CN107949835B - 具有集成成像系统的细胞培养培殖器 - Google Patents

具有集成成像系统的细胞培养培殖器 Download PDF

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Abstract

本发明的多个方面涉及自动化细胞培养培殖器，所述培殖器包括被配置成用于对培殖器内的所述细胞进行成像的成像系统，例如全息或相衬成像器。

Description

具有集成成像系统的细胞培养培殖器
相关申请
本申请根据35U.S.C.119(e)要求于2015年3月31日提交的标题为“Cell CultureIncubators With Integrated Imaging Systems[具有集成成像系统的细胞培养培殖器]”的美国临时申请USSN 62/141,187的权益，其全部内容通过援引并入本文。
技术领域
本发明的多个方面涉及细胞培养培殖器以及使用此类培殖器的方法。
背景技术
细胞培养在研究背景和临床背景中均是有用的技术。然而，在目前可用的细胞培殖器中维持细胞培养物(例如长期培养物、组织制剂、体外受精制剂等)是需要训练有素的人员和严格的无菌条件的费力过程。这种高度的人类参与可能将污染物引入到培养物中，由此降低培养效率。此外，在长期培养物中通常需要监测细胞生长、细胞活力和/或健康，这对于使用常规培殖器非侵入性地和有效完成是一项挑战。因而，需要新型细胞培养培殖器，所述培殖器提供长期培养系统并且人类参与最少。
发明内容
本文提供了具有集成成像设备的细胞培养培殖器。在一些实施例中，本文提供能够在细胞培养期间在培殖器内无创定量和可视化生物细胞或组织的全息显微成像器。在一些实施例中，本文提供了具有相衬成像器(例如相衬显微镜)的细胞培养培殖器。
本文件涉及细胞培养培殖器，所述培殖器包括培殖器柜，所述培殖器柜具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培养细胞的内部室、以及被配置成用于对内部室的细胞进行成像的一个或多个成像器(例如，全息成像器)。在一些实施例中，全息成像器包括第一成像位置。在一些实施例中，内部室被配置成用于固持一个或多个细胞培养器皿(例如，烧瓶、悬浮培养瓶、转瓶、培养平板、培养皿、以及袋)和/或其他物品(例如，一个或多个供应源，如细胞操纵所需的用后可弃式供应源，例如移液器端头)。在一些实施例中，培殖器可以包括从外部环境通向内部室的外部门。在一些实施例中，在内部室内部提供了用于存储一个或多个细胞培养器皿的储存位置。在一些实施例中，培殖器可以包括用于将一个或多个细胞培养器皿从第一成像位置移动到储存位置或从储存位置移动到第一成像位置的细胞培养器皿转移装置。在某些实施例中，全息成像器是全息显微镜。在一些实施例中，细胞培养器皿转移装置包括一个或多个机器人元件。在某些实施例中，培殖器还包括细胞培养器皿转移装置的控制器。在一些实施例中，控制器被定位在培殖器柜外部。在某些实施例中，控制器包括计算机。在一些实施例中，一个或多个细胞培养器皿具有一个或多个基准标记，以有助于一个或多个细胞培养器皿与全息成像仪对准。
在一些实施例中，培殖器还包括第二成像器，所述第二成像器包括第二成像位置，所述第二成像器被配置成用于当一个或多个细胞培养器皿位于所述第二成像位置时对内部室内部的细胞进行成像。在一些实施例中，第二成像器是显微镜。在某些实施例中，细胞培养器皿转移装置被配置成用于将一个或多个细胞培养器皿从第一成像位置移动到第二成像位置或从第二成像位置移动到第一成像位置。在一些实施例中，当一个或多个细胞培养器皿从第一成像位置移动到第二成像位置或从第二成像位置移动到第一成像位置时，在第一成像位置处的成像场和第二成像位置处的成像场基本上对齐。
本文件的多个方面涉及细胞培养培殖器，所述培殖器包括：培殖器柜，所述培殖器柜具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培养细胞的内部室，其中，所述内部室被配置成用于固持一个或多个细胞培养器皿；且还包括全息成像器和第二成像器，其中，全息成像器和第二成像器被配置成用于当一个或多个细胞培养器皿位于成像位置时对内部室内的细胞进行成像。在一些实施例中，培殖器可以包括用于在内部室内部(例如，在两个成像器之间)移动一个或多个细胞培养器皿的细胞培养器皿转移装置。在一些实施例中，在内部室内部提供了用于存储一个或多个细胞培养器皿的储存位置。在一些实施例中，全息成像器是全息显微镜。在一些实施例中，全息成像器的成像场和第二成像器的成像场是基本上对齐的。在一些实施例中，培殖器还包括能够保持一个或多个细胞培养器皿的位置。在一些实施例中，细胞培养器皿转移装置被配置成用于在成像位置、保持位置和储存位置之间移动一个或多个细胞培养器皿。在一些实施例中，培殖器还包括细胞培养器皿转移装置的控制器。在一些实施例中，控制器被定位在培殖器柜外部。在某些实施例中，控制器包括计算机。
附图说明
附图不旨在按比例绘制。在附图中，可以由相似的数字表示不同的图中示出的每个相同或几乎相同的部件。为清楚起见，可能并不是每个图中的每个部件都标有标记。现在将参考附图通过举例来描述本发明的不同实施例，在附图中：
图1是具有集成成像系统的自动化细胞培养培殖器的示意图；
图2是具有集成成像系统的自动化细胞培养培殖器的示意图，所述培殖器包括计算机工作站；以及
图3是具有集成成像系统和环境控制系统的自动化细胞培养培殖器的示意图。
具体实施方式
根据一些方面，本文件提供了具有集成成像装置的细胞培养培殖器。具体而言，本文提供了全息显微成像器，所述成像器能够在细胞培养期间在自动化培殖器内非侵入性地定量和可视化生物细胞或组织。本文件的某些方面涉及用于在受控条件下(例如，在无菌和/或灭菌条件下)培养、操纵和/或监测细胞的培殖器和方法，其允许通过显微镜检查来监测和分析灭菌环境中的细胞。在一些方面，培殖器和方法包括自动化部件。在一些方面，培殖器和方法对于长期细胞培养(例如，生长和维持用于重组蛋白质表达的细胞、或生长和/或分化用于治疗应用，例如植入，的细胞)是有用的。在一些实施例中，细胞培养物是在本文提供的培殖器中的培养器皿内生长的。
根据一个方面，细胞培养培殖器包括具有成像位置和储存位置的培殖器柜。在一些实施例中，成像位置和储存位置是培殖器柜内的两个不同位置。所述培殖器可以包括使细胞培养器皿在成像位置与储存位置之间移动的转移装置。在其他实施例中，成像位置和储存位置是相同的，使得细胞培养器皿在储存位置被成像。
成像位置是成像器对一个或多个细胞进行成像的位置。例如，成像位置可以在光源上方和/或与一个或多个光学元件(例如，镜头、光圈、反射镜、物镜、和集光器)竖直对准。
储存位置可以被配置为用于储存多个细胞培养器皿。例如，储存位置可以包括一个或多个储存阵列、支架、搁架、鸽子洞、立方体、托盘、槽缝、或其他位置或机构。在一些实施例中，储存位置可以被配置成用于水平地储存细胞培养器皿，而在其他实施例中，存储位置可以被配置成用于竖直地储存细胞培养器皿。例如，储存位置可以包括多个槽缝，以用于接纳彼此竖直堆叠的细胞培养器皿。储存位置可以被配置成用于固持1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100个、或任何其他数目的细胞培养器皿。在一些实施例中，储存位置可以被配置成用于固持多于100个细胞培养器皿。
储存位置可以被配置成牢固地固持或接纳一个或多个细胞培养器皿。例如，储存位置的一个或多个部件可以包括一个或多个锁定机构，所述锁定机构具有一个或多个粘性、磁性、电气和/或机械部件(例如，卡扣、紧固件、锁、扣、垫圈、O形环、隔膜、弹簧、以及其他接合构件)。在一些实施例中，储存位置和/或细胞培养器皿可以包括一个或多个凹槽或凹陷、和/或可以涉及模制的塑料件。例如，细胞培养器皿可以包括一个或多个突起的特征(例如，边沿或钮状物)，所述特征被模制成用于插入在储存位置处的一个或多个对应的凹槽、孔洞、或凹陷中。在一些情况下，细胞培养器皿可以包括一个或多个凹槽、孔洞、或凹陷，其被模制成与储存位置处的一个或多个对应的突起的特征相配合。
细胞培养培殖器可以包括一个或多个成像器来对细胞进行成像。在一些实施例中，本文提供的培殖器柜配置有显微镜或其它成像器，用于监测细胞生长、细胞活力或其他方面的目的。在一些实施例中，所述显微镜或成像器与在培殖器柜内执行的测定(例如基于图像的表型筛选或测定)结合使用。在某些实施例中，成像器包括一个或多个透镜、光纤、相机(例如电荷耦合器件相机)、光圈、反射镜、光源(例如激光器或灯)或其他光学元件。成像器可以是显微镜。在一些实施例中，成像器是明视场显微镜。在其他实施例中，成像器是全息成像器或显微镜。在其他实施例中，成像器是相衬显微镜。在其他实施例中，成像器是荧光成像器或显微镜。
如本文使用的，荧光成像器是能够检测从存在于细胞或其他生物实体的表面内或表面上的荧光标记发出的光的成像器，所述标记在吸收不同特定激发波长的光时发射特定波长的光。
如本文使用的，“明视场显微镜”是照射样本并且基于样本所吸收的光来产生图像的成像器。任何合适的明视场显微镜可以与本文提供的培殖器组合使用。
如本文使用的，“相衬显微镜”是将穿过透明试样的光的相移转换成图像中的亮度变化的成像器。相移本身是不可见的，但在作为亮度变化被显示时变成可见的。任何适当的相衬显微镜都可以与本文提供的培殖器组合使用。
如本文使用的，“全息成像器”是通过测量电磁辐射(例如，波前)的强度和相位信息来提供关于物体(例如，样本)的信息的成像器。例如，全息显微镜测量在穿过样本之后透射的光以及通过将穿过该样本透射的光束与参考光束组合而得到的干涉图案(例如，相位信息)。
全息成像器也可以是以下装置，所述装置不干扰单独的参考光束地、并且在所述基本上相干源与检测器之间具有或不具有任何折射或反射光学元件地经由一个或多个辐射检测器记录来自基本上相干源的、被有待成像的物体直接衍射或散射的电磁辐射图案。
在一些实施例中，培殖器柜包括单一成像器。在一些实施例中，培殖器柜包括两个成像器。在一些实施例中，两个成像器是相同类型的成像器(例如两个全息成像器、两个相衬显微镜或两个明视场显微镜)。在一些实施例中，第一成像器是明视场显微镜，而第二成像器是全息成像器。在一些实施例中，第一成像器是相衬显微镜，而第二成像器是全息成像器。在一些实施例中，第一成像器是相衬显微镜，而第二成像器是明视场显微镜。在一些实施例中，培殖器柜包括多于2个成像器。在一些实施例中，细胞培养培殖器包括三个成像器。在一些实施例中，细胞培养培殖器具有3个成像器，包括：全息显微镜、明视场显微镜、以及荧光显微镜。在一些实施例中，具有3个成像器的细胞培养培殖器包括全息显微镜、相衬显微镜、以及荧光显微镜。
如本文使用的，“成像位置”是成像器对一个或多个细胞进行成像的位置。例如，成像位置可以在光源上方和/或与一个或多个光学元件(例如，镜头、光圈、反射镜、物镜、和集光器)竖直对准。
全息显微镜
在一些实施例中，使用全息显微镜来获得细胞的图像(例如，三维显微镜图像的集合)，用于在培养(例如，长期培养)期间在培殖器中(例如，在如本文所述的培殖器的内部室内部)进行分析(例如，细胞计数)。在一些实施例中，通过使用被记录和重构的、来自光源散射物体的光场来创建全息图像。在一些实施例中，可以针对与所述物体有关的无数特征分析重构图像。在一些实施例中，本文提供的方法涉及全息干涉计量技术，所述技术允许对细胞进行非侵入性、无标记、快速、全视场分析，实时生成活细胞的高分辨率、多聚焦、三维表示。
在一些实施例中，全息术涉及通过分束器照射出相干光束，所述分束器将光分成两个相等的光束：参考光束和照射光束。在一些实施例中，通常使用反射镜使参考光束重新定向以直接照射到记录装置中而不接触待观察的物体。在一些实施例中，照明光束也使用反射镜被引导照亮物体，导致光散射。在一些实施例中，一些散射光之后被反射到记录装置上。在一些实施例中，激光器通常用作光源，因为其具有固定的波长并且可以被精确地控制。在一些实施例中，为了获得清晰的图像，全息显微术通常在黑暗中或在具有与激光的波长不同的波长的弱光下进行，以防止任何干涉。在一些实施例中，两条光束到达记录装置，在记录装置，这些光束相互交叉并相互干涉。在一些实施例中，干涉图案被记录，然后被用来重构原始图像。在一些实施例中，可以从一系列不同的角度检查所得的图像，就好像它仍然存在，从而获得更多分析和信息。
在一些实施例中，数字全息显微术用于本文所述的培殖器中。在一些实施例中，来自物体的数字全息显微光波前信息被数字记录为全息图，然后由计算机用数值重构算法分析全息图。在一些实施例中，计算机算法取代传统显微术的成像透镜。物体波前是通过物体光束照射物体而产生的。在一些实施例中，显微镜物镜收集物体波前，其中两个波前互相干涉，从而产生全息图。然后，通过接口(例如IEEE1394、以太网、串口)将数字记录的全息图传送到基于PC的数值重构算法，这在任何平面中产生都可观察到的物体图像。
在一些实施例中，为了获得数字全息显微图像，使用特定的材料。在一些实施例中，如本文所述地使用照射源(通常为激光器)。在一些实施例中，针对反射物体使用迈克尔逊(Michelson)干涉仪。在一些实施例中，使用用于透射物体的马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪。在一些实施例中，干涉仪可以包括不同的光圈、衰减器和偏振光学器件以便控制参考物与物体强度比。在一些实施例中，图像然后被数字相机捕捉，所述数字相机数字化全息干涉图案。在一些实施例中，像素大小是重要的管控参数，因为像素大小影响图像分辨率。在一些实施例中，干涉图案由相机数字化，然后作为具有8位或更高灰度分辨率的二维整数数组发送到计算机。在一些实施例中，除了图像的预处理和后处理之外，计算机的重构算法之后还计算全息图像。
相移图像
在一些实施例中，除了所生成的明视场图像之外，还产生相移图像。作为物体的地形图像的相移图像包括关于光学距离的信息。在一些实施例中，相移图像提供关于诸如活的生物细胞的透明物体的信息，而不会使明视场图像失真。在一些实施例中，数字全息显微术允许产生明视场图像和相衬图像而不失真。而且，数字全息显微术可以实现无标记透明物体的可视化和量化。在一些实施例中，数字全息显微术产生的相移图像可以通过图像分析软件使用数学形态学来分割和分析，而活的未被染色的生物细胞的传统相衬或明视场图像常常不能通过图像分析软件来有效分析。
在一些实施例中，全息图包括与计算完整图像栈有关的所有信息。在一些实施例中，由于从各种角度记录物体波前，因此可以表征物体的光学特征，并且可以呈现物体的断层图像。从完整的图像栈中，可以使用被动自动对焦方法来选择焦平面，从而无需任何竖直机械移动即可对表面进行快速扫描和成像。此外，可以通过从不同焦平面将子图像拼接在一起来创建物体的完全聚焦图像。在一些实施例中，数字重构算法校正由于成像透镜而可能在传统显微术中出现的任何光学像差。在一些实施例中，数字全息显微术有利地不需要复杂的透镜组；而是只使用廉价的光学器件和半导体部件，以便获得聚焦良好的图像，使其成本比传统的显微镜检查工具相对较低。
应用
在一些实施例中，全息显微术可以用于在细胞、特别是活细胞中同时分析多个参数。在一些实施例中，全息显微术可以用于分析活细胞(例如，对与药物、电刺激或热刺激相关联的受刺激形态变化的反应)，从而对细胞进行分选以及监测细胞健康。在一些实施例中，数字全息显微术对细胞进行计数并直接从细胞培养平板测量细胞活性而不用细胞标记。在其他实施例中，成像器可以用于检查不同细胞类型的细胞凋亡，因为与凋亡过程相关联的折射率变化可以通过数字全息显微术来量化。在一些实施例中，数字全息显微术用于关于细胞周期和相变方面的研究。在一些实施例中，除了其他非限制性测量参数(例如，细胞体积和折射率)之外，可以使用干细胞质量(其可以与由细胞引起的相移相关)来提供更多关于细胞周期的关键信息。
在一些实施例中，所述方法还用于不通过做标记或染色来检查不同细胞的形态。在一些实施例中，数字全息显微术可以用于检查细胞分化过程；提供信息来由于不同类型干细胞的不同形态特征来区分所述干细胞。在一些实施例中，因为数字全息显微术不需要做标记，所以可以实时检查不同过程(例如，由于细胞失衡引起的神经细胞的变化)。在一些实施例中，细胞体积和浓度可以例如通过使用数字全息显微术的吸收和相移图像来得以量化。在一些实施例中，可以使用相移图像来提供未染色的细胞计数。在一些实施例中，可以使用全息显微术对悬浮液中的细胞进行计数、监测和分析。
在一些实施例中，图像采集之间的时间间隔受到图像记录传感器的性能的影响。在一些实施例中，数字全息显微术用于活细胞的延时分析。例如，可以使用数字全息图像来监测悬浮液中的细胞之间的形状变化的分析，以补偿由于在悬浮液中移动而产生的散焦效应。在一些实施例中，直接在与表面接触之前和之后获得图像允许清楚地看到细胞形状。在一些实施例中，可以通过涉及相衬图像和细胞的积分折射率的若干计算来确定事件之前和之后的细胞厚度。相衬依赖于图像的不同部分具有不同折射率，使得光以不同的延迟穿过样本的不同区域。在一些实施例中，例如相衬显微术，光的异相组分有效地使特定区域变暗和变亮，并且增加细胞相对于背景的衬度。在一些实施例中，通过数字全息显微术产生的延时图像来检查细胞分裂和迁移。在一些实施例中，细胞死亡或凋亡可以通过数字全息显微术产生的静止或延时图像来检查。
在一些实施例中，数字全息显微术可以用于断层摄影术，包括但不限于亚细胞运动的研究，包括在活组织中的亚细胞运动，不需要做标记。
在一些实施例中，数字全息显微术不涉及做标记，且允许研究人员获得快速相移图像，从而允许研究人员研究细胞的微小和瞬态特性，特别是关于细胞周期变化和药剂作用方面。
转向附图，图1描绘了具有全息或相衬成像器(102)的细胞培养培殖器(100)的一个说明性实施例。所述细胞培养培殖器包括培殖器柜，所述培殖器柜具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培殖细胞的内部室(106)。内部室被配置成用于在储存位置(101)处固持一个或多个细胞培养器皿。所述培殖器柜包括外部门(105)，所述外部门打开和关闭以允许外部环境与内部室之间的连通。在一些实施例中，外部门(105)打开和关闭以允许外部环境与内部室(106)之间的连通。
培殖器柜包括可以对细胞进行成像的第一成像位置(104)。细胞培养培殖器包括全息或相衬成像器(102)，所述成像器对位于第一成像位置104处的细胞培养器皿的细胞进行成像。在一个实施例中，细胞培养培殖器包括第二成像器，所述成像器对位于第一成像位置或另一成像位置的细胞进行成像。
细胞培养培殖器包括用于在第一成像位置(104)和储存位置(101)之间移动一个或多个细胞培养器皿的转移装置(103)。在一些实施例中，储存位置包括安装在可以旋转到成像位置(104)的圆形平台上的“鸽子洞”或室。在存在第二成像器的情况下，可以使用转移装置(103)在储存位置(101)与不同成像位置之间移动一个或多个细胞培养器皿。
图2描绘了具有全息或相衬成像器(202)以及外部计算机工作站(208)的细胞培养培殖器(200)的另一个说明性实施例。如上所述，细胞培养培殖器包括具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培养细胞的内部室(206)的培殖器柜，并且内部室(206)被配置为将一个或多个细胞培养器皿固持在储存位置(201)。所述培殖器柜包括外部门(205)，所述外部门打开和关闭以允许外部环境与内部室之间的连通。培殖器柜包括可以对细胞进行成像的第一成像位置(204)。通过使用转移装置(203)在储存位置(201)与第一成像位置(204)之间来回转移一个或多个细胞培养器皿，可以使用全息或相衬成像器(202)随时间推移(例如在长期培养期间)监测细胞。全息或相衬成像器(202)可以用于采集细胞的图像。来自全息或相衬成像器(202)的图像信息可以通过通信线路(209)传送到外部计算机工作站(208)。
计算机(207)设有显示器以允许用户从外部监视培养物，例如通过目视显示器上的图像。在一些情况下，可以使用通过计算机(207)实现的图像处理和分析技术来自动存储、处理和分析图像，以产生关于细胞生长、发育、活力、健康、分化状态或其他参数的定量信息。所述定量信息可以用来评估长期培养物，并确保细胞健康或其他所希望的条件。这种信息与图像一起可以以允许与其他采集的数据(如时间戳和传感器输出)关联的方式存储。可以存储在数据库或文件系统中。存储可以由选定的图像或每张捕捉到的图像的完整历史记录组成。尽管在所述说明性实施例中描绘了用于在全息或相衬成像器(202)与计算机(207)之间发送图像信息的通信线路(209)，但是不必在所有情况下都使用硬通信线路。例如，在一些实施例中，可以在全息或相衬成像器(202)与计算机(207)之间无线地(例如，使用蓝牙技术、WIFI或其他无线通信手段)传达信息。类似地，分析或观察来自全息或相衬成像器(202)的图像的计算机不必紧邻培殖器。例如，计算机可以在另一个房间、另一个建筑物或远处位置。在这种情况下，可以通过无线网络、本地网络、经互联网或其他适当的方式在全息或相衬成像器(202)与计算机(207)之间传递信息。
图3描绘了具有全息或相衬成像器(302)、控制与监测站(307)以及环境控制站(308)的细胞培养培殖器(300)的另一个说明性实施例。如上所述，细胞培养培殖器包括培殖器柜，所述培殖器柜具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培养细胞的内部室(306)，并且所述内部室被配置成用于将一个或多个细胞培养器皿固持在储存位置(301)。所述培殖器柜包括外部门(305)，所述外部门打开和关闭以允许外部环境与内部室之间的连通。培殖器柜包括可以对细胞进行成像的第一成像位置(304)。这里同样地，通过使用转移装置(303)在储存位置(301)与第一成像位置(304)之间来回转移一个或多个细胞培养器皿，可以使用全息或相衬成像器(302)随时间推移(例如在长期培养期间)监测细胞。全息或相衬成像器(302)可以用于采集细胞的图像。来自全息或相衬成像器(302)的图像信息可以经由通信线路(311)传送到外部控制与监测站(307)。
提供传感器面板(309)，其包括用于测量与保持细胞生长有关的环境条件的一个或多个传感器，所述环境条件可以包括温度、CO2、O2、湿度或其他相关参数。提供传感器通信线路(310)，以在传感器和控制与监测站(307)之间传送信息。控制与监测站包括控制器，所述控制器可以响应于来自传感器面板309的输入而对环境控制站(308)产生一项或多项控制输出到。例如，如果控制器从传感器面板接收到一个或多个环境参数在希望的设定点之外的信号，则控制器可以向环境控制站(308)发送适当的信号，响应于此，环境控制站(308)可以控制适当的流体供应管线(314-316)的操作，以将合适的气体或流体或其他介质引入到内部室中，以使环境条件恢复到希望的状态。
在更具体的实例中，控制器可能从传感器面板接收到CO2水平低于希望的设定点(例如，低于5％CO2)的信号。响应于所述信号，控制器可以向环境控制站(308)发送适当的信号，响应于此，环境控制站(308)可以控制CO2供应管线(314)的操作。CO2供应管线(314)可以将CO2引入到内部室中以将CO2恢复到希望的设定点。在另一个实例中，控制器可能从传感器面板接收到湿度水平低于希望的设定点(例如低于80％湿度)的信号。响应于所述信号，控制器可以向环境控制站(308)发送适当的信号，响应于此，环境控制站(308)可以控制水蒸气供应管线(315)的操作。水蒸气供应管线可将水蒸气引入内部室以使湿度恢复到希望的设定点。在另一个实例中，控制器可能从传感器面板接收到培殖器温度高于或低于希望的设定点(例如高于或低于37℃)的信号。响应于所述信号，控制器可以经由加热器控制管线(312)向培殖器水套加热器发送适当的信号，响应于此，培殖器水套加热器可以被适当地调节以升高或降低培殖器内的温度，从而使温度恢复到希望的设定点。
在一些实施例中，全息或相衬成像器(302)可以用于采集细胞的图像。来自全息或相衬成像器(302)的图像信息可以经由通信线路(311)被传送到控制与监测站(307)。控制与监测站(307)可以配备有计算机，所述计算机被配置为处理图像信息并基于处理的图像信息产生适当的控制信号。这样，内部室内环境条件的调整和控制不仅可以基于来自环境传感器(例如，CO2、湿度或温度传感器)的信息，而且可以基于从对自动化培殖器内的细胞进行成像所获得的关于细胞生长或健康的信息，所述信息表明环境条件需要改变。例如，当周围介质的pH值下降到低于生理上适当的水平时，细胞可能展现出可以通过成像检测到的特征变化，这可能表明内部室中的CO2水平需要调整。可以通过成像来检测特征变化，并且环境控制站(308)可以运行使条件得到恢复。
细胞培养器皿
本披露的方面涉及用于在受控条件下(例如，在无菌和/或灭菌条件下)培养、操纵和/或监测细胞的培殖器和方法。在一些实施例中，细胞培养物是在本披露的培殖器中的培养器皿内生长的。如本文使用的，“细胞培养器皿”是包括壳体和用于培养细胞的一个或多个室的装置。在一些实施例中，所述壳体是框架。所述框架可以联接至盖件上。所述一个或多个室可以包括细胞培养基，所述细胞培养基包括一个或多个膜。在一些实施例中，细胞培养器皿可以包括用于促进细胞生长的营养素。在某些实施例中，细胞培养器皿可以完全包封一个或多个细胞或细胞群。细胞培养器皿的壳体可以包括一个或多个孔隙或开口，以允许气体在细胞培养器皿与其周围环境之间传递。在某些实施例中，细胞培养器皿包括透明的或光学透亮的窗口。例如，联接至细胞培养器皿的壳体上的盖件可以包括光学透亮的部分，以用于例如用显微镜或其他成像器来观察细胞。在一些实施例中，细胞培养器皿包括基本上非反射性的一个或多个部分。
细胞培养器皿可以被配置成用于培养不同类型的细胞，包括真核细胞或原核细胞。在一些实施例中，细胞是哺乳动物细胞(例如，人类细胞、犬细胞、牛细胞、羊细胞、猫细胞，或啮齿类动物细胞，例如兔细胞、小鼠细胞、或大鼠细胞)。在一些实施例中，细胞是昆虫细胞、禽类细胞、微生物细胞(例如，酵母细胞，如酿酒酵母细胞、乳酸克鲁维酵母细胞或巴斯德毕赤酵母细胞；或细菌细胞，如大肠杆菌细胞、枯草芽孢杆菌细胞或棒状杆菌细胞)、昆虫细胞(例如，果蝇细胞、或Sf9或Sf21细胞)、植物细胞(例如，藻细胞)或任何其他类型的细胞。
在一些实施例中，细胞培养器皿可以预先装备有对于特定目的所希望的一种或多种试剂，例如用于细胞生长、用于细胞分化、用于使细胞经受特定测定条件等等。在一些实施例中，预先装备的细胞培养器皿在实验之前包含对于执行特定实验有用的试剂(例如，细胞生长培养基、生长因子、选择剂、标记试剂等)。预先装备的细胞培养器皿可以通过提供不需要添加试剂的、准备好细胞培养的器皿来利于实验方案。例如，来自患者的祖细胞可以被添加到预先装备有细胞分化的试剂的细胞培养器皿中，其目的是扩增用于自体细胞治疗的分化细胞群。预先装备的细胞培养器皿可以在任何适当的温度下储存，所述温度是由预先装备的细胞培养器皿内的试剂的推荐储存参数确定的。在一些实施例中，预先装备的细胞培养储存器皿在使用之前被储存在约-80℃与约37℃之间的温度下。在一些实施例中，预先装备的细胞培养储存器皿在使用之前被储存在约-80℃与约-20℃之间的温度下。在一些实施例中，预先装备的细胞培养储存器皿在使用之前被储存在约-20℃与约4℃之间的温度下。在一些实施例中，预先装备的细胞培养储存器皿在使用之前被储存在约4℃与约37℃之间的温度下。在一些实施例中，预先装备的细胞培养器皿是可抛弃式的。在一些实施例中，预先装备的细胞培养器皿是可重复使用的和/或可再填充的。
在一些实施例中，培养细胞以生产天然产物(例如紫杉醇、色素、脂肪酸、生物燃料等)。在一些实施例中，培养细胞以表达重组产物(例如，重组蛋白产物如抗体、激素、生长因子或其他治疗性肽或蛋白质)。在一些实施例中，将细胞扩增和/或分化用于治疗用途，例如植入受试者(例如人类受试者)以提供或补充受试者缺失或缺损的细胞、组织或器官功能。
在一些实施例中，细胞是来自永生化细胞系。细胞系的非限制性实例包括人类细胞，例如HeLa细胞、前列腺癌细胞(例如DU145、PC3和/或Lncap细胞)、乳腺癌细胞(例如MCF-7、MDA-MB-438和/或T47D细胞)、急性骨髓性白血病细胞(例如THP-1细胞)、成胶质细胞瘤细胞(例如U87细胞)、成神经细胞瘤细胞(例如SHSY5Y细胞)、骨癌细胞(例如Saos-2细胞)和慢性粒细胞性白血病细胞(例如KBM-7细胞)。在一些实施例中，细胞系包括灵长类细胞系、啮齿动物细胞系(例如大鼠或小鼠细胞系)、犬细胞系、猫细胞系、斑马鱼细胞系、非洲爪蟾细胞系、植物细胞系或任何其他细胞系。在一些实施例中，细胞是人293细胞(例如293-T或HEK293细胞)、鼠3T3细胞、中国仓鼠卵巢(CHO)细胞、CML T1细胞或Jurkat细胞。
在一些实施例中，细胞是原代细胞、饲养细胞或干细胞。在一些实施例中，细胞从受试者(例如人受试者)分离。在一些实施例中，细胞是从组织或活组织检查样本分离出的原代细胞。在一些实施例中，细胞是造血细胞。在一些实施例中，细胞是干细胞，例如胚胎干细胞、间充质干细胞、癌症干细胞等。在一些实施例中，细胞从组织或器官(例如人组织或器官)分离，包括但不限于局限于实体组织和器官。在一些实施例中，细胞可以从胎盘、脐带、骨髓、肝脏、血液(包括脐带血)、或任何其他合适的组织分离出。在一些实施例中，从患者分离出患者特异性细胞进行培养(例如用于细胞扩增和可选的分化)，随后再植入同一患者或另一患者。因此，在一些实施例中，在本文公开的培殖器中生长的细胞可以用于同种异体或自体治疗。在一些实施例中，为了提供免疫疗法(例如，嵌合抗原受体疗法(CAR-T))或CRISPR/Cas修饰细胞的递送)的目的，可以对在本文披露的培殖器中生长的细胞进行遗传修饰、扩增并再引入患者。
在一些实施例中，原代细胞培养物包括上皮细胞(例如角膜上皮细胞、乳腺上皮细胞等)、成纤维细胞、成肌细胞(例如人骨骼肌成肌细胞)、角质形成细胞、内皮细胞(例如微血管内皮细胞)、神经细胞、平滑肌细胞、造血细胞、胎盘细胞或其两种或多种的组合。
在一些实施例中，细胞是重组细胞(例如杂交瘤细胞或表达一种或多种重组产物的细胞)。在一些实施例中，细胞被一种或多种病毒感染。
原代细胞分离
在一些实施例中，从组织或生物样品中分离细胞以在本文提供的培殖器内离体培养。在一些实施例中，从血液中分离出细胞(例如，白血细胞)。在一些实施例中，使用物理和/或酶促破坏从组织或生物样本中释放细胞。在一些实施例中，使用一种或多种酶例如胶原酶、胰蛋白酶、或蛋白酶来消化细胞外基质。在一些实施例中，将组织或生物样本置于培养基中(例如，有或没有物理或酶促破坏)，并且可以分离在培养基中释放和生长的细胞以用于进一步培养。
细胞培养
如本文使用的，“细胞培养”是指在受控条件下(例如，离体)保持和/或生长细胞的程序。在一些实施例中，在促进细胞生长和复制的条件、促进重组产物表达的条件、促进分化的条件(例如，分化成一种或多种组织特异性细胞类型)、或其中两种或更多种的组合的条件下培养细胞。
在一些实施例中，细胞培养器皿被配置成用于培养悬浮的细胞。在一些实施例中，细胞培养器皿被配置成用于培养贴壁细胞。在一些实施例中，细胞培养器皿被配置成用于2D或3D细胞培养。在一些实施例中，细胞培养器皿包括一个或多个表面或微载体以支持细胞生长。在一些实施例中，这些被细胞外基质组分(例如胶原蛋白、纤维蛋白和/或层粘连蛋白组分)覆盖以增加粘附特性并提供生长和分化所需的其他信号。在一些实施例中，细胞培养器皿包含一种或多种合成水凝胶，例如聚丙烯酰胺或聚乙二醇(PEG)凝胶，以支持细胞生长。在一些实施例中，细胞培养器皿包括具有嵌入的营养素(例如，凝胶或琼脂，例如用于某些细菌或酵母培养物)的固体支撑物。在一些实施例中，细胞培养器皿包含液体培养基。
在一些实施例中，在任何合适的培养基之一中培养细胞。可以针对不同的细胞类型或针对不同的应用使用具有不同范围的pH、葡萄糖浓度、生长因子和其他补充物的不同培养基。在一些实施例中，可以使用定制的细胞培养基或商业上可获得的细胞培养基，例如达尔伯克氏改良伊格尔(Dulbecco’s Modified Eagle Medium)培养基、最低必需培养基、RPMI培养基、HA或HAT培养基、或可以从Life Technologies或其他商业来源获得的其他培养基。在一些实施例中，细胞培养基包含血清(例如，胎牛血清、小牛血清、马血清、猪血清、或其他血清)。在一些实施例中，细胞培养基是无血清的。在一些实施例中，细胞培养基包含人血小板裂解液(hPL)。在一些实施例中，细胞培养基包含一种或多种抗生素(例如，放线菌素D、氨苄青霉素、羧苄青霉素、头孢噻肟、膦胺霉素、庆大霉素、卡那霉素、新霉素、青霉素、青霉素链霉素、多粘菌素B、链霉素、四环素、或任何其他合适的抗生素、或其中两种或更多种的任何组合)。在一些实施例中，细胞培养基包含一种或多种盐(例如，平衡盐、氯化钙、氯化钠、氯化钾、氯化镁等)。在一些实施例中，细胞培养基包含碳酸氢钠。在一些实施例中，细胞培养基包含一种或多种缓冲液(例如，HEPES或其他合适的缓冲液)。在一些实施例中，包含一种或多种补充物。补充物的非限制性实例包括还原剂(例如，2-巯基乙醇)、氨基酸、胆固醇补充物、维生素、转铁蛋白、表面活性剂(例如，非离子型表面活性剂)、CHO补充物、原代细胞补充物、酵母溶液、或其中两种或更多种的任何组合。在一些实施例中，将一种或多种生长或分化因子添加到细胞培养基中。生长或分化因子(例如WNT家族蛋白质、BMP家族蛋白质、IGF家族蛋白质等)可以单独地或组合地添加，例如作为包含引起向特定谱系分化的不同因子的分化混合物。可以使用整合被为本文提供的培殖器的一部分的自动化液体处理器来添加液体培养基的生长或分化因子和其他方面。
在一些方面，本文描述的培殖器和方法提供并维持用于细胞生长的适当的温度和气体混合物。应该理解的是，不同细胞类型的细胞生长条件不同，并且本文描述的培殖器可以被编程用于保持不同的条件。在一些实施例中，约37℃和5％CO2的条件用于哺乳动物细胞。
在一些实施例中，本文描述的装置和方法被用于监测或测定培养基的营养素耗尽、pH变化、温度变化、凋亡或坏死细胞的积聚、和/或细胞密度。在一些实施例中，本文描述的装置和方法用于在适当时修改或改变培养基或条件和/或用于传代细胞培养物。在一些实施例中，这些程序是自动化的。
在一些实施例中(例如，对于贴壁细胞培养物)，可以通过抽吸直接去除培养基，并用新鲜培养基代替。在一些实施例中(例如，对于非贴壁/悬浮培养物)，培养基的改变可以涉及将细胞培养物离心、去除旧的培养基并用新鲜培养基代替。在一些实施例中，离心机位于培殖器的内部室中。在一些实施例中，培养器皿允许连续的培养基替换。在一些实施例中，本文描述的培殖器可以包括可以用于处理、替代、供应和/或维持培养基的不同方面以支持细胞的一种或多种组分。培殖器可以包括容纳废弃培养基的储器和/或容纳新鲜培养基的储器。这样的储器可以存在于(例如，用于临时储存)培殖器内部的制冷器内或培殖器的冷藏部分内。在一些实施例中，在培殖器外部提供了一个或多个储器，并且提供了进入和离开培殖器空间的管路以用于向液体处置器单元(例如，具有抽吸器的液体处置单元)或培殖器内的临时储器进行供应或取出，以利于细胞饲养、培养基更换、以及其他相关需要。对于悬浮细胞，可以在培殖器内提供用于将细胞与废弃培养基分离的装置(例如，一个或多个离心机，以利于细胞造粒)以利于作为本文提供的培殖器的一部分的培养基自动更换。在一些实施例中，本文提供了一种系统，所述系统包括连接至计算机的细胞培养培殖器，所述计算机能够自动监测和调整细胞培养条件，以实现细胞培养物的最佳生长。
在一些实施例中，细胞在本文所述的培殖器柜内传代。在一些实施例中，将细胞培养物拆分，并将细胞培养物子集转移至新鲜培养器皿来进一步生长。在一些实施例中(例如，对于贴壁细胞培养物)，在将细胞转移至新鲜培养器皿之前使其从表面上解除附接(例如，机械地，例如温和铲刮，和/或以酶促方式，例如使用胰蛋白酶-EDTA或一种或多种其他的酶)。在一些实施例中(例如，对于悬浮细胞培养物)，将小体积的细胞培养物转移至新鲜培养器皿。
在一些实施例中，在本文的培殖器的培殖器柜内培养过程中以其他方式操纵细胞培养物。例如，细胞培养物可以用核酸(例如DNA或RNA)转染或暴露于病毒感染(例如使用重组病毒颗粒递送DNA或RNA)，同时例如，保持在本文提供的培殖器的培殖器柜内。
应该认识到，可以使用无菌技术来防止或最小化在生长和操纵过程中细胞培养物的污染。在一些实施例中，使用适当的技术来对用于细胞培养的设备(例如，移液管、流体处置装置、操纵装置、其他自动化装置或机器人装置等)进行灭菌。非限制性技术包括热暴露(例如，高压灭菌)、表面消毒(例如，使用酒精、漂白剂或其他消毒剂)、照射、和/或暴露于消毒气体(例如，臭氧、过氧化氢等)，如在此描述的。在一些实施例中，使用适当的技术将培养基灭菌。非限制性技术包括热暴露(例如，高压灭菌)、抗微生物/抗病毒处理、过滤、和/或辐照。
在一些实施例中，细胞培养物的操纵是在无菌条件下进行的，例如在已经被消毒并且已经过滤空气以移除潜在污染物的环境中(例如，培殖器室内)进行。
在一些实施例中，细胞培养物在符合GMP的条件下生长并保持，包括那些包括使用符合GMP的培养基或符合GMP的液体处置设备的条件。在一些情况下，通过执行与标准操作程序(SOP)结合的方法而生长和保持细胞培养物。
在一些实施例中，可以监测和/或评估细胞培养物以检测污染。在一些实施例中，可以检测来自不同类型的生物体的细胞造成的污染。在一些实施例中，可以使用任何合适的技术检测支原体、细菌、酵母或病毒对哺乳动物细胞培养物的污染。在一些实施例中，细胞培养物污染可以通过测定是污染(例如，通过细菌或酵母)的特征、而不是在培养物中生长的细胞(例如，哺乳动物细胞)的特征的一种或多种培养物特性(例如，pH、浊度等)的变化或变化速率来检测。在一些实施例中，可以使用一种或多种分子检测测定法(例如，PCR、ELISA、RNA标记、或其他酶促技术)或基于细胞的测定法来检测污染(例如，支原体、细菌、酵母、病毒、或其他污染)。
在一些实施例中，可以监测和/或评估细胞培养物以检测被相似类型的细胞的污染(例如，被不同人类细胞或不同哺乳动物细胞污染的人类细胞系)。在一些实施例中，可以使用DNA测序或DNA指纹分析(例如，短串联重复STR指纹分析)、同工酶分析、人淋巴细胞抗原(HLA)分型、染色体分析、核型分析、细胞形态学、或其他技术来评估细胞培养物及其潜在的污染。
在一些实施例中，使用本文描述的培殖器或方法产生的细胞可以被冷冻以保存它们供以后使用和/或用于运输。在一些实施例中，将细胞在生长和/或分化之后并且在冷冻之前与冷冻保存成分混合。可以将冷冻保存成分添加至细胞培养器皿中，或可以将细胞与冷冻保存成分一起从细胞培养器皿转移至冷冻保存器皿中。可以包含在冷冻保存成分中的冷冻保护剂的非限制性实例包括DMSO、甘油、PEG、蔗糖、海藻糖、和右旋糖。在一些实施例中，可以提供冰箱作为培殖器的部件以利于冷冻从细胞培养物分离出的细胞。例如，一个或多个冷冻机可以位于内部室中和/或整合到培殖器柜中(例如，整合到培殖器柜的壁中)。
细胞培养培殖器：
在一些实施例中，本文件涉及用于在受控条件下(例如，在无菌和/或灭菌条件下)培养、操纵和/或监测细胞的培殖器和方法。在一些实施例中，细胞培养培殖器包括培殖器柜，所述培殖器柜具有用于在一个或多个细胞培养器皿中培殖细胞的内部室。在一些情况下，除了从转移室通向内部室的内部门之外，培殖器还包括从外部环境直接通向内部室的至少一个外部门(例如，1、2、3、4、或更多个外部门)，例如用于在培殖器未运行的时间段期间、例如培殖器维修期间提供到内部室的替代性通路。在一些实施例中，培殖器包括在内部室的用于储存一个或多个细胞培养器皿的储存位置。
如本文使用的，“培殖器柜”是壳体，所述壳体包括被配置成用于固持一个或多个细胞培养器皿的一个或多个室。在一些实施例中，培殖器柜包括转移室和内部室，其中之一或二者被配置成用于固持一个或多个细胞培养器皿。在一些实施例中，培殖器可以包括一个或多个其他元件，例如：一个或多个气体源(例如，气瓶或臭氧发生器)；管道(例如，用于传输一种或多种液体或气体，例如水、蒸馏水、去离子水、细胞培养基、空气、二氧化碳、臭氧以及氧气)；空气流动机构(例如，阀、释放阀、针孔、气体调节器、以及质量流量调节器)；压力机构(例如，泵，例如干式涡旋泵、旋转泵、动量传输泵、扩散泵、或隔膜泵；抽吸管道；真空系统；以及鼓风机)；环境监测器和控件(例如，气体传感器和/或监测器，用于感测和/或控制例如二氧化碳、氧气和臭氧等气体的浓度；热量源或散热片；温度监测器和控件；湿度监测器；气体洗涤器；空气过滤器；用于测量颗粒物质的器械；压力计；以及流量计)；门(例如，开口或面板)；窗(例如，由玻璃、塑料、复合材料、或其他基本上透明的材料制成的光学窗口，用于观察培殖器内部的区域)；端口(例如，以允许引入或去除一种或多种气体或液体)；光源(例如，灯、灯泡、激光器以及二极管)；光学元件(例如，显微镜物镜、反射镜、透镜、滤光器、孔口、波板、窗口、偏振器、光纤、分束器、以及合束器)；成像元件(例如，相机、条形码读取器)；电气元件(例如，电路、电缆、电源线、以及电源，如电池、发电机、以及直流或交流电源)；计算机；机械元件(例如，马达、轮子、齿轮、机器人元件、以及致动器，例如气动致动器、电磁致动器、具有凸轮的马达、压电致动器、以及带有导螺杆的马达)；以及控制元件(例如，转盘、按钮、键、扳机、开关、指针、螺钉、拨号盘、屏幕、以及触摸屏)。在一些实施例中，这些其他元件中的一个或多个是培殖器的一部分、但在培殖器柜的外部。在一些实施例中，这些其他元件中的一个或多个元件被包含在培殖器柜内。
在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜是矩形立方体形状的。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有在1ft2至16ft2范围内的矩形占地面积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有最大约为1ft2、2ft2、3ft2、4ft2、5ft2、6ft2、7ft2、8ft2、9ft2、10ft2、11ft2、12ft2、13ft2、14ft2、15ft2或16ft2的矩形占地面积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有在1ft3至100ft3范围内的总的室容积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有最大约为1ft3、5ft3、10ft3、25ft3、50ft3或100ft3的室容积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有在0.09m2至1.78m2范围内的矩形占地面积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有最大约为0.1m2、0.2m2、0.3m2、0.4m2、0.5m2、0.6m2、0.7m2、0.8m2、0.9m2、1.0m2、1.1m2、1.2m2、1.3m2、1.4m2、1.5m2、1.6m2或1.7m2的矩形占地面积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有在0.03m3至3m3范围内的总的室容积。在一些实施例中，本文提供的培殖器或培殖器柜具有最大约为0.03m3、0.1m3、0.3m3、1m3或3m3的室容积。
储存位置
如本文使用的，“储存位置”是指储存一个或多个细胞培养器皿的位置(例如，在培殖器柜内)。例如，一个或多个细胞培养器皿可以被储存在储存位置并且之后被转移到不同的位置(例如，成像位置)。储存位置可以被布置在培殖器柜的内部室中。储存位置可以被配置成用于储存多个细胞培养器皿。例如，储存位置可以包括一个或多个储存阵列、支架、搁架、鸽子洞、立方体、托盘、槽缝、或其他位置或机构。在一些实施例中，储存位置可以被配置成用于水平地储存细胞培养器皿，而在其他实施例中储存位置可以被配置成用于竖直地储存细胞培养器皿。例如，储存位置可以包括多个槽缝，以用于接纳彼此竖直堆叠的细胞培养器皿。储存位置可以被配置成用于固持1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、100个、或任何其他数目的细胞培养器皿。在一些实施例中，储存位置可以被配置成用于固持多于100个细胞培养器皿。在一些实施例中，储存位置可以包括用于使一个或多个储存阵列、支架、搁架、鸽子洞、立方体、托盘、槽缝、或其他位置或机构移动的机构。例如，储存位置可以包括一个或多个马达和可移动载物台(例如，xy或xyz载物台)，以用于将储存支架从内部室内的一个位置移动至内部室内的另一个位置，例如，以利于触及被储存在不同位置中的一个或多个细胞培养器皿。在一些实施例中，所述培殖器柜可以包括用于移动一个或多个细胞培养器皿的一个或多个细胞培养器皿转移装置。
储存位置可以被配置成牢固地固持或接纳一个或多个细胞培养器皿。例如，储存位置的一个或多个部件可以包括一个或多个锁定机构，所述锁定机构具有一个或多个粘性、磁性、电气和/或机械部件(例如，卡扣、紧固件、锁、扣、垫圈、O形环、隔膜、弹簧、以及其他接合构件)。在一些实施例中，储存位置和/或细胞培养器皿可以包括一个或多个凹槽或凹陷、和/或可以涉及模制的塑料件。例如，细胞培养器皿可以包括一个或多个突起的特征(例如，边沿或钮状物)，所述特征被模制成用于插入在储存位置处的一个或多个对应的凹槽、孔洞、或凹陷中。在一些情况下，细胞培养器皿可以包括一个或多个凹槽、孔洞、或凹陷，其被模制成与储存位置处的一个或多个对应的突起的特征相配合。
如本文使用的，“基准标记”是指利于一个或多个部件对齐的特征。在一些实施例中，基准标记可以包括在荧光介质、或印刷或压印的荧光材料上的一个或多个孔洞孔口。在其他实施例中，基准标记可以包括网格、线、或符号。在一些实施例中，一个或多个细胞培养器皿包括一个或多个基准标记，以利于一个或多个细胞培养器皿与成像器对齐。
材料
在一些实施例中，培殖器柜是单层壁的。在一些实施例中，培殖器是双层壁的。在一些实施例中，在培殖器柜的双层壁之间提供隔热材料，以控制来自所述培殖器柜的热损失并且利于所述培殖器柜中的温度控制。在一些实施例中，培殖器柜的外壁包括金属片材，例如14-20号规格的冷轧钢。在一些实施例中，培殖器柜的内壁(例如，室表面)包括电抛光的不锈钢。在一些实施例中，培殖器柜的内壁(例如，室表面)包括耐腐蚀材料，例如钛、钴-铬、钽、铂、锆、铌、不锈钢、及其合金。然而，在一些实施例中，培殖器柜的室表面包括聚合物材料例如聚四氟乙烯(PTFE)、或者以商品名Parylene获知的聚合物材料。在一些实施例中，室表面可以具有抗微生物特性，例如结合到聚合物表面涂层中的铜或银或抗微生物复合物。
监测装备
在一些实施例中，培殖器内的环境是由控制系统控制的，所述控制系统可以被配置成用于控制培殖器内部(例如，在一个或多个内部室中)的温度、湿度、二氧化碳、氧气和其他气态组分(例如，诸如臭氧和过氧化氢的灭菌气体)。在一些实施例中，控制系统分别地控制每个内部室内的环境条件(例如，温度、湿度、二氧化碳、氧气和其他气态组分)。例如，为了保护敏感的机械、电子和光学部件，可以将内部室的湿度保持在比具有储存位置的内部室更低的水平。在一些实施例中，培殖器进一步配备有具有预限定传感器的监测系统。监测装置的实例包括但不限于：氧气监测器、二氧化碳监测器、臭氧气体检测器、过氧化氢监测器、以及多气体监测器。例如，在一些实施例中，培殖器有利地包括响应于与细胞生长有关的不同参数的多个传感器，所述参数可以包括温度、空气纯度、污染物水平、pH、湿度、N2、CO2、O2和光。借助于此监测系统，可以使用传感器持续培养或过程的持续时间地测量培殖器中的参数。在一些实施例中，由传感器测得的参数被监测系统经由线路传输至计算机控制的监测与控制系统，以进行如本文别处所讨论的进一步处理。
在一些实施例中，可以将环境监测系统与本文描述的培殖器结合使用。在一些实施例中，可以将提供对系统的温度、空气成分(例如，CO2浓度、O2浓度等)和/或湿度的测量的一个或多个传感器与培殖器相关联(例如，装配在培殖器柜内)。在一些实施例中，可以将一个或多个这样的传感器作为培殖器的一部分并入(例如，附接至、集成至、或以其他方式连接至培殖器的内部壁或门上)。在一些情况下，可以将一个或多个传感器定位在培殖器柜外部或内部的任何适合的位置(例如，在转移室和/或内部室内，例如附接至内部壁上、和/或内部上或下表面上)。
在一些实施例中，提供了气体传感器，所述气体传感器可以以百分之几、百万分之几或任何其他标准单位提供与所述传感器接触的气体(例如，柜中的气体、或环境空气)的浓度的实时读数。用于在本文提供的方法和培殖器中使用的气体传感器包括CO2传感器、O2传感器、N2传感器、臭氧气体检测器、过氧化氢监测器、多气体监测器、以及CO传感器。这样的传感器可以从多个商业来源获得。在一些情况下，可以基于由本文描述的传感器提供的信息来调节或控制培殖器的环境。例如，可以基于来自CO2传感器的对于在培殖器中存在低于所希望浓度CO2的指示来增加培殖器中的CO2水平。
在一些实施例中，可以将一个或多个加热或冷却元件并入培殖器中(例如，柜或门的内表面上、和/或整合在其中一个或多个壁中和/或柜的底座中)，以用于控制培殖器内的温度的目的。在一些实施例中，可以使用加热元件来解冻液体，例如细胞培养基或其他试剂。在一些实施例中，将一个或多个空气或氧气源、碳过滤器和/或一个或多个加湿或除湿系统连接至培殖器，并将其配置成用于控制培殖器内的氧气、二氧化碳和/或湿度的水平(例如，响应于来自在培殖器中或附接至培殖器上的一个或多个传感器的信号)。
在一些实施例中，培殖器可以包括一个或多个光源(例如，白炽灯泡、LED、UV或其他光源)。这些光源可以被置于培殖器内以照亮所述柜内的区域。在一些实施例中，使用可以被放置在培殖器内或外部的相机或其他光敏装置来监测培养系统的运行。在实施例中，光源是灭菌光源。例如，可以将UV灯定位在本文提供的培殖器的转移室和/或内部室内部。
在一些实施例中，培殖器包括透明物体(例如，窗口)，该透明物体允许来自培殖器内的可见光或其他光波长被放在培殖器外部的相机或其他光敏装置检测到。在一些实施例中，可以擦拭该透明物体的内表面(例如，从柜的内部)以防止或去除可能积聚在该内表面上的并且干扰系统的监测的凝结液滴(例如，由于培殖器内部的潮湿空气)。在一些实施例中，可以用被控制器自动控制的擦拭件来擦拭所述表面。门
如本文使用的，“门”是在被打开时允许在两个或更多个环境或区域之间实现连通、并且在被关闭时阻止这两个或更多个环境或区域之间的连通的元件。门可以为任何类型，例如滑动门、隐藏门、摆动门、铰接门、回转门、枢转门、或折叠门。门可以是手动、机械或电动运行的。例如，操作者可以通过手动地抓、拉、推和/或以其他方式与门或其元件(例如，把手)相互作用、或通过操作机械控制件(例如，按钮、扳机、转盘、键、开关、指针、螺钉、拨号盘、屏幕、或触摸屏)来打开或关闭门。在某些实施例中，门可以被电气或数字控制件、例如被计算机控制。门可以是自动打开的门。例如，门可以包括传感器，例如压力、红外、运动或远程传感器，所述传感器检测门是打开还是关闭的和/或控制所述门何时打开或关闭。门可以通过机械、气动、电气或其他方式打开。在一些实施例中，一个或多个门可以包括一个或多个锁定机构。在具体环境中，一个或多个门可以包括一个或多个互锁件(例如，机械互锁件，例如销、杆或锁；或电气互锁件，例如开关)以防止一个或多个门在不希望的时刻(例如，当一个或多个室通向外部环境时)打开。
密封件
在一些实施例中，培殖器(例如，培殖器柜的内部室和/或转移室)包括一个或多个窗口和/或门，其在关闭时被密封以维护无菌性(例如，在培殖器的一个或多个室已被灭菌之后)。在一些实施例中，培殖器的每个密封件都是不漏空气的，达到阈值压力水平(例如，最高达1atm)。在一些实施例中，提供垫圈来确保所希望水平的密封能力。总体上，“垫圈”被理解为填充两个物体之间的空间的机械密封件，一般是用于在处于压缩下时防止这两个物体之间的泄漏。垫圈通常是通过从例如垫圈纸、橡胶、硅酮、金属、软木、毡、氯丁橡胶、丁腈橡胶、玻璃纤维或塑料聚合物(如聚三氟氯乙烯)的片材材料切割而成。通常希望的是，垫圈是由提供某种程度屈服的材料制成，使得其能够变形并且紧密地填充其被设计用于的空间(包括任何轻微的不规则性在内)。在一些实施例中，垫圈可以与直接对垫圈表面施加的密封剂一起使用，以恰当地起作用。在一些实施例中，垫圈材料可以是不与二氧化碳或臭氧反应的闭孔氯丁橡胶泡沫。
转移装置
如本文使用的，“用于移动一个或多个物品的转移装置”是指能够将一个或多个物品从第一位置转移到第二位置的装置。在一些实施例中，所述一个或多个物品是一个或多个细胞培养器皿。在其他实施例中，所述一个或多个物品是对于维持一个或多个细胞培养器皿有用的并且包括但不限于移液管、毛细管、液体(例如，细胞培养基)、营养素、和其他材料。在某些实施例中，转移装置可以将一个或多个物品从培殖器中的多个位置转移或转移至这些位置。例如，可以使用转移装置将移液管移动到内部室中的保持位置，以便保持一个或多个细胞培养器皿。在一些实施例中，培殖器包括用于移动一个或多个物品的多于一个转移装置(例如，用于在室之间和在其之内转移物品的两个或更多个分开的转移装置)。
转移装置可以包括一个或多个元件，例如阀(例如，电磁阀或气动阀)、齿轮、马达(例如，电动马达或步进马达)、载物台(例如，xy或xyz载物台)、活塞、制动器、线缆、滚珠丝杠组件、齿条小齿轮安排、抓取件、臂、枢转点、联结器、平移元件、或其他机械或电气元件。在一些实施例中，转移装置可以包括一个或多个机器人元件。例如，转移装置可以包括能够抓取、提升、推动、抓紧、滑动、旋转、平移、释放、升高、降低、和/或倾斜一个或多个物品(例如，移液管)的机器人臂。在优选实施例中，转移装置选择性地且可释放地抓取一个或多个移液管。在某些实施例中，转移装置可以包括联接至机械抓取器上的臂。例如，臂可以在一端处或附近包括用于可释放地抓取移液管的机械抓取器并且在另一端处或附近牢固地联接至培殖器的表面或元件上。在一些实施例中，机器人臂包括沿着所述臂的枢转点(在所述枢转点处，所述机械抓取器联接至所述臂上)以及一个或多个枢转和/或平移关节，以允许所述臂的一部分灵活地旋转和平移。以这种方式，机器人臂可以触及培殖器内(例如，在内部室的储存阵列内)在不同的水平和竖直位置处的一个或多个物品。
如本文使用的，“细胞培养器皿转移装置”是指可以将一个或多个细胞培养器皿从第一位置转移至第二位置的装置。在某些实施例中，转移装置可以将一个或多个物品从培殖器中的多个位置转移或转移至这些位置。例如，细胞培养器皿转移装置可以用于将细胞培养器皿从转移室移动至内部室、和/或从储存位置移动至成像位置。在一些实施例中，培殖器包括用于移动一个或多个物品的多于一个的转移装置(例如，用于在室之间和其之内转移物品的分开的装置)。细胞培养器皿转移装置可以包括一个或多个元件，例如阀(例如，电磁阀或气动阀)、齿轮、马达(例如，电动马达或步进马达)、载物台(例如，xy或xyz载物台)、活塞、制动器、线缆、滚珠丝杠组件、齿条小齿轮安排、抓取件、臂、枢转点、联结器、平移元件、或其他机械或电气元件。在一些实施例中，细胞培养器皿转移装置可以包括一个或多个机器人元件。例如，细胞培养器皿转移装置可以包括能够抓取、提升、推动、抓紧、滑动、旋转、平移、释放、升高、降低、和/或倾斜一个或多个细胞培养器皿的机器人臂。在优选实施例中，细胞培养器皿转移装置选择性地且可释放地抓取一个或多个细胞培养器皿。在某些实施例中，细胞培养器皿转移装置可以包括联接至机械抓取器上的臂。例如，臂可以在一端处或附近包括用于可释放地抓取细胞培养器皿的机械抓取器，所述臂在另一端处或附近牢固地联接至培殖器的表面或元件上。在一些实施例中，机器人臂包括沿着所述臂的枢转点(在所述枢转点处，所述机械抓取器联接至所述臂上)以及一个或多个枢转和/或平移关节，以允许所述臂的一部分灵活地旋转和平移。以这种方式，机器人臂可以触及培殖器内(例如，在内部室的储存阵列内)在不同的水平和竖直位置处的一个或多个细胞培养器皿。
在一些实施例中，转移装置包括机器人臂。在一些实施例中，所述机器人臂包括在培殖器柜内的平台，所述平台可以沿着轨道或传送机移动，所述轨道或传送机沿着培殖器柜的内表面(例如，内壁、底座等)朝不同方向延伸。在一些实施例中，培殖器柜可以配置有多于一个(例如，2、3、4、或5、或更多个)机器人臂，以增加所述器械的通过量并且在机器人臂之一失效的事件中提供冗余性。
在一些实施例中，转移装置还可以包括联接至机器人臂上的抓取器组件。在一些实施例中，所述抓取器组件包括安装在机器人臂的末端上或在所述末端附近的一个或多个抓取器，每个抓取器包括两个或更多个(例如，3、4、5、或更多个)抓取指形件。在一些实施例中，机器人臂上的抓取指形件中的每个抓取指形件具有凹槽、摩擦板、橡胶垫、或其他抓取表面。所述抓取表面可以允许这些指形件在所述柜内抓取和输送多种不同类型的容器(例如，培养器皿)。在一些实施例中，所述机器人臂可以具有绝对编码器，所述绝对编码器联接至所述抓取器组件、所述平台上、或所述抓取器组件、所述平台中的每一者一个单独的绝对编码器，以便确定所述机器人臂是否处于可以安全归位(例如，返回至停放或储存构型和/或位置或操作坐标系的原点)而不撞到障碍物的位置。
在一些实施例中，因为在某些情形下可能希望机器人臂的伸展范围不延伸至培殖器柜的一些区域，因此机器人臂可以通过向穿梭机或传送带插入容器或移除容器而到达这些位置，所述穿梭机或传送带是例如位于培殖器柜底板或其他表面上、沿着轴线(例如，x轴线、y轴线)移动并且提供对所述机器人臂不能到达的位置中的一些位置的通路。
在一些实施例中，培殖器柜被设计成与外部测定或实验室自动化系统结合使用。例如，在一些实施例中，培殖器柜可以具有门，所述门具有开口，所述开口足够大而允许抓取臂枢转到培殖器柜外部，使这些指形件充分伸展以便将在实验室自动化系统的输送线路与培殖器柜之间、或在外部测定部件与培殖器柜之间输送培养器皿或其他容器或部件。
在一些实施例中，机器人臂被设计用于携带(除其他之外)培养器皿，在此情况下，机器人臂的移动被控制成防止此类器皿颠簸或加速、或可能造成样本从器皿中溅出的其他移动。在一些实施例中，机器人臂被设计成用于携带(除其他之外)培养器皿，在此情况下，机器人臂的移动被控制成防止此类器皿以导致新加到平板上的细胞在所述培养器皿的特定区域中聚集/集中的方式移动。
在一些实施例中，因为机器人臂在培殖器柜中的特定位置之间输送器皿或其他容器，所以机器人臂、或培殖器的其他部件可以被设计成用于精确地跟踪器皿或其他容器所处的位置。在一些情况下，在可以与机器人臂一起使用的培殖器柜中，可能有一些区域是例如培殖器柜的其他部件或培殖器柜的壁所在的地方，并且因此是机器人臂的某些移动可能受到限制的地方。在这些情况下，可以针对这些臂的不同马达中的每一个马达(例如，x马达、θ马达和z马达)使用归位机构，以便在机器人臂被上电之后、或者如果机器人臂与另一个物体碰撞的话在恢复运行之前将机器人臂恰当地定位至已知位置。
在一些实施例中，将不间断电源(“UPS”)附接至培殖器柜上或其内部、或者包含在培殖器柜中，以允许有序关闭培殖器的操作，包括保存多种不同自动化和样本信息以及完成正在进行的任何输送或转移过程(例如，将机器人手臂正携带的容器或器皿输送至其目的地)。可以通过可听信号、视觉信号、电子信号(例如，电子邮件或文本消息)或以某种其他方式来警示操作者存在未经授权的打开培殖器。在一些实施例中，提供传感器或其他特征来检测培殖器的一个或多个门何时被打开(例如，培殖器柜的门、例如外部或内部门何时被打开)。这样的特征是有用的，因为它们允许操作者保持跟踪或被警示可能危害无菌性、破坏生产、损害测定或实验等的任何对培殖器(例如，培殖器柜)的未经计划或未经授权的打开。在一些实施例中，将射频信标或其他信号源定位在培殖器内(例如，在培殖器柜内)，其可以用于确定培殖器柜内的一个或多个装置的位置(例如，具有传感器的装置，该装置可以检测信号并使用该信号来确定其位置)。在一些实施例中，这些装置可以具有信号源，并且所述传感器可以位于培殖器柜的其中一个或多个室内部(例如，位于内部室的内部表面上)。
在一些实施例中，可以使用光信号或激光(例如，激光信号的网格)来确定培殖器柜内的一个或多个装置或部件的位置。这样的信息可以被例如有线或无线地传送至外部计算机或监测站。所述信息可以用于控制转移装置、例如机器人臂在培殖器柜内的操作，以确保转移装置可以在培殖器柜内适当地抓住、操纵、或操控装置或物品。
在一些实施例中，在容器或器皿被放入培殖器柜中之前，使用者可以基于正被插入培殖器柜中的具体容器、器皿、配料或细胞来选择自动化系统方案。与培殖器和/或一个或多个培殖器部件、以及正在生长的细胞有关的相关信息可以被输入数据系统中。例如，可以将一个或多个标识符、例如条形码(例如，1D或2D条形码)放在容器或器皿上，可以指明其他重要信息，例如，其他容器类型、容器的内容物、将对容器中的样本执行什么测定或操纵。在一些实施例中，与培殖器系统和/或细胞有关的信息可以被包含在一个或多个条形码中、在单独的数据系统上、或其组合形式上。使用者还可以输入识别器皿或其他容器的维度(例如，高度、直径)的信息，或者所述系统自身可以确定、测量所述器皿或其他容器的高度。使用此信息，例如当分析模块准备好对在器皿中生长的细胞执行测定或其他操纵时、或已经完成了执行测定或操纵时，可以请求机器人臂输送特定容器。
计算机和控制设备
本文提供的培殖器包括若干部件，包括传感器、环境控制系统、机器人等，这些部件可以在计算机、处理器、微控制器或其他控制器的方向上一起工作。这些部件可以包括例如：转移装置(例如，机器人臂)、液体处置装置、用于将培养器皿或其他部件递送至培殖器柜或从培殖器柜中递送出来的递送系统、用于控制培殖器柜的温度和其他环境方面的环境控制系统、门操作系统、成像或检测系统、以及细胞培养测定系统。
在一些情况下，诸如对细胞培养培殖器和/或本文提供的或与之接口连接的部件的控制操作等的操作可以使用硬件、软件或其组合来实施。当在软件中实施时，可以在任何适合的处理器或处理器集合上执行软件代码，无论其是提供在单一部件中还是分布在多个部件之间。这样的处理器可以被实施为集成电路，其中在集成电路部件中具有一个或多个处理器。可以使用处于任何适当的格式的电路系统来实现处理器。
计算机可以以多种形式中的任一种形式来实现，例如机架式计算机、台式计算机、膝上型计算机、或平板计算机。此外，计算机可以被嵌入通常不被视为计算机但具有适当处理能力的装置中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其他适合的便携式、移动式或固定式电子装置，包括培殖器本身。
在一些情况下，计算机可以具有一个或多个输入装置和输出装置。这些装置可以尤其用于呈现用户界面。可以用于提供用户界面的输出装置的实例包括用于视觉呈现输出的打印机或显示屏、以及用于对输出进行可听呈现的扬声器或其他声音生成装置。可以用于用户界面的输入装置的实例包括键盘和指点装置，诸如鼠标、触摸板、以及数字化写字板。在其他实例中，计算机可以通过语音识别或以其他可听格式、通过可见手势、通过触觉输入(例如，包括振动、触觉和/或其他力)或其任何组合来接收输入信息。
一个或多个计算机可以通过一个或多个网络以任何合适的形式互连，包括作为局域网或广域网，诸如企业网络或因特网。这样的网络可以基于任何合适的技术、并且可以根据任何合适的协议来运行并且可以包括无线网络、有线网络或者光纤网络。
本文概述的这些不同的方法或过程可以被编码为在采用各种各样操作系统或平台中的任何一者的一个或多个处理器上可执行的软件。这样的软件可以使用多种合适的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一种来编写、并且可以被编译为在架构或虚拟机上执行的可执行的机器语言代码或中间代码。
用于控制本文提供的方法或过程的一种或多种算法可以被实施为可读存储介质(或多个可读介质)(例如，计算机存储器、一个或多个软盘、光盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带、闪存、现场可编程门阵列或其他半导体设备中的电路配置、或其他有形存储介质)，该可读存储介质编码有一个或多个程序，所述程序在一个或多个计算机或其他处理器上执行时执行用于实施本文描述的这些不同方法或过程的方法。
在一些实施例中，计算机可读存储介质可以将信息保留足够的时间以提供非暂态形式的计算机可执行指令。这样的一个或多个计算机可读存储介质可以是可运输的，使得其上存储的一个或多个程序可以被加载到一个或多个不同的计算机或其他处理器上，以实现本文描述的方法或过程的不同方面。如本文使用的，术语“计算机可读储存介质”仅涵盖可以被认为是制造物(例如，制造品)或机器的计算机可读介质。替代或另外地，本文描述的方法或过程可以被实施为除计算机可读存储介质之外的计算机可读介质，诸如传播信号。
术语“程序”或“软件”在本文是以一般意义使用的，是指可以被采用来对计算机或其他处理器编程以实施本文描述的方法或过程的不同方面的任何类型的代码或可执行指令集。此外，应了解的是，根据这个实施例的一个方面，在被执行时实施本文描述的方法或过程的一个或多个程序不需要位于单一计算机或处理器上、而是可以以模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器中来执行不同的程序或操作。
可执行指令可以呈由一个或多个计算机或其他装置执行的许多形式，例如程序模块。一般而言，程序模块包括执行具体任务或实现具体抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。典型地，程序模块的功能性可以根据需要在不同的实施例中组合或分配。
而且，数据结构可以以任何合适的形式存储在计算机可读介质中。数据存储的非限制性实例包括结构化、非结构化、本地化、分布式、短期和/或长期的存储。可以用于传送数据的协议的非限制性实例包括专有和/或工业标准协议(例如，HTTP、HTML、XML、JSON、SQL、web服务、文本、电子表格等、或其任何组合)。为了简化说明，可以将数据结构示出为具有通过数据结构中的位置而相关的字段。这样的关系同样可以通过为字段指定在计算机可读介质中的储存位置来实现，这些位置传达字段之间的关系。然而，可以使用任何合适的机制来建立数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用指针、标签、或建立数据元素之间的关系的其他机制。
在一些实施例中，可以从与培殖器相关联的一个或多个传感器(例如，位于培殖器柜内、或位于培殖器内但在培殖器柜外部)获得与培殖器的操作有关的信息(例如，温度、湿度、气体成分、图像、细胞培养条件等、或其任何组合)，并且所述信息可以被存储在计算机可读介质中以提供关于细胞培养培殖期间的条件的信息。在一些实施例中，可读介质包括数据库。在一些实施例中，所述数据库包含来自单一培殖器的数据。在一些实施例中，所述数据库包含来自多个培殖器的数据。在一些实施例中，数据以使其防篡改的方式被存储。在一些实施例中，所述器械(例如，培殖器)生成的所有数据都被存储。在一些实施例中，存储数据子集。
在一些实施例中，所述部件(例如，计算机)控制在培殖器内部执行的多个不同过程。例如，计算机可以直接控制设备(例如，操纵器、成像器、流体处置系统等)。在一些实施例中，计算机控制对细胞培养物的成像、细胞拾取、细胞去除(例如，细胞丛去除)、细胞培养条件监测、细胞培养条件的调整、对培殖器内的细胞培养器皿移动的跟踪、和/或对先前过程的规划。
细胞测定
在某些实施例中，本文提供的培殖器被配置成允许在培殖器柜内或在可操作地连接至培殖器柜上的室(例如，作为培殖器的一部分的单独测定室)内进行一个或多个测定。在一些实施例中，本文提供的培殖器被配置成允许执行细胞计数测定、复制标记测定、细胞膜完整性测定、基于细胞ATP的生存力测定、线粒体还原酶活性测定、半胱天冬酶活性测定、膜联蛋白V染色测定、DNA含量测定、DNA降解测定、核碎裂测定、或其组合。其他示例性测定包括BrdU、EdU、或H3-胸苷掺入测定；使用核酸染料如Hoechst染料、DAPI、放线菌素D、7-氨基放线菌素D、或碘化丙啶的DNA含量测定；细胞代谢测定，如AlamarBlue、MTT、XTT、和CellTitre Glo；核碎裂测定；胞质组蛋白相关DNA碎裂测定；PARP裂解测定；以及TUNEL染色测定。
在一些实施例中，本文提供的培殖器被配置为允许细胞的数字识别和标记。例如，一个细胞或多个细胞可以在本文所述的培殖器中培养并通过荧光显微术成像，以数字地标记(例如，通过连接到培殖器上的具有成像软件的计算机)一个或多个相关(例如，对荧光呈阳性的细胞)的细胞(例如细胞群)。被标记的细胞的位置可以存储在计算机的存储器上，并可以在以后的时间点被访问。细胞群的数字标记可以允许被标记的细胞随后被观察或操纵。随后的观察和/或操纵可以在细胞被数字地标记的相同位置(例如，成像位置)处、或者在远离细胞被数字地标记的位置的位置处执行(例如，不是成像位置的操纵位置)。在一些情况下，通过经由一个或多个基准标记将容纳所述细胞的细胞培养器皿与成像器对准，可以有利于一个或多个细胞的数字标记。在一些实施例中，如本文所述的培殖器包括多个工作站(例如，1或2或3或4或5或更多个工作站)，其中每个工作站被配置为允许细胞的数字识别和标记。
在某些实施例中，本文提供的培殖器被配置成允许在培殖器柜内实现高通量筛选(HTS)。在一些实施例中，HTS是指每天测试最多达并包括100,000个复合物。在一些实施例中，可以以多孔格式(例如，96孔、384孔格式、或1,536孔格式)进行筛选测定、并且可以使用自动化方案进行。在这样的高通量测定中，有可能在一天内筛选几千种不同的复合物或成分。具体而言，微量滴定板的每个孔都可以用于对选定的测试复合物进行单独的测定，或者如果要观察浓度或培殖时间效应，则多个孔可以包含单一复合物的测试样本。有可能每天测定许多平板；使用这些测定可以针对最多约为6,000、20,000、50,000或超过100,000种不同复合物进行测定筛选。通常，本文披露的测定的HTS实施方式涉及使用自动化。在一些实施例中，包括一个或多个机器人臂的一体式机器人系统在多个测定站之间输送测定微平板以用于复合物、细胞和/或试剂的添加、混合、培殖、以及最终的读出或检测。在一些方面，HTS测定可以包括同时准备、培殖和分析许多平板，从而进一步加速数据收集过程。
在一些实施例中，测定可以包括测试细胞、对照细胞和一种或多种测试复合物，例如10、100、1000、10,000或更多种测试复合物。细胞和测试试剂可以以适于评估所述一种或多种测试复合物对细胞的作用的方式安排在一个或多个器皿中。这些测定可以在本文描述一个或多个培殖器的一个或多个培殖器柜中进行。典型地，这些器皿包含适合的组织培养基，并且这些测试复合物存在于组织培养基中并且可以以自动化方式被递送至本文提供的培殖器的培殖器柜内的培养基。可以选择适合于培养特定细胞类型的培养基来使用。在一些实施例中，培养基不含或基本上不含血清或组织提取物，而在其他实施例中，存在这样的组分。在一些实施例中，在塑料或玻璃表面上培养细胞。
虽然本文已经描述和展示了本发明的若干实施例，但是本领域普通技术人员会容易设想到多种多样其他的装置和/或结构来执行本文描述的功能、和/或获得结果和/或其中一个或多个优点，并且这样的改变和/或修改中的每一者都被认为落入本发明的范围之内。更广义地，本领域技术人员会容易认识到，本文描述的所有的参数、尺寸、材料、和构型意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料、和/或构型将取决于使用本发明的传授内容的这个或这些具体应用。本领域的技术人员仅仅使用常规实验就将认识到或能够确认本文描述的发明的具体实施例的许多等效物。因此，应理解的是，前述实施例仅是通过举例来呈现的，并且在所附权利要求及其等效物的范围内，本发明可以与具体描述和要求保护的方式不同地进行实践。本发明涉及本文描述的每一单独的特征、系统、物品、材料、和/或方法。此外，如果此类特征、系统、物品、材料、和/或方法并不相互矛盾，则两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、和/或方法的任何组合被包含在本发明的范围之内。
如本文在说明书中使用的，不定冠词“一种”和“一个”除非明确地作相反指示，否则应当理解为是指“至少一个”。
如本文在说明书中以及在权利要求中使用的，短语“和/或”应理解为是指要素“之一或两者”如此联合，即，多个要素在一些情况下共同存在并且在其他情况下分开存在。除了通过“和/或”项具体指明的要素之外可以任选地存在其他要素，而无论与具体指明的那些要素相关或无关，除非明确地作相反指示。因此，作为非限制性实例，当结合例如“包括”的开放式语言使用时，在一个实施例中提及“A和/或B”可以指有A而没有B(可选地包含除了B之外的要素)、在另一实施例中可以指有B而没有A(可选地包含除了A之外的要素)、在又一实施例中可以指有A和B两者(可选地包含其他要素)等等。
如本文在说明书中和权利要求中使用的，“或”应理解为具有与上文定义的“和/或”相同的含义。例如，当在列表中划分多个项时，“或”或“和/或”应解释为包容性的，例如，包含多个要素或要素列表中的至少一个要素，但也包含一个以上的要素，并且可选地包含额外的未列出的项。只有清楚地作出相反指示的术语，例如“仅一个”或“确切一个”或在权利要求中使用时为“由……组成”，是指包含多个要素或要素列表中的确切一个要素。一般来说，当之前有排他性术语、如“任一个”、“之一”、“……中的仅一个”、或“……中的确切一个”时，本文使用的术语“或”应当仅被解释为指示排他性的替代项(例如，“一个或另一个但非两者”)。当在权利要求中使用时，“基本上由……组成”应具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如本文在说明书中和权利要求中使用的，参引一个或多个要素的列表的短语“至少一个”应理解为是指选自所述要素列表中的任意一个或多个要素中的至少一个要素，但不一定包含所述要素列表内具体列出的各个和所有要素中的至少一个要素，并且不排除所述要素列表中的要素的任何组合。这个定义还允许可以可选地存在除了短语“至少一个”所指的、在要素列表中明确指明的要素之外的要素，无论是与明确指明的那些要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一者”(或等效地“A或B中的至少一者”，或等效地“A和/或B中的至少一者”)在一个实施例中可以指代至少一个(可选地包含一个以上的)A，而B不存在(并且可选地包含除了B之外的要素)；在另一实施例中可以指代至少一个(可选地包含一个以上的)B，而A不存在(并且可选地包含除了A之外的要素)；在又一实施例中可以指代至少一个(可选地包含一个以上的)A、以及至少一个(可选地包含一个以上的)B(并且可选地包含其他要素)等等。
在权利要求以及上面的说明书中，诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“具备”等的所有过渡性短语应被理解为是开放式的，例如意思是“包括但不限于”。如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节所述，只有过渡性短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡性短语。
在权利要求中使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等顺序术语来修饰权利要求要素本身并不意味着一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先级、在先、或顺序，或方法的动作被执行的时间顺序，而是仅被用作标记，以将具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但是使用了顺序术语)进行区分从而区分这些权利要求要素。
还应理解的是，除非明确地作相反指示，否则在本文所要求保护的包括多于一个步骤或动作的任何方法中，所述方法的步骤或动作的顺序不一定限于所述方法的步骤或动作被叙述的顺序。

Claims (29)

1.一种细胞培养培殖器，包括：
培殖器柜，所述培殖器柜包括用于在一个或多个细胞培养器皿中培殖细胞的内部室；
包括第一成像位置的全息成像器，所述全息成像器被配置成用于当所述一个或多个细胞培养器皿位于所述第一成像位置时对所述内部室内部的所述细胞进行成像；
在所述内部室内部的储存位置，用于存储所述一个或多个细胞培养器皿；
细胞培养器皿转移装置，用于将所述一个或多个细胞培养器皿从所述第一成像位置移动到所述储存位置或从所述储存位置移动到所述第一成像位置；以及
装置控制器，其用于控制所述细胞培养器皿转移装置和所述成像器，并且被配置成用于处理图像信息和基于经处理的图像信息产生控制信号，当环境条件发生了变化时，其中所述控制器被配置成用于在培养期间获得细胞图像三维栈以进行分析，其中在所述图像三维栈中的图像在不同焦平面上，其中所述控制器被配置成用于通过从不同焦平面将子图像拼接在一起来创建完整图像。
2.如权利要求1所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于使用被动自动对焦来选择焦平面，而无机械移动。
3.如权利要求1或2所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于分析悬浮液中的细胞之间的形状变化，以补偿由于在悬浮液中细胞移动而产生的散焦效应。
4.如权利要求1-3中任一项所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于记录干涉图案以重构用于用数值重构算法进行分析的图像。
5.如权利要求4所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于将干涉图案数字化为具有8位或更高灰度分辨率的二维整数数组。
6.如权利要求4或5所述的培殖器，其中所述控制器包括计算机。
7.如权利要求1-6中任一项所述的培殖器，其中所述一个或多个细胞培养器皿包括一个或多个基准标记，以有助于所述一个或多个细胞培养器皿与所述全息成像器的对准。
8.如权利要求1-7中任一项所述的培殖器，还包括包括第二成像位置的第二成像器，所述第二成像器被配置成用于当所述一个或多个细胞培养器皿位于所述第二成像位置时对所述内部室内部的所述细胞进行成像。
9.如权利要求8所述的培殖器，其中所述第二成像器是显微镜。
10.如权利要求8或9所述的培殖器，其中所述细胞培养器皿转移装置被配置成用于将所述一个或多个细胞培养器皿从所述第一成像位置移动到所述第二成像位置或从所述第二成像位置移动到所述第一成像位置。
11.如权利要求10所述的培殖器，被配置成使得当一个或多个细胞培养器皿从所述第一成像位置移动到所述第二成像位置或从所述第二成像位置移动到所述第一成像位置时，在所述第一成像位置处的成像场和在所述第二成像位置处的成像场基本上对齐。
12.一种细胞培养培殖器，包括：
培殖器柜，所述培殖器柜包括用于在一个或多个细胞培养器皿中培殖细胞的内部室；
细胞培养器皿转移装置，用于在所述内部室内部移动所述一个或多个细胞培养器皿；
在所述内部室内部的储存位置，用于存储所述一个或多个细胞培养器皿；
相衬成像器；
第二成像器；以及
装置控制器，其用于控制所述细胞培养器皿转移装置和所述成像器，并且被配置成用于处理图像信息和基于经处理的图像信息产生控制信号，当环境条件发生了变化时，其中所述控制器被配置成用于在培养期间获得细胞图像三维栈以进行分析，其中在所述图像三维栈中的图像在不同焦平面上，其中所述控制器被配置成用于通过从不同焦平面将子图像拼接在一起来创建完整图像，
其中所述相衬成像器和所述第二成像器被配置成用于对所述内部室内部的所述细胞进行成像。
13.如权利要求12所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于将干涉图案数字化为具有8位或更高灰度分辨率的二维整数数组。
14.如权利要求12或13所述的培殖器，其中所述相衬成像器的成像场和所述第二成像器的成像场是基本上对齐的。
15.如权利要求12-14中任一项所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于使用被动自动对焦来选择焦平面，而无机械移动。
16.如权利要求15所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于记录干涉图案以重构用于用数值重构算法进行分析的图像。
17.如权利要求12-16中任一项所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于分析悬浮液中的细胞之间的形状变化，以补偿由于在悬浮液中细胞移动而产生的散焦效应。
18.如权利要求17所述的培殖器，其中所述细胞培养器皿包含编码条形码数据的条形码和所述培殖器包含用于读取所述条形码的条形码读取器，并且其中所述控制器接收所述条形码数据以至少部分地基于所述条形码数据来选择系统方案，从而确定待对于在相应的细胞培养器皿中的细胞执行的操作。
19.如权利要求17或18所述的培殖器，其中所述控制器包括计算机。
20.如权利要求1至19 中任一项所述的培殖器，其中所述成像器被配置成用于数字地标记一个或多个细胞。
21.如权利要求20所述的培殖器，其中所述培殖器包括多个工作站，每个所述工作站包括成像器，所述成像器被配置成用于数字地标记一个或多个细胞。
22.一种细胞培养培殖器，包括：
培殖器柜，所述培殖器柜包括用于在一个或多个细胞培养器皿中培殖细胞的内部室；
包括第一成像位置的相衬成像器，所述相衬成像器被配置成用于当所述一个或多个细胞培养器皿位于所述第一成像位置时对所述内部室内部的所述细胞进行成像；
在所述内部室内部的储存位置，用于存储所述一个或多个细胞培养器皿；
细胞培养器皿转移装置，用于将所述一个或多个细胞培养器皿从所述第一成像位置移动到所述储存位置或从所述储存位置移动到所述第一成像位置；以及
装置控制器，其用于控制所述细胞培养器皿转移装置和所述成像器，并且被配置成用于处理图像信息和基于经处理的图像信息产生控制信号，当环境条件发生了变化时，其中所述控制器被配置成用于在培养期间获得细胞图像三维栈以进行分析，其中在所述图像三维栈中的图像在不同焦平面上，其中所述控制器被配置成用于通过从不同焦平面将子图像拼接在一起来创建完整图像。
23.如权利要求22所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于使用被动自动对焦来选择焦平面，而无机械移动。
24.如权利要求22或23所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于分析悬浮液中的细胞之间的形状变化，以补偿由于在悬浮液中细胞移动而产生的散焦效应。
25.如权利要求22-24中任一项所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于记录干涉图案以重构用于用数值重构算法进行分析的图像。
26.如权利要求25所述的培殖器，其中所述细胞培养器皿包含编码条形码数据的条形码和所述培殖器包含用于读取所述条形码的条形码读取器，并且其中所述控制器接收所述条形码数据以至少部分地基于所述条形码数据来选择系统方案，从而确定待对于在相应的细胞培养器皿中的细胞执行的操作。
27.如权利要求25或26所述的培殖器，其中所述控制器被配置成用于将干涉图案数字化为具有8位或更高灰度分辨率的二维整数数组。
28.如权利要求22-27中任一项所述的培殖器，其中所述一个或多个细胞培养器皿包括一个或多个基准标记，以有助于所述一个或多个细胞培养器皿与所述相衬成像器的对准。
29.如权利要求22-28中任一项所述的培殖器，还包括第二成像器，所述第二成像器包括第二成像位置，所述第二成像器被配置成用于当所述一个或多个细胞培养器皿位于所述第二成像位置时对所述内部室内部的所述细胞进行成像。
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