JPH10507518A - 同時複数シグナルに基づくアッセイを成し遂げるための自動システム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 自動化された検出システムは、実行するにあたってアッセイをイメージングするための検出システムと、流体処理及び検出システムの動作を制御しイメージングデータを収集して解析するためのコンピュータ制御、データ獲得、データ解析システムとを具備し、複数のアッセイを実行するためのロボティック流体処理システムを含む。自動化された検出システムは所定量の流体と信号生成要素を同時に複数のウェルの各々に分配するピペッタと、前記複数のウェルを同時に励起放射に露出するための励起源と、複数のウェルを光学的に同時にイメージングする単一のイメージャを具備し、所定の時間間隔に渡って前記ウェルの各々から放射された信号を同時に検出する検出器と、前記ピペッタと前記励起源と前記検出器とを同時に調整するためのコンピュータ制御器とを具備する。さらに、同時アッセイを実行するための方法は、所定量の流体溶液を複数のサンプルの各々に同時に分配し、前記複数のウェルを励起放射に同時に露出し、単一のイメージング手段を具備する検出器を用いて前記ウェルから放射された信号を同時に検出し、コンピュータ制御器を用いて前記分配、励起及び検出を同時に制御かつ調整する工程を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 同時複数シグナルに基づく アッセイを成し遂げるための 自動システム及び方法 この特許文書の開示の一部は、著作権保護を受けるものを含んでいる。著作権 所有者は、米国特許商標局特許ファイルや記録に現れるような特許開示を誰でも 複写複製することに対して異を唱えないが、全ての著作権を放棄するものではな い。 発明の分野 本発明は、複数の検査サンプルのアッセイを同時に成し遂げ、該アッセイの結 果を検出し、データを収集して保存するのための自動システムに関する。該シス テムは、検出システム、ロボットによる流体取り扱いシステム、及びコンピュー タによって制御されるデータ収集及びデータ分析システムの３つの主要な構成部 分を含む。さらに、本発明は、複数の蛍光アッセイを同時に成し遂げ、複数のア ッセイを検出し、データを収集し保存して分析する方法に関する。 発明の背景 シグナル発生技術は、サンプルの化学反応、生物学的現象、及び、物理的及び 化学的特性を検出するためにしばしば使用される。一般に、上記シグナルは、放 射線（例えば、光、色、蛍光、発光、粒子放出）の形であり、いずれも、反応の 成分/産物であるか、もしくは、加えられたインジケータ成分との成分/産物の相 互作用で生成される。 シグナル発生を使用した生体物質の検出の例は、イライザ（ELISA）を使用す る生体サンプル中の抗原の計量である。これらのアッセイに於いては、サンプル は、検出されるべき特異な抗原への結合が可能な酵素共役抗体にさらされる。共 役酵素は、サンプル中の抗原の量と直接的に相関されることができるシグナル（ 例えば、色、蛍光、発光）を発生する反応触媒作用を起こすものである。測定さ れるべき特性がコンスタントであり、シグナルが維持されるこの種のアッセイは 、終点アッセイとして参照される。従って、これらのアッセイにおいては、シグ ナルは時間中生じることが許され、そして、特性を数量化するために、反応が 完了後、単一のシグナル測定が行われる。 終点アッセイにおいて測定されることができる性状に対比して、多くの特性、 反応、及び動的に且つ一時的に及び／又は敏速に生じる生物学的なイベントがあ る。例えば、多くの細胞のプロセスは、自然界では急速で一時的である。細胞は 、その環境からの刺激を受けて、直ちに適当な機能と生き残りのために応答しな ければならない。細胞受容体の転形及び配位子の結合によるイオンチャンネルは 、細胞内の二次伝達物質（Ｃａ²⁺環状ヌクレオチド、その他）のレベルの変化の ような細胞の反応を引き起こす。例えば、配位子の結合への細胞表面カルシウム チャンネルの活性化が、チャンネルを開けさせ、プレ活性化集中を急速に下げる 細胞内のＣａ²⁺集中を一時的に増加させるカルシウムの急速な内部流動を起こさ せる。細胞がＣａ²⁺に敏感な螢光性インジケータで予めロードされているならば 、細胞内のＣａ²⁺の変化は急速な増加として現れ、そして、細胞の蛍光において は減少する。 シグナル発生技術が、細胞の実際の作用に関する情報を提供することができる ので、これらの方法を細胞の活動に影響する化合物（例えば、細胞受容体、イオ ンチャンネル又は酵素との相互作用を通して細胞機能に影響を及ぼす潜在的な薬 剤）の識別に適用しようとすることは、望ましい。しかしながら、薬剤スクリー ニング法に於いては、少数でさえもが潜在的な薬剤と確認される前に多数の化合 物が細胞転形を調べられる。単一のアッセイに於けるそのような一時的に及び／ 又は急速に生じる現象を発見して、測定するためにシグナル発生技術を使用する 際に直面される問題は、何千もの化合物の急速な選別のために、これらの技術を 多数のアッセイの同時実行に適用しようとする試みに於いて妥協されるだけであ った。 例えば、これらのアッセイにおいて発生させられたシグナルは、それ自身の現 象であるかように急速に生じ、一時的である。従って、これらのアッセイに於い ては、反応もしくはイベント（例えば、配位子の付加によるカルシウムチャンネ ルの活性化）の開始が、動的な形態で、ほとんど即時のシグナル検出と調整され ないならば、シグナルが検出される前に、シグナルが最大値に達する及び減少す るかもしれない。大規模な化合物選別を実行するためには、サンプル処理とシグ ナル検出の調整は、多くのアッセイのために同時に達成されなければならない。 さらに、最大シグナル変化のそれを越えた点に進行するまで、リアルタイム記録 を各イベントから得ることが望ましい。したがって、シグナルが本質的に絶えず 測定されなければならないので、そのタイミングと同様に、シグナル測定の持続 期間は、これらのアッセイに於いて付加的な複雑化を提起する。 シグナル測定の精度は、何千もの化合物を高いスループットで選別するアッセ イに於いては特に重大である。限られた時間で多数の化合物検査のそれぞれを実 行する要求は、各化合物の反復されたアッセイを禁止する。さらに、シグナル検 出の感度は、これらの現象のシグナルに基づくアッセイにおける別の問題点を提 示する。これらの反応もしくはイベントに伴うシグナル変化は、シグナルの相対 レベルの一時的な変化（即ち、シグナルのベースラインレベルより上へのシグナ ルの増加）だけではなくて、相対的に小さい振幅のものであることができる。大 規模な薬剤選別に於いては、これらの一時的な、比較的小さいシグナル変化が、 多数のアッセイに於いて同時に検出されなければならない。 従って、各単一の化合物アッセイに於けるエラー、即ち検出システムによる誤 ったシグナル測定は更なる考察から発展しうる薬剤を除去してしまうことができ る、のための若干のマージンがある。さらに、シグナル測定の正確さと感度は、 化合物の線量の変化に対する細胞の反応に於いて、及び、標準の既知の薬剤と比 較されるような未知の化合物によって発生された反応に於いて、小さいが、重要 な差異を検出する際に必須のものである。 従って、薬剤選別のような応用のために必要な十分な感度と精度の程度を有す る、急速な一時的な現象の充分に自動化され、多くのアッセイを可能にするシグ ナル検出機器の必要性がある。 発明の要約 本発明は、テストプレートの複数の個々のウェル内の短時間に発生する一時的 な現象の多重アッセイを同時に準備して実行し、十分な感度と高度の正確さで所 定の時間に渡って連続的にリアルタイムでアッセイのイメージングを行ない、こ のイメージングデータの収集、蓄積、そして解析を可能にする一体化されたサン プル処理及び検出システムを提供する。本発明の検出システム及び方法は多数の テストサンプルの、すばやくかつ効率のよい、正確かつ経済的な自動化されたア ッセイを可能にする。 本発明によるシステムは低い強度の急速かつ一時的な多数の反応を正確かつ同 時にイメージングすることができる。本システムは、テストプレートのウェルへ の流体の自動化された配送のためのロボット形式の流体処理システムと、実行時 にアッセイを検出するための検出システムと、システム全体の動作を制御しかつ イメージングデータを収集かつ解析するためのコンピュータ制御によるデータ取 得及び分析システムとを含む。 本発明のシステムの好ましい実施形態は、複数のウェルを含むプレートを含む 複数の蛍光アッセイを同時に実行するための装置と、所定量の流体を前記複数の ウェルの各々に同時に分配する分配器と、前記複数のウェルを励起放射に対して 同時に露出するための励起源と、所定の時間間隔に渡ってリアルタイムで連続的 に前記複数のウェルの各々から放射された蛍光を同時に検出するための検出器と 、前記分配器と前記励起源と前記検出器とを同時に制御かつ調整するためのコン ピュータ制御器とを含む。 本発明の第２の好ましい実施形態は、複数のウェルを含むプレートを含む複数 の信号に基づくアッセイを同時に実行するための装置と、所定量の流体を前記複 数のウェルのいくつかに同時に分配するための分配器と、所定の時間間隔に渡っ て前記複数のウェルの各々から放射された放射を同時に検出するための検出器と 、前記分配器と前記検出器とを自動的かつ同時に調整するためのコンピュータ制 御器とを含む。 本システムの特に好ましい側面は、励起後に第１の波長の光で測定された信号 と励起後に第２の異なる波長の光で測定された信号との比をとることによって信 号測定の増大された正確さを提供する。２つの放射光の比による測定は単一の絶 対的測定よりも実際の放射光をより正確に決定することができる。これは前記比 が、測定される属性の変化と混同しやすい器具のドリフトの影響、器具の感度の 一時的な変化、セル体積又は蛍光指示薬濃度の変化の各々を相殺するからである 。 本発明のシステムの第３の実施形態は複数のウェルを含むプレートと、所定量 の流体を前記複数のウェルの各々に同時に分配する分配器と、所定の時間間隔に 渡って前記複数のウェルの各々から放射された光学的放射を同時に検出し、前記 複数のウェルを光学的にイメージングするための単一のイメージャを含み、さら に、所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルの各々から放射された光学的放射 の量を決定するために、前記複数のウェルの各々の時系列の画素イメージを生成 する検出器と、この検出器によって検出された光学的放射データを獲得、処理、 かつ蓄積するためのコンピュータプロセッサと、前記分配器、前記検出器、前記 コンピュータプロセッサを同時に制御するコンピュータ制御器とを含む。 本発明による方法は、所定量の流体を複数のウェルのいくつかに同時に分配し 、前記複数のウェルを励起放射に対して同時に露出し、検出器を用いて所定の時 間間隔に渡って前記複数のウェルから放射された蛍光を同時に検出し、前記検出 器によって検出された蛍光データを処理し、コンピュータ制御器を用いて前記分 配、前記励起、前記検出を同時に制御かつ調整する工程を具備する。 本発明による同時アッセイを実行する他の方法は、所定量の流体を複数のウェ ルのいくつかに同時に分配し、検出器を用いて所定の時間間隔に渡って前記複数 のウェルから放射された放射を同時に検出し、前記検出器によって検出された放 射データを処理し、コンピュータ制御器を用いて前記分配、前記検出を同時に制 御かつ調整する工程を含む。 本発明による方法は例えば、化合物サンプルがセルのイオンチャネル及び／又 はレセプタを活性化し、強化し、あるいは抑制する能力を有する組成物を識別す るために検定されるドラグスクリーニングに用いられる。前記イオンチャネル及 び／又はレセプタは活性化されたときに前記セル内の所定イオンのレベルの検出 可能な変化に直接あるいは間接的に寄与する。ドラグスクリーニングに用いられ るときの本発明の方法は、複数のウェルの各々に機能性イオンチャネル及び／又 はレセプタを有する生活可能なセルを提供する工程であって、前記機能性イオン チャネル及び／又はレセプタは活性化されたときに前記生活可能なセル内の所定 のイオンの濃度の検出可能な変化を直接あるいは間接的に引き起こすことができ 、前記生活可能なセルは前記所定のイオンの濃度の変化を検出するのに十分なイ オン感受性指示薬の量を含む工程と、前記複数のウェルの各々に対するイオンチ ャネル又はレセプタを活性化し、強化し、あるいは抑制する能力がテストされる 、 所定量の推定イオンチャネル活性化又はレセプタ活性化、強化、抑制された化合 物を同時に分配し、前記複数のウェルを光学的にイメージングするために単一の イメージャからなる検出器を用いて所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルの 各々におけるイオン感受性指示薬によって放射された光学的放射を同時に検出す る工程であって、前記検出器は所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルにおけ るイオン感受性指示薬の光学的放射の量を決定するために、前記複数のウェルの 各々の時系列の画素イメージを生成する工程と、前記検出器によって検出された 光学的放射データを処理し、コンピュータ制御器を用いて前記分配、前記励起、 前記検出及び前記処理を同時に制御及び調整する工程を含む。 セル（例えば拮抗薬化合物）のイオンチャネル及び／又はレセプタを抑制又は 制止する能力を有する化合物を識別するために、本発明による方法がスクリーニ ング化合物に対して使用されるときには、テスト化合物がイオンチャネル及び／ 又はレセプタの既知の活性剤に先だってまたは活性剤と同時に前記ウェルに付加 される。ウェルから検出された信号は、テスト化合物が存在しないときに既知の 活性剤のみが付加される同一のウェルから検出された信号と比較されるか、ある いは、イオンチャネル及び／又はレセプタを表わさないことを除いてイオンチャ ネル及び／又はレセプタ含有セルと同一のセルを含むウェルから検出された信号 と比較される。 本発明による方法は機能性イオンチャネル及び／又はレセプタを表現するもの を識別するためにセルラインをスクリーニングするためにも用いられる。これら のアッセイにおいては、イオンチャネル及び／又はレセプタの既知のモジュレー タがテストセルを含むウェルに付加され、セル内のイオン濃度が既知のモジュレ ータの当該セルへの追加に応答して変化したか否かを決定するために、イオン感 受性指示薬によって放射された信号が測定される。 本発明の上記した及び他の特徴、側面、及び利点は以下の詳細な説明を添付の 図面を参照して読むことによってより明らかになる。 図面の簡単な説明 図１は、それぞれネットワークに結合されたシステムコントローラによって制 御されるロボットアーム、螢光計ポート、プレート洗浄器、チップ洗浄器及びプ レートスタックの図を含む本発明に従ったロボットによる流体及びプレート取り 扱いシステムの実施の形態のシステム概要図である。 図２Ａは、外面ハウジング、９６−チップピペットヘッド、レール、及び検査 プレートが異なるステーションに置かれたベースプレートを含む、本発明に従っ た蛍光測定システムの流体取り扱いシステムの構造を示す図である。 螢光計は、ステーションのうちの１つでプレートを読みとる。 図２Ｂは、ランプ、ダイクロイックミラー、フィルタホイール、折り返しミラ ー、コリメーティングレンズとカメラを含む、本発明に従った蛍光測定システム の励起及び検出システムの部品図である。 図２Ｃは、励起源、フィルタホイール、コリメーティングレンズ及びカメラを 含む、本発明に従った蛍光測定システムの螢光計の範囲内の励起及び検出システ ムの構造図である。 図３Ａは、ＣＣＤ検出器によって検出され、螢光計収集に対し処理単位で読み 出された螢光性のイメージを表すデータのための、一つの可能な読み出しパター ンを示す図である。 図３Ｂは、ＣＣＤ検出器によって検出され、螢光計収集に対し処理単位で読み 出された螢光性のイメージを表すデータのための、別の可能な読み出しパターン を示す図である。 図４は、リアルタイムコントローラ、ユーザインタフェースコントローラ及び ロボティックスコントローラを含む本発明の蛍光測定システムのコンピュータ化 された螢光計システム制御の実施の形態の図である。 図５は、ユーザインタフェースコントローラ（ＵＩＣ）、リアルタイムコント ローラ（ＲＴＣ）及びロボティックスコントローラのためのソフトウェアの概要 を含む、本発明に従った蛍光測定システムのコンピュータ化された制御システム を操作するための一つの可能な螢光計ソフトウェアシステムの図である。 図６は、流体取り扱いシステム、ピペット操作ヘッド、カメラと励起源を含む 螢光計の実施の形態の図である。 図７は、蛍光測定システムのユーザインタフェースコントローラ（ＵＩＣ）の ユーザ操作概要の図である。 図８Ａは、オペレータによってアッセイデータを入力するために使用される図 ４に示されたユーザインタフェースモニタ４０３上に表示されたデータ入力ツー ルの図である。 図８Ｂは、オペレータによって蛍光測定システムの較正パラメータをセットす るために使用されるユーザインタフェースモニタ４０３上に表示された較正テン プレートエディタの図である。 図８Ｃは、オペレータによって蛍光測定システムによってパラメータをデータ 収集に合わせるために使用されるユーザインタフェースモニタ４０３上に表示さ れた収集テンプレートエディタの図である。 図８Ｄは、オペレータによって蛍光測定システムのセットされたピペット操作 パラメータに使用されるユーザインタフェースモニタ４０３上に表示されたピペ ット操作テンプレートエディタの図である。 図８Ｅは、オペレータによって蛍光測定システムの洗浄操作パラメータをセッ トするために使われるユーザインタフェースモニタ４０３上に表示された洗浄操 作テンプレートエディタの図である。 図９Ａは、オペレータに蛍光測定システムの操作の状態を示すユーザインタフ ェースモニタ４０３上に表示された状態フィードバックパネルの図である。 図９Ｂは、蛍光測定システムの検出器によって検出されたような検査結果を表 示するユーザインタフェースモニタ４０３上に表示されたリアルタイムビューア の図である。 図９Ｃは、８つのサンプルウェルのための、時間についてのサンプルセル螢光 性反応の曲線を含む、ユーザインタフェースモニタ４０３上にグラフ形式で表示 されたサンプル検査結果のイラストを提供している。 図１０は、図４に示されたユーザインタフェースコントローラのハードディス クに保存されたデータベースのデータベース構造の図を提供している。 詳細な説明 以下、図面を参照して、本発明のシステムを記載する。以下に提供する本発明 の蛍光測定システムの実施の形態の記載目的では、９６ウェルを有するマイクロ タイタープレートは、蛍光測定システムが９６までのアッセイを同時に行い分析 するように使用される。しかしながら、本発明の蛍光測定システムは異なるサイ ズのマイクロタイタープレート及び深いウェルプレートまたは同時にテストすベ き異なる数のプレートに適しまたはそれで利用できる。 本発明のシステムを、細胞を含有するウェルに分注した流体がテスト化合物ま たは試料である細胞ベースアッセイに関して記載する。ウェル中の細胞がテスト 試料であって、公知の試薬を流体取り扱いシステムを介して細胞に添加する細胞 スクリーニングを含めた、多数の他のアッセイを本発明のシステムによって行う ことができる。 本発明の蛍光測定システムは、同時に作動する３つの異なる相互に連結され協 動されたシステム：ロボッティック流体及びプレート取り扱いシステム；励起及 び検出システム；及びコンピュータデータ取得及び分析システムを含む。 ロボティック流体及びプレート取り扱いシステム 図１及び６に示すごとく、本発明の蛍光測定システムのロボティック流体及び プレート取り扱いシステムは、ロボットアーム１０２を備えたテーブル１００を 含む。該ロボットアームは、マイクロタイタープレート２０４、深いウェルプレ ート、及びマイクロタイタープレート２０４上のウェルに試料を配布するピペッ トで使用するピペットチップを保持するチップトレイを含めた、マイクロプレー トのサイズの対象を拾い上げることができる単一の突出部を有するように設計さ れる。 テーブル１００には、積み重ねラック１０６及びプレート洗浄器１１３へ数重 のプレートを積み重ねるための手段である２つの1０位置プレート培養器１０７ を設ける。テーブル１００は、さらに、同定目的で各々にバーコード標識（示さ ず）を設けたプレート２０４の同一性を読み取るためのバーコードリーダ１０５ を有する。また、蛍光測定システムは、各々５までのチッププレートを貯蔵する チッププレート貯蔵ラック１０９を含む。貯蔵されたチッププレートはロボット アーム１０２にアクセスできる。 本発明の流体取り扱いシステムは、レール２０９を３位置まで移動する９６− チップのピペットヘッド２０２（図２Ａ参照）を含む。ベースプレート２１１（ 図２Ａ）は該レールを支持し、それ自体蛍光測定器アセンブリ２００の頂部に設 け られる。該ベースプレートは蛍光測定ポート１０３、流体転送ステーション１１ ２及びチップ洗浄ステーション１０８も含む。該転送ステーションは１１２は、 テストに先立ってロボットによってそこにプレートを入れることができるトレイ を供する。該蛍光測定ステーション１０３は、流体の吸引及び分注操作用のロボ ットによりその中でプレートの位置決めができ、かつそれを通じて蛍光システム がプレートを読み取ることができるベースプレート２１１に開口を形成させるこ とによって設けられる。 蛍光ステーションにおけるプレートトレイは、蛍光ステーションにおける該プ レートトレイがすべてのプレートを同一位置でロックするエアーシリンダを有す る点で、転送ステーションにおけるトレイとは異なる。該同一位置におけるプレ ートのこの位置決めは、前記したデータの獲得及び解析システムがプレートのウ ェルは常に同一位置にあることを仮定しているゆえに重要である。これらの予測 された位置は、もしプレートの大きさが変更されたならば取得テンプレートエデ ィタ（図８Ｃに示す）を通じてユーザによって取り込まれ及び／または編集され る。 ９６−チップピペットヘッド２０２は使い捨て可能なチップを用い、これは汚 染した場合に該ピペットチップ洗浄器１０８中で洗浄できるか、あるいは捨てて 新しいチップと交換できる。該チップは、ピペットから取り出せるか、あるいは ロボットによって交換できるチッププレート２０１（図２Ａ）によって保持され る。全ピペット及びベースプレートアセンブリは耐光性の上部ハウジング２１０ によって覆われる。このハウジングは自動的に上昇されてロボットのアクセスが 可能となるか、あるいは下降されて、蛍光測定によるプレートの読み取りの間は 周囲光が無い環境を供する。上部ハウジング２１０は操作者のアクセスのために 取り外すことができる。 図１、６及び２Ａに示した流体及びプレート取り扱いシステムの操作は、ロボ ットアーム１０２、９６−ウェルピペッティングヘッド２０２及び蛍光測定器２ ００用のマスターコントロールとして働くシステムコントローラ１１０（図１） によって達成される。該システムコントローラ１１０は、プレート上に設けられ たバーコードを用いてマイクロプレート２０４の動きを追跡し、バーゴード リーダ１０５によって読み取る。また、該システムコントローラ１１０は、該シ ステムコントローラ１１０に取り付けられたモニタ１１５についての「疑似リア ルタイム」（限定された通信チャンネルバンド幅のため表示イメージはリアルタ イムイメージからわずかに遅れる）にて受け入れデータを表示する。また、該シ ステムコントローラ１１０は、データの収集後解析を行って、自動品質制御、反 応−時間表示、線量−反応表示、その他所望の統計を供する。加えて、該システ ムコントローラ１１０は、蛍光測定器から受け入れたデータ、その解析結果、そ の他所望のデータを保管し検索する。該システムコントローラは、個々に、ある いはネットワーク１１１に連結させて、蛍光測定システムの遠隔制御操作、共通 のネットワークを通じての多数蛍光測定システムの操作、または操作者が所望す る他のタイプのシステムとの当該蛍光測定システムの統合を行う。該システムコ ントローラ１１０は図４−９を参照して後記にてさらに詳しく述べる。 図１及び６に示した自動流体及びプレート取り扱いシステムは、多くのテスト 試料の効果的なテストができる非常に融通の利くテストシステムを提供する。該 ９６−チップピペッティングヘッド２０８は、各試料を同時に９６−ウェルマイ クロプレート２０４中の各ウェルに供することによって高処理能力に寄与する。 プレート洗浄器１１３は９６−ウェルマイクロプレート２０４中の各ウエルを同 時に洗浄する。ピペッティングヘッド２０２に保持されたマイクロプレート２０ ４及びチッププレート２０１のランダムアクセス貯蔵及び移動、ならびに蛍光測 定システムの操作者が所望するインキュベーション工程を可能とする。さらに、 システム構成要素の配置は図１及び６に示したものに限られず、本発明の範囲を 逸脱することなく個々の操作者のテスト要求を受け入れるように修正することが できる。 図１及び６に示した本発明の自動流体及びプレート取り扱いシステムは、ロボ ットアーム１０２及びロボットコントローラ４１６を含めたZymark^TM製のロボッ トシステムを用いて組み立てることができる。システムコントローラ１１０は多 重タスキングであり、従って、本発明の蛍光測定に要する同時制御要件を行うよ うにプログラムできる。具体的には、システムコントローラ１１０は、ロボット アーム、ピペッタ（すなわち、ピペットヘッド及びチッププレート）、 及び蛍光測定器の操作を同時に制御するようにプログラムできる。コンピュータ 制御のデータ取得及び分析システムの要件は図４−１０を参照して後記にて詳述 する。 該ピペッタは、例えば、Cari Creative System^TM（ＣＣＳ）製の９６−チップ であってよい。該CＣＳピペッタは、蛍光測定システムの操作者のすべての操作 の同時制御のために、システムコントローラ１１０に一体化することができる。 しかしながら、いずれの他の適当なピペッタ及びロボットシステムを用いて本発 明による蛍光測定システムを組み立てることもできる。 励起及び検出システム 本発明に関する励起及び検出システムは、特に、高処理能力で終点無しの、ま たは連続的アッセイを行う要件にアドレスできるように設計される。これらの要 件は以下の通りである。まず、励起及び検出は、アッセイの間にピペットが上部 から試薬を分注できるように、プレートの底部を通じて起こるものでなければな らない。第２に、検出システムは高感度を有するものでなければならない。第３ に、該システムは、少なくとも５分間を取ってみて毎秒少なくとも２個の試料の 試料速度、及び同時にできるだけ多くの試料を読み取る能力を有していなければ ならない。他の所望の要件は種々のプレート様式を読み取る融通性及び試料品質 の観察能力を含む。 １９９２年１２月１８日に出願され、１９９３年７月８日に公開された国際出 願ＰＣＴ／ＵＳ９２／１１０９０に記載されているもののごとき先行技術システ ムにおいては、単一の光ファイバを、束の一端が、例えば、テストすべきウェル の直接直下にあるプレートの底部に隣接して位置するように用いる。該束は、１ つは励起源上のファイバに連結されたもの、１つは光電子増倍管と、２つのほぼ 等しい半分ずつに分けられる。この配置により、プレートの底部を通じての励起 及び検出ならびに高感度が可能となるが、高試料速度及び同時にできるだけ多く のウェルを読み取る能力は可能とはならない。さらに、先行技術のファイバ光学 システムが９６ウェルを同時に読み取ることを可能とするための当該システムの 修正はかなり複雑である。加えて、先行技術ファイバ光学設計は融通性及び試料 品質の観察の要件を供しない。 先行技術の欠点を克服するために、本発明の例示的実施の形態による検出シス テムは、励起源が上部からプレートの底部に投射できるようにプレートから十分 下方に位置したカメラを用いる。該カメラの有限カメラ開口は、プレートからほ とんど１メートル近くに置き、その結果、プレートから放出された光のほぼ９９ ％が失われる（均一な球の光分布に基づいての粗い近似）。この喪失は、大きい ものの、有効数のファイバの開口（ファイバが光を許容できる角度の測定）、フ ァイバ面からの表面反射、充填率（個々のファイバは円形であって、集光するの に使用され得る領域を消費する被覆加工を有する）、及び励起光を供給するのに 専用となるべき有用なファイバの喪失のため、ファイバ光学部品がプレートにが なり近接するのに拘わらず光を失う先行技術ファイバ光学システムにおける喪失 に大まかに等しい。 本発明による検出システムの感度は先行技術ファイバ光学システムの感度に一 致するか、あるいはそれを超える。さらに、本発明によるシステムは、図２Ａ− Ｃ及び６を参照して後記にて詳述する適当なカメラ及びリアルタイム構成要素を 用いて、同時にプレートの９６ウェルをイメージすることができ、高い試料速度 の要件を満たす。 本発明による励起及び検出システムの設計は、前記リストの２つの他の所望要 件も含む。まず、システムはいずれの所望のプレート様式も読み取る十分な融通 性を有する。同時に読み取ることができるウェルの数はカメラの解像度によって 制限されるに過ぎない。また、プレート中の細胞に指示薬、例えば、蛍光指示薬 をロードした場合に高解像度イメージを収集することによって、該システムは、 プレートのウェルの底部に細胞がそれ自体でいかに均一に付着するかの観察を可 能とする。第２に、イメージの時系列を収集することによって、ウェル内の試薬 分布の機械的プロセスが観察し得る。この情報を用いて、試薬配布技術及びアッ セイのタイミングを改良することができる。 さて、本発明による励起及び検出システムを図２Ａ−Ｃ及び６を参照して記載 する。本発明の実施の形態によると、図２Ｂ及び６に示した蛍光測定器２００は 、マイクロタイターウェルに含有された蛍光染料の蛍光を誘導するための励起源 ２０５からなる。蛍光測定器２００は、さらに、９６−ウェルプレート２０４の 試料プレート中の蛍光染料からの光放出を検出するためのＣＣＤカメラ２０３及 び放射フィルタ２６０がらなるイメージングシステムを含む。これらは下方ハウ ジング２１５内に含まれる。 さて、蛍光測定器２００の光学部品列を図６、２Ｂ及び２Ｃを参照して記載す る。図２Ｂに示すごとく、蛍光測定器の励起源２０５は、ランプ２４０、投影シ ステム、ヒートシンク２５２、ダイクロイックミラー２５１、熱吸収ガラス２５ ４、絞り２６２、シャッタ４２３、光積分器２５５、及び６ポジションフィルタ ホイール２１２がらなる。駆動モータ（示さず）はフィルタホイールを駆動する 。 ランプ２４０は、いずれかの励起波長におけるレイシオド（ratioed）または ノン−レイシオド（non-ratioed）蛍光に十分な光の広域スペクトルを供するこ とができる。該ランプは、好ましくは、スパイク−フリーの広バンドスペクトル 光を供するキセノンランプである。レーザ源も使用することができる。商業的に 入手可能なレーザは、現在のところ、蛍光指示薬Ｆｕｒａ−２を用いるレイシオ ド蛍光テストで使用される３８５ｎｍの励起を生じさせることができない。しか しながら、クリプトン−アルゴンもしくはチタン：サファイアレーザまたは適当 な励起周波数（例えば、３５０ｎｍ及び３８５ｎｍ）及びレイシオド蛍光アッセ イに必要な他の周波数を生じることができる励起源のいずれかの他のタイプのご ときレーザを本発明の範囲を逸脱することなく使用することができる。しかしな がら、このタイプのレーザは現在非常に高価である。 励起源２０５の投影システムは、積分系レンズ２５５、折り返しミラー２５７ 及びコリメーティングレンズ２５８を用いての９６−ウェルプレート２０４の底 部への均一な照明を供する。フィルタ２１２をランプ２４０のエネルギによる損 傷から保護するには、該投影システムは、所望のバンドに対してランプ２４０か らの光を予めフィルタリングする。アークランプ２４０からの光は、この反射ス ペクトルが、多数の個々の波長が６ポジションフィルタホイール２１２のごとき 干渉フィルタで選択されることを可能とするのに十分広いダイクロイックミラー ２５１を用いて予めフィルタリングされる。ミラー２５１によって反射されない 光エネルギはヒートシンク２５２によって吸収される。熱吸収ガラス２５４はさ らに望まない光を吸収する。励起源２０５は選択した励起周波数が耐光性ボック ス２５９に入ることを供するように位置させる。プレート２０４に到達する光量 は絞り２６２によって調節される。 蛍光測定器で検出アッセイを行うために使用するプレート２０４は、検出器が アッセイプレートの底部を通ってウェルから放出されたシグナルを受け取ること ができるように透明な底部を有しなければならない。例えば、プレートはプラス チックまたは石英で作成することができる。一般に、利用する特定のシグナル発 生技術に干渉しない材料を選択するように注意を払わなければならない。 励起源２０５のフィルタ２１２は、例えば、個々のテストのために所望のバン ド−パス特性を持ついくつかの標準的緩衝フィルタを含めた高速６ポジションフ ィルタホイールである。駆動モータ（示さず）はフィルタホイール２１２を１つ の固定された位置にセットするよう操作可能であって、所望のテスト結果を得る のに必要なフィルタリングタイプに応じて、フィルタホイール２１２を２以上の 異なるフィルタ間で前進後進方向に回転させ、あるいはフィルタホイール２１２ を連続的に回転させる。例えば、２つの異なる光バンドの使用が必要なレイシオ ドテストでは、フィルタホイール２１２を２つの隣接フィルタ、例えば、紫外線 フィルタ間で４へルツの速度にて前進後進方向に回転させる。固定したフィルタ 操作では、フィルタホイール２１２は、フィルタホイール２１２の所望のフィル タが光学経路に位置するようにセットされる。 ウェル中の蛍光指示薬の励起は、後記するごとく、励起バーストの反復速度が 検出器のデータ獲得速度よりも大きい限り、一定の励起または迅速に反復する励 起周波数のバーストであってよい。 本発明による蛍光測定システムのイメージングシステムは、５０ｍｍ、ｆ／１ ．２レンズのごとき放射フィルタ２６０付きの商業的に入手可能なレンズ２６１ を用いてマイクロプレート２０４の底部をイメージするＣＣＤカメラ２０３から なる。本発明の一実施の形態によると、カメラ２０３のレンズ２６１は、高処理 能力を供するように選択される。これは幾何学的歪みを増大させるかも知れない が、かかる幾何学的歪みはシステムコントローラ１１０によって後で捕正できる 。カメラ２０３のレンズ２６１及び放射フィルタ２６０は耐光性ボッ クス２５９内に位置させる。折り返しミラー２５７及びコリメーティングレンズ ２５８を保持するミラー／レンズもまた耐光性ボックス２５９内に含ませる。９ ６−ウェルマイクロプレート２０４及びいくつかの任意較正標的を耐光性ボック ス２５９の頂部の開口内に入れ、上部ハウジング２１０（耐光性フード）をプレ ートの頂部上方に低下させて、周囲光が、上部ハウジング２１０及び耐光性ボッ クス２５９によって形成されたテストチャンバ中に存在しないことを保証する。 該カメラ２０３、例えば、４０％の量子効率及び５０ｋＨｚにて４−５ｅ−及 び１００ｋＨｚにて５−７ｅ−のシステムノイズ、ならびに１８ビットの動作範 囲を有する、標準的な前面照射の冷却してＣＣＤカメラである。該カメラ２０３ 、例えば、データに値する数分間貯蔵すべき８ＭＢのランダムアクセスメモリを 有する。８０％量子効率及び５０ｋＨｚにて６−７ｅ−及び４００ｋＨｚにて３ ５−４０ｅ−のシステムノイズならびに１２ビットの作動範囲を持つ逆照射の薄 くし冷却したＣＣＤのごとき高感度及びより少ない作動範囲を持つカメラも使用 することができる。より低い作動範囲及びより高いノイズを犠牲にして、増感Ｃ ＣＤカメラを使用することもできる。もしより高速が必要ならば、増感剤と共に ３０Ｈｚ「ビデオ」を使用することもできる。この場合、増感剤を使用するか、 あるいは感度を犠牲にしなければならない。 該カメラ２０３は、マイクロプレート２０４のウェルからの蛍光放出から受け 取った入射フォトンによって生じた半導体の表面に収集された電荷（ホール−電 子対）が、カメラコントローラ４３０に対するよりもデジタイザに対して「シフ ト」アウトするような融通性を供するように形成される（図４参照）。該ＣＣＤ カメラ２０３は、収集されたデータを連続的にデータを画素間、ライン間読み取 り及びシフトアウトして(標準的なビデオカメラの作動の様式)、図３Ａ（プレー ト２０４上の４つの試料ウェルのイメージを示す）に示すごとくマイクロプレー ト２０４の完全なイメージを形成するように作成することもできる。また、該カ メラ２０３は、ある列内のある画素のみを読み取る、例えば、最初の５列を読み 取り、次の１０列は読み飛ばし、次の５列は読み取り、次の１０列は読み飛ばす 等をするように形成することもできる。同一のパターンを使用して、カメラコン トローラ４３０に対してデータビットをシフトアウトさせ、図３Ｂに示すごとく （そこでは、区画３０１はデータがＣＣＤから読み出される区画であり、区画３ ０２はＣＣＤからデータが読み出されない区画である）、プレート２０４の矩形 領域に対応するイメージデータの矩形領域のパターンを生じる。カメラ２０３の 柔軟な読出特性は、カメラ２０３によって収集された不必要なイメージデータの 収集、加工及び貯蔵の必要性を排除する。さらに、該カメラは、さらなるフレー ム当たりのデータ読みの量をディジタル化し減少させるに先立ち、ＣＣＤ上の列 またはカラムを付加することもできる。 該カメラ２０３は、操作者が必要とするデータのタイプに応じて２つの異なる 様式にて作動させることができる。最初の様式の作動において、プレート２０４ における反応から採取した各単一フレームイメージを、個々のウェルに対応する すべての画素を付加して、当該ウェルにつきカメラ２０３によって受け取られた フォトンの合計数を示すそのウェルについての数を生じるように加工する。この プロセスはプレート２０４上のすべてのウェルにつき行い、その結果、９６の数 が得られる（各ウェルに対して１）。また、図３Ｂに示すごとく、操作者は、較 正標的として他の領域を指定することができ、また、これらのアッセイウェルの 各々に対応するさらなる数を受け取ることもできる。この様式の操作は、各ウェ ルに対応する４バイトのデータのみが各フレームで貯蔵されるゆえに、非常に多 数のフレームに対応するデータの貯蔵を可能とする。 第２の様式の操作では、カメラ２０３によって収集された画素データのすべて を保持し貯蔵する。この様式の操作では、各フレームにつきかなり大量のデータ が貯蔵される。従って、カメラ２０３はより少数のフレームに対するデータを貯 蔵することができる。 また、ユーザインタフェースを供して、それにより、カメラ２０３のデータ獲 得の様式を操作者が修正して、カメラ２０３所望のフレーム読み出し様式を供す ることもできる。このタイプの修正ツールの例を図８Ｃに示す。 コンピュータ制御のデータ取得及び分析システム さて、図４、５及び７−１０を参照し、システムコントローラ１１０を詳述す る。図４に示すごとく、本発明による蛍光測定システムの実施の形態のコン ピュータ制御データ取得及び分析システム、すなわち、「蛍光測定器システム制 御」は、リアルタイムコントローラ４０１、ユーザ干渉コントローラ４０２、及 びロボティッスコントローラ４１６からなる。これらのコントローラは、非常に 多数のテスト試料の自動的で効果的かつ正確なテストを可能とするために、蛍光 測定システムの異なる構成要素の作動を制御し、協動させ、モニタする。 図４を参照し、蛍光測定制御システムにおける中枢的構成要素はリアルタイム コントローラ４０１である。リアルタイムコントローラ４０１は、ハードディス ク４２９、カメラコントローラ４３０、ｅｔｈｅｒｍｅｔ^TM／ＰＣＮＦＳインタ フェース（４３１）、ならびにディジタルインプット／アウトプット及びアナロ グ／ディジタル変換器（ＤＩ／Ｏ及びＡ／Ｄ）構成要素４３２からなる。該ハー ドディスク４２９は、蛍光測定システムの構成要素から収集されたデータを一時 的に貯蔵する。カメラコントローラ４３０はカメラ２０３からデータを受け取り 、ファイバ光ケーブルを通してカメラ２０３に制御データを伝達し、シリアル接 続を介して、フィルタホイール２１２のモータコントローラ４２６に制御シグナ ルを送る。また、モータコントローラ４２６は、トリガデータをカメラ２０３に 送る。ｅｔｈｅｒｍｅｔ^TMインタフェースは、リアルタイムコントローラ４０１ とユーザインタフェースコントローラ４０２との間のネットワーク通信を可能と する。ＤＩ／Ｏ及びＡ／Ｄ構成要素４３２は、下方ハウジング２１５内の温度セ ンサ４０９からの温度データ、ロボティッスコントローラ４１６からの事象トリ ガ、及び温度センサ４２５からの温度データを含めた蛍光測定システムにおける 他の構成要素からの入力を受け取る。また、該ＤＩ／Ｏ及びＡ／Ｄ構成要素４３ ２は、アークランプ２４０のシャッタ４２３に位置制御データを伝達する。索引 作成器４３３は、トレイルに沿っての分注、吸引、移動、ピペット自体の垂直移 動、及びチッププレートの変化を含めた、すべてのピペット運動を制御する。ま た、索引作成器は絞り２６２の位置も制御する。 図４に示した蛍光測定器制御システムのユーザインタフェース４０２は、該蛍 光測定器制御システムの操作に必要なすべてのデータ及びテスト結果データを貯 蔵するためのハードディスク４０５及びデジダルオーディオテープシステム４０ ４（ＤＡＴ）を含む。ユーザインタフェースモニタ４０３がユーザインタ フェースコントローラ４０２に連結されて、ユーザが蛍光測定器の機能をモニタ し、またシステムの操作を制御するための指令を入力することが可能となる。ま た、ユーザインタフェースコントローラ４０２は、蛍光測定器システム制御及び 他の遠隔コンピュータシステム間の通信を可能とするために、ネットワーク４０ ６、例えば、ｅｔｈｅｒｎｅｔ^TMやＮｏｖｅｌｌ^TMまたはいずれの他の所望のシ ステムに連結してもよい。 ユーザインタフェースコントローラは、すべての他のデバイスならびにリアル タイムコントローラ及びロボットコントローラを含めたコントローラを制御しス ケジューリングする。全データ収集及び資料取り扱いプロセスを総合するのはこ のコンピュータである。 蛍光測定器システムの下方ハウジング２１５は、周囲光がカメラ２０３によっ て検出されたイメージに影響するのを防ぐための蛍光測定器の光学部品列のほと んどを含有する耐光性ボックス２５９を含む(図２Ｂ及び２Ｃを参照して記載)。 また、下方ハウジング２１５は、温度センサ４０９、カメラ電源４１２、カメラ 放熱器４１１、アークランプ電源４１４、アークランプレギュレータ４１３、及 びファン４１５を含む。 図５は、図４の蛍光測定器システム制御で使用できる一つの可能なソフトウェ アシステムの概略ダイアグラムである。図５に示すごとく、この蛍光測定器シス テムソウトアェアは、ユーザインタフェースコントローラ（ＵＩＣ）４０２、リ アルタイムコントローラ（ＲＴＣ）、及びロボティックスコントローラ４１６の ためのプログラムを含む。しかしながら、本発明の範囲を逸脱することなく、本 発明の蛍光測定システムを作動させるのに、いずれの適当なソウトウェアシステ ムも使用することもできる。さらに、蛍光測定器及び流体取り扱いシステムは独 立のシステムであってよく、また、ネットワークに組み込んでもよい。 該ＵＩＣプログラム５０１はいくつかのアプリケーションを含む。一般的なヘ ルプ、情報及びユーザトレイニング機能を取り扱うためにアプリケーションコン トローラ５１０を設ける。システムコントロールアプリケーション５１１は、本 発明による蛍光測定システムの機能列を制御し、物理的資源を割り振って蛍光測 定システムの効率及び／または精度を最大化し、シーケンス構築インタフェース を形成し、蛍光測定システム用の手動制御オプションを提供する。図７を参照し 、該システムコントロールアプリケーションをさらに詳述する。データ表示及び 分析アプリケーション５１２は自動及び手動データ分析及び蛍光測定システムの 構成要素から受け取ったデータ、主として蛍光測定器２００のカメラ２０３から 受け取ったデータの再検討を供する。リレーショナルデータマネージャ５１３を 設けてすべてのデータを管理し、すべてのデータの要求、データの修正、及びデ ータの付加をサービスすることができる。データ保管インタフェース５１４を使 用して、インテリジェントデータの、ディジタルオーディオテープ（ＤＡＴ４０ ４）または他のデータ貯蔵手段への保管を助力するみこができる。 リアルタイムコントローラ（ＲＴＣ）プログラム５０２は、カメラ２０３の操 作を制御するためのアプリケーション、励起電源２０５、フィルタホイール２１ ２、ピペット２０２、及び他の検出器及び蛍光測定システム内の連動装置を含む 。ＲＴＣはＵＩＣから伝達された要求に応答するイベントループにて１のプログ ラムを実行する。 ロボティックコントローラプログラム５０３はロボットアーム１０２の操作を 制御する。該ロボティックコントローラプログラム５０３は、ＵＩＣ４０２から 受け取った入力に基づいて、ロボットに対して制御指令を供する。 さて、図７を参照して、ＵＩＣプログラム５０１のシステムコントロールアプ リケーション５１１をさらに詳述する。図７は、蛍光測定システムの作動の制御 及びモニタリングにおいて、操作者によって実行されるべき操作を説明するユー ザ操作の概略を供する。操作者は、図４に示したユーザインタフェースモニタ４ ０３にて蛍光測定システムの操作を制御しモニタする。 ユーザ操作システムの起動アプリケーション７０１は、操作者が、「デザイン アッセイプロトコル」モジュール７０２、「データ入力」モジュール７０３、「実 行プロトコル」モジュール７０４、及び「データ分析点検」モジュール７０５に アクセスするのを可能とする。該「データアッセイプロトコル」モジュール７０ ２は、操作者が、プロトコル構築ツール７１０（アッセイ定義プロトコルスケジ ューラ）及びデバイステンプレートエディタ７１１を用いて蛍光測定システムの 操作用のパラメータをセットするのを可能とする。 一実施の形態において、本発明によるシステムは、Ｚｙｍａｔｅ TM（ロボッ ト製造業者）からのアッセイプログラミング及びスケジューリングツールまたは 他の入手源からの同様のソウトウェアを使用するように機器構成する。 本発明の該システムの一実施の形態において、該システムは、後記するよえに アッセイプログラミング及びスケジューリングソウトウェアを使用するように機 器構成する。 現在のシステムは、ユーザが、プレート及びウェル内容物によってではなく、 プレート及びウェル位置によってアッセイをプログラムすることを要求する。す なわち、プレート操作は、いずれのラック位置からプレートを取り出しまたはそ こへ入れるべきかによって規定され、他方、データ操作は、具体的ウェル数によ って規定される。例えば、もし標準的なスプレッドシートを用いてデータを自動 的に処理するならば、それはその操作のために固定された入力位置を有しなけれ ばならない。この方法はユーザが常に同様な方法でアッセイを実行することを要 求する。すなわち、各時点で同一の位置にて該システムにプレートをロードしな ければならず、各時点で同一の方法でプレートに材料をロードしなければならな い。 本発明では、システムで使用するリレーショナルデータベース及びすべてのプ レートのバーコーディングはこれらの制限を回避するように実行する。このシス テムでは、ユーザは、すべてのプレートの内容物、試薬、細胞及びテスト化合物 についての情報を、プレートのバーコードに沿って入力する。ユーザが一組のア ッセイの実行を開始する場合、ロボットはすべてのプレート貯蔵ラックを直ちに スキャンし、バーコードによるといずれのプレートがいずれの位置にあるかを記 録する。それは、インキュベーションステーションとして用いられるいずれの空 のスロットも記録する。制御するコンピュータはデータベースに連結されている ので、制御コンピュータは、同様に、プレート内容物によるとどのプレートがシ ステムにあるのかを知っている。これにより、ユーザが機能によってアッセイを 特定するのが可能となる。かくして、ロボットがラック２の位置３からプレート を得るようにプログラミングする代わりに、例えば、ユーザは、ロボットが次の テスト試薬プレートを得るように、あるいは溶解緩衝液を有するプレートを得る ようにプログラムする。 自動データ分析ツールは、プレートまたはウェル位置とは独立して、いずれか の所望の方法でデータを組み合わせるためにリレーショナルデータを利用する。 例えば、線量依存曲線を得るためには、異なる濃度の単一化合物についてのすベ てのテスト実行を組み合わせなければならない。公知の方法では、ユーザは、分 析ツールがプレートを予測する順序でそれらをプレートにロードしなければなら ない。好ましいシステムでは、いずれの日におけるいずれの位置、実行にても、 いずれのプレートについても異なる濃度でなければならない。データベースは、 データ分析ツールのために自動的に正しいデータを見つける。さらに、ユーザは 、いずれの時点においても、たとえそれがデータが収集された数年後であっても 、データを異なる方法で組み合わせることができる。ユーザは、使用したプレー トについてのすべての種類の情報を含めることができ、後日、検索及び統計のた めにいずれのパラメータを用いることもできる。プロトコル構築ツール７１０は 、この機能的プログラミング方法を実行するユーザインタフェースである。この ツールは、ユーザが、生物学的方法にて単一の完全なアッセイを規定するプロト コルをデザインするのを助ける。 好ましいシステムにおいて、スケジューラを作成して多数のアッセイを実行す る。現在のスケジューラはプレート位置によって単一アッセイプログラムを採用 し、それを多数回実行し、ユーザ変数を増加させてプレート位置を前進させる。 公知の最適化の最初のタイプでは、可能ならば単純な方法にて、連続アッセイの 開始時間を最適化して操作を重複させる。例えば、もし１時間５分の長さの培養 がアッセイへの２０分間に要求されるならば、スケジューラは、最初のものは培 養しつつ、３つのアッセイを開始させるであろう。この最適化は良好に働くが、 一緒に実行する多数システムまでには首尾よく拡大されない。 もし実行すれば多数システムの共同の問題を解決するスケジューリング最適化 の第２の公知のタイプが存在する。この最適化は、アッセイシステムが多数の独 立したデバイスを含むという事実を使用する。好ましいシステムでは、蛍光測定 器、プレート洗浄器、及びロボットをすべて同時に使用できる。アッセイ内の典 型的最適化はプレートの洗浄を開始させ、次いで、洗浄の間に、ソースプレート をピペットの転送ステーションに移動させる。洗浄が終了する時間までに、ロ ボットはそれを取り出し、転送操作のために、蛍光測定器ステーションまでそれ を動かす準備ができている。 最適化のこの第２のタイプは現実的であるかのようであるが、該最適化は、事 実、前記した単一最適化をより悪いものとする。仮にプロトコルを１０分間のセ ットアップ、続いての２１分間の培養と定義する。単一モードでは、２つのアッ セイを最初の培養期間に開始する。さて、仮に単一アッセイ定義で、ユーザはそ の培養の間に２分間のプレート洗浄を行うことによって最適化するとする。さて 、１９分間の自由時間があるに過ぎず、これは、培養の間に２のアッセイの代わ りに１のアッセイが開始されることを意味する。この例では、単一アッセイにつ き２分が節約されるが、多数のアッセイを実行する場合には少なくとも１０分が 失われる。 本発明では、この問題は、ユーザが、スケジューラでいつアッセイ最適化を実 行するかを選択するのを可能とすることによって解決される。ユーザには、いず れにおいて操作を行うべきかの多数のトラックが準備されている。これらのトラ ックはある臨界的時点で一緒に連絡させることができる。前記した例では、プレ ート洗浄操作は第１のトラックにおけるものとし、他方、ロボットによるプレー トの取り出し及び転送ステーションへの移動操作は第２トラックにおけるものと する。また、プレートを蛍光測定器ポートに転送させる転送操作も第１のトラッ クにおけるものとするが、連絡時点は転送操作の後とする。連絡時点は、スケジ ューラに、第２トラックにおける操作が転送操作が開始される前に終了したこと を確認させる。ユーザは、デバイスがあるだけ多くのトラックを供することがで き、あるいは単純に単一のトラックを供することができる。 好ましいスケジューラは、(前記したユニークなデータベース配置により)ユー ザが、アッセイの多数コピー、またはいずれかの所望順序の異なるアッセイを計 画することを可能とする。スケジューラは自動的に単一の最適化を行い、すべて のアッセイを実行するための合計時間を報告する。次いで、ユーザは、多数のト ラック最適化を再配列し、合計実行時間に対する効果を観察することができる。 ユーザはこの技術を用いて最適化技術の任意の組合わをアプローチする。また、 最適化はコンピュータによって自動的に行うこともできる。 多数のシステムを制御するのに好ましいスケジューラを拡大するためには、よ り多くのトラックを付加し、単一システムアッセイ類を単一の大きなアッセイへ と組み合わせることができる。多数のトラックを全システムならびにサブシステ ムに使用することができる。連絡時点は丁度デバイス間のようにシステム間で使 用される。 前記したプロトコル設計及びスケジューリングツールのすべてはグラフィック ユーザインタフェースで作成し、ユーザインタフェースコントローラまたはネッ トワークマシーンで実行する。それらはトラック及びスケジュールを図示するよ うに設計される。ユーザは、リストからマルチトラックプロトコル定義への操作 を表すトークンを引きずる。該リストは異なるデバイスに対応する。該リストに おける項目は、そのデバイスについての予め定義されたテンプレートを表すトー クンである。ユーザはボタンを押してテンプレートを編集することができる。 テンプレートエディタのいくつかを図８Ｂ−Ｅに示す。図８Ｂは、蛍光測定器 によって実行されるべきアッセイ用の較正パラメータを操作者がセットすること を可能とする較正テンプレートエディタを示す。図８Ｃは、蛍光測定器用のデー タ取得パラメータを操作者がセットするのを可能とする取得テンプレートエディ タを示す。図８Ｄは、テストの間におけるピペット吸引及び配布用のパラメータ を操作者がセットするのを可能にするピペット操作テストエディタを示す。図８ Ｅは、蛍光測定システムの操作の間におけるプレート及びチップ洗浄用のパラメ ータを操作者がセットするのを可能とする洗浄操作テンプレートエディタを示す 。これらのスクリーンの使用は後記にてさらに詳細に説明する。 図７を参照し、ユーザ操作システムの「データ入力」モジュール７０３は、細 胞プレート(アッセイで使用する細胞を含有するプレート)、ソースプレート（例 えば、アッセイでテストすべき化合物を含有）、及びテストの間に蛍光測定シス テムによって使用されるべき試薬プレート（例えば、アッセイで使用すべき蛍光 試薬を含有）を確認するデータを操作者が入力するのを可能とする。例えば、図 ８Ａは、細胞プレート、ソースプレート、及び試薬プレートに関する情報を操作 者が入力するのを可能とするユーザインタフェースモニタ４０３に表示されたデ ータ入力ツールの例を示す。 図７に示したユーザ操作システムの「実行プロトコル」モジュール７０４は、 操作者が、蛍光測定システムの操作を開始させ停止させ、また、該システムの操 作状態をモニタするのを可能とする。例えば、図９Ａは、操作状態、ランプ及び シャッタ操作状態、及び種々の温度の読みを含めた、蛍光測定システムの機器状 態を示す状態／フィードバックパネルの例を示す。 図７に示すユーザ操作システムの「データ分析検討」モジュール７０５は、操 作者が、蛍光測定器によって収集されたデータを検討し分析するのを可能とする 。操作者は、多数試料についての結果報告を自動的に生じる単一サンプルレポー トジェネレーター７２０にアクセスできる。図９Ｃは、テストを行っているウェ ルからの蛍光読みの状態を示すリアルタイムビューアースクリーンが表示されて いる結果報告の例を示す。また、操作者は、操作者が、注目するテスト化合物と 、次いで図示形態で表示される他の識別パラメータとを拾うことを可能とする線 量−反応分析モジュール（７２１）にアクセスすることもできる。図９Ｂでは、 テストされているプレートの各ウェルからの蛍光放出がウィンドウ９０１に同時 に表示される。１つは黒色、１つは蛍光、及び１つは散乱（左から右に）の、較 正領域９０６を設けて、テスト反応に関する比較を可能とする。また、スケール ９０５を設けて、蛍光測定を収集しながらそれを評価することを可能とする。ま た、機能スクエア９０４を選択することによって疑似色彩を設けることもでき、 これにより、蛍光を収集しつつ、あるいは疑似リアルタイムにおいて、蛍光の増 強された表示を供する。また、例えば、図９Ｃに示すごとく、機能スクエア９０ ２及び９０３を設けて、操作者が、表示をクリアすること、あるいは蛍光読みを 図示するのを可能とする。 図９Ｃは、異なるタイプの表示（８つのウェル−時間にての蛍光のグラフィッ ク表示の例）を示す。このタイプのグラフィック情報は、アッセイが行われてい る時に、あるいはアッセイが完了した後に、選択した数のウェルにつき疑似リア ルタイムにて表示することができる。操作者が所望すれば、蛍光−線量のごとき 他のタイプのグラフィック表示を作成することもできる。また、操作者は、「デ ータ分析検討」モジュール７０５からデータエクスポートツールモジュール７２ ２にアクセスすることもできる。該データエクスポートツールモジュールは、操 作 者が、データインタフェースを通じてデータセットを選択し、ＡＳＣＩＩまたは 他のタイプのデータファイルを作成して、データの選択したセットを貯蔵及び／ または送り出すことを可能とする。 図１０を参照し、ユーザインタフェースコントローラ４０２のハードディスク ４０５に貯蔵されたリレーショナルデータベースの１の可能なデータベース構成 を示す。該データベースは必要に応じて他のテーブルからデータを取得するデー タテーブル１００１を含む。データベース１００１は時間及びデータフィールド を貯蔵し、細胞テーブル１００２、ソーステーブル１００３、バーコードテーブ ル１００４、取得テーブル１００５、吸引テーブル１００６、較正テーブル１０ ０７、プレート洗浄テーブル１００８、試薬テーブル１００９、分注テーブル１ ０１０、及びチップ洗浄テーブル１０１１に貯蔵されたデータにアクセスする。 細胞テーブル１００２に貯蔵されたデータは、細胞株データ、コメントデータ、 時間入力データ、データ入力データ、時間作成データ、及びデータ作成データを 含めた、バーコードデータ及びウェルデータを含む。ソーステーブル１００３に 貯蔵されたデータは、薬剤データ、濃度データ、コメントデータ、時間入力デー タ、データ入力データ、時間作成データ、及びデータ作成データを含めた、バー コードデータ及びウェルデータを含む。バーコードテーブル１００４に貯蔵され たデータは、コメントデータを含めたバーコードデータを含む。取得テーブル１ ００５に貯蔵されたデータは、図８Ｃに示した取得テンプレートエディタのすべ てのフィールドに入力されたデータを含む。同様に、吸引テーブル１００６及び 分注テーブル１０１０に含有されたデータは、図８Ｄに示した吸引及び分注テー ブルエディタで示されたすべてのフィールドを含む。較正テーブル１００７に貯 蔵されたデータは、図８Ｂに示した較正テンプレートエディタを用いて入力され たすべてのフィールドを含み、プレート洗浄テーブル１００８及びチップ洗浄テ ーブル１０１１は、図８Ｅに示した各テンプレートエディタを用いて入力したす べてのデータに対応するフィールドを含む。 本発明に従った蛍光測定システムの操作 さて、図１を参照し、典型的なアッセイで使用される手法を概説することによ って、本発明の蛍光測定システムの操作を記載する。本発明では、スケジュー ラ及び、例えば、図８Ａ−Ｅを参照して記載されたスクリーンを用いて操作者に よって入力された定義に基づき、該システムは、典型的アッセイ及び他の選択し た操作を行う。まず、ロボットアーム及びピペット１０２はプレート２０４を調 製し、ここに、アッセイは、単一の生成要素（例えば、蛍光試薬）及びいずれか の他の必要な成分を含有するプレート２０４で行う。テストソースプレート及び プレート２０４のバーコードはバーコードリーダ１０５によって読み取られ、シ ステムコントローラ１１０に供される。次いで、プレート２０４を蛍光測定器ポ ート１０３上に置き、カメラ２０３及び励起源２０５を用いてベースラインデー タ（後記するごとく蛍光測定器の較正を使用）を収集する。十分な解像度のイメ ージをこの時点で採取して、プレートの一般的性質及び特徴を記録する。例えば 、流体溶液を含有するソースプレートを、次いで、転送ステーション１１２の９ ６−チップピペッティングヘッドの下に置き、吸引する。 図６を参照し、次いで、蛍光測定器は、励起源２０５及びカメラ２０３を用い て蛍光データを収集し始め、ピペッティングヘッド２０２は所定の時間にピペッ タ２０１からテストすべき化合物を分注するようにプログラムされる。蛍光反応 データの収集の間に、いくらかの疑似リアルタイム反応情報を表示することがで きる。反応情報の収集が完了すると、プレート２０４のもう１つの十分な解像度 のイメージを蛍光測定器２００のカメラ２０３によって採取する。次に、いずれ かの較正操作を行って、細胞溶解及び試薬クエンチングのごときＦ_max（最大蛍 光読み）及びＦ_min（最低蛍光読み）を測定する。細胞溶解は、細胞内のすべて のカルシウムまたは関連イオンを放出させるために、洗剤または他の溶液を添加 してテスト細胞の膜を破壊するプロセスである。これにより、細胞内のカルシウ ムまたは関連イオンと蛍光試薬との間の最大反応が可能となり、かくして、試薬 の最大可能蛍光（Ｆ_max）が得られる。試薬クエンチングは、溶液を添加してカ ルシウムイオンを試薬分子から置き換えて、それらがもはや蛍光性ではなくする プロセスであり、かくして、試薬の最低蛍光（Ｆ_min）が測定される。最大及び 最低蛍光値はイオン濃度を計算するのに必要である。最後に、収集したデータの すべてを分析して、線量反応曲線、または操作者が利用できるいずれかの所望タ イプの反応表示を得る。アッセイに関連したすべてのデータを、将来の参考及び 実験のためにデータベースに記録する。 さて、図１及び６を参照し、予め平板した細胞を含む２５の９６−ウェルが自 動的にテストされる１の可能なアッセイのプロセスを詳細に記載する。アッセイ は、例えば、図８Ａ−８Ｅを参照して記載されたスケジューラ及びスクリーンに て操作者によって規定される。２５の試料プレートにつき完全なアッセイを行う のに十分なテスト流体溶液ソースプレート、試薬ソースプレート、溶解緩衝液ソ ースプレート及びクエンチ溶液ソースプレートを蛍光測定システムに供する。一 旦、蛍光測定システムが適当に供されたら、以下の手順を２５回反復する（さら なる操作者の入力なくして、各９６−ウェルにつき１回）。この手順は２５プレ ートに限定されず、システムのプレート貯蔵能力を増加させることによって拡大 することができる。 まず、ロボットアーム１０２が、プレート２０４をプレート洗浄器１１３中で ３回洗浄することによって、細胞を含有する９６−ウェルプレート２０４を調製 する。ロボットアーム１０２は９６−ウェルプレート２０４を蛍光測定器ポート １０３まで動かす。上部ハウジング２１０を降下させ、低−及び高−解像度イメ ージを記録する。ロボットアーム１０２は９６−ウェルプレート２０４をプレー ト洗浄器１１３まで動かし、そこで、緩衝液が吸引される。次いで、ロボットア ーム１０２はプレート２０４を蛍光測定器ポート１０３まで動かす。次いで、９ ６−チップピペッティングチップ２０２を用いて、試薬を試薬ソースプレートか らプレート２０４にロードする。次いで、ロボットアーム１０２によってプレー ト２０４を、培養器１０７まで動かして培養器１０７中で２時間培養し、その間 に、ピペッティングチップ２０２をチップ洗浄器１０８中で洗浄する。プレート ２０４の培養に続き、プレート２０４を再度プレート洗浄器１１３中で洗浄する 。今や、プレート２０４はテストされる準備が整っている。 ９６−チップピペッティングチップ２０２に流体、例えば、ソースプレートか らの、溶液中の試料化合物をロードする。細胞プレート２０４を、図６に示した 蛍光測定器２００のカメラ２０３及び励起源２０５の上方の蛍光測定器ポート１ ０３中に位置させ、カメラ２０３はプレート２０４から放出された蛍光を読み取 り開始して、「基礎蛍光」読みと呼ばれる一連の蛍光読みが得られ、これは、 試薬が添加される前のプレート、細胞、及び試薬によって生じた蛍光を示す。ウ ェル内の反応間に得られた反応蛍光読みから基礎蛍光を減じて、添加した溶液、 例えば、試料試薬及び細胞の相互反応の結果として生じた蛍光の正確な読みが得 られる。 一旦、基礎蛍光読みが採取されたら、ピペッティングヘッド２０２を降下させ 、試料試薬をピペッタ２０１からプレート２０４上の各ウェルに分注し、ピペッ ティングヘッド２０２をプレート２０４から上昇させる。カメラ２０３は、試料 試薬の分注の間、及びその後の時間、ウェルの反応蛍光の読み取りを続行する。 一旦、選択した時間が過ぎて蛍光読み取りが中断されたら、ピペットチップ２ ０１をチップ洗浄器１０８中で洗浄し、９６−チップピペッティングヘッド２０ ２を用い、溶液溶液ソースプレートから溶解緩衝液をプレート２０４に添加する 。プレート２０４を培養器１０７中で５分間培養し、その間に、ピペットチップ ２０１をチッブ洗浄器１０８中で再度洗浄する。次いで、蛍光測定器２００のカ メラによってプレート２０４を１秒間再度読み取って、プレート２０４のウェル 中の反応の最大可能蛍光を得る。次いで、ピペットチップ２０２を用い、クエン チソースプレートからクエンチ溶液をプレート２０４に添加する。ロボットアー ム１０２によってプレート２０４を再度培養器１０７に動かし、培養器１０７中 で今回は１分間培養し、その間に、ピペットチップ２０１をチップ洗浄器１０８ 中で再度洗浄する。ロボットアーム１０２によってプレート２０４を蛍光測定器 ポート１０３まで戻し、蛍光測定器２００のカメラ２０３によって再度１秒間読 み取って、プレート２０４上のウェルについての最小蛍光読みを得る。一旦テス トが完了したら、プレート２０４を捨て、ピペッティングヘッド２０２上のチッ プ−保持プレート２０１を自動的に置き換える。 さて、データの較正をさらに詳しく記載する。蛍光測定器２００のカメラ２０ ３によって、予め平板培養した細胞を含むプレートから、最初の蛍光読み、標識 した自動蛍光を採取する。試薬をウェルに添加し、培養し、プレート２０４を洗 浄したら、第２の一連の蛍光読み、基礎蛍光読みを採取して、テスト試料試薬の 添加に先立って、プレート、細胞、及び試薬を一緒にした蛍光が示される。蛍光 測定器２００のカメラ２０３が蛍光読みの採取を継続している間に、９６− チップピペッティングヘッド２０２を用い、テスト試料試薬を試料ウェルに添加 する。次いで、所定の時間ウェル中でテスト試料及び細胞が相互作用をする間、 反応蛍光データと呼ばれる第３の一連の蛍光読みを採取する。溶解溶液を添加し て細胞膜を浸透性化し、細胞内のすべての試薬を放出させて、アッセイの最大可 能蛍光を得る。最後に、クエンチング溶液を添加して、該イオンから試薬分子を 置き換えて、試薬からの最小蛍光を測定する。アッセイのこの最終クエンチング した状態から、プレート２０４上の各ウェルにつき、アッセイの最小蛍光を採取 することができる。採取してすべてのデータセットを数学的数式の化学定数と組 み合わせ、これを反応読みに適用すると、イオン濃度の単位表示の較正された反 応が得られる。 本発明の蛍光測定システムのもう１つの可能なアッセイによると、レイショイ ング（ratioing）プロセスを用い、ここに、ウェル中の蛍光試薬を、（前記した ノンレイショドアッセイで使用した）１の代わりに２の異なる波長の励起光で露 光する。例えば、励起源は３５０ｎｍ及び３８５ｎｍの間で変化する励起放射を 送達する。フィルタホイール２１２を前進及び後進方向に回転させて、レイショ ドテストに必要な２の異なる波長の光を生じさせる。 レイショドテストにおいて、各アッセイの蛍光を両励起波長でモニタし、１の 波長についての蛍光読みを、他の波長についての蛍光読みで除して、試薬濃度、 細胞サイズ及び容量の変化、試薬漏出等のごときすべての外部因子から独立した テスト結果を得る。その結果、レイショドテストから得られたテスト結果は、も し励起源の強度がテスト時間中にドリフトすれば、テストの間に起こり得るノイ ズ及びドリフト誤差の影響をより受けにくい。レイショドテストでは、これらの 因子は各蛍光読みにつき存在し、従って、１の蛍光読みを他のもので除したとき に排除される。レイショドテストは、１の波長の光での励起及び第２の異なる波 長の光での励起の後に測定されたシグナルをその比を出すことによって、シグナ ル測定の精度の増大を供する。２の放出光測定の比は、単一の絶対測定よりも現 実の放出光のより正確な測定であり得る。何故ならば、該比は、機器ドリフト、 機器感度の一時的変化及び細胞容量または試薬濃度の変化（これらの各々は測定 すべき属性の変化につき誤り得る）の効果を相殺するからである。 本発明による蛍光測定システムの操作は、例えば、図８Ａ−Ｅに示したものの ごときコンピュータ制御ツールを用いる操作者によって制御される。例えば、操 作者は、図８Ａに示したデータ入力ツールを用いて、使用すべきプレートについ ての情報を入力できる。プレートのバーコードをフィールド８０１に入力し、テ ストの日付及び時間を、各々、フィールド８０２及び８０３に入力する。指令ス クエア８０４、８０５及び８０６は、操作者が、プレート情報をセーブし、新し いプレートについての新しい入力スクリーンを引き出し、あるいはすでに入力さ れたプレート情報を削除するのを可能とする。細胞株をフィールド８０７に入力 し、任意のコメントをフィールド８０８に入力できる。ウィンドウ８０９に適当 な細胞株を入力するために、操作者は特定のウェルを選択でき、プレートの線図 をウィンドウ８１０中に供し、これはプレート上のウィンドウの配置及び番号付 けを示す。プレート情報の入力に続き、操作者は、ユーザインタフェースコント ローラ４０２のハードディスク４０５に貯蔵されたデータベースに該情報を貯蔵 することができる。次いで、操作者は、他のプレート、ソースプレート、試薬プ レート、または蛍光測定システムの操作の間に使用した他のタイプのプレートに ついての情報を入力できる。 また、操作者は、例えば、図８Ｂに示した較正テンプレートエディタを用いて 、蛍光測定器２００についての較正パラメータを設定できる。操作者は化学定数 をフィールド８１１及び８１２に入力する。スライディングバー８１４を用いて 、平均に対するベースのポイントの数をフィールド８１３に入力する。スライデ ィングバー８１６を用いて、同様に、平均に対するピークポイトンの数をフィー ルド８１５に入力する。操作者によって入力されたパラメータはユーザインタフ ェースコントローラ４０２のデータベースに貯蔵される。 図８Ｃに示すように、取得テンプレートエディタは、ユーザが、当該システム が蛍光測定器に関するデータを収集するのに使用するテンプレートを作成し修正 するのを可能とする。このエディタに対する制御の大部分はカメラパラメータを 設定する。他の制御は、励起源及び収集の間にピペット分注操作の設定について のものである。 図８Ｃ中の８２２の参照番号の付されたボックスは、収集の間にピペット分注 を設定するのに使用される２の制御を含む。ボタンは収集の間に分注を行うべき か否かを決定する。もしボタンをチェックすれば、蛍光測定器は、フレーム番号 がをテキストフィルードに入力された後に分注を開始するであろう。 ボックス８１７はソースパラメータ制御を含む。最も頂部のボタンは、シャッ タがオープンまたはクローズされるべきかを決定する。フィルタ制御ボックス８ １８は、ユーザが、使用すべきフィルタ番号を設定するのを可能とする。もし番 号が２つのフィルードで異なっておれば、フィルタホイールはフィルタを２つの 選択されたものの間の各フレームにスイッチする。これらのフィルードの下方の ポップアップリストは、ユーザがどのフィルタ番号が対応するのかを知ることが できるように参照リストを供する。絞りスライダ８１９は絞りの位置を閉塞用に ついての０と開放についての１００の間に設定する。最後の制御は「Do it Now 」の表示のボタンである。もしこのボタンを押すと、該ソース制御は直ちに該ソ ースに影響する。これは、ユーザが、テスト及び測定についてのソースを手動で 制御するのを可能とする。 （図３Ａ及び３Ｂを参照して前記したごとく）蛍光測定システムで使用される ＣＣＤカメラ２０３は非常に融通が利き、従って、精巧な制御を要する。該制御 は２つのグループに分けることができる（ＣＣＤのどの部分が読み取られるかを 制御するもの、及び読み出しタイミングを決定するもの）。第１の読み出し領域 制御はイメージ表示図８３１である。ユーザは、「Grab Full Res.」ボタン８２ ５を押すことによって、イメージをこの図にロードする。もしボックス８２９中 の「Readout Region」ボタンがチェックされたら、この図は読みべきチップの領 域にオーバーレイするであろう。示した領域の数はボックス８２３中の列及びカ ラムフィルードによって決定される。表示図８３１におけるこれらの領域の位置 及びサイズは、例えば、マウスを用いることによって直接操作することができる 。ボックス８２３中のビニング（binning）テキストフィールドは、読み出しが 起こる前に、チップ上の合計されるべき列及びカラムの数を設定する。より高い ビニング値はスピードを改善し、空間的解像度を犠牲にしてノイズを低下させる 。 ボックス８２３中の「Sum Pixels」ボタンをチェックすることによって、ユー ザは、当該システムにリアルタイムで画素を合計せよと告げる。これにより、リ アルタイムコントローラに、それらが読み出された後に、矩形読み出し領域に記 入された楕円中の画素を合計させる。もし「Integration Circles」ボタンがボ ックス８２９でチェックされたら、これらの楕円が表示される。「画素合計」モ ードは図３Ｂに示したものに対応する。 読み出しタイミング制御は、個々の画素の読み出しならびらフレームタイミン グのスピードを設定する。読み出しスピードはＡ／Ｄ（アナログからディジタル ）変換器ボックス８２１中の「fast」ボタンによって制御される。もしこのボタ ンをチェックすると、Ａ／Ｄ変換器は１００ｋＨｚで実行し、他の場合には４０ ｋＨｚで実行する。８２１中のアンチブルームスライダは使用するアンチブルー ム補償のレベルを決定する。ＣＣＤが露光される時間量は「Integration Time」 テキストフィールド８２４によって制御される。 フレームが収集され、フレームの合計数が収集される速度は表示図８２７によ って制御される。この図は、垂直軸上のフレーム速度と水平軸上の収集の持続と のグラフである。十字線は現在選択されているフレーム速度及び収集時間を示す 。ユーザは、例えば、マウスを用いることによって、この十字線を動かして所望 の組合せを選択することができる。収集されるべきフレームの数は、フレーム速 度と収集時間との積であり、十字線の隣に表示される。各軸の端部の矢印は関連 軸によって使用されるスケールを拡大し、または減少させる。該スケールの調整 により、精密な制御を供しつつ、広範囲の可能な選択を可能とする。「Center c ursor」ボタンは、スケールが図の中央にくるようにスケールを調節する。これ は、スケールを調節している間にカーソルを見失う可能性があるので設けたもの である。 表示図８２７は赤色領域（図８Ｃでは灰色）及び緑色領域（図８Ｃでは白色） を有する。赤色領域は、グラフのこの部分における組合せがカメラで達成できな いことを示す。例えば、読むべきチップの量、Ａ／Ｄ変換器のスピード及び積分 時間はすべて最大フレーム速度を制限する。同様に、もし画素がリアルタイムで 合計されなかったら、カメラコントローラは結局はメモリから出てしまい、フレ ームの最大数を制限する。この図を制御するソフトウェアは、ユーザが、赤色 領域に十字線を入れるのを可能とはしないであろう。該ソフトウェアは、他の関 連設定が調節されているうちに、赤色領域を境界に調節する。 収集が開始される前に、ユーザは２つの設定動作を特定することができる。最 初ものは、チツプを読み取らせ、最後の収集以来生成した可能性のあるいずれの 熱電子も除去するためにデータを捨てることである。クリーンアップフレームの 数はボックス８２０におけるテキストフィルードによって設定される。第２の動 作は、プレートの品質が記録できるように、十分な解像度フレームを掴むことで ある。これは、ボックス８２０中の「Collect Initial Full Res.Frame」ボタン をチェックすることによって選択される。 ユーザの便宜のために設けられたテンプレートに影響しないいくつかの表示制 御がある。もし「Do Acquire」ボタン８１６を押すと、現在のテンプレートによ って記載された全収集が逐行される。もしこのテンプレートが多数のフレームを 特定すれば、ボックス８２９中の「Frame Number」を用いて、表示すべきフレー ムを特定する。ボックス８３０中のカラーマップ制御は、ユーザが、表示図８３ １で使用すべきスケーリングパラメータ及び疑似カラーマップを設定するのを可 能とする。ボックス８２８中の「Summed Value」制御は、ユーザが、合計すべき 表示中の３つまでの領域を特定するのを可能とする。得られた合計を３つのテキ ストフィルードで表示する。 名称フィルード８３２は、編集されているテンプレートの名称を示す。もう１ つのパネル(示さず)は、生成されたすべてのテンプレートのリストを表す。ユー ザはこのリストから編集すべきテンプレートを選択することができる。また、ユ ーザはボタンを押して古いものをコピーすることによって新しいテンプレートを 作成することもできる。新しい選択がなされるか、あるいは新しいテンプレート が作成されると、テンプレートエディタ中のパラメータ及び名称は適合させるべ く変更される。 例えば、図８Ｄに示したもののごときピペット操作テンプレートエディタを用 いて、蛍光測定システムのピペット操作についてのパラメータを設定することが できる。図８Ｄに示したテンプレートエディタにおいて、１のテンプレートはピ ペット吸引についてのパラメータを設定し、１つはピペット分注について設定す る。各操作についてのピペットの加速は、スライディングバー８４１を用いてフ ィールド８４０に入力される。同様に、各操作についてのピペットの最高速は、 スライディングバー８４３を用いてフィールド８４２に入力され、チップスター ト深度はスライディングバー８４５を用いてフィールド８４４に入力され、及び 各操作についてのチップドロップ速度はスライディングバー８４７を用いてフィ ールド８４６に入力される。ピペッティングヘッド２０２の分注操作に続いての 液滴ブローオフオプションはボックス８４８を選択することによって選択される 。ピペット操作を完了するための時間は８４９のスクリーン上に表示される。次 いで、ユーザによって入力されたパラメータを、ユーザインタフェースコントロ ーラ４０２のデータベースに入力する。 また、操作者は、例えば、図８Ｅに示した洗浄操作テンプレートエディタを用 いて、蛍光測定システムの洗浄操作を制御することもできる。プレート制御パラ メータを設定するには、操作者は、選択ボックス８５０を使用することによって 、吸引または分注がまず起こるか否かを選択する。洗浄器の数はスライディング バー８５２を用いてフィールド８５１に入力され、分注時間はスライディングバ ー８５４を用いてフィールド８５３に入力され、及びプレート高さはスライディ ングバー８５６を用いてフィールド８５５に入力される。減圧圧力及び水圧のご とき手動設定パラメータは、各々、フィールド８５７及び８５８に入力される。 洗浄を完了する時間は８５９で表示される。同様に、チップ洗浄パラメータを選 択するには、スライディングバー８６１を用いてピペットサイクル数をフィール ド８６９に入力し、スライディングバー８６３を用いてピペット容量をフィール ド８６２に入力し、スライディングバー８６５を用いてピペット加速度をフィー ルド８６４に入力し、スライディングバー８６７を用いてチップ深度をフィール ド８６６に入力し、及びスライディングバー８６９を用いて減圧期間をフィール ド８６８に入力する。減圧圧力及び水圧のごとき手動で設定するパラメータは、 各々、フィールド８７０及び８７１に入力し、洗浄を完了する時間は８７２に表 示される。操作者によって入力されたパラメータはユーザインタフェースコント ローラ４０２のデータベースに貯蔵される。 本発明によるシステムの一つの適用は、薬剤スクリーニングであり、溶液中の 化合物をテストして、活性化された場合、細胞中の所定のイオンのレベルの検出 可能な変化にイオンチャンネルまたは受容体が直接または間接に寄与するような 、細胞のイオンチャンネル及び／または受容体を活性化し、増強し、または阻害 する能力を有する組成を同定する。該細胞は所定のイオンに感受性であるイオン −感受性試薬を含有する。 さて、本発明によるシステムによって行うことができる薬剤スクリーニングア ッセイを詳述する。本発明のシステムによって行われる種々のアッセイでは、そ の活性化の結果、細胞中のカチオンまたはアニオンのレベルが変化する、イオン チャンネル及び／または受容体を有する細胞を使用する。使用する細胞に、カチ オンまたはアニオンに対して十分に感受性の蛍光試薬または試薬をロードする。 十分に感受性の試薬は、特定のイオン（カチオンまたはアニオン）の存在下で、 及び特定のイオンの生理学的濃度の範囲を超えて、蛍光強度の識別できるレベル を生じることができるものである。好ましくは、蛍光試薬は、イオン濃度の比較 的小さい変化に反応して、検出可能な異なる蛍光強度を生じることができるべき である。受容体またはイオンチャンネルが活性化された場合と比較して、受容体 またはイオンチャンネルが活性化されていない場合の相対的蛍光強度は少なくと も５０％以上、好ましくは１００％ないし２００％異なるべきである。 本発明のシステムによって行うことができる１のタイプのアッセイ（これは、 イオンチャンネルもしくは受容体活性及び該活性に影響する化合物を測定するの に使用）は「直接」アッセイである。本明細書で用いる直接アッセイとは、特異 的イオンを結合できる蛍光試薬をロードした細胞を使用するアッセイをいう。か かるアッセイにおいて、細胞は、活性化された場合に、該イオンに対して透過性 であるイオンチャンネルまたは受容体を有する。かかる直接アッセイを行って、 例えば、カルシウム−感受性蛍光試薬をロードし、かつカルシウムに対して透過 性の受容体及び／またはイオンチャンネル（例えば、カルシウムチャンネルまた はＮ−メチル−Ｄ−アスパルテート（ＮＭＤＡ）受容体）を有する細胞；塩化物 −感受性蛍光試薬をロードし、かつ塩化物イオンに対して透過性の受容体（例え ば、ＧＡＢＡ受容体）を有する細胞；及びナトリウムまたはカリウム−感受性試 薬をロードし、かつナトリウム及び／またはカリウムイオンに対して透過性であ る受容体を有する細胞（例えば、カイナーテ／ＡＭＰＡ受容体、ニコチン酸アセ チルコリン受容体、ナトリウムチャンネルまたはカリウムチャンネル）を有する 細胞をアッセイすることができる。 本発明のシステムによって行うことができる第２のタイプのアッセイは「間接 」アッセイである。間接アッセイは、リガンド−ゲーテッドイオンチャンネルで ある受容体を通ってのイオンの通過によって引き起こされた特徴的脱分極を利用 する。かかる間接アッセイは、電圧依存性カルシウムチャンネル及び注目するリ ガンド−ゲーテッドイオンチャンネルを有する細胞を使用する。リガンド−ゲー テッドイオンチャンネルの活性化により、イオンが該チャンネルを通って流れ、 細胞膜を脱分極させ、これは電圧依存性カルシウムチャンネルを活性化し、その 結果、カルシウムイオンが細胞内へと流れる。細胞にはカルシウム−感受性試薬 をロードする。例えば、ニコチンによるニコチン酸アセチルコリン受容体の活性 化の結果、ナトリウムイオン流が生じ、細胞膜を脱分極させ、結果的に、電圧依 存性カルシウムチャンネルを活性化させる。ニコチン酸アセチルコリン受容体の 活性化の程度は、活性化カルシウムチャンネルを通ってのカルシウムイオンの流 れによって間接的に測定される。このようにしたアッセイできる公知のリガンド −ゲーテッドイオンはある種のカイナーテ／ＡＭＰＡ−型の興奮性アミノ酸（Ｅ ＡＡ）受容体である。 活性化に際し、ゲーテッドカルシウムチャンネルを開口させるごとく、イオン の細胞内濃度を直接的に増加させることができる、あるいはＣａ²⁺を第２メッセ ンジャーとして利用する反応の阻害によって引き起こされた細胞内イオンの濃度 に間接的に影響（例えば、Ｇ−プロテイン−結合受容体）できる受容体蛋白質を 発現するいずれの細胞も当該アッセイで使用することができる。かかる受容体ま たはイオンチャンネルを発現する細胞及びかかる細胞表面蛋白質の１以上をコー ドする適当なベクターでトランスフェクトできる細胞は当業者に知られているか 、あるいは当業者によって同定され得る。さらに、異種細胞表面蛋白質を発現す るように遺伝工学により作製することができる多くの細胞が知られている。いく つかの可能な細胞のリストが、１９９２年１２月１８日に出願され、１９９３年 ７月８日に公開された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ９２／１１０９０の開示 の第３６頁に提供されており、ここに出典明示して本明細書の一部とみなす。ま た、この国際出願は、第３６−３８頁にいくつかの可能な例示的細胞表面蛋白質 のリストを、第３８頁にいくつかの可能なイオンチャンネルのリストを、及び第 ４１頁にいくつかの可能なイオン−感受性試薬の表も提供している。この国際出 願は、さらに、本発明のシステムを用いて行うことができるタイプのさらなる記 載を提供している。 前記したアツセイにおける細胞受容体の活性化の結果、細胞内イオンのレベル が一時的に増加する。最初の濃度増加は、受容体及び／またはイオンチャンネル を活性化し、通常は短命である試薬の添加後の１または２内と短時間内に蛍光の 増加として検出することができる。 細胞内の蛍光レベルは、典型的には、ピーク値まで増加し、次いで、典型的に は、正常な細胞メカニズムによって過剰イオンが除去されると低下する。典型的 には、受容体またはイオンチャンネルの活性化は約５ないし４５秒内に蛍光レベ ルをピークまで上げ、続いて、細胞内カルシウムがプレ活性化レベルに近づくま で、約２ないし２０分間で蛍光が低下する。蛍光が分析できるスピードは、細胞 内のイオンの増加が寄与する応答反応、続いての、細胞からイオンが除去される につれてのイオンレベルの引く続いての低下のため、非常に重要である。 また、本発明のシステムを修正して、ルミネッセンス反応、シグナル吸収、放 射能、またはプレート上の複数ウェルから放出されたいずれかの発光に基づいて 、複数化合物の他のタイプの単一ベースアッセイを行うこともできる。例えば、 ルミネツセンステストの意味では、システムが自動及び同時に制御されるロボテ ィック流体取り扱いシステム、検出システム（励起源なし）、及びコンピュータ 制御のデータ取得及び分析システムからなるように、励起源は省略することがで きる。 実施の形態を参照して本発明を具体的に記載してきたが、本発明の精神及び範 囲を逸脱することなく、形態及び詳細において変形及び修正を施すことができる のは当業者に明らかであろう。添付の請求の範囲はかかる変形及び修正を含める 意図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 マックニール、 ジョン・エー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 91941、 ラ・メサ、 クウィンス・スト リート 7865 (72)発明者 アコン、 マイケル・エー アメリカ合衆国、 カリフォルニア州 92129、 サン・ディエゴ、ジェイン・コ ート 13160 (72)発明者 ミエルゼスキー、 ドナルド・ジェイ アメリカ合衆国、 カリフォルニア州 92117、 サン・ディエゴ、パーク・ウエ スト・ブールバード 5090 (72)発明者 ベリセレビー、 ゴヌール アメリカ合衆国、 カリフォルニア州 92130、 サン・ディエゴ、タランテラ・ レーン 4688 (72)発明者 カールトン、デイビッド・ピー アメリカ合衆国、 カリフォルニア州 92109、 サン・ディエゴ、オリバー・ア ベニュー・ナンバー２ 1762

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 複数のウェルを含むプレートを用いて複数の蛍光アッセイを同時に実行 する装置であって、 前記複数のウェルのいくつかに所定量の流体を同時に分配する分配手段と、 前記複数のウェルを励起放射に対して同時に露出する励起手段と、 所定の時間に渡って連続的に、前記複数のウェルの各々から放射される蛍光を 同時に検出する検出手段と、 前記分配手段と、前記励起手段と、前記検出手段とを同時に制御かつ調整する コンピュータ制御手段と、 を具備する装置。 ２． 前記励起手段は複数の波長の励起放射を提供し、前記検出手段は前記複 数の波長の各々における励起があったときに、前記複数のウェルの各々から放射 される蛍光を検出する請求の範囲第１項に記載の装置。 ３． 前記励起手段の光路に設けられたフィルタ手段をさらに具備し、このフ ィルタ手段は複数の波長の励起放射を提供する請求の範囲第１項に記載の装置。 ４． 前記検出手段は前記複数のウェルを光学的にイメージングする単一のイ メージング手段を具備し、前記検出手段は所定の時間間隔に渡って、前記複数の ウェルの各々の蛍光を決定するために、前記複数のウェルの各々の時系列の画素 イメージを生成する請求の範囲第１項に記載の装置。 ５． 前記検出手段によって生成された前記画素イメージを受信するためのコ ンピュータインタフェースをさらに具備し、このコンピュータインタフェースは 前記検出手段によって生成された前記画素イメージを解析して記憶する請求の範 囲第４項に記載の装置。 ６． 前記コンピュータ制御手段は自動モードで動作すべくプログラムされ、 これによって、前記複数のアッセイがオペレータの介入なしに達成される請求の 範囲第１項に記載の装置。 ７． 分配、励起及び検出が同時に発生する請求の範囲第１項に記載の装置。 ８． 前記複数のプレートの自動化試験を可能にするために、複数のプレート を自動的に上昇、搬送、かつ位置合わせするプレート処理手段をさらに具備する 請求の範囲第１項に記載の装置。 ９． 複数のウェルを含むプレートを用いて複数の信号に基づくアッセイを同 時に実行する装置であって、 所定量の流体を前記複数のウェルのいくつかに同時に分配する分配手段と、 所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルの各々から放射された放射線を同時 に検出する検出手段と、 前記分配手段と、前記検出手段とを同時に制御かつ調整するコンピュータ制御 手段と、 を具備する装置。 １０． 前記検出手段は前記複数のウェルを光学的にイメージングするための 単一のイメージング手段を具備し、前記検出手段は前記所定の時間の間、前記複 数のウェルの各々から放射された光学的放射の量を決定するために、前記複数の ウェルの各々の時系列の画素イメージを生成する請求の範囲第９項に記載の装置 。 １１． 前記光学的放射は蛍光放射である請求の範囲第１０項に記載の装置。 １２． 前記光学的放射は冷光放射である請求の範囲第１０項に記載の装置。 １３． 前記放射は放射性放射である請求の範囲第９項に記載の装置。 １４． 前記複数のプレートの自動化試験を可能にするために、複数のプレー トを自動的に上昇、搬送かつ位置合わせするプレート処理手段をさらに具備する 請求項第９項に記載の装置。 １５． 複数の蛍光アッセイを同時に実行する方法であって、前記複数のアッ セイの各々は多数ウェルプレート上の複数のウェルの１つにおいて実行され、 所定量の流体を前記複数のウェルのいくつかに同時に分配する工程と、 前記複数のウェルの各々を励起放射に対して同時に露出する工程と、 検出手段を用いて所定の時間に渡って、前記複数のウェルの各々から放射され た蛍光を同時に検出する工程と、 前記検出手段によって検出された蛍光データを処理する工程と、 コンピュータ制御手段を用いて前記分配、前記励起、前記検出及び前記処理を 同時に制御かつ調整する工程と、 を具備する方法。 １６． 前記コンピュータ制御手段は自動化モードにおいて動作すべくプログ ラムされ、前記複数のアッセイはオペレータの関与なしに達成される請求の範囲 第１５項に記載の方法。 １７． 前記複数のウェルは複数の励起波長に対して露出され、前記複数のウ ェルによって放射された蛍光は前記複数の波長の各々における励起に基づいて決 定される請求の範囲第１５項に記載の方法。 １８． 前記検出手段は前記複数のウェルを光学的にイメージングするための 単一のイメージング手段を具備し、前記検出手段は前記所定の時間間隔に渡って 前記複数のウェルの各々の蛍光を決定するために、前記複数のウェルの各々の時 系列の画素イメージを生成する請求の範囲第１５項に記載の方法。 １９． 複数の信号に基づくアッセイを同時に実行する方法であって、前記複 数のアッセイの各々は多数ウェルプレート上の複数のウェルの１つにおいて実行 され、 所定量の流体を前記複数のウェルのいくつかに同時に分配する工程と、 検出手段を用いて所定の時間間隔に渡って、前記複数のウェルの各々から放射 された放射を同時に検出する工程と、 前記検出手段によって検出された放射データを処理する工程と、 コンピュータ制御手段を用いて、前記分配、前記励起、前記検出及び前記処理 を同時に制御及び調整する工程と、 を具備する方法。 ２０． 前記検出手段は前記複数のウェルを光学的にイメージングするための 単一のイメージング手段を具備し、前記検出手段は所定の時間間隔に渡って、前 記複数のウェルの各々における前記反応の光学的放射の量を決定するために、前 記複数のウェルの各々の時系列の画素イメージを生成する請求の範囲第１９項に 記載の方法。 ２１． 前記光学的放射は蛍光放射である請求の範囲第２０項に記載の方法。 ２２． 前記光学的放射は冷光放射である請求の範囲第２０項に記載の方法。 ２３． 前記放射は放射性放射である請求の範囲第１９項に記載の方法。 ２４． 複数のドラグスクリーニングアッセイを同時に実行する方法であって 、 前記複数のアッセイの各々は多数ウェルプレート上の複数のウェルの１つにおい て実行され、 前記複数のウェルのいくつかに機能性イオンチャネル及び／又はレセプタを有 する生活可能なセルを提供する工程であって、前記機能性イオンチャネル及び／ 又はレセプタは活性化されたときに、前記生活可能なセル内の所定のイオンの濃 度の検出可能な変化を直接又は間接的に引き起こすことができ、前記生活可能な セルは前記所定のイオンの前記濃度の変化を検出するのに十分なイオン感受性指 示薬の量を含んでいる工程と、 前記イオンチャネル又はレセプタを前記複数のウェルのいくつかに対して活性 化する能力が試験される所定量の推定イオンチャネル活性化又はレセプタ活性化 化合物を同時に分配する工程と、 前記複数のウェルを光学的にイメージングする単一のイメージング手段を具備 する検出手段を用いて、所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルの各々におい て前記イオン感受性指示薬によって放射された光学的放射を同時に検出する工程 であって、前記検出手段は前記所定の時間間隔に渡って、前記複数のウェルの各 々における前記イオン感受性指示薬の前記光学的放射の量を決定するために、前 記複数のウェルの各々の時系列の画素イメージを生成する工程と、 前記検出手段によって検出された光学的放射データを処理する工程と、 コンピュータ制御手段を用いて前記分配、前記検出、前記処理を同時に制御す る工程と、 を具備する方法。 ２５． 前記光学的放射は蛍光放射であり、前記イオン感受性指示薬はイオン 感受性蛍光指示薬である請求の範囲第２４項に記載の方法。 ２６． ドラグスクリーニングアッセイを同時に実行する方法であって、前記 複数のアッセイの各々は多数ウェルプレート上の複数のウェルの１つにおいて実 行され、 前記複数のウェルのいくつかに機能性イオンチャネル及び／又はレセプタを有 する生活可能なセルを提供する工程であって、前記機能性イオンチャネル及び／ 又はレセプタは活性化されたときに前記生活可能なセル内の所定のイオンの濃度 の検出可能な変化を直接又は間接的に引き起こすことができ、前記生活可能なセ ルは前記所定のイオンの前記濃度の変化を検出するのに十分なイオン感受性指示 薬の量を含む工程と、 第１の所定量の既知のイオンチャネル活性化又はレセプタ活性化化合物を前記 複数のウェルのいくつかに同時に分配する工程と、 第２の所定量の推定イオンチャネル抑制又はレセプタ抑制化合物を同時に分配 する工程であって、前記イオンチャネル抑制又はレセプタ抑制化合物は前記イオ ンチャネル活性化又はレセプタ活性化化合物に先だってまたは同時に前記複数の ウェルのいくつかに付加される工程と、 前記複数のウェルを光学的にイメージングするための単一のイメージング手段 を具備する検出手段を用いて所定の時間間隔に渡って前記複数のウェルの各々に おいて前記イオン感受性指示薬によって放射された光学的放射を同時に検出する 工程であって、前記検出手段は前記所定の時間間隔に渡って前記複数のウエルの 各々における前記イオン感受性指示薬の前記光学的放射の量を決定するために、 前記複数のウェルの各々の時系列の画素イメージを生成する工程と、 前記検出手段によって検出された光学的放射データを処理する工程と、 コンピュータ制御手段を用いて前記分配、前記検出、前記処理を同時に制御す る工程と、 を具備する方法。