JP7451198B2

JP7451198B2 - 検体検査装置及び検体検査方法

Info

Publication number: JP7451198B2
Application number: JP2020016033A
Authority: JP
Inventors: 明日香平野; 一郎東野
Original assignee: Canon Medical Systems Corp
Current assignee: Canon Medical Systems Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2024-03-18
Anticipated expiration: 2040-02-03
Also published as: JP2021122197A

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、検体検査装置及び検体検査方法に関する。

従来、被検者から採取した試料に含まれる標的物質について、抗原抗体反応を利用して分析する検体検査装置が知られている。このような検体検査装置は、例えば、標的物質（抗原）と特異的に結合する抗体が固定された磁性微粒子と、標的物質と特異的に結合する抗体が固定された光導波路センサと、磁場を発生させる磁場印加部とを有し、抗原抗体反応によって標的物質を光導波路センサ表面に結合させ、標的物質が結合した後の光導波路センサを介して受光した光の光量に基づいて測定を行う。これにより、検体検査装置は、被検者から採取した試料中の標的物質の有無を簡易に検査することができる。

また、被検者から採取した試料に含まれる核酸の塩基配列に基づく、遺伝的な特徴を利用した遺伝子検査が知られている。このような遺伝子検査では、例えば、標的核酸に含まれる特定の塩基配列をもとにした標的核酸の増幅反応を行うことで、被検者から採取した試料中の標的核酸の有無を検査することができる。核酸の増幅反応としては、例えば、ＰＣＲ（Polymerase Chain Reaction）法や、Ｌａｍｐ（Loop-Mediated Isothermal Amplification）法などが知られている。

特許第４６８３８１１号特許第５１６５１７７号

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、試料中の核酸の検出を迅速に行うことである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係る検体検査装置は、反応容器内に収容された試料の検査を行う検体検査装置であって、制御部と、検出部材と、計測部とを備える。制御部は、前記反応容器内に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御する。検出部材は、前記増幅反応によって生成された副産物と結合する複数のリンカーが表面に固定される。計測部は、前記検出部材への前記副産物の結合状態を計測する。

図１は、第１の実施形態に係る検体検査装置の構成の一例を示す図である。図２Ａは、第１の実施形態に係る検査カートリッジの一例を示す図である。図２Ｂは、第１の実施形態に係る検査カートリッジの一例を示す図である。図３は、第１の実施形態に係る核酸の検出方法を説明するための図である。図４は、第１の実施形態に係るピロリン酸塩の生成の一例を説明するための図である。図５は、第１の実施形態に係る計測機能によって計測された光強度の変化をグラフとして表した一例を示す図である。図６は、第１の実施形態に係る検体検査装置による処理の手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、検体検査装置及び検体検査方法の実施形態について詳細に説明する。また、本願に係る検体検査装置及び検体検査方法は、以下に示す実施形態によって限定されるものではない。また、実施形態は、内容に矛盾が生じない範囲で他の実施形態や従来技術との組み合わせが可能である。また、以下の説明において、同様の構成要素には共通の符号を付与するとともに、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
本実施形態に係る検体検査装置は、試料を収容する反応容器（検査カートリッジ）を用いて検査を行う検体検査装置であり、試料中の核酸の検出を迅速に行うことを可能にする。具体的には、本実施形態に係る検体検査装置は、核酸の増幅反応によって生成された副産物を、金属イオンを介して反応容器内の検出部材に結合させ、副産物の結合状態に基づいて、反応容器内の副産物に関する計測を行うことで、試料中の核酸の検出を迅速に行うことを可能にする。

ここで、第１の実施形態では、試料に含まれる核酸の検出に、抗原抗体反応を利用して標的物質を分析する検体検査装置を用いる例について説明する。上述したように、このような検体検査装置は、例えば、標的物質（抗原）と特異的に結合する抗体を用いた抗原抗体反応によって標的物質を光導波路センサ表面に結合させ、抗原が結合した後の光導波路を介して受光した光の光量に基づいて検査を行う。また、この検体検査装置は、抗原抗体反応を促進させるための温度調整機能を有する。

そこで、第１の実施形態では、検体検査装置のこれらの機能を応用して、核酸の検出を行う。まず、検体検査装置全体について説明する。図１は、第１の実施形態に係る検体検査装置１の構成の一例を示す図である。

図１に示すように、検体検査装置１は、第１の磁場印加部１０と、第２の磁場印加部１１と、保持部を有するマウント２０と、温度調整部３０と、光源４１と、受光素子４２と、入力インターフェース６０と、ディスプレイ７０と、メモリ８０と、処理回路９０とを有する。そして、検体検査装置１は、マウント２０に保持された検査カートリッジ５０を対象として検査を行う。

第１の磁場印加部１０は、処理回路９０による制御のもと、磁場を生成し、生成した磁場を検査カートリッジ５０内のセンシングエリアに印加することで、センシングエリア内の磁性微粒子の位置を変化させる。例えば、第１の磁場印加部１０は、検査カートリッジ５０に磁場を印加することで、第１の磁場印加部１０側の方向に磁性微粒子を移動させる。

第２の磁場印加部１１は、処理回路９０による制御のもと、磁場を生成し、生成した磁場を検査カートリッジ５０内のセンシングエリアに印加することで、センシングエリア内の磁性微粒子の位置を変化させる。例えば、第２の磁場印加部１１は、検査カートリッジ５０に磁場を印加することで、第２の磁場印加部１１側の方向に磁性微粒子を移動させる。

なお、第１の磁場印加部１０及び第２の磁場印加部１１は、検査カートリッジ５０が抗原抗体反応を利用した標的物質（抗原）の分析を行うものである場合に、それぞれ磁場を生成するものであり、核酸の検出においては制御されず、磁場を発生させない。

マウント２０は、第１の磁場印加部１０と第２の磁場印加部１１との間に配置され、検査カートリッジ５０を保持する。具体的には、マウント２０は、検査カートリッジを固定保持するための保持部を有し、保持部に装着された検査カートリッジ５０を保持する。

温度調整部３０は、検査カートリッジ５０内に注入された試料の温度を調整する。例えば、温度調整部３０は、図１に示すように、マウント２０上に搭載される。ここで、温度調整部３０は、検査カートリッジ５０と温度調整部３０とを接触または近接させる抵抗加熱（ジュール熱）や誘導加熱（電磁誘導）、或いは、検査カートリッジ５０と温度調整部３０とを非接触とする誘電加熱や赤外線加熱などによって実現することができる。

また、温度調整部３０は、温度が設定温度となるように出力を調整することもできる。例えば、温度調整部３０は、温度センサを有し、温度センサによって取得される温度が設定温度となるように、出力を調整する。なお、温度調整部３０は、試料の温度を直接調整しても、あるいは反応容器（検査カートリッジ５０）の温度を調整することで結果として試料の温度を調整してもよい。

例えば、温度調整部３０は、核酸の増幅に適した温度に検査カートリッジ５０内の試料の温度を調整することができる。なお、温度調整部３０は、抗原抗体反応においても温度を調整することで、抗原抗体反応の効率をあげることができる。

光源４１は、処理回路９０による制御のもと、検査カートリッジ５０に向けて光を出射する。例えば、光源４１は、発行ダイオード（ＬＥＤ）や、レーザダイオード（ＬＤ）である。受光素子４２は、検査カートリッジ５０からの光を受光し、光強度を測定する。受光素子１１１は、例えば、フォトダイオードである。

入力インターフェース６０は、検体の選択や、数値の入力、モードの切り替え等を行うための操作を受け付ける。例えば、入力インターフェース６０は、設定温度の入力操作を受け付ける。入力インターフェース６０は、スイッチ、ボタン、操作面へ触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一体化されたタッチモニタ、光学センサを用いた非接触入力回路、及び音声入力回路等によって実現される。入力インターフェース６０は、処理回路９０に接続されており、操作者から受け付けた入力操作を電気信号へ変換し処理回路９０へと出力する。

ディスプレイ７０は、検査者が入力インターフェース６０を用いて各種設定要求を入力するためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示したり、検体検査装置１における表示情報等を表示したりする。また、ディスプレイ７０は、検体検査装置１の処理状況や処理結果を操作者に通知するために、各種のメッセージや表示情報を表示する。

メモリ８０は、処理回路９０に接続されており、各種のデータを記憶する。具体的には、メモリ８０は、検体検査装置１によって実行される各種処理に用いられるデータ及び処理結果などを記憶する。例えば、メモリ８０は、核酸の増幅反応の反応条件や、核酸の増幅反応によって生成した副産物の解析結果などを記憶する。

また、メモリ８０は、処理回路９０が読み出して実行することで各種機能を実現するための種々のプログラムを記憶する。例えば、メモリ８０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子や、ハードディスク、光ディスク等によって実現される。

処理回路９０は、入力インターフェース６０を介して操作者から受け付けた入力操作に応じて、検体検査装置１の動作を制御する。例えば、処理回路９０は、プロセッサによって実現される。図１に示すように、処理回路９０は、制御機能９１、及び、計測機能９２を実行する。ここで、制御機能９１は、制御部の一例である。また、計測機能９２は、計測部の一例である。

制御機能９１は、入力インターフェース１０ｂによって受け付けられた種々の要求に応じて、検体検査装置１における全体を制御する。具体的には、制御機能９１は、第１の磁場印加部１０及び第２の磁場印加部１１による磁場の印加、温度調整部３０による温度調整、光源４１による光の出射、ディスプレイ７０への情報の表示などを制御する。ここで、本実施形態に係る制御機能９１は、反応容器（検査カートリッジ５０）内に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御するが、この点については、後に詳述する。

計測機能９２は、受光素子４２によって受光された光の情報に基づいて、種々の計測を行い、計測結果を示す種々の情報を生成する。具体的には、計測機能９２は、副産物が結合される表面のエバネッセント波を用いた光学システムにより、反応容器内の副産物に関する計測を行う。例えば、計測機能９２は、光導波路センサ５３によって取得された光の伝播結果に基づいて、反応容器内の副産物に関する計測を行う。一例を挙げると、計測機能９２は、光源４１から出射された出射光と受光素子４２に入射された入射光との強度比の値や、受光素子４２に入射された入射光の強度の値など生成する。また、例えば、計測機能９２は、受光素子４２に入射された入射光のリアルタイムの変化を示すグラフなどを生成する。

検査カートリッジ５０は、試料と反応液とを混合した混合液が収容される。図１に示すように、検査カートリッジ５０は、外筐部５１と、光導波路センサ５３と、透明基板５４とを含む。外筐部は、上面に孔部５１ａと孔部５１ｂとが設けられ、下面に光導波路センサ５３と透明基板５４とが配置される。また、外筐部５１には、外筐部５１及び光導波路センサ５３によって、内部に反応空間５１ｃが形成される。

光導波路センサ５３は、透明基板５４の上面に積層され、光源４１から出射され、透明基板５４を介して入射された光を伝播する。光導波路センサ５３によって伝播された光は、受光素子４２に対して出射される。なお、図示していないが、検査カートリッジ５０は、光源４１から出射されて透明基板５４を介して入射された光の光路を、光導波路センサ５３によって光導波可能となるように偏向させるグレーティング部と、光導波路センサ５３によって光導波された光の光路を、受光素子４２にて受光可能となるように偏向させるグレーティング部とを有する。

透明基板５４は、光導波路センサ５３の下面に配置される。透明基板５４は、光源４１から出射された光をグレーティング部へ透過させ、かつ、光導波路センサ５３を介して伝播された後にグレーティング部によって偏向された光を受光素子４２に透過させるとともに、光導波路センサ５３をコアとするコア・クラット構造のクラットとして機能する。なお、反応空間５１ｃ側では、図示しない保護部及び反応液がクラットとして機能する。

反応空間５１ｃは、孔部５１ａ及び孔部５１ｂを介して、外筐部５１の外部に連通される。反応空間５１ｃは、孔部５１ａを介して、試料と反応液とを混合された混合液が注入される。混合液が収容されると、反応空間５１ｃ内の空気が、孔部５１ｂを介して外部に排出される。

反応空間５１ｃにおいては、光導波路センサ５３の表面から表面近傍に至る領域が、エバネッセント（evanescent）領域５２となる。エバネッセント領域５２は、近接場光が生じる領域である。近接場光は、光が光導波路センサ５３と反応空間５１ｃとの界面において全反射する際、その界面に発生する光である。近接場光は、光導波路センサ５３の表面に結合している物質によって吸収、散乱される。ここで、近接場光の吸収及び散乱効率は、結合された物質の量に応じて高まる。すなわち、光導波路センサ５３の表面に結合している物質が多いほど、光導波路センサ５３にて伝播される光の強度が低下することとなる。したがって、光導波路センサ５３の表面に結合している物質が増加するほど、計測機能９２によって計測される光の強度が低下していくことなる。

なお、抗原抗体反応を利用して標的物質を分析する場合、検査カートリッジの光導波路センサの表面には、標的物質と特異的に結合する第１の抗体が固定される。そして、磁性微粒子が固定された第２の抗体と試料とを混合することで、標的物質（抗原）と第２の抗体とを抗原抗体反応させた混合液が、検査カートリッジに注入され、標的物質と第１の抗体との抗原抗体反応が行われる。

ここで、制御機能９１は、第１の抗体と標的物質との抗原抗体反応を促進させるために、第２の磁場印加部１１で磁場を印加させ、第２の磁場印加部１１の方向の磁力を発生させることにより、磁性微粒子を第１の抗体側に引き寄せる。その結果、標的物質と抗原抗体反応した第２の抗体に固定された磁性微粒子が、光導波路センサ５３の表面側に移動することとなり、標的物質と第１の抗体との抗原抗体反応を促進させることができる。

さらに、制御機能９１は、抗原抗体反応しなかった抗体に固定された磁性微粒子を第１の抗体付近から引き離すため、第１の磁場印加部１０で磁場を印加させ、第１の磁場印加部１０の方向の磁力を発生させる。これにより、第１の抗体と、標的物質を介して第２の抗体が結合している磁性微粒子のみが光導波路センサ５３近傍のエバネッセント領域５２に残る。

そして、計測機能９２は、受光素子４２によって受光された光量の変化に基づいて、抗原抗体反応の有無、すなわち、標的物質の有無を測定する。光導波路センサ５３上の第１の抗体付近のエバネッセント光は、第１の抗体と、標的物質を介して第２の抗体が結合している磁性微粒子がエバネッセント領域５２に残っていると、光の吸収もしくは散乱効率が高まるので、受光素子４２による受光光量が低下する。検体検査装置１は、この特性を用いて抗原抗体反応の有無を測定する。

本実施形態に係る検体検査装置１は、このような光学システムを用いて、核酸の検出を行う。具体的には、検体検査装置１は、検査カートリッジ５０内に収容された試料に対して核酸の増幅反応を行い、核酸の増幅に伴って生成された副産物の不溶性塩を、光導波路センサ５３の表面に結合させ、光導波路センサ５３を伝播される光の強度の変化を計測することで、核酸の検出を行う。ここで、例えば、試料内に増幅反応の標的核酸が含まれる場合には、標的核酸の増幅に伴って副産物が生成されるため、光導波路センサ５３の表面に副産物が結合される。すなわち、核酸の有無が、光の強度の低下として現れることとなる。

ここで、核酸を検出するための検査カートリッジ５０は、抗原抗体反応による標的物質を検出するための検査カートリッジ５０と同様の反応空間５１ｃを有する場合でもよいが、反応空間５１ｃを、キャピラリー（毛細管）またはそれに準じた微細な管構造とすることで、反応液の容量を少なくしてコストを低減させることができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、第１の実施形態に係る検査カートリッジ５０の一例を示す図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいては、検査カートリッジ５０の内部に含まれる反応空間５１ｃと、孔部５１ａと、孔部５１ｂとを示す。また、図２Ａにおいては、光導波路センサ５３の表面５１ｄを示すために、管構造で形成した反応空間５１ｃを不図示としている。例えば、本実施形態に係る検査カートリッジ５０は、図２Ａに示すように、２つの光導波路センサ５３の表面５１ｄが内部に露出している。すなわち、検査カートリッジ５０は、２か所で計測することができるように形成される。そして、検査カートリッジ５０は、図２Ｂに示すように、光導波路センサ５３の各表面５１ｄを底面とした管構造で形成された反応空間５１ｃが２つ配置される。但し、反応空間５１ｃの数については必ずしも２つに限定されるものではなく、ひとつまたは３つ以上であっても構わない。

ここで、管構造で形成された反応空間５１ｃは、表面５１ｄを完全に覆うように形成される。すなわち、反応空間５１ｃの管構造は、光導波路センサ５３を伝播される光が全反射されるように形成される。そして、各反応空間５１ｃには、孔部５１ａ及び孔部５１ｂがそれぞれ設けられる。各反応空間５１ｃは、被検者から採取した試料と、核酸の増幅反応のための反応液とを混合した混合液が注入される。混合液は、表面５１ｄを完全に満たす程度の液量で毛細管現象などにより、反応空間５１ｃ内に注入される。

混合液が反応空間５１ｃに注入されると、温度調整部３０による温度調整により、核酸の増幅反応が実行される。ここで、試料中に標的核酸が含まれる場合、核酸が増幅され、それに伴い副産物が増加して、光導波路センサ５３の表面に副産物が結合することとなる。以下、図３を用いて、核酸の検出方法について説明する。図３は、第１の実施形態に係る核酸の検出方法を説明するための図である。なお図３においては、反応空間５１ｃ内の表面５１ｄ付近及び光導波路センサ５３を伝播される光Ｌ１について示す。

図３の１段目（最上段）の図に示すように、本実施形態に係る核酸の検出方法では、光導波路センサ５３の表面５１ｄにリンカー１０１が設けられる。すなわち、表面５１ｄは、増幅反応によって生成された副産物と結合する複数のリンカー１０１が固定される。ここで、リンカー１０１は、一価の官能基を有する化学物質（例えば、リン酸基）であり、予め光導波路センサ５３の表面５１ｄに固定される。このようなリンカー１０１が表面５１ｄに固定された反応空間５１ｃ内に、予め被験者から採取された試料と反応液（反応プレミックス）とを混合した混合液が注入される。なお、光導波路センサ５３の表面５１ｄは、検出部材の一例である。

試料は、被験者から採取した唾液や、鼻腔ぬぐい液などである。ここで、試料は、前処理により核酸が露出した状態となっており、核酸増幅の対象となる鋳型ポリヌクレオチドが液中に遊離した状態となっている。この前処理は、検査対象に応じて、既知の種々の手法を用いることができる。検査対象は、感染症に関する種々のウイルスや細菌などであり、例えば、ＲＳウイルスや、ヒトメタニューモウイルスなどである。すなわち、被験者から採取した唾液や、鼻腔ぬぐい液などが前処理されることにより、これら検査対象の核酸が鋳型ポリヌクレオチドとして調整される。なお、鋳型ポリヌクレオチドは、ＤＮＡ（deoxyribonucleic acid）及びＲＮＡ（ribonucleic acid）を含む。

このように前処理された試料が、核酸増幅の反応プレミックスと混合される。ここで、反応プレミックスは、鋳型ポリヌクレオチドの相補鎖合成反応を触媒するポリメラーゼ、鋳型ポリヌクレオチドにおける特定の塩基配列をもとに設計されたプライマー、基質となるヌクレオチド、緩衝液などを含み、核酸の増幅方法、検査対象の種別に応じて調整される。本実施形態では、等温での核酸増幅が可能なＬａｍｐ法による核酸増幅が好ましい。なお、Ｌａｍｐ法の場合、反応プレミックスは、鎖置換型ポリメラーゼ、検査対象の塩基配列をもとに設計された４種のプライマー、基質、緩衝液を含む。

上述したように試料と反応プレミックスとが混合されると、混合液が管構造の反応空間５１ｃに注入され、温度調整部３０による温度制御によって核酸の増幅反応が行われる。例えば、Ｌａｍｐ法の場合、温度調整部３０は、制御機能９１による制御のもと、反応空間５１ｃ内の混合液を一定温度（例えば、６０～６５℃付近の一定温度）に調整する。これにより、試料中に検査対象の核酸が含まれていた場合、混合液中で核酸が増幅されることとなる。

本実施形態に係る検体検査装置１では、この核酸増幅の副産物をターゲットにして、核酸の有無を判定する。具体的には、光導波路センサ５３の表面５１ｄに固定されたリンカー１０１が、増幅反応によって生成された副産物を、金属イオンを介して検査カートリッジ５０内に結合させる。より具体的には、リンカー１０１は、金属イオンを介した結合により副産物を不溶化させ、検査カートリッジ５０内に結合させる。核酸の増幅反応では、基質のヌクレオチドが核酸鎖の末端に取り込まれる際にピロリン酸を発生させる。そこで、リンカー１０１は、金属イオンを介して一価の官能基とピロリン酸とを結合させることで、不溶化したピロリン酸を表面５１ｄに結合させる。

例えば、試料に検査対象の標的核酸が含まれている場合（被験者が検査対象に感染している場合）、図３の上から２段目の図に示すように、核酸の増幅反応によってピロリン酸（副産物）１０３が生成される。リンカー１０１は、図３の上から３段目の図に示すように、金属イオン１０２を介してピロリン酸１０３と結合して、不溶化されたピロリン酸塩をエバネッセント領域５２に生成させる。そして、図３の上から４段目に示すように、核酸の増幅に伴いピロリン酸が継続して生成され続けるため、エバネッセント領域５２に生成されるピロリン酸塩は、順次増加することとなる。

光導波路センサ５３を伝播される光Ｌ１の強度は、エバネッセント領域５２に生成されるピロリン酸塩の量が増加するに従い、徐々に減衰する。計測機能９２は、表面５１ｄへの副産物（ピロリン酸）の結合状態を計測する。計測機能９２は、受光素子４２によって受光される光Ｌ１の強度に基づいて、核酸の有無、すなわち、検査対象の感染の有無を計測する。

ここで、ピロリン酸と結合する金属イオン１０２は、多価陽イオンであり、例えば、マグネシウム（II）イオン、マンガン（II）イオン、ニッケル（II）、鉄（II）イオン、亜鉛（II）イオンなどである。核酸の増幅反応の場合、ポリメラーゼの活性化剤としてマグネシウムイオンが反応液中に十分量含まれている。したがって、金属イオンを新たに加えることなく、ピロリン酸塩をエバネッセント領域５２に生成させることができる。

なお、マグネシウム（II）イオンとは別に、さらに金属イオンを加えることで、ピロリン酸とマグネシウム（II）イオンとの結合を低減させ、ポリメラーゼ活性の低下を抑止するようにしてもよい。かかる場合には、ポリメラーゼ活性を阻害する金属イオンを使用しない、あるいは、使用したとしても阻害の影響が小さい範囲で使用する。

以下、図４を用いて、ピロリン酸塩の生成の一例を説明する。図４は、第１の実施形態に係るピロリン酸塩の生成の一例を説明するための図である。ここで、図４では、金属イオンとしてマグネシウム（II）イオンが用いられる場合について示す。また、図４では、リンカー１０１としてエタノールアミンリン酸を用いる場合について示す。また、図４では、光導波路センサ５３の表面５１ｄ付近を示す。

例えば、光導波路センサ５３の表面５１ｄには、図４に示すように、カルボキシル基が固定され、リンカー１０１としてのエタノールアミンリン酸が、カルボキシル基とアミノ基を介して結合する。ここで、光導波路センサ５３の表面５１ｄのカルボキシル基は、例えば、光導波路センサ５３の表面５１ｄに対する紫外線の照射により形成される。かかる場合には、光導波路センサ５３が有機系の材料によって生成され、表面５１ｄに対する紫外線照射によって、表面５１ｄの化学結合が切断されるとともに、紫外線で発生したオゾンから分離した活性酸素がその切断された表面５１ｄの分子に結合する。これにより、表面５１ｄに、親水性の高い官能基（例えば、ヒドロキシ基、アルデヒド基、カルボキシル基）が固定される。

そして、エタノールアミンリン酸を含むコーティング剤によって光導波路センサ５３の表面５１ｄをコーティングすることで、エタノールアミンリン酸が、光導波路センサ５３の表面５１ｄに固定される。

このようにエタノールアミンリン酸が固定された反応空間５１ｃに対して試料と反応プレミックスの混合液が注入されて、温度調整されると、図４に示すように、核酸の増幅反応の副産物であるピロリン酸が生成される。ピロリン酸は、マグネシウム（II）イオンを介してエタノールアミンリン酸と結合することで不溶化して、光導波路センサ５３の表面５１ｄ付近（エバネッセント領域５２付近）に結合される。核酸の増幅反応が進むと、反応液中のピロリン酸が表面５１ｄのエタノールアミンリン酸‐マグネシウム‐ピロリン酸塩に金属イオンを介して次々と結合し、光導波路センサ５３の表面５１ｄにリンカー１０１を核とした不溶塩の結合が生じる。その結果、エバネッセント光の激しい散乱が生じるようになり、光導波路センサ５３内を伝播する光の強い減衰が生じる。なお、図４では、リンカー１０１としてアミノ基を有するエタノールアミンリン酸を用いる例を示したが、実施形態はこれに限定されるものではなく、リンカー１０１としてチオール基を含む化学物質を用いる場合でもよい。

計測機能９２は、受光素子４２によって受光された光の情報に基づいて、光源４１から出射された出射光の強度と、受光素子４２に入射された入射光の強度との強度比の値や、入射光の値などを計測する。また、計測機能９２は、入射光の強度のリアルタイムの変化を計測する。図５は、第１の実施形態に係る計測機能９２によって計測された光強度の変化をグラフとして表した一例を示す図である。ここで、図５においては、横軸に時間、縦軸に光強度を示す。

リアルタイムの変化を計測、判定する場合、検査カートリッジ５０がマウント２０に載置され、反応を開始するための操作が実行されると、制御機能９１は、温度調整部３０による温度調整を実行するとともに、光源４１から光を出射させるように制御する。計測機能９２は、核酸の増幅反応中に受光素子４２によって受光された光強度を継続的に取得して、図５に示す光強度の経時変化を計算する。計測機能９２は、光強度を取得するごとに得られた値から核酸の増幅をリアルタイムに計算し、制御機能９１は、核酸の量がリアルタイムで変化しているかどうかを判定し、増幅結果を表示する。一方、ディスプレイ７０に計測機能９２による計算結果のグラフを表示する場合、核酸増幅のリアルタイムの変化を観察することができる。

ここで、検査カートリッジ５０は、図２Ａ、２Ｂに示すように、２つの反応空間５１ｃを有する。そこで、一方の反応空間５１ｃで被験者から採取した試料の核酸検出を行い、他方の反応空間５１ｃでコントロールをとるようにしてもよい。かかる場合には、例えば、検体検査装置１は、ウイルスや細菌などの検査対象から抽出した核酸、或いは、化学合成した対応するポリヌクレオチドを鋳型とした増幅反応をコントロールとして実行する。そして、検体検査装置１は、各反応空間５１ｃを対象にした光導波路センサ５３による計測結果を比較表示させる。

次に、第１の実施形態に係る検体検査装置１による処理の手順について、図６を用いて説明する。図６は、第１の実施形態に係る検体検査装置１による処理の手順を示すフローチャートである。ここで、図６におけるステップＳ１０１及びＳ１０２は、検査者によって実行されるステップである。また、ステップＳ１０３及びＳ１０５は、処理回路９０が、制御機能９１に対応するプログラムをメモリ８０から読みだして実行することで実現されるステップである。また、Ｓ１０４は、処理回路９０が、計測機能９２に対応するプログラムをメモリ８０から読みだして実行することで実現されるステップである。

図６に示すように、検査者が前処理済みの試料を反応液（反応プレミックス）と混合させて（ステップＳ１０１）、混合液を反応空間５１ｃに収納すると（ステップＳ１０２）、処理回路９０は、温度調整部３０を制御することで、混合液の温度制御を行い、試料に含まれる核酸を増幅させる（ステップＳ１０３）。

そして、処理回路９０は、光源４１を制御して光を出射させ、光導波路センサ５３による計測を開始する（ステップＳ１０４）。その後、処理回路９０は、計測結果をディスプレイ７０に表示させる。

上述したように、第１の実施形態によれば、制御機能９１は、検査カートリッジ５０に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御する。光導波路センサ５３の表面５１ｄは、増幅反応によって生成された副産物と結合する複数のリンカーが表面に固定される。計測機能９２は、表面５１ｄへの副産物の結合状態を計測する。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、核酸の増幅反応によって生成される副産物を反応空間５１ｃ内の特定の部分に結合させることで、検出を早めることができ、試料中の核酸の検出を迅速に行うことを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、計測機能９２は、副産物が結合される表面のエバネッセント波を用いた光学システムにより、表面５１ｄへの副産物の結合状態を計測する。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、抗原抗体反応を利用した分析を行う検体検査装置で実現することができ、免疫的な検査と、遺伝的な検査と使い分けることを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、表面５１ｄは、検査カートリッジ５０における光導波路センサ５３の表面５１ｄに副産物を結合させる。計測機能９２は、光導波路センサ５３によって取得された光の伝播結果に基づいて、表面５１ｄへの副産物の結合状態を計測する。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、抗原抗体反応を利用した分析を行う検体検査装置において、核酸の有無を容易に検出することを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、複数のリンカー１０１は、金属イオンを介して副産物と結合する。また、表面５１ｄは、金属イオンを介した結合により副産物を不溶化させる。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、核酸を容易に検出することを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、副産物は、核酸の増幅反応によって生成されたピロリン酸であり、表面５１ｄは、一価の官能基を含む化学物質を有するリンカー１０１が固定され、金属イオンを介して一価の官能基とピロリン酸とを結合させる。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、ピロリン酸の結合を容易に行うことを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、化学物質は、アミノ基又はチオール基を含み、表面５１ｄに固定されたカルボキシル基と結合することで、表面５１ｄに固定される。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、リンカー１０１の形成を容易に行うことを可能にする。

また、第１の実施形態によれば、検査カートリッジ５０は、毛細管構造を有し、試料を毛細管構造に収容する。制御機能９１は、毛細管構造に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御する。したがって、第１の実施形態に係る検体検査装置１は、反応液の容量を少なくしてコストを低減させるとともに、副産物の結合を早めることができ、核酸の検出をより迅速に行うことを可能にする。

（その他の実施形態）
さて、これまで第１の実施形態について説明したが、上述した第１の実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。

上述した実施形態では、エバネッセント波を用いた光学システムとして、抗原抗体反応を利用した分析を行う検体検査装置を用いる場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、表面プラズモン共鳴を利用した装置によって実現する場合でもよい。

かかる場合には、その他の実施形態に係る検体検査装置は、プリズムを有するバイオチップの表面にリンカー１０１を固定した反応空間において核酸の増幅反応を行う。そして、検体検査装置は、バイオチップ下部のプリズムに入射角を変えながら光を照射してプラズモン曲線を取得する。さらに、検体検査装置は、反射光の強度が最も小さくなる共鳴角度に基づいて、核酸の増幅反応における副産物の有無を検出する。共鳴角度はバイオチップ表面の金属及び表面に固定化された物質に固有であるため、表面に副産物が結合するとプラズモン曲線が変化し、共鳴角度も変化する。その他の実施形態に係る検体検査装置は、この共鳴角度の変化に基づいて、標的核酸の有無を検出する。

また、上述した実施形態では、光導波路センサ５３を用いて核酸を検出する場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、光透過型セルを用いて核酸を検出する場合でもよい。かかる場合には、例えば、検体検査装置は、光透過型セル内にリンカー１０１が設けられ、光透過型セル内で核酸を増幅させることで副産物を結合させる。そして、検体検査装置は、光透過型セルに対して光を照射して、透過した光の強度を計測し、計測した光の強度に基づいて、核酸を検出する。

また、上述した実施形態では、副産物の結合状態を光の強度の変化に基づいて判別する場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、画像によって判別する場合でもよい。ピロリン酸マグネシウムなどの不溶塩は、視覚的な濁度で存在の有無を判別することができる。そこで、画像を用いて判別する検体検査装置では、リンカー１０１が固定された表面を撮影するカメラを有し、核酸の増幅反応中の表面の画像を撮影する。そして、かかる検体検査装置は、画像解析によって、リンカー１０１が固定された表面における濁度の変化を検出する。ここで、検体検査装置は、核酸の増幅反応に伴い、濁度が上昇した場合に、不溶塩が生成されている、すなわち、標的核酸が存在すると判別する。

また、上述した実施形態では、光導波路センサ５３の表面５１ｄにリンカー１０１を固定させ、副産物を結合させる場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではなく、反応液中に加えた粒子にリンカー１０１を結合させ、副産物を結合させる場合でもよい。かかる場合に、例えば、ラテックス、磁性粒子、金コロイドなどの粒子にリンカー１０１を結合させ、反応プレミックスに添加する。試料中に標的核酸が含まれ、増幅反応によって副産物が生成されると、生成された副産物が金属イオンを介して粒子状のリンカー１０１に不溶化しながら結合することで、巨大結晶を作り、粒子同士が結合する。ここで、結合した粒子は、光導波路センサ５３によって検出してもよく、或いは、光透過型セルによって検出してもよい。

また、上述した実施形態では、処理回路９０が有する各処理機能について説明した。ここで、例えば、上述した各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態でメモリ８０に記憶される。処理回路９０は、各プログラムをメモリ８０から読み出し、読み出した各プログラムを実行することで、各プログラムに対応する処理機能を実現する。換言すると、各プログラムを読み出した状態の処理回路９０は、図１に示した各処理機能を有することとなる。

なお、図１では、単一の処理回路９０によって各処理機能が実現される場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、処理回路９０は、複数の独立したプロセッサを組み合わせて構成され、各プロセッサが各プログラムを実行することにより各処理機能を実現するものとしても構わない。また、処理回路９０が有する各処理機能は、単一又は複数の処理回路に適宜に分散又は統合されて実現されてもよい。

また、上述した各実施形態の説明で用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ(Graphics Processing Unit)、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。ここで、メモリにプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むように構成しても構わない。この場合には、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出して実行することで機能を実現する。また、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成され、その機能を実現するようにしてもよい。

また、上述した実施形態で説明した検体検査方法は、あらかじめ用意された検体検査プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この検体検査プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、このスキャン制御プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、ＵＳＢメモリ及びＳＤカードメモリ等のＦｌａｓｈメモリ等のコンピュータで読み取り可能な非一時的な記録媒体に記録され、コンピュータによって非一時的な記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、試料中の核酸の検出を迅速に行うことができる。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１検体検査装置
９１制御機能
９２計測機能
１０１リンカー

Claims

反応容器内に収容された試料の検査を行う検体検査装置であって、
前記反応容器内に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御する制御部と、
前記増幅反応によって生成された副産物と結合する複数のリンカーを表面に固定した検出部材と、
前記検出部材への前記副産物の結合状態を計測する計測部と、
を備え、
前記副産物は、前記核酸の増幅反応によって生成されたピロリン酸であり、
前記検出部材は、一価の官能基を含む化学物質を有するリンカーが固定され、金属イオンを介して前記一価の官能基と前記ピロリン酸とを結合させる、検体検査装置。
前記計測部は、前記副産物が結合される表面のエバネッセント波を用いた光学システムにより、前記検出部材への前記副産物の結合状態を計測する、請求項１に記載の検体検査装置。
前記検出部材は、前記反応容器における光導波路センサ表面に前記副産物を結合させ、
前記計測部は、光導波路センサによって取得された光の伝播結果に基づいて、前記検出部材への前記副産物の結合状態を計測する、請求項２に記載の検体検査装置。
前記計測部は、表面プラズモン共鳴によって取得された共鳴角度に基づいて、前記検出部材への前記副産物の結合状態を計測する、請求項２に記載の検体検査装置。
前記複数のリンカーは、金属イオンを介して前記副産物と結合する、請求項１～４のいずれか１つに記載の検体検査装置。
前記検出部材は、前記金属イオンを介した結合により前記副産物を不溶化させる、請求項５に記載の検体検査装置。
前記化学物質は、アミノ基又はチオール基を含み、前記検出部材の表面に固定されたカルボキシル基と結合することで、前記検出部材の表面に固定される、請求項１～６のいずれか１つに記載の検体検査装置。
前記反応容器は、毛細管構造を有し、前記試料を前記毛細管構造に収容し、
前記制御部は、前記毛細管構造に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御する、請求項１～７のいずれか１つに記載の検体検査装置。
反応容器内に収容された試料の検査を行う検体検査装置によって実行される検体検査方法であって、
前記反応容器内に収容された試料に含まれる核酸の増幅反応を制御し、
前記増幅反応によって生成された副産物と結合する複数のリンカーを表面に固定した検出部材への前記副産物の結合状態を計測する、
ことを含み、
前記副産物は、前記核酸の増幅反応によって生成されたピロリン酸であり、
前記検出部材は、一価の官能基を含む化学物質を有するリンカーが固定され、金属イオンを介して前記一価の官能基と前記ピロリン酸とを結合させる、検体検査方法。