JP2004000217A - Trapping and releasing device of dna using flow passage and method for trapping and releasing dna - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、健康状態の判断や、感染症の早期発見、早期治療、及び治療中の検査を行うために、血液等に含まれる、白血球、病原菌、ウイルスのDNAのみを、分離、抽出、濃縮し、DNAの情報に基づく診断を行うための分離手段ならびにその装置に関する。特に必要な機能、構造の一部が一つの板状のチップに集積されており、必要な検体が微量ですみ、携帯性、即時性、使い捨て、安価などを特徴とする微小流体力学やmicro−TAS、Lab−on−a−Chipといわれる分野に関する。
【0002】
【従来の技術】
人体から取り出した、組織や血液等に含まれるDNAを分析する技術は非常に重要である。白血球や体細胞からは本人の遺伝子情報が判り、生活習慣病や遺伝病の診断、オーダーメード医療に重要である。また、血液等に含まれる病原菌やウイルスのDNAを取り出して特定することにより、感染症の診断ができる。
【0003】
精製されたDNAを特定する方法としては、DNAチップや、PCR法、LAMP法を用いて特定配列を持ったDNAだけを増幅するような手法と組みあわせることにより、高感度で選択性の高い検出が原理的に可能である。このような検出方を用いるには、採取した細胞やウイルスが含まれているであろう液体から、DNAに有害な物質を除外し、細胞膜やウイルス壁を破砕してDNAを取り出し、その後の反応や検出を阻害するような物質を除外し、PCRやLAMP法に適当なDNA濃度、塩濃度、pHを調整する前処理が必要である。前処理は試薬の混合、反応、DNAの回収処理の繰り返しからなる。この回収処理の形態としては、DNAの濃縮、分離、DNAのみを残した溶液の交換、溶液の交換によるDNAの洗浄などがある。即ち、介在物が存在する溶液から、できるだけ選択的にDNAのみを一箇所に集め、他の介在物と分けて回収することが必要であり、またDNAを1まとめにしたまま、溶液内を移動する、あるいは逆に溶液の方を移動することにより、溶液の交換や洗浄が実現できれば、より簡単に前処理を実現できる。このようなDNAの回収を行う方法としては、遠心分離法、磁気ビーズを用いてDNAを絡め取った磁気ビーズを磁石により移動する方法等がある。
【0004】
一方で、現在ウイルス性の病気の診断には、ウイルスに免疫が応対し、産出された抗体を検出する方法がとられている。これは、血液中のウイルスが余りに微量なため、検出が困難であるからである。しかし、この方法には、感染から免疫が応答し抗体ができるまでの期間、診断ができないという欠点がある。また、B型肝炎など、ウイルスが除去されても抗体だけ残ったり、また重症患者では、新たな感染があっても、抗体を産出できず、誤診される欠点があった。もし、血液中の微量なウイルス由来のDNAを濃縮することができれば、これら抗原の直接検出でき、早期発見、早期治療に大きく貢献する。現在、石英など特定の材料の表面にDNAを固定し洗い流す方法等を用いて濃縮が試みられているが、この要求レベルを満たすようなものはまだない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
DNAの回収処理で用いられる、遠心分離は、手による上澄みや中間層、沈殿物の取り分け作業に依存しており、微量なサンプルに適用困難である。近年、microTAS、Lab−on−a−Chipという技術分野が立ち上がりつつあり、従来の分析技術や化学合成法を、一つのチップの上に集積化することで、システムの小型化、必要な試薬や検体量の縮小化、低コスト化、高速化、高機能化を実現している。この技術を用いると、一滴の血液、数個の細胞やウイルスからDNA分析が可能と期待される。しかしながらこれを実現するには、遠心分離に代わり、チップの中で実現できるDNAの回収技術が必要である。磁気ビーズに絡め取る方法は、チップ上でも実現可能であるが、磁場の移動は煩雑であり、また集めたDNAを、次の処理が行えるように再び溶液中に解放すること(即ちリリース)も、単純な緩衝液ではリリースされないなど、一般性に欠ける。診断を目的とした、DNAの前処理では、前に述べたように抗原である血中ウイルスを検出できるレベルの濃縮が可能なものはまだない。細胞や細菌レベルでは、いろいろな手法が開発されているが、煩雑で、完全チップ化に不向きであったり、感度が犠牲になったりする。また、DNAの濃縮や回収を行わず、細胞が含まれている溶液に混ぜるだけで前処理が完了するような薬品のキットが開発されているが、精製する方法に比較すると、感度や精度は悪い。
【0006】
これらの要求に答えるべく、チップ上に形成した簡単な機構を用いて、流路を流れるたんぱく質やさまざまな試薬類を含む液体から、DNAあるいはそれに類するものを選択的に捕捉保持(即ちトラップ)し、DNAの回収、或いはDNAの濃縮を行い、またトラップされたDNAを簡単な操作で、リリースし、次の処理に用いることができるような、安価で単純な原理・装置はまだない。
【0007】
【課題を解決するための手段】
図1は課題を解決する手段の説明である。流路101の中にDNA102を含む溶液を流す。溶液には、圧力差と電界を同時に印加する。即ち、溶液中のDNA102には、圧力流れによる力の方向103で示される方向の力と、電界による力の方向104で示される方向の力が、図1に示されるように互いに逆向きになるように同時に働かせる。流路101には、一つ以上の流路幅の広い部分105と、一つ以上の流路幅の狭い部分106が存在する。流路101の具体的な形状やその向きは後述するように様々であるが、電界と圧力流れの強さを調節することによりDNA102を、選択的に、幅が狭い部分の近辺に、トラップすることができる。また電界や圧力の強さを調節することにより、流れてきたDNAを次々にトラップすることができる。この時トラップされるもの以外の溶液中の物質は、電界あるいは圧力流れにより流れ去るので、DNAの回収や濃縮が実現できる。また、DNAはトラップされたまま、溶液は流れているので、溶液の交換や洗浄にもちいることができる。狭い部分は、トラップするDNAの大きさにより、0.01ミクロンから、50ミクロン、広い部分は、狭い部分に比べて断面積で2倍以上である。本発明のトラップ能力は、DNAのサイズにより異なる。流路径や形状を変えたり、電圧や圧力を変えることにより、トラップできるDNAのサイズを変化させることが可能である。
【0008】
トラップされたDNAは、電界もしくは圧力のどちらかを強める、或いは弱めることにより、入り口側、あるいは出口側に放出される。これにより、簡単にリリース、回収でき、次の処理に用いることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図2に本発明に基づきDNAをトラップ、リリースする最も基本的な形態を示す。トラップ機構201は本発明による、広い部分と狭い部分を持った流路である。入り口(リザーバ)202はDNAの入り口でありここにDNAが含まれた液体を入れる。液体は流路204、トラップ機構201を通り、出口(ウエステ)203へ流れる。入り口202と出口203のどちらかまたは両方から圧力源につながった管をもちいて圧力を加える。また入り口202と出口203には電極などをもちいて同時に電界を加える。圧力により入り口202から出口203へ、液を搬送し、同時に入り口202に正、出口202に負の電圧を加える。これにより入り口202の液のうちDNAだけがトラップ機構201にトラップされる。入り口202の液が大部分出口203に流れたあと、電界を強める、或いは圧力を弱めるまたは切る或いは逆転することにより。入り口202側に濃縮されたDNAを取り出すことができる。あるいは圧力を強める、または電界を弱めるか切るか反転することにより、出口203側に濃縮されたDNAを取り出すことができる。
【0010】
図3の上の図は、本発明の形態であり、図2に加え、入り口301側に、濃縮されたDNA回収流路302と、電極を加えるリザーバを兼ねるDNA回収口303が設けられている。入り口301からDNAを圧力によって、トラップ機構201へ流し、DNA回収口303に正、出口203に負の電圧を印加する。十分トラップされたあと、圧力を弱めることにより、濃縮されたDNAを流路204を経由して、DNA回収流路302、DNA回収口303に回収することができる。回収路が、203出口側にあっても同様に回収できる。
【0011】
図3の下図は、本発明の利用形態であり、DNA回収流路302の先に、検出部304が取り付けられている。検出部304はPCRやLAMPチャンバーや、DNAチップが考えられる。また、各種電気泳動カラムであってもよい。電気泳動を行う場合は、電気泳動開始時に、プラグ状にサンプルを開始点につめる必要がある。通常、十字路などを用いてこれを実現するが、本発明によりリリースされたDNAはプラグ状に固まってリリースされるため、この作業を省略してもよい。また、検出部304は、検出以外の後処理を行う要素に置き換えられる。
【0012】
図18は、図3下段の構成に、液体供給装置1801を付加したものである。圧力により入り口202から出口203へ、DNAが含まれた液を搬送し、同時に入り口202に正、出口202に負の電圧を加える。これにより入り口202の液のうちDNAだけがトラップ機構201にトラップされる。十分DNAがトラップされた後、DNAが圧力流れから受ける力と、電界から受ける力を保ったまま、入り口202からの液の供給を中止し、液体供給装置1801から、交換液リザーバ1802に格納されている交換液を供給することにより、DNAをトラップしたまま、DNAの周囲の液を交換できる。また、交換液を必要な時間連続して流すことにより、交換液によるDNAの処理や、DNAの洗浄を行うことができる。その後、電界を強める、或いは圧力を弱めるまたは切る或いは逆転することにより、液交換し、処理あるいは洗浄されたDNAを回収し、同様に次の処理に移すことが可能である。
【0013】
図4は、本発明トラップ機構を構成する流路101の流路幅の狭い部分と流路幅の広い部分を実現するさまざまな形態であり、上段の図は、単純に幅の異なる流路を連結することに実現される。幅は、チップの水平方向でもよいし、深さ方向でも、その両方でもよい。中段の図は、流路の幅を変える代わりに、流路壁401内にビーズなど障害物402の詰め物をすることにより、トラップ機構を構成する。図4の下段の図は、多孔質の膜や樹脂等の多孔質物質403を流路壁401内に形成することによりこれを実現した例である。光硬化樹脂などを用いることにより簡単に実現できる。
【0014】
図5は、本トラップ機構を複数並列に接続するための形態であり、スループットやトラップ量を向上することが可能である。上段の2つは、平面上に複数集積化する方法の形態であり、本トラップ機構は非常に微小なため、集積化により10000倍程度の能力向上は容易に得られる。また、下段は、板状のものにあけられた孔とそれに隣接する空間によりトラップ機構を実現するものであり、さらに高い集積度が簡単に得られる。
【0015】
図6は、トラップできるサイズの異なるトラップ機構601を直列に接続路602を介して、あるいは介さずに直接、直列に接続した形態であり、これにより異なるサイズのDNAを異なるトラップ機構にトラップすることができる。これにより簡単にサイズによる分離が実現でき、分析やDNAのフィルタリングに応用できる。接続路601に回収路603を接続した場合は、サイズごとに異なるDNAを分けて回収したり、後処理を行うことが可能である。
【0016】
図7は、本機構を用いたDNA分析装置の構成である。入り口701に注入された微量な血液、血清、大腸菌のような検体を含む液は、前処理部702により、酵素の非活性化処理、アルカリや酵素を用いた細胞壁やウイルス壁の破砕が行われる、次に既に述べた様々な形態の本発明を利用したDNAトラップ機構703に注入され、破砕された細胞壁や淡白質、イオン類からDNAのみを濃縮し、回収する。リリースされたDNAは検出部704により選択的検出される。検出部704はPCR法やLAMP法や電気泳動カラムなどが考えられる。これにより、血液や細胞、菌類、或いは、血清中に薄まったウイルス中のDNAを濃縮して、チップ上で、高感度に検出可能である。
【0017】
【実施例】
〔第一の実施例〕
図8は、本発明を用いてDNAをトラップした実施例のひとつである。YOYO1で染色したDNA801は、蛍光顕微鏡で1分子観察が可能である。ここではT4−DNA(大きさ160kBP)あるいはλ−DNA(大きさ48kBP)を用いた。DNAは、0.5TBEバッファーに、メルカプトエタノール、グルコースオキシダーゼ、カタラーゼ、グルコースと一緒に含まれており、溶存酸素によって観察中にDNAが切れるのを抑えてある。また電気浸透流をおさえるために、ポリビニルピロリドンが含まれている。電源802により電圧を印加する。圧力計803は、シリンジ804を用いて加えた圧力を計測する。白金線805を用いて入り口と出口に電圧を印加する。806はガラス板であり、807はシリコンゴムであり、両者は入り口と出口を密閉するために用いられる。808は、石英製のチップであり、図1のようなクサビ型が連続したようなトラップ機構が、図2のように配置されている。クサビの最も細い部分は0.6ミクロンであり、太い部分は5ミクロン、クサビの周期は50ミクロン、繰り返し回数は、8回である。深さは0.5ミクロンである。809はレンズであり、DNAの様子を拡大観察する。810はダイクロイックミラー、811はミラー、813は励起光(490nm)であり、蛍光観察のための光学系である。DNAからの蛍光を814、高感度CCDカメラ812によって観察する。
【0018】
図9は、まず圧力だけをかけてDNAを泳動させた例であり、図は圧力差およそ40Pa以下のものであるが、速度に差は見られたが、このように小さな圧力差であっても、大きいDNA(T4)も、小さいDNA(そのフラグメント)もトラップされなかった。圧力差が大きくなるにつれ、DNAは益々容易にこの流路を通過した。これはクサビの方向を逆にしても同様であった。これは、後述されるDNAのトラップの後のリリースに利用できる。
【0019】
図10は、電場のみをかけてDNAを泳動した例である。この図はもっとも電圧が低い(0.1V以下)の例であるが、DNAは簡単にこの流路を通過した。より大きい、電圧差では、更に容易にこの流路を通過した。これはクサビの方向を逆にしても同様であった。これは、後述するトラップされたDNAのリリースに利用できる。
【0020】
図11は、クサビの方向に対して、電界がDNAに及ぼす力が、電界による力の方向1101になるように電圧を6V印加し、圧力流れによる力の方向1102に圧力を5kPa印加した場合の例である。このとき、T4 DNAは、図中DNA102で表示された位置にトラップされ、長時間10分ほどたっても動かなかった。また、トラップされたDNAは電界を切ると圧力流れによる力の方向1102の方向に直ちに、リリースされた。
【0021】
図12は、図11におけるT4−DNAのトラップが起こる電圧と圧力の条件範囲である。1201はトラップの起こる範囲(斜線部)であり、この範囲の中の条件で、T4DNAが確実にトラップされた。およそ3kPa以上の領域で、圧力流とつりあう電圧の付近でトラップが見られる。トラップが起こる電圧の範囲は、圧力が増加するにつれ、広くなった。また、T4−DNAよりも小さいDNAは、この条件のすこし内側で、リリースされ、トラップにはサイズ依存性があることが示された。
【0022】
図13は、図11において、圧力と電圧の向きを両方とも反転した場合のトラップがおきる範囲である。図12と同様に、圧力が増加するにつれ、電圧のトラップ範囲はひろくなった。
【0023】
図12及び図13中の実線は、DNAに及ぼす、圧力流れからの力と、電界からの力が、つりあう条件である。このことから、本トラップは、DNAに及ぼす力において、圧力による力と電界による力が、つりあう条件の30%から170%の範囲で起こり、形状とDNA分子によって決まるある閾値よりも強い力を印加する必要があることが判る。
【0024】
図14は、図12において、トラップ領域の下側における、大、小DNAの移動を示したものである。この図から、このような形状において、圧力と電場を両方逆向きに印加した場合は、泳動速度に著しいサイズ依存性がみられた。トラップ領域の上側においても同様な著しいサイズ依存性がみられた。これは、ゲルやキャピラリーを用いた電気泳動法に代わる、DNAサイズ分離法である。
【0025】
図15、図16は圧力場、電場のみの場合において、図14と同様なプロットを行ったものであるが、圧力場、電場のみの場合はサイズによる泳動速度の差はほとんどないことが判る。
【0026】
クサビ型の、最も狭い部分と、広い部分の大きさを変えて、トラップを行った。広い部分は、トラップされているDNAの大きさからは十分無限大とおもわれる100ミクロンを越えても問題なくトラップできることが判った。狭い部分を変化させると、同じ圧力、電場においても、トラップできるDNAのサイズが変化し、0.6ミクロンでは、1000bp以上のDNAがトラップされ、0.3ミクロンでは500bp以上のDNAがトラップされた。また、50ミクロンのものでは、DNAのトラップは見られなかった。この結果より、小さいDNAをトラップするには、最も狭い部分のサイズが小さい方が有利で、また狭い部分の大きさや電圧や圧力の大きさを最適化することにより、特定の大きさ以上のDNAをトラップできることがわかる。また、DNAをトラップするのに有効な狭い部分の幅は、DNAの大きさから考えて、0.01ミクロンから50ミクロンの間と考えられる。
【0027】
〔第二の実施例〕
次に第2の実施例を示す。第一の実施例と同様に図8に示した蛍光観察装置を用いる。ここで、泳動チップ808は図18に示すように、入り口301と出口203の他に、DNA回収流路302、DNA回収口303と、液体供給装置1801、交換液リザーバー1802を付加したものを用いる。トラップ機構201は、第1の実施例と同様にクサビの最も細い部分は0.6ミクロンであり、太い部分は5ミクロン、クサビの周期は50ミクロン、繰り返し回数は、8回である。深さは0.5ミクロンである。0.5TBEバッファーに、メルカプトエタノール、グルコースオキシダーゼ、カタラーゼ、グルコースを付与し溶存酸素によって観察中にDNAが切れるのを抑え、また電気浸透流をおさえるために、ポリビニルピロリドンを付与した、緩衝液を用意する。これを緩衝液Aとする。まず流路全体を緩衝液Aで満たす。実施例一と同様に調製したDNA溶液に、表面にCOOH基を付与したポリスチレンビーズを混入した溶液を、入り口301に入れる。交換液リザーバ1802には、緩衝液Aを入れる。入り口301には、圧力を印加するシリンジと白金電極を実施例一と同様に接続する。と出口203には、白金電極を接続する。交換液リザーバ1802と、DNA回収口303には、それぞれ、圧力を印加するシリンジを接続する。この4つの接続は実施例一と同様にシリコーンゴムでそれぞれ密閉されている。
【0028】
まず、入り口301に8kPaの圧縮の圧力を加えると同時に、出口203と入り口301の間に10Vの電圧を、出口203側が負になるように加える。この時、液体供給装置1801、DNA回収流路にはDNAが流れないように、交換液リザーバ1802、DNA回収口303に印加する圧力を調整する。入り口301にいれた、DNAと溶液とポリスチレンビーズは、次々とトラップ機構201に流れ込み、DNAはトラップされ、濃縮されるが、ビーズは出口203へ流れ去った。十分DNAがトラップされた後、交換液リザーバへ印加する圧力を増加し、入り口301に印加する圧力を弱めると、入り口301からのDNAとポリスチレンビーズの供給が止まり、トラップされたDNAは交換液リザーバーからの液体にさらされた。これにより、トラップ機構に存在するポリスチレンビーズは完全に出口203へ流れ去り、DNAは洗浄された。次に、印加している電界と圧力を同時に0にし、DNA回収口303に引っ張りの圧力を加える。この時、入り口301と交換液リザーバ1802から液体が流出しないような引っ張りの圧力を加える。トラップされたDNAはDNA回収流路302を通って、DNA回収口に回収された。以上により、DNAとポリスチレンビーズの混合物から、DNAのみを濃縮して抽出し、洗浄し、回収することができた。
【0029】
図17はトラップ力の説明である。1701は電場による力であり、DNAが電場から受ける力は壁面からの距離によらず一定である。これに対して、1702は圧力流による力であり、DNAにが圧力流からうける力は、壁面付近が小さく、中央が大きい。従って、最も狭い部分近辺では、壁面付近では電場による力が強くなり、中央部1703では非常に強い圧力による力ができる。ここを流れる粒子状のものは、壁面からすり抜けることが可能であるが、DNAのような長い分子は、すり抜ける過程で、逃げ出そうとするDNA1704のように長い分子のどこかが中央の流れに引きずられトラップ部に戻される。これによって、長い分子のみトラップされる。
【0030】
トラップ中のDNAを詳細に観察すると、図17で示すように運動しながらトラップされるDNAが観察されこのトラップ力の説明が裏付けられる。
【0031】
【発明の効果】
以上に述べたとおり、本発明によるDNAトラップ機構により、液体よりDNA、或いはDNAを含む長い分子のみをトラップし、必要に応じてリリースすることが可能である。これにより、チップ上で、DNAを取り出すための前処理の溶液からDNAのみを回収する機構、DNAを残してバッファーや溶液を交換する作業、あるいは、非常に薄まったDNAを濃縮しPCRやLAMP法、DNAチップなどの検出感度を上げたり、チップ上で扱いやすい液量に調整したりすることが容易になる。これにより、血液中の白血球や、ウイルス、病原体のDNAの分析や診断が容易になり、また、抗体検出ではなく抗原を検出することにより病気の診断がより早く、正確になる効果がある。また、トラップ機構や泳動速度のサイズ依存性を利用した、新しい、DNA分離法や、DNAフィルタリング法、スクリーニング法も容易に構成できる。また、DNAを利用した蛋白質の合成や、DNAを用いた分析法、DNAを用いたデバイスの開発において、溶液中のDNAのみを一時的に固定できることは、溶液の交換や、DNAのマニュピレーション、DNAの観察を容易にし、あらゆる波及効果が期待できる。本発明は、DNAに特化して説明を行ったが、同様の特性をもつ、RNAや長鎖線状分子に応用できることは容易に推測できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるトラッピング機構の図
【図2】本発明を利用する形態の基本
【図3】本発明の利用形態の応用例
【図4】本発明のトラッピング機構の構成例
【図5】本発明のトラッピング機構を複数配置して効果をあげる方法
【図6】効果の異なる本発明を直列に接続して分離を行う方法
【図7】本発明を利用して血液等を分析する構成
【図8】本発明を実施するための装置構成例
【図9】実施例における圧力場のみでのDNAの泳動速度
【図10】実施例における電場のみでのDNAの泳動速度
【図11】実施例における圧力場と電場を両方かけた場合のDNAのトラッピング
【図12】実施例におけるトラッピングが起こる電圧と圧力の範囲
【図13】実施例における逆接続でのトラッピングが起こる電圧と圧力の範囲
【図14】実施例における圧力場と電場を両方かけた場合のDNAの移動距離と時間の関係
【図15】実施例における圧力場のみの場合のDNAの移動距離と時間の関係
【図16】実施例における電場のみの場合のDNAの移動距離と時間の関係
【図17】現在のトラッピング現象の説明図
【図18】本発明に液体供給装置を付加した応用例
【符号の説明】
101 流路
102 DNA
103 圧力流れによる力の方向
104 電界による力の方向
105 流路幅の広い部分
106 流路幅の狭い部分
201 本発明によるトラッピング機構本体
202 入り口(リザーバ)
203 出口(ウエステ)
204 流路
301 入り口(リザーバ)
302 DNA回収流路
303 DNA回収口
304 DNA検出機構
401 流路壁
402 ビーズなど障害物
403 多孔質物質
501 入り口
502 出口
601 効果の異なるDNAトラップ機構本体
602 接続路(必要なときのみ)
603 分離したDNA回収路(必要に応じて)
701 血液などサンプル入り口
702 細胞壁やウイルス壁を壊す前処理部
703 本発明によるトラップ機構による濃縮器
704 特定のDNAの検出部(PCRチャンバーなど)
801 YOYO1で染色したDNA溶液
802 電源
803 圧力計
804 シリンジ
805 白金線
806 ガラス板
807 シリコンラバー
808 泳動チップ
809 対物レンズ
810 ダイクロイックミラー
811 ミラー
812 CCDカメラ
813 励起光
814 蛍光
1101 電界による力の方向
1102 圧力流による力の方向
1201 トラップの起こる範囲(斜線部)
1701 電場による力
1702 圧力流による力
1703 中央部
1704 逃げ出そうとするDNA
1801 液体供給装置
1802 液体供給リザーバ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention separates, extracts, and concentrates only leukocytes, pathogens, and viral DNAs contained in blood and the like to determine health conditions and to perform early detection of infectious diseases, early treatment, and tests during treatment. Further, the present invention relates to a separation means for performing a diagnosis based on DNA information and an apparatus therefor. In particular, a part of the necessary functions and structures are integrated on a single plate-shaped chip, and the required sample is small, and microfluidics and micro- TAS, a field called Lab-on-a-Chip.
[0002]
[Prior art]
Techniques for analyzing DNA contained in tissues, blood, and the like extracted from the human body are very important. Leukocytes and somatic cells provide information on the individual's genetic information, which is important for diagnosis of lifestyle-related diseases and genetic diseases, and for personalized medicine. In addition, by extracting and specifying DNA of pathogenic bacteria and viruses contained in blood and the like, an infectious disease can be diagnosed.
[0003]
As a method for specifying purified DNA, a method that amplifies only DNA having a specific sequence using a DNA chip, a PCR method, or a LAMP method to detect DNA with high sensitivity and high selectivity is used. Is possible in principle. To use such a detection method, substances that are harmful to DNA are excluded from the liquid that may contain the collected cells or virus, and the DNA is extracted by crushing the cell membrane and virus wall, and the subsequent reaction is performed. It is necessary to perform a pretreatment for adjusting a DNA concentration, a salt concentration, and a pH suitable for the PCR and the LAMP method by excluding a substance that inhibits the detection or the detection. The pretreatment consists of repeating the mixing of the reagents, the reaction, and the DNA recovery process. Examples of the form of the recovery treatment include concentration and separation of DNA, exchange of a solution in which only DNA is left, and washing of DNA by exchange of a solution. That is, it is necessary to collect only the DNA from the solution containing the inclusions as selectively as possible at one place and collect it separately from the other inclusions. If the replacement or cleaning of the solution can be realized by moving the solution or conversely, the pretreatment can be realized more easily. As a method for recovering such DNA, there are a centrifugal separation method, a method in which magnetic beads with DNA entangled using magnetic beads are moved by a magnet, and the like.
[0004]
On the other hand, for the diagnosis of viral diseases, a method is currently used in which immunity is responded to a virus and the produced antibody is detected. This is because the virus in the blood is so small that it is difficult to detect it. However, this method has a disadvantage that diagnosis cannot be performed during the period from infection to the time when immunity responds and antibodies are formed. In addition, even if the virus is removed, such as hepatitis B, only the antibody remains, and in severely ill patients, even if there is a new infection, the antibody cannot be produced, resulting in misdiagnosis. If a small amount of virus-derived DNA in the blood can be concentrated, these antigens can be directly detected, which greatly contributes to early detection and early treatment. At present, concentration is attempted using a method in which DNA is fixed on the surface of a specific material such as quartz and washed away, but there is still no material that satisfies this required level.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Centrifugation, which is used in DNA recovery processing, depends on the work of manually separating the supernatant, the intermediate layer, and the precipitate, and is difficult to apply to a minute amount of sample. In recent years, the technical fields of microTAS and Lab-on-a-Chip are starting up, and by integrating conventional analysis techniques and chemical synthesis methods on a single chip, the system can be reduced in size, necessary reagents and It realizes reduction of sample volume, lower cost, higher speed, and higher functionality. Using this technique, it is expected that DNA analysis from a drop of blood, several cells or viruses is possible. However, to achieve this, instead of centrifugation, a DNA recovery technique that can be realized in a chip is required. The method of entanglement with magnetic beads can be realized on a chip, but the movement of a magnetic field is complicated, and the collected DNA may be released again into a solution (ie, release) so that the next processing can be performed. Lack of generality, such as not being released with a simple buffer. In pretreatment of DNA for the purpose of diagnosis, as described above, there is still no method capable of concentrating at a level capable of detecting a virus in the blood as an antigen. At the cell and bacterial level, various techniques have been developed, but they are cumbersome, unsuitable for complete chip formation, or sacrificing sensitivity. Also, drug kits have been developed in which the pretreatment can be completed simply by mixing the cells with the solution containing the cells without concentrating or recovering the DNA, but the sensitivity and precision are higher than those of the purification method. bad.
[0006]
To meet these demands, DNA or similar substances are selectively captured and retained (ie, trapped) from liquids containing proteins and various reagents flowing through the flow channel using a simple mechanism formed on the chip. There is not yet an inexpensive and simple principle or apparatus that can recover DNA or concentrate DNA, release the trapped DNA by a simple operation, and use it for the next processing.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an illustration of means for solving the problem. A
[0008]
The trapped DNA is released to the entrance side or the exit side by increasing or decreasing either the electric field or the pressure. Thereby, it can be easily released and collected, and can be used for the next processing.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 2 shows the most basic form for trapping and releasing DNA according to the present invention. The
[0010]
The upper part of FIG. 3 shows an embodiment of the present invention. In addition to FIG. 2, a concentrated
[0011]
The lower diagram of FIG. 3 shows a use form of the present invention, in which a
[0012]
FIG. 18 is obtained by adding a
[0013]
FIGS. 4A and 4B show various forms for realizing a narrow portion and a wide portion of the
[0014]
FIG. 5 shows a mode for connecting a plurality of the trap mechanisms in parallel, and it is possible to improve the throughput and the trap amount. The upper two are forms of a method of integrating a plurality of elements on a plane. Since the trap mechanism is very small, a capacity improvement of about 10,000 times can be easily obtained by integration. Further, the lower stage realizes a trapping mechanism by a hole formed in a plate-like material and a space adjacent thereto, and a higher degree of integration can be easily obtained.
[0015]
FIG. 6 shows a configuration in which trap
[0016]
FIG. 7 shows the configuration of a DNA analyzer using this mechanism. The liquid containing a trace amount of blood, serum, or a sample such as Escherichia coli injected into the
[0017]
【Example】
[First embodiment]
FIG. 8 shows an example of trapping DNA using the present invention.
[0018]
FIG. 9 shows an example in which DNA was first electrophoresed by applying only pressure. In the figure, although the pressure difference was about 40 Pa or less, there was a difference in speed. Neither large DNA (T4) nor small DNA (fragment thereof) was trapped. As the pressure difference increased, the DNA passed more easily through this channel. This was the same even if the wedge direction was reversed. This can be used for subsequent release of the trap of DNA described below.
[0019]
FIG. 10 shows an example in which DNA is migrated by applying only an electric field. In this figure, the voltage is the lowest (0.1 V or less), but DNA easily passed through this flow path. The larger, the voltage difference, passed through this channel more easily. This was the same even if the wedge direction was reversed. This can be used for the release of the trapped DNA described below.
[0020]
FIG. 11 shows a case where a voltage of 6 V is applied so that the force exerted on the DNA by the electric field is in the
[0021]
FIG. 12 shows the condition range of the voltage and pressure at which trapping of T4-DNA in FIG. 11 occurs.
[0022]
FIG. 13 shows a range in which traps occur when the directions of the pressure and the voltage are both reversed in FIG. As in FIG. 12, as the pressure increased, the voltage trap range became wider.
[0023]
The solid line in FIG. 12 and FIG. 13 shows the condition where the force exerted on the DNA from the pressure flow and the force from the electric field balance. For this reason, in this trap, a force due to pressure and a force due to electric field occur in the range of 30% to 170% of the equilibrium condition, and a force higher than a certain threshold determined by the shape and the DNA molecule is applied to the DNA. You need to do it.
[0024]
FIG. 14 shows the movement of large and small DNAs below the trap region in FIG. From this figure, in such a shape, when both the pressure and the electric field were applied in opposite directions, a remarkable size dependency was observed in the migration speed. Similar remarkable size dependence was observed above the trap region. This is a DNA size separation method that replaces the electrophoresis method using a gel or a capillary.
[0025]
FIGS. 15 and 16 show plots similar to those in FIG. 14 in the case of only the pressure field and the electric field, but it can be seen that there is almost no difference in migration speed depending on the size in the case of only the pressure field and the electric field.
[0026]
The trap was performed while changing the size of the narrowest part and the wide part of the wedge type. It has been found that a wide portion can be trapped without any problem even if it exceeds 100 microns, which is considered to be sufficiently infinite from the size of the trapped DNA. When the narrow portion was changed, the size of the trappable DNA was changed even at the same pressure and electric field. At 0.6 micron, DNA of 1000 bp or more was trapped, and at 0.3 micron, DNA of 500 bp or more was trapped. . No DNA trap was observed in the case of 50 microns. From this result, in order to trap small DNA, it is advantageous that the size of the narrowest part is smaller, and by optimizing the size of the narrow part, the voltage and the pressure, the DNA of a specific size or more can be trapped. Can be trapped. In addition, the width of the narrow portion effective for trapping DNA is considered to be between 0.01 μm and 50 μm in view of the size of DNA.
[0027]
[Second embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The fluorescence observation apparatus shown in FIG. 8 is used as in the first embodiment. Here, as shown in FIG. 18, the
[0028]
First, a compression pressure of 8 kPa is applied to the
[0029]
FIG. 17 illustrates the trapping force.
[0030]
When the DNA in the trap is observed in detail, the trapped DNA is observed while moving as shown in FIG. 17, which supports the explanation of the trapping force.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the DNA trapping mechanism according to the present invention can trap only DNA or a long molecule containing DNA from a liquid and release it as needed. This makes it possible to recover only the DNA from the pretreatment solution for removing the DNA on the chip, replace the buffer and the solution while leaving the DNA, or concentrate the extremely diluted DNA and use the PCR or LAMP method. In addition, it becomes easy to increase the detection sensitivity of a DNA chip or the like, or to adjust the amount of liquid to be easily handled on the chip. This facilitates the analysis and diagnosis of leukocytes, viruses, and DNA of pathogens in blood, and has the effect of diagnosing diseases faster and more accurately by detecting antigens rather than antibodies. Further, a new DNA separation method, a DNA filtering method, and a screening method utilizing the size dependence of the trapping mechanism and the migration speed can be easily configured. In addition, in the synthesis of proteins using DNA, the analysis method using DNA, and the development of devices using DNA, the ability to temporarily fix only DNA in a solution requires the exchange of solutions, manipulation of DNA, DNA Can be easily observed and all ripple effects can be expected. Although the present invention has been described specifically for DNA, it can be easily assumed that the present invention can be applied to RNA and long-chain linear molecules having similar characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram of a trapping mechanism according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating the basics of an embodiment utilizing the present invention.
FIG. 3 is an application example of a usage form of the present invention.
FIG. 4 is a configuration example of a trapping mechanism of the present invention.
FIG. 5 shows a method of increasing the effect by arranging a plurality of trapping mechanisms according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of connecting the present invention having different effects in series to perform separation.
FIG. 7 shows a configuration for analyzing blood and the like using the present invention.
FIG. 8 is an example of an apparatus configuration for implementing the present invention.
FIG. 9 shows the migration speed of DNA only in a pressure field in Examples.
FIG. 10 shows the migration rate of DNA in an electric field only in Examples.
FIG. 11 shows trapping of DNA when both a pressure field and an electric field are applied in Example.
FIG. 12 shows a range of voltage and pressure at which trapping occurs in the embodiment.
FIG. 13 shows the range of voltage and pressure at which trapping in reverse connection occurs in the embodiment.
FIG. 14 shows a relationship between a moving distance of DNA and a time when both a pressure field and an electric field are applied in the embodiment.
FIG. 15 shows a relationship between a moving distance of DNA and a time when only a pressure field is used in the embodiment.
FIG. 16 shows the relationship between the moving distance of DNA and time in the case of only an electric field in the embodiment.
FIG. 17 is an explanatory diagram of a current trapping phenomenon.
FIG. 18 is an application example in which a liquid supply device is added to the present invention.
[Explanation of symbols]
101 channel
102 DNA
103 Force direction due to pressure flow
104 Direction of force by electric field
105 Wide channel width
106 Narrow part of channel
201 Trapping Mechanism Main Body According to the Present Invention
202 entrance (reservoir)
Exit 203 (Wester)
204 channel
301 entrance (reservoir)
302 DNA recovery channel
303 DNA recovery port
304 DNA detection mechanism
401 Channel wall
402 Obstacles such as beads
403 porous material
501 entrance
601 DNA trap mechanism with different effects
602 connection path (only when necessary)
603 Separated DNA recovery path (if necessary)
701 blood sample inlet
702 Pretreatment unit that breaks cell wall and virus wall
703 Concentrator with trap mechanism according to the present invention
704 Detection part of specific DNA (PCR chamber etc.)
801 DNA solution stained with YOYO1
802 power supply
803 pressure gauge
804 syringe
805 platinum wire
806 glass plate
807 Silicon rubber
808 electrophoresis chip
809 Objective lens
810 dichroic mirror
811 mirror
812 CCD camera
813 Excitation light
814 fluorescence
1101 Direction of force by electric field
1102 Direction of force due to pressure flow
1201 Range where a trap occurs (shaded area)
1701 Force by electric field
1702 Force due to pressure flow
1703 Central part
1704 DNA trying to escape
1801 Liquid supply device
1802 Liquid supply reservoir
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