JP5281085B2 - 試料処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、核酸増幅法、特にポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）において、分析の準備として試料、特に臨床試料を処理する装置、並びにその装置で利用しうる新規な要素及び手順に関する。

いくつかの理由で、例えば臨床又は環境試料といった流体試料の分析が行われることがある。現在の対象範囲の１つは、例えば、臨床又は環境試料といった流体試料中の生物材料の陽性を特定する方法を開発することである。こうした方法は、疾病状態の早期診断を可能にし、ひいては迅速な治療及び感染管理、又は環境汚染物質等の識別を可能にするものとなる。例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）のような核酸増幅技術を含む、試料の非常に高感度な分析を実行可能な多くの技術が存在する。

しかし、こうした技術が非常に高感度であることは、少量の汚染物質でも結果を欺いたり偽陽性結果を出したりすることがあるため汚染にまつわる問題の影響を受けやすいということを意味する。

一般に、臨床又は環境試料の分析は、試料の収集現場から幾分離れていることもある研究室内又は移動設備又は分析装置内で実行される。このことは、試料は例えば作業員によって収集され、分析装置に輸送するためシールされた試料容器内に配置する必要があるということを意味する。例えば、研究室内で、一旦分析装置に供給されると、試料容器は普通さらに別の作業員によって開かれ、例えば手動又は機械によって操作されうるピペットを使用して内容物が取り出され、分析が行えるように反応チャンバ内に配置される。特に、研究室又は分析環境は、例えば対象核酸である対象検体によって汚染されている恐れが極めて高いので、この段階で汚染が発生する危険はさらに大きい。

本発明によれば、試料を供給するシステムであって、前記システムが、
（ｉ）カートリッジに対する試料容器のシールの位置を固定するようにシールされた試料容器を保持するのに適した本体部分を備えるカートリッジと、
（ｉｉ）前記カートリッジを受け入れるのに適した機器であって、前記機器に、カートリッジ内に収容され、シールされた試料容器を開放するための開放システムが設けられた機器とを備えるシステムが提供される。

試料容器のシールが破断するのは試料容器を機器内に収容する際の一度だけとなるようにすることによって、作業員、又は研究室又は分析装置の領域の周囲環境からの汚染の危険が減少する。シールの破断は機器の動作によって自動的に達成できる。試料容器のシールを正確に位置決めするためにカートリッジを使用することは、機器の開放システムがそれと正確かつ有効に相互作用できるということを意味する。

シールされた試料容器はカートリッジの本体部分内に直接支持されるようにしてもよいが、好適実施形態では、試料容器を収容可能なホルダが提供され、その場合はホルダが本体部分に挿入可能である。

ホルダは、適切には特に試料容器を収容するような形状になっている。すなわち、試料容器自体がホルダ内に実質上囲い込まれるような形状としてもよい。ホルダ、及び好適にはカートリッジ全体は、適切には剛性ポリマーのような剛性かつ耐久性の材料から製造される。こうした材料を使用して試料容器を実質上囲い込むと、試料容器が偶発的に破断することに対するさらに高度な保護が提供されるが、これはガラスのような比較的壊れやすくまた脆い材料から試料容器が製造されている場合重要になることがある。

適切には、試料容器のシールはプラスチック又はゴムのキャップを備え、これは好適には容易に外れないようにロック操作又はねじによって定位置に保持される。特定の実施形態では、キャップは、機器の内部に置かれた時に開放する助けとなる、キャップの上面のゴムメンブレン又は積層金属フォイルのような穿孔可能なメンブレンを有する。

特定の実施形態では、試料容器はシール可能なチューブを備える。チューブの寸法は適切には、望ましい体積の液体試料だけでなく、必要な場合綿球をも収容できるようなものである。

また、この場合、ホルダも一般にチューブ状の形状であるが、チューブよりわずかに大きな直径を持ち、チューブがホルダ内にきちんと装着されるようなものである。特定の実施形態では、チューブがキャップによってシールされている時、キャップの直径はチューブの直径及びホルダの内径よりわずかに大きいので、ホルダ内の定位置にある時、キャップはホルダの上部に置かれる。そのため、ホルダ内及びひいてはカートリッジ内でのチューブの正確な位置決めが可能になる。

綿球を取り付けた綿球支柱は、この種のチューブのキャップと一体になっていてもよい。この実施形態では、使用する際、キャップは綿球試料を捕らえるために取り外すことができる。その後、綿球は、チューブ内で綿球試料を浸漬する滅菌水又は溶離緩衝剤といった十分な輸送培地又は希釈剤と共にチューブに戻される。その後キャップを固定する。綿球はこの時一般に液体に浸漬されたままの状態となる。シールされたチューブを振盪するだけで、少なくとも一部の試料物質が綿球から液体に移転するようになる。

代替的には、綿球は、試料採取キットの一部として独立した構成部品として提供してもよい。綿球部分を都合よく取っ手部分から分離できるようにするプラスチックのスナップオフ機能が利用可能である。その後、折り取られて短くなった綿球部分を、輸送培地、希釈剤又は溶離緩衝剤を収容してフォイルでシールされたチューブに移転して上記のように処理してもよい。

適切には、ホルダは、シールされた試料容器を容易に挿入できる試料容器受け入れ位置で、カートリッジの本体上の適切な保持要素内に一体化するか、又は他の形で保持してもよい。しかし、ホルダは、試料容器受け入れ位置から、カートリッジに対する試料容器のシールの望ましい位置決めが達成される閉位置まで、本体を基準として移動可能であるべきである。例えば、ホルダは、試料容器受け入れ位置と閉位置との間で回動してもよく、また、単に本体上の保持要素から手動で持ち上げて、例えば、閉位置を形成する、カートリッジの本体部分内の開口又はチャネルといった適切な凹部に挿入してもよい。

特定の実施形態では、試料容器は、ホルダが存在する場合ホルダに嵌合し、カートリッジの本体部分に提供されたスロットに係合するように配置されたスナップ嵌合用舌又はフランジといったロック機構によって、閉位置に固定可能である。

適切には、一旦閉位置になると、試料容器のシールはカバーされ、適切にはカートリッジ、ホルダ及び／又はロック機構によって実質上完全に囲い込まれるので、作業者は取り外し又は破断のためアクセスできない。したがって、特に好適な実施形態では、一旦閉位置になると、スナップ嵌合用舌又はフランジといったロック機構が有効に反応容器のシールをカバーするので、シールは本体部分及び舌又はフランジによって有効に実質上囲い込まれる。

ロック機構は適切には、ホルダが存在する場合試料容器がホルダに正しく挿入されるまで動作しないように配置されている。このため、試料容器のシールはカートリッジ内で正確かつ確実に位置決めされるようになっている。

開放システムは、例えばシールされた試料容器の性質及び例えば機器の構成に応じて様々な形態を取ってもよい。すなわち、開放システムは、例えば、シールされた試料容器のキャップを除去又は破断することによって、シールされた試料容器のシールを破る手段を提供する。特定の実施形態では、開放具は、例えばホルダ内で、穿孔要素と穿孔接触するようにシールされた反応容器のシールを押すように試料容器を移動させるアクチュエータを備える。

例えば、穿孔要素は針でもよく、この場合、シールが上記の穿孔可能なメンブレンを備えるならば、針によるシールの穿孔によって助けられる。好適実施形態では、穿孔要素は、試料物質の不要な漏れを防止するように、試料チューブの表面又は外側に接する管状シールを持つ凹部内に形成されたプラスチックの皮下注射針型チューブを備える。

一旦機器内で開放された試料に対しては、必要に応じて化学的、物理的、生化学的、分析的又はアッセイ手順を行ってもよい。これらのうち少なくとも一部は、試料容器自体の中で実行してもよいが、より一般的には、試料はさらに処理するために１つ以上の反応チャンバに移転される。この場合、試料容器内に収容された液体試料を反応チャンバに供給する供給装置が適切には提供される。

機器及びカートリッジの構成に応じて、反応チャンバは機器内に提供されるものでもよく、また、カートリッジ内に収容してもよい。

同様に、開放システムの性質に応じて、供給装置は機器又はカートリッジと一体化してもよい。

特定の実施形態では、反応チャンバと供給装置の両方がカートリッジ上に収容されるので、少なくとも後続の最初のステップはカートリッジ上で行われる。

特定の実施形態では、機器の開放システムの一部を形成するか、又は、カートリッジに提供される場合、機器の開放システムと共にシールを破断するように作動する穿孔針又は穿孔要素は、供給装置を形成する。使用される穿孔針又は穿孔要素は内部チャネルを備え、穿孔端から離れた針又は穿孔要素の端部は反応チャンバ内に配置されている。このようにして、穿孔針又は穿孔要素が試料容器内に進入すると、液体試料は同じ針又は穿孔要素を通じて反応チャンバに直接流出するので、試料は囲い込まれ、周囲環境に由来する汚染から可能な限り保護されるようになる。第１の針又は穿孔要素の上に位置する第２の針又は穿孔要素を並行して利用してもよく、その場合、第２の針又は穿孔要素は、試料チューブから排出された液体に置き換わる空気の通過を可能にする。

液体試料は、例えば減圧又は真空を使用して穿孔針又は穿孔要素といった供給装置に沿って引き出してもよい。しかし、好適には、カートリッジ及び機器は、試料容器がカートリッジ内の定位置にありカートリッジが機器内の定位置にある時、液体が供給装置を通じて重力の作用によって流れるべく、試料容器が傾斜して穿孔可能な端部がチューブの基部より低くなるように構成される。

適切には、供給装置は、所定の体積の試料が反応チャンバに供給されるように配置される。これは、供給装置内にあるか又はそれに付随する液体測定装置を組み込むことによって達成してもよい。しかし、供給装置が上記の重力供給式穿孔針又は穿孔要素を備える場合、収集段階で試料容器内に置かれた液体の体積が（設定範囲内で）一定になるようにし、その後、開放端部が試料容器内の液体のメニスカスと所定の適切な関係にあるように針又は穿孔要素が試料容器に進入するようにすることによって、所定の体積の試料を供給することができる。

特定の実施形態では、穿孔針又は穿孔要素といった供給装置と反応チャンバとの両方がカートリッジ内に収容される。この配置では、機器内の開放システムが作動する前に穿孔針又は穿孔要素といった開放システムの要素がシールされた試料容器に不注意によって接触してシールを破断することがないように注意を払わなければならない。これは、シールされた試料容器のためのホルダを使用し、アクチュエータの断面積を比較的小さくし、アクチュエータだけがアクセスできるような大きさの開口部をホルダに設けることによって行ってもよい。このようにすれば、例えば作業者の指はホルダの内部から排除され、ホルダ内の試料容器が不注意で動かされることが回避される。また、適切には、試料容器はホルダにきちんと嵌合するので、ホルダを基準とした穿孔針又は穿孔要素に向かう動きはアクチュエータからの直接の圧力の作用下でのみ行われる。さらに、例えばゴムメンブレンの厚さのようなシールの性質は、機器のアクチュエータが供給するもののような大きな量の直接圧力が印加される時だけ針又は穿孔要素によって穿孔できるように選択される。

機器は適切には、試料の分析又はさらなる調査を継続できるようにするさらなる要素を収容している。すなわち、機器は例えば、試料の多様な化学的又は生化学的反応、分析又はアッセイを実行するのに適した要素を含んでもよい。例えば、機器は、イムノアッセイ又は核酸増幅反応といった手順に適した臨床又は環境試料といった試料を作成する試料準備手順を実行する装置を備えてもよい。すなわち、機器は、試料を準備することと後続の分析を実行することの両方のために必要な全ての要素を収容してもよい。この種の機器の例は、例えば、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる国際公開公報第２００５／０１９８３６号に含まれている。

また、カートリッジは適切には、試料に対して行う必要のある後続の手順で有用なさらなる要素を収容している。

こうしたさらなる要素は、試料の分析を継続するために必要な試薬又は材料を保持する１つ以上の試薬チャンバを含んでもよい。後続の手順で使用される洗浄剤、希釈剤又は緩衝剤並びに試薬を含むこうした試薬又は材料は、適切には試薬チャンバに事前に計量分配される。

例えば、細胞を含むことが疑われる試料から核酸を抽出するため試料の準備が必要な場合、こうした試薬は、例えば、カオトロピック塩、バクテリオファージ、酵素（凍結乾燥されていることもある）、洗剤、抗生物質等といった溶解試薬を含んでもよい。後続の手順が試料の分析を必要とする場合、カートリッジ上のさらなる反応チャンバ内に、染料、抗体、酵素（例えば、ＰＣＲのためのポリメラーゼ酵素を含む）、緩衝剤、マグネシウム塩のような塩といった他の試薬を含んでもよい。しかし、考えられる試薬の範囲は非常に広く、それらは、試料に対して行う化学的又は生化学的反応又は分析又はアッセイの性質に応じて「ケースバイケース」で選択される。

試薬は固体又は液体の形態で存在しうるものである。固体の形態で事前に計量分配する場合、試薬は固体粉末、ビーズ、カプセル又はプレスされた錠剤でもよく、また当該技術分野で周知のシリカビーズのように、磁性粒子又はビーズに付着したものでもよい。

事前に計量分配された試薬を収容する試薬チャンバは、例えば、カッタを使用して機器内で穿孔可能なフォイルシールを使用して適切にシールされる。それらは機器と一体化してもよいが、特に好適な実施形態では、カッタは、カートリッジの、例えば本体部分の適切な形状の凹部又は開口内に脱着可能に収容されるので、実行される個々の化学的又は生化学的反応、分析又はアッセイに関連して利用できる。

また、特に使い捨て式のこともある、試料のさらなる化学的又は生化学的反応、物理的処理、分析又はアッセイにおいて有用であるか又は他の形でそれらの助けになる、カッタ以外の機械要素も、カートリッジ上に脱着可能に収容してもよい。こうした要素は、ピペッタ、磁石又はそれらのためのシースといった、試料、試薬又は材料を１つのチャンバから別のチャンバに移動するために必要な装置、並びに、化学的、生化学的又は分析的手順又はアッセイの過程でチャンバへの導入が必要になることがある、フィルタ、ストッパ、ミキサ、キャップ等といった小型装置を含んでもよい。

適切なピペッタの個々の例は、その内容が参照によって本明細書に組み込まれる国際公開公報第２００７／０２８９６６号に記載されており、磁性ビーズ又は粒子及びそれらに付着した何らかの試薬を移転する際に有用な磁石のためのシースの例は、例えば、国際公開公報第２００５／０１９８３６号に記載されている。

また、望ましい場合、手順の中でいつでも、試薬又は試薬混合物を処理して望ましい物理的状態にするために必要なことがある、ヒータ、ソニケータ等といった処理構成部品も、カートリッジ上に脱着可能に収容してもよい。

カッタ、ピペッタ、磁石又はそれらのためのシース及び以下さらに説明する他のシース、並びに上記の処理構成部品は、以下集合的に「可動構成部品」と呼ぶ。

この場合、機器には、化学的、生化学的、分析的又はアッセイの手順において必要な機能を満たせるように、必要に応じて可動構成部品にアクセスしそれを動かす手段が設けられる。すなわち、機器は、カートリッジ上の何らかの可動構成部品と相互作用できる可動アームを備えてもよい。

例えばロボットアームである、可動アームには、適切には把持装置が設けられているので、カートリッジ上に収容された何らかの可動構成部品を捕まえて関連する凹部又は開口から持ち上げることができる。適切な把持装置は当該技術分野で周知である。それらは、可動構成部品上に適切に配置されたフランジと脱着可能に相互作用できるフォーク型要素を含んでもよいが、また、可動構成部品のうち１つの露出した上部の周囲で閉じることのできる制御可能把持アームを備えてもよい。また、可動構成部品は、把持アームと相互作用して動きの助けになるように配置されたフランジ又は凹部といった特定の適応構造を含んでもよい。

機器は、アーム上に保持された可動構成部品がカートリッジ内の適切な反応又は試薬チャンバの上に配置できるように設計されている。これを達成するため、アームは横方向及び垂直方向に動かすことができる。しかし、特定の実施形態では、アーム自体は、垂直方向である単一の方向にしか動かせず、反応チャンバ、試薬チャンバ及び可動構成部品を含むカートリッジ上の各要素の上にアームを直接配置して、望ましい一連のイベントを行えるようにカートリッジを横方向に動かせる、カートリッジのための運搬手段が、適切には機器の一部として提供される。

このようにしてヒータ又はソニケータといった電動処理構成部品が供給される場合、処理構成部品と機器のアームとの間の接続が処理構成部品の使用時に電力を提供するのに十分な電気接続を提供するものであれば有用なものとなりうる。しかし、こうした要素はより好都合には機器自体の中に収容し、例えば必要な時にカートリッジ上の適切なチャンバに供給されるように配置してもよい。必要に応じてカートリッジ上のチャンバに関連して構成部品を配置できるようにするため、ヒータ又はソニケータといった処理構成部品を固定したアーム自体又はアームの付属物を使用してもよい。

このようにしてソニケータ又はヒータといった構成部品が機器に固定される場合、それらは一般に、繰り返して使用し、チャンバ内の試料、特に液体試料に浸漬することを意図している。

このこと自体、装置が試料液体に直接接触する状態で使い捨て式でない装置を使用する場合、汚染の危険をもたらすという点で、いくつかの問題を引き起こすことがある。やがて、こうした構成部品は汚染又は変色し、汚染の危険が増大する。

使用前の処理構成部品の上に使い捨て式のシースを配置することによってこの危険を最小化できることを出願人は発見した。すなわち、特定の化学的、生化学的手順又はアッセイの際に、ヒータのような処理構成部品を繰り返し使用する場合、新しい使い捨て式シースを適切にはその都度利用する。

この種のシースは適切には、上記の機械要素と同様にカートリッジ上に脱着可能に収容されるので、容易に利用可能であり、同様のアームを使用してアクセスし位置決めすることができる。したがって、例えば、必要に応じて機器の可動アームのフォークと相互作用して処理構成部品の周囲の位置に持ち上げられるように、シースにリップ又はフランジを設けてもよい。

使用後、シースは、廃棄するためにカートリッジに戻すか、又は直接廃棄してもよい。

シースは適切には、プラスチック又はエラストマー材料から製造され、再利用可能なヒータと共に使用することを意図している場合、熱効率の損失を最小化するため、好適には、例えば窒化ボロンを充填したプラスチック又は市販の「クールポリマー」といった熱伝導性プラスチックから製造される。

こうしたシースは本発明のさらなる態様を形成する。

機器内にヒータが提供される場合、ヒータは適切には温度センサを組み込んでいるので、ヒータが浸漬される試薬又は試料の温度を決定できる。上記のシースを使用する場合、センサの示度が正確になるように機器の何らかの較正が必要になる。

特定の実施形態では、機器がビーズ又は粒子を１つのチャンバから別のチャンバに移転させる助けになる磁石を含んでいる場合、１つの要素が両方の機能を満たせるように、ヒータを磁石に組み込んでもよい。例えば、加熱要素を棒磁石のコアに組み込んでもよく、棒磁石は、ビーズ又は粒子の輸送及び容器又はチャンバの内容物の加熱という両方の目的で使用してもよい。

その場合、機器内に配備された時磁石を覆うように利用される使い捨て式シースは、適切には上記の熱伝導性ポリマー製である。このような結合型磁石／ヒータは本発明のさらなる態様を形成する。

また、機器は、熱サイクラ、蛍光計のような光学読み取り装置及び、カートリッジ又は機器内の何らかのチャンバからの信号を収集、分析及び／又は記録するように配置されたデータ処理装置のような装置を備えてもよい。機器内の適切な装置の選択及び配置は、実行される化学的及び生化学的反応又はアッセイの性質に依存し、当業者の裁量の範囲内である。

カートリッジ上に多数の可動構成部品及びチャンバを含めることによって、カートリッジを備える主として自立型のユニットで試料の準備及び／又は分析を実行できる可能性が開かれる。こうしたユニットは、全てのチャンバが可動構成部品である場合を含めて、さらなる汚染の危険を回避するため、使用後容易に廃棄できるようにしてもよい。さらに、単一のカートリッジでアッセイを行うことによって、例えば標準バーコード標識システムを使用して試料の導入時にカートリッジ自体に標識を付けることができ、分析手順を通じて標識が試料に付いた状態になるので、試料に標識を付ける際の誤りの危険を減らすことが可能になる。

関連する構成部品、試薬等を適切な順序で互いに接触するように移動させるべく機器をプログラミングすることによって、全ての処理は適切には自動的に実行される。例えば、国際公開公報第２００５／０１９８３６号に記載のように、試料に対して核酸抽出手順とそれに続くＰＣＲ反応を行ってもよい。しかし、機器を適切に設計しそれをしかるべくプログラミングすることによって、本発明を使用して、安全な試料供給が必要な多くの他の手順を企てることができる。こうしたロボット技術の応用は当該技術分野で周知である。

処理がＰＣＲのような熱サイクルステップを含む場合、機器は適切には熱サイクル装置を含む。熱サイクルが実行される容器は、必要な場合カートリッジ上に配置してもよい。しかし、代替的には、カートリッジ上で試料の準備だけが実行されるようにカートリッジと機器を配置する場合、特に適切な配置は、（例えば国際公開公報第２００５／０１９８３６号に例示されているように）準備された試料が脱着可能な反応チャンバに入れられその後それが特定の熱サイクル領域に移転されるようなものである。しかし、これは必ずしも必要ではなく、カートリッジ上に熱サイクルを実行できるチャンバを組み込むことは、機器をさらに単純化できるという点で有利になるだろう。

（その内容が参照によって本明細書に組み込まれる）国際公開公報第９８２４５４８号に記載され特許請求されるように、特にＰＣＲ反応で熱サイクルのためのヒータとして導電性ポリマーを使用する場合、ＥＣＰ（導電性ポリマー）は、カートリッジ上に収容され、必要な場合脱着可能に収容される反応チャンバに容易に組み込むことができるので、本出願のシステムと共に使用される特に小型で汎用性のあるシステムが提供される。

一般に、ＥＣＰを使用して試料を受け入れる比較的広口の上部とその後反応容器として機能する下部がシールされた毛細管との本質的に２つの部分を備える反応容器をコーティングする。両端に電気接点を配置した場合、少なくとも下部がシールされた毛細管は、高度に制御可能な抵抗ヒータとして有効に機能するＥＣＰを備える。

すなわち、ＰＣＲ反応、特に高速ＰＣＲ反応を実行するために使用される反応容器は毛細管を備える。両端の開いた毛細管は、分析のため規定の体積の（例えば血液）試料を得るため日常的に使用される。毛細管は、毛細管引力によって自動充填され、一般に移転手段として使用される。

毛細管は高速ＰＣＲ用途のために使用され、試料から熱源又は冷却源までの距離を最小化することによって熱伝達のための最適な断面形を提供する。（同じ理由で平坦化した管形式を使用してもよい。）こうした毛細管は、加熱される水性試料を収容しそこからの蒸発を防止する必要があるので、一端をシールし、充填した後でストッパを付けられる。

一端を閉じた毛細管を充填する場合、表面張力が試料を管の壁に保持し、管内の空気が逃げるのを妨げるシールを形成するという問題が生じる。この表面張力の作用を克服するため、毛細管は普通、液体を管に送り込む遠心分離法によって充填しなければならず、この配置は例えば、国際公開公報第２００５／０１９８３６号に例示されている。

蛍光計を使用して生成物の形成を光学的に測定するリアルタイムＰＣＲに適用する場合、管を充填すること自体の困難さに加えて、毛細管内の残余気泡は移動し、拡大したり収縮したりし、場合によっては液体試料の一部を放出することがあり、それらは全てデータ中にノイズとなって現れる光学作用を有しうるので、その存在は問題である。

ＰＣＲのために毛細管を準備するため、普通ユーザは、毛細管の上部に形成されたカップに（通常体積が１０〜３０マイクロリットルの）試料をピペットで入れ、遠心分離機に毛細管を配置し、数秒間（例えば２０秒間）約３，０００ｒｐｍで毛細管を回転させ、遠心分離機から毛細管を取り出し、毛細管をキャップに押し込んで熱サイクラに配置する必要がある。この処理は、やはり国際公開公報第２００５／０１９８３６号に記載されているように、単一の装置内で自動化してもよい。

状況によっては、例えば、空間に制限があるか又は構成部品を適切に構成できない場合、反応混合物を毛細管に移転する選択肢として遠心分離機を利用できないことがある。したがって、気泡の形成を回避しつつ狭い断面の管を充填する別の方法が必要である。

しかしながら、特に、本発明のシステムを使用する場合、カートリッジを管のような試料容器をより都合よく収容する異なる形状のものにすることは望ましくないことがある。特定の実施形態では、例えば、カートリッジは平面図で一般に矩形なので、管は中央を通じて長手方向に収容できる。カートリッジは、横に並べて積み重ねた多数の並列試料処理ユニットを含んでもよい。個々のモジュールの狭い縦横比に適合する遠心分離機によらない毛細管充填手段が必要であった。

上記のアッセイカートリッジは一般に、ピペッタ、特に国際公開公報第２００７／０２８９６６号に記載のピペッタを使用して、例えば、試料から精製した核酸を含む緩衝剤を使用して凍結乾燥したＰＣＲ混合物の再水和のようなステップを実行する。

先端がさらに長くて細くなるように（例えば約１５〜２０ｍｍ延長し外径が約１ｍｍ未満になるように）ピペッタを修正することによって、容器の毛細管部分を充填するためにピペットを使用できることを出願人は発見した。これは、長い毛細管の先端を定位置に案内するように上部が内側に向かって平滑にテーパを持つように反応チャンバの毛細管部分の内側の輪郭を形成することによって助けられ、反応チャンバの毛細管部分は遠心分離ステップを実行する必要なしに首尾よく充填できるようになる。

充填操作は、例えばカートリッジ上の固定位置に反応チャンバを保持することによって首尾よく実行できる。ピペッタは、垂直方向に微調整されて移動可能なアクチュエータ内に脱着可能に保持される。ピペッタを保持するアクチュエータはさらに、やはり微調整されて、液体試料を吸入又は放出するようにピペッタのダイアフラムを圧迫するために使用できる同軸プランジャを有する。微調整はステッピングモータによって達成される。アクチュエータは、
（１）ピペッタが、毛細管の空き体積にほぼ等しい設定体積のＰＣＲ反応混合物によって充填され、
（２）その後、開いた先端が毛細管内側の底部のすぐ上に配置されるようにピペッタが配置され、
（３）その後、ピペッタがゆっくりと引き出され、毛細管の中を上昇するにつれて、気泡を形成することなく毛細管が充填されるように、プランジャが制御された形でダイアフラムに押し付けられて反応混合物が毛細管内に放出されるようにプログラムできる。

毛細管を充填するこの方法は、上記のシステム以外にも用途を有するので、これは本発明のさらなる態様を形成する。

したがって、さらなる態様では、本発明は、毛細管を備える反応容器を充填する方法であって、毛細管の直径より小さい直径の細長い先端を持つ充填されたピペッタを管内に導入するステップと、内容物を毛細管内に放出するように制御された形でピペッタのプランジャを押し、かつ同時に、管から液体を供給する速度に相応する速度で毛細管からピペッタの細長い先端を引き出すステップとを備える方法を提供する。

細長い先端を持つ改良されたピペッタ、及び容器の毛細管部分の上のテーパの付いた側面を持つ改良された反応容器は、本発明のまたさらなる態様を形成する。

ピペッタはあらゆる適切な形態を取ってもよいが、特に、例えば国際公開公報第２００７／０２８９６６号に記載のように、シールによって本体を閉じるように配置され、下向き方向に変形可能な弾性ダイアフラムを備える一体型キャップ部材を有するピペッタである。こうしたピペッタは、本発明のシステムの好適実施形態のようなロボット装置で見られるもののような機械的アクチュエータと共に使用するのに特に適している。

本発明を添付の図面を参照して例示によって詳細に説明する。

本発明のシステムにおいて有用なカートリッジの平面図を示す。 試料容器を受け入れようとしている、本発明のシステムにおいて有用なカートリッジの概略透視図である。 試料容器をホルダ内の定位置に配置した図２のカートリッジの透視図である。 「閉」位置にある図３のカートリッジの透視図である。 図４のカートリッジの端面図である。 図３のカートリッジの端面図である。 化学的、生化学的又は他の種類のアッセイ又は処理を行いうる機器内に本発明のカートリッジを導入しうる方法を示す概略図である。 機器の受け入れ部分に配置された本発明のカートリッジを例示する。 本発明のさらなる態様を形成する、毛細管を充填するシステムを例示する概略図である。 図１〜図６に示すカートリッジに適した穿孔要素を例示する。

図１に示すカートリッジは、剛性プラスチック材料製の、一般に長方形の部分からなる本体部分（１）を含む。カートリッジを器具内に配置する時カートリッジの位置決めの助けとなるクリップ機能が提供される。本体部分（１）の上面（３）に中央長手方向チャネル（２）が提供される。チャネル（２）は本体部分（１）の一端で開いているが本体部分の端部リッジ（４）で終わっており全長にわたって延びてはいない。チャネル（２）は一般に湾曲した基部（５）を有し、シールキャップ（７）を付けたチューブ（６）を収容できるような形状である。チャネル２は、チューブ（６）内に収容された試料がキャップ（７）に向かって流れるようにリッジ（４）に向かって下向きに傾斜している。

例示実施形態では、チューブは、支柱（９）によってキャップ（７）に固定された綿球（８）を収容している。

また、カートリッジは反応チャンバ（１０）を収容している。キャップ（７）に隣接した端部に穿孔先端を持つ穿孔針（図示せず）又は他の穿孔要素は、チャンバ（１０）からキャップ（７）に向かって延びる。キャップ（７）は適切には、上面に穿孔可能なメンブレン（１１）（図２）を含む。

チューブ（６）をチャネル（２）内に配置する時、キャップ（７）は穿孔針又は要素から十分に離れているので、キャップ（７）は破断しない。しかし、カートリッジ（１）は、矢印の方向にチューブ（６）の基部に圧力を印加できるアクチュエータを設けた機器（図示せず）内に配置するように設計されている。これはキャップ（７）のメンブレン（１１）を穿孔針又は要素に押し当て、穿孔針又は要素はメンブレン（１１）を通過してシールを破断する。

チューブ（６）内の液体は、針又は穿孔要素内のチャネルを通じて流出し反応チャンバ１０内に流入でき、そこで液体に対してさらなる処理を行ってもよい。しかし、この時点で操作員はチューブ（６）の内容物に接触しないので、汚染の危険は最小化される。

図１０は、カートリッジ内で使用するのに適した穿孔要素を例示する。穿孔要素（４０）はプラスチック材料から製造され、一端を斜めに切断して鋭利な先端（４６）を形成した円筒形本体（４２）を有する。穿孔要素（４０）がチューブのキャップを貫通する時に試料が穿孔要素を通じて反応チャンバに流入するのを妨げるエアロックの形成を防止するスリット（４４）が穿孔要素の上部に沿って通っている。この穿孔要素は円形断面のきれいな穴を形成する。しかし、他の断面を持つ穿孔要素を使用してもよい。

また、カートリッジ（１）は側面部分に、自動分析処理で利用されうるいくつかの構成部品又は要素を含む。例えば、試料の望ましい処理のために必要となりうる緩衝剤、洗浄剤等といった液体試薬を含みうるいくつかのフォイルでシールされたリザーバ（１２）を収容する。他のもの（１３）は、試料の後続の処理で有用なＰＣＲビーズ等の固体試薬といった試薬を含んでもよい。

さらに、この場合、カートリッジは、例えば必要に応じてカートリッジ上の１つのチャンバから別のチャンバに磁性試薬ビーズを移動させるために使用される磁石の上に装着しうる、２つのピペッタ１４，ストッパ１５及びシース１６を含む一連の可動構成部品を含む。これらの可動構成部品は、本体部分（１）の上面（３）の適当な形状の開口内に収容される。これらは、機器の把持アームでアクセスできるように、上部領域が上面（３）の上に突出するように配置されている。それらには、例えば国際公開公報第２００５／０１９８３６号に記載のように、アクセスの助けとなる、又は持ち上げ操作を支援する適切な環状フランジを設けてもよい。

また、この場合、カートリッジ（１）には、導電性ポリマーでコーティングされているので、適切な電源に接続されると、内容物にＰＣＲのために必要な熱サイクル手順を受けさせることができる反応容器（１７）が提供される。

この容器の配置は、以下他の例示実施形態を参照して詳細に論じる。

図２に例示されるカートリッジは、特定の機器及び実行される化学的、生化学的又は分析手順又はアッセイに適合するためわずかに異なって配置されているものの、多くの共通要素を収容している。しかし、この場合、チューブ（６）のためのホルダ（１８）が提供される。ホルダ（１８）もチューブ状の形状であり、キャップ（７）が端部に当接するようにチューブ（６）を保持できる（図３）。

ホルダ（１８）は、チャネル（２）の自由端に配置された止め金（２０）（図５及び図６）によって、直立の試料容器受け入れ位置でカートリッジ本体（１）に対して保持してもよい。

一旦チューブ（６）がホルダ（１８）に装着されると、ホルダ（１８）は止め金（２０）から取り外され、チャネル（２）に挿入される。ホルダ（１８）の側面に提供されたフランジ（１９）は、チューブ（６）がホルダ（１８）にきちんと装着された時だけ、本体部分（１）のリッジ（４）内の対応する溝にスナップ式に固定される配置で係合するように配置されている（図４）。

この時点で、チューブ（６）及びキャップ（７）はカートリッジ及びホルダ内に実質上完全に収容されてアクセスできないので、破断したりすることはない。カートリッジを識別するバーコードリーダのラベルのための空間（２２）と、試料チューブ上のバーコードを読めるようにするための窓（２３）を、それぞれフランジ（１９）及びホルダ（１８）に提供してもよい。

試料ラベルはこの時点でカートリッジに貼付してもよく、例えば、バーコードラベルを、分析手順を通じて試料を追跡する助けとなるように、本体部分（１）の端部領域（２１）に貼付してもよい。

ホルダ（１８）の基部は小さな開口（２４）を含む（図５）。開口（２４）は、カートリッジが導入される機器のアクチュエータが通過して、リッジ（４）の領域に提供される穿孔針又は穿孔要素に向かってチューブ（６）を押すことができるような形状である。

一旦アクチュエータが開口（２４）を通過すると、カートリッジは有効に「ロック」されて開かなくなる。その後アクチュエータを引き抜くと、試料チューブは、少なくとも分析手順が修了するまで定位置に残る。

カートリッジ（１）は、適切な機器の受け入れ部分に受け入れられるような形状である。これは図７に概略が例示されている。この場合、機器（３６）のカートリッジ受け入れ部分は、カートリッジ（１）がきちんと嵌合する凹部（３８）を設けた支持体（３７）を備える。支持体（３７）は、処理のため機器（３６）の本体内に格納可能である。カートリッジ（１）の特定の部分の位置を、垂直方向に移動可能なこともある相互作用要素（３９）の位置と合わせるため、支持体（３７）自体も移動可能である（矢印参照）。

同様の配置を図８に例示する。この場合、カートリッジ（１）には、カートリッジが凹部（３８）の中で定位置にある時支持体（３７）の上面に係合するリップ（４０）が設けられている。ホルダ（１８）は、支持体（３７）が機器の本体内に格納された時、チューブ（６）を開放するためのアクチュエータが開口（１１）を通じて進入し、処理手順の前に試料を試料容器（１０）に放出できるように配置されている。必要な場合、支持体（３７）上の定位置にカートリッジ（１）を固定するためロック又は他の係合手段を提供してもよい。

したがって、使用する際、例えば化学的、生化学的分析、調査又はアッセイのため試料が収集される。液体試料の場合、試料は、キャップ（７）でシールされたチューブ（６）に直接適切に配置されている。好適には、特に実行される調査の性質が定量的なものである場合、試料の体積は既知又は測定済みである。液体試料を計量する助けとなり、試料の体積が必要な限度内にあることを確認する手段を提供するため、試料チューブには、最大及び最小の充填線を刻印してもよい。試料が綿球上に収集された場合は、綿球（８）自体を適切かつ好適には既知の体積の溶離剤と共にチューブ内に配置してからキャップ（７）でシールする。その後チューブを適切に振盪して試料が綿球（８）から溶離剤に移転されるようにするが、これは、液体の体積が十分で綿球が液体に浸漬した状態に保持される場合必要ないことがある。

その後、すぐに、又は研究室に到着すると、チューブ（６）はカートリッジのホルダ（１８）内に配置される。その後ホルダをカートリッジの本体部分（１）のチャネル（２）に挿入し、カートリッジ自体に標識を付けてから、（試料の化学的、生化学的又は分析的手順又はアッセイを行うために必要な手順を行うように設計された）機器の適切なカートリッジ受け入れ部分に配置する。

この時点で、機器のアクチュエータは、ホルダ（１８）の基部の開口（２４）を通過し、カートリッジのリッジ端部にある中空の穿孔針又は他の穿孔要素に向かってチューブ（６）を押し付ける。アクチュエータ（２４）によってチューブ（６）に十分な圧力が印加され、針又は穿孔要素によってキャップ（７）のゴムシール（１１）が破断するようにする。

チューブ（６）はリッジ（４）に向かって下向きに傾斜しているので、チューブ（６）内に収容された液体は中空の穿孔針又は穿孔要素を通じて直接カートリッジ上の反応チャンバ（１０）に流入する。

その後、機器は、例えば、当該技術分野で知られているロボット手順を使用して処理を行うことができる。垂直に移動可能なアームが適切に使用されて処理を行い、その一方でカートリッジも、カートリッジ上の適切なチャンバ又は構成部品の位置がどの時点においてもアームの位置に合うように、例えば直交運動によって移動可能である。

個々の場合に必要なことは、カートリッジ上の試薬容器及び上記の可動構成部品のような適切な他の構成部品がカートリッジ上に提供されるか又は適切に機器に一体化されるようにすることだけなので、この手順を使用したアッセイ設計の可能性は無制限である。

この手順の個々の例は国際公開公報第２００５／０１９８３６号に例示されている。

しかし、この手順を要約すると、対象の細胞を含むことが知られているか又は疑われているチャンバ１０内の試料に対して細胞溶解が行われる。これは、例えば、塩酸グアニジンのような化学溶解剤をチャンバ１０にあらかじめ充填すること、例えばピペッタ１４を使用して試薬容器から取り出した試薬を加えること、適切には機器と一体化されたソニケータを導入すること、又はそれらを組み合わせて行うことによって達成してもよい。試薬がカートリッジ上のシールされた容器１２から得られる場合、カッタでフォイルの蓋を穿孔することによって試薬にアクセスしてもよく、カッタ自体はカートリッジ上の可動構成部品であってもよく、また機器の一体化した部品であってもよい。

例えば、（例えばビーズを容器から取り出すために）磁石の引力が必要な時シース１６に挿入されてビーズに接触し、例えば一旦シースが反応チャンバ１０の内部に配置されビーズを堆積させる必要がある時シースから取り出される磁石を使用して、「Ｍａｇｎｅｓｉｌ（登録商標）」シリカビーズのような、個々の対象検体又は一般に核酸に固有の抗体のような結合材によって適切にコーティングした磁性ビーズが導入される。

何らかの核酸のような検体は、ビーズに付着させた後、反応チャンバ（１０）から取り出して別の反応チャンバに配置してもよいが、この別の反応チャンバは、検体を加える前に適切なカッタでシールが破断されるまでフォイルでシールされていたものである。この時必要であれば、ビーズは必要に応じてカートリッジ上に存在している１つ以上の洗浄チャンバを通過して移動させてもよい。

その後、例えば、好適には高温である溶離剤をビーズを収容するチャンバに加えることによって、検体をビーズから溶離させてもよい。機器上に提供され、好適には上記のように保護用の使い捨てシース１６に収容されたヒータを導入することによって、溶離剤の加熱を行ってもよい。しかし、これを行わない場合、検体に対して、必要に応じてカートリッジ上に存在している反応チャンバに収容されうる洗浄剤を使用した洗浄ステップを行ってもよい。

また、例えば、特に試料から抽出した精製核酸を含む適切な緩衝剤をＰＣＲ試薬の凍結乾燥ビーズに加えることによって、ＰＣＲ反応を実行するのに適した試薬を反応チャンバ内に準備してもよい。ここでも、適切な試薬の移転が行われるように、カッタ、ピペッタ等といった要素を動かすことによってこうした手順を機器内で自動的に行ってもよい。

一旦カートリッジ上で準備されると、ＰＣＲ反応混合物は、ＥＣＰ（導電性ポリマー）コーティングの結果熱サイクル可能な反応チャンバ１７に適切に移転される。充填は改良されたピペッタによって達成され、その手順は図９に例示されている。

例示するように、ピペッタは、機器のアームでピペッタを収集する際に助けとなる一連の環状フランジ（２６）が設けられたプラスチック本体（２５）を備える。キャップ部材（２７）は、機器に提供されたアクチュエータと相互作用して、ピペッタの制御された動作を可能にすることを意図した突起（２９）の付いた弾性上部ダイアフラム（２８）を有する。

ピペッタの下部（３０）は実質上細長く、毛細管（３１）に入る十分に小さな直径のものである。毛細管（３１）は下端（３２）でシールされており、閉じた反応容器を形成している。下面（３２）は適切には、容器内で実行される反応の進行が見えるように透明である。このことは、例えば、蛍光信号系の存在下でＰＣＲが実行される場合、ＰＣＲを終始監視できるということを意味する（リアルタイムＰＣＲ）。反応容器の上部（３３）は広がった断面を有するが、上部（３３）と毛細管（３１）との接合部の壁は、ピペッタ（３０）の下部が毛細管（３１）に入る時ガイドを提供するようにテーパが付いている。

導電性ポリマー層（３４）は毛細管を取り囲んでおり、上部及び下部の電気接点（３５、３６）によって電源に接続可能である。

使用する際、アームとフランジ２６との相互作用によってカートリッジ内のハウジングからピペッタ１４を持ち上げ、準備されたＰＣＲ反応混合物を収容した反応チャンバの中に下ろす。ステッピングモータによって駆動されるピペッタアクチュエータがダイアフラム（２８）を押すように配備され、反応混合物をピペッタ本体（２５）内に吸い上げる。

その後、機器の可動アームによってピペッタをチャンバから持ち上げて、ピペッタが反応容器（１７）の上に位置するようにカートリッジを移動させてから、ピペッタ（１４）の下部（３０）が実質上毛細管の基部（３２）の位置に来るまで下ろす。

ダイアフラム（２８）用のアクチュエータをもう一度作動させて、内容物を反応容器（１７）内に追放する。同時に、反応容器（１７）からピペッタ（１４）を持ち上げるようにアームを配備する。気泡を立てずに充填するために適切な速度でピペッタ（１４）が毛細管（３１）を離れるように、アームとアクチュエータの動きを連係させる。

適切な制御用ステッピングモータを使用した結果得られる精度と制御性は、こうした動作が可能であることを意味している。

一旦このようにして反応容器（１７）を充填したら、適切なキャップ又はストッパを上部（３３）に取り付けて容器を閉じてもよい。さらに移動させず、反応容器（１７）内で、例えばＰＣＲ反応である熱サイクル処理を行えるように、電気接点３５、３６を接続してもよい。

適切には、ＰＣＲは、Ｔａｇｍａｎ（商標）又はＲｅｓｏｎｓｅｎｓｅ（商標）法といった従来の信号系の１つを含み、これは管の透明な基部（３２）を通じて監視される。

一旦完了したら、カートリッジは機器から取り外して廃棄してもよい。

したがって、本出願で説明したシステム及び要素は、特に化学的、生化学的又は分析的アッセイにおいて多様な手順を行い、その一方で導入されうる汚染と偽陽性の結果が出るリスクを最小化する有効で効率的な方法を提供する。

Claims (21)

1. 試料供給システムにおいて、
   （ｉ）カートリッジに対する試料容器のシールの位置を固定するようにシールされた前記試料容器を保持するチャネルを備えた本体部分と、チャンバと、穿孔針又は穿孔要素とを備える前記カートリッジであって、前記試料容器の少なくともシール領域が、前記カートリッジの前記本体部分内に保持された時実質上囲い込まれているカートリッジを備え、
   前記チャネルは、使用時に前記シールされた前記試料容器内に収容された液体試料が前記シールに向かって流れるように傾斜しており、
   前記穿孔針又は前記穿孔要素は内部チャネルを備え、
   穿孔端から離れた前記穿孔針又は前記穿孔要素の端部は反応チャンバ内に配置されており、
   （ｉｉ）前記カートリッジを受け入れるのに適した機器であって、前記機器に、前記カートリッジ内に収容された前記シールされた試料容器を開放する開放システムが設けられる機器を備え、
   前記穿孔針又は前記穿孔要素は、前記機器の前記開放システムと共に、前記試料容器のシールを破断するように作動し、
   前記カートリッジ及び前記機器が、破断された試料容器内の液体試料の少なくとも一部が、重力下で前記内部チャネルを通じて前記チャンバに流入するように配置された、試料供給システム。
2. さらに、シールされた試料容器のためのホルダを備え、前記ホルダが、前記試料容器のシールが前記カートリッジに対して固定されるように前記カートリッジの前記本体部分に挿入可能である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記本体部分内に前記試料容器を保持するためにロック機構が提供される、請求項１又は２に記載のシステム。
4. 前記ロック機構が、前記試料容器のためのホルダ上に提供され、前記カートリッジの前記本体部分に提供されるスロットに係合するように配置されたスナップ嵌合用舌又はフランジを備える、請求項３に記載のシステム。
5. 前記ロック機構が、前記試料容器が前記ホルダ内で適切に位置決めされるまで動作しないように配置される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記開放システムが、前記機器内のカートリッジ内のホルダ内の試料容器に作用して前記容器のシールを穿孔針又は穿孔要素に接触させることができるアクチュエータを備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 試料容器としてシールされたチューブを保持するのに適した、請求項１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. さらに、シール可能な試料容器を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 前記試料容器に、上部表面に穿孔可能なメンブレンを有するキャップが設けられた、請求項８に記載のシステム。
10. 前記試料容器がシール可能なチューブである、請求項８又は９に記載のシステム。
11. 前記シール可能なチューブが一体型の綿球を含む、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記機器が、前記試料の分析又はさらなる調査を継続できるようにするさらなる要素を備える、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
13. 前記試料に対して行われる後続の手順で有用なさらなる要素が前記カートリッジ上に提供される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記さらなる要素が、前記試料の化学的、生化学的、分析的又は他のアッセイを継続するために必要な試薬又は材料を保持する試薬チャンバを備える、請求項１３に記載のシステム。
15. 前記カートリッジがさらに、前記試料の化学的又は生化学的反応、分析又はアッセイにおいて有用であるか又は他の形でそれらの助けになる可動構成部品を備える、請求項１３又は１４に記載のシステム。
16. 前記機器が、前記カートリッジ上の何らかの可動構成部品と相互作用できる可動アームを備える、請求項１３に記載のシステム。
17. 前記機器が、前記試料のさらなる化学的又は生化学的反応、分析又はアッセイにおいて有用で、再利用可能な処理構成部品を備える、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. さらに、使用する際に前記構成部品を覆うのに適したシースを備える、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記シースが、前記カートリッジ上の可動構成部品として提供される、請求項１８に記載のシステム。
20. 前記シースが熱伝導性プラスチック又はエラストマー材料製である、請求項１８又は１９に記載のシステム。
21. 請求項１〜２０のいずれか１項に記載のシステムで使用するのに適したカートリッジ。

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