JP2021004900A - Method for dealing with micro droplets including sample - Google Patents

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Abstract

To provide a method for dealing with micro droplets containing a sample that makes a simple and yet wide testing of the sample possible, and a method for dealing with micro droplets that can effectively select micro droplets.SOLUTION: A method for dealing with micro droplets (14) containing a sample (16) in a micro fluid system includes: a step which forms, in oil, micro droplets (14) of aqueous solution containing the sample (16); a step containing the sample (16) in which oil and/or the aqueous solution contains gelling agents; a step for capturing the micro droplets (14) by the surface tension trap (12) arranged in the capture area (10) in advance; and a step which at least partially gells the oil in the capture area and/or at least partially gells the captured micro droplets (14).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ハイドロゲルマイクロ液滴内のサンプル、とりわけ生体サンプルを取り扱うためのマイクロ流体方法に関する。本発明はまた、このような方法を実施するためのデバイスに、及びこのような方法を実施することによって得られるサンプル生成物に関する。 The present invention relates to microfluidic methods for handling samples within hydrogel microdroplets, especially biological samples. The present invention also relates to devices for performing such methods and to sample products obtained by performing such methods.

Guo、Rotem、Heyman、& Weitz、「Droplet microfluidics for high−throughput biological assays」、Lab. Chip. 12 (2012)から、化学反応又は生体反応を含有するようにマイクロ流体系における液滴(又は「マイクロ液滴」)を使用してもよいことは公知である。これらの系においては、液滴が集束レーザーの前を通過する際に液滴の蛍光を観測することによって、これらの液滴の含有量をアッセイすることができる。しかしながら、これらの系では、マイクロ流体デバイスから液滴を抽出することなくこれらの液滴の含有量の時間に伴う変化を観測することは可能とならない。 Guo, Rotem, Heyman, & Weitz, "Droplet microfluidics for high-throughput bioassays", Lab. Chip. From 12 (2012), it is known that droplets (or "microdroplets") in microfluidic systems may be used to contain chemical or biological reactions. In these systems, the content of these droplets can be assayed by observing the fluorescence of the droplets as they pass in front of the focusing laser. However, in these systems it is not possible to observe changes in the content of these droplets over time without extracting the droplets from the microfluidic device.

マイクロ液滴における個別化細胞の研究もまた、たとえば、Joensson, H. N. & Andersson Svahn, H.、「Droplet microfluidics − a tool for single−cell analysis」、Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 51、12176〜12192頁(2012)から公知である。実際には、これらのマイクロ液滴は、明確に画定されている区画を形成し、それら区画により、たとえば細胞等の生体サンプルを単離することが可能となる。この文献では、培養チャンバー中、細長チャネル、又は静的トラップ中における液滴の蓄積によって、カプセル化細胞集団の局在化を制御することができることがとりわけ教示されている。この文献ではまた、油相に取り囲まれている官能化ハイドロゲル内に細胞をカプセル化することができることも教示されている。 Studies of individualized cells in microdroplets have also been made, for example, by Joensson, H. et al. N. & Andersson Svan, H. et al. , "Droplet microfluidics-a tool for single-cell analysis", Angew. Chem. Int. Ed. Engl. It is known from pages 51, 12176 to 12192 (2012). In practice, these microdroplets form well-defined compartments that allow the isolation of biological samples, such as cells, for example. This document specifically teaches that the localization of encapsulated cell populations can be controlled by the accumulation of droplets in culture chambers, elongated channels, or static traps. The literature also teaches that cells can be encapsulated within a functionalized hydrogel surrounded by an oil phase.

しかしながら、このようなデバイスにおける細胞への栄養素、又はより一般的には生物学的に関心のある分子の供給は制限されることが判明し、使用する方法(たとえば、電気融合又はピコインジェクション(picoinjection)による)が複雑であることが判明している。その結果として、これらのデバイスには、細胞挙動の研究に対して、特に時間の点で非常に多くの限界がある。 However, the supply of nutrients, or more generally biologically interesting molecules, to cells in such devices has been found to be limited and the method used (eg, electrical fusion or pico injection). ) Has turned out to be complicated. As a result, these devices have numerous limitations, especially in terms of time, for studying cell behavior.

更には、L. Yu、M. C.W. Chen及びK. C. Cheung、「Droplet−based microfluidic system for multicellular tumor spheroid formation and anticancer drug testing」、Lab Chip (2010)から、多細胞スフェロイドを含有するハイドロゲルマイクロ液滴を取り扱うための方法が公知である。この方法によれば、細胞を含むハイドロゲルマイクロビーズが第1のマイクロ流体系において生成される。その後、それらハイドロゲルマイクロビーズは回収され、槽内で洗浄された後、トラップを含む第2のマイクロ流体系に注入され、これによりマイクロ液滴を固定することが可能となる。 Furthermore, L. Yu, M.M. C. W. Chen and K. C. From Cheung, "Droplet-based microfluidic system for multicellular tumor sphere spheroid formation and anticancer drug testing", a method known to handle hydrogels from Lab Chip (2010), a method known to handle hydrogels in a Lab Chip (2010), contains multicellular spheroids. According to this method, cell-containing hydrogel microbeads are produced in the first microfluidic system. The hydrogel microbeads are then recovered, washed in the tank and then injected into a second microfluidic system containing a trap, which allows the microdroplets to be immobilized.

しかしながら、このような方法は複雑で、2つの別個のマイクロ流体系及び3つのデバイスが全体で必要となる。加えて、この方法では、サンプルの連続観測は可能とならない。特に、液滴の形成とその捕獲との間の最初の瞬間を観測することが可能とならない。 However, such a method is complicated and requires two separate microfluidic systems and three devices as a whole. In addition, this method does not allow continuous observation of samples. In particular, it does not make it possible to observe the first moment between the formation of a droplet and its capture.

FR−A−2958186FR-A-29581886

Guo、Rotem、Heyman、& Weitz、「Droplet microfluidics for high−throughput biological assays」、Lab. Chip. 12 (2012)Guo, Rotem, Heyman, & Weitz, "Droplet microfluidics for high-throughput bioassays", Lab. Chip. 12 (2012) Joensson, H. N. & Andersson Svahn, H.、「Droplet microfluidics − a tool for single−cell analysis」、Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 51、12176〜12192頁(2012)Joensson, H. et al. N. & Andersson Svan, H. et al. , "Droplet microfluidics-a tool for single-cell analysis", Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 51, pp. 12176-12192 (2012) L. Yu、M. C.W. Chen及びK. C. Cheung、「Droplet−based microfluidic system for multicellular tumor spheroid formation and anticancer drug testing」、Lab Chip (2010)L. Yu, M.M. C. W. Chen and K. C. Cheung, "Droplet-based microfluidic system for multicellular tumor spheroid formation and anticancer drug testing", Lab Chip (2010) S.L. Anna、N. Bontoux及びH.A. Stone、「Formation of dispersions using ‘Flow−Focusing’ in microchannels」、Appl. Phys. Lett. 82、364頁(2003)S. L. Anna, N.M. Bontoux and H. et al. A. Stone, "Formation of dispersions using'Flow-Focusing'in microchannels", Apple. Phys. Lett. 82, 364 pages (2003) T. Thorsen、R. W. Roberts、F. H. Arnold et S. R. Quake、「Dynamic pattern formation in a vesicle−generating microfluidic device」、Phys. Rev. Lett. 86、4163〜4166頁(2001)T. Thorsen, R.M. W. Roberts, F.M. H. Arnold et S. R. Quake, "Dynamic pattern formation in a vesicle-generating microfluidic device", Phys. Rev. Lett. 86, pp. 4163-4166 (2001)

したがって、より簡潔で、且つそれでもなおサンプルについての幅広い試験を可能とする、サンプルを含有するマイクロ液滴を取り扱うための方法が必要である。また、マイクロ液滴のより効果的な選別を可能にする、マイクロ液滴を取り扱うための方法も必要である。 Therefore, there is a need for a method for handling microdroplets containing samples that is simpler and yet allows for a wider range of tests on the sample. There is also a need for methods for handling microdroplets that allow for more effective sorting of microdroplets.

この目的に向けて、本発明は、サンプルを含むマイクロ液滴をマイクロ流体系において取り扱うための方法であって、
i)サンプルを含有する水溶液のマイクロ液滴を、油中で形成する工程であり、油及び水溶液の少なくとも一方がゲル化剤を含む、工程と、
ii)捕捉ゾーン内に事前に配列されている表面張力トラップによって、マイクロ液滴を捕捉する工程と、
iii)捕捉ゾーン内の油の少なくとも一部及び捕捉されたマイクロ液滴の少なくとも一部の少なくとも一方をゲル化する工程とを含む
方法を提供する。
To this end, the present invention is a method for handling microdroplets containing samples in a microfluidic system.
i) A step of forming microdroplets of an aqueous solution containing a sample in oil, wherein at least one of the oil and the aqueous solution contains a gelling agent.
ii) The process of capturing microdroplets by surface tension traps pre-arranged within the capture zone, and
iii) Provided is a method including a step of gelling at least a part of oil in a trapping zone and at least a part of trapped microdroplets.

したがって、本発明によれば、目的のマイクロ液滴、言い換えると、目的のサンプルを含有するマイクロ液滴を選別するために、これらのマイクロ液滴を、まず表面張力トラップ(又は毛細管トラップ)内に捕捉し、その後マイクロ液滴の一部及び/又はマイクロ液滴を取り囲む油の一部をゲル化する。マイクロ液滴及び/又はマイクロ液滴を取り囲む油のゲル化は、トラップ内のマイクロ液滴の捕捉の強度を高めることによって選別を容易にする。言い換えると、ゲル化工程により、目的のマイクロ液滴が失われることを防止することが可能となる。 Therefore, according to the present invention, in order to select the desired microdroplets, in other words, the microdroplets containing the desired sample, these microdroplets are first placed in a surface tension trap (or capillary trap). It captures and then gels some of the microdroplets and / or some of the oil that surrounds the microdroplets. Gelation of the microdroplets and / or the oil surrounding the microdroplets facilitates sorting by increasing the strength of capture of the microdroplets in the trap. In other words, the gelling step makes it possible to prevent the loss of the desired microdroplets.

加えて、このゲル化により、これらのマイクロ液滴のサンプルの混合を引き起こし得る、マイクロ液滴が融合可能となることを防止することが可能となる。 In addition, this gelation makes it possible to prevent the microdroplets from becoming fusing, which can cause mixing of these microdroplet samples.

表面張力トラップとは、トラップとしてのマイクロ流体系のゾーンを意味するものとし、その幾何学的形状により、マイクロ液滴の界面張力を伴って、マイクロ液滴を所定の位置に保持することが可能となる。 The surface tension trap means a zone of a microfluidic system as a trap, and its geometric shape makes it possible to hold the microdroplets in a predetermined position with the interfacial tension of the microdroplets. It becomes.

この方法の工程はすべて、単一のマイクロ流体系において実施する。マイクロ流体系とは、微細加工プロセスに従ってその一部が製造される系を意味するものとする。このような系は、その少なくとも1つの寸法が典型的にはミリメートル未満であるダクトを有する。 All steps of this method are performed in a single microfluidic system. The microfluidic system shall mean a system in which a part thereof is manufactured according to a microfabrication process. Such systems have ducts whose at least one dimension is typically less than a millimeter.

マイクロ液滴の形状は制御することができる。このマイクロ液滴の形状制御は、とりわけ細胞操作の点で様々な用途を可能にするために、マイクロ液滴又はマイクロ液滴を取り囲む油の一部をゲル化する時点の制御と組み合わせることができる。 The shape of the microdroplets can be controlled. This microdroplet shape control can be combined with control at the time of gelation of the microdroplets or a portion of the oil surrounding the microdroplets to enable a variety of applications, especially in terms of cell manipulation. ..

細胞とは、真核細胞(たとえば、植物、キノコ、酵母又は哺乳類細胞)と、原核細胞(たとえば、細菌)とを意味するものとする。哺乳類細胞では、足場非依存性細胞(たとえば、血液細胞株の一部の細胞及び高度に形質転換した腫瘍細胞)と、その一部の亜型はスフェロイド形に組織化することができる足場依存性細胞(他の細胞型の大部分)とを区別する。スフェロイドとは、臓器に由来する組織の機能性とその機能性が類似しているマイクロ組織の形で組織化される多細胞性構造を意味するものとする。 The cell is meant to mean a eukaryotic cell (eg, a plant, mushroom, yeast or mammalian cell) and a prokaryotic cell (eg, a bacterium). In mammalian cells, scaffold-independent cells (eg, some cells in blood cell lines and highly transformed tumor cells) and some subtypes are scaffold-dependent, which can be organized into spheroids. Distinguish from cells (most of other cell types). Spheroids are meant to be multicellular structures organized in the form of microtissues that are similar in functionality to the functionality of tissues derived from organs.

好ましい実施形態によれば、本発明による方法は、下記特徴の1つ又は複数を単独で、又は組み合わせて含む。
− 工程iii)は、マイクロ液滴を除いて、捕捉ゾーンの油の少なくとも一部をゲル化することにあること。
− 工程iii)は、捕捉ゾーン内のマイクロ液滴を取り囲む油を除いて、マイクロ液滴の少なくとも一部をゲル化することにあること。
− サンプルは、1種又は複数の細胞、とりわけ細胞のスフェロイド、分子を捕捉する1種又は複数のビーズであって、とりわけプラスチック製であるビーズ、又は1種又は複数の分子のうちの1つであること。
− 工程iii)は、捕捉されたマイクロ液滴内におけるサンプルの、とりわけ細胞の沈降後、特に、スフェロイドの形成後に行われること。
− 工程iii)は、捕捉されたマイクロ液滴内におけるサンプルの沈降前に行われること。
− この方法が、
iv)ゲル化したマイクロ液滴を取り囲む油を水溶液と置き換える
ことにある工程を更に含むこと。
− 油と置き換わる水溶液は生化学溶液を含有し、この生化学溶液は、好ましくは1種又は複数のpH緩衝剤又は生理食塩水緩衝剤、1種又は複数の栄養素、1種又は複数の成長因子、サイトカイン、1種又は複数の抗体、1種又は複数の抗原、とりわけ医薬品の1種又は複数の分子、1種又は複数の細胞、脂質、とりわけ単量体型又は多糖型の炭水化物、アミノ酸及び/又はタンパク質のうちの少なくとも1つを含むこと。
− 捕捉ゾーンが表面張力トラップを含むマイクロ流体チップによって形成されていること。
− 工程i)は、
a)サンプルと、必要に応じてゲル化剤とを含有する水溶液を捕捉ゾーンの上流のゾーンに注入し、
b)サンプルを含有する水溶液を捕捉ゾーンの出口に向かって追い出すために、必要に応じてゲル化剤を含有する油を捕捉ゾーンの上流のゾーンに、サンプルを含有するマイクロ液滴を形成するように注入し、その後、
c)マイクロ液滴を捕捉ゾーンに移動させ、捕捉ゾーンにおいてマイクロ液滴を捕捉する
ことにあること。
− 工程i)及び工程ii)は、
− サンプルと、必要に応じてゲル化剤とを含有する水溶液で捕捉ゾーンを充填し、その後、
− サンプルを含有する水溶液を捕捉ゾーンの出口に向かって追い出すために、捕捉ゾーンに、必要に応じてゲル化剤を含有する油を注入し、表面張力トラップが、サンプルを含有するマイクロ液滴の破砕が表面張力トラップで可能となるように適合されている
ことにある作業を行うことによって、捕捉ゾーンにおいて同時に行われること。
− 工程iii)は、
− マイクロ液滴及び/又は油を冷却又は加熱すること、
− 化学ゲル化剤を含有する溶液を注入すること、
− マイクロ液滴及び/又は油を、ゲル化を引き起こす光、とりわけUV光に曝露すること
のうちの少なくとも1つにあること。
− 油が界面活性剤を含有し、この方法が、工程iv)の前に界面活性剤を洗浄する工程を好ましくは含むこと。
− この方法が、マイクロ液滴の所望の形状に応じて表面張力トラップの形状を選択する工程を、工程i)の前に含むこと。
− 捕捉ゾーン及びトラップは、
− 平坦な底部を有する捕捉されたマイクロ液滴を形成する、又は
− 平坦ではない、とりわけ湾曲状、好ましくは凸状の底部を有する捕捉されたマイクロ液滴を形成する
ように選択されること。
− この方法が、工程iii)においてゲル化したマイクロ液滴の少なくとも一部を非ゲル化することにある工程v)を、工程iii)に続いて、好ましくは工程iv)に続いて含むこと。
− この方法が、非ゲル化したマイクロ液滴及び/又はこれらの非ゲル化したマイクロ液滴に含有されるサンプルを捕捉ゾーンから排出することにある工程vi)を、工程v)に続いて含むこと。
− この方法が、捕捉されたマイクロ液滴、ゲル化したマイクロ液滴又は非ゲル化したマイクロ液滴の少なくとも一部に含有されるサンプルに刺激を与える工程を含むこと。
− この方法が、その周りで油がゲル化しているマイクロ液滴を捕捉ゾーンに保持するだけのために、その周りで油がゲル化していないマイクロ液滴を捕捉ゾーンから追い出すことにある工程を、工程iii)に続いて含むこと。
According to a preferred embodiment, the method according to the invention comprises one or more of the following features alone or in combination.
-Step iii) is to gel at least a portion of the oil in the capture zone, except for microdroplets.
-Step iii) is to gel at least a portion of the microdroplets, except for the oil that surrounds the microdroplets in the capture zone.
-Samples are one or more cells, especially cell spheroids, one or more beads that capture molecules, especially one of plastic beads, or one or more molecules. There is.
-Step iii) is to be performed in the captured microdroplets, especially after cell sedimentation, especially after spheroid formation.
-Step iii) shall be performed prior to sedimentation of the sample within the captured microdroplets.
− This method
iv) Further include a step in replacing the oil surrounding the gelled microdroplets with an aqueous solution.
-The aqueous solution that replaces the oil contains a biochemical solution, which is preferably one or more pH buffers or saline buffers, one or more nutrients, one or more growth factors. , Cytokines, 1 or more antibodies, 1 or more antigens, especially 1 or more molecules of pharmaceuticals, 1 or more cells, lipids, especially monomeric or polysaccharide carbohydrates, amino acids and / or Contain at least one of the proteins.
-The capture zone is formed by a microfluidic chip containing a surface tension trap.
− Step i)
a) An aqueous solution containing a sample and, if necessary, a gelling agent is injected into the zone upstream of the capture zone.
b) If necessary, oil containing a gelling agent to form microdroplets containing the sample in the zone upstream of the capture zone in order to expel the aqueous solution containing the sample toward the outlet of the capture zone. Inject into, then
c) To move the microdroplets to the capture zone and capture the microdroplets in the capture zone.
− Step i) and step ii)
-Fill the capture zone with an aqueous solution containing the sample and, if necessary, a gelling agent, and then
-In order to expel the aqueous solution containing the sample toward the exit of the capture zone, the capture zone is infused with oil containing a gelling agent as needed, and a surface tension trap is provided for the microdroplets containing the sample. Simultaneous in the capture zone by performing certain tasks that crushing is adapted to be possible with surface tension traps.
− Step iii)
-Cooling or heating microdroplets and / or oil,
− Injecting a solution containing a chemical gelling agent,
-Exposure of microdroplets and / or oil to at least one of the light that causes gelation, especially UV light.
-The oil contains a surfactant, and the method preferably comprises the step of cleaning the surfactant before step iv).
− This method includes, prior to step i), the step of selecting the shape of the surface tension trap according to the desired shape of the microdroplets.
− Capture zones and traps
-Selected to form captured microdroplets with a flat bottom, or-to form captured microdroplets with a non-flat, especially curved, preferably convex bottom.
− This method comprises non-gelling at least a portion of the gelled microdroplets in step iii), followed by step iii), preferably step iv).
− This method comprises step vi) in which the non-gelled microdroplets and / or the sample contained in these non-gelled microdroplets is expelled from the capture zone, following step v). thing.
-The method comprises stimulating a sample contained in at least a portion of captured microdroplets, gelled microdroplets or non-gelled microdroplets.
− This method involves expelling non-gelled microdroplets around it from the capture zone simply to hold the microdroplets with oil gelling around them in the capture zone. , Step iii) to be included.

別の態様によれば、本発明は、上述のように方法を実施するためのデバイスであって、そのすべての組合せにおいて、
− サンプルを含有するマイクロ液滴を形成するための手段と、
− 所定の位置でマイクロ液滴を捕捉するための捕捉ゾーン、とりわけ、マイクロ流体チップと、
− 捕捉されたマイクロ液滴及び/又は油の少なくとも一部をゲル化するための手段と
を含む、デバイスに関する。
According to another aspect, the present invention is a device for carrying out the method as described above, in all combinations thereof.
-Means for forming microdroplets containing samples,
-A capture zone for capturing microdroplets in place, especially with a microfluidic chip,
-For devices including means for gelling at least a portion of captured microdroplets and / or oil.

ゲル化手段は、捕捉ゾーンに化学薬剤を注入するためのデバイスを含むことができる。 The gelling means can include a device for injecting a chemical agent into the capture zone.

このデバイスは、ゲル化したハイドロゲルマイクロ液滴の少なくとも一部及び/又はゲル化した油の一部を非ゲル化するための手段を含むこともできる。 The device can also include means for non-gelling at least a portion of the gelled hydrogel microdroplets and / or a portion of the gelled oil.

本発明はまた、ゲル化したマイクロ液滴の生成物であって、マイクロ液滴を捕捉するためのゾーン、特にマイクロ流体チップと、それぞれがサンプルを含み、捕捉ゾーンに捕捉されている、好ましくは凍結保存されているゲル化したマイクロ液滴とを含む、ゲル化したマイクロ液滴の生成物に関する。 The present invention is also a product of gelled microdroplets, each containing a zone for capturing microdroplets, particularly a microfluidic chip, each containing a sample and captured in the capture zone, preferably. With respect to the product of gelled microdroplets, including with gelled microdroplets stored cryopreserved.

このため、このマイクロ液滴生成物の保存及び/又は流通を目的として、生化学溶液は、サンプルの凍結保存を可能とするために抗凍結剤(DMSO、グリセロール、トレハロース等)を含有することができる。 Therefore, for the purpose of storage and / or distribution of this microdroplet product, the biochemical solution may contain an antifreeze agent (DMSO, glycerol, trehalose, etc.) to allow cryopreservation of the sample. it can.

ゲル化したマイクロ液滴は、流体中、好ましくは水溶液中又は油中に浸漬させることもでき、流体及びマイクロ液滴は、好ましくは凍結保存されている。 The gelled microdroplets can also be immersed in a fluid, preferably in an aqueous solution or oil, and the fluid and microdroplets are preferably cryopreserved.

本発明はまた、捕捉ゾーン、とりわけ、マイクロ流体チップと、それぞれがサンプルを含み、捕捉ゾーンに捕捉されているマイクロ液滴とを含むマイクロ液滴の生成物に関する。マイクロ液滴はゲル化した油に浸漬され、マイクロ液滴及びゲル化した油は好ましくは凍結保存されている。 The present invention also relates to a product of microdroplets, including a capture zone, particularly a microfluidic chip, and microdroplets, each containing a sample and captured in the capture zone. The microdroplets are immersed in gelled oil, and the microdroplets and gelled oil are preferably cryopreserved.

サンプルは、哺乳類細胞、好ましくは、ヒト細胞以外の哺乳類からの細胞、細菌、酵母、若しくはバイオプロセスで使用する他の細胞、分子、又は分子を表面で捕捉するビーズであってよい。 The sample may be a mammalian cell, preferably a bead that surface captures cells from a mammal other than human cells, bacteria, yeast, or other cells, molecules, or molecules used in a bioprocess.

本発明の例示的な実施形態についての以下の説明を、添付図面を踏まえて読み取ると、本発明が更に理解されよう。 The invention may be further understood by reading the following description of exemplary embodiments of the invention in light of the accompanying drawings.

マイクロ流体チップを概略的に示す図である。It is a figure which shows schematicly the microfluidic chip. 図1からのマイクロ流体チップを概略的に示す図であって、一部のトラップが、サンプルを含有するハイドロゲルマイクロ液滴によって占められている図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a microfluidic chip from FIG. 1, in which some traps are occupied by hydrogel microdroplets containing a sample. ハイドロゲルと試験しようとするサンプルとの混合物を含有する、図1からのマイクロ流体チップを概略的に示す図である。FIG. 5 is a schematic representation of a microfluidic chip from FIG. 1 containing a mixture of a hydrogel and a sample to be tested. マイクロ流体チップ内に捕捉されているハイドロゲルマイクロ液滴に含有されているサンプルの一部を、このマイクロ流体チップから排出するための手段を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the means for discharging a part of the sample contained in the hydrogel microdroplet trapped in a microfluidic chip from this microfluidic chip. マイクロ流体チップ内に捕捉されているハイドロゲルマイクロ液滴に含有されているサンプルの一部を、このマイクロ流体チップから排出するための手段を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the means for discharging a part of the sample contained in the hydrogel microdroplet trapped in a microfluidic chip from this microfluidic chip. マイクロ流体チップ内に捕捉されているハイドロゲルマイクロ液滴に含有されているサンプルの一部を、このマイクロ流体チップから排出するための手段を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the means for discharging a part of the sample contained in the hydrogel microdroplet trapped in a microfluidic chip from this microfluidic chip. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. 表面張力トラップの幾何学的形状の、またそれにより得ることが可能となるマイクロ液滴の形状の例を概略的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing an example of the geometric shape of a surface tension trap and the shape of a microdroplet that can be obtained thereby. ハイドロゲルマイクロ液滴内のサンプルの沈降の例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the sedimentation of a sample in a hydrogel microdroplet. ハイドロゲルマイクロ液滴内のサンプルの沈降の例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the sedimentation of a sample in a hydrogel microdroplet. ハイドロゲルマイクロ液滴内のサンプルの沈降の例を概略的に示す図である。It is a figure which shows typically the example of the sedimentation of a sample in a hydrogel microdroplet.

本発明は、試験しようとするサンプルを含むハイドロゲルマイクロ液滴を取り扱うための方法に関する。 The present invention relates to a method for handling hydrogel microdroplets containing a sample to be tested.

下記文書は、特に細胞の形のサンプルに関係しているが、他の種類のサンプルを使用することもできることは言うまでもない。 The following documents are particularly relevant for samples in the form of cells, but it goes without saying that other types of samples can be used.

この方法は、基本的に3つの工程を含み、それらの工程はすべて単一のマイクロ流体系において行われ、これらの3つの工程は、
− 1種又は複数の細胞を含有する液体水溶液のマイクロ液滴を、油中で形成する工程であって、油及び/又は水溶液がゲル化剤を含む、工程、
− 捕捉ゾーン内に事前に配列されている表面張力トラップによって、液体マイクロ液滴を捕捉する工程、並びに
− 油及び捕捉されたマイクロ液滴の少なくとも一部の少なくとも一方をゲル化する工程にある。
This method basically involves three steps, all of which are carried out in a single microfluidic system, and these three steps are
− A step of forming microdroplets of a liquid aqueous solution containing one or more cells in an oil, wherein the oil and / or the aqueous solution contains a gelling agent.
-The process of capturing liquid microdroplets with a surface tension trap pre-arranged within the capture zone, and-the step of gelling at least one of the oil and the captured microdroplets.

下記文書は、水溶液がハイドロゲル溶液で、油はゲル化剤を含まず、また上記最後の工程が、油自体がゲル化されることなく捕捉されたマイクロ液滴の少なくとも一部をゲル化することにある場合に特に関係している。この場合、上記3つの工程に続き、とりわけ行うことが望まれる試験に応じて、異なる工程を行うことによってこの方法を継続することができる。 The document below states that the aqueous solution is a hydrogel solution, the oil does not contain a gelling agent, and the last step above gels at least a portion of the captured microdroplets without the oil itself gelling. It is especially relevant when there is something to do. In this case, this method can be continued by performing different steps following the above three steps, especially depending on the test desired to be performed.

表面張力トラップからマイクロ液滴を取り除くことなく、ゲル化したマイクロ液滴周辺の油を水溶液に置き換えることである工程によって、この方法をとりわけ継続することができる。水溶液は、栄養素、成長因子、抗体、薬剤分子並びにpH及び/又は生理食塩水緩衝剤のうち少なくとも1種を有する生化学溶液を含有することができる。 This method can be particularly continued by the step of replacing the oil around the gelled microdroplets with an aqueous solution without removing the microdroplets from the surface tension trap. The aqueous solution can contain nutrients, growth factors, antibodies, drug molecules and biochemical solutions having at least one of pH and / or saline buffer.

別の態様によれば、この方法によって、その主な用途がこれらのマイクロ液滴内における細胞のカプセル化であると、マイクロ流体チャネル内及び/又は表面張力トラップ内のハイドロゲルビーズの三次元形状を制御することが可能となる。したがって、マイクロ液滴の形状及びマイクロ液滴当たりの細胞の濃度に応じて、ハイドロゲル内における細胞のカプセル化により、細胞に生化学溶液を注入しながら、又はたとえば、熱や光等の物理的刺激を細胞に与えながら、それら細胞を培養又は分析することが可能となる。 According to another aspect, by this method, the three-dimensional shape of the hydrogel beads in the microfluidic channel and / or in the surface tension trap, the main application of which is the encapsulation of cells in these microdroplets. It becomes possible to control. Thus, depending on the shape of the microdroplets and the concentration of cells per microdroplet, by encapsulating the cells in a hydrogel, while injecting the biochemical solution into the cells, or physically, for example, heat or light. It is possible to culture or analyze the cells while giving the stimulus to the cells.

ゲルとは、主に液体で構成される、たとえば、その安定状態では流動しない等、固体外観を与えるよう組織化することができる分子又は粒子を含有する媒体を意味するものとする。この溶液は液体状態で取り扱うことができ、その後化学的又は物理的手段によって「ゲル化」することができる。場合によっては、ゲル化は可逆的であってもよい。液体が水である場合には、ハイドロゲルを指す。 The gel is intended to mean a medium containing molecules or particles that are composed primarily of liquids and can be organized to give a solid appearance, for example, do not flow in its stable state. The solution can be handled in a liquid state and then "gelled" by chemical or physical means. In some cases, gelation may be reversible. When the liquid is water, it refers to hydrogel.

前述の通り、提案するマイクロ流体方法は、油の中に生体細胞を含有するハイドロゲルマイクロ流体を形成する第1の工程を含む。 As mentioned above, the proposed microfluidic method comprises a first step of forming a hydrogel microfluidic containing living cells in oil.

この場合、マイクロ液滴(又はマイクロビーズ)の直径は、マイクロメートルオーダー、とりわけ10〜1000マイクロメートルの間の直径である。 In this case, the diameter of the microdroplets (or microbeads) is on the order of micrometers, especially between 10 and 1000 micrometers.

ハイドロゲルは、たとえば、ゲル化剤を含む水溶液である。ゲル化剤は、使用者によって用途に応じて選択される。物理的にゲル化することができるゲル化剤の一例は、アガロースであり、これは室温で液体であるが、低温でゲル化する。化学的にゲル化することができるゲル化剤は、たとえば、アルギン酸塩であり、これは溶液中で液体であるが、カルシウムイオンCa2+が供給されるとゲル化する。 The hydrogel is, for example, an aqueous solution containing a gelling agent. The gelling agent is selected by the user according to the application. An example of a gelling agent that can be physically gelled is agarose, which is a liquid at room temperature but gels at low temperatures. A gelling agent that can be chemically gelled is, for example, alginate, which is a liquid in solution but gels when the calcium ion Ca 2+ is supplied.

生物学的レベルでは、ハイドロゲルの生化学的及び生体力学的特性により、足場感受性細胞が、このようにして形成したマトリックスと特異的相互作用を構築することを可能にすることができる。これらの相互作用は、足場依存性哺乳類細胞の生存には必須で、それら細胞の表現型制御に関与する。マトリックスの性質により、たとえば、細胞移動又はタンパク質分解(細胞によるマトリックスの消化)を観測することを可能にすることができる。アガロース、アルギン酸塩及びPEG−DA(ポリエチレングリコールジアクリレート)を用いるだけでなく、ゼラチン、I型コラーゲン又はMatrigel(登録商標)も用いて、特に決定的な実験を行った。たとえば、様々なタンパク質、グリコサミノグリカン、及び細胞外マトリックスの他の成分(たとえば、I型コラーゲン、ゼラチン又はMatrigel(登録商標))を含有するハイドロゲルにより、ハイドロゲルの、生存能力を維持する能力、増殖を援助する能力、及び移動する能力、並びにある特定の足場依存性細胞集団の表現型を維持する能力も実証された。たとえば、連続したマイクロ液滴を供給することによって、ゲルを組み合わせることができることに留意されたい。上記ハイドロゲルにはそれぞれ、特異的な対応するゲル化手順がある。PEG−DA等、一部のハイドロゲルは、ペプチド模倣薬を組み込むことによって、細胞の生存及び/若しくは発生を可能とするために官能化することも(たとえば、一部の哺乳類細胞種が特異的相互作用を構築することができるRGD型コンセンサス配列、又はメタロプロテアーゼに特異的であるPRCG[V/N]PD若しくはHEXGHXXGXXHコンセンサス配列により、ハイドロゲルを官能化することができる)、又は抗体若しくはアプタマーを組み込むことにより、たとえば、カプセル化リンパ球によって分泌されるサイトカインのその場捕獲により特異的分子のセンサーを可能とするために官能化することもできる。これらのハイドロゲルの機械的特性は、たとえば、それらハイドロゲルの架橋度及び/又は濃度を変化させることによって、異なる用途に対して改変することもできる。これらの物理化学的特性のすべてが、捕捉ゾーン内のトラップによって異なることがある。捕捉されたハイドロゲルマイクロ液滴内に剛性勾配を設定すると、たとえば、異なる細胞型への幹細胞分化を制御することが可能となる。最後に、トラップ内のゲル化したコア周辺で数種類の層を混合した、又は連続して形成した後に、同じマイクロ液滴内に数種のハイドロゲルが共存することができる。 At the biological level, the biochemical and biomechanical properties of hydrogels can allow scaffold-sensitive cells to establish specific interactions with the matrix thus formed. These interactions are essential for the survival of scaffold-dependent mammalian cells and are involved in their phenotypic control. The nature of the matrix makes it possible, for example, to observe cell migration or proteolysis (digestion of the matrix by cells). Particularly definitive experiments were performed using not only agarose, alginate and PEG-DA (polyethylene glycol diacrylate), but also gelatin, type I collagen or Matrigel®. Maintaining the viability of hydrogels, for example, with hydrogels containing various proteins, glycosaminoglycans, and other components of the extracellular matrix (eg, type I collagen, gelatin or Matrigel®). The ability to assist in proliferation, to assist in proliferation, and to migrate, as well as to maintain the phenotype of a particular scaffold-dependent cell population, has also been demonstrated. Note that gels can be combined, for example, by supplying continuous microdroplets. Each of the above hydrogels has a specific corresponding gelation procedure. Some hydrogels, such as PEG-DA, can also be functionalized to allow cell survival and / or development by incorporating peptide mimetics (eg, some mammalian cell types are specific). Hydrogels can be functionalized by RGD-type consensus sequences capable of constructing interactions, or PRCG [V / N] PD or HEXGHXXXGXXH consensus sequences specific for metalloprotease), or antibodies or aptamers. Incorporation can also be functionalized, for example, to allow in-situ capture of cytokines secreted by encapsulated lymphocytes to enable sensing of specific molecules. The mechanical properties of these hydrogels can also be modified for different uses, for example by varying the degree of cross-linking and / or concentration of the hydrogels. All of these physicochemical properties may vary depending on the trap in the capture zone. Setting a stiffness gradient within the captured hydrogel microdroplets allows, for example, to control stem cell differentiation into different cell types. Finally, after several layers are mixed or continuously formed around the gelled core in the trap, several hydrogels can coexist in the same microdroplet.

先験的にはマイクロ液滴の形成前に、細胞をハイドゲルと混合する。しかし、マイクロ液滴の形成前に、マイクロ流体デバイス内でハイドロゲル及び細胞を直接混合することができる。 A priori, cells are mixed with Hydegel prior to the formation of microdroplets. However, the hydrogel and cells can be mixed directly within the microfluidic device prior to the formation of microdroplets.

油等の移動相内でこのようなマイクロ液滴を形成するため、非常に多くの方法が既に提案されている。たとえば、下記方法例に言及することができる。
− たとえば、その内容が参照により本明細書中に組み込まれるS.L. Anna、N. Bontoux及びH.A. Stone、「Formation of dispersions using ‘Flow−Focusing’ in microchannels」、Appl. Phys. Lett. 82、364頁(2003)に記載されている「流れ集中(flow−focusing)」と称される方法、
− たとえば、その内容が参照により本明細書中に組み込まれるT. Thorsen、R. W. Roberts、F. H. Arnold et S. R. Quake、「Dynamic pattern formation in a vesicle−generating microfluidic device」、Phys. Rev. Lett. 86、4163〜4166頁(2001)に記載されている「T−結合(T−junction)」法、又は
− たとえば、その内容が参照により本明細書中に組み込まれる出願FR−A−2958186に記載されている「閉じ込め勾配(confinement gradient)」法。
A large number of methods have already been proposed for forming such microdroplets in mobile phases such as oil. For example, the following method example can be mentioned.
-For example, S. cerevisiae, the contents of which are incorporated herein by reference. L. Anna, N.M. Bontoux and H. et al. A. Stone, "Formation of dispersions using'Flow-Focusing' in microchannels", Apple. Phys. Lett. 82, 364 (2003), a method referred to as "flow-focusing",
-For example, T.I., whose contents are incorporated herein by reference. Thorsen, R.M. W. Roberts, F.M. H. Arnold et S. R. Quake, "Dynamic pattern formation in a vesicle-generatoring microfluidic device", Phys. Rev. Lett. 86, 4163-4166 (2001), the "T-junction" method, or-for example, the application FR-A-29581886, the contents of which are incorporated herein by reference. The "confinement gradient" method used.

これらの方法により、実質的に等しい寸法のマイクロ液滴を形成することが可能となる。 These methods make it possible to form microdroplets of substantially the same size.

これらのマイクロ液滴の形成後、マイクロ液滴は、それらマイクロゾーンが形成されたゾーンからマイクロチャネルによる捕捉ゾーンへと運搬されるが、油の流れによって、且つ/又はスロープ若しくはレールによって運ばれる。この運搬は、マイクロ液滴内におけるスフェロイド形成の助けとなることが観測されている。マイクロ液滴はその後、とりわけマイクロ流体チップ内の捕捉ゾーン内に配列されている表面張力トラップによって捕捉される。捕捉ゾーン(又はマイクロ流体チップ10)は、疎水表面処理によって処理され、界面活性剤を含有する油で充填される。界面活性剤を使用すると、マイクロ液滴の安定化及びそれらマイクロ液滴形成の再現性が可能となる。界面活性剤により、生産デバイスから捕捉ゾーンのトラップへとマイクロ液滴を搬送する間の接触の場合に、マイクロ液滴の合体を防止することも可能となる。 After the formation of these microdroplets, the microdroplets are transported from the zone in which they were formed to the capture zone by the microchannel, but by a stream of oil and / or by a slope or rail. This transport has been observed to aid in spheroid formation within microdroplets. The microdroplets are then captured, among other things, by surface tension traps arranged within the capture zone within the microfluidic chip. The capture zone (or microfluidic chip 10) is treated by a hydrophobic surface treatment and filled with an oil containing a surfactant. The use of surfactants allows the stabilization of microdroplets and the reproducibility of their microdroplet formation. Surfactants can also prevent the coalescence of microdroplets in the event of contact while transporting the microdroplets from the production device to the trap in the capture zone.

マイクロ流体チップ10は、図1に示すように、場合によっては表又はマトリックスの形で組織化されている表面張力トラップを数多く含有する数平方センチメートルの培養チャンバーで構成される。表面張力トラップ12は様々な形状を取ることができる。たとえば、円筒形トラップの場合、それらトラップの直径は、所望の用途に応じて、数十ミクロン〜数百ミクロンとすることができる。単細胞又はマイクロ液滴内で個別化されている細胞のカプセル化では、トラップの直径は、たとえば、50ミクロンでよく、これは1平方センチメートル当たりトラップ約5000個の密度に対応する。大きな細胞凝集体又はスフェロイドの研究では、この直径は最大250ミクロンとすることができ、これは1平方センチメートル当たりトラップ250個程度のトラップ密度に対応する。 As shown in FIG. 1, the microfluidic chip 10 is composed of a culture chamber of several square centimeters containing a large number of surface tension traps, sometimes organized in the form of a table or matrix. The surface tension trap 12 can take various shapes. For example, in the case of cylindrical traps, the diameter of these traps can range from tens of microns to hundreds of microns, depending on the desired application. For encapsulation of cells individualized within a single cell or microdroplet, the diameter of the trap may be, for example, 50 microns, which corresponds to a density of about 5000 traps per square centimeter. In studies of large cell aggregates or spheroids, this diameter can be up to 250 microns, which corresponds to a trap density of around 250 traps per square centimeter.

図1に示すように、マイクロ流体チップ10の外側に形成される、生体細胞16を含むマイクロ液滴14は、たとえば、矢印18が示す油の流れによって、これらのマイクロ液滴の一部が表面張力トラップ12内に捕捉されるように後者のチップへと運ばれる。 As shown in FIG. 1, the microdroplets 14 containing living cells 16 formed on the outside of the microfluidic chip 10 have a part of these microdroplets on the surface due to, for example, the flow of oil indicated by the arrow 18. It is carried to the latter chip so that it is trapped in the tension trap 12.

しかし、変形形態として、油の中に生体細胞を含有するハイドロゲルマイクロ液滴を、油の中に生体細胞を含有するハイドロゲルの流れを精密に制御することなしに形成することをここで提案する。これは、適切な寸法を有するマイクロ液滴のみが後に捕捉ゾーンにおいて捕捉され、その結果、均質性の高い寸法、形状及び濃度の生体細胞を実際に有するマイクロ液滴によって、後者の捕捉ゾーンが占められるからである。 However, as a modified form, it is proposed here that hydrogel microdroplets containing living cells in oil are formed without precise control of the flow of hydrogels containing living cells in oil. To do. This is because only microdroplets of appropriate size are later captured in the capture zone, so that the latter capture zone is occupied by microdroplets that actually have living cells of highly homogeneous size, shape and concentration. Because it is possible.

図3に示す別の変形形態によれば、捕捉ゾーン、とりわけマイクロ流体チップ10は、生体細胞16を含有するハイドロゲル溶液20を含有する。その後、捕捉ゾーンに油を注入し(この注入は矢印18によって概略的に示してある)、この注入により、生体細胞16を含有するハイドロゲル溶液20が捕捉ゾーンから出口に向かって追い出される。マイクロ液滴はその後、図2に示す構成と実質的に同一の構成が得られるまでマイクロ流体チップの表面張力トラップ12内にハイドロゲルを捕捉することによって、これらのトラップ内で直接形成する。したがって、マイクロ液滴は、表面張力トラップ上で生体細胞を含有するハイドロゲル溶液を自発的に分割(又は破砕)することによって形成する。この場合もまた、流れを精密に制御することは不要であるが、精巧な機器を使用する必要なしに、注射器を手動で押すことさえも可能である。この場合、表面張力トラップでマイクロ液滴の破砕(すなわち、それらマイクロ液滴の形成)を可能にするためには、深い表面張力トラップが好ましい。続いてこのようなトラップについて説明する。 According to another variant shown in FIG. 3, the capture zone, especially the microfluidic chip 10, contains a hydrogel solution 20 containing living cells 16. The capture zone is then infused with oil (this infusion is outlined by arrow 18), which expels the hydrogel solution 20 containing the living cells 16 from the capture zone towards the exit. The microdroplets are then formed directly in these traps by trapping the hydrogel in the surface tension trap 12 of the microfluidic chip until a configuration substantially identical to that shown in FIG. 2 is obtained. Therefore, microdroplets are formed by spontaneously dividing (or crushing) a hydrogel solution containing living cells on a surface tension trap. Again, no precise control of the flow is required, but it is even possible to manually push the syringe without the need for elaborate equipment. In this case, a deep surface tension trap is preferred in order to allow the surface tension trap to crush the microdroplets (ie, form those microdroplets). Subsequently, such a trap will be described.

とりわけ所望の用途に応じて、すなわち、特に捕捉されるマイクロ液滴の所望の形状に応じて、トラップの形状が非常に異なる場合があることをここで留意されたい。上壁、下壁、又は捕捉ゾーン、とりわけマイクロ流体チップの側壁の1つに、トラップを形成する空洞が、好みに構わずに位置する場合もある。 It should be noted here that the shape of the trap can be very different, especially depending on the desired application, especially depending on the desired shape of the captured microdroplets. A cavity forming a trap may be located on the upper wall, lower wall, or capture zone, especially one of the side walls of the microfluidic chip, to preference.

図7〜図12に、マイクロ流体チップ10の表面張力トラップ12について想定することができる形状を、またこれらの表面張力トラップ12によって得ることができるマイクロ液滴14の形状を示す。 7 to 12 show the shapes that can be assumed for the surface tension trap 12 of the microfluidic chip 10, and the shape of the microdroplets 14 that can be obtained by these surface tension traps 12.

特に、トラップ12の形状により、トラップ12が形成されるマイクロ流体チャネルの幾何学的パラメーター及び捕捉されるマイクロ液滴の体積に従って、捕捉されるマイクロ液滴の形状を制御することが可能となる。図7は、マイクロ液滴のプロファイルを決定するために考慮に入れるパラメーター、すなわち、トラップ12を含有するチャネルに閉じ込められるマイクロ液滴の半径Rと、チャネル内のマイクロ液滴の半径Rよりも小さい、このチャネルの高さhと、トラップ12の直径d及び深さpとを概略的に示す。 In particular, the shape of the trap 12 makes it possible to control the shape of the captured microdroplets according to the geometric parameters of the microfluidic channel in which the trap 12 is formed and the volume of the captured microdroplets. FIG. 7 shows the parameters taken into account for determining the profile of the microdroplets, namely the radius R of the microdroplets confined in the channel containing the trap 12, and the radius R of the microdroplets in the channel. , The height h of this channel and the diameter d and depth p of the trap 12 are shown schematically.

図8〜図10に示すように、トラップ12が円筒形で、その直径dがチャネルのhの2倍よりも大きい場合には、マイクロ液滴14はトラップ12に可能な限り適合する。トラップ12及びマイクロ液滴14の相対体積によっては、マイクロ液滴14は半球体ドームを有していてもいなくてもよく、チャネルの壁によって閉じ込められている平坦部を有していてもいなくてもよい。したがって、図8においては、マイクロ液滴14の体積はトラップ12の体積よりも大きい。この場合、マイクロ液滴14はトラップ12をほぼ完全に充填し、チャネルの、またトラップの壁に対して平坦な形状を有する。図9においては、マイクロ液滴14の体積はトラップ12の体積よりもわずかに小さいので、マイクロ液滴14は半球体ドームを2つ有し、チャネルの壁にわずかに接しているだけである。最後に、マイクロ液滴14の体積が、図10に示すようにトラップ12の体積よりも大幅に小さい場合には、マイクロ液滴14(又は数個のマイクロ液滴14さえも)トラップ12内に完全に収容される。 As shown in FIGS. 8-10, if the trap 12 is cylindrical and its diameter d is greater than twice the channel h, the microdroplet 14 fits the trap 12 as closely as possible. Depending on the relative volume of the trap 12 and the microdroplet 14, the microdroplet 14 may or may not have a hemispherical dome and may or may not have a flat portion confined by the wall of the channel. May be good. Therefore, in FIG. 8, the volume of the microdroplet 14 is larger than the volume of the trap 12. In this case, the microdroplet 14 fills the trap 12 almost completely and has a flat shape with respect to the channel and the wall of the trap. In FIG. 9, since the volume of the microdroplet 14 is slightly smaller than the volume of the trap 12, the microdroplet 14 has two hemispherical domes and is only slightly in contact with the wall of the channel. Finally, if the volume of the microdroplets 14 is significantly smaller than the volume of the trap 12, as shown in FIG. 10, then the microdroplets 14 (or even a few microdroplets 14) are in the trap 12. Fully contained.

他方、図11の場合、トラップの直径dはチャネルの高さhの半分に満たない。その結果、マイクロ液滴14は基本的にはチャネル内に閉じ込められたままで、トラップ12内には小さい半球体ドームを有しているだけである。 On the other hand, in the case of FIG. 11, the diameter d of the trap is less than half the height h of the channel. As a result, the microdroplet 14 basically remains trapped in the channel and only has a small hemispherical dome in the trap 12.

最後に、図12の場合、トラップ12は円すい形で、その直径dはチャネルの高さhの2倍大きい。したがって、マイクロ液滴14は、トラップ12内に半球体ドームを形成するためにトラップ12の壁の形状にぴったり合う。 Finally, in the case of FIG. 12, the trap 12 is conical and its diameter d is twice as large as the channel height h. Therefore, the microdroplets 14 fit snugly into the shape of the wall of the trap 12 to form a hemispherical dome within the trap 12.

更には、図13に示すように、トラップ12内に捕捉されているマイクロ液滴14が平坦な底部を有する場合には、細胞16は沈降し、統計的には均一にマイクロ液滴14の底部にそれら細胞自体堆積する。その際、細胞は個々に観測することができるが、凝集しない。他方、トラップ12内に捕捉されているマイクロ液滴14が、図14及び図15に示すように平坦ではない底部、とりわけ凸部を有する場合には、細胞16はその沈降時にマイクロ液滴12の界面と接触するが、この界面に沿って滑らざるを得ない。したがって、細胞16は、マイクロ液滴14の底部に集結し、一部の足場依存性細胞の場合には任意に凝集し、スフェロイドを形成することがある。 Furthermore, as shown in FIG. 13, when the microdroplets 14 trapped in the trap 12 have a flat bottom, the cells 16 settle and the bottom of the microdroplets 14 is statistically uniform. The cells themselves deposit in. At that time, the cells can be observed individually, but they do not aggregate. On the other hand, if the microdroplets 14 trapped in the trap 12 have an uneven bottom, especially a protrusion, as shown in FIGS. 14 and 15, the cells 16 will have the microdroplets 12 upon settling. It comes into contact with the interface, but it has to slide along this interface. Thus, cells 16 may aggregate at the bottom of microdroplets 14 and, in the case of some scaffold-dependent cells, optionally aggregate to form spheroids.

ここで提案するマイクロ流体方法は、これらのマイクロ液滴の捕捉に続き、マイクロ液滴をゲル化する工程を含む。 The microfluidic method proposed here includes the steps of capturing these microdroplets and then gelling the microdroplets.

この工程は、とりわけ、使用するハイドロゲル化剤に応じて、様々な方法で実施することができる。したがって、第1の例によれば、ハイドロゲルはアガロースを含有する、好ましくは、ハイドロゲルはアガロースである。マイクロ液滴をその後、マイクロ流体チップを冷却することによってゲル化する。ハイドロゲルがアガロースを含有する、又は好ましくはハイドロゲルがアルギン酸塩である場合、マイクロ液滴が浸漬している油の中にカルシウムイオンCa2+を提供すること、又は実際には石灰質粒子をアルギン酸塩と事前に混合し、マイクロ液滴が浸漬している油をCO中で飽和させることが可能である。したがって、アルギン酸塩は酸性化し、カルシウムイオンは放出される。他のゲル化剤を使用することもできるため、他のゲル化手段を使用することもできることは言うまでもない。 This step can be carried out in various ways, among other things, depending on the hydrogelling agent used. Therefore, according to the first example, the hydrogel contains agarose, preferably the hydrogel is agarose. The microdroplets are then gelled by cooling the microfluidic chip. If the hydrogel contains agarose, or preferably the hydrogel is alginate, it provides calcium ion Ca 2+ in the oil in which the microdroplets are immersed, or actually alginates the calcareous particles. It is possible to premix with and saturate the oil in which the microdroplets are immersed in CO 2 . Therefore, alginate is acidified and calcium ions are released. It goes without saying that other gelling means can also be used because other gelling agents can be used.

更には、求められている用途に応じて、このゲル化工程を、取扱い方法の間の異なる時点で行うことができる。特に、細胞をマイクロ液滴内の所定の位置に固定し、それら細胞が沈降することを防止するように、捕捉直後にゲル化を行うことができる。その際には、互いに独立に細胞を観測することが可能である。或いは、細胞の沈降後にゲル化を行って、スフェロイドを形成する。これにより、スフェロイドを形成した細胞の挙動を観測することが可能となる。別の代替形態によれば、マイクロ液滴は、たとえば、ある特定の細胞、ゲル化していないマイクロ液滴中の細胞を選択的に抽出するために、液体媒体中の細胞を取り扱うための作業後にゲル化されるだけである。これは、足場非依存性である、細菌又は赤血球及び白血球等の細胞には有用であることがある。 Furthermore, this gelling step can be performed at different time points between handling methods, depending on the application sought. In particular, gelation can be performed immediately after capture so as to anchor the cells in place within the microdroplets and prevent them from settling. At that time, it is possible to observe the cells independently of each other. Alternatively, gelation is performed after the cells have settled to form spheroids. This makes it possible to observe the behavior of cells that have formed spheroids. According to another alternative form, the microdroplets are, for example, after work to handle cells in a liquid medium to selectively extract certain cells, cells in non-gelled microdroplets. It is only gelled. It may be useful for scaffold-independent cells such as bacteria or erythrocytes and leukocytes.

ゲル化後、マイクロ液滴が浸漬している油を、たとえば、栄養素、成長因子、抗体、薬物、薬剤分子等の生化学成分を含む生化学溶液をとりわけ含有する水溶液と置き換えることが可能である。これらの生化学成分はゲルを通して拡散し、細胞に到達する。したがって、独立した、又はスフェロイドの形の細胞の、これらの刺激に対する反応を研究することが可能である。したがって、ハイドロゲルにより、水性相による細胞の注入を可能にしながら、またマイクロ液滴内への細胞のカプセル化の間にあらかじめ生体サンプルを区分化しながら、細胞を正確な位置に維持することが可能となる。 After gelation, it is possible to replace the oil in which the microdroplets are immersed with an aqueous solution that specifically contains a biochemical solution containing biochemical components such as nutrients, growth factors, antibodies, drugs, drug molecules and the like. .. These biochemical components diffuse through the gel and reach the cells. Therefore, it is possible to study the response of cells in the form of independent or spheroids to these stimuli. Thus, hydrogels can keep cells in place while allowing the injection of cells in the aqueous phase and pre-dividing the biological sample during encapsulation of the cells into microdroplets. It becomes.

この作業を成功裏に行うためには、マイクロ液滴の界面から界面活性剤を押し出すことが好ましい。これは、界面活性剤がマイクロ液滴の界面で形成する殻が非常に効果的であるため、油を置き換えるために注入される水性相がマイクロ流体チップを充填し、マイクロ液滴をそのそれぞれのトラップ内でゲル化したままとすることを妨げることがあり得るからである。界面活性剤の存在によって合体が食い止められるため、トラップに水性相の界面が到達することにより、結果的にゲル化したマイクロ液滴に力が加わるが、このマイクロ液滴は、そのマイクロ液滴を構成するハイドロゲルが十分に圧縮性である場合にはトラップから押し出され得る。これが、界面における界面活性剤の濃度を低下させることによって合体を促進させることが好ましい理由である。このため、以前使用されていた油とは違って界面活性剤を含有しない油を、水性相の注入前に、マイクロ流体チップに注入する。マイクロ流体チップの油の中の界面活性剤の濃度は減少し、それにより界面における界面活性剤の吸着から脱着に向けて平衡を移動させることが可能となる。たとえば、数質量パーセント程度の高濃度の界面活性剤に対しては、マイクロ流体チップの体積の50倍に相当する量の油を、マイクロ流体チップに注入することが好ましい。この比率は、界面活性剤の性質に、また2つの相に対するその/それらの界面活性剤の親和性に依存する。 In order to carry out this operation successfully, it is preferable to extrude the surfactant from the interface of the microdroplets. This is because the shell that the surfactant forms at the interface of the microdroplets is so effective that the aqueous phase injected to replace the oil fills the microfluidic chips and fills the microfluidic chips with their respective microdroplets. This can prevent it from remaining gelled in the trap. The presence of the surfactant prevents the coalescence, so that the interface of the aqueous phase reaches the trap, resulting in a force applied to the gelled microdroplets, which the microdroplets capture the microdroplets. If the constituent hydrogels are sufficiently compressible, they can be extruded from the trap. This is the reason why it is preferable to promote coalescence by reducing the concentration of surfactant at the interface. For this reason, a surfactant-free oil, unlike previously used oils, is injected into the microfluidic chip prior to the injection of the aqueous phase. The concentration of surfactant in the oil of the microfluidic chip is reduced, which allows the equilibrium to shift from adsorption to desorption of the surfactant at the interface. For example, for a high concentration surfactant of about several mass percent, it is preferable to inject an amount of oil corresponding to 50 times the volume of the microfluidic chip into the microfluidic chip. This ratio depends on the nature of the surfactant and on its / their affinity for the two phases.

ゲル化したマイクロ液滴をトラップ内で確実に定位置に保持するために、トラップの形状を最適化することもできる。したがって、十分に深い円筒形トラップの場合には、チャネルの高さがトラップの半径よりも大きい場合、トラップへのマイクロ液滴の進入は最小限となって、結果捕捉効率が低くなる。続いて、越えるとマイクロ液滴がトラップから押し出される外側の流れの速度には限度がある。逆に、チャネルの高さがトラップの半径よりも小さい場合には、マイクロ液滴は、十分に大きい限りはトラップの空洞に有意に入り込み、結果捕捉効率が高くなる。外側の流れの速度に関係なく、マイクロ液滴は所定の位置にとどまる。第1の場合には、マイクロ液滴の形状はチャネル内におけるその形状に非常に近いが、一方第2の場合には、局所的にトラップの形状となる。 The shape of the trap can also be optimized to ensure that the gelled microdroplets are held in place within the trap. Therefore, in the case of a sufficiently deep cylindrical trap, if the channel height is greater than the trap radius, the entry of microdroplets into the trap will be minimal and the resulting capture efficiency will be low. Subsequently, there is a limit to the velocity of the outer flow of microdroplets that are pushed out of the trap when crossed. Conversely, if the channel height is smaller than the trap radius, the microdroplets will significantly enter the trap cavity as long as they are large enough, resulting in higher trapping efficiency. The microdroplets stay in place regardless of the velocity of the outer flow. In the first case, the shape of the microdroplet is very close to its shape in the channel, while in the second case it is locally trapped.

選択するハイドロゲルのゲル化剤が可逆性である場合には、図4〜図6に示すように、マイクロ液滴を非ゲル化し、その後それらマイクロ液滴の内容物をマイクロ流体チップから排出することが可能である。これらの図4〜図6の場合、たとえば、マイクロ液滴14はアガロースのゲル化したマイクロ液滴である。これらのアガロースのマイクロ液滴14は、とりわけ、赤外線レーザー又は電極によってマイクロ液滴を局所的に加熱する(稲妻21によって加熱を示している)ことによって、1つずつ非ゲル化される。この熱によりアガロースが液化される。マイクロ液滴14を取り囲む相が水性である場合、非ゲル化したアガロースの内容物16が水性相と混ざり合う。その場合、この内容物を、任意選択で回収するために、水性相の流れ22を用いて運ぶことが可能である。それにより、マイクロ流体チップ10によって興味なしと見なされる細胞を排除することも可能である。この場合もまた、トラップの形状及び大きさは、好ましくは細胞の抽出が可能となるように選択される。たとえば、細胞が生存したままでなくてはならない場合、トラップの寸法は、細胞死機構を誘導しないように、ハイドロゲルの加熱に対して十分に大きい。 If the gelling agent for the hydrogel selected is reversible, the microdroplets are non-gelled and then the contents of the microdroplets are expelled from the microfluidic chip, as shown in FIGS. 4-6. It is possible. In the case of these FIGS. 4 to 6, for example, the microdroplet 14 is a gelled microdroplet of agarose. These agarose microdroplets 14 are non-gelled one by one, among other things, by locally heating the microdroplets with an infrared laser or electrodes (indicating heating by lightning bolt 21). This heat liquefies agarose. When the phase surrounding the microdroplets 14 is aqueous, the non-gelled agarose content 16 mixes with the aqueous phase. In that case, the contents can be carried using the aqueous phase stream 22 for optional recovery. Thereby, it is also possible to eliminate cells that are considered uninteresting by the microfluidic chip 10. Again, the shape and size of the trap is preferably chosen to allow the extraction of cells. For example, if the cells must remain alive, the size of the trap is large enough for heating the hydrogel so as not to induce cell death mechanisms.

或いは、マイクロ液滴を取り囲む相が油性である場合、油の流れを適用してトラップから液体のマイクロ液滴を取り除くことができる。この場合、トラップの形状及び強度は、好ましくは選択したマイクロ液滴の抽出のみを可能とし、他のマイクロ液滴を抽出しないような寸法である。この寸法決定は、とりわけ、水性相と油との間の表面張力の値に依存し、またゲルマイクロ液滴の剛性及びトラップ内におけるそれらマイクロ液滴の形状にも依存する。 Alternatively, if the phase surrounding the microdroplets is oily, an oil stream can be applied to remove the liquid microdroplets from the trap. In this case, the shape and strength of the trap are preferably sized to allow only the extraction of selected microdroplets and not to extract other microdroplets. This sizing depends, among other things, on the value of surface tension between the aqueous phase and the oil, as well as the stiffness of the gel microdroplets and the shape of those microdroplets in the trap.

別の代替形態は、懸濁細胞、たとえば、細菌を取り扱うために、マイクロ液滴を液体で維持することである。その際には、マイクロ液滴の選択的抽出のためにゲル化を行うだけである。この場合、抽出前にマイクロ液滴をすべてゲル化し、上述のプロトコルを適用することが、又は他方で、トラップ内に維持することが望まれるマイクロ液滴のみをゲル化することが可能である。 Another alternative is to keep the microdroplets in liquid to handle suspended cells, such as bacteria. In that case, only gelation is performed for the selective extraction of microdroplets. In this case, it is possible to gel all the microdroplets prior to extraction and apply the protocol described above, or on the other hand, gel only the microdroplets that are desired to be kept in the trap.

若干の修正を加えることで、提示したプロセスにより、非常に多様な生物学的応用を検討することが可能になる。いずれの場合も、マイクロ流体チップ内のチャネルの高さ、及びトラップの幾何学的形状を調整することによって、デバイスを修正することもできることは言うまでもない。 With a few modifications, the process presented allows us to explore a wide variety of biological applications. In either case, it goes without saying that the device can also be modified by adjusting the height of the channels within the microfluidic chip and the geometry of the trap.

したがって、たとえば、低濃度の細胞を用いる急速なゲル化により、細胞の直接相互作用を制限しようと試みつつ、各マイクロ液滴内の数個の単細胞を個別化することが可能となる。これらの細胞は、たとえば、細菌、酵母、又は哺乳類細胞であってよい。 Thus, for example, rapid gelation with low concentrations of cells allows individualization of several single cells within each microdroplet while attempting to limit direct cell interactions. These cells may be, for example, bacterial, yeast, or mammalian cells.

或いは、やはり急速なゲル化を伴う高濃度の細胞により、やはり個別化されるが互いに近接している数多くの細胞を得ることが可能となる。その際、たとえば、細胞間の相互作用を、場合によっては共培養時に、パラクリン分泌を介して調査することが可能である。 Alternatively, high concentrations of cells, also also with rapid gelation, make it possible to obtain a large number of cells that are also individualized but in close proximity to each other. At that time, for example, the interaction between cells can be investigated via paracrine secretion, in some cases during co-culture.

しかし、細胞は、ゲル化の前に液相中で長時間カプセル化され維持されることがある。その際、低濃度の細胞により、たとえば、懸濁しているリンパ球等の足場非依存性細胞を調査することが可能となる。高濃度の細胞、及びそれら細胞の沈降を可能にする捕捉されたマイクロ液滴の形状により、それら自体をスフェロイドへと再編成することができる細胞を寄せ集めることが可能となる。 However, cells may be encapsulated and maintained in the liquid phase for extended periods of time prior to gelation. At that time, the low concentration of cells makes it possible to investigate scaffold-independent cells such as suspended lymphocytes. The high concentration of cells, and the shape of the captured microdroplets that allow them to settle, allows them to rally cells that can reorganize themselves into spheroids.

この方法により、制御してチップ内で直接スフェロイドを形成することも可能となる。作り出すマイクロ液滴の体積は、マイクロ流体チップの上流でマイクロ液滴を形成するためのデバイスによって制御することができる。この体積は、好ましくは、一旦捕捉されるとマイクロ液滴の直径がトラップの直径と等しく、形状が球状となるように調節される。このため、トラップの深さは、好ましくはそのトラップの直径に少なくとも等しい。捕捉したマイクロ液滴の直径がトラップの直径と一致することで、高い捕捉効率を確保することが可能となる。形状が球状であると、スフェロイドの形成が促進される。この特定の用途では、マイクロ液滴は、好ましくは、培養培地とハイドロゲルとを含む、又は培養培地とハイドロゲルとからなる水性相中に懸濁細胞を含有する。トラップがこのようなマイクロ液滴で一旦充填されると、油の外部流が停止し、それによりマイクロ液滴内の再循環が停止し、細胞の沈降が促進される。その際、トラップ内のマイクロ液滴の形状が球状であると、細胞の底部における集結が、細胞が接触するまで誘導される。とりわけ、温度の点で細胞の生存及び適切な代謝機能にとって好ましい条件下で、その後数時間から数日の範囲の持続期間チップを静置することにより、捕捉されたマイクロ液滴の底部に集結している細胞を、スフェロイドへと再編成することが可能となる。 This method also allows control to form spheroids directly within the chip. The volume of microdroplets produced can be controlled by a device for forming microdroplets upstream of the microfluidic chip. This volume is preferably adjusted so that once captured, the diameter of the microdroplets is equal to the diameter of the trap and the shape is spherical. For this reason, the depth of the trap is preferably at least equal to the diameter of the trap. By matching the diameter of the captured microdroplets with the diameter of the trap, it is possible to ensure high capture efficiency. The spherical shape promotes the formation of spheroids. In this particular application, the microdroplets preferably contain suspended cells in an aqueous phase comprising culture medium and hydrogel, or consisting of culture medium and hydrogel. Once the trap is filled with such microdroplets, the external flow of oil is stopped, thereby stopping recirculation within the microdroplets and facilitating cell sedimentation. At that time, if the shape of the microdroplets in the trap is spherical, the assembly at the bottom of the cells is induced until the cells come into contact with each other. In particular, under conditions favorable for cell survival and proper metabolic function in terms of temperature, the chips are then aggregated at the bottom of the captured microdroplets by allowing the chips to stand for a duration ranging from hours to days. It is possible to reorganize the cells into spheroids.

スフェロイド形成に必要となる持続期間は、とりわけ、使用する細胞型に、またハイドロゲルの組成に依存することがある。培養培地に希釈された1質量%アガロース溶液中のH4IIEC3ラット肝細胞では、この期間が24時間未満であることが観測されている。スフェロイド形成の期間中、ハイドロゲルが液体で維持されることは言うまでもない。 The duration required for spheroid formation may depend, among other things, on the cell type used and on the composition of the hydrogel. It has been observed that this period is less than 24 hours for H4IIEC3 rat hepatocytes in 1% by mass agarose solution diluted in culture medium. It goes without saying that the hydrogel remains liquid during the period of spheroid formation.

この方法により、非常に均一な大きさのスフェロイドを数多く迅速に形成することが可能となる。実際には、スフェロイドの大きさは、各マイクロ液滴内にカプセル化される細胞数によって、したがってマイクロ流体チップに注入される細胞溶液の濃度によって与えられる。マイクロ液滴当たりの細胞数の分布、したがって形成されるスフェロイドの大きさの分布は、注入の時点で細胞が十分に個別化されている限り非常に均一である。本発明者らが行った実験では、平均98%のトラップが、24時間のインキュベーションの後、よく再編成されたスフェロイドを含有する液体アガロースのマイクロ液滴1つで充填されていた。 This method makes it possible to quickly form a large number of spheroids of very uniform size. In practice, the size of the spheroid is given by the number of cells encapsulated within each microdroplet and thus by the concentration of the cell solution injected into the microfluidic chip. The distribution of the number of cells per microdroplet, and thus the size of the spheroids formed, is very uniform as long as the cells are sufficiently individualized at the time of injection. In experiments conducted by the inventors, an average of 98% of traps were filled with a single microdroplet of liquid agarose containing well-rearranged spheroids after a 24-hour incubation.

マイクロ流体チップにおいて得られるスフェロイドは、培養下で数日間維持されることがある。たとえば、アガロース内にカプセル化されているH4IIEC3細胞のスフェロイドを、その生存能力を大幅に変化させることなく、また高い機能性(この例では、強く連続的なアルブミン分泌)を保全しつつ、一週間チップ内で培養することができる。 The spheroids obtained in the microfluidic chip may be maintained in culture for several days. For example, a week of H4IIEC3 cell spheroids encapsulated in agarose without significantly altering its viability and preserving high functionality (strong and continuous albumin secretion in this example). It can be cultured in chips.

ここで提示する方法及びその方法を行うことによって得られるマイクロ流体チップは、薬剤をスクリーニングするための優れたツールを構成する。たとえば、がん細胞のスフェロイドを作り出し、それらスフェロイドの生存能力が、試験する分子への曝露に応じて時間と共に減少するかどうかを観測することが可能である。チャンバー内で濃度勾配を設定することが可能となるデバイスをチップに加えることによって、又は並列チップを設置することによって、同じ系内で全濃度範囲を試験することが可能である。これらのスフェロイドを形成するための方法が高効率であることで、非常に限られたサンプルからスフェロイドを数多く作り出すことも可能となる。したがって、直径約70μmのスフェロイド500個を、細胞100000個のみで形成することができる。 The method presented here and the microfluidic chips obtained by performing the method constitute an excellent tool for screening drugs. For example, it is possible to produce spheroids in cancer cells and observe whether the viability of those spheroids diminishes over time with exposure to the molecule being tested. It is possible to test the entire concentration range in the same system by adding a device to the chip that allows the concentration gradient to be set in the chamber, or by installing a parallel chip. The high efficiency of the methods for forming these spheroids also makes it possible to produce a large number of spheroids from a very limited sample. Therefore, 500 spheroids having a diameter of about 70 μm can be formed with only 100,000 cells.

スフェロイドを構成する細胞はまた、共培養のテーマに取り組むために異なる型のものであってもよい。これらの細胞型は、チップへの注入前に溶液中で均一に混合することも、外部水性相に注入された後、連続した数層のハイドロゲル層内に、或いは単純にハイドロゲルに付着させることによって、ある特定の構造組織に従って配列することもできる。たとえば、皮膚モデルを形成し化粧料の毒性を試験するために線維芽細胞と上皮細胞とを、脳をモデル化するためにニューロンと星状膠細胞とを、又は血管壁と同様に内皮細胞と平滑筋細胞とを結合することが可能である。 The cells that make up the spheroid may also be of different types to address the theme of co-culture. These cell types can be mixed uniformly in solution prior to injection into the chip, or after injection into the external aqueous phase, they are adhered to several consecutive hydrogel layers, or simply to the hydrogel. Thereby, it can be arranged according to a specific structural structure. For example, fibroblasts and epithelial cells to form a skin model and test cosmetic toxicity, neurons and astrocytes to model the brain, or endothelial cells as well as vessel walls. It is possible to bind to smooth muscle cells.

ここで提示する方法により、培養細胞の微環境の非常に高度な制御を実現することが可能となるため、この方法は、幹細胞の分化を研究するための優れたツールでもある。実際には、たとえばハイドロゲル濃度を調整しながら、分化因子の全濃度範囲に、また潜在的には同時に、マトリックスの全剛性範囲にカプセル化細胞を供することができる。同様に、この方法を使用して、外部媒体からの物理化学的因子と相互作用する胚発生を時間と共に観測することもできる。 This method is also an excellent tool for studying stem cell differentiation, as the method presented here allows for a very high degree of control of the microenvironment of cultured cells. In practice, the encapsulated cells can be provided over the entire concentration range of the differentiation factor, and potentially at the same time, over the entire stiffness range of the matrix, eg, adjusting the hydrogel concentration. Similarly, this method can be used to observe embryogenesis interacting with physicochemical factors from external media over time.

患者由来の初代細胞の場合には、この方法により、ある特定のマーカーに対する細胞の応答に基づく医療診断を行うことが可能となる。この場合、損失度が非常に低く細胞は捕獲される。その際、がん生検の特徴付け等、ある特定の疾患を診断するための公知の試験を細胞に施すことが可能である。たとえば、その場のポリメラーゼ連鎖反応(PCR)によって、又はFISH法によって、たとえば、カプセル化細胞のゲノムにおける突然変異の存在について試験することが可能である。標識法によって、たとえば、免疫標識のための、又はその場免疫酵素法、ELISA(酵素結合免疫吸着検定法)のための抗体を供給することによって、特異タンパク質の発現を検出することも可能である。 In the case of patient-derived primary cells, this method makes it possible to make a medical diagnosis based on the cell's response to a particular marker. In this case, the loss is very low and the cells are captured. At that time, it is possible to perform known tests on cells for diagnosing a specific disease, such as characterization of cancer biopsy. For example, it is possible to test for the presence of mutations in the genome of encapsulated cells, for example by in-situ polymerase chain reaction (PCR) or by FISH method. It is also possible to detect the expression of a specific protein by the labeling method, for example, by supplying an antibody for immunolabeling or for an in-situ immunoenzymatic method, ELISA (enzyme-linked immunosorbent assay). ..

上述の方法は、マイクロ流体チップ内におけるマイクロ液滴の捕捉に続くマイクロ液滴のゲル化により、チップ内において細胞分析及び細胞培養の工程すべてを行う可能性を提供する。これにより、マルチウェルプレート又は培養皿において行われる試験に対してよりも、はるかに少量の試薬を使用することが可能となる。これにより、異なる刺激の後に、時間と共に細胞応答を監視することも可能となる。 The method described above offers the possibility of performing all cell analysis and cell culture steps within the chip by gelling the microdroplets following capture of the microdroplets within the microfluidic chip. This allows the use of much smaller amounts of reagents than for tests performed on multi-well plates or culture dishes. This also makes it possible to monitor cellular responses over time after different stimuli.

上述の方法は、
− 細胞を含有するハイドロゲルマイクロ液滴を形成するための手段と、
− 所定の位置でハイドロゲルマイクロ液滴を捕捉するための捕捉ゾーン、とりわけ、マイクロ流体チップと、
− 捕捉されたマイクロ液滴の少なくとも一部をゲル化するための手段とを含むデバイスにおいて容易に実施することができる。
The above method
-Means for forming hydrogel microdroplets containing cells,
-A capture zone for capturing hydrogel microdroplets in place, especially with a microfluidic chip,
-Can be easily implemented in devices that include means for gelling at least a portion of the captured microdroplets.

ゲル化手段は、たとえば、捕捉ゾーンに化学薬剤を注入するためのデバイス及び/又はたとえば、マイクロ流体チップを冷却するための、温度調節用手段を含む。 The gelling means include, for example, a device for injecting a chemical agent into the capture zone and / or, for example, a temperature control means for cooling the microfluidic chip.

デバイスは、ゲル化したハイドロゲルマイクロ液滴の少なくとも一部を非ゲル化するための手段、たとえば、レーザーを含むこともできる。 The device can also include means for non-gelling at least a portion of the gelled hydrogel microdroplets, such as a laser.

上述の方法により、マイクロ液滴を捕捉するためのゾーン、特に、マイクロ流体チップと、捕捉ゾーン内に捕捉されている1個又は複数の細胞をそれぞれが含む、好ましくは凍結保存されているゲル化したマイクロ液滴とを含むゲル化したマイクロ液滴生成物を製造することも可能となる。細胞は、クラスター又はスフェロイドの形で凝集していてもよい。ゲル化したマイクロ液滴は、流体中、好ましくは水溶液中又は油中に浸漬させてもよいが、流体及びマイクロ液滴は、好ましくは凍結保存される。この凍結保存により、とりわけ、後の分析のために細胞を輸送又は保存する目的で、安定した条件下で細胞を長期間維持することが可能となる。 Gelation, preferably cryopreserved, each comprising a zone for capturing microdroplets, particularly a microfluidic chip, and one or more cells trapped within the trapping zone by the method described above. It is also possible to produce a gelled microdroplet product containing the microdroplets. The cells may aggregate in the form of clusters or spheroids. The gelled microdroplets may be immersed in a fluid, preferably in an aqueous solution or oil, but the fluid and microdroplets are preferably cryopreserved. This cryopreservation allows the cells to be maintained for long periods of time under stable conditions, especially for the purpose of transporting or preserving the cells for later analysis.

マイクロ液滴内にカプセル化されている生体細胞は、細菌、酵母、真核細胞、哺乳類細胞、好ましくはヒト細胞以外の哺乳類細胞、より好ましくは、ラット細胞若しくは他の哺乳類からの細胞、又はその自然環境から単離されたヒト細胞であってよい。 Living cells encapsulated in microdroplets are bacterial, yeast, eukaryotic cells, mammalian cells, preferably mammalian cells other than human cells, more preferably cells from rat cells or other mammals, or cells thereof. It may be a human cell isolated from the natural environment.

本発明は、上述の例だけに限定されず、むしろ添付の特許請求の範囲内で、当業者に理解可能な数多くの変形形態に対する余地があることは言うまでもない。 It goes without saying that the present invention is not limited to the above-mentioned examples, but rather, within the scope of the appended claims, there is room for many modifications that can be understood by those skilled in the art.

特に、使用するサンプルは、細胞は別として、とりわけ、分子又は分子に結合することによって官能化されたプラスチックビーズであってもよい。 In particular, the sample used may be a molecule or, among other things, plastic beads functionalized by binding to a molecule, apart from cells.

更には、捕捉されたマイクロ液滴は、水溶液の流れによって供給される他のマイクロ液滴と融合することもできる。 Furthermore, the captured microdroplets can be fused with other microdroplets supplied by the flow of aqueous solution.

マイクロ液滴を構成する水溶液は、生化学溶液を含有することもでき、この生化学溶液は、好ましくは脂質(脂肪酸等)、炭水化物(単量体型又は多糖型等)、アミノ酸及びタンパク質(成長因子、サイトカイン、抗体、抗原等)、また生理食塩水及び/又はpH緩衝剤のうちの少なくとも1つを含む。 The aqueous solution constituting the microdroplets can also contain a biochemical solution, which preferably contains lipids (such as fatty acids), carbohydrates (such as monomeric or polysaccharide), amino acids and proteins (growth factors). , Cyclogs, antibodies, antigens, etc.), and at least one of saline and / or pH buffers.

最後に、一変形形態によれば、マイクロ液滴を取り囲む油(又は油相)は、フッ素油(FC40タイプ)又は光架橋性水不混和性溶液(Norland Optical Adhesiveタイプ)を含有することができ、これらは、一旦重合すると、油をゲル化し、それによりマイクロ液滴を物理的に、且つ選択的に単離することを可能にする。したがって、マイクロ液滴同志を互いにより確実に区分化することが可能である。これにより、2つのマイクロ液滴が融合し、それらマイクロ液滴が含有するサンプルが混合してしまうことを防止することが可能となる。これにより、マイクロ液滴の周りに固体区画を形成するゲル化した油によるマイクロ液滴の区分化によりマイクロ液滴蒸発のリスクをとりわけ大幅に低減して、サンプルを永続的に保存することも可能となる。 Finally, according to one variant, the oil (or oil phase) surrounding the microdroplets can contain fluorine oil (FC40 type) or photocrosslinkable water immiscible solution (Norland Optical Adaptive type). Once polymerized, they gel the oil, which allows the microdroplets to be physically and selectively isolated. Therefore, it is possible to more reliably separate the microdroplets from each other. This makes it possible to prevent the two microdroplets from fusing and mixing the samples contained in the microdroplets. This also allows the sample to be permanently stored, with the risk of microdroplet evaporation being particularly significantly reduced by segmenting the microdroplets with gelled oil that forms a solid compartment around the microdroplets. It becomes.

油の一部が一旦ゲル化すると、その周りで油がゲル化していないマイクロ液滴を、捕捉ゾーンから追い出すことが可能である。このため、マイクロ液滴を運ぶことができるほど十分に強い油の流れ又は別の流体を捕捉ゾーンにおいて使用することが可能である。したがって、その周りで油がゲル化しているマイクロ液滴のみを捕捉ゾーン内で保持することが可能である。 Once a portion of the oil has gelled, it is possible to expel microdroplets around which the oil has not gelled from the capture zone. This allows the use of an oil stream or another fluid that is strong enough to carry microdroplets in the capture zone. Therefore, it is possible to retain only the microdroplets of oil gelling around them in the capture zone.

油がゲル化している場合でさえ、マイクロ液滴がゲル化することがあることにここでは留意されたい。加えて、油の一部がゲル化している場合には、この方法が、ゲル化した油を非ゲル化する後続工程を含むことができることは言うまでもない。 It should be noted here that microdroplets can gel even when the oil is gelling. In addition, it goes without saying that if part of the oil is gelled, this method can include a subsequent step of non-gelling the gelled oil.

10 捕捉ゾーン
12 表面張力トラップ
14 マイクロ液滴
16 生体細胞
18 矢印
20 ハイドロゲル溶液
21 稲妻
22 流れ
10 Capture zone 12 Surface tension trap 14 Microdroplets 16 Living cells 18 Arrow 20 Hydrogel solution 21 Lightning 22 Flow

Claims (26)

サンプル(16)を含むマイクロ液滴(14)を、マイクロ流体系において取り扱うための方法であって、
i)サンプル(16)を含有する水溶液のマイクロ液滴(14)を、油中で形成する工程であって、油及びサンプル(16)を含有する水溶液の少なくとも一方がゲル化剤を含む、工程と、
ii)捕捉ゾーン(10)内に事前に配列されている表面張力トラップ(12)によって、マイクロ液滴(14)を捕捉する工程と、
iii)捕捉ゾーン内の油の少なくとも一部及び捕捉されたマイクロ液滴(14)の少なくとも一部の少なくとも一方をゲル化する工程と
を含む方法。
A method for handling microdroplets (14) containing sample (16) in a microfluidic system.
i) A step of forming microdroplets (14) of an aqueous solution containing a sample (16) in oil, wherein at least one of the oil and the aqueous solution containing the sample (16) contains a gelling agent. When,
ii) A step of capturing microdroplets (14) by a surface tension trap (12) pre-arranged in the capture zone (10).
iii) A method comprising the step of gelling at least a portion of the oil in the capture zone and at least one portion of the captured microdroplets (14).
工程iii)が、捕捉ゾーン内の油の少なくとも一部をゲル化することにある、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein step iii) is to gel at least a portion of the oil in the capture zone. 工程iii)が、マイクロ液滴の少なくとも一部をゲル化することにある、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein step iii) is to gel at least a portion of the microdroplets. サンプル(16)が、1種又は複数の細胞、とりわけ細胞のスフェロイド、分子を捕捉する1種若又は複数のビーズであって、とりわけプラスチック製であるビーズ、又は1種又は複数の分子のうちの1つである、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 Sample (16) is of one or more cells, especially cell spheroids, one or more beads that capture molecules, especially plastic beads, or one or more molecules. The method according to any one of claims 1 to 3, which is one. 工程iii)が、捕捉されたマイクロ液滴(14)内におけるサンプル(16)の、とりわけ細胞の沈降後、特に、スフェロイドの形成後に行われる、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 13. The aspect of any one of claims 1 to 4, wherein step iii) is performed on the sample (16) in the captured microdroplets (14), especially after cell sedimentation, especially after spheroid formation. Method. 工程iii)が、捕捉されたマイクロ液滴(14)内におけるサンプル(16)の沈降前に行われる、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the step iii) is performed before the sample (16) is settled in the captured microdroplets (14). iv)ゲル化したマイクロ液滴(14)を取り囲む油を水溶液と置き換える
ことにある工程を更に含む、
請求項3と組み合わせる、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
iv) Further comprising the step of replacing the oil surrounding the gelled microdroplets (14) with an aqueous solution.
The method according to any one of claims 1 to 6, which is combined with claim 3.
油と置き換わる水溶液が生化学溶液を含有し、生化学溶液が、好ましくは1種又は複数のpH緩衝剤又は生理食塩水緩衝剤、1種又は複数の栄養素、1種又は複数の成長因子、サイトカイン、1種又は複数の抗体、1種又は複数の抗原、とりわけ医薬品の1種又は複数の分子、1種又は複数の細胞、脂質、とりわけ単量体型又は多糖型の炭水化物、アミノ酸及び/又はタンパク質のうちの少なくとも1つを含む、請求項7に記載の方法。 The aqueous solution that replaces the oil contains the biochemical solution, which is preferably one or more pH buffers or saline buffers, one or more nutrients, one or more growth factors, cytokines. One or more antibodies, one or more antigens, especially one or more molecules of pharmaceuticals, one or more cells, lipids, especially monomeric or polysaccharide carbohydrates, amino acids and / or proteins The method of claim 7, comprising at least one of them. 捕捉ゾーンが、表面張力トラップ(12)を含むマイクロ流体チップ(10)によって形成されている、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。 The method of any one of claims 1-8, wherein the capture zone is formed by a microfluidic chip (10) that includes a surface tension trap (12). 工程(i)が、
a)サンプル(16)と、必要に応じてゲル化剤とを含有する水溶液を捕捉ゾーン(10)の上流のゾーンに注入し、
b)サンプル(16)を含有する水溶液を捕捉ゾーン(10)の出口に向かって追い出すために、必要に応じてゲル化剤を含有する油を捕捉ゾーンの上流のゾーンに、サンプル(16)を含有するマイクロ液滴(14)を形成するように注入し、その後、
c)マイクロ液滴(14)を捕捉ゾーン(10)に移動させ、捕捉ゾーン(10)においてマイクロ液滴(4)を捕捉する
ことにある、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
Step (i) is
a) An aqueous solution containing the sample (16) and, if necessary, a gelling agent is injected into the zone upstream of the capture zone (10).
b) In order to expel the aqueous solution containing the sample (16) toward the outlet of the capture zone (10), if necessary, oil containing the gelling agent was placed in the zone upstream of the capture zone (16). Infused to form the contained microdroplets (14) and then
c) The invention according to any one of claims 1 to 9, wherein the microdroplets (14) are moved to the capture zone (10) and the microdroplets (4) are captured in the capture zone (10). Method.
工程i)及び工程ii)が、
− サンプル(16)と、必要に応じてゲル化剤とを含有する水溶液で捕捉ゾーン(10)を充填し、その後、
− サンプル(16)を含有する水溶液を捕捉ゾーン(10)の出口に向かって追い出すために、捕捉ゾーン(10)に、必要に応じてゲル化剤を含有する油を注入し、表面張力トラップ(12)が、サンプル(16)を含有するマイクロ液滴(14)の破砕が表面張力トラップ(12)で可能となるように適合されている
ことにある作業を行うことによって、捕捉ゾーン(10)において同時に行われる、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
Step i) and step ii)
-Fill the capture zone (10) with an aqueous solution containing sample (16) and, if necessary, a gelling agent, followed by
-In order to expel the aqueous solution containing the sample (16) toward the outlet of the capture zone (10), an oil containing a gelling agent is injected into the capture zone (10) as needed, and a surface tension trap (10). The capture zone (10) by performing certain tasks in which 12) is adapted to allow crushing of microdroplets (14) containing sample (16) with a surface tension trap (12). The method according to any one of claims 1 to 9, which is carried out at the same time in.
工程iii)が、
− マイクロ液滴(14)及び/又は油を冷却又は加熱すること、
− 捕捉ゾーンに化学ゲル化剤を含有する溶液を注入すること、
− マイクロ液滴(14)及び/又は油を、ゲル化を引き起こす光、とりわけUV光に曝露すること
のうちの少なくとも1つにある、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
Process iii)
-Cooling or heating microdroplets (14) and / or oil,
− Injecting a solution containing a chemical gelling agent into the capture zone,
-The method of any one of claims 1-11, wherein the microdroplets (14) and / or oil are exposed to at least one of the light that causes gelation, especially UV light.
油が界面活性剤を含有し、工程iv)の前に界面活性剤を洗浄する工程を好ましくは含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the oil contains a surfactant and preferably comprises a step of washing the surfactant before step iv). マイクロ液滴(14)の所望の形状に応じて表面張力トラップ(12)の形状を選択する工程を、工程i)の前に含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 13, wherein the step of selecting the shape of the surface tension trap (12) according to the desired shape of the microdroplet (14) is included before the step i). 捕捉ゾーン及びトラップが、
− 平坦な底部を有する捕捉されたマイクロ液滴(14)を形成する、又は
− 平坦ではない、とりわけ湾曲状、好ましくは凸状の底部を有する捕捉されたマイクロ液滴(14)を形成する
ように選択される、請求項14に記載の方法。
The capture zone and trap
-To form a captured microdroplet (14) with a flat bottom, or-to form a captured microdroplet (14) with a non-flat, especially curved, preferably convex bottom. The method of claim 14, which is selected in.
工程iii)においてゲル化したマイクロ液滴(14)の少なくとも一部を非ゲル化することにある工程v)を、工程iii)に続いて、好ましくは工程iv)に続いて含む、請求項1又は3と組み合わせる、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。 1. The step v), which is to non-gelling at least a part of the gelled microdroplets (14) in the step iii), is included following the step iii), preferably the step iv). Or the method according to any one of claims 1 to 15, which is combined with 3. 非ゲル化したマイクロ液滴(14)及び/又はこれらの非ゲル化したマイクロ液滴(14)に含有されるサンプル(16)を捕捉ゾーン(10)から排出することにある工程vi)を、工程v)に続いて含む、請求項16に記載の方法。 Step vi) in which the non-gelled microdroplets (14) and / or the sample (16) contained in these non-gelled microdroplets (14) is expelled from the capture zone (10). 16. The method of claim 16, comprising following step v). 捕捉されたマイクロ液滴、ゲル化したマイクロ液滴又は非ゲル化したマイクロ液滴(14)の少なくとも一部に含有されるサンプル(16)に刺激を与える工程を含む、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。 Claims 1 to 17, comprising stimulating the sample (16) contained in at least a portion of the captured microdroplets, gelled microdroplets or non-gelled microdroplets (14). The method according to any one item. その周りで油がゲル化していないマイクロ液滴を捕捉ゾーンから追い出すことにある工程を、工程iii)に続いて含む、請求項1又は2と組み合わせる、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。 The step of expelling the non-gelled microdroplets around it from the capture zone is combined with claim 1 or 2, comprising step iii) followed by any one of claims 1-18. The method of description. − サンプル(16)を含有するマイクロ液滴(14)を形成するための手段と、
− 所定の位置でマイクロ液滴(14)を捕捉するための捕捉ゾーン、とりわけ、マイクロ流体チップと、
− 捕捉したマイクロ液滴(14)及び/又は油の少なくとも一部をゲル化するための手段と
を含む、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法を実施するためのデバイス。
-Means for forming microdroplets (14) containing sample (16), and
-A capture zone for capturing microdroplets (14) in place, especially with a microfluidic chip,
-A device for performing the method according to any one of claims 1 to 19, comprising means for gelling at least a portion of the captured microdroplets (14) and / or oil.
ゲル化手段が、捕捉ゾーン(10)に化学薬剤を注入するためのデバイスを含む、請求項20に記載のデバイス。 20. The device of claim 20, wherein the gelling means comprises a device for injecting a chemical agent into the capture zone (10). ゲル化したハイドロゲルマイクロ液滴(14)の少なくとも一部及び/又はゲル化した油の一部を非ゲル化するための手段も含む、請求項21に記載のデバイス。 21. The device of claim 21, comprising means for non-gelling at least a portion of the gelled hydrogel microdroplets (14) and / or a portion of the gelled oil. マイクロ液滴を捕捉するためのゾーン、特にマイクロ流体チップ(10)と、それぞれがサンプル(16)を含み、捕捉ゾーン(10)に捕捉されている、好ましくは凍結保存されているゲル化したマイクロ液滴(14)とを含むゲル化したマイクロ液滴の生成物。 A zone for capturing microdroplets, particularly a microfluidic chip (10), and a gelled micro, each containing a sample (16) and captured in the capture zone (10), preferably cryopreserved. The product of gelled microdroplets, including the droplet (14). ゲル化マイクロ液滴が、流体中、好ましくは水溶液中又は油中に浸漬され、流体及びマイクロ液滴(14)が、好ましくは凍結保存されている、請求項23に記載の生成物。 23. The product of claim 23, wherein the gelled microdroplets are immersed in a fluid, preferably in an aqueous solution or oil, and the fluid and microdroplets (14) are preferably cryopreserved. マイクロ液滴を捕捉するためのゾーン、特に、マイクロ流体チップ(10)と、それぞれがサンプル(16)を含み、捕捉ゾーン(10)に捕捉されているマイクロ液滴(14)とを含むマイクロ液滴の生成物であって、マイクロ液滴(14)が、ゲル化した油に浸漬され、マイクロ液滴(14)及びゲル化した油が、好ましくは凍結保存されている、マイクロ液滴の生成物。 A microliquid containing a zone for capturing microdroplets, particularly a microfluidic chip (10) and microdroplets (14), each containing a sample (16) and trapped in the capture zone (10). The product of the droplets, in which the microdroplets (14) are immersed in the gelled oil and the microdroplets (14) and the gelled oil are preferably cryopreserved. Stuff. サンプル(16)が、哺乳類細胞、好ましくは、ヒト細胞以外の哺乳類からの細胞、細菌、酵母、若しくはバイオプロセスで使用する他の細胞、分子、又は分子を表面で捕捉するビーズである、請求項23から25のいずれか一項に記載の生成物。 Claim (16) is a bead that surface captures mammalian cells, preferably cells from mammals other than human cells, bacteria, yeast, or other cells, molecules, or molecules used in a bioprocess. The product according to any one of 23 to 25.
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