專利名稱：細(xì)胞分選裝置、細(xì)胞分選芯片和細(xì)胞分選方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于對(duì)目標(biāo)細(xì)胞(target cell)進(jìn)行分選的細(xì)胞分選裝置、實(shí)現(xiàn)該裝置的細(xì)胞分選芯片以及用于該裝置的細(xì)胞分選方法。
背景技術(shù)：
作為用于對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選的裝置，熒光流式細(xì)胞儀(fluorescent flowcytometer)和細(xì)胞分選儀是眾所周知的。在這些用于對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選的裝置中，處于適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)條件下的周圍流體將細(xì)胞維持在噴口(spout)處的氣液交界面上，該振動(dòng)條件通常包括幾m/s的出口流速和幾十kHz的振動(dòng)頻率。與此同時(shí)，還給予細(xì)胞電荷。施加了靜電場(chǎng)的每個(gè)細(xì)胞根據(jù)給其的電荷的量在一個(gè)方向上像液滴那樣在空中飛行。最后，在設(shè)置在流路(flowcharmel)外部的細(xì)胞分選容器中對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選。對(duì)于諸如上文所提到的相對(duì)高的流速，這種技術(shù)是有用的。然而，在具有相對(duì)低的流速的流式細(xì)胞儀或介電細(xì)胞儀(dielectric cytometer)中，難以滿足液滴轉(zhuǎn)換條件和放出條件。因此，期望提供這樣的結(jié)構(gòu)，即，對(duì)包括分支流路的流路中的細(xì)胞進(jìn)行分選操作，并且在后期階段，獲取細(xì)胞。作為流路中的細(xì)胞分選機(jī)制，已經(jīng)提出了一種方法，根據(jù)該方法，例如，利用壓電設(shè)備等來改變流體的流動(dòng)方向以間接地驅(qū)動(dòng)包含在流體中的細(xì)胞。然而，這種機(jī)械設(shè)備的響應(yīng)值約幾毫秒量級(jí)。因此，如果考慮流路中壓力波的響應(yīng)，則這種細(xì)胞分選機(jī)制提供了有限的細(xì)胞分選速度。作為用來直接驅(qū)動(dòng)細(xì)胞的方法，另一方面，已經(jīng)提出了介電泳力 (dielectrophoretic-force)方法。諸如 JP-T-2003-507739 (參照其中的圖 1 和圖 2)(以下簡(jiǎn)稱專利文獻(xiàn)1)的典型文獻(xiàn)披露了介電泳力方法，根據(jù)該方法，利用流經(jīng)設(shè)置有嵌入電極的流路的細(xì)胞之間的介電泳力的差異和細(xì)胞之間的下沉速度的差異將細(xì)胞分選為細(xì)胞類型彼此不同的多個(gè)細(xì)胞組。

發(fā)明內(nèi)容
然而，與施加至細(xì)胞的介電泳力相比，細(xì)胞類型之間的介電泳力的差異極小。此夕卜，在細(xì)胞類型相同的細(xì)胞中，細(xì)胞之間的細(xì)胞直徑、細(xì)胞周長(zhǎng)等各不相同。如果考慮到細(xì)胞之間的介電泳力很小的差異以及細(xì)胞直徑、細(xì)胞周長(zhǎng)等的變化，可以預(yù)料這樣的細(xì)胞分選方法實(shí)際上并不能很好地執(zhí)行。因此，期望提供一種甚至在低流速的條件下仍能夠以高的響應(yīng)性和絕對(duì)的可靠性分選細(xì)胞的細(xì)胞分選裝置。此外，還期望提供用于構(gòu)成細(xì)胞分選裝置的細(xì)胞分選芯片以及細(xì)胞分選裝置所采用的細(xì)胞分選方法。根據(jù)發(fā)明實(shí)施方式的細(xì)胞分選裝置具有流路、電場(chǎng)施加部和分流部。流路是包括細(xì)胞的流體流過其中的通路。電場(chǎng)施加部能夠根據(jù)請(qǐng)求對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選操作的細(xì)胞分選信號(hào)在流路上的第一位置處施加在不同于流體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)。分流部是用于在流路上的第一位置的下游側(cè)上的第二位置處將流動(dòng)方向由于施加電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的細(xì)胞進(jìn)行分流的部分。本發(fā)明關(guān)注這樣的事實(shí)，即，與其他方法中依賴于經(jīng)受介電泳力的每個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞類型之間的介電泳力的差異的細(xì)胞分選方法相比，電場(chǎng)的梯度非常大。此外，根據(jù)通過采用一些技術(shù)由從測(cè)量部到測(cè)量值分析部的多個(gè)部分預(yù)先地產(chǎn)生的細(xì)胞分選信號(hào)，電場(chǎng)施加部導(dǎo)通和斷開電場(chǎng)或調(diào)制電場(chǎng)的幅度，并選擇性地將電場(chǎng)施加至細(xì)胞以對(duì)每個(gè)細(xì)胞給出介電泳力。因此，甚至在細(xì)胞直徑和細(xì)胞物理性各不相同的細(xì)胞組情況下，例如，通過僅對(duì)被用作分選對(duì)象的每個(gè)細(xì)胞施加足夠大的介電泳力，甚至在低流速的條件下仍能夠以高響應(yīng)性和絕對(duì)可靠性對(duì)細(xì)胞進(jìn)行分選。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式也可以提供如下結(jié)構(gòu)，S卩，其中，電場(chǎng)施加部具有用于產(chǎn)生電場(chǎng)的多個(gè)電極對(duì)，并且對(duì)每個(gè)電極對(duì)或通過將電極對(duì)進(jìn)行分組而獲得的每個(gè)電極對(duì)組單獨(dú)執(zhí)行電場(chǎng)控制。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，用來形成產(chǎn)生介電泳力的電場(chǎng)的各電極對(duì)通常設(shè)置在流路上，電極對(duì)被劃分為上述的多個(gè)電極對(duì)組。然后，對(duì)每個(gè)電極對(duì)或每個(gè)電極對(duì)組單獨(dú)執(zhí)行電場(chǎng)的控制。因此，通過執(zhí)行對(duì)電場(chǎng)的控制，即使多個(gè)細(xì)胞存于包括電極對(duì)的細(xì)胞分選區(qū)域中，仍可以以絕對(duì)的可靠性選擇性地分選各細(xì)胞。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式還提供了如下結(jié)構(gòu)，S卩，其中，電場(chǎng)施加部具有用于產(chǎn)生電場(chǎng)的多個(gè)電極對(duì)，并且電極對(duì)以如下方式設(shè)置，即，由電極對(duì)產(chǎn)生最大介電泳力的位置沿著細(xì)胞的平均軌跡排列，所述細(xì)胞的流動(dòng)方向通過介電泳力改變。根據(jù)上描述的本發(fā)明的實(shí)施方式，通過提供電極對(duì)，可以有效地利用介電泳力的位置依賴性。因此，可以減少電極對(duì)的數(shù)量，從而降低成本。此外，本發(fā)明的實(shí)施方式也可以提供如下結(jié)構(gòu)，S卩，其中，為了產(chǎn)生具有梯度的電場(chǎng)，電場(chǎng)施加部設(shè)置有電極對(duì)，所述電極對(duì)具有用于接收信號(hào)的信號(hào)施加電極和共用電極， 并且在除用于產(chǎn)生具有梯度的電場(chǎng)的區(qū)域之外的區(qū)域內(nèi)，信號(hào)施加電極與共用電極之間的間隙是固定的。在本發(fā)明的實(shí)施方式中，在作為包含細(xì)胞的液體的流動(dòng)方向的主流動(dòng)方向上兩個(gè)彼此隔開的電極對(duì)之間的某些部分處，存在介電泳力在與細(xì)胞的運(yùn)動(dòng)相反的方向上產(chǎn)生的不期望的位置。然而，通過使用共用電極，當(dāng)細(xì)胞在主流動(dòng)方向上移動(dòng)時(shí)，不存在反向介電泳力起作用的這樣的部分，或者與正常方向介電泳力的區(qū)域相比，反向介電泳力的幅值非常小，使得可以忽略反向介電泳力。根據(jù)發(fā)明的實(shí)施方式的細(xì)胞分選芯片具有基板、輸入部、流路、電極對(duì)和分流部。流路設(shè)置在基板上。流路是包括細(xì)胞的流體流過其中的通路。輸入部同樣設(shè)置在基板上。輸入部接收用于分選細(xì)胞的細(xì)胞分選信號(hào)。電極對(duì)設(shè)置在流路上的第一位置處。電極對(duì)基于從輸入部接收的細(xì)胞分選信號(hào)， 施加在不同于流體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)。分流部是用于在流路上的第一位置的下游側(cè)上的第二位置處將流動(dòng)方向由于施加電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的細(xì)胞進(jìn)行分流的部分。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，通過使用具有上述結(jié)構(gòu)的細(xì)胞分選芯片，甚至在細(xì)胞直徑和細(xì)胞物理性各不相同的細(xì)胞組的情況下，例如，通過僅對(duì)被用作分選的對(duì)象的每個(gè)細(xì)胞施加足夠大的介電泳力，甚至在低流速的條件下仍能夠以高的響應(yīng)性和絕對(duì)的可靠性將細(xì)胞進(jìn)行分選。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的細(xì)胞分選方法，驅(qū)使包含細(xì)胞的流體流過流路。然后，基于細(xì)胞分選信號(hào)，在流路上的第一位置處選擇性地施加在不同于液體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)。隨后，由于施加電場(chǎng)產(chǎn)生的介電泳力而導(dǎo)致的其流動(dòng)方向改變的細(xì)胞在流路上的第一位置的下游側(cè)上的第二位置處在細(xì)胞分選操作中進(jìn)行分流。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，通過采用上述的細(xì)胞分選方法，甚至在細(xì)胞直徑和細(xì)胞物理性各不相同的細(xì)胞組的情況下，例如，通過僅對(duì)用作分選的對(duì)象的每個(gè)細(xì)胞施加足夠大的介電泳力，即使在低的流速條件下仍能夠以高的響應(yīng)性和絕對(duì)的可靠性將細(xì)胞進(jìn)行分選。根據(jù)本發(fā)明，即使在低的流速條件下仍能夠以高的響應(yīng)性和絕對(duì)的可靠性將細(xì)胞進(jìn)行分選。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的細(xì)胞功能分析/分選系統(tǒng)的概圖；圖2是示出了在圖1中所示的細(xì)胞功能分析/分選系統(tǒng)中可用的細(xì)胞分選芯片的結(jié)構(gòu)的透視圖；圖3是示出了在細(xì)胞分選信號(hào)斷開的情況下圖2中所示的細(xì)胞分選芯片中采用的細(xì)胞分選部的電場(chǎng)施加部的結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖4是示出了沿著圖3中的線A-A的橫截面的示圖；圖5是示出了在細(xì)胞分選信號(hào)導(dǎo)通的情況下圖2中所示的細(xì)胞分選芯片中采用的細(xì)胞分選部的電場(chǎng)施加部的結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖6是示出了細(xì)胞分選部的電場(chǎng)施加部的第一其他結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖7是示出了用于對(duì)圖6中所示的電場(chǎng)施加部中的每組電極對(duì)施加電場(chǎng)進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)的框圖；圖8是示出了提供至圖7中所示的結(jié)構(gòu)中所采用的每個(gè)放大器的使能信號(hào)的定時(shí)的示圖；圖9是示出了在細(xì)胞分選部中采用的電場(chǎng)施加部的第二其他結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖10是示出了細(xì)胞分選部中采用的電場(chǎng)施加部的第三其他結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖11是示出了細(xì)胞分選部中采用的電場(chǎng)施加部的第四其他結(jié)構(gòu)的頂視圖的示圖；圖12是示出了細(xì)胞分選部中采用的電場(chǎng)施加部的第五其他結(jié)構(gòu)的透視圖。
具體實(shí)施例方式下面通過參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)的說明。細(xì)胞功能分析/分選系統(tǒng)
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圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的細(xì)胞功能分析/分選系統(tǒng)1的概圖。如圖1所示，細(xì)胞功能分析/分選系統(tǒng)1具有沿著微流路2 (以下簡(jiǎn)稱流路2)設(shè)置的注入部3、測(cè)量部4、細(xì)胞分選部5、細(xì)胞獲取部6和7以及流出部10。注入部3通常是用來通過利用泵接收作為包含樣本細(xì)胞C的液體而注入到注入部 3中的液體的部分。流路2是注入至注入部3中的液體流過的通路。測(cè)量部4為對(duì)流過流路2的各個(gè)細(xì)胞C以典型的0. IMHz至50MHz的頻率范圍內(nèi)的頻點(diǎn)來測(cè)量細(xì)胞的復(fù)介電常數(shù)的部分。頻率范圍是細(xì)胞C的介電弛豫現(xiàn)象(dielectric relaxation phenomenon)出現(xiàn)的范圍。測(cè)量部4以典型的三個(gè)以上頻點(diǎn)來測(cè)量細(xì)胞C的復(fù)介電常數(shù)。例如，測(cè)量部4以10至20個(gè)頻點(diǎn)來測(cè)量細(xì)胞C的復(fù)介電常數(shù)。測(cè)量部4根據(jù)測(cè)量的細(xì)胞C的復(fù)介電常數(shù)確定細(xì)胞C是否是待分選的細(xì)胞。如果細(xì)胞C是待分選的細(xì)胞，測(cè)量部4則輸出細(xì)胞分選信號(hào)。通常，測(cè)量部4可以被構(gòu)造為包括信號(hào)檢測(cè)部和細(xì)胞功能分析部。通常，信號(hào)檢測(cè)部被構(gòu)造為包括一對(duì)電極，而細(xì)胞功能分析部為用于基于檢測(cè)的信號(hào)對(duì)細(xì)胞C的功能進(jìn)行分析的部分。細(xì)胞分選部5從通過注入部3注入的多個(gè)細(xì)胞C中選擇期望的細(xì)胞C作為不同類型的細(xì)胞C，并且在所謂的細(xì)胞分選過程中向細(xì)胞獲取部6提供期望的細(xì)胞C，而向細(xì)胞獲取部7提供其他細(xì)胞C。細(xì)胞分選部5具有電場(chǎng)施加部8和分流部9。設(shè)置在細(xì)胞分選部5中的電場(chǎng)施加部8為能夠施加在與流體流動(dòng)的X方向不同的方向上具有梯度的電場(chǎng)的部分。例如，電場(chǎng)施加部8能夠施加在垂直于X方向(流體的流動(dòng)方向)的Y方向上具有梯度的電場(chǎng)。通常，當(dāng)未接收到細(xì)胞分選信號(hào)時(shí)，電場(chǎng)施加部8不施加電場(chǎng)。另一方面，當(dāng)接收到細(xì)胞分選信號(hào)時(shí)，電場(chǎng)施加部8施加電場(chǎng)。當(dāng)然，也可以提供這樣一種結(jié)構(gòu)，即，其中，相反地，當(dāng)接收到細(xì)胞分選信號(hào)時(shí)，電場(chǎng)施加部8不施加電場(chǎng)， 而另一方面，當(dāng)未接收到細(xì)胞分選信號(hào)時(shí)，電場(chǎng)施加部8施加電場(chǎng)。細(xì)胞分選部5中采用的分流部9是這樣的一個(gè)部分，即，將電場(chǎng)施加部8未對(duì)其施加電場(chǎng)的細(xì)胞C通過分支流路2b引導(dǎo)至細(xì)胞獲取部7，而將經(jīng)受由電場(chǎng)施加部8所產(chǎn)生的電場(chǎng)的細(xì)胞C通過分支流路加引導(dǎo)至細(xì)胞獲取部6。細(xì)胞獲取部6和7通過流路2連接至流出部10。穿過細(xì)胞獲取部6和7的流體通過泵從流出部10全部排至外部的指定目標(biāo)。如果將電場(chǎng)施加至存在于作為流動(dòng)介質(zhì)的流體中的細(xì)胞C，由于流動(dòng)介質(zhì)與細(xì)胞 C之間的極化率的差異，則會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)偶極矩。如果電場(chǎng)是不均勻的，電場(chǎng)的強(qiáng)度在細(xì)胞C 的周圍變化，從而感應(yīng)偶極矩產(chǎn)生由以下給出的等式(1)所表達(dá)的介電泳力。在等式(1) 中，符號(hào)ε，m表示復(fù)比介電常數(shù)(complex specific dielectric constant)的實(shí)部，符號(hào)ε ν表示真空介電常數(shù)，符號(hào)R表示細(xì)胞C的半徑，以及符號(hào)Erms表示施加的電場(chǎng)的RMS 值。復(fù)比介電常數(shù)由下文給出的等式⑵定義。此外，等式⑴中使用的符號(hào)K為由下文給出的等式(3)表達(dá)的克勞修斯-莫索提函數(shù)(Clausius-Mossotti function) 0在等式 (3)中，符號(hào)ε*ρ和ε *m分別表示細(xì)胞C和流動(dòng)介質(zhì)的介電常數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種細(xì)胞分選裝置，包括流路，包括細(xì)胞的流體流過所述流路；電場(chǎng)施加部，能夠根據(jù)請(qǐng)求對(duì)所述細(xì)胞進(jìn)行分選操作的細(xì)胞分選信號(hào)在所述流路上的第一位置處施加在不同于所述流體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)；以及分流部，被構(gòu)造為在所述流路上的所述第一位置的下游側(cè)上的第二位置處將流動(dòng)方向由于施加所述電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的所述細(xì)胞進(jìn)行分流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞分選裝置，其中，所述電場(chǎng)施加部具有用于產(chǎn)生所述電場(chǎng)的多個(gè)電極對(duì)，并且對(duì)每個(gè)所述電極對(duì)或通過對(duì)所述電極對(duì)分組而獲得的電極對(duì)組單獨(dú)執(zhí)行所述電場(chǎng)的控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞分選裝置，其中，所述電場(chǎng)施加部具有用于產(chǎn)生所述電場(chǎng)的多個(gè)電極對(duì)，并且所述電極對(duì)以如下方式設(shè)置由所述電極對(duì)產(chǎn)生最大介電泳力的位置沿著所述細(xì)胞的平均軌跡排列，所述細(xì)胞的流動(dòng)方向通過所述介電泳力來改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞分選裝置，其中，為了產(chǎn)生具有梯度的所述電場(chǎng)，所述電場(chǎng)施加部設(shè)置有電極對(duì)，所述電極對(duì)具有用于接收信號(hào)的信號(hào)施加電極和共用電極，并且在除用于產(chǎn)生具有梯度的所述電場(chǎng)的區(qū)域之外的區(qū)域中，所述信號(hào)施加電極與所述共用電極之間的間隙是固定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的細(xì)胞分選裝置，其中，所述電場(chǎng)施加部具有兩組用于產(chǎn)生所述電場(chǎng)的多個(gè)電極對(duì)，所述兩組多個(gè)電極對(duì)分別設(shè)置在所述流路的底面和頂面上兩個(gè)位置處，設(shè)置在所述流路的頂面上的多個(gè)電極對(duì)的組在與由設(shè)置在所述流路的底面上的多個(gè)電極對(duì)的組施加至所述細(xì)胞的介電泳力的方向相反的方向上將介電泳力施加至流過所述流路的所述細(xì)胞。
6.一種細(xì)胞分選芯片，包括基板；流路，設(shè)置在所述基板上，以用作包括細(xì)胞的流體流過其中的流路；輸入部，同樣設(shè)置在所述基板上，以用作被構(gòu)造為接收用于分選所述細(xì)胞的細(xì)胞分選信號(hào)的輸入部；電極對(duì)，設(shè)置在所述流路上的第一位置處，以用作通過利用從所述輸入部接收的所述細(xì)胞分選信號(hào)而施加在與所述流體的流動(dòng)方向不同的方向上具有梯度的電場(chǎng)的電極對(duì)；以及分流部，被構(gòu)造為在所述流路上的所述第一位置的下游側(cè)上的第二位置處將流動(dòng)方向由于施加所述電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的所述細(xì)胞進(jìn)行分流。
7.一種細(xì)胞分選方法，包括驅(qū)使包含細(xì)胞的流體流過流路；根據(jù)請(qǐng)求對(duì)所述細(xì)胞進(jìn)行分選操作的細(xì)胞分選信號(hào)，在所述流路上的第一位置處施加在不同于所述流體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)；以及通過在所述流路上的所述第一位置的下游側(cè)上的第二位置處對(duì)流動(dòng)方向由于施加所述電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的所述細(xì)胞進(jìn)行分流而對(duì)所述細(xì)胞進(jìn)行分選。
全文摘要
本發(fā)明披露了細(xì)胞分選裝置、細(xì)胞分選芯片和細(xì)胞分選方法。一種細(xì)胞分選裝置，包括流路，包括細(xì)胞的流體流過該流路；電場(chǎng)施加部，能夠根據(jù)請(qǐng)求對(duì)所述細(xì)胞進(jìn)行分選的操作的細(xì)胞分選信號(hào)在流路上的第一位置處施加在不同于所述流體的流動(dòng)方向的方向上具有梯度的電場(chǎng)；以及分流部，被構(gòu)造為在流路上的第一位置的下游一側(cè)上的第二位置處將流動(dòng)方向由于施加電場(chǎng)所產(chǎn)生的介電泳力而改變的細(xì)胞進(jìn)行分流。
文檔編號(hào)C12N5/00GK102465094SQ20111032474
公開日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者佐藤一雅, 勝本洋一, 赫洛瑟·科克肯波特 申請(qǐng)人:索尼公司