CN114008186A - 用于自动化细胞培养和测试的培养系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于自动化细胞培养和/或测试的培养系统和方法。培养系统可以包括形成有腔室的外壳。机架可以限定有存放位置以将样品保持件的阵列支撑在腔室内。检测机器人可以被配置成在样品保持件保持在机架的存放位置之一处时捕获由每个样品保持件的一个或多个孔容纳的细胞的一个或多个图像。流体处置站可以被配置成在外壳内向每个样品保持件的一个或多个孔中添加流体和/或从每个样品保持件的一个或多个孔中移除流体。至少一个板机器人可以被配置成将样品保持件在机架与流体处置站之间移动。计算机可以控制检测机器人、流体处置站和至少一个板机器人的操作。

Description

用于自动化细胞培养和测试的培养系统和方法
背景技术
用于细胞培养的典型的培养箱只不过是温控箱，通常具有调节二氧化碳水平的能力。该箱形成经过加湿的培养腔室，以保持容纳有细胞的培养器皿。为了出于任何目的(诸如观察、供给或分裂)而接近培养器皿以及其中的细胞，培养腔室必须向周围环境打开。然而，打开腔室会降低其气候的稳定性并增加污染的可能性。此外，使用者必须亲自到场才能进行细胞培养物的操纵，这可能需要在晚上和周末去实验室。需要用于细胞培养的改进的培养箱。
发明内容
本发明的公开提供一种用于自动化细胞培养和/或测试的培养系统和方法。示例性培养系统，也称为培养箱，可以包括形成有腔室的外壳。机架可以限定有存放位置以将样品保持件(例如，微孔板)的阵列支撑在腔室内。检测机器人可以被配置成在样品保持件保持在机架的存放位置中的一个存放位置处时捕获由每个样品保持件的一个或多个孔容纳的细胞的一个或多个图像。流体处置站可以被配置成在外壳内向每个样品保持件的一个或多个孔中添加流体和/或从每个样品保持件的一个或多个孔中移除流体。至少一个板机器人可以被配置成将样品保持件在机架与流体处置站之间移动。计算机可以控制检测机器人、流体处置站和至少一个板机器人的操作。
附图说明
图1是根据本发明的公开的多个方面的用于培养和/或测试生物细胞的示例性智能培养箱的示意性俯视图，其中智能培养箱具有用于样品保持件的存放和流体的处置的共用的腔室。
图2是根据本发明的公开的多个方面的用于培养和/或测试生物细胞的另一示例性智能培养箱的示意性俯视图，其中智能培养箱具有用于样品保持件的存放和流体的处置的独立但相连的腔室。
图3是根据本发明的公开的多个方面的微孔板的部分截面的一定程度上示意性的视图，该微孔板容纳有细胞培养物并且相对于图1或图2的智能培养箱的检测机器人的检测模块可操作地布置。
图4是根据本发明的公开的多个方面的微孔板的部分截面的一定程度上示意性的视图，该微孔板容纳有细胞培养物并且相对于图1或图2的检测机器人的无透镜成像模块可操作地布置。
图5是根据本发明的公开的多个方面的图1的智能培养箱的示例性实施例的选定方面的正视图，其中培养箱可操作地装载有微孔板和其他消耗品，并且其中培养箱的外壳的侧壁被移除以露出内部部件。
图6是图5的可操作地被装载的培养箱的大致沿图5的线6-6截取的截面俯视图。
图7是图5的可操作地被装载的培养箱的大致沿图6的线7-7截取的截面图。
图8是图5的可操作地被装载的培养箱的大致沿图6的线8-8截取的局部截面图。
具体实施方式
本发明的公开提供一种用于自动化细胞培养和/或测试的培养系统和方法。示例性培养系统可以包括外壳，该外壳形成有腔室。机架可以限定有存放位置以将样品保持件(例如，微孔板)的阵列支撑在腔室内。检测机器人可以被配置成在样品保持件保持在机架的存放位置中的一个存放位置处时，捕获由每个样品保持件的一个或多个孔所容纳的细胞的一个或多个图像。流体处置站可以被配置成在外壳内向每个样品保持件的一个或多个孔中添加流体和/或从每个样品保持件的一个或多个孔中移除流体。至少一个板机器人可以被配置成将样品保持件在机架与流体处置站之间移动。计算机可以控制检测机器人、流体处置站和至少一个板机器人的操作。
提供一种自动化细胞培养和/或测试的示例性方法。在该方法中，可以捕获多个样品保持件中的每个样品保持件的一个或多个孔中所容纳的细胞的一个或多个图像。多个样品保持件可以被存放在培养箱内由机架限定的存放位置处。当为样品保持件捕获一个或多个图像时，样品保持件可以在机架中保持在其存放位置中。可以使用板机器人将样品保持件在培养箱内从机架移动至流体处置站。可以在流体处置站处从样品保持件的至少一个孔中移除流体和/或向样品保持件的至少一个孔中添加流体。
培养箱的现有技术不包括任何内置的智能和/或决策工具或属性。此外，培养箱不是远程控制的，并且不能跟踪培养箱中的细胞以检查活力或是否需要进行培养基的更换、测试化合物的添加或用户可能必须执行的任何其他步骤。
本发明的公开的培养箱可以实现样品保持件(诸如微孔板)中的自动化短期培养和长期培养，以允许在培养的时间过程中监测多个参数。如果由培养箱的一个或多个传感器收集的数据满足一个或多个预定标准，则控制计算机可以自动采取行动，或警告实验室人员。例如，如果捕获的细胞培养物的图像指示需要动作，则计算机可以滋养细胞(例如，改变生长培养基)、分裂细胞、向细胞中添加测试化合物(一种或多种)、产生测定混合物或执行类似动作，或者可以向一个或多个实验室人员(即，用户)通知需要注意的情况。培养箱可以使细胞培养自动化，改善细胞的健康，并且通过更好地了解细胞健康和细胞生长提供了更好的原位实验。
本文公开的智能培养箱可以用于任何合适的目的。它们可以减少劳动力并优化用于测定开发和化合物测试的工作流程。可以培养、滋养和测定细胞的克隆群体。器官芯片(Organ-on-chip)培养物可以在非微孔板装置中培养和测试。微型生物反应器可以提供细胞系开发，同时混合细胞和添加的培养基。
本发明的公开的另外方面在以下章节中描述：(I)定义，(II)智能培养箱的概述，(III)样品培养和处理的方法，和(IV)实例。
I.定义
本发明的公开中使用的技术术语具有本领域技术人员通常认可的含义。然而，以下术语可以如下所述进一步定义。
化学传感器-检测或测量化学分析物的浓度的装置和/或化合物(例如，传感染料(sensor dye))，该化学分析物诸如为自由质子(对于pH值)、氧、二氧化碳或类似物。化学传感器可以具有对化学分析物的浓度敏感的光学性质。光学性质可以包括光致发光强度、光致发光寿命、光致发光偏振、光致发光猝灭/能量转移、化学发光强度、吸光度或类似性质。可以在使用或没有使用相关光源进行照明的情况下，使用光学传感器读取化学传感器的光学性质，以测量化学分析物的浓度。在一些实施例中，该装置可以包括被困在基质中的化学传感器化合物，以在较大的流体体积(例如，微孔板孔中的培养基的体积)内找出传感器化合物的位置。可以诸如用粘合剂将基质附接至表面。该表面可以是孔的内表面，并且可以透过孔壁来检测光学性质。
计算机-用于根据指令来存储和处理通常为二进制形式的数据的电子装置，该指令可由可变程序提供。示例性计算机，也称为计算设备，包括台式计算机、膝上型计算机、平板电脑、智能电话和类似设备。
检查区-位于检测系统的光轴上的区域，在该区域处，可以光学地检查(例如，利用图像传感器成像)诸如样品(例如，生物细胞)等对象。
图像-由图像传感器在二维或三维位置阵列处检测到的光的表示(例如，原始图像)，或其经处理的形式(例如，重建的图像)。原始图像可以是光学聚焦图像或由无透镜成像等创建的全息图(即，无透镜图像)等等。
图像传感器-能够在二维上检测光的空间变化(例如，强度变化)的光学传感器，其中光入射在传感器的光敏检测区域上。图像传感器可以是二维阵列传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)传感器、有源像素传感器(例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器)、混合CCD-CMOS传感器或类似传感器。图像传感器可以创建光栅图像(即，位图)作为像素的矩形阵列，并且可以被配置成创建彩色图像、灰度(单色)图像或两者。
无透镜成像-使用图像传感器捕获(一个或多个)对象(例如，包括生物细胞的样品)的(一个或多个)衍射图案。无透镜成像是在对象与图像传感器之间没有插入透镜的情况下进行的。所捕获的衍射图案(全息图)可以被称为(一个或多个)对象的图像(例如，细胞的图像)，即使该图像不是光学聚焦图像。由于图像不是光学聚焦的，因此所捕获的图像通常相对于(一个或多个)对象既不放大也不缩小(即，捕获是“等大(unit magnification)”的)。因此，如果要用相同的无透镜图像覆盖孔的整个底板，则图像传感器的光敏区域应当至少与孔的底板一样大。然而，待成像的示例性孔可以具有比图像传感器的光敏区域更大的底板面积。例如，孔可以由六孔微孔板或单孔(例如，矩形)样品保持件等提供。因此，可以将相同孔的重叠区域的多个无透镜图像拼接在一起，以生成表示更多或全部孔底板的较大图像。无透镜成像可以包括数字全息重建成像、阴影成像或荧光成像等。
无透镜成像可以利用任何合适的光源来执行，该光源可以对样品落射照明或透射照明等。光源可以用相干光(例如，来自激光器)、部分相干光(例如，来自发光二极管)或非相干光(例如，用非相干发光元件和/或在照明路径中使用漫射器)来照明样品。在一些实施例中，光源可以用来自至少部分相干光源的基本上平面波照明来对样品透射照明。例如，光源沿着z轴与图像传感器相比距离样品可以远得多，诸如为至少五倍或十倍。在一些实施例中，光源可以包括光耦合到波导的发光元件。波导的出口可以安装到臂上，该臂可以旋转以改变样品照明角度，和/或可以线性移动以在捕获的图像中引入亚像素位移(sub-pixelshift)。
无透镜图像可以通过像素超分辨率技术进行处理。像素超分辨率可以通过横向地移动光源、图像传感器和/或样品来产生亚像素分辨率，以创建“亚像素”图像，然后可以将这些亚像素图像合并，以获得更小的像素有效尺寸。
无透镜图像也可以或替代地可以通过相位复原技术(phase-retrievaltechnique)进行处理。所捕获的原始图像是包含强度数据的内嵌(inline)全息图。无透镜成像可以用于重建定量相衬度，这通过像素强度来产生对象(例如，细胞)的体积的表示。此外，无透镜成像可以提供大的景深，因此可以不需要聚焦。为了复原样品的振幅和相位，所使用的(一种或多种)相位复原算法可能需要多于一个的全息图(由于孪生像问题)。因此，有利地，利用来自具有类似视场的多个全息图的全息图像数据(例如，利用不同的样品到图像传感器距离、不同的照明角度和/或不同的照明波长(例如，使用以不同波长发射的可调谐激光器或光源(例如，激光二极管或LED))捕获的全息图)，来执行用于相位复原的计算。
因为不需要庞大的收集/检测光学器件，所以对于本发明的公开的系统和方法来说，无透镜成像可能是有利的。因此，在微孔板的竖直列上，微孔板可以彼此更靠近地存放，因为在每个微孔板的下方需要更少的空间用于图像捕获。所得到的培养系统更紧凑且更加空间高效。
光-光辐射，包括紫外线辐射、可见辐射(即，可见光)和/或红外线辐射。
光源–生成光(可选地作为光束)并且可选地由电力提供动力的装置。光源包括至少一个发光元件，并且还可以包括任何相关联的(一个或多个)光学元件，以对(一个或多个)发光元件所发射的光进行成形、改变大小、滤光、偏振、散射、引导和/或以其他方式与所发射的光相互作用。这些光学元件可以包括至少一个波导(例如，光纤或液体光导)、透镜、反射镜、滤光器、漫射器、掩模、光圈、分束器、光栅、棱镜、偏振器和/或类似物的任意组合。示例性发光元件包括半导体器件、激光器(例如，准分子激光器、气体激光器、染料激光器、固态激光器、半导体晶体或二极管激光器、自由电子激光器等等)、弧光灯和/或类似装置。示例性半导体发光元件包括激光二极管、发光二极管(LED)和超发光二极管(superluminescent diode)等。
微孔板-包括多个相连的孔的样品保持件。术语“微孔板”和“板”在本文中可互换。孔可以布置成平面矩形阵列，沿正交水平轴线具有相同的均一间距，以形成多个行和列。微孔板内的孔可以彼此基本相同，可以彼此接合，和/或可以保持任何合适体积的流体，诸如在1微升和10毫升之间。微孔板的尺寸可以符合美国国家标准协会(ANSI)和实验室自动化和筛选协会(SLAS)(即，ANSI/SLAS)标准。例如，微孔板可以具有2×3的孔阵列(诸如6个孔、12个孔、24个孔、48个孔、96个孔、384个孔或1536个孔)，约85毫米的宽度，约128毫米的长度，约14毫米的高度，和/或孔间间隔，该间隔与孔的总数成反比。示例性孔间距包括3.6厘米、1.8厘米、9毫米、4.5毫米、2.25毫米和1.125毫米等。每个孔可以具有平坦的底部以便于成像。微孔板可以由透明聚合物形成。
微孔板可以包括盖，以覆盖微孔板的每个孔。盖是可移除的，以准许向微孔板的孔中进行分配以及从微孔板的孔中抽吸。
光学器件-成像系统的一组光学元件，其可以沿光轴布置在光源与检查区之间(照明光学器件)和/或沿光轴布置在检查区与光学传感器之间(收集光学器件)。光学元件可以是与光相互作用的任何器件或结构，诸如以将光收集、引导、聚焦、滤光、偏振、散射、准直和/或部分阻挡。光学元件可以通过任何合适的机制来起作用，诸如反射、折射、散射、衍射、吸收和/或滤波等。示例性光学元件包括透镜、反射镜、漫射器、光栅、棱镜、滤光器、孔、掩模、分束器、波导、偏振器和类似元件。
光学传感器-响应于入射光而产生信号(例如，电信号)的装置。光学传感器可以是点传感器，或者可以具有感光元件的阵列以检测入射光的空间差异。该阵列可以是如线性传感器中的一维阵列、如图像传感器中的二维阵列或类似阵列。
机器人-能够在计算机控制下移动并执行一系列动作的装置。示例性机器人包括用于检测来自板的光和/或从板捕获图像的检测机器人、用于传送板的板机器人、用于转移液体(例如，移入或移出板的孔)的移液管机器人、用于移除盖和重新盖上盖的盖机器人和/或类似物。
样品-具有任何合适性质的试样。样品可以是有机的和/或无机的、天然的和/或制造的，并且可以包括任何合适的组件、材料、物质、分离物、提取物、颗粒或类似物。在示例性实施例中，样品包括生物细胞。生物细胞可以是真核的(例如，哺乳动物细胞)或原核的(例如，细菌细胞)。示例性生物细胞包括确立的细胞(细胞系)、干细胞、原代细胞、组织样品的细胞、转染的细胞、来自临床样品(例如，血液样品、流体抽吸物、组织切片等)的细胞、细胞克隆或类似物。细胞培养物可以包括一组细胞，可选地由孔容纳，并与任何合适的液体培养基接触(例如，浸入其中)。液体培养基可以是水性培养基，其可以包括水、盐、缓冲液、葡萄糖、洗涤剂、染料、蛋白质、氨基酸或其任意组合等。液体培养基可以是用于细胞的生长培养基。
样品保持件-用于保持至少一个样品或空间隔离样品的任何阵列，并且可选地准许透过装置的水平透明壁(例如，孔的底壁)对(一个或多个)样品进行成像的装置。示例性样品保持件是包括一个或多个孔的培养器皿，诸如微孔板、培养皿、细胞培养瓶等。
II.智能培养箱的概述
本章节提供了用于处理由样品保持件保持的样品的自动化培养系统(“智能培养箱”)的概述，处理诸如为培养和/或测定保持在样品保持件(如本文中用微孔板例示)的孔中的生物细胞；参见图1至图4。
图1以示意性形式示出了示例性智能培养箱50。培养箱50包括外壳52(例如，箱)，外壳52限定有主腔室54，该主腔室可以在培养箱的操作期间保持关闭。培养箱还可以具有存放结构56(可互换地称为机架)，存放结构56用于在主腔室54内保持并组织诸如微孔板58等多个样品保持件，同时培养由样品保持件的孔容纳的细胞。
可以在主腔室54中进行光学检测。针对机架56中存放的每一个微孔板(或样品保持件)，可以使用机器人将至少一个光学传感器移动至每个微孔板58(或其他样品保持件)的每一个孔。更具体地，检测机器人60可以在样品保持件保持在机架56内它们相应的存放位置时，光学感测样品保持件的内容物，特别是样品保持件的每个孔中的内容物。例如，检测机器人60可以捕获孔中生长的细胞的图像。检测机器人可以包括检测模块，该检测模块具有用于孔和/或其内容物的照明的至少一个光源62、以及被布置成检测来自被照明的孔和/或内容物的光辐射的诸如图像传感器64等至少一个光学传感器，如下面更详细地描述的。检测机器人60可以是可控制的，从而以至少三个自由度(例如，沿着三个正交的轴线)驱动其检测模块的移动，以便与机架56的每个微孔板58(或其他样品保持件)的每个孔光学对准。更具体地，检测机器人和/或其检测模块可以与机架56所限定的存放位置的阵列平行地水平行进(如箭头66所示)，与竖直阵列正交地水平进出机架56(如双箭头68所示)，以及竖直地行进。在一些实施例中，检测机器人60可以具有对应于每个平移自由度的独立且可单独控制的马达(例如，伺服马达)。作为替代方案，或另外地，可以在主腔室54中的检测站70处(或培养箱50中别处)光学地感测微孔板58或其他样品保持件的内容物，其中检测站与机架56是分开的。检测站70可以具有如本文所述的用于检测机器人60的(一个或多个)光源和(一个或多个)光学传感器，但可以相对固定在主腔室54内(或培养箱50中别处)。
检测机器人60(和/或检测站70)允许对细胞的生长或发展进行监测。检测机器人可以提供用于从每一个微孔板58(或其他样品保持件)的每一个孔捕获细胞的一个或多个图像的紧凑且无标记的成像系统。成像系统可以沿三个正交的轴线移动，以到达由机架56支撑的每个微孔板58的每一个孔。这确保光轴(由待成像的每一个微孔板孔的中心限定)总是竖直的。
检测机器人60可以包括至少一个光源62，至少一个光源62放置在每个微孔板58(或其他样品保持件)的每个孔的上方和/或每个孔中。光源62可以是具有光学耦合到单个上游发光元件或多个上游发光元件(例如，不同颜色)的一个光出口的单个光源。该光源可以具有紧凑的准直光学器件和/或可以利用在光出口处或附近的漫射器。在一些实施例中，光源62可以被耦合到或被配置成耦合到具有光导的特殊板盖从而向下到达每一个孔中，深度足以接触孔中的液体培养基，从而避免液体弯月面的光学效应。在一些实施例中，光源62可以从具有小直径的光出口(例如，在细胞的尺寸范围内(诸如，直径小于约100微米、50微米、25微米或10微米的点光源))传输光，这提供了具有高亮度的光源。例如，光源可以包括安装在固定位置的激光二极管。柔性光纤可以被光学耦合到激光二极管并被配置成用作光导，以便将光从激光二极管通过光纤传播到待成像的微孔板孔上方的光出口。光出口可以在水平面中相对于光轴移动，以调整照明角度，这允许来自计算机辅助图像重建的更高分辨率。在一些实施例中，光源可以包括各具有小直径(例如，小于约100微米、50微米、25微米或10微米)的紧凑点光源的阵列，例如，作为可单独控制的小光源矩阵的有机LED显示器。这种配置准许单点照明或通过矩阵的光源组合进行的照明模式，这可以提供来自计算机辅助图像重建的更高分辨率，以及使得能够实现用于补偿液体弯月面的负面效应的照明增强策略。
检测机器人60还可以包括至少一个图像传感器64，至少一个图像传感器64放置在每个微孔板(或其他样品保持件)的下方。每个图像传感器64可以被配置成捕获微孔板孔的整个底板(和其上的细胞)的图像。作为替代方案，可以通过捕获多个平铺(tiled)图像来成像整个底板(和其上的细胞)。图像传感器可以由具有集成的紧凑光学器件的紧凑相机(例如，具有紧凑光学器件的小型CMOS相机)来提供。在其他实施例中，图像传感器可以直接暴露于来自微孔板上方的一个或多个点光源的照明射线，而在微孔板58的底部与图像传感器之间没有任何中间光学器件来聚焦光线。在一些实施例中，如果仅需要低的光学分辨率，则图像传感器64可以无透镜地暴露于来自位于微孔板上方的漫射光源的照明光线。然而，可以在本文公开的任何培养系统中使用任何类型的成像进行成像。
主腔室54中的流体处置站72可以执行流体移入和移出微孔板58和/或其他板的孔的转移。流体处置站可以具有板停靠部74，该板停靠部74具有一个或多个板接收部位(可互换地称为停靠部位)，以将一个或多个微孔板和/或其他板保持在预定位置。板停靠部74可以是固定的或可移动的。板停靠部可以为通常具有深孔的主板提供位置，主板可以经由专用门或经由本文别处描述的其他门之一被装载到培养箱中。盖机器人76可以被配置成从位于板停靠部74中的板上移除盖，以准许使用至少一个移液管78向板的孔中添加流体和/或从板的孔中移除流体，并且当液体转移完成时将盖重新盖上。每个移液管78可以包括用于驱动流体移入和/或移出移液管的端部的泵80、用于在三维空间中精确地移动移液管的端部的马达驱动定位器、和/或用于在使用之后从移液管78的端部移除移液管吸头(pipettetip)82的吸头弹出器。(一个或多个)移液管能够可操作地接近位于板停靠部74中的每个板中的每个孔，用于流体的添加和/或移除。移液管吸头82可以被存放在流体处置站中的两个不同的堆叠位置(例如，以形成相应的吸头盒堆叠体)中的至少一个堆叠位置中。堆叠位置中的至少一个堆叠位置可以用于存放尚未被移液管使用的新移液管吸头。堆叠位置中的至少另一个堆叠位置可以用于存放已被移液管使用过的移液管吸头。流体处置站72的移液管78可以接近任何合适的培养基和试剂84，以用于摄取和/或分配。培养基和试剂可以容纳在器皿(例如，瓶子)中，器皿可以存放在腔室54和/或外壳52的内部或外部。示例性试剂包括缓冲盐水、胰蛋白酶、测定溶液、测试化合物和类似物。至少一叠的测定板86(和/或转移板)可以存放在流体处置站72中，并且当要在测定板86的孔中产生测定混合物时，根据需要将该至少一叠的测定板86单独地(例如，通过板机器人)转移至板停靠部74的板接收部位之一。
测定板86可以用于测试微孔板58的孔中容纳的细胞培养物的上清液中给定分析物和/或活性(例如，单克隆抗体的结合活性)的存在/水平。每个微孔板58可以被移动到板停靠部74，并且一个或多个孔中容纳的上清液的样品可以被转移到测定板86的一个或多个孔中。每个测定板可以是具有用试剂(例如，抗体、表位(epitope)或类似物)涂覆的孔的ELISA板。在其他实例中，每个测定板86可以是将从培养箱移出到外部液体处置装置的未经涂覆的板。在另外的实例中，每个测定板86可以接收来自孔的上清液以及试剂以支持均质测试(homogeneous test)，该均质测试可以在培养箱内部或外部执行。
可以在流体处置站72处或在培养箱内的独立的专用站中，或当微孔板58保持在机架56中时，将用于滋养细胞的测试化合物和/或液体添加到微孔板58的孔中和/或从微孔板58的孔中移除。因此，化合物添加和/或滋养细胞(例如，通过移除旧培养基和添加新培养基来改变培养基)可以使用试剂分配器(仅流体添加)、小体积移液器(流体添加和移除)或微流体(microfluidics)板(流体添加和移除)来执行。微流体板可以被液压连接在机架56的每个存放位置处、在流体处置站72处或在独立的专用站中。单个细胞分配可以由流体处置站72或靠近流体处置站72在培养箱中执行。
板机器人88可以在主腔室54内传送微孔板58，并且可选地将微孔板58传送出主腔室。板机器人可以将微孔板58传送至机架56内的各个存放位置或从各个存放位置传送出。更一般地，板机器人88可以在机架56、检测站70和/或流体处置站72内、之间或之中移动微孔板58。板机器人还可以在流体处置站72和/或腔室54内移动成盒的移液管吸头82和/或测定板86。板机器人88可以是可控制的，从而以三个平移自由度(例如，沿着三个正交的轴线)驱动其板抓握结构90的移动。例如，板抓握结构90可以沿着机架56水平地行进(如箭头92所示)，水平地进出机架56(如双箭头94所示)，以及竖直地行进。在一些实施方式中，板机器人可以具有对应于每个自由度的独立且可单独控制的马达(例如，伺服马达)。
计算机96(诸如本地计算设备)使用处理器98来控制培养箱50的操作并使操作自动化。计算机可以以100表示的有线或无线方式连接到培养箱50的站、机器人、系统和电气装置中的每一个。这些连接可以准许计算机从培养箱的站、机器人、系统和/或装置的任何合适的组合接收信号和/或向其发送信号。因此，计算机协调培养箱50的操作，并且可以直接与本地用户交互。计算机96还可以或作为替代方案可以经由诸如广域(电信/计算机)网络(WAN)102(例如，因特网)等通信网络和由用户操作的远程计算设备104与用户交互。
计算机96可以具有任何合适的硬件以便于与处理器98的通信和/或处理器98的操作。示例性硬件包括存储器106，存储器106存储供处理器98执行和/或控制任何合适过程的指令，如本文所述。可能合适的示例性用户接口包括输入设备108(例如，键盘、小键盘、鼠标、触摸屏等)和输出设备110(例如，监视器、打印机、触摸屏等)。在一些实施例中(例如，具有触摸屏)，同一设备可以处置来自用户的输入和来自处理器的输出。
培养箱50可以包括任何合适的传感器，并且可以执行自动化的板与流体处置以及细胞成像。传感器和自动化装置可以包括但不限于一个或多个图像传感器、pH值传感器、O2传感器、机器人臂、液位传感器、细胞培养基健康传感器、温度传感器、CO2传感器、自动化细胞培养基补给装置以及压力传感器。所有这些传感器可由用户远程操作，并且来自任何传感器的结果可以由用户经由远程计算设备104(可以是移动设备)通过因特网在任何地方、任何时间进行监测。
计算机96可以获得所有测量数据，并且能够控制和协调培养/测定细胞的工作流程。计算机96可以收集输入数据。示例性输入数据包括以下数据的任意组合：(1)每一个微孔板孔中的单个或多个细胞的捕获图像，(2)来自捕获图像的对于每个孔的细胞计数或细胞密度/汇合度数据，(3)对于每一个孔的pH值和/或氧数据(例如，如果特定细胞培养周期需要的话)，(4)来自细胞培养基中的指示剂的比色信息，(5)用于将单个细胞或多个细胞从本体溶液转移到微孔板58的装载数据(如果以单克隆细胞开始的话，则是可选的)，和/或(6)用于培养箱的潜在污染数据，等等。
计算机可以根据需要基于输入数据自动执行各种动作。例如，计算机可以决定是否、何时和/或如何执行以下各项中的任何一项：适当时滋养每个孔中的细胞，(2)通过添加适当的试剂来校正孔中的pH值和/或氧水平，(3)从孔中移除过量的培养基，(4)将培养基/细胞从微孔板58的孔转移到测定板的孔中，诸如当达到限定的汇合度时，(5)当微孔板58准备好在微孔板58的至少一个孔中以限定的汇合度水平使用时进行报告，(6)将细胞(例如，使用胰蛋白酶或类似试剂)传递到一个或多个新的样品保持件中以重新开始培养过程，(7)将细胞转移到用于在系统外部存放或冷冻细胞的容器中，和/或(8)一旦达到限定的汇合度，则添加试剂或化合物，等等。
计算机96可以从输入数据创建输出数据。示例性输出数据包括以下各项的任意组合：(1)每个微孔板的每个孔中的细胞的生长速率，(2)不含活细胞的孔的识别，(3)受污染的孔的识别，(4)每种可用试剂的水平，和(5)每个孔中的每个细胞培养物对添加(一种或多种)测试化合物和/或(一种或多种)试剂的反应(如果有的话)。
主腔室54可以具有由气候控制系统112控制的气候。气候控制系统112可监测和/或调节的主腔室54的示例性气候参数包括温度、气体水平(例如，CO2、氧气等)、湿度、微粒水平(例如，通过过滤的方式)、空气传播和/或表面微生物水平(例如，通过紫外辐射的方式)、它们的任意组合或类似参数。气候控制系统可以包括热控制系统114，该热控制系统114可以由用于将主腔室54加热(并维持)到环境温度以上的温度设定点的一个或多个加热器、一个或多个温度传感器、设定点控制器、用于使腔室内的气体循环的一个或多个风扇或类似装置组成。气候控制系统还可以包括用于加湿的水源、一个或多个湿度传感器、二氧化碳源(诸如CO2罐)、(一个或多个)CO2传感器、一个或多个空气/气体过滤器、用于在使用培养箱之前/期间杀死主腔室内的微生物的至少一个紫外光源、或它们的任意组合，等等。
可以经由一个或多个门接近主腔室54，这些门在图1和图2中用粗线表示。较大的维护门116可以提供对培养箱内的所有区域的接近，以允许引入/移除消耗品(例如，板、吸头、试剂等)、清洁、消毒、维护或类似操作。因此，维护门116可以在培养箱准备好使用时打开，然后在培养/测定细胞时保持关闭。一对较小的门(即，内门118和外门120)可以准许物品(例如，板)在培养箱50正在操作时经由进出腔室122(可互换地称为接口腔室)被递入和递出主腔室54，而无需直接向外部环境打开腔室54。例如，进出腔室可以定尺寸成仅保持一个板或两个或更多个板的堆叠体，等等。进出腔室可以包括机架以组织板和/或将板在竖直方向上分开。进出腔室122经由内门118与主腔室54连通，并且经由外门120与外部环境连通。可以依次地打开和关闭门118、120，以允许对进出腔室122进行装载，然后被清空。例如，可以首先打开和关闭内门118，以允许从主腔室54自动化地装载进出腔室122(例如，使用板机器人88)，然后可以打开外门120，以允许从培养箱50的外部手动或自动地对进出腔室122进行卸载。作为替代方案，可以首先打开和关闭外门120，以允许从培养箱50的外部手动或自动地装载进出腔室122，然后可以打开内门118，以允许将物品(例如，使用板机器人88)从进出腔室122自动化地卸载到主腔室54中，然后关闭。内门118或每个门118、120的打开和关闭可以自动地控制，并且可选地由马达驱动。
机架56具有多个存放位置124以支撑微孔板58或其他样品保持件。存放位置124可以被布置成阵列，通常是这种位置124的至少二维或三维阵列。例如，存放位置的至少一个子集可以被布置成多个竖直列和多个水平行，其中每一列和行具有至少两个、三个或更多个存放位置124。在一些实施例中，机架56可以在相反两侧上打开，使得可以从相反两侧可操作地通过检测机器人60和板机器人88接近每个存放位置124和/或由机架56支撑在存放位置处的微孔板58，可选地彼此同时接近。例如，在图1中，检测机器人60和板机器人88分别从机架56的右侧和左侧接近每个存放位置124，如下面进一步描述的。因此，检测机器人60和板机器人88可以具有基本上不重叠的运动范围，使得两个机器人可以同时执行它们相应的功能而不会彼此干扰。
可以在机架56中包含多个局部加热器126，以使得能够在图像捕获之前加热微孔板58(或其他样品保持件)的盖，以减少每个盖的内表面上的冷凝。内表面上的水滴会使从位于盖上方的透射照明光源接收到的入射光辐射散射。这种散射可能会使得从微孔板孔中所容纳的细胞捕获到的图像的质量劣化。每个存放位置124可以包括专用加热器126，该专用加热器126可以位于存放位置的上部，在对应的存放的微孔板58上方。例如，加热器可以在竖直方向上布置在被支撑在存放位置处的微孔板的盖上方，足够靠近以在加热器通电时加热微孔板的盖，但充分地间隔开以准许检测机器人60可操作地接近微孔板的每个孔(也参见下文)。加热器126可以用计算机96控制，可选地对于每个存放位置124可单独地(即，独立地)控制。可以在对位于存放位置的细胞进行成像之前将与存放位置124相关联的每个加热器126适当地通电，以允许有足够的加热时间来消除冷凝。例如，可以在执行成像之前打开加热器约10分钟、20分钟或30分钟或一个小时。可能合适的示例性加热器包括电阻加热器(例如，片式加热器(sheet heater))、热电加热器、光学加热器或类似加热器。每个加热器可以位于绝缘层之下，以使传递到位于待加热存放位置124上方的微孔板的不期望的热传递最小化。
图2以示意性形式示出了另一示例性智能培养箱150。培养箱150可以具有上述用于培养箱50的任何部件，如图1中的相同附图标记所示。然而，培养箱150与培养箱50的不同之处在于，将在机架56中的微孔板存放和利用流体处置站72的流体转移分成在外壳52的不同部分内的培养腔室54a和流体处置腔室54b。培养腔室54a可以由专用气候控制系统112进行气候控制，而流体处置腔室54b可以由或不由相同或不同的气候控制系统112(如虚线矩形所示)进行气候控制。微孔板58和其他板在腔室54a、54b内的移动可以由相应的板机器人88a、88b执行，每个板机器人能够抓握微孔板和其他板并三维地移动它们。
每个腔室54a、54b可以通过一个或多个门接近。大的维护门116a或116b可以提供对相应的腔室54a、54b的接近，如上文针对培养箱50的维护门116所述。腔室54a、54b可以通过至少一个门彼此连接，该至少一个门可以由计算机96控制。在所示实施例中，腔室54a、54b通过内门118和外门120连接，每个门都通向进出腔室122a。门118、120可以如上面针对培养箱50所述那样进行操作。可以从培养箱150的外部经由内门118和外门120接近流体处置腔室54b，每个门都通向进出腔室122b，如上面针对培养箱50所述。可以在培养箱的操作期间使用板机器人88a将微孔板58从腔室54a中移除，以将微孔板传送到进出腔室122a，然后使用板机器人88b将微孔板传送到进出腔室122b。作为替代方案，如果流体处置腔室54b中的气候控制和/或污染不太重要，则可以经由进出腔室122a和维护门116b从培养箱中移除微孔板。
在一些实施例中，检测站70可以位于流体处置腔室54b中。在流体处置腔室54b中准备好的测定板也可以在该腔室中培养，可选地以升高的温度培养，然后在腔室54b内被运送到检测站70以用于读取测定结果。
图3示出了具有多个孔152的示例性微孔板58，每个孔都容纳有置于液体生长培养基156中的生物细胞154的培养物。孔152由透明主体158形成并由透明盖160覆盖。细胞可以位于孔的底板上，可选地粘附于底板上，并且以单层布置。
培养箱50还可以具有附加的检测组件，以监测每个微孔板58的每个孔152内的生长培养基的pH值、氧和/或二氧化碳水平。检测组件可以由检测机器人60或由检测站70等提供。每个微孔板孔152可以容纳至少一个化学传感器162(例如，至少一个传感器点(sensorspot))，以感测pH值、氧和/或二氧化碳水平作为来自(一个或多个)传感器的光致发光(例如，荧光)。每个化学传感器162可以安装在孔的底板上(以实线轮廓示出)(如果不需要单细胞检测的话)，或者安装在孔的侧壁上(以虚线轮廓示出)以允许对整个孔底部进行成像。可以在将细胞154加入液体生长培养基156之前，当孔152为空时，将化学传感器162放置到孔152中。在其他实施例中，化学传感器162可以安装在从微孔板的盖160伸入培养基156中的附加杆上。每个化学传感器162可以被配置成当用适当的光辐射激发时感测pH值、氧或二氧化碳等。激发可以诱发与培养基156中的pH值、氧浓度或二氧化碳浓度对应的可检测的光致发光特性。可能合适的示例性市售化学传感器是来自存在精密感测有限公司(PreSensPrecision Sensity GmbH)的自粘pH、氧或CO2传感器点。
图3示出了用于检测机器人60(或检测站70)的示例性检测模块164。检测模块164与微孔板58的一对孔152可操作地对准，以对一个孔进行成像并且对来自相邻孔152中的化学传感器162的光致发光进行光学检测。检测模块可以包括具有上臂168和下臂170的外壳166(可互换地称为框架)，该上臂168和下臂170可以彼此牢固地附接或者相对于彼此(例如，沿着竖直轴线)主动地可移动。
臂168、170在这里被示为虚线和片段的，以将注意力集中在由臂支撑的光学部件上。至少一个透射照明光源62a可以安装到上臂168，用于从微孔板上方照明每个孔152，如本文别处所述。下臂170可以支撑物镜172和图像传感器64。物镜可以收集并可选地聚焦来自光源62a的已经向下传播通过孔的光辐射。图像传感器64通过检测光辐射来捕获细胞154的图像。
检测模块164还可以被配置成检测来自细胞154以及可选地来自化学传感器162的光致发光。落射照明光源62b可以由下臂170支撑。光源62b被示出为产生用于激发来自图3中的细胞154的光致发光的光辐射。光辐射可以沿着光轴174传播到分束器176，该分束器176向上反射光辐射，以使其传播通过物镜172到达细胞154。来自细胞154的光致发光可以由物镜172收集，以便向下传播通过分束器176到达图像传感器64。
可以使用任何合适的照明光源和光学传感器来检测化学传感器162的光学性质。来自化学传感器162的光致发光可以通过用任何合适的光源激发而被诱发，该光源诸如为透射照明光源62a、落射照明光源62b或不同的落射照明光源62c等。可以用图像传感器64检测光致发光(例如，以表示细胞和化学传感器162的捕获图像，或者仅表示化学传感器162的捕获图像)。作为替代方案或另外地，化学传感器162的光学性质可以使用独立的光学传感器177(例如，点传感器)来检测，该独立的光学传感器177可以经由耦合器180光学耦合到波导178以及光源62c。这种布置允许激发光和发射光沿着波导178在相反两方向上传播。在所示实施例中，波导178和图像传感器64与相邻孔中的化学传感器162和细胞154对准。在其他实施例中，波导178和图像传感器64可以彼此更靠近，使得它们可以与相同两孔中的化学传感器162和细胞154同时对准。如这里所示，可以检测来自化学传感器162的向下传播通过孔152的底壁的光。作为替代方案，如果化学传感器162位于侧壁上(如图3中的虚线所示)，则可以检测从孔152横向穿过侧壁的光。在这种情况下，波导178可以被适当地定向和定位(例如，倾斜地)，以根据其侧壁位置与化学传感器高效光耦合。
图4示出了用于检测机器人60的检测模块164的示例性无透镜成像配置。孔152的底板和其上的细胞154可以仅以一个角度被照明，或者以不同的角度被连续照明，以便于以每个角度捕获图像。光源62a可以包括光发生元件的阵列，光发生元件可以被选择性地通电以改变照明角度或图案，或者光源62a的出口可以是可移动的以改变照明角度。图像传感器64可以由下臂170支撑在微孔板58的孔152下方和附近。孔152中的细胞154可以由图像传感器64无透镜地成像，即，没有中间透镜在细胞下方聚集/聚焦光(例如，没有图3的物镜172)。在捕获无透镜图像之前，可能需要或期望用板机器人88移除盖。在上面章节I中描述了可能合适的无透镜成像的其他方面。
III.样品培养和处理的方法
本章节描述了利用本文公开的如用培养箱50例示(参见图1至图4)的智能培养箱执行的样品培养和处理的示例性方法。在本章节中描述的方法步骤可以使用本发明的公开的智能培养箱配置和特征中的任何一种，以任何合适的顺序和组合来执行。
可以在细胞培养周期开始之前对培养箱50进行清洁和净化。可以填充系统液体(例如，用于流体处置站72的液体)。可以将材料(诸如成盒的移液管吸头82和测定板86)经由维护门116装载到培养箱的主腔室54中。可以将具有盖160的微孔板58装载到培养箱50中。在一些情况下，可以在培养箱50的外部准备容纳有在液体生长培养基中的细胞的微孔板58，然后将微孔板58直接装载到机架56的适当的存放位置124中。作为替代方案，可以将包括盖160的空微孔板58放置到培养箱50中，诸如放在机架56的适当的存放位置124中。然后培养箱可以自动地将单个细胞或多个细胞与适当体积的生长培养基一起装载到微孔板58的各个孔152中。在一些实施例中，细胞可以从本体溶液或从主板的孔装载。微孔板58可以装备有化学传感器162，用于测量每一个孔152中的pH值和氧浓度。可以将适当的细胞培养方案输入到控制计算机96，然后可以在用气体和湿度初始启动(priming)腔室54之后开始运行。
可以捕获容纳在微孔板58(或其他样品保持件)的孔152中的细胞的图像。在微孔板保持在培养箱50内的机架56中的微孔板存放位置时，可以由检测机器人60的图像传感器64来捕获每个微孔板的图像。换言之，在微孔板由机架56支撑时，检测机器人60可以将图像传感器64移动成与微孔板的每个孔152竖直对准，然后可以捕获孔中的细胞的一个或多个图像。每个图像可以覆盖孔的整个底板，或者覆盖底板的仅一部分(例如，小于底板面积的一半)。
在对给定微孔板58进行图像捕获之前，可以用位于机架56中的盖上方的加热器126来加热微孔板(或其他样品保持件)的盖160。加热器126可以是用于机架56内的仅一个微孔板存放位置124的专用加热器，和/或可以独立于用于其他微孔板存放位置124的加热器126进行控制。因此，加热可以在培养箱内局部地进行，并且仅持续较短的时间，以使腔室54中的温度波动最小化。
可以使用板机器人88将微孔板58(或其他样品保持件)在培养箱内从机架56移动到流体处置站72。可以在预计进行向/从微孔板的一个或多个孔152的流体转移时移动每个微孔板。因此，如果微孔板容纳的细胞的一个或多个捕获图像满足表示需要或适合流体转移的一个或多个预定标准，则可以移动微孔板。预定标准可以涉及微孔板的一个或多个孔中的细胞的细胞数量/汇合度/密度、形态、尺寸或其他可测量参数。例如，如果微孔板的一个或多个孔至少具有细胞的阈值数量/汇合度/密度，则可以将微孔板移动到流体处置站72以用于滋养分裂、暴露于测试化合物和/或测定(使用移除体积的培养上清液)。在一些实施例中，用户可以查看捕获的图像，可选地通过因特网查看，并决定计算机96是否/何时应当将给定微孔板移动到流体处置站72以进行流体添加/移除。
可以在流体处置站72处将液体移入和/或移出微孔板(或其他样品保持件)的至少一个孔。转移的流体可以包括液体生长(培养)培养基。例如，可以用新体积的培养基来替换至少一个孔中的旧体积的培养基。在其他情况下，转移的流体可以包含测试化合物。例如，可以将测试化合物在一定体积的载液中添加到至少一个孔中，而不改变培养基。在另一些情况下，转移的流体可以包含来自至少一个孔的一定体积的上清液和/或细胞，并且可以转移到另一个板的孔中。可以转移上清液以在任何合适类型的测定中进行测试。可以转移细胞以进行测试和/或传代培养(subculturing)。
IV.实例
本章节描述了本发明的公开的与智能培养箱和利用智能培养箱执行的方法相关的选定方面和实施例。在本章节中描述的培养箱和方法的任何合适的方面可以彼此组合和/或与在本发明公开的其他地方公开的培养箱和方法的任何合适的方面组合。这些实例仅用于说明，不应限制或限定本发明的公开的整个范围。
实例1.智能培养箱实施例
该实例描述了第II章节的智能培养箱50的实施例250的选定方面；参见图5至图8。
图5、图6和图7分别示出了培养箱250的侧视图、截面俯视图和截面端视图。培养箱通常被分成图5和图6中左侧的存放站252以及右侧的流体处置站72。
存放站252包括机架56，机架56保持有布置成水平行和竖直列的多个微孔板58。机架具有由安装在外壳52的底板上的竖直壁构件254构成的框架。水平壁构件256在底板上方将相邻的竖直壁构件254彼此附接。相应的加热器126位于每个水平壁构件256的底侧。支架258安装在竖直壁构件254上，以形成用于将微孔板58支撑在每个加热器126下方的存放位置124。利用水平壁构件256和支架258的相对竖直位置，形成了在存放位置124处在微孔板58周围的合适的间隙，该间隙可由检测机器人60(微孔板的上方和下方)和板机器人88(微孔板的相反的横侧的下方和/或附近)接近。
检测机器人60和板机器人88也在存放站252中操作。机器人60、88被配置成从机架56的相应的相反两侧接近微孔板58。检测机器人60具有滑架260，该滑架260可以在前轨道262上沿着机架56的前侧被水平地驱动，如66所示(参见图6和图7)。类似地，板机器人88具有滑架264，该滑架264可以在后轨道266上沿着机架56的后侧被水平地驱动，如92所示。后轨道266比前轨道262长，以准许板机器人88在腔室54中行进到存放站252外。该较大的行进范围允许板机器人88在机架56与流体处置站72之间、在流体处置站内和/或向/从门移动板(诸如微孔板58)。
检测机器人60和板机器人88中的每一个具有由滑架260或264的横向轨道272或274支撑的相应的塔268、270。塔268可以沿着轨道272被水平地驱动，如68所示(参见图7)。塔270可以沿着轨道274被水平地驱动，如94所示。检测机器人60的检测模块164可以沿着塔268被竖直地驱动，如276所示。类似地，板机器人88的抓握头278可以沿着塔270被竖直地驱动，如280所示。抓握头278具有一对夹爪282，以在其传送期间抓握和/或支撑每个微孔板，诸如被抓握的微孔板284。
图5和图6还更详细地示出了流体处置站72的示例性特征。板停靠部74可以具有用于两个或更多个板的就位位置(参见图6)。例如，在所示实施例中，微孔板58和主板292(具有深孔)就位在板停靠部74中。当流体处置站72负责建立测定时，可以用测定板86之一替换板停靠部74中的主板292。一盒吸头82c已经从容纳有新吸头82a的盒堆叠体中移动到板停靠部74中。吸头82c位于板58、292之间，以供移液管78使用。
移液管78可以借助嵌套的一系列三个滑架(及相关联的马达)沿着三个正交的轴线被驱动，该嵌套的一系列滑架沿着相应的轨道组移动(参见图5和图6)。z-滑架294沿着轨道296行进，如箭头298所示，以升高和降低移液管78的工作端(参见图5)。x-滑架300沿着轨道302行进，如箭头304所示，以沿着x轴线水平地移动移液管78。y-滑架306沿着轨道308行进，如箭头310所示，以沿着y-轴线水平地移动移液管78。
图7和图8更详细地示出了检测机器人60的示例性特征。检测模块164的臂168、170分别定位在微孔板58的上方和下方。透射照明光源62a和图像传感器64与微孔板58的一个孔152对准。光源62a用光束312透过微孔板58的盖160照明细胞154。图像传感器64被定位成非常靠近孔152的底部而没有中间透镜，以进行细胞154的无透镜成像。
实例2.选择的实施例
该实例将本发明的公开的所选择的系统和方法描述为一系列有编号的段落。
段落A1.一种用于自动化细胞培养和/或测试的培养系统，其包括：(i)外壳，该外壳形成有腔室；(ii)机架，该机架限定有存放位置以将样品保持件(诸如微孔板)的阵列支撑在腔室内；(iii)检测机器人，该检测机器人用于在样品保持件保持在机架的存放位置中的一个存放位置处时捕获由每个样品保持件的一个或多个孔(例如，每个孔)容纳的细胞的一个或多个图像；(iv)流体处置站，该流体处置站被配置成在外壳内向每个样品保持件的一个或多个孔(例如，每个孔)中添加流体和/或从每个样品保持件的一个或多个孔(例如，每个孔)中移除流体；(v)至少一个板机器人，该至少一个板机器人用于将样品保持件在机架与流体处置站之间移动；以及(vi)计算机，该计算机用于控制检测机器人、流体处置站和至少一个板机器人的操作。
段落A2.如段落A1所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成通过无透镜成像来捕获图像。
段落A3.如段落A1或A2所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成无透镜地捕获表示位于每个样品保持件的一个或多个孔中的细胞的全息图，并且，计算机被配置成使用捕获的全息图来重建位于一个或多个孔中的细胞的一个或多个图像。
段落A4.如段落A3所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成用至少部分相干的光来照明位于每个样品保持件的一个或多个孔中的细胞。
段落A5.如段落A3或A4所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成用传播通过波导的光来照明细胞，并且波导(例如，光纤或液体光导)的出口被配置成与检测机器人一起行进至机架的每个存放位置。
段落A6.如段落A5所述的培养系统，其中，波导的出口具有小于约100微米的直径。
段落A7.如段落A5或A6所述的培养系统，其中，光源被光学耦合到波导，使得从波导的出口传输光源产生的光。
段落A8.如段落A7所述的培养系统，其中，光源由检测机器人支撑并被配置成与检测机器人一起行进至每个存放位置。
段落A9.如段落A7所述的培养系统，其中，光源被配置成在检测机器人行进至每个存放位置时是固定的。
段落A10.如段落A1至A9中任一段所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成用由点源产生的光来照明每个样品保持件的一个或多个孔中的细胞。
段落A11.如段落A1至A10中任一段所述的培养系统，其中，检测机器人被配置成用由发光二极管、激光二极管或二极管泵浦固体激光器产生的光来照明每个样品保持件的一个或多个孔的细胞。
段落A12.如段落A1至A11中任一段所述的培养系统，其中，检测机器人包括图像传感器，并且图像传感器包括CCD传感器或CMOS传感器。
段落A13.如段落A1至A12中任一段所述的培养系统，其中，流体处置站被配置成在腔室内将流体分配至样品保持件的孔以及从样品保持件的孔中移除流体。
段落A14.如段落A13所述的培养系统，其中，腔室为培养腔室，外壳形成有进出腔室，该进出腔室定尺寸成容纳样品保持件中的一个或多个，培养腔室经由内门与进出腔室连通，并且能够经由外门从外壳的外部进入进出腔室。
段落A15.如段落A1至A14中任一段所述的培养系统，其中，流体处置站包括移液管以及用于保持移液管的可移除吸头的容器的一个或多个存放位置。
段落A16.如段落A15所述的培养系统，其中，流体处置站包括用于保持移液管的新吸头的容器的第一堆叠位置和用于保持已经被移液管使用的吸头的容器的第二堆叠位置。
段落A17.如段落A1至A16中任一段所述的培养系统，其中，流体处置站包括用于样品保持件和测定板和/或主板之一的接收部位。
段落A18.如段落A1至A17中任一段所述的培养系统，其中，流体处置站包括盖机器人以移除和重新盖上样品保持件的盖。
段落A19.如段落A1至A18中任一段所述的培养系统，其中，至少一个板机器人包括第一板机器人和第二板机器人，外壳具有门，门限定了腔室的一部分，第一板机器人被配置成将样品保持件从机架传送至门附近或门处的位置，并且第二板机器人被配置成将样品保持件从门附近或门处的位置传送至流体处置站，该流体处置站在腔室外。
段落A20.如段落A19所述的培养系统，其中，外壳具有内门和外门，并且第一板机器人和第二板机器人被配置成经由内门和外门协作地将每个样品保持件从机架移动至流体处置站。
段落A21.如段落A20所述的培养系统，其中，腔室是第一腔室，并且流体处置站位于经由内门和外门与第一腔室连通的第二腔室中。
段落A22.如段落A1至A21中任一段所述的培养系统，其中，机架具有与第二侧相反的第一侧，至少一个板机器人中的板机器人被配置成经由机架的第一侧将样品保持件移入和移出存放位置，并且检测机器人被配置成经由机架的第二侧能操作地接近存放位置的样品保持件。
段落A23.如段落A22所述的培养系统，其中，机架的存放位置布置成水平行和竖直列，并且板机器人和检测机器人能够共同地同时能操作地接近相同水平行内的一对存放位置，并且同时能操作地接近相同竖直列内的一对存放位置。
段落A24.如段落A1至A23中任一段所述的培养系统，其中，机架包括多个加热器，多个加热器能操作地与存放位置相关联并且被配置成加热存放位置中的样品保持件的盖以在利用检测机器人进行图像捕获之前减少冷凝。
段落A25.如段落A24所述的培养系统，其中，能够用计算机对加热器的子集进行彼此独立的控制。
段落A26.如段落A24或A25所述的培养系统，其中，多个加热器中的不同加热器能操作地与机架的每个存放位置相关联，并且能够利用计算机独立于多个加热器中的每个其他加热器进行控制。
段落A27.如段落A1至A26中任一段所述的培养系统，进一步包括热控制系统，该热控制系统被配置为将腔室维持在高于室温的预定培养温度。
段落A28.如段落A1至A27中任一段所述的培养系统，进一步包括与腔室连接的二氧化碳源。
段落A29.如段落A1至A28中任一段所述的培养系统，进一步包括被配置成加湿腔室的水源。
段落A30.如段落A1至A29中任一段所述的培养系统，其中，机架的存放位置布置成水平行和竖直列，并且每个水平行和每个竖直列至少具有两个、三个或更多个存放位置。
段落A31.如段落A1至A30中任一段所述的培养系统，进一步包括检测站，该检测站被配置成检测来自各样品保持件的一个或多个孔(例如，每个孔)的光，其中至少一个板机器人被配置成将每个样品保持件在机架与检测站之间传送。
段落A32.如段落A31所述的培养系统，其中，检测站被配置成检测来自每个样品保持件的一个或多个孔(例如，每个孔)的光致发光。
段落A33.如段落A31或A32所述的培养系统，其中，检测站包括盖机器人以移除和重新盖上样品保持件的盖，并且检测站包括诸如光纤等波导，波导被构造成放置到每个样品保持件的每个孔中。
段落A34.如段落A1至A33中任一段所述的培养系统，其中，计算机被配置成通过因特网将捕获的样品保持件的孔中的细胞的图像发送至远程用户。
段落A35.如段落A34所述的培养系统，其中，计算机被配置成通过因特网接收来自远程用户的指令，并且指令告诉计算机是否和/或如何处理在发送的图像中显示的细胞培养物。
段落A36.如段落A34或A35所述的培养系统，其中，计算机被配置成通过因特网从远程用户接收指令，以处理发送的图像中显示的细胞培养物。
段落A37.如段落A1至A36中任一段所述的培养系统，其中，计算机被配置成基于捕获的图像来确定是否和/或何时在流体处置站向每个样品保持件的一个或多个孔中添加流体和/或从每个样品保持件的一个或多个孔中移除流体。
段落A38.如段落A37所述的培养系统，其中，计算机被配置成从由检测机器人捕获的一个或多个图像确定由每个样品保持件的一个或多个孔容纳的细胞的特性，诸如密度/汇合度/细胞计数，并基于该特性决定是否和/或何时向这样的孔中添加流体和/或从这样的孔中移除流体。
段落A39.如段落A1至A38中任一段所述的培养系统，进一步包括具有pH值传感器装置和/或氧传感器装置的样品保持件，pH值传感器装置和/或氧传感器装置布置在该样品保持件的一个或多个孔中，其中培养系统包括光学传感器，该光学传感器被配置成检测来自(一个或多个)传感器装置的光致发光。
段落A40.如段落A39所述的培养系统，其中，检测机器人包括光学传感器并且被配置成对传感器装置进行照明以诱发光致发光。
段落A41.如段落A1至A40中任一段所述的培养系统，该培养系统被配置成执行段落B1至B25中任一段所述的任何方法或方法步骤。
段落B1.一种自动化细胞培养和/或测试的方法，该方法包括：(i)捕获多个样品保持件中的每个样品保持件的一个或多个孔中容纳的细胞的一个或多个图像，多个样品保持件被存放在培养箱内的由机架限定的存放位置处，其中，当针对样品保持件捕获图像时，样品保持件保持在机架中的其存放位置中；(ii)使用板机器人在培养箱内将样品保持件从机架移动到流体处置站；以及(iii)在流体处置站处从样品保持件的至少一个孔中移除流体和/或向样品保持件的至少一个孔中添加流体。
段落B2.如段落B1所述的方法，其中，无透镜地捕获一个或多个图像。
段落B3.如段落B1或B2所述的方法，其中，捕获一个或多个图像包括用至少部分相干的光来照明细胞。
段落B4.如段落B1至B3中任一段所述的方法，其中，照明细胞包括使用于照明的光传播通过位于细胞上游的波导。
段落B5.如段落B3所述的方法，其中，捕获一个或多个图像包括捕获如下两个或更多个图像：其表示被照明细胞的至少相似视场，但(i)捕获两个或更多个图像的图像传感器的z位置不同，(ii)照明入射角不同，(iii)照明波长不同，和/或(iv)图像传感器和/或光源的横向位置存在亚像素位移。
段落B6.如段落B1至B5中任一段所述的方法，其中，捕获一个或多个图像包括捕获全息图。
段落B7.如段落B6所述的方法，进一步包括通过对来自捕获的全息图的数据进行数字处理来重建细胞的图像。
段落B8.如段落B7所述的方法，其中，重建图像包括从捕获的全息图中复原相位。
段落B9.如段落B1至B8中任一段所述的方法，其中，捕获一个或多个图像包括捕获样品保持件的多个孔中的每个孔的一个或多个图像，并且处理一个或多个图像以获得与孔中细胞的汇合度/密度/细胞计数对应的值，如果一个或多个孔的(一个或多个)所述值满足一个或多个预定标准则对样品保持件进行移动步骤。
段落B10.如段落B1至B9中任一段所述的方法，进一步包括将从捕获一个或多个图像的步骤产生的细胞的一个或多个图像发送给用户；从用户接收命令以执行移动步骤；以及响应于该命令在流体处置站处移除和/或添加流体。
段落B11.如段落B10所述的方法，其中，捕获一个或多个图像和移动由本地计算机控制，并且发送和接收的步骤通过远程计算设备之间的通信来执行，该远程计算设备由用户操作并且通过因特网与本地计算机通信。
段落B12.如段落B10或B11所述的方法，进一步包括从用户接收用于移除和/或添加流体的指令。
段落B13.如段落B10至B12中任一段所述的方法，其中，捕获一个或多个图像和移动由本地计算机控制，该方法进一步包括使用本地计算机的监视器向用户显示一个或多个图像。
段落B14.如段落B1至B13中任一段所述的方法，其中，两个或更多个样品保持件在机架中彼此竖直地对准。
段落B15.如段落B1至B14中任一段所述的方法，进一步包括在针对每个样品保持件捕获一个或多个图像之前，在培养箱内向每个样品保持件局部地和/或暂时地施加热量，以减少样品保持件的盖上的冷凝。
段落B16.如段落B15所述的方法，其中，对于每个样品保持件，使用专用加热器来施加热量。
段落B17.如段落B15或B16所述的方法，其中，利用多个加热器执行施加热量，每个加热器位于机架中的不同样品保持件上方。
段落B18.如段落B15至B17中任一段所述的方法，其中，在针对样品保持件捕获一个或多个图像之前，施加热量被执行预定时间段。
段落B19.如段落B1至B18中任一段所述的方法，其中，移除和/或添加流体包括将流体从至少一个孔转移至测定板的孔。
段落B20.如段落B19所述的方法，进一步包括在测定板的孔中执行测定。
段落B21.如段落B20所述的方法，其中，测定包括ELISA测定。
段落B22.如段落B20或B21所述的方法，进一步包括从培养箱外读取来自测定板的孔的结果。
段落B23.如段落B19至B22中任一段所述的方法，其中，在培养箱的主腔室中捕获一个或多个图像，该方法进一步包括使用板机器人将测定板从主腔室传送至培养箱的进出腔室的步骤。
段落B24.如段落B1至B23中任一段所述的方法，其中，移除和/或添加流体包括从至少一个孔中移除旧的培养基，并向所述至少一个孔中添加新的培养基，以在所述至少一个孔中滋养细胞。
段落B25.如段落B1至B24中任一段所述的方法，其中，移除和/或添加流体包括将流体中包含的测试化合物添加到至少一个孔中的步骤。
段落B26.如段落B1至B25中任一段所述的方法，该方法用段落A1至A40中所述的系统或系统特征中任一个来执行。
本发明的公开中使用的术语“示例性”是指“说明性的”或“用作实例”。类似地，术语“例证性”是指“通过给出实例来说明”。两个术语都不暗示合意性或优越性。
上述公开内容可以涵盖具有独立效用的多个不同的发明。尽管这些发明中的每一个都以其(一个或多个)优选形式公开，但是这里公开和示出的具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。本发明的主题包括这里公开的各种元件、特征、功能和/或性质的所有新的和非显而易见的组合和子组合。下面的权利要求特别指出了被认为是新的和非显而易见的某些组合和子组合。在特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合中实施的发明可以在要求本申请或相关申请的优先权的申请中要求保护。无论是针对不同的发明还是针对相同的发明，并且无论是比原始权利要求的范围更宽、更窄、相等或不同，这样的权利要求也被认为包括在本发明的公开的发明的主题内。此外，除非另外具体说明，否则用于所标识的元件的诸如第一、第二或第三的顺序指示符用于区分元件，并且不指示这些元件的特定位置或顺序。

Claims (20)

1.一种用于自动化细胞培养和/或测试的培养系统(50，150)，所述系统包括：
外壳(52)，所述外壳(52)形成有腔室(54)；
机架(56)，所述机架(56)限定有存放位置(124)以将样品保持件(58)的阵列支撑在所述腔室(54)内；
检测机器人(60)，所述检测机器人(60)用于在所述样品保持件保持在所述机架(56)的所述存放位置(124)中的一个存放位置处时，捕获由每个样品保持件(58)的一个或多个孔(152)容纳的细胞(154)的一个或多个图像；
流体处置站(72)，所述流体处置站(72)被配置成在所述外壳(52)内向所述样品保持件(58)中的每一个样品保持件的所述一个或多个孔(152)中添加流体，和/或从所述样品保持件(58)中的每一个样品保持件的所述一个或多个孔(152)中移除流体；
至少一个板机器人(88)，所述至少一个板机器人(88)用于将样品保持件(58)在所述机架(56)与所述流体处置站(72)之间移动；以及
计算机(96)，所述计算机(96)用于控制所述检测机器人(60)、所述流体处置站(72)和所述至少一个板机器人(88)的操作。
2.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述检测机器人(60)被配置成通过无透镜成像来捕获图像。
3.根据权利要求2所述的培养系统(50，150)，其中，所述检测机器人(60)被配置成无透镜地捕获表示位于每个样品保持件(58)的一个或多个孔(152)中的细胞(154)的一个或多个全息图，并且所述计算机(96)被配置成使用捕获的全息图来重建位于所述一个或多个孔(152)中的所述细胞(154)的图像。
4.根据权利要求3所述的培养系统(50，150)，其中，所述检测机器人(60)被配置成用传播通过波导(178)的光来照明细胞(154)，并且所述波导(178)的出口被配置成与所述检测机器人(60)一起行进至所述机架(56)的所述存放位置(124)中的每一个存放位置。
5.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述流体处置站(72)被配置成在所述腔室(54)内将流体分配到所述样品保持件(58)的孔(152)中以及从所述样品保持件(58)的孔(152)中移除流体。
6.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述腔室(54)是培养腔室，所述外壳(52)形成有进出腔室(122)，所述进出腔室(122)定尺寸成容纳一个或多个样品保持件(58)，所述培养腔室经由内门(118)与所述进出腔室(122)连通，并且所述进出腔室(122)能够经由外门(120)从所述外壳(52)的外部接近。
7.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述流体处置站(72)包括移液管(78)和用于保持所述移液管(78)的可移除吸头(82)的容器的一个或多个存放位置。
8.根据权利要求7所述的培养系统(50，150)，其中，所述流体处置站(72)包括用于保持所述移液管(78)的新吸头的容器的第一堆叠位置和用于保持已经被所述移液管(78)使用的吸头的容器的第二堆叠位置。
9.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述流体处置站(72)包括用于所述样品保持件(58)和测定板(86)和/或主板(292)中的至少一个的接收部位。
10.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述机架(56)具有与第二侧相反的第一侧，所述至少一个板机器人(88)中的板机器人被配置成经由所述机架(56)的所述第一侧将样品保持件(58)移进和移出所述存放位置(124)，并且所述检测机器人(60)被配置成经由所述机架(56)的所述第二侧能操作地接近所述存放位置(124)中的样品保持件(58)。
11.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述机架(56)包括多个加热器(126)，所述多个加热器(126)能操作地与所述机架(56)的所述存放位置(124)关联并且被配置成在所述存放位置(124)中加热样品保持件(58)的盖(160)以在用所述检测机器人(60)进行图像捕获之前减少冷凝。
12.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述计算机(96)被配置成通过因特网将一个或多个所捕获的图像发送到远程用户，并且所述计算机(96)被配置成从所述远程用户接收关于是否和/或如何处理在所发送的图像中显示的细胞(154)的培养物的指令。
13.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，其中，所述计算机(96)被配置成基于由所述检测机器人(60)捕获的图像来确定是否和/或何时在所述流体处置站(72)处向每个样品保持件(58)的一个或多个孔(152)中添加流体和/或从每个样品保持件(58)的一个或多个孔(152)中移除流体。
14.根据权利要求13所述的培养系统(50，150)，其中，所述计算机(96)被配置成从由所述检测机器人(60)捕获的图像确定由每个样品保持件(58)的一个或多个孔(152)容纳的细胞(154)的特性，并且基于所述特性决定是否和/或何时向这样的孔(152)中添加流体和/或从这样的孔(152)中移除流体。
15.根据权利要求1所述的培养系统(50，150)，进一步包括具有pH值传感器装置和/或氧传感器装置(162)的样品保持件(58)，所述pH值传感器装置和/或氧传感器装置(162)布置在该样品保持件(58)的一个或多个孔(152)中，所述培养系统(50，150)包括光学传感器(64)，所述光学传感器(64)被配置成检测来自所述pH值传感器装置和/或氧传感器装置(162)的光致发光。
16.一种自动化细胞培养和/或测试的方法，所述方法包括：
捕获多个样品保持件(58)中的每个样品保持件的一个或多个孔(152)中容纳的细胞(154)的一个或多个图像，所述多个样品保持件(58)被存放在培养箱(50、150)内的由机架(56)限定的存放位置(124)处，其中，当针对所述样品保持件(58)捕获所述一个或多个图像时，所述样品保持件(58)保持在所述机架(56)中的所述存放位置(124)中；
使用板机器人(88)在所述培养箱(50、150)内将所述样品保持件(58)从所述机架(56)移动到流体处置站(72)；以及
在流体处置站(72)处从所述样品保持件(58)的至少一个孔(152)中移除流体和/或向所述样品保持件(58)的至少一个孔(152)中添加流体。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，捕获一个或多个图像是无透镜地执行的。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，捕获一个或多个图像包括：捕获所述样品保持件(58)的多个孔(152)中的每个孔的一个或多个图像，以及处理所述一个或多个图像以获得与所述孔(152)中的细胞(154)的汇合度和/或密度和/或数量对应的值，并且，如果所述多个孔(152)中的一个或多个孔的一个或多个所述值满足一个或多个预定标准，则针对所述样品保持件(58)执行所述移动步骤。
19.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：
将由捕获一个或多个图像的步骤产生的细胞的一个或多个图像发送给用户；
从用户接收执行所述移动步骤的命令；以及
响应于所述命令在所述流体处置站(72)处移除和/或添加流体。
20.根据权利要求16所述的方法，所述方法进一步包括：在为所述样品保持件(58)捕获一个或多个图像之前，在所述培养箱(50、150)内向每个样品保持件(58)局部地和/或暂时地施加热量，以减少所述样品保持件的盖(160)上的冷凝。
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