[发明专利]用于机械地变形细胞的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械地变形细胞的装置和相应方法。

背景技术

过去的十年已经观察到在研究细胞和亚细胞结构的生物化学和生物物理性能的变化如何产生影响以及被人疾病的发作和发展所影响方面的显著发展。尤其已经发现细胞的机械性能与很多疾病相关，包括癌症和冠状动脉疾病：在西方导致大量死亡的疾病。根据世界卫生组织的公开，在2005年在世界范围内760万人死于癌症，而在美国有800万人患有心肌梗塞。已经显示影响细胞的机械性能的其它疾病是疟疾、心肌病和肌营养不良症。

由疾病导致的机械性能的变化可能是显著的。癌细胞的弹性模量可能比健康细胞的弹性模量小一个数量级。

这表明细胞的机械性能(特别是它们的刚性(stiffness))实际上是很多疾病的发展和/或存在的敏感标志，即使是在初始阶段。通过测量细胞刚性，原理上可以检测单个恶性肿瘤细胞和癌症前期细胞-恶性转化的细胞更容易变形-并且这揭开了例如监控癌症从侵袭前到侵袭的发展的可能性。对于前面提及的其它疾病持有类似的观点。

目前使用数种途径来测量细胞的机械性能。这些技术中的一些探测细胞的局部变形性能，例如局部微吸管法、细胞压痕和原子力显微术，而其它的则探测整个细胞，例如全细胞微吸管法、磁性珠扭曲和细胞压缩测试。这些测量方法具有各种缺点。

首先，对于局部方法，响应可能显著依赖于精确的探测位置并因此显示出大的细胞间离散性。其次，大部分方法是冗长且非常耗时的并因此不适合用于快速临床诊断中。第三，其它方法具有对细胞强加破坏的固有风险(例如光学延伸器)，导致错误的测量结果。最后，在很多方法中不能在待测试的细胞周围产生合适的环境，导致人为的和不相关的结果。

发明内容

本发明的一个目标是提供用于机械变形细胞的装置和相应方法，其避免了上述缺点并且其优选允许监控单个细胞以及同时监控很多细胞的机械性能。

在本发明的第一方面中，提供了用于机械地变形(mechanically deforming)细胞的装置，包括

-用于在细胞保持区域中保持(holding)细胞的细胞保持元件，

-用于在所述被保持的细胞上施加力的微致动器(micro-actuator)，其中所述微致动器可以以电、热、光(photonically)或磁方式被致动并且其中所述微致动器以未致动的状态或以致动的状态在所述细胞上施加所述力，和

-用于以电、热、光或磁方式致动所述微致动器的激励单元(stimulation unit)。

在本发明的一个进一步的方面中，提供了相应的方法，包括以下步骤

-在细胞保持区域中保持细胞，和

-以电、热、光或磁方式致动微致动器以在所述被保持的细胞上施加力，其中所述微致动器可以以电、热、光或磁方式被致动并且其中所述微致动器以未致动的状态或以致动的状态在所述细胞上施加所述力。

本发明的优选实施方案在从属权利要求中限定。应该理解的是要求保护的装置和要求保护的方法具有类似的和/或相同的从属权利要求中所限定的优选实施方案。

本发明是基于以下思想：在一个(或多个)细胞保持位置中保持一个(或多个)细胞并且通过使用一个(或多个)微致动器通过施加机械力变形所述一个(或多个)细胞，例如来探测所述一个或多个细胞的机械性能。为此目的，可以使用不同类型的微致动器，例如聚合物致动器，其描述于WO 2006/087655A1和WO 2008/020374A2中用于在微流(micro-fluidic)装置中操控(传输、混合、引导)流体。

根据一个优选实施方案，所述微致动器具有条带形式，其在未致动的状态或致动的状态之一中是卷曲的并且在另一状态中是未卷曲的，如例如上述现有技术文献中所公开的那样。在一个实施方案中，当微致动器被从卷曲状态致动为展开状态时将力施加到细胞，而在另一个实施方案中当微致动器被从致动的(展开)状态释放到卷曲状态时将力施加到细胞。在进一步的实施方案中，也可以调节微致动器使得卷曲状态是致动的状态和展开状态是未致动的状态。

根据一个进一步的实施方案，微致动器包括双层(包含聚合物薄膜层特别是丙烯酸酯薄膜和导电薄膜层)，和激励单元包括激励电极和用于在所述激励电极和所述导电薄膜层之间施加电压的电压源。特别地，根据该实施方案使用WO 2008/020374A2中描述的聚合物MEMS(微电-机械系统)致动器(PMA)，其易于通过施加电压例如高AC电压来控制。