(57)【要約】【課題】  手作業よりもスループットが高い多数の候補化合物をスクリーニングするために、パッチクランプ装置の誤動作の発生率を抑え、高い開口部の密度を得る。また、個々の開口部の条件を、自動的かつ選択的にモニタし、かつ変更する。【解決手段】  バイオチップ素子３４は、開口部５０のアレイを規定しており、開口部をふさぐ生体膜の電気的特性を検出するようにされた複数の薄膜素子５４を含んでいる基板アセンブリ４２を含んでもよい。またバイオチップ素子３４は、薄膜素子に電気的に接続され、薄膜素子を制御装置３６に電気的に接続するようにされた電気的インタフェース６０を含んでもよい。電気的インタフェースは複数のインタフェース素子を規定してもよく、開口部はインタフェース素子よりも多くてもよい。【選択図】  図１
2004333485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部のアレイを規定し、前記開口部をふさぐ生体膜の電気的特性を検出するようにされた複数の薄膜素子を含む基板アセンブリと、
前記薄膜素子に電気的に接続され、前記薄膜素子を制御装置に電気的に接続するようにされた電気的インタフェースと
を含み、
該電気的インタフェースは複数のインタフェース素子を規定し、
前記開口部は前記インタフェース素子よりも過剰にある、
生体膜を電気的に解析するためのバイオチップ素子。
【請求項２】
前記開口部は少なくとも約１０：１の比だけ過剰にあり、
前記インタフェース素子は別個のアドレス素子と信号素子を含み、
前記アドレス素子は、前記電気的特性が検出される開口部を選択するようにされた電子スイッチング素子に接続され、
前記信号素子は、前記検出された電気的特性に対応する電気信号を伝送するようにされた、請求項１に記載のバイオチップ素子。
【請求項３】
前記薄膜素子は、電気センサと、前記各開口部に隣接する別の素子とを含む、請求項１に記載のバイオチップ素子。
【請求項４】
開口部のアレイを規定する基板アセンブリと、
前記開口部と連通する流体区画の集合と
を含み、
前記基板アセンブリは前記各開口部に隣接する複数の薄膜素子を含むバイオチップ素子であって、
該複数の薄膜素子は、
１）前記開口部をふさぐ生体膜の電気的特性を検出するようにされた電気センサと、
２）ヒータおよび超音波トランスデューサからなるグループから選択される他の薄膜素子と
を含む、生体膜を電気的に解析するためのバイオチップ素子。
【請求項５】
前記他の素子は、ヒータ、超音波トランスデューサおよび位置合わせ電極のうちの少なくとも１つである、請求項３または４に記載のバイオチップ素子。
【請求項６】
前記電気センサおよび前記他の素子はそれぞれ独立してアドレッシング可能である、請求項３〜５のいずれかに記載のバイオチップ素子。
【請求項７】
前記基板アセンブリは、基板と該基板上に配置される複数の薄膜層とを含み、
前記電気センサは一対の電極を含み、
該一対の電極の各電極が前記薄膜層のうちの同じ層によって少なくとも部分的に規定される、請求項３〜６のいずれかに記載のバイオチップ素子。
【請求項８】
前記薄膜素子は、前記各開口部のための少なくとも一対の独立してアドレッシング可能な電極を含み、
前記対は、前記電気センサと、前記開口部に細胞を電気的に配置するようにされた位置合わせ電極である、請求項３または４に記載のバイオチップ素子。
【請求項９】
前記薄膜素子は、前記各開口部に隣接して配置される超音波トランスデューサを含み、
該超音波トランスデューサは、前記開口部と位置合わせされずに配置される細胞を攪拌するようにされた、請求項１または４に記載のバイオチップ素子。
【請求項１０】
前記基板アセンブリに取り付けられる流体障壁をさらに含み、
該流体障壁は、前記開口部に隣接して配置される複数のウエルを規定するようにされた、請求項１または４に記載のバイオチップ素子。
【請求項１１】
開口部のアレイに隣接して細胞を配置するステップであって、該開口部をふさぐ細胞膜の電気的特性を測定するようになっているセンサ電極を有する検査サイトに前記各開口部が含まれている、細胞を配置するステップと、
前記アレイの前記各開口部のための前記電気的特性を測定するステップと、
前記測定された電気的特性に基づいて前記細胞膜によって適切にふさがれる前記開口部のサブセットを特定するステップと、
前記特定されたサブセットにおいて付加的な動作を選択的に実行するステップと
を含む細胞上で実験を行う方法。
【請求項１２】
前記付加的な動作を選択的に実行するステップは、前記特定されたサブセットの検査サイトを少なくとも１つのテスト作用因子に暴露するステップを含み、
前記検査サイトを前記少なくとも１つのテスト作用因子に暴露した後に、前記開口部のサブセットからの電気的特性を測定するステップをさらに含む請求項１１に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１３】
前記各検査サイトは、流体を保持するためのウエルを含み、
前記暴露するステップは、前記ウエルに前記少なくとも１つのテスト作用因子を分注するステップを含み、
前記暴露するステップは、前記ウエルのうちの少なくともいくつかに異なるテスト作用因子を分注するステップを含む、請求項１２に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１４】
前記細胞を分注するステップは、流体障壁によって別にされるウエル内に前記細胞を配置するステップを含み、
前記細胞を分注するステップは、前記開口部に対して前記細胞を吸い寄せて密着させるようになされる負圧を加えるステップを含む、請求項１１に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１５】
前記細胞を分注するステップは、前記細胞の動きを促進するようにされた薄膜素子に電気信号を加えるステップを含み、
前記薄膜素子は、電界を生成する電極を含むものである、請求項１１に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１６】
前記電気信号を加えるステップが超音波トランスデューサを起動するステップを含む、請求項１５に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１７】
検査サイトのアレイを配設するステップであって、前記各サイトが開口部と該開口部に関連付けられる少なくとも１つの回路とを含むものであり、該少なくとも１つの回路が電極に接続されるスイッチング素子を含むものである、検査サイトのアレイを配設するステップと、
前記検査サイトにおいて細胞を分注するステップと、
前記開口部毎に前記スイッチング素子を選択し、電気信号が対応する前記電極に伝達されるようにするステップと、
対応する前記スイッチング素子が選択され、前記細胞が前記開口部と位置合わせされる方向に動くようにするときに、前記電極に位置合わせ信号を伝達するステップと
を含む細胞上で実験を行う方法。
【請求項１８】
前記開口部に関連付けられる前記回路の少なくともサブセットを通じて励起信号を伝達するステップをさらに含み、
前記励起信号は、前記サブセットに関連付けられる前記開口部をふさぐ前記細胞の電気的特性を測定できるようにされ、
前記スイッチング素子は、第１のスイッチング素子であり、
前記少なくとも１つの回路は、前記電極に接続される第２のスイッチング素子を含み、
前記励起信号を伝達するステップは、前記第２のスイッチング素子を選択して、前記電極を動作させるステップを含む、請求項１７に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項１９】
前記電極は第１の電極であり、
前記スイッチング素子は第１のスイッチング素子であり、
前記少なくとも１つの回路は超音波トランスデューサに接続される第２のスイッチング素子を含み、
前記励起信号を伝達するステップは、前記第２のスイッチング素子を選択して、前記超音波トランスデューサを動作させるステップを含む、請求項１８に記載の細胞上で実験を行う方法。
【請求項２０】
前記検査サイトにおいて薄膜素子を起動するステップをさらに含み、
前記薄膜素子は、超音波トランスデューサおよびヒータのうちの少なくとも１つである、請求項１８に記載の細胞上で実験を行う方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体膜の電気的解析を行なうバイオチップ素子およびその解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パッチクランプ法による細胞の解析は強力な電気生理学的記録技術である。パッチクランプ法は、細胞膜の電気的特性、特に膜に含まれるイオンチャネルの活性および制御を研究するために用いる。この技術は、イオンチャネルタンパク質が一般的に生理学的要因によって、詳細には医薬品化合物によって如何に調節されるかを研究するための最も直接的で、かつ意味のある方法の１つであるので、測定手段として人気を得ている。
【０００３】
パッチクランプ法は手動で実行する手法として開発された。従来のパッチクランプ法では、小径のガラスピペットを細胞の膜に押し付ける。ピペットの内部にある流体を負圧にすることにより、膜がピペットの端部に吸い寄せられて密着し、ピペット端の周辺と膜上の「パッチ」との間に気密で抵抗性のシールを形成する。このシールは、その抵抗がギガオームあるいは概ねギガオームであるので、ギガシールと呼ばれる場合が多く、ピペットの穴からパッチおよび／または細胞全体を通るある経路に沿うように、電流が向けられる。パッチが選択的に透過性にされるとき、パッチ以外の細胞膜の残りの部分の電気的特性を、セル全体（whole-cell）の解析において測定することができる。別法では、細胞膜の残りの部分が除去され、解析されることになるパッチのみを残すことができる。
【０００４】
いずれの場合でも、細胞あるいはパッチ膜の中を流れる電流、あるいはそれに印加される電圧を測定することができる。たとえば、「刺激」電圧を、１）細胞（あるいはパッチ）を保持する「外部の」電解液と、２）ピペットの内部にある「内部の」電解液との間に印加することができる。そのような刺激電圧は、細胞膜全体あるいは膜のパッチの中に、それに対応して応答するイオン流を（それゆえ電流を）生み出す。この膜のインピーダンスが電流の大きさを決定する。それゆえ、リガンドによって、および／または電圧によって引き起こされるイオンチャネル活性の変化は、それに応じて、膜のインピーダンスおよび電流の大きさを変化させる。通常の手法では、電圧（あるいは電流）は解析中に固定すなわち「クランプ」されて、そうしておいて、結果として生成される電流（あるいは電圧）を測定することにより、電圧（あるいは電流）クランプ解析が実現され得る。
【０００５】
パッチクランプ法は感度があるにもかかわらず、ピペットを用いて手作業することが、高スループットのドラッグスクリーニングの場合のような、化合物のライブラリの解析には適さない場合もある。詳細には、手作業する場合、細胞は１つずつ解析される。したがって、化合物の作用をテストするには時間がかかりすぎて、多数の候補化合物をスクリーニングすることできないおそれがある。
【０００６】
パッチクランプ解析の速度を早めるための努力は、一度に２つ以上の細胞を解析することに主眼を置いている。たとえば、単一のピペットの代わりに、平坦な材料によって規定される開口部のアレイを用いることができる。そのような「平面パッチクランプ」（planer patch-clamp）装置を用いる場合、細胞が各開口部に配置され、開口部毎に特有の回路で電気的にモニタすることができる。
【０００７】
スループットを高める可能性があるにもかかわらず、これらの平面パッチクランプ装置は数多くの理由により不十分である。たとえば、いくつかのパッチクランプ装置は、個々の開口部に対して、専用ではない可動電極を用いる。そのような装置は同時に励起させ、モニタすることができる開口部の数を制限し、さらには可動部品による機械的な誤動作の発生率が高くなる場合もある。他のパッチクランプ装置は、回路の集積化が足りないことはあるが、たとえば開口部毎に別個のセンサ回路を有する専用のモニタ用回路を備えることができる。そのような別個の回路は、結果として形成される電気的インタフェースが大きくなり、複雑になることを原因として、備えることができる開口部の密度が実用上制限される。したがって、この開口部の制限によって、１つの実験において解析され得る細胞／化合物／条件の数もそれに応じた制限を受ける。さらに、そのように装置の集積化が不十分なことにより、個々の開口部の条件を、自動的かつ選択的にモニタし、変更することができない場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記少なくともいくつかの問題点を解決することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、生体膜を電気的に解析するためのバイオチップ素子を提供する。バイオチップ素子は、開口部のアレイを規定しており、開口部をふさぐ生体膜の電気的特性を検出する複数の薄膜素子を含んでいる基板アセンブリを含み得るものである。またこのバイオチップ素子は、薄膜素子に電気的に接続され、薄膜素子を制御装置に電気的に接続するようにされた電気的インタフェースを含んでもよい。電気的インタフェースは複数のインタフェース素子を規定してもよく、開口部の数はインタフェース素子の数よりも過剰にされていてもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
生体膜を電気的に解析するためのテストシステムを提供する。そのシステムは、バイオチップ素子と、バイオチップ素子に電源を供給し、電子制御する制御装置とを含むことができる。その生体膜は、細胞全体、細胞の断片および／または細胞からの膜成分（複数可）を含む再構成膜といったものである。
【００１１】
バイオチップ素子は、検査サイトのアレイを有する基板アセンブリを備え得るものである。本明細書において用いられるような検査サイトとは、検査サイトに配置される生体膜および／または細胞の１以上の電気的特性を検査するようにされた素子の１つの領域である。各検査サイトは、生体膜によって覆われる（すなわちふさがれる）ようにされた１つの開口部を備えることができる。また各検査サイトは、その検査サイトにおいて、条件をモニタし、条件を変更し、かつ／または測定を実行するための１以上の薄膜素子も備えることができる。さらに、各検査サイトは、流体および生体膜／細胞を保持するための区画を含むか、あるいは規定することができる。また、このバイオチップ素子は、薄膜素子を制御装置に電気的に接続するようにされた複数の個別にされたインタフェース素子あるいは入力を有する電気的インタフェースも備え得る。薄膜素子に接続されるバイオチップ素子の電子回路は、固体スイッチング素子を用いて、検査サイトおよび開口部の数が電気的インタフェースのインタフェース素子の数よりも過剰になるように高度に集積され得る。
【００１２】
本明細書に記載するテストシステムおよびバイオチップ素子を用いて、細胞および生体膜を電気的に解析するための方法を実行することができる。検査サイトのうちの選択されたサブセットあるいは全てのサブセットの薄膜素子に対して、解析の段階、検査サイトから測定される結果などに基づいて、必要に応じて電気的に並列および／または直列に電源を供給することができる。たとえば、検査サイトに、各サイトから測定された電気的特性と閾値との比較に基づいて、選択的かつ自動的に電源を供給することができる。この手法は、たとえば、膜が開口部を実効的にふさぐ検査サイトがさらに操作されないように制限するために、あるいは特に、実効的にふさがれない開口部上に細胞を配置し直すために用いることができる。
【００１３】
各検査サイトは、任意の適当な数の独立してアドレッシング可能な薄膜素子を含むことができる。そのような薄膜素子は、開口部に配置される膜に電気的な刺激を与え、結果として生成される膜からの電気的な応答をモニタするための１以上の電極を含むことができる。いくつかの実施形態では、位置合わせ電極、すなわち検査サイトの開口部に向けて細胞あるいは膜を移動させる電界を生成するようにした電極として、同じ電極あるいは異なる電極を用いることができる。また薄膜素子は、特に、超音波トランスデューサ、ヒータ、温度センサ、オリフィスバブラおよび／または光電子素子も含むことができる。したがって、バイオチップ素子の集積電子回路を用いて、検査サイトにおける解析要件および測定構成に従って、薄膜素子を同時に起動することができるか、あるいは電子スイッチング素子を用いて調整された順序で起動することができる。それゆえ、本明細書に記載されるバイオチップ素子およびテストシステムを用いて、数多くの条件下で、高度に自動化および制御しながら、より多くの生物学的サンプルを解析することができる。
【００１４】
図１は、生体膜／細胞を電気的に解析するためのテストシステム３０の一実施形態の概略図である。システム３０は制御装置３２とバイオチップ素子３４とを含む。
【００１５】
制御装置には、一般的にユーザからの入力に応答して、テストシステム３０の動作を指示するための任意の電子装置を用いることができる。制御装置は特に、電源（図示せず）と、制御電子回路３６と、負圧源３８とを備えることができる。電源は、バイオチップ素子３４と、制御装置内に含まれるか、あるいはその制御下にある付属機構とに電源を供給することができる。制御電子回路３６は、バイオチップ素子との間で、符号４０で示す信号を交換することによりバイオチップ素子３４の動作を指示するようにされた任意の適当な電子回路を含むことができる。制御電子回路は、特に、デジタルプロセッサ、メモリ、ソフトウエア命令、出力装置（プリンタ、モニタなど）および電子センサを含むことができる。制御電子回路は、制御装置のユーザインタフェース（キーボード、キーパッド、マウスなど）においてユーザによって制御することができる。負圧源３８は、制御装置３２に含まれ得るし、あるいは別個の装置によって提供され得る。いずれの場合でも、負圧源３８を用いて、たとえば、必要に応じてバイオチップ素子に負圧を供給し、バイオチップ素子の開口部に生体膜を吸い寄せて密着させることができる。
【００１６】
バイオチップ素子３４は、制御装置とのインタフェースを有する別個の素子として構成することができる。本明細書において用いるようなバイオチップ素子は、基板上に配列されたテストあるいは検査サイトのアレイを含む任意の素子である。バイオチップ素子は、一度だけ使用する使い捨ての素子にしてもよく、あるいは再利用してもよい。バイオチップ素子は、生体膜の電気的特性を測定するための検査サイト４４のアレイを少なくとも部分的に規定する基板アセンブリ４２を提供することができる。各検査サイトは、別個の生体膜の電気的特性を測定するように構成する。バイオチップ素子は、少なくとも約１００（あるいは少なくとも約１０００）の検査サイトを有することができ、検査サイトは平方ミリメートル当たり少なくとも約１（あるいは少なくとも約１０）の密度を有することができる。各検査サイト４４は、１以上の生体膜を配置することができる電解液を保持するための流体区画４６を含むことができる。流体区画４６は、外部から、あるいは内部から利用することができる開口部、流体コンジット、ピペットなどを用いることができる流体入力４８によって独立して、かつ／またはまとめてアドレッシングすることができる。また各検査サイト４４は１つの開口部５０（あるいは複数の開口部）を備えることができる。開口部はオリフィスと表現することもでき、いくつかの実施形態では、その中を流体が流れるドレインとしての役割を果たすことができる。各開口部は、負圧コンジット５２を用いて負圧源３８と連通することができ、それにより開口部に負圧をかけることができる。この場合、開口部は、負圧によって細胞を引き寄せること、および細胞をふさぎ、電気的に記録することの両方の役割を担うことができる。別法では、開口部は、細胞あるいは生体膜をふさぎ、電気的に記録するためにだけに機能することができ、その場合でも、開口部の周囲を取り巻いている別の同心円状のチャネルによって細胞に負圧をかけることができる。またサイト４４は、電界あるいは磁界を生成するように、超音波エネルギーを与えるように、熱を生成するように、光を与えるように、および／または対応するエネルギーセンサとして機能するように選択的にアドレッシングされる薄膜素子５４を含むことができる。
【００１７】
基板アセンブリ４２はバイオチップ電子回路５６を備えることができ、バイオチップ電子回路５６は、選択的にアドレッシング可能であり、導電性のある薄膜素子５４への経路５８を提供する。バイオチップ電子回路５６は任意の適当な製造工程によって形成することができ、任意の適当なレベルの集積度を有することができる。したがって、バイオチップ電子回路５６は、以下にさらに記載するように、薄膜素子を選択し、電源を供給し、かつ／またはモニタするためのデジタル／アナログおよびアナログ／デジタルコンバータおよび／またはスイッチング回路網を含むことができる。
【００１８】
バイオチップ電子回路５６および薄膜素子５４は、符号４０に示すように、バイオチップ電気的インタフェース６０を通じて制御装置３２に電気的に接続することができる。電気的インタフェース６０は、基板アセンブリ４２にたとえばその外側表面上に取り付けられ、制御装置の電子回路３６への導電性結合あるいは誘導性結合を提供することができる。電気的インタフェース６０は別個のインタフェース素子の集合を提供することができる。これについては以下にさらに十分に説明される。
【００１９】
図２は、図１のテストシステム３０を用いて細胞を電気的に解析するための方法７０の一実施形態を示す。
【００２０】
方法７０では、符号７２によって示すように、細胞が検査サイトに分注される。細胞は、たとえば自動化された流体給送装置を用いて、細胞懸濁液の一部を個々に分注することにより、サイト４４の流体区画４６に配置することができ、結果として、１以上の細胞がそのサイトに配置される。別法では、流体区画４６は、たとえば、流体区画に流通させるだけの十分に多くの量の細胞懸濁液を加えることにより、あるいは流体区画を相互に接続するコンジットを用いることにより、同時にアドレッシングすることができる。いくつかの実施形態では、（細胞を搬送する）流体は、各開口部と概ね位置合わせされた状態で導入され、細胞が懸濁液から沈降するときに、細胞そのものの重さによって細胞を開口部に向かって移動させるようにする。
【００２１】
他の実施形態では、任意の適当な生体膜が検査サイトに分注されるか、あるいは検査サイトで形成され得る。生体膜は一般的に任意の脂質二分子膜を含み、二分子膜を通過するイオン流を促進あるいは調節する生体分子（複数可）を支持する生体膜を用いることができる。脂質二分子膜は細胞、ウイルス、細胞小器官、小胞などによって提供することができ、それゆえ、自然発生することができるか、あるいは人工的に生成され得る。生体分子は細胞によって生み出されることができるか、それからの人工的な誘導体あるいは類似体を用いることができる。イオン流を促進あるいは調節することができる例示的な分子は、イオンチャネルあるいはイオン輸送体などの内在性（integral）あるいは表在性(peripheral)膜タンパク質を含むか、あるいは特に、チャネルを形成する合成化合物を用いることができる。
【００２２】
その後、符号７４に示すように、検査サイトの開口部は膜でふさぐことができる。膜は一般的に細胞の本来の膜の一部に相当する。本明細書において用いられるような、膜によりふさぐ開口部は、ふさがれていない開口部よりも大きな、通常著しく大きな抵抗を有する。いくつかの実施形態では、開口部の中を流れる電流に対してキロオーム、メガオームあるいはギガオームの抵抗をふさぐことによって与えることができる。開口部のサブセットがふさがれない場合もある。開口部に隣接する場所に細胞を移動させること、およびその後、細胞を吸い寄せて、開口部と密着させることをふさぐことに含んでいてもよい。細胞を電気的に極性化する電界をかけることにより移動を促進することができる。別法では、あるいはそれに加えて、移動には、細胞が含まれる流体への超音波攪拌、流体の流れ、人為的あるいは無秩序な細胞遊走、および／または圧力によって促進され得る。同様に、負圧、正圧、流体の流れ、基板アセンブリと細胞との間の分子相互作用、電界などによって細胞を吸い寄せて密着することを促進することができる。
【００２３】
細胞が開口部のうちの少なくともいくつかをふさいだ後に、細胞はセルアタッチモード（ＣＡモード）で解析することができ、そのモードでは、細胞全体が開口部に密着して配置することができる。任意選択では、細胞は、符号７６に示すように、解析前にセルアタッチ設定から、さらに設定を行なうことができる。細胞を設定することは、細胞膜の空間的に限定された部分を除去あるいは穿孔することを含むことができる。除去あるいは穿孔は、開口部によって規定される膜パッチ内で、あるいは開口部から離れて延びている細胞膜の残り（パッチ以外）部分において選択的に実行することができる。除去あるいは穿孔の適当な方法は、開口部から、および／または流体区画内にある細胞の外側から、膜パッチに対して作用因子（agent）あるいは処理を施すことを含むことができる。そのような作用因子あるいは処理は電圧パルス、局部的な加熱、界面活性剤、圧力パルス、増孔剤（ナイスタチンあるいはアンホテリシンなど）等を含むことができる。したがって、細胞を設定した後に、それらの細胞は、ホールセル（ＷＣモード）、インサイドアウト膜パッチ（ＩＯモード）、あるいはアウトサイドアウトパッチ（ＯＯモード）の解析のために用いられることができる。
【００２４】
その後、符号７８に示すように、電気的な刺激を加えることができる。その電気的な刺激は、クランプ電圧、クランプ電流および／または任意の適当なパターン、周波数、振幅などからなる、変化する電圧あるいは電流に相当することができる。電気的な刺激には電界あるいは電気信号を用いることができ、それは開口部をふさぐ細胞膜あるいは膜パッチにわたって延びあるいは伝わることが好ましい。電気的な刺激は任意の適当な電極に加えられることができるが、基板上に導電性薄膜を配置あるいはパターニングすることにより形成される薄膜電極が用いられることが好ましい。
【００２５】
その後、符号８０に示すように、電気的な刺激に起因する電気的な応答をモニタ（検出／測定）することができる。電気的な応答には、電流、電圧、インピーダンス（あるいは抵抗）などを用いることができ、それは、たとえば時間の関数として、あるいはある一時点において、あるいは時間平均された値としてモニタすることができる。バイオチップ素子および／または制御装置の電子回路は適当な増幅器を含み、その応答を増幅することができる。
【００２６】
その後、符号８２に示すように、たとえば、開口部に隣接する流体区画にテスト作用因子を加えることにより、テスト作用因子が検査サイトに導入することができる。テスト作用因子の導入は、測定される電気的な応答に応じて決定することができる。さらに、テスト作用因子の導入は、自動化され、たとえば、バイオチップおよび／または制御装置の電子回路によって制御することができる。適当なテスト作用因子として、化学的、生物学的および／または物理的な作用因子を用いることができる。候補薬物のような化学的なテスト作用因子は、化合物、ポリマー、混合物、溶液などを含むことができる。物理的なテスト作用因子は、熱、光（電磁放射）、粒子、磁界、電界／電流、音などを含むことができる。生物学的なテスト作用因子は、細胞、ウイルス、細胞小器官または抽出物、あるいはその成分を含むことができる。
【００２７】
図３〜図６は、図１のテストシステムに含めることができるバイオチップ素子９０の一実施形態を示す。バイオチップ素子９０は図１の素子３４に概ね対応し、図１の基板アセンブリ４２の全般的な構成を有する基板アセンブリ９２などの、素子３４の場合に先に記載された構成要素あるいは機構のうちの任意のものを含むことができる。
【００２８】
図３は、検査グループ９４のアレイを備えるバイオチップ素子９０を示す。例示的な実施形態では、素子９０は１００個の検査グループを有することができるが、任意の適当な数のそのようなグループを素子に含むことができる。各検査グループ９４は、基板アセンブリ９２の別個の領域に隣接して配置され、かつ／またはその別個の領域の中に含めることができ、それゆえ、バイオチップ素子内の流体工学的および／または電子工学的機構を提供することができる。いくつかの実施形態では、各検査グループは、図９〜図１１に関連してさらに十分に記載されるような信号グループを定義することができる。
【００２９】
またバイオチップ素子９０は、図１の電気的インタフェース６０に機能上相当する電気的インタフェース９６を備えることができる。電気的インタフェース９６は、複数の個別にされ別個のインタフェース素子９８を提供することができ、それを通じて、素子９０の電子回路を制御装置に電気的に接続することができる。また電気的インタフェース素子は入力と表現することもでき、その入力を通じて、電気信号（アナログあるいはデジタル）がバイオチップ素子に伝達され、スイッチング素子および／または薄膜素子が選択される。各インタフェース素子９８には導電性のコンタクトサイトを用いることができるか、あるいは各インタフェース素子９８は特に誘導性結合を与えることができる。したがって、いくつかの実施形態では、インタフェース素子９８は、素子９０の外側表面に配置することができる。インタフェース素子は、金属あるいは合金（プラチナ、金、銅、アルミニウム等）などの任意の導電性材料により形成することができる。
【００３０】
バイオチップ素子とのインタフェースを形成することは、インタフェース素子を設けるためのフレキシブルあるいは印刷回路（PC）基板タイプの配線回路によって達成され得る。配線回路は、特にワイヤボンディング、はんだ付けあるいはＴＡＢボンディングなどの適当な接続方法によってバイオチップ素子に接続することができる。配線回路は、テストシステムの残りの部分に接続するための「開閉」コンタクトを含むことができる。「開閉」コンタクトには、コンタクトパッドアレイ、ピンコネクタなどを用いることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態では、バイオチップ素子を、バイオチップ素子と、プラスチック製ハウジング（複数可）、機械的な止め具および基準機構、配線回路および流体カプラを含むことができるインタフェース部（複数可）とを含む「プラグイン・モジュール」の一部にすることができる。
【００３２】
図４は、バイオチップ素子９０の検査グループ９４の拡大図を示す。検査グループ９４は、それぞれ開口部１０２を有する検査サイト１００のアレイを備えることができる。例示的な実施形態では、各検査グループは１００個の検査サイトを有し、素子内に全部で１００００個の検査サイトを設けることができる。この例示的な実施形態は、直径が約１００マイクロメートル、ウエルの中心間の間隔が約２００マイクロメートル、そして一辺の全長が約２センチメートルの流体区画あるいはウエルを有することができる。しかしながら、他の実施形態は任意の適当な寸法を有することができる。開口部１０２は、細胞の直径、特に真核細胞よりも短い直径を有するような大きさにすることができる。いくつかの実施形態では、開口部は、直径が約０．０５〜１０マイクロメートルに、あるいは約０．１〜５マイクロメートルにすることができる。例示的な実施形態では、開口部は約２〜３ミクロンの直径を有する。いくつかの実施形態では、バイオチップ素子内で電子スイッチング素子を用いることに起因して、開口部および検査サイトの全数を電気的インタフェース内のインタフェース素子の数よりも過剰にすることができ、あるいは少なくとも約１０倍だけインタフェース素子の数よりも過剰にすることができる。スイッチング素子を用いて、そのように集積し、アドレッシングできるようにすることを以下にさらに記載する。また検査グループ９４は流体障壁１０４を含むこともできる。流体障壁は各検査グループを包囲することができ、かつ／または個々の検査サイトを、規定し別にする役割をすることができる。流体障壁は、検査サイト１００が独立してアドレッシングするように、あるいは流体とは一緒であるが、他の検査グループ内の検査サイトとは別にアドレッシングするように構成することができる。
【００３３】
図５および図６は、図４の検査グループ９４からの個々の検査サイト１００のそれぞれ拡大図および断面図である。検査サイト１００は、基板アセンブリ９２のみによって、あるいは接続した流体障壁１０４とともに設けられることができる。
【００３４】
本明細書において用いられるような基板アセンブリあるいはベース部は、任意の基板１０６、およびその基板に接続した関連する層１０８である（図６を参照）。基板アセンブリは開口部１０２を規定することができ、電子回路１１０および／または薄膜素子を提供することができる。基板１０６は、任意のベース層を用いることができ、また概ね半導体および／または絶縁体から形成することができる。たとえば、基板は概ねシリコン、ガラス、アルミナ、ガリウムヒ素、プラスチックなどから形成することができる。基板（および基板アセンブリ）は、シリコンウェーハあるいは他のシート状の材料のように概ね平坦にすることができる。
【００３５】
基板アセンブリの関連する層１０８は、任意の適当な形状、厚み、構造および組成を有することができる。層１０８は基板上に、あるパターンで配置するか、あるいは配置した後にパターニングされる薄膜を含むことができる。その薄膜は特に、電子回路１１０の薄膜素子、導電性トレースおよび／または固体スイッチング素子を規定することができる。そのような薄膜層は、たとえば、ｐドーピングおよびｎドーピングすることにより基板内に形成する電子素子あるいは構成要素に、あるいは基板に隣接して形成するそのような素子に電気的に接続することができる。また薄膜層は、電子回路の上、あるいは電子回路の下、あるいは電子回路内に配置するパッシベーション層あるいは他の保護層も含むことができる。開口部付近にある、すなわち開口部を規定するパッシベーション層は、基板のキャパシタンスおよびその結果として生じる寄生電流を低減するので、特に望ましい。別法では、あるいはそれに加えて、層１０８のうちの１以上の層が開口部１０２を規定することができる。ここでは、開口部層１１２が基板１０６に接続され、開口部１０２を規定するようにパターニングされているが、代わりに、あるいはそれに加えて、基板が開口部１０２を設けることもできる。いくつかの実施形態では、層１０８のうちの１以上の層が流体障壁および開口部の両方を規定することができる。これらの実施形態では、１以上の層が、基板アセンブリおよび流体障壁のそれぞれの中に部分的に含まれるものと見なすことができる。開口部層１１２には絶縁体、半導体あるいは導体（たとえば電極）を用いることができ、任意のパターニング可能な材料、たとえばネガまたはポジフォトレジスト（ＳＵ−８またはＰＬＰなど）、ポリイミド、ドライフィルム（デュポン製リストンなど）および／またはガラスから形成することができる。開口部層１１２をパターニングするための方法は、フォトリソグラフィ、レーザエッチング、化学エッチングなどを含むことができる。たとえば、図示した実施形態では、開口部層１１２には、ポリイミドから形成した絶縁体を用いることができる。いくつかの実施形態では、層１０８のうちの１以上のは、たとえば、基板１０６内に形成するチャネル内に流体を給送する流体給送路を提供することもできる。
【００３６】
外側流体区画１１４および内側流体区画１１６はそれぞれ、開口部の両側において、開口部１０２によって連通させることができる。これらの区画は基板アセンブリ９２および／または流体障壁１０４によって規定することができる。用語「外側」および「内側」は、たとえば、その流体区画がホールセル解析のために用いられるときに、互いに対してその区画を特定することを目的としている。一方が、あるいは両方とも包囲することができるか、あるいは外部からアクセスすることができる。したがって、これらの用語は本発明の範囲を規定あるいは制限することは意図していない。
【００３７】
外側区画１１４は、たとえば、図２に示す方法７０のステップにおいて、１以上の細胞１１８あるいは他の生体膜を受け取り、かつ収容することができる（図示を簡単にするために、図５は開口部１０２上に破線の輪郭で細胞１１８を示すのに対して、図６は開口部上に実線の輪郭で細胞１１８を示しているが、細胞１１８の場所は図５および図６それぞれの場合に同じである）。また外側区画１１４は、細胞１１８あるいは別の生体膜を浸漬することができる、ある適当な量の電解液を保持することもできる。いくつかの実施形態では、解析中の電解液は、培養液に概ね相当するイオン組成を有する水性緩衝液である。外側区画１１４は、図に示すように、ウエルとして形成することができ、結果として、その区画は、たとえば、流体、細胞、テスト作用因子などを追加／除去／操作するために外部からアクセスすることができるようになる。したがって、流体障壁１０４はウエルの壁部１２０を提供することができ、基板アセンブリ９２はウエルのベースあるいは底部を提供することができる。別法では、以下にさらに記載するように、外側区画１１４はチャンバを形成するように概ね包囲することができる。流体区画１１４は、解析されている細胞あるいは他の生体膜よりも少なくとも数倍だけ大きい容積を有することができる。
【００３８】
内側区画１１６は、開口部の外側区画１１４とは反対側において流体を保持するように構成することができる。この区画は、開口部によって規定された容積のある部分あるいは全てを含むことができる。内側区画は、外側区画に収容された流体とは異なる組成を有する流体を含むことができる。たとえば、ホールセル実験の場合、内側区画は、概ね細胞の内部に相当するイオン組成を有する電解液を含むことができる。さらに、内側区画は、特に、膜を破壊するか、細胞または膜を吸い寄せて開口部に密着させる（負圧など）か、あるいは細胞の生理機能あるいは情報伝達を変更する作用因子あるいは処理を導入するためのサイトとしての役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、内側区画を、開口部において通じる以外、外側区画から孤立させることができる。別法では、内側区画のうちのいくつかあるいは全てが、開口部を通じて各外側区画と連通する共有された流体区画に含めることができる。内側区画は、たとえば、基板１０６をエッチングすることにより、基板アセンブリ９２によって少なくとも部分的に規定することができる。さらに、内側区画は、内側区画に流体を供給するようにされた流体マニホルドに接続され、かつ／またはそれにより少なくとも部分的に規定することができる。
【００３９】
層１０８は、区画１１４、１１６内の流体および細胞／膜の特性を変更および／または検出するための薄膜素子を提供することができる。薄膜素子は、外側区画１１４、内側区画１１６および／または開口部１０２に隣接して配置することができる。したがって、薄膜素子は基板１０６の表面に隣接して、すなわち図のように、外側区画１１４に隣接して、および／または基板の反対側の表面に隣接して形成することができる。薄膜素子は、外側区画内、内側区画内、および／または外側区画と内側区画との間の流体／細胞／膜特性を検出あるいは変更するように構成することができる。そのような薄膜素子は、検査サイト１００に動作可能に配置する。薄膜素子は、特に、１以上の電気センサ、温度センサ、圧力センサ、磁気センサおよび／または光センサを含むことができる。別法では、あるいはそれに加えて、薄膜素子は、限定はしないが、電界発生器（電極）、超音波発生器（超音波トランスデューサなど）、光発生器（光トランスデューサ）あるいは磁界発生器（磁気トランスデューサ）のうちの１以上の発生器を含むことができる。
【００４０】
バイオチップ素子９０を、外側区画１１４と内側区画１１６との間に電気的な刺激を与え、またその間の電気的特性を検出するように構成することができる。いくつかの実施形態では、そのような刺激および検出は、基板アセンブリの層１０８内の電極によって与えられることができる。したがって、特に金あるいはプラチナからなる薄膜のような薄膜素子として電極を設けることができる。
【００４１】
図５および図６は、電気的な刺激および検出のために用いることができる電極、すなわち外側電極１２２および内側電極１２４を示す。これらの電極はそれぞれ、外側区画１１４および内側区画１１６内に配置することができる。一般的に、これらの電極は１つの対として協動し、層内に離隔して配置する場所にある同じ薄膜層から少なくとも部分的に規定するか、形成することができる。本明細書において用いるような同じ薄膜層とは、１回の薄膜配置サイクル中に配置する１以上の薄膜を意味する。その電極は、電圧を印加する際に、開口部を通過する経路に沿って電極間に延びている電界１２６を与えるように構成することができる。しかしながら、その対のうちの一方の電極は、刺激および／またはセンサ電極と表現することができ、その刺激あるいはセンサ電極が機能する相手電極を有する。いくつかの実施形態では、電極のうちの一方はグランドに接続することができ、他方の電極がグランド電極に対して刺激し（励起信号を伝達し）、かつ検出する（励起信号に対する応答を測定する）刺激および／またはセンサ電極と表現することができる。
【００４２】
内側電極１２４は、任意の適当な構造および配置を有することができる。たとえば、内側電極１２４は、図６に示するように、基板１０６と開口部層１１２との間に配置することができる。いくつかの実施形態では、内側電極１２４は基板に対して少なくとも一部分が接触せずに張出し部を形成するように、開口部軸に向かってさらに延びていることができる。いくつかの実施形態では、内側電極１２４は、たとえば、上記のような張出し部として開口部１０２を規定することができる。他の実施形態では、内側電極１２４は、基板の外側電極１２２とは反対側に配置することができる。
【００４３】
電極のうちの１以上の電極は、図示するように、環状に、概ね開口部１０２と同心円状に構成することができる。しかしながら、各電極は、それぞれ外側あるいは内側区画内に任意の適当な形状および配置を有することができる。別法では、あるいはそれに加えて、基板アセンブリ９２に含まれる薄膜素子としてではなく、電極のうちの１以上の電極が、たとえば、任意のタイプの別個の電極を外側区画１１４または内側区画１１６内に配置することにより、別個の素子として設けられることもできる。
【００４４】
図７は、生体膜を電気的に解析するための別のバイオチップ素子からの検査サイト１４０の別の実施形態の断面図を示す。検査サイト１４０は、白抜きの矢印によって示するように、外側区画１４８を通って流体が流れるようにするために、１以上の流体注入口１４２、１４４と、１以上の流体排出口１４６とを含むことができる。流体注入口および排出口は、基板アセンブリ９２内の流路あるいはチャネル、および／または流体障壁１５０によって規定することができる。流体注入口および排出口を用いて、たとえば、細胞あるいは膜を洗浄するために、候補薬物のようなテスト作用因子を追加するために、あるいは外側区画内の流体の組成を変更するために、外側区画内に細胞あるいは別の生体膜を導入することができる。細胞／生体膜およびテスト作用因子を導入するために、別個の注入口あるいは同じ注入口を用いることができる。バルブおよび／またはポンプを選択的に動作させて、外側区画に対して流入および流出する流体を制御することができる。いくつかの実施形態では、流体障壁１５０が概ね外側区画１４８を包囲し、障壁を通って流体が流出するのを防ぐことができる。電子回路（および特に電極）のような、検査サイト１４０の他の機構は、説明を簡単にするために省略しているが、上記のように構成することができる。
【００４５】
図８は、共有された流体区画１６２内に配置する細胞１１８のグループを電気的に解析するための検査サイトのセット１６０の一実施形態の平面図である。セット１６０は、外側区画１６２と連通する複数の開口部１０２を含むことができる。任意の適当な間隔を有する任意の適当な数の開口部を用いることができる。いくつかの実施形態では、開口部は、図に示すように、六角形の分布で配置することができ、中央の開口部の周囲に６個の開口部が配置されている状態が少なくとも１つ起こっている。別法では、開口部は、特に直線、線状、円形あるいは多角形の配置を有することができる。いくつかの実施形態では、開口部は、細胞１１８が開口部１０２に対して位置合わせするときに極めて近接するか、あるいは接触するように離隔して配置する。極めて近接する細胞は互いから、たとえば、細胞によって分泌される情報伝達作用因子によって搬送されるようなパラクリンシグナルを受け取る程度の間隔に配置する。
【００４６】
電極は、セット１６０の開口部１０２上に配置された膜を電気的に刺激し、モニタするのに相応しいように配置することができる。たとえば、個々の開口部／検査サイトは、別にされている外側および内側電極を有することができる。別法では、開口部は内側電極を、あるいは外側電極を、あるいは内側および外側電極を共有することができる。
【００４７】
図９は、バイオチップ素子９０に含めることができるアドレッシング可能な回路１７０の一実施形態の概略図を示す。本明細書において用いられるような、バイオチップ素子の「回路」は、導電性経路、あるいは電気信号を搬送するようにされた導電性経路からなる電気的に接続された回路網を意味することを意図している。回路１７０は、１つの検査サイト１００（あるいは複数の検査サイト）を制御装置３２に選択的に接続するように構成することができる。選択的に電気的に接続する場合、検査サイトにある１つの電極あるいは他の薄膜素子（複数可）を、他の検査サイトにある他の電極あるいは他の薄膜素子から独立してアドレッシングすることができる。この実施形態では、回路１７０は、選択的にアドレッシングされ得る外側電極１２２を含む。
【００４８】
数多くの検査サイトを、対応する多数のインタフェース素子および別個の回路を用いることなく独立してアドレッシングすることにより、検査サイトの密度を高め、そのようなサイトをより柔軟にアドレッシングできるようになる。そのような独立したアドレッシングを達成するために、バイオチップ素子において、スイッチング素子１７２のような電子スイッチング素子のアレイを用いることができる。いくつかの実施形態では、各検査サイトあるいは各薄膜素子は１つの対応するスイッチング素子を有することができる。例示的なスイッチング素子は固体であり、トランジスタ、ダイオードあるいは他の半導体素子を含むことができる。例示的な実施形態では、スイッチング素子１７２には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いることができる。制御装置３２からアドレスセレクタ回路１７４を介してＦＥＴに印加する電圧のようなゲート信号は、ＦＥＴのゲートを充電、すなわちＦＥＴのゲートに電気的にバイアスをかけることができ、それによって回路１７０を通ってＦＥＴのソースとドレインとの間に電流が流れ、テスト装置３２と外側電極１２２との間に信号接続を与えるようにすることができる。より一般的には、バイオチップ素子の入力にゲート信号を加えることにより、任意の適当なスイッチング素子および接続する薄膜素子を選択することができる。
【００４９】
制御装置３２は、各検査サイトを別々にアドレッシングすることができる。したがって、各サイトあるいはそのサイトにある薄膜素子は、制御装置３２とバイオチップ素子との間の所与の信号接続のための別個のアドレスを有することができる。したがって、制御装置とバイオチップ素子との間の１つの信号接続を用いて、独立してかつ順次に検査サイトにある薄膜素子への電気的接続を与えることができるか、あるいはサイトのある集合を１つのグループとして同時に接続することができる。いくつかの実施形態では、検査サイトは信号グループに分割することができる。各信号グループは１以上の別個の信号接続を有することができ、それにより検査サイトの集合（多数の信号グループに由来する）が同時に、電気的に信号伝達され、モニタするようにすることができる。その後、そのような複数の組の検査サイトを順番に解析することができる。
【００５０】
図１０は、バイオチップ素子９０の電気的インタフェース９６の概略図である。電気的インタフェース９６は、バイオチップ素子９０を１つの制御装置に電気的に接続するようにされた複数のインタフェース素子９８を含むことができる。いくつかの実施形態では、インタフェース素子はいくつかのタイプ、すなわちアドレス素子１８２と、信号素子１８４と、１以上のグランド素子とを有することができる。各タイプの素子は、アナログあるいはデジタル電気信号を（必要に応じて）伝達することができる。
【００５１】
アドレス素子１８２を用いて、信号素子に信号接続される、ある特定の検査サイトにある薄膜素子を選択することができる。選択する際に、薄膜素子は信号素子を通じて電源を供給するか、あるいは起動することができる。アドレス素子をインタフェース素子に直に接続することができる。別法では、バイオチップ素子は、チップの薄膜素子をアドレッシングする（選択的に電源を供給する）ために必要となるインタフェース素子の数を減らすために、アドレス選択回路（図９の符号１７４で示す）を備えることができる。制御装置によって、アドレス素子１８２の適当な組み合わせに対して電圧のような電気信号が選択的に加えられることができ、信号素子と検査サイトにある薄膜素子との間に電気的接続を形成できるようになる。したがって、バイオチップ素子のアドレスセレクタ回路は、比較的少ない数のアドレス素子を用いて、はるかに多くの薄膜素子をアドレッシングする（選択的に電源を供給する）ことができる。アドレスセレクタ回路は、当該技術分野において知られている電子スイッチング素子の回路網あるいは他の構成を含むことができる。例示的な実施形態では、４０個のアドレス素子を用いて、１０，０００個の検査サイトを選択的にアドレッシングすることができる。
【００５２】
信号素子１８４を用いて、制御装置と、電極あるいは他の薄膜素子との間で電気信号を送受信することができる。いくつかの実施形態では、信号素子は、細胞あるいは膜を電気的に刺激するための信号、および電気的な刺激に起因する電気的な応答を測定するための信号を伝送することができる。多数の信号素子が、同じおよび／または異なる検査サイトにある種々の薄膜素子に独立した電気信号を導くことができる。たとえば、各信号素子を用いて、たとえば異なる信号グループ内にある別個の検査サイトを同時に電気的に解析することができる。別法では、あるいはそれ加えて、２つ以上の信号素子を用いて、１つの検査サイトにある別個の薄膜素子を独立して制御することができる。
【００５３】
図１１は、バイオチップ素子９０内の複数の検査サイト１００に配置する異なる電極をアドレッシングするための回路１９０の概略図を示す。電極はまとめて、あるいは１つずつアドレッシングされ得る。回路１９０はアドレス素子１８２の集合（Ａ１〜Ａ５）を備えることができる。アドレス素子は、インタフェース素子あるいはコンタクトパッドに直に接続することができる。別法では、たとえば、Ａ１〜Ａ５として、アドレスセレクタ回路を用いてアドレス素子に接続する導電性アドレスリードを用いて、アドレスリードを制御するために必要となるアドレス素子の数を減らすことができる。アドレス素子Ａ１〜Ａ５からの電気信号は、バイアスをかけられるスイッチング素子１７２を選択することができ、信号素子１８４からの電気信号によって、どの外側電極１２２も電源を供給しないように、あるいは１つの外側電極のみが電源を供給するように、あるいは外側電極の選択された集合が電源を供給するようにすることができる。
【００５４】
図１２は、バイオチップ素子２１４の検査サイト２１２に配置する種々の電極をアドレッシングするための回路２１０の概略図である。検査サイト２１２は少なくとも２つの外側電極２１６、２１８を備えることができる。各外側電極は異なる信号素子１８４に接続され、電極がアドレスセレクタ回路１７４を通じて制御素子３２によって独立してアドレッシングされ得るようにしてもよい。さらに、各外側電極は、内側電極２２０と電極対を形成することができ、検査サイトの開口部から離隔して配置することができる。別法では、外側電極２１６、２１８は別個の相手電極とともに用いられることができ、かつ／または外側電極間に電界を形成するために用いられることができる。外側電極２１６、２１８を用いて、異なる機能あるいは類似の機能を、順次にあるいは同時に実行することができる。たとえば、これらの外側電極のうちの一方が位置合わせ電界をかけて、開口部と位置合わせする方向に細胞を動かすことができ、一方、他の電極は位置合わせ後に細胞を刺激し、その応答を検出するように動作することができる。いくつかの実施形態では、第１の外側電極２１６が細胞を開口部に向けて動かすことができ、第２の外側電極２１８が細胞を開口部上により正確に位置合わせすることができ、かつ／または電気的な測定を実行することができる。他の実施形態では、検査サイトは３つ以上の独立してアドレッシング可能な電極を備えることができる。
【００５５】
図１３は、バイオチップ素子の検査サイト２３４に配置する別個の薄膜素子をアドレッシングするための回路２３２を有するパッチクランプシステム２３０の概略図である。制御素子３２が、別個の信号素子１８４を用いて、超音波トランスデューサ２３６およびセンサ電極１２２を制御するための入力信号を与えることができる。超音波トランスデューサおよびセンサ電極は、必要に応じて、順次にあるいは同時に動作させることができる。超音波トランスデューサ２３６には、検査サイトの外側区画に隣接して配置する圧電素子を用いることができる。したがって、超音波トランスデューサに適当な電気信号を加えることにより、振動させることができる。超音波トランスデューサを用いて、たとえば、細胞／生体膜を成分に分けることができ、かつ／またはその移動を促進することができる。たとえば、超音波トランスデューサを、電極１２２と１２４との間に形成する電界とともに用いて、細胞を開口部に向けて動かすことができる。
【００５６】
より一般的には、各検査サイトは少なくとも１つの回路を備えることができる。その少なくとも１つの回路は、１つ、２つ、３つ、４つあるいはそれ以上の薄膜素子を含むことができる。薄膜素子は測定（センサ）電極、位置合わせ電極、超音波トランスデューサ、ヒータ、温度センサなどを含むことができる。各薄膜素子は１つの別個のスイッチング素子に接続され、その素子を独立してアドレッシングし得るものとできる。別法では、薄膜素子のうちの任意の２つ以上の素子が同じスイッチング素子に接続され、それらの素子を同時に動作させることができる。
【００５７】
図１４は、符号２５６で示すシリアルインタフェースを介してバイオチップ素子２５２が制御装置２５４に接続する、パッチクランプシステム２５０の一実施形態の概略図である。バイオチップ素子２５２の電子回路は、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）およびアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータのような、ＣＭＯＳを利用する電子部品および信号処理回路２５８を含むことができる。デジタルワードあるいはバイナリアドレス信号が制御装置２５４からバイオチップ素子２５２に渡すことができる。そのようなワードあるいは信号はバイオチップ素子によってアナログ信号に変換されて、ＦＥＴアレイ２６０のような電子スイッチング素子のアレイに送出することができ、ＦＥＴアレイから受信されたアナログ信号はデジタルワードに変換されて、さらに処理するために制御装置２５４に送出することができる。したがって、バイナリアドレス信号を用いて、信号処理回路を通じて、ＦＥＴアレイ２６０内のＦＥＴのようなスイッチング素子を選択することができる。信号処理回路によって選択されたＦＥＴは、薄膜素子２６２のアレイ内の所望の検査サイトにある薄膜素子のためのアドレッシングを行うことができる。したがって、バイナリアドレス信号は、電源を供給するための個々の薄膜素子あるいはそのような素子の組を選択することができる。
【００５８】
チップインタフェース２６４は、制御装置２５４とバイオチップ素子２５２との間で通信するための、特にデジタルＩ／Ｏ線、クロック線、１以上の電源線、およびグランド線を含むことができる。このインタフェースは、上記のアナログインタフェースに対して簡単にすることができる。さらに、制御装置からのシリアルＩ／Ｏを用いて、バイオチップ素子において同時に動作を実行することができる。したがって、薄膜素子に電源を供給するシーケンス、および検査サイトが同時に解析さえる範囲についての制約を弱くすることができる。
【００５９】
図１５は、各検査サイトにおいて測定された電気的特性に基づいてさらに動作および／または試験を実行するために検査サイトを選択するための方法２８０の一実施形態の流れ図である。方法２８０は、たとえば、サイトの開口部に適当に配置された（あるいは適当に配置されない）細胞あるいは膜を有する検査サイトを選択的に操作するために用いることができる。適当に配置された細胞あるいは膜は開口部をふさぎ、それゆえ、ふさがれない開口部と比べて、開口部において電流の流れをより実効的に妨げることができる。したがって、外側電極と内側電極との間の電流の流れあるいは別の適当な電気的特性を閾値と比較することができる。この比較により、ある検査サイトにおいてさらに動作を実行すべきか否か、および／またはどの付加的な動作を実行すべきかを判定することができる。
【００６０】
方法２８０は少なくとも３つの部分を含むことができる。符号２８２で示す１つの部分においては、検査サイトの開口部に細胞あるいは膜を配置するために一連の動作を行うことができる。符号２８４で示す次の部分では、各検査サイトの電気的特性を測定するために一連の動作を実行することができる。これらの動作は、測定された電気的特性に基づいてさらに操作するための検査サイトを特定することができる。符号２８６で示すさらに進んだ部分では、先行する部分２８４において特定された検査サイトにおいて、付加的な動作を行うことができる。
【００６１】
細胞あるいは膜は、任意の適当な手順によって開口部に配置することができる。符号２８８に示すように、細胞は検査サイトに分注することができる。一般的に、細胞は、各検査サイトにある収容あるいは外側区画に分注される。そのような分注は、たとえば、ピペットのような流体給送装置を用いて、あるいは他の流体技術によって、培養液あるいは緩衝液などの流体内で行うことができる。符号２９０に示すように、各検査サイトに負圧を加えることができる。負圧は、各検査サイトにある開口部の収容区画とは反対側にある内側区画に加えられ、各サイトの開口部において負圧を生成することができる。いくつかの実施形態では、負圧を１つの部分に加えて、数多くのあるいは全ての開口部に影響を及ぼすことができるように、内側区画は連通させられる。
【００６２】
負圧を加える前、あるいは加えている間、および／または加えた後に、符号２９２において示すように、検査サイトの位置合わせ電極がアドレッシングあるいは選択され、符号２９４において示すように、電源を供給することができる。位置合わせ電極の選択は、たとえば、任意の適当なアドレスセレクタ回路に電気信号を加えることにより行うことができる。そのような電気信号は、バイオチップ電気的インタフェースの信号素子から、検査サイトの位置合わせ電極までの導電性経路を形成することができる。各検査サイトは１つの位置合わせ電極と１つの相手電極とを含むことができ、それらは各開口部の少なくとも一部の傍らに位置することができる。位置合わせ電極は、収容区画内にある細胞を開口部に向けて動かすように構成することができる。いくつかの実施形態では、全ての検査サイトの位置合わせ電極を同時に選択することができる。位置合わせ電極に電源を供給することは、接続される信号素子にある電位を、たとえば、制御装置が供給する電位を印加することを含むことができる。そのような電源の供給は、位置合わせ電極とその相手電極との間に位置合わせ電界を生成することができ、それにより、細胞を電気的に極性化し、その細胞を開口部に向けて動かすことができる。位置合わせ電極を選択し、電源を供給する前に、最中におよび／または後に、超音波素子が選択され、電源を供給することもできる。
【００６３】
次に、部分２８４を用いて、各検査サイトの電気的特性を測定することができる。符号２９６に示すように、テストされていないサイトの対応する集合に配置する電気センサの集合を選択することができる。選択は、上記のように、アドレスセレクタ回路に電源を供給し、適当な電気センサ（あるいはセンサ電極）への導電性経路を形成することを含むことができる。いくつかの実施形態では、電気センサは異なる信号グループに含めることができ、電気的インタフェースにある信号素子を有効に利用できるようにする。次に、符号２９８に示すように、電圧のような電気的な励起信号がその組の各センサに加えられることができ、各センサからの応答を測定することができる。この過程は、検査サイトにある各開口部が細胞あるいは膜によって如何に有効にふさがれているかをテストすることができる。各組のサイトがテストされた後に、符号３００に示するように、全てのサイトがテストされたか否かに関する判定を行うことができる。テストされていない場合には、全てのサイトをテストするまで、方法の部分２８４は別のテストされていないサイト、たとえば、各信号グループからの異なる検査サイトにおいて繰り返すことができる。方法の部分２８４は、たとえば、その開口部にある細胞あるいは膜で適当に設定された検査サイトを特定するために用いることができる。そのようなサイトは、各電気センサからの測定による応答に基づいて区別され得る。たとえば、そのようなサイトは、適当に設定されないサイトよりも、電流の流れに対して著しく大きな抵抗を示すはずである。
【００６４】
方法の部分２８６は、適当に設定されたサイト上で実行することができる。この部分は、符号３０２に示すように、適当に（あるいは不適当に）設定されたサイト上で１以上の付加的な動作を選択的に実行することができる。そのような付加的な動作は、さらに別の電気的テストのみを含むことができるか、あるいはテスト作用因子に暴露した後の電気的テストを含むことができる。たとえば、化学的あるいは生物学的テスト作用因子が、適当に設定された検査サイトに選択的に分注され得る。そのような選択的な分注は、テスト作用因子に関するデータを与えることのない不適当に設定されたサイトにおいて、限られたあるいは有益なテスト作用因子が無駄にされるのを避けることができる。別法では、あるいはそれに加えて、適当に設定された検査サイトが物理的なテスト作用因子に暴露され得る。いくつかの実施形態では、適当に設定されたサイトは、任意のテスト作用因子を追加することなく、さらに解析され得る。いずれの場合でも、その後、適当に設定されたサイトの電気的特性を測定することができる。符号３０４に示すように、適当に設定されたサイトにあるセンサのグループが選択され得る。次に、符号３０６に示すように、そのグループの各センサに励起信号が加えられ、各センサからの応答を測定することができる。その後、符号３０８に示すように、テスト作用因子を加えた後に、全ての適当に設定されたサイトがテストし直されているか否かに関する判定を行うことができる。テストし直されていない場合には、全ての適当に設定されたサイトがテストし直されるまで、他の適当に設定されたサイトに対して、ステップ３０４および３０６を繰り返すことができる。いくつかの実施形態では、応答を検出するために、各信号グループからのセンサが選択され、それを用いて、検査サイトを解析する速度および効率を改善することができる。さらに、いくつかの実施形態では、適当に設定されたサイトは、たとえば、いくつかの動作のそれぞれがそのサイトにおいて実行された後に、何度もテストし直すことができる。
【００６５】
別の実施形態では、不適当に設定されたサイトにおいて、さらに別の動作を選択的に実行することができる。例示的なさらに別の動作は、特に、超音波トランスデューサによる攪拌、対応する位置合わせ電極への電源の再供給、さらに多くの細胞の追加、検査サイトへの流体の導入、および／または開口部における付加的な穿孔処理を含むことができる。そのような付加的な動作の後に、ステップ３０４および３０６が実行され、その付加的な動作がそのサイトにおいて測定された電気的特性を変更したか否かを判定することができる。
【００６６】
これまで述べられた開示は多数の異なる実施形態を含むものと考えられる。これらの実施形態はそれぞれ具体的な形態で開示されてきたが、本明細書に開示され、かつ例示されるようなその具体的な実施形態は、限定する意味に解釈されるべきではなく、種々の変形形態が実現可能である。それゆえ、本開示の対象は、本明細書に開示される種々の素子、機構、機能および／または特性の全ての新規で、かつ自明ではない組み合わせおよびその一部を構成する組み合わせを含む。同様に、請求項が「１つの」あるいは「第１の」素子あるいはそれと同等なものを列挙する場合、そのような請求項は、１以上のそのような素子を組み込むことを含み、２つ以上のそのような素子を要求も排除もしないものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】テストシステムのバイオチップ素子によって規定される検査サイトのアレイにおいて、細胞を電気的に解析するためのテストシステムの一実施形態の概略図である。
【図２】図１のシステムを用いて細胞を電気的に解析するための方法の一実施形態を示す流れ図である。
【図３】図１のシステムに含めることができるバイオチップ素子の一実施形態の平面図である。
【図４】図３の符号「４」で示される、図３のバイオチップ素子の検査グループの拡大図である。
【図５】図４の符号「５」で示される、図４の検査グループからの個々の検査サイトの拡大図である。
【図６】概ね図５の線６−６に沿って見た、電気的に解析するために配置された細胞およびその膜を含む図５の検査サイトの断面図である。
【図７】細胞を電気的に解析するためのバイオチップ素子に含めることができる検査サイトの別の実施形態の断面図である。
【図８】共有される流体区画内に配置される細胞のグループを電気的に解析するための検査サイトの集合の一実施形態の平面図である。
【図９】バイオチップの検査サイトを制御装置に電気的に接続する回路の一実施形態の概略図である。
【図１０】バイオチップ素子、およびその素子の検査サイトをアドレッシングするための電気的インタフェースの一実施形態の概略図である。
【図１１】図１のシステムに含める検査サイトを選択的にアドレッシングするための回路の概略図である。
【図１２】細胞を電気的に解析するためのバイオチップ素子に含める検査サイトに配置される種々の電極をアドレッシングするための回路の概略図である。
【図１３】細胞を電気的に解析するためにされた検査サイトに配置される別個の薄膜素子をアドレッシングするための回路を有するテストシステムの概略図である。
【図１４】バイオチップ素子がデジタルシグナリングによって制御装置に接続される、細胞を電気的に解析するためのテストシステムの一実施形態の概略図である。
【図１５】検査サイトから測定される電気信号に基づいてさらに操作するために検査サイトを選択するための方法の一実施形態の流れ図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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