JP2020019018A - 画像操作電気力を用いてバイオ粒子を選別する装置及びその作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像操作電気力を用いてバイオ粒子を選別する装置及びその作動方法
【解決手段】画像操作電気力によってバイオ粒子を選別するための装置は、第１基板、第２基板、流体チャネル、１つ以上の感光層及び入口孔を含む。第１基板は、第１導電性電極を有し、第２基板は、第２導電性電極を有する。第２導電性電極は、第１導電性電極と対向して配置される。流体チャネルは、第１導電性電極と第２導電性電極との間に配置される。感光層は、第１導電性電極の表面と第２導電性電極の表面のうちの少なくとも一方にコンフォーマルに配置される。入口孔は、第１導電性電極及び第１基板内に配置され、この場合、入口孔は、流体チャネルに近い第１開口部及び流体チャネルから離れた第２開口部を含み、第１開口部の表面積は、第２開口部の表面積よりも大きい。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、バイオ粒子（bio-particles）を選別（sort）する分野に関し、より具体的には、画像操作電気力（image-manipulated electric force）を用いて、不均一混合物からバイオ粒子を選別する分野に関する。

過去数十年にわたり、がんを効果的に診断、検出及び／又は治療するための様々なアプローチが、いくつかの学術機関又は企業によって研究され、開示されてきた。また、生体内のがんを標的にしたり、殺したりするために多くの研究も行われてきた。しかしながら、がんの不確実性及び多様性のために、限られた解決策しか実現可能ではない。

がんを診断及び検出するためのアプローチの１つは、生体外で特定のがん関連細胞を選別して分離することである。これらの細胞は、宿主の体内での転移中に生成される循環腫瘍細胞（ＣＴＣｓ：circulating tumor cells）である可能性がある。特許文献１（米国特許出願公開第２０１７／０２９７０３６号公報）は、光誘起誘電泳動を用いてマイクロ流体装置内でＣＴＣを検出及び選別する方法を開示している。マイクロ流体装置は、流体がその内部を流れることができるマイクロ流体チャネルを含む。選別プロセスの間、細胞を含む流体がマイクロ流体チャネル内へ注入され、次いで、細胞が所定の領域に到達すると、選別されるべき細胞が識別されて配置される。次いで、リング形状の光ゾーンが、識別されて配置された細胞の上に照らされる。その後、バー形状の光ゾーンがマイクロ流体チャネル上に照らされて、マイクロ流体チャネルの一方の側面から他方の側面に移動される。バー形状のゾーンの移動の間、マイクロ流体チャネル内の不要な細胞は、バー形状の光ゾーンのエッジ付近で生じた不均一な電界に起因して、バー形状の光ゾーンのエッジによって掃引される。対照的に、バー形状の光ゾーンの移動の間、リング形状の光ゾーンと重なっている、選別されるべき細胞は、掃引されず、したがって、その元の位置に留まることができる。最終的に、不要な細胞がすべて掃引された後、選別されるべき細胞は更に、単一の選別プロセスを完了するように、リング形状の光ゾーンを移動することによって収集領域へ移動され得る。選別プロセスは、選別されるべき細胞のすべてが完全に収集されるまで、数回繰り返され得る。

特許文献１に開示される選別プロセスは、ＣＴＣのような特定の細胞を選別することはできるが、克服する必要のあるいくつかの欠点がある。例えば各細胞を選別するのに使用される時間は比較的長い。さらに、不要な細胞が、光のバーによって完全には除去されないことがあり、したがって、不要な細胞の一部が、選別されるべき細胞と一緒に収集領域に流入する可能性がある。

さらに、不均一混合物を含む流体は、入口を通ってマイクロ流体チャネル内へ注入されるので、流体中の細胞の一部が入口付近のマイクロ流体チャネルの内面に付着又は蓄積し得ることは避けられず、これは、選別プロセスの精度にも負の影響を及ぼす。

米国特許出願公開第２０１７／０２９７０３６号公報

この目的のために、本発明は、選別プロセスの時間効率及び精度を高めることができる、画像操作電気力を用いることにより選別装置及びその作動方法を提供することを目的とする。

これは、請求項１に記載されるような装置及び請求項１３に記載されるような方法によって達成される。従属請求項は、対応する更なる発展及び改良に関する。

いくつかの態様において、画像操作電気力によってバイオ粒子を選別するための装置は、第１基板、第２基板、流体チャネル、１つ以上の感光層及び入口孔を含む。第１基板は、第１導電性電極を有し、第２基板は、第２導電性電極を有する。第２導電性電極は、第１導電性電極と対向して配置される。流体チャネルは、第１導電性電極と第２導電性電極との間に配置される。感光層は、第１導電性電極の表面と第２導電性電極の表面のうちの少なくとも一方にコンフォーマルに配置される。入口孔は、第１導電性電極内に配置され、入口孔は、流体チャネルに近い第１開口部及び流体チャネルから離れた第２開口部を含み、第１開口部の表面積は、第２開口部の表面積よりも大きい。

いくつかの態様において、上述の選別装置を含む機器を作動する方法は、（ａ）バイオ粒子を含む液体を、入口孔を通して流体チャネルに提供するステップと；（ｂ）バイオ粒子が流体チャネルの選別領域へ流れるときにバイオ粒子を識別するステップと；（ｃ）バイオ粒子が識別された後に、液体の流量を減少させるか又は液体の流れを停止するステップと；（ｄ）ステップ（ｃ）の後に、バイオ粒子を配置するステップと；（ｅ）選別領域上に光ゾーンを照射するステップであって、光ゾーンの領域がメインチャネルの領域の半分よりも大きいステップと；（ｆ）選別領域が光ゾーンによって照明されると、選別領域上に、暗いゾーンを有する光パターンを照射するステップであって、光パターンは、バイオ粒子の少なくとも１つと重なり、暗いゾーンは、該暗いゾーンに隣接する領域の輝度よりも暗い輝度を有するステップと；（ｇ）光パターンと重なるバイオ粒子を移動させるステップを含む。

以下では、本発明は添付の図面を参照して例示として更に説明される。
本発明の一実施形態による、流体不均一混合物からバイオ粒子を選別する装置の概略上面図である。 本発明の一実施形態による、図１の線Ａ−Ａ’及び線Ｂ−Ｂ’に沿ってそれぞれ取った断面図である。 本発明の一実施形態による、様々なタイプの入口及び出口の概略図である。 本発明の一実施形態による、装置のメインチャネルで流体不均一混合物を輸送するプロセスの間の選別装置を示す概略図である。 異なるタイプの入口及び出口を有する選別装置の作動結果を示す図である。 本発明の別の実施形態による、出口及び入口がメインチャネルの両端に配置される場合に入口と対向する出口を有する装置を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、メインチャネルの上部に感光層を有する装置を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、感光材料の２つの層を有する装置を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、中間層を有する装置を示す概略図である。 本発明の一実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。 本発明の別の実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。 本発明の更に別の実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。 比較例及び典型例による光学顕微鏡及び蛍光顕微鏡の画像を示す図である。 本発明の一実施形態による、いくつかの流体チャネルを有する装置の概略上面図である。 メインチャネル、サイドチャネル及び収集チャネルの幅の比が１：１：１である場合の選別装置の作動結果を検証する実験データを示す図である。 メインチャネル、サイドチャネル及び収集チャネルの幅の比が２：１：２である場合の選別装置の作動結果を検証する実験データを示す図である。 メインチャネル、サイドチャネル及び収集チャネルの幅の比が１０：１：１０である場合の選別装置の作動結果を検証する実験データを示す図である。 本発明の別の実施形態による、湾曲したメインチャネルを有する装置の概略上面図である。 湾曲したメインチャネルの異なる位置における流量を検証する実験データを示す図である。 本発明の更に別の実施形態による、湾曲したメインチャネル及び湾曲した収集チャネルを有する装置の概略上面図である。

本明細書は、本発明の例示的な実施形態及び用途を説明する。しかしながら、本発明は、これらの例示的な実施形態及び用途に限定されず、また例示的な実施形態及び用途が動作するか又は本明細書で説明される手法に限定されるものではない。さらに、図面は、簡略化された又は部分的な図を示すものであり、図面内の要素の寸法は、明確さのために誇張されていることがあり、そうでなければ比例していないことがある。また、方向（例えばより上（above）、より下（below）、上（top）、下（bottom）、側面（side）、上に（up）、下に（down）、の下に（under）、の上に（over）、上部（upper）、下部（lower）、水平、垂直、「ｘ」、「ｙ」、「ｚ」等）が与えられる場合、方向は相対的なものであり、限定ではなく、単に例示として説明及び議論の容易さのために提供される。

「画像操作電気力（image-manipulated electric force）」という用語は、光誘起誘電泳動（light-induced dielectrophoresis）から発生する力とみなすことができることに留意されたい。すなわち、本出願で開示されるバイオ粒子の操作方法は、光誘起誘電泳動によるバイオ粒子の操作方法の一種とみなすことができる。

図１は、本発明の一実施形態による、流体不均一混合物からバイオ粒子を選別する装置の概略上面図である。装置１００は、上部カバー１０２及び下部カバー（図示せず）のような２つの対向する基板を含む。メインチャネル１１２のようなマイクロ流体チャネルが、カバーの間に配置される。入口１２０及び出口１２２のような２つのアクセス部が、メインチャネル１１２の２つの遠位端に配置される。装置１００を作動させるプロセスの間、細胞のようなバイオ粒子及び液体媒体を含む液体混合物が、入口１２０を通してメインチャネル１１２に注入され、出口１２２を通してメインチャネル１１２から排出され得る。図１に示される上部カバー１０２は矩形であるが、上部カバー１０２（又は下部カバー）の形状は、異なる要件を満たすように適切に修正されてもよい。したがって、上部カバー１０２（又は下部カバー）は、三角形、正方形、円形、矩形、多角形であってもよいが、これらに限定されない。

図２は、本発明の一実施形態による、図１の線Ａ−Ａ’及び線Ｂ−Ｂ’に沿ってそれぞれ取った２つの断面図を示す。装置１００は、上部カバー１０２と、上部カバー１０２に対向して配置される下部カバー１０４と、上部カバー１０２と下部カバー１０４との間に配置される感光材料１１０を含む。第１透明導電性電極１０６及び第２透明導電性電極１０８のような少なくとも２つの透明導電性電極が、それぞれ、上部カバー１０２の内面１０２−１及び下部カバー１０４の内面１０４−１に堆積又は被覆される。第１透明導電性電極１０６及び第２透明導電性電極１０８は、これに限定されないが、酸化インジウム錫（ＩＴＯ）又は酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）のような透明導電材料で作られてよく、ＡＣ発生器に電気的に結合されてよく、その結果、ＡＣ発生器がオンになると、２つの対向する電極１０６と１０８の間のメインチャネル１１２において交番電界（alternating electrical field）が生成され得る。第１透明導電性電極１０６の厚さ及び第２透明導電性電極１０８の厚さは、それぞれ０．０５〜０．４μｍの範囲であってよい。

第１透明導電性電極１０６と第２透明導電性電極１０８は、水素化アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）で作成され得る感光材料１１０によって互いに分離されてよいが、これに限定されない。必要な波長の光を感光材料１１０に照射することができる光源２０は、装置１００の上に配置されても下に配置されてもよい。光が感光材料１１０上に照射されると、電荷が発生し、照射されている領域に蓄積され得る。したがって、感光材料１１０上に光を照射することにより、感光材料１１０の導電率を変化させることができる。感光材料１１０の厚さは、０．１〜２μｍの範囲内、好ましくは０．５〜１μｍの範囲内とすることができる。なお、第１透明導電性電極１０６は感光材料１１０と直接接触しているが、本発明の他の実施形態によると、第１透明導電性電極１０６は、別の電気的に絶縁された層を配置することにより、感光材料１１０から分離されてもよいことに留意されたい。

代替として、上述の上部カバー１０２及び下部カバー１０４は、ガラス、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、金属、環状オレフィンコポリマー及び環状オレフィンポリマーから作られてよいが、これらに限定されない。また、第１透明導電性電極１０６及び第２透明導電性電極１０８は、透明導電膜、酸化インジウム錫、透明導電性酸化物、導電性ポリマー、金属グリッド及びランダム金属ネットワーク、カーボンナノチューブ、グラフェン、ナノワイヤメッシュ並びに超薄金属膜から作られてよいが、これらに限定されない。感光材料１１０は、金属ナノ粒子、グラフェン、アモルファスシリコン、二硫化モリブデン、ヒ化インジウムナノワイヤから作られてよいが、これらに限定されない。

メインチャネル１１２は、上部カバー１０２と下部カバー１０４との間に配置されており、メインチャネル１１２の部分（メインチャネル１１２の側壁及び底面を含む）の輪郭は、感光材料１１０の表面によって画定され得る。好ましくは、メインチャネル１１２内を流れるバイオ粒子の平均直径に対するメインチャネル１１２の幅の比は、１：１〜２００：１であり得るが、これに限定されない。入口管１２４は、装置１００の入口１２０に接続され、出口管１２６は、装置１００の出口１２２に接続される。入口１２０は、２つの部分、すなわち、入口孔１２０−１と貫通孔（through hole）１２０−２を含むことができる。また、出口１２２も２つの部分、すなわち、出口孔１２２−１と貫通孔１２２−２を含むことができる。入口孔１２０−１と出口孔１２２−１の双方を第１透明導電性電極１０６に配置することができ、貫通孔１２０−２と１２２−２の双方を上部カバー１０２に配置することができる。入口孔１２０−１及び出口孔１２２−１について、これらの孔の各々は、異なる開口領域を有する２つの開口部を含んでもよい。なお、この実施形態によれば、入口孔１２０−１及び出口孔１２２−１は第１透明導電性電極１０６内に配置されているが、入口孔１２０−１及び出口孔１２２−１の各々は上部カバー１０２に延在してもよいことに留意されたい。したがって、入口孔１２０−１及び出口孔１２２−１の各々は、上部カバー１０２に部分的に配置されてもよい。

図３は、本発明のいくつかの実施形態による、様々なタイプの入口及び出口の概略図である。（タイプ（ａ）〜（ｄ）のような）入口１２０及び出口１２２の各々について、入口孔１２０−１（又は出口孔１２２−１）は、メインチャネル１１２に近い第１開口部Ｏ１と、メインチャネル１１２から離れた第２開口部Ｏ２とを含む。第１開口部Ｏ１の表面積Ａ１は、第２開口部Ｏ２の表面積Ａ２よりも大きい。図３に示される入口１２０及び出口１２２の共通の特徴は、断面積が第２開口部Ｏ２から第１開口部Ｏ１まで徐々に増加することである。「徐々に増加した断面積」の特徴により、バイオ粒子を含む液体混合物がメインチャネル１１２の中へ又は外へ流れるとき、バイオ粒子が、メインチャネル１１２の近くの入口１２０及び出口１２２の開口部の表面上に付着又は蓄積される可能性は低い。第２開口部Ｏ２は、異なる要件に応じて、第１導電性電極内に又は上部カバー内に配置されてよい。

図４は、本発明の一実施形態による、メインチャネルを通して流体不均一混合物を輸送するプロセス中の選別装置を示す概略図である。メインチャネル１１２に注入されている流体不均一混合物１３０は、循環腫瘍細胞１３２及び血液細胞１３４といった異なるタイプのバイオ粒子を含み得る。メインチャネル１１２の近くの開口部Ｏ１の断面積Ａ１が、メインチャネル１１２から離れた開口部Ｏ２の断面積Ａ２よりも大きいという特徴により、これらの細胞１３２及び１３４は、入口１２０及び出口１２２の中へ又は外へ容易に流れることができ、開口部Ｏ１の近くに付着又は蓄積しないであろう。その結果、流体不均一混合物１３０内の細胞１３２及び１３４のすべてが、メインチャネル１１２を通って首尾よく流れ、出口管１２６によって排出され得るので、選別プロセスの精度及び効率は増大され得る。第１透明導電性電極１０６の厚さは比較的薄く、例えば０．０５〜０．４μｍであるので、入口孔１２０−１及び出口孔１２２−１の開口部Ｏ２は、本発明のいくつかの実施態様によれば、上部カバー１０２に配置されることが好ましい。

図５は、異なるタイプの入口及び出口を有する選別装置の作動結果を示す。写真（ａ−１）及び写真（ａ−２）は、流体不均一混合物を装置内又は装置外へ流すプロセスの間に、従来の選別装置の入口（又は出口）の開口部で撮影されている。写真の明るい点は細胞を表しており、これらの細胞は明らかに入口又は出口に付着又は蓄積されている。対照的に、写真（ｂ−１）及び写真（ｂ−２）は、本発明の一実施形態による選別装置の入口（又は出口）の開口部で撮影されている。写真（ｂ−１）及び写真（ｂ−２）には明るい点は全く示されておらず、これは、いずれの細胞も入口又は出口に付着又は蓄積されていないことを意味する。

代替として、本明細書に開示されるバイオ粒子のタイプは、細胞に限定されず、腫瘍細胞、幹細胞、血液細胞、ニューロン細胞、上皮細胞、免疫細胞、人工多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）、グラム陽性細菌、グラム陰性細菌を含む細菌、ウイルス、エキソソーム、ＲＮＡ、ＤＮＡ又はタンパク質を伴うリポソーム、寄生体、あるいは任意の他の生物学的に関連する粒子で置換されてもよいが、これらに限定されない。

図６は、本発明の別の実施形態による、出口と入口がメインチャネルの両端に配置される場合に、入口に対向する出口を有する装置を示す概略図である。また、図６に図示される装置１００は、上部カバー１０２、下部カバー１０４、２つの導電性電極１０６及び１０８並びに感光材料１１０を含む。図６に図示される構造と図２に図示される構造の主な違いは、図６の出口孔１２２−１が第２導電性電極１０８内に配置されており、第１導電性電極１０６ではなく感光材料まで更に延びてよいことである。すなわち、装置１００に入る流体混合物は、メインチャネル１１２の端部を通って装置１００の外に流れることができる。そのため、装置のスペース配置を正しく設定することができる。また、出口孔１２２−１は、異なる要件に応じて、下部カバー１０４まで更に延びてもよい。

図７は、本発明の別の実施形態による、メインチャネルの上部に感光層を有する装置を示す概略図である。図７に図示される装置１００は、図２に図示されるものと類似しており、主な違いは、図７に図示される感光材料１１０が、第２透明導電性電極１０８上ではなく、第１透明導電性電極１０６上にコンフォーマルに配置されることである。したがって、メインチャネル１１２の底面は、感光材料１１０と直接接触しない。対照的に、この実施形態によると、メインチャネル１１２の上面が、感光材料１１０と直接接触している。

図８は、本発明の別の実施形態による、感光材料の２層を有する装置を示す概略図である。図８に図示される装置１００は、図２に図示されるものと類似しており、これらの２つの実施形態の主な違いは、感光材料１１０−１及び１１０−２という２つの層が、それぞれ、第１透明導電性電極１０６及び第２透明導電性電極１０８上にコンフォーマルに配置されることである。したがって、メインチャネル１１２の底面及び上面は、感光材料１１０と直接接触する。

図９は、本発明の別の実施形態による中間層を有する装置を示す概略図である。図９に図示される装置１００は、図２に図示されるものと類似しており、これらの２つの実施形態の主な違いは、中間層１２８が、上部カバー１０２と下部カバー１０４との間に更に配置されること、より好ましくは、第１透明導電性電極１０６と感光材料１１０との間に配置されることである。一実施形態では、メインチャネル１１２は、中間層１２８内にセットされ、中間層１２８内に形成されたキャビティとみなすことができる。追加の接着剤を中間層１２８と上部カバー１０２及び下部カバー１０４との間に配置してもよく、その結果、中間層１２８を上部カバー１０２及び下部カバー１０４に接着させることができる。中間層１２８は、上部カバー１０２と下部カバー１０４を分離するために使用される電気的絶縁材料で作られてもよい。加えて、中間層１２８は、流体不均一混合物１３０内の余分なイオンがメインチャネル１１２の外に拡散することを可能にする半透膜であってよい。メインチャネル１１２内で流体不均一混合物１３０を輸送するプロセスの間、流体不均一混合物１３０内の弱い細胞の一部が破壊される可能性がある。追加のイオンが、破壊された又は破壊されて死んだ死細胞から流体不均一混合物１３０内に放出される可能性があり、これは、流体不均一混合物１３０の電気伝導率に負の影響を及ぼし、したがって、移動する細胞のための画像操作電気力にも影響を及ぼす。したがって、半透性材料で作られた中間層１２８を配置することによって、追加のイオンは、流体不均一混合物１３０の電気伝導率を一定のレベルに維持するように、半透性材料を通ってメインチャネル１１２から流れ出ることができる。

さらに、図９に図示される中間層１２８は、有害物質を流体不均一混合物１３０の細胞又は液体媒体と反応させない又は溶解させない生体適合性材料で作られてもよい。したがって、メインチャネル１１２内を流れている細胞は、メインチャネル１１２によって汚染され得ない。一例として、生体適合性材料は更に、側壁に沿ってコンフォーマルに配置されてもよい。さらに、中間層１２８又はメインチャネル１１２は、必要に応じて、生体適合性材料によって作られてもよい。

図１０は、本発明の一実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。装置の動作中、メインチャネル１１２内を流れる細胞１３２を分極するために、２つの対向する透明電極の間に交番電界が印加される。分極された細胞１３２がメインチャネル１１２の所定の領域へ流れると、光源は、メインチャネル１１２上に光ゾーン１４０を生成するように、その所定の領域内の感光材料の上に光を照射することができる。所定の領域は、光学顕微鏡又は蛍光顕微鏡によって観察できる任意の領域であり得るが、これらに限定されない。また、内側の光ゾーン１４２−１及び外側の暗いゾーン１４２−２を含む光パターン１４２が、細胞１３２が存在する感光材料上に照射される。内側の光ゾーン１４２−１は、円形の光ゾーンであってよく、外側の暗いゾーン１４２−２は、リング形状の暗いゾーンであってよいが、これらに限定されない。内側の光ゾーン１４２−１と外側の暗いゾーン１４２−２の境界１４４ｂに電界勾配が存在するので、細胞１３２は、内側の光ゾーン１４２−１内に制限され、光パターン１４２を移動させるプロセスの間に、光ゾーン１４０に沿って移動され得る。加えて、光ゾーン１４０の表面積１４０Ａ（光ゾーン１４０の長さ１４０−１及び幅１４０−２によって画定される）は、好ましくは、メインチャネル１１２の面積１１２Ａ（メインチャネル１１２の側壁１１２Ｓによって画定される）の半分よりも大きい。なお、電界勾配は、光パターン１４２と重なっていない他の細胞が光ゾーン１４０内に保持され得るように、光ゾーン１４０のエッジ１４０Ｅ上に生成されてもよいことに留意されたい。本明細書で説明される用語「暗いゾーン（dark zone）」は、輝度が隣接領域の輝度よりも小さい領域を指してよく、一方、本明細書に記載される用語「光ゾーン（light zone）」は、輝度が隣接領域の輝度よりも大きい領域を指してよい。したがって、外側の暗いゾーン１４２−２は、該外側の暗いゾーン１４２−２が隣接領域よりも暗く維持される限り、光で照明されてもよい。

図１１は、本発明の別の実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。ステップ（ａ）において、細胞１３２は、該細胞１３２が所定の領域に流れるとき、顕微鏡によって識別されて位置決めされ得る。細胞１３２を識別するために、選別されるべき細胞１３２と不要な細胞１３４は、それらがメインチャネルに入る前に、異なる蛍光色素で染色されてよい。したがって、細胞１３２から発している蛍光は、細胞１３４から発している蛍光とは異なっていてもよい。細胞１３２及び１３４から発している蛍光を検出する蛍光顕微鏡を使用することによって、他の細胞１３４から細胞１３２を選別することができる。細胞１３２が識別されて位置決めされると、２つの対向する透明導電性電極にわたって交番電界が印加されてよく、メインチャネル１１２内に光ゾーン１４０が生成されるように、感光材料上に光が照射され得る。また、内側の光ゾーン１４２−１及び外側の暗いゾーン１４２−２を含む光パターン１４２が、細胞１３２が存在する感光材料上に照射される。次いで、ステップ（ｂ）において、光パターン１４２の外側の暗いゾーン１４２−２を拡大することができる。外側の暗いゾーン１４２−２の外側エッジ１４４ａで生成される電界勾配のために、外側の暗いゾーン１４２−２を拡張するプロセスの間、光パターン１４２の外側エッジ１４４ａ付近の細胞１３４は、光パターン１４２の中心から更に遠くへプッシュされ得る。その後、ステップ（ｃ）において、細胞１３２は、光パターン１４２を移動させることによって、サイドチャネルに向かって移動され得る。光パターンの移動の間、光パターン１４２は、移動する光パターン１４２の外側エッジ１４４ａに遭遇するすべての細胞１３４をはね返すことができる。したがって、光パターン１４２の外側にある細胞１３４は、サイドチャネル１１４に向かって移動することができない。最終的に、ステップ（ｄ）において、細胞１３２は、光ゾーン１４０のエッジ１４０Ｅを貫通して、サイドチャネル１１４に入ることができる。なお、光ゾーン１４０のエッジ１４０Ｅに電界勾配が存在するので、細胞１３４は、エッジ１４０Ｅにおける電界勾配によって反発されることもあり、したがって、細胞１３２と一緒にサイドチャネルに入ることはできないことに留意されたい。

図１２は、本発明の更に別の実施形態による、画像操作電気力を用いることにより装置内のバイオ粒子を操作する方法を示す概略図である。図１２で説明する方法は、図１１に記載する方法と類似しており、主な違いは、光パターン１４２の外側の暗いゾーン１４２−２が不完全なリングであるということである。すなわち、光パターン１４２と重なっている細胞１３２は、外側の暗いゾーン１４２−２によって完全には囲まれていない。光パターン１４２の移動の間、ステップ（ｂ）において、外側の暗いゾーン１４２−２は、光パターン１４２を移動させるプロセスにおいて、細胞１３４が、外側の暗いゾーン１４２−２の開口部を通して内側の光ゾーン１４２−１に飲み込まれるのを防止するために、特性（property）を回転してもよい。この実施形態の他のステップは、図１１の実施形態で説明したものと同様であるため、これらのステップの詳細な説明は簡潔性のために省略される。なお、光パターン１４２を移動させるステップ、外側の暗いゾーン１４２−２を回転させるステップ及び外側の暗いゾーン１４２−２を拡張するステップの順序は、異なる要件を満たすように変更されてもよい。加えて、これらの３つのステップは、代替として同時に実行されてもよい。

特許文献１に開示される選別方法と比べて、本出願の図１１及び図１２で説明される選別方法は、はるかに効率的で正確である。下記の表１及び図１３を参照されたい。図１３の写真（ａ−１）〜写真（ａ−３）は、特許文献１に開示される選別方法に対応する。写真（ａ−１）及び写真（ａ−２）は、光学顕微鏡によって撮影された画像であり、これらの画像は、バイオ粒子（「ドット」を参照されたい）が収集チャネルに選別されていることを示している。しかしながら、蛍光顕微鏡を通して観察される写真（ａ−３）に示されるように、多くの不要なバイオ粒子（「囲まれている明るいドット」を参照されたい）も収集チャネルに選別される。図１３の写真（ｂ−１）〜写真（ｂ−３）は、本出願で開示される選別方法に対応する。写真（ｂ−１）及び写真（ｂ−２）は、光学顕微鏡によって撮影された画像であり、バイオ粒子（「ドット」を参照されたい）が収集チャネルに選別されていることを示している。さらに、蛍光顕微鏡で観察される写真（ｂ−３）に示されるように、不要なバイオ粒子は全く収集チャネルに選別されていない。したがって、これらの写真は、本出願の選別の精度は従来の技術のものよりもはるかに良好であることを実証している。

さらに、表１に示される結果によれば、特許文献１に開示された方法では、細胞当たりの選別時間は約１３９．２（ｓ）であり、精度は約６０．４％にすぎない。低い精度は、不要な細胞が光のバーによって完全には掃引されず、したがって、不要な細胞の一部が、選別されるべき細胞と一緒に収集領域内へ流れる可能性があることを意味する。対照的に、本発明で開示される選別方法によると、細胞当たりの選別時間は約７２．１（ｓ）まで短縮され、精度は１００％まで増加される。

図１４は、本発明の一実施形態による、いくつかの流体チャネルを有する装置の概略上面図である。図１４に図示される装置１００は、図１に図示されるものと類似しており、主な違いは、図１４に図示される装置が、サイドチャネル１１４及び収集チャネル１１６といった他のマイクロ流体チャネルを更に含むことである。サイドチャネル１１４の両端は、それぞれ、メインチャネル１１２及び収集チャネル１１６に接続されてよい。装置１００の動作中、選別されるべき細胞は、メインチャネル１１２からサイドチャネル１１４を通って収集チャネル１１６へと選別され、収集チャネル１１６に一時的に格納され得る。収集チャネル１１６に格納されている細胞の数が一定の値を超えるとき又はユーザ自身の意思によっていつでも、これらの細胞は、バッファによってバッファ入口孔１５０−１から収集チャネル１１６に流出されてよく、収集孔１５０−２を通って試験管に排出され得る。加えて、メインチャネル、サイドチャネル及び収集チャネルの幅の比は、１：１：１〜１０：１：１０の範囲であり、例えば１：１：１、２：１：２及び１０：１：１０等であるが、これらに限定されない。本実施形態の利点は、選別されるべき細胞が収集チャネル１１６内に一時的に格納され、その結果、メインチャネル１１２内で実施される選別プロセスが、中断されることなく連続的に行われることができることである。さらに、装置１００を使用して、異なるタイプの細胞を選別することができる。例えば選別プロセスの第１ラウンドでは、同じ種類の細胞群を収集チャネル１１６に収集し、次いで試験管に流出させることができる。その後、第２ラウンド選別プロセスにおいて、他の種類の細胞群を収集チャネル１１６に収集し、次いで試験管に流出させることができる。図１５は、メインチャネル、サイドチャネル及び収集チャネルの異なる幅の比を有する選別装置の作動結果を示している。図１５に図示される結果は、幅の比が実験に従って上記範囲内に設計されるとき、流体がメインチャネル１１２及び／又は収集チャネル１１６内を流れるときに、メインチャネル１１２及び収集チャネル１１６内の流体がサイドチャネル１１４内に流れず、したがって、不要な細胞がメインチャネル１１２から収集チャネル１１６内に流れることを防止することができ、その逆も同様であることを示している。

図１６は、本発明の別の実施形態による、湾曲したメインチャネルを有する装置の概略上面図である。図１６に図示される装置１００は、図１に図示されるものと類似しており、主な違いは、図１６に図示される装置が、湾曲したメインチャネル１１２及びサイドチャネル１１４を更に含むことである。サイドチャネル１１４の一端は、湾曲したメインチャネル１１２の頂点に接続される。この実施形態によれば、実験データは、湾曲したメインチャネル１１２の外側曲線上の流量Ｒ１が、湾曲したメインチャネル１１２の内側曲線上の流量Ｒ２よりも遅いことを示している。例えば流体が９×１０^−９ｍｍ／ｍｉｎの線形流量を有する場合、流量Ｒ１は１．７×１０^−１２ｍｍ／ｍｉｎであり、流量Ｒ２は４．７×１０^−９ｍｍ／ｍｉｎであり得る。したがって、細胞が、湾曲したメインチャネル１１２の交点で選別されるとき、選別プロセスは、この領域におけるより遅い流量のためにより効果的であり、湾曲したメインチャネル１１２内の流体がサイドチャネル１１４へ流入することを防止する可能性がより高い。実験データは図１７に示されており、この実験データは、湾曲したメインチャネルの外側曲線に近い流量は、湾曲したメインチャネルの内側曲線に近い流量よりも遅いことを示している。

図１８は、本発明の更に別の実施形態による、湾曲したメインチャネル及び湾曲した収集チャネルを有する装置の概略上面図である。図１８に図示される装置１００は、図１４に図示された構造と図１６に図示された構造の統合とみなすことができる。図１８に図示される実施形態の利点は、選別されるべき細胞が、湾曲した収集チャネル内に一時的に格納され、その結果、メインチャネル１１２内で実施される選別プロセスが、中断されることなく連続的に行われることができることである。また、装置１００を使用して、異なるタイプの細胞を選別することもできる。加えて、メインチャネル１１２及び収集チャネル１１６内の流れは、層流であってよく、これは、メインチャネル１１２及び収集チャネル１１６内の流体が、流体の流れの間にサイドチャネル１１４内に流れず、したがって、不要な細胞がメインチャネル１１２から収集チャネル１１６内に流れることを防止することができ、その逆も同様であることを意味する。さらに、湾曲したメインチャネル１１２の外側曲線上の流量Ｒ１は、湾曲したメインチャネル１１２の内側曲線上の流量Ｒ２よりも遅いので、細胞が、湾曲したメインチャネル１１２とサイドチャネル１１４との交点において選別されるときに、選別プロセスはより効果的であり得る。

本発明の特定の実施形態及び用途が本明細書で説明されているが、これらの実施形態及び用途は例示的なものにすぎず、多くの変形が可能である。

Claims (16)

1. 画像操作電気力によってバイオ粒子を選別するための装置であって：
   第１導電性電極を備える第１基板と；
   第２導電性電極を備える第２基板であって、前記第２導電性電極が前記第１導電性電極と対向して配置される前記第２基板と；
   前記第１導電性電極と前記第２導電性電極との間に配置される流体チャネルと；
   前記第１導電性電極の表面と第２導電性電極の表面のうちの少なくとも一方にコンフォーマルに配置される１つ以上の感光層と；
   前記第１導電性電極及び前記第１基板内に配置される入口孔であって、該入口孔は、前記流体チャネルに近い第１開口部及び前記流体チャネルから離れた第２開口部を含み、前記第１開口部の表面積が、前記第２開口部の表面積よりも大きい、前記入口孔と；
   を備える、装置。
2. 前記第１導電性電極及び前記第１基板内に配置される出口孔を更に備え、該出口孔は、前記流体チャネルに近い第３開口部及び前記流体チャネルから離れた第４開口部を備え、前記第３開口部の表面積は、前記第４開口部の表面積よりも大きい、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記第１基板内に配置され、前記入口孔の前記第２開口部及び前記出口孔の前記第４開口部にそれぞれ接続される、少なくとも２つの円筒形の貫通孔を更に備える、
   請求項２に記載の装置。
4. 前記第２導電性電極及び前記第２基板内に配置される出口孔を更に備え、該出口孔は、前記流体チャネルに近い第３開口部及び前記流体チャネルから離れた第４開口部を備え、前記第３開口部の表面積は、前記第４開口部の表面積よりも大きい、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記入口孔は、前記第１開口部から前記第２開口部まで徐々に減少する可変の断面積を含み、前記出口孔は、前記第３開口部から前記第４開口部まで徐々に減少する可変の断面積を含む、
   請求項２乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記第１基板及び前記第２基板は、それぞれ内面を含み、前記第１導電性電極及び前記第２導電性電極は、それぞれ前記内面によって支持される、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記感光層のうちの１つは、前記第１導電性電極の前記表面にコンフォーマルに配置され、前記感光層のうちの別の１つは、前記第２導電性電極の前記表面にコンフォーマルに配置される、
   請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記流体チャネルは、メインチャネル及びサイドチャネルを含み、該サイドチャネルの一端は、前記メインチャネルに接続される、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記流体チャネルは、湾曲したメインチャネル及びサイドチャネルを含み、該サイドチャネルの一端は、前記湾曲したメインチャネルの頂点に接続される、
   請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記流体チャネルは、前記サイドチャネルの別の端部に接続される収集チャネルを更に含み、前記サイドチャネルのチャネル幅に対する前記メインチャネルのチャネル幅の比は１：１〜１０：１の間であり、前記収集チャネルのチャネル幅に対する前記サイドチャネルのチャネル幅の比は１：１〜１：１０の間である、
    請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記流体チャネルは、前記流体チャネルの内部のイオンを前記流体チャネルの外に拡散させるように構成される半透性チャネルである、
    請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記第１基板と前記第２基板との間に配置される中間層を更に含み、前記流体チャネルは、前記中間層内に配置され、前記中間層は生体適合性材料で作られる、
    請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置を作動させる方法であって、前記流体チャネルは、メインチャネルと、該メインチャネルに接続されるサイドチャネルとを含み、当該方法は：
    （ａ）複数のバイオ粒子を含む液体を、入口孔を通して前記メインチャネルに提供するステップと；
    （ｂ）前記バイオ粒子が前記メインチャネルの選別領域へ流れるときに前記バイオ粒子を識別するステップと；
    （ｃ）前記バイオ粒子が識別された後に、前記液体の流量を減少させるか前記液体の流れを停止するステップと；
    （ｄ）ステップ（ｃ）の後に前記バイオ粒子を配置するステップと；
    （ｅ）前記選別領域上に光ゾーンを照射するステップと；
    （ｆ）前記選別領域上に、暗いゾーンを有する光パターンを照射するステップであって、該光パターンが前記バイオ粒子の少なくとも１つと重なり、前記暗いゾーンが、該暗いゾーンに隣接する領域の輝度よりも暗い輝度を有するステップと；
    （ｇ）前記光パターンと重なっているバイオ粒子を移動させるように、前記光パターンを移動させるステップと；
    を含む方法。
14. ステップ（ｅ）において、前記光ゾーンの領域は、前記メインチャネルの領域の半分よりも大きく、当該方法は、
    （ｈ）前記光ゾーンが前記選別領域上に照射されるとき、前記暗いゾーンの領域を拡大するステップ；
    を更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. （ｉ）前記暗いゾーンの外側エッジが前記光ゾーンのエッジに到達するまで、前記暗いゾーンの領域を拡大するステップ、
    を更に含む、請求項１３又は１４に記載の方法。
16. 前記流体チャネルは、前記サイドチャネルに接続される収集チャネルを更に含み、当該方法は、
    （ｊ）前記光パターンと重なっている前記バイオ粒子を前記収集チャネルに移動させるステップ、
    を更に含む、請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の方法。