CN116490882A - Ai叠层芯片临床预测引擎 - Google Patents

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Kurui Technology Co ltd
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Abstract

公开了一种用于评估药物的特点的方法，所述方法包括用所述药物处理组织样品；从所述组织样品中提取所处理的组织样品的至少一个特征；向引擎提供所述至少一个特征；从所述引擎获得预测；以及将所述预测与所述药物相关联。

Description

AI叠层芯片临床预测引擎
技术领域
本公开文本涉及用于提高药物开发效率的方法。
背景技术
开发药品的过程依赖于在二维组织培养和动物模型中进行测试。该过程极其无效，导致人类临床试验的失败率超过90％。对改进的药品开发和测试方法的需求尚未得到满足。
发明内容
本发明的优选实施方案提供了一种基因组感测方法，其包括检测生物组织表达的RNA分子的存在，所述检测包括在第一时间的第一检测和在第二时间的第二检测，并且其中所述第二时间在所述第一时间之后，并且所述第二检测不受所述第一检测的影响。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种基因组感测方法，其包括检测生物组织表达的RNA分子的存在，所述检测包括在第一时间的第一检测和在第二时间的第二检测，并且其中所述第二时间在所述第一时间之后，所述第二检测不受所述第一检测的影响，并且不扩增所述RNA分子。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种基因组感测方法，其包括检测生物组织表达的环状RNA分子的存在，所述检测包括在第一时间的第一检测和在第二时间的第二检测，并且其中所述第二时间在所述第一时间之后，并且所述第二检测不受所述第一检测的影响。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种基因组感测方法，其包括检测生物组织表达的环状RNA分子的存在，所述检测包括在第一时间的第一检测和在第二时间的第二检测，并且其中所述第二时间在所述第一时间之后，所述第二检测不受所述第一检测的影响，并且不扩增所述环状RNA分子。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种叠层芯片(chip-on-chip)装置，其包括含有类器官的类器官室；和传感器，其可操作以检测所述类器官表达的RNA分子的存在，并且其中所述传感器的操作不影响所述类器官。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种叠层芯片装置，其包括含有类器官的类器官室；和传感器，其可操作以检测所述类器官表达的RNA分子的存在，并且其中所述传感器的操作不影响所述类器官，并且不扩增所述RNA分子。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种叠层芯片装置，其包括芯片，所述芯片包括多个类人件(humanoid)，所述类人件包括多个类器官室，所述类器官室包含相应的多个类器官；传感器，其可操作以检测所述多个类器官中的一个类器官表达的RNA分子的存在，并且其中所述传感器的操作不影响所述多个类器官中的所述一个类器官。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种器官芯片(organ on chip)装置，其包括：第一室和第二室，其中所述第一室和所述第二室是相邻的并且被膜分隔开；在所述膜的第一侧上的所述第一室中培养的第一组织层，和在所述膜的第二侧上的所述第二室中培养的第二组织层；其中所述膜是竖直的。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种叠层芯片系统，其包括：第一芯片，其包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述类器官室包含相应的多个类器官；多个生物芯片，其可操作以对所述第一芯片执行多个动作，并且其中所述多个动作包括诊断动作和泵送动作中的至少一个；以及致动器，其可操作以交互操作微流体芯片和所述多个生物芯片。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种系统，其中泵送动作包括对微流体循环的主动泵送和选择性选路，所述微流体循环使多个类器官室中的多于一个类器官室互连。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种系统，其中诊断动作包括通过操作相应的多个纳米传感器来测量多个类器官室的子集中的化学物质的水平。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种包括第一芯片和第二芯片的叠层芯片系统，其中所述第一芯片包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述类器官室包含相应的多个类器官。其中所述多个类器官室中的每一个包括独立的微流体循环通道。第二芯片可操作以执行将所述类人件内包括的多个类器官室互连的微流体循环过程，其中根据来自控制器或处理器的命令对所述循环进行主动泵送和选择性选路。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种高通量基因组人类芯片(human-chip)系统，其包括：第一芯片，所述第一芯片包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述类器官室包含相应的多个类器官；生物芯片，所述生物芯片包括多个传感器，所述多个传感器可操作以检测相应的多个类器官室内的环状RNA分子。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种人类芯片装置，其包括第一芯片，所述第一芯片包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括包含相应的多个类器官的多个类器官室，和将所述多个类器官室互连的循环；第二微流体芯片，所述第二微流体芯片包括多个传感器，并且可操作以从所述第一芯片的多个类器官室抽取样品并将所述样品递送到所述多个传感器；以及致动器，其可操作以相对于所述第一芯片移动所述第二芯片。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种人类芯片装置，其包括第一微流体芯片，所述第一微流体芯片包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括包含相应的多个类器官的多个类器官室，和将所述多个类器官室互连的循环，其中对所述循环进行主动泵送、选择性选路和电子控制；第二微流体芯片，所述第二微流体芯片包括多个传感器，并且可操作以从所述第一芯片的多个类器官室抽取样品并将所述样品递送到所述多个传感器；以及致动器，其可操作以相对于所述第一芯片移动所述第二芯片。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种基因组人类芯片装置，其包括第一微流体芯片和第二微流体芯片，所述第一微流体芯片包括含有类器官的类器官室，所述第二微流体芯片可操作以从所述类器官非破坏性地提取单细胞。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种基因组人类芯片系统，其包括第一芯片和第二芯片，所述第一芯片包括含有类器官的类器官室，所述第二芯片可操作以用非破坏性方式从所述类器官中提取单细胞。所述第二芯片可以在对所述类器官施加处理之前提取一个细胞，并在施加处理之后提取另外一个或多个细胞。所述系统还包括分析器，所述分析器可操作以至少部分地基于所述提取确定从提取的细胞鉴定的表型与所述处理之间的相关性。所述表型可以选自基因组数据和表观遗传学数据。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种芯片载临床试验系统，所述系统包括第一芯片，所述第一芯片包括反映相应的多个患者的多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述类器官室包含相应的多个类器官，所述类器官反映来自所述多个患者中的一个的相应的多个组织。所述系统还包括第二芯片，所述第二芯片包括多个传感器，并且可操作以从所述第一芯片的多个类器官室抽取样品。所述第二芯片还可以将所述样品递送到不位于所述第二芯片上的多个遥感器。所述系统还包括致动器，所述致动器可操作以相对于所述第一芯片移动所述第二芯片。所述系统还包括分析器，所述分析器可操作以至少部分地基于所述第一芯片、所述第二芯片和所述致动器来预测药物在多个患者中的功效。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种人类芯片自动化标记方法。所述方法包括获得从类器官提取的未处理的表型，和对所述类器官应用第一处理后从同一类器官提取的处理的表型。所述方法还包括鉴定所述未处理的表型与所述处理的表型之间的差异。所述方法还包括至少部分地基于所鉴定的差异标记所述处理的表型。所述方法还包括至少部分地基于所述标记预测第二处理对所述类器官的功效。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种包括多个类人件的人类芯片装置，其中所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述多个类器官室中的每一个包含相应的类器官。所述装置还包括使所述多个类器官室互连的循环通道。所述系统包括控制器或处理器，用于控制所述循环通道中的泵送和选路过程。所述装置还包括感测引擎，所述感测引擎包括多个传感器和传感器样品循环。所述感测引擎可操作以从所述多个类器官室抽取样品并将所述样品递送到所述多个传感器。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种包括多个类人件的人类芯片装置，其中所述多个类人件中的每一个包括多个类器官室，所述多个类器官室中的每一个包含相应的类器官。所述装置还包括将多个类器官室互连的循环通道和用于控制在所述循环通道中执行的循环、泵送和选路过程的控制器。所述装置还包括具有多个传感器的感测引擎，并且所述感测引擎可操作以从多个类器官室抽取样品并将所述样品递送到所述多个传感器中的每一个。在一些情况下，所述多个类人件为大于5个类人件。在一些情况下，所述多个类器官室中的每一个的容积与相应的类器官之间的比率小于2，使得所述类器官占用所述室的容积的超过一半。在一些情况下，所述多个类器官室中的每一个的容积与所述样品的体积之间的比率大于1000，使得所述样品占据所述室的容积的小于0.1％。
本发明的仍另一个优选实施方案提供了一种人类芯片系统，其包括人类芯片装置和控制器。所述控制器可操作以导致第一类器官和第二类器官更好地模拟它们在人体中相应的第一组织和第二组织的药效学，所述导致包括：控制循环，从而将对所述循环的暴露递送到所述第一类器官并将对所述循环的不同暴露递送到所述第二类器官；以及对来自所述第一类器官的样品的传感器读数应用计算调节，以及对来自所述第二类器官的样品的传感器读数应用不同的计算调节。
本发明的另一个优选实施方案提供了一种人类芯片系统，其包括人类芯片装置和控制器，所述控制器可操作以至少部分地基于感测引擎来执行鉴定有缺陷的类器官的动作；以及基于所述鉴定来控制感测、循环、泵送和选路中的至少一个，以避免相应类器官中有缺陷的类器官。
本发明的又另一个优选实施方案提供一种人类芯片系统，其包括人类芯片装置和控制器，所述控制器可操作以至少部分地基于感测引擎来执行鉴定多个传感器中的故障传感器的动作；以及基于所述鉴定控制传感器收集循环，以避免所述多个传感器中的故障传感器。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种具有感测引擎的人类芯片装置，所述感测引擎可操作以将免疫细胞递送到多个类器官室中的一个。所述感测引擎还可操作以在处理之前从所述多个类器官室中的一个提取所述免疫细胞的第一样品，并在所述处理之后从所述多个类器官室提取所述免疫细胞的第二样品，从而使得能够评估所述免疫细胞的第一样品和所述免疫细胞的第二样品的免疫状态。
本发明的又另一个优选实施方案提供了一种用于设计药物配制品的方法，所述方法包括：预测多种药物配制品中的每一种的生物作用；使用人类芯片装置筛选所述多个药物配制品的子集中的每一种的生物作用，其中所述筛选至少部分地基于所述预测。所述人类芯片装置包括：多个类人件，所述多个类人件中的每一个均包括多个类器官室，所述多个类器官室中的每一个包含相应的类器官。所述装置还包括使所述多个类器官室互连的循环通道。所述装置还包括用于控制循环、泵送和选路过程的控制器。所述装置还包括感测引擎，所述感测引擎包括多个传感器，并且可操作以从所述多个类器官室抽取样品并将所述样品递送到所述多个传感器中的每一个；至少部分地基于所述筛选来细化所述预测。所述方法还包括至少部分地基于所述预测、筛选和细化来配制药品；并且其中所述预测、筛选、细化和配制通过至少一个处理器装置执行。
本发明主题的另一个目的是公开一种用于评估药物的特点的方法，所述方法包括：用所述药物处理组织样品；从所述组织样品中提取所处理的组织样品的至少一个特征；向引擎提供所述至少一个特征；从所述引擎获得预测；以及将所述预测与所述药物相关联。
在一些情况下，所述至少一个特征包括多个特征，所述多个特征中的每个特征在用所述药物处理所述组织之后的预定时间从所述组织样品中提取。
在一些情况下，通过对所述组织应用化学或生物测试来获得所述至少一个特征。
在一些情况下，通过捕获所述组织的图像并使用图像分析技术从所述图像中提取特征来获得所述至少一个特征。
在一些情况下，所述引擎是人工智能(AI)引擎。
在一些情况下，所述AI引擎是卷积神经网络、深度神经网络或随机森林引擎。
在一些情况下，将所述预测与所述药物的毒性水平相关联。
在一些情况下，所述方法还包括产生所述引擎，其包括：
用多种药物处理多个组织样品，所述多种药物中的每种药物与特点相关联；
从所述多个组织样品中的至少一些中提取至少一个特征；
向AI训练模块提供来自所述多个组织样品中的至少一些的所述至少一个特征以及与用来处理所述组织样品的药物相关联的特点；以及
获得经过训练的AI引擎。
在一些情况下，所述方法还包括产生所述引擎，其包括：
用多种药物处理多个组织样品，所述多种药物中的每种药物与特点相关联；
从所述多个组织样品中的至少一些中提取至少一个特征；
向AI训练模块提供来自所述多个组织样品中的至少一些的所述至少一个特征以及与用来处理所述组织样品的药物相关联的特点；以及
获得经过训练的AI引擎。
本发明主题的另一个目的是公开一种人类芯片装置，其包括第一生物芯片，所述第一生物芯片包括多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括：多个类器官室，所述类器官室中的每一个包含至少一个类器官；以及第二生物芯片，所述第二生物芯片包括多个传感器，所述多个传感器可操作以从所述第一芯片的所述多个类器官室收集测量值。所述第二芯片包括将多个类器官室的至少一部分流体耦合的循环通道，以及可操作以相对于所述第一芯片移动所述第二芯片的致动器。
在一些情况下，所述装置还包括用于控制所述致动器的操作的控制器以及包括用于相对于所述第一生物芯片移动所述第二生物芯片的一组规则的存储器。
在一些情况下，所述装置还包括泵，所述泵可操作以将循环流体泵送到所述多个类器官室中的至少一个类器官室中。
在一些情况下，所述装置还包括用于经由所述循环通道将流体递送到所述多个室的施用端口。
在一些情况下，所述类器官室的至少一部分还包括二级循环通道和二级泵。
在一些情况下，所述装置还包括耦合到所述二级循环通道的消除室，所述消除室用于存储从相应的类器官室提取的流体。
在一些情况下，所述类器官室的至少一部分与室阀耦合，所述室阀使得内容物能够或不能从所述循环通道流动到所述类器官室。
在一些情况下，所述第一生物芯片和所述第二生物芯片中的至少一个是微流体的。
在一些情况下，所述第二生物芯片还包括用于从位于所述多个类器官室中的一个中的类器官提取单细胞的提取装置。
在一些情况下，所述第二生物芯片还包括分析器，所述分析器可操作以在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞和在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞；其中所述分析器还可操作以确定表型与所述处理之间的相关性，并且其中所述表型选自：基因组数据和表观遗传学数据。
在一些情况下，所述多个传感器中的至少一些包括位于所述第二生物芯片底部中的纳米管，所述纳米管可操作以从所述类器官室提取流体或将流体递送到所述类器官室。
在一些情况下，所述多个类人件代表相应的多个患者；
其中所述多个类器官室包含代表所述多个患者的多个组织的多个类器官；
其中所述装置还包括分析器，所述分析器可操作以预测药物在所述多个患者中的功效。
在一些情况下，所述装置还包括位于所述多个类器官室的上部中的类器官盖，所述类器官盖具有打开位置和关闭位置，在所述打开位置，所述第二生物芯片可以接近所述类器官室内部的内容物，在所述关闭位置，所述第二生物芯片可以接近所述类器官室内部的内容物。
在一些情况下，所述第一生物芯片和所述第二生物芯片中的至少一个是微流体的。
在一些情况下，所述装置还包括分析器，所述分析器可操作以在对所述类器官施加处理之前接收细胞的至少一个测量值和在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞；其中所述分析器还可操作以确定表型与所述处理之间的相关性，并且其中所述表型选自：基因组数据和表观遗传学数据。
在一些情况下，所述装置还包括具有不同数量探针的多个不同的第二生物芯片。
在一些情况下，所述第二生物芯片还包括用于将感测到的数据发送到远程装置的发送器。
在一些情况下，所述第二生物芯片还包括多个探针，所述多个探针中的每个探针被配置成插入所述多个类器官室中的类器官室中。
在一些情况下，所述多个探针中的至少一个探针在所述探针的底部具有纳米传感器。在一些情况下，所述多个探针中的至少一个探针在所述探针的顶部具有纳米传感器。
附图说明
在所附权利要求中阐述了被认为是本发明特点的新颖特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考对说明性实施方案的以下详细描述，将最好地理解本发明本身以及其优选使用模式、其他目的和优点，其中：
图1A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施方案的用于训练适于预测药物特征的人工智能(AI)引擎的方法的流程图；
图1B示意性地示出了根据本发明的一个优选实施方案的用于预测药物特征的设备；
图1C显示了用于准备对传感器测量值进行分类的方法的实施方案的流程图。
图1D示意性地示出了用于预测药物特征的系统的框图
图2A示意性地示出了根据本发明的一个优选实施方案的叠层芯片系统的概览；
图2B示意性地示出了根据本发明的一个优选实施方案的叠层芯片系统的图示；
图2C示意性地展示了诊断芯片的示例；
图2D示意性地展示了处理芯片的示例；
图3A至图3G示意性地展示了本发明的一个优选实施方案的实现：图3A示出了本发明的叠层芯片的实现示例(全系统概览)；图3B示出了本发明的实现实例(叠层芯片视图)；图3C示出了本发明的实现示例(全芯片视图)；图3D示出了本发明的实现示例(类人件视图)；图3E示出了本发明的实现示例(类器官视图)；图3F示出了本发明的实现实例(化学感测芯片)；图3G示出了本发明的实现示例(循环芯片)；
图4示意性地展示了循环架构的示例；
图5示意性地展示了循环泵送的示例；
图6示意性地展示了分流流动的示例；
图7示意性地展示了芯片上缩放的示例；
图8A、图8B、图8C、图8D和图8E展示了类器官的架构和创建：图8A展示了球形类器官的架构和创建过程；图8B展示了灌注类器官的架构；图8C展示了灌注类器官的拉伸膜；图8D展示了灌注类器官的创建；并且图8D展示了灌注类器官的替代性创建。
图9A和图9B在一起时示意性地展示了类人件架构；循环架构的示例；
图10A示意性地展示了吸收和施用的示例；
图10B示意性地展示了消除的示例；
图10C示意性地展示了并行ADME功能的示例；
图11A示意性地展示了化学和基因组纳米感测的示例；
图11B示意性地展示了实时细胞传感器架构
图12示意性地展示了特异性和非特异性传感器阵列的示例；
图13A示意性地展示了基因组纳米感测的示例；
图13B示意性地展示了circ-RNA折叠的示例；
图13C示意性地展示了circ-RNA探针设计的示例；
图13D示意性地展示了circ-RNA探针设计方法的流程图；
图14示意性地展示了非破坏性基因组分析的示例；
图15示意性地展示了药物发现过程的概览的流程图；
图16A-图16E显示了根据本发明主题的示例性实施方案的多个类器官室，它们具有连接它们的循环通道
具体实施方式
在优选实施方案的以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中以说明方式示出了可以实践本发明的具体实施方案。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方案并且可以进行结构改变。在没有这些具体细节的一些或全部的情况下，本发明可以根据权利要求来实施。为了清楚起见，没有详细描述在与本发明相关的技术领域中已知的技术材料，从而不会不必要地模糊本发明。
开发新药物的困难和复杂性使得需要一种更快且更容易地评估药物对人体的影响的系统和方法。可以使用各种特征评估影响，所述特征例如但不限于功效和安全性，例如预测人类发生药物诱导的肝损伤的风险水平。
本公开文本的一个解决方案包括获得药物的分类集合，其中每种药物的分类与一个或多个特征相关。例如，所述集合可以包括多种药物，其中每种药物的毒性水平是已知的，即DILIrank由1,036种FDA批准的药物组成，将所述药物根据其引起药物诱导的肝损伤(DILI)的潜力分为四类。
然后可以将药物应用于人体组织，如下详述。然后可以随时间检查组织，例如每小时检查一次，持续一周。将收集的测量值与应用于所检查身体组织的特定药物的每个分类相关联。可以使用实验室技术、所捕获组织图像的图像分析等来测量身体组织的特点。将身体测量值转换成数字数据，将每个收集的测量值与特定药物和特定身体组织相关联。然后根据与测量值相关联的特定药物的分类来标记所述测量值。
然后可以使用从组织测量值中提取的特征以及所收集的测量值的分类(其与与所述测量值相关联的应用于特定组织的药物的分类相匹配)来训练人工智能(AI)引擎。
然后，在训练AI引擎并且新药处于开发过程之后，可以将新药应用于一个或多个组织样品。然后可以提取在用所述新药处理所述组织时随时间取得的组织样品的测量值的特征，并将其提供给经过训练的AI引擎。
然后所述AI引擎可以预测所述新药的分类，例如其毒性水平。
通过在将新药应用于组织样品而不是患者时在早期阶段提供药物的有效性和危险的指示，该过程可以节省多个测试和分析阶段。这可以显著减少测试新药的时间、成本和复杂性。
现在参考图1A，其示出了用于训练适于预测药物特征的人工智能(AI)引擎的方法的流程图。
可以获得具有各种特点(如毒性水平)的药物，例如毒性水平1的药物(2)、毒性水平2的药物(2')等，直到毒性水平N的药物(2")。因此，将每种药物与特定值(例如代表其毒性水平的值)相关联。
在步骤8中，诸如毒性水平的特点可经历生物转化，即转化为多个特征。
为了执行生物转化，可以接收多个组织样品4。在步骤12、12'和12"中，可以将药物2、2'和2"分别应用到组织样品。
可以使用具有W个孔的板，其中每个孔包含某种器官的人细胞的球体和培养基(如液体)。所述球体可以由大约C个细胞组成。每个孔可以具有预定的目的，例如对照、媒介物或药物剂量。对照孔可用于将从其他孔获得的特征值归一化。
在示例性实验中，使用了以下设置：
D - 天数 14
W - 用于非终端数据收集的孔数 96
Wt - 用于终端数据收集的孔数 4
F - 特征数 5
S - 每天采样率 - 如每天1次 1
C - 球体中的细胞数约 1000
DILI-药物诱导的肝损伤
分别在步骤16、16'和16"中，可以从处理的样品获得相关特征。
所述特征可以包括化学或生物特征，例如葡萄糖、乳酸、氧、尿素、钾、氨、pH等。
例如，所述特征可以是以下类型：
1.时间序列-定期收集的每个组织的数据。收集可以通过传感器或通过非终端着色和自动检查来执行。
2.显微镜图像-可以定期使用显微镜捕获每个组织
3.终点-可以选择“牺牲”一些组织用于数据收集，这阻止球体进一步存活。
应当理解，还可以基于领域专家知识提供另外的或不同的特征。例如，可以通过将葡萄糖与乳酸之间的关系建模来添加“细胞呼吸类型”向量：当葡萄糖消耗降低或停止并且乳酸水平升高时，可以断定球体细胞的呼吸从需氧变为厌氧。应当理解，不同测量值之间的关系不一定同时测量，而是也可以在预定时间范围内确定，例如一小时、一天等。所述预定时间范围可以根据各种参数而改变，所述参数例如细胞类型、测量的参数或事件等。例如，给定window_size和shift，可以使用以下算法来确定细胞呼吸类型：
对于包括乳酸和葡萄糖测量值的每个向量，可以通过将长度为window_size的滚动窗口中的相应值平均化来创建新向量。对于所述向量之一，例如乳酸向量，窗口可以按shift的量向右移位(即，获取稍后的测量值)。
然后可以计算新向量的一阶和二阶导数。
如果同一指数的两个二阶导数都大于预定阈值，并且同一指数的一阶导数为正，其表明更低的葡萄糖消耗和高乳糖产量，则返回TRUE，否则返回FALSE。
可以对以下参数所有可能的组合(总共9个组合)执行所述算法：Shift:{-1,0,1}和Window_size:{1,2,3}。
如果任何运行返回TRUE，则可以推断发生了细胞呼吸变化。
可以将生物知识添加到测量的或以其他方式评估的特征。
例如，可以每天收集特征S次，持续D天，包括从W个孔收集F个特征。因此，向量的总数可以是
D*S*F*W。
另外，在D天后，可以收集W个孔中的每个孔的一个或多个显微镜图像，并且可以以灰度2048×2048分辨率保存每个图像。
在一些实施方案中，可以在先前注释的图像上训练计算机视觉神经网络，以在显微图像中检测球体在孔内的位置。经过训练的计算机视觉神经网络可用于确定球体位于其中的包围盒，并且可以相应地裁剪图像，例如将大小调整到412×412的分辨率。
还可以对图像进行归一化，例如可以将归一化后每个像素的值设置如下：p[i,j]＝(p[i,j]-0.5)/0.5。
可以训练诸如缩放视觉转换器的模型，用于使用严重性类别标签以有监督的方式将显微图像分类为严重性类别。然后将用作分类头(classification head)输入的日志附加到每个组织的特征。
在一个例子中，组织样品4可以是从未处理的类器官提取的剪切细胞，并且特征提取可以包括一个或多个细胞的基因组测序，使得所提取的特征可以包括基因组表达或表观遗传学谱。在又另一个例子中，组织样品4可以是免疫细胞和血清，并且提取的特征可以包括细胞的免疫谱。
应当理解，每个特征可以与在应用药物后的预定时间取得的多个值相关联，并因此构成值的向量。
因此，生物转化步骤8输出训练数据20，其包括用与样品相关联的药物的相同分类进行分类的多个数据集，形成所述数据集的特征是从所述样品提取的。例如，数据集24由值的向量组成并被分类为具有特点的第一值(因为应用于相关样品的药物2被分类为具有所述第一值)，数据集24'由值的其他向量组成并被分类为具有特点的第二值(因为应用于相关样品的药物2'被分类为具有所述第二值)，依此类推，直到数据集24"，其由值的向量组成并被分类为具有特点的第N值(因为应用于相关样品的药物2"被分类为具有所述第N值)。特点可以是毒性水平。因此，向量具有与生物转化过程中分析的特定身体组织相关联的药物相同的分类。
在步骤28中，包括数据集24、24'和24"的训练数据20连同相关分类可用于训练AI引擎。AI引擎可以是随机森林引擎、卷积神经网络(CNN)、任何其他类型的神经网络或任何其他类型的AI引擎。
所述训练产生经过训练的引擎28，例如卷积神经网络、深度神经网络、任何其他类型的网络或任何其他类型的AI引擎。
在一个示例性实验中，梯度提升决策树(GBDT)文库由XGBoost library v1.5.0实现并且可从https://xgboost.readthedocs.io/en/latest/获得，已将其用于分类每种药物。通过十折交叉验证评价的蛮力法(brute-force)网格搜索超参数调优已与以下参数网格一起使用：
{"learning_rate":[0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30]，
"max_depth":[3,4,5,6,8,10,12,15]，
"min_child_weight":[1,3,5,7]，
"gamma":[0.0,0.1,0.2,0.3,0.4]，
"colsample_bytree":[0.3,0.4,0.5,0.7]}
因此，可以评价6*8*4*5*4＝3840个模型，并且可以按十折交叉验证测试中的平均得分来选择最佳模型。
训练持续100个周期(epoch)，其中对于每个周期使用整个数据集。当使用XGBoost训练GBDT时，num_round参数设置为100。使用了以下训练代码：
num_round＝100
evallist＝[(data_test,'eval'),(data_train,'train')]
bst＝xgb.train(param,data_train,num_round,evallist)
应理解，上述步骤可以在准备阶段(也称为训练阶段)进行。当需要对正在开发的新药进行分类时，下文公开的步骤可以在测试阶段进行。
可以将收集的数据可以分割为训练集和测试集，例如比率为90％训练集和10％测试集。在一些实施方案中，可以对训练集使用十折交叉验证来进行模型选择，例如找到每个模型类型的最佳超参数。
在测试阶段，可以提供未分类的药物36。
一个或多个组织样品4可用于执行如上所述的生物转化步骤8(包括用新药36处理12组织样品或将其应用12于组织样品)以及从处理的组织提取特征的步骤16。
可以将经过训练的引擎32应用于提取的数据，包括从将新药应用于身体组织提取的未分类数据集40。然后经过训练的引擎28可以输出预测48，例如未分类药物36的分类。预测48可以对应于针对药物2、2'、2"提供的标签，例如毒性水平。
在一批N个样品的示例性分类中，在将每个样品分类为M个类别之一的情况下，经过训练的引擎可以输出NxM矩阵，其中每行是样品的类别分布，并且每个(i,j)条目表示第i个样品属于第j个类别的概率。
最终分类可以包括为每个样品i选择类别j，使得所述矩阵的(i,j)条目在第i行内的所有值中是最高的。
因此，在步骤49中，虽然接收到针对样品的预测，但是所述预测可能与所应用的药物相关联，从而提供所述药物的分类。
应当理解，毒性水平仅仅是一个例子，并且可以应用所述方法来预测药物36的任何其他一个或多个特点。
应当理解，训练阶段和测试阶段可以由同一实体(例如特定的实验室或机构)执行。然而，所述阶段也可以由不同机构分开执行。例如，第一机构可以收集已知药物的数据，执行生物转化，并训练引擎。然后，第一机构可以向一个或多个其他机构提供经过训练的引擎，用于测试由所述其他机构开发的新药。
应当理解，也可以在处理之前从样品中提取特征。另外地或可替代地，可以从未被施加处理的组织样品的对照组中提取特征。可以将从处理的样品中提取的特征与从对照组样品中提取的特征进行比较。如果所述特征是基本上相同的，例如根据预定度量的距离小于阈值，则所述特征可以略过并且不用于训练引擎，或用于评估药物分类，因为可以假定应用所述药物对组织没有影响。
现在参考图1B，其示出了根据本公开文本的一些实施方案的用于训练用于对药物进行分类的软件模型的方法的实施方案的流程图。
在步骤50中，可以获得分类的药物数据，其指示每种药物的特点，例如其毒性水平。所述数据可以从可靠来源获得，并且可以包括与已知和测试的药物相关的数据。
在步骤52中，可以将药物应用于组织，例如但不限于人类组织。
在步骤54中，可以从已经应用药物的组织获得传感器测量值。应当理解，可以在多个时间点测试每个组织的多个参数，从而获得每个组织的多个数据集。
在步骤55中，可以提取基于生物知识的另外的数据，并将其用于增强测量值，以及添加、删除或改变一些数据。
在步骤56中，可以对数据集进行分类，即与根据应用于组织的药物的分类的分类相关联。因此，表示从应用第一药物的组织获得的测量值的向量将根据所述第一药物的毒性水平等进行分类。对数据集进行分类使得诸如AI引擎的软件引擎能够根据对应用于身体组织的已知药物的分类来作出关于其他药物(例如正在开发中的药物)的决定。对已知药物的分类可以从公共来源(例如FDA、学术研究等)获得。
在步骤58中，可以基于分类的向量来训练模型，如软件模型。经过训练的模型可以接收表示应用药物的组织的向量，并提供所述药物的分类。
现在参考图1C，其示出了根据本公开文本的一些实施方案的用于准备对传感器测量值进行分类的方法的实施方案的流程图，所述分类如可以例如在以上步骤56与步骤58之间执行的。
在步骤60中，可以获得如在步骤56中创建的分类的传感器测量值。
在步骤62中，可以将分类的测量值转换为有序向量。例如，每个这样的向量可以在其第一条目具有特定测量值，在其第二条目具有另一特定测量值，等等。
在一些实施方案中，可以将向量归一化。
在一些实施方案中，在步骤63中，可以将生物知识应用于向量，以便增强所述向量。因此，可以根据领域专家的知识来改变、添加或删除特征。例如，可以基于其他特征之间的关系添加一个或多个特征，例如可以通过对葡萄糖与乳酸之间的关系建模来添加的“细胞呼吸类型”：当葡萄糖消耗降低或停止并且乳酸水平升高时，可以确定球体细胞的呼吸从需氧变为厌氧。
在步骤64中，可以获得由于所应用药物的相同特点或生物条件而分类为相同类别的向量之间的距离。应当理解，理想的分类使得分配至相同类别的要素之间的距离小于分配至不同组的要素之间的距离。
因此，在步骤66中，可以滤除不规则向量，例如如下向量：其与分配至相同类别的一个或多个其他向量的距离大于阈值，或者比分配至相同类别的向量之间的其他距离的平均值大至少预定阈值。应当理解，应当执行过滤使得不去除太多的向量，例如不超过预定百分比的向量，以便不产生过度拟合的情况，在过度拟合情况中，模型很好地拟合训练集，但是不够灵活而无法提供运行时间期间的其他向量的可靠结果。
然后，可以使用其余向量用于训练上述步骤58的模式。
现在参考图1D，其示意性地示出了用于预测药物特征的系统的框图。应当理解，图1B所示的系统提供了预测的计算方面。可以通过同一系统的其他部件，通过不同系统等控制和执行机械操作，如设置样品、应用药物、捕获图像、应用生物或化学测试等。
所述系统可以包括一个或多个计算平台80。在一些实施方案中，计算平台80可以位于实验室、机构等内。然而，计算平台80也可以位于别处并通过可操作地连接到实验室或机构的网络(诸如云计算网络等)来访问。
计算平台80可以包括处理器81，所述处理器可以是一个或多个中央处理单元(CPU)、微处理器、电子电路、集成电路(IC)等。处理器81可以被配置为提供所需的功能，例如通过加载到存储器并激活存储在下文详细描述的存储装置86上的模块来提供。
应当理解，计算平台80可以被实现为一个或多个并置或非并置的计算平台，它们可以彼此通信。还应当理解，处理器81可以被实现为一个或多个处理器，它们位于或不位于同一平台上。
计算平台80还可以包括输入/输出(I/O)装置82，如显示器、点击设备、键盘、触摸屏等。I/O装置82可用于从操作者接收输入并向操作者提供输出，例如设置参数、展示预测(例如所开发药物的毒性水平)等。
计算平台80可以包括通信装置84，用于经由任何通信信道(诸如蜂窝网络、广域网、局域网、内联网、互联网等)与其他计算平台(例如服务器或云中的其他计算平台)通信。
计算平台80还可以包括存储装置86，诸如硬盘驱动器、闪存、随机存取存储器(RAM)、存储芯片等。在一些示例性实施方案中，存储装置86可以保留程序代码，所述程序代码可操作以使处理器81执行与下文列出的模块或上文图1A、图1B和图1C中方法的步骤中的任一者相关联的动作。所述程序代码可以包括适于执行如下详述的指令的一个或多个可执行单元，诸如模块、函数、库、独立程序等。
存储装置86可以包括一个或多个图像分析模块88，用于分析处理的样品的一个或多个捕获的图像。所述图像可以使用任何捕获装置来捕获，例如照相机、摄像机、超光谱照相机、多光谱照相机、IR照相机等。应当理解，所应用的图像分析技术可以对应于所捕获图像的类型和要提取的特征。
存储装置86可以包括特征提取引擎90，用于从图像分析结果或从其他来源如化学或生物测试提取一个或多个特征。
存储装置86可以包括引擎训练模块92，用于获得从图像、从化学或生物测试或者从任何其他来源提取的特征，以及分配给药物与每个特征向量相关的分类，例如与应用后的预定时间相关的毒性水平。引擎训练模块92可以训练一个或多个AI引擎98，以接收表示将开发中的药物应用于组织的结果的特征向量，并提供对应于分类(例如，毒性水平)的预测。
存储装置86可以包括引擎应用模块94，用于将AI引擎98应用至接收的特征向量，并输出所述预测。
存储装置86可以包括数据和控制流模块96，用于用所需输入以正确顺序激活相关模块。例如，获得特征向量和相应分类用于激活引擎训练模块92，向引擎应用模块94提供特征向量和对AI引擎98的访问以获得预测，等等。
现在参考图2A，其是用于执行图1A的生物转化步骤8的本发明的人类叠层芯片的概览的示意图。
器官芯片使得能够加快药物开发，尤其是当利用多个器官芯片时。本发明克服了两个主要障碍，显著加快药物开发。首先，目前不存在高通量和AI集成的人体芯片(human-on-chip)平台；即允许在数以万计的人体芯片上对候选药物进行快速、廉价的生物扫描的系统。第二，目前不存在具有集成的基因组表达剖析的人体芯片平台。
本发明解决了这两个挑战。本发明的叠层芯片架构解决了第一个挑战，并提供了高通量、实时感测的人类芯片平台。基于纳米线的、未扩增的基因组感测，特别是环状RNA的感测，提供了第二个挑战的解决方案。
目前器官芯片系统的基因组挑战如下。器官芯片系统显示出巨大的前景，因为它们显示出的预测准确性有时超过了动物研究。但到目前为止，动物研究有一个独特的优势：它们产生丰富的基因组数据，这是器官芯片系统由于其小型化而完全不能与之相比的。而在没有基因组数据的情况下开发药物的企图就像是在“盲目飞行”。
因此，本发明的独特之处在于，它现在提供了对环状RNA的非破坏性、实时、非扩增的检测，从而提供了与大多数重大疾病相关的遗传学谱。在高通量人体芯片平台中准确鉴定环状RNA的能力具有巨大的影响。例如，已经显示一些330个circRNA与48种重大疾病有关，包括各种类型的癌症、阿尔茨海默病、心血管疾病、孤独症和许多其他疾病。
目前用于药物开发的方法极度低效且难以忍受的昂贵，现在开发一种药物的成本超过20亿美元。本发明提供了显著改进该过程的装置和方法。
制药药物开发基于两个基本工具，这两个基本工具一百多年来没有发生很大变化：平板细胞培养皿，和小鼠实验。平板细胞培养皿实验是方便的，并且据推测给了研究者关于候选药物预期在各种组织中具有的作用的初步指示。然后使用小鼠实验来验证药物在活的哺乳动物中的功效，据推测与人没有太大区别。
这种方法的功效令人沮丧。所有成功通过平板细胞培养测试和小鼠实验的药物中超过92％未通过临床试验。并且引人注目的是，在确实通过临床试验并且确实被批准使用的8％的药物中，约三分之一由于所述测试都未曾揭示的严重副作用而仍然以被撤回或改换用途而告终。
为了理解这些数字的严重性，考虑以下类比。设想一个世界，在这个世界中建造摩天大楼的业务具有类似的成功率：你建造了十栋摩天大楼，并且必须冷静地接受你建造的十栋建筑中的九栋会倒塌的现实。只有一栋能矗立起来，而你却无法知道是哪一栋。这就是制药药物开发目前的状态。
因此，制药行业需要的是用于评估和测试药物配制品的稳健的高通量平台，其预测准确率显著高于当前平板组织培养皿和小鼠实验的92％的失败率。
本发明提供了一种平台，其解决了这种挑战。所述平台利用了两个新兴的学科的进步，即器官芯片和深度学习，并克服了当前这样的系统在基础科学、技术和架构方面的缺陷，从而提供高通量解决方案。
器官芯片意味着使用放置在微流体装置中的小型化三维组织，在所述微流体装置中所述组织经历“血液样”流动。虽然目前不存在稳健且高通量的器官芯片系统，但它们确实克服了组织培养和小鼠的基础缺陷。
简单地说，平板组织培养皿的科学问题是它们不真正代表它们所来源的天然组织。它是已经“永生化”的组织，基本上已经癌变，这对于研究人员是方便的，但改变了它的基因组特性。组织培养皿是单个癌细胞的平的固定的复制物。它们不具有人体内活组织的多样性、分化、形式和生理学，如现在已经确定的。显然，它们完全缺乏体内发生的至关重要的器官间相互作用：如果在“心脏”组织培养皿中测试潜在的药物忽略了该药物如何通过肠来吸收、如何通过肝来代谢、如何通过肾来过滤等，那么这种测试有什么用呢。
小鼠实验据推测克服了这些限制中的许多限制：它们使我们有机会观察药物如何在活的哺乳动物体内起作用，据推测与哺乳动物没有高度不同，以及它对所有重要的器官间相互作用如何反应。但最终，我们努力开发用于人而非小鼠的“头痛”的“阿司匹林”。结果不可否认：92％的小鼠中的测试未能预测在人体内的成功。过去十年的进展强调了表观遗传学和基因组非编码区的重要性，其中人-小鼠同源性从85％下降到低于50％。除此之外，小鼠实验根本不是高通量的或廉价的(更不用说残忍的)。
因此，器官芯片代表了新前线，并具有巨大的前景。尤其是最近出现了将多个器官芯片连接在一起，以及下一代多器官芯片，或“人体芯片”。重要的是，最近，早期的工作已经确定，将多个器官芯片连接在一起，确实以显著胜过平板组织培养、且重要的是显著胜过小鼠实验的方式预测了人体中的药效学和药物毒性。
然而，目前，这些装置是精密复杂的研究工具，它们绝不是高通量的。器官芯片可能看起来简单，但是现实是，它们不是精致的“芯片实验室(lab-on-a-chip)”，这些实际上目前仍然无疑是“大型凌乱实验室里的芯片”。因此，现有的器官芯片产品和方法目前是完全不可缩放的。
本发明提供一种高通量人类芯片。它使得能够将药物发现从数年减少到数周。与试图手动或通过其他机器人装置连接多个器官芯片、感测装置等的当前解决方案不同，本发明主题中公开的装置是完全自主的。
本发明主题的一个目的是公开一种具有泵送循环和完整的施用和消除(ADME)功能的全集成多器官芯片系统，其具有七个主要方面的独创性：(i)高通量，完全自动化；(ii)自动化实时“细胞”纳米传感器阵列代谢物感测；(iii)灵活的循环选路控制，其允许芯片上集成组织缩放；(iv)自动化类器官创建、验证和重新选路；(v)集成的非破坏性基因组和表观遗传学分析；(vi)实时免疫剖析；以及(vii)自动化自学习系统集成。下文进一步描述这些和其他发明和独创性方面。
叠层芯片系统100是根据本发明的一个优选实施方案构造的装置，其包括三个核心元件：多人芯片(multi-human chip)阵列110，一个或多个自动化芯片120和致动器150。这三个元件和它们之间的交互是本发明独创性的重要方面。术语“芯片”是指能够承载身体组织的容器。芯片可以具有本领域技术人员所期望的任何尺寸和形状。芯片可以具有能够感测身体组织的开口。
为了清楚起见，首先简要描述这三个元件：多人芯片阵列110包括多个“人体芯片”，每个人体芯片包括多个小型化的“器官芯片”。一个或多个自动化芯片120可以是一组专用芯片实验室(lab-on-chip)装置，其对多人芯片阵列110执行动作，即诊断动作如测量化学物质以及处理动作如施用营养物或药品。致动器150是移动多人芯片阵列110和自动化芯片120中的至少一个的装置。所述移动导致它们之间的交互，例如将自动化芯片120中的一个插入多人芯片阵列110的相应类器官室中，以收集包含在其中的类器官的测量值。
具有致动器150、多人芯片阵列110和自动化芯片120的装置提供了以下优点：1.降低复杂性，因为传感器不是围绕每个类器官113构建，而是由大量类器官113“共享”；在优选包括数百个类人件111和数千个类器官113的芯片中，这变得非常重要。2.由于传感器与多人芯片阵列110分离，因此能够容易且快速地更换传感器。3.通过使将样品从类器官113驱动到自动化芯片120内的传感器所需的微流体通道的长度降至最低来使样品大小最小化。
多人芯片110包括多个类人件111，其中每个类人件111包括多个类器官室112，其中每个类器官室112包括类器官113。每个类器官113是放置在多人芯片110内的小型化三维生物组织。所述生物组织可以代表人体内器官的功能。在本发明的优选实施方案中，多个类人件111可以包括至少300个、至少200个、至少100个、至少90个、至少80个、至少70个、至少60个、至少50个或至少40个类人件111。叠层芯片系统100可以将微流体流动递送到其在类人件111内的相应类器官室112内的类器官113上。叠层芯片系统100包括三种不同类型的微流体流动，一种类型由多人芯片110递送，其他两种类型由自动化芯片120递送，如下所述。
第一种类型的微流体流动是类器官室112内的流动。这是“类器官内”流动，其提供类器官113的活力所需的流动诱导的剪切力。所述流动独立于类器官113之间的连接，并且由多人芯片阵列110执行。
其他两种类型的微流体流动由自动化芯片120提供，并在下文描述。简言之，第二种类型的微流体流动是连接类人件111内的多个类器官室112的流动，因此是“类器官间”流动，其模拟连接身体中不同器官的心血管流动。该流动由下文描述的自动化芯片120中的一个提供，并且是间歇的。第三种类型的微流体流动是营养物的流入流动和去除排泄物的流出流动，模拟施用和消除(ADME)身体功能。第二和第三流动由自动化芯片120中的一个提供。关于执行这两种流动类型的自动化芯片120在下文描述这两种类型的流动。
应当理解，当在类器官室112内的类器官113上执行这三种不同类型的微流体流动时，本发明利用叠层芯片架构作为用于极端可缩放性和成本降低的手段。
着重于类器官内流动的叠层芯片系统100的循环能力的另一方面是它可用于芯片上缩放：向不同的组织-类器官提供不同水平的营养物和药物暴露，以便将其“缩放”，从而正确地代表其在体内的相应组织。
在本发明主题的一些示例性实施方案中，自动化芯片120包括两种类型的芯片，一组诊断芯片130和一组处理芯片140。在一些其他情况下，自动化芯片120包括单一类型的芯片。诊断芯片130用于收集类器官113的参数的测量值。诊断芯片130包括化学感测芯片131、基因组芯片132和细胞提取芯片133中的至少一个。
化学感测芯片131可操作以自动测量类器官室112中的流体内的化学物质，从而提供对类器官室112内的类器官113的监测。
基因组芯片132可操作以自动测量类器官室112中的流体内的RNA序列的基因组表达和DNA序列的存在，从而提供类器官室112内的类器官113的基因组分析。
细胞提取芯片133可操作以使用流动剪切力从类器官113中自动提取单细胞，并从容纳类器官113的类器官室112中的流体中提取这些单细胞。因此，细胞提取芯片133递送类器官室112内的类器官113的基因组分析。这允许在将药物168施用到组织之前和之后获得类器官113的基因组和表观遗传学谱，从而允许分析药物168对由类器官113代表的组织的基因组表达影响。细胞提取芯片133还允许从类器官室112的流体中提取免疫细胞，从而使得能够对类器官113进行免疫剖析。
处理芯片140用于对类器官室112内的类器官113执行动作。处理芯片140包括启动芯片141、循环芯片142、ADME芯片143和施药(meds)芯片144中的至少一个。
启动芯片141可操作以接收系统用户提供的组织164，使用这些组织自动产生模拟这些组织的器官的类器官113，并将它们安装在它们相应的类器官室112中。与每个组织相关联的相应类器官室112的标识符被存储在存储器地址中，由管理叠层芯片系统100执行的过程的控制器访问。例如，组织164包括：肺、肠、肝、心脏、肾、毛细血管上皮、血脑屏障、脑和各种其他组织。
循环芯片142可操作以致动“类器官间”微流体流动，即连接类人件111内的不同类器官113的流动，其模拟连接体内不同器官的心血管流动。如上所述，由启动芯片141提供的循环流动与“类器官内”流动分开，并且在“类器官内”流动以外，所述“类器官内”流动在每个类器官室112内递送单独的流动。
循环芯片142还可操作以递送分流流动，以选择性地连接和引导特定类器官113之间的流动(在技术上，所述流动分别流向“容纳”这些类器官113的类器官室112)，同时绕过其他类器官113(通过绕过它们相应的类器官室112)。例如，循环芯片142可用于模拟仅通过肠和肝脏类器官113，同时绕过类人件111内的所有其他类器官113的流动，从而模拟体内的首过血液循环。
ADME芯片143可操作以执行模拟人体中的吸收(或施用)和消除的功能。缩写ADME代表吸收/施用、分配、代谢和排泄。在这四种功能中，ADME芯片143可操作以致动吸收和消除，因为其他两种功能(分布和代谢)由叠层芯片系统100的其他元件提供。
ADME芯片143通过将营养物和其他试剂流入特定的类器官室112来执行吸收/施用功能。然后，营养物可以通过类人件111的循环(由循环芯片142执行)进行循环。
ADME芯片143类似地通过使废物(特别是属于灌注型的废物)从类器官室112流出来执行消除功能；例如，去除由肾单位灌注型类器官113产生的“尿液”。
致动器150可以是机器人装置，其可操作以自动执行多人芯片110与一个或多个自动化芯片120之间的交互。在本发明的一个优选实施方案中，致动器150优选地包括以下部件中的至少一个：控制器151，精密机器人154，循环泵155，培养箱156，一组试剂室157和一组药物室158。
控制器151(优选地包括在致动器150中)优选地是控制致动器150的自动操作的印刷电路板或计算机。控制器151的位置可以远离致动器150，通过有线或无线通信与致动器150通信。控制器151可以接收测试计划160作为输入，其作为存储的测试计划152存储在耦合到控制器151的存储器中。控制器151可以提供结果162的输出，其作为存储的结果153存储在控制器151可访问的存储器中。控制器151命令致动器150自动执行存储的测试计划152的指令。控制器151可以接收来自诊断芯片130的输入，并将所述输入存储到存储结果的存储器153中。
精密机器人154可以是通过根据控制器151的指令以自动化且联动的方式操作多人芯片110和自动化芯片120来执行叠层芯片系统100的所有操作的机器人装置。精密机器人154被优选地构造成以亚毫米精度操作，例如以10微米精度或以50微米精度或以100微米精度。需要这种精度以便将自动化芯片120的毛细管或探针插入多人芯片110的类器官室112中，所述毛细管或探针的直径优选为50或100微米。类器官室112可以具有直径为1mm或更小的尺寸。在本发明的一个优选实施方案中，可以将多个传感器探针同时插入同一类器官室112中，从而需要甚至更大的准确度。在本发明的一个优选实施方案中，在将这样的一个或多个探针插入类器官室112中时，精密机器人154可以利用照相机和图像处理技术来实现这样的微米级精度的移动。
在本发明的一个优选实施方案中，精密机器人154还使其中使用多个多人芯片110的实验的工作流程自动化。一个致动器150可以操纵的多人芯片110的数量取决于以下特性中的至少一个：(i)操作(诸如感测和循环)的频率，(ii)多人芯片110内的类人件111和类器官113的数量，(iii)自动化芯片120能够执行的并行操作的数量(例如，可以将多少个传感器探针同时插入相邻的类器官室112中)，(iv)基于数据分析和智能样品测试允许减少操作数量的优化等。例如，在本发明的示例性实施方案中，单个精密机器人154可以优选地操纵多个多人芯片110，可以操纵的数量可以选自至少9个、至少10个、至少15个和至少20个多人芯片110。
在本发明的其他优选实施方案中，精密机器人154可以操作光学分析仪器、显微镜光学分析和用于分析多人芯片110的其他装置。例如，精密机器人154可以移动这样的仪器，使得它们相对于多人芯片110内的类器官室112被适当地放置，以便收集多人芯片110内的类器官113的测量值。
循环泵155是驱动多人芯片110上的至少一些类器官室112内的微流体流动的泵送的泵装置。
培养箱156可操作以将叠层芯片系统100内的环境条件维持在所需水平，以便确保多人芯片110内的类器官113、纳米传感器和叠层芯片系统100的其他部件的生物和化学操作的期望条件。这些条件包括但不限于在期望水平的温度、湿度和气体如氧和CO2的存在。
试剂室157和药物室158是两组室，它们存储相应的多种试剂166和药物168，它们被提供并上载到叠层芯片系统100中。试剂室157和药物室158可以位于致动器150中。试剂166包括例如：血液替代品共同循环介质、冲洗试剂和各种其他试剂。药物168包括待测试的各种药物配制品，并且可以包括不同剂量或浓度的药物配制品。
存储在试剂室157中的试剂166被叠层芯片系统100用于每个类人件111和每个类器官113的功能。例如，可以将循环介质从其相应的一个试剂室157泵送到每个类人件111的心血管样循环中。在本发明的另一个优选实施方案中，试剂166可以优选地包含但不限于：模拟肺吸入的空气的吸入试剂、消化系统摄入的食物、污染物、感染物或用户想用来影响类人件111的其他物质。在本发明的另一个优选实施方案中，当叠层芯片系统100从类器官室抽取样品以供分析时，“冲洗”试剂可用于冲洗样品管等。在本发明的另一个优选实施方案中，另外的试剂室157和另外的药物室158中的一个或多个也可以包括在多人芯片110自身中，使得多人芯片110可从其自身的储库中抽取试剂和药物。
存储在药物室158中的药物168由叠层芯片系统100根据下文描述的测试方案使用，以期望的剂量从药物室158中的相应药物室泵送多种药物168中的期望的一种，并将其递送到多人芯片110上的适当类人件111的类器官113。叠层芯片系统100允许在多个类人件111上对不同剂量的多种药物进行廉价、自动化的高通量测试。因此，在本发明的一个优选实施方案中，致动器150与施药芯片144联合可操作以将多种药物168中的每一种自动施用到多人芯片110上具有类人件111的相应类器官室112。
在本发明的另一个优选实施方案中，可将多种药物168中的一种递送到多个类人件111，使得每个类人件111将接收不同剂量的该相同药物145。在本发明的另一个优选实施方案中，施药芯片144和致动器150可以将不同剂量的多种药物168中的一种施用给类人件111内的不同类器官113，使得同一类人件111内的不同类器官113接收不同剂量的药物168，从而更准确地模拟人体内的状况，其中可能已知药物168在不同的身体器官中以不同浓度存在。施药芯片144使用微流体将准确滴定量(即，不同剂量)的药物168自动递送到一系列不同的类器官室112(例如在不同的类人件111中)。
深度匹配引擎170是人工智能深度学习软件，其优选地用于分析结果162并相应地反复调整测试计划160，然后可以优选地将所述测试计划160反馈到存储的测试计划152中，以便在叠层芯片系统100上驱动修改的下一个实验。
应当理解，本发明的叠层芯片系统100提供了几个独特的优点，将在下文简要概述。
本发明的第一个优点是它第一次提供了一种全自动的高通量人类芯片系统。目前还没有集成的人体芯片装置，即包括多个小型化互连器官的集成并模拟人体吸收、循环代谢和消除的单个装置，并且所述装置也是全自动的高通量测试平台，即：一种测试平台，其从开始到结束完全自动地执行在包括数千个类器官113的数百个类人件111上并行运行的测试，同时连续地监测和分析对每个类器官113的代谢影响。
本发明的第二个独特优点是集成的ADME，包括吸收、分配、代谢和消除。目前不存在具有ADME功能并且也是自动化高通量的集成人类芯片。
本发明的第三个独特优点是类器官创建和验证。在当前的器官芯片系统中，类器官或小型化组织的创建过程是手动的且耗时的，并且在膜状灌注型类器官113的情况下，组织膜的完整性的验证也是手动的。虽然这种限制在单器官芯片中是可管理的，但当试图将规模扩大到全自动高通量时就变为限制性的了，对于多器官芯片的高通量更是如此。
本发明的第四个独特优点是芯片上集成组织的缩放。生产有效人类芯片的现有尝试的主要限制在于，仅仅连接多个器官芯片不能有效地代表人体，即使每个这样的器官芯片本身是有效的。这是因为每个“器官芯片”必须不同地进行缩放才能反映不同组织的不同质量和循环标准。例如，具有相似大小(例如1000个细胞)的心肌类器官113和肝组织类器官113随后必须各自极为不同地缩放，以便正确地代表人体，从而反映例如与心肌组织相比，肝组织的质量更大且“循环暴露”大得多。多人芯片110的独特之处在于，它通过物理芯片上补偿与计算机化的外推校正的组合来提供集成缩放。
本发明的第五个独特优点是实时细胞代谢感测。目前没有提供自动化、反复、实时、无偏的细胞代谢感测的高通量人类芯片。作为所测试药物的药效学和药代动力学评估的一部分，在评估组织及其线粒体的功能中获得频繁反复的代谢测量值是关键的，如本领域所熟知的。这样的测量值可以优选地包括但不限于葡萄糖、乳酸、尿素、钾、氨和pH。本发明的一个关键的独特特征是，它并入了自动化芯片120(或在另一个优选实施方案中，芯片上外围感测155)，其提供独特的实时细胞代谢感测。
本发明提供了独特的优点，即响应于药物145的处理，提供每个类人件111中每个类器官113的基因组表达和表观遗传学分析。非破坏性在此处意指在不破坏类器官113的情况下进行类器官113的基因组表达的能力，使得例如可以将处理前类器官113的基因组表达与用药物168中的一种处理后同一类器官113的基因组表达进行比较。
本发明的第七个独特优点是实时免疫剖析，其提供了每个类器官113对药物168中的一种的施用的免疫应答的自动化测试和分析。
本发明的第八个独特新颖性在于自主自学习。应该理解，当前的器官芯片系统缺乏这种能力，因为当前的系统缺乏本发明独有的以下特征：全自动高通量能力，以及实时细胞感测，以及自动化自训练人工智能分析，以及将所有这些集成到自学习系统中的架构。
现在参考图2B，其示意性地示出了根据本发明的一个优选实施方案的人类叠层芯片系统100的图示。
在本发明的一个优选实施方案中，叠层芯片系统100包括三个关键元件：多人芯片110，自动化芯片120和致动器150。
多人芯片110包括多个类人件111，其中每个类人件111优选地包括多个类器官室112，所述类器官室包括相应的多个类器官113，优选地具有不同的组织类型，例如肺、肝、脑等。在图1B所展示的示例中，类人件111包括一“排”的六个相邻类器官室112，并且类人件111仅包括六个类人件(六个这样的排)。应当理解，室的数量仅作为示例示出，并不意味着限制。在本发明的一个优选实施方案中，多人芯片110可以优选地包括超过一百个这样的类人件111，并且每个类人件111可以包括多于六个类器官113。
每个类器官室112可以具有相关联的类器官流动管114。类器官室112还可以包括位于类器官流动管114底部的类器官管囊115。当通过在类人件111正下方的由致动器150操作的蠕动泵(未示出)压迫类器官管囊115时，所述压迫引起类器官管囊115的容积收缩，从而泵送流体，使其在类器官流动管114和类器官室112内流动。该流动在类器官113上引起剪切流动效应，这是类器官113的活力所需要的。
自动化芯片120包括一组芯片，其被设计以对多人芯片110的类人件111和类器官113执行多种动作。图1B展示了示例性芯片，其是“循环芯片”，其在类人件111的类器官室112之间泵送流体，从而模拟身体的心血管循环。如此处所展示，该自动化芯片120包括一组毛细管，每个这样的毛细管延伸到两个相邻的类器官室112中，将流体从一个类器官室112泵送到其相邻的类器官室112(并且一个更长的毛细管将流体从最右边的类器官室112转移到最左边的类器官室112，由此闭合循环)。该循环芯片还可操作以引导循环的选路，例如引导流动使得其仅流过“肠”和“肝”，由此模拟肝的首过循环。
致动器150执行叠层芯片系统100的操作。致动器150包括控制器151，其命令致动器150的操作，例如基于预定计划、根据用户的输入等来命令。致动器150还包括操作多人芯片110和自动化芯片120的精密机器人154。如此处所展示，精密机器人154包括机器臂，所述机器臂可操作以拾取多个自动化芯片120中适当的一个，并使其移动，从而将其毛细管或探针(取决于自动化芯片120的类型)放置到一系列类器官室112中并执行它们的动作。如图1B所展示，在本发明的一个优选实施方案中，致动器150还可以包括“盒外壳”，其封装叠层芯片系统100的所有元件，允许致动器150提供培养箱功能(未示出)，保持诸如温度、湿度等特性的期望水平。应当理解，虽然图1B仅描绘了致动器150的外壳内的单个多人芯片110，但本发明主题还公开了如下实施方案，其中单个致动器150可“容纳”多个多人芯片110，优选地超过九个这样的多人芯片110，并且可操作以同时操纵所述多人芯片110。
图2B还示出了三个另外的芯片：化学感测芯片131，基因组芯片132和施药芯片144。所述三个另外的芯片可以是该组自动化芯片120的一部分，并且仅作为示例示出。应当理解，这些芯片被放置在致动器150的外壳内，使得精密机器人154可以拾取适当的芯片用于要执行的期望操作。化学感测芯片131包括一组纳米传感器，并且可操作以在多个类器官室112内(例如在类人件111的类器官室112内)执行生物相关化学物质的实时测量，优选地并行执行。基因组芯片132可操作以对类器官室112的流体中的无细胞核酸(例如RNA或DNA)的表达进行灵敏的、未扩增的测量。基因组芯片132还可操作以检测环状RNA(circRNA)的表达，环状RNA是一种在细胞外极其稳定的短RNA，并且与许多重大疾病有关，包括癌症、心脏病和孤独症。施药芯片144是自动化芯片120，其可操作以将药品施用到类器官室112上。
应当理解，本发明的一个重要的独创性在于，类器官113经历两种互补模式的主动泵送的、受控的微流体流动。微流体流动的第一种模式是“类器官内”循环，即在单独类器官室112内流动(例如流过类器官流动管114)的循环，并且其引起对类器官113的恒定剪切力刺激。微流体流动的第二种模式是“类器官间”循环，其模拟体内的心血管循环，并且由“循环”类型的自动化芯片120启动。还应当理解，类器官间循环是动态灵活的，使得它可以根据需要绕过某些类器官113。
现在参考图2C，其示意性地展示了根据本发明构造的诊断芯片的示例。
图2C提供了诊断芯片的两个示例的示意图。第一个例子描绘于定名为“化学和基因组诊断芯片”的图示中。化学感测芯片131是诊断芯片，其被构造和可操作以对类器官室112的流体中存在的化学物质进行纳米传感器测试。
化学感测芯片131包括六个探针200，所述探针其被构造和可操作以下降(例如通过精密机器人154，未示出)到包括在类人件111内的六个相应的类器官室112的流体中。这种设计允许化学感测芯片131对类人件111的六个类器官室112同时进行化学测试。
化学纳米传感器201连接到探针200上，并且可操作以执行在类器官室112的流体中发现的化学化合物的水平的测量，并且因此与类器官113相关联。
每个探针200可以优选地包括几个化学纳米传感器201，允许每个探针200同时执行几项化学测试。图2A描绘了连接到每个探针200的三个化学纳米传感器201。探针中化学纳米传感器201的数量可以由本领域技术人员选择。
至少一些类器官室具有相关联的类器官流动管114和类器官管囊115，两者都能够实现类器官内流动。
应当理解，该图示也与基因组感测相关，其中至少一些化学纳米传感器201是被构造和可操作以鉴定特定核酸分子的杂交的纳米传感器。
第二个示例描绘于定名为“细胞提取芯片”的图示中。细胞提取芯片133是诊断芯片，其被构造和可操作以从类器官室112的流体中提取单细胞，从而可以分析这些单细胞，包括单细胞基因组测序和表观遗传学分析。
细胞提取芯片133包括六个细胞提取纳米管202，所述细胞提取纳米管被构造和可操作以下降(例如通过精密机器人154，未示出)到包括在类人件111内的六个相应的类器官室112的流体中。这种设计允许细胞提取芯片133从类人件111的相应六个类器官室112内的类器官113同时提取单细胞。
现在参考图2D，其示意性地展示了根据本发明构造的处理芯片的示例。
图2D包括四个图示，分别描绘了处理芯片140的四个示例，并且分别定名为“启动芯片”、“循环芯片”、“ADME芯片”和“施药芯片”。
启动芯片141被构造和可操作以自动创建类器官并将所述类器官放置在类器官室112内。启动芯片141包括对应于类人件111的多个类器官室112的多个安装喷嘴203，从而允许启动芯片141将类器官113放置到它们相应的类器官室112中。图2B描绘了球体类器官的创建，应当理解，这并不意味着是限制性的，并且启动芯片141也可操作以创建灌注型类器官。
循环芯片142被构造和可操作以执行放置在类人件111的类器官室112内的类器官113之间的流体循环，从而模拟体内的心血管循环。循环芯片142向具有多个类器官室112的类人件111提供循环。循环芯片142包括多个循环管204和一个长循环管205。多个循环管204将流体从一个类器官室112转移到相邻的类器官室112，并且长循环管205将流体从类人件111最右边的类器官室112转移到最左边的类器官室112。应当理解，由循环芯片提供的循环是类器官间流动，即在类人件111的不同类器官室112之间的流体流动。
ADME芯片143被构造和可操作以在类人件111的类器官室112上执行施用/吸收和消除的功能。ADME芯片143包括对应于类人件111的多个类器官室112的多个ADME管206。ADME管206下降(例如通过精密机器人154，未示出)到类人件111的相应类器官室112的流体中，并且可操作以(i)施用营养物和(ii)消除类器官113的废物。
施药芯片144被构造和可操作以将药物208施用到类人件111的类器官室112中。施药芯片144包括对应于类人件111的多个类器官室112的多个施药管209。施药管209下降(例如通过精密机器人154，未示出)到类人件111的相应类器官室112的流体中，并且可操作以将药物208施用到类器官113。应当理解，施药芯片144还可操作以将不同剂量的药物208自动递送到不同的类器官113。
现在参考图3A，其展示了本发明的叠层芯片的实现的概览的示例。图3A显示了本发明的叠层芯片系统100的实施方案的生产原型，显示其主要部件及其紧密交互：多人芯片110、自动化芯片120的组和致动器150。叠层芯片系统100包括被配置为放置在诸如地板、桌子等表面上的主体。主体可以包括承载致动器150的框架，例如沿着包含在多人芯片110中的类器官室的线移动自动化芯片120的机器臂。
现在参考图3B，其展示了本发明的实现示例，展示了其叠层芯片方面及其主要部件：多人芯片110、自动化芯片120的组、化学感测芯片131、循环芯片142、致动器150以及校准和冲洗孔300。显示致动器150可以承载自动化芯片120。自动化芯片120可耦合到致动器150，例如使用磁场将自动化芯片120的框架吸引到致动器150的主体，或使用可由叠层芯片系统100的控制器控制的另一连接器。
应当理解，校准和冲洗孔300可以用于在自动化芯片120对一组类器官室112执行动作或测量之后并且在所述自动化芯片120对同一组或另一组类器官室112执行下一动作或测量之前冲洗所述自动化芯片120，以避免来自前一组类器官室112的流体污染另一组类器官室112。还应理解，校准和冲洗孔300在使得能够对诊断芯片130进行自动校准方面也是重要的。
在本发明的一个优选实施方案中，校准和冲洗孔300位于每个多人芯片110附近，以使精密机器人154在自动化芯片120对多人芯片110执行的测试或动作之间的运动距离最小化，并且能够频繁地执行冲洗和校准自动化芯片120的动作。在一些示例性情况下，校准和冲洗孔300可以与自动化芯片120一起沿着多人芯片110移动。
现在参考图3C，其展示了本发明的叠层芯片的实现示例。图3C提供了根据本发明的一个优选实施方案构造和操作的多人芯片110和化学感测芯片131(其是自动化芯片120的组中的一个)的实现以及这两种芯片之间的交互的完整视图。
如图3C所示，多人芯片110的示例性实现包括108个类人件111，总共包括648个类器官113。类器官的尺寸可以是3mm×60mm×70mm。
作为说明，一个类人件被突出显示并被虚线包围。应当理解，每个类人件包括一“排”六个互连“孔”，其中每个孔是类器官室112，其包括类器官113(未示出)。作为一个例子，一个这样的类器官室112类似地被突出显示并被虚线包围。
在本发明的另一个优选实施方案中，类器官间循环不是通过循环芯片实现的，而是通过循环泵和循环通道285实现的，两者都位于多人芯片110中。在这个实施方案中，每个类人件111还包括类人件循环泵，其在该类人件的类器官室之间泵送循环，并且类似于人体中进行血液循环的“心脏”。应当理解，类器官室112之间的循环不是被动的，而是被主动泵送、选择性选路和电子控制的。
还示出了作为自动化芯片120的组中的一个的化学感测芯片131，其与多人芯片110交互；应当理解，化学感测芯片131同时与多个类器官室112交互，从室112抽取样品并使所述样品同时流向化学感测芯片131上的多个相应的纳米传感器阵列。将从类器官室112抽取的样品分配到多个纳米传感器的阵列，测量多种化学物质，例如以指示组织的活力，以及特定的期望测定。在一些示例性实施方案中，每个这样的传感器阵列包括7个传感器，所述传感器可以优选地测量指示细胞和线粒体活力的化学物质。传感器可以测量氧、葡萄糖、乳酸、尿素、钾、氨和pH等。
如本领域技术人员所熟知的，相对于多人芯片110移动化学感测芯片131(即，将其移动到一排类器官室112上并使其下降，使得其多个毛细管“浸入”到待测试的下一个类人件111的相应的多个类器官室112中)可以由致动器150的精密机器人154(均未示出)执行。
现在参考图3D，其展示了本发明的叠层芯片的实现示例的另一视图。图3D提供了根据本发明的一个优选实施方案构造和操作的多人芯片110和化学感测芯片131(自动化芯片120的组中的一个)的实现以及这两种芯片之间的交互的更详细视图。
如图所示，图3D“放大”更详细地显示了六个类人件111的视图，每个类人件包括六个类器官室112(各自包括相应的类器官113，未示出)，并且显示了与六个类器官室112同时交互的化学感测芯片131。
图3D包括三个小图，一起提供了对本发明的重要功能的理解。第一小图，定名为“1.类人件的六个组织”，描绘了本发明的叠层芯片系统100如何可操作以执行高通量筛选，在该示例中，以全自动方式同时测试包括在单个类人件111内的六个类器官113。如上所述，每排六个“孔”是类人件111。因此，如该第一小图所展示，当化学感测芯片131同时测试一排“孔”时，它测试类人件111的六个类器官113。
第二小图，定名为“2.相同的组织，六个类人件”，描绘了本发明的叠层芯片系统100如何可操作以执行高通量筛选。在该示例中，化学感测芯片131以全自动方式同时测试来自六个不同类人件111的相同的感兴趣的组织(例如，“肝脏”)。
应当理解，多人芯片110还使得能够集中于“按类人件”测试(即，测试类人件111内的所有类器官113)；或者集中于“按组织”测试(即，同时测试多个类人件111内的特定组织(例如肝脏))。
第三小图，定名为“3.六个类人件的‘循环’”，描绘了从循环本身中取样。在本实施方案中，通过位于每个类人件所包括的一排“孔”的末端处的循环孔来对“循环”进行采样。循环孔为被定名为“全身室(systemic-chamber)”的空孔。所有其他六个孔各包括类器官113，而“全身室”孔是空“孔”，其不包含类器官，并且其功能是允许从循环中取样。
应当理解，该功能类似于在急于从患者器官进行“活检”之前测试来自患者的外周血样的样品的有用性。在本发明的一个实施方案中，来自“全身室”的这种样品可以用作“筛选”的手段。所述筛选可用于确定是否要从特定的类器官113中抽取样品。这样做可以显著地减少所进行的测试量，并且因此进一步支持非线性缩放和成本降低。
作为利用“筛选”能力的第一例子，如果反映来自类人件111的所有类器官室112的组合样品的来自“全身室”的样品显示乳酸升高，这可促使从该类人件111的所有类器官室112抽取样品，以便确定它们中的哪一个的乳酸升高。作为另一个例子，如果来自“全身室”的测试产生可能指示一种或多种肝酶的可能的高水平的结果，则类似于活人中的全身血液测试，这可促使从肝类器官室112抽取样品，以便确定、验证和量化该异常。
筛选能力可以与本发明的深度学习和自动标记能力直接相关并依赖于此。可能不太可能手动地决定“全身室”测试与单独类器官113的测试之间的相关性，但是自动标记和深度学习实际上可以发现并自动地学习和实现这种相关性。在每个实验周期中，系统观察并自动地改善来自应用于“全身室”的测试与对单独类器官113进行的测试的发现之间的相关性，并优化“全身室”测试的使用。
现在参考图3E，其展示了本发明的叠层芯片的实现示例的又另一视图。图3E进一步“放大”，更详细地显示了一个类器官113及其与作为自动化芯片120中的一个的化学感测芯片131的交互的视图。
第一小图，定名为“1.类器官视图”，描绘了与单个传感器阵列单元(其是化学感测芯片131(自动化芯片120中的一个)的一部分)交互的单个类器官室112单元(其是多人芯片110的一部分)的“截面状”视图。
所述小图描绘了类器官室112和放置在类器官室112底部的类器官113。还描绘了替代循环通道285，所述循环通道流经类器官室112的底部，并且因此将剪切力施加到类器官113上，以增强类器官113的活力。类器官室112的边缘可以是渐尖的，以有助于将毛细管1112安全地插入类器官室112中。应当理解，流经并连接类人件111的多个类器官113的类器官间循环不是由循环芯片142提供的，而是由循环泵和循环通道285提供的，两者都作为多人芯片110的固定部分存在。
所示的传感器阵列单元是化学感测芯片131(其是自动化芯片120中的一个)的一部分。毛细管1112是从自动化芯片120突出的毛细管，并且被放置到类器官室112中。将自动化芯片120移动到其在多人芯片110上的位置中的动作由致动器150的精密机器人154执行，两者都未示出。
在本发明的另一个优选实施方案中，类器官室112可以在其顶部被密封，并且不将毛细管1112直接插入类器官室112中，而是制造与类器官室112相邻的第二孔，并且流体在类器官室112与所述第二孔之间相互转移，例如通过迷宫式机构，或本领域已知的其他类似机构。这允许类器官室112保持密封，并且同时消除了每个测试循环打开和关闭“盖”的额外步骤。
在此处描绘的实施方案中，毛细管1112通向七个传感器室，每个传感器室包含一个或多个纳米传感器。纳米传感器可以优选地包括但不限于以下传感器：氧、葡萄糖、乳酸、尿素、钾、氨和pH。传感器可以是电化学的，其根据需要具有或不具有合适的膜涂层或酶涂层，以鉴定它们的期望靶标，如本领域所熟知的，或者它们可以是基于荧光的，或基于本领域已知的其他纳米传感器技术。
在毛细管1112的远端提供了通气孔。通气孔可以使得能够流过毛细管1112。在本发明的另一个实施方案中，主动泵送清洗机构可以连接到通气孔，使得在每个样品之后，可以清洗并冲洗毛细管1112和传感器室。
应当理解，球形类器官113的直径通常为100-300微米。该实施方案中的类器官室112的直径为1mm，深度为800微米。优选地，类器官室112的直径不小于400微米，以便充裕地容纳类器官113并考虑对围绕类器官113的足够的营养补充流体的需要。然而，考虑了其他重要因素，包括但不限于以下因素。从自动化芯片120的边缘突出的毛细管1112的“壁”的宽度，所述壁将具有足够的结构强度并且将能够安全地插入类器官113中；当在玻璃材料中使用蚀刻生产芯片时，可以优选地使用50-100微米厚的壁，因为它们足够坚固，如本领域已知的。样品提取纳米管297的期望内径需要能够使用商业上可获得的和成本有效的生产方法来生产，并且必须适应组织支持流体的有效的、无阻碍的流动；可以优选且安全地使用50-100微米的内径。毛细管1112的尖端的结构对于为其提供足够的坚固性是重要的，特别是考虑到其被重复地插入类器官113中；毛细管1112的尖端的壁的横截面优选地在其底部更坚固并且在其尖端更薄，但是优选地不小于50-100微米。
本实施方案优选使用直径为100-300微米的类器官113；内径可以优选地为700微米至1mm的类器官室112(在此处描绘的实施方案中为1mm)；直径可以为50-100微米的循环通道285的内径(在此处描绘的实施方案中为100微米)；结构的“壁”优选地不小于100微米，毛细管1112的尖端在其狭窄的远端优选地不小于100微米，并且在其较厚的近端优选地为300-500微米。循环通道285在类器官室112的底部进入类器官室112；在其他优选实施方案中，循环通道285可以在其他位置进入类器官室112。在所描绘的实施方案中，自动化芯片120内的纳米传感器孔为100微米。
用于驱动循环通道285中的流动的泵可以优选地是压电泵；泵的尺寸可以是2mm×2mm，因为可以使用明显更小的泵。流入样品提取纳米管297的流体样品可以优选地在没有泵的情况下由毛细管力驱动，如可以是毛细管和纳米传感器孔的引流。可替代地，可以使用与上述泵类似的泵，并且可以用于在测试样品之间清洗纳米传感器孔。
使用上述架构，可以构造包括108个类人件和648个类器官的芯片，其测量大约60mm×70mm×3mm。
第二小图定名为“2.化学感测芯片”，提供了化学感测芯片131的视图，其在该实施方案中包括六个纳米传感器阵列，以同时对类人件111的所有六个类器官113进行采样。
现在参考图3F，其展示了化学感测芯片131的实现示例。在该优选实施方案中，化学感测芯片131包括六个化学传感器，所述化学传感器可操作以测量六个相应的类器官室112中的化学物质。在该优选实施方案中，每个传感器包括两个探针，其长度为1.1mm，总组合宽度为0.6mm。探针配合于类器官室112内，并且突出到类器官室112中的流体中。
在一个优选实施方案中，每个这样的传感器包括如图3F所描绘的三个电极：在传感器的第一探针上，优选地有第一电极，所述第一电极可以优选地由金制成。并且在第二探针上，优选地可以有两个其他电极，优选地由银或氯化银制成的第二电极，以及优选地由铂制成的第三电极。传感器的主体及其两个探针可以优选地由硅或二氧化硅制成。
金电极优选地用作“工作”电极，其可操作以与目标化学物质相互作用。铂电极可以优选地用作“对”电极。并且银电极可以优选地用作“参比”电极。
应当理解，对电极(铂)和参比电极(银)可以是几个“工作”(金)电极共用的。在本发明的另一个优选实施方案(未示出)中，第一探针包括几个单独的较小的金工作电极，其中每个较小的金工作电极可操作以检测不同的目标化学物质，并且其中单个对电极和单个参比电极是所有这些较小的金工作电极共用的。在这样的实施方案中，单个两探针传感器单元可操作以鉴定多于一种的目标化学物质，例如两种、或三种、或四种、或五种、或六种或七种或八种、或九种或十种不同的目标化学物质。在这样的实施方案中，传感器单元包括的不是一个大的金工作电极，而是多个较小的金工作电极，其中每个较小的金工作电极可操作以检测相应的目标化学物质，并且所有较小的金工作电极与单个铂对电极和单个银对电极联合工作。
在本发明的一个优选实施方案中，可以利用传感器的两个面(正面和背面)，使得这两个面中的每个面可以包括两个或三个或四个或五个金工作电极、单个铂对电极和单个银对电极，从而传感器装置可操作以鉴定四种或六种或八种或十种化学物质。
应当理解，校准和冲洗孔300可用于在进行测量之后和进行下一次测量之前冲洗化学感测芯片131，以避免来自前一组被测试的类器官室112的流体污染随后要测试的类器官室112。
现在参考图3G，其展示了本发明的实现示例，展示了其循环芯片142的实现。在该优选实施方案中，循环芯片142可操作以在类人件111的六个类器官室112之间泵送流体。六个类器官113见于六个相应的类器官室112的底部。在这个优选实施方案中，流体从左向右流动，并且图3G中显示的图像捕获了当流动已经到达最左边的四个室时的时间点。实线箭头指示流体流入和流出最左边的四个类器官室112，虚线箭头指示流体将从第四个类器官室112继续前进的流动路径。
现在参考图4，其示意性地展示了本发明的循环架构。
叠层芯片系统100包括流至类人件111内相应的类器官室112内的类器官113上的两种互补形式的微流体流动。
第一种类型的微流体流动是类器官室112内的连续、独立、主动泵送的流动。这是“类器官内”流动，其提供类器官113的活力所需的所需流动诱导的剪切力。它独立于类器官113之间的连接，并且由多人芯片110如下执行。每个类器官室112具有相关的类器官流动管114和类器官管囊115。类器官流动管114和类器官管囊115可以以不同的方式实现。在本发明的一个实施方案中，如图4所描绘，类器官流动管114是环状管，其可操作以使流体从类器官室112流动并回流到其中；在该实施方案中，类器官管囊115是类器官流动管114的加宽部分，其在图4中被描绘为在类器官室112下方。当类器官管囊115被压缩(优选地通过蠕动运动(在下文中描述))时，流体以循环方式流过类器官流动管114并且流经且穿过类器官室112，从而对类器官113施加剪切力。
在本发明的另一个优选实施方案(未示出)中，类器官管囊115可以优选地是邻近类器官室112并且通过类器官流动管114连接到类器官室112的室，所述类器官流动管114在这个实施方案中不是环状管而是线状管，其可操作以使流体来回流动：从类器官室112流到类器官管囊115，以及从类器官管囊115流回类器官室112。在该实施方案中，该室(类器官管囊115)的底部是柔性的，使得当其被压缩(在下文中描述)和释放时，流体在类器官室112和相邻室(在该实施方案中是类器官管囊115)之间以往复方式而不是以循环方式流动。这种流动虽然没有穿越类器官室112，但也仍然对类器官113施加足够的剪切流动刺激。
在本发明的一个优选实施方案中，多个类器官管囊115可以优选地通过压缩轮404有节奏地压缩，压缩轮404由压缩轴402和引擎泵400驱动。压缩轮404、压缩轴402和引擎泵400都是致动器150的一部分，并且位于致动器的底部，紧靠在多人芯片110的正下方，使得当压缩轮404向上突出时，它们压缩多个类器官管囊115，从而驱动流体通过相应的类器官流动管114和类器官室112。在上述替代实施方案(未示出)中，压缩轮404压缩相邻隔室(在该实施方案中为类器官管囊115)的柔性底部，从而类似地产生类器官内流动。
在本发明的另一个优选实施方案中，不是由压缩轮404转动压缩轴402，类器官管囊115的压缩可以通过其他手段致动，例如通过其上具有突起的旋转带致动，其中所述带的旋转在每个所述突起与类器官管囊115对准时引起类器官管囊115的反复压缩。在本发明的另一个优选实施方案中，压缩轮404或滑动突起可以推动竖直约束杆，所述杆然后推动类器官管囊115，而不是直接推动类器官管囊115。
第二种类型的微流体流动是连接类人件111内的多个类器官室112的流动，因此是“类器官间”流动，其模拟连接身体中不同器官的心血管流动。这种流动由循环芯片142提供。循环芯片142被构造和可操作以执行放置在类人件111的类器官室112内的类器官113之间的流体循环，模拟体内的心血管循环。图4所描绘的循环芯片142包括五个循环管204和一个长循环管205。每个循环管204使流体从一个类器官室112流到相邻的类器官室112，而长循环管205使流体从类人件111的最右边的类器官室112流到最左边的类器官室112。应当理解，图4所描绘的示例，其中循环芯片142向具有六个类器官室112的类人件111提供循环，这仅是一个示例，并不意味着限制，类人件111可以包括不同数量的类器官室112。
现在参考图5，其示意性地展示了上述图4中描述的循环泵送的操作。
图5包括两个图示，定名为“侧视图”和“3D视图”，它们一起展示了循环泵送的操作。定名为“侧视图”的图示包括三个小图，描绘了三个时间阶段。应当理解，压缩轮404是同心的，因此当压缩轮404转动时，它压缩类器官管囊115，引起类器官流动管114内的流动。定名为“3D视图”的图示显示了一排压缩轮404如何可以通过由引擎泵400驱动的共用压缩轴402一起旋转。
现在参考图6，其示意性地展示了类人件111的分流流动的示例。
循环芯片142被设计和可操作以提供对类器官室112之间的流体流动的选路的完全控制，从而允许根据用户的需要对类器官室112中任一个的“分流”或绕过。这种分流借助绕行管600和多个阀(用数字602-644表示)来实现，它们控制循环管204和长循环管205内的流动。
图6提供了分流功能的示例。在该示例中，叠层芯片系统100重定向流过类人件111的流动，使得流体将仅流过肝脏类器官646和心脏类器官648的类器官室112，同时绕过该类人件111中的所有其他类器官室112。为此，打开以下阀：阀602、608、614、616、622、626、628、634、636和642；并且关闭所有其他阀。结果是致动了独特的重定向流动路径，其中流体流入肝脏类器官646的室中，并且从其流入心脏类器官648的室中，同时绕过类人件111中的所有其他类器官室112。
应当理解，所述示例显示了本发明的两种单独循环模式的重要性：图6所示的分流改变了通过循环芯片142执行并连接类器官室112的循环。但是同时，通过这些类器官室112中每一个的类器官流动管114和类器官管囊115进行的类器官室112中每一个的单独循环保持完整。这是关键的，因为这意味着类器官间的流动可以被分流，同时仍然保持每个类器官室112内的完整剪切流动。
应当理解，上述仅是作为示例而不是限制。在本发明的一个优选实施方案中，所述绕行可以不是通过如上所述的完全分流来实现，而是通过间歇分流来实现，使得允许最小的流量流到被分流的类器官室，以不剥夺它们的剪切力和营养物，但是流到被绕过的类器官的流量保持为最小。在另一个优选实施方案中，阀可以不同程度地打开，因此通向“绕过的”类器官室的阀保持稍微打开，从而允许连续有限流动流到“绕过的”类器官室，而通向未绕过的类器官室的阀保持完全打开，从而为这些器官提供完全流动。在本发明的又另一个优选实施方案中，存在多个平行通道，使得通过打开的通道数量而不是通过打开阀的程度来控制类器官室接收的流量的变化。
在本发明的又另一个优选实施方案中，通过借助诊断芯片130中的一个(例如化学感测芯片)监测类器官113的活力来自主地调节流到“绕过的”类器官室的流动渐减的程度。在本发明的另一个优选实施方案中，使流到“绕过的”类器官室的流动渐减的程度取决于相应类器官113的组织类型，因为不同的组织可能优选地需要不同的流动。在本发明的另一个优选实施方案中，分流流动的这种机制不用于暂时分流器官，而是用于调节每种组织类型的类器官113的适当流动。在本发明的又另一个优选实施方案中，分流流动并非用于针对总体上某一组织类型调节流动，而是针对类器官113的每种情况加以调节：例如，并非针对总体上“肝脏”类器官调节流动，而是针对多人芯片110上的肝脏类器官的每种情况加以调节；可能是肝脏类器官的一种情况可能优选地需要与肝脏类器官的不同情况不同的流动。
应当理解，在这方面，本发明的一个重要的独特新颖性在于其自主自学习的能力。当评估和比较来自上述优选实施方案的不同架构时，以及当使优选实施方案适于不同组织类型时，以及当在系统的“运行时间”操作期间针对给定组织的类器官的不同情况进行微调时，在所有这些情况下，可以使用诊断芯片130，其与深度匹配引擎170的强大人工智能耦合，可以优选地自主评估和微调和优化对于组织类器官113效果最佳的流动。
现在参考图7，其示意性地展示了类人件111的芯片上集成组织缩放的示例。
本领域技术人员应当理解，仅仅连接多个器官芯片并不能有效地代表人体，即使每个这样的器官芯片本身是有效的。这是因为每个“器官芯片”必须不同地进行缩放才能反映不同组织的不同质量和循环标准。例如，具有相似大小(例如1000个细胞)的心肌类器官700和肝组织类器官702必须各自极为不同地缩放，以便正确地代表人体，从而反映例如与心肌组织相比，肝组织的质量更大且“循环暴露”大得多。
当前的器官芯片系统已经早期尝试通过依赖于实验后的计算校正来解决这个挑战。简单地说，他们只是在器官芯片上进行生物实验，了解到其存在高度偏差，然后试图通过计算一定程度上校正该偏差。这样的尝试虽然有益，但却存在严重缺陷。经验表明，生物系统复杂，并且与理论模型并不完全相符。
本发明利用类器官单独循环和分流能力来提供芯片上物理缩放，并集成了计算微调校正。
图7提供了芯片上缩放的示例，其要求肝脏类器官702接收两倍于心脏类器官700的“循环暴露”。类器官单独循环特征是解决此问题的重要关键，因为虽然每个类器官113与类人件111中的所有其他类器官113连接，同时每个类器官113也与其他类器官113完全分离，持续经历类器官单独循环，但是完全控制其与其他类器官113的连接，且完全控制其营养物、清除和药品暴露。因此，心脏类器官700所经历的营养物704、清除706和施药708的量优选地设定为适当地不同于肝脏类器官702所经历的营养物710、清除712和施药714。分流能力可以类似的用于此目的。
决定通常需要补偿多少代表不同器官的器官芯片才能适当地缩放是本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，在此处利用这种补偿来创建对通过不同器官芯片的差异性“血液”流动的芯片上物理校正，而不仅是应用实验后的计算调节。在本发明的一个优选实施方案中，可以通过将已知药品在人体内的PK/PD谱与其在人类芯片上的模式相匹配来进一步微调调节的量。
应当理解，上述仅是作为示例而不是限制。如上所述，可以通过各种手段和策略来实现差异性流动。
现在参考图8A，其示意性地展示了根据本发明的一个优选实施方案构造和操作的球形类器官113的架构的示例，以及根据本发明的一个优选实施方案用于创建这种球形类器官113的方法。
类器官113是一种类型的类器官113。球形类器官800被放置在类器官室112内或被允许形成类器官室112。在本发明的一个优选实施方案中，类器官室的形状和尺寸使得其很好地配合球形类器官800。作为示例，球形类器官可以优选地是直径为100-300微米的球体，并且因此类器官室的形状可以优选地使得其接近400-500微米的圆形包体，或者具有其他尺寸以使得其接近球形类器官800的尺寸和形状。
共同循环介质借助类器官流动管114连续地流过类器官室112，其是由被泵送机构有节奏地压缩的类器官管囊115泵送。循环介质还借助循环芯片142与类人件111中的其他类器官113间歇地共享。共同循环介质既作用于为球形类器官800提供营养，还对球形类器官800施加剪切力，从而使其有活力。
应当理解，通过来自诊断芯片130的实时测量，极大地促进了选择在类器官室112中进行流体流动的管的最佳尺寸。类器官流动管114和循环芯片142的管(循环管204和长循环管205)的宽度、压力和流速决定施加到球形类器官800上的剪切力的量和它所暴露的营养物的量。当施加太多或太少的剪切时，或者当流动没有提供足够的营养物时，球形类器官800的组织的活力受到阻碍，这反映在诊断芯片130的实时测量中。
图8A展示了将类器官800安装到类器官室112中的优选过程，所述过程优选由致动器150的精密机器人154执行。在本发明的一个优选实施方案中，精密机器人154可以首先形成球形类器官800(此处未示出)，如本领域所熟知的。创建球形类器官800的各种方法是本领域所熟知的。在本发明的另一个优选实施方案中，精密机器人154可以借助3D打印(包括借助单细胞分辨率3D打印)来创建球形类器官800，或者可以接收通过这种过程或通过商业上可获得的其他过程在外部创建的球形类器官800。
在本发明的一个优选实施方案中，精密机器人154打开室盖804(该动作在此未示出)，从而打开和暴露类器官室作为“开放孔”，用于将球形类器官800插入类器官室112的过程。
右侧的标题为“插入前”的图示描绘了由精密机器人154的安装喷嘴802保持在“开放孔”类器官室112上方，准备好放置到类器官室112中的球形类器官800。
中间的标题为“插入后”的图示描绘了在通过精密机器人154的安装喷嘴802放置到类器官室112内之后，放置在类器官室112内的球形类器官800。
左侧的标题为“盖关闭”的图示描绘了室盖804，其被放置成使得它密封类器官室112，球形类器官800位于所述类器官室112中。在将球形类器官800插入类器官室112之后，精密机器人154关闭室盖804。
在本发明的一个优选实施方案中，精密机器人154可以关闭每个类器官室112的室盖804。在本发明的另一个优选实施方案中，叠层芯片系统100在不使用室盖804的情况下以“开放孔”操作。在本发明的又另一个优选实施方案中，类器官室112的设计优选地使得类器官室112确实具有室盖804，所述室盖804被打开用于类器官室112的安装并且此后被关闭，但是其中类器官室112的持续维护(例如，循环芯片142和化学感测芯片131的使用)通过相邻的连接孔来完成。在该实现中，每个类器官室112具有通过连接管与类器官室112连接的相关联的室；在创建类器官113并将其插入类器官室112中之后以及在对多人芯片110的整个实验持续时间期间，类器官室112保持其室盖804关闭，并且自动化芯片120与类器官室112的所有交互通过自动化芯片120与相邻连接室的交互来进行，然后相邻的连接室交换由重力流驱动的流体。
在本发明的一个优选实施方案中，在将球形类器官800插入类器官室112中之前，多人芯片110优选地使共同循环介质连续地流过与类器官室112相关联的类器官流动管114，以填充类器官室112并清除类器官流动管114中的任何气泡。在本发明的一个优选实施方案中，该过程可以优选地在将球形类器官800插入类器官室112中并且关闭室盖804之后重复进行；在插入球形类器官800之后，共同循环介质的该第二次泵送完全填充类器官室112，并且再次清除类器官流动管114中的任何气泡。
应当理解，通过精密机器人154插入的球形类器官800的上述描述仅是作为示例，而不是限制。在本发明的另一个优选实施方案中，球形类器官可以在类器官室112本身内形成，而不是首先制造然后整体插入其中。在这样的实施方案中，将所需组织的细胞呈不同细胞类型的所需比例的适当混合物流入球形类器官室112中，并且使用本领域熟知的方法使其在类器官室112内形成3D球体。例如，类器官室112或其涂层的构造材料可以优选地使得其防止细胞粘附到类器官室112的表面上，从而一起成块以形成球体。这种细胞混合物可以流过由精密机器人154和培养箱156操作的启动芯片141的安装喷嘴802。
现在参考图8B，其示意性地展示了灌注型类器官113的架构的示例。
在本发明的一个优选实施方案中，灌注型类器官可以优选地为膜状的，通常包括两个相邻的组织层，从而模拟人体内的灌注部位。灌注型类器官的例子包括但不限于肺、肠、肾和血脑屏障(BBB)。
具体而言，肺可以优选地包含与毛细血管上皮组织层相邻的肺泡上皮组织层，从而模拟肺的血气灌注界面；肠可以优选地包含与毛细血管上皮组织层相邻的肠上皮组织层，从而模拟胃肠营养吸收灌注界面；肾可以优选地包含与肾单位肾小球组织层相邻的毛细血管上皮组织层，从而模拟肾分泌功能；并且血脑屏障可以优选地包含与脑屏障组织相邻的毛细血管上皮组织层，从而模拟血脑屏障灌注界面。
图8B描绘了根据本发明的一个优选实施方案构造和操作的灌注类器官单元830。为了清楚起见，提供了3D视图以及俯视图和侧视图。
灌注类器官单元830是一种类型的类器官室112，其具有两个室，此处定名为室1806和室2 808，所述室包含两个灌注类器官832，分别定名为类器官1 810和类器官2 812。在本发明的一个优选实施方案中，灌注类器官832是以扁平膜状形式形成的组织，并允许通过它进行灌注。
膜816将上述两个相邻室分隔开。膜816是多孔弹性膜。在本发明的一个优选实施方案中，所述膜可以优选地用作支架，在其上形成两个相邻的灌注类器官832，类器官1 810和类器官2 812。在本发明的一个优选实施方案中，膜816被构造和可操作为使得在这些相邻的灌注类器官832在其上形成之后，膜816仅使得能够通过其进行不间断的灌注，使得通过灌注类器官832来调节灌注。在本发明的一个优选实施方案中，膜816可以是合成的生物惰性膜，具有足够大的孔，如本领域所熟知的。在本发明的另一个优选实施方案中，膜816可以是生物可降解膜，其优选地在灌注类器官832在其侧面形成之后分解。
室1 806与类器官流动管114相关联，所述类器官流动管114在该室中提供连续循环，即不连接到与任何“规则”球形类器官相同的其他类器官。室2 808包括通过专用二级泵(未示出)泵送的二级循环814。应当理解，二级循环814在结构上类似于类器官流动管114，并且可以优选地通过类似的机构或通过与泵送类器官流动管114的机构相同的机构泵送，这在上文中参考图4和5进行了描述。
以下是灌注类器官832的几个例子。在“肺”型灌注类器官832中，室1 806可代表肺泡的空气侧，其中类器官1 810可以是肺泡组织；室2 808可以代表血管，其中类器官2 812可以是上皮组织；并且其中氧穿过灌注类器官832的两个相邻层并且被吸收到室2 808的“血液”成分中。
在“肠”型灌注类器官832中，室1 806可以代表肠腔，其中类器官1 810可以是肠壁组织；室2 808可以代表血管，其中类器官2 812可以是上皮组织；并且其中消化的营养物穿越灌注类器官832的两个相邻层并且被吸收到室2 808的“血液”成分中。
在“肾”型灌注类器官832中，室1 806可以代表血管，其中类器官1 810可以是上皮组织；并且室2 808可以代表肾腔，其中类器官2 812可以是肾小球组织；并且其中尿液过滤产物穿越灌注类器官832的两个相邻层并且被排泄到室2 808的“尿液”成分中。
描绘了ADME芯片143，其ADME管206下降到其在室2 808中的位置。例如，图8B描绘了“肾”灌注类器官单元830的情形，其中室1 806是“血液”成分，而室2 808是“尿液”成分。在该示例中，ADME芯片143的ADME管206下降到室2 808中，并抽吸和去除积聚在该室中的“尿液”，模拟将尿液从肾脏去除到膀胱的动作等。由ADME管206去除的流体可以被收集、测试或丢弃。
应当理解，本发明的一个重要的创造性方面在于，膜816和灌注型类器官(类器官1810和类器官2 812)是竖直的。以前从未这样做过：在所有现有装置中，灌注型类器官的膜都是水平布置的。这既是因为认为使用细胞在膜顶部上的重力“沉降”培养组织是至关重要的，也是因为当手动操纵时，尤其是当主要的监测手段是显微镜时，看起来更方便。在本发明的一个优选实施方案中，膜816和灌注型类器官(类器官1 810和类器官2 812)是竖直的。本发明的这一方面提供了独特优点，使得能够实现本发明的高通量能力。例如，这使得精密机器人154能够自动化高通量地从上方到达两个相邻的灌注室。
现在参考图8C，其示意性地展示了灌注类器官单元830的拉伸。
将一个或多个PZT收缩器818构建于灌注类器官单元830的壁中，使得膜816和灌注类器官832(定名为类器官1 810和类器官2 812)在一个或多个PZT压缩器818之间拉伸。PZT收缩器818是小型化压电元件，可操作以收缩或变形，从而拉伸和松弛膜816和灌注类器官832(定名为类器官1 810和类器官2 812)。在图8B中，左侧的标题为“自然状态”的图示显示了处于松弛状态的PZT收缩器818的两个元件，因此膜816和灌注类器官832(定名为类器官1810和类器官2 812)处于自然状态并且不被拉伸。
在右侧的标题为“拉伸的膜”的图示中，PZT收缩器818的两个元件收缩，从而使膜816和灌注类器官832(定名为类器官1 810和类器官2 812)被拉伸。
应当理解，PZT收缩器818的功能可以以不同的模式实现。在本发明的另一个优选实施方案中，PZT收缩器818可被编织到膜816中，从而使膜变形，例如形成圆顶形状，从而使其拉伸，如本领域已知的。
应当理解，控制器151可以致动多人芯片110上的多个灌注类器官832中的多个PZT收缩器818，使得膜和灌注类器官832有节奏地拉伸和松弛，模拟胃肠组织中的蠕动运动、肺组织中的呼吸等，并且是有效地模拟这种灌注类器官832的渗透性及其真实三维组织活力的关键。
应当理解，PZT驱动的灌注类器官832的拉伸和松弛的这种植入对于本发明是独特新颖的。目前器官芯片采用膜组织的拉伸，但这是由气动通道驱动的，它需要外部气动装置来驱动这种蠕动。本发明的独特之处在于，它使用了小型化、自主的芯片载机构来拉伸膜。应当理解，该元件是能够在完全自主的、全芯片、高通量、真正可缩放的人体芯片系统上实现膜拉伸的必要关键。
现在参考图8D，其示意性地展示了通过启动芯片141和精密机器人154二者创建灌注类器官的模式。
图8D包括四个图示，它们一起显示如何根据本发明的一个优选实施方案创建并验证灌注类器官。所述四个图示分别描绘了以下四个步骤的顺序。
现在参考图8D的标题为“1.安装组织1”的第一图示，其仅显示在将任何灌注类器官832安装于其中之前，两个相邻的空的灌注类器官室的初始状态。双室包括第一室，定名为室1 806，在该第一图示中，重要的是注意到它显示在顶部，和第二室，定名为室2 808，此处显示在底部。所述室被膜816分隔开。循环入件(circulation in)810和循环出件(circulation out)815连接到室1 806。
应当理解，此处显示了两个类器官室盖：由数字822表示的类器官室盖1，其密封室1 806的顶部；以及由数字824表示的类器官室盖2，其密封室2 808的底部。这些类器官室盖作为用于创建灌注类器官832的机构的一部分起作用，并且因此为了清楚理解，在图8B和图8C中未示出。
现在参考图8D的标题为“1.安装组织1”的第一图示。在该第一步骤中，类器官室盖1822(未示出)已经被精密机器人154移除，从而使室1 806成为“开放孔”。精密机器人154将安装喷嘴802放置在室1 806的开放孔的正上方，并将组织1细胞流体(此处用数字820表示)倒入室1 806中，在膜816的右侧与其直接接触。
膜816包括合适的多孔表面，最适合细胞粘附。并由此将组织1细胞流体820孵育几天(例如四天)的合适持续时间，以使其中的细胞自身组织化成薄的膜状组织，其粘附到膜816上，并且形态学和生理学类似于这些细胞来源的天然人类组织。关于由在膜或其他多孔表面的顶部上孵育的细胞形成膜状器官的所有方面(其中一些在上文中参考该图示加以描述)仅简短说明，因为它们是本领域技术人员所熟知的。
为了简单起见，两个PZT收缩器818未示出，因为它们的作用已经在上文中参考图8C进行了讨论，并且与对创建灌注类器官的过程的理解无关。应当理解，在该第一阶段中，如标题为“1.冲洗”的图示中所展示，两个盖均就位，分别关闭两个室的顶部和底部。
现在参考图8D的标题为“2.关闭盖1”的第二图示。在该步骤中，组织的固体层(定名为类器官1 810)已经形成，粘附到膜816上，并且过量流体和细胞的上清液已经被温和地洗去，如本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过由精密机器人154操作的启动芯片141的安装喷嘴802来完成，其中启动芯片141可操作以从室中抽吸和洗去过量流体。重新安装类器官室盖1 822，关闭室1 806。最后，多人芯片110优选地使合适的流体介质连续地流过循环和通道，以填充室1 806并清除通道和二级循环中的任何气泡。该步骤的最终结果是，定名为类器官1 810的灌注类器官830在室1806中形成，粘附到膜816上，并且被适当的循环流体包围。
现在参考图8D的标题为“3.安装组织2”的第三图示。在该第三步骤中，类器官室盖2824已经被精密机器人154移除，从而使室2 808成为“开放孔”。精密机器人154将安装喷嘴802放置在室2 808的开放孔的正上方，并将组织2细胞流体(此处用数字826表示)倒入室2808中，在膜816左侧与其直接接触。将组织2细胞流体826孵育几天(例如四天)的合适持续时间，以使其中的细胞自身组织化成薄的膜状组织，其粘附到膜816上，并且形态学和生理学类似于这些细胞来源的天然人类组织。
现在参考图8D的标题为“4.关闭盖2”的第四图示。在该步骤中，组织的固体层(定名为类器官2 812)已经形成，粘附到膜816上，并且过量流体和细胞的上清液已经被温和地洗去，如本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过由精密机器人154操作的启动芯片141的安装喷嘴802来完成，其中启动芯片141可操作以从室中抽吸和洗去过量流体。重新安装类器官室盖2 824，关闭室2 808。最后，多人芯片110优选地使合适的流体介质连续地流过循环和通道，以填充室2 808并清除二级循环和通道860和865中的任何气泡。该步骤的最终结果是，两个灌注类器官832(定名为类器官1810和类器官2 812)分别在室1 806和室2 808中形成，粘附到膜816的两侧上，并且被适当的循环流体包围。
应当理解，标题为“4.关闭盖2”的图示还展示了用于自动验证由上述过程形成的灌注类器官的完整性的独特方法，验证过程如下进行。如该图示显示，两个室还包括两个验证传感器：室1膜验证传感器，由数字892表示；以及室2膜验证传感器，由数字894表示(为了清楚起见，它们在前面的五个图示中以及在图8B中未示出)。这两个传感器优选地是被构造和可操作以检测膜上的电势降的电极。如本领域所熟知的，如果生物膜(例如在上述方法中形成的类器官2 812和类器官1 810)是有缺陷的和/或没有完全形成，则这可以通过以这种方式测量电势降来检测。因此，对于多人芯片110上的灌注型类器官113中的每一个，本发明自动检测和分析来自这些传感器826和828的输入。重要的是，深度匹配引擎170在类器官的创建期间分析来自这些传感器的输入，并且如果通过该评估确定灌注类器官830是有缺陷的，则深度匹配引擎170重新设计实验，忽略其中已经由此确定灌注类器官有缺陷的类器官。
类似地，对于球形类器官和灌注类器官832，实时细胞代谢感测连续测量类器官的代谢物，其指示组织的健康，包括线粒体功能。在创建类器官(球形类器官和灌注类器官832)期间，这些测量也通过深度匹配引擎170评估，以评估多人芯片110上的每个类器官113的“健康”。由此被评估为功能不良的类器官113由深度匹配引擎170自动鉴定，然后深度匹配引擎170重新设计实验并忽略这些类器官。
应当理解，本发明中自动化类器官验证的这个方面是关键且独特的：多人芯片110可以优选地包括数百个类器官113，并且在本领域中众所周知的是，在实验开始时经常发现大部分类器官(灌注和球形两种)是有缺陷的，并且另外一些类器官在实验期间(例如在施用药物之前)变得有缺陷。当前的器官芯片不具有用于以下的自动化手段：分析每个类器官，确定其健康状况，以及自动重新设计实验，忽略有缺陷的那些，以及其中在与其他类器官的流体互连中相关地绕过它们。对于使用手动的、独立的单个器官芯片的小型实验，手动地解决这个问题是可能的，但是困难且耗时。然而，应当理解，没有这种自动化验证和自动化实验重新计划的话，高通量变得不可能。
应当理解，关于由在膜或其他多孔表面的顶部上孵育的细胞形成膜状器官、它们的孵育和随后的冲洗等所有方面(其中一些在上文中参考图8E的六个图示进行了描述)仅简短说明，因为它们是本领域技术人员所熟知的。
现在参考图8E，其示意性地展示了灌注型的类器官113的创建和验证。
图8E包括六个图示，它们一起显示了根据本发明的一个优选实施方案，如何创建和验证图8B的灌注类器官。这六个图示分别描绘了以下六个步骤的顺序。
现在参考图8E的标题为“1.冲洗”的第一图示，其仅显示了在已经将任何灌注类器官832安装于其中之前，图8B的两个相邻的空的灌注类器官室的初始状态。如图8B所示，双室包括第一室，定名为室1 806，在该第一图示中，重要的是注意到它显示在顶部，和第二室，定名为室2 808，此处显示在底部。所述室被膜816分隔开。循环入件810和循环出件815连接到室1 806。
应当理解，此处显示了两个类器官室盖：由数字822表示的类器官室盖1，其密封室1 806的顶部；以及由数字824表示的类器官室盖2，其密封室2 808的底部。这些类器官室盖作为用于创建灌注类器官832的机构的一部分起作用，并且因此为了清楚理解。
为了简单起见，两个PZT收缩器818未示出，因为它们的作用已经在上文中参考图8C进行了讨论，并且与对创建灌注类器官的过程的理解无关。应当理解，在该第一阶段中，如标题为“1.冲洗”的图示中所展示，两个盖均就位，分别关闭两个室的顶部和底部。
现在参考图8E的标题为“2.安装组织1”的第二图示。在该第二步骤中，先前图示的类器官室盖1 822已经被精密机器人154移除，从而使室1 806成为“开放孔”。精密机器人154将安装喷嘴802放置在室1 806的开放孔的正上方，并将组织1细胞流体(此处用数字820表示)倒入室1 806中，在膜816的顶部。膜816包括合适的多孔表面，最适合细胞粘附。并由此将组织1细胞流体820孵育几天(例如四天)的合适持续时间，以使其中的细胞自身组织化成薄的膜状组织，其粘附到膜816上，并且形态学和生理学类似于这些细胞来源的天然人类组织。关于由在膜或其他多孔表面的顶部上孵育的细胞形成膜状器官的所有方面(其中一些在上文中参考该图示加以描述)仅简短说明，因为它们是本领域技术人员所熟知的。
现在参考图8E的标题为“3.关闭盖”的第三图示。在该步骤中，组织的固体层(定名为类器官1 810)已经形成，粘附到膜816上，并且过量流体和细胞的上清液已经被温和地洗去，如本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过精密机器人154的安装喷嘴802进行；在本发明的另一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过循环通道300进行。重新安装类器官室盖1 822，关闭室1806。最后，多人芯片110优选地使共同循环介质连续地流过图3的循环通道300，并流过循环入件810和循环出件815，以填充室1 806并清除循环通道300中的任何气泡。该步骤的最终结果是，定名为类器官1 810的灌注类器官830在室1 806中形成，粘附到膜816上，并且被适当的循环流体包围。
现在参考图8E的标题为“3.翻转”的第四图示。在该步骤中，通过精密机器人154翻转多人芯片110，从而将室2 808放置在顶部。
现在参考图8E的标题为“5.安装组织2”的第五图示。在该第五步骤中，先前图示的类器官室盖2 824已经被精密机器人154移除，从而使室2 808成为“开放孔”。精密机器人154将安装喷嘴802放置在室2 808的开放孔的正上方，并将组织2细胞流体(此处用数字826表示)倒入室2 808中，在膜816的顶部。膜816包括合适的多孔表面，最适合细胞粘附。因此，将组织2细胞流体826孵育几天(例如四天)的合适持续时间，以使其中的细胞自身组织化成薄的膜状组织，其粘附到膜816上，并且形态学和生理学类似于这些细胞来源的天然人类组织。
现在参考图8E的标题为“6.关闭盖2”的第六图示。在该步骤中，组织的固体层(定名为类器官2 812)已经形成，粘附到膜816上，并且过量流体和细胞的上清液已经被温和地洗去，如本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过精密机器人154的安装喷嘴802进行；在本发明的另一个优选实施方案中，过量流体和细胞的洗涤可以优选地通过二级循环和通道860和865进行。重新安装类器官室盖2824，关闭室2 808。最后，多人芯片110优选地使合适的流体介质连续地流过二级循环和通道860和865，以填充室2 808并清除二级循环和通道860和865中的任何气泡。该步骤的最终结果是，两个灌注类器官832(定名为类器官1 810和类器官2 812)分别在室1806和室2 808中形成，粘附到膜816的两侧上，并且被适当的循环流体包围。
应当理解，标题为“6.关闭盖2”的图示还展示了用于自动验证由上述过程形成的灌注类器官的完整性的独特方法，验证过程如下进行。如该图示显示，两个室还包括两个验证传感器：室1膜验证传感器，由数字892表示；以及室2膜验证传感器，由数字894表示(为了清楚起见，它们在前面的五个图示中以及在图8B中未示出)。这两个传感器优选地是被构造和可操作以检测膜上的电势降的电极。如本领域所熟知的，如果生物膜(例如在上述方法中形成的类器官2 812和类器官1 810)是有缺陷的和/或没有完全形成，则这可以通过以这种方式测量电势降来检测。因此，对于多人芯片110上的灌注型类器官113中的每一个，本发明自动检测和分析来自这些传感器826和828的输入。重要的是，深度匹配引擎170在类器官的创建期间分析来自这些传感器的输入，并且如果通过该评估确定灌注类器官830是有缺陷的，则深度匹配引擎170重新设计实验，忽略其中已经由此确定灌注类器官有缺陷的类器官。
类似地，对于球形类器官和灌注类器官832，实时细胞代谢感测连续测量类器官的代谢物，其指示组织的健康，包括线粒体功能。在创建类器官(球形类器官和灌注类器官832)期间，这些测量也通过深度匹配引擎170评估，以评估多人芯片110上的每个类器官113的“健康”。由此被评估为功能不良的类器官113由深度匹配引擎170自动鉴定，然后深度匹配引擎170重新设计实验并忽略这些类器官。
应当理解，本发明中自动化类器官验证的这个方面是关键且独特的：多人芯片110可以优选地包括数百个类器官113，并且在本领域中众所周知的是，在实验开始时经常发现大部分类器官(灌注和球形两种)是有缺陷的，并且另外一些类器官在实验期间(例如在施用药物之前)变得有缺陷。当前的器官芯片不具有用于以下的自动化手段：分析每个类器官，确定其健康状况，以及自动重新设计实验，忽略有缺陷的那些，以及其中在与其他类器官的流体互连中相关地绕过它们。对于使用手动的、独立的单个器官芯片的小型实验，手动地解决这个问题是可能的，但是困难且耗时。然而，应当理解，没有这种自动化验证和自动化实验重新计划的话，高通量变得不可能。
应当理解，关于由在膜或其他多孔表面的顶部上孵育的细胞形成膜状器官、它们的孵育和随后的冲洗等所有方面(其中一些在上文中参考图8E的六个图示进行了描述)仅简短说明，因为它们是本领域技术人员所熟知的。
根据本发明的另一个优选实施方案，包含细胞混合物的流体进入室1 806和室2808中，并且随后将其冲洗掉不是通过打开相应的盖822和824并且将所述流体倒入，随后通过精密机器人154及其安装喷嘴排出来进行的；而是可能优选地通过使其经微流体通道流入这些室中，并在预期孵育后经相同通道将其冲洗掉来进行。
现在参考图9A和图9B，它们一起示意性地展示了根据本发明构造和操作的类人件111的架构的示例。
本发明的类人件111可以根据用户偏好灵活地结构化，以便满足所寻求的实验目的。以下是类人件111的典型可能架构的示例，以及对其不同部件和考虑的解释。
类人件111包括一组类器官室112，其包括相应的一组类器官113，类器官可以是“球形”或“灌注”类型。类器官113和它们相应的类器官室112是模块化的，因此根据本发明，通过选择要包括在类人件111中的类器官113的组织类型及其顺序，可以实现许多不同的类人件111。
图9A展示了根据本发明构造和操作的多人芯片110上的类人件111的示例，并且所述类人件111包括以下九个元件：(i)定名为“肺”的“肺型”灌注类器官单元830；(ii)定名为“GI”的“肠型”灌注类器官单元830；(iii)定名为“肝”的“肝型”类器官室112；(iv)定名为“肝”的“心脏型”类器官室112；(v)定名为“肾”的“肾型”灌注类器官单元830；(vi)定名为“bbb”的“bbb型”灌注类器官单元830；(vii)定名为脑的“脑型”类器官室112；以及“全身室”。
应当理解，上述灌注类器官单元830在模拟身体的吸收和消除方面以及在支持脑递送方面是重要的，如下所述。“肺”灌注类器官单元830模拟通过吸入的吸收：吸入的内容物进入其左隔室，并被吸收到其模拟血流的右隔室中。“GI”灌注类器官单元830模拟胃肠道吸收：摄入的内容物进入其左隔室，并被吸收到其模拟血流的左隔室中。“肾”灌注类器官单元830模拟肾小球清除：其左隔室模拟身体的血流内容物，其随后被肾小球组织过滤并清除到其左隔室。并且“bbb”灌注类器官单元830模拟血脑屏障：其左隔室模拟身体的血流内容物，然后选择性地过滤到其反映脑循环的右隔室。
“肝”类器官室112也是重要的，因为它代谢通过它的循环内容物，如同在体内那样。“脑”可包括所讨论的特定研究感兴趣的特定脑组织和/或部位。组织X是用户可选择包括的另一种组织。
全身室是其中没有任何类器官的室，并且其模拟体内的“外周血抽取”并且可以用作“筛选”的手段，基于其作出是否要从特定类器官113中抽取样品的进一步决定。虽然叠层芯片系统100可操作用于以规模空前的方式执行大量反复测试，但从“全身室”中获取“筛选前”样品具有显著的优势，并且基于这些结果决定是否认为需要进一步的测试。这样做可以显著地减少所进行的测试量，并且因此进一步支持非线性缩放和成本降低。作为利用这种能力的第一例子，如果反映来自类人件111的所有类器官室112的组合样品的来自“全身室”的样品显示乳酸升高，这可促使从该类人件111的所有类器官室112抽取样品，以便确定它们中的哪一个的乳酸升高。作为另一个例子，如果来自“全身室”的测试产生的结果可能指示一种或多种肝酶的可能高水平，则类似于活人中的全身血液测试，这可促使从肝类器官室112抽取专用样品，以便确定、验证和量化该异常。
因此，本发明的叠层芯片系统100的重要优点是确定类人件111的构成的灵活性，根据实验设计和要求而定。图9A中提供的示例涵盖摄入和消除的主要形式，但这是以其他参与组织的数量为代价的。例如，某些实验仅使用与肝脏代谢耦合的肠管剥离是可行的(例如，没有肺、肾、bbb)，从而允许留出空间以包括许多另外的靶组织。
现在参考图9B，其示意性地展示了根据本发明构造和操作的类人件111的架构的示例。
图9B展示了图9A所示的多人芯片110上的类人件111，但是现在增加了其与循环芯片142的交互。
图9B展示了循环芯片142和精确机器人154如何使用八个循环管204和一个长循环管205来将类人件111的所有类器官113连接为一个模拟体内心血管循环的循环。例如，图9B描绘了类人件111如何模拟药物208被口服摄入，通过肠道吸收到血流中，以模拟肝脏“首过”的方式到达肝脏，被肝脏代谢，然后被肾脏过滤和排泄，最后到达几个重要的靶组织的过程。
图9B还展示了类器官室112和灌注类器官单元830中的每一个如何也经历“类器官内”循环：内部独立的类器官特有的流动，流过类器官流动管114(在类器官室112的情况下)，以及流过类器官流动管114和二级循环814(在灌注类器官单元830的情况下)。
应当理解，类人件111的架构是灵活的，并且它可以仅包括类器官室112，或仅包括灌注类器官单元830，或其任何组合。
现在参考图10A，其示意性地展示了叠层芯片系统100的集成吸收和施用的示例。
应当理解，叠层芯片系统100被设计和操作以模拟及模仿人类吸收/施用、分配、代谢和消除(ADME)。图10A展示了吸收和施用的三个示例。
定名为全身施用1010的第一用况包括通过ADME芯片143的ADME管206将营养物或药物208施用到全身室1012中。这模拟药物208的全身动静脉施用，因为它将通过循环芯片142被分配到类人件111的所有其他类器官113，而不需要通过肠等吸收。
定名为口服施用1020的第二用况展示了模拟口服施用：通过ADME芯片143的ADME管206将药物208施用到定名为“GI”的“肠型”灌注类器官单元830中，进入其被定名为1022的模拟肠腔的左隔室中。然后，药物208跨越胃肠膜和邻近的毛细血管上皮(均是GI类器官单元830)被吸收到定名为1024的模拟肠血管的右隔室中。
应当理解，在人体内口服施用的药物208首先通过肠道被吸收到血流中，然后循环到肝脏，在肝脏中进行代谢，所述过程被称为“首过”代谢。类似地，在叠层芯片系统100中，药物208被灌注型GI灌注类器官单元830吸收，然后通过循环芯片142提供的循环流到定名为“肝”的球形肝类器官113，在那里它确实被该三维肝组织代谢，然后继续循环到类人件111的其他“组织”。
定名为吸入施用1030的第三用况展示了模拟吸入施用：通过ADME芯片143的ADME管206将药物208施用到定名为“肺”的“肺型”灌注类器官单元830中，进入其被定名为1032的模拟通气的肺泡空间的左隔室中。然后，药物208跨越肺泡膜和邻近的毛细血管上皮(均是肺类器官单元830)被吸收到定名为1034的模拟肺泡血管的右隔室中。然后，它通过循环芯片142提供的循环流到类人件111的其他“器官”。
现在参考图10B，其示意性地展示了叠层芯片系统100的集成消除示例。
定名为“尿液消除”1040的第一用况展示了模拟尿液消除。药物208及其药物代谢物通过由循环芯片142提供的循环流动，并由此进入定名为“肾”的“肾型”灌注类器官单元830，进入其定名为1042的左隔室。然后，该药物208及其代谢物跨越毛细血管上皮和邻近的肾单位肾小球层(均为肾灌注类器官单元830)扩散，并进入其定名为1044的模拟肾腔的右隔室，然后通过ADME芯片143的ADME管206被消除，并可以根据相关情况被收集、丢弃或分析。
定名为“GI消除”1050的第二用况展示了模拟胃肠道消除。药物208及其药物代谢物通过由循环芯片142提供的循环流动，并因此进入定名为“GI”的“GI型”灌注类器官单元830，进入其定名为1052的右隔室。然后，该药物208及其代谢物跨越毛细血管上皮和邻近的胃肠道膜(均为GI灌注类器官单元830)扩散，并进入其定名为1054的模拟胃肠腔的左隔室，然后通过ADME芯片143的ADME管206被消除，并可以根据相关情况被收集、丢弃或分析。
定名为“肺消除”1060的第三用况展示了模拟肺消除。药物208及其药物代谢物通过由循环芯片142提供的循环流动，并因此进入定名为“肺”的“肺型”灌注类器官单元830，进入其定名为1062的右隔室。然后，该药物208及其代谢物跨越毛细血管上皮和邻近的肺泡膜(均为肺灌注类器官单元830)扩散，并进入其定名为1064的模拟肺泡通气空间的左隔室，然后通过ADME芯片143的ADME管206被消除，并可以根据相关情况被收集、丢弃或分析。
现在参考图10C，其示意性地展示了叠层芯片系统100的并行ADME功能。
图10C展示了本发明的ADME芯片143的每个ADME动作如何可以优选地同时对多个灌注类器官单元830执行，所述灌注类器官单元是“来自不同类人件的相同组织类型”，定名为数字1070。
图10C描绘了ADME芯片143的六个ADME管206，其下降到六个相应的灌注类器官单元830的隔室中，定名为1071-1076，并且同时从其中提取流体。例如，如果定名为1071-1076的灌注类器官单元830是“肾”型，则图10C展示了ADME芯片143如何从这六个单元同时移除尿液。
应当理解，多人芯片110、自动化芯片120和致动器150都被设计为使得自动化芯片120可以同时对多个类人件执行其动作(像循环芯片142这样的芯片除外，它们被专门指定用于对类人件111内的多个类器官室112执行动作)。
现在参考图11A，其示意性地展示了根据本发明构造和操作的化学感测芯片131的几个优选实施方案。
图11A展示了本发明的不同实施方案，涉及本发明对类器官室112内的流体或其中的类器官113执行基于纳米传感器的化学分析的方式。
定名为“优选实施方案”的小图提供了化学感测芯片131的优选实施方案的示意图。在该优选实施方案中，将探针1100插入类器官室112中，使得其一部分浸入上清液流体中。探针1100为固体，而非毛细管。优选地，探针1100的区段涂覆有一个或多个纳米传感器1102，并且所述探针被放置成使得这一个或多个纳米传感器1102浸入上清液流体中。在本发明的一个优选实施方案中，通过将多个纳米传感器1102(例如电化学纳米传感器)纳米涂覆到表面或探针上而应用的多个纳米传感器1102可优选地用于同一隔室内，其中纳米传感器1102中的每一个可指示不同目标化学物质的水平。如本领域所熟知的，每个这样的电化学传感器可操作以检测目标化学物质，此为直接通过其电荷来检测，或者与涂覆在电极上，使传感器对期望化学物质具有特异性的膜联合检测，或者用使电极对检测期望目标化学物质具有特异性的酶来涂覆，所有这些都是本领域所熟知的。
应当理解，多个这样的不同电化学传感器可以利用单个“第二电极”，其与所述传感器中的每一个电配对，因此是这些不同传感器“共用的”(电配对是指该共用电极与所述不同电化学纳米传感器中的每一个配对，以便分别闭合与它们中的每一个的电化学电路)。
在本发明的另一个优选实施方案中，单个电化学纳米传感器可以优选地用于鉴定多种不同的化学物质，其中不同化学物质的水平范围通常是已知的。例如，单个电化学纳米传感器可操作以借助考虑两种化学物质中每一种在生物流体中的生理范围来区分两种化学物质，即使它们的电化学电荷是相似的。例如，如果预期在给定生物介质中发现的Na+的预期浓度范围比预期在该给定生物介质中发现的K+的浓度范围高许多倍，则可以从传感器的读数中自动“推断”两种化学物质之间的“假定”辨别，如本领域所熟知的。
图11A还显示了根据本发明的其他优选实施方案，可以使用化学感测芯片131的另外的配置，定名为“其他实施方案”。
定名为“#1”的小图提供了测试样品探针的第一优选实施方案的示意图。将连接到分析器纳米传感器芯片1100的毛细管1112插入类器官室112中，使得其尖端浸入上清液流体中。毛细管力将流体拉入毛细管1112中，并将其驱动到包括在分析器纳米传感器芯片1100中的纳米传感器和/或传感器阵列。在测试样品之后并且在测试下一样品之前，毛细管的清洁和清除可以优选地通过类似地利用表面张力来完成，例如通过使毛细管的开口尖端与多孔表面(海绵、纸巾等)接触，从而将流体从毛细管和分析器纳米传感器芯片1100中拉出。毛细管1112可以优选地是单个毛细管(未示出)；或者它可以优选地分支成多个子毛细管，并且因此进一步使用毛细管力将流体驱动到包括在分析器纳米传感器芯片1100内的多个传感器。分支子毛细管可以优选地比主毛细管更细。
定名为“#2”的小图提供了测试样品探针的第二优选实施方案的示意图。在该优选实施方案中，一个或多个基于荧光的纳米传感器1120被附着到类器官室112的底部的内表面，或者在类器官室112内的流体中自由漂浮。基于荧光的纳米传感器1120可以优选地包括荧光珠或荧光涂层，或其他基于荧光的纳米传感器，并且可操作以检测氧或其他生物相关化学物质的水平。光检测器1122用于检测从基于荧光的纳米传感器1120发射的光量，并且指示它们可操作以检测的化学物质，如本领域所熟知的；光检测器由致动器150自动操作。应当理解，如果纳米传感器1102被附着到类器官室112的底部内表面，则通过重力，类器官113可能与它们直接接触，或者非常接近它们，从而给出更准确的读数。
定名为“#3”的小图提供了测试样品探针的第三优选实施方案的示意图。在该优选实施方案中，使用毛细管1134，但是其中毛细管1134不是连接到分析器纳米传感器芯片1100，而是在其远端加宽为纳米传感器腔1130，其中包括多个纳米传感器1132。例如，纳米传感器1132可以被纳米涂覆到纳米传感器腔1130的内表面上。应当理解，该第三实施方案的优点在于，纳米传感器不插入上清液流体中；如本领域所熟知的，一些纳米传感器可以将离子发射到流体中，并且因此可能损害和/或以其他方式影响它们正在测试的生物流体。因此，该第三实施方案使用这种简单的探针设计，但是其中流体被抽吸到纳米传感器腔1130中，在那里它们在类器官室112及其流体外部与纳米传感器1132交互。
还应当理解，虽然该实施方案在逻辑上与定名为“#1”的第一实施方案没有太大区别，但在实际结构上存在重要区别：该第三实施方案非常简单，仅仅是在毛细管末端加宽的“腔”，其中一个或多个纳米传感器1132可以优选地被涂覆或以其他方式嵌入所述腔中。
定名为“#4”的小图提供了测试样品探针的第四优选实施方案的示意图。在该优选实施方案中，使用柔性探针1140。一个或多个纳米传感器1142被涂覆在柔性探针1140的相应区段上。根据本发明的一个优选实施方案，柔性探针1140被设计成使得它可以优选地“拍动”类器官113并实现与类器官113的接触，从而使涂覆至其上的纳米传感器1142与类器官113的细胞直接接触或与其非常接近。光检测器1144可以与荧光纳米传感器联合使用，例如用于检测氧和其他生物相关化学物质。应当理解
应当理解，上述实施方案仅作为示例提供，并且可以优选地使用其组合。例如，在本发明的一个优选实施方案中，实施方案“#4”的柔性探针1140可以优选地与荧光纳米传感器1142和/或不显著发射离子的其他纳米传感器1142一起使用，并且因此可以安全地浸入测试的样品中而不对其造成显著影响，并且其中柔性探针1140的“软弱”实现荧光传感器与类器官113本身的物理接触，或者与其紧密接近。这可以优选地与实施方案“#3”的多个方面联合使用，其中电化学传感器可以在毛细管1134的远端处的纳米传感器腔1130内使用，使得这些电化学传感器不浸入类器官室112中的类器官113周围的上清液流体中，并且不影响它。
应当理解，在本发明的所有上述实施方案中，纳米传感器还可以包括一个或多个基于荧光的传感器(类似于实施方案“#2”的那些)，例如用于检测氧以及其他生物相关化学物质的水平，如本领域所熟知的。光检测器1212用于检测从基于荧光的传感器发射的光量；光检测器可以优选地不是探针1100的一部分，并且由致动器150自动操作。
现在参考图11B，其示意性地展示了实时细胞感测的架构。
化学感测芯片131能够实现实时细胞代谢感测，这是本发明的独特优点。图11B描述了使实时细胞代谢感测成为可能的独特的功能和架构概念。
图11B提供了本发明的多人芯片110和化学感测芯片131的几个重要特性之间的相互作用的抽象图示。为了清楚起见，所提供的例子是球形类器官113，但是应当理解，这同样适用于灌注类器官或其他类型的类器官。
类器官室1150的容积等于类器官室112内的容积减去类器官113的体积。配合越紧密，类器官室1150的容积越小。例如，类器官113通常可以非常小，例如直径为100-300微米。因此，如果类器官室112被设计和制造成使得其尽可能地小，同时考虑下文描述的另外的因素，同时足以容纳类器官113。例如，如果类器官室112的直径小于1毫米，并且假定类器官的直径为100-300微米，则类器官室1150的容积将非常小，这与类器官室112显著更大(例如4毫米)的情况相反。
例如，在本发明的优选实施方案中，类器官的直径通常可以是100-300微米，并且类器官室可以是400微米或500微米，或1000微米。因此，在这样的实施方案中，类器官室的容积与类器官的体积之间的比率是2.8(500微米室与300微米类器官)、25(500微米室与100微米类器官)、11(1000微米室与300微米类器官)或100(1000微米室与100微米类器官)。
样品管1158的容积是从类器官室112引出一直到纳米传感器室1154的整个管的容积。样品管1152越长、越宽，样品管1158的容积越大。纳米传感器室容积1160仅是纳米传感器室1154的内部容积减去纳米传感器1156的体积。实际上，纳米传感器1156通常具有极小的体积，并且纳米传感器室1154大得多并且仅取决于所使用的制造。例如，当前的纳米传感器阵列通常具有微米大小的纳米传感器室1154，而纳米传感器本身可以是该大小的千分之一(以纳米测量)。
样品体积1160是必须从类器官室112中取出，流经样品管1152并置于纳米传感器室1154中的体积，使得纳米传感器1156可以对其进行测量。因此，样品体积1160反映样品管1158的容积以及纳米传感器室容积1160。简单地说，样品管1152越长且越宽，并且纳米传感器室1154越大，样品体积1160将越大。应当理解，在实践中，样品体积可以比上述描述大几倍，因为上述描述仅将样品采集到单个纳米传感器1156，而在实践中，从类器官室112中取出的样品可能需要足以包括递送到包括在纳米传感器阵列中的多个纳米传感器1156中的每一个的多个样品。
应当理解，类器官室1150的容积明显影响对由类器官113释放到其在类器官室112中的周围上清液中的代谢物进行灵敏准确的测量的能力。类器官室1150的容积越小，从类器官室112取出的样品将越准确地反映由类器官113的细胞释放的代谢物。这可以通过以下示例来说明：如果将冰块放入非常小杯的威士忌酒中，则所述冰块冲淡威士忌酒将远低于将相同的冰块放入大桶威士忌酒中。
还应当理解，样品体积1160明显影响可从类器官室112获得的测量频率。简单地说，如果在极端情况下，样品体积1160等于类器官室容积1150，那么取出一个样品将完全“清空”类器官室112。相反地，如果样品体积1160是类器官室容积1150的千分之一，那么可以进行一百次测量，而不会显著地排空类器官室，因此不会显著地干扰类器官113。这可以通过以下示例来说明：如果你带一群品酒行家，想让他们每个人都品尝你杯子里的酒，并且他们要在几天内每15分钟反复这样做，以测量酒在杯子中静置和通风时如何变化，如果他们每个人喝很小的一口那就还好，而如果他们喝一大口，这样的品尝将很快地完全清空你的杯子。
还应当理解，并且是本领域所熟知的，将纳米传感器或其他测量装置或化合物放置在类器官室112本身内或直接靠近它可能是不利的，因为纳米传感器可能不是无害的，并且通常会将离子释放到它们的直接环境中，从而影响它们正在测试的组织或流体。
因此，图11B展示了本发明的关键双重独创性：第一，获得准确“细胞”代谢感测的能力；第二，实时进行细胞代谢感测的能力，也就是频繁地反复进行这样的测量。由类器官113释放到类器官室112中的代谢物的“细胞”或灵敏的代谢感测通过类器官室112的空前小型化设计和制造来实现，保持其在尺寸和形状上接近类器官，使得类器官室1150的容积较小。通过独特的架构和亚微米制造实现了实时频繁的反复测试，其中样品管1152的长度和宽度以及纳米传感器室1154的大小被最小化，从而使样品体积最小化，从而实现类器官室1150的容积与样品体积1160之间的高比率。
应当理解，通过借助致动器150使传感器更靠近类器官室112，叠层芯片架构将样品管1152的长度和宽度减小到绝对最小值。因此，叠层芯片架构允许两个微流体芯片“同心协力”，具有以下优点：(i)缩短样品管1152的长度，(ii)消除许多阀/通道/泵的复杂性，从而(iii)降低成本并(iv)提高稳健性。
例如，在本发明的一个优选实施方案中，类器官113的直径可以优选为100-300微米，类器官室112的直径可以优选为400或微米，样品管1152的直径可以是亚微米的，并且长度可以是几毫米。
作为一个实际例子，每15分钟一次将样品取至单个传感器意味着两周内取1344个样品；和/或如果使用十个传感器则取13440个样品。假设至少一个传感器，并且优选地多于十个传感器，因此反复实时测量将需要类器官室1150的容积与样品体积1160之间比率为至少1,000，并且优选地10,000。
在本发明的一个优选实施方案中，类器官室1150的容积与样品体积1160之间的比率优选地大于100000、大于50000、大于10000、大于1000、大于500、大于100、大于50、或大于10。
在本发明的一个优选实施方案中，类器官室的容积与类器官的体积之间的比率小于1、小于2、小于3、小于5、小于10、或小于30、小于100、或小于500。
在本发明的一个优选实施方案中，(i)将类器官室112的尺寸保持在实际最小值，使得流体尽可能接近地反映类器官113，以及(ii)使用如下纳米传感器，所述纳米传感器可以安全地插入类器官室112中的流体中而不影响介质流体，从而在所述室内进行直接测量，而无需取样，即使这些样品体积非常小并且通过短管取样。还应当理解，对大小和体积存在实际限制，例如，当类器官室112或纳米传感器室容积显著小于1mm时，蒸发成为限制性问题。因此，仍然优选插入类器官室112中的纳米传感器，而不是提取样品。
现在参考图12，其示意性地展示了特异性和非特异性传感器阵列的使用。
本发明利用了两种类型的纳米传感器阵列：特异性传感器阵列和非特异性传感器阵列。如图11A所示，化学感测芯片131优选地包括探针1100，所述探针1100上涂覆或附接有多个纳米传感器1102。
定名为“具有特异性传感器阵列的探针”的第一图示显示了附接有一组纳米传感器(定名为特异性传感器阵列1210)的探针1100。特异性传感器阵列1210是纳米传感器阵列，其中每个纳米传感器已经被制造和训练以鉴定特定化学物质，如本领域所熟知的。在本发明的一个优选实施方案中，特异性传感器阵列1210可以包括但不限于用于氧、葡萄糖、乳酸、尿素、钾、氨和pH的传感器。如图12所描绘，对于特异性传感器阵列1210所暴露的样品，该阵列显示这些代谢物中每一种的不同水平。如本领域所熟知的，这些测量指示组织中的细胞和这些细胞中的线粒体的活力。因此，这些测量可用于指示组织中的细胞对所施用的药物的反应，包括药物对该组织的毒性。
定名为“具有非特异性传感器阵列的探针”的第二图示显示了附接有一组纳米传感器(定名为特异性传感器阵列1210)的探针1100。非特异性传感器阵列1220是纳米传感器阵列，其在操作中被构造为使得传感器阵列作为一组一起工作，并且在人工智能的支持下，可以“学习”以共同地鉴定众多种化合物，如本领域所熟知的。非特异性传感器阵列1220“学习”以鉴定化合物的典型模式。非特异性传感器阵列1220“学习”以鉴定在此处示出的七个传感器中每一个所记录的信号水平在此处描绘的特定模式，并且由此“学习”这种模式是特定化学化合物的典型模式。全部这都是本领域所熟知的。
应当理解，上述仅是作为示例而不是限制。在本发明的其他优选实施方案中，可以使用特异性和非特异性传感器的组合，并且可以在同一类器官室112中同时使用多个探针1100，以便一次使用更多的纳米传感器。定名为“分析器纳米传感器芯片”的第三图示显示了分析器纳米传感器芯片1110，并且其中分析器纳米传感器芯片1110的传感器可以包括特异性传感器阵列1230和非特异性传感器阵列1240。毛细管1112用于从类器官室112中的流体中抽取微小样品并将其带到传感器阵列中的每个传感器。这些特异性和非特异性传感器阵列类似于上述的那些，但是被放置在分析器纳米传感器芯片1110上并且因此分析所抽取的样品，而不是被浸入类器官室112的流体中并在其中直接测量化学物质。
任选地，ITP浓缩器引擎1205用于浓缩所抽取的样品内的化学化合物；ITP浓缩器引擎1205是微流体装置，其使用等速电泳，以浓缩通过样品通道290抽取的样品流体内的化学化合物，如本领域已知的。
现在参考图13A，其示意性地展示了由基因组芯片132执行的基因组纳米感测的示例。
器官芯片为显著加快药物开发提供强大的机会，尤其是当利用多个这样的器官芯片时。本发明克服了迄今为止存在的两个主要障碍，这使得本发明可以确实显著加快药物开发。首先，目前不存在高通量和AI集成的人体芯片平台；即允许在数以万计的人体芯片上对候选药物进行快速、廉价生物扫描的系统。第二，目前不存在具有集成的基因组表达剖析的人体芯片平台。
本发明解决了这两个挑战。本发明的叠层芯片架构解决了第一个挑战，并首次提供了真正高通量、实时感测的人类芯片平台。基于纳米线的、未扩增的基因组感测，特别是环状RNA的感测提供了第二个挑战的革命性的解决方案。
目前器官芯片系统的基因组挑战如下。器官芯片系统显示出巨大的前景，因为它们显示出的预测准确性有时超过了动物研究。但到目前为止，动物研究有一个独特的优势：它们产生丰富的基因组数据，这是器官芯片系统由于其小型化而完全不能与之相比的。在没有基因组数据的情况下开发药物的企图就像是在“盲目飞行”。
因此，本发明的独特之处在于，它现在提供了对环状RNA的非破坏性、实时、非扩增的检测，从而提供了与大多数重大疾病相关的不匹配的、前所未有的遗传学谱。在高通量人体芯片平台中准确鉴定环状RNA的能力具有巨大的影响。例如，一些330个circRNA已经显示与48种重大疾病有关，包括各种类型的癌症、神经退行性疾病、心血管疾病、孤独症和许多其他重大疾病。
图13展示了超灵敏的纳米传感器和系统，其可操作以在高通量多人芯片110内在不扩增的情况下准确鉴定和定量由类器官113分泌到类器官室112中的上清液流体中的微量环状RNA分子。
环状RNA(circRNA)是新型的环状短RNA基因，其与多种重大疾病有关，包括癌症、心脏病、神经退行性疾病、孤独症和许多其他实体，其在大脑中高度表达，并与细胞分化有关。引人注目的是，与“常规”mRNA不同，在这些不同的重大疾病状态中已经发现了数千种circRNA分子是“无细胞的”，意味着在细胞外。它们的环状结构使得它们对RNA酶具有抗性，这与在细胞外时会分解的常规“线性”mRNA不同。
circ-RNA基因组纳米传感器1300是纳米传感器装置，它是基因组芯片132的示例。circ-RNA基因组纳米传感器1300包含探针1100，多个基因组传感器附接或涂覆至所述探针1100上。
circ-RNA基因组纳米传感器1300下降到类器官室112内的流体中。类器官室112包括类器官113，并且经历通过类器官流动管114的受控的主动泵送的微流体流动，所述流动是类器官113获得活力的关键。类器官113将无细胞的circRNA分子自然地分泌到类器官室112的流体中，并且circRNA与常规的更长的mRNA的不同之处在于，它们经常以无细胞的形式在类器官室112的流体中保持不降解，并且因此可以通过circ-RNA基因组纳米传感器1300来鉴定。
circ-RNA基因组纳米传感器1300可操作以检测感兴趣的特定circRNA分子，例如已显示与特定疾病状态相关的circRNA。
在图12提供的示例中，circ-RNA基因组纳米传感器1300包括三个基因组纳米传感器，其中这三个基因组纳米传感器中的每一个都能够结合和检测特定的环状RNA分子。定名为circ-传感器1302的第一传感器鉴定定名为circRNA 1312的环状RNA分子。定名为circ-传感器1304的第二传感器鉴定定名为circRNA 1314的环状RNA分子。定名为circ-传感器1306的第三传感器鉴定定名为circRNA 1316的环状RNA分子。
这三个传感器中的每一个都包含核酸分子，所述核酸分子已被设计为具有其靶circRNA的核酸序列的反义序列，使得其与其靶标杂交并结合，但不与其他分子结合，包括不与其他circRNA分子结合。一旦传感器(优选为纳米线型纳米传感器)结合了其靶circRNA，这种结合改变了传感器的电场特性，提供了结合的电子指示。
例如，图13显示了类器官室112的流体中的三个circRNA，分别由数字1322、1324和1326表示，并且由于这些circRNA与所述传感器设计结合的核酸序列不匹配，它们不被所述传感器结合和鉴定。
在本发明的一个优选实施方案中，所述传感器可以被设计为具有独特地结合所靶向circRNA的反义序列，如本领域已知的。
本发明的一个方面是circ-RNA基因组纳米传感器1300可以优选地被设计，使得其与其靶标的结合使用circRNA的独特物理特性(由其环状结构产生)来增强，与线性非环状RNA的物理特性相反。
例如，可以优选地设计“尾头探针(tail-head probe)”，其仅在circRNA序列确实呈环状形式时结合所述circRNA序列，并且在circRNA呈线性形式时不结合所述RNA。
作为另一个示例，传感器可以被设计为使得它们的结合核酸本身呈环状形式，从而不仅与其靶标的核酸序列匹配，而且其中它们的环状形式显著增强它们与其靶标的结合。
在又另一个示例中，传感器可以被设计成使得它们利用其靶标的其他物理特性(来源于circRNA的环状物理特性)，这些特性包括但不限于不存在多聚A尾、不存在游离5'和3'端以及环状核糖主链。这种利用意味着，传感器结合其靶标不仅因为传感器的反义探针与靶circRNA内的互补序列的特异性结合，而且这种反义结合被这些环状物理特性进一步增强。
应当理解，本发明的重要部分是利用circRNA的独特结构，实现纳米传感器灵敏且准确的检测。纳米传感器(特别是灵敏纳米传感器，例如基于纳米线的传感器)的主要挑战是，它们如此灵敏，以至于它们的靶标的类型和大小极大地影响电子信号；不同大小的靶标将需要不同的校准，使得这种传感器的设计、校准、生产和操作极其困难和昂贵，达到对于追求用于检测不同靶标的成百上千个传感器的快速开发是不切实际的程度。例如，当结合RNA靶标时，更长的所靶向RNA分子将给出与更短的所靶向RNA分子非常不同的信号。
因此，本发明提供了使该传感器可行的两个创造性步骤：第一，通过集中于靶向circRNA组，因为它们作为一组都是相对小的分子，并且重要的是大小相对恒定的分子(其中许多为约300-360bp)，与结合蛋白(巨大差异)或结合常规mRNA(因为mRNA的长度从几十到几千个核苷酸变化)相比，这显著缩小了纳米线传感器结合circRNA的电子信号的组内差异。第二，通过使用circRNA的独特物理特性所述物理特性由其环状结构产生，并且将其与线性非环状RNA的物理特性区分开来。
现在参考图13B，其示意性地展示了circ-RNA折叠的示例。图13B显示了两个示例circ-RNA的二维结构。如图13B所示，circRNA自身折叠，形成二维结构，所述二维结构对于每个circRNA是非常独特的，并且其通常形成中心环，一个或多个双链(DS)“发夹状”区段从该环突出。
定名为“环状RNA示例1”的图13B的第一示例展示了命名为circCAMSAP1的circRNA的折叠，其长度为425个核苷酸，并具有三个双链发夹。定名为“环状RNA示例2”的图13B的第二示例展示了命名为circFCHO2的circRNA的折叠，其长度为268个核苷酸，并具有两个双链发夹。
当试图通过纳米传感器检测circRNA时，理解每个单独的环状RNA的二级结构折叠是重要的，因为设计结合circRNA的双链RNA发夹内的序列的反义探针可能显著降低其结合所述circRNA的能力。
图13B进一步显示了所示的两个circRNA的反向剪接接头(BSJ)。每个circRNA具有反向剪接接头，其为环状RNA内circRNA的线性序列的“头”与“尾”接合形成环的点，如本领域所熟知的。应当理解，BSJ可以位于circRNA的环状单链部分内，或者可以位于双链发夹部分内。在图13B中提供的示例中，应当理解，在“示例1”中，BSJ在circRNA的环状部分内，而在“示例2”中，BSJ在双链发夹部分内。
在本发明的一个优选实施方案中，当设计合适的探针来鉴定circRNA时，对这一方面进行分析并加以考虑。
现在参考图13C，其示意性地展示了circ-RNA探针设计的示例。
定名为“线性circ-RNA”的图示示意性地表示呈线性形式的circ-RNA的结构。线性circ-RNA 1330是环状RNA分子，它是一种类型的RNA分子，其特征在于天然形成环状，其对RNA酶降解具有更高的抗性，如本领域所熟知的。如该小图所展示，线性circ-RNA 1330包括头1332和尾1334。头1332是线性circ-RNA 1330的核酸序列的起点(意指5'端)的核酸序列。尾1334是线性circ-RNA 1330的核酸序列的终点(意指3'端)的核酸序列。
定名为“成环的circ-RNA”的图示示意性地表示呈其“成环”或环状形式的circ-RNA的结构。应当理解，成环的circ-RNA 1340是与线性circ-RNA 1330相同的RNA分子，并且包含相同的核酸序列。成环的circ-RNA 1340和线性circ-RNA 1330之间的区别仅在于成环的circ-RNA 1340形成环形，其中尾1334连接到头1332。
在本发明的一个优选实施方案中，优选设计尾头探针1342，其中尾头探针1342的核酸序列包含尾1334的核酸序列的反义序列，随后是头1332的核酸序列的反义序列。因此，尾头探针1342选择性地且有力地结合成环的circ-RNA 1340，其中尾1334的核酸序列与头1332的核酸序列相邻；但它确实与线性circ-RNA 1330结合或仅弱结合，其中头1332和尾1334的核酸序列不相邻。
例如，尾头探针1342的长度可以优选为20个核苷酸，这是反义探针的有效长度，如本领域所熟知的，并且尾1334和头1332的长度各自为10个核苷酸。应当理解，在这种情况下，当与成环的circ-RNA 1340结合时，尾头探针1342的所有20个核苷酸都与尾1334序列和相邻头1332序列结合；而当试图结合线性circ-RNA 1330时，尾头探针1342序列的20个核苷酸中仅有10个核苷酸可结合线性circ-RNA 1330，结合头1332或结合尾1334，但不同时结合两者。应当理解，可以校准感测，使得其仅鉴定全部20个核苷酸的强结合，而不鉴定仅10个核苷酸的部分结合，如本领域所熟知的。
成环的circ-RNA 1340序列中尾1334与头1332接合的点在本领域中称为反向剪接接头，或BSJ，所述术语涉及circ-RNA的形成方式。定名为“成环的circ-RNA”的小图描绘了两种可能的探针设计。第一种探针设计是尾头探针1342，其被设计成通过靶向相邻的尾1334和头1332序列来靶向成环的circ-RNA 1340的BSJ区。
第二种探针设计针对成环的circ-RNA 1340中不包含BSJ的任何序列；在此，成环的circ-RNA 1340的这种序列被定名为非BSJ 1344，并且其反义探针被定名为非BSJ探针1346。
应当理解，在几个重要的方面，尾头探针1342比非BSJ探针1346有利得多。首先，它仅结合呈其成环的circ-RNA 1340形式而非呈其线性circ-RNA 1330形式的环状RNA分子。其次，它对于鉴定环状RNA具有高得多的特异性，因为circ-RNA通常是假定的，所以这种探针确保检测到真实的环状RNA，而不是假设的环状RNA。第三，它具有高得多的特异性和低得多的脱靶结合风险，脱靶结合意味着无意中与其他基因组序列结合。具体地，由于circRNA通常是某些基因的mRNA的一部分，因此非BSJ 1344序列也是包含circRNA的一种或多种mRNA的一部分。因此，虽然非BSJ探针1346可能无意中与包含circRNA的这一种或多种mRNA结合，但尾头探针1342将仅与成环的circ-RNA 1340结合。第四，尾头探针1342具有高得多的特异性，因为它不大可能无意中与基因组中其他地方的“脱靶”序列结合，因为尾头探针1342的核酸序列不是天然存在的核酸序列的反义序列，而是头1332和尾1334这两个核酸序列的人工组合。如本领域所熟知的，由于复制和保守的进化过程，与在基因组中其他地方发现人工序列的可能性相比，天然存在的基因组序列有更高的可能性使基因组序列与其类似并发现于基因组中的其他地方。
应当理解，在感兴趣的circRNA是在双链发夹内发现BSJ的circRNA的情况下(如图13B的“示例2”中所描绘)，则尾头探针1342可能不会最佳地结合成环的circ-RNA 1340，因为尾1334和头1332序列发现于RNA分子的双链二级折叠内并且因此与互补RNA链结合并且不太自由与探针结合。在这种情况下，使用非BSJ探针1346将更有效，因为BSJ在circRNA的双链区中，并且因此优选选择位于circRNA的环区中而非circRNA的双链区中的非BSJ 1344核酸序列，并且非BSJ探针1346可以容易地与其结合，而不受双链RNA结合的阻碍。
现在参考图13D，其示意性地展示了circ-RNA探针设计方法的流程图。
在本发明的一个优选实施方案中，对期望测量的多个circ-RNA序列(例如已知与感兴趣的疾病相关的多个circRNA)中的每一个进行以下步骤，如本领域所熟知的。
首先，在步骤1350中，circ-RNA序列1350被接收或以其他方式存储在本文公开的系统的存储器中。circ-RNA序列可以是已知与感兴趣的疾病或生物过程相关的多个circ-RNA序列中的一个。
接下来，步骤1352公开了使用本领域所熟知的各种算法和软件计算circ-RNA序列1350的RNA分子的RNA折叠。该步骤阐明了circ-RNA序列1350的典型地一个环状区和一个主环状区，以及典型地一个或多个双链发夹结构。
接下来，步骤1356确定circ-RNA序列1350的反向剪接接头是发现于双链发夹区内还是发现于非双链区中。发现circRNA的反向剪接接头的方法是本领域所熟知的。
如果在circ-RNA序列的非双链区中发现BSJ，则所述方法继续进行步骤1358，以设计独特的反义尾头探针。这可以通过设计尾头探针1342来进行，使得探针1342包含circ-RNA序列1350的BSJ区的反义序列。
如果在circ-RNA序列1350的双链区中发现BSJ，则所述方法继续进行设计独特的反义探针的步骤。这可以通过设计非BSJ探针1346来进行，使得探针1346包含非BSJ 1344序列的反义序列，所述非BSJ 1344序列不在circ-RNA序列1350的双链区中。
应当理解，在上述两种情况下，探针被设计为靶向circ-RNA序列1350内的核酸序列，所述序列在基因组内是独有的，并且与基因组内的序列具有最低的相似性，并且符合设计反义探针的其他标准，如本领域所熟知的，从而实现最佳的探针-靶标结合和最小的无意脱靶结合。
接下来，所述方法包括产生反义探针的步骤1362，其根据通过先前步骤(分别用数字1358和1360表示)确定的核酸序列合成探针。合成反义探针(包括使这些探针稳定和有效的化学修饰)是本领域所熟知的。
接下来，所述方法包括步骤1364：将在先前步骤中产生的反义探针附着到纳米芯片或纳米传感器，例如纳米线传感器，如本领域所熟知的。许多纳米传感器是本领域已知的，并且许多方法是本领域已知的，用于将核酸探针附着到纳米传感器。
然后，所述方法包括检测纳米芯片检测无细胞circ-RNA 1366的步骤1366。该步骤可以利用附着有核酸探针的纳米芯片来检测无细胞环状RNA。
应当理解，上述描述仅是作为示例而不是限制。在其他优选的实施方案中，检测的RNA可能不是环状RNA或其他类型的短RNA或其他类型的RNA。在本发明的其他优选实施方案中，可以使用不同的纳米传感器，可以应用不同的探针设计方法，并且可以使用扩增方法，如本领域已知的。
现在参考图14A，其示意性地展示了非破坏性基因组分析的示例。
图14A显示了本发明的独特创新方面，这使得可以获得在特定类器官113暴露于药物之前以及在其暴露于药物之后该类器官的基因组表达谱。
应当理解，在这方面的独创性有两个重要方面。首先，目前还没有器官芯片提供对其类器官的自动化、高通量的基因组表达分析。第二，目前还没有器官芯片方法或装置以非破坏性方式对类器官进行基因组分析：进行基因组表达分析通常需要对组织进行裂解，因此对其造成破坏。因此，目前不可能在药物干预之前和之后在器官芯片内对同一类器官组织进行基因组分析。应当理解，比较两个不同的类器官(一个处理过，另一个未处理过)的基因组分析(例如表达剖析或表观遗传学剖析)是不理想的，因为这两个类器官是不相同的。
本发明通过在向类器官施用药物之前和之后从球体类器官撕下少量单细胞，并将这些细胞送去进行单细胞基因组分析，从而实现了非破坏性基因组测序分析。该过程描述如下。
泵1410将循环流体泵入包括类器官113的类器官室112中。
如图14A所描绘，泵1410将剪切力施加到类器官113上，由此撕下一个或多个单细胞1400。所述系统可以包括细胞计数器1420，其可操作以对流经微流体通道的细胞进行计数。一个或多个单细胞1400流出类器官室112并由细胞计数器1420计数。
应当理解，细胞计数器1420可以优选地与泵1410联合自动工作，以剪切少量的单细胞1400。例如，由泵1410产生的流量和/或压力可能开始较低，然后逐渐增加，直到期望的少量单细胞1400从类器官113被撕下并被细胞计数器检测到为止。
同样应当理解，当设计上述机构的确切实现(包括但不限于通道的位置、角度口径和压力，以及其相对于类器官室112的位置等)时，可以采用类似的方法，即使用细胞计数器1420作为反馈，从而允许确定在不损坏球形类器官的情况下撕下期望的单细胞1400(既不太少也不太多)的最佳设置。还应当理解，以这种方式，不同的设置可以用于不同的组织类型；并且上述方法与灌注类器官和其他类型的类器官相关，而不仅仅与球形类器官相关。
任选的存储阵列1430可任选地存储单细胞1400，用于随后传递到外部装置进行外部测试，如下文进一步解释。对任选的存储阵列1430的需要是因为此处描述的机构从非常大量的类器官150中的每一个接收少量的单细胞1400，因此将来自每个类器官113的少量单细胞1400存储在任选的存储阵列1430内的单独隔室中可能是有利的，使得可以将所有的单细胞1400转移到外部装置进行外部处理，例如基因组测序。还应当理解，任选的存储阵列1430可以是多人芯片150上的存储器，或者可以是与多人芯片150分离的装置。
单细胞1400由此被捕获，并任选地被存储，然后可被转移到外部装置用于外部分析。对单细胞1400的这种进一步分析包括但不限于：外部单细胞基因组测序仪1440和外部单细胞表观遗传学分析器1440。
现在参考图14B，其示意性地展示了作为本发明的非破坏性基因组分析方面的一部分，叠层芯片细胞剪切的三个实施方案。
在本发明的“叠层芯片”架构实施方案中，如上文图1A中示意性展示的，来自类器官113的细胞通过细胞提取芯片133的细胞提取纳米管202被剪切脱离。这些提取的单细胞随后可以通过单细胞基因组分析或表观遗传学分析或其他期望的分析形式进行分析。几个实施方案可操作以致动细胞从类器官113的这种剪切脱离。
叠层芯片细胞剪切脱离的第一实施方案由定名为“#1”的小图示意性地展示。在该实施方案中，细胞提取纳米管202是配备有剪切流动泵1460的单管。在该实施方案中，单细胞从类器官113的剪切脱离是通过两个动作来实现的，这两个动作分别由定名为“脉冲-1”和“脉冲-2”的两个小图示意性地展示。在由定名为“脉冲-1”的小图所展示的第一动作中，剪切流动泵1460将流体脉冲泵送到类器官室112中，以便从类器官113撕下一个或多个单细胞1400。在由定名为“脉冲-2”的小图所展示的第二动作中，剪切流动泵1460反向泵送，并将流体脉冲泵送出类器官室112，以抽吸一个或多个单细胞1400，所述单细胞在通过“脉冲-1”的先前动作从类器官113脱离后在类器官室112内的流体中自由漂浮。在本发明的一个优选实施方案中，细胞提取纳米管202连接到流体储库(未示出)，在定名为“脉冲-1”的小图中从所述流体储库泵送出流体，并且在定名为“脉冲-2”的小图中使流体流动到所述流体储库；在本发明的另一个优选实施方案中，可以使用分离的储库，在“脉冲-1”中从一个储库流出流体，并且在“脉冲-2”中流体流动到另一个储库，并且所述两个储库可以是分离的或可以是连接的。
叠层芯片细胞剪切脱离的第二实施方案由定名为“#2”的小图示意性地展示。在该实施方案中，细胞提取纳米管202包括包含在外管1475内的内管1470。一个或多个剪切流动泵1460可操作以通过外管1475将流体泵送到类器官室112中，并通过内管1470将流体泵送出类器官室112，如小图“#2”所展示。应当理解，这仅仅作为例子：一个或多个剪切流动泵1460可以类似地通过内管1470将流体泵送到类器官室112中并且通过外管1475将流体泵送出类器官室112。在本发明的优选实施方案中，内管1470和外管1475优选地连接到共同的储库或单独的储库(未示出)，流体从所述储库流入外管1475中，并且流体分别从内管1470被泵回到所述储库中。
如小图“#2”所展示，在本发明的一个优选实施方案中，水平剪切力是由同时经外管1475流入类器官室112和经内管1480流出类器官室112(或反之亦然)引起的；该水平剪切力被施加到类器官113的表面上，并且可以优选地从类器官113剪切下单细胞1400，使得所述单细胞可以随后经细胞提取纳米管202从类器官室112被抽吸出，并且可以优选地随后进行分析用于基因组或表观遗传学分析或其他期望分析。
叠层芯片细胞剪切脱离的第三实施方案由定名为“#3”的小图示意性地展示。在该实施方案中，细胞提取纳米管202可以优选地包括两个管，即第一管1480和第二管1485。一个或多个剪切流动泵1460可操作以通过第一管1480将流体泵送到类器官室112中并通过第二管1485将流体泵送出类器官室112。如小图“#3”所展示，在本发明的一个优选实施方案中，水平剪切力是由同时经第一管1480流入类器官室112中和经第二管1485流出类器官室112引起的；该水平剪切力被施加到类器官113的表面上，并且可以优选地从类器官113剪切下单细胞1400，使得所述单细胞可以随后经细胞提取纳米管202从类器官室112被抽吸出，并且可以优选地随后进行分析用于基因组或表观遗传学分析或其他期望分析。在本发明的优选实施方案中，第一管1480和第二管1485优选地连接到共同的储库或单独的相应储库(未示出)，流体从所述储库流入第一管1480中，并且流体分别从第二管1485被泵回到所述储库中。
应当理解，在所有上述三个实施方案中，一个或多个剪切流动泵1460可以包括致动流体在微流体通道内流动的不同类型的装置或方法，包括但不限于摩擦轮(图示)、本领域已知的各种压电泵、或本领域熟知的由电渗驱动的流体流动。
还应当理解，上述实施方案中的每一个都可以由单个剪切流动泵1460或由多个剪切流动泵1460致动。例如，在实施方案“#1”中，可以使用单个剪切流动泵1460，其中倒转其方向以实现流入与流出；或者为此可以使用两个单独的泵(在这种情况下泵不需要改变它们的流动方向)。在实施方案“#2”和“#3”中，可以使用单个摩擦轮泵类型的剪切流动泵1460来分别致动实施方案“#2”的内管和外管中的流入和流出，以及分别致动实施方案“#3”的第一管和第二管中的流入和流出。关于本发明的实施方案“#1”、“#2”和“#3”，其中剪切流动泵1460利用电渗，可以优选地将不同的电场施加到(“#2”的)外管和内管或(“#3”的)第一管和第二管。
现在参考图15，其示意性地展示了利用叠层芯片系统100的药物发现过程的概览的流程图。
在本发明的一个优选实施方案中，叠层芯片系统100用作药物发现过程的核心，如图15所展示。
所述方法包括预测配制品1800的生物作用的步骤1500。所述预测可以是人工智能(AI)过程，由此通过AI过程、优选地深度学习过程来评估来自可能的配制品的大型池中的配制品。生物作用可以是各种生物作用、配制品的期望的疑似生物活性(例如，它杀死某种类型的癌细胞的可能性有多大)或不期望的生物活性(例如，它在某种组织中具有某种不期望的副作用的可能性有多大)。配制品的预测生物作用优选地输出所评估配制品的“池”中的每种配制品，感兴趣的每种期望或不期望“生物作用”的可能性得分。
接下来，所述方法包括步骤1510：对配制品子集进行生物筛选，评估在步骤1500期间产生的所有配制品的得分，以及选择具有最高得分的配制品。然后在叠层芯片系统100上筛选所选配制品，目的是验证这些预测。
所述方法然后包括收集实时基因组纳米感测的步骤1520。在本发明的一个优选实施方案中，使用纳米线传感器来实现对存在于类器官室112的流体中并因此与类器官113相关联的感兴趣的特定核酸分子的未扩增检测。特别感兴趣的是检测无细胞核酸分子，特别是环状RNA(circRNA)分子，其在细胞外未降解，并且与疾病相关。例如，特定circRNA与孤独症相关，并且初步证据已经显示大麻在治疗孤独症中可能的有效性，因此在高通量多器官芯片系统中使用circRNA的纳米线未扩增检测可能有助于开发用于孤独症的新型药品。应当理解，以前从未在人体芯片系统中进行过未扩增的基因组感测，特别是circRNA的未扩增感测。还应当理解，以前也从未进行过如下实时纳米感测，其中传感器与人体芯片系统中的类器官室112不直接相关，而是由所有类器官室112“共享”，并通过叠层芯片架构递送。实时基因组纳米感测1820在上文中进行了阐述。
然后，所述方法包括泵送灵活循环的步骤1530，例如使用主动泵送并完全控制的微流体流动，使得其选路是灵活的。所述循环允许分流和芯片上器官缩放二者。例如，提供从肠室通过到肝室、绕过所有其他器官的微流体流动，从而模拟“肝首过循环”。应当理解，这种能力是独特的，并且与依靠重力流动的现有系统不同，在现有系统中流动的选路是固定的。
接下来，所述方法包括基于来自多人芯片150的结果并使用深度匹配引擎170来细化预测的步骤1540。然后可以将预测反馈到步骤1500。
应当理解，这些步骤直到实现足够的验证，产生药品，如步骤1550所示。
图16A-图16E显示了根据本发明主题的示例性实施方案，具有连接它们的循环通道的多个类器官室。多个类器官室位于多人芯片110中。多人芯片110中的一些类器官室可以经由循环通道连接，而其他类器官室不连接到任何其他类器官室。
图16A显示了人类芯片阵列。该阵列由框架1600限定。所述阵列包括互连类器官室的多个组1610、1615、1618。每组以所述组中的室不与其他组中的室连接的方式分离。每组中室的数量可以相同或不同。室的数量可以根据每组室中组织所代表的器官来确定。
图16B显示了一组互连的类器官室1622、1625、1628的等轴视图。类器官室1622、1625、1628中的每一个包含生物材料，例如细胞。类器官室1622、1625、1628的形状使得传感器能够穿透其中，以便提取样品。类器官室1622、1625、1628可被屏障1640包围，所述屏障1640配置成防止从所述组泄漏到另一组的类器官室。所述屏障可以安装在表面1660上。表面1660可以是承载类器官室1622、1625、1628的主体的一部分。
图16C显示了一组互连的类器官室1622、1625、1628的侧视图。类器官室1622、1625、1628经由主室1640连接。例如，内容物可以仅经由主室1640从类器官室1622流向类器官室1625。主室1640可以是可充气的。例如，当主室1640充气时，它压迫类器官室1622、1625、1628，从类器官室1622、1625、1628中抽取内容物。然后，使内容物流至类器官室1622、1625、1628，在类器官室1622、1625、1628之间进行内循环，而与传感器芯片120无关。主室1640可以耦合到空气管1630，用于给主室1640充气和放气。
图16D显示了一组互连的类器官室1622、1625、1628的俯视图。所述俯视图还显示了主室1640。所述俯视图还显示了将类器官室1622、1625、1628连接到主室1640的循环通道1642、1645、1648。
图16E显示了一组互连的类器官室1622、1625、1628的仰视图。所述仰视图还显示了空气管1630和主室1640，因为空气管1630位于表面1660下方。
本领域技术人员应当理解，本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及本领域技术人员在阅读说明书后将想到的并且不在现有技术中的变化和修改。

Claims (29)

1.一种用于评估药物的特点的方法，所述方法包括：
用所述药物处理组织样品；
从所述组织样品中提取所处理的组织样品的至少一个特征；
向引擎提供所述至少一个特征；
从所述引擎获得预测；以及
将所述预测与所述药物相关联。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个特征包括多个特征，所述多个特征中的每个特征在用所述药物处理所述组织之后的预定时间从所述组织样品中提取。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个特征通过对所述组织应用化学或生物测试来获得。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个特征通过捕获所述组织的图像并使用图像分析技术从所述图像中提取特征来获得。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述引擎是人工智能(AI)引擎。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述AI引擎是卷积神经网络、深度神经网络或随机森林引擎。
7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述预测与所述药物的毒性水平相关联。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括产生所述引擎，其包括：
用多种药物处理多个组织样品，所述多种药物中的每种药物与特点相关联；
从所述多个组织样品中的至少一些中提取至少一个特征；
向人工智能(AI)训练模块提供来自所述多个组织样品中的至少一些的所述至少一个特征以及与用来处理所述组织样品的药物相关联的特点；以及
获得经过训练的AI引擎。
9.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括产生所述引擎，其包括：
用多种药物处理多个组织样品，所述多种药物中的每种药物与特点相关联；
从所述多个组织样品中的至少一些中提取至少一个特征；
向人工智能(AI)训练模块提供来自所述多个组织样品中的至少一些的所述至少一个特征以及与用来处理所述组织样品的药物相关联的特点；以及
获得经过训练的AI引擎。
10.一种人类芯片装置，所述人类芯片装置包括：
第一生物芯片，所述第一生物芯片包括：
多个类人件，所述多个类人件中的每一个包括：多个类器官室，所述类器官室中的每一个包含至少一个类器官；
第二生物芯片，所述第二生物芯片包括：
多个传感器，所述多个传感器可操作以从所述第一芯片的所述多个类器官室收集测量值；
循环通道，所述循环通道将所述多个类器官室的至少一部分流体耦合；
致动器，所述致动器可操作以相对于所述第一芯片移动所述第二芯片。
11.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括用于控制所述致动器的操作的控制器以及包括用于相对于所述第一生物芯片移动所述第二生物芯片的一组规则的存储器。
12.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括泵，所述泵可操作以将循环流体泵送到所述多个类器官室中的至少一个类器官室中。
13.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括用于经由所述循环通道将流体递送到所述多个室的施用端口。
14.根据权利要求10所述的装置，其中所述类器官室的至少一部分还包括二级循环通道和二级泵。
15.根据权利要求14所述的装置，所述装置还包括耦合到所述二级循环通道的消除室，所述消除室用于存储从相应的类器官室提取的流体。
16.根据权利要求10所述的装置，其中所述类器官室的至少一部分与室阀耦合，所述室阀使得内容物能够或不能从所述循环通道流动到所述类器官室。
17.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一生物芯片和所述第二生物芯片中的至少一个是微流体的。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二生物芯片还包括用于从位于所述多个类器官室中的一个中的类器官提取单细胞的提取装置。
19.根据权利要求9所述的装置，其中所述第二生物芯片还包括分析器，所述分析器可操作以在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞和在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞；
其中所述分析器还可操作以确定表型与所述处理之间的相关性，并且其中所述表型选自：基因组数据和表观遗传学数据。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述多个传感器中的至少一些包括位于所述第二生物芯片底部中的纳米管，所述纳米管可操作以从所述类器官室提取流体或将流体递送到所述类器官室。
21.根据权利要求10所述的装置，其中所述多个类人件代表相应的多个患者；
其中所述多个类器官室包含代表所述多个患者的多个组织的多个类器官；
其中所述装置还包括分析器，所述分析器可操作以预测药物在所述多个患者中的功效。
22.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括位于所述多个类器官室的上部中的类器官盖，所述类器官盖具有打开位置和关闭位置，在所述打开位置，所述第二生物芯片能够接近所述类器官室内的内容物，在所述关闭位置，所述第二生物芯片能够接近所述类器官室内的内容物。
23.根据权利要求10所述的装置，其中所述第一生物芯片和所述第二生物芯片中的至少一个是微流体的。
24.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括分析器，所述分析器可操作以在对所述类器官施加处理之前接收细胞的至少一个测量值和在对所述类器官施加处理之前接收至少一个细胞；
其中所述分析器还可操作以确定表型与所述处理之间的相关性，并且其中所述表型选自：基因组数据和表观遗传学数据。
25.根据权利要求10所述的装置，所述装置还包括具有不同数量探针的多个不同的第二生物芯片。
26.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二生物芯片还包括用于将感测到的数据发送到远程装置的发送器。
27.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二生物芯片还包括多个探针，所述多个探针中的每个探针被配置成插入所述多个类器官室中的类器官室中。
28.根据权利要求27所述的装置，其中所述多个探针中的至少一个探针在所述探针的底部具有纳米传感器。
29.根据权利要求27所述的装置，其中所述多个探针中的至少一个探针在所述探针的顶部具有纳米传感器。
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