用于移动设备分析核酸和蛋白质的系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于提取、任选地扩增、以及检测核酸或蛋白质的便携式系统，所述便携式系统使用紧凑的集成芯片与移动设备系统的组合来分析所检测的信号，并且经由无线网络比较和分发结果。提供了相关的系统和方法。提供了相关的系统和方法。提供了相关的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
用于移动设备分析核酸和蛋白质的系统和方法
[0001]本申请是分案申请，其原申请的国际申请号为PCT/US2014/029008，国际申请日为2014年03月14日，中国国家申请号为201480021900.2，进入中国国家阶段的进入日为2015年10月16日，专利技术名称为“用于移动设备分析核酸和蛋白质的系统和方法”。
[0002]相关申请
[0003]本申请要求2014年3月11日提交的美国临时申请号61/951,084的权益；并且要求2013年9月9日提交的美国临时申请号61/875,661的权益；并且要求2013年3月15日提交的美国临时申请号61/790,354的权益。上述申请的全部教导以引用的方式并入本文。

技术介绍

[0004]对生物有机体的遗传物质进行检测和分析可以被用于病原体鉴定、基因分型、生物标志物鉴定、个性化医疗、个性化营养、个性化皮肤护理、个性化医学美容、个性化营养品、伴随诊断、药物监测、药物遗传学以及营养基因组学。可以通过将样品中存在的核酸与已知的参考样品中的核酸进行比较来确定生物样品中物质的身份。然而，在进行这种比较之前，必须从样品中提取核酸，将所述核酸扩增，然后检测。通常，在实验室或医院中，经过数小时、数天或数周的过程进行所述提取步骤、扩增步骤以及检测步骤。举例来说，扩增通常涉及聚合酶链反应(PCR)，如美国专利号4,683,202和4,683,195中所述。为了使用常规的PCR扩增核酸，必须将核酸在酶、核苷酸、引物以及缓冲液存在下反复地加热和冷却。
[0005]用于提取、扩增以及检测核酸的传统方法和设备通常没有稳健到足以在专门的实验室基础结构外部的移动配置或现场配置中进行。提取和扩增单独即使不耗费数天，也要耗费数小时，这取决于有机体的类型、核酸链的长度、以及循环数。此外，可商购获得的设备和方法需要熟练劳动力、流水以及电力。此外，必须严格控制温度、pH值以及缓冲液成分。污染物可能会抑制或干扰复制中所使用的核酸聚合酶，从而降低扩增过程的效率和保真性。类似的限制适用于提取和检测核酸的常规技术。因此，对用于检测、定量以及鉴定核酸的自动化的、集成的、紧凑的、稳健的、快速的、准确的并且易于使用的设备和方法存在需求。

技术实现思路

[0006]本专利技术涉及一种用于快速分析、定量以及鉴定核酸或蛋白质的系统和方法。
[0007]本专利技术提供了一种用于提取，任选地扩增、和检测(以及任选地定量)核酸或蛋白质的便携式或移动的或护理点(POC)系统，所述系统使用紧凑的集成芯片与便携式系统或移动设备的组合来分析所检测到的信号，并且经由无线网络比较和分发结果。可交换的模块可以用于提取、扩增以及检测中的一种或多种。
[0008]本专利技术具有许多优势。本专利技术与用于检测和分析核酸或在一些实施方案中检测和分析蛋白质的现有方法相比是更快的、更便宜的、更可现场部署的并且更精确的。不同于甚至耗费数小时到数周来对大样品进行表征或分析的常规方法，本专利技术通常在不到一小时、或不到半小时，例如数分钟内产生测量结果。本专利技术是灵敏到足以检测从含有少数细胞的样品中所提取的核酸(参见例证)。不同于需要实验室或诊所中的台式设备、训练有素的技
术人员、电力、水、以及常常需要冷冻样品和试剂的标准诊断设备和方法，本专利技术可以在利用任选地一次性的紧凑集成芯片的便携式或移动设备中被实施。结果可以经由一种或多种通信网络，如无线网络和/或互联网被分发。本专利技术的系统不需要熟练劳动力或受过训练的技术人员，并且可以在医院或集中式实验室基础结构的外部工作。本专利技术的系统对于各种环境变量来说是稳健的并且可以在宽的pH值范围、温度范围、传统的架空的基础结构下以及任选地，在没有冷冻的情况下起作用。
[0009]本专利技术可以被用于检测和辨别来自单一的生物有机体或其它来源或者多个有机体或来源的核酸分子或蛋白质。本专利技术不仅可以检测和分析未知的核酸，而且所述方法还灵敏到足以区分属内的物种、或辨别点突变和/或生物标志物序列和/或疾病易感性等位基因。在利用一次性集成芯片的本专利技术的实施方案中，在与现有的诊断测定的成本相比时，还存在显著的削减成本的效果。
[0010]此外，在利用美国专利号7,494,791(它的整个公开内容在此以引用的方式并入本文)中所公开的非热核酸扩增方法的本专利技术的实施方案中，可以实现少于约1
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‑7处误差/碱基对或更好(例如少于10
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处误差/碱基对)的误差率。甚至在“困难序列”(在所述序列上聚合酶有滑移、产生误差或停止工作的倾向；困难序列的实例包括重复序列、多聚腺苷酸序列、富含GC的序列、三核苷酸重复序列等)的情况下，可以实现少于1
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‑3处误差/碱基对或更好(例如少于10
‑6处误差/碱基对)的误差率。所公开的非热核酸扩增方法可以用于利用可以经受得住超过100个核酸复制循环的试剂来扩增具有最多20,000个碱基对的长度的序列。可以使用其它等温的扩增方法，例如环介导等温扩增(LAMP)技术，如T.Notomi等,Nucleic Acids Research,28,e63(2000)中所述的那些；解旋酶依赖性扩增(HDA)技术，如Vincent M,Xu Y,Kong H.(2004),“解旋酶依赖性等温DNA扩增(Helicase
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dependent isothermal DNA amplification)”,EMBO Rep 5(8):795
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800中所述的那些；链置换扩增(SDA)技术，如G.T.Walker等,Proc.Natl.Acad.Sci USA,89,392
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396(1992)中所述的那些；所有这些参考文献的全部教导在此以引用的方式并入本文。可以使用桥式扩增、滚环扩增以及任何其它扩增方法(热或等温)。
[0011]在根据本专利技术的一个实施方案中，提供了一种用于快速分析生物样品的系统。所述系统包括接收至少一个集成芯片的移动设备。所述移动设备处理所述集成芯片以分析其上所加载的生物样品。所述移动设备和所述集成芯片共同被配置成执行以下各项中的至少一种：对所述集成芯片上的分子或流体系统进行操纵和控制。所述移动设备和集成芯片共同被配置成将制约对生物样品进行的分析的多个步骤中的至少一个的至少一种参数精确控制到加上或减去10％、加上或减去1％、加上或减去0.1％、加上或减去0.01％、加上或减去0.001％或者加上或减去0.0001％以内。
[0012]在根据本专利技术的另一个实施方案中，提供了一种用于快速分析生物样品的系统。所述系统包括接收至少一个紧凑的集成芯片的便携式控制组件。所述集成芯片包括提取模块；任选的与所述提取模块处于流体连通的核酸扩增模块；以及与所述核酸扩增模块或提取模块处于流体连通的生物样品检测模块。所述便携式控制组件处理所述集成芯片以通过利用以下各项来分析其上所加载的生物样品：提取控制模块；核酸扩增控制模块，所述核酸扩增控制模块与所述提取控制模块可操作地连接；以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于快速分析生物样品的系统，所述系统包括：接收至少一个集成芯片的移动设备；所述移动设备处理所述集成芯片以分析其上所加载的生物样品；所述移动设备和所述集成芯片共同被配置成执行以下各项中的至少一种：对所述集成芯片上的分子或流体系统进行操纵和控制；并且其中所述移动设备和集成芯片共同被配置成将制约对所述生物样品进行的所述分析的多个步骤中的至少一个的至少一种参数精确控制到加上或减去10％、加上或减去1％、加上或减去0.1％、加上或减去0.01％、加上或减去0.001％或者加上或减去0.0001％以内。2.一种用于快速分析生物样品的系统，所述系统包括：接收至少一个紧凑的集成芯片的便携式控制组件，所述集成芯片包括：用于将生物样品和任选的一种或多种试剂加载到所述集成芯片上的注射口；提取模块；核酸扩增模块，所述核酸扩增模块与所述提取模块处于流体连通；以及检测模块，所述检测模块与所述核酸扩增模块处于流体连通，所述便携式组件包括：提取控制模块，所述提取控制模块包括磁性粒子捕获装置，所述磁性粒子捕获装置用于捕获被引入到被加载到所述集成芯片上的所述生物样品中的磁性粒子；核酸扩增控制模块，所述核酸扩增控制模块与所述提取控制模块可操作地连接，所述核酸扩增装置包括热电加热装置，所述热电加热装置用于加热/冷却所述集成芯片的所述核酸扩增模块；以及检测控制模块，所述检测控制模块与所述核酸扩增模块和所述核酸提取模块可操作地连接，所述检测控制模块包括：用于检测核酸或蛋白质的荧光检测装置；以及毛细管电泳(CE)控制装置，所述装置与所述荧光检测装置可操作地连接，所述CE控制装置还包括高电压控制单元，所述高电压控制单元用于对所述集成芯片的所述核酸检测模块施加电压，所述电压足以实现核酸或蛋白质的分离；以及流体压力产生装置，所述流体压力产生装置用于使所述生物样品和/或核酸移动穿过所述集成芯片。3.一种用于快速分析生物样品的方法，所述方法包括：(1)提供至少一个集成芯片，所述集成芯片包括：核酸提取模块；核酸扩增模块，所述核酸扩增模块与所述核酸提取模块处于流体连通；以及核酸检测模块，所述核酸检测模块与所述核酸扩增模块处于流体连通，(2)将所述至少一种生物样品加载到所述至少一个集成芯片上；(3)使便携式控制组件与至少一个集成芯片可操作地连接，所述便携式控制组件包括：核酸提取控制模块；核酸扩增控制模块，所述核酸扩增控制模块与所述核酸提取控制模块可操作地连接；
以及核酸检测控制模块，所述核酸检测控制模块与所述核酸扩增模块和所述核酸提取模块可操作地连接；以及(4)启动所述便携式控制组件以实现对来自被加载到所述集成芯片上的所述生物样品的核酸进行提取、扩增以及检测。4.一种用于快速相继提取、扩增以及分离生物样品中的核酸的集成芯片，所述集成芯片包括：外壳，所述外壳具有集成在其中的微流体通道，所述微流体通道相继与核酸提取模块、核酸扩增模块以及核酸分离模块处于流体连通；用于注射生物样品和试剂的至少一个样品入口端口，所述入口端口与所述核酸提取模块处于流体连通；其中所述核酸提取模块包括用于从所述生物样品中提取核酸的至少一个提取室，所述提取室通过至少一个样品输送通道与所述样品入口端口连接；其中所述核酸扩增模块包括用于扩增核酸的至少一个扩增室，所述核酸扩增室通过至少一个核酸输送通道与所述提取室连接；以及其中所述核酸分离模块包括用于分离和检测所述核酸的至少一个检测通道，所述检测通道通过至少一个扩增产物输送通道与核酸扩增室连接。5.一种用于快速分析生物样品的系统，所述系统包括：接收至少一个集成芯片的硬件系统，所述集成芯片包括：用于将生物样品和任选的一种或多种试剂加载到所述集成芯片上的注射口；核酸提取模块；核酸扩增模块，所述核酸扩增模块与所述核酸提取模块处于流体连通；以及核酸分离模块，所述核酸分离模块与所述核酸扩增模块处于流体连通，所述硬件系统包括：核酸提取控制模块，所述核酸提取控制模块包括磁性粒子捕获装置，所述磁性粒子捕获装置用于捕获被引入到被加载到所述集成芯片上的所述生物样品中的磁性粒子；核酸扩增控制模块，所述核酸扩增控制模块与所述核酸提取控制模块可操作地连接，所述核酸扩增装置包括热电加热装置，所述热电加热装置用于加热/冷却所述集成芯片的所述核酸扩增模块；以及核酸检测控制模块，所述核酸检测控制模块与所述核酸扩增模块和所述核酸提取模块可操作地连接，所述核酸检测控制模块包括：用于检测核酸的荧光检测装置；以及毛细管电泳(CE)控制装置，所述装置与所述荧光检测装置可操作地连接，所述CE控制装置还包括高电压控制单元，所述高电压控制单元用于对所述集成芯片的所述核酸分离模块施加电压，所述电压足以实现核酸的分离；以及流体压力产生装置，所述流体压力产生装置用于使所述生物样品和/或核酸移动穿过所述集成芯片。
6.一种用于快速分析生物样品的方法，所述方法包括以下步骤：提供集成芯片，所述集成芯片包括：用于注射生物样品和试剂的至少一个样品入口端口；核酸提取模块，所述核酸提取模块包括用于从所述生物样品中提取核酸的至少一个提取室，所述提取室通过至少一个样品输送通道与所述样品入口端口连接；核酸扩增模块，所述核酸扩增模块包括用于扩增核酸的至少一个扩增室，所述核酸扩增室通过至少一个核酸输送通道与所述提取室连接；以及核酸分离模块，所述核酸分离模块包括用于分离和检测所述核酸的至少一个检测通道，所述检测通道通过至少一个扩增产物输送通道与核酸扩增室连接；经由所述至少一个样品注射口将至少一种生物样品和任...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：纳诺拜希姆公司，
类型：发明
国别省市：