基于组织的诊断的系统、方法和装置的制造方法
【专利说明】基于组织的诊断的系统、方法和装置
[0001]本申请是申请日为2010年2月12日，申请号为201080017272.2，发明名称为“基于组织的诊断的系统、方法和装置”的发明专利的分案申请。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2009年2月13日提交的美国临时专利申请N0.61/152585的优先权，所述申请通过引用整体并入。
[0004]发明背景
[0005]人组织的生物分子组成(以许多脂类、蛋白、核酸和其它各种各样的分子为代表)，为局部病状(如癌症、过敏和湿疹)以及数种全身疾病(如心血管疾病、阿尔茨海默病和糖尿病)的敏感标志。另外，组织分子组成也保留关于身体暴露于外源化学和生物实体的重要信息。然而，此信息目前不用于诊断方法，因为缺乏从组织收集常规样品的患者友好和标准化方法。相反，临床诊断总是通过活组织检查的目视观察和组织病理分析进行，这些由于其定性性质受高度限制，导致增加的误诊和不合理应用。除了侵入性外，目前方法也不足以解释疾病的完全分子起源，并且不能在疾病之间作出区分。
[0006]用物理和化学方法评价组织流体的现有方法主要集中在提取自由存在于间隙流体中的几种小分子量分子，如钙和葡萄糖。用胶带采用带剥离物理收获位于表面的组织成分已经报告；然而，已显示此技术受无效、缺乏标准化规程和组织取样的高不均匀性限制。
[0007]发明概述
[0008]本发明描述系统、方法和装置以及可用于这些系统、方法和装置的组合物，包括对关注的组织施加能量，以产生包含组织成分的液化样品，从而提供快速组织取样以及分析物的定性和/或定量检测，所述分析物可为组织成分(例如，数种生物分子、药物和微生物)的部分。测定组织组成可用于多种应用，包括诊断或预测(prognosis)疾病、评价药物给药后不同组织中治疗剂的生物利用率、法医学检测滥用药物、评价暴露于有害剂后组织微环境的变化、组织去污和各种其它应用。
[0009]本发明提供产生来自受试者(活的或患病的)的液化组织样品的方法和装置。该装置和方法包括对受试者的关注的组织施加能量和液化促进介质，该施加产生液化组织样品，并收集液化组织样品。在一些实施方案中，对液化组织样品中存在或不存在至少一种分析物进行分析，其中该分析促进诊断关注的病况。在某些实施方案中，该分析包括从液化组织样品产生分析物分布(profile)，并将此分析物分布与参比分析物分布比较，其中该比较促进诊断关注的病况。
[0010]在一些实施方案中，所述组织液化的目的是去除不需要的物质或使组织从不需要的物质去污。此不需要的物质的非限制性实例包括化学物质、环境污染物、生物毒素和通常认为对身体有毒或危险的物质。在某些实施方案中，通过在关注的组织上连续移动组织液化装置直至达到以优选水平去除不需要的物质，而进行所述去污方法。
[0011]在一些实施方案中，液化促进剂包含以下一种或多种:氯化钠、氯化钾、磷酸氢二钠、磷酸二氢钾、3-{[三(羟基甲基)甲基]氨基}丙磺酸、N，N-双(2-羟基乙基)甘氨酸、三(羟基甲基)甲基胺、N-三(羟基甲基)甲基甘氨酸、4-2-羟基乙基-1-哌嗪乙磺酸、2_{[三(羟基甲基)甲基]氨基}乙磺酸、3-(N-吗啉代)丙磺酸、哌嗪-N，N'-双(2-乙磺酸)、二甲基次胂酸、盐水柠檬酸钠、2- (N-吗啉代)乙磺酸。在某些实施方案中，液化促进剂包含以下一种或多种:蛋白酶抑制剂、RNA酶抑制剂或DNA酶抑制剂。在某些实施方案中，液化促进剂包含以下至少一种:自由基清除剂、消泡剂和蛋白稳定剂。在某些实施方案中，液化促进剂包含以下至少一种:Brij-30、3-(癸基二甲基铵基)丙磺酸盐(DPS)、3-(十二烷基二甲基铵基)丙磺酸盐(DDPS)、N-月桂酰基肌氨酸(NLs)、Triton X-100、十二烷基硫酸钠、DMSO、脂肪酸、氮酮、EDTA或氢氧化钠。在某些实施方案中，液化促进剂包含磨料颗粒的悬浮体。在某些实施方案中，磨料颗粒包含二氧化硅或氧化铝。
[0012]在一些实施方案中，能量以超声、机械、光、热或电能形式施加。在某些实施方案中，机械能通过磨料施加。在某些实施方案中，热能以射频能量形式施加。在某些实施方案中，光能以激光形式施加。
[0013]在一些实施方案中，分别对受试者的关注的健康组织和受试者的关注的疑似患病组织产生液化组织样品，并且分析包括将来自健康组织样品的分析结果与来自疑似患病组织样品的分析结果进行比较，其中该比较促进诊断关注的病况。在一些实施方案中，对多个组织部位产生液化组织样品，并且该分析包括比较来自该多个组织部位的分析结果，其中所述比较促进诊断关注的病况。在一些实施方案中，从多个组织部位收集液化组织样品，并且将样品组合，以作出诊断。
[0014]在一些实施方案中，通过吸出(aspirat1n)而收集液化组织样品。在某些实施方案中，通过使液化剂保留在放置成与组织接触的壳中进行该收集。在某些实施方案中，通过使液化组织样品机械化转移到位于装置的壳中进行该收集。
[0015]在一些实施方案中，使液化组织样品与帮助进一步液化和稳定关注的分析物的物质混合，用于储存或运输。在某些实施方案中，将来自样品容器的经转移的组织样品与在容器中预储存的物质混合。实例包括蛋白稳定剂，如蛋白酶抑制剂；核酸稳定剂，如EDTA、苯酚、非特异性蛋白酶、RNA酶抑制剂和DNA酶抑制剂；消泡剂；和表面活性剂，如TritonX-100、十二烷基硫酸钠和DMSO ;及磨料颗粒，包括二氧化硅或氧化铝。
[0016]在某些实施方案中，装置在液化过程之前、期间或之后评价关注的组织。在某些实施方案中，该评价通过电化学、生物化学或光学方法进行。在一些实施方案中，该评价包括测量组织的电导率。在一个示例性实施方案中，通过跨过关注的组织施加AC电信号的方法测量电导率。所述电信号具有0.1mV和1V之间的电压和IHz和10kHz之间的频率。
[0017]在一些实施方案中，装置包括在分析关注的分析物之前检测液化组织样品中的某些组织成分，如疾病制造者。在某些实施方案中，该检测通过电化学、生物化学或光学方法进行。在一些实施方案中，电化学检测装置为离子选择性电极。在一些实施方案中，光学检测装置测量液体溶液的吸收或散射系数。
[0018]在一些实施方案中，能量以超声形式用0.1和50之间的机械指数施加到组织。在某些实施方案中，通过使组织与移动磨料表面接触而施加能量。在某些实施方案中，通过使组织与包含许多刚毛的移动刷装置接触而向组织施加能量。在某些实施方案中，通过将具有许多微针的贴片机械插入组织，并进一步通过微针将液化介质注入组织，而向组织施加能量。在一些实施方案中，通过在将其插入组织后移动所述微针贴片而施加另外的能量。在某些实施方案中，通过机械搅拌液化剂而向组织施加能量。在某些实施方案中，通过使组织与包含液化促进介质的高速射流接触而向组织施加能量，在不同的实施方案中，该射流也可含有磨料颗粒。
[0019]在一些实施方案中，组织包括乳房、前列腺、眼、阴道、膀胱、指甲、头发、结肠、睾丸或肠。在某些实施方案中，组织包括皮肤或粘膜。在某些实施方案中，组织包括肺、脑、胰、肝、心、骨或主动脉壁。
[0020]在一些实施方案中，分析物包括小分子、药物或其代谢物、多肽、脂类、核酸或微生物。在某些实施方案中，分析物包括抗体、细胞因子、违禁品或癌生物标志。
[0021]在一些实施方案中，将液化组织样品保存在容器中，并通过将液体容器与一个或多个分析装置整合而产生分析物分布。在某些实施方案中，组织液化装置包含用于测量校准器分析物浓度的装置，以提供用于校准分析物的分析的装置。
[0022]在一些实施方案中，装置包括诊断受试者中的过敏疾病，并且装置包括用于分析液化组织样品存在或不存在IgE和IgG抗体、细胞因子(如IL4、IL5、IL10、IL-12、IL13、IL-16、GM-CSF、RANTES、MCP-4、CTACK/CCL27、IFN-g、TNFa、CD23、CD-40、Eotaxin-2 和 TARC)的装置，其中该分析促进诊断受试者的过敏疾病。
[0023]在一些实施方案中，装置包括诊断受试者的癌症，并且装置包括用于分析液化组织样品存在或不存在一种或多种癌症标志的装置，其中该分析促进诊断受试者的癌症。在某些实施方案中，关注的组织为乳房、结肠、前列腺、皮肤、睾丸、肠或口。
[0024]在一些实施方案中，装置包括诊断受试者的心脏病，并且装置包括用于分析液化组织样品存在或不存在胆固醇、甘油三酯、脂蛋白、游离脂肪酸和神经酰胺中的一种或多种的装置，其中该分析促进诊断受试者的心脏病。
[0025]在一些实施方案中，装置包括检测受试者的违禁药物或其代谢物的存在，并且装置包括用于分析液化组织样品存在或不存在违禁药物或其代谢物的装置，其中该分析提供受试者的违禁药物的检测。
[0026]在一些实施方案中，装置包括检测受试者的微生物，并且装置包括用于向受试者的关注的组织施加能量和液化介质，并分析液化介质存在或不存在微生物的装置，其中该分析提供存在或不存在微生物的检测。
[0027]本发明的另一个目的是提供液化受试者的组织用于促进药物通过或进入组织的方法和装置。上面公开的方法和装置不仅适用于收集组织成分，而且适用于药物输送。该装置和方法包括对受试者的关注的组织施加能量和液化介质，并将药物送经或送入要液化的组织的部位。使用本发明的优点是I)提供较高通量的药物进入组织，和2)允许进入组织的通量的较大控制。在应用此方法时，迫使简单不通过组织(如，皮肤)的药物通过组织。
[0028]在一些实施方案中，本发明提供将一种或多种药物送经要液化的组织进入循环系统的方法，这防止要由口服或通过注射常规给药的药物所遭受的胃肠道降解和肝快速代谢。在某些实施方案中，本发明提供将一种或多种药物局部输送到关注的组织，从而限制对健康组织的副作用的方法和装置。该方法和装置也可适用于提供到细胞膜的运输。
[0029]特别地，本发明的装置由以下主要组件组成:1)能量发生器；2)液化促进介质；3)保存要输送的药物和/或收集液化组织样品的储存器。
[0030]在组织液化过程之前或期间，可将要给药的药物加入液化介质。在供选的实施方案中，可将能量的施加与不含药物的液化介质组合用于液化组织，随后，在适合载体(如贴片)中的药物可用于要液化的组织的部位上。
[0031]通过同时或随后施加第二驱动力(如化学渗透性或运输增强剂、对流、渗透压梯度、浓度梯度、离子电渗、电穿孔、磁场、超声或机械压力)，可进一步提高药物运输进入组织。在液化期间，驱动力可经一段时间连续施加或以间隔施加。
[0032]在一些实施方案中，要给药的组织包括器官以及生物表面。在某些实施方案中，生物表面包括生物膜和细胞膜。在某些实施方案中，生物膜包括皮肤或粘膜。在某些实施方案中，生物膜包括口腔膜、眼、阴道、结肠或肠。在一些实施方案中，组织包括患病组织。
[0033]在一个实施方案中，提供了可用在组织上以得到液化样品的装置，所述装置包括可操作地偶合到组织的能源，和可操作地偶合到所述组织的室，所述室能够将液化促进介质输送到所述组织和/或从所述组织收集所述液化样品。
[0034]在另一个实施方案中，装置可用在组织上，所述组织为活生物体的部分，并且组织可在诊断前从生物体切除。
[0035]在另一个实施方案中，权利要求1的装置，其中液化组织样品转移到用于监测存在或不存在至少一种分析物的试验。
[0036]在另一个实施方案中，装置的室可以为海绵-波纹管组合件，其中海绵能够储存所述液化促进介质和/或液化组织样品。
[0037]在另一个实施方案中，提供的装置包括可操作地偶合到组织的能源，和可操作地偶合到所述组织的室，所述室能够将液化促进介质输送到所述组织和/或从所述组织收集所述液化样品；装置还包括连接到所述室的管/针，所述管/针能够将液化促进介质输送到组织和/或从组织吸出液化组织样品。
[0038]在另一个实施方案中，提供的装置包括可操作地偶合到组织的能源，和可操作地偶合到所述组织的室，所述室能够将液化促进介质输送到所述组织和/或从所述组织收集所述液化样品；装置还包括可操作地连接到所述室的样品容器，所述样品容器能够储存含分析物的吸出的液化组织样品，或者将所述吸出的液化组织样品转移到辅助室，其中辅助室只用于将液化促进介质输送到室。
[0039]在另一个实施方案中，加压的容器和/或真空容器为装置的部分，此部分促进转移所述液化促进介质和/或液化组织样品。
[0040]在一个实施方案中，从装置中能源发出的能量为超声、机械、光、热或电能形式。在一个特定实施方案中，机械能通过磨料、真空、压力或剪切力施加到组织。在另一个实施方案中，热能以射频能量形式施加到组织。在另一个实施方案中，光能以激光形式施加到组织。
[0041]在另一个实施方案中，提供的装置包括可操作地偶合到组织的能源，和可操作地偶合到所述组织的室，所述室能够将液化促进介质输送到所述组织和/或从所述组织收集所述液化样品，所述装置还包括可操作地连接到所述室的样品容器，所述样品容器能够储存含分析物的吸出的液化组织样品，或者将所述吸出的液化组织样品转移到辅助室，其中辅助室只用于将液化促进介质输送到室。
[0042]在另一个实施方案中，提供的装置包括可操作地偶合到组织的能源，和可操作地偶合到所述组织的室，所述室能够将液化促进介质输送到所述组织和/或从所述组织收集所述液化样品，其中能源包括连接到轴的垫。
[0043]在更特定的实施方案中，轴具有压力感应部件，压力感应部件在接触时将预定压力分布保持到组织上。
[0044]在另一个实施方案中，垫选自磨料表面和包含许多微针的贴片。
[0045]在另一个实施方案中，装置进一步包括可操作地连接到室顶部的活塞。
[0046]在另一个实施方案中，将装置分成上部件和下部件，其中下部件可从所述上部件分离，其中所述上部件包括能源，下部件包括室。
[0047]在另一个实施方案中，装置进一步包括可操作地连接到室的分析部件，其中分析部件能够通过电化学、生物化学或光学方法进行组织样品的临时监测，或者分析部件能够分析所述液化组织样品内的分析物。
[0048]在另一个实施方案中，装置连接到诊断探测器或导管，其中诊断探测器选自内窥镜、结肠镜和腹腔镜。
[0049]在另一个实施方案中，使用装置的结果是组织样品的原位液化。
[0050]在另一个实施方案中，装置含有可保持和提高蛋白、脂类和核酸的检测的液化促进介质，液化促进介质包括:溶于缓冲溶液的3-(癸基二甲基铵基)丙磺酸盐(DPS)和聚乙二醇十二烷基醚(Brij 30);其中3-(癸基二甲基铵基)丙磺酸盐和聚乙二醇十二烷基醚(Brij 30)的浓度介于0.01-10% (w/v)，并且其中3-(癸基二甲基铵基)丙磺酸盐和聚乙二醇十二烷基醚以50: 50的比率存在。
[0051]在另一个实施方案中，装置内的液化促进介质在溶液中缓冲，所述溶液包括磷酸盐缓冲盐水、Tris缓冲盐水、Tris-HCl或EDTA。
[0052]在另一个实施方案中，装置内的液化促进介质包括非离子表面活性剂(其选自Brij系列表面活性剂、Triton-X表面活性剂和脱水山梨糖醇表面活性剂)；阴离子或两性离子表面活性剂；和亲水溶剂，其中介质具有约0.01% -10% (w/v)的总表面活性剂浓度。
[0053]通过阅读以下更完全描述的基于组织的诊断的系统、方法和装置的细节，本发明的这些和其他特征对本领域的技术人员将变得显而易见。
[0054]附图简述
[0055]通过结合附图阅读以下详述，可最好地理解本发明。应强调的是，按照一般习惯，绘图的各种特征未按比例。相反，为了清楚，各种特征的尺寸任意扩大或缩小。附图中包括以下图片:
[0056]图1 (图片a_g)为说明不同的基于磨料能量的组织液化装置的结构、组件和功能的横截面图的集合。图片a-c和图片e-g显示两种单独的液化装置的依次操作。图片d为具有磨料头的压敏电动轴的示意图。
[0057]图2 (图片a-b)为用于大面积组织连续取样的可移动组织液化装置的横截面图的隹A
口 O
[0058]图3(图片a-c)为说明不同的基于线性磨料运动的组织液化装置的结构和组件的横截面图的集合。图片c为具有齿轮的压敏支轴的示意图。
[0059]图4(图片a_g)为说明数种磨料头的横截面图的集合。
[0060]图5(图片a_d)为用于测量组织的电导率的横截面装置图和示意图的集合。
[0061]图6(图片a_g)为说明不同的基于微针的组织液化装置的结构、组件和功能的横截面图的集合。
[0062]图7 (图片a_e)为示例性的基于磨料能量的组织液化装置的横截面图的集合。图片a显示装置的不同装配组件。图片b-d显示装置的依次操作步骤，包括转移要放置成与组织接触的液化介质(图片b-c)，通过液化产生样品(图片c)，和在容器中收集样品(图片d)。图片e显示在液化后从装置收回取样容器。
[0063]图8 (图片a_d)为说明示例性的基于微针的组织液化装置的依次操作步骤的横截面图的集合:转移要放置成与组织接触的液化介质(图片a-b);通过液化产生样品(图片c);和在容器中收集样品(图片d)。
[0064]图9(图片a-d)为说明取样容器的图的集合。图片a_d显示运输和/或分析所产生样品的依次操作步骤。图片a显示，选择性结合关注的分析物的基质涂覆在容器的内侧表面上。液化组织样品中的分析物由经涂覆的基质选择性捕获(图片b)。在充分培育组织样品时，将样品弃去，同时将分析物保存在容器中(图片C)。分析物由缓冲剂洗脱，用于随后分析(图片d)。
[0065]图10(图片a-c)为说明用于鉴别LPM的独特表面活性剂制剂的筛选方法的图的集合。图片a对150种表面活性剂制剂按它们保持蛋白生物活性的能力分级。图片b对来自图片a的最佳制剂按它们的组织溶解潜力分级。图片c将来自整个筛选的最佳LPM-0.5 %(w/v)DPS-Brij30与其它常规表面活性剂按它们从皮肤组织取样功能蛋白的潜力作比较。
[0066]图11 (图片a-b)为说明在超声暴露的机械应力下不同蛋白(IgE-图片a;IgE、LDH和β -gal-图片b)的LPM辅助生物活性保持的图的集合。
[0067]图12 (图片a-c)为说明在LPM(0.5% (w/v)DPS-B30的盐水溶液)存在下超声暴露从皮肤组织取样多种功能性疾病生物标志(IgE-图片a ;胆固醇-图片b ;细菌-图片c)的能力的图的集合。
[0068]图13为说明LPM中的缓冲剂对与定量PCR的相容性的作用的图形。
[0069]图14为说明表面活性剂混合物对与定量PCR的相容性的影响的图形。
[0070]图15为说明超声强度和暴露时间对E.Coli生活力的作用的图形。样品暴露于1.7ff/cm2(.)和2.4ff/cm2 ( ■)强度的超声。各个点代表来自三个独立样品的平均值。
[0071]图16为来自tris-HCl中在不同条件超声处理的E.coli细胞的基因组DNA的琼脂糖凝胶-电泳的照片。通道1，分子标准；通道2，未处理细胞；通道3，1.7ff/cm2, 2分钟；通道 4，L 7ff/cm2, 3 分钟；通道 5，2.4ff/cm2, 3min。
[0072]图17 (图片a和b)为说明通过与tris_HCl偶合的超声、拭取(swab)和表面活性剂擦洗技术取样的通过(a)培养试验和(b)定量PCR测量的细菌数的图片。各个点代表来自五个独立样品的平均值。
[0073]图18为说明在LPM中加入不同的灵敏性增强剂，用于增