JP2005515071A - 動く線状の光勾配を発生させそして利用する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
限定されるものではないが細胞のような生体物質を含む粒子と光をユニークで非常に有用な方法で相互作用させるための装置及び方法が提供される。光学泳動は、有用な結果が得られるように粒子を種々の光の力、特に光勾配力、より好ましくは動く光勾配力に供することから成る。1つの実施態様において、2種以上の異なる粒子、例えば赤血球及び白血球からなる粒子の集団は、粒子集団に対してゆっくり動かされる光線により照射される。粒子は集団が配列するまで線とともに動かされる。次に、粒子の線は、例えば粒子の物理的位置に対して照射線をすばやく動かすことにより粒子に対して相対的な動きの光に供される。いくつかの粒子が後に残るような十分に速い速度で粒子から光線を離すように動かすことにより、粒子の有効な分離、特徴付け及び/又は同定がなされ得る。場合により、低速開始スキャンの方向は、粒子が配列した後のより速いスキャンと反対の方向である。
Description
本発明は、少なくとも光又は光子の力を用いて物質の選択、同定、特徴づけ、及び/又は分類を行うための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、一般に光の誘電率を有する生体粒子と相互作用させるための光の力の使用であると考えられている生物システムにおける有用性を見出したものである。
関連出願
本出願は、「動く光勾配を発生させそして利用する方法及び装置」という名称で2001年11月14日に出願した出願番号第09/993,377号の一部継続出願である。この出願は、「粒子を同定し、特徴付け及び/又は分類するために光の力を使用する方法及び装置」という名称で2001年4月27日に出願した出願番号第09/845,245号の一部継続出願である。この出願は、「マイクロ粒子を分類するシステム及び方法」という名称で、発明者Osman Kibarの名で2001年4月27日に出願した出願番号第09/843,902号に関連する。この出願は「細胞又は粒子を分類するための方法及び装置」という名称で2000年11月13日に出願した仮出願第60/248,451号からの優先権を主張する。これらの出願は本明細書中に十分に記載されているが如く援用される。
本出願は、「動く光勾配を発生させそして利用する方法及び装置」という名称で2001年11月14日に出願した出願番号第09/993,377号の一部継続出願である。この出願は、「粒子を同定し、特徴付け及び/又は分類するために光の力を使用する方法及び装置」という名称で2001年4月27日に出願した出願番号第09/845,245号の一部継続出願である。この出願は、「マイクロ粒子を分類するシステム及び方法」という名称で、発明者Osman Kibarの名で2001年4月27日に出願した出願番号第09/843,902号に関連する。この出願は「細胞又は粒子を分類するための方法及び装置」という名称で2000年11月13日に出願した仮出願第60/248,451号からの優先権を主張する。これらの出願は本明細書中に十分に記載されているが如く援用される。
発明の背景
粒子の分類及び特徴づけには、工業的適用から、生物学的適用、環境学的適用まで広範な適用がある。例えば生物の分野では、細胞の分離は医薬及びバイオテクノロジーの分野に非常に多くの適用がある。歴史的に、分類技術は、粒子サイズや密度のような全体的な物理的特性、又はレセプター−リガンド相互作用又は免疫学的標的との反応のようなアフィニティ相互作用を利用することに焦点を当てていた。
粒子の分類及び特徴づけには、工業的適用から、生物学的適用、環境学的適用まで広範な適用がある。例えば生物の分野では、細胞の分離は医薬及びバイオテクノロジーの分野に非常に多くの適用がある。歴史的に、分類技術は、粒子サイズや密度のような全体的な物理的特性、又はレセプター−リガンド相互作用又は免疫学的標的との反応のようなアフィニティ相互作用を利用することに焦点を当てていた。
粒子の分類及び特徴付けに物質の電磁応答性が利用されている。例えば、誘電泳動分離は、粒子を分類するために非均一性DC又はAC電界を利用する。例えば「誘電泳動で分離するための装置」という名称のPethig et al.の米国特許第5,814,200号を参照されたい。誘電泳動の細胞分類への適用が試みられている。Becker et al.(Gascoyne)、PNAS USA、Vol.92、pp.860−864、Jan、1995、Cell Biology、「ディファレンシャル誘電アフィニティによる血液からのヒト乳癌細胞の分離」という記事において、著者らは、疾患細胞の誘電性が正常血液細胞からのがん細胞の分離を可能にするほど十分に異なることを報告している。このシステムは、微小電極アレイを含有する誘電アフィニティカラム内の細胞に作用する流体力と誘電泳動力とのバランスを保っていた。より高性能の分離システムが提供されている。例えばChen et al.、米国特許第6,071,394号、「誘電泳動による生体粒子のバイオエレクトロニクスチップ上でのチャネルのない分離」を参照されたい。更に、静電力を用いて粒子を分離する他の試みもなされている。例えば、Judy et al.、米国特許第4,440,638号、「荷電種を操作するための表面電界効果デバイス」、及びWashizu、「生体の静電的操作」、Journal of Electrostatics、Vol.25、No.1、June 1990、pp.109−103を参照されたい。
粒子を分類し、トラップするために光が用いられている。この分野における初期の研究者の1人は、Bell LaboratoriesのArthur Ashkinであり、彼は透明なμmサイズのラテックスビーズを操作するためにレーザーを用いた。Ashkinの米国特許第3,808,550号、「中性粒子をトラップし加速させる装置」には、粒子を放射圧によりトラップし又は含有するためのシステムが開示されている。干渉性光照射を発生させるレーザーは好ましい光圧源である。小さな粒子をトラップするための光照射の使用は、AshkinのBell Laboratoriesグループ内で発展し、最終的に、Steven Chuを含むこの研究室の研究者たちに対してノーベル賞が授与された。例えば、Chu S.、「中性粒子のレーザートラッピング」、Sci.Am.、p.71(Feb.1992)、及びChu S.、「原子及び粒子のレーザー操作」、Science 253、pp.861−866(1991)を参照されたい。
一般に、光の集束ビームと誘電性粒子又は物質との相互作用は、勾配力及び散乱力の幅広いカテゴリーに分類される。勾配力は、より高い比誘電率を有する物質を、光の集束ビームが最も強い領域に引き寄せる傾向がある。散乱力は、光のビームから物質への運動量移動の結果であり、一般にビームと同方向である。粒子をトラップするための光の使用は、ときに光ピンセット装置ともいわれる。一般に、レイリーの近似式を用いると、トラッピング力は下式により表される:
式中、Fgはより強い方向に指向した粒子上の光勾配力であり、rは粒子の半径であり、εBはバックグラウンド媒体の誘電率であり、εは粒子の誘電率であり、Iは光の強度(ワット/cm2)であり、∇は空間微分である。図1は光ピンセット内の粒子の図を示す。光ピンセットは粒子に指向した高度集束ビームから成る。
図1に示すように、集束ビーム12は最初に粒子10に集束し、そして発散する。強度パターン14はビーム強度の水平断面に関するものであり、強度パターン16は強度の垂直断面である。式から明らかなように、トラッピング力は光の強度の勾配による作用である。したがって、この力は光の強度が最も速く変化する場合により大きく、これに反して光の強度が均一の場合に最小である。
初期の安定な光トラップは、垂直レーザービームにより上向きの散乱力と下向きの重力とのバランスを保ちながら粒子を浮上させた。光勾配力は粒子を光軸上に維持するように作用する。例えば、Ashkin、「放射圧による光浮上」、Appl.Phys.Lett.、19(6)、pp.283−285(1971)を参照されたい。1986年に、Ashkinは、軸に沿った光伝搬とは対照的な高度集束レーザービームに基づくトラップを開示した。高度集束ビームは非常に高強度の空間において小さな点となる。この極度の集束は、誘電性粒子をこの点に引き寄せるための大きな勾配力を引き起こす。ある種の条件下では、勾配力は散乱力に打ち勝ち、粒子を焦点からの光の方向へ押しやる。具体的には、このように高度の集束を実現するために、レーザービームは高い開口数の顕微鏡対物レンズを通して向けられる。この装置は、高い開口数の照明からの相対的寄与率を高めるために作用するが、散乱力の効果を減少させる。
1987年に、Ashkinは、単一ビーム勾配力光トラップシステムを用いた生体物質の光トラッピング及び操作の実験証明を報告している。Ashkin et al.、「ウイルス及びバクテリアの光トラッピング及び操作」、Science、20 March、1987、Vol.235、No.4795、pp.1517−1520。「生体粒子の非破壊的光トラップ及びそれを行う方法」という名称のAshkin et al.の米国特許第4,893,886号には、赤外線光源を用いた単一ビーム勾配力光トラップにおいて成功した生体粒子のトラッピングが報告されている。実質的に赤外線領域の波長(0.8μm〜1.8μmといわれている)において干渉性の光を放射する赤外線レーザーを使用することは、生体物質が、160mWのレーザーパワー中に数回のライフサイクルのあいだトラッピングされた後でさえも持続した再現性で正常な運動性を示すことを可能にするといわれている。「opticution」という用語は、当該技術分野において生体物質を死滅させる光照射を意味するものとして知られてきている。
生体物質を調査するための光の使用は、多くの研究者たちにより利用されてきている。植物細胞の細胞内操作が証明されている。Ashkin et al.、PNAS USA、Vol.86、7914−7918(1989)。また、Ashkin,A.による概説記事、「レーザーを用いた中性粒子の光トラッピング及び操作」、PNAS USA、Vol.94、pp.4853−4860、May 1997、Physicsも参照されたい。バクテリアをつながれた鞭毛でねじることによるバクテリアの鞭毛のねじれコンプライアンスの測定を含む種々の機械的測定及び力の測定がなされてきている。Block,S.et al.、Nature(London)、338、pp.514−518(1989)。粒子の顕微操作について証明されている。例えば、動く細胞やオルガネラを切断するために、マイクロビーム技術のパルスレーザー切断(ときにレーザーハサミ又はメスともいわれる)と組み合わせて光ピンセットを使用することが証明された。Seeger,et al.、Cytometry、12、pp.497−504(1991)。光ピンセット及びハサミは、全光学的体外受精に使用されてきている。Tadir,Y.、Human Reproduction、6、pp.1011−1016(1991)。種々の技術は、トラッピングを助けるために生体物質に構造が接着している「ハンドル」の使用を含んでいる。例えばBlock、Nature(London)、348、pp.348−352(1990)を参照されたい。
光トラッピング及びナノメートル以下の分解能を有する干渉計位置モニタリングを用いる生物学的システムで種々の測定がなされている。Svoboda、Nature(London)、365、pp.721−727(1993)。更に、ピンセットトラップを利用する、フィードバックに基づくシステムが提唱されている。Molloy,et al.、Biophys.J.、68、pp.2985−3055(1995)。
多くの研究者たちが生体物質を曲げたり伸ばしたりしようと努めている。Ashkinは、Nature(London)、330、pp.769−771(1987)において、赤血球の形を曲げるために光ピンセットを利用した。赤血球の形状回復時間を測定するためのアッセイを形成するために多数の光ピンセットが利用されている。Bronkhorst、Biophys.J.、69、pp.1666−1673(1995)。Kas,et al.は、レーザーによって発生した2つのカウンター伝搬ビーム間の細胞をトラップし変形するために調製可能なレーザーを使用することを示唆する米国特許第6,067,859号において「光ストレッチャー」を提唱した。このシステムは単一悪性がん細胞を検出するために利用される。更に別のアッセイは、制御条件下の2つの細胞又は粒子を衝突させることを提唱しており、光衝突よりOPTCOLと呼ばれている。例えばMammer、Chem&Biol.、3、pp.757−763(1996)を参照されたい。
更に、目的物の特性を測定するために光の力を利用することが提唱されている。例えば、Guanming,Lai et al.、「自己マイニング干渉計によるレーザートラップされた粒子のバネ定数の決定」、Proc.of SPIE、3921、pp.197−204(2000)を参照されたい。更に、光トラップの力を較正するための方法として、流体抵抗に対してバランスを保っている光トラッピング力が利用されている。これらのシステムは、流体抵抗、特にストークスの流体抵抗に対する高度依存性を利用している。
更に、物質の位置ぎめのために光の強度パターンが利用されている。「光学物質」という名称の、米国特許第5,245,466号、Burnes et al.では、微小偏光性物質と連結した光ビームを用いて伸びた結晶性及び非結晶性構造のアレイがつくられている。偏光性物質は、適用されるパターン化された光の強度分布のパターンを採用する。Burnsの研究、New Scientist、18 Nov.,1989、No.1691に報告されている「物質は光のリップルに乗る」も参照されたい。更に、定常波の光パターンを用いて原子を基板上に堆積させる方法が提唱されている。このシステムは、定常波パターンを移動させることにより構造アレイを製造するために利用してもよい。「レーザー制御ナノリソグラフィーをつくる方法」という名称の、Celotta et al.、米国特許第5,360,764号を参照されたい。
更に、光を利用することにより粒子を動かす試みがなされている。その著者らにより「光泳動(photophoresis)」と名付けられた技術を用いて、Brian Space et al.は、分子に回転運動を誘導して分子の移動を誘導するために偏光ビームを利用した。所望の目標は分子の濃度勾配を形成することである。この技術は、好ましくはプロペラ型分子を利用して、誘導された分子の回転運動により移動させる。
サンプルの準備及び分類適用のような種々の目的に供されるマイクロ流体システムを形成するために様々な試みがなされている。例えば、「化学分析及び合成のためのマイクロ流体操作を行う装置及び方法」という名称の、Ramsey、米国特許第6,033,546号を参照されたい。AclaraやCaliperのような非常に多くの会社が「チップ上の実験」を含むマイクロシステムの形成を試みている。
マイクロ加工デバイスと光学システムとを組み合わせる試みがなされている。「DNA分子のサイジング及び分類のためのマイクロ加工デバイス」、Chou et al.、PNAS USA、Vol.96、pp.11−13、Jan.1999、Applied Physical Sciences,Biophysicsには、蛍光特性の測定に基づいた顕微鏡対象物のサイジング及び分類のためのマイクロ加工デバイスが記載されている。この論文は、DNA内に挿入された蛍光色素量を含む蛍光特性を測定することによりDNAの長さを決定するシステムについて記載している。「マイクロ加工蛍光活性化セルソーター」、Nature Biotechnology、Vol.17、Nov.1999、pp.1109−1111では、細胞の分類に「T」型マイクロ加工構造が用いられた。「T」交差位置の上流にある検出ウインドウを利用し、検出された特性に基づいているこのシステムは、システム内の粒子を分類するであろう。前記分類システムは検出イベントに基づいて流体の流れを切り替える。逆分類モードでは、全ての粒子を廃棄物回収に送るよう流体の流れをセットする。しかし、回収可能イベントの検出により、粒子が2度目に検出されるまで流体の流れは切り替えられ、その後粒子が回収される。ある種のこうしたシステムが、「マイクロ加工セルソーター」という名称の、Quake et al.、PCT公開公報WO99/61888に記載されている。
更に、電磁照射関連特性を含む種々の特性の測定に基づく生物学的システムを特徴づけるための試みがなされている。マイクロ波の領域で物質、特に生体物質の誘電性を探求するために多くの努力がはらわれている。例えば、「遠隔マイクロ波応答指令信号を用いた複雑な誘電率測定に基づく、生物学的標的の生理的ファクシミリ画像化のための方法及び装置」という名称の、Larson et al.、米国特許第4,247,815号、及び「分子結合イベントを検出するための方法及び装置」という名称の、Hefti、PCT公開公報WO99/39190を参照されたい。
先行技術における実質的な努力にもかかわらず、包括的で、有効な、感受性の高い、信頼できるシステムは達成されていない。
発明の概要
本発明の方法及び装置は、一般に、粒子から情報を得るための又は粒子に力を適用するための光エネルギーの使用に関する。粒子は誘電率を有するものであればいかなる形態でもよい。こうした有益な目的のための光の使用は光学泳動(optophoresis)の分野にあたる。細胞のような粒子は、粒子の状態を表示するか、又は粒子の選択、分類、特徴づけ若しくは粒子とのユニークな相互作用を可能にする光学泳動定数あるいは特性を有するであろう。生物の分野では、粒子は細胞、オルガネラ、タンパク質又は原子レベルに至るあらゆる構成要素を含んでいてよい。この技術は生物以外の領域にも適用され、あらゆる無機物質、金属、半導体、絶縁体、ポリマー及び他の無機物質に適用する場合を含む。
本発明の方法及び装置は、一般に、粒子から情報を得るための又は粒子に力を適用するための光エネルギーの使用に関する。粒子は誘電率を有するものであればいかなる形態でもよい。こうした有益な目的のための光の使用は光学泳動(optophoresis)の分野にあたる。細胞のような粒子は、粒子の状態を表示するか、又は粒子の選択、分類、特徴づけ若しくは粒子とのユニークな相互作用を可能にする光学泳動定数あるいは特性を有するであろう。生物の分野では、粒子は細胞、オルガネラ、タンパク質又は原子レベルに至るあらゆる構成要素を含んでいてよい。この技術は生物以外の領域にも適用され、あらゆる無機物質、金属、半導体、絶縁体、ポリマー及び他の無機物質に適用する場合を含む。
生物の領域を考えると、細胞は全てのゲノム情報を取り込む真のポイントを表す。この情報にアクセスし、解読することは疾患の診断及び治療に重要である。現存する技術ではこの情報の桁外れの複雑さに有効且つ包括的に取り組むことができない。細胞自体の基本的な特性を解き明かすことにより、本明細書に記載する方法及び装置は、細胞の特徴付け、細胞の分析及び細胞に基づいたアッセイの新たなパラメータを作り出す。
この技術は生細胞のような粒子の内部機能を、好ましくは染色、標識又は他のマーカーを要することなく突き止めるための実用的なアプローチを表す。細胞の「光学泳動定数」は、分析しようとする正確な瞬間における細胞の生理学的状態を一意的に表し、細胞の内部機能に関する研究を可能にする。こうした技術は、新規薬物のスクリーニングから、新規遺伝子の発現の研究、新規診断製品開発、及びがん患者のモニタリングまで、幅広い情報スペクトルの簡便で有効な集積を可能にする。この技術は、このユニークな光学泳動パラメータに基づいて特定の細胞を同時に分析及び単離することが可能である。換言すれば、この技術は、原子レベルでの差異に基づいて、特定の粒子、例えば細胞を同時に分析し単離することができる。この技術は、単独で又は最新の分子技術と組み合わせることにより、一意的に同定可能なパラメータを用いて、生細胞の全体的な活性に関わる複雑なメカニズムに関連づけるための有用な方法を提供する。
1つの態様において、最初に分子の集団を準備し、粒子集団を物理的空間にまとめるように、最も好ましくは線状に配列するように粒子に対して動く強度プロファイルにより粒子を照射し、続いて物理的にまとめられた粒子集団に対して照射を動かして異なる光学泳動特性を有する粒子を物理的に分離することにより、粒子を同定し、特徴づけ及び/又は分類するための装置及び方法が提供される。1つの実施態様において、2以上の異なる粒子を含む粒子集団、例えば赤血球と白血球が、粒子集団に対してゆっくり動かされる光線により照射される。粒子は集団が配列するまで光線とともに動かされる。次に、粒子の線は、例えば粒子の物理的な位置に対して照射線をすばやく動かすことにより、粒子に対して相対的に動く光に供される。若干の粒子が後に残るよう十分に速い速度で粒子から離れるように光線を動かすことによりに、粒子の有効な分離、特徴づけ及び/又は同定がなされ得る。場合により、低速開始スキャンの方向は、粒子が配列した後のより高速のスキャンと反対の方向である。
更に他の態様において、本発明は、粒子の第1の物理的位置を観察し、粒子に光を照射して粒子を光の力に供し、粒子の第2の物理的位置を観察し、そして粒子と光の力との反応の少なくとも一部に基づいて粒子を特徴付ける工程により、粒子を特徴付けるための方法である。この特徴付けは、粒子、例えば細胞が、検出された光学泳動定数又は特性を根拠としてある種の病態を有するというものであるかもしれない。
特徴付けは、多数の粒子を物理的に分離してもしなくてもなされ得るが、粒子を分離する方法は、第1に粒子を光勾配力に供し、第2に粒子を動かし、そして第3に所望の粒子を他の粒子から分離することから成ることができる。粒子は、更なる光の力、流体の力、電磁力又は必要な分離をするのに十分な他の力により、他の粒子から分離することができる。分離は粒子の分別及び分類を含んでいてよい。
更に他の態様において、本発明は、動電学的に粒子を動かし、そして粒子を分類用の光の力に供することにより、粒子を分析する方法を含む。動電学的力には、例えば電気浸透、電気泳動及び誘電泳動が含まれていてもよい。
特徴づけや分類のために粒子の誘電性を使用することに加え、本発明のある方法は、粒子の誘電率を測定するために用いることができる。1つの方法は、異なる誘電率を有する複数の媒体中で粒子を光勾配力に供し、種々の媒体中で光勾配力に供したときの粒子の動きをモニターし、そして種々の媒体中における動きの相対量に基づいて粒子の誘電率を測定することから成る。
更に他の方法は、粒子のサイズによる分類を可能にする。1つの方法は、粒子を光の干渉縞に供し、粒子に対してこの干渉縞を動かす工程を含む。ここで、改良点としては様々な大きさの粒子に対して異なる効果を有するように干渉縞の周期を選択することを含む。類似の方法は、光の力に供したときの粒子の屈折率に基づいて粒子を分類するか、さもなければ分離するものである。1セットの例示的工程は:干渉縞を有する光のパターンに粒子を供し、この干渉縞の間隔は圧縮されていない状態の粒子サイズよりも小さく、粒子を含有する媒体に対してこの干渉縞を動かし、それにより比較的高い屈折率を有する粒子を比較的低い屈折率を有するものから分離することを含む。
光勾配力を使用する他、単独で又は他の力、光散乱力と組み合わせてシステム及び方法を使用してもよい。光学泳動装置で分離するための1つの方法は、1種以上の粒子を準備し、粒子上に散乱力を引き起こすように粒子を光に供し、そして少なくともこの散乱力との反応に基づいて粒子を分離することから成る。
システムの感受性及び識別力を高めるための種々の技術が記載されている。例えば、粒子間の識別力の感受性を高めるために選択された誘電率を有する媒体中の粒子を分離し、そして粒子間のより速い分離を引き起こす誘電率を有する媒体に変えることにより、感受性の装置が提供される。感受性を高めるための1つのオプションは、粒子の誘電率に近くなるように媒体の誘電率を選択することである。
したがって、本発明の目的は、光学的誘電率を有する物質を同定し、特徴づけ、選択し及び/又は分類する方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、粒子を標識したり改変することなく、粒子を分類又は同定するためのシステムを提供することである。
本発明の更なる目的は、粒子を標識したり改変することなく、粒子を分類又は同定するためのシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、改変されていないか又は中性の粒子を分類又は特徴付けるシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、粒子を遠隔操作し、それにより研究中のシステムの汚染を減ずるシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、粒子を遠隔操作し、それにより研究中のシステムの汚染を減ずるシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、光の力と他の力が干渉することなく、他の力とともに使用され得る、粒子を特徴付け、動かし及び/又は分類するためのシステムを提供することである。
発明の詳細な説明
定義
以下の定義は、本明細書に開示される本発明を理解するために提供される。
定義
以下の定義は、本明細書に開示される本発明を理解するために提供される。
「誘電率」とは、単位電位勾配に関し、単位容量あたりに蓄えられる静電エネルギーを決定する特性と定義される(例えばthe New IEEE Standard Dictionary Of Electrical And Electronics Terms、(著作権)1993を参照されたい)。
「光の誘電率」とは、光波長における粒子又は物の誘電率をいう。一般に、光波長の範囲は150Å〜30,000Åである。
「光勾配磁場」とは、強度、波長若しくは振動数、位相、偏光又は光エネルギーに関する他のパラメータを含む1つ以上のパラメータに変化を有する光パターンをいう。干渉計により発生したとき、光勾配磁場又はパターンは、光干渉縞磁場若しくは干渉縞パターン、又はその変形とも呼ばれる。
「光勾配磁場」とは、強度、波長若しくは振動数、位相、偏光又は光エネルギーに関する他のパラメータを含む1つ以上のパラメータに変化を有する光パターンをいう。干渉計により発生したとき、光勾配磁場又はパターンは、光干渉縞磁場若しくは干渉縞パターン、又はその変形とも呼ばれる。
「動く光勾配磁場」とは、システムの他の構成要素、例えば粒子、又は同定、特徴付け、選択及び/又は分離すべき目的物、粒子に接触している媒体、具体的には流体媒体、及び/又は格納構造若しくは支持構造に対して空間及び/又は時間を動く光勾配磁場をいう。
「光散乱力」とは、粒子又は光子から、光エネルギーで照射された物質への運動量移動により引き起こされる、物に適用される力をいう。
「光勾配力」とは、粒子又は物質を、粒子とそれが位置する媒体のあいだの誘電率の差に基づく力に供させるものをいう。
「光勾配力」とは、粒子又は物質を、粒子とそれが位置する媒体のあいだの誘電率の差に基づく力に供させるものをいう。
「光学泳動」又は「光学泳動の」は、一般に粒子についての情報を得るため、粒子を空間的に動かすため、さもなければ粒子と有用に相互作用させるための光子エネルギー又は光エネルギーの使用に関する。
「光学泳動定数」又は「光学泳動特性」又は「光学泳動フィンガープリント」とは、光による選択、同定、特徴づけ又は分類に関し、粒子を区別し又は特徴付けるパラメータを意味する。
「光ピンセット」とは、勾配力が最も高強度の点、具体的には勾配力が散乱力に打ち勝つほど十分に強い点に向けて誘電性粒子を引き寄せる傾向にある十分に高強度の空間内の点に高度集束ビームを有する、光に基づくシステムをいう。最も典型的には、レーザービームは、光波長がおよそ5,000〜20,000Å、より具体的には10,000Åの回折限界スポットサイズを有するビームにより、高い開口数の顕微鏡対物レンズを通して向けられる。一般に、光ピンセットは、焦点面が2μm以下、具体的には約1μmのビーム幅を有する。
2つの対象の「分離」とは、粒子とある種の他のリファレンスポイント又は物質との相対的な空間を長時間離すことをいう。
「分類」とは、有意義な方法で2種以上の粒子を分離することを含む。
「分類」とは、有意義な方法で2種以上の粒子を分離することを含む。
例示装置についての記載
光の成分−動く光勾配磁場の発生
図2〜10は、限定されるものではないが動く光勾配磁場パターンを含む、時に干渉縞又は光干渉縞と呼ばれる光のパターンを発生させるための種々のシステムを記載する。これら例示的装置を具体的に示すが、本発明の所望の結果を達成するために他の装置を用いて光の領域及び力を発生させることもできるため、限定的なものではない。
光の成分−動く光勾配磁場の発生
図2〜10は、限定されるものではないが動く光勾配磁場パターンを含む、時に干渉縞又は光干渉縞と呼ばれる光のパターンを発生させるための種々のシステムを記載する。これら例示的装置を具体的に示すが、本発明の所望の結果を達成するために他の装置を用いて光の領域及び力を発生させることもできるため、限定的なものではない。
特定の態様に関する議論において持ち上がる点は、たとえ適用可能との記載がなくとも他の態様の記載に一般に適用可能であると考えられるということである。
システムに用いる光源は、ある種の一般に所望される特性を有する。波長に関しては、1つ以上の検討材料に基づいて一般に選択されるであろう。ある適用においては、細胞のような生体物質の損傷を避けることが望ましいかもしれない。ほとんどが水である細胞成分による吸収が最小である範囲で波長を選択することにより、加熱による有害効果を最小限にすることができる。およそ0.3μm〜およそ1.8μm、より好ましくは実質的に0.8μm〜実質的に1.8μmの範囲の波長は、生物学的損傷を軽減させる手助けをする。しかしながら、生物学的適用であっても、エネルギーの有害な吸収が起こらない短時間照明のような場合、一般に生体物質を損傷させると考えられている波長を有するレーザーを使用してもよい。更に他の適用において、粒子又は考慮されている目的に基づいて波長を選択することは望ましいかもしれない。例えば、特定の属性を有する粒子に対して適用される力を増加させるために(又は減少させるために)、吸収帯又はそれに近接する波長を選択することは望ましいかもしれない。波長を選択する上で更に考慮することは、現存する技術との適合性、又は光源から自然に発生する波長であるかもしれない。1例は、1.55μmの波長の選択であろう。1.55μm波長領域で非常に多くのデバイスが市販されており、電気通信適用に広範囲に用いられている。
システムに用いる光源は、ある種の一般に所望される特性を有する。波長に関しては、1つ以上の検討材料に基づいて一般に選択されるであろう。ある適用においては、細胞のような生体物質の損傷を避けることが望ましいかもしれない。ほとんどが水である細胞成分による吸収が最小である範囲で波長を選択することにより、加熱による有害効果を最小限にすることができる。およそ0.3μm〜およそ1.8μm、より好ましくは実質的に0.8μm〜実質的に1.8μmの範囲の波長は、生物学的損傷を軽減させる手助けをする。しかしながら、生物学的適用であっても、エネルギーの有害な吸収が起こらない短時間照明のような場合、一般に生体物質を損傷させると考えられている波長を有するレーザーを使用してもよい。更に他の適用において、粒子又は考慮されている目的に基づいて波長を選択することは望ましいかもしれない。例えば、特定の属性を有する粒子に対して適用される力を増加させるために(又は減少させるために)、吸収帯又はそれに近接する波長を選択することは望ましいかもしれない。波長を選択する上で更に考慮することは、現存する技術との適合性、又は光源から自然に発生する波長であるかもしれない。1例は、1.55μmの波長の選択であろう。1.55μm波長領域で非常に多くのデバイスが市販されており、電気通信適用に広範囲に用いられている。
一般に、光源は干渉性の光源であろう。より具体的には、干渉性の光源はレーザーから成るであろう。しかしながら、システムが所望の結果を達成するのに必要とされる力を発生させることができるのであれば、非干渉性の光源を利用することもできる。レーザーのラゲールガウスモードのような種々のレーザーモードを利用することができる。更に、システムに1つ以上の光源がある場合は、これらの光源は互いに干渉性であっても非干渉性であってもよい。
強度パターンのスポットサイズ又は周期性は、好ましくは照明の有効な結果を最適化するように選択される。多くの適用において、結果として生じる力に全粒子(細胞)の誘電性が寄与するように応答指令信号が送られるべき粒子、例えば細胞に対して実質的に均一な勾配であることが望ましい。概して、その範囲は粒子又は目的物のサイズ(直径又は平均サイズ)の実質的に1倍〜実質的に8倍で変化し、より好ましくはその範囲はそのサイズの実質的に2倍〜実質的に4倍である。所望のスポットサイズ又は周期性を達成するために、当業者に公知の種々の方法及びシステムを利用することができる。例えば、所望のサイズを有する非集束ビーム又は平行ビームを用いる。スポット半径の具体的な特徴は、ビーム強度の1/e2半径である。細胞への適用を含む多くの適用に関し、ビームサイズは10ミクロンのオーダーであるが、ときに5ミクロン程度であり、更に他の場合では2ミクロン程度であろう。ある適用において、粒子又は目的物のサイズ(直径又は平均サイズ)の実質的に1倍〜実質的に2倍の範囲で照明の周期性を有することが望ましい。多くの生物学的適用に関し、周期性は実施的に5μm〜25μm、より好ましくは10μm〜20μmである。ある種の適用では、例えばバクテリアに関してはより小さなサイズを利用することができ、より大きな粒子に関してはより大きなサイズを利用することができる。細胞内領域の応答指令信号が望まれるような更に他の適用においては、粒子又は目的物よりも小さなスポットサイズを利用することが望ましいかもしれない。
以下に記載する強度パターンを発生させるシステムの例、及び本発明に有用な強度パターンを発生させる他のシステムには、種々の光学的構成要素、及び所望のパターン、強度プロファイル又は他の勾配を発生させるための制御システム、例えば動く光磁場勾配が含まれる。本発明の方法を有効に実施し、本明細書に記載する結果を達成するように本発明のシステムを使用するために種々の光学システムを適合させてもよい。全体的に又は部分的に適合され得る例示的システムには:ヤングのスリット、マイケルソン干渉計、マッハツェンダー干渉計、ハイディンガー環状干渉縞システム、フレネルミラー干渉計、平面平行板干渉計、ファブリペロ干渉計及び光勾配強度パターン又は干渉縞パターンを発生させるための他のシステムが含まれる。
次に本発明とともに用いる例示的システムの詳細な説明をする。図2は、システム20に提供される1種以上の粒子に力を与えるための動く光勾配磁場パターンを発生させるために一般に形成されるシステム20の光学的構成成分の記載である。これにより光の力は粒子の特徴付け、同定、選択及び/又は分類に用いることができる。光源22、好ましくはレーザーは、ビームスプリッター26を指向した第1ビーム24を発生させる。ビームスプリッター26は、プリズムビームスプリッターのように、本発明の目標及び目的と一致する当該技術分野において公知のいかなるモード又はタイプでもよい。第1透過ビーム28はビームスプリッター26を通過する。第1反射ビーム30は、ビームスプリッター26から反射面32、具体的にはミラーに反射し、第2反射ビーム34を発生させる。第1透過ビーム28と第2反射ビーム34は、干渉して強度パターン38を発生させる。この強度パターンは、光が粒子又は目的の対象物と相互作用するスライド又は支持体36の操作部位に一般に位置する。光パターン38は、第1透過ビーム28と、第1反射ビーム30と第2反射ビーム34の組み合わせとのあいだの光路長の変化により他の目的物、例えば粒子、基板、及び/又は粒子を含有する流体媒体に対して動く。ミラー32は作動装置40により移動可能である。作動装置40の1つの例は、モーターと、ミラー32を動かすためのスクリューシステムを含むであろう。ミラー32を動かすための非常に多くの代替構造が当該技術分野において公知である。例えば圧電システム、振動ミラーシステム等である。
図3は2つのビームの干渉に基づくシステムを示す。レーザー52のような干渉性の光源は、ビームスプリッター56を指向する第1ビーム54を発生させる。第1反射ビーム58はサンプルプレート70を指向し、第1透過ビーム60は位相変調期62のようなモジュレータを指向している。位相変調期62は当業者に公知のいかなるタイプでもよい。位相変調期62は制御システム64の制御下にあり、ミラー74を指向する変調ビーム出力66をもたらす。変調ビーム66はミラー74で反射して、サンプルプレート70を指向する第2反射ビーム68を発生させる。第1反射ビーム54及び第2反射ビーム68はサンプルプレート70を有する稼働性表面でパターン72を発生させる。制御システム64は、サンプルプレート70のようなシステム50内の目的物に対してパターン72を動かすように位相変調期62に連結されている。
図4は、干渉計システム80の光学的構成成分のダイヤグラムを示す。レーザー82のような光源は、ビームスプリッター86を指向する第1光ビーム84を発生させる。第1ミラー88及び第2ミラー90で構成される干渉計は、所望の勾配特性を含む所望のビーム特性を有する出力ビーム100を発生させる。第1ビーム84はビームスプリッター86を通過して、第1ミラー88を指向する第1透過ビーム94を発生させる。反射ビームは、ビームスプリッター86に向けて経路94を引き返す。第1反射ビーム96は位相変調期92を通過して、第2ミラー90を指向する第1変調ビーム98を発生させる。第2ミラー90からの反射ビームは、経路98を引き返し、位相変調期92及びビーム96を通ってビームスプリッター86へ向かう。ビーム100はシステム80の干渉計セクションから出力され、顕微鏡対物レンズ104を指向する。
対物レンズ104はサンプルプレート106を指向する。場合により、ミラー108を、最も好ましくは平面ミラーをサンプルプレート106の下位に配列させてもよい。ミラー108は、粒子、又は分析下若しくはシステム80の作用下にある目的物を有するか又は含有するサンプルプレート106に反射光を与えるように方向を定められている。先にサンプルプレート106を照射するようにビーム102により発生した散乱力は、ミラー108からサンプルへ戻る反射照射を向けることにより、全体に又は部分的に相殺され得る。以下の表面効果に関するセクションでさらに議論されるように、反射光及び上方の散乱力は、散乱力の全体的な効果を減少させ、勾配力は有効に利用されるかもしれない。
図4は任意画像システムを含む。対物レンズ104からの光102はビームスプリッター120で反射し、結合光学系112を指向する第3反射ビーム110を発生させる。光学系112は、電荷結合素子(CCD)検出器のような検出器114上の光を結像する。検出器114の出力は画像システム116に提供されてもよい。画像システム116は場合によりモニターの(CRT、フラットパネルディスプレイ、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ、又は当業者に公知の他のディスプレイ)ようなディスプレイを含んでいてもよい。画像システム116は場合により画像増強ソフトウェア及び画像分析ソフトウェア、記録機能(テープ、光学メモリ、又は他の当業者に公知のメモリの形態)を含んでいてもよい。
制御システム118は、システム80内に所望の光の力パターンを発生させるようにモジュレータ92を制御する。場合により、画像システム116を制御システム118と連結してもよい。フィードバックシステムをつくってもよく、これによりサンプルプレート106上の粒子の作用がシステム116を通して結像され、そして全体システム80の操作を制御するための制御システム分析に利用されてもよい。
図5は干渉計に基づくシステム120を示す。レーザー122のような光源は、任意空間フィルター126を指向した第1ビーム124を発生させる。空間フィルター126は具体的にはレンズ128及び空間フィルター開口130を含むであろう。この開口は具体的には丸い。空間フィルターは、レーザービームを平行にし、レーザービームの波面を通って平坦な強度プロファイルを作り出すのに役立つ。干渉計140は第1ミラー146及び第2ミラー144、並びにビームスプリッター142。位相変調期148は干渉計140の2本のアームのうちの1本の中に配列される。
図5に示すように、光源122から干渉計140へ光を反射させるために、ミラー132が場合により配列される。当業者に理解されるように、光学システムは、システムをわたって光を移動させ又は指向するように設計されたいかなる数又は様式の成分を含んでいてもよい。1つのこのような例は、単に、1つの主要成分、例えば空間フィルターから他の主要成分、例えば干渉計140へ照射を指向するのに働く平面ミラー132である。ミラーに加えて、他の一般的な移動成分は、光ファイバー、レンズ、ビームスプリッター、拡散器、プリズム、フィルター、及び加工ミラーを含んでいてもよい。
ビーム150は干渉計140を出て、対物レンズ152を指向し、サンプルプレート154で又はその近傍で結像される。図示するように、ダイクロイックミラー170は光150を反射させるように働くが、光源168からの光の透過も可能にする。例えばファイバーは光源からの照射を提供し、ダイクロイックミラー170及び対物レンズ152を通ってサンプルプレート154の操作領域を照射する。
場合により、サンプルプレート154の操作部位を結像するために検出システムを配列させてもよい。図示するように、対物レンズ156はサンプルプレート154の下に置かれ、出力照射はミラー158を介して移動し、電荷結合素子(CCD)のような装置164を結像する。場合により、検出のための所望の波長を選択するために赤外線フィルター160を光学経路内に置いてもよい。検出器164の出力は、画像システム166を提供する。他の図とともに示すように、画像システム166は、画像増強及び画像分析ソフトウェアを含むことができ、種々のディスプレイモードを提供する。場合により、フィードバックに用いるときなど、画像システム166は制御システム172に連結される。
図6は、上面からサンプルプレート194を照射し、底部から結像する光学システムを示す。レーザー180は、場合により空間フィルター184を通過する第1ビーム182を発生する。図示するような空間フィルターはレンズ184及び開口188を含む。空間フィルター184の出力は対物レンズ192を通過し、サンプルプレート194上に結像される。サンプルプレート194及びそれに支持される物質は、対物レンズ196を介して結像することができる。任意のミラー198は、検出器204上の結像レンズ202を通して照射を光学フィルター200へ指向させる。検出器204は画像システム206に連結させる。好ましくは、画像システム206は、システムの種々の光学成分を制御する制御システム208に情報を提供する。
図7は、境界のある構造を含むサンプルプレートをインターフェースで連結している光学システムを示す。システム210は、場合によりマイクロ流体チャネルを含むサンプルプレート212を含む。あるいは、サンプルプレート212は、マイクロ流体チャネルを含有する別の構造を支持することができる。マイクロ流体チャネルから形成される1つの例示的構造として、単純だが有用な例に関して「T」型分類装置を示す。入力リザーバ216は第1チャネル218に連結し、Tの交差位置220で終結する。第1出力チャネル222は第1出力リザーバ224に連結する。第2出力チャネル226は第2出力チャンバー228に連結する。図示するように、入力チャンバーは地面に連結され、第1出力チャンバー224及び第2出力チャンバー228は−Vに連結する。流体チャネル構造が以下でより詳細に議論される。
顕微鏡対物レンズ232は、光照射をサンプルプレート222へ提供するため、及びシステムの画像提供するために働く。レーザーのような光源238、より好ましくはレーザーダオードは、光学系240で結像される光を発生する。ダイクロイックビームスプリッター236は照射を顕微鏡対物レンズ232に指向させる。図示するように、対物レンズは拡大力100である。生物学的適用に関し、拡大範囲は1〜200が望ましく、より好ましくは10〜100である。対物レンズ232は開口数1.25である。レンズに関し開口数の好ましい範囲は、0.1〜1.50、より好ましくは0.4〜1.25である。対物レンズ232からの出力はビームスプリッター236を通過し、光学ミラー242から光学系(例えばレンズ)244を通って反射し、光学フィルター246から結像デバイス280へ通る。CCDとして示される結像デバイスは画像システム282に連結する。画像システム282の出力は場合により制御システム284に連結する。図示するように、制御システム284は、サンプルプレート212に連結した移動ステージ232及び光源238を制御する。
図8は、強度パターンを走査領域260内に発生させるためのシステムを示す。入力ビーム262、例えばレーザーのような干渉性光源からのビームは、システムを指向する。ガルバノメーター又は共鳴スキャナのような第1振動成分264は、入力ビーム262を遮り、第1度の動きをビームに提供する。ビームは、多数の面270を含有する多面鏡268を指向する。多面鏡268は軸272に対して回転するため、光は走査領域260を通って一掃される。レンズ274は、光を走査領域260に適切に結像させるのに必要とされるように提供される。場合により、光の力の変化を走査領域260内に提供するようにマスク又は他のパターン276を光学経路内に置くことができる。振動動作又は多面鏡を介した走査を生じさせる広範な技術のいくつかは当業者に公知である。
図9は、光の力パターンを発生させるためにマスクを利用するシステムを示す。レーざーのような光源280は、マスク284を指向するビーム282を発生させる。場合により、光源280とマスク284とのあいだに位相変調期290を置くことができる。場合により、マスク284は、例えば、モーター、圧電性駆動システム、マイクロ電気機械(MEM)、又は当業者に公知の他の駆動構造である作動装置286により動かすことができる。光学マスク284は、サンプルプレート288に隣接して所望の光の強度パターンを作製する。光学マスク284は、限定されるものではないが、強度、位相及び偏光を含む、通過する光の成分のいくらか又は全てを調節することができる。マスク284は、使用するとき干渉性の光を必要としないかもしれないホログラフィックマスクでもよい。空間光モジュレータのようなマスクの他の形態は、光学パラメータに変化を生じさせるために利用することができる。
更に他のミラー装置は、マイクロミラー装置を利用することから成る。1つのそのようなマイクロミラー構造は、例えばTexas Instrument Digital Micromirror productに用いられているようなミラーのアレイから成る。
図10は照射用代替システムを示し、多数の光源290がサンプルプレート又は表面294を指向している。各光源290は、支持体294の表面を照射する光源290からの種々の出力292を有する制御システム296により制御される。
光源290のアレイは、多くの方法でつくられる。1つの好ましい構造は、面発光型半導体レーザー(VCSEL)アレイである。VCSELアレイは当業者に公知であり、VCSELを含む種々のレーザーの制御により光パターンを発生させるために働く。同様に、レーザーダイオードバーは光源のアレイを提供する。あるいは、別々の光源を、例えば光ファイバーカップリングにより、表面294指向する領域に連結させることができる。
画像システムは、システムのミラー結像を超えて機能を果たすことができる。光干渉縞の強度、サイズ及び形状をモニタリングすることに加えて、較正のような目的に用いることができる。
光の力
本発明の装置及び方法は、光によって起こる粒子に対する力を少なくとも部分的に利用する。ある種の態様において、他の物理的構造、粒子若しくは目的物、粒子若しくは目的物を含有する媒体、及び/又は粒子若しくは目的物及び媒体を支持する構造に対して光パターンが動かされる。しばしば、動く光勾配磁場のような動く光パターンは粒子に対して動く。典型的にはある程度の粘性を有する媒体を通して光を粒子に対して動かすことにより、粒子に対して示される光の力に少なくとも部分的に基づき、粒子が分離され、又は特徴づけられる。多くの記述は他の構造に対して動く光について記載するが、例えば光パターンを静止させ、目的の粒子、媒体及び/又は支持体構造を光パターンに対して動かすことにより、他の方法で相対動作が達成され得ることが理解されるであろう。
本発明の装置及び方法は、光によって起こる粒子に対する力を少なくとも部分的に利用する。ある種の態様において、他の物理的構造、粒子若しくは目的物、粒子若しくは目的物を含有する媒体、及び/又は粒子若しくは目的物及び媒体を支持する構造に対して光パターンが動かされる。しばしば、動く光勾配磁場のような動く光パターンは粒子に対して動く。典型的にはある程度の粘性を有する媒体を通して光を粒子に対して動かすことにより、粒子に対して示される光の力に少なくとも部分的に基づき、粒子が分離され、又は特徴づけられる。多くの記述は他の構造に対して動く光について記載するが、例えば光パターンを静止させ、目的の粒子、媒体及び/又は支持体構造を光パターンに対して動かすことにより、他の方法で相対動作が達成され得ることが理解されるであろう。
図11A、11B及び11Cはそれぞれ、光の強度プロファイル、粒子又は細胞に対する対応する光の力及び光強度プロファイル中の対応する粒子の位置エネルギーを、距離(x)の関数として示す。図llAは、1種以上の粒子に対して発生させ適用される強度プロファイルを示す。図示するように、波状の又は振動する様式で強度が変化する。図示するように、強度は均一な周期性及び相対的波形を示す。しかしながら、強度変化は対称でも非対称でもよく、あるいは如何なる形状でもよい。周期を固定し又は変化させることができる。図11Bは力の絶対値を位置の関数としてとして示す。力は強度の空間微分である。図11Cは位置エネルギーを位置の関数として示す。位置エネルギーとは距離を通して統合された力である。
図11A〜11Cのプロファイルは一般的に正弦波であることが示されている。一般に、このようなパターンは干渉縞から生ずるであろう。(強度、力及び位置エネルギー)のプロファイルを変えることが望ましいかもしれない。例えば、位置エネルギーウェルが底面で比較的平らで急勾配の側面を有し、又は形状が非対称である場合、システムを有することが望ましいかもしれない。
図12A及び12Bは、「A」及び「B」と標識された2つの粒子を示す。図12Aにおいて、粒子は2次元強度パターン300により照射されることが示される。図12Bは、強度パターンが位置302へ動いた後、後の瞬間の粒子A及びBの位置を示す。この例において、光の力は粒子Bを前の位置に対して動かす。光パターン300の粒子Aに対する効果は粒子Bに対するよりも小さいため、図12Bにおける粒子A及びBの相対位置は図12Aと比較して異なる。
1つのシステムの実施態様において、図12Aにおける粒子A及びBの位置が決定されるであろう。次にシステムは所望の勾配磁場、好ましくは動く光勾配磁場により照射されるであろう。そしてシステムは、図12Bに示すように後の時点で結像される。動作の有無動作の量、動作の方向、動作のスピードなど)を利用して粒子を特徴づけ又は解析することができる。ある種の適用において、単一粒子の特定光パターンに対する応答を決定するのに十分であるかもしれない。したがって、単に粒子が動いた、特定の方法で動いた、特定量動いたという事実から、粒子について情報を得ることができる。この情報は、他の粒子の存在の有無に関わらず得ることができる。更に他の適用において、2種以上の粒子を分離することが望ましい。この場合、例えば図12Aと図12Bで、粒子の位置を互いに比較することにより、粒子に関する情報を得ることができる。との粒子が所望の粒子であるかを決定し(議論のため粒子Bであると仮定する)、次に粒子を他の粒子から分離することができる。図12Cに示すように、光ピンセット強度プロファイル304を用いて粒子Bを補足し及び除去することができる。あるいは、図14〜19に関連して議論されるように、選択された粒子を他の手段により、例えば流体手段で除去することができる。
光誘電率のような粒子の特性を利用することにより、光の力は、異なる属性を有する粒子を同定し、選択し、特徴づけ及び/又は分類するために働く。1種以上の粒子を光の力の力に曝すことで、その粒子の状態に関する情報を提供することができる。その粒子の他の粒子又は構造からの分離は必要とされない。更に他の適用において、光の力の適用は、特性に基づいた粒子の分離を引き起こし、その結果、粒子間の分離は更なる分離をもたらす。更なる分離の様式は、流体分離、機械分離のような如何なる形式でもよく、例えば機械的デバイス又は他の捕捉構造の使用により、あるいは光学的に、例えば図12Cに示すような光ピンセットの使用により、動く光勾配の適用により、又は粒子を除去又は分離する他の様式により、例えば電磁的、流体的又は機械的であってもよい。
図13A、13B及び13Cは、1つの例示的操作様式に関し、位置エネルギーを距離の関数として示す。図は、互いにx次元に移動した粒子1及び粒子2を示す。2つの粒子の物理的位置決めは典型的に同一平面上、例えば同一垂直面上にあるであろう。図は粒子の位置エネルギーを示す。図13Aにおいて、粒子1 310は、位置エネルギープロファイル314を作製する光の強度パターンに供される。粒子2 312は、同一の光の強度パターンに供されるが、第2の位置エネルギープロファイル316に供される。誘電率が粒子1 310と粒子2 312のあいだで異なるため、第2の位置エネルギープロファイル316は第1の位置エネルギープロファイル314とは異なる。図5Aにおいて、光強度パターンは右に動く。位置エネルギープロファイル314、316が右に動くため、粒子310、312は異なる力を受ける。粒子1 310は、粒子に隣接する矢印のサイズで表すように、粒子2 312と比較して、より小さな力を受けるであろう。粒子が受ける力は、位置エネルギーの空間微分に比例する。したがって、位置エネルギー「波」の比較的「急勾配」の部分にある粒子2 312はより大きな力に供されるであろう。図5Aにおいて、位置エネルギー波の移動スピードは、粒子1 310がそれが位置する媒体を通って前に動くときのスピードよりも大きくセットされるかもしれない。このイベントにおいて、粒子1 310は左向きの力に供されるかもしれない。図13Aは粒子1 310の可能な後ろへの又は後退する動作を表す矢印を示す。位置エネルギーウェルは、粒子が安定し、位置エネルギーパターン314、316の動作又は移動がないであろう最小値318を有する。
図13Bは、第1位置エネルギー314及び第2位置エネルギー316にそれぞれ供した粒子1 310及び粒子2 312を示す。位置エネルギーパターン314、316は右に移動するため、粒子310、312は、矢印の相対サイズで表すように量が異なるが、右向きの力に供される。図13Cは、粒子1 310と粒子2 312とのあいだで位置エネルギーを最大にするように図13Bの位置エネルギープロファイルが動いた後の位置エネルギープロファイル314、316を示す。強度プロファイル314、316を前に素早く「痙動」させることにより、粒子1 310は位置エネルギー「波」の「背面」に位置し、左向きの力に供されるであろう。次に、動作の経路を粒子1 310からの破線矢印で示す。逆に、粒子2 312は位置エネルギー波316の「前面」にあるままであり、右向きの力に供される。この装置の効果は、粒子1 310と粒子2 314のあいだに更なる物理的分離を引き起こすことである。位置エネルギープロファイル314、316は、位置エネルギー最大値が分離される粒子間にあるよう十分に、及び位置エネルギー波の「背面」にある粒子が、波の「前面」にある粒子から離れるように動くことを保証するように前に素早く動く必要がある。
図37A、B及びCは、粒子を同定し、特徴付け及び/又は分類するための技術の時系列描写を示す。図37Aにおいて、粒子集団は光ビーム、好ましくは図37Aにおいてレーザービームとして示される光線に供される。照射の方向は粒子集団の平面にある。光線は、粒子集団を物理的に組織するために、粒子集団に対して動かされる。場合により、ビームは、全ての所望粒子の捕捉を可能にし、粒子をシステム内の所望の位置に動かすように十分にゆっくりなスピードで動かされる。図37Bは、光線が物理的に配列された粒子のラインに対して動かされる位相2を示す。場合により、位相1における粒子に対する光の相対方向は一方の方向であり、位相2は逆方向である。位相2において、光線は粒子に対して比較的速いステッピング動作で動かされる。動作のスピードは、所望の粒子の分離を行うために少なくとも十分大きなものである。より大きな力に供される粒子は、位相2における配列した粒子の物理的位置から選択的に動かされる。図37Cは白血球粒子(陰影付きのより大きな粒子として示す)の照射を示し、有効に赤血球(比較的小さな暗い省略記号として示す)から分離される。
図38は、強度及び粒子集団に対するその位置の時系列グラフである。ビーム位置1は、ビームを付けた後数秒以内の強度プロファイルを示す。ときに、粒子が強度最大値からわずかにはずれていることが観察される。ビーム位置2は、位相2に示すステッピング動作を表す(図37B)。図から理解されるように、白血球はより勾配力に供され、その結果、ビーム位置2の終止モーメントで赤血球よりも物理的に動かされる。ビーム位置3はその後のステップ動作を表す。ここで、白血球が再度より大きな勾配力に供され、その動きが右へ向く。ビーム位置は右に動き続けるため、強度ピークと後に残る粒子、例えば赤血球との距離は大きくなり、従って粒子が感じる勾配力は減少する。
図39Aは、この技術に用いる単一線を発生させるための装置断面を示す。レーザーは、円柱レンズを通ってシステムに指向する。本明細書中に記載され、当業者に周知の集束光学系を利用してもよい。図示したCCD画像システムのような画像システムはシステムからの情報を捕捉する。光パターンを粒子に対して動かすことができ、あるいは、ステージを移動させることにより、粒子を光に対して動かすことができる。好ましくは、照射ラインは比較的均一な強度を有し、例えばレンズの曲率を改変することで達成することができる。
図40A及び40Bは、1本以上の光線を発生させるための代替装置の断面を示す。回折光学系は入射ビームを受け、光学系を通して集束された場合、サンプル領域内に1本以上の光線を発生させる。図40C及びDは、1本以上の光線を発生させるための他の代替装置を示す。ミラー面を通って走る進入路のまわりを一般に振動する2つの走査ミラーを利用するもののような走査ミラーシステムは、軸が同一線上に並んでいない場合、1本以上の線を発生させる。一般に、ミラーのうちの1つは、他のミラーよりも実質的に高速で動く。所望の強度パターンを発生させるための音響学的/光学的デバイスのように、多数走査ミラーシステムの代替物を利用することができる。
図41は区分化されたサンプルフィールドの上面図を示す。図示するようなサンプルフィールドは、16のサブ領域に区分化され、4×4配列で配列されている。種々のセクションに別々に応答指令信号を送ることができる。一般に、約200μ×15μのサイズを有する光線を発生させるために、市販の光学系を利用することができる。ここに記載される特定のものに限定されるわけではないが、光線の幅は典型的には応答指令信号が送られる細胞又は粒子のサイズのオーダーである。図41の区分化されたサンプルフィールドを利用することにより、比較的短い光線を利用することができ、その結果、光線はより線状になる。
図42は、多ライン分離システムの上面図を示す。6ラインは時系列分離を有することを示す。一般に、ライン分離は選択され、最も近い隣接ラインの存在は、隣接する粒子に対し実体のない効果を有する。
本発明の装置及び方法は、粒子の異なる特性又は属性に基づいて物質を特徴づけし、同定し、選択し及び/又は分類するために、光の力を単独で、又は更なる力と組み合わせて利用する。光学プロファイルは、位置とともに変化するが、静的でも動的でもよい。動的な場合、勾配磁場及び散乱力が、粒子、粒子を含有する媒体、粒子及び媒体を含有する支持構造に対して動かすために、作製される。動く光勾配磁場を用いる場合、動作は一定速度(スピード及び方向)であるか、又は線状若しくは非線状に変化することができる。
光の力を他の力とともに用いることができる。一般に、光の力は他の力と干渉又は衝突しない。更なる力は、永久磁石により発生する静電磁力のような磁力、又は動磁力である。更なる力は、静電気力のように静的でも、交流電界に供するときのように動的でもよい。交流電磁場の種々の振動数範囲は、一般に、以下のように称される:DCは1Hzより非常に小さな振動数である、音声周波数は1Hz〜50kHzである、ラジオ周波数は50kHz〜2GHzである、マイクロ波振動数は1GHz〜200GHzである、赤外線(IR)は20GHz〜400THzである、可視光は400THz〜800THzである、紫外線(UV)は800THz〜50PHzである、X線は5PHz〜20Ehzである、そしてγ線は5Ehz以上である(例えばPhysics Vade Mecumを参照されたい)。振動数範囲はオーバーラップし、境界はときにわずかに異なって定義されるが、範囲は常に実質的に同一である。誘電泳動力は交流磁場により発生され、一般に1Hz〜10MHzの範囲である。網羅性のため、誘電泳動力はより静電的性質であり、光学泳動力は電磁的性質であることを発見している(即ち、振動数範囲を比較することは、振動数のみが異なることを暗示するのではない)。重力を光の力とともに用いることができる。装置の方向をあわせて形成することにより、重力を用いて粒子の作用に影響させることができる。例えば、下への力を粒子に提供するために、チャネルを垂直方向に置くことができる。このような場合、上向きの光の力が発生されている。重力は粒子の浮力を考慮に入れる。チャネルを水平方向に置いた場合、他の力、例えば摩擦力が存在するかもしれない。流体の力(又は流体工学)は、光の力とともに有益に利用されるかもしれない。当初の粒子分離を行うために光の力を利用することにより、流体の力を、粒子をさらに分離するための機構として利用することができる。更に他の更なる力として、他の光の力を粒子に対して適用することができる。上記の更なる力のいくつか又は全てを単独で又は組み合わせて用いることができる。更に、力を連続的に利用しても又は同時に適用してもよい。
図14A及び14Bは、粒子又は目的物の1次元供給源からの分類を示す。図14Aに示すように、粒子320は、一般に供給源から下の方向、矢印で示す粒子の流れの方向へ進行する。ジャンクション322で、そしておそらくは更にジャンクション322の前で、粒子は光分離力に供される。異なる誘電率のような異なる応答性を有するこれらの粒子は、粒子のラインから分離することができ、分離された粒子326となる。分離されていない粒子は粒子324であり続ける。図14Bは、1次元供給源からの光学細胞分類を示す。細胞330は流体の流れの中を、矢印で示すように、頂上部から底部の方向で動く。細胞330は、ジャンクション332の領域で光の力に供される。選択された細胞336は、オリジナルな流体の流れの経路から方向転換する。残りの粒子334は、オリジナルの流体の流れと同方向であり続ける。「選択された」若しくは「選択されていない」という用語、又は本明細書中に用いられる同様の用語は、具体例を意味し、限定されることを意図するものではないことが理解されるであろう。
本発明の技術を、ガイドのない、即ち均一な環境で、又はガイド付きの環境で利用することができる。ガイド付きの環境は、場合により、マイクロチャネル、リザーバ、スイッチ、使い捨て領域又は容器を含む、チャネルのような構造を含むことができる。システムの表面は均一でも不均一でもよい。
図15は、チャネルを含むガイド付き構造の平面図を示す。入力チャネル340は、媒体内に含有される粒子342を受ける。光の力は領域344に適用される。光の力は、好ましくは動く光勾配磁場であろう。粒子342はフィールド344を通って動くため、ある種の粒子は、粒子346として示すように、その粒子をチャネルの右側に動かす力に供されるであろう。しかし他の粒子348はTチャネルの左側へ動くであろう。光の力勾配のスピード、方向、周期性、強度及び他のパラメータを選択することにより、粒子を有効に分離することができる。
チャネルを基板内に形成し、又はある種の支持体又は基板上に構築することができる。一般に、チャネルの深さは、粒子の直径の実質的に1〜実質的に2オーダーであろう。多くの生物学的細胞分類又は特徴付け用途に関し、深さは10〜20μmのオーダーであろう。チャネルの幅は一般に粒子の直径の実質的に2〜実質的に8オーダーであり、幅が粒子直径のオーダーで光勾配最大値が少なくとも1〜幅が粒子直径のオーダーで光勾配最大値4以上までを可能にする。多くの生物学的細胞分類又は特徴付け用途に関し、幅は20〜160μmのオーダーであろう。垂直壁を有する長方形チャネル構造、交差する非平面壁を有するV型構造、半円又は楕円形チャネルのようなカーブ構造など、チャネルはさまざまな形状を有することができる。チャネル又はチャネルがその中に形成されたときの基板若しくはベースは種々の物質でつくることができる。例えば、シリコンエラストマー(例えばPDMS)、ゲル(例えばアガロースゲル)及びプラスチック(例えばTMMA)のようなポリマーを用いることができる:ガラス及びシリカは他の物質である。ある種の適用に関し、支持物質を光学的に移動させることが望ましいかもしれない。表面は荷電されていてもいなくてもよい。表面は、それに接触して置かれる物質に適合した特性を有する必要がある。例えば、生体適合性を有する表面は、生物アッセイ又は他の操作に用いられるはずである。
種々の形態の原動力を用いて粒子、典型的には流体内に含まれている粒子をシステム内で動かすことができる。電気浸透力を利用することができる。当該技術分野で公知のように、電気浸透作用を高めるため又は抑制するために、壁又はチャネルの種々のコーティングを利用することができる。電気泳動を用いて、システムを通して物質を移動することができる。システムの注入口及び流出口にわたり圧力差が施されているような場合、ポンプシステムを利用することができる。システムを通して物質を移動させるために毛管現象を利用することができる。重力供給を利用することができる。最終的に、ローター、マイクロポンプ、遠心分離のような機械的システムを利用することができる。
図16は、粒子を分類するための「H」型チャネル構造を示す。H型構造は2つの注入口と2つの流出口を有する。注入口350は、流体及び分類対象粒子352を受ける。流体はH型チャネルの第2入力アームに入力される。主要な又は連結チャネル356は両方の入力からの流体の流れを受ける。連結チャネル356において、粒子354は連結チャネルを通って流れ、光分類力358に供されるであろう。この段階で、粒子は、粒子の誘電率のような分別パラメータにより分離される。主要な流れから動かされた粒子は、粒子360として1つの出力へと動く。光の力358の作用によって方向転換していない粒子362は左側の流出口364へと続く。システム内の積層流れは、主要チャネル356を通して粒子354を動かすであろう。そしてチャネル幅が十分に大きい場合、粒子354を、入力により近い壁に比較的近接して流す傾向にあるであろう。次に分類工程は、左壁に隣接する積層流れから、右側出力へと方向転換させる積層流れへと粒子を方向転換させることから成る。
図17は粒子分離のための広いチャネル構造を示す。入力370は流体媒体中に粒子372を受ける。粒子は光分類力374に供され、これにより方向転換した粒子378は流出口382に向かって流れ、粒子376は流出口380に向かって流れる。
図18は分類のためのX型チャネル構造を示す。入力390は流体媒体中に粒子392を受ける。第2入力394は流体を受ける。粒子392は、次に光学分類力396に供される。方向転換した粒子402は流れて404から出る。粒子398は流れて400から出る。
図19は2次元分類システムの透視図である。細胞の供給源インフロー410は、ライン412に沿った光学分類力と交差する。分類力412は、1次元、具体的には1面で標的細胞414のアウトフローとなる。そして非標的細胞416のアウトフローは別の面となる。標的細胞414のアウトフローの面は、非標的細胞416のアウトフローの面と非同一平面上にある。
図20は、3次元細胞分類装置を含む装置を示す。容量420、最も好ましくは実質的に3次元の容量は、おそらく有効性の低い次元の容量だが、粒子422を含有する。光の力勾配428を容量420内で発生させて粒子分類を行う。光磁場勾配428を発生させるための1つの態様は、第1ビーム424を第2ビーム426と干渉させることである。第1ビーム424及び第2ビーム426は、干渉して力パターン428を発生させる。前述のように、第1粒子430は底部から頂上部への方向の力に供されるが、第2粒子432は頂上部から底部への力に供される。あるいは、光パターン428は、粒子430、432に対して同方向だが大きさの異なる力を引き起こすことができる。
図21は、多数の自由度を含む、好ましくは自由度3の態様を示す。容量440は、ミラー450の内部にある表面近くの表面に隣接して置かれる粒子442を含有する。光勾配力444を発生して、粒子446のように容量440へと動かされる表面で粒子446を選択する。光の力勾配444は、光ビーム448をミラー450上で光らせることにより発生させることができ、これはビーム448とその反射ビームのあいだで干渉を起こす。
図22は多次元システムを示す。ここで、容量450は粒子を分離するために用いられる。第1粒子452はスライド454の表面に隣接して置かれる。光の強度パターン456は選択された粒子を移動させる。これら移動した粒子は、次に粘性又は接着性マット460に結合させることができ、粒子458を含む。
図23は、分類、特徴付け又は類別のための、複雑なチャネルに基づいたシステムの平面図を示す。入力470は、チャネル472を通り、第1光学分類領域474へと続く。所定のチャネルでの分類は、先に記載したとおりである。分類の出力は、粒子の第1セット478及び粒子の第2セット476となる。粒子の第1セット478は第2光学分類領域480へと流れる。先のように、粒子は第1粒子484と第2粒子482に分類される。次の光学的分類領域486は分類された粒子を出力し、第1出力488及び第2出力490は、次に更なる回収、カウント又は解析へと導かれる。1つの態様において、複雑なシステムは1つ以上のリサイクル又はフィードバックタブ490を含むことができる。前述のように、光の力領域492からの出力は出力7を含むが、更にリサイクル経路494はチャネル472に連結した入力496へと導く。このようなリサイクルシステムは濃縮システムに用いられるであろう。
本明細書に記載されるシステム、特により複雑なシステムは、種々の更なる構造及び機能性を含むことができる。例えば、細胞センサーのようなセンサーを、種々のチャネル、例えばチャネル742に近接して置くことができる。容量センサー、光学センサー及び電気センサーを含む種々のタイプのセンサーが当業者に公知である。複雑なシステムは、供給物質又は収集物質のために用いられる、又は中間の保持リザーバとして用いられる種々の保持容器を更に含むことができる。複雑なシステムは、増幅システムを更に含むことができる。例えば、PCR増幅システムをシステム内に利用することができる。当業者に公知の他の線状又は指数関数的生物増殖方法を統合してもよい。複雑なシステムは、アッセイ又は他の検出スキームを更に含むことができる。カウンターをシステム内に統合してもよい。例えば、出力を流れる粒子又は細胞の数を集計するために、出力に隣接してカウンターを置くことができる。本発明のシステムは、マイクロ電気機械(MEM)技術とともに用いることができる。MEMシステムは、例えばスイッチ、ポンプ又は他の電気的若しくは機械的デバイスを作動するために、マイクロサイズにされた電気的及び機械的デバイスを提供する。このシステムは、場合により、フローセル又はマイクロチャネル上のカバースリップのような種々の格納構造を含むことができる。
コンピューター化ワークステーションは、活性化流体、レーザー(例えば生物学的適用のための近赤外線レーザー)を含有する光プラットホーム並びにデータ解析及び解釈に必要なシステムハードウェアを有する最小化されたサンプルステーションを含むことができる。このシステムは、完全なコンピューター制御下でのリアルタイム解析及び試験を含むことができる。
本発明は、単独で又は他の細胞分離方法とともに用いることができる。細胞を分離し解析する現在の方法には、フローサイトメトリー、密度勾配、抗体パニング、磁気活性化細胞分類(「MACS」)、顕微鏡検査、誘電泳動及び種々の生理学的生化学的アッセイが含まれる。MACS分離は小さな細胞集団でのみ働き、フローサイトメトリーの純度に達しない。蛍光活性化細胞分類(「FACS(商標)」)としても知られるフローサイトメトリーは標識を必要とする。
更に他の態様において、本発明のシステムは、場合によりサンプル調整工程及びそれを行うための仕組みを含むことができる。例えば、サンプル調整工程は、均一なサイズ、例えば半径の粒子を得、続いて光学分類する初期工程を含むことができる。
システムは場合により使い捨て成分を含むことができる。例えば、記載されるチャネル構造を、分離可能な使い捨てのプレートに形成することができる。使い捨て成分は、具体的に制御電子機器、光学構成成分及び制御システムを含むより大きなシステムに使用するために適合されるであろう。流体システムは、使い捨て成分を非使い捨てシステム成分とともに部分的に含むことができる。
図24は、変形性のような目的物の物理的パラメータに基づいた光学分類のためのシステムを示す。光勾配500は粒子502、504を照射することができる。粒子504は粒子502よりも変形性である。その結果、光の力パターン500の周期性により、変形性粒子504は比較的大きな力に供され、光学フィールド500の下でより大きく動く。好ましくは、光学フィールド500は動く光勾配磁場である。あるいは、粒子502、504は光の力500に供され、粒子502、504の構造をモニターすることができる。このようにして、光パターン500に対し粒子の変形性を観察することにより、粒子を同定し、類別し又は分類することができる。
図25は、粒子をサイズにより分類する方法を示す。光の強度パターン510は、より大きな粒子512とより小さな粒子514を照射する。異なる大きさの粒子512、514は異なる力に供される。例えば、より大きな粒子512が光勾配510の2以上の強度ピークに及ぶ場合、粒子はそれに適用される正味の力をもたない。逆に、光強度パターン510の周期よりも小さいサイズを有するより小さな粒子514は、比較的大きな力に供される。分類される粒子のサイズに対して光パターン510の周期を選択することにより、システムはサイズに基づいて有効に分類することができる。1つの方法において、より小さな粒子が最初に除去され、その後比較的大きな粒子が除去されるように1セットの粒子を光の強度の増加する周期に供することができる。このようにして、粒子はサイズにより有効に分類することができる。
力を軽減し改変する方法
システム及び方法は、力を軽減しあるいは力を改変させるための種々の技術を含むことができる。ある種の力はある種の適用に望ましいかもしれないが、他の適用には望ましくない。望ましくない力を軽減又は最小化する技術を選択することにより、望ましい力はより有効に、高感度で及び特異的に望ましい粒子又は条件を分類し又は同定することができる。粒子のブラウン運動はある種の適用には望ましくない状態かもしれない。システムを冷却することにより、ブラウン運動を減少させることができる。システム自体を冷却しても、流体媒体を冷却してもよい。
システム及び方法は、力を軽減しあるいは力を改変させるための種々の技術を含むことができる。ある種の力はある種の適用に望ましいかもしれないが、他の適用には望ましくない。望ましくない力を軽減又は最小化する技術を選択することにより、望ましい力はより有効に、高感度で及び特異的に望ましい粒子又は条件を分類し又は同定することができる。粒子のブラウン運動はある種の適用には望ましくない状態かもしれない。システムを冷却することにより、ブラウン運動を減少させることができる。システム自体を冷却しても、流体媒体を冷却してもよい。
ある種の適用には望ましくない更に他の力は、摩擦力、又は粘着力の他の形態である。表面効果が最小化される場合、種々の技術を利用することができる。例えば、カウンター伝搬ビーム装置を用いて粒子を捕捉し、それらを望ましくない表面との接触から取り除くことができる。あるいは、例えば反射光の使用により、粒子を浮上させることができる(例えば図4、ミラー108を参照されたい)。図4Aは、粒子を浮上させるための代替装置を示す。2つのカウンター伝播光ビームの対立する力を用いて粒子を浮上させ、表面摩擦障壁を軽減させることができる。
摩擦、静止摩擦、静電気並びに細胞及び/又は粒子の運動性を干渉することができる他の表面相互作用を扱う更に他の技術が存在する。例えば、摩擦力及び/又は接着力を調節することができる共有又は非共有化学物質の使用により、表面を処理することができる。表面はよりよい開始表面を提供するために前処理することができる。このような前処理は、プラズマエッチング及びクリーニング、溶媒洗浄及びpH洗浄を単独で又は組み合わせて含むことができる。摩擦力及び接着力を阻害又は最小化する薬剤で表面を官能化することもできる。単一又は複数工程、多層化学を利用してもよい。例として、単層配列に、表面を疎水性にするフルオロシランを用いることができる。2工程、2相化学は、例えば、アミノプロピルシランの後カルボキシ−PEGであり得る。CYTOP(商標)又はパリレン(商標)のようなテフロン(登録商標)フォーマルコーティング剤を用いることもできる。ある種のコーティングは表面の不規則性を軽減させる更なる有用性を有するかもしれない。ある種の場合、官能基を基板自体に導入してもよい。例えば、重合性基板は官能性モノマーを含むことができる。更に、他の誘引に応答性の表面を提供するために、表面を誘導体化することができる。例えば、誘導体化表面は電界のような外部の力に対して応答性であり得る。あるいは、アフィニティ又は他の相互作用を介して選択的に結合するように表面を誘導体化することができる。
表面相互作用を軽減させる更に他の技術は、細胞又は粒子が界面に維持される二相性媒体を利用することである。PEG−デキストランのような水性ポリマー溶液を2相へ分配する。細胞が優先的に一方の相へ分配された場合、光学勾配下で細胞は有効に界面で浮遊しているであろう。
誘電率を増強又は変化させる方法
場合により、本発明の装置及び方法に供する粒子は標識してもしなくてもよい。標識する場合、標識は典型的には粒子又は新規粒子(即ち、初期粒子と標識が1つの新規粒子として働く)の誘電率を変化させるか又は誘電率に寄与するものであろう。例えば、金標識又はダイヤモンド標識は、最も典型的な粒子の誘電率を有効に変化させるであろう。
場合により、本発明の装置及び方法に供する粒子は標識してもしなくてもよい。標識する場合、標識は典型的には粒子又は新規粒子(即ち、初期粒子と標識が1つの新規粒子として働く)の誘電率を変化させるか又は誘電率に寄与するものであろう。例えば、金標識又はダイヤモンド標識は、最も典型的な粒子の誘電率を有効に変化させるであろう。
更に他のシステムは、表現可能な誘電率の変化を含むことができる。例えば、表現可能なタンパク質又は発現したとき細胞若しくはシステムの誘電率を変化させる他の物質を含有するように遺伝子配列が存在し、又は改変されることができる。媒体の誘電率を合わせる他の方法は、温度を変えること、電界を適用すること、光学フィールドを適用すること等により誘電率を変化させることができる流体チャンバー中に単一媒体を有することである。他の例は、媒体に水溶性液晶、ナノ粒子、量子ドットなどのような高度複屈折分子をドープすることであろう。複屈折分子の場合、光ビームを見る屈折の指標は、電界の大きさ及び方向を変えることにより変化し得る。
感受性を増加させる方法
所定の強度勾配に関し、粒子に対する力を最大限にすることは、粒子と媒体との誘電率の差を最小限にする必要があることを示唆する。しかしながら、適用に感受性が必要な場合、媒体の誘電率が分類される粒子の誘電率と近くなるように媒体を選択する必要がある。例として、分類される粒子集団が1.25〜1.3の誘電率範囲を有する場合、その範囲に近い(又は同等の)誘電率を選択することが望ましいであろう。細胞に関しては、誘電率の具体的な範囲は1.8〜2.1であろう。10%以内の誘電率、より好ましくは5%以内の誘電率が好都合であろう。粒子集団に対する力の大きさの絶対値は誘電率が媒体の誘電率と顕著に異なる場合よりも低いが、その結果の粒子の動きにおける差は媒体の誘電率が集団中の粒子の誘電率範囲に近いときよりも大きい。当初この技術の増加した感受性を利用する一方で、分離が始まると、媒体の誘電率を粒子又は粒子収集物の誘電率からより実質的な差へ変化させることにより力を増加させることができる。上記のように、媒体の誘電率を粒子集団の誘電率の範囲内で選択することが可能である。この例では、媒体の誘電率よりも高い誘電率を有する粒子は1方向に力を受けるが、媒体の誘電率よりも低い誘電率を有する粒子は逆方向に動く力を受けるであろう。
所定の強度勾配に関し、粒子に対する力を最大限にすることは、粒子と媒体との誘電率の差を最小限にする必要があることを示唆する。しかしながら、適用に感受性が必要な場合、媒体の誘電率が分類される粒子の誘電率と近くなるように媒体を選択する必要がある。例として、分類される粒子集団が1.25〜1.3の誘電率範囲を有する場合、その範囲に近い(又は同等の)誘電率を選択することが望ましいであろう。細胞に関しては、誘電率の具体的な範囲は1.8〜2.1であろう。10%以内の誘電率、より好ましくは5%以内の誘電率が好都合であろう。粒子集団に対する力の大きさの絶対値は誘電率が媒体の誘電率と顕著に異なる場合よりも低いが、その結果の粒子の動きにおける差は媒体の誘電率が集団中の粒子の誘電率範囲に近いときよりも大きい。当初この技術の増加した感受性を利用する一方で、分離が始まると、媒体の誘電率を粒子又は粒子収集物の誘電率からより実質的な差へ変化させることにより力を増加させることができる。上記のように、媒体の誘電率を粒子集団の誘電率の範囲内で選択することが可能である。この例では、媒体の誘電率よりも高い誘電率を有する粒子は1方向に力を受けるが、媒体の誘電率よりも低い誘電率を有する粒子は逆方向に動く力を受けるであろう。
散乱力システム
粒子を分類するために、散乱力を単独で、又は動く光磁場勾配によって供給されるような光勾配力とともに、利用することが可能である。図26は、レーザー520及び光ビームを平行にするレンズ522を含むシステムの前及び後描写を示す。キャピラリ524は、好ましくはその軸に沿って照射を受ける。1セットの粒子、第1粒子526と第2粒子528は、光ビームによって照射され、異なる散乱特性に応じて異なる散乱力に供される。異なる力により、第2図に示すように、第1粒子526’は第2粒子528’よりも短い距離を動く。このようにして、光の力、特に光散乱力は粒子の分離に利用することができる。
粒子を分類するために、散乱力を単独で、又は動く光磁場勾配によって供給されるような光勾配力とともに、利用することが可能である。図26は、レーザー520及び光ビームを平行にするレンズ522を含むシステムの前及び後描写を示す。キャピラリ524は、好ましくはその軸に沿って照射を受ける。1セットの粒子、第1粒子526と第2粒子528は、光ビームによって照射され、異なる散乱特性に応じて異なる散乱力に供される。異なる力により、第2図に示すように、第1粒子526’は第2粒子528’よりも短い距離を動く。このようにして、光の力、特に光散乱力は粒子の分離に利用することができる。
図27A、27B及び27Cは、散乱力スイッチを表す。第1入力530は、チャネルを介して第1出力536と連結する。第2入力532はチャネルを介して第2出力538と連結する。2つのチャネルは、それらのあいだに流体の連結部を提供することにより、オーバーラップする。操作において、入力1に連結したチャネル530から出力2を含有するチャネル538まで粒子を逸脱させることで、入力1に入る粒子530は散乱力スイッチ540により切り替えることができる。散乱力スイッチは、光勾配力システム、特に本明細書に記載される動く光勾配力システムとともに用いることができる。
静止系
図28は粒子の誘電率を測定するためのシステムを示す。誘電率を有する粒子558は、異なる誘電率を有する異なる媒体に供することができる。図示するように、第1容器550、第2容器552から最終容器554まで、それぞれ誘電率ε1、ε2...εnを有する媒体を含有する。粒子558を光勾配力556で照射し、動きを観察することにより、粒子の誘電率を決定することができる。媒体の誘電率が粒子の誘電率と等しい場合、光照射556による力はかからない。逆に、粒子の誘電率と媒体の誘電率とのあいだに差がある場合、光照射556による光の力が粒子にかかるであろう。異なる誘電率の媒体を図28に示すように供給してもよい。その場合、複数の容器550、552...554が提供される。あるいは、例えば滴定システムの使用により、粒子を変化する誘電率に長時間供してもよい。実施態様において、滴定は、流体の誘電率を長時間変化させることにより、例えば異なる誘電率を有する流体を混合することにより、好ましくはチューブに対する注入口で、又はステッププロファイルのような変化する誘電率プロファイルを提供することにより、粒子を含有するチューブ内で達成することができる。更に、粒子の誘電率は、例えば異なる媒体中の粒子に対する力に関して2つ以上のデータポイントが得られる場合、補間により概算することができる。そして力が存在しない期待誘電率が決定される
図29は、分離が起こる静止系を示す。光パターン560は第1粒子562と第2粒子564を照射する。第1粒子562の誘電率が媒体の誘電率よりも低い場合、より低い強度の領域に向かって粒子が動く。逆に、第2粒子564が媒体の誘電率よりも大きな誘電率を有する場合、粒子はより高い強度の領域に向かって動くであろう。その結果、第1粒子562と第2粒子564は逆方向の力に供される。接近させることにより、これらは互いに離れるであろう。
図28は粒子の誘電率を測定するためのシステムを示す。誘電率を有する粒子558は、異なる誘電率を有する異なる媒体に供することができる。図示するように、第1容器550、第2容器552から最終容器554まで、それぞれ誘電率ε1、ε2...εnを有する媒体を含有する。粒子558を光勾配力556で照射し、動きを観察することにより、粒子の誘電率を決定することができる。媒体の誘電率が粒子の誘電率と等しい場合、光照射556による力はかからない。逆に、粒子の誘電率と媒体の誘電率とのあいだに差がある場合、光照射556による光の力が粒子にかかるであろう。異なる誘電率の媒体を図28に示すように供給してもよい。その場合、複数の容器550、552...554が提供される。あるいは、例えば滴定システムの使用により、粒子を変化する誘電率に長時間供してもよい。実施態様において、滴定は、流体の誘電率を長時間変化させることにより、例えば異なる誘電率を有する流体を混合することにより、好ましくはチューブに対する注入口で、又はステッププロファイルのような変化する誘電率プロファイルを提供することにより、粒子を含有するチューブ内で達成することができる。更に、粒子の誘電率は、例えば異なる媒体中の粒子に対する力に関して2つ以上のデータポイントが得られる場合、補間により概算することができる。そして力が存在しない期待誘電率が決定される
図29は、分離が起こる静止系を示す。光パターン560は第1粒子562と第2粒子564を照射する。第1粒子562の誘電率が媒体の誘電率よりも低い場合、より低い強度の領域に向かって粒子が動く。逆に、第2粒子564が媒体の誘電率よりも大きな誘電率を有する場合、粒子はより高い強度の領域に向かって動くであろう。その結果、第1粒子562と第2粒子564は逆方向の力に供される。接近させることにより、これらは互いに離れるであろう。
図30は、複数の光ピンセットを好ましくはアレイに使用するために、例えば物質を動かすためのシステムを示す。基板570は、物質を置くことができる1種以上の部位572を含有してもよい。物質は、粒子、細胞、又は分離又は動かすべき他の物質を含むことができる。光ピンセットアレイは、光サークル576として示すもののような物質を選択的に動かすことができ、これらの物質を基板570の更に別の部分、例えばアレイ574へ動かすことができる。あるいは、光ピンセットアレイは、アレイ572全体を照射することができ、そして選択的に物質を動かすことができる。これにより、光ピンセットアレイが基板570上のアレイ572から粒子576、578を分離するのに十分な力を提供する。例えば、粒子は相補的核酸のように結合メカニズムを有することができ、これは粒子を基板570へ選択的に結合させる。
図31は、ヘモグロビン−O2吸収に関し、波長の関数としてモル吸光係数のグラフを示す。ある種の分類適用に関し、吸収ピークで又はその近傍で照射するように波長を選択することが望ましいかもしれない。例えば、500,000モル吸光係数ピークで波長を選択することが望ましいかもしれない。あるいは、第2ピーク、例えば実質560nm又は実質585nmのピークを選択することが望ましいかもしれない。
第1装置は、光学泳動実験のための動く干渉縞ワークステーションである。高出力、2.5ワット、Nd−YAGレーザー(A)は、近IR、1064nm波長光源である。干渉縞パターンは、ミラー(1)からの平行レーザービームを、プリズムビームスプリッター(2)と注意深く配列させたミラー(3)で形成されたマイケルソン干渉計を通して向けることにより発生させる。可変位相差板(4)は持続的に動かすための干渉縞パターンを起こす。この干渉縞パターンは、パターンを顕微鏡対物レンズの背面焦点面を満たすサイズにするために潜望鏡(5)により望遠鏡(5a)と(5b)を通して向けられ、次に分類すべきサンプルを保持する流体チャンバー中に動く干渉縞パターンの画像をつくるために、ダイクロイックビームスプリッター(6)により、20倍の顕微鏡対物レンズ(7)を通して向けられる。第2の60倍の顕微鏡対物レンズ(8)は、流れる細胞をCCDカメラで撮像し、分類実験の可視化を提供する。光ファイバー照明器(9)は、ダイクロイックビームスプリッター(6)を通して流体チャンバー中のサンプルに対し照明を提供する。流体チャンバーは、XYZ−移動ステージにより2つの顕微鏡対物レンズ間に置かれる。
含まれ得る更なる又は異なる成分があることが当業者に理解されるであろう。例えば、必要な場合、更なるミラー又は他の光学経路成分を用いてビームを「操縦」してもよい。必要に応じて、ビームを拡張し、平行にするための種々の光学成分を用いてもよい。図5に示す装置において、レーザーは更なるミラーを用いてレーザービームを空間フィルターに向け、よく平行化したガウスビームを産生し、そしてマイケルソン干渉計に向けられる。
第2の装置は、近IR光周波数で、600mWの超低ノイズNd−YAGレーザー(B)を光源として用いて、細胞及び粒子の誘電性を測定し比較するためのワークステーションである。光学装置の残りは、動く干渉縞を発生させるための干渉計がないことを除き、動く干渉縞ワークステーションと同様である。かわりに、単一の部分的に集束した照射スポットが流体チャンバー内で結像している。細胞とこの照射フィールドとの相互作用は、近IR光周波数での細胞の誘電率の測定を提供する。
例示的適用
ハイスループット生物学
本発明の方法及び装置は、医薬及びライフサイエンス研究におけるハイスループット生物学での使用に適した堅調な細胞解析システムを可能にする。このシステムは、より高性能で低コストの光学デバイスをシステムに用いて製造することができる。完全に統合されたハイスループット生物学、細胞解析ワークステーションは、薬物の発見、毒性学及びライフサイエンス研究での使用に適している。こうしたシステムは、生来の光誘電性を含む生来の特性に基づいた特定細胞の迅速な同定、選択及び分類のためのデバイスに光学泳動技術を統合させることにより、薬物発見工程並びに細胞の特徴付け、分離及び解析を大幅に改革するための進歩した光学技術を利用してもよい。更に、この技術はそのような生来の特性の認定に基づいているため、標識を必要とせず、非常に単純化され、試験工程を加速させている。採用するレーザーは、好ましくは生物学的に適合性のある赤外線波長であり、細胞自体にほとんどあるいは全く影響せずに、正確な細胞の特徴付け及び操作を可能にしている。この技術はポストゲノム時代に適している。その際、細胞内分子の設計/組み立て(DNA、RNA及びタンパク質)と特定の細胞内変化(増殖、分化、組織形成及び死)との相互関係は健康と疾患の基本的な理解に非常に重要である。
ハイスループット生物学
本発明の方法及び装置は、医薬及びライフサイエンス研究におけるハイスループット生物学での使用に適した堅調な細胞解析システムを可能にする。このシステムは、より高性能で低コストの光学デバイスをシステムに用いて製造することができる。完全に統合されたハイスループット生物学、細胞解析ワークステーションは、薬物の発見、毒性学及びライフサイエンス研究での使用に適している。こうしたシステムは、生来の光誘電性を含む生来の特性に基づいた特定細胞の迅速な同定、選択及び分類のためのデバイスに光学泳動技術を統合させることにより、薬物発見工程並びに細胞の特徴付け、分離及び解析を大幅に改革するための進歩した光学技術を利用してもよい。更に、この技術はそのような生来の特性の認定に基づいているため、標識を必要とせず、非常に単純化され、試験工程を加速させている。採用するレーザーは、好ましくは生物学的に適合性のある赤外線波長であり、細胞自体にほとんどあるいは全く影響せずに、正確な細胞の特徴付け及び操作を可能にしている。この技術はポストゲノム時代に適している。その際、細胞内分子の設計/組み立て(DNA、RNA及びタンパク質)と特定の細胞内変化(増殖、分化、組織形成及び死)との相互関係は健康と疾患の基本的な理解に非常に重要である。
光学泳動技術は細胞に基づいたアッセイの性質を変化させている。適用には細胞の特徴付け及び分類に関する全ての方法が含まれるであろう。この技術は分子及び細胞生理学の領域にも多様な適用を与える。光学泳動技術は、光誘電性を含む細胞自体の基本的な特性にも関する。細胞の光学泳動特性は、細胞タイプにより、そして外部刺激に応じて変化する。こうした特性は、細胞の全体的な生理学的状態を反映する。活性細胞は同種の静止細胞と異なる誘電性を有する。がん細胞は、正常な対応細胞とは異なる光学泳動特性を有する。ほとんど全ての薬物は細胞自体に直接的な効果を有するように最終的に標的指向しているため、これらの細胞特性は、薬物の発見及び医薬研究にも有効に用いることができる。換言すれば、特定の分子標的に作用するように設計された薬物は、細胞の正味の誘電電荷を変化させるため、最終的に細胞特性に対してその効果を表すであろう。したがって、薬物活性又は毒性に関する細胞の迅速なスクリーニングはこの技術の用途であり、ハイスループット生物学と呼ばれるかもしれない。他の主な適用には薬物開発及び医薬研究が含まれる。
ヒトゲノムプロジェクト及び他の関連ゲノムプログラムは、改善された薬物開発及びスクリーニング技術のために莫大な需要を提供するであろう。最新式の細胞アプローチは、新規薬物標的の費用効率が高い機能的なスクリーニングに必要とされるであろう。同様に、ゲノムプロジェクトからの情報は、それぞれよく特徴づけされた細胞内物質に対するアクセスを必要とする、組織及び臓器工学の改善された方法に対する需要を作り出すであろう。さらに、この情報からの光学技術及び電気通信産業は、改善された光学的細胞選択及び分類のためのシステムハードウェアを提供するであろう。当初電気通信適用のために開発された高出力近赤外線及び赤外線レーザーに関する価格/性能比は、顕著に改善され続けている。加えて、種々の新たな波長を有する、古い種類よりも概して非常に高出力な固相ダイオードレーザーを用いてもよい。面発光型半導体レーザー(「VCSEL」)は、パワー出力の増加したダイオードレーザーのアレイを非常に妥当なコストで提供する。
コンピュータ化したワークステーションは、活性な流体光学を有する最小化したサンプルステーション、近赤外線レーザーを含有する光学プラットホーム、及びデータ解析及び解釈のための必要なシステムハードウェアで構成される。このシステムは、完全コンピュータ制御下のリアルタイム解析及び試験を含む。この技術の主要な適用には、特に複雑なバックグラウンドからの異なる細胞の同定及び分離のための細胞の特徴付け及び選択が含まれる。
重要なことは、標識していない、生理学的に正常で、完全な試験細胞がシステムに用いられるであろう。光学フィールドにより類別され分類された細胞を有するサンプルは迅速に分析され、これにより、薬物応答の特徴付け、及び毒性又は薬物有効性の他の基準の同定を可能にする。種々の薬物試験結果及び病態にユニークに関連する細胞の光学泳動特性の特徴づけは、本発明の一部である。これら新規パラメータの同定は有用な情報を構成する。
種々の点で総合システムは:標識を使用せず、細胞を障害しない細胞の同定、選択及び分離;複雑な細胞の解析及び分離タスクの簡便で有効な実行:細胞が試験され操作されているときのリアルタイムの観察;後で使用するためのカスタム細胞分類プロトコールの確立;複雑なバックグラウンドからの希少細胞の単離;希少細胞(例えば幹細胞、脆弱細胞、腫瘍細胞)の精製及び濃縮;細胞の表現型の遺伝子型への容易なリンク;正確で光学的な制御下での細胞−細胞相互作用の研究;及びサンプル処理及び分析の最初から最後までの制御を可能にするかもしれない。
この技術は、現在のアッセイを最小化し、スループットを増加させ、単位コストを軽減させる細胞アレイを構築するためのユニークで価値のあるアプローチを与える。単一細胞(又は細胞の小集団)に基づくアッセイは最小化を可能にし、細胞機能及び薬物や他の刺激に対する応答に関してより詳細な研究を可能にするであろう。これは、単一細胞アッセイのパラレルハイスループット処理を行うための細胞アレイ又は細胞チップを可能にするであろう。細胞チップ製造の標準化も可能にするであろう。これは、種々の異なる細胞タイプに適用可能な細胞チップを作製するためのより高率な方法を与える。
哺乳動物細胞培養は、研究(例えば、新規な細胞産生化合物の開発及び特定タンパク質の産生が可能な新規細胞株の作製)及び開発(例えば、更なる研究及び試験のために高度に特異的なタンパク質の産生が可能なモノクローナル細胞株の開発)に重要な領域の1つである。哺乳動物細胞培養は、新規生物医薬を商業規模で産生するための重要な技術でもある。
研究者が薬物標的、化合物又はワクチンを同定したとき、哺乳動物細胞培養は、更なる研究開発に必要な量を産生するために重要な技術となる。現在70を超える認可されたバイオテクノロジー医薬があり、350を超えるこれら化合物が試験中であり、200を超える疾患を標的としている。
光学的な細胞の特徴付け、分類及び解析技術は、新規タンパク質又は生物医薬化合物を産生するかどうか、及びタンパク質又は化合物の収率に照らして、哺乳動物細胞株の選択及び分離に有用であろう。細胞収率は、製造者が市販量の新規バイオテクノロジー薬物を産生するために確立する必要がある植物サイズを決定する際の主要因子である。
次に適用のより具体的な議論に入る。第1に分離用途、第2にモニタリング用途に関する。
分離用途
赤血球から白血球。赤血球が体内に酸素を移送するのに対し、白血球は免疫反応を担う血液の構成成分である。白血球は、よりよい寛容性のため及び感染の危険を軽減させるために輸血前に赤血球から除去されることが必要である。分析又は操作用の白血球の濃縮集団を得るために赤血球を除去することも重要であることが多い。光学泳動は、単一集団を必要とする適用に用いるために、これら2つの異なる細胞集団を互いに分離することを可能にする。
分離用途
赤血球から白血球。赤血球が体内に酸素を移送するのに対し、白血球は免疫反応を担う血液の構成成分である。白血球は、よりよい寛容性のため及び感染の危険を軽減させるために輸血前に赤血球から除去されることが必要である。分析又は操作用の白血球の濃縮集団を得るために赤血球を除去することも重要であることが多い。光学泳動は、単一集団を必要とする適用に用いるために、これら2つの異なる細胞集団を互いに分離することを可能にする。
成熟赤血球由来の細網赤血球。通常非常に低レベルで見出される未成熟赤血球である細網赤血球は、上昇したレベルで発見されるとき、病態の指標となり得る。この適用は、分離及び全血由来の細網赤血球レベルの列挙に光学泳動を用いるであろう。
臨床治療適用、例えば妊婦の循環由来の胎児幹細胞。臨床治療適用には、細胞に基づいた治療及び臨床診断が含まれる。妊婦血液からの胎児細胞の成功した単離は、非侵襲性の方法で得ることが可能な胎児のDNA源を意味する。現在、世界中の多くの研究者が、胎児細胞が妊婦の循環中に存在し、遺伝子解析で検索できることを証明している。胎児細胞の単離における主要な現在の挑戦には、標的胎児細胞タイプの選択、細胞の選択及び単離、細胞が単離された場合の遺伝子解析手段が含まれる。妊婦の血液サンプルを用いて、システムは母親の血液中を循環する希少な胎児細胞を同定することができ、95%以下の出生前遺伝子異常、例えばダウン症候群、を説明する遺伝子障害の診断を可能にする。細胞に基づいた治療とは診断手順に類似する手順を意味するが、臨床目的は幾分広い。妊娠中、少量の胎児細胞が妊婦の循環に入る。光学泳動を用いてこれらの細胞を精製することにより、1人の妊婦の血液サンプルから種々の遺伝子異常の出生前診断が可能になるであろう。
臨床治療適用、例えば幹細胞の単離。幹細胞の単離の目的は、移植用の幹細胞移植片から幹細胞を精製すること、即ち同種移植片中のT細胞を除去すること(ドナーとレシピエントが同一人物でない場合)及び自家移植片中のがん細胞を除去すること(ドナーとレシピエントが同一人物の場合)である。現在、幹細胞技術にはいくつかの欠点がある。例えば、現在有用なシステムを用いて得られる幹細胞の回収効率は、65〜70%のオーダーである。加えて、現在の方法は、移植手順に有益な100%純度を提供しない。
血液由来の腫瘍細胞。微小残存病変(MRD)試験。 国立がん研究所(NCI)は、今日生存しているおよそ840万人のアメリカ人ががん履歴を有し、2000年には120万人を超える新たながん症例が診断されたと概算している。NCIは、1990年以来、非侵襲性及び皮膚偏平上皮癌を除き、およそ1300万人の新たながん症例が診断されたとも推定している。光学泳動技術は、播種性がん細胞を検出し、定量化し特徴付けることができる正確な、再現性のある、標準化された技術;高度に特異的且つ感受性のある免疫細胞技術;より高速の細胞分類;及び生存がん細胞を特徴づけ、更なる解析のために単離できる技術、を含むよりよいがんスクリーニングのための主要なまだ満たされていない必要性のいくつかを指向する。
その疾患の種々の形態を有する患者の血液中を循環するがん細胞を、特に転移が起こったときに少量発見できる。血液中の腫瘍細胞の存在を、がんの診断のため又は種々の治療プロトコールの成否を理解するために用いることができる。このような腫瘍細胞は非常に稀であり、正確に診断するために十分な細胞を得るには、光学泳動のように血液から濃縮する手段を採用することが必要であろう。これに関連する光学泳動の他の適用は、がん患者に自家移植を施すために用いる前に腫瘍細胞を血液又は幹細胞産物から除去することであろう。
臍帯血由来胎児幹細胞。新生児由来の臍帯は一般に幹細胞が豊富な血液を含有する。臍帯血物質は通常出生時に廃棄されるが、臍帯血バンクに学術的及び個人的関心がはらわれており、このような廃棄物質を自家又は同種幹細胞置換に用いることができる。光学泳動による臍帯血幹細胞の濃縮は少量の物質の貯蔵を可能にし、患者又は他のホストに容易にもどすことができるであろう。
肝臓、神経組織、骨髄等由来の成人幹細胞。多くの成熟組織が、ex vivoで操作され、障害組織を再集団化(repopulate)するために患者に再導入できる不死幹細胞の小さな亜集団を有することがだんだんわかってきている。光学泳動を用いてこの非常に少ない成人幹細胞を精製することができ、細胞療法適用に用い得る。
膵臓由来島細胞。インスリン産生の欠如による糖尿病に罹患するヒトに対し、機能を回復させるために健常な膵臓由来のインスリン産生β島細胞を移植することが提案されている。これらの細胞はドナーの全膵臓のほんの小さな画分を形成する。光学泳動は島細胞を濃縮する方法を提供し、この移植用特定細胞タイプを調整するのに有用であろう。
活性化B又はT細胞。免疫応答のあいだ、特異的抗原を標的とするT又はB白血球サブセットが活性化する。これらの特異的活性化細胞は、ex vivo増殖して免疫療法産物として適用するため、あるいは活性化B又はT細胞は好ましくない免疫応答、例えば臓器拒絶反応、又は狼瘡若しくは関節リウマチのような自己免疫疾患を患者に起こすことができるので、排除されるために使用する別の成分として必要とされるかもしれない。光学泳動は、濃縮し患者に戻すため又は病理的破壊をもたらす細胞を廃棄するために、活性化細胞を得るための方法を提供する。
樹状細胞。樹状細胞は、T細胞介在免疫応答を確立するのに重要な白血球のサブセットである。バイオ及び医薬企業は、特異的活性化T細胞応答を産生するために、樹状細胞を回収し、適切な抗原とともにex vivoで用いる方法に取り組んでいる。光学泳動は、このような研究のために非常に多くの樹上細胞の単離を可能にするであろう。
HPRT-細胞。ヒポキサンチン−グアニン ホスホリボシルトランスフェラーゼ(HPRT)は多くの血液細胞に存在する酵素であり、ヌクレオシド排除経路に関与している。内因性遺伝子変異又は外因性突然変異誘発物質に対する曝露により高変異率を有するヒトは、この遺伝子に変異が起こっていることを示すHPRT欠失細胞(HPRT-)に関してスクリーニングすることができる。HPRTシステムを経た化合物によるスクリーニング後の光学泳動により、HPRT-細胞を容易に選択しその数を定量化することができる
生きた又は動く精子。およそ12%の夫婦は、ある種の補助又は療法がなければ妊娠できない。このうち約30%のケースでは、男性のみに原因がある。更に20%のケースでは、男性と女性の要因が同定され得る。したがって、概算で50%のケースにおける受精困難は、男性の要因が部分的に原因である。子どもをもつ能力を欠いている15〜44歳の女性の数は600万人を超えている。最近種々の試験により精液分析が行われており、この分析は数、量、pH、粘度、運動性及び形態を含む多くのパラメータに基づいている。現在、精液分析は主観的な手動分析である。精液分析の結果は、男性に夫婦の不妊の原因があるかどうかを常に明確に示すわけではない。運動性精子を単離するための勾配遠心は不十分な工程である(回収率10〜20%)。子宮内受精(IUI)及び体外受精(IVF)に用いられる動く精子を単離するための勾配遠心、又はIVF及び卵細胞質内精子注入法(ICSI)に用いられる形態的に正常な精子を単離するための目視検査及び選択により精子選択は達成される。米国では毎年600,000人の男性が不妊に関する医療補助を求めている。
生きた又は動く精子。およそ12%の夫婦は、ある種の補助又は療法がなければ妊娠できない。このうち約30%のケースでは、男性のみに原因がある。更に20%のケースでは、男性と女性の要因が同定され得る。したがって、概算で50%のケースにおける受精困難は、男性の要因が部分的に原因である。子どもをもつ能力を欠いている15〜44歳の女性の数は600万人を超えている。最近種々の試験により精液分析が行われており、この分析は数、量、pH、粘度、運動性及び形態を含む多くのパラメータに基づいている。現在、精液分析は主観的な手動分析である。精液分析の結果は、男性に夫婦の不妊の原因があるかどうかを常に明確に示すわけではない。運動性精子を単離するための勾配遠心は不十分な工程である(回収率10〜20%)。子宮内受精(IUI)及び体外受精(IVF)に用いられる動く精子を単離するための勾配遠心、又はIVF及び卵細胞質内精子注入法(ICSI)に用いられる形態的に正常な精子を単離するための目視検査及び選択により精子選択は達成される。米国では毎年600,000人の男性が不妊に関する医療補助を求めている。
男性の不妊症の原因の1つは、生きた及び/又は動く精子の割合が十分でないことにある。光学泳動を用いて生きた及び/又は動く精子を分離することができ、その数を濃縮することにより、より高率で受精を達成することができる。この適用は、Xを有する精子とYを有する精子を分離することにも用いることができるであろう。逆に、経済的な理由から動物の一方の性が広く好まれる場合(例えば、乳牛は雌であることが必要であるが、肉牛は雄であることが好ましい)の動物適用において妊娠を誘発させるために選択的に用いられるであろう。
種々の化合物をもつリポソーム。医薬産物の治療的送達における近年の様式は、送達媒体としてリポソームを用いることである。光学泳動を用いて、種々の薬物レベルのリポソームを分離し、濃縮することが可能なはずである。その際、薬物が最も濃縮される。
組織工学、例えば脂肪細胞からの関節組織前駆体。組織工学は、伝統的な合成インプラントに代わって用いることができる組織置換のための生体代用品を開発するための生細胞の使用に関与する。ヒト組織又は器官の機能損失は、患者及び家族にとって衝撃的な問題である。組織工学の目標は、新たな組織を設計し、体外で増殖させ、そして体内に移植することである。
近年の報告は、ヒト脂肪組織に見られる細胞をex vivoで用いて、ヒトの関節の障害を修復するための移植物質として用いることができる軟骨組織を産生することができることを証明している。光学泳動を用いて、ex vivo増殖及び最終的な組織工学療法のために軟骨組織形成細胞を脂肪組織中の他の細胞から精製することができる。
少数細胞のナノ操作。多くの実験工程における近年の微細化は、多くの実験分析をより小さなプラットホームに置き、「チップ上の実験」アプローチへの発展している。このような環境では溶液中での生体分子の操作がルーチンとなっているが、マイクロチャネルや他のナノデバイス中での少数細胞の操作はあまり達成されていない。光学泳動は細胞をマイクロチャネル中で移動させ、チップ上で適切な工程を有する領域に指向させることを可能にするであろう。
細胞内オルガネラ;ミトコンドリア、核、ER、マイクロソーム。細胞内構成成分は、細胞質及びミトコンドリア、核などの多くのオルガネラから成る。これらオルガネラの数又は物理的特性の変化を用いて細胞自体の生理の変化をモニターすることができる。光学泳動は、特定のタイプ、形態又は特定オルガネラ数を有する細胞の選択及び濃縮を可能にする。
BSEアッセイ用ウシ細網赤血球。細網赤血球の細胞内成分、EDRFは、BSE (ウシ海綿状脳症)に感染したウシ細網赤血球においてレベルが上昇することが報告されている。血液中の細網赤血球は一般に低レベルである。したがって、光学泳動の使用は細網赤血球の濃縮を可能にし、EDRFのmRNA又はタンパク質の定量化による診断テストの精度を上昇させるであろう。
モニタリング
増殖/分裂細胞と静止細胞。種々の増殖因子又は増殖条件により、細胞増殖を刺激することができる。細胞増殖に関する多くのアッセイは、外部標識試薬の添加を必要とし及び/又は細胞増殖を明示できる前の培養にかなりの時間を必要とする。光学泳動を用いることにより、分裂を開始した細胞を同定し、所定の細胞集団のうちのどれくらいが増殖相にあるかを計算する迅速な方法を提供するであろう。細胞周期の異なる部分にある細胞は異なる光学特性を有するはずであり、これらを用いて、細胞周期のどこにあるかで細胞を分類し、又は全細胞集団のどの画分が細胞周期のどの位置にあるかを決定することができる。
増殖/分裂細胞と静止細胞。種々の増殖因子又は増殖条件により、細胞増殖を刺激することができる。細胞増殖に関する多くのアッセイは、外部標識試薬の添加を必要とし及び/又は細胞増殖を明示できる前の培養にかなりの時間を必要とする。光学泳動を用いることにより、分裂を開始した細胞を同定し、所定の細胞集団のうちのどれくらいが増殖相にあるかを計算する迅速な方法を提供するであろう。細胞周期の異なる部分にある細胞は異なる光学特性を有するはずであり、これらを用いて、細胞周期のどこにあるかで細胞を分類し、又は全細胞集団のどの画分が細胞周期のどの位置にあるかを決定することができる。
アポトーシスを起こした細胞。プログラム細胞死又はアポトーシスを受けている細胞を用いて、特定薬物又はこのイベントをもたらす他の現象を同定することができる。光学泳動を用いて、どの細胞がアポトーシスを受けているかを同定することができ、この知識を用いて新規分子又はアポトーシスを促進する細胞の条件若しくは相互作用をスクリーニングすることができる。
膜チャネルが開口した細胞;膜電位の変化。多くの細胞タイプの外膜は、イオンや低分子の細胞内外への通過を促進するチャネルを含有する。このような分子の移動は、電位の変化、セカンドメッセンジャーレベルの変化等のように、細胞内に更なる変化をもたらすことができる。こうした変化に関する知識は、膜チャネル活性を調節する化合物に関する薬物スクリーニングに有用であり得る。光学泳動を用いて、膜チャネルが外部化合物によりいつ混乱するかを示すことができる。
生細胞と死細胞。生細胞か死細胞を同定し定量化することを必要とする多くの用途がある。光学泳動を用いることにより、死細胞を同定し、カウントすることができる。
ウイルス感染細胞。CMV、HIV等に関するものを含め、ウイルス感染細胞を測定することが重要な多くの診断用途がある。光学泳動を用いて、ウイルス感染細胞を感染していない細胞から区別することができる。
ウイルス感染細胞。CMV、HIV等に関するものを含め、ウイルス感染細胞を測定することが重要な多くの診断用途がある。光学泳動を用いて、ウイルス感染細胞を感染していない細胞から区別することができる。
異常な核を有する細胞又はDNA含量が上昇した細胞。腫瘍細胞の顕著な特徴の1つは、過剰なDNAを含有し、核が異常なサイズ及び/又は形状となることであろう。異常量のDNA及び/又は核構造を有する細胞集団の核含量に合わせた光学泳動を用いることにより、同定され、この情報をがん患者の診断又は予防指標として用いることができる。
抗体を結合させた細胞。ユニークなタンパク質及び/又は細胞のタイプを定義する細胞マーカーを特定する多くの市販の抗体がある。多くの診断用途は、どの抗体がその表面に結合するかを同定することによる細胞タイプの特徴付けに依拠している。光学泳動を用いて、いつ細胞が特異的抗体と結合するかを検出することができる。
リガンド、ペプチド、増殖因子が結合した細胞。多くの化合物及びタンパク質が特定細胞タイプの表面上の受容体に結合する。このようなリガンドは、次に細胞内部を変化させる。多くの薬物スクリーニングはこのような相互作用を探す。光学泳動は、外因性の大小の分子の細胞外への結合をモニターし、化合物が結合したことによる細胞内の生理学的変化を測定する手段を提供する。
抗体に曝した後のバクテリアの生存率。微生物は、感染生物を殺し続ける適切な治療を決定するために、多種多様の抗生物質に対する感受性を試験されることが多い。光学泳動を用いて、抗生物質に曝した後のバクテリア細胞の生存率及び増殖停止をモニターすることができる。
NCI 60パネル上での薬物スクリーニング。化学療法剤として用いるのに好ましい特性を有するかもしれない化合物を決定するためのスクリーニングツールとして、60の腫瘍細胞株のパネルが国立がん研究所により確立されている。60の細胞株全てを配列させ、次にそれらを公知及び新規の化学物質と反応させ、細胞株の化学物質に対する応答性をモニターするために光学泳動を用いることが可能なはずである。
細胞骨格変化に関する細胞。細胞骨格は、細胞の内部構造を完全なまま維持する構造タンパク質の複合体である。タキソール、ビンクリスチンなどのような多くの薬物は、温度のような他の外部刺激とともに、細胞骨格を分裂し破壊することが知られている。光学泳動は、細胞骨格の混乱に関し、細胞集団をモニターする手段を提供する。
細胞表面又は他のビーズとの相互作用を測定するための、化合物が結合したビーズ。マイクロスフェアと細胞又は他の化合物との相互作用が多くのin vitro診断用途に用いられている。化合物をビーズに結合させてもよく、ビーズと細胞との相互作用又はビーズと他の化合物が結合したビーズとの相互作用を光学泳動でモニターすることができる。
前駆細胞/コロニー形成アッセイ。前駆細胞は所定の組織の細胞であり、その同じ組織のより成熟な細胞を多く生ずることができる。前駆細胞を測定する典型的なアッセイは、これらの細胞を培地内に残したまま、適切に成熟した細胞タイプのコロニーが所定の時間内にいくつ形成されたかをカウントすることができる。このタイプのアッセイは遅く、ときに数週間を要するため煩雑である。光学泳動を用いて単一細胞の増殖をモニターすることにより、前駆細胞の増殖をナノスケールで測定することができ、結果が非常に短時間で得られるはずである。
用量限度毒性スクリーニング。ほとんど全ての化合物にはある程度毒性がある。生細胞及び生物を殺す濃度で測定することにより、化合物の特定レベルの毒性が同定される。化合物の用量を徐々に増加させながら光学泳動で生細胞をモニターすることにより、細胞の損傷及び/又は細胞死を表示する光学特性レベルを解明することができる。
細胞の液性成分/膜流動性をモニターする。全ての細胞の膜は、基本的な細胞膜の完全性を維持すると同時に適度な膜流動性も維持する必要がある脂質で構成される。光学泳動は、膜流動性を測定し、膜流動性を変えることができる化合物及び条件について情報を提供できる必要があり、これにより膜の流動性を高めるか又は低下させる。
凝固/血小板凝集を測定する。血液中にみられる血小板及び凝固タンパク質のような成分は、適当な環境下で血栓形成を促進させるために必要とされる。凝固は病態を判定するため又は基本血液生理学を評価するためにモニターされることが多い。光学泳動は、血小板凝集及び血栓形成に関して情報を提供することができる。
本明細書に報告されたデータのいくつかは以下の装置で作成した。光勾配磁場は、マイケルソン干渉計及び150mW、812nmレーザー(812システム)又は2.5W、1064nmレーザー(1064システム)を用いて発生させた。812システムは100倍(1.25NA)の油浸レンズを用いて干渉縞パターンに焦点を合わせ、サンプルを可視化した。1064システムは20倍の対物レンズで干渉縞に焦点を合わせ、60倍の対物レンズでサンプルを可視化した。一般に、サンプル細胞は顕微鏡スライド及び/又はカバースリップで被覆され、ワセリンで密閉された。カバースリップのスペーサーが細胞の高さをおよそ150μmに制御した。
表面コーティング;Rain−X(商標)、アガロース、CYTOP、フルオロシラン 散乱力は粒子又は細胞をサンプル細胞表面に対して押す傾向があった。したがって、非特異的接着及び摩擦力を最小限にするため、多くの表面コーティングを評価した。疎水性/親水性及び共有/非共有表面処理を評価した。
共有/疎水性スライドグラス及びカバースリップを、溶液堆積又は蒸着を用いてパーフルオロオクチルトリクロロシラン(Aldrich、Milwaukee、WI)で処理した。溶液堆積は以下の通りである:エタノール中の2〜5%シラン溶液、室温で30分間インキュベート、エタノールで3回リンス、そして空気乾燥。蒸着は、別々のマイクロ遠心チューブ中に等量のシランと水を入れ、処理すべき基板とともに真空チャンバー中に密閉することを含む。50℃まで15時間加熱
非共有/親水性−市販の撥水剤含有ポリシロキサン、Rain−Xを使用説明書に従い適用した。
非共有/親水性−市販の撥水剤含有ポリシロキサン、Rain−Xを使用説明書に従い適用した。
液体テフロン(登録商標)、CYTOP(CTL−107M、Wilmington、Delaware)をマイクロ遠心機を用いてスピンコートした。CYTOPをフルオロオクタン(v/v)で10%に希釈し、50μlをピペットで取り、5秒間遠心した。これを2度繰り返し、空気乾燥させた。
非共有/親水性−アガロースヒドロゲルコーティングは以下のようにして準備した:2%アガロースを水に溶かし、ピペットで100μlを基板に取り、5秒間遠心し、37℃で30分間焼いた。
全てのコーティングは粒子とともに作用したとき有効であった。CYTOPは生物細胞とともに作用したとき、接着を妨げるのにより有効であった。
サイズによる分離−異なるサイズ(直径1、3及び5μm)のポリスチレン粒子(Bangs Labs,Fishers,IN)を動く光勾配磁場を用いて分離させた。直径3μmと5μmの粒子を蒸留水で1/500に希釈し、10μlをピペットで取ってRain−X被覆スライド上に置いた。812システムを用いて、干渉縞周期4〜5及び移動15μm/秒から成る25〜30μmのスポットサイズを発生させた。
サイズによる分離−異なるサイズ(直径1、3及び5μm)のポリスチレン粒子(Bangs Labs,Fishers,IN)を動く光勾配磁場を用いて分離させた。直径3μmと5μmの粒子を蒸留水で1/500に希釈し、10μlをピペットで取ってRain−X被覆スライド上に置いた。812システムを用いて、干渉縞周期4〜5及び移動15μm/秒から成る25〜30μmのスポットサイズを発生させた。
図32は、3μmと5μmのポリスチレン粒子を用いた、1秒間隔での分類系列を示す。直径3μmの小さい粒子は勾配磁場によって容易に動いたが、直径5μmの大きい粒子には影響がなかった。大きい粒子は多数の干渉縞に及び、勾配力が有効に打ち消されたため動かなかった。同様の結果が直径1μmと3μmの粒子を用いて得られた。
屈折率による分離−類似サイズ(直径〜5μm、Bangs Labs)並びに屈折率がそれぞれ1.59、1.49及び1.37のポリスチレン粒子、ポリメチルメタクリレート粒子及びシリカ粒子を、光勾配磁場を動かすことにより分類した。ポリスチレン、PMMA及びシリカの観測された離脱速度は、それぞれ44、47及び32μm/秒であった。手短に言えば、粒子は干渉縞上に配列し、干渉縞は粒子がスリップするまで増加するスピードで動かされる。この結果は粒子が受けた全部の力、即ち、光子力、流体力及び摩擦力の半定量測定をもたらす。離脱速度の絶対値は、システム条件、例えばレーザーパワーにより異なることを当業者は理解するであろう。本明細書に提供される多くの結果は、実際に用いたシステムに関する測定データを提供していることを意味し、異なるシステムで存在するかもしれない値を限定するものと考えるべきではない。
粒子を蒸留水(n=1.33)で1/500に希釈した。812システムを用いて干渉縞周期10μmの勾配磁場を発生させた。勾配磁場をおよそ40μm/秒の閾値で動かすことにより、ポリスチレン粒子とPMMA粒子をシリカ粒子から分離した。
表面機能分化及びドーピングによる分離−青又はピンク色素で着色したポリスチレン粒子(直径〜6μm)をPolysciences,Incから購入した。ピンク粒子は粒子表面にカルボキシル基も有していた。この粒子を蒸留水で1/500に希釈し、10μlをピぺットで取ってRain−X被覆スライド上に置いた。812システムを用いて、干渉縞周期およそ12μmの動く光勾配磁場を発生させた。干渉縞において、ピンク粒子が選択的に動いた。
図33は粒子の実際の動作を示す。
別の実験において、ビオチン標識した1μmラテックスビーズを用いて、異なるリガンドが結合したときの離脱速度の変化を測定した。ビオチン標識ビーズはPBSバッファーで1/100に希釈した。50μlアリコートを、過剰量のストレプトアビジン又は10nm金コロイド−ストレプトアビジン結合体とともに10分間インキュベートした。遠心によりビーズを沈殿させ、PBSバッファー中に再懸濁させた。1064システムを用いて測定した離脱速度は、ビオチン標識ビーズ、ストレプトアビジン結合ビーズ、ストレプトアビジン−金コロイド結合ビーズに関し、それぞれ5.3、4.3及び3.6μm/秒であった。
別の実験において、ビオチン標識した1μmラテックスビーズを用いて、異なるリガンドが結合したときの離脱速度の変化を測定した。ビオチン標識ビーズはPBSバッファーで1/100に希釈した。50μlアリコートを、過剰量のストレプトアビジン又は10nm金コロイド−ストレプトアビジン結合体とともに10分間インキュベートした。遠心によりビーズを沈殿させ、PBSバッファー中に再懸濁させた。1064システムを用いて測定した離脱速度は、ビオチン標識ビーズ、ストレプトアビジン結合ビーズ、ストレプトアビジン−金コロイド結合ビーズに関し、それぞれ5.3、4.3及び3.6μm/秒であった。
波長共鳴(812対1064nm)による分離−着色ポリスチレン粒子を用いた上記実験を1064システムを用いて繰り返し、結果を逆転させた。青粒子が選択的に動いた。1064システムを2.5Wではなく150mWにセットしたとき、同様の結果が得られた。これは、波長調整が識別工程を高めたことを示唆している。
屈折率整合による分離−シリカ粒子とポリスチレン粒子(それぞれ直径3及び5μm)を、親水性シリコーン(ジメチルシロキサン−エチレンオキシド ブロックコポリマー、Gelest,Inc.、Tullytown,PA)で1/500に希釈した。。媒体の屈折率(n=1.44)は、シリカ(n=1.37)粒子とポリスチレン粒子(n=1.59)粒子の中間であった。粒子サイズはこの実験には重要ではなかった。
1064システムを用いて、直径およそ15μmの乱反射スポットに勾配力を集中させた。より一般的には、本明細書に記載される全てのシステム及び適用に関し、非集束レーザービームのような非集束ビームを用いてもよい。好ましくは、スポット又はビームサイズが粒子サイズの大きさのオーダーとなるようにビームをぼかす。細胞に関しては、サイズはおよそ10〜20μであろう。ポリスチレン粒子は勾配磁場に向けて動き、一方、シリカ粒子は勾配磁場から離れた。これは、懸濁媒体を変えて分離を最適化できることを証明している。
赤血球と細網赤血球の分離
細網赤血球コントロール(Retic−Chex)は、Streck Labsから得た。6%細網赤血球を含有するサンプルをニューメチレンブルー、細網赤血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で15分間染色した。サンプルをPBSで1/200に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。812システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を15μmに調整し、15μm/秒で動かした。細網赤血球は赤血球に対して選択的に動いた。
細網赤血球コントロール(Retic−Chex)は、Streck Labsから得た。6%細網赤血球を含有するサンプルをニューメチレンブルー、細網赤血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で15分間染色した。サンプルをPBSで1/200に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。812システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を15μmに調整し、15μm/秒で動かした。細網赤血球は赤血球に対して選択的に動いた。
白血球と赤血球の分離
全血コントロール(Para l2 Plus)は、Streck Labsから得た。サンプルをニューメチレンブルー、有核白血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で15分間染色した。サンプルをPBSで1/200に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。812システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を15μmに調整し、22μm/秒で動かした。白血球は干渉縞により動いたが、赤血球は動かなかった。
全血コントロール(Para l2 Plus)は、Streck Labsから得た。サンプルをニューメチレンブルー、有核白血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で15分間染色した。サンプルをPBSで1/200に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。812システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を15μmに調整し、22μm/秒で動かした。白血球は干渉縞により動いたが、赤血球は動かなかった。
白血病細胞と赤血球の分離
白血病細胞株U937懸濁液1mlを沈殿させ、1% BSAを含有する100μlのPBSに再懸濁させた。U937と1/200希釈赤血球を等量混合し、10μlをCYTOP被覆スライド上に置いた。動く干渉縞磁場による分離測定は、U937細胞の離脱速度が赤血球の離脱速度よりも有意に速く、それぞれ60及び23μm/秒であることを示した。1064システムを用いて、干渉縞周期およそ30μm、移動45μm/秒、中程度干渉縞速度の光勾配磁場を発生させた。期待されるように、U937細胞は干渉縞とともに動き、赤血球は動かない。1つの態様において、動く干渉縞は単一ピークに縮小されてもよい。好ましくはピークは線状である。操作において、応答指令信号を送るべき領域にわたってゆっくりした掃引(即ち、粒子集団の離脱速度よりも遅い)がなされる。これにより粒子は整列する。次に、干渉縞を素早く(即ち、集団中の少なくともいくつかの粒子の離脱速度よりも速い速度で)、好ましくはゆっくりした掃引と反対方向に動かす。これにより、より速い離脱速度の粒子をより遅い離脱速度の粒子から選択的に分離させる。場合により、粒子の残りの線に再度、中程度の干渉縞速度で応答指令信号を送ってもよい。この技術は、本明細書に記載される全ての適用及びシステムに一般に応用可能であるが、U937細胞の赤血球からの分離に関してうまく実行されている。図43A、43B及び43Cは、白血球(より大きな細胞)の赤血球からの分離を示す。図43A、B及びC中の画像は、図37A、B及びCに示す位相1、2及び3に対応する。
白血病細胞株U937懸濁液1mlを沈殿させ、1% BSAを含有する100μlのPBSに再懸濁させた。U937と1/200希釈赤血球を等量混合し、10μlをCYTOP被覆スライド上に置いた。動く干渉縞磁場による分離測定は、U937細胞の離脱速度が赤血球の離脱速度よりも有意に速く、それぞれ60及び23μm/秒であることを示した。1064システムを用いて、干渉縞周期およそ30μm、移動45μm/秒、中程度干渉縞速度の光勾配磁場を発生させた。期待されるように、U937細胞は干渉縞とともに動き、赤血球は動かない。1つの態様において、動く干渉縞は単一ピークに縮小されてもよい。好ましくはピークは線状である。操作において、応答指令信号を送るべき領域にわたってゆっくりした掃引(即ち、粒子集団の離脱速度よりも遅い)がなされる。これにより粒子は整列する。次に、干渉縞を素早く(即ち、集団中の少なくともいくつかの粒子の離脱速度よりも速い速度で)、好ましくはゆっくりした掃引と反対方向に動かす。これにより、より速い離脱速度の粒子をより遅い離脱速度の粒子から選択的に分離させる。場合により、粒子の残りの線に再度、中程度の干渉縞速度で応答指令信号を送ってもよい。この技術は、本明細書に記載される全ての適用及びシステムに一般に応用可能であるが、U937細胞の赤血球からの分離に関してうまく実行されている。図43A、43B及び43Cは、白血球(より大きな細胞)の赤血球からの分離を示す。図43A、B及びC中の画像は、図37A、B及びCに示す位相1、2及び3に対応する。
マイクロチャネル中の赤血球とポリスチレン粒子の分類
「H」型のガラスマイクロチャネル(図16参照)を用いて、赤血球と6μmポリスチレン粒子の分類を証明した。チャネルはAgilentより購入した(DNA 500LabChip)。幅40μm、深さ10μmであった。不要の又は使わないチャネルとリザーバポートをノーランド61光学用接着剤で埋め戻すことによりブロックし、UVと熱で硬化させた。チャネルにエタノールを満たし、次に水、最後に1% BSAを含むPBSバッファーで満たした。注入口リザーバは流出口リザーバよりも約1mm高いところに構築した。流速は圧と動電力との組合せにより制御した。ケースレー236パワーサプライを用いて5〜10V/cmの電場を供給した。
「H」型のガラスマイクロチャネル(図16参照)を用いて、赤血球と6μmポリスチレン粒子の分類を証明した。チャネルはAgilentより購入した(DNA 500LabChip)。幅40μm、深さ10μmであった。不要の又は使わないチャネルとリザーバポートをノーランド61光学用接着剤で埋め戻すことによりブロックし、UVと熱で硬化させた。チャネルにエタノールを満たし、次に水、最後に1% BSAを含むPBSバッファーで満たした。注入口リザーバは流出口リザーバよりも約1mm高いところに構築した。流速は圧と動電力との組合せにより制御した。ケースレー236パワーサプライを用いて5〜10V/cmの電場を供給した。
PBSバッファー、1% BSA中の赤血球と粒子の1/200混合物を注入口リザーバに加え、等量のPBSバッファー、1% BSAを他の注入口リザーバに加えた。勾配磁場を下流ジャンクション近くの「H」の横棒に位置させた。1064システムに円柱レンズを適合させ、勾配磁場の縦横比を増加させた。得られた勾配磁場は、およそ幅40μm、長さ80μm、干渉縞周期12μm、移動30μm/秒であった。
光勾配磁場がないか又は動かない光勾配磁場では、細胞と粒子が「H」チャネルの上半分に残り、上部流出口より出る。動く光勾配磁場の存在下では、粒子が下部流出口アームへそれ、赤血球から分類される。
流速をおよそ80μm/秒に調整した。分類工程をデジタル方式で記録して解析した。132の可能な分類イベント(赤血球121及び粒子11)から、赤血球2と粒子0が誤って分類された。分類速度はおよそ2/秒であった。
マイクロチャネル中の赤血球と白血球の分類
図36は、マイクロチャネル中の2種類の細胞の分類写真を示す。1は、連続的に動く光勾配磁場に入る赤血球及び白血球を示す。2は、動く光勾配磁場の作用により白血球が下に移動し、一方、赤血球は移動しなかったことを示す。3及び4は、分類を完了している分離チャネル中に赤血球及び白血球が流れ続けていることをと示す。
図36は、マイクロチャネル中の2種類の細胞の分類写真を示す。1は、連続的に動く光勾配磁場に入る赤血球及び白血球を示す。2は、動く光勾配磁場の作用により白血球が下に移動し、一方、赤血球は移動しなかったことを示す。3及び4は、分類を完了している分離チャネル中に赤血球及び白血球が流れ続けていることをと示す。
リポソームの勾配力操作
直径およそ0.2μmの蛍光標識リポソームをB−D Qtest Strepキットから得た。10μlをRain−X被覆スライドに置き、1064システムを用いて光勾配磁場を発生させた。また、15mWの532nmダイオードレーザーの焦点を対物レンズを通して合わせ、リポソームの蛍光を可視化した。静止勾配磁場をサンプルに与えたとき、この領域の蛍光はより強かった。これは、リポソームが勾配磁場に向かって動いていたことを示唆している。
直径およそ0.2μmの蛍光標識リポソームをB−D Qtest Strepキットから得た。10μlをRain−X被覆スライドに置き、1064システムを用いて光勾配磁場を発生させた。また、15mWの532nmダイオードレーザーの焦点を対物レンズを通して合わせ、リポソームの蛍光を可視化した。静止勾配磁場をサンプルに与えたとき、この領域の蛍光はより強かった。これは、リポソームが勾配磁場に向かって動いていたことを示唆している。
ディファレンシャル運動の画像化
ポリスチレン粒子及びシリカ粒子を蒸留水に希釈した。図34の写真に示すように、「前」画像はCCDカメラで撮影され、Pro Expressソフトウェアで画像化した。1064システムにより発生させた動く光勾配磁場を粒子に対して走査させた。もう1つの画像(「後」画像)を撮影し、「前」画像を差し引いた。得られた画像(「差」と表示)はポリスチレン粒子が動いたことを明確に特定している。
ポリスチレン粒子及びシリカ粒子を蒸留水に希釈した。図34の写真に示すように、「前」画像はCCDカメラで撮影され、Pro Expressソフトウェアで画像化した。1064システムにより発生させた動く光勾配磁場を粒子に対して走査させた。もう1つの画像(「後」画像)を撮影し、「前」画像を差し引いた。得られた画像(「差」と表示)はポリスチレン粒子が動いたことを明確に特定している。
さまざまな細胞種の離脱速度
1064システムによりCYTOP被覆カバースリップ上に発生させた勾配磁場を用いて離脱速度を測定した。
1064システムによりCYTOP被覆カバースリップ上に発生させた勾配磁場を用いて離脱速度を測定した。
図35は、離脱速度(μm/秒)の関数として測定細胞の割合のグラフを示す。
処置及び未処置白血病細胞の分離
PMAを5mg/mLの濃度でエタノールに溶解した。RPMI 1640の補足培地中で培養させたU937細胞3mlを培養フラスコから取り出し、3本のエッペンドルフチューブのそれぞれに1ml入れた。1本のチューブの細胞を10,000rpmで4分間沈殿させ、離脱速度を測定するために250μL PBS/1% BSAバッファーに再懸濁させた。残りの2本のチューブのU937細胞に、最終濃度が5μg/mLとなるようにPMAを加えた。これらのチューブをボルテックスにかけ、1時間か6時間のいずれかのあいだ37℃の水浴中に置いた。終了時点でチューブを取り出し、細胞を沈殿させ、そして上記のように再懸濁させ、離脱速度を測定した。6時間処理した細胞は、未処理細胞と比較して、離脱速度が有意に高かった。
処置及び未処置白血病細胞の分離
PMAを5mg/mLの濃度でエタノールに溶解した。RPMI 1640の補足培地中で培養させたU937細胞3mlを培養フラスコから取り出し、3本のエッペンドルフチューブのそれぞれに1ml入れた。1本のチューブの細胞を10,000rpmで4分間沈殿させ、離脱速度を測定するために250μL PBS/1% BSAバッファーに再懸濁させた。残りの2本のチューブのU937細胞に、最終濃度が5μg/mLとなるようにPMAを加えた。これらのチューブをボルテックスにかけ、1時間か6時間のいずれかのあいだ37℃の水浴中に置いた。終了時点でチューブを取り出し、細胞を沈殿させ、そして上記のように再懸濁させ、離脱速度を測定した。6時間処理した細胞は、未処理細胞と比較して、離脱速度が有意に高かった。
好ましい態様及び方法を示し、記載したが、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく多くの改変がなされ得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、以下の請求の範囲に従うことをのぞき、限定されるものではない。
Claims (19)
- 細胞又は粒子の集団を準備する工程、
この細胞又は粒子の集団に光線を照射して、細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるように細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程、そして
物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離する速度で物理的にまとめられた細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程、
を含む、動く光のビームを用いて細胞又は粒子を分類する方法。 - 細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるように細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程が一定速度で行われる、請求項1に記載の方法。
- 細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるために用いられる光線の動く方向が、物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離するために用いられる光線の動く方向の反対である、請求項1に記載の方法。
- 細胞又は粒子の集団がサブ領域に区分化されたサンプルフィールド内にある、請求項1に記載の方法。
- サンプルフィールドがn×n配列である、請求項4に記載の方法。
- 物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離するために用いられる光線の動作がステッピング動作である、請求項1に記載の方法。
- ステッピング動作がサンプルフィールドの長さの1/4未満を動く、請求項4に記載の方法。
- 細胞又は粒子の集団に対する光線の相対的な動きが静止光線に対する細胞又は粒子の集団の動作に起因する、請求項1に記載の方法。
- 細胞又は粒子の集団に対する光線の相対的な動きが細胞又は粒子の静止集団に対する光線の動作に起因する、請求項1に記載の方法。
- 分離工程中の細胞又は粒子の集団と光線の相対的な動きが集団内の細胞又は粒子の少なくともいくつかの離脱速度よりも大きい、請求項1に記載の方法。
- 分離工程中の細胞又は粒子の集団と光線の相対的な動きが集団内の細胞又は粒子の少なくともいくつかの離脱速度よりも小さい、請求項1に記載の方法。
- 妊婦の血液細胞を胎児の血液細胞と分離するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 赤血球を白血球と分類するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 細網赤血球を成熟赤血球と分離するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 幹細胞を分取するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 血液から腫瘍細胞を分取するために用いられる、請求項1に記載の方法。
- 細胞集団が精子を含む、請求項1に記載の方法。
- 光線が、集団内に含まれる細胞又は粒子の少なくとも一部のサイズに類似した幅を有する、請求項1に記載の方法。
- 細胞又は粒子の集団を保持するように適合させたサンプルフィールドを含むステージ;
光線をサンプルフィールド上に方向付けるように配置された照射源;
サンプルフィールドに対して光線を動かすための手段;及び
サンプルフィールドの画像を捕捉するように配置された画像システム、
を含む、動く光のビームを用いて細胞又は粒子を分類するための装置。
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