用于激发与流经生物血管的血液中循环的预定目标相关的荧光组分的装置的制作方法

本申请要求了于2015年8月18日递交的美国临时申请No.62/206,502 的权益，其通过引用全部并入本文中。

技术领域

本申请大体上涉及用于血液中的粒子目标的体内检测的设备，并且更具体地涉及用于体内检测和定量人类和动物血流中的荧光标记细胞或其他粒子的微创设备。

背景技术：

当前可用于检测血流中的细胞或其他粒子目标的装置，例如细胞搜索循环肿瘤细胞测试(Janssen，Diagnostics，LLC)和MACS全血液分析装置(Miltenyi Biotec)，需要在分析之前从主体中创伤性提取血液样本，随后处理样本并通过流体细胞术或类似方法在主体外部进行最终结果分析。这些装置是具有缺陷的，因为它们具体适合于且受限于对人类临床患者创伤性使用，需要冗长的样本处理时间，仅仅能够检测癌细胞和血液细胞，并且并不能配置为用于实验室动物的研究使用。

技术实现要素：

本申请有利的是提供用于激发与流经生物血管的血液中循环的预定目标相关的荧光组分的装置。本申请的技术将在临床医学和生物医学研究领域内提供广泛的优点。根据一个方面，本实用新型主题大体涉及一种包括用于体内检测和定量人类患者和动物(主体)血流中的荧光标记细胞或其他粒子(目标)的仪器和微创方法，其可能完全不需要提取血液。本申请中提供了多个装置的实例。

通过提供用于目标(包括但不限于人类患者，动物宿主和实验室模型中的循环肿瘤细胞(CTCs)、人类或动物器官的其他类型细胞、原生动物、真菌细胞、细菌、病毒和荧光微粒)体内检测和定量的手段，本申请中描述的装置在临床医学和生物医学研究领域内是具有实用性的。因此，本实用新型为临床医师和研究人员提供一种用于检测，定量和监测活体血流中的目标浓度的有价值的工具。

根据另一个方面，本实用新型提供一种装置，通过该装置能够以无创或微创方式来体内检测和定量活体血流中的荧光标记目标。这种装置消除了创伤性获取和处理血液样本或其他来自主体的体液的时间损耗，并允许在不用对循环系统进行破坏或者导致患者或动物主体伤害、压力或不舒服的情况下进行分析。由于没有样本提取和在测试主体外部的处理的延迟，该装置的一个优点在于允许实时监测和分析数据。除了提供允许进行体内分析的优点之外，本实用新型允许随着时间周期的延长对主体进行多次分析，使得能够比较随时间收集的数据点。

本实用新型中对于人类临床患者和实验室动物的实际应用包括但不限于诊断和监测癌症患者的疾病进展和治疗效果，和诊断和监测染疾病患者的疾病进展和治疗效果，致癌和癌症转移的研究，抗癌剂功效的研究，传染疾病过程的研究，传染疾病治疗的评估，免疫系统失调的进展和治疗的诊断和研究，药代谢动力学研究，毒理学研究以及循环系统的研究。

根据另一个方面，本技术包括产生特定波长的相干光信号的装置，相干光信号经由光纤缆线束引导至主体皮下血管的外部表面。光纤缆线束的远端(“传感器顶部”)放置在皮肤表面上，直接位于血管上方且基本上垂直于血管，并且通过使用光接口夹持装置固定在适当位置上。从传感器顶部发射的光信号穿过皮肤并通过血管壁进入血管腔，这使得当流动通过传感器顶部时，照射主体的血液和血液中包含的任何粒子。先前已经被标记的任何通过血管的粒子具有或包含荧光标记，当粒子通过传感器顶部时，由于发射光的特征波长，该荧光标记响应激发的入射波长而发荧光。所得到的发射光于是从传感器顶部经由光纤缆线束中的第二组光纤被引导至检测器和信号放大装置，该信号放大装置登记和记录与通过的荧光粒子相对应的每个荧光信号。因此，本实用新型体内检测和量化主体血流中的荧光标记目标。

例如，包括荧光染料和抗体(“荧光缀合物”)的缀合物特定地与可以静脉注射(IV)入人类癌症患者体内的唯一癌症生物标记结合。荧光缀合物于是将和标记与患者血液中的循环肿瘤细胞(CTCs)结合。本实用新型于是可以用于检测，定量和监测保持在患者血流中的CTCs的数量和随后抗癌疗法的治疗。这样做使得能够准确的评价抗癌治疗的功效，从而为临床医师提供对患者未来最有效的治疗过程方向的价值信息。

在另一个应用中，表示为唯一癌症生物标记的肿瘤细胞可以静脉注射IV入实验室老鼠体内以建立肿瘤移植。包括荧光染料和抗体的荧光缀合物特定地与可以静脉注射IV入动物体内的唯一癌症生物标记结合。荧光缀合物将和标记与循环肿瘤细胞(CTCs)结合。本技术于是可以用于检测，定量和监测保持在老鼠血流中的CTCs的数量和随后抗癌剂的治疗。这样做使得能够准确的评价抗癌剂的体内功效。

在另一个应用中，本技术可以用于监测人类患者或传染动物模型体内的血液传播传染病和抗传染剂的功效。在这种应用中，荧光缀合物将包含抗体或其他配体，该抗体或配体将特定与主体血流中的传染性病原体上的可靶向表面受体结合。应用的传染性病原体包括但不限于细菌，病毒，真菌细胞和原生动物。装置于是可以用于监测对于血流中的大量循环传染细胞的治疗效果。

上述概述为简要的概述以便提供关于本申请中所讨论的装置的几个方面的基础理解。该概述并不是本申请中所讨论的装置的全面概括。这并不是用于确认关键/重要要素或描述该装置的范围。其唯一的目的在于以简单的形式呈现一些概念来作为随后更详细描述的前序。

附图说明

本实用新型可以采用确定部件的物理形式和部件布置，其实施例将在本说明书中进行详细描述并且如形成本实用新型一部分的附图所示，其中：

附图1显示了根据本技术的实施例的照射装置的示意图；

附图2显示了沿附图1中线2-2的分叉光纤缆线束的截面图；

附图3显示了光接口夹持装置和基板的示意性实施例，在夹持装置和基板之间夹持有用于观察的主体的一部分；和

附图4显示了组装的尾套装置和将老鼠尾巴夹持在检查位置的基板的示意性实施例。

具体实施方式

本申请中使用的确定术语仅仅是为了方便起见并不能被认为是对于本实用新型的限定。本申请中使用的相应语言参考附图将得到更好的理解，其中相似的附图标记用于指代相似或类似项。进一步，在附图中，一定程度上可以以示意图的形式显示确定的特征。

本装置的使用方法可以包括(a)通过静脉注射荧光标记配体(缀合物)(所述缀合物对于目标上的生物标记具有特定的结合亲和力)，或者可替换的，通过静脉注射先前标记的目标，来在体内标记人类和/或动物主体的目标(例如，CTCs，传染性病原体等)；(b)使用光接口夹持装置将光纤传感器顶部粘贴在或紧邻人类和/或动物主体的皮肤表面，直接位于皮下血管上方且基本上垂直于皮下血管的位置；(c)通过产生和传输用于优化与目标相关的荧光标记的波长的相干光来照射目标；(d)检测目标发射的荧光；以及(e)放大荧光信号，处理和计数随时间检测到的荧光目标。

本技术的装置包括以下组件：

IVDx装置：附图1中所示的实例IVDx装置10用作照明装置(例如用于激发与目标相关的荧光染料的相干光源)，以及检测器，信号放大器和来自模拟目标的发射荧光信号的处理器。可选地包围在单个铝壳体 12中，IVDx装置10包括能量源14，能量源选择性地供应电能来激发光源16以发射用于激励使用的荧光染料的特定所需波长。由激光源16发射的激光通过光纤束20被引导和传输至缆线传感器顶部21，从缆线传感器顶部发射的激光用于照射包括荧光目标的血管内部。

如之后详细描述的，光纤束20包括多个具有内反射的光纤组，光纤组彼此光学隔离。第一组光纤传输来自激光源16的出程激光，以及第二组光纤传输由荧光目标发射的荧光，该荧光由缆线传感器顶部21感测。因此，光纤束20光学连接至激光源16和光电倍增管18，该光电倍增管用于放大返回至IVDx的表示荧光目标发射的荧光的输入信号。IVDx还能够包括用于与笔记本电脑或其他计算机(用于数据获取，数据处理和仪器控制)通信的接口22(例如，RS-232串行端口，RJ-45以太网端口，短程无线通信端口等)。根据可替换的实施例，所需计算机组件能够设置在壳体12内并被编程来内部进行数据获取，数据处理和仪器控制。装置能够附加与窄带通激光线滤波器24适配来保证来自激光源16的窄激励光谱。光电倍增管(PMT)18用于检测发射的荧光。PMT18与光带通滤波器26适配，该光带通滤波器基于荧光目标的荧光光谱选择使得收集的荧光最大化并同时对于来自激光激励的散射光最大化的抑制。本装置中使用的PMT18为计数PMT，其中来自光电阴极的模拟信号被转换为 PMT18中的数字信号。数据信号提供了零停用时间计数装置的输入，该零停用时间计数装置能与本申请中的控制器28互换来最大化计数效率。控制器28能够可操作的连接，例如经由接口22，来与同于数据处理的外部计算机通信。

光纤缆线束：如附图2的截面图所示，分叉的光纤缆线束20包括至少两组光纤。一组光纤41(以阴影光纤表示)传输激光源发射的光至缆线传感器顶部21用于照射包括荧光目标的血管内部。第二组光纤45将荧光目标发射的荧光传输返回至IVDx装置10用于数据获取和信号处理。光纤缆线束20的实施例包括将近30个100μm光纤，其被配置为使得6-10 个(附图2中所示8个激励光纤)光纤被用于激励且剩余光纤被用于收集荧光。缆线束20经由装置前面板上的SMA905光纤连接器30(附图1) 附接至IVDx装置10的壳体12。

IVDx装置光接口夹持装置：附图3中所示的IVDx装置光接口夹持装置50用作将光纤缆线束20的传感器顶部21直接定位和固定并紧靠(可选接触)在覆盖血管顶部的生物组织上，以允许对在主体血液中循环的荧光目标进行光学模拟和对由荧光目标模拟导致的发射荧光信号进行检测。作为该装置的一个实例，制造了用于实验室老鼠的原型尾套51，但是配置为接收并紧靠要检查的任何生物的附肢的尾套属于本公开内容的范围内。老鼠尾套被设计为精准的将传感器顶部21在垂直于老鼠尾巴的静脉或动脉中的一个的方向上定位。虽然，本实例大体上涉及使用老鼠，耗子或其他在尾巴具有显著表面血管的小动物，但是，能够对该装置进行修改来用于更大的动物和位于耳朵，肢体或其他结构的血管。类似的，该装置能够重新配置来用于人类患者。

由聚甲醛构造的通常商品名为的老鼠尾套装置51用于提供了耐久性和高抵抗力的消毒剂。在平面表面59之间限定了一个拱形凹口 58，该凹口用于接收基本上管形的老鼠尾巴并将老鼠尾巴稳固的固定在抵靠平面基板52的位置，同时尾套装置51的平面表面59抵靠基板52 的平面表面。本实例中的平面基板52测量近似6英寸ⅹ8英寸和1英寸厚度，并且限定了多个内螺纹孔54，该内螺纹孔54可释放地接收滚花旋钮紧固件56，例如滚花旋钮紧固件可以无需工具用手紧固和移除，例如以将尾套装置51可释放地附接至具有接收在凹槽58中的老鼠尾巴的基板52。外螺纹基部55从凹槽58的顶端向上延伸，当传感器顶部21附接至基部55时，限定了在传感器顶部21和凹槽58内部之间延伸的内部通道57。内部通道57能够可选的包括光导，棱镜或其他适合的光传输体。

尾套夹持装置被配置为具有圆形中央通道的平坦矩形夹持装置，如上指代的半径2.0mm的凹槽58，例如穿过底部表面，垂直于夹持装置的长度维度。通道允许夹持装置固定定位在老鼠尾巴的顶部上方。例如，具有螺纹的垂直于基部55基本上位于夹持装置的顶部面上，其用于容纳作为传感器顶部21的SMA-905光纤连接器。基部55用作端口，激光通过该端口以在血管上聚焦，并同时允许从模拟荧光目标发射的光移动至用于传输返回至IVDx装置10的传感器顶部。螺纹安装被配置为使得当光纤缆线束被固定时，传感器21(附图1)或可选的媒介光导将被定位在通道顶部近似1mm以内的上方。夹持装置还具有两个槽安装孔，用于经由一对螺纹螺钉固定至基板。

老鼠的尾巴定位在中央通道内并通过使用两个具有螺纹螺钉的滚花旋钮穿过尾套中的槽安装孔并旋入基板来将尾巴夹持固定在尾套夹持装置51之下和基板之上。在紧固滚花旋钮之前，尾巴以将光端口直接放置在目标血管上的方式定位。如图4所示，组装的老鼠尾套装置51(具有附接的光纤束20)和基板52将老鼠尾巴62固定在它们之间。

IVDx数据处理软件：IVDx软件可选的被编程在或另外存储在非暂时性和可选的非易失性计算机可读介质中，以提供至控制器28(附图1) 来控制装置，监测多个装置参数的状态并检索来自光子计数装置的计数数据。控制提供用于转换PMT高压的打开和关闭，控制激光能量，激活和监控PMT热电冷却器并设置用于数据获取的参数[例如，获取周期和驻留时间(每个数据点的积累时间)]。

数据自动保存在计算机可读介质中并且可以通过该应用在任何时间检索和显示。数据可选的保存为适合的文本格式来促使该数据简单的输入至其他应用。一个单独的应用能够进行包括峰值识别和计数的数据分析，但是这些应用的每个都能够简单的集成至单一应用中。

实验实例

以下实例描述了本实用新型对于人类，实验室动物和其他研究模型的实际应用。然而，本实用新型的实际应用并不限于本申请中描述的实例。应当注意的是本申请中描述的对于实施例的多种变换和修改对于本领域技术人员是显而易见的。这种变换和修改并不背离本实用新型的精神和范围和减小其伴随的优点。例如，可以基于本申请中的主题的特征和功能的多个组合来提供装置的多个实施例。

实例1-体内检测和定量循环肿瘤细胞(CTCs)

在肿瘤疾病中，恶性细胞通常表示为正常细胞(非恶性细胞)上找不到的独特的生物标记，或者表示为与正常细胞上找到的生物标记显著不同的水平。本实用新型通过提供用于检测和定量血流中循环的所谓的循环肿瘤细胞(CTCs)的癌细胞的手段开发了这种原理。

对于人类临床应用，包括与抗体或其他配体共轭的荧光染料的诊断试剂特定地与静脉注射(IV)入癌症患者体内的独特的癌症生物标记结合。荧光缀合物还可以由荧光微球体组成，该荧光微球体包括与抗体或其他配体衍生的磁性材料或非磁性材料。一旦循环，荧光缀合物于是将在体内和标记与患者血流中的CTCs结合。以这种方式，本实用新型能够用于检测，定量和监控患者血流中的CTCs的数量。随着延伸周期能够在不同时间点上收集数据，允许实时监控血流中的大量CTCs。

可替换的，在研究模型中，表示为独特的癌症生物标记的肿瘤细胞能够静脉注射入实验室老鼠或其他动物体内以建立肿瘤移植。包括与抗体或其他配体共轭的荧光染料的试剂特定地与随后静脉注射入动物体内的唯一癌症生物标记结合。荧光缀合物还可以由荧光微球体组成，该荧光微球体包括与抗体或其他配体衍生的磁性材料或非磁性材料。荧光缀合物于是将在体内和标记与动物血流中的CTCs结合。本实用新型能够用于检测，定量和监控动物血流中的CTCs的数量。随着周期的延伸能够在单独时间上收集数据，允许实时监测血流中的大量CTCs。在该实例中，本实用新型中的装置的使用为实验室动物的癌症进展提供了方便的，在体内的，微创的模型。

实例2-转移性CTCs的体内检测和定量

在研究应用中，表示为独特的癌症生物标记的肿瘤细胞能够注射入主体内的组织部位内而不是血液内来建立病灶肿瘤移植。通过使用上述实例1中所述的本实用新型的装置随时间检测和定量得到的CTCs，于是能够确定得到的作为CTCs的肿瘤细胞的渗入血流的能力。在该实例中，本实用新型中的装置的使用提供了为实验室动物的癌症转移提供了方便，在体内的，微创的模型。

实例3-体内标记CTCs

作为上述实例1中所述的体内CTC标记方法的一种可替换方式，在注射CTCs之前，以在研究动物外部的方式，在体内进行标记过程可能是有利的。在这种情况下，肿瘤细胞首先与体内的荧光缀合物培养，随后移除过量的或未结合的缀合物并经由静脉注射或其他途径将得到的标记肿瘤细胞注射入研究动物体内。本实用新型于是用于检测，定量和监控得到的动物血流中的标记CTCs。这种方法的应用包括但不限于清除血流中的CTCs的研究，从血流外部的注射部位CTCs渗入血流的研究，以及抗癌剂的功效研究。

实例4-肿瘤发生过程的研究

转移是癌症患者死亡的主要原因。在肿瘤细胞中的上皮间质转化 (EMT)被认为在致肿瘤发生的癌干细胞(CSCs)的发展中起着重要的作用，这已经在癌症转移的发展中得到了说明。有证据表示CSCs具有独特的生物标记(CSC生物标记)。使用上述实例1、2和3中所述的体内动物癌症模型，本实用新型能够通过使用特定目标化CSC生物标记的荧光缀合物用于识别和监控CSCs。本实用新型的应用允许用于监控EMT 事件和导致肿瘤发生的过程研究。

实例5-抗癌剂的体内功效的评估

使用体内CTC检测和定量方法，和/或者上述实例1、2、3和4中所述的动物癌症模型，本实用新型能够通过在多个预后时间点根据主体血流中的CTCs数量改变(增量)来确定治疗效果。负增量或CTCs数量的减小将表示抗癌功效，而正增量或CTCs数量的增加将表示试剂缺乏有效性。在该应用中，本实用新型为临床医师和研究人员提供了用于实时监控疾病进展中抗癌治疗的效果的装置。在类似的方式中，该应用能够延伸用于确定抗肿瘤剂抵抗CSCs的有效性。

实例6-体内荧光细胞的检测和定量

对于正常或疾病的生理过程研究，将体内荧光细胞注射入研究动物体内可能是有利的。该细胞可以由基因工程或其他手段创造，其中基因工程通过将基因物质插入为生产绿荧光蛋白(GFP)编码的细胞中来创造。在应用中，本实用新型可以用于检测，定量和监控研究动物血流中的这种体内荧光细胞。这种方法的应用包括但不限于肿瘤学，抗癌功效和免疫学的研究。

实例7-血液传播传染性病原体的检测和定量

在一个应用中，本实用新型可以用于监控人类临床患者或动物模型中的血液传播传染病。在该应用中，荧光缀合物将包含特定地与在主体血流中的传染性病原体上的独特的生物标记结合的抗体或其他配体。适合的传染性病原体包括，但不限于，细菌，病毒，真菌细胞和原生动物。该装置于是可以用于监控传染病的发病原和进展，并且因此提供用于诊断，监控和传染病过程和进展研究的方便的，在体内的，微创方法。

实例8-抗传染剂的体内功效的评估

使用上述实例7中所述的体内临床监控装置或动物传染模型，本实用新型可以通过在预后的多个时间点根据主体血流中的传染性粒子循环的数量的变化(增量)确定治疗效果而用于监控抗传染剂的功效。负增量将表示为抗传染剂的功效，而正增量将表示传染的进展和试剂缺乏有效性。这样，本实用新型将为临床医师和研究人员提供了一个装置用于实时监控在传染病进展中抗传染治疗的效果。

实例9-粒子为主的药物试剂或给药装置的药物代谢动力学的评估

在一个应用中，本技术可以用于监控粒子为主的药物试剂或给药装置(包括但不限于，脂质体制剂，聚合物，微胶囊制剂以及高分子量聚合物药物载体)的药物代谢动力学(PK)参数。在该应用中，荧光染料被共轭到，或并入到，药物试剂或给药装置，使用本实用新型的装置允许试剂在血流中被检测和定量。试剂的循环浓度的实时监控将提供有用的数据用于多种PK度量的计算，例如，但不限于，停留时间和清除率，最大循环浓度(Cmax)，和消除半衰期(T1/2)。本实用新型相关应用延伸到毒理学研究。

实例10-正常血液细胞的描述

在一个应用中，本实用新型可以用于监控主体血流中的正常细胞。合适的细胞类型包括，但不限于具有可靶向表面受体例如红血球，和包括淋巴球、单核细胞、嗜中性球、嗜碱粒细胞和嗜酸性球的白血球的细胞。

实例11-免疫功能紊乱的特性描述

在一个应用中，本实用新型可以用于人类临床患者和实验室动物模型中的免疫系统紊乱的特征描述和监控，在患者和动物模型的血流中涉及具有独特的可靶向表面受体的不正常的细胞类型，或显示在这种情况中血液中的正常细胞的非典型数量。

实例12-本实用新型的其他应用

在其他应用中，本实用新型可以用于检测，定量和监控在人类患者或实验室动物血流中的任何荧光、粒子、材料。

上文中已经对示意性实施例进行了描述。对本领域技术人员显而易见的是上述装置可以包含变换和修改而不脱离本实用新型的基本范围。其目的在于包括所有在本实用新型范围内的类似修改和替换。而且，在一定程度上术语“包括”不仅用于具体说明书中也用于权利要求书中，该术语目的在于以类似于当在权利要求中作为一个过渡词使用的“包含”的术语“包含”的方式被包括。