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JP5178528B2 - 分子診断用増幅システムおよび方法 - Google Patents

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Description

本出願は、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる2005年12月29日に出願された米国特許仮出願第60/754,266号に対して、米国特許法第119条(e)項に基づく優先権を主張する。
発明の分野
本発明は、温度サイクル法および等温法に基づいて増幅を実施することができる、一体型の核酸試験カートリッジに関する。さらに、本発明は、核酸標的を含むと推測される試料を受け取り、増幅を実施し、かつ検出用にアンプリコンを移送するための装置および方法に関する。増幅カートリッジは、少なくとも光学的センサーおよび電気化学的センサーを含む検知手段を装備していてよい。カートリッジは、限定されるわけではないが、ポリメラーゼ連鎖反応、ローリングサークル増幅、および鎖置換増幅を含む、様々な増幅方法を実施することができる。増幅装置はまた、持ち運び可能な電源またはそのための手段を用いて機能する能力も有する。
背景の情報
核酸試験の用途は幅広い。従来の商業的試験の大多数は、クラミジア、淋病、肝炎、およびヒト免疫不全ウイルス(HIV)ウイルス負荷を含む感染症;嚢胞性線維症を含む遺伝的疾患;凝血およびヘモクロマトーシスを含む血液学因子;ならびに乳癌遺伝子を含む癌に関する。対象となる他の分野には、法医学および父子鑑別、薬理ゲノミクスと呼ばれる心血管疾患および薬物耐性のスクリーニングが含まれる。試験の大多数は、現在、持ち運び不可能かつ操作の複雑な機器を用いて、集約された実験室において行われる。慣例的に、試験は通常、アッセイ法を実施するために高度な熟練者を必要とする。結果として、特定の核酸断片を含むと推測される試料を得てから、その有無を決定するまでの間にかかる時間が、しばしば数時間、さらには数日にさえなる。しかしながら、他の種類の血液試験と同様に、医師および科学者は、しばしば、簡便でユーザーフレンドリーな様式で得られる結果をより迅速に必要とする。その結果として、核酸試験を迅速かつ簡便に実施することができる持ち運び可能な解析システムが必要とされている。
細胞から核酸を抽出する方法は、当業者には周知である。細胞壁を様々な方法によって弱めて、核酸が細胞から押し出されるのを可能にし、かつ、そのさらなる精製および解析を可能にすることができる。核酸抽出の具体的な方法は、単離しようとする核酸のタイプ、細胞のタイプ、および核酸を解析するために使用される個々の用途に依存する。DNAを単離する多くの方法は、例えば、一般的な参考文献であるSambrookおよびRussell、2001、「Molecular Cloning： A Laboratory Manual」、5.40〜5.48頁、8.1〜8.24頁、A1.17〜A1.19頁、およびA1 .25〜A1.27頁に記載されているように、当業者に公知である。例えば、従来の技術は、例えば、米国特許第5,807,527号(FTAペーパーを詳述)および米国特許第6,168,922号(Isocardペーパーを詳述)において記載されているように、溶解性の塩および界面活性剤を使用し、かつ、DNA試料を長期保管するための付加的な試薬を含む、体液からDNAを抽出および単離するための化学的に含浸させ、かつ脱水した固体基板を含んでよい。従来の技術はまた、例えば、米国再発行特許第RE37,891号に記載されているもののような粒子分離法を含んでもよい。
核酸を増幅するためのいくつかの方法および装置が、当業者に公知である。ポリメラーゼ連鎖反応法(PCR)が、いくつかのタイプの組織試料からゲノムDNAを精製する標準的方法の進行に伴って生じるいくつかのタンパク質および他の混在物によって阻害されることは公知である。フェノール、クロロホルム、およびエーテルを用いた有機抽出、またはカラムクロマトグラフィーもしくはCsCl勾配超遠心からなる付加的な段階を実施して、血液由来のゲノムDNA試料中のPCR阻害物質を除去できることは公知である。しかしながら、これらの段階により、時間、複雑性、および費用が増す。このような複雑性によって、核酸解析に有用である単純な使い捨てカートリッジの開発が制限されてきた。したがって、核酸増幅プロセスのために使用される核酸試料中に存在する阻害物質を克服するための新規で単純な方法の開発が望ましい。
核酸ハイブリダイゼーションは、標的核酸分子に関する識別可能な特徴を検出するのに使用される。「サザン分析」に類似した技術が、当業者には周知である。標的核酸は、電気泳動によって分離され、次いで、メンブレンに結合される。次いで、標識されたプローブ分子が、当技術分野において周知の技術を用いて、メンブレンに結合された核酸とハイブリダイズさせられる。しかしながら、検出の感度は、標的材料の量およびプローブの比活性に依存するため、この方法は制限されており、放射標識されたプローブの例では、検出装置へのシグナルの曝露時間を延長することができる。あるいは、プローブの比活性は定められ得るため、これらのアッセイ法の感度を改善するために、核酸を増幅する方法が使用される。以下の2つの基本的な戦略が、核酸増幅技術のために使用される;標的コピーの数が増幅され、その結果として、検出感度が高められるか、または、核酸の存在が、検出用に発生させるシグナルを増加するのに使用される。第1のアプローチの例には、ポリメラーゼ連鎖反応法(PCR)、ローリングサークル(例えば、米国特許第5,854,033号に記載されている)、および核酸系に基づく増幅(NASBA)が含まれる。第2の例には、CPRと呼ばれるサイクリングプローブ反応(例えば、米国特許第4,876,187号および同第5,660,988号に記載されている)ならびにSNPアーゼアッセイ法、例えば、ミスマッチ同定DNA解析システム(例えば、米国特許第5,656,430号および同第5,763,178号に記載されている)が含まれる。より最近では、等温でポリメラーゼ連鎖反応法を実施するための戦略が、Vincent et al., 2004, EMBO Reports、第5巻(第8号)によって説明され、かつ、例えば、米国特許出願公開第2004/0058378号に記載されている。DNAヘリカーゼ酵素は、PCR DNA増幅を実施するために、試料を加熱する制限を克服するのに使用される。
PCR反応は、当業者には周知であり、米国特許第4,683,195号において最初に説明された。このプロセスは、核酸を変性させる段階、ハイブリダイゼーション段階、および伸長段階を繰り返されるサイクルで含み、核酸試料および試薬の温度を変更することによって実施される。異なる温度に試料を供するこのプロセスは、異なる温度の水槽に試験管を入れるか、または、例えば米国特許第5,333,675号および同第5,656,493号に記載されているように、電流の方向によって加熱および冷却を行うことができるペルティエに基づいた装置を用いることによって、実施することができる。多くの市販の温度サイクリング装置が入手可能であり、例えば、Perkin Elmer (Wellesley, Massachusetts), Applied Biosystems (Foster City, California)、およびEppendorf (Hamburg, Germany)によって販売されている。これらの装置は一般に大型で、かつ重いため、一般に、例えば、患者の治療現場のような実験室以外の環境における使用には適さない。
ポリメラーゼ連鎖反応法を実施するための微細加工により作られたチャンバー構造体が、例えば、米国特許第5,639,423号に記載されている。検出用のチャンバーに結合させることができる増幅チャンバーを有する、ポリメラーゼ連鎖反応法を実施するための装置は、例えば、米国特許第5,645,801号に記載されている。例えば、米国特許第5,939,312号では、小型化したマルチチャンバーのポリメラーゼ連鎖反応装置を説明している。米国特許第6,054,277号では、増幅および検出用のシリコーンベースの小型化遺伝子検査プラットホームを説明している。増幅反応のためのポリマーベースの加熱構成要素は、例えば、米国特許第6,436,355号に記載されている。例えば、米国特許第6,303,288号では、増幅用の試薬を含む破裂可能な小袋を用いた増幅および検出システムを説明している。米国特許第6,372,484号では、一体型の装置中でポリメラーゼ連鎖反応法ならびにそれに続くキャピラリー電気泳動分離および検出を実施するための機器を説明している。
反応が単一温度で実行されるという点でPCR反応と異なる、いくつかの核酸増幅技術がある。これらの等温性の方法には、例えば、サイクリングプローブ反応、鎖置換、INVADER(商標)(Third Wave Technologies Inc., Madison, Wisconsin)、SNPアーゼ、ローリングサークル反応、およびNASBAが含まれる。例えば、米国特許第6,379,929号では、等温核酸増幅反応を実施するための装置を説明している。
可撓性の弁口および空気圧による操作を用いるマイクロ流体の生化学的解析システムは、例えば、Anderson et al., Transducers '97、477〜80頁; 1997 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, June 16-19, 1997に記載されている。DNA解析用の完全に統合されたPCR-キャピラリー電気泳動マイクロシステムは、例えば、Lagally et al., Lab on a Chip, 1, 102-7, 2001に記載されている。ナノリットル体積でのDNAの効率的なPCR増幅のための非接触赤外線による熱サイクルは、例えば、HuhmerおよびLanders, Analytical Chemistry 72, 5507-12, 2000に記載されている。熱電対および空気圧連結部付きのマニホールド弁を備えた、単一分子DNAの増幅および解析用マイクロ流体装置が、Lagally et al., Analytical Chemistry 73, 565-70, 2001に記載されている。
ポリメラーゼ連鎖反応法(PCR)は、当業者に周知であるように、いくつかの中心的な特徴を示すDNAポリメラーゼ酵素の能力に基づいており、これには、3'-ヒドロキシル基を有するプライマー配列およびDNA鋳型配列を使用し、かつ、その鋳型鎖を用いて、新しく合成されたDNA鎖を伸長させる能力が含まれる。さらに、PCR反応において使用されるDNAポリメラーゼは、二本鎖DNA鋳型を変性させるために使用される高温(例えば、90〜99℃)に耐えることができなければならず、さらに、DNAプライマーがDNA鋳型にハイブリダイズする、より低い温度(例えば、40〜60℃)では、低活性でなければならない。さらに、ハイブリダイゼーション温度(例えば、60〜80℃)またはそれ以上の温度で、最適なDNA合成を起こすことが必要である。
Zhangら(2003, Laboratory Investigation、第83巻(第8号)：1147)は、3'-5'エキソヌクレアーゼ活性のために使用されるDNAポリメラーゼの制限を克服するための、末端ホスホロチオアート結合の使用を説明している。ホスホロチオアート結合は、3'-5'エキソヌクレアーゼによって切断されない。これにより、3'-5'エキソヌクレアーゼ活性を有するDNAポリメラーゼが、末端のミスマッチを除去し、かつ、DNA伸長を進行するのが妨げられて、正常なDNAで観察される相違点の不足が軽減される。
DNAポリメラーゼの別の特徴は、伸長速度である。Takagiら(1997, Applied and Environmental Microbiology、第63巻(第11号)：4504)は、パイロコッカス(Pyrococcus)種のKOD1株(現在は、サーモコッカス・コダカラエンシス(Thermococcus kodakaraensis)(KOD1))、パイロコッカス・フリオサス(Pyrococcus furiosus)Deep Vent (New England Biolabs, Beverly, Massachusetts)、およびサーマス・アクアティカス(Thermus aquaticus)が、それぞれ、106〜138、25、23、および61塩基/秒の伸長速度を有することを記述している。これらの酵素の処理能力速度も記述されており、伸長速度と同様に挙動する。明らかに、サーモコッカス・コダカラエンシスKOD1は、他の周知の酵素と比較して、はるかに速い伸長速度および処理能力速度を有するため、この酵素は、感度および速度が論点である用途において有益になると思われる。さらに、サーモコッカス・コダカラエンシスKOD1は、SNP解析のために使用される3'-アレル特異的プライマー伸長アッセイ法において使用するには不利益であると思われるエキソヌクレアーゼ活性を有する。
核酸解析における最終段階のための従来の検出方法は、当技術分野において周知であり、放射能、比色、蛍光、蛍光共鳴エネルギー転移(FRET)、および電気化学に基づくサンドイッチ型捕捉法が含まれる。例えば、共有特許の米国特許第5,063,081号(特許第'081号)は、核酸検出用のセンサーを包含する。このセンサーは、電極を覆う選択透過性の層および固定化された捕捉オリゴヌクレオチドを有するパターン化されたタンパク質性層を有する。オリゴヌクレオチドは、ポリヌクレオチド、DNA、RNA、それらの活性断片もしくはサブユニットまたは単鎖でよい。核酸を固定化するための結合手段は、固定化された核酸プローブが試料中の相補的な標的配列に結合する方法と共に記述されている。検出は、好ましくは、電気化学的であり、かつ、標的の別の領域にも結合する標識プローブに基づいている。あるいは、プローブおよびポリヌクレオチド配列によって形成されるハイブリッドに対する固定化された抗体を、DNA結合タンパク質と共に使用することもできる。特許第'081号は、センサーを用いて試料中でアッセイ法を実施するための単回使用カートリッジを対象としている共有特許の米国特許第5,096,669号を、参照により組み入れる。これらのセンサーは、特許第'081号に記載されているタイプのものでよい。
特許第'081号に関連している他の分割特許には、例えば、核成分(nucleic component)でよいリガンド受容体でコーティングされた選択透過性メンブランを有する複数のセンサーを作製する方法を対象としている米国特許第5,200,051号が含まれる。例えば、米国特許第5,554,339号は、核酸成分が、分注用のフィルム形成ラテックスまたは光形成可能なタンパク質性マトリックス中に混合される、マイクロディスペンシングを対象としている。米国特許第5,466,575号は、フィルム形成ラテックスまたは光形成可能なタンパク質性マトリックス中に混合された核成分を有するセンサーを作製するための方法を対象としている。米国特許第5,837,466号は、核成分を含むセンサー構成部分を用いてリガンドを分析するための方法を対象としている。例えば、定量的オリゴヌクレオチドアッセイ法が記述されており、その場合、標的はセンサー上の受容体に結合し、また、標識されたプローブによっても結合される。標識は、センサー、例えば電気化学的センサーによって検出されるシグナルを発生させることができる。例えば、米国特許第5,837,454号は、核成分でよいリガンド受容体でコーティングされた選択透過性メンブランを有する複数のセンサーを作製する方法を対象としている。最後に、共有特許の米国特許第5,447,440号は、ヌクレオチド、オリゴヌクレオチド、またはポリヌクレオチドに適用可能な凝集親和性に基づくアッセイ法を対象としている。前述の各共有特許は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
共有特許の米国特許第5,609,824号が、試料、例えば血液を37℃の恒温に保つのに適用可能な使い捨てカートリッジ内で使用するための、恒温に保たれたチップを教示していることは注目に値する。共有特許の米国特許第6,750,053号および米国特許出願公開第2003/0170881号は、DNA解析を含む様々な試験に適切な使い捨てカートリッジの機能的な流体エレメントを扱っている。これらのさらなる共有の特許および出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。
他のいくつかの特許は、核酸の電気化学的検出に取り組んでいる。例えば、米国特許第4,840,893号は、メディエーター、例えばフェロセンを使用する酵素標識を用いた検出を教示している。米国特許第6,391,558号は、標的に結合する電極上の一本鎖DNAを教示しており、その際、レポーター基は、電圧パルスの終わり頃に電極によって検出され、かつ、電極上の金粒子およびビオチン固定化を使用する。例えば、米国特許第6,346,387号は、別のメディエーターアプローチを対象としているが、このアプローチでは、遷移金属メディエーターが通過することができるメンブレン層で電極を覆う。米国特許第5,945,286号は、インターカレート分子を用いた電気化学に基づいている。例えば、米国特許第6,197,508号は、負電圧、続いて正電圧を用いる、二本鎖を形成するための核酸一本鎖のアニーリングを教示している。同様の特許には、例えば、二本鎖DNAの電気化学的変性を教示する、米国特許第5,814,450号、同第5,824,477号、同第5,607,832号、および同第5,527,670号が含まれる。米国特許第5,952,172号および同第6,277,576号は、レドックス基で直接標識されたDNAを教示する。
いくつかの特許は、核酸解析を実施するためのカートリッジをベースとする特徴または装置の考案を扱っている。このような特許には、例えば、米国特許第6,485,915号に記載されている変性用装置、米国特許第6,440,725に記載されている一体型の流体操作カートリッジ、米国特許第5,976,336号に記載されているマイクロ流体システム、ならびに米国特許第6,589,742号に記載されている分離および増幅用のマイクロチップが含まれる。
前述の説明に基づいて、核酸の増幅および試験を実施することができる簡便かつ持ち運び可能な解析システムが依然として必要とされている。
発明の概要
本発明の目的は、増幅をすることができる一体型の核酸試験カートリッジを提供することである。
本発明のさらなる目的は、単一のチャンバー中で抽出および増幅を実施することができる一体型の核酸試験カートリッジを提供することである。
本発明の別の目的は、増幅を実施し、かつ検出用にアンプリコンを移送することができる、一体型の核酸試験カートリッジを提供することである。
本発明のさらなる目的は、制御機器と共に作動する、核酸増幅用の一体型カートリッジを提供することである。
本発明の目的は、臨床で、医師の診療室、および試験が慣習的に実施されている実験室環境から離れた他の場所において、臨床で実施される解析に適した、一体型核酸試験システムおよび方法を提供することである。本発明は、特に、治療現場での診断試験、すなわち、例えば、血液および口腔内細胞など少量の入手可能な体液を使用する、迅速で、安価で、かつ簡便な試験の機会を増やすことに取り組む。
本発明の別の目的は、バッテリーまたはソーラーパワーの使用を含む持ち運び可能な電源を用いてDNA増幅反応を実施する手段を提供することである。
本発明の例示的な態様は、ハウジングと、可逆的シールを有する入口、可逆的シールを有する出口、密閉可能な試料投入口、およびチャンバーの一部分を形成する第1の壁を含む増幅チャンバーとを含み、第1の壁は、第1(例えば、内側の)表面および第2(例えば、外側の)表面を有する熱伝導性材料を含み、外表面は、加熱回路および温度センサーを有し、試料投入口により、核酸試料がチャンバーに入ることが可能になり、入口は、空気ポンプ手段および液体袋と共に、導管に連結されており、出口は、チャンバーからアンプリコンが出て行くのを可能にする導管に連結されている、アンプリコンを作製するための単回使用核酸増幅装置を提供する。本発明の1つの例示的な態様において、ポンプ手段は、装置が結合できる機器上のプランジャーと係合し、かつ、それによって作動させることができる、可撓性の隔膜を含んでよい。別の例示的な態様において、ポンプ手段は、手動で作動させることができる可撓性の隔膜を含んでよい。前述の液体袋は、限定されるわけではないが、核酸増幅を実施するための液体を含む、液体を含んでよい。任意で、液体袋は、脱イオン水、緩衝物質、dNTP、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼからなる群より選択される、1つまたは複数の試薬をさらに含んでもよい。
本発明の増幅チャンバーの1つの例示的な態様によれば、第1の壁は、シリコンを含んでよい。任意で、第2の壁は、プラスチック材料を含んでよい。好ましくは、プラスチック材料を含む第2の壁は、壁の厚さが約0.2mm〜約5mmの範囲であり、1つまたは複数の付加的かつ任意のリブ支持体を有する。本発明のチャンバーの好ましい例示的な態様において、シリコンを含む第1の壁は、チャンバーの内表面積の約30〜約50パーセントを占める。より好ましくは、チャンバーの内容積は、約5μL〜約50μLの範囲でよい。チャンバー表面とチャンバー容積の比率は、幅広く変化してよい。本発明の特定の例示的態様において、チャンバー表面は、約5〜約30mm3の範囲のチャンバー容積と比較して、約50〜約200mm2の範囲でよい。増幅チャンバーは、様々な内部形状を有してよい。適切な形状には、実質的に長方形の構造、角の丸い実質的に長方形の形状、円柱、断面が実質的に楕円形である円柱状の構造、および他の同様の形状が含まれ得るが、それらに限定されるわけではない。
例示的な態様によれば、第1の壁の外表面は、表面に組み立てられた抵抗性の電気的通路を、その通路を通る電流を提供するための外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドと共に含む、加熱回路を含む。さらに、第1の壁の外表面は、例えば、表面に組み立てられたサーミスターまたは熱電対を含む温度センサーを装備してよく、かつさらに、電気接続のための外部回路をサーミスターまたは熱電対と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドも装備してよい。
本明細書においてさらに説明するように、本発明の装置の試料投入口は、核酸試料を回収および保持することができる吸収性パッドを有する第1の端部およびハンドルを形成する第2の端部を有するワンド(wand)を含む試料導入エレメントと結合することができる。第1の端部は、試料投入口を経てチャンバー中に通過することができ、その際、ワンドは、試料投入口にワンドを係合し、かつ密閉するために、第1の端部および第2の端部間に係合手段を有する。
本発明の好ましい例示的な態様によれば、増幅チャンバーは、ポリメラーゼおよびdNTP、任意で、1つまたは複数のプライマーおよび/または緩衝剤を含む。増幅チャンバーはさらに、第1の壁の内表面の少なくとも一部分上に糖ガラスコーティングを含んでよい。糖ガラスコーティングは、緩衝剤、色素、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼからなる群より選択される試薬を含んでよい。増幅チャンバーは、好ましくは、約10〜約50℃/秒、より好ましくは、約4〜約50℃/秒の範囲の温度上昇変化速度に耐えることができる。増幅チャンバーは、光学的窓をさらに含んでよい。
本発明の装置は、機器、好ましくは手持ち型の機器と係合し、かつそれによって作動させることができることに留意すべきである。このような機器は、増幅チャンバーを冷却することができるファンを装備していてよい。あるいは、機器は、可逆的に増幅チャンバーと接触し、かつ冷却することができるヒートシンクを含んでもよい。さらに、第1の壁の外表面は、外部回路に接触するための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドを有するペルティエ回路を含んでもよい。
例示的な態様による本発明の装置は、好ましくは、入口に可逆的シールを装備している。可逆的シールは、可撓性の隔膜を含んでよい。可撓性の隔膜は、加力することによって閉じた位置へ、かつ、加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができるものでよい。例えば、加力は、別の装置、例えば、本発明の装置が係合する機器によって提供することができ、この機器は、可撓性の隔膜と結合することができるピンを装備していてよい。本発明の装置はまた、出口に可逆的シールを装備していてもよい。可逆的シールは、可撓性の隔膜を含んでよい。このような可撓性の隔膜は、加力することによって閉じた位置へ、かつ、加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができるものでよい。例えば、加力は、別の装置、例えば、本発明の装置が係合する機器によって提供することができ、この機器は、可撓性の隔膜と結合することができるピンを装備していてよい。
例示的な態様によれば、本発明の装置は、アンプリコンが出て行くことを可能にすることができ、かつ、アンプリコンを検出するための別の装置と係合するための結合特性を有する導管を含んでよい。1つの例示的な態様において、入口および出口は、増幅チャンバーの反対の角にある。
試料導入エレメントと結合することができる試料投入口もまた、本発明の装置と共に提供される。試料導入エレメントは、例えば、核酸試料を回収および保持することができる吸収性パッドを有する第1の端部およびハンドルを形成する第2の端部を順に含み得るワンドを含んでよい。第1の端部は、前述の試料投入口を経て増幅チャンバー中に通過することができるものでよい。さらに、ワンドは、試料投入口にワンドを係合し、かつ密閉するために、第1の端部および第2の端部間に係合手段を含んでよい。好ましい例示的な態様において、係合および密閉の手段は、ワンド上の雄ネジ特性および試料投入口上の雌ネジ特性を含んでよい。別の例示的な態様において、係合および密閉の手段は、ワンド上の雄型環状ロック(collar locking)特性および試料投入口上の雌型環状ロック特性を含んでよい。
本発明のさらに別の例示的な態様において、入口に連結された導管は、液体検出センサーを装備したチップ挿入物をさらに含んでよい。特に、チップの一部分は、好ましくは、核酸増幅試薬でコーティングしてよい。限定されるわけではないが、緩衝剤、色素、1つまたは複数のプライマー、dNTP、およびポリメラーゼなどを含む、多種多様の核酸増幅試薬で、チップの一部分をコーティングすることができる。また、入口に連結された導管のような本発明の装置の別の場所を核酸増幅試薬でコーティングしてもよい。
したがって、アンプリコンを作製するための単回使用核酸増幅装置、ならびにこの装置と係合し、かつ作動させるための機器を含む組合せもまた、本発明によって企図され、かつ提供される。好ましくは、このような装置は、ハウジングと、可逆的シールを有する入口、可逆的シールを有する出口、密閉可能な試料投入口、および増幅チャンバーの一部分を形成する第1の壁を含む増幅チャンバーとを含む。第1の壁は、内表面および外表面を有する熱伝導性材料を含み、外表面は、加熱回路および温度センサーを有する。試料投入口により、核酸試料が増幅チャンバーに入ることが可能になる。入口は、空気ポンプ手段および液体袋と共に導管に連結されており、出口は、チャンバーからアンプリコンが出て行くのを可能にする導管に連結されている。
この機器は、持ち運び可能かつ電池式でよく、装置を収容および係合するための凹所を装備している。さらに、この機器は、加熱回路および温度センサーを接触させるための電気的連結手段もさらに装備していてよい。また、この機器は、入口シール、出口シール、空気ポンプ手段、および液体袋を可逆的に係合することができる機械的連結手段と共に提供されてもよい。本発明の特定の例示的な態様において、この機器は、増幅装置の熱伝導性の外壁に空気流を向けるためのファンを含んでよい。あるいは、この機器は、増幅装置の熱伝導性の外壁と可逆的に接触させるためのヒートシンクを含んでもよい。この機器はまた、増幅装置の熱伝導性の外壁上のペルティエ回路と接触させるための電気的コネクタを装備していてもよい。この機器と共に提供される電気的コネクタは、増幅装置中の液体検出センサーと接触させるために使用されてもよい。
例示的な態様によれば、単回使用装置中でアンプリコンを作製するための核酸増幅方法も提供される。この方法は、試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、開口部を密閉する段階、可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を液体袋から増幅チャンバーに移送する段階、チャンバーの入口および出口を密閉する段階、液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、第1の温度と第2の温度の間で、所定の時間、かつ所定のサイクル回数、チャンバー温度を循環させてアンプリコンを形成させる段階、チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに、入口に空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバー外に移動させる段階を含む。
代替の例示的な態様によるさらに別の方法は、試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、入口を密閉する段階、可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を液体袋から増幅チャンバーに移送する段階、チャンバーの入口および出口を密閉する段階、液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、所定の時間、等温増幅温度までチャンバー温度を上昇させてアンプリコンを形成させる段階、チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに、入口に空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバー外に移動させる段階を含む。
より具体的には、本発明の第1の局面によれば、アンプリコンを作製するための単回使用核酸増幅装置は、ハウジングおよび増幅チャンバーを含む。増幅チャンバーは、第1の可逆的シールを有する入口、第2の可逆的シールを有する出口、密閉可能な試料投入口、および増幅チャンバーの一部分を形成する第1の壁を含む。第1の壁は、熱伝導性材料を含み、かつ、第1の表面および第2の表面を含む。第2の表面は、加熱回路および温度センサーを含む。試料投入口は、核酸試料が増幅チャンバーに入るのを可能にするように設計されている。入口は、ポンプおよび貯蔵器と共に、第1の導管に連結されている。出口は、増幅チャンバーからアンプリコンが出て行くのを可能にする第2の導管に連結されている。
第1の局面によれば、ポンプは、可撓性の隔膜などを含んでよい。例えば、可撓性の隔膜は、増幅装置が結合できる機器上のプランジャーと係合し、かつ、それによって作動させることができるものでよい。あるいは、可撓性の隔膜は手動で作動させることができる。ポンプは、例えば、空気ポンプまたは他の同様の装置もしくはメカニズムを含んでよい。貯蔵器は、例えば、液体袋などを含んでよい。液体袋は、核酸増幅を実施するための液体を含んでよい。液体袋は、核酸増幅を実施するための液体、および1つまたは複数の試薬を含んでよい。各試薬は、脱イオン水、緩衝物質、dNTP、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼのうち少なくとも1種を含んでよい。貯蔵器は、可撓性の隔膜を含んでよい。可撓性の隔膜は、増幅装置が結合できる機器上のプランジャーと係合し、かつ、それによって作動させることができるものでよい。あるいは、可撓性の隔膜は手動で作動させることができるものでよい。
第1の局面によれば、第1の壁は、シリコンまたは他の同様の材料を含んでよい。例えば、シリコンは、増幅チャンバーの第1の表面の面積の約30〜約50パーセントを含んでよい。増幅チャンバーは、プラスチック材料で作られた第2の壁を含んでよい。例えば、第2の壁は、約0.2mm〜約5mmの範囲の壁厚を含んでよく、かつ、第2の壁は、1つまたは複数の付加的なリブ支持体を含んでよい。増幅チャンバーの内容積は、約5μL〜約50μLの範囲でよい。増幅チャンバー容積に対する増幅チャンバー表面の比率は、約5〜約30立方mmの増幅チャンバー容積に対して、約50〜約200平方mmの範囲の増幅チャンバー表面の範囲でよい。増幅チャンバーの内部形状は、実質的に長方形の構造、角の丸い実質的に長方形の形状、円柱、断面が実質的に楕円形である円柱状の構造、および他の同様の構造または立体配置のうち1種を含んでよい。第1の壁の第2の表面は、加熱回路を含んでよい。加熱回路は、第2の表面に組み立てられた抵抗性の電気的通路を、その通路を通る電流を提供するための外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドと共に含んでよい。第1の壁の第2の表面は、温度センサーを含んでよい。温度センサーは、第2の表面に組み立てられたサーミスターまたは熱電対を、サーミスターおよび熱電対のうちの1つに連結するための外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドと共に含んでよい。
第1の局面によれば、試料投入口は、試料導入エレメントと結合できるものでよい。試料導入エレメントは、ワンドを含んでよい。ワンドは、核酸試料を回収および保持することができる吸収性パッドを有する第1の端部を含んでよい。ワンドはまた、ハンドルを形成する第2の端部も含んでよい。第1の端部は、試料投入口を経て増幅チャンバー中に通過することができるものでよい。ワンドは、試料投入口にワンドを係合し、かつ密閉するために、第1の端部および第2の端部の間に係合構造を含んでよい。例えば、係合構造は、ワンド上の雄ネジ構造および試料投入口上の雌ネジ構造を含んでよい。あるいは、係合構造は、ワンド上の雄型環状ロック構造および試料投入口上の雌型環状ロック構造を含んでよい。増幅チャンバーは、例えば、ポリメラーゼおよびdNTPを含んでよい。さらに、またはあるいは、増幅チャンバーは、1つまたは複数のプライマーを含んでもよい。増幅チャンバーは、緩衝剤を含んでよい。増幅チャンバーは、例えば、第1の壁の第1の表面の少なくとも一部分上に糖ガラスコーティングを含んでよい。糖ガラスコーティングは、試薬などを含んでよい。試薬は、緩衝剤、色素、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼのうち少なくとも1種を含んでよい。増幅チャンバーは、約10〜約50℃/秒の範囲の温度上昇変化速度が可能なものでよい。増幅チャンバーは、約4〜約50℃/秒の範囲の温度低下変化速度が可能なものでよい。
第1の局面によれば、増幅チャンバーは、光学的窓を含んでよい。増幅装置は、機器と係合し、かつそれによって作動させることができるものでよい。例えば、機器は、増幅チャンバーを冷却することができるファンを含んでよい。あるいは、機器は、増幅チャンバーと接触し、かつ冷却することができるヒートシンクを含んでもよい。第1の壁の第2の表面は、外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッドを有するペルティエ回路などを含んでよい。第1の可逆的シールは、可撓性の隔膜などを含んでよい。このような可撓性の隔膜は、加力することによって閉じた位置へ、かつ、加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができるものでよい。可撓性の隔膜は、可撓性の隔膜と結合するピンを有する係合された機器によって提供される加力により、閉じた位置へと動かすことができるものでよい。第2の可逆的シールは、可撓性の隔膜などを含んでよい。このような可撓性の隔膜は、加力することによって閉じた位置へ、かつ加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができるものでよい。可撓性の隔膜は、可撓性の隔膜と結合するピンを有する係合された機器によって提供される加力により、閉じた位置へと動かすことができるものでよい。
第1の局面によれば、第2の導管は、アンプリコンの検出用の装置と係合するための結合特性を含んでよい。入口および出口は、増幅チャンバーの実質的に反対の角または端にあってよい。第1の導管は、液体検出センサーを有するチップ挿入物を含んでよい。チップの一部分は、核酸増幅試薬でコーティングしてよい。核酸増幅試薬は、緩衝剤、色素、1つまたは複数のプライマー、dNTP、およびポリメラーゼのうち少なくとも1種を含んでよい。第1の導管は、緩衝剤、色素、1つまたは複数のプライマー、dNTP、およびポリメラーゼのうち少なくとも1種を含む核酸増幅試薬でコーティングしてよい。第1の表面は、内表面を含んでよく、第2の表面は、外表面を含んでよい。
本発明の第2の局面によれば、組合せは、アンプリコンを作製するための単回使用核酸増幅装置、およびこの増幅装置と係合し、かつ作動させるための機器を含む。増幅装置は、ハウジングおよび増幅チャンバーを含む。増幅チャンバーは、第1の可逆的シールを有する入口、第2の可逆的シールを有する出口、密閉可能な試料投入口、および増幅チャンバーの一部分を形成する第1の壁を含む。第1の壁は、熱伝導性材料を含み、かつ、第1の表面および第2の表面を含む。第2の表面は、加熱回路および温度センサーを含む。試料投入口により、核酸試料が増幅チャンバーに入ることが可能になる。入口は、ポンプおよび貯蔵器と共に、第1の導管に連結されている。出口は、増幅チャンバーからアンプリコンが出て行くのを可能にする第2の導管に連結されている。この機器は、増幅装置を収容および係合するための凹所を含む。この機器は、加熱回路および温度センサーを接触させるための電気的コネクタ、ならびに入口シール、出口シール、ポンプ、および貯蔵器を係合するための機械的コネクタを含む。
第2の局面によれば、この機器は、第1の壁の第2の表面の熱伝導性材料に空気流を向けるためのファンを含んでよい。あるいは、この機器は、第1の壁の第2の表面の熱伝導性材料と接触させるためのヒートシンクを含んでもよい。電気的コネクタは、第1の壁の第2の表面の熱伝導性材料上のペルティエ回路と接触することができるものでよい。電気的コネクタは、増幅装置中の液体検出センサーと接触することができるものでよい。この機器は、持ち運び可能かつ電池式でよい。第1の表面は、内表面を含んでよく、第2の表面は、外表面を含んでよい。ポンプは、空気ポンプまたは他の同様の装置もしくはメカニズムを含んでよい。貯蔵器は、液体袋、または液体を貯蔵するための他の同様の手段を含んでよい。
本発明の第3の局面によれば、単回使用装置中でアンプリコンを作製するための核酸増幅方法は、a)試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、b)開口部を密閉する段階、c)可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を貯蔵器から増幅チャンバーに移送する段階、d)増幅チャンバーの入口および出口を密閉する段階、e)液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、f)第1の温度と第2の温度の間で、所定の時間、かつ所定のサイクル回数、増幅チャンバー温度を循環させてアンプリコンを形成させる段階、g)チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに、h)入口に空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバー外に移動させる段階を含む。第3の局面の例示的な態様によれば、貯蔵器は、例えば、液体袋などを含んでよい。
本発明の第4の局面によれば、単回使用装置中でアンプリコンを作製するための核酸増幅方法は、a)試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、b)開口部を密閉する段階、c)可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を貯蔵器から増幅チャンバーに移送する段階、d)チャンバーの入口および出口を密閉する段階、e)液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、f)所定の時間、等温増幅温度までチャンバー温度を上昇させてアンプリコンを形成させる段階、g)増幅チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに、h)入口に空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバー外に移動させる段階を含む。第4の局面の例示的な態様によれば、貯蔵器は、例えば、液体袋などを含んでよい。
本発明の他の目的および利点は、添付図面と共に以下の好ましい態様の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかになると考えられる。添付図面において、同様の参照番号は同様の要素を示すのに使用されている。
好ましい態様の詳細な説明
本発明の例示的な態様によれば、図2の核酸増幅カートリッジ10は、単回使用で、かつ低コストであるように設計されている。さらに、これはまた、使用される試薬および患者の生物試料を装置内に安全に保持する様式で、使い捨てである。この装置は、簡便な様式でアンプリコンを作製することができ、かつ、実験室の外の治療現場位置で使用することさえできる。カートリッジ装置は、可逆的シール13を有する入口12、可逆的シール15を有する出口14、およびまた、密閉可能な試料投入口16を有する増幅チャンバー11を含むハウジングを含む。増幅カートリッジ10は、熱伝導性材料、好ましくはシリコンなどで作られた、チャンバー11の一部分を形成する壁17を含む。あるいは、壁17は、アルミナ、石英、ガリウムヒ素、および熱伝導性プラスチックなどで作られていてもよい。壁17は、内表面18および外表面19(図7(c)を参照されたい)を含み、かつ、外表面19上には、加熱回路20(図7(c)を参照されたい)および温度センサー21がある。これらの構成要素は、例えば、金属がシリコンウェハ表面にパターン焼き付けされる周知の微細加工技術によって、導電性インクのスクリーン印刷によって、または他の同様の技術によってなど、任意で、壁表面に直接的に製作される。ウェハが使用される場合、それは、個々のチップに切り離され(diced)てよく、かつ、増幅チャンバー11を形成するために第2のプラスチック構成要素22との組立ておよび接着によって壁を形成するのに使用され得る。試料投入口16により、核酸試料が増幅用のチャンバー11に導入されることが可能になる。
1つの例示的な態様において、入口12は、空気ポンプ24が終点となる導管23に連結されている。別の代替えの例示的な態様において、導管23は、液体袋25に連結されてもよい。通常、増幅反応後に増幅チャンバー11からアンプリコンを取り出すことが必要であるため、出口14は、チャンバー11からアンプリコンが出て行くのを可能にする第2の導管26に連結されている。これらの導管は、好ましくは、1つまたは複数の射出成形プラスチック構成要素中で形成されたマイクロ流体チャネルである。2つまたはそれ以上の構成要素が使用される場合、それらは、音波溶接などによって、両面接着層37(図7(a)〜(b)を参照されたい)と共に組み立てられてよい。プラスチック材料は、増幅試薬との反応性および増幅試薬への干渉がわずかであるように、選択される。導管23、導管26、およびチャンバー11は、好ましくは、湿潤保持が低い、すなわち、液体が各表面に固着しない。例えば、適切な判断による材料選択、例えば、プラスチックおよび表面処理(アセタール、ポリカルボナート、熱可塑性物質などの疎水性コーティングを含む)、ならびにコロナ処理などの表面処理を含む、様々な方法を用いてこのような目標を達成することができる。
ポンプ24に関して、これは、装置が結合する機器30上のプランジャー29と係合し、かつ、それによって作動させることができる(それぞれ図1、3(a)〜(b)を参照されたい)可撓性の隔膜28(図1、3(a)〜(b)を参照されたい)として好ましくは形成される。1つの例示的な態様において、プラスチック製ハウジング中のボイド31(図3(a)〜(b)を参照されたい)は、可撓性ラテックスシートによって気密な様式で覆われ、かつ密封されている。ポンプは、好ましくは、機器によって自動的に作動させられるが、手動で作動させることもできる。
図3(a)〜(b)に示すように、液体袋25は、好ましくは、核酸増幅を実施するための液体104を含む。小袋25中の液体の体積は、好ましくは、約5〜約100μLの範囲である。ポンプ24と同様に、小袋25は、手動で作動させるか、または、それが結合できる機器74上のプランジャー33と係合し、かつ、それによって作動させることができる可撓性の隔膜32を含む。小袋25は、液体104を含む小袋がバーブ105に対して押しつけられた場合、バーブ105によって刺される。液体袋25は、脱イオン水、緩衝物質、dNTP、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼを含む、1つまたは複数の試薬と共に、核酸増幅を実施するための液体を含んでよい。ポリメラーゼは、当技術分野において公知であるように、安定化のために抗体(例えば、抗ポリメラーゼ抗体)に結合された不活性型でよい。抗体を変性させるための最初の熱サイクル後、酵素は活性になる。当業者には明らかであるように、小袋25は、露出表面の生体適合性、耐化学性/UV耐性、無菌性、密閉性、確実な液体放出、および低い浸潤保持、ならびに他の同様の因子に基づいて選択された材料で作られるべきである。これは、好ましくは、以下のタイプのプラスチックでコーティングされた金属ホイル、すなわちPRIMACOR(商標)(Dow Chemical Company, Midland, Michigan)でコーティングされたアルミニウムホイルを使用する成形充填シール法による。あるいは、他のプラスチックでコーティングされたホイルも使用してよい。このようなプラスチックでコーティングされたホイルは、広く市販されている。
図7(a)〜(d)に示すように、増幅チャンバー11の1つの壁17は好ましくはシリコンであるが、前述したように他の材料も使用され得る。このような材料は、露出表面と増幅試薬との生体適合性を提供し、かつ、無菌性を提供することに加えて、熱伝導性材料であり、また、外表面に組み立てられた構造を支持するように、選択される。
増幅チャンバー11の他の壁34、35は、好ましくは、例えば、ポリカルボナート(レキサン)、アセタール(デルリン)、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル、およびABSなどのプラスチック、ならびに他の同様の材料で作られる。プラスチックは所望の幾何学的配置に成形可能であるが、一般に、熱伝導性は乏しい。したがって、チャンバー壁のプラスチック部分の設計は、作業の効率、すなわち熱サイクル効率を改善するために、実質的に熱質量を減少させる。代替案は、導電特性を改善するように改変されたプラスチック材料を使用することである。このような製品は当技術分野において公知であり、例えば、Cool Polymers Inc. (Warwick, Rhode Island)、LNP(KONDUIT(商標))(GE Plastics(Pittsfield, Massachusetts)によって提供される)、およびPolyOne Inc. (Avon Lake, Ohio)を含む様々な会社から入手可能である。1つの例示的な態様において、増幅チャンバー11の全体または実質的に全体は、1つまたは複数の部分が導電性ポリマー(例えば、Cool Polymers Inc.製のCOOLPOLY(商標)Dシリーズ)で作られてよい。このような例示的な態様によれば、ヒーター構成要素および温度センター構成要素は、プラスチック表面にスクリーン印刷されてよく、または、可撓性のプラスチック回路として形成され、導電性プラスチック構成要素に結合されてよい。可撓性プラスチックシート上に作られた回路は当技術分野において周知であり、Flextronics Inc. (Singapore)を含む会社によって製造されている。
好ましい例示的な態様において、増幅チャンバー11の壁のプラスチック部分は、約0.1〜約5mmの範囲の厚さでよいが、好ましくは、約0.25〜約0.5mmである。このような好ましい厚さは、高温、例えばPCR増幅における沸点近くの温度、および付随する圧力上昇において、閉じられたチャンバーを物理的に完全にし、かつ密閉を支持する最小限の要件を満たす。好ましくは、1つまたは複数の付加的なリブ支持体36が、より優れた剛性をこの構成要素に与えるために提供される。
シリコン壁17とプラスチック壁35の間に漏れない結合を提供するために、図1および図7(a)〜(b)の両面接着テープガスケット37が使用され得る。両面接着テープガスケット37は、好ましくは、生体適合性であり、かつ、約-60℃〜150℃前後の温度範囲で接着するように選択される。言い換えると、それは、PCRまたは他の増幅反応の進行中に、チャンバー11内部の材料が保持され、かつ漏出しないように、十分にしっかりと密閉するべきである。このテープはまた、好ましくは、プラスチックと一致する範囲内に熱硬化条件を有していなければならない。さらに、テープガスケット37は、プラスチックに封着するが、好ましくは、液体と接触している空間を残す、ワッシャーまたはOリングによく似た設計特性を含んでよい。好ましい接着テープ材料は、3M Corporation (St.Paul, Minnesota)によって供給される9244テープであるが、他の適切な接着テープ材料を使用してもよい。例えば、9244テープは、膨張係数の異なる材料、例えば、シリコンとプラスチックの接着に対応し、かつ、所望の作業温度範囲で封着する。これはまた、圧力変化にも耐え、かつ生体適合性である。このテープはまた、前もって切断され、かつ、自動製造のためにロール上に置かれてよい。テープガスケット材料の代替物には、例えば、Dow Corning (Midland, Michigan)シーラント3145RTVが含まれる。別の代替案は、限定されるわけではないが、Hernon 126(Hernon Manufacturing(Sanford, Florida)によって提供される)、3Mボンディングフィルム、およびLOCTITE(商標)接着剤(Henkel Corp.(Rocky Hill, Connecticut)によって提供される)を含む適切な接着剤を用いて、シリコンをプラスチックに接着させてシールを形成させることでよい。
シリコンによって形成される増幅チャンバー壁17の面積の比率に関して、それは、好ましくは、約30〜約50％の範囲である。図2に示すように、好ましい例示的な態様において、この比率は約31％である。目的は、チャンバー容積を比較的小さく保ちながら、チャンバー壁17の加熱表面積および冷却表面積を最大化することである。好ましい例示的な態様において、チャンバー11の内容積は、約5μL〜約50μL、好ましくは約15〜約25μLの範囲である。図2に示す例示的な態様において、シリコン壁17は、約40mm2のチャンバー表面積を有し、奥行きは約0.375mmであり、チャンバー容積は約15mm3である。チャンバーの表面積合計は約90mm2である。すなわち、それぞれ約40mm2の上面壁および底面壁に加えて、約10mm2の側壁である。好ましくは、増幅チャンバー表面積は、約50〜約200mm2の範囲にあり、容積は、約5〜約30mm3の範囲にある。密閉可能な試料投入口16により、増幅チャンバー容積が約5μL増加する。
増幅チャンバー11の形状に関して、これは、好ましくは、図3〜図7に示すように、高さの低い実質的な長方形であるが、角および同様に縁も丸い長方形でもよい。他の有用な形状には、円柱状の構造、および断面がほぼ楕円形である形状が含まれる。設計の目標は、増幅チャンバー11の内外への液体可動性を提供し、また、チャンバー11内に閉じ込められる気泡を最小化することである。加熱サイクルの進行中に、閉じ込められた気泡が膨張して、チャンバー11の圧力上昇に顕著に寄与し得るため、チャンバー11が実質的に気泡を含まないように徹底することが有利である。このような条件により、チャンバー特性のより強固な密閉が必要になる。さらに、閉じ込められた気泡は、増幅チャンバー11内の熱状態に強い影響を与え得る。装置10は、付加的な圧力に耐えるように設計されているものの、気泡を閉じ込め得るか、または誘発し得る特性は回避することが望ましい。好ましくは、装置10のチャンバー11および導管23、26は、図2に示すように、濡れることができ、かつ、鋭利な角およびボイド空間の無い表面を含む。増幅チャンバー11の好ましい形状は、図2に示したように菱形であるが、他の適切な形状も使用され得る。
図7(d)に示すように、シリコン壁17の外表面19は、例えば、その表面に組み立てられた抵抗性の電気的通路を、その通路を通る電流を提供するための外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッド(38、39)と共に含んでよい、加熱回路20を含む。壁17はまた、加熱回路20に隣接して組み立てられた温度センサー21、例えば、サーミスター、熱電対、またはRTDなども含む。センサーに連結するための外部回路と接触させるための第1の連結パッドおよび第2の連結パッド(40、41)がある。
増幅チャンバー11中に核酸試料を投入するためのいくつかの方法があることが、当業者には明らかになると考えられる。好ましい例示的な態様において(図5(a)および図5(b))、試料投入口16は、核酸試料を回収および保持することができる吸収性パッド44を有する第1の端部および簡便なハンドルの役割を果たす第2の端部45を有するワンド43を含む試料導入装置42と結合することができる。第1の端部は、試料投入口16を通過するように設計されている。別の例示的な態様において(図6(a)および図6(b))、ワンド43はまた、試料投入口中にワンドを係合および密閉するために、第1の端部および第2の端部の間にロック特性46を有する。ガスケット101は、試料投入口16に効果的なシールを提供する。ワンド43を試料投入口16に挿入した後、ロックメカニズム102は、ワンド43を固定し、かつガスケット101とのシールを与えるように、所定の位置に押し込まれる。
図5(a)および図5(b)に示す、試料投入口16の1つの例示的な態様において、係合および密閉の特性は、ワンド上の雄ネジ特性61および試料投入口16上の雌ネジ特性62である。図6(a)および図6(b)に示す、別の例示的な態様において、係合および密閉の特性は、ワンド上の雄型環状ロック特性63および試料投入口上の雌型環状ロック特性64である。
試料タイプに関して、吸収性パッド44を頬スワブ用に使用して、増幅チャンバー11中に口腔内細胞を直接導入することができる。これらの細胞を熱サイクルに供することは、増幅用に核酸を遊離させるのに十分であることが見出されている。結果として、口腔内スワブ試料は、さらなる試料調製をせずに、導入および増幅させることができる。吸収性パッド44はまた、別の分離プロセスまたは分離装置から核酸を移動させるのに使用することもできる。例えば、DNA結合材料を、試料導入装置42の端部44に付着させてよく、その際、試料は、スワブ末端材料と接触するように処理され、続いて、阻害性物質を洗い流される。次いで、試料導入装置42は、開口部16を介して増幅装置10中に挿入される。試験することができる材料は、血液、尿、組織、骨、毛髪、環境試料、土、水、および他の同様の材料のリストから選択され得る。当業者には明らかであるように、多数の試料調製装置および試薬が市販されている。
同様に当業者には明らかになるように、装置10では、ポリメラーゼ、dNTP、1つまたは複数のプライマー、および緩衝剤を含む、増幅を実施するための試薬を使用する。これらは、試料口16を介して外部から添加してよく、または、より好ましくは、装置組立てプロセスの一環として組み入れられるなど、使用前に装置10中に存在してよい。試薬は、増幅チャンバー11中、入口12に結合された導管23中、または液体袋25中に、個別にまたは一緒に配置されてよい。好ましい例示的な態様において、増幅チャンバー11は、シリコン壁17の内表面18の少なくとも一部分上に糖ガラスコーティング、すなわち、脱水およびガラス化された試薬を含んでよい。糖ガラスコーティングは、試薬、ならびに緩衝剤、dNTP(例えば、4種の天然デオキシヌクレオチジル3リン酸、すなわちdATP、dCTP、dGTP、およびdTTPが使用され得るが、修飾されたデオキシヌクレオチジル3リン酸も使用され得ることは当技術分野において周知である)、1つまたは複数のプライマー、およびポリメラーゼ(サーマス・アクアティカス、サーモコッカス種、および当技術分野において周知の他のもの)を含んでよい。適切な糖は、個別にまたは組み合わせて、以下から選択することができる：ソルビトール、トレハロース、アラビノース、リボース、キシロース、キシリトール、フルクトース、ガラクトース、グルコース、マンノース、ラムノース、ソルボース、グルシトール、マルトース、メリボース(mellibose)、スクロース、マルチトール、親水コロイド、または、セルロース、DEAE-デキストラン、デキストラン、イナゴマメゴム、グアーゴム、寒天、およびカルボキシメチルセルロースを含む、他の糖を含むポリマー。
本発明の装置10により、増幅チャンバー11が、約10〜約50℃/秒、好ましくは、約15〜約30℃/秒の範囲の温度上昇変化速度、および、約4〜約20℃/秒、好ましくは、約6〜約8℃/秒の範囲の温度低下変化速度を実現するのが可能になる。
冷却方法は、好ましくは、装置が機器と係合し、かつそれによって作動させられる場所で実施される。機器は、増幅チャンバー11を冷却するためのファン48(図7(a)〜(b)を参照されたい)を含む。ファン48は、最適には、図7(a)に示されるように、所望の角度の空気流を提供するように、シリコン壁17の表面に近接して配置される。ファン48は、所望の加熱および冷却サイクルと一致するように稼働させられる。さらに、またはあるいは、機器は、図7(b)に示すように、増幅チャンバー11に可逆的に接触し、かつ冷却することができるヒートシンク49を有する。さらに例示的な態様において、シリコン壁17は、加熱回路20に隣接した外表面19上にペルティエ回路を含む。
リアルタイムPCRを実施することが望ましい特定の例示的な態様において、増幅チャンバー11は、図2、図3(a)、図3(b)、図4(a)、および図4(c)に示すように、光学的窓50を含む。窓50により、チャンバー11内のシグナリング試薬の蛍光検出が機器中の光学的検出構成要素51(例えば、図3(a)および図3(b)を参照されたい)によって測定されることが可能になる。本明細書において説明する光学的検出構成要素51は、1つの波長で蛍光を発生させる手段から構成されてよく、かつ、特定の波長を妨げるフィルターから構成されてよいことは、当業者には理解されると考えられる。さらに、光学的検出構成要素51は、第2の波長で蛍光の増加を検出する手段を有してよい。カートリッジおよび機器上のアラインメント特性により、これら2つが適切に結合して、信頼性の高い測定を確実にすることが可能になる。リアルタイムPCRに対する光学的検出方法は、当技術分野において周知である。
図2を参照すると、入口12上の可逆的シール13またはバルブは、好ましくは、加力することによって閉じた位置に動かされ、かつ、加力が無い場合は開いた位置にある可撓性の隔膜である。図3(a)および図3(b)に示すように、力は、好ましくは、モーター54によって制御される機器中のピン53によって提供される。入口12における導管23の寸法は、好ましくは、幅が約0.03125"、長さが0.25"であり(ただし、これらの寸法は、任意の適切な幅および長さでよい)、隔膜の面積は0.187平方インチでよい(ただし、隔膜は任意の適切な面積を有してよい)。シールを閉じるために加えられる力は、約0.25lb〜約5lbの範囲でよいが、任意の適切な力量が、シールを閉じるために使用され得る。隔膜に適した材料には、天然ゴム、ラテックス、シリコンゴム、およびオーバーモールドされた可撓性プラスチック(GE Plastics, GLP事業部、 Pittsfield, Massachusetts)などが含まれるが、それらに限定されるわけではない。
代替のバルブ設計は、図4(a)〜(b)に示すように、パイロン型の構造体に基づいてよい。増幅反応に必要とされる液体は、増幅チャンバー11中に密封されてよく、かつ、106によって示されるようにテープまたはホイルを用いて、入口12および出口14の位置で密閉されてよい。試料投入ポート16もまた、テープまたはホイルで密閉されてよい。シールは、ワンド42が増幅チャンバー11中に押し込まれると穴が開き、液体はチャンバー11内部に留まる。次いで、増幅反応が進行される。増幅サイクル後、シール106は、ピン53およびピン57によって作用されて、パイロン型の構造体55上のバーブによって穴を開けられる。前述の空気袋中で生じた空気圧を用いて、本明細書において検出装置および検出カートリッジとも呼ばれる検出チャンバー59中に液体を移動させることができる。機械的コネクタ114(例えば、パイロン型の密閉メカニズムなど)を用いて、入口のバルブ調節特性を制御することができる。機械的コネクタ115(例えば、パイロン型の密閉メカニズムなど)を用いて、出口のバルブ調節特性を制御することができる。
図2を参照すると、出口14上の可逆的シール15またはバルブは、好ましくは、加力することによって閉じた位置に動かされ、かつ、加力が無い場合は開いた位置にある可撓性の隔膜である。図3(a)〜(b)に示すように、力は、好ましくは、モーター58によって制御される機器中のピン57によって提供される。出口の可逆的シール15の他の一般的な特性は、入口の可逆的シール13の特性と同様である。好ましくは、入口12および出口14は、増幅チャンバー11の反対の角または反対側にある。
アンプリコンの検出は、増幅チャンバー11中の窓50を介したインサイチュー検出、例えば、リアルタイムPCRによって、または、より好ましくは、第2の特化された検出装置59中で実施され得る。ここで、出口バルブに結合された第2の導管26により、アンプリコンが出て行くことが可能になる。1つの例示的な態様において、第2の導管26の末端の結合特性60(例えば、図2、図3(a)、図3(b)、図4(a)、および図3(b)を参照されたい)により、アンプリコンを漏らさずに移送するための、増幅装置10と検出装置59の係合が可能になる。他の例示的な態様において、増幅装置10および検出装置59は直接連結され、液体は、第2の導管26によって提供されるチャネルを介して移動する。
図2に示すように、別の例示的な態様において、入口12に連結された導管23は、第1の液体検出システム116を含んでよい。第1の液体検出システム116は、好ましくはシリコン製のチップ挿入物65を、液体検出センサー66と共に含んでよい。入口12において、チップ65の一部分は、任意で、1つまたは複数の核酸増幅試薬でコーティングされる。液体検出センサー66は、液体が増幅チャンバー11に入ったことを検出するのに使用される。導電性が検出されない場合、液体のすべて(または実質的にすべて)が、増幅チャンバー11中に移動されている。同様に、上流のセンサー65(例えば、出口14に連結された導管26中に配置される)を含む第2の液体検出システム117も、液体のすべて(または実質的にすべて)が、増幅サイクル後に増幅チャンバー11から移動されたかを検出するのに使用される。
図1に示すように、機器111は、装置10を収容および係合するための凹所67を含み、また、加熱回路と接触させるための電気的コネクタ68および温度センサー回路と接触させるための電気的コネクタ69も含む。機器111はまた、装置10と独立に相互作用する、機械的コネクタ25、24、112、および113も含む。機械的コネクタ25は、増幅チャンバー11中に液体を導入するのに使用され得る。機械的コネクタ24は、装置10中の液体の動きを制御するための空気袋と共に使用され得る。機械的コネクタ112は、入口のバルブ調節特性を制御するために使用され得る。機械的コネクタ113は、出口のバルブ調節特性を制御するために使用され得る。
機械的コネクタ25、24、112、および113は、同様の特性を有する。各機械的コネクタ25、24、112、および113は、それぞれ、モーターシステム74、30、54、および58を有する。さらに、各コネクタは、それぞれ、ピン特性33、29、53、および57も有する。図8に示すように、ワンド42が結合された増幅装置10に連結された検出装置59は、機器111中に挿入される。
好ましい例示的な態様の組立ては、例えば、何百万もの、年間に換算して大量な増幅装置の製造を実現するための単純かつ信頼性の高い製造法を提供する必要を反映している。好ましい態様のための組立てプロセスは、以下のとおりでよい：液体通路を有する射出成形プラスチック構成要素をベースエレメントとして使用し、その中に液体袋およびシリコンチップを加える。両面接着テープをベースに貼ってチップおよび小袋を所定の位置に保持し、次いで、第2のプラスチックカバー構成要素をテープに貼り、かつ密閉する。これらのタイプのプロセスは、自動化製造に適する。
図12に示す1つの特定のさらなる例示的な態様において、壁17は、例えば、チップが係合するが後退しないようにすることができるスナップクロージャー特性などのような、1つまたは複数の保持手段200によって、プラスチック構成要素22およびテープ37と接触した状態で堅固に保持され得る。このような構造体は、チャンバー11が、熱サイクル中に漏れないことをさらに保証するという付加的な利点を有する。保持手段200の種々の適切な立体配置を用いて、プラスチック構成要素22およびテープ37と接触した状態で壁17を堅固に保持することができる。例えば、保持手段200の代替の構造体が図13に例示される。
本発明において、電気化学的検出が好ましい場合、核酸増幅段階の主な目標は、標的分子から、約0.01ピコモル濃度の検出可能な核酸を生成させることである。これは、酵素的増幅および電気化学的検出を用いたサンドイッチアッセイ法の検出下限の範囲にあることが見出されている。望ましい1ピコモル濃度の断片は、アボガドロ数(1モル=6×1023個の分子)に基づいており、1pmolは、6×1023×10-12個、または約1012個の分子に等しい。公知であるように、1マイクロリットルの血液が、約5×103分子のDNAを含む場合、無理なく入手できる試料体積である1ミリリットルは、約5×106個の分子、または大まかに約107個の分子を含む。血液1ml中のDNAの量から0.01pmlのDNAを得るには、約103倍の増幅が必要である。このような増幅は、いくつかの周知の増幅技術を用いて、確実に達成できる。増幅の程度を決定するために、異なる試料タイプおよび試料体積に関して同様の計算を実施することは、当業者には明らかであると考えられる。
ポリメラーゼ連鎖反応法(PCR)は、PCR反応のために選択されたプライマー配列に基づいて標的DNAの領域を特異的に増幅できることが周知である。好ましい例示的な態様において、PCR反応を実施する新規な方法であって、DNAポリメラーゼ、標的核酸、およびある量の2種の改変プライマーを組み合わせ、その際、第1の改変プライマーが標的のある領域に対する塩基配列を有する方法が使用される。ポリメラーゼ阻止領域が、一本鎖ハイブリダイゼーション領域に連結されたこのプライマーに結合される。第2の改変プライマーは、標的の第2の領域に対する塩基配列を有し、同様に、ポリメラーゼ阻止領域および第2の一本鎖ハイブリダイゼーション領域も有する。検出可能部分(例えば、ビオチンまたはフルオロセイン(fluorocein)など)が、2種の改変プライマーのうちの一方または両方に付加される。PCR反応を実行するために、混合物を循環させて、改変プライマーを組み入れたアンプリコンの多数のコピーを作製する。このような方法に有利なことには、組み込まれなかった過剰な改変プライマーは、検出部分と共に、アンプリコン最終産物から実質的に除去される。好ましい方法において、プライマーは、自己アニーリングヘアピン構造を形成し、この構造は、検出段階においてプライマーが妨害するのを防ぐ。好ましい方法において、アンプリコン産物は、前述したように、増幅チャンバー11から検出装置59に移送される。検出装置59において、アンプリコン産物は、一本鎖ハイブリダイゼーション領域の1つまたは両方に相補的であり、そのアンプリコンとのハイブリダイゼーションが可能である捕捉オリゴヌクレオチドと接触する。最後の段階で、このハイブリダイゼーションに関連する部分は、例えば、フルオロセインの蛍光検出によって、直接的に検出される。あるいは、その部分、例えば、ビオチンなどは、ストレプトアビジンで標識された酵素、例えば、アルカリホスファターゼなどに曝露され、かつそれらと結合する。酵素活性は、光学的に、または電気化学的に決定される。
反応配列は図14に示される。この図で、81は検出部分、例えば、ビオチン、FAM、DNP、コレステロール、またはフルオロセインなどであり、82は、第1の一本鎖ハイブリダイゼーション領域であり、83はポリメラーゼ阻止領域、例えば、ヘキサPEGなどであり、84は第1のPCRプライマーであり、85は第2のPCRプライマーであり、86は第2の一本鎖ハイブリダイゼーション領域であり、87は第2の検出可能部分であり、88は二本鎖核酸標的配列であり、89は固体基板、例えばビーズまたは表面であり、90は、86に相補的なハイブリダイゼーション領域である。
好ましい例示的な態様において、第1のPCRプライマー84および第2のPCRプライマー85は、好ましくは、標準的なホスホルアミダイト化学反応を用いて合成され、かつ、ポリメラーゼ阻止領域83中以外に、DNAポリメラーゼの影響を受けやすい任意のヌクレオチドまたは修飾塩基を含んでよい。ポリメラーゼ阻止領域配列の例には、スペーサーホスホルアミダイト18-O-ジメトキシルトリチルヘキサエチレングリコール、1-[(2-シアノエチル)-(N,N-ジイソプロピル)]-ホスホルアミダイトが含まれ得る。このようなホスホルアミダイトは、ヘキサエチレングリコールスペーサー領域を生成する。同様の特性を有する他の適切なスペーサー分子もまた、この目的のために使用され得る。限定されるわけではないが、Newton, et al. (Nucleic Acids Research 21、 1155〜62頁、1993)によって説明され、また、米国特許第5,525,494号でも記述されているように、3'-3'または5'-5'リン酸ジエステル主鎖、ならびに改変ヌクレオチドの作製を含む、ホスホルアミダイト化学反応の代替方法が使用され得る。PCRプライマーはまた、好ましくは、末端にホスホロチオアート結合を含んで、T.コダキエンシス(T. kodakiensis)KOD1 DNAポリメラーゼのエキソヌクレアーゼ活性が、異なる末端塩基に基づくSNP解析において使用されるプライマーの対立遺伝子差異を区別しないことを防ぐ。
関連する構成要素と共に適切な標的およびDNAポリメラーゼの存在下でこれらの合成オリゴヌクレオチドプライマーを用いてPCRを進行させることによって、単鎖領域82および86が組み入れられた新規な合成DNA分子が生成する。TaqDNAポリメラーゼが使用できるが、好ましい態様において、有意に高い代謝回転数を示す、T.コダキエンシスDNAポリメラーゼを使用することが見出されている。次いで、86を用いて、このような分子を固体支持体89上の標的配列90にハイブリダイズさせることができる。次いで、結合部分領域は、例えば、結合部分としてビオチンを用い、かつ検出酵素、例えば西洋ワサビペルオキシダーゼ(HRP)またはアルカリホスファターゼ(ALP)などに結合されたストレプトアビジンを用いることによって、シグナルを発生させるために使用され得る。
好ましい例示的な態様において、核酸増幅装置は、以下のように操作される：核酸試料が、ワンド上の吸収性パッド中に採取され、かつ、試料投入口16を介して増幅チャンバー11中に導入される。次いで、それが、開口部を密閉する位置にねじ込まれる。次いで、カートリッジは、機器111中に挿入され、そこで、電気的連結特性および機械的連結特性と係合する。第1の段階において、機器は、液体袋25に力を加えて、液体を小袋25から増幅チャンバー11中に通過させ、そこで、液体は、入口のシール13および出口のシール15に力を加えている機器によって保持される。チャンバー11中の液体は、シリコン壁17上の試薬の糖ガラスコーティングの溶解を引き起こして、試料、緩衝剤、ポリメラーゼ、およびプライマーの混合物を形成させる。電気的コネクタが温度センサー21および加熱回路20と係合すると、チャンバー11中の温度のサイクリングが開始される。サイクリングは、図9に示すように、所定の時間、かつ所定のサイクル回数、第1の温度と第2の温度の間である。装置10のシリコン壁17に隣接した機器中のファン48は、サイクルの冷却部分を提供する。検出に十分な量のアンプリコンが形成されると、機器はシール13およびシール15に加えられている力を緩め、かつ、チャンバー11に対する入口12および出口14を開放する。次いで、機器の機械的コネクタは、入口12に結合されたポンプ24に空気力を加え、アンプリコンをチャンバー11から出口14を介して検出カートリッジ59中に移動させる。
検出カートリッジ59は、以下のように操作され得る：酵素結合DNAハイブリッドセンサーカートリッジによって検出するために、上記の移送方法によって説明したように増幅チャンバー11から約20μLのアンプリコンを移送する。後者は、共有特許の米国特許出願公開第2003/0170881号に記載されている。検出装置59は、電気化学的分析装置i-STATモデル300(i-STAT Corporation, East Windsor, New Jersey)または他の同様の機器もしくは分析装置中に配置される。センサーカートリッジは、特定のDNAオリゴマー(オリゴヌクレオチド)でコーティングされた、複数(例えば、2もしくは4、または任意の適切な数)の電流測定センサーを含んでよい。例示のためであって限定するためではないが、オリゴヌクレオチドは、3'にアミン誘導体を有する5'-ビオチン化オリゴヌクレオチドでよく、かつ、それらは、両側の末端にホスホロチオアート主鎖を有してよい。これらのオリゴヌクレオチドは、当業者には周知であるように、EDAC反応を用いてセンサー表面に共有結合させることによって、3'-アミン誘導体の位置で、カルボキシル誘導化ビーズに化学結合されている。センサーのうち1つは、対照として、PCRプライマーの一本鎖部分の1つに対して相補的な一本鎖DNAオリゴマーと結合している。また、単独のストレプトアビジン-アルカリホスファターゼ結合体(strep-ALP)も、このカートリッジ内に存在してよい。
好ましい例示的な態様において、単一の溶液中に溶解させたPCR増幅産物およびstrep-ALP結合体は、DNA捕捉センサーと接触させることができる。あるいは、PCR産物を、最初にセンサーと、続いて結合体と接触させ得ることに留意すべきである。好ましい例示的な態様において、両方の一本鎖ハイブリダイゼーション領域を含む二本鎖PCR産物は、電流測定センサー上の捕捉領域に結合する。アルカリホスファターゼ標識の結合は、PCR産物の捕捉前、またはそれがビーズに結合した後のいずれかに、溶液中で発生し得る。約5分〜約15分のような管理された期間後、かつ管理された温度(例えば、好ましくは約37℃)で、この溶液をセンサー領域から移動させ、かつ、検出カートリッジ59内の廃棄物チャンバーに送達する。ALPに対する基質を含む洗浄溶液をセンサー上に送って、過剰なstrep-ALP結合体をセンサー領域から洗い流す。洗浄溶液の流れた跡の部分は、センサー上に残り、かつ、ALP標識のための起電性基質を提供する。代替の例示的な態様において、最初に洗浄溶液、続いて、基質を含む第2の溶液を使用できることに留意されたい。また、光学的センサーまたは他のタイプのセンサーが使用される場合、他の適切な基質が使用され得ることにも留意されたい。好ましい例示的な態様において、捕捉センサーで測定される電流は、センサー上に存在するALP標識の数に本質的に直接的に比例する。相補的DNA結合配列でコーティングされていない隣接した電流測定センサーを、センサー上のALP試薬の任意の非特異的結合を相殺するための対照センサーとして使用し、そのようにして、検出限界を改善することができる。あるいは、またはさらに、相補的DNA結合配列と異なる配列を有する捕捉オリゴヌクレオチドは、陰性対照として使用され得る。
例示のためであって限定するためではないが、以下の実施例は、特定の遺伝子マーカーの増幅および検出に関する情報を提供する。
実施例1
ヘマクロマトーシス(Hfe)C282Y対立遺伝子のPCR増幅および検出
Figure 0005178528
記号表示：5Bio-5'-ビオチン化塩基、iBiodT-内部dTビオチン化塩基、*-ホスホロチオラート主鎖、T20-配列中の20dT、アミノ修飾因子_C12-5'アミノ誘導体、iSpC3-スペーサー/遮断物ホスホルアミダイト、Hfe-ヘマクロマトーシス遺伝子、Wt-野生型、Mut-変異体、SNP-一塩基多型、MBW-選択された配列、Sc-選択された配列。
好ましい態様において、検出装置(汎用検出カートリッジまたはUDCとも呼ばれる)は、MBWおよびScに対する検出可能配列を有する2つのバイオセンサーと共に製造する。独立した反応において、オリゴヌクレオチドis071およびis028.L2をカルボキシル化ビーズに添加し、かつ、当業者に周知の技術によってEDACを用いて化学結合させる。これらのビーズを、例えば、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる共有特許の米国特許出願公開第2003/0170881号(出願公開第'881号)に記載されている技術を用いて、金製金属センサーと共に製造される2つの独立した位置のウェハ上にプリントする。捕捉用合成オリゴヌクレオチドに結合されたビーズの他に、同じチップ上の別のプリントは、ストレプトアビジン-アルカリホスファターゼ結合体を含む。ウェハを切り離し、チップを、Ag/AgClリファレンスチップと共に、出願公開第'881号に記載されているタイプの検出装置中に組み立てる。これらの検出装置の流体エレメントは、例えば、心臓トロポニンI(cTnI)測定用にi-STAT Corporationによって販売されている市販の血液試験カートリッジと形式が類似している。
本実施例において、ヒト口腔内細胞の試料を、増幅チャンバー11中に組み立てられているスワブの末端にこすりつける。次いで、後述する増幅混合物を増幅チャンバー11中に押し込む。前述したように、増幅チャンバー11を、それぞれ入口ポート12および出口ポート14のピン53、ピン57に圧力を加えることによって密閉する。増幅チャンバー11を最初に約45秒間、約97℃まで加熱し、次いで、約68℃〜約90℃の間で約35サイクル、温度を循環させる。各温度での持続時間は、好ましくは、それぞれ5秒超、かつ30秒未満である。好ましい例示的な態様において、緩衝液は、抗KOD抗体と複合体を形成した、22U/mlのサーモコッカス種のKOD熱安定性ポリメラーゼ、66mMのTris-SO4(pH 8.4)、30.8mMの(NH4)2SO4、11mMのKCl、1.1mMのMgSO4、330uMのdNTP、ならびにタンパク質および安定化剤(例えば、Invitrogen Life Technologies社製AccuPrime Pfx SuperMix、マニュアル、カタログ番号12344-040)を含む。適切な代替の例示的な態様は、20mM Tris-HCL(pH8.8)、2mM MgSO4、10mM KCl、10mM(NH4)2SO4、0.1％Triton-X-100、および0.1mg/mlヌクレアーゼ非含有BSA(例えば、Stratagen社製Pfu DNAポリメラーゼ、取扱い説明マニュアル、カタログ番号600135、改訂版＄064003d)を含んでよい。プライマーis083、is084、およびis085もまた、合計約7.5pmolで反応物中に存在してよい。
増幅サイクル後、ピン53、ピン57を緩め、かつ、空気袋上のピンを押して、試料を検出装置59中に移動させる。検出装置59の操作は、例えば、米国特許出願公開第2003/0170881号において以前に説明されている。例えば、Ag/AgClに対して30mVの平衡(poise)電位をバイオセンサーに加える。次いで、増幅された試料を、前述したようにバイオセンサー上にプリントされた捕捉オリゴヌクレオチドビーズの表面上で混合する。適切な相補的一本鎖領域を用いて増幅した材料は、捕捉オリゴヌクレオチドを有するプリントされたビーズ2つのうち1つとハイブリダイズする。さらに、プリントされたストレプトアビジン-アルカリホスファターゼ結合体をこの溶液中に溶解し、これは、プライマー配列上のビオチン化塩基に結合する。次に、約3分〜約10分後、この溶液をカートリッジ中の廃棄チャンバーに移し、かつ、起電性のアルカリホスファターゼ基質、例えばアミノニトロフェニルホスファート(ANPP)などを含む溶液を、バイオセンサーが配置されている領域へと移動させる。任意で、この溶液を適当な位置に残すか、または、この位置から除去して、バイオセンサー上に液体の薄い膜を残す。次いで、バイオセンサーに結合したアンプリコンの数の指標として、アルカリホスファターゼによるANPPのアミノニトロフェノールへの変換によって生成される電流(シグナル)の量を測定する。
MBWバイオセンサーのみで認められるシグナルは、変異SNP配列を示している。Scバイオセンサーでのシグナルは、野生型SNP配列の指標であり、両方のバイオセンサーでのシグナルは、患者の試料がそのSNP配列に関してヘテロ接合性であることを示す。どちらのバイオセンサーでもシグナルが生成しない場合、それは、増幅プロセスまたは検出プロセスのいずれかで起こっている間違いのしるしであることが認識されると思われる。
実施例2
フェニルチオカルバミド(PTC)対立遺伝子1のPCR増幅および検出[TAS2R38、Ala49Pro]
Figure 0005178528
記号表示：5Bio-5'-ビオチン化塩基、iBiodT-内部dTビオチン化塩基、*-ホスホロチオラート主鎖、T20-配列中の20dT、アミノ修飾因子_C12-5'アミノ誘導体、PTC-フェニルチオカルバミド遺伝子、Wt-野生型、Mut-変異体、SNP-一塩基多型、MBW-選択された配列、Sc-選択された配列。
好ましい例示的な態様において、検出装置59は、MBWおよびScに対する検出配列を有する2つのバイオセンサーと共に製造する。独立した反応において、オリゴヌクレオチドis071およびis028.L2をカルボキシル化ビーズに添加し、かつ、前述の技術によってEDACを用いて化学結合させる。これらのビーズを、前述の技術を用いて、金製金属センサーと共に製造される2つの独立した位置のウェハ上にプリントする。捕捉合成オリゴヌクレオチドと結合されたビーズに加えて、同じチップ上の別のプリントは、ストレプトアビジン-アルカリホスファターゼ結合体を含む。ウェハを切り離し、前述したように、Ag/AgClリファレンスチップと共に検出装置59中に組み立てる。
ヒト口腔内試料を、増幅チャンバー11中に組み立てられているスワブの末端にこすりつける。(後述する)増幅混合物を増幅チャンバー11中に押し込む。増幅チャンバー11を、それぞれ入口ポート12および出口ポート14のピン53、ピン57に圧力を加えることによって密閉し、次いで、約45秒間、約97℃まで加熱する。次いで、増幅チャンバー11を、約68℃〜約90℃の間で約35サイクル、温度を循環させる。各温度での持続時間は、好ましくは、それぞれ5秒超、かつ30秒未満である。好ましい例示的な態様において、緩衝液は、抗KOD抗体と複合体を形成した、22U/mlのサーモコッカス種のKOD熱安定性ポリメラーゼ、66mMのTris-SO4(pH8.4)、30.8mMの(NH4)2SO4、11mMのKCl、1.1mMのMgSO4、330uMのdNTP、ならびにタンパク質および安定化剤(例えば、Invitrogen Life Technologies AccuPrime Pfx SuperMix、マニュアル、カタログ番号12344-040)を含む。代替の例示的な態様は、20mM Tris-HCL(pH8.8)、2mM MgSO4、10mM KCl、10mM(NH4)2SO4、0.1％Triton-X-100、および/または0.1mg/mlヌクレアーゼ非含有BSA(例えば、Stratagen社製Pfu DNAポリメラーゼ、取扱い説明マニュアル、カタログ番号600135、改訂版＄064003d)などを使用してよい。プライマーis095、is096、およびis101もまた、最終で約7.5pmolの量まで反応物中に存在してよい。
増幅サイクル後、ピン53、ピン57を緩め、かつ、空気袋上のピンを押して、試料を検出装置59中に移動させる。解析は、実施例1で説明したのと同じ様式で実施する。次いで、バイオセンサーに結合したアンプリコンの数の指標として、生成される電流(シグナル)の量を測定する。MBWバイオセンサーのみでのシグナルは、変異SNP配列である。Scバイオセンサーでのシグナルは、野生型SNP配列の指標であり、両方のバイオセンサーでのシグナルは、患者がそのSNP配列に関してヘテロ接合性であることを示す。前述したように、どちらのバイオセンサーでもシグナルが生成しない場合、それは、増幅プロセスまたは検出プロセスのいずれかで起こっている間違いのしるしである。
図11は、DNAカートリッジに由来し、かつ、検出装置59に特異的に測定された電流プロファイル(クロノアンペロメトリー出力と呼ばれる)を示す。本実施例において、PCRは、Eppendorf Mastercycler epgradient S、SN534502285において実施する。PCR反応では、ヒトC282Y SNP分化に特異的な前述のプライマーを使用し、かつ、野生型ドナー由来のヒトDNAを使用した。これらの反応を、試験前に、20、22、24、26、28、30、および35サイクル実施した。増幅反応物に由来する材料の5％を含むアリコートを検出装置59中で使用して、図11に示すクロノアンペロメトリーデータを発生させた。
検出のために使用される機器用のソフトウェアは、検出プロセスの一連の段階を実施する改良型i-STAT300分析機器ソフトウェア(i-STAT Corporation, East Windsor, New Jersey)に基づいてよいが、他の適切なソフトウェアプロセスまたは技術を用いて、検出のために使用される機器の適切な特性および機能性を実現することができる。検出カートリッジ59は、例えば、その内容全体が参照により組み入れられる、共有特許の米国特許出願公開第2003/0170881号において記述されている。増幅カートリッジから得られる増幅された標的を含む液体を、検出カートリッジ59のセンサーチャンバー中に空気圧によって押し込んで、捕捉段階を可能にする。好ましい例示的な態様において、アンプリコンの効率的な捕捉に影響を与えるように、アンプリコンを含む液体をセンサー上の捕捉オリゴヌクレオチドビーズの表面上で前後に押す際、検出カートリッジ59中のセンサーチップの温度を約47℃に設定する。この段階は、約3分〜約10分かかる。次いで、捕捉されていないアンプリコンを含む任意の液体をセンサー領域から廃棄チャンバーに移動させ、次いで、電気的に活性な基質を含む洗浄液をセンサーに添加し、かつ、例えば、Ag/AgCl電極に対して+30mVの平衡電位で(2pA/ビットで)データを収集するようにセットする。洗浄液も廃棄チャンバー中に押し込んで、アンプリコン上の酵素と反応し、かつ電極で酸化され得るp-アミノフェノールホスファートを含む分析液の薄層を残す。図11に示すように、発生する電流を時間の関数として記録する。
部分がビオチンであり、かつストレプトアビジンで標識されたアルカリホスファターゼに結合されている代替の例示的な態様において、検出試薬は、酵素によって加水分解されてp-アミノフェノールを形成するp-アミノフェノールホスファートでよい。次いで、電流測定センターの電極表面でこれを電気化学的に酸化して、存在する部分の量に比例する電流を発生させる。前述したように、このタイプの検出を、図11の電流対時間のプロットにおいて示す。
検出のために使用される機器は、好ましくは、ユーザー登録用のキーパッドおよび適切なディスプレイを含む。機器はまた、当業者には明らかであるように、電源ならびに適切な電気回路および/または電子回路ならびに増幅チャンバーの温度を制御するための組み込まれたアルゴリズムを含む。この機器はまた、例えば、共有特許の米国特許第4,954,087号および同第5,096,669号において記述されているタイプの電気的コネクタも含んでよい。電気的コネクタは、センサーへの電気的連結を作り出すために使用することができる。制御された温度、例えば37℃または他の適切な温度で検出段階を実施することが望ましい場合、コネクタは、センサーに対する基板を提供するシリコンチップの裏面に接触する適切な加熱エレメントおよびサーミスターエレメントも組み入れてよい。これらのエレメントは、増幅チャンバー11に関して説明したのと同じタイプのものである。機器は、センサーの電位を制御し、かつ電流を測定するための電流測定回路を含む。機器はまた、核酸を決定し、かつ機器上のディスプレイスクリーンに結果を示す単回使用装置上の機器によって実施される、解析配列全体を制御するための適切な組み込まれたアルゴリズムも含む。捕捉された標的に比例して発生するか、または消費される電気的に活性な化学種が、電位差測定法または電気伝導度測定法を用いてより適切に検出される場合、(当技術分野において周知の)代替の回路を機器に組み入れることができる。
単回使用カートリッジにおける好ましい検出方法は電気化学的であるが、限定されるわけではないが、蛍光、ルミネセンス、比色、温度測定、光ファイバー、光導波路、表面弾性波、エバネッセント波、およびプラズモン共鳴などを含む他の検知方法を使用することができる。
好ましいセンサーは、対電極-参照電極と共に操作される電流測定電極を含む。電流測定電極は、シリコンチップ上に微細加工により作製された直径約100umの金層を含む。当技術分野において周知であるように、製造の第1段階でシリコンチップを処理して、表面に二酸化ケイ素の絶縁層を作製する。電極は、導線によって、機器の電気的コネクタと接触するコネクタパッドに連結することができる。導線は、典型的には、ポリイミドからなる絶縁層でコーティングする。増幅された標的に相補的であり、かつそれを捕捉することができるリガンドを有するポリマー粒子を、電極上またはチップ上の隣接した位置に直接付着させる。対電極-参照電極は、同じシリコンチップ上または第2の導管中の隣接した1つの場所に微細加工で作製することができる。対電極-参照電極は、機器コネクタと接触するコンタクトパッドに接触線によって結合された、直径約200μmの銀-塩化銀(Ag/AgCl)層を含んでよい。やはり、この線は、好ましくは、ポリイミドからなる絶縁層でコーティングする。電流測定センサー微細加工の詳細な説明は、例えば、その内容全体が参照により本明細書に組み入れられる、共有特許の米国特許第5,200,051号において確認することができる。
測定された電流は、元の試料中の推測される標的核酸の有無を判定するために、機器によって使用する。これは、定性的な結果でよく、または、標的が存在する場合には、試料中の標的の量の定量的決定でよい。特定の標的に関するアルゴリズムは、試料中の標的の元の濃度を決定するための他の任意の必要な因子と共に、抽出チャンバーに移行する元の試料の体積、増幅サイクルの回数および効率、ならびに捕捉反応の効率を因子として含む。このような因子は、参照方法に由来する公知の試料を用いて、独立に決定する。これらの方法は、当技術分野において周知である。
単回使用増幅装置中に試料が入ってから、検出カートリッジによって結果が決定されるまでにかかるアッセイ法の合計時間は、約10分〜約30分の間、好ましくは20分未満である。合計時間は、一般に、個々の標的および増幅サイクルの必要回数に依存する。
開示する装置および機器の組合せの顕著な利点は、試料が装置に一度入ると、他のすべての段階が機器によって制御され、したがって、試験サイクル中に起こり得る人為的エラーが排除されることである。その結果として、このシステムは、分析研究室での測定に特に熟練していない者が、確実に使用することができる。例えば、医師は、このシステムを臨床で、または患者の来院中に使用することができる。機器はまた、持ち運び可能であり、かつ、電池式またはソーラーパワー式でよい。結果として、このシステムは、例えば、環境モニタリングおよび危険度評価においてなど、遠隔位置で使用することもできる。本発明の設計の更なる利点は、これが、試料残留物および増幅された材料も、より安全に廃棄するために、装置内に保持することである。
他の様々な態様および構成は、本発明の範囲内である。例えば、例示的な態様による機器は、カートリッジの増幅特性および検出特性が結合する単一のポート中にすべての作動エレメントおよび電気的連結エレメントを有してよい。あるいは、機器上の1つのポートが増幅段階を作動させることができ、その後、装置を検出段階用の第2のポート中に挿入する。このような第2のポートは、同じ機器上または別の機器上にあってよい。任意で、増幅構成要素から検出構成要素へのアンプリコンの移送は、手動で作動させてよいが、このような段階は、好ましくは機器の制御下にある。検出段階の代替の態様は、光学的検出およびリアルタイムPCRに基づいてよい。このような代替の例示的な態様において、増幅チャンバーは、光学的検出を用いたリアルタイムPCR測定を可能にするための光学的窓を含んでよい。リアルタイムPCRのための試薬および方法は、当技術分野において周知である。
本明細書において提示する実施例は、本発明の様々な態様の例示にすぎず、本発明を限定するものとして決して解釈されるべきではない。本発明が、その精神からも本質的な特徴からも逸脱することなく、様々な具体的な形式で具体化され得ることが、当業者には理解されると考えられる。ここに開示される態様は、あらゆる点で、例示的であり、限定的ではないとみなされる。本発明の範囲は、前述の説明ではなく、添付の特許請求の範囲によって示され、かつ、それと等価な意味および範囲内に含まれるすべての変更が包含されることが意図される。
前述の米国の特許および出願、外国の特許および出願、ならびに刊行物はすべて、本明細書においてその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本発明の例示的な態様による、一体型の単回使用DNA増幅装置および機器との相互作用の図を示す。 本発明の例示的な態様による、一体型の単回使用DNA増幅装置の上面図を示す。 図3(a)〜(b)は、本発明の例示的な態様による、一体型の単回使用DNA増幅装置および機器との相互作用の異なる透視図を示す。 図4(a)〜(b)は、本発明の例示的な態様による、可撓性の隔膜シールおよびパイロンシールを有する入口および出口のバルブをそれぞれ示す。 図5(a)〜(b)は、本発明の例示的な態様による、ねじ込み式手段によって単回使用DNA増幅装置と結合する、口腔スワブ試料の採取用のDNAスワブ装置を示す。 図6(a)〜(b)は、本発明の例示的な態様による、掛け金手段によって単回使用DNA増幅装置と結合する、口腔スワブ試料の採取用のDNAスワブを示す。 図7(a)〜(d)は、本発明の例示的な態様による、外部表面が加熱回路および温度検出回路を有する増幅チャンバーの壁を形成するシリコンチップを示す。図7(a)は、追加のリブ支持体およびファン冷却手段を示す。図7(b)は、冷却ファンおよびヒーターチップ上に結合されたヒートシンクが使用されている図7(a)の詳細を示す。図7(c)は、シリコンチップの断面図を示す。図7(d)は、増幅装置とシリコンチップの相互作用および増幅装置からシリコンチップへの連結を示す。 本発明の例示的な態様による、一体型の単回使用DNA増幅装置と機器の相互作用を示す。 本発明の例示的な態様による、増幅装置に適用される時間に対する加熱サイクルプロファイルおよび温度センサーの温度応答を示す。 本発明の例示的な態様による、増幅装置における22回、24回、26回、28回、30回、および35回のPCR増幅サイクル後の(実施例1における)標的遺伝子1のアンプリコンのゲル電気泳動を示す。 本発明の例示的な態様による、増幅装置における22回、24回、26回、28回、30回、および35回のPCR増幅サイクル後の標的遺伝子1を用いた、PCRの典型的なクロノアンペロメトリー出力を示す。 本発明の例示的な態様による、増幅チャンバーにシリコンヒーターを取り付けるクリップ手段に関する、単回使用DNA増幅装置の断面を示す。 本発明の例示的な態様による、結合のかしめ(staking)手段に関する、単回使用DNA増幅装置の断面を示す。 本発明の例示的な態様による、PCR増幅用の好ましい反応配列を示す。

Claims (38)

  1. ハウジングと、
    第1の可逆的シールを有する入口、
    第2の可逆的シールを有する出口、
    密閉可能な試料投入口、および
    増幅チャンバーの一部分を形成する第1の壁
    を含む、増幅チャンバーと
    を含む、アンプリコンを作製するための単回使用核酸増幅装置であって、
    該第1の壁が、熱伝導性材料を含み、かつ第1の表面および第2の表面を含み、
    該第2の表面が、加熱回路および温度センサーを含み、
    該試料投入口により、核酸試料が該増幅チャンバーに入ることが可能になり、
    該入口が、ポンプおよび貯蔵器と共に、第1の導管に連結されており、
    該出口が、該増幅チャンバーからアンプリコンが出て行くのを可能にする第2の導管に連結されており、
    前記ポンプが、第１の可撓性の隔膜を含み、
    前記第１の可逆的シールが、第２の可撓性の隔膜を含み、かつ
    前記第２の可逆的シールが、第３の可撓性の隔膜を含む、
    単回使用核酸増幅装置。
  2. 第１の可撓性の隔膜が、前記増幅装置に係合して作動させるための制御機器上のプランジャーと係合し、かつそれによって作動され得る、請求項１記載の増幅装置。
  3. ポンプが空気ポンプを含む、請求項1記載の増幅装置。
  4. 貯蔵器が液体袋を含む、請求項1記載の増幅装置。
  5. 液体袋が、核酸増幅を実施するための液体を含む、請求項４記載の増幅装置。
  6. 貯蔵器が第４の可撓性の隔膜を含む、請求項1記載の増幅装置。
  7. 第４の可撓性の隔膜が、前記増幅装置に係合して作動させるための制御機器上のプランジャーと係合し、かつそれによって作動され得る、請求項６記載の増幅装置。
  8. 第1の壁がシリコンを含む、請求項1記載の増幅装置。
  9. シリコンが、増幅チャンバーの第1の表面の面積の約30〜約50パーセントを含む、請求項８記載の増幅装置。
  10. 増幅チャンバーが、プラスチック材料を含む第2の壁を含む、請求項1記載の増幅装置。
  11. 第2の壁が、約0.2mm〜約5mmの範囲の壁厚を含み、かつ第2の壁が、1つまたは複数の付加的なリブ支持体を含む、請求項１０記載の増幅装置。
  12. 増幅チャンバーの内容積が、約5μL〜約50μLの範囲である、請求項1記載の増幅装置。
  13. 増幅チャンバー容積に対する増幅チャンバー表面の比率が、約5〜約30立方mmの増幅チャンバー容積に対して、約50〜約200平方mmの範囲の増幅チャンバー表面の範囲である、請求項1記載の増幅装置。
  14. 増幅チャンバーの内部形状が、長方形の構造、角の丸い長方形の形状、円柱、および断面が楕円形である円柱状の構造の内の1つを含む、請求項1記載の増幅装置。
  15. 第1の壁の第2の表面が加熱回路を含む、請求項1記載の増幅装置。
  16. 加熱回路が、第2の表面に作られた抵抗性の電気的通路を、該通路を通る電流を提供するための外部回路と接触させるための連結パッドと共に含む、請求項１５記載の増幅装置。
  17. 第1の壁の第2の表面が温度センサーを含む、請求項1記載の増幅装置。
  18. 温度センサーが、第2の表面に組み立てられたサーミスターおよび熱電対の内の1つを、該サーミスターおよび該熱電対の内の1つに連結するための外部回路と接触させるための連結パッドと共に含む、請求項１７記載の増幅装置。
  19. 試料投入口が、試料導入エレメントと結合することができる、請求項1記載の増幅装置。
  20. 試料導入エレメントが、
    核酸試料を回収および保持することができる吸収性パッドを有する第1の端部と、
    ハンドルを形成する第2の端部と
    を含むワンドを含み、
    該第1の端部が、試料投入口を経て増幅チャンバーへと通過することができ、かつ
    該ワンドが、試料投入口に該ワンドを係合しかつ密閉するために、該第1の端部と該第2の端部との間に係合構造を含む、
    請求項１９記載の増幅装置。
  21. 係合構造が、ワンド上の雄ネジ構造および試料投入口上の雌ネジ構造を含む、請求項２０記載の増幅装置。
  22. 係合構造が、ワンド上の雄型環状ロック構造および試料投入口上の雌型環状ロック構造を含む、請求項２０記載の増幅装置。
  23. 増幅チャンバーが、第1の壁の第1の表面の少なくとも一部分上に、少なくとも１つの糖ならびに少なくとも１つの脱水およびガラス化された試薬を含むコーティングを含む、請求項1記載の増幅装置。
  24. 増幅チャンバーが、約10〜約50℃/秒の範囲の温度上昇変化速度が可能なものである、請求項1記載の増幅装置。
  25. 増幅チャンバーが、約4〜約50℃/秒の範囲の温度低下変化速度が可能なものである、請求項1記載の増幅装置。
  26. 増幅チャンバーが光学的窓を含む、請求項1記載の増幅装置。
  27. 第1の壁の第2の表面が、外部回路と接触させるための連結パッドを有するペルティエ回路を含む、請求項1記載の増幅装置。
  28. 第２の可撓性の隔膜を、加力することによって閉じた位置へ、および加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができる、請求項１記載の増幅装置。
  29. 第２の可撓性の隔膜を、第２の可撓性の隔膜と結合するピンを有する係合された機器によって提供される加力により、閉じた位置へと動かすことができる、請求項１記載の増幅装置。
  30. 第３の可撓性の隔膜を、加力することによって閉じた位置へ、および加力を無くすことによって開いた位置へと動かすことができる、請求項１記載の増幅装置。
  31. 第３の可撓性の隔膜を、第３の可撓性の隔膜と結合するピンを有する係合された機器によって提供される加力により、閉じた位置へと動かすことができる、請求項１記載の増幅装置。
  32. 第2の導管が、アンプリコンの検出用の装置と係合するための結合特性を含む、請求項1記載の増幅装置。
  33. 第1の導管が、液体検出センサーを有するチップ挿入物を含む、請求項1記載の増幅装置。
  34. 第1の表面が内表面を含み、かつ
    第2の表面が外表面を含む、
    請求項1記載の増幅装置。
  35. 単回使用装置中でアンプリコンを作製するための核酸増幅方法であって、
    a)試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、
    b)開口部を密閉する段階、
    c)可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を貯蔵器から増幅チャンバーに移送する段階、
    d)増幅チャンバーの入口および可逆的に密閉可能な出口を密閉する段階、
    e)液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、
    f)第1の温度と第2の温度との間で、所定の時間および所定のサイクル回数、増幅チャンバーの温度を循環させて、アンプリコンを形成させる段階、
    g)チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに
    h)入口にポンプで空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバーから移動させる段階
    を含み、ここで、
    前記ポンプが、第１の可撓性の隔膜を含み、
    前記可逆的に密閉可能な入口が、第２の可撓性の隔膜を含み、かつ
    前記可逆的に密閉可能な出口が、第３の可撓性の隔膜を含む、
    方法。
  36. 単回使用装置中でアンプリコンを作製するための核酸増幅方法であって、
    a)試料投入口を介して増幅チャンバー中に核酸試料を導入する段階、
    b)開口部を密閉する段階、
    c)可逆的に密閉可能な入口を介して、液体を貯蔵器から増幅チャンバーに移送する段階、
    d)チャンバーの入口および可逆的に密閉可能な出口を密閉する段階、
    e)液体を試料と混合して、核酸、緩衝剤、ポリメラーゼ、および1つまたは複数のプライマーを含む混合物を形成させる段階、
    f)所定の時間、等温増幅温度までチャンバーの温度を上昇させて、アンプリコンを形成させる段階、
    g)増幅チャンバーの入口および出口を開放する段階、ならびに
    h)入口にポンプで空気力を加えて、出口を介してアンプリコンをチャンバーから移動させる段階
    を含み、ここで、
    前記ポンプが、第１の可撓性の隔膜を含み、
    前記可逆的に密閉可能な入口が、第２の可撓性の隔膜を含み、かつ
    前記可逆的に密閉可能な出口が、第３の可撓性の隔膜を含む、
    方法。
  37. 前記密閉可能な試料投入口が、ワンドを含む試料導入エレメントと結合するよう構成され、
    該ワンドは、核酸試料を収集し保持するよう構成された吸収性パッドを有する第１の端部と、使用者が握るハンドルとして構成された第２の端部と、を含み、
    該ワンドの第１の端部は、前記密閉可能な試料投入口を介して前記増幅チャンバーに通過するよう構成され、
    該ワンドは、前記試料投入口内で該ワンドと係合し密閉するための前記第１の端部および前記第２の端部の間に係合構造を含む、
    請求項１記載の増幅装置。
  38. 前記増幅チャンバーが、
    低熱伝導特性を有する第２の壁、
    前記第１の壁と該第２の壁との間のガスケット、および
    前記増幅チャンバーを冷却するよう構成されたヒートシンク
    をさらに含む、請求項１記載の増幅装置。
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