JP2006029921A - フローサイトメーター - Google Patents

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Abstract

【課題】元素を直接に測定することを可能にして、細胞や血球などの粒子における様々な元素間の相関を得ることができるようにする。
【解決手段】測定対象物を含む試料液を所定の流速で流して試料液流を生成する試料液流生成手段と、上記試料液流生成手段により生成された試料液流中の測定対象物に単色X線を照射する単色X線照射手段と、上記単色X線照射手段から照射された単色X線の測定対象物への照射に伴い該測定対象物を構成する元素から放出された蛍光X線を検出する蛍光X線検出手段とを有する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、フローサイトメーターに関し、さらに詳細には、元素分析に用いて好適なフローサイトメーターに関する。
従来より、細胞、細胞内外構造体(細胞内小器官、膜表面抗原、細菌、ウィルス等)(本願においては、これらの「細胞、細胞内外構造体(細胞内小器官、膜表面抗原、細菌、ウィルス等)」を総称して、単に「粒子」と適宜に称する。)を蛍光で標識して、定量と分離とをする技術たる「フローサイトメトリー」という手法が知られている。
即ち、フローサイトメトリーとは、具体的には、標識した物質の懸濁液を高速の水流にし、当該高速の水流にレーザー光や水銀光を照射することにより発生する散乱光や蛍光を定量することによって、目的とする物質の量や大きさを精度よく測定したり、測定対象の細胞などの粒子を分取したりする手法である。
そして、こうしたフローサイトメトリーを実施する機器を「フローサイトメーター」と称している。

ここで、従来のフローサイトメーターにより実現されているフローサイトメトリーの効果について説明する。
即ち、上記したようにフローサイトメトリーは、例えば、細胞浮遊液を高速で流し測定することにより、細胞一個一個を解析研究するという手法であるが、従来のフローサイトメーターにおいては、まず細胞などの粒子を含む溶液をフローし、そこにレーザー光を照射して、散乱強度から細胞などの粒子の一個一個のサイズ、内部構造を測定するようになされている。その際に、細胞などの粒子の各々の相対的大きさおよび内部構造の違いを測定するのみならず、細胞などの粒子の蛍光標識からの蛍光を同時カウントしてその強度、色の違いを測定することによって、細胞などの粒子の一個一個について細胞種の同定や、溶液内の様々な細胞の存在比を分析することができるものである。
そして、上記のようにして取得された複数の情報を組み合わせることにより、一群の細胞について系統だった詳細な解析、例えば、細胞サイズと核蛍光などの解析を行うことができるものであり、こうした詳細な解析を行うことの意味合いは極めて大きいものであった。
つまり、DNAや蛋白質を定量的に染色する蛍光色素を使用すれば、それぞれの蛋白などの量を蛍光強度に置き換え、1つの細胞群における「生体物質の増減の相関」を測定することができることになるからである。

しかしながら、こうした従来のフローサイトメーターによるフローサイトメトリーにおいては、測定対象について「元素」という基本的な概念が欠如しているという大きな問題点があった。
即ち、通常は蛍光色素では元素自体の含有量を特定することができないため、従来のフローサイトメーターでは元素を直接測定してパラメータとして扱うことができないものであった。
一方、亜鉛や鉄の増減が知られる各種の腫瘍や、銅の著減で知られるウィルソン病などのように、特性元素の増減が関る数多くの疾患の存在が知られている。
さらに、薬剤耐性やアポトーシス、神経伝達、エネルギー代謝あるいは細胞周期など、特定元素と深くかかわるとされる代謝や生体反応は極めて多い。
ところが、従来のフローサイトメーターを用いたフローサイトメトリーでは元素の情報が得られず、また、他の方法では組織レベルで含有量の増減を指摘することができるのみであり、主因となる各元素の働きや現象のメカニズム解明までには至っていないという問題点があった。

なお、本願出願人が特許出願時に知っている先行技術は、上記において説明したようなものであって文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術情報はない。
本発明は、従来の技術に対する上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、元素を直接に測定することを可能にして、細胞などの粒子における様々な元素間の相関を得ることができるようにしたフローサイトメーターを提供しようとするものである。
上記目的を達成するために、本発明は、細胞などの粒子の分析で現在広く使われているフローサイトメーターを改良してその性能を大幅に向上させ、元素を測定することを可能にして、細胞などの粒子における様々な元素間の相関を得ることができるようにしたものである。
即ち、従来のフローサイトメーターは、細胞などの粒子を含む溶液をフローし、そこにレーザー光を照射して、散乱強度から細胞などの粒子の一個一個のサイズ、内部構造を測定すると同時に、色素標識からの光を測定することで、細胞などの粒子に含まれる特定のタンパクやDNAの量について相関分布を解析している。
一方、本発明によるフローサイトメーターは、色素ではなく元素の量を直接測定することにより、細胞などの粒子における様々な元素間の相関を解析可能としたものである。
本発明によるフローサイトメーターにおいては、励起用の光源に従来のようなレーザーを用いるのではなく、単色X線、例えば、高輝度の硬X線を用い、細胞などの粒子に含まれる様々な元素からの蛍光X線を同時測定することにより、色素ではなく元素の量を直接測定して細胞などの粒子における様々な元素間の相関を解析可能とした。

即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、測定対象物を含む試料液を所定の流速で流して試料液流を生成する試料液流生成手段と、上記試料液流生成手段により生成された試料液流中の測定対象物に単色X線を照射する単色X線照射手段と、上記単色X線照射手段から照射された単色X線の測定対象物への照射に伴い該測定対象物を構成する元素から放出された蛍光X線を検出する蛍光X線検出手段とを有するようにしたものである。
また、本発明のうち請求項2に記載の発明は、本発明のうち請求項1に記載の発明において、上記単色X線照射手段から測定対象物へ照射される単色X線のビーム径を0.1μm以上500μm以下としたものである。
また、本発明のうち請求項3に記載の発明は、本発明のうち請求項1また2のいずれか1項に記載の発明において、上記単色X線照射手段から測定対象物へ照射される単色X線のビームの入射エネルギーを0.1KeV以上16KeV以下としたものである。
また、本発明のうち請求項4に記載の発明は、本発明のうち請求項1、2また3のいずれか1項に記載の発明において、上記試料液流生成手段はチューブ内に試料液流を流し、上記単色X線照射手段は上記チューブ内の測定対象物に単色X線を照射するものであり、上記チューブの径を20〜500μmとしたものである。
本発明は、以上説明したように構成されているので、元素を直接に測定することが可能になり、細胞などの粒子における様々な元素間の相関を得ることができるようになるという優れた効果を奏する。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明によるフローサイトメーターの実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

図1には、本発明の実施の形態の一例によるフローサイトメーターの概念構成説明図が示されている。
このフローサイトメーター10は、測定対象の細胞などの粒子(以下、「検体」と称する。)を含む試料液を所定の流速で流して試料液流を生成する試料液流生成手段としてのフローシステム12と、フローシステム12により生成された所定の流速の試料液流中の検体に単色X線を照射する単色X線照射手段としての単色X線照射システム14と、単色X線照射システム14から照射された透過および散乱X線を検出するX線検出手段としてのX線検出器16と、単色X線照射システム14から照射された単色X線の検体への照射に伴い当該検体を構成する各元素から放出された蛍光X線を検出する蛍光X線検出手段としての蛍光X線検出システム18と、フローシステム12により生成された所定の流速の試料液流中の検体にレーザー光を照射するレーザー光照射手段としてのレーザー光照射システム20と、レーザー光照射システム20から照射されたレーザー光の検体への照射に伴う当該レーザー光の前方散乱光を検出する前方散乱光検出手段としての前方散乱光検出システム22と、レーザー光照射システム20から照射されたレーザー光の検体への照射に伴う当該レーザー光の側方散乱光を検出する側方散乱光検出手段としての側方散乱光検出システム24と、レーザー光照射システム20から照射されたレーザー光の検体への照射に伴う当該検体の標識色素の発光を検出する光検出システム26と、フローシステム12により生成された所定の流速の試料液流中の所定の検体を分取するための分取システム28とを有して構成されている。

ここで、フローシステム12は、後述するチューブ12dの構成を除いて、従来より公知のシステムを用いることができ、試料液を収容した試料液収容容器12a、フローセル12b、試料液収容容器12aに収容された試料液をフローセル12bへ移送するためのパイプ12cならびにフローセル12bから流出される試料液流が通過するチューブ12dなどにより構成することができる。
チューブ12dは、単色X線照射システム14から照射された単色X線ならびに検体を構成する各元素から放出された蛍光X線を吸収することがないように、例えば、カプトン(ポリイミド)、マイラーあるいはポリエチレンなどの薄い樹脂により構成することができる。なお、カプトン(ポリイミド)、マイラーあるいはポリエチレンなどの薄い樹脂によりチューブ12dを構成しない場合には、チューブ12dの単色X線照射システム14から照射された単色X線が照射される部分のみ、例えば、薄いベリリウムや窒化ケイ素などで構成するようにしてもよい。
また、チューブ12dは、蛍光X線ノイズを生じる不純物を含まない材料により構成することが好ましい。
さらに、チューブ12dの径については、検体となる細胞のサイズが20〜50μmであるため、これら検体となる細胞が1個ずつ通過可能なように、例えば、20〜50μm程度とすることが好ましい。
ここで、蛍光X線収量を能率的に取得するために、公知のフローサイトメーターのように一度に複数の細胞を流し、検出された信号を流した細胞数で割って1個の細胞データを取ることも可能である。この場合には、チューブ12dの径は、例えば、500μmでもよく、20〜500μmの間の任意の径とすることができる。
なお、チューブ12dの径が500μmを超えるような場合には、X線ビーム径がチューブ12dの径をカバーすることができず、細胞がX線ビームから外れてしまう場合があるのであまり好ましくはない。

次に、単色X線照射システム14としては、例えば、放射光施設(例えば、独立行政法人理化学研究所に所属するSPring−8など。)のアンジュレータ(高輝度)ビームラインを用いることができる。即ち、このアンジュレータ(高輝度)ビームラインから出射される単色X線たる高輝度硬X線をチューブ12d内の検体に照射すればよい。
ここで、検体に照射する際の単色X線のビーム径は、例えば、500μm以下、より詳細には、例えば、0.1〜500μmの範囲で適宜設定すればよい。なお、検体に照射する際の単色X線のビーム径を、例えば、500μm以下するのは、検体に照射する際の単色X線のビーム径が大きすぎると不要な散乱を生じてしまい、ノイズを生じる原因となるからである。
また、高い蛍光X線収量を得るためには、ビームの光子密度が高い必要がある。従って、必然的に単色X線のビーム径は小さい方が好ましいものであるが、検体となる細胞のサイズが20〜50μm程度であり、その大きさをカバーすることができる大きさがあることが好ましいとともに、検体となる細胞はチューブ12d内を流れてゆくのでチューブ12d内で位置のブレが生じることになり、そのブレの領域をカバーすることができる大きさがあることが好ましいことから、例えば、500μm以下の範囲で適宜選択する。
なお、細胞ではなく核のような細胞内小器官を検体とする場合には、検体に照射する際の単色X線のビーム径は、例えば、0.1μmにしてもよい。それ以下の集光ビームは、現在は作製に非常に手間がかかるため、実用上はあまり好ましいものとはいえない。
一方、単色X線のビームの検体への入射エネルギーは、例えば、16KeV以下、より詳細には、例えば、0.1〜16KeVの範囲で適宜設定すればよい。
なお、単色X線ビームの検体への入射エネルギーが16KeVあれば、元素の周期律表においてMgからPbまでのほぼ全ての元素の内殻を励起することができる。ただし、常に16KeVならばよいわけではなく、励起効率の高いエネルギーは元素により異なるため、特にある元素に注目する場合には、その元素の吸収端に応じて入射エネルギーを調整することが望ましい。
また、0.1〜5KeVでは軟X線領域となり、5〜16KeVの場合とは異なった効果を生じる。具体的には、励起効率が上がる利点がある。一方で、試料周りの吸収が大きいため、環境を真空槽にするなど、フロー方式を変えるなどの変更が必要となる。例えば、溶媒によるフロー方式は溶媒による軟X線の吸収が深刻であるため、薄いプラスチックフィルムを回転ドラムに巻き、そこから展開したプラスチックフィルムに瞬間冷却などにより検体を固定し、そのプラスチックフィルム上の検体に軟X線を照射するなどの手法を用いることができる。ただし、X線による内殻励起を用いた特定元素の判別、という手法の本質は変わらない。

次に、蛍光X線検出システム18について説明すると、蛍光X線検出システム18は、例えば、エネルギー分散型の蛍光X線検出器たるシリコンドリフトX線検出器(SDD:シリコンドリフトディテクター)により構成することができる。

なお、X線検出器16、レーザー光照射システム20、前方散乱光検出システム22、側方散乱光検出システム24、光検出システム26および分取システム28については、従来より公知の技術を適用することができるので、従来より公知の技術を援用することによりそれらの構成ならびに作用に関する詳細な説明を省略する。
なお、前方散乱光検出システム22ならびに側方散乱光検出システム24は、例えば、フォトダイオードなどを用いて構成することができ、また、光検出システム26は、例えば、集光レンズ26a、ダイクロイックミラー26b、26c、26d、26e、フォトマルチプライヤー26f、26g、26h、26iなどを用いて構成することができる。

以上の構成において、このフローサイトメーター10においては、従来より公知のフローサイトメーターと同様に、前方散乱光検出システム22により前方散乱光を検出することができ、側方散乱光検出システム24により側方散乱光を検出することができ、光検出システム26により検体の標識色素からの発光を検出することができ、分取システム28により所定の検体を分取することができる。
さらに、このフローサイトメーター10においては、本発明の特徴として、以下のように検体を構成する各元素の測定を行うことができる。なお、以下の説明においては、細胞を検体とした場合について示す。
即ち、フローシステム12のチューブ12d内に検体(細胞)の入った溶液たる試料液を適正な条件でゆっくり流し、単色X線照射システム14によりチューブ12d内の検体(細胞)に高輝度な単色X線を照射する。それと同時に、この単色X線の照射に伴い検体(細胞)内の各元素から放出された蛍光X線を、蛍光X線検出システム18で一括して検出できる。
上記した処理を多数の検体(細胞)について繰り返すことよって、検体を構成する元素間の相関を得ることができる。
ここで、単色X線照射システム14による単色X線の1回の照射により、蛍光X線検出システム18として用いるSDDでは、例えば、図2に示すように、Mg、P、S、Cl、K、Ca、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Pt、Hg、Pbなどのような、元素の周期律表でMgからPbまでのほとんどの元素の信号(SDDスペクトル)が得られるものである。
そして、図2に示すようなSDDスペクトルから、例えば、図3に示すように、元素Aと元素Bとの相関関係を示すヒストグラムを得ることができ、様々な元素やタンパクあるいはDNAなどに関する相互関係を判定することが可能となる。
なお、測定時間は、測定対象の元素の密度に依存して幅があるが、例えば、細胞1個当り0.01〜10秒程度である。この細胞1個当り0.01〜10秒程度という時間は、細胞1個について蛍光X線検出システム18として用いるSDDでSDDスペクトルをとるのに十分な時間であり、かつ、1日で統計的に意味のある数百個の細胞が測れる時間である。
また、フローシステム12のチューブ12d内に検体(細胞)の入った溶液たる試料液を流す適正な条件としては、測定時間を細胞1個当り0.01〜10秒程度とするならば、例えば、秒速100〜0.1個の検体(細胞)を流すようにすればよい。
なお、単色X線照射システム14により照射される単色X線は、電子線とは異なり物質との相互作用が弱いため細胞の損傷が小さいため、検体を損傷することなく極めて正確な検体の情報を得ることができる。

このフローサイトメーター10が従来より公知のフローサイトメーターと大きく異なる点は、まず、蛍光X線を検出することにより、数多くの細胞1個1個につき「複数元素の含有量」を測定するフローサイトメトリーを実現することができる点にある。
また、従来の検体への標識色素の添加という人工的な条件かつ間接的な量に頼らざるを得なかったフローサイトメトリーとは異なり、フローサイトメーター10を用いたフローサイトメトリーにより得られる蛍光X線の元素情報は他の要素を添加していない無添加な情報であり、かつ、直接的に測定した情報である点で極めて優れている。
さらに、フローサイトメーター10を用いたフローサイトメトリーは、蛍光X線分析という点で定量性がすでに保証されている測定技術を用いるものであり、また、微量でも測定可能である点でも極めて優れている。
なお、フローサイトメーター10においては、検体への標識色素の添加を行うことによって、従来のフローサイトメトリーにより得られるデータにそのまま元素という大きな情報を加えるということも可能である。

こうしたフローサイトメーター10を用いたフローサイトメトリーは、例えば、以下のようにして利用される。
例えば、各種抗癌剤に対する癌細胞の耐性メカニズムには特定の元素が関る可能性が示唆されているが、組織レベルで観察しても細胞メカニズムは不明である。そこで、抗癌剤の耐性をもつ癌細胞ともたない癌細胞の2群を準備し、1個1個の細胞について特定元素と抗癌剤の量の相関をとることにより、その特定元素の役割を明確に解明することができるようになる。
即ち、耐性の有無や薬剤投与の有無などに応じて、フローサイトメーター10を用いたフローサイトメトリーによって作成した図4に示すようなヒストグラムのパターンの差を検討することにより、例えば、制癌剤シスプラチン(プラチナ製剤)に対する癌細胞の薬剤耐性機構を検証することができるようになる。つまり、Ptとメタロチオネイン(解毒に関与する金属結合タンパク)の金属元素の相関をとる、などである。

上記したように、フローサイトメーター10を用いたフローサイトメトリーでは、高い客観性のもとに「細胞群における元素量の相関分布」という、これまで得ることができなかった情報を得ることができるようになる。
また、フローサイトメーター10においては「細胞群における元素量の相関分布」に基づいて、分取システム28により目的の検体(細胞)を分離して分取することができる。

なお、上記した実施の形態は、以下の(1)乃至(5)に示すように変形することができるものである。
(1)上記した実施の形態においては、検体に照射する単色X線を放射光施設のアンジュレータ(高輝度)ビームラインから得るようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、卓上に設置可能な単色X線光源を用いるようにしてもよい。実験室型(封入または回転陽極)X線源の場合には、X線強度をかせぐ必要があるが、それにはキャピラリーで広い領域のビームを集光することにより輝度(光子密度)を高めること、また、測定時間を長くすることで対処することができる。
(2)上記した実施の形態においては、チューブ12d内に検体を通過させるようにしたが、これに限られるものではないことは勿論であり、チューブ12dを用いることなく検体を滴下させるようにしてもよい。また、上記した実施の形態においては、チューブ12d内の圧力調整により任意の検体に所定時間だけ単色X線を照射することができるようにすることが可能であるが、チューブを12d用いずに検体を滴下させる場合には、フローセル12bのオリフィスに液滴を形成し、この液滴に単色X線を照射するようにすればよい。
特に、軟X線領域の場合には、溶媒の吸収によるX線強度の激減を防ぐため、薄いプラスチックフィルムを回転ドラムに巻き、そこから展開したプラスチックフィルムに瞬間冷却などにより検体を固定し、そのプラスチックフィルム上の検体に軟X線を照射するといった手法が可能である。
(3)上記した実施の形態においては、測定時間を、例えば、細胞1個当り0.01〜10秒程度とした場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論である。特に、上記(1)で説明した実験室型X線源の場合には、例えば、細胞1個当り300秒としてもよく、この場合には1日200個の細胞の測定を行うことができる。
(4)上記した実施の形態においては、秒速100〜0.1個の検体(細胞)を流すようにした場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、例えば、上記(3)において示すように測定時間を細胞1個当り300秒とした場合には、例えば、0.003個以上の速度で流すようにしてもよい。
(5)上記した実施の形態ならびに上記した(1)乃至(4)に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。
本発明は、生物学、基礎医学の各分野(免疫学、遺伝子工学、タンパク質工学、分子生物学、細胞生物学など。)あるいは病理診断に関する臨床医学あるいは創薬などの技術分野での利用が期待され、血液分析、細胞マーカー、細胞実験あるいは病理分析などに利用することができるものである。
図1は、本発明の実施の形態の一例によるフローサイトメーターの概念構成説明図である。 図2は、本発明によるフローサイトメーターを用いたフローサイトメトリーにより得られる元素の信号(SDDスペクトル)を示す概念図である。 図3は、元素の相関関係を示すヒストグラムの概念図である。 図4は、元素の相関関係を示すヒストグラムの概念図である。
符号の説明
10 フローサイトメーター
12 フローシステム
12a 試料液収容容器
12b フローセル
12c パイプ
12d チューブ
14 単色X線照射システム
16 X線検出器
18 蛍光X線検出システム
20 レーザー光照射システム
22 前方散乱光検出システム
24 側方散乱光検出システム
26 光検出システム
26a 集光レンズ
26b、26c、26d、26e ダイクロイックミラー
26f、26g、26h、26i フォトマルチプライヤー
28 分取システム

Claims (4)

  1. 測定対象物を含む試料液を所定の流速で流して試料液流を生成する試料液流生成手段と、
    前記試料液流生成手段により生成された試料液流中の測定対象物に単色X線を照射する単色X線照射手段と、
    前記単色X線照射手段から照射された単色X線の測定対象物への照射に伴い該測定対象物を構成する元素から放出された蛍光X線を検出する蛍光X線検出手段と
    を有することを特徴とするフローサイトメーター。
  2. 請求項1に記載のフローサイトメーターにおいて、
    前記単色X線照射手段から測定対象物へ照射される単色X線のビーム径は、0.1μm以上500μm以下である
    ことを特徴とするフローサイトメーター。
  3. 請求項1また2のいずれか1項に記載のフローサイトメーターにおいて、
    前記単色X線照射手段から測定対象物へ照射される単色X線のビームの入射エネルギーは、0.1KeV以上16KeV以下である
    ことを特徴とするフローサイトメーター。
  4. 請求項1、2また3のいずれか1項に記載のフローサイトメーターにおいて、
    前記試料液流生成手段は、チューブ内に試料液流を流し、
    前記単色X線照射手段は、前記チューブ内の測定対象物に単色X線を照射するものであり、
    前記チューブの径は、20〜500μmである
    ことを特徴とするフローサイトメーター。
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