КАРТРИДЖНАЯ СИСТЕМА
CARTRIDGE SYSTEM

Настоящее изобретение относится к картриджной системе для применения в детектировании одного или более аналитов в образце, в особенности биологическом образце. Система типично представляет собой двухкомпонентную систему и включает реагентный компонент и обрабатывающий компонент. Преимущество состоит в том, что реагентный компонент может заключать в себе все необходимые для анализа элементы (например, точно приспособленные для тестирования конкретного медицинского состояния), в то время как обрабатывающий компонент может представлять собой универсальный компонент, совместимый с рядом различных типов образца, позволяя использовать обрабатывающий прибор общего назначения и снижая стоимость производственных ресурсов пользователя. Изобретение также относится к картриджу как принадлежности, обеспечивающему такую среду, в которой тестируемый образец, все включенные реагенты и все отработанные реагенты могут быть полностью изолированы и замкнуты внутри картриджевого узла. Это имеет преимущество в предотвращении загрязнения и риска утечки и делает утилизацию менее опасной. Система имеет особенную применимость в анализах, проводимых в условиях «рядом с пациентом», то есть на месте медицинского обслуживания (например, в больнице, в кабинете врача или у постели пациента). Настоящая система далее является преимущественной в том, что ее реагентный компонент может включать отсек для размещения отходов из анализа, тем самым упрощая очистку и удаление отходов без необходимости для пользователя контактировать с отходами. Изобретение также относится к способам соединения компонентов, картриджам, сформированным из компонентов, и анализам, проводимым с использованием компонентов.
Общепринятые медицинские анализы требуют применения одного или более образцов (таких как образцы крови или мочи), взятых у пациента в больнице или в кабинете врача, и затем переданных в лабораторию для анализа. В прошлом был неизбежным анализ образца в «центральной» лаборатории вследствие масштаба и сложности аналитических приборов и систем. Однако необходимость проведения анализа образца в отдаленном месте сопряжена со значительной задержкой в диагностировании и лечении пациента. Чтобы сократить задержку, существует непреходящая потребность в разработке аналитических систем и способов, которые могут быть проведены в условиях «рядом с пациентом» и которые обеспечивают быстрое получение результатов. Со временем для этой цели были разработаны более компактные и менее дорогостоящие аналитические устройства.
С некоторых пор было известно применение картриджей в биологических аналитических системах. Картриджи имеют преимущество в том, что они позволяют использовать единое универсальное аналитическое устройство для анализа ряда различных аналитов путем применения различных картриджей для каждого отдельного аналита. Кроме того, они упрощают процедуру анализа по сравнению с более крупными, более громоздкими лабораторными системами. Развитие микрофлюидальных обрабатывающих устройств и чипов упростило развитие таких картриджей, поскольку микрофлюидальные устройства позволяют создать гораздо более компактные (и более дешевые) картриджи, которые могут быть легко встроены в более масштабное надежное аналитическое устройство. Опубликованная международная патентная заявка WO 02/090995 описывает один такой картридж, который может быть использован в процессе анализа в условиях «рядом с пациентом».
Однако по-прежнему существует потребность в разработке новых картриджей и в усовершенствовании имеющихся картриджей, чтобы соответствовать нуждам в новых или более эффективных анализах, или анализах, способных идентифицировать несколько аналитов одновременно. В ответ на эти нужды были разработаны двухкомпонентные картриджи. Типично двухкомпонентные картриджи имеют компонент для хранения реагентов и компонент для обработки образца реагентами. Есть ряд преимуществ, связанных с этими двухкомпонентными системами. Отдельный компонент для хранения реагентов упрощает приготовление и доставку растворов, необходимых для проведения анализа. Компонент может быть сконструирован так, чтобы максимизировать срок хранения реагентов и избежать необходимости для пользователя контролировать концентрации и объемы раствора. Двухкомпонентная система обеспечивает повышенную приспособляемость, поскольку единый обрабатывающий компонент может быть соединен с любым одним или множеством реагентных компонентов в зависимости от природы исследуемого аналита. Опубликованная международная патентная заявка WO 2005/060432 описывает типичный двухкомпонентный картридж для применения с электрохимическим сенсором. Она описывает систему, которая требует, чтобы оба компонента были специально скомпонованы для конкретного анализа, так как сенсорный компонент встроен в транспортный компонент, который в общем требует иной конфигурации и поэтому является специфическим для каждого отдельного выполняемого анализа.
Опубликованный патент US 4,940,527 представляет состоящий из двух частей испытательный картридж для применения в центрифужном анализаторе. Типично он используется для измерения концентрации различных электролитов в крови. Картридж содержит камеру для отходов и сенсор, причем камера для отходов скомпонована для принятия избыточного образца и для утилизации, в то время как сенсор представляет собой узел многократного пользования в картридже.
Опубликованная патентная заявка US 2003/0073089 раскрывает сенсорный картридж для проведения химического анализа, соединенный с картриджем в комплекте, содержащим систему хранения реагентов и систему извлечения отходов.
Дальнейшие разработки в области картриджей все еще нуждаются в усовершенствовании эффективности и упрощении производимых пользователем операций с тем, чтобы более сложные анализы можно было проводить за пределами лаборатории на месте медицинского обслуживания пациента. Цель настоящего изобретения состоит в разрешении этой проблемы и проблем, связанных с известными аналитическими системами и картриджами, такими как таковые, описанные выше.
Соответственно этому, настоящее изобретение представляет картриджную систему, включающую:
(а) реагентный компонент для хранения одного или более реагентов; и
(b) обрабатывающий компонент для обработки одного или более реагентов в анализе;
в которой реагентный компонент и обрабатывающий компонент скомпонованы для соединения друг с другом с формированием картриджа и в которой реагентный компонент и/или обрабатывающий компонент включает по меньшей мере один отсек, предназначенный для приема отходов от анализа, реагентный компонент не принимает участия в обработке реагентов в анализе, за исключением принятия отходов из обрабатывающего компонента.
Картриджная система согласно настоящему изобретению в особенности обладает тем преимуществом, что отходы, образованные в анализе, могут быть аккуратно смыты в отсек, резервуар или полость, расположенный(-ную) в самом реагентном компоненте. Это устраняет необходимость для пользователя контактировать с любыми образовавшимися отходами и удобно изолирует их от окружающей среды. Это может быть в особенности важным, если аналитические реагенты являются токсичными, или если исследуемый образец является потенциально заразным или любым образом опасным. Система имеет дальнейшее преимущество в том, что пользователю не нужно обращаться с любыми реагентами или готовить таковые, поскольку они хранятся в реагентном компоненте. Преимущество состоит также в том, что обрабатывающий компонент той же конструкции может быть использован для нескольких различных анализов, просто путем употребления различных реагентных компонентов. Возможно также без труда встроить в систему разнообразные протоки текучих сред для различных анализов. Другими словами, система имеет повышенную гибкость благодаря ее модульной конструкции и простоте. Соединение двух компонентов устраняет или значительно сокращает риски утечек и/или загрязнения. Более того, точки жидкостных контактов (входные и выходные каналы, которые формируют соединение между компонентами, когда они соединяются вместе) являются приспособляемыми и могут быть где угодно на стыке (например, в плоскости разъема) между двумя компонентами. Система очень надежна и экономична благодаря легкой заменяемости использованного картриджа. Система также компактна, и, к примеру, реагент и/или образец могут быть разделены мембранами, которые могут быть разорваны при вставлении картриджа в аналитическое устройство.
Чтобы реализовать преимущества изобретения, реагентный компонент не должен принимать участия в обработке реагентов в анализе, за исключением принятия отходов из обрабатывающего компонента. В известных двухкомпонентных картриджных системах, таких как таковые в патентах US 4,940,527 и US 2003/0073089, конструкция двухкомпонентной системы была такой, что было невозможно устранить всю аналитическую обработку из компонента для хранения реагентов в картридже. В такой системе утрачивается гибкость и простота, поскольку конструкция реагентного компонента не является независимой от обрабатывающего компонента. В настоящем изобретении поскольку реагентный компонент не принимает участия в обработке реагентов в анализе, за исключением принятия отходов, одна и та же конструкция реагентного компонента может быть использована для множества разнообразных обрабатывающих компонентов (то есть во множестве различных анализов). Для каждого отдельного анализа реагенты в реагентном компоненте могут быть разными, но конструкция полостей и каналов реагентного компонента могут оставаться постоянными.
Картриджная система типично включает чувствительный элемент для детектирования аналита (хотя в некоторых вариантах осуществления чувствительный элемент может быть частью аналитического устройства, в которое вставляется картридж, и тем самым не должен быть расположен в самом картридже, или может присутствовать в третьем компоненте (сенсорном компоненте) системы). Расположение чувствительного элемента или компонента не является особенно ограниченным и может быть выбрано в зависимости от конкретного обсуждаемого анализа. Таким образом, чувствительный элемент или компонент может составлять часть реагентного компонента или обрабатывающего компонента. В предпочтительном варианте осуществления реагентный компонент включает чувствительный элемент или компонент.
Таким образом, настоящее изобретение также представляет вариант исполнения, в котором картриджная система включает:
(а) реагентный компонент для хранения одного или более реагентов;
(b) обрабатывающий компонент для обработки одного или более реагентов в анализе; и
(с) сенсорный компонент, включающий по меньшей мере один чувствительный элемент для детектирования аналита;
в которой реагентный компонент, обрабатывающий компонент и сенсорный компонент представляют собой отдельные компоненты, скомпонованные для соединения друг с другом для формирования картриджа.
В этом варианте осуществления сенсорный компонент типично представляет собой отдельный третий компонент картриджа, например, в наборе “point-of-use” («на месте пользования»). Субстрат сенсора преимущественно может быть изготовлен заранее в качестве отдельного компонента до встраивания в реагентный картридж. Это может включать способ нанесения зондов на поверхность сенсора, так что наличие субстрата сенсора как отдельного обособленного компонента является преимущественным в производстве компонентов картриджа, например, в случае, где зонды наносятся с помощью краскораспылительного сопла, действующего вплотную к поверхности сенсора, когда прочие конструкционные особенности картриджа могли бы препятствовать этому. Преимущество такой компоновки, например, состоит в том, что вариация субстрата сенсора (например, плотности зондов) может обеспечивать улучшенную специфичность относительно оцениваемой стадии заболевания, такого как HCV (вирусный гепатит С).
Предпочтительно сенсорный компонент скомпонован так, что он соединяется, необязательно сопрягаясь с возможностью удаления, либо с реагентным компонентом, либо с обрабатывающим компонентом до соединения реагентного и обрабатывающего компонентов. Типично сенсорный компонент и реагентный или обрабатывающий компоненты поставляются предварительно соединенными друг с другом. В этом контексте термин «предварительно соединенные» означает, что сенсорный компонент и реагентный или обрабатывающий компонент представляют собой отдельные компоненты, которые соединяются вместе (необязательно с возможностью разборки) во время изготовления, и поставляются пользователю (в качестве части системы или набора) в собранном виде вместе с отдельным компонентом (иным, нежели реагентный или обрабатывающий компонент, к которому сенсорный компонент не присоединен). Во всех этих вариантах осуществления является предпочтительным, что реагентный компонент включает по меньшей мере один отсек, скомпонованный для принятия отходов из обрабатывающего компонента.
В дальнейшем варианте осуществления изобретение представляет картриджную систему, включающую:
(а) реагентный компонент для хранения одного или более реагентов;
(b) обрабатывающий компонент для обработки одного или более реагентов в анализе; и
(с) компонент подготовки образца для приготовления образца для анализа;
в котором реагентный компонент и обрабатывающий компонент скомпонованы для соединения друг с другом с формированием картриджа.
В этом варианте осуществления система включает дальнейший компонент, компонент подготовки образца, который готовит образец для анализа перед подачей приготовленного образца в обрабатывающий компонент. Этот вариант осуществления предоставляет многочисленные преимущества. Например, различные образцы нуждаются в различных типах приготовления (например, образец мочи будет отличаться от образца крови), и компонент подготовки образца может обеспечить возможность употребления таких различных образцов на одном и том же обрабатывающем компоненте путем предварительной подготовки образца перед подачей его в обрабатывающий компонент для проведения анализа.
Во всех вариантах осуществления изобретения преимущество заключается в том, что может быть представлен картридж для одновременной регистрации многих аналитов. В особенности преимущественное средство достижения этого состоит в компоновке реакционной камеры, внутри которой зондирование производится так, что могут быть использованы многообразные способы детектирования, например, с помощью как электромеханического приспособления, так и оптического приспособления.
В контексте настоящего изобретения все описываемые картриджные системы могут быть в форме набора, для сборки и/или объединения на месте употребления пользователем.
Для содействия настоящему описанию в качестве примера могут быть привлечены только нижеследующие Фигуры, на которых представлено:
Основные положения общей концепции
Фиг.1 иллюстрирует основные части картриджной системы - позиция 1 представляет компонент для хранения реагентов, способный сохранять многообразные типы реагентов во множестве различных объемов, позиция 2 представляет компонент для обработки реагентов, включающий микрофлюидальные каналы, реакционные зоны и клапанные устройства, позиция 3 представляет полость для принятия испытуемого образца, позиция 4 представляет собранный обрабатывающий картридж, который получается из компонентов 1 и 2, соединенных между собой, позиция 5 представляет обрабатывающий прибор, который принимает картридж через слот 6, при этом прибор 5 обеспечивает возможность работы разнообразных приспособлений для транспорта жидкостей, клапанных устройств и средств детектирования.
Фиг.2 представляет пример некоторых типичных функциональных зон внутри картриджа. Позиция 7 представляет набор камер для хранения реагентов, причем каждая предпочтительно содержит отличающийся реагент. Например, камеры могут независимо содержать подвижный буфер, промывной буфер, лизирующий буфер и гибридизирующий буфер. Позиция 8 представляет загрузочную камеру, которая может принимать испытуемый образец, который, например, в его простейшей форме может представлять собой предварительно очищенные экстракты нуклеиновых кислот из образца крови, или в его самой сложной форме может быть образцом цельной крови. Эта загрузка может быть произведена с использованием метода ручного пипетирования, альтернативно она может быть выполнена с использованием автоматического метода внутри обрабатывающего прибора. Позиция 9 представляет один из множества клапанов, встроенных в обрабатывающий компонент, позиции 10 и 11 представляют обрабатывающие камеры внутри компонента для обработки реагентов, внутри которых, например, может происходить лизис клеток, стадии промывания или смена буфера. Позиция 12 представляет реакционную камеру, внутри которой целевой аналит (например, антитела, экстрагированные из испытательного образца) связывается с зондами на поверхности сенсора. Методы детектирования внутри обрабатывающего прибора, например средства регистрации картин флуоресценции или люминесценции, могут быть сопряжены с камерой 12 во время проведения последовательности реакций внутри камеры 12. Позиция 13 представляет набор камер для хранения отработанных реагентов.
Фиг.3а и 3b представляют соответствующие примеры того, как эти функции могут быть с удобством распределены между компонентом 1 для хранения реагентов и обрабатывающим компонентом 2. Позиция 14 представляет группу каналов для поступления жидкостей в обрабатывающий компонент 2. Эти каналы 14 соответствуют впускным каналам 15 на компоненте 1 для хранения реагентов. Позиция 16 представляет группу каналов для подачи жидкостей в компонент 1 для хранения реагентов. Эти каналы 16 соответствуют приемным каналам 17 на компоненте 1 для хранения реагентов. Позиция 18 обозначает каналы и клапаны, встроенные ниже верхней поверхности обрабатывающего компонента 2. Позиция 19 представляет открытое гнездо для принятия испытательного образца. Позиция 20 представляет открытую камеру, которая становится закрытой камерой, когда примыкает к субстрату 21 на компоненте 1 для хранения реагентов.
Компонент для хранения реагентов.
Фиг.4 показывает пример, где 30 представляет пластмассовый формованный носитель, включающий компоненты 31 жидкостных каналов (которые представляют собой позиции 15 и 17 на фиг.3b), вмещающий корпус 32 с отверстиями 33 для внешних средств срабатывания, мембраны 34 с инкапсулированными жидкостями, и контактные прокладки 35 для приведения в действие. Компонент для хранения реагентов необязательно включает суб-компонент, который типично включает субстрат, к которому могут быть присоединены разнообразные зонды, чтобы обеспечивать возможность взаимодействия между целевыми аналитами и этими зондами.
Компонент для обработки реагентов.
Фиг.5 показывает пример, где позиция 40 представляет пластмассовый формованный носитель, включающий микрофлюидальный субстрат 41, который, в свою очередь, включает компоненты 42 жидкостных каналов (которые представляют собой позиции 14 и 16 на фиг.3а). Возможные внутренние компоновки микрофлюидального субстрата 41 известны (например, геометрические формы каналов и полостей, способы изготовления, компоновки клапанной системы, поверхностные покрытия), так что жидкости могут быть транспортированы, смешаны, инкубированы и испытаны в рамках проводимого анализа. В настоящем изобретении есть возможность применения многообразных вариантов таких компоновок известного уровня техники.
Сенсорный компонент
Фиг.6а показывает пример, где микрофлюидальный субстрат 41 на своей нижней стороне оснащен окном 43, позволяющим с помощью системы линз 44 воспринимать изображение реакционного процесса субстратом 45 сенсора, который присоединен к верхней зоне субстрата 41. Этот субстрат сенсора в сочетании с микрофлюидальным субстратом 41 создает полость 47, внутри которой может происходить взаимодействие между зондами 46 сенсора и испытуемым аналитом.
Фиг.6b показывает тот же пример, но в котором субстрат 45 сенсора присоединен к носителю 30 компонента для хранения реагентов. Ребра 48 обеспечивают выравнивание и уплотнение относительно лицевой стороны окна 43 с помощью мягкой прокладки 49 по периметру окна 43, и эти ребра также могут включать каналы для транспорта текучей среды в реакционную камеру и из нее.
Физическое соединение компонентов картриджа
Фиг.7 показывает пример, где пластмассовый формованный носитель 40 включает зазубренные пластмассовые язычки 50 (по два на каждой стороне картриджа), которые входят в зацепление с пазами 51 в пластмассовом формованном носителе 30 так, что кромки зубцов 52 в сочетании с зубцами 53 в пластмассовом формованном носителе 30 создают приспособление для фиксирования деталей 30 и 40 вместе в двух положениях. Первое положение представляет собой полузамкнутое положение, показанное в фиг.7а, которое позволяет конечному пользователю удалить защитные предохранительные ленты 60 и 61 с носителя 30 и опционального субстрата 45 (показанного в фиг.6b). Второе положение показано в фиг.7с и соответствует полностью замкнутому положению картриджа, в котором жидкостные каналы 31 и 42 полностью совмещаются так, что испытательный образец, все рабочие реагенты и отработанные реагенты полностью заключены внутри картриджа. Запертое положение обеспечивается дополнительным зубцом 54 на лицевой поверхности язычка 50. Фиг.7b показывает этот зубец в полузамкнутом положении, и фиг.7d показывает этот зубец полностью зафиксированным в результате зацепления за кромку носителя 30. Предполагается предпочтительным, что переход от полузамкнутого положения в полностью замкнутое проводится автоматически внутри прибора после того как пользователь вставил картридж. Прибор будет заключать в себе зажимное приспособление для контроля этого процесса. Это действие будет иметь результатом выгибание верхних зубцов 53, как показано в фиг.7с, и это приведет к созданию бокового зажимающего усилия, приложенного к язычкам 50, тем самым обеспечивая очень плотное фиксирование двух компонентов картриджа относительно друг друга.
Фиг.8 показывает примерную последовательность зацепления между носителем 30 и носителем 40.
Жидкостное соединение между компонентами картриджа
Фиг.9а показывает пример применения защитных предохранительных лент 60 и 61. Лента 60, например, прикреплена к носителю 30 методом термосварки в точке заполнения реагентом во время процесса изготовления так, что реагенты герметизируются и изолируются от внешней окружающей среды. Лента 60 также может обеспечивать такие же защитные функции для субстрата 45 сенсора (см. фиг.6b), и лента 61 также может обеспечивать такое же защитное действие для загрузочного гнезда 19 (см. фиг.3b). Фиг.9а также показывает альтернативный вариант компоновки язычка и зубца, в котором на одной стороне картриджа используется один центральный язычок. Иллюстрированное положение представляет полузамкнутое положение, где два компонента выравниваются относительно друг друга и готовы к удалению защитных лент. Эти защитные ленты могут быть удалены пользователем путем вытягивания одной ленты с каждой стороны, как на фиг.9а. Фиг.9b показывает, что ленты могут быть также соединены между собой с помощью адгезивного средства в месте 62, и таким образом однократное вытягивающее действие с одной стороны будет удалять обе ленты.
Пример биологического анализа
Фиг.10 показывает последовательность течения реагентов, соответствующее такому, которое требуется для простого анализа типа ELISA (иммуноферментный твердофазный анализ) (см. пример 1 ниже).
Пример межкомпонентного соединения в картридже
Фиг.11а и 11b показывают примерную систему межкомпонентного соединения в картридже.
Пример зоны для образца
Фиг.12 показывает зону для образца на краю картриджной системы. Эта зона для образца скомпонована для размещения пипетки с кровью (то есть образец представляет собой образец цельной крови). Это является преимущественным, поскольку игла для прокалывания пипетки с кровью спрятана внутри зоны для образца, чтобы защитить пользователя от травмирования при неосторожном обращении с иглой и от загрязнения.
Прототипный обрабатывающий компонент
Фиг.13 показывает прототип обрабатывающего компонента в стадии разработки. Обрабатывающий компонент обозначен как микрофлюидальное устройство и можно отчетливо видеть трубки для реагентов и трубки для отходов. Эти трубки должны быть соединены с компонентом для хранения реагентов, видным на правой стороне обрабатывающего компонента. Фигура также показывает клапанные системы и размеры микрофлюидальных каналов.
Примерная компоновка обрабатывающего компонента
Фиг.14 показывает пример компоновки обрабатывающго компонента в этом случае для анализа нуклеиновых кислот.
Дальнейшая примерная компоновка обрабатывающего компонента
Фиг.15 показывает пример нескольких возможных обрабатывающих компонентов в анализе HCV (вирусного гепатита С). Диаграмма показывает две возможные конфигурации для компонента подготовки образца (в этом случае компонента для разделения крови) - отдельный разделительный компонент (два верхних прямоугольника блок-схемы, показывающих экстракцию белых кровяных телец (WBC)) и встроенный компонент (второй прямоугольник сверху, показывающий модуль очистки плазмы). Это иллюстрирует общий принцип настоящего изобретения, состоящий в том, что компонент подготовки образца может быть соединен (или пригоден к присоединению) с другими компонентами или может быть отдельным. Когда пробоподготовительный блок является отдельным от прочих компонентов, перенос приготовленного образца тем не менее может быть автоматизирован каким-либо путем, например, через трубки для текучих сред, соединяющие один блок с еще одним отдельным блоком.
Примерная компоновка компонента подготовки образца
Фиг.16а и 16b показывают примерные компоновки компонента подготовки образца, который предназначен для приготовления образца из цельной крови. Фиг.16а показывает зону для образца фиг.12 (предназначеную для приема пипетки с кровью) с устройством для экстрагирования плазмы. Плазма подготавливается для использования в дальнейшем анализе, например в анализе, как изображено в фиг.14. Фиг.16b показывает примерную компоновку для отделения лейкоцитов с образованием образца.
Примерная компоновка обрабатывающих компонентов
для конкретных анализов
Фиг.17-21 показывают компоновки обрабатывающего компонента для пяти специфических анализов:
17. Мониторинговый чип HCV, включающий количественный анализ HCV.
18. Микрокапсульный чип для HCV (или HIV (вирус иммунодефицита человека, ВИЧ)), включающий микрокапсульный анализ HCV (или HIV).
19. Поверхностный HCV-чип, включающий скрининг на вирусы по генотипу и серологии.
20. HCV-чип первичного скрининга, включающий анализ на HCV по генотипу и ALT-анализ (на аланинаминотрансферазу).
21. Высокомультиплексный мониторинговый анализ HCV.
Примерная аналитическая система, включающая картридж
согласно изобретению
Пример аналитической системы согласно настоящему изобретению изображен в фиг.22. Эта фигура показывает вид сбоку и вид спереди аналитического устройства, включающего картридж согласно изобретению. Показаны блоки аппаратуры и картридж и межкомпонентные соединительные элементы с блоками аппаратуры.
Аналитическая система в целом, изображающая аналитическое устройство и несколько картриджей и иллюстрирующая применимость системы в условиях «рядом с пациентом», представлена в фиг.23.
Более подробные иллюстрации модулей, составленных картриджем для генотипирования, мониторинговым картриджем и антительным картриджем, показаны в фиг.24, 25 и 26 соответственно.
Более подробная иллюстрация компонентов подготовки образца изображена в фиг.27.
Взаимосвязь картриджа с обрабатывающим прибором
Картридж может быть введен в посадочное гнездо, как на фиг.1, альтернативно он может быть размещен в выдвижном приспособлении, и выдвижное приспособление затем вдвигается в прибор.
Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно. Картриджная система согласно изобретению может включать следующие аспекты: компонент для хранения реагентов; компонент для обработки реагентов; опциональный сенсорный компонент; еще один опциональный компонент подготовки образца; приспособление для соединения компонента-хранилища с обрабатывающим компонентом; приспособление для соединения компонента подготовки образца с компонентом-хранилищем и/или реагентным компонентом; приспособление для жидкостного соединения между компонентом для хранения реагентов и компонентом для обработки реагентов; приспособление для жидкостного соединения компонента подготовки образца с компонентом для хранения реагентов и/или обрабатывающим компонентом. Будет описан пример того, как картридж может быть сопряжен с обрабатывающим прибором, и будет также обсужден пример того, как такой картридж может действовать в биологическом анализе.
В настоящем изобретении высота реакционной камеры особо не ограничивается, но в предпочтительных вариантах осуществления она варьирует в диапазоне от 10 мкм до 50 мкм. Преимущественно чувствительный элемент может быть размещен на реагентном картридже, и в этом случае обрабатывающий компонент может формировать другую сторону реакционной камеры. В этом варианте осуществления способ и конфигурация соединения двух компонентов могут определять высоту камеры. Когда высота камеры является важной для назначения анализа, предпочтительным является механическое соединение (см. ниже). «Верх» камеры, содержащейся внутри слоя обработки, может представлять собой прозрачное окно, так что оптический сенсор для наблюдения поверхности сенсора не нуждается (подходяще и преимущественно) в необходимости смотрового отверстия в реагентном картридже. Такая компоновка также совместима с субстратом сенсора, включающим систему электродов, которые могут быть использованы для электрохимического детектирования.
Типично сенсорный компонент изготавливается с биологическими зондами, которые могут быть специфическими к типу проводимого анализа. Эти зонды, например, могут быть локальными зонами с связанными поверхностными антителами (для связывания белков) или олигомерами (для связывания нуклеиновых кислот). Подходяще то, что эти зонды, которые будут специализированными для анализа, встроены в реагентный картридж, так как они могут быть также аналитически специфическими.
Тип чувствительного элемента для детектирования аналита не является особенно лимитированным. Он может быть выбран в зависимости от аналитического метода и/или данного конкретного аналита. Типично элемент включает одну или более биосенсорных матриц, электрохимический биосенсорный элемент и оптический биосенсорный элемент.
В настоящем изобретении предпочтительно, что реагентный компонент и/или обрабатывающий компонент и/или сенсорный компонент включает один или более соединительных каналов для установления одного или более соединений с другим(-ими) компонентом(-ами) при соединении компонентов между собой. Предпочтительно один или более соединительных каналов состоят из одного или более впускных каналов и/или одного или более выпускных каналов. Типично один или более или все соединительные каналы реагентного компонента и/или обрабатывающего компонента и/или сенсорного компонента включают уплотнение для герметизации внутреннего содержимого компонента от окружающей среды. Предпочтительно один или более или все из реагентного компонента и обрабатывающего компонента и сенсорного компонента включают соединительные приспособления для облегчения соединения компонентов между собой, и эти соединительные приспособления скомпонованы для разрушения уплотнения соединительных каналов так, чтобы установить плотное соединение между реагентным компонентом и обрабатывающим компонентом при их объединении. Соединительным приспособлениям, например, может быть придана форма короткой иглы, типа используемой в шприце, которая имеет заостренный и скошенный конец для прокалывания уплотнения и проникновения другого компонента, для обеспечения подачи жидкости в другой компонент путем установления жидкостного соединения. Предпочтительно уплотнение, будучи проколотым, образует новое уплотнение вокруг соединительного приспособления, для обеспечения того, что внутренние емкости картриджа остаются изолированными от окружающей среды. Это может быть достигнуто выбором подходящего материала для уплотнения.
Пример такого варианта осуществления изобретения показан на фиг.11а и 11b. В этом примере реагентный компонент (реагентный картридж на фигуре) соединен с обрабатывающим компонентом (микрофлюидальным устройством на Фигуре) с использованием эластомерного соединительного элемента, включающего иглу. Игла выставлена с выравниванием с надлежащими частями каждого компонента (первая диаграмма фиг.11b), и, когда к двум компонентам прилагается давление для «защелкивания» их между собой, реагентный компонент прокалывается, образуя проток текучей среды в обрабатывающий картридж. Соединительный элемент типично изготавливается из формованного PDMS (полидиметилсилоксана) в специальной инструментальной оснастке. Альтернативно он может быть сделан из термопластического эластомера и вклеен в микрофлюидальное устройство. Соединительный элемент скомпонован так, что игла не может проколоть реагентный картридж, пока не будет сформировано непроницаемое для утечки уплотнение между реагентным картриджем и микрофлюидальным устройством.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления картриджная система сконфигурирована так, что соединение реагентного компонента с обрабатывающим компонентом обусловливает поступление одного или более реагентов в обрабатывающий компонент из реагентного компонента. Так, соединение может быть произведено для инициирования цикла «заправки», например, путем заполнения устройства надлежащими жидкостями, такими как буферный раствор. Это может быть достигнуто включением «насосного» приспособления, которое предпочтительно приводится в действие в ходе стадии соединения. Такие микрофлюидальные насосные приспособления хорошо известны в уровне техники.
Картриджная система согласно настоящему изобретению типично будет использоваться в биологическом анализе. В таких анализах является нормой испытывать образец, взятый от пациента, чтобы установить диагноз (иногда в сочетании с предпочтительной терапией, называемой «тераностика»). Таким образом, во многих вариантах осуществления реагентный компонент и/или обрабатывающий компонент и/или компонент подготовки образца включает зону для образца, предназначенную для приема образца. Расположение зоны для образца не является особенно лимитированным при условии, что она пригодна для конкретного проводимого анализа. Иногда зона для образца вообще отсутствует в картриджной системе, но вместо этого находится в аналитическом устройстве. Однако предпочтительно зона для образца размещена в обрабатывающем компоненте (и более предпочтительно в компоненте подготовки образца при его наличии). В предпочтительных вариантах осуществления зона для образца предназначена для подачи образца в обрабатывающий компонент.
Образец будет проанализирован с намерением зарегистрировать идентичность и/или количество конкретного аналита, который может быть в образце. Тип аналита не является специально ограниченным, и картриджная система согласно изобретению может быть приспособлена ко многим типам аналитов, включая анализы множественных аналитов, последовательно или одновременно. Типично аналит выбирается из биологической молекулы, вируса или вирусного компонента, и клетки или клеточного компонента. Примеры аналитов включают цельные клетки, такие как клетки печени, ферменты, цельные вирусы (например, вирус гепатита С (НCV) и вирус иммунодефицита человека (HIV)), белки, полипептиды и пептиды, и нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и/или РНК. Также включены углеводы и малые молекулы, такие как лекарственные средства, фармацевтические препараты и метаболиты.
Типично обрабатывающий компонент включает один или более микрофлюидальных обрабатывающих элементов, хотя для достижения всех преимуществ системы не является существенным условием то, что обрабатывающий компонент представляет собой микрофлюидальный элемент. В общем, обрабатывающий компонент включает множество зон обработки. Они не являются специально лимитированными, но типично выбираются из одной или более зоны приготовления аналита и/или образца, зоны разделения аналита и/или образца, зоны концентрирования аналита и/или образца, зоны амплификации аналита и/или образца, зоны очистки аналита и/или образца, зоны маркирования аналита и/или образца и зоны детектирования аналита и/или образца. Типично реагентный компонент включает множество зон хранения реагентов. Они могут включать один или более реагентов, пригодных для проведения одной или более стадий обработки, выбранных из приготовления аналита и/или образца, разделения аналита и/или образца, концентрирования аналита и/или образца, амплификации аналита и/или образца, очистки аналита и/или образца, маркирования аналита и/или образца и детектирования аналита и/или образца.
Как упомянуто выше, в некоторых вариантах осуществления присутствует компонент подготовки образца. Это в особенности предпочтительно, если приготовление образца составляет особенную проблему для проводимого анализа, или если в одном и том же анализе должны применяться несколько различных образцов (например, образец крови и образец мочи потребовали бы различного приготовления образца, чтобы эти образцы могли быть обработаны с помощью одного и того же аналитического картриджа). Когда наличествует компонент подготовки образца, он может включать одну или более следующих областей или зон: зону приготовления образца, зону разделения образца, зону концентрирования образца, зону амплификации образца, зону очистки образца, зону маркирования образца и/или зону контроля качества образца.
Компонент подготовки образца может быть сформирован из единого компонента, который может быть скомпонован для присоединения к одному или обоим из компонента для хранения реагентов или обрабатывающего компонента. Этот единый компонент может быть предварительно соединен с одним из прочих компонентов или может быть соединен с ними пользователем либо вручную, либо с применением аналитического устройства. В некоторых вариантах осуществления компонент для обработки образца включает два суб-компонента: реагентный компонент подготовки образца и обрабатывающий компонент подготовки образца. Эти компоненты могут действовать способом, сходным со способом для двух компонентов главного картриджа - реагентный компонент поставляет реагенты, необходимые для приготовления образца, тогда как обрабатывающий компонент использует эти реагенты в связи с самим образцом для приготовления образца для введения в обрабатывающий компонент главного картриджа, для выполнения анализа. Суб-компоненты могут быть предварительно соединены или могут быть скомпонованы для соединения между собой пользователем.
Аналит/образец может быть поставлен присоединенным к магнитным (или прочим) микрокапсулам так же, как может один или более реагентов из реагентного компонента. Если употребляются магнитные микрокапсулы, соединительные приспособления для соединения компонентов друг с другом и любые соответственные проводящие каналы в компонентах компонуются надлежащим образом, чтобы обеспечить микрокапсулам возможность перемещаться в требуемые зоны и из этих зон в компонентах.
Изобретение также представляет способ формирования картриджа, при этом способ включает соединение реагентного компонента и обрабатывающего компонента и, опционально, сенсорного компонента, и также, опционально, компонента подготовки образца картриджной системы, как определено выше. В одном варианте осуществления изобретения простым действием оператор может соединить компоненты друг с другом. Однако предпочтительно такое действие оператора состоит в совмещении компонентов вместе для вставления в обрабатывающий аппарат (например, аналитическое устройство), и обрабатывающий аппарат выполняет второе (производимое механически) продолжение действия оператора для конечного соединения вставленных компонентов. Типично это конечное действие механического соединения происходит после того как образец был автоматически загружен, так что образец изолирован внутри картриджа. В дальнейшей альтернативе компоненты загружаются в обрабатывающий аппарат (аналитическое устройство) и аппарат сам производит соединение. В этом варианте осуществления нет необходимости в первоначальном совмещении компонентов оператором и они могут быть независимо загружены в аппарат, если желательно. В особенности предпочтительно использовать механическое соединение, где наличествует большое число компонентов; в настоящем изобретении могут присутствовать, например, до 5 компонентов, если предусмотрены все из компонента для хранения реагентов, обрабатывающего компонента, сенсорного компонента и двух суб-компонентов подготовки образца.
Настоящее изобретение распространяется на все возможные компоновки компонентов, включая системы из 2, 3, 4 или 5 компонентов, при условии, что присутствуют два существенно важных компонента (компоненты для хранения реагентов и обработки).
Таким образом, в одном предпочтительном способе действий может быть исполнена следующая примерная последовательность:
(i) загрузка образца в обрабатывающий компонент;
(ii) приведение реагентного компонента в согласованное положение с обрабатывающим компонентом и, опционально, сенсорным компонентом и также, опционально, с компонентом подготовки образца;
(iii) соединение (или «защелкивание») компонентов друг с другом (предпочтительно с использованием обрабатывающего аппарата).
Этот подход является предпочтительным, поскольку он значительно сокращает любую опасность ручного рассогласования компонентов (дорогостоящая ошибка для пользователя), которое даже для пользователя с хорошими способностями могло бы проявиться, скажем, в защелкивании сначала одного конца, с сопутствующим риском утечки. Компоновка также исключает любые ошибки, которые могут проистекать из ручной загрузки картриджа. Она также обеспечивает возможность автоматической загрузки образца перед тем как компоненты будут соединены между собой, так что когда они приходят в соединение друг с другом, все реагенты и химикаты полностью содержатся внутри картриджа.
Также изобретение представляет картридж, включающий реагентный компонент картриджной системы, такой как определен выше, соединенный с обрабатывающим компонентом картриджной системы, как определено выше, и, опционально, соединенный с сенсорным компонентом картриджной системы, как определено выше, и также, опционально, с компонентом подготовки образца картриджной системы, как определенным выше.
Изобретение далее представляет также аналитическую систему, включающую:
(а) картриджную систему или картридж, как определено выше; и
(b) аналитическое устройство, скомпонованное для принятия картриджа, как определено выше.
Кроме того, представлен способ анализа для одного или более аналитов в образце, при этом способ включает:
(а) введение образца в зону для образца реагентного компонента и/или зону для образца обрабатывающего компонента и/или зону для образца компонента подготовки образца, в картриджной системе, как определено выше;
(b) присоединение картриджной системы к аналитическому устройству, скомпонованному для принятия картриджа; и
(с) анализирование по одному или более аналитам с использованием аналитического устройства.
Способ предпочтительно далее включает стадию соединения реагентного компонента с обрабатывающим компонентом и, опционально, с сенсорным компонентом, и также, опционально, с компонентом подготовки образца, для формирования картриджа. Эта стадия не требуется, если картриджная система поставляется в предварительно собранном виде (если желательно, любой один или более из разнообразных компонентов может быть предварительно присоединен). Если любой один или более компонентов не являются предварительно соединенными, то требуется эта стадия соединения. Как упомянуто выше, соединение может быть выполнено вручную (то есть проведено пользователем), или же может быть проведено с помощью аналитического устройства. В последнем случае является типичным, что пользователь приводит компоненты, которые нужно соединить, в совмещенное положение относительно друг друга, и затем вводит их в устройство. Действие введения компонентов в устройство может свести компоненты вместе, заставляя их «защелкнуться», или зафиксироваться друг с другом, в зависимости от конкретной конструкции картриджа.
Изобретение также представляет реагентный компонент для хранения одного или более реагентов, причем реагентный компонент скомпонован для присоединения к обрабатывающему компоненту и, опционально, к сенсорному компоненту, а также, опционально, к компоненту подготовки образца, с формированием картриджа, в котором реагентный компонент включает по меньшей мере один отсек, скомпонованный для принятия отходов из обрабатывающего компонента, и в котором реагентный компонент не предназначен для участия в обработке реагентов в анализе, за исключением принятия отходов из обрабатывающего компонента. В предпочтительном варианте осуществления реагентный компонент включает по меньшей мере один сенсорный компонент, включающий чувствительный элемент для детектирования аналита.
Анализы и компоновки компонентов
Настоящее изобретение не ограничено в отношении анализов, которые могут быть проведены на обрабатывающем компоненте. Соответственно этому анализы могут быть направлены на скрининг, очистку, идентификацию, связывание и/или количественную оценку любого типа субстанций, и, в частности, любого типа биологической субстанции. Тип биологической субстанции может быть патогенным микроорганизмом, который вызывает инфекционное заболевание (таким, как вирус, бактерия, грибковый агент или тому подобный), или может представлять собой биологическую характеристику пациента (такую, как анализ генного профиля, анализ протеинового профиля, выявление профиля заболевания и прогноза или тому подобного - они могут включать, к примеру, анализы ДНК, РНК, белка, полипептида, пептида и фермента), или могут быть даже биологически значимым химическим веществом (таким, как малые молекулы, метаболиты, фармацевтические препараты и лекарственные средства). В особенности предпочтительно, что анализ дает информацию о наличии заболевания и его прогрессировании. К заболеваниям, привлекающим особенный интерес в плане изобретения, относятся, но не ограничиваются ими, гепатиты (А, В и С), HIV, HPV (вирус папилломы человека) и тому подобные.
Предпочтительно обрабатывающий компонент представляет собой микрофлюидальный компонент, поскольку это обеспечивает возможность проводить анализы быстрее на малом количестве образца, что является идеальным для ситуации «рядом с пациентом». Однако в некоторых примерах могут быть предпочтительными более крупные макроскопические компоновки.
Является ли обработка микрофлюидальной или нет, существуют четыре типа в особенности предпочтительного анализа:
1. Анализы нуклеиновых кислот (таких как ДНК или РНК).
2. Ферментные анализы (ALT (аланинаминотрансфераза, фермент печени), анализ, в особенности предпочтительный в контексте гепатитовой инфекции).
3. Протеиновые анализы (типично с использованием антител для детектирования, например, на микроматрице - предпочтительные аналиты, представляющие особый интерес, включают гепатиты (А, В и/или С) и гамма-интерферон (IFN-γ).
4. Анализы малых молекул (таких как фармацевтические препараты или лекарственные средства - типично способы включают конкурентные анализы с использованием антител). Возможный вариант также представляет клиническая апробация лекарственного средства (TDM).
В настоящем изобретении типично есть ряд функциональных блоков, которые требуются для выполнения анализа. Эти блоки включают, но не ограничиваются таковыми, следующее:
1. Блок выделения компонента крови, который отбирает кровь из вакутейнера (вакуумной пробирки “Vacutainer”) с кровью пациента и перерабатывает ее в плазму.
2. Лейкоцитарный (WBC) блок, который отбирает цельную кровь и экстрагирует белые кровяные тельца.
3. Протеиновый микрокапсульный блок, который проводит анализ на микрокапсулах для захваченных антигенов плазмы.
4. Блок подготовки РНК, который очищает РНК из материала (например, HCV), захваченного на микрокапсулах.
5. Протеиновый поверхностный блок, который проводит поверхностный анализ для захваченных антител (или антигенов).
6. Ферментный блок, который проводит энзиматический анализ (например, ALT-анализ).
7. Микрокапсульный РНК-блок, который проводит анализ РНК на микрокапсулах из очищенной РНК (например, РНК из HCV).
8. Поверхностный РНК-блок, который проводит поверхностный анализ из очищенной РНК (например, РНК из HCV).
Каждый функциональный блок может быть подразделен на модули (или субъединицы), которые обеспечивают функции, необходимые для стадии анализа. Эти модули показаны в подробностях в Фигуре 14. Вообще говоря, каждый модуль соответствует процессу, который включает специфическое проектирование, конструирование и оптимизацию.
Несколько стадий анализа (модулей) могут формировать аналитический процесс (блок) или полный чип (обрабатывающий компонент). Примеры предпочтительных модулей, составляющих каждый из вышеназванных примерных блоков, следующие:
1. Блок выделения компонентов крови:
а) Модуль отбора крови, который отбирает цельную кровь из вакутейнера и проводит ее в кровяной фильтр или лейкоцитарный (WBC) блок.
b) Модуль очистки плазмы, который обрабатывает цельную кровь, пропуская ее через тангенциальной фильтрации (технология “cross-flow”).
2. Лейкоцитарный (WBC) блок:
а) Модуль очистки лейкоцитов (WBC), который принимает цельную кровь и улавливает эозинофилы с использованием основанного на микрокапсулах (гранулах) метода.
3. Протеиновый микрокапсульный блок:
а) Протеиновый микрокапсульный жидкостный модуль, который с использованием основанного на микрокапсулах метода захватывает антигены из плазмы и готовит их для трансдукции сигнала.
b) Протеиновый микрокапсульный трансдукционный модуль, который собирает и передает сигнал, полученный от захваченных антигенов плазмы, в устройство для расчета по программе.
4. Блок подготовки РНК:
а) Вирусный микрокапсульный жидкостный модуль, который с использованием основанного на микрокапсулах метода захватывает вирусные частицы из изолированной плазмы.
b) Модуль разрушения вирусов, который высвобождает РНК из захваченных вирусных частиц.
с) Модуль разрезания нуклеиновой кислоты, который разрезает вирусный геном на пригодные к обработке фрагменты (то есть без любой вторичной структуры).
d) Модуль очистки РНК, который очищает вырезанные фрагменты РНК от других примесей в смеси.
5. Протеиновый поверхностный блок:
а) Протеиновый поверхностный жидкостный модуль, который захватывает и готовит антитела из плазмы на поверхность для трансдукции сигнала.
b) Протеиновый стеклянный интеграционный модуль, который собирает и передает сигнал, генерированный от захваченных антител, в устройство для расчета по программе.
6. Ферментный блок:
а) Ферментный жидкостный модуль, который смешивает необходимые реагенты с плазмой для энзиматического анализа (типично ALT-анализа).
b) Ферментный трансдукционный модуль, который собирает флуоресцентный сигнал от энзиматического анализа и передает его в устройство для расчета по программе.
7. Микрокапсульный РНК-блок:
а) Жидкостный микрокапсульный РНК-модуль, который с использованием основанного на микрокапсулах метода захватывает фрагменты РНК (например, РНК из HCV) из плазмы и готовит их для трансдукции.
b) Трансдукционный микрокапсульный РНК-модуль, который собирает и передает сигнал, генерированный от захваченных фрагментов РНК (например, РНК из HCV), в устройство для расчета по программе.
8. Поверхностный РНК-блок:
а) Жидкостный поверхностный РНК-модуль, который захватывает фрагменты РНК (например, РНК из HCV) на стеклянной поверхности и готовит их для трансдукции сигнала.
b) Интеграционный стеклянный РНК-модуль, который собирает и передает сигнал, генерированный от захваченных фрагментов РНК (например, РНК из HCV), в устройство для расчета по программе.
Некоторые из этих модулей могут функционировать весьма сходным образом. Например, обработка микрокапсул с захваченными протеинами или захваченными нуклеиновыми кислотами (NAs) требует одинаковой жидкостной функциональности. Однако в некоторых случаях вероятно, что количество протоков текучих сред, пластические материалы, реакционные температуры, конфигурации камер или аналитические стадии могут различаться среди двух анализов, так что они фактически являются довольно различными. Соответственно этому в некоторых случаях множественные анализы могут использовать одинаковую компоновку модуля или блока, в то время как в других случаях множественные анализы применяют разнообразную компоновку модулей и/или блоков.
Компоновка чипа для анализа нуклеиновых кислот изображена в фиг.14. Компоновка включает ряд блоков и модулей, соединенных вместе так, чтобы обеспечивать возможность полного анализа.
При этом они включают:
1. Вирусный микрокапсульный жидкостный модуль (секция микрокапсул для связывания вирусов на фигуре, где микрокапсулы смешаны с плазмой в смесительной камере). Здесь вирусные частицы захватываются (с использованием основанного на микрокапсулах метода) из изолированной плазмы.
2. Модуль разрушения вирусов (секция последовательного промывания, обработки лизирующим буфером и перекачки). Здесь РНК высвобождается из захваченных вирусных частиц.
3. Модуль разрезания РНК (разрезание меченой нуклеиновой кислоты в Фигуре). Здесь вирусный геном разрезается на пригодные к обработке фрагменты (то есть без любой вторичной структуры).
4. Модуль очистки РНК (секция, включающая введение связывающего буфера и неспецифических микрокапсул для связывания нуклеиновых кислот в смесительную зону, с последующим введением высокосолевого промывного и элюирующего буфера, который поступает в камеру очистки РНК, с последующим вымыванием отходов). Здесь вырезанные фрагменты РНК очищаются от прочих фрагментов в смеси.
5. Жидкостный микрокапсульный РНК-модуль (введение микрокапсул для связывания специфической последовательности в смесь с очищенной РНК в зону связывания специфической последовательности, с последующим промыванием, добавлением второго зонда, введением фермента, вторым промыванием, добавлением субстрата и дальнейшим промыванием). Здесь с использованием основанного на микрокапсулах метода захватываются фрагменты РНК из плазмы и готовятся для трансдукции.
6. Трансдукционный микрокапсульный РНК-модуль (обозначенный в Фигуре как трансдукционная камера).
Типично обработанная субстанция затем детектируется в трансдукционной камере с помощью сенсора.
Фиг.15 представляет более обобщенный пример и составлена в расчете на анализ HCV, хотя она может быть применимой для другого анализа. Эта система является более сложной, чем обрисованная выше на фиг.14 (и может включать эту вышеприведенную), будучи потенциально предназначенной для многих анализов (см. фиг.17-21). Она может быть использована для (среди прочего) детектирования HCV, генотипирования вируса и мониторинга фермента печени ALT у пациента. Фигура также показывает компонент подготовки образца, где могут быть разделены плазма и/или белые кровяные тельца (либо в интегральном картридже либо иным путем - см. выше). Изображено множество блоков и модулей, которые могут потребоваться для разнообразных анализов. Не все анализы должны проводиться внутри единого картриджа, и (например) анализ с детектированием/генотипированием может быть фактически проведен в картридже, отдельном от мониторинга ALT, таком как картридж, изображенный выше на фиг.14. В этом примере показаны следующие модули (подсекции) обрабатывающего компонента:
1. Протеиновый микрокапсульный блок, имеющий протеиновый микрокапсульный жидкостный модуль и протеиновый микрокапсульный трансдукционный модуль.
2. Блок приготовления РНК, имеющий вирусный микрокапсульный жидкостный модуль, модуль для разрушения вирусов, модуль для разрезания РНК и модуль очистки РНК.
3. Протеиновый поверхностный блок, имеющий протеиновый поверхностный жидкостный модуль и протеиновый стеклянный интеграционный модуль.
4. ALT-блок, имеющий жидкостный ALT-модуль и трансдукционный ALT-модуль.
Блок приготовления РНК может снабжать два других блока:
5. Микрокапсульный РНК-блок, включающий жидкостный РНК-модуль и микрокапсульный трансдукционный РНК-модуль.
6. Поверхностный РНК-блок, включающий поверхностный жидкостный РНК-модуль и стеклянный интеграционный РНК-модуль.
Модуль экстракции крови и модули очистки белых кровяных телец, обсужденные в связи с фиг.15, более подробно показаны в фиг.16а и 16b. Они оба могут быть представлены в одном и том же компоненте подготовки образца (как два различных модуля), если желательно. Они могут также представлять собой модуль экстракции крови (см. фиг.15, где это изображено). Модуль экстракции крови принимает цельную кровь из вакутейнера и подает ее на кровяной фильтр или блок обработки белых кровяных телец. Модуль очистки плазмы обрабатывает цельную кровь с использованием фильтра тангенциальной фильтрации (“cross-flow”). WBC-модуль принимает цельную кровь и захватывает эозинофилы с использованием метода, основанного на микрокапсулах.
Фиг.17-21 показывают разнообразные более специфические анализы, которые могут быть выполнены с использованием блоков и модулей, изображенных на фиг.15:
17. Мониторинговый чип HCV, включающий количественный анализ HCV.
18. Микрокапсульный чип для HCV (или HIV (вирус иммунодефицита человека, ВИЧ)), включающий микрокапсульный анализ HCV (или HIV).
19. Поверхностный HCV-чип, включающий скрининг на вирусы по генотипу и серологии.
20. HCV-чип первичного скрининга, включающий анализ на HCV по генотипу и ALT-анализ (на аланинаминотрансферазу).
21. Высокомультиплексный мониторинговый анализ HCV.
Мониторинговый чип HCV, проиллюстрированный на фиг.17, демонстрирует образец для проведения тераностического теста. Путем выполнения измерения виремии вируса HCV параллельно с анализом функции печени этот тест обеспечивает достижение многих диагностических и тераностических целей. В ситуации «на месте медицинского обслуживания» (РОС) этот чип может легко отслеживать развитие заболевания у пациента путем измерения отклика на терапию (например, дает ли схема приема лекарственного средства ожидаемое падение значения log виремии со временем?) наряду с соответствующим повреждением печени (уровни ALT в крови).
Микрокапсульный HCV-чип, проиллюстрированный на фиг.18, демонстрирует полную микрокапсульную функциональность. При использовании различных, тщательно подобранных протеиновых мишеней для повреждения печени эта структура может также составить хорошее устройство для мониторинга прогрессирования повреждения печени.
Поверхностный HCV-чип, изображенный на фиг.19, демонстрирует благодаря емкости его матрицы хорошее устройство для скрининга вируса, которое исследует генотип и иммунность к набору вирусов и заболеваний. Например, он может скринировать все HCV, HIV и HPV вирусы путем определения терапевтического воздействия на пациента и текущего инфекционного статуса (генотип и виремия).
Чип первичного скрининга HCV, показанный на фиг.20, может представлять собой первичный скрининг-тест для определения генотипа HCV и выведения индикации прогрессирования заболевания путем включения ALT-анализа. Количественная оценка HCV также может дать такие же преимущества, как мониторинговый чип HCV. Здесь может быть преимущественным также мультиплексирование маркеров печени.
Высокомультиплексный мониторинговый чип HCV, показанный на фиг.21, дает элегантное решение мониторинга вирусного заболевания. Поскольку открывают все большее количество протеиновых биомаркеров, уместно полагать, что мониторинг вирусного заболевания будет все более уверенным с использованием множественных индикаторов прогрессирования заболевания. Для конкретного вирусного заболевания этот чип измеряет эволюцию виремии от низших уровней благодаря скорости и чувствительности основанных на микрокапсулах методов и отслеживает потенциально высокомультиплексную серию биомаркеров болезни.
Аппаратурное оснащение
В дополнение к вышеописанным компонентам аналитическое устройство, которое использует компоненты и картриджи согласно настоящему изобретению, может также включать дальнейшие узлы аппаратурного оснащения для способствования анализу. Типично эти узлы называются как «блоки аппаратуры». Блоки аппаратуры не являются конкретно лимитированными и могут обеспечивать дополнительные функциональные возможности, как желательно, включающие:
1. Манипулирование магнитными микрокапсулами внутри компонента.
2. Детектирование флуоресценции и люминесценции из внутренней части камеры обрабатывающего и/или сенсорного компонента (или еще одного компонента, например, для контроля качества образца).
3. Дозирование текучих сред.
4. Тепловой контроль (нагреванием желательной зоны компонента).
5. Трансдукция планарной матрицы.
6. Ультразвуковая обработка (например, для разрушения вирусов).
7. Электрическая арматура (соединение электрических линий для многих целей.
8. Программное обеспечение (для управления со стороны пользователя, и вывода информации, а также обработки данных/алгоритмического анализа данных, и т.д.).
Пример аналитической системы согласно настоящему изобретению изображен в фиг.22. Эта Фигура показывает вид сбоку и вид спереди аналитического устройства, включающего картридж согласно изобретению. Показаны блоки аппаратуры и картридж и соединительные элементы с блоками аппаратуры.
Вся аналитическая система в целом, изображающая аналитическое устройство и несколько картриджей, и иллюстрирующая применимость системы в условиях «рядом с пациентом», представлена в фиг.23. Показанные картриджи представляют собой серию антительных картриджей (например, для HCV, HBV, HIV и/или HPV), картридж для генотипирования (например, для субтипов HCV, и хозяйских генов, имеющих отношение к прогнозированию HCV) и мониторинговый картридж (например, для виремии HCV, маркеров печени и мониторинга лекарственного средства). Согласно ожиданиям пользователя, система способна выполнять ряд анализов (выбранных соответственно природе пациента и стадии терапии/заболевания) путем употребления желательного картриджа.
Картридж для генотипирования типично используется на ранней стадии терапии для оценки субтипа вируса (1-6 в случае HCV), и также для оценки хозяйских генотипов, которые могут оказывать влияние на то, как пациент реагирует на лечение, и обусловливать прогноз на излечение. Мониторинговый картридж предназначен для частого тестирования с целью выявления прогрессирования болезни пациента. В этом отношении весьма полезна виремия (количественная оценка вируса), так как она показывает, реагирует ли пациент на терапию. Маркеры печени пациента (такие как ALT) также желательны для прослеживания в контексте HCV, поскольку они дают информацию о степени гепатита. Картридж может также включать мониторинг концентрации лекарственных средств (например, лекарственных препаратов для HCV) в организме пациента. Эти данные обеспечивают врача подробными сведениями о метаболизме и позволяют ему точно регулировать дозирование для каждого индивидуального пациента. Антительный картридж может представлять собой серийный тест для регистрации антител во взятом у пациента образце. Он может быть использован в начальном тестировании для определения, инфицирован ли пациент разнообразными болезнетворными организмами.
Более подробная иллюстрация модулей, составляющих картридж для генотипирования, мониторинговый картридж и антительный картридж, показана в фиг.24, 25 и 26 соответственно. В чипе для генотипирования пробоподготовительный модуль получает вирус из цельной крови, и аналитический модуль проводит количественную оценку нуклеиновой кислоты. В мониторинговом чипе приготовление образца также включает получение вируса из цельной крови, в то время как в аналитическом модуле производится анализ малых молекул (лекарственного средства), ALT-анализ и количественный анализ HCV. В антительном чипе происходит связывание антител на пробоподготовительном модуле, тогда как может быть использован микрокапсульный анализ и/или тестирование гамма-интерферона (IFN-γ).
Более подробная иллюстрация компонентов подготовки образца изображена на фиг.27. В этом примере компоненты подготовки образца показаны как отдельные картриджи, хотя в других вариантах осуществления эти компоненты могут быть соединены с компонентами для хранения реагентов и/или обработки. Результат на выходе этих компонентов подготовки образца не является особенно лимитированным, как было разъяснено выше, но в этих примерах выходными результатами являются плазма, белые кровяные тельца, псевдочастицы, присоединенные к магнитным микрокапсулам, и белки плазмы, присоединенные к магнитным микрокапсулам.
ПРИМЕРЫ
Примерный микрофлюидальный биологический анализ
Фиг.10 показывает последовательность течения реагентов, соответствующую требуемому для простого анализа типу ELISA (иммуноферментного твердофазного анализа).
Ключевые обозначения:
R1 = Хранилище 1 реагента.
С3 = реакционная Камера 3.
W2 = Хранилище 2 отходов.
Фиг.10.1: Опционально: Устройство представляет жидкость, подвергнутую первоначальной обработке путем переноса буферного реагента из R1 вплоть до W4.
Фиг.10.2: Образец человеческой сыворотки от пациента с инфекцией HCV или без таковой вносят в камеру С1, которая содержит магнитные микрокапсулы, химически связанные с антигенами из HCV. Антигены могут представлять собой, например, эпитопы NS 3, 4 и 5 капсидного белка HCV (Ср21). Два компонента инкубируют в течение нескольких минут. Это время инкубации позволяет человеческим антителам к HCV (анти-HCV hIgGs), если они присутствуют в сыворотке пациента, связаться с HCV-антигенами, находящимися на микрокапсулах.
Фиг.10.3: В камере С1 генерируют магнитное поле для агрегации микрокапсул в камере, и жидкость, оставшуюся от реакции, переносят в камеру для отходов W1. Промывной раствор из R1 вводят в С1, и магнитное поле отключают. Систему инкубируют в течение нескольких секунд, чтобы обеспечить диспергирование микрокапсул. Эту процедуру повторяют 3 раза.
Фиг.10.4: Микрокапсулы в промывном растворе переносят в С2. Генерируют магнитное поле в С2 для агрегации микрокапсул в камере, и жидкость, оставшуюся от реакции, переносят в камеру для отходов W2.
Фиг.10.5: Раствор, содержащий антитела, возникшие в человеческой IgGs (анти-hIgG), которые связаны с пероксидазой хрена (HRP), вводят в камеру С2, и магнитное поле отключают, чтобы обеспечить диспергирование микрокапсул. Смесь инкубируют в течение нескольких минут. Это время инкубации позволяет анти-hIgGs связаться с анти-HCV hIgGs, которые потенциально находились в человеческой сыворотке
Фиг.10.6: Содержимое камеры С2 переносят в С3. Генерируют магнитное поле в С3 для агрегации микрокапсул в камере, и оставшуюся от реакции жидкость переносят в камеру для отходов W3.
Фиг.10.7: Промывной раствор из R3 вводят в С3, и магнитное поле отключают. Систему инкубируют в течение нескольких секунд для обеспечения диспергирования микрокапсул. Эту процедуру промывания повторяют 3 раза.
Фиг.10.8: Микрокапсулы в промывном растворе переносят в С4. Генерируют магнитное поле в С4 для агрегации микрокапсул в камере, и жидкость, оставшуюся от реакции, переносят в камеру для отходов W4.
2
2
Фиг.10.9: Раствор, содержащий субстрат для HRP, такой как люминол в присутствии пероксида водорода (НО), вводят в С4.
Фиг.10.10: Полученный хемилюминесцентный сигнал прослеживают через оптическую систему, которая имеет доступ через окно в картридже. Интенсивность этого сигнала представляет количество анти-HCV hIgGs, присутствующих во взятом у пациента образце.