JP2004528539A - Apparatus and methods for high throughput patch clamp assays - Google Patents

Apparatus and methods for high throughput patch clamp assays Download PDF

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Abstract

個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を測定するための装置は少なくとも1つの開口部を備えたプレートを含む。該開口部は表面で囲まれており、該表面は例えば加熱処理によりギガシールの形成が容易になるように修飾されている。チャンバーが該プレートに隣接している。該チャンバーは少なくとも1つの開口部と流体連通しており、且つ、電気伝導性溶液を保持するようになっている。該プレートは更に、該チャンバー中に位置する第一電極および該プレートに隣接して位置する第二電極を含む。An apparatus for measuring the electrophysiological properties of cell membranes of individual cells includes a plate with at least one opening. The opening is surrounded by a surface, which is modified, for example, by heat treatment to facilitate the formation of a giga seal. A chamber is adjacent to the plate. The chamber is in fluid communication with at least one opening and is adapted to hold an electrically conductive solution. The plate further includes a first electrode located in the chamber and a second electrode located adjacent to the plate.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は一般的に、生物学的材料の電気生理学的評価に関する。より具体的には、本発明は細胞膜中のイオンチャネルと関連した電気生理学的特性を測定および評価するための装置および技術に関する。本発明は更に、細胞膜とパッチクランププローブの表面との間にギガシールを形成させて電気生理学的特性の高スループット測定を容易にする技術に関する。
【背景技術】
【0002】
イオンチャネルは細胞を出入りするイオンの流れを制御する。イオンチャネルは典型的にはタンパク質またはタンパク質の集合体から成っており、細胞膜を構成する脂質二重層に埋め込まれている。イオンチャネルを介して細胞膜を通過するイオンの移動は、微弱であるが測定可能な電流を引き起こすイオン電流を形成する。
【0003】
パッチクランプ法はイオンチャネルを通過するイオン電流の測定を可能にする。パッチクランプ法は例えば、PCT国際公開WO96/13721号およびWO99/66329号(それらの全体は参照により本明細書に援用される)に記載されている。簡潔にいえば、パッチクランプ法は、膜と記録用プローブとの間に緊密なシールを形成して、その結果として細胞膜と記録用プローブとの間の「漏洩(leakage)」によるバックグラウンドイオン電流を最小化する細胞膜の能力を利用する。今日のパッチクランプ法では、マイクロピペットチップを膜に密着させて(engaged)シールを形成する。このようなシールは「ギガシール」として知られており、抵抗が高いので、細胞膜中のイオンチャネルを流れる微弱なイオン電流の正確な測定を容易にする。
【0004】
多くのイオンチャネルが外部刺激に応答して開く「ゲート」を有している。外部刺激としては、電位、機械的または触覚的刺激、およびシグナル伝達分子が挙げられる。シグナル伝達分子は本質的には化学的刺激であり、化学的刺激に応答するイオンチャネルゲートのクラスはリガンド開閉型イオンチャネルとして当該技術分野において知られている。リガンド開閉型イオンチャネルは天然に存在するシグナル伝達分子と薬物などの合成分子シグナルとの両方に応答する。リガンド開閉型イオンチャネルのためのシグナル伝達分子の例としては、アセチルコリンおよびグリシン(神経伝達物質)、サイクリックAMP、イノシトール1,4,5トリホスフェート(IP3)、および(細胞内の)ATPが挙げられる。イオンチャンネルに関連する疾病および障害の患者の治療および処置のために有効な薬物の開発はパッチクランプアッセイにより確認されている。
【0005】
既存の態様では、パッチクランプ法は薬物の候補についての低スループットアッセイである。主な障害は、膜とピペットのチップとの間のギガシールの形成に関するものである。ギガシールを形成するための今日の技術は手間がかかり、特別な習熟と設備を必要とする。現在のところ、熟練した電気生理学者は既存のパッチクランプ法を用いて1日に約5〜20種類の化合物しかスクリーニングできない。これに対して現代の薬物スクリーニング(例えば、パッチクランプ法ではない技術を用い、96ウェルプレート、ロボットハンドリングおよび自動データ処理により特性分析するスクリーニング)では、特定のアッセイによって1日に1000〜10000種の(またはそれ以上の)化合物をスクリーニングすることができる。
【0006】
他の既存の電気生理学的記録方法としては、二微小電極式ボルテージクランプ法、細胞外記録法(extracellular recordings)、および「U字管」法のうちの1つが挙げられる。設備および人的な習熟という点では要求されるものは比較的少ないが、これらの技術もまた高スループットスクリーニングに対する今日の要求を満たすものではない。
【0007】
細胞膜を横切る電圧変化を記録する光学的方法などの、他の採り得るイオンチャネル活性記録方法はより高いスループットを有している。しかしながら、これらの方法は正確性および上記の電気生理学的方法によるスクリーニングのための情報内容を欠いており、電気生理学的記録から得ることができる情報量を提供することができない。
【0008】
従って、細胞および細胞膜の電気生理学的特性を高スループット条件で測定して評価するシステムおよび方法(例えばパッチクランプ型アッセイを行う速度を顕著に上昇させるシステムおよび方法)に対する永年の要求が存在する。
【発明の開示】
【0009】
発明の概要
本発明は細胞および生物膜の電気生理学的特性を測定し、評価し、記録し、そして分析するための種々の装置および方法を提供する。本発明の装置および方法は、細胞膜または生物膜と開口部との間のギガシールを利用する。
【0010】
本発明の一実施形態によれば、細胞とガラスシートまたはプレートの開口部との間のギガシールを利用する自動化イオンチャネルアッセイのための装置および方法、ならびに多くの薬物候補物質および細胞を一度に並行して処理およびスクリーニングするための装置および方法が提供される。
【0011】
本発明の実施形態は、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を測定するための装置であって、
ギガシールが形成され易いように修飾されている表面で囲まれた少なくとも1つの開口部を有するプレート、
少なくとも1つの上記開口部と流体連通しており、且つ、溶液を保持するようになっている、上記プレートに隣接したチャンバー、
上記チャンバー内に位置する第一電極、および
上記プレートに隣接して位置する第二電極
を備えてなり、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性の測定に使用する上記装置を包含する。
【0012】
本発明の他の実施形態は、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を測定するための装置であって、
レーザーを用いて作成され、個々の細胞を受容するように加熱により修飾された開口部を備えた少なくとも1つのウェルを有するプレート、
上記開口部と流体連通しており、且つ、電気伝導性溶液を保持するようになっている、上記プレートに隣接したチャンバー、
上記チャンバー内に位置する第一電極、
上記ウェルに位置する第二電極、および
第一電極および第二電極に電気的に接触した増幅器
を備えてなり、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を第一電極および第二電極を通って流れる電流を測定することにより記録する上記装置を包含する。
【0013】
本発明の他の実施形態は、細胞膜の電気生理学的特性を測定するのに使用するためのウェルの一部分として機能する、開口部を有する取り外し可能なディスクを包含する。
【0014】
本発明の他の実施形態は、
細胞膜を有する細胞を受容するための修飾された表面を有する開口部を備えた少なくとも1つのウェルを提供するステップ、
細胞を上記開口部に沈着させ、修飾された表面により細胞とウェルとの間にギガシールを形成させるステップ、および
電圧および/または電流の測定値を記録して細胞膜のイオンチャネルを評価するステップ
を含む、細胞膜のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法を包含する。
【0015】
本発明の他の実施形態は、
開口部を有する少なくとも1つのウェルを提供するステップ、
複数の細胞を含む溶液をウェルに入れるステップ、
開口部に陽圧を加えるステップ、および
開口部に陰圧を加えて、複数の細胞のうちの1個を開口部に吸引して細胞と開口部との間にギガシールを形成するステップ
を含む、ギガシールを形成する方法を包含する。
【0016】
本発明の一実施形態の技術上の利点は、ギガシールの形成を容易にする装置が提供される点である。かかる装置は、イオン電流の測定のためのシグナル検出および増幅を向上させる。更に、かかる装置は薬物候補物質の高スループットスクリーニングを増強するという特性を提供する。加えて、開示発明の装置および部品を組み立てる方法が開示される。
【0017】
本発明の一実施形態の技術上の利点は、細胞膜を通過するイオン電流の測定を容易にするために細胞膜と記録用プローブとの間に電気抵抗のあるギガシールを形成する新規な方法が提供される点である。更に、細胞膜に密着させる該プローブの表面を化学的および物理的に修飾する方法が開示される。ギガシールの形成を容易にする表面修飾としては、限定するものではないが、(1)特定の時間の加熱処理、(2)脂質分子の共有結合、および(3)接着剤様物質の塗布が挙げられる。一実施形態では、かかる修飾は既存のパッチクランプ型実験と共に用いられ、高スループットスクリーニング操作を容易にするために用いることもできる。
【0018】
本発明の一実施形態の技術上の利点は、イオンチャネルを高スループットの様式でスクリーニングするための新規な方法が提供される点である。かかるスクリーニング技術ではギガシールが利用され得る。
【0019】
本発明の一実施形態の技術上の利点は、アッセイ可能なホールセルパッチの数が現行の8時間あたり5〜20個から1日あたり200〜2000個(またはそれ以上)に増加するという点である。
【0020】
本発明の他の目的、構成、および技術上の利点は、本明細書の詳細な説明の解釈および添付図面からより一層明らかになるであろう。
【0021】
発明の実施の形態
以下の詳細な記載は添付図面について言及するものである。本発明の精神および範囲から逸脱することなく他の実施形態が可能であるとともにその実施形態を改変することができる。従って、以下の詳細な記載は本発明を限定することを意図するものではない。本発明の範囲は添付する請求の範囲により規定される。
【0022】
以下の記載の便利のために、以下の用語説明を用いる。しかしながら、これらの説明は例示を目的とするものでしかない。これらは、明細書全体にわたって記載または言及されている通りにその用語を限定することを意図するものではない。むしろこれらの説明は、本明細書に記載され特許請求されている用語のあらゆる更なる側面および/または例を包含することを意図している。
【0023】
本明細書中で用いられる「生物膜」という用語は、全細胞(ホールセル)に見られるような細胞膜であり、脂質二重層および他の合成ポリマー膜のような人工膜をも包含する。
【0024】
本明細書中で用いられる「電気生理学的特性」という用語は、細胞、細胞膜または他の生物膜の測定される電気生理学的特性である。これらの特性は細胞膜に存在するイオンチャネルと関連するイオン電流、電圧または磁場を用いて測定される。このような測定はシグナル伝達分子のような内因性因子の存在(または不存在)下で行うことができる。このような測定はまた、スクリーニング条件において候補薬物分子または試験化合物のような外因性因子の存在(または不存在)下で行うこともできる。電気生理学的特性の測定には、内因性または外因性因子の存在下で、細胞膜を横切る電位またはイオンチャネルを通過するイオン移動の速度を測定することをも包含される。電気生理学的特性という用語は、生物膜に存在するイオンチャネルを通過するイオンの種類の特徴をも包含することがある。
【0025】
「電気伝導性溶液」はイオンまたは電解質を含む溶液である。イオンは、カチオンまたはアニオンのような正電荷または負電荷を有する荷電した原子または分子である。カチオンの例としては、限定するものではないが、ナトリウム (Na+)、カリウム (K+)、リチウム (Li+)、および他の一価カチオン、カルシウム (Ca2+)、マグネシウム (Mg2+)、および他の二価カチオンが挙げられる。アニオンの例としては、限定するものではないが、塩化物イオン (Cl-)、ヨウ化物イオン (I-)、および他のハロゲン化物イオンが挙げられる。
【0026】
「イオンチャネル」は細胞膜を包含する脂質二重層に埋め込まれた膜貫通タンパク質またはタンパク質の集合体である。イオンチャネルは細胞に出入りするイオンの流れを制御する。イオンチャネルは、例えば特異的なイオンのみ細胞膜を通過させるなどの、特異性を示すことがあり得る。更にまた、種々の疾病および障害は、特定のイオンおよびそれに対応するチャネル(例えばK-チャネルまたはNa-チャネル)と密接に関連している。イオンチャネルを介して細胞膜を通過するイオンの移動は、微弱であるが測定可能な電流を引き起こすイオン電流を形成する。従って、同一の細胞または細胞膜が異なるイオンの存在下または不存在下で異なる電気生理学的特性を示すことが有る。例えば、電気生理学的測定値は、分子シグナルの存在および濃度のようなパラメーターに敏感なだけでなく、存在するイオンの種類にも敏感である。更にまた、細胞膜中のイオンチャネルの開口を誘導するために電圧を加えることができる。
【0027】
「実験変数」という用語は、例えば温度、実験の所要時間(電流測定の所要時間など)、シグナル検出の方法および印加電圧のような実験者により制御される因子を意味する。これらの因子は実験によって実験者が変更することができ、そのような変更が特定の実験の結果に影響を与えることがある。他の実験変数としては、スクリーニング条件でのイオン(緩衝剤を含む)、分子シグナル、または薬物候補物質の、存在および濃度が挙げられる。他の実験変数には、実験系に存在する細胞の種類および数が包含される。
【0028】
「イオン電流」はイオンチャネルを通過するイオンの流れである。イオン電流は電解質溶液中のイオンの移動を指す場合もある。電解質溶液中で電流が流れる場合は、電荷はアニオンおよびカチオンの両方の移動により運ばれ得る。電解質溶液中の溶媒は水であることが多いが、非水性電解質溶液が当業者に知られており、それらは本発明の範囲内である。
【0029】
「パッチクランプマイクロチャンバー」は、単一の統合された装置にてギガシールが形成される生物膜の電気生理学的特性を測定するための装置である。加えて、一実施形態では、僅かなシグナルの増幅および/または処理を、この単一の統合された装置において行うことができる。
【0030】
「ギガシール」または「高抵抗シール」は、シール不良に起因する「漏洩」によるバックグラウンドイオン電流が最小であるパッチクランプシールである。好ましい実施形態では、ギガシールは約1ギガオーム(1GΩ)よりも大きい高抵抗シールである。他の実施形態では、ギガシールは約1ギガオーム(1GΩ)〜約100ギガオーム(100GΩ)の高抵抗シールである。他の実施形態では、ギガシールは約1ギガオーム(1GΩ)〜約50ギガオーム(50GΩ)の高抵抗シールである。他の実施形態では、ギガシールは約1ギガオーム(1GΩ)〜約10ギガオーム(10GΩ)の高抵抗シールである。他の実施形態では、ギガシールは約1ギガオーム(1GΩ)〜約5ギガオーム(5GΩ)の高抵抗シールである。
【0031】
「プロトン」はその唯一の電子が脱離した水素原子である。水溶液中では、プロトンは水分子と会合しており、正しくは「ヒドロニウムイオン」またはH3O+と呼ばれる。これらの用語は混同されることが多く、開示された文章、特にpHの議論においてそのままになっている。断りのない限り、プロトンおよびヒドロニウムイオンの用語は本明細書において交換可能に用いられる。
【0032】
本明細書で開示される装置および方法は、イオンチャネル関連疾患に対して有効な薬物または他の治療薬の発見および評価のために有用である。「治療薬」(例えば薬物またはプロドラッグ)は、疾患または症状の予防または治療を促進するのに有効な任意の化合物またはその製剤である。「疾患または症状の予防または治療を促進するのに有効」とは、臨床上適切な様式で投与したときに、症候の改善、治癒、寿命の延長、生活の質の向上、または他の効果のような有益な効果が、少なくとも統計的に有意な割合の患者について、特定の種類の疾患または症状の治療に通じた医師により一般的に陽性であると認められることとなる場合を指す。
【0033】
イオンチャネルおよびイオンチャネルの機能に関連する疾患としては、心臓血管の分野(例えば高血圧症および心不整脈)、疼痛(局所麻酔薬)、糖尿病、てんかん、不安などが挙げられる。これらの疾患または疾患のファミリーの各々は、特定のイオンチャネルと関連している傾向がある。一実施形態では、本発明は、イオンチャネル関連疾患の治療のための薬物候補物質を同定およびスクリーニングするための高スループット実験を容易にする装置および方法を提供する。
【0034】
以下の詳細な記載は添付図面について言及するものである。本発明の精神および範囲から逸脱することなく他の実施形態が可能であるとともにその実施形態を改変することができる。
【0035】
図1は本発明の一実施形態による電気生理学的特性を測定するための装置を示す。この装置は、一対の電極3と4を分離するのに用いられる誘電体バリア2を利用する。該誘電体バリアは任意の構成または形態(例えばプレート、ディスクまたはシート)であってよく、また、別の構造内に組み込まれていてもよく、例えばウェルまたはチャンバーの底部、側面部または上面部であってよい。このように、誘電体2の主たる機能は電極3と4とを分離することである。誘電体2は細胞6を受容するための開口部5を有する。該開口部の成形および作成には種々の方法を用いることができる。例えば、レーザードリル技術を用いて各ウェルの底部に小さな円錐形の穴を開けることができる。一実施形態では、開口部の直径は約1μm〜約5μmの範囲、好ましくは2μmである。
【0036】
細胞6に1つ以上の孔を開けて、測定装置7を用いて電流値または電圧値を収集し記録する。本発明の一実施形態では、誘電体(または複数の誘電体)は、複数の細胞を複数のウェル(一度に1個の細胞)中で並行して評価できるように複数の開口部および複数の電極を有する。
【0037】
誘電体バリアは種々の異なる材料(例えばガラスまたはプラスチック)から構成することができる。良好な電気絶縁性を有するガラスがパッチクランプ測定に有用である。さらにまた、イオンのようにチャネルの挙動を改変し得る物質がガラスから漏れ出すのを防止することが有用である。ガラスの他の重要な側面は、良好な細胞接着性、高い抵抗率、低い誘電率、レーザードリル技術への適合性、均一な厚さ、および良好な平面度である。
【0038】
本発明の一実施形態によれば、ホウケイ酸ガラスが本発明に用いられる。ホウケイ酸ガラスは化学的に耐久性が有り、約700℃まで変形に対して安定であり、優れた光学的特性を有している。このように、このガラスは平滑で平らな、厚さが最小のガラスのシートが必要とされる場合に使用するのに好適である。使用可能なホウケイ酸ガラスのタイプは、Erie Scientific CompanyのD263ガラスである。該ガラスの情報はhttp://www.eriesci.com/products&services/CustomGlass/D263-tech.html(その全体が参照により本明細書に援用される)で見ることができる。あるいは、他のケイ酸塩ガラスまたはその他の種類のガラスを使用することもできる。
【0039】
他の実施形態では、ソーダ石灰ガラスをパッチクランプマイクロチャンバーのプレート部分に使用することができる。例えば、平らで均一で平滑なガラスシートを得る方法を用いて、このガラス(またはホウケイ酸ガラス)から顕微鏡のスライドカバースリップを作成することができる。
【0040】
あるいは、本発明の更なる実施形態ではシリカ基板が用いられる。半導体工業で商業的に使用されるシリコンウエハは空気酸化により天然の酸化物層を有している。このようなチップおよび表面は、ケイ酸塩ガラスと同様の方法を用いて官能化することができるという高品質の平滑シリカ表面の利点を提供する。
【0041】
パッチクランプマイクロチャンバー部品を構成するのに好適な他の材料としては、限定するものではないが、ポリマー表面が挙げられる。ポリマー表面の活性化は、UV/オゾンまたはプラズマプロセスを用いて行うことができる。またポリマー表面の活性化としては、イオンおよび電子衝撃により生じるポリマー表面における新しい化学官能基の作成が挙げられる。該プロセスはポリマー表面のぬれ性を高めるために有効であるとともに、ポリマー基板の荷電した二極性脂質膜の親和性を高めるためにも有効である。
【0042】
本発明はマルチチャンネルのパッチクランプ実験を行うための装置および方法を提供する。図2は、本発明の一実施形態による、そのような電気生理学的測定装置10の正面斜視図を示している。装置10は、(ウェルのアレイを有する)マルチウェルプレートを挿入することができる一対の入口14および16を有するハウジング12から構成される。本発明の一実施形態にしたがって使用することができるマルチウェルプレートの1つのタイプは、プラスチックのボディと固体ガラス底部とを有するマルチウェルプレートである。このようなプレートの一例は、Whatman Polyfiltronicsから市販されているモデル番号7706-2375である。該プレートのうちの1枚は細胞を含んでいてよく、一方で、もう1枚のプレートは細胞を有するプレートに移される溶液を保持する。入口14および16の上方に位置するものは、装置10の操作を制御するための制御ボタン18のセットである。例えば制御ボタン18は、マルチウェルプレートのウェルに細胞を分注する、圧力差をかける、電圧勾配を作り出す、種々の測定された電気生理学的パラメーターを表示する、などのために用いることができる。評価後は、マルチウェルプレートをハウジング12から取り出して廃棄してよい。
【0043】
図3は本発明の一実施形態による装置10の断面図である。入口14は、図4に示す複数のウェル24を有するマルチウェルプレート22を保持するための、一般的には開放された内室20に通じている(同様の内室が入口16と通じている)。プレート22が内室20内に置かれるときは、該プレートは共通電極28を有するチャンバー26に保持される。使用時には、チャンバー26は電解質溶液で満たされており、本明細書に記載するように共通電極28に電圧を加えることによりウェル24の各々にある開口部を通って電流が提供される。共通電極28は、共通電極28に電流を提供するための適当な電子回路を有する制御ユニット29に接続されている。
【0044】
分注装置を用いて各ウェル中に化合物を分注する。例えば、内質20の上方に、複数の分注チップ32を有するマルチウェル分注装置30が配置されている。各分注チップ32は、制御ユニット29内のリザーバにつながっているライン34に接続されている。こうして細胞が懸濁された溶液を各分注チップ32に供給することができ、次いでその分注チップが溶液中の細胞(数百〜数千の細胞)をプレート22のウェル24に供給する。
【0045】
各ウェル中で試験される各細胞または細胞膜の電気生理学的特性を測定するために電極および電子回路が備えられている。例えば各分注チップ32は更に、共通電極28からのリターン電流の経路を提供するウェル電極36を含む。他の実施形態では、該電極は分注チップと分離しており、例えば、ウェルの側面部に組み込まれていてよく、また、ウェルの側面部または端部(end)上の薄膜電極であってよい。各ウェル電極36は制御ユニット29内の電子回路と連結されており、ウェル24内の各開口部中に沈着された細胞の細胞膜を横切って電圧勾配が形成される。更に、制御ユニット29は各細胞膜について電圧および電流の変化を測定および記録するのに好適な電子回路を含む。
【0046】
該装置はまた、ウェルまたはチャンバーを排水する能力、およびギガシールの形成を容易にするために陽圧または低真空を維持する能力を有していてもよい。各ウェル24の開口部から内部に細胞を捕捉するために、各ウェル22とチャンバー26との間に圧力差を付与する。細胞をウェルに分注する一方で、下記の通りにギガシールの形成を補助するためにチャンバー26を僅かに陽圧または僅かに陰圧に圧力調整することができる。これは、各分注チップ32の各々を通して陽圧を付与するか、またはチャンバー26内を真空にすることにより行うことができる。制御ユニット29はこの真空を制御することができる。
【0047】
制御ユニット29は更に、電気生理学的特性を記録し記憶するための好適な電子回路を含む。制御ユニット29は、このデータを、将来使用するために、別のコンピューターまたは他の記憶装置に電子的に移転することを可能にする好適な入力ポートおよび出力ポートを含んでいてよい。
【0048】
更にまた、制御ユニット29を用いて、プレート22が入口14内に挿入された後に、分注チップ32をウェル24中に降下させることもできる。分注チップ32を降下させてから、制御ユニット29を用いて、上記のように溶液中の細胞をウェル24の各々に分注することができる。操作が完了したら、制御ユニット29を用いて、入口14からプレート22を自動的に排出することができる。そうすれば該プレートを取り出して廃棄することができる。
【0049】
図5は、本発明の一実施形態による電気生理学的測定装置の他の実施形態を図示する。装置38は複数のウェル44を有するマルチウェルプレート42を保持するための内部を有するハウジング40を備える。図示の便宜のために、3つのウェルのみを示す。しかしながら、装置38は多様なウェル構造を有するように構成することができることが理解されよう。一例においては、ウェルは深さ約800μm、直径約2mmである。更に、プレート42は水平である必要はなく他の向きに置かれていてよい。プレート42の下には、電解質溶液を保持するためのチャンバー46が配置されている。チャンバー46内には、金属プレートで構成された共通電極48が往復運動できるように(reciprocatably)配置されている。電極48は、本明細書に記載するように、細胞膜を横切って電圧勾配が形成され得るように適当な電子回路と接続される。
【0050】
プレート42の上方には複数の分注チップ52を有するマルチウェル分注装置50が配置されている。分注装置50は、プレート42が装置38内に挿入された後に分注チップ52がウェル44内に挿入されるように構成されている。分注チップ52は、本明細書に記載のようにウェル44に圧力差がかかったときに分注チップ52とウェル44との間を密閉するためのシール54を含んでいてよい。各分注チップ52は更にウェル電極56を含む。こうして、細胞または細胞膜の電気生理学的特性の測定を行うときに共通電極48とウェル電極56との間に電圧勾配が形成され得る。電極56は更に、図5に記載のように、適当な電子回路と接続されて、電圧および電流の測定値を収集して記録できるようになっている。
【0051】
各ウェル44の端部は、共通電極48とウェル電極56との間に電流の経路を提供する、先細りになった貫通開口部 (through opening) 58を備える。このような構成により、細胞60は分注装置50を用いてウェル44内に分注され得る。細胞60は電気伝導性の溶液として分注される。チャンバー46はまた、各ウェル44中の細胞の細胞膜を横切って電圧勾配が形成されるように電気伝導溶液で満たされていてもよい。
【0052】
図6〜9は本発明の実施形態による装置38の使用方法を図示する。図6は、図5に示すスクリーニング装置のウェルのうちの1つにある開口部を図示する、一実施形態のより詳細な図を示す。溶液中の細胞60は分注装置38を用いて各ウェル44中に分注される。共通電極48は、貫通開口部58の各々に対応する複数の開口部62を備える。最初に、共通電極48を、開口部62が貫通開口部58とずれるようにシフトさせることができる。このとき、ウェル44中の溶液はチャンバー46内に流入することはないであろう。
【0053】
図7に示すように、開口部62と貫通開口部58とが整列するように電極48を平行移動させる。これにより、ウェル44中の溶液はチャンバー46内に流入する。更に、図示するように、細胞60のうちの1つが貫通開口部58の端部に引き寄せられるように圧力差を形成させてもよい。このような圧力差は、分注チップ52から陽圧を供給することにより、および/または、チャンバー46内を真空にすることにより形成され得る。圧力の大きさは、細胞60と貫通開口部58の側面部との間に形成されるシールの種類に応じて変化し得る。例えば、細胞60と貫通開口部58の側壁との間に高抵抗シールが形成されるように、貫通開口部58の側面部は接着剤様物質を任意に含んでいてよい。そのような接着剤は図中では参照番号64により示されている。また、細胞60と貫通開口部58の側壁との間にギガシールが形成されるように、圧力差を形成させることができる。任意に、電極間に電圧差を形成させて電位差を生じさせることにより、適切なシールが形成されたか否かを確認することができる。適切なシールが形成されていない場合は、ギガシールを有していないウェルを検討から除外する。
【0054】
図8に示すように、電極48を平行移動させて、貫通開口部58の下に伸びた細胞60の底部に穴をあけることができる。従って、一実施形態では、図9に示すように共通電極48が元の位置に戻り電圧勾配が加えられると、細胞60の内部が共通電極48と同じ電位におかれ得る。
【0055】
本発明の任意の実施形態においては、高抵抗シールまたはギガシールにより包囲された細胞壁部分を切断して「貫入パッチ(penetrated patch)」が形成される。これは、例えばプレートに隣接して配置されたカッターを用いることにより実現することができる。当該カッターにより、ウェルの端部の下方に突き出した細胞に1つ以上の開口部 (opening) を切除または形成することができる。共通電極は、当該カッターとして機能するように構成されてもよい。細胞の内部は共通電極の1つと同じ電位に置かれ得る。あるいは、圧力または電気パルスを用いて、または、Nystatinもしくは他の抗生物質を含む開口部形成溶液を用いることにより、細胞の底部に穴を開けることができる。更に、電極48をカッターとして使用する替わりの方法として、装置38は大きな圧力パルスを用いて細胞60の底部を破壊するか、または、Nystatin溶液を用いて細胞60の底部に穴を形成させることができる。
【0056】
図9に示す位置では、電気生理学的特性の測定を、電圧勾配を形成させて細胞膜のイオンチャネルを通過する電流を測定することにより行うことができる。このように、装置38を用いることにより、複数の細胞または細胞膜を並行して高スループットで評価することができる。測定を行った後は、プレート42を取り出して廃棄することができる。
【0057】
図10は本発明の測定装置のいずれかに使用できるマルチウェルプレート66の一実施形態を示す。プレート66は「上」端70および「底」端72を有するプレートボディ68から構成される。該プレートボディには複数のウェルが形成されており、各ウェルは上端70において開放されている。更に、図11に示すように、各ウェル74は「底」端76を有している。底端76がガラスで構成されていながら、プレートボディがプラスチックで構成されていてよい。例えば、ガラスシートがポリスチレン製の96ウェルプレートの底部に接着されていてよい。このために、プレート66は比較的安価に製造することができ、使用後に廃棄することができる。
【0058】
図11A〜11Fは、本発明の測定装置のいずれかに使用することができるマルチウェルプレート66の実施形態をより詳細に示す。図11Aは、図11のマルチウェルプレートのウェル74の、細部Aで示したより詳細な図を示す。図11Bは、図11Aのウェル74の、細部Bで示したより詳細な図を示す。図11Cは、図11のマルチウェルプレートのウェル74のうちの1つの断面図である。図11Dは、図11Cのウェルにある貫通開口部の、細部Dで示したより詳細な図である。図11Eは、図11Dの貫通開口部の、細部Eで示したより詳細な図である。
【0059】
本発明の実施形態にしたがって、異なる幾何学的形状を有する幾つかの異なる種類の孔が用いられる。一実施形態(図11E)では、約30μmの直径を有し、その直径が狭まって直径約2〜5μmの貫通孔(through hole) 80になっている、円錐形の開口部78である。各々の底端76には、細胞を受容する開口部78が形成される。開口部78のテーパ角度および貫通孔80の大きさは、細胞の種類および平均的な細胞のサイズに応じてギガシールを最適化するために変化させてよく、例えば、テーパ角度は約1°〜90°であり得る。本発明の一実施形態では、細胞は約8μm〜80μmの平均直径を有する。別の実施形態では、細胞は約8μm〜12μm、或いは10μm〜12μmの平均直径を有する。
【0060】
本発明の一実施形態では、貫通開口部78を形成するための1つの技術はレーザードリル法または関連する技術を用いるものである。レーザードリル法は、集束(focused)レーザーエネルギーを材料に反復してパルス照射し、貫通孔が形成されるまで層ごとに気化させる方法である。この方法により、「ポップされた(popped)」または「打撃ドリルにより穿孔された(percussion drilled)」孔として知られているものが形成される。材料および材料の厚さによっては、ポップされた孔は直径が1μmほどの小ささにもなり得る。より大きな孔(直径100μmよりも大きいもの)が必要であれば、一度材料を貫通させた後にレーザーを、所望の直径に沿って、作業している片に対して移動させることができる。最終的には、高品質の孔を作成するための迅速で効率的な方法となる。好ましくは、紫外レーザーを用いてこれらの孔を作成するのであるが、赤外レーザーを使用することもできる。更に、レーザードリル法を自動化して、孔の穴あけをより精密で正確なものにすることができる。
【0061】
図11Fでは、プレート90にある開口部85は形状が実質的にあまり円錐形ではなく、表面に対して垂直に引いた線から数度しかずれていない。開口部85は更に、「大」端部(”large” end)86および「小」端部(”small” end)87を有しており、各々がそれぞれ異なる直径97および99を有しているという点により特徴付けられる。本発明の一実施形態では、開口部85は、大きな側86において約7〜9μm、小さな側87において約1〜3μmの直径を有する。この実施形態では、図11Fにおけるガラスプレートの厚さ91は約100μmである。
【0062】
本発明の一実施形態では、図1に示すように、円錐形の開口部の大きい方の端部が細胞に密着し(engage)、小さい方の端部がチャンバーに向けて開放されている。本発明の他の実施形態では、大端部と小端部とが逆向きであるために開口部の小さい方の端部が細胞に密着する。
【0063】
図12は本発明の他の実施形態を示しており、この場合は孔がカウンターボアと貫通孔との二段階で構成されている。比較的大きな(約80〜100μmの直径102を有する)開口部であるカウンターボア(または止まり穴)100は、マスクを用いて100〜120μmの厚さのガラスディスク105の途中までドリルで穿孔して、100μmの厚さのガラスに約80〜100μmの深さ101になるようにする。あるいはカウンターボア100は、マスクを用いずにドリルで穿孔される。続いて、第二の僅かに円錐形をした「貫通孔」115を、カウンターボアの穴の底に残った約15〜20μmのガラスに約2μmの直径を有するように穿孔する。この実施形態におけるレーザードリルで穿孔された孔は僅かに先細りになっており、2〜5°の角度を有する。この僅かな先細りはレーザードリル法によるものである。細胞120は、カウンターボアよりはかなり小さいが貫通孔の開口部よりは大きく、ギガシールが形成されるときは貫通孔上に位置する。
【0064】
上述の通り、一実施形態ではカウンターボア100および貫通孔115はレーザーを用いて穿孔される。カウンターボア100のためのレーザーは193nmの波長を有しており、貫通孔115のためのレーザーは248nmの波長を有している。あるいは、レーザーはカウンターボア100および貫通孔115の両方のために約150〜300nmの波長を有する。孔を穿孔するのに用いられる波長は用いられるガラス(またはその他の材料)の種類により決定される。ガラスには248nmを充分に吸収しないものがあり、その場合は193nmのレーザーを使用することができる。他の実施形態では、カウンターボア100および貫通孔115の両方が同一の波長のレーザー(例えば248nmのレーザー)を用いて穿孔され得る。同一のレーザーを用いる場合は、異なるマスクを用いてレーザービームの直径を変えることができる。
【0065】
図13Aは、本発明の一実施形態によるマルチウェルプレート(例えば複合96ウェルプレート)の他の実施形態の斜視図を示す。ガラスプレートまたはシート125は、複数の開口部を有する。開口部は、本明細書に記載された方法のいずれかを用いて作成することができる。プラスチック130(例えばシリコンエラストマー)の層もまたより大きな孔のアレイを有しており、それがガラスプレートに載せられているかまたは接着されていてよい。得られたガラス/プラスチック複合体は本発明の実施によるマルチウェルプレートを構成する。
【0066】
図13Bは、試験用真空固定具(vacuum fixture)をも示す、本発明の一実施形態による、ガラスプレートおよびプラスチックシートを含むマルチウェルプレートの分解図である。図13Bはまた、真空固定具135を更に含む低部チャンバー (lower chamber) をも示す。
【0067】
図13Cは、本発明の一実施形態によるマルチウェルプレートの1つのウェル121の拡大斜視図を示す。ウェル121は、開口部140を有するガラスプレートまたはシート125に接着されたプラスチック層130を備える。開口部140はカウンターボアおよび貫通孔からなっていてもよい。従って、ウェル121の側面部はプラスチック130からなり、ウェル121の底面部はガラスプレートまたはシート125からなる。
【0068】
図13Dは、本発明の一実施形態による1つのウェル121の別の拡大斜視図を示す。ウェル121のこの「隠れ線表示」図は、上部開口部145と底部開口部150とを有する貫通孔をより明確に示す。この場合も、ウェル121の側面部はプラスチック130からなり、ウェル121の底面部はガラスプレートまたはシート125からなる。
【0069】
図14は、本発明の一実施形態によるパッチクランプマイクロチャンバーの1つの実施形態を示す。該装置は細胞210を含む溶液205を受容するためのウェル200を有する。一実施形態では、ウェルは更に塩化銀で被覆された銀からなる電極215を備える。図14では該電極はプレート220上に載っているように描かれているが、本明細書において記載するように、該電極はウェルの側壁225に接続されていてもよいし、または他の実施形態では、図3に示すように液体分注システムの一部分であってもよい。図14によるパッチクランプマイクロチャンバーは更に、第二電極235とともに電気伝導性の緩衝溶液を保持するチャンバー230を備える。本発明の一実施形態では、該チャンバーの底部は開口部245を検査するための窓240を有する。開口部245は個々の細胞210を受容するので、本明細書に記載のように個々の細胞210について測定が行われる。このような測定により、細胞または細胞膜の電気生理学的特性を測定することができ、ピペットに基づくイオンチャネル記録のために設計された市販のパッチクランプ記録用電子機器(例えばAxon InstrumentsまたはHEKA Elektronikにより製造されたシステム)を用いて記録される。
【0070】
図14について更に言及すると、パッチクランプマイクロチャンバーは、マイクロチャンバー内部の緩衝溶液の圧力を制御するための該チャンバーから延びたチューブ250をさらに備えていてよい。一実施形態では、真空源255がチューブ250を介してマイクロチャンバーに連結されておりチャンバー内部を真空にする(例えば-1〜-5 kPaまたは-1〜-2 kPa)。真空(または陰圧)により細胞が開口部245に吸引されて、ギガシールの形成を補助する。
【0071】
他の実施形態では、同じチューブから陽圧を加える。そのような圧力差により清浄緩衝液を開口部から吹き込み、細胞が開口部に近づくまで開口部から異物(debris)を遠ざけることによって、開口部内への細胞の沈着および細胞膜と開口部222を囲む表面との間のギガシールの形成が容易になる。あるいは、細胞を添加するときに開口部を通してウェルに陽圧を加えることができる。図14には、セル電極215と235との間の比較的短い距離、および、入力シグナルを増幅して強いシグナル出力265をもたらす増幅器260もまた明示されている。
【0072】
図14に示されるパッチクランプマイクロチャンバーは1個または複数個の細胞を受容するためのウェルを有する。一実施形態では、パッチクランプマイクロチャンバー装置のウェルの容量は最小のものであって、試験化合物の取り扱いおよび細胞の生存のための必要最小限のものである。例えばウェルの容量は約300μLであって、ウェルの底部は直径数ミクロンの開口部を有する。
【0073】
パッチクランプマイクロチャンバーはさらに、溶液中の細胞をウェル中に入れるように構成された分注器を有する液体分注システムを備えることができる。この場合は、例えば自動ロボットを用いてウェルに細胞を供給することができる。ウェル内に位置し得る第一電極が備えられている。ウェル電極は、自動ロボットにより電極の配置および取り出しが制御されるように1つ以上の分注器と連結されていてよい。各分注器はウェルとシールを形成するためのシール部材を含んでいてよく、そうすれば各ウェルに陽圧を加えることができる。あるいは、液体分注システムはアドレス可能なウェルのアレイに液体を分注することができる。このときウェルの各々は自動液体分注システムにより独立してアドレス可能である。該ウェルは、分注システムが個々のウェルを特定して、特定のウェルに特定の細胞(または細胞型)を入れることができるようにアドレスすることができる。
【0074】
他の実施形態では、パッチクランプマイクロチャンバーは細胞を受容するための複数のウェルを有するプレートを備える。複数のウェルを有するパッチクランプマイクロチャンバーは更に、電気伝導性緩衝溶液を保持するのに用いられる、各開口部に隣接して配置された共通チャンバーを備えていてよい。一実施形態では、共通電極が該チャンバー内に配置されているとともに、ウェル内に位置して、開口部内に細胞の細胞膜を横切って電圧勾配を形成することができる複数のウェル電極を備えている。こうして、複数の細胞または細胞膜の電気生理学的特性を同時に測定することができる。他の実施形態では、個々のウェルがそれぞれに別個のチャンバーを有している。
【0075】
本発明の他の実施形態によれば、溶液中の細胞を各々のウェル中に入れるように構成されていてよい複数の分注器を有するマルチチャネル液体分注システムが提供される。こうして、各ウェルに、例えば自動ロボットを用いて細胞を供給することができる。本発明の一実施形態では、ウェル電極は、自動ロボットにより電極の配置および取り出しが制御されるように分注器と連結されていてよい。各分注器はウェルとシールを形成するためのシール部材を含んでいてよく、そうすれば各ウェルに陽圧を加えることができる。
【0076】
図15は、本発明の一実施形態による、ガラスディスクを有するパッチクランプマイクロチャンバーの一実施形態を示す。該装置は細胞320を含む溶液310を受容するためのウェル300を備える。該ウェルは更に、開口部340を備えた、チャンバー350からウェルを分離するガラスディスク330を備える。電極は、例えば図14に示すような複数の方法で構成されていてよい。ガラスディスク330はマイクロチャンバーに適合し、1つ以上の開口部340を備えている。本発明の一実施形態では、ガラスディスク330はマイクロチャンバーから取り外すことができ、他のマイクロチャンバーまたはそのアレイに使用することができる。一実施形態では、真空源360がチューブ370を介して該マイクロチャンバーに接続されており、チャンバー内を真空にすることができる。このような真空により開口部340内に細胞が沈着され易くなり、高抵抗シールが形成される。
【0077】
レーザードリルで穿孔されたガラスプレートまたはシートの開口部を囲む表面は、細胞膜とウェル中の開口部の表面との間の高抵抗シールの形成が促進されるように修飾されていてよい。このような修飾としては、限定するものではないが、ガラスプレートを加熱すること(例えばオーブンによる焼成)、開口部222を囲むプレートの表面に接着剤様物質を接着させること、または、開口部222を囲むプレートの表面に脂質を共有結合させること、が挙げられる。あるいは、ウェルに開口部を穿孔する前にプレートの表面を本明細書に記載のように修飾することができる。
【0078】
一実施形態では、実験の前にガラス、ガラスディスク、シートまたはプレートを、例えば該ガラスの軟化温度の近くまたはその温度にまでガラスを(例えばオーブンによる焼成により)加熱することにより、加熱処理する。ガラスの軟化温度とは、ガラスが脆性固体のように振る舞うことを止めて液体のように流動し始める、ガラスが十分な粘性を喪失する温度である。例えば、ホウケイ酸ガラスは736℃の軟化温度を有しているため、加熱処理は700℃にて3〜10分間行うことができる。加熱温度および時間は更に、孔の幾何学的形状、寸法(例えばカウンターボアの深さ、貫通孔の円錐角など)、ガラスの種類、およびガラスの厚さによって変化し得る。ガラスは外部の熱源から加熱されるために、またガラスは開口部付近で最も薄いために、加熱処理は開口部を囲む表面を修飾する効果を有する。ガラスを加熱することによりギガシールの質が向上する。ある例では、図12に示されるようなレーザードリルにより穿孔されたカウンターボアおよび貫通孔を備えた実際に用いたパッチクランプマイクロチャンバーは、加熱前に抵抗を測定したところ約725MΩであった。加熱後は、抵抗値は10GΩの高い値であった。加熱処理または焼成の後、ガラスを直ちにパッチクランプ実験のためのマイクロチャンバーに組み込むことができる。
【0079】
ガラスの軟化温度は例えば次の方法を用いて測定することができる。該方法は“http://enterprise.astm.org/PAGES/C338.htm”(参照によりその全体を援用する)において知得することができる;
1.この試験方法は、所定の許容誤差を伴う名目的には直径0.65mm、長さ235mmのガラスの丸型繊維が、その長さの上部100mmを5+1℃/分の速度で所定の加熱炉中で加熱したときに自重により1mm/分の速度で伸長する温度を測定することによりガラスの軟化点を測定することを包含する。
【0080】
2.この標準法は、それを使用するに際して何らかの安全上の問題がある場合にその問題点の全てを解決することを意図するものではない。適切な安全性および健康上の措置を講じることならびに使用前の規制による制限の適用を決定することは、この標準法の使用者の責任である。
【0081】
本発明の一実施形態では、開口部を囲むプレートの表面は、該開口部を囲む側壁または表面に接着剤様の物質を塗布することにより修飾される。このことは例えば、接着剤様物質を含むリザーバ中にマルチウェルプレートの底部を浸漬し、続いて該プレートを揺らすかまたはプレートの一方の面に小さな圧力を加えることで過剰の接着剤を除去することにより行うことができる。同様に、接着剤様物質を塗布するための他の既知の技術を使用してもよい。ウェル中に分注されると、細胞は各ウェルの壁面と緊密にシールされた接触面(ギガシール)を形成して、電気生理学的特性を測定することができる。接着剤用物質としてはシリコンに基づく接着剤、ワセリン/パラフィンに基づく組成物などが挙げられる。このような接着剤用物質は好ましくは化学的に不活性なソフトグリース様の物質である。これによって貫通開口部の表面に細胞が付着してギガシールを形成することが可能になる。一実施形態では、約600メガオーム〜約1.1ギガオームの漏洩抵抗を有するシールが形成される。
【0082】
本発明の他の実施形態では、接着剤様物質または脂質の表面コーティングを、開口部を囲む側壁または表面上に配置することができる。こうして、各細胞と各ウェルの開口部との間に高抵抗シールが形成される個々のウェル中に細胞を入れることにより、複数の細胞を同時にスクリーニングすることができる。複数のシール形成を可能にすることにより複数のシールが形成されると、電気生理学の技術を用いて複数の細胞を同時に評価する場合に高スループットなスクリーニングが容易になる。
【0083】
図16は、本発明の一実施形態における、ガラスなどのプレート表面への脂質の共有結合による連結を示す。細胞膜は脂質二重層を含む。脂質二重層の両方の層はリン脂質分子から成っており、各々は極性の「頭部」と非極性の「尾部」とを有している。水中では、リン脂質分子はその極性頭部が周囲の水性環境に面し、第二層の極性末端は細胞質ゾルの水性環境に曝されるように整列している。各層の非極性末端は接触しており、細胞膜の「内部」を構成している。
【0084】
表面へのリン脂質層の結合は、共有結合または非共有結合により達成することができる。例えば、ガラス表面を官能化することができ;例えば当業者に既知の方法を用いてシリカおよびガラス表面にアミノ-シラン部分を連結することにより反応性を付与することができる。
【0085】
修飾された表面に共有結合するのに好適な種々の官能基を有する脂質は、例えばAvanti Polar Lipids, Inc.から市販されている。本発明のある側面では、本発明における修飾された表面に結合させるために、このような官能基化された脂質を使用することができる。例えば表面上に固定された分子に官能基化された分子を共有結合させる方法は当業者に知られている。
【0086】
本発明の一実施形態では、好適な脂質上の好適な相補的官能基として、求核基および炭素求電子基が挙げられる。「求核基」および「求電子基」の用語は、合成および/または物理有機化学における通常の意味を有する。炭素求電子基としては、炭素自体よりも大きなポーリングの電気陰性度を有する任意の原子または基により置換された1種以上のアルキル、アルケニル、アルキニルまたは芳香族(sp3、sp2、またはsp-混成)炭素原子が挙げられる。好ましい炭素求電子基の例としては、限定されるものではないが、カルボニル(特にアルデヒドおよびケトン)、オキシム、ヒドラゾン、エポキシド、アジリジン、アルキルハライド、アルケニルハライド、およびアリールハライド、アシル、スルホナート(アリール、アルキルなど)が挙げられる。炭素求電子基の他の例としては電子吸引性基と電子的に共役した不飽和炭素が挙げられ、例えばα,β-不飽和ケトン中のβ-炭素またはフッ素置換されたアリール基中の炭素原子である。一般的に、炭素求電子基は炭素求核基を含む相補的な求核基による攻撃を受けやすい。その場合、求核基と求電子基との間に新しい共有結合が形成されるように、攻撃性の求核基が炭素求電子基に電子対を付与する。
【0087】
本発明の一実施形態では、好適な炭素求電子基として、カルボニル、エポキシド、アジリジン、環状硫酸塩およびスルファミド酸塩(sulfamidates)、ならびにアルキルハライド、ビニルハライドおよびアリールハライドが挙げられる。本発明のある一実施形態では、好適な求核基として、第一級および第二級アミン、チオール、チオール酸、およびチオエーテル、アルコール、アルコキシドが挙げられる。これらの求核基は、好ましい炭素求電子基と組み合わせて用いた場合に、典型的にはホーミングペプチド (homing peptides)とスカフォールド (scaffold) との間にヘテロ原子結合(C-X-C)(ここで、Xは酸素または窒素のようなヘテロ原子である)を形成する。
【0088】
本発明の他の実施形態では、リン脂質が、光により活性化されたときにガラスプレートまたは他の基材と結合するのに好適な光反応性(photolabile)の官能基を含んでいてよい。
【0089】
アミンまたは活性化されたカルボニル官能基(例えばN-ヒドロキシスクシニル(NHS)エステル)を有するリン脂質は、相補的な官能基を有する表面に連結され得る。例えば、アミンを有する脂質はNHSエステル基を有する表面と、アミド結合を形成しつつ反応するであろう。同様にして、NHSエステルを有する脂質はアミンを有する脂質と、この場合もまた同時にアミド結合を形成しつつ、反応するであろう。相補的な官能基の置換(permutation)の選択は、細胞型、他の成分の存在などの実際の実験条件に依存する。本発明の1つの有利な形態は、パートナーを連結するためのモジュールアプローチである。共有結合を形成することができる他の相補的な炭素求電子基および求核基を当業者は想定することができ、それらは本発明の範囲に属する。例えば、チオール(-SH)官能基を有するリン脂質は、チオール(-SH)を有する表面にもジスルフィド結合の形成により連結され得る。
【0090】
図16について更に言及するが、ガラス表面600は、既知の方法を用いてアミノシラン620により官能基化され得る水酸基610を有している。当該技術分野で知られた他の方法によって他の反応性基をガラス表面に固定化することができる。官能基化された脂質に連結するのに好適な他の官能基化されたガラス表面は、アルデヒド、エポキシド、マレイミド、ニッケルキレート、ストレプトアビジン、ビオチン、チオールなどを含む。
【0091】
図16に示されるアミノシランは5つの-CH2-基を有する炭化水素リンカーを有するが、当業者は実際のリンカーの長さは変化し得ることを理解するであろう。図16では、アミノシランの末端は、相補的な求電子官能基650を有する脂質分子640に共有結合するのに好適なアミノ基630である。結果として起こる連結により新しい共有結合660が生じる。この表面の化学反応により、ガラス表面上で脂質分子が高密度になる。
【0092】
図17は、本発明の一実施形態による、パッチクランプ装置における開口部720を囲む表面710への脂質分子700の共有結合を示す。この実施形態では、各脂質分子の一方の末端が表面に付着しており、他方の末端は細胞膜と自由に相互作用できるようになっている。本発明の一実施形態では、そのような共有結合により結合された層が膜になっていてもよい。こうして、表面と細胞との間にギガシールが形成される。
【0093】
孔を囲む表面にリン脂質を選択的に結合することができる。本発明の一実施形態では、脂質を共有結合する前にプレートまたは基材に孔をレーザードリルにより穿孔することができる。次に、光反応性の官能基を用いて脂質を選択的に連結することができる。プレートまたはディスクの他の領域は光マスクすることができる。
【0094】
液体による化学的処理を用いて細胞膜のポリマー表面に対する親和性を高めることもできる。一例は苛性ソーダ溶液への曝露である。アルカリ溶液はポリマーの表面においてエステル基を加水分解して濡れ性を高めると共に、荷電した二極性脂質膜に対する表面の親和性をも高める。
【0095】
本明細書に開示されるパッチクランプ装置の種々の実施形態には、圧力制御システムが含まれる。図18AおよびBは、例えば圧力制御システムを用いる、本発明の一実施形態によるギガシールの形成を示す。ガラスプレート800は開口部810を備えている。該開口部の幾何学的形状は本明細書に開示されたいずれのタイプのものであってもよい。上部チャンバーを細胞を含む溶液840で満たしながら底部チャンバーに陽圧820を加える。特定のいかなる理論にも束縛されることなく、そのような条件は、孔から細胞を含有するウェルに向かって外向き830に発散される、清浄細胞内液の膨張領域または「バブル(bubble)」を形成する効果を有する。微小流体の特性(micro fluidic properties) がある場合は、清浄流体の膨張バブルが乱れることなく形成される。実験によれば、清浄液体は、その後細胞が開口部に密着したときに起こるギガシールの形成に影響を与えることなく、孔を通って流動できることが示された。
【0096】
通常の健常細胞は死細胞または罹患細胞よりも高いタンパク質含量を有しているので、細胞破片および死細胞よりも密度が高い。健常細胞はより高密度であるから、死細胞または罹患細胞よりも速く沈む。健常細胞とほぼ同じ程度に高密度であってよい細胞の凝集塊は、健常または「良好な(good)」単一の細胞よりも、重量に対する流体力学的抗力の比が大きく、これもまたよりゆっくりと沈む傾向がある。清浄液体830のバブルが膨張することにより、細胞破片および細胞凝集塊は「良好な」細胞よりもより遠くに運び去られる。したがって、「バブル」は、細胞の集合が底に沈む間に、細胞破片および細胞塊を「良好な」細胞よりも孔からより遠くに運び去ることができる。
【0097】
適当な構成が確立されたのちに(図18B)、吸引または陰圧850を加えて、清浄液体の「バブル」をしぼませる。バブルがしぼむにつれて、「良好な」細胞860が細胞破片および細胞塊よりも先に孔に吸引される。こうして、ギガシールが確実に形成され、「良好な」細胞はバブル860の内側に留まる。一方で、死細胞または罹患細胞および細胞破片はバブル850の外側に留まる。
【0098】
次の段階的なプロトコールは、本明細書に開示されるパッチクランプ装置のいずれかを用いて確実にギガシールを形成するために使用することができるプロトコールの例である。第一にパッチクランプチャンバーを装着し、電極を適切に組み込む。第二に、約100μLの細胞を5百万個/mLにて上部ウェルに分注する。ここで該ウェルには予め約10μLのリンガー溶液(ピペットの内部の溶液)が加えてある。第三に、圧力を底部チャンバーに加える。一実施形態では、10mLのシリンジを用いて圧力を加える。このシリンジを10mLから5mLに圧縮すると約14psiの圧力になる。次にプランジャーを開放する。プランジャーは一般的に、約0.3psiである9.8mLにまでゆっくりと戻る。第四に、1分間待つ。これまでの実験により細胞は一般的に1分間で落ち着くことが示されていることから、1分間が待つ時間の長さの好適な例である。第五に、-5kPaの圧力にて吸引を行う。
【0099】
上記の手順およびパラメーターは特定の細胞および他の実験上の可変条件に合わせて最適化してよい。ギガシール形成の高い成功率はこの手順により達成することができ;80%の全体的な成功率が達成できる。他の実施形態では、本発明の装置および技術により、マルチウェルプレートのウェル中で細胞と開口部との間にギガシールが形成され易くなる。
【0100】
本発明は更にイオンチャネルアッセイのスクリーニングを自動化するための方法を提供し、多くの化合物および多くの細胞を一度に並行して処理することを可能にする。本発明は例えばCHO、Jurkat、HEK、およびhERGである天然の細胞系を利用することができる。本発明は、スループットが高められた同一の実験において、複数の標的に対して同一の化合物をスクリーニングすることを可能にする。
【0101】
マルチチャンネルにより、複数の標的イオンチャネルに対して同一の薬物分子を同一の実験においてスクリーニングすることが可能となる。薬物発見用ツールとして用いた場合、本発明を用いて薬物がイオンチャネルの良好なモジュレーターであるか否かを決定することができる。本発明は最大限の柔軟性と各ウェルの構成成分の制御を可能にする。該装置では、細胞型、薬物候補物質、緩衝液、イオン濃度などの各ウェルの成分が、行おうとしている実験に応じて異なっていてもよい。
【0102】
本発明は、イオンチャネルを「バイオセンサー」として使用することを可能にする。薬物は、開閉型イオンチャネルに直接作用する以外に、細胞内の他の分子標的に作用することができ、また、イオンチャネル活性に作用することができる。本明細書で開示された装置および方法を用いた電気生理学的特性の測定により観察される効果は、薬物活性の機構と相関している場合が有るとともに、例えば特定の薬物の有効性などのように薬物の濃度という観点から定量化できる場合がある。このような正確な測定は、薬物の候補をお互いに比較または区別する場合に有用である。
【0103】
本発明の一実施形態では、特定のイオンチャネルの速度論的挙動を変化させる細胞内のタンパク質キナーゼおよびホスファターゼの薬物誘発調節を、本明細書で開示される装置および方法を用いる高度に正確な電気生理学的アッセイにより検出し記録することができる。更に、幾つかの細胞系を用いて、特定のキナーゼ、ホスファターゼに対する同一の薬物の影響、イオンチャネルのリン酸化反応、およびチャネル自体に対する薬物の影響を評価することができる。
【0104】
他の実施形態では、該装置を用いて正確なpH変化を測定することができる。プロトン開閉型(proton-gated)イオンチャネルはプロトン(H+、または代わりにヒドロニウムイオン(H3 +O))のみに対して選択的である。このようなプロトン選択的イオンチャネルは天然のpHメーターである。なぜなら、異なるイオン濃度を有する2種類の溶液をイオンチャネルのような選択性膜で分離した場合、濃度を電位差として測定することができるからである。更にまた、このような差異が存在する場合、イオンは不均衡を解消するように移動するであろう。この流動はイオン電流として観察することができる。
【0105】
ある市販されているpHメーターは、使用している半透性ガラス膜が他のイオン例えばナトリウムイオン(Na+)により干渉を受けるので、正確さに欠ける。プロトンイオンチャネルはプロトンに対して選択的であるので、イオンチャネルに基づくpHメーターは当該技術分野における既存の状況を改善するものである。このように本発明は、微小な生理機能測定器の代替物として働くことができる。
【0106】
本発明の他の実施形態では、本明細書に開示される装置および方法を用いて薬物発見のための「プロトンバイオセンサー」を構築することができる。特定の薬物が細胞内に導入されると細胞内のpHが変化することがある。更に他の実施形態では、該装置自体が、例えば薬物が細胞膜を通過できない場合に、pHメーターとして機能し得る。この場合は、測定されたpH変化はウェル中の溶液のpHに対応する。
【0107】
本発明の1回の実験からの電気生理学的情報の出力は、本質的に同時に記録された複数のパラメーターを包含し得る。本発明の技術はまた、細胞の細胞質を透析することを可能にする。それにより、細胞内液から特定のイオンを導入または除去して細胞内液の組成を調節することが可能となる。この方法により、実験で細胞の細胞質を透析して、他の種類のチャネルを排除しながらチャネルのうちの1種類を評価することができる。これにより1つのチャネルを、他を排除しながら最適化できる。更に、電気生理学的方法は高度な選択性を有しており、単一のチャネル分子の活性を記録することが可能である。本発明の技術はまた、高度な時間的分解能(ミリ秒以下の範囲)を有しており、すぐに失活するNaチャネルのような幾つかのイオンチャネルの標的に対して有用である。
【0108】
イオンチャネルを通過するイオン電流は数ピコアンペア(pA)のオーダーであるから、正確に測定するのが困難である。本発明の一実施形態では、セル電極と増幅器との間の距離を比較的短く(例えば数ミリメートル)することにより電気的なノイズのピックアップを最小化する。本発明の一実施形態では、ウェルの内部の電極をチップに接続させるのに必要十分な距離である。こうして、チップに基づく増幅器はpAの信号をmVの信号に明晰に変換することができる。共通のマルチチャンネルデータ収集ボードはこの信号を困難なく収集することができる。
【0109】
更に他の側面では、各ウェルについて電圧値および/または電流値を測定するための電子回路が提供される。液体分注システムおよび該電子回路の操作を制御するためのコントローラもまた提供される。更に、電圧勾配を形成するために共通電極に電圧源が接続される。
【0110】
別の実施形態では、本発明は複数の細胞のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法を提供する。この方法は、それぞれ端部を有する複数のウェルを備えたプレートを利用する。ウェルのうち少なくとも一部のウェルは端部に開口部が形成されており、チャンバーはプレートの下方に配置され、かつ電解質溶液で満たされている。共通電極もチャンバー内に配置されている。このような構成で細胞をウェル内の溶液中に分注する。ウェルとチャンバーとの間に圧力差を設けることで細胞を開口部に集めて、細胞とウェルの端部との間に高抵抗シールを生じさせる。各ウェル内に位置する共通電極とウェル電極の間に電位差を設ける。開口部内に位置する細胞または細胞膜から電気生理学的特性の測定値を得る。このように、複数の細胞を平行して評価することで高スループットスクリーニングシステムを作り出すことができる。あるいは、細胞をチャンバー内に沈着させ、次いで細胞のほんの一部分が開口部内にあるように開口部内に引き入れる。次いでチャンバー内に伸びている細胞の一部分を貫通して、先に記載したようにして測定値を得ることができる。
【0111】
本発明はさらに、細胞のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法を提供する。この方法は、端部と、ウェルの端部を貫通する開口部を形成する端部内の側壁とを有する少なくとも1つのウェルを利用する。接着剤様物質を開口部の側壁上に配置し、1つ以上の細胞を開口部内に沈着させる。細胞と開口部を形成する側壁との間に高抵抗シールを形成するために接着剤を使用する。次に細胞膜を横切って電位差を形成させ、電圧および/または電流の測定値を収集して記録する。こうして、かかる方法により、電気生理学的測定を正確なものにするのに十分な高抵抗シールが形成される。更に、そのような技術により、シリコンおよび窒化物ではなくプラスチックまたはガラスにより構築された単純で安価なマルチウェルプレート、またはガラス製の多目的プレートを使用することができる。
【0112】
スクリーニング実験を行うための手順の一例は標的イオンチャネルを細胞系で発現させることである。測定される必要が有るのはウェルあたり1個の細胞のみであるが、各ウェルはこれらの細胞のうちの数個を受容するように構成される。プレートは細胞内液を有するチャンバー上に置かれる。該チャンバー中に配置される共通電極は、溶液が各ウェルから下方に流れることができるように移動することができる金属プレートから成っていてよい。更に、1つ以上の共通電極を使用できるということが理解されるであろう。例えば2つまたは3つの共通電極を使用することができる。僅かな圧力を各ウェルに加えるか、または真空にすることにより、細胞が貫通開口部を塞ぐことができ、それにより開口部を封鎖することができる。かかる手順では、細胞が各ウェルの端部の孔と高抵抗シールを形成できるようになるには約1〜3分間かかるだろう。
【0113】
次に該金属プレートを移動させて戻して、加えられた圧力により各ウェルを通り抜けた、細胞の下部分に穴を開けることができる。あるいは、圧力パルスまたは穴あけ溶液(perforation solution)を用いて細胞に穴を開けることができる。他の代替方法としては、エレクトロポーレーションにより細胞を貫通させることができる。細胞の下部分に穴を開けたら、システムは電気生理学的特性を高スループットに記録できる状態にある。
【0114】
適切なシールが形成された場合、約-70mVの電圧差の電圧が、細胞内電極(金属プレートからなる共通電極)とウェル中に配置された各々のニードルとの間に形成される。この例では、基準を細胞の外部に定義しているので電圧は負である。
【0115】
測定値を収集する前に、各ウェルを試験してシールが形成されているか否かを決定することができる。形成されていなければ、そのウェルを「悪い」シールを有する(ギガシールを有しない)ウェルであると標識して以降の検討から除外することができる。実験のあいだにプレートを複数回試験してシール形成の安定性を再度確認することができる。小さな過分極パルスを細胞膜に与えて各ウェルを試験することができる。ギガシールを有さないウェルを以降の検討から除外することにより、リガンドは「上出来の」ウェルのみに適用されるのでリガンドが効果的に節約される。
【0116】
続いて、通常のパッチクランプ用電子機器を用いて1個の細胞の電圧および電流の測定値を収集し記録することができる。記録されたデータは貯蔵され、試験化合物の有効性を判断するために評価される。更に、細胞を高スループットに評価することができる。
【0117】
図19Aおよび19Bは、本発明の一実施形態による、イオン電流を測定するためにSQUIDを使用する2つの方法を示す。SQUIDは高感度を有する磁場センサーである。SQUIDは「超伝導量子干渉デバイス (Superconducting Quantum Interference Device)」の略語である。SQUIDを用いると、磁場の小さな変化を高い精度をもって非常に高感度に測定することができる。SQUIDの改良型もまた、磁場勾配、電圧、電流、および磁化率の測定に好適である。
【0118】
SQUIDの出力電圧は加えられた磁束の関数として正弦波的である。従って、その挙動は非線形であり周期的である。1周期は磁場量子Φと一致し、ここでΦ0= 2 x 10-15Wbである。電流から磁束への変換機として入力コイルを用いると、非常に高感度の電流の増幅を行うことができる。SQUIDの感度を高めるためのその他の方法は、複数のSQUIDを直列して使用することである。n個のSQUIDを位相を合わせて作動させると、出力電圧はnに比例して増大するが、SQUIDのノイズはnの平方根に比例してより遅れて増大する。
【0119】
本発明の一実施形態によるSQUIDの使用方法の1つは、イオンチャネルにより発生された電流をワイヤーに通過させて、それによって図19Bに示すようにSQUIDが検出する磁場を発生させることである。かかる検出器は電流の測定と電圧刺激(voltage stimulation)とをデカップリングできるという利点を有する。空圧式電気スイッチを用いて、余計な電気的なノイズを伴うことなく自動的に検出器を異なる細胞に切り替えることができる。記録装置を用いて複数のウェルを順次記録することによるなどして、多重化が実現できる。多重化とは、複数のソースに切り替えて測定値を順次サンプリングすることができるインプットを使用することを表すのに用いられる用語である。各記録装置は1個のウェルから読み取ることができる。更に、複数の記録装置により並行して多重化を行うことができる。
【0120】
更に、ノイズを抑えた接続のために、整列した空圧式シリンダーを用いてケーブルを適当なソケット中に機械的に差し込むことができる。検出装置とは遠く離れたところで、圧縮空気を切り替える。スイッチの場所は、ケーブルの長さを最小化するために、またケーブルのキャパシタンスおよびインダクタンスを最小化するためにも、細胞のごく近くにすることができる。
【0121】
本発明の一実施形態では、SQUIDを使用する他の方法は、チャネルが活性であるときに磁場を測定することである。SQUIDセンサーは、細胞の付近に置かれたときに、イオンチャネルの電流が形成する微弱な磁場を感知することができる。一実施形態では、図19Aに示すように、細胞またはSQUIDセンサーを保持する砂時計型のキャピラリーが、平らな基材またはプレート上の開口部を取り囲む。
【0122】
図19Aでは、SQUID装置400が、開口部420、すなわちイオン電流の経路、を取り囲むループ410により磁束の変化を検出するように構成されている。この実施形態では、SQUID装置は、2つの電極430および440ならびに測定装置450を有する回路とは独立して機能する。
【0123】
図19Bは、ワイヤー520を取り囲むループ510により磁束の変化を検出するように構成されているSQUID装置500を示す。本発明のこの実施形態では、SQUID装置はイオンチャネルおよび/または細胞チャンバーから物理的に切り離すことができる信号を検出する。
【0124】
本明細書中の方法について描写したステップは、描写および/または言及したものとは異なる順序で行うことができる。本明細書中のステップは、ステップを行い得る順序の例示に過ぎない。本明細書中のステップは所望の任意の順序で行うことができ、そのような場合であってもなお特許請求に係る発明の目的は達成される。更に、使用することが所望されないステップは、本発明の方法中のステップから取り除くことができ、そのような場合であってもなお特許請求に係る発明の目的は達成される。
【0125】
本明細書中に記載されている全ての特許および刊行物は、各々の特許または刊行物を個別具体的に参照により援用しようとする場合と同程度に、参照により本明細書に援用される。
【0126】
当業者であれば、本発明が、それらに固有のものだけでなく、記載した目的の達成ならびに結果および技術上の利点の獲得のためによく適合されているということを理解するであろう。好ましい実施形態のうちの現時点での代表例として本明細書に記載された特定のシステムおよび方法は例示であり、本発明の範囲を限定することを意図してはいない。糖得業者は、特許請求の範囲により規定される本発明の精神の範囲内に包含されるそれらの変更および他の使用を想到し得るであろう。
【0127】
本発明の範囲および精神から逸脱することなく本明細書に開示された発明に修飾を加え得るということは、当業者にとって一見して明らかであろう。本明細書中で好適なものとして説明のために記載された発明は、本明細書では具体的には開示していない任意の因子および限定の不存在下で実施してもよい。用いられている用語および表現は既述のための用語として用いられているのであり限定のためではなく、そのような用語および表現を使用するときに図示または記載された構成またはそれらの一部分のあらゆる等価物を排除する意図はないが、特許請求に係る発明の範囲内で種々の修飾が可能であることは認められる。このように、本発明は好ましい実施形態および最適な構成により具体的に開示されているものの、当業者は本明細書に開示された概念を修飾および変更するという手段をとることができるということ、ならびに、そのような修飾および変更が添付の特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内にあると認められることを理解されたい。
【0128】
加えて、本発明の構成または態様がマーカッシュグループまたは他の選択肢のグループの形で記載されている場合は、当業者は、それによって本発明が、マーカッシュグループまたは他のグループの個々のメンバーまたはメンバーのサブグループにより記載されているということを認識するであろう。例えば、選択肢A、BおよびCが存在するのであれば、次の可能性が全て包含される:Aのみ、Bのみ、Cのみ、AとB、AとC、BとC、および、AとBとC。
【0129】
このように、本発明の範囲および添付の特許請求の範囲の中に、更なる実施形態が存在する。
【図面の簡単な説明】
【0130】
【図1】本発明の一実施形態による電気生理学的特性を測定するための装置を示す図である。
【図2】本発明の一実施形態による高スループットスクリーニング装置の正面斜視図である。
【図3】図2のスクリーニング装置の断面概略図である。
【図4】図3のスクリーニング装置と組み合わせて使用されるマルチウェルプレートの正面斜視図である。
【図5】本発明の一実施形態による電気生理学的測定装置の他の実施形態を示す図である。
【図6】図5のスクリーニング装置のウェルのうちの1つにある開口部のより詳細な図である。
【図7】本発明の一実施形態による、開口部に細胞が引き込まれた後の図6のスクリーニング装置を示す図である。
【図8】本発明の一実施形態による、貫通開口部を塞ぐ細胞の一部分を切除するように平行移動した共通電極を示す図である。
【図9】本発明の一実施形態による、電気物理学的特性の測定を行うことができる元の位置に戻ったときの共通電極を示す図である。
【図10】本発明の一実施形態による、高スループットスクリーニング装置に使用することができるマルチウェルプレートの一実施形態の上部斜視図である。
【図11】図11は、図10のマルチウェルプレートの平面図である。
【図11A】図11Aは図11で示されるマルチウェルプレートの1つのウェルの、細部Aを抜き出したより詳細な図である。
【図11B】図11Bは図11Aで示されるウェルの、細部Bを抜き出したより詳細な図である。
【図11C】図11Cは図11で示されるマルチウェルプレートのウェルのうちの1つの断面図である。
【図11D】図11Dは図11Cで示されるウェルにある貫通開口部の、細部Dを抜き出したより詳細な図である。
【図11E】図11Eは図11Dで示される貫通開口部の、細部Eを抜き出したより詳細な図である。
【図11F】図11Fは図11Eの形態よりも実質的により円錐形でないプレート中の貫通開口部の他の実施形態を示す図である。
【図12】カウンターボアと貫通孔とからなる二段階の開口部を示す図である。
【図13A】図13Aは、本発明の一実施形態によるマルチウェルプレートの他の実施形態の斜視図である。
【図13B】図13Bは、試験用真空固定具(vacuum fixture)をも示す、本発明の一実施形態による、ガラスプレートおよびプラスチックシートを含むマルチウェルプレートの分解組立図である。
【図13C】図13Cは、本発明の一実施形態によるマルチウェルプレートの1つのウェルの拡大斜視図である。
【図13D】図13Dは、本発明の一実施形態による1つのウェルの他の拡大斜視図である。
【図14】本発明の一実施形態によるパッチクランプマイクロチャンバーを示す図である。
【図15】本発明の一実施形態によるガラスディスクを有するパッチクランプマイクロチャンバーを示す図である。
【図16】本発明の一実施形態による、プレート表面への脂質の共有結合による連結を示す図である。
【図17】本発明の一実施形態による、パッチクランプ装置における開口部付近の脂質分子の結合を示す図である。
【図18A】図18Aは本発明の一実施形態によるギガシールの形成を示す図である。
【図18B】図18Bは本発明の他の実施形態によるギガシールの形成を示す図である。
【図19A】図19Aは本発明の一実施形態によるSQUID検出器を有するパッチクランプ装置を示す図である。
【図19B】図19Bは本発明の他の実施形態によるSQUID検出器を有するパッチクランプ装置を示す図である。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates generally to the electrophysiological evaluation of biological materials. More specifically, the present invention relates to devices and techniques for measuring and evaluating electrophysiological properties associated with ion channels in cell membranes. The invention further relates to a technique for forming a gigaseal between the cell membrane and the surface of the patch clamp probe to facilitate high-throughput measurement of electrophysiological properties.
[Background Art]
[0002]
Ion channels control the flow of ions into and out of cells. Ion channels typically consist of proteins or aggregates of proteins and are embedded in lipid bilayers that make up cell membranes. The movement of ions through the cell membrane through the ion channel creates an ionic current that causes a weak but measurable current.
[0003]
The patch clamp method allows measurement of the ion current passing through the ion channel. Patch clamp techniques are described, for example, in PCT International Publication Nos. WO 96/13721 and WO 99/66329, which are incorporated herein by reference in their entirety. Briefly, the patch clamp method creates a tight seal between the membrane and the recording probe, resulting in a background ion current due to "leakage" between the cell membrane and the recording probe. Take advantage of the ability of cell membranes to minimize In today's patch clamp technique, a micropipette tip is engaged with the membrane to form a seal. Such seals, known as "giga seals" and having high resistance, facilitate accurate measurement of weak ionic currents flowing through ion channels in cell membranes.
[0004]
Many ion channels have "gates" that open in response to external stimuli. External stimuli include electrical potentials, mechanical or tactile stimuli, and signaling molecules. Signaling molecules are essentially chemical stimuli, and a class of ion channel gates that respond to chemical stimuli is known in the art as ligand-gated ion channels. Ligand-gated ion channels respond to both naturally occurring signaling molecules and synthetic molecular signals such as drugs. Examples of signaling molecules for ligand-gated ion channels include acetylcholine and glycine (neurotransmitters), cyclic AMP, inositol 1,4,5 triphosphate (IPThree), And ATP (in a cell). The development of efficacious drugs for the treatment and treatment of patients with diseases and disorders related to ion channels has been confirmed by patch clamp assays.
[0005]
In an existing embodiment, the patch clamp method is a low-throughput assay for drug candidates. The main obstacle concerns the formation of a gigaseal between the membrane and the tip of the pipette. Today's techniques for forming giga seals are laborious and require special proficiency and equipment. At present, skilled electrophysiologists can only screen about 5-20 compounds per day using existing patch clamp techniques. In contrast, modern drug screening (e.g., screening using 96-well plates, robotic handling, and automated data processing using non-patch-clamp techniques) requires 1000 to 10,000 species per day depending on the specific assay. (Or more) compounds can be screened.
[0006]
Other existing electrophysiological recording methods include one of two microelectrode voltage clamp methods, extracellular recordings, and "U-tube" methods. Although relatively demanding in terms of equipment and human proficiency, these techniques also do not meet today's demands for high-throughput screening.
[0007]
Other possible ion channel activity recording methods, such as optical methods of recording voltage changes across cell membranes, have higher throughput. However, these methods lack accuracy and information content for screening by the electrophysiological methods described above, and cannot provide the amount of information that can be obtained from electrophysiological records.
[0008]
Accordingly, there is a long-felt need for systems and methods for measuring and assessing the electrophysiological properties of cells and cell membranes under high-throughput conditions (eg, systems and methods that significantly increase the speed at which patch-clamp-type assays are performed).
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[0009]
Summary of the Invention
The present invention provides various devices and methods for measuring, evaluating, recording, and analyzing the electrophysiological properties of cells and biofilms. The devices and methods of the present invention utilize a gigaseal between the cell or biofilm and the orifice.
[0010]
According to one embodiment of the present invention, an apparatus and method for an automated ion channel assay utilizing a gigaseal between a cell and an opening in a glass sheet or plate, and paralleling many drug candidates and cells at once Apparatus and methods for processing and screening are provided.
[0011]
Embodiments of the present invention
An apparatus for measuring an electrophysiological property of a cell membrane of an individual cell,
A plate having at least one opening surrounded by a surface that is modified to facilitate formation of a giga seal;
A chamber adjacent the plate in fluid communication with at least one of the openings and adapted to hold a solution;
A first electrode located in the chamber, and
A second electrode located adjacent to the plate
Equipped with
Includes the devices described above for use in measuring the electrophysiological properties of cell membranes of individual cells.
[0012]
Other embodiments of the present invention include:
An apparatus for measuring an electrophysiological property of a cell membrane of an individual cell,
A plate having at least one well with an opening made using a laser and modified by heating to receive individual cells;
A chamber adjacent the plate, in fluid communication with the opening, and adapted to hold an electrically conductive solution;
A first electrode located in the chamber,
A second electrode located in the well, and
Amplifier in electrical contact with first and second electrodes
Equipped with
Includes the above device for recording the electrophysiological properties of the cell membrane of individual cells by measuring the current flowing through the first and second electrodes.
[0013]
Another embodiment of the present invention includes a removable disk having an opening that functions as part of a well for use in measuring electrophysiological properties of a cell membrane.
[0014]
Other embodiments of the present invention include:
Providing at least one well with an opening having a modified surface for receiving cells having a cell membrane;
Depositing cells in the openings and forming a gigaseal between the cells and the wells with the modified surface; and
Recording voltage and / or current measurements to evaluate ion channels in cell membranes
And measuring a current passing through an ion channel of a cell membrane.
[0015]
Other embodiments of the present invention include:
Providing at least one well having an opening;
Placing a solution containing a plurality of cells into a well;
Applying a positive pressure to the opening; and
Applying a negative pressure to the opening to draw one of the cells into the opening to form a giga seal between the cell and the opening;
And a method of forming a giga seal.
[0016]
A technical advantage of one embodiment of the present invention is that an apparatus is provided that facilitates formation of a giga seal. Such a device improves signal detection and amplification for measurement of ionic current. Further, such devices provide the property of enhancing high-throughput screening of drug candidates. In addition, a method of assembling the apparatus and components of the disclosed invention is disclosed.
[0017]
A technical advantage of one embodiment of the present invention is that a novel method is provided for forming an electrically resistive giga seal between a cell membrane and a recording probe to facilitate measurement of ionic current through the cell membrane. It is a point. Further disclosed is a method for chemically and physically modifying the surface of the probe to be attached to a cell membrane. Surface modifications that facilitate the formation of a gigaseal include, but are not limited to, (1) heat treatment for a specific period of time, (2) covalent attachment of lipid molecules, and (3) application of an adhesive-like substance. Can be In one embodiment, such modifications are used with existing patch clamp experiments and can also be used to facilitate high throughput screening procedures.
[0018]
A technical advantage of one embodiment of the present invention is that it provides a novel method for screening ion channels in a high-throughput manner. Gigaseal can be used in such screening techniques.
[0019]
A technical advantage of one embodiment of the present invention is that the number of whole cell patches that can be assayed is increased from the current 5-20 per 8 hours to 200-2000 per day (or more). is there.
[0020]
Other objects, configurations, and technical advantages of the present invention will become more apparent from the interpretation of the detailed description herein and the accompanying drawings.
[0021]
Embodiment of the Invention
The following detailed description refers to the accompanying drawings. Other embodiments are possible and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, the following detailed description is not intended to limit the invention. The scope of the invention is defined by the appended claims.
[0022]
For convenience of the following description, the following terminology will be used. However, these descriptions are for illustrative purposes only. They are not intended to limit the term as described or referred to throughout the specification. Rather, these descriptions are intended to cover any further aspects and / or examples of the terms set forth and claimed herein.
[0023]
As used herein, the term "biofilm" is a cell membrane as found in whole cells (whole cells), and also includes artificial membranes such as lipid bilayers and other synthetic polymer membranes.
[0024]
The term "electrophysiological property" as used herein is a measured electrophysiological property of a cell, cell membrane or other biofilm. These properties are measured using the ionic current, voltage or magnetic field associated with the ion channels present in the cell membrane. Such measurements can be made in the presence (or absence) of endogenous factors, such as signaling molecules. Such measurements can also be made in the presence (or absence) of exogenous factors such as candidate drug molecules or test compounds in the screening conditions. Measuring electrophysiological properties also involves measuring the potential across cell membranes or the rate of ion migration through ion channels in the presence of endogenous or exogenous factors. The term electrophysiological properties may also encompass characteristics of the types of ions that pass through the ion channels present in the biofilm.
[0025]
An "electrically conductive solution" is a solution that contains ions or electrolytes. An ion is a charged atom or molecule having a positive or negative charge, such as a cation or anion. Examples of cations include, but are not limited to, sodium (Na+), Potassium (K+), Lithium (Li+), And other monovalent cations, calcium (Ca2+), Magnesium (Mg2+), And other divalent cations. Examples of anions include, but are not limited to, chloride ion (Cl-), Iodide ion (I-), And other halide ions.
[0026]
"Ion channels" are transmembrane proteins or aggregates of proteins embedded in a lipid bilayer that encompasses cell membranes. Ion channels control the flow of ions into and out of cells. Ion channels can exhibit specificity, for example, allowing only specific ions to pass through cell membranes. Furthermore, various diseases and disorders are closely associated with specific ions and their corresponding channels (eg, K-channels or Na-channels). The movement of ions through the cell membrane through the ion channel creates an ionic current that causes a weak but measurable current. Thus, the same cell or cell membrane may exhibit different electrophysiological properties in the presence or absence of different ions. For example, electrophysiological measurements are not only sensitive to parameters such as the presence and concentration of molecular signals, but also to the type of ions present. Furthermore, a voltage can be applied to induce the opening of ion channels in the cell membrane.
[0027]
The term "experimental variable" refers to factors controlled by the experimenter, such as, for example, temperature, duration of the experiment (such as the duration of current measurement), method of signal detection, and applied voltage. These factors can be altered by the experimenter from experiment to experiment, and such alterations can affect the results of a particular experiment. Other experimental variables include the presence and concentration of ions (including buffers), molecular signals, or drug candidates at the screening conditions. Other experimental variables include the type and number of cells present in the experimental system.
[0028]
"Ion current" is the flow of ions through an ion channel. Ionic current may refer to the movement of ions in the electrolyte solution. If a current flows in the electrolyte solution, the charge can be carried by the movement of both anions and cations. The solvent in the electrolyte solution is often water, but non-aqueous electrolyte solutions are known to those skilled in the art and are within the scope of the present invention.
[0029]
A "patch clamp microchamber" is a device for measuring the electrophysiological properties of a biofilm in which a gigaseal is formed in a single integrated device. In addition, in one embodiment, small signal amplification and / or processing can be performed in this single integrated device.
[0030]
A "giga seal" or "high resistance seal" is a patch clamp seal with minimal background ionic current due to "leakage" due to poor sealing. In a preferred embodiment, the giga seal is a high resistance seal that is greater than about 1 giga ohm (1 GΩ). In another embodiment, the gigaseal is a high resistance seal from about 1 gigaohm (1 GΩ) to about 100 gigaohm (100 GΩ). In another embodiment, the gigaseal is a high resistance seal from about 1 gigaohm (1 GΩ) to about 50 gigaohm (50 GΩ). In another embodiment, the gigaseal is a high resistance seal from about 1 gigaohm (1 GΩ) to about 10 gigaohm (10 GΩ). In another embodiment, the gigaseal is a high resistance seal from about 1 gigaohm (1 GΩ) to about 5 gigaohm (5 GΩ).
[0031]
A "proton" is a hydrogen atom whose sole electron has been eliminated. In aqueous solution, the protons are associated with water molecules, and should correctly be "hydronium ions" or HThreeO+Called. These terms are often confused and remain in the text disclosed, particularly in the discussion of pH. Unless otherwise noted, the terms proton and hydronium ion are used interchangeably herein.
[0032]
The devices and methods disclosed herein are useful for the discovery and evaluation of drugs or other therapeutic agents that are effective against ion channel related diseases. A “therapeutic agent” (eg, a drug or prodrug) is any compound or formulation thereof that is effective to promote prevention or treatment of a disease or condition. "Effective in promoting the prevention or treatment of a disease or condition" means that when administered in a clinically relevant manner, it improves symptoms, cures, prolongs life, improves quality of life, or has other effects. Such beneficial effects refer to cases where at least a statistically significant proportion of patients will generally be found to be positive by physicians familiar with treating a particular type of disease or condition.
[0033]
Diseases associated with ion channels and ion channel function include the cardiovascular field (eg, hypertension and cardiac arrhythmias), pain (local anesthetic), diabetes, epilepsy, anxiety, and the like. Each of these diseases or families of diseases tends to be associated with a particular ion channel. In one embodiment, the present invention provides devices and methods that facilitate high-throughput experiments for identifying and screening drug candidates for the treatment of ion channel-related diseases.
[0034]
The following detailed description refers to the accompanying drawings. Other embodiments are possible and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
[0035]
FIG. 1 shows an apparatus for measuring electrophysiological properties according to one embodiment of the present invention. This device utilizes a dielectric barrier 2 used to separate a pair of electrodes 3 and 4. The dielectric barrier may be of any configuration or form (e.g., plate, disk or sheet) and may be incorporated within another structure, e.g., at the bottom, sides or top of a well or chamber. May be. Thus, the main function of the dielectric 2 is to separate the electrodes 3 and 4. The dielectric 2 has an opening 5 for receiving a cell 6. Various methods can be used for forming and forming the opening. For example, a small conical hole can be drilled at the bottom of each well using laser drilling techniques. In one embodiment, the diameter of the opening ranges from about 1 μm to about 5 μm, preferably 2 μm.
[0036]
One or more holes are made in the cell 6, and a current value or a voltage value is collected and recorded using the measuring device 7. In one embodiment of the present invention, the dielectric (or dielectrics) is provided with multiple openings and multiple dielectrics so that multiple cells can be evaluated in parallel in multiple wells (one cell at a time). It has electrodes.
[0037]
The dielectric barrier can be composed of a variety of different materials (eg, glass or plastic). Glass with good electrical insulation is useful for patch clamp measurements. Furthermore, it is useful to prevent substances, such as ions, that can modify the behavior of the channel from leaking out of the glass. Other important aspects of glass are good cell adhesion, high resistivity, low dielectric constant, compatibility with laser drilling techniques, uniform thickness, and good flatness.
[0038]
According to one embodiment of the present invention, borosilicate glass is used in the present invention. Borosilicate glass is chemically durable, stable to deformation up to about 700 ° C., and has excellent optical properties. Thus, the glass is suitable for use where a smooth, flat, minimal thickness sheet of glass is required. A type of borosilicate glass that can be used is Erie Scientific Company's D263 glass. Information on the glass can be found at http://www.eriesci.com/products&services/CustomGlass/D263-tech.html, which is hereby incorporated by reference in its entirety. Alternatively, other silicate glasses or other types of glass can be used.
[0039]
In another embodiment, soda lime glass can be used for the plate portion of the patch clamp microchamber. For example, a microscope slide cover slip can be made from this glass (or borosilicate glass) using a method that yields a flat, uniform, smooth glass sheet.
[0040]
Alternatively, a further embodiment of the present invention uses a silica substrate. Silicon wafers used commercially in the semiconductor industry have a natural oxide layer by air oxidation. Such chips and surfaces offer the advantage of a high quality smooth silica surface that can be functionalized using methods similar to silicate glass.
[0041]
Other materials suitable for constructing the patch-clamp microchamber component include, but are not limited to, a polymer surface. Activation of the polymer surface can be performed using a UV / ozone or plasma process. Activation of the polymer surface also involves the creation of new chemical functional groups on the polymer surface caused by ionic and electron bombardment. The process is effective not only for increasing the wettability of the polymer surface but also for increasing the affinity of the charged bipolar lipid membrane on the polymer substrate.
[0042]
The present invention provides devices and methods for performing multi-channel patch clamp experiments. FIG. 2 shows a front perspective view of such an electrophysiological measurement device 10 according to one embodiment of the present invention. Apparatus 10 comprises a housing 12 having a pair of inlets 14 and 16 into which a multi-well plate (with an array of wells) can be inserted. One type of multi-well plate that can be used in accordance with one embodiment of the present invention is a multi-well plate having a plastic body and a solid glass bottom. One example of such a plate is model number 7706-2375, commercially available from Whatman Polyfiltronics. One of the plates may contain cells, while the other holds the solution to be transferred to the plate with cells. Located above the entrances 14 and 16 is a set of control buttons 18 for controlling operation of the device 10. For example, the control buttons 18 can be used to dispense cells into the wells of a multiwell plate, apply a pressure difference, create a voltage gradient, display various measured electrophysiological parameters, and the like. After evaluation, the multiwell plate may be removed from housing 12 and discarded.
[0043]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the device 10 according to one embodiment of the present invention. The inlet 14 communicates with a generally open inner chamber 20 for holding a multi-well plate 22 having a plurality of wells 24 as shown in FIG. 4 (a similar inner chamber communicates with the inlet 16). ). When the plate 22 is placed in the inner chamber 20, it is held in a chamber 26 having a common electrode 28. In use, chamber 26 is filled with an electrolyte solution and current is provided through openings in each of wells 24 by applying a voltage to common electrode 28 as described herein. The common electrode 28 is connected to a control unit 29 having suitable electronic circuits for providing current to the common electrode 28.
[0044]
Dispense compound into each well using a dispenser. For example, a multiwell dispensing device 30 having a plurality of dispensing tips 32 is disposed above the inner substance 20. Each dispensing tip 32 is connected to a line 34 leading to a reservoir in the control unit 29. The solution in which the cells are suspended can be supplied to each dispensing tip 32, which then supplies the cells (hundreds to thousands of cells) in the solution to the wells 24 of the plate 22.
[0045]
Electrodes and electronics are provided to measure the electrophysiological properties of each cell or cell membrane tested in each well. For example, each dispensing tip 32 further includes a well electrode 36 that provides a path for return current from the common electrode 28. In other embodiments, the electrode is separate from the dispensing tip and may be, for example, integrated into the side of the well, or a thin film electrode on the side or end of the well. Good. Each well electrode 36 is connected to an electronic circuit in the control unit 29, and a voltage gradient is formed across the cell membrane of the cells deposited in each opening in the well 24. In addition, the control unit 29 includes electronic circuits suitable for measuring and recording changes in voltage and current for each cell membrane.
[0046]
The device may also have the ability to drain wells or chambers and maintain a positive or low vacuum to facilitate formation of a giga seal. A pressure difference is applied between each well 22 and the chamber 26 in order to capture cells inside from the opening of each well 24. While dispensing the cells into the wells, the chamber 26 can be pressure adjusted to a slightly positive or slightly negative pressure to assist in the formation of a gigaseal as described below. This can be done by applying a positive pressure through each of the dispensing tips 32 or by evacuating the chamber 26. The control unit 29 can control this vacuum.
[0047]
Control unit 29 further includes suitable electronic circuitry for recording and storing electrophysiological properties. The control unit 29 may include suitable input and output ports that allow this data to be electronically transferred to another computer or other storage device for future use.
[0048]
Still further, the control unit 29 may be used to lower the dispensing tip 32 into the well 24 after the plate 22 has been inserted into the inlet 14. After lowering the dispensing tip 32, the cells in the solution can be dispensed to each of the wells 24 using the control unit 29 as described above. When the operation is completed, the plate 22 can be automatically discharged from the inlet 14 using the control unit 29. Then, the plate can be taken out and discarded.
[0049]
FIG. 5 illustrates another embodiment of an electrophysiological measurement device according to one embodiment of the present invention. Apparatus 38 includes a housing 40 having an interior for holding a multi-well plate 42 having a plurality of wells 44. For convenience of illustration, only three wells are shown. However, it will be appreciated that the device 38 can be configured with a variety of well configurations. In one example, the well is about 800 μm deep and about 2 mm in diameter. Further, plate 42 need not be horizontal and may be oriented in other orientations. Below the plate 42, a chamber 46 for holding the electrolyte solution is arranged. In the chamber 46, a common electrode 48 formed of a metal plate is reciprocatably disposed. Electrodes 48 are connected to appropriate electronics so that a voltage gradient can be formed across the cell membrane, as described herein.
[0050]
Above the plate 42, a multiwell dispensing device 50 having a plurality of dispensing tips 52 is arranged. Dispensing device 50 is configured such that dispensing tip 52 is inserted into well 44 after plate 42 is inserted into device 38. The dispensing tip 52 may include a seal 54 to seal between the dispensing tip 52 and the well 44 when a pressure differential is applied to the well 44 as described herein. Each dispensing tip 52 further includes a well electrode 56. In this way, a voltage gradient can be formed between the common electrode 48 and the well electrode 56 when measuring the electrophysiological properties of the cell or cell membrane. The electrodes 56 are further connected to appropriate electronics as described in FIG. 5 so that voltage and current measurements can be collected and recorded.
[0051]
The end of each well 44 has a tapered through opening 58 that provides a current path between the common electrode 48 and the well electrode 56. With such a configuration, the cells 60 can be dispensed into the wells 44 using the dispensing device 50. The cells 60 are dispensed as an electrically conductive solution. Chamber 46 may also be filled with an electrically conductive solution such that a voltage gradient is formed across the cell membrane of the cells in each well 44.
[0052]
6-9 illustrate how to use the device 38 according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a more detailed view of one embodiment illustrating the openings in one of the wells of the screening device shown in FIG. Cells 60 in solution are dispensed into each well 44 using dispenser 38. The common electrode 48 includes a plurality of openings 62 corresponding to each of the through openings 58. First, the common electrode 48 can be shifted such that the opening 62 is offset from the through opening 58. At this time, the solution in the well 44 will not flow into the chamber 46.
[0053]
As shown in FIG. 7, the electrode 48 is translated so that the opening 62 and the through opening 58 are aligned. Thus, the solution in the well 44 flows into the chamber 46. Further, as shown, a pressure differential may be formed such that one of the cells 60 is drawn to the end of the through opening 58. Such a pressure differential can be created by supplying a positive pressure from the dispensing tip 52 and / or by evacuating the chamber 46. The magnitude of the pressure can vary depending on the type of seal formed between the cell 60 and the side of the through opening 58. For example, the sides of the through opening 58 may optionally include an adhesive-like material so that a high resistance seal is formed between the cell 60 and the side wall of the through opening 58. Such an adhesive is indicated by reference numeral 64 in the figure. Further, a pressure difference can be formed so that a gigaseal is formed between the cell 60 and the side wall of the through opening 58. Optionally, by forming a voltage difference between the electrodes to generate a potential difference, it can be confirmed whether an appropriate seal has been formed. If a suitable seal is not formed, exclude wells without a giga seal from consideration.
[0054]
As shown in FIG. 8, the electrode 48 can be translated to make a hole in the bottom of the cell 60 that extends below the through opening 58. Thus, in one embodiment, when the common electrode 48 returns to its original position and a voltage gradient is applied, as shown in FIG. 9, the interior of the cell 60 may be at the same potential as the common electrode 48.
[0055]
In any embodiments of the present invention, a "penetrated patch" is formed by cutting a portion of the cell wall surrounded by a high resistance seal or giga seal. This can be achieved, for example, by using a cutter located adjacent to the plate. The cutter allows one or more openings to be cut or formed in cells protruding below the ends of the wells. The common electrode may be configured to function as the cutter. The interior of the cell may be placed at the same potential as one of the common electrodes. Alternatively, the bottom of the cells can be pierced using pressure or electric pulses, or by using an orifice forming solution containing Nystatin or other antibiotics. Further, as an alternative to using the electrode 48 as a cutter, the device 38 may use a large pressure pulse to destroy the bottom of the cell 60, or use a Nystatin solution to form a hole in the bottom of the cell 60. it can.
[0056]
At the location shown in FIG. 9, the measurement of the electrophysiological properties can be performed by forming a voltage gradient and measuring the current passing through the ion channels of the cell membrane. As described above, by using the device 38, a plurality of cells or cell membranes can be evaluated in parallel with high throughput. After performing the measurement, the plate 42 can be taken out and discarded.
[0057]
FIG. 10 shows an embodiment of a multi-well plate 66 that can be used in any of the measurement devices of the present invention. Plate 66 is comprised of a plate body 68 having an “top” end 70 and a “bottom” end 72. A plurality of wells are formed in the plate body, and each well is open at an upper end 70. Further, as shown in FIG. 11, each well 74 has a “bottom” end 76. The plate body may be made of plastic while the bottom end 76 is made of glass. For example, a glass sheet may be adhered to the bottom of a polystyrene 96-well plate. Because of this, the plate 66 can be manufactured relatively inexpensively and can be discarded after use.
[0058]
11A-11F show an embodiment of a multi-well plate 66 that can be used in any of the measurement devices of the present invention in more detail. FIG. 11A shows a more detailed view of wells 74 of the multi-well plate of FIG. FIG. 11B shows a more detailed view of well 74 of FIG. FIG. 11C is a cross-sectional view of one of the wells 74 of the multi-well plate of FIG. FIG. 11D is a more detailed view, shown in detail D, of the through opening in the well of FIG. 11C. FIG. 11E is a more detailed view of the through opening of FIG. 11D, shown in detail E.
[0059]
According to embodiments of the present invention, several different types of holes having different geometries are used. In one embodiment (FIG. 11E), there is a conical opening 78 having a diameter of about 30 μm, the diameter of which is reduced to a through hole 80 of about 2-5 μm in diameter. Each bottom end 76 has an opening 78 for receiving a cell. The taper angle of the opening 78 and the size of the through hole 80 may be varied to optimize the giga seal depending on the cell type and the average cell size, for example, the taper angle is about 1 ° to 90 °. °. In one embodiment of the invention, the cells have a mean diameter of about 8 μm to 80 μm. In another embodiment, the cells have a mean diameter of between about 8 μm and 12 μm, alternatively between 10 μm and 12 μm.
[0060]
In one embodiment of the present invention, one technique for forming through-opening 78 is to use laser drilling or related techniques. The laser drilling method is a method in which a material is repeatedly irradiated with a pulse of focused laser energy and vaporized layer by layer until a through hole is formed. In this way, what is known as a "popped" or "percussion drilled" hole is formed. Depending on the material and the thickness of the material, the popped holes can be as small as 1 μm in diameter. If a larger hole (larger than 100 μm in diameter) is required, the laser can be moved along the desired diameter, once the material has been penetrated, along the working piece. The end result is a fast and efficient way to create high quality holes. Preferably, these holes are created using an ultraviolet laser, but infrared lasers can also be used. In addition, the laser drilling method can be automated to make the drilling of holes more precise and accurate.
[0061]
In FIG. 11F, the openings 85 in the plate 90 are substantially less conical in shape and only offset a few degrees from a line drawn perpendicular to the surface. Opening 85 further has a "large" end 86 and a "small" end 87, each having a different diameter 97 and 99, respectively. It is characterized by the point. In one embodiment of the present invention, the opening 85 has a diameter of about 7-9 μm on the large side 86 and about 1-3 μm on the small side 87. In this embodiment, the thickness 91 of the glass plate in FIG. 11F is about 100 μm.
[0062]
In one embodiment of the invention, as shown in FIG. 1, the larger end of the conical opening engages the cell and the smaller end is open to the chamber. In another embodiment of the present invention, the smaller end of the opening adheres to the cell because the large end and the small end are reversed.
[0063]
FIG. 12 shows another embodiment of the present invention, in which the holes are formed in two stages, a counterbore and a through hole. The counterbore (or blind hole) 100, which is a relatively large opening (having a diameter 102 of about 80-100 μm), is drilled halfway through a glass disc 105 100-120 μm thick using a mask. In a glass having a thickness of 100 μm, the depth 101 is about 80 to 100 μm. Alternatively, the counterbore 100 is drilled without using a mask. Subsequently, a second slightly conical "through hole" 115 is drilled into the approximately 15-20 μm glass remaining at the bottom of the counterbore hole to have a diameter of approximately 2 μm. The hole drilled by the laser drill in this embodiment is slightly tapered and has an angle of 2-5 °. This slight taper is due to the laser drilling method. The cells 120 are considerably smaller than the counterbore but larger than the opening of the through-hole, and are located on the through-hole when a gigaseal is formed.
[0064]
As described above, in one embodiment, the counterbore 100 and the through-hole 115 are drilled using a laser. The laser for counterbore 100 has a wavelength of 193 nm and the laser for through hole 115 has a wavelength of 248 nm. Alternatively, the laser has a wavelength of about 150-300 nm for both counterbore 100 and through-hole 115. The wavelength used to drill the holes is determined by the type of glass (or other material) used. Some glasses do not adequately absorb 248 nm, in which case a 193 nm laser can be used. In other embodiments, both the counterbore 100 and the through-hole 115 can be drilled using the same wavelength laser (eg, a 248 nm laser). When the same laser is used, the diameter of the laser beam can be changed using a different mask.
[0065]
FIG. 13A shows a perspective view of another embodiment of a multi-well plate (eg, a composite 96-well plate) according to one embodiment of the present invention. The glass plate or sheet 125 has a plurality of openings. The opening can be created using any of the methods described herein. The layer of plastic 130 (eg, silicone elastomer) also has a larger array of holes, which may be mounted on a glass plate or adhered. The resulting glass / plastic composite constitutes a multi-well plate according to the practice of the present invention.
[0066]
FIG. 13B is an exploded view of a multi-well plate including a glass plate and a plastic sheet, also showing a test vacuum fixture, according to one embodiment of the present invention. FIG. 13B also shows a lower chamber that further includes a vacuum fixture 135.
[0067]
FIG. 13C shows an enlarged perspective view of one well 121 of a multi-well plate according to one embodiment of the present invention. Well 121 comprises a plastic layer 130 adhered to a glass plate or sheet 125 having openings 140. Opening 140 may comprise a counterbore and a through hole. Therefore, the side surface of the well 121 is made of the plastic 130, and the bottom surface of the well 121 is made of the glass plate or sheet 125.
[0068]
FIG. 13D shows another enlarged perspective view of one well 121 according to one embodiment of the present invention. This “hidden line” view of well 121 more clearly shows a through hole having a top opening 145 and a bottom opening 150. Also in this case, the side surface of the well 121 is made of plastic 130, and the bottom surface of the well 121 is made of a glass plate or sheet 125.
[0069]
FIG. 14 illustrates one embodiment of a patch clamp microchamber according to one embodiment of the present invention. The device has a well 200 for receiving a solution 205 containing cells 210. In one embodiment, the well further comprises an electrode 215 made of silver coated with silver chloride. Although the electrodes are depicted in FIG. 14 as resting on plate 220, the electrodes may be connected to well sidewalls 225, as described herein, or other implementations. In an embodiment, it may be part of a liquid dispensing system as shown in FIG. The patch clamp microchamber according to FIG. 14 further comprises a chamber 230 for holding an electrically conductive buffer solution together with the second electrode 235. In one embodiment of the invention, the bottom of the chamber has a window 240 for inspecting the opening 245. Since the openings 245 receive the individual cells 210, measurements are taken on the individual cells 210 as described herein. Such measurements allow the measurement of the electrophysiological properties of cells or cell membranes, and are commercially available patch clamp recording electronics designed for pipette-based ion channel recording (eg manufactured by Axon Instruments or HEKA Elektronik) Recorded system).
[0070]
Referring further to FIG. 14, the patch clamp microchamber may further comprise a tube 250 extending from the chamber for controlling the pressure of the buffer solution inside the microchamber. In one embodiment, a vacuum source 255 is connected to the microchamber via a tube 250 to evacuate the chamber interior (eg, -1 to -5 kPa or -1 to -2 kPa). The cells are aspirated into openings 245 by vacuum (or negative pressure) to assist in forming a gigaseal.
[0071]
In other embodiments, positive pressure is applied from the same tube. Such a pressure differential blows the cleaning buffer through the opening, keeping the debris away from the opening until the cells approach the opening, thereby depositing cells into the opening and the surface surrounding the cell membrane and opening 222. And the formation of a giga seal between them is facilitated. Alternatively, positive pressure can be applied to the well through the opening when adding cells. FIG. 14 also illustrates a relatively short distance between cell electrodes 215 and 235, and an amplifier 260 that amplifies the input signal to provide a strong signal output 265.
[0072]
The patch clamp microchamber shown in FIG. 14 has wells for receiving one or more cells. In one embodiment, the volume of the wells of the patch-clamp microchamber device is minimal, necessary for test compound handling and cell viability. For example, the volume of a well is about 300 μL, and the bottom of the well has an opening several microns in diameter.
[0073]
The patch clamp microchamber can further comprise a liquid dispensing system having a dispenser configured to place cells in solution into the wells. In this case, cells can be supplied to the wells using, for example, an automatic robot. A first electrode is provided that can be located in the well. The well electrode may be associated with one or more dispensers such that placement and removal of the electrode is controlled by an automated robot. Each dispenser may include a seal member to form a seal with the well, so that a positive pressure can be applied to each well. Alternatively, a liquid dispensing system can dispense liquid into an array of addressable wells. At this time, each of the wells is independently addressable by an automatic liquid dispensing system. The wells can be addressed so that the dispensing system can identify individual wells and place specific cells (or cell types) in specific wells.
[0074]
In another embodiment, the patch clamp microchamber comprises a plate having a plurality of wells for receiving cells. The patch-clamp microchamber having a plurality of wells may further include a common chamber located adjacent to each opening used to hold an electrically conductive buffer solution. In one embodiment, a common electrode is disposed within the chamber and comprises a plurality of well electrodes located within the well and capable of forming a voltage gradient across the cell membrane of the cell within the opening. . In this way, the electrophysiological properties of multiple cells or cell membranes can be measured simultaneously. In other embodiments, individual wells each have a separate chamber.
[0075]
According to another embodiment of the present invention, there is provided a multi-channel liquid dispensing system having a plurality of dispensers that may be configured to place cells in solution into each well. Thus, cells can be supplied to each well using, for example, an automatic robot. In one embodiment of the invention, the well electrode may be connected to a dispenser such that the placement and removal of the electrode is controlled by an automated robot. Each dispenser may include a seal member to form a seal with the well, so that a positive pressure can be applied to each well.
[0076]
FIG. 15 illustrates one embodiment of a patch clamp microchamber with a glass disk, according to one embodiment of the present invention. The device comprises a well 300 for receiving a solution 310 containing cells 320. The well further comprises a glass disk 330 with an opening 340 separating the well from the chamber 350. The electrodes may be configured in multiple ways, for example, as shown in FIG. The glass disc 330 fits into the microchamber and has one or more openings 340. In one embodiment of the present invention, the glass disc 330 can be removed from the microchamber and used for another microchamber or array thereof. In one embodiment, a vacuum source 360 is connected to the microchamber through a tube 370, and the chamber can be evacuated. Such a vacuum facilitates the deposition of cells in the opening 340, forming a high resistance seal.
[0077]
The surface surrounding the opening of the laser drilled glass plate or sheet may be modified to facilitate the formation of a high resistance seal between the cell membrane and the surface of the opening in the well. Such modifications include, but are not limited to, heating the glass plate (eg, baking in an oven), bonding an adhesive-like substance to the surface of the plate surrounding the opening 222, or Covalently attaching the lipid to the surface of the plate surrounding the plate. Alternatively, the surface of the plate can be modified as described herein before drilling the openings in the wells.
[0078]
In one embodiment, the glass, glass disk, sheet or plate is heat treated prior to the experiment, for example, by heating the glass (eg, by baking in an oven) to or near the softening temperature of the glass. The softening temperature of a glass is the temperature at which the glass loses sufficient viscosity at which it stops behaving like a brittle solid and begins to flow like a liquid. For example, since borosilicate glass has a softening temperature of 736 ° C., the heat treatment can be performed at 700 ° C. for 3 to 10 minutes. The heating temperature and time can further vary depending on the hole geometry, dimensions (eg, counterbore depth, through-hole cone angle, etc.), glass type, and glass thickness. The heat treatment has the effect of modifying the surface surrounding the opening because the glass is heated from an external heat source and because the glass is thinnest near the opening. Heating the glass improves the quality of the giga seal. In one example, the actually used patch clamp microchamber with a counterbore and through-hole drilled by a laser drill as shown in FIG. 12 measured about 725 MΩ before heating. After heating, the resistance was a high value of 10 GΩ. After heat treatment or firing, the glass can be immediately incorporated into a microchamber for patch clamp experiments.
[0079]
The softening temperature of glass can be measured, for example, using the following method. The method can be found at "http://enterprise.astm.org/PAGES/C338.htm", which is incorporated by reference in its entirety;
1. This test method is based on a nominally round glass fiber with a diameter of 0.65 mm and a length of 235 mm with a specified tolerance, and the upper 100 mm of the length in a specified heating furnace at a rate of 5 + 1 ° C / min. It involves measuring the softening point of the glass by measuring the temperature at which it elongates at its own weight at a rate of 1 mm / min when heated.
[0080]
2. This standard does not intend to solve all of the security problems, if any, when using them. It is the responsibility of the user of this standard to take appropriate safety and health measures and to determine the application of pre-use regulatory restrictions.
[0081]
In one embodiment of the invention, the surface of the plate surrounding the opening is modified by applying an adhesive-like substance to the side wall or surface surrounding the opening. This can be done, for example, by immersing the bottom of the multi-well plate in a reservoir containing an adhesive-like substance and subsequently shaking the plate or applying a small pressure to one side of the plate to remove excess adhesive It can be done by doing. Similarly, other known techniques for applying the adhesive-like substance may be used. When dispensed into the wells, the cells form a tightly sealed interface (GigaSeal) with the wall of each well, allowing electrophysiological properties to be measured. Adhesive materials include silicone-based adhesives, vaseline / paraffin-based compositions, and the like. Such an adhesive material is preferably a chemically inert soft grease-like material. This allows cells to adhere to the surface of the through-opening to form a gigaseal. In one embodiment, a seal is formed that has a leakage resistance between about 600 megaohms and about 1.1 gigaohms.
[0082]
In another embodiment of the present invention, a surface coating of an adhesive-like substance or lipid can be placed on the side wall or surface surrounding the opening. Thus, multiple cells can be screened simultaneously by placing cells in individual wells where a high resistance seal is formed between each cell and the opening of each well. The formation of multiple seals by allowing the formation of multiple seals facilitates high-throughput screening when simultaneously evaluating multiple cells using electrophysiology techniques.
[0083]
FIG. 16 shows covalent attachment of lipids to a plate surface, such as glass, in one embodiment of the present invention. The cell membrane contains a lipid bilayer. Both layers of the lipid bilayer are composed of phospholipid molecules, each having a polar "head" and a non-polar "tail". In water, the phospholipid molecules are oriented such that their polar heads face the surrounding aqueous environment and the polar ends of the second layer are exposed to the aqueous environment of the cytosol. The non-polar ends of each layer are in contact and make up the "inside" of the cell membrane.
[0084]
The attachment of the phospholipid layer to the surface can be achieved by covalent or non-covalent bonds. For example, glass surfaces can be functionalized; for example, reactivity can be imparted by linking amino-silane moieties to silica and glass surfaces using methods known to those skilled in the art.
[0085]
Lipids having various functional groups suitable for covalently attaching to a modified surface are commercially available, for example, from Avanti Polar Lipids, Inc. In one aspect of the invention, such functionalized lipids can be used to attach to the modified surface of the invention. Methods for covalently linking a functionalized molecule to a molecule immobilized on a surface, for example, are known to those skilled in the art.
[0086]
In one embodiment of the invention, suitable complementary functional groups on suitable lipids include nucleophiles and carbon electrophiles. The terms "nucleophilic group" and "electrophilic group" have their ordinary meaning in synthetic and / or physical organic chemistry. Carbon electrophiles include one or more alkyl, alkenyl, alkynyl or aromatic (sp.) Substituted by any atom or group having a Pauling electronegativity greater than carbon itself.Three, SpTwo, Or sp-hybridized) carbon atoms. Examples of preferred carbon electrophiles include, but are not limited to, carbonyl (especially aldehydes and ketones), oximes, hydrazones, epoxides, aziridines, alkyl halides, alkenyl halides, and aryl halides, acyl, sulfonates (aryl, Alkyl and the like). Other examples of carbon electrophiles include unsaturated carbons that are electronically conjugated to electron withdrawing groups, such as β-carbon in α, β-unsaturated ketones or carbon in fluorine-substituted aryl groups. Is an atom. Generally, carbon electrophiles are susceptible to attack by complementary nucleophiles, including carbon nucleophiles. In that case, the aggressive nucleophile imparts an electron pair to the carbon electrophile such that a new covalent bond is formed between the nucleophile and the electrophile.
[0087]
In one embodiment of the present invention, suitable carbon electrophiles include carbonyl, epoxide, aziridine, cyclic sulfates and sulfamidates, and alkyl halides, vinyl halides and aryl halides. In one embodiment of the present invention, suitable nucleophilic groups include primary and secondary amines, thiols, thiolic acids, and thioethers, alcohols, alkoxides. These nucleophilic groups, when used in combination with a preferred carbon electrophile, typically form a heteroatom bond (CXC) between the homing peptides and the scaffold (where X Is a heteroatom such as oxygen or nitrogen).
[0088]
In another embodiment of the present invention, the phospholipid may comprise a photolabile functional group suitable for binding to a glass plate or other substrate when activated by light.
[0089]
Amine or phospholipids having an activated carbonyl function (eg, N-hydroxysuccinyl (NHS) ester) can be linked to a surface having a complementary function. For example, a lipid having an amine will react with a surface having NHS ester groups while forming an amide bond. Similarly, lipids with NHS esters will react with lipids with amines, again forming simultaneously amide bonds. The choice of complementary functional group permutation depends on the actual experimental conditions, such as cell type, presence of other components. One advantageous form of the invention is a modular approach for connecting partners. One skilled in the art can envision other complementary carbon electrophiles and nucleophiles capable of forming covalent bonds, which are within the scope of the invention. For example, a phospholipid having a thiol (-SH) functional group can be linked to a surface having a thiol (-SH) by forming a disulfide bond.
[0090]
Referring further to FIG. 16, glass surface 600 has hydroxyl groups 610 that can be functionalized with aminosilane 620 using known methods. Other reactive groups can be immobilized on the glass surface by other methods known in the art. Other functionalized glass surfaces suitable for linking to functionalized lipids include aldehydes, epoxides, maleimides, nickel chelates, streptavidin, biotin, thiols, and the like.
[0091]
The aminosilane shown in FIG. 16 has five --CHTwoWhile having a hydrocarbon linker with a-group, those skilled in the art will appreciate that the actual linker length may vary. In FIG. 16, the end of the aminosilane is an amino group 630 suitable for covalent attachment to a lipid molecule 640 having a complementary electrophilic functional group 650. The resulting linkage creates a new covalent bond 660. This surface chemical reaction results in a high density of lipid molecules on the glass surface.
[0092]
FIG. 17 illustrates the covalent attachment of lipid molecules 700 to a surface 710 surrounding an opening 720 in a patch clamp device according to one embodiment of the present invention. In this embodiment, one end of each lipid molecule is attached to the surface, and the other end is free to interact with the cell membrane. In one embodiment of the present invention, such a covalently bonded layer may be a film. Thus, a gigaseal is formed between the surface and the cell.
[0093]
Phospholipids can be selectively bound to the surface surrounding the pore. In one embodiment of the present invention, holes can be drilled in a plate or substrate by laser drilling prior to covalently attaching lipids. The lipids can then be selectively linked using photoreactive functional groups. Other areas of the plate or disk can be photomasked.
[0094]
Chemical treatment with liquids can also be used to increase the affinity of cell membranes for polymer surfaces. One example is exposure to a caustic soda solution. The alkaline solution hydrolyzes the ester groups on the polymer surface to increase wettability and also increases the surface affinity for the charged bipolar lipid membrane.
[0095]
Various embodiments of the patch clamp devices disclosed herein include a pressure control system. 18A and B illustrate the formation of a giga seal according to one embodiment of the present invention using, for example, a pressure control system. The glass plate 800 has an opening 810. The geometry of the opening may be of any of the types disclosed herein. A positive pressure 820 is applied to the bottom chamber while filling the top chamber with a solution 840 containing cells. Without being bound by any particular theory, such conditions are such that an expanded area or "bubble" of clean intracellular fluid emanating outwardly 830 from the pores toward the wells containing the cells. Has the effect of forming If there are microfluidic properties, the expansion bubbles of the cleaning fluid are formed without disturbing. Experiments have shown that the cleaning liquid can flow through the pores without affecting the formation of the gigaseal, which then occurs when cells adhere to the opening.
[0096]
Normal healthy cells have a higher protein content than dead or diseased cells and are therefore denser than cell debris and dead cells. Because healthy cells are denser, they sink faster than dead or diseased cells. Agglomerates of cells, which can be as dense as healthy cells, have a higher ratio of hydrodynamic drag to weight than healthy or `` good '' single cells, which is also higher. It tends to sink slowly. As the bubble of the cleaning liquid 830 expands, cell debris and cell clumps are carried away further than "good" cells. Thus, "bubbles" can carry cell debris and cell clumps farther away from the pores than "good" cells, while the cell mass sinks to the bottom.
[0097]
Once the proper configuration has been established (FIG. 18B), suction or negative pressure 850 is applied to deflate the "bubble" of clean liquid. As the bubble collapses, "good" cells 860 are drawn into the pores before cell debris and cell clumps. In this way, a gigaseal is formed and the "good" cells remain inside the bubble 860. On the other hand, dead or diseased cells and cell debris remain outside the bubble 850.
[0098]
The following step-by-step protocol is an example of a protocol that can be used to reliably form a giga seal using any of the patch clamp devices disclosed herein. First, install the patch clamp chamber and properly incorporate the electrodes. Second, dispense approximately 100 μL of cells at 5 million cells / mL into the upper well. Here, about 10 μL of Ringer's solution (solution inside the pipette) is added to the well in advance. Third, pressure is applied to the bottom chamber. In one embodiment, the pressure is applied using a 10 mL syringe. Compressing the syringe from 10 mL to 5 mL results in a pressure of about 14 psi. Next, release the plunger. The plunger typically slowly returns to 9.8 mL, which is about 0.3 psi. Fourth, wait one minute. One minute is a good example of the length of time to wait, as previous experiments have shown that cells generally settle in one minute. Fifth, suction is performed at a pressure of -5 kPa.
[0099]
The above procedures and parameters may be optimized for particular cells and other experimental variables. High success rates of gigaseal formation can be achieved with this procedure; an overall success rate of 80% can be achieved. In other embodiments, the devices and techniques of the present invention facilitate the formation of a gigaseal between cells and openings in the wells of a multi-well plate.
[0100]
The invention further provides a method for automating the screening of ion channel assays, allowing many compounds and many cells to be processed in parallel at a time. The present invention can utilize natural cell lines, for example, CHO, Jurkat, HEK, and hERG. The present invention allows the same compound to be screened against multiple targets in the same experiment with increased throughput.
[0101]
Multichannel allows the same drug molecule to be screened against multiple target ion channels in the same experiment. When used as a drug discovery tool, the present invention can be used to determine whether a drug is a good modulator of an ion channel. The present invention allows for maximum flexibility and control over the components of each well. In the device, the components of each well, such as cell type, drug candidate, buffer, ionic concentration, etc., may be different depending on the experiment being performed.
[0102]
The present invention allows for the use of ion channels as "biosensors". In addition to acting directly on gating ion channels, drugs can act on other molecular targets in cells and on ion channel activity. The effects observed by measuring electrophysiological properties using the devices and methods disclosed herein may be correlated with the mechanism of drug activity, and may include, for example, the efficacy of a particular drug. Can be quantified in terms of drug concentration. Such accurate measurements are useful when comparing or distinguishing drug candidates from each other.
[0103]
In one embodiment of the present invention, drug-induced regulation of protein kinases and phosphatases in cells that alter the kinetic behavior of specific ion channels is achieved by using highly accurate electrical and electronic methods using the devices and methods disclosed herein. It can be detected and recorded by a physiological assay. In addition, several cell lines can be used to assess the effect of the same drug on specific kinases, phosphatases, the phosphorylation of ion channels, and the effect of the drug on the channel itself.
[0104]
In other embodiments, the device can be used to measure accurate pH changes. The proton-gated ion channel is a proton (H+Or alternatively a hydronium ion (HThree +O)) only selective. Such a proton-selective ion channel is a natural pH meter. This is because when two types of solutions having different ion concentrations are separated by a selective membrane such as an ion channel, the concentration can be measured as a potential difference. Furthermore, if such differences exist, the ions will move to eliminate the imbalance. This flow can be observed as an ionic current.
[0105]
One commercially available pH meter shows that the semipermeable glass membrane used has other ions, such as sodium ions (Na+), The accuracy is low. Because proton ion channels are selective for protons, pH meters based on ion channels improve on existing situations in the art. Thus, the present invention can serve as a substitute for a microscopic physiological function measuring instrument.
[0106]
In another embodiment of the present invention, the devices and methods disclosed herein can be used to construct "proton biosensors" for drug discovery. When certain drugs are introduced into cells, intracellular pH may change. In still other embodiments, the device itself may function as a pH meter, for example, if the drug cannot cross cell membranes. In this case, the measured pH change corresponds to the pH of the solution in the well.
[0107]
The output of electrophysiological information from a single experiment of the present invention may involve multiple parameters recorded essentially simultaneously. The technique of the present invention also allows the cytoplasm of the cells to be dialyzed. Thereby, it becomes possible to adjust the composition of the intracellular fluid by introducing or removing specific ions from the intracellular fluid. This method allows one to evaluate one of the channels while dialysis of the cytoplasm of the cell in an experiment, excluding other types of channels. This allows one channel to be optimized while excluding the others. In addition, electrophysiological methods have a high degree of selectivity and are capable of recording the activity of a single channel molecule. The technology of the present invention also has a high temporal resolution (in the sub-millisecond range) and is useful for targets of some ion channels, such as the Na channel, which deactivates quickly.
[0108]
Since the ion current passing through the ion channel is on the order of a few picoamps (pA), it is difficult to measure accurately. In one embodiment of the present invention, electrical noise pickup is minimized by making the distance between the cell electrode and the amplifier relatively short (eg, a few millimeters). In one embodiment of the present invention, the distance is necessary and sufficient to connect the electrode inside the well to the chip. Thus, a chip-based amplifier can clearly convert a pA signal to a mV signal. A common multi-channel data acquisition board can acquire this signal without difficulty.
[0109]
In yet another aspect, an electronic circuit is provided for measuring a voltage value and / or a current value for each well. Also provided is a liquid dispensing system and a controller for controlling operation of the electronic circuit. Further, a voltage source is connected to the common electrode to form a voltage gradient.
[0110]
In another embodiment, the invention provides a method for measuring current through an ion channel of a plurality of cells. The method utilizes a plate with a plurality of wells each having an end. At least some of the wells have openings at the ends, the chamber is located below the plate, and is filled with an electrolyte solution. A common electrode is also located in the chamber. In such a configuration, the cells are dispensed into the solution in the well. The pressure differential between the well and the chamber collects the cells at the opening, creating a high resistance seal between the cells and the end of the well. A potential difference is provided between the common electrode and the well electrode located in each well. Measurements of electrophysiological properties are obtained from cells or cell membranes located within the openings. Thus, a high-throughput screening system can be created by evaluating a plurality of cells in parallel. Alternatively, the cells are deposited in the chamber and then drawn into the opening such that only a portion of the cells are in the opening. Measurements can then be obtained as described above by penetrating a portion of the cells extending into the chamber.
[0111]
The present invention further provides a method of measuring current through an ion channel of a cell. The method utilizes at least one well having an end and a sidewall within the end that defines an opening through the end of the well. An adhesive-like substance is placed on the side wall of the opening and one or more cells are deposited in the opening. An adhesive is used to form a high resistance seal between the cells and the side walls that form the openings. A potential difference is then formed across the cell membrane and voltage and / or current measurements are collected and recorded. Thus, such a method creates a high resistance seal sufficient to make the electrophysiological measurement accurate. Further, such techniques allow the use of simple and inexpensive multi-well plates constructed of plastic or glass instead of silicon and nitride, or multi-purpose plates made of glass.
[0112]
One example of a procedure for performing a screening experiment is expressing a target ion channel in a cell line. Only one cell per well needs to be measured, but each well is configured to receive several of these cells. The plate is placed on a chamber containing the intracellular fluid. The common electrode located in the chamber may consist of a metal plate that can move so that the solution can flow down from each well. Further, it will be appreciated that one or more common electrodes can be used. For example, two or three common electrodes can be used. By applying a slight pressure or applying a vacuum to each well, cells can block the through-opening, thereby closing the opening. Such a procedure would take approximately 1-3 minutes for cells to be able to form a high resistance seal with the hole at the end of each well.
[0113]
The metal plate can then be moved back and a hole can be drilled in the lower part of the cell that has passed through each well by the applied pressure. Alternatively, cells can be punctured with a pressure pulse or a perforation solution. As another alternative, cells can be penetrated by electroporation. Once the hole has been drilled in the lower part of the cell, the system is ready to record electrophysiological properties with high throughput.
[0114]
If a suitable seal is formed, a voltage with a voltage difference of about -70 mV will be formed between the intracellular electrode (a common electrode made of a metal plate) and each needle located in the well. In this example, the voltage is negative because the reference is defined outside the cell.
[0115]
Before collecting measurements, each well can be tested to determine if a seal has been formed. If not, the well can be labeled as a well with a "bad" seal (without a giga seal) and excluded from further consideration. The plate can be tested multiple times during the experiment to again confirm the stability of the seal formation. Each well can be tested by applying a small hyperpolarizing pulse to the cell membrane. By excluding wells without a gigaseal from further discussion, ligand is effectively saved because the ligand is applied only to "good" wells.
[0116]
Subsequently, voltage and current measurements of a single cell can be collected and recorded using conventional patch clamp electronics. The recorded data is stored and evaluated to determine the efficacy of the test compound. Furthermore, cells can be evaluated at high throughput.
[0117]
19A and 19B illustrate two methods of using SQUIDs to measure ionic current, according to one embodiment of the present invention. SQUID is a highly sensitive magnetic field sensor. SQUID is an abbreviation for "Superconducting Quantum Interference Device". With SQUID, small changes in the magnetic field can be measured with high accuracy and very high sensitivity. Improved versions of SQUID are also suitable for measuring magnetic field gradients, voltages, currents, and susceptibility.
[0118]
The output voltage of SQUID is sinusoidal as a function of the applied magnetic flux. Therefore, its behavior is non-linear and periodic. One period coincides with the magnetic field quantum Φ, where Φ0= 2 x 10-15Wb. When an input coil is used as a current-to-magnetic-flux converter, very high-sensitivity current amplification can be performed. Another way to increase the sensitivity of SQUID is to use multiple SQUIDs in series. When n SQUIDs are operated in phase, the output voltage increases in proportion to n, but the noise of the SQUID increases more slowly in proportion to the square root of n.
[0119]
One method of using a SQUID according to one embodiment of the present invention is to pass the current generated by the ion channel through a wire, thereby generating a magnetic field that the SQUID detects as shown in FIG. 19B. Such a detector has the advantage that the measurement of the current and the voltage stimulation can be decoupled. Using a pneumatic electrical switch, the detector can be automatically switched to a different cell without additional electrical noise. Multiplexing can be realized, for example, by sequentially recording a plurality of wells using a recording device. Multiplexing is a term used to describe the use of inputs that can switch to multiple sources and sample measurements sequentially. Each recording device can read from one well. Further, multiplexing can be performed in parallel by a plurality of recording devices.
[0120]
In addition, cables can be mechanically plugged into suitable sockets using aligned pneumatic cylinders for noise-free connections. Switch the compressed air far away from the detector. The location of the switch can be very close to the cells, to minimize the length of the cable, and also to minimize the capacitance and inductance of the cable.
[0121]
In one embodiment of the present invention, another method of using a SQUID is to measure the magnetic field when the channel is active. The SQUID sensor can sense a weak magnetic field formed by the current of the ion channel when placed near a cell. In one embodiment, as shown in FIG. 19A, an hourglass-shaped capillary holding a cell or SQUID sensor surrounds an opening on a flat substrate or plate.
[0122]
In FIG. 19A, the SQUID device 400 is configured to detect a change in magnetic flux by a loop 410 surrounding the opening 420, ie, the path of the ion current. In this embodiment, the SQUID device functions independently of the circuit having the two electrodes 430 and 440 and the measuring device 450.
[0123]
FIG. 19B shows a SQUID device 500 configured to detect a change in magnetic flux by a loop 510 surrounding a wire 520. In this embodiment of the invention, the SQUID device detects a signal that can be physically disconnected from the ion channel and / or cell chamber.
[0124]
The steps depicted for the methods herein may be performed in a different order than depicted and / or mentioned. The steps herein are merely exemplary of the order in which the steps can be performed. The steps herein may be performed in any desired order, and even in such cases, the objects of the claimed invention will still be achieved. Furthermore, steps that are not desired to be used can be eliminated from the steps in the method of the invention, and in such cases the object of the claimed invention is still achieved.
[0125]
All patents and publications mentioned herein are hereby incorporated by reference to the same extent as if each individual patent or publication was specifically and individually incorporated by reference.
[0126]
Those skilled in the art will appreciate that the present invention is well suited to achieving the stated purposes as well as the results and technical advantages, as well as those inherent to them. The particular systems and methods described herein as presently representative of the preferred embodiments are exemplary, and are not intended to limit the scope of the invention. Those skilled in the art will recognize those modifications and other uses that fall within the spirit of the invention as defined by the appended claims.
[0127]
It will be apparent to those skilled in the art that modifications may be made to the invention disclosed herein without departing from the scope and spirit of the invention. The invention described herein by way of description as suitable may be practiced in the absence of any factors and limitations not specifically disclosed herein. The terms and expressions used are used as terms of description and not for purposes of limitation, and are not intended to be limiting, but rather include any components or parts thereof shown or described in using such terms and expressions. While it is not intended to exclude equivalents, it is recognized that various modifications may be made within the scope of the claimed invention. Thus, while the present invention is specifically disclosed by preferred embodiments and optimal configurations, those skilled in the art can take steps to modify and modify the concepts disclosed herein; It is to be understood, however, that such modifications and changes are considered to be within the scope of the invention as defined by the appended claims.
[0128]
In addition, where the features or aspects of the present invention are described in the form of Markush groups or other optional groups, those skilled in the art will recognize that the present invention is not intended to limit the individual members or members of the Markush groups or other groups. Will be described by the sub-group of For example, if options A, B and C are present, all of the following possibilities are included: A only, B only, C only, A and B, A and C, B and C, and A and B and C.
[0129]
Thus, additional embodiments exist within the scope of the invention and the appended claims.
[Brief description of the drawings]
[0130]
FIG. 1 illustrates an apparatus for measuring electrophysiological properties according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front perspective view of a high-throughput screening apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic sectional view of the screening apparatus of FIG. 2;
FIG. 4 is a front perspective view of a multi-well plate used in combination with the screening device of FIG. 3;
FIG. 5 is a view showing another embodiment of the electrophysiological measuring device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a more detailed view of an opening in one of the wells of the screening device of FIG.
FIG. 7 illustrates the screening device of FIG. 6 after cells have been drawn into the opening, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 illustrates a common electrode translated to ablate a portion of a cell closing a through-opening, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 illustrates a common electrode when it returns to its original position where measurements of electrophysical properties can be made, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a top perspective view of one embodiment of a multi-well plate that can be used in a high-throughput screening device, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a plan view of the multi-well plate of FIG.
11A is a more detailed view of one well of the multi-well plate shown in FIG. 11, with detail A extracted. FIG.
FIG. 11B is a more detailed view of the well shown in FIG. 11A, with detail B extracted.
FIG. 11C is a cross-sectional view of one of the wells of the multi-well plate shown in FIG.
FIG. 11D is a more detailed view of detail D of the through-opening in the well shown in FIG. 11C.
FIG. 11E is a more detailed view of the through-opening shown in FIG. 11D, with detail E extracted.
FIG. 11F illustrates another embodiment of a through-opening in the plate that is substantially less conical than the configuration of FIG. 11E.
FIG. 12 is a diagram showing a two-stage opening composed of a counterbore and a through hole.
FIG. 13A is a perspective view of another embodiment of a multi-well plate according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13B is an exploded view of a multi-well plate including a glass plate and a plastic sheet, also showing a test vacuum fixture, according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13C is an enlarged perspective view of one well of a multi-well plate according to one embodiment of the present invention.
FIG. 13D is another enlarged perspective view of one well according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 illustrates a patch clamp microchamber according to one embodiment of the present invention.
FIG. 15 illustrates a patch clamp microchamber with a glass disk according to one embodiment of the present invention.
FIG. 16 illustrates covalent attachment of lipids to a plate surface according to one embodiment of the present invention.
FIG. 17 illustrates binding of lipid molecules near an opening in a patch clamp device according to one embodiment of the present invention.
FIG. 18A illustrates the formation of a giga seal in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 18B illustrates the formation of a giga seal according to another embodiment of the present invention.
FIG. 19A is a diagram illustrating a patch clamp device having a SQUID detector according to one embodiment of the present invention.
FIG. 19B is a diagram showing a patch clamp device having a SQUID detector according to another embodiment of the present invention.

Claims (88)

個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を測定するための装置であって、
ギガシールが形成され易いように修飾されている表面で囲まれた少なくとも1つの開口部を有するプレート、
少なくとも1つの上記開口部と流体連通しており、且つ、溶液を保持するようになっている、上記プレートに隣接したチャンバー、
上記チャンバー内に位置する第一電極、および
上記プレートに隣接して位置する第二電極
を備えてなり、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性の測定に使用する上記装置。
An apparatus for measuring an electrophysiological property of a cell membrane of an individual cell,
A plate having at least one opening surrounded by a surface that is modified to facilitate formation of a giga seal;
A chamber adjacent the plate in fluid communication with at least one of the openings and adapted to hold a solution;
It comprises a first electrode located in the chamber, and a second electrode located adjacent to the plate,
The above device for use in measuring the electrophysiological properties of cell membranes of individual cells.
両方の電極と電気的に接触した増幅器をさらに備える請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, further comprising an amplifier in electrical contact with both electrodes. 細胞または細胞膜が上記開口部の表面に接着してギガシールが形成される請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein cells or cell membranes adhere to the surface of the opening to form a gigaseal. 上記プレートがウェルを有し、該ウェルの一部が置換取り替え可能であるかまたは交換可能である、請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein the plate has wells, and some of the wells are replaceable or replaceable. 取り替え可能な部分が開口部を有するディスクである請求項4に記載の装置。The apparatus of claim 4, wherein the replaceable portion is a disc having an opening. ウェルの側面部がプラスチックからなり、ウェルの底部がガラスからなる、請求項4に記載の装置。5. The device of claim 4, wherein the sides of the well are made of plastic and the bottom of the well is made of glass. 表面の修飾が、少なくとも1つの開口部を囲む表面を化学的に修飾することを含む、請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein modifying the surface comprises chemically modifying a surface surrounding the at least one opening. 化学的に修飾することが、プレートに物質を共有結合させることを含む、請求項7に記載の装置。9. The device of claim 7, wherein chemically modifying comprises covalently attaching the substance to the plate. 物質が、開口部を囲むウェルの表面に共有結合されている、請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein the substance is covalently attached to a surface of the well surrounding the opening. 表面の修飾が、開口部を囲む表面を加熱処理により修飾することを含む、請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein modifying the surface comprises modifying a surface surrounding the opening by a heat treatment. プレートがガラスからなり、加熱処理が該ガラスの軟化温度またはその温度付近にまで表面を加熱することを含む、請求項10に記載の装置。The apparatus of claim 10, wherein the plate comprises glass, and wherein the heat treatment comprises heating the surface to or near the softening temperature of the glass. 少なくとも1つの開口部が先細りになっている請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein at least one opening is tapered. 少なくとも1つの開口部がカウンターボアと貫通孔とを有する請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein at least one opening has a counterbore and a through hole. 細胞が溶液中にあり且つプレートがウェルを有する請求項1に記載の装置であって、ウェルに上記溶液を入れるように構成された複数の分注器を有するマルチチャンネル液体分注システムを更に備える上記装置。The device of claim 1, wherein the cells are in solution and the plate has wells, further comprising a multi-channel liquid dispensing system having a plurality of dispensers configured to place the solution in wells. The above device. チャンバー内部を真空にするための、チャンバーに連結された真空源をさらに備える、請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, further comprising a vacuum source coupled to the chamber for evacuating the interior of the chamber. 各ウェルについて電圧値および/または電流値を測定するための電子回路を更に備える請求項1に記載の装置。The apparatus according to claim 1, further comprising an electronic circuit for measuring a voltage value and / or a current value for each well. SQUID検出器を更に備える請求項16に記載の装置。17. The device of claim 16, further comprising a SQUID detector. プレートが、各々開口部を備えたウェルのアレイを有するマルチウェルプレートからなる、請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein the plate comprises a multi-well plate having an array of wells each having an opening. 各々のウェルに独立してアドレス可能な自動化液体分注システムを更に備える請求項18に記載の装置。20. The device of claim 18, further comprising an automated liquid dispensing system independently addressable to each well. 第一電極および第二電極を通って流れる電流を測定することにより細胞膜の電気生理学的特性を記録する請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein the electrophysiological properties of the cell membrane are recorded by measuring the current flowing through the first and second electrodes. 少なくとも一方の電極が塩化銀の被覆を有する銀からなる請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein at least one electrode comprises silver having a silver chloride coating. 溶液が電気伝導性溶液である請求項1に記載の装置。The device of claim 1, wherein the solution is an electrically conductive solution. 開口部がレーザーを用いて作成される請求項1に記載の装置。The apparatus of claim 1, wherein the aperture is created using a laser. 個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を測定するための装置であって、
レーザーを用いて作成され、個々の細胞を受容するように加熱により修飾された開口部を備えた少なくとも1つのウェルを有するプレート、
上記開口部と流体連通しており、且つ、電気伝導性溶液を保持するようになっている、上記プレートに隣接したチャンバー、
上記チャンバー内に位置する第一電極、
上記ウェルに位置する第二電極、および
第一電極および第二電極に電気的に接触した増幅器
を備えてなり、
個々の細胞の細胞膜の電気生理学的特性を第一電極および第二電極を通って流れる電流を測定することにより記録する上記装置。
An apparatus for measuring an electrophysiological property of a cell membrane of an individual cell,
A plate having at least one well with an opening made using a laser and modified by heating to receive individual cells;
A chamber adjacent the plate, in fluid communication with the opening, and adapted to hold an electrically conductive solution;
A first electrode located in the chamber,
A second electrode located in the well, and comprising an amplifier in electrical contact with the first electrode and the second electrode,
The above device for recording the electrophysiological properties of the cell membrane of individual cells by measuring the current flowing through the first and second electrodes.
開口部がカウンターボアと貫通孔とを有する請求項24に記載の装置。25. The device of claim 24, wherein the opening has a counterbore and a through hole. カウンターボアが約80〜110μmの深さに穿孔されている請求項25に記載の装置。26. The device of claim 25, wherein the counterbore is drilled to a depth of about 80-110 [mu] m. 貫通孔が約2〜5μmの直径を有する請求項25に記載の装置。26. The device of claim 25, wherein the through holes have a diameter of about 2-5 [mu] m. チャンバー内部を真空にするための、チャンバーに連結された真空源をさらに備える、請求項24に記載の装置。26. The apparatus of claim 24, further comprising a vacuum source coupled to the chamber for evacuating the interior of the chamber. SQUID検出器を更に備える請求項24に記載の装置。The device of claim 24, further comprising a SQUID detector. プレートが、各々開口部を備えたウェルのアレイを有するマルチウェルプレートからなる、請求項24に記載の装置。25. The apparatus of claim 24, wherein the plate comprises a multi-well plate having an array of wells each having an opening. 各々のウェルに独立してアドレス可能な自動化液体分注システムを更に備える請求項30に記載の装置。31. The apparatus of claim 30, further comprising an automated liquid dispensing system that can independently address each well. プレートがウェルを有し、該ウェルの側面部がプラスチックからなり、該ウェルの底部がガラスからなる、請求項24に記載の装置。25. The apparatus of claim 24, wherein the plate has wells, the sides of the wells are made of plastic, and the bottoms of the wells are made of glass. 細胞膜の電気生理学的特性を測定するのに使用するためのウェルの一部分として機能する、開口部を有する取り外し可能なディスク。A removable disk having an opening that functions as part of a well for use in measuring electrophysiological properties of a cell membrane. ガラスからなる請求項33に記載のディスク。34. The disk of claim 33, comprising a glass. 複数の開口部を有する請求項33に記載のディスク。34. The disc of claim 33 having a plurality of openings. 開口部を囲む表面が化学的に修飾されている請求項33に記載のディスク。34. The disc of claim 33, wherein the surface surrounding the opening is chemically modified. 開口部を囲む表面が加熱処理されている請求項33に記載のディスク。The disk according to claim 33, wherein the surface surrounding the opening is heat-treated. ディスクがガラスからなり、更に、加熱処理が該ガラスの軟化温度またはその温度付近にまで上記表面を加熱することを含む、請求項37に記載のディスク。38. The disc of claim 37, wherein the disc comprises glass, and wherein the heat treatment includes heating the surface to or near the softening temperature of the glass. 加熱処理がレーザー加熱を含む請求項37に記載のディスク。38. The disc of claim 37, wherein the heating comprises laser heating. 開口部がカウンターボアと貫通孔とを有する請求項33に記載のディスク。34. The disk of claim 33, wherein the opening has a counterbore and a through hole. カウンターボアの大きさが約130μmであり、貫通孔の大きさが約2μmである、請求項40に記載のディスク。41. The disk of claim 40, wherein the size of the counterbore is about 130 [mu] m and the size of the through hole is about 2 [mu] m. 細胞膜を有する細胞を受容するための修飾された表面を有する開口部を備えた少なくとも1つのウェルを提供するステップ、
細胞を上記開口部に沈着させ、修飾された表面により細胞とウェルとの間にギガシールを形成するステップ、および
電圧および/または電流の測定値を記録して細胞膜のイオンチャネルを評価するステップ
を含む、細胞膜のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法。
Providing at least one well with an opening having a modified surface for receiving cells having a cell membrane;
Depositing cells in the openings, forming a gigaseal between the cells and the wells with the modified surface, and recording voltage and / or current measurements to assess cell membrane ion channels. , A method of measuring the current passing through an ion channel of a cell membrane.
ウェルの側面部がプラスチックからなり、ウェルの底部がガラスからなる、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein the sides of the well are made of plastic and the bottom of the well is made of glass. ギガシールの形成を補助するために真空源を用いて真空にするステップを更に含む、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, further comprising applying a vacuum using a vacuum source to assist in forming a giga seal. 細胞、緩衝液および試験化合物を加えるために自動化液体分注システムを用いるステップを更に含む、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, further comprising using an automated liquid dispensing system to add cells, buffers and test compounds. 表面の修飾が、開口部を囲む表面を加熱処理により修飾することを含む、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein modifying the surface comprises modifying a surface surrounding the opening by a heat treatment. 少なくとも1つのウェルがプレート上に有り、該プレートがガラスからなり、加熱処理が該ガラスの軟化温度またはその温度付近にまで上記表面を加熱することを含む、請求項46に記載の方法。47. The method of claim 46, wherein at least one well is on a plate, wherein the plate comprises glass, and wherein the heat treatment comprises heating the surface to or near the softening temperature of the glass. 表面の修飾が、少なくとも1つの開口部を囲む表面を化学的に修飾することを含む、請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein modifying the surface comprises chemically modifying a surface surrounding the at least one opening. 開口部がレーザーを用いて作成される請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein the openings are created using a laser. 少なくとも1つの開口部がカウンターボアと貫通孔とを有する請求項42に記載の方法。43. The method of claim 42, wherein at least one opening has a counterbore and a through hole. カウンターボアが約150〜300nmの波長を有するレーザーを用いて作成される請求項50に記載の方法。51. The method of claim 50, wherein the counterbore is created using a laser having a wavelength of about 150-300 nm. 貫通孔が約150〜300nmの波長を有するレーザーを用いて作成される請求項50に記載の方法。51. The method of claim 50, wherein the through holes are created using a laser having a wavelength of about 150-300 nm. 開口部を有する少なくとも1つのウェルを提供するステップ、
複数の細胞を含む溶液をウェルに入れるステップ、
開口部に陽圧を加えるステップ、および
開口部に陰圧を加えて、複数の細胞のうちの1個を開口部に吸引して細胞と開口部との間にギガシールを形成するステップ
を含む、ギガシールを形成する方法。
Providing at least one well having an opening;
Placing a solution containing a plurality of cells into a well;
Applying a positive pressure to the opening and applying a negative pressure to the opening to draw one of the plurality of cells into the opening to form a gigaseal between the cell and the opening. A method of forming a giga seal.
複数の細胞のうちの1個の細胞膜のイオンチャネルを評価するために電圧および/または電流の測定値を記録するステップを更に含む、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, further comprising recording voltage and / or current measurements to assess an ion channel of a cell membrane of one of the plurality of cells. 開口部が表面により囲まれており、該表面がギガシールの形成を補助するように修飾されている、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the opening is surrounded by a surface, the surface being modified to assist in forming a gigaseal. 上記複数の細胞のうちの上記1個が良好な細胞からなる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein said one of said plurality of cells comprises good cells. 少なくとも1つのウェルの側面部がプラスチックからなり、少なくとも1つのウェルの底部がガラスからなる、請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the sides of at least one well are made of plastic and the bottom of at least one well is made of glass. 表面が加熱処理により修飾されている請求項55に記載の方法。56. The method of claim 55, wherein the surface has been modified by a heat treatment. 少なくとも1つのウェルがプレート上に有り、該プレートがガラスからなり、加熱処理が該ガラスの軟化温度またはその温度付近にまで表面を加熱することを含む、請求項58に記載の方法。59. The method of claim 58, wherein at least one well is on a plate, wherein the plate comprises glass, and wherein the heat treatment comprises heating the surface to or near the softening temperature of the glass. 開口部がカウンターボアと貫通孔とを有する請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the opening has a counterbore and a through hole. 開口部がレーザーを用いて作成される請求項53に記載の方法。54. The method of claim 53, wherein the opening is created using a laser. 端部と、開口部を規定する端部内の側壁とを有する少なくとも1つのウェル、
細胞と側壁との間に高抵抗シールが形成されるようになっている開口部の側面に配置された接着剤、
ウェル内に位置しうる第一電極、および
細胞膜の電気生理学的な測定値が記録できるように、開口部内に位置する細胞の膜を横切って電圧勾配が形成されることを可能にするウェルの外部に位置しうる第二電極
を含む、生物学的材料の電気生理学的な測定を容易にする装置。
At least one well having an end and a sidewall within the end defining an opening;
Glue placed on the side of the opening, such that a high resistance seal is formed between the cell and the side wall,
A first electrode, which may be located in the well, and the exterior of the well, which allows a voltage gradient to be formed across the membrane of the cell, which is located in the opening, so that electrophysiological measurements of the cell membrane can be recorded. An apparatus for facilitating electrophysiological measurement of a biological material, comprising a second electrode that may be located at
接着剤が、約600メガオーム〜約1.1ギガオームの漏洩抵抗を有する高抵抗シールを形成するように構成されている、請求項62に記載の装置。63. The device of claim 62, wherein the adhesive is configured to form a high resistance seal having a leakage resistance of about 600 megaohms to about 1.1 gigaohms. 接着剤がシリコン系接着剤を含む、請求項62に記載の装置。63. The device of claim 62, wherein the adhesive comprises a silicone-based adhesive. 上記ウェルを、各々端部に開口部を規定する他の複数のウェルとともに有するプレート、
各孔と流体連通しており、電気伝導性溶液を保持するようになっている該プレートに隣接したチャンバー、および
他の各ウェル内に位置しうる一組の第一電極
を更に備えてなり、
上記第二電極が該チャンバー内に設置された共通電極からなる、請求項62に記載の装置。
A plate having the wells, together with a plurality of other wells each defining an opening at an end,
A chamber adjacent to the plate in fluid communication with each of the holes and adapted to hold an electrically conductive solution, and a set of first electrodes that can be located in each of the other wells;
63. The device of claim 62, wherein the second electrode comprises a common electrode located within the chamber.
各々端部を有する複数のウェルを有するプレートであって、該ウェルのうちの少なくとも一部のウェルの端部に孔が形成されており、該孔が各細胞を受容して高抵抗シールが細胞と端部との間に形成されるように構成されているプレートと、
各孔と流体連通しており、電気伝導性溶液を保持するようになっている、該プレートに隣接したチャンバーと、
共通電極と、
細胞の電気生理学的な測定値が収集できるように、孔内に位置する細胞の膜を横切って電圧勾配を形成するための、ウェル内部に位置するように構成された複数のウェル電極と
を備えた生物学的材料の電気生理学的な測定を容易にする装置。
A plate having a plurality of wells each having an end, wherein a hole is formed at an end of at least a part of the wells, the hole receives each cell, and a high-resistance seal is formed on the cell. And a plate configured to be formed between the and the end,
A chamber adjacent to the plate in fluid communication with each of the holes and adapted to hold an electrically conductive solution;
A common electrode;
A plurality of well electrodes configured to be located inside the well for forming a voltage gradient across a membrane of the cell located within the pore so that electrophysiological measurements of the cell can be collected. A device that facilitates the electrophysiological measurement of biological material.
各孔が先細りになっている請求項66に記載の装置。67. The device of claim 66, wherein each hole is tapered. 各孔の最も狭い寸法が約1μm〜約5μmの範囲内である請求項67に記載の装置。68. The device of claim 67, wherein the narrowest dimension of each hole is in a range from about 1 [mu] m to about 5 [mu] m. 各孔が、孔の壁面と細胞との間にシールが形成されるように適合された接着剤を含む、請求項66に記載の装置。67. The device of claim 66, wherein each aperture comprises an adhesive adapted to form a seal between the wall of the aperture and the cell. ウェルに溶液中の細胞を入れるように構成された複数の分注器を有するマルチチャンネル液体分注システムを更に備える請求項66に記載の装置。67. The apparatus of claim 66, further comprising a multi-channel liquid dispensing system having a plurality of dispensers configured to place cells in solution into the wells. ウェル電極が分注器に連結されている請求項70に記載の装置。71. The device of claim 70, wherein the well electrode is connected to a dispenser. チャンバー内部を真空にするための、チャンバーに連結された真空源を更に備える、請求項66に記載の装置。67. The apparatus of claim 66, further comprising a vacuum source coupled to the chamber for evacuating the interior of the chamber. 各分注器が、各ウェルに陽圧を供給できるように、ウェルとシールを形成するためのシール部材を更に有する、請求項70に記載の装置。71. The apparatus of claim 70, wherein each dispenser further comprises a seal member for forming a seal with the well such that a positive pressure can be supplied to each well. 各ウェルについて電圧値および/または電流値を測定するための電子回路を更に備える請求項70に記載の装置。71. The apparatus according to claim 70, further comprising electronic circuitry for measuring a voltage value and / or a current value for each well. 液体分注システムと上記電子回路との操作を制御するためのコントローラを更に備える請求項74に記載の装置。The apparatus of claim 74, further comprising a controller for controlling operation of a liquid dispensing system and the electronic circuit. 共通電極に連結された電圧源を更に備える請求項66に記載の装置。67. The apparatus of claim 66, further comprising a voltage source coupled to the common electrode. 細胞に小さな穴を作成する手段を更に備える請求項66に記載の装置。67. The device of claim 66, further comprising means for creating a small hole in the cell. 穴を作成するための手段が、往復運動することができる共通電極、加圧溶液、および穴形成溶液からなる群から選択される、請求項77に記載の装置。78. The apparatus of claim 77, wherein the means for creating a hole is selected from the group consisting of a reciprocable common electrode, a pressurized solution, and a hole forming solution. 細胞保持手段を備えた支持手段であって、該細胞保持手段が、該細胞保持手段と細胞との間に高抵抗シールが形成されるように個々の細胞を受容するように構成されている孔を有する支持手段、
支持手段の下に配置された電気伝導性液体を蓄えるための手段、
各孔内の細胞膜を横切って電圧勾配を形成するための手段、および
細胞の電圧および/または電流の測定値を収集して記録するための手段
を備えてなる、生物学的材料のイオンチャネルの評価を容易にするための装置。
A support means comprising cell retaining means, wherein said cell retaining means is adapted to receive individual cells such that a high resistance seal is formed between said cell retaining means and said cells. Support means having
Means for storing an electrically conductive liquid arranged below the support means,
An ion channel for a biological material comprising means for forming a voltage gradient across the cell membrane in each pore, and means for collecting and recording measurements of cell voltage and / or current. A device for facilitating evaluation.
細胞と細胞保持手段との間に高抵抗シールを形成するための接着手段を更に備える請求項79に記載の装置。80. The device of claim 79, further comprising an adhesive means for forming a high resistance seal between the cell and the cell holding means. 端部と、開口部を規定する端部内の側壁とを有する少なくとも1つのウェルを提供するステップ、
開口部の側壁に接着剤を配置するステップ、
細胞を上記開口部に沈着させ、そこで接着剤により細胞と側壁との間に高抵抗シールを形成するステップ、
細胞膜を横切って電位差を形成させるステップ、ならびに
電圧および/または電流の測定値を記録するステップ
を含む、細胞のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法。
Providing at least one well having an end and a sidewall within the end defining an opening;
Placing an adhesive on the side walls of the opening,
Depositing cells in the openings, where a high-resistance seal is formed between the cells and the sidewalls with an adhesive;
A method for measuring current through an ion channel of a cell, comprising forming a potential difference across a cell membrane and recording a voltage and / or current measurement.
開口部を規定する側壁を有する複数のウェルを提供するステップ、各側壁に接着剤を配置するステップ、各ウェル内に細胞を沈着させるステップ、ならびに各細胞膜を横切って電位差を形成させ、電圧および/または電流の測定値を記録するステップ、を更に含む、請求項81に記載の方法。Providing a plurality of wells having sidewalls defining openings, depositing an adhesive on each sidewall, depositing cells in each well, and forming a potential difference across each cell membrane to provide a voltage and / or voltage; 82. The method of claim 81, further comprising recording a current measurement. 各々端部を有する複数のウェルを有し、該ウェルのうちの少なくとも一部のウェルの端部に孔が形成されているプレートと、該プレートに隣接しており、電解質溶液で満たされたチャンバーと、共通電極とを提供するステップ、
溶液中の細胞をウェルに分注するステップ、
ウェルとチャンバーとの間に圧力差を生じさせて細胞を孔に集め、細胞とウェルの端部との間に高抵抗シールを形成させるステップ、
ウェル内にウェル電極を配置するステップ、
共通電極と、ウェル内に配置されたウェル電極との間に電位差を生じさせるステップ、および
孔内に位置する細胞の電気生理学的な測定値を収集するステップ、
を含む、複数の細胞のイオンチャネルを通過する電流を測定する方法。
A plate having a plurality of wells each having an end, wherein at least some of the wells have holes formed at the ends of the wells, and a chamber adjacent to the plate and filled with an electrolyte solution And providing a common electrode,
Dispensing cells in the solution into wells,
Creating a pressure differential between the well and the chamber to collect the cells in the pores and form a high resistance seal between the cells and the end of the well;
Placing a well electrode in the well,
Creating a potential difference between the common electrode and a well electrode disposed in the well, and collecting electrophysiological measurements of cells located in the pores;
A method for measuring a current passing through an ion channel of a plurality of cells, comprising:
細胞とウェルの端部との間に適切なシールが形成されたか否かを試験するステップを更に含む請求項83に記載の方法。84. The method of claim 83, further comprising testing whether a suitable seal has been formed between the cell and the end of the well. 高抵抗シールが少なくとも約1ギガオームである請求項83に記載の方法。84. The method of claim 83, wherein the high resistance seal is at least about 1 gigaohm. 細胞とウェルの端部との間にシールを形成させるために孔内に接着剤を配置するステップをさらに含む請求項83に記載の方法。84. The method of claim 83, further comprising placing an adhesive in the hole to form a seal between the cell and the end of the well. 接着剤が約600メガオーム〜約1.1ギガオームの高抵抗シールを形成させる請求項86に記載の方法。87. The method of claim 86, wherein the adhesive forms a high resistance seal between about 600 megaohms and about 1.1 gigaohms. 細胞をウェルに分注するのと同時に細胞の電気生理学的な測定値を収集する請求項83に記載の方法。84. The method of claim 83, wherein the electrophysiological measurements of the cells are collected at the same time that the cells are dispensed into the wells.
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