JP7841751B2 - デジタル流体テレポーテーション、高度生体仮想化、および生体機能チップと生体模倣モデルの大規模集積化 - Google Patents

デジタル流体テレポーテーション、高度生体仮想化、および生体機能チップと生体模倣モデルの大規模集積化

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Description

ある種の生体機能チップ装置は、マイクロエンジニアリング生物学的細胞培養コンパートメントを含むことができ、そこでは人間生理学の組織レベルおよび臓器レベルの要素を再現することができる。そこに移植された細胞は、生理学的に現実的で関連性のある方法で機能し、組織化することが期待され、臓器系の機能的生物学的ユニットの正確なｉｎ ｖｉｔｒｏモデリングを可能にする。
しかし、ある種の生体機能チップシステムは、機能的かつ現実的な多臓器ネットワークを構築できないため、全身レベルでの複雑な生理的反応や多臓器間相互作用を再現することができないのである。各生体機能チップは、その特定の臓器の組織の自然な微小環境を模倣するために、ホルモン、栄養素、その他の分子を配合した異なる組成の成長培地を必要とする場合がある。異なる臓器で分化機能を維持するために、異なる細胞タイプが必要とする生化学的な合図が異なるため、臓器単位間で持ち運びができ、なおかつこれら複数の臓器単位すべての適切な分化と長期維持を同時にサポートできる単一の万能培地組成を作り出すことは困難な場合がある。
さらに、前記生体機能チップ装置を実用的なスクリーニングプラットフォームにするためには、これらの装置の操作が複雑であるという問題に直面することがある。例えば、ある種の生体機能チップ装置内の流体は、かさばる注射器ポンプか、研究者がピペットを使って手動で駆動する必要がある。薬物候補のスクリーニングなどのプロセスでは、自動化された大量かつ高スループットの試験が必要なため、このようなスループットの低下は、製薬産業における生体機能チップモデルの採用を限定的にする可能性がある。
従って、前記生体機能チップ装置のスループットおよび効率を改善する必要性が残っている。また、特定の組織微小環境を規定することができる特定の成長培地処方を、それらが意図されている臓器のみに委ねる一方で、ホルモンを含む、細胞が放出するシグナル伝達分子の特定の伝達を臓器または組織間で可能にすることができる、改良された生体機能チップ装置に対するニーズが存在する。
この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、以下のものがある（国際出願日以降国際段階で引用された文献及び他国に国内移行した際に引用された文献を含む）。
（先行技術文献）
（特許文献）
（特許文献１） 国際公開第２０１９／０３６６６６号
（特許文献２） 米国特許出願公開第２０１０／０２６７１４２号明細書
（特許文献３） 米国特許出願公開第２０１２／０１０１２６８号明細書
本明細書に記載される実施形態は、生体模倣プラットフォームおよびそれを製造する方法に関するものである。いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォームは、第１の入力流体溶液の供給源に選択的に結合可能な第１の流体入力部と、第２の入力流体溶液の供給源に選択的に結合可能な第２の流体入力部とを有する流体合成装置を含むことができる。前記流体合成装置は、さらに、流体出力部を含む。前記流体合成装置は、前記第１の流体入力部から受け取った第１の入力流体溶液と前記第２の流体入力部から受け取った第２の入力流体溶液とを混合することによって出力溶液を作成し、前記出力溶液を前記流体出力部から排出する。前記生体模倣プラットフォームは、さらに、前記流体合成装置の流体出力部に流体的に結合された流体入力部を有する流体アドレス指定システムを含む。前記流体アドレス指定システムは、さらに、第１の流体出力部と第２の流体出力部とを含む。前記流体アドレス指定システムは、前記流体アドレス指定システムの流体入力部からの出力溶液を、前記第１の流体出力部および前記第２の流体出力部のうちの選択された１つ若しくはその両方に伝達する。前記生体模倣プラットフォームは、さらに、前記流体アドレス指定システムの前記第１の流体出力部に流体的に結合された流体入力部を有する第１の生体模倣装置と、前記流体アドレス指定システムの前記第２の流体出力部に流体的に結合された流体入力部を有する第２の生体模倣装置を含む。前記第１の生体模倣装置と前記第２の生体模倣装置のそれぞれは、生体組織を培養し、前記流体アドレス指定システムを介して前記それぞれの生体模倣装置の前記流体入力部に受け取った前記流体合成装置からの前記出力溶液で前記生体組織を灌流させる。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置は、少なくとも第３の入力流体溶液の少なくとも供給源に選択的に結合可能な少なくとも第３の流体入力部を有し、さらに、前記第１の流体入力部から受け取った前記第１の入力流体溶液および前記第２の流体入力部から受け取った前記第２の入力流体溶液のうちの１つ若しくはその両方を少なくとも第３の流体入力部で受け取った少なくとも第３の入力流体溶液と混合することによって前記出力溶液を作成するように動作可能である。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置は、前記流体合成装置の前記流体入力部および前記流体出力部に流体的に結合され、前記入力流体溶液を混合して前記出力溶液を作成する混合チャンバを含むことができる。
図を通して、特に断らない限り、同じ参照数字および文字は、図示された実施形態の同様の特徴、要素、構成要素または部分を示すために使用される。さらに、本開示は、これから図を参照して詳細に説明されるが、図示された実施形態に関連して行われる。
図１は、一実施形態による、生体模倣プラットフォームの概略図である。 図２Ａは、実施形態による、制御システムの概略図であり、図２Ｂは、実施形態による、制御システムと係合した図１の前記生体模倣プラットフォームの概略図である。 図３は、実施形態による、図１の前記生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置を示す概略図である。 図４は、実施形態による、図１の前記生体模倣プラットフォームの前記流体アドレス指定システムの概略説明図である。 図５Ａ～図５Ｃはそれぞれ、図１の前記生体模倣プラットフォームに含まれる生体模倣装置の一実施形態を示す概略図である。図５Ｂは、横型構成の生体模倣装置の模式図であり、図５Ｃは、縦型構成の生体模倣装置の模式図である。 図６Ａは、実施形態による、生体模倣装置およびバイオセンサーの配置の概略上面図であり、図６Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂの生体模倣装置に含まれる臓器組織培養の例示的説明図であり、図６Ｄは、図６Ａおよび図６Ｂのバイオセンサーの詳細な概略上面図である。 図７Ａは、オンチップ流体合成装置による個別の生体模倣装置の増加を示す模式図であり、図７Ｂは、オンチップ流体合成装置による個別の生体模倣装置が単一のモノリシックの生体模倣プラットフォームに統合されている様子を示す模式図である。 図８Ａは、一実施形態による、多数の個々の生体模倣装置と関連するセンサーを単一の多層マイクロ流体装置に統合するマイクロ生理学的プラットフォームの説明図である。実施形態による、多層マイクロ流体装置を示す図であり、図８Ｂ、図８Ｃ、および図８Ｄは、前記生体模倣プラットフォームの一部を示す。 図９は、一実施形態による、流体テレポーテーションシステムの概略図である。 図１０は、一実施形態による、流体テレポーテーションシステムの概略図である。 図１１Ａ～図１１Ｄは、様々な実施形態による、流体テレポーテーションシステムの異なる接続形態を示す概略図である。 図１２は、それぞれが特定のヒト組織、臓器、またはシステムの生理学または機能を再現する複数の生体模倣装置を含み、それぞれがデジタル流体テレポーテーションによって１若しくはそれ以上の他の装置に接続されている人体機能チップモデルの概略図である。 図１３は、一実施形態による、流体テレポーテーションの方法を説明するフロー図である。 図１４は、一実施形態による、複数の生体模倣プラットフォームを含む生体模倣システムの例示的なシステム・ハードウェア基本設計概念の説明図である。 図１５Ａおよび１５Ｂは、一実施形態による、流体テレポーテーションのスクリーンフォーワード・モードの方法を示すフロー図である。 図１６Ａ～１６Ｄは、一実施形態による、流体輸送のスクリーンバックワードモードの方法を示すフロー図である。 図１７Ａは、システムソフトウェアの例示的なユーザインターフェイスビューの説明図であり、図１７Ｂは、一実施形態による、アクティブ流体テレポーテーション接続を説明するためにこの例示的な実施形態で使用される、例示的な生体模倣装置相互接続の視覚化の説明図である。 図１８は、本開示に係る仮想組織を用いた例示的なデータ収集の説明図である。 図１９Ａは、流体合成装置、生物学的培養チャンバ、およびバイオセンサーを含む生体模倣装置と別の生体模倣装置との例示的な結合の説明図であり、図１９Ｂは、相互接続としてデジタル流体テレポーテーションの例示的な実施形態を使用した、単一の生体模倣装置と複数の仮想組織の動的システムとの例示的な結合の説明図であり、１９Ｂは、本開示による相互接続としてデジタル流体テレポーテーションの例示的な実施形態を用いた、複数の仮想組織の動的システムへの単一の生体模倣装置の例示的な結合の説明図であり、図１９Ｃは、様々な実施形態による完全仮想を形成するためにデジタル流体テレポーテーションの例示的な使用法によって複数の仮想組織を一緒にした例示的なインターフェースの説明図である。 図２０は、一実施形態による、制御システムの主制御装置などの制御装置の概略図である。
開示される主題は、１若しくは複数の生体模倣装置の統合、管理、自動化、アナログ相互接続、デジタル相互接続、保守、観察、分析、または電子制御のうちの１若しくは組み合わせのためのシステムおよび方法を提供する。
１若しくは複数の生体模倣装置を含む生体模倣プラットフォームを製造するための技術が、本明細書に開示される。開示される主題は、専門の人員を必要とせずに、前記生体模倣装置を使用して完全または部分的に自動化された生物学的培養を実行することができる。特定の実施形態では、１若しくは複数のサブセットを相互接続することができる複数の生体模倣装置においてモデル化された生体系または生体組織間のフィードフォワード効果およびフィードバック効果をモデル化することができる。
生体模倣プラットフォームと制御システム基本設計概念
図１は、一実施形態による生体模倣プラットフォーム１００の概略図である。図１に示すように、生体模倣プラットフォーム１００は、流体合成装置１１０、流体アドレス指定システム、生体模倣装置のアレイ１３０、バイオセンサの配列１４０、センサーデータ送信器１５０、および流出路１６０を含むことができる。流体は、流体合成装置１１０の流体入力部１１２のようなプラットフォーム１００に流れ込み、構成要素を通って、前記構成要素間で流れ、流出路１６０の流体出力部１６４のようなプラットフォーム１００から流れ出ることが可能である。そのような流体は、洗浄流体および１若しくはそれ以上の入力溶液を含むことができる。図３を参照して以下でより詳細に説明するように、流体合成装置１１０の流体入力部１１２で受け取った複数の入力溶液は、いくつかの実施形態において、流体合成装置１１０によって受け取った制御入力の制御下で流体合成装置１１０内で混合することができ、結果として生じたカスタマイズ溶液は流体出力部１１４から出力することができる。流体出力部１１４は、流体アドレス指定システム１２０の流体入力部１２２に流体的に結合される。図４を参照して以下に説明するように、流体アドレス指定システム１２０は、流体入力部１２２からの前記出力溶液の個別のボーラス、または連続流を、流体出力部１２４の選択された１つにルーティングすることができる。前記流体のルーティングは、流体アドレス指定システム１２０によって受け取られる制御入力によって制御される。各流体出力部１２４は、前記生体模倣装置１３０の配列内の特定の１つの生体模倣装置１３０の入力に流体的に接続される。図５Ａ～図５Ｃを参照して以下でより詳細に説明するように、各生体模倣装置１３０は、チップ上の臓器として実装されてもよく、前記生体模倣装置１３０の入力に送達された前記溶液は、前記装置１３０の出力に達する前に、前記装置１３０の内容物と相互作用し、その組成が変化することが可能である。前記装置１３０の出力は、前記バイオセンサー１４０の配列における１若しくはそれ以上のバイオセンサー１４０の前記入力に流体的に結合され、前記改質された流体のボーラスが前記バイオセンサー１４０の１若しくはそれ以上によって受け取られ得るようにする。図６Ａ～図６Ｄを一部参照して以下でより詳細に説明するように、各バイオセンサー１４０は、前記改質された溶液の１若しくはそれ以上の特性を検出または測定することができ、１若しくはそれ以上の特性を示すデータ信号を生成することができる。いくつかの実施形態では、前記生成されたセンサーデータは、センサデータ送信機１５０に通信することができ、前記送信機は、データ出力部１５４を介して前記センサーデータを送信して、前記生体模倣プラットフォーム１００とは別のデータ受信機によって受信されるようにすることができる。いくつかの実施形態では、前記生成されたセンサーデータは、前記バイオセンサー１４０から直接読み取ることができる（すなわち、前記センサーデータ送信機１５０を使用することなく）。言い換えれば、前記生成されたセンサーデータは、データ伝送システムを使用することなく読み取ることができる。各バイオセンサー１４０は、前記改質された流体をバイオセンサー１４０から流出路１６０に搬送することができ、そこから流出路１６０の流体出力部１６４を介して前記生体模倣プラットフォーム１００とは別の流出液に排出できるように、流出路１６０の入力に流体的に接続される液体出力を有している。いくつかの実施形態では、前記流体出力部１６４は、流体を再利用するためにルーティングできる。いくつかの実施形態では、前記流体出力部１６４は、前記流体アドレス指定システム１２０に戻るように流体をルーティングすることができる。いくつかの実施形態では、前記流体出力部１６４は、流体を前記流体合成装置１１０に戻すようにルーティングすることができる。いくつかの実施形態では、前記流体出力部１６４は、流体を前記生体模倣装置１３０の配列に戻すようにルーティングすることができる。いくつかの実施形態では、前記流体出力部１６４は、前記生体模倣プラットフォーム１００に再統合される前に、さらなる処理を受けることができる。
いくつかの実施形態では、前記流体合成装置１１０は、前記生体模倣プラットフォーム１００内の前記生体模倣装置１３０の全てまたは一部に対して条件付きまたは組み合わせクリーニングを行うために、マイクロリットル量の所定の流体混合物を生成することができる。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置１１０は、ナノリットル未満から１ミリリットル以上の範囲の量の指定された流体混合物を生成することができる。いくつかの実施形態では、前記１若しくは複数の流体混合物の生成量は、特定のプラットフォーム、意図された実験、生体系、またはそれらの組み合わせの要件に依存する。
いくつかの実施形態では、前記流体アドレス指定システム１２０は、入力流体または流体の送達のための出力として、どの個々の生体模倣装置またはどの生体模倣装置のサブセットを選択するかを動的に変更するために、手動、半自動、または自動で制御することが可能である。特定の実施形態では、前記流体アドレス指定システム１２０は、前記流体混合物の流れを複数の選択された出力または生体模倣装置１３０に転換するように構成された少なくとも１つのバルブを含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記流体合成装置１１０は、前記流体アドレス指定システム１２０によって複数の生体模倣装置１３０に送達できる少なくとも１つの標的流体混合物を繰り返し生成することができる。非限定的な実施形態において、このような動作は、自動化された生体模倣プラットフォームを作成するために自律的に循環させることができる。
いくつかの実施形態では、前記生体模倣プラットフォーム１００は、第１の流体混合物を作成するための第１の流体合成装置１１０と、前記第１の流体混合物を少なくとも１つの生体模倣装置１３０の全てまたはサブセットにルーティングするための前記第１の流体アドレス指定システム１２０と、生体組織または材料を前記第１の流体混合物と共に培養して第２の流体混合物を生成するための少なくとも１つの生体模倣装置１３０を含むことができる。例えば、前記第２の流体混合物は、前記第１の流体混合物と前記第１の生体模倣装置間の生化学的相互作用によって生成することができる。
いくつかの実施形態では、前記生体組織は、肺組織、骨髄組織、骨組織、膵臓組織、内分泌島組織、肝臓組織、腎臓組織、胎盤組織、眼組織、腸組織、膀胱組織、脳組織、口組織、舌組織、歯組織、鼻組織、胸腺組織、リンパ節組織、リンパ系組織、喉組織またはそれらの任意の組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記生体組織は、特定のヒト組織を含むことができる。いくつかの実施形態では、特定のヒト組織は、ヒト臓器、臓器サブコンポーネント、２若しくはそれ以上の臓器のシステム、汎用組織要素（例えば、血管または靭帯）のシステム、または特定の細胞タイプ（例えば、線維化を生じるような関心のある挙動に関与している可能性がある線維芽細胞）のうちの１若しくはそれ以上を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記生物学的組織は、特定の日常動作を受ける特定のヒト組織、周期的に呼吸している肺組織、非定型状態を受ける特定のヒト組織、喘息発作を受ける肺組織、外部の薬剤との特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、細菌に感染している肺組織、環境要因にさらされる肺組織、汚染にさらされる肺組織、腐食性ガスにさらされる肺組織、治療薬として使用することを意図した外部の薬剤との特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、薬剤との特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、生体抗体との特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、細胞療法との特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、喘息の治療として気管支拡張剤との相互作用をモニターしている間に喘息発作を受けた肺組織、またはそれらの任意の組合せなどを含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー１４０は、少なくとも１つの化学センサーを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの化学センサは、前記第２の流体混合物中の標的分析物を検出するために前記少なくとも１つの生体模倣装置１３０に結合させることができる。いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの化学センサーは、入射光との共鳴プラズモン結合を生成するための薄い導電性フィルムと、少なくとも１つの標的分析物と結合してＳＰＲセンサーを形成するための少なくとも１つの生体認識分子とを含むことができる。前記薄膜は、前記少なくとも１つの生体認識分子が前記標的分析物に結合する場合に、前記共鳴結合に伝達可能な擾乱または偏移を誘発するように構成される。非限定的な実施形態では、前記少なくとも１つの多重化プラズモンバイオセンサーは、測定された標的分析物データ（例えば、標的分析物の名称および濃度）を外部受信機に送信するための変換器を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣プラットフォーム１００は、前記測定された標的分析物データを監視および／または処理するように構成でき、少なくとも１つの外部受信機を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つのセンサーは、前記ＳＰＲ化学センシングに加えて、少なくとも１つのセンシングモダリティを利用することができる。
生体模倣プラットフォーム１００は、図２Ａに概略的に示される制御システム１７０によって支持され、そこから流体および制御入力を受け取り、そしてデータおよび流体出力部を提供する。図２Ａに示されるように、制御システム１７０は、制御装置、データシステム１８０、係合システム１８５、および流体システム１９０を含むことができる。制御装置は、主制御装置１７２、１若しくはそれ以上の流体合成装置制御装置１７４、１若しくはそれ以上のアドレス指定システム制御装置１７６、および外部通信機１７８を含むことができる。データシステム１８０は、撮像装置１８２と、１若しくはそれ以上のセンサーデータ受信機１８１を含むことができる。係合システム１８５は、機械的支持体１８６、１若しくはそれ以上の流体継手１８７、および１若しくはそれ以上の制御ライン継手１８８を含むことができる。流体システム１９０は、１若しくはそれ以上の入力溶液容器１９２、１若しくはそれ以上の洗浄溶液容器１９４、１若しくはそれ以上の流体ハンドラ１９５、および１若しくはそれ以上の流出液容器１９６を含むことができる。
例えば、前記制御システム１７０は、洗浄液容器１９４および前記流体合成装置１１０の入力溶液のための容器などの流体容器を含むことができ、および／または前記制御システム１７０の外部の容器を流体的に結合する流体導管を提供して、前記生体模倣プラットフォーム１００上の前記それぞれの入力に流体を供給することができる。また、前記生体模倣プラットフォーム１００の前記流出路１６０からの流体出力部１６４のための容器を提供し、および／または前記制御システム１７０の外部の流出容器（複数可）を流体的に結合させるための流体導管（複数可）を提供することが可能である。前記制御システム１７０は、前記流体合成装置１１０の動作を制御する（例えば、前記流体合成装置１１０内のバルブへの空気圧の適用を制御する）前記流体合成装置制御装置１７４、および前記流体アドレス指定システム１２０の動作を制御する（例えば、前記流体アドレス指定システム１２０内のバルブと通信して流体の流れを導く）アドレス指定システム制御装置１７６などの１若しくはそれ以上の制御装置も含む。前記制御システム１７０は、前記バイオセンサーに関連する前記センサーデータ送信機（複数可）１５０によって提供されるセンサーデータを受信するためのデータ受信機１８１を含むことができる。また、前記生体模倣装置１３０および／またはバイオセンサー１４０から画像データを取得することができる撮像装置１８２（電荷結合素子、アクティブピクセルセンサー、光学顕微鏡、磁気共鳴画像装置、コンピュータ断層撮影装置、またはＭＯＳ電界効果トランジスタセンサーなど）を含むこともできる。前記制御システム１７０はまた、他の制御装置および構成要素からデータを受信し、および／またはそれに指示を提供するための主制御装置を含むことができ、前記制御システム１７０の外部の他の装置またはシステムと通信することができる。
いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０の配列内の任意の１つを含む前記生体模倣プラットフォーム１００上の所望の位置に選択的に流体を直接送達することができる。言い換えれば、前記生体模倣装置１３０の各々は、前記流体ハンドラ１９５からだけでなく、前記流体アドレス指定システム１２０からも流体を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、１若しくはそれ以上の微量注入器および／または１若しくはそれ以上のピペットを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体ハンドラ１９５が、前記生体模倣装置１３０の配列のうち指定された生体模倣装置１３０に流体を送達できるように、移動可能であることが可能である。この直接送達は、流体の損失を制限することができる。例えば、流体Ａが指定された生体模倣装置１３０に送達されており、ユーザが流体Ｂを前記生体模倣装置１３０に送達する必要がある場合、ユーザは前記流体アドレス指定システム１２０および前記流体合成装置１１０内の経路から流体Ａを洗い流すことなくそれを実行することができる。この直接送達能力は、ユーザが流体Ｂを所望の部位に送達する前に前記流体Ａのラインを洗い流す時間を取る必要がないため、時間効率を向上できる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体アドレス指定システム１２０と同様に、前記生体模倣装置１３０上の同じポートに結合することができる。いくつかの実施形態において、前記流体アドレス指定システム１２０は、前記生体模倣装置１３０上の第１のポートに結合することができ、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０上の第２のポートに結合することができる。
いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０の上流（例えば、前記流体アドレス指定システム１２０と前記生体模倣装置１３０間のインターフェースの上流）の位置に流体を送達することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０にインラインで流体を送達することができる。言い換えれば、前記流体ハンドラ１９５によるアクセスのために、１若しくはそれ以上の生体模倣装置１３０の部分にポートを統合することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１３６は、流体を前記生体模倣装置１３０の下流にある位置に送達することができる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置１３０の各々は、前記流体ハンドラ１９５からの注入のためのバルブを含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、１若しくはそれ以上の前記生体模倣装置１３０のから流体を引き出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０の上流にある位置から流体を引き出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０に対してインラインの位置から流体を引き出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０の下流にある位置から流体を引き出すことができる。
いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、組織、組織前駆体、幹細胞、またはそれらの任意の組み合わせを前記生体模倣装置１３０に送達することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０においてその場で組織を発現させるために使用される。いくつかの実施形態において、組織は、前記流体ハンドラ１９５において発現される。
いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣プラットフォーム１００の任意の部分から流体を送出または取出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体合成装置１１０に流体を送出することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体合成装置１１０から流体を引き出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体アドレス指定システム１２０に流体を送出することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記流体アドレス指定システム１２０から流体を引き出すことができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０に流体を送達することができる。いくつかの実施形態では、前記流体ハンドラ１９５は、前記生体模倣装置１３０から流体を引き出すことができる。
図２Ｂは、制御システム１７０と係合した１つの生体模倣プラットフォーム１００の概略説明図である。示されるように、前記機械的支持体１８６は、前記制御システム１７０の１若しくはそれ以上の構成要素と接触するように基板１０１を位置決めする。いくつかの実施形態では、前記機械的支持体１８６は、前記基板１０１と係合し、前記基板１０１を前記制御システム１７０の１若しくはそれ以上の構成要素と作動関係に保持するためのクランプを含むことができる。例えば、前記機械的支持体１８６は、前記基板１０１を読み取り／書き込み駆動で支持することができる。いくつかの実施形態では、前記機械的支持体１８６は、前記制御ライン継手１８８および前記流体継手１８７を所定の位置に保持するための構造的構成要素を含むことができる。例えば、前記機械的支持体１８６は、前記制御ライン継手１８８および前記流体継手１８７を所定の位置に保持するための１若しくはそれ以上のプラットフォームまたはクランプを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記機械的支持体１８６は、（例えば、前記流体合成装置１１０と前記流体アドレス指定システム１２０間の）流体結合のための連結管として機能するか、またはそれを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記機械的支持体１８６は、前記基板１０１を既知の位置と整列させることができる。いくつかの実施形態では、前記基板１０１の位置は、前記流体ハンドラ１９５および前記撮像装置１８２内の位置決めシステムにその位置が知られている前記機械的支持体１８６上の１若しくはそれ以上の位置合わせピン（図示せず）が、異なるアイテムの位置を参照するための基準として機能できるように拘束されることができる。いくつかの実施形態では、これらのアイテムは、組織、前記基板１０１上の関心のある対象物、および／または前記基板１０１自体を含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記流体継手１８７は、前記洗浄容器１９４、前記入力溶液容器１９２、および前記流出液容器１９６を、前記流体合成装置１１０、前記流体アドレス指定システム１２０、および前記生体模倣装置１３０に流体的に結合することが可能である。いくつかの実施形態では、前記流体継手１８７は、前記生体模倣ラットフォーム１００の構成要素への入力（例えば、前記流体合成装置１１０への入力）で確立される。いくつかの実施形態では、前記流体継手１８７は、前記生体模倣ラットフォーム１００からの出力（例えば、前記流出路１６０からの前記出力）と共に確立される。いくつかの実施形態では、前記制御ライン継手１８８は、前記生体模倣ラットフォーム１００の構成要素への入力（例えば、前記流体合成装置１１０への入力）と共に確立される。いくつかの実施形態では、前記制御ライン継手１８８は、前記生体模倣ラットフォーム１００からの出力（例えば、前記流出路１６０からの前記出力）と共に確立される。
いくつかの実施形態では、前記データ受信機１８１は、前記センサーデータ送信機１５０との通信を確立することができる。いくつかの実施形態において、前記データ受信機１８１は、前記バイオセンサー１４０から受動的な読み取りを行うように動作可能に配置される。
いくつかの実施形態では、前記撮像装置１８２は、前記生体模倣プラットフォームの構成要素を画像化するように動作可能に配置される。いくつかの実施形態では、前記撮像装置１８２は、光イメージング技術を使用して、前記流体合成装置１１０、前記流体アドレス指定システム１２０、および／または前記生体模倣装置１３０の様々な部分における流体を検出することができる。いくつかの実施形態では、前記撮像装置１８２は、光が前記生体模倣装置１３０からどのように吸収、反射、または散乱されるかに基づいて、前記生体模倣装置１３０内の細胞または細胞培養物の種類を検出するために使用することができる。
いくつかの実施形態では、前記主制御装置１７２は、前記流体合成装置制御装置１７４、前記アドレス指定システム制御装置１７６、前記データ受信機１８１、および前記撮像装置１８２を制御することができる。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置制御装置１７４は、バルブ開度、および前記流体合成装置１１０（すなわち、前記制御ライン継手１８８）への流入および／または流出する流体流量を制御することが可能である。例えば、ユーザは、前記流体合成装置制御装置１７４を介して前記流体アドレス指定システム１２０に送出したい特定の混合比および流量を指定することができ、前記流体合成装置制御装置１７４を介して前記流体合成装置１１０内で適切なバルブを開閉することができる。
いくつかの実施形態では、前記アドレス指定システム制御装置１７６は、前記バルブ開度、および前記流体アドレス指定システム１２０への及び／又は流出する流体の流量を制御することができる。いくつかの実施形態では、前記アドレス指定システム制御装置１７６は、前記流体アドレス指定システム１２０と前記生体模倣装置１３０間のバルブの開閉を制御することができる。いくつかの実施形態では、前記アドレス指定システム制御装置１７６は、前記流体アドレス指定システム１２０内の前記バルブを制御することを介して、前記流体アドレス指定システム１２０および前記生体模倣装置１３０内の圧力を制御することができる。
いくつかの実施形態では、前記流体合成装置制御装置１７４、前記アドレス指定システム制御装置１７６、前記撮像装置１８２、および前記データ受信機１８１は、単一のユーザインターフェースを介して（すなわち、前記主制御装置１７２を介して）監視および／または制御することが可能である。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置制御装置１７４、前記アドレス指定システム制御装置１７６、前記撮像装置１８２、及び前記データ受信機１８１は、別々のユーザインターフェースを介して監視することができる。いくつかの実施形態では、前記主制御装置１７２は、外部通信機１７８を介してユーザにデータを通信することができる。
いくつかの実施形態では、前記主制御装置１７２、前記流体合成装置制御装置１７４、及び／又は前記アドレス指定システム制御装置１７６は、比例制御装置、積分制御装置、微分制御装置、比例積分微分（ＰＩＤ）制御装置、またはそれらの任意の組合せを含むことが可能である。上述した前記制御装置のいずれかは、汎用計算装置として実装することができる。例えば、前記主制御装置１７２は、図２０に概略的に示されており、プロセッサ１７２Ａ、およびメモリ１７２Ｂ、並びに１若しくはそれ以上の入力／出力装置１７２Ｃを含むことができる。前記プロセッサ１７２Ａは、例えば、本明細書でより詳細に論じるようにネットワーク接続を介して、または装置もしくは記憶媒体との物理的接続を介して（例えば、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）または任意の他のタイプのポートを介して）、データを受信、処理、分析、コンパイル、保存、およびアクセスするように構成されることができる。前記プロセッサ１７２Ａは、一組の命令またはコードを実行および／または実行するように構成された任意の適切な処理装置であってよく、１若しくはそれ以上のデータプロセッサ、画像プロセッサ、グラフィックス処理ユニット、物理処理ユニット、デジタル信号プロセッサ、および／または中央処理装置を含んでいてもよい。各プロセッサ１７２Ａは、例えば、汎用プロセッサ、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、および／または同種のものであってもよい。各プロセッサ１７２Ａは、システムおよび／またはそれに関連するネットワークに関連するアプリケーションプロセスおよび／または他のモジュール、プロセスおよび／または機能を起動および／または実行するように構成されてもよい。前記基礎となる装置技術は、様々な構成要素タイプ（例えば、相補型金属酸化膜半導体（ＣＯＭＯＳ）などの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）技術、エミッタ結合論理（ＥＣＬ）などのバイポーラ技術、ポリマー技術（例えば、シリコン共役ポリマーおよび金属共役ポリマー・金属構造）、混合アナログおよびデジタルなどで提供することができる。
メモリ１７２Ｂは、データベース（図示せず）を含んでもよく、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、メモリバッファ、ハードドライブ、消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等であってもよい。メモリ１７２Ｂは、患者データ処理、センサー測定、ウイルス感染確率推定、ユーザ装置または患者監視制御、認証、暗号化、および／または通信などの、前記通信装置に関連するモジュール、プロセス、および／または機能を前記プロセッサに実行させるための命令を格納してもよい。本明細書で説明するいくつかの実施形態は、様々なコンピュータ実装動作を実行するための命令またはコンピュータコードをその上に有する持続性コンピュータ可読媒体（持続性プロセッサ可読媒体とも呼ばれる場合がある）を有するコンピュータ記憶製品に関する。前記コンピュータ可読媒体（またはプロセッサ可読媒体）は、それ自体が一時的な伝搬信号（例えば、空間またはケーブルなどの伝送媒体上で情報を運ぶ伝搬電磁波）を含まないという意味で、持続性である。前記媒体およびコンピュータコード（コードまたはアルゴリズムとも呼ばれる場合がある）は、特定の目的または目的のために設計および構築されたものであってもよい。持続性コンピュータ可読媒体の例としては、ハードディスク、フロッピーディスク、および磁気テープなどの磁気記憶媒体、コンパクトディスク／デジタルビデオディスク（ＣＤ／ＤＶＤ）、コンパクトディスク・リードオンリーメモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、およびホログラム装置などの光記憶媒体、光ディスクなどの光磁気記憶媒体、半導体ドライブ（ＳＳＤ）および半導体ハイブリッドドライブ（ＳＳＨＤ）などの半導体記憶装置、搬送波信号処理モジュール、ならびに特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤｓ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）装置などのプログラムコードを格納および実行するように特別に構成されたハードウェア装置に関するもの、などがあるが、それだけに限られるわけではない。本明細書に記載される他の実施形態は、コンピュータプログラム製品に関するものであり、例えば、本明細書に開示される命令および／またはコンピュータコードを含むことができる。
各入出力装置１７２Ｃは、プロセッサ１７２Ａおよび１７２Ｂと結合され、他の装置（制御システム１７０の他の制御装置および構成要素、他のそのような制御システム、および外部通信機１７８経由などの他の装置など）と通信するように構成されることが可能である。各入出力装置１７２Ｃは、有線または無線接続によって前記コンピュータ装置を他のシステム（例えば、インターネット、リモートサーバ、データベース）に接続するように構成されたネットワークインターフェースを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記ネットワークインターフェースは、１若しくはそれ以上の装置および／またはネットワークと通信するように構成された無線周波数（ＲＦ）受信機、送信機、および／または光学（例えば、赤外線）受信機と送信機を含んでもよい。
生体模倣プラットフォーム１００、およびその構成要素は、チップまたは基板１０１上に実装することができる。前記基板１０１は、マイクロプロセッサ製造産業で使用されるものと同様のクリーンルーム・ナノファブリケーションおよび／またはリソグラフィー処理を通じて製造することができる。例えば、単一のマイクロ流体基板に組み込まれる場合、前記生体模倣プラットフォームは、ネガ型フォトレジストによって画定された型に熱硬化性ポリマーを一体成型することによって、意図するマイクロ流体パターンを熱可塑性材料に刻印できる熱エンボスまたはスタンピング処理によって、および／または射出成形によって作製することができる。特定の実施形態では、前記プラットフォームは、相補的な位置合わせマーキングを利用するなどして光学的に整列され得る複数の接合された層から作製することができる。特定の実施形態では、２若しくはそれ以上の層から作製されたプラットフォームは、熱の適用によって、吐出された接着剤によって、接着力を提供するためにその後硬化する未硬化ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む未硬化熱硬化性プラスチックの適用によって、および／または得られた圧力に基づいたシールで封入流体または生体化合物を含むために層成層方向に力を加えて接着されることが可能である。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサ１４０は、前記基板１０１に一体化できる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサ１４０は、前記基板１０１から分離して配置することができ、および／または前記基板１０１の外部に配置することができるかもしれない。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサ１４０は、前記基板１０１とは別の構造体に統合することができる。
特定の実施形態では、前記生体模倣プラットフォーム１００は、様々な幾何学的特徴を含むことができる。前記幾何学的特徴は、前記液体の流路に影響を与えるために、前記生体模倣プラットフォームにパターン化することができる。例えば、前記幾何学的な特徴は、以下の１若しくは組み合わせを含むことができる：ある流体化合物または相の通過を制限し、他のものは制限しない選択的透過性膜（例えば、気体または液体の選択的透過性）、多孔質膜、ノッチ、ピラー、毛細管現象または表面張力トラップによって液体を操作するエッジ、マイクロピラー、ナノピラーアレイ、表面金属蒸着、エラストマー作動を可能にする薄肉機能、接着層間に液体を輸送するための成形または機械的に打ち抜かれた穴、光学的オーバーレイまたは機械的コンフォーマル・フィットによる多層装置の少なくとも２つの層の機械的アライメントを可能にする幾何学的特徴の一致、関心のある位置、ポート、ゾーンをユーザーに示すための矢印または指標、イメージングまたは自動分析におけるオートフォーカス、スティッチング、モーション、位置原点ルーチンを支援する位置合わせマークなどである。
いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォーム１００は、少なくとも１つの注入口接続および少なくとも１つの排出口接続を形成することができるマイクロ流体システムを含むことができる。例えば、以下により詳細に説明するように、注入口接続は、流体合成装置１１０への流体入力部、流体アドレス指定システム１２０への入力制御、生体模倣装置１３０などの前記生体模倣プラットフォーム上の構成要素への流体入力部、またはそれらの組合せとすることができる。排出口接続は、廃棄物出力、サンプリング出力、またはそれらの組合せとすることができる。開示されたシステムは、調節されたガス圧を生成するための外部コンプレッサを含むことができる。前記ガス圧は、以下でより詳細に説明するように、流体の流れを駆動し、前記流体アドレス指定システム１２０をゲートすることができる。
図３は、流体合成装置１１０の模式図である。流体合成装置１１０は、２若しくはそれ以上の入力溶液を個別に指定された比率または割合で一緒に混合して、カスタム流体混合物、または出力溶液を作成することができる。図３に示すように、流体合成装置１１０は、図３において流体入力部１および流体出力部Ｎ（ここで、Ｎは１若しくはそれ以上であり得る）として識別される２若しくはそれ以上の流体入力部１１２を含むことができる。いくつかの実施形態では、流体入力部１を介して前記流体合成装置１１０に入る前記流体は、流体入力部Ｎまたは他の流体入力部１１２のいずれかを介して前記流体合成装置１１０に入る前記流体と同じであることができる。いくつかの実施形態では、第１の流体が第１の流体入力部１１２を介して前記流体合成装置１１０に入ることができ、第２の流体が第2の流体入力部１１２を介して前記流体合成装置１１０に入ることができ、前記第２の流体は前記第１の流体とは異なる。いくつかの実施形態では、多くの異なる流体（例えば、少なくとも約３、少なくとも約４、少なくとも約５、少なくとも約６、少なくとも約７、少なくとも約８、少なくとも約９、少なくとも約１０、少なくとも約２０、少なくとも約３０、少なくとも約４０、少なくとも約５０、少なくとも約６０、少なくとも約７０、少なくとも約８０、少なくとも約９０、または少なくとも約１００）が前記流体入力部１１２を介して前記流体合成装置１１０に入ることが可能である。各流体入力部１１２は、混合チャンバ１１６に（例えば、任意の適切な流体管またはチャネルによって）流体的に接続されている。各流体入力部は、入力溶液のそれぞれの容器（生体模倣プラットフォーム１００の一部ではなく、任意に制御システム１７０の一部）に選択的に流体的に結合して、前記入力溶液を受け取り、それを混合チャンバ１１６に搬送することが可能である。例えば、入力溶液１の容器は、入力溶液１が流体入力部１を介して混合チャンバ１１６に送達されるように、流体入力部１に結合可能であり、入力溶液Ｎの容器は、入力溶液Ｎが流体入力部Ｎによって混合チャンバ１１６に送達されるように、流体入力部Ｎに結合可能である。所望の量（または流量）の入力溶液１および所望の量（または流量）の入力溶液Ｎは、したがって、混合チャンバ１１６に受け取られ、出力溶液の所望の量またはボーラス（または流量）を形成するために一緒に（例えば、受動的にまたは撹拌機のような能動機構を介して）混合することが可能である。混合チャンバー１１６は、流体合成装置１１０の流体出力部１１４に流体的に結合され、そこから前記出力溶液（離散ボーラス、または所望の流量での連続流）を、下流の構成要素、例えば、流体アドレス指定システム１２０を介して、１若しくはそれ以上の前記生体模倣装置１３０に搬送することが可能である。
洗浄入力部１１３は、混合チャンバ１１６に流体的に結合され、洗浄溶液の容器（生体模倣プラットフォーム１００の一部ではない）に選択的に流体的に結合可能である。所望の量の出力溶液が流体出力部１１４を介して流体合成装置１１０から送達された後、大量の洗浄溶液が洗浄入力部１１３を介して混合チャンバ１１６に搬送され、流体出力部１１４および下流構成要素を介して混合チャンバ１１６から前記出力溶液を排出またはクリアすることができる。いくつかの実施形態では、混合チャンバ１１６は、廃棄物を排出するため、又は流体を流体合成装置１１０に戻して再循環させるための追加の出口流（図示せず）を含むことができる。
前記それぞれの流体入力部１１２を介して送達される前記各入力溶液の量（または流量）は、前記入力溶液容器によって、例えば前記容器からの前記流体の流れを制御するポンプ、および／または前記容器に関連するバルブの使用によって制御することができる。あるいは、混合チャンバ１１６に送達される前記入力溶液のうちの任意の１若しくはそれ以上の量（または流量）は、前記流体合成装置１１０に含まれるアクティブバルブなどの別個の機構によって制御することができる。図３に示すように、各流体入力部１１２と混合チャンバ１１６間の流体的結合は、バルブ１１５を含むことができる。バルブ１１５は、混合チャンバ１１６への入力溶液の流れを許容する開状態、または前記入力溶液の流れを阻止する閉状態とすることができる。各バルブ１１５は、図２を参照して上述したように前記制御システム１７０に含まれる前記流体合成装置制御装置１７４などのそれぞれの制御入力（生体模倣プラットフォーム１００の一部ではない）により制御することができる。いくつかの実施形態において、前記バルブ１１５は、チェックバルブ、ボールバルブ、グローブバルブ、プラグバルブ、ニードルバルブ、バタフライバルブ、ピンチバルブ、ゲートバルブ、リリーフバルブ、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、流体合成装置１１０は、流量センサー、圧力調整器、および流量制御バルブのうちの１若しくは組み合わせの間のフィードバック制御ループ（限定されないが、比例・積分・微分制御装置または「ＰＩＤ」制御装置を含む）を利用した流量の閉ループ流体制御を含むが、限定されない閉ループ制御システムにより制御される。
流体アドレス指定システム１２０は、図４に模式的に図示されている。流体アドレス指定システム１２０は、前記流体合成装置１１０からの前記出力溶液を、生体模倣プラットフォーム１００上の目標位置にルーティングすることができる。例えば、流体アドレス指定システム１１０は、前記出力溶液を少なくとも１つの生体模倣装置１３０に転換することができる。図４に示すように、流体アドレス指定システム１２０は、デマルチプレクサ構成要素として機能し、流体入力部１２２で受け取った流体（例えば、流体合成装置１１０の出力）を、制御または選択ライン１２５の前記制御下で、複数の流体出力部１２４のいずれか１若しくはそれ以上へ選択的にルーティングすることが可能である。前記制御ライン１２５は、制御ライン１、制御ラインＳまでを含む。前記制御ライン１２５は、前記バルブ１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄ、１２６Ｅ、１２６Ｆ（まとめてバルブ１２６と呼ぶ）を開放または閉鎖するよう制御する。示されるように、前記バルブ１２６は対で配置される。一例として、前記制御ライン１２５は、「高」ラインと「低」ラインとを含むことができ、前記高ラインは、バルブ１２６の各対のうちの第１を制御し、前記低ラインは、バルブ１２６の各対のうちの第２を制御する。例えば、制御ライン1は、ハイラインとローラインとを含むことができる。制御ライン1のハイラインはバルブ126Aを制御することができ、一方、制御ライン1のローラインはバルブ１２６Ｂを制御することができる。制御ラインＳは、バルブ１２６Ｃおよびバルブ１２６Ｅを制御する高ラインと、ライン１２６Ｄおよびライン１２６Ｆを制御する低ラインとを含むことができる。このようなシステムの利点は、１本のラインで複数のバルブを制御することができることである。しかし、前記バルブ１２６の一部の開閉状態は相互作用することになる。言い換えれば、前記バルブ１２６のそれぞれを独立して制御することはできないだろう。例えば、バルブ１２６Ｃとバルブ１２６Ｅは同じ開閉状態を有し、バルブ１２６Ｄとバルブ１２６Ｆは同じ開閉状態を有するだろう。いくつかの実施形態では、前記バルブ１２６の１若しくはそれ以上は、矩形プロファイルのマイクロチャネルを介して前記少なくとも１つの生体模倣装置１３０に接続されたドーム型膜バルブであってもよい。特定の実施形態では、前記バルブ１２６の１若しくはそれ以上は、正圧によって作動させることができる。特定の実施形態では、前記バルブ１２６の１若しくはそれ以上は、真空の印加によって作動させることができる。特定の実施形態では、前記バルブ１２６の１若しくはそれ以上は、正圧と負圧の組合せによって作動させることができる。特定の実施形態では、前記バルブ１２６の１若しくはそれ以上は、矩形プロファイルマイクロチャネルを利用することができる。
いくつかの実施形態では、前記流体アドレス指定システム１２０は、出力チャネル（流体出力部１２４）を選択するために、空気圧式ゲートまたはバルブ式デマルチプレクサ構成要素を用いて実装できる。前記デマルチプレクサは、統合されたフローバルブを有するバイナリーアドレス指定ロジックを使用して動作することができる。例えば、「０」は閉バルブを象徴することができ、「１」は開バルブを象徴することができる。前記生体模倣プラットフォーム内の各下流生体模倣装置１３０（または他の装置）は、数値アドレスを有することができ、そのバイナリ表現は、それに対応する前記流体アドレス指定システム出力を開くために必要な前記バルブ状態を符号化することができる。前記バイナリーアドレス指定ロジックは、複数の空気圧式または油圧式制御または選択ライン１２５によって制御することができる。前記選択ラインの量（Ｓ）と前記アドレスの量（Ａ）間の数学的関係は、Ａ＝２ｓによって記述することができる。いくつかの実施形態では、２つの空気圧式または油圧式接続を使用して各選択ラインを制御することができ、この場合、前記選択ラインの量（Ｓ）と前記アドレスの量（Ａ）間の数学的関係は、Ａ＝２Ｓ＝１によって記述することができる。例えば、前記バイナリーアドレス指定ロジックが６本の選択ラインを持つ実装の場合、６４個の出力アドレスである可能性があります。もちろん、前記バイナリアドレス指定ロジックは６本より少ない選択ライン数でも、６本より多い選択ライン数であってもよい（例えば、１０２４個のアドレスを扱うために１０本の選択ラインを持つなど）。ある実施形態では、各選択ラインは、１つの外部４方向バルブ、２つの外部３方向バルブ、または２つの外部２方バルブによって操作することができる。非限定的な実施形態において、前記バイナリアドレス指定システムは、パイロットバルブとして合計７つの２方向、４ポートソレノイドバルブ（例えば、２７＝１２８個の個別にアドレス指定可能な流体出力部または前記流体アドレス指定システムからの出力）、またはパイロットバルブとして合計１４の２方向、４ポートソレノイドバルブ（例えば、２１４＝１６、３８４個の個別にアドレス指定可能な流体出力部または前記流体アドレス指定システムからの出力）を含むことができる。
いくつかの実施形態では、前記流体アドレス指定システムは、前記流体アドレス指定システムまたは下流チャネルに現在含まれている任意の液体または死容量を洗浄するための「フラッシュ」出力部１２７を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記フラッシュ出力部１２７は、図１を参照して上述したように、前記流出チャネル１６０に流体的に結合できる。いくつかの実施形態では、前記フラッシュ出力部１２７は、前記流体出力部１２４に流体的に結合できる。流体アドレス指定システム１２０は、前記生体模倣プラットフォーム１００の操作、および流体アドレス指定システム１２０の下流の１若しくはそれ以上、または全ての装置（生体模倣装置’１３０など）へのカスタマイズされた流体および／または洗浄流体の送達に大きな柔軟性を提供する。例えば、いくつかの実施形態では、流体アドレス指定システム１２０は、全ての出力部１２４がブロックされている「オフ」状態を含むことができる。流体アドレス指定システム１２０は、その流体出力部１２４の１つ、その流体出力部１２４の１つ以上のサブセット、またはその流体出力部１２４のすべてを開くこともできる。いくつかの実施形態では、前記流体アドレス指定システム１２０がその流体入力部１２２から流体を送出している場合、前記流体アドレス指定システム１２０は、当該流体を必要とする生体模倣装置に接続された前記出力チャネルのすべてまたはサブセットを同時に開くことができ、そうすることによって、前記選択した生体模倣装置のすべてを同時に灌流させることができる。
したがって、流体合成装置１１０によって生成された前記カスタマイズされた流体混合物は、前記流体アドレス指定システム１２０によって１若しくは複数の生体模倣装置１３０に送達できる。流体アドレス指定システム１２０は、前記選択された生体模倣装置または装置１３０へのフローバルブを開くことができ、前記流体合成装置１１０で生成された前記カスタマイズされた流体混合物が、他の任意の生体模倣装置または装置１３０に入ることを防止しながら、標的の生体模倣装置または装置１３０に流入することを可能にする。
いくつかの実施形態では、流体アドレス指定システム１２０は、選択された生体模倣装置１３０の上流における全ての流体のフラッシングを制御することができるバイパスセレクタ１２８を含むことができる。例えば、前記流体アドレス指定システム１２０における最も下流の選択または制御ライン１２５の下流では、前記流体は、標的生体模倣装置１３０に直接続けることができるか、または前記標的生体模倣装置１３０を中断させずに前記バイパスセレクタ１２８によって廃液の流れにバイパスさせることができる。言い換えれば、前記バイパスセレクタ１２８は、前記流体アドレス指定システム１２０からの流体出力部が、前記生体模倣装置１３０の配列内のその目標位置に到達するか、または廃液流に切り替わって流されるかを決定することができる。これは、ユーザが前記流体アドレス指定システム１２０内に現在ある前記流体を前記生体模倣装置１３０に送出することを望まない場合に、廃液の量を減少させるものである。前記バイパスセレクタ１２８を用いると、前記流体アドレスシステム１２０およびその上流の前記流体のみがフラッシュされ、前記生体模倣装置１３０内の流体も含むのではなく、流出物または廃液流に行く必要がある。前記バイナリアドレス指定ロジックは、多数の（例えば、数百から数万）生体模倣装置１３０に対する高スループットスクリーニングまたは試験のための生体模倣プラットフォーム１００を作成するために、電磁バルブの要件を最小限にするために使用することができる。前記生体模倣プラットフォーム１００は、少なくとも１つの生体機能チップ（ｏｒｇａｎ－ｏｎ－ａ－ｃｈｉｐ）を含むことができる生体機能チップシステムとすることができる。
いくつかの実施形態では、前記流体アドレス指定システム１２０は、前記流体の流れを生体模倣プラットフォーム１００の異なる層にルーティングすることができる。いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォーム１００の複数の層は、フォトレジスト・リフロー成形によって作製することができる丸型プロファイルまたはドーム型プロファイルのマイクロ流体チャネルと、ネガフォトレジスト成形によって作製することができる正方型プロファイルまたは長方形プロファイルのマイクロ流体チャネルとの間を交互に配置することができる。前記丸形プロファイル、ドーム形プロファイル、正方形プロファイル、および長方形プロファイルのマイクロ流体チャネルの各々は、生体模倣プラットフォーム１００の同一層上または異なる層上に配置できる。前記マイクロ流体チャネル間のこのような交互配置は、丸型プロファイルのマイクロ流体チャネルで動作する膜バルブと、長方形プロファイルのマイクロ流体チャネルで動作する生体模倣装置１３０間の互換性を可能にする。いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォーム１００は、ドーム型バルブと組み合わせて使用される長方形プロファイルのマイクロ流体チャネルを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記長方形流体ラインまたはマイクロ流体チャネルは、空気圧駆動選択ラインまたは油圧駆動選択ラインの任意の膨張から切り離すことができる。前記膨張は、より完全かつ／または迅速な膜バルブの作動を可能にするために、より高い圧力が使用される場合、空気圧または油圧選択ラインに断面の歪みを与えることができる。いくつかの実施形態では、流体流れは、第１の流れ層から第２の離散バルブ層（「面外」または「層外」バルブ）に移送され、その後、前記流体アドレス指定システム内の前記第１の流れ層に戻されることができる。前記面外または層外のバルブは、空気圧または油圧制御バルブを前記生体模倣プラットフォーム１００のフットプリント上の任意の位置に配置することを可能にできる。例えば、前記空気圧または油圧制御バルブは、意図しない干渉または流体流層の加圧偏向なしに、バルブ付けのために意図された位置以外の位置に配置することができる。
いくつかの実施形態では、流体は、穴（例えば、「ビア」）を通して層間を流れることができ、これは、前記装置の対向する層に存在する前記マイクロ流体チャネル間で連続することができる。前記ビアの配置は、第１の層上の第1の流体チャネルを第２の層まで垂直にルーティングし、次に前記第１の流体チャネルを第２の流体チャネルを横切って垂直に前記第１の層まで戻してオーバーパスまたはアンダーパスを作成することによって、流体接触なしに少なくとも１つの前記第２の流体チャネルを横断できるよう利用することができる。いくつかの実施形態では、前記ビアは、長方形の断面を有するマイクロチャネルと丸型の断面を有するマイクロチャネルの間で流体を送達するために利用される。空気圧または油圧で制御される膜バルブは、前記丸型の断面を持つ層内に配置することができ、前記作動膜は、前記バルブ付きマイクロチャネルの丸型の輪郭に沿ってより堅牢なシールを形成することができるようになる。
図１を参照して上述したように、生体模倣プラットフォーム１００は、生体模倣装置１３０の１若しくはそれ以上の配列を含むことができる。そのような生体模倣装置１３０のそれぞれは、生理学的に関連する組織または臓器型の発生を刺激するように設計された微小工学的環境を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記配列内の、および／または前記生体模倣プラットフォーム全体上の、全ての前記生体模倣装置１３０は、同じ汎用設計を共有することができる。他の実施形態では、生体模倣装置１３０は、複数の設計を有し、配列内の異なる位置にわたって、または生体模倣プラットフォーム100上の複数の配列に分布させることができる。
生体模倣プラットフォーム１００の各生体模倣装置１３０は、組織、細胞、細菌、ウイルス、他の生体、生体足場、または摘出組織のうちの１若しくはそれ以上を含むように構成でき、臓器、またはその一部の構造および機能を複製することが可能である。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置１３０の１若しくはそれ以上ははだかの構造体として開始することができる。したがって、生体模倣プラットフォーム１００の初期状態において、それはいかなる生物学的材料も欠いていてもよく、生体模倣装置１３０は、そのような材料を受け取り、次にそれを培養または成長させるように構成される。したがって、生体模倣プラットフォーム１００の他の状態において、それは、生理学的発達の任意の１若しくはそれ以上の段階において、１若しくはそれ以上の生体模倣装置１３０に生物学的材料を含むことができる。したがって、いくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０の１若しくはそれ以上を、組織または臓器に成長するために培養液を供給することができる細胞を導入することによって、組織で播種することができる。そのような細胞は、いくつかのルートのうちの任意の１若しくはそれ以上によって、前記生体模倣装置に導入することができる。いくつかの実施形態では、細胞は、例えば流体ハンドラ１９５によって、前記生体模倣装置に直接導入することができる。代替的に、または追加的に、細胞は、前記流体合成装置１１０の中、またはその上流、前記流体アドレス指定システム１２０の中、またはその上流など、生体模倣装置１３０に流体的に結合される（または結合可能な）生体模倣プラットフォーム１００の任意の１若しくはそれ以上の他の部分に導入することができる。
いくつかの実施形態では、前記基板１０１は、官能化された部位を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記基板１０１上の官能化部位は、前記細胞がより容易に成長できるように官能化することができる。いくつかの実施形態では、前記官能化部位は、前記基板１０１を封入して前記生体模倣装置１３０を形成する前に、前記基板１０１上に形成することができる。いくつかの実施形態では、前記官能化部位は、前記基板１０１が囲いまたは "巣 "の中にある間に、前記生体模倣装置１３０内に形成することができる。いくつかの実施形態では、前記基板１０１上の官能化部位は、モノリシック構造で形成することができる。いくつかの実施形態では、前記基板１０１上の官能化部位は、複数の構成要素または構造にわたって分解できてもよい。
いくつかの実施形態では、前記細胞は、心臓細胞、骨細胞、腎臓細胞、肝臓細胞、腸細胞、肺細胞、またはそれらの任意の組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置１３０は、心臓組織、骨組織、腎臓組織、肝臓組織、腸組織、肺組織、またはそれらの任意の組み合わせをモデル化するように構造化することができる。
図５Ａ～５Ｃは、図１の前記生体模倣プラットフォーム１００に含まれる生体模倣装置１３０の一実施形態の概略図である。示されるように、前記生体模倣装置１３０は、チャネル１３６を介在させた組織チャンバ１３７を含む。各組織チャンバ１３７は、生体模倣装置１３０および前記生体模倣プラットフォーム１００のいくつかの状態において、細胞、臓器組織培養組織などを含んでもよい（したがって、組織チャンバ１３７はまた、文脈上適切なように組織１３７と称される）。いくつかの実施形態では、前記組織チャンバ１３７は、前記チャネル１３６と流体連通することができる。いくつかの実施形態では、前記組織チャンバ１３７は、組織培養物が成長することができる、流体経路を含むことができる。いくつかの実施形態では、流体および／または栄養素は、前記組織チャンバ１３７と前記チャネル１３６間を自由に流れる。いくつかの実施形態では、前記チャネル１３６は、前記組織チャンバ１３７および／またはそこに含まれる組織に流体を送達するために使用できる。いくつかの実施形態では、膜は、前記組織チャンバ１３７と前記チャネル１３６間に配置することができ、または前記組織チャンバ１３７内の２若しくはそれ以上の異なる組織タイプの間に配置することができる。いくつかの実施形態では、前記膜は、半透膜を含むことができる。いくつかの実施形態では、前記組織チャンバ１３７と前記チャネル１３６内の流体は、膜ではなく、表面張力によって保持されてもよい。言い換えれば、前記チャネル１３６と前記組織１３７間に開放的な流体連通が存在できる。
示されるように、前記組織チャンバまたは組織１３７は、組織チャンバまたは組織Ｎまでの組織チャンバまたは組織１を含み、一方、前記チャネル１３６は、チャネル１～チャネルＮまでを含み、ここで、Ｎは整数である。いくつかの実施形態では、Ｎは、任意の実用的な限界まで、そして任意の所望の生体機能チップまたは他の構造の要件を満たすために、１、２、３、若しくはそれ以上であることが可能である。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置１３０は、Ｎ個の組織１３７およびＮ－１個のチャネルを含むことができる。言い換えれば、前記組織１３７は、組織１３７よりも１つ少ないチャネル１３６が存在するように、前記組織１３７およびチャネル１３６の配列の外縁に存在できる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置１３０は、Ｎ個の組織１３７及びＮ＋１個のチャネル１３６を含むことができる。言い換えれば、前記チャネル１３６は、チャネル１３６よりも１つ少ない組織１３７が存在するように、前記組織１３７の配列の外縁にあることができる。
示されるように、組織１は、前記流体アドレス指定システム１２０からの組織１流体入力部Ａ（１３２－１Ａ）および流体ハンドラ１９５からのオプションの組織１流体入力部Ｂ（１３２－１Ｂ）を含み、チャネル１は、前記流体アドレス指定システム１２０からのチャネル１流体入力部Ａ（１３３－１Ａ）および流体ハンドラ１９５からのオプションのチャネル１流体入力部Ｂ（１３３－１Ｂ）を含む。組織Ｎは、前記流体アドレス指定システム１２０からの組織Ｎ流体入力部Ａ（１３２－ＮＡ）および前記流体ハンドラ１９５からのオプションの組織Ｎ流体入力部Ｂ（１３２－ＮＢ）を含み、チャネルＮは、前記流体アドレス指定システム１２０からのチャネルＮ流体入力部Ａ（１３３－ＮＡ）およびチャネルＮ流体入力部ＢからオプションのチャネルＮ流体入力部Ｂ（１３３－ＮＢ）を含む。いくつかの実施形態では、前記入力（１３２－１Ａ、１３２－１Ｂ、１３３－１Ａ、１３３－１Ｂ、１３２－ＮＡ、１３２－ＮＢ、１３３－ＮＡ、１３３－ＮＢ、以下総称して入力１３２、１３３として言及）は、注入ポートを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記入力１３２、１３３は、流体の流れを調節するためのバルブを含むことができる。
示されるように、組織１は組織１流体出力部１３８－１を含み、チャネル１はチャネル１流体出力部１３９－１を含み、組織Ｎは組織Ｎ流体出力部１３８－Ｎを含み、チャネルＮはチャネルＮ流体出力部１３９－Ｎを含んでいる。示されるように、前記出力のそれぞれ（１３８－１、１３９－１、１３８－Ｎ、および１３９－Ｎ、本明細書では集合的に出力１３８、１３９と呼ぶ）は、出力溶液を排出するように構成され、その組成は、前記流体アドレス指定システムを介して前記流体合成装置の前記流体出力部から、前記チャネルへの前記それぞれの流体入力部において受け取った前記流体溶液の組成に基づいていて、前記それぞれのチャネルと流体的に蓮通している前記それぞれの組織チャンバ内の任意の組織と前記流体溶液が相互に影響、修正および／または補足されてもよいように、構成されている。いくつかの実施形態では、前記出力１３８、１３９は、前記組織１３７および前記チャネル１３６を出る前記流体を再利用することができる。いくつかの実施形態では、前記出力１３８、１３９は、廃液流に供給することができる。いくつかの実施形態では、前記出力１３８、１３９は、さらに、処理ユニットに供給することができる。以下により詳細に説明するように、組織チャンバ１３７またはチャネル１３６のそれぞれは、別個のセンサーまたはセンサーのセットを含むことができ、または流体的に結合されることができる。図５Ｂは、前記組織１３７およびチャネル１３６が垂直構成で配向された状態を示している。言い換えれば、前記チャネル１３６は、前記組織１３７の上下に配置されている。図５Ｂは、軸を含み、ｘ軸は水平であり、ｚ軸は垂直である。図５Ｂにおいて、流体は、前記組織１３７および前記チャネル136を通って水平に流れるであろう。図５Ｃは、前記組織１３７および前記チャネル１３６が水平な構成で配向された状態を示している。図５Ｃは、軸を含み、ｘ軸は水平であり、ｚ軸は垂直である。図５Ｃにおいて、流体は、前記組織１３７および前記チャネル１３６を通って垂直に流れるであろう。
前記生体模倣装置１３０の各々またはいずれかは、眼球モデル（例えば、米国特許番号１０、３６０、８１９に開示されたモデル）、胎盤モデル（例えば、米国特許番号１０、３６０、８１９に開示されたモデル）、肺モデル（例えば、米国特許公開番号２０１８／０２１６０５８に開示されたモデル）、臓器線維化モデル（例えば、米国特許公開番号２０１８／０２３０４１５に開示されたモデル）、子宮頸部モデル（例えば、米国特許公開番号２０１８／０３１２８１０に開示されたモデル）、血管系モデル（例えば、国際公開番号２０１９／１９１１１１に開示されたモデル）、および／または肺気道モデル（例えば、国際公開番号２０２０／０７３０４３に開示されたモデル)を含む非限定的な種々の生体機能チップモデルのいずれかとして実施することが可能である。さらに、前記生体模倣装置１３０の各々またはいずれかは、脱細胞化細胞外マトリックス（例えば、米国特許公開番号２０１８／０１２６０３７に開示されているような）、ヘテロ二官能性架橋剤（例えば、米国特許公開番号２０１８／０２２３２５１に開示されているような）、および／または天然細胞外マトリックス由来の膜インサート（例えば、米国特許公開番号２０２０／０１９０４５６に開示されているような）を含む、生体機能チップモデル用の特定の非限定的な機能も含めることができる。前述の各特許および公開特許出願の開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
図２を参照して上述したように、前記生体模倣装置１３０の観察、例えば、そこに含まれる生体材料、組織、組織構造などの観察は、前記制御システム内に配置された、関連付けられた、および／または制御される１若しくはそれ以上の撮像装置によって取得することができる。そのような撮像装置によって実施されるイメージングモダリティまたは方法は、光学顕微鏡法、磁気共鳴イメージング、またはコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャンの方法を含むことができる。これに対応して、前記画像データが取得される生体模倣装置１３０の構造は、前記所望の画像診断法技術による画像の効果的な取得を可能にするように構成されるべきである。例えば、光学顕微鏡では、前記生体模倣装置１３０の構造、および前記撮像装置と前記生体模倣装置１３０間の生体模倣プラットフォーム１００のその他の構造が、前記光学顕微鏡が採用する光の周波数を十分に透過すること、および異なる材料の屈折率、およびそれらの界面の光の入射角が適切なイメージングを可能にすることが要求される。前記生体模倣装置１３０の内容物に対する前記撮像方法の１若しくはその組み合わせの使用から取得されたデータは、前記生体模倣装置内の生物学的実体の3次元再構成を作成すること、前記取得したデータに計算機測定技術を適用して生物学的標本または実体に関する表現型データを得ること、前記観察された表現型または生理学の期待される前記表現型または生理学からの偏差を測定すること、または、例示であって限定的ではないが、細胞分裂速度、生体ネットワークの形成または生体組織、臓器若しくは臓器の機能サブユニットの発生および機能など、時間経過に伴う観察された生物学的実体の動的挙動を測定すること、のうちの１若しくはその組み合わせを含む非限定的な分析目的のために使用することができる。
他のセンサーの種類としては、二次データまたは派生データ（例えば、生物学的または物理的実体のソフトウェアによる復元またはモデル）を監視する電子センサー、またはそれらの組み合わせが考えられる。
前記生体模倣プラットフォーム１００の一部ではない、上述の前記撮像装置などのセンサーから収集される情報に加えて、各生体模倣装置１３０の前記内容に関する情報は、生体模倣プラットフォーム１００に結合されるか、または組み込まれる１若しくはそれ以上のセンサーを用いて収集することも可能である。そのようなセンサーは、前記生体模倣装置１３０に組み込むことができ、および／または、前記生体模倣装置１３０の前記流体出力部１３４と動作的に、例えば流体的に結合（連続的または選択的に）される１若しくはそれ以上のバイオセンサ１４０に、全体的または部分的に組み込むことができる。前記センサーは、各生体模倣装置１３０の局所、下流、または上流に配置することができる。
いくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０は、少なくとも１つの統合型センサーを含むことができ、このセンサーは、化学センサー、機械センサー、光学センサー、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記統合型センサーは、前記生体模倣装置１３０の１若しくはそれ以上にインラインで組み込まれることができる。前記少なくとも１つのセンサーは、１つの信号若しくはその組合せを伝達することができる。前記信号は、前記生体模倣装置、前記生体模倣装置の周辺、前記生体模倣装置／プラットフォームに関連する実験因子または条件、またはそれらの組み合わせから発生させることができる。
前記センサーが化学センサであるいくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０と一体化されているかまたはその下流に置かれているかにかかわらず、前記センサまたはセンサ群は、化学信号を伝達することができる。そのような化学信号は、生体分泌物（例えば、ホルモン、パラクリン因子、細胞外マトリックス成分、代謝副産物）の存在および濃度、化学基質の生体消費または取り込みまたは改変（例えば、 栄養素、糖質、アミノ酸、生物学的治療薬、薬剤、医薬品、毒素、ガス、溶解固体、溶解化学物質、またはエアロゾル化化合物の消費、取り込み、または変更）、液体のｐＨ、液体の浸透圧、液体の化学組成（化学成分の名前と濃度）、複数の化学標的の多重化化学感知（例えば、ドット付き抗体マイクロアレイに対する競合結合による数十または数百のタンパク質）、環境ガス組成またはそれらの組合せを含むことができる。非限定的な実施形態において、化学基質の前記生物学的消費または取り込みまたは修飾は、生体模倣装置１３０の上流の流体中の濃度に対して、生体模倣装置１３０から流出する下流の濃度を測定することによって決定することができる。
前記センサーが機械的センサーであるいくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０と統合されているかまたはその下流に置かれているかにかかわらず、前記センサーまたはセンサー群は、生体模倣装置１３０による機械的力または力の発揮を含む機械的信号を伝達できる（例えば、筋組織の収縮またはモデル化された腫瘍の成長によって課される圧力）、生体模倣装置１３０への機械的力または力の適用（例えば、閉ループ圧力制御または閉ループ電気機械的作動）、周囲圧力、材料特性（例えば、弾性係数、せん断係数、周期荷重特性）、またはそれらの組合せを含む機械的信号を伝達できる。
前記センサーが光センサであるいくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０と統合されているかまたはその下流に置かれているかにかかわらず、前記センサーまたはセンサー群は、光透過顕微鏡の方法によって取得された画像、蛍光顕微鏡（例えば、共焦点顕微鏡、ライトシート顕微鏡、及び超解像顕微鏡）によって取得された画像、定量的光学測定（例えば、透過率、発光、電気化学発光、蛍光、および蛍光共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）技術）、表現型観察、３Ｄコンピュータ再構成または再投影における形態および生理の観察、構造モチーフの画像（例えば、足場タグ付き蛍光マーカー、埋め込み量子ドット、第２高調波発生（ＳＨＧ）イメージング）またはそれらの組合せを含む光信号を伝達できる。
いくつかの実施形態では、生体模倣装置１３０は、化学センサー、機械センサ、光学センサー、およびモダリティ固有のセンシング方法の組み合わせを含むことができる。非限定的な実施形態では、追加のセンサーモダリティを統合または適用することができる。前記追加のセンサーモダリティは、磁気共鳴、Ｘ線透過、コンピュータ断層撮影、ソフトウェア再構成の電子モニタリング、生体模倣装置のソフトウェア再構成、またはそれらの組み合わせを含むことができる。いくつかの実施形態では、生体模倣装置は、単独でまたは先に挙げたセンサーのうちの１若しくは組み合わせと組み合わせて、１若しくは複数の対応する標的分析物に対する１つ若しくは複数の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサーを含むことができる。
任意の流体が生体模倣装置１３０に送達される場合、既存の流体の等しい体積は、前記センサー自体の上、センサーが感応する領域の上、または前記センサが感応する体積の中に変位でき、これは、例えば、バイオセンサ１４０の一部として、生体模倣装置１３０の下流に存在することが可能である。
図１に概略的に示すように、生体模倣プラットフォーム１００は、バイオセンサ１４０の配列を含むことができ、前記バイオセンサ１４０は、生体模倣装置１３０に流体的に結合させることができる。前記流体結合配列は、異なる方法で実装することができる。例えば、生体模倣装置１３０は、その間に専用の流体結合を有する単一のバイオセンサ１４０を有することができ、すなわち、前記バイオセンサ１４０は、前記装置１３０から出力される流体の特性のみを感知することができる。いくつかの実装では、生体模倣装置１３０とバイオセンサー１４０間の関係は、前記生体模倣装置１３０の配列と前記バイオセンサー１４０の配列間の流体路において図１に模式的に表されるように、適切なマイクロ流体カップル、スイッチング、多重化、多重化解除などの配置を用いて、１対多（複数のバイオセンサーを単一のマイクロ流体装置１３０に流体的に結合、または結合可能）、多対１（単一のバイオセンサーを複数のマイクロ流体装置１３０に流体的に結合、または結合可能）、または多対多、とすることが可能である。生体模倣装置１３０とバイオセンサー１４０間のこれらの関係のいずれかまたは全てを、単一の生体模倣プラットフォーム１００上で使用することができる。これに対応して、生体模倣プラットフォーム１００は、複数の種類のバイオセンサー１４０を含むことができる。例えば、生体模倣プラットフォーム１００は、電気化学バイオセンサー、光学バイオセンサー、および／または蛍光バイオセンサーであり、多重化されたバイオセンサーを含むことができる。生体模倣プラットフォーム１００の生体模倣装置１３０に隣接してパターン化された前記バイオセンサー１４０の種類は、異なることができる。例えば、第１の生体模倣装置１３０は、光学蛍光に基づいたバイオセンサー１４０と結合でき、第２の生体模倣装置１３０は、ｐＨセンサー１４０と結合でき、第３の生体模倣装置１３０は、経上皮電気抵抗（ＴＥＥＲ）センサー１４０と結合されることが可能である。いくつかの実施形態では、第１の生体模倣装置１３０は、第２の生体模倣装置１３０に関連するセンサーモダリティの第２の組み合わせとは異なるセンサーモダリティの第１の組み合わせを有することができる。例えば、センサーモダリティの組み合わせの変動またはセンサーターゲットの変動は、同じ生体模倣プラットフォーム１００内に含まれる生体模倣装置１３０の間に存在できる。
いくつかの実施形態では、バイオセンサ１４０は、例えば、無標識のマイクロ流体バイオセンサーとして実装することができ、生体模倣装置１３０と共局在化するかまたはその下流に配置することができる。いくつかの実施形態では、複数の生物学的標的分析物に対して多重化されたプラズモンバイオセンサーからの連続取得は、高い時間分解能で前記生体模倣装置１３０の微小環境およびセクレトームのリアルタイム特性化を可能にし、その動作コスト（主に標識分子の消費）が動作持続時間にスケールするラベルに基づいたバイオセンサーのコストを回避することが可能である。このような実施形態の一例は、図６Ａ～図６Ｄに示す生体模倣装置２３０およびバイオセンサ２４０ある。この実施形態では、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）に基づいたバイオセンサ２４０は、前記生体機能チップ環境を流体流中の標的分析物を連続的に監視するために、生体模倣装置２３０に近接して配置される。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、生体模倣装置２３０の下流に配置される。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、前記生体模倣装置２３０とインラインで測定を行うことができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、前記生体模倣装置２３０に統合することができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、比色に基づいたセンサを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、蛍光に基づいたセンサを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、顕微鏡によって伝達することができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、電気的（例えば、サイクリック・ボルタンメトリー）であることが可能である。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサー２４０は、定電位電解装置によって変換することができる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置２３０は、前記生体模倣装置２３０に統合された２つの入口を含むことができる。図５Ｂおよび図５Ｃを参照して上述したように、前記注入口は、前記生体模倣装置２３０の上部および底部に配向させることができる。いくつかの実施形態では、前記注入口は、前記生体模倣装置２３０のいずれかの側に配向させることができる。
いくつかの実施形態では、多重化バイオセンサー１４０は、薄膜および生体認識分子を含むことができる。前記薄膜は、物理的蒸着法を通じて前記バイオセンサー１４０上に堆積させることができる。例えば、金薄膜の物理的蒸着は、特定の厳密に制御された波長および臨界入射角でのレーザー放射を伴う共鳴プラズモン結合を生成するために使用することができる。表面には、前記溶液中の目的の生体分子に対して選択的に作用することができる生体認識分子（例えば、抗体、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ＸＮＡなど）をスポットすることができる。前記金表面に吸着した前記生体認識分子と目的分子が結合することで、表面負荷が生じ、その程度によって前記共鳴結合が起こる前記臨界角が変化する。前記スポットのそれぞれについてこの角度を追跡することにより、またはカメラを用いて一度に全てを画像化することにより、追加のラベルを必要とすることなく、前記溶液中の前記各対象分析物の濃度を測定することができる。前記バイオセンサ１４０は、組織培養に対する前記標識分子の毒性の可能性による有害な影響を回避することができる無標識バイオセンサである。いくつかの実施形態では、バイオセンサ１４０は、複数の標的分析物を同時に検出することができる複数の生体認識要素を含むことができる。
特定の実施形態では、前記バイオセンサー１４０は、少なくとも１つの生体模倣装置１３０に統合され、オンチップ、リアルタイム、および高含量のデータ取得を、減少したサンプル量要件で可能にすることができる。前記バイオセンサー１４０は、生体模倣装置１３０内の流体含有量を自動的にサンプリングし、リアルタイムで標的分析物を定量化することができる。例えばバーコードリーダーと同様に、前記バイオセンサー１４０と光変換器は、前記ＳＰＲスポットの裏側を走査する際のレーザビームの反射を利用して、流体含有量をサンプリングし、定量化することができる。従って、前記ＳＰＲを有する前記バイオセンサー群１３０は、ＥＬＩＳＡや顕微鏡分析よりも改善されたデータ捕捉次元を有することができる。
特定の実施形態では、生化学的、電気化学的／電気化学発光的、機械的、または／および光学的バイオセンシングスキームは、前記バイオセンサ１４０の構成要素の改変またはそれらのオンチップ配置を通じて、生体模倣プラットフォーム１００に組み込まれることができる。例えば、多重化バイオセンサーゾーンがガラス上のパターン化された金蒸着を利用できることを考えると、様々なバイオセンシングスキームを、追加の製造プロセスなしに同様の金パターン層に組み込むことができる。例えば、レドックス結合に基づく電気化学的バイオセンシングのための一連の互いにかみ合わさった微小電極配列は、開示された技術によって実現することができる。
いくつかの実施形態では、バイオセンサ１４０によって生成される測定値または読み出しは、生体模倣装置１３０内で培養または実験されている生物学的実体の化学的または生物学的特徴付けに使用される。この化学的または生物学的特性評価は、１若しくはそれ以上の化合物の濃度の出現、消失、または変化に基づくことができる。例えば、前記化合物は、化学的または生物学的化合物、化学的または生物学的部位、溶解した化合物、生物学的に分泌された化合物、代謝または変化した化合物、標的分析物、またはそれらの組合せを含むことができる。いくつかの実施形態では、この特徴付けは、生体模倣装置１３０の上流の第１の位置における溶液の組成と、前記生体模倣装置１３０の下流の第２の位置における前記溶液の組成間の比較として行われる。いくつかの実施形態では、この測定は、前記生体模倣装置１３０に関する特徴付け観察または要因のうちの１若しくは組み合わせを推測、測定、または演繹するために使用される。例えば、前記観察には、（１）前記溶液から生体模倣装置１３０内の生物学的実体への化合物、化学物質、薬剤、または生物学的薬剤の取り込み、(２）細胞外小胞、エクソソーム、ウイルス粒子、細胞外マトリックスの構成要素、ポリマー、酵素、核酸、ペプチド、またはタンパク質を含む複合生物学的実体の、生体模倣装置１３０内の前記生物学的実体への取り込み、（３）化合物、化学物質、または生物薬剤の、生体模倣装置１３０内の生物学的実体から周囲の液体溶液中への分泌、（４）細胞外小胞、エクソソーム、ウイルス粒子、細胞外マトリックスの構成要素、ポリマー、酵素、核酸、ペプチド、またはタンパク質を含む前記複合生物学的実体を、生体模倣装置内の前記生物学的実体から周囲の液体溶液に分泌、（５）生体模倣装置１３０内の生物学的実体による前記溶液中の化合物、化学物質、薬剤、または生物学的薬剤の修飾、または（６）生体模倣装置１３０内の生物学的実体による細胞外小胞、エクソソーム、ウイルス粒子、細胞外マトリックスの成分、ポリマー、酵素、核酸、ペプチド、またはタンパク質などの複合生物学的実体の修飾、を含むことができる。
図１および２Ａ～２Ｂに概略的に示すように、いくつかの実施形態では、１若しくはそれ以上のセンサーデータ送信機１５０は、前記バイオセンサー１４０からの測定データまたはデータを、制御システム１７０の一部であるデータ受信機１８１などの、生体模倣プラットフォーム１００の外部の装置に送信できるよう、前記バイオセンサー１４０のうちの１若しくはそれ以上と関連付けることができる。これは、図７ＡAおよび図７Ｂにも模式的に示されている。図７Ａは、それぞれがオンチップ流体合成装置３１０と統合された離散的な生体模倣装置３３０の増強の例示的な図である。前記生体模倣３３０は、さらに、前記生体模倣３３０の下流に位置する化学センサーまたはバイオセンサー３４０を含む。１若しくは複数のセンサーからのデジタル変換されたデータは、センサーデータ送信機３５０によって、連続的な自動監視、およびデータ処理のためにコンピュータＣなどの電子機器に送信することができる。図７Ｂは、複数の離散的な生体模倣装置４３０を単一のモノリシックな生体模倣プラットフォーム４００に統合する例示的な図であり、単一の流体合成装置４１０からの流体出力部は、流体アドレス指定システム４２０を使用して１若しくは複数の選択された個々の生体模倣装置４３０にアドレス指定することが可能である。前記個々の生体模倣装置４３０の下流にはバイオセンサー４４０が横たわっており、このバイオセンサー４４０は、流体の部分的または全体の化学組成の伝達と、その後のセンサーデータ送信機４５０による前記組成測定または測定値の、データ監視、データ処理、またはデータ監視および処理用のコンピュータＣなどの電子機器への送信を可能にすることができる。
図１および２Ａ～２Ｂに戻ると、いくつかの実施形態において、センサーデータ送信機１５０を有するバイオセンサー１４０は、ある所定の位置における流体構成要素の混合物の濃度を特徴付け、この情報を別の位置にある流体合成装置１１０などの流体合成装置に電子的に送信できる。この異なる位置は、前記同じ生体模倣プラットフォーム１００内の異なる位置、前記同じ制御システムと係合する別の生体模倣プラットフォーム１００、または別の生体模倣プラットフォームまたは他の装置を参照することができる。その後、前記流体合成装置は、この同じ流体混合物を動的に再合成して流出させることができる。前記接続は電子的に行うことができるので、前記センサーと前記流体合成装置間のリンクは、前記同じ物理的装置上（例えば、前記同じ生体模倣プラットフォーム１００上）のわずか数ミリメートルにおよぶこともできるし、前記リンクは、互いに領域を越えて位置する２若しくはそれ以上の開示された生体模倣プラットフォームにおよぶことも可能である。これにより、以下でより詳細に説明する機能が実現される。
上述した前記生体模倣プラットフォーム１００は、前記流体合成装置１１０が、前記流体アドレス指定システム１２０によって第１の生体模倣装置１３０に送達される第１の流体混合物を作成する能力を提供する。次に、前記流体合成装置１１０は、前記流体アドレス指定システム１２０によって第２の生体模倣装置１３０に引き続いて送達され得る第２の流体混合物を作成することができる。この動作により、生体模倣プラットフォーム１００は、前記生体模倣プラットフォーム１００に統合された少なくとも１つの生体模倣装置１３０に少なくとも１つの固有の流体混合物を順次送出することができる。いくつかの実施形態では、この動作は、自律的に（例えば、制御システムのメイン制御装置の制御下で）循環して、自動化された生体模倣プラットフォーム１００を作成することができる。いくつかの実施形態では、流体合成装置１１０は、複数の流体混合物を順次生成することができ、流体アドレス指定システム１２０は、前記混合物を指定された生体模倣装置１３０にルーティングすることができる。いくつかの実施形態では、各生体模倣装置１３０は、一意の流体混合物を送達する独自の流体合成装置を有することができる。あるいは、生体模倣プラットフォーム１００に組み込まれた複数の流体合成装置１１０は、複数の位置で同時に動作することができる。いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォーム１００は、構成要素の故障、差し迫った構成要素の故障、また構成要素の異常を検出しようとする診断手順を実行することができる。そのような診断手順は、様々な時点で実行することができる。例えば、診断手順は、実験の開始前に先行して、前記実験の経過中の１若しくは複数の離散的な間隔で、前記実験の経過中に連続して、前記実験の終了時に、またはそれらの組み合わせで実行することができる。いくつかの実施形態では、そのような診断手順は、前記生体模倣プラットフォーム１００内の構成要素（例えば、生体模倣装置１３０）を通る流体の特性評価、前記生体模倣プラットフォーム１００内のバルブまたは流量制御の作動、１若しくは複数のセンサー読取値の測定、流体流量の測定、電気特性の測定、自動または半自動の光学検査、またはこれらの組み合わせを含むことが可能である。いくつかの実施形態では、生体模倣プラットフォーム１００は、積極的に診断手順を実行することなく、構成要素の故障または構成要素の異常について装置自体を監視するために、期待値または公称値に対するヒューリスティック、性能測定、性能メトリック、またはそれらの組み合わせを受動的に監視することが可能である。
生体模倣プラットフォーム１００の１つの例示的な実施形態を、図８Ａ～図８Ｄに示す。図８Ａは、生体模倣プラットフォーム５００の平面図である。図８Ａに示すように、生体模倣プラットフォーム５００は、周縁部５０４を有する平坦な円形の基板５０１上に実装される。図８Ａに示すように、この例示的な実施形態では、生体模倣プラットフォーム５００の前記構成要素は、タイル状または鏡面レイアウト（これは、マルチコアマイクロプロセッサの特定のタイル状命令実行コアに類似する）を有する。すなわち、生体模倣プラットフォームの各半分は、流体合成装置５１０、流体アドレス指定システム５２０、生体模倣装置５３０の配列、およびバイオセンサー５４０の配列を含む。生体模倣プラットフォームの２つの半部は、共通の流出チャネル５８０を共有する。
この実施形態では、各生体模倣装置５３０は、専用のバイオセンサー５４０と１対１の関係で対になっている（図６Ａ～図６Ｄに示す実施形態と同様である）。生体模倣装置５３０の各配列は、６４個の装置を含み、これに対応してバイオセンサ５４０の各配列は、６４個のバイオセンサーを含む。図８Ｂは、前記流体合成装置５１０の近接図である。示されるように、前記流体合成装置５１０は、流体入口ポート５１２、バルブ制御ポート５１７、および混合チャンバ５１６を含む。図示のように、流体入口ポート５１２と、前記混合室５１６に入る流体ラインの数とは、１：１の関係にある。図８Ｃは、前記流体アドレス指定システム５２０の一部、ならびに前記生体模倣装置５３０の配列の一部および前記バイオセンサー５４０の配列の一部の近接図である。示されるように、前記流体アドレス指定システム５２０は、流体入力部５２２、流体出力部５２４、制御ライン５２５、およびバルブ５２６を含む。前記流体入口ポート５１２は、前記流体入力部５２２に供給し、前記バルブ制御ポート５１７および前記制御ライン５２５は、前記バルブを制御する。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置５３０および前記バイオセンサー５４０は、図６Ａ～図６Ｄを参照して上述したように、前記生体模倣装置２３０および前記バイオセンサー２４０と同一または実質的に類似する。示されるように、前記バイオセンサー５４０は、蛇行流路を介して前記生体模倣装置５３０に接続できる。
図８Ｄは、前記流体アドレス指定システム５２０と前記生体模倣装置５３０の配列間のインターフェースの近接図である。示されるように、前記生体模倣装置５３０は、組織チャンバまたは組織５３７、チャネル５３６、組織入力５３２Ａ、組織入力５３２Ｂ、およびチャネル入力５３３ＢBを含む。流体ハンドラ５９５も示されている。いくつかの実施形態では、前記組織入力５３２Ａは、図５Ａを参照して上述したように、入力１３２－１Ａまたは１３２－ＮＡと同一または実質的に同様である。言い換えれば、流体は、前記組織入力５３２Ａを介して、前記流体アドレス指定システム５２０と前記組織チャンバまたは組織５３７間を通過することができる。いくつかの実施形態では、前記組織入力５３２Ｂは、図５Ａを参照して上述したように、前記入力１３２－１Ｂまたは１３２－ＮＢと同一または実質的に同様である。言い換えれば、流体は、前記組織入力５３２Ｂを介して、前記流体ハンドラ５９５と前記組織５３７間を通過することができる。いくつかの実施形態では、前記チャネル入力５３３Ｂは、図５Ａを参照して上述したように、入力１３３－１Ｂまたは入力１３３－ＮＢと同一または実質的に同様である。言い換えれば、流体は、前記流体ハンドラ５９５と前記チャネル５３６間を前記チャネル入力５３３Ｂを介して通過することができる。いくつかの実施形態では、前記生体模倣装置５３０は、前記流体アドレス指定システム５２０と前記チャネル５３６間に流体経路を作成する入口を含むことができる（例えば、図５Ａを参照して上述した入力１３３－１Ａおよび１３３－ＮＡと同一また実質的に同様である）。前述の流体カップリングの任意の組み合わせが、前記生体模倣プラットフォーム５００に含まれてもよい。
図８Ａ～図８Ｄに示されるようないくつかの実施形態では、前記構成要素（例えば、前記生体模倣装置５３０および／または前記生体模倣装置５３０に関連するセンサ５４０）の２つの過程は、同一であってよい。このレイアウトは、１つの過程が、動作スループットを増加させるために１若しくは複数の他の過程から独立して機能すること、または冗長性のために同一のコピー構成で動作することを可能にできる。例えば、統計的厳密性を向上させるため、または再現性を高めるために、生体模倣装置５３０に加えることができるが、前記システム全体のいくつかの構成要素を両側にわたってミラーリングして、「コア」の２つの過程を作成すると、動作異常（例えば、インレットの詰まり、液体の漏れ、バルブ穿孔、構成要素の故障またはその組み合わせ）に対する耐故障性を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、前記ミラー化またはタイル化された構成要素は、他のパターン化された過程に影響を与えることなく無効化することができる。この冗長性により、製造上の欠陥がある装置を「ビン型」、または低い能力または機能セットに操作上制限したりすることができる。このようなビン型または制限型の生体模倣プラットフォームは、様々な目的に使用することができる。例えば、前記ビン型または制限型生体模倣プラットフォームは、技術的能力の異なる層で販売またはマーケティングすることができる。このようなビン型または制限型生体模倣プラットフォームは、１若しくは複数の構成要素の部分的な故障の後、進行中の実験の一部を作動または完了させることができる。このようなビン型または制限型生体模倣プラットフォームは、試験、校正、デモンストレーション、またはサンプリング手順のための基板として機能することも可能である。
図８Ａ～図８Ｄに示す前記生体模倣プラットフォーム５００は、構成要素の同一のセットの２つの過程を含むが、他の実施形態では、構成要素の２つ以上の過程、例えば３つ、４つ、またはそれ以上を含むことが可能である。
流体「テレポーテーション」
上述のように、本明細書に記載された前記生体模倣プラットフォーム・アーキテクチャは、強力な能力を提供する。重要な機能の１つは、「流体テレポーテーション」、「デジタル・テレポーテーション」、または前記同一の生体模倣プラットフォーム上にあるまたは物理的・地理的に離れた複数のプラットフォームに分散している構成要素間の仮想流体結合である（例えば、同一の制御システムに関わる複数の生体模倣プラットフォーム、同一の部屋や施設内の異なる制御システムに関わるもの、領域に分散した制御システムに関わるものなど）。前記流体テレポーテーションは、仮想的な複製または複数の流体結合を提供することもでき、例えば、単一の装置は、多くの「下流」装置に仮想的に流体的に接続されることが可能である。流体テレポーテーションはまた、時間的に分散した仮想流体結合を提供できる（例えば、第１の装置を出る流体の組成の検出と、前記第１の装置に流体的に結合されていない第２の装置（または多数の第２の装置群）への送達のための同一の組成の流体の合成間の時間経過は、非常に短い、または非常に長いことが可能である）。流体テレポーテーションの詳細、および例示的な実装は、以下に説明される。
上述のように、流体テレポーテーションは、ネットワークの既存の接続形態または配置を変更することなく（例えば、物理的手段によって前記位置を橋渡しまたは接続することなく）、流体またはマイクロ流体ネットワーク内の少なくとも２つの位置間の流体相互接続を作成することを可能にすることができる。例えば、前記流体相互接続は、物理的なチューブを接続する、または直接的な流体流を可能にする前記位置間に物理的な相互接続を作成することなく確立することができる。前記相互接続は、少なくとも２つの離散的、分離的、または切断された流体ネットワーク（例えば、チャンバまたは構成要素）間に確立される。前記相互接続は、一方向の流体流の方向と反対側に位置する少なくとも２つの連続する位置間に確立させることができる（例えば、第１の位置と、前記第１の位置の上流にある第２の位置との相互接続）。前記相互接続は、流量制限器、一方向バルブ、フィルタ、前記流体の化学成分の物理的通過を選択的に阻止する部品、またはそれらの組み合わせによって分離された少なくとも２つの位置間に確立することができる。
流体テレポーテーションシステム６００の簡単な実施例が、図９に概略的に示されている。示されるように、前記流体テレポーテーションシステム６００は、第１の流体合成装置６１０Ａ、第１の生体模倣装置６３０Ａ、第１の多分析流体変換器／バイオセンサー６４０Ａ、および第１のセンサー送信機６５０Ａを第１の装置に統合して含んでいる。示されるように、前記流体テレポーテーションシステム６００は、さらに、第２の生体模倣装置６３０Ｂ、第２の多分析物流体変換器／バイオセンサー６４０Ｂ、および第２の装置に統合された第２の流体合成装置６１０Ｂをさらに含む。図９に示すように、前記第１の生体模倣装置６３０Ａの流出は、流体・デジタル信号変換、デジタル信号伝達、次いでデジタル・流体変換を用いることによって、直接的な流体接続なしに前記第２の生体模倣装置６３０Ｂの入口に連結され、仮想の流体接続が形成されることが可能である。図９に示すように、前記第１の生体模倣装置６３０Ａの下流に位置するマルチ分析物流体変換器／バイオセンサー６４０Ａは、前記第１の生体模倣装置６３０Ａの流体の組成を、センサ送信機６５０Ａによって再構成およびその後の灌流のために前記結合した第２の生体模倣装置６３０Ｂの上流に位置する前記第２の流体合成装置６１０Ｂに無線送信できるデジタル信号へ変換することができる。
流体テレポーテーションシステム７００の別の実施例が、図１０に概略的に示されている。この実施例では、複数の生体模倣装置７３０が、前記装置のそれぞれの多分析変換器／バイオセンサー７４０と前記センサー送信機７５０間の接続によって動的に結合される。前記生体模倣装置７３０のそれぞれは、流体合成装置７１０を介して流体からデジタル、それに続くデジタルから流体への変換によって接続することができるので、デジタル通信が可能であれば、前記装置は互いに任意に離れたところにあることが可能である。
図１１Ａ～１１Ｄは、様々な実施例による、流体テレポーテーションシステムの異なる接続形態を示す概略図である。図１１Ａに示されるように、信号の移動は、第１の装置から第２の装置までであってもよい。より具体的には、装置１の制御装置は、前記流体合成装置、前記生体模倣装置、および／または前記バイオセンサーを制御することができ、装置１からのデータは、装置１の前記センサーデータ送信機から装置２の制御装置に送信されることができる。装置１の前記センサーデータ送信機から装置２の前記制御装置に送信されたデータに基づいて、前記装置２の制御装置は、装置２の前記流体合成装置、前記生体模倣装置、および／または前記バイオセンサーの制御を修正することができる。図１１Ｂに示すように、装置は、シリアル仮想接続で配置することができる。言い換えれば、装置１からのデータは、前記装置２の動作を制御するために前記装置２の逝去装置に適用することができ、装置２からのデータは、装置３の動作を制御するために装置３の制御装置に適用することができる。図l１１Ｃに示すように、第１の装置からのデータは、多重化された１：２（または１：Ｎ）仮想接続における複数の追加装置の動作を制御する際に適用することができる。図１１Ｃに示すように、装置１からのデータは、前記装置２および装置３の動作を制御する際に使用される。図１１Ｄに示すように、装置は、フィードバックループに配置することができる。言い換えれば、下流装置（例えば、装置２）からの出力は、上流装置（例えば、装置１）の入力に伝達される。いくつかの実施形態では、前述の接続形態のいずれかを組み合わせて、任意の所望のテレポーテーション装置を作成することができる。テレポーテーション装置の複雑な配置の一例が、図１２に示されている。
複数の生体模倣装置間の動的結合は、例えば、それぞれが特定のヒト組織、臓器、またはシステムの生理学または機能を再現し、それぞれがデジタル流体テレポーテーションによって１若しくはそれ以上の他の装置に接続された多数の生体模倣装置を有するヒト身体機能チップモデルの組み立てに使用することができる。これは、図１２に例示的な実施形態で概略的に示されている。図１２に示すように、臓器機能チップ生体模倣装置のシステムは、腸装置、肝臓装置、腎臓装置、骨装置、心臓装置、および肺装置を含むことができる。経口薬は、（例えば、流体合成装置および流体アドレス指定システムを介して、および／または、例えば、上述のような流体ハンドラによって、装置に直接）前記腸装置に投与することができ、エアゾール薬は、同様に、前記肺装置に投与することができる。図１２に示すように、経口薬は、腸装置への入口でシミュレートすることができ、前記腸装置は、肝臓装置、腎臓装置、骨装置、および心臓装置と通信することができる。前記腸装置から出力されるデータに基づいて、前記肝臓装置、前記腎臓装置、前記骨装置、および前記心臓装置への入力が制御または操作される。前記肝臓装置、前記腎臓装置、前記骨装置、および前記心臓装置から出力されるデータに基づいて、前記肺装置の制御装置は、前記腸装置の制御装置を操作することができる。前記肺装置を形成する操作およびデータは、前記肺装置に投与されるエアロゾル薬によっても影響を受ける。いくつかの実施形態では、前記異なる臓器装置間の接続は、仮想的および／または物理的であることができる。いくつかの実施形態において、前記異なる生体機能チップ装置は、単一のマイクロ生体模倣プラットフォーム上に含まれるか、または２若しくはそれ以上の生体模倣プラットフォームにわたって分散される。いくつかの実施形態では、中央制御システムが、前記臓器装置の各々を制御することができる。いくつかの実施形態では、前記中央制御システムは、単一の生体模倣プラットフォームまたは複数の生体模倣プラットフォーム上の、前記臓器装置の各々を含む単一の装置に統合することができる。いくつかの実施形態では、前記臓器プラットフォームの１若しくはそれ以上は、リムーバブルディスク上に実装することができる。
いくつかの実施形態では、デジタル流体テレポーテーション実装（例えば、ある臓器ラットフォームから別の臓器プラットフォームへ）は、第１の位置における第１の流体中の少なくとも１つの標的分析物の濃度または存在を測定することと、流体合成装置を用いて第２の流体溶液を合成することとを含むことができる。前記第２の流体溶液は、前記測定された濃度または前記測定された濃度の数学的調整若しくは変換によって得られた濃度で、少なくとも１つの標的分析物を含むことができる。前記第２の流体は、前記第１の流体の同一、部分、または誘導体混合物とすることができる。特定の実施形態において、本方法は、さらに、前記第１の流体溶液を前記第１の位置から第２の位置まで連続的な流体流によって輸送することなく、前記第２の流体溶液を前記流体合成装置から前記第２の位置に流すことを含むことができる。例えば、第１の位置で少なくとも１つのセンサーによって特徴付けられる全体的または部分的な流体組成物は、第２の位置で前記第１の流体を全体的または部分的に再構成することによって、前記第２の位置に「デジタル的にテレポート」することができる。これらの方法は、前記第１の位置における前記第１の流体を前記第２の位置に物理的に接続することを必要とせずに実行することができる。特定の実施形態では、このデジタル流体テレポートの方法は、データ通信またはデータ輸送の手段がそれらの少なくとも２つの位置間に存在する限り、前記第１の位置における前記第１の流体の同一、部分的、または派生混合物を、任意の距離を越えて１若しくはそれ以上の追加の位置に（「デジタル流体テレポート」によって）コピーすることが可能である。
前記方法は、第１の流体合成装置を用いて第１の流体混合物を作成する工程と、第２の流体混合物を生成するために前記第１の流体混合物と第１の生体模倣装置をインキュベートする工程と、化学センサーを用いて前記第２の流体混合物中の１若しくは複数の標的分析物の濃度を測定する工程と、前記第２の流体混合物の同一、部分または派生混合物を再構成するために前記第１の流体合成装置を用いることによって第３の流体混合物を合成する工程、とを含めることができる。非限定的な実施形態では、前記方法は、さらに、前記第３の流体混合物を用いて、前記第２の生体模倣装置、前記第２の生体模倣装置、少なくとも２つの追加の生体模倣装置、またはそれらの組み合わせでインキュベートして、第４の流体溶液を生成することを含むことができる。非限定的な実施形態において、前記方法は、その後の灌流のために、前記第４の流体溶液中の少なくとも１つの標的分析物の濃度を測定することを含むことができる。
特定の実施形態では、前記デジタル流体テレポーテーションのための方法は、さらに、測定された濃度を少なくとも１つの外部受信機に送信することを含むことができる。前記外部受信機は、コンピュータ、電子制御装置、電子制御システム、ネットワークアドレス、ネットワークモニター、前記第１の流体合成装置、１若しくは複数の流体合成装置、および制御サーバーのうちの少なくとも１つを含むことができる。非限定的な実施形態において、前記デジタル流体テレポーテーションのための方法は、さらに、第４の流体混合物を生成するために、前記第３の流体混合物と共に第２の組織をインキュベートすることを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記方法は、さらに、その後の灌流のために、前記第４の流体混合物中の前記標的分析物の濃度を測定することを含むことができる。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションは、物理的に接続された態様でまたは順次流体経路に沿って前記装置を先行して配置することを必要とせずに、少なくとも２つの生体模倣装置の流体的相互接続を可能にすることができる。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションによって作成された相互接続は、連続的にまたは１つ若しくは複数の間隔で、動的または離散的に有効化、無効化、再ルーティング、またはそれらの組合せが可能である。
特定の実施形態において、開示された主題は、少なくとも２つの生体機能チップ装置間のデジタル流体テレポーテーションのための方法を提供する。特定の実施形態では、流体化学センサーまたはバイオセンサーは、第１の生体機能チップ装置におけるその位置での第１の流体または流体混合物の組成のリアルタイム取得および読み出しを実行することができる。この読み出しは、流体合成装置によって第２の位置から動的に再合成され流出されるようにデジタル伝送することができる。前記流出する再合成された流体は、流体アドレス指定システムを含む前記第２の生体機能チップ装置に向けられることができる。特定の実施形態では、前記第１の流体の同一、部分、または誘導体構成混合物は、前記第１の生体機能チップが前記第２の生体機能チップに接続される要件なしに、前記第２の生体機能チップに送達できる。このように、１若しくはそれ以上の統合型流体バイオセンサーを、前記チップ上の異なる第２の位置で、前記第１のセンサー特性化流体混合物の前記同一、部分、または派生成分混合物を再現できる１若しくはそれ以上の流体合成装置と結合することにより、前記第１の流体をある位置から「コピー」して、同じプラットフォームの別の位置に「貼り付ける」、または適切な注入口化合物を持つ流体合成装置を所有する別のプラットフォーム上に置くことが可能である。
特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションに使用されるセンサー信号は、無線で、またはデジタルデータを転送することができる任意の伝送ネットワークまたはプロトコルを介してデジタル伝送することができる。特定の実施形態では、デジタル信号は、フィードバックループのモデリングのために、前記同じ生体機能チップの流体合成装置に伝送し直すことができる。
特定の実施形態において、デジタル流体テレポーテーションは、物理的な流体流の制限と両立しない方法で、または位置へまたは位置に、流体組成物をデジタル伝送することを可能にする。限定ではなく例示の目的で、前記伝送は、エアギャップまたは流体流を遮断する他の障害物（例えば、流量制限または一方通行バルブ）を横切る伝送、特定の物理的流体導管を通して達成できるよりも速い速度で距離を横切る伝送（センサー信号が光速で伝達されるため）、または、物理的な多方向バルブの能力を超える速度で目的地間をルーティングする伝送、またはその組み合わせ、を含むことができる。
特定の実施形態では、開示されたデジタル流体テレポーテーション方法によって、２つの物理的に離散した臓器モデルを接続することができる。非限定的な例として、多臓器システムのモデルは、前記生体模倣装置または臓器モデルを直接連結する物理的流体接続なしに統合された前記生体模倣プラットフォーム内の少なくとも２つの生体模倣装置間で形成することができる。特定の実施形態では、開示されたシステムは、前記生体模倣装置間の流体生化学的微小環境の意図しない漏れ、または前記臓器モデル若しく生体模倣装置間の構成要素の流体的希釈なしに動作させることが可能である。
特定の実施形態では、第１の生体模倣装置を第2の生体模倣装に接続するために、開示されたシステムは、前記第１の生体模倣装置の出口で少なくとも１つの流体分析物または構成成分についてバイオセンサで前記流体組成物を読み取ることができ、読み取ったものを前記第２の生体模倣装の上流の流体合成装置に送信して、前記第１の流体の同一、部分、または誘導体の構成要素混合物を有する第２の流体混合物を合成し、次にこの組成物を前記第２の生体模倣装置に前方から流すことができる。非限定的な実施形態において、デジタル流体テレポーテーション法は、図１および図２に示す前記生体模倣プラットフォームに統合された生体模倣装のいずれか１若しくは組み合わせ間で１若しくは複数の流体を送達するために適用される。任意の微小生理装置の前記流体流出をサンプリングし、前記流体合成装置で再構成し、前記流体アドレス指定システムで他の生体模倣装置へアドレス指定することができる。このプロセスは、複数の生体模倣装置をリンクさせるために順次実行することができる。例えば、第一の生体模倣装置の出力を再構成して、第二の生体模倣装置に供給することができる。前記第二の生体模倣装置の流体流出を再構成して第三の生体模倣装置に供給する、といった具合に。
特定の実施形態では、前記プラットフォーム内の２若しくはそれ以上の位置間（例えば、生体模倣装置間）のデジタル流体テレポーテーションによって確立された前記接続は、リアルタイムで、またはその他の動的な方法で新たに確立、修正、または閉鎖されることが可能である。物理的な流体導管のみから形成される柔軟性のないシステムとは異なり、開示される主題は、安定状態、目標状態、または所望の動作持続時間が確立された後に、生体模倣システム間の結合を可能にできる。非限定的な実施形態では、前記結合は、所定の時点において無効にすることができる。例えば、一方の生体模倣装置の挙動を、他方が一時的に存在しない状態で評価することができる。特定の実施形態では、このデジタル流体テレポーテーションによる流体接続の動的確立により、生体機能チップモデルをある目標期間（例えば、１日、または１週間、または１ヶ月間）分離培養し、その後、臓器と臓器または組織と組織の相互作用をモデル化するために流体的に結合させることが可能である。特定の実施形態では、このデジタル流体テレポーテーションによる流体接続の動的確立により、２つの異なる生体模倣装置をある目標期間（例えば、１日、または１週間、または１ヶ月間）分離培養することができる。前記接続後、生体模倣装置を流体的に結合して、動態モデル（例えば、第２の生物学的実体によって生成される分泌物または化学化合物への第１の生物学的実体の曝露、そのような一方向または双方向の結合から生じる生物学的フィードバック現象、または２以上の生物学的実体間の連鎖反応の生物学的反応）を構築することが可能である。
特定の実施形態では、１つのバイオセンサーによって特徴付けられる流体は、動的な流体複製を生成するために、複数のターゲットに伝送するためにデジタル流体テレポーテーションによって流体的に再合成することができる。例えば、（統計的厳密性または仮説検定を含むがこれに限定されない目的のために）複製として培養された複数の生体模倣装置に送られた前記流体は、単一の駆動用生体模倣装置の流出液で測定された流体組成に同時に結合されることが可能である。前記流出液は、前記駆動用生体模倣装置の出口に配置されたセンサーによって特徴付けることができる。次に、前記流体合成装置にテレポートすると、前記流体合成装置は、前記混合物を再構成し、同じ混合物の等しい単位体積を、流体アドレス指定システムを介して前記複製された生体模倣装置の各々に流すことができる。特定の実施形態では、前記流体混合物が送達される複製物は、生物学的に同一である。特定の実施形態では、前記流体混合物が送達される複製物は、所定の目的（例えば、それらの結果生じる変動の分類または定量化）のために、名目上生物学的に同一でありる（例えば、それらは同一の複製物である目的のために同一の初期条件で培養されることができる）。特定の実施形態において、前記意図的な変動は、異なる生体模倣装置で培養された組織の供給源、前記複製物で培養された組織の病態生理学的状態、または前記複製物で培養された組織の年齢を含むことができる。特定の実施形態では、この技術は、同じ動的流体環境への曝露に応答して、健康な臓器モデルと病気の臓器モデルによって示される異なる挙動または反応を分析するために使用することができる。
特定の実施形態では、流体は、前記センサー信号が２つの流体合成装置に伝送されることによって、同時に２つの位置にデジタル流体テレポーテーションによって複製されることができる。特定の実施形態では、流体は、出力が流体アドレス指定システムによって第１の位置にアドレス指定される１つの流体合成装置へのテレポートによって、２つの位置へのデジタル流体テレポーテーションによって順次複製されることが可能である。次に、前記流体は、前記流体アドレス指定システムによって第２の位置への出力として同じ流体混合物をアドレス指定するために、同じ流体合成装置にテレポートされることができる。特定の実施形態では、前記所望の流体混合物は、３若しくはそれ以上の位置に複製されることが可能である。
特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションは、第１の位置で複数のセンサによってサンプリングされる前記流体の体積に対して、より大きいまたはより小さい体積の流体組成物を１若しくはそれ以上の第２の位置へと輸送することができる。例示であって限定ではない目的で、第１の位置のセンサーは、０．１ミリリットルの流体を含むチャンバーをサンプリングすることができ、この測定された流体組成物は、流体合成装置によって同一の流体組成物の１．０ｍｌを合成できる第２の位置にデジタル流体テレポーテーションによって輸送されることが可能である。
特定の実施形態では、サンプリングされた流体組成物は、空間的にだけでなく、時刻で、または時間的にデジタル流体テレポーテーションによって輸送されることができる。特定の実施形態において、時間的テレポーテーションは、第１の位置における１若しくはそれ以上のセンサーと、第２の位置における前記混合物を再現する流体合成装置間に遅れを置くことによって達成することができる。説明のためであって限定するものではないが、これは自然現象を模倣するために利用することができる。例えば、自然現象としては、人体の組織間におけるホルモンや生体物質の通過時間などを挙げることができる。複数の生体模倣装置をデジタル流体テレポーテーションによって相互接続する場合、複数の組織または臓器間で代謝物または生物学的実体を時系列で順次輸送することが可能である。
特定の実施形態では、前記１若しくはそれ以上のセンサーは、第１の時間周期中に第１の位置における流体組成物の離散的または連続的な記録を実行することができる。前記センサーはまた、前記記録を構成する前記センサーデータをデジタル的に保存することができる。前記記録は、前記記録された流体組成物を流体合成装置を通して再現するために再ロードすることができる。特定の実施形態では、流体組成物の保存された記録をロードするこの方法は、後日、前記記録から前記流体組成物を再現するために使用することができる。特定の実施形態では、流体組成物の記録を保存し、後でロードするこの方法は、生体模倣プラットフォームでの実験で観察される特定の挙動または動態を保存するために使用することができる。前記挙動または動態は、後日、別の生体模倣システムで再現することができる。特定の実施形態では、実験全体の期間中の前記センサーの読み取り値を保存し、後で様々な目的でアクセスできるようにすることができる。前記目的は、流体合成装置での前記記録された流体組成物のリアルタイムの再合成を介して前記記録の全体または一部の再生である。特定の実施形態では、離散的または連続的な流体組成物を特徴付けるセンサデータを保存する技術は、稀な現象を調査するための多臓器結合システムの実験再現性を向上させることができる。
図１３は、デジタル流体テレポーテーションの方法８００の非限定的な実施例のフローチャートである。前記方法８００は、８０１に示すように、第１の位置における第１の流体溶液中の標的分析物の測定濃度を示すデータを受信することを含む。いくつかの実施形態では、前記第１の位置は、生体機能チップモデルであり得る。前記方法８００は、さらに、８０２に示すように、前記測定された濃度または測定された濃度の数学的調整若しくは変換から得られる濃度での前記標的分析物を含み、前記第１の流体溶液の完全または部分組成を再構成する第２の流体溶液を合成させるために前記流体合成装置に制御命令を提供することを含む。いくつかの実施形態では、前記第２の位置は、生体機能チップモデル上であることができる。前記方法８００は、さらに、８０３に示すように、前記第２の流体溶液を、前記第１の位置から流体的に隔離された第２の位置に流すことを含む。
いくつかの実施形態では、前記方法８００は、前記第２の溶液を追加の（すなわち、前記第２の位置とは異なる）位置に流すことを含むことができ、前記追加の位置は、前記第１の位置から流体的に隔離されている。いくつかの実施形態では、前記第１の位置および第２の位置は、単一の生体模倣プラットフォーム上にあることができる。いくつかの実施形態では、前記第１の位置は、第１の生体模倣プラットフォーム上にあることができ、前記第２の位置は、第２の生体模倣プラットフォーム上にあることができる。いくつかの実施形態では、前記第１の生体模倣プラットフォームおよび前記第２の生体模倣プラットフォームは、単一の制御システムと係合することができる。いくつかの実施形態では、前記制御システムは、データを受信し、制御命令を提供し、前記第２の流体溶液を流動させることができる。いくつかの実施形態では、前記第１の生体模倣プラットフォームは、第１の制御システムと係合させることができ、前記第２の生体模倣プラットフォームは、第２の制御システムと係合させることができる。いくつかの実施形態では、前記方法８００は、さらに、８０４で示される、前記第２の流体溶液の前記第２の生体模倣装置への通過の結果として生じる第３の流体溶液中の前記第２の標的分析物の測定濃度を示す第２のデータを受け取ることを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記方法８００は、さらに、第２の流体合成装置に第２の制御命令を提供し、前記第２の流体合成装置に、前記第２の標的分析物の測定濃度または前記第２の標的分析物の測定濃度の数学的調整若しくは変換から得られる濃度で第２の標的分析物を含み、８０５に示す前記第３の流体溶液の完全または部分組成を再構成する第４の流体溶液を合成させることを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記方法８００は、さらに、８０６に示される、前記第１の位置および前記第２の位置から流体的に隔離された第３の位置において、前記第４の流体溶液を第３の生体模倣装置に流すことを含むことができる。
いくつかの実施形態では、流体テレポーテーションの方法は、第１の位置に固有のセンサを利用することによって、流体中の溶存化学元素および溶質の構成濃度を測定することを含むことができる。任意選択で、数学的変換を前記測定された濃度に適用することができる。前記数学的変換は、例示であって限定するものではないが、流体合成装置での流体の生成中に前記溶質の測定濃度を２倍または半分にすること、２若しくはそれ以上の信号、成分濃度、または成分およびそれらの濃度のセットを一緒に加算すること、１若しくはそれ以上の成分濃度または信号に１若しくはそれ以上の定数を加算すること、またはそれらの組合せを含むことが可能である。前記濃度は制御システムまたは遠隔システムに送信することができる。同等の化学物質濃度または溶質濃度を有する流体混合物は、原液のままの貯蔵液を第２の位置で一緒に混合することによって合成される。いくつかの実施形態では、前記貯蔵液の混合物は、前記第１の流体の測定濃度の同一、部分、または誘導体の構成混合物を含むことができる。前記流体の混合物は、第３の位置に送達することができる。いくつかの実施形態では、前記第３の位置は、前記第１の位置から離散的または物理的に分離される。いくつかの実施形態では、前記第３の位置は、前記第２の位置から離散的または物理的に分離される。いくつかの実施形態では、前記第２の位置から前記第３の位置への前記溶液内容物のテレポートは、前記第２の位置と前記第３の位置間の連続的な流体接続をなしとすることができる。
非限定的な実施形態において、前記生体模倣プラットフォームは、複数のセンサーモダリティまたはターゲットを通して生体模倣装置における稀な刺激を記録し、前記刺激を記録し、コマンドによりリアルタイムでまたは後の時間に複製することができる。複数のそのような記録は、互いに遠隔に配置される複数の流体合成装置を通して複製される。非限定的な実施形態において、前記サンプリングされた流体組成物は、リアルタイムまたは後の時間に流体合成装置に修正されテレポートされる。例えば、デジタル流体テレポートによって搬送される測定流体組成物に属する複数の構成要素の濃度は、前記濃度または前記流体記録で測定された濃度から変更することができる。この技術により、第１の生体模倣装置における動的環境の特徴的な流出を、第２の生体模倣装置と近接し流体連通している前記第１の生体模倣装置の物理的存在を必要とせずに、前記第２の生体模倣装置で再構成することができる。特定の実施形態では、第１の生体模倣装置によって生成された前記流体環境は、前記第１の生体模倣装置が、前記第１の生体模倣装置に局所的に前記測定環境を物理的に再現することを必要とせずに、１若しくはそれ以上の後の時点において第２の生体模倣装置で再合成することが可能である。従って、この技術は、コスト、材料要件、および処理時間を減少させることができる。
特定の実施形態では、化学センサーまたはバイオセンサーの変換されたデジタル信号は、デジタル流体テレポーテーションの一部として再合成される前に操作および調整されることができる。特定の実施形態では、第１の流体組成物は、この第２の流体が前記第１の流体の部分的または派生的混合物であるように、流体合成装置によって第２の流体として再合成することができる。特定の実施形態において、前記第１の流体の部分的または派生的混合物は、前記第１の流体において測定された濃度の少なくとも１つの構成要素を含むことができる。前記第１の流体の部分的または派生的混合物は、前記測定された濃度とは異なる濃度で前記第２の流体中に再合成することができる。前記異なる濃度は、アルゴリズム変換、数学的変換、または信号処理技術による変換を含む過程による前記測定濃度の操作に起因する。例えば、開示された技術は、前記第１の流体において測定される成分のサブセット（例えば、前記流体合成装置に利用可能な前記貯蔵液または前記流体合成装置に利用可能な前記貯蔵液の線形結合によって決定される）、前記第１の流体において測定される成分のサブセット（例えば。ある位置での特定の化合物と第２の位置での培養物中の生物学的実体との不適合性または毒性などの実験的要件によって決定される）、前記第１の流体混合物中の成分の一部または全体の混合物からなる成分の上位集合、前記第１の流体混合物に存在しないまたは測定されない追加の成分、またはその組み合わせ、を特徴付けることを可能とする。
特定の実施形態では、第１の位置で第１のサンプリングされた流体の部分的または派生的なサブセットをデジタル流体テレポーテーションして第２の位置で第２の流体を作成することにより、前記第２の位置へのバルク流体フローによる前記第１の流体中の特定の望ましくない溶存化合物のバルク輸送を防止することが可能である。特定の実施形態では、第１のサンプリングされた流体の部分的または派生的なサブセットのそのようなデジタル流体テレポーテーションは、前記バルク流体混合物から前記望ましくない化合物を選択的にフィルタリングするための物理機構を必要とせずに、特定の望ましくない溶存化合物の前記バルク輸送を防止することが可能である。
特定の実施形態では、生体機能チップモデルを培養するための複数の個別の生体模倣装置を含む前記生体模倣プラットフォームは、デジタル流体テレポーテーション能力を利用して、第１の生体機能チップモデルにおける第１のサンプリング流体中の構成要素の一部または派生サブセットのみを第２の生体機能チップモデルに対応する第２の位置に選択的に輸送できる。特定の実施形態では、この機能は、溶解した化合物（例えば、成長因子、生体分泌物、薬剤、または化学化合物）が第１の生体機能チップから第２の生体機能チップモデルに意図せずに輸送されることを防ぐために利用することができる。いくつかの実施形態では、複数の生体機能チップモデルを組み合わせて、デジタル流体テレポーテーションによって流体的に相互接続された個別の生体機能チップモデル（生体模倣プラットフォーム内に、それぞれが生体模倣装置内に収容される）で培養される複数の組織タイプを特徴とする「チップ上の人体」構成とすることができる。多臓器または「チップ上の人体」構成のためのそのような実施形態では、前記サンプリングされた流体中の構成要素の部分的または派生的サブセットのみを選択的に輸送する能力を利用して、特定のクラスの化学化合物（例えば、生物学的に分泌された化合物、ホルモン、パラクリン因子、内分泌因子、シグナル伝達分子、またはそれらの組み合わせ）を輸送し、望ましくない化合物（例えば、１種類の組織のみを培養するための成長因子、代謝廃棄物、望ましくないシグナル伝達分子、ウイルスや細菌を含む生物体、細胞外小胞またはそれらの組み合わせ）を輸送することはない。特定の実施形態において、開示された生体模倣プラットフォームは、第１の生体模倣装置または生体機能チップモデルから第２の体模倣装置または生体機能チップモデルへの生化学的微小環境特性のバルク漏れまたは輸送を防止することが可能である。開示された生体模倣プラットフォームは、第２の生体模倣装置または一連の生体模倣装置に導入する前に、第１の生体模倣装置の流体流出物中の化合物の標的セットのみの濃度を含む混合物を流体的に合成することによってバルク漏れを防止している。流体中に輸送される成分に対するこのような選択性は、直列に接続された複数の生物学的培養物の間で順次的な方法でポンプまたは方向性フローによって流体全体（または当該流体の体積的サブセット）が物理的にバルクで進行する直接流体接続を用いるように構成された代替システムにおいては、不可能である。
２若しくはそれ以上の順次の生物学的培養物の間の直接的な流体接続を有する装置では、追加の複雑な過程（例えば、クロマトグラフィー溶出）なしに、順次伝播する流体混合物中の任意の溶解した構成要素を単離または除去することはできない。したがって、前記望ましくない構成要素は、前記生物学的培養物のすべてを通して順次流れることができる。そのようなバルク、流体の非選択的な流れは、生理学的過程の模倣または再構成（例えば、内分泌またはホルモンシグナル伝達機構などの化合物の大規模または身体全体の伝播と並行して、特定の局所器官特異的生化学微環境、生化学シグナル伝達経路、成長因子、形態形成物質、パラクリンシグナリング化合物、または他の生化学構成要素のたった一つの組織または空間のサブセットへの自然なヒトの体内での隔離）を防止する。
特定の実施形態では、複数の生体模倣装置間のデジタル流体テレポーテーションによって形成される流体相互接続は、ある組織内の短距離生体信号または発生合図を、他の組織に固有、分泌、期待、または必要とされる生体信号から分離し、かつ選択した信号をデジタル流体テレポーテーションによって伝播させることができ、それによって生体模倣プラットフォームまたはシステムで培養するすべての生体組織と適合する単一の「万能細胞培養液」が必要となる限界を克服している。
特定の実施形態では、前記生体模倣装置は、生物学的実体を構成することができる。前記生体模倣装置は、生理学的に関連する臓器間シグナリングに関与すると疑われる化合物の化学的シグネチャを重ね合わせながら、各組織または生体機能チップモデルに使用される異なる成長培地、生体機能チップモデルを含むことが可能である。例えば、限定ではなく例示の目的で、生体模倣プラットフォームは、前記流体アドレス指定システムを使用して、「膵臓機能チップ」第１の生体模倣装置を第１の特定の培地処方で灌流させることができる。前記プラットフォームは、前記第１の膵臓機能チップ生体模倣装置によって前記媒体製剤の流出液に生物学的に分泌されたインスリンの濃度をサンプリングし、流体合成装置によって前記インスリン濃度を第２の媒体製剤に再構成し、続いてこの第２の媒体製剤を「脂肪機能チップ」第２の生体模倣装置に送出できる。特定の実施形態では、化学成分のサブセットを選択的に輸送するこの過程は、前記流体環境の残りの部分も臓器間で漏れることなく、特定の生体化合物を結合する効果を研究することを可能にする。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションによって輸送される流体中の成分または構成要素の濃度は、物理的測定、物理的測定のアルゴリズム操作、予測値、または任意の値のうちの１若しくはそれ以上から導出できる。
特定の実施形態において、開示されたシステムは、培養された生体組織の正確な相対的なサイズ決定の間の比例限度を克服するために、測定信号における複数の構成要素の濃縮を増幅することが可能である。例えば、第１の生体模倣装置で培養された生体組織の物理的体積または細胞量が、生体分泌、生化学的修飾、吸収、代謝、または溶解した化学化合物の濃度に影響を与える他の生物学的な動的プロセスから生じる特定の化学物質の生理的または所望の濃度プロファイルを再現するには不十分である場合、前記生体模倣装置によって前記分泌または吸収された生成物の測定量は、生理学的範囲または前記所望の目標範囲に準拠または模倣するために前記流体合成装置の動作中に、線形または非線形またはルックアップテーブルで数学的に変換またはスケールアップまたはスケールダウンすることができる。例えば、個々の膵臓β細胞は、生体模倣装置内でも人体と同量のインスリンを分泌することができる。しかし、膵臓機能チップ型生体模倣装置において、より少ない量の膵島β細胞が、媒体中のグルコース濃度の上昇に反応して、ヒトの膵臓で生成される濃度と同じ生理的関連量のインスリンを分泌できない状況もあるのである。前記膵臓機能チップ型装置に直接またはデジタル流体テレポーテーションによって結合され、前記インスリンにさらされた脂肪機能チップ型生体模倣装置は、前記培地のグルコース含有量の大きな変化を引き起こすのに十分なグルコースの取り込みを誘発することができない。この例では、前記流体合成装置に指示する際に、前記分泌されたインスリンの検出濃度と前記媒体中の対応するグルコースの減少の両方を増幅することにより、生体模倣装置の特定の実施形態におけるそのサイズに対する制限にもかかわらず、前記２つの生体機能チップ型生体模倣装置を生理学的に適切な方法で結合させることができる。
特定の実施形態では、開示されたシステムは、複数の化学化合物およびそれらの目標濃度を時間の関数として含む特定の連続的な流体組成物を、１若しくはそれ以上の指定された位置で再現し、前記流体組成物を前記位置に同時または連続的に合成することができる。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションを活用してインターネットを含む通信ネットワーク上で流体組成データを渡すことにより、開示されたシステムは、異なる施設に収容されているリソースおよび生体模倣プラットフォーム（およびその中の生体模倣装置）を用いた多組織動態の共同調査を容易にすることが可能である。特定の実施形態では、生体模倣装置からの流体組成をデジタル信号に変換し、デジタル流体テレポーテーションを行い、その信号を複数の生体模倣プラットフォームに送信し、流体合成装置を用いてその信号を流体混合物に変換することにより、複数の研究室、複数の機関、さらには複数の国の共同作業を達成することができる。異なる臓器や組織の専門家チームが、それぞれの組織モデルをデジタル接続することで、世界中に広がる人体モデルを形成することができる。例えば、フランスにある心臓機能チップから、ペンシルバニア州にある肺機能チップやカリフォルニア州にある腎臓機能チップに灌流し、さらにオーストラリアにある肝臓機能チップに接続する、といった具合である。
システム例
図２Ａおよび２Ｂを参照して上述したように、開示された主題は、前記生体模倣プラットフォームおよび（限定はしないが）生体模倣装置を含むその構成要素を操作および制御するためのハードウェアレベルの構成要素を提供する。これらの記載された構成要素は、前記システムの任意の可能なバリエーションに対応するために、置き換え、再配置、修正、および再設計されることが可能である。
図１４は、複数の生体模倣プラットフォーム９００と様々な外部装置およびシステムで動作する制御システム９７０の一実施形態の例示的なシステム・ハードウェア・アーキテクチャを示す図である。図示のように、前記制御システム８７０は、主制御装置９７２、ウェブクライアント９７３、流体合成装置制御装置９７４、アドレス指定システム制御装置９７６、バイオラインサーバ９７７、ネットワークＰＣ９７９、データ受信機９８１、および撮像装置９８２を含む。示されるように、前記生体模倣プラットフォーム９００は、流体合成装置９１０、流体アドレス指定システム９２０、生体模倣装置９３０、およびバイオセンサー９４０を含む。主制御装置９７２は、特定の実施形態において、デジタル流体テレポーテーション、流体結合、データ取得、流体制御、空気圧制御、システム監視、環境監視、実験フィードバック、ユーザ対話、名目上または故障状態への自動応答、環境気候制御、データ伝送、ウェブサーバ動作、追加の生体模倣プラットフォームとの通信、および追加の生体模倣プラットフォームとの同期のうちの１若しくはそれ以上を同期できる耐故障性制御システムソフトウェアを実行可能である。特定の実施形態では、前記主制御装置９７２は、ローカルユーザのコンピュータ、ラップトップ、および／または携帯端末にウェブブラウザベースのユーザインタフェースを提供することができる。特定の実施形態では、前記生体模倣プラットフォームの制御システムへの前記ユーザーインタフェースは、ウェブブラウザを有する限り、モバイルまたは従来のデスクトップである様々なプラットフォームと互換性があるように、ウェブブラウザで実行することが可能である。特定の実施形態では、ウェブベースのユーザインタフェースは、複数のユーザーが単一の物理的なコンピュータ（例えば、マスター制御システム自体）を共有することを必要とするというボトルネックを取り除くことができる。いくつかの実施形態では、コアソフトウェアは、前記主制御装置９７２上で実行することができ、ユーザは、（例えば、ウェブクライアント９７３を介して）自分の装置上で軽量ユーザーインターフェースまたはユーザクライアントを使用するまたはログインすることができる。特定の実施形態では、限定されないが、ユーザーは、ユーザーインターフェースを利用して、以下の１若しくはそれ以上を行うことができる：新しい実験の設計、新しい実験で必要な方法の実装または配列、生体模倣装置実験の定義、既存の実験の修正、取得データの監視、データのエクスポート、データのプロットを含むグラフ要素または解析、およびデジタル流体テレポーテーション接続を管理すること。
いくつかの実施形態では、流体合成装置制御装置９７４および／またはアドレス指定システム制御装置９７６は、前記生体模倣装置９３０上の前記空気圧バルブのリアルタイム制御に用いることができるポート拡張用のシフトレジスタを含むことができる。前記流体合成装置制御装置９７４および／またはアドレス指定システム制御装置９７６は、前記主制御装置９７２からのより高いレベルの制御コマンドに応答して、バルブ作動および動作制御（例えば、前記撮像装置９８２）用のリレーを駆動できる産業用マイクロコントローラーを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記撮像装置９８２は、ＳＰＲイメージングカメラを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記撮像装置９８２は、レーザースキャナを含むことができる。例えば、各生体模倣プラットフォーム９００は、前記流体アドレス指定システム９２０用の１４個のバルブ（各４ポート、２ポジション）（各側に７個）、および前記流体合成装置９１０用の４８個のバルブ（各３ポート、２ポジション）（各側に1～２４個）を有することが可能である。非限定的な実施形態では、各生体模倣プラットフォーム９００は、12個の４ウェイ／２ポジションバルブ＋４個の３ウェイ／２ポジションバルブ、または２８個の３ウェイ／２ポジションバルブを有しすることが可能である。後者の構成は、前記流体アドレス指定システム９２０全体を減圧することを可能にし、これにより、接続された全ての生体模倣装置９３０を同時に洗浄することを可能にできる。接続された化合物は、異なる比率で混合することができ、または同じ比率で混合することができる。いくつかの実施形態では、同じ比率で混合することができる前記流体合成装置９１０への２つの入口溶液は、１つのバルブによって駆動されることが可能である。いくつかの実施形態では、前記流体合成装置９１０は、片側あたり２５以上の異なる混合物入力を収容するように拡張することができる。前記バルブの必要数はそれに応じて増加するので、ラッチシフトレジスタを連鎖させて、前記空気圧バルブの制御ピンの並列配列を作成することができる。
特定の実施形態では、各臓器センサーユニットにおける前記バイオセンサー９４０は、前記撮像装置９８２によってデジタル信号に変換される。前記撮像装置９８２は、ネットワーク化されたＰＣ９７９に接続することができ、その目的は、この変換されたデータを前記主制御装置９７２に送信することである。いくつかの実施形態では、前記ネットワーク化されたＰＣ９７９は、小型のコンピュータを含むことができる。いくつかの実施形態では、前記ネットワーク化されたＰＣ９７９は、ラップトップを含むことができる。前記主制御装置９７２は、追加のリアルタイムデータ処理要件がいかなる減速または干渉も引き起こさない場合、前記撮像装置９８２から直接出力を読み取ることができる。インターネット、クラウド、またはＳａａＳ（ｓｏｆｔｗａｒｅ－ａｓ－ａ－ｓｅｒｖｉｃｅ）システムに接続されたソフトウェアサーバ（例えば、バイオラインサーバ９７７）への前記ローカル主制御装置９７２からの接続は、ソフトウェアライセンス管理、仮想組織ライブラリへのアクセス、およびオフサイト臓器装置とのリアルタイムデジタル連動を確立することが可能である。複数の生体模倣プラットフォーム９００は、単一の主制御装置９７２によってローカルに操作することができる。オフサイトの生体模倣プラットフォーム９００および生体模倣装置９３０（別々のマスター制御サーバによって操作されるプラットフォームおよび装置）と相互作用する場合、データ伝送は、前記インターネットまたはクラウドソフトウェアサーバによって媒介されることが可能である。これらの技術は、接続の脱落、または帯域幅要件の予測、負荷分散の考慮、およびデータトラフィックルーティングの最適化を含む事象（これらに限定されない）について維持および監視することができる品質が向上しかつ容易に確立された接続を可能にすることができる。
開示された主題は、前記生体模倣プラットフォーム９００を操作するためのソフトウェア・アプリケーションおよび技術を提供する。統計的データ処理および仮想組織および仮想臓器をモデル化するための開示された生物学的仮想化技術は、主制御装置９７２に統合され、ユーザクライアントにおいて設定可能にすることができる。非限定的な例として、開示されたシステムは、前記生体模倣プラットフォーム９００の全ての動作をリアルタイムで同期および管理するための耐障害性のソフトウェアを提供できる主制御装置９７２を有することができる。前記主制御装置９７２のソフトウェアは、ユーザ設定および前記バイオセンサー９４０からの伝達信号に基づいて、流体合成装置９１０におけるパルス幅変調（ＰＷＭ）バイアスを決定することができる。非限定的な例として、パルス幅変調によって制御される方法での流量計量用バルブの開閉サイクルは、（例えば、前記流体アドレス指定システム９２０または前記流体合成装置９１０における）マイクロ流体バルブを介した流量に対する比例制御を可能にできる。特定の実施形態では、前記ＰＷＭは、バルブにおける完全な開閉サイクルを可能にするために、ある周波数で適用されることが可能である。例えば、パルス幅０％が常時閉バルブに対応し、パルス幅１００％が常時開バルブに対応する場合、パルス幅６０％のバルブは、パルス幅３０％のバルブよりも各パルスサイクルにおいて２倍長く開いたままにすることができる。前記流体の流速は、前記開口期間を調整することによって制御することができる。特定の実施形態では、前記ＰＷＭは、パルスの信号－高部分と信号－低部分の間のバルブの完全な作動（閉鎖または開放）を妨げるために、ある周波数で印加される。例えば、十分に高いＰＷＭ周波数は、そのようなエラストマーバルブが定常位置について震えるまたは密接にうねることを可能にし、それによって６０％のパルス幅を有するバルブは、３０％のパルス幅を有するバルブの２倍の流れを可能にする定常位置を維持することが可能である。特定の実施形態では、流体充填された流体制御ラインは、前記生体模倣プラットフォーム９００の前記マイクロ流体バルブに統合され、注射器ポンプまたは蠕動ポンプを使用して駆動されることが可能である。
前記主制御装置９７２のソフトウェアは、流量、流体レベル、および空気圧ライン圧力を監視するための前記流体アドレス指定システム９２０内の特定の生体模倣装置９３０アドレスを起動するためのコマンドをマイクロコントローラ（例えば、前記流体合成装置制御装置９７４および／または前記アドレス指定システム制御装置９７６）に送信することによって、前記生体模倣プラットフォーム９００を制御することができる。特定の実施形態では、前記主制御装置９７２のソフトウェアは、データ処理を実行し、ウェブクライアントログイン用のローカルウェブサーバをホストし、ローカルウェブクライアント（例えば、データ受信機９８１、ローカルデータ保存位置、およびローカルデータサーバ）への送信用にデータをパッケージし、データサーバおよび制御サーバのうちの１若しくはそれ以上への接続を維持するように、前記生体模倣プラットフォーム９００を制御できる。特定の実施形態では、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＬａｂＶｉｅｗが制御ソフトウェアの実装に使用され得る。特定の実施形態では、他のプログラミング言語が制御ソフトウェア実装のために使用でき、限定されることなくＣ＋＋、Ｃ＃、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｊａｖａのうちの１若しくは組み合わせを含む。
特定の実施形態では、前記制御システム９７０は、出口流量計のデータをポーリングすることによって、前記生体模倣プラットフォーム９００の漏れ、詰まり、または漏れと詰まりの組み合わせを検出し、電子メール、テキストメッセージ、または他の直接または間接的な通信方法によってユーザに警告することが可能である。特定の実施形態では、漏れまたは詰まり事象を検出すると、前記制御システム９７０の即時応答を構成可能である（例えば、詰まった生体模倣装置９３０への流れを中断する、前記装置９３０全体の流れを中断する、実験を一時停止する、または通常通りに継続する）。
特定の実施形態では、前記制御システム９７０は、ユーザークライアントソフトウェアを提供することができる。例えば、前記制御システム９７０のユーザーは、前記主制御装置９７２によって、またはインターネットサーバによって提供され、それらのウェブブラウザで実行することができるソフトウェアクライアント上で実験を設計、監視、および処理することができる。特定の実施形態では、前記ユーザクライアントソフトウェアは、コンピュータ（例えば、前記ネットワークＰＣ９７９）上のローカルアプリケーションとして、または複数のコンピュータ間の分散アプリケーションとして実行することができる。特定の実施形態では、前記ソフトウェアは、前記生体模倣装置９３０の2つの列と並んで示される、前記装置上の前記流体アドレス指定システム９２０の現在の状態のヘッドアップディスプレイと並んで、進行中の実験の側面（測定データの部分を含むが、これに限定されない）を提示することができる。特定の実施形態では、ユーザは、個々の生体模倣装置９３０をクリックして、設定ボックスを展開することができる。特定の実施形態では、各生体模倣装置９３０をカスタマイズすることができる（例えば、名前を付ける、特徴的なアイコン、視覚的特徴、またはそれらの組合せを与えるなど）。特定の実施形態では、各生体模倣装置９３０は、そのセンサー９４０および流れの特性の全てをユーザインタフェースで指定することができる。特定の実施形態では、リアルタイムデータは、前記インターフェースのサブパネル上にグラフ形式で視覚化することができ、生体模倣装置の状態を一目で要約することができる。特定の実施形態において、前記ユーザインタフェースは、付属データをインポートし、タイムスタンプまたはセンサー記録を含む既存のデータの複数の側面と関連付けることを可能にすることができる。
特定の実施形態において、そして例示であって限定するものではないが、予期しないセンサーの測定値を見ることに応答して、ユーザーは、問題の生体模倣装置９３０を画像化し、そしてその画像を付属のデータファイルとして、後の分析のために記録されたセンサーまたはプラットフォーム動作の対応する時点に関連付けることができる。非限定的な実施形態において、リアルタイムデータサブパネルは、最小化できる。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーション外形図は、複数の生体模倣プラットフォーム９００上の生体模倣装置９３０間の接続の視覚化を提供できる。特定の実施形態では、前記インターフェースのデザインは、太字の色の形で視覚的美観を提供することによって、機能性および得られたデータの明瞭性を向上させることができる。特定の実施形態では、前記ユーザインタフェースの視覚的スタイルは、提示されたデータの明瞭性を補完することができる。開示される主題によって生成されるソフトウェアは、色覚異常または視覚障害のあるユーザへのアクセスを可能にするために、代替色および改善されたコントラストスキームをサポートすることができる。いくつかの実施形態では、生体模倣装置９３０は、可動ブロックとしてユーザインタフェースに示すことができ、合成された流体接続は、前記可動ブロック間の視覚的リンクまたは関係をドラッグアンドドロップすることによって確立することができる。特定の実施形態では、実験は、ブロック、線、または曲線を含むグラフィック要素を使用して、ユーザインタフェースにおいて設計することができる。特定の実施形態では、実験は、コマンドラインインターフェース（ＣＬＩ）を介した前記生体模倣プラットフォームおよびプラットフォームソフトウェアとの相互作用によって設計することができる。
特定の実施形態において、開示された主題は、集中型ソフトウェアサーバ上で実行可能なインターネットアクセス可能なソフトウェアを提供する。特定の実施形態では、前記アクセス可能なインターネットソフトウェアは、複数の生体模倣プラットフォームのインストール、クライアントのライセンスおよびアカウント間の通信を管理することができ、テンプレート、最適化プロトコル、および仮想組織の標準ライブラリへのアクセスを、サブスクリプションサービスの一部として提供する。特定の実施形態では、開示されたシステムは、分散型クラウドプラットフォーム（例えば、ＡｍａｚｏｎのＡＷＳおよび／またはＭｉｃｒｏｓｏｆｔ Ａｚｕｒｅ）間で動作することができる。
スクリーンフォーワードの実装
いくつかの実施形態では、上述の前記生体模倣プラットフォームおよび制御システム・アーキテクチャは、ハイスループット・スクリーニングシステムとして集合的に機能することができる。前記スクリーニングシステムは、１若しくはそれ以上の標的条件（例えば、化学化合物、治療薬、治療、および／または流体組成物）を定義し、前記定義された条件から生じ得る生体模倣装置内の培養組織の応答（例えば、時間依存応答および／またはエンドポイント応答）を特定することができる。前記スクリーニング過程は、既知の条件または外部から適用される条件プロファイル（例えば、食事による投与を模倣する薬物濃度プロファイル）から開始して、そのような各条件から生じるエンドポイントを特定することができる（例えば、「スクリーンフォワード」アプローチ）。そのようなスクリーンフォワード・アプローチの一例は、方法１０００を描いた図１５Ａおよび図１５Ｂのフローチャートに示されている。例えば、図１５Ａおよび図１５Ｂに示すように、１００１に示す生物学的スクリーニングのために、化合物、化学濃度プロファイル、条件、および／または生理学的修飾因子を定義することができる。例示的なシステムが、１００２で決定されたソフトウェア誘導型実験デザインを含む場合、１００３で示されるソフトウェア誘導型統計解析（例えば、パワー解析、組合せまたは要因解析、直交実験デザイン、Ｄ－最適実験デザイン、および／または実験コスト管理）を実行することができる。特定の実験デザイン（例えば、生体模倣装置における生物学的複製物の量または配置）は、１００４に示すように、ソフトウェア誘導型実験デザインなしで決定することができる。次に、前記実験設計に基づいて、１００５に示すように、前記例示的なマイクロ流体システムの生体模倣装置に生物学的複製物（例えば、組織、臓器モデル、臓器モデルシステム、またはそれらの組み合わせ）を分配することができる。前記生物学的複製物は、直ちにまたは成熟期間の後に、１００６で示される予め定義された実験条件（例えば、特定の濃度の栄養素、薬剤、細菌、ウイルス、遺伝子編集剤、またはそれらの組み合わせ）に曝露されることができる。例示的なシステムの１００７で決定されるように、存在し、有効であれば、統合バイオセンサーは、１００８で示される、標的（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、成長因子、ホルモン）の連続または離散センシングを実行することができる。前記検出された結果およびデータは、１００９で示される、グラフィカルユーザインターフェースに保存および表示することができる。前記生物学的複製物は、１０１０で示されるように、予め決められた期間培養することができる。統合されたバイオセンサーが１００７において存在し有効であると判断されない場合、１００８および１００９はスキップされ、方法１００は１０１０に進む。実験エンドポイント期間に達すると、１０１１に示す実験デザインに従ってエンドポイント測定を実施することができる。例示であって限定ではない目的で、前記エンドポイント測定は、免疫組織化学（ＩＨＣ）による染色、免疫細胞化学（ＩＣＣ）、組織抽出、顕微鏡検査、ＲＮＡまたはＤＮＡ分離、トランスクリプトミクス、プロテオミクス、および細胞分離のうちの１若しくは組み合わせを含むことが可能である。前記測定されたエンドポイントデータは、１０１２に示すように、保存され、ユーザに報告することができる。
非限定的な実施形態において、開示されたシステムは、複数の条件をスクリーニングすることができる。様々な動的および連続的条件（例えば、薬物濃度プロファイル、および／または薬物分割モデルに基づく予め定められた薬物濃度）は、開示された流体合成装置によってリアルタイムで調合することができる。特定の実施形態では、開示されたシステムは、スクリーニングのための動的条件および連続的条件のうちの１若しくは組み合わせを試験することができる。非限定的な例として、開示されたシステムは、腫瘍血管新生に対する血管内皮増殖因子（ＶＥＧＦ）受容体阻害剤の異なる濃度の効果、腫瘍血管新生に対するＶＥＧＦ阻害剤を異なる頻度または濃度で投与することの効果、または人体における代謝および／または輸送を模した動的濃度プロファイルで前記ＶＥＧＦ阻害剤を投与することの効果を決定することができる。
スクリーンバックワードの実装特定の実施形態において、開示されるシステムは、既知のエンドポイントを特定し、当該エンドポイントを発生させるまたは生成する原因となる状態を見つけることによって、スクリーニング研究またはスクリーニング実験を実行することができる。開示されたシステムは、目標エンドポイント状態を定義し、１若しくは連続した反復改良（すなわち、「スクリーン－バックワード」アプローチ）を通じて前記目標エンドポイント状態を生成できる複数の初期条件または条件プロファイルを検索することができる。例えば、図１６Ａ～１６Ｄは、１１０１で示される、生物学的エンドポイント目標状態、プロファイル、性能、および／または形態が定義される、方法１１００を描写している。例示的なシステムが、１１０２で決定されたようなソフトウェア誘導型実験デザインを含むことができる場合、１１０３で示されるソフトウェア誘導型統計分析（例えば、パワー分析、組み合わせ分析、直交実験デザイン、Ｄ－最適実験デザイン、実験コスト管理、実験修飾物、薬剤、治療化合物、化学プロファイル、および実験空間の寸法を定める組織組成）が実行可能である。特定の実験デザイン（例えば、実験的修飾子、薬物、治療用化合物、化学プロファイル、および／または組織組成）は、１１０４に示す前記ソフトウェア誘導型実験デザインなしで決定することができる。次に、前記実験デザインに基づいて、生物学的複製物（例えば、組織、臓器モデル、臓器モデルシステム、またはそれらの組み合わせ）を、１１０５に示す前記例示的なマイクロ流体システムの生体模倣装置に分配することができる。前記分配された生物学的複製物は、直ちに、または成熟期間の後に、１１０６に示される、予め定義された実験条件（例えば、１若しくは範囲の濃度の栄養素、薬剤、細菌、ウイルス、および／または遺伝子編集剤）に曝露することができる。１１０７で決定されるように、統合されたバイオセンサーが存在し、有効である場合、前記方法１１００は、１１０８において、標的（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、成長因子、ホルモン）の連続または個別のセンシングを実行することを含むことができる。検出された結果およびデータは、１１０９で示される前記グラフィカルユーザインターフェースに保存および表示することができる。１１１０、１１１１、および１１１２に示すように、スクリーンバックワードモードの前記方法は、統合型バイオセンサーが存在し有効であるかどうか、前記実験持続時間が定義されていればそれに達したかどうか、およびセンサーベースのフィードバックが有効であるかどうかを、それぞれ決定することを含む。センサーベースのフィードバックおよび統合バイオセンサーの両方が有効であり、前記実験持続時間に達していない場合、前記方法１１００は、センサー測定を利用して、１１１３に示す、培養条件を修正することによる生物学的挙動のフィードバック制御を実行することを含む。このループは、前記実験持続時間に達するまで継続する。非限定的な実施形態において、前記バイオセンサーは、実験期間および／または生物学的挙動に関する検出されたデータに基づいて、リアルタイムのフィードバックを提供することができる。前記検出されたデータは、１１１２で示される前記培養条件を修正するために使用することができる。生体模倣装置内の前記生物学的複製物は、１１１４で示される、前記予め決められた期間培養される。前記方法１１１４は、前記実験期間に達すると、または統合バイオセンサが存在せず有効化されていない場合に発生する。実験エンドポイント期間またはフェーズに到達すると、１１１５に示す前記実験デザインに従ってエンドポイント測定を行うことができる。前記測定されたエンドポイントデータは保存され、１１１６に示すように、ユーザーに報告されることができる。任意の複製が、１１１６に示される目標エンドポイント状態を達成することができる場合、前記目標エンドポイント状態を達成するために必要な実験条件が、１１１８に示されるように、ユーザに提示されることができる。そうでなければ、開示されたシステムは、１１１９を介して前記目標エンドポイント状態を達成することができるまで、順次または反復的な方法でスクリーン－バックワード手順を繰り返し、１１０５にループバックすることができる。非限定的な例として、次の一連の実験のために、様々な実験条件を反復的に定義することができる。前記実験条件は、ソフトウェア誘導により自動的または半自動的に、あるいは１若しくはそれ以上の手動入力、要件、および／または制約によって定義することができる。
非限定的な実施形態において、開示されたシステムは、腫瘍血管新生が制限され、全身毒性による細胞死が制限された状態を定義し、次に、この意図するエンドポイントをもたらすＶＥＧＦ阻害剤の時間依存性の投与条件をスクリーニングすることができる。非限定的な実施形態において、開示されたシステムは、生物学的スクリーニング処置に使用することができる。例えば、本システムは、インスリン分泌中に蛍光タンパク質を発現するヒト膵臓ベータ細胞のリポーター細胞株から培養した組織に対して採用することができる。前記目標エンドポイント状態は、流体混合物中の増加したグルコース濃度への曝露に応答する特定の時間依存性蛍光強度プロファイル（時間依存性インスリン放出プロファイルに相関する）として定義することができる。開示されたシステムは、この目標エンドポイント応答を生じさせることができる培養条件（例えば、一連の成長因子、グルコース、および薬物化合物前駆体溶液から）の組み合わせよび時間依存性プロファイルを反復してスクリーニングすることができる。
特定の実施形態では、開示されたスクリーンフォワードモードおよび／またはスクリーンバックワードモードは、１つの生体模倣プラットフォームまたは接続された複数の生体模倣プラットフォーム上の生体模倣装置において定義される複数装置または複数組織モデルに対して選択される。前記スクリーンフォワードモードまたはスクリーンバックワードモードでは、複数のシステムに対して前記目標状態または目標条件を定義することができる。例えば、前記スクリーンフォワードまたはスクリーンバックワードの条件や制約は、１つの組織に対して適用することも、複数の組織に対して適用することも可能である。前記条件または制約条件は、ある生物学的挙動または生化学的反応に対する理想的な目標範囲として定義することができる。非限定的な実施形態において、前記条件または制約条件は、優先順位のランキングとして、他方から見た一方の組織の健康に関連するコスト関数として最適化することができる。例えば、別の組織における薬物毒性の影響を最小化しながら、１つの組織における挙動を防止することができる目標最終状態を、前記スクリーンフォワードモードおよび／またはスクリーンバックワードモードについて定義することができる。
特定の実施形態では、ユーザインタフェースは、図１７Ａおよび図１７Ｂに例示の目的であって限定的ではないものとして示されるように設計される。特定の実施形態では、前記生体模倣プラットフォームの動作モードは、ユーザインターフェースの要素、レイアウト、および機能性に影響を及ぼし得る。
仮想組織（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｔｉｓｓｕｅｓ）
開示された主題は、特定の実施形態において、「仮想組織（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｔｉｓｓｕｅｓ）」を開発し統合するためのシステムおよび方法を提供する。刺激の可能な組み合わせの所定の入力空間に対する生体模倣装置（例えば、図１を参照して上述した生体模倣装置１３０、特定の生体実体または生体組織）の応答が特徴付けられる場合、その特定の生体模倣装置の物理的実施形態は、予測または事前確立された動作または応答に基づく仮想化されたシミュレートされた表現と置き換えられることが可能である。例えば、図１１Ａ～図１１Ｄおよび図１２を参照して上述した装置のいずれかは、仮想装置またはシミュレートされた装置（例えば、仮想組織表現）を含むことができる。特定の実施形態では、この仮想装置（例えば、仮想組織）は、（生体模倣装置内、動物内、ヒト内、科学文献から集められたもの、またはそれらの組み合わせの内に）シミュレーションされている前記装置の物理的実施形態の観察から集められたデータに基づいて、予想動作の予測または統計モデルを作ることによって計算でシミュレートされる。特定の実施形態では、この仮想装置は、ヒューリスティック、ルール、またはデータセットに基づいて計算的にシミュレートされる。特定の実施形態では、この仮想装置は、推論的な予測に基づいてシミュレートされる。前記仮想装置のデジタル出力は、前記仮想装置が代替された対応する物理バージョンからのセンサで測定された出力と類似または同一にすることができる。したがって、このような仮想装置は、１若しくは複数の追加の物理的な生体模倣装置または追加の仮想装置に結合することができ、前記第１の仮想装置の応答、吸収／分泌、および挙動は、計算によってモデル化されることが可能である。
特定の実施形態において、標的組織の生物学的挙動は、仮想組織を用いることによって予測することができ、前記標的組織の物理的観察結果に基づいて標的組織の統計的予測モデルを作成し、統計的予測モデルを適用して第１の流体溶液の変異を予測することを含む。前記変異は、前記第１の流体溶液を前記標的組織と培養して前記第２の流体溶液を生成するときに誘発される化学的または生物学的変化を含むことができる。非限定的な実施形態において、前記第１の流体溶液は、前記仮想組織の入力とすることができ、前記第２の流体溶液は、前記仮想組織の出力とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の連続数学関数または連続測定値を前記仮想組織への前記入力として使用することができ、第２の連続数学関数を対応する出力として生成することができる。例えば、連続的な数学的関数は、時間との連続的な関係であり得る。限定ではなく例示の目的で、時間の関数として濃度が直線的に増加する化合物「Ａ」に対する仮想組織への連続入力関数は、Ａ（ｔ）＝Ａ０ｔと記すことができ、ここで「Ａ０」は蓄積速度を定義する定数であり、前記仮想組織が、化合物「Ｂ」を分泌し、化合物「ｂ」の濃度が常に「Ａ」の２倍に保たれている場合、化合物「Ｂ」に対する仮想組織の連続出力関数は、Ｂ（ｔ）＝２Ａ（ｔ）となり、Ｂ（ｔ）＝２Ａ０ｔとも記すことができる。特定の実施形態では、このように前記仮想組織の入力と出力を記号的に結びつけることで、これらの方程式を数値的または解析的解法によって迅速に計算し、シミュレーション結果を生成することができる。特定の実施形態では、出力データは、前記仮想組織出力によって生成された数値の任意の数学的変換を利用することによって生成することができる。
特定の実施形態では、仮想組織を用いて標的組織の生物学的挙動を予測することは、さらに、第１の仮想組織の前記出力部を後続の仮想組織の前記入力部に接続することによって少なくとも２つの仮想組織を結合することを含むことができる。非限定的な実施形態において、少なくとも３つの仮想組織のネットワークが確立される。各仮想組織は、少なくとも１つの入力を受信し、少なくとも１つの出力を生成することができる。少なくとも１つの出力の各々は、ゼロまたは少なくとも１つの仮想組織の入力に接続することができる。非限定的な実施形態において、前記少なくとも１つの入力および出力の各々は、仮想組織に接続する前または後に数学的に変換される。各仮想組織の少なくとも１つの入力および出力データは、実験の範囲内のある持続時間にわたって離散的または連続的に記録することができる。
特定の実施形態において、仮想組織を用いて標的組織の生物学的挙動を予測することは、さらに、前記仮想組織の出力によって算出された前記第２の流体溶液の構成要素を特定する工程と、流体合成装置を用いて、前記特定された構成要素に基づく流体溶液を合成する工程を含むことができる。
特定の実施形態では、複数の仮想組織の前記反応、吸収／分泌、および挙動も、当該方法で計算機的にモデル化することができる。特定の実施形態において、前記観察結果は、科学的または医学的文献における既存のデータから導き出すことができる。特定の実施形態では、前記観察結果は、生体模倣プラットフォームで行われた測定から導き出すことができる。前記観察結果は、生物学的実体（特定の実施形態では、生体模倣装置内で培養される）の挙動を予測するために使用され、前記生物学的実体が、生体模倣装置内に物理的に展開されるのではなく、仮想組織としてシミュレーションされることを可能にする。これらのモデルは、計算上単純なもの（例えば、仮想組織は、単一の入力因子または化学物質の濃度を分泌する第２の化合物の対応する量にマッピングするルックアップテーブルによって具現化することができる）から機械学習（図１８参照）で用いられる統計アルゴリズムに基づく計算上複雑なモデルであることまでの範囲におよぶことが可能である。特定の実施形態では、例示であって限定ではない目的で、前記仮想組織は、ニューラルネットワークによって、ディシジョンツリーによって、複数の機械学習方法のアンサンブル方法によって、または統計的推論によってシミュレートされる。生体模倣装置内で培養されている実際の生物学的実体に関連するバイオセンサーからの変換されたデジタル信号は、前記仮想組織の入力または前記仮想組織の入力のサブセットとすることができ、前記仮想組織の出力は、今度は、（前記仮想組織の分泌物を含む）前記媒体混合物を物理培養中の前記組織に供給する前記流動性合成装置への前記デジタル入力として使用されることができる。特定の実施形態において、複数の仮想組織は、複数の仮想組織に結合またはリンクすることができる。
例えば、図１８に示すように、生体模倣装置で培養された生体機能チップモデルは、多種多様な培養条件下で前記生体模倣プラットフォームの利用を通じて相当量のデータを取得することによって特徴付けることが可能である。その後、入力条件を表現型、挙動、および分泌因子および化合物に対応付ける前記収集されたデータに基づいて、所定の条件における前記培養組織の前記動的応答を計算機的に予測することができる。特定の実施形態において、前記予測方法は、予測を生成するために既存のデータの補間を使用することができる。特定の実施形態では、機械学習または統計的学習技術を採用して予測を生成することができる。実組織を仮想組織に置き換え、実組織の流体合成装置または他の仮想組織のデジタル入力にデジタル的にインターフェースすることによって、組織の仮想化を実現することができる。したがって、前記開示された仮想組織技術は、（例えば、全身モデルにおいて他のすべての組織または臓器をシミュレートすることによって）培養中のすべての実組織について全身機能チップ分析を可能にするために、追加の仮想組織による生体模倣装置の拡張または増大を可能にできる。
特定の実施形態では、前記開示された仮想組織システムは、実生体模倣装置を、それらが実行されているときにリアルタイムで測定されたセンサーまたは画像データに基づいて統計的にモデル化することができる。特定の実施形態において、前記仮想組織システムは、前記測定されたセンサーまたは画像データを使用して、その挙動の予測的外挿をユーザに表示することができる。特定の実施形態では、ローカルの生体模倣装置が、多施設共同研究におけるオフサイト生体模倣装置へのデジタル流体テレポーテーション接続に従事している場合、連続統計モデリング、および機械学習アルゴリズムが、データ接続の一時的なドロップアウトの間の代役として過渡的仮想組織を提供するために用いられることが可能である。
特定の実施形態では、前記仮想組織を用いて標的組織または標的多組織相互作用の生物学的挙動を予測する方法は、さらに、前記仮想組織の出力溶液の組成を合成流体溶液として前記生体模倣装置に送達することによって前記仮想組織を生体模倣装置に結合することを有することができる。特定の実施形態では、生体模倣装置から流出する流体の測定された部分的または完全な組成が、仮想組織への前記データ入力として使用されることができる。非限定的な実施形態において、少なくとも１つの仮想組織は、前記合成された流体溶液を前記流体アドレス指定システムを介して前記少なくとも１つの生体模倣装置に送達することによって、少なくとも１つの生体模倣装置と結合されることができる。いくつかの実施形態では、前記方法は、さらに、少なくとも１つの仮想組織を少なくとも１つの生体模倣装置と結合させることによって、生体模倣装置と仮想組織の混合ネットワークを作成することを含むことができる。例えば、生体模倣システム内の生体模倣装置内の複数の仮想組織および／または複数の実組織は、デジタル流体テレポーテーションによって結合されることができ、前記仮想組織へまたは前記仮想組織からテレポートされる「流体」は、デジタル信号としてのみ（相互作用のために流体アナログが送達される物理組織が存在しない結果）処理される。生体模倣プラットフォームにおける複数の種類の組織培養が同じ程度に特徴付けられる場合、複数の仮想組織および／または複数の実組織ユニットは、物理的（「実」）生体模倣装置培養のみを有するシステムに関して以前に説明したのと同様の方法で結合されることができる。
図１９Ａは、デジタル伝送による物理的な生体模倣装置の例示的な結合を示す図である。図１９Ｂは、単一の物理的な生体模倣装置と複数の仮想組織の動的システムとの例示的な結合を示す。前記仮想組織は、前記実生体模倣装置から流体流出のデジタル伝送された内容を受信し、仮想化している前記生物学的実体の特徴付けられた挙動に従って前記データを処理することができる。そして、前記仮想組織は、前記対応する流体のデジタル出力を前記実組織の前記流体合成装置に送信し、そこで物理的な混合物に再構成することができる。次に、前記仮想組織は、前記対応する流出物のデジタル流体出力を前記実組織の前記流体合成装置に送信し、そこで物理的混合物に再構成することができる。非限定的な実施形態では、図１９Ｃに示すように、２若しくはそれ以上の仮想組織を連動させることによって、完全な仮想システムを確立することができる。特定の実施形態において、前記スクリーンフォワードおよびスクリーンバックワード動作モードは、開示されたシステムにおいて特定の物理モデルを代替するために仮想組織モデルに使用されることができる。特定の実施形態において、仮想組織のみからなるスクリーンフォワードまたはスクリーンバックワードアプローチは、一連の実験の最も有望な条件または予測される結果を特定するために使用されることができる。特定の実施形態において、前記特定された予測は、実生体模倣装置上で実施されるべき物理的実験を選択するために使用されることができる。
特定の実施形態では、仮想組織を用いて標的組織の生物学的挙動を予測する前記方法は、さらに、前記少なくとも１つの生体模倣装置から行動データまたは観察データを生成することを含むことができる。前記行動データまたは観察データは、統計的予測モデリングを改善するために使用することができる。非限定的な実施形態において、前記対象組織は、前記統計的予測モデルを改善するための前記行動データまたは観察データを提供するために、所定の条件下で前記少なくとも１つの生体模倣装置と共に培養することができる。いくつかの実施形態では、前記統計的予測モデルを訓練するために、行動データまたは観察データの少なくとも１つの構成要素を提供することができる。特定の実施形態では、少なくとも１つの仮想組織を、前記標的組織の前記生物学的挙動を予測するために使用することができる。
特定の実施形態では、フィードバックデータは、開示されたバイオセンサー（例えば、図１を参照して上述したような前記バイオセンサ１４０）を用いて得ることができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサーは、オンチップ（すなわち、図１を参照して上述したような基板１０１などの基板上）に集積することができる。いくつかの実施形態では、前記バイオセンサーは着脱可能であることができる。例えば、開示されたシステムは、バイオセンサーがなくても十分に機能することができる。バイオセンサーを有しない例示的なシステムは、依然として、前記流体合成装置を利用して、前記システムに接続された｀若しくはそれ以上の流体試薬から流体または流体混合物をリアルタイムで調合することができる。例えば、前駆体流体入口接続部は複数あり、そこから複合溶液を調合することができる。前記接続部の数量は、必要性に基づいて拡張することができる。バイオセンサーを有しない例示的なシステムは、前記流体アドレスシステムを利用して、前記流体の意図された目的地として前記標的チャンバーを選択することによって、この流体調合物を標的培養チャンバーに送達することができる。前記流体合成装置は、この流体の組成をリアルタイムで変更し、動的な流体処方を作成することができる。いくつかの実施形態では、前記装置からの出力データは、前記基板の外部のセンサー（例えば、「オフチップ」センサー）に送達されることができる。いくつかの実施形態では、前記出力データは、バイアル流出ラインおよびまたは流体処理システムに送られ、前記装置の下流で流体をサンプリングし、前記バイオセンサーに流体を供給することができる。
特定の実施形態において、統合バイオセンサーを有しない例示的なシステムは、選択された培養チャンバーに対して条件付きまたは組み合わせクリーニングを行うために、指定された流体混合物のマイクロリットル量を生成することができる。集積バイオセンサーを使用する代わりに、前記システムの出口ポートから流出流体をサンプリングすることができ、前記スクリーニング条件の結果を定量化するために使用される前記エンドポイントを前記サンプリングされた流体から測定することができる。例えば、前記エンドポイント測定は、生化学的分泌、代謝、生化学的プロセスの測定、前記培養チャンバーの内容物の明視野イメージング、前記培養チャンバーの内容物の蛍光イメージング、電気生理学的測定（例えば、経上皮電気抵抗（ＴＥＥＲ）測定）、前記培養チャンバー内の細胞または細胞のサブセットのゲノム／トランスクリプトーム／プロテオミクス定量化、その後の処理（例えば、パラフィン切片作成または電子顕微鏡用処理）のための細胞の回収、またはそれらの組み合わせ、を含むことができる。
特定の実施形態では、バイオセンサーを有しない例示的なシステムは、外部のバイオセンサープラットフォーム上で流体組成物を記録し、前記記録された流体組成物を流体合成装置にデジタル的にテレポートすることが可能である。例示であって限定ではない目的で、前記組織の分泌物は、時系列の経過にわたって複数の離散的な収集物にサンプリングすることができ、前記分泌物の濃度は、従来の（例えば、ＥＬＩＳＡによる）評価技術を使用して測定することができる。これらのサンプルの測定に続いて、前記得られた濃度プロファイルを流体合成物として使用することができ、したがって、このような記録は、互いに遠隔に配置され得る少なくとも１つの流体合成物を通して複製することができる。非限定的な実施形態において、前記サンプリングされた流体組成物は、修正されて流体合成装置にテレポートされることができる。非限定的な例として、前記テレポートされた流体組成物の濃度は、前記流体記録で測定された濃度から修正することができる。
特定の実施形態では、バイオセンサーを有しない例示的なシステムが、前記スクリーンフォワードおよび／またはスクリーンバックワードスクリーニングを実行することができる。初期条件（スクリーンフォワードアプローチにおいて固定されるか、またはスクリーンバックワードアプローチにおいて発見的／反復的に生成されるかにかかわらず）は、前記流体合成装置によって策定することができ、センサーのフィードバックは必要ない。同様に、いずれのモードのエンドポイントも、定量化がオフチップで生成され得るように選択されることができる。非限定的な実施形態において、前記バイオセンサーは、生物学的特徴付けおよび／または関連する仮想組織モデルの強化に関連するより多くのデータを収集するために、開示されたシステムに統合することができる。
特定の実施形態では、前記仮想組織は、計算の複雑さが増す代わりに、（同等の実／物理モデルの使用と比較して）前記甚太模倣プラットフォームの物理的複雑さを低減させることができる。生体模倣装置の代替物として仮想組織を組み込むことにより、対象物を用いて実施される科学的実験または調査は、より安価で時間のかかるものになり得る。例えば、前記仮想組織は生物学的な汚染リスクから解放され、前記仮想組織は、培養液や成長因子による生物学的な補充を必要としないことができる。さらに、仮想組織の統計モデルは、確定的に再現可能であり得る。いくつかの実施形態では、前記仮想組織は、トレーニングモードで動作することができる。このようなトレーニングモードでは、前記生体模倣プラットフォームは、物理的な生体模倣装置を利用して、前記仮想組織の統計的不確実性によって決定されるように、リアルタイムで１若しくはそれ以上の組織に挑戦することができ、その目的は、前記仮想組織の既存の予測能力が最も弱い、または最もエラーを起こしやすい領域または状況において、その予測効力を向上させることである。特定の実施形態では、これらの体制または状況は、前記実組織の応答を測定し、それによってその統計的観測空間の任意の欠落した領域を移入するために、以前に遭遇したことのない一連の複数の流体組成を制限なく含むことができる。開示されたトレーニングモードは、機械学習アプローチを通じて前記仮想モデルを強化するために、実組織にエッジケースを与え、有用な状況を企図することができる。開示されたトレーニングモードは、その予測力を最大化し、誤差を最小化するように、前記仮想組織が実際の実験中に物理的に得られたデータから過度に補間しないことを保証することができる。
特定の実施形態では、開示された主題によって実施される実験は、予測モデリングのための仮想組織のみから構成されることができる。非限定的な例として、開示された前記生体仮想化のアプリケーションは、スクリーンフォワードおよびスクリーンバックワード計算解決法の両方に使用することができる。特定の実施形態では、前記開示された仮想組織システムは、限定されないが、「これらの初期条件が与えられると、４週間にわたって観察されるどのような組織のダイナミクスが予測されるのか」、または 「組織のこれらの所望の力学的特性が与えられると、前記特性を生み出すためにどのような初期条件の定式化が予測されるか」を含む例示的な予測的質問に答えることができる。特定の実施形態において、開示された計算技術は、薬剤候補のスクリーニング（非限定的な例として、「この薬剤の影響によって組織の挙動がどのように変化するか」という薬剤効果の前方計算）と、薬剤候補の同定（非限定的な例として、「４週間にわたる健康状態への進行が細胞の挙動におけるこれらの初期計算された変化に依存すると考えると、どんなタイプの薬剤がこれらの変化を引き起こすだろうか」という望ましい薬剤標的の後方計算）の両方において医薬品開発で利用することが可能である。
特定の実施形態において、開示された主題は、構成中にユーザソフトウェアクライアントからアクセスすることができるブラウズ可能な仮想組織ライブラリを提供する。前記仮想組織ライブラリは、様々な仮想組織モジュールへのアクセスを提供することができる。さらに、前記仮想組織ライブラリは、生体模倣装置で培養可能な実組織へのインターフェースを提供することができ、この組織は、中央の位置で播種および培養され、クライアント設定可能な播種日を有する現場から離れた流体テレポーテーションによってクライアントのローカル組織培養と相互作用されることが可能である。したがって、前記仮想ライブラリは、ユーザにとって、細胞や組織の独自の大規模ライブラリを組織培養で継続的に培養し、フラスコ、成長培地、細胞ラインの注文などのコストを管理するよりも安価な代替品となることができる。
特定の実施形態では、開示された主題は、生体模倣装置を仮想組織に接続する方法を提供する。例示的な方法は、生体模倣装置において、少なくとも１つの標的分析物の濃度をセンサで測定することによって流体溶液を特徴付けることと、前記測定に基づいて前記仮想組織への入力を生成することと、前記仮想組織への前記入力を提供することとを含むことができる。
組織培養の使用例
特定の実施形態では、開示された主題は、大量の機能的組織を作成するためのシステムを提供することができる。本明細書に記載の生体模倣プラットフォーム（例えば、図１を参照して上述したような前記生体模倣プラットフォーム１００）は、移植のための標的量の組織を作成することによって、治療的組織工学のために使用することができる。生体模倣プラットフォームは、機能的組織を培養するために十分な組織量を生成するスケールで前記組織を作成することができる。例えば、流体合成装置（例えば、図１を参照して上述した前記流体合成装置１１０）は、低い形態学的変動を有する組織を生成する複数の装置（例えば、組織培養チャンバー）の生化学的環境を制御することができる。流体アドレス指定システム（例えば、図１を参照して上述したような前記流体アドレス指定システム１２０）は、流体入力を利用して、大量の生体模倣装置（例えば、数百、数千、またはそれ以上）を、一貫した流量で、一貫した流量持続時間で、一貫した液体組成物でサポートすることができる。本明細書に記載の生体模倣プラットフォームは、手動分注またはウェルプレートシステムの限られた設置面積における組織培養の展開を含む従来の組織培養方法と比較して、機能組織を改善されたスケールで培養することを可能にすることができる。
特定の実施形態では、開示された主題は、組織を分化および成熟させるためのシステムを提供することができる。例えば、オルガノイド組織の分化プロセス全体が流体合成装置および流体アドレス指定システムによって自動化されるように、生体模倣プラットフォームを定式化することができる。前記流体合成装置および流体アドレス指定システムは、分化に必要な溶液を生成し、目標装置に供給することができる。前記必要な溶液は、組織分化のための様々な化合物（例えば、成長因子、転写阻害剤、および／または栄養素）を含むことができる生物学的成長培地とすることができる。非限定的な実施形態において、開示されたスクリーンフォワードおよびスクリーンバックワード動作モードは、オルガノイドの成長、分化、および生物学的機能を最適化するために使用される。いくつかの実施形態では、前記集積バイオセンサー（例えば、図１を参照して上述した前記バイオセンサー１４０）は、前記オルガノイドの状態に関する連続的なフィードバックを提供することができる。前記集積バイオセンサーは、前記培養条件を動的に変更することができるフィードバックベースの分化プロトコルを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、開示されたシステムはまた、オルガノイド組織を発達させるための固定条件を提供することができる。
他の使用例
特定の実施形態において、開示されたシステムは、組織に対する遺伝子改変の効果を評価するために使用することができる。非限定的な例として、前記流体合成装置および前記流体アドレス指定システムは、細胞の特定の遺伝子を改変、導入、またはノックアウトできる薬剤を有する培養液を製造するために使用することができる。前記遺伝子編集剤は、様々な遺伝子編集技術（例えば、ＣＲＩＳＰＲ－Ｃａｓ９、ＴＡＬＥＮ、メガヌクレアーゼ、ジンクフィンガー、および／または遺伝子治療）において使用される様々な構成要素を含むことができる。非限定的な実施形態において、開示されたシステムは、前記組織スケールでの前記遺伝子改変の効果を評価するために使用されることができる。特定の実施形態では、開示されたシステムは、細胞の標的サブセットまたはサブ集団に遺伝子改変を実行することができる薬剤を送達することができる。前記集積バイオセンサーは、前記組織の状態を監視し、リアルタイムでフィードバックを提供することができる。
特定の実施形態では、開示されたシステムは、培養チャンバー内の前記組織に細胞または細菌を送達するために使用することができる。前記流体合成装置は、前記流体混合物に生体を加えることができ、この生体は、前記流体アドレス指定システムによって送達されることができる。前記流体混合物中に生体を有する開示されたシステムは、生体組織をスクリーニングするために使用することができる。例えば、肺組織に対する細菌感染の影響は、前記装置内で培養された１若しくはそれ以上の標的組織に１若しくは複数のタイプの細菌を送達することによってスクリーニングすることができる。非限定的な実施形態において、開示されたシステムは、免疫療法をスクリーニングするために使用することができる。非限定的な例として、キメラ抗原受容体で増強されたＴ細胞（すなわち、ＣＡＲ－Ｔ細胞）を含む特定の改変ヒト細胞は、前記装置上の培養チャンバーで１若しくはそれ以上の組織に流すことができる。特定の組織、癌、細胞、薬物、および／または生体に対する異なるＣＡＲ－Ｔ細胞の結合効力を評価することができる。いくつかの実施形態では、特定の癌組織を前記生体模倣装置内で培養することができ、ＣＡＲ－Ｔ胞療法を含む免疫療法を、前記スクリーンフォワードまたはスクリーンバックワード動作モードのいずれかを使用して、前記癌組織を標的とする効力についてスクリーニングすることができる。
特定の実施形態において、開示されたシステムは、生体模倣装置においてそこで培養される前記組織にウイルスを送達することができる。前記流体合成装置は、前記流体混合物に特定のウイルスを加えることができ、それは前記流体アドレス指定システムによって送達されることができる。特定のウイルスを有する開示されたシステムは、前記培養された組織の前記ウイルスに対する感受性を評価するために使用されることができる。非限定的な実施形態では、前記システムは、ワクチンを含むことができ、ワクチンまたはウイルス感染に対する他の予防剤の有効性を評価するために使用することができる。
特定の実施形態において、開示されたシステムは、前記流体アドレス指定システムを介して生体模倣装置内の培養組織に特定の気体を送達することができる。前記組織に送達される気体を有する開示されたシステムは、塞栓症および／またはヒト気道組織をモデル化するために使用することができる。非限定的な実施形態において、特定の気体は、流体混合物に含まれ、１若しくはそれ以上の生体模倣装置に送達されることができる。いくつかの実施形態では、ガス組成物は、低酸素または高酸素状態を模倣するように設計することができる。特定の実施形態では、肺モデルを低酸素状態または高酸素状態にさらすことができ、その結果生じる挙動を開示されたシステムによって調べることができる。非限定的な実施形態において、特定の毒性ガスは、前記組織への影響、または前記組織への損傷を評価するために、前記培養チャンバー内で培養された組織に送達されることができる。
開示される主題は、物理的にモデリングし、計算的にモデリングし、またはそれらを組み合わせて生体模倣プラットフォームを形成するシステムおよび方法を提供する。前記複数の生体模倣装置は、相互接続することができる。特定の実施形態では、相互接続される前記生物学的組織、生物、またはシステムは、生物学的および集団レベルの実体の多数のスケールにまたがることができる。例えば、前記相互に接続された複数の生体組織またはシステムは、異なる細胞種、異なる生体臓器、異なる生体（例えば、二人のヒト間の疾患伝播をモデル化するため）、異なる種（例えば、細菌の培養物によるヒト組織の感染をモデル化するため）、異なる生体スケール（例えば、ある細胞種の培養からヒトドナー集団の組織の培養への代謝物分泌の影響をモデル化するため）またはその組み合わせの相互作用をモデル化することができる。
特定の実施形態では、前記開示された生体模倣装置は、空間的にパターン化されて、少なくとも１つのマイクロ流体チャネルまたは流体接続に接続し、生体模倣プラットフォームまたは生体模倣プラットフォームのサブセットを形成することが可能である。特定の実施形態では、前記少なくとも１つのマイクロ流体チャネルは、前記マイクロ流体チャネルまたはマイクロ流体チャネルネットワーク内に空間的にパターン化された少なくとも１つの生体模倣装置に流体を送達するために使用されることができる。例えば、前記流体は、細胞培養培地、栄養素、グルコース、アミノ酸、生物学的治療薬、薬剤、薬剤製品、毒素、気体、溶解固体、溶解化学物質、エアロゾル化化合物、生物学的に作用する化学固定剤、またはそれらの組み合わせを含むことができる。非限定的な実施形態では、前記流体は、複数の離散的な期間で送達されることができる。特定の実施形態では、所定範囲の用量の前記流体が、前記生体模倣装置に用量を送達されることができる。特定の代替的な実施形態では、前記流体は、前記生体模倣装置に連続的に送達されることができる。
特定の実施形態では、前記生体模倣プラットフォームに送達される流体の化学組成は、修正を必要とすることができる。前記修正は、生物学的実験に基づいて（例えば、恒常性を維持するために、またはセンサーの読み取りに応答して）行うことができる。特定の実施形態では、前記流体の化学組成に対する前記修正は、動的かつ連続的であることができる。非限定的な実施形態では、前記修正は、離散的であり得、または段階的に実行されることができる。
特定の実施形態では、前記開示された流体合成装置は、所望の化学組成の流体を合成するために生体模倣プラットフォームに含まれることができる。前記所望の化学組成物は、所望の組成物に対応する所定の濃度の離散成分、分割流体、注入口溶液、試薬、またはそれらの組み合わせを混合または組み合わせることによって合成することができる。非限定的な実施形態において、前記合成された流体混合物は、送達機構（例えば、マイクロ流体チャネルまたは流体導管）を使用して複数の生体模倣装置／プラットフォームに送達されることができる。
開示される主題は、物理的な流体連通状態にない、または物理的に流体的にアクセスできない複数の生体模倣置を用いて、「人体機能チップ」システムまたは相互に接続された複数の「生体機能チップ」モデルからなるシステムを製造するためのシステムおよび方法を提供するものである。特定の実施形態では、デジタル流体テレポーテーションは、異なる研究室、異なる機関、または異なる実験能力を有する科学者の間で、生体模倣装置または生体模倣プラットフォームを流体的に相互接続することができる。
前述は、本開示の原理を例示したに過ぎず、本開示の範囲及び精神から逸脱することなく、当業者によって様々な修正が可能であることが理解されるであろう。

Claims (26)

  1. 生体模倣プラットフォームであって、
    第１の入力流体溶液の供給源に選択的に結合可能な第１の流体入力部と、第２の入力流体溶液の供給源に選択的に結合可能な第２の流体入力部と、流体出力部とを有する流体合成装置であって、前記第１の流体入力部から受け取った第１の入力流体溶液と前記第２の流体入力部から受け取った第２の入力流体溶液とを混合することによって出力溶液を作成し、前記流体出力部から前記出力溶液を放出するように動作可能な、流体合成装置と、
    前記流体合成装置の流体出力部に流体的に結合された流体入力部と、第１の流体出力部および第２の流体出力部とを有する流体アドレス指定システムであって、前記流体アドレス指定システムの流体入力部からの出力溶液を前記第１の流体出力部および前記第２の流体出力部のうちの選択された一方、または両方に搬送するように動作可能である、前記流体アドレス指定システムと、
    前記流体アドレス指定システムの前記第１の流体出力部に流体的に結合された流体入力部を有する第１の生体模倣装置と、前記流体アドレス指定システムの前記第２の流体出力部に流体的に結合された流体入力部を有する第２の生体模倣装置であって、前記第１の生体模倣装置および前記第２の生体模倣装置の各々が、生物組織を培養し、前記流体アドレス指定システムを介して前記それぞれの生体模倣装置の前記流体入力部で受け取った前記流体合成装置からの前記出力溶液で前記生物組織を灌流するよう構成されている、前記第１の生体模倣装置と前記第２の生体模倣装置と
    を有する、生体模倣プラットフォーム。
  2. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記流体合成装置は、少なくとも第３の入力流体溶液の少なくとも供給源に選択的に結合可能な少なくとも第３の流体入力部を有し、さらに、
    前記第１の流体入力部から受け取った前記第１の入力流体溶液および前記第２の流体入力部から受け取った前記第２の入力流体溶液の一方または両方を前記少なくとも第３の流体入力部で受け取った前記少なくとも第３の入力流体溶液と混合することによって前記出力溶液を作成するように操作可能である、生体模倣プラットフォーム。
  3. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記流体合成装置は、前記流体入力部と前記流体出力部に流体的に結合され、前記入力流体溶液を混合して前記出力溶液を作成するように構成された混合チャンバを含む、生体模倣プラットフォーム。
  4. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記流体合成装置は、流体入力部ごとに、前記流体入力部に流体的に結合されたバルブと、それぞれのバルブに結合され、前記それぞれの流体入力部から前記流体合成装置の前記流体出力部への前記それぞれの入力流体溶液の流体を選択的に許容または阻止するために前記バルブを選択的に開閉するように動作可能な制御入力とを含む、生体模倣プラットフォーム。
  5. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記第１の生体模倣装置は、前記第１の生体模倣装置の前記流体入力部に流体的に結合された流体チャネルと、前記流体チャネルに流体的に結合された組織チャンバとを含む、生体模倣プラットフォーム。
  6. 請求項５記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記第１の生体模倣装置は、前記第１の生体模倣装置の前記流体チャンネルに流体的に結合され、出力溶液を排出するように構成された流体出力部を含む、生体模倣プラットフォーム。
  7. 請求項６記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    前記第１の生体模倣装置の前記組織チャンバに配置された生体組織を有するものであり、前記出力溶液は、前記流体アドレス指定システムを介して前記流体チャネルに受け取られた前記流体合成装置の前記出力溶液と、前記生体組織との相互作用によって影響を受ける組成を有する、生体模倣プラットフォーム。
  8. 請求項７記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記生体組織は、肺組織、骨髄組織、骨組織、膵臓組織、内分泌島組織、肝臓組織、腎臓組織、胎盤組織、眼組織、腸組織、膀胱組織、脳組織、口組織、舌組織、歯組織、鼻組織、胸腺組織、リンパ節組織、リンパ系組織、咽頭組織、特定のヒト組織、特定の日常行動をとっている特定のヒト組織、周期的に呼吸している肺組織、非定型状態をとっている特定のヒト組織、喘息発作を受けている肺組織、外部因子との特定の相互作用をとっている特定のヒト組織、細菌に感染している肺組織、環境要因に曝されている肺組織、汚染に曝されている肺組織、腐食性ガスに曝されている肺組織、治療薬としての使用を意図した外部薬剤と特定の相互作用を受ける特定のヒト組織、薬物と特定の相互作用を受ける特定のヒト組織。生物学的抗体との特異的相互作用を受ける特定のヒト組織、細胞療法との特異的相互作用を受ける特定のヒト組織、または喘息の治療として気管支拡張剤との相互作用を監視している間に喘息発作を起こした肺組織、のうちの１若しくはそれ以上を含む、生体模倣プラットフォーム。
  9. 請求項７記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記第１の生体模倣装置は、生体機能チップモデルである、生体模倣プラットフォーム。
  10. 請求項９記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記第２の生体模倣装置は、前記第１の生体模倣装置の前記生体機能チップモデルとは異なる生体機能チップモデルである、生体模倣プラットフォーム。
  11. 請求項７記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記第１の生体模倣装置の前記組織チャンバは、前記生体組織が前記組織チャンバに導入されることを可能とする組織チャンバ流体入力部を含む、生体模倣プラットフォーム。
  12. 請求項６記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部に流体的に結合され、前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部から排出される前記出力溶液中の標的分析物を検出するように構成されたバイオセンサーを有するものである、生体模倣プラットフォーム。
  13. 請求項１２記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記バイオセンサーは、
    前記標的分析物と相互作用して、前記標的分析物の量または濃度の測定を行うように構成された化学反応または生体反応認識要素と、
    前記測定値と前記生体模倣装置の動作を記録するように構成された記録システムと
    を含む、生体模倣プラットフォーム。
  14. 請求項１３記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    前記バイオセンサーに動作可能に結合され、前記測定値を外部データ受信機に送信するように動作可能なセンサーデータ送信機を有するものである、生体模倣プラットフォーム。
  15. 請求項６記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部および前記第２の生体模倣装置の前記流体出力部に選択的に流体結合可能であり、前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部および前記第２の生体模倣装置の前記流体出力部の各々から排出される前記出力溶液中の標的分析物を検出するように構成されたバイオセンサーを有するものである、生体模倣プラットフォーム。
  16. 請求項６記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    第１のバイオセンサーおよび第２のバイオセンサーであって、当該バイオセンサーの各々は、前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部に選択的に流体結合可能であり、前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部から排出される前記出力溶液中の標的分析物を検出するように構成された前記第１のバイオセンサーおよび第２のバイオセンサーを有するものである、生体模倣プラットフォーム。
  17. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記流体アドレス指定システムは、複数の制御ラインを含むものであり、各制御ラインは、１若しくはそれ以上のバルブの動作を制御するように動作可能であり、各バルブは、前記流体アドレス指定システムの前記流体入力部と前記流体アドレス指定システムの前記第１の流体出力部および第２の流体出力部のうちの少なくとも１つの間の流体経路に配置され、前記バルブは、前記流体アドレス指定システムの流体入力部から前記第１の流体出力部および前記第２の流体出力部のうちの選択された１つ、または両方への出力液を許可または防止するように集合的に動作可能であるものである、生体模倣プラットフォーム。
  18. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、前記生体模倣プラットフォームは、１枚の基板に実装されている、生体模倣プラットフォーム。
  19. 請求項１記載の生体模倣プラットフォームにおいて、さらに、
    流出液に対して選択的に流体結合可能な流体出力部を有する流出路であって、当該流体流路はまた、直接的または間接的に、前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部および前記第２の生体模倣装置の前記流体出力部に流体結合されている、前記流出路を有するものである、生体模倣プラットフォーム。
  20. 請求項１記載の前記生体模倣プラットフォームと、当該生体模倣プラットフォームと動作可能に係合可能な制御システムとを含む生体模倣システムであって、当該生体模倣システムは、
    前記流体合成装置の前記第１の流体入力部に選択的に結合可能な前記第１の入力流体溶液の前記供給源と、前記流体合成装置の前記第２の流体入力部に選択的に結合可能な前記第２の入力流体溶液の前記供給源と、
    前記流体合成装置に動作可能に結合可能であり、前記第１の入力流体溶液と前記第２の入力流体溶液とを混合することによって前記出力溶液を生成させる流体合成装置制御装置と、
    前記流体アドレス指定システムに動作可能に結合可能であり、前記流体アドレス指定システムに、前記流体アドレス指定システムの流体入力部からの出力溶液を、前記第１の流体出力部と前記第２の流体出力部のうちの選択された１つ、または両方に搬送させる、前記アドレス指定システム制御装置と
    を含む、生体模倣システム。
  21. 請求項２０記載の生体模倣システムにおいて、前記制御システムは、前記第１の生体模倣装置の少なくとも１つおよび前記第２の生体模倣装置から画像情報を収集するために動作可能な撮像装置を含む、生体模倣システム。
  22. 請求項２０記載の生体模倣システムにおいて、前記制御システムは、前記生体模倣プラットフォームと選択的に係合可能であり、前記生体模倣プラットフォームを前記入力流体溶液の供給源、流体合成装置制御装置、およびアドレス指定システム制御装置との関係を動作的に支持する機械的支持体、を含む、生体模倣システム。
  23. 請求項２０記載の生体模倣システムにおいて、前記生体模倣システムは、画面送り操作および／または画面戻し操作を行うことが可能である、生体模倣システム。
  24. 請求項２０記載の生体模倣システムにおいて、前記生体模倣システムは、前記第１の生体模倣装置、前記第２の生体模倣装置、前記流体アドレス指定システム、前記流体合成装置、およびそれらの間の流体チャネルのうちの１若しくはそれ以上と選択的に流体的に通信し、そこへの流体の供給およびそこからの流体の排出のうちの１若しくはそれ以上を実行するように動作可能な流体ハンドラを含む、生体模倣システム。
  25. 請求項１２記載の前記生体模倣プラットフォームと、前記生体模倣プラットフォームと動作可能に係合可能な制御システムとを含む生体模倣システムであって、当該制御システムは、
    前記流体合成装置の前記第１の流体入力部に選択的に結合可能な前記第１の入力流体溶液の供給源と、
    前記流体合成装置の前記第２の流体入力部に選択的に結合可能な前記第２の入力流体溶液の供給源あって、前記第２の入力流体溶液は前記標的分析物を含む、前記供給源と、
    前記流体合成装置に動作可能に結合可能であり、前記流体合成装置に少なくとも前記第２の入力流体溶液を含むことによって前記出力溶液を作成させる流体合成装置制御装置と、前記流体アドレス指定システムに動作可能に結合可能であり、前記流体アドレス指定システムに、前記流体アドレス指定システムの流体入力部から前記第２の流体出力部に前記出力溶液を搬送させるアドレス指定システム制御装置と、
    前記標的分析物の濃度を示すデータを受信するように動作可能なデータ受信機と、
    前記流体合成装置制御装置の動作を制御して前記標的分析物を含む前記出力溶液を作成し、前記アドレス指定システム制御装置の動作を制御して前記アドレス指定システムに前記標的分析物を含む前記出力溶液を前記第２の生体模倣装置の前記流体入力部に搬送させることができる主制御装置と
    を有する、生体模倣システム。
  26. 請求項１２記載の第１の生体模倣プラットフォームと、請求項１２記載の第２の生体模倣プラットフォームと、前記第１の生体模倣プラットフォームおよび前記第２の生体模倣プラットフォームと動作可能に係合可能な制御システムとを含む生体模倣システムであって、前記制御システムは、
    前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置の前記第１の流体入力部に選択的に結合可能な前記第１の入力流体溶液の供給源と、前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置の前記第２の流体入力部に選択的に結合可能な前記第２の入力流体溶液の供給源であって、前記第２の入力流体溶液は前記標的分析物を含む、前記供給源と、
    前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置に動作可能に結合可能であり、前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置に、少なくとも前記第２の入力流体溶液を含むことによって前記出力溶液を作成させる流体合成装置制御装置と、
    前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体アドレス指定システムに動作可能に結合可能であり、前記流体アドレス指定システムの入力部からの前記出力溶液を、前記第１の流体出力部および前記第２の流体出力部のうちの選択された１つ若しくは両方に搬送させるアドレス指定システム制御装置と、
    前記第１の生体模倣プラットフォームの前記前記第１の生体模倣装置の前記流体出力部から排出される前記出力溶液中の、前記第１の生体模倣プラットフォームの前記バイオセンサーによって検出された前記標的分析物の濃度を示すデータを受信するように動作可能なデータ受信機と、
    前記第２の生体模倣プラットフォームの前記流体合成装置制御装置の動作を制御して前記標的分析物を含む前記出力溶液を作成し、前記第２の生体模倣プラットフォームの前記アドレス指定システムに前記標的分析物を含む前記出力溶液を前記第２の生体模倣プラットフォームの前記第１の生体模倣装置の前記流体入力部および前記第２の生体模倣プラットフォームの前記第２の生体模倣装置の前記流体入力部のうちの少なくとも１つに搬送させるよう前記アドレス指定システム制御装置の動作を制御するように動作可能な主制御装置と
    を有する、生体模倣システム。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11751869B2 (en) * 2021-02-26 2023-09-12 Cilag Gmbh International Monitoring of multiple sensors over time to detect moving characteristics of tissue
US20250216378A1 (en) 2023-12-28 2025-07-03 Biobridge Global Methods for performing miniaturized dynamic assays using microfluidics and related systems
TWI897205B (zh) * 2024-01-22 2025-09-11 國立清華大學 晶片組及其器官晶片，以及使用其之仿生裝置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017526352A (ja) 2014-08-05 2017-09-14 ザ チャールズ スターク ドレイパー ラボラトリー インク 流体レベリング装置を組み込む流体循環システム
JP2018508234A (ja) 2015-02-17 2018-03-29 ジェネア アイピー ホールディングス ピーティーワイ リミテッド 生物学的試料を動的に培養するための方法および装置
WO2019036666A1 (en) 2017-08-18 2019-02-21 The Regents of the University of Michigan, Office of Technology Transfer MICROFLUIDIC DEVICE FOR THREE DIMENSIONAL CELL CULTURE
JP2019505214A (ja) 2016-02-04 2019-02-28 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 統合された圧送、レベリングおよび感知を備えたモジュール式器官マイクロ生理学的システム

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5965452A (en) 1996-07-09 1999-10-12 Nanogen, Inc. Multiplexed active biologic array
US7267751B2 (en) 2002-08-20 2007-09-11 Nanogen, Inc. Programmable multiplexed active biologic array
US7534601B2 (en) 2002-08-27 2009-05-19 Vanderbilt University Capillary perfused bioreactors with multiple chambers
US20050178700A1 (en) * 2004-01-21 2005-08-18 David Tyvoll Sorting particles in parallel
KR100984963B1 (ko) * 2005-09-29 2010-10-05 지멘스 메디컬 솔루션즈 유에스에이, 인크. 양전자 방출 단층촬영에 의한 인체 영상화에 적합한 규모의방사성 표지 분자를 합성할 수 있는 마이크로유체 칩
CN101864361B (zh) * 2009-04-16 2013-02-06 赛宇细胞科技股份有限公司 可放大的细胞培养装置
US9725687B2 (en) 2011-12-09 2017-08-08 President And Fellows Of Harvard College Integrated human organ-on-chip microphysiological systems
AU2015241133B2 (en) * 2014-03-31 2019-11-28 Brigham And Women's Hospital, Inc. Systems and methods for biomimetic fluid processing
EP3210201B8 (en) 2014-10-24 2020-09-23 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Methods and devices for modeling the eye
GB2555248B (en) 2015-03-24 2021-03-24 Univ Pennsylvania Artificial placenta and methods of preparation
WO2017008035A1 (en) 2015-07-08 2017-01-12 The Trustees Of The University Of Pennesylvania Decellularized organ-derived tissue engineering scaffolds
AU2016298129B2 (en) 2015-07-27 2021-03-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Lung disease models on a chip
GB2567269B (en) 2015-10-22 2021-10-06 Univ Pennsylvania Systems and methods for producing micro-engineered models of the human cervix
EP3415611B1 (en) * 2016-01-07 2025-05-14 Vanderbilt University Multi-microformulators and applications of the same
US20200038861A1 (en) * 2016-10-07 2020-02-06 The Regents Of The University Of Michigan Systems and methods for high throughput screening
WO2019033096A1 (en) 2017-08-11 2019-02-14 The Trustees Of The University Of Pennsylvania MEMBRANE INSERTS DERIVED FROM NATIVE EXTRACELLULAR MATRIX FOR CHIP ORGANS, MULTILAYER MICROFLUIDIC MICRODISPOSITIVES, AND THREE DIMENSIONAL CELL CULTURE SYSTEMS
KR102737989B1 (ko) 2018-03-26 2024-12-05 더 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 펜실바니아 멀티레인 혈관구조용 시스템 및 방법
US20210341462A1 (en) 2018-10-05 2021-11-04 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Artificial human pulmonary airway and methods of preparation

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017526352A (ja) 2014-08-05 2017-09-14 ザ チャールズ スターク ドレイパー ラボラトリー インク 流体レベリング装置を組み込む流体循環システム
JP2018508234A (ja) 2015-02-17 2018-03-29 ジェネア アイピー ホールディングス ピーティーワイ リミテッド 生物学的試料を動的に培養するための方法および装置
JP2019505214A (ja) 2016-02-04 2019-02-28 マサチューセッツ インスティテュート オブ テクノロジー 統合された圧送、レベリングおよび感知を備えたモジュール式器官マイクロ生理学的システム
WO2019036666A1 (en) 2017-08-18 2019-02-21 The Regents of the University of Michigan, Office of Technology Transfer MICROFLUIDIC DEVICE FOR THREE DIMENSIONAL CELL CULTURE

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG, Yu Shrike et. al.，Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2017年03月06日，Vol. 114, No.12，E2293-E2302，DOI: 10.1073/pnas.1612906114

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