УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСТРАКЦИИ БИОМОЛЕКУЛ И СПОСОБ ЭКСТРАКЦИИ БИОМОЛЕКУЛ
BIOMOLECULE EXTRACTION DEVICE AND BIOMOLECULE EXTRACTION METHOD

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству для экстракции биомолекул и способу экстракции биомолекул. Более конкретно, оно относится к устройству для экстракции биомолекул и способу их экстракции, которые могут повысить удобство использования путем упрощения процесса извлечения биомолекул, таких как белок или нуклеиновая кислота и т.п., из биоматериала, такого как ткань и клетки, и за счет экономии затрачиваемого времени. Поскольку отношение площади поверхности образца к количеству введенного буфера для лизиса максимизируется, концентрация экстрагируемых биомолекул увеличивается, и количество используемого буфера сводится к минимуму. Настоящее изобретение также дает возможность беспрепятственно выполнять эффективное тестирование без дополнительного устройства или оборудования за счет возможности постоянного вывода экстрагированного образца, и предлагает способ этого постоянного вывода.
Предшествующий уровень техники
Лизис клеток представляет собой явление, при котором клеточная мембрана разрывается и содержимое клетки (цитоплазма) выходит наружу, поскольку клетка растворяется. Лизис клеток является первичным процессом при анализе клеток и очистке белков, который широко используется не только для извлечения / разделения белков, но и для разделения нуклеиновых кислот, таких как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) или РНК (рибонуклеиновая кислота) перед процессом амплификации, таким как ПЦР (полимеразная цепная реакция), которая используется в молекулярной биологии и молекулярной диагностике и т.д.
Способы лизиса клеток с целью их разрушения в основном включают оптические, акустические, электрические и механические способы. Эти способы осуществляются, главным образом, в виде применения внешней силы и наружного напряжения при различных механических и физических видах воздействия на основе лизирующего буфера.
Оптический лизис клеток представляет собой разрушение клеток путем облучения клетки-мишени лазерным микроимпульсом с образованием кавитационных пузырьков и разрушением клеток при расширении этих кавитационных пузырьков. Оптический способ лизиса клеток имеет недостатки, заключающиеся в возможности деградации клетки и белка из-за тепла, внезапно образующегося вследствие применения лазера внутри конкретной клетки или в ближайших к ней участках, а также в том, что для излучения лазеров должно быть добавлено отдельное устройство.
Акустический лизис клеток представляет собой способ разрушения клеток путем введения раствора или суспензии клеток внутрь камеры, расположенной в водяном резервуаре для ультразвуковых воздействий, и применения ультразвуковых волн. Достоверные результаты от разрушения клеток с помощью ультразвуковых волн получить трудно, поскольку сложно сформировать однородное распределение энергии ультразвуковых волн; разрушение клеток занимает много времени; кроме того, разрушение клеток с использованием ультразвуковых волн может вызвать деструкцию или деформацию белка вследствие образования тепла.
Электрический лизис клеток представляет собой способ разрушения клеток путем приложения к клеткам электрического поля для того, чтобы образовать разность потенциалов в клеточной мембране. С точки зрения применения воздействия на клеточные стенки этот способ до известной степени сходен с другими способами лизиса клеток, такими как способ замораживания-оттаивания, способ нагрева, способ воздействия осмотического давления. Однако эти способы имеют проблемы, состоящие в том, что белок в клетках может быть поврежден ввиду теплового воздействия, приложенного к клеткам.
При механическом лизисе клеток используют прессы, шаровые мельницы и т.д. Более конкретно, разрушение клеток при помощи прессов осуществляют путем заполнения клеточной массой пустого цилиндрического корпуса, выполненного из нержавеющей стали, часто использующейся в лабораторных работах, и экстрагирования клеток под высоким давлением через игольчатый клапан в нижней части цилиндра в область атмосферного давления.
Высокоскоростные шаровые мельницы состоят из камеры измельчения, наполненной небольшими стеклянными или чугунными шариками (20 ~ 50 штук), и измельчают клетки под действием высоких усилий сдвига и ударной силы путем вращения кругового диска или колеса, прикрепленного через приводной вал к двигателю, и за счет перемешивания шариков.
Механический лизис клеток имеет проблемы, состоящие в том, что применить механический лизис клеток к небольшому количеству образцов трудно, и в том, что необходимо дорогостоящее оборудование, большое пространство, многостадийный процесс и длительное время обработки.
В свою очередь в гомогенизаторе лизис и разрушение клеток выполняется путем вращения пользователем стержня в заполненной лизирующим буфером пробирке типа Эппендорф (пробирке фирмы Eppendorf) или пробирке фирмы Falcon различных объемов и т.д. В связи с этим могут возникнуть проблемы, состоящие в том, что требуется относительно большое количество лизирующего буфера для того, чтобы погрузить ленту или диск с целью получения образцов, поэтому при вращении стержня образец может выплеснутся или буфер может перелиться через край.
Кроме того, существуют проблемы, заключающиеся в том, что в случае использования самой пробирки типа Эппендорф (пробирки фирмы Eppendorf) или чашки Петри для применения лизирующего буфера к гидрофобному образцу требуется относительно большое количество буфера и дополнительная работа, например, многократное пипетирование и т.д., с использованием таких инструментов, как пипетки.
Что касается клеточных лизатов, полученных в результате лизиса клеток, то они широко используются для специальных тестов обнаружения белка (Вестерн-блоттинга) или иммунного осаждения и т.д., а в случае экстрагирования нуклеиновой кислоты (ДНК, РНК), они применяются в молекулярной диагностике и анализе генов и т.д. при использовании ПЦР или секвенирования. Упомянутые выше процессы выполняются путем обнаружения самого специфического белка или посредством тестирования взаимодействия между молекулами.
При этом для лизиса клеток предпочтительно иметь достаточное количество биомолекул экстрагированного из биоматериала продукта (белка или нуклеиновой кислоты и т.п.), высокую концентрацию продукта после очистки и отсутствие потерь или нарушений экстракта. Для этого используется дорогостоящий ингибитор протеазы и т.д. Таким образом, поскольку высококачественный лизис клеток для образца биоматериала должен быть выполнен быстро и немедленно подвергнут анализу, следует упростить процесс экстракции биомолекул и сберечь затрачиваемые на это стоимость и время.
Тем не менее, как упоминалось выше, обычные устройства для экстракции биомолекул и способы экстракции биомолекул путем лизиса и разрушения клеток требовали дополнительного устройства или оборудования, такого как центробежный сепаратор и пипетка и т.п., для выполнения каждой стадии. Кроме того, должен был выполняться сложный процесс, связанный с этой системой, требуя на это много пространства, затрат и времени.
Кроме того, в случае использования ленты или диска для получения образцов проблемы состоят в том, что требуется максимально увеличить поверхность контакта образца с лизирующим буфером, в который может быть погружен образец, и в том, что ввиду снижения концентрации продукта при экстракции с применением большого количества лизирующего буфера нужно собрать большое количество образцов, т.е. биоматериала, и требуется дополнительная работа по измельчению или диссоциации образца.
При этом все еще остается проблемой обработка остатка после извлечения из образца биомолекул, таких как белок или нуклеиновая кислота, поскольку он может загрязнять окружающую среду и влиять на безопасность человека.
Таким образом, возникает необходимость устройства для экстракции биомолекул, в котором удобство использования может быть повышено за счет экономии времени и сокращения необходимого пространства в результате упрощения процесса экстракции биомолекул из биоматериала, и для которого можно ожидать достоверные результаты тестирования за счет минимизации вреда от экстрагированных биомолекул и экстракции с относительно высокой концентрацией при использовании лишь небольшого количества образцов.
Кроме того, устройство для экстракции биомолекул может не только увеличить концентрацию экстрагируемых биомолекул и уменьшить количество используемого буфера путем минимизации мертвого пространства, увеличивая таким образом до максимума отношение площади поверхности образца к количеству вводимого лизирующего буфера, но также дает возможность эффективно и беспрепятственно выполнить тестирование за счет возможности постоянного вывода экстрагированного образца.
Краткое описание изобретения
Решаемые проблемы
Примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы упростить процесс экстракции биомолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты и т.п., из биоматериала, такого как ткань и клетки, и сберечь затрачиваемые для этого время и пространство, чтобы сделать этот процесс более удобным для пользователя.
Также примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы увеличить концентрацию экстрагируемых биомолекул и уменьшить количество используемого буфера путем минимизации мертвого пространства и, вследствие этого, максимизации отношения площади поверхности образца к количеству вводимого лизирующего буфера; и не только для этого.
Помимо прочего, примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы предложить устройство для экстракции биомолекул и способ экстракции биомолекул, которые могут быть независимо использованы без необходимости применения дополнительного устройства или оборудования, свести к минимуму повреждение экстрагируемых биомолекул и получить ожидаемые достоверные результаты тестирования при применении лишь небольшого количества образцов.
Средства для решения проблем
Согласно одному из аспектов одного примера в различных направлениях применения настоящего изобретения может быть предложено устройство для экстракции биомолекул, включающее вставной элемент, к которому прикрепляется образец, содержащий отобранный биоматериал, корпусный элемент, внутрь которого поступает лизирующий буфер и в который вкладывается вставной элемент для экстракции биомолекул из отобранного биоматериала, и по меньшей мере один выводной элемент, расположенный во вставном элементе или в корпусном элементе.
Вставной элемент содержит по меньшей мере одну крепежную деталь, к которой прикрепляется образец.
Кроме того, образец прикрепляется к крепежной детали посредством клеевого соединения или физического соединения.
Клеевое соединение крепежной детали выполняется с использованием адгезионной способности отобранного образца или путем нанесения клеящего вещества на крепежную деталь.
При этом по меньшей мере часть крепежной детали имеет криволинейную изогнутую форму.
Физическое соединение крепежной детали прикрепляет образец путем вставного соединения.
По меньшей мере часть образца прикрепляется к крепежной детали.
Корпусный элемент содержит камеру, имеющую предварительно заданное пространство, образованное внутри нее для приема лизирующего буфера, в которое вводится вставной элемент и погружается в лизирующий буфер.
При этом композиция и компоненты лизирующего буфера могут варьироваться в зависимости от типа биомолекул, которые должны быть извлечены.
Устройство для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения дополнительно содержит экранирующую пленку, герметично закрывающую вход в камеру; причем лизирующий буфер поступает в камеру, находящуюся в герметично закрытом положении. В некоторых случаях лизирующий буфер в определенном количестве, требующемся для отдельной одноразовой емкости, может быть представлен в герметично закрытом состоянии.
В свою очередь корпусный элемент дополнительно содержит вводной элемент, направляющий вставной элемент в камеру.
При этом вставной элемент содержит герметизирующий элемент, образованный в форме, соответствующей вводному элементу, и имеющий тесный контакт с внутренней стенкой вводного элемента для герметизации камеры.
Также, поперечные сечения вводного элемента и герметизирующего элемента выполнены в овальной или круглой форме.
Кроме того, герметизирующий элемент содержит усиливающее ребро для укрепления его прочности.
Выводной элемент содержит выводной канал и расширенное выводное отверстие для постоянного вывода образца.
Выводной канал имеет внутренний диаметр меньший, чем диаметр выводного отверстия, для того чтобы минимизировать мертвое пространство.
Устройство для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать герметизирующий колпачок, разъемно герметизирующий выводной элемент.
Устройство для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать деталь для сжатия образца, образованную на внешней стенке камеры и создающую давление, которое обеспечивает постоянный вывод образца.
При этом деталь для сжатия образца выполнена в выпуклой форме, имеющей толщину больше, чем толщина окружающей наружной стенки.
Кроме того, устройство для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения может дополнительно содержать выгравированный элемент, образованный по окружности детали для сжатия образца и имеющий меньшую толщину, чем толщина окружающей наружной стенки.
При этом отношение между площадью поверхности образца, находящегося в контакте с лизирующим буфером, и объемом лизирующего буфера составляет от 0,4 до 9,15.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предложен способ экстракции биомолекул, включающий прикрепление образца, содержащего отобранный биоматериал, к вставному элементу; введение вставного элемента в корпусный элемент, внутрь которого поступает лизирующий буфер; и вывод биомолекул, экстрагированных из биоматериала, через выводной элемент, расположенный либо во вставном элементе, либо в корпусном элементе.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения устройство для экстракции биомолекул содержит камеру, внутрь которой поступает лизирующий буфер, и вставной элемент, вставляемый внутрь камеры вместе с двумя лентами для получения образцов, содержащими отобранный биоматериал, которые приклеены к вставному элементу, будучи отделенными друг от друга и обращенными друг к другу, причем неклейкие поверхности этих двух лент для получения образцов соответственно приклеены к обеим внутренним стенкам камеры, и лизирующий буфер может заполнять пространство между клейкими поверхностями этих двух лент для получения образцов.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения лента для получения образцов, содержащая отобранный биоматериал, вводится в лизирующий буфер, находящийся внутри камеры, и отобранный биоматериал растворяется. Отношение между площадью поверхности ленты для получения образца, находящейся в контакте с лизирующим буфером, и объемом лизирующего буфера, находящегося внутри камеры, может составлять от 0,4 до 9,15.
Эффект изобретения
Примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы упростить процесс экстракции биомолекул, таких как белки или нуклеиновые кислоты и т.п. из биоматериала, такого как ткань и клетки, и сберечь затрачиваемые для этого время и пространство, чтобы сделать этот процесс более удобным для пользователя.
Также примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы увеличить концентрацию экстрагируемых биомолекул и уменьшить количество используемого буфера путем минимизации мертвого пространства и, вследствие этого, максимизации отношения площади поверхности образца к количеству вводимого лизирующего буфера; и не только для этого.
Помимо прочего, примеры настоящего изобретения предназначены для того, чтобы предложить устройство для экстракции биомолекул и способ экстракции биомолекул, которые могут быть независимо использованы без необходимости применения дополнительного устройства или оборудования, свести к минимуму повреждение экстрагируемых биомолекул и получить ожидаемые достоверные результаты тестирования при применении лишь небольшого количества образцов.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 представляет собой развернутый перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 3 представляет собой перспективный вид в разрезе устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где разрез сделан в направлении большой оси устройства.
Фиг. 4 представляет собой перспективный вид в разрезе вставного элемента устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где разрез сделан в направлении малой оси вставного элемента.
На Фиг. 5 показано поперечное сечение, иллюстрирующее состояние постоянного вывода лизата биоматериала после введения в корпусный элемент вставного элемента устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение плоскостью А-А' части, изображенной на Фиг. 4.
Фиг. 7 представляет собой график сравнения отношения площади поверхности образцов к объему лизирующего буфера SA:V (от англ. surface area и volume), полученного в устройстве для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, с отношением SA:V, полученным обычными методами.
Фиг. 8 представляет собой график, сравнивающий концентрации экстрагированных биомолекул, полученные в устройстве для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, с таковыми концентрациями, полученными обычными методами.
Фиг. 9 показывает схему, иллюстрирующую переменные для конструирования расширенного выводного отверстия с целью постоянного вывода образца после обработки.
Фиг. 10 показывает перспективные виды и частичные поперечные сечения примеров модификации детали для сжатия образца устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, и диаграммы, иллюстрирующие деформацию внутренних стенок камеры в случае приложения давления.
На Фиг. 11 показана схема, иллюстрирующая процесс экстрагирования белка с использованием устройства для экстракции биомолекул, предложенного согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 12 представляет собой перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 13 представляет собой поперечное сечение устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 14 представляет собой вид сверху устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Ниже предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны со ссылкой на прилагаемые чертежи. Тем не менее, настоящее изобретение не ограничивается представленными в настоящем описании вариантами осуществления изобретения, но может быть реализовано и в других видах. По существу, варианты осуществления настоящего изобретения, приведенные в настоящем описании, предусмотрены для наиболее полного раскрытия изобретения и в достаточной степени передают идею настоящего изобретения специалисту, имеющему обычную квалификацию в данной области техники. Во всем описании одинаковые ссылочные позиции относятся к одним и тем же составляющим элементам.
Фиг. 1 представляет собой перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 2 представляет собой развернутый перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 3 представляет собой перспективный вид в разрезе устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где разрез сделан в направлении большой оси устройства. Фиг. 4 представляет собой перспективный вид в разрезе вставного элемента устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, где разрез сделан в направлении малой оси вставного элемента. На Фиг. 5 показано поперечное сечение, иллюстрирующее состояние постоянного вывода лизата биоматериала после введения в корпусный элемент вставного элемента устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 6 представляет собой поперечное сечение плоскостью А-А' части, изображенной на Фиг. 4. Фиг. 7 представляет собой график сравнения отношения площади поверхности образцов к объему лизирующего буфера SA:V, полученного в устройстве для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, с отношением SA:V, полученным обычными методами. Фиг. 8 представляет собой график, сравнивающий концентрации экстрагированных биомолекул, полученные в устройстве для экстракции биомолекул в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, с таковыми концентрациями, полученными обычными методами. Фиг. 9 показывает схему, иллюстрирующую переменные для конструирования расширенного выводного отверстия с целью постоянного вывода образца после обработки.
Как показано на Фиг. 1-9, устройство для экстракции биомолекул (1000) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, как правило, может включать вставной элемент (100), к которому прикрепляется образец, содержащий отобранный биоматериал; корпусный элемент (200), внутрь которого поступает лизирующий буфер и в который вкладывается вставной элемент (100) для экстракции биомолекул из отобранного биоматериала; и по меньшей мере один выводной элемент (300), расположенный во вставном элементе (100) или в корпусном элементе (200).
Вставной элемент (100) может содержать по меньшей мере одну крепежную деталь (110, 120), к которой прикрепляется образец. Крепежные детали (110, 120) прикрепляют образец посредством клеевого соединения или физического соединения, образец отобранного биоматериала может быть надлежащим образом нанесен, например, на ленту или мембрану и т.п., имеющую клейкую поверхность, в зависимости от способа сбора образца.
В том случае, когда образец прикрепляется к крепежным деталям (110, 120) посредством клеевого соединения, применяется лента с клейкой поверхностью, например, лента для получения образцов (10), имеющая клейкую поверхность, покрытую клеящим веществом и т.д., и эта лента соединяется с крепежной деталью за счет адгезионной способности, оставшейся на ней после сбора образца. Альтернативно, крепежные детали (110, 120) могут быть спроектированы для нанесения на них клеящего вещества и прикрепления неклейкого образца.
В том случае, когда крепежные детали (110, 120) прикрепляют образец посредством физического соединения, он может быть прикреплен путем вставки. Это будет объяснено в другом варианте осуществления изобретения.
В данном варианте осуществления изобретения применяется лента для получения образцов (10), а вставной элемент (100) может включать в себя крепежные детали (110, 120), находящиеся в контакте, по меньшей мере, с частью ленты для получения образцов (10) посредством ее приклеивания.
При этом крепежные детали (110, 120) могут включать первую крепежную деталь (110), образованную на внутренней стороне, и вторую крепежную деталь (120), образованную на внешней стороне первой крепежной детали (100). Крепежные детали могут включать две пары из первой (110) и второй крепежных деталей (120) в одной и той же плоскости в расширяющейся перпендикулярно сверху вниз позиции.
Кроме того, две ленты для получения образцов (10) могут быть скреплены лицом друг к другу с помещенными между ними первой (110) и второй крепежными деталями (120). Лента для получения образцов (10) может быть в форме диска. По существу, можно использовать такие продукты, как диск D-Squame производства компании CuDerm (США).
Одна сторона ленты для получения образцов (10) может представлять собой клейкую поверхность (12), а другая сторона может быть неклейкой поверхностью (14). Если клейкая поверхность (12) ленты для получения образцов (10) прикрепляется к коже пациента, а затем отделяется от нее, то кожная ткань, включающая мертвые клетки кожи, отбирается посредством прикрепления ее к клейкой поверхности (12) и из этой ткани может быть экстрагирован белок.
Две ленты для получения образцов (10), содержащие собранную кожную ткань, как указано выше, могут быть присоединены и закреплены таким образом, что их клейкие поверхности (12), обращенные друг к другу, разделены определенным интервалом за счет помещенных между ними первой (110) и второй крепежных деталей (120). При этом, поскольку прикрепленные ленты для получения образцов (10) разделены определенным интервалом при помощи помещенных между ними первой крепежной детали (110) и второй крепежной детали (120), это предохраняет ленты для получения образцов (10) от склеивания друг с другом.
Две ленты для получения образцов (10) отделены друг от друга на расстояние, равное толщине первой крепежной детали (110) и второй крепежной детали (120). Когда вставной элемент (100) вкладывается в корпусный элемент (200), лизирующий буфер (20) заполняет пространство между лентами для получения образцов (10).
Таким образом, толщина крепежных деталей (110, 120) становится расстоянием, которое разделяет между собой две ленты для получения образцов (10), а также параметром для определения объема вводимого лизирующего буфера (20).
При этом первая крепежная деталь (110) и вторая крепежная деталь (120) могут иметь одинаковую толщину, либо первая крепежная деталь (110), расположенная на внутренней стороне, может иметь толщину меньше толщины второй крепежной детали (120). Если дистанция их размещения, достаточная для того, чтобы они приклеивались друг к другу, сохраняется благодаря жесткости ленты (10), то первая крепежная деталь (110) может иметь минимальную толщину, или даже может быть удалена. В этом случае две ленты для получения образцов (10) разнесены друг от друга на толщину второй крепежной детали (120), расположенной по другую сторону. Та часть второй крепежной детали (120), на которой закреплена лента (10), имеет размер немного больше, чем внешний периметр ленты (10), и выгравирована на толщину ленты, поэтому вставной элемент (100) не захватывается выступами лент (10) и, другими словами, мертвое пространство не образуется, когда вставной элемент (100) помещается в камеру (210) после того, как закреплены ленты (10). Кроме того, первая крепежная деталь (110), расположенная на внутренней стороне ленты, предохраняет ленты для получения образцов (10) от приклеивания друг к другу в их средней части.
Первая крепежная деталь (110) и вторая крепежная деталь (120) могут быть превращены в стержень прямолинейной формы, имеющий заданную толщину, но в настоящей форме осуществления изобретения, по меньшей мере, часть его имеет криволинейную изогнутую форму. При сообщении части первого крепежной детали (110) и второй крепежной детали (120) криволинейной формы пользователь может приложить давление без помехи со стороны первой крепежной детали (110) или второй крепежной детали (120) в случае приложения давления к детали для сжатия образца (212, см. Фиг. 10), как будет объяснено ниже. При необходимости к первой крепежной детали (110) добавляются структуры в виде выступов, которые позволяют минимизировать контактную поверхность ленты для получения образцов (10) и максимизировать площадь поверхности ленты для получения образцов (10), подвергаемой воздействию лизирующего буфера (20), и дать возможность свободного движения лизирующего буфера (20).
Корпусный элемент (200) может содержать камеру (210), которая образует внутри него предварительно заданное пространство для приема лизирующего буфера (20) и в которое вводятся ленты для получения образцов (10) с целью погружения их в лизирующий буфер (20).
В нижней части камеры (210) предусмотрено основание (220) для поддержки и установки камеры (210). Основание (220) может быть образовано с наклоном таким образом, что площадь его поперечного сечения возрастает сверху вниз для того, чтобы корпусный элемент (200) стоял устойчиво.
Толщина внутреннего пространства камеры (210) предпочтительно выполняется таким образом, что каждая из бесконтактных поверхностей (14) двух лент для получения образцов (10) приклеена к внутренней стенке камеры (210), когда вставлены обе ленты для получения образцов (10). В соответствии с этим, большее количество лизирующего буфера (20), содержащегося в камере (210), заполняет пространство между двумя лентами для получения образцов (10).
Такая конфигурация может свести к минимуму мертвое пространство и максимизировать поверхность контакта с лентами для получения образцов (10), что приводит к увеличению концентрации экстрагированных биомолекул до уровня, который может быть измерен на небольшом количестве образца даже с применением минимального количества лизирующего буфера (20).
При этом, поскольку образцы кожной ткани, прилипающие к лентам для получения образцов (10), как правило, являются гидрофобными и, следовательно, не распределяются самопроизвольно в лизирующем буфере (20), то в обязательном порядке должна быть применена внешняя сила или выполнена дополнительная операция с помощью устройства. Также, для того чтобы избежать проблемы с тем, что ленты (10) поднимаются при погружении, к лентам (10) должна постоянно применяться внешняя сила.
Кроме того, как описано выше, в устройстве для экстракции биомолекул (1000) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения, в котором поверхность контакта с лентами для получения образцов (10) сделана очень большой относительно соответствующего объема лизирующего буфера (20), можно растворить клетки, только подвергнув его встряхиванию один или два раза и оставив стоять. При введении вставного элемента (100) в корпусный элемент (200) и соединении с ним может поддерживаться значительная сила фиксации, и поэтому лизирующий буфер (20) сможет заполнить пустое пространство между лентами без дополнительной принудительной внешней силы или дополнительной операции. Состояние контакта может эффективно сохраняться. В силу этого эффективность экстракции белков может быть быстро увеличена.
Эти положения могут быть подтверждены графиками на Фиг. 7 и 8. Фигура 7 сравнивает отношение (SA:V) площади поверхности ленты для получения образцов (10), находящейся в контакте с лизирующим буфером (20), и объема лизирующего буфера (20), содержащегося в камере (210) устройства для экстракции биомолекул, полученное в устройстве для экстракции белка (УЭБ, 1000) по одному варианту осуществления настоящего изобретения, с этим же отношением, полученным в обычных устройствах.
2
В случаях применения обычных чашки Петри и пробирки фирмы Eppendorf отношение SA:V не превышает 0,4. Для сравнения, в случае применения устройства по настоящему изобретению, поскольку площадь поперечного сечения лент (10) составляет 380 мм, а количество введенного лизирующего буфера (20), составляет 200 мкл при использовании такого продукта, как диск D-Squame производства компании CuDerm Corporation, вычисленное отношение SA:V составляет 1,9, которое выше 0,4; но практически отношение SA:V превышает 1,4, что обеспечивает допуск при изготовлении экстрактора путем литья под давлением и экономит пространство пресс-формы, и т.д.
Теоретически отношение SA:V может быть дополнительно увеличено за счет уменьшения расстояния между лентами для получения образцов (10). Однако, учитывая, что целевое выводимое количество образца за один раз составляет 35-40 мкл и фактический минимальный зазор, который может быть сжат при выводе образца с учетом предотвращения прилипания между двумя лентами (10), составляет около 100 мкм, отношение SA:V может быть повышено до 9,15.
В связи с этим настоящее изобретение делает отношение SA:V относительно высоким и оптимальным, что дает возможность извлекать белки с использованием минимального количества образцов, а также повысить концентрацию экстракта.
Действительно, как может быть подтверждено графиком Фиг. 8, в случае введения лизирующего буфера в том же количестве (250 мкл / диск) в обычную чашку Петри и пробирку фирмы Eppendorf концентрация экстрагированного общего белка составляет около 40 мкг/мл в обоих устройствах. Однако в случае устройства по настоящему изобретению можно убедиться, что такая оценка составляет 63,4 мкг/мл, показывая заметно более высокую эффективность экстракции белка.
При этом вход в камеру (210) может быть оставлен открытым или содержать экранирующую пленку (218). В случае если вход остается открытым, пользователь вводит лизирующий буфер (20) в камеру (210) прежде чем вложить вставной элемент (100); в случае если вход содержит экранирующую пленку (218), предварительно определенное количество лизирующего буфера (20) может быть заранее помещено внутрь камеры (210).
Для того чтобы герметично закрыть вход в камеру (210), экранирующая пленка (218) состоит, например, из алюминиевой фольги или виниловой пленки и т.д., и пользователь может вложить вставной элемент (100) после удаления экранирующей пленки (218) или нажать на вставной элемент (100) для того, чтобы пройти им через лизирующий буфер (218) и вставить его в камеру (210). Экранирующая пленка (218) не прикрепляется на входе в камеру (21), а может находиться во вводном элементе (230) по мере необходимости.
Вводной элемент (230) может содержаться в верхней части камеры (210). Вводной элемент (230) может быть выполнен с возможностью расширения снизу вверх от входа в камеру (210) на определенную высоту. Кроме того, на одном конце вставного элемента (100) может быть предусмотрен герметизирующий элемент (130), герметично закрывающий камеру (210), который находится в тесном контакте с внутренней стенкой вводного элемента (230) таким образом, чтобы соответствовать вводному элементу (230).
Таким образом, вводной элемент (230) открыт сверху, и когда ленты для получения образцов (10), прикрепленные к первой крепежной детали (110) и второй крепежной детали (120), вставляются в камеру (210), герметизирующий элемент (130) соответствует вводному элементу (230), герметично закрывая камеру (210).
Кроме того, если вводной элемент (230) и герметизирующий элемент (130) рассечь горизонтальной плоскостью, то их сечения могут быть показаны в форме овала. Если их сечения будут квадратной формы, сила адгезии не распределиться равномерно, и таким образом образец может протекать из углов; а если сечения выполнены в круглой форме, сила адгезии распределяется равномерно, но они имеют большой объем. Таким образом, настоящая форма осуществления изобретения предлагает тот случай, когда сечения вводного элемента (230) и герметизирующего элемента (130) находятся в форме овала. При этом герметизирующий элемент (130) может содержать множество армирующих ребер (132), увеличивающих его прочность. Усиливающие ребра (132) повышают силу адгезии и силу фиксации герметизирующего элемента (130) на внутренней стенке вводного элемента (230) в то же время увеличивая прочность, поэтому герметизирующий элемент (130) не деформируется при соединении с корпусным элементом (200).
При этом устройство для экстракции биомолекул (1000) согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения включает по меньшей мере один выводной элемент (300), смонтированный во вставном элементе (100) или корпусном элементе (200). Данный вариант осуществления изобретения описывает пример, в котором выводной элемент (300) расположен во вставном элементе.
При этом выводной элемент (300) содержит выводной канал (310), который проникает в герметизирующий элемент (130) и позволяет обеспечить сообщение камеры (210) с наружной средой и вывод образца, и расширенное выводное отверстие (320), расположенное на конце выводного канала (310) и имеющее внутренний диаметр больший, чем внутренний диаметр выводного канала (310), чтобы постоянно выводить образец.
Выводной канал (310) сообщается с камерой (210) на одном конце и соединен с расширенным выводным отверстием (320) на другом конце, через которое может быть выведен образец, содержащий экстрагированный белок. Выводной канал (310) должен быть спроектирован таким образом, чтобы иметь минимальный внутренний диаметр перед достижением расширенного выходного отверстия (320), чтобы свести к минимуму мертвое пространство и увеличить общее выводимое количество образца. В данном варианте осуществления изобретения выводной канал (310) имеет диаметр 850 мкм, что составляет половину диаметра расширенного выводного отверстия (320).
Количество выводимого образца может быть отрегулировано до постоянной величины путем настройки размера внутреннего диаметра расширенного выводного отверстия (320). Выводимое количество образца может быть рассчитано в соответствии с нижеследующим уравнением со ссылкой на Фиг. 9. Более конкретно, выводимое количество образца может быть рассчитано по равновесному состоянию между силой тяжести в расчете на массу одной капли экстрагированного образца, вытекающей из расширенного выводного отверстия (320), и поверхностным натяжением этой капли, испытываемым тогда, когда капля свободно висит в выводном отверстии.
Уравнение
v
Сила поверхностного натяжения: F=πdγ
a
v
Сила тяжести: F=F sinα
mg=πdγ sinα
mg=πdγ
W=2πrγ
W - вес капли, r - радиус выходного сечения, γ - коэффициент поверхностного натяжения.
В данном варианте осуществления изобретения выводной канал (310) имеет внутренний диаметр около 850 мкм, а расширенное выводное отверстие (320) имеет внутренний диаметр 1,7 мм. Когда внутренний диаметр расширенного выводного отверстия (320) спроектирован равным 1,7 мм, единичное выводимое количество образца теоретически равно 37,7 мкл.
После изготовления активных продуктов 10 устройств для экстракции биомолекул (10) подвергали измерениям и дважды тестировали при каждом состоянии с применением деионизированной воды и лизирующего буфера (20). В результате фактическое единичное выводимое количество образца определяли как 35,5±2 мкл, как показано в следующей ниже Таблице 1, и, следовательно, можно убедиться, что образец по существу постоянно выводится через устройства (1000) для экстракции биомолекул в соответствии с настоящим изобретением.
Таким образом, устройство (1000) для экстракции биомолекул в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения, которое представляет собой простое устройство без отдельного дозирующего устройства, способно производить точный вывод постоянного количества образца и, следовательно, может произвести точный экспериментальный результат в следующей операции, выполняемой вслед за тем, как образец после экстракции подается в набор для тестирования.
Дополнительно для расширенного выводного отверстия (320) может быть предусмотрен съемный герметизирующий колпачок (140), который предохраняет образец от произвольного вытекания и обеспечивает безопасность пользователя.
При этом может быть предусмотрена деталь для сжатия образца (212), образованная на внешней стенке камеры (210) таким образом, что может быть применена внешняя сила, когда пользователь производит вывод и сжатие образца. По существу, область, соответствующая полой части изогнутой формы вышеописанной первой крепежной детали (110), образованная в наружной стенке камеры (210), формирует деталь для сжатия образца (212).
Более конкретно, когда пользователь прикладывает давление к детали для сжатия образца (212) с целью вывода экстрагированного образца, внутренние стенки камеры (210) изгибаются в формы параболы и за счет этого экстрагированный образец продавливается через выводное отверстие.
Фиг. 10 иллюстрирует перспективные виды и частичные поперечные сечения примеров модификации детали для сжатия образца устройства для экстракции биомолекул в соответствии с формой осуществления настоящего изобретения, и диаграммы, иллюстрирующие деформацию внутренних стенок камеры в случае приложения давления.
Как показано на Фиг. 10, предлагаются детали для сжатия образца (212а, 212b, 212с), модифицированные с целью увеличения скорости выхода препарата за счет применения равномерного давления.
Во-первых, в данном варианте осуществления изобретения детали для сжатия образца (212а, 212b, 212с) могут быть сделаны в выпуклой форме, имеющей толщину больше, чем окружающая наружная стенка. Деталям для сжатия образца (212а, 212b) может быть придана дискообразная выпуклая форме, как показано на Фиг. 10 (В) и 10 (С), или форма колеса, как показано на фиг. 10 (D). В случае структуры, имеющей толщину или высоту 2 мм или более, образуется полость из-за невозможности полностью заполнить структуру формы расплавленными пластмассами при литье под давлением или концентрируется остаточное напряжение при охлаждении после литья под давлением, что приводит к деформации структуры или легкому образованию трещин. В случае детали для сжатия образца в форме колеса, проблема, возникающая при литье под давлением, может быть сведена к минимуму. Посредством сформированной таким образом детали для сжатия образца (212а, 212b, 212с) вывод образца может осуществляться путем равномерного приложения давления.
Кроме того, устройства для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения могут быть дополнительно оснащены выгравированным элементом (214), расположенным по окружности детали для сжатия образца (212b, 212с), и имеющим меньшую толщину, чем толщина окружающей наружной стенки. Выгравированный элемент (214) уменьшает толщину вокруг детали для сжатия образца (212), что позволяет детали для сжатия образца (212) легко изгибаться.
В соответствии с вышеописанными модификациями внутренняя стенка камеры (210) при приложении давления будет равномерно сжиматься до параболической формы линейным образом, причем давление может быть приложено равномерно, независимо от формы пальца пользователя или величины примененной силы, и тем самым увеличить скорость выхода образца.
На Фиг. 11 показана схема, иллюстрирующая процесс экстрагирования белка с использованием устройства для экстракции биомолекул согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Ниже авторы объясняют способ экстракции биомолекул (белков) с использованием устройства (1000) для экстракции биомолекул по одному варианту осуществления настоящего изобретения со ссылками на Фиг. 1-11.
Во-первых, две ленты для получения образцов (10) прикрепляются к коже пациента, а затем отделяются от нее для того, чтобы отобрать кожную ткань. После этого обе ленты приклеивают так, что они находятся лицом друг к другу, а первая крепежная деталь (110) и вторая крепежная деталь (120) помещаются между ними.
Затем лизирующий буфер (20) вводится в камеру (210) корпусного элемента (200), и вставной элемент (100) вкладывается в корпусный элемент (200). При этом лизирующий буфер (20) заранее помещается в камеру (210) и может быть предоставлен в герметично закрытом состоянии с помощью экранирующей пленки (218).
После этого устройство (1000) для экстракции биомолекул вместе с лентами для получения образцов (10), расположенными внутри камеры (210), встряхивают один или два раза и оставляют стоять в течение 1 минуты или нескольких минут, при необходимости. При этом процессе клетки растворяются в лизирующем буфере (20) и белки экстрагируются.
Затем, после удаления герметизирующего колпачка (140), нажимают деталь для сжатия образца, чтобы вывести образец, содержащий экстрагированные белки, во входное отверстие; и может быть проведен тест на образование антител.
Фиг. 12 представляет собой перспективный вид устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 13 представляет собой поперечное сечение устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг. 14 представляет собой вид сверху устройства для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.
Если коротко, как показано на Фиг. 12-14, устройство (2000) для экстракции биомолекул в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения также может быть сделано включающим вставной элемент (400), корпусный элемент (500) и выводной элемент (600).
При этом выводной элемент (600) может быть оборудован в корпусном элементе (500), а не во вставном элементе (400), в отличие от предыдущего варианта осуществления изобретения. Вставной элемент (400) включает в себя крепежную деталь (410), а ленты для получения образцов (10) могут быть физически соединены с крепежной деталью (410) посредством вставки или могут быть приклеены к ней и закреплены на ней путем нанесения клея.
Данный вариант осуществления изобретения предполагает случай, когда две ленты для получения образцов (10) прикреплены к крепежной детали (410), но при необходимости можно также устанавливать и использовать одну или три или большее количество лент для получения образцов (10).
Вставной элемент (400) и корпусный элемент (500) могут быть соединены друг с другом с помощью соединительного элемента (550). Корпусный элемент (500) включает в себя вводной элемент (530), а вставной элемент (400) может содержать герметизирующий элемент (430), чтобы соответствовать вводному элементу.
При этом корпусный элемент (500) может включать камеру (510), которая содержит лизирующий буфер, а ленты для получения образцов (10), которые крепятся к крепежной детали (410), могут быть вставлены в камеру (510), и биомолекулы могут быть извлечены с помощью лизирующего буфера, находящегося в камере (510), когда вставной элемент (400) вставляется в корпусный элемент (500).
После того, как экстракция биомолекул завершена, пользователь нажимает деталь для сжатия образца (512), образованную на внешней стенке камеры (510), для вывода экстрагированного образца через выводной элемент (600). При этом различные модификации, раскрытые в предыдущем варианте осуществления изобретения, могут быть в равной степени применены к детали для сжатия образца (512).
Устройство для экстракции биомолекул в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения, раскрытыми на данный момент, имеют следующие эффекты.
Во-первых, в устройстве для экстракции биомолекул по настоящему изобретению можно выполнять весь процесс прикрепления образца и введения буфера, установки вставного элемента и смешивания, выдерживания при спокойном стоянии и экстракции и т.д., в течение 5 минут, что в случае его внедрения приводит к инновационному сокращению времени, поскольку большая часть общепринятых способов экстракции белков или нуклеиновых кислот требовала, по меньшей мере, в целом от 20 до 30 минут для приложения механического или физического воздействия, повторного центрифугирования, фильтрации и другого процесса, и т.д., с целью разрушения межклеточных соединений или клеточной мембраны.
Во-вторых, устройство для экстракции биомолекул по настоящему изобретению работает без применения ударных и силовых воздействий, не нуждается ни в широком экспериментальном пространстве, ни в сложной системе, обеспечивает безопасность пользователя и дает возможность избежать вредного влияния отходов ввиду крайне малого количество буфера, применяющегося для однократного использования.
В-третьих, устройство для экстракции биомолекулы в соответствии с настоящим изобретением может минимизировать мертвое пространство, значительно увеличить отношение SA:V, что дает возможность экстракции белка в высокой концентрации без приложения внешней силы и постоянного вывода его после экстракции. Ввиду этого возможно точное тестирование с использованием набора для тестирования.
В-четвертых, устройство для экстракции биомолекул по настоящему изобретению упрощает процесс экстракции белка в клетках и может быть использовано независимо как одно устройство без необходимости дополнительных устройств, таких как центрифуга, пипетка и т.п., и может применяться пользователем, не имеющим квалификации. Таким образом, процесс может быть более удобным для пользователя.
Выше настоящее изобретение было объяснено со ссылкой на один пример осуществления настоящего изобретения (пример, примененный к кожной ткани), но специалист в данной области техники может по-разному модифицировать и изменять данное изобретение, без изменения сути и объема настоящего изобретения, изложенных в формуле изобретения, приведенной ниже. Устройство для экстракции биомолекул, предлагаемое в настоящем изобретении, может быть применено для экстракции из различных видов биоматериала разнообразных биомолекул, пригодных для различных анализов и диагностики. Объем применения изобретения включает в себя биотехнологию, молекулярную биологию, медицинскую науку, фармацевтику, косметологию, генную инженерию, диагностику, здравоохранение и т.д., но не ограничивается ими. Таким образом, если модификации в основном содержат признаки формулы изобретения настоящей заявки, то все они должны квалифицироваться как входящие в технический объем настоящего изобретения.