JP2002525600A - Miniaturized cell array method and device for cell-based screening - Google Patents

Miniaturized cell array method and device for cell-based screening

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JP2002525600A JP2000571235A JP2000571235A JP2002525600A JP 2002525600 A JP2002525600 A JP 2002525600A JP 2000571235 A JP2000571235 A JP 2000571235A JP 2000571235 A JP2000571235 A JP 2000571235A JP 2002525600 A JP2002525600 A JP 2002525600A
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well
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アルバート エイチ. ゴウ、
ディー. ランシング テイラー、
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、像において適当な画素分解能を依然として得つつ、一度に像形成できるウェルの数を最大化するための装置および方法に関する。この結果はウェル密度を最大化する流体構築物の使用を介して達成された。このように、本発明は、流体交換、および個々のセルの空間的に分解された特徴をより迅速に検出するために密に間隔を設けられたウェルが内部に供給された閉鎖流体容量を備えた小型化マイクロプレートシステムを提供する。 SUMMARY The present invention relates to an apparatus and method for maximizing the number of wells that can be imaged at one time, while still having adequate pixel resolution in the image. This result was achieved through the use of a fluid construct to maximize well density. Thus, the present invention comprises a fluid exchange and a closed fluid volume in which closely spaced wells are provided to more quickly detect the spatially resolved features of individual cells. To provide a miniaturized microplate system.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 (技術分野) 本発明は、細胞ベースの高スループットおよび生物学的高含有量スクリーニン
グのための方法および装置に関する。
TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to methods and apparatus for cell-based high throughput and high biological content screening.

【0002】 (背景技術) 本出願は、ここに引用して共にその全体を一体化させる、1998年9月22
日に出願された米国仮特許出願第60/101,399号および1997年5月
29日に出願された米国特許出願第08/865,341号の一部継続出願であ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION This application is incorporated herein by reference in its entirety, September 22, 1998.
It is a continuation-in-part of U.S. Provisional Patent Application Ser.

【0003】 候補化合物を創製するための薬物発見およびコンビナトリアル・ケミストリー
の拡大する競争において、動物およびヒトに対するその生理学的インパクトのた
めに、高スループットスクリーニングを介して、非常に多数の物質を迅速にスク
リーニングできるのは非常に有用であろう。動物に対する「部分的に資格のある
」薬物候補の効果をテストする前に、薬物はまず生きた細胞でその生物学的活性
および潜在的毒性につきスクリーニングし得る。薬物候補に対する生物学的応答
がこれらの細胞スクリーニングの結果から予測し得る。
[0003] In the expanding competition of drug discovery and combinatorial chemistry to create candidate compounds, a very large number of substances are rapidly screened via high-throughput screening for their physiological impact on animals and humans. What you can do will be very useful. Before testing the effect of a "partially qualified" drug candidate on an animal, the drug may first be screened on living cells for its biological activity and potential toxicity. The biological response to the drug candidate can be predicted from the results of these cell screens.

【0004】 伝統的には、「リード化合物」は、時間を消費し、かつコストがかかる広範な
動物実験に迅速に移されてきた。さらに、動物における広範な薬物テストは分化
的により許容されなくなってきた。動物実験に先立っての生きた細胞でのそれら
の相互作用にしたがって薬物候補をスクリーニングするのは、動物試験に行く前
にいくつかの薬物候補を除去することによって引き続いての薬物スクリーニング
プロセスで必要な動物の数を減少させることができる。しかしながら、現行方法
を用いる薬物−細胞相互作用の操作および分析は、所与の時間で分析できる少数
の細胞および化合物、化合物送達に要する面倒な方法、および非常に大きな容量
のテストに必要な化合物のため、高スループットおよび高生物学的含有量スクリ
ーニング双方を可能としない。
[0004] Traditionally, "lead compounds" have been rapidly transferred to a wide range of animal experiments that are time consuming and costly. In addition, extensive drug testing in animals has become more differentially unacceptable. Screening drug candidates according to their interaction with living cells prior to animal testing is necessary in subsequent drug screening processes by removing some drug candidates before going to animal testing. The number of animals can be reduced. However, manipulation and analysis of drug-cell interactions using current methods requires only a small number of cells and compounds that can be analyzed at a given time, the cumbersome methods required for compound delivery, and the compounds required for testing very large volumes. Therefore, it does not allow both high throughput and high biological content screening.

【0005】 核酸およびポリペプチドの高スループットスクリーニングはDNAチップ技術
を用いて達成されてきた。典型的なDNA分析方法においては、10ないし14
塩基対のDNA配列が、小さなガラスプレート上に数が数万までの規定された位
置(またはスポット)に付着される(ここに引用して一体化される米国特許第5
,556,752号)。これは所与のガラスプレート上にDNAのスポットのア
レイを作る。アレイにおけるスポットの位置は、DNAの各スポットに対して後
の参照用のアドレスを備える。DNA配列が、蛍光分子で標識された相補的DN
A配列とハイブリダイズされる。アレイ上の各アドレスからのシグナルは、ハイ
ブリダイズする核酸配列に付着した蛍光分子が光の存在下で蛍光を発すると検出
される。これらの装置は、薬物発見の努力およびヒトゲノム配列決定プロジェク
トでDNA配列の高スループットスクリーニングを備えるのに使用されてきた。
同様に、種々のアミノ酸長さの蛋白質配列がガラスプレート上のアレイとして区
別されるスポットに付着されてきた(引用して一体化させる米国特許第5,14
3,854号)。
[0005] High throughput screening of nucleic acids and polypeptides has been achieved using DNA chip technology. In a typical DNA analysis method, 10 to 14
Base paired DNA sequences are deposited on small glass plates at defined locations (or spots) of up to tens of thousands (see US Pat.
556, 752). This creates an array of DNA spots on a given glass plate. The location of the spots in the array provides an address for later reference for each spot of DNA. The DNA sequence is a complementary DN labeled with a fluorescent molecule.
Hybridizes with the A sequence. Signals from each address on the array are detected when fluorescent molecules attached to the hybridizing nucleic acid sequence fluoresce in the presence of light. These devices have been used to provide high-throughput screening of DNA sequences in drug discovery efforts and human genome sequencing projects.
Similarly, protein sequences of various amino acid lengths have been attached to spots that are distinguished as arrays on glass plates (US Pat. No. 5,14,14, incorporated by reference).
3,854).

【0006】 ガラスプレートに結合した核酸またはアミノ酸いずれかのアレイによって提供
された情報はそれらの基礎となる「言語」にしたがって制限される。例えば、D
NA配列は4つの核酸のみの言語を有し、蛋白質は約20アミノ酸の言語を有す
る。対照的に、生物学的成分の複雑な組織化を含む生きた細胞は、DNA、RN
A、細胞表面蛋白質、分子内蛋白質等のような種々の物質との潜在的相互作用の
同程度の大きさを持つ膨大な「言語」を有する。薬物作用についての典型的な標
的は体細胞であり、該細胞内のものであるので、細胞それ自体は、感受性検出試
薬と組み合わせた場合に薬物発見における極端に有用なスクリーニングツールを
提供する。このように、高スループット、高含有量スクリーニング装置を有して
、細胞および細胞下レベルの高含有量空間的情報ならびに生理学的、生化学的お
よび分子活性の変化についての時間的情報を提供するのは最も有用であろう。
[0006] The information provided by arrays of either nucleic acids or amino acids bound to glass plates is limited according to their underlying "language." For example, D
The NA sequence has a language of only four nucleic acids, and the protein has a language of about 20 amino acids. In contrast, living cells that contain a complex organization of biological components contain DNA, RN
A. It has an enormous "language" with comparable magnitudes of potential interactions with various substances such as cell surface proteins, intramolecular proteins and the like. Since the typical target for drug action is somatic and intracellular, the cells themselves provide an extremely useful screening tool in drug discovery when combined with sensitive detection reagents. Thus, having a high-throughput, high-content screening device to provide high-content spatial information at the cellular and subcellular levels and temporal information about changes in physiological, biochemical and molecular activities Would be most useful.

【0007】 細胞のミクロアレイ 他の適用のための通常の基板上で単一細胞タイプのミクロアレイを作成するた
めの種々の方法が提案されてきた。かかる方法の1つの実施例は、光化学レジス
ト−フォトリソグラフィであり(ムルクシッヒ(Mrksich)およびホワイトサイ
ズ(Whitesides),Ann.Rev.Biophys.Biomol.Struct.25:55-78,1996)、ここに、
ガラスプレートが均一にフォトレジストでコートされ、フォトマスクがフォトレ
ジスト上に置かれて所望の「アレイ」またはパターンを規定する。光への露出に
際して、マスク解除された領域におけるフォトレジストが取り出される。フォト
リソグラフィにより規定された全表面は、露出されたガラスおよびフォトレジス
トで被覆された領域双方と結合するオルガノシランのような疎水性物質で均一に
コートされる。そして、ガラスプレートを末端親水性基またはアミノ基のような
化学的に反応性の基を有するオルガノシランで洗浄する。親水性オルガノシラン
は露出したガラスに結合し、得られたガラスプレートは疎水性表面を横切って(
元のフォトレジストの領域に位置する)親水性または容器スポットのアレイを有
する。親水性基のスポットのアレイは、ニューロン起源のものを含めたある種の
細胞の非特異的かつ非共有の結合のための基板を提供する。
Microarrays of Cells Various methods have been proposed for making single-cell type microarrays on conventional substrates for other applications. One example of such a method is photochemical resist-photolithography (Mrksich and Whitesides, Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 25: 55-78, 1996), wherein:
The glass plate is uniformly coated with photoresist and a photomask is placed over the photoresist to define the desired "array" or pattern. Upon exposure to light, the photoresist in the unmasked areas is removed. The entire surface defined by photolithography is uniformly coated with a hydrophobic material, such as an organosilane, that binds to both the exposed glass and the photoresist-coated areas. Then, the glass plate is washed with an organosilane having a chemically reactive group such as a terminal hydrophilic group or an amino group. The hydrophilic organosilane binds to the exposed glass and the resulting glass plate crosses the hydrophobic surface (
It has an array of hydrophilic or container spots (located in the area of the original photoresist). An array of spots of hydrophilic groups provides a substrate for the non-specific and non-covalent attachment of certain cells, including those of neuronal origin.

【0008】 特異的であるが非共有結合的相互作用に基づいた別の方法において、スタンピ
ングを用いて、蛋白質吸着性アルカンチオールでコートされた金表面を生じさせ
る(米国特許第5,776,748号;Singhviら,サイエンス(Science) 264:
696-698,1994)。次いで、裸の金表面を、蛋白質吸着に抵抗するポリエチレング
リコール−末端アルカンチオールでコートする。ラミニン(細胞内マトリクス中
に見出される細胞−結合蛋白質)に対する全表面の露出の後、生きた肝細胞はラ
ミニンがコートされた島に均一に結合し、その上で増殖する(Singhviら,1994
)。強力であるが非共有結合の金属キレート化を含む技巧が、特異的蛋白質のパ
ターンで金表面をコートするのに使用されてきた(Sigalら,Anal.Chem.68:490-
497,1996)。この場合、金表面はニトロ酢酸で末端化されたアルカンチオールで
パターン化される。金の裸の領域はトリ(エチレングリコール)でコートされて
蛋白質吸着を減じる。Ni2+を添加した後、5つのヒスチジン標識蛋白質の特
異的吸着が動的に安定であることが判明した。
In another method based on specific but non-covalent interactions, stamping is used to generate protein-adsorbing alkanethiol-coated gold surfaces (US Pat. No. 5,776,748). No .; Singhvi et al., Science 264:
696-698, 1994). The bare gold surface is then coated with a polyethylene glycol-terminated alkanethiol that resists protein adsorption. After whole surface exposure to laminin (a cell-binding protein found in the intracellular matrix), live hepatocytes uniformly bind to and proliferate on laminin-coated islets (Singhvi et al., 1994).
). Techniques involving strong but non-covalent metal chelation have been used to coat gold surfaces with specific protein patterns (Sigal et al., Anal. Chem. 68: 490-).
497, 1996). In this case, the gold surface is patterned with alkanethiol terminated with nitroacetic acid. Bare areas of gold are coated with tri (ethylene glycol) to reduce protein adsorption. After the addition of Ni 2+ , the specific adsorption of the five histidine-tagged proteins was found to be dynamically stable.

【0009】 パターン化基板上の反応可能な部位に蛋白質のような特異的分子を化学的に架
橋することによってより特異的な単一細胞タイプ結合を達成することができる(
AplinおよびHughes,Analyt.Biochem.113:144-148,1981)。基板パターン化の別
の技巧は、所望により、反応可能なスポットのアレイを生じさせる。ガラスプレ
ートを、ガラスに化学収着してガラスをコートするオルガノシランで洗浄する。
オルガノシランコーティングは、アレイのパターンを規定する光学マスクを介し
て深紫外光によって照射される。照射はSi−C結合を切断して、反応性Siラ
ジカルを形成させる。水との反応はSiラジカルが極性シラノール基を形成する
ようにする。極性シラノール基はアレイ上にスポットを構成し、さらに、ここに
引用して一体化させる米国特許第5,324,591号に開示されているように
、修飾されて他の反応性分子をスポットにカップリングさせる。例えば、遊離ア
ミノ基のような生物学的官能基を含有するシランはシラノール基と反応できる。
遊離アミノ基を、蛋白質、核酸、炭水化物および脂質のような生体分子のための
共有結合の部位として用いることができる。細胞の表面と相互作用するこど知ら
れているレクチンの、反応性アミノ基を介するガラス基板への非パターン化共有
結合が示されている(AplinおよびHughes,1981)。支持体上での単一細胞タイプ
のミクロアレイを形成するための光学方法はより少ない工程を要し、フォトレジ
スト方法よりも速いが(すなわち、2工程のみ)、高価な光源からの高強度紫外
線の使用を要する。
[0009] More specific single cell type binding can be achieved by chemically cross-linking specific molecules, such as proteins, to reactive sites on the patterned substrate (
Aplin and Hughes, Analyt. Biochem. 113: 144-148, 1981). Another technique of substrate patterning produces an array of reactive spots, if desired. The glass plate is washed with an organosilane that chemisorbs the glass and coats the glass.
The organosilane coating is illuminated by deep ultraviolet light through an optical mask that defines the pattern of the array. Irradiation breaks Si-C bonds to form reactive Si radicals. Reaction with water causes the Si radicals to form polar silanol groups. The polar silanol groups constitute spots on the array and are further modified to spot other reactive molecules as disclosed in US Pat. No. 5,324,591 which is incorporated herein by reference. Allow coupling. For example, silanes containing biological functional groups such as free amino groups can react with silanol groups.
Free amino groups can be used as sites of covalent attachment for biomolecules such as proteins, nucleic acids, carbohydrates and lipids. Non-patterned covalent attachment of lectins known to interact with the surface of cells to glass substrates via reactive amino groups has been demonstrated (Aplin and Hughes, 1981). Optical methods for forming single-cell type microarrays on a support require fewer steps and are faster than photoresist methods (ie, only two steps), but high intensity ultraviolet light from expensive light sources. Requires the use of

【0010】 これらの方法の全てにおいて、結果は単一細胞タイプのミクロアレイとなる。
なぜなら、生化学的に特異的な分子は微細パターン化化学アレイに均一に結合す
るからである。フォトレジスト方法において、細胞は接着によって遊離アミノ基
のスポット、および/または、順にセルに結合するスポットに付着する特異的な
分子のアレイに結合する。細胞は、同様にしてアレイの全てのスポットに結合す
る。光学方法において、細胞は遊離アミノ基のスポットのアレイに結合する。遊
離アミノ基のスポットの間にほとんどまたは全く差異はない。再度、細胞は同様
にして全てのスポットに接着し、このように、これらの細胞につき単一タイプの
細胞の相互作用のみ実験できる。なぜならば、アレイ上の各スポットは実質的に
相互に同一だからである。そのような細胞アレイは、単一試料における特別の種
々の細胞または特別の種々の細胞相互作用を研究するためのツールとしてその利
用性に柔軟性がない。このように、同時に分析できる細胞タイプおよび特異的細
胞相互作用の数を増加させるための、共通の基板上の多数の細胞タイプのアレイ
、ならびに細胞の高スループットおよび高生物学的含有量スクリーニングを備え
るための、共通の基板上の多数の細胞タイプのこれらのマイクロアレイを生産す
る方法に対する要望が存在する。
In all of these methods, the result is a single cell type microarray.
This is because biochemically specific molecules bind uniformly to micropatterned chemical arrays. In the photoresist method, cells bind to a spot of free amino groups by adhesion and / or an array of specific molecules that attach to spots that in turn bind to the cell. Cells bind to all spots on the array in a similar manner. In the optical method, cells bind to an array of spots of free amino groups. There is little or no difference between free amino group spots. Again, the cells adhere to all spots in a similar manner, and thus only a single type of cell interaction can be studied on these cells. This is because each spot on the array is substantially identical to one another. Such a cell array is inflexible in its utility as a tool for studying particular cells or particular cell interactions in a single sample. Thus, comprising an array of multiple cell types on a common substrate, and a high throughput and high biological content screening of cells to increase the number of cell types and specific cell interactions that can be analyzed simultaneously There is a need for a method for producing these microarrays of multiple cell types on a common substrate.

【0011】 細胞生物学の光学的読み取り 数千もの化合物について高スループットスクリーニングを行うことは、多くの
化合物およびアッセイ化合物試薬の並行した取り扱いおよび処理を要する。標準
的な高スループットスクリーニングは、96または384ウェルを持つ標準的な
マイクロプレート中のウェルのアレイに負荷された、いくつかのインジケータ化
合物と共に化合物および生物学的試薬の均一な混合物を使用する(Kahlら,J.Bi
omol.Scr.2:33-40,1997)。各ウェルから測定されたシグナル(蛍光発光、光学
密度、または放射能のいずれか)は、ウェル中の全ての物質からのシグナルを積
分し、ウェルにおける全ての分子の総じての集団平均を与える。このタイプのア
ッセイは共通して均一アッセイと言う。
Optical Readings of Cell Biology Performing high-throughput screening on thousands of compounds requires parallel handling and processing of many compounds and assay compound reagents. Standard high-throughput screening uses a homogeneous mixture of compound and biological reagents with several indicator compounds loaded into an array of wells in a standard microplate with 96 or 384 wells (Kahl J. Bi
omol.Scr. 2: 33-40, 1997). The signal measured from each well (either fluorescent emission, optical density, or radioactivity) integrates the signal from all materials in the well and gives the overall population average of all molecules in the well. This type of assay is commonly referred to as a homogeneous assay.

【0012】 米国特許第5,581,487号は96ウェルプレートの全領域を像形成する
ためのCCDディテクタ(電荷結合光検出器)を用いるイメージングプレートリ
ーダーを記載する。該像を分析して均一アッセイにつきウェルあたりの全蛍光を
計算する。
US Pat. No. 5,581,487 describes an imaging plate reader that uses a CCD detector (charge coupled photodetector) to image the entire area of a 96 well plate. The image is analyzed to calculate the total fluorescence per well for a homogeneous assay.

【0013】 ショエダー(Schoeder)およびニーグル(Neagle)は、細胞単層を像形成した
場合に標準的な96ウェルプレート中のウェルの底部のほぼ200ミクロン内で
蛍光を選択的に励起してバックグラウンドを減少させるための低角度レーザー走
査照射およびマスクを記載する(J.Biomol.Scr.1:75-80,1996)。このシステム
はCCDカメラを用いて、プレート底部の全領域を像形成する。このシステムは
ウェルの底部の細胞単層に由来するシグナルを測定するが、測定されたシグナル
はウェルの領域にわたって平均され、したがって、依然として均一測定とみなさ
れる。なぜなら、それは細胞の集団の平均応答だからである。該像を分析して、
細胞ベースの均一アッセイにつきウェルあたりの全蛍光を計算する。
[0013] Schoeder and Neagle selectively excite fluorescence within approximately 200 microns at the bottom of a well in a standard 96-well plate when imaging a cell monolayer. A low-angle laser scanning irradiation and mask to reduce blemishes are described (J. Biomol. Scr. 1: 75-80, 1996). This system uses a CCD camera to image the entire area at the bottom of the plate. This system measures the signal from the cell monolayer at the bottom of the well, but the measured signal is averaged over the area of the well and is therefore still considered a uniform measurement. Because it is the average response of a population of cells. Analyzing the image,
Calculate total fluorescence per well for a cell-based homogeneous assay.

【0014】 プロフィット(Proffitt)ら(Cytometry 24:204-213,1996)は、そのままで
相対的細胞数を定量するためのシステムを有する半自動蛍光デジタルイメージン
グを記載し、ここに、細胞はフルオレセインジアセテート(FDA)で予備処理
されている。該システムは種々の組織培養プレート、特に96−ウェルマイクロ
プレートを利用する。該システムは電動ステージ、ビデオカメラ、イメージ増倍
管、およびPC−ビィジョンデジタイザを持つマイクロコンピュータを備えた落
射蛍光倒立型顕微鏡よりなる。ターボ・パスカル(Turbo Pascal)ソフトウェア
はステージを制御し、プレートを走査し、ウェルあたり多数の像を取る。該ソフ
トウェアはウェルあたりの全蛍光を計算し、日常キャリブレーションを備え、種
々の組織培養プレート形式を配置する。デジタル像の閾値設定および生きた細胞
によってのみ摂取された場合に蛍光を発する試薬の使用を用いて、過剰の蛍光試
薬を除去することなくバックグラウンド蛍光を低下させる。
[0014] Proffitt et al. (Cytometry 24: 204-213, 1996) describe semi-automated fluorescence digital imaging with a system for quantifying relative cell numbers in situ, where cells are fluorescein Pre-treated with acetate (FDA). The system utilizes various tissue culture plates, especially 96-well microplates. The system consisted of an inverted fluorescence inverted microscope equipped with a motorized stage, a video camera, an image intensifier, and a microcomputer with a PC-vision digitizer. Turbo Pascal software controls the stage, scans the plate and takes multiple images per well. The software calculates total fluorescence per well, provides daily calibration, and configures various tissue culture plate formats. The threshold setting of digital images and the use of reagents that fluoresce only when taken up by living cells are used to reduce background fluorescence without removing excess fluorescent reagents.

【0015】 顕微鏡で蛍光細胞を像形成し、これらの細胞において起こる空間的分布および
時間的変化についての正確な情報を抽出するために種々の方法が開発されてきた
。最近の論文は多くのこれらの方法およびそれらの適用を記載する(テイラー(
Taylor)ら,Am.Scientist 80:322-335,1992)。これらの方法は、細胞における
蛍光レポータ分子の分布、量および生化学的環境の高い空間的および時間的分解
能での少数の検体の調製のために設計され最適化されてきた。
[0015] Various methods have been developed to image fluorescent cells under a microscope and extract accurate information about the spatial distribution and temporal changes occurring in these cells. Recent papers describe many of these methods and their applications (Taylor (
Taylor) et al., Am. Scientist 80: 322-335, 1992). These methods have been designed and optimized for the preparation of a small number of analytes with high spatial and temporal resolution of the distribution, quantity and biochemical environment of the fluorescent reporter molecule in the cells.

【0016】 色素および蛍光試薬での細胞の処理、細胞のイメージング、および修飾された
緑色蛍光蛋白質(GFP)のような蛍光レポータ分子を生じさせるための細胞の
作成は有用な方法である(Wangら,In Methods in Cell Biology,ニューヨーク
州,Alan R.Liss,29:1-12,1989)。クラゲ(Aequorea victoria)の緑色蛍光蛋
白質(GFP)は395nmの励起最大、510nmの発光最大を有し、外因因
子を要しない。遺伝子発現および蛋白質の位置決定の研究のためのGFPの使用
はチャルフィー(Chalfie)ら,サイエンス(Science) 263:802-805,1994に議
論されている。野生型GFPのいくつかの特性がモリス(Morise)ら(Biochemi
stry 13:2656-2662,1974)およびワード(Ward)ら(Photochem.Photobiol.31:6
11-615,1980)に開示されている。リズロ(Rizzulo)ら(ネイチャー(Nature)
358:325-327,1992)による論文は細胞中の細胞下小器官を可視化するためのツ
ールとしての野生型GFPの使用を議論している。ケーター(Kaether)および
ゲルデ(Gerdes)(FEBS Letters 369:267-271,1995)は、野生型GFPを用い
る分泌経路に沿っての蛋白質輸送の可視化を報告している。植物細胞におけるG
FPの発現はフー(Hu)およびチェン(Cheng)(FEBS Letters 369:331-334,19
95)に議論され、他方、ショウジョウバエ胚におけるGFP発現はデービス(Da
vis)ら(Dev.Biology 170:767-729,1995)によって記載されている。ここに引
用して一体化させる米国特許第5,491,084号は、注目する別の蛋白質に
融合したレポータ分子としての細胞中のAequorea victoriaからのGFPの発現
を開示している。GFPの突然変異体が調製され、これはいくつかの生物学的系
で使用されている(Hasselhoffら,Proc.Natl.Acad.Sci.94:2122-2127,1997;Bre
jcら,Proc.Natl.Acad.Sci.94:2306-2311,1997;Chengら,Nature Biotech,14:606
-609,1996;HeimおよびTsien,Curr.Biol.6:178-192,1996;Ehrigら,FEBS Letters
367:163-166,1995)。
Treatment of cells with dyes and fluorescent reagents, imaging of cells, and generation of cells to generate fluorescent reporter molecules such as modified green fluorescent protein (GFP) are useful methods (Wang et al.). , In Methods in Cell Biology, New York, Alan R. Liss, 29: 1-12, 1989). The jellyfish (Aequorea victoria) green fluorescent protein (GFP) has an excitation maximum of 395 nm and an emission maximum of 510 nm and does not require any extrinsic factors. The use of GFP for studying gene expression and protein localization is discussed in Chalfie et al., Science 263: 802-805, 1994. Some properties of wild-type GFP are described by Morise et al. (Biochemi
stry 13: 2656-2662, 1974) and Ward et al. (Photochem. Photobiol. 31: 6).
11-615, 1980). Rizzulo et al. (Nature)
358: 325-327, 1992) discusses the use of wild-type GFP as a tool for visualizing subcellular organelles in cells. Kaether and Gerdes (FEBS Letters 369: 267-271, 1995) report the visualization of protein transport along the secretory pathway using wild-type GFP. G in plant cells
Expression of FP was determined by Hu and Cheng (FEBS Letters 369: 331-334,19).
95), while GFP expression in Drosophila embryos is
vis) et al. (Dev. Biology 170: 767-729, 1995). No. 5,491,084, incorporated herein by reference, discloses the expression of GFP from Aequorea victoria in cells as a reporter molecule fused to another protein of interest. Mutants of GFP have been prepared and used in several biological systems (Hasselhoff et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 2122-2127, 1997; Bre.
Jc et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 94: 2306-2311, 1997; Cheng et al., Nature Biotech, 14: 606.
-609, 1996; Heim and Tsien, Curr. Biol. 6: 178-192, 1996; Ehrig et al., FEBS Letters.
367: 163-166, 1995).

【0017】 セルミクス(株)(Cellmics,Inc.)によって開発されたアレイスキャン(ARR
AYSCANTM)システム(1997年2月27日に出願された米国特許出願第08/
810,983号および1998年2月27日に出願された米国特許出願第09
/031,271号)は、特異的生物学的活性につき非常に多数の化合物をスク
リーニングする目的で、細胞中の蛍光標識レポータ分子の分布、環境、または活
性を測定するための光学系である。(ARRAYSCANTM)システムは位置アレイに蛍
光レポータ分子を含有する細胞を備え、各位置において多数の細胞を走査し、光
学情報をデジタルデータに変換し、該デジタルデータを利用して細胞中の蛍光標
識レポータ分子の分布、環境または活性を測定することを含む。(ARRAYSCANTM
)システムはデータを処理し、表示し、そして保存し、このように、高含有量細
胞ベースのスクリーニングを提供することによって薬物発見を増加させるための
装置およびコンピュータ化された方法、ならびに大きなマイクロプレート形式で
の、組み合わされた高スループットおよび高含有量細胞ベーススクリーニングを
含む。
An array scan (ARR) developed by Cellmics, Inc.
AYSCAN ) system (U.S. patent application Ser.
No. 810,983 and U.S. Patent Application No. 09, filed February 27, 1998.
No./031,271) is an optical system for measuring the distribution, environment, or activity of a fluorescently labeled reporter molecule in a cell for the purpose of screening a very large number of compounds for specific biological activities. The (ARRAYSCAN ) system has a cell array containing fluorescent reporter molecules in a position array, scans a large number of cells at each position, converts optical information into digital data, and uses the digital data to label fluorescent cells in the cells. Measuring the distribution, environment or activity of the reporter molecule. (ARRAYSCAN TM
2.) The system processes, displays, and stores data, thus providing devices and computerized methods for increasing drug discovery by providing high content cell-based screening, and large microplates. Includes a combined high-throughput and high-content cell-based screen in format.

【0018】 ミクロ流体 細胞基板に付着された細胞のアレイへの溶液の効果的な送達はミクロ流体シス
テムによって促進される。インク送達のための小さな液体試料の正確な取り扱い
(米国特許第5,233,369号;米国特許第5,486,855号;米国特
許第5,502,467号)、生体試料吸引(米国特許第4,982,739号
)、試薬の保存および送達(米国特許第5,031,797号)、および臨床診
断および化学合成のための分配されたマイクロ電子および流体装置アレイ(米国
特許第5,585,069号)のための方法および装置が記載されている。加え
て、表面に沿っての小さな液体試料を検出するのに使用できる固体基板中でのマ
イクロチャンネルの形成のための方法および装置が記載されている(米国特許第
5,571,410号;米国特許第5,500,071号;米国特許第4,34
4,816号)。
Microfluidic The efficient delivery of a solution to an array of cells attached to a cell substrate is facilitated by a microfluidic system. Precise handling of small liquid samples for ink delivery (US Pat. No. 5,233,369; US Pat. No. 5,486,855; US Pat. No. 5,502,467), biological sample aspiration (US Pat. No. 4,982,739), reagent storage and delivery (US Pat. No. 5,031,797), and distributed microelectronic and fluidic device arrays for clinical diagnostics and chemical synthesis (US Pat. No. 5,031,797). No. 585,069). In addition, a method and apparatus for the formation of microchannels in a solid substrate that can be used to detect small liquid samples along a surface has been described (US Pat. No. 5,571,410; US Pat. Patent No. 5,500,071; US Patent No. 4,34
4,816).

【0019】 特に、生きた細胞イメージングのための積分高スループットおよび高含有量細
胞ベーススクリーニングの目的では、最適ミクロ流体装置は最も近い可能なウェ
ル間隔(すなわち、最高の可能なウェル密度)を可能とする流体構築体を含むで
あろう。ここに、流体構築体は細胞アレイ基板と一体化されて、細胞への有効な
流体送達を可能とし、ウェル中へのおよびウェルからのピペッティング流体に対
する必要性を除去する。そのような最適ミクロ流体装置は、ミリメートル下のウ
ェル内部距離にての細胞アレイで有利であろう。なぜなら、もし不可能でないの
であれば、そのような高度な空間的分解能および精度をもって流体をピペッティ
ングするのは実用的だからである。さらに、かかる一体化された装置は、細胞を
像形成するために流体構築体から細胞基板を除去する必要性なしに細胞ベースの
スクリーニングで直接使用し得る。
In particular, for the purpose of integrated high-throughput and high-content cell-based screening for live cell imaging, optimal microfluidic devices enable the closest possible well spacing (ie, highest possible well density). Fluid construct. Here, the fluid construct is integrated with the cell array substrate to enable efficient fluid delivery to the cells, eliminating the need for pipetting fluid into and out of the wells. Such an optimal microfluidic device would be advantageous for cell arrays at well internal distances below millimeter. This is because it is practical, if not impossible, to pipette fluids with such high spatial resolution and accuracy. Further, such integrated devices can be used directly in cell-based screening without the need to remove the cell substrate from the fluid construct to image the cells.

【0020】 細胞ベースのスクリーニングのための最適ミクロ流体装置は、さらに、細胞の
環境制御を可能とする閉じたチャンバーを含み、好ましくは、基板上の細胞の生
理学に影響し得る電子力学的力に細胞を直接露出しないであろう。例えば、電子
流体力学ポンピングは極性溶媒では効率が低い(Marc Madou,Fundamentals of M
icrofabrication,CRC Press,Boca Raton,1997,433頁)。電子−浸透圧は、典
型的には、蛋白質のような荷電成分のある程度の電気泳動分離が伴う。
Optimal microfluidic devices for cell-based screening further include a closed chamber that allows for environmental control of the cells, preferably with electrodynamic forces that can affect the physiology of the cells on the substrate. Will not expose cells directly. For example, electrohydrodynamic pumping is less efficient with polar solvents (Marc Madou, Fundamentals of M
icrofabrication, CRC Press, Boca Raton, 1997, p. 433). Electro-osmotic pressure typically involves some electrophoretic separation of charged components such as proteins.

【0021】 米国特許第5,603,351号(「該351特許」)は、2つのチォンネル
付きの上方レベルおよび反応ウェル付きの底部レベルよりなるマルチレベルデザ
インを使用するミクロ流体装置を記載する。しかしながら、この装置は細胞ベー
スのスクリーニングで使用されるために設計されたのではない。「351特許」
は、細胞を含有する基板または細胞係合部位を開示しない。開示されたミクロ流
体ネットワークは、ウェル上で培養される生きた細胞が系列形式で2以上の異な
る流体で露出されるようにする最適細胞スクリーニングミクロ流体システムとは
反対に、2以上の試薬が反応ウェル中で組み合わされることを可能とするように
設計されている。該「351」特許は、50ウェル/インチ2の最適ウェル密度
で基板にエッチングされたウェルを持つ装置を開示する。さらに、基板はインキ
ュベーションおよび/または分析のために流体アレイから脱着されなければなら
ない。最後に、該「351」特許は、細胞培養で使用される水性媒体では効率が
低いウェルのマトリクス内での電気的に制御された電子流体力学値のシステムを
開示し、また、細胞のアレイにおいてウェル間で近い間隔の程度を限定すること
ができる。
US Pat. No. 5,603,351 (“the '351 patent”) describes a microfluidic device that uses a multi-level design consisting of an upper level with two channels and a bottom level with reaction wells. However, this device was not designed for use in cell-based screening. "351 patent"
Does not disclose substrates containing cells or cell-engaging sites. The disclosed microfluidic network allows two or more reagents to react, as opposed to an optimal cell screening microfluidic system that allows live cells cultured on a well to be exposed in a lineage format to two or more different fluids. It is designed to allow it to be combined in a well. The '351 patent discloses a device having wells etched into a substrate at an optimum well density of 50 wells / inch 2. Further, the substrate must be detached from the fluid array for incubation and / or analysis. Finally, the '351 patent discloses a system of electronically controlled electrohydrodynamic values in a matrix of wells that is less efficient in aqueous media used in cell culture, and also in arrays of cells. The degree of close spacing between wells can be limited.

【0022】 米国特許第5,655,560号は、テフロン(登録商標)バルブによって直 交点で垂直に結合されたマイクロチャンネルの直交アレイを取り込む複数インプ ットおよび複数アウトプットを備えた流体分布システムを含む目詰まり無しのバ ルビングシステムを開示する。しかしながら、この特許は、細胞アレイを含有す る基板を開示しないし、基板と組み合わされた一体化流体装置を開示せず、また 細胞ベースのスクリーニングに最適であるウェル密度も開示しない。US Pat. No. 5,655,560 discloses a fluid distribution system with multiple inputs and multiple outputs that captures an orthogonal array of microchannels that are vertically coupled at orthogonal points by Teflon® valves. Disclose a valveless clogging system including However, this patent does not disclose a substrate containing a cell array, does not disclose an integrated fluidic device associated with the substrate, and does not disclose a well density that is optimal for cell-based screening.

【0023】 米国特許第5,900,130号(該「130」特許)は、相互結合された毛
細管構造での流体移動の活性で電気的な制御を記載する。この特許は、細胞結合
部位によって占めることができる細胞基板の面積を最大化する流体構築体を教示
しない。また、この特許は細胞アレイを含有する基板を開示せず、また基板と組
み合わされた一体化流体装置も開示しない。さらに、該特許は電場の装置への適
用による流体の流動の制御を教示するに過ぎない。
US Pat. No. 5,900,130 (the “130” patent) describes the active and electrical control of fluid movement in an interconnected capillary structure. This patent does not teach a fluid construct that maximizes the area of the cell substrate that can be occupied by cell binding sites. Nor does this patent disclose a substrate containing the cell array, nor does it disclose an integrated fluidic device associated with the substrate. Further, the patent only teaches the control of fluid flow by applying an electric field to the device.

【0024】 米国特許第5,910,287号は、864を超えるウェルを持つプレートに
限定された、細胞を含めた生物学的および生化学的試料の蛍光測定のためのマル
チウェルプラスチックプレートを記載する。この特許は細胞アレイ基板と一体化
された流体構築物を備えたミクロ流体装置を記載しない。また、該特許は基板上
の細胞の環境制御を可能とする閉じたチャンバーを開示しない。
US Pat. No. 5,910,287 describes a multi-well plastic plate for fluorescence measurement of biological and biochemical samples, including cells, limited to plates with more than 864 wells I do. This patent does not describe a microfluidic device with a fluid construct integrated with a cell array substrate. Also, the patent does not disclose a closed chamber that allows environmental control of cells on the substrate.

【0025】 このように、これらの先行ミクロ流体装置のいずれも、流体構築体が細胞アレ
イ基板と一体化されて細胞への効果的な流体送達を可能とし、ウェル中へのおよ
びウェルからのピペッティングの必要性を除去する、最も近い可能なウェル間隔
(すなわち、最高の可能なウェル密度)を可能とする流体構築物を提供しない。
さらに、ウェルのアレイを含む先行ミクロ流体装置は、細胞培養のために水性培
地にて使用すれば効率がより低いであろう、かつウェル密度を制限するウェルの
マトリクス内で電気的に制御された電子流体力学値を用いる。
Thus, in each of these prior microfluidic devices, the fluid construct is integrated with the cell array substrate to allow for efficient fluid delivery to the cells, and to provide the fluid into and out of the wells. It does not provide a fluid construct that allows for the closest possible well spacing (ie, highest possible well density) that eliminates the need for petting.
In addition, prior microfluidic devices, including arrays of wells, would be less efficient if used in aqueous media for cell culture and would have electronically controlled electronics within a matrix of wells that would limit well density. Use hydrodynamic values.

【0026】 セルアレイ、光学的細胞生理学の読み取り、およびミクロ流体技術における前
記進歩は、改良された高スループットおよび高含有量細胞ベーススクリーニング
に適用することができる支持技術を提供するものの、さらに、そのようなスクリ
ーニングに必要な時間の量を減少させる一体化装置および方法、さらに、高スル
ープットおよび高含有量細胞ベーススクリーニングを行う能力および相互に柔軟
かつ迅速にスイッチングする能力を改良する装置および方法に対する当該分野で
の要望が依然として存在する。特に、ウェル密度を最大化し、それにより、一度
に像形成することができるウェルの数を増加させ、このように、像の適切な分解
能を維持しつつスクリーニングのスループットを多いに増大させる装置および方
法が非常に有利であろう。
Although the foregoing advances in cell arrays, optical cell physiology readings, and microfluidic technology provide support technologies that can be applied to improved high-throughput and high-content cell-based screens, furthermore, Apparatus and methods for reducing the amount of time required for efficient screening, as well as for improving the ability to perform high-throughput and high-content cell-based screening and the ability to switch to each other flexibly and quickly There still exists a demand. In particular, an apparatus and method that maximizes well density, thereby increasing the number of wells that can be imaged at one time, thus greatly increasing screening throughput while maintaining adequate image resolution Would be very advantageous.

【0027】 薬物発見産業は、すでに96−および384−ウェルのマイクロプレートを使
用し、それは1536−ウェルプレートの使用に向けて変遷している。しかしな
がら、先行技術を用いるウェル密度のさらなる増加は、非常に小さな直径のウェ
ル中へのおよびそれから外への液体のピペッティングの大きな混乱性のためあり
そうにない。
The drug discovery industry has already used 96- and 384-well microplates, which are shifting towards the use of 1536-well plates. However, further increases in well density using the prior art are unlikely due to the great confusion of pipetting liquid into and out of very small diameter wells.

【0028】 (発明の開示) 本発明は、細胞ベースのスクリーニングを行うのに必要な時間の量を低下させ
、高スループットおよび高含有量細胞ベーススクリーニングを行う能力および相
互に柔軟かつ迅速にスイッチングする能力を特異的に組み合わせる装置および方
法に対する当該分野における要望を満足する。本発明は、依然として像において
適切な画素分解能を得つつ、一度に像形成できるウェルの数を最大化させるため
の装置および方法を提供する。この結果は、ウェル密度を最大化する流体構築物
の使用を介して達成された。本発明は、このように、流体交換、および個々の細
胞の空間的に分解された特徴をより迅速に検出するように接近した間隔であるウ
ェルを内部に供給した閉じた流体容量を備えた小型化マイクロプレートシステム
を提供する。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention reduces the amount of time required to perform cell-based screening, and the ability to perform high-throughput and high-content cell-based screening and to switch flexibly and rapidly with each other. Satisfies the need in the art for devices and methods that specifically combine capabilities. The present invention provides an apparatus and method for maximizing the number of wells that can be imaged at one time, while still obtaining adequate pixel resolution in the image. This result was achieved through the use of a fluid construct that maximized well density. The present invention thus provides a miniaturized fluid exchange and closed fluid volume with well-spaced closely spaced wells to more quickly detect the spatially resolved features of individual cells. The present invention provides an optimized microplate system.

【0029】 1つの形態において、本発明は、複数の細胞結合位置を含有する表面を有する
基板、複数の細胞結合位置に試薬を送達するための流体送達系、ここに、該流体
送達系は基板と接合するマルチレベルチャンバーを含み、ここに、マルチレベル
チャンバーはミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルの
直交したアレイおよび該ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチ
ャンネルと流体結合した複数の流体位置を含み、および複数のウェル、ここに、
個々のウェルは1つの細胞結合位置および1つの流体位置の接合によって規定さ
れたスペースを含み、ここに、ウェルは1cmあたり少なくとも約20ウェル
の密度で存在することを含むことを特徴とする細胞スクリーニング用のカセット
を提供する。
[0029] In one aspect, the invention includes a substrate having a surface containing a plurality of cell binding sites, a fluid delivery system for delivering a reagent to the plurality of cell binding sites, wherein the fluid delivery system comprises a substrate. Wherein the multi-level chamber includes an orthogonal array of microfluidic input and output channels and a plurality of fluid locations in fluid communication with the microfluidic input and output channels; and Multiple wells, where
A cell characterized in that each well comprises a space defined by the joining of one cell binding location and one fluid location, wherein the wells are present at a density of at least about 20 wells per cm 2 A screening cassette is provided.

【0030】 別の形態において、 a.複数の細胞結合位置を含有する表面を有する基板、 b.試薬を複数の細胞結合位置に送達するための流体送達系、ここに、該流体
送達系は基板と接合するマルチレベルチャンバーを含み、マルチレベルチャンバ
ーは、 i.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルの直交
アレイ、ここに、各ウェルは1以上のインプットチャンネルおよび1以上のアウ
トプットチャンネルと流体結合し、 ii.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルと流
体結合した複数の流体位置、 iii.ミクロ流体インプットチャンネルと流体結合した1以上のインプッ
トマニホールド、 iv.ミクロ流体アウトプットチャンネルと流体結合した1以上のアウトプ
ットマニホールド、 v.1以上のインプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの源容
器、 vi.1以上のアウトプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの
廃棄容器を含み、 c.複数のウェル、ここに、個々のウェルは1つの細胞結合位置および1つの
流体位置の接合によって規定されたスペース を含むことを特徴とする細胞スクリーニング用のカセットを提供する。
In another aspect, a. A substrate having a surface containing a plurality of cell binding sites, b. A fluid delivery system for delivering a reagent to a plurality of cell binding locations, wherein the fluid delivery system includes a multi-level chamber that interfaces with a substrate, the multi-level chamber comprising: i. An orthogonal array of microfluidic input and output channels, wherein each well is in fluid communication with one or more input channels and one or more output channels; ii. A plurality of fluid locations in fluid communication with the microfluidic input and output channels; iii. One or more input manifolds in fluid communication with the microfluidic input channel; iv. One or more output manifolds in fluid communication with the microfluidic output channels; At least one source container in fluid communication with one or more input manifolds; vi. Including at least one waste container in fluid communication with one or more output manifolds; c. A cassette for cell screening is provided, wherein the plurality of wells, wherein each well includes a space defined by the joining of one cell binding location and one fluid location.

【0031】 好ましい実施形態において、前記カセットの双方は、さらに、ミクロ流体装置
内の流体流動を制御するためのポンプ、基板の温度コントローラおよび/または
酸素および二酸化炭素の分圧を調節するためのコントローラを含む。
In a preferred embodiment, both of the cassettes further comprise a pump for controlling the fluid flow in the microfluidic device, a temperature controller for the substrate and / or a controller for regulating the partial pressure of oxygen and carbon dioxide. including.

【0032】 別の形態において、本発明は、カセットにおける拡散制御のための改良された
方法を提供し、ここに、該改良はカセットのミクロ流体チャンネル内に位置する
バルブに対して受動的な復元力を一定に適用することを含む。
In another aspect, the present invention provides an improved method for diffusion control in a cassette, wherein the improvement is a passive restoration for a valve located in a microfluidic channel of the cassette. Including constant application of force.

【0033】 なお、さらなる形態において、本発明は、 a)複数の細胞を含有する位置アレイを備え、 b)光学系を備えて位置アレイの像を取得し、 c)位置アレイのサブアレイを系列的に像形成し、 d)サブアレイの各々からデータを並行して取得する を特徴とする細胞スクリーニングのための方法を提供する。In yet a further aspect, the present invention provides a method comprising: a) providing a position array containing a plurality of cells; b) providing an image of the position array with optics; c) sequentially sub-arraying the position array. And d) obtaining data from each of the sub-arrays in parallel.

【0034】 好ましい実施形態において、位置アレイは前記で開示したもののようなカセッ
トとして提供される。
In a preferred embodiment, the location array is provided as a cassette, such as those disclosed above.

【0035】 とりわけ他の使用の中で、本発明の装置および方法は高含有量および/または
高スループット細胞ベーススクリーニングで理想的である。また、本発明の装置
は手づかみの診断装置のための細胞支持体システムとして理想的に適する(すな
わち、小型化されたイメージング細胞ベースアッセイシステム)。本発明の装置
のより小さな形式およびシールされた封じ込めは厳格なポータブルシステムでの
その使用を可能とする。より高い密度のプレートの使用から大きな経済的利点が
ある。さらに、高密度プレートを用いた場合にサブアレイのより速いイメージン
グにおいて経済的利点があり、この利点はもし隣接ウェル間の距離が最小化され
なければ十分実現できない。本発明はこれらの利点の双方を提供する。
[0035] Among other uses, the devices and methods of the present invention are ideal for high content and / or high throughput cell-based screening. Also, the device of the present invention is ideally suited as a cell support system for hand-held diagnostic devices (ie, a miniaturized imaging cell-based assay system). The smaller format and sealed containment of the device of the present invention allows its use in rigid portable systems. There are significant economic advantages from using higher density plates. In addition, there is an economic advantage in faster imaging of the sub-array when using high density plates, which cannot be fully realized if the distance between adjacent wells is not minimized. The present invention provides both of these advantages.

【0036】 本明細書中で引用した全ての特許、特許出願および文献はここに引用してその
全体に組み込まれる。
[0036] All patents, patent applications, and references cited herein are hereby incorporated by reference in their entirety.

【0037】 本明細書中で用いられるように、用語「ウェル」はチャンバーの1つの流体位
置を基板上の1つの細胞結合位置と接合させることによって作成された容量スペ
ースと定義される。該容量スペースは流体位置に対応するチャンバー上の凹所に
よって、細胞結合位置に対応する基板上の凹所によって、チャンバーおよび基板
を分離するスペーサ支持体(ここに、チャンバーの基板中の凹所について要件は
ない)、これらのいずれかの組合わせ、または流体位置および細胞結合位置の間
に容量スペースを生じさせるためのいずれかの他の方法によって生じさせること
ができる。
As used herein, the term “well” is defined as a volumetric space created by joining one fluid location of a chamber with one cell binding location on a substrate. The volume space is separated by a recess on the chamber corresponding to the fluid location, by a recess on the substrate corresponding to the cell binding location, a spacer support separating the chamber and the substrate (where the recess in the substrate of the chamber is located). There is no requirement), any combination of these, or any other method for creating a volumetric space between a fluid location and a cell binding location.

【0038】 本明細書中で用いられるように、用語「細胞結合位置」とは、細胞に結合する
ことができる複数の細胞結合部位を含む基板上の区別される位置を言う。基板を
誘導体化して細胞結合部位を生じさせることができるか、あるいは細胞結合部位
は基板上に天然に存在し得る。個々の細胞結合位置内の複数の細胞結合部位は単
一細胞タイプのみに結合できるか、あるいは1を超える細胞タイプに結合するこ
とができる。同一基板上の異なる細胞結合位置は、結合できる細胞のタイプが同
一または異なっていてもよい。
As used herein, the term “cell binding site” refers to a distinct location on a substrate that contains multiple cell binding sites that can bind to cells. The substrate can be derivatized to create a cell binding site, or the cell binding site can be naturally present on the substrate. Multiple cell binding sites within an individual cell binding location can bind only to a single cell type, or can bind to more than one cell type. Different cell binding sites on the same substrate may be of the same or different types of cells that can be bound.

【0039】 本明細書中で用いられる用語「流体位置」とは、細胞結合位置への流体の送達
および/または該位置からの除去の部位であるチャンバー上の区別される位置を
言う。流体位置はエッチングされたドメイン、一段高い容器、またはいずれかの
他のタイプの凹所のような凹所を含むことができる。別法として、流体位置はイ
ンプットおよび/またはアウトプットチャンネルの末端、またはインプットおよ
び/またはアウトプットチャンネルと流体結合した通路の末端のように平坦であ
り得る。
As used herein, the term “fluid location” refers to a distinct location on a chamber that is the site of delivery and / or removal of fluid to a cell binding location. The fluid location may include a recess, such as an etched domain, a raised container, or any other type of recess. Alternatively, the fluid location may be flat, such as at the end of an input and / or output channel, or at the end of a passage in fluid communication with the input and / or output channel.

【0040】 本明細書中で用いられるように、用語「カセット」とは、基板およびチャンバ
ーの組合わせを意味する。該組合わせはいずれかのモジュールとすることができ
(1を超えるピース)、再使用可能なチャンバーおよび使い捨て基板を備え、ま
たはモジュールではなく(単一ピース)いずれかの潜在的ウェル内漏洩を制限す
る。
As used herein, the term “cassette” refers to a combination of a substrate and a chamber. The combination can be any module (more than one piece), with reusable chambers and disposable substrates, or limit leakage in any potential wells rather than modules (single piece) I do.

【0041】 本明細書中で用いるように、用語「オンボード」はカセットと一体化している
ことを意味する。
As used herein, the term “on board” means integrated with the cassette.

【0042】 本明細書中で用いるように、用語「一体化された流体」とは、ミクロ流体装置
が細胞結合のための基板表面およびチャンバーを共に含むことを意味する。
As used herein, the term “integrated fluid” means that the microfluidic device includes both a substrate surface and a chamber for cell binding.

【0043】 本明細書中で用いるように、用語「チャンバー」は、ミクロ流体チャンネルお
よび流体位置を含む流体送達系を意味し、これは特殊化された基板カバーとして
働く。
As used herein, the term “chamber” means a fluid delivery system that includes microfluidic channels and fluid locations, which acts as a specialized substrate cover.

【0044】 本明細書中で用いるように、用語「スイッチ可能なポンプ」とは、限定される
ものではないが、シリンジポンプ、バルブ付きの圧力制御容器、または有害な電
場効果が細胞によって経験されないように、ウェルのアレイのマトリクスに関し
て(電気的遮蔽の所望の使用で)外部で使用される導電学ポンプを含めたポンプ
を言う。
As used herein, the term “switchable pump” includes, but is not limited to, a syringe pump, a pressure-controlled vessel with a valve, or a deleterious electric field effect not experienced by cells. As such, referring to pumps, including conductivity pumps used externally (with the desired use of electrical shielding) with respect to the matrix of the array of wells.

【0045】 本明細書中で用いるように、用語「サブアレイ」とは、典型的には、CCD(
電荷結合デバイス検出器)のような、イメージングディテクタアレイの形状に対
応するフォーマットの、ウェルの全アレイ中のウェルのいずれかの隣接サブセク
ションを意味する。
As used herein, the term “subarray” typically refers to a CCD (
Means any adjacent subsection of a well in the entire array of wells in a format corresponding to the shape of the imaging detector array (e.g., charge coupled device detector).

【0046】 本明細書中で用いるように、用語「細胞アレイのマトリクス」とは、カセット
のアレイにおけるウェルの全組のまわりに嵌合するであろう仮想的平行四面体に
よって規定されたスペースを意味する。 本明細書中で用いるように、用語「アッセイ成分」とは、限定されるものでは
ないが、試薬、細胞、テスト化合物、培地、抗体、蛍光およびレポータを含めた
細胞スクリーニングアッセイに添加されるであろういずれの成分も言う。
As used herein, the term “matrix of a cell array” refers to the space defined by a virtual parallelepiped that will fit around the entire set of wells in an array of cassettes. means. As used herein, the term "assay component" refers to a component added to a cell screening assay, including, but not limited to, reagents, cells, test compounds, media, antibodies, fluorescence and reporters. Say any component that might be.

【0047】 本明細書中で用いるように、用語「蛍光」とは、限定されるものではないが、
冷光、発光および化学発光を含めたいずれかのタイプの発光をも含む。
As used herein, the term “fluorescence” includes, but is not limited to,
Also includes any type of luminescence, including cold light, luminescence and chemiluminescence.

【0048】 1つの形態において、本発明は、共通基板上の複数の細胞タイプのマイクロア
レイを作成する方法を教示する。本明細書中で定義されるように、複数の細胞タ
イプのマイクロアレイとは、支持体表面上の均一な単一のコーティングに分布せ
ず、むしろ基板上の各「細胞結合位置」または細胞結合位置の群がその細胞結合
選択性において極めて希であり得るように不均一形式である基板上の細胞のアレ
イを言う。
In one aspect, the invention teaches a method of making a microarray of multiple cell types on a common substrate. As defined herein, a microarray of multiple cell types is not distributed over a uniform single coating on the surface of the support, but rather on each "cell binding site" or cell binding site on the substrate. Refers to an array of cells on a substrate that is in a heterogeneous format such that the group can be very rare in its cell binding selectivity.

【0049】 複数の細胞タイプのミクロアレイを作成する方法は、(細胞結合位置の化学修
飾されたアレイとも本明細書中で言う)微細パターン化アレイを調製し、該アレ
イを不均一に化学修飾し、次いで、細胞を不均一化学アレイに結合させることを
含む。
A method for making microarrays of multiple cell types involves preparing a micropatterned array (also referred to herein as a chemically modified array of cell binding sites) and heterogeneously chemically modifying the array. And then attaching the cells to a heterogeneous chemical array.

【0050】 好ましい実施形態において、微細パターン化アレイは、それを横切って親水性
スポットまたは「細胞結合位置」8が規則的な間隔で分散された疎水性表面を生
じるように処理された基板4を含む(図1A−1B)。該基板は通常の光学顕微
鏡カバーグラスのように、ガラス、プラスチックまたはシリコンウェーハであり
得るが、基板を提供するいずれの他の適当な材料から作成することもできる。先
に記載したように、用語「細胞結合位置」を用いて基板上の特異的スポットを記
載し、いずれの特定の深さも要しない。基板4の表面は好ましくは約2cm×3
cmであるが、より大きくまたはより小さくすることもできる。好ましい実施形
態において、微細パターン化アレイの細胞結合位置8は、限定されるものではな
いが、細胞に非特異的に結合できるか、あるいは細胞に特異的に結合する分子に
結合するようにさらに化学修飾することができるアミノヒドロキシル基、スルフ
ヒドリル基またはカルボキシル基のような反応可能な官能基を含有する。
In a preferred embodiment, the micropatterned array comprises a substrate 4 that has been treated to produce a hydrophobic surface across which hydrophilic spots or “cell binding sites” 8 are regularly spaced. (FIGS. 1A-1B). The substrate can be a glass, plastic or silicon wafer, such as a conventional light microscope cover glass, but can be made from any other suitable material that provides the substrate. As described above, the term "cell binding site" is used to describe a specific spot on the substrate and does not require any particular depth. The surface of the substrate 4 is preferably about 2 cm × 3
cm, but can be larger or smaller. In a preferred embodiment, the cell binding locations 8 of the micro-patterned array are not limited, but can be non-specifically bound to cells or further chemically bound to molecules that specifically bind to cells. Contains reactive functional groups such as aminohydroxyl, sulfhydryl or carboxyl groups that can be modified.

【0051】 化学修飾された細胞結合位置は、基板上の細胞結合位置の特異的化学的修飾に
よって生成される。細胞結合位置は、細胞結合位置において異なるタイプの細胞
の付着および増殖を可能とする、あるいは単一の細胞タイプのみの付着を可能と
できる種々の異なる細胞結合分子を含むことができる。基板上の細胞結合位置を
囲う疎水性ドメインは細胞の付着および増殖を支持しない。
A chemically modified cell binding site is created by specific chemical modification of a cell binding site on a substrate. The cell binding site can include a variety of different cell binding molecules that can allow different types of cells to attach and proliferate at the cell binding site, or allow only a single cell type to attach. The hydrophobic domain surrounding the cell binding site on the substrate does not support cell attachment and proliferation.

【0052】 1つの実施形態において、複数の細胞タイプのマイクロ−アレイは、化学吸着
を介してアミノ基のような反応可能な官能基を有する物質の層でガラスをコーテ
ィングすることによって作成される。好ましい実施形態において、3−アミノプ
ロピルトリメトキシシラン(APTS)またはN−(2−アミノエチル−3−ア
ミノプロピル)トリメトキシシラン(EDA)のようなアミノシアンを用いるが
、他の反応可能な物質を用いることもできる。この最初の工程に続き、反応可能
な官能基の存在のため、コートされたガラスウェーハの全表面は親水性である。
In one embodiment, a micro-array of a plurality of cell types is created by coating glass with a layer of a material having a reactive functional group such as an amino group via chemisorption. In a preferred embodiment, an aminocyan such as 3-aminopropyltrimethoxysilane (APTS) or N- (2-aminoethyl-3-aminopropyl) trimethoxysilane (EDA) is used, but other reactable materials are used. Can also be used. Following this first step, the entire surface of the coated glass wafer is hydrophilic due to the presence of reactive functional groups.

【0053】 第2に、微細パターン化反応を行い、光切断可能または化学的に除去可能なア
ミノ保護基を有する物質を含有する液滴が、アミノシランをコートしたガラスウ
ェーハ上の区別される位置の微細パターンに入れられる。1つの実施形態におい
て、該パターンは矩形または四角形アレイを含むが、(限定されるものではない
が、三角形または丸のような)いずれかの適当な区別されるパターンを用いるこ
ともできる。1つの実施形態において、該液滴は1ナノリットル(nl)ないし
1000nlの容量の範囲である。好ましい実施形態において、液滴は容量が2
50−500nlの範囲である。適当な光化学的に除去できるアミノ保護物質は
、限定されるものではないが、4−ブロモメチル−3−ニトロベンゼン、1−(
4,5−ジメトキシ−2−ニトロフェニル)−エチル(DMNPE)およびブチ
ルオキシカルボニルを含む。1つの実施形態において、パターン化反応は1マイ
クロモラー(μM)および1000μMの間の試薬濃度を用い、気温ないし37
℃の範囲の温度にて1ないし100分間行われる。好ましい実施形態において、
反応は500μMの試薬濃度を用いて37℃で60分間行われる。
Second, a micropatterning reaction is performed and droplets containing a photocleavable or chemically removable amino-protecting substance are deposited at distinct locations on the aminosilane-coated glass wafer. Put in a fine pattern. In one embodiment, the pattern includes a rectangular or square array, but any suitable distinguishing pattern (such as, but not limited to, a triangle or a circle) may be used. In one embodiment, the droplets range in volume from 1 nanoliter (nl) to 1000 nl. In a preferred embodiment, the droplet has a volume of 2
It is in the range of 50-500 nl. Suitable photochemically removable amino protecting substances include, but are not limited to, 4-bromomethyl-3-nitrobenzene, 1- (
4,5-dimethoxy-2-nitrophenyl) -ethyl (DMNPE) and butyloxycarbonyl. In one embodiment, the patterning reaction uses a reagent concentration of between 1 micromolar (μM) and 1000 μM, from ambient to 37 ° C.
C. for 1 to 100 minutes at a temperature in the range of .degree. In a preferred embodiment,
The reaction is performed at 37 ° C. for 60 minutes using a reagent concentration of 500 μM.

【0054】 液滴は通常のインクジェット技術を介してアミノシランがコートされたガラス
ウェーハ上に置くことができる(米国特許第5,233,369号;米国特許第
5,486,855号)。別法として、1nlおよび1000nlの間の流体を
移動できるペーパー付きのロッドと本明細書中で定義されるピンのアレイをアミ
ノ保護物質の浴に浸漬させて、それらの端部に保護物質の液滴を生じさせる。ピ
ンをガラスウェーハと接触させてそれに液滴を移動させる。別の実施形態におい
て、アミノ保護物質を含有する(共に引用して一体化させる)米国特許第5,5
67,294号および第5,527,673号に記載されたガラスまたはプラス
チックで作成された毛細管のアレイをガラスウェーハと接触させて液滴を表面に
移動させる。このように、疎水性表面に保護されたアミノ基を含有するスポット
または細胞結合位置アレイでガラスウェーハを微細パターン化させる(図2A−
B)。
The droplets can be placed on aminosilane-coated glass wafers via conventional inkjet technology (US Pat. No. 5,233,369; US Pat. No. 5,486,855). Alternatively, an array of paper-coated rods and pins as defined herein capable of transferring between 1 nl and 1000 nl of fluid may be immersed in a bath of aminoprotective material and the ends of the protective material solution Generates a drop. The pins are brought into contact with the glass wafer to transfer droplets thereto. In another embodiment, US Pat. No. 5,5 containing an amino protecting substance (incorporated by reference).
An array of capillaries made of glass or plastic as described in 67,294 and 5,527,673 are contacted with a glass wafer to move droplets to the surface. Thus, a glass wafer is micropatterned with an array of spots or cell binding sites containing amino groups protected on a hydrophobic surface (FIG. 2A-
B).

【0055】 第3に、未保護アミノ基と反応性である疎水性物質をガラスウェーハ上に洗浄
する。疎水性物質は脂肪酸またはヨウ化アルキル、またはいずれかの他の適当な
構造であり得る。ガラスのそのような誘導体化のためのある種の条件はプライム
(Prime)およびホワイトサイズ(Whitesides),サイエンス(Science) 252:11
64-1167,1991,ロペツ(Lopez)ら、ジャーナル・アメリカン・ケミカル・ソサイ
アティ(Journal of the American Chemical Society)115:5877-5878,1993,お
よびムルクシッヒ(Mrksich)およびホワイトサイズ(Whitesides),Ann.Rev.Bi
omol.Struct.25:55-78,1996に見出すことができる。該脂肪酸またはヨウ化アル
キルは未保護アミノ基と反応し、それに対して共有結合し、アミノ基は今や該脂
肪酸またはヨウ化アルキル基のため疎水性である。細胞結合位置9の得られた修
飾アレイは、疎水性バックグラウンド上に保護アミノ基を含有する細胞結合位置
アレイ8を備えたガラスウェーハ4を含む(図2C)。
Third, the hydrophobic material that is reactive with the unprotected amino groups is washed on the glass wafer. The hydrophobic material can be a fatty acid or an alkyl iodide, or any other suitable structure. Certain conditions for such derivatization of glass are Prime and Whitesides, Science 252: 11.
64-1167, 1991, Lopez et al., Journal of the American Chemical Society 115: 5877-5878, 1993, and Murksich and Whitesides, Ann. Rev. .Bi
omol. Struct. 25: 55-78, 1996. The fatty acid or alkyl iodide reacts with and is covalently bonded to an unprotected amino group, and the amino group is now hydrophobic due to the fatty acid or alkyl iodide group. The resulting modified array of cell binding sites 9 comprises a glass wafer 4 with a cell binding site array 8 containing protected amino groups on a hydrophobic background (FIG. 2C).

【0056】 第4に、細胞結合位置の不均一アレイは、前記した方法にしたがって生成させ
た微細パターン化アレイ中のアミノ基を均一に脱保護することによって生成され
る。1つの実施形態において、化学的特異性は、細胞結合位置に特異的分子を化
学的に架橋させることによって付加することができる。細胞結合位置における遊
離アミノ基と反応し特異的分子に架橋するであろうエチレングリコールビス(ス
クシンイミジルスクシネート)のような多数のよく知られたホモ−またはヘテロ
−二官能性架橋剤がある。遊離アミノ基を他の生体分子と架橋させるための試薬
および条件は、以下の文献、グラバレク(Grabarek)およびゲルゲリー(Gergel
y)、Analyt.Biochem 185:131-135,1990:McKenzieら,J.Prot.Chem.7:581-592,19
88;Brinkley,Bioconjugate Chem.3:12-13;1992,フリッチュ(Fritsch)ら,Bioco
njugate Chem.7:180-186,1996;およびアプリン(Aplin)およびヒューズ(Hughe
s),1981によって例示されているように当該分野においてよく知られている。
Fourth, a heterogeneous array of cell binding sites is created by uniformly deprotecting amino groups in a micropatterned array generated according to the method described above. In one embodiment, chemical specificity can be added by chemically crosslinking a specific molecule to a cell binding site. A number of well-known homo- or hetero-bifunctional crosslinkers, such as ethylene glycol bis (succinimidyl succinate), which will react with free amino groups at the cell binding site and crosslink to specific molecules, is there. Reagents and conditions for cross-linking free amino groups with other biomolecules are described in the following references: Grabarek and Gergel
y), Analyt. Biochem 185: 131-135, 1990: McKenzie et al., J. Prot. Chem. 7: 581-592,19.
88; Brinkley, Bioconjugate Chem. 3: 12-13; 1992, Fritsch et al., Bioco.
njugate Chem. 7: 180-186, 1996; and Aplin and Hughe
s), well-known in the art as exemplified by 1981.

【0057】 好ましい実施形態において、細胞結合位置の不均一アレイはコンビナトリアル
形式で生成される。得られた細胞結合位置は不均一である(すなわち、各細胞結
合位置または細胞結合位置の群はその細胞結合選択性において極めて希であり得
る)。用語コンビナトリアルとは、細胞結合位置が可変的に処理されることを意
味する。
In a preferred embodiment, the heterogeneous array of cell binding locations is generated in a combinatorial format. The resulting cell binding sites are heterogeneous (ie, each cell binding site or group of cell binding sites can be extremely rare in its cell binding selectivity). The term combinatorial means that cell binding sites are variably processed.

【0058】 1つの実施形態において、工程3の細胞結合位置の修飾されたアレイの保護ア
ミノ基を脱保護し、次いで、化学的架橋剤と共に特異的分子を所望のパターンに
沈積させる。該特異的架橋剤はアミノ基に結合することができ、さらに、細胞結
合基を保有できる。この工程において、細胞結合基のタイプは1つの細胞結合位
置から別の位置にかけて、あるいは細胞結合位置の1つの群から別の群にかけて
変化させてアレイ中に不均一なデザインを生じさせることができる。
In one embodiment, the protected amino groups of the modified array of cell binding positions in step 3 are deprotected, and then the specific molecule is deposited in a desired pattern with a chemical cross-linking agent. The specific cross-linking agent can bind to an amino group and can carry a cell-binding group. In this step, the type of cell binding group can be varied from one cell binding site to another, or from one group of cell binding sites to another, resulting in a heterogeneous design in the array. .

【0059】 別の実施形態において、工程3の化学修飾された細胞結合位置のアミノ基は不
均一に脱保護される。光活性化の架橋剤を脱保護されたアミノ基と反応させる。
所望のパターンの光学マスクを細胞結合位置の表面におき、露出された細胞結合
位置を光源で照射する。光を受け取る細胞結合位置の位置および数は光学マスク
の微細パターンによって制御される。適当な光活性化の架橋剤はアリールニトレ
ン、フッ素化アリールアジ化合物、ベンゾフェノンおよびジアゾピルベートを含
む。光学マスキングおよび架橋についての試薬および条件はプライム(Prime)
およびホワイトサイズ(Whitesides),1991;サイビ(Sighvi)ら,1994,シーガ
ル(Sigal)ら,1996およびムルクシッヒ(Mrksich)およびホワイトサイズ(Wh
itesides),1996で議論されている。光活性化の架橋剤は、それが細胞結合
位置のアミノ基に化学的に結合し、光に露出された場合に抗体のような細胞結合
分子に共有結合する点で二官能性である。光活性化された架橋のための試薬およ
び条件はテブニン(Thevenin)ら,Eur.J.Biochem.206:471-477、1992およびゴー
ルドマヒェア(Goldmacher)ら,Bioconjugate Chem.3:104-107,1992に議論され
ている。
In another embodiment, the amino group at the chemically modified cell binding position of step 3 is heterogeneously deprotected. The photoactivated crosslinker is reacted with the deprotected amino group.
An optical mask having a desired pattern is placed on the surface of the cell binding position, and the exposed cell binding position is irradiated with a light source. The location and number of cell binding sites that receive light are controlled by the fine pattern of the optical mask. Suitable photoactivated crosslinkers include arylnitrenes, fluorinated arylazi compounds, benzophenone and diazopyruvate. Reagents and conditions for optical masking and cross-linking are Prime
And Whitesides, 1991; Sighvi et al., 1994, Sigal et al., 1996, and Murksich and Whitesizes (Wh).
itesides), 1996. Photoactivated crosslinkers are bifunctional in that they chemically bind to amino groups at cell binding sites and, when exposed to light, covalently bind to cell binding molecules such as antibodies. Reagents and conditions for photoactivated cross-linking are described in Thevenin et al., Eur. J. Biochem. 206: 471-477, 1992 and Goldmacher et al., Bioconjugate Chem. 3: 104-107, 1992. Is being discussed.

【0060】 光活性化の架橋剤を用いる場合、ガラスプレートを細胞結合分子で満たして細
胞結合位置に結合させる。1つの実施形態において、表面抗原反応性抗体、細胞
外マトリクス蛋白質(例えば、フィブロネクチンまたはコラーゲン)または荷電
ポリマー(例えば、ポリ−L−リシンまたはポリ−L−アルギニン)のような細
胞結合分子を約0.1ないし約1mMの範囲の濃度で用いる。細胞結合分子が細
胞結合位置を覆っている間に、ガラスプレートを、該ガラスプレートの物質の臨
界角度未満の角度にてガラスプレートの下面から照射し、その結果、光の全反射
がもたらされる。(全反射蛍光顕微鏡の議論については、トンプソン(Thompson
)ら,1993参照)。1つの実施形態において、照射は300ナノメートル(
nm)ないし1000nmの間の波長の光で気温および37℃の間にて0.1な
いし10秒間行う。好ましい実施形態において、照射は約300および400n
mの間の波長の光を用いて気温にて1秒間行う。光学架橋は光活性化架橋を短い
距離に限定して細胞結合位置上の溶液に入れ、これはベイリー(Bailey)ら,ネ
イチャー(Nature) 366:44-48,1993;ファーカス(Farkas)ら、Ann.Rev.Physiol
.55:785-817,1993;テイラー(Taylor)ら、Soc.Opt.Instr.Eng.2678:15-27,1996
;トンプソン(Thompson)ら.,in Mason,W.T.編,「Fluorescent and Luminesce
nt Probes for Biological Activity」サンディエゴ:Academic Press 405−
419頁,1993に記載されている。
If a photoactivated crosslinker is used, the glass plate is filled with cell binding molecules and bound to cell binding sites. In one embodiment, a cell binding molecule such as a surface antigen-reactive antibody, an extracellular matrix protein (eg, fibronectin or collagen) or a charged polymer (eg, poly-L-lysine or poly-L-arginine) is reduced to about 0. Use at concentrations ranging from 0.1 to about 1 mM. While the cell-binding molecules cover the cell-binding site, the glass plate is illuminated from the lower surface of the glass plate at an angle less than the critical angle of the material of the glass plate, resulting in total reflection of light. (For a discussion of total internal reflection fluorescence microscopy, see Thompson
Et al., 1993). In one embodiment, the irradiation is 300 nanometers (
nm) to 1000 nm for between 0.1 and 10 seconds at ambient temperature and 37 ° C. In a preferred embodiment, the irradiation is about 300 and 400 n
m for 1 second at room temperature using light of a wavelength between m. Optical crosslinking limits the photoactivated crosslinking to a short distance into the solution above the cell binding site, which is described in Bailey et al., Nature 366: 44-48, 1993; Farkas et al., Ann. .Rev.Physiol
.55: 785-817, 1993; Taylor et al., Soc. Opt. Instr. Eng. 2678: 15-27, 1996.
Thompson et al. , in Mason, WT, “Fluorescent and Luminesce
nt Probes for Biological Activity ”San Diego: Academic Press 405-
419, 1993.

【0061】 光活性化の架橋剤は、架橋剤が照射された細胞結合位置においてのみ、抗体お
よびマトリクス蛋白質のような細胞結合分子と結合する。例えば、細胞結合位置
アレイの単一行を照射して、架橋剤に結合した細胞結合分子との細胞結合位置の
単一行を生じさせることができる。いずれの未結合細胞結合分子も除去するため
のアレイの洗浄に続き、第2の行を照射しつつ、かつ所望により他の行をマスク
しつつ、ガラスウェーハを第2の細胞結合分子で引き続いて満たすことによって
、細胞結合位置の第2の行を第2の細胞結合分子に結合させることができる。未
結合細胞結合分子はアレイをPBSまたはいずれかの他の適当な緩衝液で洗浄す
ることによって除去される。このようにして、細胞結合位置または細胞結合位置
の群の複数の位置を、特定の細胞結合分子の存在下で順次にマスクすることによ
って順次に照射することができる。別法として、ピンポイント露出および光学マ
スキングを用いるものによって各細胞結合位置を照射することができる。このよ
うにして、異なる細胞結合分子をアレイの行または個々の細胞結合位置に結合さ
せ、いずれかの所望のパターンの細胞結合位置に結合した細胞の不均一なアレイ
を生じさせる。
The photoactivated cross-linking agent binds to cell-binding molecules such as antibodies and matrix proteins only at the cell-binding sites irradiated by the cross-linking agent. For example, a single row of a cell binding location array can be illuminated to produce a single row of cell binding locations with a cell binding molecule bound to a crosslinker. Following washing of the array to remove any unbound cell-bound molecules, the glass wafer is subsequently illuminated with the second cell-bound molecules while illuminating the second row and optionally masking other rows. Filling allows the second row of cell binding locations to bind to a second cell binding molecule. Unbound cell-bound molecules are removed by washing the array with PBS or any other suitable buffer. In this manner, a plurality of locations of a cell binding location or group of cell binding locations can be sequentially illuminated by sequentially masking in the presence of a particular cell binding molecule. Alternatively, each cell binding location can be illuminated by using pinpoint exposure and optical masking. In this way, different cell binding molecules are bound to rows or individual cell binding locations of the array, resulting in a heterogeneous array of cells bound to any desired pattern of cell binding locations.

【0062】 細胞結合位置の化学修飾されたアレイを生じさせるためのさらなる実施形態に
おいて、化学修飾されたアレイをまず生成させ、ここに、細胞結合位置のアミノ
基は光切断可能な保護基で均一に保護される。行、列および/または個々の細胞
結合位置は順次に光脱保護されて、種々のパターンの光学マスクを用いることに
よって遊離アミノ基を露出させ、脱保護されるべき細胞結合位置を除きカバーす
る。露出された細胞結合位置(すなわち、マスクによってカバーされていない位
置を照射し、その結果、保護基が除去される。脱保護されたアミノ基に化学的に
結合し、細胞結合位置を活性化させる二官能性架橋剤でアレイを満たす。アミノ
基の光脱保護のための条件はパドワ(Padwa),A.(編)「Organic Photochemist
ry」,ニューヨーク州 9:225-323、1987、テン(Ten)ら,Makromol.Chem.190:69-
82,1989,Pillai,Synthesis 1980:1-26,1980,セルフ(Self)とトンプソン(Thom
pson),Nature Medicine 2:817-820,1996、およびセンター(Senter)ら,Photo
chem.Photobiol.42:231-237,1985に議論されている。次に、細胞結合分子を修飾
された化学アレイ上に満たし、そこでそれらは架橋剤の他の半分と反応する。次
いで、アレイを洗浄していずれの未結合の二官能性架橋剤および細胞結合分子も
除去する。別の細胞結合位置または細胞結合位置の組は別の光学マスクを用いて
脱保護することができ、そして、アレイを二官能性架橋剤、続いて脱保護アミノ
基のこの第2の細胞結合位置または細胞結合位置の組に結合する区別される細胞
結合分子の第2の処理で満たすことができる。アレイを洗浄して二官能性架橋剤
および細胞結合分子の第2の処理を除去する。このように、光脱保護、特異的分
子の化学的架橋および種々のマスク下での洗浄の反復された系列によって細胞結
合分子の不均一アレイを生成させることができる。別法として、1つの工程で細
胞結合分子と共に架橋剤を脱保護された細胞結合位置に送達することができる。
付着した細胞結合分子の濃度勾配は、光学マスクを用いて露出された脱保護アミ
ノ基の数を制御することによって、あるいは光活性化の架橋剤のための照射の量
を制御することによって作り出すことができる。
In a further embodiment for producing a chemically modified array of cell binding sites, a chemically modified array is first generated, wherein the amino groups at the cell binding sites are homogenized with photocleavable protecting groups. Protected. Rows, columns and / or individual cell binding sites are sequentially photodeprotected to expose free amino groups by using various patterns of optical masks to cover except for the cell binding sites to be deprotected. Illuminate the exposed cell binding sites (ie, those not covered by the mask, thereby removing the protecting groups; chemically binding to the deprotected amino groups and activating the cell binding sites) The array is filled with a bifunctional cross-linking agent.The conditions for photodeprotection of amino groups are described in Padwa, A. (eds.) “Organic Photochemist.
ry ", New York 9: 225-323, 1987, Ten et al., Makromol. Chem. 190: 69-
82,1989, Pillai, Synthesis 1980: 1-26,1980, Self and Thompson (Thom
pson), Nature Medicine 2: 817-820, 1996, and Center (Senter) et al., Photo
chem. Photobiol. 42: 231-237,1985. Next, the cell binding molecules are loaded onto the modified chemical array, where they react with the other half of the crosslinker. The array is then washed to remove any unbound bifunctional crosslinker and cell binding molecules. Another cell binding site or set of cell binding sites can be deprotected using another optical mask, and the array can be bifunctionally cross-linked, followed by this second cell binding site of deprotected amino groups. Alternatively, it can be filled with a second treatment of distinct cell binding molecules that bind to the set of cell binding sites. The array is washed to remove the bifunctional crosslinker and the second treatment of cell binding molecules. In this way, a heterogeneous array of cell-bound molecules can be generated by repeated sequences of photodeprotection, chemical cross-linking of specific molecules, and washing under various masks. Alternatively, the cross-linking agent can be delivered to the deprotected cell binding site along with the cell binding molecule in one step.
The concentration gradient of attached cell-binding molecules can be created by controlling the number of exposed deprotected amino groups using an optical mask or by controlling the amount of irradiation for photoactivated crosslinkers. Can be.

【0063】 細胞結合位置の化学修飾されたアレイを用いて、細胞結合位置上に細胞の不均
一アレイを生じさせる。1つの実施形態において、疑われる細胞をアレイ上に導
入することによって、修飾された化学的アレイに細胞を「撒き」、細胞結合位置
への細胞の結合を可能とし、次いで、ウェーハをすすいで未結合および弱く結合
した細胞を除去する。細胞を細胞結合位置においてのみ結合させる。なぜならば
、細胞結合位置の位置の各々を囲う疎水性環境と組み合わせて、細胞結合位置に
おける特異的化学的環境は、細胞結合位置のみに対する細胞の選択的結合を可能
とするからである。さらに、細胞結合位置の特異的細胞結合分子での修飾は、特
異的細胞結合位置への細胞の選択結合を可能とし、細胞結合位置での細胞の不均
一アレイを生じさせる。加えて、細胞結合位置に特異的に結合する細胞表面分子
は天然に存在するか、あるいは、細胞が修飾された細胞結合位置と相互作用し、
それに特異的に結合するように、細胞膜貫通分子に融合されている「細胞結合位
置−特異的」分子によって遺伝子工学により作成することができる。異なる細胞
認識分子での細胞結合位置アレイの創製は、1つの細胞結合位置、細胞結合位置
の群、または全アレイが細胞の混合された集団からの細胞を特異的に「認識し」
、それを増殖させ、スクリーニングするのを可能とする。
[0063] The chemically modified array of cell binding sites is used to generate a heterogeneous array of cells on the cell binding sites. In one embodiment, introducing the suspected cells onto the array "spreads" the cells onto the modified chemical array, allowing the cells to bind to the cell binding sites, and then rinsing the wafer and Remove bound and weakly bound cells. Cells are allowed to bind only at cell binding sites. This is because, in combination with the hydrophobic environment surrounding each of the cell binding sites, the specific chemical environment at the cell binding site allows for selective binding of cells only to the cell binding sites. Furthermore, modification of a cell binding site with a specific cell binding molecule allows for selective binding of cells to the specific cell binding site, resulting in a heterogeneous array of cells at the cell binding site. In addition, cell surface molecules that specifically bind to the cell binding site are either naturally occurring or interact with the cell binding site where the cell has been modified,
It can be engineered by "cell binding site-specific" molecules fused to cell transmembrane molecules to specifically bind to it. The creation of an array of cell binding sites with different cell recognition molecules involves one cell binding site, a group of cell binding sites, or the entire array specifically "recognizing" cells from a mixed population of cells.
, Allowing it to grow and screen.

【0064】 1つの実施形態において、1リットルあたり約10ないし約10細胞の範
囲の濃度で培地に懸濁された細胞を、気温ないし37℃範囲の温度にて1ないし
120分間細胞結合位置と接触させてインキュベートする。次いで、未結合細胞
を、培地または高密度溶液を用いて細胞結合位置からすすぎ去って、未結合細胞
を結合細胞からリフトさせる(チャンナバジャラ(Channavajjala)ら,J.Cell
Sci.110:249-256.1997)。好ましい実施形態において、1mlあたり約10
いし約10細胞の範囲の濃度で培地に懸濁させた細胞を、約10分間ないし約
2時間の範囲の時間、37℃において細胞結合位置と接触させてインキュベート
する。
In one embodiment, cells suspended in culture at a concentration in the range of about 10 3 to about 10 7 cells per liter are incubated with the cells at a temperature ranging from ambient to 37 ° C. for 1 to 120 minutes. And incubate. Unbound cells are then rinsed from the cell binding sites using medium or high density solution to lift unbound cells from the bound cells (Channavajjala et al., J. Cell.
Sci. 110: 249-256.1997). In a preferred embodiment, cells suspended in medium at a concentration ranging from about 10 5 to about 10 6 cells per ml are contacted with the cell binding site at 37 ° C. for a time ranging from about 10 minutes to about 2 hours. And incubate.

【0065】 細胞結合位置に付着した細胞の密度は、細胞懸濁液における細胞密度、化学修
飾された細胞結合位置への細胞結合を可能とする時間および/または細胞結合位
置における細胞結合分子の密度によって制御される。細胞付着手法の1つの実施
形態において、1mlあたり10ないし10細胞を1分および120分の間
、気温と37℃の間でインキュベートし、細胞結合位置は細胞結合分子1cm あたり0.1と100ナノモルの間を含有する。好ましい実施形態において、1
mlあたり105および106細胞を約37℃で10分間ないし2時間インキュ
ベートし、細胞結合位置は細胞結合分子1cmあたり約10ないし100ナノ
モルを含有する。
The density of cells attached to a cell binding site is determined by the cell density in the cell suspension, the time allowed for cell binding to the chemically modified cell binding site, and / or the density of cell binding molecules at the cell binding site. Is controlled by In one embodiment of the cell attachment procedure, 10 3 to 10 7 cells per ml are incubated between 1 minute and 120 minutes between ambient temperature and 37 ° C., and the cell binding site is 0.1% per cm 2 of cell binding molecule. And between 100 nanomolar. In a preferred embodiment, 1
Incubate 105 and 106 cells per ml at about 37 ° C. for 10 minutes to 2 hours, and the cell binding sites contain about 10 to 100 nanomoles per cm 2 of cell binding molecule.

【0066】 1つの実施形態において、細胞は、ベル(Bell)ら,J.Histochem.Cytochem 3
5:1375-1380,1987;プート(Poot)ら,J.Histochem.Cytochem 44:1363-1372,199
6;ジョンソン(Johnson),J.Elect.Micros.Tech.2:129-138,1985によって記載さ
れているように細胞結合位置に化学的に結合させ、そして、抗体、核酸ハイブリ
ダイゼーションプローブまたは他のリガンドのような蛍光標識分子での後の時間
におけるスクリーニングで使用される。
In one embodiment, the cells are derived from Bell et al., J. Histochem. Cytochem 3
5: 1375-1380, 1987; Poot et al., J. Histochem. Cytochem 44: 1363-1372,199.
6; chemically attached to the cell binding site as described by Johnson, J. Elect. Micros. Tech. 2: 129-138, 1985, and used as an antibody, nucleic acid hybridization probe or other Used in screening at a later time with fluorescently labeled molecules such as ligands.

【0067】 別の実施形態において、細胞は細胞の化学的もしくは分子的特性の蛍光インジ
ケータで修飾し、細胞結合位置の不均一な化学修飾されたアレイ上に撒き、次い
で、生きた状態で分析することができる。そのようなインジケータの実施例は、
Giuilanoら,Ann.Rev.Biophys.Biomol.Struct.24:405-434,1995;ハルーツニアン
(Harootunian)ら,Mol.Biol.Cell 4:993-1002,1993;ポスト(Post)ら,Mol.Bi
ol.Cell 6:1755-1768,1995;ゴナザルツ(Gonazalez)およびチーン(Tsien),Bi
ophys.J.69:1272-1280,1995;スワミナザン(Swaminathan)ら,Biophys.J.72:19
00-1907,1997およびチャルフィー(Chalfie)ら,サイエンス(Science) 263:8
02-805,1994に提供される。インジケータは、限定されるものではないが、それ
らが記載された条件下で発現されるように(チャルフィー(Chalfie)ら,1994
)、(ハウグランド(Haugland)、蛍光プローブおよび探索化学物質のハンドブ
ック、第6版、Molecular Probes,Inc.,ユージン(Eugene),1996にレビューさ
れている)細胞膜を横切る拡散、細胞膜の機械的乱れ(マクニール(McNeil)ら
,J. Cell Biology 98:1556-1564,1984;クラーク(Clarke)およびマクニール(
McNeil),J.Cell サイエンス(Science) 102:533-541,1992;クラーク(Clarke
)ら,BioTechniques 17:1118-1125,1994)、または遺伝子工学のようないずれ
か1つのまたは種々の物理的方法の組合わせによってアレイ上に接種される前ま
たは後に細胞に導入することができる。好ましい実施形態において、細胞は蛍光
レポータ遺伝子を含有するが、化学発光蛋白質をコードするものを含めた他のタ
イプのレポータ遺伝子も適当である。生きた細胞の生きた研究はその細胞周期の
間の蛍光によって報告されているように、あるいは薬物または他の反応性物質と
接触させた場合に細胞の生理学的状態の分析を可能とする。
In another embodiment, cells are modified with a fluorescent indicator of the chemical or molecular properties of the cells, seeded on a chemically modified array of heterogeneous cell binding sites, and then analyzed live. be able to. Examples of such indicators are:
Giuilano et al., Ann. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 24: 405-434, 1995; Harootunian et al., Mol. Biol. Cell 4: 993-1002, 1993; Post et al., Mol. Bi.
ol. Cell 6: 1755-1768, 1995; Gonazalez and Tsien, Bi.
ophys. J. 69: 1272-1280, 1995; Swaminathan et al., Biophys. J. 72:19.
00-1907, 1997 and Chalfie et al., Science 263: 8.
02-805, 1994. Indicators may be, but are not limited to, as they are expressed under the conditions described (Chalfie et al., 1994).
Diffusion across cell membranes, mechanical perturbation of cell membranes (reviewed in Haugland, Handbook of Fluorescent Probes and Exploratory Chemicals, Sixth Edition, Molecular Probes, Inc., Eugene, 1996). (McNeil et al., J. Cell Biology 98: 1556-1564, 1984; Clarke and McNeil (
McNeil), J. Cell Science 102: 533-541,1992; Clarke
) Et al., BioTechniques 17: 1118-1125, 1994), or by any one or a combination of various physical methods, such as genetic engineering, before or after inoculation on the array. In a preferred embodiment, the cells contain a fluorescent reporter gene, but other types of reporter genes are also suitable, including those encoding chemiluminescent proteins. Living studies of living cells allow the analysis of the physiological state of cells as reported by fluorescence during the cell cycle or when contacted with drugs or other reactive substances.

【0068】 本発明の別の形態において、細胞結合位置の不均一細胞アレイが提供され、こ
こに、細胞は、基板上の細胞結合位置の化学修飾されたアレイに結合されている
。細胞結合位置の基礎となる不均一な化学的修飾アレイは異なる特異性の種々の
細胞結合部位を提供するゆえに細胞アレイは不均一である。いずれの細胞タイプ
も整列させることができるが、その細胞タイプに特異的に結合することができる
分子は細胞結合位置の化学修飾されたアレイに存在するものとする。細胞結合位
置の不均一細胞アレイについての好ましい細胞タイプはリンパ球、癌細胞、ニュ
ーロン、菌類、細菌および他の原核生物および真核生物を含む。例えば、図3A
は、表面パターン化基板上で増殖し、2つの蛍光プローブ(アクチンを染色する
ためのローダミンおよび核を染色するためのヘキスト(Hoechst))で標識され
た繊維芽細胞を含有する細胞結合位置にある不均一細胞アレイを示し、他方、図
3Bは、2つの蛍光プローブで標識され、異なる倍率で可視化されたスポットパ
ターンの繊維芽細胞増殖(L929および3T3細胞)を含有する細胞結合位置
にある不均一細胞アレイを示す。
In another aspect of the present invention, there is provided a heterogeneous cell array of cell binding locations, wherein cells are bound to a chemically modified array of cell binding locations on a substrate. Cell arrays are heterogeneous because the heterogeneous chemically modified arrays underlying cell binding sites provide a variety of cell binding sites of different specificities. Although any cell type can be aligned, it is assumed that molecules capable of specifically binding to that cell type are present in a chemically modified array of cell binding sites. Preferred cell types for heterogeneous cell arrays at cell binding sites include lymphocytes, cancer cells, neurons, fungi, bacteria and other prokaryotes and eukaryotes. For example, FIG.
Is at a cell binding site containing fibroblasts growing on a surface patterned substrate and labeled with two fluorescent probes (rhodamine to stain actin and Hoechst to stain nuclei) FIG. 3B shows a heterogeneous cell array, while FIG. 3B shows a heterogeneous cell binding site containing fibroblast proliferation (L929 and 3T3 cells) labeled with two fluorescent probes and visualized at different magnifications. 3 shows a cell array.

【0069】 細胞結合位置にある不均一細胞アレイで用いることができる細胞結合分子の実
施例は、限定されるものではないが、抗体、レクチンおよび細胞外マトリクス蛋
白質を含む。別法として、特異的細胞表面マーカを発現する遺伝子工学作成細胞
は修飾された細胞結合位置に選択的に直接結合させることができる。細胞結合位
置にある不均一細胞アレイは固定細胞または生きた細胞いずれかを含み得る。好
ましい実施形態において細胞結合位置にある不均一細胞アレイは、限定されるも
のではないが、細胞の化学的または分子的特性の蛍光インジケータで「標識され
た」細胞のような生きた細胞を含む。
Examples of cell binding molecules that can be used in heterogeneous cell arrays at cell binding locations include, but are not limited to, antibodies, lectins, and extracellular matrix proteins. Alternatively, genetically engineered cells expressing a specific cell surface marker can be selectively attached directly to the modified cell binding site. Heterogeneous cell arrays at cell binding sites can include either fixed or live cells. In a preferred embodiment, the heterogeneous cell array at the cell binding site comprises living cells, such as, but not limited to, cells "labeled" with a fluorescent indicator of the chemical or molecular properties of the cells.

【0070】 本発明の別の形態において、細胞結合位置にある不均一細胞アレイを調製し、
ここに、該細胞は少なくとも1つの蛍光レポータ分子を含有し、細胞結合位置に
ある不均一細胞アレイを流体送達系に接触させて細胞への試薬送達を可能とさせ
低倍率で全不均一細胞アレイの蛍光像を取得することによって高スループットを
スクリーニングを行って、全ての細胞結合位置から一度に蛍光シグナルを検出し
、応答を呈するものを同定することを特徴とする細胞を分析する方法が提供され
る。これに続いて、異なる生理学的およびスペクトル特性を持つ蛍光試薬の組を
用いて応答する細胞結合位置内で高含有量検出を行い、選択された細胞結合位置
を走査して細胞中の蛍光レポータ分子からの蛍光シグナルを取得し、蛍光シグナ
ルをデジタルデータに変換し、デジタルデータを利用して細胞内の蛍光レポータ
分子の分布、環境または活性を測定する。
In another aspect of the invention, a heterogeneous cell array at a cell binding site is prepared,
Here, the cells contain at least one fluorescent reporter molecule, contacting the heterogeneous cell array at the cell binding site with a fluid delivery system to enable reagent delivery to the cells, and providing a low magnification total heterogeneous cell array. A method for analyzing cells characterized in that high-throughput screening is performed by obtaining fluorescent images of the cells, a fluorescent signal is detected at once from all cell-binding positions, and those exhibiting a response are identified. You. This is followed by high content detection within the responding cell binding sites using a set of fluorescent reagents with different physiological and spectral properties, and scanning the selected cell binding sites to detect the fluorescent reporter molecule in the cell. From a fluorescent signal, converting the fluorescent signal into digital data, and using the digital data to measure the distribution, environment or activity of the fluorescent reporter molecule in the cell.

【0071】 細胞結合位置にある不均一細胞アレイの好ましい実施形態は前記で開示される
。流体送達系の好ましい実施形態において、チャンバーは不均一細胞アレイを含
有する基板と接合する。該チャンバーは、好ましくは、ガラス、プラスチックま
たはシリコンから作成されるが、チャンバーを提供できるいずれの他の材料も適
当である。図4に示されたチャンバー12の1つの実施形態は、基板4上の細胞
結合位置8にマッチするエッチングされたドメイン13のアレイを有する。加え
て、インプットチャンネル14がエッチングされて流体をエッチングされたドメ
イン13に供給する。エッチングされたドメイン13から過剰の流体を除去する
ための一連の「アウトプット」チャンネル16もまた細胞結合位置に結合させる
ことができる。チャンバー12および基板10はいっしょになってカセット18
を構成する。この実施形態はエッチングされたドメインを利用するが、流体位置
1に形成された凹所13のいずれの他のタイプをこの実施形態で利用することも
できる。別法として、流体位置は平坦であってよく、細胞結合位置8は流体位置
1にマッチする凹所を含むことができる。もう1つの別法において、細胞結合部
位8および流体位置1は共に平坦であって、ウェルに対する容量スペースは基板
4およびチャンバー12の間でのスペーサ支持体20の使用によって作られる。
[0071] Preferred embodiments of the heterogeneous cell array at the cell binding site are disclosed above. In a preferred embodiment of the fluid delivery system, the chamber is bonded to a substrate containing the heterogeneous cell array. The chamber is preferably made from glass, plastic or silicon, but any other material that can provide a chamber is suitable. One embodiment of the chamber 12 shown in FIG. 4 has an array of etched domains 13 that match cell binding locations 8 on the substrate 4. In addition, an input channel 14 is etched to supply fluid to the etched domain 13. A series of "output" channels 16 for removing excess fluid from the etched domains 13 can also be coupled to the cell binding locations. The chamber 12 and the substrate 10 are brought together to form a cassette 18.
Is configured. Although this embodiment utilizes etched domains, any other type of recess 13 formed at fluid location 1 can be utilized in this embodiment. Alternatively, the fluid location may be flat and cell binding location 8 may include a recess matching fluid location 1. In another alternative, the cell binding site 8 and the fluid location 1 are both flat and the volume space for the well is created by the use of a spacer support 20 between the substrate 4 and the chamber 12.

【0072】 このように、チャンバー12は、細胞結合位置位置10に整列された細胞への
流体の送達のために使用される。該流体は、限定されるものではないが、細胞の
表面発現部位と結合する、あるいは細胞によって摂取された特定の薬物、蛋白質
、リガンドまたは他の物質の溶液を含む。細胞結合位置10に整列された細胞と
相互作用する流体は薬物をカプセル化するリポソームを含むこともできる。1つ
の実施形態において、そのようなリポソームが光発色性の材料から形成され、こ
れは光反応性合成ポリマーのような、光への露出に際して薬物を放出する(ウィ
ルなー(Willner)およびルビン(Rubin),Chem.Int.編、Engl.35:367-385,1996
にレビューされている)。薬物は全てのチャンバー14中のリポソームから同時
に放出でき、あるいは個々のチャンネルまたはチャンネルの別の行を照射して薬
物を順次に放出させることもできる。そのような薬物の制御された放出を遺伝子
実験および生きた細胞実験で用いることができる。流体送達の制御は、毛細管作
用分野でよく知られたミクロ−バルブおよびミクロ−ポンプの組合わせによって
達成することができる(ここに引用にて一体化される米国特許第5,567,2
94号;米国特許第5,527,673号;米国特許第5,585,069号)
Thus, the chamber 12 is used for the delivery of a fluid to the cells aligned at the cell binding location 10. Such fluids include, but are not limited to, solutions of certain drugs, proteins, ligands or other substances that bind to or are taken up by cell surface expression sites. The fluid that interacts with the cells aligned at the cell binding site 10 can also include liposomes that encapsulate the drug. In one embodiment, such liposomes are formed from photochromic materials, which release drugs upon exposure to light, such as photoreactive synthetic polymers (Willner and Rubin). ), Edited by Chem. Int., Engl. 35: 367-385, 1996.
Has been reviewed). The drug can be released simultaneously from the liposomes in all chambers 14, or the individual channels or another row of channels can be irradiated to release the drug sequentially. Controlled release of such drugs can be used in genetic and live cell experiments. Control of fluid delivery can be achieved by a combination of micro-valves and micro-pumps well known in the capillary action art (US Pat. No. 5,567,2, incorporated herein by reference).
No. 94; US Pat. No. 5,527,673; US Pat. No. 5,585,069).
.

【0073】 図5に示されたチャンバー12の別の実施形態は、細胞結合部位がチャンバー
12のエッチングされたドメイン13に浸漬されるように、基板4上の細胞結合
位置8よりも直径がわずかに大きなチャンバーのエッチングされたドメイン13
にマッチングするインプットチャンネル14のアレイを有する。スペーサ支持体
20は、接触の側面に沿って、チャンバー12および細胞結合位置10に整列さ
れた細胞の間に置かれる。基板4およびチャンバー12は、チャンバーの隆起し
た領域にあるエラストマまたは他の粘着性コーティングを用いて一緒にシールす
ることができる。チャンバー12の各エッチングされたドメイン13は、細胞結
合位置10に整列された細胞の増殖および/または健康を支持する培地を個々に
または均一に満たすことができる。さらなる実施形態において(図6)、同一溶
液と共に細胞結合位置10に整列された全ての細胞を処理するために、該チャン
バーはインプットチャンネルを含有しない。
Another embodiment of the chamber 12 shown in FIG. 5 has a smaller diameter than the cell binding locations 8 on the substrate 4 so that the cell binding sites are immersed in the etched domains 13 of the chamber 12. Large chamber etched domain 13
Has an array of input channels 14 that match A spacer support 20 is placed between the cells aligned with the chamber 12 and the cell binding location 10 along the sides of the contact. The substrate 4 and the chamber 12 can be sealed together using an elastomer or other adhesive coating in the raised area of the chamber. Each etched domain 13 of the chamber 12 can individually or uniformly fill a medium that supports the growth and / or health of cells aligned at the cell binding location 10. In a further embodiment (FIG. 6), the chamber does not contain an input channel to treat all cells aligned at cell binding location 10 with the same solution.

【0074】 薬物または他の物質の送達は、以下のように、チャンバーの種々の修飾の使用
によって達成される。アレイの細胞との相互作用につきテストされるべき薬物の
溶液は96ウェルマイクロタイタープレートからミクロ−毛細管24のアレイに
負荷することができる(図7)。ミクロ−毛細管24のアレイはチャンバー12
のインプットチャンネル14に1:1で対応し、溶液がミクロ−毛細管24から
チャンバー14に流動し、またはポンプ送液されるようにする。カセット18は
、細胞結合位置8が流体で満たされたエッチングされたドメイン13に沈むよう
に倒立される(図7B)。一旦流体および細胞の間で相互作用が起きれば、細胞
結合位置10に整列された細胞から発せられたシグナルは直接測定することがで
きるか、あるいは別法として、基板4を後処理、固定および標識のためにチャン
バーから離してリフトすることができる。細胞のアレイの設置および除去はロボ
ットおよび/または水力学を介して達成することができる(シュローダー(Schr
oeder)およびニーグル(Neagle),1996)。
Delivery of drugs or other substances is achieved through the use of various modifications of the chamber, as follows. Solutions of the drug to be tested for interaction with the cells of the array can be loaded from a 96-well microtiter plate into an array of micro-capillaries 24 (FIG. 7). The array of micro-capillaries 24 is
1: 1 to allow the solution to flow from the micro-capillary tube 24 to the chamber 14 or to be pumped. The cassette 18 is inverted so that the cell binding sites 8 sink into the fluid-filled etched domains 13 (FIG. 7B). Once the interaction between the fluid and the cells has taken place, the signal emitted from the cells aligned at the cell binding site 10 can be measured directly or, alternatively, the substrate 4 can be post-treated, fixed and labeled. Can be lifted away from the chamber. Placement and removal of the array of cells can be accomplished via robots and / or hydraulics (Schröder (Schr.
oeder) and Neagle, 1996).

【0075】 図7に示されたチャンバー12の1つの実施形態において、チャンネルおよび
マッチングするエッチングされた13をチャンバーに化学的にエッチングする(
プライム(Prime)およびホワイトサイズ(Whitesides),1991;ロペツ(Lopez)
ら,1993;ムルクシッヒ(Mrksich)およびホワイトサイズ(Whitesides),1996
)。エッチングされたドメイン13は細胞結合位置8よりも直径が大きい。これ
はチャンバー12が基板4に接触シールされて、細胞のためのスペースおよび流
体の小さな容量を残すことを可能とする。インプットチャンネル14はチャンバ
ー12のエッチングされたドメイン13の各行にエッチングされる。各インプッ
トチャンネル14はチャンバー12の2つの対向するエッジから伸び、各エッジ
で開く。単一の行のエッチングされたドメイン13は、溶液を含有するミクロ−
毛細管20をチャンバー12のエッジと接触させることによってインプットチャ
ンネル14と流体連絡する。結合されたインプットチャンネル14の各行は同時
にまたは順次に満たすことができる。バルブおよびポンプまたは毛細管作用によ
るインプットチャンネル14の充填の間に、チャンバー12のチャンネルの各々
は満たされ、薬物は通過して、インプットチャンネル14によって結合されたエ
ッチングされたドメイン13の行にある各エッチングされたドメイン13を満た
す。
In one embodiment of the chamber 12 shown in FIG. 7, channels and matching etched 13 are chemically etched into the chamber (
Prime and Whitesides, 1991; Lopez
Et al., 1993; Murksich and Whitesides, 1996.
). The etched domain 13 is larger in diameter than the cell binding position 8. This allows the chamber 12 to be contact sealed to the substrate 4, leaving space for cells and a small volume of fluid. Input channels 14 are etched into each row of etched domains 13 of chamber 12. Each input channel 14 extends from two opposite edges of the chamber 12 and opens at each edge. A single row of etched domains 13 contains a micro-
The capillary 20 is in fluid communication with the input channel 14 by making contact with the edge of the chamber 12. Each row of the combined input channels 14 can be filled simultaneously or sequentially. During filling of the input channels 14 by valves and pumps or by capillary action, each of the channels of the chamber 12 is filled, and the drug passes through each etch in the row of the etched domains 13 bound by the input channels 14. Satisfies the domain 13 that has been set.

【0076】 チャンバー12のさらなる実施形態において、図8bに示されるように、一段
と高い容器28およびインプットチャンネル14をチャンバー12の表面に置く
ことができる。好ましい実施形態において、一段と高い容器28およびインプッ
トチャンネル14はポリテトラフルオロエチレンまたはエラストマ材料から作成
することができるが、それらは商品名SYLGARD 184TM下でダウコー
ニング(Dow Corning)によって製造されたポリ(ジメチルシロキサン)のよう
な、基板4への付着を可能とするいずれの他の粘着性材料から作成することもで
きる。該効果はエッチングされたチャンネルを有するチャンバーと同一であり、
チャンネルおよびその使用は同様である。
In a further embodiment of the chamber 12, an elevated container 28 and the input channel 14 can be placed on the surface of the chamber 12, as shown in FIG. In a preferred embodiment, the taller container 28 and input channel 14 can be made from polytetrafluoroethylene or an elastomeric material, but they are made of poly (D) manufactured by Dow Corning under the trade name SYLGARD 184 TM. It can be made from any other tacky material that allows it to adhere to the substrate 4, such as dimethylsiloxane). The effect is identical to the chamber with the etched channels,
Channels and their use are similar.

【0077】 図8Aに示されたチャンバーの別の実施形態において、第1のチャンネル30
はチャンバー12の1つのエッジから第1のエッチングされたドメイン13また
は一段と高い容器28およびチャンネルまで延びる。第2のチャンネル32は対
向エッジから第1のエッチングされたドメインに隣接する第2のエッチングされ
たドメインまで延びる。第1の30および第2の32のチャンネルは相互に流体
連絡していないが、インプットチャンネル14または一段と高い容器28の同一
行にある。
In another embodiment of the chamber shown in FIG. 8A, the first channel 30
Extends from one edge of the chamber 12 to the first etched domain 13 or the higher vessel 28 and channel. A second channel 32 extends from the opposite edge to a second etched domain adjacent to the first etched domain. The first 30 and second 32 channels are not in fluid communication with each other, but are in the same row of the input channel 14 or higher vessel 28.

【0078】 図9および図10に示された別の実施形態において、チャンバー12は各エッ
チングされたドメイン13または一段と高い容器28からチャンバーのエッジに
延びるインプットチャンネル14を有することができる。該チャンネル14はチ
ャンバー12の1つのエッジ(図9)、または双方のエッジ(図10)に全て由
来することができる。また、インプットチャンネル14はエッチングされたドメ
イン13の両側に分けて、インプットチャンネル14によって占められるスペー
スを最小化することもできる。別々の流体チャンネルは、一度に一行または一度
に1つの凹所が薬物で充填される動的実験の性能を可能とする。
In another embodiment, shown in FIGS. 9 and 10, the chamber 12 can have an input channel 14 that extends from each etched domain 13 or higher vessel 28 to the edge of the chamber. The channel 14 can originate from one edge of the chamber 12 (FIG. 9), or both edges (FIG. 10). Also, the input channel 14 can be divided on both sides of the etched domain 13 to minimize the space occupied by the input channel 14. Separate fluid channels allow the performance of dynamic experiments where one row at a time or one recess at a time is filled with drug.

【0079】 図11に描かれたさらなる実施形態において、各エッチングされたドメインは
、チャンネル14の端部およびエッチングされたドメイン13の間にプラグ36
を有する対応するインプットチャンネル14と流体連絡し、これは所望の時間ま
で注入された溶液がエッチングされたドメイン13に流入することを妨げる。溶
液はあとの時点での使用のためインプットチャンネル14に予め負荷することが
できる。同様に、プラグ36はインプットチャンネル14と流体連絡した連結さ
れエッチングドメイン13の組における末端エッチングドメイン13の間に配す
ることができる。プラグ36の放出に際して、物質は、インプットチャンネル1
4と流体連絡するすべてのエッチングされたドメインを通って流動しそれを充填
する。
In a further embodiment depicted in FIG. 11, each etched domain has a plug 36 between the end of the channel 14 and the etched domain 13.
In fluid communication with the corresponding input channel 14, which prevents the injected solution from flowing into the etched domain 13 until the desired time. The solution can be pre-loaded into the input channel 14 for use at a later time. Similarly, a plug 36 can be disposed between the terminal etch domains 13 in the set of connected etch domains 13 in fluid communication with the input channel 14. Upon release of the plug 36, the substance is placed in the input channel 1
Flow through and fill all the etched domains in fluid communication with 4.

【0080】 1つの実施形態において、プラグ36は、照射に際して親水性となり、薬物と
共に凹所へと通過する光切断可能の架橋剤で架橋されている、限定されるもので
はないが、蛋白質、炭水化物または脂質のような疎水性ポリマーから形成される
。別法として、プラグ36は、照射された場合に分解し、溶液に沿ってエッチン
グドメイン13へと通過する光切断可能の架橋剤で架橋されている蛋白質、炭水
化物または脂質のような架橋されたポリマーから形成することができる。
In one embodiment, the plug 36 is hydrophilic upon irradiation and is cross-linked with a photocleavable cross-linking agent that passes with the drug into the recess, including but not limited to proteins, carbohydrates, and the like. Or formed from hydrophobic polymers such as lipids. Alternatively, the plug 36 may be degraded when irradiated and crosslinked with a photocleavable crosslinker that passes along the solution to the etching domain 13, a crosslinked polymer such as a protein, carbohydrate or lipid. Can be formed from

【0081】 基板4およびチャンバー12を含むカセット18は蛍光リーダー装備に挿入さ
れる。蛍光リーダー装備は、カセットを取り扱い、環境(例えば、生きた細胞に
とって重要である温度)を制御し、溶液のウェルへの送達を制御し、細胞のアレ
イから(一度に1ウェルまたは同時に全アレイ)発せられた蛍光を分析する光学
−機械的装置である。好ましい実施形態において(図12)、蛍光リーダー装備
44は、カセットを操作するためのリーダーおよびマイクロロボットとしての蛍
光顕微鏡を用いる一体化された回路監視ステーションを含む。本発明のリーダー
はディテクタで蛍光検体を像形成するように切形されたいずれの光学系を含むこ
とができる。保存区画48は、カセット18を保持し、それからそれらはコンピ
ュータ56によって制御されるロボットアーム50によって検索される。ロボッ
トアーム50はカセット18を蛍光リーダー装備44に挿入する。カセット18
は、当該カセットを第2の保存区画54に入れる別のロボットアーム52によっ
て蛍光リーダー装備44から取り出される。
The cassette 18 including the substrate 4 and the chamber 12 is inserted into a fluorescence reader. Fluorescent reader equipment handles the cassettes, controls the environment (eg, the temperature that is important for living cells), controls the delivery of solutions to wells, and from the array of cells (one well at a time or the entire array at the same time). An optical-mechanical device that analyzes the emitted fluorescence. In a preferred embodiment (FIG. 12), the fluorescence reader equipment 44 includes an integrated circuit monitoring station using a reader to operate the cassette and a fluorescence microscope as a microrobot. The reader of the present invention can include any optical system that is truncated to image a fluorescent analyte with a detector. The storage compartment 48 holds the cassettes 18, which are then retrieved by a robot arm 50 controlled by a computer 56. The robot arm 50 inserts the cassette 18 into the fluorescence reader equipment 44. Cassette 18
Is removed from the fluorescence reader device 44 by another robot arm 52 that places the cassette in a second storage compartment 54.

【0082】 蛍光リーダー装備44は、一体化された回路「チップ」を欠陥につき「スクリ
ーニングする」ように使用される光学ベースの一体化回路監視ステーションの修
飾として設計された光学的−機械的装置である。環境制御、マイクロロボットお
よび光学リーダーを取り込むシステムはカールツァイス(Carl Zeiss)[Jena,Gm
bH]のような会社によって生産されている。ロボット取り扱い、流体送達、およ
び速くて正確な走査を容易にすることに加え、2つの読み取りモード、高含有量
および高スループットが支持される。高含有量読み出しはArrayScanリーダーに
よって行われるものと実質的に同様である(米国出願第08/810983号)
。高含有量モードにおいて、複数の細胞タイプのミクロ−アレイ上の各位置は十
分な数の視野を記録する5−40X以上の倍率で像形成されて測定の所望の統計
学的分解能を達成する。
The fluorescence reader equipment 44 is an optical-mechanical device designed as a modification of an optical-based integrated circuit monitoring station used to “screen” the integrated circuit “chip” for defects. is there. Carl Zeiss [Jena, Gm
bH]. In addition to facilitating robot handling, fluid delivery, and fast and accurate scanning, two reading modes, high content and high throughput are supported. The high content readout is substantially similar to that performed by an ArrayScan reader (US application Ser. No. 08 / 810,983).
. In the high content mode, each location on the micro-array of multiple cell types is imaged at a magnification of 5-40X or higher to record a sufficient number of fields to achieve the desired statistical resolution of the measurement.

【0083】 高スループットモードにおいて、蛍光リーダー装備44は0.2×ないし1.
0×倍率のかなり低い倍率で複数の細胞タイプのミクロ−アレイを像形成し、低
下した分解能を提供するが、基板上の全ての細胞結合位置が単一像で記録される
ことを可能とする。1つの実施形態において、0.5×倍率で像形成された複数
の細胞タイプの20mm×30mmミクロ−アレイは10μm画素の1000×
1500アレイを満足し、細胞内蛍光分布を規定するには不十分であるが、単一
ウェルにおいて平均応答を記録するには、およびウェル中の特定の細胞サブタイ
プの数をカウントするには十分な20μm/画素の分解能を生じる。典型的な取
り込み回数は秒のオーダーであるので、自動ローディングおよび取り扱いとカッ
プリングさせた読み出し技術の高スループットモードは1分間あたり数百の化合
物のスクリーニングを可能とする。
In the high-throughput mode, the fluorescent reader equipment 44 has a size of 0.2 × to 1.
Image micro-arrays of multiple cell types at much lower magnifications of 0x magnification, providing reduced resolution, but allowing all cell binding locations on the substrate to be recorded in a single image . In one embodiment, a 20 mm × 30 mm micro-array of multiple cell types imaged at 0.5 × magnification is a 1000 × 10 × 10 μm pixel.
Sufficient to fill 1500 arrays and define the intracellular fluorescence distribution, but not enough to record the average response in a single well and to count the number of specific cell subtypes in a well A resolution of 20 μm / pixel. Because typical incorporation times are on the order of seconds, the high throughput mode of readout technology coupled with automatic loading and handling allows screening of hundreds of compounds per minute.

【0084】 図13に示された1つの実施形態において、蛍光リーダー装備は、コンピュー
タ−制御されたx,y,z−ステージ64、低倍率対物レンズ70(例えば、0
.5×)および1以上の高倍率対物レンズ72を保持するコンピュータ−制御さ
れた回転対物レンズ台68、励起フィルタホイール76を備えた白色光源ランプ
74、発光フィルタ80を備えた二色フィルタシステム78、およびディテクタ
82(例えば、冷却された電荷−結合装置)を含む直立または倒立蛍光顕微鏡4
4である光学的−機械的デザインを含む。高スループットモードでは、低倍率対
物レンズ70が所定の位置に移動され、全細胞アレイの1以上の蛍光像が記録さ
れる。いくらかの選択された蛍光応答を呈したウェルを同定し、さらに、高含有
量スクリーニングを介して分析され、ここに、米国出願第08/810983号
に記載されているように、対物レンズ台68が回転されて高倍率対物レンズ72
を選択し、x,y,z−ステージ64が細胞および細胞下高含有量スクリーニン
グ双方に付き「選択された」ウェルを中心になるように調整される。
In one embodiment, shown in FIG. 13, the fluorescence reader equipment includes a computer-controlled x, y, z-stage 64, a low magnification objective lens 70 (eg, 0
. A computer controlled rotating objective stage 68 holding 5 ×) and one or more high magnification objectives 72, a white light source lamp 74 with an excitation filter wheel 76, a dichroic filter system 78 with an emission filter 80, Upright or inverted fluorescence microscope 4 including a detector 82 (eg, a cooled charge-coupled device)
4 including an optical-mechanical design. In the high throughput mode, the low-magnification objective lens 70 is moved to a predetermined position, and one or more fluorescent images of the whole cell array are recorded. Wells that exhibited some selected fluorescent response were identified and further analyzed via high-content screening, where the objective mount 68, as described in US application Ser. No. 08 / 810,983, was used. Rotated and high magnification objective lens 72
And the x, y, z-stage 64 is adjusted to center on the "selected" well for both cell and subcellular high content screening.

【0085】 別の実施形態において、蛍光リーダー装備44は共焦点または標準照射モード
いずれかにて走査されたレーザービームを利用することができる。カールツァイ
ス(Carl Zeiss)(ジェナ(Jena),GmbH,ドイツ)によって製造され、またはデ
ン(Denk)ら(サイエンス(Science)248:73,1990)に議論されている複数のレ
ーザーラインまたは別々のレーザーダイオードの群に基づく。
In another embodiment, the fluorescence reader equipment 44 can utilize a laser beam scanned in either a confocal or standard illumination mode. Multiple laser lines or separate lasers manufactured by Carl Zeiss (Jena, GmbH, Germany) or discussed in Denk et al. (Science 248: 73, 1990). Based on a group of diodes.

【0086】 高スループットスクリーニングモードの別の実施形態は、細胞の不均一微細パ
ターン化アレイにあるウェルのサブセットを走査する蛍光エクサイターおよび蛍
光発光ディテクタのアレイ(1×8、1×12等)よりなる低分解能システムの
使用を含む。好ましい実施形態において、このシステムは束となった光学繊維よ
りなるが、蛍光励起光を指令し、同一ウェルからの蛍光発光を収集するいずれの
システムも十分であろう。このシステムでの複数の細胞タイプの全ミクロ−アレ
イの走査は、各ウェルから、細胞およびそれがつけられた溶液双方からの全蛍光
を生じる。この実施形態は、無細胞システムからの蛍光シグナルの収集を可能と
する(いわゆる「均一」アッセイ)。
Another embodiment of the high-throughput screening mode consists of an array of fluorescent exciters and detectors (1 × 8, 1 × 12, etc.) scanning a subset of wells in a heterogeneous micropatterned array of cells. Including the use of low resolution systems. In a preferred embodiment, the system consists of bundled optical fibers, but any system that directs fluorescence excitation light and collects fluorescence emission from the same well would be sufficient. Scanning the entire micro-array of multiple cell types with this system yields, from each well, total fluorescence from both the cells and the solution to which they are attached. This embodiment allows for the collection of a fluorescent signal from a cell-free system (a so-called "homogeneous" assay).

【0087】 図14Aは、まず高スループット検出を用いて全アレイ「A」からの応答を測
定する蛍光リーダー装備を用いて高スループットおよび高含有量モード双方にお
いて複数の細胞タイプのミクロ−アレイを分析するためのフローチャートの形態
での方法を示す。(図14B)。予め設定された閾値を超えて応答するいずれの
ウェルも、ヒットと考えられ、そのウェル中の細胞を高含有量スクリーニングを
介して測定する。(図14C)。高含有量モード(「B」)は高スループットモ
ード(「A」)の間に測定された同一細胞パラメータを測定しても測定しなくて
も良い。
FIG. 14A shows the analysis of multiple cell-type micro-arrays in both high throughput and high content modes using a fluorescent reader instrument that first measures response from the entire array “A” using high throughput detection. 3 shows a method in the form of a flowchart for performing the method. (FIG. 14B). Any well that responds above a preset threshold is considered a hit and the cells in that well are measured via high content screening. (FIG. 14C). The high content mode ("B") may or may not measure the same cell parameters measured during the high throughput mode ("A").

【0088】 本発明の別の実施形態において、細胞スクリーニングシステムが開示され、こ
こに、用語「スクリーニングシステム」は蛍光リーダー装備、複数の細胞タイプ
(ここに、該細胞は少なくとも1つの蛍光レポータ分子を含有する)のミクロ−
アレイおよび細胞の不均一微細パターン化アレイと会合させたチャンバーを含む
蛍光リーダー装備に挿入することができるカセット、蛍光リーダー装備からのデ
ータを受け取るためのデジタルディテクタ、およびデジタルディテクタからのデ
ジタルデータを取得し処理するためのコンピュータ手段の統合を含む。
In another embodiment of the present invention, a cell screening system is disclosed, wherein the term “screening system” is equipped with a fluorescent reader, a plurality of cell types, wherein the cells have at least one fluorescent reporter molecule. Containing) micro-
A cassette that can be inserted into a fluorescence reader instrument containing a chamber associated with a heterogeneous micropatterned array of cells and cells, a digital detector for receiving data from the fluorescence reader instrument, and acquiring digital data from the digital detector And the integration of computer means for processing.

【0089】 蛍光リーダー装備、および複数の細胞タイプのミクロ−アレイおよびチャンバ
ーを含むカセットの好ましい実施形態は前記で開示した。デジタルディテクタの
好ましい実施形態は米国出願第08/810983号に開示されており、蛍光リ
ーダー装備からの蛍光データを取得し、それをデジタルデータに変換する高分解
能デジタルカメラを含む。好ましい実施形態において、コンピュータ手段は、米
国出願第08/810983号に記載されているように、デジタルシグナルをデ
ジタルディテクタからコンピュータに輸送するデジタルケーブル、アッセイ結果
の使用者対話および表示のためのディスプレイ、アッセイ結果を処理するための
手段、およびデータ保存および検索のためのデジタル記憶媒体を含む。
A preferred embodiment of a cassette comprising a fluorescence reader and a micro-array and chamber of multiple cell types has been disclosed above. A preferred embodiment of a digital detector is disclosed in U.S. Ser. No. 08 / 810,983, and includes a high-resolution digital camera that acquires fluorescence data from a fluorescence reader and converts it to digital data. In a preferred embodiment, the computer means comprises a digital cable for transporting digital signals from a digital detector to a computer, a display for user interaction and display of assay results, as described in US application Ser. No. 08 / 810,983. Includes means for processing assay results, and digital storage media for data storage and retrieval.

【0090】 好ましい実施形態において、本発明の細胞スクリーニングシステムは前記で開
示されたエレメンチの好ましい実施形態の統合を含む(図15)。複数の細胞タ
イプ10のアレイは基板4上の化学修飾された細胞結合位置8に結合した細胞を
含む。チャンバー12は、基板4上の細胞10への化合物の添加のためのミクロ
流体送達系として働き、2つの組合わせはカセット18を含む。カセット18は
蛍光リーダー装備44に入れられる。前記し、出典明示してその全部を本明細書
の一部とみなす米国出願第08/810983号に記載されているようにデジタ
ルデータが処理される。米国出願第08/810983号に記載されているよう
に、該データはコンピュータスクリーン86に表示することができ、バイオイン
フォマティクスデータベースの一部を形成する。このデータベース90は本発明
の方法により得られたデータの保存および検索を可能とし、また、細胞での従前
の実験に関連するデータの取得および保存を可能とする。コンピュータディスプ
レイスクリーンの実施例は図16に示される。
In a preferred embodiment, the cell screening system of the present invention comprises an integration of the previously disclosed preferred embodiment of the elementi (FIG. 15). The array of cell types 10 includes cells attached to chemically modified cell binding sites 8 on substrate 4. The chamber 12 serves as a microfluidic delivery system for the addition of the compound to the cells 10 on the substrate 4 and the two combinations include a cassette 18. Cassette 18 is placed in fluorescence reader equipment 44. The digital data is processed as described in U.S. application Ser. No. 08 / 810,983, which is incorporated herein by reference and which is hereby incorporated by reference in its entirety. The data can be displayed on a computer screen 86 and form part of a bioinformatics database, as described in US application Ser. No. 08 / 810,983. This database 90 allows for the storage and retrieval of data obtained by the method of the present invention, as well as the acquisition and storage of data relating to previous experiments on cells. An example of a computer display screen is shown in FIG.

【0091】 実施例1 特異的リンパ系細胞の付着のための複数の細胞タイプのミクロ−ア
レイへの抗体のカップリング 1.用いた細胞系はその表面にIgMを発現しないマウスB細胞リンパ腫系(
A20)であった。複数の細胞タイプのミクロ−アレイは、20%硫酸に一晩浸
漬され、過剰の蒸留水中で2−3回洗浄し、0.1M水酸化ナトリウム中で洗浄
し、ブロットして乾燥されることによる誘導体化のために調製した。複数の細胞
タイプのミクロ−アレイは直ちに使用するかまたは清浄なガラスビーカーに入れ
、将来の使用のためにパラフィンで被覆した。
Example 1 Coupling Antibodies to a Micro-Array of Multiple Cell Types for Attachment of Specific Lymphoid Cells The cell line used was a mouse B-cell lymphoma line that does not express IgM on its surface (
A20). Micro-arrays of multiple cell types were soaked in 20% sulfuric acid overnight, washed 2-3 times in excess distilled water, washed in 0.1 M sodium hydroxide, blotted and dried Prepared for derivatization. Micro-arrays of multiple cell types were used immediately or placed in clean glass beakers and coated with paraffin for future use.

【0092】 2.複数の細胞タイプのミクロ−アレイを60mmペトリ皿に入れ、3−アミ
ノプロピルトリメトキシシランを複数の細胞タイプのミクロ−アレイ上に重層し
て、エッジ上で実行することなく完全な被覆を保証した(細胞の22×22mm
不均一微細パターン化アレイにつきほぼ0.2ml、および細胞の22×40m
m不均一微細パターン化アレイについてのほぼ0.5ml)。室温での4分後、
複数の細胞タイプのミクロ−アレイを脱イオン水中で洗浄し、過剰の水をブロッ
ティングによって除去した。
[0092] 2. Multiple cell type micro-arrays were placed in 60 mm Petri dishes and 3-aminopropyltrimethoxysilane was overlaid on multiple cell type micro-arrays to ensure complete coverage without running on edges. (22 × 22 mm of cells
Approximately 0.2 ml per heterogeneous micro-patterned array, and 22 x 40 m of cells
m for heterogeneous micro-patterned arrays). After 4 minutes at room temperature,
Micro-arrays of multiple cell types were washed in deionized water and excess water was removed by blotting.

【0093】 3.複数の細胞タイプのミクロ−アレイを清浄な60mmペトリ皿に入れ、室
温で30分間、グルタルアルデヒド(PBS中2.5%、2.5ml)と共にイ
ンキュベートし、続いて、3回PBS洗浄した。過剰のPBSをブロッティング
によって除去した。
[0093] 3. Micro-arrays of multiple cell types were placed in clean 60 mm Petri dishes and incubated with glutaraldehyde (2.5% in PBS, 2.5 ml) for 30 minutes at room temperature, followed by three PBS washes. Excess PBS was removed by blotting.

【0094】 4.複数の細胞タイプのミクロ−アレイ中の細胞核をブロッキング工程の間、
蛍光ヘキスト色素によって除去した。C−DMEM中の適当な数のリンパ系細胞
(後記参照)を15mlの円錐チューブに移し、ヘキスト色素を10μg/ml
の最終濃度まで添加した。細胞を5%CO中で37℃で10−20分間インキ
ュベートし、次いで、室温で1000×gにて7分間ペレット化した。未結合ヘ
キスト色素を含有する上清を除去し、新鮮な培地(C−DMEM)を添加して以
下のように細胞を懸濁させた:細胞の22×22mm不均一微細パターン化アレ
イあたり0.2ml中のほぼ1.25−1.5×10細胞、および細胞の22
×40mm不均一微細パターン化アレイのための0.75ml中のほぼ2.5×
10細胞。
[0094] 4. During the blocking step of cell nuclei in a micro-array of multiple cell types,
Removed by fluorescent Hoechst dye. Transfer the appropriate number of lymphoid cells (see below) in C-DMEM to a 15 ml conical tube and add 10 μg / ml Hoechst dye.
To a final concentration of. Cells were incubated for 10-20 minutes at 37 ° C. in 5% CO 2 and then pelleted at 1000 × g for 7 minutes at room temperature. The supernatant containing unbound Hoechst dye was removed and fresh medium (C-DMEM) was added to suspend the cells as follows: 0.2 μm per 22 × 22 mm heterogeneous micropatterned array of cells. Approximately 1.25-1.5 × 10 5 cells in 2 ml, and 22 of cells
Approximately 2.5x in 0.75ml for x40mm heterogeneous micro-patterned array
10 5 cells.

【0095】 5.複数の細胞タイプのミクロ−アレイをPBS中で軽く洗浄し、皿の側面に
触れることなく清浄な乾燥した60mmペトリ皿に移した。細胞を、前記した密
度で複数の細胞タイプのミクロ−アレイの頂部に注意深くヒペットで置いた。皿
を5%CO中、37℃で1時間インキュベートした。次いで、未結合細胞を反
復されたPBS洗浄によって除去した。
[0095] 5. Micro-arrays of multiple cell types were washed briefly in PBS and transferred to a clean, dry 60 mm Petri dish without touching the sides of the dish. Cells were carefully pipetted on top of a micro-array of multiple cell types at the density described above. The dishes were incubated for 1 hour at 37 ° C. in 5% CO 2 . Unbound cells were then removed by repeated PBS washes.

【0096】 6.抗体溶液(ヤギ抗−マウスIgMまたはヤギ抗−マウス全血清)をパラフ
ィルム上にスポットした(細胞の22×22mm不均一微細パターン化アレイに
つき50μl、細胞の22×40mm不均一微細パターン化アレイにつき100
μl)。気泡を捕獲することなく複数の細胞タイプの処理されたミクロ−アレイ
の全表面を抗血清が覆うように、複数の細胞タイプのミクロ−アレイをスポット
上に逆転させた。複数の細胞タイプのミクロ−アレイを室温にて1時間、抗体溶
液と共にインキュベートした。
[0096] 6. Antibody solution (goat anti-mouse IgM or goat anti-mouse whole serum) was spotted on parafilm (50 μl per 22 × 22 mm heterogeneous micropatterned array of cells, per 22 × 40 mm heterogeneous micropatterned array of cells). 100
μl). The micro-arrays of the multiple cell types were inverted on the spots such that the antisera covered the entire surface of the treated micro-arrays of the multiple cell types without trapping air bubbles. Micro-arrays of multiple cell types were incubated with the antibody solution for 1 hour at room temperature.

【0097】 7.複数の細胞タイプのミクロ−アレイを注意深くパラフィルムからシフトさ
せ、清浄な60mmペトリ皿に入れ、PBSで3回洗浄した。次いで、未反応部
位を室温にて1時間、2.5mlの10%血清(DMEMまたはハンクスの平衡
塩溶液中の子ウシまたは胎児ウシ血清)の添加によってブロックした。
[0097] 7. Micro-arrays of multiple cell types were carefully shifted from parafilm, placed in clean 60 mm Petri dishes, and washed three times with PBS. Unreacted sites were then blocked by the addition of 2.5 ml of 10% serum (calf or fetal calf serum in DMEM or Hank's balanced salt solution) for 1 hour at room temperature.

【0098】 8.両細胞系は抗−マウス全血清に結合するはずであり、X16のみが抗−マ
ウスIgMに結合するはずである。特異的リンパ系細胞株の化学修飾された表面
への結合は図17に示される。表面IgM分子を欠くが、IgG分子を提示する
マウスリンパ系A20細胞系は、ヤギ抗−マウスIgMで修飾された表面(図1
7B)または未被覆スライド(図17A)よりも全ヤギ抗−マウス血清で修飾さ
れた表面(図17C)にかなり強く結合した。
[0098] 8. Both cell lines should bind anti-mouse whole serum and only X16 should bind anti-mouse IgM. Binding of specific lymphoid cell lines to chemically modified surfaces is shown in FIG. A mouse lymphoid A20 cell line that lacks surface IgM molecules but presents IgG molecules has a goat anti-mouse IgM modified surface (FIG. 1).
7B) or bound to whole goat anti-mouse serum modified surface (FIG. 17C) more than uncoated slides (FIG. 17A).

【0099】 実施例2 高含有量および高スループットスクリーニング 脂肪細胞および筋細胞のような細胞へのグルコース摂取のインスリン−依存性
刺激は、細胞内区画から原形質膜へのGLUT4グルコース輸送の転移の結果と
なる細胞質プロセスの複雑なオーケストレーションを必要とする。直接的シグナ
ル変換事象および転移プロセスに必要な細胞骨格再組織化のような間接的プロセ
スを含めた、多数の分子事象が受容体へのインスリン結合によってトリガーされ
る。アクチン−細胞骨格は細胞質組織化で重要な役割を果たすので、この生きた
ゲルを調節する細胞内シグナリングイオンおよび分子もまたGLUT4転移の中
間体と考えることができる。
Example 2 High Content and High Throughput Screening Insulin-dependent stimulation of glucose uptake into cells such as adipocytes and muscle cells results in the transfer of GLUT4 glucose transport from the intracellular compartment to the plasma membrane Requires complex orchestration of the resulting cytoplasmic processes. Numerous molecular events are triggered by insulin binding to the receptor, including direct signal transduction events and indirect processes such as cytoskeletal reorganization required for the metastatic process. Since the actin-cytoskeleton plays an important role in cytoplasmic organization, the intracellular signaling ions and molecules that regulate this living gel can also be considered intermediates in GLUT4 translocation.

【0100】 インスリン凝症のための2レベルスクリーニングは以下のように考えられる。
青色蛍光蛋白質(BFP)と共にGLUT4の安定なキメラを運ぶ細胞を複数の
細胞タイプアレイのミクロ−アレイ上に配置し、そして、Fluo3のアセトキ
シメチルエステル形態、カルシウムインジケータ(緑色蛍光)を負荷した。次い
で、位置アレイをミクロ流体送達系を用いて化合物のアレイで処理し、複数の細
胞タイプの全ミクロ−アレイのFluo−3像の短い配列を、カルシウム応答を
呈するウェルにつき分析した。次いで、応答を誘導した化合物を含有するウェル
を、時間および空間的に検出された青色蛍光を用いて原形質膜へのGLUT4転
移の証拠として細胞間ベースで分析する(すなわち、高含有量ベース)。
A two-level screen for insulin coagulation is considered as follows.
Cells carrying a stable chimera of GLUT4 along with blue fluorescent protein (BFP) were placed on a micro-array of multiple cell type arrays and loaded with the acetoxymethyl ester form of Fluo3, a calcium indicator (green fluorescence). The location array was then treated with an array of compounds using a microfluidic delivery system, and short sequences of Fluo-3 images of all micro-arrays of multiple cell types were analyzed for wells exhibiting a calcium response. Wells containing the compound that elicited the response are then analyzed on a cell-by-cell basis (ie, high content basis) as evidence of GLUT4 transfer to the plasma membrane using blue fluorescence detected in time and space. .

【0101】 図18は、高スループットモード(図18A)および高含有量モード(図18
B)にての複数の細胞タイプの全ミクロ−アレイの系列的像を示す。図19は、
高含有量モードからの細胞データを示す。
FIG. 18 shows the high throughput mode (FIG. 18A) and the high content mode (FIG. 18A).
FIG. 4B shows a sequential image of the entire micro-array of multiple cell types in B). FIG.
Figure 4 shows cell data from high content mode.

【0102】 改良されたカセットおよび増強されたウェル密度 別の形態において、本発明は、依然として像中に適切な画素分解能を得つつ、
細胞平板培養面積およびサブ−アレイで像形成できるウェルの数を最大化するた
めの装置および方法を提供する。この結果は、ウェル間の距離および面積を最大
化し、このように、ウェル密度を最大化する流体構築物の使用を介して達成され
た。
Improved Cassette and Increased Well Density In another form, the present invention provides a method for obtaining a suitable pixel resolution in an image.
Devices and methods are provided for maximizing cell plating area and the number of wells that can be imaged in a sub-array. This result was achieved through the use of a fluid construct that maximized the distance and area between wells, and thus maximized well density.

【0103】 本形態の1つの実施形態において、表面を有する基板、ここに、該表面は複数
の細胞結合位置を含有し;複数の細胞結合位置へ試薬を送達するための流体送達
系、ここに、該流体送達系は基板に接合するマルチレベルのチャンバーを含み、
ここに、マルチレベルチャンバーは、 i.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルの直交
アレイ、ここに、各ウェルは1以上のインプットチャンネルおよび1以上のアウ
トプットチャンネルと流体結合し、 ii.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルと流
体結合した複数の流体位置、 iii.ミクロ流体インプットチャンネルと流体結合した1以上のインプッ
トマニホールド、 iv.ミクロ流体アウトプットチャンネルと流体結合した1以上のアウトプ
ットマニホールド、 v.1以上のインプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの源容
器、 vi.1以上のアウトプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの
廃棄容器を含み、 複数のウェル、ここに、個々のウェルは1つの細胞結合位置および1つの流体
位置の接合によって規定されたスペース を含むことを特徴とする細胞スクリーニング用のカセットが提供される。
In one embodiment of this embodiment, a substrate having a surface, wherein the surface contains a plurality of cell binding sites; a fluid delivery system for delivering a reagent to the plurality of cell binding sites, wherein Wherein the fluid delivery system includes a multi-level chamber bonded to the substrate;
Wherein the multi-level chamber comprises: i. An orthogonal array of microfluidic input and output channels, wherein each well is in fluid communication with one or more input channels and one or more output channels; ii. A plurality of fluid locations in fluid communication with the microfluidic input and output channels; iii. One or more input manifolds in fluid communication with the microfluidic input channel; iv. One or more output manifolds in fluid communication with the microfluidic output channels; At least one source container in fluid communication with one or more input manifolds; vi. A plurality of wells, wherein each well includes a space defined by the junction of one cell binding location and one fluid location, including at least one waste container in fluid communication with one or more output manifolds. A cassette for cell screening is provided.

【0104】 好ましい実施形態において、該カセットは、さらに、ミクロ流体装置内にて流
体流動を制御するためのポンプ;装置内の酸素および二酸化炭素分圧を調節する
ための基板温度コントローラおよび/またはコントローラを含む。
In a preferred embodiment, the cassette further comprises a pump for controlling fluid flow in the microfluidic device; a substrate temperature controller and / or a controller for adjusting the partial pressure of oxygen and carbon dioxide in the device. including.

【0105】 本発明の基板は、細胞が選択的に細胞増殖基板に接着し、サイズがミリメータ
下ないし数ミリメータである、「細胞結合位置」と言う、小さな領域内に含有さ
れるように、化学修飾される。基板上の細胞結合位置およびチャンバー上の流体
位置の組合わせは「ウェル」と言うスペースを規定する。基板は圧倒的に平坦で
あり、細胞結合位置は、2つの部分が組み立てられる場合に、かく形成されたウ
ェルの領域にいくらかの深さがあるように、基板カバー上に流体位置凹所とマッ
チすることができる。逆に、基板カバー流体位置は平坦であってもよく、基板は
、2つの部分が組み立てられる場合にかく形成されたウェルの領域にいくらかの
深さがあるように、細胞結合位置に凹所を含有することができる。流体およびテ
スト化合物は、基板と組み合わされてカセットを形成するチャンバーを介してウ
ェルに供給される。好ましい実施形態において、チャンバーは基板カバーとして
作用し、装置のミクロ流体チャンネルと流体結合した流体位置を含有し、ここに
、流体位置は、各ウェルの容量がチャンバーにエッチングされるように、基板上
の細胞結合位置にマッチする凹所を含む。
The substrate of the present invention may be chemically modified such that the cells selectively adhere to the cell growth substrate and are contained within a small area, called the “cell binding site,” that is sub-millimeter to several millimeter in size. Qualified. The combination of the cell binding location on the substrate and the fluid location on the chamber defines a space called a "well". The substrate is overwhelmingly flat and the cell binding locations match the fluid location recesses on the substrate cover so that when the two parts are assembled there is some depth in the area of the well thus formed can do. Conversely, the substrate cover fluid location may be flat and the substrate may have recesses in the cell binding locations so that there is some depth in the area of the well thus formed when the two parts are assembled. Can be contained. Fluid and test compound are supplied to the wells through a chamber that combines with the substrate to form a cassette. In a preferred embodiment, the chamber acts as a substrate cover and contains fluid locations in fluid communication with the microfluidic channels of the device, wherein the fluid locations are located on the substrate such that the volume of each well is etched into the chamber. Includes a recess that matches the cell binding position of

【0106】 基板の表面にて、細胞結合位置の間およびその周りにあるシーリング領域があ
り、流体位置の間およびその周りにあるチャンバーの底部面には対応するシーリ
ング領域がある。基板およびチャンバーが接合されると、両成分のシーリング領
域が会合してシールを形成し、これは、それにより形成されたウェルの間のシー
リング領域を横切った流体の流れを妨げる。両成分のこれらのシーリング領域は
物理的におよび/または化学修飾してシーリングを増強することができる。第1
の実施例において、オクタデシルトリクロロシランの疎水性シランコーティング
をシーリング領域にコートする。第2の実施例において、ダイマックス社(Dyma
x Corporation)から入手できるようなUSPクラスIV−対応である光硬化性
接着剤およびシアノアクリレートは、セラミックス、ガラス、プラスチック、ま
たは金属から作成された生化学装置での使用が可能である。第3の実施例におい
て、アレイのウェルにマッチする精度のカットアウトを持つ生体適合性テープ材
料がエイヴリー・デニソン・スペシャルティー・テープ・ディビジョン(Avery
Dennision Specialty Tape Division)から入手できる。同様に、接着剤をこれ
らのシーリング領域に正確に適用するための、タイコ社(Tyco Corporation)か
ら入手できるような、生物医学アクリル接着剤がテープから表面に移すことがで
きる。第4の実施例において、マスターボンド(株)(Master Bond,Inc.)から
入手できるような、光硬化性シリコーンエラストマを、基板のシーリング領域お
よびチャンバーの間の結合およびシーリングで使用することができる。
On the surface of the substrate, there is a sealing area between and around the cell binding locations and a corresponding sealing area on the bottom surface of the chamber between and around the fluid locations. When the substrate and chamber are joined, the sealing areas of both components associate to form a seal, which impedes the flow of fluid across the sealing area between the wells formed thereby. These sealing regions of both components can be physically and / or chemically modified to enhance sealing. First
In an embodiment, the sealing region is coated with a hydrophobic silane coating of octadecyltrichlorosilane. In a second embodiment, Dyma
USP class IV-compliant photocurable adhesives and cyanoacrylates, such as those available from x Corporation), can be used in biochemical devices made from ceramics, glass, plastic, or metal. In a third embodiment, a biocompatible tape material having a precision cutout that matches the wells of the array is provided by Avery Dennison Specialty Tape Division (Avery).
Dennision Specialty Tape Division). Similarly, a biomedical acrylic adhesive, such as that available from Tyco Corporation, can be transferred from the tape to the surface to accurately apply the adhesive to these sealing areas. In a fourth embodiment, a photocurable silicone elastomer, such as that available from Master Bond, Inc., can be used in bonding and sealing between the sealing area of the substrate and the chamber. .

【0107】 本発明のミクロ流体カセットは、限定されるものではないが、 1)(細胞結合位置の組の同時イメージング(すなわち、「サブアレイ」)に
基づく;図20参照)細胞の統計学的−関連組のより速いイメージング、 2)プレートあたりのより多いウェルおよびプレートあたりに占められるより
閣内物理的スペース(すなわち、より高いウェル密度)、 3)価値あるテスト化合物のより効果的な使用、および 4)全ウェルが像形成されないマイクロプレートと比較した細胞のより効果的
な使用; を含めた、高含有量スクリーニングシステムで使用された先行技術細胞アレイミ
クロ流体装置よりも優れた利点を有する。
The microfluidic cassettes of the present invention include, but are not limited to: 1) (based on simultaneous imaging of a set of cell binding sites (ie, a “subarray”; see FIG. 20). 2) more wells per plate and more physical space occupied per plate (ie, higher well density), 3) more effective use of valuable test compounds, and 4 ) More efficient use of cells compared to microplates where all wells are not imaged; including advantages over prior art cell array microfluidic devices used in high content screening systems.

【0108】 前記で議論したように、各ウェルについての先行ミクロウェルプレート流体交
換は、ウェルに挿入され、各々、流体をウェルにまたはウェルから噴射または吸
引するピペットによって達成できるのみである。先行ミクロウェルプレートにお
ける自動流体取扱いは、手法において各流体移動工程のために各ウェルにピペッ
トを挿入するロボットピペッターを用いることによって達成される。このピペッ
トは、典型的には、注目するミクロウェルプレートと交換される流体の源または
目的地のための別のマイクロプレートウェルにまたはそれに移動されることが要
求される。
As discussed above, the preceding microwell plate fluid exchange for each well can only be achieved by pipettes inserted into the wells and ejecting or aspirating fluid into or out of the wells, respectively. Automatic fluid handling in a preceding microwell plate is achieved by using a robotic pipettor that inserts a pipette into each well for each fluid transfer step in the procedure. The pipette is typically required to be transferred to or into another microplate well for the source or destination of the fluid to be exchanged for the microwell plate of interest.

【0109】 一体化された流体工学は、ミリメートル下ウェル内部距離を持つアレイで有利
である。なぜならば、不可能でなければ、空間的分解能および精度の許容される
程度で流体をピペッティングするのは実用的でないからである。許容できるレベ
ルの精度は、測定誤差が2%を超えるべきではないことを要求する。このように
、96ウェルプレートのウェルにおける100マイクロリットル(μl)容量で
は、2μlの測定誤差が要求されるであろう。100ナノリットル(nl)容量
では、2nl測定誤差が要求されるであろう。このレベルの精度は、組成物のス
ペクトルおよび粘度を横切った先行自動ピペッターで信頼性よく利用できない。
[0109] Integrated fluidics is advantageous for arrays with millimeter lower well internal distance. This is because, if not possible, it is not practical to pipette fluids with an acceptable degree of spatial resolution and accuracy. An acceptable level of accuracy requires that the measurement error should not exceed 2%. Thus, a 100 microliter (μl) volume in the wells of a 96-well plate would require a measurement error of 2 μl. For a 100 nanoliter (nl) volume, a 2nl measurement error would be required. This level of accuracy is not reliably available with a pre-automated pipettor across the spectrum and viscosity of the composition.

【0110】 ウェル間距離の最小化は、ウェルのサブアレイの速い平行読み取りを可能とす
る。もし一体化流体工学が余りにもバルキーである(すなわち、ウェルの密な間
隔を可能しない)ならば、かかる速い平行読み取り能力は喪失される。本発明の
好ましい実施形態において、直交チャンネル構築物が利用され、より少ないチャ
ンネル、バルブ、およびポンプを可能とし、それにより、さらに、本発明のカセ
ット上のチャンネルによって取られたスペースを減少させる。最も好ましい実施
形態において、チャンネルはウェルのそれの上方のレベルに置かれ、最も近い可
能なウェル間間隔設置を可能とする。さらなる好ましい実施形態において、ドレ
ーン「ポンプ」としての多孔性媒体の使用は、システムのより単純なデザインお
よび製造を可能とする。本発明によると、チャンネルは、規定された本明細書に
おける流体構築物を可能とするいずれかのサイズとし得る。好ましい実施形態に
おいて、それらは四角形断面チャンネルについての幅、または丸断面チャンネル
についての直径が約0.025mmないし約0.5mmの間のサイズの範囲であ
る。
Minimizing the well-to-well distance allows for fast parallel reading of a sub-array of wells. If integrated fluidics is too bulky (ie, does not allow for close spacing of wells), such fast parallel reading capability is lost. In a preferred embodiment of the present invention, an orthogonal channel construction is utilized, allowing fewer channels, valves and pumps, thereby further reducing the space taken by the channels on the cassette of the present invention. In the most preferred embodiment, the channel is located at a level above that of the wells, allowing for the closest possible inter-well spacing. In a further preferred embodiment, the use of a porous medium as a drain "pump" allows for a simpler design and manufacture of the system. According to the present invention, the channels may be of any size that allows for the defined fluid constructs herein. In a preferred embodiment, they range in size for a square section channel, or a diameter for a round section channel, between about 0.025 mm to about 0.5 mm.

【0111】 本発明のミクロ流体カセットの流体構築物は、(限定されるものではないが、
ポンプ、マニホールド、制御された圧力容器、および/またはバルブ)が細胞ア
レイのマトリクスの外部に位置するのを可能とする。図40は、全てのポンプお
よびバルブがカセットに内蔵されているように見える、本発明のポンピングおよ
びバルビングスキームの1つの実施形態を示す。種々の図面(および当業者に明
白であろうもの)に示されたポンピングおよびバルビングスキームの全ての変形
は、ウェルのマトリクスの外部の内蔵活性装置にて、外蔵活性装置にて、または
いくつかは内蔵装置でいくつかは外蔵装置にて、このようにして実行される。結
果として、制御エレメントはカセット内部(内蔵)またはカセットの外部(外蔵
)であり得る。いずれの場合にも、チャンネルおよびウェルの近い間隔設定を制
限し得るウェルのアレイのマトリクス内に活性成分はない。このカセットは生き
た細胞の培養および分析に特に設計されたので、流体構築物およびそのサブ成分
および機能的部分の全ては支持体に適合し、生きた細胞の培養を可能とする。生
きた細胞培養で設計されたサブ−成分および機能的部分の特定の形態は後に確認
される。
The fluid constructs of the microfluidic cassettes of the present invention include, but are not limited to,
Pumps, manifolds, controlled pressure vessels, and / or valves) can be located outside the matrix of the cell array. FIG. 40 shows one embodiment of the pumping and valving scheme of the present invention where all pumps and valves appear to be contained in the cassette. All variations of the pumping and valving schemes shown in the various drawings (and as would be apparent to one skilled in the art) can be implemented in a built-in active device outside the matrix of wells, in an external active device, or in some This is done in an internal device and some in an external device in this way. As a result, the control element can be inside the cassette (built-in) or outside the cassette (external). In either case, there is no active ingredient in the matrix of the array of wells that can limit the close spacing of channels and wells. Since this cassette was specifically designed for the cultivation and analysis of living cells, the fluid construct and all of its sub-components and functional parts are compatible with the support and allow the culturing of living cells. The specific morphology of the sub-components and functional parts designed in living cell culture will be confirmed later.

【0112】 好ましい実施形態において、本発明のカセットは、いずれのウェルが流動によ
ってアドレスされるかを制御もする圧力−駆動流動を提供するための外蔵ポンプ
を含む。この設計特徴は、多くの先行技術方法とは異なり、ポンピング方法が、
水性で、極性であって、蛋白質および塩を含有する細胞培地で使用された場合に
効果的ではないのではなく、または有害でないことを保証する。例えば、電子流
体力学ポンピングは極性溶媒で効果的ではない(マーク・マドー(Marc Madou)
,Fundamntals of Microfabrication,CRC Press,Boca raton,1997,433頁)。
電気浸透圧には、典型的には、蛋白質のような荷電培地成分のある程度の電気泳
動分離が伴う。また、電気浸透圧は、典型的には、装置中で生きた細胞の生理学
に影響し得る100V/cmないし1000V/cmの範囲内の電場強さの使用
を要する。本発明の流体制御システムは、生物学的流体を用いる場合、電気的に
誘導される方法の不利を蒙らない。
In a preferred embodiment, the cassette of the present invention includes an external pump to provide a pressure-driven flow that also controls which wells are addressed by the flow. This design feature differs from many prior art methods in that the pumping method
Ensures that it is not effective or harmful when used in a cell culture medium that is aqueous, polar and contains proteins and salts. For example, electrohydrodynamic pumping is not effective with polar solvents (Marc Madou)
, Fundamntals of Microfabrication, CRC Press, Boca raton, 1997, p. 433).
Electroosmotic pressure typically involves some electrophoretic separation of charged media components, such as proteins. Also, electroosmotic pressure typically requires the use of electric field strengths in the range of 100 V / cm to 1000 V / cm, which can affect the physiology of living cells in the device. The fluid control system of the present invention does not suffer from the electrically induced method when using biological fluids.

【0113】 別の実施形態において、ポンプは内蔵であって、電気−駆動流動を利用し得る
が、電場はウェルのアレイのマトリクスに制限され、細胞が存在するウェルのい
ずれかを横切って電場勾配は適用されない。この実施形態は図41に示され、こ
こに、2つの電極を用いて、異なる内蔵源容器(730)に対応する流体チャン
ネルのセグメントに沿って電場ポテンシャル差を適用する。その電極対を持つ各
チャンネルセグメントは動電学ポンプ(740)を形成する。これらの源容器(
730)はカスケード表面における充填ポート(700)を介して培地および/
または化合物を供給することができる。容器およびポンプの間のバルブ(720
)は、対応する動電学ポンプがオフである場合は常に閉じられて、対応する動電
学ポンプがオンである場合は常に開いて、逆圧を維持し、各々、空気および流体
の取り込みを可能とする。電極1(760)に適用された電圧の制御を用いて、
対応するチャンネルセグメント中の流体の動電学的流動を誘導する。(ウェルの
マトリクスに最も近い)電極2(780)は、ウェルのマトリクスにおけるよう
に、接地ポテンシャルに維持されて、細胞に近くで発生するポテンシャル差およ
び/または電場は最小であるかまたは全くない。なぜならば、電場は細胞生理学
に影響することが知られているからである。別法として、動電学的ポンプはアレ
イから下流に位置させて、負圧ポンプとして働かせることができる。この実施形
態において、もしあれば、ポンピング作用によ培地の電気泳動は、それが既に細
胞によって使用され、廃棄容器に向かっている途中である後に培地に影響するに
過ぎないであろう。
In another embodiment, the pump is self-contained and may utilize electro-driven flow, but the electric field is restricted to a matrix of an array of wells and an electric field gradient across any of the wells where cells are present. Does not apply. This embodiment is shown in FIG. 41, where two electrodes are used to apply an electric field potential difference along a segment of a fluid channel corresponding to a different self-contained source container (730). Each channel segment with that electrode pair forms an electrokinetic pump (740). These source containers (
730) via the filling port (700) at the cascade surface
Or a compound can be supplied. Valve between container and pump (720
) Is always closed when the corresponding electrokinetic pump is off and always open when the corresponding electrokinetic pump is on to maintain the back pressure and to allow air and fluid intake, respectively. Make it possible. With the control of the voltage applied to electrode 1 (760),
Inducing the electrokinetic flow of the fluid in the corresponding channel segment. Electrode 2 (780), which is closest to the matrix of wells, is maintained at a ground potential, as in the matrix of wells, with minimal or no potential difference and / or electric field occurring near the cells. This is because electric fields are known to affect cell physiology. Alternatively, the electrokinetic pump can be located downstream from the array and act as a negative pressure pump. In this embodiment, electrophoresis of the medium, if any, by pumping will only affect the medium after it has been used by cells and is on its way to a waste container.

【0114】 全ての実施形態において、流体の流動を制御するためのウェルのマトリクスの
外部にある内蔵または外蔵ポンプの使用は、ウェルのマトリクス内での能動バル
ブの必要性を除去し、このように、ウェルの近い間隔設定を妨げるであろうマト
リクス内のスペースを割り当てる問題を排除する。
In all embodiments, the use of an internal or external pump external to the matrix of wells to control fluid flow obviates the need for an active valve within the matrix of wells. In addition, it eliminates the problem of allocating space in the matrix that would prevent close spacing of wells.

【0115】 圧力制御による流体経路の制御は、水性、極性であり、蛋白質および塩を含有
する細胞培地と適合し、効果的である種々の拡散手段の任意の使用を可能とする
。また、これらの手段は装置上で最小のスペースを必要とし、ウェルの閉じた空
間を妨げない。
Control of the fluid pathway by pressure control allows the use of any of a variety of diffusion means that are aqueous, polar, compatible with cell media containing proteins and salts, and are effective. Also, these measures require minimal space on the device and do not obstruct the closed space of the well.

【0116】 米国特許第5,603,351号は直交チャンネルを含むが、チャンネルネッ
トワークが、反応ウェルにおいて2以上の試薬が合わさせるのを可能とするよう
に規定されず、むしろ試薬が系列的にウェルに供給されるようにする。本発明の
カセットの目的は、2以上の異なる流体を相互に露出するのではなく、系列的に
ウェル底部で培養された生きた細胞を2以上の異なる流体に露出することである
Although US Pat. No. 5,603,351 includes orthogonal channels, the channel network is not defined to allow two or more reagents to be combined in a reaction well, but rather the reagents are serialized. Be supplied to the well. The purpose of the cassette of the invention is not to expose two or more different fluids to each other, but to expose live cells cultured at the bottom of the well in series to two or more different fluids.

【0117】 本発明のカセットの流体チャンネルは源容器から各ウェルへの、および各ウェ
ルから2以上の廃棄容器への流体および化合物の輸送を提供する。各ウェルには
、別のインプットおよびアウトプットチャンネルを設けることができ(図21)
、n×nアレイ(040)につき2nチャンネル(100、120)を生じる
。mの流体または蒸気混合物のn×nアレイへの流動を制御するには、m+n のバルブまたはポンプが必要である(図22)。しかしながら、大きなアレイで
は、このタイプの構築物についてのチャンネル、ポンプおよびバルブの数は実用
的ではなくなる。可変またはスイッチ可能圧力を有するポンプ(例えば、シリン
ジポンプ)はバルブ付きの加圧容器と機能的に同等である。したがって、ポンプ
、容器およびバルブの以下の議論においては、これらの構成要素は本発明の精神
を変更することなく置換できることが理解されるべきである。
The fluid channels of the cassette of the present invention provide for the transport of fluids and compounds from a source container to each well and from each well to two or more waste containers. Each well can be provided with separate input and output channels (FIG. 21)
, 2 × 2 arrays (100, 120) per n × n array (040). Controlling the flow of m fluids or vapor mixtures into an n × n array requires m + n 2 valves or pumps (FIG. 22). However, for large arrays, the number of channels, pumps and valves for this type of construction becomes impractical. Pumps with variable or switchable pressure (eg, syringe pumps) are functionally equivalent to pressurized vessels with valves. Thus, in the following discussion of pumps, vessels and valves, it should be understood that these components can be substituted without changing the spirit of the invention.

【0118】 直交−チャンネルマルチレベル構築物 インプット(100)およびアウトプット(120)チャンネルの直交非交差
アレイからなり、複数レベルを利用するカセットの構築物の好ましい実施形態が
開示される。このクラスの構築物内の特別の実施形態は図23−26および図3
3および34に与えられる。
Orthogonal-Channel Multi-Level Construct A preferred embodiment of a multi-level cassette construction consisting of an orthogonal non-crossing array of input (100) and output (120) channels is disclosed. Specific embodiments within this class of constructs are shown in FIGS.
3 and 34.

【0119】 この場合の構築物は、各ウェルにつき別々のインプットおよびアウトプットチ
ャンネルを持つ構築物のクラスと比較して、ウェルあたりにより少ない独立した
チャンネルしか要しないので、これらの直交−チャンネル構築物は、チャンネル
についての経路を収容するためのウェルの間で要する横方向スペース(140)
を最小化する。
[0119] These orthogonal-channel constructs have the advantage of requiring fewer independent channels per well, as the constructs in this case require fewer independent channels per well compared to a class of constructs with separate input and output channels for each well. Lateral space required between wells to accommodate pathways for (140)
Is minimized.

【0120】 直交−チャンネルマルチレベル構築物はnのウェルにアドレスするのに2n
チャンネルを要するに過ぎない。好ましい実施形態において、行および列チャン
ネルそれ自体はそれらが交差しないように2つの区別される層中に形成される。
行チャンネルは列チャンネルの上方にあり、またはその逆である。これらの2つ
の層はウェル層の同一面にあるか(図23および24)、あるいはウェル層上方
の面中にある(図25−26および33−34)。他の実施形態において、2を
超える面を持つ構造が考えられる。
[0120] Orthogonal - 2n for channel multi-level construct address the wells n 2
It just needs a channel. In a preferred embodiment, the row and column channels themselves are formed in two distinct layers so that they do not intersect.
The row channel is above the column channel or vice versa. These two layers are either in the same plane of the well layer (FIGS. 23 and 24) or in the plane above the well layer (FIGS. 25-26 and 33-34). In other embodiments, structures having more than two surfaces are contemplated.

【0121】 最も好ましい実施形態において、最小ウェル間距離(140)が、各ウェルを
分離するある壁の厚みに対する光学的および物理学的要件によってのみ拘束され
るように、チャンネルはウェルの面の上方に置かれる。チャンネルをウェル上方
のレベルに置く利点は以下の実施例によって示される。0.4mm×0.4mm
であるウェルは、ウェル間の0.1mm壁に対する許容性をもって0.5mmピ
ッチグリッド上に置くことができ、10×10ウェルアレイにつき5mm×5m
m領域を生じる。0.2mm幅の行および列チャンネルは、チャンネル間の十分
な距離を持つ装置の上方レベルにおいて容易に形成することができる。対照的に
、もし0.1mm壁を持つ0.2mmチャンネルがウェルの面内で要し(および
行および列チャンネル層がウェルの面内で2つの別々の面に形成される)ならば
、ウェルピッチは0.8mmまで増加する。これは10×10ウェルアレイにつ
き8mm×8mm領域を生じる。この実施例において、ウェル間のチャンネルの
変位は2.6のファクターだけアレイに要する面積を増加させる。各ウェルにつ
き別のインプットおよびアウトプットチャンネルを持つ異なる構築物では、ウェ
ル間で要する追加の空間はかなり大きい。
In the most preferred embodiment, the channels are above the plane of the wells such that the minimum inter-well distance (140) is only constrained by optical and physical requirements for the thickness of certain walls separating each well. To be placed. The advantage of placing the channel at a level above the well is illustrated by the following example. 0.4mm × 0.4mm
Wells can be placed on a 0.5 mm pitch grid with tolerance for 0.1 mm walls between wells, 5 mm x 5 m per 10 x 10 well array
This produces an m region. Row and column channels 0.2 mm wide can be easily formed at the upper level of the device with sufficient distance between the channels. In contrast, if 0.2 mm channels with 0.1 mm walls are required in the plane of the well (and the row and column channel layers are formed on two separate planes in the plane of the well), The pitch increases to 0.8 mm. This yields an 8 mm x 8 mm area per 10 x 10 well array. In this embodiment, the displacement of the channels between the wells increases the area required for the array by a factor of 2.6. With different constructs having separate input and output channels for each well, the additional space required between wells is quite large.

【0122】 ウェルのレベルの上方または該レベル内のチャンネルでは、水平(160)ま
たは垂直(180)結合チャンネルまたは通路が、各ウェル(j,k)からその
対応する行チャンネルjおよび列チャンネルkへ形成される。ガラス、半導体、
またはプラスチック材料からのかかる構造の製造は当該分野で良く知られている
。1つのそのような方法において、多工程層間プロセスを用い、二酸化ケイ素(
SiO)を窒化ケイ素(Si)層内にリソグラフィーにより形成する(
ターナー(Turner)およびクレーグヘッド(Craighead),Proc.SPIE 3528:114-
117(1998))。構造の湿潤エッチング液への露出はSiOを除去して、エッチ
ングされていないSi内にチャンネルネットワークを生じる。
For channels above or within the level of a well, horizontal (160) or vertical (180) coupling channels or passages from each well (j, k) to its corresponding row channel j and column channel k. It is formed. Glass, semiconductor,
Or the manufacture of such structures from plastic materials is well known in the art. In one such method, a silicon dioxide (
SiO 2 ) is formed by lithography in a silicon nitride (Si 3 N 4 ) layer (
Turner and Craighead, Proc. SPIE 3528: 114-
117 (1998)). Exposure of the structure to a wet etch removes the SiO 2 and creates a channel network in the unetched Si 3 N 4 .

【0123】 直交−チャンネル構築物におけ流動の制御 行(A、B、C等)および列(1、2、3等)の直交アレイにおいて、流体の
ウェル(j,k)へのおよびウェルからの流動は、例えば、正圧が行jに適用さ
れて、アウトプットチャンネルkのバルブが開かれた場合(ここに、jおよびk
は、例えば、各々、行Dおよび列7を言う)に生じる。全行jの全てのウェルへ
の流動は、例えば、正圧が行jに適用されて、全てのアウトプットチャンネルの
バルブ(1、2、3等)が開かれた場合に生じる。同様の手法は列の全てのウェ
ルへの流動を生じるであろう。
Control of Flow in Orthogonal-Channel Constructs In an orthogonal array of rows (A, B, C, etc.) and columns (1, 2, 3, etc.), fluids to and from wells (j, k) The flow is, for example, when a positive pressure is applied to row j and the valve of output channel k is opened (where j and k
Occur, for example, in row D and column 7, respectively). Flow to all wells in all rows j occurs, for example, when positive pressure is applied to row j and the valves (1, 2, 3, etc.) of all output channels are opened. A similar approach will result in flow to all wells in a row.

【0124】 ここに議論される圧力は、現実には、雰囲気の常圧、さもなければ「ゲージ」
圧として知られているものに対する圧力差である。このように、正圧のバルブは
、それによって適用された圧力が常圧よりも大きい量であり;不圧のバルブは、
それによって適用された圧力が常圧未満である量である。これらの圧力は、各々
、正および負のゲージ圧といわれる。
The pressures discussed here are, in reality, the normal pressure of the atmosphere, otherwise “gauge”
Pressure difference from what is known as pressure. Thus, a positive pressure valve is an amount by which the applied pressure is greater than normal pressure;
The amount by which the applied pressure is below normal pressure. These pressures are referred to as positive and negative gauge pressure, respectively.

【0125】 本明細書中で用いられる用語流体経路は、行jおよびm等および列kおよびn
等の流動制御装置を可能とすることによって流体の流動に付されたウェルの特定
の組{(j,k),(j,n),(m,k),(m,n)…等}を示す。2つの
行および2つの列の流動制御装置を可能とすると、4つのウェルを通っての流体
経路を生じることに注意されたし。これは、単一ウェルが関与する4つの経路よ
りもむしろ4つのウェルが関与する単一の流体経路とここでは定義される。
As used herein, the term fluid path refers to rows j and m etc. and columns k and n
A specific set of wells subjected to the flow of fluid by enabling a flow control device such as (j, k), (j, n), (m, k), (m, n)... Is shown. Note that enabling a two row and two column flow controller results in a fluid path through four wells. This is defined here as a single fluid pathway involving four wells, rather than four pathways involving a single well.

【0126】 能動バルブまたはポンプの数の減少 能動的に制御された流体制御装置(ポンプまたはバルブ付きの加圧容器)の種
々の組合わせを用いて、所望のウェル(010)または流体経路を通っての流動
を生じさせる。例えば、mの化合物は、mの正圧源容器またはポンプ(200)
、バルブレスマニホールド(240)および気圧のバルブフリー廃棄容器(30
0)を用いることによって単一ウェルに多重化することができる(図27)。こ
のバルブレスマニホールド(240)はバルブ付きマニホールド[例えば、図2
8の(260)]によって置き換えて、mの源の間の流体の拡散を良好に制御す
ることができる。別法として、常圧のmの源容器(220)に連結されたmのバ
ルブ(260)付きの不圧廃棄容器またはポンプ(320)を用いることによっ
て同一の機能を達成することができる(図28)。常圧の源容器の使用は、源容
器を通ってのガスの便宜なバルビングを可能として、培地中の溶解したCO
の所望のレベルを確立し維持する。
Reducing the Number of Active Valves or Pumps Various combinations of actively controlled fluid control devices (pumps or pressurized vessels with valves) can be used to pass through the desired well (010) or fluid path. Cause the flow to occur. For example, m compounds may include m positive pressure source vessels or pumps (200).
, Valveless manifold (240) and pressure free valve-free waste container (30
0) can be multiplexed into a single well (FIG. 27). This valveless manifold (240) is a manifold with a valve [for example, FIG.
8 (260)] to better control the diffusion of fluid between the sources of m. Alternatively, the same function can be achieved by using a pressureless waste vessel or pump (320) with an m valve (260) connected to an m pressure source vessel (220) at normal pressure (Figure 2). 28). Use of the source container of atmospheric pressure, as can the convenient valving gas through the source container, establish and maintain a desired level of dissolved CO 2 and O 2 in the medium.

【0127】 別の実施形態において、多孔性媒体を充填した廃棄容器は毛細管作用ポンプ(
340)として働き、不圧を提供する(図28)。濡れの熱力学は、固体−液体
−気体の接触線によって境界が形成された液体−気体界面を横切って圧力を生じ
させる。毛細管作用のこの圧力を用いて、液体の列を、いずれかのマイクロチャ
ンネル経路から高表面積多孔性媒体へ吸い上げることができる。一連のそのよう
な不圧容器は、流動の制御のために多重化バルブ付きマニホールドを介してアレ
イに連結することができるか、あるいは単一の容器を、同時に全てのウェルのア
ウトプットチャンネルに密接にカップリングさせることができる。限定されるも
のではないが、シリガゲル技術、ゼオライトのような多孔性セラミック材料、親
水性(合成または天然)繊維のパッド、およびアルギネート、ポリ(ビニル)ア
ルコールゲル、アガロース、糖ポリアクリレートゲルおよびポリアクリルアミド
ゲルのような部分的に水和されたまたは凍結乾燥されたヒドロゲルを含めた多数
の多孔性媒体が当該分野で知られている。好ましい実施形態において、多孔性媒
体はシリガゲル技術に基づく。薄膜または濾過シートを用いて、マイクロチャン
ネルアレイから多孔性媒体を区切ることができる。この方法は、多孔性媒体の内
部領域が流体によって濡れるまでポンピング用の圧力を提供することができる。
多孔性媒体の適当な選択およびこの方法の設計によって、適切に大量の液体をポ
ンプ送液して、本発明のアレイシステムでの選択された測定を行うことができる
In another embodiment, the waste container filled with the porous medium is a capillary action pump (
340) and provides no pressure (FIG. 28). The thermodynamics of wetting creates pressure across a liquid-gas interface bounded by solid-liquid-gas contact lines. This pressure of capillary action can be used to draw a row of liquid from any microchannel channel into a high surface area porous medium. A series of such non-pressure vessels can be connected to the array via a manifold with multiplexed valves for flow control, or a single vessel can be closely connected to the output channels of all wells simultaneously. Can be coupled. Without limitation, silica gel technology, porous ceramic materials such as zeolites, pads of hydrophilic (synthetic or natural) fibers, and alginates, poly (vinyl) alcohol gels, agarose, sugar polyacrylate gels and polyacrylamides Numerous porous media are known in the art, including partially hydrated or lyophilized hydrogels such as gels. In a preferred embodiment, the porous medium is based on Sirigel technology. A membrane or filter sheet can be used to separate the porous medium from the microchannel array. This method can provide pumping pressure until the interior region of the porous medium is wetted by the fluid.
With the proper choice of porous medium and the design of the method, a suitably large volume of liquid can be pumped to make selected measurements with the array system of the present invention.

【0128】 別の実施形態において、図27に示されたmの正圧源容器またはポンプ(20
0)のアレイを、l×nインプット(400)およびn×lアウトプット(41
0)バルブマニホールドによってウェルのn×n直交チャンネル(040)に多
重化される(図29)。各ウェルについての別々のインプットおよびアウトプッ
トチャンネルを持つ構築物については、m+nのバルブまたはポンプがこの状
況で必要なことを明記されたし。再度、バルブレスマニホールド(240)をバ
ルブ付きマニホールド[例えば、図28の(260)]で置き換えて、mの源間
の流体の拡散を良好に制御することができる。ウェル(j,K)を通っての流動
はインプットバルブjおよびアウトプットバルブkが開いた場合に行われる。別
法として、l×nインプット(400)およびn×lアウトプットバルブ(41
0)マニホールドによって図28におけるように気圧のmの容器(220)およ
び不圧廃棄容器(320または340いずれか)でもって同一機能を達成するこ
とができる(図30)。
In another embodiment, the positive pressure source container or pump (20) shown in FIG.
0) array with lxn inputs (400) and nxl outputs (41)
0) Multiplexed to n × n orthogonal channels (040) of well by valve manifold (FIG. 29). For constructs with separate input and output channels for each well, to m + n 2 of the valve or pump is specified to be necessary in this situation. Again, the valveless manifold (240) can be replaced with a valved manifold [eg, (260) in FIG. 28] to better control fluid diffusion between sources of m. Flow through well (j, K) occurs when input valve j and output valve k are open. Alternatively, an lxn input (400) and an nxl output valve (41
0) The manifold allows the same function to be achieved with a container (220) at m atmospheric pressure and a non-pressure disposal container (either 320 or 340) as in FIG. 28 (FIG. 30).

【0129】 洗浄チャンネル 好ましい実施形態において、ウェル{(j,k)}または列チャンネル{k}
を通って進むことなく与えられた行jから廃棄容器に液体または気体のセグメン
トが通過するのを可能とする追加の列チャンネルkまたは列チャンネル{k }の組によってn×nマイクロウェルアレイが増加される。これらの追加の列チ
ャンネル{k}は洗浄チャンネル(130)といわれる。なぜなら、それらは
ウェルを通っての流動の必要なしに行チャンネルの洗浄を可能とするからである
Wash Channel In a preferred embodiment, well {(j, k)} or column channel {k}
N × n microwell array with an additional column channel k * or set of column channels {k * } to allow liquid or gaseous segments to pass from a given row j to the waste container without proceeding through Is increased. These additional row channels {k * } are called wash channels (130). Because they allow the washing of the row channels without the need for flow through the wells.

【0130】 一般に、洗浄チャンネルk(130)は列チャンネルk(016)に対して
隣接してかつ平行に位置させることができるが、それらが直交する地点で行チャ
ンネルj(014)に通路を介して連結させることができる[対応するウェル(
j,k)に直接連結することができない]。1つの実施形態において、各列チャ
ンネルkは関連する平行洗浄チャンネルkを有する(図33および34)。他
の実施形態において、行チャンネル{j}の全組のための洗浄を提供するただ1
つの洗浄チャンネルがあり、あるいは列チャンネル{k}のアレイ内に存在する
洗浄チャンネル{k}のいずれかの組合わせがある。ただ1つの洗浄チャンネ
ルがある場合、それをアレイの最後の列チャンネルに隣接させて位置させるのが
好ましいであろう(ここにk=n)。
In general, the wash channels k * (130) can be located adjacent and parallel to the column channels k (016), but at a point where they are orthogonal to the channel j (014). [Corresponding wells (
j, k). In one embodiment, each row channel k has an associated parallel wash channel k * (FIGS. 33 and 34). In another embodiment, only one provides cleaning for the entire set of row channels {j}.
There may be one wash channel, or there may be any combination of wash channels {k * } present in the array of row channels {k}. If there is only one wash channel, it will preferably be located adjacent to the last column channel of the array (where k = n).

【0131】 図35は、ウェル(j,k)を通っての流体流動の場合の、行jから洗浄チャ
ンネルk(ここに、kは列チャンネルkに直ぐに隣接する)への液体または
気体のセグメントをすすぐための方法の実施例を示す。この手法および構築物は
、この流体セグメントが、行チャンネルjに沿って下流にあるウェル{(j,k
+1),(j,k+2)等}にわたって通過することなく廃棄容器に向けられる
のを可能とする。これは、与えられた化合物が1つのウェル(j,k)から他の
下流ウェル{(j,k+1),(j,k+2)等}への拡散を制限するのに望ま
しい(ここに、当該化合物は要求されないであろう)。加えて、後記するように
、気体セグメントをマイクロチャンネルミクロアレイに導入することによって拡
散を制御することができる。
FIG. 35 shows the liquid or gas from row j to the wash channel k * (where k * is immediately adjacent to the column channel k) for fluid flow through well (j, k). 3 illustrates an embodiment of a method for rinsing a segment of a. The approach and construct are such that the fluid segment is downstream along the row channel j, the well {(j, k
+1), (j, k + 2), etc., without passing through. This is desirable to limit the diffusion of a given compound from one well (j, k) to other downstream wells {(j, k + 1), (j, k + 2), etc.} (where the compound is Will not be required). In addition, diffusion can be controlled by introducing gas segments into the microchannel microarray, as described below.

【0132】 図32は正圧源容器を使用する図29のポンピングおよびバルビングスキーム
がいかにしてnの行チャンネルおよび2nの列チャンネルの直交アレイ(nの通
常列チャンネル+nの洗浄列チャンネル)で働くように拡大できるかを示す。こ
れは2n×lアウトプットバルブマニホールド(420)を要する。一般に、付
加された各追加の洗浄チャンネルkについては、1つの追加のバルブが、列チ
ャンネルに結合したバルブマニホールドに付加される。同様に、不圧廃棄容器を
使用する図30の配列は洗浄チャンネル(130)を一体化させるアレイで働く
ように拡大することができる。
FIG. 32 illustrates how the pumping and valving scheme of FIG. 29 using a positive pressure source vessel with an orthogonal array of n row channels and 2n column channels (n normal column channels + n wash column channels). Show if you can expand to work. This requires a 2n × 1 output valve manifold (420). Generally, for each additional wash channel k * added, one additional valve is added to the valve manifold coupled to the row channel. Similarly, the arrangement of FIG. 30 using non-pressure waste containers can be expanded to work with arrays that integrate wash channels (130).

【0133】 デュアル−ポンプド設計 流体経路×{(j,k),(j,n),(m,k),(m,n)…等}を通っ
ての、より一般的にはいずれかの長さのチューブを通っての流動は、経路または
チューブの長さに沿って存在する連続的圧力勾配によって引き起こされる。流体
経路のインプットおよびアウトプットに適用された圧力によるこの圧力勾配の制
御は、経路の壁を横切っての流動の漏れがないことを必要とする。また、漏れは
薬物スクリーニング用のウェルに対する化合物の適当な付与量を危うくする。経
路の壁のシーリングは適用されるであろうゲージ圧に適したものでなければなら
ない。1分あたり大雑把に数ミリメートルの流動速度、数センチメートル以下の
経路長さ、および100mm×100mmのオーダーのチャンネル断面では、ハ
ーゲンポアゼイ則は、必要な端部間圧力差ΔPは1気圧(1気圧〜平方インチあ
たり14ポンド)未満であることを予測する。それにもかかわらず、当該分野で
知られている種々の材料および構造が本発明の装置で実行できることを考慮する
と、隣接するウェル間の漏れ、システムの壁を横切って働くゲージ圧を低下させ
ることによって最小化される。この目的に向けて、本発明の装置は不圧廃棄容器
とともに正圧源容器(すなわち、「二重ポンプド」システム)を用いて、与えら
れた全端部間圧力差を達成するために適用しなければならない最大ゲージ圧を実
質的半分カットすることができる。
Dual-Pumped Design Any of the fluid paths x {(j, k), (j, n), (m, k), (m, n). Flow through a length of tube is caused by a continuous pressure gradient that exists along the length of the path or tube. Control of this pressure gradient by the pressure applied to the inputs and outputs of the fluid path requires that there be no leakage of flow across the walls of the path. Also, leaks jeopardize the proper dose of compound to wells for drug screening. The sealing of the path walls must be suitable for the gauge pressure to be applied. At flow velocities of roughly a few millimeters per minute, path lengths of a few centimeters or less, and channel cross-sections on the order of 100 mm × 100 mm, the Hagenpoise law states that the required end-to-end pressure difference ΔP is one atmosphere (1 Atmospheric pressure to less than 14 pounds per square inch). Nevertheless, considering that various materials and structures known in the art can be implemented in the device of the present invention, by reducing the leak between adjacent wells, the gauge pressure acting across the walls of the system, Be minimized. To this end, the apparatus of the present invention is applied to achieve a given full end-to-end pressure differential using a positive pressure source vessel (ie, a "double pumped" system) with a non-pressure waste vessel. The maximum gauge pressure that must be achieved can be substantially reduced by half.

【0134】 「単一−ポンプドシステム、すなわち、一端で気圧に開かれ、他端で(正また
は負のゲージ圧力±ΔPいずれかへ)ポンプ送液されるシステムでは、システム
の壁を横切って作用する圧力差はポンプド容器の位置、すなわち、図27および
29の(200)または;図28および30の(320、340)」。漏れは最
大ゲージ圧のこれらの地点で最も起こるらしく、正圧は経路から外へ流体を除去
する傾向にあり、不圧は隣接ウェルまたはチャンネルから経路に流体を吸い込む
傾向にある(これは、隣接チャンネルおよびウェルが流動に付されない場合にゼ
ロのゲージ圧に保持されることを仮定する。システムの壁を横切っての圧力差を
制御する別の方法はそれらが流動下にない場合に隣接経路へマッチする圧力を適
用することである)。流動経路に沿っての中間点において、システムの壁を横切
っての圧力差は、各々、±ΔPおよび正および負にポンプ送液されたシステムで
のゼロの間の値を有する。
“In a single-pumped system, that is, a system that is open to barometric pressure at one end and pumped at the other end (to either positive or negative gauge pressure ± ΔP), across the system wall The acting pressure differential is the position of the pumped container, ie (200) in FIGS. 27 and 29; or (320, 340) in FIGS. Leaks are most likely to occur at these points of maximum gauge pressure, with positive pressure tending to remove fluid out of the path and non-pressure tending to draw fluid from adjacent wells or channels into the path (which is Assuming that channels and wells are held at zero gauge pressure when not subjected to flow.Another way to control the pressure differential across the walls of the system is to use adjacent paths when they are not under flow. Applying matching pressure). At the mid-point along the flow path, the pressure difference across the system wall has a value between ± ΔP and zero for positively and negatively pumped systems, respectively.

【0135】 各々、インプットおよびアウトプット容器において圧力±ΔP/2を確立する
ことによって、同一の端部間圧力差ΔPが経路を横切って働く。この場合、シス
テムの壁を横切って働く最小ゲージ圧は±ΔP/2であって、システムの対応す
る終点で起こる。さらに、もしウェルが経路の長さに沿ってインプットおよびア
ウトプット容器の間の中央点にほぼあれば、適応された装置内のゲージ圧はゼロ
に近い。経路の終点において、最大圧力差±ΔP/2はプラスチックチューブま
たはシリカの毛細管内の漏れなしに、より容易に保持される。システムの終点で
のみ起こるようであるので、漏れの検出は促進される。
By establishing a pressure ± ΔP / 2 at the input and output vessels, respectively, the same end-to-end pressure difference ΔP works across the path. In this case, the minimum gauge pressure acting across the system wall is ± ΔP / 2 and occurs at the corresponding end point of the system. Furthermore, if the well is approximately at the midpoint between the input and output vessels along the length of the path, the gauge pressure in the adapted device will be close to zero. At the end of the path, the maximum pressure difference ± ΔP / 2 is more easily retained without leakage in the plastic tube or silica capillary. Leak detection is facilitated because it seems to occur only at the end of the system.

【0136】 1つの実施形態において、デュアルポンピングシステムの2つのシリンジは同
一の直径および容量であり、それらは押す−引く配置において同一アクチュエー
タに連結しているので、各シリンジは同一直線距離を動き、移動の各増分につき
同一容量が交換される。いずれの特定の源化合物もアレイに押して入れられ、等
容量の廃棄流体が引き出される。このように、mの源シリンジのアレイはmの不
圧廃棄容器のアレイを含有する。不圧廃棄容器のこのアレイは、ちょうど、源容
器のアレイが行列に対して多重化されるので、l×mバルブレスマニホールドに
よって列チャンネルに多重化される。
In one embodiment, each syringe moves the same linear distance because the two syringes of the dual pumping system are of the same diameter and volume and are connected to the same actuator in a push-pull configuration. The same capacity is exchanged for each increment of movement. Any particular source compound is pushed into the array and an equal volume of waste fluid is withdrawn. Thus, an array of m source syringes contains an array of m pressureless waste containers. This array of unpressured waste containers is multiplexed into column channels by an lxm valveless manifold, just as the array of source containers is multiplexed into a matrix.

【0137】 別の実施形態において、源および廃棄シリンジは異なる直径であり、異なる直
線速度で各シリンジを駆動する2つの別々のドライバーによってシリンジは制御
されなければならないが、各シリンジにおいて同一の容量変化を生ずる。例えば
、より小さな直径のシリンジを化合物につき使用でき、他方、より大きな直径の
シリンジを廃棄容器として使用し得る。もし直径の比率が2のファクターであれ
ば、小さなシリンジのドライバーが1つの直線ユニットを移動させて流体を除去
するにつれて、大きなシリンジのドライバーは直線ユニットの1/4のみを移動
させて流体を回収するが、交換された容量は同一である。図31は「デュアル−
ポンプド」システムのこの実施形態の1つの特定の場合を示し、ここに、いずれ
かの特定の源シリンジポンプの作動にて、(例えば、コンピュータ制御によって
)協調して作動されなければならない1つの廃棄シリンジポンプのみがある。別
法として、不圧ポンプは図31にも示される毛細管作用ポンプであり得る。毛細
管作用ポンプでは、ポンプの「作動」はバルブによって達成される。
In another embodiment, the source and waste syringes are of different diameters, and the syringe must be controlled by two separate drivers driving each syringe at different linear speeds, but with the same volume change in each syringe Is generated. For example, a smaller diameter syringe can be used per compound, while a larger diameter syringe can be used as a waste container. If the ratio of the diameters is a factor of two, as the driver of the small syringe moves one linear unit to remove the fluid, the driver of the large syringe moves only one quarter of the linear unit to collect the fluid However, the exchanged capacity is the same. FIG. 31 shows “Dual-
One particular case of this embodiment of the "pumped" system is shown, wherein one waste that must be operated in concert (eg, by computer control) in the operation of any particular source syringe pump. There is only a syringe pump. Alternatively, the non-pressure pump can be a capillary action pump, also shown in FIG. In a capillary action pump, "actuation" of the pump is achieved by a valve.

【0138】 要約すると、デュアル−ポンプドシステムは以下の利点、 1)最大適用ゲージ圧力の低下、 2)適用ゲージ圧力は経路の中央点近くで小さい、および 3)漏れは容易に検出され、システムの終点において最も起こるようである;
を有する。
In summary, the dual-pumped system has the following advantages: 1) reduced maximum applied gauge pressure, 2) applied gauge pressure is small near the midpoint of the path, and 3) leaks are easily detected and the system Most likely to occur at the end of
Having.

【0139】 より高いレベルの多重化 ポンプ容器および直交チャンネルアレイの間のマルチ−ポート流動マニホール
ドの使用は、mの異なる流体または気体混合物にて、これらの種々の実施形態に
おけるmの異なるポンプ(200)または容器(220)が、n×nウェルアレ
イ(002)の各ウェル(j,k)において選択的かつ順次に流動を生じること
を可能とする。より一般的には、単一の流体経路{(j,k),(j,n),(
m,k),(m,n)…等}を規定するウェルの組はこのシステムによって規定
できる。ただ1つの液体または気体混合物の流動がある時点でただ1つの流体経
路を通じて起こり得る。異なる経路を通っての異なる液体または気体の混合物の
同時流動を可能とするより高いレベルの多重化が、流動マニホールドのより複雑
なシステムで可能である。そのようなシステムは本発明の設計の一般化として容
易に構築される。
Higher Levels of Multiplexing The use of a multi-port flow manifold between a pump vessel and an orthogonal channel array allows the use of m different pumps (200) in these various embodiments with m different fluid or gas mixtures. ) Or container (220) can selectively and sequentially generate flow in each well (j, k) of the n × n well array (002). More generally, a single fluid path {(j, k), (j, n), (
The set of wells that define m, k), (m, n), etc. can be defined by this system. The flow of only one liquid or gas mixture can occur through only one fluid path at any one time. Higher levels of multiplexing that allow simultaneous flow of different liquid or gas mixtures through different paths are possible with more complex systems of flow manifolds. Such a system is easily constructed as a generalization of the design of the present invention.

【0140】 拡散の制御 この実施形態の原理は、バルブエレメント(520)および弁座(540)が
、一方向の流動を可能とし、流動が停止された場合に拡散を抑制することを可能
とするような形状とされることである。
Controlling the Diffusion The principle of this embodiment is that the valve element (520) and the valve seat (540) allow one-way flow and suppress diffusion when flow is stopped. It is to be made into such a shape.

【0141】 さらに、全てのバルブに対する復元力が「受動的に」かつ一定に適用される。
チェックバルブについての詳細な制御システムは必要でない。なぜならば、流体
圧力勾配の制御はそれによって個々のバルブが開かれる手段だからである。
Furthermore, the restoring force on all valves is applied “passively” and constantly.
No detailed control system for the check valve is required. This is because the control of the fluid pressure gradient is the means by which the individual valves are opened.

【0142】 例えば、2nのマイクロチャンネルおよびnウェルの間の多数の開かれた経
路を持つ直交マイクロチャンネルの使用は、本発明のいくつかの実施形態におい
ては、ウェルおよびマイクロチャンネルの間での化合物の拡散を制御するための
さらなる方法によって増加させることができる。先行技術のシステムとは異なり
、本発明のミクロ流体システムは、ウェル間拡散の制御のために装置内に詳細な
制御システムを必要としない。内蔵バルブの能動的制御を要しないウェル間拡散
を制御する2つの例示的手段が開示される。これらの方法の双方は、ウェルのア
レイに対して外部にあって、このように、本発明の総じての設計の原理に適合す
るバルブ、ポンプおよびマニホールドからの流体流動制御によってウェル間拡散
をブロックする;より少ないチャンネルしか必要とせず、より小さなウェル間間
隔設定を可能とする流体構築物のクラスにおけるウェルのサブ−アレイの最適イ
メージング。
[0142] For example, the use of orthogonal microchannels with many open path between the micro channel and n 2 wells 2n, in some embodiments of the present invention, among the wells and microchannels It can be increased by additional methods for controlling the diffusion of the compound. Unlike prior art systems, the microfluidic system of the present invention does not require a detailed control system in the apparatus for controlling inter-well diffusion. Two exemplary means for controlling inter-well diffusion without requiring active control of the built-in valve are disclosed. Both of these methods are external to the array of wells and thus block interwell diffusion by controlling fluid flow from valves, pumps and manifolds that are compatible with the overall design principles of the present invention. Optimal imaging of sub-arrays of wells in a class of fluid constructs that requires fewer channels and allows for smaller interwell spacing.

【0143】 第1の方法は異なる流体セグメントの間の空気のセグメントの挿入を使用する
。前記実施形態で与えられた正圧および/または負圧方法を使用して、これらの
空気セグメントを挿入する。一般に、特定の行{j}および列{k}または{k }を横切っての適当な配列での異なる圧力の適用は、インプットチャンネル{
j}中の多数の別々の空気セグメントを多数の異なる流体の間に置くことができ
る。特に、また、行j中の空気セグメントをこれらの2つのウェルの間に挿入し
維持しつつ、適当な配列決定は1つの流体セグメントを1つのウェル(j,k)
に向け、かつ直接的別の流体セグメントを別のウェル(j,k−1)に向けるこ
とができる。引き続いて、使用されていないウェルを通じ、または洗浄チャンネ
ルk(130)を介して空気セグメントをシステムから外に通過させることが
できる(図35)。
The first method uses the insertion of air segments between different fluid segments
. Using the positive pressure and / or negative pressure methods given in the previous embodiment, these
Insert air segment. In general, a particular row {j} and column {k} or {k * The application of different pressures in a suitable arrangement across the {
Many separate air segments in j} can be placed between many different fluids
You. In particular, also insert the air segment in row j between these two wells
While maintaining proper sequencing, one fluid segment can be stored in one well (j, k).
And directing another fluid segment directly to another well (j, k-1).
Can be. Subsequently, either through the unused wells or through the cleaning channel
Le k*Passing the air segment out of the system via (130)
(Fig. 35).

【0144】 拡散制御の第2の方法は、チャンネルjをウェル(j,k)および(j,k+
1)に結合する各対の隣接通路(通路kおよび通路k+1)(180)の間の「
正常に閉じられた」チェックバルブ(500)を用いる。同様に、チェックバル
ブは、洗浄列チャンネル{k}を取り込む構築物で使用することができる。他
の実施形態において、ウェルをマイクロチャンネルに、または行チャンネルを洗
浄列チャンネルに結合する通路(160、180)内にチェックバルブを置くこ
とができる。これらのバルブは、圧力勾配がアレイの流体経路を横切って適用さ
れなければ閉じられる。次いで、選択された流体経路に沿って分布したバルブの
みが押されて開く。流動が停止されて、バルブが閉じた位置に復帰すると、バル
ブはウェルおよびマイクロチャンネル間の、または行チャンネルおよび洗浄チャ
ンネルの間の化合物の拡散を抑制する。その対応する弁座(540)中のバルブ
エレメント(520)を閉じる復元力は当該分野で知られているいずれかの数の
方法によって提供することができる。復元力の強さは、適当な流動速度(典型的
には、1cm/分未満)を生じる圧力勾配の適用に際してバルブを開かすことが
可能でなければならない。復元力の適用のための方法は、金属、半導体または有
機材料の変形;空気圧;静電力、磁気力、および重力による機械的力を含む。
A second method of diffusion control is to add channel j to wells (j, k) and (j, k +
1) between each pair of adjacent passages (passage k and passage k + 1) (180) that joins
A "normally closed" check valve (500) is used. Similarly, a check valve can be used in a construct that incorporates a wash column channel {k * }. In other embodiments, a check valve can be placed in the passage (160, 180) connecting the well to the microchannel or the row channel to the wash column channel. These valves are closed unless a pressure gradient is applied across the fluid path of the array. Then, only the valves distributed along the selected fluid path are pushed open. When flow is stopped and the valve returns to the closed position, the valve inhibits compound diffusion between the well and microchannels or between the row and wash channels. The restoring force for closing the valve element (520) in its corresponding valve seat (540) can be provided by any number of methods known in the art. The strength of the restoring force must be able to open the valve upon application of a pressure gradient that produces a suitable flow rate (typically less than 1 cm / min). Methods for application of restoring forces include deformation of metals, semiconductors or organic materials; pneumatics; electrostatic forces, magnetic forces, and mechanical forces due to gravity.

【0145】 別の実施形態において、外部から適用された磁場勾配(620)は、磁性材料
を取り込むバルブエレメント(520)に対して復元力を誘導する。これは、限
定されるものではないが、図37に示された常磁性ビーズ(600)の使用(例
えば、ダイナル社(Dynal Corp.)によって供給)を含む。これらの常磁性ビー
ズ(600)は、各行および列チャンネル内でかつそれに沿って製造されたミク
ロボールバルブ中のボールとして働く。米国特許第5,643,738号および
第5,681,484号は磁気により作動されたミクロボールチェックバルブを
記載する。しかしながら、これらの特許は、「求めに応じて」ボールバルブの閉
鎖を可能とし、いくつかの外部圧力によって課された流動を停止させるその目的
として有する能動的に制御されたバルブを特に記載する。本発明の場合には、ミ
クロ流動構築物システムに対する特別の利点は、温和な復元力が、アレイ全体に
わたってボールバルブの大きなアンサンブルに同時に適用され、能動的制御は要
しないことである。流体経路に沿っての選択されたボールの運動(バルブを開く
ことが望まれた場合には常に)は、流体それ自体を流動させる手段によって達成
される。ボールバルブは流体の流動によって制御され、流体の流動がボールバル
ブによって制御されるのではない。さらに、この実施形態においては、拡散を停
止するのに十分な温和なシールが得られる場合、他の方向とは異なり、シールが
1つの方向で得られないように、弁座は特に設計される。
In another embodiment, an externally applied magnetic field gradient (620) induces a restoring force on the valve element (520) incorporating magnetic material. This includes, but is not limited to, the use of paramagnetic beads (600) shown in FIG. 37 (eg, supplied by Dynal Corp.). These paramagnetic beads (600) serve as balls in microball valves manufactured in and along each row and column channel. U.S. Patent Nos. 5,643,738 and 5,681,484 describe magnetically actuated microball check valves. However, these patents specifically describe actively controlled valves that allow the ball valve to be closed "on demand" and have as its purpose to stop the flow imposed by some external pressure. In the case of the present invention, a particular advantage to the microfluidic construction system is that a gentle restoring force is applied simultaneously to a large ensemble of ball valves over the entire array and no active control is required. Movement of the selected ball along the fluid path (whenever it is desired to open the valve) is achieved by means of flowing the fluid itself. The ball valve is controlled by the flow of the fluid, not the flow of the fluid by the ball valve. Further, in this embodiment, the valve seat is specifically designed so that a seal is not obtained in one direction, unlike the other direction, if a mild seal is obtained that is sufficient to stop diffusion. .

【0146】 1つの実施形態において1つのミクロボールバルブは、チャンネルjをウェル
(j,k)および(j,k+1)に結合する各対の隣接通路(通路kおよび通路
k+1)の間に位置する。そのバルブを含む経路を横切って圧力勾配が適用され
る場合のみ、各ミクロボールバルブが開く。流体圧力が流動の方向にボールを移
動させる場合にその流動が停止されないように、一方側の弁座(540)の設計
は(例えば、溝にて)形状付与される。特定のボールバルブの部位において圧力
勾配が適用されない(および流体は流動されない)場合、磁気復元力はその常磁
性ボールを弁座(540)の他方側に対して逆に押し付けて(ここに、該弁座は
ボールに嵌合するような形状である)、マイクロチャンネルのその部分を横切っ
ての化合物の拡散を抑制する。全てのバルブが正常に閉じられるように、全アレ
イに適用された磁場勾配によってこの復元力が誘導される。
In one embodiment, one microball valve is located between each pair of adjacent passages (passage k and passage k + 1) connecting channel j to wells (j, k) and (j, k + 1). . Each microball valve opens only when a pressure gradient is applied across the path containing the valve. The design of the valve seat (540) on one side is shaped (eg, in a groove) so that the flow is not stopped when fluid pressure moves the ball in the direction of flow. If no pressure gradient is applied (and no fluid is flowing) at the location of a particular ball valve, the magnetic restoring force will force the paramagnetic ball against the other side of the valve seat (540), where The valve seat is shaped to fit the ball), which inhibits the diffusion of the compound across that portion of the microchannel. This restoring force is induced by the magnetic field gradient applied to the entire array so that all valves close normally.

【0147】 別の実施形態において、外部から適用された磁場勾配(620)は、強磁性材
料を取り込むバルブエレメント(520)に対する復元力を誘導する。例えば、
精度のあるクロムスチールボールはmm下ないし数mmの直径の範囲にてグレン
・ミルズ社(Glenn Mills Inc.),Clifton,NJから入手可能である。
In another embodiment, an externally applied magnetic field gradient (620) induces a restoring force on the valve element (520) incorporating the ferromagnetic material. For example,
Precision chrome steel balls are available from Glenn Mills Inc., Clifton, NJ, ranging in diameter from millimeters down to several millimeters.

【0148】 図38は、この設計原理を例示する形状の弁座の実施形態を示す。特に、外部
から適用された復元力がボールを左側に押し付けて弁座中の丸い開口に入れる場
合、ボールを通過した拡散は停止される。外部から適用された圧力によって流動
が作動された場合、ボールは右側に押されるが、ボールは流動を提示しない。な
ぜならば弁座の右側は卵形の形状であって、一方側に沿って溝−様変形を含み、
流体用の経路を形成してバルブのこの開いた位置にボールを回避するからである
FIG. 38 shows an embodiment of a valve seat shaped to illustrate this design principle. In particular, if the restoring force applied from the outside pushes the ball to the left and into the round opening in the valve seat, diffusion through the ball is stopped. When the flow is activated by an externally applied pressure, the ball is pushed to the right, but the ball does not present the flow. Because the right side of the valve seat is oval in shape, including a groove-like deformation along one side,
This is because it creates a path for the fluid to avoid the ball in this open position of the valve.

【0149】 図39は、本発明の全カセットに適用された単一の磁場勾配が、インプットチ
ャンネルのボールバルブの組およびアウトプットチャンネルのボールバルブの組
双方に対して力を誘導することができる実施形態を示す。
FIG. 39 shows that a single magnetic field gradient applied to all cassettes of the present invention can induce forces on both the input channel ball valve set and the output channel ball valve set. 1 shows an embodiment.

【0150】 1つの実施形態において、磁場勾配の方向はアレイの面に対して平行であるが
、行および列チャンネル双方に対して45度の向きである。このように、各ボー
ルはその対応する弁座(540)の「閉じた」側の方向に力の成分を受ける。他
の実施形態において、磁場勾配がアレイの面に対して垂直に適用され、ボールバ
ルブは水平マイクロチャンネル内または垂直通路内で垂直向きに作動する。後者
の場合において(垂直通路内の垂直に作動されたボールバルブ)、通路構築物は
、再度、各ボールが、その対応する弁座(540)の「閉じた」側の方向の磁力
成分に付されるのを可能としなければならない。
In one embodiment, the direction of the magnetic field gradient is parallel to the plane of the array, but at a 45 degree orientation for both row and column channels. Thus, each ball experiences a force component in the direction of the "closed" side of its corresponding valve seat (540). In other embodiments, the magnetic field gradient is applied perpendicular to the plane of the array and the ball valve operates vertically in a horizontal microchannel or in a vertical passage. In the latter case (a vertically actuated ball valve in a vertical passage), the passage construction again causes each ball to be subjected to a magnetic component in the direction of the "closed" side of its corresponding valve seat (540). Must be able to

【0151】 球状形状の強磁性または常磁性バルブエレメント(520)の実施例が与えら
れたが、同様に機能する他の形状および他の復元力を一般的に用いることができ
る。
Although an example of a spherically shaped ferromagnetic or paramagnetic valve element (520) has been given, other shapes and other restoring forces that function similarly can generally be used.

【0152】 ウェルの寸法および特徴 別の形態において、本発明は、表面、ここに該表面は複数の細胞結合位置を含
有し;試薬を複数の細胞結合位置に送達するための流体送達系、ここに、該流体
送達系は基板と接合するマルチレベルチャンバーを含み、ここに、該マルチレベ
ルチャンバーはミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネル
ならびに該ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルと流
体結合した複数の流体位置の直交アレイを含み、複数のウェル、ここに、個々の
ウェルは1つの細胞結合位置および1つの流体位置の接合によって規定されたス
ペースを含み、ここに、ウェルは1cmあたり少なくとも約20のウェルの密
度で存在することを有する基板を含むことを特徴とする細胞スクリーニングのた
めのカセットを提供する。好ましい実施形態において、ウェル密度は1cm
たり約20ウェルおよび1cmあたり約6400ウェルの間である。
Well Dimensions and Features In another form, the invention relates to a surface, wherein the surface contains a plurality of cell binding sites; a fluid delivery system for delivering reagents to the plurality of cell binding sites, wherein In addition, the fluid delivery system includes a multi-level chamber in contact with a substrate, wherein the multi-level chamber includes a microfluidic input channel and an output channel and a plurality of fluids fluidly coupled to the microfluidic input and output channels. A plurality of wells, where each well includes a space defined by the junction of one cell binding location and one fluid location, wherein the wells have at least about 20 per cm 2. A cell substrate comprising a substrate having a density of wells. To provide a cassette for cleaning. In a preferred embodiment, the well density is between about 20 wells and 1 cm 2 per about 6400 wells per 1 cm 2.

【0153】 好ましい実施形態において、本発明のこの形態のカセットは、さらに、ミクロ
流体インプットチャンネルと流体結合した1以上のインプットマニホールドなら
びにミクロ流体アウトプットチャンネルと流体結合した1以上のアウトプットマ
ニホールドを含む。別の好ましい実施形態において、本発明のこの形態のカセッ
トは、さらに、1以上のインプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つ
の源容器および1以上のアウトプットマニホールドと流体結合した少なくとも1
つの廃棄容器を含む。これらの実施形態における種々の制御装置は前記した通り
である。
In a preferred embodiment, the cassette of this aspect of the invention further comprises one or more input manifolds fluidly coupled to the microfluidic input channels and one or more output manifolds fluidly coupled to the microfluidic output channels. . In another preferred embodiment, the cassette of this aspect of the invention further comprises at least one source container in fluid communication with one or more input manifolds and at least one source fluid in fluid connection with one or more output manifolds.
Includes one waste container. Various control devices in these embodiments are as described above.

【0154】 ウェルの形状は本発明の異なる実施形態において異なり得るので、本発明にお
けるウェルの形状の幾何学に制限は課されない。矩形ウェル形状はアレイ中のウ
ェルの間の最小距離および面積を可能とするが、この形状は、ウェルのコーナー
領域において細胞培養または流体特性の潜在的差の不利を有する。したがって、
円状である、丸いコーナーを持つ矩形状であるウェル形状が本発明の好ましい実
施形態で使用される。
No limitation is imposed on the geometry of the well shapes in the present invention, as the well shapes may differ in different embodiments of the present invention. Although a rectangular well shape allows for minimum distance and area between wells in the array, this shape has the disadvantage of potential differences in cell culture or fluid properties in the corner regions of the well. Therefore,
A circular, rectangular well shape with rounded corners is used in a preferred embodiment of the present invention.

【0155】 本発明のアレイシステムは、薬物スクリーニングアッセイシステムにおける細
胞の視野内での個々の細胞のイメージングのために設計される。細胞の視野内で
の各個々の細胞の並行した測定を含むイメージングアッセイでのスクリーニング
は高含有量スクリーニング(HCS)と言われる。なぜならば、細胞内プロセス
についての詳細な情報が単一細胞の像内に含有されるからである。より低い分解
能のイメージングまたは細胞の集団にわたってシグナルを積分するよりディテク
タでのスクリーニングを、それがより速いゆえに高スループットスクリーニング
(HTS)と言う。HCSにおいて、細胞は、典型的には、5μmないし15μ
mの範囲にある長軸の長さで形状が球形または楕円体である細胞の核を像形成す
ることによって同定される。本発明で使用される細胞アレイは、通常の96−ウ
ェルプレートと比較してより高い密度のマルチウェルフォーマットを用いること
によってHCSの速度を最適化する。
The array system of the present invention is designed for imaging individual cells within the field of view of a cell in a drug screening assay system. Screening in an imaging assay that involves the parallel measurement of each individual cell within the field of view of the cell is referred to as high content screening (HCS). This is because detailed information about intracellular processes is contained within the image of a single cell. Lower resolution imaging or screening with a detector than integrating the signal over a population of cells is referred to as high throughput screening (HTS) because it is faster. In HCS, cells are typically 5 μm to 15 μm
It is identified by imaging nuclei of cells that are spherical or ellipsoidal in shape with a major axis length in the range of m. The cell array used in the present invention optimizes the rate of HCS by using a higher density multi-well format as compared to a normal 96-well plate.

【0156】 HCSでは、統計学的に関連する試料を提供する細胞の数ならびに単位表面積
あたりに要求される細胞の数は、アッセイのタイプおよび培養されるべき細胞の
タイプに応じて変化する。このように、各アッセイについての統計学的基準によ
って要求されるウェルの最小サイズは異なる。それにもかかわらず、最小または
最適ウェルサイズがいかなるものであっても、ウェルが適切な像分解能で読むこ
とができて個々の細胞核を解像することができる速度は本発明の装置によって最
適化され、これはいくつかのウェルが一度に並行して像形成されるのを可能とす
る。もしウェル間に最小の余分なスペースしかなく、全像内の細胞平板培養面積
がしたがって最大化されればこれは最も効率的になされる。
In the HCS, the number of cells providing a statistically relevant sample as well as the number of cells required per unit surface area will vary depending on the type of assay and the type of cells to be cultured. Thus, the minimum well size required by the statistical criteria for each assay will vary. Nevertheless, whatever the minimum or optimal well size, the speed at which the wells can be read at a suitable image resolution and resolve individual cell nuclei is optimized by the device of the present invention. This allows several wells to be imaged in parallel at one time. This is most efficiently done if there is minimal extra space between the wells and the cell plating area within the entire image is therefore maximized.

【0157】 さらに、本発明のアレイシステムは、同一の光学イメージング細胞ベーススク
リーニングシステムに対してHTSおよびHCS双方の柔軟性のある実行を最適
化する。必要な画素密度(1ミクロンあたりの画素)はHTSではより低く(例
えば、1ミクロンあたり0.001ないし0.1画素)、HCSではより高い(
例えば、1ミクロンあたり0.1ないし4.0またはそれ以上の画素)。本発明
のシステムはHTSおよびHCSのシームレス組合わせ使用を提供し、HTSで
同定された「ヒット」もまたより詳細な分析のためにHCSモードで読まれる。
事実、同一プラットフォームでのおよび同一試料でのHCSの利用可能性は、H
TSモードで同定された「ヒット」に関連する情報を大いに増加させる。それに
もかかわらず、HCSの最も速い可能な速度は、HCSが使用される場合常に最
大全スクリーニングスループットを可能とするのに有利である。アレイの最大ウ
ェル密度と組合わせてHCSで要求される最小画素密度は、ウェルがHCSモー
ドで読むことができる最大速度を規定する2つの非常に重要なパラメータである
。本発明は、本発明のアレイシステムの設計がいかにしてこのHCS速度ならび
にHTS速度を最大化できるかを記載する。
In addition, the array system of the present invention optimizes the flexible implementation of both HTS and HCS for the same optical imaging cell-based screening system. The required pixel density (pixels per micron) is lower for HTS (eg, 0.001 to 0.1 pixels per micron) and higher for HCS (eg, 0.001 to 0.1 pixels per micron).
For example, 0.1 to 4.0 or more pixels per micron). The system of the present invention provides for a seamless combination of HTS and HCS, and the "hits" identified in HTS are also read in HCS mode for more detailed analysis.
In fact, the availability of HCS on the same platform and on the same sample is
It greatly increases the information associated with the "hit" identified in the TS mode. Nevertheless, the fastest possible rate of HCS is advantageous to allow for maximum total screening throughput whenever HCS is used. The minimum pixel density required by the HCS in combination with the maximum well density of the array is two very important parameters that define the maximum speed at which a well can read in HCS mode. The present invention describes how the design of the array system of the present invention can maximize this HCS rate as well as the HTS rate.

【0158】 96−ウェルのマイクロプレートでの使用では、通常の顕微鏡イメージングシ
ステムは各7mm直径のウェルの中心にある0.1mmないし10mmの幅であ
る四角形の視野を像形成できる。ウェルは系列的に像形成されるか「読まれる」
。ステージの各位置において、典型的には、ウェルのただ1つの領域が読まれる
。(HTSまたはHCSモードいずれかで)全アレイを読むためには、試料ステ
ージはマイクロプレートを少なくとも96回移動させなければならない。
For use in a 96-well microplate, a typical microscope imaging system can image a square field of 0.1 mm to 10 mm width at the center of each 7 mm diameter well. Wells are imaged or "read" sequentially
. At each location on the stage, typically only one area of the well is read. To read the entire array (either in HTS or HCS mode), the sample stage must move the microplate at least 96 times.

【0159】 本発明において、本発明者らは多くのウェルが一度に読まれる新規な細胞スク
リーニング方法を規定する。本発明のアレイは、96−ウェルのマイクロプレー
トにおけるよりも大雑把に10倍小さなウェル幅およびウェル間距離を有するの
で(幅がミリメートル下であり、全プレート寸法が数センチメートル幅よりもむ
しろ数ミリメートルであるウェル)、本発明で開示されるもののような細胞スク
リーニングシステムは同時に多くのウェルを像形成できる。このように、試料ス
テージはプレートあたりより少ない回数しか移動されず、いくつかのウェルは並
行して読まれる(図39)。
In the present invention, we define a novel cell screening method in which many wells are read at once. The arrays of the present invention have well widths and inter-well distances roughly 10 times smaller than in 96-well microplates (widths are millimeters below, and overall plate dimensions are several millimeters rather than centimeters wide). ), Cell screening systems such as those disclosed in the present invention can image many wells simultaneously. In this way, the sample stage is moved less times per plate and some wells are read in parallel (FIG. 39).

【0160】 これは、各サブアレイの全てのウェルからのデータを並行して取得しつつ、全
ミクロウェルアレイ(040)の「サブアレイ」(020)の系列的像形成を実
質的に含む。例えば、3×3ウェルサブアレイの像形成は試料ステージの9倍少
ない移動を必要としデータ取得の大雑把に9倍速い速度を可能とする。
This substantially involves the sequential imaging of “subarrays” (020) of the entire microwell array (040), while acquiring data from all wells of each subarray in parallel. For example, imaging a 3 × 3 well sub-array requires nine times less movement of the sample stage and allows roughly nine times faster speed of data acquisition.

【0161】 与えられたCCDディテクタアレイ(080)では、光学系(060)の倍率
は、ディテクタ上に投影されたサブアレイ(020)の面積を決定する。例えば
、1ミクロンあたり1画素の像画素密度は、10×光学倍率および10μm×1
0μmエレメントの1000×1000画素CCDアレイを用いることによって
ウェルの1000μm×1000μmサブアレイにつき達成される。第2の実施
例において、ウェルの2000μm×2000μmサブアレイを同一倍率で20
00×2000画素CCDアレイに像形成させて同一の像画素密度を得ることが
できる。第3の実施例において、1.0×光学倍率および10μm×10μmエ
レメントの1000×1000画素CCDアレイを用いることによって、1ミク
ロンあたり0.1画素の像画素密度がウェルの10mm×10mmサブアレイに
つき達成される。第4の実施例において、アレイの10mm×10mmサブアレ
イを2.0×倍率において2000×2000画素CCDアレイに像形成させて
同一像画素密度を得ることができる。
For a given CCD detector array (080), the magnification of the optical system (060) determines the area of the sub-array (020) projected on the detector. For example, the image pixel density of one pixel per micron is 10 × optical magnification and 10 μm × 1
This is achieved for a 1000 μm × 1000 μm sub-array of wells by using a 1000 × 1000 pixel CCD array of 0 μm elements. In a second example, a 2000 μm × 2000 μm sub-array of wells was
The same image pixel density can be obtained by forming an image on a 00 × 2000 pixel CCD array. In a third embodiment, an image pixel density of 0.1 pixels per micron is achieved per 10 mm × 10 mm sub-array of wells by using a 1000 × 1000 pixel CCD array of 1.0 × optical magnification and 10 μm × 10 μm elements. Is done. In a fourth embodiment, a 10 mm × 10 mm sub-array of the array can be imaged at 2000 × magnification onto a 2000 × 2000 pixel CCD array to obtain the same image pixel density.

【0162】 以下に、本発明者らは、サブアレイの像形成を最適化する本発明にしたがって
ウェルサイズおよび間隔設定の特別の実施形態の実施例を与える。これらのウェ
ルサイズは、アレイの各位置内の所望の数の細胞結合部位に結合した所望の数の
細胞を含有するのに十分に大きくなければならない。細胞結合部位で培養すべき
所望の細胞密度の考えられる範囲(すなわち、非常に広い間隔を設けた細胞の、
または密集単層の培養が望ましいであろう)のため、所望のウェルサイズは、直
径が約10μmの非常に小さな細胞結合位置にただ1つの細胞を含有するもの(
すなわち、20ないし50ミクロンのウェルサイズ)から、1つの大きな細胞結
合部位またはアレイの単一位置を含む多くの細胞結合部位のアレイを含有するも
の(すなわち、1ないし2mmのウェルサイズ)までの範囲であり得る。前者の
場合はより高いウェル密度に導き、後者はより低いウェル密度に導くことができ
る。
In the following, we give examples of special embodiments of well size and spacing according to the present invention to optimize the imaging of sub-arrays. These well sizes must be large enough to contain the desired number of cells bound to the desired number of cell binding sites within each location of the array. The possible range of desired cell densities to be cultured at the cell binding site (ie, for very widely spaced cells,
Or a dense monolayer culture would be desirable), the desired well size would be one containing only one cell at a very small cell binding site of about 10 μm in diameter (
That is, a well containing a large cell binding site or an array of multiple cell binding sites including a single location on the array (ie, a well size of 1-2 mm). Can be The former can lead to higher well densities, and the latter can lead to lower well densities.

【0163】 高いおよび低い両ウェル密度では、および1または多くの細胞結合部位を含有
するウェルでは、本発明によるミクロ流体構築物のクラスは、ウェルの最適間隔
設定、ウェル間の最小の余分なスペース、およびサブアレイにおいて同時に像形
成でき、かつ依然として像中に適切な画素分解能を得ることができるウェルの最
大数を可能とする。
At both high and low well densities, and for wells containing one or more cell binding sites, a class of microfluidic constructs according to the present invention provides optimal spacing of wells, minimal extra space between wells, And a maximum number of wells that can be imaged simultaneously in the sub-array and still obtain adequate pixel resolution in the image.

【0164】 本発明者らは、今回、サブアレイサイズ、光学倍率、および画素分解能の好ま
しい範囲では、かつ本明細書中に記載するミクロ流体構築物の利点に基づき、い
かにして本発明の装置が、ウェルを像形成しまたは読み取ることができるスピー
ドの大きな増加を可能とするウェルサイズおよび間隔設定を支持するかを説明す
るために前記に掲げた光学分解能の4つの実施例を用いる。さらなるサブアレイ
サイズ、光学倍率、および画素分解能は本発明の方法および装置によって支持さ
れる。本発明の範囲は利用可能な画素の数において当該分野の現在の状態によっ
て制限されず、またエレクトロニックイメージングシステムにおける画素サイズ
においても限定されない 1.前記した第1の実施例では、ウェルの1000μm×1000μmサブア
レイが(1ミクロンあたり1画素の像分解能にて)1000×1000画素CC
Dカメラに像形成される。本発明者らは、今回、本発明によって支持されるウェ
ルサイズおよび密度の4つの実施例を与える。(a)第1に、200μm−厚み
の壁および1cmあたり400ウェルのウェル密度を持つ300μm×300
μmウェルの2×2サブアレイ。4の群におけるこれらのウェルを像形成して、
プレートを一度に1ウェルで読み取るのに比較して4倍のスピードの増加を生じ
る。(b)第2に、100μm壁を持つ200μm×200μmのウェルの3×
3サブアレイはスピードおよび1cmあたりで1111ウェルのウェル密度の
9倍増加を生じる。単位面積あたりのウェルの数は、現在の最高密度の商業的マ
イクロプレート(1536ウェルプレート)によって提供されるものの80倍大
きいファクターである。(c)第3に、100μm×100μmウェルおよび1
00μm壁の5×5サブアレイは、25倍のスピードの増加および1cmあた
り2500ウェルの密度を生じる。(d)第4に、なおさらに高いウェルの密度
およびより大きなスピードの利点では、ウェルは100μm壁を持つ25μm×
25μmとすることができ、8×8サブアレイ、64倍のスピード増加、および
1cmあたり6400細胞のウェル密度を生じる。
We now demonstrate how, within the preferred ranges of subarray size, optical magnification, and pixel resolution, and based on the advantages of the microfluidic constructs described herein, The four examples of optical resolution listed above are used to illustrate whether to support well size and spacing settings that allow a large increase in the speed at which wells can be imaged or read. Additional subarray sizes, optical magnifications, and pixel resolutions are supported by the methods and apparatus of the present invention. The scope of the present invention is not limited by the current state of the art in the number of available pixels, nor is it limited by the pixel size in electronic imaging systems. In the first embodiment described above, a 1000 μm × 1000 μm sub-array of wells has a 1000 × 1000 pixel CC (with an image resolution of one pixel per micron).
An image is formed on the D camera. We now provide four examples of well sizes and densities supported by the present invention. (A) First, 300 μm × 300 with 200 μm-thick walls and a well density of 400 wells per cm 2
2 × 2 subarray of μm wells. Imaging these wells in group 4
This results in a 4-fold speed increase compared to reading the plate one well at a time. (B) Second, 3 × of 200 μm × 200 μm well with 100 μm wall
The three sub-arrays produce a 9-fold increase in speed and well density of 1111 wells per cm 2 . The number of wells per unit area is a factor 80 times greater than that provided by the current highest density commercial microplates (1536 well plates). (C) Third, a 100 μm × 100 μm well and 1
A 5 × 5 subarray with 00 μm walls results in a 25-fold increase in speed and a density of 2500 wells per cm 2 . (D) Fourth, with the advantage of even higher well density and greater speed, the wells have 25 μm × 100 μm walls.
It can be 25 μm, resulting in an 8 × 8 subarray, a 64-fold speed increase, and a well density of 6400 cells per cm 2 .

【0165】 2.(1ミクロンあたり1画素の像分解能での)2000×2000画素CC
Dカメラに像形成されたウェルの2000μm×2000μmサブアレイでは、
ウェル密度の1つの追加の実施例が、前記で考えられた4つの実施例以外に考え
られる。(a)まず、200μm−厚みの壁を持つ800μm×800μmウェ
ルの2×2サブアレイは4倍のスピード増加および1cmあたり1000ウェ
ルのウェル密度を生じる。単位面積あたりのウェルの数は、現行の最大密度の商
業的マイクロプレート(1536ウェルプレート)によって提供されるものより
も5倍大きい因子である。(b)第2に、200μm−厚みを持つ300μm×
300μmウェルの4×4サブアレイは、16倍のスピード増加および1cm あたり400ウェルのウェル密度を生じる。(c)第3に、100μm壁を持つ
200μm×200μmウェルの6×6サブアレイは、36倍のスピード増加お
よび1cmあたり900ウェルのウェル密度を生じる。(d)第4に、100
μm壁を持つ100μm×100μmウェルの10×10サブアレイは、100
倍のスピード増加および1cmあたり2500ウェルのウェル密度を生じる。
(e)第5に、100μm壁を持つ25μm×25μmの16×16サブアレイ
は、256倍のスピード増加および1cmあたり6400ウェルのウェル密度
を生じる。
[0165] 2. 2000 x 2000 pixels CC (at an image resolution of 1 pixel per micron)
For a 2000 μm × 2000 μm subarray of wells imaged by a D camera,
One additional example of well density is conceivable other than the four examples discussed above. (A) First, a 2 × 2 subarray of 800 μm × 800 μm wells with 200 μm-thick walls produces a 4 × speed increase and a well density of 1000 wells per cm 2 . The number of wells per unit area is a factor five times greater than that provided by current highest density commercial microplates (1536 well plates). (B) Second, 200 μm-300 μm × thickness ×
A 4 × 4 subarray of 300 μm wells results in a 16-fold speed increase and a well density of 400 wells per cm 2 . (C) Third, a 6 × 6 subarray of 200 μm × 200 μm wells with 100 μm walls results in a 36-fold speed increase and a well density of 900 wells per cm 2 . (D) Fourth, 100
A 10 × 10 subarray of 100 μm × 100 μm wells with μm walls has 100
This results in a fold speed increase and a well density of 2500 wells per cm 2 .
(E) Fifth, a 25 μm × 25 μm 16 × 16 subarray with 100 μm walls results in a 256-fold speed increase and a well density of 6400 wells per cm 2 .

【0166】 3.(1ミクロンあたり0.1画素の像分解能での)1000×1000画素
CCDカメラに像形成されたウェルの10mm×10mmサブアレイでは、本発
明者らは、再度、前記実施例1に記載されたウェルサイズおよび密度の4つの場
合を記載する。(a)まず、200μm−厚みの壁を持つ300μm×300μ
mウェルの20×20サブアレイは、400倍のスピード増加および1cm
たり400ウェルの密度を生じる。(b)第2に、100μm壁を持つ200μ
m×200μmウェルの30×30サブアレイは、900倍のスピード増加およ
び1cmあたり1111ウェルのウェル密度を生じる。前記したように、この
場合は、現行の最大密度の商業的マイクロプレートによって提供されるものより
も80倍大きいウェル密度を支持する。(c)第3に、100μm壁を持つ10
0μm×100μmウェルの50×50ウェルサブアレイは2500倍のスピー
ド増加および1cmあたり2500ウェルのウェル密度を生じる。(d)第4
に、100μmの壁を持つ25μm×25μmウェルの80×80サブアレイは
、6400倍のスピード増加および1cmあたり6400ウェルの密度を生じ
る。なお高いウェルの密度およびより大きい(2500倍)スピードの利点のた
めには、ウェルは、100μm幅であるウェルを分離する壁を持つ100μm×
100μmとすることができ、サブアレイあたり2500ウェル、および1cm あたり2500ウェルを生じる。
[0166] 3. 1000 x 1000 pixels (at an image resolution of 0.1 pixels per micron)
For a 10 mm x 10 mm subarray of wells imaged by a CCD camera,
The authors again reported that the four fields of well size and density described in Example 1 above were used.
Describe the case. (A) First, 300 μm × 300 μ with a 200 μm-thick wall
A 20 × 20 sub-array of m-wells provides a 400-fold speed increase and 1 cm2Ah
Yields a density of 400 wells. (B) Second, 200 μm having a 100 μm wall
A 30 × 30 subarray of mx200 μm wells can increase speed 900 times and
1cm2Per well yields 1111 wells. As mentioned above, this
If not, than provided by the current highest density commercial microplate
Also support 80 times greater well density. (C) Third, 10 having a 100 μm wall
A 50 × 50 well subarray of 0 μm × 100 μm wells is 2500 times faster
And increase 1cm2A well density of 2500 per well results. (D) Fourth
The 80 × 80 subarray of 25 μm × 25 μm wells with 100 μm walls
, 6400 times speed increase and 1cm2Yields a density of 6400 wells per
You. Still the advantages of higher well density and greater (2500 times) speed
For the wells, the wells are 100 μm × 100 μm wide with walls separating the wells.
100 μm, 2500 wells per subarray, and 1 cm 2 This yields 2500 wells.

【0167】 4.(1ミクロンあたり0.1画素の像分解能での(2000×2000画素
CCDカメラに像形成されたウェルの10mm×10mmサブアレイでは、10
0、400、1111、2500および6400ウェルcmの前記実施例2か
らの場合が再度適用されるが、サブアレイは各側で10倍広いので100倍大き
いスピードの増加を生じる。このように、100、400、1111、2500
および6400ウェル/cmのウェル密度についてのスピード増加は、10m
m×10mmアレイにおいて、各々、400×、1600×、3600×、10
000×および25600×である。
[0167] 4. (10 mm x 10 mm subarray of wells imaged on a 2000 x 2000 pixel CCD camera with an image resolution of 0.1 pixels per micron
The cases from Example 2 above of 0, 400, 1111, 2500 and 6400 well cm 2 apply again, but the sub-arrays are 10 times wider on each side, resulting in a 100 times greater speed increase. Thus, 100, 400, 1111, 2500
And the speed increase for a well density of 6400 wells / cm 2 is 10 m
400 ×, 1600 ×, 3600 ×, 10 ×
000x and 25600x.

【0168】 以下の表は種々の他の装置についてのウェルピッチを比較する。The table below compares the well pitch for various other devices.

【0169】[0169]

【表1】 *見積もったスピード増加は、各ウェルを別々に像形成することによる像形成と
比較したサブアレイによって全アレイが像形成できるスピードの比較である。
[Table 1] * Estimated speed increase is a comparison of the speed at which the entire array can be imaged by the sub-array compared to imaging by imaging each well separately.

【0170】 本発明のミクロ流体装置のこれらの特定の形態の全て−直交チャンネル、マル
チレベル構築物、高ウェル密度、これらの構築物への流体流動制御、ウェルの空
間的に最適化されたサブアレイへのウェルの配置、および化合物のウェル間拡散
の制御の任意の手段は、細胞培養培地(生物学的マクロ分子および塩を含有する
極性水性溶液)の使用と、培地中での溶解された酸素および二酸化炭素ガスの生
理学的レベルの維持と、および所望の生物学的温度(典型的には37℃であるが
、15℃ないし40℃のほぼ範囲の他の温度は特定の細胞タイプで望ましいであ
ろう)の維持と適合する統合システムを形成するように特異的に選択され、設計
される。
All of these specific forms of the microfluidic devices of the present invention-orthogonal channels, multi-level constructs, high well densities, fluid flow control to these constructs, spatially optimized sub-arrays of wells Any means of well placement and control of compound inter-well diffusion may include the use of cell culture media (a polar aqueous solution containing biological macromolecules and salts) and dissolved oxygen and carbon dioxide in the media. Maintaining physiological levels of carbon gas, and the desired biological temperature (typically 37 ° C., but other temperatures in the approximate range of 15 ° C. to 40 ° C.) may be desirable for certain cell types. ) Is specifically selected and designed to form an integrated system compatible with the maintenance of

【0171】 特に、細胞培養培地は所望のレベルの温度および溶解した二酸化炭素および酸
素に対して外蔵容器中で平衡化することができる。このように、外蔵容器および
バルブを用い、培地をマイクロチャンネルを通ってウェルへと移動される。雰囲
気からのこれらのマイクロチャンネルおよびウェルのシーリングは、ガスの分圧
が、外部容器の平衡化によって制御されるのを可能とする。好ましい実施形態に
おいて、ウェル内の培地中の二酸化炭素のレベルは、装置へのその流動に先立っ
て培地を平衡化させることによって、および/または二酸化炭素および酸素の混
合物をそれがウェル内に入るにつれて培地と交換することによって確立し、維持
することができる。生きた細胞培養のための異なる環境的に制御された多数のチ
ャンバーが存在する(米国特許第5,552,321号および第4,974,9
52号;ペイン(Payne)ら,J.Microscopy 147:329-335(1987);Boltzら,Cytom
etry 17:128-134(1994);モーリス(Moores)ら,Proc.Natl.Acad.Sci.93:443-44
6(1996);Nature Biotech.14:3621-362(1996))。
In particular, the cell culture medium can be equilibrated in a storage vessel to the desired level of temperature and dissolved carbon dioxide and oxygen. In this way, the culture medium is transferred to the well through the microchannel using the external storage container and the valve. Sealing these microchannels and wells from the atmosphere allows the partial pressure of the gas to be controlled by equilibration of the outer vessel. In a preferred embodiment, the level of carbon dioxide in the medium in the well is determined by equilibrating the medium prior to its flow into the device and / or as the mixture of carbon dioxide and oxygen enters the well. It can be established and maintained by replacing the medium. There are a number of different environmentally controlled chambers for living cell culture (US Pat. Nos. 5,552,321 and 4,974,9).
No. 52; Payne et al., J. Microscopy 147: 329-335 (1987); Boltz et al., Cytom.
etry 17: 128-134 (1994); Moores et al., Proc. Natl. Acad. Sci. 93: 443-44.
6 (1996); Nature Biotech. 14: 3621-362 (1996)).

【0172】 さらなる好ましい実施形態において、全基板の温度は、ヒータと接触させるか
またはヒータを一体化させて構成し、温度センサと接触させることによって制御
される。エレクトロニック温度制御システムは、ヒータを調節して選択された温
度設定点を達成する。このように、本発明で記載されたミクロ流体アレイシステ
ムの設計は、外部インキュベータシステムなしに生きた細胞培養を支持する方法
で容易に用いられる。図12はいかにして本発明がカセットの自動読み取りを提
供するかを示す。カセットは、蛍光リーダー装備44における読み取りの前およ
び後に2つの保存区画(48および54)内で制御された環境条件下に保たれる
。蛍光リーダー装備によって読まれつつ、システムはカセットのウェル内の細胞
培養培地中の溶解されたガスの適当な温度および組成を維持する。ウェル内の温
度制御は、蛍光リーダー装備のカセット内で装置および温度センサを加熱するこ
とによって供される。ウェル内の溶解ガス組成の制御は、カセットのウェルへの
培地の流動に先立って、(商業的に入手可能な)予め混合された空気および二酸
化炭素の源での培地の平衡化によって供される。ガス分圧を調節するためのいず
れのタイプのコントローラも本発明で用いることができる。好ましい実施形態に
おいて、システムは、細胞培養培地および/またはテスト化合物を含有する容器
または複数容器に結合された予め混合されたガス源を含むガスコントローラを含
む。ガス圧力レギュレーターおよび流動制御バルブは、このガス混合物の流動の
速度および連結された流体容器中のその圧力を制御する。ガス混合物の流体での
この平衡化はカセットに内蔵されたまたは外蔵された容器中で行うことができる
が、いずれの場合においてもウェルのマトリクスの外部で行うことができる。
[0172] In a further preferred embodiment, the temperature of the entire substrate is controlled by contact with a heater or by integrating a heater and contacting a temperature sensor. Electronic temperature control systems adjust the heater to achieve a selected temperature set point. Thus, the design of the microfluidic array system described in the present invention is easily used in a way to support live cell culture without an external incubator system. FIG. 12 shows how the present invention provides for automatic reading of cassettes. The cassette is kept under controlled environmental conditions in two storage compartments (48 and 54) before and after reading in the fluorescence reader equipment 44. As read by the fluorescent reader equipment, the system maintains the proper temperature and composition of the dissolved gas in the cell culture medium in the wells of the cassette. Temperature control in the wells is provided by heating the instrument and temperature sensors in a cassette equipped with a fluorescent reader. Control of the dissolved gas composition in the wells is provided by equilibration of the media with a source of premixed (commercially available) air and carbon dioxide prior to flowing the media into the wells of the cassette. . Any type of controller for adjusting the gas partial pressure can be used in the present invention. In a preferred embodiment, the system includes a gas controller that includes a premixed gas source coupled to a container or containers containing the cell culture medium and / or test compound. Gas pressure regulators and flow control valves control the rate of flow of the gas mixture and its pressure in the connected fluid container. This equilibration of the gaseous mixture with the fluid can be carried out in a container built in or external to the cassette, but in any case outside the matrix of wells.

【0173】 本発明は、高スループットおよび/または高含有量細胞ベーススクリーニング
を行うのに必要な時間の量を減少させる装置および方法についての分野における
要求を満足する。また、本発明の装置は手づかみの臨床装置のための細胞支持体
システムとして理想的に適合する(すなわち、小型化された像形成細胞ベースア
ッセイシステム)。薬物発見産業はすでに96−ウェルのマイクロプレートを用
いており、384−ウェルプレートの使用に向けて移り変わるところである。1
536ウェルまでを備えたプレートが考えられる。このように、本発明の物のよ
うな、より高い密度のプレートの使用からスループットおよび経済性双方におい
て大きな利点がある。
The present invention satisfies the need in the art for devices and methods that reduce the amount of time required to perform high throughput and / or high content cell-based screens. Also, the device of the present invention is ideally suited as a cell support system for hand-held clinical devices (ie, a miniaturized imaging cell-based assay system). The drug discovery industry is already using 96-well microplates and is shifting towards the use of 384-well plates. 1
Plates with up to 536 wells are conceivable. Thus, there are significant advantages in both throughput and economy from the use of higher density plates, such as those of the present invention.

【0174】 本発明の細胞アレイにおける細胞の密封された封じ込めは、ポータブルであっ
ていずれの向きでも使用できる厳しいシステムを提供する。軍事的および民間の
トキシンテストでは、本発明の装置は2つの主要な利点を提供するであろう。ま
ず、細胞機能に基づくトキシンテストは分子構造に基づくトキシンテスト(例え
ば、質量分析または光学的分光学と比較して有利である。なぜならば、それは、
その毒性に対するリンクが知られていないかまたは他の条件に依存し得る化合物
の関連特性よりもむしろ組織に対する化合物の最終的な効果をテストするからで
ある。第2に、細胞機能ベースのセンサについての自動化され、小型化され、頑
丈でポータブルなフォーマットは、大きなロボットピペッティングシステムによ
って充填され大きな顕微鏡リーダーによって読まれた大きなマイクロプレートを
含む現在の技術水準と比較して有利であろう。
The sealed containment of cells in the cell arrays of the present invention provides a rigorous system that is portable and can be used in any orientation. In military and civil toxin tests, the device of the present invention will provide two major advantages. First, a toxin test based on cell function is advantageous compared to a toxin test based on molecular structure (eg, mass spectrometry or optical spectroscopy.
Because the link to toxicity is unknown or tests the ultimate effect of the compound on tissue, rather than the relevant properties of the compound, which may depend on other conditions. Second, automated, miniaturized, rugged and portable formats for cell function-based sensors are compatible with the current state of the art, including large microplates filled by large robotic pipetting systems and read by large microscope readers. It would be advantageous in comparison.

【0175】 加えて、単純なプラスチックマイクロプレートのような先行技術装置では可能
でなかった本発明の装置に他のアッセイ能力を取り込むことができる。例えば、
質量分析または毛細管電気泳動分析装置、またはDNAおよび/または蛋白質分
析についてのシステムを本発明の装置に取り込んでテスト化合物の化学的および
構造的パラメータを測定することができる。そのような取り込みは、HCSまた
はHTSシステムによって測定された細胞ベースの機能的パラメータを補う情報
を提供するであろう。慣用的マイクロプレートでは、そのような追加のアッセイ
機能はプレートの外部にあり、したがって、マイクロプレートからの試料の移動
および分析器具それ自体のための広範な追加の器具を必要とする。本発明の統合
された流体工学を備えた小型化フォーマットにおいて、試料は、チップ上または
一体的に結合された第2のチップ上のミクロ分析システムに一体的にポンプ送液
される。そのようなミクロ分析チップはコストを低下させ、細胞ベースの分析の
スピードを劇的に増大させるであろう。この意味において、ミクロスケールの生
きた細胞分析システムとミクロスケールの化学的分析システムとの統合は、現存
の方法および装置よりも優れた大きな改良を提供すると予測される。
In addition, other assay capabilities can be incorporated into the devices of the present invention that were not possible with prior art devices such as simple plastic microplates. For example,
Mass spectrometry or capillary electrophoresis analyzers, or systems for DNA and / or protein analysis, can be incorporated into the devices of the invention to measure chemical and structural parameters of test compounds. Such uptake will provide information that supplements the cell-based functional parameters measured by the HCS or HTS system. In conventional microplates, such additional assay functions are external to the plate, thus requiring a wide range of additional instruments for transferring samples from the microplate and the analytical instrument itself. In the miniaturized format with integrated fluidics of the present invention, the sample is pumped integrally to the microanalytical system on a chip or on a second chip that is integrally connected. Such a micro-analysis chip would reduce cost and dramatically increase the speed of cell-based analysis. In this sense, the integration of microscale living cell analysis systems with microscale chemical analysis systems is expected to provide significant improvements over existing methods and equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1A】 図1Aは、小さな基板微細パターン化の化学アレイの平面図である。FIG. 1A is a plan view of a small substrate micropatterned chemical array.

【図1B】 図1Bは、大きな基板微細パターン化の化学アレイの平面図である。FIG. 1B is a plan view of a large substrate micropatterned chemical array.

【図2】 図2は、基板上の微細パターン化の化学アレイを生産する方法を示す図である
FIG. 2 illustrates a method of producing a finely patterned chemical array on a substrate.

【図3A】 図3Aは、微細パターン化の化学アレイに付着され、2つの蛍光プローブで標
識された、表面パターン化チップ上での繊維芽細胞増殖を示す写真である。
FIG. 3A is a photograph showing fibroblast growth on a surface patterned chip, attached to a micropatterned chemical array and labeled with two fluorescent probes.

【図3B】 図3Bは、微細パターン化化学アレイに付着され、2つの蛍光プローブで標識
された、スポットパターンの繊維芽細胞増殖を示す写真である。
FIG. 3B is a photograph showing a fibroblast proliferation in a spot pattern, attached to a micropatterned chemical array and labeled with two fluorescent probes.

【図4】 図4は、複数の細胞タイプの頂部およびチャンバー底部のミクロアレイの組合
わせであるカセットの図である。
FIG. 4 is a diagram of a cassette that is a combination of a microarray at the top and chamber bottom of multiple cell types.

【図5】 図5は、細胞の不均一微細パターン化アレイにおいて「ウェル」にアドレスす
るためのナノ製造インプットチャンネルを有するチャンバーの図である。
FIG. 5 is a diagram of a chamber with nanofabrication input channels for addressing “wells” in a heterogeneous micropatterned array of cells.

【図6】 図6は、チャンネルを持たないチャンバーの図である。FIG. 6 is a diagram of a chamber without a channel.

【図7A】 図7Aは、基板上にエッチングされたミクロ流体チャンネルを持つチャンバー
の頭上図である。
FIG. 7A is an overhead view of a chamber with microfluidic channels etched on a substrate.

【図7B】 図7Bは、基板上にエッチングされたミクロ流体チャンネルを持つチャンバー
の側面図である。
FIG. 7B is a side view of a chamber having microfluidic channels etched on a substrate.

【図8A】 図8Aは、ミクロ流体チャンネルおよびウェルが流体送達チャンバー上に刻ま
れた材料の隆起したマトリクスから形成されたチャンバーの頭上図である。
FIG. 8A is an overhead view of a chamber formed from a raised matrix of material with microfluidic channels and wells engraved on the fluid delivery chamber.

【図8B】 図8Bは、ミクロ流体チャンネルおよびウェルが流体送達チャンバー上に刻ま
れた材料の隆起したマトリクスから形成されたチャンバーの側面図である。
FIG. 8B is a side view of a chamber in which microfluidic channels and wells are formed from a raised matrix of material engraved on a fluid delivery chamber.

【図9】 各ウェルが、チャンバーの1つの側面から由来するチャンネルによってアドレ
スされるチャンバーの図である。
FIG. 9 is an illustration of a chamber where each well is addressed by a channel from one side of the chamber.

【図10】 図10は、ウェルがチャンバーの2つの側面に由来するチャンネルによってア
ドレスされるチャンバーの図である。
FIG. 10 is an illustration of a chamber in which wells are addressed by channels from two sides of the chamber.

【図11】 図11は、ミクロ流体スイッチが光、熱または他の機械的手段によって制御さ
れるチャンバーの図である。
FIG. 11 is an illustration of a chamber in which the microfluidic switch is controlled by light, heat, or other mechanical means.

【図12】 図12は、蛍光リーダー装備の図である。FIG. 12 is a diagram of a device equipped with a fluorescent reader.

【図13】 図13は、蛍光リーダー装備光学系の1つの実施形態の図である。FIG. 13 is a diagram of one embodiment of a fluorescence reader equipped optical system.

【図14A】 図14Aは、細胞スクリーニング方法の概観を備えるフローチャートである。FIG. 14A is a flowchart comprising an overview of a cell screening method.

【図14B】 図14Bは、マクロ(高スループットモード)処理フローチャートである。FIG. 14B is a flowchart of a macro (high throughput mode) process.

【図14C】 図14Cは、ミクロ(高含有量モード)処理フローチャートである。FIG. 14C is a micro (high content mode) processing flowchart.

【図15】 図15は、統合された細胞スクリーニングシステムの図である。FIG. 15 is a diagram of an integrated cell screening system.

【図16】 図16は、蛍光リーダー装備のユーザインターフェイスの写真である。FIG. 16 is a photograph of a user interface equipped with a fluorescent reader.

【図17A】 図17Aは、未修飾基板に非特異的に付着されたリンパ系細胞を示す写真であ
る。
FIG. 17A is a photograph showing lymphoid cells non-specifically attached to an unmodified substrate.

【図17B】 図17Bは、IgMをコートした基板に非特異的に付着されたリンパ系細胞を
示す写真である。
FIG. 17B is a photograph showing lymphoid cells non-specifically attached to a substrate coated with IgM.

【図17C】 図17Cは、全抗血清セラムをコートした基板に特異的に結合したリンパ系細
胞を示す写真である。
FIG. 17C is a photograph showing lymphoid cells specifically bound to a substrate coated with total antiserum serum.

【図18A】 図18Aは、「ヒット」を同定する蛍光リーダー装備の高スループットモード
からの写真像である。
FIG. 18A is a photographic image from a high throughput mode equipped with a fluorescent reader to identify “hits”.

【図18B】 図18Bは、高含有量生物学的情報を同定する高含有量モードを示す一連の写
真像である。
FIG. 18B is a series of photographic images showing the high content mode identifying high content biological information.

【図19】 図19は、高含有量モードから集められた細胞データのディスプレイを示す写
真像である。
FIG. 19 is a photographic image showing a display of cell data collected from the high content mode.

【図20】 図20は、全アレイの細胞結合位置のサブアレイの同時像形成による細胞像形
成の最適化を示す。基板上の細胞結合位置アレイ、チャンバー上の流体位置アレ
イ、および2つを接合することによって形成されたウェルのアレイの間には1:
1の依存性がある。
FIG. 20 shows optimization of cell imaging by simultaneous imaging of subarrays of cell binding locations on all arrays. Between the cell binding location array on the substrate, the fluid location array on the chamber, and the array of wells formed by joining the two:
There is one dependency.

【図21】 図21は、各流体位置に別々のインプットおよびアウトプットチャンネルが設
けられ、n×nアレイについての2n2のチャンネルを生じるミクロ流体装置の
8×8アレイ(64ウェル、128チャンネル)を例示する。
FIG. 21 shows an 8 × 8 array of microfluidic devices (64 wells, 128 channels) with separate input and output channels at each fluid location, resulting in 2n2 channels for an n × n array. For example.

【図22】 図22は、m+nバルブまたはポンプを利用してmの液体または気体混合物
の8×8アレイへの流動を制御する。
FIG. 22 utilizes m + n 2 valves or pumps to control the flow of m liquid or gas mixtures into an 8 × 8 array.

【図23】 図23は、流体送達系がインプットおよびアウトプットチャンネルの直交非交
差アレイ、および複数レベルを利用する水平結合チャンネルからなり、ここに、
2つの層はウェル層の同一面にあるミクロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 23 shows that the fluid delivery system consists of an orthogonal non-intersecting array of input and output channels, and a horizontal coupling channel utilizing multiple levels, wherein:
The two layers represent an embodiment of the microfluidic device on the same side of the well layer.

【図24】 図24は図23の実施形態の端面図および側面図を示す。FIG. 24 shows an end view and a side view of the embodiment of FIG. 23.

【図25】 図25は、流体送達系がインプットおよびアウトプットチャンネルの直交非交
差アレイ、および複数レベルを利用する垂直結合チャンネルからなり、ここに、
2つの層がウェル層のその上方の面にあるミクロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 25 shows that the fluid delivery system consists of an orthogonal non-intersecting array of input and output channels, and a vertically coupled channel utilizing multiple levels, wherein:
Figure 3 shows an embodiment of a microfluidic device with two layers on the upper surface of the well layer.

【図26】 図26は図25の実施形態の端面図および側面図を示す。FIG. 26 shows an end view and a side view of the embodiment of FIG. 25.

【図27】 図27は、mの正圧源容器またはポンプ、バルブレスマニホールド、および気
圧のバルブフリー廃棄容器を用いることによって化合物が単一流体位置に多重化
されたミクロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 27 illustrates an embodiment of a microfluidic device in which compounds are multiplexed into a single fluid location by using a m positive pressure source vessel or pump, a valveless manifold, and a pneumatic valve-free waste vessel. .

【図28】 図28は、mの正圧源容器またはポンプ、バルブドマニホールド、または気圧
のm源容器に結合したmのバルブを備えた負圧廃棄容器またはポンプまたは気圧
のバルブフリー廃棄容器を用いることによって、化合物を単一流体位置に多重化
させたミクロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 28 illustrates a negative pressure waste container or pump or a barometric valve free waste container with an m valve coupled to an m positive pressure source container or pump, a valved manifold, or an atmospheric pressure m source container. Figure 4 illustrates an embodiment of a microfluidic device, where used to multiplex compounds into a single fluidic location.

【図29】 図29は、mの正圧源容器またはポンプのアレイが1×nインプットおよびn
×lアウトプットバルブマニホールドによって流体位置のn×n直交チャンネル
アレイに多重化されたミクロ装置の実施形態を示す。
FIG. 29 shows an array of m positive pressure source vessels or pumps with 1 × n inputs and n
Figure 3 shows an embodiment of a micro device multiplexed by a xl output valve manifold into an nxn orthogonal channel array of fluid locations.

【図30】 図30は、気圧のmの容器およびl×nインプットおよびn×lアウトプット
バルブマニホールドによる負圧廃棄容器を備えたミクロ流体装置の実施形態を示
し、ここに、負圧容器は機械的にまたは熱力学的にポンプ送液することができる
FIG. 30 shows an embodiment of a microfluidic device with a m pressure vessel and a negative pressure waste vessel with l × n input and n × 1 output valve manifolds, wherein the negative pressure vessel is It can be pumped mechanically or thermodynamically.

【図31】 図31は、いずれかの特定の正圧源容器の作動と協働して作動されなければな
らないただ1つの廃棄負圧容器があるデュアルポンプドシステムの実施形態を示
す。この負圧容器は機械的もしくは熱力学的(例えば、毛細管作用ポンプ)いず
れかの手段によって機能することができる。毛細管作用ポンプでは、ポンプの「
作動」はバルブによって達成される。
FIG. 31 illustrates an embodiment of a dual pumped system where there is only one waste negative pressure container that must be operated in conjunction with the operation of any particular positive pressure source container. The vacuum vessel can function by either mechanical or thermodynamic (eg, a capillary action pump) means. For capillary action pumps, the pump "
"Activation" is achieved by a valve.

【図32】 図32は、正圧源容器を使用する図29のポンピングおよびバルビングスキー
ムがいかにして、n行チャンネルおよび2n列チャンネルの直交アレイ(nの通
常列チャンネル+n洗浄列チャンネル)で働くように拡大することができること
を示す。これは2n×lアウトプットバルブマニホールドを必要とする。同様に
、負圧廃棄容器を使用する図30の配列は洗浄チャンネルを取り込むアレイで働
くように拡大することができる。
FIG. 32 illustrates how the pumping and valving scheme of FIG. 29 using a positive pressure source vessel, with an orthogonal array of n row channels and 2n column channels (n normal column channels + n wash column channels). Indicates that it can be expanded to work. This requires a 2n × 1 output valve manifold. Similarly, the arrangement of FIG. 30 using negative pressure waste containers can be expanded to work with arrays that incorporate wash channels.

【図33】 図33は、各列チャンネルkが会合する平行洗浄チャンネルkを有するミク
ロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 33 shows an embodiment of a microfluidic device having a parallel wash channel k * with which each row channel k associates.

【図34】 図34は、流体送達系が、複数レベルを利用する、垂直結合チャンネルを備え
たインプットおよびアウトプットチャンネルの直交非交差アレイからなり、ここ
に、2つの層はウェル層のその上方面にあって、各列チャンネルkが会合した平
行洗浄チャンネルkを有するミクロ流体装置の実施形態を示す。
FIG. 34 shows that the fluid delivery system consists of an orthogonal non-intersecting array of input and output channels with vertical coupling channels utilizing multiple levels, where the two layers are above the well layer FIG. 3 shows an embodiment of a microfluidic device having a parallel wash channel k * with each row channel k associated therewith.

【図35】 図35は、ウェル(j,k)を通っての流体流動の場合において、行チャンネ
ルjから洗浄チャンネルk(ここに、kは列チャンネルkにすぐに隣接する
)への液体または気体のセグメントをすすぐための方法の実施例を示す。
FIG. 35 shows that in the case of fluid flow through well (j, k), from row channel j to wash channel k * (where k * is immediately adjacent to column channel k). 1 illustrates an embodiment of a method for rinsing a liquid or gas segment.

【図36】 図36は、チャンネルを流体位置に結合する隣接通路の各対の間の、バルブエ
レメントおよび弁座を含む、「正常に閉じられた」チェックバルブを用いる拡散
制御の方法を示す。
FIG. 36 illustrates a method of diffusion control using a “normally closed” check valve including a valve element and a valve seat between each pair of adjacent passages coupling a channel to a fluid location.

【図37】 図37は、外部から適用された磁場勾配が、磁性材料を取り込むバルブエレメ
ントおよび弁座に対する復元力を誘導する実施形態を示す。
FIG. 37 illustrates an embodiment in which an externally applied magnetic field gradient induces a restoring force on the valve element and valve seat that take up the magnetic material.

【図38】 図38は、外部から適用された復元力がボールを左側に押して弁座中の丸い開
口に入れる場合のみボールを通過した拡散が停止される形状付与弁座の実施形態
を示す。
FIG. 38 shows an embodiment of a shaping valve seat in which diffusion through the ball is stopped only when an externally applied restoring force pushes the ball to the left and into a round opening in the valve seat.

【図39】 図39は、全ミクロ流体装置に適用された単一磁場勾配が、インプットチャン
ネルのボールバルブの組およびアウトプットチャンネルのボールバルブの組双方
に対する力を誘導することを可能とする実施形態を示す。
FIG. 39 shows an implementation that allows a single magnetic field gradient applied to a whole microfluidic device to induce forces on both the input channel ball valve set and the output channel ball valve set. The form is shown.

【図40】 図40は、カセットに内蔵された全てのポンプおよびバルブがあるように本発
明のポンピングおよびバルビングスキームの1つの実施形態を示す。
FIG. 40 illustrates one embodiment of the pumping and valving scheme of the present invention, such that all pumps and valves built into the cassette are present.

【図41】 図41は、ポンプが埋蔵され、電気により駆動される流動を利用し、ここに、
電場がウェルのアレイのマトリクスに対して外部にある領域に限定され、生きた
細胞が存在するウェルのいずれかを横切って適用される電場勾配が最小または全
くない実施形態を示す。 (符号の説明) 001 流体位置 002 所望により凹所を持ってもよい流体位置アレイ 003 サブアレイ 004 基板 008 細胞結合位置 009 細胞結合位置の化学的修飾 010 細胞結合位置上に整列させた細胞 012 チャンバー 013 流体位置に形成された凹所 014 インプットチャンネル 016 アウトプットチャンネル 018 カセット 020 スペーサ支持体 024 ミクロ毛細管チューブ 028 一段と高い容器 030 第1のチャンネル 032 第2のチャンネル 036 プラグ 040 流体位置アレイ 044 蛍光リーダー器具 048 第1の保存区画 050 第1のロボットアーム 052 第2のロボットアーム 054 第2の保存区画 056 コンピュータ 060 オプティクス 064 コンピュータ制御x−y−zステージ 068 コンピュータ制御回転対物レンズ台 070 低倍率対物レンズ 072 高倍率対物レンズ 074 白色光の光源ランプ 076 励起フィルタホイール 078 2色フィルタシステム 080 発光フィルタ 082 ディテクタ(例えば、冷却CCD) 086 コンピュータスクリーン 090 データベース 140 ウェル間の横方向 160 水平結合チャンネル 180 垂直結合チャンネル 200 スイッチ可能な正圧源容器またはポンプ 220 常圧の源容器 240 m×lバルブレスマニホールド 300 廃棄容器 320 スイッチ可能な負圧廃棄容器またはポンプ 340 熱力学的にポンピングされた廃棄容器 400 l×nバルブマニホールド 410 n×lバルブマニホールド 420 2n×lバルブマニホールド 500 チェックバルブ 520 バルブエレメント 540 弁座 560 磁場(B)勾配 580 磁性ボウルチェックバルブに対する復元力 600 ビーズ 620 磁場 700 ポートの充填 710 チャンネル 720 バルブ 730 容器 740 動電学ポンプ 760 電極1 780 電極2
FIG. 41 utilizes a flow where the pump is embedded and driven by electricity, where:
FIG. 7 illustrates an embodiment where the electric field is confined to regions that are external to the matrix of the array of wells and there is minimal or no electric field gradient applied across any of the wells where live cells are present. (Explanation of Symbols) 001 Fluid position 002 Fluid position array 003 optionally having a recess 003 Subarray 004 Substrate 008 Cell binding position 009 Chemical modification of cell binding position 010 Cells aligned on cell binding position 012 Chamber 012 Recess formed in fluid position 014 Input channel 016 Output channel 018 Cassette 020 Spacer support 024 Micro-capillary tube 028 Higher vessel 030 First channel 032 Second channel 036 Plug 040 Fluid position array 044 Fluorescent reader instrument 048 First storage section 050 First robot arm 052 Second robot arm 054 Second storage section 056 Computer 060 Optics 064 Computer controlled xyz stay 068 Computer-controlled rotary objective stage 070 Low-magnification objective lens 072 High-magnification objective lens 07 White light source lamp 076 Excitation filter wheel 078 Two-color filter system 080 Emission filter 082 Detector (eg, cooled CCD) 086 Computer screen 090 Database 140 well Horizontal direction 160 Horizontal coupling channel 180 Vertical coupling channel 200 Switchable positive pressure source container or pump 220 Normal pressure source container 240 m × l valveless manifold 300 Waste container 320 Switchable negative pressure waste container or pump 340 Thermodynamics Waste pump 400 l × n valve manifold 410 n × l valve manifold 420 2n × l valve manifold 500 check valve 5 0 valve element 540 valve seat 560 field (B) gradient 580 magnetic bowl check filling of resilience 600 beads 620 field 700 port for valve 710 channels 720 valve 730 container 740 Dodengaku pump 760 electrode 1 780 electrode 2

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G01N 21/03 G01N 33/50 Z 27/447 37/00 103 33/50 27/26 301A 37/00 103 301Z C12N 5/00 E (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C U,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD ,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN, IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,L K,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK ,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO, RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,T M,TR,TT,UA,UG,US,UZ,VN,YU ,ZA,ZW (72)発明者 ゴウ、 アルバート エイチ. アメリカ合衆国 15116 ペンシルヴェニ ア州 グレンショー ルイーズ ドライブ 2014 (72)発明者 テイラー、 ディー. ランシング アメリカ合衆国 15215 ペンシルヴェニ ア州 ピッツバーグ ノートル ダム プ レイス 910 Fターム(参考) 2G045 AA40 CB01 DA12 DA13 DA36 FA11 FB03 FB12 GC15 HA14 2G057 AA04 AB03 AC01 BA01 BA03 BB01 EA06 4B029 AA07 BB11 CC03 CC08 FA04 4B063 QA01 QA18 QA20 QQ08 QR66 QR77 QR82 QS36 QS39 QX02 4B065 AA94X BA21 CA46 CA60──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G01N 21/03 G01N 33/50 Z 27/447 37/00 103 33/50 27/26 301A 37/00 103 301Z C12N 5/00 E (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE) , OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL) , SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, JP , KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Go, Albert H. United States 15116 Glenshaw Louise Drive, Pennsylvania 2014 (72) Inventor Taylor, D. Lansing United States 15215 Pittsburgh, PA Notre Dame Place 910 F-term (reference) 2G045 AA40 CB01 DA12 DA13 DA36 FA11 FB03 FB12 GC15 HA14 2G057 AA04 AB03 AC01 BA01 BA03 BB01 EA06 4B029 AA07 BB11 CC03 Q08 Q04 Q03 Q08 Q04 Q03 Q08 Q04 Q03 Q08 Q04 Q04 QR82 QS36 QS39 QX02 4B065 AA94X BA21 CA46 CA60

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 a.複数の細胞結合位置を含有する表面を有する基板、 b.アッセイ成分を複数の細胞結合位置に送達するための流体送達系、ここに
、前記流体送達系は基板と接合するマルチレベルチャンバーを含み、前記マルチ
レベルチャンバーは、 i.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルの直交
アレイ ii.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルと流
体結合した複数の流体位置を含み、 c.複数のウェル、ここに、個々のウェルは1つの細胞結合位置および1つの
流体位置の接合によって規定されたスペースを含み、前記ウェルは1cmあた
り少なくとも約20ウェルの密度で存在する ことを特徴とする細胞スクリーニングのためのカセット。
1. A method comprising: a. A substrate having a surface containing a plurality of cell binding sites, b. A fluid delivery system for delivering an assay component to a plurality of cell binding locations, wherein the fluid delivery system includes a multi-level chamber in contact with a substrate, wherein the multi-level chamber comprises: i. Orthogonal array of microfluidic input and output channels ii. A plurality of fluid locations in fluid communication with the microfluidic input and output channels; c. A plurality of wells, wherein each well includes a space defined by the joining of one cell binding location and one fluid location, said wells being present at a density of at least about 20 wells per cm 2. Cassette for cell screening.
【請求項2】 前記ウェルが、1cmあたり約20ウェルと1cmあた
り6400ウェルの間の密度で存在することを特徴とする請求項1に記載のカセ
ット。
Wherein said well, cassette according to claim 1, characterized in that present in a density of between about 20 wells per 1 cm 2 and 1 cm 2 per 6400 wells.
【請求項3】 前記マルチレベルチャンバーが、さらに、 (i)ミクロ流体インプットチャンネルと流体結合した1以上のインプットマ
ニホールドと、 (ii)ミクロ流体アウトプットチャンバーと流体結合した1以上のアウトプ
ットマニホールドと を含むことを特徴とする請求項1に記載のカセット。
3. The multi-level chamber further comprises: (i) one or more input manifolds in fluid communication with the microfluidic input channel; and (ii) one or more output manifolds in fluid communication with the microfluidic output chamber. The cassette according to claim 1, comprising:
【請求項4】 さらに、 (i)1以上のインプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの源容
器 (ii)1以上のアウトプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの
廃棄容器 を含むことを特徴とする請求項3に記載のカセット。
4. The method of claim 1, further comprising: (i) at least one source vessel fluidly coupled to one or more input manifolds; and (ii) at least one waste vessel fluidly coupled to one or more output manifolds. Item 4. The cassette according to Item 3.
【請求項5】 a.複数の細胞結合位置を含有する表面を有する基板と、 b.試薬を複数の細胞結合位置に送達するための流体送達系、ここに、前記流
体送達系は基板と接合するマルチレベルチャンバーを含みここにマルチレベルチ
ャンバーは、 i.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルの直交
アレイ、ここに、各ウェルは1以上のインプットチャンネルおよび1以上のアウ
トプットチャンネルと流体結合し、 ii.ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャンネルと流
体結合した複数の流体位置 iii.ミクロ流体インプットチャンネルと流体結合した1以上のインプッ
トマニホールド iv.ミクロ流体アウトプットチャンネルと流体結合した1以上のアウトプ
ットマニホールド v.1以上のインプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの源容
器 vi.1以上のアウトプットマニホールドと流体結合した少なくとも1つの
廃棄容器を含み、 c.個々のウェルは、1つの細胞結合位置および1つの流体位置の接合によっ
て規定されたスペースを含む複数のウェルと を含むことを特徴とする細胞スクリーニング用のカセット。
5. A method according to claim 1, wherein: a. A substrate having a surface containing a plurality of cell binding sites; b. A fluid delivery system for delivering a reagent to a plurality of cell binding locations, wherein said fluid delivery system includes a multi-level chamber that interfaces with a substrate, wherein the multi-level chamber comprises: i. An orthogonal array of microfluidic input and output channels, wherein each well is in fluid communication with one or more input channels and one or more output channels; ii. A plurality of fluid locations in fluid communication with the microfluidic input and output channels iii. One or more input manifolds in fluid communication with the microfluidic input channel iv. One or more output manifolds fluidly coupled to the microfluidic output channels v. At least one source vessel in fluid communication with one or more input manifolds vi. Including at least one waste container in fluid communication with one or more output manifolds; c. A cassette for cell screening, wherein each well comprises: a plurality of wells each including a space defined by one cell binding site and one fluid site junction.
【請求項6】 さらに、ミクロ流体装置内に流体流動を制御するためのポン
プを含み、前記ポンプは1以上のインプットマニホールドおよび1以上のアウト
プットマニホールドと流体結合することを特徴とする請求項1または5に記載の
カセット。
6. The apparatus of claim 1, further comprising a pump for controlling fluid flow in the microfluidic device, wherein the pump is in fluid communication with one or more input manifolds and one or more output manifolds. Or the cassette according to 5.
【請求項7】 さらに、温度コントローラを含むことを特徴とする請求項1
または5に記載のカセット。
7. The apparatus according to claim 1, further comprising a temperature controller.
Or the cassette according to 5.
【請求項8】 さらに、ガス分圧を調節するためのコントローラを含むこと
を特徴とする請求項1または5に記載のカセット。
8. The cassette according to claim 1, further comprising a controller for adjusting a gas partial pressure.
【請求項9】 ミクロ流体インプットチャンネルおよびアウトプットチャン
ネルの直交アレイが交差しないことを特徴とする請求項1または5に記載のカセ
ット。
9. The cassette according to claim 1, wherein orthogonal arrays of microfluidic input channels and output channels do not intersect.
【請求項10】 さらに、アウトプットチャンネルおよび廃棄容器と流体結
合した洗浄チャンネルを含むことを特徴とする請求項1または5に記載のカセッ
ト。
10. The cassette according to claim 1, further comprising a washing channel fluidly connected to the output channel and the waste container.
【請求項11】 さらに、隣接ウェル間または洗浄チャンネル内にバルブを
含むことを特徴とする請求項1または5に記載のカセット。
11. The cassette according to claim 1, further comprising a valve between adjacent wells or in the washing channel.
【請求項12】 前記バルブが、磁気要素を含むことを特徴とする請求項1
1に記載のカセット。
12. The valve according to claim 1, wherein the valve includes a magnetic element.
2. The cassette according to 1.
【請求項13】 さらに、統合節量分析または毛細管電気泳動分析装置、ま
たは蛋白質および/またはDNA分析のためのシステムを含むことを特徴とする
請求項1または5に記載のカセット。
13. The cassette according to claim 1, further comprising an integrated nodal analysis or a capillary electrophoresis analyzer, or a system for protein and / or DNA analysis.
【請求項14】 当該改良が請求項1または5に記載のカセットを備えて、
細胞結合部位を含有する位置アレイに流体を供給することを特徴とする細胞スク
リーニングの改良された方法。
14. The improvement comprises a cassette according to claim 1 or 5,
An improved method of screening cells comprising providing a fluid to a positional array containing cell binding sites.
【請求項15】 当該改良がカセットのミクロ流体チャンネル内に位置した
バルブに受動的復原力を一定に適用することを特徴とするカセットにおける拡散
制御のための改良された方法。
15. An improved method for controlling diffusion in a cassette, wherein the improvement applies constant passive restoring force to a valve located in a microfluidic channel of the cassette.
【請求項16】 a)複数の細胞を含有する位置アレイを備え、 b)光学系を備えて位置アレイの像を取得し、 c)位置アレイのサブアレイを系列的に像形成し、 d)サブアレイの各々から並行してデータを取得する ことを特徴とする細胞スクリーニングのための方法。16. A position array containing a plurality of cells, b) an image of the position array is acquired with optics, c) a sub-array of the position array is imaged sequentially, d) a sub-array. A method for cell screening, comprising obtaining data from each of the above in parallel. 【請求項17】 a)請求項1または5に記載の細胞スクリーニングのため
のミクロ流体装置を備え、 b)光学系を備えて位置アレイの像を取得し、 c)位置アレイのサブアレイを系列的に像形成し、 d)サブアレイの各々から並行してデータを取得する ことを特徴とする細胞スクリーニングのための方法。
17. A microfluidic device for cell screening according to claim 1 or 5; b) an image of a position array is acquired with an optical system; c) a subarray of the position array is sequenced. And d) obtaining data from each of the sub-arrays in parallel.
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