JP7214244B2 - 細胞の特徴付けを行うためのマイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本実施形態は、一般に、マイクロ流体デバイスに関し、特に、細胞を特徴付けるのに有用なそのようなマイクロ流体デバイスに関する。

増加し続ける抗生物質耐性菌の出現および蔓延に伴い、感染の正しい治療における重要な要素は、適切な治療を選択するために感染の原因を迅速かつ確実に特定する能力である。細菌が検出された場合、有効な抗生物質の使用を確実にし広域薬物の必要性を低下させるために、感染種およびその抗生物質感受性プロファイルを特定することが重要である。現在、抗生物質に対する細菌性病原体の耐性は、抗生物質の非存在下および存在下での表現型解析により、または以前に観察された表現型耐性と相関する遺伝子マーカーの遺伝子型解析により検出されている。

表現型抗生物質感受性試験（ＡＳＴ）は典型的には、液体培養中または固形寒天プレート上で抗生物質を含む場合と含まない場合との細菌成長の差異の検出に基づいて行われる。液体試験では、検出は光学密度の変化に基づいて行われ、一方でディスク拡散法は、固形寒天プレートで使用されて阻害域を特定する。これらの方法は一般に、耐性を検出することおよび細菌の成長を停止させる抗生物質濃度を決定することに関して信頼性が高く、このため、様々な抗生物質の治療的有用性を予測できる。しかし、信頼性の高い読み取り値を取得するのに１～２日を要するため、これらの方法は、しばしばある重要な初期感染段階で患者をどのように治療するかに関する情報を与えられない。その結果、医師には、広域抗生物質を処方するか、または最初に処方した抗生物質が有効でないというリスクを冒すという困難な選択が任せられる。

遺伝子型ＡＳＴは、一般的な遺伝的ツール、例えば、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）による配列特異的増幅、南京錠プローブを介したローリングサークル増幅（ＲＣＡ）、または全ゲノムシーケンスを用いることによる、耐性表現型に関連するプラスミド、遺伝子、突然変異などの特定の遺伝的マーカーの検出に基づいて行われる。これらの試験は、非常に感度が高く、検出時間を、選択したＤＮＡ配列を検出可能なレベルに増幅するのに必要な時間に制限できる。しかし、それらは、試験を行う耐性マーカーについての事前の知識を必要とする。新しい耐性メカニズムが生じた場合、これらは検出されることなく、偽陰性をもたらす。さらに、ある耐性遺伝子および／または変異の存在は、必ずしも表現型耐性に変換されるわけではない。

遺伝子型のＡＳＴとは異なり、表現型のＡＳＴは、抗生物質が細菌の成長を停めるか否かを直接評価し、これは治療を行う医師にとって最も重要な指標である。新しい表現型のＡＳＴがしたがって、検出時間を短縮するために、近年開発されている。

光学密度を測定する代わりに液体培養物中の１６Ｓ ｒＲＮＡの相対的な存在量を検出することにより、ＡＳＴ検出時間を数時間に短縮できる。同様に、成長量を減少させることおよび、ｚスタックイメージングを適用して細胞占有率を計算することにより、ＡＳＴの検出時間は約１００分に短縮された。過去数年間にわたり、マイクロ流体力学は、微生物の単一細胞操作および観察に革命をもたらし、ＡＳＴの有益な方向は、マイクロ流体力学を使用して細菌の培養チャンバーを小型化し、シグナル対バックグラウンドの比を高めることである。単純なマイクロ流体ベースのＡＳＴ法の近年の一例は、濃度勾配を作り出し、それを３０ｎＬチャンバー内の小細胞培養に適用する。６０分ごとに撮影された画像の分析は、１８０分で最小発育阻止濃度（ＭＩＣ）の検出を可能にする［１］。

効果的なマイクロ流体力学ベースのＡＳＴを作り出す上での１つの制限は、マイクロ流体デバイスへの細胞の捕捉または添加が困難であることである。１つの解決法は、液体アガロースと混合されたバクテリア液体培養物を添加することであり、これは、冷却時に固化し、細菌を捕捉する。このアプローチでは、抗生物質のマイクロ流体アガロースチャネル（ＭＡＣ）への送達は拡散に依存し、典型的には１～４時間の高速ＡＳＴが、位相差画像から単一細胞の成長率を追跡することにより達成される。別の解決法は、９６ウェルチップにＭＡＣを移動させることおよびそれを単一細胞形態学的分析（ＳＣＭＡ）と組み合わせることによる、ＭＡＣの奏功の上に成り立つ。この方法は、様々な抗生物質に対する複数の種の様々な反応を同時に識別でき、メチシリン耐性黄色ブドウ球菌を６０～１２０分以内に検出できた。

細胞の表現型の特徴付けに使用できるマイクロ流体デバイスが開発された［２］。マイクロ流体デバイスは、流入チャネルと流体接続しているそれぞれの第１の端と、それぞれの洗浄チャネルの第１の端と流体接続しているそれぞれの第２の端とを有する複数の平行な細胞チャネルを含む。洗浄チャネルのそれぞれの第２の端は、流出チャネルと流体接続している。細胞チャネルは細胞を収容する寸法を有し、一方で洗浄チャネルは細胞を収容するには小さすぎる寸法を有する。

参照文献［２］に開示されているマイクロ流体デバイスを使用して、ＡＳＴを、１ｍＬ未満の液体中の１０００個の細菌細胞のみで開始し、３０分よりも速くした［３］。高速ＡＳＴは、マイクロ流体捕捉技術および単一細胞成長率測定に基づく。

マイクロ流体力学を利用する単一細胞の捕捉および処理は、参照文献［４］に開示されている。個々の細胞は、遺伝的情報および／または各個々の細胞に関連する反応の生成と共に、細胞のより大きい集団から捕捉され、分割される。

マイクロ流体デバイスを使用して細胞を特徴付ける分野での改善が依然として必要である。

マイクロ流体デバイスを使用して細胞の特徴付けを可能にすることが一般的な目的である。

この目的および他の目的は、本明細書に開示される実施形態によって満たされる。

実施形態の一態様は、細胞を収容するように構成される空間的に画定され分離された細胞区画を有する基板を含むマイクロ流体デバイスに関する。空間的に画定され分離された細胞区画のそれぞれの第１の端は、流入チャネルと流体接続している。マイクロ流体デバイスは、種もしくは血清型または種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成された固定化親和性分子を含む少なくとも１つの識別表面を含む。

実施形態の別の態様は、細胞を特徴付ける方法に関する。この方法は、空間的に画定され分離された細胞区画中で細胞を捕捉するために、細胞を含む生体試料を上記によるマイクロ流体デバイスに添加することを含む。この方法はまた、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞を試験剤にさらすこと、および空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞を監視することを含む。この方法は、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞の監視に基づいて、試験剤に対する細胞の表現型応答を決定することをさらに含む。この方法はさらに、少なくとも１つの識別表面上に固定化された親和性分子によって捕捉された細胞の存在に基づいて、種もしくは血清型または種もしくは血清型の群を決定することを含む。

本実施形態は、細胞の表現型応答を決定することのみでなく細胞の種または血清型をさらに識別することによって、生体試料中の細胞の生物学的に関連する分類を達成する。

実施形態は、そのさらなる目的および利点と共に、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって最もよく理解され得る。
一実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらなる実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらに別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 一実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらなる実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらに別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 一実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらなる実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 さらに別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 一実施形態によるマイクロ流体デバイスの一部の断面図である。 一実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 別の実施形態によるマイクロ流体デバイスの図である。 一実施形態による、細胞を特徴付ける方法を例示するフローチャートである。 一実施形態によるマイクロ流体デバイス用の型の一部を示す走査型電子顕微鏡画像である（倍率：１１ｘ１０^３Ｘ）。 生体試料が添加されたマイクロ流体デバイスの一部の位相コントラスト画像である。 マイクロ流体デバイスに生体試料を添加した後の３つの異なる時点でのマイクロ流体デバイスの一部の位相コントラスト画像である。 マイクロ流体デバイスの個々の細胞チャネルについてプロットされた時間の関数として長さ（図２０Ａ）および成長率（図２０Ｂ）を示す図である。

図面全体を通して、同様のまたは対応する要素には同じ参照番号を使用する。

本実施形態は一般に、マイクロ流体デバイスに関し、特に、細胞を特徴付けるのに有用なそのようなマイクロ流体デバイスに関する。

本実施形態によるマイクロ流体デバイスは、試料中の細胞を特徴付ける効率的な手段を構成する。当技術分野ではマイクロ流体チップとも呼ばれるこのようなマイクロ流体デバイスは、時間効率的な方法で細胞の表現型解析、すなわち表現型の特徴付けに使用できる。しかし、実際の用途では、マイクロ流体デバイスへ流入される生体試料は、表現型解析の対象となる標的細胞、他の細胞および細胞破片、ならびに汚れ、混入物質などの非生体物質を含む、様々な生体物質を含む複雑で不均一な試料であり得る。したがって、生体試料は多くの場合不均質であり、標的細胞は実際には、生体試料中に存在する物質の少数、さらにごく少数を構成し得る。

したがって、表現型細胞に関して細胞を特徴付けるのみでなく、生体試料中の細胞の種または血清型を決定することも一般的に必要である。種または血清型の情報は、生体試料中の細胞のより完全で正確な分類を得るために、表現型データの解釈において有用であり得る。例えば、尿試料または血液試料などの生体試料中の細菌の抗生物質感受性試験（ＡＳＴ）データに関する表現型データを、種または血清型データの特定で補完することは、尿路感染症（ＵＴＩ）または敗血症などの細菌感染症に対抗するか、または治療するためのより正確な治療戦略を可能にする。

実施形態の一態様は、細胞を収容するように構成される空間的に画定され分離された細胞区画を有する基板を含むマイクロ流体デバイスに関する。空間的に画定され分離された細胞区画のそれぞれの第１の端は、流入チャネルと流体接続している。本実施形態によれば、マイクロ流体デバイスは、種もしくは血清型または種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成された固定化親和性分子を含む少なくとも１つの識別表面を含む。

それにより、本実施形態のマイクロ流体デバイスは、空間的に画定され分離された細胞区画がその中に画定される基板を含む。これらの空間的に画定され分離された細胞区画は、細胞を収容するように構成され、また、これにより、細胞を収容するように構成されるか、または設計される寸法を有する。そのような細胞区画は、生体試料、すなわち細胞を含む試料中に存在する細胞を捕捉して収容するように設計される。したがって、生体試料をマイクロ流体デバイス中に添加すると、生体試料中に存在する細胞は細胞区画によって捕捉される。細胞区画は空間的に定義され分離される。これは、各細胞区画がマイクロ流体デバイス中および基板中に空間的に画定された位置を有し、各細胞区画がマイクロ流体デバイス内中の他の細胞区画から分離され、典型的には物理的に分離されていることを意味する。したがって、マイクロ流体デバイスの空間的に画定されかつ分離された細胞区画中の細胞を物理的に分離しかつ個別に監視することが可能である。

マイクロ流体デバイスは、固定化親和性分子を含む少なくとも１つの識別表面を含む。これらの親和性分子は、生体試料中に存在する細胞を捕捉するように構成される。より詳細には、親和性分子は、所与の種の、所与の血清型の、所与の群の種の、または所与の群の血清型の細胞を捕捉するために使用される。

血清型または血液型亜型は、細菌などの細胞種内の明確な多様性である。これらの細胞は、それらの細胞表面抗原に基づいて一緒に分類され、これにより、生物の亜種レベルへの疫学的分類が可能になる。共通の抗原を有する血清型の群は、血清型または血清複合体と呼ばれることもある。

種の群は、生体試料中の細胞に関して、複数の、すなわち少なくとも２つの種を含む属を構成できる。また、他の種の群は、マイクロ流体デバイス中の基板上に固定化された親和性分子によって捕捉され得る。こうした種の群の典型的な例としては、グラム陽性菌、グラム陰性菌などが挙げられる。

次に、様々な実施形態によるマイクロ流体デバイスの様々な例を、図面を参照してより詳細に記載する。

図１は、一実施形態によるマイクロ流体デバイス１の概略図である。マイクロ流体デバイス１は、細胞を収容するように構成される空間的に画定され分離された細胞区画２０を有する基板１０を含む。空間的に画定され分離された細胞区画２０のそれぞれの第１の端２２は、第１の流体ポート３１と流体接続している第１の端３２および第２の流体ポート３３と流体接続している第２の端３４を有する流入チャネル３０と流体接続している。空間的に画定され分離された細胞区画２０のそれぞれの第２の端２４は、第３の流体ポート４１と流体接続している流出チャネル４０と流体接続している。空間的に画定され分離された細胞区画２０は、それぞれの障害物２５を含み、障害物２５は、特定のサイズ、寸法、形状、形態または剛性／弾性などの選択された細胞がそれぞれの障害物２５を通って流出チャネル４０に入るのを防ぐように設計されている。

図１に例示される実施形態は、流入チャネル３０と流出チャネル４０の間に実質的に平行に配置される細胞チャネル２０の形態の空間的に画定され分離された細胞区画２０を含む。

好ましくは細胞チャネル２０の第２の端２４において、またはそれと接続して、細胞チャネル２０中に設けられる障害物２５は、選択された細胞が流入チャネル３０から細胞チャネル２０の第１の端２２に入るのを防ぎ、細胞チャネル２０の第２の端２４を通って流出し、流出チャネル４０に入るのを防ぐ任意の物理的障害物または構造体であり得る。したがって、障害物２５は、細胞チャネル２０中で選択された細胞を効率よく捕捉する。

障害物２５は、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の幅および／または高さなどの寸法を制限する制限物または障害物の形態であり得る。この制限物または障害物はこれにより、制限された幅および／または高さよりも大きいサイズを有する選択された細胞が障害物２５を通ることを防ぐ。しかし、制限された幅および／または高さよりも小さいサイズを有するより小さい細胞および生体物質および非生体物質は、障害物２５を通ることができ、それにより、流出チャネル４０および第３の流体ポート４１中に洗い出される。

障害物２５の設計に応じて、障害物２５を通ることができる細胞などの物体、および細胞チャネル２０に閉じ込められるようになる物体の選択は、物体のサイズ（長さ、幅、高さ、直径など）、物体の形状または形態に基づいてよいが、物体が変形され細胞チャネル２０を通る流体の流れにより障害物２５を通って流し出されることを可能にする変形可能性、弾性、または剛性などの、物体の他の特徴に基づいてもよい。

マイクロ流体デバイス１はまた、固定化親和性分子を含む少なくとも１つの識別表面６０、６１を含む。一実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、基板１０の少なくとも１つの表面である。こうした実施形態の特定の例では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、流入チャネル３０の少なくとも１つの表面である。図１では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、実質的に流入チャネル３０の全長にわたって延在する少なくとも１つの細長い表面によって例示されている。より詳細には、流入チャネル３０は、第１の流体ポート３１と流体接続している第１の端３２と第２のポート３３と流体接続している第２の端３４の間に設けられる中間チャネル部分３５を含む。空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第１の端２２は、中間チャネル部分３５と流体接続している。少なくとも１つの識別表面６０、６１は、中間チャネル部分３５の少なくとも１つの表面であり得る。

図１では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、実質的に中間チャネル部分３５の全長にわたって延在する細長い表面である。これは、単に例示的な例として見なされるべきである。あるいは、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、単に中間チャネル部分３５の長さの一部、中間チャネル部分３５の一部の幅もしくは全幅、または実際に中間チャネル部分３５の表面の任意のサブ部分にわたって延在し得る。

図２は、このような代替案を概略的に示す。この実施形態では、親和性分子は、中間チャネル部分３５の長さに沿って複数のそれぞれの識別表面６０、６１に分配される。それぞれの識別表面６０、６１は、例示的であるが非限定的な例として、中間チャネル部分３５の表面において一般的な円形形状を有する。

一般に、図１および図２に示されるマイクロ流体デバイス１の使用中に、生体試料が第１の流体ポート３１に添加され、これは、過剰な生体試料を第３の流体ポート４１および任意により第２の流体ポート３３を通って流出させて、障害物２５により空間的に画定され分離された細胞チャネル２０中で細胞を捕捉する。

したがって、生体試料は、第１の流体ポート３１に流入され、流入チャネル３０を通って好ましくは第２の流体ポート３３に向かって流れかつ任意により第の流体ポートから流出できる。さらに、細胞を含む生体試料は、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０に流入し、さらに流出チャネル４０および第３の流体ポート４１に流入する。

空間的に画定され分離された細胞チャネル２０は、選択された細胞が空間的に画定され分離された細胞チャネル２０に入ることができるように、寸法決めされる、すなわち、幅および高さなどのサイズ、ならびに形状を有する。非常に大きいサイズまたは形状を有するか、または空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の断面サイズおよび形状に適合しない細胞または非細胞物質は、細胞チャネル２０に入らず、むしろ、流入チャネル３０から第２の流体ポート３３を通って流出する。

空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の障害物２５は、選択された細胞が障害物２５を通り流出チャネル４０に入るのを防ぐ、幅および／または高さなどの、形状および寸法を有するように設計される。したがって、選択された細胞は、細胞チャネル２０に閉じ込められ、捕捉される。

さらに、生体試料中に存在する細胞は、少なくとも１つの識別表面６０、６１中の親和性分子によって捕捉される。したがって、細胞（親和性分子がその細胞に対して親和性を有する）は、中間チャネル部分３５中の少なくとも１つの識別表面６０、６１で捕捉され、固定化される。この実施形態では、それにより、少なくとも１つの識別表面６０、６１における細胞の捕捉はしたがって好ましくは、第１の流体ポート３１への生体試料の添加に関連して実行される。

本明細書においてさらに記載される、それに対し親和性分子が親和性を有するか、またはそれに対し二次親和性分子が親和性を有する分子を発現し提示する細胞のみが、少なくとも１つの識別表面６０、６１で捕捉される。生体試料中に存在する他の細胞または物質はそれにより、親和性分子によって捕捉されない。これは、識別表面６０、６１の少なくとも１つにおける細胞の捕捉および存在が、生体試料における所与の種もしくは血清型または所与の種もしくは血清型の群の細胞の存在の指標であることを意味する。

図３は、別の実施形態によるマイクロ流体デバイス１の概略図である。この実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、中間チャネル部分３５と流入チャネル３０の第２の端３４の間の位置における流入チャネル３０の少なくとも１つの表面である。

この実施形態では、流体が第１の流体ポート３１から第２の流体ポート３３および／または第３の流体ポート４１に向かって流れると仮定する場合、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、細胞チャネル２０のそれぞれの第１の端２２が流体接続している中間チャネル部分３５の下流の流入チャネル３０の表面に配置される。この位置では、少なくとも１つの識別表面６０、６１およびその上に捕捉されたいずれの細胞も、いかなる細胞チャネル２０への流入も遮断せずまたは妨害せず、すなわち、第１の端２２を通って任意の細胞チャネル２０に細胞が入ることに干渉しない。

別の実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、中間チャネル部分３５と流入チャネル３０の第１の端３２の間の位置における流入チャネル３０の少なくとも１つの表面である。したがって、この実施形態では、流体が第１の流体ポート３１から第２の流体ポート３３および／または第３の流体ポート４１に向かって流れると仮定する場合、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、中間チャネル部分３５の上流の流入チャネル３０の表面に配置される。

図４および図５は、マイクロ流体デバイス１のさらなる実施形態を示す。これらの実施形態では、流入チャネル３０は、第１の流体ポート３１と流体接続している第１の端３２と、第２の流体ポート３３と流体接続している第２の端３４とを含む。流入チャネル３０はまた、第１の中間チャネル部分３５および第２の中間チャネル部分３６を含む。空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第１の端２２は、第１の中間チャネル部分３５と流体接続しており、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第２の端２４は、第２の中間チャネル部分３６と流体接続している。したがって、第１の中間チャネル部分３５は、流入チャネル３０の第１の端３２と第２の中間チャネル部分３６の間に設けられ、第２の中間チャネル部分３６は、第１の中間チャネル部分３５と流入チャネル３０の第２の端３４の間に設けられる。

図４に例示する実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第２の中間チャネル部分３６と流入チャネル３０の第２の端３４の間の位置にある流入チャネル３０の少なくとも１つの表面である。

図５の実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第１の中間チャネル部分３５と第２の中間チャネル部分３６の間の位置３７における、流入チャネル３０の少なくとも１つの表面である。

図４および図５に関連した上述の２つの実施形態は、図１～３に示す実施形態の別個の流出チャネルおよび第３のポートを欠く。明らかに対照的に、流入チャネル３０は、細胞チャネルの第１の端２２と第２の端２４の間に延在し、それにより、流入チャネルとしておよび流出チャネルの両方として動作する。これは、生体試料が第１の流体入力３１に添加され、細胞チャネル２０を通って、第１の中間チャネル部分３５と第２の中間チャネル部分３６の間の部分または接続部３７の両方を通って、第２の中間チャネル部分３６に流入し、次いで第２の流体ポート３３を通ってさらに流出することを意味する。

図４および図５は、細胞チャネルの端２２、２４に接続された流入チャネル３０の部分、すなわち第１および第２の中間チャネル部分３５、３６の向こうにある少なくとも１つの識別表面６０、６１の位置を示す。

図４および図５による流入チャネル３０の設計はまた、流入チャネル３０の第１の端３２と第１の中間チャネル部分３５の間、第１の中間チャネル部分３５でおよび／または第２の中間チャネル部分３６でなどの、少なくとも１つの識別表面６０、６１の他の配置と関連して使用できる。

図６は、マイクロ流体デバイス１のさらに別の実施形態を概略的に示す。この実施形態では、流入チャネル３０は、第１の流体ポート３１およびチャネル分岐部７０と流体接続している第１の端３２を含む。チャネル分岐部７０は、流入チャネル３０を、第２の流体ポート３３と流体接続している第２の端３４を有する少なくとも第１の流入サブチャネル７１と、第４流体ポート３８と流体接続している第２の端３９を有する第２の流入サブチャネル７２に分割する。空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第１の端２２は、第１の流入サブチャネル７１と流体接続している。少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第２の流入サブチャネル７２の少なくとも１つの表面である。

これは、流入チャネル２０が複数の流入サブチャネル７１、７２に分岐するか、または分割することを意味する。こうした場合、これらの流入サブチャネル７１、７２のうちの１つの７１は、細胞チャネル２０および第２の流体ポート３３と流体接続し、流入サブチャネル７１、７２の別の７２は、少なくとも１つの識別表面６０、６１を含み、第４の流体ポート３８に接続される。

第１の流体ポート３１に添加された生体試料３１はしたがって、チャネル分岐部７０で分割されて、第１の流入サブチャネル７１に部分的に流入し、第２の流入サブチャネル７２に部分的に流入し得る。あるいは、生体試料の添加を、生体試料を最初に第２の流入サブチャネル７２に、次に第１の流入サブチャネル７１に、またはその逆に配向するように制御できる。いずれの場合においても、生体試料中に存在する細胞は、少なくとも１つの識別表面６０、６１において親和性分子によって捕捉され得、他の細胞は、細胞チャネル２０に入る。

当然のことながら第１の端３２と、その第２の端３４の間の流入チャネル３０中の他の位置においてチャネル分岐部７０を有することは可能である。例えば、チャネル分岐部７０は、中間チャネル部分と第２の端３４の間の流入チャネル３０の位置で、または実際に中間チャネル部分に沿った任意の位置で設けることができる。

図６には、チャネル分岐部７０が、マイクロ流体デバイス１の基板１０にある実施形態を示す。代替的実施形態では、チャネル分岐部７０は、基板１０の外側に配置できる。こうした場合、第１の流体ポート３１は、基板１０の外側にも存在する。例えば、管が、外部の第１の流体ポート３１に接続され、かつ２本の下流管に分岐される。これらの下流管の１つは、第１の流入サブチャネル７１と流体接続され、他の下流管は、第２の流入サブチャネル７２と流体接続される。２つの流入サブチャネル７１、７２は、同じ基板１０中にまたは異なる基板中に配置されてもよい。異なる基板に配置される場合には、マイクロ流体デバイス１はこれにより、第１の流入サブチャネル７１、細胞チャネル２０、および好ましくは流出チャネル４０、および任意により第２の流体ポート３３および第３の流体ポート４１を含む第１の基板を含む。第２の基板は次いで、少なくとも１つの識別表面６０、６１および任意により第４の流体ポート３８を含む第２の流入サブチャネル７２を含む。

実施形態では（図７を参照されたい）、マイクロ流体デバイス１は、少なくとも１つの識別表面６０、６１を越えて流入チャネル３０を通る流れの少なくとも一部分を誘導するように構成された少なくとも１つの流路ガイド７３を備える。

図７では、流路ガイド７３は、流入チャネル３０を通って少なくとも１つの識別表面６０、６１を越えて流入チャネル３０を通る流れの一部分を誘導するために、流入チャネル３０に配置された楔７３が例示されている。同時に、楔は、細胞チャネル２０の第１の端２２に向かって流れの別の部分を誘導または配向できる。

そのような流路ガイド７３は、親和性分子による選択された細胞の捕捉を可能にするために、少なくとも１つの識別表面６０、６１へと生体試料中に存在する細胞を配向させる効率的な手段であり得る。

図８は、マイクロ流体デバイス１のさらに別の実施形態を示す。この実施形態では、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第２の端２４は、第３の流体ポート４１と流体接続されている流出チャネル４０と流体接続される。この実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、流出チャネル４０の一方の表面にある。したがって、図１～図７に示す実施形態とは明らかに対照的に、マイクロ流体デバイス１のこの実施形態は、流出チャネル４０中に少なくとも１つの識別表面６０、６１を含む。

第１の実施形態では、流出チャネル４０は、図１～図６に示すように単一の流体ポート４１に接続される。このような場合に、細胞は、流出チャネル４０に入ることができ、それによって異なる実施形態による少なくとも１つの識別表面６０、６１において親和性分子によって捕捉されるようになる。

第１の実施形態では、生体試料は、第３の流体ポート４１に添加され、それは、この場合、流入ポートとして動作し、生体試料は、細胞チャネル２０を通って流入チャネル３０に向かって流れることができ、また第１の流体ポート３１および／または第２の流体ポート３２から流出できるようになる。このような生体試料の流れの反転は、第１の流体ポート３１に生体物質を添加する前に行われて、生体試料中に存在する細胞が細胞チャネル２０に入ることを可能にし得る。生体試料の流れの規定方向が確立されると、親和性分子によって捕捉されない過剰な細胞はいずれもその後、第３の流体ポート４１を通って流し出される。生体試料の初期の流れの反転方向の間に、ほとんどの細胞は、障害物２５により細胞チャネル２０に入ることができないか、または障害物２５と第２の端２４の間の細胞チャネル２０の小部分に入るのみであることに留意されたい。

第２の実施形態では、流れ方向の反転は行われない。代わりに、基板１０は、基準チャネル５０を含む。これらの基準チャネル５０は、基本的にいかなる障害物２５も有しない細胞チャネルである。このことは、生体試料中に存在する細胞および他の生体物質が、流入チャネル３０から基準チャネル５０に入ることができ、流出チャネル４０に輸送されて親和性分子によって捕捉されるか、または第３の流れポート４１を通って出ていけることを意味する。

別の実施形態では、流出チャネル４０は、第３の流体ポート４１と流体接続している第１の端４２、および第５の流体ポート４３と流体接続している第２の端４４を有する。したがって、流体の流れを、第３および第５の流体ポート４１、４３の間で確立できる。こうした場合、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第１の端４２と第２の端４４の間の流出チャネル４０の任意の表面部分に設けることができる。例えば、流出チャネル４０は、第１の中間チャネル部分と第２中間チャネル部分を含むとみなすことができる。このような場合には、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０のそれぞれの第２の端２４は、第２の中間チャネル部分と流体接続されている。第１の中間チャネル部分は、流出チャネル４０の第１の端４２と第２の中間チャネル部分の間に設けられ、第２の中間チャネル部分は、第１の中間チャネル部分と流出チャネル４０の第２の端４４の間に設けられる。少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第１の中間チャネル部分に配置され得るか、第２の中間チャネル部分に配置され得るか、第１の中間チャネル部分と第２中間チャネル部分の間の位置に配置され得るか、かつ／または第２の中間チャネルと流出チャネル４０の第２の端４４の間の位置に配置され得る。

図９および図１０は、更なる実施形態によるマイクロ流体デバイス１を例示する。これらの実施形態では、マイクロ流体デバイス１の基板１０は、流入チャネル３０と流体接続している第１の端を有する少なくとも１つの基準チャネル５０を含む。少なくとも１つの識別表面６０、６１は、少なくとも１つの基準チャネル５０の少なくとも１つの表面である。

実施形態では、少なくとも１つの基準チャネル５０は好ましくは、流出チャネル４０と流体接続している第２の端を有する。従って、少なくとも１つの基準チャネル５０は好ましくは、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０と平行である。

少なくとも１つの基準チャネル５０は、細胞チャネル２０と同じ、深さおよび幅などの寸法ならびに形状を有し得るが好ましくは、細胞チャネル２０に存在する障害物２５を欠く。代替的実施形態では、少なくとも１つの基準チャネル５０は、細胞チャネル２０と比較して、より幅広い、かつ／またはより深いなどの、異なる寸法を有し得る。

図９に示すように、本実施形態では、基板１０は、複数のこうした基準チャネル５０を含む。このような場合には、こうした各基準チャネル５０またはその少なくとも一部分は、それぞれの識別表面６０、６１を含み得る。図１０に示すように、他の実施形態では、基準チャネル５０は、複数の識別表面６０、６１を含み得る。当然のことながら、基板は、複数の基準チャネル５０を有してよく、そのいずれもまたは少なくともその一部分が複数の識別表面６０、６１を含む。

また、もしくは代替的に、図１１に示すように、１つ以上の空間的に画定され分離された細胞チャネル２０において、少なくとも１つの識別表面６０、６１を有することが可能である。このアプローチは、少なくとも１つの識別表面６０、６１において細胞が親和性分子によって捕捉されるための比較的長い期間を与える。捕捉されない細胞はその後、流れ方向を反転させることにより細胞チャネル２０から離れるように流出され得る。すなわち、流入流体ポートとして第３の流体ポート４１を使用し、流出流体ポートとして第１および／または第２の流体ポート３１、３３を使用する。これは、細胞の同一性、すなわち、それらの種、血清型または群と、細胞の表現型応答の間の関連をもたらす追加の利点を有する。したがって、細胞は、最初に細胞チャネル２０に入り、標的剤にさらされ、細胞チャネル２０中の細胞の表現型応答が決定される。次いで、流れの方向が反転されて、細胞のいずれかが細胞チャネル２０に存在する識別表面６０、６１の親和性分子によって捕捉されるか否かを決定できるようにする。これは、所与の細胞チャネル２０中に存在する細胞が、所与の細胞チャネル２０中のその存在、および少なくとも１つの識別表面６０、６１によるその細胞の捕捉により、種または血清型の同一性および表現型応答を割り当てられ得ることを意味する。

したがって、本実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、少なくとも１つの空間的に画定され分離された細胞区画２０の少なくとも一方の表面である。

こうした実施形態では、細胞チャネル２０などの各細胞区画は、１つ以上の識別表面６１、６０を有し得るか、または細胞チャネル２０の一部分は、１つ以上の識別表面６１、６０を含む。

図１２は、細胞チャネル２０中に配置された識別表面６０、６１を含むマイクロ流体デバイス１の別の実施形態を例示する。本実施形態では、細胞チャネル２０は、先に本明細書に開示されたとおり、必ずしも任意の障害物を有するものではない。明らかに対照的に、細胞チャネル２０中の識別表面６０、６１での細胞の捕捉は好ましくは、さらなる細胞が流出チャネル４０へと通過することを妨害するか、または遮断する。この実施形態では、細胞チャネル２０は有利には、細胞の直径もしくは幅／高さに対応するか、または細胞の直径もしくは幅／高さよりわずかに大きい幅／高さを有する。したがって、細胞が識別表面６０、６１で親和性分子によって捕捉されると、好ましくは、さらなる細胞はその細胞チャネル２０中で捕捉された細胞を通り越すことができない。これは、細胞チャネル２０において物理的障害物を必要としないことを意味する。明らかに対照的に、所与の種、その血清型または群の細胞の選択的捕捉は、細胞が細胞チャネル２０から離れるのを防ぐ役割を果たす。

上述の実施形態では、基板１０の表面として少なくとも１つの識別表面６０、６１を有する。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、マイクロ流体デバイス１は、図１３に示すように、基板１０に取り付けられた基板カバー２を備える。こうした場合、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、流入チャネルの少なくとも１つ、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の少なくとも１つの細胞チャネル２０、および流出チャネルまたは実際の基準チャネルと整列された基板カバー２の少なくとも１つの表面である。

基板カバー２は、基板１０に取り付けられ、好ましくは可逆的に取り付けられる、任意のカバーであり得る。非限定的であるが例示的な例としては、ガラスまたはプラスチック製のカバースリップまたはプレートが挙げられる。一実施形態では、基板カバー２は、光学的に透明な物質で作製され、それにより細胞チャネル２０中の細胞および識別表面６０、６１で捕捉された細胞の監視または検出を可能にする。

少なくとも１つの識別表面６０、６１はしたがって、基板カバー２の少なくとも１つの表面であり得る。例えば、基板カバー２が基板１０に取り付けられる場合、流入チャネルと整列された基板カバー２の少なくとも１つの表面、または少なくともその一部は、マイクロ流体デバイス１の識別表面６０、６１を構成し得る。追加的にまたは代替的に、細胞チャネル２０と整列された基板カバー２の少なくとも１つの表面、または細胞チャネル２０の少なくとも一部分は、識別表面６０、６１および／もしくは流出チャネルと整列された基板カバー２の少なくとも１つの表面、またはその少なくとも一部分であり得る。

これらの実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１の親和性分子は、流入チャネル、細胞チャネル（複数可）２０、および／または流出チャネル中へと延び、それにより流入チャネル、細胞チャネル（複数可）２０、および／または流出チャネルに存在する、所与の種、その血清型または群の細胞を捕捉する。

上記で論じられ、図１～１３に例示される様々な実施形態は組み合わされてもよい。したがって、様々な実施形態における識別表面６０、６１の配置は、基板１０中におよび／または基板カバー２中に親和性分子を配置することにより、流入チャネル３０中、流出チャネル４０中、細胞チャネル（複数可）２０中、および／または基準チャネル（複数可）５０中の複数の異なる位置でこうした表面を設けるように組み合わせることができる。さらに、図４～５中の流入チャネル３０の設計は、図１～３、６～１３に示される実施形態のいずれかで使用され得る。これに対応して、図８による流出チャネル４０は、図１～図７、図９～図１３中の他の任意のマイクロ流体デバイスで使用され得る。図７に示す流路ガイド７３は、図１～図６、図８～図１３中のマイクロ流体デバイス１のいずれにも使用され得る。これに対応して、図６に示されるチャネル分岐部７０は、流入チャネル中の他の場所に設けられ、それにより、実施形態１～５、７～１３のいずれかでおよび／または図８の流出チャネル４０で使用され得る。

上記において、基準チャネル（複数可）５０は、いずれのチャネル障害物も有しないものとして記載されおよび例示されている。他の実施形態では、基準チャネル（複数可）５０は、細胞チャネル２０と同様の障害物を含み得る。しかし、細胞チャネル２０は、第２の端２４に接続して、それぞれの障害物２５を有するが、基準チャネル（複数可）５０は好ましくは、流入チャネル３０と流体接続して、それぞれの第１の端に接続しているそれぞれの障害物を有する。これらの実施形態は、第１の流入３１を介して流入され、流入チャネル３０を通って基準チャネル（複数可）５０に流れる生体試料中に存在する細胞が入るのを防止するか、または少なくとも制限する場合に適用可能である。少なくとも１つの識別表面６０、６１が基準チャネル（複数可）５０に配置される場合、基準チャネル（複数可）５０は好ましくは、いずれの障害物（複数可）も有しないか、または細胞は第３のポート４１および流出チャネル４０を通って生体試料を流入させることにより逆流を介して基準チャネル（複数可）５０に入る。

図１～１３に関連して上記で記載されたマイクロ流体デバイス１は、空間的に画定され分離された１つのセットの細胞チャネル２０を参照して例示されている。しかし、実施形態はこれに限定されない。図１４は、空間的に画定され分離された２つのセットの細胞チャネル２０Ａ、２０Ｂを有する基板１０を含むマイクロ流体デバイス１の実施形態を例示する。この実施形態では、第１の流入チャネル３０Ａは、第１の流体ポート３１Ａおよび第２の流体ポート３３と流体接続している。第１のセット中の細胞チャネル２０Ａのそれぞれの第１の端２２Ａは、この第１の流入チャネル３０Ａと流体接続している。これに対応して、第２の流入チャネル３０Ｂは、第６の流体ポート３１Ｂおよび第２の流体ポート３３と流体接続している。第２のセット中の細胞チャネル２０Ｂのそれぞれの第１の端２２Ｂは、この第２の流入チャネル３０Ｂと流体接続している。

例示された実施形態では、２つの流入チャネル３０Ａ、３０Ｂは、それらの一端の一方に別個の流体ポート３１Ａ、３１Ｂを有するが、他端には共通の流体ポート３３を有する。代替的実施形態では、各流入チャネル３０Ａ、３０Ｂは、それぞれの端と流体接続している別個の流体ポートを有し得るか、または両方の流入チャネル３０Ａ、３０Ｂは、それぞれの端と流体接続している共通流体ポートを有し得る。

図１４に示される実施形態は、流入チャネル３０Ａ、３０Ｂに接続された追加の流体ポート３１Ｃ～３１Ｄの存在をさらに示す。特定の実施形態では、共通の第７の流体ポート３１Ｅが、細胞または生体試料をマイクロ流体デバイス１に添加するために使用される。第１および第６の流体ポート３１Ａ、３１Ｂは次に、任意により第２のポート３３および第３の流体ポート４１と共に、添加中の廃液ポートとして動作する。第８の流体ポート３１Ｃは、第１の流入チャネル３０Ａと流体接続しており、それにより第１のセットの細胞チャネル２０Ａと流体接続している。それに対応して、第９の流体ポート３１Ｄは、第２のセットの第２の流入チャネル３０Ｂおよび細胞チャネル２０Ｂと流体接続している。これらの２つの流体ポート３１Ｃ、３１Ｄを使用して、細胞チャネル２０Ａ、２０Ｂ中に存在する細胞を、第８の流体ポート３１Ｃで対照培地または溶液、および第９の流体ポート３１Ｄで試験剤を含む培地または溶液などの、異なる培地または溶液に供することができる。これはさらに、第１セットの細胞チャネル２０Ａ中に存在するあらゆる細胞が対照培地または溶液にさらされ、第２セットの細胞チャネル２０Ｂ中に存在するあらゆる細胞が培地または溶液および試験剤にさらされることを意味する。それにより、試験剤に対する細胞の表現型応答を決定し、かつ対照、すなわち、試験剤の不在下での細胞の表現型応答を、同じマイクロ流体デバイス１で同時に比較することができる。

マイクロ流体デバイス１はまた好ましくは、第１のセット中で細胞チャネル２０Ａのそれぞれの第２の端２４Ａと流体接続している第１の流出チャネル４０Ａと、第２のセット中で細胞チャネル２０Ｂのそれぞれの第２の端２４Ｂと流体接続している第２の流出チャネル４０Ｂとを含む。２つの流出チャネル４０Ａ、４０Ｂは、例示された実施形態では、共通の第３の流体ポート４１に接続される。代替的実施形態では、流出チャネル４０Ａ、４０Ｂは各々が、それぞれの流体ポートに接続され得、その端の各々に接続されたそれぞれの流体ポートを有し得るか、その端の一方に接続されたそれぞれの流体ポートおよびその端の他方に接続された共通の流体ポートを有し得るか、または、その端の両方に接続された共通の流体ポートを有し得る。

少なくとも１つの識別表面６０Ａ、６０Ｂ、６１Ａ、６１Ｂは、本明細書に開示される実施形態のいずれかに従って、マイクロ流体デバイス１中に配置され得る。例えば、各流入チャネル３０Ａ、３０Ｂは、それぞれの少なくとも１つの識別表面６０Ａ、６０Ｂ、６１Ａ、６１Ｂを含み得る。

マイクロ流体デバイス１は、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ａ、２０Ｂの２つ以上のセットを含み得る。これは、細胞を同じマイクロ流体デバイス１中で並行して、様々な培養培地などの、様々な試験剤にさらすことを可能にする。

実施形態は、上記で説明され、図１～１４に示される特定のマイクロ流体デバイスに限定されない。また、空間的に画定され分離された細胞区画を含む他のマイクロ流体デバイスが、実施形態に従って使用され得る。こうした別のマイクロ流体デバイス１の実施例が図１５に示される。

マイクロ流体デバイス１は、細胞を収容するためのサイズおよび形状などの寸法を有する細胞トラップ２０の形態で空間的に画定され分離された細胞区画を有する基板１０を含む。細胞トラップ２０は、第１の流体ポート３１と流体接続している端３２を有する第１の流路チャネル３０と流体接続している第１の端を有するように、捕捉カップ２１と表示されるそれぞれの構造体で画定される。基板はまた、第２の流体ポート４１と流体接続している第２の流路チャネル４０を含む。

生体試料は第２の流体ポート４１に添加されて、生体試料が第２の流路チャネル４０を通って流れ細胞トラップ領域に入り、さらに第１の流路チャネル３０に入り、第１の流体ポート３１から出ることを可能にする。生体試料中に存在する細胞および非細胞物質は、捕捉カップ２１の「裏側」を形成している捕捉トラップ２３中に捕捉される。流れが反転される場合、すなわち、第１の流体ポート３１から第１の流路チャネル３０、細胞トラップ領域に入り、さらに第２の流路チャネル４０に入り、第２の流体ポート４１から出る場合、捕捉トラップ２３中に捕捉された細胞および非細胞物質は、図１５の点線矢印で概略的に例示されるように、共整列され、かつ配置された捕捉カップ２１の下流の、より大きい細胞トラップ２０中への流れの方向に移される。

一実施形態では、捕捉キャップ２１は、捕捉キャップ２１中の細胞トラップ２０と捕捉キャップ２１中の捕捉トラップ２３の間に薄いチャネルを含む。この薄いチャネルは、細胞トラップ２０を通って流出しさらに整列された捕捉トラップ２３に入る培養培地の流れを容易にする。捕捉トラップ２３のこの任意の薄いチャネルはしかし、非常に小さいため、細胞はこの薄いチャネルを通ることはできない。

一実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第２の流路チャネル４０の少なくとも１つの表面である。別の実施形態では、少なくとも１つの識別表面６０、６１は、第１の流路チャネル３０の少なくとも１つの表面である。さらなる実施形態では、少なくとも１つの識別表面は、第１の流路チャネル３０と捕捉カップ２１の第１の縦列または横列２５の間の基板１０の少なくとも１つの表面および／または第２の流路チャネル４０と捕捉カップ２１の最後の縦列または横列２７の間の基板１０の少なくとも１つの表面である。

前述のように、マイクロ流体デバイスの流体ポートは、図１～１５中の基板に存在するものとして例示されている。これは、単に説明のための例として見なされるものとする。代替的実施形態では、流体ポートの少なくとも１つは、基板の外側に存在し、次いで、それぞれの管または他の流体接続により流入チャネル（複数可）または流出チャネル（複数可）に接続され得る。

基板中の少なくとも１つの識別表面は、円形、楕円形、二次形、長方形などを含む、任意の好適なサイズおよび形状を有し得る。

マイクロ流体デバイスは、単一のタイプの親和性分子、または異なるタイプの親和性分子の混合物を含む単一の識別表面を含み得る。別の実施形態では、マイクロ流体デバイスは複数の識別表面を含むが、これらの識別表面は、同じ単一タイプの親和性分子または異なるタイプの親和性分子の同じ混合物を含む。これらの両方の場合において、識別表面（複数可）およびその上に固定化された親和性分子は、所与の種もしくは血清型または所与の種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成される。

さらなる代替は、異なるタイプの親和性分子または親和性分子の異なる混合物を含む複数の識別表面を有することである。したがって、そのような実施形態では、マイクロ流体デバイスは複数の識別表面を含む。複数の識別表面のある識別表面上に固定化された親和性分子は、第１の種もしくは血清型または第１の種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成される。他の識別表面または複数の識別表面のある表面に固定化された親和性分子は、第２の異なる種もしくは血清型または第２の異なる種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成される。

この実施形態では、マイクロ流体デバイスを使用して、異なるそのような細胞種、血清型またはその群を捕捉するように構成された複数の識別表面を有することにより、生体試料中に存在する異なる種、血清型またはその群を識別できる。

マイクロ流体デバイス中の識別表面（複数可）上に固定化された親和性分子は、種もしくは血清型またはその群の細胞に特異的な、少なくとも１つの細胞表面分子または構造体に対して親和性を有し得る。細胞表面分子は、細胞膜に存在する分子、細胞壁中の分子、鞭毛中の分子、線毛中の分子、および／または糖衣中の分子であり得る。

上記の例では、親和性分子は、細胞によって発現される細胞外分子に直接結合する。しかし、実施形態はこれに限定されない。他の実施形態では、親和性分子は、一次親和性分子に対して親和性を有する二次親和性分子である。一次親和性分子は次に、種もしくは血清型またはその群の細胞によって発現される少なくとも１つの細胞表面分子に対して親和性を有する。

したがって、これらの実施形態では、いわゆる一次親和性分子は、生体試料中の細胞の少なくともいくつかによって作られ、かつ任意により上記に例示される、細胞表面分子に対して親和性を有する。少なくとも１つの識別表面上に固定化された親和性分子は次に、一次親和性分子に対して親和性を有し、それによって一次親和性分子に結合する能力を有する。したがって、細胞表面分子を発現する細胞は、一次親和性分子と細胞表面分子の間の結合、および固定化された二次親和性分子と一次親和性分子の間の結合により、識別表面で捕捉される。こうした場合、一次親和性分子は、試料添加ポートと比較して異なる流体ポートを使用してなど、マイクロ流体デバイスの添加前に、マイクロ流体デバイスへの添加に関連してまたは生体試料の添加に実際に続いて、生体試料に追加されてよい。

当然のことながら、親和性分子に関して上記の実施形態を組み合わせることが可能である。例えば、少なくとも１つの識別表面は、少なくとも１つの細胞表面分子に対して親和性を有する固定化親和性分子を含み得、一方で少なくとも１つの他の識別表面は、一次親和性分子に対して親和性を有する固定化二次親和性分子を含み得る。実際に、二次親和性分子と、同じ識別表面で少なくとも１つの細胞表面分子に対して親和性を有する親和性分子との両方を混合することが可能である。

一実施形態では、少なくとも１つの識別表面上に固定化された親和性分子は、抗体またはその断片である。

実施形態によれば、抗体は、モノクローナル抗体またはポリクローナル抗体であり得る。

一実施形態では、親和性分子は抗体の断片である。こうした抗体断片の非限定的であるが、例示的な例は、一本鎖抗体、Ｆｖ断片、ｓｃＦｖ断片、Ｆａｂ断片、Ｆ（ａｂ’）２断片、Ｆａｂ’断片、Ｆｄ断片、単一ドメイン抗体（ｓｄＡｂ）、ｓｃＦｖ－Ｆｃ断片、ｄｉ－ｓｃＦｖ断片、および相補性決定領域（ＣＤＲ）領域からなる群から選択できる。

抗体、または実際に任意の親和性分子の特異性は、親和性および／または結合力に基づいて決定できる。抗原と抗体の解離の平衡定数（Ｋ_ｄ）で表される親和性は、抗原決定基と抗体の抗原結合部位の間の結合強度の尺度である。Ｋ_ｄの値が小さいほど、抗原決定基と抗体の間の結合強度が強くなる。あるいは、親和性は、１／Ｋ_ｄである親和定数（Ｋ_ａ）として表すこともできる。当業者には明らかなように、親和性は、目的の特定の抗原に応じて、それ自体既知の方法で決定できる。

結合力は、抗体と関連する抗原の間の結合の強さの尺度である。結合力は、抗原決定基と抗体上のその抗原結合部位の間の親和性と、抗体上に存在する関連する結合部位の数との両方に関連している。

通常、抗体は、１０^－５～１０^－１２モル／リットル（Ｍ）以下、好ましくは１０^－７～１０^－１２Ｍ以下、より好ましくは１０^－８～１０^－１２Ｍの解離定数（Ｋ_ｄ）で抗原に結合する。すなわち、会合定数（Ｋａ）が１０^５～１０^１２Ｍ^－１以上、好ましくは１０^７～１０^１２Ｍ^－１以上、より好ましくは１０^８～１０^１２Ｍ^－１である。

一般に、１０^－４Ｍを超えるＫ_ｄ値（または１０^４Ｍ^－１未満の任意のＫ_ａ値）はいずれも、非特異的結合を示すと一般に見なされる。

抗体の抗原または抗原決定基への特異的結合は、例えば、スキャッチャード分析、ならびに／またはラジオイムノアッセイ（ＲＩＡ）、酵素イムノアッセイ（ＥＩＡ）およびサンドイッチ競合アッセイなどの競合結合アッセイなど、ならびにそれ自体当技術分野で知られているその様々な変形を含む、それ自体既知の任意の好適な様式で決定され得る。

抗体およびその断片は、少なくとも１つの識別表面上に固定化され得る親和性分子の好ましい例である。しかし、他のタイプの親和性分子も実施形態に従って使用できる。例えば、受容体リガンドは、細胞表面で対応する受容体を発現する細胞を捕捉するために、親和性分子として使用され得る。

この目的に使用できる他のタイプの親和性分子としては、例えば、設計されたアンキリン反復タンパク質（ＤＡＲＰｉｎ）、アプタマー、アフィボディ、バクテリオファージ、アドヒロン、およびナノボディが挙げられる。

親和性分子は、例えば、基板の物質、基板カバーおよび／または親和性分子のタイプに応じて、様々な実施形態に従って少なくとも１つの識別表面上に固定化できる。例えば、シリコン基板の表面は、少なくとも１つの識別表面に対応する基板の少なくとも表面部分（複数可）を活性化するために、シラン化を受け得る。抗体などの親和性分子が次に、基板の活性化された表面に共有結合により連結されてよい。

一例では、事前に洗浄したシリコン基板を、メタノール中の（３－アミノプロピル）トリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）の溶液（２％など）に１５分間、その後無水アセトニトリル中のＮ－β－マレイミドプロピル－オキシスクシンイミドエステル（ＢＭＰＳ）の溶液（１０ｍＭなど）に３０分間浸漬させる。抗体溶液を次に、活性化された基板表面に小液滴として堆積させ、室温で、例えば１時間インキュベートして、抗体を基板表面へ共有結合により連結させ得る。

親和性分子を基板および／または基板カバーに固定化する他の方法も、実施形態に従って使用できる。例えば、ストレプトアビジン、またはアビジン、およびビオチンを使用して、親和性分子を基板および／または基板カバーに固定化できる。こうした場合、ストレプトアビジンまたはアビジンを、基板および／または基板カバーに付着し得、各親和性分子を次にビオチンタグでタグ付けして、親和性分子を、ストレプトアビジン／アビジン－ビオチン連結を介して基板および／または基板カバーに固定化する。当然のことながら、アビジンを基板および／または基板カバー上に付着させ、次いで親和性分子をストレプトアビジンタグまたはアビジンタグでタグ付けすることが可能である。

また、ＤＮＡ配列またはＲＮＡ配列などの相補的ヌクレオチド配列のハイブリダイゼーションを利用して、親和性分子を固定化できる。こうした場合、ヌクレオチド配列を、当技術分野で周知の技術を使用して、基板および／または基板カバーに付着する。親和性分子を次に、基板に付着された少なくとも１つのヌクレオチド配列と相補的であり、かつ塩基対形成が可能なヌクレオチド配列でタグ付けする。ハイブリダイゼーション後の二本鎖ヌクレオチド配列の形成は、親和性分子を少なくとも１つの識別表面に効率よく固定させる。このアプローチには、異なるヌクレオチド配列および異なる相補的ヌクレオチド配列を使用することにより、いずれの識別表面（複数可）にいずれの親和性分子を付着させるかを制御する追加の利点がある。

親和性分子は、基板および／または基板カバーに共有結合により連結されるなど、基板および／または基板カバー上の少なくとも１つの識別表面で直接固定化され得る。しかし、基板および／または基板カバーと親和性分子の間でリンカー、スペーサーまたはコネクターを使用することが可能である。こうした場合、このようなリンカー、スペーサーまたはコネクターは、共有結合による連結などで基板（カバー）表面に付着され、かつ少なくとも１つの親和性分子に付着され、これにより少なくとも１つの親和性分子を少なくとも１つの識別表面に固定化する。

マイクロ流体デバイスの基板は、プラスチック物質などの任意の好適な物質から作製され得る。この基板では、空間的に画定され分離された細胞区画、流路チャネルおよび識別表面を構成する構造体が画定され得る。好適な物質の非限定的な例としては、ＺＥＯＮ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ ＬＰにより市販される環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ）であるＺＥＯＮＥＸ（登録商標）およびＺＥＯＮＯＲ（登録商標）、ならびにＴｏｐａｓ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌｙｍｅｒｓにより市販される環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）であるＴＯＰＡＳ（登録商標）が挙げられる。これらの物質は、透過率およびバックグラウンドの蛍光に関して優れた光学特性を有する。これらの物質はまた、加熱されたときに良好な流動特性を有し、したがって、マイクロ流体デバイスの基板を形成できる小さい構造体を複製し得る。

基板に好適な物質の他の例としては、ガラス、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリ（ｐ－フェニレンスルフィド）（ＰＰＳ）が挙げられる。

図１６は、一実施形態による、細胞を特徴付ける方法を例示するフローチャートである。この方法は、ステップＳ１において、本実施形態によるマイクロ流体デバイスに細胞を含む生体試料を添加して、空間的に画定され分離された細胞区画中で細胞を捕捉することを含む。この方法はまた、ステップＳ４において、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞を試験剤にさらし、ステップＳ５において、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞を監視することを含む。この方法は、ステップＳ６において、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞の監視に基づいて、試験剤に対する細胞の表現型応答を決定することをさらに含む。この方法はさらに、ステップＳ７において、少なくとも１つの識別表面上に固定化された親和性分子によって捕捉された細胞の存在に基づいて、種もしくは血清型または種もしくは血清型の群を決定することを含む。

図１６では、ステップＳ６に続いてステップＳ７を例示する。しかし、種、血清型またはそれらの群の決定は、ステップＳ１後の任意の時点、すなわちステップＳ２～Ｓ６のいずれかの前もしくは後でまたは実際には少なくとも部分的にステップＳ２～Ｓ６のいずれかと並行して実施され得る。

本実施形態による細胞の特徴付けはそれにより、標的剤に対する細胞の表現型応答を決定するのみでなく、その細胞の種もしくは血清型を決定すること、またはその細胞が属する種もしくは血清型の群を決定することに関して、細胞の識別も提供する。これは、種もしくは血清型を単に識別しようとすること、または試験剤に対する細胞応答のみを決定することと比較して、生体試料中の細胞のより完全な特徴付けが得られることを意味する。これらは、本明細書においてより詳細に記載される。

場合によっては、生体試料の不均一性および特徴付けに悪影響を与え得るいくつかのタイプの細胞および非細胞物質の存在が原因で、マイクロ流体デバイスで生体試料中の細胞を特徴付ける際に問題および困難が生じ得る。

例えば、標的細胞の特徴付けは、刺激、例えば、試験剤への曝露、特定の環境条件など、に対する細胞の応答を監視することによって実施され得る。細胞がマイクロ流体デバイス中で捕捉され監視される物質を少数含む場合、他の細胞および非細胞物質が存在することにより、表現型解析に欠陥が生じ得る。最悪の場合、関連する細胞の表現型の特徴付けが不正確であり、それにより細胞に不正確な表現型が割り当てられ得る。

典型的な例は、尿路感染症（ＵＴＩ）罹患患者の尿中に存在する細菌の抗生物質感受性を検査することである。尿試料に、例えば皮膚からの細胞および細菌が混入している場合、こうした混入細胞は、マイクロ流体デバイスに添加された尿試料中の細胞の大部分を構成し得る。しかし、混入細菌は、尿試料の構成成分およびｐＨのため、尿試料中で成長しないか、または生存しない可能性が最も高い。マイクロ流体デバイスに添加された細胞を抗生物質にさらして尿中のＵＴＩを引き起こす細菌の感受性を検査する場合、捕捉された細胞のほとんどは成長せず、これは主に、抗生物質の存在のためではなく、混入細胞が尿または他の選択培地中で成長しないためである。したがって、抗生物質の存在下でマイクロ流体デバイス中での細胞の成長を監視することは、ＵＴＩを引き起こす細菌が、マイクロ流体デバイスで捕捉された細胞のほとんどが抗生物質の存在下で成長しないため、抗生物質に対して感受性であると結論付ける可能性がある。これは、尿中で非感受性または耐性の細菌の成長が、尿中で生存できない細胞が成長しないことにより目立たなくされることを意味する。その結果、尿中のＵＴＩを引き起こす細菌は、それらが実際に抗生物質に耐性である場合であっても、抗生物質に対して感受性であると誤って分類される場合がある。これは、尿試料を採取した患者を治療する場合に、患者の尿中に存在する非感受性細菌の成長を顕著に阻害しない抗生物質を投与することにより、今度は重大な結果を有することになり得る。

本実施形態の表現型解析および種／血清型の決定を組み合わせることは、表現型応答を監視するのみでなく細胞の種または血清型を識別することによっても、不均一性に関する上記の問題を解決する。これにより、この組み合わせは、細胞のより正確な特徴付けを提供し、識別表面（複数可）で生体試料中のこれらの標的細胞の存在をさらに識別することにより、標的細胞の正確な表現型応答を決定できるようにする。

例えば、細胞の混合集団を有するこうした実施形態では、決定された種、血清型またはそれらの群の情報にも基づいて表現型応答を決定することが有利であり得る。こうした場合、決定された表現型応答は、種または血清型情報に基づく分析で層別化できる。これは今度は、種または血清型情報へのアクセスも有することにより、異なる決定された表現型応答を異なる細胞の種、血清型またはその群に割り当てることができるようにする。

いくつかの実施形態では、１つ以上の細胞種の成長のみを維持する選択培地などの試験剤に対する細胞の表現型応答の情報は、細胞の種または血清型の決定を容易にし得る。したがって、こうした実施形態では、図１６のステップＳ７は、少なくとも１つの識別表面に固定化された親和性分子により捕捉された細胞の存在に基づいて、および決定された表現型応答に基づいて、種もしくは血清型または種もしくは血清型の群を決定することを含む。

特定の実施形態では、図１６のステップＳ１は、本実施形態によるマイクロ流体デバイスに、細胞を含む生体物質を含む生体試料を添加することを含む。この特定の実施形態では、本方法は、ステップＳ２において、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質を監視することをさらに含む。空間的に画定され分離された細胞区画のサブセットは、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質を監視することに基づいて決定される、少なくとも１つの表現型特徴を呈する細胞を含むものとして、ステップＳ３において識別される。

この特定の実施形態では、ステップＳ４は、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質を試験剤にさらすことを含む。次のステップＳ５は、この特定の実施形態では、空間的に画定され分離された細胞区画の識別されたサブセット中の細胞を監視することを含む。試験剤に対する細胞の表現型応答を次に、ステップＳ６において、空間的に画定され分離された細胞区画の識別されたサブセット中の細胞の監視に基づいて決定する。

この特定の実施形態の方法はそれにより、標的細胞の表現型応答を決定する前に、いわゆる「標的細胞」を含むマイクロ流体デバイスの空間的に画定され分離された細胞区画を識別する選択ステップを含む。したがって、空間的に画定され分離された細胞区画に捕捉されるか添加された生体物質を監視して、少なくとも１つの標的表現型特徴を呈する生体物質を含む空間的に画定され分離された細胞区画を識別する。表現型応答を次いでステップＳ６において、ステップＳ３で識別された空間的に画定され分離された細胞区画に存在する生体物質、すなわち標的細胞の応答のみに基づいて決定する。したがって、空間的に画定され分離された残りの細胞区画中の生体物質は、少なくとも１つの標的表現型を呈さないことに基づいて決定される標的細胞以外の細胞および非細胞物質である。空間的に画定され分離された残りの細胞区画におけるこうした物質の応答はこれによって、無視され、ステップＳ６において表現型応答を決定するときには使用されない。

これは、ステップＳ６で決定された表現型応答が、実際に生体物質中の試験剤に対する標的細胞の真の応答であり、この表現型応答が、生体試料中の他の細胞および非細胞物質の応答によって目立たなくされず、または影響されないことを意味する。

例えば、生体試料がＵＴＩ罹患患者から採取された尿試料であり、抗生物質に対する、標的細胞としてのＵＴＩを引き起こす細菌の感受性が、図１６に示す方法で検査されると仮定する。尿試料が次に、ステップＳ１においてマイクロ流体デバイスに添加され、空間的に画定され分離された細胞区画中のＵＴＩを引き起こす細菌およびあらゆる混入細菌および細胞を捕捉する。混入細菌および細胞は典型的には、尿中で生存できず、それによって成長しないか、または少なくともゆっくりと成長する。したがって、ステップＳ２は、例えば、それらの生存能力または細胞成長を決定する目的で、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質を監視することを伴い得る。ステップＳ３はしたがって、生存可能であり、かつ／またはステップＳ２での監視に基づいて決定された標的成長速度を超える成長速度を有する細胞を含む、空間的に画定され分離された細胞区画のサブセットまたは一部分を識別することを伴い得る。この識別されたサブセットの生体物質はこれによって、尿中で生存可能であり十分に成長し、それによりＵＴＩを引き起こす細菌を主に構成する。空間的に画定され分離された残りの細胞区画中の物質は、生存できず、標的成長速度を下回る成長速度を有する。この物質はそれにより、尿試料からの混入細胞および細菌および非細胞物質を主に構成する。

空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質を次に、抗生物質にさらし、ステップＳ３で識別された空間的に画定され分離された細胞区画中に存在する生体物質、すなわちＵＴＩを引き起こす細菌をステップＳ５で監視し、抗生物質に対するこの生体物質、すなわちＵＴＩを引き起こす細菌の表現型応答を次に、ステップＳ５での監視に基づいて、ステップＳ６において決定する。抗生物質に対するＵＴＩを引き起こす細菌の感受性または耐性をそれにより、尿試料からの混入細胞または細菌の応答によって隠れるリスクまたはこれらの影響を受けるリスクなしに、ステップＳ６において効率よく決定し得る。

この方法はさらに、ステップＳ７において種、血清型またはそれらの群を決定して、ＵＴＩを引き起こす細菌の完全な特徴付けを達成する。

一実施形態では、基板は、図１４に示すように、細胞を収容する寸法を有する空間的に画定され分離された細胞区画の第１のセットおよび空間的に画定され分離された細胞区画の第２のセットを含む。こうした実施形態では、ステップＳ４は、空間的に画定され分離された細胞区画の第２のセット中の細胞を、試験剤を含む溶液にさらすこと、および空間的に画定され分離された細胞区画の第１のセット中の細胞を、試験剤を含まない溶液にさらすことを含み得る。ステップＳ５は次に好ましくは、空間的に画定され分離された細胞区画の第１のセット中の細胞および空間的に画定され分離された細胞区画の第２のセット中の細胞を監視することを含む。この実施形態では、ステップＳ６は、空間的に画定され分離された細胞区画の第１のセット中の細胞および空間的に画定され分離された細胞区画の第２のセット中の細胞の監視に基づいて、試験剤に対する細胞の表現型応答を決定することを含む。

この実施形態はこれにより、第１のセットの空間的に画定され分離された細胞区画中に存在する細胞に関して、並行制御を有する。これは、一実施形態では、試験剤に対する細胞の表現型応答が、空間的に画定され分離された細胞区画の第１のセット中の細胞と空間的に画定され分離された細胞区画の第２のセット中の細胞の比較に基づいて決定されることを意味する。

一実施形態では、試験剤は抗生物質である。こうした場合、ステップＳ５は、抗生物質にさらすことなく空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞の占有における第１の相対的な時間依存性変化を測定すること、および抗生物質にさらし空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞の占有における第２の相対的な時間依存性変化を測定することを含むことが好ましい。

第１の場合には、ステップＳ５のこの実施形態は、連続的に実施され、すなわち、抗生物質を加えることなく空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞を最初に監視して、細胞の占有における第１の相対的な時間依存性変化を測定する。次に、抗生物質が追加され、空間的に画定され分離された細胞区画中の細胞が新たに監視されて、細胞の占有における第２の相対的な時間依存性変化を測定する。この第１の場合には、監視対象の細胞は独自の対照である。

第２の場合には、ステップＳ６のこの実施形態は、空間的に画定され分離された細胞区画の少なくとも２つのセットを含む図１４に示されるマイクロ流体デバイスを使用するなど、上記のように並行して実施される。

この実施形態では、ステップＳ６は好ましくは、第１の相対的な時間依存性変化および第２の相対的な時間依存性変化に基づいて、ならびに種もしくは血清型または種もしくは血清型の群の情報に基づいて、細胞の抗生物質感受性を決定することを含む。

特に、抗生物質に対する細胞の感受性は好ましくは、第１および第２の相対的な時間依存性変化の比較に基づいて、ならびに種または血清型情報に基づいて決定される。

抗生物質の感受性の決定に種または血清型の情報を含むことは、細胞の種または血清型の混合集団を含む生体試料の場合に特に有利である。こうした場合、細胞占有における相対的な時間依存性変化は、種または血清型情報を用いた分析で層別化され得る。

さらに、一実施形態では、この方法は、決定された表現型応答に基づいて、および決定された種もしくは血清型または種もしくは血清型の群に基づいて、細胞の抗生物質感受性を決定する追加のステップを含む。

一実施形態では、マイクロ流体デバイスは、複数の識別表面を含む。この実施形態では、複数の識別表面の一方の識別表面に固定化された親和性分子は、第１の種もしくは血清型または第１の種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成され、複数の識別表面の他方の識別表面（複数可）に固定化された親和性分子は、第２の異なる種もしくは血清型の細胞、または第２の異なる種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成される。複数の識別表面の各識別表面は、それぞれの種もしくは血清型またはそれぞれの種もしくは血清型の群に関連付けられる。こうした場合、図１６のステップＳ７は好ましくは、複数の識別表面上に固定化された親和性分子によって捕捉された細胞の存在に基づいて、それぞれの種もしくは血清型または種もしくは血清型のそれぞれの群を決定することを含む。

したがって、この実施形態では、異なる識別表面は、異なる親和性分子または親和性分子の異なる混合物を有し、それにより異なる種、血清型またはその群の細胞を捕捉する。例えば、第１の識別表面は、細胞種の第１の血清型を捕捉するための親和性分子を含み、第２の識別表面は、細胞種の第２の血清型を捕捉するための親和性分子を含み、以下同様である。こうした場合、生体試料中に存在する細胞の血清型は、捕捉された細胞を含む識別表面（複数可）に基づいて識別され得る。

図７に示すマイクロ流体デバイスは、識別表面（複数可）に向かって流れを誘導する流路ガイドを有した。代替的、または追加的アプローチでは、細胞を少なくとも１つの識別表面に配向するために、マイクロ流体デバイスの少なくとも一部分にフィールドを適用できる。こうしたフィールドはしたがって、電場、磁場、音響場、またはそれらの組み合わせであり得る。例えば、細胞の表面電荷を使用して、細胞を少なくとも１つの識別表面に向かって誘導できる。これに対応して、音響場は、細胞を少なくとも１つの識別表面に向かって押す圧力波を提供できる。磁場を使用して、磁気標識細胞を少なくとも１つの識別表面に向かって誘導できる。

このアプローチは、電気特性、サイズ特性、磁気特性などの様々な特性に基づいて、細胞などの物体を誘導する誘電泳動、音響泳動、または磁気泳動などのフィールドフロー分画の形態と見なすことができる。

一実施形態では、生体試料は、尿試料、血液試料、唾液試料、糞便試料、脳脊髄液試料、羊水試料、乳試料、またはリンパ試料などの体液試料である。あるいは、生体試料は、生検などの体組織から得ることができる。他の例としては、細菌混入について検査された食品試料、乳房炎検査のためのウシ、ヤギまたは他の乳生産動物からのミルクなどが挙げられる。実際には、細胞を含み、マイクロ流体デバイスに添加できる任意の生体試料gが、本実施形態に従って使用され得る。

細胞は、生体試料中に存在する細菌、例えば、大腸菌細胞、クレブシエラ菌細胞、ブドウ球菌細胞、古細菌細胞、真核細胞、酵母細胞、動物細胞、ヒト細胞、癌細胞などであり得る。これらの細胞は、本実施形態の方法において特徴付けられるべきである。

この試験剤は、任意の分子、化合物、組成物、または分子、化合物もしくは組成物の混合物、または選択的成長培地であり得る。関連する実施形態では、生体物質は、より一般的には、空間的に画定され分離された細胞区画中で刺激にさらされる。このような刺激は、必ずしも試験剤である必要はないが、代わりに、温度変化などの環境条件における変化であり得る。

図１６のステップＳ３で決定される標的表現型特徴の例示的であるが非限定的な例およびステップＳ６で決定される表現型応答もまた、成長率、形状、サイズ、時間の経過に伴って成長率を定義する成長率曲線の形態、時間の経過に伴って細胞長を定義する長さ曲線の形態、時間の経過に伴って細胞面積を定義する面積曲線の形状、色、光学密度、吸収スペクトル、および少なくとも２つのこうした表現型特徴の混合であり得る。

標的表現型の特徴は、非標的細胞物質の特徴を補足するものであり得る。したがって、標的表現型特徴は、所与の表現型特徴を含まない場合もある。こうした場合、非標的細胞物質は表現型特徴を呈するが、標的細胞は、所与の表現型特徴を呈さないことにより、標的表現型特徴を有する。

選択された培養培地など所与の培養条件における成長速度は、他の物質から標的細胞を区別するために有利に使用できる表現型の特徴または形質である。成長速度は、例えば、成長する細胞について数が経時的に増加する際に空間的に画定され分離された各細胞区画中の細胞もしくは粒子の数またはそれらの位置を監視することにより、決定できる。代替的に、または追加的に、成長速度は、細胞または粒子によって占有される、空間的に画定され分離された細胞区画の一部分の長さを監視することによって決定できる。この長さは、成長する細胞については時間と共に増加するが、生存不能および非成長細胞および非細胞物質については同じままである。図２０Ａは、マイクロ流体デバイスの空間的に画定され分離された細胞区画における経時的なそのような長さを例示する。代替的に、または追加的に、成長速度は、空間的に画定され分離された細胞区画の画像においてセグメント化された細胞の面積または長さを監視することにより決定され得る。

経時的な成長率は通常、異なる細胞間で異なる。例えば、いくつかの細胞型は指数関数的に成長するが、他の細胞型はより周期的な様式で成長する。したがって、成長速度曲線の形状または形態を使用して、標的細胞を他の細胞および非細胞物質と区別することができる。図２０Ｂは、マイクロ流体デバイスの空間的に画定され分離された細胞区画中で捕捉された物質の成長率曲線を示す。

異なる細胞型間および細胞と非細胞物質の間で異なる他の表現型の特徴としては、形状、サイズ、色、および光学密度が挙げられる。したがって、様々な細胞型は、棒状、球状、ねじれ状、円盤状などの、様々な形状を有し得る。また、長さおよび／または直径などのサイズは、サブμｍから最大で数十μｍの範囲などの、細胞を互いにかつ非細胞物質と区別するために使用され得る表現型の特徴である。

光学密度、色、または他のスペクトル特性は、細胞の内容物、細胞の形状などに応じてなど、様々な細胞型間で、および細胞と非細胞物質の間で、異なる。したがって、空間的に画定され分離された細胞区画中の物質の光学特性を使用して、細胞と非細胞物質を区別できる。

成長速度を決定するか、もしくは少なくとも推定するために、または成長速度曲線の形状を決定するために、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質および細胞を複数の時点で監視する必要がある。しかし、細胞の形状、細胞のサイズ、細胞の色、および光学密度などの、他の標的の表現型の特徴については、空間的に画定され分離された細胞区画中の生体物質および細胞を１回のみ監視すれば十分であり得る。

図１６のステップＳ２およびＳ５における細胞の監視はそれにより好ましくは、光学的方法を使用して実行される。特定の実施形態では、少なくとも１つの画像が、電荷結合素子（ＣＣＤ）および相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）カメラなどのカメラに接続された位相差顕微鏡などの顕微鏡、または蛍光用の共焦点スキャンシステム、ラマンイメージング、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）、ならびに死細胞および生細胞のスペクトルの変化をもたらす同様の化学的に敏感な技術を使用して、ステップＳ２および／またはＳ５で取得される。これは、化学的に特異的なプローブおよび色素などの、成長培地へのコントラスト強化添加物の有無にかかわらない、１つまたは複数の波長での測定を含む。

また、細胞を監視する他の技術を使用でき、特にそのような技術は、空間的に画定され分離された細胞区画における成長速度または細胞占有を決定できる。こうした技術としては、サーモパイルの使用などの熱量測定法、クーロンまたはコールターカウンターを使用するなどの電気的手法またはコンダクタンス法などが挙げられる。

マイクロ流体デバイス中の少なくとも１つの識別表面における細胞の捕捉、およびそれによる細胞の存在は、様々な実施形態に従って決定され得る。例えば、少なくとも識別表面（複数可）の写真を撮影して、その上に捕捉されたあらゆる細胞を検出するなどの、光学分析を実施できる。あるいは、様々な標識もしくはタグ、または標識されたもしくはタグ付けされた分子を追加し、少なくとも１つの識別表面で捕捉された細胞に結合させて、それらの検出を容易にすることができる。このような標識またはタグとしては、染料、フルオロフォアなどの蛍光標識／タグ、化学発光標識／タグ、同位体標識／タグ、フォトクロミック標識／タグ、発蛍光団標識／タグなどが挙げられる。

図１７は、１１ｘ１０^３ｘの倍率で示されるマイクロ流体デバイスの型の一部を示す走査型電子顕微鏡の画像である。この画像は、細胞チャネル２０および細胞チャネル２０の第２の端に近い障害物２５を示す。図１７はまた、いかなるチャネル障害もない細胞チャネルである基準チャネル５０を示す。図１７はさらに、基板に刻印されるドットバーコード８０を例示する。ドットバーコード８０は、マイクロ流体デバイス中で空間的に画定され分離された細胞チャネル２０を識別するために使用できる。代替の個別チャネル識別子を基板に刻印できる。

図１８は、生体試料が添加されたマイクロ流体デバイスの一部の位相コントラスト画像である。この画像では、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０中に存在する細胞は、流出チャネル４０に面する空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の暗い部分に対応し、一方で空間的に画定され分離された細胞チャネル２０の残りの明るい部分は、生体試料の培養培地のみを含み、細胞を含まない。

図１９は、３つの異なる時点で撮影された、生体試料が添加されたマイクロ流体デバイスの一部の位相コントラスト画像である。これらの画像では、細胞および非細胞物質は、空間的に画定され分離された細胞チャネル中で縦方向の暗い物体として示される。参照番号２０Ｃは、成長している細胞を含む、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｃを示す。したがって、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｃ中に存在する細胞の数は、時間１から時間２に、さらに時間３に進むと増加する。参照番号２０Ｄは、特定の培養培地中で成長できない細胞または非細胞物質を含む、空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｄを示す。したがって、この空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｄ中の細胞または非細胞物質の数は、３つのすべての時点で同じままである。

図１９での３つの画像により概略的に例示されるように、示された空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｃのうちの１つのみが、特定の培養培地中で生存可能であり成長する細胞を含む。残りの空間的に画定され分離された細胞チャネル２０Ｄはすべて、生存不能でありかつ成長しない細胞または非細胞物質を含む。

図２０Ａおよび２０Ｂは、マイクロ流体デバイスの個々の細胞チャネルについてプロットされた時間の関数として、長さ（図２０Ａ）および成長率（図２０Ｂ）を示す。これらの図は、不均一な生体試料における細胞の表現型の特徴に大きな違いがあること、および正確で信頼できる特徴付けは、本実施形態による種または血清型の識別から恩恵を受けることを示す。

上記の実施形態は、本発明のいくつかの例示的な例として理解されるべきである。本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に対して様々な変形、組み合わせ、および変更を行うことができることは、当業者には理解されよう。特に、技術的に可能な場合、異なる実施形態における異なる部分解決法を他の構成で組み合わせることができる。しかし、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。
参照文献
[1]Kim et al., Miniaturized Antimicrobial Susceptibility Test by Combining Concentration Gradient Generation and Rapid Cell Culturing, Antibiotics, 2015, 4(4): 455-466
[2]WO 2016/007068
[3]Baltekin et al., Antibiotic susceptibility testing in less than 30 min using direct single-cell imaging, PNAS, 2017, 114(34): 9170-9175
[4]WO 2013/130714

Claims (16)

1. 細胞を収容するように構成された空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）を有する基板（１０）を含むマイクロ流体デバイスであって、
   前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）のそれぞれの第１の端（２２）は流入チャネル（３０）と流体接続し、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）のそれぞれの第２の端（２４）は流出チャネル（４０）と流体接続し、
   種もしくは血清型のまたは種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成された固定化親和性分子を含む少なくとも１つの識別表面（６０、６１）を含み、
   前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）は選択された細胞がそれぞれの障害物を通って前記流出チャネル（４０）に入るのを防ぐように設計されたそれぞれの障害物（２５）を含む、
   デバイス。
2. 前記基板（１０）が前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
3. 前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）が前記流入チャネル（３０）の少なくとも１つの表面であることを特徴とする、請求項２に記載のマイクロ流体デバイス。
4. 請求項３に記載のマイクロ流体デバイスであって、
   前記流入チャネル（３０）は、
   第１の流体ポート（３１）と流体接続している第１の端（３２）、
   第２の流体ポート（３３）と流体接続している第２の端（３４）、および
   前記流入チャネル（３０）の前記第１の端（３２）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間に設けられた中間チャネル部分（３５）であって、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の前記それぞれの第１の端（２２）が前記中間チャネル部分（３５）と流体接続している、中間チャネル部分（３５）
   を含み、
   前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記中間チャネル部分（３５）の少なくとも１つの表面である
   ことを特徴とする、デバイス。
5. 請求項３または４に記載のマイクロ流体デバイスであって、
   前記流入チャネル（３０）は、
   第１の流体ポート（３１）と流体接続している第１の端（３２）、
   第２の流体ポート（３３）と流体接続している第２の端（３４）、および
   前記流入チャネル（３０）の前記第１の端（３２）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間に設けられた中間チャネル部分（３５）であって、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の前記それぞれの第１の端（２２）が前記中間チャネル部分（３５）と流体接続している、中間チャネル部分（３５）
   を含み、
   前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記中間チャネル部分（３５）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間の位置で前記流入チャネル（３０）の少なくとも１つの表面である
   ことを特徴とする、デバイス。
6. 請求項３～５のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、
   前記流入チャネル（３０）は、
   第１の流体ポート（３１）と流体接続している第１の端（３２）、
   第２の流体ポート（３３）と流体接続している第２の端（３４）、
   第１の中間チャネル部分（３５）であって、前記空間的に画定され分離された細胞区画（２０）の前記それぞれの第１の端（２２）が流体接続している、第１の中間チャネル部分（３５）、および
   第２の中間チャネル部分（３６）であって、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）のそれぞれの第２の端（２４）が流体接続している、第２の中間チャネル部分（３６）
   を含み、前記第１の中間チャネル部分（３５）は前記流入チャネル（３０）の前記第１の端（３２）と前記第２の中間チャネル部分（３６）の間に設けられかつ前記第２の中間チャネル部分（３６）は前記第１の中間チャネル部分（３５）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間に設けられ、かつ
   前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記第１の中間チャネル部分（３５）と前記第２の中間チャネル部分（３６）の間の位置（３７）で前記流入チャネル（３０）の少なくとも１つの表面である
   ことを特徴とする、デバイス。
7. 請求項３～６のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、
   前記流入チャネル（３０）は、
   第１の流体ポート（３１）と流体接続している第１の端（３２）、
   第２の流体ポート（３３）と流体接続している第２の端（３４）、
   第１の中間チャネル部分（３５）であって、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の前記それぞれの第１の端（２２）が流体接続している、第１の中間チャネル部分（３５）、および
   第２の中間チャネル部分（３６）であって、前記空間的に画定され分離された細胞区画（２０）の前記それぞれの第２の端（２４）が流体接続している、第２の中間チャネル部分（３６）
   を含み、前記第１の中間チャネル部分（３５）は前記流入チャネル（３０）の前記第１の端（３２）と前記第２の中間チャネル部分（３６）の間に設けられかつ前記第２の中間チャネル部分（３６）は前記第１の中間チャネル部分（３５）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間に設けられ、かつ
   前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記第２の中間チャネル部分（３６）と前記流入チャネル（３０）の前記第２の端（３４）の間の位置で前記流入チャネル（３０）の少なくとも１つの表面である
   ことを特徴とする、デバイス。
8. 請求項３～７のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスであって、
   前記流入チャネル（３０）は、
   第１の流体ポート（３１）と流体接続している第１の端（３２）、および
   第２の流体ポート（３３）と流体接続している第２の端（３４）を有する少なくとも第１の流入サブチャネル（７１）および第４の流体ポート（３８）と流体接続している第２の端（３９）を有する第２の流入サブチャネル（７２）へと前記流入チャネル（３０）を分割するチャネル分岐部（７０）
   を含み、
   前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の前記それぞれの第１の端（２２）は前記第１の流入サブチャネル（７１）と流体接続しており、かつ
   前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記第２の流入サブチャネル（７２）の少なくとも１つの表面である
   ことを特徴とする、デバイス。
9. 前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）を越えて前記流入チャネル（３０）を通る流れの少なくとも一部分を誘導するように構成された少なくとも１つの流路ガイド（７３）により特徴づけられる、請求項３～８のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
10. 前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）が少なくとも１つの空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の少なくとも１つの表面であることを特徴とする、請求項２～９のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
11. 前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の前記それぞれの第２の端（２４）は第３の流体ポート（４１）と流体接続している前記流出チャネル（４０）と流体接続しており、かつ
    前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記流出チャネル（４０）の少なくとも１つの表面である
    ことを特徴とする、請求項２～１０のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
12. 前記基板（１０）に取り付けられた基板カバー（２）により特徴づけられ、
    前記少なくとも１つの識別表面（６０、６１）は前記流入チャネル（３０）の少なくとも１つ、前記空間的に画定され分離された細胞チャネル（２０）の少なくとも１つの細胞チャネル（２０）および前記流出チャネル（４０）と整列された前記基板カバー（２）の少なくとも１つの表面である、
    請求項１～１１のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
13. 複数の識別表面（６０、６１）により特徴づけられ、前記複数の識別表面（６０、６１）のある識別表面（６０）上に固定化された親和性分子は第１の種もしくは血清型のまたは第１の群の種もしくは血清型の細胞を捕捉するように構成されかつ前記複数の識別表面（６０、６１）の他の識別表面（６１）（複数可）上に固定化された親和性分子は第２の、異なる種もしくは血清型のまたは第２の、異なる群の種もしくは血清型の細胞を捕捉するように構成される、請求項１～１２のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
14. 前記親和性分子は前記種もしくは血清型のまたは前記種もしくは血清型の群の細胞により産生される少なくとも１つの細胞表面分子に対して親和性を有することを特徴とする、請求項１～１３のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
15. 前記親和性分子は前記種もしくは血清型のまたは前記種もしくは血清型の群の細胞によって発現される少なくとも１つの細胞表面分子に対して親和性を有する一次親和性分子に対して親和性を有する二次親和性分子であることを特徴とする、請求項１～１４のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。
16. 前記親和性分子は前記種もしくは血清型のまたは前記種もしくは血清型の群の細胞を捕捉するように構成された抗体であることを特徴とする、請求項１～１５のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイス。

Images