JP7252899B2 - 複雑な試料処理の為の自動ポイント・オブ・ケア装置及びその使用方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年12月1日に提出の米国仮特許出願第62/428,976号に対する優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、試料調製のための装置、分析、および方法、統合されたサンプル・トウ・アンサ型マイクロ流体装置における核酸増幅及び検出に関する。この分析は、単純な設計であり、最小限の実施時間及び装置要件でエンドユーザが実行できる。典型的な手動試料調製プロトコルは、複数のピペッティング/流体移動及びビーズ捕獲/再懸濁工程を含み、結合、洗浄及び溶出サイクルを実施して最終容量の溶離液中の最終生成物として精製されたDNAを得る。
本明細書では、例示的なサンプル・ツー・アンサ型NAATは、サーボモータ又はステッパモータ、巻取スプリング、ハンドクランク又はユーザの指による作動等の回転運動を提供する単一のアクチュエータを使用するマイクロ流体分析自動化プラットフォームについて説明する。巻取スプリング機構は、低資源環境における用途に特に有利な、電気/電池電力を使用しないで、分析を自動化する機能を提供する。しかしながら、サーボモータやステッパモータ等のモータは、安価であり、システムの動作を制御しやすい。システムは、分析及び分析操作シーケンスのタイプによって、異なる方法及び工程を組み込む様に構成してもよい。
1.未処理の生物学的試料をピペットで取り出し、試料入口ポートを通してカートリッジに滴下するか、又は注入する。
2.カートリッジは、アクチュエータ要素、モータ、電子機器及びディスプレイを具備する手持ち式機器に挿入する。
3.機器の蓋を閉じ、試験を開始する。
システムは、分析の種類、試料に必要な生物学的試料及び試料処理工程、並びに分析操作シーケンスに応じて、異なる方法及び工程を組み込む様に構成してもよい。例示として、泌尿生殖器スワブ又は口腔スワブの様なスワブ試料にNAATを実行する為の操作シーケンスを説明する。スワブは、採取されたスワブ試料から細胞を抽出する為にバッファ中で発現される。次いで、試料を、マイクロ流体カートリッジに移し、そこで、溶解/結合ウェル402中に存在する乾燥した溶解バッファ試薬を水和する。未処理の試料中の細胞を溶解する。次いで、機器の蓋を閉じる。この実施形態では、蓋を閉じる事により、プランジャ303を押下する作動力と、保存された試薬袋からの試薬とが、夫々のウェル内に分配される。操作が成功している時には、懸濁液及び結合バッファ中の磁気ビーズは、未処理の試料溶解物を含む溶解/結合ウェル中に分配され、洗浄バッファは、洗浄ウェル403中に分配され、水和バッファは、凍結乾燥増幅混合物を含む増幅ウェル404中に分配され、鉱油は、ウェル上に連続的なオーバーレイを形成して分配され、一次流体チャネル305を充填し、そして流体回路を完成する。カートリッジ上に存在する係止かえし付きピンは、プランジャ要素をマイクロ流体カートリッジ上にその押下位置に保持し、逆流を防止し、アクチュエータ要素間のマイクロ流体カートリッジの円滑な回転を妨げる事を防止する。
スワブは、生物学的試料収集装置として主に使用される。コパン・フロックスワブ(COPAN FLOQSwabs)(商標)の様なスワブは、試料全体が迅速かつ完全な溶出の為に表面の近くに留まる様に操作されるが、物理的力は、試料の移送媒体又はバッファへの溶出を最大にする為に使用する必要がある。典型的には、輸送媒体中のスワブを激しく回転する事による手動撹拌、又はボルテックスを検査室で使用して、スワブから溶液への試料の溶出を最大にする。スワブを手動で発現させ、次いで試料を含む溶液をピペットで取り出し、分析のタイプに応じて更に処理する。
工程2-プランジャを引っ込め、これにより、溶出した試料を、シリンジバレルの溝付き窪み内に存在する乾燥した形態に保存された試薬に、容器から導入する。
工程3-シリンジを容器上のクイック接続具から取り外し、スワブを備えた容器を廃棄する。
工程4-シリンジを、マイクロ流体カートリッジ上のクイック接続試料入口ポートに接続し、プランジャを押下して試料をマイクロ流体カートリッジ内に移送する。
図9A及び9Bを参照すると、例示的な試料処理ユニットの斜視図及び分解図が夫々示されている。試料処理ユニットは、試料収集容器902と、所定の正確なタイミングシーケンスで容器902内の試料への自動化された連続的な試薬送達を容易にする蓋アクチュエータ903とを含む。図9Bは、連続的に試薬送達システムとしての蓋アクチュエータ903の機能構成要素を示す例示的な試料処理ユニットの概略分解図である。この例示的な実施形態では、蓋アクチュエータは、以下のものを含む。試薬パレット905を含む固有の試薬分注ユニットと、乾燥、液体又はゲル化された形態で保存された試薬を含む、1つ以上の試薬袋904と、1個以上の回転作動要素907であって、空間的に配向された機械要素906は、これらに限定されないが、回転アクチュエータ要素907が試薬パレット905に近接して回転する時に、正確なタイミングシーケンスで試料収集容器902内に内容物を分配する様に試薬袋904を作動させる様に機能する、突起、弁、隆起等を含む。幾つかの実施形態では、試薬は、試薬分注導管908から試料収集容器902内へと案内される。幾つかの実施形態では、試薬は、力又は重力の下で、試料収集容器の中に分注される。幾つかの実施形態では、試料処理ユニットは、巻取スプリング、モータ等の回転運動を提供する為の機構を含む。幾つかの実施態様において、試薬分注ユニットは、ユーザの指によって手動で作動されてもよい。
製造業者は、40μlの電荷スイッチ(登録商標)磁気ビーズ及び300μlの提供された結合バッファを、600μlの細菌細胞溶解物に添加する為のプロトコルを提供した。本明細書に記載される自動化されたマイクロ流体装置上でこのプロトコルを実施する為に、600μlの細胞溶解物は、最初に、分注スポイト又はシリンジを使用して、マイクロ流体装置上の反応チャンバに分配される。流通試薬袋は、40μlの磁気ビーズを含む。システム内の総デッドボリューム(すなわち、粉砕された流通試薬袋、流体導管及び粉砕された移動試薬袋に残っている容積)を60μlと仮定すると、移動試薬袋は、デッドボリュームによる損失を相殺する為に360μlの結合バッファを含む。このデッドボリュームは、マイクロ流体装置の設計に固有であり、装置の幾何学的形状から容易に計算する事ができ、実験的方法を用いて確認する事ができる。作動力が加えられると、フランジブルシールは破裂されるので、結合バッファは、磁気ビーズを含む流通試薬袋に入る。流通試薬袋に入る時の結合バッファの乱流は、保存により沈降し得る磁気ビーズの再懸濁を開始する。結合バッファ中の再懸濁された磁気ビーズの生成物は、次に、出口流体導管1309を通して細胞溶解物を含む反応チャンバに入り、結合プロトコルを完了する。
幾つかの実施形態では、油で満たされた試薬袋を使用して、作動力の適用時に分配可能な油相を保存する事ができる。しかしながら、試薬袋は、製造及び充填が非常に困難であり、デッドエアゾーンなしでは密封する事が困難である。袋内のデッドエアに対する一般的な製造公差は、全袋容積の10%から20%程度でよい。特に、粘性油相試薬では、閉じ込められた空気は、油相中に気泡を発生する事があり、これは、非混和油相中又は混和性水溶性油相と非混和性油相との間での磁性粒子の移動に関する再現性の論点及び問題に繋がる。加えて、分配中の試薬袋からの油相の流れは乱流である場合もあり、油相が各反応ウェル及び一次チャネルを満たす時に、マイクロ流体装置内にエアポケットを形成する事もある。更に、本明細書の別の固有の実施形態では、層流を促進する為にチャネル及びウェル幾何学形状を最適化する事によって、並びに液体が漏れない様に捕捉された空気を選択的に放出する微孔性疎水性/疎油性PTFE膜等のインライン脱泡機構を実施する事によって、システム内に気泡が形成される事を防止する事が説明される。この固有の実施形態では、滑らかな層流が、油相の圧力ヘッドを利用する事によって生成される。これは、脱泡機構を使用する事によってシステムを複雑化する事なく、一次チャネル内に完全な気泡を含まない油相を作り出す為に、最適化されたチャネル及びウェルの幾何学的形状で補う事ができる。圧力ヘッドに基づくアプローチでは、分注中にフランジブルシールを破裂させる事によって流体の流れを生成できる様にする為の通気穴が必要である。更に、空気は、油相を変位させるにはあまりにも軽いので、油相容器内の空気の存在によって影響されない。
1.試料は、カートリッジ内に注入されるか、又は試料入口を介して分配される。
2.カートリッジは機器内に挿入され、蓋は閉じられる。蓋を閉じる事により、試薬カード及び油分注システムのフランジブルシールを破裂させる為の作動力が与えられる。
3.ユーザは、磁気ビーズベースの試料処理及び増幅シーケンスを開始する為にボタンを押す事によって開始コマンドを入力する。
4.結果は、試験が完了した後に側方流動片上に表示される。
本明細書では特定の用語を使用するが、これらは一般的かつ記述的な意味でのみ使用されるものであり、限定する目的では使用されるものではない。特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本明細書に記載された本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。
〔付記1〕
試薬分注ユニットを備えるマイクロ流体装置であって、前記試薬分注ユニットは、
1つ以上の試薬及びフランジブルシール層を備える少なくとも1つの試薬袋と、
作動力が前記試薬分注ユニットに加えられた時に、前記フランジブルシール層を破裂させ、前記1つ以上の試薬を前記マイクロ流体装置に送達する様に構成された少なくとも1つのプランジャ及び少なくとも1つの鋭利な物体又は突起と、を備えるマイクロ流体装置。
〔付記2〕
前記マイクロ流体装置が、更に、
少なくとも1つの入口導管と、
少なくとも1つの試薬ウェルと、
少なくとも1つの廃棄物ウェルとを備え、
前記入口導管、前記試薬ウェル、及び前記廃棄物ウェルは、フランジブルシールと前記入口導管との間に界面が存在する様に流体接続されて構成され、作動力が前記試薬分注ユニットに加えられ、前記試薬ウェルからオーバーフローする過剰試薬が前記廃棄物ウェルに集められると、1つ以上の試薬が前記入口導管を介して前記試薬ウェルに送達される付記1に記載のマイクロ流体装置。
〔付記3〕
少なくとも2つの試薬が、別個の袋にパッケージされる付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記4〕
少なくとも2つの試薬が、単一の袋内に一緒にパッケージされる付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記5〕
1つの試薬は水性試薬であり、1つの試薬は非水性非混和性試薬である付記4に記載のマイクロ流体装置。
〔付記6〕
前記水性試薬は、フランジブルシールと入口導管との間の界面に最も近い付記5に記載のマイクロ流体装置。
〔付記7〕
前記非水性非混和性試薬は、前記水性試薬よりも低密度であり、前記水性試薬の上に浮遊し、それによって前記水性試薬の上部に非混和性層を形成する付記5に記載のマイクロ流体装置。
〔付記8〕
前記水性試薬は、前記非水性非混和性試薬よりも低密度であり、前記非水性非混和性試薬の上に浮遊し、それによって、前記非水性非混和性試薬の上部に水性層を形成する付記5に記載のマイクロ流体装置。
〔付記9〕
作動力が試薬分注ユニットに加えられると前記水性試薬が、最初に入口導管から流出し、試薬ウェルに流入し、その後、前記非水性非混和性試薬を流入する付記5に記載のマイクロ流体装置。
〔付記10〕
前記プランジャを押下位置にロックする様に構成されたロック機構を備える事により試薬の前記試薬袋内への逆流を防止する付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記11〕
前記ロック機構は、作動力の印加中に前記袋を押下し易くする方向への前記プランジャの動きを制限する様に構成されたロック孔内のかえし付きピンを備えた付記10に記載のマイクロ流体装置。
〔付記12〕
互いに接続され、一次チャネルを介して1つ以上の試薬分注ユニットに接続される2つ以上の試薬ウェルを備える付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記13〕
作動シーケンスの終わりに、前記試薬ウェルが水性試薬で充填され、非水性流体で充填された前記一次チャネルを介して互いに接続される様に構成される付記12に記載のマイクロ流体装置。
〔付記14〕
作動シーケンスの終わりに、非混和性油相が前記流体ウェル内の水性試薬を覆って形成され、前記流体ウェル内の水性試薬が、油相によって互いに分離されるが、シーケンス中は流体接続されて流体回路を形成する様に構成された付記12に記載のマイクロ流体装置。
〔付記15〕
フランジブルシールによって前記流体ウェルへの入口導管から分離された複数の試薬袋と、作動後にプランジャを押下位置に係止ロックするロックピンを有する一体化されたプランジャ要素を備える事により、前記試薬袋内への試薬の逆流を防止する付記12に記載のマイクロ流体装置。
〔付記16〕
前記プランジャは、同じ瞬間に全ての前記試薬袋と接触して、単一の作動工程と平行して前記試薬袋から全ての前記試薬を押下して放出する様に構成された付記15に記載のマイクロ流体装置。
〔付記17〕
前記プランジャが、様々な深さを有する空間的に配向された突起を備え、好ましいシーケンスにおいて所望の試薬袋と接触して前記プランジャが押下されると前記マイクロ流体装置へ連続的に試薬送達し易くする様に構成された付記15に記載のマイクロ流体装置。
〔付記18〕
試料を前記マイクロ流体装置内に注入する事ができる試料入口ポートを更に備える付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記19〕
前記試料入口ポートは、1以上のフィルタ膜を更に備えた付記18に記載のマイクロ流体装置。
〔付記20〕
上部アクチュエータ要素と底部アクチュエータ要素との間で回転する様に構成されたマイクロ流体カートリッジを更に含み、前記上部及び底部アクチュエータ要素は、空間的に配向された磁石を備え、マイクロ流体カートリッジを上部及び底部アクチュエータ要素の間で回転させる事を含む単一の作動ステップにおいて、前記空間的に配向された磁石は、異なる試薬ウェル間の磁気ビーズを捕獲し、再懸濁し、そして搬送する付記2に記載のマイクロ流体装置。
〔付記21〕
前記上部アクチュエータ要素は、分析シーケンス中に所定の時間で前記マイクロ流体カートリッジと接触し、前記試薬袋内の鋭利な物体又は突起を作動させて前記フランジブルシール層を破裂させ、側方流動片に増幅した物質を送達するように構成された突起を備え、前記底部アクチュエータ要素は、核酸の等温又はポリメラーゼ連鎖反応(PCR)に基づく増幅に安定な単一温度熱又は熱サイクルを提供する様に構成された空間的に配向されたヒータ素子を1つ以上含む付記20に記載のマイクロ流体装置。
〔付記22〕
前記空間的に配向されたヒータ素子は、熱サイクルを提供する様に構成され、前記マイクロ流体カートリッジは、一定の単一温度に夫々設定される複数のヒータ素子間で周期的に回転し、それにより、増幅ウェルは、所望のサイクル時間の間、所望のヒータ素子に接触するか、又は近接する付記21に記載のマイクロ流体装置。
〔付記23〕
試料収集容器及び試料処理ユニットを備える試料抽出装置であって、前記試料収集容器は、スワブヘッドを有するスワブと、スクリュートップ蓋に取り付けられたスワブシャフトとを備え、前記試料収集容器は、前記蓋と合うねじ山を備え、前記試料収集容器は、前記スワブが前記容器内に挿入されると、前記スワブは、前記スワブヘッドと接触し、前記スワブヘッドを洗浄する1つ以上の突起を有する洗浄インサートと接触し、前記蓋が閉じられる様に構成される試料抽出装置。
〔付記24〕
前記洗浄インサートは、前記インサート内で引っ張られると前記スワブヘッドと接触する様に空間的に配向された複数の剛毛を備えた付記23に記載の試料抽出装置。
〔付記25〕
前記洗浄インサートは、機械的要素を備えた付記23に記載の試料抽出装置。
〔付記26〕
前記機械的要素は、隆起部又はOリングを備えた付記25に記載の試料抽出装置。
〔付記27〕
前記容器は、1以上のフィルタ膜を備えた付記25に記載の試料抽出装置。
〔付記28〕
前記容器は、取外し可能な試料処理ユニットに接続される迅速接続コネクタを備えた付記25に記載の試料抽出装置。
〔付記29〕
前記取り外し可能な試料処理ユニットが、バレル及びプランジャ及びプランジャチップを備えるシリンジである付記28に記載の試料抽出装置。
〔付記30〕
前記シリンジは、保存された試薬を含む1つ以上の溝付き凹部を備えた付記29に記載の試料抽出装置。
〔付記31〕
前記溝付き凹部は、前記プランジャチップが引き抜かれる時に前記保存された試薬が連続的に試料に導入される様に空間的に配向される付記30に記載の試料抽出装置。
〔付記32〕
試料処理ユニットであって、
試料収集容器と、
所定のタイミングシーケンスで前記容器内の試料への自動化された連続的な試薬送達の為に構成された蓋アクチュエータと、を備え、
前記蓋アクチュエータは、
保存された試薬を含む1つ以上の試薬袋を備える試薬パレットを備えた試薬分注ユニットと、
回転アクチュエータ要素が前記試薬パレットの近傍で回転する時に、所定のタイミングシーケンスで前記試料収集容器内に内容物を分配する様に前記試薬袋を作動させるよう構成された空間的に配向された機械要素を備える1つ以上の回転作動要素を備えた試料処理ユニット。
〔付記33〕
前記回転作動要素は、回転運動を提供する為の機構を備えた付記32に記載の試料処理ユニット。
〔付記34〕
前記回転運動を提供する為の前記機構は、巻取スプリングである付記33に記載の試料処理ユニット。
〔付記35〕
前記回転作動要素は、ユーザの指によって手動で作動する様に構成された付記32に記載の試料処理ユニット。
〔付記36〕
前記回転作動要素は、前記試薬パレット上の前記試薬袋と干渉してそれらを作動させ、それらの内容物を所定のシーケンスで分配する、1つ以上の空間的に配向された機械要素を含む回転シャフトを備えた付記32に記載の試料処理ユニット。
102 非水性非混和性試薬
103 水性試薬
104 フランジブルシール層
105 鋭利な物体
106 プランジャ要素
108 マイクロ流体装置
Claims (19)
- 試薬分注ユニットを備えるマイクロ流体装置であって、前記試薬分注ユニットは、
1つの試薬コンパートメントを備えると共に、さらに前記1つの試薬コンパートメント内に一緒にパッケージされる少なくとも2つの試薬及びフランジブルシール層を備える少なくとも1つの試薬袋と、
作動力が前記少なくとも1つの試薬袋に加えられた時に、前記フランジブルシール層を破裂させ、前記少なくとも2つの試薬を前記マイクロ流体装置に送達する様に構成された少なくとも1つのプランジャ及び少なくとも1つの鋭利な物体又は突起と、を備え、
前記少なくとも2つの試薬は、少なくとも1つの水性試薬と、少なくとも1つの非水性非混和性試薬とを含む、
マイクロ流体装置。 - 前記マイクロ流体装置が、更に、
少なくとも1つの入口導管と、
少なくとも1つの試薬ウェルと、
少なくとも1つの廃棄物ウェルとを備え、
前記入口導管、前記試薬ウェル、及び前記廃棄物ウェルは、フランジブルシールと前記入口導管との間に界面が存在する様に流体接続されて構成され、作動力が前記少なくとも1つの試薬袋に加えられ、前記試薬ウェルからオーバーフローする過剰試薬が前記廃棄物ウェルに集められると、前記少なくとも2つの試薬が前記入口導管を介して前記試薬ウェルに送達される請求項1に記載のマイクロ流体装置。 - 前記水性試薬は、フランジブルシールと入口導管との間の界面に最も近い請求項2に記載のマイクロ流体装置。
- 前記非水性非混和性試薬は、前記水性試薬よりも低密度であり、前記水性試薬の上に浮遊し、それによって前記水性試薬の上部に非混和性層を形成する請求項1に記載のマイクロ流体装置。
- 前記水性試薬は、前記非水性非混和性試薬よりも低密度であり、前記非水性非混和性試薬の上に浮遊し、それによって、前記非水性非混和性試薬の上部に水性層を形成する請求項1に記載のマイクロ流体装置。
- 作動力が前記少なくとも1つの試薬袋に加えられると前記水性試薬が、最初に入口導管から流出し、試薬ウェルに流入し、その後、前記非水性非混和性試薬を流入する請求項1に記載のマイクロ流体装置。
- 前記プランジャを押下位置にロックする様に構成されたロック機構を備える事により試薬の前記試薬袋内への逆流を防止する請求項1に記載のマイクロ流体装置。
- 前記ロック機構は、作動力の印加中に前記袋を押下し易くする方向への前記プランジャの動きを制限する様に構成されたロック孔内のかえし付きピンを備えた請求項7に記載のマイクロ流体装置。
- 2つ以上の試薬袋と、一次チャネルを介して互いに接続される2つ以上の試薬ウェルと、を備える請求項2に記載のマイクロ流体装置。
- 前記2つ以上の試薬袋の作動後、前記試薬ウェルが水性試薬で充填され、非水性流体で充填された前記一次チャネルを介して互いに接続される様に構成される請求項9に記載のマイクロ流体装置。
- 前記2つ以上の試薬袋の作動後、非混和性油相が前記試薬ウェル内の水性試薬を覆って形成され、前記試薬ウェル内の水性試薬が、油相によって互いに分離されるが、シーケンス中は流体接続されて流体回路を形成する様に構成された請求項9に記載のマイクロ流体装置。
- フランジブルシールによって前記試薬ウェルへの入口導管から分離された複数の試薬袋と、作動後にプランジャを押下位置に係止ロックするロックピンを有する一体化されたプランジャ要素を備える事により、前記試薬袋内への試薬の逆流を防止する請求項9に記載のマイクロ流体装置。
- 前記プランジャは、同じ瞬間に全ての前記試薬袋と接触して、単一の作動工程と平行して前記試薬袋から全ての前記試薬を押下して放出する様に構成された請求項12に記載のマイクロ流体装置。
- 前記プランジャが、様々な深さを有する空間的に配向された突起を備え、好ましいシーケンスにおいて所望の試薬袋と接触して前記プランジャが押下されると前記マイクロ流体装置へ連続的に試薬送達し易くする様に構成された請求項12に記載のマイクロ流体装置。
- 試料を前記マイクロ流体装置内に注入する事ができる試料入口ポートを更に備える請求項2に記載のマイクロ流体装置。
- 前記試料入口ポートは、1以上のフィルタ膜を更に備えた請求項15に記載のマイクロ流体装置。
- 上部アクチュエータ要素と底部アクチュエータ要素との間で回転する様に構成されたマイクロ流体カートリッジを更に含み、前記上部及び底部アクチュエータ要素は、空間的に配向された磁石を備え、マイクロ流体カートリッジを上部及び底部アクチュエータ要素の間で回転させる事を含む単一の作動ステップにおいて、前記空間的に配向された磁石は、異なる試薬ウェル間の磁気ビーズを捕獲し、再懸濁し、そして搬送する請求項2に記載のマイクロ流体装置。
- 前記上部アクチュエータ要素は、分析シーケンス中に所定の時間で前記マイクロ流体カートリッジと接触し、前記試薬袋内の鋭利な物体又は突起を作動させて前記フランジブルシール層を破裂させ、側方流動片に増幅した物質を送達するように構成された突起を備え、前記底部アクチュエータ要素は、核酸の等温又はポリメラーゼ連鎖反応(PCR)に基づく増幅に安定な単一温度熱又は熱サイクルを提供する様に構成された空間的に配向されたヒータ素子を1つ以上含む請求項17に記載のマイクロ流体装置。
- 前記空間的に配向されたヒータ素子は、熱サイクルを提供する様に構成され、前記マイクロ流体カートリッジは、一定の単一温度に夫々設定される複数のヒータ素子間で周期的に回転し、それにより、増幅ウェルは、所望のサイクル時間の間、所望のヒータ素子に接触するか、又は近接する請求項18に記載のマイクロ流体装置。
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