JP6924210B2 - 試料中の標的細胞をエンリッチするシステムおよび方法 - Google Patents

試料中の標的細胞をエンリッチするシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、腫瘍検査および診断検査の分野に関する。より具体的には、本発明の実施形態は、試料から標的細胞をエンリッチおよび同定するシステムおよび方法に関する。
癌細胞は、原発腫瘍から血液を通じて循環腫瘍細胞(CTC)として広がり、遠隔部位を侵して転移性病巣を形成する。他の媒体における癌細胞の広がりまたは蓄積の他の手段としては、胸膜の流出、腹膜液、尿、またはそれらの組み合わせが挙げられる。癌に関連した全ての死のうち90%程度は、遠隔部位への癌の広がりである転移によると考えられる。循環悪性腫瘍細胞は、転移性侵襲に関する情報、および原発腫瘍への分子的洞察、または転移性病巣の予感をもたらす。これらの悪性細胞は、極めて低い周波数で存在し、約1〜10個のCTCが、10億(10)個の血液細胞中で見つけられる。したがって、非常に異質な性質と結び付けられたその希少さにより、臨床モニタリングおよび癌治療のためのCTCの使用は非常に制限されてきた。
CTCをエンリッチする方法の1つは、物理的または機械的性質に基づいた細胞懸濁バッファ中の標的細胞の選別/エンリッチメントを伴う慣性マイクロ流体技術に基づくバイオチップ設計を使用することである。これらの技術は、様々な下流分析技法を用いた悪性腫瘍細胞の首尾よい同定にとってたいていは汚濁物とみなされる試料の標的外の成分を激減させることができる。
マイクロ流体ベースのバイオチップの性能は、ポンピングモジュールの脈動、気泡、および圧力変化などの外部ファクタによって簡単に影響を受け得る。エンリッチメントプラットフォームの場合、圧力の変化および抵抗の変化が、エンリッチメントの品質に影響を及ぼし得る。
本発明の第1の態様によれば、試料中の標的細胞をエンリッチするシステムが提供される。このシステムは、試料入口、試料出口、廃棄物出口、およびマイクロ流体流路を備えるマイクロ流体チップであって、 試料入口はマイクロ流体流路の上流端に結合され、試料出口および廃棄物出口はマイクロ流体流路の下流端に結合され、マイクロ流体チップは標的細胞が試料出口に向けられるとともに非標的細胞が廃棄物出口に向けられるように構成される、マイクロ流体チップと、マイクロ流体チップの試料入口に試料を導入するように構成される試料入力ポンプと、マイクロ流体チップの試料出口および/または廃棄物出口で流量を測定するように構成される出力流量検出器と、マイクロ流体チップの試料出力が試料出力容器に結合されている第1の構成とマイクロ流体チップの試料出力が廃棄物出力容器に結合されている第2の構成との間で切り換え可能な構成を有する試料捕集切換弁と、出力流量検出器によって測定される流量を用いて試料捕集切換弁の構成を制御するように構成されているコントローラと、を備える。
例えば、2出力バイオチップについての標的細胞出力と廃棄物出力との間の流量比率は、エンリッチメントの品質を評価するためのパラメータとして使用することができる。この比率が設定値よりも低い場合、細胞が廃棄物により多く失われるにつれて、標的細胞(悪性腫瘍細胞)の回復は、低下し得る。反対に、この比率が設定値よりも高い場合、標的細胞を用いて捕集される汚れた非標的細胞がより多くなり、したがってエンリッチメントを低下させる。この比率は、出力管抵抗、および開口圧力がよく制御できないので、手動操作中にかなり変わり得る。
一実施形態では、コントローラは、出力流量検出器によって測定される流量を所定の流量値範囲と比較するように構成され、コントローラは、出力流量検出器によって測定される流量が所定の流量値範囲外である場合に、試料捕集切換弁を第2の構成に切り換えるようにさらに構成される。
所定の流量範囲は、所定の流量の10%または5%内の範囲であり得る。
一実施形態では、コントローラは、試料出口と廃棄物出口との間の流量比率を決定するように構成され、流量比率を所定の流量比率範囲と比較し、流量比率が所定の流量比率範囲外である場合に、試料捕集切換弁を第2の構成に切り換えるようにさらに構成される。
一実施形態では、コントローラは、出力流量検出器によって測定される流量とマイクロ流体チップを通じての全流量とから流量比率を決定するように構成されている。
一実施形態では、システムは、試料出口における流量を測定するように構成された第1の出力流量検出器を備え、マイクロ流体チップの廃棄物出口における流量を測定するように構成された第2の出力流量検出器を備え、コントローラは、第1の流量検出器によって測定される第1の流量、および第2の流量検出器によって測定される第2の流量から流量比率を決定するように構成されている。
一実施形態では、試料は、標的細胞が試料中に均一に懸濁されるように選択される密度を有する密度適合液体を含む。
一実施形態では、マイクロ流体チップは、マイクロ流体流路の上流端に結合された希釈剤入口をさらに備え、システムは、希釈剤バッファを希釈剤入口に導入するように構成される希釈剤入口ポンプをさらに備える。
希釈剤バッファは、等張液および/または表面活性剤溶液を含むことができる。希釈剤バッファ中の等張液は、処理中に高い細胞完全性を維持するのを助けることができる。表面活性剤溶液は、細胞が受ける剪断力を減少させることができ、したがって細胞生存率を維持する。
一実施形態では、システムは、希釈剤バッファから気泡を除去するように配置された気泡除去器をさらに備える。
試料は、血液試料を含有することができる。標的細胞は、循環腫瘍細胞であり得る。
一実施形態では、マイクロ流体流路は、螺旋状または曲線状セクションを備える。
本発明の第2の態様によれば、マイクロ流体チップを用いて試料中の標的細胞をエンリッチする方法であって、マイクロ流体チップは、試料入口、試料出口、廃棄物出口、およびマイクロ流体流路を備え、試料入口はマイクロ流体流路の上流端に結合され、試料出口および廃棄物出口はマイクロ流体流路の下流端に結合され、マイクロ流体チップは標的細胞が試料出口に向けられるとともに非標的細胞が廃棄物出口に向けられるように構成される、方法が提供される。方法は、マイクロ流体チップの試料入口に試料を導入するステップと、マイクロ流体チップの試料出口および/または廃棄物出口で流量をモニタするステップと、モニタした流量を用いて試料捕集弁の構成を制御するステップであって、試料捕集切換弁は、マイクロ流体チップの試料出力が試料出力容器に結合されている第1の構成とマイクロ流体チップの試料出力が廃棄物出力容器に結合されている第2の構成との間で切り換え可能な構成を有する、ステップとを含む。
一実施形態では、方法は、マイクロ流体チップの試料入口に試料を導入する前に、密度適合液体中で試料を懸濁させるステップをさらに含み、密度適合液体は、標的細胞が試料中に均一に懸濁されるように選択される密度を有する。
一実施形態では、方法は、マイクロ流体チップの試料入口に試料を導入する前に、試料に対して遠心分離および/または血液溶解を実行するステップをさらに含む。
一実施形態では、方法は、モニタされる流量を所定の流量値範囲と比較し、出力流量検出器によって測定される流量が所定の流量値範囲外である場合に、試料捕集切換弁を第2の構成に切り換えるステップをさらに含む。
所定の流量範囲は、所定の流量の10%または5%内の範囲であり得る。
一実施形態では、方法は、試料出口と廃棄物出口との間の流量比率を決定し、流量比率を所定の流量比率範囲と比較し、流量比率が所定の流量比率範囲外である場合に、試料捕集切換弁を第2の構成に切り換えるステップをさらに含む。
一実施形態では、流量比率を決定するステップは、マイクロ流体チップの試料出口または廃棄物出口の流量とマイクロ流体チップを通じての全流量から流量比率を決定するステップを含む。
一実施形態では、方法は、試料出口で第1の流量を測定し、マイクロ流体チップの廃棄物出口で第2の流量を測定するステップを含み、流量比率を決定することは、 第1の流量および第2の流量から流量比率を決定することを含む。
一実施形態では、マイクロ流体チップは、マイクロ流体流路の上流端に結合された希釈剤入口をさらに備え、方法は、希釈剤バッファを希釈剤入口に導入するステップをさらに含む。
希釈剤バッファは、等張液および/または表面活性剤溶液を含むことができる。
希釈剤バッファ中の等張液は、処理中に高い細胞完全性を維持するのを助けることができる。表面活性剤溶液は、細胞が受ける剪断力を減少させることができ、したがって細胞生存率を維持する。
一実施形態では、方法は、希釈剤バッファを希釈剤入口に導入する前に、希釈剤バッファから気泡を取り除くステップをさらに含む。
試料は、血液試料を含有することができる。標的細胞は、循環腫瘍細胞であり得る。
一実施形態では、マイクロ流体流路は、螺旋状または曲線状セクションを備える。
本発明の一実施形態による試料を分析する方法は、上述した方法を用いて試料中の標的細胞をエンリッチするステップと、エンリッチされた標的細胞を分析するステップと、を含む。
標的細胞の分析は、細胞内および/もしくは細胞外のタンパク質マーカーの検出、細胞および核の形態と構造の分析、ならびに/または次世代シーケンシング(NGS)および/もしくはサンガーシーケンシング、および/もしくはデジタルポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、および/もしくはドロップレットデジタルPCR、定量PCR(qPCR)、および/もしくは蛍光in−situハイブリダイゼーション(FISH)、ならびに/または関心の核酸のコピー数多型による核酸のシーケンシングによる分子特徴付けを含むことができる。
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施形態を非限定の例として説明する。
図1は、悪性腫瘍細胞の非侵襲的な同定および分析の方法を示す流れ図である。 図2A〜2Dは、調製段階中の試料懸濁を示す図である。 図3は、本発明の一実施形態による標的細胞をエンリッチするシステムの概略図である。 図4は、本発明の実施形態と共に使用することができるマイクロ流体チップの一例を示す図である。 図5は、標的細胞の下流分析に使用され得るファクタを示す図である。 図6A及び図6Bは、形態学的ベース及び免疫細胞化学手法を用いた悪性腫瘍細胞の同定を示す図である。 図7A及び図7Bは、FISHベースやPCRベースの手法などの分子ベースの手法を用いた腫瘍細胞の特徴付けを示す図である。 リキッドバイオプシーからエンリッチされる癌細胞が次世代シーケンシングのために処理され得る例を示す図である。 本発明の一実施形態による標的細胞をエンリッチするシステムを示す図である。
本発明の実施形態は、癌患者からの生体液から悪性腫瘍細胞の下流同定および特性評価を可能にする悪性腫瘍細胞のエンリッチメントについての方法に関する。
図1は、悪性腫瘍細胞の非侵襲的な同定および分析の方法を示す流れ図である。図1に示すように、この方法は、調製10、エンリッチメント20、および下流分析30という3つの段階を含む。
一実施形態では、ディーン流れ動態と結び付いた慣性集束原理に基づく癌細胞エンリッチメント20の方法は、細胞の均一な懸濁液を必要とし、この懸濁液は、続いて、自動化システムによって悪性腫瘍細胞と他の細胞を異なる捕集管に流すように処理される。細胞の出力の下流視覚または分子分析30は、細胞が実際に腫瘍形成の性質であるとともに癌の研究または診断の使用に関連する分子情報を提供することを示す腫瘍の特徴を特定するために実行され得る。エンリッチメントプラットフォームは、下流特徴付け技法を癌の分析に適用することができるとともに、癌に関するより多くの情報を集めることができる試料調製方法として扱われ得る。
図1に示すように、調製段階10は、プレエンリッチメント試料処理12と、細胞の再懸濁14とを含む。入力細胞試料は、処理のスループットおよびより高品質の標的細胞エンリッチメントを高めるために、いくつかの成分を激減させるようにプレエンリッチまたは前置フィルタ処理することができる。例えば、遠心分離または赤血球溶血が、人間の抹消血液試料内の赤血球を取り除くように実行することができ、それによって総細胞負荷を低減させるとともに、処理時間を減少させる。セルストレーナは、管または流路を詰まらせ得る、またはチップ内部のフローストリームを邪魔し得るある種の血塊/組織デブリを取り除くために使用され得る。次いで、試料は、ある体積の入力バッファ中で懸濁されるべきである。入力バッファは、細胞が沈殿しないまたは処理中の損失であることを確実にするように密度適合液体からなるべきである。例えば、処理時間がより長く必要とされる場合、図2に示すように、入力バッファの密度は、処理中に細胞がバッファの上層に流れるまたは容器の底への沈降するのを防ぐために、細胞の密度の近くに調整されるべきである。
全血からのCTCエンリッチメントについての実施形態では、以下の試薬が、調製段階10において使用され得る。RBC溶解バッファまたは密度分離液が使用され得る。全血試料は、CTCを含む有核細胞分画を切り離すために、塩化アンモニウムベースの赤血球(RBC)溶解バッファを用いて溶血させられ得る、または密度勾配遠心分離で処理され得る。
エンリッチメント段階20は、試料が選別のためにバイオチップへ装填される試料装填22と、例えば細胞サイズにしたがって細胞を分離するために慣性力を使用することによって試料の細胞が選別される自動細胞選別24と、試料の標的細胞が捕集されるとともに非標的細胞が廃棄物として処分される試料捕集26とを含む。
下流分析段階30は、隔離された標的細胞の同定32および特性評価34と、次いで、同定および特性評価の結果の解釈36とを含む。
図2A〜図2Dは、調製段階における試料懸濁を示す。図2Aに示すように、全ての細胞202は、試料が処理する用意が整っているとき均一に懸濁させられている。次いで、試料は、ある体積の入力バッファ内で再懸濁させられる。この入力バッファの密度は、密度適合液体を用いて制御される。
図2Bに示すように、細胞202の密度が周囲バッファ204の密度よりも低く、それによって細胞202が処理中に浮力によって浮き上がる場合、懸濁密度の均一性は失われる。図2Cに示すように、細胞202の密度が周囲バッファ206の密度よりも高く、それによって細胞が処理中に沈殿する場合、懸濁密度の均一性は失われる。
図2Dは、バッファの密度が細胞に適合している試料を示す。図2Dに示すように、細胞202は、処理ステージ全体の最中に密度整合バッファ208を用いて均一に懸濁される。
上述したように、沈殿作用による最小の細胞の損失を確実にするために、入力細胞試料バッファを使用して入力細胞試料を懸濁する。入力細胞試料バッファは、入力細胞を中性的に浮力のあるように維持し、入力細胞が長期にわたって処理されることを可能にする密度および粘性が整合した溶液からなる。
図3は、本発明の一実施形態による標的細胞をエンリッチするシステムの概略図である。システム300は、マイクロ流体チップ310を備える。マイクロ流体チップ310は、カートリッジ内に収容され、慣性力を用いて細胞のサイズに応じて細胞を分離する少なくとも1つのマイクロ流体流路を備える。マイクロ流体チップ310は、慣性力およびディーン流れ(ディーンサイクル)の助けにより細胞のサイズおよび形態と構造に基づいて標的悪性腫瘍細胞をエンリッチすることができる。マイクロ流体チップの一例は、図4を参照して以下により詳細に説明される。
システム300は、試料322を収容する試料容器320をさらに備える。試料322 は、入力バッファ中に懸濁される標的細胞を含む。図3に示した実施形態では、試料322は、2つのタイプの標的細胞、すなわち、第1の標的細胞324および第2の標的細胞326を含む。試料ポンプモジュール328は、試料容器320からマイクロ流体チップ310の試料入口312に試料322を一定の流量で供給するように構成されている。
入力細胞試料322は、処理のスループットおよびより高品質の標的細胞エンリッチメントを高めるために、いくつかの成分を激減させるようにプレエンリッチまたは前置フィルタ処理することができる。例えば、遠心分離または赤血球溶血が、人間の抹消血液試料内の赤血球を取り除くように実行することができ、それによって総細胞負荷を低減させるとともに、処理時間を減少させる。セルストレーナは、管または流路を詰まらせ得る、またはチップ内部のフローストリームを邪魔し得るある種の血塊/組織デブリを取り除くために使用され得る。次いで、試料は、ある体積の入力バッファ中で懸濁されるべきである。入力バッファは、細胞が沈殿しないまたは処理中の損失であることを確実にするように密度適合液体からなるべきである。図2を参照して上述したように、例えば、処理時間がより長く必要とされる場合、入力バッファの密度は、処理中に細胞がバッファの上層に流れるまたは容器の底への沈降するのを防ぐために、細胞の密度の近くに調整されるべきである。
システム300は、希釈剤バッファ液332を収容する希釈剤バッファ容器330をさらに備える。希釈剤バッファポンプモジュール334は、希釈剤バッファ容器330からマイクロ流体チップ310の希釈剤バッファ入口314に希釈剤バッファ液332を一定の流量で供給するように構成されている。
図3に示した実施形態では、マイクロ流体チップ310は、3つの出力、すなわち、第1の試料出口316と、第2の試料出口317と、廃棄物出口318とを有する。システム300は、3つの出力容器、すなわち、第1の試料出力容器340と、第2の試料出力容器350と、廃棄物出力容器360とをさらに備える。マイクロ流体チップ310の第1の試料出口316は、第1の捕集弁342に結合されている。第1の捕集弁342は、第1の試料出口からの出力が、第1の試料出力容器340に結合された第1の試料出力ブランチ344に接続されるか、廃棄物出力容器360に結合された廃棄物出力ブランチ362に接続されるかのどちらかを制御するように構成されている。マイクロ流体チップ310の第2の試料出口317は、第2の捕集弁352に結合されている。第2の捕集弁352は、第2の試料出口317からの出力が、第2の試料出力容器350に結合された第2の試料出力ブランチ354に結合されるか、廃棄物出力容器360に結合された廃棄物出力ブランチ362に結合されるかのどちらかを制御するように構成されている。マイクロ流体チップ310の廃棄物出口318は、廃棄物出力ブランチ362に結合されている。
コントローラ370は、第1の比率および第2の比率を監視するように構成されている。第1の比率は、第1の試料出口316からの流量の、廃棄物出口318からの流量に対する比率である。第2の比率は、第2の試料出口317からの流量の、廃棄物出口318からの流量に対する比率である。コントローラ370は、第1の規則にしたがって第1の比率を用いて第1の捕集弁342を制御するように構成されている。第1の規則は、以下の通りとすることができ、すなわち、第1の比率が第1の値範囲内である場合、第1の試料出力ブランチ344を介して第1の試料出口316からの流れを第1の試料出力容器340に向け、第1の比率が第1の値範囲外である場合、廃棄物出力ブランチ362を介して第1の試料出口316からの流れを廃棄物出力容器360に向ける。コントローラ370は、第2の規則にしたがって第2の比率を用いて第2の捕集弁352を制御するように構成されている。第2の規則は、以下の通りとすることができ、すなわち、第2の比率が第2の値範囲内である場合、第2の試料出力ブランチ354を介して第2の試料出口317からの流れを第2の試料出力容器350に向け、第2の比率が第2の値範囲外である場合、廃棄物出力ブランチ362を介して第2の試料出口317からの流れを廃棄物出力容器360に向ける。
システム300の動作は、以下の通りである。試料が調製されると、試料ポンピングモジュール328が、細胞懸濁試料をマイクロ流体チップ310へ供給する。何らかの希釈剤バッファ液330が必要とされる場合、希釈剤バッファポンプモジュール324は、希釈剤バッファ液体を所定の流量で供給し、マイクロ流体チップ内部の流量は、平衡を保つように許可される。
コントローラ370は、入力流量を制御する。上記で説明したように、コントローラ370は、規則にしたがって第1の試料捕集弁342、および第2の試料捕集弁352も制御する。これらの規則は、第1の試料出口の流れの、廃棄物出口の流れに対する比率、および第2の試料出口の流れの、廃棄物出口の流れに対する比率に基づいている。これらの比率の一方が規則によって設定される範囲外である場合、コントローラ370は、第1の試料捕集弁342または第2の試料捕集弁352に、第1の試料出口316および/または第2の試料出口317からの流れを廃棄物出力ブランチ362へ切り換えさせる。流量比率が規則によって設定される範囲外であるとき、これは、マイクロ流体チップ310中のデブリまたは気泡によって引き起こされ得る異常が存在することを示す。そのような異常は、マイクロ流体チップ310による標的細胞の分離を妨げ、したがって出力は、流量比率が異常である間、廃棄物出力容器360へ切り換えられる。試料出力および廃棄物出力ブランチの抵抗を制御する(これらのブランチ間の等しい圧力降下を確実にする)ことによって、流量比率を一定にすることができる。抵抗は、試料出口および廃棄物出口を結合する経路(図4の124および128)、ならびに試料出力ブランチおよび廃棄物出力ブランチにおけるシステム内の管の寸法を設計することによって抵抗をマイクロ流体チップに設計することで設定することができる。
図3に示した実施形態では、マイクロ流体チップ310は、1つの試料入口312と、1つの希釈剤バッファ入口314と、2つの試料出口316、317と、1つの廃棄物出口318とを有する。入口および出口の個数の変更がなされてもよいことを理解されたい。例えば、実施形態は、試料入口を有するとともに希釈剤バッファ入口を有さないことが予見される。さらに、実施形態は、単一の試料出口または複数の試料出口を含むこともできる。ポンピングモジュールおよび試料捕集弁の個数は、マイクロ流体チップに関する入口および出口の個数にしたがって変更される。
図4は、本発明の実施形態と共に使用することができるマイクロ流体チップの一例を示す。図4に示したマイクロ流体チップは、1つの試料入口と、1つの希釈剤バッファ入口と、1つの試料出口と、1つの廃棄物出口とを有することに留意されたい。
図4は、本発明の実施形態と共に使用することができる国際特許出願PCT/SG2013/000442(WO2015/057159として公開済み)に記載されたバイオチップ設計の概略図を示す。マイクロ流体デバイス100は、螺旋状曲線マイクロ流路110を備える。試料入口S112および希釈剤バッファ入口B114は、螺旋状曲線マイクロ流路110の中央領域に位置する。試料入口結合経路116は、試料入口を螺旋状曲線マイクロ流路110に結合する。バッファ入口結合経路118は、希釈剤バッファ入口114を螺旋状曲線マイクロ流路110に結合する。試料入口結合経路116および希釈剤バッファ入口結合経路118は、螺旋状曲線マイクロ流路110の上流端における合流点120で連結する。螺旋状曲線マイクロ流路110の下流端には、二叉分岐122が存在し、ここで流路は、試料出口結合経路124と廃棄物出口結合経路に分かれる。試料出口結合経路124は、試料出口S126に接続されているとともに、 廃棄物出口結合経路128は、廃棄物出口W130に接続されている。試料は、流路湾曲部の外側から螺旋状曲線マイクロ流路110に導入される。細胞は、希釈剤バッファの助けにより外側流路壁に並ぶ。曲線状螺旋マイクロ流路110は、CTCなどの大きい細胞をWBCおよびRBCなどの小さい細胞から分離するように構成されている。曲線状螺旋マイクロ流路110の寸法は、より小さい細胞がディーン力の影響下で流路を横切って移動する一方、大きい細胞が集中して単一の平衡位置を占めるようになされるように選択される。これは、ディーンサイクルの半分の後に、大きい細胞と小さい細胞の両方が流路の内側を占めることを意味する。曲線状セクションの端部までの長さは、より小さい細胞が1ディーンサイクルを終えているように選択される。したがって、曲線状セクションの端部において、より小さい細胞は、1ディーンサイクルを終了しており、流路の外側に移動していることになる。したがって、二叉分岐122において、より大きいCTCは、内側流路壁に集められ、試料出口126から捕集されるのに対して、より小さい細胞は、外側流路壁で分離流にあり、廃棄物出口130から出て行く。
図5は、標的細胞の下流分析に使用され得るファクタを示す。標的細胞は、CTCなどの癌細胞であり得る。典型的には、癌細胞は、正常な細胞とは異なるサイズおよび形態と構造を示す。したがって、下流分析に使用されるファクタの1つは、細胞のサイズおよび形態と構造510である。体細胞一塩基突然変異、構造多型、および染色体融合などの遺伝子異常は、癌細胞においてはっきり見える。癌細胞の遺伝子およびタンパク質発現プロファイルは、その組織起源および悪性度に応じて、他の細胞タイプとはやはり異なる。癌細胞のこれらの異なった特徴に基づいて、試料出力容器内に捕集される細胞の下流分析は、癌細胞およびその分子プロファイルを同定するように実行され得る。
図5に示すように、細胞内530または膜表面上560のタンパク質マーカーの免疫染色520は、細胞のタイプまたは特徴を特定するために特定の標的タンパク質の発現を視覚的に評価するように実行され得る。核染色は、核酸蛍光標識化によって実行され、視覚的に観察することができる。核酸の分子特徴付けは、次世代シーケンシング(NGS)またはサンガーシーケンシング、デジタルポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、ドロップレットデジタルPCR、定量PCR(qPCR)、および蛍光in−situハイブリダイゼーション(FISH)による核酸のシーケンシングによって行うことができ、関心の核酸のコピー数は、これらの方法によって推測することもできる。循環腫瘍細胞の形態学的分析は、細胞510およびその核540のサイズおよび形状に基づいて実行することができる。
図6Aおよび図6Bは、形態学的ベースの手法および免疫細胞化学手法を用いた悪性腫瘍細胞の同定を示す。図6Aは、背景に対して細胞のコントラストを高め、悪性細胞の直接視覚化および同定を可能にするパパニコロウ染色法、ヘマトキシリン・エオジン(H&E)、およびギムザ染色(Geimsa staining)などの形態学的ベースの手法を示す。
図6Bは、陰性マーカーとしてCD45抗体、および腫瘍細胞の陽性同定のための抗体カクテル(サイトケラチン8,18,19、EpCAM、CD133、TTF−1、Napsin、EGFRなど)を用いた使用などの免疫細胞化学の使用の例を示す。図6Bでは、循環腫瘍細胞は、核酸マーカー−DAPI、上皮マーカー−サイトケラチン8,18,19、および免疫チェックポイント回避マーカー−PD−L1について陽性に標識化され、一方、リンパ球マーカー−CD45について陰性に標識化される。
図7Aおよび図7Bは、それぞれ、FISHおよびPCRベースの手法などの分子ベースの手法を用いた腫瘍細胞の特徴付けを示す。
図7Aに示すように、染色体異常のFISH検出は、染色体増幅、多倍数性、異数性(左)、および遺伝子融合(右)などの遺伝子異常がしばしば存在する腫瘍細胞を同定するように実行することができる。
図7Bは、点突然変異の検出を示す。左のパネルは、腫瘍細胞のサンガーシーケンシングを用いてKRAS腫瘍遺伝子における点突然変異(矢印で示されるピーク)の検出を示す。右のパネルは、アレル特異的ベースのqPCRアッセイを用いてEGFR L858R突然変異の蛍光検出を示す。
図8は、リキッドバイオプシーからエンリッチされる癌細胞が次世代シーケンシングのために処理され得る例を示す。工程802において、リキッドバイオプシーが行われる。工程804において、癌細胞は、本明細書に記載されるようなエンリッチメントシステムを用いてエンリッチされる。これにより、エンリッチされた癌細胞806を用意する。癌細胞エンリッチメント後に、核酸抽出が、ピュアDNAまたはRNAを得るために工程808において実行できる。工程812において、核酸標的領域は、適切なシーケンシングライブラリキットを用いて増幅またはエンリッチすることができる。これは、増幅された標的DNAまたはRNAライブラリ814という結果になる。工程816において、シーケンシングライブラリテンプレートは、適切なシーケンサ上でさらにエンリッチおよび配列決定されてもよい。シーケンシング結果818は、(一塩基または構造の)突然変異、コピー数多型、遺伝子発現、およびスプライスバリアント822を含む任意の遺伝子パターンまたはトランスクリプトームパターンを見つけるために、工程820において分析される。
上述したように、視覚的および分子プロファイリングは、転移のリスク、予後、個別の治療決定をとる治療目標などの疾病情報を推測するために解釈することができる。例えば、FISHによって検出されるALKの染色体転位、サンガーシーケンシングによって検出されるKRAS突然変異、およびEGFR L858RのqPCR検出は、特定のアンタゴニストについての治療目標をもたらす。エンリッチされた癌細胞の次世代シーケンシングは、癌の病因に関連し得る突然変異、コピー数の変化、遺伝子発現の変化、またはRNAスプライスバリアントの検出に役立ち得る。加えて、CTCの分子プロファイリングは、治療戦略および新規なバイオマーカーの発見のために、転移および癌進行の進展および機構への研究およびより良い理解を可能にする。
図9は、本発明の一実施形態による標的細胞をエンリッチするシステムを示す。システム900は、マイクロ流体チップ910を備える。マイクロ流体チップ910は、図4に関連して上述した形態であり得る。マイクロ流体チップ910は、試料入口912と、希釈剤バッファ入口914と、試料出口916と、廃棄物出口918とを有する。チップインタフェース911は、マイクロ流体チップ910とマイクロ流体チップの入口および出口と流体連通している管との間の漏れ止めシールを用いて結合を与える。
試料容器920は、エンリッチされる標的細胞を含む試料液を収容する。本実施形態においてシリンジである試料入力ポンプ928は、入力ポンプ切換弁IPV923を介して試料容器920に結合されている。シリンジは、コントローラ970によって制御されるシリンジポンプに取り付けることができる。試料入力ポンプ928は、入力細胞試料を外部容器からエンリッチメントプラットフォームに吸い込み、マイクロ流体チップを通じてポンピングするように構成されている。入力ポンプ切換弁IPV923は、入力細胞試料容器920とマイクロ流体チップ910の試料入口912との間で切り換わるように構成されている。管T9aは、試料容器920と入力ポンプ切換弁IPV923を接続する。入力検出器921は、管T9aに配置されている。入力検出器921の目的は、何らかの空気または空気の気泡が試料入力ポンプ928に入るのを防ぐことである。空気の気泡は、多くのマイクロ流体チップの動作にとって破滅的であり得、流体流ラインを途絶させることによって分離品質に悪影響を及ぼし得る。したがって、空気が流体ネットワークに入らないことを確実にすることが重要である。
管T8は、試料入力ポンプ928を入力ポンプ切換弁IPV923に接続する。入力圧力変換器925は、管T8に位置する。入力圧力変換器925は、試料入力ポンプ928が所望の速度でポンピングしていることを確実にするためにポンピング中に入力ポンプ圧力を測定する圧力変換器である。管T7は、入力ポンプ切換弁IPV923をマイクロ流体チップ910の試料入口912に接続する。
希釈剤容器930は、希釈剤バッファ液を収容する。希釈剤バッファは、処理中に高い細胞完全性を維持するために等張液を含む。希釈剤バッファは、細胞が受ける剪断を低減し、生存率を保つために表面活性剤溶液と共に補足することもできる。マイクロ流体チップの小さい寸法により、これらのチップ内の剪断速度は、 とても高くなり得、細胞完全性(細胞は膨らむことができ)、および生存率(細胞の死)に悪影響を及ぼし得る。これらの剪断の影響を最小限にするために、希釈剤バッファおよび入力細胞試料バッファが、「細胞クッション材」の効果を提供するとともに細胞を無傷に保つ表面活性剤を含む。
本実施形態においてシリンジである希釈剤ポンプ934は、希釈剤ポンプ切換弁DPV933を介して希釈剤容器930に結合されている。希釈剤ポンプ934は、希釈剤バッファ液を希釈剤容器930からエンリッチメント プラットフォームに吸い込んでポンピングし、マイクロ流体チップ910を通じてポンピングするように構成されている。希釈剤ポンプ切換弁DPV933は、マイクロ流体チップ910の希釈剤容器930と希釈剤入口 914との間で切り換わるように構成されている。管T6aは、希釈剤容器930と希釈剤ポンプ切換弁DPV933を接続する。希釈剤検出器931は、管T6aに位置する。希釈剤検出器931は、何らかの空気または空気の気泡が希釈剤ポンプに入るのを防ぐ。空気の気泡は、多くのマイクロ流体チップの動作にとって破滅的であり得、流体流ラインを途絶させることによって分離品質に悪影響を及ぼし得る。したがって、空気が流体ネットワークに入らないことを確実にすることが重要である。希釈剤検出器931は、液体検出センサである。希釈剤検出器931が、管T6aを流れる希釈剤を検出しない(すなわち、センサが起動される)場合、コントローラ970は、希釈剤容器930を希釈剤で補充する/入れ替えるようにユーザにメッセージを送信する。
管T5は、希釈剤ポンプ切換弁DPV933と希釈剤ポンプ924を接続する。希釈剤圧力変換器935は、管T5に位置する。希釈剤圧力変換器935は、希釈剤ポンプ924が所望の速度でポンピングしていることを確実にするためにポンピング中に希釈剤バッファ圧力を測定する圧力変換器である。
管T4は、希釈剤ポンプ切換弁DPV933を気泡除去器937に接続する。管T2は、気泡除去器937を逆止弁CV939に接続する。管T1は、逆止弁CV939をマイクロ流体チップ910の希釈剤入口914に接続する。希釈剤検出器931は、閾値限界を有し、これよりも上で、それは、空気の気泡を検出し、警告をトリガすることができる。しかしながら、より小さい気泡は、希釈剤検出器931を起動させることなくない通過することができる。次いで、これらの気泡は、気泡除去器937によって取り除くことができ、気泡除去器937は、空気の逃させる空気透過性膜を備えることができ、これによって空気の気泡を取り除く。別の実施形態では、気泡除去器937は、空気の気泡を希釈剤バッファから吸い出すために真空ポンプを備えてもよい。
マイクロ流体チップ910の試料出口916は、管T11によって出力切換弁OPV942に接続されている。出力切換弁OPV942は、CTC試料捕集容器940と廃棄物容器960との間で試料出口916の出力を切り換えるように構成されている。管T10は、出力切換弁OPV942の出力の一方をCTC試料捕集容器940に接続する。管T12は、出力切換弁OPV942の他方の出力を接続し、廃棄物出力ブランチ962の一部を形成する。廃棄物出力ブランチ962は、マイクロ流体チップ910の廃棄物出口918を接続する管T13aをさらに備える。管T13bは、出力切換弁OPV942から延びる管T12およびマイクロ流体チップ910の廃棄物出口918から延びる管T13aを流量センサ961と接続する。さらなる管T14aは、流量センサ961から廃棄物容器960まで延びる。
流量センサ961は、T11とT13aとの間の流量比率が分離段階中に獲得できることを確実にするために、出力側で流量をモニタする。例えば、2出力のバイオチップについての標的細胞出力と廃棄物出力との間の流量比率は、したがって、エンリッチメントの品質を評価するためのパラメータとして使用されている。この比率が設定値よりも低い場合、細胞が廃棄物により多く失われるにつれて、標的細胞(悪性腫瘍細胞)の回復は、低下し得る。反対に、この比率が設定値よりも高い場合、標的細胞を用いて捕集される汚れた非標的細胞がより多くなり、したがってエンリッチメントを低下させる。この比率は、出力管抵抗、および開口圧力がよく制御できないので、手動操作中にかなり変わり得る。
コントローラ970は、流量センサ961の出力をモニタし、出力切換弁OPV942を制御する。したがって、出力切換弁OPV942は、CTC試料容器940と廃棄物容器960との間でマイクロ流体チップ910の試料出口916の切り換えを行う。出力切換弁OPV942は流量センサ961と共に、信頼できるエンリッチメントを実現するのを助ける。例えば、T11とT13aとの間の流量比率が所望の範囲から出ている場合、この弁は切り換えることができ、T11からの全出力を廃棄物へ向け、それによってエンリッチされたCTC試料の品質を損なわない。流量比率が所望の範囲内に戻ると、OPVは、逆に切り換わり、エンリッチされた標的(CTC)細胞をCTC容器内に捕集することができる。
新しい入力細胞試料がこの自動エンリッチメントプラットフォームに装填されるとき、コントローラ970は、以下のようにプロセスを制御することができる。ユーザは、入力試料およびマイクロ流体チップに基づいて所望の実行プロトコルを選択することができる。 開始されると、コントローラ970は、希釈剤ポンプ切換弁DPV933が希釈剤バッファ容器930に切り換わり、希釈剤ポンプ934がこの試料を処理するのに必要な希釈剤バッファを吸い込むのを制御する。同様に、コントローラ970は、入力ポンプ切換弁IPV923が切り換わり、入力ポンプ928が入力容器920から入力細胞試料を吸い込むのを制御する。2つのポンプが適切な量の希釈剤バッファおよび試料を吸い込むと、希釈剤ポンプ切換弁DPV933および入力ポンプ切換弁IPV923は、チップインタフェース911を介してポンプをマイクロ流体チップ910に切り換えて接続するために、コントローラ970によって制御される。
試料および希釈剤バッファがマイクロ流体チップ910を通じて流れるとき、標的細胞(CTC)は、慣性力およびディーン流れを用いて残りの細胞から分離される。次いで、標的細胞は、試料出口916および管T11に向けられ、CTC試料容器940内に捕集され、一方、非標的細胞は、廃棄物出力ブランチ962を介して廃棄物容器960内に捕集される。流量センサ961は、所定の流量比率が実現されていることを確実にするために、分離プロセス全体にわたって流量をモニタする。マイクロ流体チップ910を通じての全流量が、入力ポンプ928および希釈剤ポンプ934を制御するコントローラ970によって制御されるとき、廃棄物出力ブランチを通じての流量を測定することによって、流量比率を計算することができる。任意の例において、所定の流量比率からの偏差が検出される場合、コントローラ970は、流れ変動期間中にCTC試料容器940内で出力が収集されないことを確実にするために、出力切換弁OPV942にその出力を廃棄物出力ブランチ962に切り換えさせる。マイクロ流体チップ内の流れが再安定すると、出力切換弁OPV942は、コントローラ970を逆に切り換えてマイクロ流体チップ910の試料出口916から CTC試料容器940へ出力することによって制御される。許容範囲外の大きい流れの変動は、分離品質に悪影響を及ぼし得る。許容可能な流量変動の範囲は、961において測定される流量について、例えば5%または10%の割合であり得る。
一実施形態では、システムは、マイクロ流体チップ910の試料出口916を出力切換弁OPV942に接続する管T11に配置されている第2の流量センサを備える。
当業者は、形態および細部の様々な修正および変更が、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態になされてもよいことを理解するであろう。

Claims (27)

  1. 試料中の標的細胞をエンリッチするシステムであって、
    試料入口、試料出口、廃棄物出口、およびマイクロ流体流路を備えるマイクロ流体チップであって、前記試料入口は前記マイクロ流体流路の上流端に結合され、前記試料出口および前記廃棄物出口は前記マイクロ流体流路の下流端に結合され、前記マイクロ流体チップは標的細胞が前記試料出口に向けられるとともに非標的細胞が前記廃棄物出口に向けられるように構成される、マイクロ流体チップと、
    前記マイクロ流体チップの前記試料入口に前記試料を導入するように構成される試料入力ポンプと、
    前記マイクロ流体チップの前記試料出口または前記廃棄物出口で流量を測定するように構成される第1の出力流量検出器と、
    前記マイクロ流体チップの試料出力が試料出力容器に結合されている第1の構成と前記マイクロ流体チップの前記試料出力が廃棄物出力容器に結合されている第2の構成との間で切り換え可能な構成を有する試料捕集切換弁と、
    前記第1の出力流量検出器によって測定される前記流量を用いて前記試料捕集切換弁の前記構成を制御するように構成されるコントローラであって、前記試料出口と前記廃棄物出口との間の流量比率を決定するように構成されるとともに、前記流量比率を所定の流量比率範囲と比較し、前記流量比率が前記所定の流量比率範囲外である場合に、前記試料捕集切換弁を前記第2の構成へ切り換えるようにさらに構成される、コントローラと、
    備えるシステム。
  2. 前記コントローラは、前記第1の出力流量検出器によって測定される前記流量を所定の流量値範囲と比較するように構成され、前記コントローラは、前記第1の出力流量検出器によって測定される前記流量が前記所定の流量値範囲外である場合に、前記試料捕集切換弁を前記第2の構成に切り換えるようにさらに構成される、請求項1に記載のシステム。
  3. 前記コントローラは、前記第1の出力流量検出器によって測定される前記流量と前記マイクロ流体チップを通じての全流量とから前記流量比率を決定するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
  4. 前記第1の出力流量検出器は前記廃棄物出口における流量を測定するように構成され、さらに前記システムは、前記マイクロ流体チップの前記試料出口における流量を測定するように構成された第の出力流量検出器と、を備え、前記コントローラは、前記第1の出力流量検出器によって測定される前記廃棄物出口における前記流量、および前記第2の出力流量検出器によって測定される前記試料出口における前記流量から前記流量比率を決定するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
  5. 前記試料は、処理中に前記標的細胞が前記試料中に均一に懸濁されるように選択される密度を有する密度適合液体を含む、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のシステム。
  6. 前記マイクロ流体チップは、さらに、前記マイクロ流体流路の上流端に結合された希釈剤入口を含み、前記システムは、さらに、希釈剤バッファを前記希釈剤入口に導入する希釈剤入口ポンプを含む、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のシステム。
  7. 前記希釈剤バッファは、等張液を含む、請求項に記載のシステム。
  8. 前記希釈剤バッファは、表面活性剤溶液を含む、請求項6又は請求項に記載のシステム。
  9. さらに、前記希釈剤バッファから気泡を除去するように配置された気泡除去器を含む、請求項6〜請求項8のいずれか一項に記載のシステム。
  10. 前記試料は、血液試料または血液成分を含有する、請求項1〜請求項のいずれか一項に記載のシステム。
  11. 前記標的細胞は、循環腫瘍細胞である、請求項1〜請求項10までのいずれか一項に記載のシステム。
  12. 前記マイクロ流体流路は、螺旋状または曲線状セクションを備える、請求項1〜請求項11までのいずれか一項に記載のシステム。
  13. マイクロ流体チップを用いて試料中の標的細胞をエンリッチする方法であって、前記マイクロ流体チップは、試料入口、試料出口、廃棄物出口、およびマイクロ流体流路を備え、前記試料入口は前記マイクロ流体流路の上流端に結合され、前記試料出口および前記廃棄物出口は前記マイクロ流体流路の下流端に結合され、前記マイクロ流体チップは標的細胞が前記試料出口に向けられるとともに非標的細胞が前記廃棄物出口に向けられるように構成されており、
    前記マイクロ流体チップの前記試料入口に前記試料を導入するステップと、
    前記マイクロ流体チップの前記試料出口または前記廃棄物出口で流量をモニタするステップと、
    モニタした前記流量を用いて試料捕集切換弁の前記構成を制御するステップであって、前記試料捕集切換弁は、前記マイクロ流体チップの試料出力が試料出力容器に結合されている第1の構成と前記マイクロ流体チップの前記試料出力が廃棄物出力容器に結合されている第2の構成との間で切り換え可能な構成を有する、ステップと、
    前記試料出口と前記廃棄物出口との間の流量比率を決定し、前記流量比率を所定の流量比率範囲と比較し、前記流量比率が前記所定の流量比率範囲外である場合に、前記試料捕集切換弁を前記第2の構成に切り換えるステップである、ステップと
    含む方法。
  14. 前記マイクロ流体チップの前記試料入口に前記試料を導入する前に、密度適合液体中で前記試料を懸濁させるステップをさらに含み、前記密度適合液体は、処理中に前記標的細胞が前記試料中に均一に懸濁されるように選択される密度を有する、請求項13に記載の方法。
  15. 前記マイクロ流体チップの前記試料入口に前記試料を導入する前に、前記試料に対して遠心分離および/または血液溶解を実行するステップをさらに含む、請求項13または請求項14に記載の方法。
  16. 前記モニタした前記流量を所定の流量値範囲と比較し、前記モニタした前記流量が前記所定の流量値範囲外である場合に、前記試料捕集切換弁を前記第2の構成に切り換えるステップをさらに含む、請求項13〜請求項15のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記流量比率を決定するステップは、前記モニタした前記流量と前記マイクロ流体チップを通じての全流量から前記流量比率を決定することを含む、請求項13に記載の方法。
  18. 前記モニタした前記流量が前記マイクロ流体チップの前記廃棄物出口における流量であって、前記方法は、さらに、前記試料出口における流量を測定するステップを含み、前記流量比率を決定するステップは、前記モニタしたした流量および前記測定した前記試料出口における前記流量から前記流量比率を決定するステップを含む、請求項13に記載の方法。
  19. 前記マイクロ流体チップは、さらに、前記マイクロ流体流路の上流端に結合された希釈剤入口を含み、前記方法は、さらに、希釈剤バッファを前記希釈剤入口に導入する工程を含む、請求項13〜請求項18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記希釈剤バッファは、等張液を含む、請求項19に記載の方法。
  21. 前記希釈剤バッファは、表面活性剤溶液を含む、請求項19又は請求項20に記載の方法。
  22. さらに、前記希釈剤バッファを前記希釈剤入口に導入する前に前記希釈剤バッファから気泡を除去する工程を含む、請求項19〜請求項21のいずれか一項に記載の方法。
  23. 前記試料は、血液試料または血液成分を含有する、請求項13〜請求項22のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記標的細胞は、循環腫瘍細胞である、請求項13〜請求項23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 前記マイクロ流体流路は、螺旋状または曲線状セクションを備える、請求項13〜請求項24のいずれか一項に記載の方法。
  26. 試料を分析する方法であって、
    請求項13〜請求項25のいずれか一項に記載の方法を用いて前記試料中の標的細胞をエンリッチするステップと、
    診断用途のためにエンリッチされた前記標的細胞を分析するステップと、を含む方法。
  27. 診断用途のためにエンリッチされた前記標的細胞を分析するステップは、細胞内および/または細胞外のタンパク質マーカーの検出、細胞および核の形態と構造の分析、ならびに/または次世代シーケンシング(NGS)および/またはサンガーシーケンシング、および/もしくはデジタルポリメラーゼ連鎖反応(PCR)、および/もしくはドロップレットデジタルPCR、定量PCR(qPCR)、および/もしくは蛍光in−situハイブリダイゼーション(FISH)、ならびに/または関心の核酸のコピー数多型による核酸のシーケンシングによる分子特徴付けを含む、請求項26に記載の方法。
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