WO2003056335A2 - Micro-recess array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing medium and method for analysing the functional activity of individual cells - Google Patents

Micro-recess array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing medium and method for analysing the functional activity of individual cells Download PDF

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cell
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Holm Uhlig
Johann Michael KÖHLER
Günter Mayer
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    • G01N15/10Investigating individual particles
    • G01N15/14Electro-optical investigation, e.g. flow cytometers
    • G01N2015/1493Particle size

Definitions

  • Micro-well array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid and method for examining the functional activity of single cells
  • the invention relates to a method for examining the functional activity of single cells on mil ⁇ rostructured solid phase surfaces and a microwell array used therefor.
  • the invention is used in medical diagnostics, immunology and biotechnology.
  • FACS fluorescence activated cell sorting
  • Miltenyi technology can be seen as a method for cell separation based on the criteria for the production of cell secretion products (eg cytokines). It allows the measurement of secretion products from single cells using bifunctional antibodies, which on the one hand bind to the cell surface and on the other hand bind secretion products such as cytokines. The secretion products bound on the cell surface can They can then be detected using suitable labeling of the secretion products in sandwich technology and assigned to the producing cell (Manz et al. 1995, Assenmacher et al. 1998, Brosterhus et al. 1999). The technique allows both the detection of secretion products and the sorting of cells according to their secretion products using magnetic or FACS sorting. No permeabilization and fixation of the cells is required.
  • cell secretion products eg cytokines
  • the analysis of cell secretion products by means of in-situ detection can also be carried out microscopically after cytocentrifugation with immunophenotyping.
  • the secretion products can be detected as with the FACS. Fixation and / or permeabilization of the cells is necessary.
  • the evaluation is carried out using microscopy.
  • the ELI spot technique for the analysis of cell secretion products (in particular antibodies produced by B cells and by B and T cells, cytokines produced by antigen presenting cells) allows the characterization of cells on the basis of their secretion.
  • Cells are cultivated in culture chambers with special membranes.
  • the coating of the membranes with ligands against cell secretion products allows the binding of secretion products, which can then be detected using sandwich technology.
  • sandwich technology due to the dyeing techniques used (typically peroxidase and / or alkaline phosphatase), only one or two-color markings are possible.
  • This technology is primarily based on up to 96-well plate systems with special membrane systems as the plate base. Due to the plate systems used up to now, only a relatively low throughput of cells is possible and a rather complex analysis is necessary, since the cells arrange themselves in a random pattern on the membrane.
  • Detection of cytokines can also be carried out if the cells are embedded in a matrix which prevents the diffusion of the secretion products and which, on the other hand, permits subsequent detection steps to detect the secretion products.
  • a sorting of cell After the detection procedure has been carried out, the cells can be removed from the matrix (Turcanu and Williams 2001)
  • Array systems are increasingly used to analyze ligand-ligand interactions using high-throughput methods using miniaturized, defined arrangement of defined molecules or cells.
  • miniaturized systems for molecular interactions have so far been described (gene experiment arrays for an overview, see Deyholos and Galbraith 2001, protein arrays (Mac Beath and Schreiber 2000), antibody arrays (de Wildt et al 2000).
  • Cell spot arrays have been described for measuring DNA expression (Ziauddin and Sabatini 2001), but not for single cell analysis and not for the detection of cell secretion products on living cells.
  • array systems from peptide libraries are used to measure the epitope properties of T cells (Hiernstra et al. 2000, Toby et 2001.
  • microelectrode arrays using semiconductor technology were used to analyze the electrical activity of cells (Israel et al. 1984, Connolly et al. 1990, Bhattacharjee 2000 Microstructured Ob Surfaces of other authors for positioning cells by coating cell adhesion molecules on solid phases allow cells to be positioned, but not in the precision pattern shown below (Chen et al. 1998) and differ fundamentally from the sorting principle described below.
  • the ELI spot is typically carried out after the cells have been washed off the membrane.
  • the enzyme reactions lead to an insoluble reaction product, which is deposited on the membrane.
  • a broader immune typing of the cells with different markers is not possible with the existing systems. Due to the staining method used, only one or two-point markings are used. The unstructured arrangement of the cells on the membrane complicates the evaluation of the assay. The result of this is that the assay can only be meaningfully evaluated with a relatively low cell density. The recovery rate is also very limited.
  • Turcanu and Williams test requires the cells to be embedded in a matrix, which requires additional work steps and makes later sorting or later analysis more difficult. A direct structured arrangement of the cells is also not possible in this test.
  • the disadvantages of the various systems result on the one hand from the need to manipulate the cell membrane, and on the other hand to change the environment of the cells in such a way that the secreted product can be detected. Furthermore, a structured arrangement of individual cells is difficult due to the membranes used, which complicates an evaluation of the system and, consequently, necessarily reduces the density of the cells to be examined.
  • the difficulty in arranging living individual cells on surfaces using blot techniques lies in the complicated technical solution of the spot process, which must consist of cell detection and the actual spot process using high-precision mechanics.
  • single cells not organized in tissues or single cells isolated from tissues should be typified according to their functional activity and the production of secretion products.
  • the process of cell typing itself should affect the vitality of the cells as little as possible.
  • a solution is to be found which allows an arrangement of cells to be characterized in a suitable pattern, on the one hand to enable a high cell density and on the other hand to facilitate the evaluation of the marking.
  • the cells should not change their position in the course of the test in order to allow the measurement of time-dependent processes.
  • the cells should be able to be characterized on the basis of their surface markers, cellular proteins, their genetic material (DNA, RNA) as well as their secretion products and metabolic activity.
  • a structured arrangement of individual cells (which should be spatially separated from one another) on a structured solid phase would, on the one hand, permit high-throughput analysis, on the other hand, the detection of the secretion products on the solid phase due to immobilization improve, but allow the surface to be separated from other cells.
  • a multi-channel analysis is possible when using fluorescence labeling.
  • microwell array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid and the associated method for examining the functional activity of single cell cells with the features mentioned in claims 1 and 18.
  • the microwell array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid is distinguished by the fact that the microwell array comprises a cell array consisting of a microslrucrured solid phase with a large number of wells.
  • the solid phase preferably consists at least partially of silicon, glass or plastic.
  • the cells are arranged in the wells by sedimentation due to the gravity and shear forces in the liquid flow, but can also be done by other aids such as magnetic beads, application of an electric field or by optical manipulations (e.g. optical tweezers).
  • the cells position themselves in the corresponding zones on the solid phase in such a way that cells with a smaller to maximally the same size can be positioned in a well of a certain size.
  • a surface covering the solid phase of the cell array is provided, which consists in particular of microscopic glass.
  • a distance between an upper edge of the depressions and the glass plate is preferably 10 ⁇ m to 500 ⁇ m. This can prevent turbulence in the liquid flow.
  • the densest possible arrangement of the depressions on the solid phase is preferably predetermined, so that a very large number of cells can be separated at the same time and then examined.
  • This can be achieved in particular by are arranged offset to one another and / or a size of the depressions is adapted to the cell sizes to be examined.
  • the size of the depressions is only slightly larger, in particular 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, larger than the cell size.
  • a cell depth also preferably corresponds to the cell size.
  • a density of the depressions on the solid phase is further preferably up to 1,000,000 depressions per cm 2 . The measures mentioned, individually or in combination, contribute to increasing the density of isolated cells for the subsequent examination.
  • the solid phase is coated with antibodies or antigens. This makes it particularly easy to carry out tests on the individual cells.
  • the wells on the cell array can carry different antibodies and / or antigens depending on the question of the examination. In particular, several antibodies and / or antigens can be bound in one well or regions with different antibodies and / or antigens can also be specified on the cell array.
  • the solid phase is coated with a mixture of proteins and antibodies.
  • the protein can in particular be albumin, in particular the albumin coating applied directly to the solid phase subsequently carrying antibodies covalently bound via succinididyl ester.
  • the solid phase can have a coating made of polylysine with subsequently attached antibodies.
  • the modifications mentioned have proven to be particularly practical in the production of coated solid phases and are also suitable as a standard system for investigations. If the solid phase is made of silicon, depending on the intended application, the silicon surface can be treated in such a way that its charge and hydrophobicity change. In this respect, the system can be variably adapted to the respective requirements.
  • the cells When examining the functional activity of single cell cells with a microwell array, the cells are separated in a first step and then examined in a subsequent step the functional activity of the individual cells.
  • the orderly separation of a large number of individual cells is an essential aspect of the method and only favors the success of the subsequent investigations.
  • the separation can take place by sorting according to cell size and / or typing according to cell type. It can also be supported with the help of latex particles, magnetic beads or optical tweezers.
  • the measures allow for the first time the parallel investigation of a large number of single cells with regard to their functional activity.
  • microwell array It has proven to be advantageous to load the microwell array with a cell suspension of high density, in particular of approximately 2 ⁇ 10 6 cells per 100 ⁇ l. Only 10 to 20 ⁇ l of such a cell suspension are preferably taken up in the microwell array. This means that very small amounts of sample can be processed.
  • the microwell array After loading, the microwell array is rinsed to remove non-positioned cells.
  • a liquid flow during rinsing is preferably 0.01 to 0.3 ml per second.
  • a rinse quantity of 1 to 2 ml is preferably applied per rinse cycle. Pulse-like loading and rinsing has proven to be particularly effective. The above-mentioned measures for sample preparation have proven to be particularly suitable for the standardization of the process.
  • the present invention proposes to form network-like depressions in the possible size of the individual cells to be examined (silicon micro-well array) on silicon, plastic or glass surfaces by means of etching or embossing techniques.
  • the depressions serve to accommodate and thus to arrange individual cells. If a suspension / solution with single cells is applied to the array, the cells accumulate both on the non-structured surface and in the depressions. Cells that are not arranged in depressions can be washed off the surface by applying a liquid stream.
  • the cells placed secrete certain metabolic products or change their environment through certain biochemical processes.
  • a coating of the surface of the cell array with antibodies or other ligands of cell secretion products allow the cell secretion products to bind or influence the activity of the cells.
  • the secreted substances or the microenvironments modified by the cells can be made visible by detection reactions with (eg fluorescence) labeled ligands (eg antibody sandwich technology).
  • the functional characterization of single cells e.g. B cells, T cells, antigen presenting cells, endocrine cells, tumor cells
  • single cells e.g. B cells, T cells, antigen presenting cells, endocrine cells, tumor cells
  • microwell array shown The functional characterization of single cells (e.g. B cells, T cells, antigen presenting cells, endocrine cells, tumor cells) using the microwell array shown is made possible by the possibility of multi-channel anaryysis for different secretion products and surface markers.
  • the array allows the defined arrangement of very large cell numbers that do not change their positions in the course of the test phase in a simple manner. It is therefore possible, on the one hand, to characterize the cells on the basis of surface markers, on the other hand to detect and measure the secretion products of these cells in their immediate surroundings, which requires very little manipulation of the cells to be characterized, on the other hand can be carried out in various detection steps and then in the respective well / respectively cell can be assigned. Using the method described for determining the secretion products of a cell, time-dependent characterization of individual cells and detection of the secretion products is possible without the alteration of the cell membrane of these cells.
  • Time-dependent processes can be carried out and analyzed sequentially on one and the same cell (real-time analysis).
  • the increase in fluorescence signals with stable fluorescent markers and the possibility of analyzing bleaching effects with non-stable fluorescent markers can be used to measure time-dependent processes.
  • the high number of cells in the analysis on the cell array allows a good statistical evaluation of the cell population examined.
  • the immobilization of the cells in the fluid flow can be combined by a variety of other methods (latex particles, magnetic beads, optical tweezers).
  • the examination of living toes allows the subsequent use of the cells in a subsequent experiment (for example after magnetic sorting), or after detachment of the cells using stamping techniques.
  • the technique is suitable for the characterization of single cell cells in activity, toxicity and carcinogenicity tests using high-throughput screening.
  • a method for the functional characterization of single cells that are not organized in tissues or isolated from tissues and an associated device have been created.
  • microstructured solid phases eg silicon, glass, plastic
  • Individual cells can be arranged in a suitable pattern in the microwells in a very high cell density (for example 150,000 per cm 2 ).
  • Ligands against secretion products of the individual cells can be applied to such a cell array (microweU irnmuno chip), which allow detection of the secretion products of individual cells.
  • the characterization of the individual cells should be carried out by analyzing their secretion products, but can be expanded by ZeUtyping using surface analysis or intra-cellular markers. It is possible to separate cells after analysis.
  • a method and a device are available for the separation of parti- / cells from large populations of nikrostnikturABLE solid phases and the subsequent molecular typing of the toes, such as genetic material or surface or toe proteins.
  • living single cells from large cell populations can be isolated, based on specific properties are examined and selected after typing for subsequent processes.
  • the method is also used to detect the secretion of isotype-specific or antigen-specific antibodies on isolated B cells using a MikroweUarray.
  • microwave array for the separation and later screening of isolated hybridomas for the production of antigen-specific antibodies.
  • the method is suitable for the detection of secreted enzymes on single cells, e.g. secreted proteases which are tied up by tumor cells, the enzyme activity of which can be demonstrated by converting specific, immobilized substrates on the surface of the microcavity.
  • microcavities for the detection of surface-based enzyme-mediated and / or immune-mediated cell reactions, also for the interaction between different cells.
  • the cavities are first loaded with a ZeU type. Then other cells are flushed in and double loading of the cavity is achieved. This means that cell counter actions can be measured spatially separately.
  • a method for the detection of proliferation of individual cells has been created. After the separation of individual cells in micro-cavities, the proliferation of cells can be investigated in such a way that the cells leave the cavities after proliferation due to cell growth and this can either be detected on the surface or can be detected using DNA markers.
  • the surface can be coated with stimulating, proliferation-promoting factors and the effect of these substances can be examined on isolated cells.
  • the method can be used for the selection of cells if specific cells are promoted or inhibited with respect to vitality or proliferation by surface coating, or are bound and thus selectively influenced.
  • Figure 1 is a schematic representation of a depression in the solid phase with a coating of a ligand
  • Figure 2 shows the recess of Figure 1 with a few ZeUe and secretion products
  • Figure 3 shows the well of Figure 2 after washing off unbound secretion products
  • Figure 4 shows the recess of Figure 3 after marking with markers
  • FIG. 5 shows the well of FIG. 4 after removal of the cells and treatment with labeled ligands
  • Figure 6 shows the well of Figure 4 after treatment with labeled ligands.
  • the solid phase made of silicon is coated in the area of the recess 10 with antibodies 12 against secretion products (e.g. cytokine assay) or with antigens for the detection of a secretion product to be measured (FIG. 1). Due to the surface properties of silicon, antibodies against secretion products such as cytokines can be directly adsorbed, on the one hand, and antibodies 12 can be coated together in a mixture with other proteins such as albumin. The direct coating with albumin and the subsequent covalent binding of the antibodies via succinimidyl ester has also proven to be a sensible option.
  • secretion products e.g. cytokine assay
  • FIG. 1 antigens for the detection of a secretion product to be measured
  • protein A can be bound to the silicon surfaces, to which antibodies can then be bound.
  • the ligand should retain its binding activity and the unspecific binding of cells should be as low as possible.
  • the direct adsorption of antibodies allows a high level of binding, but the bound antibodies prevent a significant proportion of their binding activity (penaturation).
  • a good binding density of antibodies is achieved which have good functional activity; the surface coated in this way also has a very high binding capacity for cells.
  • the further surface of the ZeUarray is blocked with a protein such as albumin that is irrelevant for the test in order to block the remaining binding sites on the silicon surface for proteins and to minimize the adhesion for ZeU surface proteins.
  • a protein such as albumin that is irrelevant for the test in order to block the remaining binding sites on the silicon surface for proteins and to minimize the adhesion for ZeU surface proteins.
  • microwell arrays are made with a zeus suspension of about
  • Load 2 • 10 6 cells per 100 ⁇ l. 10-20 ⁇ l are sufficient for the actual coating.
  • the volumes must be adjusted depending on the dead volume of the system used.
  • the arrangement of the follows through the gravity in the fluid flow, but can also be done by other aids such as magnetic beads, application of a magnetic field or optical manipulations (eg optical tweezers) or reinforced by these methods.
  • the ZeUen position themselves according to their size in the prepared wells of a similar size. The aim is to achieve the highest possible cell density, with the highest possible number of microwells being filled with just one cell.
  • This ZeU density is achieved both by a high ZeU density in the ZeUsuspension (see above), by the densest possible arrangement of the micro-wells, by the arrangement of the Mifao wells in specific, sometimes offset patterns themselves, by a size adapted to the ZeU size (only slightly (0 , 5-5 ⁇ m) larger micro-depressions than the ZeU size), by the shape of the micro-recess (ZeUtiefe should correspond to the ZeU size), by the surface properties (charge, hydrophobicity) of the surface.
  • the application of a magnetic field or the use of optical methods can secure or support the holding or placing of the cells in the wells.
  • Rinsing of not positioned cenuts Not positioned in the wells are removed after the application of a suitably strong liquid flow. Washing steps should on the one hand avoid washing out the cells located in the depressions due to swirling, and on the other hand damage to the cells by a massive flow of liquid. Flow rates of 0.3-0.01 ml per second have proven to be sensible.
  • the distance between the upper edge of the depressions and a microscopic surface, for example quartz glass, is of essential importance for avoiding turbulence and thus washing out the cells. At distances from 500 ⁇ m very strong turbulence occurs, at distances below 10 ⁇ m the liquid flow with ZeUen is severely impaired. Multiple, pulse-like loading and washing cycles increase the density and effectiveness of the loading.
  • the washing steps are also effective in pulse-like cycles. A total of 1 to 2 ml of washing volume is sufficient for pulsed washing. Enriching the washing solution with cellular medium or protein (albumin 0.1-1%) increases the vitality of the cells during the test. Incubate the cells
  • the ZeUe 18 is incubated with a culture medium on the ZeU array in order to maintain the vitality of the cell 18 and a secretion of metabolic products 14, 16, e.g. To cause cytokines in the cytokine assay or antibodies in B lymphocytes in the environment (FIG. 2).
  • the metabolic products 14, 16 are bound or modified (e.g. in the case of enzymes) in another way by the immunized antibodies 12 or possibly antigens or change the initial coating of the surfaces. Incubation should take place for 1-72 hours in order to be able to detect the metabolic products 14, 16 on the one hand, and on the other hand to avoid adulteration caused by ZeUtod and innovations.
  • Certain ZeU types such as macrophages tend to actively change their position, which affects the result, other ZeU types such as lymphocytes maintain their position for hours.
  • the entire chamber contents are rinsed several times with washing solutions in order to rinse off unbound metabolic products 14, 16 (FIG. 3).
  • the secretion products 14 to be detected bind to the antibody 12 bound to the solid phase surface.
  • the washing conditions are to be selected as described above.
  • a variation of the rinsing flow and the distance between the upper edge of the microwave and the chamber surface can be used to rinse unfixed cells if necessary.
  • the ZeU array is incubated with color-labeled antibodies 20 which are directed against surface antigens of the ZeUe 18.
  • the antigen-positive cell 18 is stained by direct or indirect labeling.
  • the concentration of the antibodies 20, 22 depends on the dilutions customary for fluorescence microscopy. If necessary, the surface marking of the ZeUe 18 can also be carried out before application to the ZeU array.
  • the cells 18 can also be labeled by antibodies 22 against cytosolic or other antibodies or other dyes (for example DAPI or propidium iodide for cells / nucleic acids).
  • Vital dyes can be used Detected to estimate the vitality of the ZeUen for each individual ZeUe during the test. Due to the small volumes required to coat the well array (10-20 ⁇ l), small amounts of reagents are required.
  • the entire chamber contents are rinsed several times with washing solutions in order to rinse off the excess antibodies 20, 22.
  • the examination is followed by a microscopy of the ZeU array for different fluorescence (green e.g. FITC, red e.g. Texas red, blue e.g. DAPI, white e.g. photoluminescence).
  • fluorescence green e.g. FITC, red e.g. Texas red, blue e.g. DAPI, white e.g. photoluminescence.
  • a laser scanning microscope is suitable because this measuring method has a high throughput rate with a high sensitivity for the ZeUmarker.
  • a number of reflection and scattering effects occur within the micro-recess, which can be used for the evaluation and which can increase the sensitivity.
  • a non-confocal measurement mode is also sensible because a large part of the recess surface that can be used for the measurement (4/5) is arranged vertically, so that it almost only leads to reflection and stray light, which would then almost be masked out with confocal measurement.
  • a 50-fold microscope magnification around 14,000 wells can be analyzed simultaneously with a 10 ⁇ m microwe size.
  • the secretion products 14 are detected by incubating the ZeUarray with further fluorescence-labeled ligands 24 against the metabolic product 14, for example other antibodies which have a different epitope than the primary antibodies used to bind the metabolic product 14 become.
  • monoclonal antibodies are possible that recognize different epitopes, or the use of a monoclonal antibody for binding and a polyclonal for detection.
  • the ZeUarray is washed to remove excess antibodies.
  • zeUs can be removed from the well array using special stamps and further analyzes carried out.
  • zeUs can be removed from the surface using special stamps and sent for further analysis.
  • the characterization of the individual cells on the basis of their secretion products can, however, be expanded by the cell typing by means of surface analysis and / or by means of intracellular markers.
  • the separation of cells after the analysis can be carried out by using magnetic beads or other physical principles such as stencil techniques or laser-controlled deflection ("optical tweezers") of cells.

Abstract

The invention relates to a micro-recess array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing medium in individual reaction chambers, and to a method for analysing the functional activity of individual cells which are separated by said micro-recess array. The micro-recess array is characterised in that it comprises a cell array made of a microstructured solid phase with a plurality of recesses (10).

Description

Mikrovertiefungsarray zur größenabhäfigigen Sortierung oder Separation von in einer strömenden Flüssigkeit suspendierten Zellen und Verfahren zur Untersuchung der funktionellen Aktivität von EinzelzellenMicro-well array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid and method for examining the functional activity of single cells
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der funktioneilen Aktivität von Einzelzellen an milαrostrukturierten Festphasenoberflächen und ein dafür eingesetztes Mikrovertiefungsarray. Die Erfndung findet Einsatz in der medizinischen Diagnostik, Immunologie und Biotechnologie.The invention relates to a method for examining the functional activity of single cells on milαrostructured solid phase surfaces and a microwell array used therefor. The invention is used in medical diagnostics, immunology and biotechnology.
Es sind eine Reihe von Techniken verfügbar, mit denen der Nachweis von Sekretionsprodukten von nicht in Geweben organisierten Einzelzellen oder aus Geweben isolierten Einzelzellen geführt werden kann. Weiter unten sind Techniken angeführt, die entwickelt wurden, um Zellen nach ihrer funktioneilen Aktivität und der Produktion von Sekretionsprodukten zu typisieren und/oder zu sortieren. Außerdem sind Methoden angeführt, biologische Moleküle und Zellen in hoher Dichte in einem geeigneten Muster auf Festphasen anzuordnen, was eine Grundlage der nachfolgend aufgezeigten Lösung darstellt.A number of techniques are available with which the detection of secretion products from single cells not organized in tissues or single cells isolated from tissues can be carried out. Techniques are listed below that have been developed to type and / or sort cells according to their functional activity and the production of secretion products. Methods are also given for arranging biological molecules and cells in high density in a suitable pattern on solid phases, which forms the basis of the solution shown below.
Die Analyse mittels FACS (fluorescence activated cell sorting) erlaubt die Detektion und Sortierung von Zellen im wesentlichen nach Oberflächen- markern. Der Nachweis der funktionellen Aktivität von Zellen im Sinne der Messung von intrazellulären Produkten ist mittels Standardtechniken erst nach Permeabilisierung und Fixierung der Zellen möglich (Prussin 1997, Assemissen et al. 2001). Die Analyse einer großen Zellzahl ist mit dieser Technik in geringer Zeit möglich.The analysis using FACS (fluorescence activated cell sorting) allows the detection and sorting of cells essentially according to surface markers. The detection of the functional activity of cells in the sense of measuring intracellular products is only possible using standard techniques after permeabilization and fixation of the cells (Prussin 1997, Assemissen et al. 2001). A large number of cells can be analyzed in a short time using this technique.
Die Miltenyi Technologie kann als eine Methode zur Zellseparation nach dem Kriterium der Produktion von Zellsekretionsprodukten (z.B. Zytoki- nen) angesehen werden. Sie erlaubt die Messung von Sekretionsprodukten von Einzelzellen mittels bifhnktionalen Antikörpern, die einerseits auf der Zelloberfläche binden, andererseits Sekretionsprodukte wie Zytokine binden. Die auf der Zelloberfläche gebundenen Sekretionsprodukte kön- nen dann mittels geeigneter Markierung der Sekretionsprodukte in Sandwichtechnik nachgewiesen und der produzierenden Zelle zugeordnet werden (Manz et al. 1995, Assenmacher et al. 1998, Brosterhus et al. 1999). Die Technik erlaubt sowohl den Nachweis von Sekretionsprodukten, als auch die Sortierung von Zellen nach ihren Sekretionsprodukten mittels magnetischer oder FACS-Sortierung. Es ist keine Permeabilisierung und Fixierung der Zellen erforderlich.Miltenyi technology can be seen as a method for cell separation based on the criteria for the production of cell secretion products (eg cytokines). It allows the measurement of secretion products from single cells using bifunctional antibodies, which on the one hand bind to the cell surface and on the other hand bind secretion products such as cytokines. The secretion products bound on the cell surface can They can then be detected using suitable labeling of the secretion products in sandwich technology and assigned to the producing cell (Manz et al. 1995, Assenmacher et al. 1998, Brosterhus et al. 1999). The technique allows both the detection of secretion products and the sorting of cells according to their secretion products using magnetic or FACS sorting. No permeabilization and fixation of the cells is required.
Die Analyse von Zellsekretionsprodukten mittels in-situ Detektion kann ebenfalls mikroskopisch nach Zytozentrifugation mit Immunophänotypi- sierung erfolgen. Hierbei können die Sekretionsprodukte wie beim FACS nachgewiesen werden. Eine Fixierung und/oder Permeabilisierung der Zellen ist notwendig. Die Auswertung erfolgt mittels Mikroskopie.The analysis of cell secretion products by means of in-situ detection can also be carried out microscopically after cytocentrifugation with immunophenotyping. Here, the secretion products can be detected as with the FACS. Fixation and / or permeabilization of the cells is necessary. The evaluation is carried out using microscopy.
Die ELI-Spot-Technik (Enzyme-linked-immuno-spot) zur Analyse von Zellsekretionsprodukten (im besonderen von B-Zellen produzierte Antikörper und von B- und T-Zellen, von antigenpräsentierenden Zellen produzierte Zytokine) erlaubt die Charakterisierung von Zellen aufgrund ihrer Sekretionsprodukte. Zellen werden dabei in Kulturkammern mit speziel- len Membranen kultiviert. Die Beschichtung der Membranen mit Liganden gegen Zellsekretionsprodukte erlaubt die Bindung von Sekretionsprodukten, die dann mittels Sandwichtechnik nachgewiesen werden können. Aufgrund der verwendeten Färbetechniken (typischerweise Peroxidase oder/und alkalische Phosphatase) sind allerdings nur Ein- bzw. Zwei- farbmarkierungen möglich. Grundlage dieser Technik bilden vorrangig bis zu 96-well Plattensysteme mit speziellen Membransystemen als Plattengrundlage. Aufgrund der bisher verwendeten Plattensysteme ist nur ein relativ geringer Durchsatz von Zellen möglich und eine recht aufwendige Analyse erforderlich, da sich die Zellen in einem Zufallsmuster auf der Membran anordnen.The ELI spot technique (enzyme-linked immuno-spot) for the analysis of cell secretion products (in particular antibodies produced by B cells and by B and T cells, cytokines produced by antigen presenting cells) allows the characterization of cells on the basis of their secretion. Cells are cultivated in culture chambers with special membranes. The coating of the membranes with ligands against cell secretion products allows the binding of secretion products, which can then be detected using sandwich technology. However, due to the dyeing techniques used (typically peroxidase and / or alkaline phosphatase), only one or two-color markings are possible. This technology is primarily based on up to 96-well plate systems with special membrane systems as the plate base. Due to the plate systems used up to now, only a relatively low throughput of cells is possible and a rather complex analysis is necessary, since the cells arrange themselves in a random pattern on the membrane.
Der Nachweis von Zytokinen kann ebenfalls geführt werden, wenn die Zellen in eine Matrix eingebettet werden, die die Diffusion der Sekretionsprodukte verhindert und die andererseits nachfolge Detektionsschritte zum Nachweis der Sekretionsprodukte erlaubt. Eine Sortierung von Zel- len nach durchgeführtem Detektionsverfehren ist nach Lösung der Zellen aus der Matrix möglich (Turcanu und Williams 2001)Detection of cytokines can also be carried out if the cells are embedded in a matrix which prevents the diffusion of the secretion products and which, on the other hand, permits subsequent detection steps to detect the secretion products. A sorting of cell After the detection procedure has been carried out, the cells can be removed from the matrix (Turcanu and Williams 2001)
Arraysysteme werden zunehmend genutzt, um mittels miniaturisierter, definierter Anordnung von definierten Molekülen oder auch Zellen Li- gand-Ligand-Interaktionen mittels Hochdurchsatzverfahren zu analysieren. Dabei sind bisher unterschiedlichste miniaturisierte Systeme für Mo- lekiilinteraktionen beschrieben worden (Genexperessionsarrays zur Übersicht siehe Deyholos und Galbraith 2001, Proteinarrays (Mac Beath und Schreiber 2000), Antikörperarrays (de Wildt et al 2000). Zellspotarrays sind zur Messung von DNA-Expression beschrieben worden (Ziauddin und Sabatini 2001), allerdings nicht für die Einzelzellanalyse und nicht für die Detektion von Zellsekretionsprodukten an lebenden Zellen. In der Immunologie werden Arraysysteme von Peptidbibliotheken zur Messung der Epitopeigenschaften von T-Zellen genutzt (Hiernstra et al. 2000, To- bery et al. 2001). Diese Systeme sind jedoch nicht mit dem in vorliegender Erfindung dargestellten System der Einzelzellcharakterisierung vergleichbar. Mϊkroelektrodenarrys mittels Halbleitertechnologie wurden verwendet, um die elektrische Aktivität von Zellen zu analysieren (Israel et al. 1984, Connolly et al. 1990, Bhattacharjee 2000). Mikrostrukturierte Oberflächen anderer Autoren zur Positionierung von Zellen mittels Beschichtung von Zelladhäsionsmolekülen auf Festphasen erlauben eine Positionierung von Zellen, allerdings nicht in dem nachfolgend dargestellten Präzisionsmuster (Chen et al. 1998) und unterscheiden sich von dem im folgenden dargestellten Prinzip der Sortierung grundlegend.Array systems are increasingly used to analyze ligand-ligand interactions using high-throughput methods using miniaturized, defined arrangement of defined molecules or cells. A wide variety of miniaturized systems for molecular interactions have so far been described (gene experiment arrays for an overview, see Deyholos and Galbraith 2001, protein arrays (Mac Beath and Schreiber 2000), antibody arrays (de Wildt et al 2000). Cell spot arrays have been described for measuring DNA expression (Ziauddin and Sabatini 2001), but not for single cell analysis and not for the detection of cell secretion products on living cells. In immunology, array systems from peptide libraries are used to measure the epitope properties of T cells (Hiernstra et al. 2000, Toby et 2001. However, these systems are not comparable to the single cell characterization system presented in the present invention, microelectrode arrays using semiconductor technology were used to analyze the electrical activity of cells (Israel et al. 1984, Connolly et al. 1990, Bhattacharjee 2000 Microstructured Ob Surfaces of other authors for positioning cells by coating cell adhesion molecules on solid phases allow cells to be positioned, but not in the precision pattern shown below (Chen et al. 1998) and differ fundamentally from the sorting principle described below.
Nachteile der au eführten Techniken:Disadvantages of the techniques listed:
Bei dem Nachweis von intrazellulären Produkten ist die Permeabilisierung der Zellmembran und Zelffixation erforderlich, was die Aktivität der Zel- len beeinträchtigt und mit der Lebensfähigkeit der Zellen in vielen Fällen nicht vereinbar ist Die Messung von zeitabhängigen, sequenziellen Prozessen ist für eine Gesamtzellpopulation, nicht jedoch für Einzelzellen möglich.In the detection of intracellular products, permeabilization of the cell membrane and cell fixation is required, which affects the activity of the cells and is incompatible with the viability of the cells in many cases. The measurement of time-dependent, sequential processes is for an entire cell population, but not for Single cells possible.
Die bisherigen Techniken erlauben eine Analyse von hohem Durchsatz, die Sensitivität der Methode ist jedoch von Kapazität der Ankermoleküle auf der Zelloberfläche abhängig, was die Bindungskapazität und Nachweisgrenze des Systems limitiert. Eine Analyse von zeitabhängigen sequentiellen Prozessen ist bei der Analyse mittels FACS-Technologie ebenfalls nur für die Gesamtpopulation, nicht für Einzelzellen möglich. Eine Auswertung von derart markierten Zellen mittels Mikroskopie erlaubt zwar prinzipiell auch sequenzielle Vorgänge zu studieren, wird aber durch den geringen Durchsatz bei den bisher zur Verfügung stehenden Methoden limitiert.The previous techniques allow a high throughput analysis, but the sensitivity of the method is dependent on the capacity of the anchor molecules dependent on the cell surface, which limits the binding capacity and detection limit of the system. An analysis of time-dependent sequential processes is also only possible for the total population, not for single cells, when using FACS technology. An evaluation of cells marked in this way by means of microscopy in principle also allows sequential processes to be studied, but is limited by the low throughput in the methods available hitherto.
Die Analyse eher geringer Zellzahlen und die Notwendigkeit der Permeabilisierung der Membran sind wesentliche Nachteile dieser Technik, weshalb sie sich für das Screening von Zellen außerhalb definiert wissenschaftlicher Fragestellungen nicht durchgesetzt hat.The analysis of rather low cell counts and the need for permeabilization of the membrane are major disadvantages of this technique, which is why it has not become established for the screening of cells outside of defined scientific questions.
Der ELI-Spot wird typischerweise nach Abwaschen der Zellen von der Membran durchgeführt. Die Enzymreaktionen führen zu einem nichtlöslichen Reaktionprodukt, das sich auf der Membran ablagert. Eine breitere Irnmuntypisierung der Zellen mit verschiedenen Markern ist bei den bestehenden Systemen nicht gegeben. Aufgrund der verwendeten Fär- bungsmethodik wird nur eine Ein- oder Zweifechmarkierung eingesetzt. Die unstrukturierte Anordnung der Zellen auf der Membran erschwert die Auswertung des Assays. Daraus resultiert, dass der Assay nur bei einer relativ geringen Zelldichte sinnvoll ausgewertet werden kann. Weiterhin ist die Wiederfindungsrate stark limitiert.The ELI spot is typically carried out after the cells have been washed off the membrane. The enzyme reactions lead to an insoluble reaction product, which is deposited on the membrane. A broader immune typing of the cells with different markers is not possible with the existing systems. Due to the staining method used, only one or two-point markings are used. The unstructured arrangement of the cells on the membrane complicates the evaluation of the assay. The result of this is that the assay can only be meaningfully evaluated with a relatively low cell density. The recovery rate is also very limited.
Der Test nach Turcanu und Williams erfordert die Einbettung der Zellen in eine Matrix, was zusätzliche Arbeitsschritte erfordert und ein späteres Sortieren bzw. eine spätere Analyse erschwert. Bei diesem Test ist ebenfalls keine direkte strukturierte Anordnung der Zellen möglich.The Turcanu and Williams test requires the cells to be embedded in a matrix, which requires additional work steps and makes later sorting or later analysis more difficult. A direct structured arrangement of the cells is also not possible in this test.
Aufgrund der bestehenden Systeme (vgl. Genexperessionsarrays und Proteinarrays) ist eine Anordnung von Einzelzellen in einem festgelegten Muster und der Nachweis der Sekretionsprodukte dieser Zellen bisher nicht beschrieben worden. Eine strukturierte Anordnung von Zellen mit- tels Spotautomaten ist zwar prinzipiell denkbar, allerdings sehr aufwendig und beim Einsatz von lebenden Zellen im Routinelabor sehr kosteninten- siv. Dabei werden die Zellen oft physisch verletzt oder zerstört. Weiterhin basiert das Milαroarray-Prinzip in dem Aufbringen von Flüssigkeitstropfen auf eine feste Oberfläche. Diese Menge ist nicht behebig reduzierbar (mindestens 100 nl) und somit ist das Spotten von Einzelzellen eher als Zufall zu betrachten.Due to the existing systems (cf. gene experiment arrays and protein arrays) an arrangement of single cells in a fixed pattern and the detection of the secretion products of these cells have not been described so far. A structured arrangement of cells using automatic spotlights is in principle conceivable, but very complex and very expensive when using living cells in the routine laboratory. intensive. The cells are often physically injured or destroyed. Furthermore, the Milαroarray principle is based on the application of liquid drops on a solid surface. This amount cannot be reduced to a minimum (at least 100 nl) and therefore the spotting of single cells is to be regarded as a coincidence.
Die Nachteile der verschiedenen Systeme ergeben sich einerseits aus der Notwendigkeit, die Zellmembran zu manipulieren, andererseits die Umgebung der Zellen derart zu verändern, daß eine Detektion des sezernier- ten Produktes möglich wird. Weiterhin ist eine strukturierte Anordnung von Einzelzellen aufgrund der verwendeten Membranen schwierig, was eine Auswertung des Systems erschwert und damit einhergehend notgedrungen die Dichte der zu untersuchenden Zellen verringert. Die Schwierigkeit, lebende Einzelzellen mittels Blottechniken auf Oberflächen anzu- ordnen Hegt in der komplizierten technischen Lösung des Spotvorganges, der aus Zelldetektion und eigentlichem Spotvorgang mittels Hochpräzisionsmechanik bestehen muss.The disadvantages of the various systems result on the one hand from the need to manipulate the cell membrane, and on the other hand to change the environment of the cells in such a way that the secreted product can be detected. Furthermore, a structured arrangement of individual cells is difficult due to the membranes used, which complicates an evaluation of the system and, consequently, necessarily reduces the density of the cells to be examined. The difficulty in arranging living individual cells on surfaces using blot techniques lies in the complicated technical solution of the spot process, which must consist of cell detection and the actual spot process using high-precision mechanics.
Mittels der angestrebten Lösung sollen nicht in Geweben organisierte Einzelzellen oder aus Geweben isolierte Einzelzellen nach ihrer funktionellen Aktivität und der Produktion von Sekretionsprodukten typisiert werden. Der Vorgang der Zellrypisierung selbst soll die Vitalität der Zellen möglichst wenig beeinflussen. Es soll eine Lösung gefunden werden, die eine Anordnung von zu charakterisierenden Zellen in einem geeigne- ten Muster erlaubt, um einerseits eine hohe Zelldichte zu ermöglichen, andererseits die Auswertung der Markierung zu erleichtem. Die Zellen sollen ihre Position im Verlauf des Tests nicht verändern, um die Messung zeitabhängiger Prozesse zu erlauben. Die Zellen sollen sowohl aufgrund ihrer Oberflächenmarker, zellulärer Eiweiße, ihres genetischen Materials (DNA, RNA), als auch ihrer Sekretionsprodukte bzw. Stoffwechselaktivität charakterisiert werden können.By means of the desired solution, single cells not organized in tissues or single cells isolated from tissues should be typified according to their functional activity and the production of secretion products. The process of cell typing itself should affect the vitality of the cells as little as possible. A solution is to be found which allows an arrangement of cells to be characterized in a suitable pattern, on the one hand to enable a high cell density and on the other hand to facilitate the evaluation of the marking. The cells should not change their position in the course of the test in order to allow the measurement of time-dependent processes. The cells should be able to be characterized on the basis of their surface markers, cellular proteins, their genetic material (DNA, RNA) as well as their secretion products and metabolic activity.
Eine strukturierte Anordnung von Einzelzellen (die voneinander räumlich getrennt sein sollen) an einer stmkturierten Festphase, würde einerseits eine Hochdurchsatzanalyse erlauben, andererseits den Nachweis der Sekretionsprodukte an der Festphase aufgrund einer Immobilisierung ver- bessern, von anderen Zellen aber getrennten Oberfläche erlauben. Bei Nutzung von Fluoreszenzmarkierung ist eine Mehrkanalanalyse möglich.A structured arrangement of individual cells (which should be spatially separated from one another) on a structured solid phase would, on the one hand, permit high-throughput analysis, on the other hand, the detection of the secretion products on the solid phase due to immobilization improve, but allow the surface to be separated from other cells. A multi-channel analysis is possible when using fluorescence labeling.
Die Aufgabe wird durch das Mikrovertiefungsarray zur größenabhängigen Sortierung oder Separation von in einer strömenden Flüssigkeit suspendierten Zellen sowie das dazugehörige Verfahren zur Untersuchung der funktionellen Aktivität von Einzellzellen mit den in den Ansprüchen 1 und 18 genannten Merkmalen gelöst.The object is achieved by the microwell array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid and the associated method for examining the functional activity of single cell cells with the features mentioned in claims 1 and 18.
Das Mikrovertiefungsarray zur größenabhängigen Sortierung oder Separation von in einer strömenden Flüssigkeit suspendierten Zellen zeichnet sich dadurch aus, dass das Milαovertiefungsarray ein Zellarray aus einer mikroslrukrurierten Festphase mit einer Vielzahl von Vertiefungen um- fasst. Die Festphase besteht vorzugsweise zumindest teilweise aus Silizi- um, Glas oder Kunststoff. Die Anordnung der Zellen in den Vertiefungen erfolgt durch Sedimentation aufgrund der Gravidität und Scherkräfte im Flüssigkeitsstrom, kann aber auch durch andere Hilfsmittel wie Magnet- beads, Anlegen eines elektrischen Feldes oder durch optische Manipulationen (z.B. optische Pinzetten) erfolgen. Die Zellen positionieren sich in den entsprechenden Zonen auf der Festphase derart, dass sich in einer Vertiefung bestimmter Größe Zellen mit einer geringeren bis maximal gleichen Größe positionieren können.The microwell array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid is distinguished by the fact that the microwell array comprises a cell array consisting of a microslrucrured solid phase with a large number of wells. The solid phase preferably consists at least partially of silicon, glass or plastic. The cells are arranged in the wells by sedimentation due to the gravity and shear forces in the liquid flow, but can also be done by other aids such as magnetic beads, application of an electric field or by optical manipulations (e.g. optical tweezers). The cells position themselves in the corresponding zones on the solid phase in such a way that cells with a smaller to maximally the same size can be positioned in a well of a certain size.
In einer bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist eine die Festphase des Zellarrays bedeckende Oberfläche vorgesehen, die insbesondere aus mikroskopierfähigen Glas besteht. Auf diese Weise kann eine spätere optische Auswertung der Zellsortierung, beispielsweise durch Fluoreszenzmikroskopie, besonders einfach und sicher durchgeführt werden. Ein Abstand zwischen einer Oberkante der Vertiefungen und der Glasplatte be- trägt vorzugsweise 10 μm bis 500 μm. Hierdurch können Turbolenzen im Flüssigkeitsstrom verhindert werden.In a preferred embodiment of the invention, a surface covering the solid phase of the cell array is provided, which consists in particular of microscopic glass. In this way, a later optical evaluation of the cell sorting, for example by fluorescence microscopy, can be carried out particularly simply and reliably. A distance between an upper edge of the depressions and the glass plate is preferably 10 μm to 500 μm. This can prevent turbulence in the liquid flow.
Weiterhin wird vorzugsweise eine möglichst dichte Anordnung der Vertiefungen auf der Festphase vorgegeben, so dass sehr große Anzahl von Zellen gleichzeitig vereinzelt und anschließend untersucht werden können. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die Vertiefun- gen zueinander versetzt angeordnet sind und/oder eine Größe der Vertiefungen den zu untersuchenden Zellgrößen angepasst ist. Im letzteren Fall ist es bevorzugt, dass die Größe der Vertiefungen nur geringfügig größer, insbesondere 0,5 μm bis 5 μm größer, als die Zellgröße ist. Auch eine Zelltiefe entspricht vorzugsweise der Zellgröße. Eine Dichte der Vertiefungen auf der Festphase beträgt weiterhin vorzugsweise bis zu 1.000.000 Vertiefungen pro cm2. Die genanten Maßnahmen tragen einzeln oder in behebiger Kombination zur Erhöhung der Dichte an vereinzelten Zellen für die anschließende Untersuchung bei.Furthermore, the densest possible arrangement of the depressions on the solid phase is preferably predetermined, so that a very large number of cells can be separated at the same time and then examined. This can be achieved in particular by are arranged offset to one another and / or a size of the depressions is adapted to the cell sizes to be examined. In the latter case, it is preferred that the size of the depressions is only slightly larger, in particular 0.5 μm to 5 μm, larger than the cell size. A cell depth also preferably corresponds to the cell size. A density of the depressions on the solid phase is further preferably up to 1,000,000 depressions per cm 2 . The measures mentioned, individually or in combination, contribute to increasing the density of isolated cells for the subsequent examination.
Ferner ist bevorzugt, dass die Festphase mit Antikörpern oder Antigenen beschichtet ist. Auf diese Weise lassen sich besonders einfach Untersuchungen an den Einzelzellen durchführen. Es versteht sich von selbst, dass die Vertiefungen auf dem Zellarray je nach Fragestellung der Unter- suchung verschiedene Antikörper und/oder Antigene tragen können. So können insbesondere mehrere Antikörper und/oder Antigene in einer Vertiefung gebunden sein oder auch Regionen mit unterschiedhchen Antikörpern und/oder Antigenen auf dem Zellarray vorgegeben werden.It is further preferred that the solid phase is coated with antibodies or antigens. This makes it particularly easy to carry out tests on the individual cells. It goes without saying that the wells on the cell array can carry different antibodies and / or antigens depending on the question of the examination. In particular, several antibodies and / or antigens can be bound in one well or regions with different antibodies and / or antigens can also be specified on the cell array.
Bevorzugt ist weiterhin, dass die Festphase mit einem Gemisch aus Eiweißen und Antikörpern beschichtet ist. Das Eiweiß kann insbesondere Albumin sein, wobei insbesondere die direkt auf die Festphase aufgebrachte Beschichtung aus Albumin nachfolgend über Succinirnidylester kovalent angebundene Antikörper trägt. Alternativ kann die Festphase eine Beschichtung aus Polylysin mit nachfolgend angebunden Antikörpern tragen. Die genannten Modifikationen haben sich als besonders praktikabel bei der Herstellung beschichteter Festphasen erwiesen und eignen sich zudem als Standardsystem für Untersuchungen. Wenn die Festphase aus Silizium ist, kann je nach angestrebter Applikation die Siliziumoberfläche derart behandelt werden, dass sich deren Ladung und Hydrophobizität ändert. Damit ist das System auch in dieser Hinsicht variabel den jeweiligen Erfordernissen anpassbar.It is further preferred that the solid phase is coated with a mixture of proteins and antibodies. The protein can in particular be albumin, in particular the albumin coating applied directly to the solid phase subsequently carrying antibodies covalently bound via succinididyl ester. Alternatively, the solid phase can have a coating made of polylysine with subsequently attached antibodies. The modifications mentioned have proven to be particularly practical in the production of coated solid phases and are also suitable as a standard system for investigations. If the solid phase is made of silicon, depending on the intended application, the silicon surface can be treated in such a way that its charge and hydrophobicity change. In this respect, the system can be variably adapted to the respective requirements.
Bei der Untersuchung der funktionellen Aktivität von Einzellzellen mit einem Mikrovertiefungsarray findet in einem ersten Schritt eine Vereinzelung der Zellen und einem nachfolgendem Schritt eine Untersuchung der funktionellen Aktivität der vereinzelten Einzellzellen statt. Die geordnete Vereinzelung einer Vielzahl von Einzelzellen ist ein wesentlicher Aspekt des Verfahrens und begünstigt erst den Erfolg der nachfolgenden Untersuchungen. Die Vereinzelung kann dabei durch Sortierung nach Zellgröße und/oder Typisierung nach Zelltyp erfolgen. Ferner kann sie mit Hilfe von Latexpartikeln, Magnetbeads oder mittels optischer Pinzetten unterstützt werden. Die Maßnahmen erlauben erstmalig die parallele Untersuchung einer großen Anzahl von Einzelzellen hinsichtlich ihrer funktionellen Aktivität.When examining the functional activity of single cell cells with a microwell array, the cells are separated in a first step and then examined in a subsequent step the functional activity of the individual cells. The orderly separation of a large number of individual cells is an essential aspect of the method and only favors the success of the subsequent investigations. The separation can take place by sorting according to cell size and / or typing according to cell type. It can also be supported with the help of latex particles, magnetic beads or optical tweezers. The measures allow for the first time the parallel investigation of a large number of single cells with regard to their functional activity.
Als vorteilhaft hat sich dabei erwiesen, das Mikrovertiefungsarray mit einer Zellsuspension hoher Dichte, insbesondere von etwa 2 x 106 Zellen pro 100 μl, zu beladen. Von einer solchen Zellsuspension werden vorzugsweise nur 10 bis 20 μl in das Mikrovertiefungsarray aufgenommen. Damit können bereits sehr kleine Probenmengen verarbeitet werden.It has proven to be advantageous to load the microwell array with a cell suspension of high density, in particular of approximately 2 × 10 6 cells per 100 μl. Only 10 to 20 μl of such a cell suspension are preferably taken up in the microwell array. This means that very small amounts of sample can be processed.
Nach dem Beladen wird das Mikrovertiefungsarray zur Entfernung nicht positionierter Zellen gespült. Ein Flüssigkeitsstrom beim Spülen beträgt dabei vorzugsweise 0,01 bis 0,3 ml pro Sekunde. Pro Spülzyklus wird vorzugsweise eine Spülmenge von 1 bis 2 ml aufgegeben. Als besonders effektiv hat sich ein pulsartiges Beladen und Spülen herausgestellt. Die genannten Maßnahmen zur Probenaufbereitung haben sich als besonders geeignet für die Standardisierung des Prozesses erwiesen.After loading, the microwell array is rinsed to remove non-positioned cells. A liquid flow during rinsing is preferably 0.01 to 0.3 ml per second. A rinse quantity of 1 to 2 ml is preferably applied per rinse cycle. Pulse-like loading and rinsing has proven to be particularly effective. The above-mentioned measures for sample preparation have proven to be particularly suitable for the standardization of the process.
Demnach schlägt die vorliegende Erfindung vor, auf Silizium-, Kunststoffoder Glasoberflächen mittels Ätz- oder Prägetechniken netzartig verteilte Vertiefungen in der etwaigen Grosse der zu untersuchenden Einzelzellen aufzubringen (Zellmikrovertiefungsarray). Die Vertiefungen dienen zur Aufnahme und damit der Anordnung von Einzelzellen. Wird eine Suspen- sion/Lösung mit Einzelzellen auf den Array aufgebracht, lagern sich die Zellen sowohl auf der nichtstrukturierten Oberfläche als auch in den Vertiefungen an. Nicht in Vertiefungen angeordnete Zellen können mittels Anlage eines Flüssigkeitsstromes von der Oberfläche abgewaschen werden. Die plazierten Zellen sekretieren bestimmte Stoffwechselprodukte, oder verändern ihre Umgebung durch bestimmte biochemische Prozesse. Eine Beschichtung der Oberfläche des Zellarrays mit Antikörpern oder anderen Liganden von Zellsekretionsprodukten erlaubt eine Bindung der Zellsekretionsprodukte oder beeinflusst die Aktivität der Zellen. Die se- zernierten Stoffe oder die von den Zellen modifizierten Mikroumgebun- gen können durch Nachweisreaktionen mit (z.B. fluoreszenz-) markierten Liganden (z.B. Antikö ersandwichtechnik) sichtbar gemacht werden.Accordingly, the present invention proposes to form network-like depressions in the possible size of the individual cells to be examined (silicon micro-well array) on silicon, plastic or glass surfaces by means of etching or embossing techniques. The depressions serve to accommodate and thus to arrange individual cells. If a suspension / solution with single cells is applied to the array, the cells accumulate both on the non-structured surface and in the depressions. Cells that are not arranged in depressions can be washed off the surface by applying a liquid stream. The cells placed secrete certain metabolic products or change their environment through certain biochemical processes. A coating of the surface of the cell array with antibodies or other ligands of cell secretion products allow the cell secretion products to bind or influence the activity of the cells. The secreted substances or the microenvironments modified by the cells can be made visible by detection reactions with (eg fluorescence) labeled ligands (eg antibody sandwich technology).
Die funktionelle Charakterisierung von Einzelzellen (z.B. B-Zellen, T- Zellen, antigen präsentierende Zellen, endokrine Zellen, Tumorzellen) mittels des dargestellten Mikrovertiefungsarrays wird durch die Möglich- keit einer Mehrkanalanaryse für verschiedene Sekretionsprodukte und Oberflächenmarker ermöglicht.The functional characterization of single cells (e.g. B cells, T cells, antigen presenting cells, endocrine cells, tumor cells) using the microwell array shown is made possible by the possibility of multi-channel anaryysis for different secretion products and surface markers.
Das Array erlaubt auf einfache Weise die definierte Anordnung von sehr großen Zellzahlen, die im Verlaufe der Testphase ihre Positionen nicht verändern. Es ist deshalb möghch, die Zellen einerseits aufgrund von Oberflächenmarkern zu charakterisieren, andererseits die Sekretionsprodukte dieser Zellen in ihrer unmittelbaren Umgebung nachzuweisen und zu messen, was eine sehr geringe Manipulation der zu charakterisierenden Zellen erfordert, andererseits in verschiedenen Nachweisschritten erfolgen kann und dann der jeweiligen Vertiefung/respektive Zelle zugeordnet werden kann. Mittels der dargestellten Methode zur Bestimmung der Sekretionsprodukte einer Zelle ist eine zeitabhängige Charakterisierung von Einzelzellen und ein Nachweis der Sekretionsprodukte ohne die Alteration der Zellmembran dieser Zellen möghch.The array allows the defined arrangement of very large cell numbers that do not change their positions in the course of the test phase in a simple manner. It is therefore possible, on the one hand, to characterize the cells on the basis of surface markers, on the other hand to detect and measure the secretion products of these cells in their immediate surroundings, which requires very little manipulation of the cells to be characterized, on the other hand can be carried out in various detection steps and then in the respective well / respectively cell can be assigned. Using the method described for determining the secretion products of a cell, time-dependent characterization of individual cells and detection of the secretion products is possible without the alteration of the cell membrane of these cells.
Die Vorteile der vorgeschlagenen Lösung bestehen demnach noch einmal zusammenfassend darin:The advantages of the proposed solution are therefore once again:
1. Simultane Anordnung von Zellen in einer erhöhten Zelldichte (bis zu 1 Million Zellen/cm2) gegenüber konventionellen Zellspotverfahren.1. Simultaneous arrangement of cells in an increased cell density (up to 1 million cells / cm 2 ) compared to conventional cell spot methods.
2. Es ist eine geordnete Immobilisierung von Zellen möghch und damit auch eine hohe Detektionsrate durch optische Verfahren (z.B. Mikrosko- pie/Laserscanning-Mikroskopie, Irnmunfluoreszensscanning-verfahren) nach verschiedenartiger Behandlung (Spül- und Waschschritte) gegeben. 3. Durch die räumliche Separation der Einzelzellen können lokal getrennte Untersuchungen sehr vieler verschiedener Zellen (Lymphozyten, Makrophagen, zirkulierende Tumorzellen, Zelllinien) durchgeführt werden.2. An orderly immobilization of cells is possible and thus also a high detection rate by optical methods (eg microscopy / laser scanning microscopy, immunofluorescence scanning method) after various types of treatment (rinsing and washing steps). 3. Due to the spatial separation of the individual cells, locally separate examinations of a large number of different cells (lymphocytes, macrophages, circulating tumor cells, cell lines) can be carried out.
4. Zeitabhängige Prozesse können sequenziell an ein und derselben Zelle durchgeführt und analysiert werden (Echtzeitanalyse). Die Zunahme von Fluoreszenzsignalen bei stabilen Fluoreszenzmarkern und die Möghchkeit der Analyse von Bleicheffekten bei nichtstabilen Fluoreszenzmarkern kann zur Messung von zeitabhängigen Prozessen genutzt werden.4. Time-dependent processes can be carried out and analyzed sequentially on one and the same cell (real-time analysis). The increase in fluorescence signals with stable fluorescent markers and the possibility of analyzing bleaching effects with non-stable fluorescent markers can be used to measure time-dependent processes.
5. Eine parallele Untersuchung von Oberflächenmarkern von Zellen und Detektion ihrer Sekretionsprodukte ist möghch.5. A parallel examination of cell surface markers and detection of their secretion products is possible.
6. Quantifizierbarkeit der Sekretionsprodukte und Zuordnung zur sezer- nierenden Einzelzelle.6. Quantifiability of the secretion products and assignment to the secreting single cell.
7. Untersuchung der Selα:etionsfunktion bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Medium, Temperatur, Zellgifte, Hormone, Zytokine) ist durch die Möghchkeit des Wechsels der Zellmedien bei konstanter Zellposition gegeben.7. Investigation of the selα: ion function under different environmental conditions (medium, temperature, cell toxins, hormones, cytokines) is given by the possibility of changing the cell media with a constant cell position.
8. Im Gegensatz zur ELI-Spot-Technik können aufgrund des Einsatzes von Fluoreszenzmarkern andere geeignete Detektionssysteme (konventio- nelle Fluoreszenzmikroskopie, Laserscanning-Mikroskopie), aber auch Lumineszenzmarkierungen durchgeführt werden. Der Einsatz von Che- molumineszenz würde den beschriebenen Test hochsensitiv gestalten.8. In contrast to the ELI spot technique, other suitable detection systems (conventional fluorescence microscopy, laser scanning microscopy), but also luminescence markings can be carried out due to the use of fluorescent markers. The use of chemoluminescence would make the test described highly sensitive.
9. Die hohe Zellzahl bei der Analyse auf dem Zell-Array erlaubt eine gute statistische Auswertung der untersuchten Zellpopulation.9. The high number of cells in the analysis on the cell array allows a good statistical evaluation of the cell population examined.
10. Die Immobilisierung der Zellen im Flüssigkeitsstrom ist durch vielfaltige andere Methoden (Latexpartikel, Magnetbeads, optische Pinzetten) kombinierbar. 11. Die Untersuchung lebender Zehen erlaubt die anschließende Nutzung der Zellen in einem nachfolgenden Experiment (nach z.B. magnetischer Sortierung), oder nach Ablösung der Zellen mittels Stempeltechniken.10. The immobilization of the cells in the fluid flow can be combined by a variety of other methods (latex particles, magnetic beads, optical tweezers). 11. The examination of living toes allows the subsequent use of the cells in a subsequent experiment (for example after magnetic sorting), or after detachment of the cells using stamping techniques.
12. Aufgrund der starren Anordung der Vertiefungen in der Festphase läßt sich der beschriebene funktioneUe Test sequentiell mehrfach nacheinander und auch mit unterschiedhchen Zellen durchführen (Mehrfachnutzung der strukturierten Festphasen ist möghch).12. Due to the rigid arrangement of the wells in the solid phase, the described functional test can be carried out sequentially several times in succession and also with different cells (multiple use of the structured solid phases is possible).
13. Die Technik ist für die Charakterisierung von Einzellzellen in Aktivi- täts-, Toxizitäts- und Kanzerogenitätstests mittels Hochdurchsatzscree- ning geeignet.13. The technique is suitable for the characterization of single cell cells in activity, toxicity and carcinogenicity tests using high-throughput screening.
Es ist ein Verfahren zur funktionellen Charakterisierung von nicht in Geweben organisierten oder aus Geweben isolierten Einzelzellen sowie eine zugehörige Vorrichtung geschaffen worden. Dazu werden mikrostruktu- rierte Festphasen (z.B. Silizium, Glas, Plastik), auf denen Milαwertiefun- gen aufgebracht sind, genutzt. In den Mikrovertiefungen können Einzelzellen in einem geeigneten Muster in einer sehr hohen Zelldichte (z.B. 150.000 pro cm2) angeordnet werde. Auf einem derartigen Zellarray (microweU irnmuno chip) können Liganden gegen Sekretionsprodukte der Einzelzellen aufgebracht werden, die einen Nachweis der Sekretionsprodukte von Einzelzelle erlauben. Die Charakterisierung der Einzelzellen soll mittels Analyse ihrer Sekretionsprodukte erfolgen und kann aber durch die ZeUtypisierung mittels Oberflächenanalyse oder intrazeUulären Markern erweitert werden. Eine Separation von Zellen nach erfolgter Analyse ist möghch.A method for the functional characterization of single cells that are not organized in tissues or isolated from tissues and an associated device have been created. For this purpose, microstructured solid phases (eg silicon, glass, plastic), on which milvalue depressions are applied, are used. Individual cells can be arranged in a suitable pattern in the microwells in a very high cell density (for example 150,000 per cm 2 ). Ligands against secretion products of the individual cells can be applied to such a cell array (microweU irnmuno chip), which allow detection of the secretion products of individual cells. The characterization of the individual cells should be carried out by analyzing their secretion products, but can be expanded by ZeUtyping using surface analysis or intra-cellular markers. It is possible to separate cells after analysis.
Es steht eine Methode und eine Vorrichtung zur Vereinzelung von Parti- kein/Zellen aus großen Populationen an nrikrostnikturierten Festphasen und der nachfolgenden molekularen Typisierung der Zehen, wie genetischem Material oder Oberflächen- oder zehulären Eiweißen zur Verfügung.A method and a device are available for the separation of parti- / cells from large populations of nikrostnikturierte solid phases and the subsequent molecular typing of the toes, such as genetic material or surface or toe proteins.
Dabei können zur effektiven Separierung und Klonierung von Zehen lebende Einzelzellen aus großen Zellpopulationen vereinzelt, auf spezifi- sche Eigenschaften untersucht und nach der Typisierung für nachfolgende Prozesse ausgewählt werden.For effective separation and cloning of toes, living single cells from large cell populations can be isolated, based on specific properties are examined and selected after typing for subsequent processes.
Ebenso kann zur lokal getrennten, sequentieUen Untersuchung separierter Zehen, wie der Sekretion von Zytokinen und Chemokinen an Einzellen an mitarostukturierten Festphasen nach Separation aus großen Zellpopulationen durchgeführt werden.Likewise, for locally separated, sequential examination of separated toes, such as the secretion of cytokines and chemokines on single cells on co-structured solid phases, after separation from large cell populations.
Die Methode dient auch zum Nachweis der Sekretion isotypspezifischer oder antigenspeziflscher Antikörper an vereinzelten B-Zellen mittels Mi- kroweUarray.The method is also used to detect the secretion of isotype-specific or antigen-specific antibodies on isolated B cells using a MikroweUarray.
Die Nutzung des Mikrowellarrays zur Separation und späteren Screening von vereinzelten HybridomazeUen auf die Produktion antigenspeziflsche Antikörper ist möghch.It is possible to use the microwave array for the separation and later screening of isolated hybridomas for the production of antigen-specific antibodies.
Die Methode ist geeignet zum Nachweis von sezernierten Enzymen an EinzelzeUen, z.B. sezernierten Proteasen die von Tumorzellen gebüdet werden, deren Enzymaktivität mittels Umwandlung spezifischer, immobi- lisierter Substrate an der Oberfläche der Mikrokavität nachgewiesen werden kann.The method is suitable for the detection of secreted enzymes on single cells, e.g. secreted proteases which are tied up by tumor cells, the enzyme activity of which can be demonstrated by converting specific, immobilized substrates on the surface of the microcavity.
Der Einsatz der Mikrokavitäten für den Nachweis oberflächenbasierter enzymmediierter und/oder immunmednerter Zellreaktionen, auch für die Wechselwirkung unter verschiedenen ZeUen ist möghch. Dazu werden die Kavitäten erst mit einen ZeUtyp beladen. Danach werden andere Zellen liinzugespült und somit eine Doppelbeladung der Kavität erreicht. Somit lassen sich Zel-ZeU-mteraktionen räumlich getrennt messen.It is possible to use the microcavities for the detection of surface-based enzyme-mediated and / or immune-mediated cell reactions, also for the interaction between different cells. To do this, the cavities are first loaded with a ZeU type. Then other cells are flushed in and double loading of the cavity is achieved. This means that cell counter actions can be measured spatially separately.
Es ist eine Methode zum Nachweis von Proliferation von EinzelzeUen geschaffen. Nach der Separation einzelner ZeUen in MikroweUkavitäten kann die Proliferation von ZeUen dahingehend untersucht werden, dass die Zellen nach Proliferation aufgrund des ZeUwachstums die Kavitäten verlassen und dies entweder an der Oberfläche nachgewiesen werden kann, oder mittels DNA Markern detektiert werden kann. Die Oberfläche kann mit stimulierenden, proliferationsfordernden Faktoren beschichtet werden und der Effekt dieser Stoffe kann an vereinzelten ZeUen untersucht werden.A method for the detection of proliferation of individual cells has been created. After the separation of individual cells in micro-cavities, the proliferation of cells can be investigated in such a way that the cells leave the cavities after proliferation due to cell growth and this can either be detected on the surface or can be detected using DNA markers. The surface can be coated with stimulating, proliferation-promoting factors and the effect of these substances can be examined on isolated cells.
Die Methode kann zur Selektion von ZeUen, wenn durch Oberflächenbe- Schichtung spezifische ZeUen Irinsichtlich Vitalität oder Proliferation gefördert werden, oder gehemmt werden, oder gebunden werden und damit selektiv beeinflusst werden genutzt werden.The method can be used for the selection of cells if specific cells are promoted or inhibited with respect to vitality or proliferation by surface coating, or are bound and thus selectively influenced.
Die Separation von EinzelzeUen aus großen Populationen zur späteren Untersuchung des genetischen Materials.wie DNA der RNA ist möglich.The separation of individual cells from large populations for later analysis of the genetic material. Like DNA of the RNA is possible.
Die Erfindung soU nachstehend an einem Ausführungsbeispiel und anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:The invention soU be explained below using an exemplary embodiment and with reference to drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vertiefung in der Festphase mit einer Beschichtung eines Liganden;Figure 1 is a schematic representation of a depression in the solid phase with a coating of a ligand;
Figur 2 die Vertiefung der Figur 1 mit einer vereinzelten ZeUe und Sekretionsprodukten;Figure 2 shows the recess of Figure 1 with a few ZeUe and secretion products;
Figur 3 die Vertiefung der Figur 2 nach dem Abwaschen nicht gebundener Sekretionsprodukte;Figure 3 shows the well of Figure 2 after washing off unbound secretion products;
Figur 4 die Vertiefung der Figur 3 nach Markierung mittels Markern;Figure 4 shows the recess of Figure 3 after marking with markers;
Figur 5 die Vertiefung der Figur 4 nach Entfernung der ZeUe und Behandlung mit markierten Liganden und5 shows the well of FIG. 4 after removal of the cells and treatment with labeled ligands and
Figur 6 die Vertiefung der Figur 4 nach Behandlung mit markierten Liganden.Figure 6 shows the well of Figure 4 after treatment with labeled ligands.
Die Vereinzelung und Untersuchung von ZeUen mittels der milα"ostrtιktu- rierten Festphase, aus der zur Veranschauhchung in den Figuren 1 bis 6 jeweils nur eine Vertiefung 10 herausgegriffen wurde, kann folgenderma- Ben durchgeführt werden: Beschichtung der FestphaseThe separation and investigation of cells by means of the milα "structured solid phase, from which only one depression 10 was selected in each case for the illustration in FIGS. 1 to 6, can be carried out as follows: Coating of the solid phase
Die Festphase aus Silizium wird, wie hier schematisch angedeutet, im Bereich der Vertiefung 10 mit Antikörpern 12 gegen Sekretionsprodukte (z.B. Zytokinassay) oder mit Antigenen zum Nachweis eines zu messen- den Sekretionsproduktes beschichtet (Figur 1). Aufgrund der Oberflächeneigenschaften von Silizium können einerseits Antikörper gegen Sekretionsprodukte wie Zytokine direkt adsorbiert werden, andererseits können Antikörper 12 in einem Gemisch mit anderen Eiweißen wie Albumin gemeinsam beschichtet werden. Als sinnvoU hat sich weiterhin die direkte Beschichtung mit Albumin und die nachfolgende kovalente Bindung der Antikörper über Succinimidylester erwiesen.The solid phase made of silicon, as indicated schematically here, is coated in the area of the recess 10 with antibodies 12 against secretion products (e.g. cytokine assay) or with antigens for the detection of a secretion product to be measured (FIG. 1). Due to the surface properties of silicon, antibodies against secretion products such as cytokines can be directly adsorbed, on the one hand, and antibodies 12 can be coated together in a mixture with other proteins such as albumin. The direct coating with albumin and the subsequent covalent binding of the antibodies via succinimidyl ester has also proven to be a sensible option.
Weiterhin ist eine Bindung von Protein A an die Siliziumoberflächen möglich, an das dann Antikörper gebunden werden können. Versuche haben gezeigt, dass eine optimale Lösung gefunden werden muss, um einerseits eine hohe Ligandendichte zu erreichen, der Ligand seine Bindungsaktivität beibehalten soU und die unspezifische Bindung von ZeUen möglichst gering sein soU. So erlaubt die direkte Adsorption von Antikörpern zwar eine hohe Bindung, die gebundenen Antikörper verheren aber einen wesentlichen Anteil ihrer Bindungsaktivität (penaturierung). Nach Beschichtung der Oberfläche mit Polylysin wird eine gute Bindungsdichte von Antikörpern erreicht, die eine gute funktioneUe Aktivität aufweisen, die so beschichtete Oberfläche weist aUerdings auch eine sehr hohe Bindungskapazität für ZeUen auf.Furthermore, protein A can be bound to the silicon surfaces, to which antibodies can then be bound. Experiments have shown that an optimal solution must be found in order to achieve a high ligand density on the one hand, the ligand should retain its binding activity and the unspecific binding of cells should be as low as possible. Thus, the direct adsorption of antibodies allows a high level of binding, but the bound antibodies prevent a significant proportion of their binding activity (penaturation). After coating the surface with polylysine, a good binding density of antibodies is achieved which have good functional activity; the surface coated in this way also has a very high binding capacity for cells.
Blockierung der FestphaseBlocking the solid phase
Die weitere Oberfläche des ZeUarrays wird mit einem für den Test irrelevanten Protein wie Albumin blockiert, um die verbleibenden Bindungsstellen auf der Siliziumoberfläche für Proteine zu blockieren und die Ad- häsion für ZeUoberflächenproteine zu nϊinimieren.The further surface of the ZeUarray is blocked with a protein such as albumin that is irrelevant for the test in order to block the remaining binding sites on the silicon surface for proteins and to minimize the adhesion for ZeU surface proteins.
Beladung mit ZeUenLoading with ZeUen
Die Mikrovertiefungsarrays werden mit einer ZeUsuspension von etwaThe microwell arrays are made with a zeus suspension of about
2 106 ZeUen pro 100 μl beladen. Für die eigentliche Beschichtung sind 10-20 μl ausreichend. Je nach Totvolumen des verwendeten Systems müssen die Volumina angepasst werden. Die Anordnung der ZeUen er- folgt durch die Gravidität im Flüssigkeitsstrom, kann aber auch durch andere Hilfsmittel wie Magnetbeads, Anlegen eines Magnetfeldes oder optische Manipulationen (z.B. optische Pinzetten) erfolgen bzw. durch diese Methoden verstärkt werden. Die ZeUen positionieren sich entsprechend ihrer Größe in die vorbereiteten Vertiefungen ähnlicher Größe. Ziel ist das Erreichen einer möglichst hohen Zelldichte, wobei eine möglichst hohe Zahl von Mikrovertiefungen mit nur einer ZeUe gefüllt sein soUen. Erreicht wird diese ZeUdichte sowohl durch eine hohe ZeUdichte in der ZeUsuspension (siehe oben), durch eine möglichst dichte Anordnung der Mikrovertiefungen, durch die Anordnung der Mifaovertiefungen in spezi- eüen, z.T. versetzten Mustern selbst, durch eine der ZeUgröße angepasste (nur geringfügig (0,5-5 μm) größere Mikrovertiefungen als die ZeUgröße), durch die Form der Mikrovertiefüng (ZeUtiefe soUte der ZeUgröße entsprechen), durch die Oberflächeneigenschaften (Ladung, Hydrophobizität) der Oberfläche. Das Anlegen eines Magnetfeldes oder Einsatz optischer Verfahren kann das Festhalten oder Plazieren der ZeUen in den Vertiefungen sichern oder unterstützen.Load 2 10 6 cells per 100 μl. 10-20 μl are sufficient for the actual coating. The volumes must be adjusted depending on the dead volume of the system used. The arrangement of the follows through the gravity in the fluid flow, but can also be done by other aids such as magnetic beads, application of a magnetic field or optical manipulations (eg optical tweezers) or reinforced by these methods. The ZeUen position themselves according to their size in the prepared wells of a similar size. The aim is to achieve the highest possible cell density, with the highest possible number of microwells being filled with just one cell. This ZeU density is achieved both by a high ZeU density in the ZeUsuspension (see above), by the densest possible arrangement of the micro-wells, by the arrangement of the Mifao wells in specific, sometimes offset patterns themselves, by a size adapted to the ZeU size (only slightly (0 , 5-5 μm) larger micro-depressions than the ZeU size), by the shape of the micro-recess (ZeUtiefe should correspond to the ZeU size), by the surface properties (charge, hydrophobicity) of the surface. The application of a magnetic field or the use of optical methods can secure or support the holding or placing of the cells in the wells.
Abwaschen nicht positionierter ZeUen Nicht in den Vertiefungen positionierte ZeUen werden nach Anlage eines geeignet starken Flüssigkeitsstromes wieder entfernt. Bei Waschschritten soUte einerseits das Auswaschen von in den Vertiefungen befindlichen ZeUen durch Wirbelbüdung vermieden werden, andererseits eine Schädigung der ZeUen durch einen massiven Flüssigkeitsstrom. Strömungsraten von 0,3-0,01 ml pro Sekunde haben sich als sinnvoU herausgesteUt. Von wesenthcher Bedeutung für das Vermeiden von Verwirbelungen und damit dem Herauswaschen von ZeUen ist der Abstand zwischen der Oberkante der Vertiefungen und einer mikroskopierfahigen z.B. Quarzglasoberfläche. Bei Abständen ab 500 μm treten sehr starke Verwirbelungen auf, bei Abständen unter 10 μm ist der Flüssigkeitsstrom mit ZeUen stark beeinträchtigt. Mehrfache, pulsartige Beladungs- und Waschzyklen erhöhen die Dichte und die Effektivität der Beladung. Die Waschschritte sind ebenfalls in pulsartigen Zyklen effektiv. Waschmengen von insgesamt 1- 2 ml sind bei pulsartigem Waschen ausreichend. Eine Anreicherung der Waschlösung mit ZeUl dturmedium oder Eiweiß (Albumin 0,1-1%) erhöht die Vitalität der ZeUen während des Tests. Inkubation der ZellenRinsing of not positioned cenuts Not positioned in the wells are removed after the application of a suitably strong liquid flow. Washing steps should on the one hand avoid washing out the cells located in the depressions due to swirling, and on the other hand damage to the cells by a massive flow of liquid. Flow rates of 0.3-0.01 ml per second have proven to be sensible. The distance between the upper edge of the depressions and a microscopic surface, for example quartz glass, is of essential importance for avoiding turbulence and thus washing out the cells. At distances from 500 μm very strong turbulence occurs, at distances below 10 μm the liquid flow with ZeUen is severely impaired. Multiple, pulse-like loading and washing cycles increase the density and effectiveness of the loading. The washing steps are also effective in pulse-like cycles. A total of 1 to 2 ml of washing volume is sufficient for pulsed washing. Enriching the washing solution with cellular medium or protein (albumin 0.1-1%) increases the vitality of the cells during the test. Incubate the cells
Die ZeUe 18 wird mit einem Kulturmedium auf dem ZeU-Array inkubiert, um die Vitahtät der Zelle 18 zu erhalten und eine Sekretion von Stoff- Wechselprodukten 14, 16 ,z.B. Zytokine beim Zytokinassay oder Antikörper bei B-Lymphozyten, in die Umgebung zu bewirken (Figur 2). Die Stoffwechselprodukte 14, 16 werden durch die irnmobihsierten Antikörper 12 oder gegebenenfalls Antigene gebunden oder verändern (z.B. im Fall von Enzymen) auf andere Art die anfängliche Beschichtung der Oberflächen. Eine Inkubation soUte 1-72 h zu erfolgen, um einerseits die Stofϊwechselprodukte 14, 16 nachweisen zu können, andererseits, Verfälschungen durch ZeUtod und ZeUteüungen zu vermeiden. Bestimmte ZeU- typen wie Makrophagen haben die Tendenz, ihre Position aktiv zu verändern, was das Ergebnis beeinträchtigt, andere ZeUtypen wie Lymphozyten behalten ihre Position über Stunden bei.The ZeUe 18 is incubated with a culture medium on the ZeU array in order to maintain the vitality of the cell 18 and a secretion of metabolic products 14, 16, e.g. To cause cytokines in the cytokine assay or antibodies in B lymphocytes in the environment (FIG. 2). The metabolic products 14, 16 are bound or modified (e.g. in the case of enzymes) in another way by the immunized antibodies 12 or possibly antigens or change the initial coating of the surfaces. Incubation should take place for 1-72 hours in order to be able to detect the metabolic products 14, 16 on the one hand, and on the other hand to avoid adulteration caused by ZeUtod and innovations. Certain ZeU types such as macrophages tend to actively change their position, which affects the result, other ZeU types such as lymphocytes maintain their position for hours.
Spülen der FestphaseRinsing the solid phase
Der gesamte Kammerinhalt wird mehrfach mit Waschlösungen gespült um ungebundene Stoffwechselprodukte 14, 16 abzuspülen (Figur 3). Die nachzuweisenden Sekretionsprodukte 14 binden sich an den auf der Fest- phasenoberfläche gebundenen Antikörper 12. Die Waschbedingungen sind dabei wie oben beschrieben zu wählen. Eine Variation von Spülfluss und des Abstandes zwischen MikroweUoberkante und Kammeroberfläche kann genutzt werden, um unfixierte Zellen gegebenenfalls abzuspülen.The entire chamber contents are rinsed several times with washing solutions in order to rinse off unbound metabolic products 14, 16 (FIG. 3). The secretion products 14 to be detected bind to the antibody 12 bound to the solid phase surface. The washing conditions are to be selected as described above. A variation of the rinsing flow and the distance between the upper edge of the microwave and the chamber surface can be used to rinse unfixed cells if necessary.
Inkubation von MarkernIncubation of markers
Der ZeU-Array wird mit farbmarkierten Antikörpern 20 inkubiert, die sich gegen Oberflächenantigene der ZeUe 18 richten. Die Färbung der antigen- positiven ZeUe 18 erfolgt durch direkte bzw. indirekte Markierung. Die Konzentration der Antikörper 20, 22 richtet sich nach für die Fluores- zenzmikroskopie übhchen Verdünnungen. GegebenfaUs kann die Oberflächenmarkierung der ZeUe 18 auch vor dem Auftragen auf den ZeU- Array erfolgen. Die Markierung der ZeUe 18 kann nach Permeabilisierung der ZeUmembran auch durch Antiköφer 22 gegen zytosolische oder ande- re Antiköφer oder weitere Farbstoffe erfolgen (z.B. DAPI oder Propidi- umjodid für ZeUkeme/Nukleinsäuren). Es können Vitalfärbstoffe verwen- det werden, um die Vitalität der ZeUen für jede einzelne ZeUe während des Test abzuschätzen. Aufgrund der geringen Volumina, die zum Beschichten des Vertiefungsarrays notwendig sind (10-20 μl), sind geringe Reagenzienmengen erforderlich.The ZeU array is incubated with color-labeled antibodies 20 which are directed against surface antigens of the ZeUe 18. The antigen-positive cell 18 is stained by direct or indirect labeling. The concentration of the antibodies 20, 22 depends on the dilutions customary for fluorescence microscopy. If necessary, the surface marking of the ZeUe 18 can also be carried out before application to the ZeU array. After permeability of the cell membrane, the cells 18 can also be labeled by antibodies 22 against cytosolic or other antibodies or other dyes (for example DAPI or propidium iodide for cells / nucleic acids). Vital dyes can be used Detected to estimate the vitality of the ZeUen for each individual ZeUe during the test. Due to the small volumes required to coat the well array (10-20 μl), small amounts of reagents are required.
Der gesamte Kammerinhalt wird mehrfach mit Waschlösungen gespült, um die überschüssigen Antiköφer 20, 22 abzuspülen.The entire chamber contents are rinsed several times with washing solutions in order to rinse off the excess antibodies 20, 22.
Untersuchung Zur Untersuchung folgt ein Mikroskopiervorgang des ZeU-Arrays nach verschiedenen Fluoreszenzen (grün z.B. FITC, rot z.B. Texas Rot, blau z.B. DAPI, weiß z.B. Fotolumineszenz). Ein Laser-Scanning-Mikroskop ist dahingehend geeignet, da dieses Messverfahren eine hohe Durchsatzrate mit einer hohen Sensitivität für die ZeUmarker besitzt. Andererseits treten innerhalb der Mikrovertiefung eine Reihe von Reflexions- und Streuhchteffekten auf, die zur Auswertung herangezogen werden können und die die Sensitivität erhöhen können. Ein nicht konfokaler Messmodus ist auch deshalb sinnvoU, weü ein Großteil der Vertiefungsoberfläche die zur Messung genutzt werden kann (4/5) in der Vertikalen angeordnet ist, damit nahezu nur zu Reflexions- und Streuhcht führt was bei konfokaler Messung dann nahezu ausgeblendet werden würde. Bei einer 50fachen Mikroskopvergrößerung können bei 10 μm MikroweUgröße etwa 14000 Vertiefungen gleichzeitig analysiert werden.Examination The examination is followed by a microscopy of the ZeU array for different fluorescence (green e.g. FITC, red e.g. Texas red, blue e.g. DAPI, white e.g. photoluminescence). A laser scanning microscope is suitable because this measuring method has a high throughput rate with a high sensitivity for the ZeUmarker. On the other hand, a number of reflection and scattering effects occur within the micro-recess, which can be used for the evaluation and which can increase the sensitivity. A non-confocal measurement mode is also sensible because a large part of the recess surface that can be used for the measurement (4/5) is arranged vertically, so that it almost only leads to reflection and stray light, which would then almost be masked out with confocal measurement. With a 50-fold microscope magnification, around 14,000 wells can be analyzed simultaneously with a 10 μm microwe size.
Beim Waschen des Arrays besteht die Möghchkeit der Entfernung der verbhebenen und gegebenenfalls markierten ZeUe 18. In der Figur 5 erfolgt der Nachweis eines Stoff wechselproduktes 14 ohne und in der Figur 6 in Anwesenheit der ZeUe 18. Zur Ablösung von durch Magnetbeads festgehaltenen ZeUpopulationen muß gegebenenfalls das Magnetfeld ge- ändert werden. Änderungen der Flußraten können, wie beschrieben genutzt werden. Um Signale aus der Zellmarkierung auszublenden und den jeweiligen Kanal für weitere Messungen mehrfach zu verwenden, kann der Fluoreszenzfarbstoff mit kurzzeitigem hochdosiertem UV-Licht gebleicht werden. Im BeispielfaU der Figuren 4, 5 und 6 hat es eine Ablagerung von zeUspe- zifischen Stoffwechselprodukten 14 gegeben. Die Detektion der Sekretionsprodukte 14 erfolgt im Beispiel der Figuren 5 und 6 durch Inkubation des ZeUarrays mit weiteren fluoreszenzmarkierten Liganden 24 gegen das Stoffwechselprodukt 14, z.B. weiteren Antiköφern, die ein anderes Epi- top als die primären Antiköφer besitzen, die zur Bindung des Stoffwechselproduktes 14 verwendet werden. Es sind einerseits monoklonale Antiköφer möghch, die verschiedene Epitope erkennen, oder die Verwendung eines monoklonalen Antikörpers zu Bindung und eines polyklonalen zur Detektion.When washing the array, there is the possibility of removing the removed and possibly marked cells 18. In FIG. 5, a metabolic product 14 is detected without and in FIG. 6 in the presence of cells 18. To detach cell populations held by magnetic beads, this may have to be done Magnetic field can be changed. Changes in flow rates can be used as described. In order to hide signals from the cell marking and to use the respective channel several times for further measurements, the fluorescent dye can be bleached with briefly high-dose UV light. In the example shown in FIGS. 4, 5 and 6, there was a deposit of specific metabolic products 14. In the example of FIGS. 5 and 6, the secretion products 14 are detected by incubating the ZeUarray with further fluorescence-labeled ligands 24 against the metabolic product 14, for example other antibodies which have a different epitope than the primary antibodies used to bind the metabolic product 14 become. On the one hand, monoclonal antibodies are possible that recognize different epitopes, or the use of a monoclonal antibody for binding and a polyclonal for detection.
Nach dem Nachweis wird das ZeUarray zur Entfernung überschüssiger Antiköφer gewaschen.After detection, the ZeUarray is washed to remove excess antibodies.
Weitere Mikroskopierschritt zur Detektion anderer Sekretionsprodukte können sich anschließen.Further microscopy steps for the detection of other secretion products can follow.
Es folgt eine Analyse der Signalintensitäten der jeweiligen Mikroskopierschritte und Zuordnung der Oberflächenantigen-negativen/positiven Zel- len zu den Signalen der gemessenen entsprechenden Sekretionsprodukte. Die Kombination der verschiedenen Messungen in den verschiedenen Farbkanälen erlaubt eine Charakterisierung der funktioneUen Aktivitäten der einzelnen Zellen. Durch Mehrfarbfluoreszenz können die Sekretionsprodukte auch ohne Entfernung der ZeUen nachgewiesen werden.This is followed by an analysis of the signal intensities of the respective microscopy steps and assignment of the surface antigen negative / positive cells to the signals of the corresponding secretion products measured. The combination of the different measurements in the different color channels allows a characterization of the functional activities of the individual cells. The secretion products can be detected by multi-color fluorescence without removing the cells.
Weitere Mikroskopierschritte zur Detektion von Hintergrundsignalen und zur zeitabhängigen Analyse sind möghch. ZeUen können nach den Scanvorgängen mittels spezieUer Stempel aus dem Vertiefungsarray entfernt werden und weiteren Analysen zugeführt werden.Further microscopy steps for the detection of background signals and for time-dependent analysis are possible. After the scanning process, zeUs can be removed from the well array using special stamps and further analyzes carried out.
Nachfolgend soU ein spezieUes Beispiel beschrieben werden: Beschichtung der Oberfläche mit 100 μl lmg/ml Ghadinlösung für vier Stunden, Waschen mit PBS, l%Rinderserumalbumin, Blockieren mit 10% Rinderserumalbuminlösung für eine Stunde. Waschen mit PBS/l%Rinderserumalbiu ιin, Beladen des Vertiefungen (16 μm) mit einem B-Lymphozytenhybridom, das IgG Antiköφer gegen Gliadin produ- ziert. Waschen überschüssiger ZeUen, Inkubation der ZeUen für zwölf Stunden in RPMI1640 (Zusätze 10%FCS, Penicillin, Streptomycin, Mer- captoethanol). Permeabihsieren der ZeUen, Inkubation mit DAPI (0,001 mg/ml PBS) zum Nachweis mit ZeUen beladener Vertiefungen für zehn Minuten, Waschen, erster Mikroskopierschritt. Mehrfache ausgiebige Waschschritte zum Herauswaschen der Zehen aus den Vertiefungen. Inkubation mit Anti-IgG Fluoreszin markiertem Immunglobulin für eine Stunde (DAKO Anti-Maus IgG, polyclonal, 1:50). Waschschritt. Zweiter Mikroskopieschritt zum Nachweis gebundenem Anti-Ghadin Immunglo- bulin-Anti-Maus-IgG Komplexen. AUe Waschchritte mit PBS, 0,l%Rinderserumalbumin, wiederholte Pulse von etwa 300 μl Waschlösung über fünf Minuten.A specific example is described below: coating the surface with 100 μl lmg / ml Ghadin solution for four hours, washing with PBS, 1% bovine serum albumin, blocking with 10% bovine serum albumin solution for one hour. Wash with PBS / l% bovine serum, load the wells (16 μm) with a B-lymphocyte hybridoma that produces IgG antibodies to gliadin. ed. Wash excess ZeUen, incubation of the ZeUen for twelve hours in RPMI1640 (additions 10% FCS, penicillin, streptomycin, mercaptoethanol). Permeabilize the ZeUen, incubation with DAPI (0.001 mg / ml PBS) for the detection of wells loaded with ZeUen for ten minutes, washing, first microscopy step. Multiple extensive washing steps to wash the toes out of the wells. Incubation with anti-IgG fluorescein-labeled immunoglobulin for one hour (DAKO anti-mouse IgG, polyclonal, 1:50). Washing step. Second microscopy step for the detection of bound anti-Ghadin immunoglobulin-anti-mouse-IgG complexes. AUe washing steps with PBS, 0.1% bovine serum albumin, repeated pulses of approximately 300 μl washing solution over five minutes.
Weitere Mikroskopierschritte zur Detektion von Hintergrundsignalen und zur zeitabhängigen Analyse sind möghch. ZeUen können nach dem jeweiligen Scanvorgang mittels spezieUer Stempel von der Oberfläche entfernt werden und einer weiteren Analyse zugeführt werden. Die Charakterisierung der EinzelzeUen aufgrund ihrer Sekretionsprodukte kann aber durch die ZeUtypisierung mittels Oberflächenanalyse und/oder mittels intrazel- luläfer Markern erweitert werden. Die Separation von ZeUen nach der Analyse kann durch den Einsatz magnetischer Beads oder andere physikalische Prinzipien wie Stenpeltechniken oder lasergesteuerte Auslenkung ("optische Pinzetten") von ZeUen erfolgen. Further microscopy steps for the detection of background signals and for time-dependent analysis are possible. After the respective scanning process, zeUs can be removed from the surface using special stamps and sent for further analysis. The characterization of the individual cells on the basis of their secretion products can, however, be expanded by the cell typing by means of surface analysis and / or by means of intracellular markers. The separation of cells after the analysis can be carried out by using magnetic beads or other physical principles such as stencil techniques or laser-controlled deflection ("optical tweezers") of cells.
BezugszeichenhsteBezugszeichenhste
10 _ Vertiefungen10 _ wells
12 - Antiköφer12 - Antibodies
14; 16 - Stoffwechselprodukte14; 16 - Metabolic products
18 - Zellen18 - cells
20 - farbmarkierten Antiköφer20 - color-marked antibodies
22 - Antiköφer gegen zytosohsche oder andere An tikö22 - Antibodies to cytoscopic or other anti-antibodies
24 - Liganden 24 - ligands

Claims

Patentansprüche claims
1. MikTovertiefungsarray zur größenabhängigen Sortierung oder Separation von in einer strömenden Flüssigkeit suspendierten ZeUen, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovertiefungsarray ein Zellarray aus einer milαOstrukturierten Festphase mit einer Vielzahl von Vertiefungen (10) umfässt.1. Micro-well array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing liquid, characterized in that the micro-well array comprises a cell array of a milαOstructured solid phase with a plurality of wells (10).
2. Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Festphase des ZeUarrays bedeckende Oberfläche, insbesondere aus mikroskopierfähigen Glas, vorhanden ist.2. Micro-well array according to claim 1, characterized in that a surface covering the solid phase of the ZeUarray, in particular made of microscopic glass, is present.
3. Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen einer Oberkante der Vertiefungen (10) und der Oberfläche 10 μm bis 500 μm beträgt.3. microwell array according to claim 2, characterized in that a distance between an upper edge of the recesses (10) and the surface is 10 microns to 500 microns.
4. Mikrovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine möglichst dichte Anordnung der Vertiefungen (10) auf der Festphase vorgegeben ist.4. microwell array according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the densest possible arrangement of the wells (10) is predetermined on the solid phase.
5. Mikrovertiefiingsarray nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (10) zueinander versetzt angeordnet sind.5. Micro deepening array according to claim 4, characterized in that the depressions (10) are arranged offset from one another.
6. Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Größe der Vertiefungen (10) einer ZeUgröße angepasst ist.6. microwell array according to claim 4 or 5, characterized in that a size of the wells (10) is adapted to a ZeU size.
7. Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Vertiefungen (10) nur germgfügig größer, ins- besondere 0,5 μm bis 5 μm größer, als die ZeUgröße ist.7. Micro-well array according to claim 6, characterized in that the size of the wells (10) is only slightly larger, in particular 0.5 μm to 5 μm, larger than the size of the cell.
8. Mikrovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine ZeUtiefe der ZeUgröße entspricht. 8. microwell array according to one or more of claims 4 to 7, characterized in that a ZeUtiefe corresponds to the ZeU size.
. Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ZeUtiefe so vorgegeben ist, dass zwei Zellen aufgenommen werden können (Doppelbeladung)., Microwell array according to claim 8, characterized in that the ZeUtiefe is predetermined so that two cells can be accommodated (double loading).
lO.MIkrovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichte der Vertiefungen (10) bis zu 1.000.000 pro cm2 beträgt.IO micro-well array according to one or more of claims 4 to 9, characterized in that a density of the wells (10) is up to 1,000,000 per cm 2 .
11. Mikrovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase aus SUizium,11. microwell array according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the solid phase made of silicon,
Glas oder Kunststoff besteht.There is glass or plastic.
12.Mikrovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase mit Antikör- pern (12) oder Antigenen beschichtet ist.12. Micro-well array according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the solid phase is coated with antibodies (12) or antigens.
13.M^overtiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase mit einem Gemisch aus Eiweißen und Antiköφern (12) beschichtet ist.13.M ^ overtiefungsarray according to one or more of claims 1 to 11, characterized in that the solid phase is coated with a mixture of proteins and Antiköφern (12).
14.Mikroveιtiefungsarray nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Eiweiß Albumin ist.14.Mikroveιtiefungsarray according to claim 13, characterized in that the protein is albumin.
15.Mikrovertiefungsarray nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase eine direkte Beschichtung aus Albumin mit nachfolgend über Succinimidylester kovalent angebunden Antikörpern (12) trägt.15. Micro-well array according to claim 14, characterized in that the solid phase bears a direct coating of albumin with antibodies (12) subsequently covalently linked via succinimidyl ester.
16.Milα:overtiefungsarray nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase eine Beschichtung aus Polylysin mit nachfolgend angebunden Antiköφern (12) trägt.16.Milα: overtiefungsarray according to claim 13, characterized in that the solid phase carries a coating of polylysine with subsequently attached antibodies (12).
π.MϊlαOvertiefungsarray nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Festphase aus SUizium ist und die Süiziumoberfläche der- art behandelt ist, dass sich deren Ladung und Hydrophobizität geändert hat. π.MϊlαOvertiefarray according to claim 11, characterized in that the solid phase is made of silicon and the surface of silicon is treated in such a way that its charge and hydrophobicity has changed.
18. Verfahren zur Untersuchung der funktioneUen Aktivität von Ein- zeUzeUen mit einem Mllσovertiefungsarray nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt eine Vereinzelung der ZeUen (18) und einem nachfolgendem Schritt eine Untersuchung der fiinktioneUen Aktivität der vereinzelten ZeUen (18) stattfindet.18. A method for examining the functional activity of tools with a multi-well array according to one or more of claims 1 to 17, characterized in that in a first step a separation of the tools (18) and a subsequent step an investigation of the functional activity of the isolated ZeUen (18) takes place.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vereinzelung eine Sortierung nach ZeUgröße erfolgt.19. The method according to claim 18, characterized in that a sorting by ZeU size takes place during the separation.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vereinzelung eine Typisierung nach ZeUtyp erfolgt.20. The method according to claim 18 or 19, characterized in that a typing according to ZeUtyp takes place during the separation.
21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinzelung mit Hilfe von Latexpartikeln, Magnetbeads oder mittels optischer Pinzetten unterstützt wird.21. The method according to one or more of claims 18 to 21, characterized in that the separation is supported by means of latex particles, magnetic beads or by means of optical tweezers.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovertiefungsarray mit einer Zellsuspension hoher Dichte beladen wird.22. The method according to one or more of claims 18 to 22, characterized in that the microwell array is loaded with a cell suspension of high density.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovertiefungsarray mit einer Zellsuspension einer Dichte von etwa 2 x 106 ZeUen pro 100 μl beladen wird.23. The method according to claim 22, characterized in that the microwell array is loaded with a cell suspension having a density of approximately 2 × 10 6 cells per 100 μl.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovertiefungsarray mit 10 bis 20 μl der ZeUsuspension beladen wird.24. The method according to claim 23, characterized in that the microwell array is loaded with 10 to 20 μl of the zeus suspension.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrovertiefungsarray nach dem Beladen zur Entfernung nicht positionierter Zellen gespült wird. 25. The method according to one or more of claims 18 to 24, characterized in that the microwell array is rinsed after loading to remove non-positioned cells.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass ein Flüssigkeitsstrom beim Spülen 0,01 bis 0,3 ml pro Sekunde beträgt.26. The method according to claim 25, characterized in that a liquid flow during rinsing is 0.01 to 0.3 ml per second.
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülmenge pro Spülzyklus 1 bis 2 ml beträgt.27. The method according to claim 25, characterized in that a rinse volume per rinse cycle is 1 to 2 ml.
28.Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Beladen und Spülen pulsartig erfolgt.28. The method according to claim 25, characterized in that the loading and rinsing takes place in pulsed fashion.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung sequentiell erfolgt.29. The method according to one or more of claims 18 to 28, characterized in that the examination is carried out sequentially.
30. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung mittels Fluoreszenz- Spektroskopie erfolgt.30. The method according to one or more of claims 18 to 29, characterized in that the examination is carried out by means of fluorescence spectroscopy.
31. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass lokal getrennte Untersuchungen erfolgen.31. The method according to one or more of claims 18 to 30, characterized in that locally separate tests are carried out.
32. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass eine Separation der ZeUen (18) nach Abschluss der Untersuchung erfolgt.32. The method according to one or more of claims 18 to 31, characterized in that a separation of the cells (18) takes place after the end of the examination.
33. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die33. The method according to claim 18, characterized in that the
Ausscheidung von Stofϊwechselprodukten (14) der Zellen (18) lokal definiert bestimmt wird.Elimination of metabolic products (14) of the cells (18) is determined locally defined.
34. Verfahren nach den Ansprüchen 18 und 33, dadurch gekennzeich- net, dass eine Zuordnung zu jeder vereinzelten Zellen (18) erfolgt.34. Method according to claims 18 and 33, characterized in that an assignment to each individual cell (18) takes place.
35. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfluss der gesamten ZeUe (18) auf die Umgebung gemessen wird.35. The method according to claim 18, characterized in that the influence of the entire ZeUe (18) on the environment is measured.
36. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die36. The method according to claim 18, characterized in that the
Stoffwechselaktivität der ZeUen gemessen wird. Metabolic activity of the ZeUen is measured.
37. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass Ver- gleichsmesungen zweier ZeUen erfolgen.37. The method according to claim 18, characterized in that comparative measurements of two cells are carried out.
38. Verfahren nach den Ansprüchen 18 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die ZeUen (18) über Stunden in Nährlösung inkubiert werden. 38. The method according to claims 18 to 37, characterized in that the cells (18) are incubated for hours in nutrient solution.
PCT/EP2002/014762 2001-12-31 2002-12-27 Micro-recess array for size-dependent sorting or separation of cells suspended in a flowing medium and method for analysing the functional activity of individual cells WO2003056335A2 (en)

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