JP3953528B2 - 細胞標本およびこの種のものの検査を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞標本およびこの種の標本の検査を実施するための装置であって、該装置は、細胞標本に対する多数の個別容器を備えた収容装置と、個別標本における変質を検出するための測定装置とを有しており、それぞれの収容容器に少なくとも１つのセンサが設けられている形式のものに関する。
微量測定法による所謂マイクロタイタープレートを用いて、種々の医療的生化学的テスト方法を実施することができる。マイクロタイタープレートは多数の順次相並んで配設されている収容管を有しており、これら管の中に、細胞標本、例えば転移細胞の懸濁液が入れられる。引き続いて、指示薬溶液、例えば蛍光色素が加えられる。
所定の物質が転移細胞に影響を及ぼす、殊に抑制することができるかどうかを検査するために、種々様々な細胞毒物質を付け加えることができる。
細胞標本、指示薬溶液および薬物の供給は、オートメーション装置を用いて実施される試験技術において行われ、細胞変質は透光法においてかつスペクトロメータを用いて検出される。
化学療法テストの目的の他に、マイクロタイタープレートは癌細胞の検査のためにその転移の傾向に基づいても検査することができる。この場合、容器には、細胞または胚のＨＭ細胞培養または膠原質基質から成る層から成るテストが塗布され、それからその上に、転移細胞が付着される。変質の程度に応じて、侵襲指標または転移指標に対する尺度を導出することができる。生体層が別の物質によって多かれ少なかれ影響を受けるこの方法は、バイオコロジオン（浸食）とも称される。従って、例えばバイオコンパチビリティに基づいた合成樹脂の検査も可能であり、即ち細胞がこの検査すべき合成樹脂に侵入するか否かが検査される。
これらの多岐にわたる検査において、評価のために通例、透光法が設定され、マイクロプレートリーダによるまたはスペクトロメータを用いた測定評価が続く。従って一方において、有能な機能を備えた装置全体のために膨大な装置コストが必要でありかつ他方において、測定評価はどんな場合にも、例えば連続的な反応プロセスに関しても、所望の程度に解明できるとは限らない。更に、市販のマイクロタイタープレートを使用する場合、大きな量の標本が必要であることも不都合である。しかしいつも適当な量の標本、例えば適当な量の生検材料を使用できるとは限らない。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３９１５９２０号公報から、半導体材料から成るブロックに、標本容器としてのウェルが多数個存在しているマイクロメカニカルストラクチャを有している装置が公知である。標本容器は化学的なエッチング技術によってブロック中に形成されている。しかしこれらの収容部は非常に僅かな量の標本に対してしか適していない。更に、特有の試験装置が必要である。
ＷＯ公開第９６０１８３６号公報から、同様に、マイクロ容器として、専ら極めて微量の標本の収容のために適してる、標本容器としての多数個の個別容器を有している装置が公知である。マイクロ容器に設けられている電極は実質的に、導電率測定に対してのみ使用することができる。この装置はＤＮＡ鑑定にために構想されているので、とりわけ生きている細胞における生体測定を実施することはできない。
本発明の課題は、全体のコストが低減されて、多数の種々様々な検査が反応プロセスの連続的な監視によっても可能になりしかも比較的簡単に操作することができるようした冒頭に述べた形式の装置を提供することである。
この課題の解決のために、本発明によれば、前記測定装置は１つまたは複数のサブストレートプレート上に存在している、センサとして作用するインターデジタルコンデンサを有しておりかつ該センサは少なくとも複数個の収容容器に対して１つの共通のサブストレートプレート上に存在しておりかつ該サブストレートプレート（２）上に、マイクロタイタープレートの底なし上部から成る蜂の巣形状の管ストラクチャが載着されておりかつ前記サブストレートプレートにシール結合されているようにすることが提案される。
マイクロタイタープレートの「上部」の使用によって、マイクロタイタープレートと関連してこれまで使用される装置、殊に自動試験装置も引き続き使用することができる。更に、相応に多くのテスト液体を必要に応じて収容することができる。
半導体センサは多数の種々様々な測定能力を提供するので、用途および測定課題に応じて適当なセンサを設けるようにすることができる。この種のセンサは非常に小さな形態の構造において実現されるので、これに応じて非常に僅かな標本によっても作業することができる。即ち、例えば、細胞が患者において例えば生検材料として非常に僅かな量しか取り出すことができないときにも、細胞の検査がなお可能である。
個別容器と、実際に集積された測定装置とを備えた収容装置が１つの完全な機能ユニットおよびコンパクトな構造ユニットもを形成し、それは比較的に簡単に操作することができるという点も有利である。この場合センサはそれぞれ測定室の部分であるので、これらは評価のためにもはや、別個の測定装置に接続する必要がない。測定が連続的な反応プロセスの期間に可能でありかつその際測定が同時にすべての個別容器において可能であることも有利である。
センサとしてインターデジタルコンデンサを用いて、殊に、細胞の形状変質の測定を実施しかつ更に、細胞膜のインピーダンスまたは容量変化を測定することができる。細胞に堆積している抗体を評価することもできる。というのは、抗体はインターデジタル構造の領域における誘電率を変化するからである。有利にはインターデジタルコンデンサの電極は対毎に内部で噛み合わされている。
有利には、複数の、有利には種々異なる大きさのインターデジタルコンデンサが設けられている。これらは異なった感度を有しているので、相応に、比較的大きな測定領域がカバーされかつこの測定領域において比較的高い解像度が可能になる。
さらにセンサは、少なくとも複数個、有利には少なくとも数個、更に有利には多数個の収容用容器に対して共通のサブストレートプレート上に存在しているようになっている。
サブストレートプレートは有利にはウェハ形状の半導体サブストレートプレートであり、この種の半導体サブストレート上に公知の製造技術において多数のセンサが狭い空間に収容されるので、これにより、特別コンパクトな構造形態に対する前提条件が存在する。この場合、個別センサを備えた半導体サブストレートプレートは実際に、収容用容器に配属されている測定ストラクチャを形成する。
その際特別有利な実施の形態によれば、装置は、その中に容器としてのセル形状の収容用ウェルを多数持っている半導体サブストレートプレートを有しておりかつウェルに配属されている、全体で１つの測定ストラクチャを形成するセンサはサブストレートプレートの構成部分である。
この装置においても殊に、極めて少ない量の標本で作業することができる。更に、この種の装置は半導体技術において全体が製造される。これにより更に、極めてコンパクトな構造形態が実現可能である。
その際本発明の実施の形態によれば、個別容器または収容用ウェルの領域においても、複数の、有利には種々異なったセンサを、殊にセンサアレイとして設けることができるので、検査の期間に同時に種々異なったパラメータを検出することができる。
この種のセンサアレイは、集積回路として特別コストの面で有利に製造することができしかも非常に狭い空間に種々異なった化学または生体物質の測定を可能にする。
しかし検査の課題に応じて、個々の収容容器に種々異なったセンサを設けることもでき、この場合１つまたは複数の収容容器はそれらのそれぞれの領域において同じセンサを有しかつ別の収容容器または収容容器群には別の形式のセンサが設けられている。
測定ストラクチャを有する測定装置は、有利には収容装置の下面に配置されておりかつそれぞれの収容容器は底部側および／または側壁部に少なくとも１つのセンサを支持している。有利には、１つまたは複数のセンサが収容装置の底部において測定ストラクチャ内に集積されているが、収容容器の側壁にまたは側壁中にセンサを設けるようにすることもできる。例えば、側壁に、導電率センサを配設することができる。
マイクロタイタープレートを用いた生体細胞の検査の際、細胞の通常の生命条件を保証するために、温度調整が難しい。その際状況に応じては、検査すべき細胞は温度が低すぎるために死んでしまう可能性があるという危険もあり、そうなると測定結果が著しく歪みを受ける可能性がある。このことを回避するために、本発明の実施の形態によれば、マイクロタイタープレートまたはこの種のものが下面に、有利には測定ストラクチャの下面に、有利にはサーモスタット式に制御可能である温度調節装置を有しているようにすることが提案される。
これにより、予め設定された温度が正確に維持されかつこれにより熱に感応する測定対象の検査も可能である。
測定個所の近傍の温度を検出することができるようにするために、測定ストラクチャを有している基質に少なくとも１つの温度測定センサ、殊に温度測定ダイオードが配設されている。測定ストラクチャの製造時に、この種の、場合によってはそれぞれの収容容器に設けられている温度測定センサを一緒に製造しかつこれと一緒に測定ストラクチャ内に集積することができる。
場合によっては、センサおよび場合によっては温度調節装置および類似のものを有しているサブストレートプレートの壁圧を個別の容器の領域において低減しかつ透光式測定法に対して適うように選定することができる。その際、サブストレートプレートが個別容器の領域において少なくとも１つの光を通す通路を有しているようにすることもできる。これにより、場合により、電気または電子測定に対して付加的に、これまで既に使用されている透光技術で作業することもできる。
半導体サブストレートプレートが測定ストラクチャとして少なくとも１つの電界効果トランジスタ、殊にＩＳＦＥＴを有しており、そのゲートが細胞と接触するように露出しているようにすれば、特別有利である。測定電極を形成するゲートと直接接触することによって、高い測定感度が生じる。
インターデジタルコンデンサの電極の少なくとも１つの隔離された中間空間に、電気化学感応層が設けられているようにすれば有利である。その時センサは、所定の、細胞から分離される生理学的な物質、例えば酸素または混合気体の検出のために一層適している。このために、中間室に電気活性物質を付着することができるかまたはセラミック製のスポンジ中に閉じこめておくことができる。
別の実施の形態において、インターデジタルコンデンサの電極間に光導波路が設けられておりかつそれぞれの光導波路を通る光をピックアップしかつ検出するために光検出器がサブストレート中に配置されている。その場合測定装置は例えば細胞から送出される散乱光に関する付加的な情報を使用することができる。この種の付加的な情報により、細胞の活力を推論することできる。従って有利にも、光検出器を用いて、測定装置の自己テストを実施することができる。
サブストレート中に、ＣＣＤセンサ、殊にＣＣＤ行またはＣＣＤアレイの形のＣＣＤセンサを集積すれば、測定ストラクチャと接触している細胞の一層正確な監視が可能になる。これにより、光測定において更に高い解像が実現されるので、殊に、測定ストラクチャの所定の領域に配置されている個々のまたは複数の細胞の形態学的な変化を監視することも可能である。
有利には、１つの共通のサブストレート上に配置されているセンサの測定出力側は殊にサブストレートに集積されている制御および評価装置に殊に導線または導体マトリクスを介して接続されている。集積されている制御および評価装置において例えば、測定値の前処理を行うことができる。評価電子装置により、センサの物質および機能固有のトレーニングも可能になる。
本発明の装置のこの種の実施の形態は、制御および評価装置が適当に構成されていれば、実際に、種々異なった測定課題および評価方法に整合可能であるマイクロタイタープレートＡｓｉｃとして構成することができる。
本発明の付加的な構成はその他の従属請求項に記載されている。次に本発明をその重要な詳細と共に図面に基づいて更に詳細に説明する。
その際：
第１図は、本発明の装置の一部を縦断面にて示し、
第２図は、第１図に比して多少変形されている実施例の本発明の装置を、同様に一部を縦断面図として示し、
第３図は、多数の個別容器を有する収容装置の平面を示し、
第４図は、多数のセンサを有するウエハ形状の半導体サブストレートプレートの平面を示し、
第５図は、第３図および第４図に示されているエレメントを接合する前の状態において示し、かつ
第６図は、本発明の装置の部分を詳細に平面図にて示す。
細胞標本の検査を実施するための装置１のうち、第１図には縦断面にて示されている部分領域が図示されている。この実施例において、半導体サブストレートプレート２が設けられており、これはその中に存在するセル形状の収容用のウェルを多数個備えている。これらウェルは、細胞標本を収容するための容器として用いられる。分かり易くするために、２つの相次いで並んでいる収容用ウェル３には、異なった検査のための異なった充填媒体が示されている。左側のウェルには、試薬４の中に細胞５が存在しておりかつこの場合には、化学療法テストを実施することができる。
その隣の収容用ウェル３には、細胞層または胚のＨＭ細胞培養または膠原質基質（Kollagenmatrix）から成るテスト基質（Testsubstrat）６上に、転移細胞を有する懸濁液が存在している。これにより、転移指標が求められる。
細胞５ないしテスト基質６の変質を検査することができるようにするために、ウェル３の底部領域にセンサ７が配置されている。センサ７として、個別センサを設けることができるが、有利には複数の種々のセンサ７をセンサアレイ７ａとして設けることができる。このために、電界効果トランジスタ、インターデジタルコンデンサまたはこの種の半導体ストラクチャを使用することができるが、光学センサ、殊に表面波導体、格子カップラおよび類似のものも使用することができる。第１図に示されているように、これらセンサ７は制御および評価装置８に接続されている。場合により、この制御および評価装置は全体がまたは部分的に半導体サブストレートプレート２に集積されていることができる。
その際、制御および評価装置８を、センサストラクチャとは反対側の、半導体サブストレートプレート２の裏面に配置しかつスループットを介してセンサ接続端子に接続することもできる。これにより特別コンパクトな構造が可能である。
例えば、制御および評価装置８は、マルチプレクサ、センサ制御部を有するＡＤ／ＤＡ変換器、マイクロプロセッサ並びにＩＯユニットを含んでいることができる。このようにして、反応プロセスの間に連続的に測定を実施することができる完全な検査装置が形成されている。
センサ７の他に、検査すべき細胞を刺激しかつ例えばセンサによって検出すべき物質の自然の放出を促すために、刺激電極または類似のものを設けることもできる。
非常に種々様々な測定のために、それぞれの収容用ウェル３において有利には４つの電界効果トランジスタ、２つのインターデジタルコンデンサおよび２つの酸素指示薬を有する８の字ストラクチャが設けられているようにすれば有利である。
第１図に示されている、本発明の装置１の実施例は極めてコンパクトに構成されかつ標本の量が少ない検査に殊に適している。
第１図には更に、収容用ウェル３に破線にて、サブストレートプレート２の上に突出している収納部材９を設けて、ウェル３の収容容積３を拡大することができることが示されている。
第２図には、半導体サブストレートプレート２上に載着されている管形状の個別容器１０を有する実施例が示されている。それぞれの個別容器１０の底部領域にはここでもセンサ７が存在している。
第３図ないし第６図には、種々異なった方向から本発明の装置１の重要な部分が示されている。ここに図示されている実施例において、容器１０に対してマイクロタイタープレート１１（第３図）から底部領域が切り離され、その結果多数の一貫した管が生じる。このマイクロタイタープレート上部１１ａ（第５図）はそれからサブストレートプレート２（第４図）上に載着されかつ有利には超音波溶接によってこれとシール結合される。その際それぞれのセンサを備えているサブストレートプレート２は、個別容器１０の底部を形成する。サブストレートプレート上のセンサまたはセンサアレイは、マイクロタイタープレート２を使用する場合、個々の管または個別容器の間隔において配置されている。
収容容器を形成するためにマイクロタイタープレート上部１１ａを使用することによって、これまで市販のマイクロタイタープレートとの関連において使用された器具、例えば自動試験装置（Beprobungsautomaten）、マイクロプレートリーダーおよび類似のものを変更せずに使用することができる。
第４図、第５図および殊に第６図からわかるように、センサ７は複数の種々異なった個別センサを備えたセンサアレイ７ａによって形成されている。上述したように、サブストレートプレートには更に制御および評価装置８の一部または全体も存在している。測定室の外部に位置している、それぞれの個別容器１０に配属されているセンサアレイ７ａに対する接続線路は簡単にするために図示されていない。
第６図には、容器１０を備えた順次相並んで配置されている一連のセンサアレイ７ａが拡大断面図にて示されている。
半導体ベースの電子センサの他に、更に別のセンサも、例えば光学的なベースのセンサまたは生物学的なセンサも設けることができかつ有利には上述のセンサと組み合わせて使用することができる。
第１図および第２図の実施例において、半導体サブストレートプレート２下面に、加熱層１２が設けられており、これを用いてサブストレートプレート、ひいては収容用ウェル３内に存在する細胞の熱調節が可能である。細胞標本では、温度に関してもその通常の生命条件を形成することができるので、比較的長い時間間隔を介する検査が可能である。連続的な加熱層１２の代わりに、部分的な、相互に分離された、加熱層部分を設けて、必要に応じて異なった温度を所定の領域において発生することができるようにすることも可能である。加熱のサーモスタット式の制御のために、サブストレートプレートの１つまたは複数の個所に、温度測定センサを設けるようにすることができる。この種の温度測定センサは、個々の収容用ウェルまたはこの種のものに配属されているセンサ７に直接組み込むようにすることもできる。個別容器の領域にある温度測定センサは、加熱のサーモスタット式の制御のための他に、細胞の生体活性

の検出のためにも使用することができる。第１図および第２図において、サブストレートプレート２において下面に、２つのウェルないし個別容器に切欠１３を設けかつこれによりサブストレートプレートの壁厚を、ここでも（付加的に）透光式測定法によって作業することができる程度に低減することができる。

Claims (20)

1. 細胞標本およびこの種の標本の検査を実施するための装置であって、該装置は、細胞標本に対する多数の個別容器を備えた収容装置と、個別標本における変質を検出するための測定装置とを有しており、それぞれの収容容器（３，１０）に少なくとも１つのセンサ（７）が設けられている形式のものにおいて、
   前記測定装置は１つまたは複数のサブストレートプレート（２）上に存在している、センサとして作用するインターデジタルコンデンサを有しておりかつ
   前記センサは、複数個の収容容器に対して、１つの共通のサブストレートプレート（２）上に存在しており、かつ
   該サブストレートプレート（２）上に、マイクロタイタープレートの底なし上部（１１ａ）から成る蜂の巣形状の管ストラクチャが載着されておりかつ前記サブストレートプレート（２）にシール結合されている
   ことを特徴とする装置。
2. 前記サブストレートプレート（２）はウェハ形状の半導体サブストレートプレートとして実現されている
   請求項１記載の装置。
3. 個別収容容器に、種々異なったセンサが配置されている
   請求項１または２記載の装置。
4. 測定ストラクチャを有する測定装置が収容装置の下面に設けられておりかつそれぞれの収容容器（３，１０）は底面および／または側壁に少なくとも１つのセンサ（７）を支持している
   請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 前記マイクロタイタープレートまたはこの種の収容装置は下面に、有利には前記サブストレートプレートないし前記測定ストラクチャの下面に、温度調節装置（１２）を有しており、該温度調節装置は有利には、サーモスタット式に制御可能である
   請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記半導体サブストレートプレート（２）は前記マイクロタイタープレートの上部（１１ａ）に超音波溶接によってシール結合されている
   請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 当該装置は、中に容器としてセル形状の収容用ウェル（３）を多数個持っている半導体サブストレートプレート（２）を有しておりかつそれぞれのウェル（３）に配属されているセンサ（７）を有している測定ストラクチャは前記サブストレートプレート（２）の構成部分である
   請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記センサ（７）および場合によっては前記温度調節装置およびこの種のものを有しているサブストレートプレートの壁厚は個別容器の領域において低減されておりかつ透光式測定法に適うように設計されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 前記サブストレートプレートは個別容器の領域において少なくとも１つの光を通すことができる通路を有している
   請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 個別容器（１０）または収容用ウェル（３）の領域において、複数の、有利には種々異なったセンサ（７）が例えばセンサアレイ（７ａ）として設けられている
    請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記半導体サブストレートプレート（２）は測定ストラクチャとして少なくとも１つの電界効果トランジスタ、例えばＩＳＦＥＴを有しており、該トランジスタのゲートは細胞に接触するために露出している
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. センサ（７）として少なくとも１つのインターデジタルコンデンサが設けられており、該インターデジタルコンデンサは有利には、対毎に内側が噛み合っている電極を有している
    請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 複数の、有利には種々異なった大きさのインターデジタルコンデンサが設けられている
    請求項１２記載の装置。
14. 前記インターデジタルコンデンサの電極の少なくとも１つの隔離された中間室において、電気化学感応層が設けられている
    請求項１２または１３記載の装置。
15. 前記インターデジタルコンデンサの電極間に、光導波路が設けられておりかつそれぞれの光導波路を走行する光を検出しかつ評価するための光検出器が前記サブストレート中に配置されている
    請求項１２から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 前記サブストレートに、例えばＣＣＤセルまたはＣＣＤアレイの形のＣＣＤセンサが集積されている
    請求項１から１５までのいずれか１項記載の装置。
17. 前記測定ストラクチャを有するサブストレート（２）に、少なくとも１つの温度センサ、例えば温度測定ダイオードが設けられている
    請求項１から１６までのいずれか１項記載の装置。
18. 前記サブストレートプレート（２）に制御および評価装置として少なくとも１つのマルチプレクサと、センサ制御部を有するＡＤ／ＤＡ変換器と、マイクロプロセッサと、ＩＯユニットとが存在している
    請求項１から１７までのいずれか１項記載の装置。
19. センサ（７）として、光センサ、例えば表面波導体、格子カップラおよび類似のものが設けられている
    請求項１から１８までのいずれか１項記載の装置。
20. 個別容器に配属されているセンサは導線または導体マトリクスを介して制御および評価装置に接続されており、該制御および評価装置は前記センサと一緒に共通のサブストレートプレート上に配置されている
    請求項１から１９までのいずれか１項記載の装置。

Images