JP2002142763A - Method and device for transferring chemical substance - Google Patents

Method and device for transferring chemical substance

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JP2002142763A
JP2002142763A JP2000343322A JP2000343322A JP2002142763A JP 2002142763 A JP2002142763 A JP 2002142763A JP 2000343322 A JP2000343322 A JP 2000343322A JP 2000343322 A JP2000343322 A JP 2000343322A JP 2002142763 A JP2002142763 A JP 2002142763A
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cell
cells
gene
substance
laser
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Japanese (ja)
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Kunio Awazu
邦男 粟津
Eiichi Tamiya
栄一 民谷
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Japan Science and Technology Agency
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Japan Science and Technology Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and a device therefor capable of continuously treating a large quantity of cells selectively and highly efficiently through targeting individual cells and intended for transferring a desired substance such as a gene into specific cells. SOLUTION: This method and the device therefor for transferring a substance into cells comprise irradiating a system having the cells and the substance such as a gene to be transferred thereinto with laser beams of absorption wavelength for the cells; wherein, more particularly, the system consists of a mobile phase and moves continuously to a laser beam irradiation point to effect transferring the substance into the cells continuously.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、細胞に遺伝子、蛋
白質、薬物などの物質を導入する方法及びその為の装置
に関する。より詳細には、細胞膜等の赤外吸収に共鳴す
る波長の自由電子レーザー(FEL)により励起される
熱応力による弾性的膨張を利用して、細胞に遺伝子を導
入する方法及びその装置に関する。また、本発明は、細
胞と当該細胞に導入される物質とからなる系を一定方向
に移動させ、その移動相の所定の位置に自由電子レーザ
ー(FEL)を照射することからなる連続的に細胞に物
質を導入する方法及びその装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for introducing a substance such as a gene, a protein, or a drug into cells, and an apparatus therefor. More specifically, the present invention relates to a method and an apparatus for introducing a gene into cells using elastic expansion caused by thermal stress excited by a free electron laser (FEL) having a wavelength that resonates with infrared absorption of a cell membrane or the like. In addition, the present invention provides a method for continuously moving a system comprising cells and a substance to be introduced into the cells in a certain direction and irradiating a predetermined position of the mobile phase with a free electron laser (FEL). The present invention relates to a method and an apparatus for introducing a substance into a material.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、医学、薬学、遺伝子工学、分子生
物学などの分野において薬物評価や遺伝子組換え、遺伝
子治療、新種開発のため動植物の細胞内に蛋白などの高
分子を持つ遺伝子を導入することが盛んに行われてい
る。この遺伝子導入方法として、ガラスパイプを顕微操
作しその先端を細胞に直接挿入して遺伝子を入れるマイ
クロインジェクション法、細胞に電気的なショックを与
えて細胞に変形を起こして遺伝子を導入するエレクトロ
ポーレーション法、パーティクルガン法、アデノウイル
スやλファージなどのウイルスを用いた生物学的方法な
どが知られている。
2. Description of the Related Art In recent years, in the fields of medicine, pharmacy, genetic engineering, and molecular biology, a gene having a macromolecule such as a protein has been introduced into cells of animals and plants for drug evaluation, gene recombination, gene therapy, and development of new species. There is a lot going on. As a method for gene transfer, a microinjection method in which a glass pipe is microscopically manipulated and the tip of the glass pipe is inserted directly into a cell to insert the gene, or electroporation, which applies an electric shock to the cell to deform the cell and introduce the gene Methods, particle gun methods, biological methods using viruses such as adenovirus and lambda phage are known.

【0003】しかし、ウイルスなどを用いた生物学的方
法では成熟リンパ球などの特定の細胞にしか遺伝子を導
入することはできないし、またウイルスによる感染の心
配もある。マイクロインジェクション法、パーティクル
ガン法などの物理的な手段による方法では、細胞を個別
に処理することもできるが細胞の選択性が低く、かつ効
率よく遺伝子を取り込ませることはできない。また、エ
レクトロポーレーション法、酵素法などでは遺伝子を導
入できる割合が細胞の数千〜数万個に1つ以下という確
率であり、きわめて導入効率が低く、細胞へ遺伝子を効
率よく導入することができないという問題がある。
[0003] However, in a biological method using a virus or the like, a gene can be introduced only into a specific cell such as a mature lymphocyte, and there is a concern about virus infection. In a method using physical means such as a microinjection method and a particle gun method, cells can be individually treated, but the selectivity of the cells is low and the gene cannot be efficiently incorporated. In addition, in the electroporation method, the enzymatic method, etc., there is a probability that a gene can be introduced at a rate of one or less in thousands to tens of thousands of cells, and the transfection efficiency is extremely low. There is a problem that can not be.

【0004】また、近年になってレーザーを用いて細胞
に遺伝子などを物理的に導入する方法が開発されてきて
いる。例えば、細胞の表面抗原に光吸収体を結合した抗
体を結合させた細胞に、自由電子レーザーからのレーザ
ー光を照射して当該細胞に遺伝子を導入する方法が開発
されている(特開平11−46761号)。しかしこの
方法では光吸収体を結合した抗体を作成してこれを細胞
表面に結合さなければならず、煩雑な操作を必要とする
だけでなく、遺伝子導入後に細胞表面に結合させた抗体
を取らなければならず実用的な方法ではなかった。ま
た、衝撃波による方法も開発されてきており、例えば、
紫外領域などのパルスレーザーにより衝撃波を生じる液
体を収容し、発生した衝撃波を外部に伝達させるチャン
バ手段やバルーン手段を有し、この衝撃により遺伝子を
細胞に導入する方法(特開平11−28086号)が報
告されている。しかし、この方法では細胞の選択性が無
く、また衝撃波の発生装置や伝達装置などの装置が大き
くなり、特定の細胞に効率よく遺伝子を導入させること
はできなかった。
In recent years, methods for physically introducing genes and the like into cells using a laser have been developed. For example, a method has been developed in which a cell in which an antibody having a light absorber bound to a cell surface antigen is bound to the cell and irradiated with laser light from a free electron laser to introduce the gene into the cell (Japanese Patent Laid-Open No. 11-1999). No. 46761). However, in this method, an antibody to which a light absorber is bound must be prepared and bound to the cell surface, which requires not only a complicated operation but also the antibody bound to the cell surface after gene transfer. It was not a practical method. Also, a method using a shock wave has been developed, for example,
A method for containing a liquid that generates a shock wave by a pulse laser in an ultraviolet region or the like, and having a chamber means or a balloon means for transmitting the generated shock wave to the outside, and introducing the gene into cells by this shock (Japanese Patent Laid-Open No. 11-28086) Have been reported. However, this method has no cell selectivity, and the size of a device such as a shock wave generator and a transmission device is increased, so that a gene cannot be efficiently introduced into a specific cell.

【0005】このように細胞に遺伝子を導入する方法と
し各種の方法が開発されてきているが、いずれの方法も
細胞に対する選択性や遺伝子の導入効率が必ずしも充分
ではなかった。また、個々の細胞を標的にして連続的に
短時間で大量に処理できる方法ではなかった。
[0005] As described above, various methods have been developed as a method for introducing a gene into cells, but none of these methods has necessarily provided sufficient selectivity to cells and gene introduction efficiency. In addition, this method is not a method that can continuously treat a large amount of individual cells in a short time.

【0006】一方、細胞膜等の赤外吸収に共鳴する波長
の自由電子レーザー(FEL)により励起される衝撃反
応を利用し、所望の物質が対象となる生体膜を低侵襲的
に透過させる新しいメカニズムが提案されてきている。
例えば、動脈硬化を起こしている動脈に自由電子レーザ
ー(FEL)を照射して病変部から選択的にコレステロ
ールエステルを除去する方法(Awazu,K., et al., (199
7) IONICS 23(11), 89-94)、繊維芽細胞にFITC−
デキストランを導入する方法(Szoka,F., et al., (198
0) Biochim. Biophys. Acta 601, 559-571)、などが
報告されてきている。この方法は、赤外領域の自由電子
レーザーを生体に照射したときの熱応力による弾性的膨
張を利用したものであり、低侵襲的に物理的に生体や細
胞中に物質を導入することが可能でると考えられる。
[0006] On the other hand, a new mechanism that allows a desired substance to penetrate a target biological membrane in a minimally invasive manner by utilizing an impact reaction excited by a free electron laser (FEL) having a wavelength that resonates with infrared absorption of a cell membrane or the like. Has been proposed.
For example, a method of irradiating an artery with arteriosclerosis with a free electron laser (FEL) to selectively remove cholesterol ester from a lesion (Awazu, K., et al., (199)
7) IONICS 23 (11), 89-94), FITC-
A method of introducing dextran (Szoka, F., et al., (198
0) Biochim. Biophys. Acta 601, 559-571). This method utilizes the elastic expansion caused by thermal stress when a living body is irradiated with a free electron laser in the infrared region, and it is possible to physically introduce a substance into a living body or cell in a minimally invasive manner. It is thought to come out.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、細胞に
遺伝子を導入する際の上記してきた問題点を改善するた
めに、赤外領域の自由電子レーザーを生体に照射したと
きの熱応力による弾性的膨張を利用した遺伝子の導入方
法を検討してきたところ、細胞膜等における共鳴波長の
自由電子レーザー(FEL)を細胞に照射することによ
り、効率よくかつ簡便で低侵襲的に細胞に遺伝子を導入
することができることを見出した。さらに、連続して流
動する細胞系に自由電子レーザー光を照射することによ
り、流動相中の特定の細胞に選択的にかつ連続的に遺伝
子を導入することができることを見出した。したがっ
て、本発明は、個々の細胞を標的して選択的に且つ高効
率で、大量の細胞を連続的に処理することができる、遺
伝子などの所望の物質を特定の細胞に導入するための方
法及びその装置を提供するものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems when introducing a gene into cells, the present inventors have proposed a method of applying a thermal stress to a living body with a free electron laser in the infrared region. We have been studying a method for introducing a gene using elastic expansion caused by the method. By irradiating the cell with a free electron laser (FEL) having a resonance wavelength in a cell membrane or the like, the gene can be efficiently, simply, and minimally invasively transferred to the cell. I found that it can be introduced. Furthermore, it has been found that by irradiating a continuously flowing cell line with a free electron laser beam, a gene can be selectively and continuously introduced into specific cells in a flowing phase. Therefore, the present invention provides a method for introducing a desired substance, such as a gene, into a specific cell, which can selectively and efficiently treat a large amount of cells by targeting individual cells. And an apparatus therefor.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、細胞及び当該
細胞に導入される遺伝子などの物質を含有してなる系
に、当該細胞の吸収波長のレーザー光を照射して、細胞
に遺伝子などの物質を導入する方法、及びそのための装
置に関する。また、本発明は、細胞及び当該細胞に導入
される物質を含有してなる系に、当該細胞の吸収波長の
レーザー光を照射して、細胞に物質を導入する方法にお
いて、細胞及び当該細胞に導入される物質を含有してな
る系が移動相であり、レーザー光の照射される位置に連
続的に細胞及び当該細胞に導入される物質を含有してな
る系が移動して、連続的に細胞に物質を導入する方法、
及びそのための装置に関する。
According to the present invention, a system comprising a cell and a substance such as a gene to be introduced into the cell is irradiated with a laser beam having an absorption wavelength of the cell, and the gene or the like is applied to the cell. And a device therefor. Further, the present invention provides a method for irradiating a cell and a system containing a substance to be introduced into the cell with a laser beam having an absorption wavelength of the cell to introduce the substance into the cell. The system containing the substance to be introduced is a mobile phase, and the system containing the cell and the substance to be introduced into the cell is continuously moved to the position irradiated with the laser light, and continuously. How to introduce the substance into the cells,
And a device therefor.

【0009】細胞膜等の赤外吸収に共鳴する波長の自由
電子レーザー(Free Electron Laser)(以下、FEL
という。)を、当該細胞に照射すると、細胞、特に細胞
膜がその波長のレーザー光を吸収し、励起されて熱応力
により弾性的膨張が生じる。FELが対象に照射される
ときに熱応力により弾性的膨張が生じる条件は、時定数
、光吸収係数μ、音速vを用いてt=1/μ
vと表すことができる。FELのパルス幅がtより短
いとき、1/μで定義される深さの範囲内に応力勾配
による衝撃波が伝搬し、その強さは伝搬距離zを用い、
A free electron laser (hereinafter, referred to as FEL) having a wavelength that resonates with infrared absorption of a cell membrane or the like.
That. ), The cells, especially the cell membrane, absorb the laser light of that wavelength and are excited to cause elastic expansion due to thermal stress. Condition in which the elastic expansion caused by thermal stress when the FEL is irradiated to the subject, the time constant t o, the light absorption coefficient mu a, using a sound velocity v t o = 1 / μ a
v. When the pulse width of the FEL is shorter than t o, the shock wave is propagated by stress gradient within the depth defined by 1 / mu a, it is using the propagation distance z its strength,

【0010】 σ(z) = Γμ exp(−μz)[0010] σ (z) = Γμ a H o exp (-μ a z)

【0011】で表すことができる。ここで、Hはエネ
ルギー密度、Γは体積膨張係数gと熱容量CvでΓ=g
/Cvと定義される定数である。有効な衝撃は、対
象の吸収係数の大きい波長にFELの波長を調整するこ
とにより得られる。
Can be represented by Here, H o is the energy density, gamma is a volume expansion coefficient g and heat capacity Cv gamma = g
v is a constant defined as 2 / Cv. Effective impact is obtained by adjusting the wavelength of the FEL to a wavelength at which the absorption coefficient of interest is large.

【0012】図1及び図2にこの様子を模式的に示して
説明する。図1は細胞にレーザー光が照射される前の様
子を示したものであり、図2はレーザー光が照射された
ときの変化の状態を、それぞれ模式的に示したものであ
る。図1及び図2では、例として植物細胞を示してい
る。動物細胞の場合には、細胞壁が無いので細胞膜だけ
を考慮すればよい。細胞膜は無数の脂質などから成り、
細胞壁は多数のセルロースなどから形成されており、図
1に示されるように通常はこれらの物質が密に会合して
おり、細胞外に存在する物質P又はP’が細胞内に浸入
することはできない。
FIG. 1 and FIG. 2 schematically show this state and will be described. FIG. 1 shows a state before the cells are irradiated with laser light, and FIG. 2 schematically shows a state of change when the cells are irradiated with laser light. 1 and 2 show plant cells as an example. In the case of animal cells, since there is no cell wall, only the cell membrane may be considered. Cell membranes are made up of countless lipids,
The cell wall is formed of a large number of celluloses and the like, and as shown in FIG. 1, these substances are usually closely associated with each other, and the extracellular substance P or P ′ cannot enter the cells. Can not.

【0013】しかし、図2に示すように、この細胞に細
胞の吸収波長のレーザー光を照射したときに、前記式で
示される条件が満たされると、細胞、特に細胞膜や細胞
壁においてレーザー光が吸収され、熱応力により弾性的
膨張が生じる。その結果、図2に示されるように、細胞
壁や細胞膜において瞬間的に弾性的に膨張し、細胞壁や
細胞膜のレーザー光照射部分にわずかに隙間が生じる。
即ち、細胞膜や細胞壁に瞬間的にチャネルやトランスポ
ーターのような空間が発生することになる。しかし、こ
の空間はチャネルやトランスポーターとは異なり、完全
に物理的な空間であるから、細胞の外側にある物質が比
較的自由に細胞内外を通過できるようになる。また、細
胞外に存在する物質にも照射されている領域内でレーザ
ー光が当たり、その光エネルギーにより物質が押される
ように移動し、上記細胞壁、細胞膜のわずかな隙間に押
し込まれることも考えられる。
However, as shown in FIG. 2, when the cells are irradiated with a laser beam having the absorption wavelength of the cell and the conditions shown by the above formula are satisfied, the laser beam is absorbed by the cells, especially the cell membrane and the cell wall. Then, elastic expansion occurs due to thermal stress. As a result, as shown in FIG. 2, the cell wall or the cell membrane instantaneously elastically expands, and a slight gap is formed in the portion of the cell wall or the cell membrane irradiated with the laser beam.
That is, a space such as a channel or a transporter is instantaneously generated in a cell membrane or a cell wall. However, unlike a channel or transporter, this space is completely physical, so that substances outside the cell can pass relatively freely inside and outside the cell. It is also conceivable that a laser beam hits a region which is also irradiated with a substance existing outside the cell, moves so that the substance is pushed by the light energy, and is pushed into the cell wall, a slight gap between cell membranes. .

【0014】本発明者らは、まずこの方法により細胞に
遺伝子を導入できるかどうかということを検討した。こ
のために、細胞としてタバコ葉由来培養細胞のBY2
Nicotiana tabacum L.)(培養5,12日目)を用い
た。導入される遺伝子としては蛍光物質を発現させるG
FP遺伝子を35Sプロモター(35SC4PPDK)
と共に用いた。この遺伝子をプラスミドベクターに組み
込んで用いた。この遺伝子を組み込んだプラスミドを
「p35−SGFP−TYG」と呼ぶ。プラスミドは
1,0.5,0.1mg/mlに希釈したものを用い、
濃縮したBY2細胞懸濁液100μlにそれぞれ10μ
lのプラスミド溶液を加え、試料とした。従って、それ
ぞれの試料のプラスミド濃度はそれぞれ100,50,
10μg/mlとなった。反応場として半径3cm程度
のプラスチックシャーレを使用し、シャーレの中央のく
ぼみに100μlの試料を置き、45度の角度からレー
ザーを照射した。
The present inventors first examined whether or not a gene could be introduced into cells by this method. To this end, BY2 of tobacco leaf-derived cultured cells was used as a cell.
( Nicotiana tabacum L.) (5th and 12th days of culture) was used. The gene to be introduced is G that expresses a fluorescent substance.
FP gene to 35S promoter (35SC4PPDK)
Used with This gene was used by incorporating it into a plasmid vector. The plasmid incorporating the gene is referred to as a "p35 -S GFP-TYG". The plasmid used was diluted to 1,0.5,0.1 mg / ml,
10 μl each for 100 μl of the concentrated BY2 cell suspension
l of the plasmid solution was added to prepare a sample. Therefore, the plasmid concentration of each sample was 100, 50,
It became 10 μg / ml. A plastic petri dish having a radius of about 3 cm was used as a reaction field, and a 100 μl sample was placed in a central recess of the petri dish, and laser was irradiated from an angle of 45 °.

【0015】このときに使用した装置の概要を図3に示
す。プラスチックシャーレ37の中央部に試料35を置
き、これを顕微鏡36で観察できるように配置した。一
方、ホローテューブ31からレーザー光30を導入し
て、ミラー32に反射させて、FELプローブ33を介
してレーザー光を試料35に約45度の角度で照射し
た。FELプローブ33の先端と試料との距離が約3〜
5cmになるようにした。このとき使用したFELの特
性は、 使用波長:5.75μm 平均出力:12mW 照射範囲:0.3mmφ であった。従って単位面積あたりの出力は17.0[W
/cm]であった。照射時間は、1000秒で行っ
た。
FIG. 3 shows an outline of the apparatus used at this time. A sample 35 was placed at the center of a plastic Petri dish 37 and placed so that it could be observed with a microscope 36. On the other hand, a laser beam 30 was introduced from a hollow tube 31 and reflected by a mirror 32, and the sample 35 was irradiated with the laser beam at an angle of about 45 degrees through an FEL probe 33. The distance between the tip of the FEL probe 33 and the sample is about 3 to
It was made to be 5 cm. The characteristics of the FEL used at this time were: working wavelength: 5.75 μm average output: 12 mW irradiation range: 0.3 mmφ. Therefore, the output per unit area is 17.0 [W
/ Cm 2 ]. The irradiation time was 1000 seconds.

【0016】照射後はそのまま室温で培養し、GFP遺
伝子の発現確認は24時間後に行った。GFP遺伝子に
よる蛍光の観察にはDAPI用のフィルターを用いた。
このとき、観察時にエバンスブルー処理することによ
り、死亡した細胞に起因する蛍光を抑えていた。結果を
次の表1に示す。
After the irradiation, the cells were cultured at room temperature, and the expression of the GFP gene was confirmed 24 hours later. A filter for DAPI was used for observation of fluorescence by the GFP gene.
At this time, the fluorescence caused by dead cells was suppressed by Evans blue treatment during observation. The results are shown in Table 1 below.

【0017】 表1 サンプル名 培養日数[日] DNA量[ug/ml] 蛍光発現細胞[個] New10 5 10 170 New100 5 100 50 Old10 12 10 30 Old50 12 50 30 Old100 12 100 30 表中の「New」は培養日数が5日の細胞であり、「O
ld」は培養日数が12日の細胞である。各サンプルの
後の数値は試料中のプラスミドの濃度を示す。
Table 1 Sample name Culture days [days] DNA amount [ug / ml] Fluorescent cells [units] New10 5 10 170 New100 5 100 50 Old10 12 10 30 Old50 12 50 30 Old100 12 100 30 “New” in the table "" Means cells having been cultured for 5 days, and "O
"ld" is cells having 12 days of culture. The numerical value after each sample indicates the concentration of the plasmid in the sample.

【0018】観察した総細胞数はおよそ5000個で、
このことから導入効率は3〜17%という高い値であっ
た。このときの細胞の死亡率は約5%だった。培養日数
による導入効率の違いでは、やはり若い細胞の方がよい
ようであるが、培養12日の細胞においても約3%の導
入効率が得られた。遺伝子の濃度に関しては、むしろ過
剰にありすぎる方が導入効率が落ちる傾向があるように
思われる。
The total number of cells observed was about 5,000,
From this, the introduction efficiency was a high value of 3 to 17%. The cell mortality at this time was about 5%. As for the difference in the transfection efficiency depending on the number of days of culture, it seems that the younger cells are still better, but the transfection efficiency of about 3% was obtained even with the cells of 12 days of culture. Regarding the concentration of the gene, it seems that the transfection efficiency tends to decrease when the gene concentration is excessively high.

【0019】導入しているGFP−TYG遺伝子は蛍光
を有するタンパク質を発現し、発現すると励起最大波長
が488nmで、発光最大波長が507nmの蛍光特性
を示す。したがって、これを観察する場合には、常識的
に考えればFITC用フィルター(励起波長:450−
490nm、蛍光波長:515−565nm)の方が適
しているはずなのだが、あまりにもシグナルが弱く観察
しにくかったため、今回実験においてはDAPI用フィ
ルター(励起波長:360−370nm、蛍光波長:4
00nm以上)を用いた。GFPの蛍光特性は裾が大き
く広がっているため、DAPI用フィルターでの観察も
可能であった。
The introduced GFP-TYG gene expresses a protein having fluorescence. When expressed, the GFP-TYG gene exhibits a fluorescence characteristic having a maximum excitation wavelength of 488 nm and a maximum emission wavelength of 507 nm. Therefore, when observing this, it is common sense to consider a FITC filter (excitation wavelength: 450-
490 nm, fluorescence wavelength: 515-565 nm should be more suitable, but because the signal was too weak to observe, the filter for DAPI (excitation wavelength: 360-370 nm, fluorescence wavelength: 4) was used in this experiment.
00 nm or more). Since the fluorescence characteristic of GFP has a wide tail, observation with a DAPI filter was also possible.

【0020】導入した遺伝子の発現による蛍光を観察す
るため、レーザー光(自由電子レーザー)を照射したそ
れぞれの試料の画像光をDAPI用フィルタを介してC
CDカメラに取り込み、モニタ画面上で確認しながら撮
像し、プリンタにてプリントした。得られた写真及びこ
れを画像処理して得られた写真を図6〜図15に示す。
これらの図6〜図15は全て図面に代わる写真である。
図6は、DAPI用フィルタで観察した結果を示したも
ので、細胞は、バックグランドで青、死んだ細胞で弱い
赤、プラスミドGFPが入ったと思われる細胞では緑の
蛍光を発光しているのが観察されたが、図面ではモノク
ロで表されている。図7は、DAPIフィルター使用時
に観察される蛍光を示したカラー写真であるが、図面で
はモノクロで表されている。図7は、写真をスキャナで
読み込んだもので、読み込んだ時点でバックグランドの
青とGFPに起因すると思われる緑の蛍光の差がほとん
ど判らなくなってしまっているが、写真を見る限りでは
明らかに色による識別が可能である。また、画像処理に
よる合成の結果を図9に示す。図8は、FITCフィル
ター使用時に観察される蛍光を示したカラー写真である
が、図面ではモノクロで表されている。図9は、画像処
理による合成の結果を示すカラー写真であるが、図面で
はモノクロで表されている。図10と図11は、可視光
線による画像を示したもので、図10はFEL未処理の
ものであり、図11はFEL処理後のものである。図1
2と図13は、FITCフィルターを用いた蛍光観察の
結果を示したもので、図12はFEL未処理のものであ
り、図13はFEL処理後のものである。図14と図1
5は、それぞれ図12と図13の画像を二値化したもの
である。
In order to observe the fluorescence due to the expression of the introduced gene, the image light of each sample irradiated with a laser beam (free electron laser) is applied to the CAPI through a DAPI filter.
The images were taken into a CD camera, imaged while checking on the monitor screen, and printed by a printer. FIGS. 6 to 15 show the obtained photograph and the photograph obtained by performing image processing on the photograph.
6 to 15 are photographs replacing the drawings.
FIG. 6 shows the results observed with a DAPI filter. The cells emit blue fluorescence in the background, weak red in dead cells, and green fluorescence in cells suspected of containing plasmid GFP. Were observed, but are represented in monochrome in the drawing. FIG. 7 is a color photograph showing the fluorescence observed when the DAPI filter is used, which is shown in monochrome in the drawing. Fig. 7 shows a photo scanned by a scanner. At the time of scanning, the difference between the background blue and the green fluorescence, which is thought to be caused by GFP, is almost indistinct. Identification by color is possible. FIG. 9 shows the result of the composition by the image processing. FIG. 8 is a color photograph showing the fluorescence observed when using the FITC filter, which is shown in monochrome in the drawing. FIG. 9 is a color photograph showing the result of the combination by the image processing, which is shown in monochrome in the drawing. 10 and 11 show images by visible light. FIG. 10 shows an image without FEL processing, and FIG. 11 shows an image after FEL processing. FIG.
2 and 13 show the results of fluorescence observation using a FITC filter. FIG. 12 shows the result after FEL treatment, and FIG. 13 shows the result after FEL treatment. FIG. 14 and FIG.
5 is a binarized image of each of FIGS. 12 and 13.

【0021】DAPI用フィルターで観察した際、バッ
クグランドで青、死んだ細胞で弱い赤、GFPが入った
と思われる細胞で緑の蛍光が観察された(図6参照。但
し図面はカラーではなくモノクロでしか表示されていな
い。)。また、確認のためにFITC用フィルターを用
いて観察したが(図8参照。但し図面はカラーではなく
モノクロでしか表示されていない。)、DAPIフィル
ター使用時に観察される蛍光(図7参照。但し図面はカ
ラーではなくモノクロでしか表示されていない。)とF
ITCフィルター使用時に観察される蛍光の位置はほぼ
一致していた。このことから、DAPIフィルターの使
用は有効であったことが確認された。ちなみに、FIT
Cフィルターでも明らかにGFP発現が確認できる比較
的強い蛍光を有している細胞でも、DAPI観察での結
果のおよそ1/10程度であった。
When observed with a DAPI filter, blue fluorescence was observed in the background, weak red in dead cells, and green fluorescence in cells suspected of containing GFP (see FIG. 6; the drawing is not color but monochrome). Is displayed only in.). In addition, for confirmation, observation was performed using a FITC filter (see FIG. 8; however, the drawing is displayed only in monochrome, not in color), but the fluorescence observed when the DAPI filter was used (see FIG. 7). The drawings are displayed only in monochrome, not in color.) And F
The positions of the fluorescence observed when using the ITC filter were almost the same. From this, it was confirmed that the use of the DAPI filter was effective. By the way, FIT
Even for cells having relatively strong fluorescence in which GFP expression can be clearly confirmed even with the C filter, the result was about 1/10 of the result obtained by DAPI observation.

【0022】また、今回バックグランドとの差を定量化
するための画像処理を次のように行った。モノクロCC
Dカメラを用い、FEL処理された細胞とFEL未処理
細胞の任意の領域を観察し、その蛍光を比較した。可視
光線による画像を図10(FEL未処理)及び図11
(FEL処理)に示す。つぎに、蛍光の観察を行った。
この観察の際にはFITCフィルターを用いた。これは
FITCフィルターの方がGFPに起因すると思われる
蛍光のみを選択的に拾えると判断したためである。蛍光
観察の結果を図12(FEL未処理)及び図13(FE
L処理)に示す(ちなみに積算時間はどちらも90秒で
ある。)。得られた画像を二値化した結果を、図14
(FEL未処理)及び図15(FEL処理)に示す。各
図で白く残った領域の面積を比較した。その結果、 FEL未処理:FEL処理=4:2287 (単位はドット数)となり、明らかな差が確認された。
The image processing for quantifying the difference from the background was performed as follows. Monochrome CC
Using a D-camera, an arbitrary area between the FEL-treated cells and the FEL-untreated cells was observed, and the fluorescence was compared. FIG. 10 (FEL unprocessed) and FIG.
(FEL processing). Next, the fluorescence was observed.
At the time of this observation, a FITC filter was used. This is because it was determined that the FITC filter was able to selectively pick up only the fluorescence considered to be caused by GFP. The results of the fluorescence observation are shown in FIG. 12 (FEL untreated) and FIG.
L processing) (By the way, the integration time is 90 seconds in both cases.) The result of binarizing the obtained image is shown in FIG.
(FEL unprocessed) and FIG. 15 (FEL processed). In each figure, the area of the region remaining white was compared. As a result, FEL unprocessed: FEL processed = 4: 2287 (unit is the number of dots), and a clear difference was confirmed.

【0023】今回の実験では、蛍光観察にFITC、D
API用の2つのフィルターを用いて観察を行った。そ
の結果、肉眼で観察する上ではDAPI用フィルターを
用いた方がFITC用フィルターを用いるより多くのG
FPに起因すると思われる蛍光を観察することができる
ことが示された。また、FITC用フィルターでも撮影
時に積算時間を長くすることで微弱な蛍光を観察するこ
とができ、その結果がコントロールサンプルと明確な差
があることが示された。これらの結果、本発明のFEL
処理によって、植物細胞であってもGFP遺伝子を導入
することができることがわかった。
In this experiment, FITC, D
Observations were made using two API filters. As a result, when observing with the naked eye, the use of the DAPI filter increases the G value more than the use of the FITC filter.
It was shown that the fluorescence attributed to FP could be observed. Also, with the FITC filter, weak fluorescence could be observed by increasing the integration time at the time of imaging, and the results showed that there was a clear difference from the control sample. As a result, the FEL of the present invention
It was found that the GFP gene could be introduced into the plant cells by the treatment.

【0024】以上の実験結果からも明らかなように、細
胞とこれに導入しようとする遺伝子を存在させた系に、
細胞の吸収波長のレーザー光を照射することにより、吸
収したレーザー光のエネルギーによる衝撃波で膨張した
細胞膜の隙間から遺伝子を導入することができ、本発明
は簡便でかつ高効率の遺伝子導入法を提供するものであ
る。
As is clear from the above experimental results, the system in which the cell and the gene to be introduced are present is:
By irradiating a laser beam having an absorption wavelength of a cell, a gene can be introduced from a gap of a cell membrane expanded by a shock wave due to energy of the absorbed laser beam, and the present invention provides a simple and highly efficient gene transfer method. Is what you do.

【0025】以上の説明では、バルク(バッチ式)によ
る遺伝子の導入法を説明してきたが、次に本発明の連続
式の遺伝子導入法を図面を参照して説明する。図4は、
本発明の連続的な遺伝子導入装置の全体概略構成図であ
る。図5は基板1のB−B面における断面図を示す。基
板1には、細胞C及び導入しようとしている遺伝子を含
有する系Mが一定方向へ移動し得るための溝2が設けら
れている。基板1の溝2の上には光透過材3が設けられ
ている。図示の例では光透過材3は基板1の全長に亘っ
て設けているが、光透過性を有する部分はレーザー光の
照射領域をカバーする長さのみとして部分的に設け、そ
の前後は溝2の上を光透過性の無い金属又はプラスチッ
ク板で形成し、レーザー光の照射領域部分のみに光透過
材3を設けるようにしてもよいし、試料によってはレー
ザー光が照射できる開口部としてもよい。また、光透過
板3の材料としては照射レーザー光の波長に対して吸収
の少ない光学素子板が用いられ、例えば赤外光に対して
吸収の少ないBaF、KBr、又はダイヤモンドから成
る材料が挙げられる。照射レーザー光としては、遺伝子
を導入しようとしている細胞の吸収波長のものであれば
よく、好ましくは赤外領域の波長を有するものである。
In the above description, the gene transfer method by bulk (batch type) has been described. Next, the continuous gene transfer method of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG.
1 is an overall schematic configuration diagram of a continuous gene introduction device of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the substrate 1 taken along the line BB. The substrate 1 is provided with a groove 2 through which a cell C and a system M containing a gene to be introduced can move in a certain direction. A light transmitting material 3 is provided on the groove 2 of the substrate 1. In the illustrated example, the light transmitting material 3 is provided over the entire length of the substrate 1. However, the light transmitting portion is provided only partially to cover the laser light irradiation area, and the groove 2 is provided before and after the portion. May be formed of a metal or plastic plate having no light transmissivity, and the light transmitting material 3 may be provided only in the laser light irradiation area, or an opening through which the laser light can be irradiated depending on the sample. . Further, as a material of the light transmitting plate 3, an optical element plate having a small absorption with respect to the wavelength of the irradiation laser light is used, and for example, a material made of BaF, KBr, or diamond having a small absorption with respect to the infrared light is used. . Irradiation laser light may be of an absorption wavelength of a cell into which a gene is to be introduced, and preferably has a wavelength in an infrared region.

【0026】基板1の前、後端には、溝2へ細胞C及び
導入しようとしている遺伝子を含有する系Mを供給し、
レーザー光照射後にこれを排出するための接続部材4、
4を介して輸送管5、5’が接続されており、上流側の
輸液管5にはポンプ6から細胞C及び導入しようとして
いる遺伝子を含有する系Mが送られてくる。この系Mに
は、図では省略されているが、濃縮した細胞懸濁液に遺
伝子溶液を加えたものが経路途中で輸液管に加えられ混
合されて送られる。遺伝子を導入された細胞懸濁液を含
む混合液は輸送管5’により送り出されてレーザー光L
を照射された後に貯留部7に貯留される。ポンプ6から
送られる細胞C及び導入しようとしている遺伝子を含有
する系Mは、輸送管5及び接続部材4を介して溝2に連
続的に輸送される。そして、溝2の所定の位置に達する
と、レーザー光Lが光透過材3を介して照射され、細胞
C中に遺伝子が導入される。遺伝子が導入された細胞は
さらに移動し、接続部材4及び輸送管5’を介して貯留
部7に貯留される。上記光透過材3を通して照射される
レーザー光Lは、レーザー発生装置10から送られるレ
ーザー光を光ファイバー11を通り、適当なレンズ(凸
又は凹)手段で縮小又は拡大され固定ミラー(又はガル
バノミラー)12を経て所定径のレーザー光として送り
込まれ、溝2内を流動する混合液Mの細胞Cへ照射され
る。
At the front and rear ends of the substrate 1, a cell M and a system M containing a gene to be introduced into the groove 2 are supplied.
Connecting member 4 for discharging the laser beam after irradiation,
Transport pipes 5, 5 ′ are connected via 4, and a system 6 containing cells C and a gene to be introduced is sent from a pump 6 to an infusion pipe 5 on the upstream side. Although not shown in the figure, a concentrated cell suspension obtained by adding a gene solution to the system M is added to an infusion tube along the route, mixed and sent. The mixed solution containing the cell suspension into which the gene has been introduced is sent out by the transport pipe 5 ′, and
Is stored in the storage unit 7 after being irradiated. The system M containing the cells C sent from the pump 6 and the gene to be introduced is continuously transported to the groove 2 via the transport pipe 5 and the connecting member 4. Then, when reaching the predetermined position of the groove 2, the laser light L is irradiated through the light transmitting material 3, and the gene is introduced into the cell C. The cells into which the gene has been introduced further move, and are stored in the storage unit 7 via the connecting member 4 and the transport pipe 5 '. The laser light L emitted through the light transmitting material 3 is obtained by reducing or enlarging the laser light sent from the laser generator 10 through the optical fiber 11 and reducing or enlarging it by an appropriate lens (convex or concave) means. The laser beam having a predetermined diameter is sent through the channel 12 and is irradiated to the cells C of the mixed solution M flowing in the groove 2.

【0027】このように本発明の連続的遺伝子導入装置
は、レーザー光の照射により多数の細胞を連続的にかつ
自動的に所望の遺伝子を導入することができる。従来の
遺伝子導入装置はバッチ式のものであり、各バッチにお
いて操作が必要であり、煩雑であったが、本発明の連続
的遺伝子導入装置は、連続的かつ自動的におこなえるこ
とを特徴とするものである。また、導入される遺伝子に
セルソータなどで自動的にソートできるマーカーを付し
ておけば、輸送管5’の箇所にセルソーターを入れて遺
伝子が導入された細胞を分別し、遺伝子が導入されてい
ない細胞を輸送管5に循環させることにより、完全な自
動化を行うことも可能である。また、前記した本発明の
連続的遺伝子導入装置においては遺伝子の導入について
説明してきたが、遺伝子に代えて蛋白質や薬物などの低
分子物質を用いることもできる。
As described above, the continuous gene introduction apparatus of the present invention can continuously and automatically introduce a desired gene into many cells by irradiating a laser beam. The conventional gene transfer apparatus is of a batch type and requires operation in each batch, which is complicated, but the continuous gene transfer apparatus of the present invention is characterized in that it can be performed continuously and automatically. Things. Also, if a marker that can be automatically sorted by a cell sorter or the like is attached to the gene to be introduced, the cell into which the gene is introduced is sorted by placing the cell sorter at the location of the transport tube 5 ', and the gene is not introduced. By circulating the cells through the transport tube 5, complete automation can be performed. In the above-described continuous gene transfer apparatus of the present invention, gene transfer has been described. However, low molecular substances such as proteins and drugs can be used instead of genes.

【0028】[0028]

【実施の形態】以上のように、本発明は、細胞及び当該
細胞に導入される遺伝子を含有してなる系に、当該細胞
の吸収波長のレーザー光を照射して、細胞に遺伝子を導
入する方法、及びそのための装置を提供するものであ
る。本発明のこの方法における細胞としては、細胞壁を
有する植物細胞であってもよいし、細胞壁の無い動物細
胞であってもよい。また、微生物の細胞であってもよ
い。細胞膜などが特定のレーザー光を照射されて、熱応
力により弾性的膨張が生じるものであれば特に制限はな
いが、レーザー光による熱応力に弱い細胞もあるので、
遺伝子導入前に予め熱応力に対する耐性がどの程度ある
かを調べておくことも必要である。本発明の方法を適用
できる細胞としては、例えば、前記の例で示した、植物
のたばこに限られず、イネ、じゃがいも、大豆、とうも
ろこしなどの植物細胞や、ヒト、ラット、マウス、ハム
スター、うさぎ、イヌなどの動物細胞や、酵母、大腸菌
などの微生物細胞などが挙げられる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION As described above, the present invention introduces a gene into a cell by irradiating a system containing a cell and a gene to be introduced into the cell with laser light having an absorption wavelength of the cell. A method and an apparatus therefor are provided. The cells in this method of the present invention may be plant cells having a cell wall or animal cells without a cell wall. It may also be a cell of a microorganism. There is no particular limitation as long as the cell membrane is irradiated with a specific laser beam and elastic expansion occurs due to thermal stress, but some cells are weak to thermal stress due to laser beam,
Before transfection, it is also necessary to examine the degree of resistance to thermal stress in advance. The cells to which the method of the present invention can be applied are, for example, not limited to the cigarettes of plants shown in the above examples, and rice, potatoes, soybeans, plant cells such as corn, humans, rats, mice, hamsters, rabbits, Examples include animal cells such as dogs and microbial cells such as yeast and Escherichia coli.

【0029】本発明の方法に適用される細胞は単一のも
のが好ましいが、種々の細胞が混在したものであっても
よい。細胞には各細胞に応じた特性吸収波長が有るの
で、各種の細胞が混在していても、照射するレーザー光
の波長を特定することにより、選択的に目的の細胞のみ
に遺伝子を導入することも可能である。同じ個体であっ
ても、各器官の細胞により吸収波長が異なることがある
ので、多種の細胞が混在する系においても照射するレー
ザー光の波長を選択することにより特定の細胞のみに目
的の遺伝子を導入させることができるということも本発
明の方法の特徴のひとつである。
Although a single cell is preferably applied to the method of the present invention, various cells may be mixed. Since cells have characteristic absorption wavelengths corresponding to each cell, even if various cells are mixed, the gene can be selectively introduced only into the target cells by specifying the wavelength of the laser beam to be irradiated. Is also possible. Even in the same individual, the absorption wavelength may differ depending on the cells of each organ.Therefore, even in a system in which various types of cells are mixed, the target gene can be selected only for specific cells by selecting the wavelength of the laser beam to be irradiated. One of the characteristics of the method of the present invention is that it can be introduced.

【0030】導入される遺伝子としては、プローブやア
ンチセンスのような短いものでもよいし、前記の例で示
したような構造遺伝子やそれを含有するプラスミドベク
ターのようなものであってもよい。また、遺伝子として
は、DNAであってもよいし、RNAであってもよい。
DNAやRNAは1本鎖であっても2本鎖のものであっ
てもよい。本発明の方法によれば、細胞の核に到達させ
ることも可能であるから、導入される遺伝子は必ずしも
ベクターに組み込む必要はない。ゲノムに遺伝子を導入
させようとする場合には、従来の方法を利用することも
できる。例えば、導入しようとする遺伝子の両端又は近
傍に相同組換えに必要な塩基配列を付加した遺伝子を用
いることもできる。また、大腸菌のような原核細胞に遺
伝子を導入する場合には本発明の方法により簡便にかつ
効率よく行うことができる。
The gene to be introduced may be a short gene such as a probe or antisense, or may be a structural gene as described in the above example or a plasmid vector containing the same. In addition, the gene may be DNA or RNA.
DNA or RNA may be single-stranded or double-stranded. According to the method of the present invention, it is possible to reach the nucleus of a cell, so that the introduced gene does not necessarily need to be incorporated into a vector. When a gene is to be introduced into a genome, a conventional method can be used. For example, a gene having a base sequence required for homologous recombination added to both ends or in the vicinity of a gene to be introduced can also be used. When a gene is introduced into a prokaryotic cell such as Escherichia coli, the method of the present invention can be carried out simply and efficiently.

【0031】レーザー光としては、目的の細胞のみに熱
応力により弾性的膨張が生じる波長を選択すればよい。
したがって、発生するレーザー光の波長の範囲が極めて
狭いものが好ましく、且つ細胞により特性吸収波長が異
なるために連続的に特定の波長のレーザーを発生するこ
とができるものが好ましい。レーザー源としては半導体
レーザー装置や他のレーザー装置であってもあってもよ
いが、発生するレーザー光の波長範囲が狭く、且つ波長
を連続的に変化することができる自由電子レーザーが本
発明の方法には好ましい。また、各種の細胞の特性吸収
波長を調べる際にも自由電子レーザー装置によるレーザ
ー光が便利がよい。遺伝子を導入しようとする細胞に、
自由電子レーザー装置からのレーザー光を波長を代えて
連続的に照射して、その細胞の吸収スペクトルを測定す
ることができる。例えば、前述した実験に用いたたばこ
の葉の細胞の吸収スペクトルを図16に示す。このよう
なスペクトルを取ることにより、最大吸収がたばこの葉
の細胞では約5.75μmのところに有ることがわか
る。したがって、この細胞には5.75μmのレーザー
光を照射することにより、本発明の方法で遺伝子を導入
できることがわかる。本発明のレーザー光の波長の具体
例としては、細胞に熱応力による弾性的膨張を生じさせ
るための赤外領域が好ましく、より具体的には、例えば
波長が1〜20μm、好ましくは3〜15μm、3〜1
0μm程度である。
As the laser beam, a wavelength at which elastic expansion is caused only by target cells due to thermal stress may be selected.
Therefore, it is preferable that the range of the wavelength of the generated laser beam is extremely narrow, and that the laser of a specific wavelength can be continuously generated because the characteristic absorption wavelength differs depending on the cell. The laser source may be a semiconductor laser device or another laser device, but the wavelength range of the generated laser light is narrow, and a free electron laser capable of continuously changing the wavelength is the present invention. Preferred for the method. Also, when examining the characteristic absorption wavelength of various cells, laser light from a free electron laser device is convenient. In the cell where the gene is to be introduced,
By continuously irradiating the laser beam from the free electron laser device at a different wavelength, the absorption spectrum of the cell can be measured. For example, FIG. 16 shows an absorption spectrum of tobacco leaf cells used in the above-described experiment. By taking such a spectrum, it can be seen that the maximum absorption is at about 5.75 μm in tobacco leaf cells. Therefore, it can be seen that the gene can be introduced by the method of the present invention by irradiating the cells with 5.75 μm laser light. As a specific example of the wavelength of the laser beam of the present invention, an infrared region for causing cells to undergo elastic expansion due to thermal stress is preferable, and more specifically, for example, the wavelength is 1 to 20 μm, preferably 3 to 15 μm. , 3 to 1
It is about 0 μm.

【0032】本発明のレーザー光の照射方法としては、
連続的な照射であってもよいし、パルス状の照射であっ
てもよいが、衝撃を与えられることから、パルス状のも
のが好ましい。バルク系のようなバッチ方式でレーザー
光を照射する場合には適当なパルス周波数を選択するこ
ともできるが、本発明の連続的遺伝子導入方法において
は、遺伝子を含有する系の移動速度とパルスの周波数、
及び照射回数を調整することが重要である。レーザー光
の照射範囲内を移動できる時間に、必要な回数パルスを
照射するために、パルスの周波数やレーザー光の出力が
調整されることになる。パルスの周波数としては、通常
は5〜4000回/秒、好ましくは10〜3500回/
秒、又は10〜3330回/秒程度である。レーザー光
の出力に特に制限はないが、余り強すぎると細胞の死亡
率が上がるし、余り弱すぎると十分な効果が得られない
ので、細胞の種類に応じて効率のよい出力を選択する必
要がある。
The laser beam irradiation method of the present invention includes
Although continuous irradiation or pulsed irradiation may be performed, pulsed irradiation is preferable because an impact is given. When irradiating a laser beam in a batch system such as a bulk system, an appropriate pulse frequency can be selected.However, in the continuous gene transfer method of the present invention, the moving speed of the system containing the gene and the pulse rate are controlled. frequency,
It is important to adjust the irradiation frequency. The pulse frequency and the output of the laser beam are adjusted in order to irradiate the pulse a required number of times during the time when the laser beam can move within the irradiation range of the laser beam. The pulse frequency is usually 5 to 4000 times / second, preferably 10 to 3500 times / second.
Seconds, or about 10 to 3330 times / second. There is no particular limitation on the output of the laser beam, but if it is too strong, the mortality of the cells will increase, and if it is too weak, it will not produce a sufficient effect, so it is necessary to select an efficient output according to the type of cell There is.

【0033】また、本発明は、細胞及び当該細胞に導入
される物質を含有してなる系に、当該細胞の吸収波長の
レーザー光を照射して、細胞に物質を導入する方法にお
いて、細胞及び当該細胞に導入される物質を含有してな
る系が移動相であり、レーザー光の照射される位置に連
続的に細胞及び当該細胞に導入される物質を含有してな
る系が移動して、連続的に細胞に物質を導入する方法、
及びそのための装置を提供するものである。本発明の方
法における細胞、レーザー光については前述してきたと
おりである。本発明の連続的な方法における細胞に導入
される物質としては、前記で例示してきた遺伝子に限定
されず、蛋白質や薬物などが挙げられる。前記してきた
遺伝子と同様にして蛋白質や薬物などを特定の細胞に導
入することができる。蛋白質としては、目的の細胞の中
または表面において何らかの機能を有するものであれば
よく、酵素、抗体、サイトカイン、各種の因子のみなら
ず場合によっては細胞膜に固定される受容体のようなも
のであってもよい。また、薬物としては、医薬品の有効
成分として使用されているものや、その生体内活性体を
使用することができる。
The present invention also provides a method for introducing a substance into a cell by irradiating a system containing the cell and a substance to be introduced into the cell with a laser beam having an absorption wavelength of the cell. The system containing the substance to be introduced into the cells is a mobile phase, and the system containing the cells and the substance to be introduced into the cells is continuously moved to the position irradiated with the laser light, A method of continuously introducing a substance into cells,
And an apparatus therefor. The cells and laser light in the method of the present invention are as described above. Substances to be introduced into cells in the continuous method of the present invention are not limited to the genes exemplified above, but include proteins and drugs. Proteins, drugs, and the like can be introduced into specific cells in the same manner as the aforementioned genes. The protein may be any protein having a certain function in or on a target cell, and may be not only an enzyme, an antibody, a cytokine, various factors, but also a receptor immobilized on a cell membrane in some cases. You may. In addition, as the drug, those used as active ingredients of pharmaceuticals and bioactive substances thereof can be used.

【0034】本発明の方法における細胞及び当該細胞に
導入される物質を含有してなる系としては、溶液状が好
ましいがこれに限定されるものではない。懸濁液でもよ
いし、場合によっては流動性の少ないものであってもよ
い。例えばゲル状のものであっても、図4に示される溝
2に固定されたゲルに対してレーザー光Lを移動させて
その結果として、細胞及び当該細胞に導入される物質を
含有してなる系が一定方向に移動できたことにしてもよ
い。したがって、細胞が固定されている場合には、本発
明の方法はレーザー光Lが移動して、その結果細胞及び
当該細胞に導入される物質を含有してなる系が一定方向
に移動し得ることになる方法をも包含するものである。
例えば、血管壁の細胞に遺伝子などの物質を導入させた
い場合に、当該血管壁に導入させたい物質を含有する溶
液を接触させながら、レーザー光を移動させて照射させ
るような方法をも包含するものである。
The system containing the cells and the substance to be introduced into the cells in the method of the present invention is preferably in the form of a solution, but is not limited thereto. It may be a suspension or, depending on the case, a fluid having low fluidity. For example, even in the case of a gel, the laser light L is moved with respect to the gel fixed to the groove 2 shown in FIG. The system may be able to move in a certain direction. Therefore, when the cells are fixed, the method of the present invention is such that the laser beam L moves, so that the cells and the system containing the substance introduced into the cells can move in a certain direction. It also includes the method of becoming.
For example, when a substance such as a gene is to be introduced into cells of a blood vessel wall, a method of irradiating by moving a laser beam while contacting a solution containing the substance to be introduced into the blood vessel wall is also included. Things.

【0035】また、本発明の方法は、前述してきたよう
に、セルソーターのような細胞の選別装置と組み合わせ
て使用することもできる。細胞の選別装置はレーザー光
の照射前に設けてもよいし、照射後に設けてもよいし、
両方に設けてもよい。例えば、レーザー光の照射前にこ
のような選別装置を設けて、選別された細胞のみをレー
ザー光照射装置に送出することもできるし、レーザー光
の照射後にこのような選別装置を設けて物質が導入され
た細胞のみを選別することもできる。さらに、物質が導
入されていない細胞を再循環させることもできる。ま
た、両者を組み合わせてもちいることもできる。本発明
の方法は、現在の腎臓透析のように生体と直接的又は間
接的に接続することもできる。例えば、血液を取り出
し、これをまず血漿のみに分離して、血漿中の特定の細
胞を標的にして本発明の方法を適用し、その後再び生体
に循環させる方法とすることも可能である。したがっ
て、本発明の方法は、生体から取り出した細胞系に適用
する方法のみならず、生体に再循環する方法又はその装
置も包含している。
As described above, the method of the present invention can also be used in combination with a cell sorting device such as a cell sorter. The cell sorting device may be provided before irradiation with laser light, or may be provided after irradiation,
You may provide in both. For example, it is possible to provide such a sorting device before irradiation with laser light, and to send out only the selected cells to the laser light irradiation device, or to provide such a sorting device after irradiation with laser light, and a substance is provided. It is also possible to sort only the introduced cells. In addition, cells into which the substance has not been introduced can be recycled. Also, both can be used in combination. The method of the present invention can also be directly or indirectly connected with a living body like the current kidney dialysis. For example, it is also possible to adopt a method in which blood is taken out, firstly separated into only plasma, a specific cell in plasma is targeted, the method of the present invention is applied, and then circulated again to the living body. Therefore, the method of the present invention includes not only a method applied to a cell line removed from a living body, but also a method or an apparatus for recycling the same to a living body.

【0036】本発明の装置は、前記してきた本発明の方
法を行うことができるものいであればよく、その形状や
大きさ、材質などについては適宜設計することができ
る。
The device of the present invention may be any device capable of performing the above-described method of the present invention, and its shape, size, material and the like can be appropriately designed.

【0037】[0037]

【実施例】次に実施例により本発明をより詳細に説明す
るが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

【0038】実施例1 試料の調製 タバコ植物細胞BY2細胞をMS培地で懸濁して、濃縮
したBY2細胞懸濁液100μlにそれぞれ、実施例2
で調製した10μlのプラスミド溶液を加えて試料とし
た。従って、各試料のプラスミド濃度はそれぞれ10
0、50、10μg/mlである。
Example 1 Preparation of Samples Tobacco plant cells BY2 cells were suspended in MS medium, and each 100 μl of concentrated BY2 cell suspension was prepared in Example 2
10 μl of the plasmid solution prepared in 1) was added to prepare a sample. Therefore, the plasmid concentration of each sample was 10
0, 50 and 10 μg / ml.

【0039】実施例2 遺伝子の導入 図3に示す装置を用いて、各試料は半径3cm程度のプ
ラスチックシャーレの中央のくぼみに入れて反応場と
し、45度の角度からレーザー光を照射した。使用した
レーザー光は自由電子レーザー装置のレーザー光を用い
た。 使用波長 :5.75μm 平均出力 :12mW 照射範囲 :0.3mmφ 単位面積あたりの出力:17.0W/cm 照射時間 :1000秒 なお、上記使用波長のレーザー光が試料としたタバコ植
物細胞BY2の最大吸収波長であることは、別途予め自
由電子レーザー光の波長を種々変化させて照射して得ら
れた吸収波長の結果(図16参照)の分析から特定され
たものである。レーザー光の照射後はそのまま室温で培
養した。又、プラスミドGFPの発現確認は24時間後
に行った。結果を前記表1に示す。
Example 2 Introduction of Gene Using the apparatus shown in FIG. 3, each sample was placed in a central cavity of a plastic petri dish having a radius of about 3 cm to form a reaction field, and irradiated with laser light from an angle of 45 degrees. The laser beam used was a laser beam from a free electron laser device. Working wavelength: 5.75 μm Average output: 12 mW Irradiation range: 0.3 mmφ Output per unit area: 17.0 W / cm 2 Irradiation time: 1000 seconds The tobacco plant cell BY2 used as a sample was a laser beam having the above-mentioned wavelength. The maximum absorption wavelength is specified by analyzing the results of the absorption wavelength (see FIG. 16) obtained by separately irradiating the free electron laser light with various wavelengths. After irradiation with laser light, the cells were cultured at room temperature as they were. The expression of plasmid GFP was confirmed 24 hours later. The results are shown in Table 1 above.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
遺伝子導入方法及び装置では移動する細胞と遺伝子を含
む混合液に細胞膜に最大の吸収波長のレーザー光を照射
してその衝撃波で応力勾配から瞬間生じる弾性的な膨張
により細胞膜にわずかな隙間が生じ、その隙間から遺伝
子を導入するようにしたから、細胞膜の弾性的な膨張で
隙間を生じる特定波長のレーザー光を照射することによ
り異なる種類の細胞が存在していても選択的に特定波長
のレーザー光を最大吸収する種類の細胞に対して選択的
に、かつ効率よく遺伝子を導入することができるという
利点が得られる。
As described in detail above, in the method and apparatus for gene transfer according to the present invention, a mixture containing moving cells and a gene is irradiated with a laser beam having the maximum absorption wavelength on the cell membrane, and a stress gradient is generated by the shock wave. A slight gap is created in the cell membrane due to elastic expansion that occurs instantaneously from, and the gene is introduced through the gap, so different types by irradiating laser light of a specific wavelength that creates a gap due to the elastic expansion of the cell membrane The advantage is that the gene can be introduced selectively and efficiently into the type of cells that selectively absorbs the laser beam of the specific wavelength at the maximum even when the cells exist.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】図1は、遺伝子導入装置の全体概略構成図であ
る。
FIG. 1 is an overall schematic configuration diagram of a gene introduction device.

【図2】図2は、遺伝子導入方法の説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of a gene introduction method.

【図3】図3は、細胞の吸収波長スペクトル線図であ
る。
FIG. 3 is an absorption wavelength spectrum chart of a cell.

【図4】図4は、本発明の連続的な遺伝子導入装置の例
の全体概略構成図を示す。
FIG. 4 is an overall schematic configuration diagram of an example of a continuous gene introduction device of the present invention.

【図5】図5は、本発明の連続的な遺伝子導入装置の全
体概略構成図の基板1のB−B面における断面図を示
す。
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the plane BB of the substrate 1 in the overall schematic configuration diagram of the continuous gene transfer apparatus of the present invention.

【図6】図6は、本発明の方法による遺伝子導入の結果
をDAPI用フィルタで観察した結果を示す、図面に代
わる写真である。
FIG. 6 is a photograph instead of a drawing, showing the result of observing the result of gene transfer by the method of the present invention using a DAPI filter.

【図7】図7は、本発明の方法による遺伝子導入の結果
をDAPIフィルター使用時に観察される蛍光を示した
カラー写真であるが、本図面ではモノクロで表されてい
る図面に代わる写真である。
FIG. 7 is a color photograph showing fluorescence observed when a DAPI filter is used as a result of gene transfer according to the method of the present invention. In this drawing, a photograph replacing the drawing shown in black and white is shown. .

【図8】図8は、本発明の方法による遺伝子導入の結果
をFITCフィルター使用時に観察される蛍光を示した
カラー写真であるが、本図面ではモノクロで表されてい
る図面に代わる写真である。
FIG. 8 is a color photograph showing fluorescence observed when a FITC filter is used as a result of gene transfer according to the method of the present invention. In this drawing, this photograph is a photograph replacing a drawing shown in monochrome. .

【図9】図9は、本発明の方法による遺伝子導入の結果
を画像処理による合成の結果を示すカラー写真である
が、本図面ではモノクロで表されている図面に代わる写
真である。
FIG. 9 is a color photograph showing the result of synthesis by image processing of the result of gene transfer according to the method of the present invention, but is a photograph replacing the drawing shown in black and white in this drawing.

【図10】図10は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果を可視光線による画像で示したもので、FEL未処
理の場合の図面に代わる写真である。
FIG. 10 shows the result of gene transfer according to the method of the present invention as an image by visible light, and is a photograph replacing a drawing in the case where FEL is not processed.

【図11】図11は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果を可視光線による画像で示したもので、FEL処理
後の場合の図面に代わる写真である。
FIG. 11 shows the result of gene transfer according to the method of the present invention in the form of an image using visible light, and is a photograph replacing the drawing after FEL processing.

【図12】図12は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果をFITCフィルターを用いた蛍光観察の結果を示
したもので、FEL未処理の場合の図面に代わる写真で
ある。
FIG. 12 shows the result of fluorescence observation using a FITC filter on the result of gene transfer according to the method of the present invention, and is a photograph replacing a drawing in the case of no FEL treatment.

【図13】図13は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果をFITCフィルターを用いた蛍光観察の結果を示
したもので、FEL処理後の場合の図面に代わる写真で
ある。
FIG. 13 shows the result of fluorescence observation using a FITC filter on the result of gene transfer according to the method of the present invention, and is a photograph replacing the drawing after FEL treatment.

【図14】図14は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果を示す図12の画像を二値化した場合の図面に代わ
る写真である。
FIG. 14 is a photograph replacing a drawing when the image of FIG. 12 showing the result of gene transfer by the method of the present invention is binarized.

【図15】図15は、本発明の方法による遺伝子導入の
結果を示す図13の画像を二値化した場合の図面に代わ
る写真である。
FIG. 15 is a photograph instead of a drawing when the image of FIG. 13 is binarized and shows the result of gene transfer by the method of the present invention.

【図16】図16は、本発明の実験に用いたたばこの葉
の細胞の吸収スペクトルを測定したチャートである。図
16に示されるように、たばこの葉の細胞では最大吸収
が約5.75μmのところにあることがわかる。
FIG. 16 is a chart showing measured absorption spectra of cells of tobacco leaves used in the experiment of the present invention. As shown in FIG. 16, it can be seen that in the cells of the tobacco leaves, the maximum absorption is at about 5.75 μm.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 導入板 2 溝 3 光透過板 4 接続部材 5〜5’ 輸液管 6 ポンプ 7 貯留部 10 レーザー発生装置 11 光ファイバー C 細胞 M 導入しようとしている遺伝子を含有する系 L レーザー光 20 細胞 21 核 22 細胞膜 23 細胞壁 30 レーザー光(FEL) 31 ホローファイバー 32 ミラー 33 レーザー光照射口 35 試料 36 観察台 37 シャーレ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Introduction plate 2 Groove 3 Light transmission plate 4 Connection member 5-5 'Infusion tube 6 Pump 7 Storage part 10 Laser generator 11 Optical fiber C cell M System containing gene to be introduced L Laser light 20 Cell 21 Nucleus 22 Cell membrane 23 Cell Wall 30 Laser Light (FEL) 31 Hollow Fiber 32 Mirror 33 Laser Light Irradiation Port 35 Sample 36 Observation Table 37 Petri dish

Claims (21)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 細胞及び当該細胞に導入される遺伝子を
含有してなる系に、当該細胞の吸収波長のレーザー光を
照射して、細胞に遺伝子を導入する方法。
1. A method for introducing a gene into a cell by irradiating a system containing a cell and a gene to be introduced into the cell with laser light having an absorption wavelength of the cell.
【請求項2】 細胞の吸収波長が、赤外領域である請求
項1に記載の方法。
2. The method according to claim 1, wherein the absorption wavelength of the cell is in the infrared region.
【請求項3】 レーザー光が、自由電子レーザーによる
ものである請求項1又は2に記載の方法。
3. The method according to claim 1, wherein the laser light is from a free electron laser.
【請求項4】 レーザー光が、パルス状である請求項1
〜3のいずれかに記載の方法。
4. The laser beam according to claim 1, wherein the laser beam is pulsed.
A method according to any one of claims 1 to 3.
【請求項5】 パルスが、1秒当たり5〜3500回で
ある請求項4に記載の方法。
5. The method of claim 4, wherein the number of pulses is between 5 and 3500 times per second.
【請求項6】 遺伝子が、DNAである請求項1〜5の
いずれかに記載の方法。
6. The method according to claim 1, wherein the gene is DNA.
【請求項7】 遺伝子が、ベクターに組み込まれている
遺伝子である請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
7. The method according to claim 1, wherein the gene is a gene integrated into a vector.
【請求項8】 細胞及び当該細胞に導入される物質を含
有してなる系に、当該細胞の吸収波長のレーザー光を照
射して、細胞に物質を導入する方法において、細胞及び
当該細胞に導入される物質を含有してなる系が移動相で
あり、レーザー光の照射される位置に連続的に細胞及び
当該細胞に導入される物質を含有してなる系が移動し
て、連続的に細胞に物質を導入する方法。
8. A method for irradiating a system containing a cell and a substance to be introduced into the cell with a laser beam having an absorption wavelength of the cell to introduce the substance into the cell, the method comprising introducing the cell and the substance into the cell. The system containing the substance to be introduced is the mobile phase, and the system containing the cells and the substance to be introduced into the cells is continuously moved to the position irradiated with the laser light, and the cells are continuously How to introduce substances into
【請求項9】 細胞の吸収波長が、赤外領域である請求
項8に記載の方法。
9. The method according to claim 8, wherein the absorption wavelength of the cell is in the infrared region.
【請求項10】 レーザー光が、自由電子レーザーによ
るものである請求項8又は9に記載の方法。
10. The method according to claim 8, wherein the laser light is from a free electron laser.
【請求項11】 レーザー光が、パルス状である請求項
8〜10のいずれかに記載の方法。
11. The method according to claim 8, wherein the laser light is pulsed.
【請求項12】 パルスが、1秒当たり5〜3500回
である請求項11に記載の方法。
12. The method of claim 11, wherein the number of pulses is between 5 and 3500 times per second.
【請求項13】 物質が、遺伝子、蛋白質、又は薬物で
ある請求項8〜12のいずれかに記載の方法。
13. The method according to claim 8, wherein the substance is a gene, a protein, or a drug.
【請求項14】 細胞及び当該細胞に導入される物質を
含有してなる系が、溶液状である請求項8〜13のいず
れかに記載の方法。
14. The method according to claim 8, wherein the system comprising the cells and the substance to be introduced into the cells is in the form of a solution.
【請求項15】 移動相の移動速度が、パルスの照射速
度(回/秒)に基づいて調整されている請求項8〜14
のいずれかに記載の方法。
15. The moving speed of the mobile phase is adjusted based on the pulse irradiation speed (times / second).
The method according to any of the above.
【請求項16】 細胞及び当該細胞に導入される遺伝子
を含有してなる系を保持する装置、及びレーザー装置と
を備え、レーザー装置から前記細胞の吸収波長のレーザ
ー光を連続的又はパルス状に照射して、細胞に遺伝子を
導入するように構成して成る遺伝子導入装置。
16. A device for holding a cell and a system containing a gene to be introduced into the cell, and a laser device, wherein the laser device continuously or pulsed laser light having an absorption wavelength of the cell. A gene transfer device configured to irradiate and transfer a gene into cells.
【請求項17】 細胞及び当該細胞に導入される物質を
含有してなる系を一定方向に移動させ得る溝からなる装
置、及び当該溝の所定の位置にレーザー光を照射できる
レーザー装置とを備えてなる、細胞に物質を導入するた
めの装置。
17. A device comprising a groove capable of moving a cell and a system containing a substance to be introduced into the cell in a predetermined direction, and a laser device capable of irradiating a predetermined position of the groove with laser light. A device for introducing substances into cells.
【請求項18】 レーザー光が、パルス状である請求項
16又は17に記載の装置。
18. The apparatus according to claim 16, wherein the laser light is pulsed.
【請求項19】 系を一定方向に移動させ得る溝が、光
透過部材からなる導入板を設けてなるものである請求項
17又は18に記載の装置。
19. The apparatus according to claim 17, wherein the groove capable of moving the system in a certain direction is provided with an introduction plate made of a light transmitting member.
【請求項20】 物質が、遺伝子、蛋白質、又は薬物で
ある請求項17〜19のいずれかに記載の装置。
20. The device according to claim 17, wherein the substance is a gene, a protein, or a drug.
【請求項21】 細胞及び当該細胞に導入される物質を
含有してなる系が、溶液状である請求項17〜20のい
ずれかに記載の装置。
21. The apparatus according to claim 17, wherein the system containing the cells and the substance to be introduced into the cells is in the form of a solution.
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