WO2017116037A1 - 다중 분자진단을 위한 칩 구조 - Google Patents

다중 분자진단을 위한 칩 구조 Download PDF

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WO2017116037A1
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chip structure
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김민곤
정효암
석영웅
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INGIBIO Ltd
Gwangju Institute of Science and Technology
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INGIBIO Ltd
Gwangju Institute of Science and Technology
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    • C12Q2563/00—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties
    • C12Q2563/107—Nucleic acid detection characterized by the use of physical, structural and functional properties fluorescence

Definitions

  • the present invention relates to a chip structure for multi-molecular diagnostics, and more particularly, to a chip structure for multi-molecular diagnostics capable of performing all procedures of molecular diagnosis with only one injection of a sample.
  • Molecular Diagnosis or Molecular Diagnostics refers to a diagnostic field or technique that detects or analyzes biomarkers (particularly DNA or RNA) using molecular biological techniques. Doing. In particular, since the development of the polymerase chain reaction in 1985, the technological advancement such as the completion of the genetic map of various infectious bacteria including humans has been established, and the molecular diagnostic test technology has been rapidly developed.
  • the method mainly used for detecting a virus is a method for detecting the cause of a disease and whether it is infected by detecting nucleic acids (Nucleic acid: DNA and RNA, or variants thereof) that cause diseases by molecular diagnosis.
  • the molecular diagnostic method consists of four steps: taking a sample from the body fluid, extracting the gene from the sample, amplifying and analyzing the polymerase chain reaction.
  • Molecular diagnostics through gene amplification, enable accurate diagnosis with very high sensitivity and specificity even for trace levels of pathogens.
  • the use of expensive analytical equipment and reagents such as PCR and electrophoresis to perform the existing diagnostic method is expensive, complicated and specialized technology is required, it can be performed only by skilled technicians.
  • the integration of each biological reaction step is difficult, which always includes the possibility of sample contamination in the molecular diagnosis process, and the analysis time is long, and thus there is a limit in the field of genetic diagnosis.
  • Lab-on-a-chip LOC
  • MEMS and NEMS uses MEMS and NEMS to perform all pretreatment and analysis steps on a single chip, including dilution, mixing, reaction, separation, and quantification. Say skills to help. Because of the fact that all reactions can be automated and performed quickly on a palm-sized chip, many studies have been undertaken to miniaturize sample pretreatment, PCR, and analysis systems.
  • amplification of DNA by PCR is essential for nucleic acid analysis because amplification of genes from trace amounts of samples results in high sensitivity and specificity.
  • Thermal cycling PCR is a series of reactions that accurately match the three temperature stages of denaturation and junction elongation, so expensive equipment is required for accurate temperature gradients.
  • an isothermal PCR method has been developed. Unlike the thermal cycling method, the isothermal PCR method is capable of shortening the amplification time because the denaturation and conjugation extension are possible at a constant temperature, and can be performed even at a low-cost device capable of maintaining isothermal temperature. It has advantages Therefore, it is advantageous for the miniaturization of equipment and can be applied regardless of a place such as a laboratory or a detection site.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a paper chip structure for multi-molecular diagnostics that can be directly diagnosed using isothermal PCR method in the field with a simpler configuration.
  • the multi-molecular diagnostic chip structure has a sample passage hole through which a sample to be injected is passed, and isothermal amplification primers and amplification reactions to specific nucleic acids of the diagnosis target.
  • a channel pad having a passage channel formed thereon and a second sample passage channel corresponding to the reaction pattern, and disposed on a lower surface of the channel pad, and injected from the sample passage hole and transported through the first sample passage channel.
  • a transfer pad transferring the reaction pattern through the second sample passage channel.
  • the reaction solution may further include PVA.
  • the cover may further include a cover disposed on an upper surface of the reaction pad and having a sample inlet formed at a position corresponding to the sample through hole.
  • the reaction pattern is formed with a comparison pattern for confirming whether the sample is inserted and two or more detection patterns for detecting a specific DNA contained in the sample to be diagnosed,
  • the detection pattern there may be an isothermal amplification primer and amplification enzyme for each specific DNA.
  • the reaction pad may be a porous glass membrane.
  • the channel pad may be a nitrocellulose or polyethersulfone membrane.
  • the transfer pad may be a membrane having an asymmetric structure in which the pore size becomes smaller in the downward direction.
  • the indicator may comprise Hydroxynaphthol Blue (HNB).
  • HNB Hydroxynaphthol Blue
  • molecular diagnosis is possible with a simpler configuration, and thus molecular diagnosis is more simple in the field, and all procedures of molecular diagnosis can be carried out by only one injection of a sample. Sex is enhanced, and several samples can be simultaneously diagnosed with a single sample.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram showing the reaction of HNB (Hydroxynaphthol Blue) used in the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a sample movement of the chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the results of experiments using the chip structure for self-weight molecular diagnosis according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a photograph showing the experimental results using the chip structure for self-weight molecular diagnosis according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of experiments using a chip structure for self-weight molecular diagnosis according to an embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a molecular diagnostic chip structure for use in diagnostic equipment that can detect nucleic acids such as DNA or RNA contained in a sample to be diagnosed through isothermal amplification (LAMP).
  • LAMP isothermal amplification
  • 1 is a perspective view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • 2 is an exploded perspective view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a cross-sectional view showing a chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • the multi-molecular diagnostic chip structure 100 according to an embodiment of the present invention is largely the upper case 111, the lower case 112, the cover 120,
  • the reaction pad 130 may include a channel pad 140 and a transfer pad 150.
  • the core configuration is a structure in which the reaction pad 130, the channel pad 140, and the transfer pad 150 are stacked.
  • the reaction pad 120 is an isothermal amplification reaction of the sample to be diagnosed
  • the channel pad 130 separates and transfers the diagnosis target sample causing the isothermal amplification reaction from the reaction pad to the reaction pad 120
  • the transfer pad 140 serves to stably deliver the sample to be diagnosed on the reaction pad.
  • the upper case 111 and the lower case 112 maintain the shape of the chip having a stacked structure of the cover 120, the reaction pad 130, the channel pad 140, the transfer pad 150, and It protects from the outside. Since the cover 120 and the pads 130, 140, and 150 use a membrane material, the upper case 111 and the lower case 112 are required to maintain their shape.
  • the upper case 111 and the lower case 112 are for maintaining the structure of the chip and may perform a diagnostic function of the chip even if omitted.
  • the upper case 111 may be formed at the center of the sample input unit 114 that can insert the sample.
  • the pattern check unit 113 may be formed to check the result of the isothermal amplification reaction in the reaction pad 130.
  • the pattern checking unit 113 may have an opening shape through which the reaction patterns 132, 133, 134, and 135 of the reaction pad 130 may be exposed, and a transparent window may be formed to check a change in the color inside. .
  • the sample input part 114 may be formed at a position corresponding to the sample input hole 131 of the cover 120 stacked below.
  • the upper case 111 and the lower case 112 may be used a variety of materials, a light plastic material is preferred.
  • a cover 120 may be formed below the upper case 111.
  • the cover 120 is installed to prevent evaporation of the reaction solution present in the injected diagnostic sample and the reaction patterns 132, 133, 134, and 135 of the reaction pad 130.
  • the sample inlet 121 is formed at a position corresponding to the sample input part 114 of the upper case 111 and the sample passage hole 131 of the reaction pad 130 in the center of the cover 120.
  • the ELISA tape sold for the experiment can be cut to a suitable size.
  • the reaction pad 130 is preferably an isothermal amplification reaction, it is preferable to use a membrane having a plurality of pores are formed that can fluoresce the fluorescent dye well.
  • a glass glass membrane may be used.
  • a sample passage hole 131 is formed in the center to allow a sample to be diagnosed to pass, and includes an isothermal amplification primer and an indicator for changing fluorescence according to an amplification reaction for a specific nucleic acid of the diagnosis target.
  • a plurality of reaction patterns 132, 133, 134, and 135 in which the reaction solution is present may be formed. In this embodiment, a total of four reaction patterns are formed. In the comparison pattern 132, only an indicator may be present to confirm whether the sample has been reached.
  • the first detection pattern 133, the second detection pattern 134, and the third detection pattern 135 each have an indicator for changing fluorescence according to an isothermal amplification primer, an amplification enzyme, and an amplification reaction in response to separate nucleic acid sequences.
  • a reaction solution may be present.
  • an unreactive additive may be further included to stabilize the amplification enzyme and the indicator. As such an unreactive additive, PVA is preferable.
  • the indicator used in the reaction solution may be HNB (Hydroxynaphthol Blue).
  • HNB Hydronaphthol Blue
  • 4 is a diagram showing the reaction of HNB used in the present invention. As shown in Figure 4 HNB is an indicator that the fluorescence is reduced when there is an amplification reaction. Therefore, when a sample to be diagnosed exists, an amplification reaction occurs and the presence of the sample to be diagnosed can be known by decreasing the fluorescence of the HNB.
  • the channel pad 140 is formed below the reaction pad 130.
  • the channel pad 140 serves to transfer the sample to be input to the reaction patterns 132, 133, 134 and 135 of the reaction pad 130 through the transfer pad 150.
  • the sample passes through the channel pad 140 at a position corresponding to the sample input part 114 of the upper case 111, the sample input hole 121 of the cover 120, and the sample passage hole 131 of the reaction pad 130.
  • the first sample passage channel 141 may be formed, and the sample may be passed from the transfer pad 150 to a position corresponding to the reaction patterns 132, 133, 134, and 135 of the reaction pad 130.
  • a second sample pass channel 142 is formed. It is preferable to use a wax patterned membrane that is easy to pann and does not inhibit the reaction so that each sample passage channel is easily formed. In this embodiment, nitrocellulose or polyethersulfone membrane can be used.
  • a transport pad 150 is installed at the lower portion of the channel pad 140 to uniformly spread the injected diagnostic target sample and supply the sample to the reaction patterns 132, 133, 134 and 135 of the reaction pad 130.
  • the transfer pad 150 may use an asymmetric membrane having a smaller pore size in the downward direction so that the injected sample may be spread well overall.
  • the sample to be injected can spread the pores to a smaller side can be spread evenly to the transfer pad 150 as a whole.
  • FIG. 5 is a view showing a sample movement of the chip structure for multi-molecular diagnostics according to an embodiment of the present invention.
  • a multi-molecular diagnostic chip was prepared in the form as shown in FIGS.
  • a reaction pad was prepared using G028 Glass conjugated pad of Merck Millipore. Holes were formed in the center, and reaction patterns were formed in the four groups.
  • LAMP primers were prepared for each of targets 1, 2, and 3, each of which was to be diagnosed.
  • Target 1 is Streptococcus agalactiae
  • target 2 is Streptococcus pneumonia
  • target 3 is Staphylococcus aureus.
  • examples of DNA primers corresponding to targets 1, 2, and 3 are shown in Table 1 below.
  • Primers corresponding to Streptococcus pneumonia were mixed with F1 / B3 / FIP / BIP / LF / LB in the order of 1: 1: 8: 8: 4: 4.
  • target primer sequence S.agalactiae (target 1) F3 GGAACTCTAGTGGCTGGT B3 CAATCACATCTGTTAAGGCT FIP GCCATTTGCTGGGCTTGATTGCTGTATTAGAAGTACATGCTG BIP TGAGGCTATTACTAGCGTGGAATCTACACGACTACCAATAGA LF ACTTGTGGAGTTGTCACTTGA LB AGACTTCATTGCGTGCCA S.pneumoniae (target 2) F3 AACTGATTGAAAGCCATTCA B3 GTCAACGTGGTCTGAGTG FIP CCTGCTTCATCTGCTAGATTGCAAAGAAGAGTTCATGACGGAC BIP TGCCGAAAACGCTTGATACATGTTTGGTTGGTTATTCGTG LF GTAAGAGTTCGATATAAAGGCGGT LB GGAGTTTAGCTGGAATTAAAACGCA S.aureus (target 3) F3 AGAAGTGATTCTGAAGATCCAAC B3 TATCAGTTCTTTGACCTTTGTCA FIP TAACCG
  • a channel pad was manufactured by forming a pattern such that a sample passage channel was formed on a surface by using a Sterlitech PES802005 8.0 ⁇ m membrane filter.
  • Excel Scientific's SealPlate was superimposed on the reaction pad and the channel pad to form a sample inlet, a sample passage hole, and a first sample passage channel.
  • a multi-molecular diagnostic chip was prepared by stacking a Vivid GF asymmetric membrane as a transfer panel and then laminating the upper case lower case.
  • Samples containing DNA from targets 1, 2 and 3 to be diagnosed were prepared. This was mixed with the buffer solution shown in Table 3 below.
  • Figure 7 is a photograph showing the experimental results using the chip structure for self-weight molecular diagnosis according to an embodiment of the present invention.
  • 8 is a graph showing the results of experiments using a chip structure for self-weight molecular diagnosis according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 and 7 when there is no sample (Non) isothermal amplification reaction is not made it can be confirmed that the fluorescent material is present in each region.
  • a sample of Target 1 exists and the fluorescence of T1 decreases.
  • Sample 2 samples of Targets 1 and 2 exist and the fluorescence of T1 and T2 decreases.
  • Targer 3 samples of targets 1, 2, and 3 exist, and the fluorescence of T1, T2, and T3 decreases.
  • reaction pad 140 channel pad 150: transfer pad

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단 칩 구조는 주입되는 진단대상 시료가 통과할 수 있는 시료통과홀이 형성되고 진단 대상의 특정 핵산에 대한 등온증폭반응 프라이머, 증폭반응효소 및 증폭반응에 따라 형광이 변화하는 지시약을 포함하는 반응용액이 존재하는 복수의 반응 패턴이 형성되어 있는 반응패드, 상기 반응패드의 하면에 배치되며 상기 시료통과홀과 대응되는 위치에 제1시료통과채널이 형성되고 상기 반응 패턴과 대응되는 제2시료통과채널이 형성되어 있는 채널패드 및 상기 채널패드 하면에 배치되며, 상기 시료통과홀로부터 주입되어 상기 제1시료통과채널을 통하여 이송되는 시료를 상기 제2시료통과채널을 통하여 상기 반응 패턴에 이송하는 이송패드를 포함한다.

Description

다중 분자진단을 위한 칩 구조
본 발명은 다중 분자진단을 위한 칩 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한번의 시료 주입만으로 분자 진단의 모든 과정을 수행할 수 있는 다중 분자진단을 위한 칩 구조에 관한 것이다.
분자진단(Molecular Diagnosis) 또는 분자진단검사(Molecular Diagnostics)는 분자생물학적 기술을 이용하여 생체표지물질(특히 DNA 또는 RNA)을 검출하거나 분석하는 진단분야 혹은 기법을 의미하며 특히 핵산진단과 유사한 의미로 사용하고 있다. 특히 1985년 중합효소연쇄반응이 개발된 이래로 사람을 비롯한 각종 감염균의 유전자 지도가 완성 되는 등의 기술적 진보가 확립된 이래도 분자진단검사 기술이 비약적으로 발전하고 있다.
현재 바이러스 검출을 위해 주로 사용되는 방법은 분자진단방법으로 질병의 원인이 되는 박테리아, 바이러스 등의 핵산(Nucleic acid: DNA와 RNA또는 그들의 변형체)을 검출하여 병의 원인 및 감염 여부를 검출하는 방법이다. 분자진단방법은 체액으로부터 샘플을 채취, 채취된 샘플의 유전자 추출, 중합효소연쇄반응을 이용한 증폭 및 분석에 이르는 4가지 단계로 구성된다. 분자진단법은 유전자 증폭과정을 거치기 때문에 극미량의 병원체에 대해서도 매우 높은 민감도 및 특이성을 갖는 정확한 진단이 가능하다. 하지만, 기존의 진단법의 수행을 위해서는 PCR 및 전기영동 등 고가의 분석 장비 및 시약을 사용하기 때문에 비용이 많이 들고, 복잡하고 전문적인 기술이 필요하기 때문에 숙련된 기술자에 의해서만 수행이 가능하다. 또한 분석 장비의 거대함으로 인해 각 생물 반응 단계의 통합이 어려와 분자 진단 과정에 샘플 오염의 가능성을 항상 내포하고 있으며, 분석 시간이 오래 걸리기 때문에 현장에서 유전자 진단을 하는데 한계를 보이고 있다.
따라서 기존의 유전자 진단 기법의 단점을 극복하고 현장에서 유전자 진단이 가능한 고효율, 고감도의 새로운 병원체 유전자 분석 시스템이 요구되고 있으며 그 대안으로 랩온어칩(Lab-on-a-chip, LOC) 기술이 각광을 받고 있다. 랩온어칩 기술은 NT, IT, BT의 융합기술의 대표적인 예로 MEMS나 NEMS와 같은 기술을 이용하여 시료의 희석, 혼합, 반응, 분리, 정량 등 시료의 모든 전처리 및 분석 단계를 하나의 칩 위에서 수행하도록 하는 기술을 말한다. 이처럼 손바닥만한 칩 위에서 모든 반응을 자동화시키고 빠르게 수행할 수 있다는 특징 때문에 샘플 전처리, PCR, 분석 시스템을 소형화시킨 연구들이 다년간 많이 진행되어 왔고, 이를 통합시킨 유전자 분석 시스템에 대한 연구도 상당히 진행되어 왔다.
유전자 분석에 있어 PCR을 통한 DNA의 증폭은 극미량의 샘플로부터 유전자를 증폭시켜 높은 민감도 및 특이성을 갖게 하기 때문에 핵산 분석에 필수적이다. Thermal cycling PCR법은 변성, 접합 신장의 세 가지의 온도 단계를 정확하게 맞춰 이루어지는 일련의 반응이기 때문에 정확한 온도 구배를 위해서는 고가의 장비가 필요하다. 이를 극복하기 위해 등온 PCR법이 개발되었는데, 등온 PCR법은 thermal cycling법과 달리 일정한 온도에서 변성, 접합 신장이 가능하기 때문에 증폭시간을 단출할 수 있으며, 등온 유지가 가능한 저가의 장비에서도 수행할 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 장비의 소형화에 유리하며 연구실이나 검출 현장 등의 장소에 구애받지 않고 적용될 수 있다.
최근 랩온어침(LOC) 또는 미세종합분석시스템 기술로 등온 PCR을 마이크로 칩상에서 구현하려는 연구들이 많이 진행되고 있다. 이러한 등온 PCR법은 현장검사(POC test)에서 분자진단을 가능하게 하는 방법이라고 할 수 있다. 등온 PCR을 이용한 현장진단 센서가 개발되고 있으나, 소형화, 비용절감, 단순한 구조의 실현 등 다양한 문제가 있다. 현장진단 검사에서 사용되는 진단 센서는 보다 간단하고 휴대성이 높아야 하므로 보다 소형화되고 간단한 분자진단이 가능한 진단센서가 필요한 실정이다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 보다 간단한 구성으로 현장에서 등온 PCR방법을 이용하여 바로 진단이 가능한 다중 분자진단을 위한 페이퍼칩 구조를 제공하는 데 있다.
위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단 칩 구조는 주입되는 진단대상 시료가 통과할 수 있는 시료통과홀이 형성되고 진단 대상의 특정 핵산에 대한 등온증폭반응 프라이머, 증폭반응효소 및 증폭반응에 따라 형광이 변화하는 지시약을 포함하는 반응용액이 존재하는 복수의 반응 패턴이 형성되어 있는 반응패드, 상기 반응패드의 하면에 배치되며 상기 시료통과홀과 대응되는 위치에 제1시료통과채널이 형성되고 상기 반응 패턴과 대응되는 제2시료통과채널이 형성되어 있는 채널패드 및 상기 채널패드 하면에 배치되며, 상기 시료통과홀로부터 주입되어 상기 제1시료통과채널을 통하여 이송되는 시료를 상기 제2시료통과채널을 통하여 상기 반응 패턴에 이송하는 이송패드를 포함한다.
상기 반응용액은 PVA를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 패드 상면에 배치되며, 상기 시료통과홀과 대응되는 위치에 시료주입구가 형성되는 커버를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 패턴은 샘플투입여부를 확인할 수 있는 비교패턴과 진단대상 시료에 포함된 특정 DNA를 검출할 수 있는 검출패턴이 둘 이상 형성되고,
상기 검출패턴에는 각각 별도의 특정 DNA에 대한 등온증폭반응 프라이머 및 증폭반응효소가 존재하는 것일 수 있다.
상기 반응패드의 상부에 형성되며 상기 시료통과홀과 대응되는 시료투입부 및 상기 반응패턴과 대응되는 위치에 형성되는 패턴확인부가 형성된 상부케이스 및 상기 이송패드 하부에 형성되며 상기 상부케이스와 결합되는 하부케이스를 더 포함할 수 있다.
상기 반응패드는 다공성의 유리 멤브레인(glass membrane)일 수 있다.
상기 채널패드는 니트로셀룰로오스 또는 폴리에테르슬폰 멤브레인일 수 있다.
상기 이송패드는 하부 방향으로 기공 크기가 작아지는 비대칭 구조를 가지는 멤브레인일 수 있다.
상기 지시약은 HNB(Hydroxynaphthol Blue)를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 다중 분자진단을 위한 페이퍼칩 구조에 따르면 보다 간단한 구성으로 분자 진단이 가능하므로 현장에서 보다 간편하게 분자진단이 가능하며, 한번의 시료의 주입만으로도 분자 진단의 모든 과정이 수행될 수 있어 휴대성이 강화되며, 한번의 시료로 여러 가지 분자 진단을 동시에 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에서 사용되는 HNB(Hydroxynaphthol Blue)의 반응을 나타내는 그림이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조의 시료 이동을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자중 분자진단을 위한 칩 구조를 이용한 실험결과를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자중 분자진단을 위한 칩 구조를 이용한 실험결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자중 분자진단을 위한 칩 구조를 이용한 실험결과를 나타낸 그래프이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 다중 분자진단 칩 구조에 대하여 설명하기로 한다.
본 발명은 진단대상이 되는 시료속에 포함되어 있는 DNA 또는 RNA 등의 핵산을 등온증폭방법(LAMP)을 통하여 병원균, 바이러스 등의 검출할 수 있는 진단장비에 사용되는 분자진단 칩 구조에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 분해사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조를 나타낸 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 대해서 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단 칩 구조(100)는 크게 상부케이스(111), 하부케이스(112), 커버(120), 반응패드(130), 채널패드(140), 이송패드(150)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 핵심적인 구성은 반응패드(130), 채널패드(140), 이송패드(150)를 적층한 구조이다. 반응패드(120)는 진단 대상이 되는 시료의 등온증폭반응이 이루어지며, 채널패드(130)는 반응패드에서 등온증폭반응을 일으키는 진단대상 시료를 반응패드(120)에 분리하여 이송하며, 이송패드(140)는 안정적으로 반응패드에 진단대상 시료를 전달하는 역할을 한다.
이하 각각의 구성에 대하여 보다 자세하게 설명한다.
본 발명에서 상부 케이스(111)와 하부 케이스(112)는 커버(120), 반응패드(130), 채널패드(140), 이송패드(150)의 적층구조를 가지는 칩의 형태를 유지하고, 이를 외부로부터 보호하는 역할을 한다. 커버(120) 및 각 패드(130, 140, 150)들은 멤브레인 소재를 사용하기 때문에 형태를 유지하기 위해서는 상부케이스(111) 및 하부케이스(112)를 필요로 한다. 이러한 상부 케이스(111) 및 하부 케이스(112)는 칩의 구조를 유지하기 위한 것으로서 생략되어도 칩의 진단기능을 수행할 수 있다. 상부 케이스(111)는 시료를 투입할 수 있는 있는 시료투입부(114)가 중앙에 형성될 수 있다. 또한 반응패드(130)에서 등온증폭반응의 결과를 확인할 수 있는 패턴확인부(113)가 형성될 수 있다. 패턴확인부(113)는 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)이 노출될 수 있는 개구 형태도 가능하고, 내부의 색의 변화를 확인할 수 있도록 투명창이 형성될 수도 있다. 시료투입부(114)는 하부에 적층되는 커버(120)의 시료투입구(131)와 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 상부케이스(111)와 하부케이스(112)는 다양한 소재가 사용될 수 있으나, 가벼운 플라스틱 소재가 바람직하다.
상부 케이스(111)의 하부에는 커버(120)가 형성될 수 있다. 커버(120)는 투입되는 진단시료와 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)에 존재하는 반응용액이 증발하는 것을 방지하기 위해 설치된다. 또한 반응패턴(132, 133, 134, 135)에서 증폭반응여부를 확인할 수 있도록 투명소재로 사용하는 것이 바람직하다. 커버(120)의 중앙에는 상부케이스(111)의 시료투입부(114)와 반응패드(130)의 시료통과홀(131)에 대응되는 위치에 시료투입구(121)가 형성된다. 본 실시예에서는 실험용으로 판매되는 ELISA tape을 적당한 크기로 잘라서 사용할 수 있다.
반응패드(130)는 등온증폭반응이 가능하고 형광염료의 형광이 잘 나타날 수 있는 다수의 기공이 형성되어 있는 멤브레인을 사용하는 것이 바람직하다. 일예로 유리재질의 글래스 멤브레인(glass membrane)을 사용할 수 있다. 반응패드(130)에는 중앙에 진단 대상 시료가 통과할 수 있도록 시료통과홀(131)이 형성되어 있으며, 진단 대상의 특정 핵산에 대한 등온증폭반응 프라이머 및 증폭반응에 따라 형광이 변화하는 지시약을 포함하는 반응용액이 존재하는 복수의 반응 패턴(132, 133, 134, 135)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 총 4개의 반응 패턴이 형성되어 있다. 비교패턴(132)는 시료의 도달여부를 확인할 수 있도록 지시약 만이 존재할 수 있다. 제1 검출패턴(133), 제2 검출패턴(134), 제3 검출패턴(135)은 각각 별도의 핵산 서열에 반응하는 등온증폭반응 프라이머, 증폭반응효소 및 증폭반응에 따라 형광이 변화하는 지시약을 포함하는 반응용액이 존재할 수 있다. 또한, 증폭반응 효소와 지시약의 안정을 위해 미반응성 첨가물이 더 포함될 수 있다. 이러한 미반응성 첨가물로는 PVA가 바람직하다.
따라서, 본 발명의 실시예에서와 같이 4개의 반응 패턴이 존재하는 경우에는 3가지의 특정 핵산에 대하여 증폭반응을 통하여 3가지 분자진단을 동시에 수행할 수 있다. 반응패턴의 수를 조절하여 동시에 진단할 수 있는 종류를 조절하는 것이 가능하다.
반응용액에 사용되는 지시약은 HNB(Hydroxynaphthol Blue)일 수 있다. 도 4는 본 발명에서 사용되는 HNB의 반응을 나타내는 그림이다. 도 4에 도시된 바와 같이 HNB는 증폭반응이 있는 경우 형광이 감소되는 지시약이다. 따라서, 진단 대상이 되는 시료가 존재하는 경우 증폭반응이 발생하게 되고 HNB의 형광이 감소함으로써 진단대상 시료의 존재를 알 수 있다.
반응패드(130) 하부에는 채널패드(140)가 형성된다. 채널패드(140)는 투입되는 시료를 이송패드(150)를 통하여 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)에 전달 할 수 있는 역할을 수행하게 된다. 채널패드(140)에는 상부케이스(111)의 시료투입부(114), 커버(120)의 시료투입구(121), 반응패드(130)의 시료통과홀(131)과 대응되는 위치에 시료가 통과할 수 있드록 제1시료통과채널(141)이 형성되며, 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)과 대응되는 위치에 이송패드(150)로부터 시료가 통과될 수 있도록 제2시료통과채널(142)가 형성된다. 각각의 시료통과채널을 형성하기 쉽도록 패넌이 쉽고 반응을 저해하지 않는 멤브레인을 왁스로 패터닝 해서 사용하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 니트로셀룰로오스 또는 폴리에테르슬폰 멤브레인 등을 사용할 수 있다.
채널패드(140) 하부에는 주입되는 진단 대상 시료를 균일하게 퍼뜨리고 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)에 시료를 공급할 수 있도록 이송패드(150)가 설치된다. 이송패드(150)는 투입된 시료가 전체적으로 잘 퍼질 수 있도록 하부 방향으로 기공크기가 작아지는 비대칭 멤브레인을 사용할 수 있다. 투입되는 시료가 기공이 작은 쪽으로 퍼지게 되어 전체적으로 골고루 이송패드(150)에 퍼질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 분자진단을 위한 칩 구조의 시료 이동을 나타낸 도면이다. 최초 상부케이스(111)의 시료투입부(114)를 통하여 시료가 투입되면 커버(120)의 시료투입구(121), 반응패드(130)의 시료통과홀(131), 채널패드(140)의 제1시료통과채널(141)을 통하여 이송패드(150)로 이동하게 된다. 이때 이송패드(150)를 충분하게 적셔주게 되면 이송패드(150)를 통하여 시료가 채널패드(140)의 제2시료통과채널(142)을 통하여 반응패드(130)의 반응패턴(132, 133, 134, 135)에 도달되게 된다. 채널패드(140)를 통하여 시료를 독립적으로 각각 반응패턴(132, 133, 134, 135)에 도달하게 함으로써 한 번의 시료투입으로 다중진단이 가능하게 된다.
이하 실험예를 통하여 보다 자세하게 설명한다.
1. 다중 분자진단 칩의 제조
도 1 내지 도 3과 같은 형태로 다중 분자진단 칩을 제조하였다. 우선 Merck Millipore의 G028 Glass conjugated pad를 사용하여 반응 패드를 제조하였다. 가운데에 홀을 형성하고 4군대에 반응패턴을 형성하였다. 각각 진단을 원하는 타겟 1, 2, 3 각각의 LAMP 프라이머를 준비하였다. 타겟 1은 Streptococcus agalactiae이며, 타겟 2는 Streptococcus pneumonia, 타겟 3은 Staphylococcus aureus으로 선정하였다. 예를 들면 타겟1, 2, 3에 해당하는 DNA 프라이머의 예시를 하기 표1에 도시하였다. Streptococcus pneumonia에 해당하는 프라이머를 F3 / B3 / FIP / BIP / LF / LB 를 순서대로 1 : 1 : 8 : 8 : 4 : 4 로 혼합하였다.
타겟 프라이머 시퀀스
S.agalactiae(타겟 1) F3 GGAACTCTAGTGGCTGGT
B3 CAATCACATCTGTTAAGGCT
FIP GCCATTTGCTGGGCTTGATTGCTGTATTAGAAGTACATGCTG
BIP TGAGGCTATTACTAGCGTGGAATCTACACGACTACCAATAGA
LF ACTTGTGGAGTTGTCACTTGA
LB AGACTTCATTGCGTGCCA
S.pneumoniae(타겟 2) F3 AACTGATTGAAAGCCATTCA
B3 GTCAACGTGGTCTGAGTG
FIP CCTGCTTCATCTGCTAGATTGCAAAGAAGAGTTCATGACGGAC
BIP TGCCGAAAACGCTTGATACATGTTTGGTTGGTTATTCGTG
LF GTAAGAGTTCGATATAAAGGCGGT
LB GGAGTTTAGCTGGAATTAAAACGCA
S.aureus(타겟 3) F3 AGAAGTGATTCTGAAGATCCAAC
B3 TATCAGTTCTTTGACCTTTGTCA
FIP TAACCGTATCACCATCAATCGAGTATACAGTGCAACTTCAACT
BIP GTCAAACAATGACATTCAGACTGGACCATATTTCTCTACACCTTT
LF TTAATTAATGTCGCAGGTTCTT
LB GATACACCTGAAACAAAGCATC
이와 같이 각 타겟에 필요한 LAMP 프라이머를 준비하고 이를 하기 표 2에 나타낸 반응용액을 제조하였다.
PVA (10kDa) Primer Polymerase HNB Water
최종 농도 3% (w/v) 4 uM 0.32 U/uL 240 uM -
Stock 농도 20% 100uM 8 U/uL 1.2mM -
Volume 7.5 uL 2.6 uL 2 uL 10 uL 27.9 uL
비고 Sigma F3, B3, FIP, BIP,LF, LB의 혼합물 Wako Chemical Sigma DNA-free water 사용Total 50uL로
반응 용액을 표2와 같이 약 3.5㎕를 반응패드의 반응패턴에 투입한 후 약 37의 오븐에서 약 20분간 건조시켰다.
Sterlitech의 PES802005 8.0 ㎛ 멤브레인 필터를 사용하여 표면에 왁스 프린터를 통하여 시료통과채널이 형성될 수 있도록 패턴을 형성하여 채널패드를 제조하였다. 커버로 Excel Scientific의 SealPlate를 반응패드와 채널패드와 겹쳐 각각 시료투입구, 시료통과홀, 제1시료통과채널이 형성되도록 하였다.
이송패널로 Vivid GF 비대칭 멤브레인을 사용하여 적층한 후 상부 케이스 하부 케이스를 적층하여 다중 분자진단 칩을 제조하였다.
2. 다중 분자 진단 방응 수행
진단하려고 하는 타겟 1, 2, 3 균의 DNA가 포함된 샘플을 준비하였다. 이를 하기 표 3에 도시된 버퍼용액과 샘플을 혼합하였다.
Tris-HCl KCl MgSO4 (NH4)2SO4 Tween 20 Betaine dNTPs
최종 농도 20mM 10mM 8mM 10mM 0.1% 0.8M 2.8mM each
Stock 농도 1.5M 1M 100mM 1M 100% 5M 100mM each
샘플과 버퍼용액을 혼합한 후에 상부케이스의 시료주입부를 통하여 약 70~100㎕를 주입하고 케이스를 약 63의 온도로 약 1시간동안 유지시킨후 분자진단 결과를 확인하였다. (Non은 버퍼용액만을 투입한 경우, Target 1은 타겟 1 샘플만, Target 1,2는 타겟 1, 2 샘플, Target 1, 2, 3은 타겟 1, 2, 3을 각각 투입한 경우이다. 도6 참조)
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 자중 분자진단을 위한 칩 구조를 이용한 실험결과를 나타낸 사진이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자중 분자진단을 위한 칩 구조를 이용한 실험결과를 나타낸 그래프이다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 아무 샘플도 없는 경우(Non)에는 등온증폭반응이 이루어지지 않아 각 영역 모두 형광물질이 존재하는 것을 확일 할 수 있다. Target 1의 경우 타겟 1의 샘플이 존재하고 T1의 형광이 감소하는 것을 알 수 있다. Target 2의 경우 타겟 1, 2의 샘플이 존재하고 T1, T2의 형광이 감소하는 것을 알 수 있다. Targer 3의 경우 타겟 1, 2, 3의 샘플이 존재하고 T1, T2, T3의 형광이 감소하는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명을 통하여 간단한 장치를 통하여3가지 분자 진단을 동시에 할 수 있는 것을 알 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
111: 상부 케이스 112: 하부케이스 120: 커버
130: 반응패드 140: 채널패드 150: 이송패드

Claims (9)

  1. 주입되는 진단대상 시료가 통과할 수 있는 시료통과홀이 형성되고 진단 대상의 특정 핵산에 대한 등온증폭반응 프라이머, 증폭반응효소 및 증폭반응에 따라 형광이 변화하는 지시약을 포함하는 반응용액이 존재하는 복수의 반응 패턴이 형성되어 있는 반응패드;
    상기 반응패드의 하면에 배치되며 상기 시료통과홀과 대응되는 위치에 제1시료통과채널이 형성되고 상기 반응 패턴과 대응되는 제2시료통과채널이 형성되어 있는 채널패드; 및
    상기 채널패드 하면에 배치되며, 상기 시료통과홀로부터 주입되어 상기 제1시료통과채널을 통하여 이송되는 시료를 상기 제2시료통과채널을 통하여 상기 반응 패턴에 이송하는 이송패드;를 포함하는 다중 분자진단 칩 구조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응용액은 PVA를 더 포함하는 다중 분자진단 칩 구조.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 패드 상면에 배치되며, 상기 시료통과홀과 대응되는 위치에 시료주입구가 형성되는 커버를 더 포함하는 다중 분자진단 칩 구조.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 패턴은 샘플투입여부를 확인할 수 있는 비교패턴과 진단대상 시료에 포함된 특정 DNA를 검출할 수 있는 검출패턴이 둘 이상 형성되고,
    상기 검출패턴에는 각각 별도의 특정 DNA에 대한 등온증폭반응 프라이머 및 증폭반응효소가 존재하는 것을 특징으로 하는 다중 분자진단 칩 구조.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응패드의 상부에 형성되며 상기 시료통과홀과 대응되는 시료투입부 및 상기 반응패턴과 대응되는 위치에 형성되는 패턴확인부가 형성된 상부케이스 및 상기 이송패드 하부에 형성되며 상기 상부케이스와 결합되는 하부케이스를 더 포함하는 다중 분자진단 칩 구조.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응패드는 다공성의 유리 멤브레인(glass membrane)인 것을 특징으로 하는 다중 분자진단 칩 구조.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 채널패드는 니트로셀룰로오스 또는 폴리에테르슬폰 멤브레인 인 것을 특징으로 하는 다중 분자진단 칩 구조.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 이송패드는 하부 방향으로 기공 크기가 작아지는 비대칭 구조를 가지는 멤브레인인 것을 특징으로 하는 다중 분자진단 칩 구조.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 지시약은 HNB(Hydroxynaphthol Blue)를 포함하는 다중 분자진단 칩 구조.
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