JP2009027942A - Device for cell electrophysiological sensor and cell electrophysiological sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、薬剤に対する細胞の反応等を測定するための細胞電気生理センサ用デバイスおよびこれを用いた細胞電気生理センサに関する。 The present invention relates to a cell electrophysiological sensor device for measuring a cell response to a drug and the like, and a cell electrophysiological sensor using the device.
例えば図8に示す従来の細胞電気生理センサは、導通孔1を有する細胞保持板2と、この細胞保持板2の上方に設けられた貯留槽3と、細胞保持板2の下方に設けられた流路4と、貯留槽3と流路4とにそれぞれ配置された電極5、6とを備えている。
For example, the conventional cell electrophysiological sensor shown in FIG. 8 is provided with a
また貯留槽3および流路4にはそれぞれ電解液が充填され、その後貯留槽3に、ピペット等(図示せず)を用いて細胞7が注入される。ここで、注入される細胞7の中には、細胞7の破片である細胞屑8も混入している。
In addition, the
そして導通孔1下方の流路4側から吸引等することによって導通孔1開口部に細胞7を捕捉し、密着保持させた状態で電極5、6間における電位差を測定する。
The potential difference between the
この時、細胞7に薬剤を投与するなど、物理化学的刺激を印加することによって電位差が変動するため、細胞7の電気化学的変化を分析することができる。
従来の細胞電気生理センサ用デバイスでは、細胞電気生理センサの測定精度が低いという課題があった。 The conventional device for cell electrophysiology sensor has a problem that the measurement accuracy of the cell electrophysiology sensor is low.
その理由は、細胞7と導通孔1開口部との密着性が低いためである。 This is because the adhesion between the cell 7 and the opening of the conduction hole 1 is low.
すなわち、細胞7に混入した細胞屑8が、導通孔1開口部周辺に付着したり、導通孔1開口部を塞いだりすることがあり、細胞7を導通孔1開口部に密着保持することができず、結果として細胞電気生理センサの測定精度が低くなるのであった。
That is, the
そこで本発明は、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the measurement accuracy of a cellular electrophysiological sensor.
そしてこの目的を達成するために本発明は、貯留槽に細胞を注入するための細胞導入路を備え、この細胞導入路は、その流出口が上方を向いているものとした。 In order to achieve this object, the present invention is provided with a cell introduction path for injecting cells into the storage tank, and the cell introduction path has its outlet facing upward.
これにより本発明は、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。 Thereby, this invention can improve the measurement precision of a cell electrophysiological sensor.
その理由は、細胞と導通孔開口部との密着性が向上するからである。 This is because the adhesion between the cells and the opening of the conduction hole is improved.
すなわち本発明は、細胞導入路の流出口が上方を向いているため、細胞と細胞屑は、一旦噴き上げられるように貯留槽に注入され、その後重力に従って落下する。 That is, according to the present invention, since the outlet of the cell introduction path faces upward, the cells and cell debris are injected into the storage tank so as to be blown up, and then fall according to gravity.
ここで細胞屑は細胞よりも歪な形状をしているため液体の抵抗を受けやすく、また体積が小さいため、その落下速度は液中からの抵抗が支配的となる。したがって細胞屑は細胞よりゆっくりと落下し、細胞は細胞屑より早く導通孔開口部に捕捉される。 Here, since the cell debris has a more distorted shape than the cells, it is susceptible to the resistance of the liquid, and since its volume is small, the resistance from the liquid is dominant in its falling speed. Therefore, the cell debris falls more slowly than the cell, and the cell is trapped in the opening of the conduction hole earlier than the cell debris.
そしてその結果、細胞と導通孔開口部との密着性が向上し、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。 As a result, the adhesion between the cells and the opening of the conduction hole is improved, and the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor can be improved.
(実施の形態1)
図1に示すように本実施の形態における細胞電気生理センサ用デバイスは、導通孔9を有する細胞保持板10と、この細胞保持板10の外側面を支える保持プレート11と、この保持プレート11および細胞保持板10の上方に設けられた貯留槽12と、保持プレート11および細胞保持板10の下方に設けられた流路13とを備えている。すなわち本実施の形態は、貯留槽12と流路13とを細胞保持板10で仕切っている構造である。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the cell electrophysiological sensor device according to the present embodiment includes a
そして本実施の形態では、貯留槽12はウェルプレート14(樹脂基板)に加工された貫通孔15で形成され、このウェルプレート14の内部には、貯留槽12に細胞を注入するための細胞導入路16が形成されている。この細胞導入路16は、ウェルプレート14が樹脂からなる場合、射出成形によって形成することができる。
In this embodiment, the
またこの細胞導入路16は、両端が開口する管状であって、一方の開口部がウェルプレート14の上面に露出し、この開口部を細胞の流入口17としている。そして他方の開口部はウェルプレート14の貫通孔15内壁に露出し、この開口部を流出口18としている。
The
そして本実施の形態における細胞導入路16は、ウェルプレート14上面からウェルプレート14内部において一旦斜め下方に下がり、その後斜め上方に折れ曲がってウェルプレート14の貫通孔15内壁に露出する構造をしている。すなわち本実施の形態における細胞導入路16は、その流出口18が斜め上方を向いているものである。
The
なお、この細胞導入路16の、流出口18に向けて上方に折り曲がる部分は、本実施の形態では、細胞保持板10に対し、20度〜30度程度上方に傾けた。この角度は、細胞注入時の水圧や被検体となる細胞の質量などによって適宜調整する。
In this embodiment, the portion of the
また本実施の形態では、図2に示すように、細胞導入路16の流出口18における下方の内壁19は、内側に湾曲するよう、R加工が施されている。このように流出口18を湾曲させることによって、被検体となる良細胞が破損するのを抑制することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the lower inner wall 19 at the
本実施の形態では、図1に示す導通孔9開口部の直径は1μm〜3μmとし、深さを3μm〜10μmとした。この範囲の大きさの導通孔9が、被検体として直径10μm〜100μm程度の細胞を対象とした場合、効率よく細胞を密着保持することができる。 In the present embodiment, the diameter of the opening of the conduction hole 9 shown in FIG. 1 is 1 μm to 3 μm, and the depth is 3 μm to 10 μm. When the conduction hole 9 having a size in this range is intended for a cell having a diameter of about 10 μm to 100 μm as a subject, the cell can be efficiently adhered and held.
また本実施の形態の細胞保持板10は、シリコン基板あるいはいわゆるSOI基板からなり、微細な導通孔9を高精度に加工することができる。
The
また保持プレート11はエポキシ樹脂、あるいはガラス等で形成し、ウェルプレート14はエポキシ樹脂等で形成した。
The
そして上記のような細胞電気生理センサ用デバイスを用いた細胞電気生理センサとは、貯留槽12および流路13内にそれぞれ電極20、21を配置したものであり、電極20、21の位置、形状は本実施の形態に限定されず、細胞保持板10上方の貯留槽12および細胞保持板10下方の流路13に充填される電解液(後述する細胞内液、細胞外液など)とそれぞれ電気的に接続されればよい。
The cell electrophysiological sensor using the cell electrophysiological sensor device as described above is one in which the
次に、本実施の形態1における細胞電気生理センサを用いて、細胞電気生理現象を測定する方法について図面を用いて説明する。 Next, a method for measuring a cell electrophysiological phenomenon using the cell electrophysiological sensor according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
まず、図1に示す流路13に細胞内液(電解液)を充填する。ここで哺乳類筋細胞の場合、代表的な細胞内液としては、K+イオンが4mM程度、Na+イオンが145mM程度、Cl-イオンが123mM程度添加された電解液が挙げられる。
First, the intracellular fluid (electrolytic solution) is filled in the
その後、貯留槽12に細胞外液を貯留する。ここで哺乳類筋細胞の場合、代表的な細胞外液としてはK+イオンが155mM、Na+イオンが12mM程度、Cl-イオンが4.2mM程度添加された電解液が挙げられる。この時、細胞外液は、細胞導入路16以外から注入してもよいが、細胞導入路16から注入することによって、貯留槽12へと細胞導入路16の気泡を追い出すことができ、細胞注入時における気泡の流出を抑制することができる。また予め細胞導入路16内壁を濡らしておくことによって、細胞を滑らかに注入することができる。
Thereafter, the extracellular fluid is stored in the
そして次に貯留槽12と流路13とに電極20、21を挿入し、電極20、21間に計測器(図示せず)を接続すると、細胞保持板10で仕切られた細胞内液、細胞外液との間の電気的特性(電流、抵抗値、電圧など)が測定できる。
Then, when the
この状態では、導通孔9のみを介して細胞外液および細胞内液が導通する電気的回路が構成されており、その特性として、例えば電気抵抗、I−V特性として観測され、通常、1MΩ程度の電気抵抗を持つ。 In this state, an electrical circuit is formed in which the extracellular fluid and the intracellular fluid are conducted only through the conduction hole 9, and its characteristics are observed as, for example, electrical resistance and IV characteristics, and usually about 1 MΩ. With electrical resistance.
次に、貯留槽12に図1の矢印22方向に細胞導入路16を介して細胞を注入する。細胞は、細胞外液に浸して保存しているため、細胞外液とともに注入する。この時、細胞外液を加圧しながら注入する。
Next, cells are injected into the
そして、図3に示すように、細胞23は細胞屑24とともに細胞導入路16の流出口18から貯留槽12へと噴き上げられる。そして流路13側を減圧吸引することで、細胞23が導通孔9に引き付けられ、細胞23が導通孔9開口部を塞ぐことによって、細胞外液、細胞内液間が1GΩ以上の十分に高い電気抵抗を持つ(ギガシールと呼ぶ)。
Then, as shown in FIG. 3, the
このギガシール状態において、吸引圧力をさらに高めることで細胞23の細胞膜に微小の細胞膜穴が開く。
In this giga-seal state, a minute cell membrane hole is opened in the cell membrane of the
これによって、細胞膜のイオンチャネルを介して流れる数nA程度の微小電流を測定できるようになり、各種イオンチャネルの電気特性、薬剤に対する反応特性、その他外的刺激に対する反応などを測定することができる。 As a result, a minute current of about several nA flowing through the ion channel of the cell membrane can be measured, and the electrical characteristics of various ion channels, the response characteristics to drugs, and other responses to external stimuli can be measured.
次に、本実施の形態における効果を以下に説明する。 Next, the effect in this Embodiment is demonstrated below.
本実施の形態では、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。 In the present embodiment, the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor can be improved.
その理由は、細胞を導通孔9開口部に効率よく密着保持できるからである。 The reason is that the cells can be efficiently held tightly in the opening of the conduction hole 9.
すなわち従来は、図8に示すように、貯留槽3上部から細胞保持板2に向けて下方に水圧を掛け、細胞7を注入していた。ここでこの時、細胞7中にはどうしても細胞屑8が混入してしまう。
That is, conventionally, as shown in FIG. 8, the cells 7 are injected by applying water pressure downward from the upper part of the
そしてこの細胞屑8が導通孔1開口部周辺に付着したり、あるいは導通孔1開口部を塞いだりすることがあり、良細胞7を導通孔1開口部に密着させて保持出来ないことがあった。なお、従来の細胞電気生理センサにおいて、細胞7および細胞屑8の落下速度は、それぞれの体積や形状よりも細胞7注入時の水圧に大きく影響を受けていたと考えられる。
The
これに対し本実施の形態では、図3に示すように、細胞23と細胞屑24は、一旦噴き上げられるように貯留槽12に注入され、その後重力に従って落下していく。ここで細胞屑24は細胞23よりも体積が小さいため、その落下速度は液中(細胞外液)からの抵抗が支配的となる。したがって細胞屑24は細胞23よりゆっくりと落下し、細胞23は細胞屑24より早く導通孔9開口部に捕捉される。
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 3, the
そしてその結果、細胞23と導通孔9とを密着させた状態で保持することができ、上述のギガシールを実現することによって、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
As a result, the
また細胞23は一般に細胞屑24よりも質量が大きいため、遠くまで噴き上げられることなく速やかに下方へ落下し、細胞屑24より早く導通孔9開口部に到達する。
Further, since the
さらに細胞屑24は細胞23と比較して、いびつな形状のものが多いため、表面積が大きく、液体(細胞外液)の抵抗を受けやすい。したがって、導通孔9に到達するまで時間がかかり、細胞屑24によって導通孔9が塞がれる前に細胞23を導通孔9開口部に捕捉することができる。
Furthermore, since the
また本実施の形態では、細胞導入路16の折れ曲がった部分では、外周の方が内周よりも流れが速くなるため、外側には質量の大きい細胞23が集まり、内側には質量の小さい細胞屑24が集まりやすい。
Further, in the present embodiment, in the bent part of the
したがって、流出口18間際では、細胞23が細胞導入路16の下側に片寄っているため、図2に示すように、流出口18における下方の内壁19を、内側に湾曲させ、流出口18で下方に垂れ下がる形状にしておくことによって、その湾曲面に沿って液体(細胞外液)の流れが形成され、この流れに伴って細胞23が下方へ落ちやすくなる。
Therefore, since the
さらに本実施の形態では、図1に示すように、細胞導入路16をウェルプレート14内部に組み込んだ一体型の為、流出口18の位置が固定される。したがって、流出口18の最適な位置を維持した状態で、細胞を注入することができ、細胞を効率よく捕捉することができる。
Furthermore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the position of the
なお、本実施の形態では、細胞導入路16の開口部18は斜め上方を向いているが、垂直に上方を向かせてもよい。この場合、細胞導入路16を流路13側から貯留槽12へ引き回してもよい。このように細胞導入路16の開口部18が細胞保持板10に対して垂直方向に上方を向いた場合も、本実施の形態と同様に、良細胞を効率よく捕捉し、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
In the present embodiment, the
(実施の形態2)
本実施の形態と、実施の形態1との違いは、図4に示すように、細胞導入路16内に定在波を発生させるため、ウェルプレート14の貫通孔15内壁にアクチュエータ25を配置した点である。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 4, the difference between the present embodiment and the first embodiment is that an actuator 25 is arranged on the inner wall of the through
本実施の形態におけるアクチュエータ25は、チタン酸ジルコン酸鉛やニオブ酸リチウムなどの圧電層を二層の電極(白金や金など)で挟んだものであり、圧電層には定在波を発生させるため、例えば下記の周波数fの振動を発生する電圧を印加する。 The actuator 25 in the present embodiment is obtained by sandwiching a piezoelectric layer such as lead zirconate titanate or lithium niobate between two layers of electrodes (such as platinum or gold), and generates a standing wave in the piezoelectric layer. Therefore, for example, a voltage that generates vibration with the frequency f below is applied.
すなわち、周波数fは、細胞導入路16の幅をW、細胞導入路16に導入する液体成分(細胞外液)および固形成分(細胞、細胞屑)の混合物のうち、液体成分における音速をvとすると
f=(n/2)×v/W (nは自然数)
を満たす周波数fである。
That is, the frequency f is the width of the cell introduction path 16 W, and the sound velocity in the liquid component of the liquid component (extracellular fluid) and solid components (cells, cell debris) introduced into the
The frequency f satisfies
これにより、細胞導入路16内に定在波が発生し、図5に示すように、細胞導入路16内中央に一つの節26ができ、この節26に細胞23を整列させることができる。
As a result, a standing wave is generated in the
なお、一般に細胞23は細胞屑24よりも体積が大きい為、定在波から受ける力の大きさも大きく、細胞23を優先的に節26に集めることができる。
Since the
以上のように細胞23を細胞導入路16内で整列させておけば、細胞23を一定の水圧で貯留槽(図4の12)に噴き上げることによって、細胞23を導通孔9開口部に向けて定位置に落下させることができる。したがって、細胞23の捕捉率が向上し、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
If the
なお、本実施の形態では、図5に示すように、細胞導入路16内に定在波を発生させ、細胞23を整列させたが、定在波振動でなくてもよい。すなわち、細胞導入路16内に進行波振動を発生させた場合は、その振動によって細胞23や細胞屑24が細胞導入路16内にこびり付くのを抑制することができる。
In the present embodiment, as shown in FIG. 5, a standing wave is generated in the
また、例えばアクチュエータ(図4の25)を複数設け、これらのアクチュエータ25に印加する電圧を増減することによって、比較的体積が大きく移動させやすい細胞23と、体積が小さく移動させにくい細胞屑24とを分離することができる。したがって、細胞23と細胞屑24とを分離させた状態で貯留槽(図4の12)へ噴き上げることができ、細胞23のみを導通孔(図4の9)に捕捉しやすくなる。
In addition, for example, by providing a plurality of actuators (25 in FIG. 4) and increasing or decreasing the voltage applied to these actuators 25, the
その他実施の形態1と同様の構成および効果については説明を省略する。 Description of other configurations and effects similar to those of the first embodiment is omitted.
(実施の形態3)
本実施の形態と実施の形態1との違いは、図6に示すように、管状の細胞導入路16をウェルプレート14の貫通孔15内壁に取り付け、この細胞導入路16の形状を、斜め上方から斜め下方に回転する螺旋状とした点である。
(Embodiment 3)
The difference between the present embodiment and the first embodiment is that, as shown in FIG. 6, a tubular
このように細胞導入路16が螺旋状に回転している部分では、図7に示すように、矢印27方向の遠心力によって質量の大きい細胞23が細胞導入路16の外側に、質量の小さい細胞屑24が内側に片寄り、流出口18では細胞23が下方、細胞屑24が上方に集まった状態となる。
As shown in FIG. 7, in the portion where the
そしてその状態で細胞23および細胞屑24は貯留槽(図6の12)に注入されるため、細胞屑24はより上方へと噴き上げられると考えられる。また細胞23は下方へ落下し、導通孔9開口部にすみやかに捕捉され、細胞電気生理センサの測定精度を向上させることができる。
In this state, since the
その他実施の形態1と同様の構成および効果については説明を省略する。 Description of other configurations and effects similar to those of the first embodiment is omitted.
本発明は、細胞を導通孔開口部に効率よく捕捉することができ、細胞電気生理センサの測定精度を向上させるのに有効である。 The present invention can efficiently capture cells in the opening of the conduction hole and is effective in improving the measurement accuracy of the cell electrophysiological sensor.
9 導通孔
10 細胞保持板
11 保持プレート
12 貯留槽
13 流路
14 ウェルプレート
15 貫通孔
16 細胞導入路
17 流入口
18 流出口
19 内壁
20 電極
21 電極
22 矢印
23 細胞
24 細胞屑
25 アクチュエータ
26 節
27 矢印
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9
Claims (6)
この細胞保持板の上方に設けられた貯留槽と、
この貯留槽に細胞を注入するための細胞導入路とを備え、
この細胞導入路は、その流出口が上方を向いている細胞電気生理センサ用デバイス。 A cell holding plate having a conduction hole;
A storage tank provided above the cell holding plate;
A cell introduction path for injecting cells into this reservoir,
This cell introduction path is a device for a cell electrophysiological sensor in which the outflow port faces upward.
基板に設けられた貫通孔で形成され、
前記細胞導入路は、
前記基板内部に形成されている請求項1に記載の細胞電気生理センサ用デバイス。 The storage tank is
Formed with through holes provided in the substrate,
The cell introduction path is
The cell electrophysiological sensor device according to claim 1, which is formed inside the substrate.
この細胞電気生理センサ用デバイスの前記細胞保持板の上下に注入される電解液とそれぞれ電気的に接続される電極とを備えた細胞電気生理センサ。 A device for a cellular electrophysiological sensor according to any one of claims 1 to 5,
A cell electrophysiological sensor comprising an electrolytic solution injected above and below the cell holding plate of the device for cell electrophysiological sensor and electrodes electrically connected to each other.
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