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JP2006507815A - Biological assays using gradients formed in microfluidic systems - Google Patents

Biological assays using gradients formed in microfluidic systems Download PDF

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JP2006507815A
JP2006507815A JP2004546909A JP2004546909A JP2006507815A JP 2006507815 A JP2006507815 A JP 2006507815A JP 2004546909 A JP2004546909 A JP 2004546909A JP 2004546909 A JP2004546909 A JP 2004546909A JP 2006507815 A JP2006507815 A JP 2006507815A
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オスツニ,エマニュエル
シューラー,オリビエ
スウィートナム,ポール
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サーフェイス ロジックス,インコーポレイティド
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Publication date
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Abstract

本発明は、化学走性又は化学侵襲性をモニタリングするための装置を開示する。本発明はさらに、生物学的相互作用及び生体系を試験するのに使用することができるフレキシブルなアッセイ・システム及び多数のアッセイを提供する。in vivoで存在する勾配状況を模倣する層流勾配が採用される。The present invention discloses an apparatus for monitoring chemotaxis or chemical invasiveness. The present invention further provides flexible assay systems and multiple assays that can be used to test biological interactions and biological systems. A laminar flow gradient that mimics the gradient situation that exists in vivo is employed.

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2002年10月22日付けで出願された米国仮出願第60/419,980号及び同第60/419,976号の優先権を主張する。これらの内容を参考のため本明細書中に引用する。
This application claims the priority of US Provisional Applications Nos. 60 / 419,980 and 60 / 419,976, filed Oct. 22, 2002. These contents are cited in this specification for reference.

発明の分野
本発明は総体的に、化学走性及び/又は化学侵襲性をモニタリングするための装置に関する。本発明はまた総体的に、ミクロ流体システム内に形成された勾配中で実施される生物学的アッセイに関する。
The present invention relates generally to devices for monitoring chemotaxis and / or chemical invasiveness. The present invention also generally relates to biological assays performed in gradients formed within a microfluidic system.

細胞遊走に使用されるような試験装置がよく知られている。このような装置は、例えば米国特許第6,329,164号明細書、同第6,238,874号明細書及び同第5,302,515号明細書に開示されている。   Test devices such as those used for cell migration are well known. Such devices are disclosed, for example, in US Pat. Nos. 6,329,164, 6,238,874, and 5,302,515.

細胞遊走に関与する3つのプロセスが、化学走性、走触性及び化学侵襲性である。化学走性は、可溶性化学走性刺激の濃度勾配によって誘発される細胞の運動として定義されている。走触性は、基質に結合された刺激の濃度勾配に応答する細胞の運動として定義されている。化学侵襲性は、バリア又はゲル・マトリックス内への細胞の運動、及び/又はバリア又はゲル・マトリックスを通る細胞の運動として定義されている。細胞遊走、及びこのような挙動に対する外部刺激の効果に関する調査は、現代の生物学的研究の中で広く行われている。一般にこの研究は、細胞を外部刺激に露出し、細胞の反応を調査することに関与する。生きている細胞を種々の環境中に置き、これを異なる外部刺激に露出することにより、細胞の内部の働きと、細胞に対する外部刺激の効果との両方を測定し、記録し、そしてよりよく理解することができる。   The three processes involved in cell migration are chemotaxis, chemotaxis and chemoinvasion. Chemotaxis is defined as the movement of cells induced by a concentration gradient of soluble chemotaxis stimuli. Tactility is defined as the movement of cells in response to a concentration gradient of stimuli bound to a substrate. Chemical invasiveness is defined as the movement of cells into the barrier or gel matrix and / or the movement of cells through the barrier or gel matrix. Investigations on cell migration and the effects of external stimuli on such behavior are widely conducted in modern biological research. In general, this study involves exposing cells to external stimuli and investigating the cellular response. By placing living cells in different environments and exposing them to different external stimuli, both the internal workings of the cells and the effects of external stimuli on the cells are measured, recorded and better understood can do.

化学的刺激に応答する細胞遊走は、種々の疾患のプロセスを理解し、従ってこれらの疾患の治療薬候補を開発して評価するために考察すべき特に重要な事項である。化学的刺激、例えば治療薬に応答した細胞又は細胞群の遊走を記録することにより、化学的刺激の効果をよりよく理解することができる。典型的に、種々の医学分野における疾患プロセスの研究、例えば癌研究、免疫学、血管形成、創傷治療、及び神経生物学は、生きている細胞の化学走性及び化学侵襲性の分析を含む。例えば、癌研究の分野では、細胞遊走は、転移のプロセスを理解する上で重要な考察事項である。転移中、典型的な固形腫瘍の癌細胞は、隣接細胞との付着を緩め、起源の組織から逃れ、血管又はリンパ管に達するまで他の組織の細胞外マトリックスを分解することによってこれらの組織を侵襲し、管の基底層及び内皮内層を横切ることにより、循環に入り、体内の他の場所で循環から出て、そしてこれらの細胞が最終的に存在する新しい環境内で生き残り、増殖しなければならない。従って、癌細胞遊走の研究は、転移プロセスを理解し、そしてこのプロセスを潜在的に阻害する治療薬を開発する上で助けになり得る。炎症性疾患分野では、細胞遊走は、また炎症応答を理解する上で重要な考察事項である。炎症応答中、白血球は損傷組織部位に遊走し、そして感染と戦い又は創傷を治すのを支援する。白血球は毛細血管を通って遊走し、毛細血管の内側を覆う内皮細胞に付着する。次いで白血球は内皮細胞間を押し進み、消化酵素を使用することにより、基底層を横切って這い進む。したがって、内皮細胞を横切って遊走し、そして基底層を侵襲する白血球を研究することは、炎症プロセスを理解し、炎症性疾患、例えば成人呼吸窮迫症候群(ARDS)、リウマチ様関節炎、及び炎症性皮膚疾患におけるこのプロセスを阻害する治療薬を開発する上での助けとなり得る。細胞遊走はまた血管新生分野における重要な考察事項である。既存の小さな血管から毛細血管が発芽すると、内皮細胞は最初、新しい毛細血管分岐を発生させながら既存の小血管の壁から延び、仮足が毛細血管芽の成長を周囲の結合組織内に案内する。これらの毛細血管の新しい成長は、癌の成長が拡大して広がることを可能にし、例えば糖尿病に伴うおそれのある失明に寄与する。逆に、毛細血管生成の欠乏は、例えば心臓発作後の心筋内の組織死に寄与することがある。したがって、新しい毛細血管が既存の毛細血管から形成されるのに伴う内皮細胞の遊走を研究することは、血管新生を理解し、血管成長をブロックするか又は血管機能を改善する薬物を最適化する上での助けとなり得る。加えて、細胞遊走の研究は、組織再生、臓器移植、自己免疫疾患、並びにその他の多くの変性疾患及び状態のプロセスへの洞察を可能にすることもできる。   Cell migration in response to chemical stimuli is a particularly important issue to consider in order to understand the processes of various diseases and thus develop and evaluate therapeutic candidates for these diseases. By recording the migration of a cell or group of cells in response to a chemical stimulus, eg, a therapeutic agent, the effect of the chemical stimulus can be better understood. Typically, studies of disease processes in various medical fields, such as cancer research, immunology, angiogenesis, wound treatment, and neurobiology, include analysis of chemotaxis and chemoinvasiveness of living cells. For example, in the field of cancer research, cell migration is an important consideration in understanding the process of metastasis. During metastasis, typical solid tumor cancer cells loosen their attachment with neighboring cells, escape these tissues, and break down these tissues by degrading the extracellular matrix of other tissues until they reach blood vessels or lymph vessels. By invading and traversing the basal layer and endothelium of the duct, it must enter the circulation, exit the circulation elsewhere in the body, and survive and proliferate in the new environment where these cells eventually exist Don't be. Thus, cancer cell migration studies can help understand the metastatic process and develop therapeutics that potentially inhibit this process. In the field of inflammatory diseases, cell migration is also an important consideration in understanding the inflammatory response. During the inflammatory response, leukocytes migrate to the damaged tissue site and help fight infection or heal wounds. Leukocytes migrate through the capillaries and adhere to the endothelial cells that line the capillaries. The leukocytes then push between the endothelial cells and crawl across the basal layer by using digestive enzymes. Therefore, studying leukocytes that migrate across endothelial cells and invade the basal layer understands the inflammatory process, and inflammatory diseases such as adult respiratory distress syndrome (ARDS), rheumatoid arthritis, and inflammatory skin It can help in developing therapeutics that inhibit this process in disease. Cell migration is also an important consideration in the field of angiogenesis. When capillaries sprouting from existing small blood vessels, the endothelial cells initially extend from the walls of the existing small blood vessels, generating new capillary branches, and pseudopods guide the growth of the capillary buds into the surrounding connective tissue . The new growth of these capillaries allows cancer growth to expand and spread, contributing to blindness that may be associated with, for example, diabetes. Conversely, a deficiency in capillary generation may contribute to tissue death in the myocardium, for example after a heart attack. Therefore, studying endothelial cell migration as new capillaries are formed from existing capillaries understands angiogenesis and optimizes drugs that block blood vessel growth or improve vascular function Can be helpful in above. In addition, cell migration studies can also provide insight into the processes of tissue regeneration, organ transplantation, autoimmune diseases, and many other degenerative diseases and conditions.

これらのタイプの研究を行う際には、細胞遊走アッセイがしばしば用いられる。このようなアッセイを形成するための商業的に入手可能な装置は、トランスウェル・システム(上側区画と下側区画とを形成するために薄い多孔質膜によって仕切られた容器)に基づくか、又はこれを採用することがある。細胞の化学走性を研究するために、細胞を上側区画に置き、そして遊走性刺激物質を下側区画におく。十分なインキュベーション時間後、細胞を固定し、染色し、そしてカウントすることにより、膜を横切る細胞化学走性に対する刺激の効果を研究する。   Cell migration assays are often used when conducting these types of studies. Commercially available devices for forming such assays are based on transwell systems (containers separated by a thin porous membrane to form upper and lower compartments), or This may be adopted. To study cell chemotaxis, cells are placed in the upper compartment and migratory stimulants are placed in the lower compartment. After sufficient incubation time, the effect of stimulation on cytochemotactic properties across the membrane is studied by fixing, staining and counting the cells.

化学侵襲性を研究するためには、MATRIGEL(登録商標)マトリックスの均一層を膜にかぶせることにより、膜の孔を塞ぐ。上側区画内のMATRIGEL(登録商標)マトリックス上に細胞を播き、そして化学誘引物質を下側区画内に置く。侵襲性細胞はマトリックスに付着し、侵襲して、多孔質膜を通過する。非侵襲性細胞は、塞がれた孔を通して遊走することはない。十分なインキュベーション時間後、細胞を固定し、染色し、そしてカウントすることにより、膜を横切る細胞の侵襲に対する刺激の効果を研究する。   To study chemical invasiveness, the membrane pores are blocked by covering the membrane with a uniform layer of MATRIGEL® matrix. Cells are seeded on the MATRIGEL® matrix in the upper compartment and the chemoattractant is placed in the lower compartment. Invasive cells attach to the matrix, invade and pass through the porous membrane. Non-invasive cells do not migrate through the blocked holes. After sufficient incubation time, the effect of stimulation on cell invasion across the membrane is studied by fixing, staining and counting the cells.

トランスウェルの使用はいくつかの欠点を有している。トランスウェルを採用するアッセイは、ハイスループットスクリーニング及びプロセッシングに容易には適合できない手間のかかるプロトコルを必要とする。トランスウェル・システムの構造により、既存のロボット式液体取扱いシステム及び自動画像取得システムを一体化することは難しい。したがって、スクリーニング及び処理、例えば細胞のカウントのほとんどは手によって行われ、この作業は時間がかかり、単調で高価なプロセスである。細胞のカウントはまた主観的であり、しばしば統計的概算を伴う。具体的には、フィルター全体を調べるのに伴う時間と費用とにより、ランダムに選択された代表領域しかカウントされないことがある。さらに、これらの領域がカウントされても、フィルターを通って部分的にだけ遊走した細胞を考慮に入れる場合には、技術者自身が判断を下さなければならない。   The use of transwells has several drawbacks. Assays employing transwells require laborious protocols that are not easily adapted for high throughput screening and processing. Due to the structure of the transwell system, it is difficult to integrate existing robotic liquid handling systems and automatic image acquisition systems. Thus, most screening and processing, eg cell counting, is done by hand, and this is a time consuming, tedious and expensive process. Cell counts are also subjective and often involve statistical estimates. Specifically, only randomly selected representative regions may be counted due to the time and expense associated with examining the entire filter. Furthermore, even if these regions are counted, the engineer himself must make a decision when taking into account cells that have only partially migrated through the filter.

トランスウェルに基づくアッセイは、トランスウェル・システムにおいて利用される薄膜によって課せられる内在的制限を有する。膜の厚さは50〜30ミクロン(μm)にすぎず、膜を横切って形成される化学濃度勾配は一時的なものであり、短時間しか継続しない。細胞化学走性アッセイが、化学走性勾配が長い距離(>100〜200μm)にわたって生成され、しかも2時間以上にわたって安定であることを必要とする場合、現在利用可能なトランスウェル・アッセイは満足のいく実施をすることはできない。   Transwell-based assays have inherent limitations imposed by the thin films utilized in the transwell system. The thickness of the membrane is only 50-30 microns (μm), and the chemical concentration gradient formed across the membrane is temporary and lasts only for a short time. Currently available transwell assays are satisfactory when the cytochemotactic assay requires that the chemotaxis gradient is generated over a long distance (> 100-200 μm) and is stable for over 2 hours. Cannot be implemented.

上記にかからわず、おそらくトランスウェルの最も顕著な欠点は、化学走性及び化学侵略性がリアルタイムで観察されないことである。特に、化学走性発生中の細胞形態の変化を、トランスウェルを用いた場合にはリアルタイムで観察することができない。トランスウェルの場合、細胞が観察のために必要となるスライドに固定されると、これらの細胞は殺されてしまう。その結果、一旦細胞が観察されると、この細胞はもはやアッセイには再導入されず、或いは続いて行われる試験薬に対する露出の時間に研究されることはない。したがって、試験薬に応答した細胞の進行及び細胞の形態の変化を研究するためには、試験薬の導入前及び導入後の種々の時間に観察する予定のサンプルについて同時に実施することが必要である。それぞれの試験に複数の試料が必要となることに照らして、信頼性の高いデータを得るのに必要な陽性及び陰性の対照に加えて、単一の化学走性アッセイが何ダースものフィルターを必要とすることがある。フィルターのそれぞれは個々に検査されてカウントされる必要があり、これは煩わしい、時間のかかる作業である。   Notwithstanding the above, perhaps the most notable drawback of transwells is that chemotaxis and chemical invasion are not observed in real time. In particular, changes in cell morphology during chemotaxis development cannot be observed in real time when using a transwell. In the case of transwells, these cells are killed when they are fixed on a slide that is needed for observation. As a result, once a cell is observed, it is no longer reintroduced into the assay or studied at the time of subsequent exposure to the test agent. Therefore, in order to study cell progression and changes in cell morphology in response to a test drug, it is necessary to carry out simultaneously on samples that are to be observed at various times before and after the introduction of the test drug. . A single chemotaxis assay requires dozens of filters in addition to the positive and negative controls required to obtain reliable data in light of the need for multiple samples for each test It may be. Each of the filters needs to be individually examined and counted, which is a cumbersome and time consuming task.

最近、化学走性及び化学侵襲性を測定するための装置が入手可能になった。これらの装置は、2つのウェルが互いに水平方向にずらされている構成を採用している。装置のこのような構成は、1977年にSally Zigmondによって導入され(以後これを「Zigmond装置」と呼ぶ)、幅4mm及び深さ1mmの2つの溝を備えた25ミリメートル(mm) x 75mmのスライドガラスから成っており、これらの溝は1mmのブリッジによって分離されている。溝の一方には誘引物質を満たし、他方の溝には対照溶液を満たし、こうしてブリッジを横切って濃度勾配を形成する。そして細胞を他方の溝に加える。ピンクランプを受容するために、スライドの各端部には2つの孔が設けられている。クランプは細胞のインキュベーション中及び観察中には、カバー・ガラスを所定の位置に保持する。Zigmondチャンバのサイズ及び構成により、このチャンバは、既存のロボット式液体取扱いシステム及び自動画像取得システムとの一体化を可能にはしない。さらに、トランスウェルに基づくシステムと同様に、化学走性発生中の細胞形態の変化は、Zigmondチャンバを用いた場合にはリアルタイムで観察することはできない。それというのも、細胞が観察のためにスライドに固定されるからである。加えて、ピンクランプはアレンレンチで組み立てなければならず、従って装置はアッセイ実施前に特別な取扱い、位置決め及び整合を必要とする。スライドガラス上のカバーガラスのこのような取扱い及び位置決め、並びにカバー・ガラスの剛性は、ブリッジ上の表面処理を潜在的に損傷するか、又はこれを妨害するおそれがある。   Recently, devices for measuring chemotaxis and chemical invasiveness have become available. These apparatuses employ a configuration in which two wells are shifted in the horizontal direction. Such a configuration of the device was introduced by Sally Zigmond in 1977 (hereinafter referred to as the “Zigmond device”), a 25 mm (mm) x 75 mm slide with two grooves 4 mm wide and 1 mm deep Made of glass, these grooves are separated by 1 mm bridges. One of the grooves is filled with an attractant and the other groove is filled with a control solution, thus creating a concentration gradient across the bridge. Cells are then added to the other groove. Two holes are provided at each end of the slide to receive the pink lamp. The clamp holds the cover glass in place during cell incubation and observation. Due to the size and configuration of the Zigmond chamber, this chamber does not allow integration with existing robotic liquid handling systems and automatic image acquisition systems. Furthermore, similar to transwell-based systems, changes in cell morphology during chemotaxis development cannot be observed in real time using the Zigmond chamber. This is because the cells are fixed to the slide for observation. In addition, the pin clamp must be assembled with an Allen wrench, so the device requires special handling, positioning and alignment prior to performing the assay. Such handling and positioning of the cover glass on the slide glass and the rigidity of the cover glass can potentially damage or interfere with the surface treatment on the bridge.

リアルタイム観察が行われないという問題を解決しようとする化学走性装置が、「Dunnチャンバ」である。Dunnチャンバは、中央の円形シンクと同軸的な環状溝とを備えた、特別に構成されたミクロスライドから成っている。Dunnチャンバを使用するアッセイでは、細胞は、Dunnチャンバ上に逆さにして置かれたカバーガラス上で、化学走性刺激に向かって遊走する。細胞は、画像取込みボードを備えたコンピュータに接続されたビデオカメラを備えた位相差顕微鏡を使用して、一晩にわたって監視される。   A chemotaxis device that attempts to solve the problem of not performing real-time observation is the “Dunn chamber”. The Dunn chamber consists of a specially constructed microslide with a central circular sink and a coaxial annular groove. In assays using the Dunn chamber, cells migrate towards chemotaxis stimuli on coverslips placed upside down on the Dunn chamber. The cells are monitored overnight using a phase contrast microscope equipped with a video camera connected to a computer equipped with an image capture board.

カバーガラスが剛性であり、また既存のロボット式液体取扱いシステムに一体化されないという問題点に加えて、Dunnチャンバ・アッセイに伴う主要な問題点は、極めて少数の細胞(典型的には10個)しかモニタリングされないことである。この極めて少数のサンプルの平均挙動は、個体群全体としては典型的なものではない。第2の主要な問題は、複製が極めて限定されることである。各対照チャンバ及び各処理チャンバを、それぞれがカメラ及びコンピュータを同様に備えた別個の顕微鏡で見なければならない。   In addition to the problem of the cover glass being rigid and not integrated into existing robotic liquid handling systems, the main problem with the Dunn chamber assay is a very small number of cells (typically 10). It is only monitored. The average behavior of this very small number of samples is not typical for the whole population. The second major problem is that replication is very limited. Each control chamber and each processing chamber must be viewed with a separate microscope, each equipped with a camera and computer as well.

当業者に知られた別の化学走性装置が、米国特許第6,238,874号明細書(Jarnigan他)('874特許)に開示されている。'874特許は、化学走性をモニタリングするのに使用することができる試験装置の種々の実施態様を開示する。しかし、Jarnigan他の装置は、シール、組立て、剥離、及び分解が容易にはできないので不都合である。したがって、組立て中に化学的又は生物学的に調製される表面を維持することは難しい。したがって'874特許の試験装置は単回使用により適している。また細胞に損傷を与えずに、又は細胞位置を妨げずに、分解しそして細胞を捕集するのは難しい。   Another chemotaxis device known to those skilled in the art is disclosed in US Pat. No. 6,238,874 (Jarnigan et al.) (The '874 patent). The '874 patent discloses various embodiments of test devices that can be used to monitor chemotaxis. However, the Jarnigan et al. Device is disadvantageous because it cannot be easily sealed, assembled, peeled and disassembled. Therefore, it is difficult to maintain a chemically or biologically prepared surface during assembly. Thus, the test apparatus of the '874 patent is more suitable for single use. It is also difficult to break down and collect cells without damaging the cells or without disturbing the cell location.

従来技術は、組立て及び分解が容易な試験装置、例えば化学走性及び/又は化学侵襲性をモニタリングするための装置を提供することに失敗している。加えて従来技術は、化学走性/化学侵襲性に対する化学誘引物質、化学忌避物質及び化学刺激物質の効果を測定することに限定されない、細胞遊走をモニタリングするための試験装置を提供することに失敗している。   The prior art has failed to provide a test device that is easy to assemble and disassemble, such as a device for monitoring chemotaxis and / or chemical invasiveness. In addition, the prior art failed to provide a test device for monitoring cell migration, not limited to measuring the effects of chemoattractants, chemical repellents and chemical stimulants on chemotaxis / chemical invasiveness. is doing.

発明の概要
本発明は、化学走性又は化学侵襲性をモニタリングする方法であって、ハウジングを含む装置であって、該ハウジング中にある複数のチャンバのそれぞれが1つ以上の第1ウェルを含む第1ウェル領域と、1つ以上の第2ウェルを含む第2ウェル領域と、該第1ウェル領域と該第2ウェル領域とを互いに接続する1つ以上のチャネルを含むチャネル領域とを含み、該ハウジングが該複数のチャンバを画定している、上記装置を準備することを含む方法を提供する。この方法はさらに、該1つ以上の第1ウェル又は該1つ以上のチャネル内に1つ以上の可溶性試験物質を導入し、そして該チャンバの長手方向軸に沿って動的溶液濃度勾配を形成することを含む。この方法はさらに、該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に、細胞を含む第1試料を導入し、そして該細胞の化学走性又は化学侵襲性をモニタリングすることを含む。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a method for monitoring chemotaxis or chemical invasiveness, an apparatus including a housing, wherein each of a plurality of chambers in the housing includes one or more first wells. A first well region, a second well region including one or more second wells, and a channel region including one or more channels connecting the first well region and the second well region to each other, A method is provided that includes providing the apparatus, wherein the housing defines the plurality of chambers. The method further introduces one or more soluble test substances into the one or more first wells or the one or more channels and creates a dynamic solution concentration gradient along the longitudinal axis of the chamber Including doing. The method further includes introducing a first sample containing cells into the one or more second wells or the one or more channels and monitoring the chemotaxis or chemoinvasiveness of the cells. .

本発明は、上述の実施態様のチャネル内にゲル・マトリックスを任意に含むことを可能にする。   The present invention makes it possible to optionally include a gel matrix within the channel of the above-described embodiments.

実施態様の詳細な説明
図1Aに示すように、本発明の1の実施態様によれば、化学走性/化学侵襲性をモニタリングするための装置10が、ハウジング10aを含む。ハウジング10aは支持部材16と上部部材11とを含み、上部部材11は、支持部材16と実質的に流体密に共形接触するように配置されることにより、支持部材16に取り付けられている。本発明の関連において、「共形接触」は、実質的に形状が適合した、実質には流体密な接触を意味する。支持部材16及び上部部材11は、これらが一緒に図示のように不連続的なチャンバ12を画定するように構成されている。図1Bの実施態様に一例として示すように、好ましくは化学走性/化学侵襲性装置10は、複数の不連続的なチャンバを含む。不連続的なチャンバ12は、1つ以上の第1ウェル13を含む第1ウェル領域13aと、1つ以上の第2ウェル14を含む第2ウェル領域14aとを含む。第2ウェル領域はさらに、装置の試験配向において、第1ウェル領域に対して水平方向にずらされている。装置の「試験配向」は、試験中の装置の空間的配向を意味する。図1Cに示すように、装置10はさらに、第1ウェル領域13aと第2ウェル領域14aとを互いに接続する1つ以上のチャネル15を含むチャネル領域15aを含む。図1A〜2Cの実施態様の場合、それぞれのウェル領域は単一のウェルを含み、チャネル領域は単一のチャネルを含む。図1Cに示すようにそれぞれのウェルは、ウェル13及びウェル14にそれぞれ対応する、上部部材11に設けられた貫通孔と、支持部材16の上面Uとによって画定されている。具体的には、各ウェル13及び14の側面は、上部部材11の貫通孔の壁によって画定されており、ウェル13及び14の底部は支持部材16の上面Uによって画定されている。なお、本発明に関しては「上部(頂)」「底」「上」及び「側方」は、装置の試験配向に対して定義される。図1A及び1Cにまとめて示すように、チャネル領域15aの長さLは、チャネル領域15aの長手方向軸方向において定義され、チャネル領域15aの深さDは、支持部材16の上面Uに対して法線方向において定義され、幅Wは、チャネル領域15aの長さL及び深さDに対して法線方向において定義される。本発明の1の実施態様によれば、チャンバの第1ウェル13は、化学走性又は化学侵襲性に潜在的に影響を与える可溶性試験物質及び/又は固定化された試験生体分子である試験薬を受容するように適合されている。生体分子の一例としては、DNA、RNA、タンパク質、ペプチド、炭水化物、細胞、化学物質、生化学物質、及び小分子が挙げられる。チャンバの第2ウェル14は、細胞生体試料を受容するように適合されている。固定化された生体分子は、支持部材16を取り囲む環境中に存在する引力、例えば溶媒和力及び乱流力よりも強い引力で支持部材16に引き付けられる生体分子である。試験薬の一例としては、化学忌避物質、化学走性阻害物質、及び化学誘引物質、例えば成長因子、サイトカイン、ケモカイン、栄養素、小分子及びペプチドが挙げられる。或いは、チャンバの第1ウェル13は、細胞の生体試料を受容するように適合され、そしてチャンバの第2ウェル14は、試験薬を受容するように適合される。
Detailed Description of Embodiments As shown in FIG. 1A, according to one embodiment of the present invention, a device 10 for monitoring chemotaxis / chemical invasiveness includes a housing 10a. The housing 10a includes a support member 16 and an upper member 11. The upper member 11 is attached to the support member 16 by being disposed so as to be in substantially fluid-tight conformal contact with the support member 16. In the context of the present invention, “conformal contact” means substantially fluid-tight contact that is substantially conformal in shape. Support member 16 and upper member 11 are configured such that they together define a discontinuous chamber 12 as shown. As shown by way of example in the embodiment of FIG. 1B, preferably the chemotaxis / chemoinvasive device 10 includes a plurality of discontinuous chambers. The discontinuous chamber 12 includes a first well region 13 a including one or more first wells 13 and a second well region 14 a including one or more second wells 14. The second well region is further offset in a horizontal direction relative to the first well region in the test orientation of the device. “Test orientation” of a device means the spatial orientation of the device under test. As shown in FIG. 1C, the device 10 further includes a channel region 15a including one or more channels 15 that connect the first well region 13a and the second well region 14a to each other. In the embodiment of FIGS. 1A-2C, each well region includes a single well and the channel region includes a single channel. As shown in FIG. 1C, each well is defined by a through-hole provided in the upper member 11 and the upper surface U of the support member 16 corresponding to the well 13 and the well 14, respectively. Specifically, the side surface of each well 13 and 14 is defined by the wall of the through hole of the upper member 11, and the bottom of the wells 13 and 14 is defined by the upper surface U of the support member 16. Note that “top” (top), “bottom”, “top” and “side” are defined with respect to the test orientation of the device for the present invention. As collectively shown in FIGS. 1A and 1C, the length L of the channel region 15a is defined in the longitudinal axis direction of the channel region 15a, and the depth D of the channel region 15a is defined with respect to the upper surface U of the support member 16. The width W is defined in the normal direction with respect to the length L and the depth D of the channel region 15a. According to one embodiment of the present invention, the first well 13 of the chamber is a test agent that is a soluble test substance and / or an immobilized test biomolecule that potentially affects chemotaxis or chemical invasiveness. Adapted to accept. Examples of biomolecules include DNA, RNA, proteins, peptides, carbohydrates, cells, chemicals, biochemicals, and small molecules. The second well 14 of the chamber is adapted to receive a cellular biological sample. The immobilized biomolecule is a biomolecule that is attracted to the support member 16 by an attractive force that exists in the environment surrounding the support member 16, such as a solvating force and a turbulent force. Examples of test agents include chemical repellents, chemotaxis inhibitors, and chemoattractants such as growth factors, cytokines, chemokines, nutrients, small molecules and peptides. Alternatively, the first well 13 of the chamber is adapted to receive a biological sample of cells and the second well 14 of the chamber is adapted to receive a test agent.

本発明の1の実施態様の場合、試験薬として可溶性試験物質が使用され、チャネル領域15aは好ましくはゲル・マトリックスを含有する。ゲル・マトリックスは、溶質がより高濃度の領域(ウェル領域13a)から半透過性マトリックス(ゲル・マトリックス)を通してより低濃度(ウェル領域14a)に拡散するにつれて、第1ウェル領域13aから第2ウェル領域14aに向かって溶液濃度勾配の形成を可能にする。可溶性試験物質が化学誘引物質を含む場合、細胞がマトリックスを通って溶液濃度勾配の方向にウェル領域13aに向かって遊走するように、細胞は、酵素、例えばマトリックス・メタロプロテアーゼを放出することにより、このマトリックスを分解しなければならない。続いてこの細胞の化学走性及び化学侵襲性を観察し、測定し、そして記録することができる。   In one embodiment of the invention, a soluble test substance is used as the test agent and the channel region 15a preferably contains a gel matrix. The gel matrix moves from the first well region 13a to the second well as the solute diffuses from the higher concentration region (well region 13a) through the semi-permeable matrix (gel matrix) to the lower concentration (well region 14a). It enables the formation of a solution concentration gradient towards region 14a. When the soluble test substance comprises a chemoattractant, the cell releases the enzyme, e.g. matrix metalloprotease, so that the cell migrates through the matrix in the direction of the solution concentration gradient towards the well region 13a, This matrix must be decomposed. Subsequently, the chemotaxis and chemical invasiveness of the cells can be observed, measured and recorded.

試験薬として固定化生体分子を利用する本発明の1の実施態様の場合、生体分子は好ましくは、チャネル領域15aの下側、及びウェル領域13aの貫通孔の下側に位置する支持部材16の部分上に固定化又は結合される。生体分子濃度は、装置の長手方向軸に沿って、ウェル領域13aからウェル領域14aに向かって減少して、固定化生体分子の表面濃度勾配を形成し、そして細胞生体試料はこの表面勾配に対して潜在的に応答する。続いてこの細胞の走触性を観察し、測定し、そして記録することができる。   In one embodiment of the invention that utilizes an immobilized biomolecule as a test agent, the biomolecule is preferably of the support member 16 located below the channel region 15a and below the through hole of the well region 13a. Immobilized or bonded on the part. The biomolecule concentration decreases along the longitudinal axis of the device from the well region 13a toward the well region 14a to form an immobilized biomolecule surface concentration gradient, and the cell biological sample is against this surface gradient. Respond potentially. The cell chemotaxis can then be observed, measured and recorded.

装置10の特定の仕様に関しては、上部部材11は、支持部材16との共形接触、好ましくは可逆的な共形接触をもたらすように適合された材料から形成される。本発明の実施態様によれば、特にこのような材料の柔軟性は、上部部材を支持部材16の上面Uに形状適合した状態で付着させることにより、支持部材16との実質的な流体密なシールを形成するのを可能にする。共形接触は好ましくは、支持部材表面上の上部部材のスリップを防止するのに十分に強力であるべきである。共形接触が可逆的な場合には、上部部材は、これが単純な剥離プロセスによって除去されるのを可能にするための構造完全性を有する材料から形成することができる。これにより、上部部材11が除去され、所定の位置にある細胞が捕集されるのが可能になる。剥離プロセスは、支持部材16のいかなる表面処理又は細胞位置も妨害しないことが好ましい。物理的な条痕、ポケット、SAM、ゲル、ペプチド、抗体、又は炭水化物を支持部材16上に配置することができ、続いて、これらの構造に損傷を与えることはなく、上部部材11を支持部材16に被せることができる。加えて、上部部材11と支持部材16との共形接触によって上部部材11と支持部材16との間にもたらされた実質的に流体密なシールは、流体が1つのチャンバから隣接チャンバに漏れるのを防止し、また、汚染物質がウェルに入るのも防止する。シール作用は外部圧を維持する必要なしに、事実上瞬時に発生することが好ましい。共形接触は、上部部材11と支持部材16との間をシールするためにシーリング剤を使用する必要性を排除する。本発明の実施態様はシーリング剤の使用を包含するが、好ましい実施態様に従ってシーリング剤の使用が防がれるという事実は、コストを削減して時間を節約する別の実施態様を提供し、そしてさらに、シーリング剤による各チャンバ12の汚染の危険性を排除する。好ましくは、上部部材11は、劣化することがなく、また複数の試験で使用されることによって容易に損傷されることがなく、しかも製造中に上部部材の構造にかなりの可変性をもたらす材料から形成される。より好ましくは、材料は、上部部材がフォトリソグラフィを用いて形成されるのを可能にするように選択することができる。好ましい実施態様において、材料はエラストマー、例えばシリコーン、天然又は合成ゴム、又はポリウレタンを含む。より好ましい実施態様の場合、材料はポリジメチルシロキサン(「PDMS」)である。   With respect to the specific specifications of the device 10, the upper member 11 is formed from a material adapted to provide conformal contact with the support member 16, preferably reversible conformal contact. According to embodiments of the present invention, in particular, the flexibility of such materials is substantially fluid tight with the support member 16 by attaching the top member to the top surface U of the support member 16 in a conformal manner. Allows to form a seal. The conformal contact should preferably be strong enough to prevent slippage of the upper member on the support member surface. If the conformal contact is reversible, the top member can be formed from a material that has structural integrity to allow it to be removed by a simple stripping process. Thereby, the upper member 11 is removed, and the cells at a predetermined position can be collected. The stripping process preferably does not interfere with any surface treatment or cell location of the support member 16. Physical striations, pockets, SAMs, gels, peptides, antibodies, or carbohydrates can be placed on the support member 16 and subsequently the top member 11 is supported without damaging these structures. 16 can be covered. In addition, the substantially fluid tight seal provided between the top member 11 and the support member 16 by conformal contact between the top member 11 and the support member 16 allows fluid to leak from one chamber to an adjacent chamber. And prevent contaminants from entering the well. The sealing action preferably occurs virtually instantaneously without the need to maintain external pressure. Conformal contact eliminates the need to use a sealant to seal between the upper member 11 and the support member 16. While embodiments of the present invention include the use of sealants, the fact that the use of sealants is prevented according to preferred embodiments provides another embodiment that reduces costs and saves time, and further Eliminates the risk of contamination of each chamber 12 by the sealant. Preferably, the upper member 11 is made of a material that does not deteriorate and is not easily damaged by being used in multiple tests and that provides considerable variability in the structure of the upper member during manufacture. It is formed. More preferably, the material can be selected to allow the top member to be formed using photolithography. In preferred embodiments, the material comprises an elastomer, such as silicone, natural or synthetic rubber, or polyurethane. In a more preferred embodiment, the material is polydimethylsiloxane (“PDMS”).

本発明の別の実施態様の場合、装置10は、チャンバを画定するハウジングを含み、チャンバは、1つ以上の第1ウェルを含む第1ウェル領域と;1つ以上の第2ウェルを含む第2ウェル領域と;第1ウェル領域と第2ウェル領域とを互いに接続する複数のチャネルを含むチャネル領域とを含む。好ましくは、第2ウェル領域は、装置の試験配向において、第1ウェル領域に対して水平方向にずらされている。   In another embodiment of the invention, the apparatus 10 includes a housing defining a chamber, the chamber including a first well region including one or more first wells; a first well including one or more second wells. A two-well region; and a channel region including a plurality of channels connecting the first well region and the second well region to each other. Preferably, the second well region is offset in a horizontal direction relative to the first well region in the test orientation of the device.

本発明の方法の好ましい実施態様によれば、標準的なフォトリソグラフィ手順を用いることにより、上部部材11の任意の所望の構成のネガ像であるシリコン・マスターを形成することができる。例えば、チャンバ12の寸法、例えばウェル領域13a及び14aのサイズ、又はチャネル領域15aの長さを変更することにより、任意の有利な仕様に適合することができる。マスターの好適な構成を選択し、この構成に従ってマスターを製作したら、材料をマスター上にスピンキャスト、射出、又は注入し、そして硬化させる。型を形成したら、このプロセスは必要なだけ頻繁に繰り返すことができる。このプロセスは、上部部材の構成において高い柔軟性を提供するだけではなく、上部部材が大量に複製されることをも可能にする。本発明は、例えばe-ビームリソグラフィ、レーザーアシストエッチング、及び転写印刷を含む、装置10の種々異なる製造方法をも検討する。   According to a preferred embodiment of the method of the present invention, a silicon master that is a negative image of any desired configuration of the top member 11 can be formed using standard photolithography procedures. For example, any advantageous specification can be met by changing the dimensions of the chamber 12, such as the size of the well regions 13a and 14a, or the length of the channel region 15a. Once a suitable configuration of the master is selected and the master is made according to this configuration, the material is spin cast, injected, or injected onto the master and cured. Once the mold is formed, this process can be repeated as often as necessary. This process not only provides high flexibility in the construction of the top member, but also allows the top member to be replicated in large quantities. The present invention also contemplates different methods of manufacturing apparatus 10, including, for example, e-beam lithography, laser assisted etching, and transfer printing.

装置10は好ましくは、工業用標準マイクロタイター・プレートのフットプリントに適合する。このようなものとして、装置10は好ましくは、工業用標準マイクロタイター・プレートと同じ外側寸法及びサイズ全体を有している。加えて、チャンバ12が複数のチャンバを含む場合、チャンバ12自体、又はそれぞれのチャンバ12のウェルは、工業用標準マイクロタイター・プレートのピッチと同じピッチを有していてよい。本明細書に使用される「ピッチ」という用語は、装置の試験配向において隣接するチャンバ又は隣接するウェルの間のそれぞれの鉛直方向中心線間の距離を意味する。図1Bに示された装置10の実施態様は、標準的な96ウェルプレートのフォーマットで構成された48個のチャンバを含み、それぞれのウェルは、プレートの各マクロウェルの空間に適合している。複数のチャンバ12のサイズ及び数は、標準的な24-、96-、384-、768-及び1536-ウェルマイクロタイター・プレートのフットプリントに対応することができる。例えば、96ウェルプレートの場合、装置10は48個のチャンバ12を含むことができ、したがって48の試験を行うことができ、また、384ウェルプレートの場合、装置10は192個のチャンバ12を含むことができ、したがって192の試験を行うことができる。本発明はまた、任意の好適な構成で配置された任意の他の数のチャンバ及び/又はウェルを検討する。例えばピッチ又はフットプリントの標準が変わり、或いは新しい用途が新しい寸法を要求する場合、これらの新しい寸法に見合うように装置10を容易に変化させることができる。標準マイクロタイター・プレートの正確な寸法及び仕様に一致させることにより、装置10の実施態様は、流体取扱い、保管、登録及び検出の既存のインフラ基盤に有利に適合することになる。したがって、装置10の実施態様は、ロボットによる流体取扱い及び自動的な検出及びデータ分析を可能にするので、ハイスループットスクリーニングを導くことができる。上部部材11は加えて、いくつかの異なる変更形及び実施態様を採用することができる。試験パラメーターに応じて、例えば化学走性又は化学侵襲性がモニタリングされることになっている場合には、細胞型、細胞数、又は化学走性又は化学侵襲性が必要とされる距離に応じて、上部部材11のチャンバ12は種々の実施態様を有することができる。これらのうちのいくつかを本明細書中で論じる。不連続的なチャンバ12に関しては、チャネル領域15aにおけるチャネルの形状、寸法、位置、表面処理及び数、並びにウェル13及び14の形状及び数が変化してよい。   The apparatus 10 preferably conforms to the industry standard microtiter plate footprint. As such, device 10 preferably has the same outer dimensions and overall size as an industry standard microtiter plate. In addition, if the chamber 12 includes multiple chambers, the chamber 12 itself, or the wells of each chamber 12, may have the same pitch as that of an industry standard microtiter plate. The term “pitch” as used herein refers to the distance between each vertical centerline between adjacent chambers or adjacent wells in the test orientation of the device. The embodiment of the apparatus 10 shown in FIG. 1B includes 48 chambers configured in a standard 96 well plate format, each well adapted to the space of each macrowell of the plate. The size and number of multiple chambers 12 can correspond to standard 24-, 96-, 384-, 768- and 1536-well microtiter plate footprints. For example, for a 96-well plate, the device 10 can include 48 chambers 12, and thus can perform 48 tests, and for a 384-well plate, the device 10 includes 192 chambers 12 192 tests can therefore be performed. The present invention also contemplates any other number of chambers and / or wells arranged in any suitable configuration. For example, if the pitch or footprint standards change, or if new applications require new dimensions, the device 10 can be easily changed to accommodate these new dimensions. By matching the exact dimensions and specifications of the standard microtiter plate, the embodiment of the device 10 will be advantageously adapted to the existing infrastructure of fluid handling, storage, registration and detection. Thus, embodiments of the device 10 can lead to high-throughput screening because it allows robotic fluid handling and automatic detection and data analysis. In addition, the upper member 11 can employ several different variations and embodiments. Depending on the test parameters, for example if chemotaxis or chemoinvasiveness is to be monitored, depending on the cell type, cell number, or the distance at which chemotaxis or chemoinvasiveness is required The chamber 12 of the upper member 11 can have various embodiments. Some of these are discussed herein. For discontinuous chamber 12, the shape, size, position, surface treatment and number of channels in channel region 15a, and the shape and number of wells 13 and 14 may vary.

チャネル領域15aの形状に関して、チャネル領域15aにおけるそれぞれのチャネル15は、その長手方向軸に対して垂直な平面内で見て、特定の断面形状に限定されることはない。例えば、任意の所与のチャネル15の断面は、六角形、円形、半円形、長円形、長方形、正方形、又はその他の任意の多角形又は湾曲形状であってよい。   Regarding the shape of the channel region 15a, each channel 15 in the channel region 15a is not limited to a particular cross-sectional shape when viewed in a plane perpendicular to its longitudinal axis. For example, the cross section of any given channel 15 may be hexagonal, circular, semicircular, oval, rectangular, square, or any other polygonal or curved shape.

チャネル15の寸法に関して、所与のチャネル15の長さLは、種々の試験パラメーターに応じて変化することができる。例えば、所与のチャネル15の長さLは、化学走性の発生が必要とされる距離に関連して変化することができる。例えば、所与のチャネル15の長さLの範囲を約3μm〜約18mmにすることにより、細胞が十分な距離を移動することが可能になり、ひいては、細胞の化学走性及び化学侵襲性を観察するのに十分な機会を提供することができる。所与のチャネル15の幅W及び深さDは、種々の試験パラメーターの関数として変化することもできる。例えば、所与のチャネル15の幅W及び深さDは、化学走性/化学侵襲性装置において、被験細胞のサイズ、及び所与のチャネル15にゲル・マトリックスが添加されるか否かに応じて変化してよい。一般に、所与のチャネル15の幅W及び深さDは、概ね被験細胞の直径の範囲内にあってよい。ランダムな細胞運動を低減するために、所与のチャネル15の幅W及び深さDの少なくとも一方は、所与のチャネル15内にゲル・マトリックスが配置されていない場合、細胞の直径よりも小さいことが望ましく、これにより、細胞はこれが活性化されると、所与のチャネルを「押し分けて」通り試験薬に向かうことができる。所与のチャネル15がゲル・マトリックスを含有する場合には、所与のチャネル15の深さD及び幅Wは、被験細胞の直径よりも大きくてよい。例えば図1A〜2Cの実施態様を参照すると、直径約3〜12μmの懸濁細胞、例えば白血球がウェル14内に存在し、チャネル15がゲルを含有しない場合、チャネル15の幅Wの範囲は約3〜約20μmであるべきであり、そしてチャネル15の深さDの範囲は約3〜約20μmであるべきであるが、しかし、チャネル15の深さD又は幅Wの少なくともいずれかは、細胞の直径よりも小さくあるべきである。白血球がウェル14内に存在し、そしてチャネル15がゲル・マトリックスを含有している場合、チャネル15の幅Wの範囲は約20〜約100μmであるべきであり、そしてチャネル15の深さDの範囲は約20〜約100μmであるべきであり、そして、チャネル15の幅W及び深さDの両方は、被験細胞の直径よりも大きくあることができる。同様に、粘着前の直径3〜10ミクロンの粘着細胞、例えば内皮細胞がウェル14内に存在し、そしてチャネル15がゲルを含有しない場合、チャネル15の幅W及び深さDの範囲は約3〜約20μmであることができるが、しかし、チャネル15の幅W又は深さDの少なくともいずれかは、被験細胞の直径よりも小さくあるべきである。粘着細胞がウェル14内に存在し、そしてチャネル15がゲル・マトリックスを含有している場合、チャネル15の幅W及び深さDの範囲は約20〜約200μmであるべきであり、そして、チャネル15の幅W及び深さDの両方は、被験細胞の直径よりも大きくてよい。   With respect to the dimensions of the channel 15, the length L of a given channel 15 can vary depending on various test parameters. For example, the length L of a given channel 15 can vary in relation to the distance at which chemotaxis occurs. For example, the range of length L of a given channel 15 can be from about 3 μm to about 18 mm, allowing the cell to travel a sufficient distance, thus reducing cell chemotaxis and chemoinvasiveness. It can provide enough opportunities for observation. The width W and depth D of a given channel 15 can also vary as a function of various test parameters. For example, the width W and depth D of a given channel 15 depends on the size of the test cell and whether a gel matrix is added to the given channel 15 in a chemotaxis / chemoinvasive device. May change. In general, the width W and depth D of a given channel 15 may be approximately within the diameter of the test cell. To reduce random cell movement, at least one of the width W and depth D of a given channel 15 is less than the cell diameter if no gel matrix is placed in the given channel 15 Desirably, this allows the cell to “push” a given channel toward the test agent once it is activated. If a given channel 15 contains a gel matrix, the depth D and width W of a given channel 15 may be greater than the diameter of the test cell. For example, referring to the embodiment of FIGS. 1A-2C, if suspension cells of about 3-12 μm in diameter, such as leukocytes, are present in the well 14 and the channel 15 does not contain a gel, the range of width W of the channel 15 is about Should be from 3 to about 20 μm, and the depth D range of channel 15 should be from about 3 to about 20 μm, but at least one of channel 15 depth D or width W is Should be smaller than the diameter. If leukocytes are present in the well 14 and the channel 15 contains a gel matrix, the width W of the channel 15 should be about 20 to about 100 μm and the depth D of the channel 15 The range should be about 20 to about 100 μm, and both width W and depth D of channel 15 can be larger than the diameter of the test cell. Similarly, if the adherent cells of 3-10 microns in diameter prior to adherence, such as endothelial cells, are present in the well 14 and the channel 15 does not contain a gel, the width W and depth D range of the channel 15 is about 3 ˜about 20 μm, but at least one of the width W or depth D of the channel 15 should be less than the diameter of the test cell. If adherent cells are present in well 14 and channel 15 contains a gel matrix, the width W and depth D range of channel 15 should be about 20 to about 200 μm and the channel Both the width W and the depth D of 15 may be larger than the diameter of the test cell.

図2A〜2Cに見られるように、チャネル15はウェルの各側方で(図2A及び2C)、又はウェルの中心領域で(図2B)、第1ウェル13を第2ウェル14に接続することができる。   As seen in FIGS. 2A-2C, the channel 15 connects the first well 13 to the second well 14 on each side of the well (FIGS. 2A and 2C) or in the central region of the well (FIG. 2B). Can do.

ウェル領域13a及び14aの間のチャネル領域15aにおけるチャネルの数は、変わることもできる。チャネル領域15aは、例えば図3A〜3Cに示すように、複数のチャネルを含むことができる。図3Aに見られるように、好ましい構成において、ウェル13とウェル14との間の各チャネル15i〜nの長さLは同一である。図3Bに見られるような別の実施態様において、チャネル領域15aの各チャネル15i〜15nの長さLは、チャンバ12の側方部分12aに設けられたチャネル15iから出発して、チャンバ12の側方部分12bに設けられたチャネル15nに向かって見て、ウェル14の方向で増大する。1の実施態様の場合、図3Bに見られるように、チャンバ12の複数のチャネル15における連続したそれぞれのチャネルの長さLは、複数のチャネルのうちの先行するチャネルに対してチャネルの幅W方向で増大するので、第1ウェル領域及び第2ウェル領域のうちの一方、例えば図示のウェル領域13aに設けられたそれぞれのチャネル入口は、チャネルの幅W方向に沿って整列される。この構成において、任意の特定のチャネル内で移動する細胞はチャネルを出て、互いに長手方向にずらされた地点でウェル14に入るが、ウェル領域13aに最も近接したチャネル領域15aの区分は、種々異なるチャネルに最終的に入る細胞がチャネルの幅W方向で整列されて、これらのチャネルの間に長手方向のずれがないように位置決めされる。したがって、隣接する2つのチャネルを比較すると、チャネル15iに入る第1細胞群は、チャネル15jに入る異なる第2細胞群に対して長手方向にずらされていない進入位置を有しているが、しかし、チャネル15iを出る第1細胞群は、チャネル15jを出る第2細胞群から長手方向にずらされた出口点を有している。図3Cに示された本発明の異なる実施態様の場合、それぞれのチャネル15i〜15nの幅Wは、チャンバ12の側方部分12aに設けられたチャネル15iから出発して、チャンバ12の側方部分12bに設けられたチャネル15nに向かって増大する。好ましくは、複数のチャネルの連続したそれぞれのチャネルの幅W又は深さDは、複数のチャネルのうちの先行のチャネルに対して、チャネルの幅W方向で増大する。或いは、連続したそれぞれのチャネルの深さDが、チャネルの幅W方向に沿って増大することもできる(図示せず)。当業者には明らかなように、チャネル領域15aにおけるチャネルの寸法を変更する種々の実施態様は、本発明の範囲内にある。例えば、チャネル15i〜15nの長さは、図3Bに示すように、チャネル15iから15nまで連続的に増大する必要はない。その代わりに、チャネル15i〜15nは、特定の順序又はパターンに従わずに変化する長さを有することができる。   The number of channels in the channel region 15a between the well regions 13a and 14a can also vary. The channel region 15a can include a plurality of channels, for example, as shown in FIGS. As seen in FIG. 3A, in a preferred configuration, the length L of each channel 15i-n between well 13 and well 14 is the same. In another embodiment, as seen in FIG. 3B, the length L of each channel 15i-15n of the channel region 15a starts from the channel 15i provided in the side portion 12a of the chamber 12, It increases in the direction of the well 14 when viewed toward the channel 15n provided in the side portion 12b. In one embodiment, as seen in FIG.3B, the length L of each successive channel in the plurality of channels 15 of the chamber 12 is the channel width W relative to the preceding channel of the plurality of channels. The channel inlets provided in one of the first well region and the second well region, for example, the well region 13a shown in the drawing, are aligned along the width W direction of the channel. In this configuration, cells that move in any particular channel exit the channel and enter the well 14 at points that are longitudinally offset from each other, but the section of the channel region 15a closest to the well region 13a can vary Cells that eventually enter different channels are aligned in the width W direction of the channels and positioned so that there is no longitudinal shift between these channels. Thus, when comparing two adjacent channels, the first cell group entering channel 15i has an entry position that is not longitudinally shifted relative to the different second cell group entering channel 15j, but The first cell group exiting channel 15i has an exit point that is longitudinally offset from the second cell group exiting channel 15j. For the different embodiments of the present invention shown in FIG. 3C, the width W of each channel 15i-15n is determined from the channel 15i provided in the side portion 12a of the chamber 12, It increases toward the channel 15n provided in 12b. Preferably, the width W or the depth D of each successive channel of the plurality of channels increases in the direction of the channel width W with respect to the preceding channel of the plurality of channels. Alternatively, the depth D of each successive channel can be increased along the channel width W direction (not shown). As will be apparent to those skilled in the art, various embodiments for changing the dimensions of the channel in the channel region 15a are within the scope of the invention. For example, the length of channels 15i-15n need not increase continuously from channels 15i to 15n, as shown in FIG. 3B. Instead, the channels 15i-15n can have a length that varies without following a specific order or pattern.

所与のチャネル15の表面処理に関して、細胞が他の細胞によって取り囲まれているin vivo条件をシミュレートするために、所与のチャネル15の側壁に細胞、例えば図4Bに見られるような内皮細胞40をコーティングすることができる。内皮細胞の一例としては、ヒト臍帯静脈内皮細胞又は高内皮細胞性細静脈細胞が挙げられる。別の実施態様の場合、所与のチャネル15には、ゲル・マトリックス、例えばゼラチン、アガロース、コラーゲン、フィブリン、任意の天然又は合成の細胞外タンパク質性マトリックス、或いは、一例としてMATRIGEL(登録商標)(Becton Dickenson Labware)又はECM GEL(Sigma, ミズーリ州セントルイス)を含む基底膜擬似体、或いは所定の因子、例えばサイトカイン、成長因子、抗体、細胞表面受容体のためのリガンド、又はケモカインを含有するその他のヒドロゲルが充填される。好ましくは、ゲルは実質的に高い含水率を有し、そして細胞の化学走性又は化学侵襲性を可能にするのに十分に多孔質である。上述のように、可溶性試験物質を含む試験薬がウェル13内に配置されると、ゲルは、チャンバ12の長手方向軸に沿った溶液濃度勾配の形成を容易にする。加えて、所与のチャネル15にゲル・マトリックスを添加することにより、体内の自然環境がシミュレートされる。それというのも、細胞外マトリックスを通した酵素分解は、侵襲プロセスにおける重要なステップであるからである。   For the surface treatment of a given channel 15, cells on the sidewall of a given channel 15, eg endothelial cells as seen in Figure 4B, to simulate in vivo conditions where the cell is surrounded by other cells 40 can be coated. Examples of endothelial cells include human umbilical vein endothelial cells or highly endothelial venule cells. In another embodiment, a given channel 15 has a gel matrix, such as gelatin, agarose, collagen, fibrin, any natural or synthetic extracellular proteinaceous matrix, or, as an example, MATRIGEL® ( Becton Dickenson Labware) or ECM GEL (Sigma, St. Louis, Mo.) The hydrogel is filled. Preferably, the gel has a substantially high water content and is sufficiently porous to allow cellular chemotaxis or chemical invasiveness. As described above, the gel facilitates the formation of a solution concentration gradient along the longitudinal axis of the chamber 12 when a test agent containing a soluble test substance is placed in the well 13. In addition, by adding a gel matrix to a given channel 15, the natural environment within the body is simulated. This is because enzymatic degradation through the extracellular matrix is an important step in the invasive process.

本発明によれば、それぞれのウェル領域13a又は14aの個々のウェルは、任意の形状及びサイズを有することができる。例えば、所与のウェルの上面輪郭は、図1A〜2Cに示すように円形であるか、或いは図5及び6に示すように台形であってよい。或いは、所与のチャンバの上面輪郭は図7に示すように、概ね「8の字」の形状であってもよい。好ましくは試験薬として可溶性試験物質を使用する場合、ウェル13の形状は、可溶性試験物質がチャネル15に容易にアクセス可能であり、これにより、チャネル15の長さLに沿って必要な溶液濃度勾配を形成するようになっている。好ましくはウェル14の形状は、細胞が例えばウェル14のコーナー、側方又はその他のデッドスペースに蓄積することにより、第1ウェル14からの遊走を遅らされ、引きとめられ、又は妨げられることがないようになっている。ウェル14のデッドスペースにおいて生じ得る細胞の蓄積は、いかなる特定の細胞数にも限定されないが、多数の細胞が使用される場合、ウェル14のコーナーに細胞が蓄積するおそれがより大きい。したがって、濃度勾配に対するアクセス可能性を最大化し、且つ大型細胞試料を利用するときの細胞の「浪費」を最小化するために重要なのは、十分に高いパーセンテージの細胞、具体的にはチャネル15から最も隔たったウェル14の領域内の細胞が、ウェル14から遊走することができるように、ウェル14の形状を形成することである。細胞の浪費の問題にも対処する、異なる実施態様の場合、ウェル14は、全ての細胞が濃度勾配にアクセスするより高い確率を有するように成形することができる。例えば図8に見られるように、頂面図におけるウェル14の長さLwは、ウェルの表面積を減少させるように最小化されている。このようなものとして、細胞は、チャネル15内に形成された濃度勾配に一層近接する。好ましい実施態様の場合、頂面図におけるウェル14のLwは、約1mm〜約2mmである。 According to the present invention, the individual wells of each well region 13a or 14a can have any shape and size. For example, the top profile of a given well may be circular as shown in FIGS. 1A-2C or trapezoidal as shown in FIGS. Alternatively, the top profile of a given chamber may be generally “8” shaped, as shown in FIG. When using a soluble test substance, preferably as a test agent, the shape of the well 13 is such that the soluble test substance is easily accessible to the channel 15, thereby the required solution concentration gradient along the length L of the channel 15. Is supposed to form. Preferably, the shape of the well 14 is such that cells accumulate, for example, in the corners, sides or other dead spaces of the well 14, so that migration from the first well 14 is delayed, trapped, or prevented. There is no such thing. The accumulation of cells that can occur in the dead space of the well 14 is not limited to any particular number of cells, but if a large number of cells are used, there is a greater risk of cells accumulating in the corners of the well 14. Therefore, to maximize accessibility to concentration gradients and to minimize cell “wasting” when utilizing large cell samples, it is most important to have a sufficiently high percentage of cells, specifically from channel 15. Forming the shape of the well 14 so that cells in the region of the separated well 14 can migrate from the well 14. In a different embodiment that also addresses the problem of cell waste, the well 14 can be shaped to have a higher probability that all cells have access to the concentration gradient. For example, as seen in FIG. 8, the length Lw of the well 14 in the top view is minimized to reduce the surface area of the well. As such, the cells are closer to the concentration gradient formed in the channel 15. In a preferred embodiment, the L w of the well 14 in the top view is about 1 mm to about 2 mm.

不連続的なチャンバ12の構成部分の変化に加えて、本発明は、チャンバ12全体における変化、並びにチャンバ間の変化をも検討する。チャンバ12全体に関しては、1の実施態様の場合、チャンバ12のサイズは、完全な状態のチャンバ12が、96ウェルプレートの単一のウェルに通常必要とされる面積に適合するように形成される。この構成において、96の異なるアッセイを96ウェルプレート内で実施することもできる。別の実施態様の場合、チャンバ12を改変することにより、前述の実施態様において存在するような1:1の第1ウェルと第2ウェルとの比が変えられる。例えば図9に見られるように、装置10は、互いに接続された複数の第1ウェル102, 103, 104及び105を有する第1ウェル領域13aと、複数のウェル106, 107, 108及び109を有する第2ウェル領域14aと、第1ウェルのそれぞれを第2ウェルのそれぞれに接続する複数のチャネル15を有するチャネル領域15aとを備えたチャンバ12を含む。第1ウェル領域13aのそれぞれのウェルは、同じ試験薬を受容することができ、第2ウェル領域14aのそれぞれのウェルは、異なる細胞型を受容することができる。或いは、第1ウェル領域13aのそれぞれのウェルは、異なる試験薬を受容することができ、第2ウェル領域14aのそれぞれのウェルは、同じ細胞型を受容することができる。この構成は、いくつかの異なる細胞型又は異なる試験薬が同時に試験されるのを可能にする。図10に見られる別の実施態様の場合、チャネル領域15aの各チャネル15は、図示のサブチャネルを含む。この配置は、いくつかの異なる細胞型又は異なる試験薬が同時に試験されるのを可能にするだけではなく、それぞれの試験薬又は細胞型のいくつかの試験をも行う。   In addition to discontinuous changes in chamber 12 components, the present invention also considers changes in the entire chamber 12 as well as changes between chambers. With respect to the entire chamber 12, in one embodiment, the size of the chamber 12 is formed so that the intact chamber 12 fits the area normally required for a single well of a 96-well plate. . In this configuration, 96 different assays can also be performed in 96 well plates. In another embodiment, modifying the chamber 12 changes the ratio of 1: 1 first well to second well as present in the previous embodiment. For example, as seen in FIG. 9, the apparatus 10 has a first well region 13a having a plurality of first wells 102, 103, 104 and 105 connected to each other, and a plurality of wells 106, 107, 108 and 109. The chamber 12 includes a second well region 14a and a channel region 15a having a plurality of channels 15 connecting each of the first wells to each of the second wells. Each well in the first well region 13a can receive the same test agent, and each well in the second well region 14a can receive a different cell type. Alternatively, each well in the first well region 13a can receive a different test agent, and each well in the second well region 14a can receive the same cell type. This configuration allows several different cell types or different test agents to be tested simultaneously. In another embodiment seen in FIG. 10, each channel 15 of the channel region 15a includes the illustrated subchannel. This arrangement not only allows several different cell types or different test agents to be tested simultaneously, but also performs several tests of each test agent or cell type.

図11は、本発明の別の実施態様による化学走性/化学侵襲性装置の別のチャンバ構成を示す。この実施態様の場合、チャンバ12は、単一のチャネル15を含むチャネル領域15aによって、単一のウェル14を含む第2ウェル領域14aに接続された第1ウェル領域13aを含む。第1ウェル領域は複数の第1ウェル17a, 18a及び19a、並びに、第1周辺毛管17と中央毛管18と第2周辺毛管19とを含む複数の毛管を含有し、これらの毛管は、複数の第1ウェルのそれぞれに接続されている。3つの毛管全ては接合点で合流してチャネル15になる。チャネル15は、第2ウェル領域14aと接続されている。ウェル領域13aは、3つだけの毛管を含有するものに限定されるものではなく、任意の数の付加的な毛管(図示せず)を含有することができる。第1ウェル17a〜19aを例えば、試験生体分子の溶液を受容するように適合させることができる。生体分子はチャネル15内に流入し、そして試験生体分子を含有する溶液が流れる表面の領域に非特異的に吸着するのが可能になる。第1ウェル17a〜19aはまた、続いて細胞を受容するように適合される。   FIG. 11 illustrates another chamber configuration of a chemotaxis / chemoinvasive device according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, the chamber 12 includes a first well region 13a connected to a second well region 14a including a single well 14 by a channel region 15a including a single channel 15. The first well region contains a plurality of first wells 17a, 18a and 19a, and a plurality of capillaries including a first peripheral capillary 17, a central capillary 18 and a second peripheral capillary 19, and the capillaries include a plurality of capillaries. Connected to each of the first wells. All three capillaries merge at the junction to become channel 15. The channel 15 is connected to the second well region 14a. The well region 13a is not limited to one containing only three capillaries, and can contain any number of additional capillaries (not shown). The first wells 17a-19a can be adapted to receive, for example, a solution of a test biomolecule. Biomolecules flow into channel 15 and are able to non-specifically adsorb to the area of the surface through which the solution containing the test biomolecule flows. The first wells 17a-19a are also adapted to subsequently receive cells.

チャンバ間の変化に関しては、1の実施態様の場合、各チャネル15の長さLは、1つのチャンバから隣接チャンバへ向かって見て、上部部材11の1つ以上の次元に沿って増大する。別の実施態様の場合、全てのチャンバ12は同じ長さLのチャネル15を有している。それぞれのチャネル15の幅Wは、1つのチャンバから隣接チャンバへ向かって見て、上部部材11の1つ以上の次元に沿って変化し、増大することもできる。別の実施態様の場合、全てのチャンバ12は同じ幅Wのチャネル15を有している。図4Aは、上部部材11内で異なるチャンバが種々のチャネルのサイズ及び形状を有している本発明の1の実施態様の頂面図であり、このようなサイズ及び形状は、特定の順序、パターン又は配置を成していない。このような変更された構成を採用することによって、所与の試験のための最良のチャネル領域構成を得ることができる。換言すれば、最適なチャネル領域構成が決定された場合には、それらの仕様だけに合わせて構成された新しいアッセイ・プレートを採用することができる。   With regard to changes between chambers, in one embodiment, the length L of each channel 15 increases along one or more dimensions of the top member 11 when viewed from one chamber to an adjacent chamber. In another embodiment, all chambers 12 have channels 15 of the same length L. The width W of each channel 15 can vary and increase along one or more dimensions of the top member 11 when viewed from one chamber to an adjacent chamber. In another embodiment, all chambers 12 have channels 15 of the same width W. FIG. 4A is a top view of one embodiment of the present invention in which different chambers within the upper member 11 have various channel sizes and shapes, such sizes and shapes being in a particular order No pattern or arrangement. By employing such a modified configuration, the best channel region configuration for a given test can be obtained. In other words, if an optimal channel region configuration is determined, a new assay plate configured to meet only those specifications can be employed.

装置10の支持部材16は、上部部材11を載置させる支持体を提供し、そしてこの機能に適した任意の材料から形成することができる。好適な材料は当業者に知られており、ガラス、ポリスチレン、ポリカーボネート、PMMA、ポリアクリレート及びその他のプラスチックである。装置10が化学走性、走触性及び/又は化学侵襲性装置である場合、支持部材16は、支持部材16の表面上に配置できる細胞と適合性を有する材料を含むことが好ましい。好適な材料は細胞生物学において使用される標準的な材料、例えばガラス、セラミック、金属、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、並びに高分子薄膜を含むその他のプラスチックを含むことができる。好ましい材料は厚さ約0.1mm〜約2mmのガラスである。それというのもガラスは、光学顕微鏡技術で細胞を見ることを可能にするからである。   The support member 16 of the device 10 provides a support on which the upper member 11 rests and can be formed from any material suitable for this function. Suitable materials are known to those skilled in the art and are glass, polystyrene, polycarbonate, PMMA, polyacrylate and other plastics. Where the device 10 is a chemotaxis, tactile and / or chemoinvasive device, the support member 16 preferably comprises a material that is compatible with cells that can be placed on the surface of the support member 16. Suitable materials can include standard materials used in cell biology, such as glass, ceramic, metal, polystyrene, polycarbonate, polypropylene, and other plastics including polymeric thin films. A preferred material is glass having a thickness of about 0.1 mm to about 2 mm. This is because glass makes it possible to see cells with optical microscopy techniques.

上部部材11と同様に、支持部材16もいくつかの異なる実施態様を有することができる。具体的には、支持部材16の構成及び表面処理は可変である。   Similar to the top member 11, the support member 16 can have several different embodiments. Specifically, the configuration and surface treatment of the support member 16 are variable.

図12に示す支持部材16の側面図に見られるように、上部部材11の下側に位置する支持部材16の上面Uは所定の領域で、水平平面に対して90°未満の角度を成して傾斜している。図示の実施態様の場合、所定の領域はそれぞれのウェルの底面、つまりウェル13の底面に相当する表面16a、及びウェル14の底面に相当する表面16bに対応する。表面16cは、チャネル15の底面に相当する。この実施態様の場合、所与の構成は、懸濁細胞が支持部材16の上面16bの下向きの傾斜の方向で流れるのを容易にし、これにより、懸濁細胞は濃度勾配により容易に露出されるようになる。可溶性試験物質が装置10のウェル13内の試験薬として使用される場合、支持部材16の上部表面16aも、水平平面に対して90°未満の角度を成して下向きに傾斜することにより、チャネル15に対する試験物質の露出を容易にして、溶液濃度勾配の形成を容易にすることができる。   As can be seen in the side view of the support member 16 shown in FIG. Is inclined. In the illustrated embodiment, the predetermined regions correspond to the bottom surface of each well, that is, the surface 16 a corresponding to the bottom surface of the well 13 and the surface 16 b corresponding to the bottom surface of the well 14. The front surface 16c corresponds to the bottom surface of the channel 15. In this embodiment, the given configuration facilitates the suspension cells to flow in the direction of the downward slope of the upper surface 16b of the support member 16, whereby the suspension cells are easily exposed by the concentration gradient. It becomes like this. When a soluble test substance is used as a test agent in the well 13 of the device 10, the upper surface 16a of the support member 16 is also channeled by tilting downward at an angle of less than 90 ° to the horizontal plane. Test substance exposure to 15 can be facilitated to facilitate the formation of a solution concentration gradient.

支持部材16はその表面上に、又は表面内に埋め込まれた状態で、処理手段を有することもできる。この処理手段は、例えば被験細胞の配置、付着又は運動を容易にすること、及びin vivo条件をシミュレートすることを含む数多くの機能を担うことができる。数多くの表面構成及び化学物質を単独で、又はこの処理手段とともに使用することができる。   The support member 16 can also have processing means on its surface or embedded in the surface. This processing means can serve a number of functions including, for example, facilitating placement, attachment or movement of the test cells, and simulating in vivo conditions. Numerous surface features and chemicals can be used alone or in conjunction with this treatment means.

例えば、1の実施態様において、支持部材16は金表面又はその他の好適な材料上に、パターン化された自己組織化単分子膜(SAM)を含む。SAMは、典型的にはそれぞれが特定表面に選択的に付着する官能基を有する分子から形成された単分子膜であり、各分子の残りは単分子膜内の隣接する分子と相互作用することにより、比較的秩序正しいアレイを形成する。SAMを使用することにより、生物学的相互作用の種々の制御を採用することができる。例えば、種々の「頭部」を有するようにSAMを配列又は改変して、生体不活性な頭部領域によって取り囲まれた生体特異的表面の「島」を生成することができる。さらに、「切換え可能な表面」を有するようにSAMを改変することができる。「切換え可能な表面」は、細胞を捕捉するように構成し、次いで、捕捉された細胞を放出するように改変することができる。さらに、生体不活性な支持部材材料を利用して、細胞、タンパク質又は任意のその他の生体物質の非特異的吸着に抵抗することが望ましい場合もある。従って、支持部材16上でSAMを使用することが有利な場合がある。   For example, in one embodiment, the support member 16 comprises a patterned self-assembled monolayer (SAM) on a gold surface or other suitable material. SAMs are typically monolayers formed from molecules with functional groups that each selectively attach to a specific surface, with the remainder of each molecule interacting with neighboring molecules in the monolayer. To form a relatively ordered array. By using SAM, various controls of biological interactions can be employed. For example, SAMs can be arranged or modified to have various “heads” to generate biospecific surface “islands” surrounded by bioinert head regions. Furthermore, the SAM can be modified to have a “switchable surface”. A “switchable surface” can be configured to capture cells and then modified to release the captured cells. Furthermore, it may be desirable to utilize a bioinert support member material to resist non-specific adsorption of cells, proteins or any other biological material. Therefore, it may be advantageous to use a SAM on the support member 16.

本発明はまた、図13に見られるように、当業者に知られた任意のシステムを使用することにより、細胞の化学走性及び化学侵襲性を検出して分析することを検討する。具体的には本発明は、当業者に知られた任意のシステムを使用することにより、細胞がチャネル15を横切って運動するのに伴う細胞形態の変化を視覚化すること、チャネル15内の細胞移動距離を測定すること、及びチャネル15内の特定の地点に移動する細胞の数を定量することを検討する。このようなものとして、本発明は、化学走性及び化学侵襲性の「リアルタイム」及び「終点」分析を検討する。1の実施態様において、装置122は観察システム120とコントローラ121とを含む。コントローラ121は、ライン122を介して観察システム120と接続されている。コントローラ121及び観察システム120を位置決めしてプログラミングすることにより、装置内の細胞の化学走性及び化学侵襲性を観察し、記録し、そして分析することができる。観察システム120は、顕微鏡、高速ビデオカメラ、及び一連の個々のセンサーを含む、多数のシステムのいずれかであってよい。顕微鏡の一例としては、位相差、蛍光、発光、微分干渉、暗視野、共焦点レーザースキャニング、デジタル・デコンヴォルーション、及びビデオ顕微鏡が挙げられる。これらの実施態様のそれぞれは、試験薬の導入前、導入中及び導入後の細胞の運動及び挙動を観察又は感知することができる。同時に、観察システム120は、コントローラ121が解釈して分析するための信号を生成することができる。この分析は、所定の時間にわたる細胞の物理的運動、並びに形状、活性レベル又は任意のその他の観察可能な特性における細胞の変化を測定することを含むことができる。それぞれの事例において、被験細胞の挙動はリアルタイムで、又は後で、又はその両方で観察することができる。観察システム120及びコントローラ121は、モニターを介したリアルタイム観察を可能にする。これらは、これらの構成部分と一体化された、又はこれらの構成部分に連結された何らかの種類の記録システムを介して、続いて再生するのを可能にする。例えば、1の実施態様の場合、所望の観察期間中の細胞挙動が、標準的なビデオカメラによってVHS形式のビデオテープに記録される。ビデオカメラは、三接眼レンズ複合顕微鏡の垂直接眼筒内、又は倒立顕微鏡の本体内に位置決めされ、高品質ビデオレコーダに取り付けられる。次いでビデオレコーダはデジタル化手段、例えばPCIフレーム取込み器内に取り込まれて、アナログデータがデジタル形式に変換される。電子読み出し可能な(デジタル化された)データは、次いで好適な動画像分析システム、例えば米国特許第5,655,028号明細書に開示されたシステムによってアクセスされ処理される。上記明細書全体を参考のため本明細書中に引用する。このようなシステムは、Solltech Inc.(アイオワ州オークランド)から、DIAS(登録商標)の商標のもとに商業的に入手可能である。試料中に存在し得る破片及びその他の検出アーチファクトから細胞を区別するのを支援可能なソフトウエアは特に有利であるはずである。いずれの場合にも、これらの構成部分は、細胞が試験薬に対する反応を介して進行するのに伴って、これらの細胞を分析することもできる。   The present invention also contemplates detecting and analyzing cell chemotaxis and chemical invasiveness by using any system known to those skilled in the art, as seen in FIG. Specifically, the present invention uses any system known to those skilled in the art to visualize changes in cell morphology as cells move across channel 15, cells within channel 15 Consider measuring the distance traveled and quantifying the number of cells that move to a particular point in the channel 15. As such, the present invention considers chemotaxis and chemoinvasive “real time” and “endpoint” analysis. In one embodiment, the device 122 includes an observation system 120 and a controller 121. The controller 121 is connected to the observation system 120 via a line 122. By positioning and programming the controller 121 and the observation system 120, the chemotaxis and chemical invasiveness of the cells in the device can be observed, recorded and analyzed. The observation system 120 can be any of a number of systems including a microscope, a high speed video camera, and a series of individual sensors. Examples of microscopes include phase contrast, fluorescence, luminescence, differential interference, dark field, confocal laser scanning, digital deconvolution, and video microscopes. Each of these embodiments can observe or sense cell movement and behavior before, during and after introduction of the test agent. At the same time, the observation system 120 can generate signals for the controller 121 to interpret and analyze. This analysis can include measuring the cell's physical movement over time, as well as changes in the cell in shape, activity level, or any other observable characteristic. In each case, the behavior of the test cell can be observed in real time, later, or both. The observation system 120 and the controller 121 enable real-time observation via a monitor. These allow subsequent playback via some type of recording system integrated with or connected to these components. For example, in one embodiment, cell behavior during a desired observation period is recorded on a VHS format video tape by a standard video camera. The video camera is positioned in the vertical eyepiece of the three-eyepiece compound microscope or in the main body of the inverted microscope and is attached to a high quality video recorder. The video recorder is then captured in digitizing means, such as a PCI frame grabber, and the analog data is converted to digital form. The electronically readable (digitized) data is then accessed and processed by a suitable video analysis system, such as the system disclosed in US Pat. No. 5,655,028. The above specification is incorporated herein by reference in its entirety. Such a system is commercially available from Solltech Inc. (Auckland, Iowa) under the trademark DIAS®. Software that can assist in distinguishing cells from debris and other detection artifacts that may be present in the sample should be particularly advantageous. In either case, these components can also analyze these cells as they progress through a response to the test agent.

1の実施態様の場合、本発明は、図15に示すような自動分析システムを使用することにより、チャネル15内の細胞移動距離を測定するデータを分析すること、及び、チャネル15内の特定地点まで移動する細胞の数を定量することを考慮する。図15は、例えば画像前処理段110と、対象識別段120と、遊走分析段130とを含む自動分析システム100のブロック線図である。画像前処理段110は、デジタル・カメラ又は上述のその他の画像形成装置から、チャンバ12のデジタル画像データを受信することができる。データは典型的には、種々の空間的位置(略して「画素」と呼ばれる)に複数の画像試料を含み、そして色データ又はグレースケール・データとして提供されることができる。画像前処理段110は、捕捉された画像データを変化させることにより、他の段のアルゴリズムが動作するのを可能にすることができる。対象識別段120は、画像データ内部から対象を識別することができる。実施されるべき試験に基づいて、種々の対象を識別することができる。例えば対象識別子はチャネル15、細胞又は細胞群を、画像データ内部から識別することができる。遊走分析段130は、試験に際して指定された遊走分析を実施することができる。   In one embodiment, the present invention uses an automated analysis system as shown in FIG. 15 to analyze data measuring the cell migration distance in channel 15, and to identify a specific point in channel 15. Consider quantifying the number of cells that move up to. FIG. 15 is a block diagram of an automatic analysis system 100 including, for example, an image preprocessing stage 110, an object identification stage 120, and a migration analysis stage 130. Image pre-processing stage 110 can receive digital image data of chamber 12 from a digital camera or other image forming device as described above. The data typically includes a plurality of image samples at various spatial locations (called “pixels” for short) and can be provided as color data or grayscale data. Image preprocessing stage 110 may allow other stage algorithms to operate by changing the captured image data. The object identification stage 120 can identify an object from inside the image data. Various subjects can be identified based on the test to be performed. For example, the object identifier can identify the channel 15, cell or cell group from within the image data. The migration analysis stage 130 can perform the migration analysis specified during the test.

図15は、画像前処理段110内部に含むことができる多数のブロックを示す。事実上、画像前処理段110は、画像形成器又は装置における不完全性の結果として、捕捉画像データ中に存在し得る画像アーチファクトを相殺する。1の実施態様の場合、画像前処理段110は画像等化ブロック140を含んでよい。等化140は、捕捉画像データのサンプル値が、データのために利用可能な全量子化範囲を占めない実施態様で利用することができる。例えば8-ビット・グレースケール・システムは、入力データに対応する256の異なる量子化レベル(0-255)を可能にする。画像形成プロセスにおける不完全性により、画素値は狭い範囲、すなわち最初の20の量子化レベル(0-20)に制限されることがあり得る。等化140は、サンプル値を再スケーリングして、これらの値が8-ビット・システムにおいて利用可能な全範囲を占めることを保証することができる。   FIG. 15 shows a number of blocks that can be included within the image preprocessing stage 110. In effect, the image pre-processing stage 110 cancels image artifacts that may be present in the captured image data as a result of imperfections in the image former or apparatus. In one embodiment, the image preprocessing stage 110 may include an image equalization block 140. Equalization 140 can be utilized in embodiments where sample values of captured image data do not occupy the entire quantization range available for the data. For example, an 8-bit grayscale system allows 256 different quantization levels (0-255) corresponding to the input data. Due to imperfections in the imaging process, pixel values can be limited to a narrow range, ie the first 20 quantization levels (0-20). Equalization 140 can rescale the sample values to ensure that these values occupy the full range available in the 8-bit system.

別の実施態様の場合、等化ブロック140は、色又は波長に基づいてサンプル値を再スケーリングすることができる。慣用の細胞分析技術はしばしば、細胞を所定の色又は所定の波長で出現させる。このことは、画像形成器によって捕捉された他の物質から、これらの細胞を区別するのを可能にする。例えば蛍光を適用する場合、細胞は所定の波長で発光する。核染色を適用する場合、細胞核は、所定の色を有する画像データで細胞核を出現させる材料で染色される。等化ブロック140は、予期されるこれらの色又は波長と一致する成分を有するサンプル値を再スケーリングすることができる。こうすることにより、等化ブロック140は、他の色又は波長を効果的に除去し、後で行われる画像処理において有利となり得る結果をもたらす。   In another embodiment, the equalization block 140 can rescale the sample values based on color or wavelength. Conventional cell analysis techniques often cause cells to appear in a predetermined color or a predetermined wavelength. This makes it possible to distinguish these cells from other materials captured by the imager. For example, when fluorescence is applied, cells emit light at a predetermined wavelength. When nuclear staining is applied, the cell nucleus is stained with a material that causes the cell nucleus to appear with image data having a predetermined color. The equalization block 140 can rescale sample values having components that match these expected colors or wavelengths. By doing this, the equalization block 140 effectively removes other colors or wavelengths with results that may be advantageous in subsequent image processing.

画像の回転は、不完全な画像形成装置から生じ得る別の画像アーチファクトである。チャネル15は一般には画像データ中の画素の列及び行と整列される可能性が高いが、この整列が改善されると、更なる分析を容易にすることができる。従って、1の実施態様の場合、画像前処理段110は画像整列ブロック150を含み、画像整列ブロック150は捕捉画像データを回転させることにより、このアーチファクトを相殺する。捕捉画像データから回転アーチファクトが除去されると、次いで、個々のチャネル15からの画像は、画素データの規則的な行又は列アレイと一致する可能性が高い。   Image rotation is another image artifact that can arise from an incomplete image forming device. Channel 15 is generally more likely to be aligned with the columns and rows of pixels in the image data, but if this alignment is improved, further analysis can be facilitated. Thus, in one embodiment, the image preprocessing stage 110 includes an image alignment block 150 that counteracts this artifact by rotating the captured image data. Once rotational artifacts are removed from the captured image data, the images from the individual channels 15 are then likely to match a regular row or column array of pixel data.

図16は、本発明の1の実施態様に基づく画像整列ブロック150のための操作方法を示す。この操作方法は、図17に示す画像データ例との関連において記載される。図17の例において、チャネル15は一般に、回転アーチファクトがなければ、画像データの行と整列される。回転アーチファクトを相殺するために、画像前処理装置は、第2ウェル14とチャネル15自体との間の境界と一致する画像データ帯域を識別することができる(ブロック1010)。図17の場合、この帯域は列310を構成することができる。一般に、第2ウェル14の領域は、ここに存在する細胞の数がより多いため、チャネル15の領域に比べて明るくなる。こうして、チャネル15の推定される方向に沿った画像データ値のヒストグラムが、図18に示すように現れることができる。帯域310は、この方向に沿った画像データ値の突然の変化から識別することができる。   FIG. 16 illustrates a method of operation for the image alignment block 150 according to one embodiment of the present invention. This operation method will be described in relation to the image data example shown in FIG. In the example of FIG. 17, channel 15 is generally aligned with a row of image data if there are no rotation artifacts. In order to cancel the rotation artifacts, the image preprocessor can identify an image data band that coincides with the boundary between the second well 14 and the channel 15 itself (block 1010). In the case of FIG. 17, this band can constitute a column 310. In general, the region of the second well 14 is brighter than the region of the channel 15 because there are more cells present here. Thus, a histogram of image data values along the estimated direction of channel 15 can appear as shown in FIG. Band 310 can be distinguished from sudden changes in image data values along this direction.

考慮されるべき画像データの列を識別すると、その列310を2つの境界ボックス320, 330に分割することができる(ブロック1020)。2つの境界ボックスのそれぞれの画像データの強度を合計し、合計値を互いに比較することにより、回転アーチファクトの配向を見極めることができる(ブロック1030, 1040)。図17の例の場合、回転アーチファクトにより、さらなる第2ウェル14が、境界ボックス330ではなく境界ボックス320の領域内に入ることになる(時計回りのアーチファクト)。それぞれの境界ボックス320, 330の合計値のバランスがとれるまで、画像データを反時計回りに回転させることができる。   Once the column of image data to be considered is identified, the column 310 can be divided into two bounding boxes 320, 330 (block 1020). By summing the image data intensities of each of the two bounding boxes and comparing the sums with each other, the orientation of the rotation artifacts can be determined (blocks 1030, 1040). In the case of the example of FIG. 17, rotation artifacts cause additional second wells 14 to enter the region of the bounding box 320 instead of the bounding box 330 (clockwise artifact). The image data can be rotated counterclockwise until the total value of each bounding box 320, 330 is balanced.

第1境界ボックスの画像強度が第2境界ボックス330の画像強度よりも高い場合、画像データは第1の方向に回転させることができる(ブロック1050)。第2境界ボックス330の画像強度が第1境界ボックス320の画像強度よりも高い場合、画像データは第2の方向に回転させることができる(ブロック1060)。そして画像強度のバランスがとれると、方法1000は終結することができ、回転アーチファクトは補正されている。   If the image intensity of the first bounding box is higher than the image intensity of the second bounding box 330, the image data can be rotated in the first direction (block 1050). If the image intensity of the second bounding box 330 is higher than the image intensity of the first bounding box 320, the image data can be rotated in the second direction (block 1060). Then, once the image intensity is balanced, the method 1000 can end and the rotation artifacts have been corrected.

図15に戻ると、画像前処理段110は、画像をトリミングしてチャネル15自体によって占有された面積にすることにより、捕捉画像データを処理することもできる(ブロック160)。上述のように、各試験床は、複数のチャネルによって相互接続されたウェル対を含むことができる。遊走分析のほとんどの場合、チャネル15内部だけの細胞の運動又は活性を測定すれば十分である。第2ウェル14又は第1ウェル13内の活性を考慮する必要はない。このような実施態様の場合、画像前処理段110は画像データをトリミングすることにより、チャネル15の外側に位置する画素を除去することができる。   Returning to FIG. 15, the image pre-processing stage 110 may also process the captured image data by cropping the image to the area occupied by the channel 15 itself (block 160). As described above, each test bed can include a pair of wells interconnected by a plurality of channels. In most migration analyses, it is sufficient to measure the movement or activity of cells only within channel 15. It is not necessary to consider the activity in the second well 14 or the first well 13. In such an embodiment, the image preprocessing stage 110 can remove pixels located outside the channel 15 by trimming the image data.

画像前処理段110は、画像データ上で閾値検出を実施する閾値処理ブロック170を含んでもよい。閾値処理ブロック170は、所定の閾値を上回らない再スケーリングされた値を有するいかなる試料をもゼロに切り捨てることができる。このような閾値処理は、捕捉画像データからノイズを除去するために有用である。1の実施態様の場合、閾値処理ブロック170は上述の等化ブロック140と一体化することができる。閾値処理ブロック170は、別個の要素として存在する必要はない。いくつかの実施態様の場合、具体的には等化ブロック140が波長成分に従って画素値をスケーリングする実施態様において、閾値処理ブロック170は完全に省くことができる。画像前処理段110の出力は、対象識別段120への入力であってよい。   The image preprocessing stage 110 may include a threshold processing block 170 that performs threshold detection on the image data. The threshold processing block 170 can truncate any sample with a rescaled value that does not exceed a predetermined threshold to zero. Such threshold processing is useful for removing noise from captured image data. In one embodiment, the threshold processing block 170 can be integrated with the equalization block 140 described above. The threshold processing block 170 need not exist as a separate element. In some implementations, particularly in implementations where the equalization block 140 scales pixel values according to wavelength components, the threshold processing block 170 can be omitted entirely. The output of the image preprocessing stage 110 may be an input to the object identification stage 120.

対象識別段120は、チャネル自体及び場合により個々の細胞を含む対象を、画像データ内部から識別する。1の実施態様によれば、蛍光システム内の主軸に沿って蛍光のヒストグラムを作成することにより(ブロック180)、蛍光システム内でチャネル15を識別することができる。図19は、図17の例から測定されることができる画像データを示す。主軸は、細胞を受容するのに適合されたウェルと、チャネル領域との間の境界と一致することができる。チャネル領域15a内部からの光強度をこの軸に沿って合計し、図19に示されたデータセットを得ることができる。第2段において、データセットは「拡張」される(ブロック190)。データセット又は任意の他の類似技術に高域通過フィルターを適用することにより、拡張を達成することができる。図20は、拡張された図19のデータセットを示す。   The object identification stage 120 identifies the channel itself and possibly objects including individual cells from within the image data. According to one embodiment, channel 15 can be identified in the fluorescence system by creating a histogram of fluorescence along the major axis in the fluorescence system (block 180). FIG. 19 shows image data that can be measured from the example of FIG. The main axis can coincide with the boundary between the well adapted to receive cells and the channel region. The light intensity from inside the channel region 15a can be summed along this axis to obtain the data set shown in FIG. In the second stage, the data set is “expanded” (block 190). Expansion can be achieved by applying a high pass filter to the data set or any other similar technique. FIG. 20 shows the expanded data set of FIG.

図20のデータセットから、チャネルを識別することができる。候補チャネル15の位置を、データセットの相対最大値と一致するものとして識別することができる。或いは、図20のデータセット内からの相対最小値から、チャネル15間の境界の候補位置を見極めることもできる。チャネル領域15a自体について知られているパラメータ集合から、チャネル15位置の最終的な組を見極めることができる。例えば、チャネル15が、チャネル15間に規則的な間隔を有していることが知られている場合、この間隔を侵害することになるいかなる候補チャネル15位置をも、考慮から外すことができる。   Channels can be identified from the data set of FIG. The position of the candidate channel 15 can be identified as matching the relative maximum value of the data set. Alternatively, the candidate position of the boundary between the channels 15 can be determined from the relative minimum value in the data set of FIG. From the parameter set known for the channel region 15a itself, the final set of channel 15 positions can be determined. For example, if channel 15 is known to have a regular spacing between channels 15, any candidate channel 15 position that would violate this spacing can be excluded from consideration.

図15に戻ると、チャネル15を識別することに加えて、個々の細胞は画像データ内で識別することができる(ブロック200)。核染色で細胞をマーキングする適用において、個々の細胞の識別に際して必要となるのは、画像処理装置が、マーキングされた核の数を識別してカウントすることだけである。核の外観は、所定の色の多数の点である。蛍光細胞を用いる適用では、個々の細胞の識別は一層複雑になる。個々の細胞は比較的容易に識別することができ、これらの細胞は画像データにおいて比較的均一な領域の対象として出現する。一緒にクラスター化された多数の細胞を識別することはより難しい。この場合、画像データにおけるクラスターの面積又は半径から、細胞数を見極めることができる。クラスターは、いくらかの面積又はクラスター半径を有する画像内に出現する可能性が高い。クラスターの面積又は半径を、個々の細胞の面積又は半径と比較することによって、細胞数に手を加えることができる。もちろん、個々の細胞の識別は、遊走分析の要件に応じて省くことができる。   Returning to FIG. 15, in addition to identifying channel 15, individual cells can be identified in the image data (block 200). In applications where cells are marked with nuclear staining, all that is required to identify individual cells is that the image processing device identify and count the number of marked nuclei. The appearance of the nucleus is a number of points of a given color. In applications using fluorescent cells, the identification of individual cells is more complicated. Individual cells can be identified relatively easily, and these cells appear as objects of relatively uniform areas in the image data. It is more difficult to identify a large number of cells clustered together. In this case, the number of cells can be determined from the area or radius of the cluster in the image data. Clusters are likely to appear in images with some area or cluster radius. By comparing the area or radius of the cluster with the area or radius of individual cells, the number of cells can be manipulated. Of course, identification of individual cells can be omitted depending on the requirements of migration analysis.

画像処理システム内の最終段は、遊走分析130自体である。1の実施態様の場合、チャネル15内の各細胞の座標データを収集し、記録することができる。しかし、いくつかの試験はこのように複雑なことは必要としない。第1の実施態様の場合、チャネル15内に存在する細胞の数を識別するだけで十分である。この場合には、個々の細胞の識別は、各チャネル15内で検出された蛍光の量を合計するだけで回避することができる。この測定から、個々の細胞を識別する処理費用を投資することなしに細胞数を導き出すことができる。上記の説明は、被験単一チャネル15に関連する画像分析を提供する。もちろん、遊走分析130の要件に応じて、種々異なる多数のチャネル15の画像試料を生成することが望ましい場合がある。さらに、異なる時点に単一チャネル15の画像試料を生成することが望ましい場合がある。上記画像処理を異なるチャネル15及び異なる時点に関して繰り返すことにより、このような試験シナリオに対応することができる。   The final stage in the image processing system is the migration analysis 130 itself. In one embodiment, coordinate data for each cell in channel 15 can be collected and recorded. However, some tests do not require this complexity. In the first embodiment, it is sufficient to identify the number of cells present in channel 15. In this case, identification of individual cells can be avoided by simply summing the amount of fluorescence detected in each channel 15. From this measurement, the cell number can be derived without investing the processing costs of identifying individual cells. The above description provides image analysis associated with the test single channel 15. Of course, depending on the requirements of the migration analysis 130, it may be desirable to generate a number of different channel 15 image samples. Further, it may be desirable to generate a single channel 15 image sample at different times. Such a test scenario can be accommodated by repeating the above image processing for different channels 15 and different time points.

1の実施態様によれば、画像処理は、個々のチャネル15の製造上の欠陥を考慮に入れることができる。画像処理中、製造上の欠陥は細胞がチャネル15内に遊走するのを妨げるおそれがある。1の実施態様の場合、システム100がチャネル15内の多数の細胞をカウントする(又は識別された細胞位置からその数を導出する)と、システム100は、その数を期待閾値と比較することができる。その数が期待閾値を下回ると、システム100は遊走分析からチャネル15を排除することができる。実際、この期待閾値は、試験条件が遊走分析下で分析されると考えた場合、適正に構成された細胞に入る可能性が高い細胞の最低数として確立することができる。実際の細胞数がその閾値を下回ると、チャネル15を遮断する条件が存在するものと結論付けることができる。   According to one embodiment, the image processing can take into account manufacturing defects of the individual channels 15. During image processing, manufacturing defects can prevent cells from migrating into channel 15. In one embodiment, when system 100 counts a large number of cells in channel 15 (or derives the number from the identified cell location), system 100 may compare the number to an expected threshold. it can. When that number falls below the expected threshold, the system 100 can exclude channel 15 from the migration analysis. In fact, this expectation threshold can be established as the lowest number of cells that are likely to enter a properly configured cell, given that the test conditions are analyzed under migration analysis. If the actual number of cells falls below that threshold, it can be concluded that conditions exist that block channel 15.

分析システム100の上述の作業及びプロセスは、、ソフトウエアを実行する多目的処理装置、例えばコンピュータ、ワークステーション又はサーバーによって実施することができる。或いは作業及びプロセスのうちのいくつかは、デジタル信号プロセッサ又は特定用途向け集積回路(口語的に「ASIC」)において提供することもできる。加えて、具体的には画像前処理と関連するこれらの作業及びプロセスは、デジタル顕微鏡システムのプロセッサ内で割り当てることができる。このような変更形は本発明の範囲内に完全に含まれる。   The above-described operations and processes of the analysis system 100 can be performed by a multipurpose processor that executes software, such as a computer, workstation, or server. Alternatively, some of the operations and processes may be provided in a digital signal processor or application specific integrated circuit (spoken “ASIC”). In addition, these tasks and processes, specifically related to image preprocessing, can be assigned within the processor of the digital microscope system. Such variations are fully within the scope of the present invention.

本発明は、化学走性/化学侵襲性の種々の要素をアッセイするために装置10の前述の実施態様を使用することをも検討する。総体的に見て、本発明は、試験薬が化学走性/化学侵襲性に影響を与えるかどうかを見極めるために、試験薬をハイスループットスクリーニングすることを含む第1アッセイを提供する。試験薬は一般に、可溶性試験物質又は固定化試験生体分子を含み、一般には装置10のチャンバ12の第1ウェル領域13a内に配置される。化学誘引物質として作用し、そして化学走性/化学侵襲性を促進又は開始することによって、又は、化学忌避物質として作用し、そして化学走性/化学侵襲性をはね除けることによって、又は阻害物質として作用し、そして化学走性/化学侵襲性を停止又は阻害することによって、どの試験薬が化学走性/化学侵襲性に影響を与えるのかを見極めたあと、第2アッセイを実施して、試験化合物をスクリーニングすることができる。試験化合物は一般に治療薬又は化学走性/化学侵襲性阻害物質を含み、そして一般には、細胞生体試料を含有する第2ウェル領域14a内に導入される。試験化合物をスクリーニングすることにより、これらが試験薬に応答する細胞の遊走に影響を与えるか否か、そしてどのように影響を与えるかを見極める。   The present invention also contemplates the use of the above-described embodiments of apparatus 10 to assay various components of chemotaxis / chemoinvasiveness. Overall, the present invention provides a first assay that includes high-throughput screening of a test drug to determine whether the test drug affects chemotaxis / chemoinvasiveness. The test agent generally comprises a soluble test substance or an immobilized test biomolecule and is generally disposed within the first well region 13a of the chamber 12 of the device 10. Act as a chemoattractant and promote or initiate chemotaxis / chemical invasiveness, or act as a chemical repellent and repel chemotactic / chemical invasiveness, or inhibitor To determine which test drugs affect chemotaxis / chemical invasiveness by acting as, and stopping or inhibiting chemotaxis / chemical invasiveness, then performing a second assay to test Compounds can be screened. The test compound generally comprises a therapeutic agent or chemotaxis / chemoinvasive inhibitor and is generally introduced into the second well region 14a containing the cellular biological sample. Screening test compounds will determine whether and how they affect cell migration in response to test drugs.

具体的には、本発明の1の実施態様に基づく化学走性/化学侵襲性アッセイは、支持部材16に取り付けられた上部部材11を含むハウジングを含む装置10を含む。上部部材及び支持部材は、これらが一緒に不連続的なアッセイ・チャンバ12を画定するように構成されている。不連続的なアッセイ・チャンバ12は、チャネル15によって第2ウェル領域14aに接続された第1ウェル領域13aを含む。第1ウェル領域13aは1つ以上の第1ウェル13を含み、1つ以上の第1ウェル13のそれぞれは、試験薬を受容するように適合されている。第2ウェル領域14aは、装置の試験配向において、第1ウェル領域13aに対して水平方向にずらされた1つ以上の第2ウェル14を含む。1つ以上の第2ウェル14のそれぞれは、細胞試料を受容するように適合されている。チャネル15は、第1ウェル領域13aと第2ウェル領域14aとを互いに接続する1つ以上のチャネルを含む。第1ウェル13内に受容される試験薬は、可溶性試験物質及び/又は固定化試験生体分子である。試験薬が固定化試験生体分子を含む場合、生体分子は、ウェル領域13aの底面を構成する支持部材16の上面U、並びに、チャネル領域15aの底面を構成する支持部材16の上面U上に固定化される。   Specifically, a chemotaxis / chemoinvasive assay according to one embodiment of the present invention includes a device 10 that includes a housing that includes a top member 11 attached to a support member 16. The top member and support member are configured such that they together define a discrete assay chamber 12. The discontinuous assay chamber 12 includes a first well region 13a connected to a second well region 14a by a channel 15. The first well region 13a includes one or more first wells 13, each of the one or more first wells 13 being adapted to receive a test agent. The second well region 14a includes one or more second wells 14 that are offset in a horizontal direction with respect to the first well region 13a in the test orientation of the device. Each of the one or more second wells 14 is adapted to receive a cell sample. The channel 15 includes one or more channels that connect the first well region 13a and the second well region 14a to each other. The test agent received in the first well 13 is a soluble test substance and / or an immobilized test biomolecule. When the test drug contains an immobilized test biomolecule, the biomolecule is immobilized on the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 13a and the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the channel region 15a. It becomes.

細胞生体試料の一例としては、リンパ球、単球、白血球、マクロファージ、マスト細胞、T細胞、B細胞、好中球、好塩基球、好酸球、線維芽細胞、内皮細胞、上皮細胞、ニューロン、腫瘍細胞、運動性配偶子、細菌及び真菌の運動形、転移に関与する細胞、及び炎症、負傷及び感染に対する応答に関与する任意のその他の細胞型が挙げられる。ウェル領域14aは、上述の細胞型の例のうちのただ1つの細胞型又は任意の組み合わせを受容することができる。例えば、上述のように、混合型細胞個体群を提供することにより、in vivo条件に類似する環境をより効果的に形成することがしばしば望まれる。ウェル領域14aは、特定の細胞周期相における細胞を受容することもできる。例えば、ウェル領域14aは、G1相又はG0相における白血球を受容することができる。 Examples of cell biological samples include lymphocytes, monocytes, leukocytes, macrophages, mast cells, T cells, B cells, neutrophils, basophils, eosinophils, fibroblasts, endothelial cells, epithelial cells, neurons Tumor cells, motile gametes, bacterial and fungal motility forms, cells involved in metastasis, and any other cell type involved in response to inflammation, injury and infection. Well region 14a can receive only one cell type or any combination of the cell type examples described above. For example, as described above, it is often desirable to more effectively create an environment similar to in vivo conditions by providing a mixed cell population. The well region 14a can also receive cells in a specific cell cycle phase. For example, the well region 14a is capable of receiving the leukocytes in G 1 phase or G 0 phase.

可溶性試験物質の一例としては、化学誘引物質、化学忌避物質、又は化学走性阻害物質が挙げられる。上記で説明したように、化学誘引物質は細胞を誘引する化学走性物質であり、ウェル領域14a内に配置されると、細胞をウェル領域14aに向かって遊走させる。化学忌避物質は、細胞をはね返す化学走性物質であり、ウェル領域14a内に配置されると、ウェル領域14aから離反する方向に細胞を遊走させる。化学走性阻害物質は、化学走性を阻害又は停止させる化学走性物質であり、ウェル領域14a内に配置されると、ウェル領域14aから細胞が遊走するのを阻害するか又は遊走させなくする。化学誘引物質の一例としては、ホルモン、例えばT3及びT4、エピネフリン及びバソプレシン;免疫学的物質、例えばインターロイキン-2、上皮成長因子、及びモノクローナル抗体;成長因子;ペプチド;小分子;及び細胞が挙げられる。細胞は、化学走性因子を放出することにより化学誘引物質として作用することができる。例えば1の実施態様の場合、癌細胞を含む試料をウェル13に添加することができる。異なる細胞型を含む試料をウェル14に添加することができる。癌細胞が成長するのに伴って、これらはウェル14内の細胞を、ウェル13に向かって遊走するように誘引する化学誘引物質として作用する因子を放出することができる。別の実施態様の場合、ウェル13に内皮細胞が添加され、そして化学誘引物質、例えばTNF-α又はIL-1をウェル13に添加することにより、内皮細胞は活性化される。白血球がウェル14に添加され、この白血球はウェル13内の内皮細胞に誘引されることができる。 Examples of soluble test substances include chemoattractants, chemical repellents, or chemotaxis inhibitors. As described above, the chemoattractant is a chemotactic substance that attracts cells, and when placed in the well region 14a, causes the cells to migrate toward the well region 14a. The chemical repellent substance is a chemotactic substance that repels cells, and when arranged in the well region 14a, causes the cells to migrate away from the well region 14a. A chemotaxis inhibitor is a chemotaxis substance that inhibits or stops chemotaxis, and when placed in the well region 14a, inhibits or does not allow cells to migrate from the well region 14a. . Examples of chemoattractants include hormones such as T 3 and T 4 , epinephrine and vasopressin; immunological substances such as interleukin-2, epidermal growth factor, and monoclonal antibodies; growth factors; peptides; small molecules; Is mentioned. Cells can act as chemoattractants by releasing chemotactic factors. For example, in one embodiment, a sample containing cancer cells can be added to well 13. Samples containing different cell types can be added to well 14. As cancer cells grow, they can release factors that act as chemoattractants that attract the cells in well 14 to migrate towards well 13. In another embodiment, endothelial cells are added to well 13, and the endothelial cells are activated by adding a chemoattractant such as TNF-α or IL-1 to well 13. Leukocytes are added to the well 14 and the leukocytes can be attracted to the endothelial cells in the well 13.

化学忌避物質の一例としては、刺激剤、例えば塩化ベンザルコニウム、プロピレングリコール、メタノール、アセトン、ドデシル硫酸ナトリウム、過酸化水素、1-ブタノール、エタノール及びジメチルスルホキシド;並びに毒素、例えばシアニド、カルボニルシアニドクロロフェニルヒドラゾン、内毒素及び細菌性リポ多糖体;ウイルス;病原体;及び発熱物質が挙げられる。   Examples of chemical repellents include stimulants such as benzalkonium chloride, propylene glycol, methanol, acetone, sodium dodecyl sulfate, hydrogen peroxide, 1-butanol, ethanol and dimethyl sulfoxide; and toxins such as cyanide, carbonyl cyanide Chlorophenylhydrazones, endotoxins and bacterial lipopolysaccharides; viruses; pathogens; and pyrogens.

固定化生体分子の一例としては、上述のような化学誘引物質、化学忌避物質、及び化学走性阻害物質が挙げられる。固定化化学誘引物質の更なる一例としては、ケモカイン、サイトカイン及び小分子が挙げられる。化学誘引物質の更なる一例としては、IL-8、GCP-2、GRO-α、GRO-β、MGSA-β、MGSA-γ、PF4、ENA-78、GCP-2、NAP-2、IL-8、IP10、I-309、I-TAC、SDF-1、BLC、BRAK、ボレカイン、ELC、LKTN-1、SCM-1β、MIG、MCAF、LD7α、エオタキシン、IP-110、HCC-1、HCC-2、Lkn-1、HCC-4、LARC、LEC、DC-CK1、PARC、AMAC-1、MIP-2β、ELC、エキソダス-3、ARC、エキソダス-1、6Ckine、エキソダス-2、STCP-1、MPIF-1、MPIF-2、エオタキシン-2、TECK、エオタキシン-3、ILC、ITAC、BCA-1、MIP-1α、MIP-1β、MIP-3α、MIP-3β、MCP-1、MCP-2、MCP-3、MCP-4、MCP-5、RANTES、エオタキシン-1、エオタキシン-2、TARC、MDC、TECK、CTACK、SLC、リンホタクチン及びフラクタルカイン;並びにその他の細胞が挙げられる。化学忌避物質の更なる一例としては、受容体アゴニスト及びその他の細胞が挙げられる。 Examples of immobilized biomolecules include chemoattractants, chemical repellents, and chemotaxis inhibitors as described above. Further examples of immobilized chemoattractants include chemokines, cytokines and small molecules. Further examples of chemoattractants include IL-8, GCP-2, GRO-α, GRO-β, MGSA-β, MGSA-γ, PF 4 , ENA-78, GCP-2, NAP-2, IL -8, IP10, I-309, I-TAC, SDF-1, BLC, BRAK, Bolecaine, ELC, LKTN-1, SCM-1β, MIG, MCAF, LD7α, Eotaxin, IP-110, HCC-1, HCC -2, Lkn-1, HCC-4, LARC, LEC, DC-CK1, PARC, AMAC-1, MIP-2β, ELC, Exodus-3, ARC, Exodus-1, 6Ckine, Exodus-2, STCP-1 , MPIF-1, MPIF-2, eotaxin-2, TECK, eotaxin-3, ILC, ITAC, BCA-1, MIP-1α, MIP-1β, MIP-3α, MIP-3β, MCP-1, MCP-2 , MCP-3, MCP-4, MCP-5, RANTES, eotaxin-1, eotaxin-2, TARC, MDC, TECK, CTACK, SLC, lymphotactin and fractalkine; and other cells. Further examples of chemical repellents include receptor agonists and other cells.

試験、例えば可溶性試験物質を利用した化学走性及び/又は化学侵襲性アッセイを実施するために、試験装置10が先ず製作される。本発明による装置の製造方法の好ましい実施態様を以下に説明する。標準的なフォトリソグラフィ手順により、上部プレート11のネガであるマスターを製作することができる。マスター上には所定の材料がスピンコーティング又は射出成形される。所定の材料を次いで硬化し、マスターから剥離することにより上部部材11を形成し、これを支持材料16上に置く。   In order to perform a test, for example a chemotaxis and / or chemical invasive assay utilizing soluble test substances, the test device 10 is first fabricated. A preferred embodiment of a method for manufacturing a device according to the present invention is described below. A master that is the negative of the top plate 11 can be fabricated by standard photolithography procedures. A predetermined material is spin-coated or injection-molded on the master. The predetermined material is then cured and peeled off from the master to form the upper member 11 which is placed on the support material 16.

標準マイクロタイター・プレートのフットプリントを有する剛性フレームが、好ましくは上部部材11の外周面の周りに配置される。1の実施態様の場合、ウェル領域13a内にゲル・マトリックスを注入し、これにより、ゲル・マトリックスがチャネル領域15a内に流入するのを可能にする。ゲル・マトリックスを設置した後、過剰のゲルをウェル領域13a, 14aから除去する。別の実施態様の場合、チャネル領域15aにゲル・マトリックスを添加しない。続いて、細胞生体試料をウェル領域14a内に置き、そして試験物質をウェル領域13a内に置く。1の実施態様の場合、低濃度の試験物質をウェル領域14a内に置くことにより、細胞を活性化してアッセイの開始を促進する。或いは、被験細胞及び使用される可溶性試験物質に応じて、細胞をウェル領域14a内に置いている間又は置いた後に、可溶性試験物質を導入することができる。可溶性試験物質が導入されると、拡散法により試験物質の溶液濃度勾配が、試験薬を含有するウェル領域13aから細胞生体試料を含有するウェル領域14aに向かって、チャネル領域15aの長手方向軸に沿って形成される。この溶液勾配の二次効果は、物理吸着(固定化)された勾配の形成である。この溶液勾配が確立されると、試験物質の溶質のいくらかの部分が支持部材16上に吸着することができる。試験溶質のこの吸着層も、化学走性及び化学侵襲性に貢献することができる。細胞生体試料はこの濃度勾配に応答し、そして試験物質のより高い濃度に向かって遊走するか、又は、試験物質のより高い濃度とは離反する方向に遊走するか、又は試験物質のより高い濃度に応答して運動の阻害を示すことができる。勾配に応答したこのような化学走性を介して、化学走性物質の化学走性的な影響を測定することができる。細胞移動距離、及び、細胞がチャネル領域15a内の所定の地点に達するのにかかる時間、又は細胞がウェル領域14a内の所定の地点に達するのにかかる時間量を測定する(化学走性物質から離反する方向に細胞を運動させる化学忌避物質の場合)ことにより、化学走性がアッセイされる。   A rigid frame having a standard microtiter plate footprint is preferably disposed around the outer peripheral surface of the upper member 11. In one embodiment, a gel matrix is injected into the well region 13a, thereby allowing the gel matrix to flow into the channel region 15a. After installing the gel matrix, excess gel is removed from the well regions 13a, 14a. In another embodiment, no gel matrix is added to the channel region 15a. Subsequently, the cellular biological sample is placed in the well region 14a and the test substance is placed in the well region 13a. In one embodiment, a low concentration of test substance is placed in the well region 14a to activate the cells and facilitate the initiation of the assay. Alternatively, depending on the test cell and the soluble test substance used, the soluble test substance can be introduced during or after placing the cell in the well region 14a. When the soluble test substance is introduced, the solution concentration gradient of the test substance is caused by the diffusion method from the well region 13a containing the test drug to the well region 14a containing the cell biological sample, along the longitudinal axis of the channel region 15a. Formed along. The secondary effect of this solution gradient is the formation of a physisorbed (immobilized) gradient. Once this solution gradient is established, some portion of the solute of the test substance can be adsorbed on the support member 16. This adsorbed layer of test solute can also contribute to chemotaxis and chemical invasiveness. The cellular biological sample responds to this concentration gradient and either migrates towards a higher concentration of the test substance, or migrates away from the higher concentration of the test substance, or a higher concentration of the test substance Inhibition of movement can be shown in response to. Through such chemotaxis in response to a gradient, the chemotactic effect of a chemotactic substance can be measured. Measure the cell migration distance and the time it takes for the cell to reach a given point in the channel region 15a or the amount of time it takes for the cell to reach a given point in the well region 14a (from the chemotactic substance) Chemotaxis is assayed by (in the case of chemical repellents that cause cells to move away).

チャンバ12の別の構成を含む装置10の別の実施態様を利用して、ミクロ流体チャネル領域の網状構造を用いて溶液濃度勾配を形成する。図14に見られるこの実施態様の場合、チャンバ12の第1ウェル領域13aは、ミクロ流体毛管23の網状構造によってチャネル15に接続された第1ウェル20, 21及び22を有している。具体的には、第1ウェル領域13aは複数の第1ウェルを含み、これらの第1ウェルは、複数の第1ウェルのうちのそれぞれに接続された複数の毛管24と、複数のサブ毛管25とによって接続されている。これらのサブ毛管25は、これらのそれぞれが一方の端部では複数の毛管のそれぞれに接続され、そして他方の端部ではチャネル15に接続されるように分岐されている。それぞれの第1ウェル20, 21, 22は異なる濃度の可溶性試験物質を受容する。3つの第1ウェル20, 21, 22に3種の異なる濃度の可溶性試験物質が同時に注入されたあと、溶液流は、チャネル領域網状構造を下って移動し、連続的に分裂し、混合し、そして再併合する。いくつかの分岐サブ毛管生成の後、可溶性試験物質の異なる個体群を含有するそれぞれのサブ毛管が、単一チャネル15に合流され、流れ方向に対して垂直に、チャネル15を横切って濃度勾配を形成する。   Another embodiment of the apparatus 10 that includes another configuration of the chamber 12 is utilized to create a solution concentration gradient using a network of microfluidic channel regions. For this embodiment seen in FIG. 14, the first well region 13 a of the chamber 12 has first wells 20, 21 and 22 connected to the channel 15 by the network of microfluidic capillaries 23. Specifically, the first well region 13a includes a plurality of first wells, and the first wells include a plurality of capillaries 24 connected to each of the plurality of first wells and a plurality of sub capillaries 25. And connected by. The sub-capillaries 25 are branched such that each of them is connected to each of a plurality of capillaries at one end and to the channel 15 at the other end. Each first well 20, 21, 22 receives a different concentration of soluble test substance. After three different concentrations of soluble test substance are injected into the three first wells 20, 21, 22 simultaneously, the solution stream moves down the channel region network, continuously splits and mixes, Then re-merge. After generation of several branched subcapillaries, each subcapillary containing a different population of soluble test substance is merged into a single channel 15, creating a concentration gradient across channel 15, perpendicular to the flow direction. Form.

走触性をモニタリングするための本発明の別の実施態様によれば、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、支持部材16、好ましくはチャネル15及びウェル領域13aの底面を構成する上面Uの部分上に、生体分子を固定化する。生体分子の濃度は、ウェル領域13aの底面を構成する支持部材16の上面から、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面Uに向かって、装置の長手方向軸に沿って増大又は減少し、ひいては表面勾配を形成する。試験生体分子を支持部材16上に固定化したあと、上部部材を支持部材16上に載置し、そして標準マイクロタイターのフットプリントを有する剛性フレームを、上部部材11の外周面の周りに配置し、そしてウェル領域14aに細胞を添加する。別の実施態様では、試験生体分子を支持部材16上に固定化し、上部部材を支持部材16に被せた後、ゲル・マトリックスをチャネル領域15aに添加する。続いて細胞をウェル領域14aに添加する。細胞生体試料は、固定化生体分子の濃度勾配に潜在的に応答し、そして試験生体分子のより高い濃度に向かって遊走するか、又は、試験生体分子のより高い濃度とは離反する方向に遊走するか、又は試験生体分子のより高い濃度に応答して運動の阻害を示す。表面勾配は、線形に、又は二次、三次、又は対数関数として増大するか、或いは、段階的に上昇又は下降させて概算することができる任意の表面プロフィールを成して増大することができる。   According to another embodiment of the invention for monitoring tactility, in any one of the embodiments of the test device of the invention, for example the embodiment shown in FIGS. 1A-14, the support member 16, preferably A biomolecule is immobilized on the upper surface U constituting the bottom surface of the channel 15 and the well region 13a. The concentration of the biomolecule increases or decreases along the longitudinal axis of the device from the upper surface of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 13a toward the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. As a result, a surface gradient is formed. After the test biomolecule is immobilized on the support member 16, the upper member is placed on the support member 16, and a rigid frame having a standard microtiter footprint is placed around the outer peripheral surface of the upper member 11. , And add cells to the well region 14a. In another embodiment, after the test biomolecule is immobilized on the support member 16 and the top member is over the support member 16, the gel matrix is added to the channel region 15a. Subsequently, cells are added to the well region 14a. The cellular biological sample potentially responds to the concentration gradient of immobilized biomolecules and migrates towards a higher concentration of test biomolecules or away from the higher concentration of test biomolecules Or exhibit inhibition of movement in response to higher concentrations of the test biomolecule. The surface gradient can be increased linearly or as a quadratic, cubic, or logarithmic function, or can be increased in any surface profile that can be approximated by increasing or decreasing in steps.

K. Efimenko及びJ.Genzer,「How to Prepare Tunable Planar Molecular Chemical Gradient」13 Applied Material, 2001, 第20号、10月16日;米国特許第5,514号明細書(参考のため本明細書中に引用)に記載されているような、当業者に知られた種々の特異的又は非特異的アプローチによって、支持部材16の上面U上に試験生体分子を結合させることができ、そして試験生体分子はこの上面U上に表面勾配を形成することができる。例えば、マイクロコンタクト印刷技術、又は当業者に知られた任意の他の方法を用いて、支持部材16の上面U上に、ヘキサデカンチオールを提供するSAM層を固定化することができる。次いで支持部材16を、所望の勾配マイクロパターンのフォトリソグラフィ・マスク又は白から黒への連続的なグラデーションを有するグレースケール・マスクを通して、高エネルギー光に露出する。マスクを除去すると、ヘキサデカンチオールを提供するSAMの表面勾配が残される。次いで支持部材16を、エチレングリコールを末端基とするアルカンチオールの溶液中に浸す。ヘキサデカンチオールを提供するSAMを有する支持部材16の領域は、生体分子を急速に吸着させ、そしてエチレングリコール基のオリゴマーを提供するSAMを有する支持部材の領域は、タンパク質の吸着に抵抗することになる。次いで支持部材16を所望の試験生体分子の溶液中に浸し、そしてこの生体分子は、ヘキサデカンチオールを提供するSAMを含有する支持部材16の領域にだけ急速に吸着し、固定化された生体分子の表面勾配を形成する。 K. Efimenko and J. Genzer, “How to Prepare Tunable Planar Molecular Chemical Gradient”, 13 Applied Material , 2001, 20, Oct. 16; US Pat. No. 5,514 (cited herein for reference). The test biomolecule can be bound on the upper surface U of the support member 16 by various specific or non-specific approaches known to those skilled in the art, as described in A surface gradient can be formed on the upper surface U. For example, a microcontact printing technique, or any other method known to those skilled in the art, can be used to immobilize the SAM layer that provides hexadecanethiol on the upper surface U of the support member 16. The support member 16 is then exposed to high energy light through a desired gradient micropattern photolithography mask or a grayscale mask with a continuous gradation from white to black. Removal of the mask leaves a surface gradient of SAM that provides hexadecanethiol. The support member 16 is then immersed in a solution of alkanethiol terminated with ethylene glycol. The region of the support member 16 with SAM providing hexadecanethiol will rapidly adsorb biomolecules, and the region of the support member with SAM providing oligomers of ethylene glycol groups will resist protein adsorption. . The support member 16 is then immersed in a solution of the desired test biomolecule, and this biomolecule is rapidly adsorbed only in the region of the support member 16 containing SAM providing hexadecanethiol, and the immobilized biomolecule Form a surface gradient.

別の実施態様の場合、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、上部部材11が支持部材16に被された後、試験生体分子が支持部材16上に固定化され、そして表面濃度勾配が形成される。この実施態様の場合、試験生体分子を含有する不連続的な濃度の溶液を、連続してウェル領域14a内に置き、試験生体分子が支持部材16に非特異的に吸着するのを可能にする。例えば、第1に、1ミリグラム/ミリリットル(mg/ml)の溶液を先ずウェル領域14a内に置くことができ;第2に、1マイクログラム/ミリリットル(μg/ml)の溶液をウェル領域14a内に置くことができ;最後に、1ナノグラム/ミリリットル(ng/ml)の溶液をウェル領域14a内に置くことができる。溶液中の試験生体分子の濃度が異なる結果、支持部材16上の吸着量も異なることになる。   In another embodiment, in any one of the embodiments of the test device of the present invention, eg, the embodiment shown in FIGS. Immobilized on member 16 and a surface concentration gradient is formed. In this embodiment, a discrete concentration solution containing the test biomolecule is continuously placed in the well region 14a to allow the test biomolecule to non-specifically adsorb to the support member 16. . For example, first, a 1 milligram / milliliter (mg / ml) solution can first be placed in the well region 14a; second, a 1 microgram / milliliter (μg / ml) solution can be placed in the well region 14a. Finally, a 1 nanogram / milliliter (ng / ml) solution can be placed in the well region 14a. As a result of the different concentrations of test biomolecules in the solution, the amount of adsorption on the support member 16 will also differ.

図11に見られるようなチャンバ12の別の構成を含有する装置10の別の実施態様を利用して、複数の平行な液体流から成る層流という概念(当業者に知られた方法)に基づいて、固定化生体分子表面勾配を形成する。この概念に基づいて、低レイノルズ数の2つ以上の流れが合流してやはり低レイノルズ数の単流になると、併合された流れは乱流混合なしに互いに平行に流れる。1の実施態様によれば、化学走性生体分子の溶液を17a及び19aに置き、そしてタンパク質溶液を18aに置く。これらの溶液は、ウェル領域14aで穏やかな吸引の影響を受けながら、チャネル領域15a内に流入するのが可能になる。生体分子は、生体分子含有溶液がその上を流れる表面領域に非特異的に吸着し、表面勾配を形成する。次いで、ウェルに細胞の懸濁液を満たし、そして、生体分子の増大する濃度勾配に向かう細胞の走触性を観察してモニタリングする。S. Takayama 他、「Patterning Cell and their Environment Using Multiple Laminar Fluid Flows in Capillary Networks」Pro. Natl. Acad. Sci. USA, 第96巻、第5545-5548頁、1999年5月、を全体的に参照されたい。 Utilizing another embodiment of the apparatus 10 containing another configuration of the chamber 12 as seen in FIG. 11, the concept of laminar flow consisting of a plurality of parallel liquid streams (a method known to those skilled in the art) Based on this, an immobilized biomolecule surface gradient is formed. Based on this concept, when two or more flows with a low Reynolds number merge to form a single flow with a low Reynolds number, the combined flows flow parallel to each other without turbulent mixing. According to one embodiment, the chemotactic biomolecule solution is placed in 17a and 19a and the protein solution is placed in 18a. These solutions can flow into the channel region 15a while being affected by gentle suction in the well region 14a. Biomolecules adsorb nonspecifically to the surface region over which the biomolecule-containing solution flows, forming a surface gradient. The wells are then filled with a suspension of cells and the motility of the cells towards an increasing concentration gradient of the biomolecule is observed and monitored. S. Takayama et al., “Patterning Cell and their Environment Using Multiple Laminar Fluid Flows in Capillary Networks” Pro. Natl. Acad. Sci. USA , Vol . 96, 5545-5548, May 1999 I want to be.

本発明はまた、可溶性濃度勾配及び表面濃度勾配の両方を用いて、可溶性試験物質又は固定化試験生体分子のどちらが細胞遊走に大きい影響を与えるかを見極めるアッセイを検討する。この実施態様の場合、上述の表面勾配を形成することによりアッセイを実施し、上述の溶液勾配を形成することによりアッセイを実施し、両タイプの勾配を形成することによりアッセイを実施し、そしてこれら3種のアッセイの結果を比較する。組み合わせ勾配アッセイに関して、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、ウェル領域13aの底面を構成する支持部材16の上面U及びチャネル領域15aの下側に位置する支持部材16の上面に、試験生体分子が固定化され、生体分子の濃度は、チャンバ12の長手方向軸に沿って、ウェル領域13aからウェル領域14aに向かって減少する。加えて、可溶性試験物質をウェル領域13aに添加する。このような実施態様は、同じ方向で減少する表面濃度勾配及び可溶性化学走性濃度勾配を形成する。組み合わされた濃度勾配が細胞遊走に対して相乗効果を有する場合には、両勾配は、可溶性化学走性物質の化学走性リガンドに結合する細胞受容体と、固定化生体分子に結合する細胞受容体との両方をスクリーニングするのに使用されるべきである。両タイプの受容体は重要なものとして識別され、そして、これらの両受容体を標的とする治療薬、又は一方が1つの受容体を標的とし、他方が別の受容体を標的とする治療薬の組み合わせをスクリーニングすることができる。組み合わせ濃度勾配が相乗効果を有さない場合には、細胞遊走をより強力に促進する個々の勾配を識別することができ、その勾配を形成する試験薬の化学走性リガンドに結合する細胞受容体を標的とすることができる。   The present invention also contemplates assays that use both soluble and surface concentration gradients to determine whether soluble test substances or immobilized test biomolecules have a greater effect on cell migration. In this embodiment, the assay is performed by forming the surface gradient described above, the assay is performed by forming the solution gradient described above, the assay is performed by forming both types of gradients, and these Compare the results of the three assays. With respect to the combined gradient assay, in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, such as the embodiment shown in FIGS. The test biomolecule is immobilized on the upper surface of the support member 16 located on the side, and the concentration of the biomolecule decreases from the well region 13a toward the well region 14a along the longitudinal axis of the chamber 12. In addition, a soluble test substance is added to the well region 13a. Such an embodiment forms a surface concentration gradient and a soluble chemotaxis concentration gradient that decrease in the same direction. If the combined concentration gradient has a synergistic effect on cell migration, both gradients are cell receptors that bind to the chemotactic ligand of the soluble chemotactic substance and cell receptors that bind to the immobilized biomolecule. Should be used to screen both the body. Both types of receptors are identified as important and therapeutic agents that target both of these receptors, or one that targets one receptor and the other targets another receptor Can be screened for. When the combined concentration gradient does not have a synergistic effect, individual gradients that more strongly promote cell migration can be identified and cell receptors that bind to the chemotactic ligand of the test agent that forms that gradient Can be targeted.

化学走性リガンドと受容体との最適な対を識別することは、細胞遊走に関連する生物学的経路を理解し、そしてこれらの経路を標的とする治療薬を開発する上で重要である。したがって、本発明は総体的に、化学走性試験薬を使用して、細胞表面上に発現されたどの化学走性受容体が化学走性及び/又は化学侵襲性に最も大きな影響を与えるかを見極めることを可能にする。1の実施態様の場合、本発明は、所定のクラスの化学誘引物質のハイスループットスクリーニングを可能にする。この化学誘引物質は、このクラス中の各化学誘引物質に対する細胞表面上の受容体を有する特定の細胞型を誘引することが知られている。このようなスクリーニングにより、どの受容体が化学走性及び/又は化学侵襲性プロセスにより強く関与しているかが識別される。この受容体を識別した後、本発明は、化学走性及び/又は化学侵襲性が促進されることが望まれるのか、或いは防止されることが望まれるのかに応じて、この受容体を潜在的にブロックするか又はこの受容体に結合する治療薬のハイスループットスクリーニングを検討する。別の実施態様の場合、本発明は、特定の細胞型の表面上の同じ受容体に結合することが知られている異なる化学誘引物質のハイスループットスクリーニングを可能にし、これによりどの化学誘引性リガンド/受容体対が、化学走性及び/又は化学侵襲性により大きな影響を与えるかが見極められる。このリガンド/受容体対の識別後、本発明は、この受容体を標的とし、しかも化学走性及び/又は化学侵襲性が促進されることが望まれるのか、或いは防止されることが望まれるのかに応じて、この受容体をブロック又は活性化する治療薬のハイスループットスクリーニングを検討する。   Identifying optimal pairs of chemotactic ligands and receptors is important in understanding the biological pathways associated with cell migration and developing therapeutic agents that target these pathways. Thus, the present invention as a whole uses chemotaxis test agents to determine which chemotaxis receptors expressed on the cell surface have the greatest impact on chemotaxis and / or chemoinvasiveness. Make it possible to identify. In one embodiment, the present invention allows high throughput screening of a given class of chemoattractant. This chemoattractant is known to attract specific cell types that have receptors on the cell surface for each chemoattractant in this class. Such screening identifies which receptors are more strongly involved in chemotaxis and / or chemical invasive processes. After identifying this receptor, the present invention identifies the receptor as potential depending on whether chemotaxis and / or chemical invasiveness is desired to be promoted or prevented. Consider high-throughput screening for therapeutic agents that block or bind to this receptor. In another embodiment, the present invention allows for high-throughput screening of different chemoattractants known to bind to the same receptor on the surface of a particular cell type and thereby which chemoattractant ligands It can be determined whether the / receptor pair has a greater effect on chemotaxis and / or chemical invasiveness. After identification of this ligand / receptor pair, does the present invention target this receptor and whether chemotaxis and / or chemical invasiveness is desired to be promoted or prevented? Accordingly, high-throughput screening of therapeutic agents that block or activate this receptor will be considered.

本発明はまた、どの受容体が化学走性及び/又は化学侵襲性プロセスにより強く関与しているかを識別するための、細胞表面上に種々の化学走性受容体を有する特定の細胞型の化学走性を阻害することが知られている所定のクラスの化学走性阻害剤のハイスループットスクリーニングをも考慮する。この受容体を識別した後、本発明は、この受容体を同様に潜在的にブロックする治療薬のハイスループットスクリーニングを可能にする(このような作用が望まれる場合)。   The present invention also provides for the chemistry of specific cell types with various chemotactic receptors on the cell surface to identify which receptors are more strongly involved in chemotaxis and / or chemoinvasive processes. Also contemplated are high-throughput screening of certain classes of chemotaxis inhibitors known to inhibit chemotaxis. After identifying this receptor, the present invention allows high-throughput screening of therapeutic agents that also potentially block this receptor (if such an effect is desired).

本発明の1実施態様の場合、試験化合物が癌細胞侵襲性を阻害するかどうかを見極めるためにアッセイを行う。この実施態様の場合、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示された実施態様のいずれか1つにおいて、未処理の癌細胞をチャンバ12のウェル領域14a内に置き、試験薬をウェル領域13a内に置く。細胞の化学走性及び侵襲性を測定し、そして記録する。好適な試験薬(癌細胞を化学的に誘引する試験薬)を識別した後、別のアッセイをチャンバ12内で行う。この後続のアッセイにおいて、癌細胞をウェル領域14a内に置き、試験化合物、例えば治療薬もウェル領域14a内に置く。別の実施態様の場合、試験化合物はチャネル領域15aにも置く。チャネル領域15aにゲル・マトリックスを添加するようになっている場合、装置10の製作中にゲルがチャネル領域15aと接触する前に、試験化合物をゲル・マトリックスと混合することができる。第1アッセイにおいて識別された試験薬の次の試料を、ウェル領域13a内に置き、試験化合物で処理された細胞の化学走性及び侵襲性を、試験化合物で処理されていない細胞の化学走性及び侵襲性と比較する。処理済癌細胞の化学走性及び侵襲速度が未処理癌細胞よりも遅いかどうかによって、試験化合物の抗癌潜在力を測定する。   In one embodiment of the invention, an assay is performed to determine if the test compound inhibits cancer cell invasiveness. In this embodiment, in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, eg, the embodiment shown in FIGS. 1A-14, untreated cancer cells are placed in the well region 14a of the chamber 12 and tested. Place the drug in the well region 13a. Measure and record cell chemotaxis and invasiveness. After identifying a suitable test agent (a test agent that chemically attracts cancer cells), another assay is performed in chamber 12. In this subsequent assay, cancer cells are placed in the well region 14a and a test compound, eg, a therapeutic agent, is also placed in the well region 14a. In another embodiment, the test compound is also placed in the channel region 15a. If the gel matrix is to be added to the channel region 15a, the test compound can be mixed with the gel matrix before the gel contacts the channel region 15a during fabrication of the device 10. The next sample of the test drug identified in the first assay is placed in the well region 13a to determine the chemotaxis and invasiveness of cells treated with the test compound, and the chemotaxis of cells not treated with the test compound. And compared with invasiveness. The anti-cancer potential of a test compound is measured by the chemotaxis and invasive rate of the treated cancer cells compared to the untreated cancer cells.

本発明の化学走性及び化学侵襲性装置の別の使用例に関して、炎症応答に対する細胞の応答をアッセイするために装置を使用することができる。身体の任意の組織における局所的な感染又は傷害は、炎症応答の一部として、損傷組織中に白血球を誘引する。炎症応答は、マスト細胞、血小板、神経終末及び白血球によって損傷組織部位内に生成された種々のシグナル分子により媒介される。これらのメディエーターは毛細血管内皮細胞に作用し、これらの細胞が隣接内皮細胞との結合を緩めるようにするので、毛細血管は透過性がより高くなる。内皮細胞はまた、刺激されて特異的炭水化物を認識する細胞表面分子を発現させる。これらの炭水化物は血中の白血球の表面上に存在し、これらの白血球を内皮細胞に付着させる。損傷組織から放出された他のメディエーターは、化学誘引物質として作用し、結合された白血球を毛細血管内皮細胞間を通って損傷組織内に遊走させる。白血球の化学走性を調査するために、1の実施態様の場合、チャネル領域15aを処理することにより、炎症応答中のヒト毛細血管内の条件をシミュレートする。例えば、チャネル領域15aの側壁に、例えば図4Bに示すような細胞表面分子、例えばセレクチンを発現させる内皮細胞をコーティングする。次いで、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示された実施態様のいずれか1つにおいて、白血球をウェル領域14aに添加し、既知の化学誘引物質をウェル領域13aに添加する。ウェル領域14aに添加できる他の好適な細胞型は、好中球、単球、T及びBリンパ球、マクロファージ、又は傷害又は炎症に対する応答に関与する他の細胞型である。チャネル領域15aを横切ってウェル領域13aに向かう白血球の化学走性を観察する。調査すべき感染のタイプに応じて、種々異なるカテゴリーの白血球を使用することができる。例えば、細菌感染に応答する細胞化学走性を検査する1の実施態様の場合、ウェル領域14aは好中球を受容する。ウイルス感染に応答する細胞化学走性を検査する別の実施態様の場合、ウェル領域14aはT細胞を受容する。   For another example of the use of the chemotaxis and chemoinvasive devices of the present invention, the device can be used to assay a cellular response to an inflammatory response. Local infection or injury in any tissue of the body attracts leukocytes into the damaged tissue as part of the inflammatory response. The inflammatory response is mediated by a variety of signal molecules generated within the damaged tissue site by mast cells, platelets, nerve endings and leukocytes. These mediators act on capillary endothelial cells and cause these cells to loosen their association with adjacent endothelial cells, making the capillaries more permeable. Endothelial cells also express cell surface molecules that are stimulated to recognize specific carbohydrates. These carbohydrates are present on the surface of leukocytes in the blood and attach these leukocytes to the endothelial cells. Other mediators released from the damaged tissue act as chemoattractants, allowing the bound leukocytes to migrate between the capillary endothelial cells and into the damaged tissue. To investigate leukocyte chemotaxis, in one embodiment, channel region 15a is treated to simulate conditions in human capillaries during an inflammatory response. For example, the side wall of the channel region 15a is coated with, for example, an endothelial cell that expresses a cell surface molecule such as selectin as shown in FIG. 4B. Then, in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, eg, the embodiment shown in FIGS. 1A-14, white blood cells are added to the well region 14a and a known chemoattractant is added to the well region 13a. . Other suitable cell types that can be added to the well region 14a are neutrophils, monocytes, T and B lymphocytes, macrophages, or other cell types involved in response to injury or inflammation. The chemotaxis of leukocytes crossing the channel region 15a toward the well region 13a is observed. Depending on the type of infection to be investigated, different categories of leukocytes can be used. For example, in one embodiment for examining cytochemotactic response to bacterial infection, the well region 14a receives neutrophils. In another embodiment for examining cytochemotactic response to viral infection, the well region 14a receives T cells.

血管新生のプロセスをシミュレートする別の実施態様の場合、当業者に知られているように、角膜に適用される成長因子は、角膜を取り囲む高密度血管新生組織の周縁から、角膜中心の低密度血管新生組織に向かって新しい血管の成長を誘導する。したがって、化学走性及び化学侵襲性装置を利用する別のアッセイ例の場合、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示された実施態様のいずれか1つにおいて、角膜組織由来の細胞をウェル領域13a内に置き、内皮細胞をウェル領域14aに置く。成長因子をウェル領域13aに添加し、そして内皮細胞の化学走性を観察し、測定し、そして記録する。或いは、血管新生は腫瘍成長においても(酸素及び栄養素を腫瘍塊に供給するために)重要なので、成長因子をウェル領域13aに添加する代わりに、血管新生因子、例えば血管内皮細胞成長因子(VEGF)を生成する角膜組織に由来する癌細胞をウェル領域13aに添加し、正常な内皮細胞をウェル領域14aに添加することができる。やはり血管形成の検査に関連する別の実施態様の場合、マスト細胞、マクロファージ、及び、組織修復中、炎症中及び組織成長中に線維芽細胞成長因子を放出する脂肪細胞をウェル領域13aに置き、そして内皮細胞をウェル領域14aに置く。血管新生中に毛細血管芽は周囲の結合組織内に成長するので、in vivo条件をさらにシミュレートするために、チャネル領域15aにゲル・マトリックスを充填することができる。   In another embodiment that simulates the process of angiogenesis, as is known to those skilled in the art, the growth factor applied to the cornea is reduced from the periphery of the dense angiogenic tissue surrounding the cornea to a low center of the cornea. Induce new blood vessel growth towards density angiogenic tissue. Thus, in the case of another example assay that utilizes chemotaxis and chemoinvasive devices, in any one of the embodiments of the test device of the present invention, such as the embodiments shown in FIGS. The cells are placed in the well region 13a, and the endothelial cells are placed in the well region 14a. Growth factors are added to the well region 13a and endothelial cell chemotaxis is observed, measured and recorded. Alternatively, because angiogenesis is important in tumor growth (to supply oxygen and nutrients to the tumor mass), instead of adding growth factors to well region 13a, angiogenic factors such as vascular endothelial growth factor (VEGF) Can be added to the well region 13a, and normal endothelial cells can be added to the well region 14a. In another embodiment, also related to the examination of angiogenesis, mast cells, macrophages, and adipocytes that release fibroblast growth factor during tissue repair, inflammation and tissue growth are placed in the well region 13a, Endothelial cells are then placed in the well region 14a. During angiogenesis, the capillary buds grow into the surrounding connective tissue so that the channel region 15a can be filled with a gel matrix to further simulate in vivo conditions.

上述のアッセイの変更形及び実施態様がいくつかある。1の実施態様は、装置10のチャンバ12のウェル領域13aとウェル領域14aとを接続するチャネルの数に関与する。図3A〜3Cの1に示すような1の実施態様の場合、ウェル領域13aとウェル領域14aとを接続するチャネルが複数ある。複数のチャネルによって、1つの細胞生体試料を用いて複数のアッセイを同時に実施することができる。このような実施態様の場合、全てのアッセイは均一で一貫した条件下で実施され、したがって統計的により正確な結果を提供する。例えば、それぞれのアッセイは、正確に同じ数の潜在的に遊走性の細胞と、正確に同じ濃度の試験薬とで始まる。濃度勾配が形成されると、それぞれのアッセイは、同じ時間にわたって勾配に露出される。これらの複数のチャネルはまた、アッセイが失敗した場合の余剰分を提供する。   There are several variations and embodiments of the assay described above. One embodiment involves the number of channels connecting the well region 13a and the well region 14a of the chamber 12 of the device 10. In one embodiment as shown in FIG. 3A to 3C, there are a plurality of channels connecting the well region 13a and the well region 14a. Multiple channels allow multiple assays to be performed simultaneously using a single cellular biological sample. In such embodiments, all assays are performed under uniform and consistent conditions, thus providing statistically more accurate results. For example, each assay begins with exactly the same number of potentially migrating cells and exactly the same concentration of test agent. Once a concentration gradient is formed, each assay is exposed to the gradient over the same time. These multiple channels also provide a surplus if the assay fails.

本発明の細胞侵襲性及び化学走性アッセイの別の実施態様は、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示された実施態様のいずれか1つにおいて、チャンバ12のウェル領域14a内に細胞を置くことを含む。細胞は、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面U上に特定のアレイを成すようにパターン化することができる。或いは細胞は、ウェル領域14a内に、特定のパターン又は配列を成さずに単に堆積させることができる。細胞が、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面上に特定のアレイを成すようにパターン化される場合、好ましくは装置10の製作中に、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面を先ず細胞でパターン化し、次いで上部部材11を支持部材16に被せる。所定の「出発」位置からの細胞の運動をモニタリングすることにより、細胞が移動する距離及び時間を正確に測定することが望ましい。このようなものとして、1の実施態様の場合、細胞の生存可能性が維持され、細胞の位置が定義され得るように、第1ウェルの下側に位置する支持部材上に細胞を固定化又はパターン化するので、化学走性及び侵襲性を観察することができる。細胞を固定化してパターン化することにより、不連続的なアレイを支持部材上に形成するためのいくつかの技術が当業者に知られている。好ましい技術は、同時係属中の出願第60/330,456号明細書に記載されている。1の実施態様の場合、細胞位置パターン化部材を使用することにより、上部部材11のウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面U上に、定義可能な領域内に細胞をパターン化する。   Another embodiment of the cell invasiveness and chemotaxis assay of the present invention is the well region of the chamber 12 in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, such as the embodiment shown in FIGS. Including placing cells within 14a. The cells can be patterned to form a specific array on the upper surface U of the support member 16 that forms the bottom surface of the well region 14a. Alternatively, the cells can simply be deposited in the well region 14a without a specific pattern or arrangement. If the cells are patterned to form a particular array on the top surface of the support member 16 that forms the bottom surface of the well region 14a, preferably the support member that forms the bottom surface of the well region 14a during fabrication of the device 10 The upper surface of 16 is first patterned with cells, and then the upper member 11 is placed on the support member 16. It is desirable to accurately measure the distance and time that a cell travels by monitoring the movement of the cell from a predetermined “start” location. As such, in one embodiment, the cells are immobilized on a support member located below the first well, such that the viability of the cells is maintained and the location of the cells can be defined or Since it is patterned, chemotaxis and invasiveness can be observed. Several techniques are known to those skilled in the art for forming discontinuous arrays on a support member by immobilizing and patterning cells. A preferred technique is described in co-pending application 60 / 330,456. In the case of one embodiment, by using the cell position patterning member, the cells are patterned in a definable region on the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a of the upper member 11. .

例えば、標準的な96ウェルマイクロタイター・プレートのフットプリントで上部部材11が製作されることにより、ウェル13及び14がマイクロタイター・プレート(図示せず)のマクロウェルのサイズ及び形状に対応するようになっている場合、細胞位置パターン化部材は、ウェル13及び14のサイズ及び形状に対応し、したがってマイクロタイター・プレートのマクロウェルのサイズ及び形状に対応する、輪郭付けされた領域を有する。それぞれの輪郭付け領域はミクロ貫通孔を有し、この貫通孔を通って細胞がパターン化されることになる。細胞をパターン化するために、細胞位置パターン化部材は支持部材16と接触させられ、細胞位置パターン化部材の輪郭付け領域は、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面Uの部分と整列され、そして上部部材11が支持部材16と接触させられると、輪郭付け領域はウェル領域14aに最終的に対応することになる。次いで、細胞位置パターン化部材上に細胞を堆積させることができ、これらの細胞は、細胞位置パターン化部材の貫通孔を通って、チャンバ12の第2ウェル領域14aに対応する貫通孔に対応する領域の下側に位置する支持部材上に徐々に出ることができる。次いで貫通孔14aが細胞がパターン化される支持部材16の領域上に位置するように、上部部材11を支持部材16に被せる。これらのパターン化工程の結果、ウェル領域14a内に細胞の不連続的なアレイが形成される。   For example, the top member 11 is fabricated with a standard 96-well microtiter plate footprint so that the wells 13 and 14 correspond to the size and shape of the macrowell of the microtiter plate (not shown). , The cell location patterning member has a contoured area corresponding to the size and shape of the wells 13 and 14, and thus corresponding to the size and shape of the macrowell of the microtiter plate. Each contoured region has a micro through hole through which cells are patterned. In order to pattern the cells, the cell location patterning member is brought into contact with the support member 16, and the contoured region of the cell location patterning member is a portion of the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. When aligned and the upper member 11 is brought into contact with the support member 16, the contoured region will eventually correspond to the well region 14a. Cells can then be deposited on the cell location patterning member, these cells passing through the through holes of the cell location patterning member and corresponding to the through holes corresponding to the second well region 14a of the chamber 12. It is possible to gradually exit onto a support member located below the area. Next, the upper member 11 is placed on the support member 16 so that the through hole 14a is positioned on the region of the support member 16 where cells are patterned. As a result of these patterning steps, a discontinuous array of cells is formed in the well region 14a.

好ましくは、細胞位置パターン化部材はエラストマー材料、例えばPDMSを含む。パターン化部材のためにPDMSを使用すると、パターン化部材と支持部材との間に実質的に流体密なシールが提供される。この実質的に流体密なシールはこれらの2つの成分間で好ましい。なぜならば、このようなシールがパターン化部材と支持部材との間に存在するならば、ウェル内に置かれた細胞が隣接ウェルに侵入する可能性が少ないからである。パターン化部材のミクロ貫通孔の配置は、矩形、六角形、又は、細胞がこれらのそれぞれの形状でパターン化されることになる別のアレイであってよい。各ミクロ貫通孔の幅は、細胞型及びパターン化されるべき細胞の数に応じて変化してよい。例えば、細胞及び貫通孔双方の幅が10ミクロンである場合、ただ1つの細胞がそれぞれのミクロ貫通孔を通って堆積することになる。こうして、この例の場合、ミクロ貫通孔の幅が100ミクロンの場合、最大約100個の細胞を堆積させることができる。   Preferably, the cell location patterning member comprises an elastomeric material such as PDMS. The use of PDMS for the patterned member provides a substantially fluid tight seal between the patterned member and the support member. This substantially fluid tight seal is preferred between these two components. This is because if such a seal exists between the patterned member and the support member, the cells placed in the well are less likely to enter the adjacent well. The arrangement of micro-through holes in the patterned member may be rectangular, hexagonal, or another array in which cells will be patterned in their respective shapes. The width of each microthrough hole may vary depending on the cell type and the number of cells to be patterned. For example, if both the cell and the through-hole width are 10 microns, only one cell will deposit through each micro-through hole. Thus, in this example, when the width of the micro through hole is 100 microns, a maximum of about 100 cells can be deposited.

本発明はまた、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面上に、2種以上の細胞型をパターン化することを検討する。1つの型の細胞はin vivoでは分離状態ではめったに存在せず、その代わり、他の細胞型と接触して連通しているので、身体の環境により類似した環境内で細胞をアッセイできるシステムを有することが望ましい。例えば癌細胞は分離状態では決して見いだされず、正常細胞によって取り囲まれているので、癌細胞に対する薬物の効果を試験するように構成されたアッセイは、そのアッセイにおける癌細胞が正常細胞によって取り囲まれていれば、より正確になる。抗癌剤の試験の場合、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面上に、癌細胞をパターン化し、次いで、別個のパターン化手順によって、癌細胞を間質細胞によって取り囲むことができる。ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面上に、2種の異なる細胞型をパターン化するために、上述のようなミクロ細胞位置パターン化部材を支持部材16と接触させ、細胞位置パターン化部材の輪郭付け領域を、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面U部分と整列させ、そして上部部材11が支持部材16と接触させられると、輪郭付け領域はウェル領域14aに最終的に対応することになる。次いで、細胞位置パターン化部材上に第1型の細胞を堆積させることができ、これらの細胞は、パターン化部材のミクロ貫通孔を通って、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面Uの部分上に徐々に出ることができる。次いで、ミクロ細胞位置パターン化部材を支持部材16から除去することができる。ウェル13及び14のサイズ及び形状に対応する輪郭付け領域を有するマクロ細胞位置パターン化部材は、したがって96ウェルマイクロタイター・プレートのマクロウェルのサイズ及び形状に対応することができる。マクロ細胞位置パターン化部材はマクロ貫通孔を有する。マクロ細胞位置パターン化部材のマクロ貫通孔は、ミクロ細胞位置パターン化部材のミクロ貫通孔によって画定された表面積よりも大きな面積を包含するが、しかし、チャンバ12のウェル領域14aによって画定された表面積よりも小さい。次いでマクロ細胞位置パターン化部材を支持部材16と接触させることができる。次いで、マクロ細胞位置パターン化部材上に第2型の細胞を堆積させることができ、そして上部部材11が支持部材16と接触させられると、これらの細胞は、マクロパターン化部材のマクロ貫通孔を通って、ウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面Uの部分上に徐々に出ることができる。このようなパターン化配置の結果、第2型細胞が第1型細胞を取り囲み、「積み重なる」ことができる。もし第2型細胞に第1型細胞を積み重ねることだけが望まれるのであれば、第1細胞型を堆積させるのに使用されたミクロ細胞位置パターン化部材、又は第1型細胞を堆積させるのに使用されたパターン化部材と正確に同じ構成を有する、異なるミクロ細胞位置パターン化部材を使用して、第2型細胞を堆積させることができる。細胞が支持部材16上にパターン化された後、上部部材11を支持部材16と接触させることにより、ウェル領域14aに対応する上部部材11の貫通孔は、細胞でパターン化された領域を包含することになる。この結果、細胞は事実上、ウェル領域14a内に特定のアレイを成して固定化される。   The present invention also provides a test apparatus according to the present invention in any one of the embodiments shown in FIGS. 1A to 14, for example, two or more kinds on the upper surface of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. Consider patterning cell types. One type of cell rarely exists in isolation in vivo, but instead has contact with and communicates with other cell types, thus having a system that can assay cells in an environment more similar to the body environment It is desirable. For example, because cancer cells are never found in isolation and are surrounded by normal cells, an assay configured to test the effect of a drug on a cancer cell will have the cancer cell in that assay surrounded by normal cells. It becomes more accurate. In the case of an anticancer drug test, in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, for example, the embodiment shown in FIGS. 1A to 14, cancer cells are placed on the upper surface of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. The cancer cells can then be surrounded by stromal cells by patterning and then by a separate patterning procedure. In order to pattern two different cell types on the upper surface of the support member 16 that constitutes the bottom surface of the well region 14a, a micro cell position patterning member as described above is brought into contact with the support member 16 to form a cell position pattern. When the contouring region of the shaping member is aligned with the upper surface U portion of the support member 16 that constitutes the bottom surface of the well region 14a, and the upper member 11 is brought into contact with the support member 16, the contouring region finally enters the well region 14a. Will respond. Next, cells of the first type can be deposited on the cell position patterning member, and these cells pass through the micro-through holes of the patterning member, and the upper surface of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. Can gradually get out on the U part. The microcell location patterning member can then be removed from the support member 16. A macrocell location patterning member having a contoured area corresponding to the size and shape of the wells 13 and 14 can thus correspond to the size and shape of the macrowell of a 96 well microtiter plate. The macro cell location patterning member has macro through holes. The macro through hole of the macro cell location patterning member includes an area larger than the surface area defined by the micro through hole of the micro cell location patterning member, but more than the surface area defined by the well region 14a of the chamber 12. Is also small. The macrocell location patterning member can then be brought into contact with the support member 16. The second type of cells can then be deposited on the macrocell location patterning member, and when the top member 11 is brought into contact with the support member 16, these cells will have macrothrough holes in the macropatterning member. Through this, it is possible to gradually come out on the portion of the upper surface U of the support member 16 constituting the bottom surface of the well region 14a. As a result of such a patterned arrangement, the second type cells can surround and “stack” the first type cells. If it is only desired to stack the first type cells on the second type cells, the micro cell location patterning member used to deposit the first cell type, or the first type cell to deposit A second type of cell can be deposited using a different microcell location patterning member having exactly the same configuration as the patterning member used. After the cells are patterned on the support member 16, the through-hole of the upper member 11 corresponding to the well region 14a includes the region patterned with the cells by bringing the upper member 11 into contact with the support member 16. It will be. As a result, the cells are effectively immobilized in a specific array within the well region 14a.

いかに多くの種々異なる細胞型がウェル領域14aの底面を構成する支持部材16の上面上にパターン化されようとも、細胞は、当業者に知られたいくつかの方法によって支持部材上にパターン化されることができる。例えばSAMを使用することにより、支持部材16上に細胞をパターン化することができる。SAMを使用することにより細胞をパターン化するための当業者に知られたいくつかの技術がある。これらのうちの数例の技術が、米国特許第5,512,131号明細書(Kumar他)、同第5,620,850号明細書(Bambad他)、同第5,721,131号明細書(Rudolph他)、同第5,776,748号明細書及び同第5,976,826号明細書(Singhvi他)に開示されており、これらの明細書を参考のため本明細書中に引用する。   No matter how many different cell types are patterned on the top surface of the support member 16 that constitutes the bottom surface of the well region 14a, the cells are patterned on the support member by several methods known to those skilled in the art. Can. For example, cells can be patterned on the support member 16 by using SAM. There are several techniques known to those skilled in the art for patterning cells by using SAM. Some of these techniques are described in U.S. Pat. And 5,976,826 (Singhvi et al.), Which are incorporated herein by reference.

前述のパラメーターを観察し、測定するために細胞を標識付けするいくつかの方法が、当業者に知られている。1の実施態様の場合、当該細胞型を含有する未精製試料を、種々の細胞型によって異なる状態で吸収される染色剤と一緒にインキュベートする。次いで、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、細胞をチャンバ12のウェル領域14a内に置く。個別の染色された細胞を、任意の好適な顕微鏡技術を用いて、色又は強度コントラストに基づいて検出し、そしてこのような細胞に位置座標を割り当てる。別の実施態様の場合、未精製細胞試料を、1つ以上の検出可能なレポーターと一緒にインキュベートする。それぞれのレポーターは、当該特異的細胞型に選択的に結合し、そして特徴的な蛍光を全ての標識付き細胞に付与することができる。次いで、本発明の試験装置の実施態様、例えば図1A〜14に示す実施態様のいずれか1つにおいて、細胞をチャンバ12のウェル領域14a内に置く。次いで、適切な波長の光を試料に当て、蛍光細胞を検出し、そしてこれらの細胞に位置座標を割り当てる。当業者には明らかなように、選択された細胞を未精製試料中のその他の成分から区別する種々の方法を利用することができる。例えば、これらの方法は色素、放射同位体、蛍光剤、化学発光剤、ビーズ、酵素及び抗体を含むことができる。細胞型の特異的標識付けは、例えば蛍光標識付け抗体を利用して達成することができる。細胞の標識付けプロセスは、特定の細胞型の標識付けのために使用できる種々の蛍光色素のように、当業者に知られている。   Several methods for labeling cells to observe and measure the aforementioned parameters are known to those skilled in the art. In one embodiment, an unpurified sample containing the cell type is incubated with a stain that is absorbed differently by the various cell types. The cell is then placed in the well region 14a of the chamber 12 in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, such as the embodiment shown in FIGS. Individual stained cells are detected based on color or intensity contrast using any suitable microscopic technique, and location coordinates are assigned to such cells. In another embodiment, the crude cell sample is incubated with one or more detectable reporters. Each reporter can selectively bind to the specific cell type and impart a characteristic fluorescence to all labeled cells. The cell is then placed in the well region 14a of the chamber 12 in any one of the embodiments of the test apparatus of the present invention, such as the embodiment shown in FIGS. An appropriate wavelength of light is then applied to the sample to detect fluorescent cells and assign position coordinates to these cells. As will be apparent to those skilled in the art, various methods can be utilized to distinguish selected cells from other components in the unpurified sample. For example, these methods can include dyes, radioisotopes, fluorescent agents, chemiluminescent agents, beads, enzymes and antibodies. Specific labeling of cell types can be accomplished using, for example, fluorescently labeled antibodies. Cell labeling processes are known to those skilled in the art, as are various fluorescent dyes that can be used for labeling specific cell types.

選択された型の細胞は、混合された細胞の個体群中で、例えばこのような細胞に選択的且つ/又は優先的に結合する検出可能なレポーター、又は検出可能なレポーターの選択された組み合わせを用いて差別化することもできる。例えば、発現されたCD、抗原及び受容体などに選択的に結合するモノクローナル抗体を使用して、標識付けを達成することができる。腫瘍細胞抗原の例は、骨髄性細胞上に存在するCD13及びCD33;B-細胞上に存在するCD10及びCD19;並びにT-細胞上に存在するCD2、CD5及びCD7を含む。当業者には明らかなように、種々の既知の細胞マーカーを識別する多数のマーカーが利用可能である。さらに、更なるマーカーが続いて発見されている。細胞を標識付けするのに有用なこのようなマーカーは、現在既知であるものも、将来発見されるものも、いずれも本発明を実施するのに活用することができる。   The cells of the selected type are in a mixed population of cells, eg, a detectable reporter that selectively and / or preferentially binds to such cells, or a selected combination of detectable reporters. It can also be differentiated. For example, labeling can be accomplished using monoclonal antibodies that selectively bind to expressed CDs, antigens and receptors, and the like. Examples of tumor cell antigens include CD13 and CD33 present on myeloid cells; CD10 and CD19 present on B-cells; and CD2, CD5 and CD7 present on T-cells. As will be apparent to those skilled in the art, a number of markers are available that distinguish a variety of known cell markers. In addition, additional markers are subsequently discovered. Such markers useful for labeling cells, whether currently known or discovered in the future, can be utilized to practice the present invention.

単一の細胞型だけに対して絶対的に特異的なマーカーはもしあるとしても僅かなので、2種以上のマーカーを標識付けして、それぞれのマーカーが各選択された細胞型ごとに異なる標識を有するようにするのが望ましい。選択されたそれぞれの細胞型に対応する複数の標識を検出することは、化学走性及び化学侵襲性分析が当該細胞だけに限定されることを確実にするのを助けるはずである。   There are few, if any, absolutely specific markers for a single cell type, so label two or more markers, and each marker will have a different label for each selected cell type. It is desirable to have it. Detecting multiple labels corresponding to each selected cell type should help ensure that chemotaxis and chemical invasive analysis is limited to that cell only.

本発明はさらに、支持手段;支持手段と流体密に共形接触するように配置されることにより支持手段に取り付けられた、支持手段と不連続的なチャンバを画定するための手段とを提供する。不連続的なチャンバは、1つ以上の第1ウェルを含む第1ウェル領域と;装置の試験配向において、第1ウェル領域に対して水平方向にずらされた、1つ以上の第2ウェルを含む第2ウェル領域と;第1ウェル領域と第2ウェル領域とを互いに接続する1つ以上のチャネルを含むチャネル領域とを含む。支持手段の一例は、図1A、1B、12及び13に示された支持部材16を含むのに対し、支持手段に取り付けられた手段の一例は、図1A〜11、13及び14に示された上部部材11を含む。他のこのような手段は当業者には明らかである。   The invention further provides support means; support means and means for defining a discontinuous chamber attached to the support means by being arranged in fluid-tight conformal contact with the support means. . The discontinuous chamber includes a first well region that includes one or more first wells; and one or more second wells that are horizontally displaced relative to the first well region in the test orientation of the apparatus. A second well region including: a channel region including one or more channels connecting the first well region and the second well region to each other. An example of a support means includes the support member 16 shown in FIGS. 1A, 1B, 12 and 13, whereas an example of the means attached to the support means is shown in FIGS. 1A-11, 13 and 14. An upper member 11 is included. Other such means will be apparent to those skilled in the art.

別の実施態様の場合、本発明は勾配形成及び/又は流動条件に依存する、又は勾配形成及び/又は流動条件に反応する生物学的現象をアッセイし、且つ研究する方法を提供する。このような生物学的現象は、体内のプロセスの多く、例えば、白血球の付着中及びローリング中に発生するような細胞表面相互作用を含む。加えて、化学走性、走触性及び細胞遊走に関与する研究には、勾配及び/又は流動条件の存在下においてこのような細胞運動を研究するアッセイがより大きく役立つ。   In another embodiment, the present invention provides a method for assaying and studying biological phenomena that depend on or are responsive to gradient formation and / or flow conditions. Such biological phenomena include many of the processes in the body, such as cell surface interactions that occur during leukocyte attachment and rolling. In addition, for studies involving chemotaxis, chemotaxis and cell migration, assays that study such cell motility in the presence of gradient and / or flow conditions are of greater use.

種々のタイプの勾配が生体系の研究において有用である。このような有用な勾配は静的勾配を含む。静的勾配は、固定又は設定された、或いは実質的に固定又は設定された濃度を有している。静的勾配の一例は、表面上の固定化分子の勾配である。静的勾配の一例としては、固定化生体分子(タンパク質、抗体及び核酸など)又は固定化化学物質部分(薬物及び小分子)の異なる濃度を使用することが挙げられる。他の有用な勾配は動的勾配を含む。動的勾配は、変化され得る濃度を有する。動的勾配の一例は、濃度の変動する分子を有する流体流の勾配である。流体勾配の一例としては、濃度が変動する生体分子、例えば成長因子、毒素、酵素、タンパク質、抗体、炭化水素、薬物、又は他の化学物質及び小分子を含有する流体流の使用が挙げられる。   Various types of gradients are useful in biological system studies. Such useful gradients include static gradients. The static gradient has a concentration that is fixed or set, or substantially fixed or set. An example of a static gradient is the gradient of immobilized molecules on the surface. An example of a static gradient is the use of different concentrations of immobilized biomolecules (proteins, antibodies and nucleic acids, etc.) or immobilized chemical moieties (drugs and small molecules). Other useful gradients include dynamic gradients. The dynamic gradient has a concentration that can be varied. An example of a dynamic gradient is a fluid flow gradient with molecules of varying concentration. An example of a fluid gradient includes the use of fluid streams containing biomolecules with varying concentrations, such as growth factors, toxins, enzymes, proteins, antibodies, carbohydrates, drugs, or other chemicals and small molecules.

本発明の1の実施態様の場合、動的/溶液に基づく勾配が、層流技術によって形成される。層流技術は典型的には、2つ以上の異なる源に由来する2つ以上の流体流を伴う。これらの流体流は一緒に単流にされ、そして乱流混合なしに互いに平行に流れるように形成される。異なる特性、例えば変化する低レイノルズを有する流体が並行して流れ、これらの流体は、乱流が存在しなければ混合することはない。流体は混合しないので、擬似チャネル(流体間に物理的分離がないという事実により擬似)を形成する。溶液及び表面勾配の生成は、米国特許出願第2002/0113095号明細書、及び論文(Jeon, Noo Li他、Langmuir, 16, 8311-8316(2000))に論じられている。これらの参考文献双方全体を参考のため、本明細書中に引用する。 In one embodiment of the invention, a dynamic / solution based gradient is formed by laminar flow techniques. Laminar flow techniques typically involve two or more fluid streams from two or more different sources. These fluid streams are made into a single stream together and are formed to flow parallel to each other without turbulent mixing. Fluids with different properties, such as varying low Reynolds, flow in parallel and these fluids do not mix unless turbulent flow is present. Since the fluid does not mix, it forms a pseudo channel (due to the fact that there is no physical separation between the fluids). The generation of solutions and surface gradients is discussed in US Patent Application No. 2002/0113095 and paper (Jeon, Noo Li et al., Langmuir , 16, 8311-8316 (2000)). Both of these references are hereby incorporated by reference.

これらの関連において、PDMSミクロ流装置を利用して、毛管ミクロ流体網状構造を通して勾配を発生させた。種々異なる化学物質を含有する複数の溶液を3つの別個の入口内に導入し、そしてこれらの溶液が毛管網状構造を通流することが可能になった。流体流を繰返し併合し、混合し、そして分割することにより、分岐チャネルのそれぞれに、区別可能な組成物を有する区別可能な混合物をもたらした。分岐のすべてを再併合すると、濃度勾配が流れ方向に対して垂直に、出口チャネルを横切って確立された。図22を参照されたい。   In these contexts, a PDMS microfluidic device was utilized to generate a gradient through the capillary microfluidic network. Multiple solutions containing different chemicals were introduced into three separate inlets and these solutions were able to flow through the capillary network. Repeated merging, mixing and splitting of the fluid streams resulted in a distinguishable mixture having a distinguishable composition in each of the branch channels. Upon remerging all of the branches, a concentration gradient was established across the outlet channel, perpendicular to the flow direction. See FIG.

本発明の装置を、動的勾配の形成と組み合わせることにより、装置の任意の部分に変更を加えることによって、膨大な数のアッセイ・パラメーターを生成することができる。例えば、本明細書中に開示された装置を、動的勾配の導入と共に、細胞パターン化技術と組み合わせることによって、多数の生物学的相互作用を試験するために種々の条件を形成することができる。さらにこれらの装置及びアッセイは、薬物発見及び薬物試験に有用である。それというのも、細胞又は生体物質がin vivoで存在し、ひいては勾配及び流動条件に露出されているときと比較して、細胞又は生体物質が勾配に露出されていないときには、多くの細胞又は生体物質はex vivoで異なる状態で挙動するからである。   By combining the device of the present invention with the formation of a dynamic gradient, a vast number of assay parameters can be generated by modifying any part of the device. For example, the devices disclosed herein can be combined with cell patterning techniques in conjunction with the introduction of dynamic gradients to create a variety of conditions for testing a large number of biological interactions. . In addition, these devices and assays are useful for drug discovery and drug testing. This is because when a cell or biological material is present in vivo, and thus when the cell or biological material is not exposed to a gradient, the number of cells or biological materials is increased. This is because substances behave differently ex vivo.

従って、本発明の1の実施態様の場合、チャネルを横切って細胞をパターン化することができる。当業者に知られている方法、並びに本発明において開示された方法(例えばマイクロコンタクト印刷又はエラストマー・ステンシルの使用)によって、細胞パターン化を達成することができる。次いで任意の所望の生体分子又は化学物質/薬物を含有する溶液を、パターン化された細胞を横切るように流動させることができる。加えて生体分子、例えばアクチベータによって先ず処理することにより、細胞は生体系をより厳密に再現する。続いてこれらの細胞を化学物質又は薬物に露出することができる。例えば層流によって勾配を形成することにより、種々異なる量の生体分子又は化学物質/薬物を、パターン化された細胞に供給することができ、ひいては、それぞれの生体分子又は化学物質/薬物の濃度の効果を同時に互いに比較して試験することができる。従って、並行して同時に行われるこのような比較は、アッセイ間の条件の可変性を低減する。   Thus, in one embodiment of the invention, cells can be patterned across the channel. Cell patterning can be achieved by methods known to those skilled in the art, as well as methods disclosed in the present invention (eg, using microcontact printing or using elastomeric stencils). A solution containing any desired biomolecule or chemical / drug can then be flowed across the patterned cells. In addition, by first treating with a biomolecule, such as an activator, the cell more closely reproduces the biological system. These cells can then be exposed to chemicals or drugs. For example, by creating a gradient with laminar flow, different amounts of biomolecules or chemicals / drugs can be supplied to the patterned cells, and thus the concentration of each biomolecule or chemical / drug. The effects can be tested against each other at the same time. Thus, such comparisons performed simultaneously in parallel reduce the variability of conditions between assays.

本発明の装置と組み合わせて層流で動的勾配を形成することにより、多数のアッセイ構成が提供される。例えば、表面上の細胞、チャネル内の生体分子及びチャネル内の化合物の組み合わせを変化させることにより、膨大な数のアッセイを形成することができる。   By creating a dynamic gradient in laminar flow in combination with the device of the present invention, a number of assay configurations are provided. For example, a vast number of assays can be formed by varying the combination of cells on the surface, biomolecules in the channel and compounds in the channel.

固定化細胞又はその他の固定化生体分子、例えばタンパク質、抗体、核酸などに関して、種々異なるアッセイ構成が可能である。1の実施態様の場合、チャネル領域全体にわたって単一の細胞型が固定化される。別の実施態様の場合、領域1つ当たり1つの細胞型が位置するように、細胞型混合物が固定化される。別の実施態様の場合、チャネル領域全体にわたって細胞型混合物が固定化される。これは細胞間の相互作用をモニタリングする上で有利な場合がある。さらに別の実施態様の場合、それぞれの異なる領域において、種々異なる細胞型が固定化される。   Different assay configurations are possible for immobilized cells or other immobilized biomolecules such as proteins, antibodies, nucleic acids and the like. In one embodiment, a single cell type is immobilized throughout the channel region. In another embodiment, the cell type mixture is immobilized such that one cell type is located per region. In another embodiment, the cell type mixture is immobilized throughout the channel region. This may be advantageous for monitoring the interaction between cells. In yet another embodiment, different cell types are immobilized in each different region.

種々の固定化スキームに加えて、アッセイ・デザインの更なる柔軟性の中心は、チャネル内に存在する生体分子にもある。例えば、1の実施態様の場合、1つの型の生体分子が同じ濃度でそれぞれのチャネル内に存在する。別の実施態様の場合、1つの型の生体分子が異なる濃度でそれぞれのチャネル内に存在する。別の実施態様の場合、異なる型の生体分子がそれぞれのチャネル内に存在する。別の実施態様の場合、それぞれのチャネル内に生体分子の混合物がある。各チャネルは、同じ混合物又は異なる混合物を有していてよい。同じ混合物の場合、種々異なる生体分子の比又は濃度は、各チャネルにおいて異なっていてよい。   In addition to various immobilization schemes, the center of further flexibility in assay design lies in the biomolecules present in the channel. For example, in one embodiment, one type of biomolecule is present in each channel at the same concentration. In another embodiment, one type of biomolecule is present in each channel at different concentrations. In another embodiment, different types of biomolecules are present in each channel. In another embodiment, there is a mixture of biomolecules in each channel. Each channel may have the same mixture or a different mixture. For the same mixture, the ratio or concentration of different biomolecules may be different in each channel.

同様に化合物、例えば薬物又は試験物質に関しても、本発明はアッセイ・デザインの柔軟性を提供する。例えば1の実施態様の場合、単一の化合物が一貫して同じ濃度で、チャネル全てに存在する。別の実施態様の場合、同じ化合物がチャネル全てに存在するが、しかし各チャネルはその化合物を異なる濃度で有している。別の実施態様の場合、各チャネルは異なる化合物を有している。別の実施態様の場合、2種以上の化合物がある。2種以上の化合物がある場合、それぞれのチャネルは同じ化合物混合物を有することができるか、或いは異なる化合物混合物を有することができる。さらに、化合物混合物が同じ場合には、各チャネルは異なる濃度のその混合物を受容することができる。またさらに、各チャネルは、化合物の混合物を、各チャネルが互いに異なる化合物比を有する状態で受容することができる。   Similarly, for compounds such as drugs or test substances, the present invention provides flexibility in assay design. For example, in one embodiment, a single compound is present in all channels consistently at the same concentration. In another embodiment, the same compound is present in all channels, but each channel has a different concentration of that compound. In another embodiment, each channel has a different compound. In another embodiment, there are two or more compounds. If there are two or more compounds, each channel can have the same compound mixture or different compound mixtures. Furthermore, if the compound mixture is the same, each channel can receive a different concentration of the mixture. Still further, each channel can receive a mixture of compounds with each channel having a different compound ratio.

このようなアッセイ・システムを使用することにより、多数の生物学的相互作用の中から、細胞又はその他の生体分子に対する化学物質又は薬物の効果を試験することができる。例えば本発明の装置及びアッセイによって、固定化生体分子を横切るように流された、低濃度から高濃度で存在する化合物の層流勾配を用いることにより、化合物のIC50を測定することができる。   By using such an assay system, the effects of chemicals or drugs on cells or other biomolecules can be tested from among a number of biological interactions. For example, the IC50 of a compound can be measured by using a laminar flow gradient of the compound present at low to high concentrations that is flowed across the immobilized biomolecule by the apparatus and assay of the present invention.

前記から明らかになるように、本発明の新規の概念の真の思想及び範囲を逸脱することなしに、多数の改変形及び変更形を提供することができる。例えば本発明の装置の種々異なる実施態様を組み合わせることができる。本発明の実施態様は、異なるタイプのアッセイ、例えば試験薬が化学走性剤の代わりに緩衝液を含むようなアッセイを検討する。このようなアッセイの場合、チャネル領域15aを通る細胞遊走が、化学走性勾配の存在なしに観察される。   As will become apparent from the foregoing, numerous modifications and variations can be provided without departing from the true spirit and scope of the novel concepts of the present invention. For example, different embodiments of the device of the invention can be combined. Embodiments of the present invention contemplate different types of assays, such as those in which the test agent contains a buffer instead of a chemotactic agent. For such assays, cell migration through channel region 15a is observed without the presence of a chemotaxis gradient.

言うまでもなく、本発明の開示は、本発明の例示を意図するものであり、該例示は、本発明を特定の実施態様に限定するように意図するものではない。開示内容は、添付の特許請求の範囲、及びその思想に含まれる全ての改変形によって補われるものとする。   It will be appreciated that the disclosure of the present invention is intended to be illustrative of the invention, which is not intended to limit the invention to the specific embodiments. It is intended that the disclosure be supplemented by the appended claims and all modifications that come within the spirit thereof.

実施例1:化学侵襲装置の製作手順
シリコン・ウェハー(6インチ)にフォトレジスト(SU8-50)を2000rpmで45秒間にわたってスピンコートする。ウエハーを熱板上で115℃で10分間にわたってベーキングした後、ウェハーを室温まで冷ましておく。マスク・アライナー(EVG620)を使用して、フォトマスクを介してフォトレジスト・フィルムを露光する。45秒間の露光に続いて、10分間にわたって115℃でさらに硬質ベーキングを行う。シリコン・ウェハーを、30分間超にわたって室温まで冷ましておく。プロピレングリコールメチルエーテルアセテート(PGMEA)を使用して、この未架橋フォトレジストを除去する。ウェハーを窒素流下で乾燥させ、そしてパターン化されたフォトレジストは続く処理への準備が整う。
Example 1: Chemical Invasive Device Fabrication Procedure A silicon wafer (6 inches) is spin coated with photoresist (SU8-50) at 2000 rpm for 45 seconds. After the wafer is baked on a hot plate at 115 ° C. for 10 minutes, the wafer is allowed to cool to room temperature. A mask aligner (EVG620) is used to expose the photoresist film through the photomask. Following a 45 second exposure, a further hard bake is performed at 115 ° C. for 10 minutes. Allow the silicon wafer to cool to room temperature for more than 30 minutes. Propylene glycol methyl ether acetate (PGMEA) is used to remove this uncrosslinked photoresist. The wafer is dried under a stream of nitrogen and the patterned photoresist is ready for subsequent processing.

1の実施態様の場合、パターン化されたフォトレジストに、別のSU8-100層を1500rpmで45秒間にわたってスピンコートする。マスク・アライナーを使用して、上部部材のマクロ構成要件(すなわちウェル)を選択的に露光するが、しかし、ウェルを接続するチャネル領域、及び上部部材の他の領域は露光しない。露光後処理及びフォトレジスト除去の後、マスターは複数の層状構成要件を含有する。この工程を繰り返すことにより、マスター上に高さ約3mmのマクロ構成要件を導入する。   In one embodiment, the patterned photoresist is spin coated with another SU8-100 layer at 1500 rpm for 45 seconds. A mask aligner is used to selectively expose the macro features (ie, wells) of the top member, but not the channel region connecting the wells and other regions of the top member. After post-exposure processing and photoresist removal, the master contains multiple layered features. By repeating this process, a macro component of about 3mm in height is introduced on the master.

PDMSプレポリマーをマスターにキャストすると、PDMSプレポリマーはマスター内の構成要件を忠実に複製する。キャスト時には、マクロ構成要件の高さよりもわずかに低い量で、PDMSを添加する。4時間にわたって65℃でPDMSを硬化した後、PDMSをシリコン・マスターから剥離し、石けん及び水で徹底的に清浄化し、そして100%エタノールですすぐ。ガラス支持部材も清浄化してエタノールですすぐ。PDMS膜及びガラス支持部材を1分間にわたってプラズマで酸化する。この場合互いに結合される側が上を向くようにする。次いでPDMS膜をガラス支持部材上に置き、圧力を加えることにより、PDMS膜とガラス支持部材との間に形成されているおそれのあるいかなる気泡をも除去する。組み立てられた装置を次いで4℃まで冷ます。PDMS膜及びガラス支持部材をプラズマ酸化する15分間以内に、第1ウェル内に20マイクロリットル(μl)のMatrigel(その他のヒドロゲルも使用可能)を注ぎ、これを毛管内に流し込んでおく。装置を15分間にわたって室温に置くことにより、Matrigelを硬化させる。次いで、真空及びパスツール・ピペットを使用して、上部部材のウェルから余剰のゲルを除去する。   When a PDMS prepolymer is cast to a master, the PDMS prepolymer faithfully replicates the configuration requirements within the master. When casting, add PDMS in an amount slightly less than the height of the macro component. After curing PDMS at 65 ° C for 4 hours, peel the PDMS from the silicon master, thoroughly clean with soap and water, and rinse with 100% ethanol. The glass support member is also cleaned and rinsed with ethanol. The PDMS membrane and glass support member are oxidized with plasma for 1 minute. In this case, the side to be coupled to each other is directed upward. The PDMS membrane is then placed on the glass support member and pressure is applied to remove any air bubbles that may have formed between the PDMS membrane and the glass support member. The assembled device is then cooled to 4 ° C. Within 15 minutes of plasma oxidizing the PDMS membrane and glass support member, 20 microliters (μl) of Matrigel (other hydrogels can be used) are poured into the first well and allowed to flow into the capillary. Matrigel is cured by placing the apparatus at room temperature for 15 minutes. The excess gel is then removed from the top member well using a vacuum and Pasteur pipette.

実施例2:細胞化学侵襲性アッセイ
チャンバ内の細胞及び試験薬の配置
上部部材のチャンバの第1及び第2のウェルに、リン酸緩衝食塩水、PBSを満たす。第2ウェルの底部をフィブロネクチン(1mg/ml)又はその他の細胞外マトリックス・タンパク質で、30分間にわたって処理し、続いてPBSで2回洗浄することができる。PBSを吸引した後、第2ウェル内の加熱されたばかりの培地50μl中に、星状細胞腫細胞(U87-MG)を入れる(24ウェル・プレートの1ウェル当たり25,000個の細胞、1ウェル当たり容積50μlの培地)。細胞はチャンバの第2ウェルを通して堆積され、そして第2ウェルの底部に付着する。
Example 2: Cytochemical Invasion Assay Placement of Cells and Test Agents in Chamber The first and second wells of the upper member chamber are filled with phosphate buffered saline, PBS. The bottom of the second well can be treated with fibronectin (1 mg / ml) or other extracellular matrix protein for 30 minutes followed by 2 washes with PBS. After aspirating PBS, place astrocytoma cells (U87-MG) in 50 μl of freshly heated medium in the second well (25,000 cells per well in a 24-well plate, volume per well 50 μl medium). Cells are deposited through the second well of the chamber and adhere to the bottom of the second well.

37℃のインキュベータ内に一晩にわたって、細胞を放置して第2ウェル内に付着させて広げる。試験開始時、細胞培地を、血清なしの新鮮な培地と交換する。培地1ml当たり10μgのbFGF(塩基性線維芽細胞増殖因子)を各チャンバの第1ウェルに添加する。   Overnight in a 37 ° C. incubator, leave cells to attach and spread in second well. At the start of the test, the cell medium is replaced with fresh medium without serum. 10 μg bFGF (basic fibroblast growth factor) per ml of medium is added to the first well of each chamber.

画像取得及びデータ分析
AXIOCAM(登録商標)を使用して、Zeiss倒立顕微鏡でデジタル画像を撮る。AXIOVISION(登録商標)ソフトウェアでデータを分析する。低速度撮影画像を4日間にわたって同じ時間に毎日撮る。
Image acquisition and data analysis
Use AXIOCAM® to take digital images with a Zeiss inverted microscope. Analyze data with AXIOVISION® software. Take time-lapse images every day for 4 days at the same time.

実施例3:溶液勾配を使用した細胞化学侵襲性阻害アッセイ
チャンバ内の細胞及び試験薬の配置
3つのチャンバに関して、上部部材の各チャンバのウェルにPBSを満たす。第2ウェルの底部をフィブロネクチン(1mg/ml)又はその他の細胞外マトリックス・タンパク質で、30分間にわたって処理し、続いてPBSで2回洗浄することができる。PBSを吸引した後、第2ウェル内の加熱されたばかりの培地50μl中に、U87-MGを入れる(24ウェル・プレートの1ウェル当たり10,000個の細胞、1ウェル当たり容積50μlの培地)。細胞は各チャンバの第2ウェルを通して堆積され、そして第2ウェルの底部に付着する。
Example 3: Cytochemical Invasion Inhibition Assay Using Solution Gradient Placement of cells and test agents in chamber
For the three chambers, fill the wells of each chamber of the top member with PBS. The bottom of the second well can be treated with fibronectin (1 mg / ml) or other extracellular matrix protein for 30 minutes followed by 2 washes with PBS. After aspirating PBS, U87-MG is placed in 50 μl of freshly heated medium in the second well (10,000 cells per well in a 24-well plate, 50 μl medium per well). Cells are deposited through the second well of each chamber and adhere to the bottom of the second well.

37℃のインキュベータ内に一晩にわたって、細胞を放置して第2ウェル内に付着させて広げる。試験開始時、細胞培地を、血清なしの又は1%血清の新鮮な培地と交換する。培地1ml当たり1μgのbFGF(塩基性線維芽細胞増殖因子)をチャンバの第1ウェルに添加する。溶液勾配を1時間にわたって形成させておく。   Overnight in a 37 ° C. incubator, leave cells to attach and spread in second well. At the start of the test, the cell medium is replaced with fresh medium without serum or with 1% serum. 1 μg of bFGF (basic fibroblast growth factor) per ml of medium is added to the first well of the chamber. A solution gradient is allowed to form over 1 hour.

3つの異なるチャンバに関して、チャンバ#1の第2ウェル内には100μMのLY294002を入れ、チャンバ#2の第2ウェル内には10μMのLY294002を入れ、チャンバ#3の第2ウェル内には1.0μMのLY294002を入れる。   For three different chambers, place 100 μM LY294002 in the second well of chamber # 1, 10 μM LY294002 in the second well of chamber # 2, and 1.0 μM in the second well of chamber # 3 Put LY294002.

画像取得及びデータ分析
AXIOCAM(登録商標)を使用して、Zeiss倒立顕微鏡でデジタル画像を撮る。AXIOVISION(登録商標)ソフトウェアでデータを分析する。低速度撮影画像を4日間にわたって同じ時間に毎日撮る。
Image acquisition and data analysis
Use AXIOCAM® to take digital images with a Zeiss inverted microscope. Analyze data with AXIOVISION® software. Take time-lapse images every day for 4 days at the same time.

実施例4:支持部材上の生体分子の固定化
上述のような装置の組立て後、(CH3CH2O)3Si(CH2)3NH2を含有するエタノール溶液を、チャネル領域に満たす。20分後に室温で、エタノールを使用してチャネル領域を洗浄する。装置を105℃で1時間にわたってインキュベートすることにより、支持部材上に形成されたシロキサン単層を架橋する。装置をエタノールで洗浄することにより、残留物を除去する。チャネル領域に、ジイソシアネート、つまりヘキサメチレンジイソシアネート又はトリルジイソシアネートの溶液(アセトニトリル中又はN-メチルピロリジノン中1%)を満たす。ジイソシアネートを、支持部材上に形成されたシロキサン単層の末端アミノ基と2時間にわたって反応させておく。ジイソシアネートを洗い流す。チャネル領域に、ヘパラン硫酸又はその他の硫酸化炭水化物(例えばヘパリン、ヘパリン・フラグメント、硫酸化糖を含有するレクチンなどのジアセチル化形)を満たす。ヘパラン硫酸を支持部材と反応させておくことにより、固定化種を形成する。ヘパラン硫酸溶液及びその他の試薬を洗い流す。チャネル領域内にケモカイン溶液(CC, CXC, CX3C又はXC群から選択された任意のケモカインが使用可能である)を導入する。静電的相互作用によって、pIがより高い(〜9-10)ケモカインが、負荷電された硫酸化支持部材上に吸着する。
Example 4: Immobilization of biomolecules on a support member After assembling the device as described above, the channel region is filled with an ethanol solution containing (CH 3 CH 2 O) 3 Si (CH 2 ) 3 NH 2 . After 20 minutes, wash the channel region with ethanol at room temperature. The siloxane monolayer formed on the support member is crosslinked by incubating the device at 105 ° C. for 1 hour. Residues are removed by washing the apparatus with ethanol. The channel region is filled with a solution of diisocyanate, ie hexamethylene diisocyanate or tolyl diisocyanate (1% in acetonitrile or N-methylpyrrolidinone). The diisocyanate is allowed to react with the terminal amino group of the siloxane monolayer formed on the support member for 2 hours. Wash off diisocyanate. The channel region is filled with heparan sulfate or other sulfated carbohydrates (eg, diacetylated forms such as heparin, heparin fragments, lectins containing sulfated sugars). By allowing heparan sulfate to react with the support member, an immobilized species is formed. Wash away heparan sulfate solution and other reagents. A chemokine solution (any chemokine selected from CC, CXC, CX3C or XC group can be used) is introduced into the channel region. Due to electrostatic interactions, chemokines with higher pI (˜9-10) are adsorbed onto the negatively charged sulfated support members.

実施例5:表面勾配を使用した化学走性阻害アッセイ
2つのウェルに50μlのPBSを満たし、そして静水学的圧力を平衡化させておく。第1ウェルに5μlの抗hisx6抗体を添加し、そして第2ウェルに5μlの緩衝液を添加することにより、静水学的圧力を平衡化させる。拡散により、抗体濃度は第1ウェルから第2ウェルへの勾配を形成する。室温で2時間後、50μlの緩衝液を第2ウェルに添加し、そして第1ウェルから50μlを除去することにより、2つのウェルを洗浄する。物理吸着により溶液勾配を表面上に移し、これにより表面勾配を形成する。濃度25μg/mlのIL-8(HISx6融合標識を有する組換えヒトIL-8、R+D システム、カタログ番号968-IL)の溶液をチャネル領域に添加する。溶液を30分間にわたって室温でインキュベートしておく。余剰のIL-8ケモカインを洗い流し、結合されたIL-8で表面を装飾する。第2ウェルに(健康なドナーから分離されたばかりの)好中球を添加する。典型的には20,000〜100,000個の細胞を容積範囲10〜550μlで添加する。好中球を支持部材に付着させておき、そしてIL-8のより高い濃度に向かって遊走させておく。LI-8に対するポリクローナル抗体を添加することにより、遊走を阻害する。
Example 5: Chemotaxis inhibition assay using surface gradient
Two wells are filled with 50 μl PBS and the hydrostatic pressure is allowed to equilibrate. The hydrostatic pressure is equilibrated by adding 5 μl anti-hisx6 antibody to the first well and 5 μl buffer to the second well. By diffusion, the antibody concentration forms a gradient from the first well to the second well. After 2 hours at room temperature, the two wells are washed by adding 50 μl buffer to the second well and removing 50 μl from the first well. The solution gradient is transferred onto the surface by physisorption, thereby forming a surface gradient. A solution of IL-8 (recombinant human IL-8 with HISx6 fusion label, R + D system, catalog number 968-IL) at a concentration of 25 μg / ml is added to the channel region. Incubate the solution for 30 minutes at room temperature. Wash off excess IL-8 chemokine and decorate the surface with bound IL-8. Add neutrophils (just separated from healthy donors) to the second well. Typically, 20,000-100,000 cells are added in a volume range of 10-550 μl. Neutrophils are allowed to adhere to the support member and allowed to migrate toward higher concentrations of IL-8. Migration is inhibited by adding a polyclonal antibody against LI-8.

実施例6:層流により形成された勾配中にTNF-αを供給することによる、内皮細胞の選択的活性化
本発明の装置の表面に、内皮細胞をコーティングし、これらの細胞を密集するまで成長させておいた(細胞の「芝生」の形成)。層流を介して内皮細胞の芝生にTNF-αを供給することにより、内皮細胞を「活性化」した。TNF-αを含有する溶液のそれぞれの流れは異なる濃度であり、したがってチャネルに対して垂直に勾配を形成した。この勾配は内皮細胞の芝生にTNF-αを、細胞の芝生上の異なる位置には異なる濃度で効果的に供給した。次いで、活性化された内皮細胞の芝生上に白血球を流した。TNF-αによって活性化された内皮細胞だけが、白血球に対する好適な「付着」部位を提供する。白血球は、芝生全体に同等に付着することはなく、高濃度のTNF-αに露出されている内皮細胞芝生領域には付着し、低濃度のTNF-αに露出されている内皮細胞芝生領域、又はTNF-αに全く露出されていない領域には付着しなかった。これらの結果は、層流によるTNF-αの濃度勾配が確かに形成されたことを示す。図21を参照されたい。
Example 6: Selective activation of endothelial cells by feeding TNF-α into a gradient formed by laminar flow Until the surface of the device of the present invention is coated with endothelial cells and these cells are confluent Allowed to grow (formation of “lawn” of cells). Endothelial cells were “activated” by supplying TNF-α to the endothelial cell lawn via laminar flow. Each flow of the solution containing TNF-α was at a different concentration, thus forming a gradient perpendicular to the channel. This gradient effectively supplied TNF-α to the endothelial cell lawn at different concentrations on the cell lawn at different concentrations. The leukocytes were then flushed onto the activated endothelial cell lawn. Only endothelial cells activated by TNF-α provide a suitable “attachment” site for leukocytes. White blood cells do not adhere equally to the entire lawn, adhere to the endothelial cell lawn area exposed to high concentrations of TNF-α, and the endothelial cell lawn area exposed to low concentrations of TNF-α, Or it did not adhere to the region which was not exposed to TNF-α at all. These results indicate that a concentration gradient of TNF-α due to laminar flow was indeed formed. See FIG.

本発明の種々の特徴は、下記説明と添付の図面とを同時に参照することにより最も明らかになる。
図1Aは、本発明による試験装置の1の実施態様の一部を部分横断面にして示す、頂面斜視図である。 図1Bは、本発明の試験装置の1の実施態様を示す頂面斜視図である。 図1Cは、図1Bの試験装置のチャンバの1つを長手方向に横断面にして示す側方立面図である。 図2Aは、本発明の試験装置において定義されたチャンバの別の実施態様であって、チャネル領域が単一のチャネルを画定する実施態様を示す概略的な頂面図である。 図2Bは、図1Bに基づく試験装置の実施態様において定義されたチャンバの実施態様であって、チャネル領域が単一のチャネルを画定する実施態様を示す概略的な頂面図である。 図2Cは、本発明の試験装置において定義されたチャンバの別の実施態様であって、チャネル領域が単一のチャネルを画定する実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図3Aは、本発明の試験装置において定義されたチャンバの別の実施態様であって、チャネル領域が同一の長さを有する複数のチャネルを画定する実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図3Bは、チャンバの一方の側からチャンバの他方の側に向かって長さが増大する複数のチャネルを画定するチャネル領域を示す、図3Aと同様の図である。 図3Cは、チャンバの一方の側からチャンバの他方の側に向かって幅が増大する複数のチャネルを画定するチャネル領域を示す、図3Aと同様の図である。 図4Aは、本発明による試験装置の別の実施態様を示す、図1Bと同様の図である。 図4Bは、チャネルの側方の細胞を示す、図4Aのチャネルの拡大概略頂面図である。 図5は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、ウェルがその頂面図では台形である実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図6は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、ウェルがその頂面図では台形である実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図7は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、チャンバがその頂面図では図8の形状を成す実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図8は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、一方のウェルがその頂面図では矩形であり、他方のウェルがその頂面図では円形である実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図9は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、第1ウェル領域及び第2ウェル領域がそれぞれ複数のウェルを画定し、チャネル領域がそれぞれのウェル領域の各ウェルを接続する複数のチャネルを画定する実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図10は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、チャネル領域がそれぞれのウェル領域の各ウェルを接続する複数のチャネルを画定する実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図11は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、第1ウェル領域が複数のウェルと、それぞれのウェルに対応する各毛管とを有し、チャネル領域が単一のチャネルを有し、そして第2ウェル領域が単一のウェルを有する実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図12は、本発明による支持部材の一部の実施態様であって、この支持部材部分を本発明に基づくチャンバの長手方向軸に沿って示す、側方横断面図である。 図13は、本発明の1の実施態様に基づく捕集システムを示す等角図である。 図14は、本発明の試験装置において画定されたチャンバの別の実施態様であって、第1ウェル領域が毛管網状構造によって相互接続された複数のウェルを含み、該チャネル領域が単一のチャネルを含み、そして第2ウェルが単一のウェルを含む実施態様を示す、図2Aと同様の図である。 図15は、本発明の1の実施態様に基づく自動分析システムを示すブロック線図である。 図16は、本発明の1の実施態様に基づく方法のフローチャートである。 図17は、画像データ例であって、これに基づいて図16の方法を実施することができる例を示す図である。 図18は、図17の画像データから得ることができるヒストグラムを示す図である。 図19は、画像データ例を示す図である。 図20は、図19の画像データ例から得ることができるヒストグラムを示す図である。 図21は、TNF-αの濃度勾配を層流を介して生成することを含む試験の結果を示す図である。TNF-αは内皮細胞の密集した「芝生」に供給された。TNF-αによって接触された内皮細胞は活性化され、ひいては白血球と結合可能になる。次いで内皮細胞には白血球が送達された。図面に示すように、白血球は、高濃度のTNF-αを受容する内皮細胞領域には結合されるのに対して、TNF-αに全く又はほとんど露出されない内皮細胞領域は、白血球には結合しなかった。 図22は、層流勾配を形成するためのミクロ流体装置を示す図である。
The various features of the present invention will become most apparent from the following description and the accompanying drawings.
FIG. 1A is a top perspective view showing in partial cross section a portion of one embodiment of a test apparatus according to the present invention. FIG. 1B is a top perspective view showing one embodiment of the test apparatus of the present invention. FIG. 1C is a side elevation view showing one of the chambers of the test apparatus of FIG. 1B in cross-section in the longitudinal direction. FIG. 2A is a schematic top view showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the channel region defines a single channel. FIG. 2B is a schematic top view showing an embodiment of the chamber defined in the embodiment of the test apparatus according to FIG. 1B, wherein the channel region defines a single channel. FIG. 2C is a view similar to FIG. 2A showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the channel region defines a single channel. FIG. 3A is a view similar to FIG. 2A showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the channel region defines a plurality of channels having the same length. is there. FIG. 3B is a view similar to FIG. 3A showing a channel region defining a plurality of channels that increase in length from one side of the chamber toward the other side of the chamber. FIG. 3C is a view similar to FIG. 3A showing a channel region defining a plurality of channels that increase in width from one side of the chamber toward the other side of the chamber. FIG. 4A is a view similar to FIG. 1B, showing another embodiment of a test apparatus according to the present invention. FIG. 4B is an enlarged schematic top view of the channel of FIG. 4A showing the cells lateral to the channel. FIG. 5 is a view similar to FIG. 2A showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the well is trapezoidal in its top view. FIG. 6 is a view similar to FIG. 2A showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the well is trapezoidal in its top view. FIG. 7 is a view similar to FIG. 2A, showing another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the chamber has the shape of FIG. 8 in its top view. FIG. 8 is another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein one well is rectangular in its top view and the other well is circular in its top view. FIG. 2B is a view similar to FIG. 2A. FIG. 9 is another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, in which the first well region and the second well region each define a plurality of wells, and the channel region corresponds to each of the well regions. FIG. 2B is a view similar to FIG. 2A showing an embodiment defining a plurality of channels connecting the wells. FIG. 10 shows another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the channel region defines a plurality of channels connecting each well of each well region, It is the same figure. FIG. 11 shows another embodiment of the chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the first well region has a plurality of wells and capillaries corresponding to the respective wells, and the channel region is a single one. FIG. 2B is a view similar to FIG. 2A showing an embodiment having one channel and the second well region having a single well. FIG. 12 is a side cross-sectional view of a part of a support member according to the invention, the support member part being shown along the longitudinal axis of a chamber according to the invention. FIG. 13 is an isometric view showing a collection system according to one embodiment of the present invention. FIG. 14 is another embodiment of a chamber defined in the test apparatus of the present invention, wherein the first well region includes a plurality of wells interconnected by a capillary network, and the channel region is a single channel. FIG. 2B is a view similar to FIG. 2A, showing an embodiment in which the second well comprises a single well. FIG. 15 is a block diagram showing an automatic analysis system according to one embodiment of the present invention. FIG. 16 is a flowchart of a method according to one embodiment of the present invention. FIG. 17 is an example of image data, and shows an example in which the method of FIG. 16 can be implemented based on this. FIG. 18 is a diagram showing a histogram that can be obtained from the image data of FIG. FIG. 19 is a diagram illustrating an example of image data. FIG. 20 is a diagram showing a histogram that can be obtained from the image data example of FIG. FIG. 21 is a diagram showing the results of a test including generating a TNF-α concentration gradient via laminar flow. TNF-α was supplied to a dense “lawn” of endothelial cells. Endothelial cells that have been contacted by TNF-α are activated and can thus bind to leukocytes. The endothelial cells were then delivered leukocytes. As shown in the figure, leukocytes are bound to endothelial cell regions that receive high concentrations of TNF-α, whereas endothelial cell regions that are not or hardly exposed to TNF-α bind to leukocytes. There wasn't. FIG. 22 shows a microfluidic device for creating a laminar flow gradient.

Claims (25)

化学走性又は化学侵襲性をモニタリングする方法であって、
ハウジングを含む装置であって、該ハウジング中にある複数のチャンバのそれぞれが
1つ以上の第1ウェルを含む第1ウェル領域と;
1つ以上の第2ウェルを含む第2ウェル領域と;
該第1ウェル領域と該第2ウェル領域とを互いに接続する1つ以上のチャネルを含むチャネル領域と
を含み、該ハウジングが該複数のチャンバを画定している、前記装置を準備し;
該1つ以上の第1ウェル又は該1つ以上のチャネル内に1つ以上の可溶性試験物質を導入し;
該チャンバの長手方向軸に沿って動的溶液濃度勾配を形成し;
該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入し;そして
該細胞の化学走性又は化学侵襲性をモニタリングすること
を含むことを特徴とする、化学走性又は化学侵襲性をモニタリングする方法。
A method for monitoring chemotaxis or chemical invasiveness, comprising:
An apparatus including a housing, wherein each of a plurality of chambers in the housing
A first well region comprising one or more first wells;
A second well region comprising one or more second wells;
Providing the apparatus comprising a channel region including one or more channels connecting the first well region and the second well region to each other, the housing defining the plurality of chambers;
Introducing one or more soluble test substances into the one or more first wells or the one or more channels;
Creating a dynamic solution concentration gradient along the longitudinal axis of the chamber;
Chemotaxis or chemistry comprising introducing cells into the one or more second wells or the one or more channels; and monitoring chemotaxis or chemoinvasiveness of the cells How to monitor invasiveness.
該1つ以上のチャネルがゲル・マトリックスを含有する、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein the one or more channels contain a gel matrix. 動的溶液濃度勾配の形成が:
該複数のチャンバのうちの1つ以上のチャンバ内に、第1物質の第1濃度を有する第1流体流を導入し;そして
該複数のチャンバのうちの1つ以上のチャンバ内に、第2物質の第2濃度を有する第2流体流を導入すること
を含み、ここで、該第1濃度と該第2濃度とが互いに異なる、請求項1に記載の方法。
Formation of dynamic solution concentration gradient:
Introducing a first fluid stream having a first concentration of a first substance into one or more chambers of the plurality of chambers; and a second fluid into one or more chambers of the plurality of chambers. The method of claim 1, comprising introducing a second fluid stream having a second concentration of material, wherein the first concentration and the second concentration are different from each other.
該第1物質と該第2物質とが同じである、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the first material and the second material are the same. 該第1物質と該第2物質とが異なる、請求項3に記載の方法。   4. The method of claim 3, wherein the first material and the second material are different. 該第1流体流と該第2流体流とが合流して、該複数のチャンバのうちの1つ以上と流体連通する単一の第3流体流となり、該第3流体流が該第1及び第2物質の濃度勾配を含み、該濃度勾配が、該第3流体流の流動方向に対して実質的に垂直である、請求項3に記載の方法。   The first fluid stream and the second fluid stream merge to form a single third fluid stream in fluid communication with one or more of the plurality of chambers, wherein the third fluid stream is the first and 4. The method of claim 3, comprising a second material concentration gradient, wherein the concentration gradient is substantially perpendicular to the flow direction of the third fluid stream. 該第1流体流と該第2流体流とが合流して単一の第3流体流となり、該第3流体流が次いで分岐して、別個の第4、第5及び第6流体流になり、該第4、第5及び第6流体流が次いで再び合流して単一の第7流体流となり、該単一の第7流体流は、実質的に層流の条件下で、該複数のチャンバのうちの1つ以上と流体連通する、請求項3に記載の方法。   The first fluid stream and the second fluid stream merge to form a single third fluid stream, and the third fluid stream then diverges into separate fourth, fifth, and sixth fluid streams. The fourth, fifth and sixth fluid streams are then recombined into a single seventh fluid stream, wherein the single seventh fluid stream is substantially laminar under the plurality of conditions. 4. The method of claim 3, wherein the method is in fluid communication with one or more of the chambers. 該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該チャンバの長手方向軸に沿って、該1つ以上のチャネル上に細胞をパターン化することを含み、そして、該1つ以上の第1ウェル又は該1つ以上のチャネル内に可溶性試験物質を導入することが、層流によって、該1つ以上のチャネル内に可溶性試験物質を導入することを含む、請求項1に記載の方法。   Introducing the cells into the one or more second wells or the one or more channels includes patterning the cells on the one or more channels along the longitudinal axis of the chamber. And introducing the soluble test substance into the one or more first wells or the one or more channels comprises introducing the soluble test substance into the one or more channels by laminar flow The method of claim 1. 該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該1つ以上のチャネル内に単一の細胞型を配置することを含む、請求項1に記載の方法。   The method of claim 1, wherein introducing cells into the one or more second wells or the one or more channels comprises placing a single cell type within the one or more channels. Method. 該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該1つ以上のチャネル内に複数の細胞型の混合物を配置することを含む、請求項1に記載の方法。   2. The introducing of cells into the one or more second wells or the one or more channels comprises placing a mixture of multiple cell types within the one or more channels. the method of. 該1つ以上のチャネルが複数のチャネルであり、そして該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、異なる細胞型を導入することを含む、請求項1に記載の方法。   Introducing the cell into the one or more second wells or the one or more channels, wherein each of the plurality of channels has a different cell type; The method of claim 1, comprising introducing. 該複数のチャネルのそれぞれに異なる細胞型を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに異なる細胞型を異なる濃度で導入することを含む、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein introducing different cell types into each of the plurality of channels comprises introducing different cell types into each of the plurality of channels at different concentrations. 該複数のチャネルのそれぞれに異なる細胞型を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに異なる細胞型を同じ濃度で導入することを含む、請求項11に記載の方法。   12. The method of claim 11, wherein introducing different cell types into each of the plurality of channels comprises introducing different cell types into each of the plurality of channels at the same concentration. 該1つ以上のチャネルが複数のチャネルであり、そして該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに単一の細胞型を導入することを含む、請求項1に記載の方法。   Introducing the cells into the one or more second wells or the one or more channels is a single cell type for each of the plurality of channels, wherein the one or more channels are a plurality of channels; The method of claim 1 comprising introducing: 該複数のチャネルのそれぞれに単一の細胞型を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに該単一の細胞型を異なる濃度で導入することを含む、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein introducing a single cell type into each of the plurality of channels comprises introducing the single cell type into each of the plurality of channels at different concentrations. 該複数のチャネルのそれぞれに単一の細胞型を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに該単一の細胞型を同じ濃度で導入することを含む、請求項14に記載の方法。   15. The method of claim 14, wherein introducing a single cell type into each of the plurality of channels comprises introducing the single cell type into each of the plurality of channels at the same concentration. 該1つ以上のチャネルが複数のチャネルであり、そして該1つ以上の第2ウェル又は該1つ以上のチャネル内に細胞を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、細胞の混合物を導入することを含む、請求項1に記載の方法。   Introducing the cells into the one or more second wells or the one or more channels, wherein the one or more channels are a plurality of channels, The method of claim 1, comprising introducing. 該複数のチャネルのそれぞれに該細胞混合物を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、同じ細胞混合物又は異なる細胞混合物を導入することを含む、請求項17に記載の方法。   18. The method of claim 17, wherein introducing the cell mixture into each of the plurality of channels comprises introducing the same cell mixture or a different cell mixture into each of the plurality of channels. 該1つ以上のチャネルが複数のチャネルであり、該1つ以上の可溶性試験物質が複数の試験物質であり、そして該1つ以上の第1ウェル又は該1つ以上のチャネル内に該1つ以上の可溶性試験物質を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の試験物質の異なる物質を導入することを含む、請求項1に記載の方法。   The one or more channels are a plurality of channels, the one or more soluble test substances are a plurality of test substances, and the one or more channels in the one or more first wells or the one or more channels 2. The method of claim 1, wherein introducing the soluble test substance includes introducing a different substance of the plurality of test substances into each of the plurality of channels. 該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の試験物質の異なる物質を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の試験物質の異なる物質を異なる濃度で導入することを含む、請求項19に記載の方法。   The introduction of different substances of the plurality of test substances into each of the plurality of channels comprises introducing different substances of the plurality of test substances into each of the plurality of channels at different concentrations. 19. The method according to 19. 該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の試験物質の異なる物質を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の試験物質の異なる物質を同じ濃度で導入することを含む、請求項19に記載の方法。   The introduction of different substances of the plurality of test substances into each of the plurality of channels comprises introducing different substances of the plurality of test substances into each of the plurality of channels at the same concentration. 19. The method according to 19. 該1つ以上のチャネルが複数のチャネルであり、該1つ以上の可溶性試験物質が複数の同じ可溶性試験物質であり、そして該1つ以上の第1ウェル又は該1つ以上のチャネル内に該1つ以上の可溶性試験物質を導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに、該複数の同じ試験物質の1つを導入することを含む、請求項1に記載の方法。   The one or more channels are a plurality of channels, the one or more soluble test substances are a plurality of the same soluble test substances, and the one or more first wells or the one or more channels in the one or more channels The method of claim 1, wherein introducing one or more soluble test substances comprises introducing one of the plurality of the same test substances into each of the plurality of channels. 該複数のチャネルのそれぞれに該複数の同じ可溶性試験物質の1つを導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに該複数の同じ可溶性試験物質の1つを異なる濃度で導入することを含む、請求項22に記載の方法。   Introducing one of the plurality of the same soluble test substances into each of the plurality of channels comprises introducing one of the plurality of the same soluble test substances into each of the plurality of channels at different concentrations; 23. A method according to claim 22. 該複数のチャネルのそれぞれに該複数の同じ可溶性試験物質の1つを導入することが、該複数のチャネルのそれぞれに該複数の同じ可溶性試験物質の1つを同じ濃度で導入することを含む、請求項22に記載の方法。   Introducing one of the plurality of the same soluble test substances into each of the plurality of channels comprises introducing one of the plurality of the same soluble test substances into each of the plurality of channels at the same concentration; 23. A method according to claim 22. 該ハウジングが支持部材と上部部材とを含み、該上部部材は、該支持部材と実質的に流体密に共形接触するように配置されることにより、該支持部材に取り付けられている、請求項1に記載の方法。   The housing includes a support member and an upper member, the upper member being attached to the support member by being disposed in substantially fluid-tight conformal contact with the support member. The method according to 1.
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