Titel

Analysegerät zur Durchführung von mikrofluidischen biologischen Tests mit einer Kartusche mit zwei Pfaden

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Analysegerät zur Durchführung von mikrofluidischen biologischen Tests, insbesondere zur Durchführung einer Vervielfältigung von Nukleinsäureabschnitten. Beispielsweise kann ein solches Analysegerät eingesetzt werden, um vor Ort, also am Point-of-Care, Tests durchzuführen, insbesondere PCR-Tests zum Nachweis von Krankheitserregern. Dazu kann eine menschliche oder tierische Probe in einer mikrofluidische Kartusche, auch Lab-on-(a)-Chip-Kartusche (kurz LoC- Kartusche) genannt, in dem Analysegerät prozessiert werden. Wie beispielsweise in den Dokumenten DE 10 2016 222 075 Al und DE 10 2016 222 072 Al beschrieben, weist das Analysegerät typischerweise alle aktiven technischen Mittel auf, insbesondere Heizer, Hydraulik- oder Pneumatikansteuerungen für die Kartusche, während die in der Regel als Einwegprodukt ausgeführte Kartusche ohne aktive Komponenten, aber mit erforderlichen biochemischen Reagenzien ausgestattet kostengünstig ausgeführt ist .

Beispielsweise beschreibt die Patentschrift DE 10 2014205 728 B3 ein solche LoC- Kartusche, bei welcher zwei Teilmengen einer Probe biologischen Materials auf zwei voneinander getrennte und als Probenbearbeitungsbereiche bezeichnete Pfade aufgeteilt und unabhängig voneinander prozessiert und analysiert werden. Ein als mikrofluidisches System bezeichnetes Analysegerät kann dabei die Kartusche aufnehmen und die beiden Pfade sowohl zur Prozessierung als auch zur Analyse mithilfe einer (beispielsweise optischen) Auswerteinrichtung ansteuern. Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Analysegerät zur Durchführung von mikrofluidischen biologischen Tests, insbesondere zur Durchführung einer Vervielfältigung von Nukleinsäureabschnitten. Dabei ist das Analysegerät eingerichtet, eine Kartusche mit einem ersten Pfad zur Durchführung eines ersten biologischen Tests und einem zweiten Pfad zur Durchführung eines ersten biologischen Tests zu prozessieren, wobei das Analysegerät ferner eingerichtet ist, abhängig von einer Eingabe einen von beiden Pfaden oder beide Pfade zu prozessieren und/oder eine Prozessierung für einen oder beide Pfade anzupassen.

Bei der Kartusche kann es sich insbesondere um eine mikrofluidische Kartusche handeln, auch als LoC-Kartusche bezeichnet wie eingangs ausgeführt. Die Erfindung betrifft somit auch ein mikrofluidischen System umfassend ein erfindungsgemäßes Analysegerät und einer solche Kartusche. Beispielsweise umfasst die Kartusche einen Schichtaufbau, wobei eine fluidische Schicht, auch als fluidischer „layer“ oder fluidische Lage bezeichnet, durch eine elastische Membran, von einer pneumatischen Schicht getrennt ist. In der fluidischen Schicht befinden sich durch Kanäle verbunden Kammern, in welchen eine Prozessierung und Analyse einer aufgenommenen Probe erfolgen kann. In der pneumatischen Schicht befinden sich Kanäle und Kammern, um über einen angelegten Über- oder Unterdrück die Membran stellenweise bezüglich der fluidischen Schicht zu bewegen und somit Pump- oder Ventilfunktionen zu realisieren. Einer oder beide Pfade können solche Kanäle und/oder Kammern der fluidischen und/oder pneumatischen Schicht umfassen, insbesondere in ihrer Funktion als fluidische Aktoren wie Pumpen oder Ventile. Vorzugsweise umfasst das Analysegerät ein pneumatisches Bauteil zur Ansteuerung der Membran über die pneumatische Schicht und damit zur Ansteuerung der fluidischen Aktoren.

Somit kann vorteilhafterweise in einem oder beiden Pfaden eine Prozessierung und/oder Analyse zumindest eines Teils einer Probe erfolgen, wobei die Prozessierung bzw. Analyse abhängig von einer Eingabe in das Analysegerät erfolgt. Beispielsweise kann abhängig vom über die Eingabe mitgeteilten Typ des durchzuführenden Tests und/oder vom Typ der verwendeten Kartusche eine Prozessierung eines oder beider Pfade erfolgen. Vorzugsweise umfasst das Analysegerät in einem Speicher mehrere Ablaufprogramme bzw.

Prozessierungen, wobei aufgrund der Eingabe für einen oder beide Pfade ein Ablaufprogramm bzw. eine Prozessierung ausgewählt wird oder alternativ dem Nutzer eine Vorauswahl zu Ablaufprogrammen bzw. Prozessierungen unterbreitet wird, beispielsweise über eine Darstellung auf einem Display des Analysegeräts oder ein drahtloses Interface, beispielsweise zu einem mobilen Endgerät. Gemäß besonderer Ausgestaltung kann das Analysegerät eingerichtet sein, bei entsprechender Eingabe in beiden Pfaden die gleiche Prozessierung vorzunehmen. Damit wird vorteilhafterweise ein „doppelter Test“ durchgeführt, um eine Aussagekraft der Prozessierung bzw. Analyse zu erhöhen. Das Analysegerat ist vorzugsweise eingerichtet, eine Probe bei Bedarf auf die beiden Pfade aufzuteilen, insbesondere über eine Ansteuerung der Kartusche zur Verteilung der Probe aus einer Probeneingabekammer der Kartusche auf die beiden Pfade. Die Eingabe kann dabei beispielsweise über eine drahtlose Informationsübertragung erfolgen, beispielsweise über WLAN, Bluetooth® oder Funk. Alternativ oder zusätzlich kann die Eingabe händisch, beispielsweise über ein berühungssensitives Display, oder durch einen optischen Scanner des Analysegerät über die Erfassung eines Barcodes oder QR-Codes erfolgen. Die Prozessierung eines oder beider Pfade kann dabei beispielsweise von der über die Eingabe übermittelten Probenart der Probe angepasst werden. Unter der Probenart kann dabei zumindest ein biologisches Merkmal der Probe verstanden werden, beispielsweise eine Information, ob die Probe Blut, Sputum, Urin oder einen Abstrich umfasst. Ferner kann unter der Probenart auch eine, insbesondere hinzugefügte, Substanz der Probe verstanden werden, insbesondere ein Transportmedium wie beispielsweise eNAT™ oder UTM™. Insbesondere kann eine Prozessierung abhängig vom über die Eingabe mitgeteilten Transportmedium eine Lyse der Probe umfassen. Beispielsweise kann die Prozessierung derart angepasst werden, dass bei Vorliegen eines nichtlysierenden Transportmediums wie UTM™ ein Lyseschritt von in der Probe befindlichen Zellen durchgeführt wird und das bei lysierendem Medium wie eNAT™ kein Lyseschritt durchgeführt wird. Beispielsweise kann die Eingabe eine weitere Information umfassen, ob bei Vorliegen eines nicht-lysierenden Transportmediums eine Lyse als Teil der Prozessierung durchgeführt werden soll. Die Erfindung hat somit auch den Vorteil, dass neben einer bedarfsorientierten Prozessierung eines oder beider Pfade auch die Prozessierung selbst über die Eingabe angepasst werden kann.

Ferner können das Analysegerät oder die Kartusche Temperierelemente, also Heizelemente und/oder Kühlelement umfassen, beispielsweise Widerstandsheizer oder Peltierelemente, um Fluid in der Kartusche zu temperieren. Somit kann eine Prozessierung eines oder beider Pfade eine Bewegung von Fluid in einer Kammer der Kartusche und/oder eine Temperierung einer Kammer der Kartusche umfassen, insbesondere für eine Durchführung einer thermischen Lyse, einer Polymerase- Kettenreaktion (PCR) und/oder einer isothermalen Amplifikation.

Gemäß besonders bevorzugter Ausgestaltung ist das Analysegerat eingerichtet, eine Prozessierung eines der beiden Pfade abhängig von einer Prozessierung des anderen Pfades durchzuführen, insbesondere abhängig von einer Auswertung eines durchgeführten Schritts der Prozessierung zumindest eines der Pfade, insbesondere des anderen Pfades, beispielsweise eines Zwischenschritts einer PCR. Beispielsweise kann die Prozessierung zumindest eines der Pfade eine Durchführung einer Human-Kontrolle umfassen, wobei die Prozessierung eines der Pfade oder vorzugsweise beider Pfade bei negativer Human-Kontrolle abgebrochen wird. Eine Human-Kontrolle kann dabei insbesondere eine Vervielfältigung und Nachweises eines vorgegebenen menschlichen Nukleinsäureabschnitts umfassen. Das Analysegerat ist damit vorzugsweise eingerichtet, die Prozessierung eines oder alternativ beider Pfade vorzeitig zu beenden, wenn eine Auswertung eines Schritts der Prozessierung dieses Pfades oder alternativ des anderen Pfades zu einem vorgegebenen Ergebnis führt, insbesondere zu einem Nachweis einer vorgegebenen Substanz.

Somit ist das Analysegerat vorzugsweise eingerichtet, zumindest einen Prozessierschritt bei der Prozessierung eines Pfades abhängig von zumindest einem Prozessierschritt bei der Prozessierung des anderen Pfades anzupassen. Beispielsweise ist das Analysegerät eingerichtet, vorzugsweise abhängig von einer entsprechenden Eingabe oder Konfigurierung vor Beginn der Prozessierung, einen Abbruch der Prozessierung in einem oder alternativ beiden Pfaden bei einer negativen Human- Kontrolle durchzuführen. Beispielsweise kann das Analysegerät eingerichtet sein, eine Prozessierung in einem oder alternativ beiden Pfaden nicht mehr (weiter) durchzuführen, wenn ein Teilschritt einer Prozessierung eines Pfades ein vorgegebenes Ergebnis liefert, zum Beispiel ein Nachweis einer vorgegebenen Substanz, beispielsweise eines Krankheitserregers oder eines Biomarkers, in einem prozessierten Teil der Probe, so dass beispielsweise weitere Nachweise derselben Substanz oder einen anderen Substanz nicht mehr erforderlich sind (auch als „early detection“ bezeichenbar). Das Analysegerat ist damit vorzugsweise eingerichtet, die Prozessierung eines oder alternativ beider Pfade vorzeitig zu beenden, wenn eine Auswertung eines Schritts der Prozessierung dieses Pfades und/oder (in alternativer Ausgestaltung) des anderen Pfades zu einem vorgegebenen Ergebnis führt, insbesondere zu einem Nachweis oder Fehlnachweis einer vorgegebenen Substanz.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Durchführung eines biologischen Tests mit einem erfindungsgemäßen Analysegerät oder einem erfindungsgemäßen mikrofluidischen System, wobei abhängig von einer Eingabe in das Analysegerät einer von beiden Pfaden oder beide Pfade der Kartusche prozessiert werden und/oder wobei eine Prozessierung für einen oder beide Pfade angepasst wird. Für Weiterbildung und Vorteile des Verfahrens wird auf die oben beschriebenen Weiterbildungen und Vorteile verwiesen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Analysegeräts und des erfindungsgemäßen Systems und Figur 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems 100 umfassend ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Analysegeräts 300. In das Analysegerät 300 ist eine mikrofluidische Kartusche 310 aufgenommen, wobei die Kartusche 310 ein ersten Pfad 311 und einen zweiten Pfad 312 zur Durchführung jeweils eines biologischen Tests aufweist. Die Pfade 311, 312 können dabei jeweils ein oder mehrere fluidische Elemente wie beispielsweise Kanäle, Kammern, Pumpe und/oder Ventile aufweisen als Probenbearbeitungseinrichtungen 330, 340. Bei den biologischen Tests kann es sich insbesondere um biologische Assays handeln, insbesondere eine Vervielfältigung von Nukleinsäureabschnitten über Polymerase- Kettenreaktion (PCR) oder isothermale Amplifikation.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren 500 kann beispielsweise mit einem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Analysegeräts 300 bzw. Systems 100 durchgeführt werden.

Über eine Einbringöffnung 322 kann in einem ersten Schritt 501 des Verfahrens eine biologische Probe, insbesondere in einem Transportmedium aufgenommene Blut- oder Speichelprobe, in eine Probenaufnahmekammer 320 der Kartusche 310 eingebracht werden. In einem zweiten Schritt 502 wird eine Eingabe zur Prozessierung, insbesondere eine drahtlose und/oder optische Eingabe, in das Analysegerät 300 vorgenommen. Der zweite Schritt 502 kann dabei beispielsweise ein Einlesen eines Codes von der Kartusche und/oder von dem Probenbehälter umfassen. Alternativ kann der zweite Schritt 502 zumindest teilweise, insbesondere ein Einlesen von auf dem Probenbehälter aufgebrachten Informationen, vor dem ersten Schritt 501 erfolgen, beispielsweise, um eine Kompatibilität der Probe mit der Kartusche 300 zu prüfen. Aufgrund der Eingabe kann in einem dritten Schritt 503 eine Prozessierung der Pfade 311, 312 im Analysegerät 300 konfiguriert werden, beispielsweise bezüglich der über die Eingabe übermittelten Probenart, Transportmedium der Probe und/oder Eigenschaften der Kartusche 300, zum Beispiel anhand der GTIN (Global Trade Item Number), des Fertigungsdatums und/oder der Lotnummer. Insbesondere kann abhängig von der Eingabe eingestellt werden, ob einer der beiden Pfade 311, 312 oder ob beide Pfade 311, 312 prozessiert werden. Ferner kann aufgrund der in der Eingabe enthaltenen Information vorzugsweise eine von mehreren im Analysegerät konfigurierten oder abgelegten Prozessierungen oder Ablaufprogramme ausgewählt werden, bevorzugt jeweils für jeden der beiden Pfade. Alternativ oder zusätzlich kann der Benutzer aufgefordert werden, eine von mehreren möglichen Prozessierungen auszuwählen, beispielsweise eine Auswahl ein oder mehrerer nachzuweisender Substanzen/Targets, zum Beispiel Krankheitserreger oder Biomarker. Ferner kann eine bereits konfigurierte Prozessierung aufgrund der über die Eingabe erhaltenen Informationen angepasst werden. Beispielsweise kann abhängig von einer Information zum Transportmedium der Probe ein Lyseschritt in die Prozessierung zumindest eines der Pfade aufgenommen oder aus der Prozessierung entfernt werden. Vorzugsweise können auch ein oder mehrere Prozessparameter der Prozessierung aufgrund der Informationen in der Eingabe festgelegt oder geändert werden, beispielsweise eine unterschiedliche Festlegung der Parameter bei Prozessierung einer Probe von nur einem Patienten gegenüber einer Probe, welches ein Gemisch von Proben mehrerer Patienten aufweist (sogenanntes Pooling oder Pool-Test), beispielsweise eine Anpassung des dabei zu prozessierenden Probenvolumens (zum Beispiel 750 Mikroliter beim Pool- Test gegenüber 350 Mikroliter beim Einzel-Test) und vorzugsweise entsprechende Anpassung der für die Prozessierung erforderlichen Mengen anderer Substanzen, insbesondere Puffer. Dies hat den Vorteil, dass die Prozessierung pro Pfad individuell optimiert werden kann.

Anschließend kann gemäß einem vierten Schritt 504 die Kartusche 310 in das Analysegerät 310 aufgenommen werden und in einem fünften Schritt 505 die Prozessierung durchgeführt werden.

Das Analysegerät 300 weist für die Prozessierung und Analyse beispielsweise eine pneumatische Ansteuerung für die fluidischen Elemente der Kartusche 310 auf, beispielsweise (einstellbare) Druckniveaus zur Beaufschlagung von Druck in pneumatischen Kanälen der Kartusche zur Aktuierung von Ventilen und Pumpen. Das Analysegerät 300 ist vorzugsweise eingerichtet, Teilmengen der Probe aus der Probenaufnahmekammer 320 über jeweils einen Kanal 324, 326 in den ersten Pfad 311 bzw. den zweiten Pfad 312 für eine Prozessierung in den Probenbearbeitungseinrichtungen 330, 340 einzubringen und auch die Prozessierung anzusteuern, insbesondere über die pneumatische Ansteuerung von Pumpen und Ventilen in der Kartusche 100 sowie über eine Steuerung von Heiz- und/oder Kühlelementen des Analysegeräts 300 oder der Kartusche 310. Die Prozessierung umfasst somit vorzugsweise mehrere Teilschritte in beiden Pfaden 311, 312 wie beispielsweise Probenaufbereitung, Lyse, Nukleinsäurevervielfältigung. Wie oben beschrieben, kann die Durchführung eines Teilschritts in einem Pfad 311, 312 vorzugsweise von einer Durchführung eines Teilschritt in dem anderen Pfad 312, 311 abhängigen. Beispielsweise kann im ersten Pfad 311 einen Human-Kontrolle durchgeführt werden und abhängig vom Ergebnis der Human-Kontrolle die Prozessierung im zweiten Pfad 312 (und bevorzugt auch im ersten Pfad 311) fortgesetzt oder abgebrochen werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Auswertung eines Teilschritts, insbesondere ein Nachweis eine vorgegebenen Substanz (zum Beispiel Teil eines Krankheitserregers oder Biomarker) zu einer vorzeitigen Beendigung der Prozessierung des betroffenen Pfades 312 oder alternativ beider Pfade 311, 312 mit vorzugsweiser Ausgabe dieser Auswertung an den Benutzer erfolgen, was ein vorteilhafte frühzeitige Erkennung der gesuchten Substanz („early detection“) ermöglicht. Nach der Prozessierung kann bevorzugt gemäß einem sechsten Schritt 506 eine Analyse der bearbeiteten Probenmengen in jeweils mit den Pfaden 311, 312 verbundenen Sensorkammern 350, 360 erfolgen, beispielsweise über insbesondere optische Sensoren 304, 306 einer Sensoreinrichtung 302 des Analysegeräts 300. In einem optionalen siebten Schritt 507 kann ein Ergebnis der Analyse über ein Display des Analysegeräts 300 angezeigt, in einem Speicher abgelegt und/oder an ein weiteres Gerät übermittelt werden, beispielsweise (drahtlos) an einen Server.