JP2008539787A - Pharmacokinetic-based culture system with biological barrier - Google Patents

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Abstract

マイクロスケール薬物動態のためのシステムおよび方法が開示される。様々な臓器およびそれらの薬物化合物との相互作用は、マイクロスケールのチャネルによって相互接続され得るマイクロスケールのコンパートメント(3722、3734、3744)を使用することによって、in vitroでシミュレートされ得る。臓器と関連付けられた細胞および細胞材料は、1つ以上の流体流れ中の薬物化合物との相互作用を可能にするために、そのようなコンパートメント内で培養されることができる。そのような流体系は、例として、消化液の流れ、血流、胆汁流、尿流、および脳液の流れを含んでよい。流体系間の相互作用は、マイクロスケール透過性部材(3430)によってシミュレートされ得る。Systems and methods for microscale pharmacokinetics are disclosed. The interaction of various organs and their drug compounds can be simulated in vitro by using microscale compartments (3722, 3734, 3744) that can be interconnected by microscale channels. Cells and cellular materials associated with the organ can be cultured in such compartments to allow interaction with drug compounds in one or more fluid streams. Such fluid systems may include, for example, digestive fluid flow, blood flow, bile flow, urine flow, and brain fluid flow. Interactions between fluid systems can be simulated by a microscale permeable member (3430).

Description

関連出願および優先権の請求
本出願は、「DEVICES AND METHODS FOR PHARMACOKINETIC−BASED CELL CULTURE SYSTEM」という名称の、2002年4月25日に出願された米国特許出願第10/133、977号の一部継続であり、該米国特許出願は、2001年4月25日に出願された米国仮特許出願第60/286、493号の利益を請求し、本出願は、また「MICROSCALE,IN VITRO, CELL CULTURE DEVICE WITH A MICROPOROUS SURFACE THAT MIMICS PHYSIOLOGICAL PARAMETERS」という名称の、2005年5月18日に出願された米国仮特許出願第60/682,131号の利益を請求する。
RELATED APPLICATIONS AND PRIORITY REQUESTS This application is part of US patent application Ser. No. 10 / 133,977 filed Apr. 25, 2002, entitled “DEVICES AND METHODS FOR PHARMOCOKINETIC-BASED CELL CURRENT SYSTEM”. This US patent application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 60 / 286,493, filed April 25, 2001, and this application is also referred to as “MICROSCALE, IN VITRO, CELL COLLTURE. Benefits of US Provisional Patent Application No. 60 / 682,131, filed May 18, 2005, entitled "DEVICE WITH A MICROPOROUS SURFACE THAT MIMICS PHYSIOLOGICAL PARAMETERS" Claims.

政府の権利に関する記述
本明細書における開示の少なくとも一部は、航空宇宙局(NASA)の認可番号第NAG8‐1372号の下に、少なくとも一部支援されたものである。米国政府は、一定の権利を有し得る。
Government Rights Statement At least a portion of the disclosure herein is at least partially supported by NASA grant number NAG8-1377. The US government may have certain rights.

発明の背景
技術分野
本開示は、細胞培養技術に関し、より具体的には、薬物動態学的研究のためにマイクロスケールレベルで流体系間の相互作用を促進するためのシステムおよび方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present disclosure relates to cell culture technology, and more specifically to systems and methods for promoting interactions between fluid systems at the microscale level for pharmacokinetic studies.

関連技術の説明
薬物動態は、医薬およびその他の生物活性化合物が生体内に導入された時刻からそれらが排出されるまでの運命の研究である。例えば、経口薬に関する一連の事象は、様々な粘膜面による吸収、血流を介した様々な組織への分布、肝臓およびその他の組織における生体内変化、標的部位での作用、ならびに、尿または胆汁中への薬物または代謝産物の排出を含み得る。薬物動態は、生物系内での化合物の代謝にアプローチする合理的手段を提供する。薬物動態の方程式およびモデルの概説については、例えば、非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3、非特許文献4、非特許文献5、および非特許文献6を参照されたい。
Description of Related Art Pharmacokinetics is a study of the fate from the time when drugs and other bioactive compounds are introduced into the body until they are excreted. For example, a series of events related to oral drugs include absorption by various mucosal surfaces, distribution to various tissues through the bloodstream, biotransformation in the liver and other tissues, effects at target sites, and urine or bile It may include excretion of drugs or metabolites into. Pharmacokinetics provides a reasonable means of approaching the metabolism of compounds within biological systems. See, for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3, Non-Patent Document 4, Non-Patent Document 5, and Non-Patent Document 6 for an overview of pharmacokinetic equations and models.

薬物、環境、栄養学、消費者製品安全性、および毒物学の研究において研究者らが直面している根本的課題の1つは、in vitro細胞培養アッセイから動物への、代謝データおよびリスク評価の外挿である。適切な薬物動態原理の応用によっていくつかの結論が引き出され得るが、依然として実質的な制限がある。1つの懸案事項は、現在のスクリーニングアッセイが、自然環境では自己の機能を複製しない条件下の細胞を利用することである。循環流、その他の組織との相互作用、および生理反応と関連付けられたその他のパラメータは、標準的な細胞培養フォーマットでは見られない。例えば、マイクロスケール細胞培養アナログ(Cell Culture Analog;CCA)システムにおいて、細胞はチャンバの底部で成長する。これらのシステムは非生理的な高い液体対細胞比を有し、且つ細胞型の非現実的な比(例えば、肝臓対肺細胞の比)を有する。マイクロスケールCCAシステムの変形形態において、細胞はマイクロキャリアビーズ上で成長する。これらのシステムは、生理的状態に酷似しているが、予測的研究のために十分正確な生理的状態を模倣するものではないため、依然として不完全である。したがって、結果として生じるアッセイデータは、動物に見られ得る薬物または毒物曝露のパターンに基づくものではない。   One of the fundamental challenges faced by researchers in drug, environment, nutrition, consumer product safety, and toxicology research is metabolic data and risk assessment from in vitro cell culture assays to animals. Is an extrapolation. Although some conclusions can be drawn by application of appropriate pharmacokinetic principles, there are still substantial limitations. One concern is that current screening assays utilize cells under conditions that do not replicate their function in the natural environment. Circulating flow, other tissue interactions, and other parameters associated with physiological responses are not found in standard cell culture formats. For example, in a Microscale Cell Culture Analog (CCA) system, cells grow at the bottom of the chamber. These systems have a high non-physiological fluid-to-cell ratio and have an unrealistic ratio of cell types (eg, liver to lung cell ratio). In a variation of the microscale CCA system, cells are grown on microcarrier beads. These systems closely resemble physiological conditions, but are still imperfect because they do not mimic physiological conditions that are accurate enough for predictive studies. Thus, the resulting assay data is not based on the pattern of drug or toxic exposure that can be found in animals.

生物内においては、濃度、時間、および代謝が相互作用して薬理反応または毒性反応の強度および持続時間に影響を及ぼす。例えば、in vivoにおける肝機能の存在は、薬物代謝およびバイオアベイラビリティに強く影響を及ぼす。肝臓による実薬の排出は、生体内変化および排泄によって発生する。生体内変化反応は、多くの化学的に多様な薬物を形質転換させるチトクロームP450酵素によって触媒される反応を含む。生体内変化の第2段階では、腎臓による水溶性および排出速度を増加させるために、グルタチオン、グルクロン酸、または硫酸塩等の親水基を添加することができる。   Within an organism, concentration, time, and metabolism interact to affect the strength and duration of a pharmacological or toxic response. For example, the presence of liver function in vivo strongly affects drug metabolism and bioavailability. The excretion of the active drug by the liver occurs due to biotransformation and excretion. Biotransformation reactions include reactions catalyzed by cytochrome P450 enzymes that transform many chemically diverse drugs. In the second stage of biotransformation, hydrophilic groups such as glutathione, glucuronic acid, or sulfate can be added to increase water solubility and excretion rate by the kidney.

生体内変化は有益であり得るが、望ましくない結果を有する場合もある。毒性は、化合物と有機体との間の複合体相互作用に由来する。生体内変化のプロセス中に、結果として生じる代謝産物は、親化合物よりも有毒となり得る。毒性スクリーニングのために多くの人々に使用されている単一細胞アッセイには、これらの複合細胞間および組織間効果がない。   Biotransformation can be beneficial but can have undesirable consequences. Toxicity stems from complex interactions between compounds and organisms. During the biotransformation process, the resulting metabolites can be more toxic than the parent compound. The single cell assays used by many people for toxicology screening lack these intercellular and interstitial effects.

その結果、潜在的医薬に対するヒトの反応性の正確な予測は困難であり、多くの場合信頼性に欠け、且つ常に高価である。ヒトの反応を予測する従来の方法では、代用物―通常は、静的均質in vitro細胞培養アッセイまたはin vivo動物実験―を利用する。in vitro細胞培養アッセイは、薬物候補がヒト体内に晒されているためにヒトのリスクを正確に予測することができない複雑な環境を正確に模倣しないことから、価値が限られている。同様に、in vivo動物試験は、in vitro細胞ベースのアッセイからは観察されないこれらの複合細胞間および組織間効果を明らかにすることができるが、in vivo動物実験は極めて高価で、大きな労働力を要し、時間がかかり、また、多くの場合、結果は、ヒトのリスクと相関する場合、妥当性が疑わしいものである。   As a result, accurate prediction of human responsiveness to potential drugs is difficult, often unreliable and always expensive. Traditional methods for predicting human response utilize surrogates—usually static homogeneous in vitro cell culture assays or in vivo animal experiments. In vitro cell culture assays are of limited value because they do not accurately mimic the complex environment in which drug candidates are exposed to the human body and cannot accurately predict human risk. Similarly, in vivo animal studies can reveal these complex cell-to-tissue effects that are not observed from in vitro cell-based assays, but in vivo animal experiments are extremely expensive and labor intensive It takes time, and often the results are questionable if they correlate with human risk.

Shulerらにより発表された特許文献1は、マルチコンパートメント細胞培養システムについて記載している。この培養システムは、培養チャンバ、センサ、およびポンプ等の大きな構成要素を使用し、当該構成要素には、大量の培地、細胞、および試験化合物の使用が必要である。このシステムは、動作するのに極めて高額な費用がかかり、動作するための多大な空間を必要とする。このシステムはそのような大規模なものであるため、生理的パラメータはin vivo状況で見られるものとは大幅に異なる。そのような大規模で生理的に現実的な状態を正確に生成することは不可能である。   U.S. Patent No. 6,053,028 published by Shuler et al. Describes a multi-compartment cell culture system. This culture system uses large components such as culture chambers, sensors, and pumps, which require the use of large amounts of media, cells, and test compounds. This system is very expensive to operate and requires a lot of space to operate. Because this system is such a large scale, the physiological parameters are significantly different from those seen in an in vivo situation. It is impossible to accurately generate such a large-scale physiologically realistic state.

in vivoでの毒性および臨床薬物性能の、より優れた、速い、効率的な予測を提供することができるマイクロスケールスクリーニングアッセイおよびデバイスの開発は、多くの分野で大きな関心を寄せられており、本発明で取り組んでいるものである。そのようなマイクロスケールデバイスは、生理的に現実的なパラメータを正確に産生し、試験されている望ましいin vivoシステムをより厳密に真似るであろう。
米国特許第5,612,188号明細書 PoulinおよびTheil J Pharm Sci.(2000年)89(1):16〜35 Slobら Crit Rev Toxicol.(1997年)27(3):261〜72 Haddadら Toxicol Lett.(1996年)85(2):113〜26 Hoang Toxicol Lett.(1995年)79(l−3):99〜106 Knaakら Toxicol Lett.(1995年)79(l〜3):87〜98 BallおよびSchwartz Comput Biol Med.(1994年)24(4):269〜76
The development of microscale screening assays and devices that can provide better, faster, and more efficient predictions of in vivo toxicity and clinical drug performance has been of great interest in many areas. It is something we are working on with the invention. Such a microscale device will accurately produce physiologically realistic parameters and will more closely mimic the desired in vivo system being tested.
US Pat. No. 5,612,188 Paulin and Theil J Pharm Sci. (2000) 89 (1): 16-35 Slob et al. Crit Rev Toxicol. (1997) 27 (3): 261-72 Haddad et al. Toxicol Lett. (1996) 85 (2): 113-26. Hoang Toxicol Lett. (1995) 79 (l-3): 99-106 Knak et al. Toxicol Lett. (1995) 79 (l-3): 87-98 Ball and Schwartz Comput Biol Med. (1994) 24 (4): 269-76.

発明の開示
in vitro細胞培養におけるデバイスと、マイクロスケール細胞培養アナログ(Cell Culture Analog;CCA)デバイスのための方法が提供される。本発明のデバイスは、in vivoで見られるものと同様の薬物動態パラメータ値を持つ条件下において、細胞がin vitroで維持されることを可能にする。所望の薬物動態パラメータは、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、臓器の相対的サイズ、細胞による代謝、せん断応力等を含む。細胞の自然状態を模倣する薬物動態ベースの培養システムを提供することにより、スクリーニングおよび毒性アッセイの予測値およびin vivo妥当性が強化される。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Devices are provided for devices in in vitro cell culture and for microscale cell culture analog (CCA) devices. The device of the present invention allows cells to be maintained in vitro under conditions having pharmacokinetic parameter values similar to those seen in vivo. Desired pharmacokinetic parameters include cell-cell interaction, fluid residence time, fluid-to-cell ratio, relative organ size, cellular metabolism, shear stress, and the like. Providing a pharmacokinetic-based culture system that mimics the natural state of cells enhances the predictive value and in vivo validity of screening and toxicity assays.

マイクロスケール培養デバイスは、別個ではあるが相互接続したチャンバ内に隔離されたチャネルの流体ネットワークを備える。特定のチャンバ表面形状は、対応する細胞、組織、または臓器にin vivoで見られるものと相互作用する細胞相互作用、液体流量、および液体滞留パラメータを提供するように設計される。流体工学は、循環系またはリンパ系の本源的要素を正確に表すように設計される。一実施形態において、これらの構成要素は、チップフォーマットに組み込まれる。これらの表面形状の設計およびバリデーションは、生理学的薬物動力学(Physiological‐Based PharmacoKinetic;PBPK)モデル;異なる組織を表す相互接続したコンパートメントとして生体を表す数学モデルに基づいている。   The microscale culture device comprises a fluid network of channels isolated in separate but interconnected chambers. The particular chamber surface shape is designed to provide cell interactions, fluid flow rates, and fluid retention parameters that interact with those found in vivo in the corresponding cells, tissues, or organs. Fluid engineering is designed to accurately represent the essential elements of the circulatory or lymphatic system. In one embodiment, these components are incorporated into a chip format. The design and validation of these surface shapes is based on a Physiological-Based PharmacoKinetic (PBPK) model; a mathematical model that represents the organism as interconnected compartments representing different tissues.

デバイスは、各培養チャンバについて適切な細胞を撒かれ得る。例えば、肝臓の薬物動態パラメータを提供するように設計されるチャンバは、肝細胞が撒かれており、脂肪細胞の薬物動態を提供するように設計されるチャンバ内に撒かれた含脂肪細胞と流体連通していてよい。結果として、薬物動態ベースの細胞培養システムは、例えば、モデルになっている動物の、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間を正確に表す。   The device can be seeded with the appropriate cells for each culture chamber. For example, a chamber designed to provide hepatic pharmacokinetic parameters, where hepatocytes are seeded, and adipocytes and fluid seeded in a chamber designed to provide adipocyte pharmacokinetics You may communicate. As a result, pharmacokinetic-based cell culture systems accurately represent, for example, the tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time of the model animal.

一実施形態において、システムは、第1のマイクロスケール培養デバイスと、制御機器とを含む。第1のマイクロスケール培養デバイスは、培地との複数のin vivo相互作用をシミュレートする表面形状を持つ複数のマイクロスケールチャンバを有し、各チャンバは、培地の流れのための入り口および出口、ならびに、チャンバ間を相互接続するマイクロ流体チャネルを含む。制御機器は、第1のマイクロスケール培養デバイスに連結され、当該第1のマイクロスケール培養デバイスからデータを取得し、その薬物動態パラメータを制御するためのコンピュータを含む。   In one embodiment, the system includes a first microscale culture device and a control instrument. The first microscale culture device has a plurality of microscale chambers with surface shapes that simulate a plurality of in vivo interactions with the medium, each chamber having an inlet and an outlet for the flow of the medium, and Microfluidic channels interconnecting the chambers. The control device is coupled to the first microscale culture device and includes a computer for obtaining data from the first microscale culture device and controlling its pharmacokinetic parameters.

別の実施形態において、コンピュータは、マイクロプロセッサと、汎用メモリと、不揮発性記憶素子と、1つ以上のセンサを有するマイクロスケール培養デバイスとのインタフェースを含む入出力インタフェースと、コンピュータソフトウェアとを含む。当該コンピュータソフトウェアは、マイクロスケール培養デバイスの複数のチャンバ内での生理的事象を計測するためにセンサからのデータを分析し、マイクロスケール培養デバイスのチャンバ内にある培地の流体流速を調節し、マイクロスケール培養デバイスのチャンバ内での生物反応または毒性反応を検出し、検出時に、マイクロスケール培養デバイスの1つ以上の薬物動態パラメータを変化させるために、マイクロプロセッサにおいて実行可能である。   In another embodiment, the computer includes an input / output interface that includes an interface to a microprocessor, general purpose memory, non-volatile storage elements, and a microscale culture device having one or more sensors, and computer software. The computer software analyzes data from sensors to measure physiological events in multiple chambers of the microscale culture device, adjusts the fluid flow rate of the media in the chambers of the microscale culture device, It can be implemented in a microprocessor to detect a biological or toxic response in the chamber of the scale culture device and to change one or more pharmacokinetic parameters of the microscale culture device upon detection.

本明細書において使用する場合、文脈上別段の明らかな規定がある場合を除き、単数形は複数の指示対象を含む。例えば、「化合物」は、1つ以上のそのような化合物をいい、一方、「細胞」は、当業者には既知であるように、特定の細胞の他にその他のファミリーメンバーおよびその均等物を含む。   As used herein, the singular includes the plural reference unless the context clearly dictates otherwise. For example, “compound” refers to one or more such compounds, while “cell” refers to other family members and their equivalents in addition to a particular cell, as is known to those of skill in the art. Including.

本開示の一実施形態は、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように寸法決定された、少なくとも1つの機構を含む、装置に関する。該装置は、透過性材料をさらに含む。   One embodiment of the present disclosure maintains a biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value that is comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo. To an apparatus comprising at least one mechanism dimensioned in such a manner. The device further includes a permeable material.

一実施形態において、該機構は、マイクロスケール機構である。一実施形態において、該透過性材料は、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the mechanism is a microscale mechanism. In one embodiment, the permeable material is a membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL, cell, cellular material , Tissue, and at least one of the group consisting of tissue pieces.

一実施形態において、該透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近に、有機または無機材料をさらに含む。   In one embodiment, the permeable material further comprises an organic or inorganic material in, on or near the microporous surface.

一実施形態において、該透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される。一実施形態において、該生物学的障壁は、胃腸障壁、血液脳関門、肺障壁、胎盤関門、表皮障壁、眼関門、嗅覚器障壁、胃食道障壁、粘膜、血液尿関門、空気組織関門、血液胆汁関門、口腔障壁、肛門直腸関門、膣障壁、および尿道障壁から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the permeable material is a biological barrier, a passage of a substance through or through the biological barrier, or a through or through the biological barrier. It is configured to simulate at least one of the absorption of the substance. In one embodiment, the biological barrier is a gastrointestinal barrier, blood brain barrier, lung barrier, placental barrier, epidermal barrier, ocular barrier, olfactory barrier, gastroesophageal barrier, mucosa, blood urine barrier, air tissue barrier, blood It is selected from at least one of the group consisting of bile barrier, oral barrier, anorectal barrier, vaginal barrier, and urethral barrier.

一実施形態において、該少なくとも1つの薬物動態パラメータは、組織サイズ、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、せん断応力、流速、表面形状、循環通過時間、液分布、組織および/または臓器間の相互作用、ならびに細胞による分子輸送から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the at least one pharmacokinetic parameter is: tissue size, tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time, cell interaction, liquid residence time, liquid to cell ratio, cellular metabolism, shear It is selected from at least one of the group consisting of stress, flow rate, surface shape, circulation transit time, fluid distribution, interaction between tissues and / or organs, and molecular transport by cells.

一実施形態において、該デバイスは、該透過性材料中の、それを通る、またはそれによる、物質の吸収、代謝、または分布を測定する。一実施形態において、該機構は、中枢神経系、循環器系、消化器系、胆管系、肺系統、泌尿器系、視覚系、嗅覚系、表皮系、およびリンパ系の少なくとも一部から成る群の少なくとも1つを表すように構成される。一実施形態において、該透過性材料は、該デバイスの中または外に位置する。   In one embodiment, the device measures the absorption, metabolism, or distribution of a substance through or through the permeable material. In one embodiment, the mechanism is a group consisting of at least part of the central nervous system, circulatory system, digestive system, bile duct system, lung system, urinary system, visual system, olfactory system, epidermal system, and lymphatic system. It is configured to represent at least one. In one embodiment, the permeable material is located in or out of the device.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルをさらに含む。   In one embodiment, the device further comprises at least one microfluidic channel connected to the permeable material.

一実施形態において、該透過性材料の中の、それを通る、またはそれに近接する流体の流れは、少なくとも1つの薬物動態パラメータを提供する。一実施形態において、該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく。一実施形態において、該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである。   In one embodiment, the flow of fluid through or near the permeable material provides at least one pharmacokinetic parameter. In one embodiment, the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. In one embodiment, the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic (“PBPK”) model.

一実施形態において、該機構または該透過性材料は、チップフォーマットに組み込まれる。   In one embodiment, the feature or the permeable material is incorporated into a chip format.

一実施形態において、該透過性材料は、微孔性材料上で培養された胃腸細胞の層を含む。一実施形態において、該胃腸細胞の該層の少なくとも一部は、流体が該層を通らずにそのいずれかの側面に沿って流れることができるよう、該デバイス内に位置付けられる。一実施形態において、胃腸細胞の該層の第1の側面に位置する少なくとも第1のマイクロスケール機構は胃腸管を表し、単分子層の第2の側面に位置する少なくとも第2のマイクロスケール機構は循環器系を表す。一実施形態において、該装置は、同じまたは異なる種類の生物材料を含有するように構成される第3のマイクロスケール機構をさらに含む。   In one embodiment, the permeable material comprises a layer of gastrointestinal cells cultured on the microporous material. In one embodiment, at least a portion of the layer of the gastrointestinal cell is positioned within the device such that fluid can flow along either side of the layer without passing through the layer. In one embodiment, at least a first microscale feature located on the first side of the layer of gastrointestinal cells represents the gastrointestinal tract and at least a second microscale feature located on the second side of the monolayer is Represents the circulatory system. In one embodiment, the device further includes a third microscale mechanism configured to contain the same or different types of biological material.

一実施形態において、該透過性材料は、有機材料で少なくとも一部を被覆された微孔性材料を含む。   In one embodiment, the permeable material comprises a microporous material that is at least partially coated with an organic material.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料の両側面の中、上、または付近に位置する細胞をさらに含む。一実施形態において、該デバイスは、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供する。一実施形態において、該透過性材料のいずれかの側面上の該細胞は、同じ種類または異なる種類のものである。   In one embodiment, the device further comprises cells located in, on or near both sides of the permeable material. In one embodiment, the device provides absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. In one embodiment, the cells on either side of the permeable material are of the same type or different types.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料の微孔性表面の中、上、または付近に、肝細胞をさらに含む。一実施形態において、該微孔性表面の少なくとも一部は、該肝細胞を極性化させるタンパク質を含む。   In one embodiment, the device further comprises hepatocytes in, on or near the microporous surface of the permeable material. In one embodiment, at least a portion of the microporous surface comprises a protein that polarizes the hepatocytes.

一実施形態において、該透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を含む。   In one embodiment, the permeable material comprises a cell line capable of forming a fusible monolayer.

一実施形態において、該装置は、肝細胞を該透過性材料に結合する結合剤をさらに含む。一実施形態において、該結合剤は該肝細胞を極性化させる。一実施形態において、該結合剤は、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つを含む。   In one embodiment, the device further comprises a binder that binds hepatocytes to the permeable material. In one embodiment, the binding agent polarizes the hepatocytes. In one embodiment, the binding agent is a protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin , A cell adhesion molecule, and at least one selected from the group consisting of uvomorulin.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料の中、上、または付近に、第2の種類の生物材料をさらに含む。   In one embodiment, the device further comprises a second type of biological material in, on or near the permeable material.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料の中、上、または付近に、線維芽細胞をさらに含む。   In one embodiment, the device further comprises fibroblasts in, on or near the permeable material.

一実施形態において、該装置は、該透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れをさらに含む。一実施形態において、該装置は、該透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れをさらに含む。   In one embodiment, the device further includes a blood substitute flow proximate to the first side of the permeable material. In one embodiment, the device further includes a bile surrogate flow proximate to the second side of the permeable material.

本開示の一実施形態は、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するステップを含む方法に関する。該方法は、物質に透過性材料の少なくとも一部を通過させるステップをさらに含む。   One embodiment of the present disclosure maintains a biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value that is comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo. It relates to a method comprising steps. The method further includes passing at least a portion of the permeable material through the substance.

一実施形態において、該方法は、該生物材料を、マイクロスケール機構内またはそれに近接して維持するステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises maintaining the biological material in or near the microscale mechanism.

一実施形態において、該透過性材料は、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the permeable material is a membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL, cell, cellular material , Tissue, and at least one of the group consisting of tissue pieces.

一実施形態において、該透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近に、有機または無機材料をさらに含む。   In one embodiment, the permeable material further comprises an organic or inorganic material in, on or near the microporous surface.

一実施形態において、該透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される。一実施形態において、該生物学的障壁は、胃腸障壁、血液脳関門、血液胆汁関門、肺障壁、胎盤関門、表皮障壁、眼関門、嗅覚器障壁、胃食道障壁、粘膜、血液尿関門、空気組織関門、口腔障壁、肛門直腸関門、膣障壁、および尿道障壁から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the permeable material is a biological barrier, a passage of a substance through or through the biological barrier, or a through or through the biological barrier. It is configured to simulate at least one of the absorption of the substance. In one embodiment, the biological barrier is a gastrointestinal barrier, blood brain barrier, blood bile barrier, lung barrier, placental barrier, epidermal barrier, eye barrier, olfactory barrier, gastroesophageal barrier, mucosa, blood urine barrier, air It is selected from at least one of the group consisting of tissue barrier, oral barrier, anorectal barrier, vaginal barrier, and urethral barrier.

一実施形態において、該少なくとも1つの薬物動態パラメータは、組織サイズ、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、せん断応力、流速、表面形状、循環通過時間、液分布、組織および/または臓器間の相互作用、ならびに細胞による分子輸送から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the at least one pharmacokinetic parameter is: tissue size, tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time, cell interaction, liquid residence time, liquid to cell ratio, cellular metabolism, shear It is selected from at least one of the group consisting of stress, flow rate, surface shape, circulation transit time, fluid distribution, interaction between tissues and / or organs, and molecular transport by cells.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料中の、それを通る、またはそれによる、物質の吸収、代謝、または分布を測定するステップをさらに含む。一実施形態において、該機構は、中枢神経系、循環器系、消化器系、胆管系、肺系統、泌尿器系、視覚系、嗅覚系、表皮系、およびリンパ系の少なくとも一部から成る群の少なくとも1つを表すように構成される。   In one embodiment, the method further comprises measuring the absorption, metabolism, or distribution of the substance in or through the permeable material. In one embodiment, the mechanism is a group consisting of at least part of the central nervous system, circulatory system, digestive system, bile duct system, lung system, urinary system, visual system, olfactory system, epidermal system, and lymphatic system. It is configured to represent at least one.

一実施形態において、該方法は、マイクロスケールデバイスの中または外に、該透過性材料を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises positioning the permeable material in or out of a microscale device.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルを介して流体を流すステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises flowing a fluid through at least one microfluidic channel connected to the permeable material.

一実施形態において、該透過性材料の中の、それを通る、またはそれに近接する流体の流れは、少なくとも1つの薬物動態パラメータを提供する。一実施形態において、該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく。一実施形態において、該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである。   In one embodiment, the flow of fluid through or near the permeable material provides at least one pharmacokinetic parameter. In one embodiment, the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. In one embodiment, the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic (“PBPK”) model.

一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール機構または該透過性材料をチップフォーマットに組み込むステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further includes incorporating the microscale feature or the permeable material into a chip format.

一実施形態において、該透過性材料は、微孔性材料上で培養された胃腸細胞の層を含む。一実施形態において、該方法は、流体が該層を通らずにそのいずれかの側面に沿って流れることができるよう、該胃腸細胞の該層の少なくとも一部を位置付けるステップをさらに含む。一実施形態において、胃腸細胞の該層の第1の側面に位置する少なくとも第1のマイクロスケール機構は胃腸管を表し、単分子層の第2の側面に位置する少なくとも第2のマイクロスケール機構は循環器系を表す。一実施形態において、第3のマイクロスケール機構は、同じまたは異なる種類の生物材料を含有するように構成される。   In one embodiment, the permeable material comprises a layer of gastrointestinal cells cultured on the microporous material. In one embodiment, the method further comprises positioning at least a portion of the layer of the gastrointestinal cell such that fluid can flow along either side of the layer without passing through the layer. In one embodiment, at least a first microscale feature located on the first side of the layer of gastrointestinal cells represents the gastrointestinal tract and at least a second microscale feature located on the second side of the monolayer is Represents the circulatory system. In one embodiment, the third microscale mechanism is configured to contain the same or different types of biological material.

一実施形態において、該透過性材料は、有機材料で少なくとも一部を被覆された微孔性材料を含む。   In one embodiment, the permeable material comprises a microporous material that is at least partially coated with an organic material.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料の両側面の中、上、または付近に、細胞を位置させるステップをさらに含む。一実施形態において、該方法は、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供するステップをさらに含む。一実施形態において、該透過性材料のいずれかの側面上の該細胞は、同じ種類または異なる種類のものである。   In one embodiment, the method further comprises positioning the cell in, on or near both sides of the permeable material. In one embodiment, the method further comprises providing absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. In one embodiment, the cells on either side of the permeable material are of the same type or different types.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料の微孔性表面の中、上、または付近に、肝細胞を位置させるステップをさらに含む。一実施形態において、該微孔性表面の少なくとも一部は、該肝細胞を極性化させるタンパク質を含む。   In one embodiment, the method further comprises locating hepatocytes in, on or near the microporous surface of the permeable material. In one embodiment, at least a portion of the microporous surface comprises a protein that polarizes the hepatocytes.

一実施形態において、該透過性材料は、融合性単層を形成し、極性化することができる細胞株を含む。   In one embodiment, the permeable material comprises a cell line that can form and polarize a confluent monolayer.

一実施形態において、該方法は、肝細胞を該透過性材料に結合するステップをさらに含む。一実施形態において、該方法は、該肝細胞を極性化させるステップをさらに含む。一実施形態において、該結合するステップは、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つである結合剤を含む。   In one embodiment, the method further comprises binding hepatocytes to the permeable material. In one embodiment, the method further comprises polarizing the hepatocyte. In one embodiment, the binding step comprises protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β A binding agent that is at least one selected from the group consisting of catenin, a cell adhesion molecule, and uvomorulin.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料の中、上、または付近に、第2の種類の生物材料を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises positioning a second type of biological material in, on or near the permeable material.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料の中、上、または付近に、線維芽細胞を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises positioning fibroblasts in, on or near the permeable material.

一実施形態において、該方法は、該透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物を流すステップをさらに含む。一実施形態において、該方法は、該透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物を流すステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises flowing a blood substitute proximate to the first side of the permeable material. In one embodiment, the method further comprises flowing a bile substitute proximate to the second side of the permeable material.

本開示の一実施形態は、デバイスを形成する方法に関する。該方法は、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように構成される機構を形成するステップを含む。該方法は、透過性材料を追加、形成、または提供するステップをさらに含む。該透過性材料は、物質が該透過性材料の少なくとも一部を通過するように構成される。   One embodiment of the present disclosure relates to a method of forming a device. The method is configured to maintain the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value that is comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo. Forming a mechanism. The method further includes adding, forming, or providing a permeable material. The permeable material is configured such that a substance passes through at least a portion of the permeable material.

本開示の一実施形態は、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するための手段と、透過性障壁を提供するための手段と、を有するデバイスに関する。   One embodiment of the present disclosure maintains a biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value that is comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo. And a device for providing a permeable barrier.

本開示の一実施形態は、マイクロスケール透過性材料と、物質を極性化させるように構成され、当該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示する、少なくとも1つの結合剤と、を含むデバイスに関する。   One embodiment of the present disclosure relates to a device comprising a microscale permeable material and at least one binder configured to polarize the substance, wherein the substance exhibits at least one property of liver function. .

一実施形態において、該物質は、1つ以上の肝細胞である。一実施形態において、該物質は、遺伝子組み換え生物材料である。一実施形態において、該結合剤は、肝細胞を該マイクロスケール透過性材料に結合し極性化させる。   In one embodiment, the substance is one or more hepatocytes. In one embodiment, the substance is a genetically modified biological material. In one embodiment, the binding agent binds and polarizes hepatocytes to the microscale permeable material.

一実施形態において、該デバイスは、第2の物質種類をさらに含む。一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の少なくとも1つの表面の付近に位置する1つ以上の線維芽細胞をさらに含む。   In one embodiment, the device further includes a second material type. In one embodiment, the device further comprises one or more fibroblasts located near at least one surface of the microscale permeable material.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、有機材料、無機材料、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される。一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近にある。一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される。   In one embodiment, the microscale permeable material is organic material, inorganic material, membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL (Matrigel), cells, cellular material, tissue, and at least one selected from the group consisting of tissue pieces. In one embodiment, the microscale permeable material is in, on or near a microporous surface. In one embodiment, the microscale permeable material is a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or a biological barrier, through, or It is configured to simulate at least one of the absorption of the substance thereby.

一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の中で、それによって、またはそれを通して、該物質を処理する。一実施形態において、該処理するステップは、分子の吸収、抽出、排泄、代謝、および分布から成る群の少なくとも1つをさらに含む。   In one embodiment, the device processes the material in, through or through the microscale permeable material. In one embodiment, the treating step further comprises at least one of the group consisting of molecular absorption, extraction, excretion, metabolism, and distribution.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、該デバイスの中または外に位置する。   In one embodiment, the microscale permeable material is located in or out of the device.

一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルをさらに含む。   In one embodiment, the device further comprises at least one microfluidic channel connected to the microscale permeable material.

一実施形態において、該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく。一実施形態において、該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである。   In one embodiment, the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. In one embodiment, the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic (“PBPK”) model.

一実施形態において、該機構または該マイクロスケール透過性材料は、チップフォーマットに組み込まれる。一実施形態において、該デバイスは、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供する。   In one embodiment, the feature or the microscale permeable material is incorporated into a chip format. In one embodiment, the device provides absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels.

一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の両側面の中、上、または付近に位置する生物材料をさらに含む。一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料のいずれかの側面上の該生物材料は、同じ種類または異なる種類のものである。   In one embodiment, the device further comprises a biological material located in, on or near both sides of the microscale permeable material. In one embodiment, the biological material on either side of the microscale permeable material is of the same type or a different type.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を含む。一実施形態において、該結合剤は、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つを含む。   In one embodiment, the microscale permeable material comprises a cell line capable of forming a confluent monolayer. In one embodiment, the binding agent is a protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin , A cell adhesion molecule, and at least one selected from the group consisting of uvomorulin.

一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れをさらに含む。一実施形態において、該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れをさらに含む。   In one embodiment, the device further comprises a blood substitute flow proximate to the first side of the microscale permeable material. In one embodiment, the device further includes a flow of bile substitutes proximate to the second side of the microscale permeable material.

本開示の一実施形態は、肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質を、該物質を極性化させる様式で、マイクロスケール透過性材料に結合するステップを含む方法に関する。   One embodiment of the present disclosure is directed to a method that includes binding a substance that exhibits at least one property of liver function to a microscale permeable material in a manner that polarizes the substance.

一実施形態において、該物質は、1つ以上の肝細胞である。一実施形態において、該物質は、遺伝子組み換え生物材料である。   In one embodiment, the substance is one or more hepatocytes. In one embodiment, the substance is a genetically modified biological material.

一実施形態において、該方法は、第2の物質種類を提供するステップをさらに含む。一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料の少なくとも1つの表面の付近に、1つ以上の線維芽細胞を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises providing a second material type. In one embodiment, the method further comprises positioning one or more fibroblasts in the vicinity of at least one surface of the microscale permeable material.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、有機材料、無機材料、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される。   In one embodiment, the microscale permeable material is organic material, inorganic material, membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL (Matrigel), cells, cellular material, tissue, and at least one selected from the group consisting of tissue pieces.

一実施形態において、該方法は、微孔性表面の中、上、または付近に、該マイクロスケール透過性材料を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises positioning the microscale permeable material in, on or near a microporous surface.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートする。   In one embodiment, the microscale permeable material is a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or a biological barrier, through, or Simulate at least one of the absorption of the substance by it.

一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料の中で、それを通して、またはそれによって、該物質を処理するステップをさらに含む。一実施形態において、該処理するステップは、分子の吸収、抽出、排泄、代謝、および分布から成る群の少なくとも1つをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises treating the substance in, through or by the microscale permeable material. In one embodiment, the treating step further comprises at least one of the group consisting of molecular absorption, extraction, excretion, metabolism, and distribution.

一実施形態において、該方法は、デバイスの中または外に、該マイクロスケール透過性材料を位置させるステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises positioning the microscale permeable material in or out of the device.

一実施形態において、方法は、該マイクロスケール透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルを提供するステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises providing at least one microfluidic channel connected to the microscale permeable material.

一実施形態において、肝機能の該少なくとも1つの性質と関連付けられた該流体流れの性質は、数学モデルに基づく。一実施形態において、該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである。   In one embodiment, the fluid flow property associated with the at least one property of liver function is based on a mathematical model. In one embodiment, the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic (“PBPK”) model.

一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料をチップフォーマットに組み込むステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further includes incorporating the microscale permeable material into a chip format.

一実施形態において、該方法は、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供するステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further comprises providing absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels.

一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料の両側面の中、上、または付近に、生物材料を位置させるステップをさらに含む。一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料のいずれかの側面上にある生物材料は、同じ種類または異なる種類のものである。   In one embodiment, the method further comprises positioning a biological material in, on or near both sides of the microscale permeable material. In one embodiment, the biological material on either side of the microscale permeable material is of the same type or a different type.

一実施形態において、該マイクロスケール透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を含む。一実施形態において、該結合するステップは、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群の少なくとも1つから選択される結合剤を提供するステップを含む。   In one embodiment, the microscale permeable material comprises a cell line capable of forming a confluent monolayer. In one embodiment, the binding step comprises protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β Providing a binding agent selected from at least one of the group consisting of catenin, a cell adhesion molecule, and uvomorulin.

一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れを提供するステップをさらに含む。一実施形態において、該方法は、該マイクロスケール透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れを提供するステップをさらに含む。   In one embodiment, the method further includes providing a blood substitute flow proximate to the first side of the microscale permeable material. In one embodiment, the method further comprises providing a bile surrogate flow proximate to the second side of the microscale permeable material.

本開示の一実施形態は、デバイスを形成する方法に関する。該方法は、肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質に結合し極性化させるように構成される、マイクロスケール透過性材料を形成するステップを含む。   One embodiment of the present disclosure relates to a method of forming a device. The method includes forming a microscale permeable material configured to bind and polarize a substance that exhibits at least one property of liver function.

本開示の一実施形態は、肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質を、該物質を極性化させる様式で、マイクロスケール透過性材料に結合するための手段を有する、マイクロスケール装置に関する。   One embodiment of the present disclosure relates to a microscale device having means for binding a substance that exhibits at least one property of liver function to a microscale permeable material in a manner that polarizes the substance.

本開示の一実施形態は、マイクロスケール透過性材料と、肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される少なくとも1つの物質とを含み、該物質によって処理された分子は、該マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通過するように方向付けられる、デバイスに関する。   One embodiment of the present disclosure includes a microscale permeable material and at least one substance configured to demonstrate at least one property of liver function, wherein the molecules processed by the substance are the microscale The device is directed to pass through at least a portion of the permeable material.

本開示の一実施形態は、物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付けるステップを含み、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される、方法に関する。   One embodiment of the present disclosure includes directing molecules processed by the substance to pass through at least a portion of the microscale permeable material so that the substance exhibits at least one property of liver function. Consists of a method.

本開示の一実施形態は、デバイスを形成する方法に関する。該方法は、物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付けるように構成される該マイクロスケール透過性材料を形成するステップを含み、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される。   One embodiment of the present disclosure relates to a method of forming a device. The method includes forming the microscale permeable material configured to direct molecules treated by the substance to pass through at least a portion of the microscale permeable material, the substance comprising liver function Is configured to demonstrate at least one property of

本開示の一実施形態は、物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付ける手段を有し、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される、デバイスに関する。   One embodiment of the present disclosure has means for directing molecules treated by the substance to pass through at least a portion of the microscale permeable material, such that the substance exhibits at least one property of liver function. It is related with the device comprised.

本発明のこれらおよびその他の態様、利点、および新規の特徴は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することで明らかになるであろう。図面中において、同様の要素は同様の参照番号を有し得る。   These and other aspects, advantages, and novel features of the present invention will become apparent upon reading the following detailed description and upon reference to the accompanying drawings in which: In the drawings, similar elements may have similar reference numerals.

実施形態の詳細な説明
本発明者らは、マイクロスケール細胞培養アナログ(Cell Culture Analog;CCA)システムを開発した。そのようなマイクロスケールCCAシステムは、以前のマイクロスケールシステムに優る多くの利点を有する。当該マイクロスケールシステムは、より少量の試薬、より少ない細胞を使用し(これにより、培養細胞ではなく真の初代細胞を使用することが可能になる)、より生理的に現実的(例えば、滞留時間、臓器比、せん断応力)であり、よりデバイスコストが低く、サイズが小さい(複数の試験および統計分析で利用可能)。さらに、同じチップに複数のバイオセンサを組み込むことができる。
Detailed Description of Embodiments The inventors have developed a Microscale Cell Culture Analog (CCA) system. Such a microscale CCA system has many advantages over previous microscale systems. The microscale system uses fewer reagents, fewer cells (which allows the use of true primary cells rather than cultured cells) and is more physiologically realistic (eg, residence time , Organ ratio, shear stress), lower device cost and smaller size (available for multiple tests and statistical analysis). Furthermore, multiple biosensors can be incorporated on the same chip.

最も簡単に表現すると、本発明のチップは、丸ごとの動物またはヒトの正確なin vitro代用物を提供する。これを実現するために、初期設計は、生理学的薬物動力学モデル(Physiological−Based PharmacoKinetic;PBPK)モデル―特定の臓器に特有の、相互接続したコンパートメントとして生体を表す数学モデル―を使用して産生されたものである。PBPKモデルおよび公開されている経験的データから、長期にわたる広範な開発プログラムによって、既知の組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、および、丸ごとの動物またはヒトのその他重要な生理的パラメータを正確に模倣するマイクロスケールデバイスをもたらした。要するに、本発明のチップ技術は、丸ごとの動物またはヒトのマイクロスケールモデルである(ヒトの場合、〜1/100,000)。   In its simplest terms, the chip of the present invention provides an accurate in vitro surrogate for whole animals or humans. To achieve this, the initial design was generated using a Physiological-Based PharmacoKinetic (PBPK) model—a mathematical model that represents the organism as an interconnected compartment specific to a particular organ. It has been done. From the PBPK model and published empirical data, a long-term extensive development program allows known tissue size ratios, tissue-to-blood volume ratios, drug residence times, and other important animal or human physiological parameters Resulting in a micro-scale device that imitates exactly. In short, the chip technology of the present invention is a whole animal or human microscale model (˜1 / 100,000 for humans).

動作中、デバイスは、生細胞を別個の相互接続した「臓器」コンパートメント内に隔離することにより、再循環多臓器システムを複製する(例えば、図15を参照)。流体工学は、循環系の本源的要素および臓器系間の相互作用が正確に模倣されるように設計される。各臓器コンパートメントは、対応する臓器全体の本源的機能(例えば、肝臓による異物代謝)を模倣するために慎重に選択または改変された特定の細胞型を含有する。細胞型は接着性であっても非接着性であってもよく、標準的な細胞培養株または一次組織から派生したものであってよい。ヒト細胞は、必要に応じて、ヒト代用物またはその他の種の細胞のために使用される。   In operation, the device replicates the recirculating multi-organ system by sequestering living cells into separate interconnected “organ” compartments (see, eg, FIG. 15). Fluid engineering is designed to accurately mimic the interactions between the intrinsic elements of the circulatory system and the organ system. Each organ compartment contains a specific cell type that has been carefully selected or modified to mimic the intrinsic function of the entire corresponding organ (eg, xenobiotic metabolism by the liver). The cell type may be adherent or non-adherent and may be derived from standard cell culture lines or primary tissues. Human cells are used for human surrogate or other species of cells as appropriate.

臓器コンパートメントは、「血液代用物」として作用する再循環培地によって接続される。媒質中の試験剤は、分布され、人体または丸ごとの動物内にある場合と同様に、臓器コンパートメント内の細胞と相互作用する。これらの化合物および/またはそれらの代謝産物の様々な細胞型に対する影響は、細胞死、細胞増殖、分化、免疫反応、代謝または信号変換経路内での摂動等の主要な生理的事象を計測または監視することによって検出される。また、薬物動態データは、薬物代謝産物のための培地の一定分量を収集および分析することによって測定され得る。   The organ compartments are connected by a recirculating medium that acts as a “blood substitute”. The test agent in the medium is distributed and interacts with cells in the organ compartment, just as it is in the human body or whole animal. The effects of these compounds and / or their metabolites on various cell types measure or monitor key physiological events such as cell death, cell proliferation, differentiation, immune response, perturbations in metabolic or signal transduction pathways To be detected. Pharmacokinetic data can also be measured by collecting and analyzing aliquots of media for drug metabolites.

本発明のマイクロスケールチップデバイスは、従来の細胞培養アッセイのコストおよびスループットの利点の両方、ならびに、丸ごとの動物モデルの高度な情報内容も提示する。しかしながら、丸ごとの動物試験とは異なり、チップは安価で大部分が使い捨てである。低液量(〜5μl)のデバイスが、マイクロ流体デバイスの高い感度およびスループット特性を提供する。さらに、デバイスの読み出しは柔軟性が高く、アッセイ非依存型である―ほぼすべての細胞型およびアッセイが、修正なく使用され得る。光学的インタロゲーションおよび読み出し(例えば、蛍光、発光)に基づく複数の生物学的アッセイが利用可能であるため、リアルタイム監視が実現可能となる。あるいは、標準的な病理、生化学、ゲノム、またはプロテオミクスアッセイを、従来のカバースリップ(22mm×22mm)または96ウェルフォーマットに完全に適合するように設計され得るシステムとして直接的に利用することができる。さらに、遺伝子組み換え細胞を、特殊なエンドユーザ向けアプリケーションに使用することができる。また、「3D」チップを使用して、胃腸管または血液脳関門の吸収を分析するために、付加的なコンパートメントおよびモジュールを包含することができる。   The microscale chip device of the present invention also presents both the cost and throughput advantages of conventional cell culture assays, as well as the high information content of whole animal models. However, unlike whole animal testing, the chips are cheap and mostly disposable. Low liquid volume (˜5 μl) devices provide the high sensitivity and throughput characteristics of microfluidic devices. Furthermore, the device readout is flexible and assay independent—almost all cell types and assays can be used without modification. Real time monitoring is feasible because multiple biological assays based on optical interrogation and readout (eg, fluorescence, luminescence) are available. Alternatively, standard pathology, biochemistry, genomic, or proteomic assays can be directly utilized as a system that can be designed to be fully compatible with conventional coverslips (22 mm x 22 mm) or 96-well formats. . Furthermore, genetically modified cells can be used for special end-user applications. Additional compartments and modules can also be included to analyze absorption of the gastrointestinal tract or blood brain barrier using a “3D” chip.

従来のin vitroアッセイとは異なり、本発明のチップは、有機体全体の複雑な多組織(肝臓、肺、脂肪、循環器系等)生態学をより厳密に模倣する。薬物候補は、より現実的な動物またはヒトの生理環境に曝露されるため、一般的なin vitroアッセイよりも高く正確な情報内容(例えば、吸収、分布、生物蓄積、代謝、排泄、効能、および毒性)を提供する。これらの利益は、薬物リード化合物の安全性および効能予測、特に、高価で時間がかかる非臨床または臨床試験に入る前の、それらの優先順位付けに直接的に影響を及ぼす。この優先順位付けは、薬物開発スループットを増加させ、毒物学的スクリーニングに必要な動物の数を削減し、非臨床研究のコストを減少させ、これらの試験に入る前に潜在的毒性または効能の欠如の迅速且つ直接的な評価を可能にすることにより、臨床試験の効率を増加させる。   Unlike traditional in vitro assays, the chip of the present invention more closely mimics the complex multi-tissue (liver, lung, fat, circulatory system, etc.) ecology of whole organisms. Because drug candidates are exposed to more realistic animal or human physiological environments, information content (eg, absorption, distribution, bioaccumulation, metabolism, excretion, efficacy, and more) than general in vitro assays Toxic). These benefits directly affect the safety and efficacy prediction of drug lead compounds, especially their prioritization prior to entering expensive and time-consuming nonclinical or clinical trials. This prioritization increases drug development throughput, reduces the number of animals required for toxicological screening, reduces the cost of nonclinical research, and lacks potential toxicity or efficacy before entering these trials Increase the efficiency of clinical trials by allowing rapid and direct assessment of

これらは、本発明のチップ技術が持つ利点のうちいくつかを実証するものである。要約すると、従来のin vitro細胞培養アッセイ、動物実験、または臨床試験と比較した場合に、データの取得が迅速である。当該データはロバストでもあり、従来のin vitroアッセイからは利用不可能な、高度に予測的な内容を提供する。チッププラットフォームは、既存のアッセイ―標準的なカバースリップまたは96ウェルフォーマット中で行うもの―と完全に適合するように設計される。デバイス自体は、任意の動物種または複数の臓器コンパートメントの組み合わせ用に構成可能である。個々のチップは、消耗品としてコスト効率よく価格設定されている。その上、低容量のデバイスは、潜在的化合物をスクリーニングする上での試薬コストをさらに削減する。   These demonstrate some of the advantages of the chip technology of the present invention. In summary, data acquisition is rapid when compared to traditional in vitro cell culture assays, animal experiments, or clinical trials. The data is also robust and provides highly predictive content that is not available from conventional in vitro assays. The chip platform is designed to be perfectly compatible with existing assays-those performed in standard coverslips or 96-well formats. The device itself can be configured for any animal species or combination of multiple organ compartments. Individual chips are priced cost-effectively as consumables. Moreover, the low volume device further reduces reagent costs for screening potential compounds.

現在利用可能な技術とは異なり、本チップシステムは、臨床相だけでなく、前臨床検査を受けるために必要な化合物の数を削減する上での成功率も大幅に増加させる。その結果、製薬会社は、(1)どの薬物候補がヒトに対して有毒である可能性を有するかを開発プロセスの初期に判断し;(2)ヒトの反応を最も良く予測する動物種のより良い選択をし;(3)どの薬物候補が有効である可能性を有するかを判断することができる。このように、本発明のチップは、成功率を大幅に増加させ、市場性のある薬物の開発時間を減少させる。   Unlike currently available technologies, the chip system significantly increases not only the clinical phase, but also the success rate in reducing the number of compounds required to undergo preclinical testing. As a result, pharmaceutical companies have determined (1) which drug candidates are likely to be toxic to humans early in the development process; (2) the species of animal that best predicts human response. Make a good choice; (3) Determine which drug candidates have the potential to be effective. Thus, the chip of the present invention greatly increases the success rate and reduces the development time of marketable drugs.

薬物動態ベースのマイクロスケール培養デバイス
in vitro細胞培養におけるデバイスと、CCAデバイスのための方法が提供される。主題の方法およびデバイスは、生理的に代表的な環境において細胞がin vitroに維持される手段を提供し、それによって、スクリーニングおよび毒性アッセイの予測値およびin vivo妥当性を改善させる。本発明のマイクロスケール薬物動態培養デバイスは、各培養チャンバに適切な細胞を撒かれ、その後当該培養システムを、化合物スクリーニング、毒性アッセイ、所望の細胞の開発のためのモデル、感染反応速度のモデル等に使用することができる。確立された培養システムに入力変数が追加され、当該変数は、例えば、化合物、試料、遺伝子配列、病原体、細胞(幹細胞または前駆細胞等)であってよい。媒質のpH、媒質中のOおよびCOの濃度、タンパク質およびその他の細胞マーカーの発現、細胞の生存、または、細胞産物の培地への放出を含む、入力変数に対する細胞の反応を測定するために、様々な細胞出力を評価することができる。
Pharmacokinetic-based microscale culture devices Devices in in vitro cell culture and methods for CCA devices are provided. The subject methods and devices provide a means by which cells are maintained in vitro in a physiologically representative environment, thereby improving the predictive value and in vivo validity of screening and toxicity assays. The microscale pharmacokinetic culture device of the present invention is prepared by seeding appropriate cells in each culture chamber, and then using the culture system for compound screening, toxicity assays, models for the development of desired cells, models for infection kinetics, etc. Can be used for An input variable is added to the established culture system, which may be, for example, a compound, sample, gene sequence, pathogen, cell (such as a stem cell or progenitor cell). To measure the response of cells to input variables, including the pH of the medium, the concentration of O 2 and CO 2 in the medium, the expression of proteins and other cell markers, the survival of cells, or the release of cell products into the medium In addition, various cell outputs can be evaluated.

本発明の独自の成長条件のための、培養基質またはデバイスの設計および表面形状が提供される。各デバイスは、1つ以上のチャンバを備え、当該チャンバは流体チャネルによって相互接続されている。各チャンバは、デバイス上に存在するその他のチャンバと異なる表面形状構成を有し得る。例えば、当該デバイスの一実施形態は、肺、肝臓、およびその他の組織を表すチャンバから成る(図18A)。この実施形態の肺チャンバは、現実的な細胞対液体容積比および液体滞留時間を達成するために、5μmの高い隆線を含有する(図18B)。この実施形態の肝臓チャンバは、現実的な細胞対液体容積比および液体滞留時間を達成するために、20μmの高い柱を含有する(図18C)。当該デバイスは、培地が循環できるような、入り口および出口ポートも備える。   Culture substrate or device designs and surface shapes are provided for the unique growth conditions of the present invention. Each device comprises one or more chambers that are interconnected by fluid channels. Each chamber may have a different surface shape configuration than the other chambers present on the device. For example, one embodiment of the device consists of chambers representing lungs, liver, and other tissues (FIG. 18A). The lung chamber of this embodiment contains a high ridge of 5 μm to achieve realistic cell-to-liquid volume ratio and liquid residence time (FIG. 18B). The liver chamber of this embodiment contains 20 μm high pillars to achieve realistic cell-to-liquid volume ratios and liquid residence times (FIG. 18C). The device also includes inlet and outlet ports that allow the medium to circulate.

一実施形態において、培養デバイスは、チップフォーマットである、すなわち、作製されたマスターからチャンバおよび流体チャネルが作製または成形され、その結果、当該デバイスは、単一ユニットとして、または、分離ユニット上に1つ以上のチャンバを持つモジュラーシステムとして形成される。概して、チップフォーマットは小スケールで提供され、通常は一片が約10cmを超えず、一片が約5cmを超えない場合さえある。一片が約2cm以下しかなくてもよい。別の例において、チップは96ウェルフォーマット内に格納されていてよく、その場合、個々のチップは0.9cm×0.9cm未満である。チャンバおよび流体チャネルは、それに対応してマイクロスケールのサイズである。   In one embodiment, the culture device is in a chip format, i.e., chambers and fluid channels are created or molded from the created master, so that the device is one as a single unit or on a separation unit. Formed as a modular system with more than one chamber. In general, the chip format is provided on a small scale, and usually a piece does not exceed about 10 cm and even a piece does not exceed about 5 cm. A piece may be no more than about 2 cm. In another example, the chips may be stored in a 96 well format, where individual chips are less than 0.9 cm x 0.9 cm. The chambers and fluid channels are correspondingly micro-scale sizes.

別の実施形態において、培養デバイスは、使い捨てのプラスチックポリマーベースの構成要素として作製された複数のマイクロスケールチップを格納する卓上機器から成る集積デバイスの形態である。当該機器は、個々の細胞チップを収容するための凹部を持つ基部、あるいは、標準的な96ウェルフォーマットの単一「チップ」(すなわち、96の個々のチップが8×12フォーマットである)から成っていてよい。機器上部は、閉じている場合、チップを密封し、流体相互接続を提供する。当該機器は、チップに流体を再循環させるための低容量ポンプ、および、試験化合物の導入を提供するための注入ループを持つ小型3ウェイバルブを含有する、または、96または384ウェルプレートから直接的に化合物を引き出す。この機器を使用して、複数の化合物について効能、毒性、および/または代謝産物産生を評定することができる。当該機器は、よく特徴付けられたバイオマーカーを利用して、リアルタイム生理機能監視用のオンチップ蛍光検出を組み込むこともできる。   In another embodiment, the culture device is in the form of an integrated device consisting of a tabletop device that houses a plurality of microscale chips made as disposable plastic polymer-based components. The instrument consists of a base with a recess to accommodate individual cell chips, or a single “chip” in standard 96 well format (ie, 96 individual chips are in an 8 × 12 format). It may be. The top of the instrument, when closed, seals the chip and provides a fluid interconnect. The instrument contains a low volume pump to recirculate fluid to the chip and a small 3 way valve with an injection loop to provide for the introduction of test compounds or directly from a 96 or 384 well plate Pull out the compound. This instrument can be used to assess efficacy, toxicity, and / or metabolite production for multiple compounds. The instrument can also incorporate on-chip fluorescence detection for real-time physiological function monitoring utilizing well-characterized biomarkers.

当該デバイスは、細胞および培地から信号を得るためのメカニズムを含んでよい。異なるチャンバおよびチャネルからの信号をリアルタイムで監視することができる。例えば、バイオセンサは、デバイスに組み込まれてもデバイスの外にあってもよく、システム内にある細胞の生理学的状態のリアルタイム読み出しを可能にする。   The device may include a mechanism for obtaining signals from cells and media. Signals from different chambers and channels can be monitored in real time. For example, the biosensor may be incorporated into the device or external to the device, allowing real-time readout of the physiological state of cells that are in the system.

本発明は、例えば、医薬組成物、ワクチン製剤、細胞毒性化学物質、突然変異原、サイトカイン、ケモカイン、成長因子、ホルモン、阻害化合物、化学療法剤、および、その他の化合物または因子の宿主等、一連の物質に対する肯定的または否定的な反応を識別するために、ハイスループットスクリーニングのための理想的なシステムを提供する。試験される物質は、自然発生であっても合成であってもよく、有機であっても無機であってもよい。   The present invention includes, for example, a series of pharmaceutical compositions, vaccine formulations, cytotoxic chemicals, mutagens, cytokines, chemokines, growth factors, hormones, inhibitory compounds, chemotherapeutic agents, and other compounds or host of factors, etc. It provides an ideal system for high-throughput screening to identify positive or negative responses to other substances. The substance to be tested can be naturally occurring or synthetic, organic or inorganic.

例えば、細胞毒性化合物の活性は、培養中の細胞を傷つける、または殺すその能力によって計測され得る。これは、生体染色技術によって容易に評価され得る。成長/制限因子の効果は、例えば総細胞数および差動細胞数で、マトリクスの細胞内含有量を分析することによって評価され得る。これは、種類特有の細胞性抗原を定義する抗体を用いる免疫細胞化学法の使用を含む、標準的な細胞学的および/または組織学的技術を使用して実現され得る。デバイス中で培養された正常細胞に対する様々な薬物の効果が評価され得る。例えば、赤血球形成を増加させる薬物を、骨髄培養で試験することができる。例えばコレステロール産生を低下させることによってコレステロール代謝に影響を及ぼす薬物を、肝臓系で試験することができる。腫瘍細胞の培養物は、例えば抗腫瘍剤の効能を試験するためのモデルシステムとして使用され得る。   For example, the activity of a cytotoxic compound can be measured by its ability to injure or kill cells in culture. This can be easily assessed by vital staining techniques. The effects of growth / restriction factors can be assessed by analyzing the intracellular content of the matrix, for example by total cell number and differential cell number. This can be accomplished using standard cytological and / or histological techniques, including the use of immunocytochemistry with antibodies that define type-specific cellular antigens. The effects of various drugs on normal cells cultured in the device can be evaluated. For example, drugs that increase erythropoiesis can be tested in bone marrow culture. For example, drugs that affect cholesterol metabolism by reducing cholesterol production can be tested in the liver system. Tumor cell cultures can be used, for example, as a model system to test the efficacy of anti-tumor agents.

本発明のデバイスは、生理的または病的状態の研究用のモデルシステムとして使用され得る。例えば、本発明の特定の実施形態において、デバイスは血液脳関門用のモデルとして使用されてよく、そのようなモデルシステムは、血液脳関門を通る物質の浸透を研究するために使用され得る。さらなる実施形態において、また、限定としてではなく、粘膜上皮を含有するデバイスをヘルペスウイルスまたはパピローマウイルス感染を研究するためのモデルシステムとして使用してもよく、そのようなモデルシステムは、抗ウイルス薬の効能を試験するために使用され得る。   The device of the present invention can be used as a model system for the study of physiological or pathological conditions. For example, in certain embodiments of the invention, the device may be used as a model for the blood brain barrier, and such a model system may be used to study the penetration of substances through the blood brain barrier. In further embodiments, and without limitation, a device containing a mucosal epithelium may be used as a model system for studying herpesvirus or papillomavirus infection, such model system comprising an antiviral drug Can be used to test efficacy.

本発明のデバイスは、悪性腫瘍および疾病の診断および治療を支援するためにも使用され得る。例えば、任意の組織(例えば、骨髄、皮膚、肝臓)の生検は、悪性腫瘍を有する疑いがある患者から採取され得る。当該患者の培養物をin vitroで使用して、最も有効なもの、すなわち、悪性細胞または罹患細胞を殺し、さらに正常細胞には危害を加えないものを識別するために、細胞毒性および/または医薬化合物をスクリーニングすることができる。続いて、これらの剤は、患者を治療するために使用され得る。   The devices of the present invention can also be used to assist in the diagnosis and treatment of malignant tumors and diseases. For example, a biopsy of any tissue (eg, bone marrow, skin, liver) can be taken from a patient suspected of having a malignant tumor. The patient's culture is used in vitro to identify the most effective ones, i.e. those that kill malignant or diseased cells and do not harm normal cells. Compounds can be screened. Subsequently, these agents can be used to treat patients.

本発明のさらに別の実施形態において、デバイスは、生物学的産物を高収量で産生するために、in vitroで使用され得る。例えば、大量の特定の生物学的産物を自然産生する細胞(例えば、成長因子、制限因子、ペプチドホルモン、抗体)、または、外来遺伝子産物を産生するために遺伝子を組み換えられた宿主細胞は、in vitroデバイスを使用してクローン的に広げられ得る。形質転換細胞が遺伝子産物を培養液中に排泄すると、当該産物は、標準的な分離技術(例えば、少数だが例を挙げると、HPLC、カラムクロマトグラフィー、電気泳動技術)を使用して使用済みまたは調整済みの媒質から容易に単離され得る。in vitroで培養物を供給するための連続フロー法を活用する「バイオリアクター」が考案され得る。原則的に、新鮮培地がデバイスの培養物中を通過すると、遺伝子産物は、培養物から放出される細胞と共に、当該培養物から流し去られることになる。遺伝子産物は、(例えば、HPLCカラムクロマトグラフィー、電気泳動法によって、)使用済みまたは調整済みの媒質の流出物から単離され得る。   In yet another embodiment of the invention, the device can be used in vitro to produce biological products in high yield. For example, cells that naturally produce large quantities of specific biological products (eg, growth factors, restriction factors, peptide hormones, antibodies) or host cells that have been genetically modified to produce foreign gene products Can be expanded clonally using a vitro device. When the transformed cells excrete the gene product into the culture medium, the product can be used using standard separation techniques (eg, a few but, for example, HPLC, column chromatography, electrophoresis techniques) or It can be easily isolated from the conditioned medium. A “bioreactor” can be devised that utilizes a continuous flow method for feeding cultures in vitro. In principle, as fresh media passes through the culture of the device, the gene product will be washed away from the culture along with the cells released from the culture. The gene product can be isolated from the effluent of spent or conditioned media (eg, by HPLC column chromatography, electrophoresis).

本発明は、生物系における様々な環境条件または化合物の効果をスクリーニングまたは計測するためのシステムも提供する。例えば、デバイス中において、空気または水の状態を模倣する、または可変させることが可能である。異なる既知のまたは毒性が疑われる物質の影響力を試験することが可能である。本発明は、化粧品、洗浄剤、または水薬等の消費者製品をスクリーニングするためのシステムをさらに提供する。栄養補給食品、栄養補助食品、または食品添加物の安全性および/または効能を測定するためのシステムも提供する。本発明は、多量の細胞産物を産生するための、小型バイオリアクターまたは細胞産生プラットフォームとしても使用され得る。   The present invention also provides a system for screening or measuring the effects of various environmental conditions or compounds in biological systems. For example, it is possible to mimic or vary the state of air or water in the device. It is possible to test the influence of different known or suspected toxic substances. The present invention further provides a system for screening consumer products such as cosmetics, cleaning agents, or liquids. A system for measuring the safety and / or efficacy of a dietary supplement, dietary supplement, or food additive is also provided. The present invention can also be used as a miniature bioreactor or cell production platform to produce large quantities of cell products.

本発明のチップフォーマットマイクロスケール培養デバイスを使用する一般的な効能実験または毒性実験は、実験的設計に応じて24時間から48時間以内で完了する。しかしながら、慢性曝露の効果(例えば、遺伝毒性、発癌性、または潜在的疾病)を試験するために、延長実験を実行してもよい。   A typical efficacy or toxicity experiment using the chip format microscale culture device of the present invention is completed within 24 to 48 hours, depending on the experimental design. However, extended experiments may be performed to test the effects of chronic exposure (eg, genotoxicity, carcinogenicity, or potential disease).

本発明は、本明細書で説明しているような新規のデバイス、システム、および方法を提供する。別途明らかに指示しない限り、概して、本書で使用している全ての技術的用語および科学的用語は、本発明が属する業界の当業者に一般的に理解されている意味と同じ意味を有する。明瞭化のため、本発明を説明するために本書において使用されているいくつかの語の定義を、以下に記載する。別途明らかに指示しない限り、これらの定義は、本明細書全体を通して使用されているとおりの用語に当てはまる。   The present invention provides novel devices, systems, and methods as described herein. Unless defined otherwise, generally, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. For clarity, definitions of some terms used herein to describe the present invention are set forth below. Unless explicitly indicated otherwise, these definitions apply to terms as they are used throughout this specification.

用語の定義
薬物動態ベースの培養システム:in vitro細胞培養システムであって、in vivoで見られるものを真似た薬物動態パラメータ値を提供する条件下に細胞が維持される。薬物動態培養デバイスは、別個ではあるが相互接続したチャンバ内に隔離されたチャネルの流体ネットワークを備え、特定のチャンバ表面形状は、対応する細胞、組織、または臓器系にin vivoで見られるものと相互作用する細胞相互作用、液体流量、および液体滞留パラメータを提供するように設計される。当該デバイスには、培養システムを提供するために、例えば肝臓ベースの培養チャンバ中の肝臓細胞、肺ベースの培養チャンバ中の肺細胞等、モデルとされている条件に適切な細胞が撒かれている。
Definition of Terms Pharmacokinetic-based culture system: An in vitro cell culture system in which cells are maintained under conditions that provide pharmacokinetic parameter values that mimic those found in vivo. A pharmacokinetic culture device comprises a fluid network of channels isolated in separate but interconnected chambers, with specific chamber surface shapes being found in vivo in the corresponding cell, tissue, or organ system Designed to provide interacting cell interactions, liquid flow rates, and liquid retention parameters. The device is seeded with cells suitable for the conditions being modeled, such as liver cells in a liver-based culture chamber, lung cells in a lung-based culture chamber, etc. to provide a culture system. .

本発明の培養システムは、所望の細胞、組織、または臓器系についてin vivoで得られる値と同程度の、少なくとも1つの薬物動態パラメータ値、好ましくは少なくとも2つのパラメータ値を提供し、3つ以上の同程度のパラメータ値を提供することができる。所望の薬物動態パラメータは、例えば、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、またはせん断応力を含む。   The culture system of the present invention provides at least one pharmacokinetic parameter value, preferably at least two parameter values, comparable to those obtained in vivo for a desired cell, tissue or organ system, and more than two Can provide comparable parameter values. Desired pharmacokinetic parameters include, for example, cell-cell interaction, liquid residence time, liquid-to-cell ratio, metabolism by cells, or shear stress.

同程度の値とは、実際の値が理論上の値から25%を超えて逸脱しないことを意味する。例えば、ラットの肺コンパートメント中での液体滞留時間について計算上または理論上の値は2秒であり、ラットCCAデバイスの肺細胞培養チャンバにおいて計測された実際の値は2.5±0.7秒であった。   A comparable value means that the actual value does not deviate from the theoretical value by more than 25%. For example, the calculated or theoretical value for fluid residence time in the rat lung compartment is 2 seconds, and the actual value measured in the lung cell culture chamber of the rat CCA device is 2.5 ± 0.7 seconds. Met.

薬物動態パラメータ値は、PBPKモデルの方程式を使用することによって得られる。そのような方程式は当該技術分野において説明されてきており、例えば、参照することにより組み込まれる、PoulinおよびTheil(2000年)J Pharm Sci.89(l):16〜35;Slobら(1997年)Crit Rev Toxicol.27(3):261〜72;Haddadら(1996年)Toxicol Lett.85(2):113〜26;Hoang(1995年)Toxicol Lett.79(l〜3):99〜106;Knaakら(1995年)Toxicol Lett.79(l〜3):87〜98;ならびに、BallおよびSchwartz(1994年)Comput Biol Med.24(4):269〜76を参照されたい。薬物動態パラメータは、既刊文献からも得ることができ、例えば、Buckpittら(1984年)J.Pharmacol.Exp.Ther.231:291〜300;DelRaso(1993年)Toxicol.Lett.68:91〜99;Haiesら(1981年)Am.Rev.Respir.Dis.123:533〜541を参照されたい。   Pharmacokinetic parameter values are obtained by using the equations of the PBPK model. Such equations have been described in the art, for example, see Paulin and Theil (2000) J Pharm Sci., Incorporated by reference. 89 (l): 16-35; Slob et al. (1997) Crit Rev Toxicol. 27 (3): 261-72; Haddad et al. (1996) Toxicol Lett. 85 (2): 113-26; Hoang (1995) Toxicol Lett. 79 (l-3): 99-106; Knak et al. (1995) Toxicol Lett. 79 (l-3): 87-98; and Ball and Schwartz (1994) Compute Biol Med. 24 (4): 269-76. Pharmacokinetic parameters can also be obtained from published literature, for example, see Buckpitt et al. (1984) J. MoI. Pharmacol. Exp. Ther. 231: 291-300; DelRaso (1993) Toxicol. Lett. 68: 91-99; Haies et al. (1981) Am. Rev. Respir. Dis. 123: 533-541.

所望の特定の生理的パラメータは、組織または臓器の液体滞留時間、組織または臓器の質量、液体対細胞容積比、細胞のせん断応力等を含む。生理的に適切なパラメータ値は、従来の方法によって実験的に得ることもできるし、当該技術分野において既知であり、公的に入手可能な値から得ることもできる。所望の薬物動態パラメータ値は、動物、通常は哺乳類のものが得られるが、その他の動物モデル、例えば昆虫、魚、爬虫類、または鳥類も、使用法を見出すことができる。哺乳類は、実験動物、例えば、マウス、ラット、ウサギ、または、経済的価値があるモルモット哺乳類、例えば、ウマ、ヒツジ、ヤギ、ウシ、イヌ、またはネコ;サル、類人猿、またはヒトを含む霊長類;等を含む。異なる年齢、例えば、胎児、新生児、幼児、小児、大人、または高齢の動物;および、異なる生理学的状態、例えば、罹患しているとき、医薬的に活性な剤との接触後、感染後、または、大気圧が変化した条件下では、異なる値が得られ、使用され得る。   Specific physiological parameters desired include tissue or organ fluid residence time, tissue or organ mass, fluid to cell volume ratio, cell shear stress, and the like. Physiologically relevant parameter values can be obtained experimentally by conventional methods, or can be obtained from values known in the art and publicly available. Desired pharmacokinetic parameter values are obtained for animals, usually mammals, but other animal models such as insects, fish, reptiles, or birds can also find use. Mammals are laboratory animals such as mice, rats, rabbits, or guinea pig mammals of economic value, such as horses, sheep, goats, cows, dogs, or cats; primates including monkeys, apes, or humans; Etc. Animals of different ages, such as fetuses, newborns, infants, children, adults, or older people; and different physiological conditions, eg, when affected, after contact with a pharmaceutically active agent, after infection, or Under different atmospheric pressure conditions, different values can be obtained and used.

システム内でモデルとされる様々な物質に適用できる質量平衡方程式と同様に、薬物動態パラメータ値に関連する情報が、培養システムのデータ処理コンポーネント、例えば、記憶用に用意された汎用メモリ中のルックアップテーブル等において任意で提供される。これらの方程式は、システム内の様々な生物学的/化学的物質の生理学的薬物動力学モデルを表す。   Similar to the mass balance equations that can be applied to various substances modeled in the system, information related to pharmacokinetic parameter values can be obtained from data processing components of the culture system, such as a look-up in a general purpose memory provided for storage Optionally provided on an uptable or the like. These equations represent physiological pharmacokinetic models of various biological / chemical substances in the system.

薬物動態培養デバイス:本発明の培養デバイスは、細胞成長のための基板を提供する。各デバイスは、少なくとも1つのチャンバ、通常は少なくとも2つのチャンバを備え、3つ以上のチャンバを備えてもよく、当該チャンバは、流体チャネルによって相互接続されている。チャンバは、単一の基板上にあってもよいし、異なる基板上にあってもよい。好ましくは、各チャンバは、デバイス上に存在するその他のチャンバと異なる表面形状構成を有する。デバイスは、チャンバおよびチャネルを密封するためのカバーを含有し、培地の再循環を可能にする少なくとも1つの入り口および出口ポートを備える。デバイスは、システムを通って培地を汲み上げるためのメカニズムを包含する。培地は、培養細胞の生存を維持するように設計される。デバイスは、試験化合物をシステムに導入することができるメカニズムを包含する。   Pharmacokinetic culture device: The culture device of the present invention provides a substrate for cell growth. Each device comprises at least one chamber, usually at least two chambers, and may comprise more than two chambers, which are interconnected by fluid channels. The chambers can be on a single substrate or on different substrates. Preferably, each chamber has a different surface shape configuration than the other chambers present on the device. The device contains a cover to seal the chamber and the channel and comprises at least one inlet and outlet port that allows for media recirculation. The device includes a mechanism for pumping media through the system. The medium is designed to maintain the survival of the cultured cells. The device includes a mechanism that allows a test compound to be introduced into the system.

本発明の一実施形態において、デバイスは、一辺が約2.5cmを超えず、好ましくは少なくとも2つの相互接続したチャンバを備える、単一ユニットとしてマイクロスケールで作製される。2つの臓器コンパートメントは、幅約50〜150μm、深さ15〜25μmのチャネルによって接続される。例えば、1つのチャンバは、並列チャネルの相互接続した配列、通常は少なくとも約10のチャネル、好ましくは少なくとも約20のチャネルを備える肺を表すことができる。そのようなチャネルは、例えば幅約30〜50μm、深さ5〜15μm、長さ3〜7mm等、一般的なマイクロ流体の寸法を有し得る。別のコンパートメントは、通常、幅約50〜150μm、深さ15〜25μm、長さ5〜15cmの2つ以上の並列チャネルを蛇行形状で備える肝臓を表すことができる。   In one embodiment of the present invention, the device is made on a microscale as a single unit that does not exceed about 2.5 cm on a side and preferably comprises at least two interconnected chambers. The two organ compartments are connected by a channel approximately 50-150 μm wide and 15-25 μm deep. For example, one chamber can represent a lung comprising an interconnected array of parallel channels, usually at least about 10 channels, preferably at least about 20 channels. Such channels may have common microfluidic dimensions, for example, about 30-50 μm wide, 5-15 μm deep, and 3-7 mm long. Another compartment can represent a liver, typically comprising two or more parallel channels in a serpentine shape, about 50-150 μm wide, 15-25 μm deep, and 5-15 cm long.

デバイスは、通常、細胞および培地から信号を得るためのメカニズムを含むであろう。異なるチャンバおよびチャネルからの信号をリアルタイムで監視することができる。例えば、バイオセンサは、デバイスに組み込まれてもデバイスの外にあってもよく、システム内にある生理学的状態のリアルタイム読み出しを可能にする。   The device will usually include a mechanism for obtaining signals from cells and media. Signals from different chambers and channels can be monitored in real time. For example, the biosensor may be integrated into the device or external to the device, allowing real-time readout of the physiological state that is in the system.

本発明の薬物動態培養デバイスは、チップまたは基板として提供され得る。そのようなマイクロシステムは、流体力学を強化することに加え、特に、並列度の高いシステムにおいて使用される場合に空間を節約し、安価で産生されることができる。当該培養デバイスは、ポリスチレン等であるがこれに限定されないポリマーから形成され、使用した後は廃棄することができ、滅菌の必要性がない。結果として、in vitroサブシステムを安価に産生し、広範に使用することができる。また、例えば管を形成するために細胞を3次元様式で成長させることができ、これにより、iv vivo環境をより厳密に複製する。   The pharmacokinetic culture device of the present invention can be provided as a chip or a substrate. Such microsystems, in addition to enhancing fluid dynamics, save space and can be produced inexpensively, especially when used in highly parallel systems. The culture device is formed from a polymer such as but not limited to polystyrene and can be discarded after use without the need for sterilization. As a result, in vitro subsystems can be produced inexpensively and used extensively. Also, cells can be grown in a three-dimensional manner, for example to form a tube, thereby more closely replicating the iv vivo environment.

任意の特定の剤に対する動物の代謝反応を真似るために、一揃いの並列または多重配列は複数の(すなわち、少なくとも2つの)細胞培養システムを備え、ここで各システムは、同一であってもよいし、所定のパラメータ値または入力エージェントおよび濃度に応じて可変してもよい。配列は、少なくとも約10、または、100以上ものシステムを備えてもよい。有利なことに、マイクロチップ上の細胞培養システムは、アッセイ中、下にあるすべての細胞培養システムが同じ条件に曝露されるように、単一のチャンバ内に格納され得る。   To mimic an animal's metabolic response to any particular agent, a set of parallel or multiple sequences comprises multiple (ie, at least two) cell culture systems, where each system may be identical. However, it may be varied according to a predetermined parameter value or input agent and concentration. The array may comprise at least about 10, or as many as 100 or more systems. Advantageously, the cell culture system on the microchip can be stored in a single chamber so that all underlying cell culture systems are exposed to the same conditions during the assay.

あるいは、単一のデバイスを形成するために、例えば、胃腸障壁または血液脳関門を模倣するために、複数のチップを組み込んでよい。   Alternatively, multiple chips may be incorporated to form a single device, for example to mimic the gastrointestinal barrier or blood brain barrier.

細胞:本発明のアッセイで使用する細胞は、有機体、有機体から派生した単一細胞型であってよく、in vivo状況では一般的であるように、細胞型の混合物であってよい。培養条件は、例えば、温度、pH、因子の存在、その他の細胞型の存在等を含んでよい。上述したように、薬物動態パラメータ値を得ることができる動物のいずれかを含む、様々な動物細胞が使用され得る。   Cells: The cells used in the assays of the present invention may be an organism, a single cell type derived from an organism, or a mixture of cell types, as is common in in vivo situations. The culture conditions may include, for example, temperature, pH, presence of factors, presence of other cell types, and the like. As described above, a variety of animal cells can be used, including any animal that can obtain pharmacokinetic parameter values.

本発明は、初代細胞、幹細胞、前駆細胞、正常な、遺伝子操作された、遺伝子改変された、不死化された、および形質転換された細胞株を含む任意の細胞型と共に使用するのに適している。本発明は、単一細胞型もしくは細胞株、または、異なる細胞型の組み合わせと共に使用するのに適している。好ましくは、培養細胞は、それらの自然発生的な対応物における反応を導く、刺激に対して反応する能力を維持する。これらは、真核または原核細胞等、すべてのソースから派生し得るものである。真核細胞は、事実上、植物であってもよいし、ヒト、サル、または齧歯類等の動物であってもよい。当該細胞は、任意の組織型(例えば、心臓、胃、腎臓、腸、肺、肝臓、脂肪、骨、軟骨、骨格筋、平滑筋、心筋、骨髄、筋肉、脳、膵臓)、および細胞型(例えば、上皮、内皮、間葉、含脂肪細胞、造血)のものであってよい。さらに、組織または臓器の断面を使用してよい。例えば、動脈、静脈、胃腸管、食道、または結腸の断面が使用され得る。   The present invention is suitable for use with any cell type including primary cells, stem cells, progenitor cells, normal, genetically engineered, genetically modified, immortalized and transformed cell lines. Yes. The present invention is suitable for use with a single cell type or cell line, or a combination of different cell types. Preferably, the cultured cells maintain the ability to respond to stimuli, leading to a response in their naturally occurring counterpart. These can be derived from any source, such as eukaryotic or prokaryotic cells. The eukaryotic cell may in fact be a plant or an animal such as a human, monkey or rodent. The cells can be of any tissue type (eg, heart, stomach, kidney, intestine, lung, liver, fat, bone, cartilage, skeletal muscle, smooth muscle, heart muscle, bone marrow, muscle, brain, pancreas) and cell type ( For example, epithelium, endothelium, mesenchyme, adipocyte, hematopoiesis). In addition, cross sections of tissues or organs may be used. For example, arterial, venous, gastrointestinal tract, esophagus, or colon cross sections may be used.

また、非天然「組み換え型」(「外因性」とも呼ばれる)核酸配列を含有するように遺伝子改変または操作された細胞、または、遺伝機能の利得または損失を提供するためにアンチセンス技術によって修正された細胞を、本発明で利用してもよい。遺伝子操作された細胞を生成するための方法が当該技術分野において既知であり、例えば、「Current Protocols in Molecular Biology」(Ausubelら編、John Wiley&Sons、ニューヨーク州ニューヨーク、2000年)を参照されたい。細胞は、幹細胞等、最終分化したもの、または未分化のものであり得る。本発明の細胞は、生物剤および薬理作用のある物質に対して異なる反応をし得る、各種遺伝子的に多様な個体からの培養細胞であってよい。遺伝的多様性は、罹病性に間接的および直接的な影響を及ぼし得る。直接的な場合には、単一ヌクレオチド多型(Single Nucleotide Polymorphism;SNP)の原因となる単一ヌクレオチドの変化でさえ、タンパク質のアミノ酸配列を改変し、疾病または罹病性に直接的に寄与することができる。例えば、いくつかのAPO‐リポタンパク質E遺伝子型は、幾人かの個人におけるアルツハイマー病の発病および進行と関連付けられている。   Cells that have been genetically modified or engineered to contain non-natural “recombinant” (also called “exogenous”) nucleic acid sequences, or modified by antisense technology to provide gain or loss of genetic function Cells may be utilized in the present invention. Methods for generating genetically engineered cells are known in the art, see, for example, “Current Protocols in Molecular Biology” (Ausubel et al., John Wiley & Sons, New York, NY, 2000). The cells can be terminally differentiated or undifferentiated, such as stem cells. The cells of the present invention may be cultured cells from various genetically diverse individuals that can react differently to biological agents and pharmacological substances. Genetic diversity can have indirect and direct effects on susceptibility. In the direct case, even a single nucleotide change that causes a single nucleotide polymorphism (SNP) alters the amino acid sequence of the protein and contributes directly to the disease or susceptibility Can do. For example, several APO-lipoprotein E genotypes have been associated with the onset and progression of Alzheimer's disease in some individuals.

いくつかの多型が特定の疾病表現型と関連付けられている場合、当該多型の保菌者として識別された個体の細胞は、非保菌者の細胞を対照として使用して、発生異常について研究され得る。いくつかの異なる細胞型が同時に研究され、関連する細胞に接合され得ることから、本発明は、特定の遺伝病の症状と関連付けられた発生異常を研究するための実験システムを提供する。例えば、神経系に対する化合物の細胞効果を特徴付けるために、神経前駆細胞、グリア細胞、または神経起源のその他の細胞を、デバイスにおいて使用することができる。また、システムは、受容体発現および/または機能における変化に対する反応だけでなく、薬物過敏、ケモカインおよびサイトカイン反応、成長因子、ホルモン、および阻害剤に対する反応に影響を及ぼす遺伝要素を識別するために細胞を研究できるようにも設定され得る。この情報は、遺伝的起源の、または、遺伝性素因がある疾病のための、治療方法論を設計する上で、非常に貴重なものとなり得る。   If several polymorphisms are associated with a particular disease phenotype, the cells of individuals identified as carriers of the polymorphism are studied for developmental abnormalities using non-carrier carriers as controls. obtain. Since several different cell types can be studied simultaneously and conjugated to related cells, the present invention provides an experimental system for studying developmental abnormalities associated with specific genetic disease symptoms. For example, neural progenitor cells, glial cells, or other cells of neural origin can be used in the device to characterize the cellular effects of compounds on the nervous system. The system also allows cells to identify genetic elements that affect not only responses to changes in receptor expression and / or function, but also drug sensitivity, chemokine and cytokine responses, responses to growth factors, hormones, and inhibitors. Can also be set up to study. This information can be invaluable in designing therapeutic methodologies for diseases of genetic origin or genetic predisposition.

本発明の一実施形態において、細胞は、医薬的に活性な化合物の解毒および代謝に関係し、例えば、肝細胞を含む肝臓細胞;細管細胞を含む腎臓細胞;有機化合物を長期間保有することができる含脂肪細胞を含む脂肪細胞である。これらの細胞は、呼吸および酸化プロセスに関係する肺細胞等の細胞を持つ培養システムと一体化され得る。これらの細胞を、所望の剤からの損傷に対して特に敏感である細胞、例えば、腸上皮細胞、骨髄細胞、および、細胞分裂に影響を及ぼす剤のためのその他の通常急速に分裂する細胞と組み合わせてもよい。神経毒性等に対する剤の効果を監視するために神経系細胞が存在してもよい。   In one embodiment of the invention, the cell is involved in detoxification and metabolism of a pharmaceutically active compound, eg, liver cells including hepatocytes; kidney cells including tubule cells; Adipocytes including adipocytes that can be produced. These cells can be integrated with a culture system having cells such as lung cells involved in the respiration and oxidation processes. These cells are cells that are particularly sensitive to damage from the desired agent, such as intestinal epithelial cells, bone marrow cells, and other normally rapidly dividing cells for agents that affect cell division You may combine. Nervous cells may be present to monitor the effect of the agent on neurotoxicity and the like.

腫瘍の成長特性、ならびに、腫瘍成長に対する周囲組織および免疫系の反応にも関心が寄せられている。罹患組織および周囲領域を含む変性疾患は、罹患組織の反応、および、生体のその他の部分との相互作用の両方を測定するために活用され得る。   There is also interest in the growth characteristics of tumors and the response of surrounding tissues and the immune system to tumor growth. Degenerative diseases, including the affected tissue and surrounding areas, can be exploited to measure both the response of the affected tissue and the interaction with other parts of the body.

「環境」または「培養条件」という用語は、細胞、媒質、因子、時間、および温度を包含する。環境は、薬物およびその他の化合物、特定の大気条件、pH、塩組成、鉱物等も含み得る。細胞培養は、一般に、生理的状態を模倣した無菌環境において、例えば、37℃、92〜95%の加湿空気/5〜8%のCO雰囲気を含有するインキュベータ内で実行される。細胞培養は、ウシ胎仔血清等の定義されていない生体液を含有する栄養混合物、または、完全に定義されている血清を含まない媒質中でも行うことができる。様々な培地が当該技術分野において既知であり、市販されている。 The term “environment” or “culture conditions” encompasses cells, media, factors, time, and temperature. The environment can also include drugs and other compounds, certain atmospheric conditions, pH, salt composition, minerals, and the like. Cell culture is generally performed in an aseptic environment that mimics physiological conditions, eg, in an incubator containing 37 ° C., 92-95% humidified air / 5-5% CO 2 atmosphere. Cell culture can be performed in a nutrient mixture containing undefined biological fluids such as fetal bovine serum or in a medium that does not contain fully defined serum. Various media are known in the art and are commercially available.

本明細書において使用する場合、「生理的状態」という用語は、in vivoにおける特定の細胞型の天然組織条件を可能な限り厳密に模倣するために、細胞培養条件が極めて特異的に監視されることを意味するものとして定義される。これらの条件は、液体滞留時間(すなわち、液体が臓器内に留まる時間);細胞対血液容積比、細胞上での垂直応力、天然臓器と同程度のコンパートメントのサイズのようなパラメータを含む。   As used herein, the term “physiological state” is used to monitor cell culture conditions very specifically in order to mimic as closely as possible the natural tissue conditions of a particular cell type in vivo. It is defined as meaning. These conditions include parameters such as fluid residence time (ie, the time that fluid remains in the organ); cell-to-blood volume ratio, normal stress on the cells, and compartment size comparable to that of the natural organ.

スクリーニングアッセイ:本明細書で、総称的に「入力変数」と称される、薬物、毒素、細胞、病原体、試料等は、薬物動態ベースの培養システムに追加し、次いで、所望の出力変数の変化、例えば、Oの消費、COの産生、細胞の生存、または所望のタンパク質の発現について培養細胞を評価することによって、生物活性をスクリーニングされる。入力変数は、一般に、溶液中、または易溶性の形態で、培養中の細胞の媒質に追加される。入力変数は、フロースルーシステムを使用して、あるいは、他の静的溶液にボーラスを追加することによって、追加され得る。フロースルーシステムにおいては2つの流体が使用され、一方は生理的に中性な溶液であり、他方は試験化合物が追加された同じ溶液である。第1の流体が細胞を通り越し、第2の流体がそれに続く。単一溶液の方法においては、試験入力変数のボーラスが、細胞を囲む媒質の容積に追加される。培地の全体的な組成は、ボーラスの追加によって、または、フロースルー法における2つの溶液の間で、大幅には変化しないはずである。 Screening assay: Drugs, toxins, cells, pathogens, samples, etc., collectively referred to herein as “input variables”, are added to a pharmacokinetic-based culture system and then the desired output variable change For example, biological activity is screened by evaluating cultured cells for consumption of O 2 , production of CO 2 , cell survival, or expression of the desired protein. Input variables are generally added to the cell medium in culture, either in solution or in a readily soluble form. Input variables can be added using a flow-through system or by adding boluses to other static solutions. In the flow-through system, two fluids are used, one is a physiologically neutral solution and the other is the same solution with the addition of a test compound. The first fluid passes through the cell, followed by the second fluid. In the single solution method, a bolus of test input variables is added to the volume of media surrounding the cells. The overall composition of the medium should not change significantly with the addition of boluses or between the two solutions in the flow-through method.

好ましい入力変数製剤は、保存料等、製剤全体に対して顕著な効果を有する追加成分を含まない。したがって、好ましい製剤は、生物活性剤および生理的に許容可能な担体、例えば、水、エタノール、またはDMSOを含む。しかしながら、剤が補形薬を持たない液体である場合、製剤は化合物自体のみであってよい。   Preferred input variable formulations do not contain additional ingredients that have a significant effect on the overall formulation, such as preservatives. Accordingly, preferred formulations comprise a bioactive agent and a physiologically acceptable carrier such as water, ethanol, or DMSO. However, if the agent is a liquid without an excipient, the formulation may be only the compound itself.

好ましい入力変数は、ウイルス、ウイルス粒子、リポソーム、ナノ粒子、生分解性ポリマー、放射性標識粒子、放射性標識生体分子、毒素抱合粒子、毒素抱合生体分子、および、安定化剤と抱合された粒子または生体分子を含むがこれらに限定されない。「安定化剤」は、薬物を安定させ、制御放出を提供するために使用される剤である。そのような剤は、アルブミン、ポリエチレングリコール、ポリ(エチレン‐co‐酢酸ビニル)、およびポリ(ラクチド‐co‐グリコリド)を含む。   Preferred input variables are viruses, virus particles, liposomes, nanoparticles, biodegradable polymers, radiolabeled particles, radiolabeled biomolecules, toxin conjugated particles, toxin conjugated biomolecules, and particles or bios conjugated with stabilizers. Including but not limited to molecules. A “stabilizer” is an agent used to stabilize a drug and provide controlled release. Such agents include albumin, polyethylene glycol, poly (ethylene-co-vinyl acetate), and poly (lactide-co-glycolide).

様々な濃度に対する反応差を得るために、異なる入力変数濃度で複数のアッセイを並行して実行することができる。当該技術分野において既知であるように、剤の有効濃度を測定するには、一般に、1:10またはその他の対数スケールの希釈に由来する濃度の範囲を使用する。濃度は、必要に応じて、二次希釈によりさらに純化され得る。一般に、これらの濃度の1つは、陰性対照としての役割を果たす、すなわち、ゼロ濃度である、または検出のレベルに満たない。   Multiple assays can be run in parallel with different input variable concentrations to obtain response differences for different concentrations. As is known in the art, a range of concentrations derived from 1:10 or other log scale dilutions is generally used to determine the effective concentration of an agent. The concentration can be further purified by secondary dilution if necessary. In general, one of these concentrations serves as a negative control, i.e. is zero concentration or below the level of detection.

関心が持たれている入力変数は、多くの場合、有機分子であるが、複数の化学的分類を包含する。好ましい実施形態は、例えば環境試料または薬物等、試料の毒性をスクリーニングするための、本発明の方法の使用である。候補剤は、タンパク質との構造的相互作用、特に水素結合に必要な官能基を含んでよく、一般に、少なくともアミン、カルボニル、ヒドロキシル、またはカルボキシル基、好ましくは、これらの化学官能基のうち少なくとも2つを含む。候補剤は、多くの場合、上記の官能基の1つ以上と置き換えて、循環炭素もしくは複素環構造、および/または、芳香族もしくは多環芳香族構造を含む。候補剤は、ペプチド、サッカリド、脂肪酸、ステロイド、プリン、ピリミジン、誘導体、構造的アナログ、またはそれらの組み合わせを含む生体分子中にも見られる。   The input variables of interest are often organic molecules, but include multiple chemical classifications. A preferred embodiment is the use of the method of the invention for screening the toxicity of a sample, for example an environmental sample or a drug. Candidate agents may contain functional groups necessary for structural interactions with proteins, particularly hydrogen bonds, and generally will include at least amine, carbonyl, hydroxyl, or carboxyl groups, preferably at least 2 of these chemical functional groups. Including one. Candidate agents often include cyclic carbon or heterocyclic structures, and / or aromatic or polycyclic aromatic structures, replacing one or more of the above functional groups. Candidate agents are also found in biomolecules including peptides, saccharides, fatty acids, steroids, purines, pyrimidines, derivatives, structural analogs, or combinations thereof.

薬理学的に活性な薬物および遺伝的に活性な分子が含まれる。関心が持たれている化合物は、化学療法剤、抗炎症剤、ホルモンまたはホルモン拮抗剤、イオンチャネル修飾因子、および神経活性剤を含む。本発明に適する典型的な医薬品は、「The Pharmacological Basis of Therapeutics」GoodmanおよびGilman、McGraw‐Hill、ニューヨーク州ニューヨーク(1996年)、第9版の、Drugs Acting at Synaptic and Neuroeffector Junctional Sites;Drugs Acting on the Central Nervous System;Autacoids:Drug Therapy of Inflammation;Water,Salts and Ions;Drugs Affecting Renal Function and Electrolyte Metabolism;Cardiovascular Drugs;Drugs Affecting Gastrointestinal Function;Drugs Affecting Uterine Motility;Chemotherapy of Parasitic Infections;Chemotherapy of Microbial Diseases;Chemotherapy of Neoplastic Diseases;Drugs Used for Immunosuppression;Drugs Acting on Blood‐Forming Organs;Hormones and Hormone Antagonists;Vitamins,Dermatology;およびToxicologyの節に記載されているものであり、参照することによりすべてが本書に組み込まれる。毒素、ならびに、生物および化学兵器剤も含まれ、例えば、Somani、S.M.(編)、「Chemical Warfare Agents」(Academic Press、ニューヨーク、1992年)を参照されたい。   Pharmacologically active drugs and genetically active molecules are included. Compounds of interest include chemotherapeutic agents, anti-inflammatory agents, hormones or hormone antagonists, ion channel modifiers, and neuroactive agents. A typical pharmaceutical suitable for the present invention is “The Pharmacological Basis of Therapeutics” Goodman and Gilman, McGraw-Hill, New York, New York (1996), 9th edition, Drugs Acting at Synapit at Sect. the Central Nervous System; Autocoids: Drug Therapy of Information; Water, Salts and Ions; Drugs Affecting Rental Function and Electrolyte Metaltology; scular Drugs; Drugs Affecting Gastrointestinal Function; Drugs Affecting Uterine Motility; Chemotherapy of Parasitic Infections; Chemotherapy of Microbial Diseases; Chemotherapy of Neoplastic Diseases; Drugs Used for Immunosuppression; Drugs Acting on Blood-Forming Organs; Hormones and Hormone Antagonists; Vitamins, Dermatology; And described in the Toxicology section It is shall, all of which is incorporated by reference herein. Toxins and biological and chemical warfare agents are also included, see, for example, Somani, S .; M.M. (Eds.), “Chemical Warfare Agents” (Academic Press, New York, 1992).

試験化合物は、上述したすべての分類の分子を含み、未知の内容の試料をさらに含んでよい。多くの試料は溶液中の化合物を含むことになるが、適切な溶媒中に溶解できる固体試料をアッセイしてもよい。関心が持たれている試料は、環境試料、例えば、地下水、海水、または、採鉱廃棄物;生物試料、例えば、作物から調製された溶解物または組織試料;製造試料、例えば、医薬調製中の経時変化;さらに、分析用に調製された化合物のライブラリ;等を含む。関心が持たれている試料は、潜在的な治療的価値が評価されている化合物、例えば、植物または真菌細胞からの薬物候補を含む。   Test compounds include all the classes of molecules described above and may further include samples of unknown content. Many samples will contain compounds in solution, but solid samples that can be dissolved in a suitable solvent may be assayed. Samples of interest are environmental samples such as groundwater, seawater, or mining waste; biological samples such as lysates or tissue samples prepared from crops; production samples such as time during pharmaceutical preparation A library of compounds prepared for analysis; and the like. Samples of interest include compounds that are being evaluated for potential therapeutic value, such as drug candidates from plants or fungal cells.

「試料」という用語は、付加的な構成要素、例えば、イオン強度、pH、または総タンパク質濃度に影響を及ぼす構成要素が添加された上述の流体も含む。また、試料は、少なくとも部分的な分画または濃縮を達成するために処理され得る。生物試料は、化合物の分解を削減するように注意するのであれば、例えば窒素下、冷凍、またはそれらの組み合わせで保管されてよい。使用される試料の容積は、計測可能な検出を可能にするために十分なものであり、通常、約0.1μlから1mlの生物試料で十分である。   The term “sample” also includes the fluids described above to which additional components have been added, such as components that affect ionic strength, pH, or total protein concentration. The sample can also be processed to achieve at least partial fractionation or concentration. Biological samples may be stored, for example, under nitrogen, frozen, or combinations thereof if care is taken to reduce degradation of the compound. The sample volume used is sufficient to allow measurable detection, and usually about 0.1 μl to 1 ml of biological sample is sufficient.

化合物および候補剤は、合成または天然化合物のライブラリを含む多種多様なソースから得られる。例えば、無作為に選ばれたオリゴヌクレオチドおよびオリゴペプチドの発現を含む、多種多様な有機化合物および生体分子の無作為または指定された合成のために、複数の手段が利用可能である。あるいは、細菌、真菌、植物、および動物抽出物の形態の、天然化合物のライブラリが利用可能である、または容易に産生される。さらに、天然または合成的に産生されたライブラリおよび化合物は、従来の化学的、物理的、および生化学的手段によって容易に修正されることができ、コンビナトリアルライブラリを産生するために使用されることができる。既知の薬理作用のある物質は、構造的アナログを産生するために、アシル化、アルキル化、エステル化、アミド化等の指定されたまたは無作為な化学修飾に供され得る。   Compounds and candidate agents are obtained from a wide variety of sources including libraries of synthetic or natural compounds. Several means are available for random or designated synthesis of a wide variety of organic compounds and biomolecules, including, for example, expression of randomly chosen oligonucleotides and oligopeptides. Alternatively, libraries of natural compounds are available or readily produced in the form of bacterial, fungal, plant and animal extracts. Furthermore, natural or synthetically produced libraries and compounds can be easily modified by conventional chemical, physical, and biochemical means and used to produce combinatorial libraries. it can. Known pharmacological agents can be subjected to designated or random chemical modifications such as acylation, alkylation, esterification, amidation, etc. to produce structural analogs.

出力変数:出力変数は、細胞の定量化可能な要素、特に、ハイスループットシステムにおいて正確に計測され得る要素である。出力は、例えば、生存、呼吸、代謝、細胞表面決定基、受容体、タンパク質またはその配座もしくは翻訳後修飾、脂質、炭水化物、有機もしくは無機分子、mRNA、DNA、またはそのような細胞成分から派生した部分を含む、任意の細胞成分または細胞産物であってよい。ほとんどの出力は定量的な読み出しを提供することになるが、場合によっては、半定量的または定性的結果が得られるであろう。読み出した情報は、単一の測定値を含んでもよいし、平均、メジアン値、または分散を含んでもよい。特徴として、読み出し値の範囲は各出力から得られることになる。変動が期待され、標準的な統計的方法を使用して、試験出力のセットを表す値の範囲が確立され得る。   Output variable: An output variable is a quantifiable element of a cell, particularly an element that can be accurately measured in a high-throughput system. Output is derived from, for example, survival, respiration, metabolism, cell surface determinants, receptors, proteins or conformational or post-translational modifications, lipids, carbohydrates, organic or inorganic molecules, mRNA, DNA, or such cellular components Can be any cellular component or cellular product. Most outputs will provide a quantitative readout, but in some cases semi-quantitative or qualitative results will be obtained. The read information may include a single measurement or may include an average, median value, or variance. As a feature, the range of read values is obtained from each output. Variations are expected and a range of values representing a set of test outputs can be established using standard statistical methods.

選択されたマーカーの存在を定量化するために、様々な方法が利用され得る。存在する分子の量を計測するための便利な方法は、検出可能な部分で分子を標識することであり、当該部分は蛍光性、発光性、放射性、または酵素的に活性であってよい。蛍光性および発光性部分は事実上、あらゆる生体分子、構造、または細胞型を標識するために容易に利用可能である。免疫蛍光部分は、特定のタンパク質だけでなく、特定の立体構造、切断産物、またはリン酸化反応のような部位修飾にも結合するように方向付けられ得る。個々のペプチドおよびタンパク質は、例えば細胞内で緑色蛍光タンパク質キメラとしてそれらを発現することによって、自己蛍光するように改変され得る(概説は、Jonesら(1999年)Trends Biotechnol.17(12):477〜81を参照)。   Various methods can be utilized to quantify the presence of the selected marker. A convenient way to measure the amount of molecule present is to label the molecule with a detectable moiety, which may be fluorescent, luminescent, radioactive, or enzymatically active. Fluorescent and luminescent moieties are readily available for labeling virtually any biomolecule, structure, or cell type. Immunofluorescent moieties can be directed to bind not only to specific proteins, but also to specific conformations, cleavage products, or site modifications such as phosphorylation reactions. Individual peptides and proteins can be modified to be autofluorescent, for example, by expressing them as green fluorescent protein chimeras in cells (reviewed Jones et al. (1999) Trends Biotechnol. 17 (12): 477. ~ 81).

出力変数は、免疫組織化学、ラジオイムノアッセイ(RadioImmunoAssay;RIA)、または酵素免疫測定法(Enzyme Linked ImmunoSorbance Assay;ELISA)および関連の非酵素的技術等の、免疫測定法によって計測され得る。これらの技術では、単一分子標的に付着するためのそれらの高度な特異性により、特に有用なレポーター分子として、特定の抗体を利用する。細胞ベースのELISAまたは関連の非酵素的または蛍光ベースの方法により、細胞表面パラメータの計測が可能になる。そのようなアッセイから読み出した情報は、個々の蛍光抗体が検出された細胞表面分子またはサイトカインと関連付けられた平均蛍光、または、アベレージ蛍光強度、メジアン蛍光強度、蛍光強度の分散、もしくはこれらの間にある何らかの関係であり得る。   Output variables can be measured by immunoassays, such as immunohistochemistry, radioimmunoassay (RadioImmunoAssay; RIA), or enzyme linked immunosorbent assay (ELISA) and related non-enzymatic techniques. These techniques utilize specific antibodies as particularly useful reporter molecules due to their high specificity for attaching to single molecule targets. Cell surface ELISA or related non-enzymatic or fluorescence based methods allow measurement of cell surface parameters. Information read from such an assay can be the average fluorescence associated with the cell surface molecule or cytokine in which the individual fluorescent antibody was detected, or the average fluorescence intensity, median fluorescence intensity, dispersion of fluorescence intensity, or in between There can be some relationship.

データ分析:スクリーニングアッセイの結果は、参照化合物、濃度曲線、対照等から得られた結果と比較され得る。結果の比較は、適切な推論プロトコル、Alシステム、統計比較等の使用によって実現される。   Data analysis: Results of screening assays can be compared to results obtained from reference compounds, concentration curves, controls, and the like. Comparison of results is achieved through the use of appropriate inference protocols, Al systems, statistical comparisons, and the like.

参照出力データのデータベースをコンパイルすることができる。これらのデータベースは、単一または複数の環境条件またはパラメータが除去または特異的に改変された環境条件下で処理された細胞の分析からの参照だけでなく、既知の剤または剤の組み合わせからの結果も含んでよい。データマトリクスを生成することができ、当該データマトリクスの各点は出力変数から読み出した情報に対応し、各出力を表すデータは、複製測定結果、例えば、同じ種類である複数の個々の細胞に源を発するものであってよい。   A database of reference output data can be compiled. These databases contain results from known agents or combinations of agents, as well as references from analyzes of cells treated under environmental conditions where single or multiple environmental conditions or parameters have been removed or specifically modified. May also be included. A data matrix can be generated, each point of the data matrix corresponding to information read from the output variable, and the data representing each output is sourced from replicate measurement results, eg, multiple individual cells of the same type. May be emitted.

読み出した情報は、平均、アベレージ、メジアン、もしくは分散、または計測結果と関連付けられたその他の統計的もしくは数学的に派生した値であってよい。出力読み出し情報は、対応する参照読み出し情報との直接的な比較によってさらに純化され得る。同一条件下で各出力について得られた絶対値は、生きている生物系に内在する変動を表示することになり、個体間に内在する変動だけでなく、個々の細胞変動も反映するものである。   The read information may be an average, average, median, or variance, or other statistically or mathematically derived value associated with the measurement result. The output readout information can be further purified by direct comparison with the corresponding reference readout information. The absolute value obtained for each output under the same conditions will display the variation inherent in the living biological system and reflect not only the variation inherent between individuals but also individual cell variations. .

細胞培養および細胞培養デバイス
本発明の培養デバイスは、別個ではあるが相互接続し、好ましくはチップフォーマットに組み込まれた1つ以上のチャンバ内に隔離された、チャネルの流体ネットワークを備える。特定のチャンバ表面形状は、対応する細胞、組織、または臓器系にin vivoで見られるものと相互作用する細胞相互作用、液体流量、および液体滞留パラメータを提供するように設計される。
Cell Culture and Cell Culture Devices The culture devices of the present invention comprise a fluid network of channels that are separate but interconnected and preferably isolated within one or more chambers incorporated in a chip format. Specific chamber surface shapes are designed to provide cell interactions, fluid flow rates, and fluid retention parameters that interact with those found in vivo in the corresponding cell, tissue, or organ system.

最適化されたチャンバ表面形状は、選択した値が得られるまで、流体流れおよび寸法の変化を受けてパラメータ値を試験する手順を繰り返すことによって開発され得る。基板の最適化は、チャンバの数を選択すること、適正な細胞対容積比を提供するチャンバ表面形状を選定すること、適正な組織または臓器サイズ比を提供するチャンバサイズを選択すること、正しい液体滞留時間を提供する最適流体流速を選定すること、続いて、これらの値に基づいて細胞せん断応力を計算することを含む。細胞せん断応力が最大許容値を超える場合、新しいパラメータ値が選択され、プロセスが繰り返される。CCAデバイスの別の実施形態は、チャネルまたはチャンバの底部および側面上ではなく中空管内で細胞が成長するものを含む。そのような3次元組織構成物中で成長する細胞は、いくつかのin vivo組織について、より本物に近いことが実証されている(Griffith(1998年)PhARMA Biol.Biotech.Conf.、カリフォルニア州コロナド、3月15〜18日)。   An optimized chamber surface shape can be developed by repeating the procedure of testing parameter values in response to changes in fluid flow and dimensions until a selected value is obtained. Substrate optimization involves selecting the number of chambers, selecting the chamber surface shape that provides the correct cell-to-volume ratio, selecting the chamber size that provides the correct tissue or organ size ratio, and the correct liquid Selecting an optimal fluid flow rate that provides a residence time, and then calculating a cell shear stress based on these values. If the cell shear stress exceeds the maximum allowable value, a new parameter value is selected and the process is repeated. Another embodiment of a CCA device includes one in which cells grow in hollow tubes rather than on the bottom and sides of the channel or chamber. Cells growing in such three-dimensional tissue constructs have been demonstrated to be more authentic for some in vivo tissues (Griffith (1998) PhARMA Biol. Biotech. Conf., Coronado, CA). March 15-18).

3D培養デバイスを作成する上で、3つの本源的な設計パラメータが考慮される。1つ目は、流体が特定の組織に接触している、またはウェル内にある、滞留時間である。滞留時間は、血液が、循環器系の1つの通路内でウェルによって表される臓器組織と接触している時間の量を反映するように選定される。2つ目は、中で細胞が成長する管の半径である。例えば、肝臓を複製するための管の半径は、200〜400μmの範囲内である。管の半径が大きくなりすぎると、細胞は原則的に平面となり、管上に単分子層を形成することに留意すべきである。   In creating a 3D culture device, three intrinsic design parameters are considered. The first is the residence time where the fluid is in contact with a particular tissue or is in a well. The residence time is chosen to reflect the amount of time that blood is in contact with the organ tissue represented by the well within one passage of the circulatory system. The second is the radius of the tube in which the cells grow. For example, the radius of the tube for replicating the liver is in the range of 200-400 μm. It should be noted that if the radius of the tube becomes too large, the cells are essentially flat and form a monolayer on the tube.

3つ目のパラメータは、各モジュールに到達する流量の割合である。流れチャネルの表面形状を調整することにより、チャンバからの流れを区分化する。各モジュールまたはチャンバへのチャネルまたは管は、圧力降下の平衡を保ち、流れを釣り合わせるために、一般に異なる長さのものである。流体は、その他の組織から離れた後、ポンプによって再循環されることができる。管を通る流速を、管の寸法および滞留時間から計算した。流速を鑑みて、値が細胞の応力限界を超えないことを確実にするために、細胞上のせん断応力を計算した。肺組織においては極めて短い滞留時間が要求されるため、この臓器にウェルおよび管アプローチを使用することは不可能である。せん断応力が高すぎることにより、肺組織セクションは、肺組織単分子層に影響を及ぼさないままである。   The third parameter is the rate of flow that reaches each module. The flow from the chamber is segmented by adjusting the surface shape of the flow channel. The channels or tubes to each module or chamber are generally of different lengths to balance the pressure drop and balance the flow. The fluid can be recirculated by the pump after leaving other tissues. The flow rate through the tube was calculated from the tube size and residence time. In view of the flow rate, the shear stress on the cells was calculated to ensure that the value did not exceed the cell stress limit. Due to the very short residence time required in lung tissue, it is not possible to use the well and tube approach for this organ. Because the shear stress is too high, the lung tissue section remains unaffected by the lung tissue monolayer.

本発明のシステムは双方向性である(すなわち、コンピュータは試験範囲内の条件を感知するだけでなく、制御もする)ため、補正がシステムへ動的に加えられ、適切に注記されて、実行中である試験の動力学の研究者らに通知するために文書化されることができる。   Since the system of the present invention is bi-directional (ie, the computer not only senses but also controls conditions within the test range), corrections are dynamically added to the system, appropriately noted and implemented. Can be documented to inform researchers of the kinetics of the study within.

コンピュータにより集められるデータは、各コンパートメントからの試験化学物質廃液の連続的なインライン監視に必要なデータの収集物から成る。上述のように、各コンパートメントからの試験化学物質廃液に関する定量的データを検出、分析、および提供するために、センサ、好ましくはフロースルー型のものが、各コンパートメントからの流出物とインラインで配置される。   The data collected by the computer consists of a collection of data necessary for continuous in-line monitoring of the test chemical effluent from each compartment. As described above, sensors, preferably flow-through types, are placed in-line with the effluent from each compartment to detect, analyze, and provide quantitative data regarding the test chemical effluent from each compartment. The

マイクロプロセッサは、特定の試験化学物質について生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;PBPK)モデルを算定するのにも役立つ。これらの計算は、コンパートメント間での流速、および、システムからの試験化学物質の排泄速度を設定するための根拠としての役割を果たすことができる。しかしながら、試験化学物質の理論推定値としての役割を果たす場合もある。実験の終わりに、PBPK測定によって為された試験化合物および代謝産物の濃度に関する予測を、センサデータと比較することができる。ハードコピー出力は、PBPKモデルを実験結果と比較するものである。   The microprocessor is also useful in calculating a Physiologically-Based PharmacoKinetic (PBPK) model for a particular test chemical. These calculations can serve as a basis for setting flow rates between compartments and the rate of elimination of test chemicals from the system. However, it may also serve as a theoretical estimate for the test chemical. At the end of the experiment, predictions regarding the concentrations of test compounds and metabolites made by the PBPK measurements can be compared to sensor data. The hard copy output compares the PBPK model with the experimental results.

いくつかのプロトタイプCCAシステムを構築し、試験した。図17Aは、「第1世代」3コンパートメントデバイスを描写している。寸法は、以下のとおり:ウエハは2cm×2cmであり;肺チャンバは20のチャネル(長さ5mm)40μm×20μm(幅×深さ)を有し;肝臓チャンバは2つのチャネル(長さ100mm)100μm×20μm(幅×深さ)を有するものとした。このデバイスを使用する上での第1のステップは、シリンジポンプを使用してすべてのチャンバがいっぱいになるまで流体を注入することである。第2に、蠕動ポンプを使用して流体を再循環させる。図17Bは、システムの流体光学を実証する、デバイスの断面図を示す。厚さ400μmのエラストマーが良好な密封性を示し、プレキシガラスおよびゲルローディングチップはその他の材料よりもはるかに脆弱性が低いことが分かった。このデバイスには、90°屈曲時に高い圧力降下および漏れが発生するという問題があった。   Several prototype CCA systems were built and tested. FIG. 17A depicts a “first generation” three-compartment device. The dimensions are as follows: the wafer is 2 cm × 2 cm; the lung chamber has 20 channels (length 5 mm) 40 μm × 20 μm (width × depth); the liver chamber has 2 channels (length 100 mm) It shall have 100 micrometers x 20 micrometers (width x depth). The first step in using this device is to inject fluid using a syringe pump until all chambers are full. Second, the fluid is recirculated using a peristaltic pump. FIG. 17B shows a cross-sectional view of the device demonstrating the fluid optics of the system. A 400 μm thick elastomer showed good sealability and plexiglass and gel loading tips were found to be much less brittle than other materials. This device had the problem of high pressure drop and leakage when bent at 90 °.

この「第1世代」デバイスを使用して、細胞付着性の研究を実行した。L2細胞を肺チャンバに入れ、H4IIE細胞を肝臓チャンバに入れた。チャンバの表面にポリ‐D‐リジンを吸着させ、チャネル内の細胞の付着を促進した。残念なことに、細胞はトレンチの外側に付着していたため、異なる基板を試験し、表面を修正した。   Cell adhesion studies were performed using this “first generation” device. L2 cells were placed in the lung chamber and H4IIE cells were placed in the liver chamber. Poly-D-lysine was adsorbed on the surface of the chamber to promote cell attachment in the channel. Unfortunately, because the cells were attached to the outside of the trench, different substrates were tested and the surface was modified.

図18Aは、「第2世代」デバイスを描写している。寸法は、以下のとおり:チップは2cm×2cm;エッチングは深さ20μm;肺チャンバは2mm×2mm(幅×長さ);肝臓チャンバは7.5mm×10mm(幅×長さ)とした。肺チャンバは細胞付着性を増加させるために5μmの高い隆線を含有し(図18B)、肝臓チャンバは浸出をシミュレートするために20μmの高い柱を含有していた(図18C)。   FIG. 18A depicts a “second generation” device. The dimensions were as follows: chip 2 cm × 2 cm; etching 20 μm deep; lung chamber 2 mm × 2 mm (width × length); liver chamber 7.5 mm × 10 mm (width × length). The lung chamber contained a high ridge of 5 μm to increase cell adhesion (FIG. 18B), and the liver chamber contained a high column of 20 μm to simulate leaching (FIG. 18C).

図19は、「第3世代」デバイスを描写している。寸法は、以下のとおり:チップは2cm×2cm;肺チャンバは2mm×2mm(幅×長さ);肝臓チャンバは3.7mm×3.8mm(幅×長さ);「その他の組織」チャンバは7mm×7mm(幅×長さ)とした。流体は肺チャンバから分割されて、20%は肝臓へ、80%はその他の組織チャンバへ向かった。チャンバの一部(破線部分)は圧力降下を削減するために深さ100μmであり、その他の部分(実線部分)は現実的な液体細胞比を与えるために深さ20μmである。   FIG. 19 depicts a “third generation” device. Dimensions are as follows: tip 2 cm x 2 cm; lung chamber 2 mm x 2 mm (width x length); liver chamber 3.7 mm x 3.8 mm (width x length); "other tissue" chamber 7 mm x 7 mm (width x length). Fluid was split from the lung chamber, 20% to the liver and 80% to the other tissue chambers. Part of the chamber (dashed line part) is 100 μm deep to reduce pressure drop and the other part (solid line part) is 20 μm deep to give a realistic liquid cell ratio.

図20は、5コンパートメントPBPKモデルCCAを表す流れ図である。このデバイスでは、脂肪細胞を表すチャンバ、ゆっくり潅流される流体および迅速に潅流される流体を表すチャンバを追加している。そのようなデバイスは、生物蓄積研究、細胞毒性研究、および代謝活性のために使用され得る。様々な順列を持つその他のデバイスも開発され得る。例えば、ガス交換を伴う隔膜ポンプ、またはオンラインバイオセンサ、または微小電気機械(Micro ElectroMechanical;MEM)ポンプ、またはバイオセンサおよび電子インタフェースを追加してよい。医薬の経口送達を模倣するためのデバイスを開発することができる。あるいは、血液脳関門を模倣するためのデバイスを開発することができる。   FIG. 20 is a flow diagram representing a five compartment PBPK model CCA. In this device, a chamber representing fat cells, a chamber representing slowly perfused fluid and rapidly perfused fluid are added. Such devices can be used for bioaccumulation studies, cytotoxicity studies, and metabolic activities. Other devices with various permutations can also be developed. For example, a diaphragm pump with gas exchange, or an online biosensor, or a micro electromechanical (MEM) pump, or a biosensor and an electronic interface may be added. Devices can be developed to mimic oral drug delivery. Alternatively, devices can be developed to mimic the blood brain barrier.

作製
細胞培養デバイスは、一般に、適切に嵌合または係合すると本発明の培養デバイスを形成する分離要素、例えば、チャンバ、チャネル、入り口、または出口の集合体を備える。好ましくは、当該要素は、集積「チップベース」フォーマットで提供される。
Production Cell culture devices generally comprise a collection of separation elements, such as chambers, channels, inlets, or outlets, that when properly mated or engaged, form the culture devices of the present invention. Preferably, the element is provided in an integrated “chip-based” format.

デバイスの流体工学は、デバイスのサイズに合わせて適切に拡大縮小される。チップベースフォーマットにおいて、流体接続は「マイクロ流体」であり、そのようなシステムは、例えば、深さまたは幅が約0.1μm乃至500μmの、少なくとも1つの内部断面寸法を有する、通路、チャンバ、または導管等の流体素子を含有する。本発明のデバイスにおいて、チャンバ間のチャネルは一般に、少なくとも1つのマイクロスケールのチャネルを含む。   Device fluidics are scaled appropriately to fit the size of the device. In a chip-based format, the fluid connection is a “microfluidic” and such a system has a passage, chamber, or having at least one internal cross-sectional dimension, eg, about 0.1 μm to 500 μm in depth or width. Contains fluidic elements such as conduits. In the device of the present invention, the channel between the chambers generally comprises at least one microscale channel.

一般に、マイクロ流体デバイスは、上部分と、底部分と、内側部分とを備え、当該内側部分は、デバイスのチャネルおよびチャンバを実質的に画定する。好ましい態様において、底部分は、構造上実質的に平面である固体基板を備えることになり、当該基板は少なくとも1つの実質的に平らな上面を有する。様々な基板材料を底部分として用いてよい。一般に、デバイスは微細加工されるため、基板材料は概して、既知の微細加工技術、例えば、フォトリソグラフィ、薄膜蒸着、湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング、誘導結合プラズマディープシリコンエッチング、レーザー切断、空気摩耗技術、射出成形、エンボス加工、およびその他の技術との適合性に基づいて選択されることになる。   In general, a microfluidic device comprises a top portion, a bottom portion, and an inner portion, the inner portion substantially defining the channel and chamber of the device. In a preferred embodiment, the bottom portion will comprise a solid substrate that is substantially planar in structure, the substrate having at least one substantially flat top surface. Various substrate materials may be used as the bottom portion. In general, since devices are microfabricated, substrate materials are generally known microfabrication techniques such as photolithography, thin film deposition, wet chemical etching, reactive ion etching, inductively coupled plasma deep silicon etching, laser cutting, air wear. The choice will be based on technology, injection molding, embossing, and compatibility with other technologies.

本発明の基板材料は、ポリマー材料、例えば、ポリスチレン等のプラスチック、ポリメチルメタクリレート(PolyMethylMethAcrylate;PMMA)、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロエチレン(TEFLON(商標))、ポリ塩化ビニル(PolyVinylChloride;PVC)、ポリジメチルシロキサン(PolyDiMethylSiloxane;PDMS)、ポリスルホン等を備える。そのような基板は、射出成形、エンボス加工、もしくはスタンピング等のよく知られた成形技術を使用して、または、金型内のポリマー前駆材料を重合させることによって、微細加工マスターから容易に製造される。そのようなポリマー基板材料は、最も極端な反応条件に対するそれらの一般的な不活性に加え、それらの製造の容易性、低コスト、および廃棄性という理由のために好ましい。これらのポリマー材料は、システム内でのそれらの有用性を強化するため、例えば、強化された流体方向、細胞付着、または細胞分離を提供するために、処理された表面、例えば誘導体化または被覆された表面を含んでよい。   The substrate material of the present invention is a polymer material such as plastic such as polystyrene, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate, polytetrafluoroethylene (TEFLON (trademark)), polyvinylchloride (PolyvinylChloride; PVC), polydimethyl. Siloxane (PolyDiMethyl Siloxane; PDMS), polysulfone, etc. are provided. Such substrates are easily manufactured from microfabricated masters using well-known molding techniques such as injection molding, embossing, or stamping, or by polymerizing the polymer precursor material in the mold. The Such polymer substrate materials are preferred because of their general inertness to the most extreme reaction conditions, as well as their ease of manufacture, low cost, and disposal. These polymeric materials are treated surfaces such as derivatized or coated to enhance their usefulness within the system, for example, to provide enhanced fluid orientation, cell attachment, or cell separation. Surface may be included.

マイクロ流体デバイスのチャネルおよび/またはチャンバは、一般に、マイクロスケールの溝または圧入のような、上述した微細加工技術を使用して、基板の上面、または底部分内に作製される。マイクロ流体デバイスの上部分の下面は、当該上部分が一般に第2の平面基板を備え、次に、底部基板の表面にオーバーレイされてそれと結合され、これら2つの構成要素の界面にあるデバイスのチャネルおよび/またはチャンバ(内側部分)を密封する。上部分の底部分への結合は、基板材料の本質に応じて、様々な既知の方法を使用することによって行われ得る。例えば、ガラス基板の場合、デバイスの上部分を底部分に結合するために、高温および圧力を用いる熱結合技術が使用され得る。基板材料の過剰溶融を防止するために、使用される温度が概して低いことを除いては同様の技術を使用して、ポリマー基板を結合することができる。デバイスのポリマー部分を共に結合するために、音響溶接技術、または、接着剤、例えば紫外線硬化接着剤の使用等を含む代替的な方法を使用してもよい。   The channels and / or chambers of the microfluidic device are generally fabricated in the top or bottom portion of the substrate using the microfabrication techniques described above, such as microscale grooves or press fit. The lower surface of the upper portion of the microfluidic device is generally provided with a second planar substrate, which is then overlaid and bonded to the surface of the bottom substrate, the device channel at the interface of these two components And / or seal the chamber (inner part). The bonding of the top portion to the bottom portion can be done by using various known methods, depending on the nature of the substrate material. For example, in the case of a glass substrate, a thermal bonding technique using high temperature and pressure can be used to bond the top portion of the device to the bottom portion. In order to prevent over-melting of the substrate material, polymer substrates can be bonded using similar techniques except that the temperatures used are generally low. Alternative methods may be used to bond the polymer parts of the device together, including acoustic welding techniques or the use of adhesives such as UV curable adhesives.

デバイスは、概して、低流量蠕動ポンプ等のポンプを備えるであろう。小口径可撓管がデバイスの出口に付着され、蠕動ポンプを通過してデバイスの入り口に付着され、それによって閉ループシステムを形成するであろう。ポンプは、概して、約1μL/分の流速で動作する。ポンプシステムは、隔膜等のいかなる流体ポンプデバイスであってもよく、CCAデバイス(チップベースのシステム)に不可欠なものであってもよいし、上述したような分離した構成要素であってもよい。   The device will generally comprise a pump, such as a low flow peristaltic pump. A small bore flexible tube will be attached to the outlet of the device and will pass through the peristaltic pump and will be attached to the inlet of the device, thereby forming a closed loop system. The pump generally operates at a flow rate of about 1 μL / min. The pump system may be any fluid pump device such as a diaphragm, may be integral to the CCA device (chip-based system), or may be a separate component as described above.

デバイスは、プロセッサに接続またはインタフェースで連結されてよく、当該プロセッサは、各バイオセンサからの信号を記憶および/または分析する。プロセッサは、データをコンピュータメモリ(ハードディスクまたはRAM)に順次転送し、当該データは、結果をさらに分析、印刷、および/または表示するために、そこからソフトウェアプログラムによって使用され得る。   The device may be connected or interfaced to a processor that stores and / or analyzes signals from each biosensor. The processor sequentially transfers the data to computer memory (hard disk or RAM), from which the data can be used by a software program to further analyze, print, and / or display the results.

典型的な実施形態の説明
特定の実施形態についての以下の詳細な説明において、本書の一部を形成し、本発明が実践され得る特定の実施形態を説明する目的で示される、添付の図面を参照する。本発明の範囲を逸脱することなく、その他の実施形態を利用することができ、構造的変化が為され得ることを理解されたい。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS In the following detailed description of specific embodiments, reference is made to the accompanying drawings that form a part hereof, and which are shown for purposes of illustrating specific embodiments in which the invention may be practiced. refer. It should be understood that other embodiments may be utilized and structural changes may be made without departing from the scope of the present invention.

図1は、本発明によるin vitroシステムのブロック図である。肺細胞シミュレートチャンバ102は、ガス交換デバイス103から酸化培地を受け取る。そのような酸化媒質は、培地が酸素含有ガスを吸収し、二酸化炭素含有ガスを脱着させるように、培地を酸素含有ガスと接触させることによって得られる。肺細胞シミュレートチャンバ102を出る培地は、哺乳類の動脈血106に類似している。続いて、動脈血106を構成する酸素含有培地が肝臓シミュレートチャンバ108、その他の組織シミュレートチャンバ110、脂肪シミュレートチャンバ112、および腎臓シミュレートチャンバ114に供給される。肝臓シミュレートチャンバ108、その他の組織シミュレートチャンバ110、脂肪シミュレートチャンバ112、および腎臓シミュレートチャンバ114から出発する培地は、哺乳類の静脈血104に類似している。図1に示すように、静脈血104に対応する培地は、肺細胞シミュレートチャンバ102に戻される。本発明のシステムは、腸シミュレートチャンバ116および腹腔シミュレートチャンバ118も含み、それらはいずれも、試験化合物導入のための部位を構成する。哺乳類と同様に、腎臓シミュレートチャンバ114から廃液115が引き抜かれる。   FIG. 1 is a block diagram of an in vitro system according to the present invention. The lung cell simulation chamber 102 receives the oxidation medium from the gas exchange device 103. Such an oxidizing medium is obtained by contacting the medium with an oxygen-containing gas such that the medium absorbs the oxygen-containing gas and desorbs the carbon dioxide-containing gas. The medium exiting the lung cell simulation chamber 102 is similar to mammalian arterial blood 106. Subsequently, the oxygen-containing medium constituting the arterial blood 106 is supplied to the liver simulation chamber 108, the other tissue simulation chamber 110, the fat simulation chamber 112, and the kidney simulation chamber 114. The medium starting from the liver simulation chamber 108, the other tissue simulation chamber 110, the fat simulation chamber 112, and the kidney simulation chamber 114 is similar to the mammalian venous blood 104. As shown in FIG. 1, the medium corresponding to venous blood 104 is returned to the lung cell simulation chamber 102. The system of the present invention also includes an intestinal simulation chamber 116 and an abdominal cavity simulation chamber 118, both of which constitute a site for test compound introduction. As with mammals, waste fluid 115 is withdrawn from the kidney simulated chamber 114.

図2は、本発明のシステム200の一実施形態の、簡易概略図である。システム200は、肺細胞培養チャンバ210と、肝細胞培養チャンバ212と、脂肪細胞培養チャンバ213と、その他の組織チャンバ214と、ガス交換チャンバ250とを含む。チャンバ210、212、213、214、および250は、通例チップ230と称されるシリコンの基板上に形成される。単一のチップ230上に、4つを超える数の細胞培養チャンバが格納または形成され得ることに留意すべきである。流体経路240が、チャンバ210、212、213、214、および250を接続している。   FIG. 2 is a simplified schematic diagram of one embodiment of the system 200 of the present invention. System 200 includes a lung cell culture chamber 210, a hepatocyte culture chamber 212, an adipocyte culture chamber 213, another tissue chamber 214, and a gas exchange chamber 250. Chambers 210, 212, 213, 214, and 250 are formed on a silicon substrate, commonly referred to as chip 230. It should be noted that more than four cell culture chambers can be stored or formed on a single chip 230. A fluid path 240 connects the chambers 210, 212, 213, 214, and 250.

チャンバは、入り口211と出口215とを有する。入り口211は、ガス交換チャンバ250の一端に位置する。出口215は、肝細胞培養チャンバ212の一端に位置する。チャンバ210、212、213、214、および250、ならびに流体経路240は、実質的に入り口211と出口215との間に位置する。システムは、システム200内で流体を循環させるためのポンプ260を含む。微小管270が、ポンプ260の出口215と入り口側との間を接続している。微小管271が、ポンプ260の出口側を入り口211に接続している。細胞培養チャンバ210、212、213、214、ガス交換チャンバ250、流体経路240、およびポンプ260が、システム200を形成する。当該システムは、さらなる細胞培養チャンバを含んでよい。追加される1つの一般的な細胞培養チャンバは、腎臓をシミュレートしたものである。   The chamber has an inlet 211 and an outlet 215. The inlet 211 is located at one end of the gas exchange chamber 250. The outlet 215 is located at one end of the hepatocyte culture chamber 212. Chambers 210, 212, 213, 214, and 250 and fluid path 240 are located substantially between inlet 211 and outlet 215. The system includes a pump 260 for circulating fluid within the system 200. A microtubule 270 connects the outlet 215 of the pump 260 and the inlet side. A microtubule 271 connects the outlet side of the pump 260 to the inlet 211. Cell culture chambers 210, 212, 213, 214, gas exchange chamber 250, fluid path 240, and pump 260 form system 200. The system may include an additional cell culture chamber. One common cell culture chamber that is added is a simulated kidney.

図3は、本発明の別の実施形態を示す概略である。図3において、第1の信号経路310、第2の信号経路320、および第3の信号経路330がチップ230上に設けられている。各細胞培養システム200の様々な態様を監視するための信号がチップ230からおよびチップ230上の特定の場所において採取され、チップ230外の出力に移動されることができる。一例として、チップ230上の信号経路310、320、330は、統合埋込型導波管である。そのような実施形態において、チップ230は、シリコン、ガラス、またはポリマーでできていてよい。導波管310、320、330は、チップの縁に光を伝え、光信号を電気信号に変換するために、ここにトランデューサ312、322、332が位置しているであろう。続いて、システム200内の細胞は、システム200内の細胞を調査および監視するために、蛍光、発光、もしくは吸収、またはこれらすべての特性を監視され得る。蛍光を確認するには、光源が必要である。光源は、信号を捕捉してそれをチップ230へ送る、導波管310、320、330または光ファイバ等の分子および信号搬送波を調査するために使用される。信号搬送波310、320、330は、チップ310、320、330の信号搬送部分の端部付近にある光検出器に向けて、光を方向付けるであろう。   FIG. 3 is a schematic illustrating another embodiment of the present invention. In FIG. 3, a first signal path 310, a second signal path 320, and a third signal path 330 are provided on the chip 230. Signals for monitoring various aspects of each cell culture system 200 can be taken from the chip 230 and at specific locations on the chip 230 and transferred to an output outside the chip 230. As an example, the signal paths 310, 320, 330 on the chip 230 are integrated embedded waveguides. In such embodiments, the chip 230 may be made of silicon, glass, or polymer. Waveguides 310, 320, 330 will have transducers 312, 322, 332 located here to transmit light to the edge of the chip and convert the optical signal into an electrical signal. Subsequently, the cells in system 200 may be monitored for fluorescence, luminescence, or absorption, or all these characteristics, to investigate and monitor the cells in system 200. A light source is required to confirm fluorescence. The light source is used to probe molecules such as waveguides 310, 320, 330 or optical fibers and signal carriers that capture the signal and send it to the chip 230. The signal carriers 310, 320, 330 will direct the light towards a photodetector near the end of the signal carrying portion of the chip 310, 320, 330.

図4は、本発明のシステム200の、別の実施形態を示す概略図である。この実施形態において、バイオセンサ410、420、430、440、450、および460が、チップ230の各細胞培養チャンバの、チップ上流および下流に位置付けられている。バイオセンサ410、420、430、440、450、460は、媒質の酸素、二酸化炭素、および/またはpHを監視する。これらのセンサは、健全な環境を維持するために、必要に応じて、システム200の監視およびガス濃度の調整を可能にする。また、各細胞コンパートメントのちょうど上流および下流に位置付けられている場合、バイオセンサは細胞代謝および生存についての有用な情報を提供する。   FIG. 4 is a schematic diagram illustrating another embodiment of the system 200 of the present invention. In this embodiment, biosensors 410, 420, 430, 440, 450, and 460 are positioned upstream and downstream of each cell culture chamber of chip 230. Biosensors 410, 420, 430, 440, 450, 460 monitor the oxygen, carbon dioxide, and / or pH of the medium. These sensors allow the system 200 to be monitored and the gas concentration adjusted as needed to maintain a healthy environment. Biosensors also provide useful information about cell metabolism and survival when located just upstream and downstream of each cell compartment.

図5Aから5Gは、ポリマーベースの使い捨てチップ230を作成するために使用されるステップを示す。シリコンウエハ20を、フォトレジスト21の薄層でスピンコートする(図5A)。フォトレジスト21を、望ましい機構を包含するフォトマスク23を通る紫外線22に露光させる(図5B)。紫外線露光されたフォトレジスト21を、適切な溶媒中で現像し、それによってシリコン20を露出させる(図5C)。誘導結合プラズマエッチングシステムを使用して、シリコン20を望ましい深さにエッチングする(図5D)。残ったフォトレジストを、適切な溶媒によって除去する(図5E)。図5Eに示すように、極薄の金(またはTi)メッキベース24をシリコン基板20上に蒸着し、電気メッキプロセス用のテンプレートを作成する。スルファミン酸ニッケル浴に試料を浸漬し、導電膜として作用する金を用いて、ニッケル25を、当該ニッケルの厚さが十分になるまでシリコンテンプレート20に電気メッキする。ニッケルマスターは金層から生成され、金はニッケルマスターの一部となる。これが、図5Fに示すNi機構25を形成する。メッキ電流の関数であるメッキ速度と、テンプレート直径と、テンプレート厚さとを、約45nm/分較正する。作製後、機構の寸法を検証するために、顕微鏡を使用して機構25を検査する。残ったニッケル機構25は、均一であり、望ましい形状を有するはずである。ニッケルマスター25およびポリマー基板26を、ポリマーのガラス転移温度をわずかに上回るまで加熱する。ニッケルマスター25およびポリマー26を接触させ、ニッケルマスター25の機構をポリマー基板26内にエンボス加工する。ニッケルマスター25を除去することにより、元のシリコンウエハ20と同一の機構を包含するポリマー26を産生する(図5G)。   5A-5G illustrate the steps used to make a polymer-based disposable tip 230. The silicon wafer 20 is spin coated with a thin layer of photoresist 21 (FIG. 5A). Photoresist 21 is exposed to ultraviolet light 22 through a photomask 23 that includes the desired features (FIG. 5B). The UV-exposed photoresist 21 is developed in a suitable solvent, thereby exposing the silicon 20 (FIG. 5C). Silicon 20 is etched to the desired depth using an inductively coupled plasma etching system (FIG. 5D). The remaining photoresist is removed with a suitable solvent (FIG. 5E). As shown in FIG. 5E, an ultrathin gold (or Ti) plating base 24 is deposited on the silicon substrate 20 to create a template for an electroplating process. A sample is immersed in a nickel sulfamate bath, and nickel 25 is electroplated onto the silicon template 20 using gold acting as a conductive film until the nickel thickness is sufficient. The nickel master is generated from the gold layer, and gold becomes part of the nickel master. This forms the Ni mechanism 25 shown in FIG. 5F. Calibrate the plating speed, template diameter, and template thickness as a function of plating current to about 45 nm / min. After fabrication, the mechanism 25 is inspected using a microscope to verify the dimensions of the mechanism. The remaining nickel features 25 should be uniform and have the desired shape. Nickel master 25 and polymer substrate 26 are heated to slightly above the glass transition temperature of the polymer. The nickel master 25 and the polymer 26 are brought into contact, and the mechanism of the nickel master 25 is embossed into the polymer substrate 26. Removal of the nickel master 25 produces a polymer 26 that includes the same mechanism as the original silicon wafer 20 (FIG. 5G).

図6は、本発明のシステム200の、第3の実施形態の概略図である。この実施形態において、バイオセンサ600、602、604がチップ230の周辺部の周囲に位置付けられる。バイオセンサ600、602、604は、チップ230上に作成されたシステム200の細胞の状態をさらに監視するために使用される。有利なことに、バイオセンサ600、602、604をチップ230の周辺部の周囲に位置付けることにより、最小限のコストでチップ230を使い捨てとすることも可能である。換言すると、チップ230と共にバイオセンサ600、602、604を捨てる必要はないことになる。バイオセンサ600、602、604は、使い捨てチップ230上に設けられてもよいことに留意すべきである。この特定のオプションは、チップ230を使い捨てるバイオセンサ600、602、604が、当該バイオセンサ600、602、604も捨てる結果をもたらすため、費用効率のよいものとはならないであろう。バイオセンサ600、602、604がチップ230から外れて位置付けられている場合、当該バイオセンサ600、602、604はそれぞれの使用後に廃棄されるのではなく再利用されるため、最も費用効率がよい。バイオセンサ600、602、604のそれぞれは、コンピュータ620の入力に接続される。   FIG. 6 is a schematic diagram of a third embodiment of the system 200 of the present invention. In this embodiment, biosensors 600, 602, 604 are positioned around the periphery of chip 230. The biosensors 600, 602, 604 are used to further monitor the state of the cells of the system 200 created on the chip 230. Advantageously, the chip 230 can be made disposable at a minimal cost by positioning the biosensors 600, 602, 604 around the periphery of the chip 230. In other words, it is not necessary to discard the biosensors 600, 602, and 604 together with the chip 230. It should be noted that the biosensors 600, 602, 604 may be provided on the disposable chip 230. This particular option would not be cost effective because the biosensor 600, 602, 604 that disposes of the chip 230 results in discarding the biosensor 600, 602, 604 as well. If the biosensor 600, 602, 604 is positioned off the chip 230, the biosensor 600, 602, 604 is most cost effective because it is reused rather than discarded after each use. Each of biosensors 600, 602, 604 is connected to an input of computer 620.

図7は、コンピュータ620をさらに詳述する概略である。コンピュータ620は、各チップ230のシステム200の動作を監視および調節する。コンピュータ620は、入出力インタフェース700と内部レジスタ/キャッシュメモリ702とが設けられたマイクロプロセッサを含む。図示するように、マイクロプロセッサ798は、接続716を介してキーボード704と、コネクタ718を介して不揮発性記憶メモリ706、汎用メモリ708、およびルックアップテーブル710と、ならびに、コネクタ720を介してプリンタ/プロッタレコーダ712およびディスプレイ714と、インタフェースで連結する。   FIG. 7 is a schematic detailing the computer 620 in further detail. Computer 620 monitors and adjusts the operation of system 200 for each chip 230. The computer 620 includes a microprocessor provided with an input / output interface 700 and an internal register / cache memory 702. As shown, the microprocessor 798 includes a keyboard 704 via a connection 716, a non-volatile storage memory 706, a general purpose memory 708, and a lookup table 710 via a connector 718, and a printer / printer via a connector 720. The plotter recorder 712 and the display 714 are connected by an interface.

不揮発性記憶メモリ706は、CD書き込み可能メモリ、磁気テープメモリ、ディスクドライブ等の形態であってよい。ルックアップテーブル710は、システム内のモデルとされる様々な物質に適用できる質量平衡方程式のセットの記憶用に用意された汎用メモリ708の一部を物理的に備えてよい。これらの方程式は、システム内の様々な生物的/化学的物質の、生理学的薬物動力学モデルを表す。内部レジスタ/キャッシュメモリ702および汎用メモリ708は、複数のプログラム命令の形態をしたシステムプログラムと、各チップ230のシステム200内における事実上すべての機能を自動制御するための特殊データとを含有する。コンピュータは、システム200と関連付けられたポンプ260を制御および調節することもできる。   The non-volatile storage memory 706 may be in the form of a CD writable memory, a magnetic tape memory, a disk drive, or the like. The look-up table 710 may physically comprise a portion of a general purpose memory 708 that is provided for storage of a set of mass balance equations that can be applied to various materials being modeled in the system. These equations represent physiological pharmacokinetic models of various biological / chemical substances in the system. The internal register / cache memory 702 and the general purpose memory 708 contain a system program in the form of a plurality of program instructions and special data for automatically controlling virtually all functions within the system 200 of each chip 230. The computer can also control and regulate the pump 260 associated with the system 200.

流量計から入出力インタフェース700を介し、マイクロプロセッサ798への入力として、流体流れも提供され得る。これにより、ポンプ制御ラインを介してそれぞれポンプ260に送信されたプログラムコマンドの調整によって、システム内の流体流速を厳密に制御することが可能になる。例えば、流速は、導管58中では9.5μL/分、流量計66を通る際は2.5μL/分、流量計78を通る際は7μL/分、および、導管70中では2.5μL/分に設定され得る。容器50内の培地の温度は、マイクロプロセッサ798によって調節されることもでき、当該マイクロプロセッサは、入出力インタフェース700および温度指示ライン728を介して、温度プローブ792から温度測定結果を受け取る。これらの信号を受けて、マイクロプロセッサ798が、入出力インタフェース700および加熱コイル制御ライン730を介して加熱コイル790をオンおよびオフにする。   Fluid flow may also be provided from the flow meter via the input / output interface 700 as input to the microprocessor 798. This makes it possible to strictly control the fluid flow rate in the system by adjusting the program commands sent to the pumps 260 via the pump control lines. For example, the flow rates are 9.5 μL / min in conduit 58, 2.5 μL / min through flow meter 66, 7 μL / min through flow meter 78, and 2.5 μL / min in conduit 70. Can be set to The temperature of the medium in the container 50 can also be adjusted by the microprocessor 798, which receives temperature measurement results from the temperature probe 792 via the input / output interface 700 and the temperature indicator line 728. In response to these signals, microprocessor 798 turns heating coil 790 on and off via input / output interface 700 and heating coil control line 730.

細胞培養チャンバ210および212内の生物学的および毒性反応/変化は、それぞれセンサ600、602、および604によって検出され、入出力インタフェース700だけでなく制御ラインも介してマイクロプロセッサ798へ伝達される。センサは、試験結果を表すために、特定の値または範囲の波長の観点から試験結果を表すように設計され得る。   Biological and toxic reactions / changes in the cell culture chambers 210 and 212 are detected by sensors 600, 602, and 604, respectively, and communicated to the microprocessor 798 via the control line as well as the input / output interface 700. The sensor can be designed to represent test results in terms of a particular value or range of wavelengths to represent the test results.

マイクロプロセッサ798は、研究者にキーボード704を介して対話制御を提供するためのプログラムを含むようにも極めて容易に適応できる。これは、例えば、培養コンパートメントのいずれかの状態を常に特異的に確認するようにコンピュータを方向付けることを可能にする。   Microprocessor 798 can also be very easily adapted to include programs for providing researchers with interactive control via keyboard 704. This makes it possible, for example, to direct the computer to always specifically check the state of any of the culture compartments.

本発明が提供するさらなるオプションは、CD/テープメモリ706から情報を呼び戻すことにより、同様の実験について事前に記憶された試験結果を呼び戻すための能力である。したがって、メモリ706は、公開されている情報から採取された履歴データ、本発明のシステムを用いて行われた事前の実行試験から集められたデータ、または理論計算から派生するデータを保持するように事前にプログラムされ得る。CD/テープメモリの提供により、システムを情報検索ツールとして使用することも可能になる。当該システムは、例えば、キーボード704を介してマイクロプロセッサ798に入力された選択情報に基づいて、特定の試験化合物に、または特定の細胞株に付随する研究データを得ることができる。メモリ706内に情報の大型ライブラリを含む、または開発することにより、研究者らは試験実行をより知的に構成および計画することができるようになる。   A further option provided by the present invention is the ability to recall pre-stored test results for similar experiments by recalling information from CD / tape memory 706. Accordingly, the memory 706 holds historical data collected from publicly available information, data collected from prior performance tests conducted using the system of the present invention, or data derived from theoretical calculations. Can be pre-programmed. The provision of the CD / tape memory also makes it possible to use the system as an information retrieval tool. The system can obtain study data associated with a particular test compound or with a particular cell line, for example, based on selection information input to the microprocessor 798 via the keyboard 704. Inclusion or development of a large library of information in memory 706 enables researchers to more intelligently configure and plan test runs.

図8は、単一の筐体800内に格納された、1つを超えるチップ230を示す概略である。筐体800は、当該筐体内のチップ230のそれぞれについて同じ条件を維持する環境チャンバであってよい。筐体800は、複数のチップ位置810、812、814、816を含む。各チップ230またはチップ位置810、812、814、816からの出力は、コンピュータ620に入力される。続いて、コンピュータ620は、複数のチップ230からシステム200をリアルタイムで監視することができる。   FIG. 8 is a schematic showing more than one chip 230 housed in a single housing 800. The housing 800 may be an environmental chamber that maintains the same conditions for each of the chips 230 in the housing. The housing 800 includes a plurality of chip positions 810, 812, 814, 816. The output from each chip 230 or chip location 810, 812, 814, 816 is input to a computer 620. Subsequently, the computer 620 can monitor the system 200 from a plurality of chips 230 in real time.

図9は、試験が異なる筐体800、900内にチップ230のセットを含み得ることを示す概略である。チップ230のぞれぞれの出力は、温度が若干高くなった場合等、環境における変化を監視され得る。1つの筐体内にあるチップのそれぞれは、そこに同じ細胞培養を有し得ること、つまり、筐体800内にあるチップ230は、哺乳類の異なる部分または相互依存する臓器を筐体内に形成するために互いに相互接続されたチップを有し得ることがさらに考えられる。   FIG. 9 is a schematic showing that the test can include a set of chips 230 in different housings 800, 900. The output of each of the chips 230 can be monitored for changes in the environment, such as when the temperature is slightly higher. Each of the chips within one housing can have the same cell culture therein, that is, the chip 230 within the housing 800 forms different parts of mammals or interdependent organs within the housing. It is further envisaged to have chips interconnected to each other.

2次元細胞培養チャンバ210、212、213、214を使用する図2〜4および6〜9について、チップ230を考察する。3次元組織培養構成物は、それらの代謝において、より本物に近い場合があるため、さらに別のチップ1000が3次元構成物の内包に対処する。以下、3次元組織をモジュラーフォーマットで組み込む、マイクロスケール細胞培養アナログ(Cell Culture Analogous;「CCA」)デバイスの作成について記述する。CCAデバイスまたはチップ1000は、肺細胞チャンバ用のフローオーバーアプローチ、および、その他の臓器用のフロースルーアプローチを組み込む。CCA設計へのフロースルーアプローチについて、以下でさらに考察する。   Consider FIGS. 2-4 and 6-9 using a two-dimensional cell culture chamber 210, 212, 213, 214. Since three-dimensional tissue culture constructs may be closer to the real in their metabolism, yet another chip 1000 addresses the inclusion of the three-dimensional construct. The following describes the creation of a microscale cell culture analog (“CCA”) device that incorporates three-dimensional tissue in a modular format. The CCA device or chip 1000 incorporates a flow-over approach for lung cell chambers and a flow-through approach for other organs. The flow-through approach to CCA design is discussed further below.

図10は、チップ1000の概略および流動方式を示す。チップ1000は、4つのウェルまたは組織モジュールを含む。チップ1000は、肺ウェル1010と、肝臓ウェル1020と、脂肪ウェル1030と、ゆっくり潅流されるウェル1040と、迅速に潅流されるウェル1050とを含む。チップ1000を通って流体を循環させるために、管が使用される。ポンプ1060は、当該管を介して流体を移動させる。肺ウェル1010は、まずすべての流れを受け取る。肺1010の後、流体は4つの組織モジュールへ区分化することになる。肝臓モジュールは流量の25%、脂肪モジュールは9%、ゆっくり潅流されるモジュールは15%、迅速に潅流されるモジュールは51%を得ることになる。流れチャネルの表面形状を調整することにより、肺ウェル1010からの流れを区分化する。各モジュールへのチャネルは、圧力降下の平衡を保ち、流れを釣り合わせるために、異なる長さのものとなる。流体は、その他の組織から離れた後、ポンプ1060を介して循環し、肺コンパートメントへ戻る。ウェルまたは組織モジュール1020、1030、1040、1050のそれぞれは、組織を保持する。当該組織は、ウェル1020、1030、1040、1050内のマイクロスケール管1022、1032、1042、1052内に保持される。図10に示すように、ウェル1020、1030、1040、1050それぞれにつき1つのマイクロスケール管1022、1032、1042、1052のみがある。ウェルに複数の微小管を入れてもよいことに留意すべきである。   FIG. 10 shows the outline of the chip 1000 and the flow method. The chip 1000 includes four wells or tissue modules. Chip 1000 includes lung well 1010, liver well 1020, fat well 1030, slowly perfused well 1040, and rapidly perfused well 1050. A tube is used to circulate fluid through the tip 1000. The pump 1060 moves the fluid through the pipe. Lung well 1010 first receives all the flow. After the lung 1010, the fluid will be segmented into four tissue modules. The liver module will get 25% of the flow, the fat module will get 9%, the slowly perfused module will get 15%, and the rapidly perfused module will get 51%. The flow from the lung well 1010 is segmented by adjusting the surface shape of the flow channel. The channels to each module are of different lengths to balance the pressure drop and balance the flow. After leaving the other tissue, the fluid circulates through pump 1060 and returns to the lung compartment. Each of the well or tissue modules 1020, 1030, 1040, 1050 holds tissue. The tissue is retained in microscale tubes 1022, 1032, 1042, 1052 in wells 1020, 1030, 1040, 1050. As shown in FIG. 10, there is only one microscale tube 1022, 1032, 1042, 1052 per well 1020, 1030, 1040, 1050, respectively. It should be noted that multiple microtubules may be placed in the well.

動作中、3次元組織をCCAデバイスまたはチップ1000に組み込むことを可能にする2つの方法がある。いずれの方法も、ポリスチレンまたはガラスのマイクロスケール管を通る植菌培地の流れを含む。試験中の細胞は、管の内側に接着し、3次元組織内に集合する。当該管は収集され、束ねられ、チップ1000上のウェルに入れられる。各ウェルは、水性薬物が通過して組織に接触する臓器モジュールとなる。   In operation, there are two methods that allow 3D tissue to be incorporated into a CCA device or chip 1000. Both methods involve the flow of inoculum media through polystyrene or glass microscale tubes. The cells under test adhere to the inside of the tube and collect within the three-dimensional tissue. The tubes are collected, bundled and placed in wells on the chip 1000. Each well becomes an organ module through which the aqueous drug passes and contacts the tissue.

3次元組織の組み込みを可能にするための第1の方法は、フロースルーリアクター戦略を含む。シリコンウエハ内に開口部が形成され、続いてチャネル付き培地が当該開口部を通過する。開口部の内面にあるシリコンは、細胞の足場を提供し、3次元組織内に集中した。この技術をポリマーCCA1000に適用するために、ポリマー管を接着タンパク質で処理してもよいし、細胞を血清添加培地中で培養してもよい。血清および接着タンパク質はいずれも、細胞が管の内面に貼り付くのを可能にするものである。   The first method for enabling the incorporation of 3D tissue involves a flow-through reactor strategy. An opening is formed in the silicon wafer, and then the channeled medium passes through the opening. Silicon on the inner surface of the opening provided a scaffold for cells and concentrated in the three-dimensional tissue. To apply this technique to the polymer CCA1000, the polymer tube may be treated with adhesion protein or the cells may be cultured in serum-supplemented medium. Both serum and adhesion protein allow cells to stick to the inner surface of the tube.

第2の方法は、HARV微小重力反応炉中で細胞を培養するステップを含む。回転式リアクターの中心に管で足場を組むことによって、または、浮遊管を培地に導入することによって、細胞は当該管のいくつか内に3次元凝集塊を形成する。微小重力中で成長した細胞の高められた活性により、これらの組織収縮物は、2次元組織または上述の方法で形成された組織と比較して優れた機能を有する。内側に管を持つ組織を、重量または密度に従って分離し、デバイス上に置くことができる。   The second method involves culturing cells in a HARV microgravity reactor. By building a scaffold with a tube in the center of the rotary reactor, or by introducing a floating tube into the medium, the cells form three-dimensional aggregates within some of the tube. Due to the enhanced activity of cells grown in microgravity, these tissue contractions have superior function compared to two-dimensional tissues or tissues formed by the methods described above. Tissue with a tube inside can be separated according to weight or density and placed on the device.

図11は、チップ1000を組み込む細胞培養アナログデバイス1100の部分分解等角図である。チップ1000は、肺細胞培養領域1010と、当該肺細胞培養領域1010に接続された複数のウェルとを含む。ウェルは、肝組織ウェル1020と、脂肪組織ウェル1030と、ゆっくり潅流されるウェル1040と、迅速に潅流されるウェル1050とを含む。様々な組織を含有するマイクロスケール管が、ウェル1020、1030、1040、および1050内に収められる。各ウェルは、チップ1000に付着されたエラストマー底部1110への出力を含む。エラストマー1110は、ポンプの一部である。システム1100の流体を移動させるポンプ作用を産生するため、または、戻りライン1130を介し、ウェルから肺組織モジュール1010へシステム1100の流体を循環させて戻すために、アクチュエータ1120がエラストマーを圧迫する。チップの上部の上にガラス層をかけて、肺組織モジュール1010および様々なウェル1020、1030、1040、および1050を覆う。チャネル1021、1031、1041、および1051は、様々なウェル1020、1030、1040、および1050を通るいくつかの流速を産生するように寸法決定されることに留意すべきである。様々なチャネル1021、1031、1041、1051の長さおよび幅を調整するよりもむしろ、様々なウェル1020、1030、1040、および1050への流速における変動を提供するために、チャネルに沿ってその他のフローリストリクターを置くことができると考えられる。ガラス上部1140は、柔軟性のある膜で置き換えることができ、チャネルの寸法以外によってチャネル1021、1031、1041、および1051内での流れを調節できるように、プランジャーボール型バルブを追加してよい。   FIG. 11 is a partially exploded isometric view of a cell culture analog device 1100 that incorporates a chip 1000. The chip 1000 includes a lung cell culture region 1010 and a plurality of wells connected to the lung cell culture region 1010. The wells include a liver tissue well 1020, an adipose tissue well 1030, a slowly perfused well 1040, and a rapidly perfused well 1050. Microscale tubes containing various tissues are contained in wells 1020, 1030, 1040, and 1050. Each well includes an output to the elastomer bottom 1110 attached to the chip 1000. Elastomer 1110 is part of the pump. The actuator 1120 compresses the elastomer to produce a pumping action that moves the fluid of the system 1100 or to circulate the fluid of the system 1100 back from the well to the lung tissue module 1010 via the return line 1130. A glass layer is placed on top of the chip to cover lung tissue module 1010 and various wells 1020, 1030, 1040, and 1050. It should be noted that channels 1021, 1031, 1041, and 1051 are sized to produce several flow rates through the various wells 1020, 1030, 1040, and 1050. Rather than adjusting the length and width of the various channels 1021, 1031, 1041, 1051, other along the channel to provide variation in flow rates to the various wells 1020, 1030, 1040, and 1050 It is thought that a flow restrictor can be placed. The glass top 1140 can be replaced with a flexible membrane, and a plunger ball type valve can be added so that the flow in the channels 1021, 1031, 1041, and 1051 can be adjusted depending on other than the dimensions of the channel. .

チップ1100は、シリコンからできていてよいが、ポリスチレンまたはその他何らかの適切なプラスチックからチップ1000を作るほうが費用効率がよい。従来の手段によって、まず各チップがシリコン内に形成される。続いて、シリコンからニッケルマスターが形成される。換言すれば、チップ1000は、シリコンおよびニッケルマスター上にポリスチレンおよびシリコーンエラストマーを複製成形することによって製造される。当然ながら、ポリマーチップの製造における第1のステップは、シリコンウエハ上にチップを産生することである。初めに、フォトレジスト1210の層をシリコンウエハ1200上に置く。フォトレジスト1210の上にマスクをかける。当該マスクは、肺組織培養領域1010のパターンを含有する。マスクは、紫外線がフォトレジストへと通過し、肺領域1010に対応する部分だけを露光させることを可能にする。次にフォトレジストが現像されて、肺組織培養領域1010に対応する開口部1211を産生する。次に、フォトレジストを持つシリコンウエハをエッチングして、シリコンウエハ1200内に肺開口部1010を産生する。続いてシリコンウエハ1200からフォトレジスト1210を除去し、肺ウェル1010は当該シリコンウエハに残す。続いて、フォトレジスト1220の別の層を、ウエハ1200に入れる。ウエハの上にマスクを置く。マスクは、様々なウェルまたは1021、1031、1041、および1051を含む流体チャネルの露光を可能にし、それらは肺ウェル1010を様々なウェル1020、1030、1040、および1050と接続するために使用される。マスクは、流体チャネルの領域においてフォトレジストを露光させる。次にフォトレジストを現像して、流体流れチャネルに対応する露光されたフォトレジストを除去する。続いて、露光領域を望ましい深さまでエッチングする。その後、残ったフォトレジスト1220を除去し、肺ウェル1010およびその他のウェル1020、1030、1040、および1050はシリコンウエハ1200に残す。次のステップは、さらに第3のフォトレジスト1230の層を塗布することである。マスクがフォトレジストの上にかけられ、当該マスクは、様々なウェル1020、1030、1040、および1050に対応する開口部を有する。フォトレジストにマスクをし、紫外線に露光させて、様々なウェルに対応する開口部を産生する。フォトレジストを現像し、ウェル1020、1030、1040、および1050用に露光したシリコン領域を残す。次に、チップおよびフォトレジスト1230をエッチングして、ウェル1020、1030、1040、および1050を産生する。組織モジュール1020、1030、1040、1050に対応する開口部を、約750マイクロメートルの深さまでプラズマでエッチングする。開口部をさらに250マイクロメートル、KOHで湿式エッチングし、先細端部を形成する。KOHはその結晶面に沿って54.7度の角度でシリコンをエッチングすることになる。続いて、フォトレジストを除去し、シリコンウエハが形成され、それからニッケルマスターを作ることができる。   The chip 1100 may be made of silicon, but it is more cost effective to make the chip 1000 from polystyrene or some other suitable plastic. Each chip is first formed in silicon by conventional means. Subsequently, a nickel master is formed from silicon. In other words, the chip 1000 is manufactured by replicating polystyrene and silicone elastomer on a silicon and nickel master. Of course, the first step in the production of polymer chips is to produce the chips on a silicon wafer. First, a layer of photoresist 1210 is placed on a silicon wafer 1200. A mask is put on the photoresist 1210. The mask contains a pattern of lung tissue culture region 1010. The mask allows ultraviolet light to pass through the photoresist and expose only the portion corresponding to the lung region 1010. The photoresist is then developed to produce openings 1211 corresponding to the lung tissue culture region 1010. Next, the silicon wafer with the photoresist is etched to produce lung openings 1010 in the silicon wafer 1200. Subsequently, the photoresist 1210 is removed from the silicon wafer 1200, leaving the lung well 1010 on the silicon wafer. Subsequently, another layer of photoresist 1220 is placed on the wafer 1200. A mask is placed on the wafer. The mask allows exposure of various wells or fluid channels including 1021, 1031, 1041, and 1051, which are used to connect lung well 1010 with various wells 1020, 1030, 1040, and 1050. . The mask exposes the photoresist in the region of the fluid channel. The photoresist is then developed to remove the exposed photoresist corresponding to the fluid flow channel. Subsequently, the exposed area is etched to a desired depth. Thereafter, the remaining photoresist 1220 is removed, leaving the lung well 1010 and the other wells 1020, 1030, 1040, and 1050 on the silicon wafer 1200. The next step is to apply a third layer of photoresist 1230. A mask is applied over the photoresist, and the mask has openings corresponding to the various wells 1020, 1030, 1040, and 1050. The photoresist is masked and exposed to ultraviolet light to produce openings corresponding to various wells. The photoresist is developed, leaving exposed silicon areas for wells 1020, 1030, 1040, and 1050. The chip and photoresist 1230 are then etched to produce wells 1020, 1030, 1040, and 1050. The openings corresponding to the tissue modules 1020, 1030, 1040, 1050 are etched with plasma to a depth of about 750 micrometers. The opening is further wet etched with KOH at 250 micrometers to form a tapered end. KOH will etch silicon at an angle of 54.7 degrees along its crystal plane. Subsequently, the photoresist is removed and a silicon wafer is formed from which a nickel master can be made.

シリコンチップにニッケルを電気メッキして、ニッケルマスター1250を作成する。次に、当該ニッケルマスターを使用して、ポリマー基板1000を鋳造またはエンボス加工する。複製成形のために、適切な溶媒中でポリマーを溶融または可溶化してニッケルマスター1250に注ぎ、最初のシリコンチップと同じ形状に凝固させる。エンボス加工については、図5を参照されたい。続いて、ポリマーチップ1000をシリコーンエラストマートラフ1110に取り付ける。ポリマーおよびシリコーンはセルフシールであるため、層が単一ユニットを形成することになる。様々な組織モジュール1020、1030、1040、1050から収集された流体を汲み上げるために、空気圧式アクチュエータ1120がチップの下に置かれる。毎秒、トラフは0.032マイクロリットルの流体でいっぱいになる。続いてアクチュエータがシリコーンを押し上げ、微小管を介して流体を逃がし、肺コンパートメント1010へ戻す。エラストマートラフ1110およびアクチュエータ1120がポンプ260を形成する(図12に示す)。続いて、エラストマー被覆のポリメチルメタクリレート(PLEXIGLAS(商標))1140が、ウエハまたはチップ1000の上部を密封する。   Nickel master 1250 is created by electroplating nickel on the silicon chip. Next, the polymer substrate 1000 is cast or embossed using the nickel master. For replication molding, the polymer is melted or solubilized in a suitable solvent and poured onto the nickel master 1250 and solidified into the same shape as the original silicon chip. See FIG. 5 for embossing. Subsequently, the polymer chip 1000 is attached to the silicone elastomer trough 1110. Since the polymer and silicone are self-sealing, the layers will form a single unit. A pneumatic actuator 1120 is placed under the chip to pump fluid collected from the various tissue modules 1020, 1030, 1040, 1050. Every second, the trough is filled with 0.032 microliters of fluid. The actuator then pushes up the silicone, allowing fluid to escape through the microtubules and back to the lung compartment 1010. Elastomeric trough 1110 and actuator 1120 form pump 260 (shown in FIG. 12). Subsequently, an elastomer-coated polymethyl methacrylate (PLEXIGLAS ™) 1140 seals the top of the wafer or chip 1000.

シリコーンが液体で充填された際に作成される引っ張り圧力を釣り合わせるために、肺細胞コンパートメント1010上のポリメチルメタクリレート(PLEXIGLAS(商標))を除去し、シリコーン膜で置き換える。この膜は、シリコーンポンプの作用を受けて上下し、デバイスにおける圧力を釣り合った状態に保つ。チップ1000の上にエラストマー被覆のポリメチルメタクリレート(PLEXIGLAS(商標))をかける前に、様々なマイクロスケール管がウェルに入れられる。微小管を扱うための機械は、低下して特定数の組織積載型の管を回収する接着性のアームを含む。当該機械は、管をデバイスへ輸送し、それぞれのモジュールウェル1020、1030、1040、1050内に当該管を厳重に梱包する。厳重な梱包により、細胞培養アナログデバイスに対するいかなる攪拌にもかかわらず、管を適所に保つための摩擦力が可能になる。これは、それぞれのウェル1020、1030、1040、1050内における管の周囲での流体流れの漏れを最小限に抑える。緊合していても、流体流れの約5〜10%が管を迂回し、シリコーンベースまたはエラストマートラフ1110へ直接流れる。   To balance the tensile pressure created when the silicone is filled with liquid, the polymethyl methacrylate (PLEXIGLAS ™) on the lung cell compartment 1010 is removed and replaced with a silicone membrane. This membrane moves up and down under the action of a silicone pump to keep the pressure in the device balanced. Prior to applying elastomer-coated polymethylmethacrylate (PLEXIGLAS ™) over the chip 1000, various microscale tubes are placed in the wells. A machine for handling microtubules includes an adhesive arm that lowers to retrieve a specific number of tissue-loaded tubes. The machine transports the tube to the device and tightly packages the tube within each module well 1020, 1030, 1040, 1050. Tight packaging allows frictional forces to keep the tube in place despite any agitation on the cell culture analog device. This minimizes fluid flow leakage around the tube in each well 1020, 1030, 1040, 1050. Even when tight, approximately 5-10% of the fluid flow bypasses the tube and flows directly to the silicone-based or elastomeric trough 1110.

図13は、エラストマートラフを示す。エラストマートラフは、中に原則的に長方形の開口部を持つ一片のシリコーンエラストマーである。長方形の開口部は、ウェル1020、1030、1040、および1050に源を発する流体用の流体容器として作用する。エラストマートラフ1110は、参照番号1300で表記される一側面に開口部を有する。戻りライン1130は、エラストマートラフ1110内の開口部1300に付着する一端と、チップ1000の肺ウェル1010に付着する他端とを有する。   FIG. 13 shows an elastomeric trough. An elastomeric trough is a piece of silicone elastomer with an essentially rectangular opening in it. The rectangular opening acts as a fluid container for fluid originating from wells 1020, 1030, 1040, and 1050. Elastomeric trough 1110 has an opening on one side denoted by reference numeral 1300. The return line 1130 has one end attached to the opening 1300 in the elastomer trough 1110 and the other end attached to the lung well 1010 of the chip 1000.

さらに別の実施形態において、エラストマートラフ1110はシリコーンエラストマーポンプ1400で置き換えられ、これを図14に示す。シリコーンエラストマーポンプ1400は、チップ1000上の、および参照番号1100で描写されるシステム全体にわたる循環器系流れをより正確に再現するように設計される。ポンプ1400は、第1の肺チャンバ1410および第2のシステムチャンバ1412を含み、これらは分離アクチュエータ1420および1422によって作動させられる。複数のチャンバ1410および1412によって、チップ1000の底部に、マルチトラフエラストマーベースを持つ生理的により現実的なポンプパターンが作成される。特定の時間間隔で基部のセクションを押し上げるアクチュエータを有することでシリコーンエラストマートラフ1400内に複数のチャンバ1410および1412を作成することにより、心臓のポンプ作用が複製される。   In yet another embodiment, the elastomeric trough 1110 is replaced with a silicone elastomer pump 1400, which is shown in FIG. The silicone elastomer pump 1400 is designed to more accurately reproduce the circulatory system flow on the chip 1000 and throughout the system depicted by reference number 1100. Pump 1400 includes a first lung chamber 1410 and a second system chamber 1412 that are actuated by isolation actuators 1420 and 1422. Multiple chambers 1410 and 1412 create a physiologically more realistic pump pattern with a multi-trough elastomer base at the bottom of the chip 1000. By creating a plurality of chambers 1410 and 1412 in the silicone elastomer trough 1400 by having an actuator that pushes up the base section at specific time intervals, the pumping action of the heart is replicated.

図28Aは、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムを図示するブロックダイアグラム図である。この実施形態において、システム2800は、制御機器2802に連結された第1のマイクロスケール培養デバイス2806を含む。第1のマイクロスケール培養デバイス2806は、培地との複数のin vivo相互作用をシミュレートする表面形状を持つ、複数のマイクロスケールチャンバ(2808、2810、2812、および2814)を含み、各チャンバは、培地の流れ用の入り口および出口、ならびに、チャンバを相互接続しているマイクロ流体チャネルを含む。制御機器2802は、第1のマイクロスケール培養デバイス2806からデータを取得し、その薬物動態パラメータを制御するための、コンピュータ2804を含む。   FIG. 28A is a block diagram diagram illustrating a system for controlling a microscale culture device, according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, system 2800 includes a first microscale culture device 2806 coupled to controller 2802. The first microscale culture device 2806 includes a plurality of microscale chambers (2808, 2810, 2812, and 2814) having a surface shape that simulates a plurality of in vivo interactions with the culture medium, each chamber comprising: Includes inlets and outlets for media flow and microfluidic channels interconnecting the chambers. The controller 2802 includes a computer 2804 for obtaining data from the first microscale culture device 2806 and controlling its pharmacokinetic parameters.

別の実施形態において、第1のマイクロスケール培養デバイス2806は、コンピュータ化されたチップの上に形成される。第1のマイクロスケール培養デバイス2806は、チャンバ内の生理的事象を計測するための制御機器2802に連結された1つ以上のセンサをさらに含む。センサは、培地の酸素、二酸化炭素、またはpHを監視する、1つ以上のバイオセンサを含む。制御機器2802は、第1のマイクロスケール培養デバイス2806を保持し、マイクロ流体チャネルを確立するために、第1のマイクロスケール培養デバイス2806の上部を密封する。制御機器2802は、マイクロ流体相互接続を提供し、それによって、マイクロ流体がデバイスへ/から流れる。別の実装において、コンピュータ2804は、第1のマイクロスケール培養デバイス2806の、ポンプ群速度、温度、実験の長さ、およびデータ取得の頻度から成る群より選択される薬物動態パラメータを制御する。一実装において、コンピュータ2804は、オペレータが、ポンプ速度、デバイス温度、実験の長さ、およびデータ取得の頻度を(例えば、15分毎に)手動で特定することもできるように、設定画面を提供する。別の実装において、コンピュータ2804は、第1のマイクロスケール培養デバイス2806における、流速、チャンバ表面形状、および細胞の数から成る群より選択される薬物動態パラメータを制御する。この実装において、システム2800は、丸ごとの動物研究および従来の組織培養研究と比較して、より迅速で敏感な反応を提供する。パラメータを制御することにより、システム2800は生理学ベースでなくなる。別の実装において、コンピュータ2804は、生体中で遭遇するものと同程度の、チャンバ(2808、2810、2812、および2814)内での培地滞留時間を作成するために、第1のマイクロスケール培養デバイス2806内にある1つ以上のポンプをさらに制御する。別の実装において、コンピュータ2804は、生体をシミュレートした部分に関連付けられた薬物動態パラメータ値と一致する様式で、マイクロ流体チャネルに沿って分布する1つ以上のバルブをさらに制御する。   In another embodiment, the first microscale culture device 2806 is formed on a computerized chip. The first microscale culture device 2806 further includes one or more sensors coupled to a controller 2802 for measuring physiological events in the chamber. The sensor includes one or more biosensors that monitor medium oxygen, carbon dioxide, or pH. Controller 2802 holds first microscale culture device 2806 and seals the top of first microscale culture device 2806 to establish a microfluidic channel. The control equipment 2802 provides microfluidic interconnections whereby the microfluidic flows to / from the device. In another implementation, the computer 2804 controls a pharmacokinetic parameter of the first microscale culture device 2806 selected from the group consisting of pump group speed, temperature, length of experiment, and frequency of data acquisition. In one implementation, the computer 2804 provides a setup screen so that the operator can also manually specify the pump speed, device temperature, length of experiment, and frequency of data acquisition (eg, every 15 minutes). To do. In another implementation, the computer 2804 controls a pharmacokinetic parameter in the first microscale culture device 2806 selected from the group consisting of flow rate, chamber surface shape, and number of cells. In this implementation, the system 2800 provides a more rapid and sensitive response compared to whole animal studies and traditional tissue culture studies. By controlling the parameters, the system 2800 is no longer physiological based. In another implementation, the computer 2804 may generate a first microscale culture device to create a medium residence time in the chamber (2808, 2810, 2812, and 2814) that is comparable to that encountered in vivo. One or more pumps in 2806 are further controlled. In another implementation, the computer 2804 further controls one or more valves distributed along the microfluidic channel in a manner consistent with pharmacokinetic parameter values associated with the simulated part of the organism.

別の実施形態において、システム2800は、培地との複数のin vivo相互作用をシミュレートする表面形状を持つ複数のマイクロスケールチャンバを有する第2のマイクロスケール培養デバイスをさらに含み、各チャンバは、培地の流れのための入り口および出口、ならびに、チャンバを相互接続するマイクロ流体チャネルを含む。制御機器2802は、第2のマイクロスケール培養デバイスに連結される。   In another embodiment, the system 2800 further includes a second microscale culture device having a plurality of microscale chambers having a surface shape that simulates a plurality of in vivo interactions with the media, each chamber comprising a media And inlets and outlets for the flow of gas and microfluidic channels interconnecting the chambers. The control device 2802 is connected to the second microscale culture device.

図28Bは、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムの、別の実施形態を図示するブロックダイアグラム図である。この実施形態において、システム2816は、制御機器2818に連結された第1のマイクロスケール培養デバイス2806を含む。制御機器2818は、コンピュータ2804と、第1のマイクロスケール培養デバイス2806のマイクロ流体チャネルにおけるマイクロ流体の循環を制御するためのポンプ2820と、第1のマイクロスケール培養デバイス2806の温度を制御するための加熱素子2822と、光源2824と、第1のマイクロスケール培養デバイス2806内の細胞コンパートメントからの蛍光発光を検出するための光検出器2826と、を含む。一実装において、コンピュータ2804は、比色分析、蛍光分析、発光性、および放射分析から成る群より選択される種類の計測機器を使用して、蛍光強度を表すデータを記録する。別の実装において、加熱素子2822は、第1のマイクロスケール培養デバイス2806を、摂氏37度の温度に維持する。   FIG. 28B is a block diagram illustrating another embodiment of a system for controlling a microscale culture device. In this embodiment, the system 2816 includes a first microscale culture device 2806 coupled to a control device 2818. The control device 2818 is a computer 2804, a pump 2820 for controlling microfluidic circulation in the microfluidic channel of the first microscale culture device 2806, and a temperature for controlling the first microscale culture device 2806. A heating element 2822, a light source 2824, and a photodetector 2826 for detecting fluorescence emission from the cell compartment in the first microscale culture device 2806. In one implementation, the computer 2804 records data representing fluorescence intensity using a type of measuring instrument selected from the group consisting of colorimetric, fluorescent, luminescent, and radiometric. In another implementation, the heating element 2822 maintains the first microscale culture device 2806 at a temperature of 37 degrees Celsius.

図29は、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを動的に制御するコンピュータ化された方法を図示するフローダイアグラム図である。この実施形態において、コンピュータ化された方法2900は、ブロック2902、2904、2906、および2908を含む。ブロック2902は、マイクロスケール培養デバイスの複数のチャンバ内での生理的事象を計測するための複数のセンサからのデータを分析するステップを含む。ブロック2904は、マイクロスケール培養デバイスのチャンバ内にある培地の流体流速を調節するステップを含む。ブロック2906は、マイクロスケール培養デバイスのチャンバ内での生物反応または毒性反応を検出するステップを含む。ブロック2908は、そのような検出時に、マイクロスケール培養デバイスの1つ以上の薬物動態パラメータを変化させるステップを含む。   FIG. 29 is a flow diagram illustrating a computerized method for dynamically controlling a microscale culture device, according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, computerized method 2900 includes blocks 2902, 2904, 2906, and 2908. Block 2902 includes analyzing data from a plurality of sensors for measuring physiological events in the plurality of chambers of the microscale culture device. Block 2904 includes adjusting the fluid flow rate of the media in the chamber of the microscale culture device. Block 2906 includes detecting a biological or toxic response in the chamber of the microscale culture device. Block 2908 includes changing one or more pharmacokinetic parameters of the microscale culture device upon such detection.

一実施形態において、ブロック2906(すなわち、検出するステップ)は、マイクロスケール培養デバイスの細胞コンパートメントの寸法における変化を検出するステップを含む。一実装において、ブロック2908(すなわち、変化させるステップ)は、マイクロスケール培養デバイスにおける、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、およびせん断応力から成る群より選択される薬物動態パラメータを変化させるステップを含む。別の実装において、ブロック2908は、マイクロスケール培養デバイスにおける、流速、チャンバ表面形状、および細胞の数から成る群より選択される薬物動態パラメータを変化させるステップを含む。   In one embodiment, block 2906 (ie, detecting) includes detecting a change in the size of the cell compartment of the microscale culture device. In one implementation, block 2908 (i.e., changing) comprises selecting a drug selected from the group consisting of cell-cell interaction, liquid residence time, liquid-to-cell ratio, cellular metabolism, and shear stress in a microscale culture device. Changing the kinetic parameters. In another implementation, block 2908 includes changing a pharmacokinetic parameter selected from the group consisting of flow rate, chamber surface shape, and number of cells in the microscale culture device.

別の実施形態において、コンピュータ化された方法2900は、マイクロスケール培養デバイス内のチャンバ表面形状を最適化するステップをさらに含み、当該最適化するステップは、チャンバの数量を選択するステップと、適正な組織または臓器サイズ比を提供するチャンバ表面形状を選定するステップと、適正な液体滞留時間を提供する最適流体流速を選定するステップと、細胞せん断応力を計算するステップと、を含む。   In another embodiment, the computerized method 2900 further includes optimizing the chamber surface shape within the microscale culture device, the optimizing step including selecting a chamber quantity and an appropriate Selecting a chamber surface shape that provides a tissue or organ size ratio; selecting an optimal fluid flow rate that provides an adequate liquid residence time; and calculating a cell shear stress.

別の実施形態において、コンピュータ化された方法2900は、培地の温度を調節するステップをさらに含む。さらに別の実施形態において、コンピュータ化された方法2900は、マイクロスケール培養デバイスの細胞コンパートメントからの蛍光発光を検出するステップをさらに含む。   In another embodiment, the computerized method 2900 further includes adjusting the temperature of the medium. In yet another embodiment, the computerized method 2900 further comprises detecting fluorescence emission from the cell compartment of the microscale culture device.

別の実施形態において、コンピュータ可読媒体は、上述のコンピュータ化された方法の様々な実施形態を実行するために、そこに記憶されたコンピュータ実行可能命令を含む。一実装において、コンピュータ可読媒体は、メモリまたはストレージデバイスを含む。別の実装において、コンピュータ可読媒体は、搬送波において具現化されるコンピュータデータ信号を含む。   In another embodiment, a computer-readable medium includes computer-executable instructions stored thereon for performing the various embodiments of the computerized method described above. In one implementation, the computer-readable medium includes a memory or a storage device. In another implementation, a computer readable medium includes a computer data signal embodied in a carrier wave.

図30は、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのコンピュータを図示するブロックダイアグラム図である。この実施形態において、コンピュータ3000は、マイクロプロセッサ3002と、汎用メモリ3004と、不揮発性記憶素子3006と、1つ以上のセンサを有するマイクロスケール培養デバイスとのインタフェースを含む入出力インタフェース3008と、コンピュータソフトウェアとを含む。当該コンピュータソフトウェアは、マイクロスケール培養デバイスの複数のチャンバ内での培地の流体流速を調節し、マイクロスケール培養デバイスのチャンバ内での生物反応または毒性反応を検出し、検出時に、マイクロスケール培養デバイスの1つ以上の薬物動態パラメータを変化させるために、マイクロプロセッサ3002において実行可能である。   FIG. 30 is a block diagram illustrating a computer for controlling a microscale culture device according to one embodiment of the invention. In this embodiment, the computer 3000 includes an input / output interface 3008 that includes an interface with a microprocessor 3002, a general purpose memory 3004, a non-volatile storage element 3006, and a microscale culture device having one or more sensors, and computer software. Including. The computer software adjusts the fluid flow rate of the medium in the multiple chambers of the microscale culture device to detect biological or toxic reactions in the chambers of the microscale culture device, and upon detection, Executable in microprocessor 3002 to change one or more pharmacokinetic parameters.

一実施形態において、不揮発性記憶素子3006は、公開されている情報から採取された履歴データ、事前の実行試験から集められたデータ、または理論計算から派生するデータを含む。コンピュータソフトウェアは、ポンプ制御ラインを介してマイクロスケール培養デバイスの1つ以上のポンプにコマンドを送信することにより、流体流速を調節する。一実装において、コンピュータソフトウェアは、培地の温度を調節するために、マイクロプロセッサ3002においてさらに実行可能である。コンピュータソフトウェアは、加熱コイル制御ラインを介してマイクロスケール培養デバイスの加熱コイルにコマンドを送信することによって温度を調節する。   In one embodiment, non-volatile storage element 3006 includes historical data taken from publicly available information, data collected from prior performance tests, or data derived from theoretical calculations. The computer software adjusts the fluid flow rate by sending commands to one or more pumps of the microscale culture device via the pump control line. In one implementation, the computer software is further executable in the microprocessor 3002 to adjust the temperature of the medium. The computer software adjusts the temperature by sending commands to the heating coil of the microscale culture device via the heating coil control line.

別の実施形態において、コンピュータ3000は、システム内の様々な生物的または化学的物質の生理学的薬物動力学モデルを表す質量平衡方程式のセットを記憶するための汎用メモリ3004に連結されたルックアップテーブルメモリと、コンピュータソフトウェアを記憶するためのマイクロプロセッサ3002に連結されたキャッシュメモリとをさらに含む。   In another embodiment, the computer 3000 is a look-up table coupled to a general purpose memory 3004 for storing a set of mass balance equations representing physiological pharmacokinetic models of various biological or chemical substances in the system. Further included is a memory and a cache memory coupled to the microprocessor 3002 for storing computer software.

別の実施形態において、入出力インタフェース3008は、キーボードインタフェースと、ディスプレイインタフェースと、プリンタ/プロッタレコーダインタフェースとをさらに含む。一実装において、コンピュータ3000は、これらの入出力インタフェースを使用して、キーボード、ディスプレイ、およびプリンタ/プロッタレコーダの周辺デバイスと接続する。   In another embodiment, the input / output interface 3008 further includes a keyboard interface, a display interface, and a printer / plotter recorder interface. In one implementation, the computer 3000 uses these input / output interfaces to connect to keyboards, displays, and printer / plotter recorder peripheral devices.

実験
以下の実施例は、当業者らに、主題発明の作法および使用法の完全な開示および説明を提供するために提起するものであり、本発明として見なされる範囲の限定を意図するものではない。
The following examples are presented to provide one of ordinary skill in the art with a complete disclosure and description of how to make and use the subject invention and are not intended to limit the scope considered as the invention. .

使用される数字(例えば、量、温度、濃度)についての精度を保証するための取り組みを行ったが、いくつかの実験誤差および偏差が生じている。別段の指示がない限り、部は重量部、分子量は重量平均分子量、温度は摂氏温度、圧力は大気のものまたはその付近である。   Efforts have been made to ensure accuracy with respect to numbers used (eg, amounts, temperature, concentration), but some experimental error and deviation have occurred. Unless indicated otherwise, parts are parts by weight, molecular weight is weight average molecular weight, temperature is in degrees Centigrade, and pressure is at or near atmospheric.

方法
実験的プロセスにおいて、以下の方法を使用した:
細胞培養。細胞は、American Type Culture Collection(バージニア州マナッサス)から入手され、
組織培養インキュベータ(95%O/5%CO)内の推奨される完全成長培地中で繁殖させられる。HepG2およびHepG2/C3A細胞用に、推奨される媒質は、Eagleの最小必須培地(Earleの平衡塩類溶液、2mM L‐グルタミン、1.0mMピルビン酸ナトリウム、0.1mM非必須アミノ助成、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および、10%ウシ胎仔血清を伴う)(EMEM)である。1.5mM L‐グルタミン、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を伴うMcCoyの5A培地は、HCT‐116用に推奨される。
Method In the experimental process, the following method was used:
Cell culture. The cells were obtained from the American Type Culture Collection (Manassas, VA)
Propagated in recommended complete growth medium in a tissue culture incubator (95% O 2 /5% CO 2 ). For HepG2 and HepG2 / C3A cells, the recommended medium is Eagle's minimum essential medium (Earle's balanced salt solution, 2 mM L-glutamine, 1.0 mM sodium pyruvate, 0.1 mM non-essential amino supplement, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal bovine serum) (EMEM). McCoy's 5A medium with 1.5 mM L-glutamine, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal calf serum is recommended for HCT-116.

成長曲線。成長曲線は、35mmディッシュ中、初期の低密度で細胞をメッキすることによって測定した。毎日、トリプシン‐EDTAで細胞を脱離し、血球計を使用して細胞を視覚的にカウントすることによって細胞数を測定した。測定は、3通り行った。   Growth curve. Growth curves were measured by plating the cells at an initial low density in a 35 mm dish. Every day, cell numbers were determined by detaching the cells with trypsin-EDTA and visually counting the cells using a hemocytometer. The measurement was performed in three ways.

逆転写ポリメラーゼ連鎖反応(Reverse Transcriptase‐Polymerase Chain Reaction;RT‐PCR)。必要に応じてコラーゲン、MATRIGEL(商標)、またはポリリジンで処理したガラスカバースリップ上で、細胞を培養した。〜90%融合性単層に成長させたHepG2/C3Aをトリプシン‐EDTAで脱離させ、5分間、〜500g沈殿させた。RNAを単離し、製造元のプロトコルに従って、RNEASY(商標)キット(Qiagen)で精製した。成人ヒト肝臓totalRNAは、Ambionから購入した。単離したRNAの量と純度(260/280nm比)を、BIOPHOTOMETER(商標)分光光度計(Eppendorf)で計測した。次に、単離したRNAを2UのDnaseIで25分間、37℃でインキュベートし、その後、DNase Inactivation Reagent(Ambion)で不活化した。   Reverse Transcriptase-Polymerase Chain Reaction (RT-PCR). Cells were cultured on glass coverslips treated with collagen, MATRIGEL ™, or polylysine as needed. HepG2 / C3A grown to ~ 90% confluent monolayer was desorbed with trypsin-EDTA and precipitated for ~ 500g for 5 minutes. RNA was isolated and purified with the RNEASY ™ kit (Qiagen) according to the manufacturer's protocol. Adult human liver total RNA was purchased from Ambion. The amount and purity of the isolated RNA (260/280 nm ratio) was measured with a BIOPHOTOMETER ™ spectrophotometer (Eppendorf). The isolated RNA was then incubated with 2 U Dnase I for 25 minutes at 37 ° C. and then inactivated with DNase Inactivation Reagent (Ambion).

72℃まで2分間加熱した後、2分間氷上に置いた、5μgRNA、10μMオリゴdTプライマーの混合物を使用して、RT反応を実行した。次に、5mM DTT、600μM dNTP 混合物、40U rRNasin、200U SUPERSCRIPTII(商標)を逆転写酵素緩衝液中で化合させ、42℃で1時間インキュベートした。   The RT reaction was performed using a mixture of 5 μg RNA, 10 μM oligo dT primer that was heated to 72 ° C. for 2 minutes and then placed on ice for 2 minutes. Next, 5 mM DTT, 600 μM dNTP mix, 40 U rRNasin, 200 U SUPERSCRIPT II ™ were combined in reverse transcriptase buffer and incubated at 42 ° C. for 1 hour.

チトクロームP450アイソフォームに特異的なプライマーを使用し、2.0μlの第1鎖cDNAを50μl PCR反応において使用した(Rodriguez‐Antona、C.,Jover,R.、Gomez‐Lechon、M.‐J.、およびCastell,J.V.(2000年)、Quantitative RT‐PCR measurement of human cytochrome P‐450s:application to drug induction studies、Arch.Biochem.Biophys.、376:109〜116)。PCR条件は、94℃で4分間の後、94℃で40秒、60℃で45秒、72℃で50秒、および、72℃で最後の4分間延長の28サイクルとした。   Primers specific for the cytochrome P450 isoform were used and 2.0 μl of first strand cDNA was used in a 50 μl PCR reaction (Rodriguez-Antona, C., Jober, R., Gomez-Lechon, M.-J. , And Castell, JV (2000), Quantitative RT-PCR measurement of human cytochrome P-450s: application to drug induction studies, Arch. Biochem. Biophys. The PCR conditions were 28 cycles of 94 ° C for 4 minutes followed by 94 ° C for 40 seconds, 60 ° C for 45 seconds, 72 ° C for 50 seconds, and 72 ° C for the last 4 minutes extension.

PCR産物を1.2%アガロースゲル上で電気泳動法により分離し、SYBR Goldで染色することによって視覚化し、適切な分子量標準と信憑性を比較した。増幅cDNAを定量化するために、15μlの各PCR反応物を、0.1x Tris‐EDTA緩衝液で希釈し、最終濃度1:400において、PICOGREEN(商標)(Molecular Probes)で染色した。蛍光を計測すると、480nm励起および520nm発光であった。結果をβアクチンに対して標準化し、少なくとも2つの分離した実験から3通り行った。   PCR products were separated by electrophoresis on a 1.2% agarose gel and visualized by staining with SYBR Gold to compare authenticity with appropriate molecular weight standards. To quantify the amplified cDNA, 15 μl of each PCR reaction was diluted with 0.1 × Tris-EDTA buffer and stained with PICOGREEN ™ (Molecular Probes) at a final concentration of 1: 400. When fluorescence was measured, it was 480 nm excitation and 520 nm emission. Results were normalized to β-actin and performed in triplicate from at least two separate experiments.

細胞の生存、死、およびアポトーシスアッセイ。トリパンブルー色素排除法またはLIVE/DEAD染色(Molecular Probes)を使用して、細胞の生存および細胞死を測定した。トリパンブルー(GIBCO)は、通常、細胞質から排除され、死細胞または瀕死の細胞を視覚的に青く染色することにより、損傷膜を持つ細胞を識別する。実験の終わりに、1:1希釈の0.4%(w/v)トリパンブルー溶液を、チップデバイスの再循環培地に添加する。この溶液を、室温で30分間、チップを介して汲み上げて廃棄した。筐体をポンプから除去し、反射顕微鏡(Micromaster、Fisher)下で視覚化させた。   Cell survival, death, and apoptosis assays. Cell viability and cell death were measured using trypan blue dye exclusion or LIVE / DEAD staining (Molecular Probes). Trypan blue (GIBCO) is usually excluded from the cytoplasm and distinguishes cells with damaged membranes by visually staining dead or dying cells blue. At the end of the experiment, a 1: 1 dilution of 0.4% (w / v) trypan blue solution is added to the recirculation medium of the chip device. This solution was pumped through the tip for 30 minutes at room temperature and discarded. The housing was removed from the pump and visualized under a reflection microscope (Micromaster, Fisher).

LIVE/DEAD染色は、カルセインAMおよびエチジウムホモダイマーから成る2成分染色である。生細胞はカルセインAMのアセトキシメチルエステル(Acetoxymethyl Ester;AM)部分を活発に加水分解してカルセインの鮮緑色の蛍光を産生する。対照的に、損傷された膜完全性を有する細胞は、通常は膜非透過性のエチジウムホモダイマーが死細胞または瀕死の細胞の核を蛍光赤色に染色することを可能にする。細胞透過性の核染色液Hoechst33342は、すべての細胞に対し一般的な染色液として作用する。適切なフィルターセットと共に、生細胞は蛍光緑色、瀕死の細胞または死細胞は赤色、およびすべての細胞を青色核蛍光によって定量化する。本明細書に記載する実験では、トリパンブルーは0.2%(w/v)、カルセインAMは1:20,000、ヨウ化プロピジウムは1:5,000、およびHoechst33342は10μg/mlのものを使用した。細胞を、M2Bio実体蛍光顕微鏡(Zeiss)によって視覚化した。AU実験を少なくとも3回繰り返し、3通りの測定結果を作った。   LIVE / DEAD staining is a two-component staining consisting of calcein AM and ethidium homodimer. Living cells actively hydrolyze the acetoxymethyl ester (AM) portion of calcein AM to produce the bright green fluorescence of calcein. In contrast, cells with damaged membrane integrity usually allow membrane-impermeable ethidium homodimers to stain the nuclei of dead or dying cells in a fluorescent red color. The cell permeable nuclear stain Hoechst 33342 acts as a general stain for all cells. With the appropriate filter set, live cells are fluoresceed green, dying or dead cells are red, and all cells are quantified by blue nuclear fluorescence. In the experiments described herein, trypan blue was 0.2% (w / v), calcein AM was 1: 20,000, propidium iodide was 1: 5,000, and Hoechst 33342 was 10 μg / ml. used. Cells were visualized by M2Bio stereofluorescence microscope (Zeiss). The AU experiment was repeated at least three times to produce three measurement results.

多数の方法を使用して、アポトーシス、つまりプログラムされた細胞死を監視することができる(Smyth,P.G.、Berman,S.A.,およびBursztajn,S.(2000年)、Markers of apoptosis:methods for elucidating the mechanism of apoptotic cell death from the nervous system、Biotechniques、32:648〜665)。アポトーシスをネクローシスと区別するために、アポトーシスの少なくとも2つの分離したインジケータが必要である(Wronslα,R.、Golob,N.、およびGryger,E.(2002年)、Two‐color,fluorescence‐based microplate assay for apoptosis detection、Biotechniques、32:666〜668)。1つの方法であるアネキシンV‐FITC結合は、2価カルシウムの存在下でアネキシンVがホスファチジルセリンに密着結合するという観察に依存する(Williamson,P.、Eijnde,S.v.d.、およびSchlegel,R.A.(2001年)、Phosphatidylserine exposure and phagocytosis of apoptotic cells,In Apoptosis、L.M.SchwartzおよびJ.D.Ashwell編(サンディエゴ、Academic Press)339〜364ページ)。通常、ホスファチジルセリンは細胞膜の内部小葉上に存在するが、アポトーシスの初期に細胞膜へ転位する。フルオロリン酸で標識されたアネキシンに曝露されてアポトーシスを起こした細胞は、明瞭な膜染色を呈する。マイクロスケールチップでは、まずPBSでシステムを洗い流し、次にアネキシンV‐FITC(アネキシンV結合緩衝液中に10μg/ml、Clontech)を30分間再循環させることによって、アネキシンV‐FITC標識を顎上で直接的に視覚化した。続いて、FITCフィルターセットを使用して、細胞を直接的に視覚化した。   Numerous methods can be used to monitor apoptosis, or programmed cell death (Smyth, PG, Berman, SA, and Bursztajn, S. (2000), Markers of apoptosis. : Methods for elucidating the mechanical of apoptotic cell death from the nervous system, Biotechniques, 32: 648-665). To distinguish apoptosis from necrosis, at least two separate indicators of apoptosis are required (Wronsla, R., Golob, N., and Gryger, E. (2002), Two-color, fluorescence-based microplate. assay for apoptosis detection, Biotechniques, 32: 666-668). One method, annexin V-FITC binding, relies on the observation that annexin V is tightly bound to phosphatidylserine in the presence of divalent calcium (Williamson, P., Eijnde, Svd., And Schlegel). R.A. (2001), Phosphatidylserine exposure and phagocytosis of apoptotic cells, In Apoptosis, L. M. Schwartz and J. D. Ashwell, Ed. Normally, phosphatidylserine is present on the inner leaflet of the cell membrane, but translocates to the cell membrane early in apoptosis. Cells that have been apoptotic when exposed to annexin labeled with fluorophosphate exhibit distinct membrane staining. On a microscale chip, the annexin V-FITC label is placed on the jaw by first flushing the system with PBS and then recirculating Annexin V-FITC (10 μg / ml in Clontech in Annexin V binding buffer) for 30 minutes. Direct visualization. Subsequently, the cells were directly visualized using a FITC filter set.

アネキシンV標識とは対照的に、APOPTAG(商標)キット(Intergen Co.、マサチューセッツ州)では、アポトーシスに関連するDNA分解および免疫蛍光法を使用する視覚化中に露出した遊離3´‐OH DNA末端を標識するために、末端デオキシヌクレオチド転移酵素を使用する(Li,X.、Traganos,F.、Melamed,M.R.、およびDarzynkiewicz,Z.(1995年)、Single‐step procedure for labeling DNA strand breaks with flourescein―or BODPY―conjugated deoxynucleotides:detection of apoptosis and bromodeoxyuridine incorporation、Cytometry 20、172〜180)。この方法はアポトーシスに極めて特異的であるが、固化ステップおよびインキュベーションステップがあるため、当該手順をオンチップで為すことはできない。簡単に言うと、マイクロスケールチップを特定の実験条件下で実行し、細胞チップをそれらの筐体ユニットから除去し、1%パラホルムアルデヒド中に固定し、製造元のプロトコルを使用してAPOPTAG(商標)キットで処理した。   In contrast to Annexin V labeling, the APOPTAG ™ kit (Intergen Co., MA) exposed free 3'-OH DNA ends exposed during visualization using DNA degradation and immunofluorescence methods associated with apoptosis. Terminal deoxynucleotide transferase (Li, X., Traganos, F., Melamed, MR, and Darzynewicz, Z. (1995), Single-step procedure for labeling DNA strand breaks with flourescein-or BODPY-conjugated deoxynucleotides: detection of apoptosis and bromodex yuridine information, Cytometry 20, 172-180). Although this method is highly specific for apoptosis, the procedure cannot be performed on-chip due to the solidification and incubation steps. Briefly, microscale chips are run under certain experimental conditions, cell chips are removed from their housing units, fixed in 1% paraformaldehyde, and APOPTAG ™ using manufacturer's protocol. Treated with kit.

マイクロスケールチップ作製および実験方法。以下のようにしてマイクロスケールチップを作製した:コンピュータ支援設計(Computer Assisted Design;CAD)ソフトウェア(Cadence)を使用してパターンを設計し、GCA/Mann3600F Optical Pattern Generatorを使用してクロムフォトマスクを作成した。続いて、Karl Suss MA6 Contact Alignerを使用し、フォトマスクを介してウエハを紫外線に露光させることにより、この高解像度パターンを、ポジ型フォトレジスト(Shipley1813)の薄被覆(〜1μm)を含有するシリコンウエハ(直径3インチ)に転移させた。露光後、フォトレジストを現像することにより、画定されたパターン中のフォトレジスト層を介して、シリコンを露光させた。露光したシリコンを、PlasmaTherm SLR 770 ICP Deep Silicon Etch Systemを使用して、特定の深さ(20〜100μm)までエッチングした。アセトンを用いてフォトレジストをウエハから剥ぎ取った。個々の22mm平方マイクロスケールチップをウエハからダイスカットし、Nanostrip(Cyantek)中で洗浄し、蒸留水中ですすぎ、170℃の乾燥炉中で乾燥させた。   Microscale chip fabrication and experimental methods. A microscale chip was fabricated as follows: a pattern was designed using Computer Assisted Design (CAD) software (Cadence), and a chrome photomask was created using GCA / Mann3600F Optical Pattern Generator. did. Subsequently, the wafer is exposed to ultraviolet rays through a photomask using a Karl Suss MA6 Contact Aligner, and this high-resolution pattern is converted into silicon containing a thin coating (˜1 μm) of a positive photoresist (Shipley 1813) Transferred to a wafer (3 inches in diameter). After exposure, the photoresist was developed to expose the silicon through the photoresist layer in the defined pattern. The exposed silicon was etched to a specific depth (20-100 μm) using a PlasmaTherm SLR 770 ICP Deep Silicon Etch System. The photoresist was stripped from the wafer using acetone. Individual 22 mm square microscale chips were diced from the wafer, washed in Nanostrip (Cyantek), rinsed in distilled water, and dried in a 170 ° C. drying oven.

臓器コンパートメント中のシリコンの表面をコラーゲンで処理して細胞付着を促進した。約10μlのI型コラーゲンの1mg/ml溶液をマイクロスケールチップの表面に蒸着し、室温で30分間インキュベートした。コラーゲン溶液を除去し、臓器コンパートメントを細胞培養液ですすいだ。細胞を細胞培養ディッシュから解離し、細胞数を測定し、各細胞コンパートメント内に細胞の融合性単層があるように濃度を調整した。例えば、図2に記載したマイクロチップ(上記)では、10μlのL2細胞の2,400細胞/μl懸濁液を細胞チップの肺チャンバに蒸着し、15μlのH4IIE細胞の3,400細胞/μl懸濁液を肝臓チャンバに蒸着した。細胞をCOインキュベータ内に一晩付着させた。細胞が付着すると、アクリルチップ筐体内でチップを組み立てた。筐体の上部は、チップに細胞培養液を提供するために、流体相互接続を含有する。ステンレス鋼管をマイクロ径ポンプ管に接続し、試験化合物の有無にかかわらず培地を含有する微小遠心管の上部にある小さい孔に挿入する。ポンプ管を蠕動ポンプに接続し、この溶液で呼び水をし、チップ筐体の入り口ポートに接続する。端部に接続されたステンレス鋼管を持つポンプ管の小断面を出口ポートに接続し、当該管を微小管の上部にある小さい孔に挿入することによって、再循環流体回路を完成させる。機器全体を37℃のCOインキュベータ内に入れる。この設定の概略図を、図22に提示する。 The surface of silicon in the organ compartment was treated with collagen to promote cell attachment. About 10 μl of a 1 mg / ml solution of type I collagen was deposited on the surface of the microscale chip and incubated at room temperature for 30 minutes. The collagen solution was removed and the organ compartment was rinsed with cell culture medium. Cells were dissociated from the cell culture dish, the number of cells was measured, and the concentration was adjusted so that there was a confluent monolayer of cells within each cell compartment. For example, in the microchip described above in FIG. 2 (above), 10 μl of a 2,400 cell / μl suspension of L2 cells is deposited in the lung chamber of the cell chip and 15 μl of H4IIE cells are suspended at 3,400 cells / μl. The turbid liquid was deposited in the liver chamber. Cells were allowed to attach overnight in a CO 2 incubator. When the cells attached, the chip was assembled in an acrylic chip housing. The top of the housing contains fluid interconnects to provide cell culture fluid to the chip. A stainless steel tube is connected to a micro-diameter pump tube and inserted into a small hole at the top of the microcentrifuge tube containing the medium with or without the test compound. Connect the pump tube to the peristaltic pump, prime with this solution and connect to the inlet port of the chip housing. The recirculating fluid circuit is completed by connecting a small section of a pump tube with a stainless steel tube connected to the end to the outlet port and inserting the tube into a small hole at the top of the microtube. Place the entire instrument in a 37 ° C. CO 2 incubator. A schematic diagram of this setting is presented in FIG.

(実施例1)
ラットを複製するシステムの循環
チップ1000の設計において、2cm×2cmを超えないシリコンチップに、必要なチャンバをすべて収めた。このサイズのチップは製造が容易で、流体流れを方向付けるために使用することを意図された接続管およびポンピングデバイスのサイズに適合する。デバイスの設計を制約する重要な要因はその他にもいくつかあり、各変数の許容値と共に以下に羅列する。デバイスのこの一実施形態は、2つのコンパートメントシステムから成り、一方のコンパートメントはラットの肝臓を表し、一方のコンパートメントはラットの肺を表している。チップの総サイズは2cm×2cmであり、「肺」チャンバとしての役割を果たすための幅40μm、深さ10μm、長さ5mmの20の並列チャネルと、「肝臓」チャンバの役割を果たすための幅100μm、深さ20μm、長さ10cmの蛇行形状をした2つの並列チャネルの、相互接続した配列から成る。2つの臓器コンパートメントは、幅100μm、深さ20μmのチャネルによって接続されている。その他多くの考えられる表面形状、寸法、チャンバの数等がある。一例としてこの設計を選定した。
Example 1
Circulation of a system for replicating rats In the design of the chip 1000, all necessary chambers were housed in a silicon chip not exceeding 2 cm x 2 cm. This size tip is easy to manufacture and adapts to the size of the connecting tube and pumping device intended to be used to direct fluid flow. There are several other important factors that constrain device design, listed below along with the acceptable values for each variable. This one embodiment of the device consists of two compartment systems, one compartment representing the rat liver and one compartment representing the rat lung. The total size of the chip is 2 cm × 2 cm, 20 parallel channels 40 μm wide, 10 μm deep, 5 mm long to serve as a “lung” chamber, and a width to serve as a “liver” chamber It consists of an interconnected array of two parallel channels in a serpentine shape, 100 μm, 20 μm deep and 10 cm long. The two organ compartments are connected by a channel 100 μm wide and 20 μm deep. There are many other possible surface shapes, dimensions, number of chambers, etc. This design was chosen as an example.

Figure 2008539787
計算例
チャネルまたはチャンバ計算:
これらの計算では、システム1100のチップ1000に関し、上述した方法によって、前回の反復から流速を得たものと仮定する。
Figure 2008539787
Calculation example Channel or chamber calculation:
These calculations assume that the flow rate has been obtained from the previous iteration for the chip 1000 of the system 1100 in the manner described above.

これにより、Q=8.05×l0μm/トレンチ秒である。 Thus, Q = 8.05 × 10 5 μm 3 / trench seconds.

続いて、トレンチ中での液体滞留時間を、以下のようにして計算した;   Subsequently, the liquid residence time in the trench was calculated as follows:

Figure 2008539787
次に、「細胞長さ」中の細胞数を計算した。
Figure 2008539787
Next, the number of cells in the “cell length” was calculated.

Figure 2008539787
続いて、チャネル/チャンバの細胞長さ容積を計算した。
Figure 2008539787
Subsequently, the cell length volume of the channel / chamber was calculated.

Figure 2008539787
細胞長さ容積も測定した。
Figure 2008539787
Cell length volume was also measured.

Figure 2008539787
液体の細胞長さ容積は、チャネル/チャンバの細胞長さ容積から単純に細胞の細胞長さ容積を減じたものである。細胞の細胞長さ容積と液体の細胞長さ容積の比は、システムの液体対細胞容積比を求めるものである。
Figure 2008539787
The cell length volume of the liquid is simply the cell length volume of the cell minus the cell length volume of the channel / chamber. The ratio of the cell length volume of the cell to the cell length volume of the liquid determines the liquid to cell volume ratio of the system.

Figure 2008539787
所与の流速と関連付けられた個々の細胞にかかるせん断力を測定した。液体の細胞長さ容積および細胞の直径に基づいて、液体を通過させるために利用可能なアベレージ表面積を計算した。
Figure 2008539787
The shear force on individual cells associated with a given flow rate was measured. Based on the cell length volume of the liquid and the cell diameter, the average surface area available to pass the liquid was calculated.

Figure 2008539787
続いて、チャネル内のアベレージ線速度を計算した。
Figure 2008539787
Subsequently, the average linear velocity in the channel was calculated.

Figure 2008539787
層流を前提として、球体にかかる抵抗を計算するためにストークスの法則を使用し、個々の細胞が受ける全せん断力を推定した。
Figure 2008539787
Assuming laminar flow, Stokes' law was used to calculate the drag on the sphere, and the total shear force experienced by individual cells was estimated.

Figure 2008539787
次に、チャネル/チャンバ内における液体の実際の滞留時間を検証し、チャネル/チャンバ内にある全細胞数まで計算した。
Figure 2008539787
Next, the actual residence time of the liquid in the channel / chamber was verified and calculated to the total number of cells in the channel / chamber.

Figure 2008539787
I.B.膜酸化計算:
シリコーン膜の酸化する面積を以下のようにして測定した:
まず、細胞の酸素摂取速度(Oxygen Uptake Rate;OUR)の近似値を求める:
Figure 2008539787
I. B. Membrane oxidation calculation:
The oxidized area of the silicone membrane was measured as follows:
First, an approximate value of the oxygen uptake rate (OUR) of a cell is obtained:

Figure 2008539787
続いて、液体媒質を再酸化するのに十分か否かを判断するために、膜の内側にかかる酸素の分圧を計算する。これは、多孔質膜を通るガスの流束の方程式を使用して為され、ここでQは膜透過性である。Jは細胞へのガスの流束を表し、zは膜の厚さである:
Figure 2008539787
Subsequently, to determine whether the liquid medium is sufficient to reoxidize, the partial pressure of oxygen applied to the inside of the membrane is calculated. This is done using the equation of gas flux through the porous membrane, where Q is membrane permeable. J represents the gas flux into the cell and z is the membrane thickness:

Figure 2008539787
この圧力は、膜と接触している液体媒質に200秒で酸素を飽和させるのに十分である。内側の酸素分圧を最大化するように、反復様式で膜の面積を測定した。
Figure 2008539787
This pressure is sufficient to saturate oxygen in the liquid medium in contact with the membrane in 200 seconds. Membrane area was measured in an iterative fashion to maximize the inner oxygen partial pressure.

Figure 2008539787
Figure 2008539787

Figure 2008539787
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Figure 2008539787
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Figure 2008539787
(実施例2)
4つの臓器コンパートメントチップ
チップは、4つの臓器コンパートメント―異物代謝に関与する臓器を表すための「肝臓」コンパートメント、標的組織を表す「肺」コンパートメント、部位に疎水性化合物の生物蓄積を提供するための「脂肪」コンパートメント、および、非代謝、非蓄積の組織において循環パターンを模倣するのを補佐するための「その他の組織」コンパートメント―から成るように設計した(図15)。これらの、およびその他の臓器コンパートメント(例えば、腎臓、心臓、結腸、または筋肉)は、CADファイルとして完全にモジュール化され、任意の構成または組み合わせで作製されることができる。デバイス自体を任意の数の基板(例えば、シリコン、ガラス、またはプラスチック)内に産生することができる。
Figure 2008539787
(Example 2)
4 organ compartment chips The chip is composed of 4 organ compartments—the “liver” compartment to represent the organs involved in xenobiotic metabolism, the “lung” compartment to represent the target tissue, and the site to provide bioaccumulation of hydrophobic compounds It was designed to consist of a “fat” compartment and an “other tissue” compartment to assist in mimicking the circulatory pattern in non-metabolizing, non-accumulating tissues (FIG. 15). These and other organ compartments (eg, kidney, heart, colon, or muscle) are fully modularized as CAD files and can be created in any configuration or combination. The device itself can be produced in any number of substrates (eg, silicon, glass, or plastic).

細胞を適切なコンパートメントに撒くと、Luciteマニホールド中でチップを組み立てた。このマニホールドは4つのチップを保持し、透明上部を含有するため、細胞をin situで観察することができた。流体を含有する上部は、チップに細胞培地を提供するために相互接続している。蠕動ポンプを使用し、0.5μl/分の流速でチップを介して培地を汲み上げた。流体容器(総容積〜15から50μl)、マイクロ径管、ならびに、チップのコンパートメントおよびチャネルから成る閉ループ内で、培地を再循環させた。   Once the cells were seeded in the appropriate compartment, the chip was assembled in the Lucite manifold. This manifold holds 4 tips and contains a transparent top so cells could be observed in situ. The upper part containing the fluid is interconnected to provide the cell culture medium to the chip. Using a peristaltic pump, the medium was pumped through the chip at a flow rate of 0.5 μl / min. The media was recirculated in a closed loop consisting of a fluid container (total volume ˜15 to 50 μl), micro-diameter tube, and chip compartments and channels.

肝臓コンパートメント中にヒトHepG2‐C3A細胞、および、標的組織コンパートメント中にHT29結腸癌細胞を持つ3コンパートメントシステムを使用して、細胞は連続動作下で144時間を超えて生存可能なままであることが分かった。HepG2‐C3A細胞は、様々な肝代謝酵素を新鮮な初代ヒト肝細胞と同程度のレベルで発現することが知られている、十分に特徴付けられたヒト肝細胞株である。これらの実験において、細胞を適切なコンパートメントに撒き、当該システムを介して最大144時間、特別に調合された細胞培地を再循環させた。30分間のうち、様々な時点において、培地をPBS含有LIVE/DEAD蛍光試薬(デュアル蛍光染色液[Molecular Probes,Inc.、米国オレゴン州ユージーン])に切り替えた。蛍光顕微鏡下で細胞を視覚化し、適切なフィルターセットを使用して、同一フィールドの蛍光画像を得た。生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色であった(データは示さず)。   Using a three-compartment system with human HepG2-C3A cells in the liver compartment and HT29 colon cancer cells in the target tissue compartment, the cells remain viable for over 144 hours under continuous operation I understood. HepG2-C3A cells are a well-characterized human hepatocyte cell line that is known to express various hepatic metabolic enzymes at levels comparable to fresh primary human hepatocytes. In these experiments, cells were seeded in the appropriate compartments and the specially formulated cell culture medium was recirculated through the system for up to 144 hours. At various time points within 30 minutes, the medium was switched to PBS-containing LIVE / DEAD fluorescent reagent (Dual Fluorescent Stain (Molecular Probes, Inc., Eugene, Oreg., USA)). Cells were visualized under a fluorescence microscope and fluorescent images of the same field were obtained using an appropriate filter set. Live cells emitted green fluorescence, while dead cells were red (data not shown).

(実施例3)
チップ内での薬物代謝
3つのコンパートメント、肝臓、標的組織、およびその他の組織を備えるマイクロスケールチップを使用して、広く使用されている2つのプロドラッグ、テガフールおよびスリンダクスルホキシドの代謝を研究した。いずれのプロドラッグも、肝臓内に存在する酵素による活性代謝への変換を必要とし、標的臓器に対する細胞毒性効果を有する。プロドラッグスリンダクスルホキシドについて、その抗炎症および癌化学予防特性は、肝酵素スルホキシドレダクターゼに触媒されて、その硫化物およびスルホン代謝物から派生したものである。スルホン代謝物(および第2のスルホン代謝物)は、いくつかの癌細胞(例えば、結腸癌)においてアポトーシスを誘発することを実証した。
(Example 3)
Drug metabolism within the chip A microscale chip with three compartments, liver, target tissue, and other tissues was used to study the metabolism of two widely used prodrugs, tegafur and sulindac sulfoxide. Both prodrugs require conversion to active metabolism by enzymes present in the liver and have a cytotoxic effect on the target organ. For the prodrug sulindac sulfoxide, its anti-inflammatory and cancer chemopreventive properties are derived from its sulfide and sulfone metabolites catalyzed by the liver enzyme sulfoxide reductase. The sulfone metabolite (and the second sulfone metabolite) has been demonstrated to induce apoptosis in some cancer cells (eg, colon cancer).

適正な治療計画では、5‐FU自体が正常細胞に対して極めて有毒であるため、そのプロドラッグ、テガフール[5‐フルオロ‐1‐(2‐テトラヒドロフリル)‐2,4(1H,3H)‐ピリミジンジオン]の投与が必要である。しかしながら、スリンダクとは異なり、テガフールは最初にチトクロームP450 2A6によって肝臓内で5‐FUに変換される。   With proper treatment planning, 5-FU itself is extremely toxic to normal cells, so its prodrug, tegafur [5-fluoro-1- (2-tetrahydrofuryl) -2,4 (1H, 3H)- Administration of [pyrimidinedione]. However, unlike sulindac, tegafur is first converted to 5-FU in the liver by cytochrome P450 2A6.

スリンダクの効能を試験するために、マイクロスケールチップの、肝臓コンパートメント内にHepG2‐C3A細胞を撒き、標的組織コンパートメント内にHT29ヒト結腸癌細胞を撒いた。100マイクロモルのスリンダク(製造元を必要とする)を再循環媒質に24時間添加し、チップを上述のように処理した―生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色の蛍光を発した(データは示さず)。HepG2‐C3A細肝細胞の不在下では、最小レベルの細胞死(賦形剤対照と同様)が観察された。これらの結果は、薬物は肝臓コンパートメント内で代謝されることができ、したがって、標的に循環してその代謝産物が生きている動物またはヒトにおけるものと同じだけの生物学的効果を誘発することを実証している。   To test the efficacy of sulindac, HepG2-C3A cells were seeded in the liver compartment and HT29 human colon cancer cells in the target tissue compartment of the microscale chip. 100 micromoles of sulindac (requires manufacturer) was added to the recirculation medium for 24 hours and the chip was treated as described above—live cells fluoresced green while dead cells fluoresced red. (Data not shown). In the absence of HepG2-C3A hepatocytes, a minimal level of cell death (similar to vehicle control) was observed. These results indicate that the drug can be metabolized within the liver compartment and thus circulate to the target and induce its biological effects as much as in live animals or humans. It has been demonstrated.

癌治療用プロドラッグ、テガフールを、マイクロスケールチップシステムにおいて試験した。効能のために、テガフールは、肝臓内に存在するチトクロームP450酵素による、その活性形態である5‐フルオロウラシル(5‐FU)に対する代謝活性化を必要とする(Ikeda,K.、Yoshisue,K.、Matsushima,E.、Nagayama,S.、Kobayashi,K.、Tyson,C.A.、Chiba,K.、およびKawaguchi,Y.(2000年)、Bioactivation of tegafur to 5‐fluorouracil is catalyzed by cytochrome P‐450 2A6 in human liver microsomes in vitro、Clin.Cancer Res.、6、4409〜4415;Komatsu,T.、Yamazaki,H.、Shimada,N.、Nakajima,M.、およびYokoi,T.(2000年)、Roles of cytochromes P450 1A2,2A6,and 2C8 in 5‐fluorouracil formation from tegafur,an anticancer prodrug,in human liver microsomes、Drug Met.Disp.、28、1457〜1463;Yamazaki,H.、Komatsu,T.、Takemoto,K.、Shimada,N.、Nakajima,M.、およびYokoi,T.(2001年)、Rat cytochrome P450 IA and 3A enzymes involved in bioactivation of tegafur to 5‐fluorouracil and autoinduced by tegafur liver microsomes、Drug Met.Disp.、29、794〜797)。適正な治療規制では、5‐FU自体が正常細胞に対して極めて有毒であるため、そのプロドラッグ、テガフールの投与が必要である。5‐FUは、結腸癌の患者に対する現在最も有効なアジュバント療法である(Hwang,P.M.、Bunz,F.、Yu,J.、Rago,C、Chan,T.A.、Murphy,M.P.、Kelso,G.F.、Smith,R.A.J.、Kinzler,K.W.、およびVogelstein,B.(2001年)、Ferredoxin reductase affects p53‐dependent,5‐fluorouracil‐induced apoptosis in colorectal cancer cells、Nat.Med.、7、1111〜1117)。ほとんどの化学療法剤と同様に、5‐FUは、活性酸素種の生成によって感受性細胞中に著しいアポトーシスを誘発する(Hwang,P.M.、Bunz,F.、Yu,J.、Rago,C、Chan,T.A.、Murphy,M.P.、Kelso,G.F.、Smith,R.A.J.、Kinzler,K.W.、およびVogelstein,B.(2001年)、Ferredoxin reductase affects p53−dependent,5‐fluorouracil‐induced in colorectal cancer cells、Nat.Med.、7、1111〜1117)。   A prodrug for cancer treatment, tegafur, was tested in a microscale chip system. For efficacy, tegafur requires metabolic activation to its active form 5-fluorouracil (5-FU) by cytochrome P450 enzymes present in the liver (Ikeda, K., Yoshisue, K., Matsushima, E., Nagayama, S., Kobayashi, K., Tyson, CA, Chiba, K., and Kawaguchi, Y. (2000), Bioactivation of terafur toyrocyl to fluoriscyl to 5-fluoric 450 2A6 in human river microsomes in vitro, Clin. Cancer Res., 6, 4409-4415; Komatsu, T., Ya mazaki, H., Shimada, N., Nakajima, M., and Yokoi, T. (2000), Roles of cytochromes P450 1A2, 2A6, and 2C8 in 5-fluorouraformation. Micromes, Drug Met.Disp., 28, 1457-1463; Yamazaki, H., Komatsu, T., Takemoto, K., Shimada, N., Nakajima, M., and Yokoi, T. (2001). cytochrome P450 IA and 3A enzymes in evolved in bio ctivation of tegafur to 5-fluorouracil and autoinduced by tegafur liver microsomes, Drug Met.Disp., 29,794~797). Proper treatment regulations require the administration of its prodrug, tegafur, because 5-FU itself is extremely toxic to normal cells. 5-FU is currently the most effective adjuvant therapy for patients with colon cancer (Hwang, PM, Bunz, F., Yu, J., Rago, C, Chan, TA, Murphy, M.) P., Kelso, GF, Smith, R.A.J., Kinzler, K.W., and Vogelstein, B. (2001), Ferredoxin reductase effects p53-dependent, 5-fluorourcidal-inducto-purecapped in collective cancer cells, Nat. Med., 7, 1111-1117). Like most chemotherapeutic agents, 5-FU induces significant apoptosis in susceptible cells by the generation of reactive oxygen species (Hwang, PM, Bunz, F., Yu, J., Rago, C , Chan, TA, Murphy, MP, Kelso, GF, Smith, RAJ, Kinzler, KW, and Vogelstein, B. (2001), Ferredoxin reductase. effects p53-dependent, 5-fluorouracil-induced in collective cancer cells, Nat. Med., 7, 1111-1117).

結腸癌細胞に対するテガフールの細胞毒性効果を計測するために、肝臓コンパートメント内にHepG2‐C3A細胞を、標的組織コンパートメント内にHCT‐116ヒト結腸癌細胞を持つマイクロスケールチップを調製した。テガフールを様々な濃度で再循環媒質に24時間添加し、細胞をHoechst33342、膜透過性DNA染料、および、エチジウムホモダイマー、膜不透過性DNA染料で標識した(方法の節を参照)。すべての細胞が青色の蛍光を発したが、死細胞は蛍光赤色のエチジウムホモダイマーでマークされた(データは示さず)。テガフールは、このマイクロスケールチップシステム内においては用量依存的にHCT‐116細胞に対して細胞毒性であったが、従来の細胞培養アッセイでは効果がなかった(図16Aおよび図16B)。また、5‐FUは従来の細胞培養アッセイにおいて細胞死をトリガーしたが、マイクロスケールチップを伴うテガフールへの曝露の24時間後と比較すると、曝露の48時間後まで細胞毒性は観察されなかった。   To measure the cytotoxic effect of tegafur on colon cancer cells, microscale chips were prepared with HepG2-C3A cells in the liver compartment and HCT-116 human colon cancer cells in the target tissue compartment. Tegafur was added to the recirculation medium at various concentrations for 24 hours and the cells were labeled with Hoechst 33342, a membrane-permeable DNA dye, and ethidium homodimer, a membrane-impermeable DNA dye (see methods section). All cells emitted blue fluorescence while dead cells were marked with a fluorescent red ethidium homodimer (data not shown). Tegafur was cytotoxic to HCT-116 cells in a dose-dependent manner within this microscale chip system, but was ineffective in conventional cell culture assays (FIGS. 16A and 16B). 5-FU also triggered cell death in a conventional cell culture assay, but no cytotoxicity was observed until 48 hours after exposure compared to 24 hours after exposure to tegafur with a microscale chip.

肝臓コンパートメントがテガフールの生物活性化に関与していたことを実証するために、マイクロスケールチップにHCT‐116のみを撒いた。肝臓コンパートメント内には細胞がない状態とした。テガフールまたは5‐FUを再循環培地に24時間添加し、チップを上述のように処理した(データは示さず)。テガフールは肝臓コンパートメントの不在下においてHCT‐116の顕著な細胞死を引き起こさず、一方、活性代謝物5‐FUは実質的な細胞死を引き起こした。さらに、HCT‐116をHT‐29結腸癌細胞に置き換えると、テガフールは効果がなかった(データは示さず)。これは、5‐FU細胞毒性に必要な、HT‐29細胞中に存在する突然変異体p53によるものと思われた。それとともに、これらの実験は、スリンダクのようなテガフールが肝臓コンパートメント内で実薬に代謝され、癌細胞を排出するために別の臓器コンパートメントへ循環されることを実証した。これらの効果は、チップによって機械的に区別可能であった―スリンダクは活性なp53の不在下でも効果があり、テガフールはそうではなかった。   To demonstrate that the liver compartment was involved in the bioactivation of tegafur, only HCT-116 was plated on a microscale chip. There were no cells in the liver compartment. Tegafur or 5-FU was added to the recirculation medium for 24 hours and the chips were processed as described above (data not shown). Tegafur did not cause significant cell death of HCT-116 in the absence of the liver compartment, while the active metabolite 5-FU caused substantial cell death. Furthermore, tegafur had no effect when HCT-116 was replaced with HT-29 colon cancer cells (data not shown). This was likely due to the mutant p53 present in HT-29 cells, which is required for 5-FU cytotoxicity. Together, these experiments demonstrated that tegafur like sulindac is metabolized to the active drug within the liver compartment and circulated to another organ compartment to drain cancer cells. These effects were mechanically distinguishable by chip-sulindac was effective even in the absence of active p53, tegafur was not.

(実施例4)
単一の臓器コンパートメントにおける複数の細胞培養
単一の臓器コンパートメント内で、複数の細胞型の混合物を使用することも可能である。一研究において、肝細胞株HepG2/C3A(ATCC由来)を肝臓コンパートメント内で使用する。1.5mM L‐グルタミン、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を加えたMcCoyの5A培地中で細胞を繁殖させる。in vivo臓器をより厳密に模倣するために、初代肝細胞と線維芽細胞の混合物を1対2の比でマクロファージ(Kupffer細胞)と共に使用してよい。
Example 4
Multiple cell cultures in a single organ compartment It is also possible to use a mixture of multiple cell types within a single organ compartment. In one study, the hepatocyte cell line HepG2 / C3A (from ATCC) is used in the liver compartment. Cells are propagated in McCoy's 5A medium supplemented with 1.5 mM L-glutamine, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal calf serum. To more closely mimic in vivo organs, a mixture of primary hepatocytes and fibroblasts may be used with macrophages (Kupffer cells) in a 1 to 2 ratio.

別の例において、肺組織をより厳密に模倣するために、肺上皮細胞から派生した細胞または細胞株の混合物が使用される。これは、I型上皮細胞、II型上皮細胞(大肺胞細胞)、線維芽細胞、マクロファージ、および肥満細胞の混合物を含む。   In another example, a mixture of cells or cell lines derived from lung epithelial cells is used to more closely mimic lung tissue. This includes a mixture of type I epithelial cells, type II epithelial cells (large alveolar cells), fibroblasts, macrophages, and mast cells.

(実施例5)
チップベースのシステムにおける組織培養条件の最適化
2つの異なるラット細胞培養株、H4IIE(ラット肝臓細胞株)およびL2(ラット肺細胞株)に適合する組織培地を開発した。予備実験は、2mM L‐グルタミン、1mMピルビン酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清(FBS)を加えたDMEMおよびHams F12K培地の1:1混合物が、マイクロスケールチップにおけるH4IIE細胞およびL2細胞両方の生存を、最大20時間の連続動作のあいだ維持することを示した。この培地製剤を、ラットベースのマイクロスケールチップ研究すべてに使用した。
(Example 5)
Optimization of tissue culture conditions in a chip-based system A tissue culture medium was developed that is compatible with two different rat cell culture lines, H4IIE (rat liver cell line) and L2 (rat lung cell line). Preliminary experiments show that a 1: 1 mixture of DMEM and Hams F12K medium supplemented with 2 mM L-glutamine, 1 mM sodium pyruvate, and 10% fetal bovine serum (FBS) is able to survive both H4IIE and L2 cells on a microscale chip. Was maintained for up to 20 hours of continuous operation. This media formulation was used for all rat-based microscale chip studies.

ヒト肝機能を写実的に模倣する、適正なヒト細胞株を選択した。さらに、マイクロスケールチップ上のヒト細胞株を維持するために最適な細胞培地製剤を判断した。HepG2およびHepG2/C3A(HepG2サブクローン)細胞株中における3つの主要なチトクロームP450(CYP)イソフォーム(1A2、3A4、および2D6)の基底発現量を検査した。既知の薬物の80〜90%の代謝を担うものであるため、CYP‐1A2、2D6、および3A4を検査した(Hodgson,J.(2001年)、ADMET―turning chemicals into drugs、Nat.Biotech.、19、722〜726)。HepG2肝細胞株のC3Aサブクローンが、より「肝臓らしい」性質、特に、親細胞株と比較してかなり高いCYP発現を呈する厳選された細胞株であるとレポートされたため、この細胞株を検査した(Kelly,J.H.(1994年)、Permanent human hepatocyte cell line and its use in a liver assist device(LAD)、米国特許第5,290,684号)。RT‐PCR分析により、HepG2/C3A細胞中における基底CYP量は親HepG2よりもかなり大きく、成人ヒト肝臓と同程度であることを確認した(図23)。   Appropriate human cell lines that realistically mimic human liver function were selected. Furthermore, the optimal cell culture medium formulation for maintaining the human cell line on the microscale chip was determined. The basal expression levels of the three major cytochrome P450 (CYP) isoforms (1A2, 3A4, and 2D6) in HepG2 and HepG2 / C3A (HepG2 subclone) cell lines were examined. CYP-1A2, 2D6, and 3A4 were examined because they are responsible for 80-90% metabolism of known drugs (Hodgson, J. (2001), ADMET-turning chemicals into drugs, Nat. Biotech., 19, 722-726). This cell line was tested because the C3A subclone of the HepG2 hepatocyte cell line was reported to be a more carefully selected cell line that exhibited more “liver-like” properties, particularly significantly higher CYP expression compared to the parent cell line. (Kelly, JH (1994), Permanent human hepatocyte cell line and its use in a liver assist device (LAD), US Pat. No. 5,290,684). RT-PCR analysis confirmed that the amount of basal CYP in HepG2 / C3A cells was considerably larger than that of parental HepG2 and comparable to that of adult human liver (FIG. 23).

後続のすべての実験において、HepG2/C3A細胞を肝臓代用物として使用した。マイクロスケールチップ実験中に使用するための一般的媒質を選択するために、多数の媒質の構成要素を比較した(DMEM、McCoyの5A、RPMI1640、MEM、F12、F12K、Waymouth’s、CMRL、MEM、およびIscoveの改変Dulbecco培地)。無機塩類、ブドウ糖、アミノ酸組成、およびビタミン含有量の分析は、EMEM、DMEM、McCoyの5A、およびRPMIが、検査した媒質のうち最も適切な「一般的」媒質であることを示唆した。何代か継代した後、細胞を分割させて以下の媒質中で継代培養させた。   In all subsequent experiments, HepG2 / C3A cells were used as liver substitutes. A number of media components were compared to select common media for use during microscale chip experiments (DMEM, McCoy 5A, RPMI 1640, MEM, F12, F12K, Wayout's, CMRL, MEM , And Iscove's modified Dulbecco medium). Analysis of inorganic salts, glucose, amino acid composition, and vitamin content suggested that EMEM, DMEM, McCoy's 5A, and RPMI were the most appropriate “generic” media among the media examined. After several passages, the cells were divided and subcultured in the following medium.

Earleの平衡塩類溶液、2mM L‐グルタミン、1.0mMピルビン酸ナトリウム、0.1mM非必須アミノ助成、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を加えた、Eagleの最小必須培地(EMEM)。   Earle's minimum essential medium supplemented with Earle's balanced salt solution, 2 mM L-glutamine, 1.0 mM sodium pyruvate, 0.1 mM non-essential amino supplement, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal calf serum (EMEM).

4mM L‐グルタミン、4.5g/Lブドウ糖、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を加えた、Dulbeccoの改変Eagle培地(DMEM)。   Dulbecco's modified Eagle medium (DMEM) with 4 mM L-glutamine, 4.5 g / L glucose, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal calf serum.

1.5mM L‐グルタミン、1.5g/L重炭酸ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を加えた、McCoyの5A培地(McCoy’s)。   McCoy's 5A medium (McCoy's) with 1.5 mM L-glutamine, 1.5 g / L sodium bicarbonate, and 10% fetal calf serum.

2mM L‐グルタミン、4.5g/Lブドウ糖、1.0mMピルビン酸ナトリウム、1.5g/L重炭酸ナトリウムを加えた、RPMI1640培地(RPMI)。   RPMI 1640 medium (RPMI) supplemented with 2 mM L-glutamine, 4.5 g / L glucose, 1.0 mM sodium pyruvate, 1.5 g / L sodium bicarbonate.

続いて、各媒質中における両方の細胞株を表す成長曲線を、方法の節で記述したようにして測定した(図24)。DMEMは、細胞形態に顕著な変化が見られ、〜5代継代後に接着が観察されたことから、HepG2/C3A細胞には不適切であることが分かった(図示せず)。同様に、RPMI中で3日後、HepG2/C3Aの大幅な減少ならびにHCT‐116の生存および成長に気付いた。いずれの細胞株も、それらの好ましい媒質と比較してMcCoy’sおよびEMEM中でよく成長した。   Subsequently, growth curves representing both cell lines in each medium were measured as described in the method section (FIG. 24). DMEM was found to be unsuitable for HepG2 / C3A cells since significant changes in cell morphology were observed and adhesion was observed after passage 5 (not shown). Similarly, after 3 days in RPMI, a significant decrease in HepG2 / C3A and survival and growth of HCT-116 were noted. Both cell lines grew well in McCoy's and EMEM compared to their preferred medium.

次に、RT‐PCRを使用して、EMEMまたはMcCoy’s中で成長しているHepG2/C3A細胞における、これらのCYPイソフォームの発現量を調べた(方法の節を参照)(図25)。結果は、EMEMがCYP発現を維持する上でMcCoy’sよりも優れており、HepG2/C3Aにとって好ましい媒質であることを示した。CYP発現に対する異なる成長基質の効果を研究した(図26)。付着基質としてポリ‐D‐リジンまたはコラーゲンで処理したシリコンと、標準的な組織培養処理をしたポリスチレン上で成長した細胞との比較を実行した。また、結果は、RT‐PCR CYP発現分析に基づいて、EMEMがHepG2/C3AおよびHCT‐116細胞両方の成長を支援すること、ならびに、コラーゲンが好ましい基質であることを示した。   RT-PCR was then used to examine the expression levels of these CYP isoforms in HepG2 / C3A cells growing in EMEM or McCoy's (see Methods section) (Figure 25) . The results showed that EMEM is superior to McCoy's in maintaining CYP expression and is a preferred medium for HepG2 / C3A. The effect of different growth substrates on CYP expression was studied (Figure 26). A comparison of silicon treated with poly-D-lysine or collagen as an attachment substrate and cells grown on polystyrene with standard tissue culture treatment was performed. The results also showed that EMEM supports the growth of both HepG2 / C3A and HCT-116 cells and that collagen is a preferred substrate based on RT-PCR CYP expression analysis.

これらの条件を使用して、これらの細胞、つまりHepG2/C3AおよびHCT‐116の、長期にわたる細胞の生存を、マイクロスケールチップシステムにおける連続動作下で研究した。肝臓コンパートメント内にヒトHepG2/C3A細胞を、および、標的組織コンパートメント内にHCT‐116結腸癌細胞を持つ3コンパートメントシステムを使用して、細胞は連続動作下で144時間を超えて生存可能なままであることを実証した。これらの実験において、細胞を適切なコンパートメント内に撒き、システムを介して最大144時間、EMEMを再循環させた。様々な時点(6、24、48、72、96、120、および144時間)において、LIVE/DEAD染色を使用して全生細胞または死細胞を視覚化した(データは示さず)。蛍光顕微鏡下で細胞を視覚化し、適切なフィルターセットを使用して、同一フィールドの蛍光画像を得た。生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色であった(データは示さず)。   Using these conditions, long-term cell survival of these cells, namely HepG2 / C3A and HCT-116, was studied under continuous operation in a microscale chip system. Using a three-compartment system with human HepG2 / C3A cells in the liver compartment and HCT-116 colon cancer cells in the target tissue compartment, the cells remain viable for more than 144 hours under continuous operation Prove that there is. In these experiments, cells were seeded in the appropriate compartment and EMEM was recirculated through the system for up to 144 hours. At various time points (6, 24, 48, 72, 96, 120, and 144 hours), live or dead cells were visualized using LIVE / DEAD staining (data not shown). Cells were visualized under a fluorescence microscope and fluorescent images of the same field were obtained using an appropriate filter set. Live cells emitted green fluorescence, while dead cells were red (data not shown).

(実施例6)
マイクロスケールチップ上における毒性の検出のためのアッセイ
トリパンブルーは生存細胞を非生存細胞と区別するために使用される最も一般的な染色液であり、非生存細胞だけが当該染料を吸収して青色に見える。逆に、生きている健康な細胞は、青色の染料を吸収せずに円形で屈折しているように見える。マイクロスケールチップにおける細胞の生存を判断するために、トリパンブルーを使用して実験を実行した。トリパンブルー(方法の節を参照)は使用し易く、視覚化するためには光学顕微鏡があればよいが、時間とともに生存細胞はトリパンブルーを吸収し、そのことが結果に影響を及ぼし得る。また、トリパンブルーは細胞タンパク質に対してよりも血清タンパク質に対して高い親和性を有するため、血清含有培地を使用する場合、背景が暗くなる。そこで、生存細胞を死細胞から区別するための代替的な方法を研究した。
(Example 6)
Assay for detection of toxicity on microscale chips Trypan blue is the most common stain used to distinguish viable cells from non-viable cells, and only non-viable cells absorb the dye and become blue Looks like. Conversely, living healthy cells appear to be circular and refracted without absorbing the blue dye. To determine cell survival on the microscale chip, experiments were performed using trypan blue. Trypan blue (see method section) is easy to use and only requires a light microscope to visualize, but over time, viable cells will absorb trypan blue, which can affect the results. Also, trypan blue has a higher affinity for serum proteins than for cellular proteins, so the background is dark when using serum-containing media. Therefore, alternative methods for distinguishing viable cells from dead cells were studied.

ガラスカバースリップ上で成長した細胞を使用して、LIVE/DEADアッセイを最適化した(方法の節を参照)。簡単に言うと、ポリ‐D‐リジンで処理したガラスカバースリップにHepG2/C3A細胞を撒き、1μMスタウロスポリン有り・無しで24時間処理した。スタウロスポリンは広域スペクトルタンパク質キナーゼ阻害薬であり、各種細胞型においてアポトーシスを誘発することが知られている(Smyth,P.G.、Bemian,S.A.、およびBursztajn,S.(2002年)、Markers of apoptosis:methods for elucidating the mechanism of apoptotic cell death from the nervous system、Biotechniques、32、648〜665)。カバースリップをリン酸緩衝生理食塩水(Phosphate Buffered Saline;PBS)で洗浄し、LIVE/DEAD試薬を添加して、室温で30分間インキュベートした。カバースリップを除去し、視覚化した(データは示さず)。スタウロスポリンは、明らかにHepG2/C3A細胞の細胞死を引き起こすことが分かった(データは示さず)。   Cells grown on glass coverslips were used to optimize the LIVE / DEAD assay (see Methods section). Briefly, HepG2 / C3A cells were seeded on glass coverslips treated with poly-D-lysine and treated with and without 1 μM staurosporine for 24 hours. Staurosporine is a broad-spectrum protein kinase inhibitor and is known to induce apoptosis in various cell types (Smyth, PG, Bemian, SA, and Bursztajn, S. (2002). ), Markers of apoptosis: methods for elucidating the mechanism of an apoptotic cell death from the nervous system, Biotechniques, 32, 648-66. The coverslips were washed with Phosphate Buffered Saline (PBS), LIVE / DEAD reagent was added and incubated for 30 minutes at room temperature. Cover slips were removed and visualized (data not shown). Staurosporine was clearly found to cause cell death of HepG2 / C3A cells (data not shown).

続いて、マイクロスケールチップシステムにおける細胞毒性の検出のためのアッセイを最適化した。方法の節で記述したように、マイクロスケール細胞チップの、肝臓コンパートメント内にHepG2/C3A細胞を、標的組織コンパートメント内にHCT‐116細胞を撒いた。細胞チップをマイクロスケールチップシステムにロードし、上述したように、1μMスタウロスポリン有り・無しで処理した。24時間のインキュベーション後、再循環媒質をPBSに切り替え、30分間システムを貫流させて廃棄し、続いてLIVE/DEAD試薬を含むPBSに切り替え、さらに30分間システムを貫流させた。細胞チップを含有するアクリル筐体をシステムから除去し、実体蛍光顕微鏡の下に置き、当該筐体の透明上部を介して細胞チップを視覚化した(データは示さず)。蛍光顕微鏡下で細胞を視覚化し、適切なフィルターセットを使用して、同一フィールドの蛍光画像を得た。生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色であった(データは示さず)。1μMスタウロスポリンにより、24時間処理後、未処理の対照細胞チップと比較して顕著なHCT‐116細胞の細胞死が引き起こされた(データは示さず)。   Subsequently, the assay for detection of cytotoxicity in the microscale chip system was optimized. As described in the methods section, the microscale cell chip was seeded with HepG2 / C3A cells in the liver compartment and HCT-116 cells in the target tissue compartment. Cell chips were loaded into a microscale chip system and processed with and without 1 μM staurosporine as described above. After 24 hours of incubation, the recirculation medium was switched to PBS and allowed to flow through the system for 30 minutes and then discarded, followed by switching to PBS containing LIVE / DEAD reagent and allowed to flow through the system for an additional 30 minutes. The acrylic housing containing the cell chip was removed from the system, placed under a stereofluorescence microscope, and the cell chip was visualized through the transparent top of the housing (data not shown). Cells were visualized under a fluorescence microscope and fluorescent images of the same field were obtained using an appropriate filter set. Live cells emitted green fluorescence, while dead cells were red (data not shown). 1 μM staurosporine caused significant HCT-116 cell death after treatment for 24 hours compared to untreated control cell chips (data not shown).

(実施例7)
細胞死の発生を検出し、アポトーシスとネクローシスとを区別するための、チップベースのアッセイ
アポトーシスを検出するための異なる2つのアッセイを調べた。第1のアッセイは、APOPTAG(Intergen Co.、マサチューセッツ州)としてキット形態で利用可能な免疫蛍光ベースの末端デオキシヌクレオチド転移酵素BrdUニック端標識(Terminal deoxynucleotidyl transferase BrdU Nick End Labeling;TUNEL)法であった(方法の節を参照)。まず、ガラスカバースリップで成長した細胞を使用して、アッセイを最適化した。簡単に言うと、ポリ‐D‐リジンで処理したガラスカバースリップにHepG2/C3A細胞を撒き、スタウロスポリン有り・無しで処理した。カバースリップを上述したように処理した(方法の節を参照)。様々なスタウロスポリン濃度および処理時間を試験し、結果は、1μMスタウロスポリンが、24時間のインキュベーション後、未処理の対照と比較して顕著なアポトーシスを引き起こすことを示した(データは示さず)。次に、マイクロスケールチップシステムにおけるアポトーシス検出のためのアッセイを最適化し、APOPTAG法のLIVE/DEAD染色法との比較を実行した。方法の節で記述したように、マイクロスケール細胞チップの、肝臓コンパートメント内にHepG2/C3A細胞を、標的組織コンパートメント内にHCT‐116細胞を撒いた。細胞チップをマイクロスケールチップシステムにロードし、上述したように、1μMスタウロスポリン有り・無しで処理した。24時間のインキュベーション後、30分間、再循環媒質をPBSに切り替えた。細胞チップの半分を筐体から除去し、上述したようにAPOPTAG(商標)アッセイを実行した。その他の細胞チップはマイクロスケールチップシステムに残し、上述したようにLIVE/DEAD染色法に供した。蛍光顕微鏡下で細胞を視覚化し、適切なフィルターセットを使用して、同一フィールドの蛍光画像を得た。生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色であった(データは示さず)。両方の技術は非常に似通った結果を産生した、すなわち、1μMスタウロスポリンに対する24時間の曝露は、HCT‐116細胞に対して、未処理の対照と比較して顕著なアポトーシス(または細胞毒性)を誘発した(データは示さず)。
(Example 7)
Two chip-based assays to detect the occurrence of cell death and distinguish between apoptosis and necrosis Two different assays to detect apoptosis were examined. The first assay was the immunofluorescence-based terminal deoxynucleotide transferase BrdU nick end labeling method available as a kit form as APOPTAG (Intergen Co., Mass.); TUNEL (See method section). Initially, the assay was optimized using cells grown on glass coverslips. Briefly, HepG2 / C3A cells were seeded on glass coverslips treated with poly-D-lysine and treated with and without staurosporine. Cover slips were processed as described above (see method section). Various staurosporine concentrations and treatment times were tested and the results showed that 1 μM staurosporine caused significant apoptosis after 24 hours incubation compared to untreated controls (data not shown) ). Next, the assay for detecting apoptosis in a microscale chip system was optimized and a comparison of the APOPTAG method with the LIVE / DEAD staining method was performed. As described in the methods section, the microscale cell chip was seeded with HepG2 / C3A cells in the liver compartment and HCT-116 cells in the target tissue compartment. Cell chips were loaded into a microscale chip system and processed with and without 1 μM staurosporine as described above. After 24 hours of incubation, the recirculation medium was switched to PBS for 30 minutes. Half of the cell chip was removed from the housing and the APOPTAG ™ assay was performed as described above. Other cell chips were left in the microscale chip system and subjected to the LIVE / DEAD staining method as described above. Cells were visualized under a fluorescence microscope and fluorescent images of the same field were obtained using an appropriate filter set. Live cells emitted green fluorescence, while dead cells were red (data not shown). Both techniques produced very similar results, ie 24 hours exposure to 1 μM staurosporine showed significant apoptosis (or cytotoxicity) for HCT-116 cells compared to untreated controls. (Data not shown).

方法の節で記述したように、アネキシンV‐FITCを使用して、マイクロスケールチップシステムにおけるアポトーシスを検出した。簡単に言うと、マイクロスケール細胞チップの、肝臓コンパートメント内にHepG2/C3A細胞を、標的組織コンパートメント内にHCT‐116細胞を撒いた。細胞チップをマイクロスケールチップシステムにロードし、上述したように、1μMスタウロスポリン有り・無しで処理した。6時間のインキュベーション後、再循環媒質をアネキシンV‐FITCおよびHoechst33342を含有するPBSに切り替えて、30分間システムを貫流させた。細胞チップをアクリル筐体から除去し、蛍光顕微鏡下で視覚化した。蛍光顕微鏡下で細胞を視覚化し、適切なフィルターセットを使用して、同一フィールドの蛍光画像を得た。生細胞は緑色の蛍光を発し、一方、死細胞は赤色であった(データは示さず)。1μMスタウロスポリンは、6時間の処理後、未処理の対照細胞チップと比較して顕著なアポトーシスを引き起こした(データは示さず)。   Annexin V-FITC was used to detect apoptosis in the microscale chip system as described in the methods section. Briefly, HepG2 / C3A cells were seeded in the liver compartment and HCT-116 cells in the target tissue compartment of the microscale cell chip. Cell chips were loaded into a microscale chip system and processed with and without 1 μM staurosporine as described above. After 6 hours of incubation, the recirculation medium was switched to PBS containing Annexin V-FITC and Hoechst 33342 and allowed to flow through the system for 30 minutes. Cell chips were removed from the acrylic housing and visualized under a fluorescence microscope. Cells were visualized under a fluorescence microscope and fluorescent images of the same field were obtained using an appropriate filter set. Live cells emitted green fluorescence, while dead cells were red (data not shown). 1 μM staurosporine caused significant apoptosis after 6 hours of treatment compared to untreated control cell chips (data not shown).

(実施例8)
モデル毒物としてのナフタレンの使用
肺毒性には肝臓における酵素的変換が必要であることから、毒物学を研究するためにナフタレンを使用した。したがって、ラット肺細胞株に対するナフタレンの効果を研究した。これらの実験では、肝臓コンパートメント内にH4IIE細胞を、肺コンパートメント内にラットL2細胞を持つ、3コンパートメント(肝臓、肺、およびその他の組織)ラットベースマイクロスケールチップを使用した。方法の節で記述したように、マイクロスケールチップを実験用に作製および調製した。
(Example 8)
Use of naphthalene as a model toxicant Naphthalene was used to study toxicology because pulmonary toxicity requires enzymatic conversion in the liver. Therefore, the effect of naphthalene on rat lung cell lines was studied. In these experiments, a three-compartment (liver, lung, and other tissue) rat-based microscale chip with H4IIE cells in the liver compartment and rat L2 cells in the lung compartment was used. Microscale chips were made and prepared for experiments as described in the methods section.

PBS含有トリパンブルーに切り替える前に、250μg/mlナフタレンの存在下または不在下で、マイクロスケールチップシステムを20時間動作させた。細胞チップを介してこの溶液を30分間再循環させ、光学顕微鏡下でチップを視覚化した(方法の節を参照)。ナフタレンは、細胞チップの肺コンパートメントにおいてラットL2細胞の顕著な細胞死を引き起こしたが、ナフタレンの不在下では細胞死は観察されなかった(データは示さず)。ナフタレンの有無に関わらずH4IIE細胞コンパートメント内では、または、H4IIE細胞の不在下におけるL2細胞コンパートメント内では、細胞死は観察されなかった(データは示さず)。   The microscale chip system was operated for 20 hours in the presence or absence of 250 μg / ml naphthalene before switching to trypan blue with PBS. The solution was recirculated through the cell chip for 30 minutes and the chip visualized under a light microscope (see method section). Naphthalene caused significant cell death of rat L2 cells in the lung compartment of the cell chip, but no cell death was observed in the absence of naphthalene (data not shown). No cell death was observed in the H4IIE cell compartment with or without naphthalene or in the L2 cell compartment in the absence of H4IIE cells (data not shown).

これらの結果は、ナフタレンが「肝臓」コンパートメント内で活性化され、有毒代謝物が「肺」に循環して細胞死を引き起こすことを実証するものである。これらの結果は、ベンチトップ型CCAデバイスによって得られ、PBPKモデルから期待されるデータと一致する(Sweeney,L.M.、Shuler,M.L.、Babish,J.G.、およびGhanem,A.(1995年)、A cell culture analogue of rodent physiology:application of napthalene toxicology、Toxicol,in Vitro、9、307〜316)。   These results demonstrate that naphthalene is activated in the “liver” compartment and that toxic metabolites circulate in the “lung” causing cell death. These results were obtained with a benchtop CCA device and are consistent with the data expected from the PBPK model (Sweeney, LM, Shuler, ML, Babish, JG, and Ghanem, A (1995), A cell culture of rodent physology: application of napthalene toxiology, Toxicol, in Vitro, 9, 307-316).

(実施例9)
ヒトマイクロスケールチッププロトタイプ
肺、標的組織、およびその他の組織を表すコンパートメントを含有するヒトバイオチッププロトタイプを調製した。コンパートメントおよびチャネルの寸法は、以下のとおりとした。
Example 9
Human microscale chip prototype A human biochip prototype was prepared containing compartments representing lung, target tissue, and other tissues. The compartment and channel dimensions were as follows:

入り口:1mm×1mm
肝臓:幅3.2mm×長さ4mm
標的組織:2mm×2mm
その他の組織:幅340μm×長さ110mm
出口:1mm×1mm
肝臓をY接続部に接続するチャネル:幅440μm
Y接続部から標的組織までのチャネル:幅100μm
上述したようなヒトバイオチッププロトタイプを作製する。臓器コンパートメントの配置は、経口摂取された化合物(薬物)への曝露をシミュレートするように意図される。化合物が経口摂取されると、小腸または大腸から血中に吸収される。そこから肝門静脈を介して直接的に肝臓へ循環し、全身に分布される(図27)。したがって、この設計では、肝臓が第1の臓器コンパートメントであり、その後、その他の組織、標的組織のコンパートメントおよびチャンバに分割される。その他の組織コンパートメントは生体内における血液の分布および停滞を表し、標的組織コンパートメントは所望の治療標的を表す(例えば、結腸腫瘍を表す結腸癌細胞)。
Entrance: 1mm x 1mm
Liver: width 3.2 mm x length 4 mm
Target tissue: 2mm x 2mm
Other tissues: width 340 μm x length 110 mm
Outlet: 1mm x 1mm
Channel connecting the liver to the Y connection: width 440 μm
Channel from Y connection to target tissue: width 100 μm
Create a human biochip prototype as described above. The arrangement of the organ compartment is intended to simulate exposure to a compound (drug) taken orally. When a compound is taken orally, it is absorbed into the blood from the small or large intestine. From there, it circulates directly to the liver via the portal vein and is distributed throughout the body (FIG. 27). Thus, in this design, the liver is the first organ compartment and is then divided into other tissues, target tissue compartments and chambers. The other tissue compartment represents the distribution and stagnation of blood in the body, and the target tissue compartment represents the desired therapeutic target (eg, colon cancer cells representing a colon tumor).

結論
本発明は、通常、受入端部および出口端部を有する第1の細胞培養チャンバと、受入端部および出口端部を有する第2の細胞培養チャンバと、第1の細胞培養チャンバの出口端部を第2の細胞培養チャンバの受入端部に接続する導管と、を含む、薬物動態ベースの培養デバイスおよびシステムを提供する。好ましくは、当該デバイスはチップベースである、すなわち、マイクロスケールのサイズである。培地は、第1の細胞培養チャンバを通り、導管を通り、第2の培養チャンバを通って循環することができる。再循環ループの1つ以上の地点において、培地を酸化させることもできる。
CONCLUSION The present invention typically includes a first cell culture chamber having a receiving end and an outlet end, a second cell culture chamber having a receiving end and an outlet end, and an outlet end of the first cell culture chamber. A pharmacokinetic-based culture device and system comprising a conduit connecting a portion to a receiving end of a second cell culture chamber. Preferably, the device is chip-based, i.e., microscale size. The medium can circulate through the first cell culture chamber, through the conduit, and through the second culture chamber. The medium can also be oxidized at one or more points in the recirculation loop.

当該デバイスは、例えばデバイスの部分からの信号をチップから外れた位置に伝達するための導波管を持つ、デバイスの部分からの信号をチップから外れた位置に伝達するためのメカニズムを含んでよい。複数の導波管が存在してよく、例えば、第1の導波管が第1のチャンバからの信号を伝達し、第2の導波管が第2のチャンバからの信号を伝達する等となる。   The device may include a mechanism for transmitting the signal from the device part to the off-chip position, for example with a waveguide for transmitting the signal from the device part to the off-chip position. . There may be a plurality of waveguides, for example, the first waveguide transmits signals from the first chamber, the second waveguide transmits signals from the second chamber, and so on. Become.

一実施形態において、第1の細胞培養チャンバおよび第2の細胞培養チャンバのうち少なくとも1つが3次元である。別の実施形態において、第1の細胞培養チャンバおよび第2の細胞培養チャンバの両方が3次元である。   In one embodiment, at least one of the first cell culture chamber and the second cell culture chamber is three-dimensional. In another embodiment, both the first cell culture chamber and the second cell culture chamber are three-dimensional.

細胞を生存状態に維持するためのデバイスは、流体循環メカニズムも含み、フロースルー型流体循環メカニズム、または、流体を再循環させる流体循環メカニズムであってよい。細胞を生存状態に維持するためのデバイスは、少なくとも第1のコンパートメントと第2のコンパートメントを接続する流体経路も含む。一実施形態において、流体経路内の気泡を気泡除去器で除去する。当該デバイスは、ポンプメカニズムをさらに含み得る。ポンプメカニズムは、基板上に位置してよい。   A device for maintaining cells in a viable state also includes a fluid circulation mechanism, and may be a flow-through fluid circulation mechanism or a fluid circulation mechanism that recirculates fluid. A device for maintaining cells in a viable state also includes a fluid pathway connecting at least the first and second compartments. In one embodiment, bubbles in the fluid path are removed with a bubble remover. The device can further include a pump mechanism. The pump mechanism may be located on the substrate.

少なくとも2つの細胞チャンバ内で少なくとも2つの細胞型を生存状態に維持するように、基板のサイズ決定をするための方法が提供される。当該方法は、基板上に保持される細胞型を測定するステップと、基板の物理的性質を測定するために、生理学的薬物動力学モデルの制約事項を適用するステップとを含む。生理学的薬物動力学モデルの制約事項を適用するステップは、基板上に形成されるチャンバの種類を測定するステップを含み、当該ステップは、細胞チャンバのうち少なくとも1つの表面形状を測定するステップと、2つの細胞チャンバを相互接続している流路の表面形状を測定するステップとを含んでもよい。生理学的薬物動力学モデルの制約事項を適用するステップは、流路の流動培地組成を測定するステップを含んでもよい。   A method is provided for sizing the substrate to maintain at least two cell types viable in the at least two cell chambers. The method includes measuring the cell type retained on the substrate and applying physiological pharmacokinetic model constraints to measure the physical properties of the substrate. Applying the constraints of the physiological pharmacokinetic model comprises measuring the type of chamber formed on the substrate, the step comprising measuring the surface shape of at least one of the cell chambers; Measuring the surface shape of the flow path interconnecting the two cell chambers. Applying the constraints of the physiological pharmacokinetic model may include measuring the flow medium composition of the flow path.

本明細書において引用するすべての出版物および特許出願は、それぞれ個々の出版物または特許出願が具体的且つ個別に参照することにより組み込まれるよう指示されているかのように、参照することにより本書に組み込まれる。   All publications and patent applications cited herein are hereby incorporated by reference as if each individual publication or patent application were instructed to be specifically and individually incorporated by reference. Incorporated.

上記の記述は例示を意図したものであり、制限的なものではないことを理解すべきである。当業者には、上記の記述を概観して、その他多くの実施形態が明らかとなるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を、そのような特許請求の範囲が権利を付与される均等物の全範囲と共に、参照して判断されるべきである。   It should be understood that the above description is intended to be illustrative and not restrictive. Many other embodiments will be apparent to those of skill in the art upon reviewing the above description. The scope of the invention should, therefore, be determined with reference to the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled.

本発明の一実施形態は、マイクロスケール透過性材料に関する。本発明のいくつかの実施形態では、マイクロスケールデバイスと関連付けられた生物学的障壁として透過性材料を説明しているが、マイクロスケール透過性材料は、多種多様なコンテキストおよびデバイスに存在し得ることを理解すべきである。   One embodiment of the invention relates to a microscale permeable material. Although some embodiments of the present invention describe permeable materials as biological barriers associated with microscale devices, microscale permeable materials can exist in a wide variety of contexts and devices. Should be understood.

適切なマイクロスケールデバイスの一例として、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、in vitroでの1つ以上の薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように寸法決定された1つ以上のマイクロスケール機構が挙げられる。当該マイクロスケール機構の様々な実施形態の形成および動作に関する詳細を、上記で開示している。以下の説明の目的で、「マイクロスケール」は、約0.1μmから約500μmの範囲の寸法を意味し得る。したがって、マイクロスケール機構は、その寸法の少なくとも1つがマイクロスケール範囲に含まれるように寸法決定され得る。本開示の様々な実施形態は、上記で定義したマイクロスケールレベルよりも大きいスケールで実装され得ることも理解されるであろう。以下の説明の目的で、「ミリメートルスケール」は、約0.1mmから約100mmの範囲の寸法を意味し得る。したがって、本開示の1つ以上の機構は、その寸法の少なくとも1つがミリメートルスケール範囲に含まれる、ミリメートルスケール機構であってよい。いくつかの機構は、一方がマイクロスケールであり、他方がミリメートルスケールである、寸法の組み合わせを有し得ることが理解されるであろう。そのような機構は、2つのスケールのいずれかとして特徴付けられ得る。さらに、本開示の様々な機構は、上記で定義された範囲外の寸法で実装され得る。例えば、一実施形態において、マイクロスケール機構は、0.1μm未満の、または、500μmを超える寸法を有し得る。同様に、一実施形態において、ミリメートルスケール機構は、0.1mm未満の、または、100mmを超える寸法を有し得る。   As an example of a suitable microscale device, a biological material can be obtained under conditions that provide a value for one or more pharmacokinetic parameters in vitro that is comparable to the value of at least one pharmacokinetic parameter found in vivo. There may be one or more microscale features dimensioned to maintain. Details regarding the formation and operation of various embodiments of the microscale mechanism are disclosed above. For purposes of the following description, “microscale” may mean dimensions in the range of about 0.1 μm to about 500 μm. Thus, the microscale feature can be sized such that at least one of its dimensions falls within the microscale range. It will also be appreciated that various embodiments of the present disclosure may be implemented on a scale greater than the microscale level defined above. For purposes of the following description, “millimeter scale” may mean a dimension in the range of about 0.1 mm to about 100 mm. Accordingly, one or more features of the present disclosure may be a millimeter scale feature, wherein at least one of its dimensions falls within the millimeter scale range. It will be appreciated that some mechanisms may have a combination of dimensions, one on the microscale and the other on the millimeter scale. Such a mechanism can be characterized as either of two scales. Furthermore, the various features of the present disclosure may be implemented with dimensions outside the ranges defined above. For example, in one embodiment, the microscale feature may have a dimension of less than 0.1 μm or greater than 500 μm. Similarly, in one embodiment, the millimeter scale feature may have a dimension that is less than 0.1 mm or greater than 100 mm.

その他の実施形態において、マイクロスケール透過性材料は、異なる流体系間の相互作用を促進する。例えば、経口で服用された薬物は、胃腸(GastroIntestinal;GI)系に入る。当該薬物と関連付けられた1つ以上の化合物は、小腸の内壁を介してGI系から循環器系の血液へ通過することができる。血液中の薬物化合物は、様々な臓器および/またはシステムに達し、影響を及ぼすことができる。例えば、薬物化合物は、血液から脳流体系へ通過し、それによって脳に影響を及ぼすことができる。   In other embodiments, the microscale permeable material facilitates interactions between different fluid systems. For example, drugs taken orally enter the gastrointestinal (GI) system. One or more compounds associated with the drug can pass from the GI system to the circulatory blood through the inner wall of the small intestine. Drug compounds in the blood can reach and affect various organs and / or systems. For example, drug compounds can pass from the blood to the cerebral fluid system, thereby affecting the brain.

別の例において、薬物化合物は、血液から肝臓内の胆管系へ通過し、腸肝再循環サイクルに入ることができる。薬物化合物は腸肝循環内に長時間残ることができ、結果として肝臓内は高濃度となるため、予想外に肝細胞毒性となり得る。   In another example, the drug compound can pass from the blood to the bile duct system in the liver and enter the enterohepatic recirculation cycle. Drug compounds can remain in the enterohepatic circulation for a long time, resulting in high concentrations in the liver, which can lead to unexpected hepatotoxicity.

したがって、異なる系間における薬物化合物またはそれらの代謝産物の通過を明らかにすることにより、関係する薬物の薬物動態についてより良く理解できることが分かる。   Thus, it can be seen that by revealing the passage of drug compounds or their metabolites between different systems, a better understanding of the pharmacokinetics of the drugs involved can be obtained.

図31は、一実施形態において、第1および第2の流体系3102、3140間の相互作用3100が提供され、in vivoで見られるものと同様の生理的パラメータ値を持つ条件下で、in vitroに維持され得ることを示す。説明の目的で、第1の流体系3102は1つ以上のマイクロスケール機構を含み、第2の流体系3104も1つ以上のマイクロスケール機構を含む。   FIG. 31 illustrates that, in one embodiment, an interaction 3100 between the first and second fluid systems 3102, 3140 is provided and under in vitro conditions under conditions with physiological parameter values similar to those seen in vivo. It can be maintained. For illustrative purposes, the first fluid system 3102 includes one or more microscale features, and the second fluid system 3104 also includes one or more microscale features.

図31でさらに示すように、第1および第2のシステム3102、3104間の相互作用3100は、第1のシステム3102から第2のシステム3104への1つ以上の化合物の通過(矢印3106によって描写される)、および/または、第2のシステム3104から第1のシステム3102への1つ以上の化合物の通過(矢印3108によって描写される)を含んでよい。   As further shown in FIG. 31, the interaction 3100 between the first and second systems 3102, 3104 is the passage of one or more compounds from the first system 3102 to the second system 3104 (depicted by arrows 3106. And / or the passage of one or more compounds from the second system 3104 to the first system 3102 (depicted by arrows 3108).

図32は、マイクロスケール機構を使用して形成され得るいくつかの流体系例を有する、生物系例3110のブロック図を示す。血管系3112、GI系3114、胆管系3116、および脳流体系3118は、マイクロスケール機構を使用してシミュレートされ得るいくつかの限定的でない例である。   FIG. 32 shows a block diagram of an example biological system 3110 having several example fluid systems that can be formed using microscale features. Vascular system 3112, GI system 3114, bile duct system 3116, and cerebral fluid system 3118 are some non-limiting examples that can be simulated using microscale mechanisms.

一実施形態において、マイクロスケール機構ベースのシステム間に、少なくとも1つの系間相互作用が提供される。様々な系間相互作用について、以下でさらに詳細に説明する。   In one embodiment, at least one intersystem interaction is provided between microscale mechanism-based systems. Various intersystem interactions are described in further detail below.

図33A〜33Dは、2つ以上の流体系のために用意され得る様々な相互作用構成の、限定的でない例を示す。一実施形態において、図33Aに示すように、2系構成3120は、2つのシステム「A」と「B」(3162と3164)の間に相互作用3172を含み得る。図33Bは、一実施形態において、3系構成3130が、Bと「C」(3164と3166)の間の相互作用3176だけでなく、AとB(3162と3164)の間の相互作用3174も含み得ることを示す。図33Cは、一実施形態において、4系構成3140が、図33Bの相互作用3174および3176と同様の相互作用3178および3180に加えて、Bと「D」(3164と3168)の間の相互作用3182を含み得ることを示す。   Figures 33A-33D show non-limiting examples of various interaction configurations that may be provided for two or more fluid systems. In one embodiment, as shown in FIG. 33A, a two-system configuration 3120 may include an interaction 3172 between the two systems “A” and “B” (3162 and 3164). FIG. 33B illustrates that, in one embodiment, triplet 3130 is not only an interaction 3176 between B and “C” (3164 and 3166), but also an interaction 3174 between A and B (3162 and 3164). Indicates that it can be included. FIG. 33C illustrates that in one embodiment, a four-system configuration 3140 is an interaction between B and “D” (3164 and 3168) in addition to interactions 3178 and 3180 similar to interactions 3174 and 3176 of FIG. 33B. 3182 can be included.

一実施形態において、相互作用3178および3180(図33C)と関連付けられた薬物動態力学は、相互作用3174および3176(図33B)のものと実質的に同じであってよい。別の実施形態において、さらなる相互作用3182(図33C)の存在は、相互作用3178および3180と関連付けられた薬物動態力学を、相互作用3174および3176(図33B)のものから大幅に改変し得る。   In one embodiment, the pharmacokinetics associated with interactions 3178 and 3180 (FIG. 33C) may be substantially the same as that of interactions 3174 and 3176 (FIG. 33B). In another embodiment, the presence of additional interaction 3182 (FIG. 33C) can significantly alter the pharmacokinetics associated with interactions 3178 and 3180 from that of interactions 3174 and 3176 (FIG. 33B).

図33Dは、一実施形態3150において、複数のシステム(例えば3つ)が、再循環機能性を提供しシミュレートするように構成され得ることを示す。図示の例において、システムAとB(3162と3164)は相互作用3184を介して;システムBとC(3164と3166)は相互作用3186を介して;および、システムCとA(3166と3162)は相互作用3188を介して、相互作用していることが示されている。   FIG. 33D illustrates that in one embodiment 3150, multiple systems (eg, three) can be configured to provide and simulate recirculation functionality. In the illustrated example, systems A and B (3162 and 3164) are via interaction 3184; systems B and C (3164 and 3166) are via interaction 3186; and systems C and A (3166 and 3162) Are shown to interact via interaction 3188.

図33A〜33Dに示す構成の具体的な例を、以下で詳細に説明する。その他の構成も可能である。   Specific examples of the configuration shown in FIGS. 33A to 33D will be described in detail below. Other configurations are possible.

図34A〜34Cは、2流体系構成3200の一実施形態の様々な図を示す。図34Aは、図34Bの組立図の部分分解図を示し、図34Cは上面図を示す。第1のシステムは、1つ以上のコンパートメント(コンパートメント3222として描写されている)を画定する層3220を含むように示されている。図示するように、コンパートメント3222には、流入経路3212(カバー層3210によって画定される)および流入チャネル3260を通る流入流れ(矢印3250として示される)を介して、薬物動態研究用の流体が供給され得る。コンパートメント3222からの流体は、流出チャネル3262を通り、流出経路3214(カバー層3210によって画定される)を通って、流出流れ(矢印3252として示される)として出ることができる。   34A-34C show various views of one embodiment of a two fluid system configuration 3200. FIG. 34A shows a partially exploded view of the assembly view of FIG. 34B, and FIG. 34C shows a top view. The first system is shown to include a layer 3220 that defines one or more compartments (depicted as compartments 3222). As shown, compartment 3222 is supplied with fluid for pharmacokinetic studies via inflow path 3212 (defined by cover layer 3210) and inflow through the inflow channel 3260 (shown as arrow 3250). obtain. Fluid from the compartment 3222 can exit the outflow channel 3262, through the outflow path 3214 (defined by the cover layer 3210) and out as an outflow flow (shown as an arrow 3252).

第2のシステムは、1つ以上のコンパートメント(コンパートメント3232、3234、3236として描写されている)を画定する層3230を含むように示されている。図示するように、コンパートメント3232、3234、および3236には、流入経路3242(カバー層3240によって画定される)と、コンパートメント3232に接続された流入チャネル3270とを通る入力流れ(矢印3254として示される)を介して、薬物動態研究用の流体が供給され得る。コンパートメント3232からの流体は、チャネル3272、3274、および3278を介して、その他のコンパートメント3234および3236に供給され得る。コンパートメント3234および3236からの流体は、流出チャネル3276および3280を通り、流出経路3244(カバー層3240によって画定される)を通って、出力流れ(矢印3256として示される)として出ることができる。   The second system is shown to include a layer 3230 that defines one or more compartments (depicted as compartments 3232, 3234, 3236). As shown, the compartments 3232, 3234, and 3236 have input flow (shown as arrows 3254) through the inflow path 3242 (defined by the cover layer 3240) and the inflow channel 3270 connected to the compartment 3232. Through which fluids for pharmacokinetic studies can be supplied. Fluid from compartment 3232 may be supplied to other compartments 3234 and 3236 via channels 3272, 3274, and 3278. Fluid from compartments 3234 and 3236 can exit through outlet channels 3276 and 3280 through outlet path 3244 (defined by cover layer 3240) as an output flow (shown as arrow 3256).

一実施形態において、コンパートメント、流入および流出経路、ならびに、第1および第2のシステムの様々なチャネルの形成は、上記で開示されている様々な技術によって形成され得る。また、2つの流体系のための流体の循環は、上記で開示されている様々な技術によって成し遂げられ得る。   In one embodiment, the formation of compartments, inflow and outflow paths, and various channels of the first and second systems can be formed by the various techniques disclosed above. Also, fluid circulation for the two fluid systems can be accomplished by the various techniques disclosed above.

図34A〜34Cに示すように、2流体系構成3200は、第1のシステム3220のコンパートメントのうち少なくとも1つと、第2のシステム3230のコンパートメントのうち少なくとも1つとの間に位置付けられた、透過性材料3224を含む。図示の例において、透過性材料3224は、コンパートメント3222と3232との間に位置付けられているものとして描写されており、したがって、第1および第2のシステム3220と3230との間の流体相互作用を可能にしている。透過性材料3224については、以下でさらに詳細に説明する。   As shown in FIGS. 34A-34C, a two-fluid system configuration 3200 is positioned between at least one of the first system 3220 compartments and at least one of the second system 3230 compartments. Material 3224 is included. In the illustrated example, the permeable material 3224 is depicted as being positioned between the compartments 3222 and 3232, and thus provides fluid interaction between the first and second systems 3220 and 3230. Making it possible. The permeable material 3224 will be described in further detail below.

図34A〜34Cにおいて、コンパートメント3222および3232、ならびに透過性材料3224は、異なる寸法を有するものとして描写されている。これは、単に図示の明瞭化を目的としたものである。透過性材料3224は、コンパートメント3222および3232のうちいずれか、またはその両方より小さい、それらより大きい、または略同一であるように寸法設定されてよい。一実施形態において、透過性材料3224は、部分的または実質的にコンパートメントのいずれかの内側に、または、コンパートメント3222と3232との間に据えられてよい。   In FIGS. 34A-34C, compartments 3222 and 3232 and permeable material 3224 are depicted as having different dimensions. This is merely for the purpose of clarity of illustration. The permeable material 3224 may be sized to be smaller, larger or substantially identical to either or both of the compartments 3222 and 3232. In one embodiment, the permeable material 3224 may be placed either partially or substantially inside the compartment, or between the compartments 3222 and 3232.

図34Dは、図34Aに示す構成例の変形形態である実施形態3200の部分分解図を示す。図示するように、2流体系構成3200は、1つ以上の細胞培養コンパートメント(コンパートメント3914として描写されている)および/または1つ以上の生物学的障壁(障壁3916として描写されている)を含む第1の培養システムを有する第1のモジュール3902を含み得る。   FIG. 34D shows a partially exploded view of an embodiment 3200 that is a variation of the example configuration shown in FIG. 34A. As shown, the two-fluid system configuration 3200 includes one or more cell culture compartments (depicted as compartments 3914) and / or one or more biological barriers (depicted as barriers 3916). A first module 3902 having a first culture system may be included.

図示するように、2流体系構成3200は、1つ以上の細胞培養コンパートメント(コンパートメント3918および3920として描写されている)を含む第2の培養システムを有する第2のモジュール3904を含み得る。一実施形態において、第2のモジュール3904は、1つ以上の生物学的障壁(図示せず)を含んでもよい。   As shown, the two-fluid system configuration 3200 may include a second module 3904 having a second culture system that includes one or more cell culture compartments (depicted as compartments 3918 and 3920). In one embodiment, the second module 3904 may include one or more biological barriers (not shown).

一実施形態において、図示するように、2流体系構成3200は、第1の培養システム3902のための流体の流れを促進する流体相互接続3910を含み得る。一実施形態において、第1のモジュール3902の上に筐体上部3900が位置付けられ、流体相互接続3910の流体経路を画定することができる。   In one embodiment, as shown, the two-fluid system configuration 3200 can include a fluid interconnect 3910 that facilitates fluid flow for the first culture system 3902. In one embodiment, a housing top 3900 can be positioned over the first module 3902 to define a fluid path for the fluid interconnect 3910.

同様に、流体相互接続3922は、第2の培養システム3904のための流体の流れを促進する。一実施形態において、第2のモジュール3904の下に筐体底部3906が位置付けられ、流体相互接続3922の流体経路を画定することができる。   Similarly, fluid interconnect 3922 facilitates fluid flow for second culture system 3904. In one embodiment, a housing bottom 3906 can be positioned under the second module 3904 to define a fluid path for the fluid interconnect 3922.

本明細書における説明の目的で、「透過性」材料は、生物系において見られるような、またはそれをシミュレートする選択的様式で1つ以上の材料の通過を可能にする、あらゆる生物材料または非生物材料を含む。したがって、本明細書で使用する場合の透過性材料は、半透過性材料を含み得る。   For the purposes of the description herein, a “permeable” material is any biological material or material that allows passage of one or more materials in a selective manner as found in or simulates a biological system. Contains non-biological materials. Thus, a permeable material as used herein can include a semi-permeable material.

前述の2系構成3200は、GI‐血液、血液‐胆汁、血液‐脳、血液‐組織、および血液‐尿等であるがこれらに限定されない組み合わせの薬物動態研究のために、in vitro環境を提供することができる。   The aforementioned two-system configuration 3200 provides an in vitro environment for pharmacokinetic studies of combinations such as, but not limited to, GI-blood, blood-bile, blood-brain, blood-tissue, and blood-urine can do.

図35Aおよび35Bは、3流体系構成3290の一実施形態の、部分分解図および組立図を示す。第1のシステムは、1つ以上のコンパートメント(コンパートメント3304として描写されている)を画定する層3300を含むように示されている。第2のシステムは、1つ以上のコンパートメント(コンパートメント3322、3324、および3328として描写されている)を画定する層3320を含むように示されている。第3のシステムは、1つ以上のコンパートメント(コンパートメント3342として描写されている)を画定する層3340を含むように示されている。   35A and 35B show a partially exploded view and an assembled view of one embodiment of a three fluid system configuration 3290. The first system is shown to include a layer 3300 that defines one or more compartments (depicted as compartment 3304). The second system is shown to include a layer 3320 that defines one or more compartments (depicted as compartments 3322, 3324, and 3328). The third system is shown to include a layer 3340 that defines one or more compartments (depicted as compartments 3342).

一実施形態において、第1のシステム3300には、経路3302aおよび3302bを通って流体流れ(矢印3350および3352)が供給され得る。第3のシステム3340には、経路3344aおよび3344bを通って流体流れ(矢印3354および3356)が供給され得る。第2のシステム3320は、第1および第2のシステム3300と3340との間に連結を提供する循環を有し得る。第1のシステム3300と相互作用するコンパートメント3322は、第3のシステム3340と相互作用するコンパートメント3328と、チャネル(図示せず)ならびに経路3326aおよび3326bを介して相互接続され得る。   In one embodiment, the first system 3300 may be supplied with fluid flow (arrows 3350 and 3352) through paths 3302a and 3302b. Third system 3340 may be supplied with fluid flow (arrows 3354 and 3356) through paths 3344a and 3344b. The second system 3320 may have a circulation that provides a connection between the first and second systems 3300 and 3340. The compartment 3322 that interacts with the first system 3300 can be interconnected with the compartment 3328 that interacts with the third system 3340 via channels (not shown) and paths 3326a and 3326b.

図35Aおよび35Bに示すように、3流体系構成3290は、2つの透過性材料アセンブリ3310および3330を含み得る。第1の透過性材料アセンブリ3310は、第1および第2のシステム3300と3320のコンパートメント3304と3322との間に透過性材料3312が位置付けられるように構成されることが示されている。第2の透過性材料アセンブリ3330は、第2および第3のシステム3320と3340のコンパートメント3328と3342との間に透過性材料3332が位置付けられるように構成されることが示されている。   As shown in FIGS. 35A and 35B, the three fluid system configuration 3290 can include two permeable material assemblies 3310 and 3330. First permeable material assembly 3310 is shown configured such that permeable material 3312 is positioned between compartments 3304 and 3322 of first and second systems 3300 and 3320. The second permeable material assembly 3330 is shown configured such that the permeable material 3332 is positioned between the compartments 3328 and 3342 of the second and third systems 3320 and 3340.

図35Aおよび35Bに示す構成例3290において、透過性材料3312および3332は、分離した層3310および3330の一部であるとして描写されている。一実施形態において、透過性材料3312および3332は、それらの隣接する層のうち1つの一部となるように形成され得る。例えば、透過性材料3312は、透過性材料3312がコンパートメント3304および3322を分離するような、層3300および3320のいずれかの一部として形成され得る。同様に、透過性材料3322は、透過性材料3322がコンパートメント3328および3342を分離するような、層3320および3340のいずれかの一部として形成され得る。   In configuration example 3290 shown in FIGS. 35A and 35B, permeable materials 3312 and 3332 are depicted as being part of separate layers 3310 and 3330. In one embodiment, the permeable materials 3312 and 3332 can be formed to be part of one of their adjacent layers. For example, the permeable material 3312 can be formed as part of any of the layers 3300 and 3320 such that the permeable material 3312 separates the compartments 3304 and 3322. Similarly, permeable material 3322 can be formed as part of either of layers 3320 and 3340 such that permeable material 3322 separates compartments 3328 and 3342.

一実施形態において、透過性材料3312および3322は、それらそれぞれの系間相互作用を促進するように構成され得る。透過性材料3312および3322については、以下でさらに詳細に説明する。   In one embodiment, the permeable materials 3312 and 3322 can be configured to promote their respective intersystem interactions. The permeable materials 3312 and 3322 are described in further detail below.

一実施形態において、3系構成は、図35Aおよび35Bを参照して上述したような様式で実装され得る。図36は、そのような3流体系の例3360のブロック図を示す。薬物送達システム3362は第1のシステム3300(図35Aおよび35B)によって表されることができ;臓器系3364は第2のシステム3320によって表されることができ;脳3366は第3のシステム3340によって表されることができる。薬物送達システム3362と臓器系3364との間の相互作用3370は透過性材料アセンブリ3310によって表されることができ;臓器系3364と脳3366との間の相互作用3372は透過性材料アセンブリ3330によって表されることができる。   In one embodiment, the triple system configuration may be implemented in the manner described above with reference to FIGS. 35A and 35B. FIG. 36 shows a block diagram of an example 3360 of such a three fluid system. The drug delivery system 3362 can be represented by the first system 3300 (FIGS. 35A and 35B); the organ system 3364 can be represented by the second system 3320; the brain 3366 can be represented by the third system 3340. Can be represented. Interaction 3370 between drug delivery system 3362 and organ system 3364 can be represented by permeable material assembly 3310; interaction 3372 between organ system 3364 and brain 3366 is represented by permeable material assembly 3330. Can be done.

3系構成の応用例3360において、薬物送達システム3362はGI系を含んでよく、臓器系は様々な臓器(脳以外)および血管系を含んでよい。したがって、相互作用3370は、薬物と関連付けられた1つ以上の化合物の、GI系から血液への通過を含んでよく;相互作用3372は、薬物と関連付けられた1つ以上の化合物の、血液から脳の流体系への通過を含んでよい。   In a three-system application 3360, drug delivery system 3362 may include a GI system, and the organ system may include various organs (other than the brain) and vascular system. Thus, interaction 3370 may involve the passage of one or more compounds associated with the drug from the GI system to the blood; interaction 3372 may involve the passage of one or more compounds associated with the drug from the blood. It may include passage through the brain fluid system.

その他の3系構成が可能であることが理解されるであろう。   It will be appreciated that other three-system configurations are possible.

図37は、肝臓3384を含む構成例3380のブロック図を示す。肝臓3384は、腸肝循環(矢印3390および3392として示されている)を介してGI管3382と相互作用するように示されている。肝臓3384は、泌尿器系3388(矢印3396によって描写されている)および組織3386(矢印3394によって描写されている)とも相互作用するように示されている。肝臓3384と泌尿器系3388との間の相互作用3396は、媒介物として作用する血液循環系によって促進され得る。同様に、血液循環系は、肝臓3384と組織3386との間の相互作用3394を促進することができる。   FIG. 37 shows a block diagram of a configuration example 3380 including the liver 3384. Liver 3384 is shown to interact with GI tract 3382 via enterohepatic circulation (shown as arrows 3390 and 3392). Liver 3384 is shown to also interact with urinary system 3388 (depicted by arrow 3396) and tissue 3386 (depicted by arrow 3394). The interaction 3396 between the liver 3384 and the urinary system 3388 can be facilitated by the blood circulatory system acting as a mediator. Similarly, the blood circulatory system can promote the interaction 3394 between the liver 3384 and the tissue 3386.

図38は、血管系3406が、肝臓3384およびGI管3382を含む腸肝循環プロセスを促進することもできることを示す。図示するように、(肝臓3384の)胆管系3402は、GI系3404と相互作用(矢印3410)し、これが順に循環器系3406と相互作用(矢印3412)している。循環器系3406は、胆管系3402と相互作用(矢印3414)し、それによって再循環プロセスを形成する。   FIG. 38 shows that vasculature 3406 can also promote enterohepatic circulation processes including liver 3384 and GI tract 3382. FIG. As shown, the bile duct system 3402 (of the liver 3384) interacts with the GI system 3404 (arrow 3410), which in turn interacts with the circulatory system 3406 (arrow 3412). The circulatory system 3406 interacts with the bile duct system 3402 (arrow 3414), thereby forming a recirculation process.

一般に知られているように、肝臓は、消化を支援するために小腸へ送達される胆汁酸を産生する。消化管内で、胆汁酸は抱合胆汁塩に(一次的または二次的に)変換され、これらの塩が―積極的にまたは受動的に―肝臓によって再生利用されるために肝門脈循環に吸収される。一般に、各胆汁塩分子は腸肝サイクル内で約20回再利用される。   As is generally known, the liver produces bile acids that are delivered to the small intestine to aid digestion. Within the gastrointestinal tract, bile acids are converted to conjugated bile salts (primary or secondary), which are absorbed either actively or passively into the hepatic portal circulation for recycling by the liver. Is done. In general, each bile salt molecule is reused about 20 times within the enterohepatic cycle.

前述した再生利用プロセスの結果の1つは、薬物またはその構成要素が長期間、腸肝循環中に残ることができることである。したがって、そうしなければ有毒とならないいくつかの分子を肝臓内に蓄積し、有毒なものとすることができる。このように、腸肝再循環プロセスと関連付けられた薬物動態は、試験されている薬物の毒性(または非毒性)についての重要な理解を提供することができる。   One of the consequences of the recycling process described above is that the drug or its components can remain in the enterohepatic circulation for an extended period of time. Thus, some molecules that would otherwise be toxic can accumulate in the liver and become toxic. Thus, pharmacokinetics associated with the enterohepatic recirculation process can provide an important understanding of the toxicity (or non-toxicity) of the drug being tested.

上述したように、前述の異なる流体系間における相互作用の様々な特徴は、1種類以上の透過性材料によって促進され得る。いくつかの実施形態において、そのような透過性材料はマイクロスケール透過性デバイスの一部であってよい。   As described above, various features of the interaction between the different fluid systems described above can be facilitated by one or more permeable materials. In some embodiments, such permeable material may be part of a microscale permeable device.

以下でより詳細に説明するように、本開示の1つ以上の機構は、単独で、または組み合わせ形態で、様々なシステムおよび方法を提供することができる。例えば、装置は、in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように寸法決定された、少なくとも1つの機構と、透過性材料とを有することができる。透過性材料については、以下でさらに詳細に説明する。一実施形態において、少なくとも1つの機構は、マイクロスケール機構を含む。   As described in more detail below, one or more features of the present disclosure can provide various systems and methods, alone or in combination. For example, the device is dimensioned to maintain the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value that is comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo. It can have at least one determined mechanism and a permeable material. The permeable material is described in further detail below. In one embodiment, the at least one mechanism includes a microscale mechanism.

一実施形態において、少なくとも1つの機構は、以下の限定的でないシステム例:中枢神経系、循環器系、消化器系、胆管系、肺系統、泌尿器系、視覚系、嗅覚系、表皮系、およびリンパ系、のうち1つ以上の少なくとも一部を表すように構成され得る。   In one embodiment, the at least one mechanism comprises the following non-limiting system examples: central nervous system, circulatory system, digestive system, bile duct system, lung system, urinary system, visual system, olfactory system, epidermal system, and It may be configured to represent at least part of one or more of the lymphatic systems.

一実施形態において、本明細書で記載されるように、装置は、透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルをさらに含む。そのようなチャネルは、少なくとも1つの薬物動態パラメータを提供するように、透過性材料の中の、それを通る、またはそれに近接する流体の流れを促進することができる。一実施形態において、そのような流体流れの性質は、生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデル等の数学モデルに基づくものであってよい。   In one embodiment, as described herein, the device further comprises at least one microfluidic channel connected to the permeable material. Such channels can facilitate fluid flow in, through, or close to the permeable material so as to provide at least one pharmacokinetic parameter. In one embodiment, such fluid flow properties may be based on a mathematical model, such as a Physiologically-Based PharmacoKinetic (“PBPK”) model.

一実施形態において、少なくとも1つの機構および/または透過性材料は、チップフォーマットに組み込まれてよい。   In one embodiment, at least one feature and / or permeable material may be incorporated into the chip format.

一実施形態において、透過性材料は、デバイスの中または外に位置し得る。一実施形態において、透過性材料は、有機材料で少なくとも一部を被覆された微孔性材料を含み得る。   In one embodiment, the permeable material can be located in or out of the device. In one embodiment, the permeable material may comprise a microporous material that is at least partially coated with an organic material.

一実施形態において、細胞は、透過性材料の両側面の中、上、または付近に位置し得る。一実施形態において、そのような細胞を有するデバイスは、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量等のパラメータの測定または推定を促進することができる。一実施形態において、透過性材料のいずれかの側面上の細胞は、同じ種類のものであっても異なる種類のものであってもよい。   In one embodiment, the cells may be located in, on or near both sides of the permeable material. In one embodiment, a device having such cells can facilitate the measurement or estimation of parameters such as absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. In one embodiment, the cells on either side of the permeable material may be of the same type or different types.

図39は、2つの流体系間における1つ以上の相互作用を促進することができる透過性材料3430を有する、マイクロスケール透過性デバイス3420の一実施形態を示す。透過性材料3430のいくつかの限定的でない例は、以下のもの:膜、多孔質膜、多孔質シリコン、微孔性シリコン、半透膜、微孔性ポリマー、多孔質ポリカーボネート膜、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片を含み得る。   FIG. 39 illustrates one embodiment of a microscale permeable device 3420 having a permeable material 3430 that can facilitate one or more interactions between two fluid systems. Some non-limiting examples of permeable material 3430 include the following: membrane, porous membrane, porous silicon, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous polymer, porous polycarbonate membrane, alginate, It may include collagen, MATRIGEL, cells, cellular material, tissue, and tissue pieces.

一実施形態において、透過性材料3430は、透過性材料3430の微孔性表面の中、上、または付近に、有機または無機材料を含み得る。   In one embodiment, the permeable material 3430 can include an organic or inorganic material in, on or near the microporous surface of the permeable material 3430.

一実施形態において、透過性材料3430は、微孔性材料を含む。そのような微孔性材料の限定的でない例は、以下のもの:微孔性材料の微孔性表面の中、上、または付近に、培養、蒸着、または挿入された有機または無機材料を含み得る。   In one embodiment, the permeable material 3430 includes a microporous material. Non-limiting examples of such microporous materials include: organic or inorganic materials cultured, vapor deposited, or inserted in, on or near the microporous surface of the microporous material. obtain.

一実施形態において、透過性材料3430は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成され得る。一実施形態において、生物学的障壁は、以下のもの:胃腸障壁、血液脳関門、肺障壁、胎盤関門、表皮障壁、眼関門、嗅覚器障壁、胃食道障壁、粘膜、血液尿関門、空気組織関門、血液胆汁関門、口腔障壁、肛門直腸関門、膣障壁、および尿道障壁、のうち少なくとも1つを含み得る。   In one embodiment, the permeable material 3430 may be a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or a through or through the biological barrier. It may be configured to simulate at least one of the absorption of the substance. In one embodiment, the biological barrier is: gastrointestinal barrier, blood brain barrier, lung barrier, placental barrier, epidermal barrier, eye barrier, olfactory barrier, gastroesophageal barrier, mucosa, blood urine barrier, air tissue It may include at least one of a barrier, blood bile barrier, oral barrier, anorectal barrier, vaginal barrier, and urethral barrier.

一実施形態において、透過性材料3430は、1つ以上の系間相互作用を担いながら、様々な薬物動態パラメータの測定を促進することができる。これらの薬物動態パラメータは、以下のもの:組織サイズ、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、せん断応力、流速、表面形状、循環通過時間、液分布、組織および/または臓器間の相互作用、ならびに細胞による分子輸送、のうち少なくとも1つを含み得る。   In one embodiment, the permeable material 3430 can facilitate measurement of various pharmacokinetic parameters while taking part in one or more intersystem interactions. These pharmacokinetic parameters include: tissue size, tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time, cell interaction, liquid residence time, fluid to cell ratio, cellular metabolism, shear stress, flow rate , Surface shape, circulation transit time, fluid distribution, interaction between tissues and / or organs, and molecular transport by cells.

一実施形態において、透過性材料3430は、透過性材料の中の、それを通る、またはそれによる、物質の吸収、代謝、または分布の測定を促進することができる。   In one embodiment, the permeable material 3430 can facilitate measurement of absorption, metabolism, or distribution of a substance through or through the permeable material.

一実施形態において、透過性材料3430は、2つ以上の流体系を表す複数のマイクロスケール機構を含むデバイス内に、形成される、含有される、挿入される、組み立てられる、作られる、または、構成されることができる。   In one embodiment, the permeable material 3430 is formed, contained, inserted, assembled, made in a device that includes a plurality of microscale features representing two or more fluid systems, or Can be configured.

一実施形態において、透過性材料3430のいずれかまたは両方の側面は、細胞または細胞材料の培養、付着、または位置決めを可能にするように構成され得る。そのような構成は、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量等のパラメータの測定を可能にする。   In one embodiment, either or both sides of the permeable material 3430 can be configured to allow culturing, attachment, or positioning of the cell or cellular material. Such a configuration allows measurement of parameters such as absorption characteristics, metabolic enzyme activity, and / or expression levels.

一実施形態において、透過性材料3430は、融合性単層を形成し、極性化することができる細胞株を含み得る。   In one embodiment, the permeable material 3430 can include a cell line that can form and polarize a confluent monolayer.

一実施形態において、透過性材料3430は、マイクロスケール透過性材料3432を含み得る。一実施形態において、マイクロスケール透過性材料3432は、複数の細孔を有する微孔性基板を含み得る。いくつかの実施形態において、細孔は概して約10μm未満の寸法を有する。いくつかの実施形態において、微孔性基板は、約10μmより大きい寸法を有する粒子の通過を阻害する。   In one embodiment, the permeable material 3430 can include a microscale permeable material 3432. In one embodiment, the microscale permeable material 3432 can include a microporous substrate having a plurality of pores. In some embodiments, the pores generally have a dimension less than about 10 μm. In some embodiments, the microporous substrate inhibits the passage of particles having a dimension greater than about 10 μm.

一実施形態において、微孔性基板は、約0.1から10μmの範囲の寸法を持つ細孔を有する多孔質シリコンから形成され得る。そのような基板の厚さ「T」は、約5から100μmの範囲であってよい。一実施形態において、微孔性基板は、約0.4μmの範囲の寸法を持つ細孔を有する多孔質ポリカーボネート膜から形成され得る。そのような基板の厚さ「T」は、約100μmの範囲であってよい。一実施形態において、微孔性基板は、約0.2から1μmの範囲の寸法を持つ細孔を有する多孔質低応力窒化シリコン材料から形成され得る。そのような基板の厚さ「T」は、約2から5μmの範囲であってよい。   In one embodiment, the microporous substrate can be formed from porous silicon having pores with dimensions in the range of about 0.1 to 10 μm. The thickness “T” of such a substrate may range from about 5 to 100 μm. In one embodiment, the microporous substrate can be formed from a porous polycarbonate membrane having pores with dimensions in the range of about 0.4 μm. The thickness “T” of such a substrate may be in the range of about 100 μm. In one embodiment, the microporous substrate can be formed from a porous low stress silicon nitride material having pores with dimensions ranging from about 0.2 to 1 μm. The thickness “T” of such a substrate may range from about 2 to 5 μm.

一実施形態において、(厚さを画定する方向に垂直な)横寸法「L」は、コンパートメント438の横寸法と相対的な任意の値を有し得る。所与の厚さについて、表面積が大きいほど(したがって、横寸法が大きいほど)、2つの流体系間に、より多量の相互作用を提供するものと思われる。したがって、2つのシステム間における材料の通過の量は、横方向のサイズが異なる表面積を提供することによって制御され得る。したがって、横寸法Lは、コンパートメント3438の対応する横寸法より小さい、(図39の例に示すように)それと実質的に等しい、または、それより大きくてよい。   In one embodiment, the lateral dimension “L” (perpendicular to the direction defining the thickness) may have any value relative to the lateral dimension of the compartment 438. For a given thickness, the larger the surface area (and hence the greater the lateral dimension), the more likely it is to provide a greater amount of interaction between the two fluid systems. Thus, the amount of material passage between the two systems can be controlled by providing surface areas with different lateral sizes. Accordingly, the lateral dimension L may be less than, substantially equal to, or greater than the corresponding lateral dimension of the compartment 3438 (as shown in the example of FIG. 39).

一実施形態において、微孔性基板は、約0.1から10mmの範囲の横寸法を有する。実施形態において、横寸法は、約3.4mm×4mmである。   In one embodiment, the microporous substrate has a lateral dimension in the range of about 0.1 to 10 mm. In an embodiment, the lateral dimension is about 3.4 mm × 4 mm.

図39でさらに示すように、透過性アセンブリ3430は、マイクロスケール透過性材料3432の上、中、および/または周囲に位置付けられた、1つ以上の特定機能の細胞3434をさらに含み得る。特定機能の細胞3434については、血液系と胆管系との間の相互作用を例として、以下でさらに詳細に説明する。しかしながら、異なる系間相互作用に望ましい機能性を提供するために、異なる特定機能の細胞をマイクロスケール透過性材料3432に対して位置付けることができることが理解されるであろう。   As further shown in FIG. 39, the permeable assembly 3430 may further include one or more specific function cells 3434 positioned on, in and / or around the microscale permeable material 3432. The specific function cell 3434 will be described in more detail below, taking the interaction between the blood system and the bile duct system as an example. However, it will be appreciated that cells of different specific functions can be positioned relative to the microscale permeable material 3432 to provide the desired functionality for different intersystem interactions.

一実施形態において、透過性アセンブリ3430は、マイクロスケール透過性材料3432の表面への細胞3434の結合を促進する1つ以上の結合剤3445を含み得る。結合剤3445の例は、以下でさらに詳細に説明する。   In one embodiment, the permeable assembly 3430 can include one or more binders 3445 that facilitate binding of the cells 3434 to the surface of the microscale permeable material 3432. Examples of binder 3445 are described in further detail below.

一実施形態において、透過性アセンブリ3430は、線維芽細胞と同様の機能性を提供する1つ以上の機構3436をさらに含み得る。一実施形態において、特定機能の細胞3434はマイクロスケール透過性材料3432の表面に分布されることができ、線維芽細胞3436はマイクロスケール透過性材料3432の表面上の、細胞3434によって占領されていない領域を満たすことができる。そのような構成において、線維芽細胞は、透過性アセンブリ3430を通る材料の通過がほとんど細胞3434を介して発生するような、密封機能性を提供することができる。   In one embodiment, the permeable assembly 3430 can further include one or more features 3436 that provide functionality similar to fibroblasts. In one embodiment, the specific function cells 3434 can be distributed on the surface of the microscale permeable material 3432 and the fibroblasts 3436 are not occupied by the cells 3434 on the surface of the microscale permeable material 3432. Can fill the area. In such a configuration, fibroblasts can provide sealing functionality such that the passage of material through the permeable assembly 3430 occurs almost exclusively through the cells 3434.

一実施形態において、線維芽細胞3436は、細胞3434の成長および維持管理に好ましい環境を提供することができる。一実施形態において、線維芽細胞3436は、両方の機能性を―透過性材料3430の密封だけでなく細胞の成長および維持管理も―提供することができる。   In one embodiment, fibroblasts 3436 can provide a favorable environment for cell 3434 growth and maintenance. In one embodiment, fibroblast 3436 can provide both functionalities—not only sealing of permeable material 3430 but also cell growth and maintenance.

一実施形態において、透過性アセンブリ3430は、透過性アセンブリ3430の少なくとも1つの側面上にコンパートメント3438を画定するよう、層3422の一部として形成され得る。その他の実施形態において、透過性アセンブリ3430の両側面は、それらそれぞれのコンパートメントを画定することができる。そのような構成では、透過性アセンブリ3430は、透過性アセンブリ3430のいずれかまたは両方の側面上に、細胞3434および結合剤3434を有し得る。   In one embodiment, the permeable assembly 3430 can be formed as part of the layer 3422 to define a compartment 3438 on at least one side of the permeable assembly 3430. In other embodiments, both sides of the permeable assembly 3430 can define their respective compartments. In such a configuration, the permeable assembly 3430 can have cells 3434 and a binder 3434 on either or both sides of the permeable assembly 3430.

図40Aおよび40Bは、異なる流体系間における相互作用を可能にするために透過性アセンブリが提供され得る、様々な状況例を示す。当該系間相互作用例は、腸肝再循環プロセスに基づくものである。しかしながら、同様の様式でその他の系間相互作用を作製することができる。   Figures 40A and 40B illustrate various example situations where a permeable assembly may be provided to allow interaction between different fluid systems. This intersystem interaction example is based on the enterohepatic recirculation process. However, other intersystem interactions can be made in a similar manner.

図40Aは、血流系と胆汁流系との間の相互作用構成3440の一実施形態を示す。一実施形態において、透過性アセンブリ3442は、血流と胆汁流との間に介入させられてよく、マイクロスケール透過性材料3444を含み得る。いくつかの実施形態において、マイクロスケール透過性材料3444は、図39を参照して上述したのと同様の様式で、形成および寸法決定され得る。   FIG. 40A shows one embodiment of an interaction configuration 3440 between the blood flow system and the bile flow system. In one embodiment, the permeable assembly 3442 may be interposed between blood flow and bile flow and may include a microscale permeable material 3444. In some embodiments, the microscale permeable material 3444 can be formed and dimensioned in a manner similar to that described above with reference to FIG.

一実施形態において、透過性アセンブリ3442は、1つ以上の特定機能の細胞3446をさらに含み得る。血液‐胆汁相互作用では、細胞3446は肝細胞を含み得る。   In one embodiment, the permeable assembly 3442 may further include one or more specific function cells 3446. For blood-bile interactions, cells 3446 can include hepatocytes.

肝臓の肝細胞は極性細胞であってよく、分化した肝細胞の異なる表面は固有機能を有し得る。一実施形態において、側底面の洞様膜および肝臓内にある先端面の毛細胆管膜は、以下の様式でシミュレートされ得る。単離された肝細胞は、一般に、極性化されない。肝細胞は概して、近隣の肝細胞と物理的に接触した際に極性化される。毛細胆管は、そのような並列細胞の2つ以上の間に形成され得る。   Liver hepatocytes may be polar cells, and different surfaces of differentiated hepatocytes may have intrinsic functions. In one embodiment, the basolateral sinus-like membrane and the distal bile duct membrane in the liver can be simulated in the following manner. Isolated hepatocytes are generally not polarized. Hepatocytes are generally polarized when in physical contact with neighboring hepatocytes. A capillary bile duct can be formed between two or more of such parallel cells.

外部キューは、上皮細胞極性化にとって重要となる場合があり、2つの近隣の肝細胞間における物理的接触は、そのような肝細胞極性化を表す信号であると思われる。肝細胞は、結合タンパク質または接着タンパク質の結合を介して近隣の肝細胞との接続を形成することができ、これらのタンパク質の相互作用は、毛細胆管形態形成を表す重要な信号であると思われる。   External cues can be important for epithelial cell polarization, and the physical contact between two neighboring hepatocytes appears to be a signal representing such hepatocyte polarization. Hepatocytes can form connections with neighboring hepatocytes through binding of binding proteins or adhesion proteins, and the interaction of these proteins appears to be an important signal representing capillary bile morphogenesis .

図40Aに示すように、これらのタンパク質は、マイクロスケール基板3444への肝細胞3446の結合および肝細胞の極性化を促進する結合剤3445として作用することができる。いくつかの実施形態において、これらのタンパク質は、ギャップ結合タンパク質(例えば、コネキシン32)、密着結合タンパク質(例えば、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2)、接着結合タンパク質(例えば、E‐カドヘリンおよびβカテニン)、ならびに細胞接着分子(例えば、ウボモルリン)を含み得る。   As shown in FIG. 40A, these proteins can act as binding agents 3445 that promote hepatocyte 3446 binding to the microscale substrate 3444 and hepatocyte polarization. In some embodiments, these proteins are gap junction proteins (eg, connexin 32), tight junction proteins (eg, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2), It may include adhesion-binding proteins (eg, E-cadherin and β-catenin), and cell adhesion molecules (eg, uvomorulin).

一実施形態において、マイクロスケール透過性基板3444に付着されたこれらのタンパク質の1つ以上は、近隣の肝細胞のプラズマ膜表面を実際に模倣することができる。単離された肝細胞がこの表面に結合すると、当該肝細胞は極性化するように誘発されることができ、その結果、マイクロスケール透過性基板3444の表面に先端面または毛細胆管(3449b)が形成され得、反対面には側底面または洞様面(3449a)が形成され得る。   In one embodiment, one or more of these proteins attached to the microscale permeable substrate 3444 can actually mimic the plasma membrane surface of neighboring hepatocytes. When isolated hepatocytes bind to this surface, the hepatocytes can be induced to polarize, resulting in a tip or capillary (3449b) on the surface of the microscale permeable substrate 3444. The opposite side may be formed with a basolateral or sinusoidal surface (3449a).

一実施形態において、肝細胞3446は、細胞間相互作用を阻害するために適切な密度で撒かれ得る。肝細胞3446がマイクロスケール透過性基板3444に付着されると、肝細胞3446によって占領されていない領域にあるマイクロスケール透過性表面を実質的に密封することによって「血液胆汁」関門を形成するために、および/または、肝細胞成長にとって好ましい環境を提供するために、線維芽細胞3448またはその他の適切な細胞が表面上で培養され得る。   In one embodiment, hepatocytes 3446 can be seeded at a suitable density to inhibit cell-cell interactions. Once hepatocytes 3446 are attached to the microscale permeable substrate 3444, to form a “blood bile” barrier by substantially sealing the microscale permeable surface in areas not occupied by the hepatocytes 3446. And / or fibroblasts 3448 or other suitable cells can be cultured on the surface to provide a favorable environment for hepatocyte growth.

一実施形態において、肝細胞3446に影響を及ぼさないために、所望の1つ以上の選択された化合物が導入され得る。そのような化合物は、マイクロスケール透過性表面を渡ってデバイス3440の胆汁代用物の流れへ、肝細胞3446を介して輸送されることができる。化合物およびその代謝産物の存在は、胆汁中排泄を測定するために、胆汁代用物の流れの中において計測され得る。   In one embodiment, one or more selected compounds desired may be introduced in order not to affect hepatocytes 3446. Such compounds can be transported through the hepatocytes 3446 across the microscale permeable surface into the bile surrogate flow of the device 3440. The presence of the compound and its metabolites can be measured in the flow of bile surrogates to measure biliary excretion.

胆汁がGI系に転移され、血液系に再吸収されると、GI系中の「胆汁」は、以下の化合物:胆汁塩(ケノデオキシコール酸、ヒオデオキシコール酸、コール酸、α‐ムリコール酸、およびβ‐ムリコール酸);リン脂質(ホスファチジルコリン(〜82%)、微量のホスファチジルイノシトール、ホスファチジルセリン、およびスフィンゴミエリン);胆汁アルコール(5β‐コレスタン‐3α,7α,12α,26‐テトロール);ならびに、アミノ酸を含むことができる。   When bile is transferred to the GI system and reabsorbed into the blood system, “bile” in the GI system is composed of the following compounds: bile salts (chenodeoxycholic acid, hyodeoxycholic acid, cholic acid, α-mulicholic acid, and phospholipids (phosphatidylcholine (˜82%), trace amounts of phosphatidylinositol, phosphatidylserine, and sphingomyelin); bile alcohols (5β-cholestane-3α, 7α, 12α, 26-tetrol); and amino acids Can be included.

一実施形態において、腸肝再循環をさらに模倣するために、胆汁流はGI流に連結され得る。一実施形態において、胆汁はGI流体と混合され得る。そのような混合は、例えば、以下でさらに詳細に説明するような様式で達成され得る。   In one embodiment, bile flow can be coupled to GI flow to further mimic enterohepatic recirculation. In one embodiment, bile can be mixed with GI fluid. Such mixing can be accomplished, for example, in a manner as described in more detail below.

図40Bに示すような一実施形態3460において、腸肝再循環をさらに模倣するために、GI流は血流に連結され得る。相互作用3460は、マイクロスケール透過性基板3464を有する透過性アセンブリ3462と、1つ以上の特定機能の細胞3466によって画定される表面とを含み得る。一実施形態において、特定機能の細胞3466は、腸上皮細胞を含み得る。一実施形態において、GI流から血流への化合物のin vitro吸収を促進するように、Caco‐2細胞3468が細胞3466の近隣に提供され得る。   In one embodiment 3460 as shown in FIG. 40B, GI flow can be coupled to the blood flow to further mimic enterohepatic recirculation. The interaction 3460 may include a permeable assembly 3462 having a microscale permeable substrate 3464 and a surface defined by one or more specific function cells 3466. In one embodiment, the specific function cell 3466 may comprise an intestinal epithelial cell. In one embodiment, Caco-2 cells 3468 can be provided in the vicinity of cell 3466 to facilitate in vitro absorption of the compound from the GI flow into the bloodstream.

一実施形態において、透過性材料3462は、マイクロスケール透過性基板3464上で培養された胃腸細胞の層を含み得る。一実施形態において、胃腸細胞の層の少なくとも一部は、流体が当該層を通らずにそのいずれかの側面に沿って流れることができるよう、デバイス3460内に位置付けられる。一実施形態において、胃腸細胞の層の第1の側面に位置する少なくとも第1のマイクロスケール機構は胃腸管を表すことができ、単分子層の第2の側面に位置する少なくとも第2のマイクロスケール機構は循環器系を表すことができる。一実施形態において、第3のマイクロスケール機構が提供され得、同じまたは異なる種類の生物材料を含有するように構成され得る。   In one embodiment, the permeable material 3462 can include a layer of gastrointestinal cells cultured on a microscale permeable substrate 3464. In one embodiment, at least a portion of the layer of gastrointestinal cells is positioned within device 3460 such that fluid can flow along either side of the layer without passing through the layer. In one embodiment, at least a first microscale feature located on the first side of the layer of gastrointestinal cells can represent the gastrointestinal tract and at least a second microscale located on the second side of the monolayer. The mechanism can represent a circulatory system. In one embodiment, a third microscale mechanism may be provided and configured to contain the same or different types of biological material.

図41Aおよび41Bは、上述した腸肝再循環プロセスの薬物動態シミュレーションを提供することができる、デバイス3700の実施形態例の部分分解図および組立図を示す。デバイス3700は、図40Bを参照して上述したものと同様の、GI‐血液相互作用機能性を提供することができるGI代用モジュール3720を含み得る。デバイス3700は、図40Aを参照して上述したものと同様の、血液‐胆汁相互作用機能性を提供することができる臓器系モジュール3730も含み得る。筐体キャップ3710および3760はデバイス3700に筐体を提供することができ、様々な流体流れのための経路を提供することもできる。   41A and 41B show partially exploded and assembled views of an example embodiment of a device 3700 that can provide a pharmacokinetic simulation of the enterohepatic recirculation process described above. Device 3700 may include a GI substitution module 3720 that can provide GI-blood interaction functionality similar to that described above with reference to FIG. 40B. Device 3700 can also include an organ system module 3730 that can provide blood-bile interaction functionality similar to that described above with reference to FIG. 40A. Housing caps 3710 and 3760 can provide a housing for device 3700 and can also provide paths for various fluid flows.

図示するように、GI代用モジュール3720へ(矢印3770)およびそこから(矢印3772)のGI流は、それぞれの経路3712および3714によって提供され得る。同様に、臓器系モジュール3730の血液側へ(矢印3774)およびそこから(矢印3776)の血流は、それぞれの経路3762、3750および3752、3768によって提供され得る。同様に、臓器系モジュール3730の胆汁側へ(矢印3778)およびそこから(3780)の胆汁流は、それぞれの経路3764および3766によって提供され得る。   As shown, the GI flow to and from the GI substitution module 3720 (arrow 3770) and from there (arrow 3772) may be provided by respective paths 3712 and 3714. Similarly, blood flow to and from the blood side of organ system module 3730 (arrow 3774) and from there (arrow 3776) may be provided by respective pathways 3762, 3750 and 3752, 3768. Similarly, biliary flow to the bile side of organ system module 3730 (arrow 3778) and from (3780) therefrom may be provided by respective pathways 3764 and 3766.

図示するように、GI代用モジュール3720は、マイクロスケール透過性基板3724を有する透過性アセンブリを含むコンパートメント3722を含み得る。マイクロスケール透過性基板3724は、図39を参照して上述した材料のいずれか1つまたは組み合わせから形成され得る。透過性アセンブリは、マイクロスケール透過性基板3724上に形成された腸上皮細胞3726を含んでもよい。一実施形態において、コンパートメント3722のGI側は、細胞3726の近隣にCaco‐2細胞3728を含み得る。一般に知られているように、Caco‐2細胞は、腸から血液への、化合物のin vitro吸収を促進することができる。   As shown, the GI substitute module 3720 can include a compartment 3722 that includes a permeable assembly having a microscale permeable substrate 3724. The microscale permeable substrate 3724 may be formed from any one or combination of the materials described above with reference to FIG. The permeable assembly may include intestinal epithelial cells 3726 formed on a microscale permeable substrate 3724. In one embodiment, the GI side of compartment 3722 may include Caco-2 cell 3728 in the vicinity of cell 3726. As is generally known, Caco-2 cells can promote in vitro absorption of compounds from the gut to the blood.

GI代用モジュール3720の透過性アセンブリを通って吸収された化合物は、臓器系モジュール3730のコンパートメント3732で血液系に入ることができる。血液は、コンパートメント3732とその他1つ以上のコンパートメントとの間を循環することができる。説明の目的で、血液‐胆汁相互作用のための透過性アセンブリを有するコンパートメント3734と、(標的細胞3746を介して)標的臓器をシミュレートするコンパートメント3744とを示す。一実施形態において、標的臓器3744は、薬物活性によって影響を及ぼされ得る臓器または組織を含んでよい。例えば、心臓薬を試験する場合、標的臓器3744は心臓であってよい。別の例において、薬物毒性を試験する場合、標的臓器は膵臓であってよい。   Compounds absorbed through the permeable assembly of the GI surrogate module 3720 can enter the blood system in the compartment 3732 of the organ system module 3730. Blood can circulate between compartment 3732 and one or more other compartments. For purposes of illustration, a compartment 3734 having a permeable assembly for blood-bile interaction and a compartment 3744 simulating a target organ (via a target cell 3746) are shown. In one embodiment, target organ 3744 may include an organ or tissue that may be affected by drug activity. For example, when testing heart drugs, the target organ 3744 may be the heart. In another example, when testing drug toxicity, the target organ may be the pancreas.

コンパートメント3734の透過性アセンブリは、マイクロスケール透過性基板3736を含むように示されている。マイクロスケール透過性基板3736は、図39を参照して上述した材料のいずれか1つまたは組み合わせから形成され得る。透過性アセンブリは、マイクロスケール透過性基板3736上で形成された肝細胞3738を含んでもよい。一実施形態において、肝細胞3738は、図40Aを参照して上述した様式で、結合剤を介してマイクロスケール透過性基板3736に結合され得る。一実施形態において、透過性アセンブリは、図40Aを参照して上述したような機能性を提供するために、線維芽細胞3740をさらに含んでよい。   The permeable assembly of compartment 3734 is shown to include a microscale permeable substrate 3736. The microscale permeable substrate 3736 can be formed from any one or combination of the materials described above with reference to FIG. The permeable assembly may include hepatocytes 3738 formed on a microscale permeable substrate 3736. In one embodiment, hepatocytes 3738 can be bound to the microscale permeable substrate 3736 via a binder in the manner described above with reference to FIG. 40A. In one embodiment, the permeable assembly may further include fibroblasts 3740 to provide functionality as described above with reference to FIG. 40A.

臓器系モジュール3730の透過性アセンブリは、(コンパートメント3734の空間3742内の)血流と(透過性アセンブリのもう一方の側面上の)胆汁流との間の血液‐胆汁相互作用を促進することができる。続いて、胆汁流は経路3764および3766を介して循環させられることができ、胆汁はGI流中に再導入(図示せず)されることができる。   The permeable assembly of the organ system module 3730 can promote blood-bile interactions between blood flow (in the space 3742 of the compartment 3734) and bile flow (on the other side of the permeable assembly). it can. Subsequently, the bile flow can be circulated via paths 3764 and 3766, and the bile can be reintroduced (not shown) into the GI flow.

図41Cは、図41Aに示すものと同様の臓器系モジュール3700の、別の部分分解図を示す。図41Cにおいては、血液‐胆汁相互作用のための透過性アセンブリを有するコンパートメント3734が、付記によってさらに詳細に示されている。一実施形態において、コンパートメント3734の透過性アセンブリは、図39を参照して上述したものと同様であってよい。したがって、透過性アセンブリ3430は、透過性材料3432と、当該透過性材料3432のいずれかまたは両方の側面上に形成された細胞または細胞材料3434とを含み得る。一実施形態において、細胞3434は、本明細書で説明しているように結合され得る肝細胞であってよい。肝細胞が使用される一実施形態において、透過性アセンブリ3430は、線維芽細胞3436をさらに含んでよい。   FIG. 41C shows another partially exploded view of an organ system module 3700 similar to that shown in FIG. 41A. In FIG. 41C, compartment 3734 having a permeable assembly for blood-bile interaction is shown in more detail by the appendix. In one embodiment, the permeable assembly of compartment 3734 may be similar to that described above with reference to FIG. Thus, the permeable assembly 3430 can include a permeable material 3432 and cells or cellular material 3434 formed on either or both sides of the permeable material 3432. In one embodiment, cells 3434 may be hepatocytes that can be combined as described herein. In an embodiment where hepatocytes are used, the permeable assembly 3430 may further include fibroblasts 3436.

図42は、図41Aおよび41Bの腸肝再循環シミュレーションデバイス例において実装され得る、様々な流体流れの概略例3800を描写している。一実施形態において、本明細書で記載しているようなGI血液関門3812を有するGI管コンパートメント3810を貫流するために、GI流体流れ3802(点線として描写されている)が提供され得る。GI流体流れ3802は、GI流体容器3850から別の容器(図示せず)へ流れるようにされてよい。一実施形態において、GI流体流れ3802は再循環しない。   FIG. 42 depicts various example fluid flow schematics 3800 that may be implemented in the example enterohepatic recirculation simulation device of FIGS. 41A and 41B. In one embodiment, a GI fluid flow 3802 (depicted as a dotted line) may be provided to flow through a GI tract compartment 3810 having a GI blood barrier 3812 as described herein. The GI fluid stream 3802 may be caused to flow from the GI fluid container 3850 to another container (not shown). In one embodiment, the GI fluid stream 3802 does not recirculate.

図42に示すように、GI‐胆汁相互作用は、GI血液関門3812によって促進され得る。血流3804は、実線として描写されている。3804aとして示されている血流は、関門3812を介してGI管コンパートメント3810内のGI流3802と相互作用し、肝臓コンパートメント3820へ方向付けられる。(本明細書に記載するような)血液胆汁関門3822は、血流3804aの、胆汁流3806との相互作用を促進することができる。一実施形態において、肝臓コンパートメント3820からの胆汁流3806は、胆汁流体容器3860から提供され得る。一実施形態において、肝臓コンパートメント3820からの胆汁流3806は、GI管コンパートメント3810の上流である場所でGI流3802と混合され、それによって肝臓コンパートメント3820からの胆汁の再循環機能性を提供することができる。   As shown in FIG. 42, GI-bile interaction can be facilitated by the GI blood barrier 3812. Blood flow 3804 is depicted as a solid line. Blood flow, shown as 3804a, interacts with the GI flow 3802 in the GI tract compartment 3810 via the barrier 3812 and is directed to the liver compartment 3820. Blood bile barrier 3822 (as described herein) can facilitate the interaction of blood flow 3804a with bile flow 3806. In one embodiment, bile flow 3806 from liver compartment 3820 can be provided from bile fluid container 3860. In one embodiment, the bile stream 3806 from the liver compartment 3820 is mixed with the GI stream 3802 at a location upstream of the GI tract compartment 3810, thereby providing bile recirculation functionality from the liver compartment 3820. it can.

一実施形態において、肝臓コンパートメント3820からの血流3804aは、その他1つ以上のコンパートメントへ方向付けられることができる。例えば、血流3804c(3804bを介するもの)は、標的組織コンパートメント3830に血液を提供するように示され、血流3804e(3804bを介するもの)は、その他の組織コンパートメント3840に血液を提供するように示されている。コンパートメント3830および3840からの血流3804dおよび3804fは、GI管コンパートメント3810の上流である場所で血流3804aの一部となることができる、血流3804gに再結合され得る。   In one embodiment, blood flow 3804a from liver compartment 3820 can be directed to one or more other compartments. For example, blood flow 3804c (via 3804b) is shown to provide blood to target tissue compartment 3830, and blood flow 3804e (via 3804b) provides blood to other tissue compartments 3840. It is shown. Blood flows 3804d and 3804f from compartments 3830 and 3840 can be recombined with blood flow 3804g, which can become part of blood flow 3804a at a location upstream of GI tract compartment 3810.

図43Aから43Eは、上述したマイクロスケール透過性デバイスの、一実施形態の作製の様々な段階を示す。図44は、図43Aから43Eのデバイスの作製を実行することができるプロセス3520の一実施形態を示す。   43A through 43E illustrate various stages of fabrication of one embodiment of the microscale permeable device described above. FIG. 44 illustrates one embodiment of a process 3520 that can perform the fabrication of the devices of FIGS. 43A-43E.

図43Aに示すように、基板3500上に開口部3502が形成され得る。そのような開口部の形成は、プロセスブロック3522内で達成され得る。   As shown in FIG. 43A, an opening 3502 may be formed on the substrate 3500. Such opening formation may be accomplished within process block 3522.

図43Bに示すように、開口部3502内にマイクロスケール透過性基板3504が形成され得る。そのようなマイクロスケール透過性基板3504の形成は、プロセスブロック3524内で達成され得る。   As shown in FIG. 43B, a microscale transparent substrate 3504 can be formed in the opening 3502. Formation of such a microscale transmissive substrate 3504 can be accomplished within process block 3524.

図43Cに示すように、マイクロスケール透過性基板3504上に、1つ以上の結合剤3506が位置付けられ得る。そのような結合剤3506の提供は、プロセスブロック3526内で達成され得る。   One or more binders 3506 may be positioned on the microscale permeable substrate 3504, as shown in FIG. 43C. Providing such a binder 3506 may be accomplished within process block 3526.

図43Dに示すように、1つ以上の特定機能の細胞3508が、結合剤3506を介してマイクロスケール透過性基板3504に結合され得る。そのような特定機能の細胞3508の結合は、プロセスブロック3528内で達成され得る。   As shown in FIG. 43D, one or more specific function cells 3508 can be bound to the microscale permeable substrate 3504 via a binder 3506. Such specific function cell 3508 binding may be accomplished within process block 3528.

図43Eに示すように、密封を提供するため、および/または、細胞3508の成長および維持管理を促進するために、特定機能の細胞3508の間に1つ以上の線維芽細胞3510が導入され得る。そのような線維芽細胞3510の導入は、プロセスブロック3530内で達成され得る。   As shown in FIG. 43E, one or more fibroblasts 3510 may be introduced between cells 3508 of a specific function to provide a seal and / or promote cell 3508 growth and maintenance. . Such introduction of fibroblasts 3510 may be accomplished within process block 3530.

一実施形態において、マイクロスケール透過性基板3504は、以下の限定的でない例によって形成され得る。微孔性表面は、バイアス印加下、HF(Hydrofluoric Acid;フッ化水素酸)でエッチングすることによってシリコンから形成され得る。微孔性表面は、直径約0.4ミクロンを超える細孔サイズの場合には標準的なフォトリソグラフィおよびエッチング技術を、または、直径約0.4ミクロン未満の細孔サイズの場合には電子ビームリソグラフィおよびエッチングを使用することにより、低応力窒化シリコン薄膜からも形成され得る。   In one embodiment, the microscale transmissive substrate 3504 can be formed by the following non-limiting example. The microporous surface can be formed from silicon by etching with HF (Hydrofluoric Acid) under application of a bias. Microporous surfaces can be produced using standard photolithography and etching techniques for pore sizes greater than about 0.4 microns in diameter, or electron beams for pore sizes less than about 0.4 microns in diameter. It can also be formed from low stress silicon nitride thin films by using lithography and etching.

限定的でない一実施形態例において、マイクロコンタクトプリンティング技術を利用することにより、結合タンパク質を微孔性表面上にマイクロパターン化することができる。複製成形技術を使用して、シリコーンエラストマー「ラバースタンプ」を産生することができる。ラバースタンプを結合タンパク質の溶液中に浸し、続いてこれらの結合タンパク質を微孔性材料の表面に蒸着することにより、結合タンパク質のマイクロパターンを産生することができる。このプロセスは、一般にマイクロコンタクトプリンティングとして知られている。   In one non-limiting example embodiment, the binding protein can be micropatterned onto a microporous surface by utilizing microcontact printing techniques. Replication molding techniques can be used to produce a silicone elastomer “rubber stamp”. By immersing the rubber stamp in a solution of binding protein and subsequently depositing these binding proteins on the surface of the microporous material, a micropattern of binding protein can be produced. This process is commonly known as microcontact printing.

限定的でない一実施形態例において、肝細胞を結合タンパク質に付着させることができ、付着後、線維芽細胞を表面に導入し、肝細胞によって占領されていない微孔性表面の実質的にすべての領域に付着させることができる。   In one non-limiting example embodiment, hepatocytes can be attached to the binding protein, and after attachment, fibroblasts are introduced to the surface and substantially all of the microporous surface not occupied by hepatocytes. Can be attached to the area.

その他の作製技術を利用してもよい。   Other manufacturing techniques may be used.

一実施形態において、マイクロスケール透過性材料(図39の3432等)および少なくとも1つの結合剤(図43Cの3506等)は、デバイスを画定することができる。少なくとも1つの結合剤は物質を極性化させるように構成されることができ、当該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示する。   In one embodiment, the microscale permeable material (such as 3432 in FIG. 39) and at least one binder (such as 3506 in FIG. 43C) can define the device. The at least one binding agent can be configured to polarize the substance, wherein the substance exhibits at least one property of liver function.

一実施形態において、物質は、1つ以上の肝細胞であってよい。一実施形態において、物質は、遺伝子組み換え生物材料であってよい。   In one embodiment, the substance may be one or more hepatocytes. In one embodiment, the substance may be a genetically modified biological material.

一実施形態において、結合剤は、肝細胞をマイクロスケール透過性材料に結合し極性化させることができる。   In one embodiment, the binding agent can bind and polarize hepatocytes to the microscale permeable material.

一実施形態において、デバイスは、マイクロスケール透過性材料(図39の3432等)と、肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される少なくとも1つの物質とを含んでよく、当該物質によって処理された分子は、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通過するように方向付けられ得る。   In one embodiment, the device may include a microscale permeable material (such as 3432 in FIG. 39) and at least one substance configured to demonstrate at least one property of liver function. The treated molecules can be directed to pass through at least a portion of the microscale permeable material.

図45は、本開示の1つ以上の技術を使用して連結され得るシステムの様々な組み合わせの、限定的でない例を示す。マイクロスケール透過性デバイス3540は、血液系と胆管系との間の相互作用を可能にすることができる。マイクロスケール透過性デバイス3542は、血液系とGI系との間の相互作用を可能にすることができる。選択された連結(矢印3544として描写されている)は、(例えば、選択された場所で混合することによって、)胆管系とGI系との間の相互作用を可能にすることができる。マイクロスケール透過性デバイス3546は、血液系と脳系との間の相互作用を可能にすることができる。マイクロスケール透過性デバイス3548は、血液系と泌尿器系との間の相互作用を可能にすることができる。   FIG. 45 illustrates non-limiting examples of various combinations of systems that can be coupled using one or more techniques of this disclosure. The microscale permeable device 3540 can allow interaction between the blood system and the bile duct system. The microscale permeable device 3542 can allow interaction between the blood system and the GI system. The selected connection (depicted as arrow 3544) can allow interaction between the bile duct system and the GI system (eg, by mixing at a selected location). The microscale permeable device 3546 can allow interaction between the blood system and the brain system. The microscale permeable device 3548 can allow interaction between the blood system and the urinary system.

マイクロスケール透過性デバイスを介してその他の系間相互作用が可能であることが理解されるであろう。したがって、図46に示すように、概して、マイクロスケール透過性デバイス3550は、第1の流体系と第2の流体系との間の相互作用を可能にすることができる。   It will be appreciated that other intersystem interactions are possible through microscale permeable devices. Accordingly, as shown in FIG. 46, in general, the microscale permeable device 3550 can allow interaction between the first fluid system and the second fluid system.

上記の記述において、マイクロスケール透過性デバイスの様々な実施形態が、システム層または分離層のいずれかの部分である層の一部であるものとして描写されている。そのような構成では、異なるシステムと関連付けられたコンパートメントは、異なる層上に形成されているものとして描写される。   In the above description, various embodiments of microscale permeable devices are depicted as being part of a layer that is part of either the system layer or the separation layer. In such a configuration, compartments associated with different systems are depicted as being formed on different layers.

いくつかの実施形態において、これは必ずしも必要条件というわけではない。例えば、一実施形態において、臓器系モジュール(図41Aおよび41Bの3730)は層の一方の側面上に形成されることができ、GI代用モジュール(図41Aおよび41Bの3720)は同じ層の他方の側面上に形成されることができる。   In some embodiments, this is not necessarily a requirement. For example, in one embodiment, an organ system module (3730 in FIGS. 41A and 41B) can be formed on one side of the layer and a GI substitute module (3720 in FIGS. 41A and 41B) can be formed on the other side of the same layer. It can be formed on the side.

別の実施形態例において、マイクロスケール透過性デバイスは、2つのコンパートメントを画定し、各コンパートメントが分離したシステムを表すように、所与の層の上に形成され得る。したがって、図47の実施形態例3560に示すように、マイクロスケール透過性デバイス3562は、2つのコンパートメント3564および3566を画定および分離するように、層上に形成され得る。したがって、第1のコンパートメント3564は第1の流体系を表すことができ、第2のコンパートメント3566は第2の流体系を表すことができる。マイクロスケール透過性デバイス3562は、第1と第2の流体系間に相互作用を提供することができる。適宜、図41Aおよび41Bに示すもののような、より複雑なシステムを形成することができる。   In another example embodiment, a microscale permeable device may be formed on a given layer such that it defines two compartments, with each compartment representing a separate system. Thus, as shown in the example embodiment 3560 of FIG. 47, a microscale permeable device 3562 can be formed on the layer to define and separate the two compartments 3564 and 3566. Thus, the first compartment 3564 can represent a first fluid system and the second compartment 3566 can represent a second fluid system. The microscale permeable device 3562 can provide interaction between the first and second fluid systems. If appropriate, more complex systems such as those shown in FIGS. 41A and 41B can be formed.

上記で開示した実施形態では、上記で開示した実施形態に適用した場合の本発明の基本的な新規の特徴を図示説明し指摘したが、示したデバイス、システム、および/または方法の詳細の形態における様々な省略、代替、および変更が、本発明の範囲を逸脱することなく当業者によって為され得ることを理解すべきである。よって、本発明の範囲は、前述の説明に限定されるべきでなく、添付の特許請求の範囲によって定義されるべきである。   Although the embodiments disclosed above illustrate and point out the basic novel features of the present invention when applied to the above-disclosed embodiments, the detailed forms of the devices, systems, and / or methods illustrated It should be understood that various omissions, substitutions, and changes in may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention. Accordingly, the scope of the invention should not be limited to the foregoing description, but should be defined by the appended claims.

図1は、本発明によるシステムのブロック図である。FIG. 1 is a block diagram of a system according to the present invention. 図2は、本発明のシステムの外観の、一実施形態の簡略斜視図である。FIG. 2 is a simplified perspective view of one embodiment of the appearance of the system of the present invention. 図3は、本発明のシステムの、別の実施形態の詳細な概略図である。FIG. 3 is a detailed schematic diagram of another embodiment of the system of the present invention. 図4は、本発明のシステムの、さらに別の実施形態の概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram of yet another embodiment of the system of the present invention. 図5Aから5Gは、プラスチックからチップを作製するために使用されるステップを示す。図5Aは、シリコンウエハをポジ型フォトレジスト材料で被覆するステップを示す。図5Bは、レジスト被覆シリコンウエハをフォト材料によって紫外線に露光させるステップを示す。図5Cは、フォトレジスト材料を現像するステップを示す。図5Dは、シリコンをエッチングするステップを示す。図5Eは、フォトレジスト材料を剥ぎ取り、金を蒸発させるステップを示す。図5Fは、ニッケルを電気メッキするステップを示す。図5Gは、シリコンを除去し、ポリマーをエンボス加工するするステップを示す。5A-5G show the steps used to make a chip from plastic. FIG. 5A illustrates the step of coating a silicon wafer with a positive photoresist material. FIG. 5B shows the step of exposing the resist-coated silicon wafer to UV light with a photo material. FIG. 5C shows the step of developing the photoresist material. FIG. 5D shows the step of etching silicon. FIG. 5E shows the steps of stripping the photoresist material and evaporating the gold. FIG. 5F shows the step of electroplating nickel. FIG. 5G shows the steps of removing the silicon and embossing the polymer. 図6は、本発明のシステムの、また別の実施形態の概略図である。FIG. 6 is a schematic diagram of yet another embodiment of the system of the present invention. 図7は、チップと関連付けられたコンピュータを詳述する概略である。FIG. 7 is a schematic detailing the computer associated with the chip. 図8は、筐体内に位置する1つを超えるチップを示す概略である。FIG. 8 is a schematic showing more than one chip located within the housing. 図9は、異なる筐体のチップのセットを含むシステムの概略である。FIG. 9 is a schematic of a system that includes a set of chips in different housings. 図10は、チップのさらに別の実施形態の概略である。FIG. 10 is a schematic of yet another embodiment of a chip. 図11は、システムの等角部分分解図である。FIG. 11 is an isometric partial exploded view of the system. 図12は、図11に示すシステムと関連付けられた顎を作製するステップの等角図である。FIG. 12 is an isometric view of the steps of creating a jaw associated with the system shown in FIG. 図13は、図11に示すシステムと関連付けられたポンプのシングルトラフ弾性部分の等角図である。FIG. 13 is an isometric view of the single trough elastic portion of the pump associated with the system shown in FIG. 図14は、ポンプのマルチトラフ弾性部分の等角図である。FIG. 14 is an isometric view of the multi-trough elastic portion of the pump. 図15は、4コンパートメントチップの概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of a four compartment chip. 図16は、テガフール用量反応。チップの、肝臓コンパートメント内にHepG2‐C3A細胞を撒き、標的組織コンパートメント内にHCT‐116結腸癌細胞を撒いた。指示された濃度のテガフールで24時間チップを処理した。第1のグラフ(図16A)は、チップ上での再循環の24時間後における、死細胞対テガフールまたは5‐FU濃度パーセンテージのプロットである。第2のグラフ(図16B)は、従来のin vitro細胞培養アッセイを使用する同様の用量反応であり、HCT‐116細胞は48時間曝露を使用している。HCT‐116細胞をポリリジン処理したガラスカバースリップ上に撒き、指示された濃度のテガフールまたは5‐FUに曝露した。48時間インキュベーション後、カバースリップを上述したように処理し、細胞死のパーセンテージを測定した。FIG. 16 shows tegafur dose response. The chip was seeded with HepG2-C3A cells in the liver compartment and HCT-116 colon cancer cells in the target tissue compartment. The chips were treated with the indicated concentration of tegafur for 24 hours. The first graph (FIG. 16A) is a plot of dead cells versus percentage of tegafur or 5-FU concentration 24 hours after recirculation on the chip. The second graph (FIG. 16B) is a similar dose response using a conventional in vitro cell culture assay, with HCT-116 cells using 48 hours exposure. HCT-116 cells were plated on polylysine treated glass coverslips and exposed to the indicated concentrations of tegafur or 5-FU. After 48 hours incubation, the coverslips were processed as described above and the percentage of cell death was measured. 図16は、テガフール用量反応。チップの、肝臓コンパートメント内にHepG2‐C3A細胞を撒き、標的組織コンパートメント内にHCT‐116結腸癌細胞を撒いた。指示された濃度のテガフールで24時間チップを処理した。第1のグラフ(図16A)は、チップ上での再循環の24時間後における、死細胞対テガフールまたは5‐FU濃度パーセンテージのプロットである。第2のグラフ(図16B)は、従来のin vitro細胞培養アッセイを使用する同様の用量反応であり、HCT‐116細胞は48時間曝露を使用している。HCT‐116細胞をポリリジン処理したガラスカバースリップ上に撒き、指示された濃度のテガフールまたは5‐FUに曝露した。48時間インキュベーション後、カバースリップを上述したように処理し、細胞死のパーセンテージを測定した。FIG. 16 shows tegafur dose response. The chip was seeded with HepG2-C3A cells in the liver compartment and HCT-116 colon cancer cells in the target tissue compartment. The chips were treated with the indicated concentration of tegafur for 24 hours. The first graph (FIG. 16A) is a plot of dead cells versus percentage of tegafur or 5-FU concentration 24 hours after recirculation on the chip. The second graph (FIG. 16B) is a similar dose response using a conventional in vitro cell culture assay, with HCT-116 cells using 48 hours exposure. HCT-116 cells were plated on polylysine treated glass coverslips and exposed to the indicated concentrations of tegafur or 5-FU. After 48 hours incubation, the coverslips were processed as described above and the percentage of cell death was measured. 図17Aは、「第1世代」3コンパートメントデバイスを描写している。図17Bは、デバイスの断面図を示す。FIG. 17A depicts a “first generation” three-compartment device. FIG. 17B shows a cross-sectional view of the device. 図17Aは、「第1世代」3コンパートメントデバイスを描写している。図17Bは、デバイスの断面図を示す。FIG. 17A depicts a “first generation” three-compartment device. FIG. 17B shows a cross-sectional view of the device. 図18Aは、「第2世代」デバイスを描写している。図18Bは、チャンバ内に5μmの高い隆線を描写しており、図18Cは、チャンバ内に20μmの高い柱を描写している。FIG. 18A depicts a “second generation” device. FIG. 18B depicts a 5 μm high ridge in the chamber and FIG. 18C depicts a 20 μm high pillar in the chamber. 図18Aは、「第2世代」デバイスを描写している。図18Bは、チャンバ内に5μmの高い隆線を描写しており、図18Cは、チャンバ内に20μmの高い柱を描写している。FIG. 18A depicts a “second generation” device. FIG. 18B depicts a 5 μm high ridge in the chamber and FIG. 18C depicts a 20 μm high pillar in the chamber. 図18Aは、「第2世代」デバイスを描写している。図18Bは、チャンバ内に5μmの高い隆線を描写しており、図18Cは、チャンバ内に20μmの高い柱を描写している。FIG. 18A depicts a “second generation” device. FIG. 18B depicts a 5 μm high ridge in the chamber and FIG. 18C depicts a 20 μm high pillar in the chamber. 図19は、「第3世代」デバイスを描写している。FIG. 19 depicts a “third generation” device. 図20は、5コンパートメントPBPKモデルCCAを表す流れ図である。FIG. 20 is a flow diagram representing a five compartment PBPK model CCA. 図21は、肺、標的組織、およびその他の組織を表すコンパートメントを含有するヒトバイオチッププロトタイプを描写している。コンパートメントおよびチャネルの寸法は、以下のとおりである: 入り口:1mm×1mm 肝臓:幅3.2mm×長さ4mm 標的組織:幅2mm×長さ2mm その他の組織:幅340μm×長さ110mm 出口:1mm×1mm 肝臓をY接続部に接続するチャネル:幅440μm Y接続部から標的組織までのチャネル:幅100μmFIG. 21 depicts a human biochip prototype containing compartments representing lungs, target tissues, and other tissues. The dimensions of the compartment and channel are as follows: Inlet: 1 mm × 1 mm Liver: width 3.2 mm × length 4 mm Target tissue: width 2 mm × length 2 mm Other tissue: width 340 μm × length 110 mm Exit: 1 mm × 1 mm Channel connecting the liver to the Y connection: width 440 μm Channel from Y connection to the target tissue: width 100 μm 図22は、マイクロスケールチップシステムの概略図を描写している。FIG. 22 depicts a schematic diagram of a microscale chip system. 図23は、HepG2、HepG2/C3A、およびヒト肝臓の基底のCYP発現量を描写している。3回の分離測定の標準誤差である。FIG. 23 depicts HepG2, HepG2 / C3A, and human liver basal CYP expression levels. Standard error of 3 separate measurements. 図24Aは、EMEM、DMEM、McCoy’s、およびRPMI中でのHepG2/C3A成長曲線を描写している。図24Bは、EMEM、DMEM、McCoy’s、およびRPMI中でのHCT‐116成長曲線を描写している。3回の分離測定の標準誤差である。FIG. 24A depicts HepG2 / C3A growth curves in EMEM, DMEM, McCoy's, and RPMI. FIG. 24B depicts HCT-116 growth curves in EMEM, DMEM, McCoy's, and RPMI. Standard error of 3 separate measurements. 図24Aは、EMEM、DMEM、McCoy’s、およびRPMI中でのHepG2/C3A成長曲線を描写している。図24Bは、EMEM、DMEM、McCoy’s、およびRPMI中でのHCT‐116成長曲線を描写している。3回の分離測定の標準誤差である。FIG. 24A depicts HepG2 / C3A growth curves in EMEM, DMEM, McCoy's, and RPMI. FIG. 24B depicts HCT-116 growth curves in EMEM, DMEM, McCoy's, and RPMI. Standard error of 3 separate measurements. 図25は、異なる成長培地条件下での、HepG2/C3AにおけるCYPイソフォーム発現のRT‐PCR測定を描写している。FIG. 25 depicts RT-PCR measurements of CYP isoform expression in HepG2 / C3A under different growth medium conditions. 図26は、異なる基質上で成長したHepG2/C3AにおけるCYPイソフォーム発現のRT‐PCR測定を描写している。FIG. 26 depicts RT-PCR measurements of CYP isoform expression in HepG2 / C3A grown on different substrates. 図27は、ヒトバイオチッププロトタイプを描写している。FIG. 27 depicts a human biochip prototype. 図28Aは、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムを図示するブロックダイアグラム図である。図28Bは、本発明の別の実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムを図示するブロックダイアグラム図である。FIG. 28A is a block diagram diagram illustrating a system for controlling a microscale culture device, according to one embodiment of the present invention. FIG. 28B is a block diagram diagram illustrating a system for controlling a microscale culture device according to another embodiment of the present invention. 図28Aは、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムを図示するブロックダイアグラム図である。図28Bは、本発明の別の実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのシステムを図示するブロックダイアグラム図である。FIG. 28A is a block diagram diagram illustrating a system for controlling a microscale culture device, according to one embodiment of the present invention. FIG. 28B is a block diagram diagram illustrating a system for controlling a microscale culture device according to another embodiment of the present invention. 図29は、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを動的に制御するコンピュータ化された方法を図示するフローダイアグラム図である。FIG. 29 is a flow diagram illustrating a computerized method for dynamically controlling a microscale culture device, according to one embodiment of the present invention. 図30は、本発明の一実施形態による、マイクロスケール培養デバイスを制御するためのコンピュータを図示するブロックダイアグラム図である。FIG. 30 is a block diagram illustrating a computer for controlling a microscale culture device according to one embodiment of the invention. 図31は、一実施形態において、第1および第2の流体系間の相互作用が、in vivoで見られるものと同様の生理的パラメータを持つ条件下に、in vitroで提供され維持され得ることを示す。FIG. 31 illustrates that in one embodiment, the interaction between the first and second fluid systems can be provided and maintained in vitro under conditions having physiological parameters similar to those found in vivo. Indicates. 図32は、その間で様々な系間相互作用がin vitroでシミュレートされ得るいくつかの流体系例のブロック図を示す。FIG. 32 shows a block diagram of several example fluid systems in which various intersystem interactions can be simulated in vitro. 図33Aは、2つの流体系間の相互作用例を示す。FIG. 33A shows an example interaction between two fluid systems. 図33Bは、一実施形態において、所与の流体系は1つを超える流体系と相互作用できることを示す。FIG. 33B illustrates that in one embodiment, a given fluid system can interact with more than one fluid system. 図33Cは、一実施形態において、所与の流体系は2つを超える流体系と相互作用できることを示す。FIG. 33C illustrates that in one embodiment, a given fluid system can interact with more than two fluid systems. 図33Dは、一実施形態において、流体系相互作用は再循環機能性を提供し得ることを示す。FIG. 33D illustrates that, in one embodiment, fluid system interactions can provide recirculation functionality. 図34Aは、2流体系構成の実施形態例の部分分解図を示し、系間相互作用は、透過性材料によって促進され得る。FIG. 34A shows a partially exploded view of an example embodiment of a two-fluid system configuration where intersystem interaction can be facilitated by a permeable material. 図34Bは、図34Aの2流体系の組立図を示す。FIG. 34B shows an assembly view of the two fluid system of FIG. 34A. 図34Cは、図34Aの2流体系の上面図を示す。FIG. 34C shows a top view of the two fluid system of FIG. 34A. 図34Dは、図34Aのシステムの、変形の一実施形態を示す。FIG. 34D illustrates one embodiment of a variation of the system of FIG. 34A. 図35Aは、3流体系構成の実施形態例の部分分解図を示し、2つの系間相互作用は、1種類以上の透過性材料によって促進され得る。FIG. 35A shows a partially exploded view of an example embodiment of a three fluid system configuration, where the interaction between the two systems can be facilitated by one or more permeable materials. 図35Bは、図35Aの3流体系の組立図を示す。FIG. 35B shows an assembly view of the three fluid system of FIG. 35A. 図36は、3流体系例のブロック図を示し、臓器系は、胃腸(GI)系等の薬物送達システムと、および、脳系等の標的システムと相互作用しているものとして描写されている。FIG. 36 shows a block diagram of a three-fluid system example where the organ system is depicted as interacting with a drug delivery system such as the gastrointestinal (GI) system and a target system such as the brain system. . 図37は、肝臓を含む様々な系間相互作用を含む構成例のブロック図を示し、そのような相互作用は、腸肝循環等の再循環プロセスの一部であってよい。FIG. 37 shows a block diagram of an example configuration that includes various intersystem interactions involving the liver, such interactions may be part of a recirculation process such as enterohepatic circulation. 図38は、図37の腸肝循環を描写するブロック図を示す。FIG. 38 shows a block diagram depicting the enterohepatic circulation of FIG. 図39は、2つの流体系間における1つ以上の相互作用を促進することができる透過性材料を有する、マイクロスケール透過性デバイスの一実施形態を示す。FIG. 39 illustrates one embodiment of a microscale permeable device having a permeable material that can facilitate one or more interactions between two fluid systems. 図40Aは、血液系と胆管系との間の相互作用を促進するように構成される、マイクロスケール透過性デバイスの一実施形態を示す。FIG. 40A illustrates one embodiment of a microscale permeable device configured to promote interaction between the blood system and the bile duct system. 図40Bは、GI系と血液系との間の相互作用を促進するように構成される、マイクロスケール透過性デバイスの一実施形態を示す。FIG. 40B illustrates one embodiment of a microscale permeable device configured to facilitate the interaction between the GI system and the blood system. 図41Aおよび41Bは、腸肝循環シミュレーションデバイスの一実施形態の部分分解図および組立図を示す。41A and 41B show a partially exploded view and an assembled view of one embodiment of the enterohepatic circulation simulation device. よび41Bは、腸肝循環シミュレーションデバイスの一実施形態の部分分解図および組立図を示す。And 41B show a partially exploded view and an assembled view of one embodiment of the enterohepatic circulation simulation device. 図41Cは、図41Aの別の部分分解図を示し、マイクロスケール透過性デバイスの一実施形態がさらに詳細に示されている。FIG. 41C shows another partially exploded view of FIG. 41A, showing one embodiment of a microscale permeable device in more detail. 図42は、図41Aおよび41Bの腸肝循環シミュレーションデバイス例において実装され得る、様々な流体流れを示す概略描写例を示す。FIG. 42 shows schematic depictions illustrating various fluid flows that may be implemented in the example enterohepatic circulation simulation device of FIGS. 41A and 41B. 図43Aから43Eは、図39のマイクロスケール透過性デバイスの、一実施形態の作製の様々な段階を示す。43A through 43E illustrate various stages of fabrication of one embodiment of the microscale permeable device of FIG. 図44は、図43Aから43Dのマイクロスケール透過性デバイスを作製するプロセスの一実施形態を示す。FIG. 44 illustrates one embodiment of a process for making the microscale permeable device of FIGS. 43A-43D. 図45は、マイクロスケール透過性デバイスによって促進され得る系間相互作用の、限定的でない例を示す。FIG. 45 shows a non-limiting example of an intersystem interaction that can be facilitated by a microscale permeable device. 図46は、マイクロスケール透過性材料によって促進される、第1および第2の系の間における系間相互作用の全体描写を示す。FIG. 46 shows an overall depiction of the intersystem interaction between the first and second systems facilitated by the microscale permeable material. 図47は、一実施形態において、マイクロスケール透過性デバイスは、同じ層上に形成された2つコンパートメント間の系間相互作用を促進するように構成されることができ、当該2つのコンパートメントは2つの異なるシステムの一部であることを示す。FIG. 47 shows that, in one embodiment, a microscale permeable device can be configured to promote intersystem interaction between two compartments formed on the same layer, the two compartments being 2 Indicates that it is part of two different systems.

Claims (118)

in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように寸法決定された、少なくとも1つのマイクロスケール機構と、
透過性材料と、
を備える、デバイス。
at least sized to maintain the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value comparable to that of at least one pharmacokinetic parameter found in vivo. One microscale mechanism,
A permeable material;
A device comprising:
該透過性材料は、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項1に記載のデバイス。   The permeable material is a membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL, cell, cellular material, tissue, and tissue The device of claim 1, wherein the device is selected from at least one of the group consisting of strips. 該透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近に、有機または無機材料をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the permeable material further comprises an organic or inorganic material in, on or near the microporous surface. 該透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される、請求項1に記載のデバイス。   The permeable material may be a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or an absorption of a substance through or through the biological barrier. The device of claim 1, wherein the device is configured to simulate at least one of them. 該生物学的障壁は、胃腸障壁、血液脳関門、肺障壁、胎盤関門、表皮障壁、眼関門、嗅覚器障壁、胃食道障壁、粘膜、血液尿関門、空気組織関門、血液胆汁関門、口腔障壁、肛門直腸関門、膣障壁、および尿道障壁から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項4に記載のデバイス。   The biological barrier includes: gastrointestinal barrier, blood brain barrier, lung barrier, placental barrier, epidermal barrier, eye barrier, olfactory barrier, gastroesophageal barrier, mucosa, blood urine barrier, air tissue barrier, blood bile barrier, oral barrier 5. The device of claim 4, wherein the device is selected from at least one of the group consisting of: anorectal barrier, vaginal barrier, and urethral barrier. 該少なくとも1つの薬物動態パラメータは、組織サイズ、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、せん断応力、流速、表面形状、循環通過時間、液分布、組織および/または臓器間の相互作用、ならびに細胞による分子輸送から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項1に記載のデバイス。   The at least one pharmacokinetic parameter includes tissue size, tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time, cell-to-cell interaction, liquid residence time, liquid to cell ratio, metabolism by cells, shear stress, flow rate, surface The device of claim 1 selected from at least one of the group consisting of shape, circulation transit time, fluid distribution, interaction between tissues and / or organs, and molecular transport by cells. 該デバイスは、該透過性材料中の、それを通る、またはそれによる、物質の吸収、代謝、排泄、または分布を測定する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the device measures the absorption, metabolism, excretion, or distribution of substances in or through the permeable material. 該機構は、中枢神経系、循環器系、消化器系、胆管系、肺系統、泌尿器系、視覚系、嗅覚系、表皮系、およびリンパ系の少なくとも一部から成る群の少なくとも1つを表すように構成される、請求項1に記載のデバイス。   The mechanism represents at least one of the group consisting of at least part of the central nervous system, circulatory system, digestive system, bile duct system, lung system, urinary system, visual system, olfactory system, epidermal system, and lymphatic system The device of claim 1, configured as follows. 該透過性材料は、該デバイスの中または外に位置する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the permeable material is located in or out of the device. 該透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising at least one microfluidic channel connected to the permeable material. 該透過性材料の中の、それを通る、またはそれに近接する流体の流れは、少なくとも1つの薬物動態パラメータを提供する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein a flow of fluid through or in proximity to the permeable material provides at least one pharmacokinetic parameter. 該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく、請求項11に記載のデバイス。   The device of claim 11, wherein the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. 該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである、請求項12に記載のデバイス。   13. The device of claim 12, wherein the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic ("PBPK") model. 該機構または該透過性材料は、チップフォーマットに組み込まれる、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the feature or the permeable material is incorporated into a chip format. 該透過性材料は、微孔性材料上で培養された胃腸細胞の層を備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the permeable material comprises a layer of gastrointestinal cells cultured on a microporous material. 該胃腸細胞の該層の少なくとも一部は、流体が該層を通らずにそのいずれかの側面に沿って流れることができるように、該デバイス内に位置付けられる、請求項15に記載のデバイス。   16. The device of claim 15, wherein at least a portion of the layer of the gastrointestinal cells is positioned within the device such that fluid can flow along either side of the layer without passing through the layer. 胃腸細胞の該層の第1の側面に位置する少なくとも第1のマイクロスケール機構は胃腸管を表し、単分子層の第2の側面に位置する少なくとも第2のマイクロスケール機構は循環器系を表す、請求項16に記載のデバイス。   At least a first microscale mechanism located on the first side of the layer of gastrointestinal cells represents the gastrointestinal tract, and at least a second microscale mechanism located on the second side of the monolayer represents the circulatory system. The device of claim 16. 同じまたは異なる種類の生物材料を含有するように構成される第3のマイクロスケール機構をさらに備える、請求項17に記載のデバイス。   18. The device of claim 17, further comprising a third microscale feature configured to contain the same or different types of biological material. 該透過性材料は、有機材料で少なくとも一部を被覆された微孔性材料を備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the permeable material comprises a microporous material that is at least partially coated with an organic material. 該透過性材料の両側面の中、上、または付近に位置する細胞をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising cells located in, on or near both sides of the permeable material. 該デバイスは、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供する、請求項20に記載のデバイス。   21. The device of claim 20, wherein the device provides absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. 該透過性材料のいずれかの側面上の該細胞は、同じ種類または異なる種類のものである、請求項20に記載のデバイス。   21. The device of claim 20, wherein the cells on either side of the permeable material are of the same type or different types. 該透過性材料の微孔性表面の中、上、または付近に、肝細胞をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising hepatocytes in, on or near a microporous surface of the permeable material. 該微孔性表面の少なくとも一部は、該肝細胞を極性化させるタンパク質を備える、請求項23に記載のデバイス。   24. The device of claim 23, wherein at least a portion of the microporous surface comprises a protein that polarizes the hepatocytes. 該透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the permeable material comprises a cell line capable of forming a fusible monolayer. 肝細胞を該透過性材料に結合する結合剤をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a binder that binds hepatocytes to the permeable material. 該結合剤は該肝細胞を極性化させる、請求項26に記載のデバイス。   27. The device of claim 26, wherein the binding agent polarizes the hepatocytes. 該結合剤は、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つを含む、請求項26に記載のデバイス。   The binding agent includes protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin, cell adhesion molecule, 27. The device of claim 26, comprising at least one selected from the group consisting of and uvomorulin. 該透過性材料の中、上、または付近に、第2の種類の生物材料をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a second type of biological material in, on or near the permeable material. 該透過性材料の中、上、または付近に、線維芽細胞をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising fibroblasts in, on or near the permeable material. 該透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a blood substitute flow proximate to the first side of the permeable material. 該透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れをさらに備える、請求項31に記載のデバイス。   32. The device of claim 31, further comprising a bile surrogate flow proximate to the second side of the permeable material. in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するステップと、
物質に透過性材料の少なくとも一部を通過させるステップと、
を含む方法。
maintaining the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value comparable to the at least one pharmacokinetic parameter value found in vivo;
Passing a substance through at least a portion of a permeable material;
Including methods.
該生物材料を、マイクロスケール機構内またはそれに近接して維持するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising maintaining the biological material in or near a microscale mechanism. 該透過性材料は、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項33に記載の方法。   The permeable material is a membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL, cell, cellular material, tissue, and tissue 34. The method of claim 33, wherein the method is selected from at least one of the group consisting of strips. 該透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近に、有機または無機材料をさらに備える、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the permeable material further comprises an organic or inorganic material in, on or near a microporous surface. 該透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される、請求項33に記載の方法。   The permeable material may be a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or an absorption of a substance through or through the biological barrier. 34. The method of claim 33, configured to simulate at least one of them. 該生物学的障壁は、胃腸障壁、血液脳関門、血液胆汁関門、肺障壁、胎盤関門、表皮障壁、眼関門、嗅覚器障壁、胃食道障壁、粘膜、血液尿関門、および空気組織関門、口腔障壁、肛門直腸関門、膣障壁、および尿道障壁から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項37に記載の方法。   The biological barrier includes gastrointestinal barrier, blood brain barrier, blood bile barrier, lung barrier, placental barrier, epidermal barrier, eye barrier, olfactory barrier, gastroesophageal barrier, mucosa, blood urine barrier, and air tissue barrier, oral cavity 38. The method of claim 37, wherein the method is selected from at least one of the group consisting of a barrier, an anorectal barrier, a vaginal barrier, and a urethral barrier. 該少なくとも1つの薬物動態パラメータは、組織サイズ、組織サイズ比、組織対血液容積比、薬物滞留時間、細胞間相互作用、液体滞留時間、液体対細胞比、細胞による代謝、せん断応力、流速、表面形状、循環通過時間、液分布、組織および/または臓器間の相互作用、ならびに細胞による分子輸送から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項33に記載の方法。   The at least one pharmacokinetic parameter includes tissue size, tissue size ratio, tissue to blood volume ratio, drug residence time, cell-to-cell interaction, liquid residence time, liquid to cell ratio, metabolism by cells, shear stress, flow rate, surface 34. The method of claim 33, selected from at least one of the group consisting of shape, circulation transit time, fluid distribution, interaction between tissues and / or organs, and molecular transport by cells. 該透過性材料中の、それを通る、またはそれによる、物質の吸収、代謝、または分布を測定するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising the step of measuring the absorption, metabolism, or distribution of substances in or through the permeable material. 該機構は、中枢神経系、循環器系、消化器系、胆管系、肺系統、泌尿器系、視覚系、嗅覚系、表皮系、およびリンパ系の少なくとも一部から成る群の少なくとも1つを表すように構成される、請求項34に記載の方法。   The mechanism represents at least one of the group consisting of at least part of the central nervous system, circulatory system, digestive system, bile duct system, lung system, urinary system, visual system, olfactory system, epidermal system, and lymphatic system 35. The method of claim 34, configured as follows. マイクロスケールデバイスの中または外に、該透過性材料を位置させるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising positioning the permeable material in or out of a microscale device. 該透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルを介して流体を流すステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising flowing a fluid through at least one microfluidic channel connected to the permeable material. 該透過性材料の中の、それを通る、またはそれに近接する流体の流れは、少なくとも1つの薬物動態パラメータを提供する、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein a flow of fluid through or through the permeable material provides at least one pharmacokinetic parameter. 該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく、請求項44に記載の方法。   45. The method of claim 44, wherein the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. 該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである、請求項45に記載の方法。   46. The method of claim 45, wherein the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic ("PBPK") model. 該マイクロスケール機構または該透過性材料をチップフォーマットに組み込むステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising incorporating the microscale feature or the permeable material into a chip format. 該透過性材料は、微孔性材料上で培養された胃腸細胞の層を備える、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the permeable material comprises a layer of gastrointestinal cells cultured on a microporous material. 流体が該層を通らずにそのいずれかの側面に沿って流れることができるように、該胃腸細胞の該層の少なくとも一部を位置付けるステップをさらに含む、請求項48に記載の方法。   49. The method of claim 48, further comprising positioning at least a portion of the layer of gastrointestinal cells such that fluid can flow along either side of the layer without passing through the layer. 胃腸細胞の該層の第1の側面に位置する少なくとも第1のマイクロスケール機構は胃腸管を表し、単分子層の第2の側面に位置する少なくとも第2のマイクロスケール機構は循環器系を表す、請求項49に記載の方法。   At least a first microscale mechanism located on the first side of the layer of gastrointestinal cells represents the gastrointestinal tract, and at least a second microscale mechanism located on the second side of the monolayer represents the circulatory system. 50. The method of claim 49. 同じまたは異なる種類の生物材料を含有するように構成される第3のマイクロスケール機構をさらに備える、請求項50に記載の方法。   51. The method of claim 50, further comprising a third microscale feature configured to contain the same or different types of biological material. 該透過性材料は、有機材料で少なくとも一部を被覆された微孔性材料を備える、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the permeable material comprises a microporous material that is at least partially coated with an organic material. 該透過性材料の両側面の中、上、または付近に、細胞を位置させるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising positioning the cell in, on or near both sides of the permeable material. 吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供するステップをさらに含む、請求項53に記載の方法。   54. The method of claim 53, further comprising providing absorption characteristics, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. 該透過性材料のいずれかの側面上の該細胞は、同じ種類または異なる種類のものである、請求項53に記載の方法。   54. The method of claim 53, wherein the cells on either side of the permeable material are of the same type or different types. 該透過性材料の微孔性表面の中、上、または付近に、肝細胞を位置させるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising positioning hepatocytes in, on or near the microporous surface of the permeable material. 該微孔性表面の少なくとも一部は、該肝細胞を極性化させるタンパク質を備える、請求項56に記載の方法。   57. The method of claim 56, wherein at least a portion of the microporous surface comprises a protein that polarizes the hepatocytes. 該透過性材料は、融合性単層を形成し、極性化することができる細胞株を備える、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, wherein the permeable material comprises a cell line capable of forming and polarizing a confluent monolayer. 肝細胞を該透過性材料に結合するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising binding hepatocytes to the permeable material. 該肝細胞を極性化させるステップをさらに含む、請求項59に記載の方法。   60. The method of claim 59, further comprising polarizing the hepatocyte. 該結合するステップは、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つである結合剤を備える、請求項59に記載の方法。   The binding step includes protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin, cell adhesion molecule 60. The method of claim 59, comprising a binding agent that is at least one selected from the group consisting of: 該透過性材料の中、上、または付近に、第2の種類の生物材料を位置させるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising positioning a second type of biological material in, on or near the permeable material. 該透過性材料の中、上、または付近に、線維芽細胞を位置させるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising positioning fibroblasts in, on or near the permeable material. 該透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物を流すステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。   34. The method of claim 33, further comprising flowing a blood substitute proximate to the first side of the permeable material. 該透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物を流すステップをさらに含む、請求項64に記載の方法。   65. The method of claim 64, further comprising flowing a bile substitute proximate to the second side of the permeable material. デバイスを形成する方法であって、
in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するように構成される機構を形成するステップと、
透過性材料であって、物質が該透過性材料の少なくとも一部を通過するように構成される該透過性材料を追加、形成、または提供するステップと、
を含む方法。
A method of forming a device comprising:
Form a mechanism configured to maintain the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value comparable to that of at least one pharmacokinetic parameter found in vivo And steps to
Adding, forming, or providing a permeable material, wherein the material is configured to pass a substance through at least a portion of the permeable material;
Including methods.
in vivoで見られる少なくとも1つの薬物動態パラメータの値と同程度の、少なくとも1つのin vitroでの薬物動態パラメータの値を提供する条件下に、生物材料を維持するための手段と、
透過性障壁を提供するための手段と、
を備える、デバイス。
means for maintaining the biological material under conditions that provide at least one in vitro pharmacokinetic parameter value comparable to that of at least one pharmacokinetic parameter found in vivo;
Means for providing a permeable barrier;
A device comprising:
マイクロスケール透過性材料と、
物質を極性化させるように構成され、当該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示する、少なくとも1つの結合剤と、
を備える、デバイス。
A microscale permeable material;
At least one binder configured to polarize the substance, the substance exhibiting at least one property of liver function;
A device comprising:
該物質は、1つ以上の肝細胞である、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the substance is one or more hepatocytes. 該物質は、遺伝子組み換え生物材料である、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the substance is a genetically modified biological material. 該結合剤は、肝細胞を該マイクロスケール透過性材料に結合し極性化させる、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the binding agent binds and polarizes hepatocytes to the microscale permeable material. 第2の物質種類をさらに備える、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, further comprising a second material type. 該マイクロスケール透過性材料の少なくとも1つの表面の付近に位置する1つ以上の線維芽細胞をさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising one or more fibroblasts located near at least one surface of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料は、有機材料、無機材料、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項68に記載のデバイス。   The microscale permeable material is organic material, inorganic material, membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL (matrigel), cell 69. The device of claim 68, wherein the device is selected from at least one of the group consisting of: cell material, tissue, and tissue piece. 該マイクロスケール透過性材料は、微孔性表面の中、上、または付近にある、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the microscale permeable material is in, on or near a microporous surface. 該マイクロスケール透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートするように構成される、請求項68に記載のデバイス。   The microscale permeable material may be a biological barrier, a passage of a substance in or through the biological barrier, or an absorption of a substance in, or through the biological barrier. 69. The device of claim 68, wherein the device is configured to simulate at least one of. 該デバイスは、該マイクロスケール透過性材料の中で、それによって、またはそれを通して、該物質を処理する、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the device treats the substance in or through the microscale permeable material. 該処理するステップは、分子の吸収、抽出、排泄、代謝、および分布から成る群の少なくとも1つをさらに含む、請求項77に記載のデバイス。   78. The device of claim 77, wherein the processing step further comprises at least one of the group consisting of molecular absorption, extraction, excretion, metabolism, and distribution. 該マイクロスケール透過性材料は、該デバイスの中または外に位置する、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the microscale permeable material is located in or out of the device. 該マイクロスケール透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルをさらに備える、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, further comprising at least one microfluidic channel connected to the microscale permeable material. 該デバイスを通る該流体流れの性質は、数学モデルに基づく、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the nature of the fluid flow through the device is based on a mathematical model. 該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである、請求項81に記載のデバイス。   82. The device of claim 81, wherein the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic ("PBPK") model. 該機構または該マイクロスケール透過性材料は、チップフォーマットに組み込まれる、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the feature or the microscale permeable material is incorporated into a chip format. 該デバイスは、吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供する、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the device provides absorption properties, metabolic enzyme activity, and / or expression levels. 該マイクロスケール透過性材料の両側面の中、上、または付近に、生物材料を位置させるステップをさらに含む、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, further comprising positioning a biological material in, on or near both sides of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料のいずれかの側面上の生物材料は、同じ種類または異なる種類のものである、請求項85に記載のデバイス。   86. The device of claim 85, wherein the biological material on either side of the microscale permeable material is of the same type or a different type. 該マイクロスケール透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を備える、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, wherein the microscale permeable material comprises a cell line capable of forming a fusible monolayer. 該結合剤は、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群より選択される少なくとも1つを含む、請求項68に記載のデバイス。   The binding agent includes protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin, cell adhesion molecule, 69. The device of claim 68, comprising at least one selected from the group consisting of and uvomorulin. 該マイクロスケール透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れをさらに備える、請求項68に記載のデバイス。   69. The device of claim 68, further comprising a blood substitute flow proximate to the first side of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れをさらに備える、請求項89に記載のデバイス。   90. The device of claim 89, further comprising a bile surrogate flow proximate to a second side of the microscale permeable material. 肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質を、該物質を極性化させる様式で、マイクロスケール透過性材料に結合するステップを含む、方法。   Binding a substance manifesting at least one property of liver function to the microscale permeable material in a manner that polarizes the substance. 該物質は、1つ以上の肝細胞である、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, wherein the substance is one or more hepatocytes. 該物質は、遺伝子組み換え生物材料である、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, wherein the substance is a genetically modified biological material. 第2の物質種類を提供するステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising providing a second material type. 該マイクロスケール透過性材料の少なくとも1つの表面の付近に、1つ以上の線維芽細胞を位置させるステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising positioning one or more fibroblasts in the vicinity of at least one surface of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料は、有機材料、無機材料、膜、多孔質膜、微孔性シリコン、半透膜、微孔性材料、微孔性ポリマー、アルギン酸塩、コラーゲン、MATRIGEL(マトリゲル)、細胞、細胞材料、組織、および組織片から成る群の少なくとも1つから選択される、請求項91に記載の方法。   The microscale permeable material is organic material, inorganic material, membrane, porous membrane, microporous silicon, semipermeable membrane, microporous material, microporous polymer, alginate, collagen, MATRIGEL (matrigel), cell 94. The method of claim 91, wherein the method is selected from at least one of the group consisting of: a cell material, a tissue, and a tissue piece. 微孔性表面の中、上、または付近に、該マイクロスケール透過性材料を位置させるステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising positioning the microscale permeable material in, on or near a microporous surface. 該マイクロスケール透過性材料は、生物学的障壁、生物学的障壁の中の、もしくはそれを通る物質の通過、または、生物学的障壁の中の、それを通した、もしくはそれによる物質の吸収、のうち少なくとも1つをシミュレートする、請求項91に記載の方法。   The microscale permeable material may be a biological barrier, the passage of a substance in or through the biological barrier, or the absorption of a substance in, or through the biological barrier. 92. The method of claim 91, wherein at least one of 該マイクロスケール透過性材料の中で、それを通して、またはそれによって、該物質を処理するステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising the step of processing the substance through or through the microscale permeable material. 該処理するステップは、分子の吸収、抽出、排泄、代謝、および分布から成る群の少なくとも1つをさらに含む、請求項99に記載の方法。   100. The method of claim 99, wherein the treating step further comprises at least one of the group consisting of molecular absorption, extraction, excretion, metabolism, and distribution. デバイスの中または外に、該マイクロスケール透過性材料を位置させるステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising positioning the microscale permeable material in or out of the device. 該マイクロスケール透過性材料に接続された少なくとも1つのマイクロ流体チャネルを提供するステップをさらに備える、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising providing at least one microfluidic channel connected to the microscale permeable material. 肝機能の該少なくとも1つの性質と関連付けられた該流体流れの性質は、数学モデルに基づく、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, wherein the fluid flow property associated with the at least one property of liver function is based on a mathematical model. 該数学モデルは生理学的薬物動力学(Physiologically‐Based PharmacoKinetic;「PBPK」)モデルである、請求項103に記載の方法。   104. The method of claim 103, wherein the mathematical model is a Physiologically-Based PharmacoKinetic ("PBPK") model. 該マイクロスケール透過性材料をチップフォーマットに組み込むステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising incorporating the microscale permeable material into a chip format. 吸収特性、代謝酵素活性、および/または発現量を提供するステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising providing an absorption characteristic, metabolic enzyme activity, and / or expression level. 該マイクロスケール透過性材料の両側面の中、上、または付近に、生物材料を位置させるステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising positioning a biological material in, on or near both sides of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料のいずれかの側面上にある生物材料は、同じ種類または異なる種類のものである、請求項107に記載の方法。   108. The method of claim 107, wherein the biological material on either side of the microscale permeable material is of the same type or of a different type. 該マイクロスケール透過性材料は、融合性単層を形成することができる細胞株を備える、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, wherein the microscale permeable material comprises a cell line capable of forming a fusible monolayer. 該結合するステップは、タンパク質、コネキシン32、密着結合タンパク質、Occludin(オクルディン)、Claudin(クローディン)‐1、ZO‐1、ZO‐2、接着結合タンパク質、E‐カドヘリン、βカテニン、細胞接着分子、およびウボモルリンから成る群の少なくとも1つから選択される結合剤を提供するステップを含む、請求項91に記載の方法。   The binding step includes protein, connexin 32, tight junction protein, Occludin, Claudin-1, ZO-1, ZO-2, adhesion binding protein, E-cadherin, β-catenin, cell adhesion molecule 92. The method of claim 91, comprising providing a binding agent selected from at least one of the group consisting of: 該マイクロスケール透過性材料の第1の側面に近接して、血液代用物の流れを提供するステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising providing a blood substitute flow proximate to the first side of the microscale permeable material. 該マイクロスケール透過性材料の第2の側面に近接して、胆汁代用物の流れを提供するステップをさらに含む、請求項91に記載の方法。   92. The method of claim 91, further comprising providing a bile surrogate flow proximate to a second side of the microscale permeable material. デバイスを形成する方法であって、肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質に結合し極性化させるように構成される、マイクロスケール透過性材料を形成するステップを含む方法。   A method of forming a device comprising forming a microscale permeable material configured to bind and polarize a substance that exhibits at least one property of liver function. 肝機能の少なくとも1つの性質を明示する物質を、該物質を極性化させる様式で、マイクロスケール透過性材料に結合するための手段を備える、マイクロスケール装置。   A microscale device comprising means for binding a substance manifesting at least one property of liver function to a microscale permeable material in a manner that polarizes the substance. マイクロスケール透過性材料と、
肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される少なくとも1つの物質とを備え、該物質によって処理された分子は、該マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通過するように方向付けられる、
デバイス。
A microscale permeable material;
And at least one substance configured to manifest at least one property of liver function, wherein molecules processed by the substance are directed to pass through at least a portion of the microscale permeable material. ,
device.
物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付けるステップを含み、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される、方法。   A method comprising directing molecules treated with a substance through at least a portion of a microscale permeable material, wherein the substance is configured to demonstrate at least one property of liver function. デバイスを形成する方法であって、物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付けるように構成される該マイクロスケール透過性材料を形成するステップを含み、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される、方法。   A method of forming a device comprising forming a microscale permeable material configured to direct molecules treated with a substance through at least a portion of the microscale permeable material; The method wherein the substance is configured to demonstrate at least one property of liver function. 物質によって処理された分子を、マイクロスケール透過性材料の少なくとも一部を通るように方向付ける手段を備え、該物質は肝機能の少なくとも1つの性質を明示するように構成される、デバイス。   A device comprising means for directing molecules treated by a substance to pass through at least a portion of a microscale permeable material, the substance configured to demonstrate at least one property of liver function.
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