DE10353985A1 - Einrichtung und Verfahren zum Manipulieren und Analysieren von Mikroobjekten auf Grundlage eines zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem ausgeführten Mikrosystems - Google Patents

Einrichtung und Verfahren zum Manipulieren und Analysieren von Mikroobjekten auf Grundlage eines zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem ausgeführten Mikrosystems Download PDF

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Abstract

Die Erfindung stellt unter anderem bereit, eine Einrichtung zum zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassenden Manipulieren und zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen, Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen (203) oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, umfassend: wenigstens ein Mikrosystem (72), welches zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, ausgeführt ist und in dem auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur einzelne Mikroobjekte aus einer Mehrzahl von darin enthaltenen oder diesem zugeführten Mikroobjekten selektierbar und einem Untersuchungsbereich (212, 214) des Mikrosystems zuführbar sind, der dafür ausgelegt ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Untersuchungsmethode auf das jeweilige einzelne Mikroobjekt anzuwenden.

Description

  • Die Erfindung betrifft das zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassende Manipulieren und das Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen, Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, sowie Mikrosysteme, die in diesem Zusammenhang verwendbar sind, insbesondere fluidische Mikrosysteme und Chipsysteme, insbesondere Biochipsysteme.
  • Fluidische Mikrosysteme besitzen zahlreiche Anwendungen in der Chemie, Biochemie, Medizin und Biologie, insbesondere zur Analyse und Manipulierung von gelösten Substanzen oder suspendierten Partikeln. Durch die Miniaturisierung und massive Parallelisierbarkeit der in Mikrosystemen (oder Mikrochips) ablaufenden Prozesse ergeben sich besondere Vorteile für die Analyse und Synthese von in hoher kombinatorischer Vielfalt vorliegenden Makromolekülen. Für die Analyse und Manipulierung einzelner biologischer Zellen oder Zellgruppen haben sich insbesondere fluidische Mikrosysteme mit flüssigkeitsdurchströmten Strukturen (z.B. Kanälen) bewährt, in denen Mikroelektroden zur Beeinflussung von Partikeln (z.B. der angesprochen biologischen Zellen) in den durchströmten Kanälen durch hochfrequente Felder auf der Basis negativer oder positiver Dielektrophorese vorgesehen sind. Es wird beispielsweise auf die Publikation von G. Fuhr et al. in "Naturwissenschaften" (Band 81, 1994, Seite 528 ff.) verwiesen.
  • Gewöhnlich werden fluidische Mikrosysteme von einer Flüssigkeit zum Vortrieb der Partikel durchströmt. Die etwa auf Kanallängsseiten aufgebrachten Mikroelektroden erlauben eine Kompartimentierung des Kanals mittels hochfrequenter elektrischer bzw. elektromagnetischer Felder, mit denen die suspendierten Partikel in der gewünschten Weise, z.B. über Verzweigungen in Nachbarkanäle oder andere Strukturen, abgelenkt werden können bzw. in einem durch die erzeugten elektrischen bzw. elektromagnetischen Felder gebildeten Käfig gehalten werden können. Entsprechende Mikrosysteme sind in der Patentliteratur ausgiebig beschrieben, es wird beispielsweise auf die DE 100 05 735 A1 , DE 100 55 921 A1 , DE 199 52 322 A1 , DE 198 53 658 A1 , DE 198 58 459 A1 , DE 198 59 461 A1 , DE 198 60 117 A1 und WO 02/43870 A1 verwiesen. Neben dieser insbesondere bei der Evotec Biosystems AG und dem Fraunhofer-Institut für biomedizinische Technik bzw. in deren Umfeld entwickelten Technologie ist auch auf Arbeiten bei der Fraunhofer-Forschungseinheit für Biomolekulare Informationsverarbeitung (BIOMIP) zu verweisen, vgl. beispielsweise DE 102 23 127 C1 . Gemäß dieser Technologie werden gepulste Steuersignale an Elektroden angelegt, um die Mikroobjekte, insbesondere die besonders interessierenden biologischen Mikroobjekte, zu manipulieren.
  • In der Praxis verwendete fluidische Mikrosysteme umfassen in der Regel einen oder mehrere Eingangskanäle, eine Kanalanordnung zur Aufnahme und/oder Führung von Fluiden mit suspendierten Mikropartikeln (z.B. biologischen Zellen) und ein oder mehrere Ausgangskanäle. An Ausgangskanäle als Enden des eigentlichen Mikrosystems schließen sich Anschlussleitungen an, in denen die Mikropartikel vom jeweiligen Ausgangskanal zur weiteren Bearbeitung oder Sammlung oder dergleichen abgeführt werden. Hintergrund dieses Ansatzes ist, dass beispielsweise im Mikrosystem sortierte Zellen anschließend gesondert kultiviert werden für spätere Untersuchungen. Es werden also nicht die im Mikrosystem etwa auf Grundlage ihrer subzellularen Fluoreszenz und Morphologie selektierten Zellen selbst weiter untersucht, sondern aus der Kultivierung dieser Zellen hervorgegangene andere Zellen. Diese Praxis ist deswegen vorteilhaft, weil etwa bei gen-manipulierten Zellen durch die der Untersuchung voraus gehende Kultivierung gewährleistet ist, dass eine stabil transformierte Zellkultur untersucht wird. Ferner ermöglicht diese Vorgehensweise eine Protein-Biochemie im großen Maßstab, da viele einander entsprechende, gleichartige Zellen für die Untersuchungen zur Verfügung stehen. Ein entsprechendes kommerzielles System ist das Elektra-System der Evotec Technologies GmbH, das auf Grundlage eines fluidischen Mikrosystems in Chipform aufgebaut ist.
  • Ferner werden physische Mikrosysteme auch zur Durchführung von Experimenten an einzelnen Zellen eingesetzt und kommerziell angeboten, vgl. beispielsweise die Systeme CytoconTM 300 und CytomenTM der Evotec Technologies GmbH, die in Kombination mit üblichen optischen Mikroskopen, ggf. Fluoreszenzmikroskopen, einsetzbar sind.
  • In Verfolgung eines anderen Ansatzes gibt es ferner vielfältige Bestrebungen, biochemische Untersuchungen bzw. Analysen etwa in Bezug auf biologische Zellen innerhalb eines Mikrosystems, bzw. Biochipsystems durchzuführen. Zu verweisen ist beispielsweise auf so genannte DNA-Chips, wie sie beispielsweise von der Affymetrix Inc., der Nanogen Inc. und diversen weiteren Firmen und Laboratorien entwickelt wurden. Beispielsweise sind Proben-DNA, die mit Fluoreszenzmarkern versehen sind, auf einem DNA-Array platziert. Nach Anhybridisierung komplementärer DNA ändert sich die Fluoreszenzantwort, insbesondere Fluoreszenzintensität, der jeweiligen Proben-DNA, so dass hybridisierte Sequenzen mit geeigneten optischen Scannern aufgenommen werden können. Eine Alternative zur optischen Erfassung ist eine Erfassung auf elektrischem Wege (vgl. beispielsweise DE 101 22 659 A1 und DE 101 45 700 A1 ).
  • Es wurden auch schon fluidische Mikrosysteme entwickelt, die die Durchführung einer Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und einer elektrophoretischen Analyse der Amplifikationsprodukte erlauben. Es wird in diesem Zusammenhang beispielsweise auf die Aufsätze von A. T. Wooley et al., Anal. Chem. 1996 (Dez. 1), 68 (23) Seiten, 4081–4086 mit dem Titel: "Functional integration of PCR amplification an capillary electrophoresis in a microfabricated DNA analysis device", E.T. Lagally et al., Anal. Chem. 2001 (Feb. 1), 73 (3) Seiten 565–570 mit dem Titel "Single-molecule DNA amplification and analysis in an integrated microfluidic device" und I. Rodriguez, Electrophoresis, 2003 (Jan.), 24 (1–2), Seiten 172–178 mit dem Titel "Practical integration of polymerase chain reaction amplification and elctrophoretic analysis in microfluidic devices for genetic analysis" vennriesen.
  • Klassisch gibt es im Zusammenhang mit der biochemischen Analyse von Zellen, beispielsweise genveränderten Zellen, typischerweise sechs grundlegende Tätigkeiten. Es werden die Zellen optisch untersucht (Tätigkeit 1), es werden die Zellen manuell sortiert (Tätigkeit 2), es werden die gemäß Tätigkeit 2 selektierten Zellen kultiviert (Tätigkeit 3), es werden Zellen aus der Kultur entnommen (Tätigkeit 4) und es werden die Zellbestandteile freigesetzt (Tätigkeit 5) und schließlich werden die freigesetzten Zellbestandteile durch Anwendung eines biochemischen Analyseverfahrens (beispielsweise Elektrophorese oder PCR mit anschließender Elektrophorese, Säulenchromatographie usw.), analysiert (Tätigkeit 6).
  • Bezug nehmend auf den angesprochenen Stand der Technik werden nach dem heutigen Stand der Technik etwa die Tätigkeiten 1 und 2 vermittels eines fluidischen Mikrosystems durchgeführt (vgl. etwa das angesprochene Elektra-System). Ferner kommen im Zusammenhang mit der Tätigkeit 6 schon verschiedenartigste fluidische Mikrosysteme bzw. so genannte Biochips (DNA-Chips oder Protein-Chips) zur Anwendung.
  • Zwar besteht im Fachgebiet grundsätzlich das Bestreben, verschiedene einschlägige Funktionen in entsprechende Mikrosysteme zu integrieren. Man spricht in diesem Zusammenhang schlagwortartig von "Mikrochip-basierten Laboratorien" bzw. "Lab on the chip". Eine Integration von den oben angesprochenen Tätigkeiten 1 bis 6 entsprechenden Funktionen in ein Mikrosystem steht allerdings die der biochemischen Analyse vorausgehende Kultivierung einer jeweiligen Zellkultur auf Grundlage aussortierter Zellen entgegen.
    •
  • Demgegenüber schlägt die Erfindung in Bezug auf die Untersuchung von biologischen Zellen vor, zumindest den Tätigkeiten 2 und 6 entsprechende Funktionen bzw. Funktionalitäten in ein zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem ausgeführtes Mikrosystem zu integrieren. Allgemeiner stellt die Erfindung eine Einrichtung zum zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassenden Manipulieren und zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere biologischen Mikroobjekten, bereit, die umfasst: wenigstens ein Mikrosystem, welches zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, ausgeführt ist und in dem auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur einzelne Mikroobjekte aus einer Mehrzahl von darin enthaltenen oder diesem zugeführten Mikroobjekten selektierbar und einem Untersuchungsbereich des Mikrosystems zuführbar sind, der dafür ausgelegt ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Untersuchungsmethode auf das jeweilige einzelne Mikroobjekt anzuwenden. Bei den Mikroobjekten kann es sich im Prinzip um beliebiges Material handeln, also um beliebige Partikel und Moleküle. Mit den besonderen Interessen unterliegenden biologischen Mikroobjekten sind vor allem biologische Zellen oder Verbände von biologischen Zellen angesprochen. Es kann sich durchaus aber auch um Fragmente von biologischen Zellen oder um Biomoleküle oder um Biomolekülverbände, allgemein um so genannte Biopartikel, handeln.
  • Insbesondere (aber nicht ausschließlich) im Hinblick auf eine Analyse von biologischen Zellen und Zellverbänden wird weiterbildend vorgeschlagen, dass der Untersuchungsbereich wenigstens einen Vorbereitungsabschnitt aufweist, der dafür ausgebildet ist, das jeweils zugeführte Mikroobjekt in Bestandteile zu zerlegen oder zu zersetzen, insbesondere Zellbestandteile durch Manipulation oder zumindest teilweise Zerstörung der Zellmembran freizusetzen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Vorbereitungsabschnitt wenigstens einen räumlichen Bereich, ggf. eine Kammer oder ein durch elektrische oder/und elektromagnetische Felder definiertes Kompartiment, aufweist, dem wenigstens eine Lyse-Chemikalie zuführbar und in dem die Zellbestandteile einer jeweiligen biologischen Zelle durch Lyse auf Grundlage der Lyse-Chemikalie freisetzbar sind.
  • Gemäß dieser bevorzugten Weiterbildung sind allen sechs oben angesprochenen Tätigkeiten mit Ausnahme der Kultivierung entsprechende Funktionalitäten oder Funktionen in das erfindungsgemäße Mikrosystem integriert, wodurch sich vielfältige Möglichkeiten ergeben.
  • Besonders zweckmäßig ist, wenn der Untersuchungsbereich wenigstens einen sich ggf. an den Vorbereitungsabschnitt anschließenden oder mit diesem zusammenfallenden Amplifizierungsabschnitt aufweist, der dafür ausgebildet ist, das jeweilige Mikroobjekt oder erhaltene Bestandteile einer biochemischen oder molekularen Amplifizierungsmethode zu unterziehen. Weiterbildend wird vorgeschlagen, dass der Amplifizierungsabschnitt wenigstens einen räumlichen Bereich, ggf. eine Kammer oder ein durch elektrische oder/und elektromagnetische Felder definiertes Kompartiment, aufweist, dem eine PCR-Reaktionslösung zuführbar und in dem das biologische Mikroobjekt bzw. die Bestandteile sowie resultierende Amplifizierungsprodukte gemeinsam mit der PCR-Reaktionslösung Temperaturzyklen aussetzbar sind, um eine PCR-Amplifizierung vorzusehen.
  • Betreffend den Untersuchungsbereich wird ferner vorgeschlagen, dass dieser wenigstens einen sich ggf. an den Vorbereitungsabschnitt oder den Amplifizierungsabschnitt anschließenden Analyseabschnitt aufweist, der dafür ausgebildet ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Analysemethode auf das jeweilige Mikroobjekt oder erhaltene Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte anzuwenden. Es wird insbesondere daran gedacht, dass der Analyseabschnitt wenigstens eine Elektrophorese-Strecke oder/und Chromatographie-Strecke zum Auftrennen der Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte aufweist. Ferner wird daran gedacht, dass der Analyseabschnitt wenigstens ein Feld von an einer Oberfläche angebundenen Fangsonden, ggf. Hybridisierungssonden oder Antikörpersonden, aufweist zum Einfangen zugeordneter Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte.
  • Es kommen im Prinzip diverse Detektionstechniken hinsichtlich der Analyseergebnisse sowie auch im Zusammenhang mit der Selektion bzw. dem Auswählen zu untersuchender Mikroobjekte in Betracht. Es wird in diesem Zusammenhang vorgeschlagen, dass die Einrichtung eine auf der Detektion wenigstens einer von wenigstens einem Bereich des Mikrosystems ausgehenden Signalart oder/und auf die Detektion einer Modifikation wenigstens eines an wenigstens einem Bereich des Mikrosystems angelegten Signals beruhende Detektionsanordnung aufweist. Dabei kann die Einrichtung eine Anregungsanordnung zum Anregen wenigstens einer von der Detektionsanordnung detektierbaren Signalart oder/und wenigstens einer von der Detektionsanordnung detektierbaren Signalmodifikation in bzw. bezüglich wenigstens einem Bereich des Mikrosystems aufweisen. Es können elektrisch oder/und magnetische oder/und elektromagnetische oder/und optische Signale detektierbar oder/und anregbar oder/und anlegbar sein. Man kann eine Detektion oder/und Anregung auf elektrischem oder/und magnetischem oder/und elektromagnetischem oder/und optischem Wege vorsehen.
  • Besonders vorteilhaft erscheinen optische Detektionsverfahren und Techniken im weiteren Sinne. Es wird als besonders bevorzugt vorgeschlagen, dass die Einrichtung einer optischen Untersuchungsanordnung aufweist, mit einem Objektbereich, in dem das Mikrosystem oder zumindest ein Abschnitt desselben platziert oder platzierbar ist und mit einem Beobachtungsstrahlengang, der vom Objektbereich zu einem Bild- oder Beobachtungsbereich führt. In der Regel wird die optische Untersuchungsanordnung wenigstens einen sich an einen Lichteingang und eine Lichtquelle anschließenden Beleuchtungsstrahlengang aufweisen, über den der Objektbereich beleuchtbar ist. Die optische Untersuchungsanordnung kann insbesondere wenigstens einen Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang oder/und wenigstens einen Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang, vorzugsweise wenigstens zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge, aufweisen.
  • Besonders vorteilhaft sind auf der Anregung und dem Nachweis von Fluoreszenzstrahlung basierende optische Beobachtungs- und Detektionsverfahren. Es wird in diesem Zusammenhang daran gedacht, dass über den oder wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang das im Objektbereich befindliche Mikrosystem zumindest bereichsweise mit Anregungslicht zur Anregung von Fluoreszenzstrahlung beleuchtbar ist und dass in Folge dieser Beleuchtung im Mikrosystem entstehende Fluoreszenzstrahlung über den Beobachtungsstrahlengang beobachtbar oder/und in den Bild- oder Beobachtungsbereich abbildbar ist. In der Regel wird der Beobachtungsstrahlengang als Mikroskopstrahlengang ausgeführt sein.
  • Im Bild- oder Beobachtungsbereich kann vorteilhaft eine ortsauflösende und vorzugsweise wellenlängenauflösende Detektoranordnung vorgesehen sein, beispielsweise ein CCD-Feld. Dies ermöglicht vorteilhaft die Anwendung von automatischen Bildverarbeitungs- und Mustererkennungstechniken.
  • Allgemein wird an eine solche Ausbildung der Einrichtung und speziell der Detektionsanordnung gedacht, dass im Analyseabschnitt in Folge der betreffenden, beispielsweise biochemischen Analysemethode und ggf. der Anregung auftretende, sich auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung detektierbar sind. Spezieller wird an eine solche Ausbildung der Einrichtung und speziell der optischen Untersuchungsanordnung gedacht, dass im Analyseabschnitt in Folge der Anwendung der betreffenden, beispielsweise biochemischen Analysemethode und ggf. der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen und/oder Muster über den Beobachtungsstrahlengang beobachtbar bzw. in den Bild- oder Beobachtungsbereich abbildbar sind. Die entsprechenden Erscheinungen und Muster können dann beispielsweise auf Grundlage der angesprochenen Detektoranordnung automatisiert erfasst und ausgewertet werden, insbesondere unter Anwendung im Fachgebiet an sich bekannter Bildverarbeitungsverfahren und Mustererkennungsverfahren.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das Mikrosystem einen Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt aufweist, in dem biologische Mikroobjekte bereitstellbar sind oder durch den dem Mikrosystem zugeführte biologische Mikroobjekte förderbar sind. In diesem Zusammenhang wird speziell daran gedacht, dass im Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt bereitgestellte Mikroobjekte auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur vereinzelbar oder/und sortierbar oder/und für eine weitere Behandlung oder/und Untersuchung selektierbar sind. Besonders vorteilhaft kann man vorsehen, dass im Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt oder/und in einem angeschlossenen Beobachtungsabschnitt auftretende, ggf. in Folge der Anregung auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung detektierbar sind. Spezieller wird vorgeschlagen, dass im Bereitstellungs- oder/und Durchlaufabschnitt oder/und in einem/dem angeschlossenen Beobachtungsabschnitt auftretende, ggf. in Folge der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, ggf. in Folge der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen oder/und Muster über den Beobachtungsstrahlengang beobachtbar bzw. in den Bild- oder Beobachtungsbereich abbildbar sind. Auf Grundlage der Erfassung der Erscheinungen bzw. Muster und einer entsprechenden Datenverarbeitung können dann Mikroobjekte für eine weitere Analyse selektiert und dem Untersuchungsbereich zugeführt werden.
  • Eine Möglichkeit ist, dass der Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt an einer Fluidzuführung angeschlossen oder anschließbar ist, über die in einem Fluid suspendierte Mikroobjekte dem Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt zuführbar sind. Wie schon erwähnt, wird insbesondere an biologische Mikroobjekte gedacht. Es kommt in diesem Zusammenhang durchaus aber auch in Betracht, dass das Mikrosystem einen Kultivierungsabschnitt umfasst, in dem biologische Zellen oder Verbände von biologischen Zellen in Suspension oder auf einem Substrat kultivierbar sind. Es können beispielsweise Zellen adhärent auf einer Oberfläche gewachsen werden, die lokal mit definierten DNA-Spots beschichtet ist. Wächst eine Zelle auf einem derartigen Spot, kann diese durch die lokalisierte DNA transfiziert werden. Allgemein wird daran gedacht, dass das Substrat an wenigstens einer Stelle eine Substanz zur Beeinflussung des Zellwachstums oder/und zur Zellmanipulation oder Zelltransformation trägt.
  • Der angesprochene Kultivierungsabschnitt kann über die Fluidzuführung am Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt angeschlossen oder anschließbar sein. Demgegenüber ist es aber bevorzugt, dass der Kultivierungsabschnitt selbst als Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt dient.
  • Es wird noch einmal auf das Beispiel der Zellkultivierung auf lokalen DNA-Spots Bezug genommen. Beispielsweise kann man transformierte bzw. transfizierte Zellen auf Grundlage ihrer Fluoreszenzsignale erkennen, dann gezielt etwa vermittels eines starken elektrischen Feldes oder/und elektrophoretischer Kräfte oder/und durch Zufuhr eines Mediums (beispielsweise Ca++-bindendes Medium (ED/GTA) oder/und Enzymlösungen) ablösen und der biochemischen Analyse im Mikrosystem zuführen.
  • In Abhängigkeit von der Ausbildung der Detektionsanordnung kann es möglich sein, dass alle interessierenden Abschnitte des Mikrosystems simultan hinsichtlich auftretender Erscheinungen oder/und Muster erfassbar sind. Man kann aber auch vorsehen, dass das Mikrosystem relativ zur Detektionsanordnung verstellbar ist, um wahlweise in verschiedenen Abschnitten des Mikrosystems auftretende, ggf. in Folge der Anregung auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt oder/und auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung zu detektieren.
  • Wenn hier, vorausgehend und nachfolgend von Erscheinungen und Mustern die Rede ist, die detektierbar bzw. beobachtbar bzw. abbildbar sind, so sind diese Begriffe keinesfalls einschränkend zu verstehen. Es kann sich beispielsweise um die durch Beleuchtung von einem Mikroobjekt unter einem Mikroskop ausgehende Strahlung, etwa sichtbares Licht oder Fluoreszenzlicht, handeln, aus der durch optische Abbildung ein Bild des Mikroobjekts, etwa einer Zelle, erzeugbar ist. Im Falle einer Elektrophorese kann es sich beispielsweise um die auftretenden Banden, wie sie sich optisch oder fluoreszenzstrahlungsmäßig darstellen, handeln. Betreffend die Natur der Erscheinungen und Muster und die Art ihrer detektierbaren bzw. wahrnehmbaren Ausprägung bestehen im Prinzip keine Einschränkungen.
  • Bevorzugt wird die oben angesprochene optische Untersuchungsanordnung verwendet. In Abhängigkeit von dem Sichtfeld über den Beobachtungsstrahlengang und ggf. dem über dem Beleuchtungsstrahlengang beleuchtbaren Bereich kann man vorsehen, dass man alle interessierende Abschnitte des Mikrosystems simultan über die optische Untersuchungsanordnung beobachten bzw. dort auftretende Erscheinungen und Muster erfassen kann. In der Regel wird es aber zweckmäßig sein, wenn das Mikrosystem relativ zum Objektbereich verstellbar ist, um wahlweise in verschiedenen Abschnitten des Mikrosystems auftretende, ggf. in Folge der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf wenigstens ein biologisches Mikroobjekt oder/und auf das Ergebnis der biochemischen Analysemethode beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen und Muster über den Beobachtungsstrahlengang zu beobachten bzw. in den Bild oder Beobachtungsbereich abzubilden. Auch ausgedehntere Mikrosysteme können so entsprechend beobachtet bzw. es können auch an verschiedenen Stellen in ausgedehnten Mikrosystemen auftretende Erscheinungen und Muster optisch erfasst und der weiteren Datenverarbeitung usw. zugänglich gemacht werden. Beispielsweise kann man eine Verstellung zwischen wenigstens zwei Relativstellungen, insbesondere wenigstens zwischen einer ersten Relativstellung, in der zumindest der Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt oder/und der Beobachtungsabschnitt über den Beobachtungsstrahlengang beobachtbar ist bzw. in den Bild- oder Beobachtungsbereich abgebildet wird, und einer zweiten Relativstellung, in der zumindest ein interessierende Erscheinungen oder Muster zeigender Teilbereich des Untersuchungsbereichs über den Beobachtungsstrahlengang beobachtbar bzw. dort auftretenden Erscheinung und Muster in den Bild- oder Beobachtungsbereich abbildbar sind, vorsehen.
  • Betreffend die oben angesprochene Detektionsanordnung bzw. die der optischen Untersuchungsanordnung zugeordnete Detektoranordnung wird als besonders bevorzugt vorgeschlagen, dass diese an einer Auswerteeinheit angeschlossen ist, die dafür ausgeführt ist, mittels der Detektionsanordnung bzw. Detektoranordnung erfasste Erscheinungen oder/und Muster nach wenigstens einem vorgegebenen oder vorgebbaren Kriterium auszuwerten und auf Grundlage der Auswertung Ergebnisdaten bereitzustellen oder/und wenigstens eine Einwirkungsanordnung zur elektrischen oder/und magnetischen oder/und elektromagnetischen oder/und optischen oder/und mechanischen oder/und fluidmechanischen oder/und chemischen Einwirkung auf ein jeweiliges Mikroobjekt anzusteuern. Es wird in diesem Zusammenhang vor allem daran gedacht, dass auf Grundlage der Auswertung und der Ansteuerung der Einwirkungsanordnung die Mikroobjekte gemäß wenigstens einem Selektionskriterium objektweise selektierbar und dem Untersuchungsbereich zuführbar sind.
  • Betreffend die Einwirkungsanordnung wird neben fluidbasierter Einwirkung durch Fluidströmungen usw. vor allem daran gedacht, dass in das Mikrosystem eine an einer wenigstens eine Spannungsquelle oder/und wenigstens einen Generator aufweisenden Elektronik angeschlossen oder anschließbare Elektrodenanordnung integriert ist, über die elektrische oder elektromagnetische Feldkräfte auf das jeweilige Mikroobjekt bzw. die Mikroobjekte ausübbar sind, insbesondere die eingangs angesprochenen elektrophoretischen oder dielektrophoretischen Kräfte. Es wird vor allem daran gedacht, dass vermittels der Elektrodenanrodnung und der Elektronik elektrophoretische oder dielektrophoretische Kräfte auf die biologischen Mikroobjekte ausübbar sind, um diese vorzugsweise objektweise zu manipulieren, insbesondere um ein jeweiliges Mikroobjekt zeitweilig in einem definierten räumlichen Bereich zu halten oder/und diesen eine definierte Driftbewegung zu erteilen.
  • Es ist anzumerken, dass der Transport der Partikel bzw. der Zellen bzw. des Materials, also der angesprochenen „Mikroobjekte", per Flüssigkeitsstrom oder/und durch andere Einwirkung, beispielsweise durch Feldeffekte, folgen kann. Es ist speziell auch möglich, die Mikroobjekte bzw. das jeweilige Mikroobjekt etwa mittels der Feldeffekte gegen einen Füssigkeitsstrom zu transportieren. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Zellen „reinigen" oder chemisch stimulieren.
  • Um eine Parallelisierung zumindest der optischen Analyse vorzusehen, kann das Mikrosystem mehrere jeweils gesondert mit Mikroobjekten, insbesondere biologischen Mikroobjekten, beschickbare Untersuchungsbereiche aufweisen. Diese können an einem gemeinsamen Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt angeschlossen oder anschließbar sein. Man kann durchaus aber auch daran denken, mehrere parallele, jeweils zumindest einen Bereitstellungs-Durchlaufabschnitt und zumindest einen Untersuchungsbereich aufweisende Mikrosystemzweige in einem fluidischen Mikrosystem bzw. Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, vorzusehen.
  • Es wird vor allem daran gedacht, dass die Einrichtung ein den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlengang und ggf. den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweisendes Mikroskop umfasst, beispielsweise ein Aufrecht-Mikroskop oder ein Invers-Mikroskop. Ferner wird speziell daran gedacht, dass die Einrichtung ein den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlgengang und ggf. den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweisende, ggf. das Mikroskop umfassende Fluoreszenz-Messvorrichtung umfasst. Dem Mikroskop kann eine gesonderte Imaging-Station zugeordnet sein, die ein Beleuchtungssystem zur Ausleuchtung des Mikrosystems bzw. Teile desselben über den Beleuchtungsstrahlengang mit Anregungslicht oder/und Beleuchtungslicht enthält. Es wird beispielsweise an die Verwendung des cellIR-SystemsTM der Olympus BioSystems GmbH gedacht. Die zugehörige Imaging-Software zur Bildauswertung und Mustererkennung kann beispielsweise auf einem zugeordneten Computer laufen.
  • Vorteilhaft kann das Mikrosystems als eine gegenüber dem Mikroskop bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung gesonderte Einheit ausgeführt sein oder in eine gegenüber dem Mikroskop bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung gesonderte Einheit integriert sein. Diese Einheit kann vorteilhaft so ausgeführt sein, dass sie auf einem Objekttisch des Mikroskops bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung bzw. allgemein auf dem Objekttisch eines üblichen Mikroskops bzw. einer üblichen Fluoreszenz-Messvorrichtung platziert werden kann.
  • Die Erfindung stellt nach einem anderen Aspekt dementsprechend bereit auch eine Einheit zum zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassenden Manipulieren und zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen, Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, umfassend: wenigstens ein Mikrosystem, welches zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, ausgeführt ist und in dem auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur einzelne Mikroobjekte aus einer Mehrzahl von darin enthaltenen oder diesem zugeführten Mikroobjekten selektierbar und einem Untersuchungsbereich des Mikrosystems zuführbar sind, der dafür ausgelegt ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Untersuchungsmethode auf das jeweilige einzelne Mikrooobjekt anzuwenden, wobei die Einheit dafür vorgesehen ist, mit einem Mikroskop oder einer Fluoreszenz-Messeinrichtung kombiniert zu werden, um eine erfindungsgemäße Einrichtung bereitzustellen. Die Einheit kann hinsichtlich dem Mikrosystem entsprechend den vorangehend angesprochenen, die erfindungsgemäße Einrichtung betreffenden Weiterbildungsvorschlägen weitergebildet sein.
  • Die Erfindung stellt ferner bereit ein Verfahren zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen, Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen oder Biomoleküle oder Biomolekülverbänden, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. erfindungsgemäßen Einheit, mit den Schritten:
    • a) Selektieren eines Mikroobjekt in dem Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt oder/und Beobachtungsabschnitt nach wenigstens einem Selektionskriterium;
    • b) Zuführen des selektierten Mikroobjekts zu dem Untersuchungsbereich oder einem ausgewählten von mehreren Untersuchungsbereichen;
    • c) Unterziehen des Mikroobjekts wenigstens einer biochemischen, biologischen, molekularen oder chemischen Methode, insbesondere Untersuchungs- bzw. Analysemethode;
    • d) Erfassen von das Ergebnis der Methode repräsentierenden Erscheinungen oder/und Mustern vorzugsweise auf optischem Wege.
  • Das Selektieren gemäß Schritt a) kann ein Aussortieren aus mehreren Mikroobjekten umfassen. Vorteilhaft ist, wenn zumindest der Schritt c) parallel mehrfach gesondert durchgeführt wird. Im Zusammenhang mit Schritt d) kommen im Prinzip beliebige Detektionsmethoden in Betracht, in Abstimmung auf die in Schritt c) verwendete Methode bzw. verwendeten Methoden. Die Detektion ist nicht beschränkt auf bildgebende Verfahren mit Kamera oder ortsauflösendem Detektor. Im Prinzip kommt jede Art von Signaldetektion in Betracht: elektrisch, magnetisch, elektromagnetisch, insbesondere optisch. Bevorzugt ist eine elektromagnetische oder optische Detektion, die aber nicht unbedingt bildgebend sein muss. Insoweit kommen im Prinzip sämtliche Detektionsarten in Betracht, beispielsweise mittels wenigstens einen Photomultipliers oder wenigstens einer Photodiode. Man kann beispielsweise Fluoreszenzstrahlung oder/und Lumineszenzstrahlung oder/und Phosphorenzenzstrahlung erfassen. Bevorzugt ist allerdings eine bildgebende Detektion beispielsweise mittels einer CCD-Kamera, einer Video-Kamera oder dergleichen. Je nach verwendeter Detektionsmethode kann eine Detektion ohne vorausgehende oder begleitende Anregung und alternativ mit vorausgehender oder begleitender Anregung vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Einrichtung braucht also nicht unbedingt mit einem Anregungssystem in Zuordnung etwa zum Untersuchungsbereich bzw. dem Beobachtungsabschnitt oder Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt aufgefüllt sein.
  • Betreffend Schritt c) wird vor allem an biochemische oder molekulare Analysemethoden gedacht, ohne Einschränkung auf spezielle biochemische oder molekulare Analysemethoden. Beispiele sind die Mikro-Kapillar-Elektrophorese und die Mikro-Säulenchromatographie. Alternativ oder zusätzlich kann DNA-Chip-Analysetechnik, RNA-Chip-Analysetechnik, Protein-Chip-Analysetechnik und allgemein Bio-Chip-Analysetechnik zum Einsatz kommen.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird wenigstens eine biologische Zelle innerhalb des Mikrosystems einer Lyse-Behandlung unterzogen, und hierdurch freigesetzte Zellbestandteile werden wenigstens einer biochemischen, biologischen, molekularen oder chemischen Methode innerhalb des Mikrosystems unterzogen. Beispielsweise kann in Bezug auf freigesetzte Zellbestandteile eine Amplifizierungsmethode, insbesondere PCR-Amplifizierungsmethode innerhalb des Mikrosystems durchgeführt werden. Ferner können freigesetzte Zellbestandteile oder/und Amplifizierungsprodukte, vorzugsweise auf elektrophoretischem oder chromatographischem Wege, innerhalb des Mikrosystems voneinander getrennt werden. Eine andere zweckmäßige Möglichkeit ist, dass freigesetzte Zellbestandteile oder/und Amplifizierungsprodukte innerhalb des Mikrosystems durch Fangsonden eingefangen werden.
    •
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und teilweise unter Bezugnahme auf die Figuren, erläutert.
  • 1 zeigt schematisch ein Beispiel eines fluidischen Mikrosystems nach der Erfindung mit integrierten Mikro-Kapillar-Elektrophorese-Strecken, die zusammen mit einem für Fluoreszenzmikroskopie ausgestatteten Mikroskop ein Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet.
  • 2 zeigt eine Möglichkeit auf, wie verschiedene interessierende Abschnitte des fluidischen Mikrosystems durch Verstellung des Mikrosystems relativ zu einem Beobachtungsstrahlengang der fluoreszenzmikroskopischen Analyse zugänglich gemacht werden können.
  • 3 zeigt schematisch eine optische Fluoreszenzmikroskopieanordnung mit zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengängen und einem Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang, denen wahlweise Beleuchtungs- oder Anregungslicht von einer zugeodneten Beleuchtungsvorrichtung zuführbar ist. Die Fluoreszenzmikroskopieanordnung kann zusammen mit dem Mikrosystem der 1 und 2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung bilden.
  • 4 zeigt einen Ausschnitt eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems mit einem in der Art eines so genannten DNA/RNA-Chips ausgeführten Feld von DNA/RNA-Spots oder mit einem in der Art eines so genannten Protein-Chips ausgefüllten Feld von Antikörper-Spots.
  • 5 dient zur Erläuterung einer Möglichkeit des optischen Auslesens der DNA/RNA-Spots bzw. Antikörper-Spots oder allgemein Fangsonden-Spots.
  • 6 dient zur Erläuterung einer Möglichkeit des elektrischen Auslesens der DNA/RNA-Spots bzw. Antikörper-Spots oder allgemein Fangsonden-Spots.
  • 7 zeigt einen Abschnitt eines fluidischen Mikrosystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel, mit einer zwischen einer Lyse-Kammer und einem Analyse-Abschnitt angeordneten PCR-Amplifizierungskammer.
  • 8 zeigt mehrere im Falle einer mikroskopischen Detektion im Sichtfeld einer typischen Kamera simultan erfassbare Kanäle eines Mikrosystems.
  • 9 zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrosystems mit einer Zellkulturkammer zum Wachsen adhärenter Zellen auf DNA-Spots.
  • Ein die Erfindung ausführendes Gerät kann, gemäß einem Ausführungsbeispiel, dafür ausgeführt sein, von einzelnen Zellen hoch aufgelöste Bilder aufzunehmen, diese Bilder zu analysieren (online oder zumindest zeitnah), aufgrund dieser Analyse die Zellen zu sortieren auf Grundlage eines oder mehrerer Kriterien, beispielsweise auf Grundlage von Fluoreszenzmarkierungen. Die Sortierung kann beispielsweise mithilfe von elektrischen oder elektromagnetischen Feldern erfolgen, beispielsweise hoch frequenten Wechselfeldern oder gepulsten Feldern. Beispielsweise kann ein derartiges Gerät auf Grundlage des cellIR-SystemsTM der Olympus BioSystems GmbH in Verbindung mit an sich bekannten Mikrofluid-Techniken und Zellmanipulationstechniken auf Grundlage elektrophoretischer oder dielektrophoretischer Kräfte realisiert werden. Diese Technologieplattform ermöglicht die Gewinnung von Bildern mit hohem Informationsgehalt auf Einzelzellebene mit subzellulärer Auflösung. So können auch seltendste und an sich optisch schwer beobachtbare Ereignisse in großen Zellpopulationen mit hoher Sicherheit identifizieren.
  • Gegenüber bekannter Technologie, die Mikrofluidtechnik in Kombination mit Imaging anwendet, um lebende Zellen gezielt für die weitere Kultivierung zu selektieren (zur Transfektionsoptimierung, zur Selektion spezifischer Mutanten usw.), bietet die erfindungsgemäße Technologie ein wesentlich größeres Anwendungsspektrum. So wird im Prinzip ein High-Content-/High-Throughput-Screening auf Einzelzellebene mit anschließender Sortiermöglichkeit für weitere Analysen ermöglicht. Gegenüber herkömmlichen High-/Content-/High-Troughput-Screening-Systemen, die sich auf die Aquise und Analyse der Bildinformation beschränken (die analysierten Objekte werden keinerlei weiteren Untersuchung zugeführt), ist es bevorzugt, innerhalb des Geräts die selektierten Zellen den biochemischen bzw. chemischen/biologischen Untersuchungsmethoden zu unterziehen.
  • Zwar könnte man vorsehen, dass auch bei einem erfindungsgemäßen Gerät wie im Stand der Technik die sortierten Zellen im Anschluss an die Sortierung in unterschiedlichen Auffanggefäßen gesammelt werden können und dann einer „externen Weiterverarbeitung" zugeführt werden können.
  • Diese „externe Weiterverarbeitung" kann beispielsweise darin bestehen, dann die sortierten lebenden Zellen wieder in Kultur genommen werden, um auf diese Weise Zellen mit bestimmten Eigenschaften zu selektieren. So könnte man die sich an die Sortierung anschließende biochemische Analyse räumlich-zeitlich getrennt von der Sortierung (beim hier zugrunde gelegten Ausführungsbeispiel Imaging-basierten Sortierung) in Standard-Assays und Standard-Geräten der Molekularbiologie und Proteinbiochemie durchzuführen, ähnlich wie es für Mikro-Dissektionssysteme etabliert ist.
  • Demgegenüber ist es aber bevorzugt, dass die Zellen, nach Lyse, wenigstens einer biochemischen bzw. biologischen/chemischen Untersuchungsmethode unterzogen werden (beispielsweise DNA-Analyse, RNA-Analyse, Protein-Analyse, PCR usw.).
  • Es wird in diesem Zusammenhang als besonders bevorzugt vorgeschlagen, die Sortierung und die biochemische Analyse auf ein- und demselben „Chip" bzw. in ein- und demselben fluidischen Mikrosystem durchzuführen, idealerweise in einem parallelisierten System, um den Durchsatz zu erhöhen. Bevorzugt ist, dass die biochemische Analyse ebenfalls an optische Methoden gekoppelt ist, so dass die Messung der biochemischen Parameter, in enger räumlicher-zeitlicher Kopplung, ebenfalls unter einem Mikroskop mit höchster räumlicher Auflösung und Empfindlichkeit erfolgen kann. Ein entsprechendes erfindungsgemäßes Gerät kann vorteilhaft auf Grundlage des Imaging-Systems cellIR (die Bezeichnung cellIR ist markenrechtlich geschützt) der Olympus BioSystems GmbH realisiert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Gerät kann günstig an sich bekannte Technologien aus unterschiedlichen Bereichen kombinieren, beispielsweise mikroskopische Optik mit hoher Auflösung, empfindliche Detektoren mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit, Automatisierungstechnologie, Prozesskontrolltechnologie, Chiptechnologie, Mikrosystemtechnik, Mikrofluidik, Mikroelektronik, Bildanalyse- und Objekt- und Mustererkennungstechniken, um einige besonders relevante Beispiele zu geben. Betreffend die biochemische Analyse wird an die Integration an sich bekannter Bio- oder Zell-Chip-Technologie, insbesondere DNA/RNA- und Protein-Chip-Technologie gedacht, sowie an chipbasierte Mikro-Kapillar-Elektrophorese, on-chip-Chromotographie und on-chip-PCR.
  • Eine bevorzugte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass das Mikrosystem dafür ausgeführt ist, nach einer Lyse einer jeweiligen Zelle die Zellbestandteile in einer Mikro-Kapillar-Elektrophorese-Anordnung, die auf dem Chip integriert ist, aufzutrennen und beispielsweise fluoreszenzmikroskopisch zu erfassen. Es wird vor allem daran gedacht, dass es möglich ist, unmittelbar nach der Sortierung von einzelnen Zellen die Proteine/DNA/RNA einer selektierten Zelle individuell aufzutrennen und zu analysieren.
  • Die Analyse der Kapillarelektrophorese kann ebenfalls zweckmäßig unter Mikroskop bei hoher Vergrößerung und Auflösung erfolgen. Hierfür kann ein ein ggf. auch als „Probenhalter" bezeichenbares Mikrosystem in flacher Bauweise vorgesehen sein, das eine Beobachtungs-, eine Sortiervorrichtung, die Elektrophoreseeinrichtung und zugeordnete Mikrofluid-Technik enthält und insgesamt auf dem Objekttisch eines Mikroskops platziert werden kann. Der Objekttisch kann motorisiert verfahrbar sein, um sämtliche Prozesse durch die Mikroskopoptik beobachten und analysieren zu können. Ein derartiges Mikrosystem kann durch Anwendung an sich bekannter Chip-Technologie und Mikrofluid-Technologie realisiert werden.
  • Die Analyse der gemäß der angesprochenen Ausführungsvariante vorgesehenen Kapillarelektrophorese unter dem Mikroskop bietet insbesondere die folgenden Vorteile: Auf Grundlage der hohen Auflösung können nahe zusammen liegende Banden einwandfrei getrennt werden. Die Gel-Laufzeit kann dementsprechend signifikant verkürzt sein. Die Gel-Analyse kann unmittelbar im Anschluss an die optische Zellanalyse durchgeführt werden. Insbesondere kann eine zeitnahe Kombination von hoch-ortsaufgelöstem Zell-Imaging und Protein- oder/und DNA/RNA-Biochemie auf Einzel-Zellniveau oder Wenig-Zellniveau ermöglicht sein, mit dem Vorteil der Gewinnung zusätzlicher Information oder der unmittelbaren Verknüpfung von auf dem ortsaufgelösten Zell-Imaging beruhender Information und auf die biochemische Analyse zurückgehender Information.
  • Die angesprochene unmittelbare Kombination von Imaging und biochemische Analyse in Bezug auf eine jeweilige einzelne Zelle oder einzelne Zellverbände in einem Mikrosystem bietet den großen Vorteil, dass im Zusammenhang mit der Auswertung der biochemischen Analyse die sich auf die ursprüngliche Zelle beziehende Bildinformation mit ausgewertet werden kann. Beispielsweise kann in diesem Zusammenhang berücksichtigt werden, welche Zellbereiche infolge eines vorhandenen Fluoreszenzmarkers Fluoreszenzstrahlung emittiert hatten. Es lassen sich dann etwa in der Elektrophorese auf diese Zellbereiche zurückgehende Zellbestandteile identifizieren.
  • Das erfindungsgemäße Gerät kann beispielsweise für die Selektion und Analyse von lebenden Zellen in Suspension eingesetzt werden. Ferner können Zellen auf Oberflächen selektiert und analysiert werden. Es wird beispielsweise an Zellen auf Oberflächen, z.B. in Kombination mit Deckgläsern, gedacht, die mit definierten DNA-Spots lokal beschichtet sind, auf denen die Zellen wachsen. Hierdurch ist eine Transfizierung der Zellen durch die lokalisierte DNA möglich. Durch entsprechendes Imaging, beispielsweise auf Fluoreszenzmikroskopie-Basis, können transfizierte Zellen identifiziert und für die weitere Analyse ausgewählt werden. Soweit die Zellen adhärent auf der Oberfläche vorliegen, ist beispielsweise ein starkes elektrisches Feld einsetzbar, um die Zellen abzulösen und der weiteren Analyse zuzuführen. Die Ablösung der Zellen kann alternativ oder zusätzlich im Wege der lokalen Zuführung von speziellen Medien (beispielsweise CA++-bindendes Medium (ED/GTA) oder/und Enzymlösung) unterstützt bzw. bewerkstelligt werden, unter Anwendung an sich bekannter Mikrofluid-Technologie bzw. Mikro-Flow-Technologie. Die abgelösten Zellen können dann im Mikrosystem einer biochemischen Analyse, z.B. Mikro-Kapillar-Elektrophorese auf Einzelzellebene, zugeführt werden.
  • Für dynamische Messungen kann vorgesehen sein, dass Zellen innerhalb des Mikrosystems, beispielsweise in einer Beobachtungskammer, stimuliert werden, beispielsweise auf elektrischem Wege oder durch Zufuhr von Substanzen unter Anwendung von Mikrofluid-Technologie. Mikro-Fluidtechnologie kann auch vorteilhaft für die Zufuhr von Lyse-Chemikalien zu einer jeweiligen Zelle vorausgehend einer biochemischen Analyse der Zellbestandteile verwendet werden. Es kann beispielsweise eine alkalische Lyse mittels NaOH oder/und SDS vorgesehen sein.
  • Ein Ausführunbsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung ergibt sich aus den schematischen 1 bis 3. 1 zeigt schematisch ein fluidisches Mikrosystem 72 ohne dessen vorzugsweise integrierte Mikrofluidik (Pumpen, Ventile usw.) in Kombination mit einem Mikroskopobjektiv 68 einer schematisch in 3 gezeigten Mikroskopanordnung 60. In 1 ist das Mikroskopobjektiv 68 in Abweichung von seiner ordnungsgemäßen Beobachtungsposition entsprechend 2 und 3 relativ zum Mikrosystem 72 gekippt dargestellt.
  • Das Mikrosystem 72 weist integriert in ein Substrat eine Kanalanordnung 200 mit einer zugeordneten Elektrodenanordnung 204 auf. Die Elektrodenanordnung dient auf an sich bekannte Art und Weise zur Manipulation von in die Kanalanordnung zugeführten bzw. darin befindlichen Mikroobjekten, beispielsweise biologischen Zellen 203. Die Mikroobjekte liegen in in einer Flüssigkeit suspendierter Form vor. Unter Vermittlung der Elektrodenanordnung können die Mikroobjekte bzw. kann wenigstens ein ggf. gezielt ausgewähltes Mikroobjekt durch so genannte elektrophoretische oder dielektrophoretische Kräfte manipuliert werden, beispielsweise in einem durch elektrische oder elektromagnetische Felder gebildeten Käfig gehalten werden. Ferner ist es möglich, durch die angesprochenen elektrophoretischen oder dielektrophoretischen Kräfte, also durch Einwirkung mittels elektrischer oder elektromagnetischer Felder, den Mikroobjekten bzw. wenigstens einem ggf. gezielt ausgewählten Mikroobjekt eine definierte Driftbewegung zu erteilen, ggf. auch entgegen der Strömung der Flüssigkeit, in der das Mikroobjekt suspendiert ist.
  • 1 dient insbesondere zur Veranschaulichung, dass die dem Mikrosystem 72 zugeführten Mikroobjekte auf optischem, nämlich fluoreszenzmikroskopischem Wege zuerst untersucht werden können, gemäß 1 im Beobachtungsbereich des Objektivs 68. Hierzu wird vermittels des Detektorfelds 74, beispielsweise eines CCD-Chips, ein optisches oder/und fluoreszenzmikroskopisches Bild einer beispielsweise in einem elektrischen oder elektromagnetischen Feld gehaltenen Zelle aufgenommen. Das Bild wird dann in einer Imaging- und Steuereinheit 202 analysiert, beispielsweise unter Anwendung an sich bekannter Bildverarbeitungs- und Mustererkennungstechniken. Auf Grundlage dieser Analyse entscheidet dann die Einheit 202, ob ein jeweiliges Mikroobjekt einer biochemischen Analyse zugeführt werden soll oder nicht. Entsprechend dieser Entscheidung werden durch entsprechende Ansteuerungen der Elektrodenanordnung 204 ausgewählte Mikroobjekte von einem Hauptkanal 206 in einen von mehreren zu biochemischen Analyseabschnitten des Mikrosystems abzweigenden Abzweigungskanälen 208 umgelenkt, während die übrigen, nicht selektierten Mikroobjekte im Hauptkanal 206 verbleiben und beispielsweise einem Sammelbehälter 210 zugeführt werden.
  • Es wird im Folgenden angenommen, dass es sich bei den Mikroobjekten um biologische Zellen handelt. Die selektierten, in die Abzweigungskanäle 208 umgelenkten Zellen treten aus dem jeweiligen Abzweigungskanal 208 in eine Lyse-Kammer 212 ein, in die auf Grundlage entsprechender Mikrofluidik Lyse-Chemikalien zuführbar sind. Die Lyse-Kammern können jeweils auch mit Elektroden ausgeführt sein, um eine jeweilige Zelle in einem definierten Raumbereich halten zu können. Durch die zugeführte Lyse-Chemikalie oder Chemikalien, beispielsweise eine alkalische Lyse-Lösung, wird die Zellwand der jeweiligen Zelle aufgelöst, so dass die Zellbestandteile freigesetzt werden. Diese Zellbestandteile können dann in einer sich an die Lyse-Kammer anschließende jeweilige Mikro-Kapillar-Elektrophorese-Strecke 214 getrennt werden. Die elektrophoretische Trennung der Zellbestandteile ist vermittels der Mikroskopanordnung 60 insbesondere auf fluoreszenzmikroskopischem Wege detektierbar, ggf. auf Grundlage von in der Zelle von vornherein vorhandenen Fluoreszenzfarbstoff-Labels. Es kommt durchaus aber auch in Betracht, erst die nach der Lyse vorliegenden Zellbestandteile gezielt durch Fluoreszenzfarbstoff-Labels zu markieren, unter Einsatz an sich bekannter biochemischer und molekularer Methoden.
  • Die sich in der jeweiligen Elektrophoresestrecke zeigenden Fluoreszenzfarbstoff-Banden werden ebenfalls vermittels des Detektorfelds 74 detektiert, und in der Imaging- und Steuereinheit 202 erfolgt dann eine Auswertung etwa auf Grundlage von Bildverarbeitung oder/und Mustererkennung. Bevorzugt wird bei dieser Auswertung die zuvor über die Gesamtzelle gewonnene Information (Bildinformation über die Gesamtzelle, Morphologie usw.) mit berücksichtigt. So kann beispielsweise berücksichtigt werden, welche Zellbereiche bei welcher Fluoreszenzwellenlänge imittiert hatten. Über die Fluoreszenzwellenlänge können zugehörige Elektrophorese-Banden zugeordnet werden.
  • Reicht das Sichtfeld des Detektorfelds 74 über das Mikroskop nicht aus, kann man eine motorische Verstellung des Mikrosystems 72 relativ zum Objektiv 68 vorsehen, um entweder einen Zellbeobachtungsbereich oder einen Analyseabschnitt des Mikrosystems, im hier behandelten Beispiel die Elektrophorese-Strecken, über das Mikroskopobjektiv 68 auf den CCD-Detektor 74 abzubilden. Der Doppelpfeil 220 symbolisiert einen entsprechend motorisierten Objektträgertisch des Mikroskops, der durch die Imaging- und Steuereinheit 202 angesteuert werden kann.
  • Zu den Mikrokapillar-Elektrophorese-Strecken ist darauf hinzuweisen, dass an sich bekannte Technologie betreffend die Integration in ein Chip- oder Mikrofluid-System zum Einsatz kommen kann. Man kann durchaus vorsehen, dass sich an eine Lyse-Kammer parallel mehrere Mikrokapillar-Elektrophorese-Strecken anschließen, die beispielsweise mit verschiedenartigen Mikro-Gelen ausgestattet sind, um eine Trennung nach mehreren verschiedenen Mechanismen vorzusehen. Es kommt ferner auch in Betracht, mehrere auf verschiedenen Mechanismen beruhende Mikrokapillar-Elektrophorese-Strecken aneinander anzuschließen.
  • Im Folgenden soll die insbesondere für fluoreszenzmikroskopische Anwendungen geeignete Mikroskopanordnung 60 näher erläutert werden. Die Mikroskopanordnung 60 weist einen Beobachtungsstrahlengang 62 auf, der eine Objektebene 64 in eine Bildebene 66 abbildet. Die Abbildung erfolgt mittels einer wenigstens zwei Linsen bzw. Objektive 68 und 70 aufweisenden Abbildungsaordnung, wie im Stand der Technik an sich bekannt. Das fluidische Mikrosystem 72 kann ein gegenüber der Mikroskopanordnung 60 gesondertes System sein, das für Messungen bzw. Untersuchungen in der Objektebene 64 angeordnet wird. In der Bildebene 66 ist das angesprochene Detektorfeld 74, beispielsweise ein CCD-Chip, angeordnet.
  • Die Mikroskopanordnung weist zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge 80 und 82 auf, die über einen jeweiligen Lichtleiter 84 bzw. 86 mit Beleuchtungslicht oder/und mit Anregungslicht zur Anregung von Fluoreszenzfarbstoffen versorgt werden können. Das aus dem jeweiligen Lichtleiter austretende Licht wird mittels einer geeigneten Abbildungsoptik (durch eine Linse 88 bzw. 90 repräsentiert) in den jeweiligen Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt, beispielsweise derart, dass eine so genannte „kritische Beleuchtung" erreicht wird, bei der das benötigte Gesichtsfeld gleichmäßig mit Licht aus dem jeweiligen Lichtleiter ausgeleuchtet wird. Hierzu wird das Austrittsende des jeweiligen Lichtleiters in die Objektebene 34 abgebildet. Es können auch andere Beleuchtungsarten, z.B. die so genannte Köhler'sche Beleuchtung, realisiert sein.
  • Das Vorsehen der beiden bzw. wenigstens zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengängen ermöglicht, das Mikrosystem 72 bzw. einen Bereich des Mikrosystems gleichzeitig mit Licht wenigstens zweier verschiedener Wellenlängen zu beleuchten.
  • Die beiden Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge 80 und 82 fallen teilweise mit dem Beobachtungsstrahlengang 62 zusammen. Hierzu sind zwei dichroitische Spiegel 96 und 98 vorgesehen, die das aus dem Lichtleiter 84 bzw. 86 eingestrahlte Licht in den Beobachtungsstrahlengang 62 einspiegeln, aber vom Mikrosystem 72 ausgehendes Fluoreszenzlicht in Richtung zur Bildebene 66 durchlassen. Zusätzlich ist in 3 noch die Möglichkeit aufgezeigt, dass mehrere Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge, nämlich die Beleuchtungsstrahlengänge 80 und 82', vor Einspiegelung in den Beobachtungsstrahlengang 62 mittels eines dichroitischen Spiegels 98' zusammengeführt und gemeinsam durch den dichroitischen Spiegel 96 in den Beobachtungsstrahlengang 33 eingespiegelt werden können.
  • Neben den Auflicht-Beleuchtungsstrahlengängen weist die Mikroskopanordnung 60 zusätzlich noch einen Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang 100 auf, der mittels eines Lichtleiters 102 mit Beleuchtungslicht oder/und Anregungslicht aus einer zugeordneten Beleuchtungsvorrichtung versorgt werden kann.
  • Neben einer elektrophoretischen Analyse der Zellbestandteile und allgemein der Mikroobjekte können auch andere an sich bekannte Techniken zum Einsatz kommen. 4 zeigt die Möglichkeit auf, dass sich an eine jeweilige Lyse-Kammer 12 keine Elektrophorese-Strecke, sondern ein Feld 214a von Fangsonden-Spots anschließt. Es kann sich beispielsweise um DNA-Fangsonden, RNA-Fangsonden oder Antikörper- bzw. Protein-Fangsonden handeln, das Feld kann also in der Art eines DNA-Chips, RNA-Chips oder Protein-Chips ausgeführt sein. Ein jeweiliger Spot weist immobilisierte Fängermoleküle auf, an den DNA- bzw. RNA-Molekül hybridisieren oder an dem Proteine andocken. Ob Moleküle anhybridisiert haben bzw. Proteine angedockt haben, lässt sich beispielsweise auf fluoreszenzmikroskopischem Wege detektieren, etwa wenn die nachzuweisenden DNA- bzw. RNA-Moleküle bzw. Proteine selbst Fluoreszenz-Label aufweisen. Eine andere Möglichkeit ist, die Fangsonden mit Fluoreszenz-Labels auszuführen, wobei die optische Respons davon abhängt, ob Moleküle anhybridisiert sind oder nicht bzw. ob Proteine angedockt haben oder nicht. Ein geeigneter Detektionsmechanismus kann anhand von 5 erläutert werden. Es ist eine fluoreszenzfarbstoffmarkierte Fangsonde 224 eines Fangsonden-Spots 222 gezeigt. Ohne Anhybridisierung eines Zielmoleküls liegt das Fängermolekül auf der Substratoberfläche auf, wodurch die Fluoreszenz des Fluoreszenz-Labels gequentscht wird. Nach Anhybridisierung eines Zielmoleküls 224' an das Fangsondenmolekül 224 steht das resultierende Gesamtmolekül vom Untergrund ab, so dass die Fluoreszenzstrahlung nicht mehr gequentscht wird und über das Fluoreszenzmikroskop nachweisbar ist.
  • Neben optischen Detektionsmethoden kommen auch elektrische Detektionsmethoden in Betracht. Beispielsweise können Fangsonden auf Elektroden angeordnet sein. Das zwischen einer der Elektroden mit Fangsonden und einer weiteren Elektrode abnehmbare elektrische Signal hängt davon ab, ob an die Fängersonden Zielmoleküle bzw. Proteine anhybridisiert oder angedockt haben oder nicht. Entsprechende Elektroden unterhalb der Fängersonden-Spots sind in 6 schematisch dargestellt und mit 230 bezeichnet.
  • Es wird noch einmal auf die Lyse von Zellen, also die Zerstörung der Zellwand zur Freisetzung der Zellbestandteile, Bezug genommen. Bevorzugt ist eine Lyse auf chemischem Wege. 7 zeigt schematisch, dass eine Lyse-Kammer 212 mit Elektroden 204 ausgestattet sein kann, um eine jeweilige Zelle festzuhalten, bis die Zellbestandteile freigesetzt sind. Eine Zufuhr- und Abfuhrkanalanordnung 240 dient der Zufuhr einer Lyse-Lösung in die Lyse-Kammer 212 bzw. Abfuhr der verbrauchten Lyse-Lösung aus der Lyse-Kammer 212.
  • Bei der Ausführungsvariante der 7 ist der Lyse-Kammer 212 eine PCR-Amplifizierungskammer 242 nachgeordnet. Über eine Zufuhr- und Abfuhrkanal-Anordnung 244 können PCR-Reagenzien in die PCR-Amplifizierungskammer zugeführt bzw. verbrauchte Reagenzien aus der Kammer abgeführt werden. Eine Peltierelementanordnung 266 ermöglicht das Durchfahren von Temperaturzyklen für die PCR-Amplifizierung. Die Temperaturzyklen können auf Grundlage eines von einem Temperatursensor 268 abgegebenen Temperatursignals geregelt durchgeführt werden. Die Ansteuerung der Elektroden in der Lyse-Kammer 212 sowie der Peltierelementanordnung 266 kann durch die Imaging- und Steuereinheit 202 erfolgen, die auch das Temperatursignal vom Temperatursensor 68 empfängt. Die Imaging- und Steuereinheit kann ferner verschiedene mikrofluidische Komponenten (Ventile, Mikropumpen usw.) oder an dem Mikrosystem angeschlossene externe Komponenten ansteuern.
  • Durch das Vorsehen einer PCR-Amplifizierng innerhalb des fluidischen Mikrosystems werden vielfältige biochemische Analysenmethoden durchführbar. Beispielsweise kann sich an die PCR-Amplifizierungskammer 242 wieder eine Mikro-Kapillar-Elektrophorese-Strecke anschließen, beispielsweise um auf Grundlage der Kettenabbruchmethode (Sanger-Coulson-Methode) Sequenzen zu bestimmen. 214b steht in 7 allgemein für einen sich an die PCR-Amplifizierungskammer anschließenden Analyseabschnitt des Mikrosystems.
  • Es soll darauf hingewiesen werden, dass auf Grundlage eines typischerweise recht großen Sehfelds einer CCD-Kamera bzw. eines CCD-Detektorfelds oder dergleichen über einen Mikroskopstrahlengang ein recht großer Bereich eines fluidischen Mikrosystems simultan erfasst werden kann. Bei einem 40x-Objektiv kann das Sehfeld beispielsweise 250 μm abdecken. Bei einer Kanalbreite von 20 μm können beispielsweise 5 Kanäle simultan erfasst werden. 8 zeigt ein entsprechendes Beispiel. Von jedem der in 8 gezeigten Kanäle können Abzweigungskanäle abzweigen, und an jeden der Abzweigungskanäle kann sich dann ein eigener Analyseabschnitt des Mikrosystems anschließen. Es ist so eine hochgradige Parallelisierung der biochemischen, biologischen, molekularen oder chemischen Analyse innerhalb des Mikrosystems möglich. Alternativ könnte man 8 auch so verstehen, dass fünf parallele Abzweigungskanäle von einem Hauptkanal gezeigt sind. Es können dementsprechend fünf gesonderte, sich an jeweils einen der Kanäle anschließende Analyseabschnitte simultan erfasst werden.
  • 9 zeigt eine andersartige Ausführung eines erfindungsgemäßen fluidischen Mikrosystems. Das fluidische Mikrosystem weist eine Zellkulturkammer oder Zellkultivierungskammer 270 auf, die mit einer Elektrodenanordnung 204 ausgestattet ist und DNA-Spots 272 aufweist. Auf den DNA-Spots 272 werden Zellen 274 gewachsen, mit der Zielsetzung, dass diese durch die lokalisierte DNA transfiziert werden. Transfizierte Zellen lassen sich insbesondere auf fluoreszenzmikroskopischem Wege identifizieren und können dann durch elektrophoretische bzw. dielektrophoretische Kräfte, ggf. unter Einsatz von zugeführten Chemikalien, abgelöst und – als Mikroobjekt bzw. Mikroobjekte 203 im Sinne der vorstehenden Ausführungen – der biochemischen Analyse zugeführt werden, etwa zuerst einer Lyse in einer Lyse-Kammer 214, an die sich dann eine Elektrophorese-Strecke zum Trennen der Zellbestandteile anschließen kann.
  • Es können mittels einer erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. mittels eines erfindungsgemäßen Mikrosystems diverse Untersuchungen biologischer, molekularer bzw. biochemischer Natur durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Screening nach der Funktion unbekannter Gene durchgeführt werden, etwa mit der Fragestellung: Hat das unbekannte Gen X einen Einfluss auf Expressionsmuster eines bekannten Gens A? In diesem Zusammenhang kann die Methodik grundsätzlich beispielsweise wie folgt sein. Es liegen adhärente, etwa auf dem Bogen einer Kulturschale angewachsene Zellen (z.B. einer humanen Zelllinie) in einer Zellkultur vor.
  • Die Zellen wurden in einem ersten Transformationsschritt, also einer Genmanipulation durch Einbringen fremder oder/und veränderter Gene, so manipuliert, dass sie stabil ein bestimmtes zelluläres Protein (Gen A-CFP) exprimieren, an das ein fluoreszierendes Protein, z.B. CFP gekoppelt ist und das normalerweise homogen verteilt im Zytosol der Zelle vorliegt. Anschließend werden die Zellen in der Regel einer zweiten Transformation unterworfen. In der Regel werden viele Einzelexperimente meist automatisiert durchgeführt, in denen bis zu mehrere tausend unterschiedliche Gene X-YFP (1 bis n) unbekannter Funktion, z.B. aus humanen Genbanken, in die Zellen eingebracht werden. Die unbekannten Gene sind an ein weiteres fluoreszierendes Protein (z.B. YFP) gekoppelt.
  • Es müssen dann typischerweise weitere Kontrollen und Experimente durchgeführt werden. Hierzu stellen sich die Fragen: Sind die transformierten Zellen „gesund"? Hat die erste Transformation funktioniert, wird also das Gen A-CFP exprimiert? Ist das Expressionsmuster von Gen A bereits durch die Kopplung an CFP verändert? Hat die Transformation 2 funktioniert, wird also das Gen X-YFP exprimiert?
  • Für die weiteren Untersuchungen sind in der Regel nur Zellen von Interesse, in denen beide Gene exprimiert werden. Es ist durchaus möglich, dass dies nur bei etwa jeder zehnten bis tausendsten Zelle der Fall ist.
  • Für Zellen, in denen beide Gene exprimiert wurden, ergeben sich dann die folgenden durch geeignete Verfahren und Methoden, insbesondere experimentell zu untersuchende Fragestellungen: Wo in den Zellen wird Gen X-YFP exprimiert (Zytosol? Zellkern? Organelle?). In welchen Zellen, die beide Gene exprimieren, ist das Expressionsmuster von Gen A-CFP verändert? Es können beispielsweise folgende Veränderungen auftreten, einzeln oder auch in beliebigen Kombinationen: Die Menge an Gen A-CFP ist erhöht oder erniedrigt. Die Lokalisation von Gen A-CFP ist verändert, z.B. vom Zytosol in den Zellkern verschoben. Strukturen in der Zelle, die von Gen A-CFP und/oder Gen X-YFP angefärbt sind, haben eine veränderte Morphologie.
  • Es werden für diese Untersuchungen zweckmäßig automatisierte, Bild gebende Verfahren eingesetzt, die sich ideal dafür eignen, um unterschiedliche Parameter, z.B. Intensität und räumliche Verteilung von Fluoreszenzsignalen in Zellen in unterschiedlichen Farbkanälen, in kurzer Zeit zu Messen und auszuwerten. Es wird in diesem Zusammenhang insbesondere an so genannte „High-Content-Screening"-(HCS)-Verfahren gedacht, die viele unterschiedliche und komplexe Parameter in einem Schritt bestimmen können (so genanntes „Multiplexing"), die aber herkömmlich nicht solche Durchsatzraten wie im so genannten „(ultra) HighTroughput-Screening" („(u)HTS") erreichen. Entsprechende automatisierte Imaging-Systeme zum Durchführen der angesprochenen Kontrollen und Experimente sind Stand der Technik.
  • Je nach Ergebnis der experimentellen Untersuchung, beispielsweise im Falle der Feststellung, dass das Expressionsmuster des Gens A-CFP durch das Gen Y-YFP verändert ist, stellen sich über die rein morphologische Information hinaus weitere Fragen, die sich auf die molekulare, biochemische Ebene beziehen: Gibt es Veränderungen auf DNA-Ebene? Welche Veränderungen sind dies? (beispielsweise betreffend die DNA-Sequenz)? Gibt es Veränderungen auf RNA-Ebene? Welche Veränderungen sind dies (beispielsweise betreffend die Menge)? Gibt es Veränderungen auf Protein-Ebene? Welche Veränderungen sind dies (z.B. betreffend Phosphorylierung)?
  • Trotz aller bisher im Stand der Technik schon erfolgten Automatisierung und trotz aller zur Verfügung stehenden Mikrofluid-Techniken usw. mussten für diese Fragestellungen herkömmlich separate Experimente durchgeführt werden, in denen große Mengen an Zellen, von denen man nur die globale Information hatte, dass beide Gene exprimiert werden, biochemischen Analysen (etwa DNA-Sequenzierung, PCR, DNA/RNA/Protein-Chip, usw.) unterworfen wurden. Bei diesen Experimenten liegt keine Information vor, ob sämtliche Zellen beide Gene exprimieren und es liegt keine Information vor, ob die Expression bei einzelnen oder allen Zellen einen bzw. den gleichen Effekt hat. Diese Experimente sind daher für Funktionsanalysen mit recht großen Unsicherheiten behaftet.
  • Die Erfindung ermöglicht demgegenüber, die molekularen, chemischen, biologischen bzw. biochemischen Analysen auf Einzelzellniveau durchzuführen und unmittelbar mit der biologischen Information aus der Imaging-Erfassung bzw. Untersuchung der jeweiligen gesamten Zelle zu korrelieren.
  • Zwar besteht beim Stand der Technik auch schon die Möglichkeit, einzelne Zellen von Interesse aus einer oft riesigen Anzahl von uninteressanten Zellen (bei den angesprochenen Effekten handelt es sich meist um seltene Ereignisse) zu identifizieren und zu isolieren. Beispielsweise wird im Stand der Technik die so genannte „Mikrodissektion" eingesetzt, bei der z.B. mittels gepulstem UV-Laser die Zellen von Interesse aus dem Verband heraus geschnitten und anschließend in ein Probengefäß zur weiteren Analyse gebracht werden. Nachteilig hieran ist, dass es sich um einen zeitaufwendigen und zerstörerischen Prozess handelt und dass die weitere, insbesondere molekulare bzw. biochemische Analyse zeitaufwendig in einem separaten Experiment durchgeführt werden muss.
  • Auch betreffend die molekularen bzw. biochemischen Analyseverfahren, die im Anschluss an die Isolation der Zellen zur Anwendung kommen, ist in der aktuellen molekularbiologischen und biochemischen „Verfahrenstechnik" ein starker Trend in Richtung Miniaturisierung und Parallelisierung festzustellen. Im Prinzip bezieht sich dieser Trend auf alle im Anschluss an die Isolation von Zellen zur Anwendung kommenden etablierten Techniken wie PCR in allen Variationen, Chromatographieverfahren (HPLC, FPLC, Gelelektrophorese, usw.), Sequenzierung, Hybridisierung, Elisa usw. Sämtliche Verfahren werden oft in Kombination mit zusätzlich durchgeführten Antikörpermarkierungen oder/und Fluoreszenzmarkierungen durchgeführt. Miniaturisiert man diese Verfahren und Techniken, so wird angelehnt an die Chiptechnologie in der Elektronik häufig von so genannten „Bio-Chips" gesprochen. Beispielsweise gibt es „DNA-Chips", etwa Glasträger, auf denen bis zu mehrere Tausend, nur wenige μm große „Spots" mit kurzen DNA-Fragmenten aufgebracht sind, die jeweils unterschiedliche bekannte Sequenzen enthalten. Auf diese Träger kann DNA unbekannter Sequenz aufgebracht werden, die hochspezifisch nur an die Spots bindet, an denen die passende komplementäre Sequenz vorliegt. Auf diese Art und Weise können in kurzer Zeit gesamte Gen- bzw. Expressionsmuster in einem bzw. nur wenigen Experimenten untersucht werden. Üblicherweise ist einer der beiden Reaktionspartner mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert, so dass die „Bio-Chips" vorwiegend optisch analysiert und ausgewertet werden. Daneben wird auch eine Analyse und Auswertung auf elektrischem Wege betrieben. Ferner sind auch Mikro-Kapillar-Elektrophorese- und Mikro-PCR-Chips im Stand der Technik vorbekannt.
  • Einer Vereinigung bzw. Integration der an sich üblichen Techniken und Methoden bzw. Funktionalitäten in einem einzigen Mikrosystem bzw. auf einem einzigen „Bio-Chip" beispielsweise für ein optisches Analyseverfahren stand unter anderem wohl entgegen, dass herkömmlich die isolierten, beispielsweise beide Gene exprimierende Zellen erst weiter kultiviert wurden, um eine stabil transformierte Zellkultur an Gen-manipulierten Zellen zu erhalten. Da man viele gleichartige Zellen erhält, ist insbesondere auch eine Protein-Biochemie und dergleichen in großem Maßstab und vor einem „sicheren Hintergrund" (nämlich die Sicherheit, dass eine stabil transformierte Zellkultur vorliegt) möglich. Die Erfinder setzen sich von diesem herkömmlichen Absatz ab, wenn sie vorschlagen, auf eine Kultivierung nach der Selektion zu verzichten und die biochemische Analyse im gleichen Mikrosystem bzw. auf dem gleichen Chip durchzuführen, in der auch die Selektion erfolgt. Es wird insbesondere der Vorteil gewonnen, dass die auf Einzelzellniveau stattfindenden molekularen, biochemischen, biologischen bzw. chemischen Analyse unmittelbar mit der zuvor gewonnenen, sich auf die Gesamtzelle beziehenden Information, etwa der morphologischen Information aus einem Imaging-Experiment, korreliert werden kann. Es sei angemerkt, dass eine erfindungsgemäße Einrichtung bzw. ein erfindungsgemäßes Mikrosystem bzw. ein erfindungsgemäßer Biochip durchaus auch auf Zellen angewendet werden kann, die aus Zellkulturen stammen, die aus zuvor gesondert selektierten Zellen hervorgegangen sind, beispielsweise aus Zellen, die durch gesonderte optische Untersuchung und Imaging als interessierend identifiziert wurden, weil sie etwa beide oben angesprochenen Gene exprimieren. Der Vorteil einer stabil transformierten Zellkultur kann so ebenfalls erhalten werden, wobei im Hinblick auf die Berücksichtigung von auf die Einzelzelle sich beziehender Information, etwa morphologische Information, vorausgehend der biochemischen bzw. molekularen Analyse im Mikrosystem eine zusätzliche Untersuchung der Gesamtzelle, etwa das angesprochene Imaging, durchgeführt wird.
  • Die Kontrollen, Untersuchungen und Analysen können auf Grundlage eines anderen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Mikrosystems beispielsweise wie folgt durchgeführt werden. Es werden die beispielsweise adhärent wachsenden Zellen zunächst von ihrer Unterlage abgelöst, etwa chemisch, mechanisch oder auf sonstige übliche Weise. Die Zellen liegen dann in Flüssigkeitssuspension vor. Die suspendierten Zellen werden in das erfindungsgemäße Mikrofluidik-System, beispielsweise mittels eines Schlauch- und Pumpsystems, das in das Mikrofluidik-System integriert sein könnte (beispielsweise auf einen „Chip" aufgebracht bzw. in den „Chip" integriert sein könnte), pipettiert, beispielsweise mittels eines Pipettierroboters nach dem Stand der Technik. Das Mikrofluidik-System transportiert die Zellen mittels Flüssigkeitsstrom oder/und mittels elektrophoretischer bzw. dielektrophoretischer Kräfte in einen ersten Bereich auf dem Chip, in dem die Zellen in der Flüssigkeitsströmung an einem Ort festgehalten bzw. sogar gegen die Strömung oder quer zu ihr bewegt werden können, auf Grundlage der durch Feldelektroden erzeugbaren feldelektrischen Effekte (elektrophoretisch bzw. dielektrophoretische Kräfte). Die Zellen können dann vorteilhaft in diesem ersten Bereich zuerst festgehalten werden und durch entsprechende Ansteuerung der Elektrodenanordnung können dann einzelne Zellen mit einem bestimmten zeitlichen Abstand nacheinander in den folgenden bzw. einen ausgewählten Flüssigkeitskanal von mehreren Flüssigkeitskanälen weiter geleitet werden. Der erste Bereich kann als „Vereinzelungsstation" oder „Vereinzelungskammer" bezeichnet werden.
  • Selektierte Zellen können dann über den bzw. den gewählten Flüssigkeitskanal vereinzelt in einen zweiten Bereich auf dem Chip zugeführt und dort mittels der angesprochenen feldelektrischen Effekte festgehalten und ggf. exakt positioniert werden. Diesem Bereich ist zumindest ein Detektionssystem zugeordnet, das extern angeordnet oder in das Mikrosystem integriert sein kann. Ferner kann diesem Bereich ein Anregungssystem zugeordnet sein, das ebenfalls extern angeordnet ist oder in das Mikrosystem integriert sein kann. Betreffend eine externe Anregung- und Detektion wird beispielsweise an eine Erfassung von bestimmten Eigenschaften der Objekte (insbesondere die angesprochenen biologischen Zellen, allgemein aber auch sonstige Partikel, Moleküle usw.) auf fluoreszenzmikroskopischem Wege, also etwa mittels eines an sich üblichen Fluoreszenzmikroskops gedacht.
  • Beispielsweise kann es sich bei der „Beobachtungskammer" oder „Beobachtungsstation" um eine in einem Substrat vorhandene Kammer mit mindestens einem transparenten Fenster handeln. Vor diesem Fenster ist bzw. wird nach einer bevorzugten Ausgestaltung ein Mikroskop-Objektiv platziert. Durch das Mikroskop-Objektiv wird das Objekt mit Licht einer Wellenlänge oder mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen angeregt. Ein hieraus resultierendes Fluoreszenz-Signal wird ebenfalls über das Objektiv unter einen geeigneten Strahlteiler etwa auf eine CCD-Kamera gelenkt. Das mit der Kamera aufgenommene Bild wird mit geeigneten Bildanalysefunktionen analysiert. Die Beobachtungskammer kann so ausgeführt sein, dass über zusätzliche Flüssigkeitskanäle chemisch gelöste Substanzen in die Kamera eingebracht werden können, um auf diese Art und Weise die Zellen chemisch zu stimulieren. Auch eine elektrische Stimulation der Zellen vermittels der vorzugsweise ohnehin vorhandenen Elektrodenanordnung zur Ausübung der elektrophoretischen bzw. dielektrophoretischen Kräfte kommt ebenfalls in Betracht.
  • Nach der Bildaufnahme werden die Objekte (insbesondere Zellen) wieder aus dem Haltefeld entlassen und werden in einem sich anschließenden Mikrokanal mittels der angesprochenen feldelektrischen Effekte oder/und per Flüssigkeitsstrom weiter transportiert. Es sei angemerkt, dass sich mittels elektrischer bzw. elektromagnetischer Felder nicht nur lineare Transportwege für die Mikroobjekte realisieren lassen, sondern dass auch die Funktion einer „Weiche" realisierbar ist, über die es möglich ist, die Mikroobjekte in unterschiedliche Transportkanäle zu verteilen. Es ist im Übrigen nicht zwingend, dass tatsächlich räumlich exakt im verwendeten Substrat definierte Kammern und Kanäle vorhanden sind. Es kommt durchaus in Betracht, die Kanäle und Kammern alleine auf Grundlage einer elektrischen bzw. elektromagnetischen Kompartimentierung zu definieren, ggf. sogar auf Grundlage einer als Feld oder Matrix vorliegenden Eletrodenanordnung mit einer Vielzahl an Einzelelektroden, die wahlweise entsprechend angesteuert werden, um eine gewünschte Kompartimentierung und gewünschte Driftbewegungen für die Mikroobjekte zu erreichen.
  • Unabhängig von der Realisierung im Eizelnen ist es möglich, die aus dem Haltefeld entlassenen und weiter transportierten Zellen etwa über die angesprochene „Weichen-Funktionalität" anhand der zuvor gewonnenen Imaging-Ergebnisse zu sortieren. Dies kann unmittelbar aus der angesprochenen „Beobachtungsstation" heraus oder in einer gesonderten „Sortierstation" oder „Sortierkammer" erfolgen.
  • Bezug nehmend auf das oben angesprochene Beispiel ist beispielsweise eine Sortierung nach den folgenden Kriterien möglich: Wenn kein Fluoreszenzsignal vorliegt, heißt dies, dass die Zellen weder das Gen A-ZFP, noch das Gen X-YFP exprimieren, dass also die Transformation wahrscheinlich nicht funktioniert hat. Die Zelle wird „verworfen", d.h. über das Flüssigkeitssystem in eine Aufnahme sortiert, beispielsweise damit als „Abfall" behandelt. Emittiert die Zelle nur das CFP-Fluoreszenzsignal, so heißt dies, dass nur das Gen A-CFP exprimiert wird. Die Transformation mit dem Gen X-YFP hat also wahrscheinlich nicht funktioniert. Die Zelle wird ebenfalls verworfen und über das Flüssigkeitssystem in den Auffangbehälter sortiert.
  • Emittiert die Zelle Fluoreszenzsignale in beiden Fluoreszenzfarben, so ist zu unterscheiden, ob das Expressionsmuster unverändert oder verändert ist. Ist das Expressionsmuster unverändert, so heißt dies, dass beide Gene zwar exprimiert werden, dass aber die Expression von Gen X-YFP keinen Effekt auf die Verteilung von Gen A-CFP hat. Die Doppel-Transformation hat also funktioniert, hat jedoch keinen sichbaren Effekt. Man kann vorsehen, dass diese Zelle ebenfalls verworfen wird, also über das Flüssigkeitssystem in den „Abfall" sortiert wird. Alternativ kommt es auch in Betracht, diese Zelle doch einer weiteren Analyse zuzuführen, um die hieraus gewonnenen Analyseergebnissse mit an anderen, veränderte Expressionsmuster aufweisenden Zellen zu vergleichen.
  • Von besonderem Interesse sind Zellen, die Fluoreszenzsignale in beiden Fluoreszenzfarben emittieren, deren Expressionsmuster sich verändert hat. Bei der derartigen Zelle werden beide Gene exprimiert und es hat beispielsweise die Expression von Gen X-YFP einen Effekt auf die Verteilung von Gen A-CFP. Zum Beispiel ist die Fluoreszenz des Gens A-CFP nun im Zellkern anstatt im Zytosol zu finden. Bei einer derartigen Zelle hat die Doppel-Transormation funktioniert und einen sichtbaren Effekt. Eine derartige Zelle wird selektiert bzw. aussortiert und etwa über die „Weiche" des Flüssigkeitssystems weiter befördert, beispielsweise in eine spezielle weitere Kammer.
  • Anstatt die selektierten bzw. aussortierten Zellen nun weiter zu kultivieren, ermöglicht ein erfindungsgemäßes Mikrosystem nun, die molekulare, biochemische, biologische bzw. chemische Analyse im gleichen Mikrosystem bzw. auf dem gleichen Chip weiter durchzuführen, also die Zellen nicht aus dem System zu entlassen für eine weitere, gegenüber dem System externe Behandlung oder Kultivierung. Die Intergration einer an sich bekannten „Bio-Chip-Funktionalität" und einer an sich bekannten „Sortier-Chip-Funktionalität" in ein Mikrosystem ermöglicht vorteilhaft, dass ein für die Analyse der Zellen in der „Beobachtungskammer" vorzugsweise verwendetes optisches System ebenfalls den Bezug auf die „Bio-Chip-Funktionalität" verwendet werden kann, etwa um Banden in einer Elektrophorese-Strecke zu erfassen oder DNA/RNA-Spots auszulesen. Es können in diesem Zusammenhang hochempfindliche und hochauflösende Detektionssysteme verwendet werden, die auch kleinste Signale unter hoher räumlicher Auflösung erfassen bzw. auslesen können.
  • Beispielsweise könnte die aussortierte Zelle, in der ein Effekt von Gen X-YFP auf Gen A-CFP beobachtet wurde, zuerst in eine „Lyse-Station" oder „Lyse-Kammer" geleitet werden. In dieser werden über Mikro-Fluidik-Kanäle/Pumpen Chemikalien (etwa Detergenzien, Enzyme usw.) der Zelle zugeführt, die diese in ihre Bestandteile (DNA, RNA, Proteine) zersetzen. Diese so freigesetzten Moleküle können nun ebenfalls mittels feldelektrischer Effekte oder/und durch Mikrofluidik (Flüssigkeitsströme) in einen „Bio-Chip-Abschnitt" des Mikrosystems weiter transportiert werden. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung könnte nach der Lyse der Zelle über die Mikrofluidik noch ein fluoreszenzmarkierter Antikörper (z.B. mit dem Fluoreszenzfarbstoff TexasRed markiert) in die „Lyse-Kammer" eingebracht werden. Dieser Antikörper könnte z.B. spezifisch phosphorylierte Aminosäuren in sämtlichen zellulären Proteinen erkennen und an diese binden. Im Anschluss an die Antikörperfärbung könnten dann die Zellbestandteile z.B. mittels feldelektrischer Effekte in eine Mikrokapillargel-Elektrophorese-Strecke überführt werden, die sich an die „Lyse-Kammer" anschließt. Man kann in diesem Zusammenhang vorsehen, die Zellbestandteile aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften vorzusortieren oder/und zu fraktionieren oder/und aufzureinigen, bevor das entsprechende Material der weiteren Analyse unterzogen wird, beispielsweise in die Mikrokapillargel-Elektrophorese-Strecke eingegeben wird. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass durch die feldelektrische Manipulation nicht nur größere Partikel, sondern auch Moleküle sortiert und gezielt transportiert werden können.
  • Im hier zugrunde gelegten Beispiel könnten die Proteine im Mikrogel der Elektrophorese-Strecke nach Ladung und Größe getrennt werden. Das Mikrogel kann mit dem beim vorliegenden Beispiel zugrunde gelegten Bild gebenden System beobachtet werden. Sämtliche Proteine, die phosphoryliert sind, würden die rote Fluoreszenz des TexasRed-Farbstoffs zeigen. Das Protein von Interesse (Gen A-CFP) ist jedoch zusätzlich mit CFP markiert und würde ein entsprechendes Signal in der CFP-Fluoreszenzfarbe zeigen. Falls an einer Stelle im Gel beide Fluoreszenzfarben überlagert wären, wäre dies ein Zeichen dafür, dass Gen A-CFP korreliert mit der Gen X-YFP-Expression phosphoryliert wird. Ebenso könnte der Phosphorylisierungszustand des Gens X-YFP ermittelt werden.
  • Die vorstehenden Ausführungen beziehen sich nur auf ein Beispiel. Es können auch andere Fragestellungen untersucht und andere biochemische bzw. molekulare bzw. chemische bzw. biologische Analysemethoden eingesetzt werden bzw. im Mikrosystem implementiert sein.
  • Ein anderes, im Prinzip schon angesprochenes Beispiel ist Folgendes. Im Anschluss an die Lyse der Zelle in der „Lyse-Kammer" wird die DNA oder/und RNA der Zelle, ebenfalls mittels Mikro-Fluidik oder/und mittels feldelektrischer Effekte, auf einem „DNA-Chip" des Mikrosystems verteilt, der mit unterschiedlichen kurzen DNA-Fragmenten bestückt ist, an die die DNA/RNA aus der Zelle spezifisch binden kann. Die großen Fragmente aus dem Chip können fluoreszenzmarkiert sein. Gemäß einer an sich bekannten Technologie ist die Fluoreszenz der Fragmente unterdrückt, so lange die Fragmente nicht mit der DNA/RNA aus der Zelle hybridisiert sind, da die Fragmente dann flach auf dem Substrat aufliegen (vgl. 5). Durch die spezifische DNA/RNA-Bindung richten sich die Fragmente auf, wodurch die Fluoreszenz des jeweiligen Fragments nicht unterdrückt wird. Damit ist das Vorhandensein der zum Fragment komplementären DNA/RNA auf Grundlage des Fluoreszenzsignals nachweisbar. Man kann auf diese Weise beispielsweise verizieren, ob die DNA/RNA des Gens X unverändert in der Zelle vorliegt, ggf. trotz vorgenommener Transformationen.
  • Weitere Anwendungsmöglichkeiten und mittels eines erfindungsgemäßen Mikrosystems bzw. einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Manipulieren und Analysieren von Mikroobjekten durchführbare Analysen und Untersuchungen sind für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich.

Claims (48)

  1. Einrichtung zum zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassenden Manipulieren und zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen (203; 274), Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, umfassend: wenigstens ein Mikrosystem (72), welches zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, ausgeführt ist und in dem auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur einzelne Mikroobjekte aus einer Mehrzahl von darin enthaltenen oder diesem zugeführten Mikroobjekten selektierbar und einem Untersuchungsbereich (212, 214; 112, 214a; 212, 242, 214b) des Mikrosystems zuführbar sind, der dafür ausgelegt ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Untersuchungsmethode auf das jeweilige einzelne Mikrooobjekt anzuwenden.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Untersuchungsbereich wenigstens einen Vorbereitungsabschnitt (212) aufweist, der dafür ausgebildet ist, das jeweils zugeführte Mikroobjekt in Bestandteile zu zerlegen oder zu zersetzen, insbesondere Zellbestandteile durch Manipulation oder zumindest teilweise Zerstörung der Zellmembran freizusetzen.
  3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorbereitungsabschnitt wenigstens einen räumlichen Bereich, ggf. eine Kammer (212) oder ein durch elektrische oder/und elektromagnetische Felder definiertes Kompartiment, aufweist, dem wenigstens eine Lyse-Chemikalie zuführbar und in dem die Zellbestandteile einer jeweiligen biologischen Zelle durch Lyse auf Grundlage der Lyse-Chemikalie freisetzbar sind.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Untersuchungsbereich wenigstens einen sich ggf. an den Vorbereitungsabschnitt anschließenden oder mit diesem zusammenfallenden Amplifizierungsabschnitt (242) aufweist, der dafür ausgebildet ist, das jeweilige Mikroobjekt oder erhaltene Bestandteile einer biochemischen oder molekularen Amplifizierungsmethode zu unterziehen.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Amplifizierungsabschnitt wenigstens einen räumlichen Bereich, ggf. eine Kammer (242) oder ein durch elektrische oder/und elektromagnetische Felder definiertes Kompartiment, aufweist, dem eine PCR-Reaktionslösung zuführbar und in dem das biologische Mikroobjekt bzw. die Bestandteile sowie resultierende Amplifizierungsprodukte gemeinsam mit der PCR-Reaktionslösung Temperaturzyklen aussetzbar sind, um eine PCR-Amplifizierung vorzusehen.
  6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Untersuchungsbereich wenigstens einen sich ggf. an den Vorbereitungsabschnitt oder den Amplifizierungsabschnitt anschließenden Analyseabschnitt (214; 214a; 214b) aufweist, der dafür ausgebildet ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Analysemethode auf das jeweilige Mikroobjekt oder erhaltene Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte anzuwenden.
  7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyseabschnitt wenigstens eine Elektrophorese-Strecke (214) oder/und Chromatographie-Strecke zum Auftrennen der Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte aufweist.
  8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyseabschnitt wenigstens ein Feld (214a) von an einer Oberfläche angebundenen Fangsonden, ggf. Hybridisierungssonden oder Antikörpersonden, aufweist zum Einfangen zugeordneter Bestandteile oder Amplifizierungsprodukte.
  9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine auf der Detektion wenigstens einer von wenigstens einem Bereich des Mikrosystems ausgehenden Signalart oder/und auf der Detektion einer Modifikation wenigstens eines an wenigstens einem Bereich des Mikrosystems angelegten Signals beruhende Detektionsanordnung (60) aufweist.
  10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Anregungsanordnung (60) zum Anregen wenigstens einer von der Detektionsanordnung detektierbaren Signalart oder/und wenigstens einer von der Detektionsanordnung (60) detektierbaren Signalmodifikation in bzw. bezüglich wenigstens einem Bereich des Mikrosystems aufweist.
  11. Einrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische oder/und magnetische oder/und elektromagnetische oder/und optische Signale detektierbar oder/und anregbar oder/und anlegbar sind.
  12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Detektion oder/und Anregung auf elektrischem oder/und magnetischem oder/und elektromagnetischem oder/und optischem Wege vorgesehen ist.
  13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine optische Untersuchungsanordnung (60) aufweist, mit einem Objektbereich (64), in dem das Mikrosystem oder zumindest ein Abschnitt desselben platziert oder platzierbar ist und mit einem Beobachtungsstrahlengang (62), der vom Objektbereich zu einem Bild- oder Beobachtungsbereich (66) führt.
  14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Untersuchungsanordnung wenigstens einen sich an einen Lichteingang oder eine Lichtquelle anschließenden Beleuchtungsstrahlengang (80, 82, 82', 100) aufweist, über den der Objektbereich beleuchtbar ist.
  15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Untersuchungsanordnung wenigstens einen Durchlicht-Beleuchtungsstrahlengang (100) oder/und wenigstens einen Auflicht-Beleuchtungsstrahlengang, vorzugsweise wenigstens zwei Auflicht-Beleuchtungsstrahlengänge (80, 82, 82'), aufweist.
  16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass über den oder wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang (80, 82, 82', 100) das im Objektbereich befindliche Mikrosystem zumindest bereichsweise mit Anregungslicht zur Anregung von Fluoreszenzstrahlung beleuchtbar ist und dass in Folge dieser Beleuchtung im Mikrosystem entstehende Fluoreszenzstrahlung über den Beobachtungsstrahlengang (62) beobachtbar oder/und in den Bild- oder Beobachtungsbereich abbildbar ist.
  17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Beobachtungsstrahlengang als Mikroskopstrahlengang (62) ausgeführt ist.
  18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, gekennzeichnet durch eine ortsauflösende und vorzugsweise wellenlängenauflösende Detektoranordnung (74) im Bild- oder Beobachtungsbereich (66).
  19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Analyseabschnitt in Folge der Anwendung der Analysemethode und ggf. der Anregung auftretende, sich auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung (60) detektierbar sind.
  20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass im Analyseabschnitt in Folge der Anwendung der Analysemethode und ggf. der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen oder/und Muster über den Beobachtungsstrahlengang (62) beobachtbar bzw. in den Bild- oder Beobachtungsbereich (66) abbildbar sind.
  21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem einen Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt (200; 270) aufweist, in dem Mikroobjekte bereitstellbar sind oder durch den dem Mikrosystem zugeführte Mikroobjekte förderbar sind.
  22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt (200; 270) bereitgestellte Mikroobjekte auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur vereinzelbar oder/und sortierbar oder/und für eine weitere Behandlung oder/und Untersuchung selektierbar sind.
  23. Einrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt (200, 270) oder/und in einem angeschlossenen Beobachtungsabschnitt auftretende, ggf. in Folge der Anregung auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung (60) detektierbar sind.
  24. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereitstellungs- oder/und Durchlaufabschnitt (200, 270) oder/und in einem/dem angeschlossenen Beobachtungsabschnitt auftretende, ggf. in Folge der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen oder/und Muster über den Beobachtungsstrahlengang (62) beobachtbar bzw. in den Bild- oder Beobachtungsbereich (66) abbildbar sind.
  25. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt (200) an einer Fluidzuführung angeschlossen oder anschließbar ist, über die in einem Fluid suspendierte Mikroobjekte dem Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt zuführbar sind.
  26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem einen Kultivierungsabschnitt (270) umfasst, in dem biologische Zellen oder Verbände von biologischen Zellen in Suspension oder auf einem Substrat kultivierbar sind.
  27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat an wenigstens einer Stelle eine Substanz (272) zur Beeinflussung des Zellwachstums oder/und zur Zellmanipulation oder Zelltransformation trägt.
  28. Einrichtung nach Anspruch 25 und nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Kultivierungsabschnitt über die Fluidzuführung am Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt angeschlossen oder anschließbar ist.
  29. Einrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Kultivierungsabschnitt (270) selbst als Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt dient.
  30. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (72) relativ zur Detektionsanordnung (60) verstellbar ist, um wahlweise in verschiedenen Abschnitten des Mikrosystems auftretende, ggf. in Folge der Anregung auftretende, sich auf wenigstens ein Mikroobjekt oder/und auf das Ergebnis der Analysemethode beziehende Erscheinungen oder/und Muster mittels der Detektionsanordnung zu detektieren.
  31. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (70) relativ zum Objektbereich (64) verstellbar ist, um wahlweise in verschiedenen Abschnitten des Mikrosystems auftretende, ggf. in Folge der Beleuchtung mit Anregungslicht auftretende, sich auf wenigstens ein biologisches Mikroobjekt oder/und auf das Ergebnis der biochemischen Analysemethode beziehende und optisch beobachtbare Erscheinungen und Muster über den Beobachtungsstrahlengang (62) zu beobachten bzw. in den Bild oder Beobachtungsbereich (66) abzubilden.
  32. Einrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 31, gekennzeichnet durch eine an der Detektionsanordnung (60) oder/und Detektoranordnung (66) angeschlossene Auswerteeinheit (202), die dafür ausgeführt ist, mittels der Detektionsanordnung bzw. der Detektoranordnung erfasste Erscheinungen und Muster nach wenigstens einem vorgegebenen oder vorgebbaren Kriterium auszuwerten und auf Grundlage der Auswertung Ergebnisdaten bereitzustellen oder/und wenigstens eine Einwirkungsanordnung zur elektrischen oder/und magnetischen oder/und elektromagnetischen oder/und optischen oder/und mechanischen oder/und fluidmechanischen oder/und chemischen Einwirkung auf ein jeweiliges Mikroobjekt anzusteuern.
  33. Einrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der Auswertung und der Ansteuerung der Einwirkungsanordnung die Mikroobjekte gemäß wenigstens einem Selektionskriterium objektweise selektierbar und dem Untersuchungsbereich zuführbar sind.
  34. Einrichtung nach Anspruch 32 oder 33, gekennzeichnet durch eine in das Mikrosystem integrierte, an einer wenigstens eine Spannungsquelle oder/und wenigstens einen Generator aufweisenden Elektronik (202) angeschlossene oder anschließbare Elektrodenanordnung (204), über die elektrische oder elektromagnetische Feldkräfte auf das jeweilige Mikroobjekt bzw. die Mikroobjekte ausübbar sind.
  35. Einrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass vermittels der Elektrodenanordnung (204) und der Elektronik (202) elektrophoretische oder dielektrophoretische Kräfte auf die Mikroobjekte ausübbar sind, um diese vorzugsweise objektweise zu manipulieren, insbesondere um ein jeweiliges Mikroobjekt zeitweilig in einem definierten räumlichen Bereich zu halten oder/und diesem eine definierte Driftbewegung zu erteilen.
  36. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem mehrere jeweils gesondert mit Mikroobjekten beschickbare Untersuchungsbereiche (212, 224) aufweist.
  37. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, zumindest rückbezogen auf Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlengang und ggf. den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweisendes Mikroskop (60) umfasst.
  38. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 37, zumindest rückbezogen auf Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine den Objektbereich, den Beobachtungsstrahlengang und ggf. den wenigstens einen Beleuchtungsstrahlengang aufweisende, ggf. das Mikroskop umfassende Fluoreszenz-Messvorrichtung (60) umfasst.
  39. Einrichtung nach Anspruch 37 oder 38, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrosystem (72) als eine gegenüber dem Mikroskop (60) bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung (60) gesonderte, im Objektbereich, insbesondere auf einem Objekttisch des Mikroskops bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung platzierbare Einheit (72) ausgeführt ist oder in eine gegenüber dem Mikroskop (60) bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung (60) gesonderte, im Objektbereich, insbesondere auf einem Objekttisch des Mikroskops bzw. der Fluoreszenz-Messvorrichtung platzierbare Einheit (72) integriert ist.
  40. Einheit zum zumindest ein Fördern und ggf. Sortieren umfassenden Manipulieren und zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen, Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen (203; 274) oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, umfassend: wenigstens ein Mikrosystem (72), welches zumindest bereichsweise als fluidisches Mikrosystem oder/und Chipsystem, insbesondere Biochipsystem, ausgeführt ist und in dem auf Grundlage wenigstens einer Einwirkung elektrischer oder/und magnetischer oder/und elektromagnetischer oder/und optischer oder/und mechanischer oder/und fluidmechanischer oder/und chemischer Natur einzelne Mikroobjekte aus einer Mehrzahl von darin enthaltenen oder diesem zugeführten biologischen Mikroobjekten selektierbar und einem Untersuchungsbereich (212, 214; 212, 214a; 212, 242, 214b) des Mikrosystems zuführbar sind, der dafür ausgelegt ist, wenigstens eine biochemische, biologische, molekulare oder chemische Untersuchungsmethode auf das jeweilige einzelne Mikroobjekt anzuwenden, wobei die Einheit dafür vorgesehen ist, mit einem Mikroskop (60) oder einer Fluoreszenz-Messeinrichtung (60) kombiniert zu werden, um einer Einrichtung nach Anspruch 39 bereitzustellen.
  41. Einheit nach Anspruch 40, gekennzeichnet durch die sich auf das Mikrosystem beziehenden Merkmale wenigstens eines der Ansprüche 2 bis 39.
  42. Verfahren zum Analysieren von Mikroobjekten, insbesondere von biologischen Mikroobjekten, wie biologische Zellen (203; 274), Verbände von biologischen Zellen, Fragmente von biologischen Zellen oder Biomoleküle oder Biomolekülverbände, unter Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 39 oder einer Einheit nach Anspruch 40 oder 41, mit den Schritten: a) Selektieren eines Mikroobjekt (203 bzw. 274) in dem Bereitstellungs- oder Durchlaufabschnitt (200; 270) oder Beobachtungsabschnitt nach wenigstens einem Selektionskriterium; b) Zuführen des selektierten Mikroobjekts zu dem Untersuchungsbereich (212, 214; 212, 214a; 212, 242, 214b) oder einem ausgewählten von mehreren Untersuchungsbereichen (212, 214); c) Unterziehen des Mikroobjekts wenigstens einer biochemischen, biologischen, molekularen oder chemischen Methode, insbesondere Untersuchungs- bzw. Analysemethode; d) Erfassen von das Ergebnis der Methode repräsentierenden Erscheinungen oder/und Mustern vorzugsweise auf optischem Wege.
  43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Selektieren eines Mikroobjekts ein Aussortieren aus mehreren Mikroobjekten umfasst.
  44. Verfahren nach Anspruch 42 oder 43, unter Verwendung einer Einrichtung gemäß Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schritt c) parallel mehrfach gesondert durchgeführt wird.
  45. Verfahren nach einem der Ansprüche 42 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine biologische Zelle innerhalb des Mikrosystems (72) einer Lyse-Behandlung unterzogen und dass hierdurch freigesetzte Zellbestandteil innerhalb des Mikrosystems wenigstens einer biochemischen, biologischen, molekularen oder chemischen Methode unterzogen werden.
  46. Verfahren nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf freigesetzte Zellbestandteile eine Amplifizierungsmethode, insbesondere PCR-Amplifizierungsmethode, innerhalb des Mikrosystems (72) durchgeführt wird.
  47. Verfahren nach Anspruch 45 oder 46, dadurch gekennzeichnet, dass freigesetzte Zellbestandteile oder/und Amplifizierungsprodukte, vorzugsweise auf elektrophoretischem oder chromatografischem Wege, innerhalb des Mikrosystems (72) voneinander getrennt werden.
  48. Verfahren nach einem der Ansprüche 45 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass freigesetzte Zellbestandteile oder/und Amplifizierungsprodukte innerhalb des Mikrosystems (72) durch Fangsonden eingefangen werden.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006076567A2 (en) * 2005-01-13 2006-07-20 Micronics, Inc. Microfluidic rare cell detection device
DE102013109481A1 (de) * 2013-08-30 2015-03-05 Firma Leica Microsystems CMS GmbH Lasermikrodissektionssystem und Lasermikrodissektionsverfahren
WO2022088667A1 (zh) * 2020-10-30 2022-05-05 中元汇吉生物技术股份有限公司 一站式反应器
US11686664B2 (en) * 2018-01-29 2023-06-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Particle categorization

Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991007486A1 (en) * 1989-11-17 1991-05-30 Stapleton Marilyn J Device for processing biological specimens for analysis of nucleic acids
US5716825A (en) * 1995-11-01 1998-02-10 Hewlett Packard Company Integrated nucleic acid analysis system for MALDI-TOF MS
WO1998040466A1 (en) * 1997-03-13 1998-09-17 Corning Incorporated Integrated fluid circuit for the execution of a chemical or biological process
US6197595B1 (en) * 1995-06-29 2001-03-06 Affymetrix, Inc. Integrated nucleic acid diagnostic device
WO2001018246A1 (en) * 1999-08-26 2001-03-15 The Trustees Of Princeton University Microfluidic and nanofluidic electronic devices for detecting changes in capacitance of fluids and methods of using
WO2001030995A1 (en) * 1999-10-28 2001-05-03 Gyros Ab Dna isolation method
DE10006214A1 (de) * 2000-02-11 2001-08-16 Roche Diagnostics Gmbh System zur einfachen Nukleinsäureanalytik
WO2001063241A2 (en) * 2000-02-23 2001-08-30 Zyomyx, Inc. Microfluidic devices and methods
US6337740B1 (en) * 1996-07-16 2002-01-08 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices for electrophoretic analysis of materials
EP1179585A2 (de) * 1997-12-24 2002-02-13 Cepheid Integrierte Kassette zur Handhabung von Flüssigkeiten
WO2002022878A1 (en) * 2000-09-14 2002-03-21 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices and methods for performing temperature mediated reactions
WO2002057798A2 (en) * 2000-12-29 2002-07-25 Iquum, Inc. Sample processing device and method
US20030027225A1 (en) * 2001-07-13 2003-02-06 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices and systems for separating components of a mixture
US20030027203A1 (en) * 1997-03-24 2003-02-06 Fields Robert E. Biomolecular processor
WO2003011768A2 (en) * 2001-08-01 2003-02-13 Datascope Investment Corp. Microfluidic device for molecular analysis
US20030032029A1 (en) * 1998-12-21 2003-02-13 Nanogen, Inc. Three dimensional apparatus and method for integrating sample preparation and multiplex assays
DE10195986T1 (de) * 2000-03-31 2003-02-27 Sanyo Electric Co Verfahren und Vorrichtung zur Unterscheidung von Mikroorganismen, Verfahren zum Erzeugen einer Datenbank zur Unterscheidung von Mikroorganismen und Programm zur Unterscheidung von Mikroorganismen und Aufnahmemedium, auf welchem ein solches Programm aufgenommen ist
DE10142691A1 (de) * 2001-08-31 2003-03-27 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen sowie eine Vorrichtung hierfür
US6576459B2 (en) * 2001-03-23 2003-06-10 The Regents Of The University Of California Sample preparation and detection device for infectious agents
US20030138941A1 (en) * 2001-10-26 2003-07-24 Haiqing Gong Sample preparation integrated chip
US20030157587A1 (en) * 2000-04-17 2003-08-21 Rafael Gomez Biosensor and related method
US20030186426A1 (en) * 2000-03-15 2003-10-02 The Regents Of The University Of California Multichannel flow cell for interacting single optically trapped, DNA molecules with different chemical species

Patent Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1991007486A1 (en) * 1989-11-17 1991-05-30 Stapleton Marilyn J Device for processing biological specimens for analysis of nucleic acids
US6197595B1 (en) * 1995-06-29 2001-03-06 Affymetrix, Inc. Integrated nucleic acid diagnostic device
US5716825A (en) * 1995-11-01 1998-02-10 Hewlett Packard Company Integrated nucleic acid analysis system for MALDI-TOF MS
US6337740B1 (en) * 1996-07-16 2002-01-08 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices for electrophoretic analysis of materials
WO1998040466A1 (en) * 1997-03-13 1998-09-17 Corning Incorporated Integrated fluid circuit for the execution of a chemical or biological process
US20030027203A1 (en) * 1997-03-24 2003-02-06 Fields Robert E. Biomolecular processor
EP1179585A2 (de) * 1997-12-24 2002-02-13 Cepheid Integrierte Kassette zur Handhabung von Flüssigkeiten
US20030032029A1 (en) * 1998-12-21 2003-02-13 Nanogen, Inc. Three dimensional apparatus and method for integrating sample preparation and multiplex assays
WO2001018246A1 (en) * 1999-08-26 2001-03-15 The Trustees Of Princeton University Microfluidic and nanofluidic electronic devices for detecting changes in capacitance of fluids and methods of using
WO2001030995A1 (en) * 1999-10-28 2001-05-03 Gyros Ab Dna isolation method
DE10006214A1 (de) * 2000-02-11 2001-08-16 Roche Diagnostics Gmbh System zur einfachen Nukleinsäureanalytik
WO2001063241A2 (en) * 2000-02-23 2001-08-30 Zyomyx, Inc. Microfluidic devices and methods
US20030186426A1 (en) * 2000-03-15 2003-10-02 The Regents Of The University Of California Multichannel flow cell for interacting single optically trapped, DNA molecules with different chemical species
DE10195986T1 (de) * 2000-03-31 2003-02-27 Sanyo Electric Co Verfahren und Vorrichtung zur Unterscheidung von Mikroorganismen, Verfahren zum Erzeugen einer Datenbank zur Unterscheidung von Mikroorganismen und Programm zur Unterscheidung von Mikroorganismen und Aufnahmemedium, auf welchem ein solches Programm aufgenommen ist
US20030157587A1 (en) * 2000-04-17 2003-08-21 Rafael Gomez Biosensor and related method
WO2002022878A1 (en) * 2000-09-14 2002-03-21 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices and methods for performing temperature mediated reactions
WO2002057798A2 (en) * 2000-12-29 2002-07-25 Iquum, Inc. Sample processing device and method
US6576459B2 (en) * 2001-03-23 2003-06-10 The Regents Of The University Of California Sample preparation and detection device for infectious agents
US20030027225A1 (en) * 2001-07-13 2003-02-06 Caliper Technologies Corp. Microfluidic devices and systems for separating components of a mixture
WO2003011768A2 (en) * 2001-08-01 2003-02-13 Datascope Investment Corp. Microfluidic device for molecular analysis
DE10142691A1 (de) * 2001-08-31 2003-03-27 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen sowie eine Vorrichtung hierfür
US20030138941A1 (en) * 2001-10-26 2003-07-24 Haiqing Gong Sample preparation integrated chip

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006076567A2 (en) * 2005-01-13 2006-07-20 Micronics, Inc. Microfluidic rare cell detection device
WO2006076567A3 (en) * 2005-01-13 2006-09-21 Micronics Inc Microfluidic rare cell detection device
DE102013109481A1 (de) * 2013-08-30 2015-03-05 Firma Leica Microsystems CMS GmbH Lasermikrodissektionssystem und Lasermikrodissektionsverfahren
US11686664B2 (en) * 2018-01-29 2023-06-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Particle categorization
WO2022088667A1 (zh) * 2020-10-30 2022-05-05 中元汇吉生物技术股份有限公司 一站式反应器

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