СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ РЕАКЦИОННЫХ ЛУНОК ОДНОРАЗОВОГО КАРТРИДЖА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ АМПЛИФИКАЦИИ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Российский патент 2024 года по МПК C12Q1/68 C12Q1/6825 G01N35/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к устройствам для проведения клинико-диагностических исследований и может быть использовано для одновременного проведения нескольких процессов амплификации нуклеиновых кислот внутри одноразового картриджа.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны способы проведения амплификации нуклеиновых кислот при помощи микрофлюидного картриджа, в которых используется регулирование давлением и вакуумом в процессе амплификации.

Заявленный способ в определенной степени схож с аналогами по применяемым техническим средствам, однако в отличии от аналогов служит для заполнения реакционных лунок до самого процесса амплификации.

Известна операционная система для микрофлюидного анализа и методы ее использования (см. US 2014377146 A1, опубл. 25.12.2014) (1). Портативный аналитический картридж с пневматическим приводом, имеющий области захвата аналита, связанная с микрофлюидными каналами внутри его, портативный картридж имеет пневматические порты, которые можно прижимать к пневматическим портам исполнительного устройства для контролируемой подачи положительного давления и вакуума к пневматическим рабочим каналам внутри картриджа, картридж имеющий колодец для приема образца от пользователя и микрофлюидные каналы, которые включают в себя пневматические поршни и клапаны, управляемые пневматическими рабочими каналами, чтобы обеспечить все потоки анализа из резервуаров через реакционные области внутри картриджа в бортовой резервуар для отходов во время проведения анализа.

Устройство (1) имеет ряд недостатков, такие как наличие отдельного пневматического порта и электромагнитного клапана на каждом канале одноразового картриджа. Такие конструктивные особенности ведут к усложнению, удорожанию, а также к снижению надёжности всей системы. Наличие множества пневматических портов в картридже влечет за собой повышенные требования к герметичному соединению портов картриджа с исполнительными устройствами, что может повлечь за собой нарушение герметичности, следствием чего могут возникать ошибки в работе пневматической или вакуумной системе.

Также известна автоматизированная система анализа нуклеиновых кислот, выбранная в качестве ближайшего аналога, способная быстро и удобно получать результат анализа образца (см. KR 20140141879 A, опубл. 11.12.2014) (2). Данная система анализа нуклеиновых кислот состоит из следующих узлов: пневматический модуль, подающий повышенное давление и вакуум в картридж с микрофлюидным элементом; модуль термоциклирования, контролирующий температуру определенной части картриджа; модуль оптической детекции, регистрирующий флуоресцентный сигнал; модуль обнаружения жидкости, определяющий, является ли жидкость в конкретной части картриджа газообразной или жидкой; модуль передачи, управляющий положениями оптического модуля и модуля обнаружения жидкости; и модуль управления, управляющий работой модулей, а также обрабатывающий и анализирующий данные результатов операций.

Предложенный аналог (2) имеет схожие конструктивные решения с устройством (1). В устройстве (2) также присутствует массив электромагнитных клапанов для управления отдельными пневматическими или вакуумными магистралями. Наличие таких механизмов также влечет за собой усложнение, удорожание, а также увеличение габаритов системы. Кроме этого, в состав прибора входит отдельная большая емкость для хранения реагентов, что снижает мобильность прибора и увеличивает риск контаминации.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной с автоматизацией одновременного проведения нескольких процессов амплификации нуклеиновых кислот в массиве отдельных реакционных лунок.

Техническим результатом изобретения является способ равномерного заполнения массива реакционных лунок реакционной смесью, предотвращающий перемешивание содержимого этих лунок как во время их заполнения, так и во время проведения в них процесса амплификации нуклеиновых кислот.

Заявленный технический результат достигается посредством создания способа заполнения реакционных лунок микрофлюидного чипа одноразового картриджа для проведения амплификации нуклеиновых кислот включающего: загрузку в исполнительное устройство с анализируемой пробой и необходимыми реагентами для проведения процесса амплификации нуклеиновых кислот одноразового картриджа с микрофлюидным чипом, состоящего из реакционных лунок, сообщающихся между собой с помощью каналов, каждый из которых имеет два отверстия: загрузочное и вентиляционное или нескольких каналов, объединенных в общую сеть каналов таким образом, чтобы иметь одно общее загрузочное и одно общее вентиляционное отверстия.

Способ характеризуется тем, что исполнительное устройство перекрывает вентиляционное отверстие чипа и создает внутри каналов с ячейками вакуум через загрузочное отверстие с помощью насоса, входящего в состав исполнительного устройства или золотника картриджа, далее подают исполнительным устройством посредством одноразового картриджа через загрузочное отверстие реакционную смесь, которая полностью заполняет собой каналы и реакционные лунки, при этом давление внутри каналов и лунок становится равным атмосферному.

В частном варианте выполнения внутри одноразового картриджа с помощью исполнительного устройства проходят процессы обработки анализируемой пробы и приготовление реакционной смеси, которой будет заполнен микрофлюидный чип.

В частном варианте выполнения лунка микрофлюидного чипа содержит в себе соответствующие химические компоненты, отвечающие за специфичность протекания процесса амплификации, например, но не ограничиваясь, праймеры, зонды.

В частном варианте выполнения вакуум внутри чипа может создаваться с помощью золотника картриджа, который состоит из состоит из трех основных частей: цилиндра, в котором возвратно-поступательно перемещается поршень, тарелки с несколькими отверстиями, а также поводка, причем поворот золотника и перемещение поршня внутри его цилиндра осуществляется исполнительным устройством.

В частном варианте выполнения вакуум создается путем последовательного выполнения следующих операций:

(1) перемещение поршня золотника в крайнее верхнее положение и его позиционирование таким образом, чтобы позиция для откачивания совпала с загрузочным отверстием чипа с последующим движением поршня в крайнее нижнее положение и создание тем самым разрежения в чипе,

(2) поворот золотника и его позиционирование у другой лунки картриджа, при этом, за счет герметичности соединения чипа с картриджем, разрежение в чипе остается,

(3) сброс воздуха из цилиндра золотника в ячейку картриджа путем перемещения поршня золотника в крайнее верхнее положение,

(4) многократный повтор последовательных операций 1-3, причем за каждую последующую итерацию разрежение в чипе увеличивается.

В одном из вариантов выполнения исполнительное устройство открывает вентиляционное отверстие и откачивает реакционную смесь из каналов микрофлюидного чипа, при этом лунки чипа не опустошаются и остаются наполненными жидкостью.

В одном из вариантов выполнения после вакуумирования и заполнения лунок реакционной смесью ее откачивание из каналов не производится.

В одном из вариантов выполнения канал чипа посредством исполнительного устройства заполняют биологически инертной высококипящей жидкостью, например, но не ограничиваясь, маслом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВ

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

Фиг. 1 – Модель одноразового картриджа c присоединенным чипом;

Фиг. 2 – Создание разрежения в чипе;

Фиг. 3 – Позиция золотника при сбросе воздуха;

Фиг. 4 – Позиция золотника при заполнении чипа реакционной смесью;

Фиг. 5 – Положение золотника при вентиляции каналов чипа;

Фиг. 6 – Герметизация чипа при проведении амплификации в присутствии в каналах чипа инертного вещества;

Фиг. 7 – Герметизация чипа при проведении амплификации с реакционной смесью в каналах.

На Фиг.1 позиции обозначают следующее:

1 – Вентиляционное отверстие;

2 – Реакционная лунка;

3 – Перешеек;

4 – Загрузочное отверстие;

5 – Золотник;

6 – Позиция золотника для откачивания;

7 – Позиция золотника для вентиляции.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративный материал частного случая его реализации.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Заявленный способ равномерного заполнения массива реакционных лунок реакционной смесью состоит из следующих операций. Используется микрофлюидный чип, конструктивно состоящий из реакционных лунок общим количеством от 1 до 200, сообщающихся между собой с помощью каналов. Количество каналов может изменяться от 1 до 20 и на каждом канале, может быть от 1 до 200 штук. Каждая лунка (2) может сообщаться с каналом либо посредством перешейка (3), либо без перешейка, т.е. служить продолжением канала. Каждый канал имеет два отверстия: загрузочное и вентиляционное. Если каналов несколько, то они объединены в общую сеть каналов таким образом, чтобы иметь одно общее загрузочное и одно общее вентиляционное отверстия.

Лунка (2) микрофлюидного чипа может содержать в себе соответствующие химические компоненты, отвечающие за специфичность протекания процесса амплификации, например, но не ограничиваясь, праймеры, зонды и т.п.

Микрофлюидный чип является частью устройства (одноразового картриджа), которое позволяет проводить автоматическую загрузку этого чипа реагентами и проводить процесс амплификации и/или детекции продуктов амплификации в режиме реального времени.

Заполнение каналов и лунок микрофлюидного чипа происходит следующим образом:

Одноразовый картридж с анализируемой пробой и всеми необходимыми реагентами для проведения процесса амплификации нуклеиновых кислот загружается в исполнительное устройство (не показано).

При необходимости внутри одноразового картриджа с помощью исполнительного устройства проходят процессы обработки анализируемой пробы и приготовление реакционной смеси, которой будет заполнен микрофлюидный чип. Причем способ приготовления данной реакционной смеси и ее состав принципиального значения для данного патента не имеет.

Исполнительное устройство перекрывает вентиляционное отверстие чипа и создает внутри каналов с лунками (2) вакуум через загрузочное отверстие (4) с помощью любого насоса, входящего в состав исполнительного устройства.

В одном из вариантов вакуум внутри чипа может создаваться с помощью Золотника (5) картриджа, который состоит из состоит из трех основных частей: цилиндра, в котором возвратно-поступательно перемещается поршень, тарелки с несколькими отверстиями, а также поводка. Причем поворот золотника (5) и перемещение поршня внутри его цилиндра осуществляется исполнительным устройством. Вакуум создается путем последовательного выполнения следующих операций:

1. Перемещение поршня Золотника (5) в крайнее верхнее положение и его позиционирование таким образом, чтобы позиция для откачивания совпала с загрузочным отверстием чипа с последующим движением поршня в крайнее нижнее положение и создание тем самым разрежения в чипе (Фиг. 2).

2. Поворот Золотника (5) и его позиционирование у другой лунки картриджа. При этом, за счет герметичности соединения чипа с картриджем, разрежение в чипе остается (Фиг. 3).

3. Сброс воздуха из цилиндра Золотника (5) в лунку Картриджа путем перемещения поршня Золотника (5) в крайнее верхнее положение.

4. Повтор последовательных операций 2-3 от 1 до 100 раз, причем за каждую последующую итерацию разрежение в чипе увеличивается.

Затем исполнительное устройство посредством одноразового картриджа подает через загрузочное отверстие (4) реакционную смесь, которая полностью заполняет собой каналы и реакционные лунки, при этом давление внутри каналов и лунок становится равным атмосферному (Фиг. 4).

Затем, в одном из вариантов, исполнительное устройство открывает вентиляционное отверстие (1) и откачивает реакционную смесь из каналов микрофлюидного чипа, при этом лунки чипа не опустошаются и остаются наполненными жидкостью. (Фиг. 5)

В другом варианте, после вакуумирования и заполнения лунок реакционной смесью ее откачивание из каналов не производится.

В одном варианте исполнения канал чипа посредством исполнительного устройства заполняется биологически инертной высококипящей жидкостью, например, но не ограничиваясь, маслом. При этом содержимое каждой лунки оказывается закупоренным внутри объема лунки, не выходит в канал и не смешивается с содержимым других лунок.

После проведения вышеперечисленных манипуляций чип полностью подготовлен для проведения в нем амплификации. Для ее проведения устройство герметично закрывает чип и запускает процесс амплификации нуклеиновых кислот (Фиг. 6, 7).

ПРОМЫШЛЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Предложенные устройства предназначены для ряда применений, включающих применение одноразового картриджа для выделения нуклеиновых кислот и их последующей амплификации в медицине и биотехнологической промышленности.

Изобретение относится к области молекулярной биологии. Описан способ заполнения реакционных лунок микрофлюидного чипа одноразового картриджа для проведения амплификации нуклеиновых кислот. В заявленном способе исполнительное устройство перекрывает вентиляционное отверстие чипа и создает внутри каналов с ячейками вакуум через загрузочное отверстие с помощью насоса, входящего в состав исполнительного устройства или золотника картриджа. Далее исполнительное устройство подает посредством одноразового картриджа на загрузочное отверстие реакционную смесь, которая полностью заполняет собой каналы и реакционные лунки, при этом давление внутри каналов и лунок становится равным атмосферному. Технический результат заключается в предотвращении перемешивания содержимого этих лунок как во время их заполнения, так и во время проведения в них процесса амплификации нуклеиновых кислот. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ заполнения реакционных лунок микрофлюидного чипа одноразового картриджа для проведения амплификации нуклеиновых кислот, включающий: загрузку в исполнительное устройство с анализируемой пробой и необходимыми реагентами для проведения процесса амплификации нуклеиновых кислот одноразового картриджа с микрофлюидным чипом, состоящего из реакционных лунок, сообщающихся между собой с помощью каналов, каждый из которых имеет два отверстия: загрузочное и вентиляционное или нескольких каналов, объединенных в общую сеть каналов таким образом, чтобы иметь одно общее загрузочное и одно общее вентиляционное отверстие, отличающийся тем, что исполнительное устройство перекрывает вентиляционное отверстие чипа и создает внутри каналов с ячейками вакуум через загрузочное отверстие с помощью насоса, входящего в состав исполнительного устройства или золотника картриджа, далее исполнительное устройство подает посредством одноразового картриджа на загрузочное отверстие реакционную смесь, которая полностью заполняет собой каналы и реакционные лунки, при этом давление внутри каналов и лунок становится равным атмосферному.

2. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, что внутри одноразового картриджа с помощью исполнительного устройства проходят процессы обработки анализируемой пробы и приготовление реакционной смеси, которой будет заполнен микрофлюидный чип.

3. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, что лунка микрофлюидного чипа содержит в себе соответствующие химические компоненты, отвечающие за специфичность протекания процесса амплификации, например, но не ограничиваясь, праймеры, зонды.

4. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, что вакуум внутри чипа может создаваться с помощью золотника картриджа, который состоит из состоит из трех основных частей: цилиндра, в котором возвратно-поступательно перемещается поршень, тарелки с несколькими отверстиями, а также поводка, причем поворот золотника и перемещение поршня внутри его цилиндра осуществляется исполнительным устройством.

5. Способ заполнения реакционных лунок по п.4, отличающийся тем, что вакуум создается путем последовательного выполнения следующих операций:

(1) перемещение поршня золотника в крайнее верхнее положение и его позиционирование таким образом, чтобы позиция для откачивания совпала с загрузочным отверстием чипа с последующим движением поршня в крайнее нижнее положение и создание тем самым разрежения в чипе,

(2) поворот золотника и его позиционирование у другой лунки картриджа, при этом, за счет герметичности соединения чипа с картриджем, разрежение в чипе остается,

(3) сброс воздуха из цилиндра золотника в ячейку картриджа путем перемещения поршня золотника в крайнее верхнее положение,

(4) многократный повтор последовательных операций 1-3, причем за каждую последующую итерацию разрежение в чипе увеличивается.

6. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, что исполнительное устройство открывает вентиляционное отверстие и откачивает реакционную смесь из каналов микрофлюидного чипа, при этом лунки чипа не опустошаются и остаются наполненными жидкостью.

7. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, что после вакуумирования и заполнения лунок реакционной смесью ее откачивание из каналов не производится.

8. Способ заполнения реакционных лунок по п.1, отличающийся тем, канал чипа посредством исполнительного устройства заполняют биологически инертной высококипящей жидкостью, например, но не ограничиваясь маслом.