例えば計算からの出力を、例えば入力デバイスまたは記憶ユニットに返すか、同じコンピュータシステムまたは異なるコンピュータシステムの別の記憶ユニットに与えるか、出力デバイスに与えることができる。プロセッサからの出力は、データディスプレイにディスプレイすることができる。データディスプレイは、ディスプレイスクリーン（例えばデジタルデバイス上のモニタまたはスクリーン）、プリントアウト、データシグナル（例えばパケット）、アラーム（例えば点滅光または音）、グラフィカルユーザーインターフェース（例えばウェブページ）、または上記のいずれかの組み合わせであることができる。ある態様では、出力が、ネットワーク（例えば無線ネットワーク）越しに出力デバイスへと送信される。ユーザーは、データ処理コンピュータシステムからの出力を受け取るために、出力デバイスを使用することができる。ユーザーが出力を受け取った後、ユーザーは行動方針を、例えばユーザーが医療関係者である場合には医学的処置を、決定し、または実行することができる。いくつかの態様において、出力デバイスは入力デバイスと同じデバイスである。出力デバイスの例には、電話、無線電話、携帯電話、PDA、フラッシュメモリドライブ、光源、音源、コンピュータ、コンピュータモニタ、プリンタ、およびウェブページなどがあるが、それらに限定されるわけではない。ユーザーステーションは、サーバーによって処理された情報を出力するためのプリンタまたはディスプレイモニタと通信状態にあることができる。
クライアントサーバー、リレーショナルデータベースアーキテクチャを、本発明の態様において使用することができる。クライアントサーバーアーキテクチャは、ネットワーク上の各コンピュータまたは各プロセスがクライアントまたはサーバーのどちらかであるネットワークアーキテクチャである。サーバーコンピュータは典型的には、ディスクドライブ（ファイルサーバー）、プリンタ（プリンタサーバー）、またはネットワークトラフィック（ネットワークサーバー）を管理することに専念する強力なコンピュータである。クライアントコンピュータには、ユーザーがアプリケーションを走らせるPC（パーソナルコンピュータ）、セルフォン、またはワークステーション、ならびに本明細書に開示する出力デバイスの例が含まれる。クライアントコンピュータは、ファイル、デバイス、さらには処理能力などの資源をサーバーコンピュータに頼る。本発明のいくつかの態様において、サーバーコンピュータは、データベース機能のすべてを取り扱う。クライアントコンピュータは、フロントエンドデータ管理をすべて取り扱うソフトウェアを有することができ、ユーザーからのデータ入力を受け取ることもできる。
対象データは、プロセッサまたはユーザーによる認識のための一意の識別名と共に保存することができる。別の一工程において、プロセッサまたはユーザーは、特定患者データに関する少なくとも1つの基準を選択することによって、格納されたデータの探索を実行することができる。次に、特定患者データを引き出すことができる。コンピュータシステム中のプロセッサは、入力データを、そのコンピュータシステムが利用できるデータベースからの履歴データと比較する計算を行うことができる。次に、コンピュータシステムは、計算からの出力をデータベースに格納し、かつ/または出力を、ネットワーク越しに、ウェブページ、テキスト、または電子メールなどの出力デバイスに通信することができる。ユーザーがコンピュータシステムからの出力を受け取ったら、ユーザーはその出力に応じた医療方針をとることができる。例えばユーザーが医師であり、出力が閾値を上回るがんの確率である場合、医師は、疑わしい組織の生検を行うか、命じることができる。一組のユーザーがウェブブラウザを使ってバイオマーカーアッセイからのデータをウェブページのグラフィカルユーザーインターフェースに入力することができる。ウェブページは、ユーザーの入力デバイス（例えばコンピュータ）およびバックエンドサーバーと通信することができるフロントエンドサーバーに付随する、グラフィカルユーザーインターフェースである。フロントエンドサーバーは、任意のタイプのデータ、例えばユーザーアカウント情報、ユーザー入力、およびユーザーに出力されるべきレポートを格納する機能を有するフロントエンドデータベースを有する記憶デバイスを含むか、そのような記憶デバイスと通信状態にあることができる。次に、各ユーザーからのデータは、結果を生成するためにデータを操作する機能を有するバックエンドサーバーに送ることができる。例えばバックエンドサーバーは、類似するセルフォンについて補正を計算すること、または類似する試料収集ユニットから生成されたデータを編集することができる。次に、バックエンドサーバーは、操作または計算の結果をフロントエンドサーバーに送り返すことができ、そこでは、操作または計算の結果をデータベースに格納するか、操作または計算の結果を使ってレポートを生成することができる。結果は、ユーザーに送達するために、フロントエンドサーバーから出力デバイス（例えば、ウェブブラウザを持つコンピュータ、またはセルフォン）に送信することができる。異なるユーザーがデータを入力し、データを受け取ることができる。ある態様では、結果がレポートに送達される。別の一態様では、結果が、ユーザーの注意を喚起することができる出力デバイスに直接送達される。
アッセイからの情報は定量的であることができ、本発明のコンピュータシステムに送ることができる。情報は、パターンまたは蛍光を観察することなど、定性的であることもでき、これは、ユーザーによって、またはリーダーもしくはコンピュータシステムによって自動的に、定量的尺度に変換されうる。ある態様において、対象は、試料アッセイ情報以外の情報、例えば人種、身長、体重、年齢、性別、目の色、髪の色、家族歴、身元（identity）、場所およびユーザーに役立ちうる他の任意の情報も、コンピュータシステムに提供することができる。
いくつかの態様において、追加情報は、デバイスに付随するセンサーによって提供される。例えば全地球測位データ、加速度データ、気圧、または湿度レベルを、イメージセンサーを含むデバイスによって測定することができる。本発明のコンピュータシステムは、この追加情報を使用することができる。
情報は、イメージセンサーからデータを読み出しまたはイメージセンサーからのデータを提供するデバイスによって、自動的にコンピュータシステムに送ることができる。別の一態様では、ユーザー（例えば対象または医療従事者）が入力デバイスを使って情報をコンピュータシステムに入力する。入力デバイスは、パーソナルコンピュータ、携帯電話、もしくは他の無線デバイスであるか、またはウェブページのグラフィカルユーザーインターフェースであることができる。例えば、JAVAでプログラムされたウェブページは、ユーザーによるテキストの追加が可能な種々の入力ボックスを含むことができ、次に、ユーザーが入力した文字列は処理のためにコンピュータシステムに送られる。対象は、さまざまな方法で、またはさまざまなデバイスを使って、データを入力することができる。データは、別のコンピュータまたはデータエントリーシステムから自動的に取得して、コンピュータに入力することができる。データベースにデータを入力するもう一つの方法は、データベースにデータを直接エントリーするためにキーボード、タッチスクリーン、トラックボール、またはマウスなどの入力デバイスを使用することである。
ある態様において、コンピュータシステムは、記憶ユニット、プロセッサ、およびネットワーク通信ユニットを含む。例えばコンピュータシステムは、パーソナルコンピュータ、ラップトップコンピュータ、または複数のコンピュータであることができる。コンピュータシステムはサーバーまたは複数のサーバーであることもできる。ソフトウェアまたはファームウェアなどのコンピュータ可読命令は、コンピュータシステムの記憶ユニットに格納することができる。記憶ユニットは、コンピュータシステムが受け取った情報およびコンピュータシステムが生成した情報を格納し系統立てるための、少なくとも1つのデータベースも含むことができる。ある態様において、データベースは履歴データを含み、履歴データは、別のデータベースから自動的に読み込まれるか、またはユーザーによって入力されうる。
ある態様において、コンピュータシステムのプロセッサは、処理すべき情報の供給源として、データベースの少なくとも1つにアクセスするか、または入力デバイスから情報を直接受け取る。プロセッサは情報源に対して計算を行うこと、例えばダイナミックスクリーニングまたは確率計算法を行うことができる。計算後に、プロセッサは結果をデータベースに送信するか、または出力デバイスに直接送信することができる。結果を受け取るためのデータベースは入力データベースまたは履歴データベースと同じであることができる。出力デバイスは、本発明のコンピュータシステムとネットワーク越しに通信することができる。出力デバイスは、処理された結果をユーザーに送達する機能を有する任意のデバイスであることができる。
本発明のデバイスまたはコンピュータシステム間の通信は、例えばインターネット越しを含む、任意のデジタル通信方法であることができる。ネットワーク通信は、無線通信、イーサネットベースの通信、光ファイバー通信であるか、ファイアワイヤ、USB、または通信可能な他の任意の接続による通信であることができる。ある態様において、本発明のシステムまたは方法によって送信される情報は、暗号化することができる。
本システムおよび方法は、ネットワーク（例えばローカルエリアネットワーク、広域ネットワーク、インターネット）、光ファイバー媒体、搬送波、1つまたは複数のデータ処理デバイスまたは記憶デバイスを伴う通信用の無線ネットワークによって搬送されるデータシグナルを含みうることにも、留意されたい。データシグナルは、デバイスに提供される、またはデバイスから提供される、本明細書に開示するデータのいずれかまたはすべてを、運ぶことができる。
加えて、本明細書に記載の方法およびシステムは、サブシステムを処理するデバイスが遂行することのできるプログラム命令を含むプログラムコードにより、タイプが異なる多くの処理デバイスに実装することができる。ソフトウェアプログラム命令は、ソースコード、オブジェクトコード、マシンコード、または本明細書に記載する方法を処理システムに行わせるように作動しうる他の任意の格納されたデータを含みうる。ただし、例えばファームウェアや、さらには本明細書に記載する方法およびシステムを実行するように構成された適切に設計されたハードウェアなど、他の実装も使用することができる。
コンピュータシステムは、対象から値を得るために使用される計器からは物理的に離れていることができる。ある態様では、グラフィカルユーザーインターフェースも、コンピュータシステムから離れていてよく、例えばネットワークと通信状態にある無線デバイスの一部であることができる。別の一態様において、コンピュータと計器は同じデバイスである。
コンピュータシステムの出力デバイスまたは入力デバイスは、当技術分野において公知のグラフィカルユーザーインターフェースに通例見られるように、例えばボタン、プルダウンメニュー、スクロールバー、テキスト入力用のフィールドなどといったインターフェース要素を含むグラフィカルユーザーインターフェースを含む、1つまたは複数のユーザーデバイスを含みうる。ユーザーインターフェース上で入力されたリクエストは、システム内のアプリケーションプログラム（例えばウェブアプリケーション）に送信される。一態様において、システム内のユーザーデバイスのユーザーは、システムのウェブブラウザおよびウェブサーバーが提供するHTMLインターフェースを使って、データに直接アクセスすることができる。
グラフィカルユーザーインターフェースは、オペレーティングシステムまたはサーバーの一部としてのグラフィカルユーザーインターフェースコードによって生成させることができ、データを入力しかつ/または入力データをディスプレイするために使用することができる。処理されたデータの結果は、そのインターフェースまたは異なるインターフェースにディスプレイし、システムと通信状態にあるプリンタで印刷し、メモリデバイスに保存し、かつ/またはネットワーク越しに送信することができる。ユーザーインターフェースは、ユーザーに提示される図形情報、文字情報、または聴覚情報を指すことができ、プログラムまたはデバイスを制御するために使用されるキーストローク、動き、または選択などの制御シーケンスを指すこともできる。もう一つの例において、ユーザーインターフェースは、ユーザーが本発明のシステムと対話することを可能にするタッチスクリーン、モニタ、キーボード、マウス、または他の任意のアイテムであることができる。
抗生物質感受性データの使用
さらにもう一つの局面において、ユーザーがある医療方針をとる方法であって、試料分析に基づいてある医療方針を開始することを含む方法が提供される。医療方針は、対象に医学的処置を加えることでありうる。医学的処置は、医薬、外科手術、臓器切除、および放射線療法からなる群より選択することができる。医薬は、例えばがん治療のための化学療法化合物を含みうる。医療方針は、例えば医学的検査の施行、対象の医学的イメージング、医学的処置を加える具体的時点の設定、生検、および医療従事者との相談を含みうる。医療方針は、例えば上述の方法を繰り返すことを含みうる。方法はさらに、対象の医学的状態をユーザーが試料を使って診断することを含みうる。システムまたは方法は、医学的処置を加えること、またはある医療方針を開始することを伴いうる。本発明の方法またはシステムによって疾患が判定または診断されたら、医療従事者はその判定または診断を評価し、自らの評価に従って医学的処置を加えることができる。医学的処置は、疾患または疾患の症状を処置するように意図された任意の方法または製品であることができる。ある態様では、システムまたは方法が、ある医療方針を開始する。医療方針は、多くの場合、本発明のコンピュータシステムのプロセッサからの結果を評価する医療従事者によって決定される。例えば医療従事者は、対象が特定の医学的状態にある確率は97％であることをその医療従事者に伝える出力情報を受け取ることができる。この確率に基づいて、医療従事者は、例えば生検、外科手術、医学的処置、または行動を起こさないなど、最も適当な医療方針を選ぶことができる。ある態様において、本発明のコンピュータシステムは、データベースに医療方針の例を複数、格納することができ、この場合、処理された結果は、ユーザーに出力されるべき1つまたは複数の行動方針例の送達をトリガーすることができる。ある態様では、コンピュータシステムが情報および医療方針例を出力する。別の一態様において、コンピュータシステムは適当な医療方針を開始することができる。例えば、処理された結果に基づいて、コンピュータシステムは、対象に医薬を送達することができるデバイスに通信することができる。別の一例において、コンピュータシステムは、処理の結果に基づいて、救急隊員または医療従事者に連絡することができる。患者がとりうる医療方針には、薬剤の自己投与、軟膏の塗布、作業スケジュールの変更、睡眠スケジュールの変更、休息、食餌の変更、包帯の除去、または約束および/もしくは医療従事者の訪問を予定することが含まれる。医療従事者は、例えば医師、救急医療関係者、薬剤師、精神科医、心理士、カイロプラクター、鍼灸師、皮膚科医、泌尿器科医、肛門科医、足専門医、腫瘍専門医、婦人科医、神経科医、病理医、小児科医、放射線科医、歯科医、内分泌病専門医、胃腸病専門医、血液病専門医、腎臓病専門医、眼科医、理学療法士、栄養士、理学療法士、または外科医であることができる。
陽性ウェルまたは陽性反応チャンバーの数が決定されたら、ポアソン統計および問題のチップに関する事前の知識を使って、その数を処理することで、チップ中の試料の元の濃度が決定される。次に、この情報は、電子メールにより、任意の適正な電子メールアカウントに自動的に送られ、次に、画像を撮影した元の人により、その人が画像解析を行うコンピュータに対して世界中のどこにいるかに関わりなく、受け取られる。画像の撮影と電子メール受信確認との間に経過する時間は1分とはかからない。ただし、実際の時間はセルフォンのネットワーク上でのアップロード速度およびコンピュータのネットワーク上でのダウンロード速度に左右される。もし分析の途中で、例えば4つすべてのスポットを見つけることができないなどといったエラーが検出されたら、ユーザーは別の画像を撮影しなければならないという警告を迅速に受け取る必要があるので、これは重要である。ソフトウェアはそうするようにプログラムされており、ユーザーは、典型的には1分未満で、もう一枚の画像を撮影すべきことを知る。電子メールによる通知が可能であることから、テキストによる通知が可能になる。セルフォンプロバイダーには、電子メール本体を特定ユーザーにテキストとして送るサービスが存在しうる。他のサーバーはSMSメッセンジャーとして活用することができる。分析プロセスは、コンピュータ自動操作を使って、画像を使用することができるかどうかを、ユーザーに通知することができる。通知は、例えばSMSメッセージ、電子メールメッセージ、通話、ウェブ投稿、または電子メッセージなどであることができる。いくつかの態様では、画像のアップロードからユーザーが通知を受けるまでの時間を、分析プロセスということができる。この分析プロセスに要する時間は、例えば5分未満、4分未満、3分未満、2分未満、1分未満、50秒未満、45秒未満、40秒未満、30秒未満、20秒未満、10秒未満、9秒未満、8秒未満、7秒未満、6秒未満、5秒未満、4秒未満、3秒未満、2秒未満、1秒未満、0.5秒未満、0.4秒未満、0.3秒未満、0.2秒未満、または0.1秒未満でありうる。いくつかの態様において、分析プロセスに要する時間は1分未満である。
いくつかの態様では、較正用放射を提供するための少なくとも1つの較正用線源と、較正用放射を感知するための少なくとも1つの較正用フォトダイオードであって、制御回路網が較正用フォトダイオード出力を検出フォトダイオード出力のそれぞれから差し引くための差動回路を有するものを、用意することができる。
通信インターフェースは、ユニバーサル・シリアル・バス（USB）接続であって、外箱がUSBドライブとして構成されていてもよい。
いくつかの例では、情報が、イメージングに使用された携帯デバイスに再び送信される。例えば、画像を取得し、分析のために別個のコンピュータに送り、次に画像または画像に関連する日付を、再び携帯デバイスに送信することができる。いくつかの態様において、画像および/または処理された画像および/または結果として得られたデータは別個のデバイスに送信され、例えば医師の携帯デバイスが情報を受け取ることができる。いくつかの例では、二組またはそれ以上の情報が2つまたはそれ以上のデバイスに送信される。それら二組またはそれ以上の情報は同じ情報であることができ、あるいは、いくつかの態様では、別々のデータが各ユーザーに送られる。例えば患者は、画像に関係する何らかの情報を受け取ることができ、同時にその患者の医師は、それよりも医師の分析に適した情報を受け取る。
画像の分析を「クラウド」に転送することで、生データのトレーサビリティと保管、全世界的アクセス、および事実上すべてのスマートフォンオペレーティングシステムとの適合性を含むいくつかの利益が得られるが、それには十分に高帯域の無線データ接続が必要になるので、いくつかの場面では、直接架電分析（direct on-phone analysis）が好ましいであろう。
プラットホーム/デバイス
がん細胞を含む細胞または病原体を含む微生物の同定、それらの負荷量の定量、抗生物質などの薬剤に対するそれらの感受性または耐性の診断を迅速に行うことができるデバイス（例えばマイクロ流体デバイス）および方法を、ここに提供する。いくつかの態様において、これらのデバイスは、臨床試料または環境試料を含むさまざまな試料タイプを起源としうる個別の微生物または細胞を使って、薬剤感受性または薬剤耐性の表現型検出および代謝プロファイリングを可能にすることができる。これらの試料タイプには血液、脳脊髄液（CSF）、唾液および尿が含まれうるが、それらに限定されるわけではなく、例えば水または院内環境表面などからの環境試料も含まれうる。いくつかの態様では、本デバイスにより、汚染フリーのプラットホームで細胞を抗生物質などの薬剤と共にインキュベートした後、核酸または他の分子を迅速に抽出し定量することが可能になる。本デバイスでは、マイクロ流体力学デバイスにおけるデジタル単一分子測定を使用することができ、これは、検出限界を改良する超高感度測定をもたらすと同時に、病原体を汚染物と区別する上で重要な、そしてまた薬剤耐性生物と薬剤感受性生物または薬剤耐性細胞と薬剤感受性細胞とをより早期に区別することを可能にする上でも重要な、定量的データを与える。いくつかの態様において、これらのデバイスは、臨床試料からの個別の微生物または細胞の状態を区別することができ、例えば抗生物質などの薬剤に対するそれらの個別の応答のタイミングを理解することができて、超迅速薬剤感受性測定を与える。
いくつかの態様では、所与の各細胞に関する遺伝子重複測定の判定において、本デバイスおよび方法を使用することができる。というのも、一部の微生物は、抗生物質ストレスに対する応答として、（ラクタマーゼのような）抗生物質耐性遺伝子を何百コピーにも複製して、それらが進化を起こすことを可能にするからである。
いくつかの態様において、本デバイスおよび方法は、薬剤感受性細菌および/もしくは薬剤耐性細菌、ならびに/または病原性細菌および/もしくは非病原性細菌による汚染、またはこれらのタイプの任意の組み合わせを含みうる、臨床試料などの細菌のプールからの薬剤耐性細菌の同定を可能にする。いくつかの態様では、本デバイスを使って、薬剤感受性を決定するために、汚染フリーのプラットホームで、細胞を薬剤と共にインキュベートし、次に核酸、例えばRNAなどを、迅速に抽出し、定量することができる。いくつかの態様では、ここに提供する方法およびデバイスが、CLIA臨床検査室外での微生物および細胞の同定および薬剤感受性検査を可能にする。
デバイスは、マイクロ流体チャネルなどのチャネルおよび流路を含みうる。デバイスは、注入口、排出口、およびそれらの任意の組み合わせを含むことができる。デバイスは、ウェル、リザーバ、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。デバイスは、反応ボリュームを含むことができる。デバイスは装填済みの試薬を含むことができる。場合により、マイクロ流体デバイスは、例えば米国特許出願第13/257,811号、PCT出願番号PCT/US2010/028361、米国特許出願公開第20120329038号（A1）および国際特許出願公開番号WO 2013072069（A1）に記載されているSlipChipデバイスを含み、これらの特許文献は参照によりそのまま本明細書に組み入れられる。いくつかの態様では、反応を行うために、試料を試薬と接触させる。本明細書にいう「接触させる」とは、ある物質を接触させようとする実体を含むエリアまたは溶液に、その物質を導入すること、またはその物質を維持することを指す。例えば、ターゲット核酸の増幅のための領域を、反応を行うための試薬と接触させる工程は、試薬をターゲット核酸とは別々に、またはターゲット核酸と一緒にして、チャンバーに流すこと、または増幅用の領域に試薬を前もって装填しておくことを含む。接触は、結合し、触れ、反応を促進し、その他、望ましい状態での近接を維持する条件下で、2つの物質が相互作用するときに起こりうる。
プラットホームは、試料ボリューム、試薬ボリューム、および他の流体の装填、排除、混合、および他の操作を可能にする流体操作機構を含むことができる。例えば、流体をウェルまたは液滴に装填するためのチャネル、ウェルまたは液滴の内容物を混合するためのチャネル、またはウェルもしくは液滴の内容物を転送するためのチャネルを含むマイクロ流体デバイスを使用することができる。
いくつかのプラットホームは、アッセイを本明細書に記載するようにデジタル形式または準デジタル形式で実行するのに役立つ。例えば、ウェル、ウェルプレート、マイクロウェル、マイクロ流体液滴、エマルション、ビーズ、およびマイクロアレイは、デジタルアッセイまたは準デジタルアッセイを実行するための有用なプラットホームを提供することができる。そのようなアッセイにおいて、コンパートメントは、個別のウェル、液滴、ビーズ、またはマイクロアレイスポットを含むことができる。
いくつかの態様において、本明細書に記載するデバイスは、SlipChipデジタル増幅技術およびSlipChip試料調製技術（Shen, et al., 2010, Analytical Chemistry, 4606-4612、Shen, et al., 2010, Lab on a Chip, 2666-2672、Shen, et al., 2011, Analytical Chemistry, 3533-3540、Shen, et al., 2011, J Am Chem Soc, 17705-17712）を組み込み、例えば肺炎桿菌（Klebsiella pneumonia）、緑膿菌、および腸管外病原性大腸菌などの細胞および微生物からの、迅速な単一分子同定および核酸の定量を行うことができる。試料は、例えば血液、血漿、唾液、CSFまたは尿などのさまざまなヒト体液、または例えば水または院内環境表面などのさまざまな環境試料から得ることができる。いくつかの態様において、これは、いくつかの態様において感染症の（例えばUTIなどの）鑑別診断を与えるワークフローの臨床的検証を可能にすることができる。いくつかの態様において、このデバイスは、総細胞負荷量の定量ならびに種および/または株の同定を与えることができる。いくつかの態様では、アッセイの結果を、45分未満、30分未満、20分未満、10分未満、5分未満、3分未満、1分未満で入手可能にすることができる。
いくつかの態様において、ここに記載する技術は、例えば参考株の細胞培養物がスパイクされた尿試料から抽出される細菌DNAおよび細菌RNAなどの核酸の同定および定量を可能にする。参考株は、例えば肺炎桿菌（K. pneumoniae）（ATCC 700603）、緑膿菌（P. aeruginosa）（ATCC 27853）、および大腸菌（ATCC 25922）などといった、品質管理プロトコールの一部として臨床検査室において日常的に使用されるものである（Institute., 2012, M07-A09）。いくつかの態様では、この開示において記載する技術およびデバイスを、核酸を抽出するための、実験室用の標準的な方法およびキット（Qiagen Qiamp DNAキット）と統合することができ、核酸濃度を定量するには、以前に公表されたユニバーサルプライマーを使って、例えば16S遺伝子の保存領域などの遺伝子をターゲットとすることができる（Clifford, et al., 2012, PLoS ONE, e48558、Nadkarni, et al., 2002, Microbiology, 257-266）。例えば、この技術を使って16S遺伝子の超可変領域をターゲットとすることで、微生物を定量し、同定することができる（Baker, et al., 2003, Journal of Microbiological Methods, 541-555、Hansen, et al., 2013, PLoS ONE, e61439、Spilker, et al., 2004, Journal of Clinical Microbiology, 2074-2079）。
いくつかの態様において、本明細書に記載するデバイスは、薬剤感受性細菌および/もしくは薬剤耐性細菌、ならびに/または病原性細菌および/もしくは非病原性細菌による汚染、またはそれらの任意の組み合わせを含みうる、臨床試料などの細菌のプールからの薬剤耐性細菌の同定を可能にする。
いくつかの態様において、この技術は、例えば1,000～1×107コピー/mLのダイナミックレンジにわたる、3倍分解能（three-fold resolution）および95％信頼区間での、デジタルSlipChipを使った細菌DNAおよび細菌RNA増幅アッセイに使用することができる。このダイナミックレンジは、10,240の0.84nLウェルを含んでいて、450～9.7×107コピー/mLのダイナミックレンジおよび120コピー/mLの検出限界を持つ、商業的に生産されるデジタルSlipChipによって、十分にカバーされる。
本発明の一態様に従って薬剤に対する尿試料中の細胞の耐性または感受性を決定するワークフローを図5に示す。いくつかの態様において、本デバイスは、試料調製（例えば薬剤への試料中の生物の曝露および試料からのターゲット核酸の抽出）とデジタル増幅（例えば薬剤に対する生物の感受性または耐性を決定する目的で、試料中に存在するターゲット核酸を定量するために、ターゲット核酸を分布させ、増幅する工程）との両方を行うアッセイを可能にする。
統合型デバイス
いくつかの態様において、ここに提供するデバイスは、1つまたは複数のモジュールを含む統合型デバイスである。これらのモジュールには、インキュベーションモジュール、試料調製モジュール、増幅モジュール、およびリードアウトモジュールなどがあるが、それらに限定されるわけではない。これらのモジュールのそれぞれを本明細書において説明する。いくつかの態様において、統合型デバイスは、薬剤に対する応答として細胞における生物の性質を検出するための簡略化された処理フローを提供するために、2つまたはそれ以上のモジュールを併せ持つ。インキュベーションチャンバーとインキュベーションチャンバーへの試料の流れを調節するためのデバイスとを含む統合型デバイスの一例を、図6A、6B、および6Cに図示する。
インキュベーションモジュール
いくつかの態様において、統合型デバイスはインキュベーションモジュールを含む。インキュベーションモジュールは、例えば微生物を薬剤に曝露するための、インキュベーションチャンバーを持ちうる（図6A、6B、および6Cを参照されたい）。いくつかの態様において、インキュベーションモジュールは、試料、培地、試薬、または他の溶液などの流体の挿入に備えた注入口を持つ。これらの溶液は、何らかの手段（一例は図6Cに示すようにポンピング・リッド（pumping lid）またはプランジャーからの陽圧である）により、SlipChip様デバイスに押し込まれる。いくつかの態様において、SlipChip層に隣接する層はチャネルを持ち、試料はそこを通って流れることができる。いくつかの態様において、最上層は、圧力を逃がし圧力を制御するために、1つまたは複数の開口部を有する。いくつかの態様において、SlipChip層の開口部は、溶液で満たされ、試料を異なるボリュームへと分割する。次に、この層をスリップさせると、SlipChip層の開口部が動いて、別個の層（例えばインキュベーションチャンバーの開口部）との接続を形成する。試料は、中央のSlipChip層から輸送され、インキュベーションチャンバー内に含まれている培地または抗生物質などの溶液と混合されうる。いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、インキュベーションのために、加熱された浴に入っているか、他の形で加熱要素と接触していることができる。いくつかの態様では、ガス抜きのために疎水性フィルムなどの膜が使用される。いくつかの態様では、圧力を制御するために、1つまたは複数の開口部がデバイスの1つまたは複数の層に存在する。いくつかの態様では、インキュベーションチャンバーを持つ層もスリップさせることができる。いくつかの態様では、インキュベーションチャンバーからの流体が、増幅モジュールなどの別個のモジュールに輸送される。いくつかの態様では、1つまたは複数のSlipChip層が、例えば試料調製モジュールまたは他のモジュールへの開口部を持つインキュベーションチャンバーの下に使用される。いくつかの態様において、統合型デバイスは追加のインキュベーションモジュールを有する。
いくつかの態様において、インキュベーションモジュール中のインキュベーションチャンバーは抗生物質感受性検査に使用される。いくつかの態様において、細胞は、フィルターによって事前に区分け（pre-sort）される。いくつかの態様において、フィルターは細菌細胞を捕捉するために使用される。いくつかの態様では、関心対象の細菌細胞を溶解することなく哺乳動物細胞が選択的に溶解される。いくつかの態様では、選択的溶解工程と濾過工程とが組み合わされる。いくつかの態様では、インキュベーションチャンバーが、細胞を拘束するためのサブチャンバーのアレイを含む。
いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、以下の操作の1つまたは複数を行うように構成されたモジュールである:（i）試料を分配すること、（ii）薬剤/抗生物質を分配すること、（iii）試料を薬剤/抗生物質と合一すること、（iv）混合すること、（v）試料をインキュベートすること、または（vi）流体を別個のチャンバーに輸送すること。
いくつかの態様において、デジタルアッセイは、インキュベーションチャンバーまたはクローン単離領域への、試料からの細胞の拘束を使用することができる。いくつかの態様では、単離された細胞を個別のインキュベーションチャンバーで培養することで、試料から複数のクローン集団を生成させる。いくつかの態様において、単離された細胞は、拡大前または拡大後に、薬剤で処理される。いくつかの態様において、単離された細胞からの培養および拡大後に、クローン集団を2つまたはそれ以上の処理領域に分割する。こうして、クローン集団の少なくとも一部分を薬剤で処理することができ、同時に、そのクローン集団の別の一部分は薬剤で処理されない。次に、クローン集団中の細胞が1つまたは複数の薬剤に対して感受性であるか耐性であるかを決定するために、本明細書に記載のアッセイを行うことができる。
いくつかの態様において、分割は、デッドエンド充填（deadend filling）を利用するSlipChipデザインによって行われる。いくつかの態様では、水性溶液によるデッドエンドチャネル充填（dead-end channel filling）を達成するために、水性溶液の流れは妨害するが非水性の液体およびガスの貫流は許す疎水性膜を、チャネルの端部に使用することができる。
いくつかの態様において、スリップ（すなわち層の動き）は、回転軸を使って自動的に始動される。いくつかの態様において、この軸は、特別な速度、方向、および/または回転角にコード化またはプログラムされていてもよい、モーターによって制御することができる。
いくつかの態様において、試料と薬剤/抗生物質との合一および混合は、1つまたは複数の溶液を他の溶液中に輸送するチャンバーの加圧によって行われる。いくつかの態様では、チャンバーの加圧が、密閉状態を作りそのコンパートメント内の容積を変化させるポンピング・リッドによって生じ、これは、例えば手動でまたは回転軸によって始動させることができる。いくつかの態様において、成長チャンバーモジュールの内外への流体の輸送は、チャンバーの加圧によって、例えばポンピング・リッドによって（手動でまたは自動で）、バルブの開放によって、または例えばピペッティングなどの他の方法によって行うことができる。
いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーモジュールは加熱要素を持っている。加熱要素制御のいくつかの例には、温度およびタイミングを制御するための手段を持つ回路基板、または相変化材料が含まれる。
いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、1mL～10mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、100μl～3mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、10μL～100mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、インキュベーションチャンバーは、単一細胞を含有しそうな試料を処理するように設計される。
試料調製モジュール
いくつかの態様において、デバイスは試料調製モジュールを含む。いくつかの態様において、試料は、関心対象の薬剤（抗生物質など）が入っていても入っていなくてもよい異なるコンパートメントに分割することができる。いくつかの態様では、抗生物質薬剤あり/抗生物質薬剤なしで試料をインキュベートした後に、RNAおよび/またはDNAを抽出するために、関心対象の細胞（例えば細菌性病原体の細胞など）を（例えば溶解緩衝液などによって）溶解する。いくつかの態様では、試料調製モジュールを使って、尿から自動的に核酸を抽出することができる。いくつかの態様では、試料調製のために、フィルターカラムを使って溶解細胞からのRNA/DNAを捕捉し、溶解試料中に存在する細胞片または他のコンポーネントを洗い流す。
いくつかの態様では、自動化試料調製モジュールまたは半自動化試料調製モジュールが提供される。いくつかの態様において、自動化試料調製モジュールまたは半自動化試料調製モジュールは、密封された環境下で、溶解試料への圧力を生じて、溶解試料をフィルターカラム（例えばガラス繊維カラムなどの核酸結合性カラム）に通す。
いくつかの態様において、試料調製モジュールは、1mL～10mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、試料調製モジュールは、100μL～100mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、試料調製モジュールは、10μL～1Lを処理するように設計される。いくつかの態様において、試料調製モジュールは、1μL～1mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、試料調製モジュールはプラスチック製であり、いくつかの態様では、外部動力源もユーザーの能動的な介入も必要としない。
デジタル定量モジュール
いくつかの態様において、デバイスは、デジタル（またはバイナリー）定量モジュール、例えば各検出要素につき0個、1個、または複数のターゲット（例えばRNA/DNA）分子が捕捉される複数の検出要素を持つモジュールを含み、統合に適している。
いくつかの態様では、富化されたターゲット（例えばDNA/RNA）が、以後の実験または並行実験において使用するためにデバイスから回収される。いくつかの態様において、統合型デバイスは複数の定量モジュールを有する。
いくつかの態様において、定量モジュールは、30μL～60μLを処理するように設計される。いくつかの態様において、定量モジュールは、1μL～100μLを処理するように設計される。いくつかの態様において、定量モジュールは、100nL～1mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、定量モジュールは、10nL～10mLを処理するように設計される。
試薬格納
いくつかの態様において、統合型デバイスは格納された試薬を含む。いくつかの態様では、デバイス（上述のものを含む）中の液体を、例えばブリスター包装、試薬パック、または他のタイプの容器に入れて格納することができ、液体はそれらの容器に封じ込められる（図7）。
いくつかの態様において、デバイスは、核酸定量反応のために細胞または微生物の核酸を調製するのに適した試薬パックを含む。いくつかの態様において、デバイスは、核酸定量反応に適した試薬パックを含む。いくつかの態様において、試薬パックは、核酸定量反応を行うための酵素を含む。いくつかの態様において、試薬パックは核酸定量を行うための（例えばPCR用または等温増幅用の）プライマーを含む。
試薬パック中の例示的試薬として、溶解溶液、洗浄溶液、溶出溶液、再水和溶液、酵素溶液（例えば核酸増幅酵素、ポリメラーゼ酵素、制限酵素）、緩衝液、液体、粉末、ペレット、ゲル、マイクロビーズ、プローブ、プライマー、核酸、DNA、RNA、ポリペプチド、ヌクレオシド三リン酸（NTP）、抗体、犠牲試薬（sacrificial reagent）またはそれらの任意の組み合わせを挙げることができるが、それらに限定されるわけではない。犠牲試薬は、水性溶液、潤滑剤、脂、水非混和性の液体、ゲル、ガス、フルオロカーボン油、表面活性剤、ガス、空気、またはそれらの任意の組み合わせを含みうる。例えば空気は、混合用の気泡を生じさせるために使用することができる。もう一つの例として、空気および非混和性液体は、マトリックス中の残滓溶液（デッドボリューム）を除去するために使用することができる。試薬は混合してその組成を変化させることができる。例えば、あるタイプの緩衝液を別の緩衝液または乾燥試薬と混合して、その組成を別の緩衝液へと変化させることができる。
いくつかの態様において、デバイスは、酵素の存在および/または活性をアッセイするための試薬パック、例えばモノブロモビマン、7-ジエチルアミノ-3-（4'-マレイミジルフェニル）-4-メチルクマリン、N-（7-ジメチルアミノ-4-メチルクマリン-3-イル））マレイミド）、NiWa blue（5-（tert-ブトキシカルボニルアミノ）-2-（2,5-ジオキソ-2,5-ジヒドロピロール-1-イル）テレフタル酸1-ベンジル4-メチル）、NiWa Blue II（5-アセトアミド-2-（2,5-ジオキソ-2,5-ジヒドロピロール-1-イル）テレフタル酸ジメチル）、NiWa orange（2-アミノ-5-（（2,5-ジオキソ-2,5-ジヒドロ-1H-ピロール-'-イル）エチル）アミノ）テレフタル酸ジメチル）、エルマン試薬/DTNB（5,5'-ジチオビス-（2-ニトロ安息香酸））、ウンベリフェロン誘導体化セファロスポリン、フルオレセイン誘導体化セファロスポリン、レゾルフィン誘導体化セファロスポリン、ローダミン誘導体化セファロスポリン、イミペネム、およびp-ニトロフェノール放出基質などを含む。
いくつかの態様において、デバイスは、1つまたは複数の濃度の1つまたは複数の薬剤を含有する試薬パックを含む。いくつかの態様において、デバイスは、1つまたは複数の濃度の1つまたは複数の抗生物質を含有する試薬パックを含む。いくつかの態様において、デバイスは、 薬剤に対する細胞または微生物の応答を加速するのに適したコンポーネント（例えばクオラムセンシング分子など）を含有する試薬パックを含む。いくつかの態様において、デバイスは、細胞成長を強化するための培養培地を含有する試薬パックを含む。
いくつかの態様において、デバイスは、ガス、またはH2S、CO、およびNOを含有するガス混合物を含有する試薬パックを含む。そのようなガスは、例えば抗生物質に対する微生物の感受性に影響を及ぼすことが知られている。そのようなガスは、ガス混合物で希釈することができ、そのガス混合物は無酸素性、有酸素性、または微酸素性であることができる。そのようなガス混合物はCO2を含有しうる。いくつかの態様において、デバイスは、細胞間コンポーネントを露出させるための溶解試薬を含有する試薬パックを含む。
いくつかの態様において、これらの容器は溶液の蒸発を回避する。いくつかの態様において、試薬は、容器の一定の領域を突き刺すことによって、または適当な時点で容器の部品を選択的に開くことによって、1つまたは複数の容器から放出させることができる。いくつかの態様では、デバイス中に生じさせた圧力によってブリスター/容器の内容物を放出させることができ、いくつかの態様では、これらの流体がデバイスの他の部分に輸送される。いくつかの態様において、試薬（例えば増幅試薬など）は、乾燥した試薬として、ブリスター包装に入れて、または容器に入れて（またはそれらの何らかの組み合わせで）デバイス上に格納される。試薬を凍結乾燥し、糖類（例えば、数ある中でも、ショ糖、トレハロース）と共に格納し、かつ/またはビーズと共に格納することができる。
作動モジュール
いくつかの態様において、デバイスは作動モジュール、例えばデバイス（統合型デバイスを含む）を作動させるためのモジュールなどを持つ。いくつかの態様において、作動モジュールは、以下の機能のうちの1つまたは複数を果たすことができる:モーター制御、軸回転、加熱、画像キャプチャ、および画像処理。いくつかの態様において、作動モジュールは、1つまたは複数のモーターおよび軸を使用することができる。いくつかの態様において、作動モジュールは、1つまたは複数の回転弁を使用することができる。
いくつかの態様において、作動モジュールは1つまたは複数のコンポーネントからなり、そのうちの1つまたは複数のコンポーネントはバネまたはモーターによって駆動/回転される（図8）。いくつかの態様では、ネジ部品を回転させるためにバネまたはモーターを使用することができ、それは（ポンピング・リッド特許出願で述べるように）前記部品の逆ねじで別個のリッド/プランジャーに接続することができる。いくつかの態様では、バネまたはモーターが第1ネジ部品を回転させるにつれて、プランジャー/リッドが動いて、1つまたは複数の空隙の容積および圧力を変化させうる。いくつかの態様において、リッド/プランジャーは、1つまたは複数の空隙内に気密シールを形成する。いくつかの態様では、生成した圧力を使って、空隙中に存在する液体試料をフィルターカラムに流すことができる。
液体管理
いくつかの態様において、デバイスは、ある量の溶解試料を、別個の実験または並行実験のために、デバイス外に輸送するように構成される。いくつかの態様では、デバイス（例えば、カラムを通してさまざまな溶液を流したり、さまざまな溶液がカラムを通って流れることを一時的に妨げたりするデバイス）を通る溶液の流れを制御するために圧力を生じさせるための弁が、デバイスに組み入れられる。いくつかの態様では、デバイス作動時に陰圧が利用される。いくつかの態様では、デバイス内のチャンバーを、デバイスの始動に先だって、加圧または減圧することができる。
いくつかの態様では、例えばデバイスの回転層にフィルターカラムを入れることなどによって、一工程プロセスまたは多工程プロセスを制御することができる。いくつかの態様では、デバイス中でフィルターカラムが回転するにつれて、試料は、異なる試薬を含有しうるデバイス中の異なるチャンバーへと移動しうる。これらの流体は、フィルターカラムを連続的にまたは非連続的に流れることができる。いくつかの態様では、1つまたは複数のチャンバー中に存在する液体が（例えばポンピング・リッドの発生圧力などによって）移動し、溶液がフィルターカラムを通って流れることになる。いくつかの態様において、デバイス中のフィルターカラムは第1位置にあり、溶液を第1空隙から汲み出すことができる。また、いくつかの態様において、デバイスが第2位置に移動した場合には、第2の溶液が汲み上げられる。デバイスは、フィルターカラムと、液体を含有する1つまたは複数のチャンバーとの、1つまたは複数のオーバーラップを含むことができる。いくつかの態様では、異なるオーバーラップ位置間の距離および/または角度を、デバイスの設計によってプログラムすることができる。
いくつかの態様では、フィルターカラムを通して溶解試料を流すことで、フィルターカラム上にターゲット（例えばDNAまたはRNA）を捕捉することができる。いくつかの態様では、後続の工程が洗浄を伴う-例えば、耐性細胞または感受性細胞に特異的な捕捉されたDNAまたはRNAを、例えば洗浄緩衝液で洗浄し、カラムから遊離させるための溶出緩衝液で、カラムから溶出させることができる。
いくつかの態様では、ターゲット（例えばDNA/RNA）を富化し、カラムから溶出させた後に、溶出したDNA/RNAを、カラムから、いくつかの態様ではターゲット（例えばDNA/RNA）分子の定量に適した次のチャンバーまたはモジュール（定量モジュールまたは定量デバイスとも呼ばれる）へと輸送することができる。
他のモジュールおよび要素
いくつかの態様において、デバイスは作動モジュール、例えばデバイス（統合型デバイスを含む）を作動させるためのモジュールなどを持つ。いくつかの態様において、作動モジュールは、以下の機能のうちの1つまたは複数を果たすことができる:モーター制御、軸回転、加熱、画像キャプチャ、および画像処理。いくつかの態様において、作動モジュールは、1つまたは複数のモーターおよび軸を含む。いくつかの態様において、作動モジュールは、1つまたは複数の回転弁を含むことができる。いくつかの態様において、1つまたは複数の層は軸に接続され、回転することができる。いくつかの態様において、1つまたは複数の層は、軸から切り離されるように構成される。いくつかの態様において、1つまたは複数の層はディテントボール（detent ball）を含み、低トルクでは軸に接続されたままであるが、高トルクでは切り離される（すなわち層が物理的に止められる）。
いくつかの態様において、1つまたは複数の層は、指定の角度だけ回転するように、事前にプログラムされる。いくつかの態様において、作動モジュールは、1つまたは複数の層を物理的に止めるために、停止コンポーネントを含む。
いくつかの態様において、デバイスは、富化または予備富化モジュールを持つ。いくつかの態様において、富化モジュールは生物の数を富化する。いくつかの態様において、これらのデバイスは閾値モジュールを持つ。いくつかの態様では、カットオフモジュールが生物の数を閾値に制限する。いくつかの態様では、富化モジュールと閾値モジュールが組み合わされる。いくつかの態様において、富化モジュールは、1mL～10mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、富化モジュールは、100μL～100mLを処理するように設計される。いくつかの態様において、富化モジュールは、100μL～1Lを処理するように設計される。
いくつかの態様において、デバイスは、近接する（例えば互いに10cm以内にある）インキュベーションチャンバーと少なくとも1つの検出チャンバーとを持つ。いくつかの態様において、デバイスは、近接する（例えば互いに20cm以内にある）インキュベーションチャンバーと少なくとも1つの検出チャンバーとを持つ。いくつかの態様において、デバイスは、近接する（例えば互いに1m以内にある）インキュベーションチャンバーと少なくとも1つの検出チャンバーとを持つ。
いくつかの態様において、統合型デバイスには、以下のモジュールの1つまたは複数が統合されている:富化モジュール、カットオフモジュール、インキュベーションモジュール、試料調製モジュール、定量モジュール、および作動モジュール。いくつかの態様において、統合型デバイスでは、インキュベーションモジュールが自律的デバイスおよびデジタルSlipChipと統合されている。いくつかの態様において、モジュールは連結機構を有する。いくつかの態様において、モジュールは交換可能である。いくつかの態様では、試料調製および試料操作に役立つモジュールがデバイスに含まれる。
いくつかの態様において、統合型デバイスは10×10×10cmより小さい寸法を有するか、統合型デバイスは20×20×20cmより小さい寸法を有する。
いくつかの態様において、デバイスは、限定するわけではないが、PDMS、Tango+（3Dプリント可能な軟質材料）、またはゴムなどのフレキシブルな材料を含む。フレキシブルな材料は、デバイスが、モジュール間（例えば試料調製モジュールと増幅モジュールとの間）で液漏れを起こさずに試料を移動させることを可能にする。いくつかの態様において、デバイスは、インターフェースモジュールへのチャネル/マイクロチャネルを含む。いくつかの態様において、デバイスはシリンジポンプ/テフロン管を含む。いくつかの態様において、デバイスは、3Dプリントされた部品中に埋め込まれたチャネルを含む。いくつかの態様において、デバイスは、3Dプリントされた弁を含む。これらのコンポーネントも、デバイスが、モジュール間で液漏れを起こさずに試料を移動させることを可能にする。
いくつかの態様において、定量デバイスは、さまざまな容積を有する一連のコンパートメントを有する。いくつかの態様において、定量デバイスは、一連の単一容積コンパートメントへの装填前に、一連のオンチップ希釈を組み入れる。いくつかの態様において、これらのデバイスは、コンパートメントサイズを異常に大きくすることなく、大きなダイナミックレンジを可能にする。
一例として、試料を4回連続して1:10希釈することができる。各希釈液を一連の単一容積デジタルコンパートメントに装填する。400個のコンパートメントは、1-logのダイナミックレンジで、濃度の1.5倍差を定量し、分解することができる。したがって、このデバイス例は、4組のそれぞれ400コンパートメントからなる。4つの10倍希釈液をこれら4組の単一容積コンパートメントに装填することができ、それらは4-logダイナミックレンジでの1.5倍解像度および抗生物質感受性検査を可能にするであろう。
いくつかの態様において、デバイスは、リードアウトを生成するためのリードアウトモジュールまたはリードアウト機構を含む。プラットホームは1つまたは複数のリードアウト機構または検出機構と適合しうる。例えばプラットホームは、部分的にまたは全体が透明または半透明であって、蛍光測定、沈殿または気泡の検出、または他の視覚的観察が可能である。プラットホームは、視覚的検出器、例えばCCD、CMOSセンサー、カメラ、光子検出器、および他のセンサーを含むことができる。もう一つの例において、プラットホームは、電気的センサー、例えばマイクロウェル内に配置された電極を含むことができる。プラットホームは、分析用の試料の転送と適合しうる。例えばプラットホームは、質量分析、シークエンシング、または電気泳動のために、液滴またはウェルの内容物を取り出すことが可能である。
いくつかの態様において、定量モジュールを読み取る方法には、数ある中でも、蛍光顕微鏡法、明視野顕微鏡法、カメラ、デジタルカメラ、またはセルフォンカメラなどがあるが、それらに限定されるわけではない。いくつかの態様では、カメラを持つベースステーションを使って画像をキャプチャする。画像処理はベースステーションに統合するか、画像ファイルをコンピュータに転送することができる。いくつかの態様では、セルフォン写真をとる。電話ソフトウェアを利用して画像を処理するか、画像を画像処理用のサーバーにアップロードすることができる。
いくつかの態様では、加熱要素がデバイスに埋め込まれる。例えばインキュベーションモジュールを挿入することができるもの、例えば高熱伝導性材料が入っている浴などである。いくつかの態様において、ターゲット（例えばRNA/DNA）の増幅および検出は、デバイス上の加熱要素を含みうる。加熱要素の例として、電力、化学反応、または相変化材料を使用することによる加熱を挙げることができるが、それらに限定されるわけではない。いくつかの態様では、加熱ユニットを通して増幅領域の画像をキャプチャすることができるように、透明な熱伝導性材料を使用することができる。
いくつかの態様では、これらのデバイスに混合方法が組み入れられる。いくつかの態様では、ジェットマクロ混合を使って溶液を混合することができる（Nealon, A. J., O'Kennedy, R. D., Titchener-Hooker, N. J., & Lye, G. J.（2006）「Quantification and prediction of jet macro-mixing times in static microwell plates」Chemical engineering science, 61（15）, 4860-4870）。そのようなアプローチでは、1つまたは複数の溶液が加圧され、それらの間の開口が、一方の溶液が他方に流れ込むこと、または両方の溶液が衝突することを可能にする。いくつかの態様では、1つまたは複数の溶液がガス状混合物であり、気泡を生じることで気泡混合器を形成する。いくつかの態様では、混合を使って液体試料と乾燥試料とが混合される。混合を改良するために、陽圧と陰圧を交互に適用することができる。いくつかの態様では、混合を機械的に、例えば羽根車、磁気ビーズ撹拌、重力、受動的構造などを使って、またはそのような方法の組み合わせによって、達成することができる。
いくつかの態様において、これらのデバイスは、試薬を合一または混合するためのチャンバーまたはチャンバーのアレイを持つ。
いくつかの態様において、これらのデバイスは特殊な材料を含有する。いくつかの態様において、デバイス中の1つまたは複数の材料は生物と適合する（例えば生存性に負の影響を与えるまたは与えない材料）。いくつかの態様では、以下の目的の1つまたは複数のために、材料に材料コーティングまたは表面コーティングを加えることができる:熱伝導性を強化するため、表面化学/表面張力（疎水性）を制御するため、生物生存性を強化するため、拡散性を変化させるため、吸着を防止するため、密封、浸出を防止するため（すなわちプラスチック）、剛性を変化させるため、その他。
いくつかの態様において、これらのデバイスは、例えば限定するわけではないが、試料の添加、試薬の挿入、設定の調節、スリップ、回転、ポンピング・リッドの取り付け、ポンプの始動、材料の挿入、モジュールの接続、デバイスの開始、加熱の開始、流体の移行、モジュールの取り外し、画像のキャプチャなど、1つまたは複数の手動工程を利用する。
いくつかの態様において、デバイスは、例えば限定するわけではないが、3Dプリンティング、射出成形、型押し、湿式エッチング、および当技術分野において公知の他の方法など、いくつかの方法によって製作することができる。
デバイスの使用
デジタルプラットホームでは、デバイスのいくつかの態様において、現行の核酸ベース技術よりも存在量の少ない細菌の検出が可能であり、これは、血液試料およびCSF試料の、よりロバストな分析を可能にする。デジタル技術が持つ向上した精度により、治療に対する患者の応答のモニタリングが改良される。
試料調製モジュールは、5分以内で迅速な核酸の抽出および精製を提供することができ、不安定なRNAの分解を低減する。
ポイントオブケアモジュールは、広範な感染症にわたる臨床集団において、臨床治験でも、サーベイランスでも、幅広い検査を可能にすることができる。
デジタル増幅モジュールは、培養法よりも近い時間枠で、低レベル感染のより明確な理解を可能にすることができ、抗微生物薬に対する応答の不均一性に関する情報を提供することができる。
一態様において、本デバイスは、ターゲット微生物またはターゲット細胞、例えば肺炎桿菌（Klebsiella pneumoniae）、緑膿菌、および腸管外病原性大腸菌から、細菌DNAおよび細菌RNAを迅速にかつ高収率で単離するための試料調製技術と共に使用することができ、臨床試料を含むことができ、例えば尿などのさまざまな体液を含むことができる。トラコーマクラミジア（Chlamydia trachomatis）を含有する尿試料から細菌DNAおよび細菌RNAを抽出し精製するための試料調製SlipChipは、以前に検証されている。HCVウイルス粒子またはHIVウイルス粒子を含有する血漿試料からのウイルスRNAの抽出および精製も検証されている。一態様では、ある範囲の体積、例えば0.5mLまでの体積を扱う試料で、5分未満に試料調製を行うために、本デバイスを使用することができる。いくつかの態様において、デバイスは、含有する細菌量が少ない試料の迅速検出に使用することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、細菌ターゲット（例えば肺炎桿菌、緑膿菌、または大腸菌など）がスパイクされた試料（例えば尿試料）から細菌DNAおよび細菌RNAなどの核酸を、場合によっては極端に短い期間（例えば5分未満）で、また場合によっては実験室用の標準的な方法と比較して80％を上回る収率で、デジタル定量にもリアルタイム定量にも適した品質で、抽出し、精製するために使用することができる。
細菌RNAが不安定であることは公知であり、発現レベルは迅速に変化しうる。精製されたRNAの量および質が損なわれうる場合には、この開示で述べるデバイスを使って、試料調製プロトコールをさらに（例えば3分未満に）短縮することができる。この時間枠は、血漿からのウイルスRNAの単離に関して、以前に検証されている。いくつかの態様では、RNaseの活性を最小限に抑えるために追加の界面活性剤または阻害因子を加えることによって、溶解工程を変更することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、迅速で、再現性があり、定量的な核酸の測定を行うために、例えば肺炎桿菌、緑膿菌および大腸菌などがスパイクされた試料（例えば臨床尿試料）中の細菌RNAレベルを、100CFU/mLから1×106CFU/mLまで3倍分解能で測定するために、SlipChip試料調製とデジタル定量技術とを組み合わせることができる。いくつかの態様において、本明細書に記載するデバイスは、特異度が99％を上回る性能を有する。
いくつかの態様において、本デバイスまたはプラットホームは、2つ以上のモジュールを組み合わせて、例えば臨床尿試料中のターゲット微生物を定量し、同定する。
いくつかの態様において、本デバイスは、試料調製とデジタル増幅をどちらも行うアッセイを可能にするであろう。いくつかの態様において、総アッセイ時間は、60分未満、30分未満、15分未満でありうる。現行のPCRプロトコールは、変性時間、変性温度を最適化することによって、またはアニーリング工程と伸長工程を組み合わせることによって短縮することができる（Bio-Rad）。最適化された増幅酵素または高速なサーマルサイクラーを使用することで、10分増幅を達成することができる（Wheeler, et al., 2011, Analyst, 3707-3712、Neuzil, et al., 2006, Nucleic Acids Research, e77）。いくつかの態様において、これらのデバイスは試料調製を5分未満で行い、逆転写工程を5分未満で行い、デジタルSlipChipワークフローを35分未満で行って、例えば45分未満のワークフローを達成することができる。別の一態様では、チップサーマルサイクリングプロトコールの最適化に役立つように、このRTデジタルPCR計器を使用することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、臨床試料を直接の起源とする少数の細胞を使っての薬剤耐性の迅速診断を可能にすることができる。いくつかの態様では、多数ラウンドの細胞分裂に頼らない迅速ASTアッセイの設計にとって不可欠であり、血液およびCSFがしばしばそうであるように利用できる細胞数が限られている場合にASTアッセイを行うためにも不可欠な、以下の問いに答えるために、ここに記載するデバイスを使用することができる:（i）薬剤曝露後間もない薬剤感受性および薬剤耐性微生物集団または細胞の単一細胞成長、表現型、および遺伝子発現プロファイルはどうであるか、（ii）極めて迅速（15分未満、さらには7分未満）に集団または細胞の感受性または耐性を予測することができる「センチネル」細胞は存在するか、（iii）臨床的に重要な細菌集団の薬剤感受性または薬剤耐性の信頼できる予測にはいくつの細胞が必要か、（iv）測定がプール細胞で行われる場合に、抗生物質感受性および抗生物質耐性を確実に予測する遺伝子発現シグネチャーおよび最短の薬剤曝露は何であり、その測定は単一細胞アッセイの性能をどの程度精密に近似するか。
いくつかの態様において、本明細書に記載するデバイスは、薬剤曝露に対する応答としてターゲット生物またはターゲット細胞からの単一細胞をモニタリングするために使用することができる。いくつかの態様において、これらのデバイスは、成長、代謝活性、表現型変動、および遺伝子発現のレベルを、単一細胞レベルでモニタリングする機能を有する。
いくつかの態様において、本デバイスは、例えばシプロフロキサシン（フルオロキノロンの一つ）またはアンピシリン（例えばβ-ラクタム）などといった薬剤の標準的希釈液の存在下で、感受性株または感受性細胞の成長速度および倍加時間の分布の測定を可能にする。シプロフロキサシンは成長を直ちに妨げる能力を有すると臨床医は見ており（Barcina, et al., 1995, Journal of Microbiological Methods, 139-150）、一方、アンピシリンの作用様式は、溶解が起こる前に5世代もの細胞分裂が可能であると考えられている（Rolinson, 1980, Journal of General Microbiology, 317-323）。Fluidigmチップに使用されるPDMSなどのプラスチックデバイスにおいて抗生物質が迅速に失われる場合があることは、周知である。それゆえに、いくつかの態様において、本発明者らのデバイスはガラス製であることができ、いくつかの態様では、それらを使って、アッセイ後の抗生物質濃度を測定するための流体を回収することができる（Ma, et al., 2014, PNAS、Ma, et al., 2014, Integrative Biology）。
いくつかの態様において、本デバイスは、単一細胞中に存在するRNAを定量することによって遺伝子発現を測定することができる。SlipChipデバイスは、個別のウェルからの生細菌からのDNAを分析することができ（Ma, et al., 2014, PNAS、Ma, et al., 2014, Integrative Biology）、各ウェルにおけるRNAコピー数を定量することができる。いくつかの態様において、本デバイスは、これらの応用を組み合わせて、単一細胞遺伝子発現アッセイを作り出すことができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、抗生物質に対する応答として異なる調節を受けると報告されている遺伝子、例えば抗生物質誘発性酸化ストレスに対する応答としてOxyRおよびSoxSによって誘導される（Dwyer, et al., 2014, Proceedings of the National Academy of Sciences, E2100-E2109）recA遺伝子およびLexA遺伝子（Barczak, et al., 2012, Proceedings of the National Academy of Sciences, 6217-6222）などを使用することができ、DNA複製をターゲットとする抗生物質による処理後に増幅された状態になる複製起点（oriC）近くの遺伝子を測定することができる（Burgess, 2014, Nat Rev Genet, 362-362、Slager, et al., 2014, Cell, 395-406）。
一態様において、本デバイスは、薬剤感受性を同定するための遺伝子発現マーカー（例えば16S RNAおよびプレrRNA）の特異的定量に使用することができる（Mach, et al., 2011, The Journal of Urology, 148-153、Rolain, et al., 2004, Journal of Antimicrobial Chemotherapy, 538-541）。もう一つの態様において、本デバイスは、さまざまなインキュベーション条件下、さまざまな時間（例えば10分未満、または約10分、20分、もしくは30分）で、少なくとも20の臨床単離株を使って、遺伝子発現の検出可能な最小変化を確立するために使用することができる。
本明細書に記載する技術は、いくつかの態様において、臨床試料の耐性定量のためのこれらの方法を最適化し、かつ/または加速しうる。いくつかの態様において、本明細書に記載するデバイスで行われるアッセイの結果は、時間単位ではなく分単位で利用可能になるであろう。いくつかの態様において、本発明は、多様な体積規模での多様な一組の操作（例えば、試料調製から単一細胞操作、単一分子定量、およびセルフォンリードアウトまで）を可能にする。
いくつかの態様において、本発明は、抗微生物薬感受性を扱うために、そして検出限界を根本的に改良することができると共に、病原体と汚染との区別にとって重要であり、薬剤耐性生物と薬剤感受性生物との早期の区別を可能にするためにも重要である定量的データを与えることができる超高感度測定を提供するために、デジタル単一分子測定を使用する。いくつかの態様において、本発明は、抗生物質に応答する表現型、代謝、および遺伝子発現プロファイリング測定に使用することができ、個別の細菌細胞を使用することができ、臨床現場を起源とする試料を使用することができる。
いくつかの態様において、本発明は、抗生物質感受性を決定するために、診療所におけるハイスループット単一細菌細胞測定を使用する。いくつかの態様において、本発明は、例えばヒト臨床試料から得られるまたは環境試料から得られる個別の微生物または細胞の状態の区別を可能にし、抗生物質に対するそれらの個別の応答を経時的に定量することを、したがって超迅速薬剤感受性測定を、可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは、細胞の同定、それらの負荷量の定量、およびそれらの感受性プロファイルの提供を迅速に行うために使用することができる。いくつかの態様において、本デバイスは、薬剤感受性を決定するために、汚染フリーのプラットホームで細胞を薬剤と共にインキュベートし、次に例えばRNAなどの核酸を迅速に抽出、定量するために使用することができる。いくつかの態様において、本発明は、CLIA臨床検査室外での微生物および細胞の同定および薬剤感受性検査を可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは、複数工程にわたって大きな試料体積の操作を可能にすることで、高速で効率のよい核酸抽出を可能にする。試料調製SlipChipは、トラコーマクラミジア（C. trachomatis）がスパイクされた尿からの細菌RNAおよびHCVウイルス粒子がスパイクされた血漿からのウイルスRNAの抽出および精製について、以前に検証されている。このデバイスは0.5mL臨床試料を処理することができ、生試料から精製核酸までの全ワークフローは、ユーザーの介入なしで5分以内に完了しうる。このデバイスは、トラコーマクラミジアがスパイクされた尿試料からの細菌DNA、HIVウイルス粒子がスパイクされた血漿からのウイルスRNA、およびインフルエンザウイルスの培養物からのウイルスRNAの分析に関して検証されている。
いくつかの態様において、本発明は、核酸定量を組み入れた、細胞または微生物の薬剤耐性を決定するためのデバイスを含む。いくつかの態様において、本発明は、薬剤と共にプレインキュベートされた生物に由来する試料が上述のデバイスに導入されるようなデバイスを含む。
いくつかの態様において、本デバイスは、致死量未満の薬剤曝露後に、遺伝子、例えばOriCに近い遺伝子（例えばコンピテンス遺伝子など）の発現の変化またはコピー数の変化を測定する。いくつかの態様では、遺伝子発現、例えばOriC近傍遺伝子の発現を、ハウスホールド遺伝子の発現と、または選択された遺伝子、例えば終結（ter）部位にある遺伝子と、比較することができる。
いくつかの態様において、デバイスは、致死量未満の薬剤に対する応答としての細胞コンピテンスそのものを、薬剤感受性のアッセイとして判定することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、確率論的拘束によって（例えばピコリットルまたはナノリットルなどといった小サイズの液滴またはウェルによって）細胞または微生物を小さな容積に区画化することにより、細菌の感受性、例えばβ-ラクタム系抗生物質に対する感受性などをアッセイすることができる。いくつかの態様において、これらの試料は血液または尿またはCSFから採取される。いくつかの態様において、細胞は抗生物質および発蛍光性レポーターの存在下にある。いくつかの態様において、本デバイスは、存続生物、および遺伝子型としては耐性であるが表現型としてはサイレントである細胞を、例えば耐性表現型の誘導などによって検出することができる。
いくつかの態様において、本明細書のデバイスおよび方法は、試料中の微生物の遺伝子発現の時間経過を分析するために使用することができる。例えばこの分析では、薬剤に対する応答として遺伝子発現の変化をモニタリングすることができる。例えば、薬剤による処理の直前の時点、および微生物に薬剤を添加した後の1つまたは複数の時間間隔（そのような時間間隔には、約3分、約5分、約7分、約10分、約15分、約20分のうちの1つまたは複数が含まれうる）の時点を、使用することができるだろう。
いくつかの態様において、本明細書のデバイスおよび方法は、制御された温度、例えば35℃、37℃、38℃、39℃、または40℃などでの、微生物のインキュベーションを含むことができる。
単一細胞分析を使用すれば確率論的応答時間の観察が可能になり、それが、迅速に応答する外れ値細胞による、平均より早い結果の提供を可能にするであろう。
いくつかの態様において、本デバイスは、病原性細菌における抗生物質処理に対する相対的核酸濃度の小さな変化および不均一な細胞応答を検出する目的で単一分子測定および単一細胞測定行うための機構を提供する（図9）。まず、一群の細胞を抗生物質処理に付し、次に、選択された遺伝子の発現量の変化を2つの方法によって定量する。単一分子デジタル増幅の場合は、細胞を合わせて溶解し、小さな総変化を検出するために高分解能でRNAを定量する。単一細胞測定の場合は、細胞をマイクロ流体デバイス中の個別のウェルに拘束し、「センチネル」細胞における大きな早期応答を利用するために、各細胞でのqPCRを使用する。
いくつかの態様では、本発明者らのデバイスにおいて単離株および臨床試料からの細菌をアッセイし、プール細胞分析の場合よりも早く感受性または耐性を予測する「センチネル細胞」が、単一細胞分析によって明らかになるかどうかを評価するために、本デバイスを使用することができる（図9）。いくつかの態様では、本デバイスを使ってデバイス内での培地条件および成長条件を最適化することで、すべての活発な細胞が成長の兆候を示すことを保証するのに必要な最小時間を決定することができる。いくつかの態様では、薬剤感受性および薬剤耐性、例えば肺炎桿菌、緑膿菌、または腸管外病原性大腸菌の抗生物質感受性および抗生物質耐性を決定するための迅速アッセイを設計し最適化するために、本デバイスを使用することができる。いくつかの態様において、本デバイスは、ヘテロ耐性（この場合は検査対象試料が感受性株または感受性細胞と耐性株または耐性細胞の両方を含有する）を検出することができる。この現象はグラム陽性菌（Musta, et al., 2009, Journal of Clinical Microbiology, 1640-1644、Kim, et al., 2002, Journal of Clinical Microbiology, 1376-1380、Wong, et al., 1999, Clinical Infectious Diseases, 760-767、Ariza, et al., 1999, The Lancet, 1587-1588、Editors, 2001, Journal of Medical Microbiology, 1018-1020）と一部のグラム陰性菌（Pournaras, et al., 2007, Journal of Medical Microbiology, 66-70）について詳しく記録されており、患者の処置およびアウトカムにとって重要である。ただしヘテロ耐性の検出は、グラム陰性細菌については、頻繁に起こる臨床的問題とは見られていない。いくつかの態様において、ヘテロ耐性が観察される場合は、本明細書に開示するデバイスを使って、試料タイプによるヘテロ耐性を同定することができるので、それらは、例えば単一細胞プラットホームなどによる分析のターゲットになりうる。
いくつかの態様において、本デバイスは、微生物または細胞をインキュベートするために、例えば肺炎桿菌の単離株をセファゾリン、セフトリアキソン、シプロフロキサシン、ピペラシリン-タゾバクタム、トリメトプリム-スルファメトキサゾール、およびメロペネムなどの抗生物質試料と共にインキュベートするために、また緑膿菌をシプロフロキサシン、ピペラシリン-タゾバクタム、およびメロペネムと共にインキュベートするために、使用することができる。
いくつかの態様では、例えばワークフロー/効率を改良し汚染を回避するために試料調製SlipChipとデジタルSlipChipとが統合されるように、本デバイスを統合することができる。2つのチップの統合によって、RNA分解を防止し、汚染を排除し、ワークフローを簡略化することができる。いくつかの態様では、例えばデバイスが、病原体、その負荷量、およびその抗生物質感受性を同定するための同定デバイスおよびASTデバイスを併せ持つように、本デバイスを統合することができる（図10）。
いくつかの態様において、本発明は、細菌を同定し、定量し、抗微生物薬感受性を判定する。いくつかの態様において、本プラットホームは、大半の検査室に見いだされる既存のサーマルサイクラーを活用することで、最も小さな臨床検査室にも、検査メニューの拡大に備えた「オープン」形式で、低コストデジタルPCR機能を与える。本デバイスのいくつかの態様では、外部動力源を必要としないマクロ流体使い捨てチップで、試料調製を行うことができる。
いくつかの態様において、本発明は、プライマリケアおよびグローバルヘルスの場においてこの技術を利用できるようにするために、CLIA適用除外構造物に、抗微生物薬感受性を定量し、同定する機能を組み入れる。いくつかの態様において、本発明は、SlipChipプラットホームで十分に研究された等温酵素を使用し、ある範囲の環境条件下で装置不要な（equipment-free）検査を可能にすることができる。加えて、いくつかの態様において、結果はセルフォン可読であり、最小限の訓練しか受けていないユーザーでも入手することができる。
いくつかの態様において、デバイスは、血液で使用するために変更を加えることができ、検査項目の中にアシネトバクター・バウマンニ（Acinetobacter baumannii）を含めることもできる。いくつかの態様において、本デバイスは低含量標本に使用することができ、低含量標本であっても抗微生物薬感受性のより正確な検査を可能にするRT PCR機能を有する。これらの機能は、病院の現場において、有意義な臨床的価値を提供する。
いくつかの態様において、本デバイスは、種の同定および定量によって、例えば尿路感染症（UTI）などの感染症を迅速に診断することができ、いくつかの態様において、本デバイスは、その感染症を引き起こしている種の薬剤耐性を特徴づけることもできる。こうして本デバイスは、抗生物質を運用する臨床医の能力を、そしてまた、UTIが存在しない場合または細菌数が治療を正当化しない場合に不適当な処置を回避する臨床医の能力を、著しく強化することができる。
医師は通例、細菌濃度が低ければ処置を行わないので、いくつかの態様において、本デバイスは、細菌負荷量が治療を正当化するかどうかを決定するために、試料収集の時点で存在する細菌の数を定量することができる。いくつかの態様では、検証も本デバイスで行うことができる。デバイスからの細菌濃度は、細菌を検出し特徴づけるための現行の「ゴールドスタンダード」である培養法を使って得られるコロニー数と相関させることができる。いくつかの態様では、デジタルチップ形式での核酸検出を使ってどの細菌が存在するかを同定するために、本デバイスを使用することができる。
いくつかの態様では、治療選択の手引きを助ける目的で、同定された生物の抗微生物薬耐性を判定するために、本デバイスを使用することができる。いくつかの態様では、尿試料などの試料を抗生物質などの一連の薬剤と共にインキュベートすることができ、遺伝子発現検査は、どの薬剤レジメンがその感染症を処置するのに最も適しているかを（例えばその細菌がどの薬剤に対して感受性であるかを同定することによって）決定することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、99％を上回る特異度で細菌の種を同定し、100CFU/mLから1,000,000CFU/mLまでのダイナミックレンジにわたって、3倍より良い分解能で、尿中の細菌負荷量を定量することができる。
本デバイスおよび方法のいくつかの態様において、本ワークフローは、1つまたは複数の種または株または細胞タイプについて、1つまたは複数の薬剤のパネルに対して、95分未満、30分未満、15分未満、5分未満での迅速AST（抗微生物薬感受性検査）を可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは試料調製およびデジタル定量を行う機能を有する統合型デバイスであるので、本デバイスは、細菌負荷量の定量にもASTのための遺伝子発現の定量にも、少なくとも80％の核酸回収率で使用することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、同定デバイスとASTデバイスを組み合わせたワークフローによる生物の同定、それらの負荷量の定量、それらの抗生物質感受性の決定を可能にする。
既存のQiagen試料調製キットと比較して、標準核酸と比較して、少なくとも80％の核酸回収率を有する、尿からの試料調製のためのデバイス。Qiagen法が30分を要するのに対し、いくつかの態様では、試料調製を、遠心分離を伴わずに5分未満で自動的に行うことができる。
いくつかの態様において、細菌種の同定は、培養法と比較して、生物に関して99％を上回る特異度で行うことができる。
いくつかの態様において、尿などにおける生細菌負荷量の定量は、一般的な培養法と比較して、100CFU/mLから1,000,000CFU/mLまでのダイナミックレンジにわたって、3倍より良い分解能で行うことができる。
いくつかの態様において、本発明は、1つまたは複数の種について、ある薬剤または2つ以上の抗生物質のパネルに対して、95分未満での迅速なAST（抗微生物薬感受性検査）を可能にするワークフローを可能にする。
いくつかの態様において、本発明は、調製モジュールまたは調製デバイス、同定および定量モジュールまたは同定および定量デバイス、ならびにASTモジュールまたはASTデバイスを組み合わせることで、2.5時間未満、2時間未満、1時間未満、30分未満で生物を同定し、それらの負荷量を定量し、かつ/またはそれらの抗生物質感受性を決定するワークフローを可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは、CLIAに基づく場および資源の限られた場（Limited Resource Settings）（LRS）において、核酸またはタンパク質のマルチプレックス化された定量的診断測定を、基準検査室において典型的に使用される装置と同等の品質で提供する。
いくつかの態様において、本プラットホームは「オープン」であるので、他の/追加の細菌のための試薬を加え、測定の範囲を拡大することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、105のダイナミックレンジでのHCVウイルス量およびHIVウイルス量のマルチプレックス化デジタル核酸ベース定量測定を可能にする。いくつかの態様において、本デバイスは、病原体（細菌および真菌を含む）のマルチプレックス化検出を可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは、以下の特徴のうちの1つまたは複数を持つ、試料調製を可能にするSlipChipなどのマイクロ流体デバイスである:低コスト製作に関する商業的基準を満たすまたはそれを上回るデバイス、最終的にはユーザーの介入を必要としないであろうデバイス、最終的には作動するのに電気を必要としないであろうデバイス、HCV、クラミジアおよび淋病、ならびにインフルエンザに関する試料調製を5分未満で可能にする試料調製モジュールまたは試料調製デバイス、安価なプラスチックを使用し、大量生産技術に適するデバイス、訓練を受けていない子どもでも操作およびイメージングを行うことができるデバイス、ならびにクラウドベースの自動分析およびデータ転送を使って操作およびイメージングを行うことができるデバイス。
いくつかの態様において、本デバイスは、99％を上回る特異度で細菌の種を同定することができ、尿中の細菌負荷量を、100CFU/mLから1,000,000CFU/mLまでのダイナミックレンジにわたって、3倍より良い分解能で定量することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、例えば尿の臨床試料からの肺炎桿菌、緑膿菌、および腸管外病原性大腸菌などの生物からの細菌DNAおよび細菌RNAを同定し、定量的に測定することができ、細菌負荷量の定量的測定値も与えるように適合させることができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、肺炎桿菌、緑膿菌および大腸菌がスパイクされた尿試料から抽出された細菌DNAおよび細菌RNAを同定し定量するための、デジタルSlipChipなどのデジタルマイクロ流体デバイスである。いくつかの態様において、本デバイスは、生物または細胞のDNA/RNA増幅に関して、99％を上回る特異度を有することができ、1,000～1×107コピー/mLのダイナミックレンジにわたって、3倍解像度で、抽出されたDNA/RNAの定量を与えることができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、16S rRNAの定量によって尿試料中の生細菌負荷量を定量するために使用することができる、デジタルSlipChipなどのデジタルマイクロ流体デバイスである。いくつかの態様において、本デバイスは迅速なインキュベーション工程（10分未満）を組み入れることができ、さまざまな保管条件下にある異なる試料タイプについて遺伝子発現の再標準化（renormalization）を評価することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、生細菌負荷量を定量するために実験室用の標準的な方法を使って精製されたRNAマーカーを定量する機能を有する、デジタルSlipChipなどのデジタルマイクロ流体デバイスである。いくつかの態様において、本デバイスは、肺炎桿菌、緑膿菌および大腸菌の参考株および臨床単離株でDNAとRNAの両方の回収率が80％を上回りうる、試料調製SlipChipなどの試料調製デバイスである。いくつかの態様において、本デバイスは、デジタルデバイス応用にもリアルタイムqPCRにも適した品質の精製DNAおよび精製RNAを回収することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、肺炎桿菌、緑膿菌および大腸菌の参考株がスパイクされた尿試料から細菌DNAおよび細菌RNAを、5分未満で、実験室用の標準的な方法と比較して80％を上回る回収率で抽出し、精製することができる。
いくつかの態様において、本方法は複数の機能を有する統合型デバイスを使用し、別の態様において、本方法は、別々の試料調製デバイスならびに同定および定量用のデジタルデバイスなどといった、非統合型デバイスを使用する。いくつかの態様において、統合された試料調製デバイスと同定用デジタルデバイスとの組み合わせは、99％を上回る特異度で機能し、100CFU/mLから1,000,000CFU/mLまでのダイナミックレンジにわたって3倍分解能で細菌負荷量を定量する機能を有する。
いくつかの態様において、本デバイスは、試料を薬剤と共に短期間インキュベートした後にRNA発現マーカーを定量することにより、肺炎桿菌、緑膿菌および大腸菌などの生物について、迅速抗微生物薬感受性検査（AST）を行うことができる。いくつかの態様において、本デバイスは、2.5時間未満または2時間未満または1時間未満のサンプル・トゥ・アンサー（sample to answer）所要時間を提供することができる。いくつかの態様では、本デバイスを臨床単離株または臨床試料に使用することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、100コピー/mLから10,000,000コピー/mLまでのダイナミックレンジで、遺伝子発現マーカーを定量することができる。いくつかの態様において、本デバイスは、同じダイナミックレンジで、検出可能な最小の相違を同定するために使用することができ、これは、特定の細胞または微生物について、インキュベーション時間および抗微生物薬感受性検査の指針となるであろう。
いくつかの態様において、本デバイスは、試料を、少なくとも20の大腸菌臨床単離株と共に、アンピシリンの存在下または非存在下でインキュベートするために使用することができる。本デバイスのいくつかの態様では、細菌RNAを調製し、1つまたは複数のRNAマーカーを定量することができる。本デバイスのいくつかの態様では、結果が、標準的な臨床方法と少なくとも95％は一致するであろう。
いくつかの態様では、大腸菌を、セファゾリン、セフトリアキソン、シプロフロキサシン、ピペラシリン-タゾバクタム、トリメトプリム-スルファメトキサゾール、およびメロペネムを含む抗生物質などの薬剤と共にインキュベートするために、本デバイスを使用することができる。本デバイスのいくつかの態様では、95分未満、60分未満、30分未満、15分未満の時間枠内で、細菌RNAを調製し、デジタル法を使ってRNAマーカーの発現レベルを定量することができる。いくつかの態様では、少なくとも20の大腸菌臨床単離株がスパイクされた陰性尿を、セファゾリン、セフトリアキソン、シプロフロキサシン、ピペラシリン-タゾバクタム、トリメトプリム-スルファメトキサゾール、およびメロペネムの存在下および非存在下でインキュベートするために、本デバイスを使用することができる。いくつかの態様において、本デバイスは、メジャーエラー（major error）が5％未満、かつベリーメジャーエラー（very major error）なしというワークフロー成績で、RNAマーカーの発現レベルを定量することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、少なくとも1つの臨床単離株の試料を、臨床上妥当な薬剤のパネルの薬剤の存在下および非存在下でインキュベートすることができる。いくつかの態様において、本デバイスは、ASTを行うために細菌DNA中のRNAマーカーの発現レベルを定量することができ、メジャーエラーは5％未満であり、ベリーメジャーエラーはない。
いくつかの態様において、本デバイスは、試料調製機能とデジタル機能とを統合する。これらのデバイスの統合は、分解を防止し、汚染を排除し、55分未満、30分未満、15分未満で、核酸を抽出し、精製し、99％を上回る特異度でデジタル定量することを可能にする。
いくつかの態様において、本デバイスは、肺炎桿菌（ATCC 700603）、緑膿菌（ATCC 27853）、および大腸菌（ATCC 25922）がスパイクされた尿試料などからの細菌DNAおよび細菌RNAの、99％を上回る特異度および55分未満での定量的測定を、提供することができる。いくつかの態様において、本デバイスまたは統合型デバイスは、100CFU/mLから1,000,000CFU/mLまでのダイナミックレンジおよび3倍を上回る分解能で、細菌負荷量の定量を提供することができる。
いくつかの態様において、本デバイスは、少なくとも20、少なくとも50、または少なくとも100の臨床単離株について、選択された薬剤の存在下および非存在下でのインキュベーションを行って遺伝子発現レベルを定量するために使用することができる。いくつかの態様において、細菌負荷量およびASTを含む本デバイスの成績はCLSIレファレンス法に匹敵する。いくつかの態様において、成績のエラーは、5％未満のマイナーエラー（minor error）、2.5％未満のマイナーエラー、1％未満のマイナーエラーである。
いくつかの態様において、成績は、メジャーエラーが1％未満、メジャーエラーが0.5％未満、メジャーエラーが0.1％未満である。いくつかの態様において、本デバイスにはベリーメジャーエラーがない。
キット
キットは、SlipChipデバイスおよび核酸増幅に関与するように選択された試薬の供給物を含みうる。いくつかの態様において、試薬は、第1コンポーネントの導管、第2コンポーネントの導管、またはその両方との嵌合に適合した容器内に配することができる。そのような容器はピペット、シリンジなどであることができる。いくつかの態様において、キットは加熱器を含む。
本デバイスのいくつかの態様は、さまざまな生物学的ターゲット、例えばタンパク質、細菌、ウイルス、感染因子などを、核酸ラベルを使って検出するために使用することができるであろう。いくつかの態様において、ターゲットは、検出に使用することができるオリゴヌクレオチドでタグ付けされる。オリゴヌクレオチドタグは、例えばPCR、LAMP、RPA、NASBA、RCAなど、多種多様な核酸増幅戦略のいずれかを使って、さらに増幅することができる。オリゴヌクレオチドタグは、例えばChen（Huang, Suxian, and Yong Chen「Polymeric Sequence Probe for Single DNA Detection」Analytical chemistry 83.19（2011）:7250-7254）が示すように、蛍光プローブを使って視覚化することもできるだろう。
これらの実施例は、説明のために記載するに過ぎず、本願請求項の範囲を限定しようとするものではない。
実施例1:SlipChipの形成
ソーダ石灰ガラスを使って所望のガラス製SlipChipを製作する手順は、以前の研究に基づいた。2種類の深さのウェル（熱拡大ウェルは5μm、他のウェルはすべて55μm）が作製されるように、二工程露出エッチングプロトコールを適合させた。エッチング後に、ガラスプレートをピラニア酸およびDI水で十分に洗浄し、窒素ガスで乾燥した。次に、ガラスプレートをプラズマクリーナー中で10分間酸化し、直ちにデシケーターに移して、1時間シラン処理した。それらをクロロホルム、アセトン、およびエタノールで十分にすすぎ、使用前に窒素ガスで乾燥した。
プラスチック製のポリカーボネートSlipChipデバイスは、microfluidic ChipShop GmbHから受け取った後、プラズマクリーナー中で15分間、直接酸化してから、デシケーターに移して90分間シラン処理した。それらをテトラデカンに65℃で15分間浸漬した後、エタノールで十分にすすぎ、次に、使用前に窒素ガスで乾燥した。プラスチック製SlipChipデバイスは再利用しなかった。
SlipChipは脱気油（鉱油:テトラデカン 1:4 v/v; Fisher Scientific）下で組み立てた。トッププレートとボトムプレートを油相に浸漬して、向かい合わせに置いた。ステレオスコープ（Leica、ドイツ）下で2枚のプレートを位置合わせし、バインダークリップを使って固定した。トッププレートに2つの貫通孔をあけ、流体注入口とした。試薬溶液は注入口からピペッティングによって装填した。
実施例2:SlipChipにおけるデジタル増幅
Shenら（2010）に記載のプロトコールに従ってSlipChipでデジタルPCRを行った。Feng Shen, Wenbin Du, Jason E. Kreutz, Alice Fok, and Rustem F. Ismagilov「Digital PCR on a SlipChip」Lab Chip 2010 10: 2666-2672。
簡単に述べると、この公表された方法では、トップSlipChipプレートおよびボトムSlipChipプレートに、フォトリソグラフィーおよびHFエッチングによって、マイクロ流体チャネルおよびウェルが刻まれた。20％鉱油/80％テトラデカンの混合物中でトッププレートとボトムプレートを位置合わせし、正しい位置に保持されるようにクランプした。上述の抽出からのDNAをPCRマスターミックスに加えた。この溶液をSlipChipデバイスにピペットで装填した。装填後に、スリップにより、チャネルを1280の個別の3nLコンパートメントに分割した。次に、SlipChipをクランプし、密封し、サーモサイクラーにのせて、以下の温度に付した:92℃で3分、次に92℃で20秒、62℃で20秒、および72℃で25秒を40サイクル。SlipChipを撮像し、陽性ウェルと陰性ウェルをカウントし、ポアソン統計を使ってターゲットDNAの濃度を計算した。
実施例3:経時的な処理/無処理感受性大腸菌間でのrDNAの相違の検出
ある例では、尿路感染症を持つ患者からのシプロフロキサシン感受性大腸菌単離株をBactoブレインハートインフュージョン（BHI）培地中で高細胞密度になるまで前培養してから希釈し、2.5μg/mLシプロフロキサシンによる10分、20分、および30分の処理を行うか、この処理を行わなかった。処理試料および無処理試料からのDNAをEpicentre QuickExtract DNA抽出緩衝液で抽出した。23SのターゲットrDNA遺伝子に特異的なプライマーで定量PCRを行った。23S rDNAに特異的な以下のプライマーを使用した。
Figure 0007055020000006
10分、20分および30分の時点で、処理試料（各時点における右側のバー）と無処理試料（各時点における左側のバー）との間には、rDNAコピー数に1.37、1.58、および1.70倍の変化が測定された（図11）。
実施例4:qPCRおよびデジタルPCRによる経時的な処理/無処理感受性大腸菌と処理/無処理耐性大腸菌との間のrDNAの相違の検出
ある実験では、尿路感染症を持つ患者からのシプロフロキサシン感受性大腸菌単離株をBactoブレインハートインフュージョン培地中で高細胞密度になるまで前培養してから希釈し、2.5μg/mLシプロフロキサシンによる30分の処理を行うか、この処理を行わなかった。処理試料および無処理試料からのDNAを、0分、15分、および30分において、Epicentre QuickExtract DNA抽出緩衝液で抽出した。実施例3に記載のターゲット23S rDNA遺伝子に特異的なプライマーによる定量PCRを、抽出したDNAで行った。15分時点で、感受性単離株からの処理試料（各時点における右側のバー）と無処理試料（各時点における左側のバー）との間には、rDNAコピー数に1.27倍の変化が測定された（図12A）。
実施例3に記載のターゲット23S rDNA遺伝子に特異的なプライマーによるデジタルを、SlipChipにおいて、抽出されたDNAに対して行った。一方のチップは無処理細菌からのDNAを含み、他方のチップは抗生物質で処理した細菌からのDNAを含んだ。濃度を比較し、倍率差を計算した。デジタルPCRはrDNAコピー数に1.5倍の変化を検出した。耐性単離株ではrDNAコピー数に有意な変化は観察されなかった（図12B）。
この実験を、尿路感染症を持つ患者からの異なる大腸菌単離株であって、やはりシプロフロキサシンに対して感受性である株で繰り返した。15分の時点で、qPCRはrDNAコピー数に1.8倍の変化を測定し、デジタルPCRはrDNAコピー数に1.5倍の変化を検出した。
実施例5:デジタルPCRによる経時的な処理/無処理感受性大腸菌間でのrDNAの相違の検出
ある実験では、尿路感染症を持つ患者からのシプロフロキサシン感受性大腸菌単離株をプールヒト尿中で前培養してから希釈し、0.75μg/mLのシプロフロキサシンを含むまたは含まない1:1のBHI:尿中で15分間処理した。処理試料および無処理試料からのDNAをEpicentre QuickExtract DNA抽出緩衝液で抽出した。抽出されたDNAに対して、実施例3に記載のターゲット23S rDNA遺伝子に特異的なプライマーによる定量PCRを使用したところ、処理試料と無処理試料との間で、rDNAコピー数に2.61倍の変化が測定された。実施例3に記載のターゲット23S rDNA遺伝子に特異的なプライマーを使って、抽出されたDNAでのデジタルPCRも行った。デジタルPCRはrDNAコピー数に2.4倍の変化を検出した。デジタルPCRデータの結果を図13に示す。
実施例6:テトラサイクリンおよびトリメトプリム/スルファメトキサゾールで処理した/無処理の感受性大腸菌および耐性大腸菌における相違の検出
ある実験では、尿路感染症を持つ患者からの、さまざまな抗生物質に対して感受性である大腸菌単離株を、BHIまたは尿中で前培養してから希釈し、抗生物質を含むまたは含まない1:1のBHI:尿中でさまざまな処理時間にわたって処理した。処理試料および無処理試料をEpicentre QuickExtract DNA抽出緩衝液で抽出した。実施例3に記載のターゲット23S rDNA遺伝子に特異的なプライマーによる定量PCRを使って、処理試料と無処理試料との間の検出可能なrDNAコピー数の倍率変化を測定した。テトラサイクリン処理下ではrDNAコピー数に1.55倍の変化が30分で観察され（図14A）、ニトロフラントイン処理下ではrDNAコピー数に1.62倍の変化が15分で観察され、トリメトプリム/スルファメトキサゾール処理下ではrDNAコピー数に1.35倍の変化が45分で観察された（図14B）。
実施例7:耐性細胞と感受性細胞との間の相違の検出に関するqPCRとデジタルPCRの比較
この実施例では、qPCRよりも強化された、デジタル増幅の分解能を示す。具体的に述べると、抗生物質で処理された細胞中に無処理細胞と比較して見いだされる核酸の相違はデジタル核酸定量（PCRまたはLAMPを含む）で分解することができるが、qPCR法（またはqLAMP）では、その相違を確実には分解できない場合、および/またははるかに多くの複写物を使用しなければ、その相違を確実には分解できない場合がありうる。
尿路感染症を持つ患者からのシプロフロキサシン感受性大腸菌単離株をプールヒト尿中で前培養してから希釈し、0.75μg/mLのシプロフロキサシンを含むまたは含まない1:1のBHI:尿中で30分処理した。処理試料および無処理試料からのDNAをEpicentre QuickExtract DNA抽出緩衝液で抽出した。
実施例3に記載のプライマーによるターゲット32S rDNA遺伝子に特異的なプライマーを使った定量PCRを各試料で行い（各試料につき3つの複写物）、以下のCqを得た:処理では22.84±0.53;無処理では22.13±0.07。Weaver, et. al.「Taking qPCR to a higher level: Analysis of CNV reveals the power of high throughput qPCR to enhance quantitative resolution」Methods 2010 50: 271-276に記載の方法を使うと、rDNAコピー数のこの1.6倍の相違は、各試料につき3つではなく10個のqPCR複写物があったのでない限り、統計的に有意でない。
同じ試料を1:10希釈し、デジタル増幅のためにSlipChipに装填した。一方のチップは無処理細菌からのDNAを含み、他方のチップは抗生物質で処理した細菌からのDNAを含んだ。抽出されたDNAに対してデジタルPCRを行って、実施例3に記載のプライマーで23S rDNAを増幅した。
結果を測定し、ポアソン統計を使って以下の濃度が計算された:処理では148,031±7,103コピー/mL;無処理では84,964±5,171コピー/mL。Kreutz et al.「Theoretical Design and Analysis of Multivolume Digital Assays with Wide Dynamic Range Validated Experimentally with Microfluidic Digital PCR」Analytical Chemistry 2011 83:8158-8168に記載の統計的方法を使って、2e-13のp値で統計的有意差が計算された。
このように、qPCRは典型的な複写物数（3）では濃度の相違を分解できなかったが、デジタルPCRでは処理細菌DNAと無処理細菌DNAとがうまく分解された。
この実験で述べた統計的アプローチは、より広く一般に応用可能である。qPCR実験では、Cqに0.16以上の標準偏差が典型的である。この標準偏差で2つの試料間に1.25倍の分解能を達成するには、qPCRは18個の複写物を必要としうる（Weaver et al.（2010））。デジタルPCR実験におけるコンパートメントの数が1200より大きければ、同じ分解能（1.25）を、1回のデジタルPCR実験で果たすことができる（同上書）。
実施例8:複製起点に対する遺伝子のターゲットマッピング
UTI患者に関連付けられている16の利用可能なゲノム配列決定済み大腸菌株のサブセットにおいて、feoB、recA、およびDnaA阻害因子（DnaAInhibitor）タンパク質遺伝子の位置を、複製起点に対してマッピングした。結果は、FeoB遺伝子が複製起点の近傍に位置する傾向を示し、一方、recAおよびDnaA阻害因子タンパク質遺伝子は、複製起点から、より遠くに位置している（図15）。複製開始事象の結果として、feoB遺伝子は、feoB遺伝子と類似する複製起点からの距離に位置する複製起点近くの他のすべての遺伝子（例えばmalB遺伝子（GDB J01648））と一緒に、初期に複製すると予想される。
実施例9:染色体複製データの異なる時点におけるDNAマーカー
この実験では、1つの感受性UTI大腸菌単離株と1つの耐性UTI大腸菌とを2.5μg/シプロフロキサシンで15分処理した。それらの核酸をQuickExtra DNA抽出キット（Epicenter）で抽出し、rDNA（23S）、FeoB遺伝子、DnaA阻害タンパク質遺伝子、およびRecA遺伝子特異的プライマーによるqPCRで、DNAを定量した。
図16に、BHI培地中で2.5μg/mlのシプロフロキサシンに15分間曝露した後（「処理」）の感受性細菌および耐性細菌におけるUTI臨床単離株大腸菌ゲノム中のDNAフラグメントコピー数を定量するためのサイクル閾値（Ct）を示す。表2に、感受性および耐性の処理/無処理試料間での各ターゲットに関するサイクル閾値および変化倍率を記載する。
Figure 0007055020000007
感受性株において、シプロフロキサシンで処理した細胞は、抗生物質で処理されていない細胞と比較して、23S DNAに1.57倍の減少、FeoB DNAに1.33倍の減少を示し、dnaAinh DNAには変化がなく、recAには1.13倍の増加を示した。
耐性株において、シプロフロキサシンで処理した細胞は、抗生物質で処理されていない細胞と比較して、23S DNAおよびFeoB DNAには変化がなく、dnaAinh DNAに1.16倍の減少、およびrecAに1.10倍の増加を示した。
この実施例の場合、感受性単離株のゲノムでは耐性単離株と比較して少ないrDNA（23S DNA）コピー数および少ないFeoB遺伝子コピー数が観察され、一方、他の遺伝子フラグメント-複製起点からの距離が遠いdnaA阻害因子遺伝子およびrecA遺伝子については、薬剤処理細菌と無処理細菌との間で統計的に厳密な相違がなかった。
実施例10:薬剤耐性または薬剤感受性を決定するためのターゲットmRNA
本発明者らの薬剤感受性アッセイを、関心対象のターゲットを数種類使って検証する。それらにはシプロフロキサシンに対して耐性な単離株中のターゲットFeoB RNAおよびRecA RNAが含まれる。
FeoB発現はシプロフロキサシンの存在下でダウンレギュレートされる。低レベルのダウンレギュレーションではあるが、感受性の（分裂しない、または瀕死の）細菌中でダウンレギュレートされるので、無処理細胞または耐性細胞との比較で良好な分解能が保証されるであろう。
この実施例では、FeoB RNAレベルおよびRecA RNAレベルを使って、BHI培地中の2.5μg/mLシプロ（cipro）による20分の処理後に、シプロフロキサシンに対して感受性または耐性な臨床単離株である細胞を決定した。この実施例では、FeoB遺伝子およびRecA遺伝子に特異的なプライマーによるqRTPCRによってRNA定量を行った。この実施例では、抗生物質処理後に、感受性単離株において、FeoB発現がダウンレギュレートされた。同じ実験におけるRecA発現は感受性単離株において有意にダウンレギュレートされなかった。
feoBおよびrecAに関するRNA比は、抗生物質処理の20分後に、感受性UTI大腸菌単離株と耐性UTI大腸菌単離株との区別を可能にする。
ある実施例では、終夜培養物からの1つの感受性UTI大腸菌単離株と1つの耐性UTI大腸菌を温かいBHI培地で1:100希釈し（1mLに10μL）、37Cで約3～4時間成長させた。よく混合した各培養物の試料を2つずつ、抗生物質曝露アッセイ用に採取した。それらを、A）温かい（37C）BHI培地（対照）が入っているか、B）シプロフロキサシンが2.5μg/mLの濃度で添加された温かい（37C）BHI培地が入っている、前もって温めておいた1.7mL VWR微量遠心機チューブに加えた。また、温度変動を最小限に抑えるために、どのチューブのラックも前もって37℃に温めておいた。対照試料と抗生物質含有試料をどちらも37℃で20分インキュベートした。その後、試料Aおよび試料Bを直ちに氷上に置き、RLT緩衝液（Qiagen）に1/5希釈した。Qiagen RNAeasy Miniキットのカラムおよび緩衝液を使ってそれらの全核酸を抽出し、0.3U/μL RNase阻害因子Superase In（Ambion）および1μg/μL BSA（Roche）の存在下でMaxima H-RTおよびSSO fast EvaGreen PCR混合物を使って、一工程RT qPCRで分析することにより、FeoB RNAおよびRec A RNAを定量した。下記のプロットでは、耐性単離株から採取した試料をUTI Rと記し、感受性試料から採取した試料をUTI Sと記す。シプロフロキサシンの存在下でインキュベートした試料は、それらの名称に「cipro」が付されている。
図17Aおよび図17Bは、シプロフロキサシンに対して感受性（S）および耐性（R）のUTI臨床単離株におけるFeoB遺伝子発現とRecA遺伝子発現のRNA定量を、BHI培地中で2.5μg/mLのシプロフロキサシンによる20分の処理後と、抗生物質を含まないBHI培地中での20分後とを対比して示している。シプロフロキサシンに曝露された感受性細胞と比較して、無処理感受性細胞は、FeoBターゲットの発現に4.86倍の増加を示し、それが2.28サイクルの差として観察された。耐性細胞における遺伝子発現には有意な変化は観察されなかった。耐性細胞と感受性細胞はどちらもrecAの発現には有意な変化を示さなかった。
実施例11:FeoBおよびRecAのRNA発現に対するシプロフラキシン（Ciproflaxin）の効果
UTI患者からの臨床単離株を入手し、TSA血液寒天培地上で回復させた。血液寒天プレートからのコロニーを3mLのBHI培地に接種し、終夜成長させた。終夜培養物からの1つの感受性UTI大腸菌単離株と1つの耐性UTI大腸菌とを温かいBHI培地に1:100希釈し（1mLに10μL）、37Cで約3時間成長させた。よく混合した各培養物の試料を2つずつ、抗生物質曝露アッセイ用に採取した。それらを、A）温かい（37℃）BHI培地（対照）が入っているか、B）シプロフロキサシンが10μg/mLの濃度で添加された温かい（37℃）BHI培地が入っている、前もって温めておいた1.7mL VWR微量遠心機チューブに加えた。また、温度変動を最小限に抑えるために、どのチューブのラックも前もって37℃に温めておいた。対照試料と抗生物質含有試料をどちらも37℃で20分インキュベートした。その後、試料Aおよび試料Bを直ちに氷上に置き、30μLの各試料を130μLの冷RLT緩衝液（Qiagen）に加えた。Qiagen RNAeasy Miniキットのカラムおよび緩衝液を使ってそれらの全核酸を抽出し、RNase阻害因子およびBSAの存在下でMaxima H-RTおよびSSO fast EvaGreen PCR混合物を使って、一工程RT qPCRで分析することにより、FeoB RNAおよびRec A RNAを定量した。
図18は、シプロフロキサシンに対して感受性および耐性であるUTI臨床単離株におけるFeoB遺伝子発現とRecA遺伝子発現のRNA定量を、BHI培地中で10μg/mLのシプロフロキサシンによる20分の処理後と、抗生物質を含まないBHI培地中での20分後との対比で示している。結果を表3に掲載する。
Figure 0007055020000008
シプロフロキサシンで処理していない感受性細胞と比較して、処理した感受性細胞は、FeoB遺伝子の有意なダウンレギュレーションを示した。3つの異なる感受性単離株が、細胞中のこのRNAの存在に、11.88倍、4.66倍、および5.46倍の減少を示した。耐性単離株は有意な変化を示さなかった。シプロフロキサシンで処理していない感受性細胞と比較して、処理した感受性細胞は、RecA遺伝子の有意なアップレギュレーションを示した。3つの異なる感受性単離株が、細胞中のこのRNAの存在に、6.77倍、6.92倍、および6.32倍の増加を示した。耐性単離株は有意な変化を示さなかった。これらの変化のいずれかを個別に使って感受性細胞と耐性細胞とを識別することはできるが、FeoB対RecAの変化の比をとると、耐性細胞と感受性細胞との間にさらに大きな分解能が得られる。検査した感受性株が80.45、32.22、および34.54倍の変化比を示したのに対し、耐性細胞ではこの比が1.04であった。
本明細書では本発明の好ましい態様を示して説明したが、そのような態様の掲載が例示に過ぎないことは、当業者には自明であるだろう。当業者には本発明から逸脱することなく数多くの変形、変更、および置換が思い浮かぶようになったであろう。本発明を実施する際には、本明細書に記載した発明の態様に代わるさまざまな代替態様を使用できることを理解すべきである。下記請求項は本発明の範囲を規定するものであり、これらの請求項の範囲に含まれる方法および構造、ならびにそれらの均等物は、下記請求項によって包含される。

Claims (14)

  1. 細菌の集団における抗生物質に対する耐性または感受性を決定するための方法であって、
    細菌の集団の第1部分からのターゲット分子を含む第1試料および該細菌の集団の第2部分からのターゲット分子を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が抗生物質で処理されており、第2部分が抗生物質で処理されておらず、かつ、該ターゲット分子が23S rDNAまたはfeoB遺伝子である、該工程;
    第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;
    第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程であって、前記反応後に、閾値数のターゲット分子が、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、工程;ならびに
    検出の結果を分析して、細菌の集団における抗生物質に対する耐性または感受性を決定する工程
    を含む、方法。
  2. 閾値数が0、1、2、3、4、または5より大きい、請求項1記載の方法。
  3. 分析領域への各試料の分布が、分析領域の少なくとも一部はターゲット分子を有さず、分析領域の少なくとも一部は1つのターゲット分子しか有さないように達成される、請求項1または2記載の方法。
  4. 前記反応が核酸増幅を含む、請求項1～3のいずれか一項記載の方法。
  5. 核酸増幅が本質的に等温である、請求項4記載の方法。
  6. ターゲット分子がターゲット分子の配列に相補的なプライマーを含む増幅反応によって増幅される、請求項4または5記載の方法。
  7. 前記試薬が複数の試薬領域に配置され、かつ接触させる工程が、該複数の試薬領域を第1または第2の複数の分析領域と流体連通状態に置くことによって達成される、請求項1～6のいずれか一項記載の方法。
  8. 接触させる工程が、試薬領域を含む基材と第1および第2の複数の分析領域を含む基材との間の相対的運動を達成する工程を含む、請求項7記載の方法。
  9. 第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおける閾値数のターゲット分子の存在または非存在の検出が、抗生物質への第1試料の曝露の終了後、45分未満、30分未満、15分未満、または10分未満で行われる、請求項1～8のいずれか一項記載の方法。
  10. 第1試料からの細菌が、2時間を超えない、1時間を超えない、45分を超えない、30分を超えない、15分を超えない、または10分を超えない期間にわたって抗生物質で処理されたものである、請求項1～9のいずれか一項記載の方法。
  11. 第1の複数の分析領域および第2の複数の分析領域がそれぞれ少なくとも10、20、30、40、または50個の分析領域を含む、請求項1記載の方法。
  12. 細菌の集団における抗生物質に対する耐性または感受性を決定する方法であって、
    細菌の集団を複数のクローン単離領域に分布させる工程であって、クローン単離領域の少なくとも一部がそれぞれ単一の単離された細菌を含有すると統計的に見積もられるように、該分布が達成される、該工程;
    複数のクローン集団が生じるように、単一の単離された細菌のそれぞれを拡大する工程;
    複数のクローン集団のそれぞれを、複数の処理領域からの少なくとも1つの処理領域および複数の対照領域からの少なくとも1つの対照領域に分布させる工程;
    第1の複数の処理領域を抗生物質と接触させ、複数の対照領域は抗生物質と接触させない工程;
    第1の複数の処理領域のそれぞれおよび複数の対照領域のそれぞれについて、各クローン集団からの1つまたは複数のターゲット分子を相異なる複数の分析領域に分布させる工程であって、該ターゲット分子が23S rDNAまたはfeoB遺伝子である、工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出するための反応を行うために、分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分子の存在または非存在を検出する工程であって、前記反応後に、閾値数のターゲット分子が、相異なる複数の分析領域の一部に検出され、相異なる複数の分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、工程;ならびに
    検出の結果を分析して、複数のクローン集団の少なくとも一部における抗生物質に対する耐性または感受性を決定する工程
    を含む、方法。
  13. 細胞の集団における薬剤に対する耐性または感受性を決定するための方法であって、
    細胞の集団の第1部分からのターゲット分析物を含む第1試料および該細胞の集団の第2部分からのターゲット分析物を含む第2試料を用意する工程であって、第1部分が薬剤で処理されており、第2部分が薬剤で処理されておらず、かつ、ターゲット分析物が23S rDNAまたはfeoB遺伝子である、該工程;
    第1試料を複数の第1分析領域に分布させる工程;
    第2試料を複数の第2分析領域に分布させる工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出するための反応を行うために、第1分析領域および第2分析領域のそれぞれを試薬と接触させる工程;
    第1分析領域および第2分析領域のそれぞれにおいて閾値数のターゲット分析物の存在または非存在を検出する工程であって、前記反応後に、閾値数のターゲット分析物が、第1分析領域および第2分析領域の一部に検出され、第1分析領域および第2分析領域の一部には検出されないように、分析領域への各試料の分布が達成される、工程;ならびに
    検出の結果を分析して、細胞の集団における薬剤に対する耐性または感受性を決定する工程
    を含む、方法。
  14. インキュベーションモジュール、試料調製モジュール、およびデジタル定量モジュールを含み、各モジュールを他のモジュールと流体連通状態に置くように構成することができる、請求項1～13のいずれか一項記載の方法を用いて試料を処理するためのデバイスであって、
    インキュベーションモジュールが生物を薬剤と共にインキュベートするように構成されたインキュベーションチャンバーを含み、試料調製モジュールが該生物からターゲット分析物を抽出するように構成されており、デジタル定量モジュールが反応エリアにおける該ターゲット分析物の存在または非存在のデジタル検出を行うように構成された複数の反応エリアを含む、該デバイス。
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