用于生物分子反应点收集测量的设备和方法
【专利说明】用于生物分子反应点收集测量的设备和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求序列号为61/699，486的美国临时申请的优先权，其申请日为2012年9月11日，其主题内容整体通过引用结合进本文中。
技术领域
[0003]本发明涉的实施例一般地涉及生物分子诊断，并更具体地，涉及用于生物分子反应测量、监控、追踪和报告的便携式的收集点诊断系统、方法以及组件，其包括社交媒体应用。
【背景技术】
[0004]现代在医药和健康生活中的努力都涉及为病人提供个性化服务和管理。由于生物内在的高度差异，包括诊断标准、治疗和疾病管理，通常对于一个病人最好的方案对于另一个病人来说并不理想。在医疗服务提供者为个人提供优化治疗和健康生活方案前，第一步是收集他们的信息；然而，迄今为止，许多这种数据收集是依赖于问卷和调查，诊断测试变得过分的昂贵，尤其是对于并非直接风险的诊断项目。这类人力投入通常是高度差异的，因为它们依赖于病人回顾自己行为的能力，以及他们的诚实程度和承认某些与(假定)不健康的生活相关的行为的尴尬。
[0005]传统医疗诊断设备的费用和可介入性可以并需要改进。当前，疾病的诊断需要几天到几周的时间，而结果是送到实验室的，并且许多疾病仍然不能准确地被检测到。能快速准确诊断多种健康情况的设备可以用于这些情形，从发达地区的营养和维生素管理到第三世界村落中的抗体和疫苗分类。如果恰当地构建和包装，这类设备能减轻把关医生(gateway physician)的负担，为贫穷国家提供现在无法达到的诊断能力，保护战士不受生物战剂之害，并为每个人增加医护通道。
[0006]一种实现这种先进诊断的方法是充当智能手机和/或平板电脑(即，便携式计算机)配件，其中，由现有的设备提供计算能力、读出、数据存储和连通。智能手机已经渗透到我们生活的几乎所有方面，影响我们如何消费媒体，包括新闻和娱乐，如何跟踪财务状况和支付货物以及服务，和如何监控健康情况和身体素质。然而，对于智能手机能提供的所有的方便，在智能手机和体能生物化学之间仍然很少或没有直接的联系。通过在智能手机和小分子检测、监控和追踪之间建立直接的连接，可以在医药和健康生活领域中实现许多新的好处，包括，例如疾病和营养缺乏的样本诊断；现有病状的监控和追踪；以及社交媒体健康生活的更新、竞争、博弈和映射(mapping)。
[0007]营养不良是发达国家和发展中国家当家面临的最严重问题之一。世界范围内，损失在营养不良的失能调整生命年多于任何其他身体状况；据报道，每年超过1，000，000人死于维生素A和锌缺乏，并且癌症中的30%与不良的饮食有关(相比较而言，基因和肥胖所导致的，分别是所有癌症中的5%和10% )。
[0008]产前母体的最佳叶酸水平与神经管缺损减少相关，证据表明二十二碳六烯酸(DHA)的摄入改善了胎儿的脑部发育。微量营养素(即，维生素和矿物质)缺乏与许多不同的健康状况相关，包括贫血症、佝偻病、坏血病、心血管疾病和癌症。此外，近期的研宄表明，维生素缺乏与肥胖相关，这是当代面临的重大挑战之一。
[0009]自2004年以来，哥本哈根共识(Copenhagen Consensus)在公开的报告中证实了处理维生素和微量营养素缺乏是作为进一步全球发展和进步最划算的干预。在国内，医学研宄院得出这样的结论，在美国，髋部骨折的老年人中的一半的25(0H)D血清水平低于12ng/ml ;25_羟基维生素D (25 (OH) D)被认为是维生素D的最佳指示物；并且，其水平低于20ng/ml对于骨骼和整体健康来说是不足的。大多数的维生素和微量营养素分析是通过静脉穿刺采集血液来完成的，随后会送到中心化实验室。这种分析缓慢、昂贵、需要专业人员并且不能广泛应用，尤其是在资源有限的情况下，微量营养素缺乏是最有危害性的。联合HPLC-MS法被认为是维生素D测试的工业标准，然而，ELISA试剂盒与类似的免疫测定在灵敏度和准确度上是相当的，而这对于家庭使用来说更加适合。由于微量营养素缺乏在临床上通常并不是明显的，这些测试通常是在病人的坚持下才会做。事实是，很多美国人具有维生素缺乏的，这证明了一个事实，当前的方法行不通。
[0010]唾液皮质醇是压力和相关心理病的常规使用生物指标。通常，经历意外的压力源的病人，他的皮质醇会升高，经过一段时间后回落到正常水平，这时间长取决于压力源的强度。在具有慢性应激障碍的病人中，例如PTSD，由于大量的混杂因素，很难在任意给定时间上将皮质醇的绝对水平与障碍的诊断相关联。一个更好的方式是可以跟踪皮质醇，和其他生物指标，随时间变化寻找趋势，这可能是心理疾病发作的启示。
[0011]每年，数以亿计的人遭受感染病的折磨，包括呼吸道感染、HIV/AIDS、腹泻病、结核病和疟疾。引起这些疾病的介质，包括细菌、病毒、真菌等，采用适当的鉴定方法是很容易管理它们的，然而，由于诊断技术的花费和困难，通常未被发现。在许多的例子中，如结核病，快速并定位鉴定疾病可以实现预防措施，防止疾病进一步扩散。在其他的例子中，如HIV，在跟踪疾病进展中，重要的是关注抗体的水平。
[0012]卡波济氏肉瘤(KS)是一种机会性感染的癌症，其最早被广泛认识是在20世纪80年代的获得性免疫缺陷综合症(AIDS)传染病。在这个时间段中，KS的症状是皮肤上的红色病变，这成为个体感染人体免疫缺陷病毒(HIV)的标志，而KS本身后来被称为艾滋病定义性疾病。随着与AIDS的战斗展开，高效抗逆转录病毒治疗(HAART)的引入帮助降低了 KS的发生率。但是，多年后，与艾滋病流行之前的时代相比，HIV感染个体感染KS的发生率仍然很高。今天，KS在撒哈拉以南非洲中是第四大癌症，而在许多国家中，如乌干达，是男性中最常见的癌症。KS的根本原因是人类疱瘆病毒8 (HHV-8)，更通常被称为卡波济氏肉瘤相关的疱瘆病毒(KSHV)。虽然这种病毒在健康个体中是没有症状的，但是，大量的人口，包括那些HIV免疫缺陷的人，容易受到其症状的侵害。一般认为，这种病毒是通过唾液传播的，并且在某些地区快速扩散，开始于幼儿时期影响着大部分的人口，血清阳性率达到50%以上。如同其他疱瘆病毒，KSHV可以建立潜伏性感染，并在剩余生命中在大多数感染宿主中保持着不引起任何疾病，这对KS的发展是必要但不充分的。
[0013]在发达国家，医疗专家能足够准确地诊断KS。如果KS活组织部分采用一般的苏木精-伊红染色(H&E)，则可观察到许多独特的地方，包括很多大的血管空间以及许多梭形细胞，其被认为是淋巴管内皮起源的。但是，由于存在类似特征的疾病，如杆菌性血管瘤病(BA)，通过这些特征的鉴定来诊断KS是不充分的。在现代的医院中，这通过KSHV的蛋白标志物的免疫组织化学染色来解决，或通过对KSHV的序列进行PCR。然而，这些技术都不能容易地适用于KS最流行的发展中国家。
[0014]从大约15年前开始寻找对以上类型挑战的解决方案，而问题直接地激发基于芯片实验室的医疗点诊断的发展。这些类型的系统背后的技术愿景包括两部分:一种可消费的“芯片”，其包含微流体和生物传感器；以及一种“读取”设备，其解释芯片上的信号，并为操作者提供结果。由于首次提出这种愿景，该技术以惊人的速度推进，直到如今我们可以拥有这样的设备，其能同时操作一百万个微流体阀门，用于病原体检测的便携式PCR仪，能检测少量分子的纳米传感器以及许多其他系统。这些进展大大地减低了进行血液分析所需要的样本体积。
[0015]到目前为止，例如，这类有远见的技术很少过渡到个体化营养和维生素分析。这里面有两个原因:第一，从简单的一次性测试中很难获得定量结果。用于消费市场中的大多数商业化点使用测试是基于侧向层析原理的。不幸的是，这些类型的测试仅能提供非定量的信息，并且仅能在预期结果是二者择其一的情况(例如，怀孕/未怀孕)下有用。获取定量结果需要复杂的传感器和样本处理技术，这通常需要通过可重复使用的读写器进行解释和显示。这引出了第二个挑战:在市场上，已经证实读写器/消耗品的模式(例如，剃刀/刀片)仅在使用者在一天或一周时间内进行多次测量时才能成功(例如，血糖监控)。当这些测量是偶然进行或以更低频率进行(如测量维生素)时，购买一个读取系统的花费就相当高了，即使该消耗品相对不昂贵。
[0016]智能手机极大地社会渗透使得有潜力改变这一困境。可以预测，到2016年，在美国将有25亿部智能手机在使用。进行并解释体外定量测试时所需的复杂性的好的方面是已经在智能手机中包含了，使得范式转入“剃刀和刀片”的模式。简单来说，大多数消费者已经拥有了昂贵的部分，“剃刀”，即智能手机；然后，所有人所需要的是刀片。
[0017]已经开发出许多的系统。这些例子包括，体质监测、疫苗日志、睡眠监控应用和皮肤癌诊断。智能手机已经被用于收集心率、血压和血氧