(57)【要約】  本発明は、生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する装置のための装置および方法であって、生体被験体が中を通過するチャンバと、チャンバ内の少なくとも１つの検出変換器とを備え、生体被験体の化学組成、細胞分類、および分子分類のうちの少なくとも２種類の情報を検出して分析用に収集し、疾患が生体被験体にありそうかどうか、または疾患の進行を明らかにする、装置および方法に関する。【選択図】図１（ａ）
2020510402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する装置であって、前記生体被験体が中を通過するチャンバと、前記チャンバ内に一部または全体が配置された少なくとも１つの検出変換器とを備え、化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された生体被験体に関する少なくとも２種類の情報が、前記検出変換器によって検出され、分析用に収集されて、前記生体被験体に前記疾患がありそうかどうかを明らかにする、または前記疾患の状態を明らかにし、それによって前記疾患の進行を継続的に明らかにしたり監視したりする能力を提供する、装置。
【請求項２】
前記検出変換器は、化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも１つを検出し、前記検出した情報を分析用に収集して、前記生体被験体に前記疾患がありそうかどうかを明らかにする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記化学組成としてタンパク質が挙げられる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記タンパク質として、糖系タンパク質、胚性タンパク質、タンパク質系抗原、または炭水化物抗原が挙げられる、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
前記分子分類として、ＤＮＡ、ＲＮＡ、またはバイオマーカが挙げられる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記細胞分類として、循環腫瘍細胞、細胞表面特性、細胞シグナリング特性、または細胞幾何学特性が挙げられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記化学組成、細胞分類、または分子分類として、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、バイオ物理特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気特性、バイオ物理化学特性、バイオ電気物理特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、生化学機械特性、バイオ電気物理化学特性、バイオ電気物理機械特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、および機械特性からなる群から選択された微視的レベルでの生体被験体の特性が挙げられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
熱特性は、温度または振動周波数であり、光学特性は、光吸収、光透過、光反射、光電気特性、輝度、または蛍光放出であり、放射特性は、放射線放出、放射性物質によって引き起こされる信号、または放射性物質によってプロービングされた情報であり、化学特性は、ｐＨ値、化学反応、生化学反応、バイオ電気化学反応、反応速度、反応エネルギー、反応の速度、酸素濃度、酸素消費量率、イオン強度、触媒挙動、強化した信号応答を引き起こす化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生物学的添加物、検出感度を高める化学物質、検出感度を高める生化学物質、検出感度を高める生物学的添加物、または結合強度であり、物理特性は、密度、形状、体積、または表面積であり、電気特性は、表面電荷、表面電位、静止電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電子特性、細胞表面電子特性、電子特性の動的変化、細胞電子特性の動的変化、細胞表面電子特性の動的変化、表面電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性、膜表面の電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性の動的変化、電気双極子、電気四重極、電気信号の振動、電流、静電容量、３次元の電気または電荷雲分布、ＤＮＡおよび染色体のテロメアの電気特性、静電容量、またはインピーダンスであり、生物学的特性は、表面形状、表面積、表面電荷、表面生物学的特性、表面化学特性、ｐＨ、電解質、イオン強度、抵抗率、細胞濃度、または溶液の生物学的特性、電気特性、物理特性または化学特性であり、音響特性は、周波数、音波の速度、音響周波数および強度スペクトル分布、音響強度、音響吸収、または音響共鳴であり、機械特性は、内圧、硬度、流量、粘性、流体機械特性、剪断強度、伸び強度、破壊応力、付着、機械的共振周波数、弾性、可塑性、または圧縮性である、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記疾患は、癌、炎症性疾患、糖尿病、肺疾患、心疾患、肝疾患、胃疾患、胆道疾患、または心臓血管疾患である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記癌として、乳癌、肺癌、食道癌、腸癌、血液関連の癌、肝臓癌、胃癌、子宮頸癌、卵巣癌、直腸癌、結腸癌、鼻咽頭癌、心臓癌、子宮癌、卵巣性精神病、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、または循環腫瘍細胞が挙げられ、前記炎症性疾患として、尋常性ざ瘡、喘息、自己免疫疾患、自己炎症性疾患、セリアック病、慢性前立腺炎、憩室炎、糸球体腎炎、化膿性汗腺炎、過敏症、炎症性腸疾患、間質性膀胱炎、耳炎、骨盤内炎症性疾患、再灌流障害、リウマチ熱、関節リウマチ、サルコイドーシス、移植拒否反応、または脈管炎が挙げられ、前記肺疾患として、喘息、慢性閉塞性肺疾患、慢性気管支炎、肺気腫、急性気管支炎、嚢胞性線維症、肺炎、結核、肺浮腫、急性呼吸窮迫症候群、じん肺症、間質性肺疾患、肺塞栓、または肺高血圧が挙げられ、前記糖尿病として、１型糖尿病、２型糖尿病、または妊娠糖尿病が挙げられ、前記心疾患として、冠動脈疾患、心臓肥大（心拡大）、心臓発作、不規則な心調律、心房細動、心調律異常、心臓弁疾患、突然心臓死、先天性心疾患、心筋疾患（心筋症）、拡張型心筋症、肥大型心筋症、拘束型心筋症、心膜炎、心膜滲出液、マルファン症候群、または心雑音が挙げられ、前記肝疾患として、肝蛭症、肝炎、アルコール性肝疾患、脂肪肝疾患（脂肪肝）、遺伝病、ジルベール症候群、肝硬変、原発性胆汁性肝硬変、原発性硬化性胆管炎、またはバッドキアリ症候群が挙げられ、前記胃疾患として、胃炎、胃ポリープ、胃潰瘍、胃の良性腫瘍、急性胃粘膜病変、前庭胃炎、または胃間質腫瘍が挙げられ、前記胆道疾患として、胆管結石、胆嚢結石症、胆嚢炎、胆管拡張、胆管炎、または胆嚢ポリープが挙げられ、前記心臓血管疾患として、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、腎動脈狭窄症、大動脈瘤、心筋症、高血圧心疾患、心不全、肺心疾患、不整脈、心内膜炎、炎症性心拡大、心筋炎、弁膜性心疾患、先天性心疾患、リウマチ性心疾患、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、または腎動脈狭窄症が挙げられる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
一部が前記チャンバの中にあるように配置された、微視的レベルで前記生体被験体の特性を検出できるセンサをさらに備えている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
少なくとも１つのセンサに接続され、前記センサから記録デバイスにデータを伝送する読み出し回路をさらに備えている、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記読み出し回路と前記センサとの間の前記接続は、デジタル、アナログ、光学、熱、圧電、ピエゾフォトロニック、圧電フォトロニック、光電気、電気熱、光熱、電気、電磁気、電気機械、または機械によるものである、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記センサは、前記チャンバの内面に配置される、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
各センサは、独立した熱センサ、光学センサ、音響センサ、生物学的センサ、化学センサ、電気機械センサ、電気化学センサ、電気光学センサ、電気熱センサ、電気化学機械センサ、生化学センサ、生体力学センサ、バイオ光学センサ、電気光学センサ、バイオ電気光学センサ、バイオ熱光学センサ、電気化学光学センサ、バイオ熱センサ、バイオ物理センサ、バイオ電気機械センサ、バイオ電気化学センサ、バイオ電気光学センサ、バイオ電気熱センサ、生体力学光学センサ、生体力学熱センサ、バイオ熱光学センサ、バイオ電気化学光学センサ、バイオ電気機械光学センサ、バイオ電気熱光学センサ、バイオ電気化学機械センサ、物理センサ、機械センサ、圧電センサ、圧電フォトロニックセンサ、ピエゾフォトロニックセンサ、圧電光学センサ、バイオ電気センサ、バイオマーカセンサ、電気センサ、磁気センサ、電磁センサ、イメージセンサ、または放射線センサである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記熱センサとして、抵抗温度マイクロセンサ、マイクロ熱電対、サーモダイオードおよびサーモトランジスタ、ならびに表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサが挙げられる。イメージセンサには、電荷結合素子（ＣＣＤ）またはＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）が挙げられる。放射線センサとして、光伝導デバイス、光起電デバイス、焦電デバイス、またはマイクロアンテナが挙げられ、前記機械センサとして、圧力マイクロセンサ、マイクロ加速度計、流量計、粘性測定器具、マイクロジャイロメータ、またはマイクロフローセンサが挙げられる。磁気センサとして、磁気ガルバニックマイクロセンサ、磁気抵抗センサ、磁気ダイオードまたは磁気トランジスタが挙げられる。生化学センサとして、導電率測定デバイス、バイオマーカ、プローブ構造体に装着されたバイオマーカ、または電位差測定デバイスが挙げられる、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つのセンサは、プロービングセンサであり、前記生体被験体にプロービング信号または攪乱信号を印加する、請求項１３に記載の装置。
【請求項１８】
前記プロービングセンサとは異なる少なくとももう１つのセンサは、検出センサであり、前記生体被験体からの応答を検出し、前記応答に応じて前記プロービング信号または攪乱信号が印加される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記チャンバの長さは、１ミクロン〜５０，０００ミクロン、１ミクロン〜１５，０００ミクロン、１ミクロン〜１０，０００ミクロン、１．５ミクロン〜５，０００ミクロン、または３ミクロン〜１，０００ミクロンである、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記チャンバの幅または高さは、０．１ミクロン〜１００ミクロン、０．１ミクロン〜２５ミクロン、１ミクロン〜１５ミクロン、または１．２ミクロン〜１０ミクロンである、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
少なくとも４つのセンサを備え、前記センサは、前記チャンバの１辺、相対する２辺、または内面の４辺に位置している、請求項１３に記載の装置。
【請求項２２】
前記マイクロシリンダ内の前記２つのセンサは、０．１ミクロン〜５００ミクロン、０．１ミクロン〜５０ミクロン、１ミクロン〜１００ミクロン、２．５ミクロン〜１００ミクロン、または５ミクロン〜２５０ミクロンの距離を置いて離れている、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記パネルのうちの少なくとも１つは、少なくとも２つのアレイに配置された少なくとも２つのセンサを備え、前記２つのアレイは、それぞれがシリンダ内の少なくとも１つのマイクロセンサで隔てられている、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記パネルにある前記センサの少なくとも１つのアレイは、２つ以上のセンサを備えている、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記選別ユニットまたは前記検出ユニットは、特定用途集積回路チップをさらに備え、前記チップは、前記パネルのうちの１つまたはマイクロシリンダに内部で結合されるかその中に組み込まれる、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記選別ユニットまたは前記検出ユニットは、メモリユニット、論理処理ユニット、光学デバイス、撮像デバイス、カメラ、ビューイングステーション、音響検出器、圧電検出器、ピエゾフォトロニック検出器、圧電フォトロニック検出器、電気光学検出器、電気熱検出器、バイオ電気検出器、バイオマーカ検出器、生化学検出器、化学センサ、熱検出器、イオン放出検出器、光検出器、Ｘ線検出器、放射線材料検出器、電気検出器、または熱記録器をさらに備え、この各々が前記パネルまたはマイクロシリンダの中に組み込まれる、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記生体被験体は、哺乳類の血液試料、尿試料、または汗試料である、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
１つの信号は、前記疾患の位置に関する情報、または前記生体被験体の元のどこに前記疾患があるかに関する情報を含んでいる、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２９】
１つの信号は、前記疾患の発現または種類に関する情報を含んでいる、請求項１〜２７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３０】
前記装置は、少なくとも２つの異なる疾患の存在を同時に検出する、または前記疾患の状態または進行を明らかにすることが可能である、請求項１〜２９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項３１】
生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、前記生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも２種類の情報を検出し、前記収集した情報を分析して、前記生体被験体に前記疾患がありそうかどうか、または前記生体被験体の疾患の状態の進行を明らかにすることを含む、方法。
【請求項３２】
前記検出は、請求項１〜３１のいずれか一項に記載の装置を用いて実行される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、前記生体被験体内の少なくとも２種類の情報を検査し、前記少なくとも２種類の情報のうちの１つが、前記疾患の存在または状態の進行を示し、前記もう一種類の情報が疾前記患の位置を示す、方法。
【請求項３４】
前記２つのレベルの情報は、それぞれがタンパク質レベルの情報、分子レベルの情報、細胞レベルの情報、遺伝子レベルの情報、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、タンパク質レベル、細胞レベル、分子レベル、または遺伝子レベルの特性に相関する少なくとも１つのパラメータを測定することを含む、方法。
【請求項３６】
前記特性は、生体被験体の熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、バイオ物理特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気特性、バイオ物理化学特性、バイオ電気物理特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、生化学機械特性、バイオ電気物理化学特性、バイオ電気物理機械特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、または機械特性である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
熱特性は、温度または振動周波数であり、光学特性は、光吸収、光透過、光反射、光電気特性、輝度、または蛍光放出であり、放射特性は、放射線放出、放射性物質によって引き起こされる信号、または放射性物質によってプロービングされた情報であり、化学特性は、ｐＨ値、化学反応、生化学反応、バイオ電気化学反応、反応速度、反応エネルギー、反応の速度、酸素濃度、酸素消費量率、イオン強度、触媒挙動、強化した信号応答を引き起こす化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生物学的添加物、検出感度を高める化学物質、検出感度を高める生化学物質、検出感度を高める生物学的添加物、または結合強度であり、物理特性は、密度、形状、体積、または表面積であり、電気特性は、表面電荷、表面電位、静止電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電子特性、細胞表面電子特性、電子特性の動的変化、細胞電子特性の動的変化、細胞表面電子特性の動的変化、表面電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性、膜表面の電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性の動的変化、電気双極子、電気四重極、電気信号の振動、電流、静電容量、３次元の電気または電荷雲分布、ＤＮＡおよび染色体のテロメアの電気特性、静電容量、またはインピーダンスであり、生物学的特性は、表面形状、表面積、表面電荷、表面生物学的特性、表面化学特性、ｐＨ、電解質、イオン強度、抵抗率、細胞濃度、または溶液の生物学的特性、電気特性、物理特性または化学特性であり、音響特性は、周波数、音波の速度、音響周波数および強度スペクトル分布、音響強度、音響吸収、または音響共鳴であり、機械特性は、内圧、硬度、流量、粘性、流体機械特性、剪断強度、伸び強度、破壊応力、付着、機械的共振周波数、弾性、可塑性、または圧縮性である、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記パラメータは、化学組成、細胞分類、分子分類、遺伝子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群からそれぞれが独立して選択される少なくとも２つのレベルの情報に同時に相関し得る、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記パラメータは、化学組成、細胞分類、分子分類、遺伝子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群からそれぞれが独立して選択される少なくとも２つのレベルの情報の関数である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記少なくとも２つのレベルの情報は、互いに相互作用して前記生体被験体の前記測定パラメータを増幅する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記測定パラメータは、タンパク質レベル、細胞レベル、分子レベル、または遺伝子レベルの特性を含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記検出は、請求項１〜３０のいずれか一項に記載の装置を用いて実行される、請求項３５〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する方法であって、少なくとも２つの異なるレベルの情報に対して前記生体被験体の少なくとも２つのパラメータを検査することと、前記少なくとも２つの異なるレベルの情報を処理して、前記少なくとも２つのレベルの情報の信号強度の合計よりも強い信号強度を有する新たなパラメータを生み出すこととを含む、方法。
【請求項４４】
前記少なくとも２つのレベルのパラメータは、前記生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された情報を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
１つの検査パラメータは、２つの生物学的レベルの情報を含み、その信号強度は、前記２つの生物学的レベルのいずれかをそれぞれが含んでいる前記検査パラメータの前記２つの信号強度の合計よりも強い、請求項４３に記載の方法。
【請求項４６】
１つの信号は、前記疾患の位置または前記疾患が前記生体被験体内のどこにあるかに関する情報を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４７】
１つの信号は、前記疾患の存在または種類に関する方法を含む、請求項４３に記載の方法。
【請求項４８】
生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する方法であって、少なくとも２つのレベルの信号を含む検査後の１つのパラメータを含み、前記検査後のパラメータの信号強度は、前記少なくとも２つのレベルの信号の強度の合計よりも強い、方法。
【請求項４９】
前記少なくとも２つのレベルの信号は、前記生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された情報を含む、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年３月１０日に出願された特許文献１、２０１８年２月７日に出願された特許文献２、および２０１８年２月２７日に出願された特許文献３の優先権を主張するものであり、これらの内容を全体的に参照して援用する。
【背景技術】
【０００２】
多くの疾患は、単一の手法または方法で検出することが困難である。特に、罹患率および死亡率が高い癌および心疾患などの多くの重篤な疾患は、１つの検出器具を用いて初期段階に高い感度、特異性および効率で診断することは困難である。現在の疾患診断装置は通常、体温、血圧、または体のスキャン画像などの肉眼で見える一種類のデータおよび情報を検出し、それに依存している。例えば、癌などの重篤な疾患を検出するために今日一般に使用されている診断装置はいずれも、１つの撮像技術、例えばＸ線、ＣＴスキャン、または核磁気共鳴（ＮＭＲ）などに基づくものである。これらの診断装置は併用して使用されるが、疾患診断に様々な度合いの有用性がみられる。しかしながら、これらの装置はどれも単独では癌などの重篤な疾患を初期段階で正確に、決定的に、効果的に、かつ費用効果の高い方法で診断を実現することはできない。さらに、Ｘ線、ＣＴスキャン、または核磁気共鳴（ＮＭＲ）などの既存の診断装置の多くは、大型サイズで設置面積が大きく侵襲的なものである。
【０００３】
ＤＮＡ検査に利用される技術のように新たに出現した技術でさえ、通常は単一の診断技術に依存しており、重篤な疾患に対して包括的で信頼性が高く、正確かつ決定的で費用効果の高い検出を実現することはできない。近年、ナノテクノロジーを様々な生物学的用途に利用するいくつかの努力がなされているが、その研究のほとんどが一種類の遺伝子マッピングに集中しており、疾患検出分野の開発は緩やかである。例えば、Ｐａｎｔｅｌらは、血液中および骨髄中の癌細胞をｉｎ  ｖｉｔｒｏで検出するマイクロ電子機械システム（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ；ＭＥＭＳ）センサの使用を考察した（例えば非特許文献１を参照）；Ｋｕｂｅｎａらは、特許文献４に、生物学的薬剤を検出するＭＥＭＳの利用を開示している；そしてＷｅｉｓｓｍａｎらは、生物学的物質の付着を検出するＭＥＭＳセンサを使用する特許文献５を開示している。
【０００４】
要約すると、現在のところ、上記の技術のほとんどは、比較的単純な構造で寸法が大きいもののしばしば機能が限られ、感度および特異性に欠けているシステムを使用し、感知用の孤立した診断技術に限られている。さらに、既存の技術では、複数の装置を用いて複数回検出することが必要である。これではコストが増し、高度な感度および特異性に影響を及ぼす。
【０００５】
これらの欠点により、複数の多様な技術を用いることで信頼性が高く柔軟性のある診断装置を提供し、精度、感度、特異性、効率、非侵襲性、実用性を改善し、低コストで初期段階での疾患検出を決定的かつ迅速に行う新規の解決策が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国出願第６２／４７０，１８１号
【特許文献２】米国出願第６２／６２７，４８１号
【特許文献３】米国出願第６２／６３５，８６６号
【特許文献４】米国特許第６，９２２，１１８号
【特許文献５】米国特許第６，３３０，８８５号
【特許文献６】米国特許第３，９１５，０１６号
【特許文献７】国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／０４２６３７号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｋｌａｕｓ  Ｐａｎｔｅｌ  ｅｔ  ａｌ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，２００８，８，３２９
【非特許文献２】Ｔ．Ｊ．Ｃｏｘ  ｅｔ  ａｌ，Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ  ａｎｄ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒｓ，２００４，Ｓｐｏｎ  Ｐｒｅｓｓ
【非特許文献３】Ｊａｅｇｅｒ，Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｔｏ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，２ｎｄ  Ｅｄ．，Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ，２００２
【非特許文献４】Ｒａｌｐｈ  Ｅ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｍｏｄｅｍ  ＧａＡｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，２ｎｄ  Ｅｄ．，Ａｒｔｅｃｈ  Ｈｏｕｓｅ，１９９０
【非特許文献５】Ｒｏｂｅｒｔ  Ｆ．Ｐｉｅｒｒｅｔ，Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，２ｎｄ  Ｅｄ．，Ｐｒｅｎｔｉｃｅ  Ｈａｌｌ，２００２
【非特許文献６】Ｓ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ，Ｔｈｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，２ｎｄ  Ｅｄ．，Ｏｘｆｏｒｄ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，２００１
【非特許文献７】Ｃａｒｂｏｎ  Ｎａｎｏｔｕｂｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｂｙ  Ｐ．Ｊ．Ｆ．Ｈａｒｒｉｓ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，２００９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、全般的に、疾患を検出する新規の技術に関し、この技術では、生物学的情報の多くの異なる分類を装置およびプロセスに収集して分析する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
従来の技術では、通常１つのレベルの生物学的情報のみが収集されるが（１次元）、この新規の技術では、少なくとも２つのレベル（分類）の情報を収集できる（７次元、または７因子相互作用）。通常１つのパラメータまたは１つのレベル（例えば、タンパク質レベルでのバイオマーカ）に焦点を当てる従来の技術と比較すると、この新規の技術で収集される信号および情報は、多くの形態で収集して非線形的に増幅できる。収集でき分析できる別の２因子相互作用および３因子相互作用があるが、これは他の技術には欠けている可能性がある。なぜなら、その他の技術では通常一種類の生物学的情報のみを測定するからである。
【００１０】
この新規の技術は、感度および特異性、癌を早期に検出する能力、１０種類を超える癌を検出する能力、費用対効果が向上し、副作用がない状態での癌のスクリーニング、診断の補助、予後の補助、および追跡検査に使用できる。
【００１１】
新規の技術は、従来の技術では達成できない以下のいくつかの利点を提供するものである。（１）他のｉｎ  ｖｉｔｒｏ検査では検出できない数種類の癌（例えば食道癌、脳癌）をはじめ、あらゆる癌発生の８０％超を含む１０を超える種類の癌を一回の検査で検出する能力。（２）早期段階で癌を検出できる。（３）感度および特異性が高い（１０を超える種類の癌に対して７５％〜９０％）。（４）副作用がない。（５）ヒトが介入しない高速で完全自動の操作。（６）癌群と炎症などの癌以外の疾患群との統計的差異−有意に低い偽陽性（高特異性）。（７）プロセスが容易で、空腹時の血液検査と非空腹時の血液検査との差がない。（８）費用対効果が極めて高い。
【００１２】
したがって、本発明の１つの態様は、生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する装置を提供する。生体被験体は、哺乳類の血液試料、尿試料、または汗試料であってよい。装置は、生体被験体が中を通過するチャンバと、チャンバ内に一部または全体が配置された少なくとも１つの検出変換器とを備え、化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された生体被験体に関する少なくとも２種類の情報が、検出変換器によって検出され、分析用に収集されて、生体被験体に疾患がありそうかどうかを明らかにする、または疾患の状態を明らかにし、それによって疾患の進行を継続的に明らかにしたり監視したりする能力を提供する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、検出変換器は、化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも１つを検出し、検出した情報を分析用に収集して、生体被験体に疾患がありそうかどうかを明らかにする。
【００１４】
化学組成の一例として、タンパク質がある（糖系タンパク質、胚性タンパク質、タンパク質系抗原、および炭水化物抗原など）。分子分類の例として、ＤＮＡ、ＲＮＡ、またはバイオマーカがある。
【００１５】
本明細書に使用したように、「バイオマーカ」という用語は、何らかの病状の重症度または存在を測定できる指標を指すが、さらに一般的は、バイオマーカは、生物体の特定の病状または何らかの他の生理状態の指標として使用できるものである。バイオマーカは、健康状態の臓器機能またはその側面を検査する手段として生物体の中に導入される物質であってよい。例えば、塩化ルビジウムは、心筋の灌流を評価するための同位体標識に使用される。また、バイオマーカは、検出されることで特定の病状を示す物質であってもよく、例えば、抗体の存在は感染を示す可能性がある。さらに具体的には、バイオマーカは、疾患の危険性または進行、または所与の治療に対する疾患の感受性と相関するタンパク質の発現または状態の変化を示す。バイオマーカは、特定の細胞、分子、または遺伝子、遺伝子産物、酵素、またはホルモンであってよい。
【００１６】
細胞分類の例として、循環腫瘍細胞、細胞表面特性、細胞シグナリング特性、および細胞幾何学特性がある。
【００１７】
いくつかの実施形態では、化学組成、細胞分類、または分子分類として、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、バイオ物理特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気特性、バイオ物理化学特性、バイオ電気物理特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、生化学機械特性、バイオ電気物理化学特性、バイオ電気物理機械特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、および機械特性からなる群から選択された微視的レベルでの生体被験体の特性がある。熱特性は、温度または振動周波数であってよい。光学特性は、光吸収、光透過、光反射、光電気特性、輝度、または蛍光放出である。放射特性は、放射線放出、放射性物質によって引き起こされる信号、または放射性物質によってプロービングされた情報である。化学特性は、ｐＨ値、化学反応、生化学反応、バイオ電気化学反応、反応速度、反応エネルギー、反応の速度、酸素濃度、酸素消費量率、イオン強度、触媒挙動、強化した信号応答を引き起こす化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生物学的添加物、検出感度を高める化学物質、検出感度を高める生化学物質、検出感度を高める生物学的添加物、または結合強度である。物理特性は、密度、形状、体積、または表面積である。電気特性は、表面電荷、表面電位、静止電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電子特性、細胞表面電子特性、電子特性の動的変化、細胞電子特性の動的変化、細胞表面電子特性の動的変化、表面電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性、膜表面の電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性の動的変化、電気双極子、電気四重極、電気信号の振動、電流、静電容量、３次元の電気または電荷雲分布、ＤＮＡおよび染色体のテロメアの電気特性、静電容量、またはインピーダンスである。生物学的特性は、表面形状、表面積、表面電荷、表面生物学的特性、表面化学特性、ｐＨ、電解質、イオン強度、抵抗率、細胞濃度、または溶液の生物学的特性、電気特性、物理特性または化学特性である。音響特性は、周波数、音波の速度、音響周波数および強度スペクトル分布、音響強度、音響吸収、または音響共鳴である。機械特性は、内圧、硬度、流量、粘性、流体機械特性、剪断強度、伸び強度、破壊応力、付着、機械的共振周波数、弾性、可塑性、または圧縮性である。
【００１８】
検出または進行の監視が可能な疾患は、癌、炎症性疾患、糖尿病、肺疾患、心疾患、肝疾患、胃疾患、胆道疾患、または心臓血管疾患であり得る。癌の例として、乳癌、肺癌、食道癌、腸癌、血液関連の癌、肝臓癌、胃癌、子宮頸癌、卵巣癌、直腸癌、結腸癌、鼻咽頭癌、心臓癌、子宮癌、卵巣性精神病、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、および循環腫瘍細胞がある。炎症性疾患の例として、尋常性ざ瘡、喘息、自己免疫疾患、自己炎症性疾患、セリアック病、慢性前立腺炎、憩室炎、糸球体腎炎、化膿性汗腺炎、過敏症、炎症性腸疾患、間質性膀胱炎、耳炎、骨盤内炎症性疾患、再灌流障害、リウマチ熱、関節リウマチ、サルコイドーシス、移植拒否反応、および脈管炎がある。肺疾患の例として、喘息、慢性閉塞性肺疾患、慢性気管支炎、肺気腫、急性気管支炎、嚢胞性線維症、肺炎、結核、肺浮腫、急性呼吸窮迫症候群、じん肺症、間質性肺疾患、肺塞栓、および肺高血圧がある。糖尿病の例として、１型糖尿病、２型糖尿病、および妊娠糖尿病がある。心疾患の例として、冠動脈疾患、心臓肥大（心拡大）、心臓発作、不規則な心調律、心房細動、心調律異常、心臓弁疾患、突然心臓死、先天性心疾患、心筋疾患（心筋症）、拡張型心筋症、肥大型心筋症、拘束型心筋症、心膜炎、心膜滲出液、マルファン症候群、および心雑音がある。肝疾患の例として、肝蛭症、肝炎、アルコール性肝疾患、脂肪肝疾患（脂肪肝）、遺伝病、ジルベール症候群、肝硬変、原発性胆汁性肝硬変、原発性硬化性胆管炎、およびバッドキアリ症候群がある。胃疾患の例として、胃炎、胃ポリープ、胃潰瘍、胃の良性腫瘍、急性胃粘膜病変、前庭胃炎、および胃間質腫瘍がある。胆道疾患の例として、胆管結石、胆嚢結石症、胆嚢炎、胆管拡張、胆管炎、および胆嚢ポリープがある。心臓血管疾患には、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、腎動脈狭窄症、大動脈瘤、心筋症、高血圧心疾患、心不全、肺心疾患、不整脈、心内膜炎、炎症性心拡大、心筋炎、弁膜性心疾患、先天性心疾患、リウマチ性心疾患、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、および腎動脈狭窄症がある。
【００１９】
いくつかの他の実施形態では、装置は、一部がチャンバの中にあるように配置された、微視的レベルで生体被験体の特性を検出できるセンサをさらに備えていてよい。
【００２０】
いくつかの他の実施形態では、装置は、少なくとも１つのセンサに接続され、センサから記録デバイスにデータを伝送する読み出し回路をさらに備えていてよい。
【００２１】
読み出し回路とセンサとの間の接続は、デジタル、アナログ、光学、熱、圧電、ピエゾフォトロニック、圧電フォトロニック、光電気、電気熱、光熱、電気、電磁気、電気機械、または機械によるものであってよい。
【００２２】
センサは、チャンバの内面に配置されてよい。
【００２３】
いくつかの他の実施形態では、各センサは、独立した熱センサ、光学センサ、音響センサ、生物学的センサ、化学センサ、電気機械センサ、電気化学センサ、電気光学センサ、電気熱センサ、電気化学機械センサ、生化学センサ、生体力学センサ、バイオ光学センサ、電気光学センサ、バイオ電気光学センサ、バイオ熱光学センサ、電気化学光学センサ、バイオ熱センサ、バイオ物理センサ、バイオ電気機械センサ、バイオ電気化学センサ、バイオ電気光学センサ、バイオ電気熱センサ、生体力学光学センサ、生体力学熱センサ、バイオ熱光学センサ、バイオ電気化学光学センサ、バイオ電気機械光学センサ、バイオ電気熱光学センサ、バイオ電気化学機械センサ、物理センサ、機械センサ、圧電センサ、圧電フォトロニックセンサ、ピエゾフォトロニックセンサ、圧電光学センサ、バイオ電気センサ、バイオマーカセンサ、電気センサ、磁気センサ、電磁センサ、イメージセンサ、または放射線センサである。例えば、熱センサとして、抵抗温度マイクロセンサ、マイクロ熱電対、サーモダイオードおよびサーモトランジスタ、ならびに表面弾性波（ＳＡＷ）温度センサが挙げられる。イメージセンサとして、電荷結合素子（ＣＣＤ）またはＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）が挙げられる。放射線センサとして、光伝導デバイス、光起電デバイス、焦電デバイス、またはマイクロアンテナが挙げられる。機械センサとして、圧力マイクロセンサ、マイクロ加速度計、流量計、粘性測定器具、マイクロジャイロメータ、またはマイクロフローセンサが挙げられる。磁気センサとして、磁気ガルバニックマイクロセンサ、磁気抵抗センサ、磁気ダイオードまたは磁気トランジスタが挙げられる。生化学センサとして、導電率測定デバイス、バイオマーカ、プローブ構造体に装着されたバイオマーカ、または電位差測定デバイスが挙げられる。
【００２４】
いくつかの他の実施形態では、少なくとも１つのセンサは、プロービングセンサであり、生体被験体にプロービング信号または攪乱信号を印加する。
【００２５】
いくつかの他の実施形態では、プロービングセンサとは異なる少なくとももう１つのセンサは、検出センサであり、生体被験体からの応答を検出し、その応答に応じてプロービング信号または攪乱信号が印加される。
【００２６】
チャンバの長さは、１ミクロン〜５０，０００ミクロン、１ミクロン〜１５，０００ミクロン、１ミクロン〜１０，０００ミクロン、１．５ミクロン〜５，０００ミクロン、または３ミクロン〜１，０００ミクロンであってよい。一方、チャンバの幅または高さは、０．１ミクロン〜１００ミクロン、０．１ミクロン〜２５ミクロン、１ミクロン〜１５ミクロン、または１．２ミクロン〜１０ミクロンであってよい。
【００２７】
いくつかの他の実施形態では、装置は、少なくとも４つのセンサを備え、センサは、チャンバの１辺、相対する２辺、または内面の４辺に位置している。例えば、マイクロシリンダ内の２つのセンサは、０．１ミクロン〜５００ミクロン、０．１ミクロン〜５０ミクロン、１ミクロン〜１００ミクロン、２．５ミクロン〜１００ミクロン、または５ミクロン〜２５０ミクロンの距離を置いて離れていてよい。パネルのうちの少なくとも１つは、少なくとも２つのアレイに配置された少なくとも２つのセンサを備え、２つのアレイは、それぞれがシリンダ内の少なくとも１つのマイクロセンサで隔てられている。またはパネルにあるセンサの少なくとも１つのアレイは、２つ以上のセンサを備えている。
【００２８】
いくつかの他の実施形態では、選別ユニットまたは検出ユニットは、特定用途集積回路チップをさらに備え、このチップは、パネルのうちの１つまたはマイクロシリンダに内部で結合されるかその中に組み込まれる。
【００２９】
引き続きいくつかの他の実施形態では、選別ユニットまたは検出ユニットは、メモリユニット、論理処理ユニット、光学デバイス、撮像デバイス、カメラ、ビューイングステーション、音響検出器、圧電検出器、ピエゾフォトロニック検出器、圧電フォトロニック検出器、電気光学検出器、電気熱検出器、バイオ電気検出器、バイオマーカ検出器、生化学検出器、化学センサ、熱検出器、イオン放出検出器、光検出器、Ｘ線検出器、放射線材料検出器、電気検出器、または熱記録器をさらに備え、この各々がパネルまたはマイクロシリンダの中に組み込まれる。
【００３０】
いくつかの他の実施形態では、１つの信号は、疾患の位置に関する情報、または生体被験体の元のどこに疾患があるかに関する情報を含んでいる。
【００３１】
引き続きいくつかの他の実施形態では、１つの信号は、疾患の発現または種類に関する情報を含んでいる。
【００３２】
本発明の装置は、少なくとも２つの異なる疾患の存在を同時に検出する、または疾患の状態または進行を明らかにすることが可能である。
【００３３】
別の態様では、本発明は、生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された少なくとも２種類の情報を検出し、収集した情報を分析して、生体被験体に疾患がありそうかどうか、または生体被験体の疾患の状態の進行を明らかにすることを含む、方法を提供する。疾患の例として、癌、炎症性疾患、糖尿病、肺疾患、肝疾患、胃疾患、胆道疾患、または心臓血管疾患がある。具体的には、癌は、乳癌、肺癌、食道癌、腸癌、血液関連の癌、肝臓癌、胃癌、子宮頸癌、卵巣癌、直腸癌、結腸癌、鼻咽頭癌、心臓癌、子宮癌、卵巣性精神病、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、または循環腫瘍細胞である可能性がある。炎症性疾患は、尋常性ざ瘡、喘息、自己免疫疾患、自己炎症性疾患、セリアック病、慢性前立腺炎、憩室炎、糸球体腎炎、化膿性汗腺炎、過敏症、炎症性腸疾患、間質性膀胱炎、耳炎、骨盤内炎症性疾患、再灌流障害、リウマチ熱、関節リウマチ、サルコイドーシス、移植拒否反応、または脈管炎である可能性がある。心臓血管疾患は、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、腎動脈狭窄症、大動脈瘤、心筋症、高血圧心疾患、心不全、肺心疾患、不整脈、心内膜炎、炎症性心拡大、心筋炎、弁膜性心疾患、先天性心疾患、リウマチ性心疾患、冠動脈疾患、末梢動脈疾患、脳血管性疾患、または腎動脈狭窄症である可能性がある。
【００３４】
生体被験体は、細胞、臓器または組織の試料、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ウイルス、またはタンパク質であってよい。例えば、細胞は、循環腫瘍細胞または癌細胞であり、例えば乳癌、肺癌、食道癌、子宮頸癌、卵巣癌、直腸癌、結腸癌、鼻咽頭癌、心臓癌、子宮癌、卵巣性精神病、膵臓癌、前立腺癌、脳腫瘍、腸癌、血液関連の癌、肝臓癌、胃癌、または循環腫瘍細胞である。いくつかの他の実施形態では、生体被験体は、媒体に含まれ、第１のユニット内の流路に運搬される。
【００３５】
さらに別の態様では、本発明は、生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、生体被験体内の少なくとも２種類の情報を検査し、少なくとも２種類の情報のうちの１つが、疾患の存在または状態の進行を示し、もう一種類の情報が疾患の位置を示す、方法を提供する。
【００３６】
いくつかの実施形態では、情報の２つのレベルはそれぞれ、タンパク質レベル情報、分子レベル情報、細胞レベル情報、遺伝子レベル情報、またはこれらの任意の組み合わせを含む。
【００３７】
さらに別の態様では、本発明は、生体被験体の疾患の存在または進行を検出する方法であって、タンパク質レベル、細胞レベル、分子レベル、または遺伝子レベルの特性に相関する少なくとも１つのパラメータを測定することを含む、方法を提供する。
【００３８】
例えば、特性は、生体被験体の熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、バイオ物理特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気特性、バイオ物理化学特性、バイオ電気物理特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、生化学機械特性、バイオ電気物理化学特性、バイオ電気物理機械特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、または機械特性である。具体的には、例えば、熱特性は、温度または振動周波数である。光学特性は、光吸収、光透過、光反射、光電気特性、輝度、または蛍光放出である。放射特性は、放射線放出、放射性物質によって引き起こされる信号、または放射性物質によってプロービングされた情報である。化学特性は、ｐＨ値、化学反応、生化学反応、バイオ電気化学反応、反応速度、反応エネルギー、反応の速度、酸素濃度、酸素消費量率、イオン強度、触媒挙動、強化した信号応答を引き起こす化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生化学添加物、強化した信号応答を引き起こす生物学的添加物、検出感度を高める化学物質、検出感度を高める生化学物質、検出感度を高める生物学的添加物、または結合強度である。物理特性は、密度、形状、体積、または表面積である。電気特性は、表面電荷、表面電位、静止電位、電流、電場分布、表面電荷分布、細胞電子特性、細胞表面電子特性、電子特性の動的変化、細胞電子特性の動的変化、細胞表面電子特性の動的変化、表面電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性、膜表面の電子特性の動的変化、細胞膜の電子特性の動的変化、電気双極子、電気四重極、電気信号の振動、電流、静電容量、３次元の電気または電荷雲分布、ＤＮＡおよび染色体のテロメアの電気特性、静電容量、またはインピーダンスである。生物学的特性は、表面形状、表面積、表面電荷、表面生物学的特性、表面化学特性、ｐＨ、電解質、イオン強度、抵抗率、細胞濃度、または溶液の生物学的特性、電気特性、物理特性または化学特性である。音響特性は、周波数、音波の速度、音響周波数および強度スペクトル分布、音響強度、音響吸収、または音響共鳴である。機械特性は、内圧、硬度、流量、粘性、流体機械特性、剪断強度、伸び強度、破壊応力、付着、機械的共振周波数、弾性、可塑性、または圧縮性である。
【００３９】
いくつかの他の実施形態では、パラメータは、化学組成、細胞分類、分子分類、遺伝子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群からそれぞれが独立して選択される少なくとも２つのレベルの情報に同時に相関し得る。
【００４０】
例えば、パラメータは、化学組成、細胞分類、分子分類、遺伝子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群からそれぞれが独立して選択される少なくとも２つのレベルの情報の関数である。
【００４１】
いくつかの他の実施形態では、少なくとも２つのレベルの情報は、互いに相互作用して生体被験体の測定パラメータを増幅する。
【００４２】
例えば、測定パラメータは、タンパク質レベル、細胞レベル、分子レベル、または遺伝子レベルの特性を含んでいてよい。
【００４３】
本発明のまたさらに別の態様では、生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する方法であって、少なくとも２つの異なるレベルの情報に対して生体被験体の少なくとも２つのパラメータを検査することと、少なくとも２つの異なるレベルの情報を処理して、少なくとも２つのレベルの情報の信号強度の合計よりも強い信号強度を有する新たなパラメータを生み出すこととを含む、方法である。
【００４４】
いくつかの実施形態では、少なくとも２つのレベルのパラメータは、生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された情報を含む。例えば、１つの検査パラメータは、２つの生物学的レベルの情報を含み、その信号強度は、２つの生物学的レベルのいずれかをそれぞれが含んでいる検査パラメータの２つの信号強度の合計よりも強い。別の例を挙げると、１つの信号は、疾患の位置または疾患が生体被験体内のどこにあるかに関する情報を含む。さらに別の例を挙げると、１つの信号は、疾患の存在または種類に関する方法を含む。
【００４５】
本発明は、生体被験体の疾患の存在を検出する、または疾患の進行を監視する方法であって、少なくとも２つのレベルの信号を含む検査後の１つのパラメータを含み、検査後のパラメータの信号強度は、少なくとも２つのレベルの信号の強度の合計よりも強い、方法も提供する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、少なくとも２つのレベルの信号は、生体被験体の化学組成、細胞分類、分子分類、およびこれらの任意の組み合わせからなる群から選択された情報を含む。
【００４７】
本明細書で使用したように、「または」という用語は、「および」と「または」の両方を含むことを意味する。この用語は、「および／または」に置き換えてよい。
【００４８】
本明細書で使用したように、単数名詞は、その複数の意味を含むことを意味する。例えば、マイクロデバイスは、単一のマイクロデバイスか複数のマイクロ−デバイスのいずれかを意味し得る。
【００４９】
本明細書で使用したように、「パタニング」という用語は、材料を形状加工して特定の物理的形状またはパターンにすることを意味し、平面を含む（この場合「パタニング」は「平坦化」の意味でもある）。
【００５０】
本明細書で使用したように、「生体適合性材料」という用語は、生命のある生物体または生命のある組織と交流するように意図された材料で、両者の間で密接に接触して機能できる材料を指す。被覆材として使用した場合は、生命のある生物体または生命のある組織が被覆材料に対して起こす有害反応を低減し、例えば重症度を軽減する、あるいは生命のある生物体または生命のある組織による拒否反応をも取り除く。本明細書で使用したように、生体適合性材料は、合成材料と自然発生材料の両方を包含する。合成材料として、通常、合成材料または天然由来の材料のいずれかから作製された生体適合性ポリマーがあり、自然に発生する生体適合性材料としては、例えばタンパク質または組織がある。
【００５１】
本明細書で使用したように、分析または検査または診断のための「生体被験体」または「生体試料」という用語は、疾患検出装置を用いて分析する被験体を指す。これは、単細胞、単一の生物学的分子（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質）、単一の生体被験体（例えば単細胞またはウイルス）、その他の任意の十分に小さい単位もしくは基本の生物学的組成物、または疾患もしくは障害を有する可能性のある被験体の臓器もしくは組織の試料であってよい。
【００５２】
本明細書で使用したように、「疾患」という用語は、「障害」という用語と入れ替え可能であり、一般に、生体被験体（例えば哺乳類または生物種）の何らかの異常な微視的特性または状態（例えば物理的状態）を指す。
【００５３】
本明細書で使用したように、「被験体」という用語は一般に、哺乳類、例えばヒトを指す。
【００５４】
本明細書で使用したように、「微視的レベル」という用語は、本発明の疾患検出装置で分析する被験体が、微視的性質のもので、単細胞、単一の生物学的分子（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質）、単一の生体被験体（例えば単細胞またはウイルス）、およびその他の十分に小さい単位もしくは基本の生物学的組成物であってよいことを指す。
【００５５】
本明細書で使用したように、「装置」または「マイクロ−デバイス」または「マイクロデバイス」は、材料、特性、形状、ならびに複雑性および統合性の度合いが広範囲にわたるものであってよい。この用語は、単一の機材から複数の下位ユニットと複数の機能とを有する複数の機材を備えている極めて複雑なデバイスにまで通用する一般的な意味を有する。本発明で構想される複雑性は、一連の所望の特性を有する極小の単一の粒子から、様々な機能ユニットが含まれている極めて複雑な集積ユニットまでにわたる。例えば、単純なマイクロ−デバイスであれば、直径が１００オングストロームの小ささで、所望の硬度、所望の表面電荷、または所望の有機化学物質が表面に吸収されている、単一の球形の製造品であってもよい。さらに複雑なマイクロデバイスであれば、センサ、単純な計算機、メモリユニット、論理ユニット、およびカッタがすべて組み込まれた１ミリメートルのデバイスであってもよい。前者の場合、粒子は、発煙またはコロイド性の沈殿プロセスを介して形成されてよく、様々な要素が組み込まれているデバイスは、様々な集積回路製造プロセスを用いて製造されてよい。状況によっては、マイクロ−デバイスまたはマイクロデバイスは下位機器ユニットを表す。
【００５６】
本明細書で使用したように、「パラメータ」という用語は、検出対象の生体被験体の特定の検出標的（例えば微視的レベルの特性、硬度、粘性、電流、または電圧などの物理特性、またはｐＨ値などの化学特性）を指し、マイクロレベル特性を含んでいてよい。
【００５７】
本明細書で使用したように、「レベル」という用語は、検出対象の生体被験体の化学組成（タンパク質、遺伝子材料、例えばＤＮＡおよびＲＮＡなどの生化学組成を含む）、細胞分類、または分子分類を指す。
【００５８】
本明細書で使用したように、「要素」という用語は、前述したレベルの下位区分または構成単位を指す。例えば、タンパク質レベルは、アルファフェトプロテインまたは糖タンパク質などの要素を含んでいてよく、細胞分類のレベルは、表面電圧および膜組成を含んでいてよい。
【００５９】
本明細書で使用したように、具体的に定義していなければ、「流路」または「チャンバ」は、ユニット中（ｉｎｔｅｒ−ｕｎｉｔ）の流路またはユニット内（ｉｎｔｒａ−ｕｎｉｔ）の流路のいずれかであってよい。
【００６０】
装置で検出できる生体被験体として、例えば血液、尿、唾液、涙、および汗がある。検出結果は、生体被験体の疾患（例えば早期段階のもの）が発現または存在する可能性を示し得る。
【００６１】
本明細書で使用したように、「吸収」という用語は、通常、表面とその表面に付着した材料との物理的結合を意味する（この場合、表面上に吸収される）。その一方で、「吸着」という単語は、一般に、両者の間のより強い化学的結合を意味する。これらの特性は、微視的レベルで測定するために所望のマイクロデバイスを用いて標的の付着を行うのに効果的に利用できるため、本発明に極めて重要である。
【００６２】
本明細書で使用したように、「接触」という用語（「第１のマイクロ−デバイスは生物学的実体に接触する」という場合など）は、「直接の」（または物理的）接触と「非直接の」（または間接的または非物理的）接触の両方を含むことを意味する。２つの被験体が「直接」接触しているときは一般に、この２つの被験体の接触点の間には測定可能な空間または距離はなく、一方、「間接的に」接触しているときは、この２つの被験体の接触点の間には測定可能な空間または距離がある。
【００６３】
本明細書で使用したように、「プローブ」または「プロービング」という用語は、その辞書通りの意味のほかに、信号（例えば音響信号、光学信号、磁気信号、化学信号、電気信号、電磁気信号、生化学信号、バイオ物理信号、または熱信号）を被験体に印加し、それによって被験体を刺激し、被験体にある種の固有の応答を起こさせることを意味し得る。
【００６４】
本明細書で使用したように、「熱特性」という用語は、温度、氷点、融点、蒸発温度、ガラス転移温度、または熱伝導性を指す。
【００６５】
本明細書で使用したように、「光学特性」という用語は、反射、光吸収、光散乱、波長依存特性、色、光沢、輝度、閃光、または分散を指す。
【００６６】
本明細書で使用したように、「電気特性」という用語は、分析する生体被験体の表面電荷、表面電位、電場、電荷分布、電場分布、静止電位、活動電位、またはインピーダンスを指す。
【００６７】
本明細書で使用したように、「磁気特性」という用語は、反磁性、常磁性、または強磁性を指す。
【００６８】
本明細書で使用したように、「電磁気特性」という用語は、電気次元と磁気次元の両方を有する特性を指す。
【００６９】
本明細書で使用したように、「音響特性」という用語は、聴覚に関連して音質を決定する構造内で見られる特徴を指す。これは一般に吸音率で測定できるものである。例えば、ｍｅａｎｓ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ  ａｎ  ａｃｏｕｓｔｉｃａｌ  ｐｒｏｐｅｒｔｙ  ｏｆ  ａ  ｍａｔｅｒｉａｌ（材料の音響特性を明らかにする手段および方法）と題する特許文献６、非特許文献２を参照されたい。
【００７０】
本明細書で使用したように、「生物学的特性」という用語は、一般に生体被験体の化学特性および物理特性を含むことを意味する。
【００７１】
本明細書で使用したように、「化学特性」という用語は、生体試料内のｐＨ値、イオン強度、または結合強度を指す。
【００７２】
本明細書で使用したように、「物理特性」という用語は、何らかの測定可能な特性を指し、その値は、実時間の任意の所与の瞬間での物理システムの状態を表すものである。生体試料の物理特性として、吸収、アルベド、面積、脆性、沸点、静電容量、色、濃度、密度、誘電性、電荷、電気伝導性、電気インピーダンス、電場、電位、放出、流量、流動性、周波数、インダクタンス、固有インピーダンス、強度、放射照度、輝度、光沢、可鍛性、磁場、磁束、質量、融点、運動量、透磁性、誘電率、圧力、放射輝度、溶解性、比熱、強度、温度、張力、熱伝導率、流量、速度、粘性、体積、表面積、形状、および波動インピーダンスがあってよいが、これに限定されない。
【００７３】
本明細書で使用したように、「機械特性」という用語は、強度、硬度、流量、粘性、靭性、弾性、可塑性、脆性、延性、剪断強度、伸び強度、破壊応力、または接着性を指す。
【００７４】
本明細書で使用したように、「攪乱信号」という用語は、「プロービング信号」および「刺激信号」と同じ意味である。
【００７５】
本明細書で使用したように、「攪乱ユニット」という用語は、「プロービングユニット」および「刺激ユニット」と同じ意味である。
【００７６】
本明細書で使用したように、「伝導性材料」（またはそれと同等の「電気伝導体」）という用語は、可動電荷を含む材料である。伝導性材料は、金属（例えば銅、銀、または金）または非金属（例えばグラファイト、塩の溶液、プラズマ、または伝導性ポリマー）であってよい。銅またはアルミニウムなどの金属伝導体では、可動荷電粒子は電子である（電気伝導を参照）。正電荷は、電子が欠けている格子中の原子の形態（正孔として知られる）、または電池の電解質中のようなイオンの形態で移動可能であってもよい。
【００７７】
本明細書で使用したように、「電気絶縁材料」という用語（「絶縁材」または「誘導体」としても知られる）は、電流の流れに抵抗する材料を指す。絶縁材料は、緊密に結合した価電子を持つ原子を有する。電気絶縁材料の例として、ガラスまたは有機ポリマー（例えばゴム、プラスチック、またはテフロン（登録商標））がある。
【００７８】
本明細書で使用したように、「半導体」という用語（「半導体材料」としても知られる）は、電子流の強さが（イオン伝導性とは逆に）伝導体と絶縁材の中間であることによる電気伝導性を有する材料を指す。無機半導体の例として、シリコン、シリコン系材料、およびゲルマニウムがある。有機半導体の例として、多環芳香族化合物ペンタセン、アントラセン、およびルブレンなどの芳香族炭化水素、ならびにポリ（３−ヘキシルチオフェン）、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリアセチレンおよびその誘導体などの高分子有機半導体がある。半導体材料は、結晶性固体（例えばシリコン）、非晶体（例えば水素化アモルファスシリコン、および多様な比率のヒ素、セレンおよびテルルの混合物）、あるいは液体であってよい。
【００７９】
本明細書で使用したように、「生物学的材料」という用語は、当業者が理解する「生体材料」と同じ意味である。その意味を限定するものではないが、生物学的材料または生体材料は一般に、自然に生成され得るか、あるいは有機化合物（例えば有機小分子もしくはポリマー）または無機化合物（例えば金属要素またはセラミック）を利用する多様な化学的手法を用いて実験室で合成できるものである。生物学的材料は一般に、医療用途に使用するまたは適応させることができるため、生物構造の全体または一部、あるいは、自然の機能を実行する、強化する、またはそれに取って代わる生物医学デバイスの全体または一部を含んでいる。そのような機能は、心臓弁に使用されるような良性のものであってもよいし、あるいは生体に影響するもので、ヒドロキシアパタイトで被覆された股関節のインプラントなどの相互作用の機能性がより強いものであってもよい。生体材料は、歯科用途、手術、および薬物送達に毎日使用することもできる。例えば、医薬品を含浸させた構成物を体内に配置でき、これにより薬物を長期間にわたって長い間放出することが可能になる。生体材料は、移植材料として使用できる自家移植片、同種移植片、または異種移植片であってもよい。他の医療分野または生物医学分野での用途があるこれら材料もすべて、本発明で使用できる。
【００８０】
本明細書で使用したように、「マイクロエレクトロニクス技術またはマイクロエレクトロニクスプロセス」という用語は一般に、マイクロ電子機器および光学電子部品を製造するのに使用される技術またはプロセスを包含している。例として、リソグラフィ、エッチング（例えばウェットエッチング、ドライエッチングまたは蒸気エッチング）、酸化、拡散、注入、アニーリング、膜蒸着、洗浄、直接描画、研磨、平坦化（例えば化学機械研磨による）、エピタキシャル成長、金属被覆、プロセス統合、シミュレーション、またはこの任意の組み合わせがある。マイクロエレクトロニクス技術またはマイクロエレクトロニクスプロセスに関する追加説明を、例えば非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、非特許文献６に見ることができ、これらすべての内容を全面的に参照して本明細書に援用する。
【００８１】
本明細書で使用したように、「選択的」という用語は、例えば「材料Ａよりも選択的にマイクロエレクトロニクスプロセスを使用するパタニング材料Ｂ」に含まれているように、マイクロエレクトロニクスプロセスは、材料Ｂには効果的だが材料Ａには効果的ではない、または材料Ａよりも材料Ｂに対する方が実質的には効果的であるという意味である（例えば材料Ａよりも材料Ｂに対する除去率の方が遙かに高くなり、よって材料Ａよりも遙かに多くの材料Ｂが除去される）。
【００８２】
本明細書で使用したように、「カーボンナノチューブ」という用語は一般に、筒状ナノ構造を有する炭素の同素体を指す。カーボンナノチューブに関するさらに詳細な情報は、例えば非特許文献７を参照されたい。
【００８３】
単一のマイクロ−デバイスまたはマイクロ−デバイスの組み合わせを組み込んだ疾患検出装置を使用することで、疾患検出能力を、感度、特異性、速度、コスト、装置サイズ、機能性、および使いやすさの点で著しく改善できるとともに、侵襲性および副作用を低減できる。疾患検出のために生体試料の広範囲にわたる微視的特性を測定できる多数のマイクロ−デバイスの種類を、本明細書に開示したマイクロ製造技術および新規のプロセスの流れを用いて、単一の検出装置に統合し、製造できる。実証と説明のために、マイクロエレクトロニクス技術またはナノ製造技術およびそれに関連するプロセスの流れをどのように用いて極めて高感度で多機能の小型化した検出デバイスを製造できるかについて、いくつかの新規の詳細な例を本明細書に示し、高性能検出デバイスの設計および製造でマイクロエレクトロニクス技術およびナノ製造技術を用いる原理および全体的な手法を検討し教示してきたが、高性能検出デバイスの設計および製造でマイクロエレクトロニクス技術およびナノ製造技術を用いる原理および全体的な手法は、製造プロセスの様々な組み合わせにも及び得るとともに及ぶべきものであり、それには、薄膜蒸着、パタニング（リソグラフィおよびエッチング）、平坦化（化学機械研磨を含む）、イオン注入、拡散、洗浄、様々な材料、ならびに様々なプロセスの連続および流れ、ならびにこれらの組み合わせがあるが、これに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１（ａ）】従来の検出装置一式を示し、その各々が検出し、単一の検出技術に依存している図である。
【図１（ｂ）】複数の下位機器ユニットが組み込まれた本発明の検出装置の図である。
【図１（ｃ）】複数の下位機器ユニットが組み込まれた本発明の検出装置の図である。
【図２（ａ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｂ−ｆ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｇ−ｈ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｉ−ｊ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｋ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｌ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｍ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図２（ｎ）】複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。
【図３】本発明の検出装置の斜視図であり、その中に配置されているかその中を移動している生体試料を検査できる図である。
【図４】２つのスラブを有し、その各々が１つ以上の検出ユニットまたはプロービングユニットで作製されている本発明の装置を示す図である。
【図５】時間依存の情報または動的情報を含め、感度、特異性、および速度を向上させて飛行時間を測定するために複数のマイクロ−デバイスを所望の距離のところに配置した本発明の検出装置の斜視断面図である。
【図６（ａ−ｅ）】生体試料（例えば細胞）の様々な電子状態または磁気状態、構成、またはその他の特性を検出する、本発明の検出装置に含まれている新規の微視的プローブ一式の斜視図である。
【図６（ｆ−ｇ）】生体試料（例えば細胞）の様々な電子状態または磁気状態、構成、またはその他の特性を検出する、本発明の検出装置に含まれている新規の微視的プローブ一式の斜視図である。
【図７】生体試料（例えば細胞）の弱電子信号を検出する、本発明の検出装置に含まれている新規の四点プローブの斜視図である。
【図８】検出装置に対する前処理部分であり、試料または補助材料を所望の圧力および速度でデバイスに送達する流体送達システムの図である。
【図９（ａ）】本発明の疾患検出装置内のマイクロ−デバイスが微視的レベルで生体被験体とどのように通信し、プロービングし、検出し、かつ任意選択で処理し、修飾できるのかを示す図である。
【図９（ｂ）】本発明の疾患検出装置内のマイクロ−デバイスが微視的レベルで生体被験体とどのように通信し、プロービングし、検出し、かつ任意選択で処理し、修飾できるのかを示す図である。
【図９（ｃ）】本発明の疾患検出装置内のマイクロ−デバイスが微視的レベルで生体被験体とどのように通信し、プロービングし、検出し、かつ任意選択で処理し、修飾できるのかを示す図である。
【図１０】光学センサ一式を用いて生体被験体の光学特性を検出できる別のマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１１】幾何学サイズの異なる生体被検体を分離でき、その特性をそれぞれ検出できる別のマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１２】生体被験体の音響特性を測定できるマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１３】生体被験体の内圧を測定できるマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１４】流路の底部または天井部にあるプローブの対の間に凹部を有するマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１５】図１４に示した凹部とは異なる形状の凹部を有する別のマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１６】階段状流路を有するマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１７】熱計測器一式を有するマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１８】ＤＮＡが入った流路としてのカーボンナノチューブを含むマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１９（ａ−ｃ）】検出デバイスおよび光学センサを含むマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図１９（ｄ−ｆ）】検出デバイスおよび光学センサを含むマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図２０】検出デバイスおよび論理回路を含む本発明の統合装置の図である。
【図２１】検出デバイスおよびフィルタを含むマイクロ−デバイスまたは下位機器の図である。
【図２２】本発明の装置を使用してＤＮＡの幾何学因子をどのように測定できるのかを示す図である。
【図２３】流路を形成するためにトレンチの上にカバーを有する本発明の装置の図である。
【図２４】生体被験体の疾患を検出する下位機器ユニットの図式である。
【図２５】試料濾過ユニットの一例を示す図である。
【図２６（ａ）】試料濾過ユニットの別の例を示す図である。
【図２６（ｂ）】試料濾過ユニットの別の例を示す図である。
【図２７】本発明の装置の前処理ユニットの図式である。
【図２８】本発明の装置の情報処理ユニットの図式である。
【図２９】複数の信号を統合し、それによって雑音を相殺して信号／雑音比を高める様子を示す図である。
【図３０】少なくとも１つのプロービング物体が生体被験体に向かって所望の速度で所望の方向に発射されて衝突するという新規の疾患検出方法を示す図である。
【図３１】疾患検出装置を用いて生体被験体を検出する本発明のプロセスを示す図である。
【図３２】疾患のある生体被験体と健康な生体被験体とを分離し、疾患のある生体被験体をさらに検査するために送達する疾患検出プロセスの別の実施形態を示す図である。
【図３３】整列した生物学的検出デバイスを示す図であり、一連の検出デバイスが装置の中に作製されている図である。
【図３４】デバイスの入口および出口、生体被験体が通過する流路を有し、検出デバイスが流路の壁に沿って整列している本発明の疾患検出デバイスの別の実施形態を示す図である。
【図３５（ａ）】パッケージングして使用できる状態にある本発明の装置の一例を示す図である。
【図３５（ｂ）】パッケージングして使用できる状態にある本発明の装置の一例を示す図である。
【図３６（ａ）】パッケージングして使用できる状態にある本発明の装置の別の一例を示す図である。
【図３６（ｂ）】パッケージングして使用できる状態にある本発明の装置の別の一例を示す図である。
【図３７】パッケージングして使用できる状態にある本発明の装置のさらに別の一例を示す図である。
【図３８】流路（トレンチ）およびマイクロセンサのアレイを有する本発明の装置を示す図である。
【図３９】いくつかの「下位デバイス」を備えている本発明の別の装置を示す図である。
【図４０】Ｉ／Ｏパッドを有する特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）チップを含む本発明の装置の一例を示す図である。
【図４１（ａ−ｄ）】様々な事前スクリーニングと検出方法とを不明瞭な方法で組み合わせることによって機能する本発明の装置の基本原理の図式である。
【図４１（ｅ−ｇ）】様々な事前スクリーニングと検出方法とを不明瞭な方法で組み合わせることによって機能する本発明の装置の基本原理の図式である。
【図４２】生体被験体が中を流れることのできる流路の断面図および外面図である。
【図４３（ａ−ｂ）】本発明の装置内で、検出対象の生体被験体が流路を通過し、流路の経路に沿って検出器が整列している様子を示す図である。
【図４３（ｃ−ｅ）】本発明の装置内で、検出対象の生体被験体が流路を通過し、流路の経路に沿って検出器が整列している様子を示す図である。
【図４４】１つまたは２つの選別ユニットが中にある本発明の装置の図である。
【図４５】極めて多数の所望の構造を同一チップ上に同時に製造した本発明の装置を示す図である。
【図４６】疾患のある生物学的実体を選別し、スクリーニングし、分離し、プロービングし、検出するための別の新規のデバイス配置図を示し、中央流路を通って中央チャンバに入る所望の要素または複数の要素が広範囲にわたる役割を果たせることを示す図である。
【図４７】複数の独立した検出装置と比較して、機能および技術が異なる複数の下位ユニットを組み合わせるか組み込んだ本発明の装置は、体積またはサイズが著しく縮小し、これによって多くの共通のハードウェア（例えば試料処理ユニット、試料測定ユニット、データ分析ユニット、ディスプレイ、プリンタなど）を統合装置内で共有できるため、コストが下がることを示す図である。
【図４８】機能および技術が異なる複数の下位ユニットを組み立てて１つの装置にした場合に、機能をさらに多様化させ、検出機能、感度、検出の万能性を向上させ、体積を縮小してコストを削減することを達成でき、例えば入力ハードウェア、出力ハードウェア、試料処理ユニット、試料測定ユニット、データ分析ユニットおよびデータ表示ユニットなどの多くの共通設備を共有できることを示す図である。
【図４９】多数の異なる分類の生物学的情報をデバイスに収集し、新規の技術で処理する様子を示す図である。
【図５０】この新規の技術で測定した情報が、タンパク質レベル、細胞レベルおよび分子レベルの情報、またはこれらの組み合わせを含むことを示す図である。
【図５１】この新規の技術で信号を強化するために、異なる生物学的分類からの信号が相互作用し、組み合わさり、かつ／または増幅し得ることを示す図である。
【図５２】この新規の技術で癌細胞濃度に応じて信号を検出する様子を示す図である。信号は、癌細胞の量が増加するにつれて強まる。
【図５３】この新規の技術でバイオマーカレベルに応じて信号を検出する様子を示す図である。信号は、バイオマーカのレベルが上昇するにつれて強まる。
【図５４】肝臓癌に対する従来のバイオマーカ（ＡＦＰ）と比較してこの新規の技術の利点を示す図である。確認した５８の肝臓癌試料を用いたところ、この新規の技術の感度は７９．３％であるのに対し、ＡＦＰの感度は５５．９％である。
【図５５】分子レベルでの反応を引き起こす製剤を追加する前と後の検出信号ＣＤＡの結果を示す図である。
【図５６】本発明により検査した実際の試料数およびこれらの検査で達成された、または示された予想外の結果を示す図である。
【図５７】本発明の複数レベルでの検出システムの結果を示す図である。
【図５８】対照群、癌以外の疾患群および癌群のＣＤＡ値を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００８５】
本発明の１つの態様は、生体被験体（例えばヒト、器官、組織、または培養物内の細胞）の疾患をｉｎ  ｖｉｖｏまたはｉｎ  ｖｉｔｒｏで検出する装置に関する。各装置は、送達システム、少なくとも２つの下位機器ユニット、および任意選択で中央制御システムを備えている。各下位機器は、生体試料の少なくとも１つの微視的特性を測定することが可能である。したがって、本発明の装置は、生体被験体の様々なパラメータを検出し、低コストでの初期段階の疾患検出において、精度、感度、特異性、効率、非侵襲性、実用性、確実性、速度を実現できる。また、本発明の装置は、いくつかの主要な利点があり、例えば実際の設置面積（例えば単位空間に応じて定義される）を削減する、医療機器用の空間を削減する、全体のコストを削減する、および１つのデバイスで確実性および有効な診断を実現するなどである。
【００８６】
送達システムは、流体送達システムであってよい。流体送達システムの定圧により、微小の生体被験体を装置の１つ以上の所望の下位機器ユニットの上または中に送達できる。
【００８７】
装置の主要構成要素として、マイクロ−デバイスは、少なくとも各プロービングアドレスからの情報をアドレス指定する、制御する、強要する、受信する、増幅する、または保存する機能を実行する手段を含んでいなければならない。例として、装置は、生体被験体を１つ以上の所望の下位機器ユニットに運搬するように制御し、かつ各下位機器ユニットから検出したデータを読み取り分析するための中央制御システムをさらに備えていてよい。中央制御システムは、制御回路、アドレス指定ユニット、増幅回路、論理処理回路、メモリユニット、特定用途向けチップ、信号送信機、信号受信機、またはセンサを備えている。
【００８８】
いくつかの実施形態では、流体送達システムは、圧力発生器、圧力調節器、絞り弁、圧力計、および分配器具を備えている。これらの実施形態の例として、圧力発生器は、モータピストンシステムおよび圧縮ガスの入ったビンを備えていてよい。圧力調節器（複数の調節器で構成され得る）は、圧力を所望の値に下降調節または上昇調節できる。圧力計は、測定値を絞り弁にフィードバックし、その後絞り弁が圧力を目標値に近づけるように調節する。
【００８９】
送達される生体流体は、疾患検出対象の生物学的実体の試料、または必ずしも疾患検出対象ではないものであってよい。いくつかの実施形態では、送達される流体は、液体（例えば血液試料またはリンパ試料）である。圧力調節器は、単一の圧力調節器でも複数の圧力調節器でもよく、この圧力調整器は、所望のレベルまたは最終デバイスもしくは標的にとって許容され得るレベルに調整するには特に初期圧力が単一の調整機に対して高すぎるか低すぎる場合に、圧力を所望のレベルに下降調節または上昇調節するために連続して配置される。
【００９０】
任意選択で、装置は、少なくとも酵素、タンパク質、酸化剤、還元剤、触媒、放射性成分、発光成分、またはイオン成分を含んでいる第２の液体溶液を送達するための追加の特徴および構造を有する。この第２の液体溶液は、装置の測定感度をさらに一層高める目的で、測定する生体被験体試料を選別する前または選別中に、または生体被験体試料を測定（すなわち検出）する前または測定中に試料に追加できるものである。
【００９１】
いくつかの他の実施形態では、システムコントローラは、前置増幅器、ロックイン増幅器、電気計、熱計測器、スイッチングマトリクス、システムバス、不揮発性記憶装置、ランダムアクセスメモリ、プロセッサ、またはユーザインターフェースを含んでいる。インターフェースは、センサを含んでいてよく、このセンサは、熱センサ、流量計、光学センサ、音響検出器、電流計、電気センサ、磁気センサ、電気磁気センサ、ｐＨ計、硬度測定センサ、撮像装置、カメラ、圧電センサ、ピエゾフォトロニックセンサ、圧電フォトロニックセンサ、電気光学センサ、電気熱センサ、バイオ電気センサ、バイオマーカセンサ、生化学センサ、化学センサ、イオン放出センサ、光検出器、Ｘ線センサ、放射線材料センサ、電気センサ、圧力計、熱センサ、流量計、またはピエゾメータであってよい。
【００９２】
引き続きいくつかの他の実施形態では、本発明の装置は、生物学的インターフェース、システムコントローラ、医療廃棄物を再生または処理するシステムをさらに備えている。医療廃棄物の再生および処理は、同じシステムまたは２つの異なるシステムによって実施され得る。
【００９３】
本発明の別の態様では、細胞と相互作用する装置を提供し、この装置は、細胞に信号を送信し、任意選択で信号に対する応答を細胞から受信するデバイスを含んでいる。
【００９４】
いくつかの実施形態では、細胞との相互作用は、符号化した信号を用いるプロービング、検出、選別、通信、処理、または修飾であってよく、この信号は、熱信号、光学信号、音響信号、生物学的信号、化学信号、電気機械信号、電気化学信号、電気光学信号、バイオ電気光学信号、バイオ熱光学信号、電気化学光学信号、電気化学機械信号、生化学信号、生体力学信号、バイオ電気機械信号、バイオ電気化学信号、バイオ電気化学機械信号、電気信号、磁気信号、電磁気信号、物理信号、もしくは機械信号、またはこれらの組み合わせであってよい。
【００９５】
いくつかの他の実施形態では、装置に含まれているデバイスまたは下位機器ユニットは、１つ以上の要素または要素の組み合わせで被覆された複数の表面と、その要素を放出するための制御システムとを備えていてよい。いくつかの事例では、制御システムは、エネルギーを介してデバイスの表面から要素を放出させることができ、このエネルギーは、熱エネルギー、光学エネルギー、音響エネルギー、電気エネルギー、電磁エネルギー、磁気エネルギー、放射エネルギー、または機械エネルギーなどだがこれに限定されず、制御した方法で放出される。エネルギーは、所望の周波数でのパルス状の形態であってよい。
【００９６】
いくつかの他の実施形態では、装置に含まれているデバイスまたは下位機器ユニットは、１つの要素または要素の組み合わせを細胞の表面上または細胞の中に貯蔵または放出する第１の成分と、その要素の放出を制御する第２の成分（例えば要素の放出を制御する回路）とを備えている。要素は、生物学的成分、化学化合物、イオン、触媒、Ｃａ、Ｃ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｈ、Ｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｆ、Ｋ、Ｎａ、Ｓ、Ｚｎ、またはこれらの組み合わせであってよい。パルス状または一定の信号は、放出された要素または要素の組み合わせの形態であってよく、液体溶液、ガス、またはその組み合わせの中で保持されてよい。いくつかの事例では、信号は、約１ｘ１０-4Ｈｚ〜約１００ＭＨｚの範囲または約１ｘ１０-4Ｈｚ〜約１０Ｈｚの範囲の周波数、または約１．０ｎｍｏｌ／Ｌ〜約１０．０ｍｍｏｌ／Ｌの範囲の発振濃度であってよい。また、信号は、生物学的成分、化学化合物、Ｃａ、Ｃ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｈ、Ｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｆ、Ｋ、Ｎａ、Ｓ、Ｚｎ、またはその組み合わせの発振を、例えば所望の発振周波数で含んでいる。
【００９７】
いくつかの実施形態では、細胞に送信される信号は、発振要素、発振化合物、または生物学的成分の発振密度の形態であってよく、信号に対する細胞からの応答は、発振要素、発振化合物、または生物学的成分の発振密度の形態である。
【００９８】
いくつかの実施形態では、デバイスまたは下位機器ユニットは、例えばデバイスと細胞との適合性を高めるために、生物フィルムで被覆されてよい。
【００９９】
いくつかの他の実施形態では、デバイスまたは下位機器ユニットは、細胞に送信する信号を生成し、信号に対する細胞からの応答を受信し、応答を分析し、応答を処理し、デバイスと細胞との間で情報交換するための構成要素を含んでいてよい。
【０１００】
本発明のさらに別の態様は、マイクロフィルタ、シャッタ、細胞カウンタ、選別器、マイクロ手術器具、タイマー、およびデータ処理回路をそれぞれ含むデバイスまたは下位機器ユニットを提供する。マイクロフィルタは、物理特性（例えば寸法、形状、または速度）、機械特性、電気特性、磁気特性、電磁気、熱特性（例えば温度）、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気化学特性、生化学特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気機械特性、または電気機械特性によって異常細胞を識別できる。デバイスは、各々が１つ以上のマイクロフィルタも含むことができる。これらのマイクロフィルタのそれぞれが２つの細胞カウンタと一体化していてよく、一方の細胞カウンタは、各フィルタウェルの入口に設置され、もう一方の細胞カウンタは、各フィルタウェルの出口に設置される。マイクロフィルタのウェルの形状は、長方形、楕円形、円形または多角形である。マイクロフィルタの寸法は、約０．１μｍ〜約５００μｍまたは約５ｕｍ〜約２００ｕｍの範囲である。本明細書で使用しているように、「寸法」という用語は、フィルタ開口部の物理寸法または加工寸法、例えば直径、長さ、幅、または高さを意味する。フィルタは、例えばデバイスと細胞との適合性を高めるために、生体フィルムまたは生体適合性フィルムで被覆されてよい。
【０１０１】
生物学的実体をそのサイズおよびその他の物理的特徴によって分別することに加えて、フィルタは、その他の特性によって生物学的実体の分別を実行するための追加の特徴および機能も含んでいてよく、その特性として、機械特性、電気特性、磁気特性、電磁気、熱特性（例えば温度）、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気化学特性、生化学特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気機械特性、および電気機械特性が挙げられる。
【０１０２】
これらのデバイスのいくつかの実施形態では、２つのフィルタ膜に挟まれたシャッタは、タイマー（つまり時間シャッタ）によって制御できる。タイマーは、細胞カウンタによって始動できる。例えば、細胞がフィルタ入口の細胞カウンタを通過すると、クロックが始動してシャッタを初期位置にリセットし、所定速度で細胞経路に向かって移動し、タイマーは、細胞が出口の細胞カウンタを通過する時間を記録する。
【０１０３】
本発明のさらに別の態様は、マイクロトレンチと、マイクロトレンチの側壁に埋め込まれたプローブとを有するマイクロ−デバイスを製造する方法を提供する。マイクロトレンチは開トンネル（例えば図２（ｉ）、２０３０を参照）であり、この開トンネルは、上下逆転した左右対称の別のトレンチ（例えば図２（ｋ）、２０３１を参照）と接続して閉流路（例えば図２（ｌ）、２０２０を参照）を形成できる。本方法は、基板に様々な材料を蒸着する化学蒸着、物理蒸着、または原子層蒸着；リソグラフィ、エッチング、および所望の特徴を形成するための化学機械的研磨（トレンチなど）からなる方法を用いて蒸着層をパタニング；表面を平坦化するための化学機械的平坦化；粒子除去のための化学洗浄；指定層に要素をドーピングするための拡散またはイオン注入；あるいは、結晶欠陥を減少させ、拡散イオンを活性化する熱アニーリングを含んでいてよい。そのような方法の例は、第１の材料を基板に蒸着し；第１の材料に第２の材料を蒸着し、マイクロエレクトロニクス処理（例えば、リソグラフィ、エッチング）によって第２の材料をパタニングして検出先端部を形成し、第２の材料に第３の材料を蒸着し、その後、研磨処理によって第３の材料を平坦化し、第３の材料に第４の材料を蒸着し、第４の材料をパタニングするが、このパタニングは、最初にマイクロエレクトロニクス処理（例えばリソグラフィ、エッチング）によって、次に第３の材料の一部と任意選択で第１の材料の一部とを除去するマイクロエレクトロニクス処理（例えば別のエッチング）によって行い、その際このエッチングは通常、第２の材料に対して選択的であり（第２の材料に対しては低エッチング率）、マイクロエレクトロニクス処理で第４の材料はハードマスクとして機能することを含む。ハードマスクは一般に、ポリマー材料またはその他の生物体の「軟質」材料に代わるエッチングマスクとして半導体処理に使用される材料（例えば無機誘電体または金属化合物）を指す。
【０１０４】
いくつかの実施形態では、本方法は、このようにして製造された対称な２つのデバイスまたは下位機器ユニット（すなわちフリップミラー）を接続して、流路を有する検出デバイスを形成することをさらに含む。各流路の入口は、任意選択で鐘形の口であってよく、例えば流路の開口端部（入口）の大きさは流路本体より大きく、これにより、細胞が流路に入りやすくなる。各流路の断面の形状は、長方形、楕円、円形または多角形であってよい。２つのマイクロ−デバイスを接続したマイクロトレンチは、マイクロ−デバイスの配置に設計された線列マークのモジュールによって配列させることができる。マイクロトレンチの寸法は、約０．１ｕｍ〜約５００ｕｍであってよい。
【０１０５】
また、本方法は、マイクロ−デバイスのマイクロトレンチを平坦パネルで覆うことも含んでよい。そのようなパネルは、シリコン、ＳｉＧｅ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、石英、低光損失ガラス、またはその他の光学材料を含んでいてもよいし、あるいはこれらから作製されてもよい。他に適切である可能性のある光学材料の例として、アクリレートポリマー、ＡｇＩｎＳｂＴｅ、合成アレキサンドライト、三セレン化ヒ素、三硫化ヒ素、フッ化バリウム、ＣＲ−３９、セレン化カドミウム、塩化カドミウムセシウム、カルサイト、フッ化カルシウム、カルコゲナイドガラス、リン化ガリウム、ＧｅＳｂＴｅ、ゲルマニウム、二酸化ゲルマニウム、グラスコード、水素シルセスキオキサン、氷州石、液晶、フッ化リチウム、ルミセラ、ＭＥＴＡＴＯＹ、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、負屈折率メタマテリアル、中性子スーパーミラー、蛍光体、ピカリン、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリカーボネート、臭化カリウム、サファイア、スコトファ、スペクトラロン、スペキュラム合金、スプリットリング共振器、フッ化ストロンチウム、イットリウムアルミニウムガーネット、イットリウムフッ化リチウム、イットリウムオルトバナジウム酸塩、ＺＢＬＡＮ、セレン化亜鉛および硫化亜鉛がある。
【０１０６】
他の実施形態では、本方法は、このようにして製造された３つを超える下位機器ユニットまたはデバイスを一体化して、流路のアレイを有する強化したデバイスを得ることをさらに含んでいてよい。
【０１０７】
本発明の別の態様は、生体試料の微視的特性を測定することによる疾患検出に使用するマイクロ−デバイス（マイクロプローブおよびマイクロインデンテーションプローブを含む）を製造するための一連の新規のプロセスの流れに関する。マイクロ−デバイスは、本発明の検出装置の中に下位機器ユニットとして組み入れて、１つ以上の特性を微視的レベルで測定できるものである。例えば、癌細胞は、硬さ、密度および弾性が正常細胞と異なっていて、正常細胞よりも硬く高密度であってもよい。
【０１０８】
本発明の別の様態は、細胞通信に関わることであり、本明細書に開示したマイクロ−デバイスによって生成された発生信号を用いて細胞の決定または応答（分化、脱分化、細胞分裂や細胞死など）を調節することである。これをさらに使用して、疾患を検出して対処することが可能である。
【０１０９】
本明細書の別の態様では、発明性のある本方法または本方法で測定したパラメータは、少なくとも２つのレベルＦ（レベル１、レベル２）の関数であり、レベル１はタンパク質などの生物学的実体であってよく、レベル２は遺伝子などの別の生物学的実体であってよく、測定した信号強度Ｆ（レベル１、レベル２）は、レベル１の情報ｆ（レベル１）のみを含む信号と、レベル２の情報ｆ（レベル２）のみを含む信号との合計よりも大きい。
信号強度Ｆ（レベル１、レベル２）＞信号強度ｆ（レベル１）＋信号強度ｆ（レベル２）
【０１１０】
上記の新規の特徴および特性は、多くのレベルＦ（レベル１、レベル２、レベル３．．．レベルｎ）を含む関数である測定パラメータにまで及び得る。この革新的技術の１つの新規の不明瞭な特徴は、各信号が単一の生物学的レベルしか含まない測定信号よりも、複数の生物学的レベルを含むパラメータ内の測定信号が相乗的に強化される点である。この手法では、癌検出（特に初期段階での癌検出）などの疾患検出で通常は弱い検出信号を効果的に強化または拡大でき、早期の疾患検出が可能になり、さらに効果的になる。
【０１１１】
さらに測定能力を高めるために、飛行時間技術を用いる下位機器ユニットとしての検出装置の一部に複数のマイクロ−デバイスを実装でき、少なくとも１つのプロービングマイクロ−デバイスおよび１つの感知マイクロ−デバイスを既知の距離に予め配置する。プロービングマイクロ−デバイスは、信号（例えば電圧、電荷、電界、レーザー光線、熱パルス、イオン列、または音波）を測定する生体試料に適用でき、検出（感知）マイクロ−デバイスは、試料が所望の時間にわたって既知の距離を移動した後に生体試料からの応答または生体試料の応答を測定できる。例えば、プロービングマイクロ−デバイスが最初に細胞に電荷を印加でき、次に検出（感知）マイクロ−デバイスが続けて、所望の時間（Ｔ）が経過して細胞が特定の距離（Ｌ）を移動した後に表面荷電を測定する。
【０１１２】
本発明の装置に含まれているマイクロ−デバイスまたは下位機器ユニットは、様々な特性、高度な柔軟性、および統合能力、小型化能力、ならびに製造大規模化の可能性があることにより、広範囲にわたる設計、構造、機能性、柔軟性、および用途を有し得る。これらには、例えば電圧比較器、四点プローブ、カリキュレータ、論理回路、記憶ユニット、マイクロカッター、マイクロハンマー、マイクロシールド、マイクロダイ、マイクロピン、マイクロナイフ、マイクロニードル、マイクロスレッドホルダ、マイクロピンセット、マイクロレーザ、マイクロ光学吸収体、マイクロミラー、マイクロホイーラー、マイクロフィルタ、マイクロチョッパー、マイクロシュレッダー、マイクロポンプ、マイクロ吸収体、マイクロ信号検出器、マイクロドリラー、マイクロ吸引器、マイクロテスター、マイクロ容器、信号送信器、信号発生器、摩擦力センサ、電荷センサ、温度センサ、硬度検出器、音波発生器、光学波発生器、熱発生器、マイクロ冷蔵庫および電荷発生器がある。
【０１１３】
さらに、製造技術の進歩により、現時点では、広範囲にわたるマイクロ−デバイスを製造すること、および同じデバイス上に様々な機能を組み込むことが大幅に実現可能になり、かつ費用対効果が向上していることに注意すべきである。典型的なヒト細胞の大きさは約１０ミクロンである。先行技術の集積回路製造技術を使用することで、マイクロ−デバイス上に画成される最小の加工寸法は、０．１ミクロン以下の小ささになり得る。そのため、開示したマイクロ−デバイスを生物学的用途に利用することが理想的である。
【０１１４】
本発明の装置のマイクロ−デバイスに対する材料に関して、一般的な原則または一般に考慮すべきことは、材料と生物学的実体との適合性である。マイクロ−デバイスが生体試料（例えば細胞）と接触している時間は、意図する用途に応じて変化し得るため、マイクロ−デバイスを作製するために様々な材料または材料の様々な組み合わせを使用してよい。いくつかの特殊な事例では、材料は、制御した方法である一定のｐＨで溶解してもよく、これによって適切な材料として選択してもよい。その他の考慮すべきこととして、コスト、単純性、使いやすさおよび実用性がある。集積回路製造技術などの微細加工技術が著しく進歩したことにより、現時点では、最小の加工寸法が０．１ミクロンの小ささである高度に集積したデバイスを良好な費用対効果で、商業目的で作製できる。１つの良い例が、現在エレクトロニクスなどの業界で多様な用途に使用されているマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）の設計および製造である。
【０１１５】
検査した複数種類の癌に対して、測定感度および特異性の点で良好な疾患（癌および癌以外）検出結果が得られており、これは、本発明の装置が特に初期段階で疾患（例えば癌）を検出する能力を向上させたことの有効性を実証している。この実験結果は、開示した装置を用いて複数の癌の種類を検出できることも示しており、この装置自体が多くの既存の検出装置に比して改良されている。
【０１１６】
具体的には、複数種類の癌および癌以外の疾患（炎症性疾患、糖尿病、肺疾患、心疾患、肝疾患、胃疾患、胆道疾患、または心臓血管疾患など）に対して、本発明の装置を用いた研究を実行した。これらの研究では、血液試料全体を、採取後５日以内に使用し、かつ／または０．５〜２０°Ｃの冷却した環境で適切に運搬／保存した。対照群の試料は、正常なＡＦＰ値およびＣＥＡ値（正常範囲内）を用いた身体検査で確認した健常者から得た。
【０１１７】
【表１】
2020510402.tif 000003
表１  肺疾患検査のデータ
【０１１８】
【表２】
2020510402.tif 000004
表２  糖尿病検査のデータ
【０１１９】
【表３】
2020510402.tif 000005
表３  心疾患検査のデータ
【０１２０】
【表４】
2020510402.tif 000006
表４  肝疾患検査のデータ
【０１２１】
【表５】
2020510402.tif 000007
表５  胃疾患検査のデータ
【０１２２】
【表６】
2020510402.tif 000008
表６  記述統計の要約
【０１２３】
【表７】
2020510402.tif 000009
表７  ＲＯＣ曲線解析の結果
【０１２４】
ＣＤＡ値は、研究からの検査値に基づく計算を用いるアルゴリズムから得られる。ＣＤＡ値は、疾患リスクとともに増加する。換言すれば、ＣＤＡ値が高いほど疾患のリスクは高い。
【０１２５】
上記の表が示すように、ＣＤＡ値は、様々な疾患（４０台半ば）で対照（健常者）群（約３６）の値よりも高い。この２つの群に対するＣＤＡ値の統計解析は、この２つの群のＣＤＡ値の間に統計的に有意な差があったことを示している。したがって、上記の研究は、本発明の装置および方法がいくつかの主要な疾患を対照群と区別することができたことを示しており、感度および特異性が既存の技術よりも高いと思われることを示している。
【０１２６】
以下に記載するのは、下位機器ユニットとして組み込んだ発明性のあるマイクロ−デバイスの類を含む本発明の装置のいくつかの図または例である。
【０１２７】
図１（ａ）は、従来の検出装置一式を示しており、各々の装置は単一の検出技術に依存している。図１（ａ）に示したように、現在の診断デバイスは、狭い焦点で、通常は単一の技術（例えばＸ線装置またはＮＭＲ装置）を用いて疾患を検出するものである。
【０１２８】
図１（ｂ）および図１（ｃ）は、複数の下位機器ユニットが１台の装置に組み込まれている本発明の検出装置の図である。その結果、新規の装置のサイズは、従来のデバイスよりも小さい。
【０１２９】
図２は、複数の下位機器ユニット、送達システム、および中央制御システムを備えている本発明の検出装置の概略図である。中央制御システムは、複数の処理ユニットを備え、各々の処理ユニットは、コンピュータ、データ分析ユニット、または表示ユニットであってよい。中央制御システムは、複数の下位機器ユニットと相互作用し、複数の下位機器ユニットによって使用される。この資源共有プロセスにより、装置のコストおよびサイズを効果的に抑えることができる。生体被験体（例えば流体試料）は、送達システムを介して各下位機器ユニットに流れることができる。送達システムは、具体的な診断目的用に生体被験体を１つ以上の所望の下位機器に運搬することもできる。
【０１３０】
検出の速度および感度を高めるため、多数のマイクロ−デバイスを本発明の単一の装置に組み込むことができる。各マイクロ−デバイスは、装置内で独立した下位機器ユニットであってよい。上記の要件を達成するため、検出装置は、生体試料と接触させるために表面積を最大にし、その最大表面に多数のマイクロ−デバイスを集積させて最適化する必要がある。
【０１３１】
疾患診断用に生体被験体の単一の特性を測定する代わりに、様々なマイクロ−デバイスを検出装置の中に組み込んで複数の特性を検出できる。様々なマイクロ−デバイスが、別々の下位機器ユニットを構成してよい。図３は、別々の検出プローブの複数のマイクロ−デバイス３１１、３１２、３１３、３１４、および３１５を有する本発明の疾患検出装置１３３の斜視断面図であり、検出プローブの中で、疾患検出装置内に配置されるかその中を移動する血液試料などの試料２１１を複数の特性に対して検査でき、その特性として、機械特性（例えば密度、硬度および付着力）、熱特性（例えば温度）、生物学的特性、化学特性（例えばｐＨ）、物理特性、音響特性、電気特性（例えば表面電荷、表面電位、およびインピーダンス）、磁気特性、電磁気特性、および光学特性などがあるが、これに限定されない。
【０１３２】
図示したように、測定表面積を最大にするように検出装置の設計を最適化することが望ましい。なぜなら、表面積が大きいほど、試料を同時に測定するために検出装置に配置できるマイクロ−デバイスの数が多くなり、それによって検出速度が上がり、検査に必要な試料の量も少なくなるからである。
【０１３３】
図４は、本発明の装置または下位機器ユニットの斜視図である。本装置は２つのスラブを含み、このスラブは、測定対象の血液試料などの試料を含む狭い空間で隔てられ、試料は両スラブの間に配置され、複数のマイクロ−デバイスは、試料の１つ以上の特性を微視的レベルで測定するためにスラブの内面に配置されている。
【０１３４】
本発明のさらに別の態様は、疾患検出目的のマイクロ−デバイスまたは下位機器ユニットを作製するための一連の新規の製造プロセスの流れに関する。このように、上記の新規の製造プロセスの流れを用いて、生体試料の（機械特性および電気特性を含む）多様な特性を測定できる２つのプローブを有するマイクロ−デバイスが製造される。
【０１３５】
本明細書に開示したマイクロ−デバイスを組み込んだ検出装置は、単細胞レベル、単一のＤＮＡレベル、単一のＲＮＡレベル、または個別の小サイズの生物学的物質レベルで事前に選択した特性を完全に検出できる。さらに別の態様では、本発明は、信号が微弱で雑音背景が比較的高いという複雑な環境でも、疾患検出のために生体システム内の微弱信号に対して高感度の高度な測定を可能にするマイクロ−デバイスの設計、集積、および製造プロセスの流れを提供する。疾患検出用に本発明で開示したマイクロ−デバイスの類を使用するこのような新規の能力は、動的測定、実時間測定（飛行時間の測定、およびプローブ信号の使用と応答信号の検出との併用など）、背景の雑音を減らす位相ロックイン技術、および微弱信号を測定する４点プローブ技術を実施すること、ならびに単細胞（例えばＤＮＡまたは染色体のテロメアレベル）、単一の分子（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質）レベル、単一の生体被験体（例えばウイルス）レベルで生体試料の様々な電子特性、電磁気特性および磁気特性を測定する独特で新規のプローブを実現することなどを含むが、これに限定されない。
【０１３６】
例えば、生体試料（例えば細胞、細胞の下部構造、ＤＮＡ、ＲＮＡ、またはウイルス）に関する動的情報を得るための飛行時間法では、最初に第１のマイクロ−デバイスを使用して診断対象の生体被験体を混乱させる信号を送信し、その後、第２のマイクロ−デバイスを用いて生体被験体からの応答を的確に測定する。１つの実施形態では、第１のマイクロ−デバイスおよび第２のマイクロ−デバイスは、所望の距離または所定の距離Ｌを置いて配置され、測定する生体被験体が第１のマイクロ−デバイスから第２のマイクロ−デバイスに向かって流れる。生体被験体が第１のマイクロ−デバイスを通過すると、第１のマイクロ−デバイスは、通過する生体被験体に信号を送信し、その後第２のマイクロ−デバイスは、生体被験体への撹乱信号の応答または保持を検出する。２つのマイクロ−デバイス間の距離、時間間隔、第１のマイクロ−デバイスによる撹乱の性質、および飛行時間中に生体被験体に関して測定した変化から、生体被験体の微視的特性および動的特性を得ることができる。別の実施形態では、信号（例えば電荷）を印加して生体被験体をプロービングするために第１のマイクロ−デバイスを使用し、生体被験体からの応答は、第２のマイクロ−デバイスによって経時的に検出される。
【０１３７】
検出感度をさらに高めるために、疾患検出用の新規の検出プロセスを使用し、このプロセスでは飛行時間技術を用いる。図５は、複数のマイクロ−デバイス３２１および３３１を有する検出装置１５５の斜視断面図であり、マイクロ−デバイスは、測定感度、特異性および速度が増した生体試料２１１（例えば細胞）に関して動的な情報を得る飛行時間測定のために、所望の距離７００を置いて配置されている。この飛行時間測定では、試料２１１が第１のマイクロ−デバイス３２１を通過するときに、生体試料２１１の１つ以上の特性が最初に測定される。その後、試料２１１が距離７００を移動してから第２のマイクロ−デバイス３３１を通過するときに、同じ特性が再び測定される。マイクロ−デバイス３２１からマイクロ−デバイス３３１までに起こる試料２１１の特性の変化は、試料がその期間にわたって周囲環境（例えば特定の生物学的環境）とどのように反応するかを示している。また、その特性が時間と共にどのように進展するかに関しても情報が明らかになり、洞察をもたらす可能性がある。あるいは、図５に示した構成では、最初にマイクロ−デバイス３２１をプローブとして使用して、試料がマイクロ−デバイス３２１を通過するときに試料２１１にプローブ信号（例えば電荷）を印加することができる。続いて、プローブ信号に対する試料の応答を、試料が通過するときにマイクロ−デバイス３３１によって検出できる（例えば飛行中の試料の電荷の変化）。生体試料２１１の測定は、接触測定でも非接触測定でも行うことができる。１つの実施形態では、生体被験体の特性を経時的に測定するために、マイクロ−デバイスのアレイを所望の間隔をあけて配置してよい。
【０１３８】
上記で考察し、図５に示した（例えば本発明の製造プロセスの流れを用いて作製された）マイクロ−デバイスの使用は、既存の検出技術では考慮されなかった生体試料（例えば細胞、細胞の下部構造、またはＤＮＡもしくはＲＮＡまたはタンパク質などの生物学的分子）の一連の新たな微視的特性を検出するのに有益となり得る。そのような微視的特性は、単一の生体被験体（細胞、細胞の下部構造、生物学的分子−例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、またはタンパク質−または組織もしくは臓器の試料など）である生体試料の熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気化学機械特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、物理特性、または機械特性、またはこれらの組み合わせであってよい。生物学的物質は、ＯＨ、ＣＯ、およびＣＨの結合などの基本結合から、ＤＮＡおよびＲＮＡなどの複雑な３次元構造までを含んでいることが知られている。そのうちのいくつかは、電子構成の点で独特の特色を有している。そのうちのいくつかは、熱、光学、音響、生物学、化学、電気機械、電気化学、電気化学機械、生化学、生体力学、バイオ電気機械、バイオ電気化学、バイオ電気化学機械、電気、磁気、電磁気、物理、もしくは機械またはこれらの組み合わせの点で独特の特性および構成を有していることがある。正常な生体被験体および疾患のある生体被験体は、上記の特性に関して様々な特色を有していることがある。ただし、上記のいずれのパラメータも特性も、疾患検出特性として慣習的に使用されてはいない。本発明の１つ以上の装置を含む疾患検出装置を使用すると、疾患検出、特に癌などの重篤な疾患を初期段階で検出するのに有用な信号として、これらの特性を検出し、測定し、使用することができる。
【０１３９】
図６は、生体試料２１２、２１３、２１４、および２１５の様々な電子的、磁気的、または電磁気的な状態、構成、またはその他の特性を微視的レベルで検出するように設計され構成された新規の微視的プローブ一式３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、および３４７の斜視図であり、生体試料は、単細胞、ＤＮＡ、ＲＮＡ、および組織または試料であってよい。例として、電子特性の測定に関して、図１０の生体試料２１２、２１３、２１４、および２１５の形状は、電子の単極子（試料２１２）、双極子（試料２１３および２１４）、および四極子（試料２１５）を表していてもよい。マイクロ−デバイス３４１、３４２、３４３、３４４、３４５、３４６、および３４７は、電子状態、電子電荷、電子雲分布、電場ならびに磁気特性および電磁気特性などだがこれに限定されない上記パラメータの測定感度を最大にするために最適化され、マイクロ−デバイスは、３次元構成で設計でき配置できる。癌などのいくつかの疾患の場合、電子状態およびそれに対応する電子特性は、正常細胞、癌細胞、ＤＮＡ、ＲＮＡ、組織どうしで異なると思われる。したがって、細胞、ＤＮＡおよびＲＮＡのレベルを含む微視的レベルで電子特性、磁気特性および電磁気特性を測定することによって、疾患検出の感度および特異性を向上させることができる。
【０１４０】
単細胞の電気特性（例えば電荷、電子状態、電子電荷、電子雲分布、電場、電流および電位、ならびにインピーダンス）、機械特性（例えば硬度、密度、剪断強度および破壊強度）および化学特性（例えばｐＨ）を測定する場合の上記の例、および図６で細胞および生物学的分子（例えばＤＮＡ、ＲＮＡ、およびタンパク質）のレベルでの生体試料の電気的、磁気的または電磁気的な状態または構成を測定する場合に加えて、本明細書では感知による電気測定のためのその他のマイクロ−デバイスを開示する。
【０１４１】
図７は、細胞などの生体試料で弱電子信号を検出するための４点プローブの斜視図であり、４点プローブ３４８は、生体試料２１６の電気特性（インピーダンスおよび弱電流）を測定するように設計されている。
【０１４２】
本発明の主要な態様の１つは、マイクロ−デバイスの設計および製造プロセスの流れ、ならびに生体被験体（例えば細胞、細胞の下部構造、ＤＮＡ、およびＲＮＡ）を微視的レベルかつ３次元空間で捕捉および／または測定するためのマイクロ−デバイスを使用する方法であり、マイクロ−デバイスは、細胞、ＤＮＡ、またはＲＮＡと同じくらい小さい加工寸法で３次元に配置されたマイクロプローブを有し、生体被験体を捉え、選別し、プロービングし、測定し、修飾する能力がある。このようなマイクロ−デバイスは、集積回路の製造に使用されるような先行技術によるマイクロエレクトロニクス加工技術を用いて製造され得る。分子線エピタキシー法（ＭＥＢ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｅｐｉｔａｘｙ  ｂｅａｍ）および原子層堆積法（ＡＬＤ：ａｔｏｍｉｃ  ｌａｙｅｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの薄膜蒸着技術を用いることで、単層をいくつか合わせたものと同じくらい薄い膜を達成できる（例えば４Ａ〜１０Ａ）。さらに、電子線またはＸ線のリソグラフィを使用することで、ナノメートル単位のデバイス加工寸法を実現でき、生体被験体（例えば単細胞、単一のＤＮＡまたはＲＮＡ分子）を捉え、選別し、プロービングし、測定し、修飾する能力があるマイクロ−デバイスを作製することが可能になる。
【０１４３】
本発明の別の態様は、生体被験体の多様な物理特性（機械特性など）を測定するためのマイクロインデンテーションプローブおよびマイクロプローブに関する。機械特性の例として、硬度、剪断強度、伸張強度、破壊応力、および細胞膜に関するその他の特性があり、細胞膜は、疾患診断に重要な構成要素であると考えられている。
【０１４４】
本発明が提供する別の新規の手法が、背景の雑音を減らし信号雑音比を効果的に高める疾患検出用の位相ロックイン測定を使用することである。一般に、この測定手法では、周期信号を用いて生体試料をプロービングし、この周期的なプローブ信号の周波数にコヒーレントな応答を検出して増幅し、プローブ信号の周波数にコヒーレントでないその他の信号を選り分けて排除し、これによって背景の雑音を効果的に減らす。本発明の実施形態の１つでは、プロービングマイクロ−デバイスは、周期的なプローブ信号（例えばパルスレーザビーム、パルス熱波、または交流電場）を生体被験体に送信でき、生体被験体によるプローブ信号への応答は、検出マイクロ−デバイスによって検出できる。位相ロックイン技術を使用して、不要な雑音を選り分けて排除でき、プローブ信号の周波数と同期している応答信号を高めることができる。以下の２つの例は、弱信号を強め、それに伴い疾患検出測定での検出感度を高めるための位相ロックイン検出技術を組み合わせた飛行時間検出構成の新規な特徴を説明している。
【０１４５】
図８は、圧力発生器、圧力調節器、流量計、流量調節器、絞り弁、圧力計、および分配器具を含む流体送達システムを示している。圧力発生器８０５は流体を所望の圧力に維持し、圧力は調節器８０１によってさらに調節され、その後、絞り弁８０２によって的確に操作される。一方、圧力は、実時間で監視され、圧力計８０３によって絞り弁８０２に返される。調節された流体は、その後、複数のデバイスに平行して誘導され、流体試料を流すために一定の圧力が必要とされる。
【０１４６】
図９は、本発明の疾患検出装置のマイクロ−デバイスが微視的レベルで生体被験体とどのように通信し、プロービングし、検出し、かつ任意選択で処理し、修飾できるのかを示している。図９（ａ）は、信号認識から細胞の運命決定までの細胞事象の順序を示している。最初に、信号９０１が細胞表面の受容器９０２によって検出されると、細胞はその信号を、カルシウム振動９０３などの生物学的に理解可能なメッセージに組み入れて符号化する。その結果、細胞内の対応するタンパク質９０４は、メッセージと相互作用し、次に修飾され、それに応じてイオン相互作用したタンパク質９０５に変形する。これらの修飾されたタンパク質９０５は、転座によって、保持されたメッセージを核タンパク質に伝達し、核タンパク質の制御された修飾が、転写、翻訳、エピジェネティク処理、およびクロマチン修飾などの遺伝子９０７の発現を調整する。メッセンジャーＲＮＡ９０９によって、メッセージは、特異タンパク質９１０に順次伝達され、これによって、特異タンパク質の濃度を変化させ、これによって次に、分化、分裂、さらには死滅などの細胞の決定または活動を決定したり調節したりする。
【０１４７】
図９（ｂ）は、接触手段または非接触手段によって、単細胞を検出でき、この細胞と通信でき、処理でき、修飾でき、またはプロービングできる本発明のマイクロ−デバイスまたは下位機器を示している。本装置には、制御回路９２０によってアドレス指定され調整されるマイクロプローブおよびマイクロインジェクタが備わっている。各々の個別のマイクロインジェクタには、別々のマイクロカートリッジが供給され、マイクロカートリッジは、設計された化学物質または化合物を保持する。
【０１４８】
マイクロ−デバイスをどのように使用して細胞内信号をシミュレートできるかを説明するために、カルシウム振動を一例の機構として取り挙げる。最初に、Ｃａ2＋放出活性流路（ＣＲＡＣ）を最大限まで開口させる必要があり、これは様々な手法で達成できる。適用可能な手法の一例では、カートリッジ９２４に収容された生化学材料（例えばタプシガルジン）が、インジェクタ９２５によって細胞へと放出され、ＣＲＡＣが生体被験体の刺激で開口する。適用可能な手法の別の例では、インジェクタ９２４が特定の電圧を細胞膜に印加し、これによりＣＲＡＣも開口させる。
【０１４９】
インジェクタ９２８内の溶液のＣａ2+濃度は、Ｃａ2+を含む溶液９２６とＣａ2+を含まない溶液９２７との望ましい組み合わせであるため、調整可能である。インジェクタ９３０は、Ｃａ2+を含まない溶液を収容しているため、インジェクタ９２８および９３０は、所望の周波数で交互に切り換えられる。このようにしてＣａ2+振動が達成されるため、細胞膜内の内容物はＣａ2+振動を受ける。その結果、細胞の活動または運命は、装置によって生成された調節信号によって操作される。
【０１５０】
同時に、細胞の応答（例えば、熱特性、光学特性、音響特性、機械特性、電気特性、磁気特性、電磁気特性、またはこれらの組み合わせの形態）を、この装置に組み込まれたプローブを用いて監視し記録できる。
【０１５１】
図９（ｃ）は、単細胞との通信を設定できるマイクロ−デバイスまたは下位機器の別の設計を示している。装置には、生物学的に適合した化合物または要素、例えばＣａ、Ｃ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｈ、Ｉ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ｆ、Ｋ、Ｎａ、Ｓ、またはＺｎで被覆されたマイクロプローブが備わっている。これらのプローブは、このような要素または化合物を用いて振動化学信号を生成して細胞と相互作用でき、その結果、前述したように、細胞の活動または最終的な運命に影響を及ぼす応答をもたらす。同じように、この装置は、細胞の応答（例えば電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせの形態で）もプロービングし、記録できる。
【０１５２】
表面電荷が生体被験体の形状に影響を及ぼすため、新規の複数のプレートを用いることによって、生体被験体の形状および電荷分布に関する情報を得ることができる。マイクロ−デバイスの一般原理および設計は、より広い範囲に拡張できる。したがって、イオン勾配、温度勾配、光学ビーム、または別形態のエネルギーなどの他のパラメータを印加することによる分離を通じて、生体被検体に関する他の情報を得ることが可能になる。
【０１５３】
図１０は、流路、プローブ一式１０２０、および光学センサ一式１０３２（図１０（ａ）を参照）を含むマイクロ−デバイスを使用することによって生体被験体１０１０の微視的特性を検出または測定する本発明の別のマイクロ−デバイスまたは下位機器を示している。プローブ１０２０で検出した信号を、光学センサ１０３２で収集した画像を含む情報と相互に関連づけて、検出感度および特異性を高めることができる。光学センサは、例えばＣＣＤカメラ、蛍光検出器、ＣＭＯＳイメージセンサ、またはこれらのあらゆる組み合わせであってよい。
【０１５４】
あるいは、疾患細胞などの標的の生体被検体で蛍光放出１０４３などの発光を引き起こすようにプローブ１０２０を設計でき、このようにすると、この発光を、図１０（ｃ）に示すように光学プローブ１０３２で検出できる。具体的には、最初に、選択的に疾患細胞に反応できるタグ溶液を用いて生体被験体を処理できる。続いて、プローブ１０２０と（接触または非接触で）反応したときに疾患細胞から発光が生じ、それを光学センサ１０３２で検出できる。本発明の装置を用いるこの新規のプロセスは、発光を引き起こす点が光学プローブのすぐ隣にあるために従来の蛍光分光法のような通常の方法よりも感度がよく、引き起こされた信号１０４３を実時間でその場で、信号損失を最小限にして記録できる。
【０１５５】
図１１は、幾何学サイズの異なる生体被検体を分離し、その生体被検体の特性をそれぞれ検出するために使用できる本発明の装置の別の実施形態を示している。本装置は、少なくとも入口流路１１１０、攪乱流体流路１１２０、加速チャンバ１１３０、ならびに２つの選択流路１１４０および１１５０を備えている。１１２０と１１１０との間の角度は、０°〜１８０°である。生体被験体１１０１は、１１１０から１１３０へｘ方向に流れる。生体適合性の攪乱流体１１０２は、１１２０から１１３０へ流れる。その後、流体１１０２が１１０１をｙ方向に加速させる。ただし、この加速は、生体被験体の半径と相関関係にあり、大きいものほど小さいものよりも加速が少なくなる。そのため、大きい被験体と小さい被験体は、別々の流路に分離される。一方、プローブは、１１１０、１１２０、１１３０、１１４０、および１１５０の側壁の脇に任意選択で取り付けることができる。プローブは、微視的レベルでの電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出できる。その際に、希望により、装置の細く小さい間隙にある生体の残留物および蓄積物（例えば乾燥血液およびタンパク質）を溶解かつ／または洗浄して、検査対象の生体被験体が装置を通過するのを円滑にするために、システムの中に洗浄流体を注入してもよい。
【０１５６】
本発明の装置に備わっている流路の幅は、例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよい。装置は、少なくとも１つの入口流路および少なくとも２つの出口流路を有している必要がある。
【０１５７】
図１２は、生体被験体１２０１の音響特性を測定する音響検出器１２２０を含む本発明の別のマイクロ−デバイスまたは下位機器を示している。このデバイスは、流路１２１０と、流路の側壁に沿って設置した少なくとも超音波発信器および超音波受信器を備えている。生体被験体１２０１が流路１２１０を通過すると、１２２０から発信された超音波信号は、１２０１に関する情報を運搬した後に受信器１２３０によって受信される。超音波信号の周波数は、例えば２ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであってよく、流路のトレンチ幅は、例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよい。音響変換器（すなわち超音波発信器）は、圧電材料（例えば石英、ベルリナイト、ガリウム、正リン酸塩、ＧａＰＯ4、トルマリン、セラミックス、バリウム、チタン酸塩、ＢａｔｉＯ3、ジルコン酸チタン酸鉛ＰＺＴ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、およびポリフッ化ビニリデン）を用いて製造されてよい。
【０１５８】
図１３は、生体被験体１３０１に対する圧力検出器を備えている本発明の別の装置を示している。本装置は、少なくとも１つの流路１３１０を有し、その上に少なくとも１つの圧電検出器１３２０を有する。生体被験体１３０１が流路を通過すると、圧電検出器１３２０は、１３０１の圧力を検出し、その情報を電気信号に変換し、それを信号読み取り器に送信する。同じように、装置のトレンチ幅は、例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよく、圧電材料は、例えば石英、ベルリナイト、ガリウム、正リン酸塩、ＧａＰＯ4、トルマリン、セラミックス、バリウム、チタン酸塩、ＢａｔｉＯ3、ジルコン酸チタン酸鉛ＰＺＴ、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、およびポリフッ化ビニリデンであってよい。
【０１５９】
図１４は、流路の底部または天井部にある一対のプローブの間に、凹溝１４３０を有する本発明の別の装置を示している。生体被験体１４１０が通過するとき、凹部１４３０は、特定の幾何学的特徴を有する生体被験体を選択的に捉えることができ、プロービングをさらに有効にする。凹部の投射形状は、長方形、多角形、楕円形または円形であってよい。プローブは、電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出できる。同じく、トレンチ幅は、例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよい。図１４（ａ）はこの装置の上面図であり、図１４（ｂ）は側面図であり、図１４（ｃ）は斜視図である。
【０１６０】
図１５は、同じく流路の底部または天井部に凹溝１５３０（図１４に示したものとは異なる形状）を有する本発明の別の装置である。生体被検体１５１０が通過するとき、凹溝１５３０は乱流状の流体の流れを発生させ、これにより、特定の幾何学的特徴を有する微小の生体被検体を選択的に捉えることができる。プローブは、電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出できる。凹溝の深さは、例えば１０ｎｍ〜１ｍｍであってよく、流路幅は、例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよい。
【０１６１】
図１６は、階段状流路１６１０を有するマイクロ−デバイスを示している。生体被験体１６０１が流路１６１０を通過するとき、距離が異なっているプローブの対を用いて、異なる微視的特性を測定したり、あるいは各段の脇にあるプローブを用いて様々な段（１６２０、１６３０、１６４０）で同じ微視的特性を異なる感度で測定したりできる。この機構は、同じ微視的特性に対する信号を蓄積できるように位相ロックイン適用時に使用できるものである。プローブは、微視的な電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出または測定できる。
【０１６２】
図１７は、熱計測器１７３０を有する本発明の別の装置を示している。本装置は、流路、プローブ一式１７２０、および熱計測器一式１７３０を備えている。熱計測器１７３０は、赤外線センサ、トランジスタサブスレッショルドリーク電流検査器、またはサーミスタであってよい。
【０１６３】
図１８は、カーボンナノチューブ１８２０を含んでいる本発明の特定の装置を示し、このカーボンナノチューブは、内部の流路１８１０と、微視的レベルで電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出できるプローブ１８４０とを有する。図示したカーボンナノチューブ１８２０には、二重螺旋ＤＮＡ分子１８３０が入っている。カーボンナノチューブは、側部のプローブ１８４０によって電気信号を引き出して感知できる。カーボンナノチューブの直径は例えば０．５ｎｍ〜５０ｎｍであってよく、その長さは例えば５ｎｍ〜１０ｍｍであってよい。
【０１６４】
図１９は、検出デバイス（図１９（ａ）に図示）および光学センサ（図１９（ｂ）に図示）を含む本発明の集積装置を示し、光学センサは、例えばＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）、電荷結合素子（ＣＣＤ）、蛍光検出器、または別のイメージセンサであってよい。検出デバイスは、少なくともプローブおよび流路を有し、画像デバイスは、少なくとも１つの画素を含む。図１９（ｃ−ｌ）および図１９（ｃ−２）は、検出デバイスと光学センサが組み込まれたデバイスを示している。図１９（ｄ）に示したように、生体被験体１９０１、１９０２、１９０３が流路１９２０内のプローブ１９１０を通過するとき、生体被験体の電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせをプローブ１９１０で検出でき（図１９（ｅ）を参照）、その際に生体被験体の画像を同期させて光学センサによって記録できる（図１９（ｆ））。プロービングした信号と画像の両方を一つにまとめて診断を提供し、高い検出感度および特異性を実現する。このような検出デバイスおよび光学感知デバイスは、システムオンチップに設計する、または１つのチップにパッケージングできる。
【０１６５】
図２０は、検出マイクロ−デバイス（図２０（ａ））および論理回路（図２０（ｂ））を有するマイクロ−デバイスまたは下位機器を示している。検出デバイスは、少なくともプローブおよび流路を備え、論理回路は、アドレッサ、増幅器、およびＲＡＭを備えている。生体被験体２００１が流路を通過するとき、その特性をプローブ２０３０で検出でき、信号を実時間でアドレス指定し、分析し、保存し、処理し、図示できる。図２０（ｃ−ｌ）および図２０（ｃ−２）は、検出デバイスおよび集積回路を有するデバイスを示している。同じく、検出デバイスおよび集積回路は、システムオンチップに設計する、または１つのチップにパッケージングできる。
【０１６６】
図２１は、検出デバイス（図２１（ａ））およびフィルタ（図２１（ｂ））を備えている本発明のマイクロ−デバイスまたは下位機器を示している。生体被験体２１０１がデバイスを通過するとき、フィルタで濾過が実施され、無関係の物体を除去できる。その後、残りの被験体の特性をプローブデバイスで検出できる（図２０（ａ））。プロービングの前に濾過することで、デバイスの精度が高まる。流路の幅は、同じく例えば１ｎｍ〜１ｍｍであってよい。
【０１６７】
図２２は、ＤＮＡの小溝（２２１０）にある間隙などのＤＮＡ２２３０の幾何学因子がその領域での静電特性の空間分布に影響を及ぼし、それが今度はそのＤＮＡのセグメントでの局所的な生化学反応または化学反応に影響を及ぼし得る様子を示している。開示した検出器およびプローブ２２２０を使用してＤＮＡの空間特性（小溝の間隙など）をプロービングし、測定し、修飾することによって、ＤＮＡの欠陥などの特性を検出し、ＤＮＡのセグメントでの反応／進行を予測し、幾何学特性を修復または操作し、それに伴い静電場／静電電荷の空間分布を修復または操作して、ＤＮＡのセグメントでの生化学反応または化学反応に影響を及ぼすことが可能である。例えば、先端部２２２０を使用して小溝２２１０の間隙を物理的に増大できる。
【０１６８】
図２３は、流路を形成するためにトレンチの上に平坦なカバーを有する本発明の装置の製造プロセスを示している。このようにすると、完璧な整列を求めるために困難となり得る、２つのトレンチを結合して流路を形成するという必要性がなくなる。カバーは透明で、顕微鏡で観察できるものであってよい。カバーは、シリコン、ＳｉＧｅ、ＳｉＯ2、種々のガラス、またはＡｌ2Ｏ3を含むかこれらで作製されてよい。
【０１６９】
図２４は、生体被験体内の疾患を検出する本発明の装置の図式である。この装置は、前処理ユニット、プロービングおよび検出ユニット、信号処理、および廃棄物処理ユニットを備えている。
【０１７０】
図２５は、寸法またはサイズの異なる細胞を分離できる前処理ユニット内の試料濾過下位ユニットの一例を示している。このデバイスは、少なくとも１つの入口流路２５１０、１つの攪乱流体流路２５２０、１つの加速チャンバ２５３０、および２つの選択流路（２５４０および２５５０）を有する。２５２０と２５１０との間の角度２５６０は０°〜１８０°である。
【０１７１】
生体被験体２５０１は、入口流路２５１０から加速チャンバ２５３０へｘ方向に流れる。生体適合性の流体２５０２が攪乱流体流路２５２０から加速チャンバ２５３０へ流れ、その後、生体被験体２５０１をｙ方向に加速させる。この加速は、生体被験体の半径と相関関係にあり、大きいものほど小さいものよりも加速が少なくなる。その後、大きい被験体と小さい被験体とは別々の選択流路に分離される。一方、プローブは、流路２５１０、２５２０、２５３０、２５４０、および２５５０の側壁に任意選択で取り付けることができる。プローブは、微視的レベルでの電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、生化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、物理特性、機械特性、またはこれらの組み合わせを検出できる。
【０１７２】
図２６は、本発明の装置内の試料濾過ユニットの別の例の図式である。２６０１は小さい細胞を表し、２６０２は大きい細胞を表している。弁２６０４が開いていてもう一方の弁２６０３が閉じているとき、生体被験体（２６０１および２６０２）は出口Ａに向かって流れる。濾過孔よりも大きいサイズの大きい細胞は出口Ａで阻止され、小さい細胞は出口Ａから流れ出る。その際に入口弁２６０４および出口Ａ弁２６０７は閉じられ、生体適合性の流体が流体用入口弁２６０６から注入される。大きい細胞を運ぶ流体は出口Ｂから流れ出る。その後、大きい細胞は分析され、本発明の検出部で検出される。
【０１７３】
図２７は、本発明の装置の前処理ユニットの図式である。このユニットは、試料濾過ユニット、生体被験体に栄養または気体を補給する補給ユニットまたはシステム、定圧送達ユニット、および事前にプロービングした試料の攪乱ユニットを含んでいる。
【０１７４】
図２８は、本発明の装置の情報または信号処理ユニットの図式である。このユニットは、信号を増幅させる増幅器（ロックイン増幅器など）、Ａ／Ｄ変換器、およびマイクロコンピュータ（例えばコンピュータチップまたは情報処理下位デバイスを含むデバイス）、マニピュレータ、ディスプレイ、およびネットワーク接続を備えている。
【０１７５】
図２９は、複数の信号を統合し、それによって雑音を相殺し、信号／雑音比を高める様子を示している。この図では、生体被験体２９０１は、ｔｌからｔ２までのΔｔにわたってプローブ１で検査され、Ｔ３からＴ４までのΔｔにわたってプローブ２で検査されている。２９０２は、プローブ１から検査した２９０１の検査信号であり、２９０３はプローブ２からの検査信号である。信号２９０４は、信号２９０２および２９０３から得た統合結果である。雑音は、ある程度互いに相殺し、その結果、信号強度または信号／雑音比が改善される。同じ原理を、３つ以上のマイクロ−デバイスまたはプロービングユニットから収集されたデータに適用できる。
【０１７６】
図３０は、少なくとも１つのプロービング物体が生体被験体に向かって所望の速度で所望の方向に発射されて衝突するという本発明の新規の疾患検出方法を示している。衝突中および／または衝突後の生体被験体による応答は、検出され記録され、これが生体被験体に関する詳細な微視的情報、例えば重さ、密度、弾性、剛性、構造、（生体被験体内の様々な要素間の）結合性、電荷などの電気特性、磁気特性、構造情報、および表面特性などを提供できる。例えば、同種類の細胞の場合、癌細胞の方が高密度で重く、かつ体積が大きい可能性があるため、癌細胞は正常細胞よりも衝突後の移動距離が短くなることが予測される。図３０（ａ）に示したように、プロービング物体３０１１を生体被験体３０２２に向かって発射する。プロービング物体３０１１と衝突した後、生体被験体３０２２は、図３０（ｂ）に示したようにその特性に応じてある一定の距離にわたって押し出され得る（散乱し得る）。
【０１７７】
図３０（ｃ）は、プロービング物体発射チャンバ３０４４、検出器の列３０３３、プロービング物体３０２２および検査対象の生体被験体３０１１を有する新規の疾患検出デバイスの概略図である。一般に、検査物は、無機粒子、有機粒子、複合粒子、または生体被験体自体であってよい。発射チャンバは、物体を発射させるピストンと、指示のために電子回路またはコンピュータにインターフェース接続した制御システムと、物体を誘導する流路とを備えている。
【０１７８】
図３１は、生体被験体の疾患を検出する方法を示している。生体被験体３１０１は流路３１３１を速度ｖで通過し、プローブ３１１１は、生体被験体の特性を高速でおおかまに検出できるプローブである。
【０１７９】
プローブ３１１２は、圧電材料で被覆されている精巧なプロービングデバイスである。プローブ３１１１とプローブ３１１２との間には距離ΔＬがある。
【０１８０】
３１１１を通り抜けるときに生体被験体を検査するとき、その実体が異常の疑いがあるものであると特定された場合、システムは、圧電プローブ３１１２を始動させて流路の中に延ばし、Δｔの時間遅延後の特定の特性をプロービングする。そしてプローブ３１１２を、疑いのある実体が通過した後に引き上げる。
【０１８１】
プロービングデバイスは、微視的レベルで生体被験体の電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性または機械特性、またはこれらの組み合わせを測定できる。
【０１８２】
マイクロ流路の幅は、約１ｎｍ〜約１ｍｍであってよい。
【０１８３】
図３２は、生体被験体の疾患を検出するプロセスを示している。生体被験体３２０１が流路３２３１を速度ｖで通過する。プローブ３２１１は、生体被験体の特性を高速でおおかまに検出できるプローブである。３２２１および３２２２は、マイクロ流路３２３１および３２３２を制御する圧電弁である。３２１２は、プローブ生物学的特性をさらに詳細にプロービングできる精巧なプロービングデバイスである。３２３１は、正常な生体被験体を迅速に排出する排出流路である。３２３２は、この流路で疑いのある実体を精巧に検出する検出流路である。
【０１８４】
３２１１を通り抜ける間に生体被験体を検査するとき、生体被験体が正常であれば、排出流路の弁３２２１は開き、検出流路弁３２２２は閉じ、生体被験体は、時間を要する精巧な検出をせずに排出される。
【０１８５】
３２１１を通り抜ける間に生体被験体を検査するとき、生体被験体に異常または疾患の疑いがあれば、排出流路の弁３２２１は閉じ、検出流路弁３２２２は開き、生体被験体はさらに詳細なプロービングのために検出流路に誘導される。
【０１８６】
マイクロ流路の幅は、約１ｎｍ〜約１ｍｍであってよい。
【０１８７】
プロービングデバイスは、微視的レベルで生体被験体の電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性もしくは機械特性、またはこれらの組み合わせを測定できる。
【０１８８】
図３３は、整列した生物学的検出デバイスを示している。図３３（ａ）に示したように、３３０１は、流体および生体被験体が通り抜けることができる整列したマイクロ流路である。３３０２は、流路の脇に埋め込まれたプロービングデバイスである。センサは、ビット線３３２１およびワード線３３２２で配線されている。信号は、Ｒ＼列選択復号器３３４２および行選択復号器３３４１によって印加され収集される。図３３（ｂ）に示したように、マイクロ流路が整列している生物学的検出デバイス３３００は、マクロ流路３３０１に埋め込まれ得る。マイクロ流路の寸法は約１ｕｍ〜約１ｍｍである。マイクロ流路の形状は、長方形、楕円形、円形、または多角形であってよい。
【０１８９】
プロービングデバイスは、微視的レベルで生体被験体の電気特性、磁気特性、電磁気特性、熱特性、光学特性、音響特性、生物学的特性、化学特性、電気機械特性、電気化学特性、電気化学機械特性、生化学特性、生体力学特性、バイオ電気機械特性、バイオ電気化学特性、バイオ電気化学機械特性、物理特性もしくは機械特性、またはこれらの組み合わせを測定できる。
【０１９０】
図３４は、疾患検出のための本発明のデバイスを示している。３４０１は検出デバイスの入口であり、３４０２はデバイスの出口である。３４２０は、生体被験体が通過する流路である。３４１１は、検出デバイス光学要素である。
【０１９１】
図３４（ｂ）に示したように、光学要素３４１１は、光学発信器３４１２および光学受信器３４１３で構成されている。光学発信器は、生体被験体３４０１が光学要素を通過すると光学パルス（例えばレーザー光線パルス）を発信し、光学センサは、光学パルスの回折を検出し、その後、実体の形態を識別する。
【０１９２】
図３５は、パッケージングし、試料送達システムおよびデータ記録デバイスと統合できる状態にある本発明の装置の一例を示している。図３５（ａ）に示したように、デバイス３５０１は、本明細書に記載したマイクロエレクトロニクス処理によって製造され、少なくともマイクロトレンチ３５１１、プローブ３５２２、および結合パッド３５２１を有する。デバイスの上層の表面は、ＳｉｘＯｙＮｚ、Ｓｉ、ＳｉｘＯｙ、ＳｉｘＮｙ、またはＳｉ、Ｏ、およびＮの元素を含む化合物を含んでいてよい。要素３５０２は、平坦なガラスパネルである。図３５（ｂ）では、平坦パネル３５０２は、マイクロトレンチの側部でマイクロ−デバイス３５０１に結合した状態で示されている。この結合は、化学手段、熱手段、物理手段、光学手段、音響手段、または電気手段、またはこれらの任意の組み合わせによって達成され得る。図３５（ｃ）は、導線が結合パッドと結合してパッドの側部から出ている様子を示している。図３５（ｄ）に示したように、デバイス３５０１は、その後、導線のみが露出した状態でプラスチックの立方体にパッケージングされる。図３５（ｅ）では、円錐流路３５２０がパッケージ材料の中に切り込まれ、デバイスの内部流路に接続している。図３５（ｆ）に示したように、円錐流路の口が大きく開いているほど、操作しやすく、試料送達インジェクタをデバイスに取り付けるのに好都合になり、それによって注入針のサイズが比較的大きいインジェクタから流路が比較的小さいデバイスへの試料の送達を良好にできる。
【０１９３】
図３６は、パッケージングし、試料送達システムおよびデータ記録デバイスと統合できる状態にある本発明の装置の別の一例を示している。図３６（ａ）に示したように、マイクロ−デバイス３６００は、「疾患検出のための装置」と題する特許文献７に記載されている１つ以上のマイクロエレクトロニクス処理によって製造される。マイクロ−デバイス３６００は、少なくともマイクロトレンチ３６０４、プローブ３６０３、接続口３６０２、および結合パッド３６０５を有する。マイクロ−デバイス３６００の上の表面層は、ＳｉｘＯｙＮｚ、Ｓｉ、ＳｉｘＯｙ、ＳｉｘＮｙ、またはＳｉ、Ｏ、およびＮからなる化合物を含む。表面層は、平坦なガラスパネル３６０１で覆われてよく、よってマイクロ−デバイス３６００はこの平坦なガラスパネルに取り付けられる。図３６（ｂ）を参照されたい。この取り付けは、化学手段、熱手段、物理手段、光学手段、音響手段、または電気手段によるものであってよい。図３６（ｃ）に示したように、導線は、結合パッドと結合してパッドの側部から出ている。図３６（ｄ）は、マイクロ−デバイス３６００をその後、導線のみが露出した状態で立方体にパッケージングできる様子を示している。パッケージングの立方体は、プラスチック、セラミック、金属、ガラス、または石英などのパッケージング材料を含んでいてよい。図３６（ｅ）に示したように、その後、立方体にはトンネル３６４１が掘られ、このトンネルは接続口３６０２に達するまで掘られる。さらに、図３６（ｆ）に示したように、その後トンネル３６４１は、検査対象の試料をマイクロ−デバイス３６００に送達できる他のパイプに接続され、試料を検査した後に試料を排出する。
【０１９４】
図３７は、パッケージングし、試料送達システムおよびデータ記録デバイスと統合できる状態にある本発明の装置のさらに別の一例を示している。図３７（ａ）に示したように、デバイス３７００は、少なくとも１つのマイクロ流路３７０１を有するマイクロ流体デバイスである。３７０３は、流体試料を誘導するパイプである。マイクロ流路３７０１および誘導パイプ３７０３は、同列にあり、液体、例えば水に浸漬されている。図３７（ｂ）は、マイクロ−デバイスおよび誘導パイプが浸漬されている液体の温度が氷点以下に下がると、液体が凝固して固体３７０４になる様子を示している。図３７（ｃ）に示したように、液体の温度は氷点よりも低く維持されている間、この組み合わせ（固体３７０４、誘導パイプ３７０３、およびデバイス３７００を含む）は、融解温度が固体３７０４よりも高いパッケージング材料３７０５の中に閉じ込められ、誘導パイプのみが露出した状態である。図３７（ｄ）は、温度が固体３７０４の融点よりも高くなった後、固体材料３７０４が融解して液体になり、その後、誘導パイプ３７０３から排出される様子を示している。以前に固体材料３７０４が充填されていた空間３７０６は、この時利用可能になる、または空になり、流路３７０１および誘導パイプ３７０３はその時空間３７０６に接続され、密閉される。
【０１９５】
図３８は、流路（トレンチ）およびマイクロセンサのアレイを有する本発明の装置を示している。図３８（ａ）では、３８１０は、マイクロエレクトロニクス技術で製造されたデバイスである。３８１０は、マイクロセンサアレイ３８０１と、アドレス指定かつ読み出し回路３８０２とを備えている。マイクロセンサアレイは、熱センサ、圧電センサ、ピエゾフォトロニックセンサ、圧電光学電子センサ、イメージセンサ、光学センサ、放射線センサ、機械センサ、磁気センサ、バイオセンサ、化学センサ、生化学センサ、音響センサ、またはこれらの組み合わせを含んでいてよい。熱センサの例として、抵抗温度マイクロセンサ、マイクロ熱電対、サーモダイオードおよびサーモトランジスタ、ならびにＳＡＷ（表面弾性波）温度センサがある。イメージセンサの例として、ＣＣＤ（電荷結合素子）およびＣＩＳ（ＣＭＯＳイメージセンサ）がある。放射線センサの例として、光伝導デバイス、光起電デバイス、焦電デバイス、およびマイクロアンテナがある。機械センサの例として、圧力マイクロセンサ、マイクロ加速度計、マイクロジャイロメータ、およびマイクロフローセンサがある。磁気センサの例として、磁気ガルバニックマイクロセンサ、磁気抵抗センサ、磁気ダイオードおよび磁気トランジスタがある。生化学センサの例として、導電率測定デバイスおよび電位差測定デバイスがある。図３８（ｂ）は、マイクロトレンチ３８２１を有するマイクロ−デバイス３８２０を示している。図３８（ｃ）に示したように、３８１０および３８２０は、トレンチまたは流路３８３１を有する新たなマイクロ−デバイス３８３０を形成するために一つに結合されている。マイクロセンサアレイ３８０１は、流路３８３１に暴露されている。
【０１９６】
図３９は、いくつかの「下位デバイス」を備えている本発明の別の装置を示している。特に、図３９（ａ）に示したように、デバイス３９１０は、「下位デバイス」３９１１、３９１２、３９１３、および３９１４で構成され、そのうちの３９１１および３９１３は、攪乱信号を印加できるデバイスであり、３９１２および３９１４はマイクロセンサアレイである。図３９（ｂ）は、デバイス３９１０の動作の図式を示し、検査中の生体試料３９２１が流路３９１０を通過すると、生体試料は、３９１１から印加された信号Ａによって攪乱され、その後、３９１２の検出センサアレイ１によって検査され記録される。これらの生体試料は、その後、アレイ２の攪乱プローブ３９１３によって攪乱され、アレイ２の検出センサ３９１４によって検査される。アレイ１の攪乱プローブ３９１１およびアレイ２の攪乱プローブ３９１３は、同じまたは異なる信号を印加できる。同じように、アレイ１の検出センサ３９１２およびアレイ２の検出センサ３９１４は、同じまたは異なる特性を感知または検出できる。
【０１９７】
図４０は、Ｉ／Ｏパッドを有する特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）チップを含む本発明の装置の一例を示している。具体的には、図４０に示したように、４０１０は、マイクロ流体流路４０１２およびＩ／Ｏパッド４０１１を有するマイクロ−デバイスである。４０２０は、Ｉ／Ｏパッド４０２１を有する特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）チップである。４０２０および４０１０は、Ｉ／Ｏパッドの結合を介して一つに配線されてよい。このように、ＡＳＩＣ回路４０２０があることで、マイクロ流体検出デバイス４０１０は、より複雑な計算機能および分析機能を実行できる。
【０１９８】
図４１は、様々な事前スクリーニングと検出方法とを不明瞭な方法で組み合わせることによって機能する本発明の装置の基本原理の図式である。図４１（ａ）では、疾患のある生物学的実体に対して最初に生体被験体を事前スクリーニングし、その後、疾患のある生物学的実体を正常な（健康または疾患のない）生物学的実体から分離する。正常な生物学的実体から分離した疾患のある生物学的実体を含む生体被験体を、所望の疾患検出方法を用いて検出する。図４１（ｂ）では、生体試料は、疾患細胞（または生物学的実体）を濃縮するために複数の連続する細胞分離工程を経る。図４１（ｃ）では、事前スクリーニングして疾患のある生物学的実体を濃縮した後、バイオマーカを用いて疾患のある生物学的実体を検出する。図４１（ｄ）では、最初にバイオマーカを用いて疾患のある生物学的実体を分離し、その後、分離した疾患のある生物学的実体を様々な検出方法でさらに検出する。要約すると、このプロセスは、最初のスクリーニング、最初の分離、次のスクリーニング、次の分離、１つ以上の攪乱信号または攪乱パラメータ（例えば物理、機械、化学、生物学的、生化学、バイオ物理、光学、熱、音響、電気、電気機械、圧電、マイクロ電気機械、またはこれらの組み合わせのもの）を用いたプロービング、そして最後に検出することを含む。この一連の工程は、１回以上繰り返してよい。このプロセスの作用は、特に循環腫瘍細胞（ＣＴＣ）などの疾患のある実体をごくわずかに濃縮した生体被験体の場合に、疾患のある実体を濃縮して検出感度および特異性を高めることである。
【０１９９】
図４１（ｅ）から図４１（ｇ）では、一連の新規のプロセスは、（ａ）疾患のある生物学的実体に対する事前スクリーニング、事前分離および最初の分離、（ｂ）疾患のある生物学的実体の次の分離、（ｃ）任意選択で最初の検出を実行すること、および（ｄ）様々なプロセスおよび検出方法を用いて検出することを含む。事前分離プロセスでは、１つの実施形態では、疾患のある生物学的実体を選別するためにバイオマーカを付着させたナノ粒子またはナノ磁気粒子を利用する。事前分離プロセスの過程では、疾患のある生物学的実体をより高い濃度に濃縮し、これによってさらに他の分離および／またはそれに続く検出がより容易になる。事前分離プロセスを受けた生体試料は、次の分離プロセスに進んで疾患のある生物学的実体の濃縮をさらに促進できる。最後に、事前分離およびそれに続く分離工程を経た生体試料は検出工程に進み、そこで様々な検出技術およびプロセスを用いて疾患のある生物学的実体およびその種類を明らかにできる。いくつかの実施形態では、複数の検出工程を用いて疾患のある生物学的実体を検出できる。
【０２００】
図４２（ａ）は、生体被験体が中を流れることのできる流路（４２１１）の断面図である。図４２（ｂ）は、流路の外側の図であり、流路に沿って検出器（４２２２）のアレイが生体被験体の流れる経路に沿って設置されている。その代わりに、生体被験体を攪乱して検出することと、その攪乱信号から応答信号を検出することの両方のために、プローブと検出器の両方を設置してよい。図４２（ｃ）は、流路の壁の断面図であり、検出器（４２２２）は、検出対象の生体被験体と接触するように貫通して取り付けられ、外界とも接触している（例えば検出回路と接続するため）。
【０２０１】
図４３（ａ）は、検出対象の生体被験体（４３３３）が流路（４３１１）を通過し、流路の経路に沿って検出器（４３２２）が整列している様子を示している。検出器は、同種類の検出器であってもよいし、様々な検出器の組み合わせであってもよい。さらに、プロービング信号または攪乱信号を検出対象の生体被験体に送出できるプローブを、流路に沿って検出器とともに配置することもでき、検出器は、プローブによってプロービングまたは攪乱された生体被験体からの応答を検出できる。検出信号は、信号に関する音響特性、電気特性、光学（例えば撮像）特性、生物学的特性、生化学特性、バイオ物理特性、機械特性、生体力学特性、電磁気特性、電気機械特性、電気化学機械特性、電気化学物理特性、熱特性、および熱機械特性、またはこれらの組み合わせであってよい。図４３（ｂ）は、生体被験体の経路に沿った一連の検出信号（例えば画像、圧力、または電圧）（４３４４）の一例を示し、この信号は、生体被験体が流路を通過するときの挙動および特性を記録したものである。例えば、光学検出器の場合、図４３（ｂ）に示した円のサイズは、生体被験体からの発光（生体被験体に付着している蛍光成分からの発光など）、圧電検出器もしくはピエゾフォトロニック検出器で検出される、流路の側壁に作用する応力の強度（圧力）、または熱検出器またはＩＲセンサで検出される生体被験体からの発熱を意味し得る。このような検出信号は、流路を通過するときに生体被験体のみに由来することもあれば、プローブによる攪乱信号またはプロービング信号に対する生体被験体からの応答であることもある。
【０２０２】
図４３（ｂ）と同じく、図４３（ｃ）から図４３（ｅ）は、生体被験体が流路を通過し、本明細書に開示した新規の検出器およびプロセスによって検出される様々な検出信号パターン（４３４４）の追加の例を示している。
【０２０３】
疾患のある生物学的実体の選別、分離、スクリーニング、プロービング、または検出を効果的に行うため、様々な流路を組み入れた１つのチャンバ（または複数のチャンバ）を、図４４（ａ）に示したように配置させることができ、入ってくる試料は最初にチャンバ（４４１１）に流れ込む。チャンバでは、バイオマーカなどの様々な技術およびナノ技術（バイオマーカを付着させた磁気ビーズまたはナノ粒子）に基づいたプロセスを用いて、疾患のある生物学的実体選別し、スクリーニングし、分離できる。例えば、左からチャンバに流れ込む生体試料は、疾患のある実体を有している可能性があり、その実体がチャンバで分離されて下流路を下に通過する可能性があり、一方、そのうちの正常な実体は、チャンバから右手方向に流れ続け、流路を通り抜けてチャンバの右側に流れることができる。設計に応じて、チャンバの左から入った疾患のある実体がチャンバで分離され、右に向かって流れ続け、チャンバの右側にある流路に流れ込むことも可能で、一方、正常な実体は、下向きに流れ続け、チャンバの下の流路に流れる。図４４（ｂ）は、流路を組み入れた複数のチャンバを示し、このチャンバでは、生物学的実体を選別、スクリーニング、分離、プロービング、または検出できる。スクリーニングおよび分離を適用する場合、複数のチャンバは、複数のスクリーニング工程および分離工程を実行できる。図４４（ｂ）に示したように、生体試料が左から右方向に向かって流れる場合、生体試料は、左にある第１のチャンバ（４４３３）に入り、第１のスクリーニングおよび分離を受ける。生体試料は、右に向かって流れ続け、第２のチャンバ、すなわち右にあるチャンバ（４４４４）に入り、第２のスクリーニングを受け、さらに分離を受けることができる。このように、複数段階のスクリーニングおよび分離工程を経て、疾患のある実体の濃縮を確実に高めることができ、これが高感度の最終または最後の段階の検出に有益となり得る。この種のデバイスの設計およびプロセスは、疾患のある実体が潜んでいる濃度が最初は極めて低い生体試料を検出するのに極めて有益となり得る。これは例えば、典型的には１０億の細胞または１００億の細胞のうちの一部という濃度である循環腫瘍細胞（ＣＴＣ）の検出である。
【０２０４】
開示したデバイスおよびプロセスを用いて選別、スクリーニング、プロービングおよび検出の操作速度を格段に上げるため、図４５で考察したような極めて多数の所望の構造を、図４５に示した同一チップ上に同時に製造できる。
【０２０５】
図４６は、疾患のある生物学的実体を選別し、スクリーニングし、分離し、プロービングし、検出するための別の新規のデバイス配置図を示し、この図では、中央流路から中央チャンバ４６１１を通る所望の要素または複数の要素は、広範囲にわたる役割を果たすことができる。例えば、中央チャンバに流れ込む要素は、バイオマーカであってよく、その（バイオマーカの）濃度を調整する必要があるときに、バイオマーカを新たに上チャンバ４６２２および下チャンバ４６３３に追加できる。中央チャンバ４６１１内の要素を上チャンバおよび下チャンバ（４６２２および４６３３）に追加する必要のあるタイミング、流量、および分量は、コンピュータまたはソフトウェアを介して実時間で事前にプログラムされるか制御されてよい。中央チャンバ４６１２の中の要素は、バイオマーカを付着させたナノ粒子または磁気ビーズであってもよい。別の新規の実施形態では、中央チャンバ４６１１の中の要素は、検出対象の生体被験体または試料を上チャンバおよび下チャンバ内で攪乱する攪乱剤であってもよい。
【０２０６】
図４７は、複数の独立した検出装置（図４７（ａ）の４７１１、４７２２、４７３３、および４７４４を参照）と比較して、機能および技術が異なる複数の下位ユニット（４７６６）を組み合わせるか組み込んだ装置（４７５５）は、体積またはサイズが著しく縮小し（図４７（ｂ）を参照）、これによって多くの共通のハードウェア（例えば試料処理ユニット、試料測定ユニット、データ分析ユニット、ディスプレイ、プリンタなど）を統合装置内で共有できるため、コストが下がることを示している。例えば、このような多機能の統合装置は、バイオマーカ検出器、撮像系の検出器、光検出器、Ｘ線検出器、核磁気共鳴画像検出器、電気検出器、および音響検出器を含むことができ、これらはすべて、単一の装置に組み立てられるか組み込まれるため、装置は、検出機能、感度、検出の万能性を向上でき、かつ体積を縮小できコストを削減できる。
【０２０７】
図４８は、機能および技術が異なる複数の下位ユニット（２０５５）を組み立てて１つの装置にした場合に、機能をさらに多様化させ、検出機能、感度、検出の万能性を向上させ、体積を縮小してコストを削減することを達成でき、例えば入力ハードウェア、出力ハードウェア、試料処理ユニット、試料測定ユニット、データ分析ユニットおよびデータ表示ユニット（４８１１、４８３３、および４８４４）などの多くの共通設備を共有できる。例えば、様々な検出技術を用いる多様な検出ユニットを組み合わせて１つの装置にした場合、多くの機能および試料処理ユニット、試料測定ユニット、データ伝送ユニット、データ分析ユニット、コンピュータ、および表示ユニットなどのハードウェアを共有でき、それによって装置の機器の体積またはサイズ、コスト、および複雑性が大幅に少なくなると同時に、測定の機能および感度が向上する。
【０２０８】
特定の癌性組織試料（癌の各種類に対する複数の試料を含む）に対して本発明の装置を用いて実験室で検査を実施したが、本発明の装置は、別種類の癌の検出または別種類の治療にも使用できる。検査では、収集時に公知の癌疾患がなく悪性疾患の履歴がない動物から健康な対照試料を取得した。癌性試料と健康な対照試料の両方を収集し、同種類の培養溶液で培養した。次に、培養した試料を希釈緩衝剤と混合し、同じ濃度に希釈した。希釈した試料を様々な時間間隔にわたって室温に維持し、回収後最大６時間以内に処理した。希釈した試料を室温（２０〜２３°Ｃ）かつ湿度３０％〜４０％で検査した。本発明の装置を用いて試料を同一条件で検査し、同じパルス信号で刺激した。
【０２０９】
この検査は、全体的に、対照群の検査後（測定後）の値（すなわち検査パラメータ用に相対単位で測定した値）は、癌性群または疾患のある群よりも低かったことを示している。本発明の検査装置のプロービングユニットによって印加した刺激信号またはプロービング信号を用いた同じ刺激（刺激の種類およびレベルに関して）の下では、対照群と癌性群との間に見られた測定値の差は、刺激なしの場合と比較して遙かに大きくなり、例えばそのような差の増加のレベルに関しては１．５倍〜ほぼ８倍であった。換言すると、刺激信号に対する癌性群の応答は、対照群の応答よりも遙かに大きかった。そのため、本発明の装置は、対照細胞または健康な細胞と比較して、疾患細胞の検出および測定の際に相対的な感度および特異性を著しく高める能力があることを証明している。
【０２１０】
さらに、検査結果は、本発明の装置が用いた新規のパラメータに関して、癌性群と対照群とが著しく異なる応答を示したことを示している。このような差は、雑音測定よりも遙かに大きい。対照群を癌性群から分離する大きな窓があったが、これは新規の測定方法および装置の感度が高度であることを示している。
【０２１１】
従来の技術と比較すると、本発明の装置および方法で収集した信号および情報は、線形であり、非線形に増幅することさえ可能である。また、様々なレベル（細胞レベル、タンパク質レベル、分子レベルまたは他のレベル）と（以下の表に例を挙げた）要素／パラメータとの間のさらに別の２因子および３因子（またはさらに高次の）相互作用は、従来の技術と比較すると、単に新規で独特であるだけでなく、予想外の信頼性のある高感度の結果も見られる。
【０２１２】
【表８】
2020510402.tif 000010
【０２１３】
本発明の疾患検出のための装置および方法の効力に対して、分子レベルの反応を引き起こす製剤の添加が及ぼす効果を検証する研究も行った。図５５に提供した結果は、対照（健康）群と癌群との間の信号差が増大したことを示しており、これは、検出システムが確かに分子レベル情報を検出したことを指している。
【０２１４】
本発明の装置および方法を、あらゆる進行段階にある２０を超える様々な種類の癌の検査に使用したところ、予想通りの高い感度および特異性が見られた。図５６は、本発明の有益性および感度を確認するために、６０，０００を超える試料を収集して３０，０００の試料に後ろ向き検査を行い、３０，０００の試料に通常のスクリーニングを行ったところ、この試料の検査から本発明の顕著な感度および選択性が実証されたことを示している。
【０２１５】
図５７は、本発明の複数レベルでの検出システムを示し、１つの生物学的レベル（例えば、タンパク質）が別の生物学的レベル（遺伝レベルなど）と相互作用でき、その結果、相乗反応が起き、信号を増幅させている。
【０２１６】
図５８は、対照群、癌以外の疾患群および癌群のＣＤＡ値を示している。本発明の装置および方法で検出すると、癌群は、癌以外の疾患群よりもＣＤＡ値が常に高く、癌群と癌以外の疾患群との間のこのＣＤＡ値の差は、疾患状態の進行、例えば炎症性疾患から前癌状態になり、そこから悪性癌または腫瘍になった後、後期段階の癌になるまでを監視するために特に統計的に有意である。換言すると、ＣＤＡ値は、本発明の装置および方法を用いて疾患分析および癌区別分析を行うのに利用できる。
【０２１７】
実証および説明のために、前述の新規の詳細な例では、マイクロエレクトロニクスおよび／またはナノ製造技術ならびにそれに関連するプロセスの流れをどのように利用して、極めて高感度かつ多機能で効力があり小型化した検出デバイスを製造できるのかを示していると同時に、高性能の検出デバイスを設計し製造する際にマイクロエレクトロニクスおよびナノ製造技術を用いる原理および全体的な手法を検討し、教示してきた。この原理および全体的な手法は、製造プロセスの様々な組み合わせにも及び得るとともに及ぶべきものであり、それには、薄膜蒸着、パタニング（リソグラフィおよびエッチング）、平坦化（化学機械研磨を含む）、イオン注入、拡散、洗浄、様々な材料、プロセスと工程の組み合わせ、ならびに様々なプロセスの連続および流れがあるが、これに限定されない。例えば、別の検出デバイスの設計および製造プロセスの流れでは、必要な材料数は、（上記の例で用いた）４つの材料よりも少なくても多くてもよく、プロセスの工程数は、特定の需要および性能目標に応じて、実証したプロセスの連続数よりも少なくても多くてもよい。例えば、いくつかの疾患検出用途では、生体材料系薄膜などの第５の材料を用いて金属検出先端部を被覆して、検出先端部と測定されている生体被験体との接触を高めることができ、それによって測定感度を向上させる。
【０２１８】
検出本発明の装置および方法を適用することは、疾患、特に癌のような重篤な疾患を（例えばその早期段階で）検出することを含む。癌細胞と正常細胞とでは、電位、表面電荷、密度、付着、およびｐＨなどの有り得る微視的特性の差を含め、多くの点で異なっているため、本明細書で開示した新規のマイクロ−デバイスは、このような差を検出することができ、よって疾患（例えば癌）を特にその早期段階で検出する高い能力を適用できる。また、電位および電荷のパラメータを測定するためのマイクロ−デバイス、機械特性の測定（例えば密度）を実行できるマイクロ−デバイスも、本明細書に開示したように製造して使用できる。早期段階で疾患を検出するための機械特性の測定では、疾患または癌性細胞を正常細胞と区別すると思われる機械特性に焦点を当てる。例として、マイクロインデンテーション測定を事項できるマイクロ−デバイスを組み込んだ本発明の検出装置を使用することで、癌性細胞を正常細胞と区別できる。
【０２１９】
以上、本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、どのような修正および変形を加えてもよいことを当業者は理解するであろう。上記の例および説明は、本発明の範囲を限定することを意図しているのではない。本発明の検出装置、マイクロ−デバイス、製造プロセス、および用途を、その延長または同類であることが明らかなものと組み合わせたものはいずれも本発明の範囲内である。さらに、本発明は、その同じ目的を達成するよう計算されているあらゆる翻案を含み、かつそのような変形例および修正例はすべて添付の特許請求の範囲内に収まることを意図している。
【０２２０】
上記に引用した出版物または特許明細書すべてを、その全容を参照することにより本明細書に援用する。本明細書に開示した特徴はすべて（添付の特許請求の範囲、要約書および図面を含む）、特に明記されない限り、同じ、同等または同類の目的を果たす別の特徴に取って代わってよい。そのため、特に明記されない限り、開示した各々の特徴は、包括的な一連の同等または同類の特徴の一例である。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
2020510402.tif 000012
【図１（ｃ）】
2020510402.tif 000013
【図２（ａ）】
2020510402.tif 000014
【図２（ｂ−ｆ）】
2020510402.tif 000015
【図２（ｇ−ｈ）】
2020510402.tif 000016
【図２（ｉ−ｊ）】
2020510402.tif 000017
【図２（ｋ）】
2020510402.tif 000018
【図２（ｌ）】
2020510402.tif 000019
【図２（ｍ）】
2020510402.tif 000020
【図２（ｎ）】
2020510402.tif 000021
【図３】
2020510402.tif 000022
【図４】
2020510402.tif 000023
【図５】
2020510402.tif 000024
【図６（ａ−ｅ）】
2020510402.tif 000025
【図６（ｆ−ｇ）】
2020510402.tif 000026
【図７】
2020510402.tif 000027
【図８】
2020510402.tif 000028
【図９（ａ）】
2020510402.tif 000029
【図９（ｂ）】
2020510402.tif 000030
【図９（ｃ）】
2020510402.tif 000031
【図１０】
2020510402.tif 000032
【図１１】
2020510402.tif 000033
【図１２】
2020510402.tif 000034
【図１３】
2020510402.tif 000035
【図１４】
2020510402.tif 000036
【図１５】
2020510402.tif 000037
【図１６】
2020510402.tif 000038
【図１７】
2020510402.tif 000039
【図１８】
2020510402.tif 000040
【図１９（ａ−ｃ）】
2020510402.tif 000041
【図１９（ｄ−ｆ）】
2020510402.tif 000042
【図２０】
2020510402.tif 000043
【図２１】
2020510402.tif 000044
【図２２】
2020510402.tif 000045
【図２３】
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【図２４】
2020510402.tif 000047
【図２５】
2020510402.tif 000048
【図２６（ａ）】
2020510402.tif 000049
【図２６（ｂ）】
2020510402.tif 000050
【図２７】
2020510402.tif 000051
【図２８】
2020510402.tif 000052
【図２９】
2020510402.tif 000053
【図３０】
2020510402.tif 000054
【図３１】
2020510402.tif 000055
【図３２】
2020510402.tif 000056
【図３３】
2020510402.tif 000057
【図３４】
2020510402.tif 000058
【図３５（ａ）】
2020510402.tif 000059
【図３５（ｂ）】
2020510402.tif 000060
【図３６（ａ）】
2020510402.tif 000061
【図３６（ｂ）】
2020510402.tif 000062
【図３７】
2020510402.tif 000063
【図３８】
2020510402.tif 000064
【図３９】
2020510402.tif 000065
【図４０】
2020510402.tif 000066
【図４１（ａ−ｄ）】
2020510402.tif 000067
【図４１（ｅ−ｇ）】
2020510402.tif 000068
【図４２】
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【図４３（ａ−ｂ）】
2020510402.tif 000070
【図４３（ｃ−ｅ）】
2020510402.tif 000071
【図４４】
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【図４５】
2020510402.tif 000073
【図４６】
2020510402.tif 000074
【図４７】
2020510402.tif 000075
【図４８】
2020510402.tif 000076
【図４９】
2020510402.tif 000077
【図５０】
2020510402.tif 000078
【図５１】
2020510402.tif 000079
【図５２】
2020510402.tif 000080
【図５３】
2020510402.tif 000081
【図５４】
2020510402.tif 000082
【図５５】
2020510402.tif 000083
【図５６】
2020510402.tif 000084
【図５７】
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【図５８】
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【国際調査報告】
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2020510402.tif 000088
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