JP2011523704A - イオン交換によって生体液試料を分析するための方法、システム、及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
生体液試料を提供する工程;
イオン交換媒体を用いて生体液試料を処理する工程;
ある物理的または化学的特性を有するヒドロゲルを含むセンサーであって、前記物理的または化学的特性の初期値が知られており、ヒドロゲルが、イオン交換媒体で処理した生体液試料に曝露されることに反応する物理的または化学的特性の変化によって特徴付けられる、センサーをさらに提供する工程;
ヒドロゲルを、イオン交換媒体で処理した生体液試料と接触させる工程;
ヒドロゲルにおける変化を評価する工程;及び
ヒドロゲルにおける変化と、生体液の物理的または化学的特性とを関連づける工程、
を含む。
装置を用いて生体液の物理的または化学的特性を測定するための組成物、装置、方法、及びシステムが提供される。物理的または化学的特性の測定の正確さを有し、生体液にみられる物質の干渉が最小化または排除されるように、生体液を処理するための方法が提供される。処理に続いて、生体液試料は、検知装置の検出材料として機能するヒドロゲルと接して配置される。ヒドロゲルは、物理的または化学的変化、例えば生体液の物理的または化学的特性に反応して体積膨張または収縮といった変化をする。変化は、生体液の物理的または化学的特性と相関がある。変化は、定性的または定量的であることができる。装置は、生体液の物理的または化学的特性が測定されるように、変化の結果を記録及び表示する。
「イオン交換媒体」、「イオン交換材料」、及び「イオン交換樹脂」という用語は、生体液試料の物理的または化学的特性の分析に干渉する生体液試料のイオン成分、例えば生体液試料に含まれるカルシウム等の二価の陽イオンを除去するのに効果的な任意の材料に関連して、本明細書で相互交換可能に用いられる。「イオン交換」媒体は、計量棒、紙の上に、カートリッジ、チューブ、パイプ、シリンジ内に、または分析前に生体液試料の干渉イオン成分を除去するのに効果的な方法でイオン交換媒体が生体液試料に曝露され得る任意の態様で、樹脂として提供され得る。
R=(rho×L)/A (I)
(式中、Rはオームを単位とする抵抗、rhoはオーム・インチを単位とする抵抗、Lはインチを単位とする長さ、及びAは平方インチを単位とする面積である)にしたがって測定され得る。回路を流れる電流は、オームの法則:
I=V/R
(式中、Iはアンペアを単位とする電流、Vはボルトを単位とする電圧、及びRはオームを単位とする抵抗である)で提供されるように、印加電圧に比例して、及び抵抗に反比例して変化する。
本明細書では、取り除かない場合には、生体液試料の化学的または物理的特性の測定に干渉し得る生体液試料の成分の除去に有益なイオン交換媒体が提供される。例えば、アミノ基等の塩基性基を有する生体液試料の干渉の可能性がある成分は、硫酸基またはカルボキシレート基等の酸性基を有するイオン交換樹脂と複合し得る。反対に、酸性基を有する生体液試料の干渉の可能性がある成分は、塩基性基を有するイオン交換樹脂と複合し得る。
本明細書には、対象から収集される生体液の物理的または化学的特性を測定するための組成物及び方法が提供される。本方法を実行する上で、(1)生体液が対象から収集される;(2)生体液がイオン交換媒体で処理される;(3)既知の物理的または化学的特性を有するヒドロゲルセンサーを含む装置であって、物理的または化学的特性の初期値が知られているヒドロゲルセンサーを含む装置が提供される;(4)イオン交換材料で処理された試料が、ヒドロゲルセンサーに接して置かれる;(5)イオン交換材料で処理された試料に曝露した後で、ヒドロゲルセンサーの物理的または化学的特性、例えば体積変化、または電気的特性の変化、例えばヒドロゲルの交流伝導率、静電容量、若しくは抵抗が評価される;並びに(6)ヒドロゲルセンサーの物理的または化学的特性の変化と、生体液試料の特定の物理的または化学的特性とを関連づける。
本明細書に記載される方法及び装置は、ヒドロゲルを含むセンサーを用いて測定され得る生体液の任意の化学的または物理的特性の測定において有用性を見出す。
唾液は、分析用に優れた生体液である。唾液は、非侵入性技術を用いて容易に収集され、試料は複数の時点にて容易に収集され得る。
イオン交換媒体で処理した生体液の化学的または物理的特性を評価するための本方法は概して、感度が高く高度に選択的なセンサーを含む装置を用いて達成される。本装置は、基板上の定位置に固定されたセンサー材料、可変アーム、及びアームの動作に反応して検出可能な信号を発生する信号発信部品から構成される。装置の感度は、目的の標的分子に反応して相変化等の大きな体積変化を受けるセンサー材料、例えばヒドロゲルを用いることによって向上される。センサー材料の体積変化は、特定の化学物質の存在、pH、重量オスモル濃度、温度変化、またはアームを動かして信号発信部品(例えばピエゾ抵抗体)に検出可能な信号(例えば抵抗の変化)を発生させるヒドロゲルの環境の変化に反応して起こり、それによってイオン交換媒体で処理した生体液における化学物質またはオスモルの存在/量が示される。
検出プロセスの際に、センサー材料は、ヒドロゲルシートの、例えば厚みが、約5、10、20、50、または100マイクロメートル拡大するか、または0.5%以上、1%以上、5%以上、または10%以上縮小する体積変化を受け、相変化を含み得る1〜1000Å以上の動作を検出することができるアームによって検出される。
概して、生体液は、分析前に処理されて、干渉タンパク質または他の生体分子を除去しなければならない。処理ステップは、生体試料の分析において正確で一貫性のある結果を得ることに困難性を示し得る。データの信頼性及び再現性が重要であることから、データエラーを減少する簡単で効果的な試料調製方法が高く望まれている。
A.検出ヒドロゲルの調製
浸透圧性応答性ヒドロゲル前駆体を、85:15:1のヒドロキシプロピルアクリレート、アクリルアミド、及びアクリル酸の混合物を重合することによって調製した。重合は、開始剤としてアゾビスイソブチルニトリル(Aldrich Chemical)を利用して、70:30w/wの水及びジメチルホルムアミドの混合物中で行った。得られたポリマーは、そのまま利用したか、または熱水で洗浄して精製した。センサー材料の1種を、ヒドロゲル前駆体を架橋剤と組み合わせて、基板上にフィルムをキャストすること、または繊維を引き出し、その後にその材料を乾燥及び硬化することによって調製した。好適な硬化剤の例には、Cymel327(Cytec)、ポリアジリジン(Cytec)等のアミノプラスト樹脂、亜鉛またはジルコニウム等の多価の金属イオン、多官能性イソシアネート、CX−100(DSM)等の多官能性アジリジン、または幅広い他の商業的に入手可能な反応性硬化剤等が含まれる。別法では、ヒドロゲルを、少量の多官能性モノマー、例えばエチレングリコールジアクリレート、ヘキサンジオールジアクリレート、または他の多官能性材料(例えば商標名EbercrylでCytecから、またはSartomerから提供される材料)を含むヒドロゲル前駆体モノマーの混合物を重合することによって、所定位置に形成した。センサーを形成する便利な方法は、フォトマスク及び紫外光を使用することにより、前駆体材料を選択的に架橋するかまたは重合して、特定の厚み、形状、及び大きさのヒドロゲルを形成する。
溶液重量オスモル濃度の測定を、1.7mLのVWR微小遠心管に1mLの分析対象物を充填し、これを蒸留水で充填したFischer Scientific 9110循環チラーに接続された流水温度制御ブロック中に置くことによって行った。特に断りがなければ、循環チラーは、温度25℃を維持するように設定した。センサーを、温度制御ブロック中に配置した微小遠心管内に入れたワイヤハーネスに接続した。ブロックの周囲に配置した発泡断熱材が、さらなる温度制御を提供した。
ボランティアから得られた唾液試料を、吐出物を介して、ガラス小瓶に収集した。ボランティアには、試料を提供する前に、少なくとも30分間、飲食行動をやめるように指示した。上記のセクションAで記載したように、測定用に、初期試料を、0.5mLのアリコートにピペットで取り微小遠心管内に入れた。分析前に唾液試料について、ろ過、精製、または遠心分離を行わなかった。唾液をはき出す行為及び試料を提供する心理的期待を除いて、刺激無しに収集した。
試料調製の標準方法と比較した未処理の唾液試料の重量オスモル濃度の測定
A.未処理の唾液試料の重量オスモル濃度の測定
ヒドロゲルセンサーを用いて唾液から重量オスモル濃度のデータを得るための最初の試みは、不安定な重量オスモル濃度の読み出し及び一貫性がない結果が得られた。ヒト唾液の重量オスモル濃度を測定する試みは、遅く、不正確で、再現性がなく、並びに(凝固点降下浸透圧法によって測定される)同様の重量オスモル濃度の食塩水のセンサー測定値と比較すると上昇したセンサー測定値をもたらした。
ろ過前の活性炭処理を、唾液から干渉材料を除去して唾液試料の重量オスモル濃度の測定におけるヒドロゲルセンサーの反応の安定性及び正確性を改良するために取り得る方法として評価した。唾液試料を、0.1g/mlまたは0.3g/mlの活性炭とともに、15分間、封止した小瓶内で保管することによって処理し、ヒドロゲルセンサーを用いて、凝固点降下浸透圧法によって重量オスモル濃度を測定するために、微小遠心管内にピペットで取った。
干渉唾液成分についてのモデルとしてムチンを使用して、唾液模倣溶液を含むムチンを、0.45μM及び100kMWCO(分子量カットオフ)遠心分離フィルターを用いた遠心分離ろ過を使用して、調製及び加工した。100kMWCOろ過は、ムチン溶液中のヒドロゲルセンサーの反応をやや改良することが分かったが、生産性が低く、ポータブル装置用には非実用的な取り扱い性をもたらした。
ヒドロゲルセンサーを用いた重量オスモル濃度の測定前に、一般的な「プールクリーナー(pool cleaner)」タイプの陽イオン凝集剤を、唾液試料からより大きい生体分子を沈殿させるために、唾液試料に添加した。凝集剤を、1mLの唾液につき2μLの濃度にて添加し、混合した。試料を、10分間、微小遠心管(最高速度におけるEppendorf 5415C)で沈降させた。上述のように、上澄みをピペットで取り出し、ヒドロゲルセンサー及び凝固点降下浸透圧法を用いてサンプリングした。
イオン交換樹脂で処理された唾液試料の重量オスモル濃度の測定
唾液重量オスモル濃度の正確で一貫性のある測定が、ヒドロゲルセンサーを用いた重量オスモル濃度の測定前のイオン交換樹脂を用いた試料処理によって達成され得るかどうかについてさらなる調査を行った。
唾液試料を、個々から収集して、250マイクロリットルの唾液を微小遠心管に添加した。
他の調査において、唾液試料を、個々から収集し、微小遠心管内に12の二次試料に分けた。6つの試料をAmberlite(商標)718樹脂で処理し、6つの試料をクエン酸で処理した。Amberlite(商標)718樹脂を、約0.46g/mLの濃度にて唾液に添加し、クエン酸を約0.08g/mLの濃度にて唾液に添加した。クエン酸の量は、報告された標準範囲のヒト唾液のCa2+イオンを錯体化させるのに十分であるように若干過剰に計算した。クエン酸は、水溶液から沈殿するカルシウム、クエン酸カルシウムと不溶性錯体を形成する。
涙液及び血液または血清試料の重量オスモル濃度の測定
涙液膜は、毛細管収集法(capillary collection method)によって容易に得られ、分析前にイオン交換樹脂で処理することができ、次いでマイクロカンチレバーセンサー上にスポットすることができる。使いやすい涙液膜浸透圧計を、マイクロカンチレバーセンサー上にマイクロファイバー陽イオン交換樹脂をコーティングすることによって構成した。次いで、センサーを角膜の外表面に直接置き、重量オスモル濃度を含む涙液膜特性を測定した。
Claims (24)
- a)対象から生体液試料を収集する工程;
b)イオン交換材料を用いて該生体液を処理する工程;
c)既知の物理的または化学的特性を有するヒドロゲルであって該物理的または化学的特性の初期値が知られているヒドロゲルを含むセンサーをさらに提供する工程;
d)該センサーを該イオン交換材料で処理した生体液試料と接触させる工程;
e)該イオン交換材料で処理した生体液試料に曝露することに反応した該ヒドロゲルセンサーの該物理的または化学的特性の変化を評価する工程;並びに
f)該ヒドロゲルセンサーの変化と、該生体液試料の物理的または化学的特性とを関連性付ける工程、
を含む、対象から収集した生体液の物理的特性を測定する方法。 - 該生体液が、唾液、全血、血漿、血清、涙液、リンパ液、滑液、尿、痰、***、膣洗浄液、骨髄液、及び脳脊髄液からなる群から選択される、請求項1に記載の方法。
- 該生体液が唾液である、請求項2に記載の方法。
- 該ヒドロゲルの該物理的または化学的特性の該変化が、体積の変化、光学的濃度の変化、屈折率の変化、または交流伝導率の変化である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 該ヒドロゲルが、正味の負電荷を有する架橋したヒドロゲルである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 該ヒドロゲルが、ヒドロキシアルキルアクリレート、ヒドロキシアルキルメタクリレート、ビニルエーテル、またはビニルピロリドンから構成された架橋したヒドロゲルである、請求項5に記載の方法。
- 該ヒドロゲルが、カルボキシレート基、硫酸基、スルホン酸基、及びリン酸基から選択されるアニオン性部分を含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
- 該イオン交換材料が、脂肪酸塩、アルキルまたはアルキルアリール硫酸塩、スルホン酸塩またはスルホン酸、スルホ酢酸塩、アルキルまたはアルキルアリールリン酸塩、リン酸エステル、ジオクチルスルホコハク酸塩、アルキルジフェニルオキシドジスルホン酸塩、スルホコハク酸塩、ラクチレート、ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)、及びドデシルベンゼン硫酸塩(DBS)からなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 該イオン交換材料が陽イオン交換樹脂である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 該イオン交換材料がキレート樹脂である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 該キレート樹脂がイミノ二酢酸官能性を含む、請求項10に記載の方法。
- 該イオン交換材料が、水不溶性ポリマー陽イオン交換樹脂、EDTA、シュウ酸、クエン酸、及び水溶性ポリアクリレートからなる群から選択される、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
- 該処理が、該唾液からCa2+を除去するのに効果的である、請求項1〜12のいずれか一項に記載の方法。
- 該生体液試料の該特性が、所定波長における吸収、密度、電気導電性、pH、重量オスモル濃度、容量オスモル濃度、熱転写、粘度、誘電率、屈折率、及び光散乱からなる群から選択される物理的特性である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 該物理的特性が重量オスモル濃度である、請求項14に記載の方法。
- 該特性が、グルコース、クレアチニン、尿素、コルチゾール、総タンパク量、総電解質量、エストロゲン、プロゲステロン、テストステロン、陽イオン、例えばナトリウム(Na+)、カルシウム(Ca2+)、カリウム(K+)、またはマグネシウム(Mg2+);陰イオン、例えば塩化物(Cl-)、フッ化物(Fl)、臭化物(Br)、硫酸塩(SO4 2-)、硝酸塩(NO3 -)、炭酸塩(CO3 2-)、及び重炭酸塩(HCO3 -)の濃度からなる群から選択される化学的特性である、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
- 該評価する工程が、該ヒドロゲルの体積減少について監視して、唾液の重量オスモル濃度を検出することを含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 該評価する工程が、ヒドロゲルの体積増加を監視して、唾液の重量オスモル濃度を検出することを含む、請求項1〜16のいずれか一項に記載の方法。
- 生体液試料を収集及び処理するためのカートリッジを含む、生体液試料の物理的または化学的特性を測定するためのヒドロゲルセンサーシステムであって、
該カートリッジが側面、底部、及び開口可能な蓋を有する内部空間を画定する、イオン交換材料を含む容器を含み、
該容器が、該イオン交換材料と混合するために該生体液試料を捕集し、且つ該生体液の物理的または化学的特性を測定するのに効果的なヒドロゲルセンサーを含む装置へ取り付けられるように構成された、
ヒドロゲルセンサーシステム。 - 生体液試料を収集及び処理するための使い捨てカートリッジを含む、生体液試料の物理的または化学的特性を測定するためのヒドロゲルセンサーシステムであって、
該カートリッジが、側面、底部、及び開口可能な蓋を有する内部空間を画定する容器であってイオン交換材料を含み且つ生体液試料を受けるように構成された容器を含み、
該容器が選択的に開閉される開口部を有し、閉位置にて該容器が該生体液試料を保持し、開位置にて、該容器が該生体液試料が容器から出ることを可能にし、
該カートリッジが、該生体液の物理的または化学的特性を測定するのに効果的なヒドロゲルセンサーを含む装置へ取り付けられるように構成された、
ヒドロゲルセンサーシステム。 - 生体液試料を収集及び処理するための使い捨てカートリッジを有する、生体液試料の物理的または化学的特性を測定するためのヒドロゲルセンサーシステムであって、該使い捨てカートリッジが、
(a)側面、底部、及び開口可能な蓋を有する内部空間を画定する、該生体液試料を収集及び保管するための第1区画;
(b)イオン交換材料を含み、且つ該第1区画から該生体液試料を受けるように構成された第2区画であって、該生体液試料及び該イオン交換材料が、該第2区画で組み合わされイオン交換媒体で処理された試料を生成する、第2区画;並びに
(c)該イオン交換媒体で処理された試料の保管及びサンプリングのための第3区画であって、該第3区画が選択的に開口可能な開口部を有し、閉位置にて該イオン交換媒体で処理された試料が該第3区画で保持され、開位置にて該イオン交換媒体で処理された試料が、該カートリッジから、該生体液の物理的または化学的特性を測定するのに効果的なヒドロゲルセンサーを含む装置へ移動され得る、第3区画、
を含む、
ヒドロゲルセンサーシステム。 - 生体液試料を収集及び処理するための使い捨てカートリッジを有する、生体液試料の物理的または化学的特性を測定するためのヒドロゲルセンサーシステムであって、
該使い捨てカートリッジが、液体試料をその中に受けるように構成されたキャピラリーチャネルを備えた第1部分、イオン交換媒体を包含するチャンバーを含む第2部分を有する収集容器を含み、該第1及び第2部分の間の隔壁が、該隔壁に浸透するための機構を有するプランジャーの動作によって浸透され、該イオン交換媒体を含むチャンバー及び該キャピラリーチャネルの内容物が混合され、
該カートリッジが、該生体液の物理的または化学的特性を測定するための装置へ取り付けられるように構成された、
ヒドロゲルセンサーシステム。 - 対象から生体液試料を収集するため、及び該液の物理的または化学的特性を測定するための装置であって、
(a)マイクロカンチレバーの先端の初期位置に対応した既知の抵抗を有する可動マイクロカンチレバーセンサー;
(b)剛性の高い物質に固定され、且つ該マイクロカンチレバーに対向して配置されたヒドロゲルであって、該ヒドロゲルの物理的特性の変化が該マイクロカンチレバーをそらして抵抗の変化をもたらす、ヒドロゲル;
(c)イオン交換媒体で処理された生体液試料を該ヒドロゲルと接触させて配置するように構成された、請求項19〜22のいずれか一項に記載のヒドロゲルセンサーシステム;並びに
(d)該マイクロカンチレバーの動作に応じて検出可能な信号を発生する信号発信部品、
を含む、装置。 - 該センサーが使い捨てである、請求項23に記載の装置。
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