JP2017513483A - マイクロ流体組織モデル - Google Patents

Abstract

本開示は、体組織およびそれらの機能を模倣するためのシステムおよび方法を記載する。模倣される体組織は、腎組織、脳血液関門および他の組織を含むことができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるシステムは、組織に対する制御因子の影響を試験するために使用される。制御因子は、流量、剪断速度および被検化学物質（たとえば治療薬および毒素）を含むことができる。いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、薬学的および生物学的治療を試験し、健康な組織または患部組織を特性決定し、組織の現象をインビトロで観察するために使用される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる、2014年4月16日に出願された「Microfluidic Tissue Model」と題する米国特許仮出願第61/980,398号への優先権を主張する。

背景
組織障壁、たとえば腎臓血管中の上皮および内皮細胞によって形成される組織障壁ならびに脳血液関門のモデル化は医薬品および他の治療の開発にとって重要である。モデル化された組織の細胞特性を計測するために、培養システムは外部モニタリング装置を使用するが、これは、電極および他のセンサが手作業で定位置に配置され、かつ、培養装置が取り扱われかつ計測のためにインキュベーションから取り外されなければならないため、不都合である。センサの手作業による配置は、一貫しないやり方で配置されるならば、読み取り値に影響する可能性がある。また、センサの配置が組織を乱し、その結果、記録中にアーチファクトを生じさせる。

開示の概要
本開示の一つの局面にしたがって、培養装置は、第一のマイクロ流体チャネルを画定する第一の層を含む。装置はまた、第二のマイクロ流体チャネルを画定する第二の層を含む。膜が第一の層の第一のマイクロ流体チャネルを第二の層の第二のマイクロ流体チャネルから分離する。装置はまた、第一のマイクロ流体チャネルと流体連通した第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルを含む。装置はさらに、第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つに配置された少なくとも一つの電極を含む。

いくつかの実施形態において、第一の層および第二の層は、環状オレフィンコポリマーのような熱可塑性樹脂を含むポリマー層である。いくつかの実施形態において、装置はまた、第二のマイクロ流体チャネルと流体連通した第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルを含む。いくつかの実施形態において、少なくとも二つの電極が第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのそれぞれに配置されている。

いくつかの実施形態において、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さは第一のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3であり、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さは第二のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3である。第一のマイクロ流体チャネルの入口と第一のマイクロ流体チャネルとの間の移行部は緩やかであり、膜に対して約10度〜約30度の角度を有する。いくつかの実施形態において、少なくとも一つの電極は約0.5μm〜約5μmの厚さである。

いくつかの実施形態において、膜はマイクロパターニングされた表面を含む。少なくとも一つの電極は、膜にかかる経上皮電気抵抗を計測するように構成されている。いくつかの実施形態において、装置はまた、イメージャと、第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルの中への流量を制御するための少なくとも一つの弁とを含む。

本開示のもう一つの局面にしたがって、組織を培養する方法は、培養装置を提供する工程を含む。培養装置は、第一のマイクロ流体チャネルおよび第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルを画定する第一の層と、第二のマイクロ流体チャネルおよび第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルを画定する第二の層とを含む。装置はまた、第一のマイクロ流体チャネルを第二のマイクロ流体チャネルから分離する膜を含む。装置はまた、第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つに配置された複数の電極を含む。方法はまた、複数の細胞を膜に接種する工程を含む。ひとたび細胞を膜に接種したならば、第一の細胞特性を複数の電極によって計測し、また、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の流体量を計測する。

いくつかの実施形態において、方法はまた、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルおよび第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の流体流の速度を計測する工程を含む。流体流の速度を計測する工程は、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルおよび第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の空気−液体界面の動きを計測する工程を含む。いくつかの実施形態において、細胞特性は経上皮電気抵抗である。いくつかの実施形態において、流体流の速度を計測する場合、第一のマイクロ流体チャネルおよびマイクロ流体チャネルのそれぞれの入口および出口を閉じるために、一つまたは複数の弁が閉じられる。

いくつかの実施形態において、方法はまた、複数の細胞を所定の剪断応力および医薬物質のうちの少なくとも一つに曝露する工程、および次いで複数の細胞の第二の細胞特性を計測する工程を含む。

いくつかの実施形態においては、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の流体量の変化が、膜を通過する流体流の量に相関する。

方法はまた、いくつかの実施形態において、トレーサ分子を第一のマイクロ流体チャネルに注入する工程、および次いで第二のマイクロ流体チャネル中のトレーサ分子の濃度を計測する工程を含む。

いくつかの実施形態において、第一の層および第二の層は、環状オレフィンコポリマーのような熱可塑性樹脂を含む。特定の実施形態において、少なくとも二つの電極が第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのそれぞれに配置されている。第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さは第一のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3であり、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さは第二のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3である。いくつかの実施形態において、膜はマイクロパターニングされた表面を含む。

前記一般的説明ならびに以下の図面の説明および詳細な説明は例示的かつ説明的であり、特許請求の範囲に係る発明のさらなる説明を提供するためのものである。以下、図面の簡単な説明および発明の詳細な説明から、他の目的、利点および新規な特徴が当業者に容易に明らかになるであろう。

当業者は、本明細書で説明される図面が例示目的のためのみであることを理解するであろう。場合によっては、説明される実施形態の理解を容易にするために、説明される実施形態の様々な局面が誇張または拡大されて示される場合もあることが理解されよう。図中、類似の参照番号は概して、様々な図面を通して類似の特徴、機能的に類似した要素および／または構造的に類似した要素を指す。図面は必ずしも一定の拡大縮小率ではなく、教示の原理を説明することが強調されている。図面は、本教示の範囲をいかなるふうにも限定するものではない。システムおよび方法は、以下の図面を参照しながら以下の例示的説明を読むことにより、よりよく理解され得る。

マイクロ流体組織モデリングのための例示的システムを示す。 図1に示すシステムとともに使用するための例示的な培養装置の平面図を示す。 図2に示す例示的培養装置の分解図を示す。 図2に示す例示的培養装置の側面図を示す。 図2に示す例示的培養装置に使用するための例示的な目盛り付きマイクロ流体チャネルの拡大図を示す。 図1に示す例示的システムを使用して組織を培養する例示的方法のフローチャートを示す。

詳細な説明
上記で提案し、以下さらに詳細に説明する様々な概念は、任意の特定の具現化方法に限定されないため、数多くのやり方のいずれかで実現され得る。具体的な実施形態および適用の例が主に例示目的で提供される。

本開示は、体組織およびそれらの機能を模倣するためのシステムおよび方法を記載する。模倣される体組織は、腎組織、脳血液関門、肺組織、胃腸組織、皮膚組織および他の組織を含むことができる。いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるシステムは、組織に対する制御因子の影響を試験するために使用される。制御因子は、流量、剪断速度、局所解剖学的パターンおよび被検化学物質（たとえば治療薬および毒素）を含むことができる。いくつかの実施形態において、システムおよび方法は、薬学的および生物学的治療を試験し、健康な組織または患部組織を特性決定し、組織の現象をインビトロで観察するために使用される。

図1は、マイクロ流体組織モデル化のための例示的システム100を示す。システムは培養装置102を含む。システム100はまた、それぞれの流体貯留部106から流体を流して培養装置102に通す複数のポンプ104を含む。ポンプ104と培養装置102との間の流体ラインは、培養装置102への流体の流量を制御するための流体弁108を含む。システム100はまた、廃棄物貯留部112を含む。システム100は、培養装置102内の細胞および培養装置102の動作を視るためのイメージャ110を含む。

システム100の培養装置102を図2〜5に関連してさらに詳細に説明する。概観として、培養装置102は、一つまたは複数のマイクロ流体チャネルを画定する第一の層および同じく一つまたは複数のマイクロ流体チャネルを画定する第二の層を含む。培養装置102の第一の層と第二の層との間には膜がはさまれている。細胞は、細胞培地、治療物質および他の化学物質が培養装置102のマイクロ流体チャネルを通って細胞の上を流れるとき、膜上およびマイクロ流体チャネルの壁上で培養される。培養装置102はまた、第一および第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つと流体連通している一つまたは複数の目盛り付きマイクロ流体チャネルを含む。培養装置102はまた、細胞の細胞特性を計測するためのセンサ、たとえば電極を含む。

上述したように、システム100は、培養装置102を支持するためのいくつかの構成要素を含む。システム100は、流体をそれぞれの流体貯留部106から駆動して培養装置102に通すように構成されている複数のポンプ104を含む。いくつかの実施形態において、流体貯留部106は任意の流体収容容器である。いくつかの実施形態において、流体貯留部106は、流体と細胞との混合物を収容するトランズウェルまたはウェルプレートである。いくつかの実施形態において、ポンプ104はぜん動ポンプまたはシリンジポンプである。いくつかの実施形態において、複数のポンプ104のそれぞれが異なるタイプのポンプである。たとえば、マイクロ流体チャネルはぜん動ポンプに結合されることができ、目盛り付きマイクロ流体チャネルはシリンジポンプに結合されることができる。ポンプ104は、培養装置102を通って流れる流体を制御する。たとえば、ポンプ104は、流体の流量、流れプロフィール（たとえば、流れが拍動性であるのか滑らかであるのか）およびせん断速度を制御することができる。いくつかの実施形態において、流れは連続的であり、他の実施形態において、流れは拍動性である。培養装置102を通過する流体貯留部106の流体は、細胞培地、細胞栄養素、試薬、被検物質、バッファ流体、トレーサ粒子、ガス、反応体流体、固定物質、染料、模倣および実物の生物学的流体、たとえば血液ろ液、全血、血清、血漿、尿、希釈尿を含むことができるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態において、ポンプ104は、流体を、マイクロ流体チャネル中、膜の上では第一の方向に流し、マイクロ流体チャネル中、膜の下では第二の方向に流すように構成されている。他の実施形態においては、マイクロ流体チャネル中、膜の上下で流れが同じ方向である。

システム100はまた、廃棄物貯留部112を含む。廃棄物貯留部112は、培養装置102を出る流体を収集する。いくつかの実施形態において、システム100は廃棄物貯留部112を含まず、システム100は閉ループシステムである。これらの実施形態においては、培養装置102の出口から出る流体を培養装置102の入口に戻すことができる。

システム100の弁108は、培養装置102のマイクロ流体チャネルのそれぞれに出入りする流量を制御する。いくつかの実施形態において、弁108は、マイクロ流体チャネルへの入力および出力流路を閉じるように構成されている。マイクロ流体チャネルに出入りする流路を閉じることにより、マイクロ流体チャネル中の任意の変化量（たとえば、二つのマイクロ流体チャネルを分離する膜を透過する輸送分の変化）が、培養装置102の目盛り付きマイクロ流体チャネルの中に送られる。以下に記すように、目盛り付きマイクロ流体チャネル中への指向流は、培養装置102のマイクロ流体チャネル中の流量および圧力の計測を可能にする。

システム100のイメージャ110は、培養装置102内の細胞を観察し、目盛り付きマイクロ流体チャネルを可視化するために使用される。いくつかの実施形態において、細胞は、流体が培養装置102中を流れる間に画像化される。他の実施形態においては、実験の最後に固定流体が培養装置102に通され、実験が完了したとき細胞が画像化される。以下に記すように、目盛り付きマイクロ流体チャネルは、培養装置102のマイクロ流体チャネル内の流量および圧力を計測するように構成されている。いくつかの実施形態において、流量および圧力レートは、目盛り付きマイクロ流体チャネルを通過する気泡またはトレーサ粒子の動きをモニタすることによって計測される。イメージャ110は、目盛り付きマイクロ流体チャネル中に存在する気泡またはトレーサプラクティスをユーザが可視化することを可能にするように構成されている。

図2は、装置100とともに使用するための例示的な培養装置200の平面図を示す。アセンブルされた培養装置200の概観として、培養装置200は、第一の層中の第一のマイクロ流体チャネル202および第二の層中の第二のマイクロ流体チャネル204を含む。第一のマイクロ流体チャネル202と第二のマイクロ流体チャネル204とは領域206で互いに重なり合う。膜208が第一の層と第二の層との間にはさまれ、第一のマイクロ流体チャネル202を第二のマイクロ流体チャネル204から分離している。第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル222（a）が第一のマイクロ流体チャネル202に結合され、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネル222（b）が第二のマイクロ流体チャネル204に結合されている。培養装置200はまた、第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204のそれぞれの中に複数の電極220を含む。培養装置200の電極220は、トレース218を介して複数のコンタクトパッド216に電気的に結合されている。電極220、第一の層および第二の層はまた、図3に関連してさらに説明する。

さらに図2を参照すると、培養装置200の第一のマイクロ流体チャネル202は入口210（a）および出口214（a）を含む。目盛り付きマイクロ流体チャネル222（a）が第一のマイクロ流体チャネル202に流体的に結合されている。目盛り付きマイクロ流体チャネル222（a）はマイクロ流体ポート212（a）に結合されている。目盛り付きマイクロ流体チャネル222は、図4に関連してさらに詳細に説明する。培養装置200の第二のマイクロ流体チャネル204は、入口210（b）、出口214（b）および目盛り付きマイクロ流体チャネル222（b）に流体的に結合されている。マイクロ流体ポート212（b）が目盛り付きマイクロ流体チャネル222（b）に流体的に結合されている。図2に示すように、第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204の入口210（a）および210（b）は、それぞれ、第一のマイクロ流体チャネル202を通過する流体の流れが第二のマイクロ流体チャネル204を通過する流体の流れと反対になるよう、培養装置200の互いに反対側の端に位置している。流体が入口210および出口214に通して流されることに加えて、いくつかの実施形態においては、入口210を通して細胞が流されることにより、細胞または組織が、第一のマイクロ流体チャネル202および／または第二のマイクロ流体チャネル204の中に接種される。培養装置200はまた、第一のマイクロ流体チャネル202、第二のマイクロ流体チャネル204および目盛り付きマイクロ流体チャネル222それぞれを、それぞれの入口210、出口214およびマイクロ流体ポート212に結合する移行領域230を含む。図4に関連して説明するように、移行領域230は、培養装置200の中に接種された細胞の凝集を防ぐように構成されている。いくつかの実施形態において、マイクロ流体ポート212は、被検物質、たとえば非限定的に医薬品、毒素、トレーサ化学物質またはそれらの任意の組み合わせを第一のマイクロ流体チャネル202および／または第二のマイクロ流体チャネル204に注入するために使用される。

いくつかの実施形態において、第一の層224、第二の層226および膜208は、実験後に培養装置200の層を分離させることができるように、クレームでいっしょに結合される。他の実施形態において、培養装置200の各層は、永久接着剤（たとえばRTV）、ホットメルト接着剤（たとえば3M Scotch-Weld 3738および3762）、プラズマ結合、超音波溶接、摩擦溶接またはレーザ溶接でいっしょに結合される。

図3は例示的な培養装置200の分解図を示す。上記のように、培養装置200は、第一のマイクロ流体チャネル202を画定する第一の層224および第二のマイクロ流体チャネル204を画定する第二の層226を含む。膜208が第一の層224と第二の層226との間にはさまれる。図3はまた、第一のマイクロ流体チャネル202の壁に沿って延び、次いで第一のマイクロ流体チャネル202の床に沿って延びる電極220を示すボックス231の拡大図を示す。

第一の層224および第二の層226が培養装置200のマイクロ流体チャネルを画定する。いくつかの実施形態において、第一の層224および第二の層226は、成形、切削、機械加工またはアディティブ法による印刷によって形成される。いくつかの実施形態において、第一の層224および第二の層226の材料は、熱可塑性樹脂、たとえば非限定的に環状オレフィンコポリマー、たとえばZeonor、ポリスチレン、ガラス、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、およびポリエチレンポリエーテルスルホン、ポリスルホン、Ultem、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ならびに生分解性プラスチック、たとえばポリカプロラクトン、ポリ乳酸およびポリグリセロールセバケートである。いくつかの実施形態においては、熱可塑性樹脂が第一の層224および第二の層226のために選択される。理由は、熱可塑性樹脂は、水溶性因子を実質的に吸収または放出せず；目盛り付きマイクロ流体チャネルおよび培養装置200内の細胞または他の組織の可視化を可能にするための光学的明澄性を提供し；紫外線の透過を許し；生体適合性であり、細胞生存または他の細胞プロセスに干渉しないからである。

上記のように、培養装置200はまた、第一の層224と第二の層226との間に配置された膜208を含む。いくつかの実施形態において、図3に示すように、膜208は、第一の層224および第二の層226と実質的に同じサイズのフットプリントを有する。他の実施形態において、膜208はより小さく、第一のマイクロ流体チャネル202と第二のマイクロ流体チャネル204とが重なり合うところだけに配置される。膜208は複数の切り抜き228を含む。培養装置200に出入りする流体流は第一の層224を通して起こる。切り抜き228は、流体を、膜208に通してろ過することなく、第二の層226およびその中に画定されたマイクロ流体チャネルに流すことを可能にする。

いくつかの実施形態において、培養装置200の膜208は、熱可塑性樹脂、たとえばポリスチレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン；生分解性ポリエステル類、たとえばポリカプロラクトン（PCL）；軟質エラストマー、たとえばポリグリコールセバケート（PGS）；または他のポリマー、たとえばポリジメチルシロキサン（PDMS）およびポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）でできた膜である。他の実施形態において、膜208は、ケイ素、ガラスまたは窒化ケイ素から作られる。いくつかの実施形態において、膜208は、たとえば膜208の一つまたは複数の面に沿って複数のリッジ（隆起）、ポスト（柱）またはピット（穴）を含むようにマイクロパターニングされる。いくつかの実施形態において、マイクロパターンに加えて、またはそれの代わりに、膜208は、膜208を通して画定された複数の細孔を含む。膜208（およびそのマイクロパターンおよび細孔）は、いくつかの実施形態において、トラックエッチング、エレクトロスピニング、マイクロ加工、マイクロ成形、ゲル付着、相分離、粒子溶出および溶媒溶出のような加工法によって製造される。さらに他の実施形態において、膜208は、いくつかの材料層を含む多層化膜である。

さらに図3を参照すると、培養装置200はまた、複数の電極220を含む。第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204それぞれが一対の電極220を含む。いくつかの実施形態において、第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204それぞれの一方だけが電極220を含む。電極220は、たとえば経内皮抵抗（TEER）プロフィールを生成するために電気信号を刺激および記録するように構成されている。TEERは、いくつかの実施形態において、培養装置200中で培養される組織の完全性および健康を計測するために使用される。たとえば、電極220を使用して、膜208上で成長する細胞層（または細胞マット）のインピーダンスを計測して細胞層のバリヤ機能を評価することができる。電極220、トレース218およびパッド216は、銀、ステンレス鋼、白金、クロム・金合金またはそれらの組み合わせを含む。

いくつかの実施形態において、電極220は、第一の層224および／または第二の層226に金属を付着させることによって形成される。電極220を形成する金属は、第一の壁、床（または天板）、第二の壁、第一の層と第二の層との間の膜またはそれらの任意の組み合わせに付着させる。いくつかの実施形態において、電極220は、円形、長方形、正方形、楕円形または任意の他の形状である。いくつかの実施形態においては、金属層が、第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204の床（または天板）の実質全体に付着されて、実質的に第一のマイクロ流体チャネル202および第二のマイクロ流体チャネル204の長さに延びる電極220を形成する。いくつかの実施形態において、培養装置200の各マイクロ流体チャネルは、約2個〜約20個、約2個〜約15個、約2個〜約10個または約2個〜約6個の電極を含む。電極220は、約150μm〜約500μm、約150μm〜約400μmまたは約200μm〜約300μmの幅（または直径）を有する。電極220およびトレース218の厚さは約0.5μm〜約30μm、約0.5μm〜約20μm、約0.5μm〜約15μm、約0.5μm〜約10μmまたは約0.5μm〜約5μmである。電極220の厚さは、流体が培養装置200の上を流れるとき、実質的に乱流が発生しないように選択される。

培養装置200の電極220は、トレース218を介してパッド216に接続される。パッド216は、外部電気計測および刺激装置、たとえばインピーダンス計、電圧計、オシロスコープ、パルス発生器またはそれらの組み合わせに電気的に結合される。

図4は培養装置200の側面図を示す。図2に関連して上述したように、入口210、マイクロ流体ポート212、出口214およびそれらそれぞれのマイクロ流体チャネルまたは目盛り付きマイクロ流体チャネルの間には移行領域230が存在する。移行領域230は、細胞を損傷することなく、または細胞を凝集させることなく培養装置200のマイクロ流体チャネル内の細胞の接種を可能にするように構成されている。たとえば、移行領域230が直角を含むならば、細胞は移行領域230中で集団化するおそれがある。すると、移行領域230中で集団化した細胞が、マイクロ流体チャネル中に流される増殖培地の多くを消費し得、マイクロ流体チャネルの中心にある細胞に、健康でいるために必要な十分な栄養素が届かない場合がある。いくつかの実施形態において、移行領域230が入口210、ポート212および出口214からマイクロ流体チャネルに向かって傾斜する角度402は約10度〜約30度、約15度〜約25度または約15度〜約20度である。移行領域230の緩やかな傾斜角が、細胞が培養装置200内で凝集する危険性を減らす。いくつかの実施形態において、移行領域230は複数のチャネルを含み、移行領域内の曲りは上記範囲内の角度を有する。他の実施形態においては、図4に示すように、移行領域内のチャネルの上部（または床）は実質的に水平であり、チャネルの床（または上部）がマイクロ流体チャネルに向かって傾斜し、テーパ状になる。これらの実施形態において、移行領域230内のチャネルの傾斜またはテーパは上記範囲内である。

図5は、例示的な目盛り付きマイクロ流体チャネル502の拡大図を示す。概観として、以下さらに説明する目盛り付きマイクロ流体チャネル502は、培養装置中の流体および化学物質流の定量を可能にする。培養装置の膜を通過する流体流が膜間差圧を発生させる。差圧は、膜にかかる拡散および対流の両方によって生じる。差圧は、各マイクロ流体チャネル中の流体量の変化を生じさせる。培養装置のマイクロ流体チャネルに出入りする流れを防ぐために弁が閉じられると、差圧によって生じる各マイクロ流体チャネルの容積変化が、目盛り付きマイクロ流体チャネル502の容積変化を生じさせる。容積変化の量は、目盛り付きマイクロ流体チャネル502の中へと流体が移動する距離に正比例的に相関する。図示するように、マイクロ流体チャネルは一つの目盛り付きマイクロ流体チャネル502を含む。いくつかの実施形態において、本明細書に記載されるマイクロ流体チャネルは、2〜10の目盛り付きマイクロ流体チャネル、2〜8の目盛り付きマイクロ流体チャネル、2〜6の目盛り付きマイクロ流体チャネルまたは2〜4の目盛り付きマイクロ流体チャネルを含む。いくつかの実施形態において、目盛り付きマイクロ流体チャネル502はまた、流体的に結合されたマイクロ流体チャネルに流体を注入し、流体的に結合されたマイクロ流体チャネルから試料を採取するために使用される。

図5を参照すると、目盛り付きマイクロ流体チャネル502はマイクロ流体チャネル500に流体的に結合されている。いくつかの実施形態において、マイクロ流体チャネル500は、上記第一のマイクロ流体チャネル202、第二のマイクロ流体チャネル204または本明細書に記載される任意の他のマイクロ流体チャネルに類似している。目盛り付きマイクロ流体チャネル502は、たとえば図2に関連して上述した目盛り付きマイクロ流体チャネルポート212（a）に結合するポート504を含む。入口506は、たとえば図2に関連して上述した入口210（a）に結合する。複数のマーキング508が目盛り付きマイクロ流体チャネル502の隣に配置されている。

マーキング508は、差圧の結果として流体が目盛り付きマイクロ流体チャネル502の中どれほど深くまで流れ込んだかの正確な計測を可能にする。たとえば、ユーザは、図1に関連して説明したイメージャ107を使用して、流体が通過したマーキングの数をカウントすることができる。マーキング508は、マイクロ流体チャネル500および目盛り付きマイクロ流体チャネル502を画定するポリマー層中に機械加工または成形される。いくつかの実施形態において、マーキング508は、たとえばスクリーン印刷、インクジェットもしくは3Dプリントまたはダイレクトプリントによってポリマー層にマーキングされる。いくつかの実施形態において、マーキング508は、本明細書に記載される電極のための金属層の付着中に各マーキング区域への金属層の塗布によってマーキングされる。いくつかの実施形態において、各マーキング508の間の距離は約50μm〜約400μm、約100μm〜約300μmまたは約100μm〜約250μmである。

目盛り付きマイクロ流体チャネル502は、マイクロ流体チャネル500の高さ512よりも小さい高さ510を含む。いくつかの実施形態において、目盛り付きマイクロ流体チャネル502の高さ510はマイクロ流体チャネル500の高さ512の約1/8〜約2/3、約1/4〜約5/8または約1/4〜約1/2である。いくつかの実施形態において、高さ510は高さ512の約1/2である。マイクロ流体チャネル500の高さ（または深さ）512は約50μm〜約500μm、約50μm〜約400μm、約50μm〜約300μm、約50μm〜約200μmまたは約100μm〜約200μmである。目盛り付きマイクロ流体チャネル502およびマイクロ流体チャネル500の幅は約200μm〜約800μm、約300μm〜約700μmまたは約400μm〜約600μmである。目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さ510（または深さ）は約25μm〜約250μm、約25μm〜約200μm、約25μm〜約150μm、約25μm〜約100μmまたは約50μm〜約100μmである。

図6は例示的な組織培養法600のフローチャートを示す。方法600は、培養装置を提供する工程（工程602）を含む。次いで、細胞を培養装置の中に接種する（工程604）。細胞の第一の細胞特性を計測する（工程606）。方法600はまた、流体量の変化を計測する工程（工程608）を含む。

上述したように、方法600は、細胞培養装置を提供する工程（工程602）を含む。細胞培養装置は、本明細書に記載される細胞培養装置のいずれかであることができる。たとえば、細胞培養装置は、第一のマイクロ流体チャネルおよび第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルを画定する第一の層を含むことができる。細胞培養装置はまた、第二の層に画定された第二のマイクロ流体チャネルおよび第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルを含む。膜が第一の層と第二の層との間にはさまれ、第一のマイクロ流体チャネルと第二のマイクロ流体チャネルとを重なり合う部分で分離する。培養装置はまた、第一および／または第二のマイクロ流体チャネルの中に複数の電極を含む。

方法600はまた、細胞を培養装置の中に接種する工程（工程604）を含む。いくつかの実施形態において、細胞は、培養装置の膜の少なくとも一つの面に細胞マットを形成するよう、培養装置の中に接種される。マイクロ流体チャネルは、培養装置を解体することなく細胞を培養装置の中に接種することができるように構成されている。たとえば、培養装置のマイクロ流体チャネルは、急な移行部または角を有しないように構成されることができる（たとえば、約10度〜約30度の角度を有することによる）。緩やかな移行部は、細胞をマイクロ流体チャネルの入口からマイクロ流体チャネルの中央に流し込むことを可能にする。いくつかの実施形態において、細胞は、腎細胞または脳血液関門を形成する中枢神経系からの内皮細胞である。いくつかの実施形態において、培養装置の中に接種された細胞に対する実験は、細胞が培養装置の膜の少なくとも一つの面に細胞マットを形成するとただちに始められる。

次に、少なくとも一つの細胞特性を計測する（工程606）。いくつかの実施形態において、細胞特性は、培養装置の一つまたは複数の電極によって計測される。たとえば、培養装置のマイクロ流体チャネルは、膜および／または膜上で培養される細胞にかかる経上皮電気抵抗を計測するように構成されている電極を含むことができる。いくつかの実施形態においては、細胞を刺激に曝露したのち、第二の細胞特性を計測する。たとえば、細胞を刺激に曝露したのち所定の時間で第二の経上皮電気抵抗を計測することができる。いくつかの実施形態において、刺激は、医薬物質、生物学的物質、毒素、所定の圧力、所定の剪断速度、所定の流量またはそれらの任意の組み合わせである。いくつかの実施形態において、細胞特性を計測する工程は、トレーサ分子を第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルに注入する工程およびその後、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルに輸送されるトレーサ分子の量を計測する工程を含むことができる。

方法600はまた、培養装置の目盛り付きマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の流体量の変化を計測する工程を含む。いくつかの実施形態においては、目盛り付きマイクロ流体チャネル中の流体量を計測する工程の前に、マイクロ流体チャネルの流体経路中の流体ゲートまたは弁を閉じることにより、培養装置のマイクロ流体チャネルに出入りする流体流を止める。これらの実施形態において、目盛り付きマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つ中の流体量の変化は、膜上で培養される細胞による、膜を透過する流体の輸送の結果である膜間差圧によって生じ得る。また、いくつかの実施形態においては、目盛り付きマイクロ流体チャネルに流れ込む流体の速度を計測する。目盛り付きマイクロ流体チャネルの中への流体流の速度および流体流の量は、検出可能な界面、たとえば目盛り付きマイクロ流体チャネル内の空気−液体界面、流体−流体界面またはトレーサ分子の動きを計測することによって計測することができる。たとえば、まず、目盛り付きマイクロ流体チャネルをガスで満たすことができる。いくつかの実施形態においては、目盛り付きマイクロ流体チャネル内の流体の濃度、組成、粘度または他の性質の差によって流体−流体界面が発生する。膜間差圧が増すと、流体は、マイクロ流体チャネルから、そのマイクロ流体チャネルと結合した目盛り付きマイクロ流体チャネルの中へと駆動されることができる。目盛り付きマイクロ流体チャネル中で流体がガスを押し退けるとき、目盛り付きマイクロ流体チャネルの中への流体の移動が計測される。いくつかの実施形態においては、複数の目盛りマーキングが目盛り付きマイクロ流体チャネルに沿って形成され、ユーザが、目盛り付きマイクロ流体チャネル中の変化率または流体変化の量を顕微鏡または他のイメージャによってモニタすることを可能にする。

開示されたシステムおよび方法は、それらの精神または本質的特徴を逸脱することなく、他の具体的な形態に具現化され得る。したがって、前記実施形態は、すべての点において、本発明を限定するものではなく、例示的であるとみなされる。

Claims (21)

1. 第一のマイクロ流体チャネルを画定する第一の層；
   第二のマイクロ流体チャネルを画定する第二の層；
   該第一の層の該第一のマイクロ流体チャネルを該第二の層の該第二のマイクロ流体チャネルから分離する膜；
   該第一のマイクロ流体チャネルと流体連通した第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル；および
   該第一のマイクロ流体チャネルおよび該第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つに配置された少なくとも一つの電極
   を含む、培養装置。
2. 第二のマイクロ流体チャネルと流体連通した第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルをさらに含む、請求項1記載の装置。
3. 少なくとも二つの電極が第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのそれぞれに配置されている、請求項2記載の装置。
4. 少なくとも一つの電極が約0.5μm〜約5μmの厚さである、請求項1記載の装置。
5. 第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さが第一のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3であり、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さが第二のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3である、請求項1記載の装置。
6. 第一のマイクロ流体チャネルの入口と該第一のマイクロ流体チャネルとの間に移行チャネルをさらに含み、該移行チャネルの壁と膜との間の角度が約10度〜約30度である、請求項1記載の装置。
7. イメージャおよびインピーダンス計のうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項1記載の装置。
8. 第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルの中への流体流を制御するための少なくとも一つの弁をさらに含む、請求項1記載の装置。
9. 少なくとも一つの電極が、膜にかかる経上皮電気抵抗またはインピーダンスを計測するように構成されている、請求項1記載の装置。
10. 第一の層および第二の層が環状オレフィンコポリマーを含む、請求項1記載の装置。
11. 第一のマイクロ流体チャネルおよび第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルを画定する第一の層と、第二のマイクロ流体チャネルを画定する第二の層と、該第一のマイクロ流体チャネルを該第二のマイクロ流体チャネルから分離する膜と、該第一のマイクロ流体チャネルおよび該第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つに配置された複数の電極とを含む、培養装置を提供する工程；
    複数の細胞を該第一のマイクロ流体チャネルおよび該第二のマイクロ流体チャネルのうちの少なくとも一つの入口に導入する工程；
    該複数の電極によって該複数の細胞の第一の細胞特性を計測する工程；ならびに
    該第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル中の流体量の変化を計測する工程
    を含む、組織を培養する方法。
12. 第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル中の流体流の速度を計測する工程をさらに含む、請求項11記載の方法。
13. 流体流の速度を計測する工程が、第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル中の空気−液体界面の動きを計測する工程をさらに含む、請求項12記載の方法。
14. 第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのそれぞれの入口および出口を閉じるために少なくとも一つの弁を閉じる工程をさらに含む、請求項12記載の方法。
15. 前記細胞特性が経上皮電気抵抗である、請求項11記載の方法。
16. 複数の細胞を所定の剪断応力および医薬物質のうちの少なくとも一つに曝露する工程；ならびに
    該複数の細胞の第二の細胞特性を計測する工程
    をさらに含む、請求項11記載の方法。
17. 第一の目盛り付きマイクロ流体チャネル中の流体量の変化が、膜を通過する流体流の量に相関する、請求項11記載の方法。
18. 培養装置が第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルをさらに含む、請求項11記載の方法。
19. トレーサ分子を第一のマイクロ流体チャネルに注入する工程；および
    第二のマイクロ流体チャネル中の該トレーサ分子の濃度を計測する工程
    をさらに含む、請求項18記載の方法。
20. 少なくとも二つの電極が第一のマイクロ流体チャネルおよび第二のマイクロ流体チャネルのそれぞれに配置されている、請求項18記載の方法。
21. 第一の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さが第一のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3であり、第二の目盛り付きマイクロ流体チャネルの高さが第二のマイクロ流体チャネルの高さの約1/8〜約2/3である、請求項18記載の方法。

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