JPWO2017213074A1 - 流体デバイス、システムおよび試料物質の検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2016年6月6日に出願された日本国特許出願2016−112604号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
更に、高価な試薬を使用する場合や少量多検体を検査する場合において、有用性が高い方法として注目されている。
(1)本発明の一実施態様における流体デバイスは、溶液に含まれる試料物質を捕捉又は検出するための流体デバイスであって、第1循環流路及び第2循環流路からなり、前記第1循環流路に溶液を循環させた後、前記第2循環流路で循環させられるよう構成されている第1種の連続循環流路;および第3循環流路及び第4循環流路からなり、前記第3循環流路に溶液を循環させた後、両循環流路内の溶液を循環して混合させられるよう構成されている第2種の連続循環流路;からなる群より選択される連続循環流路を少なくとも2つ含み、いずれかの循環流路に試料物質を捕捉する捕捉部を有し、および/又は、いずれかの循環流路に試料物質を検出する検出部を有する。
(2)本発明の一実施態様におけるシステムは、上記流体デバイスと、バルブの開閉を制御する制御部と、を備える。
(3)本発明の一実施態様における流体デバイスは、溶液に含まれる試料物質を捕捉又は検出するための流体デバイスであって、第1循環流路、第2循環流路および第3循環流路を含み、前記第1循環流路と前記第2循環流路は、第1共有流路を共有し、前記第1循環流路と前記第3循環流路は、第2共有流路を共有し、前記第1共有流路又は前記第2共有流路に前記試料物質を捕捉する捕捉部を有し、および/又は、前記第1共有流路又は前記第2共有流路に前記試料物質を検出する検出部を有する。
(4)本発明の一実施態様における試料物質の検出方法は、第1循環流路及び第2循環流路からなり、前記第1循環流路に溶液を循環させた後、両循環流路内の溶液を循環して混合させられるよう構成されている連続循環流路と、前記連続循環流路と、少なくとも一部の流路を共有し、前記連続循環流路で溶液を循環させた後、溶液を循環させられるよう構成されている第3循環流路と、を含み、前記連続循環流路と前記第3循環流路が共有する流路に、試料物質を捕捉する捕捉部を有する流体デバイスを用いて、前記連続循環流路の第1循環流路に前記試料物質を含む溶液を導入する工程と、前記連続循環流路の第1循環流路において、前記試料物質を含む溶液と、前処理用溶液とを循環及び混合して第1混合溶液を得る工程と、前記連続循環流路の前記両循環流路において、前記第1混合溶液と、前記試料物質に結合する担体粒子を含む溶液と、を循環させて、前記試料物質と担体粒子の複合体を含む第2混合溶液を得る工程と、前記連続循環流路内において、前記第2混合溶液をさらに循環させ、前記複合体を捕捉部に捕捉する工程と、前記連続循環流路と前記第3循環流路が共有する流路から、第2混合溶液を除去する工程と、前記第3循環流路に検出用溶液を循環させて、前記試料物質もしくは前記複合体を前記捕捉部から解放して、又は解放しないで、前記試料物質を検出する工程と、を含む。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
図1は、第1実施形態の流体デバイス100を模式的に示した平面図である。
本実施形態の流体デバイス100は、検体試料に含まれる試料物質を精製および検出するデバイスである。試料物質は、例えば、核酸、DNA、RNA、ペプチド、タンパク質、細胞外小胞体などの生体分子である。流体デバイス100は、流路及びバルブが形成された基板9からなる。
図2Aに第1循環流路10をドット模様により強調して示す。図2Bに第2循環流路20をドット模様により強調して示す。図2Cに第3循環流路30をドット模様により強調して示す。図2Dに第4循環流路40をドット模様により強調して示す。
なお、ループ流路1において、接続部1a、1bにより区分される2つの流路のうち長い一方の流路における接続部1a、1bの近傍にそれぞれバルブを配置し、これらのバルブを閉じることによって、第4循環流路40が単体で液体を循環させる構成としてもよい。
第1循環流路10と第2循環流路20は、互いに共有する第1共有流路2Aを有する。
第1循環流路10と第3循環流路30とは、互いに共有する流路(第2共有流路2B)を有する。第1共有流路2Aと第2共有流路2Bは、少なくとも一部の流路(重複共有流路2)を共有する。本実施形態において、第2共有流路2Bの全長は、重複共有流路2の全長と重なる。
第1循環流路10には、複数のバルブV1、V2、V3、V4、V5が設けられている。複数のバルブV1、V2、V3、V4、V5のうち、バルブV1、V2、V3は、定量バルブとして機能し、バルブV4、V5は、重複共有流路2をその他の領域から区画する共有流路端末バルブとして機能する。
また、第1循環流路10の重複共有流路2には、捕捉部4およびポンプPが配置されている。
第2循環流路20は、第1循環流路10と共有する第1共有流路2Aと、第1循環流路10と共有しない第1迂回流路6を有する。
第3循環流路30は、第1循環流路10と共有する第2共有流路2Bと、第1循環流路10と共有しない第2迂回流路7を有する。
第2迂回流路7の両端近傍には、それぞれ空気流路62、63が接続されている。第2迂回流路7には、検出部3が設けられている。
以下に流路中に設けられた各構成について詳細に説明する。
ポンプPは、流路中に並んで配置された3つのポンプバルブPa、Pb、Pcから構成されている。ポンプPは、3つのポンプバルブPa、Pb、Pcを順次開閉することにより、循環流路内において液体を搬送することができる。ポンプバルブを構成するバルブの数は、4以上であってもよい。
捕捉部4は、第1循環流路10内を循環している溶液中の試料物質を捕捉・収集する。
また、捕捉部4は、試料物質と結合した担体粒子を捕捉するものであってもよい。捕捉部4が、試料物質自体、又は試料物質と結合された担体粒子を捕捉することで、第1循環流路10内を循環する液から、試料物質を回収することができる。流体デバイス100は、捕捉部4を備えることで、試料物質の濃縮や洗浄、移送を効果的に実現できる。
担体粒子としては、磁気ビーズ、磁性粒子、金ナノ粒子、アガロースビーズ、プラスチックビーズ等が挙げられる。
検出部3は、試料物質を検出するために設けられている。なお、試料物質を検出するとは、試料物質を間接的に検出することも含む意味で用いている。試料物質を間接的に検出する例として、試料物質を、試料物質の検出を補助する検出補助物質と結合させてもよい。検出補助物質としては、標識物質が挙げられる。
蛍光色素としては、FAM(カルボキシフルオレセイン)、JOE(6−カルボキシ−4’,5’−ジクロロ2’ ,7’−ジメトキシフルオレセイン)、FITC(フルオレセインイソチオシアネート)、TET(テトラクロロフルオレセイン)、HEX(5’−ヘキサクロロ−フルオレセイン−CEホスホロアミダイト)、Cy3、Cy5、Alexa568、Alexa647等が挙げられる。
酵素としては、アルカリフォスファターゼ、ペルオキシダーゼ等が挙げられる。
導入流路41〜48は、第1循環流路10、第2循環流路20又は第3循環流路30内にそれぞれ異なる液を導入するために設けられている。導入流路41〜48には、それぞれ導入流路を開閉する導入流路バルブI1〜I8が設けられている。また、導入流路41〜48の端末には、基板9の表面に開口する液導入用インレットが設けられている。
排出流路51〜56は、第1循環流路10、第2循環流路20又は第3循環流路30から液を排出するために設けられている。排出流路51〜56にはそれぞれ、排出流路を開閉する排出流路バルブO1〜O6が設けられている。排出流路51〜56のうち、重複共有流路2の一端に接続された排出流路56は、反応した液を回収する回収流路として機能する。したがって、排出流路(回収流路)56の端末には、回収槽(図示略)が接続されている。その他の排出流路51〜55は、それぞれ廃液槽70又は廃液槽71に接続されている。廃液槽70、71には、外部吸引ポンプ(不図示)と接続されて負圧吸引するために基板表面に開口するアウトレット70a、71aが設けられている。なお、本実施形態の流体デバイス100において、廃液槽70は、ループ流路1の内側領域に配置され、廃液槽71は、第1迂回流路6の内側領域に配置されている。これにより、流体デバイス100の小型化を図ることができる。
排出流路51〜56は、導入流路41〜48と同様に、定量バルブの近傍に配置されている。これにより、排出流路51〜56を定量バルブの近傍に配置することで、排出時の液残りを抑制することができる。
空気流路61〜63は、第1循環流路10から空気を排出又は空気を導入するために設けられている。空気流路61〜63には流路を開閉する空気流路バルブG1、G2、G3が設けられている。空気流路61〜63の端末には、基板9の表面に開口する空気導入用インレットが設けられている。空気流路61〜63のうち、空気流路63は、空気を吸引する為の空気排出流路として機能する。その他の空気流路61、62は、流路内に空気導入して流路内の液体を押し出す為の空気導入流路として機能する。
次に、本実施形態の流体デバイス100を用いた試料物質の精製方法および検出方法について説明する。本実施形態によれば、血液などの検体液から、核酸を精製し検出することができる。
本実施形態において、第1試薬液L2は、例えばプロテイナーゼKの溶液である。プロテイナーゼKは、核酸を分解する酵素(ヌクレアーゼ)を不活性化する。これにより、検体液L1から抽出された核酸が酵素の働きにより分解されることを抑制できる。
本実施形態において、第2試薬液L3は、検体液L1に含まれる血液、血清又は血漿から核酸を抽出するための細胞溶解液である。
本実施形態において、第4試薬液L6は、例えばイソプロパノール溶液である。イソプロパノールは、アルコール環境を作り出し、磁性粒子が核酸に結合できる環境を形成する。
なお、洗浄液の導入、循環および排出のサイクルは複数回行われてもよい。繰返し、洗浄液の導入、循環、排出を行うことによって、不要物の除去効率を高めることができる。
また、本実施形態では、第1循環流路10内で洗浄液を循環させる場合を例示したが、第2循環流路20内で洗浄液を循環させて洗浄を行ってもよい。
したがって、磁性粒子が結合した核酸を水に浸すことで、磁性粒子から核酸を溶出させることができる。また、第5試薬液L8は、核酸(試料物質)と結合して検出部における検出を補助する標識物質を含む。また、第5試薬液L8は、核酸の保存に適した溶液であってもよい。
以上の工程を経ることで核酸を精製することができる。なお、第5試薬液L8に、標識物質を含まない純水を用いる場合には、水中に核酸のみが含まれた溶液を精製できる。この場合、精製した溶液を、排出流路(回収流路)56から回収することができる。
以上の手順を経ることで、流体デバイス100によって、試料物質を検出することができる。
本実施形態の流体デバイス100は、第1の連続循環流路S1及び第2の連続循環流路S2を含むので、液体の定量と混合を必要とする複数のシーケンシャルな反応を1つのデバイスの中で順次行うことができる。
なお、本実施形態においては、第1の連続循環流路S1と第2の連続循環流路S2とは、液体を循環させる順序が実施形態に示した順序と反対であってもよい。また、本実施形態では、流体デバイス100が、2種類の連続循環流路をそれぞれ1つずつ合計2つ含む場合を例示したが、3つ以上含んでいてもよく、循環流路以外の流路(例えば直線的な流路)をさらに含んでいてもよい。
図1に示すように、本発明の一実施態様におけるシステム91は、流体デバイス100と、制御部90を備える。制御部90は、図示略の接続ラインを介して流体デバイス100に設けられたバルブと接続されており、バルブの開閉を制御する。本実施形態のシステム91によれば、流体デバイス100における混合、捕捉、および検出を行うことができる。
次に、第1実施形態に適用可能な変形例について説明する。本変形例は、第1実施形態と比較して、捕捉部4とともに、さらに第2の検出部3A(図1の二点鎖線)が設けられている点が主に異なる。
なお、この場合、第2の検出部3Aは、試料物質を捕捉部4から解放した状態で、試料物質の検出を行ってもよいし、捕捉部4から解放せずに試料物質の検出を行ってもよい。
図8は、第2実施形態の流体デバイス200を模式的に示した平面図である。
第2実施形態の流体デバイス200は、第1実施形態と比較して、3つの連続循環流路S1、S2、S3を有している点が主に異なる。なお、上述の実施形態と同一態様の構成要素については、同一符号を付し、その説明を省略する。
第5循環流路150および第6循環流路160は、ともに第3循環流路30の一部と第3迂回流路108を含む。第5循環流路150に含まれる第3循環流路30の一部と、第6循環流路160に含まれる第3循環流路30の一部とは互いに異なる。第5循環流路150に含まれる第3循環流路30の一部とは、一対の接続部7a、7bにより区分される2つの流路のうち距離が長い一方の流路である。これに対し、第6循環流路160に含まれる第3循環流路30の一部とは、一対の接続部7a、7bにより区分される2つの流路のうち距離が短い一方の流路である。第6循環流路160は、溶液を定量するために主に用いられる。本実施形態においては、第6循環流路160が単体として液体を循環させることはないが、第3循環流路30において、接続部7a、7bにより区分される2つの流路のうち距離が長い一方の流路における接続部7a、7bの近傍にそれぞれバルブを配置し、これらのバルブを閉じることによって、第6循環流路160が、単体として液体を循環させる構成としてもよい。
第3循環流路における接続部1aと1bの間(短い一方)にバルブを配置し、第5循環流路に液体を循環させる際に、そのバルブを閉じてもよい。これにより、液体が第5循環流路を一方向に流れるようにすることができる。
第3の連続循環流路S3は、2つの連続した循環流路(第3循環流路30および第6循環流路160)からなる。第3の連続循環流路S3は、先の循環流路(第3循環流路30)に溶液を循環させた後、第3循環流路30および第6循環流路160の両循環流路(すなわち第5循環流路150)内の溶液を循環し混合するよう構成されている。したがって、第3の連続循環流路S3は、第2種の連続循環流路に分類される。
次に、本実施形態の流体デバイス200を用いたRNAの検出方法について説明する。
まず、第1実施形態と同様の手順により核酸を精製する。すなわち、第1循環流路10で、検体液と前処理用溶液とを循環しRNAを抽出して第1混合溶液を得る。次いで、第2循環流路20で、第2混合溶液と担体粒子を含む溶液とを循環させて、RNAと担体粒子の複合体を含む第2混合溶液を得る。さらに、第2循環流路20で第2混合溶液を循環させながら、捕捉部4(以下、第1の捕捉部4)において、複合体を捕捉する。次いで、重複共有流路2から第2混合溶液を除去することで、第1の捕捉部4で捕捉された複合体が液成分から分離される。これにより、重複共有流路2内に複合体が残留した状態となる。
次いで、第3迂回流路108の両端末に位置するバルブを開放して第5循環流路150を一連なりのループとし、溶出液と標識物質(検出補助物質)を含む検出用溶液を第5循環流路150で循環させる。これにより、複合体を第1の捕捉部4で捕捉したまま、核酸と磁性粒子との複合体から核酸を溶出させるとともに、核酸に標識物質が結合し、RNAと標識物質の複合体を生成する。
なお、本実施形態において、検出対象は、RNAであるものとしたが、他の生体分子(例えば、DNA,RNAなどの核酸)であっても、同様の構成で検出が可能である。
また、本実施形態において、3つの連続する連続循環流路S1、S2、S3は、第2の連続循環流路S2で循環させた後、第1の連続循環流路S1を循環させ、さらに第3の連続循環流路S3を循環させるように構成されている。すなわち、流体デバイス200は、第2種の連続循環流路、第1種の連続循環流路、および第2種の連続循環流路をこの順で含む。また、先の連続循環流路の後の循環流路は、後の連続循環流路の先の循環流路と兼用される。これにより、4以上の複数の循環流路(第1循環流路10、第2循環流路20、第3循環流路30および第5循環流路150)で、試料物質を順次移動させて、各循環流路で前処理と精製又は検出を連続的に行うことができる。
すなわち、本実施形態の流体デバイス200は、液体の定量と混合を必要とする、より複雑なシーケンシャルな反応を1つのデバイスの中で順次行うことができる。
Claims (21)
- 溶液に含まれる試料物質を捕捉又は検出するための流体デバイスであって、
第1循環流路及び第2循環流路からなり、前記第1循環流路に溶液を循環させた後、前記第2循環流路で循環させられるよう構成されている第1種の連続循環流路;および
第3循環流路及び第4循環流路からなり、前記第3循環流路に溶液を循環させた後、両循環流路内の溶液を循環して混合させられるよう構成されている第2種の連続循環流路;
からなる群より選択される連続循環流路を少なくとも2つ含み、
いずれかの循環流路に試料物質を捕捉する捕捉部を有し、および/又は、いずれかの循環流路に試料物質を検出する検出部を有する、流体デバイス。 - 第1種の連続循環流路の第2循環流路が、第2種の連続循環流路の第3循環流路として用いられる、及び/又は
第2種の連続循環流路の第4循環流路が、第1種の連続循環流路の第1循環流路として用いられる、請求項1に記載の流体デバイス。 - 前記第1種の連続循環流路は、第1循環流路及び第2循環流路が少なくとも一部の流路を共有し、前記共有する流路に、前記捕捉部、前記検出部、バルブ、およびポンプからなる群より選択される少なくとも1つを有する、請求項1又は2に記載の流体デバイス。
- 前記第2種の連続循環流路は、第4循環流路に、前記試料物質を捕捉する捕捉部を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記第2種の連続循環流路および前記第1種の連続循環流路をこの順で含み、第2種の連続循環流路の第4循環流路が、第1種の連続循環流路の第1循環流路として用いられ、
前記第1種の連続循環流路は、第1循環流路及び第2循環流路が少なくとも一部の流路を共有し、前記共有する流路に、前記ポンプおよび前記捕捉部が配置され、第2循環流路における第1循環流路と共有しない流路に、前記検出部が配置される、請求項1に記載の流体デバイス。 - 前記第2種の連続循環流路、前記第1種の連続循環流路、および前記第2種の連続循環流路をこの順で含み、1つ目の前記第2種の連続循環流路の第4循環流路が、前記第1種の連続循環流路の第1循環流路として用いられ、前記第1種の連続循環流路の第2循環流路が、2つ目の前記第2種の連続循環流路の第3循環流路として用いられ、
前記第1種の連続循環流路は、第1循環流路及び第2循環流路が少なくとも一部の流路を共有し、前記共有する流路に前記捕捉部が配置され、
2つ目の前記第2種の連続循環流路は、第4循環流路に、前記捕捉部、および/又は、前記検出部を有する、請求項1に記載の流体デバイス。 - 少なくとも1つの循環流路は、2以上の定量バルブを有し、前記定量バルブのそれぞれは、前記定量バルブで区切られる循環流路の区画のそれぞれが所定の体積となるように配置されている、請求項1から6のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記定量バルブで区切られる循環流路の区画のすべてに、少なくとも1つの導入流路および排出流路が接続している、請求項7に記載の流体デバイス。
- 前記導入流路および排出流路は、前記定量バルブ近傍に配置されている、請求項8に記載の流体デバイス。
- 前記定量バルブは、ポンプを構成するポンプバルブと兼用される、請求項7から9のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部は、担体粒子に結合した試料物質を捕捉する、請求項1から10のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部は、前記担体粒子に対する親和性を制御可能に構成されている、請求項11記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部の近傍に、磁力を制御可能に構成された磁石を配置可能な、請求項11又は12に記載の流体デバイス。
- 前記試料物質は核酸である、請求項1から13のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 前記捕捉部は、DNAマイクロアレイを含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の流体デバイス。
- 請求項1から15のいずれか一項に記載の流体デバイスと、バルブの開閉を制御する制御部と、を備えるシステム。
- 溶液に含まれる試料物質を捕捉又は検出するための流体デバイスであって、
第1循環流路、第2循環流路および第3循環流路を含み、
前記第1循環流路と前記第2循環流路は、第1共有流路を共有し、
前記第1循環流路と前記第3循環流路は、第2共有流路を共有し、
前記第1共有流路又は前記第2共有流路に前記試料物質を捕捉する捕捉部を有し、および/又は、前記第1共有流路又は前記第2共有流路に前記試料物質を検出する検出部を有する、流体デバイス。 - 前記第1共有流路と前記第2共有流路は、少なくとも一部の流路を共有する、請求項17に記載の流体デバイス。
- 前記第1共有流路と前記第2共有流路が共有する流路に、前記捕捉部、前記検出部、バルブ、およびポンプからなる群より選択される少なくとも1つを有する、請求項18に記載の流体デバイス。
- 第1循環流路及び第2循環流路からなり、前記第1循環流路に溶液を循環させた後、両循環流路内の溶液を循環して混合させられるよう構成されている連続循環流路と、前記連続循環流路と、少なくとも一部の流路を共有し、前記連続循環流路で溶液を循環させた後、溶液を循環させられるよう構成されている第3循環流路と、を含み、前記連続循環流路と前記第3循環流路が共有する流路に、試料物質を捕捉する捕捉部を有する流体デバイスを用いて、
前記連続循環流路の第1循環流路に前記試料物質を含む溶液を導入する工程と、
前記連続循環流路の第1循環流路において、前記試料物質を含む溶液と、前処理用溶液とを循環及び混合して第1混合溶液を得る工程と、
前記連続循環流路の前記両循環流路において、前記第1混合溶液と、前記試料物質に結合する担体粒子を含む溶液と、を循環させて、前記試料物質と担体粒子の複合体を含む第2混合溶液を得る工程と、
前記連続循環流路内において、前記第2混合溶液をさらに循環させ、前記複合体を捕捉部に捕捉する工程と、
前記連続循環流路と前記第3循環流路が共有する流路から、第2混合溶液を除去する工程と、
前記第3循環流路に検出用溶液を循環させて、前記試料物質もしくは前記複合体を前記捕捉部から解放して、又は解放しないで、前記試料物質を検出する工程と、を含む、試料物質の検出方法。 - 前記試料物質が、核酸であり、
前記試料物質を含む溶液が、血液、血清、又は血漿であり、
前記前処理用溶液が、細胞溶解液であり、
前記担体粒子が、シリカ磁性粒子であり、
前記捕捉部は、その近傍に磁石を配置可能である、請求項20に記載の試料物質の検出方法。
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