JP5971256B2 - 少なくとも１つの検体溶液を少なくとも１つの試薬と混合する方法及び器具 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの検体溶液をマイクロフルイディックカートリッジの少なくとも１つのチャンバ内で少なくとも１つの試薬と混合する方法及びこの方法を実施する器具に関する。

生物工学（バイオテクノロジー）及び遺伝子工学（ジーンテクノロジー）は、近年極めて重要になっている。この技術の基本的役割は、流体検体中の特定の生物学的物質（分析物）を検出することにある。流体検体、例えば患者の血液の検体中の分析物を検出することによって、特に、病原体を検出することが可能であり、医師が診断をするのが容易になり、それにより迅速な治療及び感染予防（インフェクションコントロール）も促進される。

生物工学及び遺伝子工学ではマイクロフルイディックコンポーネント又はマイクロフルイディックカートリッジがますます普及している。

マイクロフルイディックカートリッジは、一般にいわゆるラテラル・フロー・カートリッジ（Lateral Flow Cartridge）を用いて使い捨て（１回使用）検査の形態を用いて用いられる場合が多く、そのコンポーネントは、２ミリメートル〜数センチメートルの長手方向寸法及び幅寸法を備えている。

検査を実施するため、一般に、検査されるべき分析用液体（例えば、血液、尿又は唾液）を適当な手段によってバイオセンサ（バイオチップ）を備えたマイクロフルイディックカートリッジに送る。検体溶液をカートリッジが適当な分析装置内に挿入される前又は後でカートリッジに追加される。

「マイクロ」という用語は、存在するチャネル及び／又はキャビティ（チャンバ）のうちの１つが少なくとも一幾何学的方向においてマイクロメートルスケールの寸法を有し、即ち、１ミリメートル未満という測定値であることを意味するようになっている。

「マイクロフルイディック」という用語は、圧力により引き起こされると共に／或いは液体の毛管流がマイクロチャネル及び／又はマイクロキャビティを通って且つこれらの中で起こることを意味している。

「マイクロフルイディックコンポーネント」という用語は、少なくとも、液体又は流体の貯蔵及び運搬のためのこの種のマイクロチャネル又はマイクロキャビティを有するコンポーネントを意味している。

「マイクロフルイディックカートリッジ」は、液体の分析のための器具（場合によっては、多数のマイクロフルイディックコンポーネントから成る）である。

生物学的検体中の低濃度の生物学的物質及び無機物質を検出することは、困難なことが多い。マイクロフルイディックカートリッジにおけるこの種の検出のための検査（検定）は、一般に、幾つかのステップを必要とする。

最新式のマイクロフルイディックカートリッジでは、検体溶液の塗布と測定値の最終的な表示との間の測定時間を短縮することが必要である。更に、技術動向は、これまでよりも少量の検体溶液で信頼性のある測定値を得ることに向いている。

測定をマイクロフルイディックカートリッジ内で実施する場合、通常、少量の検体溶液を１つ又は２つ以上のチャンバ中に通し、このような１つ又は２つ以上のチャンバは、試薬を収容し又は検体を試薬に接触させるよう前処理するのに役立つコンディショニング剤を収容している。したがって、検体溶液は、一般に、マイクロチャネルにより互いに連結された互いに異なるチャンバ中に連続的に通され、検体溶液は、毛管力又は加えられる力、例えば遠心力又は加えられる圧力差によってマイクロチャネル中を動く。

得ようとしている分析物の検出は、最終的には、検体溶液中に存在する分析物といわゆる試薬の特異な結合又は反応（識別反応）によってマイクロフルイディックカートリッジ内で起こる。一般に、識別反応の特異性により、例えば前もって精製を行わないで又は最小限にしか行わない状態で複合的な検体、例えば体液中の分析物であってもこれを定性的に又は定量的に求めることができる。

マイクロフルイディックカートリッジでは、試薬は、通常、或る特定の領域又は或る特定のチャンバ内に不動化される。フルイディック手順中、液体の形態をした検体溶液をマイクロフルイディックカートリッジの別の領域からこれら試薬に送って、それにより試薬を溶解させて識別反応を実施する。しかしながら、検体溶液をチャンバからチャンバに運ぶ際に検体溶液の損失が起こる場合がある。と言うのは、例えばチャンバ及びチャネルを毛管作用による運搬中、適切に空にすることができないからである。これは、今や標準である１０マイクロリットル未満の少量の検体に関して特に重要である。

さらに、検体溶液の運搬の結果として、例えば非特異的結合又は付着に起因して測定結果が歪められ又は間違ったものになる場合がある。

非特異的結合では、分析物は、意図した物質とは異なる物質と結合し、反応性物質として失われる。付着の際、関心のある分析物は、部分的に、表面／壁上へのこれらの堆積の結果として失われる。

独国特許出願公開第２００９０１６７１２（Ａ１）号明細書から、分析物のバイオアッセイ（生物学的検定）用のマイクロフルイディックカートリッジ（使い捨て検査カセット）及びマイクロフルイディックカートリッジが挿入される器具が知られている。

この独国特許出願公開明細書に記載されているマイクロフルイディックカートリッジは、チャネルによって互いに連結されているキャビティが設けられた構造化本体を有している。分析物を含有した検体溶液を導入するための入口が設けられると共に分析物と反応し又は検体溶液と混じり合う１つ又は２つ以上の試薬を収容した試薬チャンバが設けられる。更に、分析物の検出又は定量分析用の信号が検出される検出チャンバが設けられる。検出チャンバは、信号を検出する窓を有する。試薬は、乾燥した形態で試薬チャンバ内に納められており、検体溶液は、正確に定められた量の空気のジェット及びタイミングによってマイクロフルイディックカートリッジ内に運び込まれる。

全体として、この技術は、分析物を定性的に且つ／或いは定量的に検出する目的で生物化学的検査手順を実施する安価で貯蔵性があり、しかも動作が容易な手段を提供するようになっている。さらに、この独国特許出願公開明細書は又、反応条件、特に容積（量）及び時間の制御並びに検体溶液及び試薬の最適混合に言及している。

独国特許出願公開第２００９０１６７１２（Ａ１）号明細書

しかしながら、結局のところ、この独国特許出願公開明細書に記載されている発明は、検体溶液をマイクロフルイディックカートリッジ内の試薬まで運ぶ公知の方法の域を出ていない。

本発明の目的は、請求項１の前提部に記載され、先行技術の上述の欠点を軽減する方法を提供することにある。

本発明の別の目的は、この方法を実施するのに適当な器具を提供することにある。

この方法に関し、この目的は、請求項１に記載された本発明の特徴によって達成される。器具に関し、この目的は、請求項１１の本発明の特徴によって達成される。

方法に関し、本発明は、少なくとも１つの検体溶液をマイクロフルイディックカートリッジの少なくとも１つのチャンバ内で少なくとも１つの試薬と混合する方法から始まっている。

本発明によれば、少なくとも１つの試薬を少なくとも１つの可動コンポーネントによって検体溶液に送ってこの検体溶液に接触させる。

次に試薬を検体溶液が既に存在しているチャンバ中に導入する。したがって、検体溶液は、フルイディックネットワーク内でもはや動かされる必要なく、検体及び分析物の損失が最小限に抑えられる。

例えば、検体溶液の２つの連続反応が各々検定のための１つの試薬を必要とすることが想定できる。

先行技術によれば、このためには、各々が適当に不動化された試薬を各々をそれぞれ収容した２つのチャンバが必要である。先ず最初に、検体溶液を第１の試薬を収容したチャンバ内に運び込む必要がある。すると、次に、検体溶液は、この試薬と反応し、次に、液体（あらかじめ処理された液体）の全てを毛管力又は圧力によって次のチャンバ内に運び込み、それにより第２の試薬と反応させる。

本発明の方法では、今や、両方の反応が同一チャンバ内で起こることが可能である（検体溶液の運搬なしで）。例えば、第１の試薬は、既にチャンバ内に入っており、検体溶液をいったん導入すると、この検体溶液と反応することができる。次に、或る特定の長さの時間後に、可動コンポーネントによって第２の試薬をチャンバ内の検体溶液に添加し、この検体溶液に接触させる。

しかしながら、複数の試薬を可動コンポーネントに担持させて同時に運ぶことも可能である。例えば、２つの別々の試薬を可動コンポーネント上に、例えばその前部及び後部に互いに別々に貯蔵しても良い。これは、或る特定の用途については極めて有利な場合がある。

しかしながら、各々が例えば１つの試薬を担持し、必要に応じて検体溶液中に導入される複数の互いに異なるコンポーネントを用いることも又可能である。

可動コンポーネントを実質的に並進運動で検体溶液に向かって移動させる場合、これにより本発明の方法が単純化され、この方法を実施するための器具をその構造が比較的単純な状態に保つことができる。

迅速且つ高品質識別反応を達成するため、検体溶液と試薬の徹底的な混合が望ましい。したがって、可動コンポーネントが試薬と検体溶液の接触の際、回転運動を行うと非常に有益である。可動コンポーネントが少なくとも試薬と検体溶液の接触の際、揺動運動又は円形運動を行うと良好な混合を一段と促進することができる。当然のことながら、上述の運動を互いに組み合わせることが当然のことながら可能であり、しかも疑いもなく有利である。

試薬を保持している可動コンポーネントの少なくとも一部分を試薬が検体溶液により完全に包囲されるよう検体溶液中に浸漬することが好都合である。

１つ又は複数の試薬を有利には、乾燥によって可動コンポーネント上に不動化するのが良い。これは、従来、例えば凍結乾燥によって実施される場合がある。凍結乾燥の利点は、乾燥状態の１つ又は複数の試薬が広い表面積を形成し、したがって検体溶液との接触時に迅速に溶解する多孔質塊状体の形態で動かされるということにある。

試薬を検体溶液に接触させる前に、可動コンポーネントがチャンバに通じる少なくとも１つの閉鎖状態のアクセスを開くことが想定できる。このように、チャンバは、外部からの汚染から保護され、既にチャンバ内に導入されている検体溶液は、出て行くことができず、例えばチャンバを収容したマイクロフルイディックカートリッジの運搬中であっても、環境又は機器の汚染を招くことがない。

検体溶液と試薬の混合を向上させるため、可動コンポーネントがスパチュラ（へら）の形態であれば極めて好都合であると言える。さらに、スパチュラの表面は、試薬の被着に適した領域を有する。

しかしながら、当然のことながら、可動コンポーネントを異なる構成のものにすることも又可能である。例えば、可動コンポーネントは、ミキサーで得られる混合効果と同じ混合効果を達成するよう螺旋形態のものであっても良い。

しかしながら、本発明は又、本発明の方法を実施する器具に関する。本発明の器具は、検体溶液を受け入れる少なくとも１つのチャンバを備えた少なくとも１つのマイクロフルイディックカートリッジを含み、このチャンバは、少なくとも１つの試薬を担持した可動コンポーネントを挿入することができる少なくとも１つのアクセスを有する。

この種の器具により、本発明の方法を容易に実施することができる。

本発明の器具の別の特徴によれば、少なくとも１つのアクセスは、これを可動コンポーネントによって穴あけすることができるよう閉鎖されているのが良い。アクセスは、例えば、柔軟性又はゴム状フィルムによって封止されているのが良い。このように、或る特定の封止作用をクロージャが穴あけされた後であっても達成できる。と言うのは、穴あけされた柔軟性フィルムは、可動コンポーネントの周りに再びぴったりとフィットするからである。

可動コンポーネントは、有利には、形態がスパチュラ（へら）状である。１つのこととして、スパチュラ表面は、例えば可動コンポーネントの回転運動中、検体溶液と試薬の混合度を大幅に増大させることができ、別のこととして、試薬をスパチュラ表面上に被着させるのが容易である。最後に、標準の実験室型スパチュラを可動コンポーネントとして用いることが疑いもなく可能であり、器具のコストがそれに応じて減少する。

器具のマイクロフルイディックコンポーネントは、マイクロフルイディックカートリッジの一部であるのが良い。マイクロフルイディックカートリッジは、バイオ技術アレイを実施するための便利なオプションとなる。

マイクロフルイディックカートリッジの適正な使用及び検定の評価を最適化するため、マイクロフルイディックカートリッジを分析装置に作動的に結合することが想定できる。この種の検査を日頃経験していない未熟なユーザであっても、検定を正確に且つ再現可能に実施することができる。

可動コンポーネントがマイクロフルイディックカートリッジに可動的に連結されると有利な場合がある。可動コンポーネント及びマイクロフルイディックカートリッジは、いわば一ユニット（小売りユニット）として供給できる。すると、ユーザは、包装材から実施されるべき検定に従ってカートリッジ及び対応の試薬を含むユニットを取り出して対応の検体溶液を送り、次にカートリッジを分析装置に連結して検定を開始し、そしてこれを評価するだけで良い。

変形例として、可動コンポーネントを分析装置に可動的に連結することも又可能である。この場合、各々が互いに異なる検定用の試薬を含む複数の可動コンポーネントのための一種のマガジンも又、例えば分析装置内に同様に設けられても良い。

検定を完全自動化するためには、可動コンポーネントを分析装置の少なくとも１つのアクチュエータによって動かせば極めて有益である。

本発明の別の特徴及び別の利点は、添付の図に詳細に示されているように例示としての幾つかの実施形態から明らかになろう。

本発明の第１の実施形態の略図であり、マイクロフルイディックカートリッジの細部を示す図である。 図１のマイクロフルイディックカートリッジが導入された分析装置の略図である。 本発明の器具の第２の実施形態を示す図である。

先ず最初に、図１を参照する。

この図は、マイクロフルイディックコンポーネント１（バイオチップ）を備えたマイクロフルイディックカートリッジＭＣを示している。マイクロフルイディックコンポーネント１は、バイオアッセイ又は生物学的検定を実施するための検定チャンバ２を有している。対応の検体溶液Ｐを充填開口部３及びベント開口部４から検定チャンバ２に送り又はこれから排出することができ、充填開口部及びベント開口部は、対応のチャネル５，６を経て検定チャンバ２に結合されている。

検定チャンバ２は、ミリメートル範囲の一定断面の第１のチャンバ領域７及び測定面９に向かって円錐形にテーパした第２のチャンバ領域８を有している。測定面９は、透明であり、この測定面は、特異的識別又は免疫反応５に生じ、そして測定面の付近に不動化された識別又は免疫複合体（詳細には示されていない）の光学読み出しのために用いられる。第２のチャンバ領域８を測定面９に向かって円錐形に収斂させることにより、比較的ほんの僅かな抗体及び不動化手段しか利用できない場合であっても測定が容易になる。

測定は、窓１０（図２も又比較参照されたい）を介して測定面９への光学的アクセスを有する光学測定ユニット２１を用いて実施される。

図１は又、スパチュラ状端部１２を備えたロッド形試薬キャリヤ１１が検体Ｐ中に浸漬されている状態を示している。スパチュラ状端部１２は、その前部及びその後部（図示せず）に試薬Ｒを担持している。例えば、捕獲抗体がスパチュラ状端部１２の前部上に担持され、検出抗体が後部上に存在する。試薬Ｒは、好ましくは、凍結乾燥によってスパチュラ状端部１２上に不動化される。

全体として、試薬キャリヤ１１は、実質的に棒状の外観を呈し、そのスパチュラ状端部１２が検定チャンバ内に位置した状態で、マイクロフルイディックコンポーネント１内に設けられたチャネル状又は溝状アクセス１３中に挿入される。

試薬Ｒを試薬キャリヤ１１によって送る前に、検定チャンバ２を２つのフィルム状クロージャ１４によって封止する。これにより、検定チャンバ２、検体溶液Ｐ又は環境の汚染の恐れが減少する。数枚のフィルム状クロージャ１４の在庫を保つことによって、クロージャ１４のうちの１枚が損傷した場合であってもこれをこの汚染の恐れの減少を保証することができる。

検定チャンバ２に達するためには、試薬キャリヤ１１は、２枚のフィルム状クロージャ１４をそのスパチュラ状端部１２によって穴あけしなければならない。これを支援するため、スパチュラ状端部１２は、この目的のための先端１５を備えている。クロージャ１４のフィルムは、好都合には、クロージャ１４を穴あけした後であってもクロージャ１４の封止作用を促進する弾性材料で作られるのが良い。

図１では、試薬キャリヤ１１は、試薬Ｒが検体溶液Ｐ内に完全に浸漬されるのに十分遠くまで、そのスパチュラ状端部１２と共に検定チャンバ２中に既に挿入されている。

検体溶液Ｐ中への試薬１２の導入は、検体溶液Ｐ又は検定チャンバ２の方向における試薬キャリヤ１１の単純な並進運動によって達成される。更に、試薬キャリヤが試薬Ｒと検体溶液Ｐの混合中、試薬キャリヤが回転撹拌運動を行うことができるようにする矢印が提供されている。試薬キャリヤ１１のこれらの追加運動の結果として、試薬Ｒと検体溶液Ｐの混合度を著しく向上させることができる。

スパチュラ状試薬キャリヤ１１の形状は、場合によっては、実験室供給業者からの従来型使い捨てスパチュラをこれに対応して安価に使用することができるという利点を有する。しかしながら、他形態の試薬キャリヤ１１及び特にその端部１２も又想定できる。端部１２は、例えば断面が三角形であっても良く、その結果、１つの試薬を各表面上で不動化することができ、即ち、前部で３つの試薬を互いに別個独立に不動化することができる。長方形又は星形断面の場合、更にこれよりも多い試薬を被着させることができる。

例えば、ミキサーの形態と同等の螺旋形態も又可能であり、良好な混合効果を達成する。

図２は、バイオアッセイ及び対応の評価を実施するために検体溶液Ｐの導入後にマイクロフルイディックカートリッジＭＣを挿入することができるベンチ器械の形態をした分析装置１６を極めて概略的に示している。

マイクロフルイディックカートリッジＭＣは、好ましくは、射出成形コンポーネントである。

この場合、本発明のベンチ器械は、次のように用いられる。

マイクロフルイディックカートリッジＭＣを包装材から取り出し、そして検体溶液Ｐを適当な仕方で検定チャンバ２に送る。これは、例えば、患者自身又は医師によって対応の検体塗布領域を介して行われるのが良い。次に、マイクロフルイディックカートリッジＭＣに設けられている対応の充填開口部を例えば粘着タブによって適切に封止する。次に、マイクロフルイディックカートリッジＭＣを分析装置１６の対応の受け入れスロット１７中に押し込む。

分析装置１６は、プログラム選択スイッチ１９を用いて選択されるべき特定のバイオアッセイを開始させるための開始ボタン１８を有する。さらに、分析装置１６は、測定を実施するための光学測定ユニット２１、制御・評価ユニット２２及び出力ユニット２３（例えば、ディスプレイの形態をしている）を備えている。

実施されるべき検定がプログラムスイッチ１９を用いていったん選択されて開始ボタン１８が押されると、分析が開始され、制御・評価ユニット２２がバイオアッセイについて既定のイベントシーケンスに応じて分析装置１６内に設けられているアクチュエータ２４を適切な時点で作動させる。アクチュエータ２４は、試薬キャリヤ１１の回転運動並びに純粋に並進運動を可能にするよう構成されている。

さらに、図２は又、分析装置１６が複数の試薬キャリヤ１１のためのマガジン２０を備えることができるということ示している。各試薬キャリヤ１１は、プログラム選択スイッチを用いて選択されるべきバイオアッセイに応じて互いに異なる試薬Ｒを備えることができる。バイオアッセイをそれに従って選択した後、次に、必要とされる特定の試薬キャリヤ１１が分析装置１６によって選択されて検定チャンバ２に送られる。

図３に極めて概略的に示されているように、当然のことながら、マイクロフルイディックカートリッジＭＣ′及び試薬キャリヤ１１′から成る一ユニット（コイルユニット）を提供することも又可能である。この種の各ユニットは、実施されるべき特定のバイオアッセイと関連しているのが良い。ユニットを開けて検体溶液を上述したのと類似した仕方で検定チャンバ２′中に導入した後、ユニットを対応して構成された分析装置（図示せず）中に挿入し、他方、試薬キャリヤ１１′を分析装置の適当なアクチュエータによって別個の端領域２６（カートリッジＭＣ′に設けられた凹部２５内に配置されている）上に動かし又は検定チャンバ２′中に導入するのが良い。

１ マイクロフルイディックコンポーネント
２，２′ 検定チャンバ
３ 充填開口部
４ ベント開口部
５ 送りチャネル
６ 排出チャネル
７ 第１のチャンバ領域
８ 第２のチャンバ領域
９ 測定面
１０ 窓
１１，１１′ 試薬キャリヤ
１２，１２′ スパチュラ状端部
１３ アクセス
１４ フィルム状クロージャ
１５ 先端
１６ 分析装置
１７ 受け入れスロット
１８ 開始ボタン
１９ プログラム選択スイッチ
２０ 試薬キャリヤ用マガジン
２１ レーザ・測定ユニット
２２ 制御・評価ユニット
２３ 出力ユニット
２４ アクチュエータ
２５ 分析装置のアクチュエータのための凹部
２６ アクチュエータのための係合箇所としての試薬キャリヤの端領域
ＭＣ，ＭＣ′ マイクロフルイディックカートリッジ
Ｐ 検体溶液
Ｒ 試薬

Claims (4)

1. 少なくとも１つの検体溶液（Ｐ）を、マイクロフルイディックカートリッジ（ＭＣ）の少なくとも１つのチャンバ（２，２′）内で、少なくとも１つの試薬（Ｒ）と混合する方法であって、前記試薬（Ｒ）を少なくとも１つの可動コンポーネント（１１，１１′）によって前記検体溶液（Ｐ）に送って該検体溶液（Ｐ）に接触させ、前記可動コンポーネント（１１，１１′）は、スパチュラ（１２，１２′）構造のものである方法において、
   前記可動コンポーネント（１１，１１′）のスパチュラ端部は、その前側および後側に前記試薬（Ｒ）を担持し、捕獲抗体がその前側に担持され、検出抗体がその後側上に不動化され、
   前記可動コンポーネント（１１，１１′）は、少なくとも前記試薬（Ｒ）が前記検体溶液（Ｐ）と接触している間、円運動を行い、
   前記試薬（Ｒ）が前記検体溶液（Ｐ）と接触する前、前記可動コンポーネント（１１，１１′）が、前記チャンバ（２）に通じる少なくとも１つの閉鎖状態のアクセス（１４）を開く、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記可動コンポーネント（１１，１１′）は、少なくとも前記試薬（Ｒ）が前記検体溶液（Ｐ）と接触している間、回転運動を行う、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記可動コンポーネント（１１，１１′）は、少なくとも前記試薬（Ｒ）が前記検体溶液（Ｐ）と接触している間、揺動運動を行う、
   請求項１または２に記載の方法。
4. 前記可動コンポーネント（１１，１１′）は、前記試薬（Ｒ）を保持した部分（１２，１２′）が前記検体溶液（Ｐ）中に浸漬され、前記試薬（Ｒ）が前記検体溶液（Ｐ）によって完全に包囲されるようになる、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。

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