专利名称：空气传播的细菌样品收集和分析系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及收集和分析经空气传播的细菌或生物的颗粒的系统；更特别地，涉及以下系统，所述系统包括用于经空气传播的细菌或生物的颗粒的检测的气溶胶收集系统，其可以用于制备用于诊断的样品或直接诊断来自于环境或患者(例如，诸如，肺结核)的细菌感染样品。
背景技术：
肺结核(TB)是接触性传染病，每年导致200万人死亡。每年全世界大概930万人发展TB，其中估计大概440万人未被诊断。改进TB的诊断可能导致每年拯救全世界大约625000调整的生命(annual adjusted livessaved),和从工业化国家中消灭TB。(见，例如，Center ofDisease Controland Prevention, TB elimination:Trendsin tuberculosis2008, (2009)；和 WorldHealth Organization, Diagnostics fortuberculosis:global demand and marketpotential (2006),这些的每一个公开内容均在此以引用并入。)然而所有常见的TB诊断设备，除了 X射线，均依赖痰样品收集。典型的，每个患者收集三个样品(每个多于3ml)。在一些患者人群中，这个步骤特别的困难。(见M.B.Conde等人，American Journal ofRespiratoryand Critical Care Medicine, 162:2238_2240,(2000);和 0.D.Schoch 等人，American Journal of Respiratory and Critical CareMedicine, 175:80_86，2006，这些的公开内容在此以引用并入)。例如，在儿童的情况下，需要特殊的步骤如痰诱导(sputum induction)和胃抽吸(gastric aspiration);所有这些对于健康护理提供者和患者都是不愉快的和困难的。(World HealthOrganization,Introduction and diagnosis of tuberculosis in children.1nternational Journalof Tuberculosis and Lung Disease, 10(10):10911097，(2006)，其公开内容在此以引用并入。)在痰诱导不成功的情况下，使用光学纤维的支气管镜检查进行已知为支气管肺泡灌洗(BAL)的程序。(N.E.Dunlap 等人，American Journal of Respiratory and CriticalCare Medicine, 161 (4):1376_1395，(2000)，该公开内容在此以引用并入)。该程序需要医学医生，并且如果支气管镜没有适当的消毒，可能导致感染。而且，痰样品通常被唾液污染，其降低痰样品的质量(每ml更少的结核分枝杆菌(Mtuberculosis)细胞)导致低的诊断敏感性。(M.Sakundarno 等人,BMCPulmonary Medicine, 9 (I):16, (2009),该公开内容在此以引用并入。)每一个TB诊断测试以它的实用性和表现为特征。(见例如，WorldHealth Organization, Diagnosticsfor tuberculosis:global demandand marketpotential (2006) ；fforId Health Organization, InternationalJournal ofTuberculosis and Lung Disease,10(10): 10911097, (2006)；和 WorldHealthOrganization, Global tuberculosis control:Surveillance, planning,financing(2009)，这些的每一个的公开内容均在此以引用并入)。实用性指执行测试的时间、训练、资源、易接受性和花费。表现指测试的敏感性和特异性。理想的诊断方法是具有高表现的实用的，然而现在的TB诊断固有地具有其上两者的权衡。(见上文WHO引文。)这些诊断包括:放射照相法、细菌学培养、药物敏感性测试培养(DST)、痰涂片显微术(SSM)，和核酸扩增测试(NAAT) ο (见上文 WHO 引文；和 M.D.Perkins 和 J.Cunningham, The Journaloflnfectious Diseases, 196 (Suppll):S15_27，(2007)，这些公开内容在此以引用并入)。放射学(胸部X-射线)是最快的诊断方法之一(< I小时)，但受困于非特异性并且需要在实验室操作的昂贵的设备。细菌培养被认为是具有87%的敏感性的黄金标准，并可以检测痰中低至10-100个细胞/ml。使用DST进一步处理细菌培养物允许鉴定MDR-TB的特异性菌株。然而，获得结果需要在资源密集的实验室环境中耗费2-6个星期。(见G.E.Pfyffer等人，Journal of Clinical Microbiology, 35 (9) =2229-2234, (1997)，这个公开内容在此以引用并入)。SSM是最实用且被广泛使用的测试，因为其相对廉价并简单。痰样品进行结核分枝杆菌的耐酸性染色。显微镜操作员鉴定为阳性反应(ss+)需要多于10000个细胞/ml的痰。(见上文引用的WH0(2006)公开。)由于积压，这些测试在一些国家可能花费长达6个月并且需要多次造访。SSM的敏感性低于60% (在高风险组中低至20%)并且尽管在高流行组中特异性高，但在工业化国家中变差。(见上文引用的M.D.Perkins&J.Cunningham)。NAAT对SSM阳性患者(ss+)具有>95%的敏感性(60_70%对于88_)和高特异性。10-1000个细胞/ml的痰包含足以扩增，杂交并产生阳性信号的DNA。(见上文引用的M.D.Perkins&J.Cunningham)。NAAT和细菌培养有最高的表现并且是仅有的两个可以检测MDR-TB的测试。NAAT由于实验室技术人员进行以痰为基础的样品准备遭受低实用性，并因此在资源有限的实验室中高度可变。(见上文引用的M.D.Perkins&J.Cunningham)。如果样品制备方法是成本有效地自动化的，NAAT可能满足发展国家和工业化国家的优先配置。另一个挑战医学领域的诊断的问题涉及医院内获得性感染(HAI)。根据疾病控制与预防中心(CDC)，每年在美国医院发生170万HAI (9.3人每1000个患者日(patient-day)或4.5人每100个进入者)，导致每年约99000人死亡。(见例如R.M.Klevens等人，Public Health Reports, 122, (2007),这个公开内容在此以引用并入)。反之,估计HAI相当于每年超过 $350 亿的医疗花费。(见 R.D Scott II, Centers for Disease ControlandPrevention，2009，这个公开内容在此以引用并入)。从公共健康的立场和从医疗花费的成本抑制的角度，越来越多地认识到HAI是一个严重的问题。这些疾病有三种不同的传播途径:接触、飞沫传播，和空气传播。飞沫和空气传播需要可以被吸入而导致感染的气溶胶的形成。例如，最普遍吸入的感染之一是肺炎。而且，医院内获得性肺炎(HAP)占所有HAI的11-15%，其导致不成比例的36%的死亡。的确，约79 %的HAP感染是非设备相关的，且多于80 %的HAP感染是细菌性的。(见D.J.Weber等人，Infection Control and Hospital Epidemiology, 28 (12):1361_1366, (2007),这个公开内容在此以引用并入)。由此可以估计，将近160，000ΗΑΙ和23，000死亡是由吸入气溶胶细菌(尤其是肺炎链球菌(S.pneumoniae))导致的。而且，TB和多药耐药的肺结核(MDR-TB)还面对引起医院内气溶胶传播的另外的问题。(见S.K.Sharma和A.Mohan, Chest, 130 (I):261-272，(2006)，这个公开内容在此以引用并入。)细菌气溶胶收集器/分析器可以诊断直接来自于患者或者在空气中的污染物，具有提供这些传染原的警告并因此避免进一步的感染的潜力。然而，提供具有足够敏感性的检测系统的关键的挑战是通过向传感器传递高度浓缩的分析物(例如DNA)来收集和快速扩增细菌气溶胶的低浓度。传统的传感器简单地没有满足提供直接诊断来自于气溶胶来源(例如患者的呼气，咳嗽或喷嚏)或来自于环境的可能的感染或污染风险所需要的要求。因此，存在提供细菌的和/或生物的收集器/分析器的需求，所述收集器/分析器用于检测可能的直接来自于患者的感染来源和/或来自于空气传播的细菌来源的污染。发明概述本发明涉及一种气溶胶细菌和/或生物收集器/分析器，其用于诊断患者的呼气道感染或空气中的污染。在一个实施方案中，气溶胶收集和分析系统包括: 限定流体通道的患者接口，其中第一终端能够接合患者，以至于患者的至少一部分呼气流出物被所述患者接口捕获作为气体样品； 相互连接管，其将接口和撞击器相互连接； 空气动力撞击器，其 限定在相互连接管和收集容器之间的流体通道，其中空气动力撞击器应用气体样品和悬浮在所述样品中的生物微粒之间的惯性力差异来收集这些生物微粒，所述生物微粒处于其完整的或者裂解的状态； 收集容器，其与撞击器连接，并容纳用于保存来自于气体样品的生物微粒的液体介质；和 泵，其用于产生从接口的第一终端到收集容器的流压，以至于气体样品被推动通过由相互连接管和撞击器限定的流体通道而进入收集容器。其中在足够的惯性力被施加于生物微粒以裂解微粒的实施方案中，裂解了的生物微粒的内部组分，例如，诸如，DNA被释放。在另一个实施方案中，接口包括全脸持续正气道压力面罩(full-faceconstantpositive airway pressure mask)。还在另一个实施方案中，相互连接管包括至少一个辅助补偿入口，其被横切于相互连接管的轴布置，提供至大气的出口。在一个如此的实施方案中，所述至少一个辅助补偿入口被布置为与相互连接管成大于90度的角。还在另一个如此的实施方案中，过滤器被置于辅助补偿入口的出口处。还在另一个如此的实施方案中，所述过滤器是高效微粒空气(HEPA)过滤器。还在另一个实施方案中，撞击器包括渐缩喷嘴和平收集表面，渐缩喷嘴限定撞击器的流体通道，平收集表面被置于所述渐缩喷嘴远端并垂直于流动通道。在如此的一个实施方案中，所述平收集表面具有被布置于其中并与渐缩喷嘴的流体通道对准的入口孔。在另一个如此的实施方案中，喷嘴的下游样品压力(P1)和喷嘴的上游样品压力(Ptl)遵照不等Sp1A3ci < 0.53。还在另一个如此的实施方案中，从喷嘴到收集表面的距离(X)和喷嘴的直径(d)具有下述的比例x/d = 1.2。还在另一个实施方案中，x/d比例被制定为变量。还在另一个如此的实施方案中，喷嘴的面对样品的表面是镜面抛光的。还在另一个实施方案中，所述收集容器向第二终端出口逐渐变小。还在另一个实施方案中，在不打开收集容器的任何其他部分的情况下仍可能进入出口。在一个如此的实施方案中，可能通过注射器进入出口。
还在另一个实施方案中，收集容器的第一终端和液体介质表面的距离是大约4mm。还在另一个实施方案中，系统进一步包括传感器，其能够检测来自于裂解的样品的DNA，所述传感器被布置成与收集容器的第二终端流体连接。还在另一个实施方案中，系统进一步包括能够检测完整的细菌的传感器，所述传感器被布置成与收集容器的第二终端流体连接。还在另一个实施方案中，系统组件间的相互连接部包括具有阀门的快速分离偶联器，以至于一旦分离阀门自动关闭。还在另一个实施方案中，系统的组件是可加压灭菌的。还在另一个实施方案中，系统的组件对普通灭菌化学品是耐受的。还在另一个实施方案中，系统的面对样品的表面由塑料材料形成。还在另一个实施方案中，样品通过选自呼气、咳嗽和打喷嚏的方法形成。还在另一个实施方案中，液体介质是缓冲液。在另一个实施方案中，本发明涉及一种针对细菌感染来收集和分析气溶胶样品的方法，其包括: 收集患者的流出物作为样品； 传输样品至撞击器； 施加惯性力于样品，以从样品分离其中的生物微粒，或者裂解其中的任何细菌微粒以释放细胞的内部组分；和 将完整的颗粒或裂解的微粒的内部组分收集于液体介质中以用于分析。还在另一个实施方案中，所述方法包括针对患者的震动流出物补偿系统的压力。还在另一个实施方案中，所述方法包括实时分析细菌污染物的细胞的内部组分。还在另一个实施方案中，所述方法包括从流体介质中取回内部组分的一批样品用于分析，而不必拆卸系统。附图简述本发明的这些和其他特征和优势，当与所附数据和图联合考虑时，通过参照下列详细描述将被更好地理解，其中:
图1al和la2提供按照本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统的实施方案的示意图；图1b和Ic提供按照本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统的一个组分的实施方案的不意图；图1d提供数据图表，显示按照本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统的一个实施方案的流速补偿研究；图1e和If提供按照本发明的撞击器系统的实施方案的示意图，其中Ie显示撞击器的示意图，且If显示沿图1e的轴“B”的横截面；图2a和2b提供下列的方框图:(a)已有的用于空气传播细菌的检测的气溶胶生物传感器；和(b)按照本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统的一个实施方案；图3提供按照本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统的一个实施方案的示意图；图4a和4b提供 数据图，显示给予一步输入(a)和脉冲输入(b)的传统系统和本发明的系统的理论反应；图5提供数据图，显示对于不同的操作条件所测量的f值；和图6提供按照本发明的一个实施方案的用于细菌感染的检测和分析气溶胶样品方法的流程图。发明详述本发明涉及一种气溶胶生物收集器/分析器系统。特别的，本发明涉及一种经空气传播的气溶胶收集和细菌分析系统，其能够收集经空气传播的气溶胶样品并通过单一步骤的空气动力的冲击将其制备用于分析。在图1al和la2中图解地描述了本发明的气溶胶收集和分析系统(10)的一种实施方案的示意图。如所示，患者(12)佩戴面罩或其他患者接口(14),并且患者有规律地呼气，咳嗽，或打喷嚏。由于患者产生气溶胶飞沫(16)，其通常是大约1-12 μ m，它们通过相互连接管(17)被传输至收集器(18)，并同时从样品中被完整地分离(如图la2所示)或通过空气动力撞击器(20)裂解(如图1al所示)。然后暴露的细胞内DNA和或完整的生物颗粒
(22)被收集于合适的介质中，或者直接被传感器(24)检测，产生阳性或者阴性的读数。总的来说，本发明的气溶胶生物收集器/分析器系统包括四个基本的组件，包括:患者/生物传感器接口(14)，其包括能够接合患者并大量地收集所有来自于患者的空气流的装置；用于相互连接患者/传感器接口和撞击器的装置(17)，其包括管过滤器、流量调节器等，能够提供各组件间的相互连接，和平衡来自于患者的自然震动输入流速和恒定的泵流速；撞击器(20)，其包括喷嘴、冲击盘、收集管等，能够分离和/或裂解悬浮在收集的来自于患者的样品中的任何细菌的细胞；和泵(未显示)，其包括所有必须的管、过滤器、流量调节器等，能够提供稳定和足够的流速通过至患者/生物传感器接口的设备。尽管下文将会描述本发明的生物传感器系统的每一个组件的可选的实施方案，但要理解，这些可选的实施方案仅仅作为实施例提供，本领域普通技术人员要理解对于基础的气溶胶生物收集器/分析器系统的其他的修改方案和可选方案，不离开本发明的范围。关于系统/患者接口(14)，尽管可以使用任何可以提供患者和气溶胶生物收集器/分析器系统之间的相互连接以收集自然呼气样品的装置，例如，诸如，一个简单的管子，但在一个优选的实施方案中，优选设计以适合安全地且全部地覆盖患者的鼻和嘴的接口。如此的安全的接口是优选的，不但因为其允许患者在测试过程中规律地咳嗽和呼气，而且因为其防止在测试过程中外部的空气污染物进入系统(可以引起检测到环境的细菌)，和同时防止从患者发出的潜在的传染原逸出系统(导致系统损失和敏感度损失，并可以导致其他患者或医护人员感染)。在一个如此的实施方案中，接口可能包括一个全脸CPAP (Constant Positive Airway Pressure,持续正气道压力)面罩,例如，诸如，来自于Phillips Respironics的ComfortGel l<ullκ。尽管不必须，优选地，这样的面罩可以是一次性的以减少使用前后的污染的机会。关于相互连接部(17)，应该理解，在本发明中可以使用任何可以提供患者/生物传感器接口(14)和撞击器(20)之间适当的流体连通的装置，例如，诸如，一段简单的管子。然而，在一个实施方案中，在患者/生物传感器接口和撞击器之间提供了能够平衡来自于患者的自然震动输入流速和恒定的泵流速的装置。图1b和Ic示意地显示了一个这样的装置的示例性的实施方案。如所示，在这个实施方案中，相互连接部(17)通常包括位于相互连接部的一个终端的连接器(26)，其接合接口(14)的开口 ；和位于相互连接部的第二终端的连接器(28)，其接合撞击器(20)。优选地，连接器包括一个透壁塞(through-wall-plug),其包含可加压灭菌的或灭菌的O形环。在这个实施方案中,补偿装置包括一个辅助的或流动补偿开口(30)，顺其长度在其远终端有一个过滤开口(32)用以提供滤过的空气吸入。可以提供任何适当的过滤器，例如，诸如，HEPA过滤器。尽管这个连接可以采用任何适当的形式，在一个示例性的实施方案中，辅助的补偿开口包括三通连接，例如Y形连接(Wye connection),其相对于主相互连接部具有一个大于90度的角度。提供补偿管有角度的设计，以随着气流通过过滤器离开，使气流转向大于90度，以最小化气溶胶颗粒损失。补偿管中的弯曲防止颗粒由于流体的惯性力而跟随气流。尽管图1b仅显示了单个补偿开口(30)，如图1c所示，所述开口由一个或多个不同直径的与多个HEPA过滤器连接的侧管组成，以确保足够的流速用于特殊的应用。通过这个补偿开口的流动补偿是重要的。图1d和下表I显示最大流速(或临界流速)，在给予一个特定的补偿开口直径的情况下可以被补偿。所述直径由患者咳嗽过程中的峰流速决定。在图1d中概括了计算值，并且下表在穿过管时零压力下降的假设下计算。
权利要求
1.一种气溶胶生物收集器/分析器系统，包括: 患者接口，其具有第一终端和第二终端并限定其间的流体通道，其中所述第一终端能够接合患者以至于所述接口捕获患者的呼气流出物的至少一部分作为气体样品，所述患者的呼气流出物的至少一部分包括其中包含的任何生物微粒； 相互连接管，其具有第一终端和第二终端并限定其间的流体通道，其中所述相互连接管的第一终端接合所述患者接口的第二终端并与所述患者接口的第二终端互锁； 空气动力撞击器，其具有第一终端和第二终端并限定其间的流体通道，其中所述撞击器的第一终端接合所述相互连接管的第二终端并与所述相互连接管的第二终端互锁，并且其中所述空气动力撞击器向所述气体样品施加惯性减速力，并且其中惯性力的强度能够变化，以至于在低惯性力下，所述样品中的任何生物微粒完整地通过所述撞击器，并且在高于阈值的惯性力下，所述样品中的任何生物微粒被裂解以释放其内部组分； 收集容器，其具有第一终端和第二终端，且限定容纳流体的主体，其中所述收集容器的第一终端接合所述撞击器的第二终端并与所述撞击器的第二终端互锁，其中液体介质被置于容纳流体的主体内，所述液体介质用于保存来自于所述气体样品的完整的细菌微粒或生物微粒的内部组分两者之一，并且其中形成了与所述容纳流体的主体流体连通的出口，以允许将材料收集在所述容纳流体的主体中；和 泵，其与所述系统流体连通，用以产生从所述接口的第一终端到所述收集容器的流压，以至于所述气体样品被推动通过由所述相互连接管和所述撞击器限定的所述流体通道而进入所述收集容器。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述接口包括全脸持续正气道压力面罩，所述全脸持续正气道压力面罩收集患者的全部呼出物。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述相互连接管还包括至少一个辅助补偿入口，所述至少一个辅助补偿入口被横切于所述相互连接管的轴布置，具有与所述相互连接管流体地相互连接的第一终端，和提供至大气的出口的第二终端。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个辅助补偿入口被布置为与所述相互连接管成大于90度的角。
5.根据权利要求3所述的系统，还包括过滤器，所述过滤器被布置于所述辅助补偿入口的第二终端出口处。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述过滤器是HEPA过滤器。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述撞击器包括渐缩喷嘴和平收集表面，所述渐缩喷嘴限定所述撞击器的所述流体通道，所述平收集表面被布置于所述渐缩喷嘴的远端并垂直于所述流动通道，所述平收集表面具有布置于其中并与所述渐缩喷嘴的所述流体通道对准的入口孔，并且其中所述入口孔与所述撞击器的第二终端流体连通。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述喷嘴的下游样品压力(P1)和所述喷嘴的上游样品压力(P。)遵循不等式P1A3q < 0.53。
9.根据权利要求7所述的系统，其中所述喷嘴到所述收集表面的距离(X)和所述喷嘴的直径⑷具有下述比x/d = 1.2。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述喷嘴的面对样品的表面是镜面抛光的。
11.根据权利要求7所述的系统，其中所述撞击器包括多于一个喷嘴。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述收集容器的第二终端向所述出口逐渐减小。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述收集容器的第一终端和所述液体介质的表面之间的距离是约4_。
14.根据权利要求1所述的系统,其中所述出口允许对所述容纳流体的主体中的材料取样，而不打开所述系统的任何其他部分。
15.根据权利要求14所述的系统，其中通过注射器进入所述出口。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述液体介质是缓冲液。
17.根据权利要求1所述的系统，还包括能够检测样品中的细菌微粒的传感器，所述传感器被布置成与所述收集容器流体连接。
18.根据权利要求1所述的系统,其中所述样品中的细胞的内部组分包括DNA。
19.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的组件间的相互连接部包括具有阀门的快速分离偶联器，以至于一旦分离，所述阀门自动关闭。
20.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的组件是可灭菌的。
21.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统的面对样品的表面由塑料材料形成。
22.根据权利要求1所述的系统，其中所述样品由选自呼吸、咳嗽和打喷嚏的方法形成。
23.—种针对细菌感染来收集和分析气溶胶样品的方法，包括:` 收集患者的流出物作为样品，所述患者的流出物包括其中包含的任何生物微粒； 传输所述样品至撞击器； 选择待施加于所述样品的惯性力的强度，其中所述强度能够变化，以至于所述样品中的任何细菌微粒完整通过所述撞击器，或以至于所述样品中的任何细菌微粒被裂解以释放其内部组分； 向所述样品施加选择的惯性力；和 将完整的生物微粒或生物微粒的内部组分两者之一收集于流体介质中，作为分析物溶液用于分析。
24.根据权利要求21所述的方法，还包括针对患者的震动流出物补偿所述系统的压力。
25.根据权利要求21所述的方法，还包括实时分析所述分析物溶液中的细菌污染物。
26.根据权利要求21所述的方法，还包括取回所述分析物溶液的批样品用于分析。
全文摘要
本发明提供了一种气溶胶生物收集器/分析器，和用于诊断而收集和分析气溶胶样品的方法。特别的，本发明涉及空气传播的气溶胶收集和细菌分析系统和方法，其能够收集空气传播的气溶胶样品和通过单一步骤的空气动力的冲击将其制备用于分析。
文档编号C12Q1/70GK103119417SQ201180036000
公开日2013年5月22日 申请日期2011年7月1日 优先权日2010年7月6日
发明者帕特里克·西斯利安, 拉姆齐·纳斯尔, 马森·纳斯尔 申请人:戴顿公司