JP6446059B2 - 医薬スクーリングのための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、イン・ビトロにおける薬理学的な医薬スクーリングに関する。特に、本発明は、心毒性のための医薬のスクリーニングに関する。

医薬の開発中は、患者のリスクを減らし、コストを削減するために、プロセスの中でできるだけ早く候補薬剤の安全性と効率を予測することが重要である。例えば、心毒性は、臨床前もしくは完全な臨床試験の間に、またはＦＤＡの認可後においても新薬が撤回される主な理由の１つである。

キムらによる論文「レンズフリーイメージングを用いた心毒性のリアルタイム検出のための細胞ベースバイオセンサ」は、ＥＳ細胞由来の心筋細胞（ESC-derived cardiomyocytes）の拍動周期および拍動毎の変動について、２つの異なる医薬イソプレナリンとドキソルビシンの効能を計測するセンサについて述べている。その装置は、心臓細胞の物理的な収縮に関する視覚的な情報の検出を可能にするのみである。細胞の電気生理学的信号のような他のパラメータを記録することはできない。

小さく、かつ医薬スクリーニングの制度を上げる技術および装置が必要である。

本発明の第一の態様においては、
表面を有する基板と、
基板表面上の細胞に、それが存在する場合、光波を照射するために配置された光源と、
細胞を照射することによって発生した光学的信号を検出するために配置されたセンサと、
を含み、表面基板は細胞からの電気生理学的信号を検知するためのマイクロ電極アレイを含むことを特徴とする、細胞上の医薬スクリーニングを行うレンズフリーの装置が存在する。

本発明の具体例では、基板表面は、光波を反射するための反射面であり、センサは、反射された光波を検出するように配置されている。

本発明の具体例では、レンズフリー装置は、基板とセンサの間に配置され、細胞に対して光波を向けるように構成され、反射された光波を送るようにさらに構成された光束分離装置（beam-splitting device）をさらに含む。

本発明の具体例では、基板は、少なくとも光学的信号に対しては透明であり、センサは、基板を通る光学的信号を検出するように配置される。

本発明の具体例では、基板表面は、細胞の成長を制御するパターンを含む。

本発明の具体例では、レンズフリー装置は、センサおよびマイクロ電極アレイに電気的に接続され、検出された光学的信号と検知された電気生理学的信号との相関を取るように構成された処理ユニットをさらに含む。

本発明の具体例では、センサは貫通孔を含み、放射線源は貫通孔を通して光波を放射するように配置される。

本発明の具体例では、光源は、異なる光波を放射するように構成され、それぞれの光波が異なる波長範囲を有し、異なる波長範囲の光学的信号を発生させ、センサは、異なる光学的信号を検出するために構成される。光源は、異なる波長範囲の光波を生成することを可能にする１つの光放射要素で構成されてもよいし、または、それは、それぞれが少なくとも１つの波長範囲の光波を生成し、複数の光放射要素のうち少なくとも２つの光放出要素が異なる波長範囲の光波を生成することができる、複数の光放射要素を含んでもよい。

本発明の具体例では、基板は、基板表面上の細胞を候補医薬に接触させるため、基板表面上の細胞に候補医薬を供給するように構成された流体装置を含む。

本発明の具体例では、流体装置は、基板表面上の異なる細胞を異なる候補医薬に接触させるため、異なる候補医薬を基板表面上の異なる位置にある細胞に供給するよう構成される。

本発明の第二の態様においては、細胞を準備する工程と、細胞を候補医薬に接触させる工程と、光波で細胞を照射する工程と、細胞を照射することによって発生した光学的信号を検出および記録する工程と、を含み、その方法は、細胞の電気生理学的信号を検出および記録し、同時にまたは並行して光学的信号を検出および記録する工程と、並びに、細胞における候補医薬の影響を測定するために、記録された光学的信号と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程と、をさらに含むことを特徴とする、医薬スクリーニングを行う方法が存在する。

本発明の具体例では、その方法は、記録された光学的信号を用いて、細胞の画像表現を再構成する工程と、画像表現と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程と、をさらに含む。

本発明の具体例では、細胞を照射する工程と、光学的信号を検出および記録する工程と、電気生理学的信号を検出および記録する工程と、光学的信号と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程とは、異なる波長範囲の光波を使用して少なくとも１度は繰り返される。

本発明の具体例では、その方法は、相関信号（the correlated signals）を使用して細胞を数える工程をさらに含む。

本発明の第一の態様に記載されたレンズフリー装置およびそのいずれかの具体例は、本発明の第二の態様に記載されたような方法およびそのいずれかの具体例を行うために使用してもよい。

本発明の具体例に記載された細胞の医薬スクリーニングのためのレンズフリー装置を示す。 本発明の具体例に記載された細胞の医薬スクリーニングのためのレンズフリー装置を示す。 本発明の具体例に記載された細胞の医薬スクリーニングのためのレンズフリー装置を示す。 本発明の具体例に記載された細胞の医薬スクリーニングのためのレンズフリー装置を示す。 パターン化されていない表面における細胞の成長を示す。 パターン表面における細胞の成長を示す。 本発明の具体例に記載の細胞上の医薬スクリーニングを行うためのフローチャートを示す。 本発明の具体例に記載の、異なる波長範囲の光波を使用して細胞上の医薬スクリーニングを行うためのフローチャートを示す。 実験中に捕獲された光学的信号を示す。 実験中に捕獲された光学的信号を示す。 実験中に捕獲された光学的信号を再構成したものを示す。 心臓細胞の単層からの光学的信号を示す。 細胞の収縮を設定した場合のグラフを示す。 実験中に捕獲された光学的信号を示す。 細胞の収縮を設定した場合のグラフを示す。

この説明を通して、「レンズフリー（lens-free）」装置について述べる。レンズフリーの画像化装置について述べることもある。したがって、レンズのない装置は、対象の画像化を行うために使用される。

この説明を通して、「光学的信号（optical signal）」または「複数の光学的信号（optical signals）」について述べる。これらの信号は、対象を照射することにより発生した回折光と、対象を照射するために使用される光波との間の干渉の結果である。光学的信号は、「干渉縞（interference pattern）」として定義することもできる。

この説明を通して、例えば心臓細胞のような生物細胞の「電気−機械ウィンドウ（electro-mechanical window）」について述べる。例えば心血管薬理のような薬理学では、電気的および機械的な事象は区別することができ、「電気−機械ウィンドウ」は、これらの事象の間の時間的な差を表す。

本発明の具体例の長所は、多モードの搬出装置（a multimodal feed-out device）が細胞の分析のために準備されていることであって、細胞の異なるパラメータは同時に分析することができることである。本発明の具体例の長所は、検知装置は、医薬スクリーニングの精度を高めるように、光学的に細胞を検出し、同時にこれらの細胞からの生物学的信号を記録するために準備されていることである。本発明の具体例の長所は、例えば心臓細胞のような生物細胞の物理的な収縮を検出し、同時に、収縮している例えば心臓細胞のような生物細胞からの電気信号を検出することによって、例えば心臓細胞のような生物細胞上の候補医薬の毒性を測定するための精密な医薬スクリーニング装置を提供することである。

本発明の第一の態様においては、細胞上の医薬スクリーニングを行うレンズフリーの装置が存在する。その装置は、細胞の光学的および電気生理学的信号を同時に記録することができる。その装置は、細胞を保持し、成長させ、または供給するための表面を持つ基板を含む。基板は、例えばシリコン基板のような、半導体基板であってもよい。基板は、例えばエッチングされたシリコンのような、薄型の基板であってもよい。基板は、マイクロチップであってもよい。光源は、基板上にある細胞を光波で照射するように配置および構成される。ここで、１つまたはそれ以上の光放射要素は、医薬スクリーニングが行われる位置から離れた場所に設置されてもよく、光放射要素によって生成された光波は、例えば光ファイバーのような誘導要素を用いて、医薬スクリーニングが行われる位置から運ばれてもよい。したがって、光源は、光ファイバーの先端であってもよい。代わりに、１つまたはそれ以上の光放出要素は、医薬スクリーニングが行われる位置で準備されてもよく、光源は、１つまたはそれ以上の光放射要素によって直接に形成される。

光源は、レンズフリーな画像化を行うのに適している。たとえば、光源は、例えばレーザーのようなコヒーレントな光源であってもよい。光源は、レーザーモジュールにつながれた光ファイバーであってもよい。小型化を進め、およびコストを減らすため、少なくとも１つのＬＥＤを含む光装置が使用されても良い。本発明の具体例では、光源は、例えばＬＥＤのような非コヒーレントな光源によって生成された光波に空間的コヒーレンスを与えるためのピンホールを含む。センサは、細胞を照射することによって発生した光学的信号を検出するように配置および構成される。光学的信号は、照射された細胞からの回折光と元の光波との間の干渉の結果である。この技術は、細胞のホログラムがセンサによって記録されることを可能にするインラインデジタルホログラフィとして知られている。したがって、センサは、細胞が照射されたときに細胞のホログラムが記録可能なように配置される。センサは、例えばＣＭＯＳ画像センサのような画像センサであってもよい。基板は、細胞からの電気生理学的信号を検知するマイクロ電極アレイ（ＭＥＡ）を含む。マイクロ電極アレイは、細胞を動かすために使用されてもよい。ＭＥＡは、基板の表面に配置されてもよい。マイクロ電極アレイは、基板に少なくとも部分的に埋め込まれてもよい。ＭＥＡは、基板の表面にある細胞のインピーダンスを計測するための受動的な（細胞を検知するだけの）ＭＥＡであってもよい。そのようなＭＥＡは、そのインピーダンスのような電気的信号を測定することによって、例えば細胞の収縮のような電気物理的信号を検出するため、および電力消費を減らすために使用することができる。ＭＥＡは、細胞を刺激することおよび細胞からの電気生理学的信号を検知することに適した、能動的な（細胞を検知すること、および選択的に細胞を動かすこともする）ＭＥＡであってもよい。本発明の具体例の長所は、能動的なＭＥＡの使用が、再現可能な測定を可能にすることであって、ＭＥＡは、細胞における特定の事象を誘発させるために、特定の方法でもう１つの細胞を刺激するために使用されてもよい。例えば、１つまたはそれ以上の細胞は、細胞において収縮を誘発させるために刺激されてもよい。特定のおよび類似の方法で連続して細胞を刺激することによって、刺激に誘発された同じ事象の一連の測定を細胞上において行うことができる。

本発明の具体例では、光源は、その具体例のいずれかを含むＥＰ１４２００４２１に記載されているような光集積回路であってもよい。前記の光集積回路は、光導波路および試験用の生物学的材料に向かって光導波路からの光を結合させるための、光導波路と結合された１つまたはそれ以上の光カプラを含む。本発明の具体例では、光源は、その具体例のいずれかを含むＥＰ１５１５４０８７に記載されているような光源であってもよい。前記の光源は、試験用の生物学的材料にレンズフリーな画像化を行うための疑似プレーナ光波を合同で作り出す複数の発光体を含む。

基板表面は、十分に平らな表面であってもよく、電極が、基板表面と同じ高さ（level）で、基板表面内にある。したがって、電極は、その基板表面に存在する細胞と直接に接触することをまだ可能にしながら、基板表面に埋め込まれ、表面の一部を形成する。前記の構成は、十分に平らな基板表面が、細胞を検知するため、および光学的に細胞を動かすためにも使用されることを可能にする。

代わりに、電極は、基板表面にある柱またはナノロッドのような、基板表面上の突起によって形成されてもよい。例えば柱またはナノロッドのようなこれらの突起は、基板表面上に垂直に配置されてもよい。例えば柱またはナノロッドのような突起の高さは、３００ｎｍから２マイクロメートルの間であってもよく、例えば柱のような突起の上部の表面の面積は、１．３平方マイクロメートルから１５平方マイクロメートルの間であってもよい。柱またはナノロッドは、金属の柱またはナノロッドであってもよい。本発明の特定の具体例では、柱またはナノロッドは、反射構造であってもよい。代わりに、柱またはナノロッドは、例えばインジウムチタン酸化物などの透明導電酸化物のような透明導電材料で製造されてもよい。

ＭＥＡの電極は、表面に埋め込まれているか基板表面上にあるかにかかわらず、基板に配置されている例えばＣＭＯＳ回路のような電子回路に、例えば金属線のような導電性の線を通じて、電気的に接続されていてもよい。例えば金属配線のような導電性の配線は、基板に完全に埋め込まれ、光学的または電気的な測定を妨げないように配置されてもよい。電子回路は、金属線を通して各電極に個々に電気信号を送信するように構成されてもよい。電子回路は、各電極から個々に来る電気信号を受信しまたは記録するように構成されてもよい。したがって、各電極は、単独の細胞レベルで記録する目的で、個々にアドレス指定されてもよい。その上、各電極は、細胞の刺激の目的で、個々にアドレス指定されてもよい。さらに、電子回路は、１つまたはそれ以上の電極グループを同時に検知し、および選択的に作動もするように構成されてもよい。これにより、これらの電極グループに接触している細胞グループを検知し、および選択的に作動させることができる。この目的のため、電子回路は、多重化および／または非多重化（de-multiplexing）回路を含む。

本発明の具体例の長所は、細胞の光学的情報および電気生理学的な情報が同時に記録できることである。細胞の光学的な情報は、細胞からの異なるパラメータを抽出するために使用される。例えば、心臓細胞のような生物細胞が試験対象である時、例えば収縮頻度、収縮力、組織を通る信号の伝播、収縮の持続時間、緩和時間、総収縮時間、収縮ピーク、緩和ピーク、総収縮ピークなどの心臓収縮のパラメータのような、異なる生物学的なパラメータが抽出され得る。これらのパラメータのそれぞれが特定の電気生理学的信号と関連付けられ、非常に精密な医薬スクリーニングの結果をもたらし得る。したがって、例えば、光学的な検査によって細胞の収縮を、および電子的な検査によってその細胞の電気生理学的信号を、同時に観察するように、細胞の異なるパラメータを同時に観測することによって、細胞上の候補医薬の効能を高い精度で測定することができる。例えば、心臓細胞などの生物細胞において医薬スクリーニングを行っている時、細胞の収縮がどの電気生理学的信号と関連しているかを測定することができる。これは、一度に細胞の１つのパラメータしか記録できなかった従来の技術装置と対照的である。したがって、本発明の具体例では、細胞がどのように候補医薬に反応するのかを精密に測定することができる。１つの装置に複数の読み出し装置を統合することは、同じ細胞からより多くの情報を生じさせ、これにより同じ時点において抽出された異なるデータセット（光学的信号＋電気生理学的信号）上の相関を取ることを可能にする。本発明の長所は、細胞からの異なる情報または異なるパラメータを抽出するために、例えば細胞をある検出場所から他の検出場所へ移動させるような細胞の操作が必要ないことである。これは、より好ましく、かつより精密な医薬スクリーニングの利用につながる。さらに、複数のパラメータを並行して観測することができるので、医薬スクリーニングの実行時間を減少させることができる。

この開示中にあるような発明は、例えば心臓細胞のような生物細胞の電気生理学的情報と光学的情報との間の差を使用することにより、例えば心臓細胞などの生物細胞の電気機械ウィンドウを評価することを可能にする。対照的に、従来の技術装置においては、電気生理学的情報と光学的情報を同時に観測することができないから、このパラメータを精密に測定することはできない。

本発明の具体例では、基板の表面は、細胞を照射することにより発生する光学的信号を反射するのに適している反射面である。したがって、反射面は、照射された細胞からの回折光と、細胞を照射するために使用される元の光波との間の干渉によって生じる光学的信号を反射するように構成される。可視光に対しては、反射面は、例えば金層などの導電層を含む、基板の上に配置された、磨かれた表面鏡のような鏡を含む。反射面は、金属層、ＴｉＮ層、またはシリコン表面を含んでもよい。本発明の特定の具体例では、反射面は、電極と配線との間に形成されてもよい。その上、電極自体および配線も衝突する放射線を反射するのに役立ってもよい。

基板表面が反射面であって、レンズフリー装置が反射モードで動作するように構成されているこの具体例では、センサは、照射された細胞から反射された光学的信号を記録するように配置される。長所として、反射面は、装置が、装置の大きさを減らし、小型化を進める反射モードで動作することを可能にする。前記のように、基板表面は、十分に平らな表面であってもよく、ここで、電極は、基板表面と同じ高さに配置された基板表面の一部であって、依然として基板表面に存在する細胞と直接に接触することができる。この平らな表面は、電極および電極間にある反射材料を含む。反射材料は例えばシリコンまたは金属であってもよい。ほぼ平らな表面は、照射された細胞から反射された光学的信号の検出の質に有利な、高い反射性能を有する。

図１は、基板１０１の表面１０２が反射面である、本発明の具体例を示す。光源１０４は、その伝送経路を妨げる物体がなく、光源１０４により生成された光波が、反射面１０２上に、かつそれと密接して存在する１つまたはそれ以上の細胞１０３に到達することができるように配置されている。光波が細胞１０３に到達したとき、細胞上で光波の回折が生じ、回折光が生じる。回折光は基板１０１の反射面１０２により反射される。細胞上で回折されなかった元の光波の一部も、反射面により反射される。反射された回折光および反射された元の光波は、干渉して光学的信号となる。光学的信号は、基板１０１と平行またはほぼ平行に、および反射面１０２の端の表面と隣接して配置されたセンサ１０５により記録され、その結果光学的信号を記録することができる。基板１０１は、基板１０１の表面１０２上にある細胞１０３からの電気生理学的信号を記録するために使用されるマイクロ電極アレイを含む。マイクロ電極アレイは、表面１０２に埋め込まれてまたは例えば柱や棒のように基板表面１０２上に配置されて実装され得る複数の電極１０６を含む。細胞１０３を照射しおよび細胞１０３の照射により発生した光学的信号を記録しながら、細胞の電気生理学的信号を同時に記録することができる。

本発明の具体例では、レンズフリー装置１００は、例えば密接するように基板表面１０２上に存在するとき、光源により生成された光波を細胞１０３の方向へ向かわせるように構成された光束分離装置を含む。図２は、前記の具体例を示す。光束分離装置１０７は、基板１０１とセンサ１０５の間に配置されてもよい。基板１０１およびセンサ１０５は、互いに平行またはほぼ平行に配置され、センサの感知側面は、その上で細胞１０３が保持され、供給されまたは成長している基板１０１の反射面１０２と向かい合う。光束分離装置１０７は、基板１０１の表面１０２にある細胞１０３の上の光源１０４により生成される光波の方向を変えるように配置される。光束分離装置１０７は、矢印１０９で示すように、光源１０４から発生する光波の方向を変えることができ、したがって、基板表面１０２上にある細胞１０３の垂直またはほぼ垂直な照射が達成できる。長所として、表面１０２に平行またはほぼ平行な画像センサを用いて、細胞からの光学的信号の効率的な検出を達成することができ、装置の小型化を進めることができる。光束分離装置１０７は、矢印１１０で示すように、基板１０１の反射面１０２により反射された光波が光束分離装置１０７を透過してセンサ１０５に受信されることを可能にするように、さらに構成される。長所として、細胞１０３の効率的な照射が達成できる。他の長所として、光源１０４により生成された光波が基板表面１０２およびセンサ１０５の検知面にほぼ平行に光束分離装置１０７に入ることができるので、完全な装置１００の小型化をさらに進めることができる。本具体例においても、基板１０１は、基板１０１の表面１０２上にある細胞１０３からの電気生理学的信号を記録するためのマイクロ電極アレイを含む。マイクロ電極アレイは、例えば図１に関するような、前記のものであってもよい。細胞１０３を照射しおよび細胞１０３の照射により発生した光学的信号を記録しながら、細胞の電気生理学的信号を同時に記録することができる。

本発明の具体例では、基板１０２は、例えばシリコン酸化物（ガラス）または透明なポリマーのような透明な材料で製造される。センサ１０５は、基板表面１０２上にある細胞からの光学的信号を記録するように配置される。本具体例では、センサ１０５および光源１０４は、電極１０６と共に表面１０２が準備されている基板１０１側に配置された光源１０４、および基板１０１のその反対側に配置されたセンサ１０５というように、基板１０１の異なる側に準備される。本具体例では、前記のように、ＭＥＡの電極１０６（例えば、基板表面１０２上に配置された柱、ナノロッドとして実装されてもよいし、または基板表面１０２に埋め込まれた電極であってもよい）は、細胞からの光学的信号を透過できる透明導電材料で製造されてもよい。光学的信号が基板１０１を伝播することができるように、ＭＥＡの電子回路は、電子回路が基板内の光学的信号の伝送経路を遮断しないようにするために、基板の一方の側に配置されてもよい。代わりに、ＭＥＡを含む基板１０１は、薄くしてもよく、それによって、基板１０１を通る光の伝播が可能になる。図３は、前記の具体例を示す。センサ１０５は、基板１０１にほぼ平行に配置される。細胞１０３は、基板１０１の表面１０２に配置される。基板表面１０２は、センサ１０５の反対側を向いている。センサ１０５の検知面は、基板１０１の方を向いている。基板１０１は、細胞を検知するためおよび選択的に細胞を動かすためのマイクロ電極アレイを含む。光源１０４は、基板表面１０２を照射するように配置される。基板１０１は、光源１０４から生成された光波および照射された細胞１０３からの回折光の透過を可能にする透明な材料で製造される。本発明の具体例の長所は、透過モードで（基板を通りぬけて）検出された細胞の光学的情報が、伝統的な顕微鏡画像に匹敵する高画質を提供することである。本具体例でも、細胞１０３からの光学的および電気物理的信号を同時に検出することができる。

本発明の具体例では、例えば、しかしこれに限定されないが、図１から図４に関して説明された装置１００のような、本発明のいずれかの具体例に記載のレンズフリー装置１００は、センサ１０５および複数の電極１０６を含むマイクロ電極アレイに電気的に接続された処理ユニット１１０をさらに含んでもよい。処理ユニット１１０は、検出された細胞１０３からの光学的信号と細胞１０３からの電気生理学的信号とを結合させるように構成される。本発明の特定の具体例では、処理ユニット１１０は、検出された細胞１０３からの光学的信号と細胞１０３からの電気生理学的信号との相関を取るように構成されてもよい。検出された光学的および電気物理的信号の相関を取ることの目的は、例えば、温度、ｐＨ等のような環境状況を含む特定の状況の下での医薬の特定の投与量の影響のような、細胞上の同じ事象に関連するデータを考慮に入れることができるように、データセットを調整することである。２つのデータセット（光学的＋電気生理学的）の間の相関を取ることにより、被験細胞１０３上の候補医薬の効能をより精密に測定することができる。時間的に異なる瞬間に（例えば続いて）記録された類似の細胞事象からの信号は、例えば被験細胞の操作または例えば細胞中で同じ事象を再現することの困難のため、相関を取ることが困難であるところ、本発明の具体例の長所は、細胞の光学的および電気生理学的信号が同時に得られることである。

反射モードで動作するよう構成された本発明の具体例では、センサ１０５は、貫通孔１０８を含む。光源１０４は、基板１０２の上に、貫通孔を通して光波を放射するよう構成される。貫通孔は、光波が貫通孔を通過できるようにセンサ１０５を穿孔する開口部である。特定の具体例では、図面には示されていないが、光源は貫通孔の中に配置されてもよい。貫通孔は、光源によって生成された光波に空間的コヒーレンスを付与するために、光学的に光源と結合されてもよい。したがって、貫通孔は、細胞１０３を空間的にコヒーレントな光で照射するためのピンホールとして機能することができる。長所として、センサ１０５を基板１０１の近くに、かつ平行に設置することができる。図４は、前記の具体例を示す。センサ１０５および基板１０１は、互いにほぼ平行に配置される。細胞を保持し、成長させ、または供給するために使用される基板表面１０２は、センサ１０５の検知面の方を向いている。センサ１０５は、貫通孔１０８を含む。光源１０４は、貫通孔１０８を通して光波を発生させ、基板１０１の表面１０２を（および存在する場合は結果として細胞をも）照射するよう配置される。

本発明の具体例では、細胞を保持し、供給し、または成長させるために使用される基板１０１の表面１０２は、構造化された細胞成長を通してイン・ビボ組織（in vivo organization）を再現するために構成されたパターン表面である。例えば、表面１０２は、例えば心臓細胞のような細胞１０３の構造化された成長を誘導するようにパターン化されてもよい。このようにして、成長した細胞を、ヒトの器官の構造に匹敵させることができる。パターンは、例えば、平行線または当技術分野において知られている他の適したパターンのいずれかを含みまたはそれらから成る。長所として、基板表面１０２上の細胞１０３は、どのように収縮しおよび外部刺激に応答するかを含む心臓構造の実際的な表現であるから、例えば心臓の実際の構造を再現することにより、実際的な測定を行うことができる。表面は、表面１０２上の細胞１０３の成長を制御する構造を含んでもよい。例えば、その構造は、表面１０２上の細胞１０３の成長の方向を制御することができる。これは、基板表面１０２に溝のような構造を準備することによっても達成することができる。本発明の特定の具体例では、マイクロ電極アレイの例えば柱やナノロッドのような突起物として実装された電極１０６は、基板表面１０２上の細胞１０３の構造化された成長を誘導するように、互いに間隔を空けて配置されている。柱のような電極１０６は、細胞１０３が特定の方向に成長するように刺激するために、互いに間隔を空けて、グループでまたは１つもしくはそれ以上の列で配置されてもよい。本発明の具体例では、基板表面１０２上の細胞１０３の成長を制御するため、基板表面１０２の選択された領域に、細胞の成長を許容しまたは拒絶するような影響を与えるために、化学的または生物学的に表面を改質する改質材料を形成してもよい。改質材料は、例えば印刷によって塗布されてもよい。印刷された表面は、特定の定義済みパターンを準備するよう選択された、異なる領域または区域を含み、ここで各領域または区域は、例えば細胞の成長を許容しまたは拒絶するような、異なった影響を与えるように構成されてもよい。印刷された基板表面の異なる領域は、細胞の成長を許容しまたは拒絶するような影響を与える、例えば生物材料のような材料を含んでもよい。細胞１０３の成長の方向を制御することによって、細胞の成長方向（the conduction direction）を制御することができ、光学的および電気生理学的信号の後処理を単純化し、信号の関連性を高める。本発明の具体例の長所は、細胞の成長運動ベクトル（conduction motion vectors）がより整列されているので、細胞１０３からの信号を解析するために使用されるソフトウェアアルゴリズムを単純化することができることである。これは、より単純なアルゴリズムにより細胞からのデータをより高速に処理することが可能になる点で有利である。細胞１０３の収縮の伝導は、細胞の収縮方向に対して垂直である。したがって、パターン表面上の構造の設計を制御することによって、被験細胞の運動ベクトルおよび細胞の収縮の伝導を制御または予測することができる。長所として、どのように細胞が収縮するかおよびどの方向に収縮が伝わるかを知ることにより、電気生理学的信号の測定が単純化する。

図５Ａおよび図５Ｂは、パターン化されていない表面（図５Ａ）とパターン表面（図５Ｂ）との間の細胞成長の差を示す。図５Ｂ中の矢印は、基板表面１０２上の細胞の成長の方向を指す。

本発明の具体例では、光源１０４は、それぞれの光波が異なる波長範囲を有する異なる光波を生成するように構成される。光源は、異なる波長範囲の光波を放射するよう構成されてもよい。光源は、異なる波長範囲の光波を生成することができる１つ光放射要素で構成されてもよいし、または、それぞれが少なくとも１つの波長範囲の光波を生成し、複数の光放射要素のうち少なくとも２つの光放射要素が異なる波長範囲の光波を生成することができる複数の光放射要素を含んでもよい。センサ１０５は、異なる波長範囲の光波を検出するために構成されている。例えば、センサは、細胞からの異なる波長範囲の光学的な信号を検出するように構成されたマルチスペクトルまたはハイパースペクトルイメージセンサ（multi-spectral or a hyperspectral image sensor）であってもよい。本発明の具体例の長所は、細胞の異なる部分の情報を測定するために、異なる波長範囲の光波を使用して被験細胞１０３を照射することができることである。異なる波長範囲により照射された細胞からの光学的信号は、例えば収縮の原因となる細胞の部分のような、被験細胞の特定の部分における医薬の効能を分析することに使用することができる。長所として、より精密でかつ好ましい医薬スクリーニングを行うことができる。さらに、長所として、異なる波長範囲の光波を使用して、レンズフリーの画像化の利用で生じる双画像問題（the twin image problem）を解決するために使用できる位相情報を引き出すことができる。これにより、画質を高めることができ、より精密な医薬スクリーニングにつながる。

本発明の具体例では、装置は、候補医薬を、それが存在する場合、基板表面１０２上にある細胞１０３に投与するために基板１０１の表面１０２に流体的に結合された流体装置を含む。流体装置には、候補医薬を含む溶液を供給および排出する入り口および出口があってもよい。

本発明の具体例では、基板は、その表面に存在する場合に細胞を候補医薬と接触させるために、候補医薬を１つまたはそれ以上の基板表面の位置に供給するように構成された、例えば基板の中に埋め込まれたまたは基板上の、流体またはマイクロ流体（micro-fluidics）の層のような、流体装置１１１を含む。前記の流体装置１１１は、図３の具体例に一例としてのみ示されているが、これは本発明を限定することを意図するものではない。流体装置は、例えば、しかしこれに限定されないが、図１から図４に関して説明された装置１００のように、本発明の具体例に記載のいかなるレンズフリー装置１００において使用されてもよい。

本発明の具体例では、流体装置１１１は、例えばマイクロ流体基板に備えられた１つまたはそれ以上の、例えばガラス基板またはＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）基板などの透明なマイクロ流体基板などのマイクロ流体チャンネルなどの従来の流体装置であってもよい。前記の流体装置１１１は、細胞１０３が１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルの内部に準備されることができるように、基板表面１０２の上に準備されてもよい。マイクロ流体チャンネルは、細胞培地（the cell medium）とも呼ばれる流体で満たされてもよい。流体は細胞１０３を健康に保つために必要な要素を含むことができる。１つまたはそれ以上のマイクロ流体チャンネルは、静的（流れなし）または動的（流れあり）であってもよい。流体が流れている場合、細胞１０３は、光学的および電気物理的信号が検出される検出場所に向かって、およびそこから離れるように、流れによって伝導されてもよい。本発明の具体例の長所は、流体装置１１１の存在下でレンズフリーの画像化が働くことである。ガラス基板またはＰＤＭＳ基板のように透明なマイクロ流体基板は、光学的な測定の結果に影響しないことが証明されている。

本発明の具体例では、流体装置１１１は、基板表面１０２上に存在する場合、異なる細胞１０３を異なる候補医薬に接触させるために、異なる候補医薬を基板表面１０２の異なる位置に供給するよう構成される。この目的のため、流体装置１１１は、基板に埋め込まれ、かつ、異なる候補医薬を基板表面の異なる位置に分配するよう構成された複数の流体チャンネル、弁およびポンプを含んでもよい。細胞１０３を照射するための光波、または細胞１０３の照射により発生する光学的信号の光路を妨げる可能性のある弁およびポンプは、画像化のために使用される領域の外部に配置されてもよい。

本発明の特定の具体例では、基板表面１０２は、細胞を供給し、保持し、または成長させるために適した複数のウェルを含み、各ウェルは流体装置１１１の流体チャンネルに流体的に接続される。各ウェルは、そのウェル中の細胞１０３上の異なる医薬の効能を解析するために使用される。本発明の具体例の長所は、（１）装置１００のレンズフリーの画像化能力が広い視野を提供し、および（２）細胞１０３の電気生理学的信号を同時に検知および記録することができるから、基板表面１０２上のすべてのウェルを同時に解析できることである。長所として、異なる候補医薬の異なる実験を同時に行うことができる。これは装置の処理能力を増加させ、医薬スクリーニングの実行時間を短縮させる。

本発明の具体例では、被験細胞は、生物細胞である。特定の具体例では、細胞は心臓細胞、ニューロンまたはその他の付着性細胞である。本発明は、電気生理学的信号および心臓収縮の同時検出が可能であり、それによって細胞からの異なるタイプの信号に対して相関を取ることができるので、心臓細胞に対して特に有利である。長所として、より精密でかつ好ましい医薬スクリーニングを行うことができる。

本発明の第二の態様においては、細胞１０３上において医薬スクリーニングを行う方法６００が存在する。方法６００もまた、例えば、しかしこれに限定されないが、心臓細胞のような細胞１０３の電気機械ウィンドウを評価するのに適している。方法６００は、細胞を準備する工程（６０１）と、例えば、候補医薬を含む溶液を細胞１０３上に供給することにより細胞１０３を候補医薬に接触させる工程（６０２）と、を含む。その後、細胞１０３は、例えば光源１０４から発せられる光波で照射される（６０３）。照射中、光波は細胞１０３上で回折し、回折光が生じる。回折光は元の光波と干渉し、光学的信号が検出され（６０４）および記録される。光学的信号が検出され（６０４）および記録される一方で、並行して、細胞の電気生理学的信号が検出され（６０５）および記録される。検出６０４、６０５並びに光学的信号および電気生理学的信号の記録の後、細胞１０３上の候補医薬の影響を測定するために、光学的信号と電気生理学的信号との間の相関を取ること（６０６）が実行される。これは図６のフローチャートに示されている。この方法は、本発明の第一の態様の具体例のいずれかに記載の装置１００を使用して実施されてもよく、ここで、
（１）細胞１０３が基板表面１０２上に準備され（６０１）、
（２）基板表面１０２上の細胞１０３は、光源１０４を使用して照射され（６０３）、
（３）細胞の光学的信号および電気生理学的信号は、それぞれセンサ１０５およびマイクロ電極アレイによって同時に検出される（６０４、６０５）。

本発明の具体例では、その方法は、記録された光学的信号を使用して、細胞１０３の画像表現を再構成すること（６０７）をさらに含む。再構成された画像表現は、例えば細胞１０３の形態のような追加の情報を与えてもよい。再構成された画像表現から、例えば細胞の生存状態のような、より多くの情報を抽出することができる。これは、例えば細胞中の検体のレベルを確認することによるなど、生存状態を確認するために間接的な方法を用いる先行技術に比べて、細胞１０３の生存状態を確認する直接的な方法を提供する点で有利である。再構成された画像表現は、記録された電気生理学的信号との相関を取られてもよい。再構成された画像表現は、細胞１０３から異なるパラメータを抽出することに使用されてもよく、各パラメータは、記録されたその細胞の電気生理学的信号との相関を取られてもよい。例えば、心臓細胞が検査されているとき、収縮頻度、収縮力、組織を通る信号伝播、収縮の持続時間などの心臓収縮パラメータを抽出することができる。各パラメータは、特定の電気生理学的信号と関連するかもしれない。本発明の具体例の長所は、広い視野を犠牲にすることなく、顕微鏡画像に匹敵する画質の画像を引き出すことができることである。

本発明の具体例では、細胞１０３を連続的に照射するために異なる波長範囲の光波が使用される。これは図７のフローチャートに示されている。どのシーケンスにおいても、細胞は特定の波長範囲の光波で照射され（６０３）、光学的および電気生理学的信号が検出され（６０４、６０５）、および記録され、信号は相関を取られる（６０６）。異なるシーケンスにおいて、細胞が異なる波長範囲の光波で照射され、光学的および電気生理学的信号が検出および記録され、信号が相関を取られるように、２つのシーケンスの間で、細胞を照射するために使用される光波の波長範囲は変更される（７０１）。各波長範囲に対する異なるデータセット（光学的信号＋電気生理学的信号）は、細胞１０３上の候補医薬の影響を測定するために相関を取られる。前記のように、異なる波長範囲の光波を使用することによって、例えば細胞の異なる部分のような細胞１０３の構造上の特定の情報を明らかにすることもできる。

本発明の具体例では、図面には示されていないが、その方法は、相関信号を用いて細胞を数えることをさらに含む。細胞からの光学的信号および電気生理学的信号を同時に記録することおよび両方の種類の信号の相関を取ることは、細胞の計数を行うことに使用することができる。本発明の具体例の長所は、相関を取ることによって、計数精度の向上を達成できることである。さらに、長所として、光学的および電気生理学的信号の同時検出が可能であるので、計数を行うために必要な時間を減らすことができる。

本発明の具体例では、医薬スクリーニングを行うための方法は、細胞内の事象を誘導するために細胞１０３を作動させることをさらに含む。例えば、細胞は、収縮を誘導するために作動される。作動は、光学的および電気生理学的信号を検出および記録しながら行われてもよい。本発明の具体例では、マイクロ電極アレイの電極１０６は、細胞１０３を作動させるために使用されてもよい。
セットアップと実験

本発明は、微細構造の反射表面１０２上の心臓細胞の視覚化について評価された。実験で使用された構成は、センサ１０５と試料１０３との間に配置された光束分離装置１０７と、側面からセットアップを照射するレーザー１０４とからなる（図２に示すように）。光源１０４からのコヒーレント光は、光束分離装置１０７を通して試料表面１０２に向けられ、入射光は試料１０３に対してほぼ垂直であった。反射された光は、センサ１０５によって記録され、再構成を通した結像により、または収縮の検出により、さらに分析された。試料は、最初は、乾燥状態中および屈折率整合剤および細胞培養培地の下で、測定された。試料は、幅８００ｎｍ、高さ５００ｎｍ、および間隔１６００ｎｍからなるリッジを有するパターン試料を含むシリコン試料またはＭＥＡアレイのいずれかからなっていた。これらの試料を、２日齢の新生児ラットから取り出した心臓細胞でプレーティングした。

パターン化されたシリコン酸化物基板は、毎秒１００フレームの割合の反射的なレンズフリー画像化を通して視覚化され、得られたホログラムは、視野が光束分離装置１０７の大きさによって制限され、かつ、光束分離装置の端からの干渉縞によって囲まれていることを示した。パターン化された基板が空気中で可視化されると、多重反射の複雑なパターンが検出された（図８Ａ）が、これは試料が屈折率整合剤中で測定された場合には存在しなかった（図８Ｂ）。さらに、固定された細胞の低密度がホログラムにおいて直接的に検出され（図８Ｂ）、これは再構成によっても確認された（図８Ｃ）。多重反射の複雑なパターンは、心臓細胞の単層を含む試料でも検出されず（図９Ａ）、細胞群の自発的な収縮は、さらなる処理の後に検出可能であった（図９Ｂ）。

画像化装置は、ＭＥＡアレイから成る基板の心臓細胞の収縮を検出した。ＭＥＡチップは、生後心筋細胞の単層でプレートされ、得られたホログラムは、ＭＥＡトポグラフィの結果として、より複雑な干渉縞を示した（図１０Ａ）。それにもかかわらず、心臓細胞の鼓動を測定することができ（図１０Ｂ）、要求されたレーザー強度は、同時の電気生理学的測定に影響しなかった。

Claims (15)

1. 表面（１０２）を有する基板（１０１）と、
   存在する場合には、基板表面（１０２）上の細胞（１０３）に光波を照射するように配置された光源（１０４）と、
   細胞に照射することにより発生した光学的信号を検出するように配置されたセンサ（１０５）と、
   電子回路と、を含み、
   基板表面（１０２）は、電子回路に接続されたマイクロ電極アレイ（１０６）を含み、
   電子回路に接続されたマイクロ電極アレイ（１０６）は、細胞からの電気生理学的信号を検知するように構成されたことを特徴とする、細胞上において医薬スクリーニングを行うためのレンズフリー装置（１００）。
2. 基板表面（１０２）は、光波を反射するための反射面であり、センサ（１０５）は、反射された光波を検出するように配置されている、請求項１に記載のレンズフリー装置（１００）。
3. 基板（１０１）とセンサ（１０５）との間に配置され、細胞（１０３）に対して光波を向けるように構成され、反射された光波を送るようにさらに構成された光束分離装置（１０７）をさらに含む、請求項２に記載のレンズフリー装置（１００）。
4. センサ（１０５）は貫通孔（１０８）を含み、放射線源（１０４）は貫通孔（１０８）を通して光波を放射するように配置される、請求項２に記載のレンズフリー装置（１００）。
5. 基板（１０１）は、少なくとも光学的信号に対しては透明であり、センサ（１０５）は、基板（１０１）を通る光学的信号を検出するように配置される、請求項１に記載のレンズフリー装置（１００）。
6. 基板表面（１０２）は、細胞の成長を制御するためのパターンを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレンズフリー装置（１００）。
7. センサ（１０５）およびマイクロ電極アレイ（１０６）に電気的に接続され、検出された光学的信号と検知された電気生理学的信号との相関を取るように構成された処理ユニット（１１０）をさらに含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレンズフリー装置（１００）。
8. 光源（１０４）は、異なる光波を放射するように構成され、それぞれの光波が異なる波長範囲を有し、異なる波長範囲の光学的信号を発生させ、センサ（１０５）は、異なる光学的信号を検出するために構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレンズフリー装置（１００）。
9. 基板（１００）は、基板表面（１０２）上の細胞に候補医薬を供給するように構成された流体装置（１１１）を含む、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレンズフリー装置（１００）。
10. 流体装置（１１１）は、異なる候補医薬を基板表面上の異なる位置にある細胞に供給するよう構成される、請求項９に記載のレンズフリー装置（１００）。
11. 細胞上において医薬スクリーニングを行う方法（６００、７００）であって、その方法は、
    レンズフリー装置（１００）の基板（１０１）の表面（１０２）の上に細胞を準備する工程（６０１）と、
    細胞を候補医薬に接触させる工程（６０２）と、
    光波で細胞を照射する工程（６０３）と、
    細胞を照射すること（６０３）によって発生した光学的信号を検出（６０４）および記録する工程と、を含み、
    その方法は、細胞の電気生理学的信号を、マイクロ電極アレイ（１０６）によって、検出（６０５）して記録し、同時に光学的信号を検出（６０４）および記録する工程と、
    細胞における候補医薬の影響を測定するために、記録された光学的信号と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程（６０６）と、
    をさらに含むことを特徴とする、細胞上において医薬スクリーニングを行う方法（６００、７００）。
12. 記録された光学的信号を用いて、細胞の画像表現を再構成する工程（６０７）と、画像表現と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程と、をさらに含む、請求項１１に記載の方法（６００、７００）。
13. 細胞を照射する工程（６０３）と、光学的信号を検出（６０４）および記録する工程と、電気生理学的信号を検出（６０５）および記録する工程と、光学的信号と記録された電気生理学的信号との相関を取る工程（６０７）とは、異なる波長範囲の光波を使用して（７０１）、少なくとも１度は繰り返される、請求項１１〜１２のいずれか１項に記載の方法（７００）。
14. 相関信号を使用して細胞を数えることをさらに含む、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法（６００、７００）。
15. 心臓細胞上において医薬スクリーニングを行うための、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のレンズフリー装置の使用。

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