细胞沉积和成像装置的制作方法

本发明涉及一种用于沉积和扫描生物材料的细胞沉积和成像装置。

背景技术：

1、机械和光学技术当前用于创建用于医学成像和数字打印引擎的明视场数字病理幻灯片扫描仪。用低拷贝数样本的荧光/显色信号和数字明视场成像(数字显微镜、共聚焦显微镜、wsi扫描仪)评估的多液滴微阵列技术(生物芯片、基因组测序)目前作为商业产品以单独的独立形式存在。

2、现代工业生命科学研究集中于高通量方法，以快速且可靠地发现、开发和制造治疗剂。大多数生命科学方法以溶液中的生物分子(dna和蛋白质)和细胞为目标。通过在同一时间在同一地点多重分析不同目标的数千个小规模实验，获得最高通量和统计相关性。

3、当前技术使用具有单功能技术的独立过程来执行生物分析。荧光和比色法的次级标记物通常给出蛋白质/dna微阵列和单细胞技术的相对定量，从而，几乎不以直接、实时观察的方式通过信号解释推断出结果。药物/生物分子对活细胞的确切形态学变化很少以高通量方法来记录，并且通常限于单样本研究。

4、可视化(visualising)方法，如数字或手动显微镜，传统上接受单个或低拷贝数样本，如显微镜载玻片或6-24孔盘，并且在这样做时一次测量一个相对样本。结果是在活实验中的独立样本遭受时间变化，因此需要针对一致性的更广泛的统计重复或者固定/死的样本以消除时间变化，但这阻止了继续研究。

5、当前解决消除作为样本到样本变量的时间的技术通过包括一个传感器/样本来实现这一点，因此与吞吐量成比例地大量增加成本。由于这些液滴阵列和检测过程通常是不同的，并且利用若干装置来执行，所以实验室工作流程是次优的，并且需要训练技术人员操作多个机器，常常是同时操作多个机器。

技术实现思路

1、本公开的方面和实施例提供了如所附权利要求中限定的细胞沉积装置。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种细胞沉积和成像装置，包括：包括至少一个通道的打印机构，所述打印机构的所述至少一个通道被布置成：接收包括至少一种细胞类型的细胞载液的样本、以及将所述细胞载液的所述样本沉积到基底的目标区上；成像系统，其被布置成对所述目标区成像；以及输送系统，其被布置成在打印位置和成像位置之间移动所述目标区，在所述打印位置处，所述目标区实质上位于与所述打印机构相对，在所述成像位置处，所述目标区实质上位于与所述成像系统相对；其中，所述成像系统包括能够对所述基底的区域进行成像的成像器，其中，所述区域小于所述目标区，并且所述成像系统被布置成通过相对于所述成像器移动所述目标区来对整个所述目标区进行成像。

3、优选地，由成像器成像的基底的区域基本上小于目标区，并且进一步优选地，成像系统使用至少一个光源，该至少一个光源与对沉积在基底的目标区中的样本进行成像相兼容。

4、因此，细胞沉积装置提供了完整的“盒装试验室”系统，其能够通过使用高精度打印机构沉积多个样本来准备复杂的生物实验并对所得沉积物成像，而在整个实验期间不需要用户交互。因此，细胞沉积装置提供了完整的自动化实验系统。

5、打印机构可以被布置成接收细胞载液、生物分子载液或微粒载液(在此都称为“细胞载液”)的多个样本，并且将所述细胞载液的所述多个样本沉积到基底的目标区上。样本可以以液滴的形式沉积在目标区上。这些液滴可以离散地沉积，使得每个液滴是分离的并且与任何其他液滴不同。单独的液滴允许在打印之前选择每个液滴中的流体的体积，使得可以根据用户的实验来选择每个液滴中的流体的相对量。

6、在其他示例中，样本可以1滴或2滴或更多连接滴的形式沉积，以形成具有延伸的椭圆形状的细长滴。在其它示例中，具有或不具有细胞的输入流体能够在沉积后胶凝或凝固，以定制具有生物相容性结构的基底的表面。

7、在一些示例中，打印机构可以被布置成：接收和沉积溶液，诸如用于制备或涂覆基底表面以防止液滴扩散(诸如硅化)的那些溶液；引入支持生物的营养物(诸如培养皿中的生长培养基或琼脂)或胶凝或固化以定制和结构化基底的表面的溶液。

8、成像系统可以被布置成基本上同时对目标区中的多个样本成像。在这种情况下，基本上同时是指对第一样本成像的时间与对最后一个样本成像的时间基本上相同。例如，在15mm×15mm区域内成像和收集的第一个样本和最后一个样本之间的时间差优选地小于一分钟。

9、打印机构可以包括多个单独的打印头，其被布置为打印头阵列。可以以包括n×m个单独打印头的2维阵列来布置单独打印头。这允许在一个打印动作中一次性地将细胞载液的多个样本沉积在目标区的多个不同位置中。这允许更快、更有效地将细胞载液打印到基底的目标区上，这在需要打印非常大量的液滴时是重要的。替代地，可以以1维阵列布置单独打印头，该阵列包括n个单独打印头。

10、打印头阵列中的多个单独打印头可以被布置成作为单个单元一起移动，使得在阵列内的单独打印头之间没有相对移动。这确保了在目标区上在每个单独打印头之间存在恒定的间隔，并且因此在每个沉积的液滴之间存在恒定的间隔。因此，目标区上的液滴在基底上的目标区上规则且等距地间隔开。这也减少了在装置操作期间需要移动的机构的数量。

11、在一些示例中，打印头阵列内的单独打印头能够在阵列内相对于彼此移动。例如，多个打印头可以被布置成相对于彼此独立地移动。这允许单独打印头之间的间隔在目标区上变化，以及因此每个沉积的液滴之间的间隔在目标区上变化。当从每个打印头沉积的各个液滴的尺寸不相等且因此不同液滴之间的间隔需要根据液滴的尺寸变化时，这可能是有利的。

12、每个单独打印头可以包括通道，所述通道被布置成接收细胞载液并将细胞载液通过打印机构输送到基底上。在一些情况下，接收通道可以连接到独立式或集成式细胞分选和细胞识别装置的输出，所述细胞分选和细胞识别装置例如，但不限于，荧光活化细胞分选器(facs)、磁活化细胞分选器(macs)或流式细胞仪。

13、打印机构的每个通道可以被布置成接收待沉积在基底的目标区上的相应细胞载液。细胞载液通常包括载液和至少一个细胞。在一些情况下，细胞载液包括至少一种细胞、生物分子或非生物微粒。然而，在其它情况下，细胞载液不包括任何细胞，而是仅包含载液，以及可选地，包含非细胞生物分子(例如，蛋白质/抗体/酶、核酸、药物、抗生素、报告分子化学物质(reporter chemical)、抑制剂等)。由打印机构中的每个通道接收的相应细胞载液可以在它们相应成分上不同。例如，每种细胞载液可以包括不同的细胞和/或不同的载液。这可以允许在单个基底上进行不同的实验和比较不同的实验。例如，可以研究不同药物对相同细胞的作用，或者也可以研究相同药物对不同细胞的作用。

14、在另一个实施例中，含有非生物细胞模拟微粒的流体可用于模拟生物实验或用于制造和校准过程的目的。

15、对于一些实验，在基底的目标区内组合细胞载液的多个样本可能是有利的。因此，打印机构能够在目标区的相同部分上沉积细胞载液的多个样本。

16、打印头阵列中的每个通道可以接收细胞载液，该细胞载液已经通过独立式或集成式细胞分选器(例如流式细胞仪、荧光活化细胞分选器(facs)或磁活化细胞分选器(macs))预处理过了。

17、打印机构可以被布置成基本紧接着在输送到成像系统之前、利用细胞染色或标记溶液来套印预先沉积的未染色或未标记的生物实验。

18、为了允许打印机构相对于输送系统移动，打印机构可以布置成安装在承载机构上。特别地，承载机构可以允许打印机构相对于目标区移动。承载机构可以包括打印机构沿其移动的轨道。运动可以是横向运动，通常是被限制在水平面的往复的、来回运动。轨道可以允许打印机构在水平面内在x方向和y方向上移动。有利地，相对于输送系统移动打印机构，并且特别是相对于目标区移动打印机构，允许打印机构定位在目标区的不同部分上，使得打印机构能够将细胞载液沉积到目标区的不同部分上。在另一个示例中，打印机构可以保持静止，而载体和目标区在打印机构下方在x和/或y方向上移动，以促进细胞载液沉积到目标区的不同部分上。

19、细胞沉积装置还可以包括升降机构，该升降机构被配置为调节输送系统与成像系统之间的距离。特别地，升降机构可以被配置为调节目标区和成像系统之间的距离，优选地当目标区处于成像位置时调节该距离。除了成像过程中可能影响目标区的稳定性的从输送系统上分离目标区，将目标区朝向成像系统移动还确保在拍摄目标区的图像之前使目标区对焦。

20、能够将多个基底一个接一个地加载到细胞沉积装置中并使其成像，使得可以在每个基底上自动地一个接一个地执行多个实验，这将是有利的。因此，该装置可以包括培养箱，该培养箱优选地被配置为存储至少一个基底。存储多个基底减少了在实验改变之间对用户干预的需要，因为第一基底可以从细胞沉积装置移除，并且第二基底可以自动地加载到细胞沉积装置中以准备打印。此外，培养箱提供了用于存储基底的环境，在实验结束时可对基底上的液滴成像之前的实验期间，基底需要培养时间。

21、为了在打印机构、成像系统和培养箱之间移动具有目标区的基底，输送系统可以被布置成在打印位置和/或成像位置与培养位置之间移动目标区，在培养位置处，目标区基本上位于培养箱内。培养箱也可以是密封的和可拆卸的，以用于长期培养，并且可以用未占用或部分占用的培养箱替换以恢复工作流程。在另一个实施例中，培养箱可以定位在打印系统和成像系统之间，以便于打印和培养的重复周期，其中成像是终点。

22、培养箱可以是密封的和可拆卸的，并且可选地用未被占用的或部分地被基底占用的培养箱替换。培养箱可以基本上定位在打印系统和成像系统之间。

23、至少一个光源可以执行暗视场显微镜或红外光谱。至少一个光源可以是，但不限于，明视场、荧光、红外、x射线、紫外和拉曼源。成像系统可以包括多个光源。

24、如前所述的装置不排除使用多个打印系统、多个成像系统、多个培养箱和多个输送系统，它们相互连接以允许提高数据采集的速度和样本的吞吐量、更复杂的工作流程以及在其它系统操作时继续使用替代的打印头系统、成像系统、培养箱和输送系统。因此，在一些示例中，该装置包括可以互连的多个打印系统、多个成像系统、多个培养箱和多个输送系统。

25、该装置通常包含在壳体内，使得壳体围绕细胞沉积装置的各个部件，包括输送系统、打印机构和成像系统。提供壳体有助于在壳体中、在细胞沉积装置的各个部件周围保持恒定的环境。有利地，可以限制细胞载液蒸发的速率以及沉积的细胞载液变形的速率。因此，可以保持实验完整性，并且允许用户根据正在进行的实验来设置和控制壳体的内部环境条件。

26、该装置可以包括控制系统，该控制系统被布置成控制壳体内的至少一个环境参数，诸如温度、压力、湿度。控制系统可以是计算机控制系统，其可以在实验开始之前由用户初始编程。除了控制壳体的内部环境，控制系统可以被布置成控制细胞沉积装置的各个部件，包括输送系统、打印机构和成像系统。因此，细胞沉积装置的所有单独部件可以是计算机控制的。各个部件可以由在控制系统上运行的计算机程序控制，该计算机程序由用户初始编程。这允许用户最初设置实验，并且一旦程序已经开始运行，则不需要来自用户的进一步交互。因此，可以提供完全自动化的计算机控制系统。

27、用户可以经由用户界面与控制系统交互，该用户界面可以构成控制系统的一部分。因此，用户界面可以被配置为允许用户与装置的至少一个部件交互，使得用户可以根据要进行的实验对至少一个部件编程。

28、基底通常是刚性基底。通常，基底为离散物体，但在一些情况下，基底具有连续轨道的形式，例如串联的多个离散物体、来自材料卷的带或部分。基底可以是透明的以允许光透射。基底可以对可见光透明，以允许使用明视场显微镜对基底上的细胞载液成像。基底可以是不透明的或反射性的，以与其它形式的照明一起使用。

29、成像系统可以包括扫描仪，其通常是数字扫描仪。优选地，数字扫描仪由数字显微镜构成，该数字显微镜可以被配置为执行高分辨率明视场显微镜。

30、成像系统可以包括至少一个光源。优选地，至少一个光源可以基本上与成像系统的扫描仪相对地设置。在这种情况下，相对地是指扫描仪的视线具有纵轴，且光源沿着该纵轴定位。其它初级或附加次级光源的示例包括，但不限于，荧光、红外、x射线、uv和拉曼源。

31、暴露于细胞载液的装置的组件可以是可灭菌的或一次性的(例如可生物降解的或可回收的)，这可以允许该装置用于多个不同的顺序实验。

32、根据本发明的第二方面，提供了一种在基底上沉积细胞并对细胞成像的方法，所述方法包括：经由包括至少一个通道的打印机构接收包括至少一个细胞的细胞载液的样本；经由所述打印机构的所述至少一个通道将所述细胞载液的样本沉积到基底的目标区上；在打印位置和成像位置之间移动所述目标区，在所述打印位置处，所述目标区实质上位于与所述打印机构相对，在所述成像位置处，所述目标区实质上位于与成像系统相对；以及通过相对于成像器移动所述目标区，实质上瞬时地对整个目标区成像，其中，所述成像器是所述成像系统的一部分，并且所述成像器能够对基底的区域成像，其中，所述区域小于所述目标区和所述成像系统。

33、优选地，由成像器成像的基底的区域基本上小于目标区，并且进一步优选地，成像系统使用至少一个光源，该光源与对沉积在基底的目标区中的样本进行成像相兼容。

34、细胞载液的样本可以包括至少一个细胞、生物分子或非生物微粒。

35、沉积可以包括：经由打印机构的至少一个通道将细胞载液的样本沉积到基底的离散或协同定位坐标中的目标区上。

36、在一些替代示例中，对整个目标区基本上同时成像包括相对于目标区移动成像器。

37、优选地，成像时间与在相同区域上沉积样本的时间相当。

38、在一些示例中，该方法可以是在基底上沉积生物分子并使其成像的方法，包括前述方法步骤。

39、优选地，上述方法被配置为使用本发明的第一方面的装置来执行。

40、在一些示例中，还可以存在另外的预沉积步骤，其中针对打印头的接收通道可以构成细胞分选装置的一部分，所述细胞分选装置例如，但不限于，facs、macs或流式细胞仪，其可以集成到或可以不集成到该装置中。

41、还可以提供一种包括指令的计算机程序，当由计算机执行所述指令时，所述指令使计算机执行上述方法。

42、还可以提供一种包括指令的计算机可读存储介质，当由计算机执行所述指令时，所述指令使计算机执行上述方法。

43、因此，细胞沉积装置提供了完整的“盒装试验室”系统，其能够使用数字打印头的高精度、可重复性和高吞吐量，通过从多个液体输入源沉积数千个范围在飞升至微升内的可变液滴并对其进行分层，来准备复杂的生物实验。

44、该装置提供了同时测试数百个细胞、生物分子或非生物细胞模拟微粒变量的能力，这些细胞、生物分子或非生物细胞模拟微粒在飞升至微升液滴体积范围内、通过高精度打印头彼此依次分层，通常仅使用一种评估介质(例如基底)进行多重操作，从而提供了在一个过程中完成整个实验程序的能力。有利地，在一个设置中，可以改变多于一个参数，其中剂量曲线/梯度响应通过可变重复的滴落(drop-on-drop)打印来简单地合并。结果是，在一次运行中可以同时完成实验的多个方面的数千个统计相关的重复。还有一个好处是，如上所述可以建立未染色或未标记的生物学实验，并在喷墨或内洗生物标记或污渍之前使其前进到期望点，所述生物标记或污渍可以或可以不阻止生物过程，并可以在成像之前立即和基本上瞬间通过套印来准确地应用/施加。

45、通过数字条扫描的光学评估给出同时测量多个液滴的“快照”，因此与单独液滴的分析相比，消除了作为显著变量的时间。此外，作为输出的数字图像整齐地馈入自动化软件解决方案，其可以被设计成补充核心技术并且提供实时分析和趋势，从而提供对实验优化或新的研究路线的洞察。数字图像也是方便数据存档的介质，提供了可以容易地输送到合作者、馈送到软件分析(原位和回顾)以及用于新颖的发布和呈现目的的格式。

46、通过将复杂的、可变分层的、高吞吐量的飞升至微升体积的生物打印的液滴与数字条扫描结合，提高了工作流程效率。这是因为这些先进技术组合到一个系统中消除了工作流程折衷，因为在准备起始材料之后，(半)熟练技术人员可以简单地将实验设计输入到装置的软件中并走开，留下机器作为黑盒过程来完成所需活动。因此，关键的实验室任务以可重复的形式进行组合，其允许黑盒使用和增加离开时间，同时维持实验对象的活性(subject viability)，并消除分析时间变化，以作为对结果的警告。

47、因此，上述装置提供了一种完全的高通量产品，其通过生物打印溶液的皮升到微升液滴来形成“微阵列(micro-array)”(类似于数字喷墨打印)，对液滴分层以增加实验复杂性和效率，并且执行高分辨率光学成像以直接分析组织、细胞、生物分子和非生物微粒。这里提出的技术将有助于所有这些普通实验室过程的自动化，以提高整个实验室活动的吞吐量、准确性和工作流程，并减少完成当前等效实验步骤所需的人力劳动和时间。