JP2004089018A - Electrical stimulator and method for promoting or suppressing growth of biological cell or biological tissue using the same electrical stimulator - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する分野】
本発明は、生体細胞、組織等の電気刺激装置、及び生体細胞、組織等の成長促進又は抑制方法に関する。より詳しくは、本発明は、研究所等において実験で用いられる生体細胞、組織等に特定の電気刺激を与えることにより生体細胞、組織等の成長を促進又は抑制させることのできる電気刺激装置及びその電気刺激装置を用いた生体細胞、組織等の成長促進又は抑制方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
てんかん性痴呆や低酸素脳症のように神経細胞の過剰興奮がその直接的原因とされる変性疾患の治療法開発にとって、効果的なin vitro病態モデルの開発は重要である。
【0003】
従来、生体の培養細胞や組織に興奮性神経伝達物質を大量投与する試みや通常の電気刺激装置を用いた電気刺激が行われてきた。しかしながら、興奮性神経伝達物質の大量投与では、刺激を受ける受容体の種類が興奮性神経伝達物質受容体に限定されてしまい、生体内での過剰興奮時に起こり得る多様な情報伝達分子に対する細胞応答が興奮性神経伝達物質受容体応答に偏った様式で表現される可能性がある。
【0004】
一方、電気刺激によって惹起された過剰興奮は、より生理的に近いと考えられるが、従来の電気刺激装置では、電極の装着や狭いインキュベーター内での刺激の実行には煩雑さが伴い、電気生理実験を専門としていない生化学者やゲノム科学者など、多くの研究者にとって困難を伴う。また、培養環境下で比較的長時間の電気刺激を必要とするその他の基礎研究及び応用研究の分野において、より簡便でコンパクトな刺激機能の付いた培養装置は研究遂行上の強力な武器となり得る。
【0005】
このような簡便性とコンパクト性において理想的な電気刺激装置は、生理学、薬理学、生化学のみならず、再生医学やゲノム科学を遂行している研究施設から極めて大きな潜在需要を引き出す可能性も有している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、生体細胞又は生体組織(以下、「生体細胞等」ともいう。)の成長過程において、生体細胞等に電気刺激を与えることのできる電気刺激装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、前記電気刺激装置を用いて生体細胞等の成長を促進又は抑制する方法を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、生体細胞等の成長と電気刺激との関係について鋭意検討し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明の目的は、パルス電流を発生させ、かつパルス電流の強度等を調整するための電流発生手段と、前記電流発生手段を固着するためのキャップと、前記キャップから懸垂され、かつパルス電流を電気刺激として培養容器内の培地に与えるために前記電流発生手段の両端に連結された1対の電極とを有することを特徴とする電気刺激装置により達成される。
【0008】
本発明の電気刺激装置は、キャップに電流発生手段と1対の電極とを有する構造からなる。このため、本発明の電気刺激装置であれば、装置の作製が容易であると共に、キャップの培養容器からの着脱が簡便である。また、本発明の電気刺激装置はキャップを交換するだけで、簡単に生体細胞等に任意の強度、波形を有するパルス電流を与えて、培養過程において生体細胞等の成長を適宜調整することができる。
【0009】
また、本発明の電気刺激装置の好ましい態様は、次のとおりである。
(1)前記電流発生手段が、ロジックIC、マイクロスイッチ及び電源からなる電気回路である前記電気刺激装置。
(2)前記電源が電池又は電気供給装置である前記電気刺激装置。
(3)前記電気回路がプリント基板上に形成され、かつ前記プリント基板と前記キャップとが一体的に装着されている(1)又は(2)の電気刺激装置。
(4)前記電気回路が、培養容器内の培地に電気刺激として与えられるパルス電流の供給状況を監視するためのモニタリング装置をさらに有する(1)〜(3)のいずれかの電気刺激装置。
(5)前記モニタリング装置が発光素子である(4)の電気刺激装置。
(6)前記キャップは、マルチウェルプレートのウェル配列に対応可能なキャップである(1)〜(5)のいずれかの電気刺激装置。
(7)前記キャップを前記培養容器に嵌着することにより、前記培養容器内の培地に装入された生体細胞又は生体組織に前記電極から前記パルス電流が電気刺激として与えられる(1)〜(6)のいずれかの電気刺激装置。
(8)生体細胞若しくは生体組織の成長を促進又は抑制させるために用いられる(1)〜(7)のいずれかの電気刺激装置。
(9)前記パルス電流が、生体細胞若しくは組織細胞の成長を促進させ又は抑制させる強度を有する(1)〜(8)のいずれかの電気刺激装置。
【0010】
本発明の他の目的は、前記電気刺激装置を用いた生体細胞等の成長促進又は抑制方法により達成される。
本発明の方法によれば、従来の刺激装置のように生体細胞等の成長を促進するように培養するだけではなく、生体細胞等に損傷を与えて生体細胞及び生体組織の成長を抑制するように培養することもできる。
【0011】
【発明の実施の態様】
以下に、本発明の電気刺激装置、及びこの電気刺激装置を用いた生体細胞等の成長促進又は成長抑制方法につき詳細に説明する。
【0012】
先ず、本発明の電気刺激装置10の構成について、図面を参酌しながら以下に説明する。
【0013】
図1は、本発明の電気刺激装置10の好適な一実施例を示した概略図である。図1において、符号1は電気刺激装置装着用キャップ(以下、単に「キャップ」という)、符号2は培養容器をそれぞれ表す。図1(A)に示されるように、キャップ1上にはプリント基板3がキャップ1と一体的に装着されている。プリント基板3上には電気供給手段としての電気回路4が形成されている。
【0014】
図1における電気回路4は、ロジックIC5、ボタン電池6、マイクロスイッチ7及び発光素子(LED)8で構成されている。電極9,9’は、陽極と陰極とからなり、キャップ1を貫通してキャップ1内に吊り下げられて配置されている。
【0015】
次に、本発明の電気刺激装置について具体的に説明する。
本発明の電気刺激装置10は、キャップ1上に電流発生手段を有する。電流発生手段は、キャップ1に固着でき、かつパルス電流を発生させ、パルス電流の強度、サイクル等を調整できるものであれば特に制限はない。電流発生手段は、好ましくは、図1に示されるようなロジックIC5、ボタン電池6、マイクロスイッチ7及びLED8からなる電気回路4である。
【0016】
電流発生手段から供給されるパルス電流の波形、強度、サイクル等については、電気刺激を与える生体細胞等の種類、培養目的(成長促進又は成長抑制)に応じて適宜調整することができる。例えば、パルス電流の波形については、三角形、矩形、その他の各種関数波形(例えば、サイン波形、指数関数波形など)などを挙げることができ、中でも矩形であることが好ましい。また、パルス電流の強度は、生体細胞等の成長促進と成長抑制(損傷)の二つの培養目的に応じて適宜調整することができる。例えば、生体細胞等の成長促進を目的として培養する場合、パルス電流の強度は0.1〜50mV/mmであり、0.5〜25mV/mmであることが好ましく、1〜10mV/mmであることがさらに好ましい。一方、生体細胞等の成長抑制(損傷)を目的として培養する場合、パルス電流の強度は50〜250mV/mmであり、75〜200mV/mmであることが好ましく、100〜150mV/mmであることがさらに好ましい。また、パルス電流のサイクルについては、例えば、0.001〜1000Hzであり、0.005〜100Hzであることが好ましく、0.01〜10Hzであることがさらに好ましい。また、パルス電流の通電時間は、例えば、1μ秒〜10秒であり、5μ秒〜1秒であることが好ましく、10μ秒〜0.1秒であることがさらに好ましい。
【0017】
キャップ1は、嵌着する培養容器2のサイズ及び形状に対応させてサイズ及び形状を自由に選択することができる。例えば、キャップ1は、市販の35mm、60mm、90mm、150mmのペトリデイッシュ、6穴〜384穴マルチウェルプレート、及び直径10〜30mmの組織培養チューブに対応した円形キャップや、各種スクエアデイッシュに対応した方形キャップを用いることができる。好ましくは、キャップ1は、マルチウェルプレートのウェル配列に対応したキャップである。
【0018】
キャップ1の材質は、金属、ガラス、プラスチック等、種々の材料が使用可能であるが、培養物を観察しやすいよう透明性に優れ、取り扱いの際に破損しにくいプラスチック製であることが好ましく、特に高透明で剛性に優れたアクリル樹脂製であることが好ましい。
【0019】
キャップ1は、本発明の電気刺激装置10においてはプリント基板3と一体的に装着されていることが好ましい。プリント基板3は、耐熱性のあるプラスチック製又はガラス繊維等の繊維強化プラスチック製の基板上に電気回路4がプリントされている公知の材料を用いて作製することができる。プリント基板3の形状は特に限定されないが、電気回路4の形状に合わせたものであることが好ましい。
【0020】
電気回路4は、ロジックIC5、電源(6)及びマイクロスイッチ7で構成され、さらに後述する発光素子8を有することが好ましい。電気回路4を形成する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、プリント基板上に導電性塗料を塗布してプリント基板上にプリント印刷する方法、あるいは細い導線等を溶接する方法などを挙げることができる。中でも基板上にプリント印刷する方法が回路をコンパクトにできる観点から好ましい。
【0021】
電気回路4を構成するロジックIC5は、汎用ICやプログラマブルICのように、一連の作業指示が設定され又はプログラムにより一連の作業指示を与え得る集積回路(IC)を用いることができる。本発明の電気刺激装置では、ロジックIC5は、パルス電流の大きさを時間軸で変化させる役割を有する。
【0022】
ロジックIC5としては、例えば、汎用ロジックIC、PLD(プログラム ロジック ディバイス)、CPLD(コンプレックス プログラム ロジック ディバイス)、FPGA(フィールド プログラム ゲート アレイ)、カスタムIC等の公知のものを挙げることができる。汎用ロジックICにはCMOS系のものとバイポーラ系のものとがあるが、CMOS系のものであることが好ましい。ロジックIC5は市場で容易に入手できる。ロジックIC5は、さらにコンデンサー等の周辺素子を有していてもよい。
【0023】
本発明の電気刺激装置では、ロジックIC5により調整されたパルス電流を電気回路4に流すように設定されている。このパルス電流は、ロジックICにより実験の目的に応じて、電圧(強度)、発生の頻度(サイクル)、発生パターン(波形)等を一連のプロトコールとして変更可能であることが好ましい。このような変更可能な刺激のプロトコールを実現する方法としては、ロジックICへのプロトコールの書き込みと消去がある。
【0024】
本発明の電気刺激装置における電源は、電池又は外部より電気を供給するための電気供給装置であることが好ましい。電源が電池である場合、電池はキャップ1上に装着する必要があるため、できるだけ小型であることが好ましく、ボタン型であることがさらに好ましい。電池に必要な性能としては、5V以下、好ましくは1〜3V程度の電位差の電圧を有していることが好ましい。また、平均10μAのパルス電流を2時間以上、好ましくは5時間以上、さらに好ましくは24時間以上、培地に流し得る容量を有していることが望ましい。
【0025】
本発明の電気刺激装置の好適な実施例では、電源はボタン電池6が使用されている(図1(A)参照)。ボタン電池6は、水銀電池又はリチウムのような使い捨て型の電池はもちろん、ニッケル−カドミニウム電池、電気二重層コンデンサー、リチウム蓄電池等の再充電可能な蓄電池であってもよい。
【0026】
一方、本発明の電気刺激装置における電源が電気供給装置である場合、電気供給装置はACアダプター、AC/DCスイッチング電源、AC/DCコンバーター、各種電源トランス製品のような直流電源であってもよい。
【0027】
本発明の電気刺激装置10におけるマイクロスイッチ7は、通常のスイッチと同様、刺激装置の回路におけるパルス電流をオン/オフ制御する装置である。マイクロスイッチ7は、人が操作することにより機械的に切り替わるスイッチであってもよいし、圧力により電流が自動的にオン/オフ制御可能な、例えば圧電素子を用いたスイッチであってもよい。マイクロスイッチ7は、操作が可能である限りできるだけ小型で軽量であることが望ましい。
【0028】
本発明の電気刺激装置では、電気回路4が培養容器2内の培地11へ供給されるパルス電流の供給状況を監視するためのモニタリング装置をさらに有することができる。モニタリング装置として、例えば本発明の好適な実施例で示されるように発光素子(LED)8などが設けられていることが好ましい。
本発明の電気刺激装置で好ましく用いられる発光素子8は、パルス電流が電気回路4内に流れると、このパルス電流を光に変換可能とする素子であり、流れるパルス電流の強弱が光の強弱として表すことができる。このため、発光素子8は、培養容器内の培地へ供給されるパルス電流の供給状況を目で認識できる役割を果たす。このような発光素子8として、例えば、発光ダイオード等が用いられることが好ましい。
【0029】
本発明の電気刺激装置における電極9,9’は、パルス電流を培養容器内の培地に電気刺激として与えるための端子である。図1では、電極9,9’は、電気回路4の両端に連結され、キャップ1を貫通してキャップ1内に吊り下げされている。電極9,9’は、1対の陽極と陰極とで構成されている。電極9,9’の形状は、図1ではT字形状であるが、本発明の電気刺激装置における電極はこの形状に限定されるものではなく、その他の形状(例えば、格子あるいは同心円の形状)であってもよい。さらに、電極9,9’の端子の長さは、培養容器2の深さ(高さ)に応じて適宜決定することができる。また、電極9,9’は互いに平行に吊り下げられてもよく、例えば、互いに向かい合ったときにハの字形又は逆ハの字形になるように吊り下げられていてもよい。さらに、電極9,9’は電気発生手段(電気回路4)の両端に連結されていれば、電気発生手段(電気回路4)に連結される位置はキャップ1及び培養容器2の形状に合わせて適宜決定することができる。電極9,9’の材料としては、例えば、銀−塩化銀、白金、チタン、窒化チタン、カーボン、金、ガラス等を挙げることができる。
【0030】
図1(B)に示されるように、本発明の電気刺激装置10におけるキャップを嵌合するための培養容器2は、その中に培地11を充填できるようになっている。培地11は、通常は、Na、Mg、Ca等の金属イオンを含んだ生理食塩水に各種アミノ酸、例えばL−Arg, L−Cys, L−Gln, L−His及び各種ビタミン、例えば、葉酸、パントテン酸、ニコチンアミド、ピリドキサール、リボフラビン等を含んだ培地等を用いることができる。
【0031】
培地11には従来から組織の培養において提案されている各種サイトカイン類や増殖因子類、例えばインターロイキン類、ニューロトロピン類、血小板由来成長因子、上皮成長因子、線維芽細胞成長因子を0.01ng/mlから100mg/mlの範囲の量で配合することが好ましい。また培地11は、固体培地及び液体培地のいずれであってもよい。
【0032】
本発明の電気刺激装置10を用いて生体細胞等の成長を促進又は抑制するように培養する場合、培地11には、生体細胞又は生体組織12(以下「原組織等」という。)を培地表面又は培地中に装入する。この原組織等としては、公知の細胞又は組織として用いられている各種の原組織等を使用することが可能である。例えば、原組織等を構成する細胞(群)及びその幹細胞(群)、原組織等を培養すべき組織の一部、培養すべき組織に類似した組織、胚細胞、ES細胞等であってもよい。
【0033】
本発明の電気刺激装置により刺激が与えられる生体細胞等の「生体」とは、人間をはじめ、犬、ねこ、馬、豚、羊、マウス、ラット等の哺乳動物のほか、鳥類、爬虫類、両生類、魚類、細菌、ウイルス等の微生物、植物をも包含する概念である。
【0034】
また、本発明の電気刺激装置により刺激を与える「組織」には、生体のあらゆる組織、臓器、それらの一部が包含される。例えば、中枢神経、末梢神経、骨、軟骨、関節、リンパ管、血管、心臓(心筋、弁)、肺、肝臓、脾臓、すい臓、食道、胃、小腸、大腸、腎臓、膀胱、子宮、卵巣、精巣、横隔膜、筋肉、腱、皮膚、眼、鼻、気管、舌、唇、爪、毛髪等それらの1部をいう。本発明の電気装置で用いられる組織は、これらの臓器、組織の中でも生体内で興奮性の電気刺激が常在する組織、例えば心臓、骨格筋、平滑筋、末梢神経、脳等の中枢神経等の組織を主な対象とすることができる。
【0035】
本発明の電気刺激装置における電気回路4のロジックIC5、電源(6)、マイクロスイッチ、モニタリング装置(8)及び電極9,9’の回路配置は特に限定されるものではなく、キャップ1の形状、大きさ等に応じて適宜決定することができる。例えば、本発明の電気刺激装置では、図2(A)〜(C)に示されるような回路配置をとることが可能である。
【0036】
図2(A)は、ロジックIC5がCMOS系IC(74HC)である場合の回路配置を示す。電源(6)から発生した電流はCMOS系ICにおいて、所望の波形のパルス電流に変換され、さらに周辺素子であるコンデンサーや抵抗により所望の電流強度、サイクル、通電時間に調整される。調整されたパルス電流は、発光素子(LED)8でモニタリングされながら電極へ供給される。
図2(B)は、周辺素子がすべてロジックIC5の中に盛り込まれている場合の回路配置を示す。図2(B)で示される回路配置では、周辺素子の占有スペースが省けるため、装置の小型化に寄与できるというメリットがある。
図2(C)は、周辺素子をすべてロジックICの中に盛り込み、さらにマイクロスイッチ7がロジックスイッチとなっている場合の回路配置を示す。図2(C)で示されるロジックスイッチを使用すると、フェザータッチのスイッチとなるため、軽いタッチとなり、特に好ましい。
【0037】
本発明の電気刺激装置は、生体細胞等の成長を促進又は抑制させるために用いられることが好ましい。さらに本発明の電気刺激装置は、生体細胞等の成長促進又は成長抑制方法において用いられることが好ましい。本発明の電気刺激装置を生体細胞等の成長促進又は抑制方法に用いると、実験の目的に応じて予め設定されたパルス電気信号を電気刺激として原組織に与え、興奮入力により発生し得る細胞内カルシウムイオン濃度変動を考慮した生体細胞等の成長を促進又は抑制することができる。
【0038】
本発明の電気刺激装置の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、通常の単一容器適用の電極と、刺激回路及びマルチウェルプレート適用の電極配列と、刺激回路とを半導体技術により一つのマイクロチップとして一体形成し、懸垂電極を追加して構築することができる。
【0039】
【実施例】
以下に、本発明の好適な実施例を示す。なお、下の実施例に示される材料、使用量、割合、手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
【0040】
(実施例1)
温度37℃、湿度99%、CO2濃度5%の条件下で、本発明の電気刺激装置を用いて知覚神経細胞とシュワン細胞の混合標本に成長促進を目的とした条件の電気刺激(5 mV/mm, 持続時間1 msec, 0.2Hz)を10日間印加しながら培養した。結果を図3に示す。
【0041】
(比較例1)
電気刺激を与えなかったことを除き、実施例1と同様の方法で知覚神経細胞とシュワン細胞の混合標本を培養した。結果を図3に示す。
【0042】
図3に示されるように、電気刺激を与えて培養した標本(実施例1、図3(B))では、電気刺激を与えないで培養した標本(比較例1、図3(A))と比べると、著明な神経突起の伸張及び分枝とシュワン細胞の増殖が見られた。
【0043】
(実施例2)
温度37℃、湿度99%、CO2濃度5%の条件下で、本発明の電気刺激装置を用いて、知覚神経細胞とシュワン細胞の混合標本に成長抑制(細胞障害付与)を目的とした条件の電気刺激(150mV/mm, 持続時間5msec, 2Hz)を5時間印加し、さらに2日間培養した。結果を図4に示す。
【0044】
図4に示されるように、電気刺激前の状態(図4の(A))と比べて、電気刺激後には神経突起を中心に遅発性のネクローシス(壊死)が見られた(図4の(B))。
【0045】
【本発明の効果】
以上の説明したように、本発明の電気刺激装置は、所望のパルス電流を培養容器内の培地に電気刺激として与える装置としては、構造が簡単で製作が容易で安価である。また本発明の電気刺激装置のキャップは簡便に脱着が可能である。
また、本発明の電気刺激装置を用いれば、電気刺激として与えられるパルス電流を調整することにより、生体細胞等の成長を促進又は抑制する方法を提供することができる。
【0046】
特に、本発明の電気刺激装置を用いて生体細胞等を成長させれば、従来の組織の培養装置では静置か、せいぜい攪拌下で培養できたに過ぎないのに対し、本発明ではパルス電気信号、好ましくは実験の目的に応じて予め設定されたパルス電気信号を電気刺激として原組織に与え、興奮入力により発生し得る細胞内カルシウムイオン濃度変動を考慮した生体細胞等の成長を促進又は抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気刺激装置の一実施例を示す概要図である。
【図2】本発明の電気刺激装置における電気回路の回路配置を示す説明図である。
【図3】本発明の電気刺激装置を用いて神経細胞に電気刺激を与え、成長を促進した場合の状態を表す写真である。
(A)電気刺激を与えないで培養した場合における結果を示す写真である。
(B)電気刺激を与えて培養した場合における結果を示す写真である。
【図4】本発明の電気刺激装置を用いて神経細胞に電気刺激を与え、成長を抑制した場合の状態を表す写真である。
(A)電気刺激を与える前の神経細胞の状態を示す写真である。
(B)電気刺激を与えた後の神経細胞の状態を示す写真である。
【符号の説明】
1 電気刺激装置装着用キャップ
2 培養容器
3 プリント基板
4 電気回路(電流発生手段)
5 ロジックIC
6 ボタン電池(電源)
7 マイクロスイッチ
8 発光素子(モニタリング装置)
9,9’ 電極
10 電気刺激装置
11 培地
12 生体細胞又は生体組織[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to an electrical stimulator for living cells and tissues, and a method for promoting or suppressing the growth of living cells and tissues. More specifically, the present invention provides an electrical stimulation device capable of promoting or suppressing the growth of living cells, tissues, and the like by applying specific electrical stimulation to living cells, tissues, and the like used in experiments in a research laboratory and the like. The present invention relates to a method for promoting or suppressing the growth of living cells and tissues using an electric stimulator.
[0002]
[Prior art]
The development of an effective in vitro disease state model is important for the development of a therapeutic method for a degenerative disease in which hyperexcitation of nerve cells is directly caused, such as epileptic dementia and hypoxic encephalopathy.
[0003]
Conventionally, attempts have been made to administer a large amount of excitatory neurotransmitters to cultured cells and tissues of a living body, and electrical stimulation has been performed using a normal electrical stimulator. However, when excitatory neurotransmitters are administered in large doses, the types of receptors that are stimulated are limited to excitatory neurotransmitter receptors, and cellular responses to various signaling molecules that can occur during overexcitation in vivo. May be expressed in a manner biased on excitatory neurotransmitter receptor responses.
[0004]
On the other hand, the overexcitation induced by electrical stimulation is considered to be more physiologically close.However, with conventional electrical stimulation devices, it is complicated to attach electrodes and execute stimulation in a narrow incubator, and electrophysiology is difficult. It is difficult for many researchers, including biochemists and genomic scientists who do not specialize in experiments. Also, in other basic and applied research fields that require relatively long-term electrical stimulation in a culture environment, a simpler and more compact cultivation device with a stimulating function can be a powerful weapon in conducting research. .
[0005]
An ideal electrical stimulator for such simplicity and compactness could potentially bring enormous potential demands not only from physiology, pharmacology and biochemistry, but also from laboratories performing regenerative medicine and genomics. Have.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide electrical stimulation to a living cell or the like in a growth process of a living cell or a living tissue (hereinafter, also referred to as “living cell or the like”). It is an object of the present invention to provide an electric stimulator capable of providing the following.
Another object of the present invention is to provide a method for promoting or suppressing the growth of living cells and the like using the electric stimulator.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention have made intensive studies on the relationship between the growth of living cells and the like and the electrical stimulation, and have completed the present invention.
That is, an object of the present invention is to generate a pulse current, and a current generating means for adjusting the intensity or the like of the pulse current, a cap for fixing the current generating means, and a pulse suspended from the cap, and The present invention is achieved by an electric stimulator having a pair of electrodes connected to both ends of the current generating means for applying an electric current to a culture medium in a culture vessel as electric stimulation.
[0008]
The electrostimulator of the present invention has a structure in which a cap has a current generating means and a pair of electrodes. Therefore, with the electrical stimulation device of the present invention, the device can be easily manufactured, and the cap can be easily attached to and detached from the culture container. In addition, the electric stimulator of the present invention can easily give a pulse current having an arbitrary intensity and waveform to a living cell or the like simply by changing a cap, and can appropriately adjust the growth of the living cell or the like in a culture process. .
[0009]
Further, preferred embodiments of the electric stimulation device of the present invention are as follows.
(1) The electric stimulator in which the current generating means is an electric circuit including a logic IC, a microswitch, and a power supply.
(2) The electric stimulator in which the power source is a battery or an electric supply device.
(3) The electrostimulator according to (1) or (2), wherein the electric circuit is formed on a printed board, and the printed board and the cap are integrally mounted.
(4) The electric stimulator according to any one of (1) to (3), wherein the electric circuit further includes a monitoring device for monitoring a supply state of a pulse current supplied as electric stimulus to the culture medium in the culture vessel.
(5) The electrical stimulation device according to (4), wherein the monitoring device is a light emitting element.
(6) The electric stimulator according to any one of (1) to (5), wherein the cap is a cap that can correspond to a well arrangement in a multiwell plate.
(7) By fitting the cap to the culture vessel, the pulse current is applied as electrical stimulation from the electrode to the living cells or tissues loaded in the culture medium in the culture vessel (1) to ( The electrical stimulator according to any one of 6).
(8) The electrical stimulator according to any one of (1) to (7), which is used to promote or suppress the growth of living cells or living tissues.
(9) The electric stimulator according to any one of (1) to (8), wherein the pulse current has an intensity to promote or suppress the growth of living cells or tissue cells.
[0010]
Another object of the present invention is achieved by a method for promoting or suppressing the growth of living cells and the like using the electric stimulator.
According to the method of the present invention, not only cultivation to promote the growth of living cells and the like as in the conventional stimulator, but also damage to the living cells and the like to suppress the growth of living cells and living tissues. Can also be cultured.
[0011]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Hereinafter, the electrical stimulator of the present invention and a method for promoting or suppressing the growth of living cells using the electrical stimulator will be described in detail.
[0012]
First, the configuration of the
[0013]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a preferred embodiment of the
[0014]
The electric circuit 4 in FIG. 1 includes a logic IC 5, a button battery 6, a
[0015]
Next, the electrical stimulation device of the present invention will be specifically described.
The
[0016]
The waveform, intensity, cycle, and the like of the pulse current supplied from the current generating means can be appropriately adjusted according to the type of the living cell to which the electrical stimulation is applied and the purpose of culture (growth promotion or growth suppression). For example, as the waveform of the pulse current, a triangle, a rectangle, various other function waveforms (for example, a sine waveform, an exponential function waveform, and the like) can be given, and a rectangle is particularly preferable. In addition, the intensity of the pulse current can be appropriately adjusted according to two culture purposes, namely, promotion of growth of living cells and the like and suppression of growth (damage). For example, when culturing for the purpose of promoting the growth of living cells or the like, the intensity of the pulse current is 0.1 to 50 mV / mm, preferably 0.5 to 25 mV / mm, and more preferably 1 to 10 mV / mm. Is more preferable. On the other hand, when culturing for the purpose of suppressing the growth (damage) of living cells, the intensity of the pulse current is 50 to 250 mV / mm, preferably 75 to 200 mV / mm, and more preferably 100 to 150 mV / mm. Is more preferred. The cycle of the pulse current is, for example, 0.001 to 1000 Hz, preferably 0.005 to 100 Hz, and more preferably 0.01 to 10 Hz. Further, the energizing time of the pulse current is, for example, 1 μsec to 10 sec, preferably 5 μsec to 1 sec, and more preferably 10 μsec to 0.1 sec.
[0017]
The size and shape of the cap 1 can be freely selected according to the size and shape of the
[0018]
As the material of the cap 1, various materials such as metal, glass, and plastic can be used, but it is preferable that the material is made of plastic that has excellent transparency so that the culture can be easily observed and that is not easily damaged during handling. In particular, it is preferably made of an acrylic resin having high transparency and excellent rigidity.
[0019]
The cap 1 is preferably attached integrally with the printed
[0020]
The electric circuit 4 includes a logic IC 5, a power supply (6), and a
[0021]
As the logic IC 5 constituting the electric circuit 4, an integrated circuit (IC) in which a series of work instructions is set or a series of work instructions can be given by a program, such as a general-purpose IC or a programmable IC, can be used. In the electric stimulator of the present invention, the logic IC 5 has a role of changing the magnitude of the pulse current on the time axis.
[0022]
Examples of the logic IC 5 include well-known logic ICs, such as a general-purpose logic IC, a PLD (program logic device), a CPLD (complex program logic device), an FPGA (field program gate array), and a custom IC. Although general-purpose logic ICs include a CMOS type and a bipolar type, a CMOS type is preferable. The logic IC 5 can be easily obtained on the market. The logic IC 5 may further have a peripheral element such as a capacitor.
[0023]
In the electric stimulator of the present invention, the pulse current adjusted by the logic IC 5 is set to flow to the electric circuit 4. It is preferable that the voltage (intensity), the frequency (cycle) of generation, the generation pattern (waveform), and the like of the pulse current can be changed as a series of protocols by the logic IC according to the purpose of the experiment. As a method of realizing such a protocol of the stimulus which can be changed, there is a method of writing and erasing the protocol in the logic IC.
[0024]
The power source in the electrostimulation device of the present invention is preferably a battery or an electricity supply device for supplying electricity from outside. When the power source is a battery, the battery needs to be mounted on the cap 1, so that the battery is preferably as small as possible, and more preferably a button type. As the performance required for the battery, it is preferable that the battery has a voltage having a potential difference of 5 V or less, preferably about 1 to 3 V. In addition, it is desirable that the medium has a capacity to allow a pulse current of 10 μA on average to flow in the medium for 2 hours or more, preferably 5 hours or more, more preferably 24 hours or more.
[0025]
In the preferred embodiment of the electric stimulator of the present invention, a button battery 6 is used as a power source (see FIG. 1A). The button battery 6 may be a rechargeable storage battery such as a nickel-cadmium battery, an electric double layer capacitor, or a lithium storage battery, as well as a disposable battery such as a mercury battery or lithium.
[0026]
On the other hand, when the power supply in the electrostimulation device of the present invention is an electric supply device, the electric supply device may be a DC power supply such as an AC adapter, an AC / DC switching power supply, an AC / DC converter, and various power supply transformer products. .
[0027]
The
[0028]
In the electric stimulator of the present invention, the electric circuit 4 may further include a monitoring device for monitoring the supply status of the pulse current supplied to the
The
[0029]
The
[0030]
As shown in FIG. 1 (B), the
[0031]
The medium 11 contains 0.01 ng / kg of various cytokines and growth factors conventionally proposed in tissue culture, such as interleukins, neurotropins, platelet-derived growth factor, epidermal growth factor, and fibroblast growth factor. It is preferable to mix in an amount ranging from ml to 100 mg / ml. The medium 11 may be a solid medium or a liquid medium.
[0032]
When cultivation is performed using the
[0033]
The “living body” such as a living cell to be stimulated by the electric stimulator of the present invention includes humans, mammals such as dogs, cats, horses, pigs, sheep, mice, rats, etc., as well as birds, reptiles, and amphibians This is a concept that also includes microorganisms such as fish, bacteria, viruses, and plants.
[0034]
The “tissue” to be stimulated by the electric stimulator of the present invention includes all tissues and organs of a living body and a part thereof. For example, central nervous system, peripheral nerve, bone, cartilage, joint, lymph vessel, blood vessel, heart (myocardium, valve), lung, liver, spleen, pancreas, esophagus, stomach, small intestine, large intestine, kidney, bladder, uterus, ovary, Testis, diaphragm, muscle, tendon, skin, eye, nose, trachea, tongue, lips, nails, hair, and a part thereof. Tissues used in the electric device of the present invention include, among these organs and tissues, tissues in which excitatory electrical stimulation is resident in vivo, such as the central nervous system such as heart, skeletal muscle, smooth muscle, peripheral nerve, and brain. Organizations can be the main target.
[0035]
The circuit arrangement of the logic IC 5, the power supply (6), the microswitch, the monitoring device (8) and the
[0036]
FIG. 2A shows a circuit arrangement when the logic IC 5 is a CMOS IC (74HC). The current generated from the power source (6) is converted into a pulse current having a desired waveform in a CMOS IC, and is adjusted to a desired current intensity, cycle, and conduction time by a capacitor or a resistor as a peripheral element. The adjusted pulse current is supplied to the electrode while being monitored by the light emitting element (LED) 8.
FIG. 2B shows a circuit arrangement when all the peripheral elements are incorporated in the logic IC 5. The circuit arrangement shown in FIG. 2B has an advantage that the space occupied by the peripheral elements can be reduced, which can contribute to downsizing of the device.
FIG. 2C shows a circuit arrangement in which all the peripheral elements are incorporated in a logic IC and the
[0037]
The electrical stimulator of the present invention is preferably used to promote or suppress the growth of living cells and the like. Furthermore, it is preferable that the electrical stimulator of the present invention is used in a method for promoting or suppressing growth of living cells. When the electrical stimulator of the present invention is used in a method for promoting or suppressing the growth of living cells, a pulse electrical signal preset according to the purpose of an experiment is applied to the original tissue as electrical stimulus, and intracellular cells that can be generated by an excitatory input It is possible to promote or suppress the growth of living cells and the like in consideration of the calcium ion concentration fluctuation.
[0038]
The method for manufacturing the electrical stimulator of the present invention is not particularly limited. For example, a general single-vessel application electrode, a stimulation circuit and a multi-well plate application electrode array, and a stimulation circuit Thereby, it can be integrally formed as one microchip, and can be constructed by adding a suspended electrode.
[0039]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. The materials, amounts, ratios, procedures, and the like shown in the following examples can be appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited by the specific examples described below.
[0040]
(Example 1)
Under the conditions of a temperature of 37 ° C., a humidity of 99%, and a CO 2 concentration of 5%, the electric stimulator of the present invention was used to apply electric stimulation (5 mV) to a mixed sample of sensory nerve cells and Schwann cells under the condition of promoting growth. / Mm, duration 1 msec, 0.2 Hz) for 10 days. The results are shown in FIG.
[0041]
(Comparative Example 1)
A mixed sample of sensory nerve cells and Schwann cells was cultured in the same manner as in Example 1 except that no electrical stimulation was given. The results are shown in FIG.
[0042]
As shown in FIG. 3, the specimen cultured without electric stimulation (Example 1, FIG. 3 (B)) was compared with the specimen cultured without electric stimulation (Comparative Example 1, FIG. 3 (A)). In comparison, marked neurite outgrowth and branching and Schwann cell proliferation were observed.
[0043]
(Example 2)
Conditions for the purpose of suppressing growth (imparting cytotoxicity) of a mixed sample of sensory neurons and Schwann cells using the electrical stimulator of the present invention under the conditions of a temperature of 37 ° C., a humidity of 99%, and a CO 2 concentration of 5%. Was applied for 5 hours (150 mV / mm, duration 5 msec, 2 Hz), and the cells were further cultured for 2 days. FIG. 4 shows the results.
[0044]
As shown in FIG. 4, delayed necrosis (necrosis) was observed around the neurites after the electrical stimulation as compared to the state before the electrical stimulation ((A) in FIG. 4). (B)).
[0045]
[Effects of the present invention]
As described above, the electric stimulator of the present invention has a simple structure, is easy to manufacture, and is inexpensive as a device for applying a desired pulse current to the culture medium in the culture vessel as an electric stimulus. Further, the cap of the electric stimulator of the present invention can be easily attached and detached.
Further, by using the electrical stimulation device of the present invention, it is possible to provide a method of promoting or suppressing the growth of living cells or the like by adjusting the pulse current given as the electrical stimulation.
[0046]
In particular, if a living cell or the like is grown using the electrical stimulator of the present invention, the conventional tissue culturing apparatus is allowed to stand still, at best, can be cultured under stirring, whereas the present invention provides a pulsed electrical signal. Preferably, a pulse electric signal preset according to the purpose of the experiment is given to the original tissue as electric stimulation to promote or suppress the growth of living cells and the like in consideration of intracellular calcium ion concentration fluctuations that can occur due to excitation input. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the electrical stimulation device of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a circuit arrangement of an electric circuit in the electric stimulation device of the present invention.
FIG. 3 is a photograph showing a state in which nerve stimulation is applied to nerve cells using the electrical stimulation device of the present invention to promote growth.
(A) Photographs showing the results when cultured without applying electrical stimulation.
(B) is a photograph showing a result in the case of culturing by applying electrical stimulation.
FIG. 4 is a photograph showing a state in which the electrical stimulation is applied to nerve cells using the electrical stimulation apparatus of the present invention to suppress the growth.
(A) is a photograph showing a state of a nerve cell before electric stimulation is applied.
(B) is a photograph showing a state of a nerve cell after applying electric stimulation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cap for mounting
5 Logic IC
6. Button battery (power supply)
7
9, 9 '
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