DE102012219156A1 - INTEGRATED MICROFLUIDIC COMPONENT FOR ENRICHMENT AND EXTRACTION OF BIOLOGICAL CELL COMPONENTS - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches Bauteil, wie es insbesondere bei der Identifizierung von Bakterien auf der Basis ihrer genetischen Information im Bereich der Molekulardiagnostik eingesetzt werden kann. Ein solches mikrofluidisches Bauteil umfasst mindestens eine Abreicherungskammer (105) mit einem Einlass (108) zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mit einem Auslass (110) zum Abführen des abgereicherten Fluids, wobei der Einlass (108) und der Auslass (110) so angeordnet sind, dass ein Fluidstrom zwischen Einlass (108) und Auslass (110) fließen kann. Weiterhin ist mindestens ein Auftrennelement (101) vorgesehen, das mit mindestens einer Oberfläche die Abreicherungskammer (105) begrenzt. Mindestens eine Sammelkammer (106) nimmt die angereicherten und durch das Auftrennelement (101) aufgereinigten Bestandteile des zu prozessierenden Fluids auf, wobei die Sammelkammer (106) über das Auftrennelement (101) so mit der Abreicherungskammer (105) verbunden ist, dass ein Transport zwischen der Abreicherungskammer (105) und der Sammelkammer (106) durch das Auftrennelement (101) hindurch erfolgen kann.The present invention relates to a microfluidic component, as can be used in particular in the identification of bacteria on the basis of their genetic information in the field of molecular diagnostics. Such a microfluidic component comprises at least one depletion chamber (105) with an inlet (108) for introducing a fluid to be processed and with an outlet (110) for discharging the depleted fluid, the inlet (108) and the outlet (110) being arranged in this way are that a fluid flow can flow between inlet (108) and outlet (110). Furthermore, at least one separation element (101) is provided, which delimits the depletion chamber (105) with at least one surface. At least one collecting chamber (106) receives the enriched components of the fluid to be processed, which are cleaned up by the separating element (101), the collecting chamber (106) being connected to the depletion chamber (105) via the separating element (101) in such a way that a transport between the depletion chamber (105) and the collecting chamber (106) can take place through the separating element (101).
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikrofluidisches Bauteil, wie es insbesondere bei der Identifizierung von Bakterien auf der Basis ihrer genetischen Information im Bereich der Molekulardiagnostik eingesetzt werden kann. Für die schnelle, kostengünstige, patientennahe Labordiagnostik (auch als Point-of-care-Testing, POCT, bezeichnet) ist ein wesentlicher Faktor die Vorbehandlung von Proben, die der eigentlichen Analyse vorangeht. Für ein vollautomatisiertes diagnostisches Gesamtsystem muss diese Vorbehandlung möglichst ebenfalls automatisiert, miniaturisiert und mit dem Detektionsverfahren integriert erfolgen. Die sogenannte „Lab on a Chip“-Technologie (Laboratorium auf einem Chip) stellt dabei eine geeignete Plattform für derartige automatisierte Analysesysteme dar. The present invention relates to a microfluidic component, as it can be used in particular in the identification of bacteria on the basis of their genetic information in the field of molecular diagnostics. For fast, low-cost, near-patient laboratory diagnostics (also referred to as point-of-care testing, POCT), pre-treatment of samples prior to actual analysis is an essential factor. For a fully automated overall diagnostic system, this pretreatment must also be automated as far as possible, miniaturized and integrated with the detection method. The so-called "lab on a chip" technology (laboratory on a chip) represents a suitable platform for such automated analysis systems.
Ein solches Lab on a Chip mit einer automatischen Extraktion von RNA (Ribonukleinsäure) aus bakteriellen Zellen wird beispielsweise in der Dissertation
Durch den kombinierten Lyse- und Aufreinigungsmechanismus kann eine vollautomatische Probenaufbereitung durchgeführt werden, die damit von Zeitaufwand und Kosten wie auch bezüglich der erforderlichen Genauigkeiten den Anforderungen, die für Systeme zum POCT gestellt werden müssen, genügen. The combined lysis and purification mechanism can be used to perform fully automatic sample preparation, thus meeting the requirements for POCT systems in terms of time, cost, and accuracy.
Das Grundprinzip eines solchen mikrofluidischen Bauteils zum Aufreinigen von Analytmolekülen ist entsprechend auch in der deutschen Patentschrift
Es hat sich aber gezeigt, dass mit Hilfe dieser bekannten Anordnung die erforderlichen Sensitivitäten oftmals nicht erreicht werden können, und somit die erforderlich niedrigen Nachweisgrenzen nicht erfüllt werden. However, it has been shown that with the aid of this known arrangement, the required sensitivities often can not be achieved, and thus the required low detection limits are not met.
Grundsätzlich bietet es sich in der Bioanalytik an, die Nachweisgrenzen für ein Messverfahren zu senken, indem zusätzliche Anreicherungsschritte vorgeschaltet werden, so dass die zu untersuchende Probenlösung vor der eigentlichen Messung einen höheren Anteil des zu analysierenden Materials enthält. Beispielsweise zeigt der Artikel
Die Patentschrift
Die Offenlegungsschrift
Aus der Patentschrift
Generell existieren diverse Ansätze, eine elektrische Lyse durchzuführen. Dabei sind spezielle Anordnungen und Formen von Elektroden notwendig, um eine Zerstörung der Membran, beispielsweise von Bakterienzellen, durch ein ausreichend starkes Feld zu gewährleisten. In dem Artikel
Ein ähnliches System wurde später von einer anderen Gruppe vorgestellt, wobei insbesondere die geringe notwenige Spannung von nur 8 V bei einer Frequenz von 10 kHz für ein mikrofluidisches Bauteil mit Potential zur Point-of-care-Anwendung von großer Bedeutung ist (siehe beispielsweise
Aus dem Artikel
Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegt, besteht daher darin, ein System zur schnellen, kostengünstigen und effizienten Analyse und Prozessierung von biologischen Material bereit zu stellen, das durch die vorteilhafte Vereinigung von Anreicherung, insbesondere unspezifischer Anreicherung, Lyse und Aufreinigung vollständig automatisierbar und von einem Integrationsgrad ist, der eine Mobilität auch außerhalb eines Labors gestattet. The object underlying the present invention is therefore to provide a system for the rapid, cost-effective and efficient analysis and processing of biological material, which can be fully automated by the advantageous combination of enrichment, in particular non-specific enrichment, lysis and purification and of a degree of integration that allows mobility outside of a laboratory.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.
Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, im mikrofluidischem Maßstab auf einen Chip eine Anreicherung von Zellen, Viruspartikeln, Sporen oder anderen analytisch relevanten Partikeln (im Folgenden wird vereinfacht von Zellpartikeln gesprochen) auf möglichst einfache Weise mit einem Lyse- und Aufreinigungsschritt zu vereinen. The present invention is based on the idea of microfluidic scale on a chip enrichment of cells, virus particles, spores or other analytically relevant particles (in the following is simplified spoken of cell particles) to unite in the simplest possible way with a lysis and purification step.
Insbesondere umfasst ein integriertes mikrofluidisches Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zum einen mindestens eine Abreicherungskammer mit mindestens einem Einlass zum Einleiten eines zu prozessierenden Fluids und mindestens einem Auslass zum Abführen eines abgereicherten Fluids. Der Einlass und der Auslass sind so angeordnet, dass ein Fluidstrom zwischen dem Einlass und dem Auslass fließen kann. Weiterhin ist mindestens ein Auftrennelement vorgesehen, das mit mindestens einer Oberfläche die Abreicherungskammer begrenzt. Eine Sammelkammer ist zum Aufnehmen der angereicherten und durch das Auftrennelement aufgereinigten Bestandteile des zu prozessierenden Fluids vorgesehen. Die Sammelkammer ist über das Auftrennelement so mit der Abreicherungskammer verbunden, dass ein Transport zwischen der Abreicherungskammer und der Sammelkammer durch das Auftrennelement hindurch erfolgen kann. In particular, an integrated microfluidic component according to the present invention comprises at least one depletion chamber with at least one inlet for introducing a fluid to be processed and at least one outlet for discharging a depleted fluid. The inlet and the outlet are arranged so that a fluid flow can flow between the inlet and the outlet. Furthermore, at least one separating element is provided which delimits the depletion chamber with at least one surface. A collection chamber is provided for receiving the enriched and purified by the separating element components of the fluid to be processed. The collection chamber is connected via the separation element with the depletion chamber, that a transport between the depletion chamber and the collection chamber can be carried through the separation element.
Eine solche integrierte Lösung mit mindestens einem separaten Auslass für die abgereicherte biologische Probe hat zum einen den Vorteil, dass wesentlich größere Probenmengen in deutlich kürzerer Zeit prozessiert werden können, als wenn die gesamte Flüssigkeitsmenge das Auftrennelement passieren müsste. Weiterhin verlassen die zu detektierenden Komponenten den geschützten Innenbereich des Bauteils nicht mehr, so dass insbesondere keine Schädigung durch Zersetzen der Enzyme, wie beispielsweise RNAse möglich ist. Es ist zudem möglich, die Prozesse verstärkt zu parallelisieren, da beispielsweise die Auftrennung und Lyse kontinuierlich erfolgen können und nachfolgende Prozessierungen unabhängig davon betrieben werden. Ein besonderer Vorteil ist, dass mit dem Ansatz eine direkte Verarbeitung unter Vermeidung von Totvolumina durchgeführt werden kann. Such an integrated solution with at least one separate outlet for the depleted biological sample on the one hand has the advantage that much larger sample quantities can be processed in a much shorter time than if the entire amount of liquid had to pass through the separating element. Furthermore, the components to be detected no longer leave the protected inner region of the component, so that, in particular, no damage by decomposition of the enzymes, such as, for example, RNAse, is possible. It is also possible to parallelize the processes more intensively, since, for example, the separation and lysis can be carried out continuously and subsequent processes are operated independently thereof. A particular advantage is that with the approach, a direct processing while avoiding dead volumes can be performed.
Das Auftrennelement kann beispielsweise eine Gelfiltrationsstrecke umfassen und die Anreicherung an einer die Abreicherungskammer begrenzenden Oberfläche dieser Gelfiltrationsstrecke kann mittels einer elektrophoretischen Trennung durchgeführt werden. Dabei werden die Membranladungen an der Oberfläche der Zellpartikel genutzt, indem entsprechende elektrische Potentialgefälle zwischen der Anreicherungsoberfläche und beispielsweise der Sammelkammer angelegt werden. The separation element can comprise, for example, a gel filtration section, and the enrichment at a surface of this gel filtration section delimiting the reduction chamber can be carried out by means of an electrophoretic separation. The membrane charges on the surface of the cell particles are used by corresponding electric potential difference between the Enrichment surface and, for example, the collection chamber are created.
Alternativ kann aber auch bei einem alternativen Trennelement ein Druckunterschied für den Transport sorgen. Darüber hinaus kann auch ein steuerbares oder permanentes Magnetfeld in Kombination mit magnetischen Beads an den Zellpartikeln eingesetzt werden, um die benötigte Auslenkung der Zellpartikel zu bewirken. Alternatively, however, a pressure difference can also provide for the transport in the case of an alternative separating element. In addition, a controllable or permanent magnetic field can be used in combination with magnetic beads on the cell particles in order to effect the required deflection of the cell particles.
Das Auftrennelement kann dabei Poren von einer Größe aufweisen, die kleiner ist als der Durchmesser der anzureichernden Bestandteile, wie beispielsweise Bakterienzellen. Vor der eigentlichen Aufreinigung können die Bakterienzellen dann zerstört oder geöffnet werden um ausreichend kleine Analytelemente zu erzeugen. The separating element may have pores of a size which is smaller than the diameter of the components to be enriched, such as bacterial cells. Before the actual purification, the bacterial cells can then be destroyed or opened to produce sufficiently small analyte elements.
Alternativ kann aber auch eine Gelpermeationschromatographie-Strecke vorgesehen sein, die Poren von einer Größe aufweist, die größer ist als ein Durchmesser der anzureichernden Bestandteile. Alternatively, however, it is also possible to provide a gel permeation chromatography section which has pores of a size which is greater than a diameter of the components to be enriched.
Je nach Anwendung kann auch vorgesehen sein, dass das Auftrennelement eine Flüssigkeit zum Durchführen einer Flüssig-Flüssig-Trennung aufweist. In jedem Fall werden die Zellpartikel an einer Wandung des Auftrennelements, beispielsweise der Gelfiltrationsstrecke, in der Abreicherungskammer akkumuliert und können in derselben Kammer direkt lysiert werden. Anschließend oder währenddessen können die gewonnenen Analytteilchen direkt über die Gelfiltrationsstrecke aufgereinigt und eluiert oder unmittelbar analysiert werden. Depending on the application, it may also be provided that the separation element has a liquid for performing a liquid-liquid separation. In any case, the cell particles are accumulated on a wall of the separation element, for example the gel filtration section, in the depletion chamber and can be directly lysed in the same chamber. Subsequently or during this time, the analyte particles obtained can be purified directly via the gel filtration section and eluted or analyzed directly.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Anreichern von Zellpartikeln (aber auch Nichtzellpartikel wie Nanopartikel, Toxine oder µRNA) aus einer durchfließenden Probe in ein mikrofluidisches System zur Lyse der Zellpartikel und zur Extraktion von Nukleinsäuren aus dem Lysat integriert. Zur Anreicherung der Probe durchfließt diese die Abreicherungskammer des Chips. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird in dieser Abreicherungskammer über integrierte Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt. Die Zellpartikel werden aufgrund ihrer Membranladung unspezifisch aus der Richtung des Flusses abgelenkt und lagern sich an der Oberfläche des Auftrennelements beispielsweise an einem Polyacrylamidgel, an. According to the present invention, a system for enriching cell particles (but also non-cell particles such as nanoparticles, toxins or μRNA) from a flowing sample into a microfluidic system for lysing the cell particles and for extracting nucleic acids from the lysate is integrated. To enrich the sample, this flows through the depletion chamber of the chip. According to an advantageous embodiment, an electric field is generated in this depletion chamber via integrated electrodes. Due to their membrane charge, the cell particles are nonspecifically deflected from the direction of the flow and accumulate on the surface of the separation element, for example on a polyacrylamide gel.
So kann in vorteilhafter Weise eine homogen verteilte Schicht aus Bakterien auf der ganzen Länge der Grenzfläche zum Auftrennelement erzeugt werden. Das Ergebnis der Anreicherung ist somit eine kompakte Akkumulation von Bakterien an einer Oberfläche, gemäß einer ersten Ausführungsform beispielsweise an einem Hydrogel. Thus, advantageously, a homogeneously distributed layer of bacteria can be produced over the entire length of the interface to the separating element. The result of the enrichment is thus a compact accumulation of bacteria on a surface, according to a first embodiment, for example on a hydrogel.
In vorteilhafter Weise besitzt dieses Verfahren eine äußerst geringe Selektivität, so dass auch unbekannte und vermischte Zellen für eine Gesamtanalyse in einem gemeinsamen Schritt angereichert werden können. Advantageously, this method has an extremely low selectivity, so that also unknown and mixed cells can be enriched for a total analysis in a single step.
Alternativ kann aber diese unspezifische Akkumulation auch durch eine spezifische Anreicherung ersetzt oder ergänzt werden, indem die Akkumulationsoberfläche mit spezifisch wechselwirkenden Komponenten funktionalisiert wird. Weiterhin können auch verschiedene Gelkombinationen zur Akkumulation verschiedener Partikel verwendet werden. Insbesondere können mehrere Kammern, die durch Gele getrennt sein können, mit jeweils spezifischen Anreicherungsmodulen und eigenen Probeentnahme und Analyseneinrichtungen kaskadiert aufgebaut werden. Alternatively, however, this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific enrichment by functionalizing the accumulation surface with specifically interacting components. Furthermore, different gel combinations for the accumulation of different particles can be used. In particular, several chambers, which may be separated by gels, can be constructed cascaded with specific enrichment modules and own sampling and analysis devices.
Der wesentliche Vorteil der elektrophoretischen Anreicherung und Auftrennung besteht darin, dass keine beweglichen Teile wie Ventile oder Zentrifugenkonstrukte mehr erforderlich sind und damit sowohl die Ausfallsicherheit wie auch die Miniaturisierbarkeit und Kosteneffizienz erhöht werden können. The main advantage of the electrophoretic enrichment and separation is that no moving parts such as valves or centrifuge constructions are required and thus both the reliability as well as the Miniaturizierbarkeit and cost efficiency can be increased.
Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße integrierte mikrofluidische Bauteil im Hinblick auf die Extraktion von Nukleinsäuren durch eine Elektroporation. Mit einer solchen Anordnung wird eine sehr kompakte, relativ homogene Bakterienakkumulation an der Grenze zum Auftrennelement, beispielsweise einer Gelgrenze, erzeugt. Dadurch wird ein geringer für diese Art der Nukleinsäuregewinnung (die Lyse im Allgemeinen) und die Elektroporation im speziellen vorteilhafter Elektrodenabstand erreicht. Ein Ablösen der konzentrierten Schicht von der Auftrennelementoberfläche ist beispielsweise durch eine Spannungsumkehrung möglich. Grundsätzlich können mit dem vorliegenden erfindungsgemäßen integrierten mikrofluidischen Bauteil alle in der
Um den Meniskus einer Phasengrenze beim Befüllen oder Entleeren des erfindungsgemäßen mikrofluidischen Bauteils definiert zu führen, können Phaseguides verwendet werden, wie sie beispielsweise aus der offengelegten europäischen Patentanmeldung
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Vulto, P. et al.: „A microfluidic appproach for high efficiency extraction of low molecular weight RNA“ Lab on a Chip, 2010, Volume 10, No. 5, 610–616 -
Vulto, P. et al: „Microfluidic channel fabrication in dry film resist for production and prototyping of hybrid chips“, Lab on a Chip, 2005, Volume 5, No. 2, 158–162 -
Vulto, P. et al: „Phaseguides: A paradigm shift in microfluidic priming and emptying“, Lab on a Chip, 2011, Volume 11, No. 9, 1561–1700
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Vulto, P. et al .: "A microfluidic appproach for high efficiency extraction of low molecular weight RNA" Lab on a Chip, 2010, Volume 10, no. 5, 610-616 -
Vulto, P. et al: "Microfluidic channel fabrication in dry film resist for production and prototyping of hybrid chips", Lab on a Chip, 2005, Volume 5, no. 2, 158-162 -
Vulto, P. et al: "Phaseguides: A paradigm shift in microfluidic priming and emptying", Lab on a Chip, 2011, Volume 11, no. 9, 1561-1700
Durch den Einsatz von Phaseguide-Strukturen kann insbesondere bei sehr kleinen Abmessungen der einzelnen Kammern ein rasches vollständiges und luftblasenfreies Befüllen bzw. ein vollständiges Entleeren durchgeführt werden. The use of phaseguide structures makes it possible, in particular with very small dimensions of the individual chambers, to carry out a complete, complete and bubble-free filling or a complete emptying.
Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die vorliegende Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Weiterhin können auch einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für sich genommen eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen: With reference to the advantageous embodiments shown in the accompanying drawings, the present invention will be explained in more detail below. Similar or corresponding details of the subject invention are provided with the same reference numerals. Furthermore, individual features or combinations of features from the embodiments shown and described can be considered as stand alone, inventive or inventive solutions. Show it:
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren im Detail erläutert. Ein mögliches Gesamtsystem, in dem die erfindungsgemäßen Prinzipien verwendet werden, ist in
Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Gesamtsystem
Die erforderlichen Amplifikationsreagenzien werden mit den zu analysierenden aufgereinigten und angereicherten Probenkomponenten vermischt und nach der entsprechenden Amplifikation in der Detektionskammer
Die vorliegende Erfindung ist auf die in
Erfindungsgemäß werden dabei in der Abreicherungskammer
Wie in
Dabei werden zunächst während eines Durchstroms zwischen Zufluss
Das heißt, erfindungsgemäß wird die Anreicherung von Zellpartikeln aus einer die Abreicherungskammer
Um das Einfüllen und Entleeren der Flüssigkeiten zu erleichtern, können, wie bereits erwähnt, Phaseguide-Elemente
Sowohl die Anreicherung, als auch der Transport durch das Auftrennelement
Eine erste Ausführungsform und ein erster Betriebsmodus des Analytgewinnungsmoduls
Wie in
Alternativ zu dieser einstufigen Extraktion kann auch, wie in
Wie in
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Konzepts ist in den
Durch entsprechende Ansteuerung der Elektroden
Erfindungsgemäß wird die Ansteuerung der Elektroden gezielt verändert. Insbesondere werden die Elektroden
Anschließend, sobald die Lyse abgeschlossen ist, wird die Ansteuerung der Elektroden wiederum geändert, so dass nunmehr in der Auftrennstrecke
Für manche Anwendungsfälle ist es besser, die Zellen nicht komplett zu lysieren, sondern lediglich mit Hilfe einer Elektroporation zu öffnen. Für eine Elektroporation der Zellpartikel sind sehr hohe Feldstärken und damit vorzugsweise sehr geringe Elektrodenabstände erforderlich. Um diese geringen Abstände zu ermöglichen, wird, wie in
Wie in
Wurden die Zellen dann ausreichend lysiert oder haben sie einen ausreichenden Teil ihres Inhalts durch die erzeugten Poren an das Lysat abgegeben, so können die Analytmoleküle ohne Verzögerung aufgereinigt werden. Hierzu wird, wie in
Das Analytgewinnungsmodul
Anschließend werden die Elektroden
Das Prinzip der Elektroporation und anschließenden Analyse lässt sich gemäß einer weiteren Ausführungsform ebenfalls in zwei Richtungen erweitern. Dies ist in den
Selbstverständlich lässt sich auch die Elektrodenanordnung der
Die Doppelelektrodenanordnung der
Zusammenfassend besitzt das Analytgewinnungsmodul
Das Ergebnis dieser Anreicherung ist eine kompakte Akkumulation von Bakterien an einer definierten Oberfläche, beispielsweise einem Hydrogel. Diese Anreicherung besitzt wie erwähnt eine geringe Selektivität, so dass auch unbekannte und vermischte Zellen für eine Gesamtanalyse in einem gemeinsamen Schritt angereichert werden können. Selbstverständlich kann aber diese unspezifische Akkumulation auch durch eine spezifische ersetzt oder ergänzt werden, indem spezifisch wechselwirkende Komponenten an der Akkumulationsoberfläche positioniert werden. Darüber hinaus können auch verschiedene Gelkombinationen zur Akkumulation verschiedener Partikel vorgesehen sein. Insbesondere kann auch eine in den Figuren nicht gezeigte Kaskadierung mehrerer Kammern, die durch Gele getrennt sein können, mit jeweils spezifischen Anreicherungsmodulen und einem eigenen Probeentnahme- oder Analyseteil, vorgesehen sein. The result of this enrichment is a compact accumulation of bacteria on a defined surface, such as a hydrogel. As mentioned, this enrichment has a low selectivity, so that even unknown and mixed cells can be enriched for a total analysis in a single step. Of course, however, this nonspecific accumulation can also be replaced or supplemented by a specific one by positioning specifically interacting components on the accumulation surface. In addition, various gel combinations may also be provided for the accumulation of different particles. In particular, a cascading, not shown in the figures, of several chambers, which may be separated by gels, each with specific enrichment modules and a separate sampling or analysis part may be provided.
In vorteilhafter Weise benötigt der elektrophoretische Ansatz keine beweglichen Teile, wie Ventile oder Zentrifugen. Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße System im Hinblick auf die Extraktion von Nukleinsäuren durch Elektroporation. Mit dieser Anordnung wird eine sehr kompakte, relativ homogene Bakterienakkumulation an der Gelgrenze oder sonstigen Oberfläche erzeugt. Dies ermöglicht einen geringen, für diese Art der Nukleinsäuregewinnung und insbesondere die Elektroporation vorteilhaften Elektrodenabstand. Ein Ablösen der konzentrierten Schicht von der Gelgrenze durch eine Spannungsumkehrung ist möglich. Advantageously, the electrophoretic approach requires no moving parts, such as valves or centrifuges. This offers special advantages inventive system with respect to the extraction of nucleic acids by electroporation. With this arrangement, a very compact, relatively homogeneous bacteria accumulation is produced at the gel border or other surface. This allows a low, for this type of nucleic acid recovery and in particular the electroporation advantageous electrode spacing. A detachment of the concentrated layer from the gel boundary by a voltage reversal is possible.
Es kann alternativ auch nur ein Teil der möglichen Prozessierung durchgeführt werde, z. B. zum Extrahieren von µRNA oder Toxine aus Blutplasma, vorteilhafter Weise direkt im Durchflussbetrieb. In seiner grundlegenden Ausführungsform besitzt das System zumindest eine Kammer, die zumindest durch eine Geloberfläche, deren Poren kleiner als die Zelldurchmesser sind, abgegrenzt wird und mindestens einen Zu- und Ablaufkanal hat. Die Kanäle bilden ein Durchflusssystem, durch welches es möglich ist, auch Proben vom Vielfachen des Kammervolumens anzureichern. Zur Anreicherung wird über die Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt, so dass Zellen/Partikel aus der Probe durch ihre Ladung in Richtung der Gelgrenze beschleunigt werden. Dort lagern sich die Zellen in einer meist mehrlagigen Schicht während des gesamten Probendurchflusses über kontinuierlich ab. Durch Vorsehen zusätzlicher Gelgrenzen können auch Zellen umgekehrter Polarität angereichert werden und es kann dadurch bei Bedarf eine Trennung dieser zwei grundlegenden Zelltypen erreicht werden. Die angereicherten Zellen werden erfindungsgemäß direkt im Anschluss an die Anreicherung oder auch während der Anreicherung selbst lysiert. Alternatively, only a part of the possible processing can be carried out, for. B. for extracting μRNA or toxins from blood plasma, advantageously directly in flow mode. In its basic embodiment, the system has at least one chamber, which is delimited at least by a gel surface, whose pores are smaller than the cell diameter, and has at least one inlet and outlet channel. The channels form a flow-through system through which it is possible to enrich even samples of multiples of the chamber volume. For enrichment, an electric field is generated via the electrodes, so that cells / particles are accelerated out of the sample by their charge in the direction of the gel boundary. There, the cells deposit in a mostly multilayered layer during the entire sample flow over continuously. By providing additional gel boundaries, cells of reversed polarity can also be enriched and, if necessary, a separation of these two basic cell types can be achieved. The enriched cells are lysed according to the invention directly after the enrichment or even during the enrichment itself.
Die Lyse kann, wie beispielsweise in der internationalen veröffentlichten Anmeldung
Weiterhin können auch andere geeignete Verfahren zum Lysieren der Zellpartikel gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. So sind z. B. aus den Veröffentlichungen
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Dino Di Carlo, Ki-Hun Jeong and Luke P. Lee: “Reagentless mechanical cell lysis by nanoscale barbs in microchannels for sample preparation“, Lab Chip, 2003, 3, 287–291 -
Matthias Wurm and An-Ping Zeng: “Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics”, Lab Chip, 2012, 12, 1071 -
Institut für Bioprozess- und Biosystemtechnik der TUHH: „Mechanischer Aufschluss von eukaryontischen Zellen“, herunterzuladen von http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html
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Dino Di Carlo, Ki-Hun Jeong and Luke P. Lee: "Reagentless mechanical cell lysis by nanoscale barbs in microchannels for sample preparation", Lab Chip, 2003, 3, 287-291 -
Matthias Wurm and An-Ping Zeng: "Mechanical disruption of mammalian cells in a microfluidic system and its numerical analysis based on computational fluid dynamics", Lab Chip, 2012, 12, 1071 -
Institute for Bioprocess and Biosystems Technology of the TUHH: "Mechanical digestion of eukaryotic cells", downloadable from http://www.spe.tuharburg.de/de/forschung/biopartikel.html
Anschließend erfolgt erfindungsgemäß eine Aufreinigung der lysierten Komponenten, eine anschließende Detektion der Biomoleküle oder auch eine Elution oder sonstige Weiterverarbeitung der Extrakte. Dabei dient vorzugsweise dieselbe Elektrodenkonfiguration, die zur Anreicherung verwendet wurde, auch als Separationselektrodenpaar. Subsequently, according to the invention, a purification of the lysed components, a subsequent detection of the biomolecules or else an elution or other further processing of the extracts. In this case, preferably the same electrode configuration that was used for the enrichment also serves as the separation electrode pair.
Umpolungsvorgänge der Elektrodenpotentiale können außerdem auf vorteilhafte Weise dazu genutzt werden, die angereicherte Zellpartikelschicht aufzulockern, um Verklumpungen oder Verstopfungen zu vermeiden. Umpolungsvorgänge the electrode potentials can also be used in an advantageous manner to loosen the enriched cell particle layer in order to avoid clumping or clogging.
Selbstverständlich kann aber auch mindestens eine entsprechende Pumpe, insbesondere Mikropumpe, und mindestens ein Ventil vorgesehen sein, um ein geeignetes Druckgefälle aufzubauen. Of course, however, at least one corresponding pump, in particular a micropump, and at least one valve may be provided in order to build up a suitable pressure gradient.
Das erfindungsgemäße System erlaubt also eine schnelle kostengünstige und effiziente Analyse von biologischem Material, indem es die Anreicherung, besonders eine unspezifische Anreicherung, mit einer Lyse und Aufreinigung vollständig automatisierbar und mit einem Integrationsgrad, der eine Mobilität auch außerhalb des Labors gestattet, zur Verfügung stellt. Thus, the system according to the invention allows a rapid, cost-effective and efficient analysis of biological material by making the enrichment, especially a nonspecific enrichment, completely automatable with lysis and purification and with a degree of integration which also allows mobility outside the laboratory.
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