JP6533223B2 - 細胞培養装置相互接続および流体装置相互接続のためのシステムおよび方法 - Google Patents

細胞培養装置相互接続および流体装置相互接続のためのシステムおよび方法 Download PDF

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Description

関連出願の相互参照
本願は、2013年7月12日に出願された米国特許仮出願第61/845,666号に係る優先権を主張する。米国特許仮出願第61/845,666号の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
連邦政府資金による研究の記載
本発明は、米国防総省国防高等研究計画局(Defense Advanced Research Projects Agency)によって付与された助成金番号W911NF-12-2-0036の下で米国政府の支援によってなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
発明の技術分野
本発明は、細胞培養装置および流体装置に関する。さらに具体的には、本発明は、装置間で別々の体積の流体を移送することによって細胞培養装置および/または流体装置を相互接続するシステムおよび方法に関する。
先行技術の説明
既存のアプローチによると、流体(マイクロ流体および/または非マイクロ流体)装置は、典型的に、ある装置のアウトプットを別の装置のインプットに接続するチューブおよび弁を用いて相互接続される。しかしながら、チューブおよび弁を用いると、いくつかの不都合が生じる。
既存のシステムでは、2つの装置を接続するには、かなりの長さのチューブが必要であり、従って、チューブは、装置が使用できない多量のデッドボリュームとなる可能性がある。せいぜい、このタイプの相互接続は、少量の流体を装置間で移送する必要がある場合にしか有効でない。不都合なことに、典型的に、流体を浪費する複雑かつ時間のかかる一連の操作でチューブを流体で使用準備しなければならない。さらに、手順が完了した後に(例えば、実験間に)、別の複雑な一連の操作で接続チューブを洗い流さなければならない。または、次の手順を行うことができる前に多量のチューブを無駄に処分および交換しなければならない。
少数の装置を接続することは既存のシステムを用いて可能であるかもしれないが、さらに多くの数の装置を接続することはますます難しくかつ複雑になっている。これは、特に、相互接続システムを改造または変更できるように相互接続システムが弁を使用しなければならない場合である。装置が多くなると、たくさんのチューブおよび弁が必要になり、システムの複雑さおよび費用が増える。例えば、このようなシステムで用いられる市販の小容量切替弁は非常に高価である。さらに、将来の不確定の実験で新たな弁のデザインおよびチューブ構成が必要になるかもしれない。一般的に、既存のアプローチは、同じように相互接続される必要のある複数の同じものを要する相互接続システムに合わせて大きくスケール変更しない。
相互接続のためにチューブを用いると、装置からの化学シグナルが比較的長い距離で物理的に分離される可能性があり、チューブを通って行先に到着するのに時間がかかる可能性があるシステムにもなる。直列に接続された装置では、ポンプが一端から液体を押すと、最初の装置の流体圧力は最後の装置の圧力よりかなり高くなる。上述の圧力低下を軽減するためにポンプが装置間に接続されれば、ポンプ流速および/または圧力のわずかな不一致でも、圧力安全弁およびオーバーフローリザーバ/補助リザーバを通じて修正される必要があり得る体積蓄積および圧力上昇が生じる。
従って、流体(マイクロ流体および/または非マイクロ流体)装置を相互接続するための改善されたシステムが必要とされる。
概要
本発明の局面は、装置間で別々の体積の流体を移送することによって細胞培養装置および/または流体装置を相互接続するシステムおよび方法に関する。特に、本発明の局面は、ある体積の流体を少なくとも1つの供給元装置から収集し、前記流体を少なくとも1つの行先装置に投入する流体ハンドリングシステムを提供する。一部の態様において、流体ハンドリングロボットが、前記流体を少なくとも1つの供給元装置と少なくとも1つの行先装置との間で移送するように流体収集装置の移動および操作を自動化方式で駆動する。有利なことに、本発明の局面は、複雑な配置のチューブおよび弁を必要とすることなく装置間の効果的な流体移送を実現する。さらに、本発明の局面は、もっと広い範囲の相互接続の配置および構成を提供し、相互接続の配置および構成を変更するためのプロセスを単純化する。
例示的な態様によれば、システムが、2つ以上の細胞培養装置間の生物学的コミュニケーションを容易にする。前記システムは、第1の流体を1つまたは複数の第1の細胞培養装置から収集し、第2の流体を1つまたは複数の第2の細胞培養装置に投入するように構成された少なくとも1つの流体収集装置を備える。前記システムは、少なくとも1つの流体収集装置に連結され、かつ少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に対して望ましい位置に少なくとも1つの流体収集装置を動かすように構成された移動システムを備える。少なくとも1つの流体収集装置は少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、それぞれの第1の流体を少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置から収集する。少なくとも1つの流体収集装置は、少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、それぞれの第2の流体を少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に投入する。
場合によっては、少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置は少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置を備えてもよい。さらなる場合では、少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置は、約3mm未満であるかまたは約3mmに等しい少なくとも1つの寸法を有する少なくとも1つの流体チャネルを備えてもよい。なおさらなる場合では、少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置は臓器チップを備えてもよい。
対応して、方法が流体を第1の細胞培養装置から第2の細胞培養装置に移送する。前記方法は、流体収集装置を第1の細胞培養装置に対して望ましい第1の位置に動かす工程;第1の流体を第1の細胞培養装置から収集する工程;流体収集装置を第2の細胞培養装置に対して望ましい第2の位置に動かす工程;および第2の流体を第2の細胞培養装置に投入する工程を含み、第2の流体は、第1の細胞培養装置から収集された第1の流体の少なくとも一部を含む。
[本発明1001]
2つ以上の細胞培養装置間の生物学的コミュニケーションを容易にするためのシステムであって、
第1の流体を1つまたは複数の第1の細胞培養装置から収集し、かつ第2の流体を1つまたは複数の第2の細胞培養装置に投入するように構成された少なくとも1つの流体収集装置;および
少なくとも1つの流体収集装置に連結され、かつ少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に対して望ましい位置に少なくとも1つの流体収集装置を動かすように構成された移動システム
を備え、
少なくとも1つの流体収集装置が少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、少なくとも1つの流体収集装置はそれぞれの第1の流体を少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置から収集し、かつ
少なくとも1つの流体収集装置が少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、少なくとも1つの流体収集装置はそれぞれの第2の流体を少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に投入する、
システム。
[本発明1002]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置が、対応して、それぞれの第1の流体またはそれぞれの第2の流体を保持するように構成されたチャンバを備え、前記望ましい位置がチャンバに従って決定され、かつ前記少なくとも1つの流体収集装置が、対応して、それぞれの第1の流体をチャンバから収集するか、またはそれぞれの第2の流体をチャンバに投入する、本発明1001のシステム。
[本発明1003]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置が少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1004]
少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置が、約3mm未満であるかまたは約3mmに等しい少なくとも1つの寸法を有する少なくとも1つの流体チャネルを備える、本発明1003のシステム。
[本発明1005]
少なくとも1つのマイクロ流体細胞培養装置が臓器チップを備える、本発明1003のシステム。
[本発明1006]
少なくとも1つの選択された細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置が少なくとも1つの3D培養、共培養、またはオルガノイドを含む、本発明1001のシステム。
[本発明1007]
それぞれのインプット流体が少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置を通って灌流する、本発明1001のシステム。
[本発明1008]
インプット流体を少なくとも1つの細胞培養装置を通って灌流させるように構成された少なくとも1つの灌流機構を備える、本発明1007のシステム。
[本発明1009]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置が少なくとも1つのアウトプットポートを備え、少なくとも1つの流体収集装置が前記少なくとも1つのアウトプットポートにアクセスして、それぞれの第1の流体を収集し、かつ少なくとも1つの第2の細胞培養装置が少なくとも1つのインプットポートを備え、少なくとも1つの流体収集装置が前記少なくとも1つのインプットポートにアクセスして、それぞれの第2の流体を投入する、本発明1001のシステム。
[本発明1010]
少なくとも1つの流体収集装置が、1つもしくは複数の第1の細胞培養装置または1つもしくは複数の第2の細胞培養装置にアクセスする先端を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1011]
格納区画をさらに備え、少なくとも1つの流体収集装置が、第1の動作の後に格納区画の中に先端を格納し、かつ第2の動作のために先端を再使用する、本発明1010のシステム。
[本発明1012]
少なくとも1つのアウトプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置によって収集される、それぞれの第1の流体を受け取るためのチャンバを備える、本発明1009のシステム。
[本発明1013]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置が、チャンバに連結されかつそれぞれの第1の流体をチャンバに供給する流体チャネルを備える、本発明1012のシステム。
[本発明1014]
ポート構造が、それぞれの第1の流体をチャンバに供給する流体チャネルによって生じたチャンバ内の陽圧を減らす圧力除去機構を備える、本発明1012のシステム。
[本発明1015]
少なくとも1つのインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置からのそれぞれの第2の流体を受け取るためのチャンバを備える、本発明1009のシステム。
[本発明1016]
少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置が、チャンバに連結されかつチャンバからそれぞれの第2の流体を受け取る流体チャネルを備える、本発明1015のシステム。
[本発明1017]
ポート構造が、それぞれの第2の流体をチャンバから受け取る流体チャネルによって生じたチャンバ内の陰圧を減らす圧力除去機構を備える、本発明1015のシステム。
[本発明1018]
少なくとも1つのアウトプットポートまたは少なくとも1つのインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置によって収集される流体または少なくとも1つの流体収集装置から受け取った流体を格納するためのチャンバを備え、チャンバが、チャンバ内の汚染および流体蒸発を最小限にするようにカバーされる、本発明1009のシステム。
[本発明1019]
チャンバが、チャンバにアクセスするために穴が開けられるように構成されたシーリングセプタムによってカバーされる、本発明1018のシステム。
[本発明1020]
チャンバが、スリットをもつシーリングセプタムによってカバーされ、スリットが、シーリングセプタムに穴を開ける必要なくチャンバにアクセスできるように開口部を規定する、本発明1018のシステム。
[本発明1021]
チャンバが駆動式可動カバーによってカバーされる、本発明1018のシステム。
[本発明1022]
駆動式可動カバーがポート構造によって支持されている、本発明1021のシステム。
[本発明1023]
少なくとも1つの流体収集装置が少なくとも1つの第1の細胞培養装置または少なくとも1つの第2の細胞培養装置に係合したときに、少なくとも1つの流体収集装置はチャンバのカバーを外すように可動カバーを駆動する、本発明1018のシステム。
[本発明1024]
少なくとも1つの流体収集装置が、ある期間にわたって複数の流体試料を受け取る細長いチャンバ、キャピラリーチャネル、またはマイクロ流体チャネルを備え、それぞれの流体試料が、試料が収集された時間から少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴を実質的に維持し、複数の試料が、少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴に関する時間ベースの情報を提供する、本発明1001のシステム。
[本発明1025]
移動システムが、少なくとも1つの流体収集装置を軸に沿って少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置に対して望ましい位置に直線的に動かす少なくとも1つの直線アクチュエータを備える、本発明1001のシステム。
[本発明1026]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置および少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置がプラットフォーム上に並べられ、かつ少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置を、少なくとも1つの軸に沿って、流体収集装置に対して望ましい位置にもっていくように、移動システムがプラットフォームを直線的に動かす、本発明1001のシステム。
[本発明1027]
少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置および少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置がプラットフォーム上に並べられ、かつ少なくとも1つの選択された第1の細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2の細胞培養装置を流体収集装置に対して望ましい位置にもっていくように、移動システムがプラットフォームを回転させる、本発明1001のシステム。
[本発明1028]
少なくとも1つの流体収集装置が、供給元リザーバから他の流体を収集するようにさらに構成されている、本発明1001のシステム。
[本発明1029]
少なくとも1つの流体収集装置が、行先リザーバまたは分析機器にインプット流体を投入するようにさらに構成されている、本発明1001のシステム。
[本発明1030]
1つまたは複数の第1の細胞培養装置と1つまたは複数の第2の細胞培養装置との間の流体移送のプロトコルに従って、少なくとも1つの流体収集装置および移動システムを操作するようにプログラムされたコンピュータシステムをさらに含む、本発明1001のシステム。
[本発明1031]
少なくとも1つの流体収集装置が、インプット流体を投入する前に、複数の供給元装置からアウトプット流体を収集する、本発明1001のシステム。
[本発明1032]
少なくとも1つの流体収集装置が、インプット流体の一部を複数の第2の装置に投入する、本発明1001のシステム。
[本発明1033]
流体を第1の細胞培養装置から第2の細胞培養装置に移送するための方法であって、
流体収集装置を第1の細胞培養装置に対して望ましい第1の位置に動かす工程;
第1の流体を第1の細胞培養装置から収集する工程;
流体収集装置を第2の細胞培養装置に対して望ましい第2の位置に動かす工程;および
第2の流体を第2の細胞培養装置に投入する工程
を含み、第2の流体が、第1の細胞培養装置から収集された第1の流体の少なくとも一部を含む、方法。
[本発明1034]
第1の細胞培養装置および第2の細胞培養装置の少なくとも1つがマイクロ流体装置である、本発明1033の方法。
[本発明1035]
第1の細胞培養装置または第2の細胞培養装置が、第1の流体または第2の流体を保持するように構成されたチャンバを備え、かつ前記望ましい第1の位置または前記望ましい第2の位置がチャンバに従って決定され、かつ流体収集装置が、それぞれ、第1の流体をチャンバから収集するか、または第2の流体をチャンバに投入する、本発明1033の方法。
[本発明1036]
行先細胞培養装置に第2の流体を灌流させる工程をさらに含む、本発明1033の方法。
[本発明1037]
流体収集装置を第3の細胞培養装置に対して望ましい第3の位置に動かす工程;および
第3の流体を第3の細胞培養装置に投入する工程
をさらに含み、第3の流体が、第1の細胞培養装置から収集された第1の流体の少なくとも別の部分を含む、本発明1033の方法。
[本発明1038]
流体収集装置を第3の細胞培養装置に対して望ましい第3の位置と一直線に並べる工程;および
流体収集装置を第2の細胞培養装置に対して望ましい第2の位置に動かす前に、第3の流体を第4の細胞培養装置から収集する工程
をさらに含み、第2の流体が、第3の細胞培養装置から収集された第3の流体の少なくとも一部を含む、本発明1033の方法。
[本発明1039]
第1の細胞培養装置が第1のアウトプットポートを備え、流体収集装置が第1のアウトプットポートにアクセスして第1の流体を収集し、前記望ましい第1の位置が第1のアウトプットポートによって決定され、かつ第2の細胞培養装置が第2のインプットポートを備え、流体収集装置が第2のインプットポートにアクセスして第2の流体を投入し、前記望ましい第2の位置が第2のインプットポートによって決定される、本発明1033の方法。
[本発明1040]
第1の細胞培養装置または第2の細胞培養装置が、第1の流体または第2の流体を保持するように構成されたチャンバを備え、前記望ましい第1の位置または前記望ましい第2の位置がチャンバに従って決定され、かつ少なくとも1つの流体収集装置が、それぞれ、第1の流体をチャンバから収集するか、または第2の流体をチャンバに投入する、本発明1033の方法。
[本発明1041]
流体収集装置が、ある期間にわたって複数の流体試料を受け取る細長いチャンバ、キャピラリーチャネル、またはマイクロ流体チャネルを備え、それぞれの流体試料が、試料が収集された時間から少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴を実質的に維持し、複数の試料が、少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴に関する時間ベースの情報を提供する、本発明1033の方法。
[本発明1042]
アウトプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、流体収集装置によって収集される第1の流体を受け取るためのチャンバを備える、本発明1039の方法。
[本発明1043]
第1の細胞培養装置が、チャンバに連結され、かつ第1の流体をチャンバに供給する流体チャネルを備える、本発明1042の方法。
[本発明1044]
ポート構造が、それぞれの第1の流体をチャンバに供給する流体チャネルによって生じたチャンバ内の陽圧を減らす圧力除去機構を備える、本発明1042の方法。
[本発明1045]
インプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、第2の流体を流体収集装置から受け取るためのチャンバを備える、本発明1039の方法。
[本発明1046]
第2の細胞培養装置が、チャンバに連結され、かつ第2の流体をチャンバから受け取る流体チャネルを備える、本発明1045の方法。
[本発明1047]
ポート構造が、第2の流体をチャンバから受け取る流体チャネルによって生じたチャンバ内の陰圧を減らす圧力除去機構を備える、本発明1045の方法。
[本発明1048]
アウトプットポートまたはインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、流体収集装置によって収集される流体または流体収集装置から受け取った流体を格納するためのチャンバを備え、チャンバが、チャンバ内の汚染および流体蒸発を最小限にするようにカバーされる、本発明1039の方法。
以下の図、詳細な説明、および特許請求の範囲を概観した後に、本発明のこれらの能力および他の能力と本発明そのものがさらに深く理解されるようになるだろう。
本発明の局面による複数の流体装置のための例示的な相互接続システムを図示する。 図1の例示的な相互接続システムの別の図を図示する。 本発明の局面による複数の流体装置用の別の例示的な相互接続システムを図示する。 図3の例示的な相互接続システムの別の図を図示する。 本発明の局面による複数の流体装置用のさらに別の例示的な相互接続システムを図示する。 本発明の局面による流体装置用の例示的なポート構造と、ポート構造のチャンバをカバーするためのシーリングセプタムを図示する。 本発明の局面による流体装置用のポート構造のチャンバをカバーするための例示的なシーリングセプタムを図示する。 本発明の局面による流体装置のチャンバ用の例示的な可動カバーを図示する。 本発明の局面による例示的なマイクロ流体装置を図示する。 本発明の局面による別の例示的なマイクロ流体装置を図示する。 本発明の局面による流体装置のチャンバ用の別の例示的な可動カバーを図示する。 本発明の局面による時間ベースの情報を保存する例示的な収集チャンバを図示する。 本発明の局面による例示的な流体装置を図示する。
添付の図面は本明細書に組み入れられ、本発明の1つまたは複数の例示的な態様を例示し、詳細な説明と共に、これらの発明の原理および用途を説明するのに役立つ。図面および詳細な説明は例示であり、限定をするものではなく、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更することができる。
詳細な説明
本発明の局面は、装置間で別々の流体体積を移送することによって細胞培養装置および/または流体装置を相互接続するシステムおよび方法に関する。特に、本発明の局面は、ある体積の流体を少なくとも1つの供給元装置から収集し、前記流体を少なくとも1つの行先装置に投入する流体ハンドリングシステムを提供する。一部の態様において、流体ハンドリングロボットが、前記流体を少なくとも1つの供給元装置と少なくとも1つの行先装置との間で移送するように流体収集装置の移動および操作を自動式で駆動する。有利なことに、本発明の局面は、複雑な配置のチューブおよび弁を必要とすることなく装置間の効果的な流体移送を実現する。さらに、本発明の局面は、もっと広い範囲の相互接続の配置および構成を提供し、相互接続の配置および構成を変更するためのプロセスを単純化する。
一態様において、少なくとも1つの供給元装置および少なくとも1つの行先装置は細胞培養装置である。本発明の局面によれば、少なくとも1つの供給元装置および少なくとも1つの行先装置はマイクロ流体または非マイクロ流体装置でもよい。従って、場合によっては、細胞培養装置は組織培養ウェル、培養プレートインサート(例えば、CORNING(登録商標) TRANSWELL(登録商標))などでもよい。それに対して、他の場合では、細胞培養装置は、マイクロ流体細胞培養装置(例えば、約3mm未満であるか、または約3mmに等しい少なくとも1つの寸法を有する少なくとも1つの流体チャネル(例えば、図6のインプットチャネルまたはアウトプットチャネル662を参照されたい)を有する)でもよい。
さらなる態様は、それぞれが、それぞれの生物学的細胞システムの少なくとも1つの局面、例えば、生理学的機能を模倣するのに用いられる細胞培養装置を相互接続する。従って、相互接続された細胞培養装置は、多細胞応答、多組織応答、または多臓器応答の研究を容易にするために細胞システム間の相互作用をシミュレートすることができる。特に、細胞培養装置間の液体の移動は、ある細胞システムから別の細胞システムへの生化学的シグナルまたは他の生物学的生成物のコミュニケーションをシミュレートする。1つのアプローチでは、体内の細胞システムが脈管構造または他の生物学的接続によって連結されているように、流体ハンドリングロボットが細胞培養装置を他の細胞培養装置に連結する。従って、本発明の局面を用いると、細胞培養装置(例えば、マイクロ流体装置、組織培養ウェル、培養プレートインサート、および/またはその組み合わせ)の集まりを用いて、臓器間、組織間、または細胞タイプ間の相互作用を研究することが可能になる。例えば、第1の臓器における炎症応答が第2の臓器における応答を引き起こす可能性があり、それは次に、第2の臓器の生物学的機能に影響を及ぼすか、または第2の臓器が薬物に応答するやり方に影響を及ぼす可能性がある。本発明の局面を用いると、インビボで発生する可能性のある、このような刺激に対する第2の臓器の応答をエクスビボでシミュレートおよび研究することが可能になる。生物学的細胞システム、例えば、組織タイプまたは臓器の局面を模倣するために用いられるマイクロ流体装置は、下記でさらに説明するように臓器オンチップ(organ-on-chip)または臓器チップとも呼ばれる。相互接続された細胞培養装置は、従来の組織培養、3D培養、培養プレート装置、共培養、オルガノイド、表面パターン培養(surface-patterned culture)、臨床生検材料もしくは臨床試料、一次組織、および/または採取された細胞(生殖母細胞を含む)、および/またはその組み合わせをさらに備えてもよい。
図1および図2を参照すると、本発明の局面による相互接続システム100が図で示されている。相互接続システム100は、プラットフォーム150上に並べられた移動システム110、流体収集装置120、および1つまたは複数の流体装置160を備える。本明細書で使用する流体装置は、少なくとも1つの流体を有する装置を含み、少なくとも1つの流体コンジットを有する装置に限定されない。従って、流体装置160は、細胞培養装置(例えば、マイクロ流体装置、組織培養ウェル、培養プレートインサート、3D培養、および/またはその組み合わせ)を含んでもよい。さらに、流体装置160はマイクロ流体装置および/または非マイクロ流体装置でもよい。さらに、流体装置160は、マイクロ流体細胞培養装置(例えば、約3mm未満であるか、または約3mmに等しい少なくとも1つの寸法を有する少なくとも1つの流体チャネルを有する)でもよい。図1および図2に示したように、それぞれの流体装置160は、流体を流体装置から収集することができる少なくとも1つのアウトプットポート162、および流体装置160に流体を投入することができる少なくとも1つのインプットポート164を備える。下記でさらに説明するように、アウトプットポート162またはインプットポート164はいずれも、それぞれのポートから収集されるか、またはそれぞれのポートに投入される流体を保存することができるチャンバ(リザーバと呼ばれることもある)を備えてもよい。
アウトプット専用またはインプット専用のポートだけを使用する代わりに、本明細書に記載の流体装置は、流体のアウトプットおよびインプット両方のために任意のポート、開口部、アクセスなどを使用してもよい。図13に示したように、例えば、流体装置160'は、流体装置160'の上部にある共通開口部163を通って流体が収集および投入される細胞培養ウェル(例えば、マルチウェル装置161の中にある)を備える。すなわち、開口部161はアウトプットおよびインプット両方として役立つ。従って、アウトプットポートおよびインプットポートの説明は共通アウトプットポート/インプットポートを指している場合があることが意図される。
再び図1および図2を参照すると、移動システム110は、1つまたは複数の自由度に従って流体収集装置120を1つまたは複数の供給元流体装置160aに動かすことができる。そこでは、流体収集装置120は、それぞれのアウトプットポート162aを介して、ある量の流体を、それぞれの供給元流体装置160aから収集することができる。次いで、移動システム110は、流体収集装置120を1つまたは複数の行先流体装置160bに動かすことができる。そこでは、流体収集装置120は、それぞれのインプットポート164bを介して、供給元流体装置160aから収集された流体の一部を投入することができる。従って、移動システム110は、流体収集装置120を用いて、流体を任意の流体装置160間で移送するのに使用することができる。このように、システム100は、例えば、細胞システム間の相互接続をシミュレートするために流体装置160を相互接続する。
システム100は様々な相互接続配置を実現するのに使用することができる。例えば、システム100は、直列、並列、またはその組み合わせで1つまたは複数の流体装置160を相互接続し、事実上、1つまたは複数の流体装置160をぐるりと回る再循環を含むように構成されてもよい。操作中に相互接続配置を変更するように前記システムを改造することができる。
さらに、本発明の局面を適用すると、流体装置160には、流体装置160の少なくとも1つのインプットポート164に投入された流体が灌流される。特に、システム100または1つもしくは複数の流体装置160は1つまたは複数の灌流機構、例えば、ポンプを備えてもよい。灌流機構は、それぞれのインプットポート164および対応するチャンバを通って投入された流体を1つまたは複数の流体装置160に灌流させる。理論に拘束されるものではないが、流体装置の灌流中に、流体収集装置120はもはや使用されておらず、自由に流体移送を継続する。
供給元流体装置160aに由来する流体の任意の数の一部を任意の数の行先流体装置160bに分配することができる。さらに、もしくはまたは、収集された流体を(行先流体装置160b以外の)他のタイプの行先装置に投入することができる。他のタイプの行先装置には、例えば、流体を格納するための行先リザーバまたは流体を分析するための機器が含まれる。さらに、もしくはまたは、収集された流体の一部を供給元流体装置160aに戻して投入することができる。
流体は複数の供給元流体装置160aから収集された後に、行先流体装置160bに投入されてもよい。さらに、もしくはまたは、流体は、(流体装置160以外の)他のタイプの供給元装置、例えば、供給元リザーバから収集されてもよい。
一般的に、流体収集装置120は1つまたは複数の供給元流体装置160a、任意で、1つまたは複数の供給元リザーバから流体を収集し、収集された流体の一部を1つまたは複数の行先流体装置160b、任意で、1つまたは複数の行先リザーバまたは分析機器に投入することができる。
場合によっては、供給元装置から収集された流体を処理した後に、行先装置に投入することができる。例えば、供給元流体装置160aから収集された流体は、供給元リザーバからの添加物と混合されてもよく、組み合わされてもよい。例えば、このような添加物は、薬物、試験化合物、生化学的シグナル、タンパク質、低分子、ホルモン、栄養分、抗体、細胞(免疫細胞を含む)、毒素、病原体、マーカー成分、または抗凝固剤を含んでもよい。さらに、もしくはまたは、収集された流体は、1つまたは複数の物理的特徴または化学的特徴、例えば、濃度、温度、圧力、吸収された気体、pH、または化学物質含有量を変えるように処理されてもよい。さらに、もしくはまたは、収集された流体は濾過されてもよい。
本発明の局面によれば、移動システム110は、流体収集装置120の移動を駆動および制御するために機械システム(例えば、リンケージ)、流体システム(例えば、水力学、空気力学など)、および/または他の機械システムもしくは電気機械システムを使用してもよい。本発明の局面によれば、移動システム110は、場所の間で流体収集装置120を電気機械的に動かすロボット制御要素を備えてもよい。このような場合、相互接続システム100は流体ハンドリングロボットを提供する。ロボット制御要素の一例は、Tecan Group, Ltd. (Mannedorf Switzerland)から入手可能なTecan Cavro Omni Robotにおいて見られる。
図1および図2に示したように、移動システム110は、流体収集装置120に連結され、かつ流体収集装置120を3つの軸に沿って直線的に動かす、z軸アクチュエータ112、x軸アクチュエータ114、およびy軸アクチュエータ116を備えてもよい。しかしながら、一般的に、移動システム110は、任意の自由度に従って流体収集装置120を望ましい場所に動かすことができる任意の数のアクチュエータを備えてもよい。アクチュエータは、軸に沿って動く直線アクチュエータおよび/または軸を中心に動く回転アクチュエータの任意の組み合わせを備えてもよい。
一部の態様において、システム100は複数の流体収集装置120を使用してもよく、複数の流体収集装置120は1つまたは複数の移動システム110を用いて駆動することができる。場合によっては、流体収集装置120は、1つまたは複数の動きの自由度(例えば、一般的なx軸およびy軸を有するが、独立したz軸を有する)に沿って機械的に連結されてもよい。さらに、もしくはまたは、複数の流体収集装置120は、少なくとも部分的に重複する範囲の動きによって独立して動かされてもよい。
コンピュータシステム140はアクチュエータ112、114、116に連結され、かつアクチュエータ112、114、116を制御する。特に、コンピュータシステム140は、流体装置160の上方で、ならびに選択された流体装置160の少なくとも1つのアウトプットポート162および少なくとも1つのインプットポート164の上方でx-y面に沿って流体収集装置120を配置するようにx軸アクチュエータ114およびy軸アクチュエータ116を制御することができる。移動システム110は流体装置160と不注意に接触することなくx-y面の上方で流体収集装置120を容易に動かすことができるように、1つまたは複数の支持体またはスタンド118に取り付けられてもよい。次いで、コンピュータシステム140は、流体収集装置120を下げて、選択された流体装置160の少なくとも1つのアウトプットポート162および少なくとも1つのインプットポート164に係合して流体を収集または投入するようにz軸アクチュエータ112を制御することができる。
コンピュータシステム140は、プロセッサの1つまたは複数が読み取り、かつ実行することができる命令を備えるプログラムを記憶することができる任意の構造の1つまたは複数のプロセッサ(例えば、x86、x86-64、ARM、Power、AVR、PIC、MSP430など)および関連するメモリ(例えば、RAM、ROM、磁気媒体、光学媒体、およびソリッドステート媒体など)を備えてもよい。コンピュータシステム140はまた、ユーザが対話し、コンピュータシステム140および移動システム110の操作を制御するのを可能にするディスプレイならびに入力装置(例えば、キーボードおよびマウス)も備えてもよい。コンピュータシステム140は、有線接続(例えば、RS-232、RS-485、USB、ファイアワイヤ、イーサーネット、I2C)または無線接続(例えば、ブルートゥース、ワイファイ、ジグビー)を用いて移動システム110に接続されてもよい。コンピュータ140はまた、ユーザがリモートで対話し、コンピュータシステムの操作を制御するのを可能にするソフトウェアも備えてもよい。
操作中に、相互接続システム100に、それぞれの流体装置160ならびにそのそれぞれのアウトプットポート162およびインプットポート164の位置をプログラムすることができる。次いで、コンピュータシステム140は、これらのプログラムされた位置を用いて、移動システム110が流体収集装置120を、アウトプットポート162またはインプットポート164に係合する位置に正確に動かすようにことができる。例えば、オペレータは、移動システム110および流体収集装置120を用いて、流体を選択された流体装置160間で移送するためのプロトコルを定義することができる。プロトコルは、一組のプログラムされた動作が、定義された順番でコンピュータシステム140によって開始されるように定義する。プログラムは、各工程について、移送しようとする流体の体積ならびに移送のタイミングを指定することができる。タイミングは、定義された基準時間または前の動作に対する時間から測定された絶対時間として指定することができる。コンピュータシステム140は、予め定義された一組の動作をスケジュールに基づいて実行するのを可能にするスケジューリングソフトウェアを使用してもよい。必要な場合、スケジューリングソフトウェアは、例えば、流体装置160間での計画された流体移送の間で、および後に分析するために格納される試料の定期的に計画された収集の間でスケジュールがかち合うのを解決することができる。さらに、スケジュールは、スケジュールを実行している間にユーザが変更できる場合がある。計画された流体移送は、例えば、ある期間にわたる1分毎、2分毎、5分毎、10分毎、15分毎、30分毎、1時間毎、2時間毎、6時間毎、12時間毎、24時間毎、36時間毎の計画された移送を含んでもよく、および/または必要に応じて不規則な移送を含んでもよい。しかしながら、移送は任意の時間プロトコルに従って計画することができると理解される。
前記のように、流体を分析するために、収集された流体の一部を分析機器に投入することができる。分析機器は、例えば、質量分析法、ELISAおよび他の分析生化学アッセイ、電気化学センサ、熱センサ、光学センサ(表面プラズモンセンサ、様々な光共振器、導波路センサ、蛍光リーダー、光学密度リーダーを含む)、ビーズに基づくセンサ、フローサイトメーター、様々なアレイ結合アッセイ(遺伝子チップおよびプロテオームチップを含む)などを伴ってもよい。場合によっては、収集された流体の分析によってプロトコル中の次の動作を決定することができる。例えば、収集された流体の特徴が分析機器に従って特定の基準を満たすまで、システム100はある流体装置160のアウトプットを別の流体装置に移送しない場合がある。この分析は、流体の任意の物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴、例えば、温度、粘度、pH、容量オスモル濃度、重量オスモル濃度、塩分、グルコース濃度、ホルモンレベル、脂質濃度、薬物濃度、酸素濃度または他の気体濃度などを伴ってもよい。
例えば、前記機器は、収集された流体の試料のpHを測定することができる。測定値に基づいて、コンピュータシステム140は、pHを上げる必要があれば第1の供給元リザーバから流体を加える動作、またはpHを下げる必要があれば第2の供給元リザーバから流体を加える動作を開始することができる。次いで、pHが調節された流体を行先装置に投入することができるか、または後で使用するために格納することができる。
別の例では、前記機器は、収集された流体試料の試料の容量オスモル濃度または重量オスモル濃度を測定することができる。測定値に基づいて、コンピュータシステム140は、容量オスモル濃度または重量オスモル濃度を下げる必要があれば、格納リザーバ、例えば、脱イオン水が入っている格納リザーバから流体を加える動作を開始することができる。このような動作を用いてプロセス中の流体蒸発を補うことができる。
他の場合では、収集された流体試料の試料の分析を用いて、将来の手順のためにプロトコルを変更することができる。例えば、流体装置160の中にある流体、および対応するアウトプットポート162を介して後で収集された任意の流体の特徴に変化を生じさせるために流体装置160に刺激が導入されてもよい。しかしながら、流体装置160の中にある流体を分析することで、特徴の意図された変化が実現していないことが分かったら、流体の特徴の望ましい変化が本当に実現するように、将来の手順において刺激を増加または減少させるようにプロトコルを変更する場合がある。
さらに、もしくはまたは、移動システム110は、移動システム110がコンピュータシステム140と通信する必要なく移動システム110が従うことができる予め定義されたプログラムを記憶している埋込み制御システムを備えてもよい。埋込み制御システムは、プロセッサの1つまたは複数が読み取り、かつ実行することができる命令を備えるプログラムを記憶する任意の構造の1つまたは複数のプロセッサ(例えば、x86、x86-64、ARM、Power、AVR、PIC、MSP430など)および関連するメモリ(例えば、RAM、ROM、磁気媒体、光学媒体、およびソリッドステート媒体など)を備えてもよい。場合によっては、埋込み制御システムはコンピュータシステム140と通信して、埋込み制御システムのメモリに記憶することができる情報および/またはプログラムデータを受信することができる。次いで、埋込み制御システムは、自動的に、またはユーザが起動した命令により(例えば、ボタンもしくは操作スイッチを押して)、流体装置160および/または他の供給元装置/行先装置間での流体の移送を伴う予め定義されたプログラムの実行を開始することができる。
一般的に、流体収集装置120は、流体を吸引または投入するために、例えば、アウトプットポート162およびインプットポート164を介して流体を吸引または投入するために、流体収集装置120を流体装置160に直接的または間接的に連結するのを可能にする任意の装置を使用することができる。図1および図2に示したように、流体収集装置120は、流体を流体装置160から収集する、または流体を流体装置160に投入するために、流体装置160のポート162、164に係合することができる先端122を備える。流体収集装置120の先端122はまた、収集後に流体を格納することができ、行先装置に投入するために流体を放出することができる収集チャンバ123とも組み合わされてもよい。先端122は、操作中にどんな時でも、潜在的には機器の自動動作によって交換することができる。さらに、システム100は、使用前、使用後、および/または使用中に先端122を清掃および/または滅菌することができる先端洗浄器具を備えてもよい。
流体収集装置120はまた、陽圧および陰圧に対応して、流体を先端122に吸引するか、または流体を先端122から放出するのを可能にする1つまたは複数の陽圧源および陰圧源にも連結される。圧力は流体に直接加えられてもよく、1つまたは複数の液体体積、気体体積、および/またはその組み合わせを含んでもよい動作流体を介して加えられてもよい。陽圧または陰圧の適用を制御するために1つまたは複数の弁が用いられてもよい。さらに、流体収集装置120はまた、吸引または放出された流体体積を検出するセンサ、例えば、抵抗センサ、静電容量センサ、または圧力センサも備えてもよい。陽圧および陰圧の源は流体収集装置120の外部にあってもよく、内部に流体収集装置120のハウジング124にあってもよい。例えば、ハウジング124は、先端122の中の圧力を制御するポンプ、例えば、モーターで動くピストンを備えてもよい。場合によっては、流体収集装置120のポンプおよび他の局面もコンピュータシステム140に連結され、かつコンピュータシステム140によって制御されてもよい。流体収集装置はまた、移送/手順の間に、先端122を通って、および/または先端122の周囲に1つまたは複数の洗浄用流体を流すのを可能にする、さらなる機構、例えば、ポンプおよび弁も搭載してもよい。一部の態様において、先端122の内部および/または外部を洗浄するために洗浄ステーションを設けることができる。
従って、流体収集装置120は、任意の望ましい体積の流体を任意の数の供給元装置と任意の数の行先装置との間で移送するように構成される。従って、相互接続システム100は、例えば、1マイクロリットル、2マイクロリットル、3マイクロリットル、4マイクロリットル、5マイクロリットル、10マイクロリットル、20マイクロリットル、30マイクロリットル、40マイクロリットル、50マイクロリットルの体積、および最大で5ミリリットル体積を移送することができる。これらの体積および他の体積は、供給元装置と行先装置との間を1回または複数回往復することによって移送することができる。
一部の態様において、流体収集装置120は1つまたは複数のピペットを備えてもよい。本発明の局面に従って使用することができるピペットの例には、エアーディスプレイスメントピペット(Cavro ADP, Tecan Group, Ltd. (Mannedorf Switzerland))および8チャネルピペッティングヘッド(Tecan Cavro, Tecan Group, Ltd., Mannedorf Switzerland)が含まれる。
他の態様において、流体収集装置120は、流体収集装置120が少量の流体を取り扱うのを可能にする、らせん状の、またはぐるぐる巻きにされたマイクロ流体サンプリング装置を備えてもよい。らせん状の、またはぐるぐる巻きにされたマイクロ流体サンプリング装置の一例は、全体が参照により本明細書に組み入れられる米国特許第7,275,562号に開示される。
本発明の局面によれば、相互接続システム100は、実質的に同時に流体を2つ以上の供給元装置から収集するか、または流体を2つ以上の行先装置に投入するために2つ以上の流体収集装置120を備えてもよい。一部の態様において、流体収集装置120の先端122は、流体装置160ならびに流体装置160のアウトプットポート162およびインプットポート164の間隔に従って配置される。場合によっては、同じやり方で、または実質的に類似したやり方で2組以上の流体装置160において流体移送操作を行うことが望ましい場合がある。一例では、複数のマイクロ流体装置160が横列および縦列をなして並べられ、複数の流体収集装置120が、縦列または横列の端から端まで同時に流体移送操作できるように横列および縦列の間隔に従って配置される。従って、複数の流体装置160の全体にわたって同じプロセスまたは類似のプロセスをさらに容易に繰り返すことができる。
図12を参照すると、本明細書による態様は、ある期間にわたって収集された一続きの流体試料に関する時間ベースの情報を保存するように構成されていてもよい。図12に示したように、流体収集装置120'の収集チャンバ123'は細長いチャンバであって、細長いチャンバの中で試料の拡散または混合を制限することで試料のタイムコースを効果的に保存することができる細長いチャンバである。理論に拘束されるものではないが、収集チャンバ123'の中に収集された試料は、流体装置160の中にある流体から時間t1、t2、t3、t4,...,tNに対応する、先端122'を介して収集される一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNを効果的に形成したものであると考えることができる。一部の態様において、流体収集装置120'は、特定の時間で流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNを収集している間、流体装置160に連続して連結され、従って、移動システム110は流体収集装置120'を動かす必要はない。収集チャンバ123'は、有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNを受け取るが、収集チャンバ123'の中での拡散および流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNの混合を最小限にするマイクロ流体チャネルまたはキャピラリーチャネルでもよい。従って、収集チャンバ123'の中にある有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNの1つ1つの試料は、収集時に試料がもっていた時間に関する特徴を実質的に保存している。流体装置160'の中にある流体は経時変化することがある。例えば、流体装置160'の流体の中にある構成成分の1つまたは複数の濃度、pHレベル、または細菌濃度は経時変化することがある。同じ期間にわたって収集された有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNの1つ1つの試料は、実質的に、流体装置160'の中にある流体の変化している特徴を写した一枚一枚のスナップショットとなる。収集チャンバ123'に沿った試料の位置は、相対的な収集時間t1、t2、t3、t4,...,tNを示している。従って、流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNは時間の関数として流体装置160'の中にある流体の特徴を示す。
収集チャンバ123'の中にある有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNは、別の流体装置(例えば、細胞培養装置、マイクロ流体装置、もしくは非流体装置など)、細長い収集チャンバ、または(時間ベースの分析を含む)分析のための機器に移送することができる。収集チャンバ123'の中にある有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNは、流体装置160'が元々遭遇する特徴の変化の速度を再現するために流体装置160'から収集された速度で別の流体装置に投入されてもよい。または、収集チャンバ123'の中にある有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNは、収集速度より遅い速度または速い速度で別の流体装置に投入されてもよい。速度を遅くする、または速くすると、流体特徴の変化の異なる速度の影響を研究することが可能になる。他の態様において、有効な一続きの流体試料S1、S2、S3、S4,...,SNは別の細長い収集チャンバに移送することができ、この別の細長い収集チャンバから、制御された速度で細胞培養装置または分析装置に送達される。従って、移送速度は、試料が収集される速度と切り離すことができ、これにより、相互接続システムは、有効な一続きの流体試料のタイムコースを維持しながら高速で動作することが可能になる。一部の態様において、試料が流体収集装置120の中にあると同時に、有効な一続きの試料S1、S2、S3、S4,...,SNが維持され得るように、先端122は細長い収集チャンバを備えてもよい。中に入っている試料の拡散および混合を十分に制限するように、あらゆる前記細長い収集チャンバの横方向の寸法を選択することができる。
本発明の局面によれば、相互接続システム100を用いると、先端122(必要な場合、対応する収集チャンバ/リザーバ123を含む)を預けることが可能になる場合がある。言い換えると、先端122を、指定された期限まで指定された目的で再使用することができる。図1に示したように、例えば、相互接続システム100はまた、流体収集装置120の先端122を格納し、後で使用するために追跡するのを可能にする1つまたは複数の格納構成部分130も備える。流体収集装置120の先端122を流体収集装置120から自動的に取り外し、格納構成部分130の中に格納し、次いで、後で再び取り付けることができる。場合によっては、相互接続システム100は、流体を特定の一組の流体装置160から収集するのに用いられる先端122を格納および再使用することができ、相互汚染を阻止するために、それぞれの先端は、常に、指定された流体装置160と一緒に用いられる。例えば、第1の先端122は、流体を第1の流体装置160上にあるアウトプットポート162から収集し、流体を第2の流体装置160のインプットポート164に投入するのに用いられる。次の流体移送操作の前に、第1の先端122は取り外され、格納構成部分130の予め定義された置き場所の中に格納される。第2の先端122は、流体を第2の流体装置160から第3の流体装置160に移送するのに用いられる。第2の先端122は新たな(清潔な)先端122でもよく、格納構成部分130の別の予め定義された置き場から取った別の指定された再使用の先端122でもよい。第1の流体装置160から第2の流体装置160への流体の移送を必要とする次の操作は、最初に、第2の先端122を取り外し、格納構成部分130にある予め定義された置き場の中に格納し、第1の先端122を再び取り付けた後に2つの装置間で流体を移送することによって行うことができる。先端122は、総使用回数、使用期限、および/または他の適切な基準によって規定された期限に達するまで再使用することができる。
図3および図4を参照すると、本発明の実施例に従う別の例示的な相互接続システム300が図で示されている。システム300は、図1および図2に示したシステム100と多くの局面で似ている。システム300は、プラットフォーム350上に並べられた、移動システム310、流体収集装置320、および1つまたは複数の流体装置360を備える。コンピュータシステム340はシステム300の局面を制御する。流体装置360は流体装置および/またはマイクロ流体装置でもよい。それぞれの流体装置360は、流体を流体装置360から収集することができる少なくとも1つのアウトプットポート362、および流体装置360に流体を投入することができる少なくとも1つのインプットポート364を備える。流体収集装置320は、流体を収集または投入するために、選択された流体装置360のアウトプットポート362またはインプットポート364に係合する先端322を備える。移動システム310は、流体を流体装置360から収集し、流体を流体装置360に投入するために流体収集装置320と流体装置360との間で相対的な移動を引き起こす。移動システム310は、流体収集装置320に連結され、かつ流体収集装置320をz軸に沿って動かすz軸アクチュエータ312を備える。しかしながら、移動システム110とは異なり、移動システム310は、流体収集システム320をx軸アクチュエータおよびy軸アクチュエータにつないでいない。その代わりに、x軸およびy軸に沿って流体収集装置320と流体装置360との間で相対的な移動を提供するために、移動システム310はx軸およびy軸に沿ってプラットフォーム350を動かす。
操作中に、選択された流体装置360のアウトプットポート362またはインプットポート364がx軸およびy軸に沿って流体収集装置320と一直線に並ぶまで、移動システム310はプラットフォーム350を動かす。x軸およびy軸に沿って正しく相対的に位置決めがなされたら、先端322がアウトプットポート362またはインプットポート364に係合できるように、移動システム310のz軸アクチュエータ312はz軸に沿って流体収集装置320を動かす。移動システム320は、流体装置360を用いてあらゆる流体移送プロトコルを実行するために、流体収集装置320に対してあらゆる流体装置360を動かすことができる。
図3および図4に示したように、先端322を預けるための1つまたは複数の格納構成部分330もプラットフォーム350上に配置することができる。プラットフォーム350はまた、収集された流体を機器による分析のために投入するのを可能にする、分析機器への接続(例えば、チューブ)も備えてもよい。流体収集装置320に対して流体装置360を配置するように移動システム310は異なって動作し得るが、システム300は前記システム100と実質的に同じように動作することができる。前記のように、例えば、2つ以上の流体装置360を同時に処理できるように、例えば、同じプロトコルまたは類似のプロトコルを用いて同時に処理できるように、2つ以上の流体収集装置320をz軸アクチュエータ312に連結することができる。
図5を参照すると、本発明の局面によるさらに別の例示的な相互接続システム500が図で示されている。システム500も図1および図2に示したシステム100と多くの局面で似ている。システム500は、プラットフォーム550上に並べられた、移動システム510、流体収集装置520、および1つまたは複数の流体装置560を備える。コンピュータシステム540はシステム500の局面を制御する。流体装置560は流体装置および/またはマイクロ流体装置でもよい。それぞれの流体装置560は、流体を流体装置560から収集することができるアウトプットポート562、および流体装置560に流体を投入することができるインプットポート564を備える。流体収集装置520は、流体を収集または投入するために、選択された流体装置560のアウトプットポート562またはインプットポート564に係合する先端522を備える。移動システム510は、流体を流体装置560から収集し、流体を流体装置560に投入するために流体収集装置520と流体装置560との間で相対的な移動を引き起こす。移動システム510は、流体収集装置520に連結され、かつ流体収集装置520を直線的にz軸に沿って動かすz軸アクチュエータ512と、x軸に沿って動かすx軸アクチュエータ514を備える。しかしながら、移動システム110とは異なり、移動システム510は、流体収集システム520をy軸アクチュエータにつないでいない。その代わりに、y軸に沿って流体収集装置520と流体装置360との間で相対的な移動を提供するために、移動システム510はz軸を中心にプラットフォーム550を回転させる。
操作中に、プラットフォーム550は、y軸に沿って流体収集装置520と一直線に並ぶように、選択された流体装置560を回転させる。x軸アクチュエータ514は、流体収集装置520と一直線に並ぶように、選択された流体装置560を直線的に動かす。x軸およびy軸に沿って正しく相対的に位置決めがなされたら、先端522がアウトプットポート562またはインプットポート564に係合できるように、z軸アクチュエータ512はz軸に沿って流体収集装置520を動かす。移動システム520は、流体装置560を用いてあらゆる流体移送プロトコルを実行するために、流体収集装置520に対してあらゆる流体装置560を動かすことができる。移動システム510は流体収集装置520に対して流体装置560を配置するように異なって動作し得るが、システム500は実質的に前記システム100および300と同じように動作することができる。
流体装置560は回転テーブル上に任意の配置で並べられてもよい。図5に示したように、流体装置560はプラットフォーム550上に半径方向に並べられる。従って、プラットフォーム550を選択された速度で回転させて、重力または他の力をシミュレートするように流体装置560の内容物を遠心力に供することができる。
本発明の局面によれば、チャンバはアウトプットポートおよびインプットポートに合わせて規定されてもよく、流体をアウトプットポートから収集するか、または流体をインプットポートに投入するために、流体収集装置は、例えば、先端を用いて、これらのチャンバにアクセスする。アウトプットポート用のチャンバは、流体収集装置による収集のために流体装置のアウトプットチャネルから流体を受け取る。その一方で、インプットポートのチャンバは、流体装置のインプットチャネルへの投入のために流体収集装置から流体を受け取る。一部の態様ではチャンバのカバーが外れたままでもよいが、カバーが外れたチャンバは汚染ならびに蒸発による流体消失の危険を呈する。図6を参照すると、本発明の局面による例示的なポート構造600が図で示されている。ポート構造600は、アウトプットポートまたはインプットポートに密閉チャンバ612を設けるポート本体610を備える。ポート構造600は、前記のように流体装置660上で使用することができる。図6に示したように、ポート構造600は、流体装置660の上面にある凹みに挿入することができるノズル614を備える。ノズル614は、ねじ接続、プレス嵌め接続またはスナップ嵌め接続、接着剤、熱溶着(heat-staking)、溶接、または他の任意の適切な技法によって流体装置660と連結することができる。連結のためにOリングなどのシール618も設けることができる。ノズル614は、チャンバ612を流体装置660のインプットチャネルまたはアウトプットチャネル662と接続するチャネル616を備える。場合によっては、チャンバ612は形状が円錐形であり、一つには、液体を全て流体装置660に注ぐために、チャネル616に向かって延びるにつれて狭くなる。ポート本体610の上部は、汚染物質がチャンバ612に入ってくるのを阻止し、チャンバ612の中に入っている流体の蒸発を最小限にするシーリングセプタム620を備える。他の態様では、ポート構造600を形成するように流体装置600を改造することができる。
一部の態様において、シーリングセプタム620は、最初、チャンバ612全体にわたって堅固であり、シーリングセプタム620に穴を開け、チャンバ612にアクセスするためには流体収集装置の表面に鋭い、例えば、針のような先端が必要である。穴が開いたら、シーリングセプタム620は再密閉してもよく、再密閉しなくてもよい。図6に示したシーリングセプタム620は実質的に平面であるように見えるが、他の態様は、形状がさらに凹状または凸状のシーリングセプタム620を使用してもよいことが理解される。
または、図7に示したように、シーリングセプタム620は、穴を開ける工程を必要とすることなく、流体収集装置120、320、520の先端をチャンバ612に挿入して流体を収集または投入するのを可能にする1つまたは複数の前もって形成されたスリット622を備えてもよい。シーリングセプタム620は、先端が除かれたときに元の形状に戻ってチャンバ612を密閉するのに十分な弾力性があってもよい。場合によっては、シーリングセプタム620は、PDMS、シリコーン、ゴム、ラテックス、スチレン-エチレン/ブチレン-スチレン(SEBS)、ポリウレタン、PTFE、FKM、FFKMまたは他のフルオロエラストマーなどの材料から形成される。他の場合では、シーリングセプタム620は、複数の材料からなる積層物から形成されてもよく、これらの材料の全てがエラストマーというわけではない。例えば、シーリングセプタム620は、シリコーンに積層されたアルミニウム箔の組み合わせを備えてもよい。図7に示したスリットシーリングセプタム622は、交差して十文字形を形成する2個のスリット622を備えてもよいが、他の態様は、他の形状を形成する任意の数のスリット622を使用してもよいことが理解される。
図6および図7に示した態様はチャンバ612をカバーするためにシーリングセプタム620を使用しているが、他の態様は、均等に保護するカバーをチャンバに設ける他の構造を使用してもよい。例えば、チャンバをカバーするためにダックビル弁に似た代替構造が用いられてもよい。シーリングセプタムと同様に、この代替構造は、チャンバを再密閉するように機能する前もって形成された開口部をもつエラストマー材料から形成される。
前記のシーリングセプタム612などのエラストマーカバーを使用する代わりに、または使用することに加えて、他の態様はチャンバを他のタイプの構造でカバーする。例えば、ポート本体610は、先端をチャンバ612に挿入できるように開き、先端を取り除いた後に閉じることができる弁、例えば、ゲート弁、ボール弁、または玉型弁を備えてもよい。
他の態様において、チャンバは駆動式可動カバーでカバーされる。可動カバーは、流体収集装置の先端をチャンバに挿入して流体を収集または投入することができるようにチャンバへのアクセスを開くように動作する。収集または投入の後に、可動カバーはチャンバへのアクセスを閉じて汚染を阻止し、蒸発を最小限にするように動作する。図8を参照すると、本発明の局面による例示的な可動カバーが図で示されている。図6に示したポート構造600と同様に、ポート構造800は、流体装置に連結することができるチャンバ812を備えてもよい。連結のために、Oリングなどのシール818も設けることができる。ノズル814は、チャンバ812を流体装置のインプットチャネルまたはアウトプットチャネルと接続するチャネル816を備える。ポート820は、ポート本体810の上面に接してチャンバ812への開口部をカバーすることができる、実質的に平面の、または湾曲した下面をもつ可動カバー820を備える。ピボットアーム824が可動カバー820から延びており、ポート本体810によって支持されているピン825を軸にして動く。ピボットアーム824は、ピン825の反対側で、可動カバー820から離れて延びているタブ826を備える。
図8に示した流体収集装置120は、流体収集装置120の先端122を通り過ぎて延びるプッシュロッド126を備える。操作中に、流体収集装置120の先端122がチャンバ812に向かって下方向に動くと、プッシュロッド126は、タブ826を押すように流体収集装置120と一緒に動く。それに対応してタブ826も同じ方向に、例えば、下方向に動き、ピボットアーム824をピン825を軸にして動かす。可動カバー820はピン825の反対側にあるので、可動カバー820は反対方向に、例えば、上方向に動いてチャンバ812のカバーを外し、先端122はチャンバ812にアクセスできるようになる。プッシュロッド126は、先端122がチャンバ812に向かって動いたときに、可動カバー820が先端122から妨げられることなくチャンバ812のカバーを外すのに十分な長さをもって流体収集装置120から延びる。ピボットアーム824は、可動カバー820のこの動きに逆らって働くように、例えば、ばねまたは重力によってバイアスがかかっていてもよい。デフォルトの状態では、チャンバ812がカバーされたままになるように、バイアスによって可動カバー820はチャンバ812の上部に接して配置される。従って、チャンバ812のカバーが外れたままにするには、プッシュロッド126はタブ826との接触を維持しなければならない。先端122がチャンバ812から上方向に取り外されると、プッシュロッド126は同じ方向に動く。ピボットアーム824のバイアスによって、タブ826は、プッシュロッド126および反対方向に動く可動カバー820と一緒に動いて、チャンバ812をカバーする。ポート本体810の上面または可動カバー820の底面は、シーリング要素、例えば、Oリング、または可動カバー820がチャンバ812上にあるときに改善したシーリング特性を提供することができる弾力性のある材料を備えてもよい。他の態様において、プッシュロッド126は、設計における幾何学上の考慮すべき事項を単純化することができる可撓性のある要素を備えてもよい。または、プッシュロッド126は、流体収集装置120に連結された制御されたアクチュエータ、例えば、空気ピストン、ソレノイド、電気機械的直線アクチュエータ、磁石、および/または電磁石と交換されてもよく、またはそれが補われてもよい。
図11を参照すると、本発明の局面による別の例示的な可動カバーが図で示されている。可動カバー1120は、流体装置160が並べられているプラットフォーム150上に配置されたカバーシステム1100上に実装される。図11に示したように、可動カバー1120は、流体装置160上に配置されたポート構造170のチャンバ172をカバーする。ポート構造170は前記のポート構造と同様のものでもよい。それぞれの可動カバー1120は、プラットフォーム1150から上方向に延びているベース1123によって支持されている第1のピン1125を軸にして動くピボットアーム1124に連結される。デフォルトの状態では、チャンバ172がカバーされたままになるように、バイアス、例えば、ばねまたは重力からのバイアスによって、ピボットアーム1124はチャンバ172の上部に接して可動カバー1120を保持する。第1のリンケージアーム1126の第1の末端1126aがピボットアーム1124に連結され、第2のリンケージアーム1127に上方向に延びており、第1のリンケージアーム1126の第2の末端1126bは第2のリンケージアーム1127の第1の末端1127aに連結される。第2のリンケージアーム1127は、プラットフォーム150から上方向に延びている垂直構造1129によって支持されている第2のピン1128を軸にして動く。バイアスによって、第1のリンケージアーム1126および第2のリンケージアーム1127bの第1の末端1127aに下向きの力が加わり、次に、これによって、第2のリンケージアーム1127bは実質的に水平の方向を維持する。
流体収集120装置は、図11に示したように、流体収集装置120の先端122と共に下方向に延びるプッシュロッド126を備える。操作中に、流体収集装置120の先端122がチャンバ172に向かって下方向に動くと、プッシュロッド126は、第2のリンケージアーム1127の第2の末端1127bを下方向に押すように流体収集装置120と一緒に動く。これにより、第2のリンケージアーム1127は第2のピン1128を軸にして動き、第2のリンケージアーム1127の第1の末端1127aは上方向に動く。第1のリンケージアーム1126が第2のリンケージアーム1127の第1の末端1127aに連結されているので、第1のリンケージアーム1126も上方向に動く。第1のリンケージアーム1126の上方移動によって、バイアスに逆らって第1のピン1125を軸にして動き、チャンバ172のカバーを外すように可動カバー1120は上向きに引っ張られる。これにより、先端122はチャンバ172にアクセスすることが可能になる。先端122がチャンバ172から上方向に動くとプッシュロッド126も上方向に動く。ピボットアーム1124のバイアスによって、第2のリンケージアーム1127の第2の末端1127bはプッシュロッド126と一緒に上方向に動く。第2のリンケージアーム1127が旋回すると、第2のリンケージアーム1127の第1の末端1127aは下方向に動いて、第1のリンケージアーム1126も下方向に動く。次に、これにより、可動カバー1120はチャンバ172の上部に接するように動き、チャンバ172をカバーすることが可能になる。
従って、図8および図11に示した態様は、流体装置それ自体によって支持されてよく(図8)、または相互接続システムの中にある他の何らかの構造によって支持されてもよい(図11)、流体装置のチャンバをカバーするための可動カバーを提供する。図8および図11の態様にある可動カバーは、プッシュロッド126または流体収集装置120と一緒に動く他の機構に応じて動作してもよいが、可動カバーの動きを駆動するための他の技法が用いられてもよいことが理解される。例えば、可動カバーは、機械機構、電気機械機構、磁石機構、空気(または減圧)、電気機構、圧電機構、または他の類似機構によって駆動されてもよい。一般的に、流体を収集または投入するために、流体装置のポートの中にあるチャンバのカバーを選択的に外すために任意の適切な構造の駆動式可動カバーを使用することができる。
1マイクロリットル、2マイクロリットル、3マイクロリットル、4マイクロリットル、5マイクロリットル、10マイクロリットル、20マイクロリットル、30マイクロリットル、40マイクロリットル、50マイクロリットル、および最大で5ミリリットルの体積が移送される相互接続システムでは、このような少ない体積は蒸発により大きな影響を受けることがある。特に、蒸発すると構成成分の濃度が大きく変化する場合がある。シーリングセプタムまたは駆動式可動カバーなどの機構は、流体装置の中にある流体の蒸発を最小限にし、完全性を維持することで、相互接続システムが比較的少ない体積の流体を処理するのを実現可能にする。
一部の態様において、流体がカバー付きチャンバから収集されたか、またはカバー付きチャンバに投入されたときに空気圧の変化に対処するためにガス抜きすることも望ましい場合がある。図6に示したポート構造600は、例えば、カバー付きチャンバ612、812における空気圧の変化を取り扱うように構成されてもよい。特に、インプットポート614では、チャンバ612から流体装置660に流体が吸引されたときにカバー付きチャンバ612の中に陰圧が生じる。逆に、アウトプットポート612では、流体装置660からカバー付きチャンバ612に流体が導入されたときにチャンバ612の中に陽圧が生じる。本発明の局面によれば、ポート本体610またはシーリングセプタム620は、チャンバ612へのアクセスがさらに十分に開き、圧力が同じになるまでチャンバ612内の内圧変化に対処するように変形することができる。さらに、もしくはまたは、シーリングセプタム620の中にある1つまたは複数のスリット622によって、空気をチャンバ612の内に、またはチャンバ612の外に抜くことが可能になる。さらに、もしくはまたは、ポート構造600は1つまたは複数の小さな、および/または深いベントホールを備えてもよい。さらに、もしくはまたは、チャンバ612の中の圧力を減らすために、別個の気体透過性セクションをポート構造600の中に設けることができる(またはポート構造600に連結することができる)。場合によっては、気体透過性セクションを、可能な限り蒸発を制限する大きさにすることができる。他の場合では、気体透過性セクションは、蒸発の影響を最小限にするために、気体を透過することができるが水蒸気を透過することができない膜を備える。気体透過膜の例は、2012年12月10日に出願されたPCT出願番号PCT/US2012/068725ならびに2012年9月5日に出願された米国特許仮出願第61/696,997号および2012年12月10日に出願された同第61/735,215号に開示されている。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本発明の局面によれば、流体装置は、流体をインプットポートに投入するか、またはアウトプットポートから収集するのを可能にする1つまたは複数の弁に接続することができる。例えば、流体装置の中には、一定のまたは実質的に一定の新鮮な培地の流れを受け取って、1つまたは複数の装置のチャネルに入れることができるものもある。流体収集装置を用いてインプットポートに新鮮な培地を連続して供給する代わりに、例えば、培地供給元に接続されたチューブを介して、新鮮な培地を流体装置に選択的に供給するために、切替弁をインプットポートに連結することができる。同様に、流体装置の中には、一定のまたは実質的に一定の廃棄流体の流れを生じることができるものもある。流体収集装置を用いてアウトプットポートを通して廃棄流体を連続して除去する代わりに、例えば、チューブを介して、廃棄流体を選択的に抜き取って廃棄物収集リザーバに入れるために、切替弁がアウトプットポートに連結されてもよい。
一部の態様において、切替弁を用いて、インプットポートを、培地、例えば、異なる薬物または病原体を含有している可能性のある培地のいくつかの異なる供給元に連結することができる。さらに、切替弁を用いて、アウトプットポートを、いくつかの異なるアウトプット、例えば、実験の異なる時点に対応する様々な収集リザーバに連結することができる。弁を用いて、インプットポートおよび/またはアウトプットポートを、前述のように流体を移送するためのチャンバを備えるポート構造に連結することもできる。
図9を参照すると、本発明の局面による例示的なマイクロ流体装置900が図で示されている。マイクロ流体装置900は、1つまたは複数のアウトプットポート912および1つまたは複数のインプットポート914、916、918、切替スイッチ920、ポンプ930、ならびに機能的なマイクロ流体チャネル910を備えてもよい。機能的なマイクロ流体チャネル910は、1つまたは複数のマイクロ流体チャネルの中に維持された細胞を含む1つまたは複数の臓器チップを備えてもよい。本発明の局面によれば、切替スイッチ920は、マイクロ流体装置900への流体インプットの供給元を制御することができるモーター制御スイッチでもよい。例えば、第1のインプットポート914は、環境が管理されたリザーバの中に入っている新鮮な培地の供給元にチューブによって連結することができる。この新鮮な培地は、マイクロ流体チャネル910の中にある生物材料、例えば、臓器組織の生存を維持するのに使用することができる。第2のインプットポート916は、流体収集装置120を用いて他の供給元からの流体をマイクロ流体チャネル910に投入できるようにポート構造600に連結することができる。第3のインプットポート918は、試験しようとする薬物または病原体を含む培地の供給元にチューブによって連結することができる。切替弁920を用いて、インプットの1つをマイクロ流体チャネル910に接続することができる。ポンプ930は、流体をインプット供給元から吸引し、マイクロ流体チャネル910を通ってアウトプットポート912にポンプで汲み上げる蠕動ポンプを備えてもよい。アウトプットポート912は、流体を流体収集装置120によって抜き取ることができるまで流体を保持するチャンバ612を備えるポート構造600を備えてもよい。切替弁930は、例えば、漏れも汚染もなくマイクロ流体装置を輸送できるように、マイクロ流体装置900のインプットを密閉する位置も備えてもよい。
本発明の局面によれば、マイクロ流体構成要素910のアウトプットはまた、切替弁を通して複数のアウトプットに接続することもできる。例えば、あるアウトプットが廃棄容器に接続されてもよく、チューブによって格納リザーバに接続されてもよい。別のアウトプットは、アウトプット流体を流体収集装置120によって分析用の計測装置に、または同じもしくは別のマイクロ流体装置900のインプットポートに移送するのを可能にするアウトプットポート構造600に接続されてもよい。
図10を参照すると、本発明の局面によるマイクロ流体装置1000の別の例が図で示されている。マイクロ流体装置1000は、1つまたは複数のアウトプットポート1012および1つまたは複数のインプットポート1014、1016、1018、切替弁1020、ポンプ1030、流体リザーバ1040、ならびに機能的なマイクロ流体構成要素1010を備えてもよい。機能的なマイクロ流体構成要素1010は、1つまたは複数のマイクロ流体チャネルの中に維持された細胞を含む1つまたは複数の臓器チップを備えてもよい。ポンプ1030は、流体をインプット供給元から吸引し、マイクロ流体チャネル1010を通ってアウトプットポート1012にポンプで汲み上げる蠕動ポンプを備えてもよい。アウトプットポート1012は、流体を流体収集装置120によって抜き取ることができるまで流体を保持するチャンバ612を備えるポート構造600を備えてもよい。切替弁1030は、例えば、漏れも汚染もなくマイクロ流体装置を輸送できるように、マイクロ流体装置1000のインプットを密閉する位置も備えてもよい。
本発明の局面によれば、切替スイッチ1020は、装置1000への流体インプットの供給元を制御するのに使用することができるモーター制御スイッチでもよい。例えば、第1のインプット1014は、環境が管理されたリザーバの中に入っている新鮮な培地の供給元にチューブによって連結することができる。この新鮮な培地は、マイクロ流体チャネルの中にある生物材料、例えば、臓器組織の生存を維持するのに使用することができる。第2のインプット1018は、試験しようとする薬物または病原体を含む培地の供給元にチューブによって接続することができる。第3のインプット1016は、他の供給元からの流体をマイクロ流体チャネル1010に投入できるようにポート構造600に接続することができる。第4のポートは流体リザーバ1040への接続でもよい。インプットの1つをマイクロ流体チャネル1010に接続するように切替弁1020を操作することができる。後で使用するために、流体収集装置120によって投入された流体を流体リザーバ1040の中で局所的に格納できるようにするために第3のインプット1016を流体リザーバ1040に接続するように切替弁1020も操作することもできる。後になって、格納された流体を装置1000にインプットするために流体リザーバ1040をマイクロ流体チャネル1010に接続するように切替弁を操作することができる。本発明の局面によれば、流体リザーバ1040は、流体リザーバ1040に投入された流体によって空気が押し退けられたときに空気を逃がすことができるようにベントを備えてもよい。ベントは、リザーバ1040が一杯になったときに空気が逃げ、かつリザーバ1040からの流体がマイクロ流体チャネル1010にポンプで汲み上げられたときに空気が戻るのを可能にする気体透過膜を備えてもよい。本発明の局面によれば、マイクロ流体装置1000は、バブルトラップとして役立つ気体透過膜を備えてもよく、バブルトラップにおいて用いられる気体透過部材の一部は流体リザーバ1040をガス抜きするのに使用することができる。使用することができるバブルトラップおよび気体透過膜の例は、2012年12月10日に出願されたPCT出願番号PCT/US2012/068725、ならびに2012年9月5日に出願された米国特許仮出願第61/696,997号および2012年12月10日に出願された同第61/735,215号に開示される。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。流体リザーバ1040を使用する利点の1つは、流体がマイクロ流体チャネル1010に送達されるまで流体リザーバを閉じるためのシールとして切替弁1020が働くことができ、蒸発または汚染を最小限にするためにポート1016上にシーリングセプタムもカバーも必要としないことである。
本発明の局面によれば、切替弁1020は、マイクロ流体チップ1010および組み込まれているリザーバ1042に通じる、流体チャネルの中に開/閉弁を備える切替弁でもよい。これにより、切替弁インプットを全て、直接、マイクロ流体チップ1010または組み込まれているリザーバ1042にルーティングすることが可能になり、偶然接続するのを回避するために、マイクロ流体チップ1010および組み込まれているリザーバ1042に接続された流体チャネルを閉じることが可能になる。本発明の一部の態様において、切替弁1020は、直列に接続された2個の切替弁を備えてもよい。第1の切替弁は、流体インプット(例えば、図10の1014、1016、および1018)の中から選択することができ、選択されたインプットを第2の切替弁に接続する。この第2の切替弁は流体アウトプットの中から選択することができ、選択されたインプットを、組み込まれているリザーバ1042またはマイクロ流体チップ1010などの選択されたアウトプットに接続する。
本発明の局面によれば、流体リザーバ1040は、流体を供給元から受け取ったときに、流体のタイムコースを維持する(例えば、ある期間にわたって特徴を維持する)細長いチャネルから形成することができる。この態様によれば、供給元装置から得られた流体は、受け取った流体のタイムコースも維持する細長いチャネルまたはマイクロ流体チャネルを備える流体収集装置120を用いて抜き取ることができる。この態様によれば、供給元装置は、受け取った流体のタイムコースも維持する細長いチャネルまたはマイクロ流体チャネルを備えてもよい。流体収集装置120の一部の態様では、最後に受け取った隣接する流体部分が最初に送達され、最初に受け取った流体部分が最後に送達されるという点でタイムコースは逆戻りする。第3のポート1016を通って流体を流体リザーバ1040に注入することで、流体のタイムコースは、流体がマイクロ流体チャネル1010に送達されたときに、(供給元から)最初に受け取った流体部分がマイクロ流体チャネル1010に最初に送達されるように逆転する。
細長いチャネルを有する流体リザーバ1040を使用する利点の1つは、流体収集装置が流体試料を極めて速い速度(高圧または速い流速により、マイクロ流体装置またはその中に入っている生物材料を傷つける可能性のある速度)でリザーバ1040に投入し、次の操作またはタスクに進むことができることである。別々に、流体リザーバ1040の中に格納された流体試料を、予め定義された速度、例えば、装置または生物材料を傷つける危険を冒さない速度、および流体のタイムコースを保つ速度で、ポンプで汲み上げてマイクロ流体装置に入れることができる。
流体試料のタイムコースを維持する細長いチャネルを有する流体リザーバ1040を使用する利点の1つは、流体リザーバ1040を用いて、予め定義された期間にわたって多量の流体試料を送達することができることである。さらに、多くの連続した流体移送事象を必要とすることなく、いくつかの供給元から少量の別個の流体試料を組み合わせて、絶え間ない送達タイムシークエンスを作り出すことによって、流体試料を「組み立てる(construct)」ことができる。これにより、流体移送事象のさらに効果的なスケジューリングを提供することができる。一部の態様によれば、システムに流体を供給する目的で、あるリザーバが用いられるのに対して、使われていないリザーバ1040に次のコースの流体を満たすことができるように、2つ以上の流体リザーバ1040を設けることができる。
前記のように、細胞培養装置は、生物学的細胞システム、例えば、組織タイプまたは臓器の局面を模倣するのに使用することができる。このような細胞培養装置は臓器チップとも呼ばれる。臓器チップは、ヒトまたは他の生物(例えば、動物、昆虫、植物)に由来する任意の生きている臓器の機能を模倣するように構成することができる。従って、本明細書に記載のシステム、装置、および機器は、哺乳動物および非哺乳動物(例えば、昆虫、植物など)の臓器および生理学的システム、ならびにこのような臓器および生理学的システムに対する活性薬剤の効果をモデル化または研究するのに使用することができる。
本発明による方法およびシステムにおいて使用することができる臓器チップの例には、例えば、2011年4月1日に出願された米国特許仮出願第61/470,987号;2011年6月2日に出願された同第61/492,609号;2011年2月28日に出願された同第61/447,540号;2011年3月7日に出願された同第61/449,925号;および2011年12月9日に出願された同第61/569,029号、2008年7月16日に出願された米国特許出願第13/054,095号、ならびに2009年7月16日に出願された国際出願番号PCT/US2009/050830、および2010年1月15日に出願されたPCT/US2010/021195が含まれる。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。筋肉臓器チップは、例えば、2011年12月9日に出願された米国特許仮出願第61/569,028号、2012年9月5日に出願された米国特許仮出願第61/697,121号、ならびに2011年12月9日に出願された米国特許仮出願第61/569,028号、米国特許仮出願第61/697,121号に係る優先権を主張する、2012年12月10日に出願された「筋肉チップおよびその使用方法(Muscle Chips and Methods of Use Thereof)」という発明の名称のPCT特許出願に記載されている。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
臓器チップはまた、機械的調節を適用するための制御ポート(例えば、PCT出願番号:PCT/US2009/050830)に記載の肺チップにあるような繰り返し減圧を加えるためのサイドチャンバならびに電気的接続(例えば、筋肉および神経伝導の電気生理学的分析用))も備えてもよい。エアロゾル送達能力のある、またはエアロゾル送達能力のない肺チップを作製する(他の臓器チップ、例えば、心臓チップおよび肝臓チップを作製するように拡張することができる)同様のアプローチは、例えば、PCT出願番号:PCT/US2009/050830ならびに米国特許仮出願第61/483,837号および同第61/541,876号に記載されている。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本発明の態様によれば、マイクロ流体装置(例えば、カートリッジを備えてもよい)はベース支持体を備えてもよい。ベース支持体は、(a)少なくとも1つの臓器チップのためのホルダーおよび/またはマイクロ流体接続;ならびに(b)少なくとも1つの臓器チップ(または流体構成要素もしくはマイクロ流体構成要素を有する他の装置)と接続する、インプットポートおよびアウトプットポートを有する少なくとも1つの流体回路を設けることができ、前記流体回路は、カートリッジおよびマイクロ流体システムの他の構成要素に取り付けられた臓器チップ(または流体構成要素もしくはマイクロ流体構成要素を有する他の装置)間の流体連通を可能にすることができる。例示的なカートリッジは、例えば、2012年12月10日に出願されたPCT出願番号PCT/US2012/068725および2012年9月5日に出願された米国特許仮出願第61/696,997号および2012年12月10日に出願された同第61/735,215号に記載されている。それぞれの出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
例示目的で、本発明の局面は、本発明の態様による流体相互接続システムの図形で表した例に関連して説明される。本明細書で使用する、流体およびマイクロ流体という用語は文脈によってはっきりと示されない限り同義に用いられる。本発明は、ある状況では、マイクロ流体装置およびマイクロ流体システムと併用する方が適している場合があるが、本発明はまた、ある状況では、流体装置および流体システムと併用する方が適している場合もある。
他の態様は本発明の範囲および精神の中にある。例えば、ソフトウェアの性質により、前記の機能は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、ハードワイヤリング、またはこれらのいずれかの組み合わせを用いて遂行することができる。機能を遂行する特徴はまた、機能の一部が異なる物理的場所で遂行されるように分散している場合を含めて様々な位置で物理的に配置されてもよい。
本発明が1つまたは複数の特定の態様に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更が加えられる可能性があることを認めるだろう。これらの態様およびその明白なバリエーションはそれぞれ本発明の精神および範囲の中にあると考えられる。本発明の局面によるさらなる態様が、本明細書に記載の任意の態様からの任意の数の特徴を組み合わせている可能性があることも考えられる。

Claims (49)

  1. 2つ以上の細胞培養装置間の生物学的コミュニケーションを容易にするためのシステムであって、
    生化学的シグナルを含む第1の別々のアウトプット流体体積を、第1の臓器組織を備える第1のマイクロ流体チャネルを含む第1のマイクロ流体細胞培養装置のポートから収集し、かつ該第1の別々のアウトプット流体体積の少なくとも一部を含む第2の別々の流体体積を、第2の臓器組織を備える第2のマイクロ流体チャネルを含む第2のマイクロ流体細胞培養装置のポートに投入するように構成された、少なくとも1つの流体収集装置;および
    少なくとも1つの流体収集装置に連結され、かつ第1のマイクロ流体細胞培養装置または第2のマイクロ流体細胞培養装置に対して望ましい位置に少なくとも1つの流体収集装置を動かすように構成された、移動システム
    を含み、
    少なくとも1つの流体収集装置が第1のマイクロ流体細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、流体収集装置は、それぞれの第1の別々のアウトプット流体体積を第1のマイクロ流体細胞培養装置から収集し、かつ
    少なくとも1つの流体収集装置が第2のマイクロ流体細胞培養装置に対して望ましい位置に配置されたときに、少なくとも1つの流体収集装置は、第2の別々の流体体積を第2のマイクロ流体細胞培養装置にインプット流体として投入する、
    システム。
  2. 第2のマイクロ流体細胞培養装置が、第2の別々の流体体積を保持するように構成されたチャンバを備える、請求項1記載のシステム。
  3. 第1および第2のマイクロ流体細胞培養装置が、約3mm未満であるかまたは約3mmに等しい少なくとも1つの寸法を有する少なくとも1つの流体チャネルを含む、請求項1記載のシステム。
  4. 第1および第2のマイクロ流体細胞培養装置が臓器チップ装置を含む、請求項1記載のシステム。
  5. インプット流体が、第2のマイクロ流体細胞培養装置を通って灌流する、請求項1記載のシステム。
  6. インプット流体を第2のマイクロ流体細胞培養装置を通って灌流させるように構成された、少なくとも1つの灌流機構を含む、請求項5記載のシステム。
  7. 第1のマイクロ流体細胞培養装置が少なくとも1つのアウトプットポートを備え、少なくとも1つの流体収集装置が前記少なくとも1つのアウトプットポートにアクセスして、第1の別々のアウトプット流体体積を収集し、かつ第2のマイクロ流体細胞培養装置が少なくとも1つのインプットポートを備え、少なくとも1つの流体収集装置が前記少なくとも1つのインプットポートにアクセスして、第2の別々の流体体積を投入する、請求項1記載のシステム。
  8. 少なくとも1つの流体収集装置が、第1のマイクロ流体細胞培養装置または第2のマイクロ流体細胞培養装置にアクセスする先端を備える、請求項1記載のシステム。
  9. 格納区画をさらに備え、少なくとも1つの流体収集装置が、第1の動作の後に格納区画の中に先端を格納し、かつ第2の動作のために先端を再使用する、請求項8記載のシステム。
  10. 少なくとも1つのアウトプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置によって収集されるそれぞれの第1の別々のアウトプット流体体積を受け取るためのチャンバを備える、請求項7記載のシステム。
  11. 少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置が、チャンバに連結されかつそれぞれの第1の別々のアウトプット流体体積をチャンバに供給する流体チャネルを備える、請求項10記載のシステム。
  12. ポート構造が、それぞれの第1の別々のアウトプット流体体積をチャンバに供給する流体チャネルによって生じたチャンバ内の陽圧を減らす圧力除去機構を備える、請求項10記載のシステム。
  13. 少なくとも1つのインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置からの第2の別々の流体体積を受け取るためのチャンバを備える、請求項7記載のシステム。
  14. 少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置が、チャンバに連結されかつチャンバから第2の別々の流体体積を受け取る流体チャネルを備える、請求項13記載のシステム。
  15. ポート構造が、第2の別々の流体体積をチャンバから受け取る流体チャネルによって生じたチャンバ内の陰圧を減らす圧力除去機構を備える、請求項13記載のシステム。
  16. 少なくとも1つのアウトプットポートまたは少なくとも1つのインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、少なくとも1つの流体収集装置によって収集される流体または少なくとも1つの流体収集装置から受け取った流体を格納するためのチャンバを備え、チャンバが、チャンバ内の汚染および流体蒸発を最小限にするようにカバーされる、請求項7記載のシステム。
  17. チャンバが、チャンバにアクセスするために穴が開けられるように構成されたシーリングセプタムによってカバーされる、請求項16記載のシステム。
  18. チャンバが、スリットをもつシーリングセプタムによってカバーされ、スリットが、シーリングセプタムに穴を開ける必要なくチャンバにアクセスできるように開口部を規定する、請求項16記載のシステム。
  19. チャンバが駆動式可動カバーによってカバーされる、請求項16記載のシステム。
  20. 駆動式可動カバーがポート構造によって支持されている、請求項19記載のシステム。
  21. 少なくとも1つの流体収集装置が少なくとも1つの第1のマイクロ流体細胞培養装置または少なくとも1つの第2のマイクロ流体細胞培養装置に係合したときに、少なくとも1つの流体収集装置はチャンバのカバーを外すように可動カバーを駆動する、請求項16記載のシステム。
  22. 少なくとも1つの流体収集装置が、ある期間にわたって複数の別々の流体体積を受け取る細長いチャンバ、キャピラリーチャネル、またはマイクロ流体チャネルを備え、それぞれの別々の流体体積が、別々の流体体積が収集された時間から少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴を実質的に維持し、複数の別々の流体体積が、少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴に関する時間ベースの情報を提供する、請求項1記載のシステム。
  23. 移動システムが、少なくとも1つの流体収集装置を、軸に沿って少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置に対して望ましい位置に直線的に動かす少なくとも1つの直線アクチュエータを備える、請求項1記載のシステム。
  24. 少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置および少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置がプラットフォーム上に並べられ、かつ少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置を、少なくとも1つの軸に沿って、流体収集装置に対して望ましい位置にもっていくように、移動システムがプラットフォームを直線的に動かす、請求項1記載のシステム。
  25. 少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置および少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置がプラットフォーム上に並べられ、かつ少なくとも1つの選択された第1のマイクロ流体細胞培養装置または少なくとも1つの選択された第2のマイクロ流体細胞培養装置を、流体収集装置に対して望ましい位置にもっていくように、移動システムがプラットフォームを回転させる、請求項1記載のシステム。
  26. 少なくとも1つの流体収集装置が、供給元リザーバから他の流体を収集するようにさらに構成されている、請求項1記載のシステム。
  27. 少なくとも1つの流体収集装置が、行先リザーバまたは分析機器にインプット流体を投入するようにさらに構成されている、請求項1記載のシステム。
  28. 1つまたは複数の第1のマイクロ流体細胞培養装置と1つまたは複数の第2のマイクロ流体細胞培養装置との間の別々の流体体積移送のプロトコルに従って、少なくとも1つの流体収集装置および移動システムを操作するようにプログラムされたコンピュータシステムをさらに含む、請求項1記載のシステム。
  29. 少なくとも1つの流体収集装置が、第2の別々の流体体積を投入する前に、複数の供給元装置からアウトプット流体を収集する、請求項1記載のシステム。
  30. 少なくとも1つの流体収集装置が、第1の別々のアウトプット流体体積の一部を複数の行先装置に投入する、請求項1記載のシステム。
  31. 流体を第1の細胞培養装置から第2の細胞培養装置に移送するための方法であって、
    流体収集装置を、第1の細胞培養マイクロ流体装置を含む供給元装置に対して望ましい第1の位置に動かす工程;
    第1の別々の流体体積を第1の細胞培養マイクロ流体装置から収集する工程;
    流体収集装置を、第2の細胞培養マイクロ流体装置を含む行先装置に対して望ましい第2の位置に動かす工程;および
    第1の別々の流体体積を第2の細胞培養マイクロ流体装置に投入する工程
    を含む、方法。
  32. 流体ハンドリングロボットが、第1の別々の流体体積を供給元装置から行先装置に移送するように流体収集装置の移動を自動化方式で駆動する、請求項31記載の方法。
  33. 第2の細胞培養マイクロ流体装置が、第1の別々の流体体積を保持するように構成されたチャンバを備え、かつ流体収集装置が、それぞれ、第1の別々の流体体積をチャンバに投入する、請求項31記載の方法。
  34. 行先装置に第1の別々の流体体積を灌流させる工程をさらに含む、請求項31記載の方法。
  35. 流体収集装置を、供給元装置に対して望ましい第1の位置に戻すように動かす工程であって、供給元装置が第1の細胞培養マイクロ流体装置を含む、工程;
    第1の細胞培養装置から第2の別々の流体体積を収集する工程;
    流体収集装置を、第3の細胞培養マイクロ流体装置に対して望ましい第3の位置に動かす工程;および
    第2の別々の流体体積を第3の細胞培養装置に投入する工程
    をさらに含む、請求項31記載の方法。
  36. 第1の細胞培養装置が第1のアウトプットポートを備え、流体収集装置が第1のアウトプットポートにアクセスして第1の別々の流体体積を収集し、前記望ましい第1の位置が第1のアウトプットポートによって決定され、かつ第2の細胞培養装置が第2のインプットポートを備え、流体収集装置が第2のインプットポートにアクセスして第1の別々の流体体積を投入し、前記望ましい第2の位置が第2のインプットポートによって決定される、請求項31記載の方法。
  37. 流体収集装置が、ある期間にわたって複数の別々の流体体積を受け取る細長いチャンバ、キャピラリーチャネル、またはマイクロ流体チャネルを備え、それぞれの別々の流体体積が、別々の流体体積が収集された時間から少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴を実質的に維持し、複数の別々の流体体積が、少なくとも1つの物理的特徴、化学的特徴、または生化学的特徴に関する時間ベースの情報を提供する、請求項31記載の方法。
  38. アウトプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、流体収集装置によって収集される第1の別々の流体体積を受け取るためのチャンバを備える、請求項36記載の方法。
  39. 第1の細胞培養装置が、チャンバに連結され、かつ第1の別々の流体体積をチャンバに供給する流体チャネルを備える、請求項38記載の方法。
  40. ポート構造が、それぞれの第1の別々の流体体積をチャンバに供給する流体チャネルによって生じたチャンバ内の陽圧を減らす圧力除去機構を備える、請求項38記載の方法。
  41. インプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、第2の別々の流体体積を流体収集装置から受け取るためのチャンバを備える、請求項36記載の方法。
  42. 第2の細胞培養装置が、チャンバに連結され、かつ第1の別々の流体体積をチャンバから受け取る流体チャネルを備える、請求項41記載の方法。
  43. ポート構造が、第1の別々の流体体積をチャンバから受け取る流体チャネルによって生じたチャンバ内の陰圧を減らす圧力除去機構を備える、請求項41記載の方法。
  44. アウトプットポートまたはインプットポートがポート構造を備え、ポート構造が、流体収集装置によって収集される流体または流体収集装置から受け取った流体を格納するためのチャンバを備え、チャンバが、チャンバ内の汚染および流体蒸発を最小限にするようにカバーされる、請求項36記載の方法。
  45. 流体を第1の臓器チップマイクロ流体装置から第2の臓器チップマイクロ流体装置に移送するための方法であって、
    第1の臓器チップマイクロ流体装置および第2の臓器チップマイクロ流体装置を提供する工程であって、それぞれの装置が、中央のマイクロチャネルを中に有する本体、および中央のマイクロチャネル内に配置された少なくとも部分的に多孔質の膜を含み、膜が複数の生細胞を支持し、第1の臓器チップマイクロ流体装置の生細胞が、第1の臓器型の細胞を含み、第2の臓器チップマイクロ流体装置の生細胞が、第2の臓器型の細胞を含み、第1の臓器型と第2の臓器型が異なる、工程;
    流体収集装置を、第1の臓器チップマイクロ流体装置に対して望ましい第1の位置に動かす工程;
    第1の別々の流体体積を第1の臓器チップマイクロ流体装置から収集する工程;
    流体収集装置を、第2の臓器チップマイクロ流体装置に対して望ましい第2の位置に動かす工程;および
    第1の別々の流体体積を第2の臓器チップマイクロ流体装置に投入する工程
    を含む、方法。
  46. 第1の臓器型が肺であり、第2の臓器型が肝臓である、請求項45記載の方法。
  47. 第1の臓器チップマイクロ流体装置の生細胞が応答を生じている、請求項45記載の方法。
  48. 応答が炎症応答である、請求項47記載の方法。
  49. 第1の別々の流体体積を第2の臓器チップマイクロ流体装置に投入した後に、第1の臓器チップマイクロ流体装置における応答が、第2の臓器チップマイクロ流体装置の生細胞における応答を引き起こす、請求項47記載の方法。
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