JP4260627B2 - 薬物動態学に基づく細胞培養システムのためのデバイスおよび方法 - Google Patents
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Description
本発明は、少なくとも一部、National Aeronautics and Space Administrationからの助成番号NAG8−1372の下で支援を受けた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
本発明の分野は、細胞培養デバイスおよびその使用方法である。
薬物動態学は、薬剤および他の生物学的に活性な化合物の、それらが体内に導入された時点から消滅するまでの動向の研究である。例えば、経口薬物についての一連の現象は、種々の粘膜表面からの吸収、血液流を通じた種々の組織への分散、肝臓および他の組織における生体内変換、標的部位での作用、および尿または胆汁における薬物または代謝物の排除を含み得る。薬物動態学は、生物学的系における化合物の代謝に取り組む合理的な手段を提供する。薬物動態学の等式およびモデルの概説については、例えば、PoulinおよびTheil(2000)J Pharm Sci.89(1):16−35;Slobら(1997)Crit Rev Toxicol.27(3):261−72;Haddadら(1996)Toxicol Lett.85(2)113−26:Hoang(1995)Toxicol Lett.79(1−3):99−106;Knaakら(1995)Toxicol Lett.79(1−3):87−98;ならびにBallおよびSchwartz(1994)Comput Biol Med.24(4):269−76を参照のこと。
微小規模の細胞培養類似(CCA)デバイスのためのデバイス、インビトロ細胞培養物、および方法が提供される。本発明のデバイスは、薬物動態学的パラメーター値がインビボで見出される値と類似する条件下で、細胞をインビトロで維持することを可能にする。目的の薬物動態学的パラメーターとしては、細胞間の相互作用、液体滞留時間、液体 対 細胞の比、器官の相対的な大きさ、細胞による代謝、剪断応力などが挙げられる。細胞の天然の状態を模倣する薬物動態学に基づく培養システムを提供することにより、スクリーニングおよび毒性アッセイの予測値およびインビボでの関連性が増強される。
本発明者らは、微小規模の細胞培養類似(CCA)系を開発した。このような微小規模CCA系は、先行技術の微小規模系を上回る多くの利点を有する。この微小規模系は、より少量の試薬、より少数の細胞(培養細胞ではなく真性のプライマリー細胞の使用を可能にする)を使用し、より生理学的に現実的であり(例えば、滞留時間、器官比、剪断応力)であり、より低いデバイス費用を有し、そしてより小さいサイズである(複数の試験および統計学的分析に利用可能である)。さらに複数のバイオセンサが、同一チップ上に組み込まれ得る。
CCAデバイスのためのデバイス、インビトロ細胞培養、および方法が提供される。本発明の方法およびデバイスは、細胞が、生理学的に代表的な環境にインビトロで維持され、これによって、スクリーニングおよび毒性アッセイの推定値およびインビボでの妥当性を改善する手段を提供する。本発明の微小規模の薬物速度論(pharmacokinetic)培養デバイスは、各培養チャンバに対して適切な細胞を播種され、次いで、この培養系は、化合物のスクリーニング、毒性アッセイ、目的の細胞の開発のためのモデル、感染速度論のモデルなどのために使用され得る。入力変数(これは例えば、化合物、サンプル、遺伝子配列、病原体、細胞(例えば、幹細胞または前駆細胞)であり得る)が、樹立された培養系に添加される。種々の細胞出力が評価されて、入力変数に対する細胞の応答(培地のpH、培地中のO2およびCO2の濃度、タンパク質および他の細胞マーカーの発現、細胞の生存性、または培養培地への細胞産物の放出が挙げられる)を決定し得る。
(薬物速度論に基づく培養系:) 細胞が、インビボにおいて見出される薬物速度論的パラメーター値をモデル化する薬物速度論的パラメーター値を提供する条件下に維持される、インビトロの細胞培養系。薬物速度論的培養デバイスは、不連続であるが相互接続されたチャネルに分離されたチャネルの流体ネットワークを備え、ここで、特定のチャンバ構成が、対応する細胞、組織または器官系に対してインビボで見出されるものに対応する細胞相互作用、流体流れ、および流体滞留パラメーターを提供するように設計される。このデバイスは、モデル化される条件に適切な細胞(例えば、肝臓に基づく培養チャンバにおける肝細胞、肺に基づく培養チャンバにおける肺細胞など)を播種されて、培養系を提供する。
本明細書中で一般に「入力変数」と称される、薬物、毒素、細胞、病原体、サンプルなどは、薬物動態学に基づく細胞系に加え、そして目的の出力変数(例えば、O2の消費、CO2の生成、細胞生存度、または目的のタンパク質の発現)における変化についてこの培養細胞を評価することによって、生物学的活性についてスクリーニングされる。この入力変数は、代表的に、溶液形態または容易に可溶な形態で、培養物中の細胞の培地に加えられる。この入力変数は、フロースルーシステムを使用してか、あるいはボーラスを他の静的溶液に添加して、加えられ得る。フロースルーシステムにおいて、2つの流体が使用され、ここで一方は、生理学的に中性の溶液であり、そして他方は、加えられる試験化合物と同じ溶液である。第1の流体は、細胞を通過し、続いて、第2の細胞を通過する。単一溶液法において、試験入力変数のボーラスが、細胞を取り囲む容量の培地に加えられる。培養培地の全組成は、このボーラスの添加と共に、またはフロースルー方法における2つの溶液間で、有意に変化するべきではない。
出力変数は、細胞の定量化可能エレメント、特に、ハイスループット系において正確に測定され得るエレメントである。出力は、任意の細胞成分または細胞産物(例えば、生存度、呼吸、代謝、細胞表面決定因子、レセプター、タンパク質、またはそれらのコンフォメーション改変もしくは翻訳後改変、脂質、炭水化物、有機分子もしくは無機分子、mRNA、DNA、あるいはこのような細胞成分由来の部分を含む)であり得る。ほとんどの出力は、定量的読み出しを提供するが、いくつかの例において、半定量的結果または定性的結果が、得られる。読み出しは、単一の決定値を含み得るか、または平均値、中央値もしくは分散を含み得る。特徴的に、読み出し値の範囲は、各出力について得られる。可変性が予測され、そして1セットの試験出力についての値の範囲が、標準的な統計方法を使用して確立され得る。
スクリーニングアッセイの結果は、基準化合物、濃度曲線、コントロールなどから得られた結果と比較され得る。この結果の比較は、適切な演繹プロトコル、AIシステム、統計比較などを使用することによって、達成される。
本発明の培養デバイスは、別個であるが相互接続された1つ以上のチャンバに分離された(好ましくは、チップ様式に一体化された)チャネルの微小流体ネットワークを備える。特定のチャンバの形状は、細胞相互作用、液体フロー、および液体対流パラメーター(これは対応する細胞、組織または器官系についてインビボで見出されるパラメーターと相関する)を提供するように、設計される。
細胞培養デバイスは、代表的に、適切に一緒に嵌合するかまたは結合する場合、本発明の培養デバイスを形成する、別々の要素(例えば、チャンバ、チャネル、入り口、または出口)の集合を備える。好ましくは、この要素は、一体化された「チップベース」形式で提供される。
特定の実施形態の以下の詳細な説明において、添付の図面に対して参照がなされ、この図面は、特定の実施形態の一部を形成し、そして本発明が実行され得る特定の実施形態を例示として示す。他の実施形態が使用され得、構造的変化が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることが理解されるべきである。
以下の実施例は、本発明の作製方法および使用方法の完全な開示および説明を当業者に提供するために示されるのであって、本発明としてみなされるものの範囲を限定することを意図するのではない。
以下の方法を、実験プロセスにおいて使用した:
細胞培養。細胞を、アメリカンタイプカルチャーコレクション(Manassas,VA)から入手し、組織培養インキュベーター(95% O2/5% CO2)中で推奨される完全増殖培地中で増殖させた。HepG2細胞およびHepG2/C3A細胞については、推奨される培地は、イーグル最小必須培地(アール平衡塩類溶液、2mM L−グルタミン、1.0mM ピルビン酸ナトリウム、0.1mM 非必須アミノ酸、1.5g/L 重炭酸ナトリウム、および10% ウシ胎仔血清を含有する)(EMEM)である。マッコイ5a培地(1.5mM L−グルタミン、1.5g/L 重炭酸ナトリウムおよび10%ウシ胎仔血清を含有する)は、HCT116について推奨される。
微小規模チップを、以下の通りに組立てた:コンピューター支援設計(CAD)ソフトウェア(Cadence)を用いてパターンを設計し、GCA/Mann 3600F Optical Pattern Generatorを用いて染色体フォトマスクを作製した。次いで、この高解像度パターンを、Karl Suss MA6 Contact Alignerを用いてフォトマスクを介してUV光にウェハを暴露することによって、ポジティブフォトレジスト(Shipley 1813)の薄いコート(約1μm)を備えるシリコンウエハー(直径3インチ)に移した。暴露後、次いで、フォトレジストを現像し、規定したパターンにおいてフォトレジスト層を介してシリコンを暴露する。暴露したシリコンシリコンを、PlasmaTherm SLR 770 ICP Deep Silicon Etch Systemを用いて、特定の深さ(20〜100μm)にエッチングした。フォトレジストを、アセトンを用いてウェハから剥した。個々の22mm2の微小規模チップを、ウェハから切り出し、Nanostrip(Cyantek)中で洗浄し、蒸留水でリンスし、そして170℃にて乾燥オーブンにおいて乾燥させた。
(ラットを模倣するシステムついての計算)
チップの設計において、1000個の必要な全チャンバを、2cm×2cm以内のシリコンチップ上に適合させた。チップのこのサイズは、製造が容易であり、かつ接続チュービングおよびポンプデバイス(流体の流れを方向付けるための使用が意図される)のサイズに適合可能である。各々の変数に対して受容可能な値とともに以下に列挙されるデバイスの設計を制限する、他のいくつかの要因もまた存在した。デバイスのこの1つの実施形態は、2つのコンパートメントシステムからなり、1つのコンパートメントはラットの肝臓を示し、そして1つのコンパートメントはラットの肺を示す。チップの全体のサイズは2cm×2cmであり、そして「肺」チャンバとして機能するために20個の平行チャネル(幅40μm、深さ10μmおよび長さ5mm)、および「肝臓」チャンバとして機能するために2つの平行チャネル(幅100μm、深さ20μmおよび長さ10cmのサーパタイン(serpentine))が相互連絡したアレイからなる。2つの器官コンパートメントは、チャネル(幅100μmおよび深さ20μm)によって接続される。多くの他の可能な幾何学、寸法、チャンバの数などが存在する。この設計を1つの例として選択した。
VTCL=(7.41μm)・(400μm2)
VTCL=2960μm3
細胞−長体積もまた、決定した。
(ラットモデル)
(4つの器官コンパートメントチップ)
以下の4つの器官コンパートメントからなるように、チップを設計した−生体異物代謝を担う器官を示す「肝臓」コンパートメント、標的組織を示す「肺」コンパートメント、疎水性化合物の生体蓄積のための部位を提供する「脂肪」コンパートメント、および非代謝組織(非蓄積組織)における循環パターンの模倣を補助する「他の組織」コンパートメント(図15)。これらの器官および他の器官のコンパートメント(例えば、腎臓、心臓、結腸または筋肉)は、CADファイルとして十分にモジュール化され得、そして任意の形状または組み合わせにおいて作製され得る。このデバイス自体、任意の基材(例えば、シリコン、ガラスまたはプラスチック)において製造され得る。
(チップにおける薬物代謝)
2つの広範に使用されるプロドラッグ(テガフールおよびスリンダクスルホキシド)の代謝を、3つのコンパートメント(肝臓、標的組織、および他の組織)を含む微小規模チップを用いて研究した。両方のプロドラッグは、肝臓に存在する酵素による活性代謝物への転換を必要とし、そして標的器官に対する細胞傷害性効果を有する。プロドラッグのスリンダクスルホキシドについて、その抗炎症性および癌化学予防特性は、そのスルフィド代謝物およびスルホン代謝物に由来し、肝臓酵素スルホキシドレダクターゼによって触媒される。スルフィド代謝物(および第二のスルホン代謝物)は、特定の癌細胞(例えば、結腸癌)においてアポトーシスを誘導することが実証されている。
(単一器官コンパートメントにおける複数の細胞培養)
単一器官コンパートメント中で複数の細胞型の混合物を使用することもまた、可能である。1つの研究において、肝実質細胞の細胞株HepG2/C3A(ATCCから)を、肝臓コンパートメントにおいて使用する。この細胞を、1.5mM L−グルタミン、1.5g/L炭酸水素ナトリウム、および10%ウシ胎仔血清を含む、マコイ5A培地中で増殖させる。インビボ器官をより厳密に模倣するために、一次肝実質細胞および線維芽細胞の混合物を、マクロファージ(クッパー細胞)と共に、1:2の比率で使用し得る。
(チップベースの系における組織培養条件の最適化)
2つの異なるラット細胞培養株である、H4IIE(ラット肝臓細胞株)およびL2(ラット肺細胞株)に適合する組織培養培地を、作り出した。予備実験は、DMEMとHams F12Kの1:1の混合物の培地(2mM L−グルタミン、1mM ピルビン酸ナトリウムおよび10%のウシ胎仔血清(FBS)を補充した)が、微小規模チップにおいて、20時間までの連続操作の間、H4IIE細胞およびL2細胞の両方の生存度を維持することを示した。この培地処方を、全てのラットベースの微小規模チップ研究のために使用した。
Earle平衡塩類溶液、2mM L−グルタミン、1.0mM ピルビン酸ナトリウム、0.1mM非必須アミノ酸、1.5g/L 炭酸水素ナトリウム、および10% ウシ胎仔血清を含む、Eagle最小必須培地(EMEM)。
(微小規模チップでの細胞傷害性の検出のためのアッセイ)
トリパンブルーは、生育不能細胞から生細胞を区別するために使用される、最も通常の染色である;生育不能細胞のみが色素を吸収して、青に見える。逆に、生存する、健康な細胞は、青色素を吸収することなく、円形で屈折して見える。微小規模チップにおける細胞生存度を決定するために、トリパンブルーを使用して、実験を実施した。トリパンブルー(方法の節を参照のこと)は、容易に使え、そして、可視化するために光学顕微鏡のみを必要とするが、生細胞は、時間をかけてトリパンブルーを吸収する(このことは、結果に影響し得る)。さらに、トリパンブルーは、細胞タンパク質よりも、血清タンパク質に対して高い親和性を有し、従って、背景は、血清含有培地を使用する場合、暗い。従って、死細胞から生細胞を区別する代替の方法を、研究した。
(細胞死の発生の検出およびアポトーシスまたは壊死を区別するための、チップベースのアッセイ)
アポトーシスを検出するために、2つの異なるアッセイを調査した。第1のアッセイは、APOPTAGTM(Intergen Co.,MA)としてキット形態で入手可能である、免疫蛍光ベースの末端デオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼBrdUニック末端標識(TUNEL)技術である(方法の節を参照のこと)。このアッセイを、ガラスのカバーガラス上で増殖した細胞を使用して、最初に最適化した。簡単に言うと、HepG2/C3A細胞を、ポリ−D−リジンで処置したガラスのカバーガラス上に播種して、スタウロスポリンを用いておよびスタウロスポリンを用いないで、処置した。カバーガラスを、記載されるように処理した(方法の節を参照のこと)。種々のスタウロスポリン濃度および処置時間を試験して、この結果は、1μMのスタウロスポリンが、24時間のインキュベーション後に、非処置コントロールと比較して、有意なアポトーシスを引き起こすことを示した(データは示さず)。次に、微小規模チップ系でのアポトーシスの検出のためのアッセイを最適化して、APOPTAGTM法とLIVE/DEAD染色技術との比較を実施した。この微小規模細胞チップを、方法の節に記載されるように、肝臓コンパートメント中のHepG2/C3Aおよび標的細胞コンパートメント中のHCT116細胞を用いて播種した。細胞チップを、微小規模チップ系上に充填して、上記のとおりに、1μMのスタウロスポリンを用いて、および1μMのスタウロスポリンを用いないで処理した。24時間のインキュベーション後、再循環培地を、30分間PBSに切り換えた。この細胞チップの半分を、ハウジングから取り除き、APOPTAGTMアッセイを、上記のとおりに実施した。他方の細胞チップを、微小規模チップ系に残して、前記したとおりに、LIVE/DEAD染色技術に供した。細胞を、蛍光顕微鏡下で可視化して、同一の領域の蛍光画像を、適切なフィルタセットを使用して得た。生細胞は、緑の蛍光発色する一方、死細胞は赤だった(データは示さず)。両技術ともに、非常に類似した結果を生じた(すなわち、1μMへの24時間の曝露により、非処置コントロールと比較して、HCT116細胞に対して、有意なアポトーシス(または細胞傷害性)を誘導した)(データは示さず)。
(モデル毒薬としてのナフタレンの使用)
ナフタレンを使用して、毒物学を研究した。なぜならば、肝臓中での酵素的変換が、肺の毒性に必要であるからである。従って、ラット肺細胞株に対するナフタレンの効果を研究した。これらの実験は、三つのコンパートメント(肝臓、肺および他の組織)の、肝臓コンパートメント中のH4IIE細胞および肺コンパートメント中のラットL2細胞を用いたラットベースの微小規模チップを使用した。微小規模チップを、方法の節で記載したとおりに、実験のために加工および調製した。
(ヒト微小規模チッププロトタイプ)
肺、標的組織および他の組織についてのコンパートメントを含むヒトバイオチッププロトタイプを、調製した。これらのコンパートメントおよびチャネルの寸法は、以下のとおりであった:
入口:1mm×1mm
肝臓:幅3.2mm×長さ4mm
標的組織:2mm×2mm
他の組織:幅340μm×長さ110mm
出口:1mm×1mm
肝臓からY字型結合部に接続するチャネル:幅440μm
Y字型結合部から標的組織のチャネル:幅100μm。
ヒトバイオチッププロトタイプを、前記のように加工する。これらの器官コンパートメントの配置は、経口摂取される化合物(薬物)への曝露をまねるように企図される。化合物が、経口摂取される場合、この化合物は、小腸または大腸から血液に吸収される。ここから、この化合物は、門脈を介して肝臓に直接的に循環して、次いで、体中に分配される(図27)。従って、この設計によれば、肝臓は第1の器官コンパートメントであり、続いて、他の組織である、標的組織についてのコンパートメントおよびチャンバに分かれる。他の組織コンパートメントは、体内の血液の分布および滞留を表し、標的組織コンパートメントは、目的の治療標的(例えば、結腸腫瘍を表す結腸癌細胞)を表す。
本発明は、薬物速度論に基づく培養のデバイスおよびシステムを提供し、これらは、レシービング末端および出口末端を有する、第1の細胞培養チャンバ、および、レシービング末端および出口末端を有する第2の細胞培養チャンバ、ならびに、第1の細胞培養チャンバの出口末端を第2の細胞培養チャンバのレシービング末端に接続する導管を通常備える。好ましくは、このデバイスは、チップベースである(すなわち、このデバイスは、微小規模サイズである)。培養培地は、第1の細胞培養チャンバを通って、導管を通って、そして、第2の培養チャンバを通って循環し得る。この培養培地はまた、再循環ループ中の1つ以上の位置で、酸素付加され得る。
Claims (40)
- 細胞物質を含むためのチャンバを備える培養デバイスであって、該チャンバは、0.1μmと500μmとの間の少なくとも1つの内部断面寸法を有し、該チャンバは、インビボで見いだされる少なくとも1つの薬物動態学的パラメーターをモデル化する少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値をインビトロで提供する条件下で、該細胞物質を維持し、該チャンバは、流体の流れのための入り口および出口を備える、培養デバイス。
- 請求項1に記載の培養デバイスであって、該デバイスは、細胞物質を含む少なくとも1つの第2のチャンバをさらに備え、該第2チャンバは、0.1μmと500μmとの間の少なくとも1つの内部断面寸法を有し、インビトロで少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する条件下で、細胞物質を維持し、ここで、該第2のチャンバは、流体の流れのための、入口および出口を備える、培養デバイス。
- 前記チャンバに接続する少なくとも1つの微小流体チャネルをさらに含む、請求項1に記載の培養デバイス。
- 前記第1のチャンバおよび第2のチャンバを相互接続する少なくとも1つの微小流体チャネルをさらに含む、請求項2に記載の培養デバイス。
- 前記チャンバの接続の幾何学は、少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する、請求項2に記載の培養デバイス。
- 前記チャンバは、チャネルまたはチューブである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 少なくとも1つのチャンバまたは前記1つ以上のチャンバを相互接続するチャネルを通る前記流体の流れは、前記少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する、請求項2に記載の培養デバイス。
- 前記少なくとも1つのチャンバもしくはチャネルの幾何学または該チャンバと1つ以上のチャンバを相互接続するチャネルの相互作用の幾何学は、数学モデルに基づく、請求項2に記載の培養デバイス。
- 前記流体流れの特徴は、数学モデルに基づく、請求項1〜8のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- インビトロデスクなくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する条件下で、細胞物質の同じ型または1つ以上のさらなる型を含む1つ以上のさらなるチャンバをさらに備える、請求項1〜9のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記流体または前記細胞物質からのシグナルを得るための少なくとも1つのセンサをさらに備える、請求項1〜10のいずれか1項に記載の培養デバイスであって、前記少なくとも1つのセンサは、バイオセンサである、培養デバイス。
- 前記少なくとも1つのセンサが、酸素、二酸化炭素、および流体のpHからなる群のうちの少なくとも1つをモニターするか、または細胞死、細胞増殖、分化、免疫応答、またえは代謝もしくはシグナル伝達系路における混乱を測定する、請求項11に記載の培養デバイス。
- 前記少なくとも1つのセンサはデバイスと一体化され、前記細胞物質の生理学的状態のリアルタイム読み取りを提供する、請求項11または12のいずれかに記載の培養デバイス。
- 前記流体をさらに含み、該流体は、前記少なくとも1つのチャンバを通って流れるか、または何度も再循環される、請求項1〜13のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記少なくとも1つの薬物動態学的パラメーターは、相対的な組織の大きさの比、組織 対 血液の体積比、薬物滞留時間、細胞間の相互作用の測定値、液体滞留時間、液体 対細胞の比、細胞による代謝、剪断応力、流速、幾何学、および培養デバイス中の細胞数からなる群のうちの少なくとも1つから選択される、請求項1〜14のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記デバイスに一体化されたポンプおよび該デバイスの外部にあるポンプからなる群の少なくとも1つから選択されるポンプ機構をさらに備える、請求項1〜15のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記細胞物質は、健康組織、病変組織、組織生検の一部、組織の一部、動脈の一部、静脈の一部、胃腸管の一部、食道の一部、結腸の一部、器官の一部、心臓の一部、脳の一部、腎臓の一部、肺の一部、筋肉の一部、真核生物細胞、植物細胞、動物細胞、哺乳動物細胞、原核生物細胞、初代細胞、腫瘍細胞、幹細胞、遺伝学的に改変された細胞、形質転換された細胞、不死化された細胞からなる群のうちの少なくとも1つから選択される、請求項1〜16のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記チャンバのうちの少なくとも1つは、該少なくとも1つのチャンバを循環しているかまたは該少なくとも1つのチャンバの一部に接着しているかのいずれかである細胞物質を含む、請求項1〜17のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記チャンバは、ポリマー、ガラスおよびシリコンの群のうちの1つからなる物質から選択される、請求項1〜18のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- コントローラをさらに備え、該コントローラは流体流を制御して、少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する、請求項1〜19のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記コントローラは、前記培養デバイスと電気的に連結されているかまたは一体化されている、請求項20に記載の培養デバイス。
- 請求項1〜22のいずれか1項に記載の培養デバイスであって、該デバイスは、以下:
ポンプ;
肝臓の機能と関連する、インビトロで少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する条件下で細胞物質を維持する肝臓チャンバ、ゆっくりと灌流されるチャンバ、急速に灌流されるチャンバ、および脂肪の機能と関連する、インビトロで少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供するチャンバからなる群より選択される少なくとも2つのチャンバ;ならびに
ポンプ、および連続してまたは平行に該少なくとも2つのチャンバと連結する、複数の微小流体チャネル、
を備える、培養デバイス。 - 請求項1〜22のいずれか1項に記載の培養デバイスであって、培養デバイスのアレイをさらに備え、該デバイスは、互いから離れて作動するかまたは互いに並行して作動するかのいずれかであるか、あるいは流体的に連結された連続様式で作動し、第1のデバイスからの流体出口は、1以上の第2のデバイスに対して、少なくとも1つの流体入り口に直接的にまたは間接的に接続される、培養デバイス。
- 前記デバイスは、生物学的関門を模倣する連結され、該生物学的関門は、胃腸関門、血液胆嚢関門または血液脳関門である、請求項23に記載のデバイス。
- 前記培養デバイスは、電子回路をさらに備えるチップ上に形成される、請求項1〜24のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記コントローラは、前記培養デバイス中の流体の循環を制御するポンプ、該培養デバイスの温度もしくは該培養デバイス中を循環する流体を制御する加熱要素、光源、該培養デバイス内の細胞物質からの蛍光発光を検出する光検出器、およびコンピューターからなる群のうちの少なくとも1つをさらに含み、該コンピューターは、メモリ、1以上のセンサを有する該培養デバイスに対するインターフェースを含む入力/出力インターフェース、およびセンサからのデータを記録および分析するコンピューターソフトウェアをさらに含む、請求項20に記載の培養デバイス。
- 前記流体は、培養培地、生物学的流体、血液、血清および血漿からなる群のうちの少なくとも1つより選択される、請求項1〜26のいずれか1項に記載の培養デバイス。
- 前記コンピューターは、前記データに応じて、前記培養デバイスの1以上の薬物動態学的パラメーター値を変更する、請求項26に記載の培養デバイス。
- 培養デバイスを形成する方法であって、該方法は、細胞物質を含むための少なくとも1つのチャンバを形成する工程を包含し、ここで該チャンバは、0.1μmと500μmとの間の少なくとも1つの内部断面寸法を有し、該チャンバは、インビボで見いだされる少なくとも1つの薬物動態学的パラメーターをモデル化する少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値をインビトロで提供する条件下で、該細胞物質を維持し、該チャンバは、流体の流れのための入り口および出口を備える、方法。
- 1つ以上のチャンバに接続する少なくとも1つの微小流体チャネルを形成する工程をさらに包含し、ここで該微小流体チャネルは、0.1μmと500μmとの間の少なくとも1つの内部断面寸法を有する、請求項29に記載の培養デバイスを形成する方法。
- 前記チャンバのうちの少なくとも1つの幾何学または該チャンバと前記チャネルの相互接続の幾何学は、前記少なくとも1つの薬物動態学的パラメーター値を提供する様に形成される、請求項29に記載の方法。
- 前記チャンバのうちの少なくとも1つの幾何学または該チャンバのうちの少なくとも1つと前記チャネルのうちの少なくとも1つとの相互接続の幾何学は、数学モデルに基づいて形成される、請求項29に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのチャンバまたは該チャンバを相互接続する前記少なくとも1つのチャネルを通る流体の流れは、数学モデルに基づく、請求項29〜32のいずれか1項に記載の方法。
- 前記チャンバは、微細加工、微細加工されたマスターからの微細加工、エンボス加工、射出成形、重合またはスタンピングによって形成される、請求項29に記載の方法。
- 請求項29に記載の方法であって、該方法はさらに以下の工程:
前記細胞物質と入力変数とを接触させる工程;および
少なくとも1つの出力パラメーターをモニターする工程、
を包含する、方法。 - 前記少なくとも1つの出力パラメーターをモニターする工程は、前記デバイスにおける少なくとも1つのセンサからの情報を得る工程を包含する、請求項35に記載の方法。
- 請求項35または36のいずれか1項に記載の方法であって、前記入力変数は、有機化合物、無機化合物、生物学的製品、複合体サンプル、製薬、環境性サンプル、栄養性サンプル、消費者製品、ウイルス、リポソーム、ナノ粒子、生分解性ポリマー、放射性標識粒子または放射性標識毒素、生体分子、毒素結合体化粒子および安定化剤からなる群のうちの少なくとも1つから選択される、方法。
- 前記培養デバイスを動力学的に制御するためのコンピューター化方法をさらに包含する請求項29に記載の方法であって、該コンピューター化方法は、さらに以下:
1つ以上のセンサからのデータを分析して、該培養デバイスの1つ以上のチャンバまたはチャネル内の生理学的事象を測定する工程;
該培養デバイスのチャンバ内の流体の流体流速を調節する工程;
該流体の温度を検出および調節する工程;
該培養デバイスのチャンバ内の生物学的反応物または毒物学的反応物を検出する工程;および
該培養デバイスの1つ以上の薬物動態学的パラメーターを変化させる工程、
を包含する、方法。 - コンピューター実行可能な指示を有して、方法を実行するコンピューター読み取り可能な媒体をさらに含む、請求項29に記載の方法であって、該方法は、以下:
複数のセンサからのデータを分析して、前記培養デバイスの複数のチャンバ内の生理学的事象を測定する工程;
該培養デバイスのチャンバ内の流体の流体流速を調節する工程;
該流体の温度を検出および調節する工程;
該培養デバイスのチャンバ内の生物学的反応物または毒物学的反応物を検出する工程;および
該培養デバイスの1つ以上の薬物動態学的パラメーターを変化させる工程、
を包含する、方法。 - 前記方法は、前記培養デバイス内のチャンバ幾何学を最適化する工程をさらに包含し、ここで該最適化する工程は、チャンバの数を選択する工程、適切な組織サイズ比もしくは器官サイズ比を提供するチャンバ幾何学を選択する工程、適切な液体滞在時間を提供する最適な流体流速を選択する工程、および該培養デバイス内の剪断応力を計算する工程からなる群のうちの少なくとも1つを包含する、請求項38または39のいずれか1項に記載の方法。
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