[发明专利]一种操作单个细胞及其小团块的方法与仪器

说明书

发明领域

本发明涉及筛选与修饰如单个细胞、微生物及其小团块这样的颗粒的技术。这种方 法学及其相关仪器的应用领域可以是生物技术领域，例如包括在不同化学物质存在的条 件下，监测细胞间相互作用的产物；可以用在医药领域，如检测对免疫控制细胞进行新 刺激后，免疫系统如何应答；可以用在工业生物领域，本发明的方法和仪器可以修饰细 胞和细菌，并从中进行筛选，从而从庞大样本量中提取出那些具有巨大工业价值的细胞 和细菌。

背景技术

多孔板是进行微量生物或化学实验所使用的传统支持物，也叫微量滴定板。在这个 平板上的每个孔都能容纳化学和生物材料，但它对其中的整个操作没有任何积极的作 用。目前在一个板上可以同时具有超过一千个的孔。在前述的应用领域中，人们越来越 感觉到需要具有以积极的方式干预生物材料如单个细胞或细胞团块的能力，。目前，只 有少量的方法可以获得这种结果。

在专利US6716629中描述了使用具有大量平行孔的板：检测、合成和储存的仪器及 其制造、操作和应用方法。该专利阐述了如何通过选择合适材料和相对表面特征来优化 微孔板设计。由于其中没有整合传感器和操作机构(actuator)，使其与本发明的装置 相比没有竞争力。

其中，Caillat等在专利《分离和筛选生物对象的微型装置的应用及所使用的方法》 (EP1390467A1)中提出创造孔的目的在于检测孔中生物材料的发育。该文件讲述了如 何制作附着支持生物实验材料的孔，这些实验材料可以用测量电极进行分析。该装置有 许多局限性：不能控制孔中所含颗粒位移(displacement)，也不能控制象细胞这样中 等大小的对象，其测量被限制于肉眼可见的类型。特别是会发生孔中细胞的沉积位于不 能进行分析检测区域的问题。更甚的是，该装置不能让单细胞进入确保它们接触的位置。 不幸的是，具有免疫学重要性的细胞间的相互作用是通过细胞壁之间的接触介导的，这 样使这种研究不可能进行。而且，接近底部的细胞不允许改变细胞生长的上清液 (supernatant)，比如去除代谢的残留物。最后该装置不允许施加产生电穿孔和电融合 所需要的电压。

专利US6610188《一种用于产生笼形电场的电极排列》提出可以用介电泳来操作流 体中的颗粒。在该专利文件中，提出了具有特殊性质的电极结构，它可以按照产生的电 场形成介电笼(dielectrophoretic cages)。这种排列有多方面的不足：1)电极结构 复杂，其生产需要校正程序，因此增加成本，减少产量；2)介电笼被设计为紧密结构， 其会阻碍对发现颗粒的上清液进行改变；或者被设计为流体内形成的电场。在后者这种 情形下，研究相互接触颗粒的相互作用是不可能的；3)检测程序在适当移动这些颗粒 方面没有优势。该文件为检测流体内材料的阻抗性质提出了不同的方案。通过阻抗变化 来检测细胞的性质，可以以《电容细胞计数仪：逐个检测生物细胞》(PNAS，vol97， 10687-10690，2000)作为参考文件。这个文件证明：由单个细胞引起的电容变化是可 以测量的。但是，将阻抗测量与控制分析实验材料的移动结合起来的要求仍然无法实现。 这个缺陷严重影响了测量的质量。

在专利US6942776《通过介电电泳处理颗粒的方法与仪器》中，G.Medoro提出了 电平台可以制造一个陷阱，该陷阱可以捕获甚至置换其中被捕捉的颗粒，也可以通过嵌 入的传感器检测被捕获颗粒的性质。大体上，这个方法将捕获与随后的对细胞或颗粒的 操作整合在一个单独的平台上了。这个技术的缺点与创造一个封闭腔体的要求有关，捕 获过程就发生在这个腔体中。氧化捕获的细胞变得困难。而且，如果不以腔体作为整体 来改变的话，研究者不能仅改变颗粒所在的流体组分。最后，单个的腔体结构只能提供 有限的进入管道，这不能让足够的装置进入目标化学或生物反应发生的空间。

在《抗癌治疗的多细胞球型传感器》(Thielecke et al，Biosens.Bioelectron.， 2001，16，261-9)中讨论了药物或其他化合物存在下，生物组织的发育。这项工作说 明监视小的有机组织样本是可以的，因此从诊断和治疗的观点看，这个现象是有用的。 但是，所用的微流体系统是相当复杂的，由于对位置的控制不够，不能有目的进行细胞 与细胞相互作用。该方法不能放大到大量样本平行检测所需的水平，但是通过花巨大精 力来优化流体系统，并行检测几打样品是可以处理的。