CN113710817A - 用于颗粒捕获系统中泄漏控制的系统和方法 - Google Patents
用于颗粒捕获系统中泄漏控制的系统和方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于靶物质捕获的系统和方法,该方法包括:将一组靶细胞接收到限定在基板的表面平面处的孔阵列中;将一组颗粒接收到孔阵列中,从而将该组靶细胞和该组颗粒共捕获;在将洗涤流体接收到与孔阵列连通的腔中后,实现孔阵列的期望状态;将裂解缓冲液接收到腔中;将分隔流体接收到腔中,从而从腔中置换裂解缓冲液,并且在表面平面处将孔阵列中的每一个孔与相邻的孔分隔开;以及将该组靶细胞的细胞间物质单独地与该组颗粒一起保留在孔阵列中。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年9月9日提交的美国申请号16/564,375和2019年4月16日提交的美国临时申请号62/834,824的权益,这两个申请通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及细胞捕获和细胞处理领域,并且更具体地涉及细胞捕获和细胞处理领域内用于泄漏控制的新的和有用的方法。
背景
随着对细胞特异性药物测试、诊断和其他测定的兴趣增加,允许单个细胞分离、条形码化(barcoding)、鉴定和取回的系统和方法变得非常期望。单细胞捕获系统和方法已显示对这些应用特别有利。然而,生物靶物质(例如,细胞裂解后来源于细胞的物质、无细胞核酸物质等)的漂移(drifting)在这些系统和方法中可能特别成问题,导致靶物质(例如信使核糖核酸[mRNA]、蛋白质等)的非特异性捕获,和/或靶物质在捕获装置的室(chambers)或分隔(partitions)之间的泄漏。
因此,在细胞捕获和细胞处理领域中需要产生一种在捕获和/或处理细胞的同时进行泄漏控制的新的和有用的系统和方法。
附图简述
图1A是具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统的实施方案的示意性表示;
图1B是具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统的实施方案的示意性表示;
图2A-图2C描绘了具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统的部件的变化形式;
图3描绘了具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统的部件的具体实例;
图4是具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的方法的实施方案的示意性表示;
图5A-图5H描绘了具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的方法的变化形式;
图6A-图6G描绘了具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统和方法的变化形式;和
图7A-图7B描绘了具有泄漏控制的用于单细胞捕获和处理的系统和方法配置的变化形式。
优选实施方案的描述
本发明的优选实施方案的下列描述并不意在将本发明限制到这些优选实施方案,而是使本领域中的任何技术人员能够制造和使用本发明。
1.系统
如图1A所示,用于单细胞捕获和处理的系统的实施方案包括载玻片10,该载玻片10限定了一组孔20,该组孔20被配置为接收以下中的任何一种或全部:一组细胞31、一组颗粒32和任何其他合适的物质(例如试剂)。此外或可选地,系统可以包括以下中描述的系统部件中的任何一种或全部:2018年7月27日提交的美国申请号16/048,104;2018年7月30日提交的美国申请号16/049,057;2017年11月22日提交的美国申请号15/821,329;2017年10月12日提交的美国申请号15/782,270;2018年7月30日提交的美国申请号16/049,240;和2018年8月28日提交的美国申请号16/115,370,每个申请通过引用以其整体并入。
更详细地,关于图1B所示的实施方案,用于分离和分析一组细胞的系统100包括:具有宽表面的基板110;限定在基板的第一侧112(例如,上宽表面)的孔阵列120,孔阵列120中的每个孔128包括限定在第一侧112处的开放表面122、限定在基板内靠近直接与第一侧112相对的第二侧114(例如,下宽表面)的底表面124、以及在底表面124和开放表面122之间延伸以形成孔128的孔腔的一组壁(a set of walls)126。孔阵列120可以布置在基板的有源区(active region)中或者在任何其他合适的布置中。为了便于将样品或流体递送到孔阵列120,系统100还可以包括流体递送模块140,其被配置为与基板110耦合并将包含一组细胞的样品和/或另一种流体转移到孔阵列120。此外或可选地,系统100可以包括流动控制子系统(例如,压力泵系统)180,其被配置为控制流体(例如,生物样品、处理试剂、包含非细胞颗粒的溶液)通过系统100的流动(例如,流体的方向、速度、体积)以及需要控制和/或致动的通过系统的任何其他合适的流动。此外或可选地,系统100可以包括用于控制系统100的部分的温度的热控制模块190。此外或可选地,系统100可以包括成像子系统194,其被配置为执行孔阵列120的内容物的光学成像、照明或辐照,并且实现被孔阵列120的孔保留的细胞的鉴定、定位和定量。此外或可选地,系统100可以包括提取模块,其可以从孔阵列中提取一个或更多个:靶细胞、颗粒、细胞-颗粒对、遗传复合体和/或遗传产物。然而,系统100的变化形式可以包括在任何合适的配置和/或组合中的任何其他合适的部件,如在标题为“Cell Capture System and Method of Use”且于2016年10月25日提交的美国申请号15/333,420、标题为“System for capturing and analyzing cells”且于2014年3月13日提交的美国申请号14/208,298和标题为“System and Method for Isolating and AnalyzingCells”且于2014年5月28日提交的美国申请号14/289,155中所描述的,每个申请通过引用以其整体并入。
所描述的系统实施方案发挥功能以防止靶物质(例如信使核糖核酸[mRNA]、蛋白质等)的非特异性捕获、和/或系统的孔之间的靶物质泄漏,以便于下游样品处理步骤的执行。所描述的系统实施方案被配置为执行下文第2节中描述的方法实施方案的步骤、和/或任何其他合适的方法。
所描述的系统实施方案还发挥功能以在已知的可寻址的位置处分离、捕获、保留和分析处于单细胞形式和单簇形式中的至少一种形式的细胞群体的细胞,并进一步便于可对个体靶细胞(例如,在生物样品中的罕见细胞)或细胞簇(例如,双联体、三联体)执行的多个单细胞测定的执行。在优选的实施方案中,系统100发挥功能以便于所捕获的单细胞的遗传文库(例如,从来自裂解的靶细胞的所捕获的mRNA产生的cDNA、扩增的cDNA、扩增的DNA)的制备,用于在细胞捕获后紧接的(proximately following)和在同一设备内的测序。在细胞在由单细胞捕获孔确定的限定位置上被捕获后,系统100的流体递送模块就可用于同时、顺序地和/或重复地提供和递送试剂以使各种细胞、亚细胞或分子反应能够在每个单细胞/细胞簇中被执行。此外或可选地,系统100可以发挥功能以捕获和处理非细胞颗粒(例如,核酸物质、其他生物物质、其他非生物物质、包含分子探针或试剂的颗粒等)以及单细胞和单个非细胞颗粒的组合(例如,在单独微孔内的共捕获细胞-颗粒对中)。此外,系统100可以实现孔阵列以及此外或可选地被递送到孔阵列的流体的受控和快速热调节(例如,从95℃到1℃的加热和冷却循环),以维持细胞或生物物质活力,提高生物测定的效率,并在一组孔内执行各种生物化学过程。系统100还可以允许在单细胞/单簇水平对每个所捕获的细胞上的事件进行光学询问和检测。系统100可以此外或可选地实现一个或更多个所捕获的细胞或非细胞颗粒的选择性释放和/或选择性移出,用于进一步的处理和分析。例如,系统100能够实现单个孔内单细胞和颗粒的共捕获,通过裂解步骤从细胞释放细胞内内容物(例如,mRNA等),细胞内内容物与颗粒的条形码化探针的结合,孔内逆转录(RT)反应的执行,以及从孔中选择性取回与细胞内内容物相关的经靶扩增的内容物。
在一些实施方案中,系统100可以赋予在同一微流体芯片中或者在芯片外(off-chip)的实时细胞追踪、活细胞和/或其他生物物质取回、生物化学过程(例如,细胞裂解、细胞固定、聚合酶链式反应、逆转录等)和选择性分子分析(例如电泳、测序、荧光成像)的益处。在一些实施方案中,系统100可以用于捕获循环肿瘤细胞(CTC)和CTC的亚群体,诸如循环干细胞(CSC),但可以此外或可选地用于捕获可能感兴趣的任何其他合适的细胞(例如,红细胞、单核细胞、巨噬细胞、破骨细胞、树突细胞、小神经胶质细胞、T细胞、B细胞、巨核细胞、生殖细胞、哺育细胞(nurse cells)、神经细胞、干细胞等)或生物物质。系统100优选地被限定在基板110上,更优选地微流体芯片上,但可以可选地位于任何合适的基板上或者由任何合适的基板限定。
在特定的实例中,系统100可与可操作用于单细胞分子反应的一种或更多种方法一起使用,其中这样的系统可便于在孔内以单细胞形式(或单簇形式)高效捕获细胞(例如,100个细胞、1000个细胞、10,000个细胞、100,000个细胞、1,000,000个细胞等)以及将试剂芯片上递送到孔、培养和热循环,以提供细胞捕获到分子反应工作流程。更详细地,系统的微流体和其他部分可以可操作地来使用聚合酶链式反应(PCR)用具有单细胞或单细胞簇分辨率的样品(例如前列腺临床样品)来执行测定(例如,与ARV7 mRNA相关的测定)。在特定实例中,系统100可以在与孔阵列120相关联的流体储器160内容纳低至10μl至最多1mL数量级的样品体积,其中样品可以包含500个至100,000个靶细胞之间的范围,从而提供处理包含大量感兴趣细胞的较大样品体积的能力。
系统可以包括和/或被配置成与任何数量或类型的细胞接合(interface with)。细胞可以包括任何或所有哺乳动物细胞(例如,人类细胞、小鼠细胞等)、胚胎、干细胞、植物细胞或任何其他合适种类的细胞。细胞优选地包含靶物质(例如,靶裂解物),其来源于细胞内并最终释放和被细胞捕获系统捕获,但是可以此外或可选地包括一个或更多个细胞内或细胞上的任何其他物质。在一些变化形式中,靶细胞物质包括mRNA。此外或可选地,靶细胞物质可以包括任何合适的RNA、DNA、蛋白质或其他物质。
系统可以另外包括和/或被配置为与一组颗粒接合,颗粒各自优选地用被配置为与细胞的靶物质结合的一组探针进行官能化。探针优选地包括核苷酸(例如,多核苷酸、寡核苷酸等);此外或可选地,颗粒可以以其他方式官能化、未官能化或以任何其他合适的形式存在。如下文所描述的,颗粒的直径优选地基本上类似于(例如,等于)孔直径和/或细胞直径。该直径可以在10微米和30微米之间(例如,20微米),使得只有单个颗粒可以进入包含一个细胞的每个孔。可选地,设置颗粒直径的尺寸使得只有单个颗粒可以进入任何孔,多个颗粒可以进入每个孔,并且颗粒可以具有任何合适的直径(例如,小于10微米、大于30微米、可变的,等)。在相关实施方案中,孔被配置成沿着(或主要沿着)孔的纵轴将单个细胞和单个颗粒共捕获;然而,孔可以以任何其他合适的方式配置。
颗粒优选地为珠的形式,还优选地为微球的形式,但是颗粒可以此外或可选地包括任何合适形式的任何其他材料。颗粒可以具有任何合适的一组性质,诸如任何合适的物理性质(例如,非溶胀行为、溶解性等)、磁性、光学性质、表面性质(例如,多孔的、无孔的、特定尺寸范围的孔等)、化学性质(例如生物相容性、表面官能基团、结合亲和力等)、热性质或其他性质。在一些变化形式中,颗粒用独特条形码进行条形码化(例如,使用生物聚合物复合物、官能化或以其他方式处理)。颗粒可以包括以下中的任何一种或全部:聚苯乙烯、玻璃、PMMA、具有磁芯的聚合物、具有水凝胶表面的聚合物和/或一种或更多种其他合适材料的组合。在特定实例中,颗粒包括单分散(+/-10%Cv)20微米高密度生物珠(high-densityBioBeads)(HDBB)。
颗粒的密度优选地大于缓冲溶液(例如,含有溶液、溶剂等的初始缓冲液)和/或方法100期间使用的流动溶液中的大部分或全部,使得颗粒被配置成进入并停留在单独的微孔中。可选地,颗粒可以具有小于一种或更多种溶液的密度、可变密度或任何其他合适的密度。在一种变化形式中,颗粒包括一组具有最佳接头密度的HDBB颗粒,其被配置成使HDBB和从裂解的细胞释放的mRNA之间的结合最大化。在另一种变化形式中,微球包括具有聚苯乙烯涂层的玻璃珠,并且直径为约20微米(例如,在15微米和30微米之间)。然而,系统100可以此外或可选地用任何其他合适的颗粒操作。
个体细胞和/或颗粒捕获优选地通过以下来实现:在平行于基板的宽表面(例如,实质上平行于基板的宽表面、在平行于基板的宽表面的0.1度内、在平行于基板的宽表面的1度内、在平行于基板的宽表面的45度内、完全平行于基板的宽表面,等等)的方向在孔阵列120上的流体层内使包含一组单细胞(a group of single cells)的样品流动或分配包含一组单细胞的样品,并且在细胞在重力的影响下穿过流体层朝着孔阵列120下降后捕获细胞。可选地,个体细胞捕获可以通过以下来实现:在垂直于基板的宽表面的方向将包含一组单细胞的样品递送到由孔阵列120上的流体储器160提供的流体层中,并且在细胞在重力的影响下穿过流体层朝着孔阵列120下降后捕获细胞。然而,在一些变化形式中,个体细胞捕获可以此外或可选地通过任何合适的机制来实现,以将单细胞转移到一组孔中的孔内。此外,系统100优选地被配置成防止不期望的流体流,不期望的流体流可以从基板提起细胞或者将细胞/细胞簇从细胞被捕获并完全保留在其中的孔腔128移出。然而,在一些变化形式中,系统100可以被配置成便于以任何合适的方式移动细胞/细胞簇。流体(例如,生物样品、处理试剂)通过系统100的流动路径优选地是多方向的和均匀的,使得在系统100中的每个细胞/细胞簇经历一致的条件(例如,流动性质(诸如压力、密度、温度、溶液组成和其他合适的性质)的沿着流动路径的梯度长度标度相对于系统的长度标度是大的);然而,流动路径可以可选地是单向的、双向的或者具有任何其他合适的特征。
在特定实例的变化形式中,如图2A-图2C所示,流体通过系统的流动路径141包括相等长度(例如实质上相等长度、在可制造性公差内相等长度,等等)的(例如,耦合到孔阵列的歧管的)一组流体路径146,其被配置成使得在歧管入口440处供应到该组流体路径146的试剂在实质上相同的时间点(例如,同时、在1秒内、在1分钟内,等等)到达入口444的每个阵列(例如,单个孔、沿着储器的第一边缘的区域、沿着基板的有源区的第一边缘的区域,等等),并经过基板的有源区116(例如,包含孔阵列120)通过出口445的阵列传递到歧管出口442。可以此外通过控制通过系统的样品流量(例如,通过调节流量,使得流动的特征长度标度具有与孔的特征长度标度相似的数量级,通过在高和低流动条件之间上下调动(dithering)流量,等等)或者通过任何其他合适的手段来完成细胞转运、分离、分选和活力维持。然而,流体通过系统100的流动特征可以以另外方式被配置。
在操作中,系统100优选地接收包括靶细胞群体的生物样品,并便于生物样品跨越孔阵列120均匀地分配(例如,使用均匀交叉流动、涂抹、离心涂片(cytospin)程序、在阵列的不同区域处用移液管吸取样品的等分试样,等等)。然而,系统100可以此外或可选地便于使用由流动控制子系统180施加的正压力(例如,在阵列的入口处的正压力)和/或负压力(例如,在阵列的出口处的负压力)使流体(例如,生物样品、处理试剂、非细胞颗粒)跨越一组孔分布。此外或可选地,便于样品分布的致动压力可以以脉宽调制方式或正弦方式循环以提供净致动压力,所述净致动压力在入口处为净正的或者在出口处为净负的。因此,当生物样品跨越孔阵列120流动时,具有限定特征(例如,基于尺寸的特征、基于密度的特征、基于黏附的特征等)的期望细胞可以被截留在孔128内。例如,在被配置为捕获CTC的系统100的变化形式中,优选地基于限定CTC细胞的形态特征来配置孔,以便于单细胞或单簇形式的CTC的捕获和保留。然而,系统100可以此外或可选地被配置成以任何其他合适的形式保留和便于处理任何其他合适的感兴趣的颗粒。致动压力优选地由与系统100流体连通的流动控制子系统180(例如,手动操作的移液管、自动流体处理机器人、真空压力系统、机电微型泵等)提供,但可以可选地或此外由任何合适的机制提供。
在变化形式中,系统100以第一密度和/或细胞总数接收细胞群体,这促进了在孔阵列120处以单细胞形式捕获细胞群体(例如,密度/总数小于孔阵列120中的孔数量)。在该变化形式中,系统100还以比第一密度和/或总颗粒数高的第二密度接收颗粒群体,这促进了细胞群体与颗粒群体的共捕获。然而,在其他变化形式中,孔阵列120可以以任何其他合适的方式接收细胞和/或颗粒。系统部件在以下章节中更详细描述。
1.1系统-基板
如图1B所示,基板110发挥功能以提供介质,孔阵列120(微孔的组、微孔、孔)可以被限定在该介质处。在变化形式中,基板110可以具有第一侧(例如,上宽表面)112和与第一侧直接相对的第二侧(例如,下宽表面)。基板110的上宽表面112优选地是平坦表面,使得系统100的微流体元件(例如,入口、出口、入口歧管、出口歧管、流体通道等)至少部分地被限定在平坦表面处。可选地,基板110的上宽表面112可以是非平坦表面,使得系统100的微流体元件至少部分地被限定在非平坦表面处。在变化形式中,非平坦表面可以是凹表面、凸表面或具有凹、平坦和/或凸表面的表面。这样的变化形式可以便于在孔阵列120处沉积和分布样品的各种方法。在包括非平坦上宽表面112的基板110的任何变化形式中,一个或更多个非平坦部分优选地是浅的(例如,具有相对于宽表面的宽度的小深度)或短的(例如,具有相对于宽表面的宽度的小高度);然而,一个或更多个非平坦部分可以此外或可选地包括深(例如,具有相对于宽表面的宽度的大深度)或高(例如,具有相对于宽表面的宽度的大高度)的部分。然而,表面可以可选地具有任何其他合适的轴或对称类型,或者可以是非对称的。
基板110的组成可以提供与以下中的任一个或更多个相关的期望特征:机械特征(例如,作为机械刺激的基板机械性质)、光学性质(例如,透明度)、电性质(例如,导电性(conductivity))、热性质(例如,导热性(conductivity)、比热等)、物理特征(例如,润湿性、孔隙率等)以及任何其他合适的特征。基板110优选地由具有高透明度的刚性材料(例如,透明材料、半透明材料)组成,以便于基板110的成像来分析所捕获的单细胞/细胞簇。高透明度材料优选地为光学透明的,但可以此外或可选地对电磁波谱的其他部分(例如,微波、近红外、紫外,等等)而言为透明的和/或半透明的。在几个这样的变化形式中,基板110可以由以下中的任何一种或更多种组成:玻璃、熔融石英、陶瓷、基于硅酮的材料(例如,聚二甲基硅氧烷(PDMS))、聚合物(例如,琼脂糖、聚丙烯酰胺、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙二醇等)、纸、多孔材料和具有高透明度的任何其他合适的材料,包括其复合物。可选地,基板110可以由具有任何其他合适的光学性质的任何其他合适的材料组成。此外或可选地,基板可以由以下中的任何一种或更多种组成:陶瓷材料、半导体材料、聚合物和任何其他合适的材料。
基板110可以使用下列方法中的任一种或更多种来加工:蚀刻方法、模制方法、印刷方法(例如,3D印刷工艺)、机械加工方法以及适合于脆性、弹性或易延展基板材料的任何其他合适的制造工艺。此外,可以通过下列工艺中的任一种或更多种来产生在上宽表面112处限定的特征,包括孔阵列:模制、通过抛光、通过在流动相中旋转材料然后使材料凝固、通过机械加工、通过印刷(例如3D印刷)、通过蚀刻和通过任何其他合适的工艺。在特定实例中,使用光刻工艺和深反应离子蚀刻(DRIE)工艺以将微流体元件蚀刻到硅模具中来在硅模具内限定孔阵列120。在特定实例中,然后使用热压印工艺将硅模具的所蚀刻的元件转印聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄片作为基板110。特定实例中的基板110具有3英寸x 1英寸的尺寸,以实质上匹配玻璃显微镜载玻片的尺寸。在特定实例的变化形式中和/或对于孔阵列120的其他变化形式,环烯烃聚合物(COP)的热压印可以替代PMMA以形成孔阵列120的微流体结构。然而,基板110可以可选地是以任何其他合适的方式处理的任何其他合适的基板120。
优选地,基板包括允许与系统100的其他子部件的相互作用(例如,可逆或不可逆的连接、耦合)的特征。在一种变化形式中,基板110可以耦合到部件流体递送模块140,其中基板包括一个或更多个入口和出口(其实例在图2A-图2C中示出)以将流体传输到基板的有源区中和从有源区传输出去。在另一个实例中,如上文所描述的,基板110可以耦合到对齐在孔阵列上方的适配器150(在图1B中示出),以协作地限定流体储器160,从而在系统100的操作期间跨越孔阵列传输流体。
基板110可以另外地或可选地耦合到基板平台,该基板平台发挥功能以将基板可逆地附着到平台、加热元件(例如,热控制模块190)和/或在其上执行测定的载物台并使基板与平台、加热元件和/或载物台对齐,其中载物台可以用于物理地调节基板在系统100内的位置以改善孔阵列对系统的其他元件例如成像子系统194、热控制模块190和/或提取模块的可及性(access)。优选地,基板平台可以被配置成容纳、固定和以高精度操纵具有各种阵列配置(例如,具有50,000个孔的阵列、具有1M个孔的阵列等)的基板,并且可以包括任选的基板附着机构。
1.2系统-孔阵列
孔阵列(微孔的组(set of microwells)、微孔、孔)120发挥功能以在可寻址的已知位置处捕获一组细胞,使得该组细胞可以被单独地鉴定、处理和分析。因此,孔阵列120优选地被配置成便于以单细胞形式和单簇(例如,细胞-颗粒对)形式中的至少一种形式进行的细胞捕获。然而,孔阵列120可以此外或可选地被配置成以任何其他合适形式接收任何其他合适类型的颗粒。例如,孔阵列120可以被配置(例如,设置尺寸、成形)为接收哺乳动物细胞、胚胎、微球、颗粒、细胞-颗粒对以及缀合到微球的细胞。
如图1B所示,孔阵列120优选地被限定在基板110的上宽表面112处,孔阵列120中的每个孔128包括被限定在基板内并靠近第二侧(例如,下宽表面114)的底表面124、直接与底表面124相对并靠近上宽表面的开放表面122以及在限定孔的孔腔128的底表面和开放表面之间延伸的一组壁126。
孔阵列120被限定在基板110的有源区处,其中有源区可以是基板(图2A-图2C)的任何合适的区域(例如,1平方英寸、10厘米、2平方英寸、3平方英寸、4平方英寸等)。优选地,基板的有源区(和孔阵列)是系统100的其他部件(包括成像子系统194、流体递送模块140、热控制模块190和/或提取模块)可及的,以执行单个所捕获细胞的分离、处理和分析。孔阵列120可以包括任何合适数量的孔(例如,在100个、1,000个、10,000个孔、50,000个孔、100,000个孔、100万个孔、200万个孔、300万个孔、400万个孔、500万个孔、600万个孔、700万个孔、900万个孔、1000万个孔等的规模)。在优选的变化形式中,孔阵列包括至少250,000个孔。在特定实例中,孔阵列包括大约100万个孔。然而,孔阵列可以以任何其他合适的方式被配置。
关于底表面124和开放表面122,每个孔128优选地具有在底表面124和开放表面122之间延伸的至少一个壁(例如,一组壁)126。在一种变化形式中,如至少图1B所示的,每个孔的壁126至少部分地将个体的孔128与至少一个其他相邻的孔物理地和流体地分开,限定孔的深度、宽度和/或横截面尺寸,并且优选地垂直于由开放表面122的水平轴限定的平面。优选地,壁126的壁厚度在4微米-5微米之间,但可以是小于20微米的任何尺寸。壁126可以从由开放表面122限定的平面垂直延伸到底表面124以限定孔腔128;因此,在一些变化形式中,在孔阵列中的每个孔的孔腔128可以是棱柱状的(例如,圆柱形棱柱状的、六边形棱柱状的、多边形棱柱状的、非多边形棱柱状的等)。在特定实例中,每个孔的孔腔限定六边形棱柱,其深度大于一组颗粒的颗粒直径与一组靶细胞的细胞直径之和。然而,壁126可以在其他变化形式(例如,曲线形壁、直壁、弯曲壁等)中以任何其他合适的方式在开放表面122和底表面124之间延伸。例如,该组壁中的壁126可以从开放表面到底表面逐渐减小孔的特征尺寸(例如,直径、水平横截面、垂直横截面)(例如,通过形成离散的台阶,通过以线性或非线性方式以任何合适的斜率逐渐调节特征尺寸等)。然而,在一些变化形式中,孔128可以没有垂直于由开放表面122限定的平面的明确限定的壁126(例如,底表面可以以某种方式直接延伸到开放表面,而不形成垂直于开放表面的壁)。在实例中,底表面124和开放表面122可以在有或没有壁的情况下分开0.5微米至50微米之间的距离(例如,孔腔128的高度)(例如,对于涉及单个靶细胞的捕获的应用是大约25微米,对于涉及单个细胞-颗粒对的捕获的应用是大约40微米)。然而,孔阵列的孔可以配置为任何其他物理特征和/或尺寸,以执行在方法200中描述的分离、处理和分析步骤。此外或可选地,一组壁可以包括将每个孔流体地耦合到孔阵列120中的至少一个相邻孔的一组通道。在这样的变化形式中,一组通道中的一个或更多个通道可以被限定于基板110在相邻孔之间的区域内,或者可以由相邻孔的重叠部分限定。在特定实例中,通道可以具有5微米的特征尺寸,并且在特定实例的变化形式中,通道可以具有范围为0.5微米到75微米的特征尺寸。
此外,孔阵列120优选地布置成压缩阵列,但是可以可选地以任何其他合适的方式布置。在一个实例中,孔阵列120可以布置成六边形紧密压缩阵列。在另一个实例中,孔阵列可以布置成矩形阵列。在另一个实例中,孔阵列120可以以任何合适的不规则或不均匀的方式被布置,例如以便于流体从孔阵列120的一个部分流到孔阵列120的另一部分。在特定实例中,每个孔的中心到孔阵列的相邻孔的中心的最短距离是大约30微米。然而,孔阵列120可以可选地以在孔之间的任何合适的间距(例如,在压缩或非压缩配置中)以及以任何其他合适的方式被布置。
在如图3所示的孔的组的特定示例配置中,孔阵列布置在六边形紧密压缩配置中,其中孔阵列的每个孔包括与基板的宽表面(例如,表面平面118)对齐的六边形开放表面。此外,每个孔在与六边形开放表面相对的底表面处包括六边形覆盖区(footprint)。孔阵列的每个孔具有形成六边形棱柱的孔腔128,包括大约5微米厚度、大约40微米的高度和大约25微米的特征宽度的壁集合。基板在大约150平方毫米的基板的有源区内限定267,000个这样的六边形孔。然而,孔阵列可以以任何其他合适的方式被配置。
1.3系统-流体递送模块、热控制模块和成像子系统
系统100可以包括流体递送模块140,流体递送模块140发挥功能以将包含细胞群体的样品、颗粒群体和/或另一种流体诸如处理试剂和/或分布流体转移到孔阵列120,并且可以耦合到基板110。因此,流体递送模块可以包括一个或更多个入口、出口、流体导向件和/或结构,其使流体能够转移到系统的各种部分中、从系统的各种部分中转移出以及穿过系统的各种部分。
系统100可以另外包括热控制模块190,热控制模块190发挥功能以加热和/或冷却基板及其内容物,以在系统100的操作期间控制这组孔和/或流体递送模块的内容物的温度。在变化形式中,热控制模块可以加热和/或冷却包含感兴趣的细胞的生物样品和/或流体以便于细胞捕获和分析,并且可以进一步发挥功能以便于需要从低温到高温的循环的反应,诸如用于细胞裂解、用于探针杂交的酶激活和用于分子诊断方案的生物样品混合物的热循环,诸如聚合酶链式反应(PCR)。热控制模块190可以包括加热器、散热器、传感器、风扇和一个或更多个处理器;然而,热控制模块可以包括任何合适的部件以感测和调节孔阵列的温度,并且根据任何指令(例如,用户输入、自动地、预设温度时间表、根据特定的测定等)来感测和调节孔阵列的温度。在变化形式中,热控制模块的加热器192优选地为被配置为可控地加热和冷却生物样品和/或流体的薄加热器(例如,Peltier设备)。热控制模块190可以此外和/或可选地包括温度传感器或者被配置成便于温度控制的任何其他合适的元件。例如,温度传感器可以耦合到导热基板、到加热元件或到板形加热器。可以通过模糊逻辑控制、比例-积分-微分算法或任何其他合适的手段使用脉宽调制来实现温度控制。温度控制可以被提供到1℃的分辨率或者给定应用时任何其他合适的分辨率。
系统100可以另外包括成像子系统194,成像子系统194发挥功能以对一组孔的内容物成像,并且可以进一步发挥功能以将该组孔中捕获的靶对象(例如,CTC、被标记的细胞、微球)与被引入到系统100内的样品中的其他细胞或对象区分开。成像子系统194优选地包括荧光显微镜,但可以此外或可选地包括任何合适的成像机构(例如,光学显微镜、CCD照相机、光电二极管阵列、发光二极管、反射器、一个或更多个处理器等)。荧光显微镜优选地是可操作的(例如,在鉴定模式、检测模式等中)以检测从一组孔中的一个或更多个中的靶对象发出的荧光信号,并从而鉴定出孔包含靶对象。在特定的实例中,成像系统(例如,荧光成像系统)可以在用于提供根据测定来处理的样品的实时或近实时荧光成像的模式操作。成像子系统194优选地位于基板下方,并被定向为通过基板的透明(或半透明)材料对一组孔的内容物成像;可选地,成像子系统194可以位于基板上方,并且被定向为对不被基板本身的材料阻碍的一组孔的内容物成像。然而,成像子系统194可以以任何合适的方式另外地定位。
在2018年8月28日提交的美国申请号16/115,059中更详细地描述了系统100的部件的实施方案的其他方面,其各自通过引用以其整体并入。
2.方法
如图4所示,用于单细胞捕获和处理的方法200包括将一组细胞接收到一组孔中S210;将一组颗粒接收到该组孔中S220;将洗涤流体接收到与该组孔连通的腔中,从而洗去多余的颗粒S230和任何漂浮的生物标志物(mRNA、蛋白质等);将冷的裂解缓冲液(温度<15℃)应用于该组细胞S250;分配孔阵列中的每一个孔S260;提供用于该组细胞的裂解环境S270;和洗掉未结合的物质S290。另外,方法100可以包括以下中的任何一种或全部:浸泡孔的内容物S240;调节温度(例如,缓降温度)S280;处理细胞物质(例如,靶细胞物质)S299;上文关于系统实施方案的描述所描述的任何过程;和任何其他合适的过程。
方法200发挥功能以防止靶物质(例如信使核糖核酸[mRNA]、蛋白质等)的非特异性捕获、和/或靶物质在系统的孔之间的泄漏,以便于下游样品处理步骤的执行。图6A(右,上)中示出了期望的特异性捕获的状态的实例,并且图6A(右,下)中示出了不期望的非特异性捕获和泄漏的状态的实例。所描述的方法实施方案优选地由上文第1节中描述的一个或更多个系统实施方案和/或任何其他合适的系统部件来实施。
2.1方法-细胞和颗粒装载
如图4所示,方法200包括将一组细胞(包括靶细胞亚群)接收到载玻片的孔阵列中S210,其中,在实施方案中,框S210可以包括以单细胞形式将靶细胞接收到限定在基板表面平面处的孔阵列中,其中孔阵列中的每个孔垂直于基板的表面平面延伸并延伸到表面平面并且到基板中。框S210可以使用上文描述的基板、孔阵列和/或流体递送模块的实施方案来实施。框S210可以此外或可选地由其他系统组件实施。
一组细胞可以包括上文描述的感兴趣的靶细胞,和/或任何其他合适的细胞、组织或其他生物物质(例如,非细胞生物物质)。如图5A所示,在一种变化形式中,一组细胞可以来源于解离的组织,加工成单细胞悬液,带有表面蛋白的任选的加抗体标签(antibodytagging);然而,一组细胞可以此外或可选地从任何其他合适的来源获得和/或以任何其他合适的方式处理。一组细胞还可以包括来自相同物种或不同物种的细胞(如图6B所示)。
接收一组细胞优选地包括相对于载玻片的孔的数量对该组细胞进行欠载(例如,靶小于10%的孔占用率、靶小于20%的孔占用率、靶小于30%的孔占用率,等等),以促进跨越孔阵列以单细胞形式捕获细胞。细胞装载过程被配置为通过使用温和的装载过程(例如,重力装载、低速离心等)来维持细胞的活力,并在装载后维持细胞的活力。细胞装载可以包括以下中的任何一种或全部:重力诱导进入(例如移液)、低速离心、磁吸引、施力(例如,沿着平行于载玻片宽表面的轴、沿着垂直于载玻片宽表面的轴,等等)、改变载玻片的方向(例如,离心涂片、倾斜、摇动等),或任何其他合适的过程。在第一个实例中,装载细胞组包括将50微升和500微升之间的等分试样各自移液至孔中。装载一组细胞还可以包括装载任何合适的缓冲液或其他流体。
如图5B所示,接收一组细胞可以包括使用上文描述的成像子系统执行质量控制操作,以观察该组细胞跨越孔阵列的正确装载。然而,框S210可以此外或可选地包括任何其他合适的质量控制操作(例如,利用基于传感器的方法),以确定该组细胞跨越孔阵列的正确装载。
如图4、图5C和图6C所示,方法200还包括将一组颗粒接收到载玻片的孔中S220,从而跨越孔阵列将一组靶细胞和一组颗粒共捕获。如附图所示,孔阵列的孔是高纵横比的,使得一组细胞被配置为位于孔内在下部区域处,并且一组颗粒被配置为位于一组细胞上方在孔的上部区域处(对于包含处于期望状态的单个细胞和单个颗粒的孔),从而防止细胞和颗粒在孔内的同一平面内横向定位;然而,关于一组细胞和一组颗粒跨越孔阵列的共捕获,孔可以以另一种方式配置。
一组颗粒优选地关于细胞为超载的(例如,珠浓度是颗粒悬液,高于细胞悬液中的细胞浓度),但是可以此外或可选地关于细胞为欠载的,关于孔的数量为超载的,关于孔的数量为欠载的,或者以其他方式装载(例如,分批)。珠浓度与细胞浓度之比可以在10:1和20:1之间。可选地,珠浓度与细胞浓度之比可以小于或等于10:1,大于或等于20:1,或任何其他合适的比。
接收一组颗粒优选地与在框S210接收一组细胞同时期(例如,同一时间、在时间上至少部分地重叠等)进行,因为减少细胞装载和颗粒装载之间的时间可以发挥功能以防止不期望的细胞裂解。可选地,接收一组颗粒可以在框S210之后、S100之前、关于框S210以时间延迟(例如,小于5分钟、在0和60分钟之间、大于60分钟等),或在任何其他合适的时间进行。接收一组颗粒可以包括上文关于细胞装载描述的装载过程(例如,重力装载)或任何其他合适的装载过程中的任一种或全部。
在一种变化形式中,在一组细胞通过温和装载过程装载到载玻片的孔中之后,通过相同的温和装载过程(例如,重力装载)将一组颗粒装载到孔中。在特定实例中,一组细胞关于一组孔是欠载的,并且一组颗粒关于该组细胞是超载的。
在另一种变化形式中,一组细胞和一组颗粒被一起装载(例如,来自同一悬液)。然而,框S210和S220可以此外或可选地以任何其他合适的顺序或方式来执行。
如图5C所示,接收一组颗粒可以包括使用上文描述的成像子系统执行质量控制操作,以观察该组颗粒(例如,关于一组细胞)跨越孔阵列的正确装载。然而,框S220可以此外或可选地包括任何其他合适的质量控制操作(例如,利用基于传感器的方法),以确定一组细胞跨越孔阵列的正确装载。
2.2方法-多余颗粒去除和孔浸泡
如图4和图5D所示,方法200可以任选地包括洗掉多余的颗粒S230,其发挥功能以去除孔上方的任何漂浮的多余颗粒(例如,完全在孔上方,部分从孔暴露,等等)。因此,框S230包括在将洗涤流体接收到与孔阵列连通的腔中并且将一组颗粒中的多余颗粒从孔阵列传送出去后,实现孔阵列的期望状态。框S230可以此外或可选地发挥功能以去除任何其他多余物质(例如,来自过早裂解的细胞的漂浮细胞物质、碎片等)。框S230中使用的一种或更多种洗涤液可以包括任何合适的缓冲液、液体(例如水、油等)、空气或任何其他合适的物质。洗涤流量优选地被配置为在不从孔内去除物质(例如细胞、颗粒、缓冲液、液体等)的情况下去除孔壁上方的物质;此外或可选地,洗涤流量可以被配置成防止一种或更多种洗涤缓冲液进入一组孔中。因此,洗涤液优选地以层流过程应用(如图5D中所示),但是可以此外或可选地包括或引起湍流。流量优选地小于100微升/秒,但可选地可以等于100微升/秒,大于100微升/秒,或具有任何其他合适的流量。此外或可选地,任何其他合适的参数,诸如其他流动参数(例如,流动持续时间)、结构参数(例如,一个或更多个流体路径的直径、流体路径的布置、流体路径在一组孔上的位置、孔高、孔宽等)可以被配置成防止一种或更多种物质从孔中离开。
在第一种变化形式中,流的特征长度尺度与孔的特征长度尺度(例如,高度、宽度等)具有相似的等级。
方法200可以任选地包括浸泡孔的内容物S240,其发挥功能以防止细胞在期望的时间点之前裂解(例如,裂解缓冲液递送之前、裂解缓冲液递送期间等),允许细胞和/或颗粒有时间在一组孔中沉淀,或执行任何其他合适的功能。孔可以用洗涤缓冲液(例如,如上文用于洗去多余的颗粒使用的)、不同的缓冲液(例如,用于装载细胞和/或颗粒的初始缓冲液、细胞悬浮缓冲液、颗粒悬浮缓冲液等)、水或任何其他合适的流体浸泡。框S240可以在框S230之后、框S230之前、框S230期间、方法期间的多个时间、或者在方法期间的任何合适的点执行。可选地,方法可以在没有框S240的情况下执行。在第一种变化形式中,在框S230之后,孔在4摄氏度浸泡11分钟;然而,浸泡过程可以使用另一个合适的温度、持续时间或其他浸泡参数来执行。
2.3方法-细胞裂解和孔分隔用于防止渗漏
如图4、图5E和图6D所示,方法200包括在孔阵列处接收裂解缓冲液,从而将裂解缓冲液递送至细胞S250,其发挥功能以启动细胞裂解(例如,立即、在时间延迟后等),从而使得靶细胞物质的释放能够被一组颗粒捕获。因此,在将裂解缓冲液接收到与孔阵列流体连通的腔(例如,上文描述的储器)中后,框S250可以有助于提供用于一组细胞的裂解环境。裂解缓冲液优选地以被配置成允许裂解缓冲液进入孔中而不从孔中移除内容物的流动参数(例如流速、流量、流动持续时间等)来接收。框S250优选地包括使裂解缓冲液在一组孔上流动(例如,在位于图1B所示方向的孔阵列上方的腔或储器内),但是可以此外或可选地包括使裂解缓冲液流动通过一组孔,直接流入一组孔中(例如,从上方、从下方等),或者使用其他流体通道或流动路径以其他方式向细胞施加裂解缓冲液。在优选的变化形式中,裂解缓冲液优选地通过层流施加,但是可以此外或可选地包括或诱导湍流。裂解缓冲液优选地通过在框S230中使用的相同的流体歧管(例如,流体储器、流体路径、与一组流体路径流体连接的流体储器等)施加,但是可选地,可以使用流体连接到孔的另一流体歧管。此外或可选地,可以使用以下中描述的任何或所有流体递送子系统(例如,储器、流体路径等):2018年7月27日提交的美国申请号16/048,104;2018年7月30日提交的美国申请号16/049,057;2017年11月22日提交的美国申请号15/821,329;2017年10月12日提交的美国申请号15/782,270;2018年7月30日提交的美国申请号16/049,240;和2018年8月28日提交的美国申请第16/115,059号,每个申请通过引用以其整体并入。
如图6D关于框S250’所示,裂解缓冲液优选地被冷却(例如,至4摄氏度、至低于10摄氏度、0和20摄氏度之间、高于20摄氏度等)),其发挥功能以减慢靶细胞物质(例如,mRNA)从细胞和/或一组孔扩散的时间。孔的结构(例如,深度、宽度、形状、形状等)可以此外或可选地被配置成减慢mRNA的扩散时间。裂解缓冲液的浓度优选地被配置成在裂解缓冲液递送时间期间防止细胞裂解。裂解缓冲液优选地包括一种或更多种裂解剂,诸如以下中的任何一种或全部:Triton X-100(例如,1%、小于1%、大于1%等),脱氧胆酸钠[DOC](例如,0.1%、小于0.1%、大于0.1%等),十二烷基硫酸钠[SDS](例如,0.2%、小于0.2%、大于0.2%等),或任何其他合适的溶解剂。此外或可选地,裂解缓冲液可以包括以下中的任何一种或全部:Tris(例如,100mM、小于100mM、大于100mM、pH 7.5、pH小于7.5、pH大于7.5等),氯化锂[LiCl](例如,500mM、小于500mM、大于500mM等),乙二胺四乙酸[EDTA](例如,2mM、小于2mM、大于2mM等)、二硫苏糖醇[DTT](例如,5mM、小于5mM、大于5mM等),和/或任何其他合适的试剂或组分。
在一种变化形式中,裂解缓冲液包括100mM pH 7.5的Tris、500mM LiCl、1%Triton X-100、2mM EDTA、0.1%DOC、0.2%SDS和5mM DTT。然而,裂解缓冲液的变化形式可以包括改变的组分和/或组分浓度。
如图6D所示,裂解缓冲液的停留时间(例如,S280之前的时间、S290之前的时间等)优选地小于或等于60秒(例如,在5秒和60秒之间),进一步优选地小于或等于30秒(例如,在5秒和30秒之间、20秒、15秒、10秒、5秒等)。可选地,停留时间可以大于30秒、大于60秒,或者具有任何其他合适的值。
在关于图6D描述的一种变化形式中,裂解缓冲液被优化,使得在裂解缓冲液递送时间期间足够的裂解剂被递送到一组孔中,但是不足以开始裂解细胞。此外或可选地,裂解缓冲液可以包括足够的裂解剂递送到孔中,但不足以使靶细胞物质(例如,mRNA)释放、使靶细胞物质扩散出孔,或具有任何其他合适的结果。施加的裂解缓冲液的量(例如,递送的体积、持续时间等)优选地基于裂解缓冲液的浓度、关键裂解剂的扩散率和裂解缓冲液在微孔上的停留时间来确定,但可选地可以是可变的或以其他方式确定。在另一种实施方案中,裂解缓冲液被配置为在其递送期间处于非活性状态,并且在之后通过以下中的任何一种或全部而变得有活性:热、光、裂解反应引发剂的添加、或任何其他合适的过程或剂。此外,在一些实施方案中,裂解缓冲液在通过微孔进入腔之前被预冷至低于15℃。
如图4所示,方法200还包括分隔孔S260,其发挥作用将相邻的孔及其内容物彼此隔离,并防止物质(例如,靶细胞物质、细胞碎片、颗粒等)漂移出孔(例如,向上漂移出孔)并进入另一孔。因此,框S260可以包括在用分隔流体(例如,气体、不混溶液体)从与孔阵列流体连通的腔或储器置换裂解缓冲液后,将孔阵列中的每一个孔与孔阵列中的相邻孔分隔开。框S260可以此外或可选地发挥功能以去除多余的裂解缓冲液(例如,在外孔之外的裂解缓冲液),在裂解缓冲液培养期间维持相邻孔的分离,或执行任何其他合适的功能。框S260优选地在框S250的执行期间或在框S250的执行之后的预定时间段(例如,之后5-60秒)执行,但是可以此外或可选地在方法200的执行期间的任何其他合适的时间执行。
框S260可以包括在孔上方引入一个或更多个屏障,例如,与孔阵列流体连通的腔或储器。屏障可以包括物理屏障、二次流体(secondary fluids)(例如,分隔流体)或任何合适的屏障。屏障可以被引入到与框S210、S220和/或S230中的一个或更多个相关联的同一歧管中,或者以其他方式被引入。二次流体可以包括气体、液体(例如,非极性、极性、黏性、非黏性等)、胶体或任何其他合适的流体中的任何一种或全部。二次流体可以包括含有靶生物标志物清除剂的非沉降颗粒,该靶生物标志物清除剂可以结合从任何微孔流出的任何靶生物标志物。
框S260优选地包括靠近(例如,在上方)一组孔中的每个孔(在图6E关于S260’和图6F关于S260”所示的方向上)分配(例如,通过流体路径子系统)分隔流体(例如,空气、油、缓冲液、水等),其发挥功能以形成屏障(例如,半渗透、非渗透、选择性渗透等)以防止孔的一种或更多种内容物从孔中漂移出来。在一种变化形式中,分隔流体(例如空气)基于分隔流体的流量实现这种屏障(例如,如图6E中关于S260’所示)。在特定实例中,以高于预定阈值的流量在一组孔上泵送分隔流体发挥功能以防止孔内的物质向上漂移并离开孔。此外或可选地,流量可以发挥功能以在物质可能漂移到另一个孔中之前去除可能漂移到壁上方的物质(例如,在水平方向上)。在第二种变化形式中,分隔流体通过防止液体从孔中蒸发(例如,在长孵育步骤期间)来实现屏障。这可以通过以下中的任何一种或全部来实现:分隔流体的密度(例如,其中分隔流体的密度小于裂解缓冲液)、分隔流体的重量、分隔流体实现的压力、分隔流体和/或载玻片(例如,冷的载玻片)的温度或任何其他合适的特征。
框S260优选地沿着垂直轴分隔物质(例如,是水平分隔),其中分隔位于限定一组孔的一个或更多个壁的高度。此外或可选地,可以在低于一个或更多个壁的高度(例如,在孔内)、高于一个或更多个壁的高度、在可变高度或在任何其他合适的位置建立分隔。进一步地,此外或可选地,框S260可以包括沿着水平轴、沿着另一轴或以任何其他合适的方式分隔物质。在第一种变化形式中(例如,如图6E-图6F所示),物质(例如,如图6E中的空气和如图6F中的油)提供沿着垂直轴的孔分隔,其中分隔建立在对应于孔的壁的终末部分的高度。
框S260可以至少部分地通过与载玻片接合的流体路径子系统(例如,流体路径的位置和布置、流体路径的数量、流体路径的长度、流体路径的直径、载玻片内的流体路径子系统、载玻片外部的流体路径子系统等)和/或通过流体路径子系统的一种或更多种流体(例如缓冲液、空气、油等)的流动参数(例如流速、流量、流动持续时间等)来实现。在第一变化形式中,流体路径子系统被配置成将流体从流体歧管传输到一组孔上方的区域。在特定实例中,被配置成分配分隔流体(例如,空气、油、缓冲液、水等)的流体路径具有与一组孔的壁上方空间相似尺寸的直径。此外,流体路径可以限定一组孔上方的入口,使得分隔流体在该组孔上方以层流分配。在第二种变化形式中,分隔流体(例如,空气、油等)的流量被配置成填充一组孔上方的空间(例如,在分配分隔流体的至少大部分持续时间期间、大于分配分隔流体的时间的80%、等等)。此外或可选地,S600可以通过以下中的任何一种或全部来实现:分隔流体性质(例如,密度、黏度等)、温度或任何其他合适的性质。
在变化形式中(例如,如图6E-图6G所示,其中图6G也描述和描绘了分隔孔内细胞裂解的方面),框S260包括分配空气(如图6E所示),其发挥功能以去除过量的裂解缓冲液(例如,从框S250剩余的)并将孔彼此分隔开,随后分配油(如图6F所示),其发挥功能以防止液体或其他内容物从一组孔蒸发或防止分子从一个微孔扩散到另一个微孔。在可选的变化形式中,仅分配空气,仅分配油,或者分配任何其他流体或流体的组合。
如图4和图5E所示,方法200可以包括提供用于一组细胞的裂解环境S270,其发挥功能以使靶细胞物质(例如,mRNA)从细胞释放。关于框S270,对于每个孔,靶细胞物质的至少一个子集然后与最初与细胞共捕获在孔中的颗粒的探针(例如,寡核苷酸片段)结合。靶细胞物质与探针的结合优选地通过靶细胞物质(例如,mRNA)上存在的多(A)和颗粒上存在的多(T)来实现。然而,靶内容物与颗粒探针的结合可以此外或可选地通过任何其他合适的反应或过程来实现。
框S270优选地在维持如关于框S260描述的屏障(例如,油)的同时执行,该屏障防止细胞物质从源孔移动或泄漏到相邻孔中。在一些变化形式中,分隔流体速度和/或分隔流体屏障对于实现这一点至关重要。此外或可选地,裂解缓冲液的预定混合物可以是对于维持结合时间或其他结合条件至关重要的。在特定实例中,方法包括等待预定的持续时间(例如,在15和30分钟之间、小于15分钟、大于30分钟等)用于靶细胞物质(例如,mRNA)的裂解和与一组颗粒的结合。
细胞裂解的温度优选地在20摄氏度和30摄氏度之间(例如,室温,在20和25摄氏度之间,26摄氏度等)。因此,关于图6G,框S270’可以包括将热量传递到孔阵列中,以促进裂解并保留孔阵列中的内容物。可选地,可以在低于20摄氏度、高于30摄氏度或任何其他合适的温度裂解细胞。
在第一种变化形式中,细胞在室温裂解15和30分钟之间。在特定实例中,细胞在26摄氏度裂解25分钟。在另一种变化形式中,细胞可以在40摄氏度或50摄氏度的温度裂解。
2.4方法-另外的步骤
如图4所示,方法200可以任选地包括缓降温度和浸泡S280,其可以发挥功能以防止任何未结合的靶细胞物质迁移(例如,通过蒸发、通过扩散等)离开一组孔。该温度优选地在0摄氏度和5摄氏度之间,并且浸泡时间优选地在5分钟和20分钟之间。在特定实例中,框S280包括将温度缓降到2摄氏度并保持11分钟。此外或可选地,S800可以包括在任何合适参数的任何其他合适的过程。
如图4所示,方法200可以任选地包括洗去未结合的物质S290,其发挥功能以在裂解后去除未结合的靶细胞物质(例如,未结合的mRNA)。S900期间的载玻片温度优选地维持在室温,但是可以此外或可选地维持在另一个合适的温度、变量、室温或任何其他合适的温度。S900优选地包括在洗涤缓冲液中流动(例如,通过前面步骤中使用的任何或所有流体路径)。洗涤缓冲液可以包括洗涤剂,优选地,含有RNA酶抑制剂的PBS(例如含有1%IGEPAL的PBS)。此外或可选地,任何其他液体或物质可用于洗掉未结合的物质。洗涤流量优选地被配置成使得来自孔的漂浮靶细胞物质被泵送到废弃物储器,而没有机会扩散到相邻的孔。在一种变化形式中,该流量在50微升/秒和1000微升/秒之间。在实施方案中,洗涤未结合的物质可以包括在mRNA物质与一组颗粒杂交后,使洗涤缓冲液以大于50微升/秒的流量在孔阵列上流动,所述洗涤缓冲液被配置为去除未结合的RNA。
框S290可以任选地包括移除洗涤缓冲液,这优选地通过流入空气(例如,空气洗涤)来执行。框S290可以此外或可选地包括用洗涤珠洗涤孔,其中洗涤珠结合到迁移的靶细胞物质(例如,漂浮在一组孔上方、一组孔内,等等)。一组洗涤珠优选地是磁性的(例如,寡聚d(T)磁珠、寡聚(dT)磁珠等),但是可以此外或可选地是非磁性的,被配置为结合任何合适的探针,或者以其他方式被配置。因此,洗涤珠可以是具有便于从系统中将带有结合的不期望的或泄漏的物质的洗涤珠取回的组成。
洗涤过程优选地进行多于一次(例如,两次、三次、1次和10次之间等),但是可以可选地执行一次,或者方法可以在没有洗涤的情况下执行。
在第一种变化形式中,框S290包括用不存在洗涤珠的洗涤缓冲液洗涤载玻片。在第二种变化形式中,S900包括用一组磁性洗涤珠洗涤载玻片。在第一个特定实例中,使用了1微米的磁性寡聚d(T)珠。在第二个特定实例中,使用了八微米的磁性寡聚d(T)珠。在另一种变化形式中,洗涤缓冲液可以包含含有不可延伸碱基的寡聚dT片段。这些寡聚dT片段与任何未结合的靶mRNA分子结合,这些未结合的靶mRNA分子离开或保留在微孔中,但是在结合后,由于寡聚dT序列周围存在不可延伸的碱基,在下游逆转录期间不能转化为CDNA。
如图4所示,方法可以任选地包括细胞的任何处理S299。细胞可以在孔内、孔外(例如,在提取了单个细胞之后、在提取了所有细胞之后、等等),或者在任何其他合适的位置或位置的组合处理。
在一种变化形式中,框S299包括第一操作,该第一操作包括芯片上逆转录酶过程,如图5F中的S299a所示。在第一个实例中,这是在58℃的温度进行的,并且持续时间为16分钟。在另一种变化形式中,芯片上逆转录酶过程在细胞裂解后立即进行,同时在其微孔中进行分隔。对于这一过程,逆转录试剂经过优化,并与裂解缓冲液混合物共递送。
框S299还可以包括将结合到靶细胞物质的一组颗粒移除,并继续进行一组步骤来准备用于DNA测序的物质,如图5G中的S299b所示。在实例中,这包括从孔阵列提取一组颗粒(例如,使用抽吸过程、使用压力驱动过程、使用磁性取回过程、使用重力或离心力相关过程等)并将它们与任何剩余的洗涤珠分离(例如,在移除第一组珠之前、移除第一组珠之后等)。
框S299可以此外或可选地包括任何其他合适的处理和分析步骤。这可以包括细胞的任何或所有未来处理(例如,通过逆转录)、聚合酶链式反应测序(例如,单细胞基因组、DNA/RNA测序、文库制备,如图5H中的S299c所描绘的,等等),数据分析或任何其他合适的过程。
关于用于进一步防止泄漏的系统配置,图7A-图7B描绘了与防止孔的内容物泄漏到相邻孔相关联的示例性流体网络配置和跨基板的流动方向。图7A描绘了第一配置,其中用于孔阵列的基板包括短轴、长轴和流体通道网络,所述流体通道网络限定了优先与长轴对齐并耦合到与微孔区域流体连通的腔的一个或更多个流动路径。由于流体行进跨越孔阵列的距离较长的配置,图7A所示的配置可以促成孔内容物泄漏的更高风险。图7B可选地描绘了第二配置,其中用于孔阵列的基板包括短轴、长轴和流体通道网络,所述流体通道网络限定了优先与短轴对齐并耦合到与微孔区域流体连通的腔的一个或更多个流动路径。由于流体行进跨越孔阵列的距离较短的配置,图7B所示的配置可以促成孔内容物泄漏的更低风险。因此,关于上文描述的框S230、S250、S260、S270和S290,由于与微孔阵列连通的流体通道的配置,方法200可以包括接收洗涤缓冲液、裂解缓冲液和分隔流体中的一种或更多种沿着较短的行进距离进入流体通道网络。
2.5方法-实例
在一个实例中,方法200包括在一组微孔中捕获细胞;捕获该组微孔中的20微米颗粒(例如,HDBB);洗掉多余的颗粒;将微孔在4摄氏度浸泡11分钟;在冷的(例如4摄氏度)裂解缓冲液中流动不超过30秒;使用空气、随后使用油分隔孔;在室温裂解细胞25分钟;将温度缓降到2摄氏度并浸泡孔中的内容物11分钟;在洗涤缓冲液(例如,含有RNA酶抑制剂的PBS)中流动;使用空气洗涤去除第一洗涤缓冲液;在洗涤缓冲液中第二次流动;使用空气洗涤去除洗涤缓冲液;在58摄氏度进行芯片上逆转录16分钟;将颗粒从载玻片移除,并进行测序和数据分析。然而,实例的变化形式可以以任何其他合适的方式执行。
此外或可选地,方法200可以包括以任何合适的顺序执行的任何其他合适的过程。
附图图示了根据优选的实施方案、示例配置及其变化形式的系统、方法和计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能和操作。就这点而言,在流程图或框图中的每个框可代表代码的模块、段或部分,代码包括用于实现一个或更多个指定的逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意,在一些可选的实现方式中,在框中提到的功能可以不按在附图中提到的顺序出现。例如,连续地显示的两个框事实上可以实质上同时被执行,或者框有时可以以相反的顺序被执行,取决于所涉及的功能。还应当注意,框图和/或流程图图示的每个框以及在框图和/或流程图图示中的框的组合可以由执行指定的功能或行动的专用的基于硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合实现。
如本领域中的技术人员从前面的详细描述及从附图和权利要求书将认识到的,可以对本发明的优选实施方案做出修改和变化而不偏离在以下权利要求书中限定的本发明的范围。
Claims (22)
1.一种方法,所述方法包括:
以单细胞形式将一组靶细胞接收到限定在基板的表面平面处的孔阵列中,其中所述孔阵列中的每个孔垂直于所述表面平面延伸并延伸到所述表面平面中并且到所述基板中;
将一组颗粒接收到所述孔阵列中,从而跨所述孔阵列将所述一组靶细胞和所述一组颗粒共捕获;
在将洗涤流体接收到与所述孔阵列连通的腔中并且将所述一组颗粒中的多余颗粒从所述孔阵列传送出去后,实现所述孔阵列的期望状态;
在将裂解缓冲液接收到所述腔中后,提供用于所述一组细胞的裂解环境;
在用气体体积从所述腔置换所述裂解缓冲液后,在所述表面平面将所述孔阵列中的每一个孔与所述孔阵列中的相邻孔分隔开;
在将分隔流体接收到所述腔中后,防止所述孔阵列的内容物蒸发;和
将所述一组靶细胞的细胞间物质保留在所述孔阵列内,其中将热量传递到所述孔阵列中。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述基板包括:短轴、长轴和流体通道网络,所述流体通道网络限定优先与所述短轴对齐并与所述腔耦合的一个或更多个流动路径,其中接收所述裂解缓冲液和所述分隔流体中的一种或更多种包括将所述裂解缓冲液和所述分隔流体中的一种或更多种接收到所述流体通道网络中。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述一组孔中的每一个包括被配置为防止所述一组靶细胞中的靶细胞横向邻近所述一组颗粒中的颗粒定位的宽度,其中接收所述一组颗粒和所述一组靶细胞包括保持所述一组颗粒比所述一组靶细胞更靠近所述表面平面。
4.根据权利要求1所述的方法,其中接收所述裂解缓冲液包括在1℃和15℃之间的温度接收所述裂解缓冲液。
5.根据权利要求4所述的方法,其中接收所述裂解缓冲液包括将所述裂解缓冲液保留在所述腔内的停留持续时间低于40秒。
6.根据权利要求1所述的方法,其中保留细胞内物质包括保留所述一组靶细胞的在所述孔阵列内单独地与所述一组颗粒杂交的mRNA物质。
7.根据权利要求1所述的方法,其中所述一组颗粒中的每一个包括聚苯乙烯涂层和独特的生物聚合物复合条形码。
8.根据权利要求1所述的方法,其中接收所述一组细胞包括以第一浓度接收所述一组细胞,所述第一浓度被配置为小于所述孔阵列的50%占用率,从而促进以单细胞形式捕获所述一组细胞,并且其中接收所述一组颗粒包括以高于所述第一浓度的第二浓度接收所述一组颗粒。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所述孔阵列中的每个孔的横截面限定多边形,并且其中所述孔阵列中的每个孔包括大于所述一组颗粒的颗粒直径与所述一组靶细胞的细胞直径之和的深度。
10.根据权利要求1所述的方法,其中所述分隔流体包括油。
11.一种方法,所述方法包括:
以单细胞形式将一组靶细胞接收到限定在基板表面平面处的孔阵列中;
将一组颗粒接收到所述孔阵列中,从而跨所述孔阵列将所述一组靶细胞和所述一组颗粒共捕获;
在将洗涤流体接收到与所述孔阵列连通的腔中并且将所述一组颗粒中的多余颗粒从所述孔阵列传送出去后,实现所述孔阵列的期望状态;
在将裂解缓冲液接收到所述腔中后,提供用于所述一组细胞的裂解环境;
将分隔流体接收到所述腔中,从而从所述腔置换所述裂解缓冲液,并在所述表面平面处将所述孔阵列中的每一个孔与所述孔阵列中的相邻孔分隔开;和
将所述一组靶细胞的细胞间物质单独地与所述一组颗粒一起保留在所述孔阵列内,从而减轻所述孔阵列的第一孔的细胞内物质向所述孔阵列的第二孔的泄漏。
12.根据权利要求11所述的方法,其中所述基板包括:流体通道网络,所述流体通道网络限定优先与所述基板的短轴对齐并与所述腔耦合的一个或更多个流动路径,其中接收所述裂解缓冲液和所述分隔流体中的一种或更多种包括将所述裂解缓冲液和所述分隔流体中的一种或更多种接收到所述流体通道网络中。
13.根据权利要求11所述的方法,其中接收所述一组颗粒和所述一组靶细胞包括保持所述一组颗粒比所述一组靶细胞更靠近所述表面平面。
14.根据权利要求11所述的方法,其中接收所述一组靶细胞、所述一组颗粒、所述洗涤流体、所述裂解缓冲液和所述分隔流体中的至少一种包括通过层流过程接收。
15.根据权利要求11所述的方法,其中所述分隔流体包括空气和油中的至少一种。
16.根据权利要求11所述的方法,其中接收所述裂解缓冲液包括在1℃和15℃之间的温度接收所述裂解缓冲液。
17.根据权利要求11所述的方法,其中所述裂解缓冲液在进入所述孔阵列上方的所述腔之前被预冷却至低于15℃。
18.根据权利要求11所述的方法,其中接收所述裂解缓冲液包括将所述裂解缓冲液保留在所述腔内的停留持续时间低于40秒。
19.根据权利要求11所述的方法,其中保留细胞内物质包括将热量传递通过所述基板并进入所述孔阵列,在所述孔阵列内产生15℃和35℃之间的孔温度。
20.根据权利要求11所述的方法,其中保留细胞内物质包括保留所述一组靶细胞的在所述孔阵列内单独地与偶联至所述一组颗粒的寡核苷酸探针杂交的mRNA物质。
21.根据权利要求20所述的方法,所述方法还包括在mRNA物质与所述一组颗粒杂交后,使洗涤缓冲液以大于50微升/秒的流量在所述孔阵列上流动,所述洗涤缓冲液被配置为去除未结合的RNA。
22.根据权利要求20所述的方法,所述方法还包括用所述孔阵列内保留的mRNA物质进行逆转录过程。
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