专利名称：细胞分选装置、细胞分选芯片和细胞分选方法
技术领域：
本发明涉及用于对目标细胞(target cell)进行分选的细胞分选装置、实现该装置的细胞分选芯片以及用于该装置的细胞分选方法。
背景技术：
作为用于对细胞进行分选的装置，荧光流式细胞仪(fluorescent flowcytometer)和细胞分选仪是众所周知的。在这些用于对细胞进行分选的装置中，处于适当的振动条件下的周围流体将细胞维持在喷口(spout)处的气液交界面上，该振动条件通常包括几m/s的出口流速和几十kHz的振动频率。与此同时，还给予细胞电荷。施加了静电场的每个细胞根据给其的电荷的量在一个方向上像液滴那样在空中飞行。最后，在设置在流路(flowcharmel)外部的细胞分选容器中对细胞进行分选。对于诸如上文所提到的相对高的流速，这种技术是有用的。然而，在具有相对低的流速的流式细胞仪或介电细胞仪(dielectric cytometer)中，难以满足液滴转换条件和放出条件。因此，期望提供这样的结构，即，对包括分支流路的流路中的细胞进行分选操作，并且在后期阶段，获取细胞。作为流路中的细胞分选机制，已经提出了一种方法，根据该方法，例如，利用压电设备等来改变流体的流动方向以间接地驱动包含在流体中的细胞。然而，这种机械设备的响应值约几毫秒量级。因此，如果考虑流路中压力波的响应，则这种细胞分选机制提供了有限的细胞分选速度。作为用来直接驱动细胞的方法，另一方面，已经提出了介电泳力 (dielectrophoretic-force)方法。诸如 JP-T-2003-507739 (参照其中的图 1 和图 2)(以下简称专利文献1)的典型文献披露了介电泳力方法，根据该方法，利用流经设置有嵌入电极的流路的细胞之间的介电泳力的差异和细胞之间的下沉速度的差异将细胞分选为细胞类型彼此不同的多个细胞组。
发明内容
然而，与施加至细胞的介电泳力相比，细胞类型之间的介电泳力的差异极小。此夕卜，在细胞类型相同的细胞中，细胞之间的细胞直径、细胞周长等各不相同。如果考虑到细胞之间的介电泳力很小的差异以及细胞直径、细胞周长等的变化，可以预料这样的细胞分选方法实际上并不能很好地执行。因此，期望提供一种甚至在低流速的条件下仍能够以高的响应性和绝对的可靠性分选细胞的细胞分选装置。此外，还期望提供用于构成细胞分选装置的细胞分选芯片以及细胞分选装置所采用的细胞分选方法。根据发明实施方式的细胞分选装置具有流路、电场施加部和分流部。流路是包括细胞的流体流过其中的通路。电场施加部能够根据请求对细胞进行分选操作的细胞分选信号在流路上的第一位置处施加在不同于流体的流动方向的方向上具有梯度的电场。分流部是用于在流路上的第一位置的下游侧上的第二位置处将流动方向由于施加电场所产生的介电泳力而改变的细胞进行分流的部分。本发明关注这样的事实，即，与其他方法中依赖于经受介电泳力的每个细胞的细胞类型之间的介电泳力的差异的细胞分选方法相比，电场的梯度非常大。此外，根据通过采用一些技术由从测量部到测量值分析部的多个部分预先地产生的细胞分选信号，电场施加部导通和断开电场或调制电场的幅度，并选择性地将电场施加至细胞以对每个细胞给出介电泳力。因此，甚至在细胞直径和细胞物理性各不相同的细胞组情况下，例如，通过仅对被用作分选对象的每个细胞施加足够大的介电泳力，甚至在低流速的条件下仍能够以高响应性和绝对可靠性对细胞进行分选。此外，本发明的实施方式也可以提供如下结构，S卩，其中，电场施加部具有用于产生电场的多个电极对，并且对每个电极对或通过将电极对进行分组而获得的每个电极对组单独执行电场控制。在本发明的实施方式中，用来形成产生介电泳力的电场的各电极对通常设置在流路上，电极对被划分为上述的多个电极对组。然后，对每个电极对或每个电极对组单独执行电场的控制。因此，通过执行对电场的控制，即使多个细胞存于包括电极对的细胞分选区域中，仍可以以绝对的可靠性选择性地分选各细胞。此外，本发明的实施方式还提供了如下结构，S卩，其中，电场施加部具有用于产生电场的多个电极对，并且电极对以如下方式设置，即，由电极对产生最大介电泳力的位置沿着细胞的平均轨迹排列，所述细胞的流动方向通过介电泳力改变。根据上描述的本发明的实施方式，通过提供电极对，可以有效地利用介电泳力的位置依赖性。因此，可以减少电极对的数量，从而降低成本。此外，本发明的实施方式也可以提供如下结构，S卩，其中，为了产生具有梯度的电场，电场施加部设置有电极对，所述电极对具有用于接收信号的信号施加电极和共用电极， 并且在除用于产生具有梯度的电场的区域之外的区域内，信号施加电极与共用电极之间的间隙是固定的。在本发明的实施方式中，在作为包含细胞的液体的流动方向的主流动方向上两个彼此隔开的电极对之间的某些部分处，存在介电泳力在与细胞的运动相反的方向上产生的不期望的位置。然而，通过使用共用电极，当细胞在主流动方向上移动时，不存在反向介电泳力起作用的这样的部分，或者与正常方向介电泳力的区域相比，反向介电泳力的幅值非常小，使得可以忽略反向介电泳力。根据发明的实施方式的细胞分选芯片具有基板、输入部、流路、电极对和分流部。流路设置在基板上。流路是包括细胞的流体流过其中的通路。输入部同样设置在基板上。输入部接收用于分选细胞的细胞分选信号。电极对设置在流路上的第一位置处。电极对基于从输入部接收的细胞分选信号， 施加在不同于流体的流动方向的方向上具有梯度的电场。分流部是用于在流路上的第一位置的下游侧上的第二位置处将流动方向由于施加电场所产生的介电泳力而改变的细胞进行分流的部分。因此，在本发明的实施方式中，通过使用具有上述结构的细胞分选芯片，甚至在细胞直径和细胞物理性各不相同的细胞组的情况下，例如，通过仅对被用作分选的对象的每个细胞施加足够大的介电泳力，甚至在低流速的条件下仍能够以高的响应性和绝对的可靠性将细胞进行分选。根据本发明的实施方式的细胞分选方法，驱使包含细胞的流体流过流路。然后，基于细胞分选信号，在流路上的第一位置处选择性地施加在不同于液体的流动方向的方向上具有梯度的电场。随后，由于施加电场产生的介电泳力而导致的其流动方向改变的细胞在流路上的第一位置的下游侧上的第二位置处在细胞分选操作中进行分流。因此，在本发明的实施方式中，通过采用上述的细胞分选方法，甚至在细胞直径和细胞物理性各不相同的细胞组的情况下，例如，通过仅对用作分选的对象的每个细胞施加足够大的介电泳力，即使在低的流速条件下仍能够以高的响应性和绝对的可靠性将细胞进行分选。根据本发明，即使在低的流速条件下仍能够以高的响应性和绝对的可靠性将细胞进行分选。
图1是示出了根据本发明的实施方式的细胞功能分析/分选系统的概图；图2是示出了在图1中所示的细胞功能分析/分选系统中可用的细胞分选芯片的结构的透视图；图3是示出了在细胞分选信号断开的情况下图2中所示的细胞分选芯片中采用的细胞分选部的电场施加部的结构的顶视图的示图；图4是示出了沿着图3中的线A-A的横截面的示图；图5是示出了在细胞分选信号导通的情况下图2中所示的细胞分选芯片中采用的细胞分选部的电场施加部的结构的顶视图的示图；图6是示出了细胞分选部的电场施加部的第一其他结构的顶视图的示图；图7是示出了用于对图6中所示的电场施加部中的每组电极对施加电场进行控制的结构的框图；图8是示出了提供至图7中所示的结构中所采用的每个放大器的使能信号的定时的示图；图9是示出了在细胞分选部中采用的电场施加部的第二其他结构的顶视图的示图；图10是示出了细胞分选部中采用的电场施加部的第三其他结构的顶视图的示图；图11是示出了细胞分选部中采用的电场施加部的第四其他结构的顶视图的示图；图12是示出了细胞分选部中采用的电场施加部的第五其他结构的透视图。
具体实施例方式下面通过参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。细胞功能分析/分选系统
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图1是示出了根据本发明实施方式的细胞功能分析/分选系统1的概图。如图1所示，细胞功能分析/分选系统1具有沿着微流路2 (以下简称流路2)设置的注入部3、测量部4、细胞分选部5、细胞获取部6和7以及流出部10。注入部3通常是用来通过利用泵接收作为包含样本细胞C的液体而注入到注入部 3中的液体的部分。流路2是注入至注入部3中的液体流过的通路。测量部4为对流过流路2的各个细胞C以典型的0. IMHz至50MHz的频率范围内的频点来测量细胞的复介电常数的部分。频率范围是细胞C的介电弛豫现象(dielectric relaxation phenomenon)出现的范围。测量部4以典型的三个以上频点来测量细胞C的复介电常数。例如，测量部4以10至20个频点来测量细胞C的复介电常数。测量部4根据测量的细胞C的复介电常数确定细胞C是否是待分选的细胞。如果细胞C是待分选的细胞，测量部4则输出细胞分选信号。通常，测量部4可以被构造为包括信号检测部和细胞功能分析部。通常，信号检测部被构造为包括一对电极，而细胞功能分析部为用于基于检测的信号对细胞C的功能进行分析的部分。细胞分选部5从通过注入部3注入的多个细胞C中选择期望的细胞C作为不同类型的细胞C，并且在所谓的细胞分选过程中向细胞获取部6提供期望的细胞C，而向细胞获取部7提供其他细胞C。细胞分选部5具有电场施加部8和分流部9。设置在细胞分选部5中的电场施加部8为能够施加在与流体流动的X方向不同的方向上具有梯度的电场的部分。例如，电场施加部8能够施加在垂直于X方向(流体的流动方向)的Y方向上具有梯度的电场。通常，当未接收到细胞分选信号时，电场施加部8不施加电场。另一方面，当接收到细胞分选信号时，电场施加部8施加电场。当然，也可以提供这样一种结构，即，其中，相反地，当接收到细胞分选信号时，电场施加部8不施加电场， 而另一方面，当未接收到细胞分选信号时，电场施加部8施加电场。细胞分选部5中采用的分流部9是这样的一个部分，即，将电场施加部8未对其施加电场的细胞C通过分支流路2b引导至细胞获取部7，而将经受由电场施加部8所产生的电场的细胞C通过分支流路加引导至细胞获取部6。细胞获取部6和7通过流路2连接至流出部10。穿过细胞获取部6和7的流体通过泵从流出部10全部排至外部的指定目标。如果将电场施加至存在于作为流动介质的流体中的细胞C，由于流动介质与细胞 C之间的极化率的差异，则会产生感应偶极矩。如果电场是不均勻的，电场的强度在细胞C 的周围变化，从而感应偶极矩产生由以下给出的等式(1)所表达的介电泳力。在等式(1) 中，符号ε，m表示复比介电常数(complex specific dielectric constant)的实部，符号ε ν表示真空介电常数，符号R表示细胞C的半径，以及符号Erms表示施加的电场的RMS 值。复比介电常数由下文给出的等式⑵定义。此外，等式⑴中使用的符号K为由下文给出的等式(3)表达的克劳修斯-莫索提函数(Clausius-Mossotti function) 0在等式 (3)中，符号ε*ρ和ε *m分别表示细胞C和流动介质的介电常数。
权利要求
1.一种细胞分选装置，包括流路，包括细胞的流体流过所述流路；电场施加部，能够根据请求对所述细胞进行分选操作的细胞分选信号在所述流路上的第一位置处施加在不同于所述流体的流动方向的方向上具有梯度的电场；以及分流部，被构造为在所述流路上的所述第一位置的下游侧上的第二位置处将流动方向由于施加所述电场所产生的介电泳力而改变的所述细胞进行分流。
2.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其中，所述电场施加部具有用于产生所述电场的多个电极对，并且对每个所述电极对或通过对所述电极对分组而获得的电极对组单独执行所述电场的控制。
3.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其中，所述电场施加部具有用于产生所述电场的多个电极对，并且所述电极对以如下方式设置由所述电极对产生最大介电泳力的位置沿着所述细胞的平均轨迹排列，所述细胞的流动方向通过所述介电泳力来改变。
4.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其中，为了产生具有梯度的所述电场，所述电场施加部设置有电极对，所述电极对具有用于接收信号的信号施加电极和共用电极，并且在除用于产生具有梯度的所述电场的区域之外的区域中，所述信号施加电极与所述共用电极之间的间隙是固定的。
5.根据权利要求1所述的细胞分选装置，其中，所述电场施加部具有两组用于产生所述电场的多个电极对，所述两组多个电极对分别设置在所述流路的底面和顶面上两个位置处，设置在所述流路的顶面上的多个电极对的组在与由设置在所述流路的底面上的多个电极对的组施加至所述细胞的介电泳力的方向相反的方向上将介电泳力施加至流过所述流路的所述细胞。
6.一种细胞分选芯片，包括基板；流路，设置在所述基板上，以用作包括细胞的流体流过其中的流路；输入部，同样设置在所述基板上，以用作被构造为接收用于分选所述细胞的细胞分选信号的输入部；电极对，设置在所述流路上的第一位置处，以用作通过利用从所述输入部接收的所述细胞分选信号而施加在与所述流体的流动方向不同的方向上具有梯度的电场的电极对；以及分流部，被构造为在所述流路上的所述第一位置的下游侧上的第二位置处将流动方向由于施加所述电场所产生的介电泳力而改变的所述细胞进行分流。
7.一种细胞分选方法，包括驱使包含细胞的流体流过流路；根据请求对所述细胞进行分选操作的细胞分选信号，在所述流路上的第一位置处施加在不同于所述流体的流动方向的方向上具有梯度的电场；以及通过在所述流路上的所述第一位置的下游侧上的第二位置处对流动方向由于施加所述电场所产生的介电泳力而改变的所述细胞进行分流而对所述细胞进行分选。
全文摘要
本发明披露了细胞分选装置、细胞分选芯片和细胞分选方法。一种细胞分选装置，包括流路，包括细胞的流体流过该流路；电场施加部，能够根据请求对所述细胞进行分选的操作的细胞分选信号在流路上的第一位置处施加在不同于所述流体的流动方向的方向上具有梯度的电场；以及分流部，被构造为在流路上的第一位置的下游一侧上的第二位置处将流动方向由于施加电场所产生的介电泳力而改变的细胞进行分流。
文档编号C12N5/00GK102465094SQ20111032474
公开日2012年5月23日 申请日期2011年10月21日 优先权日2010年10月29日
发明者佐藤一雅, 胜本洋一, 赫洛瑟·科克肯波特 申请人:索尼公司