KR20080059593A - Apparatus and method for detecting activity of living cells - Google Patents

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케빈 슈 친
케빈 티.씨. 짐
브라이언 옌
행크 우
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셀룰라 바이오엔지니어링 인코포레이티드
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Abstract

An apparatus for detecting the activity of living cells comprises a cell growth medium layer (104) for receiving the cells (100) and an imaging sensor (101) , e.g. a CCD array, wherein the cell growth medium layer and the imaging sensor are separated from each other only by an inert protective layer (102) and an optional diamond-like carbon layer (111). The cells may be stained by a fluorescent dye, such as a calcium, ion, voltage or pH indicator dye. Upon illumination by a light source (130) the cells emit fluorescent light which is directly detected by the imaging senor without any optical transfer elements such as lenses or mirrors. The apparatus ,may be enclosed in a housing (103) provided with gas and liquid ports (107, 108, 109). Furthermore the apparatus may comprise means (120) for applying a stimulation signal to the cells.

Description

살아있는 세포의 탐지 장치 및 방법{Apparatus and Method for Detecting Activity of Living Cells}Apparatus and Method for Detecting Activity of Living Cells}

본 발명은 일반적으로 세포의 탐지, 좀 더 구체적으로, 이미지 센서(imaging sensor)를 가지고 신경전달 활성(neuronal activity)의 형광탐지 및 동적인 세포의 세포활성의 광학적 탐지에 관한 것이다.The present invention generally relates to the detection of cells, and more particularly to the fluorescence detection of neuronal activity and the optical detection of cellular activity of dynamic cells with an imaging sensor.

발명의 배경Background of the Invention

세포학(cytology)은 세포의 형성, 구조 및 기능의 연구를 다루는 생물학의 분과이다. 연구실 세팅에 응용되는 바와 같이, 과학자들 및 다른 의학교수들은 예를 들면, 세포의 기능을 탐지하고, 환자의 상태의 의학적 진단을 위하여 세포를 관찰한다.Cytology is the branch of biology that deals with the study of cell formation, structure and function. As applied in laboratory settings, scientists and other medical professors, for example, detect the function of cells and observe the cells for medical diagnosis of the patient's condition.

배양된 세포와 같은 미세한 생물학적 시료의 관찰은 통상적으로 현미경을 통해 이루워 진다. 현미경적 이미지가 기록될땐, 현미경에 장착된 카메라나 비디오 카메라가 사용된다. 그외에도, 특히 시료의 온도 및 습도가 일정해야만 하는 경우, 다른 장치들이 필요로 되는데, 현미경의 스테이션의 근처 또는 그 위에 장착된 다. 이러한 배치는 비용을 많이 소요하게 되며 복잡할 수 있다.Observation of microbial samples, such as cultured cells, is typically done under a microscope. When a microscopic image is recorded, a camera or video camera mounted on the microscope is used. In addition, other devices are needed, especially if the temperature and humidity of the sample must be constant, mounted near or on the station of the microscope. Such an arrangement can be costly and complex.

적은 수의 세포의 전기적 활성을 탐지하기 위하여, 여러가지 신경전자(neuroelectronic) 장치들이 개발되었다. 일반적으로, 이들은 세포외 미세회로 전극(microcircuit electrode)의 배열을 가지는 활성 전위(action potential)를 세포외에서 기록하는 방법을 이용한다. 그러나, 세포내 미세전극을 사용하는 경우도 있다. 뉴론은 세포벽을 관통하는 미크론-크기(micron-size)의 전극에 의해 꿰뚫어진다. 전극 주입후 몇시간내에 외상(trauma)에 의한 세포사멸이 야기된다. 이들 방법은 매우 큰 배열이 되지 않도록 극도로 제한된다.In order to detect the electrical activity of a small number of cells, various neuroelectronic devices have been developed. In general, they use a method of extracellularly recording an action potential having an array of extracellular microcircuit electrodes. However, in some cases, intracellular microelectrodes are used. Neurons are penetrated by micron-size electrodes penetrating the cell wall. Within a few hours after electrode injection, apoptosis due to trauma is caused. These methods are extremely limited to avoid very large arrangements.

신경전자 장치는 미합중국 특허공개 제 2004/0219184호에 개시되어 있으며, 전문이 본 명세서에 참조문헌으로 포함된다. 상기 장치는 세포들간의 정전기적 커플링(electrostatic coupling) 및 신경 네트웍 활동을 모니터링할 수 있는 탐지기(detector)에 의존한다.Neuroelectronic devices are disclosed in US Patent Publication No. 2004/0219184, which is incorporated by reference in its entirety. The device relies on a detector that can monitor the electrostatic coupling between cells and neural network activity.

추가적으로, 여러가지 탐지 및 처리방법 및/또는 진단도구가 미합중국 특허 제 4,401,755호; 제 4,985,353호; 제 5,462,856호; 제 5,919,646호; 제 6,631,331호; 제 6,770,449호; 제 6,778,724호; 및, 제 6,913,877호에 개시되어 있으며, 이들 문헌의 전문이 본 명세서에 참조문헌으로 포함된다.In addition, various detection and processing methods and / or diagnostic tools are described in US Pat. No. 4,401,755; No. 4,985,353; No. 5,462,856; 5,919,646; 5,919,646; No. 6,631,331; 6,770,449; 6,770,449; 6,778,724; 6,778,724; And 6,913,877, the entirety of which is incorporated herein by reference.

따라서, 본 발명의 목적은 복잡하고 값비싼 광학요소(optical component) 없이도 세포의 활동을 효과적으로 탐지할 수 있는 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an apparatus, system and method which can effectively detect the activity of a cell without the need for complicated and expensive optical components.

발명의 요약Summary of the Invention

본 발명은 일반적으로 이미지 센서에 근접하여 위치하는 살아 있는 세포의 활성을 탐지하는 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 세포는 자극에 반응하여 형광을 내거나 발광하도록 처리된다. 본 발명의 일 실시태양에 따르면, 세포는 뉴론(neuron)일 수 있다; 그러나, 다른 세포성분도 고려될 수 있으며, 이들도 본 발명의 범주에 속한다. 선행기술에 대한 본 발명의 한가지 장점은 관찰대상인 배지와 탐지기 사이에 광학렌즈(optical lense)가 없어도 무방하다는 것이다. 광의 경로(light path)를 조정하는 거울도 존재하지 않는다. 탐지기 배열과 배열에 의해 감지되는 영역사이에 1 대 1 대응(one-to-one correspondence)이 존재한다.The present invention relates generally to devices, systems, and methods for detecting activity of living cells located proximate to an image sensor. Cells are treated to fluoresce or emit light in response to a stimulus. According to one embodiment of the invention, the cell may be a neuron; However, other cellular components are also contemplated, and these are also within the scope of the present invention. One advantage of the present invention over the prior art is that there is no need for an optical lens between the medium to be observed and the detector. There is no mirror to adjust the light path. There is a one-to-one correspondence between the detector array and the area detected by the array.

다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 세포의 활성을 탐지하는 시스템과 관련된다. 상기 시스템은 이미지 탐지기 상에 놓여지거나 또는 근접하게 위치하는 세포성분(cellular material)을 수납하는 수단을 포함한다. 세포성분을 수납하는 수단은 방어층(protective layer) 및/또는 이미지 탐지기(imaging detector)로 부터 세포성분을 분리하기 위한 다이아몬드-양 카본층(diamond-like carbon layer)을 포함한다. 본 발명의 여러가지 실시태양에서, 이미지 탐지기는 센서 또는 센서 영역(sensor area)의 배열이며, 전하 결합소자(charge-coupled device, CCD), 상보성 금속-옥사이드 반도체소자(complementary metal-oxide semiconductor device, CMOS), 전하 주입소자(charge injection device, CD), 비디오 카메라, 및 다이오드 배열 또는 유사 소자를 포함할 수 있다. 또한, 이 시스템은 시스템에 의해 생성된 데이타를 수집하고 처리하기 위한 프로세서(processor), 데이타를 저장하는 저장기(storage) 및 데이타를 표시하는 수단을 포함한다.According to another embodiment, the present invention relates to a system for detecting the activity of a cell. The system includes means for receiving cellular material placed on or adjacent to the image detector. The means for containing the cellular component comprises a diamond-like carbon layer for separating the cellular component from a protective layer and / or an imaging detector. In various embodiments of the present invention, an image detector is a sensor or an array of sensor areas and includes a charge-coupled device (CCD), a complementary metal-oxide semiconductor device (CMOS) ), A charge injection device (CD), a video camera, and a diode array or similar device. The system also includes a processor for collecting and processing data generated by the system, a storage for storing the data and a means for displaying the data.

상기 시스템은 예를 들면, 레이저, 램프(예를 들면, 백열광(incandescent), 할로겐, 또는 형광), 또는 발광 다이오드(light emitting diode)와 같은 광원을 포함한다. 광원은 여러가지 파장 또는 다중 파장으로 빛을 제공한다. 광원은 전원; 예를 들면, 노치(notch) 또는 이색성(dichroic) 여과기와 같은 여과기(filter); 및 예를 들면, 광원으로 부터 제공되는 빛의 빔(beam)에 촛점을 맞추거나 조준하기 위한 렌즈를 포함할 수 있다.The system includes, for example, a light source such as a laser, a lamp (eg, incandescent, halogen, or fluorescent), or a light emitting diode. The light source provides light at various wavelengths or multiple wavelengths. The light source is a power source; For example, a filter such as a notch or dichroic filter; And, for example, a lens for focusing or aiming at a beam of light provided from the light source.

본 발명의 여러가지 실시태양에서, 상기 시스템은 세포성분을 다루고/다루거나 처리하기 위한 수단을 포함한다. 예를 들면, 시스템은 기체를 세포성분의 환경에 도입하기 위한 수단 또는 예를 들면, 독소를 시험하기 위한 세포성분의 환경을 수집하는 수단을 포함한다.In various embodiments of the present invention, the system comprises means for handling and / or treating cellular components. For example, the system includes means for introducing a gas into the cellular component environment or means for collecting the cellular component environment, for example for testing toxins.

다른 실시태양에 따르면, 본 발명은 세포의 활성을 탐지하는 방법에 관련된다. 이 방법은 예를 들면 신경세포체에 존재하는 이중 2가 칼슘이온(Ca2 +) 추적 염료로 부터의 형광방출을 자극하기에 적절한 파장의 빛을 제공하는 단계; 방출된 형광의 최소한 일부를 수집하는 단계; 센서 배열에 대하여 활성화된 뉴론의 위치를 결정하는 단계; 및 탐지된 신호의 시점 및/또는 크기를 분석하는 단계를 포함한다.According to another embodiment, the present invention relates to a method for detecting the activity of a cell. This is for instance double divalent calcium ions present in the nerve cell body (Ca + 2) providing a light of an appropriate wavelength to stimulate fluorescence emission from the tracking dyes; Collecting at least a portion of the emitted fluorescence; Determining the location of activated neurons with respect to the sensor array; And analyzing the time and / or magnitude of the detected signal.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 방출된 광의 수집은 렌즈나 거울과 같은 광전달체(optical transfer assembly) 없이 근접 장(near-field)에서 세포 바로 아 래 위치하는 광-인식 부위(light-sensing site, 픽셀)의 배열로서 달성된다.According to another embodiment of the invention, the collection of emitted light is a light-sensing site located directly below the cell in the near-field without an optical transfer assembly such as a lens or mirror. , Pixels).

본 발명의 여러가지 실시태양에서, 탐지기의 상부 또는 이미지 탐지기에 근접하는 투명지지판(clear support plate)의 가지(lop) 위에서의 세포의 활성이 탐지될 수 있다. 그외에도, 세포성분은 다른 물질이 첨가되거나, 달리 처리될 수 있다. 예를 들면, 일부 뉴론은 칼슘이나 칼륨이온을 추적하는 형광물질로 처리될 수 있거나, 세포 이온채널 또는 살아있는 세포의 이온의 움직임을 따르는 이온 추적, 광자-방출 화합물(photon-emitting compound)과 함께 이용되는 전압-감지 염료(voltage-sensitive dye)로 처리될 수 있다. In various embodiments of the invention, the activity of cells on the top of the detector or on the lop of a clear support plate proximate the image detector can be detected. In addition, the cellular component may be added with other substances or otherwise treated. For example, some neurons can be treated with phosphors that track calcium or potassium ions, or can be used with ion tracking, photon-emitting compounds that follow the movement of ions in cell ion channels or living cells. Can be treated with a voltage-sensitive dye.

본 명세서에 기술된 본 발명의 장점 및 특성들과 더불어, 이들 및 다른 목적들은 이하의 설명 및 첨부된 도면을 통하여 명백해질 것이다. 더우기, 본 명세서에 기술된 여러가지 실시태양의 특성들은 상호 배타적이며, 여러가지 조합(combination) 및 순열(permutation)로서 존재할 수 있다.In addition to the advantages and features of the present invention described herein, these and other objects will become apparent from the following description and the accompanying drawings. Moreover, the features of the various embodiments described herein are mutually exclusive and may exist as various combinations and permutations.

도면에 있어서, 유사한 부호는 일반적으로 서로 다른 도면에서의 동일한 부분을 나타낸다. 아울러, 도면은 본 발명의 원리를 설명하는데 있어서, 크기를 표현하는 것이 불필요하다. 이하의 개시에서, 본 발명의 여러가지 형태의 실시태양이 이하의 도면을 참조하여 설명되었다.In the drawings, like numerals generally refer to the same parts in different drawings. In addition, it is not necessary to represent the size in the drawings to explain the principles of the present invention. In the following disclosure, various forms of embodiments of the present invention have been described with reference to the following drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시태양에 따른 세포활성 탐지를 위한 장치의 개략적 인 정면도를 나타낸다. 1 shows a schematic front view of an apparatus for detecting cell activity according to one embodiment of the invention.

도 2는 본 발명의 일 실시태양에 따른 세포활성을 탐지하는 전체 시스템을 개략적으로 나타낸 그림이다. Figure 2 is a schematic diagram of the entire system for detecting cell activity according to an embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일 실시태양에 따른 세포활성을 탐지하는 장치의 부분의 개략적 정면도를 나타낸다.3 shows a schematic front view of a portion of a device for detecting cell activity according to one embodiment of the invention.

도 4는 본 발명의 일 실시태양에 따른 세포활성의 탐지방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of detecting cell activity according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 여러가지 바람직한 실시태양들을 자세히 설명하였지만, 본 발명은 이들 실시태양에 한정되는 것은 아니고, 당업자들에게는 자명한 변형물, 변이물 및 균등물을 포함한다. 예를 들면, 본 명세서에 개시된 장치, 시스템 및 방법들은 특정 염료 및 형광을 이용하여 세포성분의 신경활성의 탐지에 대하여 통상적으로 기재하였으나, 본 발명은 다른 형태의 세포성분, 염료 및 광원으로도 실시될 수 있을 것이다. While various preferred embodiments of the present invention have been described in detail, the present invention is not limited to these embodiments and includes modifications, variations, and equivalents that are apparent to those skilled in the art. For example, the devices, systems and methods disclosed herein have conventionally been described for the detection of neuronal activity of cellular components using specific dyes and fluorescence, but the invention is also practiced with other types of cellular components, dyes and light sources. Could be.

도 1에서 보듯이, 뉴론(100)은 어떤 간섭 렌즈 또는 거울, 광섬유, 또는 다른 형태의 광연결 시스템(optical relay system) 없이, 이미지 탐지기 또는 센서(101) 위에 생장하거나 위치된다. 이미지 센서는 그의 작동으로 인하여 뉴론이 상하지 않도록 작제된다. 예를 들면, 내부 방어층(102) 및 다이아온드-양 카본층(111)이 뉴론과 이미지 센서 사이에 위치할 수 있다. 내부 방어층 및 다이아온드-양 카본층의 예들은 미합중국 특허공개 제 2004/0219184호에 개시되어 있다.As shown in FIG. 1, the neuron 100 grows or is positioned over an image detector or sensor 101 without any interfering lenses or mirrors, optical fibers, or other forms of optical relay systems. The image sensor is constructed so that the neuron does not go bad due to its operation. For example, an inner protective layer 102 and a diode-positive carbon layer 111 may be located between the neuron and the image sensor. Examples of inner protective layers and diode-positive carbon layers are disclosed in US Patent Publication No. 2004/0219184.

뉴론은 액체 세포배양 영양조(liquid cellular incubation nutrient medium, 105)내의 세포배양 배지(104)에서, 세포배양기체(106)하에서 생장한다. 영양조 및 기체는 밀폐되어 있고(103, encapsulated), 포트(107)를 통한 기체의 외부 공급원 및 포트(108)를 통한 액체의 외부 공급원에 의해 공급된다. 기체와 액체의 외부 공급원은 필요한 튜브 또는 다른 유사한 운반수단을 통하여 전달된다. 시스템은 세포액 배수구(109, liquid drain), 세포 기압탭(110, cellular atmosphere tap), 및 신호를 세포성분에 도입하는 수단(120)을 포함한다.Neurons grow under cell culture gas 106 in cell culture medium 104 in a liquid cellular incubation nutrient medium 105. The nutrient bath and gas are encapsulated (103) and supplied by an external source of gas through port 107 and an external source of liquid through port 108. External sources of gas and liquid are delivered through the required tubes or other similar vehicles. The system includes a liquid drain (109), a cellular atmosphere tap (110), and means 120 for introducing a signal into the cellular component.

활성 전위가 세포체를 통해 전이됨에 따라, 형광이 생성된다. 빛의 일부는 이미지 센서에 의해 탐지되는데, 이는 뉴론 활성이 있음을 나타낸다. 본 명세서에 개시된 기술은 형광을 광학적으로 탐지하고, 어떤 경우에도 정전기적 커플링에 의존하지 않는다. As the action potentials pass through the cell body, fluorescence is produced. Part of the light is detected by the image sensor, indicating that there is neuronal activity. The technique disclosed herein optically detects fluorescence and in no case relies on electrostatic coupling.

이미지 탐지기는 광자를 감지하는 감지 부위(sensing site), 또는 픽셀(pixel)의 배열로서 구성된다. 이러한 소자는 CCD, CMOS 활성 픽셀 센서, 또는 가시 또는 근적외선 이미지화에 적절한 감지 부위를 가지는 소자일 수도 있다. 광자는 이미지 센서에 근접해서 발광하기 때문에, 근접 장(near-field)에서 전이된다.The image detector is configured as a sensing site, or array of pixels, that detects photons. Such a device may be a CCD, a CMOS active pixel sensor, or a device having a sensing site suitable for visible or near infrared imaging. Since the photons emit in proximity to the image sensor, they transition in the near-field.

도 2는 이미지 소자 및 보조 요소를 포함하는 바람직한 실시태양의 전체 시스템의 레이아웃을 나타낸다. 다른 기체(210) 및 액체(220)를 배양 기체 및 영양액과 혼합할 수 있다. 이런 방식으로, 장치는 액체든 기체든 배양 중인 세포에서의 독성물질이나 다른 화학물질의 효과를 검정하는데 사용될 수 있다. 센서 배열에 의해 탐지가능한 세포 행동의 변화는 도입되는 화학물질에 대한 반응을 나타낼 수 있다. 시스템은 시스템에 사용되는 다양한 기체 및 액체의 주입, 제거 및 모니터링에 필요한 밸브(valve) 및 연관(plumbing)을 포함한다.2 shows the layout of the overall system of the preferred embodiment including the image elements and auxiliary elements. Other gases 210 and liquids 220 may be mixed with the culture gas and the nutrient solution. In this way, the device can be used to assay the effects of toxins or other chemicals on cells in culture, whether liquid or gas. Changes in cell behavior detectable by the sensor array may indicate a response to the chemicals introduced. The system includes valves and plumbing required for the injection, removal and monitoring of the various gases and liquids used in the system.

이하의 설명은 본 발명에 따른 시스템의 일 실시태양의 작동에 대한 일반적인 기술이다. 작동시, 이미지 소자는 정상적으로(즉, 이미지 소자가, 필요하면, 잔상(residual image)을 제거하고, 광자를 수집하는 노출(exposure) 모드로 해 놓는다) 사용하고; 세포는 발광할 수 있도록 자극되거나, 자가 자극하며(self-stimulate); 수집된 광자는 디지털 형태로 전환된다.The following description is a general description of the operation of one embodiment of a system according to the invention. In operation, the image element is used normally (ie, the image element is placed in an exposure mode where it removes residual images and, if necessary, collects photons); Cells are stimulated or self-stimulated to emit light; The collected photons are converted into digital form.

본 발명의 일 실시태양에 따르면, 이미지 소자는 CCD인데, 우선적으로 축적된 전하가 제거된다. 그의 시계파형(clock waveform)은 통합(integrating) 모드로 셋팅될 수 있으며, 이때 광자는 픽셀 웰에서 광전자(photo-electron)로 전환된다. 세포자극이 가해질 수 있으며, 형광자극 방출(fluoresecence-stimulating radiation)는 소자를 비출 수 있고, 노출이 일어난다. 일정 시간이 경과하면, 노출은 종료되며, CCD는 정상 모드로 읽혀진다. 결과적 이미지는 형광이 일어나는 밝은 영역(bright region)을 나타낸다.According to one embodiment of the invention, the image element is a CCD, wherein the accumulated charge is preferentially removed. Its clock waveform can be set in an integration mode, where photons are converted to photo-electrons in the pixel wells. Cell stimulation may be applied, and fluoresecence-stimulating radiation may illuminate the device and exposure occurs. After a certain time, the exposure is terminated and the CCD is read in normal mode. The resulting image shows a bright region where fluorescence occurs.

일련의 이미지가 얻어질 수 있으며, 여러 이미지간의 차이는 세포활성의 변화를 나타낸다. 이는 여러 서로 다른 과학의 영역에서 오랜기간 채용되어 온 기술인, 변화를 구별하기 위한 연속적인 사진을 관찰하는 것과 유사하다. 예를 들면, 이 기술은 20세기 초에 헨리타 레빗(Henrietta Leavitt)에 의해 가까운 은하계에서 별을 관측하기 위하여 사용되었다. 광도가 변하는 별의 광도를 측정하고, 시간에 따른 위치와 광도의 변화를 표로 만듦으로써. 그는 1000개 이상의 변화하는 별을 목록화할 수 있었다.A series of images can be obtained, and the differences between the various images indicate changes in cellular activity. This is analogous to observing a series of photographs to distinguish changes, a technique that has been employed for many years in different scientific spheres. For example, the technique was used by Henrietta Leavitt to observe stars in nearby galaxies in the early 20th century. By measuring the luminosity of stars whose luminosity changes, and tabulating the position and luminosity over time. He could list more than 1000 changing stars.

본 발명의 여러가지 실시태양은 플로우-3(fluo-3) 형태의 인비트로젠사에서 판매하는 형광 염료를 지시하는 이온을 사용하는 것을 포함한다. 이는 칼슘이온 추적 염료로서, 2가 칼슘이온(Ca2 +)에 부착하는 항체로 구성된다. 당업계의 숙련된 자라면, 동일하게 일반적 방법으로 기능하는 다른 이온, pH 또는 전압을 나타내는 염료가 본 발명에 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 활성 전위 자극 신호(112)가 뉴론에 적용될 수 있다. 뉴론이 세포체를 통해 활성 전위를 시냅스에 전달하면, 활성 전위가 인접하는 시냅스를 교차하는 세포체 영역내의 칼슘이온이 모아진다. 주로 490nm 정도의 적절한 파장을 가지는 광을 세포배지에 비춰줌으로써, 약 515nm의 피크, 약 505 내지 약 535nm 파장의 광이 Ca2 + 이온에 의해 발광된다. 즉, 515nm의 광이 반짝이는 뉴론의 위치를 나타낸다. 500nm 미만은 배제하나 500nm 이상의 광은 통과시키는 광 여과기(optical filter)에 의해 515nm의 광을 490nm의 광과 차별화시킬 수 있다. 이 실시태양에 의하면, 상기 여과기는 이미지 탐지기(101)(이 경우에는, CCD)와 방어층(102) 사이에 위치된다. 신경세포의 아래로 부터 이미지 센서 상단까지의 전체 거리는 약 1nm 미만이 된다(참조: 도 3). 도 4는 상술한 과정을 흐름도로 나타낸 것이다.Various embodiments of the present invention include the use of ions indicating fluorescent dyes sold by Invitrogen in the form of flow-3. It is a calcium ion tracer dye and consists of an antibody that attaches to divalent calcium ions (Ca 2+ ). Those skilled in the art will appreciate that dyes exhibiting other ions, pH or voltages that function in the same general manner may be used in the present invention. Active potential stimulation signal 112 may be applied to neurons. When a neuron delivers an action potential to a synapse through a cell body, calcium ions in the cell body region where the action potential crosses adjacent synapses are collected. Mainly illuminated by giving light having a proper wavelength of about 490nm to the cell medium, the peak of about 515nm, about 505 to light of about 535nm wavelength to the Ca 2 + ions Light emission. In other words, the position of the neuron is shiny 515nm light. An optical filter that excludes less than 500 nm but passes more than 500 nm can differentiate 515 nm light from 490 nm light. According to this embodiment, the filter is located between the image detector 101 (CCD in this case) and the protective layer 102. The total distance from the bottom of the neuron to the top of the image sensor is less than about 1 nm (see Figure 3). 4 shows a flowchart of the above-described process.

상술한 바와 유사한 다른 실시태양에 따르면, 광 여과기가 사용되지 않는다. 대신에, 세포 바로 밑의 픽셀에서 감지되는 자극된 세포로 부터의 약간 상향된 광신호가 배열 신경 신호(array neural signal)가 통과하는 곳을 나타낸다.According to another embodiment similar to that described above, no light filter is used. Instead, a slightly upward light signal from the stimulated cell, detected in the pixel just below the cell, indicates where the array neural signal passes.

본 발명의 다른 실시태양에 따르면, 전압-활성 염료(voltage-activated dye)가 형광염료 대신에 사용될 수 있다, 전압-활성 염료는 전압의 변화에 반응하고 광을 방출한다. 전압-감지 염료는 세포로 주입될 수 있거나, 영양액조를 통해 도입된다. 활성 전위가 관찰대상이 되는 각 개별 신경을 통과함에 따라, 광은 염료에 의해 발광된다. 광은 유사하게 활성화되는 연속적 뉴론(successive neuron)에 의해 발광된다.According to another embodiment of the present invention, a voltage-activated dye may be used instead of a fluorescent dye. The voltage-activated dye responds to a change in voltage and emits light. The voltage-sensitive dye may be injected into the cell or introduced through a nutrient solution bath. As the active potential passes through each individual nerve to be observed, light is emitted by the dye. Light is emitted by successive neurons that are similarly activated.

본 발명의 또 다른 실시태양에 따르면, 뉴론이외의 다른 세포 형태가 이용된다. 이들 세포는 자극에 반응하여, 또는 자극없이도 형광을 방출하거나 다른 신호를 방출한다. 소자는 본 시스템의 사용자(예를 들면, 과학자)로 하여금 연구대상 세포에 있는 화합물의 대사효과를 재빨리 설정하고 정량한다. 사용되는 세포는 예를 들면, 심장근 세포, 내피세포, 표피세포 및 재생세포를 포함한다. According to another embodiment of the invention, cell types other than neurons are used. These cells emit fluorescence or emit other signals in response to or without stimulation. The device quickly sets and quantifies the metabolic effects of compounds in the cells under study by the user of the system (eg, a scientist). Cells used include, for example, cardiomyocytes, endothelial cells, epidermal cells and regenerative cells.

본 발명의 또 다른 실시태양은 근육세포와 같은 동적 세포형태를 이용한다. 세포 또는 세포들의 동적 움직임은 대사활동의 지시자로 사용된다. 세포 움직임의 탐지는 명시야 장(bright field), 형광, 또는 다른 세포를 나타내는 수단을 통해 달성된다.Another embodiment of the invention utilizes dynamic cell morphology, such as muscle cells. The dynamic movement of the cell or cells is used as an indicator of metabolic activity. Detection of cell movement is accomplished through means of indicating bright field, fluorescence, or other cells.

상술한 실시태양에 따르면, CCD는 픽셀(칩 센서)의 상부에 바로 놓여진 심장근 세포의 수축률(contraction rate) 및 강도(amplitude)를 감지하는데 사용할 수 있다. 독성 물질은 수축률 및 강도의 변화(증가 또는 감소)에 의해 감지할 수 있다. 심장 세포 수축을 유도하는 자극으로서는, 이에 한정되는 것은 아니나, 전기장 자극(electrical field stimulation), 화학자극(chemical stimulation), 또는 증가하는 세포외 칼륨(extra-cellular potassium), 또는 이들과 다른 자극과의 조합일 수 있다. 수축의 감지는 심장세포가 놓여진 CCD 위로 빛(명시야 조사: bright field illumination))을 비춤으로써 달성된다. CCD는 세포의 자극-유도 수축을 기록하는 카메라로서 작용한다. CCD 센서이외에도, 나노와이어(nanowire) 또는 근육세포 또는 다른 세포에 의해 생성된 활성 전위를 측정할 수 있는 다른 전압 감지소자와 같은 칩에 위치하는 센서들이 고려될 수 있다.According to the embodiment described above, the CCD can be used to detect the contraction rate and amplitude of the cardiomyocytes placed directly on top of the pixel (chip sensor). Toxic substances can be detected by changes (increase or decrease) in shrinkage and strength. Stimuli that induce cardiac cell contraction include, but are not limited to, electrical field stimulation, chemical stimulation, or increased extra-cellular potassium, or their interaction with other stimuli. May be a combination. Detection of contraction is achieved by shining light (bright field illumination) over the CCD on which the heart cells are placed. The CCD acts as a camera to record the stimulus-induced contraction of the cells. In addition to CCD sensors, sensors located on the chip, such as nanowires or other voltage sensing devices capable of measuring the active potential generated by muscle cells or other cells, can be considered.

상술한 광원은 명시야 직류(bright field direct current)에 의해 구동되는 조사기일 수 있다. 본 발명의 다른 선행기술에 대한 한가지 장점은 이온채널에 있는 독소의 영향문제를 해결하기 위해 채용되는 형광 또는 정전기적 탐지방법을 사용하지 않는다는 것이다. 본 발명은 형광을 필요로 하지 않기 때문에, 형광 광원 및 염료에 의해 방출되는 형광을 보기 위한 광학 여과기를 필요로 하지 않는다. 더우기, 정전기적 탐지를 하지 않으므로써, 신경 또는 근육 세포 방출(활성 전위)에 민감한 칩을 필요로 하지 않는다. 본 발명은 단일 또는 시트 형태의 근육세포를 사용할 수 있었다. 자극의 특정 빈도에서의 속도 및 강도와 같은 수축 데이타가 독소의 존재 및 부존재하에서 분석될 수 있다.The light source described above may be an irradiator driven by a bright field direct current. One advantage of the other prior art of the present invention is that it does not use fluorescence or electrostatic detection methods employed to solve the problem of the effects of toxins in ion channels. Since the present invention does not require fluorescence, it does not need a fluorescent light source and an optical filter for viewing the fluorescence emitted by the dye. Furthermore, no electrostatic detection requires a chip that is sensitive to nerve or muscle cell release (active potential). The present invention could use a single or sheet muscle cells. Contraction data, such as rate and intensity at certain frequencies of stimulation, can be analyzed in the presence and absence of toxins.

이상에서는, 본 발명의 특정 실시태양을 중심으로 기술하였으나, 당업계의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 명세서에 기술된 개념을 포함하는 다른 실시태양도 본 발명의 사상 및 범주에서 벗어나지 않고도 이용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 상술한 실시태양은 단지 설명을 위한 것이지, 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니라는 것으로 이해되어야 한다.In the foregoing, specific embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art can use other embodiments including the concept described herein without departing from the spirit and scope of the present invention. I can understand that you can. It is to be understood that the above-described embodiments are merely illustrative and that the present invention is not limited thereto.

Claims (20)

(a) 세포 생장 배지층;(a) cell growth medium layer; (b) 내부 방어층;(b) an inner protective layer; (c) 광원(light source);(c) a light source; (d) 탐지기;(d) detectors; (e) 시스템에 의해 생성된 데이타를 수집하고 처리하기 위한 프로세서;(e) a processor for collecting and processing data generated by the system; (f) 데이타를 저장하기 위한 저장수단; 및,(f) storage means for storing data; And, (g) 상기 데이타를 표시하는 디스플레이 수단을 포함하고,(g) display means for displaying the data, 활성이 렌즈 또는 거울 등의 광학 전달체가 존재하지 않는 장치에 의해 탐지되는, 살아 있는 세포의 활성을 탐지하는 장치. A device for detecting the activity of living cells, the activity of which is detected by a device without an optical carrier such as a lens or a mirror. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 지지체가 구비되어, 액체 배양 배지를 함유하는 것을 특징으로 하는 A support is provided and contains a liquid culture medium. 장치.Device. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 지지체는 최소 1개 이상의 유입/유출 포트를 가지는 것을 특징으로 하 는 The support has at least one inlet / outlet port characterized in that 장치.Device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 세포 생장 배지층(a) 및 내부 방어층(b) 사이에 개재된 다이아몬드-양 카본층(d)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 And a diamond-yang carbon layer (d) interposed between the cell growth medium layer (a) and the inner protective layer (b). 장치.Device. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 탐지기는 빛의 방출 또는 전달, 전압의 변화 및 세포의 운동을 탐지할 수 있는 것을 특징으로 하는 The detector can detect the emission or transmission of light, the change in voltage and the movement of the cell, characterized in that 장치.Device. 제 5항에 있어서,The method of claim 5, 상기 탐지기는 전하 결합소자(charge-coupled device, CCD), 상보성 금속-옥사이드 반도체소자(complementary metal-oxide semiconductor device, CMOS), 전하 주입소자(charge injection device, CD), 및 다이오드 배열 또는 유사 고체상 광자 탐지소자(similar solid state photonic detection device)로 구성되는 그룹으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 The detector is a charge-coupled device (CCD), a complementary metal-oxide semiconductor device (CMOS), a charge injection device (CD), and a diode array or similar solid-state photons. Characterized in that it is selected from the group consisting of a solid solid state photonic detection device 장치.Device. 이미지 센서(101), 내부 방어층(102), 밀폐 지지체(103), 세포 생장배지(104), 액체 세포배양 영양조(nutrient bath)(105), 세포 배양 기체(106), 1차 포트(107) 및 2차 포트(108), 세포액 배수구(109), 세포 기압탭(110, cellular atmosphere tap), 광원(130) 및, 신호를 세포성분에 도입하는 수단(120)을 포함하는 Image sensor 101, inner protective layer 102, hermetic support 103, cell growth medium 104, liquid cell nutrient bath 105, cell culture gas 106, primary port ( 107 and a secondary port 108, a cell fluid drain 109, a cell atmosphere tap 110, a light source 130, and means 120 for introducing a signal into the cellular component 살아 있는 세포의 활성을 탐지하는 장치. Device for detecting the activity of living cells. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 세포 생장 배지층(104) 및 내부 방어층(102) 사이에 개재된 다이아몬드-양 카본층(111, diamond like carbon layer)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 It further comprises a diamond-like carbon layer 111 interposed between the cell growth medium layer 104 and the inner protective layer 102 장치.Device. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 이미지 센서(101) 및 탐지하려는 세포(100) 사이에 개재된 광여과기(300)를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 It further comprises an optical filter 300 interposed between the image sensor 101 and the cell 100 to be detected 장치.Device. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 2차 기체포트에 또한 연결되는 기체 혼합밸브(210)에 결합된 1차 기체 포트(205), 기체 유입포트(107)에 연결되는 기체 유입밸브(215)에 연결된 기체 혼합밸브를 추가로 포함하고, 또한 장치(103)의 외부와 연통하는 유출밸브(220)에 연결된 기체 유출밸브(110)를 추가로 포함하고, 2차 액체 포트(225)에 연결되는 액체 혼합밸브(235)에 결합된 1차 액체포트(230), 액체 유입포트(108)에 연결되는 액체 유입밸브(240)에 연결된 액체 혼합밸브의 유출구를 추가로 포함하고, 또한 장치(103)의 외부와 연통하는 액체 유출밸브(245)에 연결되는 액체 유출포트(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 And further comprising a primary gas port 205 coupled to the gas mixing valve 210 that is also connected to the secondary gas port, and a gas mixing valve connected to the gas inlet valve 215 connected to the gas inlet port 107. In addition, it further comprises a gas outlet valve 110 connected to the outlet valve 220 in communication with the outside of the device 103, 1 coupled to the liquid mixing valve 235 connected to the secondary liquid port 225 And further comprising an outlet of the liquid mixing valve connected to the primary liquid port 230, the liquid inlet valve 240 connected to the liquid inlet port 108, and also in communication with the outside of the device 103. It characterized in that it comprises a liquid outlet port 109 connected to 장치.Device. 제 7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 유체 유입포트(109)에 여과기를 통해 연결되는 장치(103)의 외부와 연통되는 1차 기체포트를 추가로 포함하고, 장치(103)의 외부에 연통하는 기체 유출포 트(107)를 가지며, 액체 유출포트(108)를 또한 가지는 것을 특징으로 하는 Further comprising a primary gas port in communication with the outside of the device 103 connected to the fluid inlet port 109 through the filter, having a gas outlet port 107 in communication with the outside of the device 103, Characterized in that it also has a liquid outlet port (108) 장치.Device. (a) 목적하는 세포를 제 1항에 개시된 장치에 위치시키는 단계;(a) positioning the cells of interest in the device described in claim 1; (b) 목적하는 세포로 하여금 충분한 시간동안 형광 지시염료를 흡수하도록 하는 단계; (b) allowing the cells of interest to absorb the fluorescent indicator dye for a sufficient time; (c) 목적하는 세포를 상기 지시염료의 여기파장(excitation wavelength)에 상응하는 파장을 가지는 광원에 노출시키는 단계;(c) exposing the cells of interest to a light source having a wavelength corresponding to the excitation wavelength of the indicator dye; (d) 상기 지시염료의 방출파장(emission wavelength)에 상응하는 파장을 가지는 형광의 방출을 탐지하는 단계; 및,(d) detecting the emission of fluorescence having a wavelength corresponding to the emission wavelength of the indicator dye; And, (e) 방출된 광량을 분석하는 단계를 포함하는,(e) analyzing the amount of light emitted, 살아 있는 세포의 활성을 탐지하는 방법.How to detect the activity of living cells. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 지시염료는 플로우-3(fluo-3) 또는 플로우-4(fluo-4)이고, 여기파장은 490nm 내지 510nm이며, 방출파장은 505nm 내지 535nm, 바람직하게는 515nm인 것을 특징으로 하는 The indicator dye is flow-3 (fluo-3) or flow-4 (fluo-4), the excitation wavelength is 490nm to 510nm, the emission wavelength is characterized in that 505nm to 535nm, preferably 515nm 방법.Way. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 지시염료는 칼슘 지시염료인 것을 특징으로 하는 The indicator dye is characterized in that the calcium indicator dye 방법.Way. 제 14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 칼슘 지시염료는 플로우(fluo) 유도체 염료, 퓨라(fura) 유도체 염료, 인도(indo) 유도체 염료, 로드-2(rhod-2), 칼슘그린 및 퀸-2(quin-2)로 구성되는 그룹으로 부터 선택되는 것을 특징으로 하는 The calcium indicator dye is a group consisting of flow derivative dye, fura derivative dye, indo derivative dye, Rhod-2, calcium green and quin-2. Characterized in that selected from 방법.Way. 제 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 지시염료는 이온 지시염료인 것을 특징으로 하는 The indicator dye is characterized in that the ion indicator dye 방법.Way. 제 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 지시염료는 전압 또는 pH 지시염료인 것을 특징으로 하는 The indicator dye is characterized in that the voltage or pH indicator dye 방법.Way. 제 12에 있어서,The method according to claim 12, 상기 목적하는 세포는 신경 세포(neuronal cell)인 것을 특징으로 하는 The cell of interest is characterized in that the neuron (neuronal cell) 방법.Way. 제 12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 목적하는 세포는 비-신경 세포(non-neuronal cell)인 것을 특징으로 하는 The cell of interest is characterized in that the non-neuron cells (non-neuronal cells) 방법.Way. (a) 목적하는 세포를 제 1항에 개시된 장치에 위치시키는 단계;(a) positioning the cells of interest in the device described in claim 1; (b) 목적하는 세포를 광원에 노출시키는 단계; (b) exposing the cells of interest to a light source; (c) 목적하는 세포의 이미지를 특정한 시차를 가지고 촬영하고, 이후의 분석을 위하여 상기 이미지를 저장하는 단계; 및,(c) taking an image of the cell of interest with a certain parallax and storing the image for later analysis; And, (d) 상기 이미지의 차이를 분석하는 단계를 포함하는,(d) analyzing the differences of the images, 살아 있는 세포의 활성을 탐지하는 방법.How to detect the activity of living cells.
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