CN106164658A - 用于细胞分离、生长、复制、操作和分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

根据一些实施方式的方面，提供了用于从液体介质中分离细胞并对其进行细胞计量分析的装置。该装置包括细胞库，其用于接收包含细胞悬液的液体介质。该装置进一步包括细胞库和封闭库之间的细胞笼阵列，每个细胞笼包括邻近于第一细胞库的大开口、细胞笼和邻近于封闭库的一个或多个小开口。连接的液体介质泵可以通过使液体介质从细胞库流动至封闭库将悬浮细胞移动入细胞笼。该装置进一步包括机械元件，当其驱动时，推动细胞笼阵列抵靠凝胶层，形成连续屏障以分离每个细胞笼中的每个细胞，并且允许分离细胞的细胞计量分析。

Description

用于细胞分离、生长、复制、操作和分析的方法和装置

背景技术

在本发明的一些实施方式中，本发明涉及细胞计量术，更具体地，但是非排它性地，涉及细胞分离、固定、培养、操作和分析。

流式细胞术已经证明在活细胞的分析中是有用的，其中在抗体结合之后通过使细胞连续地流过检测器可以单独地检查它们。其它技术可以基于非均匀磁场将力施加在悬浮在液体中的中性、可极化颗粒比如细胞的能力。这种动电学原理——称作介电电泳(DEP)，被用于通过在阵列中电极的子集上建立与相邻电极的磁场反相的磁场来在DEP“笼(cage)”中捕集细胞。当DEP笼通过磁场模式的改变移动时，捕集的细胞随之移动。

发明内容

根据本发明的一些实施方式的方面，提供了用于从液体介质中分离细胞并对其进行细胞计量分析的装置。该装置包括细胞库(reservoir)和封闭库之间的细胞笼阵列，每个细胞笼包括邻近于第一细胞库的大开口、细胞限内区(enclosure)和邻近于封闭库的一个或多个小开口。该装置进一步包括封闭库，其用于接收来自细胞库通过细胞笼阵列的液体介质。该装置进一步包括连接至封闭库以通过使来自细胞库的液体介质流动通过细胞笼阵列至封闭库将悬浮细胞移动入细胞限内区的液体介质泵。

任选地，该装置进一步包括机械元件，当其驱动时，推动细胞笼阵列抵靠凝胶层，从而凝胶层形成对大开口的连续屏障，分离每个细胞限内区中的每个细胞，并且允许分离细胞的细胞计量分析。

任选地，该装置进一步包括细胞库，其用于含有包含所述细胞悬液的所述液体介质。

任选地，细胞笼阵列是从所述装置可拆卸的并且其中所述细胞笼阵列是单次使用(single-use)的细胞笼阵列。

根据本发明的一些实施方式的方面，提供了包含至少100个细胞笼的一次性的细胞笼阵列，其中每个细胞笼包括在一侧上的大开口、细胞限内区和在相对侧上的至少一个小开口。

任选地，一次性细胞笼阵列包括至少10,000个细胞笼。

任选地，该装置进一步包括与细胞库中的液体介质电接触的一个或多个第一电极。

任选地，该装置进一步包括在封闭库和离子库之间的半透膜。

任选地，该装置进一步包括包含离子流体的离子库。

任选地，该装置进一步包括与离子流体电接触的一个或多个第二电极，使得在一个或多个第一和第二电极之间流动的电流将离子注入细胞笼。

任选地，半透膜是来自包括下列的列举的任一种：阳离子交换膜(CEM)、荷电镶嵌膜(CMM)、双极性膜(BPM)、阴离子交换膜(AEM)、碱性阴离子交换膜(AAEM)、质子交换膜(PEM)等。

任选地，一个或多个第一电极与封闭库的一侧上的液体介质电接触，并且第二电极与封闭库的相对侧上的液体介质电接触，使得通过扩散离子注入细胞笼。

任选地，每个细胞限内区具有内部尺寸，使得一个或多个细胞适合每个细胞限内区，大开口对于细胞进入细胞限内区具有足够大的尺寸，并且小开口具有小于细胞的尺寸，禁止细胞离开细胞笼进入封闭库。

任选地，细胞限内区具有内部尺寸，以便两个或更多个细胞适合每个细胞限内区，并且其中小开口是每个适于接收单细胞的两个或更多个小开口。

任选地，细胞限内区具有靶细胞的内部形状以分离。

任选地，细胞限内区具有内部圆柱形形状。

任选地，细胞限内区具有内部圆锥形形状。

任选地，细胞限内区具有内部半球形形状。

任选地，细胞限内区具有足够大的内部尺寸以适合许多单个细胞。

任选地，液体介质泵是来自下列的列举的任何设备：电动泵、微型泵、具有附连卡尺的手动注射器、自动可编程注射器、计算机化注射器、注射驱动器、注射泵、可编程注射泵、介质分配器、感应泵、压力注入细胞分配器、蠕动泵、输液泵等。

任选地，在细胞笼阵列和封闭库之间具有玻璃、聚乙烯等阵列支持结构，使得阵列支持结构维持细胞笼阵列在基本上平的平面中。

任选地，细胞笼阵列通过装置中的不透明窗是可见的。

任选地，细胞笼阵列进一步包括附连的抗体。

任选地，凝胶层进一步包括附连的抗体。

任选地，该装置进一步包括在细胞笼阵列和封闭库之间的扩散凝胶层。

任选地，该装置进一步包括邻近于凝胶层的吸附层，并且吸附层由来自下列的列举的任何组成：硝化纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)、低荧光PVDF等。

任选地，凝胶层由来自下列的列举的任何组成：琼脂糖、丙烯酰胺、双丙烯酰胺混合物等。

任选地，机械元件是来自下列的列举的任何元件：螺旋装置(screw)、水平元件(level)、步进马达、步进马达、计算机化步进马达、线性致动器、计算机化线性致动器等。

任选地，该装置是计算机化装置，其包括一个或多个用户界面、一个或多个组件界面、和一个或多个能够控制一个或多个组件的处理单元。

根据本发明的一些实施方式的方面，提供了用于输出分离细胞的细胞计量分析结果的方法。

该方法包括接收包含待被分析的细胞的悬液的液体介质进入细胞库。该方法进一步包括自封闭库——其与细胞库通过细胞笼阵列分开——抽吸液体介质，直到分离的细胞进入细胞限内区。该方法进一步包括移动凝胶层邻近于细胞笼阵列、分离在细胞限内区中的悬浮细胞——每个细胞限内区一个悬浮细胞，以产生分离细胞。该方法进一步包括进行分离细胞的细胞计量分析。该方法进一步包括输出细胞计量分析的结果。

任选地，该方法进一步包括通过施加电流通过液体介质和细胞笼将离子注入细胞笼，其中电流在与细胞库中的液体介质电接触的第一电极和与离子库——其与封闭库通过半透膜分开——中的离子流体电接触的第二电极之间流动，从而将离子流体中包含的离子移动入细胞笼。

任选地，第一电极还包括离子库中的离子流体和半透膜，使得半透膜控制来自第一电极的离子注入。

任选地，离子是氢氧根离子，从而引起pH和分离细胞的盐环境改变并且溶解分离细胞。

任选地，分离细胞的细胞计量分析包括将化学物质引入封闭库并且化学物质通过扩散进入细胞笼。

任选地，分离细胞的细胞计量分析包括电穿孔分离细胞以将化学物质引入分离细胞的细胞质。

任选地，该方法进一步包括通过施加电流通过封闭库中的液体介质将离子注入细胞笼，其中电流在与离子库——其与封闭库通过半透膜分开——中的离子流体电接触的第一电极和与封闭库中的液体介质电接触的第二电极之间流动，从而将离子流体中包含的离子通过扩散移动入细胞笼。

任选地，第二电极还包括第二离子库中的第二离子流体和第二半透膜，使得除了第一电极之外，半透膜还控制来自第二电极的离子注入。

任选地，细胞计量分析包括通过细胞笼阵列的不透明侧成像。

任选地，当通过监测使用抽吸的液体介质的流动速率，足够数目的细胞已经在细胞限内区中被分离时，液体介质的抽吸停止。

任选地，分离细胞的细胞计量分析包括来自包括下列的列举的任何行动：培养、施加刺激、免疫细胞化学分析、蛋白质印迹、凝胶电泳、蛋白质纯化、绿色荧光蛋白、蛋白免疫染色、蛋白质测序、蛋白电泳、蛋白免疫沉淀反应、多肽质量指纹分析、双偏振干涉测量、微量热泳动(microscale thermophoresis)、染色质免疫沉淀、表面等离子共振、核酸分析、光学分析、蛋白质分析、荧光图像分析、细胞光度术、电穿孔、基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、分光光度法等。

任选地，在抽吸期间，细胞笼阵列与分离细胞一起转移至新的液体介质。

任选地，细胞笼阵列中的分离细胞增殖以在每个细胞限内区中产生分离细胞簇，并且每个簇中的一些细胞通过第二抽吸作用被转移至一个或多个新的细胞笼阵列。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。虽然与本文描述的那些相似或等价的方法和材料可以在本发明的实施方式的实践或测试中使用，但是下面描述了示例性方法和/或材料。在冲突的情况下，专利说明书——包括定义，将占主导(control)。此外，材料、方法和实施例仅是说明性的并且不意欲是必然限制性的。

本发明的实施方式的方法和/或系统可以包括手动地、自动地或其组合地执行或完成选定的任务。而且，本发明的方法和/或系统的实施方式的实际仪器和器材，几个选定的任务可以通过硬件、通过软件、或通过固件、或通过其组合使用操作系统实施。

例如，用于执行根据本发明的实施方式的选定任务的硬件可以被实施为芯片或电路。作为软件，根据本发明的实施方式的选定任务可以被实施为使用任何适合的操作系统由计算机执行的许多软件指令。在本发明的示例性实施方式中，根据本文描述的方法和/或系统的示例性实施方式的一个或多个任务由数据处理器——比如用于执行许多指令的计算平台——执行。任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器和/或非易失性存储装置，例如，用于存储指令和/或数据的磁性硬盘和/或可移动媒介。任选地，也提供了网络连接。任选地，也提供了显示器和/或用户输入设备比如键盘或鼠标。

附图描述

在此仅通过实例的方式参照附图描述了本发明的一些实施方式。现在详细的具体参照附图，强调了通过实例的方式并且出于本发明的实施方式的说明性讨论的目的示出细节。就此而言，说明书连同附图使得本领域技术人员清楚如何可实践本发明的实施方式。

在附图中：

图1是根据本发明的一些实施方式的用于在笼中捕集单个细胞并对每个单个细胞进行细胞计量分析的方法的流程图；

图2A是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的具有圆柱形孔(well)的细胞笼阵列的示意性图示；

图2B是根据本发明的一些实施方式的用于捕集细胞簇的具有圆柱形孔的细胞笼阵列的示意性图示；

图3是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的具有圆锥形孔的细胞笼阵列的示意性图示；

图4是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞并将离子注入捕集的细胞周围环境的装置的示意性图示；

图5是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞并将离子注入捕集的细胞周围环境的装置的细节的示意性图示；

图6是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的装置的底侧的示意性图示；

图7是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的装置的横截面示意性图示；

图8是根据本发明的一些实施方式的在细胞捕获期间显示的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示；

图9是根据本发明的一些实施方式的在离子注入期间显示的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示；

图10是根据本发明的一些实施方式的在离子注入期间显示的用于捕集单个细胞的装置的横截面示意性图示；

图11是根据本发明的一些实施方式的在通过扩散离子注入期间显示的装置的详细的横截面示意性图示；

图12是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞、离子注入和细胞计量分析的装置的详细的横截面示意性图示；

图13是根据本发明的一些实施方式的用于对来自单个细胞的溶胞产物进行免疫细胞化学分析的装置的详细的横截面示意性图示；

图14是根据本发明的一些实施方式的用于将细胞笼阵列转移至新溶液的装置的横截面示意性图示；

图15是根据本发明的一些实施方式的用于在笼中捕集单个细胞并对每个单个细胞执行细胞计量分析的计算机化装置的示意性图示；

图16是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示，其示出了细胞笼阵列的过滤器背衬(backing)；

图17A是根据本发明的一些实施方式的在笼阵列中细胞增殖的第一部分的阶段(step)期间细胞库的横截面图的示意性图示；和

图17B是根据本发明的一些实施方式的在笼阵列中细胞增殖的第二部分的阶段期间细胞库的横截面图的示意性图示。

具体实施方式

在本发明的一些实施方式中，本发明涉及细胞计量术，更具体地，但是非排它性地，涉及细胞分离、固定、培养、操作和分析。

在流式细胞术中，可以存在数个缺点。因为细胞仅一次流过检测器，该技术可能一次要求同时附连所有抗体。这可能限制由于荧光信号的重叠可能被引入细胞的标记物的量。在方法中，当细胞可能不被固定于某一位置时，将某一细胞的免疫细胞化学信号关联至其在后续的下游检测过程中的信号可能是不可能的。进一步的缺点可能是：由于细胞不是静止的，因此细胞变化的时间演化可能不能被监测和分析。

微流体细胞分离设备在它们的应用中可能被限制，这是由于设备操作和每个一次性细胞笼阵列的高费用和由于可能不能在笼中捕集细胞以限制细胞溶胞产物的稀释。

电和磁分离设备，比如DEP阵列，可能不允许使用直接定量方法分析细胞溶胞产物，因为溶液对于细胞笼阵列中的所有细胞可以是共同的，并且可以通过液体介质稀释。

机械分离设备可以观察微观载玻片上的单个细胞，但是不操作用于细胞计量分析的细胞和它们的环境。

已经开发了用于分离单细胞和对每个细胞单独地执行分析的装置和方法。细胞的分离可以使用吸入泵进行以将细胞从液体介质吸入穿孔的细胞笼阵列，其中每个笼可以是使得仅一个细胞可以适合的大小。每个细胞笼的穿孔在含有悬浮细胞的液体介质的一侧上可以包含一个大开口或孔以允许一个细胞进入每个笼，和在液体介质从其被抽吸的一侧上包括多个小开口或孔——其对于捕集细胞离开笼可能太小。为了捕集和分离细胞，在笼被占据之后，邻近于细胞笼阵列放置传导性凝胶盖，以便所有的细胞笼同时被闭合。分析可以通过记录活细胞对各种刺激的反应，或通过诱导细胞溶解作用和检查每个细胞的内含物进行。细胞笼是细胞被捕获后溶解作用发生的地方，并且由来自顶部的细胞笼阵列和来自底部的传导性凝胶组成。装置可以在不改变流体体积的情况下实施离子注入技术以便将带电分子引入至细胞环境。这在溶胞产物分析的情况下可能是重要的，因为其内含物不被稀释。该装置可以不实施昂贵的微流体元件，使用过滤器来创建细胞笼阵列。

根据本发明的一些实施方式，提供了用于分离和分析单个细胞的方法和装置。使用吸入，悬浮在液体介质中的细胞可以被吸入细胞笼阵列的笼中，该细胞笼阵列的笼可以具有在含有细胞的液体介质的一侧上的大开口或孔、在吸入泵的一侧上的一个或多个小开口或孔、和捕集一个或多个细胞的限内区。阵列的细胞笼可以具有足够小的细胞限内区尺寸使得仅一个细胞可以适合每个笼，大开口对于细胞进入可以足够大，并且小开口可以对于细胞来说太小而不能离开笼。通过抽吸液体介质通过细胞笼阵列，细胞可以被吸入笼中，然后通过洗掉液体介质并按压细胞笼阵列抵靠传导性凝胶膜盖而被分离。

一旦被分离，细胞笼中的细胞可以使用适于本发明的细胞计量方法进行分析。

任选地，该装置包括半透膜、离子库、电连接至传导性凝胶的反电极和连接至流体库的工作电极，使得从传导性凝胶，通过阵列的细胞笼、抽吸库和半透膜，并且最终至离子库建立电传导路径。通过沿着该传导路径施加电流，离子可以被注入细胞笼并因而被用于修饰(modify)和/或刺激在笼内捕集的细胞。例如，半透膜是双极性膜，离子流体是中性液体介质，并且正电流从传导性凝胶到离子库施加。在该实例中，氢氧根离子在双极性膜处产生，并且通过电流被吸入细胞笼以增加细胞环境的pH。当细胞笼内的pH到达近似11的值时，细胞可以经历溶解作用并且可以分析细胞溶胞产物。

任选地，细胞笼阵列中的细胞通过装置底部上的窗成像。例如，荧光显微镜用于通过该窗分析细胞笼的内含物。例如，光学显微镜用于通过该窗观察细胞笼阵列的内含物。

如本文所使用的，术语细胞笼(cell cage)意思是具有适于接收一个或多个细胞的尺寸的部分或完全封闭的空间。细胞笼的替代术语可以是孔、洞、室、容器、管、限内区、凹坑(depression)、皮米孔(pico-well)、皮升孔、迷你孔、纳米孔、微米孔、毫米级孔等。如本文所使用的，术语细胞笼阵列意思是具有在组件的表面上布置的多个细胞笼的组件。细胞笼阵列的替代术语可以是孔阵列、细胞分离阵列、多壁板、微孔板、微孔阵列等。如本文所使用的，术语细胞笼的开口意思是允许流体和/或细胞从细胞笼进入和离开的细胞笼的特征。开口的替代术语可以是孔隙(aperture)、孔、窗等。例如，细胞笼的小开口可以是对于细胞来说太小而不能通过，但是对于液体介质通过足够大的开口。例如，细胞笼的大开口可以是对于细胞和液体通过都足够大的开口。

任选地，细胞笼阵列可以从装置拆卸。例如，细胞笼阵列是单次使用的、一次性的细胞笼阵列，其中在每个阵列中含有100到1,000,000个之间的细胞笼。例如，细胞笼阵列具有100个细胞笼。例如，细胞笼阵列具有1,000,000个细胞笼。例如，细胞笼阵列具有10,000,000个细胞笼。例如，在不包含一次性细胞笼阵列的情况下出售装置，并且细胞笼阵列可以单独购买。

在详细地解释本发明的至少一个实施方式之前，应当理解，本发明不必限制其应用于下面的描述中陈述的和/或附图和/或实施例中阐明的组件和/或方法的结构和布置的细节。本发明能够包括其他实施方式或者能够以不同的方式实践或实施。

本发明可以是系统、装置、设备、工艺和/或方法。

在此参照根据本发明的实施方式的方法、装置和系统的流程图和/或方框图描述了本发明的方面。将理解，流程图和/或方框图中的每个方框和流程图和/或方框图中的方框的组合可以通过计算机可读的程序指令实施。

附图中的流程图和方框图图解了根据本发明的不同实施方式的系统、方法和设备的可能的实施的架构、功能和操作。就此而言，流程图或方框图中的每个方框可以代表指令的模块、节段或部分，其包括用于执行指定的逻辑功能(一种或多种)的一个或多个行动。在一些可选的实施中，方框中注释的功能可以不按照附图中注释的顺序进行。例如，连续显示的两个方框可以事实上基本同时执行，或者方框可以有时以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，方框图和/或流程图中的每个方框和方框图和/或流程图中的方框的组合可以通过基于专用硬件的系统实施，该系统执行指定的功能或行为，或实施专用硬件和计算机指令的组合。

现在参照图4，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞并将离子注入捕集的细胞周围环境的装置的示意性图示。细胞笼阵列400可以保持在可以附连至臂401的笼阵列固定器409中。该臂可用于将细胞笼阵列放置在细胞库201中传导性凝胶403之上，所述传导性凝胶403可以位于细胞库底板(floor)。细胞库可以位于装置的底部402中。封闭库可以位于笼阵列固定器409内，并且吸入管408将封闭库连接至吸入泵406。当足够的细胞已经占据阵列的细胞笼时，可以启动机械元件，在该实施方式中可以转动螺旋装置407，以按压细胞笼大开口抵靠传导性凝胶层403，使得凝胶层形成对细胞笼的大开口的连续屏障并分离每个笼中的细胞。

任选地，螺旋装置是杠杆、线性致动器等。

任选地，装置是手持型装置并且细胞库不附连至装置。例如，细胞库是培养皿，其包含具有悬浮细胞的液体介质。在该实例中，装置具有手持型拇指行动机械泵，比如在移液管中使用的。按压拇指泵按钮，细胞阵列被放置入培养皿的液体介质中，释放拇指泵按钮，将细胞吸入细胞阵列。将细胞阵列转移至包含分离凝胶层、第二液体介质、第二细胞阵列等的第二皿中。根据第二皿内含物和细胞处理方案，可以再次按压拇指按钮以提取分离的细胞，或者按压第二按钮以从装置解离细胞阵列。当细胞笼阵列被解离，比如在显微镜载玻片上用于视觉成像时，分离的细胞可以进一步与装置分开地处理，用于加工、细胞计量术、分析、增殖等。

当可能需要离子注入时，可以将工作电极连接至工作电极插件(插口，insert)405，反电极可以连接至反电极插件404，并且电流从电流源施加至电极。工作电极插入包括半透膜、离子库和母电极插座(female electrical electrode receptacle)。工作电极可以是正极和反电极可以是负极，并且根据离子注入化学的需要反之亦然。

现在参照图2A，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的具有圆柱形孔的细胞笼阵列的示意性图示。细胞笼阵列203可以包含穿孔的细胞笼206，其在邻近于细胞库201的一侧上具有在205处的用于细胞进入每个笼的大开口。每个笼206在邻近于封闭库202的一侧上具有一个或多个小开口207。例如，细胞笼阵列可以包括两个聚碳酸酯膜过滤器，分别具有2微米和10微米的洞(hole)。因此，所得到的细胞笼阵列203可以具有在细胞库201的一侧上的10um开口和在封闭库202的一侧上的2微米开口的洞。

例如，使用商业可得的膜过滤器，比如ISOPORE MEMBRANE FILTER，目录号TCTP02500和TCTP02500，由Millipore，Inc.制造。当它们彼此抵靠平直地结合时，它们可以产生本文描述的细胞笼。例如，笼阵列由微制造方法制造。笼阵列可以通过两个负性光致抗蚀剂层产生。第一层可以是包含1-4微米洞的液体光致抗蚀剂的大约1-5微米厚的薄层。例如，由MicroChem制造的SU8 2002或由Gersteltec Engineering Solutions制造的SU81060是使用的光致抗蚀剂层。第二层可以由30到100微米厚度的膜光致抗蚀剂制成并且包含与第一层的洞同轴的100微米洞。例如，第二随后的光致抗蚀剂是由Tokyo Ohka Kogyo制造的TMMF S2045，或者由DuPont制造的PerMXTM。参见邮件中所附的图。使用两个光致抗蚀剂层制造的细胞笼阵列的优势是其透明度，使得能够使用例如亮视野显微镜检查术而不是荧光显微镜检查术观察笼内的细胞。

现在参照图2B，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集细胞簇的具有圆柱形孔的细胞笼阵列的示意性图示。如在图2A中，细胞笼阵列203可以包含穿孔的细胞笼206，其在邻近于细胞库201的一侧上具有在205处的用于细胞进入每个笼的大开口。每个笼206在邻近于封闭库202的一侧上具有一个或多个小开口207。这里，细胞笼的尺寸对于两个或更多个细胞占据每个笼是足够大的，这允许细胞簇被引入细胞笼阵列的每个细胞笼中或在其中培养。例如，细胞笼开口和直径是100微米。例如，细胞笼深度在30到100微米之间。例如，细胞小开口在2到5微米之间。例如，小开口的光致抗蚀剂层是1到5微米厚。

根据本发明的一些实施方式，提供了通过抽吸具有悬浮细胞的液体介质通过细胞笼阵列——其允许细胞进入笼但是阻止细胞离开——分离细胞的方法。每个笼提供液体介质流动的通道，其在细胞库的一侧上具有一个大开口和在连接至吸入泵机构的封闭库的一侧上具有一个或多个小开口。每个笼的入口对于单细胞进入每个笼可以足够大，并且笼的尺寸足够小，使得仅一个细胞可以适合每个笼。通过从封闭库抽吸液体介质，悬浮细胞被吸入笼，每个笼中一个细胞。当细胞占据笼时，细胞可以阻挡小开口并从而限制液体流过那个笼并阻止将另外的细胞吸入那个笼。一旦足够数目的笼已经被占据，可以感测对吸入的流动阻力。可以通过按压细胞笼阵列抵靠传导性凝胶——其在细胞笼上形成盖，完成该过程。

现在参照图1，其是根据本发明的一些实施方式的用于在笼中捕集单个细胞并对每个单个细胞进行细胞计量分析的方法的流程图。含有悬浮细胞的接收的液体介质101可以被放置在装配有细胞笼阵列的细胞库中102。可以启动泵以从封闭库吸入液体介质103，直到足够的细胞笼已经被占据104。可以移动传导性凝胶层105邻近于细胞笼阵列的大开口侧以捕集它们各自笼中的细胞。当在106离子注入需要时，通过将含有胶的膜附连109至工作电极并且利用离子流体填充离子库110制备工作电极插件。连接工作和反电极111，并且可以施加电流112。当离子注入不需要或者离子注入已经完成时，可以执行细胞计量分析107并且将分析结果108输出至用户108。

在本装置和方法中，遍及检测过程细胞可以处于固定位置。这使得能够连续地执行多个免疫化学实验并且因此克服流式细胞术中发现的信号重叠的限制。细胞笼还可以利用直接定量能够执行随后的检测过程，比如溶胞产物分析，这是因为细胞笼的内含物可以不被稀释。

由于每个细胞可以被捕获在其自己的笼中，因此可以进行每个细胞的单独免疫化学分析。而且，该过程可以利用多种抗体连续地进行。

细胞分离过程可以通过两个阶段描述：装配阶段和捕获阶段。装配阶段包括将载玻片和/或其它透明支持体附连至其在底部窗(base window)上的位置。现在参照图6，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的装置的底侧的示意性图示。装置底部402可以具有由透明支持体602覆盖的成像窗601。

现在再次参照图4。可以将传导性凝胶403倒入底部402，通常大约2到3毫升。将弹簧插入臂中，细胞笼阵列400插入笼阵列固定器409，和螺旋装置407至臂401上的位置。至吸入泵406的管408可以连接至细胞笼阵列固定器409，并且该固定器连接至臂401。反电极插件404可以放置在其在底部402的位置中，并且臂401可以附连至底部402。吸入管408可以连接至吸入泵406。

现在参照图5，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞并将离子注入捕集的细胞周围环境的装置的细节的示意性图示。当可能需要离子注入时，可以将半透膜501胶粘到工作电极插件405，并且工作电极插件可以利用适当的离子流体填充。例如，当氢氧根离子待被注入时，插件可以利用150毫摩尔NaCl溶液填充。工作电极插件可以利用O型环502螺旋至其在笼阵列固定器409中的位置以使得液体紧密密封。半透膜可以附连至反电极插件，并用150mM NaCl溶液填充。例如，当氢氧根离子待被注入时，则附连的半透膜可以是阴离子交换膜。

在细胞捕获阶段期间，螺旋装置可以转动以提升细胞笼阵列至高于传导性凝胶至少2毫米。大约1毫升的含有悬浮细胞的液体介质可以被放置在细胞库中。现在参照图8，其是根据本发明的一些实施方式的在细胞捕获期间显示的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示。液体介质201可以从封闭库202抽吸并且细胞802在细胞笼阵列203中累积，直到阵列具有足够的用于分析的细胞。现在参照图9，其是根据本发明的一些实施方式的在离子注入期间显示的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示。细胞阵列203可以通过转动螺旋装置降低直到细胞笼阵列轻轻地按压抵靠传导性凝胶801，完成细胞捕获。这形成从电连接至封闭库202的工作电极插件，通过细胞笼206，通过传导性凝胶801，并且至电连接至传导性凝胶的反电极的用于离子注入的离子传导路径。

任选地，细胞捕获过程是自限制的，这确保仅仅单细胞被捕获在每个笼中。这可能是由于捕获的细胞阻挡它们笼中的小开口，从而减小了将另外的细胞吸入那个笼中的力。

任选地，细胞笼阵列具有支持结构，比如玻璃过滤器等，如细胞笼阵列和封闭库之间的刚性背衬。使用支持结构按压细胞笼阵列抵靠传导性凝胶可以通过抵靠传导性凝胶的压力分离细胞笼中所有的单个细胞，而没有改变细胞笼阵列的形状。现在参考图16，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的装置的详细的横截面示意性图示，其示出了细胞笼阵列的支持结构背衬。例如，玻璃、聚乙烯等支持过滤器1601可以放置在细胞笼阵列203和封闭库202之间，使得细胞笼阵列保持平坦同时被按压抵靠传导性凝胶801。例如，使用烧结玻璃滤器目录号251510406，由DURAN Group GmbH制造。例如，使用聚乙烯过滤器目录号POR-4898，由Interstate Specialty Products，Inc.制造。

扰乱细胞环境可以通过使用电离子注入改变笼的pH和盐环境进行。电离子注入可以通过半透膜、离子流体和通过细胞笼的导电路径进行。较大的带电分子也可以通过离子交换膜引入。仍更大的分子或中性分子可以通过将含有细胞的细胞笼阵列转移至包含这些更大分子的新溶液引入。

任选地，关于液体介质的盐剖面(profile)不存在限制。

任选地，对于细胞溶解作用，非缓冲溶液是优选的，因为它们缩短了达到溶解必需的pH水平的时间。

在细胞已经通过传导性凝胶盖在笼中被捕集之后，离子注入的过程继续，从细胞库去除过量的溶液。可以通过改变它们的pH和/或盐环境溶解细胞。下面是如何通过注入氢氧根离子这样进行的实例。任选地，细胞溶解作用可以通过盐消耗、十二烷基硫酸钠(SDS)注入等实现。

任选地，使用双极性膜，产生氢氧根离子并将其注入细胞笼。现在参照图10，其是根据本发明的一些实施方式的在离子注入期间显示的用于捕集单个细胞的装置的横截面示意性图示。正电流1001可以从位于反电极插件404中的正电极1002施加至位于工作电极插件405中的负电极1003。在该选择中，电流在双极性膜501(BPM)处诱导氢氧根离子产生。现在再次参照图9。这些阴离子朝向正电极1002电迁移通过封闭库1002和细胞笼206，这升高了细胞笼pH并诱导细胞溶解作用。电流可以通过连接至工作和反电极插件的电流源1004施加。阴离子交换膜1005(AEM)可以被放置在反电极的前面以阻止阳离子进入凝胶。氢氧根离子注入可以通过在反电极和工作电极之间施加2毫安电流启动。反电极可以具有正电压。一旦细胞笼中的pH水平达到近似11的值，细胞经历溶解作用。

任选地，传导性凝胶层附连至细胞笼阵列的邻近于封闭库侧的其小开口侧，以阻止溶胞产物成分向外扩散。

任选地，传导性凝胶层附连至细胞笼阵列的邻近于封闭库侧的其小开口侧，以允许通过扩散注入离子。现在参照图11，其是根据本发明的一些实施方式的通过扩散注入离子的装置的详细的横截面示意性图示。这里，扩散凝胶层1100可以被放置细胞笼阵列203之上邻近于小开口侧。凝胶可以按压抵靠细胞笼阵列203以确保与细胞笼的良好接触。一旦电流1001可以在工作405和反404电极插件之间施加时，氢氧根离子可以在双极性膜501中产生，并且被注入至凝胶1100。在凝胶1100内累积的氢氧根离子通过扩散渗透细胞笼并到达细胞802。扩散过程可以不花费长时间，因为凝胶与细胞笼的距离可以是非常短的。以这种方式，可以将任何类型的盐引入至笼。任选地，传导性凝胶层1100起吸附层的作用。反电极插件404可以具有附连的阳离子交换膜1101(CEM)。在某些情况下，在细胞笼内不存在电场可以是有益的。

任选地，物质可以在不施加电流和/或流通过细胞笼的情况下被引入阵列。例如，凝胶预装载有必需物质，并且被按压抵靠细胞阵列。物质然后从凝胶扩散入细胞笼。将物质装载入凝胶可以通过利用包含这些物质的溶液浇铸凝胶完成。例如，这些物质可以是洗涤剂、酶、营养物等。

任选地，为了阻止溶胞产物成分从细胞笼阵列的大开口侧向外扩散，截止膜(cutoff membrane)，比如透析膜，可以放置在传导性凝胶和细胞笼阵列之间。截止膜可以是具有分子级孔径的多孔膜。该膜阻止大于该孔的分子通过膜。例如，Standard RCDialysis Tubing，1kD，目录号：132636，由Spectrum Laboratories，Inc.制造。

任选地，通过扩散利用将包含化学物质和/或材料的液体引入封闭库而将化学物质和/或材料引入细胞笼。例如，通过在单个细胞已经被分离之后——并且在这种情况下电极不是必需的——直接将包含锂原子的液体用移液管移入封闭库而将锂原子引入细胞笼。

任选地，细胞计量分析可以包括以下行动的任一种：培养、施加刺激、免疫细胞化学分析、蛋白质印迹、凝胶电泳、蛋白质纯化、绿色荧光蛋白、蛋白免疫染色、蛋白质测序、蛋白电泳、蛋白免疫沉淀反应、多肽质量指纹分析、双偏振干涉测量、微量热泳动、染色质免疫沉淀、表面等离子共振、核酸分析、光学分析、蛋白质分析、荧光图像分析、细胞光度术、电穿孔、基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、分光光度法等。

任选地，在细胞溶解之后，细胞溶胞产物被转移至基底用于进一步分析。下面可以是实施蛋白质分析的可能的方式。

任选地，施加电场用于将溶胞产物穿过凝胶转移至吸附层，比如硝酸纤维膜。当细胞笼内的pH可以是高的时，大多数溶胞产物成分可以带负电。反电极处的正电压可以朝向吸附层引导带负电的溶胞产物内含物。

现在参考图12，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞、离子注入和细胞计量分析的装置的详细的横截面示意性图示。在细胞溶解作用之后，细胞笼阵列203可以被按压抵靠含有相邻吸附层1201的凝胶盖801。可以施加电流1001，引导细胞溶胞产物1203穿过传导性凝胶至吸附层。当细胞溶胞产物1203的某一成分可能是期望的时，该层可以被修饰具有抗体1202以结合该成分。否则，所有溶胞产物成分可以附连至吸附层。任选地，一种或多种溶胞产物成分的检测可以使用标准免疫化学检测方法例如利用标记的抗体1204执行。

任选地，溶胞产物成分通过施加电场被转移至传导性凝胶。由于凝胶的扩散系数可以是显著低的，所以后者可以长时段存储溶胞产物。传导性凝胶可以在后来时间被转移和分析。

任选地，溶胞产物在不施加电场的情况下被吸附至吸附层。现在参照图13，其是根据本发明的一些实施方式的用于对来自单个细胞的溶胞产物进行免疫细胞化学分析的装置的详细的横截面示意性图示。吸附可以通过将吸附层1301附连至细胞笼阵列的上侧邻近于细胞笼阵列203的小开口侧进行。当溶胞产物1203的某一成分可能是期望的时，该层可以修饰具有抗体1202以结合该成分。在适合的培养时间之后，可以使用标准免疫化学检测方法进行检测。

任选地，传导性凝胶1302和/或细胞笼壁1303可以通过修饰它们的表面含有抗体1202以结合一种或多种溶胞产物1203成分执行为吸附层。

任选地，为了增强抗原-抗体结合，一旦细胞溶解作用完成，细胞笼内的盐和pH水平就可以被改变为有利于这样的相互作用的值。例如，细胞通过升高pH至11而被溶解，并且磷酸根离子(H2PO4-)通过阴离子交换膜注入以降低细胞笼内的pH水平。

任选地，可以进行类似的方法以将信使核糖核酸(mRNA)从溶胞产物分离。例如，Poly-T单链脱氧核糖核酸(DNA)包含重复的胸腺嘧啶核碱基分子并且捕获具有互补的重复腺嘌呤(Poly-A)尾的信使核糖核酸分子(mRNA)。当细胞表达某一蛋白质时，细胞可以产生编码那个蛋白质的DNA的拷贝。该拷贝被称为与那个蛋白质对应的mRNA分子。其包含DNA序列和Poly-A尾的拷贝。mRNA可以附连至核糖体，其然后根据mRNA序列产生蛋白质。由于所有的mRNA可以具有Poly-A序列，因此它们可以使用Poly-T DNA序列有效地捕获。因此，抗体可以使用Poly-T DNA尾结合全部mRNA群。将捕获的mRNA转变为互补脱氧核糖核酸(cDNA)，并且聚合酶链反应(PCR)扩增可以在笼内实施，使得能够实现单细胞转录组学。由于细胞温度的简单操作——例如通过将细胞笼阵列附连至电控热源，PCR过程可以是可行的。

任选地，对细胞笼阵列中的分离细胞执行电穿孔，使得DNA能够被插入细胞和/或细菌。该过程可以使得细胞和/或细菌表达在原始基因组中可能不包含的某一基因。DNA分子可以包含至少两个要素：细胞和/或细菌可以表达的基因，和当细胞包含DNA分子时可以有助于发现的报道基因。例如，报道基因编码荧光蛋白。首先，DNA可以插入包含细胞和/或细菌的溶液。随后，可以施加强电场至细胞和/或细菌，使得它们经历暂时的穿孔。在该过程期间，DNA分子可以进入某一百分比的细胞和/或细菌穿孔。随后，可以关闭电压并且可以使得细胞恢复。在几个小时之后，在电场中幸存的并且包含DNA的细胞可以表达荧光蛋白。通过荧光成像，可以检测哪些细胞被成功地电穿孔。

任选地，电穿孔可以在单个单细胞中实施。DNA可以在细胞被捕获和分离之后被插入细胞笼。这可以通过扩散等电学地完成。电场可以使用工作和反电极施加。荧光检测可以通过成像窗完成。

任选地，装置可以用于免疫细胞化学分析。在该检测技术中，细胞可以被引入至抗体以结合细胞膜上存在的各种抗原。这种抗原的检测对于分类细胞可能是重要的。该装置可以能够对每个细胞单独地执行这样的实验，能够实现在大细胞群中详细分析抗原。例如，单细胞免疫细胞化学的过程可以通过在细胞笼阵列中捕获细胞进行。细胞笼阵列可以被转移至包含抗体的溶液中并在其中培育以结合细胞抗原之一。细胞笼阵列可以被转移至洗涤液中并在其中培育，以移除非特异性结合的抗体。可以进行检测反应，例如利用二级标记抗体，以检测一级抗体的存在。

任选地，可以通过利用对于细胞维持必需的成分预先调节细胞笼溶液培养细胞持续长时段。任选地，细胞也增殖。

任选地，细胞分析监测细胞对各种刺激的应答同时保持细胞存活。例如，免疫系统的T细胞通过引入针对它们的CD28受体的抗体活化。在活化之后，这些细胞可以分泌细胞因子比如IL-2和INFγ。刺激细胞和检查它们个体应答的能力对于研究目的比如识别新的细胞亚群，以及对于临床研究比如调查细胞对药物的应答可以是重要的。

任选地，刺激比如pH和盐改变可以通过执行离子和pH注入器(injector)进行。任选地，较大的带电分子，比如血清素，也可以通过执行离子和pH注入器引入。

任选地，仍更大的分子，比如细胞因子，或中性分子，比如葡萄糖，可以通过将细胞笼阵列从一种溶液转移至另一种而引入。例如，单细胞可以通过将它们引入预先调节的溶液利用不同成分处理。现在参照图14，其是根据本发明的一些实施方式的用于将细胞笼阵列转移至新溶液的装置的横截面示意性图示。在细胞笼阵列含有足够细胞之后，弱抽吸1401可以进行，然后用传导性凝胶闭合细胞笼阵列。可以操作泵以在该过程期间产生弱抽吸从而阻止细胞802从阵列203的笼逃逸。当弱抽吸1401可以是活跃的时，细胞笼阵列203可以从液体介质溶液202转移1402至不同的液体介质1403。为了分析响应于刺激的细胞分泌，细胞笼阵列可以被按压抵靠吸附分泌材料的一些吸附层。吸附材料的检测可以如上所述执行。可以通过诱导细胞溶解作用和检查所得到的溶胞产物成分来检测细胞内应答。

任选地，颠倒装置的方位，使得细胞笼阵列位于装置的底部上，泵连接至底部中的内部通道，并且传导性凝胶连接至臂。例如，颠倒方位的装置允许使用重力以进一步将细胞吸入细胞笼。

任选地，移动细胞笼阵列邻接传导性凝胶层的机械元件是来自下列的列举的任何一种：螺旋装置、杠杆、线性致动器、蜗杆传动、步进马达等。例如，转动螺旋装置使得笼阵列固定器在传导性凝胶层的方向上移动，直到细胞笼阵列的大开口被凝胶层阻挡。

任选地，机械元件是机动化的。

任选地，机动化的机械元件由电控制器和/或计算机控制。

任选地，装置进一步包括手动地和/或自动地制备传导性凝胶层的凝胶层施加设备。例如，凝胶层设备包括凝胶库和龙头，并且当需要凝胶层时，打开龙头以允许需要量的凝胶进入细胞库并使传导性凝胶层变硬。

任选地，该细胞笼阵列由用圆锥形孔穿孔的薄的聚甲基丙烯酸甲酯膜组成。现在参考图3，其是根据本发明的一些实施方式的用于捕集单个细胞的具有圆锥形孔的细胞笼阵列的示意性图示。孔301的开口尺寸可以类似于两层细胞笼阵列的开口尺寸。在阵列邻近于细胞库201的一侧，开口尺寸303可以稍微大于细胞大小。例如，细胞库侧上的开口尺寸可以为大约10微米。在阵列邻近于封闭库202的一侧，开口尺寸304可以小于细胞大小。例如，封闭库侧上的开口尺寸可以为大约2.5微米。任选地，可以生产许多笼大小以适合不同的细胞类型。

分析细胞溶胞产物，当溶解可以被诱导时，或者细胞分泌蛋白可以通过将溶胞产物和/或蛋白质固定至一些吸附层进行。任选地，将细胞溶胞产物转移至吸附层通过使用电场引导带电成分实现。任选地，将细胞溶胞产物转移至吸附层通过紧靠细胞笼放置层并培育以允许吸附实现。

任选地，吸附层具有高的吸附生物分子的能力。例如，硝化纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)和低荧光PVDF层。该层吸附溶胞产物生物分子，其可以使用常规方法比如免疫化学检测随后检测到。

任选地，吸入泵吸引液体通过细胞笼阵列用于细胞分离。任选地，吸入泵由简单的1毫升注射器——其活塞利用千分尺精确地控制——组成。任选地，泵由电液泵组成并且使用计算机化数字控制器检测。任选地，吸入泵由计算机化自动注射器组成。任选地，吸入泵是来自下列的列举的任何一种：电动泵、微型泵、具有附连卡尺的手动注射器、自动可编程注射器、计算机化注射器、注射驱动器、注射泵、可编程注射泵、介质分配器、感应泵、压力注入细胞分配器、蠕动泵、输液泵等。

任选地，吸入泵由控制器和/或计算机化控制器操作。例如，吸入泵由包括处理单元和流量传感器的计算机控制。计算机化控制器可以具有使用流量传感器来控制恒定流速的反馈回路。当控制器不得不增加吸入泵张力(effort)高于指示足够的细胞已经进入细胞笼的阈值时，控制器改变至较低的泵速以保持细胞在笼中。该较低的泵速继续直到传导性凝胶层被移动在大开口的一侧上邻接细胞笼阵列，使得形成连续的屏障以捕集每个细胞笼中的每个细胞。

任选地，吸入泵液体排出由细胞库接收，使得当悬浮细胞的数目低时液体介质不被耗尽。

任选地，第二离子库和第二工作电极插件平行于工作电极插件放置，使得离子插入通过在两个工作电极插件之间扩散进行。

任选地，第二离子库用于使得更多的离子通量通过细胞笼阵列至反电极插件。

任选地，第二离子库用于注入在第一离子库中不存在的另外的化学物质和/或材料。

任选地，细胞通过成像窗是荧光地和/或光学地可视的。

任选地，成像窗包括并入的成像设备。例如，成像窗包含显微成像照相机。

任选地，并入的成像设备是计算机化的成像设备。

任选地，并入的成像设备可用于监测占据细胞笼的细胞的数目。

任选地，当一个或多个注入器在运转中时，传导性凝胶起电流载体的功能。任选地，传导性凝胶起透明细胞笼盖——通过其细胞被可视化——的作用。任选地，传导性凝胶由溶于水性溶液的琼脂糖、丙烯酰胺、双丙烯酰胺混合物等组成。

任选地，半透膜是来自下列的列举的任何一种：阳离子交换膜(CEM)、荷电镶嵌膜(CMM)、双极性膜(BPM)、阴离子交换膜(AEM)、碱性阴离子交换膜(AAEM)和质子交换膜(PEM)。

任选地，O型环密封件包括集成的半透膜，使得半透膜不被胶粘至工作插件。任选地，O型环密封件是垫圈。任选地，半透膜是O型环密封中的插件，使得重复使用O型环密封件，但是对于装置的每次操作插入新的膜。

任选地，离子注入器通过将质子或氢氧根离子注入细胞笼控制细胞环境中的pH水平。这些离子可以通过施加适当的电流通过双极性膜(BPM)而生成。

任选地，离子注入器控制细胞环境中的盐剖面。该剖面可以通过将盐离子——比如Na+，Cl-，HPO4-2——注入和提取入细胞笼而生成。例如，离子通过施加适当的电流通过阳离子交换膜(CEM)和阴离子交换膜(AEM)而被注入。任选地，较大的带电分子，比如SDS和小蛋白，也可以使用离子注入器注入或移除。

任选地，装置是计算机化装置，其进一步包括以下的任何一种：计算机化控制器、处理单元、机械元件控制器的界面、吸入泵控制器的界面和用户界面。例如，计算机化装置接收命令以开始捕获阶段，操作吸入泵以将悬浮细胞吸入细胞笼阵列。当流速被检测到低于指示足够的细胞被吸入细胞笼的阈值时，降低泵速以维持细胞在它们各自笼中的位置。计算机化控制器指示操作者应当操作机械元件以在细胞笼中捕集和分离细胞。

任选地，计算机化控制器和/或处理单元发送命令至机动化机械元件的控制器以将细胞笼阵列邻接传导性凝胶层并捕集细胞笼阵列中的分离细胞。

任选地，用户界面是指示器面板和按钮。任选地，用户界面是计算机屏幕、键盘和计算机鼠标。任选地，用户界面是计算机化触摸屏。

任选地，处理单元是配置以操作装置的嵌入式微控制器。

现在参照图15，其是根据本发明的一些实施方式的用于在笼中捕集单个细胞并对每个单个细胞执行细胞计量分析的计算机化装置的示意性图示。计算机化装置1501可以包括一个或多个处理单元1507、一个或多个用户界面1508和一个或多个控制器界面1506。基于通过用户界面1508从用户接收的命令，处理单元1507可以使用控制器界面1506控制其它组件。控制器界面1506可以从电流源控制器1505、吸入泵控制器1504和线性致动器控制器1502发送命令并接收状态。例如，当吸入泵控制器1504接收命令开始从封闭库202抽吸液体介质时，激活吸入泵406。粗线箭头可以显示液体介质转移的路径：从细胞库201，通过细胞笼阵列203，进入封闭库202并从那里至吸入泵406。当足够的细胞已经进入细胞笼时，处理单元1507可以发送命令至线性致动器控制器1503以激活线性致动器1502，并且细胞笼阵列可以被按压抵靠传导性凝胶层801以捕集分离的细胞。

为了将离子注入细胞笼，处理单元1507可以发送命令至电流源控制器1505并且电流源1004可以被激活。电流源1004可以生成电流，其从工作电极插件405，通过封闭库202，细胞笼阵列203，传导性凝胶层801，至反电极插件404并返回电流源1004以闭合电流回路。电流回路可以由弯曲的箭头示出。通过工作电极插件405的电流可以流过离子流体707和半透膜501以释放离子进入封闭库。例如，通过工作电极插件405的电流流过离子流体707和半透膜501以释放阴离子进入封闭库202并且从那里至细胞笼阵列203中的细胞。例如，通过反电极插件404的电流流过离子流体707和半透膜501以释放阳离子进入封闭的传导性凝胶层801并且从那里至细胞笼阵列203中的细胞。

任选地，当细胞在笼内被捕获和分离时，条件设定为增强它们的培养和增殖。增殖可以产生包含携带相似基因组和外遗传基因信息的多个相同子细胞的亚克隆。当期望在相同细胞上进行多个试验时，培养和增殖单细胞是重要的。例如，与转录组学一同进行的基因组分析可以使得对细胞的同一性和状态更深的理解。但是，对单细胞进行的这样的试验可能需要分选细胞内含物的具有挑战性的任务。在其它情况下，对活细胞执行多个试验可能是必要的，例如，监测它们对不同类型的药物的应答。在本文描述的实例中，单细胞培养通过产生相同的同一性细胞的多个拷贝——其中每个被不同地处理——来促进这些过程。

例如，当产生相同细胞的多个拷贝可能必需时，诱导单细胞增殖、分开出现的亚克隆中的单个细胞并且引导每个细胞至不同的笼进行测试。现在参照图17A和图17B，其是根据本发明的一些实施方式的分别在细胞笼阵列中细胞增殖的第一部分和第二部分的阶段期间细胞库的横截面图的示意性图示。通过将荧光标记加入溶液利用荧光标记1703和1704标记1701溶液中的细胞1702，并且在吸收时间之后，洗掉过量的荧光标记。细胞在捕获膜中被捕获1721，所述捕获膜比如细胞笼阵列1705，其包含大小适于包含多个细胞的圆锥形细胞笼。捕获可以通过从细胞笼阵列1705的小孔隙侧抽吸库液体进行，使得流体从大孔隙侧流入细胞笼，将细胞吸入细胞笼。每个圆锥形的细胞笼可以具有100微米高、70微米大半径和2微米小半径的尺寸，这给出大约130皮升的总体积。假定1皮升为典型的细胞体积，这意味着在该实例实施方式中超过100个细胞可以填充于单细胞笼。一旦根据抽吸动作的流速，检测细胞笼阵列1705为在每个细胞笼中具有细胞，游离细胞通过冲刷动作移除1731。细胞可以使用荧光显微镜1706检查1741，并且它们的分离可以通过利用包含稍微小于细胞的洞的透明膜1707密封1751细胞笼阵列1705的大孔隙完成。细胞不能通过这些洞离开，除非经历抽吸，比如小于细胞大小至少1微米的洞。通过透明膜，在增殖1761期间可以监测细胞，直到每个笼包含期望数目的细胞1708。必需的介质试剂可以被引入库，并且试剂可以通过小和大孔隙渗透细胞笼，比如从细胞笼阵列1705的两侧。当每个细胞的亚克隆足够大时1708，细胞笼阵列可以1705通过在透明膜1707的另一侧上引入新的捕获膜1705B和任选地朝向新的细胞笼阵列1705B抽吸液体而被复制1771。可选地，细胞可以通过扩散迁移至新的细胞笼阵列。例如，当新的细胞笼阵列1705B利用明胶或聚赖氨酸涂覆时，至少一些细胞预期离开先前的细胞笼阵列1705并且粘附至新的细胞笼阵列1705B。

任选地，预装载在入新的细胞笼阵列1705B中的其它细胞的存在吸引细胞笼阵列1705中的细胞迁移至新的笼。例如，基质细胞吸引干细胞朝向新的笼阵列1705B移动。这导致细胞从原细胞笼阵列1705迁移至新的细胞笼阵列1705B，使得来自每个细胞笼中的一些细胞1709A保留在原细胞笼阵列1705中并且一些细胞1709B迁移至新的相应的细胞笼——新的细胞笼阵列1705B。当使用抽吸时，迁移可以自限制的，因为一旦一个或多个细胞1709B进入每个新的细胞笼，它们阻挡小半径孔隙并阻止液体流过笼，从而阻止另外的细胞迁移至那个新的细胞笼。最后，新的细胞笼阵列1705B可以利用第二透明膜1707B密封1781，从而产生原阵列的复制品。该过程可以重复以产生需要数量的细胞笼阵列复制品。测试可以在这些细胞笼阵列1705B上进行，比如药物筛选基因组学、转录组学等。任选地或可选地，复制品可以被培养用于进一步增殖。

任选地，细胞阵列利用透明膜密封。例如，透明膜密封细胞笼阵列中的细胞以阻止细胞从细胞笼逃逸。任选地，细胞笼阵列是敞开的，例如没有密封透明膜。

在许多情况下，单细胞培养是有挑战性的，因为细胞与细胞的信号传导对于细胞生存和功能是重要的。例如，骨髓内的干细胞在包含基质细胞的龛中发育。本发明的实施方式能够通过细胞笼阵列1705和1705B的孔隙实现细胞与细胞化学物质交换的益处。这些洞的直径为1到4微米之间，从而允许对于细胞笼内的细胞生存和功能需要的细胞因子、激素、细胞间因子等的扩散。例如，密封的细胞笼阵列1705B可以被放置在包含位于细胞笼阵列1705B外的大细胞群的库中，其与分离细胞通过细胞笼的孔隙交换化学物质。

任选地，支持细胞占据细胞笼，然后引入细胞用于增殖。例如，通过扩散并粘附至涂覆的细胞笼被转移至阵列的细胞笼，然后待增殖的细胞通过抽吸作用引入至细胞笼。

任选地，每个细胞笼具有两个或更多个小孔隙，使得多于一个细胞在每个细胞笼内被捕获以研究小组细胞的发育。任选地，小组细胞是相同的细胞。任选地，小组细胞是不同的细胞。例如，图1C的膜可以被修改为每个具有1和4微米之间直径的两个或更多个洞，在该组中要求每个细胞一个洞。在该实例中，抽吸液体通过膜可导致在单细胞笼内捕获许多细胞。

任选地，测试了许多相同对的细胞。例如，放置细胞A，阵列A的每个细胞笼中一个，并且放置细胞B，阵列B的每个细胞笼中一个。阵列A可以被放置抵靠阵列B并且可以抽吸细胞A，各一个进入阵列B的细胞笼，导致阵列B的每个细胞笼中一个细胞A和一个细胞B。

附图中的流程图和方框图图解了根据本发明的不同实施方式的系统、方法和设备的可能的实施的架构、功能和操作。就此而言，流程图或方框图中的每个方框可以代表代码的模块、节段或部分，其包括用于执行指定的逻辑功能(一种或多种)的一个或多个指令。还应当注意，在一些可选的实施中，方框中注释的功能可以不按照附图中注释的顺序进行。例如，连续显示的两个方框可以事实上基本同时执行，或者方框可以有时以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，方框图和/或流程图中的每个方框和方框图和/或流程图中的方框的组合可以通过基于专用硬件的系统实施，该系统执行指定的功能或行为或专用硬件和计算机指令的组合。

出于说明的目的，已经提出了本发明的各个实施方式的描述，但是不意欲是穷尽的或者限于所公开的实施方式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的，而不背离所描述实施方式的范围和精神。本文中使用的术语被选择以最好地解释实施方式的原理、实际应用或者相对于市场中发现的技术的技术进步，或者能够使本领域的其它普通技术人员理解本文公开的实施方式。

可以预计，在从本申请发展到专利的过程期间，许多相关的细胞计量方法将发展，并且术语细胞计量分析的范围意欲先验地包括所有这样的新技术。

如本文所使用的，术语“大约”指的是±10％。

术语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”、“具有(having)”和它们的同源词意思是“包括但不限于”。该术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。

短语“基本上由……组成”意思是组合物或方法可以包括另外的成分和/或步骤，但是仅仅当另外的成分和/或步骤不实质地改变所要求保护的组合物或方法的基本和新颖特征时。

如本文所使用，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数指代物，除非上下文另外清楚地指示。例如，术语“一种化合物”或“至少一种化合物”可以包括许多种化合物，包括其混合物。

词语“示例性”在本文中用来指“充当实施例、例子或说明”。描述为“示例性”的任何实施方式不必须被解释为相对于其他实施方式优选的或有优势的和/或排除来自其他实施方式的特征的并入。

词语“任选地”在本文中用来指“在一些实施方式中提供并且在其他实施方式中不提供”。本发明的任何具体的实施方式可以包括许多“任选的”特征，除非这些特征冲突。

遍及本申请，本发明的各个实施方式可以以范围形式呈现。应当理解，以范围形式的描述仅仅出于方便和简洁，并且不应当被解释为对本发明的范围的死板限制。因此，范围的描述应当被视为已经具体地公开了所有可能的子范围以及在那个范围内的单个数值。例如范围比如1到6的描述应当被视为已经具体地公开了如下子范围：例如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等，以及那个范围内的单个数字，比如，1、2、3、4、5和6。不管范围的宽度如何，这都适用。

当在本文中指出数值范围时，其意思是包含在那个指定的范围内的任何引用的数值(分数或整数)。短语“范围在第一指示数字和第二指示数字之间”和“范围从第一指示数字到第二指示数字”在本文中可互换地使用并且意思是包含第一和第二指示的数字和在其间的所有分和整数数值。

应当理解，为了清楚在单独的实施方式的背景下描述的本发明的某些特征也可以在单一实施方式的组合中提供。相反地，出于简洁在单一实施方式的背景下描述的本发明的多个特征也可以单独地或以任何适合的子组合提供或者如在本发明的任何其他描述的实施方式中适合的提供。在各个实施方式的背景下描述的某些特征不被视为那些实施方式的必要特征，除非实施方式在不包含这些要素的情况下不能实施。

虽然本发明已经连同其具体的实施方式进行了描述，但是显而易见的是，许多可选方案、修改和变化对于本领域技术人员而言将是显而易见的。因此，其意欲包含落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有这样的可选方案、修改和变化。

在本说明书中提及的所有的出版物、专利和专利申请在本文中以其全部通过引用并入到说明书中，其程度如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地提到通过引用并入本文。此外，在本申请中任何参考文献的引用或鉴定不应当被解释为承认这样的参考文献可以作为本发明的现有技术。就使用的段落标题而言，它们不应当被解释为必要地限制。

Claims (41)

1.一种用于从液体介质中分离细胞并对其进行细胞计量分析的装置，其包括：

细胞笼阵列，其被调整大小和形状以放置在细胞库和封闭库之间，并且其中每个细胞笼包括邻近于所述细胞库的大开口、细胞限内区和邻近于所述封闭库的至少一个小开口；

所述封闭库，其用于接收来自所述细胞库通过所述细胞笼阵列的液体介质，所述液体介质包括细胞悬液；和

液体介质泵，其连接至所述封闭库以通过使来自所述细胞库的所述液体介质流动通过所述细胞笼阵列至所述封闭库将所述悬浮细胞移动入所述细胞限内区。

2.权利要求1所述的装置，进一步包括所述细胞库，其用于含有包含所述细胞悬液的所述液体介质。

3.权利要求1所述的装置，其中所述细胞笼阵列是从所述装置可拆卸的并且其中所述细胞笼阵列是单次使用的细胞笼阵列。

4.一种包含至少100个细胞笼的一次性细胞笼阵列，其中每个细胞笼包含在一侧上的大开口、细胞限内区和在相对侧上的至少一个小开口。

5.权利要求4所述的一次性细胞笼阵列，其中所述一次性细胞笼阵列包括至少10,000个细胞笼。

6.权利要求1所述的装置，进一步机包括械元件，当其驱动时，推动所述细胞笼阵列抵靠凝胶层，从而所述凝胶层形成对所述大开口的连续屏障，分离每个所述细胞限内区中的每个细胞，并且允许分离细胞的细胞计量分析。

7.权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括：

至少一个第一电极，其与所述细胞库中的所述液体介质电接触；

位于所述封闭库和离子库之间的半透膜；

包含离子流体的所述离子库；和

至少一个第二电极，其与所述离子流体电接触，使得在所述至少一个第一电极和至少一个第二电极之间流动的电流将离子注入所述细胞笼。

8.权利要求7所述的装置，其中所述半透膜是来自包括下列的列举的任何一种：阳离子交换膜(CEM)、荷电镶嵌膜(CMM)、双极性膜(BPM)、阴离子交换膜(AEM)、碱性阴离子交换膜(AAEM)和质子交换膜(PEM)。

9.权利要求7所述的装置，其中所述至少一个第一电极与所述封闭库的一侧上的所述液体介质电接触，并且所述第二电极与所述封闭库的相对侧上的所述液体介质电接触，使得通过扩散离子注入所述细胞笼。

10.权利要求1所述的装置，其中每个所述细胞限内区具有内部尺寸，使得至少一个细胞适合每个细胞笼，所述大开口对于所述细胞进入所述细胞笼具有足够大的尺寸，并且所述至少一个小开口具有小于所述细胞的尺寸，禁止所述细胞离开所述细胞笼进入所述封闭库。

11.权利要求10所述的装置，其中所述细胞具有1到30微米之间的尺寸，所述细胞限内区具有比所述细胞尺寸大10％到90％之间的直径，所述大开口具有比所述细胞尺寸大10％到90％之间的尺寸，并且所述至少一个小开口具有所述细胞尺寸的10％到90％之间的尺寸。

12.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有内部尺寸，使得多个细胞适合每个所述细胞笼，其中所述至少一个小开口是多个小开口。

13.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有靶细胞的内部形状以分离。

14.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有内部圆柱形形状。

15.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有内部圆锥形形状。

16.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有内部半球形形状。

17.权利要求1所述的装置，其中所述细胞限内区具有足够大的内部尺寸以适合多个单个细胞。

18.权利要求17所述的装置，其中所述单个细胞具有1到30微米之间的尺寸，所述多个单个细胞包括N个细胞，所述细胞限内区具有比所述单个细胞尺寸乘以所述N个细胞大10％到90％之间的直径，所述大开口具有比所述单个细胞尺寸乘以所述N个细胞大10％到90％之间的尺寸，并且所述至少一个小开口具有所述单个细胞尺寸的10％到90％之间的尺寸。

19.权利要求1所述的装置，其中所述液体介质泵是来自下列的列举的任何设备：电动泵、微型泵、具有附连卡尺的手动注射器、自动可编程注射器、计算机化注射器、注射驱动器、注射泵、可编程注射泵、介质分配器、感应泵、压力注入细胞分配器、蠕动泵和输液泵。

20.权利要求1所述的装置，其中在所述细胞笼阵列和所述封闭库之间存在阵列支持结构，其中所述阵列支持结构维持所述细胞笼阵列在基本上平的平面中。

21.权利要求1所述的装置，其中所述细胞笼阵列通过所述装置中的不透明窗是可见的。

22.权利要求1所述的装置，其中所述细胞笼阵列进一步包括附连的抗体。

23.权利要求1所述的装置，其中所述凝胶层进一步包括附连的抗体。

24.权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括所述细胞笼阵列和所述封闭库之间的扩散凝胶层。

25.权利要求1所述的装置，其中所述装置进一步包括邻近于所述凝胶层的吸附层，并且所述吸附层由来自下列的列举的任何组成：硝化纤维、聚偏氟乙烯(PVDF)和低荧光PVDF。

26.权利要求1所述的装置，其中所述凝胶层由来自下列的列举的任何组成：琼脂糖、丙烯酰胺和双丙烯酰胺混合物。

27.权利要求1所述的装置，其中所述机械元件是来自下列的列举的任何元件：螺旋装置、水平元件、步进马达、步进马达、计算机化步进马达、线性致动器和计算机化线性致动器。

28.权利要求1所述的装置，其中所述装置是计算机化装置，其包括至少一个用户界面、至少一个组件界面、和至少一个能够控制至少一个组件的处理单元。

29.一种用于输出分离细胞的细胞计量分析结果的方法，其包括：

接收包含待被分析的细胞的悬液的液体介质进入细胞库；

自封闭库抽吸所述液体介质，直到分离细胞进入所述细胞限内区，所述封闭库与所述细胞库通过细胞笼阵列分开；

移动凝胶层邻近于所述细胞笼阵列，分离在所述细胞笼中的所述悬浮细胞——每个细胞笼一个悬浮细胞，以产生分离细胞；

进行所述分离细胞的细胞计量分析；和

输出所述细胞计量分析的结果。

30.权利要求29所述的方法，其中所述方法进一步包括通过施加电流通过所述液体介质和细胞笼将离子注入所述细胞笼，其中电流在与细胞库中的所述液体介质电接触的第一电极和与离子库中的离子流体电接触的第二电极之间流动，从而将所述离子流体中包含的离子移动入所述细胞笼，所述离子库与所述封闭库通过半透膜分开。

31.权利要求30所述的方法，其中所述第一电极还包括离子库中的离子流体和半透膜，使得所述半透膜控制从所述第一电极的离子注入。

32.权利要求30所述的方法，其中所述离子是氢氧根离子，从而引起pH和所述分离细胞的盐环境改变并且溶解所述分离细胞。

33.权利要求29所述的方法，其中所述分离细胞的所述细胞计量分析包括将化学物质引入所述封闭库并且所述化学物质通过扩散进入所述细胞笼。

34.权利要求29所述的方法，其中所述分离细胞的所述细胞计量分析包括电穿孔所述分离细胞以将化学物质引入所述分离细胞的细胞质。

35.权利要求29所述的方法，其中所述方法进一步包括通过施加电流通过所述封闭库中的所述液体介质将离子注入所述细胞笼，其中电流在与离子库中的离子流体电接触的第一电极和与封闭库中的所述液体介质电接触的第二电极之间流动，从而将所述离子流体中包含的离子通过扩散移动入所述细胞笼，所述离子库与所述封闭库通过半透膜分开。

36.权利要求35所述的方法，其中所述第二电极还包括第二离子库中的第二离子流体和第二半透膜，使得除了所述第一电极之外，所述半透膜还控制来自所述第二电极的离子注入。

37.权利要求29所述的方法，其中所述细胞计量分析包括通过所述细胞笼阵列的不透明侧成像。

38.权利要求29所述的方法，其中当通过监测使用所述抽吸的所述液体介质的流动速率，足够数目的所述细胞已经在所述细胞限内区中被分离时，所述液体介质的所述抽吸停止。

39.权利要求29所述的方法，其中所述分离细胞的所述细胞计量分析包括来自下列的列举的任何行动：培养、施加刺激、免疫细胞化学分析、蛋白质印迹、凝胶电泳、蛋白质纯化、绿色荧光蛋白、蛋白免疫染色、蛋白质测序、蛋白电泳、蛋白免疫沉淀反应、多肽质量指纹分析、双偏振干涉测量、微量热泳动、染色质免疫沉淀、表面等离子共振、核酸分析、光学分析、蛋白质分析、荧光图像分析、细胞光度术、电穿孔、基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和分光光度法。

40.权利要求29所述的方法，其中在所述抽吸期间，所述细胞笼阵列与分离细胞一起转移至新的液体介质。

41.权利要求29所述的方法，其中所述细胞笼阵列中的所述分离细胞增殖以在每个细胞限内区中产生分离细胞簇，并且每个所述簇中的一些细胞通过第二抽吸作用被转移至至少一个新的细胞笼阵列。