СПОСОБ ПОДГОТОВКИ БИОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА К ИССЛЕДОВАНИЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГОМОГЕНИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01N1/28 

Изобретение относится к способам подготовки биологических материалов для проведения исследований, например, методами электрофореза и изоэлектрического фокусирования, а также к устройствам для измельчения материалов, в частности биологических тканей, и может быть использовано, например, для приготовления экстрактов белков и ферментов при анализе больших выборок животных и растений.

Известен способ подготовки биологического материала к исследованиям, включающий сбор биологического материала в специальные емкости, последующий перенос образцов в емкости для предварительного измельчения и гомогенизации, перенос гомогенизированных образцов в центрифужные пробирки и последующий перенос экстрагированных образцов в пробирки для последующего анализа или хранения в замороженном состоянии. (Генетика изоферментов., Москва, Наука, 1977, 275 с.). Этот способ принят в качестве прототипа.

Недостатки известного способа заключаются в необходимости использования различных емкостей для сбора и последующих предварительного измельчения, гомогенизации, центрифугирования и хранения каждого отдельного образца, то есть необходимость многократных перемещений образцов из емкости в емкость. Последовательное выполнение необходимых операций с каждым образцом в отдельности требует больших затрат времени, что усложняет проведение массовых анализов больших выборок и увеличивает вероятность возникновения экспериментальных ошибок.

Известно также лабораторное устройство для растирания и экстракции органических веществ, содержащее привод, соединенный с ним пестик, держатель и закрепленный в амортизаторе стакан, причем рабочая часть пестика выполнена в виде обратно усеченного конуса, а амортизатор - в виде упругого кольца. (А. с. СССР N 674792, B 02 C 19/18, 1979).

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность его использования для гомогенизации малых объемов исследуемого материала, а также сочных образцов, например растительных, неоднородность измельчения и значительное количество выделяемого тепла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для гомогенизации биологических тканей - гомогенизатор Поттера, включающий привод, вертикально установленный на штативе с возможностью перемещения подвижный рабочий орган в виде стержня, опорный столик с емкостью для гомогенизации и охлаждающей емкостью. (Fisher Scientific Company, Cataloque. Fisher 86, N 08-452-34, стр. 1522).

К недостаткам известного устройства можно отнести необходимость предварительного грубого измельчения, а также возможность обработки только одного образца, что значительно удлиняет процесс подготовки и исследования материалов.

Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого изобретения, является сокращение трудозатрат и времени при проведении массового анализа больших выборок исследуемого материала.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является уменьшение количества промежуточных операций и связанных с этим технических ошибок. Технический результат заключается также в том, что обеспечивается возможность одновременной гомогенизации большого числа образцов в равных условиях, то есть при одинаковых температуре, скорости и времени гомогенизации.

Указанный технический результат достигается тем, что при подготовке биологического материала к исследованиям, включающей сбор образцов, хранение, транспортировку, предварительное измельчение и гомогенизацию, согласно изобретению, собранные образцы помещают в специальный контейнер, в котором производят все последующие операции, включая транспортировку, хранение, предварительное измельчение, гомогенизацию и центрифугирование, причем контейнер выполнен в виде многоячеистой кассеты.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве для измельчения и гомогенизации биологических тканей, включающем привод, соединенный с вертикально установленным рабочим органом и опорный столик с размещенной на нем емкостью для гомогенизации, согласно изобретению, рабочий орган состоит из нескольких вращающихся стержней, размещенных по меньшей мере в один ряд; емкость для гомогенизации выполнена в виде многоячеистой кассеты, число ячеек в которой равно N•kM, где N - число стержней в ряду, M - число рядов, а коэффициент кратности k - целое число. Стержни имеют конусообразный торец, повторяющий форму дна ячейки и снабженный по меньшей мере одной спиральной выборкой, образующей режущую грань. Опорный столик установлен с возможностью горизонтального перемещения с шагом равным расстоянию между рядами ячеек.

Ячейки используемой кассеты могут быть выполнены ступенчатого сечения с увеличением сечения к верхней поверхности и равенством объемов верхней и нижней ступеней. Целесообразно также выполнение на нижней поверхности кассеты продольных пазов, совмещаемых с выполненными на опорном столике П-образными направляющими, повторяющими форму пазов кассеты, причем П-образные направляющие могут быть выполнены из теплопроводящего материала, могут быть составными, соединенными между собой упруго, а в случае выполнения опорного столика с охлаждающей системой патрубки с охлаждающей жидкостью могут быть размещены внутри П-образных направляющих.

Предлагаемый способ подготовки биологического материала к исследованию позволяет значительно упростить проведение массовых анализов больших выборок за счет возможности сбора и проведения всех последующих операций одновременно для большого числа образцов с использованием специального контейнера - многоячеистой кассеты, без перемещения образцов тканей в другие емкости, что также значительно снижает вероятность возникновения экспериментальных ошибок.

При этом выполнение устройства для гомогенизации с рабочим органом в виде нескольких вращающихся стержней, расположенных по меньшей мере в один ряд, и предлагаемая конструкция многоячеистой кассеты обеспечивают одновременную гомогенизацию нескольких образцов биологических тканей, размещенных в ячейках одного ряда, и возможность последующей обработки образцов, размещенных в ячейках следующего ряда при горизонтальном перемещении опорного столика на расстояние равное расстоянию между ячейками смежных рядов. Это значительно сокращает время обработки образцов по сравнению с использованием известных устройств. Кроме того, наличие режущей кромки на торце стержня и его форма, повторяющая форму дна ячейки, обеспечивает предварительное измельчение образца биологической ткани и гомогенизацию за счет продавливания и растирания между стенками ячейки и вращающимся стержнем, то есть создает сочетание различных по характеру воздействий на образец и обеспечивает высокое качество гомогенизации.

При выполнении ячеек ступенчатыми обеспечивается сбор гомогената в объеме верхней ступени, что предотвращает его выплескивание и вытекание, то есть уменьшает возможные потери исследуемого материала, что имеет большое значение при проведении экспериментов с образцами малых размеров и массы, например 5-200 мг.

Выполнение нижней поверхности кассеты с продольными пазами, а опорного столика с П-образными направляющими, повторяющими форму пазов, обеспечивает надежное крепление кассеты на опорном столике и удобство перемещения кассеты. При этом выполнение направляющих из теплопроводящего материала делает возможным размещение в них патрубков с охлаждающей жидкостью для создания эффективного охлаждения ячеек кассеты, стенки которых контактируют с охлаждаемыми направляющими. Таким образом обеспечивается поддержание необходимой температуры при гомогенизации образцов биологических тканей, что предотвращает изменение нативных свойств белков и нуклеиновых кислот. Для создания более плотного контакта кассеты с опорным столиком и обеспечения эффективного охлаждения ячеек с гомогенатом возможно выполнение П-образных направляющих составными, с упругим соединением частей.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими чертежами:
фиг. 1 - устройство для гомогенизации, общий вид;
фиг. 2 - то же, фрагмент, разрез;
фиг. 3 - стержень рабочего органа, общий вид;
фиг. 4 - многоячеистая кассета, вид в плане;
фиг. 5 - то же, разрез.

Предлагаемое устройство для гомогенизации включает в себя размещенные в корпусе 1 станину, привод электродвигателя, соединенный с вертикально установленным рабочим органом, содержащим по меньшей мере один ряд вращающихся стержней 2, опорный столик 3, закрепленный на стойке 4 с возможностью вертикального перемещения посредством рычага 5 и горизонтального перемещения посредством рычага 6. На опорном столике 3 размещена многоячеистая кассета 7, в которой число ячеек 8 кратно числу стержней 2. Стержни 2 имеют конусообразный торец, повторяющий форму дна ячейки 8, причем на торце выполнена спиралеобразная выборка 9, образующая режущую грань. Стержни 2 закреплены в полых осях 10, соединенных с приводом. Ячейки 8 кассеты 7 выполнены ступенчатого сечения с увеличением диаметра к верхней поверхности и равенством объемов верхней и нижней ступеней. На нижней поверхности кассеты 7 выполнены продольные пазы 11, а опорный столик 3 выполнен с П-образными направляющими 12, форма которых повторяет форму пазов 11 кассеты 7. Опорный столик 3 может быть снабжен охлаждающей системой, содержащей патрубки 13 с охлаждающей жидкостью, размещенные внутри П-образных направляющих 12, которые выполнены в данном случае составными из двух частей 12а и 12б, упруго соединенных между собой посредством пружины 14.

Предлагаемый способ подготовки биологического материала осуществляют следующим образом. Собранные образцы помещают в ячейки 8 кассеты 7. При большом количестве образцов кассеты 7 с заполненными ячейками устанавливают друг на друга и перевозят к месту исследования. При необходимости длительного хранения кассеты помещают в низкотемпературный холодильник.

Измельчение и гомогенизацию образцов после добавления экстрагирующей жидкости также выполняют в кассетах 7, для чего используют предлагаемое устройство для гомогенизации биологических материалов. Для этого кассеты 7 с заполненными ячейками 8 устанавливают на опорный столик 3, совмещая продольные пазы 11 с направляющими 12.

При выполнении направляющих 12 составными из двух частей 12а и 12б перед этим сжимают пружину 14, обеспечивающую плотный прижим направляющих 12 к кассете 7. Движением рычага 5 опорный столик 3 с кассетой 7 поднимают вверх до полного совмещения ячеек 8 со стержнями 2, при этом происходит уплотнение материала образца. При вращении стержней 2 биологическая ткань постепенно измельчается режущей кромкой 9, а затем продавливается в верхнюю ступень ячейки 8. После гомогенизации части образцов столик 3 опускают, стержни 2 промывают водой и выполняют горизонтальное перемещение столика 3 посредством рычага 6 на расстояние равное расстоянию между рядами ячеек. Число горизонтальных перемещений опорного столика 3 зависит от количества рядов стержней и ячеек. Например, при установке в устройство для гомогенизации 16 стержней (число стержней в ряду N = 4, число рядов M = 4) была изготовлена кассета с 48 ячейками (N = 4, M = 4, k = 3). Для гомогенизации всех размещенных в ячейках образцов необходимо выполнить двукратное перемещение опорного столика 3.

Кассеты 7 могут быть изготовлены, например, механической обработкой из органического стекла или пластмассы, или литьем из полистирола. При изготовлении кассеты 7 размерами 100 х 100 х 40 мм ячейки 8 имели диаметр нижней ступени 5 мм, их глубина составляла 27 мм, межосевое расстояние между рядами ячеек 8-7 мм, а между ячейками в ряду - 21 мм, с увеличением расстояния в центре кассеты 7 для закрепления на опорном столике 3 посредством пружинного зажима (условно не показан). При выполнении П-образных направляющих 12 составными с упругим соединением частей, обеспечивающих надежное крепление кассеты 7 на опорном столике 3 расстояния между ячейками 8 в ряду могут быть равными. Ячейки 8 в верхней части расфрезерованы до габаритов 18 х 12 х 5,1 мм для приема гомогената, общий объем которого может составлять до 0,5 см³. При этом выполненные из нержавеющей стали стержни 2 имели диаметр 5 мм. Охлаждение кассет 7 с образцами осуществлялось при прохождении охлаждающей жидкости от циркуляционного термостата через патрубки 13, размещенные внутри П-образных направляющих 12, выполненных из латуни и эффективно отводящих тепло от стенок кассеты 7.

Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что возможны различные модификации описанного устройства, причем все они охватываются изложенной ниже формулой изобретения.

Использование - анализ биологического сырья. Способ подготовки биологического материала к исследованию включает измельчение, гомогенизацию и центрифугирование, причем собранные образцы помещают в специальный контейнер, в котором производят все вышеперечисленные операции, а контейнер выполнен в виде многоячеистой кассеты. Устройство для гомогенизации образцов тканей животных и растений включает размещенные в корпусе станину, привод электродвигателя, соединенный с вертикально установленным рабочим органом, содержащим по меньшей мере один ряд вращающихся стержней, опорный столик, закрепленный на стойке с возможностью вертикального перемещения посредством рычага и горизонтального перемещения посредством рычага. На опорном столике размещена многоячеистая кассета. Технический результат - уменьшение количества промежуточных операций. 2 с. и 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ подготовки биологического материала к исследованию, включающий сбор образцов, хранение, транспортировку, предварительное измельчение, гомогенизацию и центрифугирование, отличающийся тем, что собранные образцы помещают в контейнер, выполненный в виде многоячеистой кассеты, при этом образцы помещают в ячейки кассеты и все вышеперечисленные операции производят в указанном контейнере. 2. Устройство для гомогенизации образцов тканей животных и растений, включающее привод, соединенный с вертикально установленным рабочим органом, и опорный столик с размещенной на нем емкостью для гомогенизации, отличающееся тем, что рабочий орган состоит из нескольких вращающихся стержней, размещенных по меньшей мере в один ряд, а емкость для гомогенизации выполнена в виде многоячеистой кассеты, количество ячеек в которой определяется соотношением N•kM, где N - число стержней в ряду, М - число рядов, а коэффициент кратности k - целое число, при этом опорный столик установлен с возможностью горизонтального перемещения с шагом, равным расстоянию между рядами ячеек, каждый стержень снабжен конусообразным нижним торцом, повторяющим форму дна ячейки и выполненным по меньшей мере с одной торцевой спиралеобразной выборкой, образующей режущую грань. 3. Устройство для гомогенизации по п.2, отличающееся тем, что ячейки выполнены ступенчатого сечения, с увеличением сечения к верхней поверхности, причем объем нижней ступени ячейки равен объему верхней ступени. 4. Устройство для гомогенизации по п.2 или 3, отличающееся тем, что на нижней поверхности кассеты выполнены продольные пазы, а опорный столик снабжен П-образными направляющими, выполненными из теплопроводящего материала, причем форма направляющих повторяет форму продольных пазов кассеты. 5. Устройство для гомогенизации по п.4, отличающееся тем, что опорный столик снабжен охлаждающей системой, которая содержит патрубки с охлаждающей жидкостью, размещенные внутри П-образных направляющих. 6. Устройство для гомогенизации по п.4 или 5, отличающееся тем, что направляющие выполнены составными из двух элементов, упруго соединенных между собой.