用于从材料样品中提取材料的装置、系统和方法

用于从材料样品中提取材料的装置、系统和方法
【专利摘要】提供用于从样品中选择性地提取材料的装置、系统和相关方法。一方面，例如，用于从生物样品中选择性地提取生物材料的方法可以包括：识别待从在基本上平的表面上放置的生物样品中提取的生物材料的区域；应用提取工具到生物材料的区域，以从生物样品分裂生物材料；和在生物材料的区域处分配液体。该方法也可以包括从生物样品抽吸液体和分裂的生物材料。
【专利说明】用于从材料样品中提取材料的装置、系统和方法
[0001]优先权数据
[0002]本申请要求2011年I月24日提交的美国临时专利申请序列号61/461，925和2011年5月31日提交的美国临时专利申请序列号61/491，829的益处，每一篇的全部内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003]用于从载玻片安装(slide mounted)的组织切片切削特定区域的两种常用技术是手工宏观切割(Manual Macrodissection)和激光捕获显微切割(LCM)。因为手工宏观切割具有可以忽略不计的成本、是比较快的并且一般获得大量的样品，所以其主要用于病理学领域。然而，精确度的下限为约1mm，这可以限制准确度，并且手工性质使得它容易出错且被较差地记录。LCM是空间上精确的，从而允许获得小至5p.m.的分辨率，并因此能够靶向单个细胞。然而，设备是非常昂贵的，其是缓慢的，并要求由经训练的操作员全时间交互作用，并且空间精确度以微量的回收样品为代价而达到，这使得下游生化分析面临挑战，并往往需要可以不利影响结果的大量扩增。使用针头和显微操纵器的第三切削技术未得到广泛接受，因为它是困难且劳动密集型的。

【发明内容】

[0004]本公开提供用于从样品中选择性地提取材料的装置、系统和有关方法。一方面，例如，用于从样品如生物样品中选择性地提取材料如生物材料的方法可以包括:识别从样品中待提取的材料的区域；应用提取工具到所述材料区域，以从所述样品分裂材料；和在所述材料区域分配液体。该方法也可以包括从所述样品抽吸所述液体和分裂的材料。
[0005]提取工具可以利用各种运动来从样品分裂材料，并且能够分裂材料的任何这类运动被认为是在本范围内。一方面，例如，所述提取工具可以对材料区域给予切削运动。考虑任何切削运动，非限制性实例包括旋转、振动、切片等，包括其组合。在一个具体方面，所述切削运动是旋转。
[0006]考虑分配液体以及抽吸液体和分裂的材料的各种方法。一方面，例如，液体可以分配在材料区域和提取工具之间的界面处。以这种方式，分裂的材料容易与液体混合，因为它是分裂的。另一方面，同时分配和抽吸液体。因此，分裂的材料可以通过从样品抽吸液体快速地除去。又另一方面，液体由提取工具分配和抽吸，或者换言之，从与连接到提取工具或与其他方式与提取工具相关联的、或与提取工具整体形成的端口分配和抽吸液体。
[0007]此外，考虑用于识别材料如生物材料的区域的各种技术。一方面，例如，识别材料区域进一步包括获得样品的实时数字图像和限定对应于材料区域的、在所述数字图像上的感兴趣区域，其中样品的移动通过感兴趣区域和/或数字图像的移动反映，以保持感兴趣区域相对于材料的位置。另一方面，样品是一系列切片，并且感兴趣区域被限定在不同切片中对应于材料区域的一个切片上。
[0008]另外地，本公开提供各种材料提取装置。一方面，例如，用于从样品如生物样品中选择性地提取材料如生物材料的提取装置可以包括外壳和可旋转地连接到外壳并配置为由电动机可旋转地驱动的至少一个切削刀片(cutting tip)。该切削刀片可操作用于从样品区域分裂材料。该装置可以进一步包括连接到外壳和接近切削刀片定位的至少一个液体分配端口，其中液体分配端口可操作用于在切削刀片处分配液体。另外地，至少一个液体抽吸端口连接到外壳并接近切削刀片定位，其中液体抽吸端口可操作用于从接近切削刀片的区域抽吸液体和分裂的生物材料。另一方面，至少一个液体分配端口和至少一个液体抽吸端口与切削刀片一起旋转。又另一方面，至少一个液体分配端口和至少一个液体抽吸端口可操作用于同时发挥功能。
[0009]切削刀片可以是任何大小的，这取决于所需的切削任务。一方面，例如，切削刀片大小适合于分裂从约10 μ m大小到约Imm大小的生物材料的区域。另一方面,切削刀片大小适合于分裂从约100 μ m大小到约250 μ m大小的材料区域。
[0010]另外地，本公开提供用于从样品中选择性地提取材料的系统。一方面，例如，用于从样品如生物样品中选择性地提取材料如生物材料的系统可以包括如在本文已描述的提取装置，其被定位以操作地面对支撑基板并且接合在支撑基板上放置的样品。电动机可以操作地连接到提取装置，并且可操作用于旋转切削刀片。射流系统可以连接到提取装置，并且可操作用于输送流体到液体分配端口和从液体移出端口撤回流体。此外，位置移动系统可以连接到提取装置，并且可操作用于相对于支撑基板移动提取装置的切削刀片或相对于切削刀片移动支撑基板。
[0011]在使用过程中可视化材料提取过程可以是有益的。因此，一方面，包括和定位可视化系统，以提供在支撑基板上放置的样品如生物样品的可视化显示。可视化系统可以包括各种可视化装置，其包括但不限于，数字成像器、光学成像器、显微镜、倒置显微镜等，包括其组合。在一个具体的方面，支撑基板是透明的。另一方面，可视化系统是倒置显微镜，其被定位以提供来自于切削刀片相对的透明支撑基板的一侧的可视化显示。又另一方面，可视化系统可操作用于提供在提取过程中切削刀片的实时可视化显示。
[0012]另一方面，用于从样品如生物样品中选择性地提取材料如生物材料的系统可进一步包括手动操纵系统。该手动系统在功能上连接到位置移动系统，并且可操作用于允许使用者使切削刀片和/或支撑基板相对于彼此移动。
[0013]又另一方面，用于从样品如生物样品中选择性地提取材料如生物材料的系统可以进一步包括自动操纵系统。这样的自动系统在功能上连接到位置移动系统，并且可操作用于使切削刀片和/或支撑基板相对于彼此自动移动。另一方面，自动系统进一步包括在功能上连接到自动操纵系统的处理系统。处理系统可操作用于识别和定位待从样品中提取的预定的材料区域，并且使切削刀片和/或支撑基板相对于彼此移动，以便通过自动操纵系统提取生物材料。
[0014]因此，已经相当宽泛地概述本发明的更重要的特征，以便可以更好地理解下面的详细描述，和以便可以更好地理解对本【技术领域】的贡献。结合附图和权利要求书，从本发明的下列详细描述中，本发明的其他特征将变得更加明显，或者可以通过实践本发明了解。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1示出了根据本发明一个实施方式的材料提取装置的侧视图。[0016]图2A示出了根据本发明另一个实施方式的材料提取装置的视图。
[0017]图2B示出了根据本发明另一个实施方式的使用中的材料提取装置的视图。
[0018]图3示出了根据本发明另一个实施方式的使用中的材料提取装置的视图。
[0019]图4示出了来自根据本发明另一个实施方式的材料提取装置的切削刀片的视图。
[0020]图5示出了根据本发明另一个实施方式的材料提取系统的示意图。
[0021]图6A-D示出了根据本发明另一个实施方式由材料提取装置提取的组织的图像。
[0022]图7A-B示出了根据本发明另一个实施方式具有限定的感兴趣区域的组织的图像。
[0023]图8示出了根据本发明一个实施方式具有分开的各种组件的材料提取装置的横截面视图。
[0024]图9示出了根据本发明一个实施方式的材料提取系统的侧视图。
[0025]结合下列详细描述将进一步描述附图。此外，这些附图不必须按比例绘制，并且仅以说明的方式，以便尺寸和几何形状可以不同于示出的那些。
【具体实施方式】
[0026]在公开和描述本发明之前，应当理解的是，本发明并不限于本文所公开的特定结构、过程步骤或材料，而扩展到相关【技术领域】中的普通技术人员将会认识到的其等同物。还应该理解的是，本文所采用的术语仅是为了描述特定实施方式的目的，而并不旨在是限制性的。
[0027]必须注意地是，如在本说明书和所附的权利要求书中所使用的，单数形式“一(a) ”、“一个(an) ”和“该”包括复数指代，除非上下文清楚地指出。因此，例如，提到“该切削刀片”包括一个或多个这样的刀片，和提到“液体端口”包括提到一个或多个这样的端口。
[0028]定义
[0029]在描述和要求保护本发明中，以下术语将根据下文所述的定义进行使用。
[0030]如本文所使用的，术语“基本上”是指动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果的完全或接近完全的范围或程度。在一些情况下，与绝对完全偏离的精确允许程度可能取决于具体上下文。然而，一般来说，接近完全是使得具有与获得绝对和全部完全相同的总结果。当用在负面的含义来指完全或接近完全缺少动作、特性、性质、状态、结构、项目或结果时，“基本上”的使用是同等适用的。例如，“基本上不含”颗粒的组合物将是完全缺少颗粒，或者如此接近完全缺少颗粒使得效果将与完全缺少颗粒是相同的。换句话说，“基本上不含成分或元素”的组合物可能实际上仍然包含这样的项目，只要对其感兴趣的性质没有可测量的影响。
[0031]如本文所使用的，术语“大约”用于通过以一定程度的灵活性提供可以是“略高于”或“略低于”端点的给定值来给数值范围端点提供灵活性，如本领域的技术人员将通常认识到的。此外，术语大约明确地包括准确的端点，除非明确说明。
[0032]如本文所使用的，为了方便起见，可以在一个共同的列表中呈现多个项目、结构要素、组成要素和/或材料。然而，这些列表应该被解释为该列表的每个组成部分被单独识别为分开的和独特的组成部分。因此，这种列表的单个组成部分不应该仅仅基于其在共同组中呈现且无相反指示而被解释为同一列表的任何其他组成部分的事实上的等同物。[0033]浓度、数量和其他数值数据可能以范围格式在本文表示或呈现。应当理解地是，这种范围格式仅为了方便和简洁而使用，并因此应该灵活地解释为不仅包括明确叙述为该范围的极限值的数值，而且包括包含在该范围内的所有单独数值或子范围，就好像明确陈述了每个数值和子范围。作为一个例证，“约I至约5”的数字范围应该被解释为不仅包括明确陈述的约I至约5的值，而且包括在所指示的范围内的单独值和子范围。因此，单独值如
2、3和4和子范围如从I到3、从2到4和从3到5等，以及1、2、3、4和5单独地包括在该数字范围中。这一相同原则适用于仅陈述一个数值作为最小值或最大值的范围。此外，这样的解释应该适用一无论所描述的范围或特征的广度。
[0034]本发明
[0035]本公开涉及用于从材料样品中移出材料的装置、系统和方法。在一些情况下，保存已提取的材料，以进一步处理或分析。这可能是用于涉及法医学(forensics)、材料纯度测试、组织病理学、岩芯取样等的过程的情况。在一些情况下，可以生成材料样品的连续切片，允许一个切片的破坏性取样，同时保留相邻切片的结构特征以进一步分析。
[0036]其中这类测试可以是有益的一个实例是在组织病理性的领域或其他生物学领域，借此从生物样品中移出生物材料。然而，应该注意的是，虽然下列描述的许多在本质上是生物学的，但是本范围并不限于此。相反，本公开适用于与当前方面有关的任何材料和/或测试程序。
[0037]一方面，提供了用于从生物样品中选择性地提取生物材料的方法。在这种方法中，识别待从生物样品中提取的生物材料的区域。在一些情况下，生物样品放置在表面上，例如，基本上平的表面或平的表面上。在其他情况下，生物样品可以为块或其他三维物体的形式。生物材料可以是任何类型的生物材料,并且可以源自各种生物有机体,包括动物、人类、植物、真菌等。生物样品本身可以包括源自生物有机体的任何材料，包括组织、组织切片、器官、器官切片、细胞、培养的细胞、培养的组织、植物物质、分泌物、排泄物等，包括其组合。生物材料也可以包埋在基体中，如塑料，石蜡，凝胶或可用于以固体、半固体或悬浮形式呈现该材料的任何其他材料或剂，并且可以包括新鲜的或冷冻的生物样品或样品切片。因此，生物材料的区域是打算从生物样品提取生物材料的区域。
[0038]该方法可以进一步包括应用提取工具到生物材料区域，以从生物样品分裂生物材料。在一些方面，提取工具在所识别的区域接触生物样品，并从那里分裂生物材料。能够分裂生物材料的任何配置的提取工具被视为在本范围内。另外地，考虑各种破坏性的运动。一方面，例如，破坏性运动是切削运动。切削运动的非限制性实例包括旋转、振动、切片等，包括其组合。在一个具体的方面，切削运动是旋转。
[0039]该方法也可以包括在生物材料区域处分配液体。液体可以分配在生物样品的一部分上，或者它可以分配在整个或基本上整个样品上。一方面，液体分配在生物材料区域和提取工具之间的界面处。液体可以是有益于从生物样品中提取生物材料的任何液体。液体可以包括能够与所分裂的生物材料混合的任何液体介质。在一些情况下，液体可以被设计成仅与生物材料混合。在其他情况下，液体可以配制成与生物材料和/或生物样品反应。例如，液体可以包含酶或其他化学部分，以方便生物材料的分裂和/或分解。因此，随着生物材料从生物样品中提取，可以促进进一步的处理步骤。一般地，液体可以包含各种溶剂、酶、缓冲液等中的一种或多种。一方面，液体可以是水或纯净水。[0040]该方法也可以包括从生物样品移出液体和分裂的生物材料中的至少一部分。因此，一旦分裂的生物材料与液体混合，液体和所述生物材料二者可以被移出，以进一步处理或处置。除了任何酶促反应以外，液体因此还产生生物材料的浆液或悬浮液，以便利于从样品中移出。通过各种机制，包括但不限于，抽吸、芯吸(wicking)、重力流动等，可以进行移出。在一个具体的方面，通过抽吸进行移出。可以相继分配液体发生液体移出，或者可以在分配的同时发生移出。在一个具体的方面，同时分配和抽吸液体。此外，在一些情况下，液体的分配和移出与提取工具分开地发生。一方面，通过提取工具分配和抽吸液体。
[0041]虽然已经就材料的分裂描述了分配和去除液体，但是应该注意，在没有液体的情况下可以发生这样的分裂，并且移出分裂的材料的任何其他物理方法被视为在本范围内。例如，分裂的材料可以使用真空机从表面移出，并在空气过滤器上回收。
[0042]另外地，本公开提供了用于从样品中提取材料的工具。一方面，例如，如图1中所示，提供了一种用于从生物样品中选择性地提取生物材料的提取装置。这种装置可包括用于容纳该装置的各种组件的外壳12和至少一个切削刀片14。如已经描述的，切削刀片14可以使用各种切削运动例如旋转、切片、振动、冲压等从生物样品分裂生物材料。在一个具体的方面，切削运动是旋转。在这些情况下，切削刀片14可旋转地连接到外壳12并配置为将16连接到电动机(未示出)并由该电动机可旋转地驱动。因此，随着切削刀片接触生物样品，旋转运动分裂生物材料。
[0043]另外地，提取装置可以包括至少一个液体分配端口 18，其连接到外壳12并定位在接近切削刀片14的位置中。因此，液体分配端口 18在切削刀片14处分配液体，且这样做可以减少进行切削程序所需的液体容量。此外，提取装置可以包括至少一个液体抽吸端口19，其连接到外壳12并定位在接近切削刀片14的位置中。因此，液体抽吸端口 19从接近切削刀片14的区域抽吸液体和分裂的生物材料，从而使液体和生物材料在生物样品的其他区域处的接触最小化。
[0044]—方面，液体分配端口和液体抽吸端口与切削刀片一起旋转。图2A和2B中示出了这种配置的一个方面。图2A示出了具有提取装置20的一个方面，所述提取装置20具有切削刀片22、液体分配端口 24和与切削刀片22相关联的液体抽吸端口 26。应该注意，液体分配端口 24和液体抽吸端口 26 二者都以它们与切削刀片一起旋转的方式与切削刀片22相关联。在程序过程中如此分配的液体将位于切削刀片和生物样品之间的界面处。图2A中的箭头表示在使用过程中液体从液体分配端口 24流向液体抽吸端口 26的路径。
[0045]图2B示出了在使用中的图2A的提取装置的横截面。在这种情况下，生物样品27放置在基本上平的表面28上，和旋转的25切削刀片22与生物样品接触。液体从与切削刀片22相关联的液体分配端口 24分配，以在切削刀片22和生物样品27之间的界面处提供液体。将生物材料从生物样品分裂，并在界面处与液体混合。液体和生物材料的混合物通过液体抽吸端口 26从界面抽吸。箭头29示出了液体和生物材料正被抽吸通过液体抽吸端口 26并通过提取装置。
[0046]另一方面，液体分配端口和液体抽吸端口可操作用于同时发挥功能。值得注意的是，可以利用多种设计来实现这样的功能性，并且任何这样的设计被视为在本范围内。例如，一方面，可以利用分离的泵同时将流体从液体分配端口泵出，并抽吸液体进入通过液体抽吸端口。在其他方面，可以利用具有足够射流的单个泵，以允许同时的功能性。在图3中所示的一个示例性方面中，提取工具的内部配置可以允许这种同时的功能性。在图3的左侧图中，提取装置30位于液体保持容器31内，以接触液体32。在提取装置30内形成密封件的柱塞33以朝着液体分配容器32的方向按压。这种按压造成液体32移动通过液体分配端口和相关联的分配通道34，以填充提取工具内的液体分配库35。通过柱塞33的移动产生的负压因此用液体填充液体分配库35。如图3的中间图中所示的，然后将提取工具30放置靠近在基本上平的表面上的生物样品，并使其旋转以分裂生物材料。当该装置正在旋转时，柱塞33可以以远离基本上平的表面36的方向撤回，以便在液体分配库35中产生正压。该正压分配液体通过分配通道34并离开在生物样品和提取装置之间的界面37处的液体分配端口。同时，柱塞33的撤回造成液体抽吸库38内的负压，其导致在界面37处的液体被抽吸通过液体抽吸端口和相关联的抽吸通道39，以便因此用液体和分裂的生物材料填充液体抽吸库。图3的右侧图示出了柱塞33朝着切削刀片40按压，从而在液体抽吸库38中产生正压和将液体和生物材料排入液体保持容器31内。该液体保持容器可以与从其填充提取装置的液体保持容器相同或不同。
[0047]提取装置的各种组件可以由各种材料如金属、聚合物、橡胶等制成。一般地，密封件可以由柔顺性材料如软塑料或橡胶制成；注射管和切削刀片可以由刚性材料如硬塑料或金属制成；和柱塞可以由中等柔顺性材料制成。对于将与液体接触的材料而言，对正在使用的液体具有一些程度的无反应性是有用的。
[0048]考虑各种切削刀片设计，并且这类设计可以根据正在处理的材料的类型和/或配置以及正在使用的系统的总设计进行改变。切削刀片类型的非限制性实例包括刀刃、刮片、刨床、粗糙表面、钩子、锯齿等，包括其组合。例如，粗糙表面如砂轮可以用于从样品分裂材料。一方面，图4中示出了有用的切削刀头(cutting bit)设计。图4示出了其中连接可旋转切削刀片44的提取装置外壳42。切削刀片具有至少一个具有相关联的切削刀头48的侧方向开口 46。切削刀头从切削刀片44的下侧表面49略微地伸出。在这方面，断开的环形切削刀片44作为拦水“坝”有效地发挥功能。
[0049]分配液体离开位于外壳42中的液体分配端口 45。液体通过开口 46进入“坝”，以及在下侧表面49和支撑基板如载玻片之间。然后，液体被抽吸通过接近切削刀头48的切削刀片的中心(抽吸孔未示出)。因此，随着切削刀片44旋转，切削刀头48分裂材料如生物材料，并且所分裂的材料连同液体由提取工具抽吸。另一方面，切削刀片可以缺少开口，并且液体将主要被吸入在下侧表面49和支撑基板之间的切削刀片44的内部。这样的设计可以将在支撑基板表面上的分裂材料的损失最小化。
[0050]切削刀片的大小也可以根据该装置所需的用途广泛地变化。因此，任何大小的切削刀片被视为在本范围内。然而，一方面，切削刀片大小适合于分裂从约10 μ m大小到约Imm大小的生物材料的区域。另一方面，切削刀片大小适合于分裂从约100 μ m大小到约250 μ m大小的生物材料的区域。
[0051]考虑材料提取装置和系统的各种用途，并且任何有益的用途被视为在本范围内。一方面，例如，本公开包括用于从载玻片安装的生物材料如组织切片中切割具体的感兴趣区域和回收组织碎片用于下游生化分析的系统、装置和方法。具体地，可以使用提取装置，如本文所述的，以方便这种切割。一方面，包括提取装置的系统可以进一步包括平台，以保持基本上平的基板如载玻片，并在X和Y轴方向上移动它。该系统可以进一步包括定位在载玻片上方的头片，其能够使连接的提取装置Z轴运动。因此，提取装置可以从载玻片表面移走非常具体的生物材料区域。在一些方面，显微镜可以以允许查看切削过程的方位放置在载玻片下面。在其他方面，可以并入专门软件，以指定待移走的感兴趣区域。
[0052]除了上面讨论的切削刀片以外，专门的切削刀头还可以类似于铣头(mill bit),因为切削刀头的旋转将材料从样品或从表面移走。在由此切削刀头包括液体分配端口和液体抽吸端口的那些方面中，切削刀头能够同时在切削表面上直接分配和抽吸液体，以便回收抽吸的液体中移走的生物材料的碎片。除了上面描述和考虑的切削刀片设计以外，切削刀头还可以是改良的注射器，其中注射器柱塞的密封件将注射器主体分成两个腔室，在柱塞密封件的任一侧上一个。随着柱塞被撤回，来自柱塞侧腔室的液体被移动和传送通过在注射器主体外侧上的通道，并分配在紧邻切削刀片的载玻片上，所述切削刀片位于与柱塞相对的注射器主体的一端上。撤回柱塞的动作也从载玻片抽吸分配的液体到注射器主体中的注射器腔室内。当注射器柱塞被撤回时，切削刀头被旋转并且以X和Y方向在载玻片表面上移动，这移走组织片段。因此，当组织被从载玻片表面切削时，其由液体流拾取并由切削刀头捕获。在切削之后，可以按压柱塞，以将切削流体排入管内，和因此允许回收所切削和抽吸的组织碎片。(例如，参见图3)。多种大小的切削刀头可以允许更精确或更快速的切肖IJ。当然，这种注射器类型的实施方式仅仅是示例性的，并且不应该视为限制性的。
[0053]另外地，本公开提供用于从材料样品中提取材料的系统。一方面，例如如图5中所示的，用于从生物样品中选择性地提取生物材料的系统可以包括提取装置52，其被定位以操作地面对支撑基板54和接合在所述支撑基板54上放置的生物样品。支撑基板54可以是能够支撑生物样品和如本文所概述的发挥功能的任何基板。非限制性的实例可以包括显微镜载玻片、夹子、陪替氏培养皿、固体支持表面等。在一些方面，支撑基板可以为至少基本上平的。在其他方面，支撑基板可以是透明的或半透明的。这种透明基板允许从基板的下方查看切削程序。
[0054]该系统也可以包括操作地连接到提取装置52的电动机56。该电动机可以配置为旋转切削刀片57。考虑能够进行这种旋转的任何电动机，并且任何这类被视为在本范围内。这种电动机可以包括单速、变速、可逆等，包括其组合。此外，电动机56可以通过任何功能类型的连接件——包括带、直接驱动器、齿轮等——操作地连接到提取装置52。
[0055]该系统也可以包括连接到提取装置52的射流系统55，其可操作用于传送流体到液体分配端口和从液体移出端口(未示出)撤回流体。在一些情况下，射流系统55可以并入提取装置52，例如如本文所述。在其他方面，射流系统55可以与提取装置分开，并且与其流体连接。
[0056]另一方面，该系统可以包括位置移动系统53，其连接到提取装置52，并且可操作用于相对于支撑基板54移动提取装置52的切削刀片57或相对于切削刀片57移动支撑基板54。53a示出了连接到提取装置52的位置移动系统，和53b示出了连接到支撑基板54的位置移动系统。给定的系统可以具有这些位置移动系统中的任意一种或两种。因此，位置移动系统可以移动提取装置、支撑基板，或者使提取装置和支撑基板相对于彼此移动。位置移动系统可以处于手动控制或自动控制下。一方面，例如，位置移动系统可以处于手动控制下。在这种情况下，使用者可以控制支撑基板的轴向运动(例如，X和Y轴)，以及垂直运动，以控制57与54 (Z轴)的接触。在其他方面，使用者可以类似地控制提取装置的轴向和垂直运动。一方面，可以通过操纵杆或其他手动操纵仪器实现这样的控制。因此，使用者可以使用来自显微镜的实时图像指导该过程，来从载玻片表面提取生物材料区域。图5示出了倒置显微镜58或被定位以从支撑基板54下方观察提取过程的其他成像装置。
[0057]在其他方面，使用者也可以控制切削刀头的Z轴定位，以便切削刀头可以利用如在53a处所示的位置移动系统下降到生物样品的具体区域上。在区域的切削之后，切削刀头可以上升并移动到第二区域，然后到第三区域等。在支撑基板上的刀头压力可以通过各种机制控制。一方面，这样的控制可以通过仪器头的重量施加，所述仪器头停留(rideon)在张力如弹簧张力上，并因此由其调整。
[0058]如已经描述的，切削刀头的旋转可以由连接到切削刀头的电动机控制。对于由此利用柱塞控制提取装置内的流体流动的那些方面，柱塞的撤回和按压可以由Z轴致动器控制。一方面，柱塞撤回的速率与X和Y轴移动的速率同步:在X和Y轴上行进的速率越快，柱塞撤回的速率越快。在无X和Y移动的情况下，简单地通过降低切削刀头到区域上也可能切削和回收组织。在这种情况下，随着刀头接触载玻片，柱塞将被轻微地撤回，但是进一步的柱塞撤回可以依赖于X和Y移动。
[0059]另一方面，位置移动系统可以被自动地移动。例如，自动操纵系统55可以功能地连接到位置移动系统53a、53b。这种自动操纵系统可以自动地使提取装置和/或支撑基板相对于彼此移动。虽然任何形式的自动控制器被视为在本范围内，但是一方面，自动操纵系统可以是计算机控制源或其他处理系统。例如，一方面，处理系统可以功能地连接到自动操纵系统。处理系统可以因此可操作用于识别和定位待从生物样品中提取的预定的生物材料的区域，并且使切削刀片和/或支撑基板相对于彼此移动，以便通过自动操纵系统提取生物材料。也考虑可以实施高度自动化多载玻片容量(slide capacity)形式的系统，其中所有三个轴的移动将是计算机控制的，如自切削刀头加载切削流体液体和回收碎片。
[0060]该系统包括可视化系统，以允许在手动和自动模式二者下查看提取过程，这也可能是有益的。一方面，例如，可以定位可视化系统58，以提供在支撑基板上放置的生物样品的可视化显示。任何已知的可视化系统被视为在本范围内，其非限制性实例包括数字成像器、光学成像器、显微镜、倒置显微镜等，包括其组合。一方面，例如，可视化系统是被定位以自与切削刀片相对的支撑基板的一侧提供可视化显示的倒置显微镜。换句话说，倒置显微镜允许从透明支撑基板的下方查看切削程序。另一方面，可视化系统可操作用于提供在提取过程期间中切削刀片的实时可视化显示。
[0061]可视化系统也允许数字指示在生物样品的即时图像(live image)上待处理或剪切的感兴趣区域或面积的能力。然后，该感兴趣区域可以任选地锁定在相对于生物样品切片的适当位置中，并且当载玻片在切削刀头下方移动时，与即时图像一起移动。另外，对于从相同样品(例如，组织块)切削的一系列切片的不同的生物样品切片，可以生成感兴趣的区域。因为切片被切削得非常薄，邻近的组织切片尽管可能不是完全相同的，但它们在总体形态上非常类似。从邻近切片生成感兴趣区域的优点是，一个切片可以染有第一类型的染色剂并且加盖玻片(cover slipped)来进行最佳观看，而邻近的切片染有第二类型的染色剂，但无盖玻片来进行最佳回收和下游生化测试。
[0062]一方面，该系统可以用于从载玻片安装的组织切片切割和回收具体组织区域，以进行进一步的生化分析。然而，在其他方面，考虑该系统的额外用途。在一些情况下，移出组织切片的特定区域，以便这些区域不干扰保留在载玻片上的组织切片的分析，这可能是期望的。例如，在对包含肿瘤和非肿瘤区域二者的异源组织的FISH (荧光原位杂交)分析的情况下，首先自载玻片表面移出一些或所有非肿瘤组织，以便改进剩余肿瘤组织的处理和分析，这可能是有利的。另一方面，该系统可以用于切割薄层生物材料而不是固定在标准实验室用载玻片上的组织切片。例如，可以处理源自随机地在所述载玻片表面上扩散或培养的生物材料的层。可选地，所述生物材料可以固定在透明表面而不是载玻片上，例如，固定在组织培养皿上。该层也可能是非生物材料，例如薄地质层或半导体层。应当理解，这里所描述的仪器和随附的软件——组合或单独地，可潜在用于各种各样的应用中，并且这样的用途在本范围内。
[0063]本公开的方面可以用于各种显微切割程序中。一方面，例如，这样的显微切割程序可以在连续切片的组织切片上进行。载玻片上的组织切片通常非常薄(例如，3微米)并且从同一组织块上连续地切削。在一些情况下，组织块是化学固定的、脱水的并包埋在固体石蜡中。连续切削的组织切片被称为邻近的组织切片，并且它们非常相似，但在总体形态上并不完全相同。
[0064]一个具体实例可以包括安装在玻璃载玻片上的福尔马林固定的、石蜡包埋的(FFPE)组织切片的显微检查。这种方法依赖于病理学家对在明视场显微镜下以20X-1000X倍放大所看到的组织学特征的主观解释。通常需要辅助测试来充分对人类病理性实体如癌症进行分类，并且FFPE组织通常出于下述两个主要原因用于这些研究:1)新鲜的组织不是经常可得的，和2)组织学检查允许选择该组织的适当区域进行辅助测试。从石蜡包埋的肿瘤样本中回收的DNA或RNA的直接分析目前用于一些实体瘤的诊断、风险分级和治疗计划。
[0065]肿瘤通常在构成上是不均一的(heterogeneous)，要求从周围的非赘生组织中切割赘生组织，以便获得足够高百分比的肿瘤细胞，用于最佳分析灵敏度的下游测试。如已经描述的，通过在直接显微镜可视化下使用激光切削工具或各种机械切削工具(统称为“显微切割”)，或者通过先前在显微镜下识别和标记的区域的肉眼可视化(“宏观切割”)，可以完成切割。统称为激光捕获显微切割(LCM)的激光定向方法包括激光切削和热塑薄膜或“弹射(catapulting)”，以捕获由实时显微可视化选择的组织区域。LCM在空间上非常精确，允许捕获下至几微米大小的区域，但是这个技术有几个缺点:设备非常昂贵，且程序非常耗费时间，因为它需要病理学家的实时组织学解释。后一个缺点实际上可能是大多数实验室未采用LCM的主要原因。
[0066]机械显微切割是通过使用针、声波凿子(sonic chisels)或其他刮擦工具在显微镜下完成的。精确度可以接近于LCM的精确度，但是该设备可能相当昂贵，并且如同LCM —样，该技术需要大量的操作者时间和专业知识，特别是如果该区域没有被病理学家预先选定。使用装置，如手术刀，用肉眼完成宏观切割；该过程相对容易，且设备费用往往可以忽略不计，但是精确度通常为几毫米或更大。在具有高测试量的许多实验室中，宏观切割目前是流行的方法，因为该程序可以由在组织病理学上无任何培训的实验室技术人员执行。病理学家简单地圈出在载玻片上待测试的区域，并且实验室技术人员在来自同一 FFPE组织块的配对载玻片(companion slide)上进行实际的宏观切割以及下游测试。
[0067]本装置和技术克服了许多的这些问题并且提供由此这样的过程可以实现自动化的系统。本装置相对廉价地生产和操作，并且可以半自动或全自动化基于载玻片的组织宏观切割和提供Imm或更小的空间分辨率(最小可回收区域)和0.1mm或更小的位置精确度(更接近于显微切割，而不是手动宏观切割)。
[0068]因此，本文所描述的各种装置和系统可以并入有一种软件系统，该软件系统允许使用者指出固定于一系列载玻片的特定载玻片的组织切片的数字图像上的感兴趣区域。然后，该软件系统可以转移该感兴趣的区域到固定于相邻载玻片(直接相邻或进一步沿载玻片系列)的组织切片的数字图像的相似位置，并为系统生成感兴趣区域的位置信息，用于从该载玻片分裂和提取组织。
[0069]一方面，例如，基于载玻片的过程和软件系统可以如下发挥功能:可能通过在组织切片的数字图像上生成数字标注，使用者可以指定在固定于第一载玻片的组织切片上的感兴趣区域。该感兴趣区域可以数字化转移到另一载玻片上的邻近组织切片的相似区域，或者在一些情况下，该感兴趣区域可以转移到同一载玻片上的分开部分。该软件指定感兴趣区域相对于载玻片的X和Y坐标，并生成位置信息。然后，该软件可以指导提取装置，以分裂和回收位于第二载玻片上感兴趣区域处的组织，而该组织的形态保持在第一载玻片上。
[0070]在一个更具体的方面中，两个载玻片一每个载玻片支撑来自相同组织样品的连续组织切片一用不同的染色剂处理。一种染色剂用于可视化组织切片，和第二染色剂更适宜组织回收和下游生化分析。例如，H&E染色剂可以用于可视化载玻片，并且AnalineBlue染色剂可以用于组织回收载玻片。使用数字或其他显微镜，可以从组织可视化载玻片生成高分辨率数字图像。使用软件绘制算法，使用者如病理学家从所述组织切片可视化载玻片画出在显微数字图像上的感兴趣区域。该软件也生成组织切片的数字图像轮廓，并相对于该组织切片轮廓定位由病理学家生成的感兴趣区域。为了存储的目的，在一方面，包括组织切片和载玻片边缘的整个载玻片的数字图像——在一些情况下低分辨率数字图像一可以通过标准数码相机从可视化和组织回收载玻片生成。该软件可以生成组织切片的数字图像轮廓，并相对于载玻片的边缘将它们定位。也可能并入用于数据库交互作用的条形码读取软件算法。
[0071]通过操作者或通过使用图像识别算法对齐来自低和高分辨率可视化载玻片图像的组织切片轮廓，并且将感兴趣区域的位置转移到回收组织切片图像。然后，该软件生成发送到材料提取系统的位置信息，这允许它回收对应于感兴趣区域的组织。安装在提取装置上的数码相机或条形码读取器检查在载玻片和管上的条形码，以验证正确的位置。在提取完成后，数码相机拍摄组织切片的图片，以记录回收的组织区域。
[0072]因此，这样的软件实施可以包括各种软件模块如指令模块、图像识别模块、机械移动模块、条形码读取模块、图形用户界面模块等。一般地，这样的软件和软件模块将驻留在提取系统内的硬件中，或相关联的计算机系统或网络中。
[0073]为了在显微切割过程中帮助指导使用者，已经开发了该软件来数字化指示感兴趣区域，其叠加在组织切片的实时数字图像上。图6a示出了由数字显微镜捕获并显示在计算机屏幕上的组织切片图像91的实例。在右上角是由数字显微镜生成的一系列单个图像缝合在一起的组织切片的合成图像93的实例。该合成图像上指示了目前实时观看的区域92。图6b示出了叠加在实时图像上的数字化指示的感兴趣区域。该感兴趣区域可以具有任何尺寸和形状，大于或小于视场，并且可以在一个特定组织切片上产生多个感兴趣区域。一旦正确地定位，感兴趣区域被“锁定”在相对于组织切片的适当位置中，以便当组织切片在X和Y轴方向上移动时，感兴趣区域随着实时图像一起移动(图6c)。以这种方式，感兴趣区域可以引导使用者使用切削刀片96显微切割组织95的适当区域。一旦完成，感兴趣区域现在没有组织95，其已经通过切削刀片回收(图6d)。
[0074]如已经描述的，一方面，该软件可以从邻近的组织切片生成感兴趣区域。从邻近切片生成感兴趣区域的优点是，可以选择邻近切片的制备条件，以进行最佳观看。例如，粘接在盖玻片上的应用和多个组织染色剂的应用提供了明显更多的生物信息，但是对通常在显微切割组织上进行的下游生物化学是抑制性的。例如，图7a示出了定位在来自于盖玻片的H&E染色的组织切片99的图像上的感兴趣区域94。图7b示出了为组织显微切割优化的邻近组织切片91的图像(例如，用非抑制性的染色剂染色，如Analine Blue，并且无盖玻片)。感兴趣区域94的副本已经放置在相应组织区域上，如通过由邻近组织切片共享的组织形态确定的。
[0075]实施例
[0076]实施例1:材料提取装置
[0077]图8中示出了材料提取装置。使用注射成型或烧结成型工艺制作各部分，并因此，各部分是由塑料或熔融金属粉末制成的。该组件如下列出。
[0078]-两个同心注射器管，和内管141和外管143。
[0079]——内管142的一部分被成形以接收切削刀片147。
[0080]—外管144的一部分被成形以转移所分配的液体到切削刀片上。
[0081]——具有紧靠内注射器管141的内壁的压缩密封件149的柱塞145，这产生柱塞端腔室116和非柱塞端腔室115。
[0082]—在位于柱塞端处的内外腔室之间的环形密封件146。
[0083]—在柱塞和内注射器管之间的可滑动环形密封件109。
[0084]——接触载玻片表面和移走组织的切削刀片147。
[0085]——切削刀片管148，其提供载玻片表面和非柱塞端腔室115之间的流体连通，以便抽吸移走的组织片段。
[0086]—两个孔111，其提供柱塞端腔室和通道之间的流体连通，其中所述通道是在内外注射器管之间。
[0087]实施例2:材料提取系统
[0088]图9中示出了材料提取系统。仪器头组件161安装在一组导轨162上，所述一组导轨162与载玻片的平面垂直安装。在导轨上仪器头的Z轴移动由线性致动器163控制，其控制切削刀头与载玻片的接触。在载玻片表面上的切削刀头的压力由停留在可调整弹簧164上的仪器头组件的重量产生。该仪器头组件包含旋转组件，其旋转轴垂直地取向并通过数码相机的焦点中心。旋转组件是由外气缸165和在旋转轴上的莫里斯锥形件(Morristaper) 166构成，所述莫里斯锥形件166匹配切削刀头的锥形件。外气缸是由被保持安装在仪器头组件中的轴承167支撑。旋转组件还由内气缸168构成，所述内气缸沿着旋转轴由线性致动器169可移动。线性致动器安装到仪器头组件，并通过轴承170可旋转地与旋转组件分开。内气缸包含允许切削刀头柱塞101可逆抓取的抓取盒(grasping cassette)171。抓取盒的控制通过杆172，杆172的按压释放了抓取盒在切削刀头的柱塞上的紧握，173 rXo
【权利要求】
1.从生物样品中选择性地提取生物材料的方法，其包括: 识别待从生物样品中提取的生物材料的区域； 应用提取工具到所述生物材料的区域，以从所述生物样品分裂生物材料； 在所述生物材料的区域处分配液体；和 从所述生物样品抽吸所述液体和分裂的生物材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述提取工具对所述生物材料的区域给予切削运动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述切削运动包括选自旋转、振动、切片及其组合的运动。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述切削运动是旋转。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体分配在所述生物材料的区域和所述提取工具之间的界面处。
6.根据权利要求1所述的方法，其中同时分配和抽吸所述液体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述液体由所述提取工具分配和抽吸。
8.根据权利要求1所述的方法，其中识别生物材料的区域进一步包括: 获得所述生物样品的实时数字图像； 限定对应于所述生物材料的区域的`、在所述数字图像上的感兴趣区域，其中所述生物样品的移动通过所述感兴趣区域和/或所述数字图像的移动反映，以保持所述感兴趣区域相对于所述生物材料的位置。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述生物样品是一系列生物切片，和其中所述感兴趣区域被限定在不同切片中对应于所述生物材料的区域的一个切片上。
10.用于从生物样品中选择性地提取生物材料的提取装置，其包括: 夕卜壳; 可旋转地连接到所述外壳并配置为由电动机可旋转地驱动的至少一个切削刀片，所述切削刀片可操作用于从样品区域分裂材料； 连接到所述外壳并接近所述切削刀片定位的至少一个液体分配端口，所述液体分配端口可操作用于在所述切削刀片处分配液体；和 连接到所述外壳并接近所述切削刀片定位的至少一个液体抽吸端口，所述液体抽吸端口可操作用于从接近所述切削刀片的区域抽吸液体和分裂的生物材料。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个液体分配端口和所述至少一个液体抽吸端口与所述切削刀片一起旋转。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个液体分配端口和所述至少一个液体抽吸端口可操作用于同时发挥功能。
13.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个切削刀片大小适合于分裂从约10 μ m大小到约Imm大小的生物材料区域。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个切削刀片大小适合于分裂从约100 μ m大小到约250 μ m大小的生物材料区域。
15.用于从生物样品中选择性地提取生物材料的系统，其包括: 权利要求10所述的提取装置，其被定位以操作地面对支撑基板并接合在所述支撑基板上放置的生物样品； 电动机，其操作地连接到所述提取装置，并且可操作用于旋转所述切削刀片； 射流系统，其连接到所述提取装置，并且可操作用于输送流体到所述液体分配端口和从所述液体移出端口撤回流体；和 位置移动系统，其连接到所述提取装置，并且可操作用于相对于所述支撑基板移动所述提取装置的切削刀片或相对于所述切削刀片移动所述支撑基板。
16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括可视化系统，其被定位以提供在所述支撑基板上放置的生物样品的可视化显示，其中所述可视化系统包括选自数字成像器、光学成像器、显微镜、倒置显微镜及其组合的构件。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述支撑基板是透明的。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述可视化系统是倒置显微镜，其被定位以提供从所述切削刀片相对的所述支撑基板的一侧进行的可视化显示。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述可视化系统可操作用于提供在提取过程中所述切削刀片的实时可视化显示。
20.根据权利要求15所述的系统，进一步包括手动操纵系统，其功能地连接到所述位置移动系统，并且可操作用于允许使用者使所述切削刀片和/或所述支撑基板相对于彼此移动。
21.根据权利要求15所述的系统，其进一步包括自动操纵系统，其功能地连接到所述位置移动系统，并且可操作用于使所述切削刀片和/或所述支撑基板相对于彼此自动地移 动。
22.根据权利要求21所述的系统，进一步包括处理系统，其功能地连接到所述自动操纵系统，所述处理系统可操作用于: 识别和定位待从生物样品中提取的预定的生物材料的区域；和 使所述切削刀片和/或支撑基板相对于彼此移动，以通过所述自动操纵系统提取所述生物材料。
23.材料提取装置，其包括: a)包含柱塞的管，所述柱塞形成对所述管内部的环形密封件，和所述柱塞包含在一端从所述管伸出的轴，并且所述轴的直径小于所述管的内部直径； b)第二环形密封件，其位于所述轴从所述管伸出的同一端，所述第二环形密封件在所述管的所述端和所述轴之间形成液体紧密密封件，并允许所述轴沿着所述管的轴线相对于所述第二环形密封件移动，其中所述第一环形密封件、所述第二环形密封件和所述管形成第一腔室； c)位于相对邻近所述第二环形密封件的所述管的壁中的至少一个端口，其允许所述第一腔室和所述管的外部之间的流体连通； d)边缘，其位于与所述第二环形密封件相对的所述管的一端，并且当所述管旋转时能够从所述表面移走材料； e)至少一个通道，其提供在所述第一腔室中的所述至少一个端口和位于所述管的相对端的所述边缘之间的流体连通； f)第二腔室，其位于所述第一环形密封件的相对侧上的所述管中；g)在位于所述第一腔室的液体通过从所述管撤回所述柱塞而从所述第一腔室移走的情况下，所述液体通过所述端口和所述通道行进到所述管的所述边缘，并且所述液体通过所述柱塞的相同移动被吸入所述第二腔室。
24.用于从生物样品中选择性地提取生物材料的方法，其包括: 识别待从生物样品中提取的生物材料的区域； 应用提取工具到所述生物材料的区域，以从所述生物样品分裂生物材料；和 从所述生物样品回收分裂的生物材料。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述提取工具是铣床。
26.根据权利要 求1或24所述的方法，其中所述生物样品放置在基本上平的表面上。
【文档编号】G01N33/48GK103443609SQ201180069499
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2011年11月16日 优先权日:2011年1月24日
【发明者】N·B·阿迪, K·B·格尔斯巴赫, M·赫尔曼, R·J·派瑞 申请人:N·B·阿迪, K·B·格尔斯巴赫, M·赫尔曼, R·J·派瑞