ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ДЛЯ МОНИТОРИНГА РЕАКЦИИ ПЦР-РВ Российский патент 2015 года по МПК G01N35/02 G01N21/25 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к оптическим системам регистрации. В частности, изобретение относится к системе оптического мультиплексирования для регистрации компонентов образца в, по меньшей мере, двух разных камерах для образцов, к способу регистрации компонентов образца в, по меньшей мере, двух разных камерах для образцов, к элементу компьютерной программы и к компьютерно-считываемому носителю.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) это техника, широко используемая в молекулярной биологии. Ее название происходит из одного из ее ключевых компонентов, полимеразы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), используемой для амплификации фрагмента ДНК путем энизиматической репликации в искусственных условиях. По ходу ПЦР сгенерированная ДНК используется как шаблон для репликации. Это задает в движении цепную реакцию, в которой шаблон ДНК экспоненциально амплифицируется. ПЦР позволяет амплифицировать одну или несколько копий фрагмента ДНК на несколько порядков величины, т.е. генерировать миллионы копий фрагмента ДНК. ПЦР можно экстенсивно модифицировать для осуществления широкого круга генетических манипуляций.

Таким образом, термоциклеры в качестве лабораторных приборов используются для амплификации сегментов ДНК посредством процесса ПЦР. Циклер повышает и понижает температурное окружение образцов в картриджах или камерах для образцов дискретными, заранее запрограммированными шагами.

В молекулярной биологии ПЦР в реальном времени (ПЦР-рв) или так называемая количественная ПЦР в реальном времени используется как лабораторная техника на основе реакции ПЦР для амплификации и, одновременно, количественной оценки таргетированной молекулы ДНК. Это позволяет регистрировать и количественно оценивать конкретную последовательность в образце ДНК.

В документе US 7507575 B2 описаны методики детектирования множества целевых компонентов ПЦР-рв. Например, система содержит устройство сбора данных и устройство детектирования, соединенное с устройство сбора данных. Устройство детектирования включает в себя вращающийся диск, имеющий множество рабочих камер, содержащих множество компонентов, которые излучают флуоресцентный свет на разных длинах волн. Указанное устройство дополнительно включает в себя множество сменных оптических модулей. Каждый из сменных оптических модулей оптически сконфигурирован для возбуждения компонентов и захватывания флуоресцентного света, излучаемого этими компонентами на разных длинах волн. Волоконный световод, соединенный с множеством сменных оптических модулей, передает флуоресцентный свет из оптических модулей на отдельный детектор.

В документе US 4234540 A раскрыто устройство постепенного измерения изменений коэффициента поглощения большого количества аликвот из множества разных образцов. Введение образцов, инструкции по тестированию, приготовление аликвот, распыление реагентов, измерение коэффициента поглощения и запись данных могут выполняться в непрерывном режиме обработки, причем аликвоты располагаются в массиве кювет, который медленно двигается вдоль круговой траектории. Фотометрические средства, предпочтительно имеющие несколько фотометрических детекторов, установлены с фиксированной ориентацией на общей опоре, которая стремительно двигается вдоль аналогичной круговой траектории, так что излучение, проходящее через каждую из кювет, отслеживается много раз определенным фотометрическим детектором к тому моменту, когда кювета сделает один круг вдоль своей траектории.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение улучшенной регистрации компонентов образца.

Определения

Камеры для образцов

В контексте настоящего изобретения, любой картридж, сосуд или контейнер, в котором может находиться образец, в особенности, жидкий образец, подлежит включению в понятие “камера для образцов”. В особенности, картриджи, обеспечивающие камеры ПЦР или контейнеры ПЦР, например, с нужной оптической прозрачностью, или, например, выполненные из такого материала, как полипропилен или любого другого термопластичного полимера, охватываются термином “камера для образцов” в контексте изобретения.

Источник света

В контексте настоящего изобретения, устройство любого рода, способное излучать монохроматическое или широкополосное электромагнитное поле, следует обозначать термином “источник света”. Кроме того, матрицы, образованные совокупностью источников света с одинаковыми или разными характеристиками в отношении частоты, поляризации, потока, потребляемой электрической мощности или технологии, используемой для испускания фотонов, должны охватываться термином “источник света”. Например, светодиоды (СИД), органический светодиод (ОСИД), полимерный светодиод (ПСИД), источники света на основе квантовых точек, источники белого света, галогенные лампы, лазеры, твердотельные лазеры, лазерные диоды, микропроводные лазеры, диодные твердотельные лазеры, поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором, СИД с фосфорным покрытием, тонкопленочные электролюминесцентные устройства, фосфоресцирующие ОСИД, неорганические/органические СИД, СИД, использующие технологии квантовой точки, матрицы СИД, системы прожекторного освещения на основе СИД, белые СИД, лампы накаливания, дуговые лампы, газоразрядные лампы и флуоресцентные трубки подлежат включению в термин “источник света”.

Детектор

Любое устройство, способное регистрировать электромагнитное излучение, следует обозначать термином “детектор”. Например, прибор с зарядовой связью (ПЗС), фотодиод, фотодиодная матрица. Кроме того, детектор можно приспособить таким образом, чтобы зарегистрированное излучение и соответствующую сгенерированную информацию можно было доставлять в хранилище, на компьютер или иной блок управления.

Образец

Употребляемый здесь термин “образец” означает вещество любого рода, содержащее один или несколько компонентов, которые можно зарегистрировать путем оптической регистрации, например, путем оптического возбуждения и последующего оптического считывания. Например, биохимические вещества можно анализировать в контексте настоящего изобретения. Кроме того, образец может представлять собой вещество, использование в области молекулярной диагностики, клинической диагностики, экспрессионных биочипах для генов и белков. Компоненты образца, каковые компоненты подлежат регистрации, могут, в особенности, быть любым веществом, которое может быть скопировано посредством ПЦР.

Частота/Длина волны

Если в описании не указано иное, термины “частота” и “длина волны” являются электромагнитными частотами и электромагнитной длиной волны.

Согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, представлена система оптического мультиплексирования для регистрации компонентов образца в, по меньшей мере, двух разных камерах для образцов. Система содержит первый оптический блок и второй оптический блок, причем первый оптический блок и второй оптический блок пространственно разнесены относительно друг друга. Кроме того, первый оптический блок содержит первый источник света и первый детектор, и второй оптический блок содержит второй источник света и второй детектор. Кроме того, система предназначена для приема, по меньшей мере, двух камер в позициях, соответствующих оптическим блокам, благодаря чему, первый и второй источники света соответственно освещают, по меньшей мере, одну камеру для образцов, и первый и второй детекторы соответственно принимают свет из, по меньшей мере, одной камеры для образцов. Это включает в себя первый источник света, освещающий камеру, находящуюся в позиции, соответствующей первому оптическому блоку, и второй источник света, освещающий камеру, находящуюся в позиции, соответствующей второму оптическому блоку. Это также включает в себя первый детектор, принимающий свет из камеры, находящейся в позиции, соответствующей первому оптическому блоку, и второй детектор, принимающий свет из камеры, находящейся в позиции, соответствующей второму оптическому блоку. Кроме того, система предназначена для относительного движения первого и второго оптических блоков относительно двух камер. Другими словами, первый и второй оптические блоки установлены в системе таким образом, что движение первого и второго оптических блоков относительно двух камер в принятой позиции может быть вызвано блоком управления. Таким образом, система устроена таким образом, что относительное движение может осуществляться после вставки в систему, по меньшей мере, двух камер.

Эта система оптического мультиплексирования позволяет одновременно регистрировать такие компоненты, как, например, патогены в, по меньшей мере, двух разных и пространственно разнесенных камерах для образцов. Другими словами, можно одновременно облучать, по меньшей мере, две разные камеры для образцов светом двух разных источников света одновременно и одновременно регистрировать переизученный свет соответствующих оптически возбужденных образцов в двух разных камерах для образцов с помощью соответствующего детектора.

Таким образом, возможны измерения пропускания образцов, в которых образец (камера) размещен(а) на пути между источником света и соответствующим детектором. Но также возможны измерения, в которых свет, исходящий из образца (или из компонентов образца), отклоняется зеркалами или другими оптическими компонентами.

Поскольку оптические блоки могут, например, регистрировать флуоресцентный свет, который может не иметь какого-либо предпочтительного направления после возбуждения, детекторы, при желании, можно расположить в любой позиции вокруг камер для образцов, когда камеры находятся в принятой позиции.

Таким образом, каждый оптический блок можно оптимизировать для оптического возбуждения образца и оптического считывания образца в отношении конкретных, но разных частот, т.е. цветов. В частности, первый источник света может излучать первую частоту, которую можно оптимизировать или согласовать для возбуждения первого красителя или флюорохрома в образце, и первый детектор можно оптимизировать для регистрации второй частоты, излучаемой возбужденным красителем или возбужденным флюорохромом первого образца. Однако второй источник света можно оптимизировать для возбуждения второго красителя или флюорохрома во втором образце путем облучения второго образца третьей частотой. Кроме того, второй детектор можно оптимизировать для регистрации излученной четвертой частоты с помощью второго красителя или флюорохрома во втором образце.

Другими словами, система оптического мультиплексирования согласно этому иллюстративному варианту осуществления позволяет пользователю производить так называемое “цветовое мультиплексирование”, используя множественные образцы, помеченные разными красителями или флюорохромами, одновременно в одном измерительном приборе. Это позволяет одновременно регистрировать с помощью детекторов несколько патогенов, присутствующих в единичном образце. Таким образом, этот единичный образец пациента можно разделить, например, на два образца, которые можно поместить в две разные камеры для образцов.

Кроме того, изобретение предусматривает так называемое “пространственное мультиплексирование”, при котором множественные объемы ПЦР в разных камерах для образцов могут содержать разные наборы праймеров. Это также позволяет одновременно регистрировать с помощью детекторов несколько патогенов, присутствующих в единичном образце.

Другими словами, система оптического мультиплексирования это оптическая система регистрации, содержащая несколько оптических блоков, каждый из которых способен регистрировать разные реакции ПЦР посредством мониторинга проб ПЦР в камерах для образцов, имеющих, например, разные спектры флуоресценции. Таким образом, первый и второй оптические блоки размещены таким образом, что каждый оптический блок имеет оптический доступ к одной из камер для образцов. Таким образом, все оптические блоки могут одновременно отслеживать реакции ПЦР во множестве разных камер, благодаря чему, достигается пространственное мультиплексирование. Цветовое мультиплексирование достигается инициированием относительного движения первого и второго оптических блоков относительно двух камер, в связи с тем, что первый и второй оптические блоки могут быть снабжены разными источниками света и разными детекторами, чтобы иметь возможность оптически возбуждать и оптически считывать разные красители или, например, разные флюорохромы в, по меньшей мере, двух разных образцах.

Тем не менее, при желании, можно снабдить первый и второй оптические блоки одинаковыми источниками света и/или одинаковыми детекторами. Система оптического мультиплексирования также может содержать блок управления, каковой блок управления предназначен вызывать относительное движение первого и второго оптических блоков относительно, по меньшей мере, двух камер для образцов.

Заметим, что система оптического мультиплексирования может содержать и более двух разных камер для образцов. Например, возможно наличие 3 или более разных камер для образцов. Кроме того, возможна конфигурация, в которой количество оптических блоков больше 2. Например, система может содержать 3 оптических блока или более. Таким образом, может быть предпочтительным вариант, когда количество оптических блоков соответствует количеству камер. Тем не менее, возможна конфигурация, в которой оптических блоков больше, чем камер, а также конфигурация, в которой камер больше, чем оптических блоков.

Кроме того, заметим, что в этом и любом другом иллюстративном варианте осуществления изобретения, если не указано иное, относительное движение может быть вызвано движением первого и второго оптических блоков относительно двух неподвижных камер, движением двух камер относительно неподвижных оптических блоков или первым движением оптических блоков и дополнительно вторым движением двух камер.

При вставке, по меньшей мере, двух камер в систему система принимает, по меньшей мере, две камеры в позициях, которые соответствуют оптическим блокам, благодаря чему, оптическое измерение может осуществляться соответствующим оптическим блоком в соответствующей камере для образцов. Например, держатель образца, к которому могут быть присоединены картриджи ПЦР, вставляется в систему таким образом, что две или более разных камер для образцов располагаются перед оптическим блоком, что каждый оптический блок имеет оптический доступ к единичной камере для образцов. Поэтому камера для образцов, которая может быть выполнена, как камера ПЦР, может обеспечивать оптический доступ с оптическим пропусканием, имеющим нужное значение. Кроме того, для камеры ПЦР можно использовать материалы, которые могут не обладать автофлуоресценцией или обладать, по меньшей мере, желаемым низким значением автофлуоресценции на длинах волны возбуждения, используемых первым и вторым источниками света. Этот оптический доступ камеры ПЦР можно реализовать, например, путем обеспечения, по меньшей мере, одной части камеры ПЦР, выполненной из оптически прозрачных материалов, например полипропилена, например в форме фольги.

Кроме того, каждый оптический блок может содержать оптическую полосу пропускания, фильтр, линзу, дихроичное зеркало или другие оптические компоненты для направления фотонов, испускаемых источником света, или фотонов, испускаемых возбужденным образцом, по нужному пути.

Система оптического мультиплексирования позволяет одновременно производить, по меньшей мере, два измерения с использованием, по меньшей мере, двух разных оптических длин волны и в двух пространственно разнесенных камерах для образцов. Система может поворачиваться после этих первого и второго измерений, произведенных системой в первой позиции, во вторую позицию. Во второй позиции, каждая камера для образцов оптически возбуждается и считывается на другой длине волны по сравнению с первой позицией.

В случае одновременного вращения всех оптических блоков вокруг неподвижных камер для образцов, устройство направляет электрические и/или электронные проводники от окружения системы (например, от блока управления) к источникам света и к детекторам таким образом, чтобы вращение не влияло на направление этих проводников. Таким образом, этот иллюстративный вариант осуществления решает проблему интеграции активных оптических компонентов во вращающуюся систему, каковые компоненты подлежат управлению извне системы.

Кроме того, в этом случае необходимо высокоточное движение вращающейся оптической головки, содержащей все оптические блоки, поскольку после каждого поворота каждый путь распространения фотонов, испускаемых каждым соответствующим оптическим блоком, нужно согласовывать с оптическим доступом соответствующей камеры для образцов или камеры ПЦР.

Поскольку эта система должна быть настроена на проведение очень большого количества циклов измерения, должны быть удовлетворены требования к долговечности вращающейся оптической головки. Этот иллюстративный вариант осуществления отвечает всем этим требованиям.

Таким образом, изобретение дает возможность быстрой и эффективной регистрации для регистрации нескольких патогенов в одном или нескольких образцах.

В случае, когда система должна осуществлять ПЦР-рв, система может содержать нагреватели для каждой камеры для образцов для выполнения протокола ПЦР. Например, блок управления может управлять разными реакциями ПЦР в разных камерах для образцов, а также может управлять одновременным оптическим возбуждением и считыванием камер для количественной оценки объема одного или более патогенов в образцах. Эта количественная оценка может базироваться, например, на зарегистрированных сигналах флуоресценции, которые могут дополнительно обрабатываться ПК или блоком управления.

Заметим, что согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, перемещение одного оптического блока из первой позиции во вторую позицию означает, что оптический блок перемещается от первой камеры обработки ко второй камере обработки и что, аналогично, второй оптический блок одновременно перемещается от третьей камеры обработки к четверной камере обработки. Важный аспект изобретения состоит в том, что разные оптические блоки могут одновременно проводить разные анализы разных камер для образцов, но каждый оптический блок может последовательно обращаться к каждой камере обработки по причине изменений позиции, вызванных относительным движением.

Как описано выше, изобретение дает возможность вращения набора камер обработки вместо оптических блоков. Важной особенностью является движение оптического узла относительно камер обработки.

Другими словами, после единичного цикла регистрации, оптический блок перемещается в следующую позицию, например, путем вращения, благодаря чему, по меньшей мере, некоторые оптические блоки перемещаются от предыдущей камеры к следующей камере. В новой позиции вновь регистрируется единичный цвет. В результате, камера, которая была сначала обслужена первым оптическим блоком, теперь обслуживается вторым оптическим блоком, регистрирующим цвет, отличный от цвета, зарегистрированного первым оптическим блоком.

В принципе, один образец внутри картриджа может излучать множество разных цветов. Например, из каждой камеры для образцов может излучать четыре или шесть разных цветов. Тем не менее, каждый оптический блок может быть устроен таким образом, чтобы регистрировать единичный цвет. Возможно и другое количество цветов.

Согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения, система оптического мультиплексирования устроена таким образом, что при осуществлении относительного движения электронные проводники для источников света и/или детекторов наматываются на ось вращения относительного движения.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, система оптического мультиплексирования дополнительно содержит двигатель, причем двигатель предназначен вызывать относительное движение.

Таким образом, двигатель может представлять собой устройство, содержащее механическую, электрическую, электромеханическую и/или магнитную технологию, позволяющую вызывать относительное движение. Кроме того, блок управления предназначен предписывать двигателю - инициировать или вызывать относительное движение.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, относительное движение является вращательным движением.

Картридж, который также может составлять часть системы, может содержать круглый держатель, содержащий камеры для образцов и другие блоки. Камеры для образцов, которые являются, например, камерами ПЦР, могут, таким образом, быть установлены по кругу, для вставки держателя в часть системы, содержащую оптические блоки. Эта часть будет в дальнейшем описана применительно к термину «оптическая головка». Совокупность оптических блоков также может располагаться по кругу на оптической головке. В этом иллюстративном варианте осуществления, расстояния между позициями разных камер для образцов на держателе камер для образцов могут быть равны расстояниям между оптическими блоками, закрепленными на оптической головке. Поэтому, в случае возникновения относительного движения, каждая из камер для образцов может устанавливаться частичным вращением оптической головки перед оптическим блоком. Таким образом, частичное вращение следует понимать как вращение, которое приводит к образованию различия в позиции до и после поворота на x°, где x меньше 360. Другими словами, благодаря последовательному вращению оптической головки со всеми оптическими блоками, каждая камера для образцов может последовательно возбуждаться и считываться каждым оптическим блоком. Используя разные красители или разные праймеры в разных образцах и используя разные длины волны и разные детекторы, можно получить комбинацию пространственного мультиплексирования и цветового мультиплексирования. Таким образом, система оптического мультиплексирования может быстро и недорого регистрировать несколько патогенов в одном образце, который может быть разделен на разные образцы, помещенные в разные камеры для образцов.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, система содержит поворотную раму, причем первый и второй оптические блоки установлены на поворотной раме, и двигатель вызывает относительное движение, вращая поворотную раму.

Другими словами, относительное движение осуществляется таким образом, что, по меньшей мере, два оптических блоки движутся синхронно.

Поворотная рама может содержать, например, верхнюю поворотную пластину и нижнюю поворотную пластину, причем нижняя поворотная пластина может иметь, например, круглую форму. Верхняя поворотная пластина может иметь, например, форму многоугольника. Кроме того, верхняя и нижняя поворотные пластины размещены таким образом, что оптические блоки могут быть закреплены между ними. Кроме того, верхняя и нижняя поворотные пластины размещены таким образом, что электрические проводники для источников и детекторов могут направляться через верхнюю поворотную пластину.

Кроме того, гибкий шлейф проводников может наматываться на ось вращения, при этом шлейф удлиняется в ходе вращения перпендикулярно оси вращения. С помощью этого шлейфа, содержащего электрические проводники, средство управления может подключаться к поворотной раме для управления разными источниками света и разными детекторами. Благодаря вращению, вызванному двигателем, каждая камера для образцов может оптически возбуждаться и считываться каждым оптическим блоком. В случае, например, четырех камер для образцов, необходимо четыре поворота для однократного размещения каждой камеры для образцов перед первым, вторым, третьим, четвертым и пятым оптическими блоками. В случае, например, двенадцати оптических блоков, потребуется двенадцать поворотов, чтобы каждый оптический блок достиг каждой камеры для образцов.

Круговое размещение, в первую очередь, камер для образцов и, во вторую очередь, оптических блоков может обеспечивать преимущество сокращения места, занимаемого всей конфигурацией системы.

Кроме того, система устроена таким образом, что оптические блоки можно избирательно непрерывно располагать в любой позиции по окружности посредством перемещения. Другими словами, возможен каждый угол между двумя позициями одного оптического блока до и после перемещения. При желании, систему можно организовать таким образом, чтобы оптические блоки могли располагаться посредством перемещения только в конкретных позициях остановки по окружности.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения относительное движение является прямолинейным движением.

При желании, относительное движение можно реализовать как прямолинейное движение для линейного сканирования разных камер для образцов оптическими блоками.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, система дополнительно содержит, по меньшей мере, один нагреватель, причем нагреватель предназначен для обеспечения термоциклирования в, по меньшей мере, одной камере для образцов.

Заметим, что совокупность нагревателей также может включать в себя совокупность нагревателей для каждой камеры для образцов может снабжаться системой. Это дает возможность системе оптического мультиплексирования осуществлять полные протоколы ПЦР и, таким образом, обеспечивать полные реакции ПЦР в разных камерах для образцов. Поэтому, возможно, что протокол ПЦР, поступающий на блок управления, каковой блок управления управляет выделением тепла в соответствующих камерах для образцов с помощью нагревателей. Таким образом, система может обеспечивать ПЦР в реальном времени измерения, поскольку, при желании, каждый оптический блок может одновременно осуществлять, соответственно, оптическое возбуждение и считывание.

Другими словами, система оптического мультиплексирования действует как термоциклер, который включает в себя полную систему оптического считывания в одном устройстве, чтобы вызывать полимеразную цепную реакцию и одновременно количественно оценивать таргетированную и амплифицированную молекулу ДНК путем вращения оптической головки относительно камер для образцов.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, нагреватель оптически прозрачен по отношению к, по меньшей мере, одному из первого и второго источников света.

Таким образом, нагреватель отвечает термическим и оптическим требованиям. Например, оптическая прозрачность нагревателя может превышать 80% в спектральном диапазоне от 300 нм до 800 нм длины волны. Кроме того, материал нагревателя может обладать пренебрежимо малой автофлуоресценцией на длинах волны возбуждения от 300 нм до 800 нм. Однако возможны и другие оптические характеристики нагревателей. Другими словами, нагреватели выбираются и оптически согласуются с используемыми длинами волны разных источников света.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, предусмотрено устройство молекулярной диагностики для анализа образца. Устройство содержит систему оптического мультиплексирования согласно одному из вариантов осуществления, упомянутых выше или ниже.

Устройство молекулярной диагностики может быть приспособлено для приема образца, например жидкого образца, например, по каналам подачи образца. Кроме того, устройство молекулярной диагностики может обрабатывать образец с помощью различных функциональных возможностей, как то, нагрева, охлаждения, смешивания или других функциональных возможностей обработки. Благодаря использованию системы оптического мультиплексирования и, возможно, управлению ею, устройство способно осуществлять полный процесс измерения образца, содержащий, например, полимеразную цепную реакцию. Таким образом, представлено полностью автоматизированное устройство для регистрации компонентов образца, где реализована выгодная комбинация пространственного мультиплексирования и цветового мультиплексирования, описанных выше и в дальнейшем.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, система предназначена вызывать разные реакции ПЦР в двух камерах с помощью нагревателя, и оптические блоки предназначены регистрировать различные продукты разных реакций ПЦР.

Другими словами, система оптического мультиплексирования, допускающая цветовое мультиплексирование и пространственное мультиплексирование, обеспечивает полную систему «ввод образца/вывод ответа» для ПЦР-рв. Другими словами, система может выполнять протокол ПЦР и создавать разные температурные прогрессии в разных камерах для образцов благодаря разным нагревателям, таким образом, вызывая амплификацию нужной ДНК. Одновременно, устройство способно, с помощью оптических блоков, оптически сканировать такие образцы на предмет наличия различных патогенов. Поэтому конкретные химические реакции в ходе ПЦР сначала оптически регистрируются с помощью разных оптических блоков, использующих разные оптические характеристики, наподобие описанных выше. Это устройство ПЦР-рв может одновременно возбуждать и регистрировать несколько патогенов в разных пространственно разнесенных камерах для образцов, и функциональные возможности для поворота оптических блоков к следующей камере для образцов и последующего сканирования камеры для образцов на другой оптической длине волны обеспечивает быструю и эффективную систему ПЦР-рв благодаря цветовому и пространственному мультиплексированию.

Другими словами, эта оптическая система регистрации типа «ввод образца/вывод ответа» для мониторинга реакций ПЦР-рв нагревает и охлаждает с помощью, по меньшей мере, одного нагревателя, камеры для образцов для достижения температуры, необходимой для каждого этапа реакции. Таким образом, можно использовать эффект Пельтье, который позволяет нагревать и охлаждать камеру для образцов путем обращения электрического тока. Таким образом, ПЦР может состоять из ряда, например, от двадцати до сорока повторяющихся изменений температуры, так называемых циклов. Таким образом, каждый цикл может состоять из двух или трех дискретных изменений температуры.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, предусмотрен способ регистрации компонентов образца в, по меньшей мере, двух разных камерах. Таким образом, способ содержит этапы, на которых обеспечивают первый оптический блок, содержащий первый источник света и первый детектор, обеспечивают второй оптический блок, содержащий второй источник света и второй детектор, обеспечивают блок управления, причем первый и второй оптические блоки пространственно разнесены друг от друга и первый и второй оптические блоки являются физически связанными частями оптической системы регистрации. Кроме того, способ содержит этапы, на которых вставляют первую камеру в систему и, таким образом, выравнивают первую камеру с первым оптическим блоком, вставляют вторую камеру в систему и, таким образом, выравнивают вторую камеру со вторым оптическим блоком. Дополнительно, способ содержит этапы, на которых осуществляют первое оптическое измерение первой камеры с помощью первого оптического блока, осуществляют второе оптическое измерение второй камеры с помощью второго оптического блока, инициируют движение первого и второго оптических блоков относительно двух камер с помощью блока управления, причем относительное движение осуществляется таким образом, что относительное движение приводит к выравниванию первой камеры со вторым оптическим блоком и, затем, выравниванию второй камеры с первым оптическим блоком.

Способ предусматривает объединение цветового мультиплексирования с использованием разных цветов флуоресценции для маркировки разных реакций ПЦР для разных патогенов или для разных последовательностей ДНК (участков ДНК) одного и того же патогена в единичной камере ПЦР с пространственным мультиплексированием с использованием множественных камер ПЦР для разных реакций ПЦР. Цветовое мультиплексирование достигается благодаря наличию разных оптических блоков, которые способны возбуждать и регистрировать разные спектры флуоресценции. Пространственное мультиплексирование может достигаться за счет перемещения оптических блоков от одной реакционной камеры к следующей. Таким образом, достигается эффективное мультиплексирование, позволяющее сканировать большее количество патогенов за единицу времени.

Поскольку первый и второй оптические блоки пространственно разнесены, они имеют совершенно разные и отдельные оптические пути от своего источника света к образцу и от образца к детектору.

Кроме того, вставка и выравнивание каждой камеры в систему осуществляется таким образом, что устанавливается оптический доступ между каждой камерой для образцов и соответствующим оптическим блоком. Таким образом, все оптические блоки могут соответственно, но одновременно отслеживать разные реакции ПЦР в разных камерах для образцов. После инициирования относительного движения между оптическими блоками и камерами для образцов, каждая камера для образцов может сканироваться разными оптическими блоками, что позволяет пользователю анализировать образец и количественно и качественно регистрировать разные компоненты образца, например разные патогены.

После первого оптического измерения в первой камере с помощью первого оптического блока и второго оптического измерения второй камеры с помощью второго оптического блока, инициируется относительное движение, например вращение, оптических блоков для перехода во вторую стационарную позицию, в которой первый оптический блок выровнен со второй камерой для образцов, и второй оптический блок выровнен с первой камерой для образцов.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, способ содержит этапы, на которых осуществляют третье оптическое измерение первой камеры с помощью второго оптического блока и осуществляют четвертое оптическое измерение второй камеры с помощью первого оптического блока.

После первого и второго измерений может производиться третье оптическое измерение с помощью второго оптического блока в первой камере и может производиться четвертое оптическое измерение с помощью первого оптического блока во второй камере для образцов. В этом иллюстративном варианте осуществления, в первой и второй камерах для образцов можно использовать разные праймеры, отличающиеся, например, флюорохромными веществами. Тем не менее, в этом и любом другом варианте осуществления изобретения флуорофор или флюорохром также можно присоединять к образцу или пробе, а не к праймеру.

В случае, например, когда первый оптический блок излучает красный свет и чувствителен, благодаря особому датчику, к красному свету, и второй оптический блок излучает синий свет и особо чувствителен, благодаря датчику, к синему свету, одна, две или более разных камер для образцов с разными образцами внутри можно оптически сканировать, чтобы можно было идентифицировать разные компоненты образцов. Количественная оценка количества компонентов также может производиться на основании результатов регистрации.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, способ дополнительно содержит этапы, на которых обеспечивают, по меньшей мере, один нагреватель и обеспечивают термоциклирование в камере для образцов с помощью нагревателя.

Другими словами, этот иллюстративный вариант осуществления описывает полный протокол ПЦР, включающий в себя оптическое считывание в реальном времени амплифицированной и таргетированной молекулы ДНК, причем количественная оценка молекулы ДНК может производиться на основании результатов регистрации детекторов.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, способ содержит этапы, на которых передают протокол ПЦР на блок управления, управляют нагревателем с помощью блока управления на основании протокола ПЦР, чтобы вызывать реакции ПЦР в камере для образцов.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения первое и второе измерения осуществляются одновременно.

Это позволяет повысить скорость измерения ПЦР-рв для каждого образца, поскольку образец можно разделить на разные части, подаваемые в разные камеры для образцов. Таким образом, изобретение позволяет сократить длительность регистрации патогенов в образце.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, предусмотрен элемент компьютерной программы, отличающийся тем, что предназначен, при использовании на компьютере общего назначения, предписывать компьютеру осуществлять этапы способа согласно одному из предыдущих вариантов осуществления.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения, предусмотрен компьютерно-считываемый носитель, на котором хранится элемент компьютерной программы.

Согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения, носитель, позволяющий загружать элемент компьютерной программы, каковой элемент компьютерной программы предназначен для осуществления способа согласно одному из вышеописанных вариантов осуществления изобретения.

Описанные варианты осуществления аналогично относятся к системе оптического мультиплексирования, способу регистрации компонентов образца, элементу компьютерной программы и компьютерно-считываемому носителю. Синергические эффекты могут возникать из разных комбинаций варианта осуществления, хотя они могут быть не описаны подробно.

Кроме того, заметим, что все варианты осуществления настоящего изобретения касаются способа, могут выполняться в описанном порядке этапов, тем не менее, он не является единственным и критичным порядком выполнения этапов способа. Здесь описаны всевозможные порядки и комбинации этапов способа.

Вышеописанные и другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения также явствуют из примеров вариантов осуществления, описанных ниже и поясненных со ссылкой на примеры вариантов осуществления. Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылкой на примеры вариантов осуществления, тем не менее, не ограничивающие изобретение.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - схема системы оптического мультиплексирования согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - схема оптического блока, используемого в системе оптического мультиплексирования согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема системы оптического мультиплексирования согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - схема оптического блока, используемого в системе оптического мультиплексирования согласно другому иллюстративному варианту осуществления изобретения.

Фиг.5 - блок-схема способа согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Аналогичные или взаимосвязанные компоненты на нескольких фигурах снабжены одинаковыми условными обозначениями. Фигуры выполнены схематично и не обязательно в масштабе.

На Фиг.1 показана система оптического мультиплексирования 100 для регистрации компонентов образца, например, патогенов, в четырех разных камерах 101, 102, 103 и 104 для образцов. Система содержит первый оптический блок 106 и второй оптический блок 107. Таким образом, первый оптический блок и второй оптический блок пространственно разнесены друг от друга. Первый оптический блок содержит первый источник света 108 и первый детектор 109, а второй оптический блок содержит второй источник света 110 и второй детектор 111. Кроме того, система 100 предназначена для приема четырех камер в позициях, которые, соответственно, соответствуют одному оптическому блоку. Этот прием символически обозначен стрелкой 127. Например, двигатель (не показан) может быть присоединен к системе 100, чтобы вызывать относительное движение, обозначенное 113. В этом иллюстративном варианте осуществления относительное движение является вращением показанных оптических блоков 106, 107, 114, 118, 119 и 120. Таким образом, оптические блоки вращаются вокруг неподвижного держателя 125 образцов.

Каждый образец в одной камере для образцов может излучать, например, четыре или шесть разных цветов, т.е. длин волны. Однако возможно и другое количество цветов. При желании, возможен только один цвет для каждой камеры.

Два нагревателя 116 схематически показаны на Фиг.1, где нагреватели предназначены вызывать термоциклирование в, по меньшей мере, одном образце, например, в образце, содержащемся в камере 103 для образцов. На этой схеме нагревателя указано, что систему оптического мультиплексирования можно рассматривать как полный термоциклер, осуществляющий реакции ПЦР-рв в четырех камерах для образцов. Поэтому протокол ПЦР может передаваться на блок управления (не показан).

Показанная система оптического мультиплексирования обеспечивает систему молекулярной диагностики для автоматической регистрации инфекционного заболевания. Таким образом, в показанном устройстве можно реализовать технику регистрации ДНК на основе ПЦР-рв. Таким образом, пользователь получает возможность регистрировать несколько патогенов, присутствующих в одном образце пациента, поскольку цветовое мультиплексирование и пространственное мультиплексирование органично объединены в показанной системе.

В ходе обработки ПЦР или любого протокола, материал образца может поступать в камеру для образцов. Можно также опустошать камеры для образцов. Для этого можно использовать каналы, ведущие в камеры для образцов.

На Фиг.2 схематически показан оптический блок 106, который можно использовать в системе 100 оптического мультиплексирования (не показанной здесь) согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Таким образом, первый оптический блок 106 содержит первый источник 108, который может представлять собой светодиод. Свет из светодиода 108 можно коллимировать с помощью линзы 200 с образованием почти параллельного пучка, который, пройдя через фильтр возбуждения 201, падает на дихроичное зеркало 202 для дальнейшего распространения через линзу 203, фокусирующую фотоны от СИД на камеру 101 для образцов. Этот путь света обозначен как 206, а второй путь света обозначен как 207. Позиция 207 обозначает траекторию фотонов, которые переизлучаются образцом в камере 101 для образцов, образуя флуоресцентный свет ПЦР, который собирается линзой 203. Отразившись от дихроичного зеркала 202, флуоресцентный свет из образца проходит через фильтр регистрации 204 и фокусируется линзой 205 на детектор 109.

На Фиг.3 показан другой иллюстративный вариант осуществления системы 100 оптического мультиплексирования с четырьмя оптическими блоками 106, 107, 118 и 120. Кроме того, показан держатель 125 для четырех разных камер для образцов. Кроме того, можно видеть поворотную раму 115, которая позволяет обеспечить вращение оптических блоков вокруг камер для образцов.

На Фиг.4 показан другой иллюстративный вариант осуществления оптического блока 106, способного вращаться. Это позволяет осуществлять пространственное мультиплексирование и цветовое мультиплексирование, как описано выше. Образец 126 освещается светом из первого источника света 108, каковой свет фокусируется линзой 200 и фильтруется фильтром 201, в котором дихроичное зеркало 202 отражает свет на образец 126. Переизлученный свет из образца распространяется из образца через дихроичное зеркало 202 и проходит через фильтр регистрации 204, после чего фокусируется линзой 205 на детектор 109, который специально сделан чувствительным к конкретной длине волны, которая излучается образцом при облучении конкретной длиной волны, излучаемой источником 108.

На Фиг.5 показана блок-схема способа согласно другому иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения. Способ содержит этапы, на которых обеспечивают, S1, первый оптический блок, содержащий первый источник света и первый детектор обеспечивают, S2, второй оптический блок, содержащий второй источник света и второй детектор, обеспечивают, S3, блок управления, причем первый и второй оптические блоки пространственно разнесены друг от друга и первый и второй оптические блоки являются физически связанными частями оптической системы регистрации. Кроме того, S4 обозначает этап, на котором вставляют первую камеру в систему и, таким образом, инициируют этап S5 выравнивания первой камеры с первым оптическим блоком. Затем или одновременно осуществляется этап S6, на котором вставляют вторую камеру в систему и, таким образом, инициируют этап S7 выравнивания второй камеры со вторым оптическим блоком. Наконец, осуществляется этап S8, на котором производят первое оптическое измерение первой камеры с помощью первого оптического блока для регистрации патогенов в образце, обработанном посредством ПЦР, каковые патогены оптически регистрируются. Этап S9 осуществления второго оптического измерения второй камеры с помощью второго оптического блока может осуществляться одновременно, последовательно или частично одновременно с этапом S8. После первого и второго оптических измерений осуществляется этап S10, на котором инициируют движение первого и второго оптических блоков относительно двух камер с помощью блока управления. Благодаря этому относительному движению, позиции камер для образцов изменяются таким образом, что образуются новые пары образцов и оптических блоков. Другими словами, относительное движение осуществляется таким образом, что относительное движение приводит к выравниванию первой камеры со вторым оптическим блоком, который соответствует этапу S11 и этапу S12 выравнивания второй камеры с первым оптическим блоком.

Специалисты в данной области техники могут предложить и воплотить на практике другие разновидности раскрытых вариантов осуществления заявленного изобретения, ознакомившись с чертежами, раскрытием и формулой изобретения. В формуле изобретения слово “содержащий” не исключает наличия других элементов или этапов, и употребление единственного числа не исключает наличия совокупности таких элементов или этапов.

Единичный процессор или другие блоки могут выполнять функцию нескольких элементов или этапов, указанных в формуле изобретения. Лишь тот факт, что определенные меры указаны во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что комбинацию этих мер нельзя выгодно использовать. Компьютерная программа может храниться/распространяться на подходящем носителе, например, оптическом носителе или полупроводниковом носителе, поставляемом совместно с другим оборудованием или в его составе, но также может распространяться в других формах, например, через интернет или другие системы проводной или беспроводной связи.

Никакие условные обозначения в формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения объема формулы изобретения.

Изобретение относится к оптической системе регистрации для мониторинга полимеразной цепной реакции (ПЦР) в реальном времени в совокупности камер для образцов с помощью совокупности оптических блоков. Благодаря относительному движению оптических блоков относительно камер для образцов, можно объединять цветовое мультиплексирование и пространственное мультиплексирование для оптической регистрации патогенов в образце в процессе ПЦР и получения количественного результата. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система (100) оптического мультиплексирования для регистрации компонентов образца в по меньшей мере трех разных камерах (101-104) для образцов, причем система содержит
первый оптический блок (106) и второй оптический блок (107),
причем первый оптический блок и второй оптический блок пространственно разнесены относительно друг друга,
первый оптический блок содержит первый источник (108) света и первый детектор (109),
второй оптический блок содержит второй источник (110) света и второй детектор (111),
при этом указанная система выполнена с возможностью приема по меньшей мере трех камер для образцов, подлежащих приему в позициях, соответствующих оптическим блокам, благодаря чему первый и второй источники света соответственно освещают по меньшей мере одну камеру для образцов, и первый и второй детекторы, соответственно, принимают свет из по меньшей мере одной камеры для образцов, и
при этом указанная система выполнена с возможностью:
осуществления первого оптического измерения первой камеры для образцов с помощью первого оптического блока;
осуществления второго оптического измерения второй камеры для образцов с помощью второго оптического блока;
инициирования относительного движения (113) первого оптического блока и второго оптического блока относительно по меньшей мере трех камер для образцов, чтобы обеспечить стационарную позицию, в которой первый оптический блок выровнен со второй камерой для образцов, а второй оптический блок выровнен с третьей камерой для образцов.

2. Система оптического мультиплексирования по п.1, дополнительно содержащая двигатель (114), причем двигатель выполнен с возможностью инициирования относительного движения.

3. Система оптического мультиплексирования по п.1 или 2, в которой относительное движение является вращательным движением.

4. Система оптического мультиплексирования по п.2, дополнительно содержащая поворотную раму (115), причем первый и второй оптические блоки установлены на поворотной раме, и двигатель вызывает относительное движение путем вращения поворотной рамы.

5. Система оптического мультиплексирования по п.1 или 2, в которой относительное движение является линейным движением.

6. Система оптического мультиплексирования по п.1, дополнительно содержащая по меньшей мере один нагреватель (116),
причем нагреватель выполнен с возможностью обеспечения термоциклирования в по меньшей мере одной камере для образцов.

7. Система оптического мультиплексирования по п.6, в которой нагреватель оптически прозрачен по отношению к по меньшей мере одному из первого источника света и второго источника света.

8. Система оптического мультиплексирования по п.1,
дополнительно содержащая третий оптический блок, четвертый оптический блок, пятый оптический блок и шестой оптический блок, причем конструкция каждого из третьего, четвертого, пятого и шестого оптических блоков идентична конструкции первого и второго оптических блоков;
при этом число камер для образцов равно пяти; и
при этом система выполнена с дополнительной возможностью:
осуществления оптических измерений, во время которых первый, второй, третий, четвертый и пятый оптические блоки выровнены с первой, второй, третьей, четвертой и пятой камерами для образцов соответственно, а шестой оптический блок выровнен с пустым пространством; и
инициирования относительного движения упомянутых шести оптических блоков относительно упомянутых пяти камер для образцов, чтобы обеспечить стационарную позицию, в которой первый оптический блок выровнен со второй камерой для образцов, второй оптический блок выровнен с третьей камерой для образцов, третий оптический блок выровнен с четвертой камерой для образцов, четвертый оптический блок выровнен с пятой камерой для образцов, пятый оптический блок выровнен с пустым пространством и шестой оптический блок выровнен с первой камерой для образцов.

9. Устройство молекулярной диагностики для анализа образца, причем устройство содержит систему оптического мультиплексирования по одному из пп.1-8.

10. Способ регистрации компонентов образца в по меньшей мере трех разных камерах для образцов, причем способ содержит этапы, на которых
обеспечивают первый оптический блок, содержащий первый источник света и первый детектор (S1),
обеспечивают второй оптический блок, содержащий второй источник света и второй детектор (S2),
обеспечивают блок управления (S3),
причем первый оптический блок и второй оптический блок пространственно разнесены относительно друг друга, и
первый оптический блок и второй оптический блок являются физически связанными частями оптической системы регистрации,
вставляют первую камеру для образцов в систему (S4) и, таким образом, выравнивают первую камеру для образцов с первым оптическим блоком (S5),
вставляют вторую камеру для образцов в систему (S6) и, таким образом, выравнивают вторую камеру для образцов со вторым оптическим блоком (S7),
вставляют третью камеру для образцов в систему;
осуществляют первое оптическое измерение первой камеры для образцов с помощью первого оптического блока (S8),
осуществляют второе оптическое измерение второй камеры для образцов с помощью второго оптического блока (S9),
инициируют относительное движение первого оптического блока и второго оптического блока относительно трех камер для образцов с помощью блока управления (S10), чтобы обеспечить стационарную позицию, в которой первый оптический блок выровнен со второй камерой для образцов (S11), и второй оптический блок выровнен с третьей камерой для образцов (S12).

11. Способ по п.10, дополнительно содержащий этапы, на которых обеспечивают по меньшей мере один нагреватель (S15), инициируют термоциклирование в камере для образцов с помощью нагревателя (S16).

12. Способ по п.11, дополнительно содержащий этапы, на которых передают протокол ПЦР на блок управления (S17) и управляют нагревателем с помощью блока управления на основании протокола полимеразной цепной реакции (ПЦР), чтобы вызывать реакции ПЦР в камере для образцов (S18).

13. Способ по п.10, в котором первое измерение и второе измерение осуществляются одновременно.

14. Компьютерно-считываемой носитель, на котором хранится компьютерная программа, которая при реализации компьютером предписывает компьютеру осуществлять этапы способа по одному из пп. 10-13.