治疗功效预测系统和方法与流程

所描述的实施方案通常涉及用于测定治疗功效的系统和方法，所述治疗例如抗癌剂。

背景技术：

1、一系列治疗剂例如抗癌剂可以被用于治疗癌细胞，例如与各种类型的肿瘤相关联的那些。诸如肿瘤类型、进展、患者特征、抗癌剂特征等因素可能会影响给定治疗的功效。这些和其他因素可能妨碍医疗提供者选择最合适的抗癌剂的能力，所述抗癌剂例如具有最高功效的那种。可能会施用导致最小治疗功效和/或减损总体患者治疗的抗癌治疗。类似地，用于某些疾病的其他类型的治疗可以基于具体患者因素针对不同的患者变化。因此，存在对以下的需求：促进与特定医疗治疗的功效相关联的个体化生物标志物的发现、诊断和/或预后的系统和技术，所述特定医疗治疗例如用抗癌剂和其他治疗剂的治疗。

技术实现思路

1、本发明的实施方案涉及治疗功效预测系统和方法。

2、在一个实例中，公开了微流体芯片。微流体芯片包括限定通道和流体偶联至流动通道的细胞培养室的主体。微流体芯片进一步包括附接至主体并限定入口和出口的偶联部分。通道限定在入口和出口之间延伸而细胞培养室定位于其间的流动路径。微流体芯片进一步包括覆盖细胞培养室的透气膜。

3、在另一实例中，通道被配置为将生长培养基递送至细胞培养室。细胞培养室可以具有基本上圆柱形的形状。例如，细胞培养室可以具有直径优选约6.75mm的基本上圆柱形的形状。在其他情况下，直径可以基于特定应用而大于或小于6.75mm，例如为至少约5.0mm、至少约3.0mm或其他合适的直径。

4、在另一实例中，主体限定了具有闭合底端和开口顶端的细胞培养室。透气膜可以覆盖细胞培养室的开口顶部。此外，透气膜可以通过黏合剂附接至主体部分。

5、在另一实例中，细胞培养室可以是第一细胞培养室。在这方面，主体可以进一步限定第二细胞培养室，其沿着第一细胞培养室与偶联部分的入口或出口之间的流动路径流体偶联至通道。第一细胞培养室可以具有第一体积，并且第二细胞培养室可以具有不同于第一体积的第二体积；然而，这不是必需的。此外，第一细胞培养室可以具有第一形状，并且第二细胞培养室可具有不同于第一形状的第二形状；然而，这不是必需的。

6、在另一实例中，主体包括多层结构。在这方面，多层结构包括限定细胞培养室的第一主体部分层。多层结构进一步包括连接至第一主体部分层并限定流体偶联至细胞培养室的通道的第二主体部分层。多层结构进一步包括连接至与第一主体部分层相对的第二主体部分层并限定细胞培养室上方的开口或孔的第三主体部分层。在一些情况下，偶联部分可以附接至第三主体部分层。因此，第三主体部分层进一步限定第一腔体，其流体偶联至偶联部分的入口并且延伸至第二主体部分层的流动通道。第三主体部分可以进一步限定第二腔体，其流体偶联至偶联部分的出口并且延伸至第二主体部分层的流动通道。

7、在另一实例中，入口和出口限定管倒钩。倒钩可以从芯片的最上面的表面突出。尽管多种材料构造是可能的，但主体可以包含丙烯酸材料或硅酮基材料或者完全由丙烯酸材料或硅酮基材料形成。

8、在另一实例中，公开了微流体装置。微流体装置可以包括包含多个储库的给药库。多个储库中的各储库可以被配置为容纳生长培养基。微流体装置可以进一步包括被配置为布置多个微流体芯片的分级部分或“级部”。多个储库可以对应多个微流体芯片。在一些情况下，多个储库可以用于任何给定微流体芯片。微流体装置可以进一步包括可与多个储库和多个微流体芯片流体偶联，以限定在多个储库和多个微流体芯片的各对应对之间的流体回路的泵。泵还可以引起生长培养基穿过各对应对的流体回路的循环。

9、在另一实例中，多个储库中的各储库彼此流体分隔。因此，流体回路可以彼此流体分隔。泵可以进一步被配置为选择性地引起生长培养基穿过流体回路中的单个流体回路的循环。生长培养基可以包括治疗剂诸如抗癌剂和/或悬浮细胞。在这方面，细胞可以连同生长培养基循环，使得药物、细胞和/或其他药剂被包括在内。在一些情况下，循环细胞可用于制备免疫模型或测试细胞疗法。另外地或备选地，其他循环药剂可以帮助表征循环中的细胞的行为或特性。

10、在另一实例中，多个储库可以是可暴露于空气的。例如，储库可以具有盖，其可被打开以将储库暴露于空气，用于加载治疗剂目的。一旦加载了治疗剂，就可以关闭盖。当用盖关闭储库时可以如本文所描述的操作微流体装置。在这方面，多个储库可以被配置为在泵的操作期间接收治疗剂或药剂组合。

11、在另一实例中，给药库可以包含被配置为将多个储库保持在基本上竖直的位置的托盘或其他结构。所述装置可以进一步包含将泵流体偶联至存放于分级部分的各储库和各微流体芯片的管。

12、在另一实例中，公开了形成固体培养物的方法。方法包括从患者样品中分离靶细胞。方法进一步包括通过用光响应染料对分离的细胞进行染色，由分离的细胞形成染色的细胞。方法进一步包括将染色的细胞包封于水凝胶中。在一个实例中，水凝胶可以包括透明质酸、胶原蛋白和/或其他元素，其被配置为模拟人组织细胞外基质和/或疾病特异性细胞小生境的核心组分。

13、在另一实例中，所述方法可以进一步包括在水凝胶中培养解离的细胞。培养可以进一步包括形成解离的细胞的二维细胞培养物。培养可以进一步包括形成解离的细胞的三维细胞培养物。培养可以进一步包括形成解离的细胞的单个群体的细胞培养物。培养可以进一步包括形成来自多种细胞类型的细胞培养物。

14、在另一实例中，解离的细胞包括癌细胞以及正常/非转化细胞、基质细胞或免疫细胞。在这方面，培养进一步包括形成癌细胞、正常/非转化细胞、基质细胞和/或免疫细胞的共同培养物。解离的细胞可以从患者来源的组织或肿瘤样品中分离。

15、在另一实例中，方法可以进一步包括形成球状体或类器官。在一些情况下，方法可以包括在水凝胶中培养球状体或类器官。球状体或类器官可包括癌细胞、正常/非转化细胞、基质细胞或免疫细胞。在一些情况下，培养进一步包括形成癌细胞、正常/非转化细胞、基质细胞和/或免疫细胞的共同培养物。分离的细胞可以从患者来源的组织或肿瘤样品中分离。

16、在另一实例中，所述方法进一步包括使用基于消化酶的操作、血液裂解溶液或选择操作来处理患者样品以分离患者样品的靶细胞。处理可以允许分离许多不同的细胞类型，例如来自患者组织或肿瘤样品的仍然存活的许多不同的细胞类型。因此，可以在解离的细胞培养物或者球状体/类器官中共同培养不同的细胞，包括除了癌细胞、正常/非转化细胞、免疫细胞和/或基质细胞以外的细胞。

17、在另一实例中，光响应染料可以被配置为允许经由荧光显微术追踪靶细胞。光响应染料可以被配置为对靶细胞的线粒体进行染色用于活细胞追踪。光响应染料可以被配置为对靶细胞的细胞核进行染色用于死细胞追踪。

18、在另一实例中，形成染色的细胞进一步包括用第一光响应染料对分离的细胞进行染色。第一光响应染料可以被配置为对靶细胞的线粒体进行染色用于活细胞追踪。形成染色的细胞可以进一步包括用第二光响应染料对分离的细胞进行染色，第二光响应染料被配置为对靶细胞的细胞核进行染色用于死细胞追踪。

19、在另一实例中，光响应染料可以被配置为当染色的细胞从活细胞转变为死细胞时引起染色的细胞的颜色变化。靶细胞可以是但不限于肿瘤的细胞，肿瘤包括乳腺癌、结直肠癌、肺癌、肾癌、胰腺癌、卵巢癌、脑癌或胃癌。

20、在另一实例中，患者样品包括组织切片、手术切除物和/或异种移植物。患者样品还可以包括活检样品，在某些情况下包括空芯针刺活检样品。在这方面，方法可以进一步包括在水凝胶中培养组织切片、核心、手术切除物和/或异种移植物。

21、在另一实例中，公开了加载微流体芯片的方法。方法包括将固体细胞培养物布置于微流体芯片的细胞培养室中。微流体芯片包括限定细胞培养室和横穿细胞培养室并在微流体芯片的入口和出口之间延伸的通道的主体。方法进一步包括将透气膜定位于细胞培养室上方，而入口和出口保持暴露用于偶联至循环系统。

22、在另一实例中，定位进一步包括将透气膜黏附至主体上并覆盖细胞培养室。固体细胞培养物的布置可以进一步包括使用移液管将一定量的固体细胞培养物(例如水凝胶中的细胞培养物)滴入细胞培养室中。

23、在另一实例中，固体细胞培养物可以是第一固体细胞培养物，并且细胞培养室可以是第一细胞培养室。在这方面，方法可以进一步包括将第二固体细胞培养物布置于微流体芯片的第二细胞培养室中。第二细胞培养室可以由主体限定并流体偶联至入口和出口之间的通道。第一细胞培养室可以具有第一体积，并且第二细胞培养室可以具有不同于第一体积的第二体积。第一细胞培养室可以具有第一形状，并且第二细胞培养室可以具有不同于第一形状的第二形状。

24、在另一实例中，公开了操作微流体芯片的方法。方法包括将微流体芯片与微流体装置流体偶联，以限定在微流体芯片、限流器、储库和泵之间的流体回路；微流体芯片包含固体细胞培养物，储库包含生长培养基。方法进一步包括引起生长培养基穿过回路的流动，使得微流体芯片的固体细胞培养物暴露于生长培养基以形成暴露的细胞培养物。如本文所用，“固体细胞培养物”是指水凝胶材料中的细胞。“暴露的细胞培养物”是指固体细胞培养物暴露于培养基(例如生长培养基)而细胞培养物本身仍是固体的情形(例如生长培养基沿着具有细胞的水凝胶流动)。如本文进一步使用的，“液体细胞培养物”是指仅液体培养基中的细胞。例如，液体细胞培养物可以包括放入生长培养基/血清中并且然后使用本文所描述的系统和技术进行循环的免疫细胞。方法包括分析固体细胞培养物对生长培养基的反应。

25、在另一实例中，生长培养基包含治疗剂。在一些情况下，流体偶联进一步包括将第一管部分流体偶联至微流体装置的入口。第一管部分可以连接至与储库流体偶联的第二管部分，第一管部分和第二管部分限定共同管。流体偶联可以进一步包括将第三管部分流体偶联至微流体装置的出口和储库以限定流体回路。微流体装置可以限定穿过其中的流动路径。

26、在另一实例中，微流体芯片可以包含容纳包含靶细胞的水凝胶的细胞培养室。流动路径可以横穿细胞培养室和/或邻近细胞培养室行进。因此，方法可以进一步包括引起生长培养基沿着流动路径流动，而水凝胶限制靶细胞从培养细胞培养室离开。

27、在另一实例中，第一管部分可以流体偶联至泵。第二管部分可以流体偶联至储库。第一管部分和第二管部分可以是相同管的部分。微流体装置可以进一步包含连接至储库和微流体芯片的第三管部分以完成回路。回路可以是闭合回路。

28、在另一实例中，方法进一步包括将第二微流体芯片与微流体装置流体偶联，以在第二微流体芯片、第二储库和泵之间限定第二流体回路；第二微流体芯片包含第二固体细胞培养物，第二储库包含第二生长培养基。方法可以进一步包括引起第二生长培养基穿过第二回路的第二流动，使得第二微流体芯片的第二固体细胞培养物暴露于第二生长培养基。方法可以进一步包括分析第二固体细胞培养物对第二生长培养基的反应。

29、在另一实例中，生长培养基和第二生长培养基包含不同的治疗剂，例如不同的抗癌剂或细胞。方法可以进一步包括对第一固体细胞培养物的反应和第二固体细胞培养物的反应进行比较以测定治疗功效。第一回路和第二回路可以彼此流体分隔。在这方面，泵可以被配置为独立控制第一流动和第二流动。

30、在另一实例中，方法可以进一步包括在分析之前将微流体芯片与微流体装置流体解偶联。在这方面，在分析之后，方法可以进一步包括将微流体芯片与微流体装置流体偶联，以限定在微流体芯片、储库和泵之间的流体回路。方法可以进一步包括引起生长培养基(例如相同的生长培养基或不同的生长培养基)穿过回路的另一流动，使得微流体芯片的固体细胞培养物暴露于生长培养基。方法可以进一步包括，在引起另一流动之后，分析固体细胞培养物对生长培养基的后续反应。

31、在另一实例中，方法因此可以进一步包括对固体细胞培养物对生长培养基的反应和固体细胞培养物对生长培养基的后续反应进行比较，以测定治疗功效。方法可以进一步包括分析固体细胞培养物对生长培养基的反应以测定第一细胞群体数量。方法可以进一步包括分析固体细胞培养物对生长培养基的后续反应以测定第二细胞群体数量。如本文所描述，方法可进一步包括在几天或其他合适间隔的过程中分析固体细胞培养物的进一步后续反应，并测定第三细胞群体数量、第四细胞群体数量等。方法可以进一步包括对第一细胞群体数量和第二细胞群体数量进行比较以测定指示治疗功效的细胞群体数量的变化。在这方面，方法可以进一步包括分析固体细胞培养物对生长培养基的反应以测定第一细胞群体位置，并且分析固体细胞培养物对生长培养基的后续反应包括测定第二细胞群体位置。如本文所描述，方法可以进一步包括在几天或其他合适间隔的过程中分析固体细胞培养物的进一步反应，并测定第三细胞群体位置、第四细胞群体位置等。方法可以进一步包括对第一细胞群体位置和第二群体位置进行比较以测定指示治疗功效的细胞群体位置的变化。

32、在另一实例中，分析可以包括对微流体芯片的固体细胞培养物进行荧光显微术操作。在一些情况下，分析包括收集微流体芯片的固体细胞培养物的三维图像。分析可以进一步包括收集微流体芯片的固体细胞培养物的z堆叠的二维图像。分析可以进一步包括随时间分析固体细胞培养物对生长培养基多次反应。分析可以每天进行。

33、在另一实例中，分析可以包括对微流体芯片的固体细胞培养物进行共聚焦显微术操作。另外地或备选地，分析可以包括对微流体芯片的固体细胞培养物进行亮视野显微术操作。另外地或备选地，分析可以包括对微流体芯片的固体细胞培养物进行晶格层光显微术操作。

34、在另一实例中，分析包括用计算机的一个或多个处理元件执行非瞬态计算机可读介质的指令，以测定生长培养基的治疗剂对固体细胞培养物的治疗功效。

35、在另一实例中，公开了随时间分析固体细胞培养物的方法。方法包括测定固体细胞培养物对包含治疗剂的生长培养基的第一反应。固体细胞培养物被容纳于微流体芯片的细胞培养室中。方法进一步包括测定固体细胞培养物对包含治疗剂的生长培养基的第二反应。方法进一步包括对第一反应和第二反应进行比较以测定治疗功效。在一些情况下，如本文所描述，可以对固体细胞培养物的多次反应进行比较以测定治疗功效，例如对于给定应用酌情对各固体细胞培养物/芯片的三次、四次或更多次反应进行比较。在这方面，尽管为了说明的目的而提出对第一反应和第二反应进行比较的实例，但应当理解本文所描述的计算机视觉和成像技术可以被应用于在任何合适的时间段内比较和分析任何数目的反应。

36、在另一实例中，第一反应或第二反应中的其中一个或两个包括固体细胞培养物的颜色、固体细胞培养物的图像的像素强度、固体细胞培养物的形状、固体细胞培养物的尺寸、固体细胞培养物的细胞位置或固体细胞培养物的细胞数量中的至少一个。治疗功效可以指示固体细胞培养物的细胞响应治疗剂的活力。

37、在另一实例中，测定第一反应包括捕获固体细胞培养物的图像。在这方面，方法可以进一步包括根据图像测定细胞活力，并基于细胞活力预测患者对治疗剂的反应。方法可以进一步包括根据图像测定细胞增殖，并基于细胞增殖预测患者对治疗剂的反应。方法可以进一步包括根据图像测定细胞位置，并基于细胞位置预测患者对治疗剂的反应。

38、在另一实例中，图像可以是第一图像。在这方面，测定第二反应可以包括捕获固体细胞培养物的第二图像。方法可以进一步包括比较第一图像和第二图像(和/或另外的图像)以随时间测定固体细胞培养物的细胞的细胞迁移距离。方法可以进一步包括使用细胞迁移距离来预测患者对治疗剂的反应。

39、在另一实例中，方法可以进一步包括对第一图像和第二图像进行比较，以随时间测定固体细胞培养物的细胞的细胞迁移速率。转而，方法可以进一步包括使用细胞迁移速率来预测患者对治疗剂的反应。

40、在另一实例中，方法可以进一步包括对第一图像和第二图像进行比较，以随时间测定限定固体细胞培养物的子集的多个细胞的迁移距离。转而，方法可以进一步包括使用迁移距离来预测患者对治疗剂的反应。

41、在另一实例中，方法可以进一步包括比较第一图像和第二图像以随时间测定多个细胞的迁移速率。转而，方法可以进一步包括使用迁移速率来预测患者对治疗剂的反应。

42、在另一实例中，参考测定迁移距离和/或迁移速率，细胞子集可以包含多个细胞的5％的最具侵袭性的细胞。在其他情况下，多个细胞可以包含多个细胞的2％的最具侵袭性的细胞。在其他情况下，多个细胞可以包含多个细胞的1％的最具侵袭性的细胞。另外地或备选地，多个细胞可以包含表达特定生物标志物的细胞子集。

43、在另一实例中，方法可以进一步包括对第一图像和第二图像进行比较以随时间测定固体细胞培养物中具有最大迁移向量的细胞。转而，方法可以进一步包括使用最大迁移向量来预测患者对治疗剂的反应。

44、在另一实例中，方法可以进一步包括对第一图像和第二图像进行比较以随时间测定固体细胞培养物中具有最大迁移速率的细胞。转而，方法可以进一步包括使用最大迁移速率来预测患者对治疗剂的反应。

45、在另一实例中，测定第一反应或测定第二反应中的一个或两者包括测定多个细胞中的单个细胞的特征。多个细胞中的单个细胞可以具有可用于预测多个细胞的反应的特征(例如，作为一个实例，具有最长迁移向量的细胞可以是预测性生物标志物)。在这方面，测定第一反应包括在第一时间测定单个细胞的特征。测定第二反应包括在第一时间之后的第二时间测定单个细胞的特征。转而，方法进一步包括基于在第一时间和第二时间和/或另外的时间的单个细胞的测量特征的比较，预测患者对治疗剂的反应，如本文所描述。

46、在另一实例中，第一图像或第二图像中的一个或两个包括单个细胞或多个细胞的加权细胞测量值。转而，方法可以进一步包括基于加权细胞测量值预测患者对治疗剂的反应。在一些情况下，第一图像包含第一加权细胞测量值，以及第二图像包含第二加权细胞测量值。转而，方法进一步包括基于第一加权细胞测量值和第二加权细胞测量值的比较，预测患者对治疗剂的反应。

47、在另一实例中，第一图像或第二图像中的一个或两个包括与球状体或类器官的半径或直径相关联的信息。方法可以进一步包括基于球状体或类器官的半径或直径预测患者对治疗剂的反应。在一些情况下，第一图像包括球状体或类器官的第一半径或第一直径，并且第二图像包括球状体或者类器官的第二半径或第二直径。转而，方法进一步包括基于第一半径或第一直径与第二半径或第二直径的比较，预测患者对治疗剂的反应。在一些情况下，可以以相似的方式分析解离的/单个的细胞。例如，可以根据如本文所描述的相关度量的基本上任何一种来追踪或测量或以其他方式测量解离的/单个的细胞。作为说明性实例，可以根据本文所描述的技术测定和分析离开球状体的解离的/单个的细胞的计数和/或位置、迁移距离、迁移速率等，用于测定治疗功效。

48、在另一实例中，第一图像或第二图像中的一个或两个包括与手术切除物、组织切片和/或异种移植物的长度、宽度或高度中的一个或多个相关联的信息。方法进一步包括基于手术切除物、组织切片和/或异种移植物的长度、宽度或高度来预测患者对治疗剂的反应。在一些情况下，第一图像包括手术切除物、组织切片和/或异种移植物的第一长度、第一宽度或第一高度，以及第二图像包括手术切除物、组织切片和/或异种移植物的第二长度、第二宽度或第二高度。转而，方法进一步包括基于第一长度、第一宽度或第一高度与第二长度、第二宽度或第二高度的比较来预测患者对治疗剂的反应。

49、在另一实例中，比较进一步包括用计算机的一个或多个处理元件执行非瞬态计算机可读介质的指令，以测定治疗功效。

50、除了以上所描述的示例性方面和实施方案之外，通过参考附图和通过研究以下描述，进一步的方面和实施方式将变得显而易见。