JP2006061048A - ハイスループット細胞アッセイ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度でありながら、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に評価できるハイスループット細胞アッセイ装置を実現する。
【解決手段】細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、細胞保管庫１０１→測定部１０２→細胞および電極チップ廃棄部１０８と移動する。その後、電極チップの交換条件に照らし合わせて使用後の電極チップ１０６を再度使用するか否かの判断し、再び使用しない場合には、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は測定部１０２に移動して電極チップ１０６を持ち上げ、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に移動して電極チップ１０６を廃棄し、搬送装置１０５は交換用電極チップ保管庫１０９に移動して新たな電極チップ１０６を持ち上げ、測定部１０２に移動して、新たな電極チップ１０６を測定部１０２に配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物と受容体の結合を細胞の膜電位により測定するアッセイ装置に関する。

近年の急激な新薬候補化合物の増加により、多種類の化合物の毒性評価を、細胞の膜電位測定による細胞アッセイにより行うことが望まれている。

生きている細胞の細胞膜内外には、数１０ｍＶの電位差（静止膜電位）が存在するが、予め任意の受容体を細胞表面に発現させておき、添加された化合物が受容体に結合すると、膜中に存在するイオンチャネルが開き、膜内外のイオン濃度が変化し、膜を通して電流が流れることにより膜電位が変化する。

膜電位測定による細胞アッセイでは、固定膜電位に対する電流変化から、タンパク質の定量化を容易に行うことができ、イオンチャネルやトランスポータなどの電気生理学的情報を、直接高精度で得ることが可能である。

これらの分析の結果は、臨床試験の方法の設計に貢献するだけでなく、ヒトへのリスクを回避する化合物の早期選別に有効な手段である。

また、このように多種類の化合物を迅速に同定するためには、ハイスループットスクリーニング技術が必要不可欠である。

これまで、膜電位測定装置の自動化に関して、例えば、特許文献１には、ガラス電極を卵母細胞の膜に自動的に挿入して膜電位を保持し、薬物を投与したときの反応を自動的に計測する電気生理自動計測装置が開示されている。

また、特許文献２には、フィルタなどにより一定の大きさの卵母細胞を選別し、選別された細胞の膜電位を測定して、一定の膜電位を有するものを分別する方法および機構が開示されている。

また、特許文献３には、測定電極の位置や大きさを可変とした、神経細胞などの細胞活動測定用２次元センサを用いた測定装置が開示されている。そして、特許文献４には、神経細胞などの電気的活動を細胞外で記録するための、複数の微小電極と配線部とからなる一体化複合電極が開示されている。

特開２００１−２０１４８１号公報 特開２００３−３３１７２号公報 特開平９−５２９５号公報 特開２００１−２８１２０１号公報

細胞アッセイによる化合物の毒性評価の要求は、今後、増加すると予測でき、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に毒性評価可能なアッセイ装置が望まれる。

しかしながら、従来技術における細胞アッセイシステムでは、膜電位測定装置の自動化を図っているが、ガラス電極の交換容易化及び廃棄機構については何ら考慮されておらず、高精度でありながら、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に評価できるハイスループットなシステムは実現されていなかった。

また、評価の対象とする細胞は、卵母細胞では直径１ｍｍ程度、動物細胞では直径１０μｍ〜２０μｍ程度と非常に小さいため、自動化装置といえども、電極の位置決めや細胞への電極の挿入には、マイクロマニピュレータなどを用いた職人的技巧が必要であった。

したがって、この点についても、高精度でありながら、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に評価できるハイスループットなシステム実現化の障害となっていた。

本発明の目的は、高精度でありながら、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に評価できるハイスループット細胞アッセイ装置を実現することである。

本発明は、上記目的を達成するため、次のように構成される。

（１）任意の受容体を表面に発現させた細胞に化合物を投与し、上記細胞に接触させた電極により計測される電気信号の値に基づき、化合物と受容体との結合をアッセイするハイスループット細胞アッセイ装置であって、細胞を収納する領域と、細胞収納領域に収納された細胞に接触させる電極とが、一体化された電極チップと、上記電極により計測される電気信号を計測する計測部と、上記電極チップを装着及び取り外し可能で、上記電極を上記計測部に接続させる細胞及び電極チップ搬送手段とを備え、上記搬送手段に装着された電極チップを、新たな電極チップに交換することができる。

（２）好ましくは、上記（１）において、電極チップを交換する条件は、測定する細胞の種類に応じて設定される。

（３）また、好ましくは、上記（１）において、細胞及び電極チップ搬送手段は、電極チップ内の電極を細胞に挿入するための駆動機構を備える。

（４）また、好ましくは、上記（１）において、複数の細胞に同じ化合物を同時に添加し、それらの細胞から得られた電気信号のうち、複数の正常な細胞からの電気信号を判別し、それらの電気信号を統計処理する演算処理部を備える。

（５）また、好ましくは、上記（１）において、上記細胞を担体に付着させ、細胞が付着しているその担体を、上記搬送手段を用いて、上記電極チップの細胞収納領域に収納する。

（６）また、好ましくは、上記（１）において、細胞を担体の特定の位置に付着させ、その細胞が付着している担体を搬送する、もしくは、細胞を特定の位置に付着させた担体と電極チップ間に、着脱可能な合体機構を有する。

（７）また、好ましくは、上記（１）〜（６）において、上記細胞の複数個を収納可能な細胞保管庫と、細胞をその位置で測定する測定部と、複数の電極チップが配置された交換用電極チップ保管庫と、細胞及び電極チップ廃棄部と、上記細胞及び電極チップ搬送手段を、上記細胞保管庫、上記測定部、上記交換用電極チップ保管庫、上記細胞及び電極チップ廃棄部に移動させる移動機構と、をさらに備える。

（８）また、好ましくは、上記（７）において、上記細胞及び電極チップ搬送手段は、上記細胞保管庫から複数の細胞を採取する手段と、採取した細胞を上記電極チップ内に移動させる手段と、上記電極チップ内に移動させた細胞を取り出し、上記細胞及び電極チップ廃棄部に廃棄する手段とを備える。

本発明によれば、高精度でありながら、多量で多種類の化合物を短時間に自動的に評価できるハイスループット細胞アッセイ装置を実現することができる。

したがって、電極の交換および廃棄機構についての自動化、および微小細胞のハンドリングが容易になり、ハイスループットな細胞アッセイができ、多種類の化合物の迅速な同定が可能になる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態であるハイスループット細胞アッセイ装置の概略構成断面図であり、図２は、図１に示したハイスループット細胞アッセイ装置の外観斜視図である。

なお、以下の実施形態においては、直径１０μｍ〜２０μｍの付着性動物細胞である、ヒト腎細胞由来のＨＥＫ２９３細胞を取り上げ、細胞のハンドリング方法、および電極の交換および廃棄機構についての自動化に関する本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明におけるハイスループット細胞アッセイ装置は、ＨＥＫ２９３細胞の細胞アッセイに限定されるものではなく、その他の細胞についても適用可能である。

図３は、ＨＥＫ２９３細胞を付着させたポリスチレンビーズを示す図である。ＨＥＫ２９３細胞３０２を培養する際に、例えば、コラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ３０１にＨＥＫ２９３細胞３０２を付着させて培養する。このように培養することにより、図３に示すように、ＨＥＫ２９３細胞３０２単体に比べ、見かけのサイズが大きくなり、細胞のハンドリングを良くすることができる。

本発明の第１の実施形態では、図３に示す球形のコラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ３０１を用いるが、必ずしも球形に限定するものではなく、ＨＥＫ２９３細胞３０２が付着するのであれば、円柱型、立方体型、直方体型などでもよい。

また、第１の実施形態では、コラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ３０１を用いているが、コラーゲンでコーティングするのは、ＨＥＫ２９３細胞３０２の付着効率を向上させるためであり、ＨＥＫ２９３細胞３０２が付着するのであれば、必ずしもコラーゲンでコーティングする必要はなく、細胞の種類に応じた別の化学物質をコーティングしてもよい。

図３に示すように、いったんコラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ３０１に付着したＨＥＫ２９３細胞３０２は、コラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ３０２の周りに付着しながら増殖する。

図１のハイスループット細胞アッセイ装置は、細胞保管庫１０１と、測定部１０２と、培地１０３と、細胞及び電極チップ搬送装置１０５と、電極チップ１０６と、細胞及び担体吸引口１０７と、細胞及び電極チップ廃棄部１０８と、交換用電極チップ保管庫１０９と、交換用電極チップ１１０とを備える。なお、細胞保管庫１０１には、図３に示したようなＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４の複数個が保管される。

図示した例では、交換用電極チップ保管庫１０９が３つの交換用電極チップ１１０を保管できる場合を示しているが、必ずしも保管できる交換用電極チップ１１０は３つに限定されるものではなく、１、２又は４以上であってもよい。

また、この例では、細胞保管庫１０１、測定部１０２、交換用電極チップ保管庫１０９、細胞および電極チップ廃棄部１０８を直線上に一列に配置しているが、必ずしも直線上の配置に限定されるものではなく、例えば、放射状に配置することもできる。

図１に示すように、ステンレス製の細胞保管庫１０１と測定部１０２とは、共に培地１０３で満たされている。ＨＥＫ２９３細胞が付着した複数のポリスチレンビーズ１０４を予め細胞保管庫１０１に用意しておく。ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を細胞保管庫１０１から測定部１０２に搬送するためには、細胞及び電極チップ搬送装置１０５を用いる。

図４は、図１に示したハイスループット細胞アッセイ装置における、細胞及び電極チップ搬送装置１０５の構成を示す図（ただし、電極チップ１０６も示している）であり、図４の（ａ）は構成模式図、（ｂ）は微小電極内蔵針４０７をＨＥＫ２９３細胞に挿入するためのカム機構を示す図である。また、図５は、第１の実施形態であるハイスループット細胞アッセイ装置における電極チップ１０６の模式図である。

なお、図示した例では、細胞収納領域５０１が４つの場合の電極チップ１０６を示しているが、必ずしも細胞収納領域５０１は４つに限定されるものではなく、４未満又は４を超える数であってもよい。

細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、細胞保管庫１０１上に自動搬送機構（図示せず）又は手動により移動される。そして、図４の（ａ）に示すように、ポンプ４０１によりチューブ４０２を介して吸引することにより、細胞および電極チップ搬送装置１０５の下部１０５ａに形成された細胞および担体保持部４０３に、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４が吸引される。

つまり、図４の（ａ）に示すように、細胞及び電極チップ搬送装置１０５の下部１０５ａの下面に複数の凹部形状の細胞及び担体保持部４０３が形成されている。そして、細胞及び担体保持部４０３のそれぞれに、下部１０５ａを介してチューブ４０４が接続されている。したがって、ポンプ４０１の吸引動作により、細胞及び担体保持部４０３に、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４が吸引される。

図示した例では、細胞及び担体保持部４０３は４つ形成され、４つのチューブ４０４による４つの流路が、継手４０５で、一つのチューブ４０２を介してポンプ４０１に接続されている。ただし、４つのチューブ４０４がそれぞれポンプ４０１に直接接続されていてもよい。また、４つのチューブ４０４による４つの流路のうちのいくつかを継手４０５でつなぎ、複数のポンプ４０１に接続してもよい。

また、細胞及び担体保持部４０３が４つの場合を示しているが、必ずしも４つに限定されるものではない。

さらに、細胞及び担体を吸引する方法としてポンプ４０１を用いているが、水頭差を利用してもよく、もしくは、チューブ４０４を直接口で吸ってもよい。

また、ポンプ４０１の先に廃液溜めを設置し、細胞および担体とともに吸引してしまった培地を回収できるようにすることもできる。

ポンプ４０１は、簡易式の手動ポンプや電動式の簡易ポンプを使用することができる。

続いて、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を吸引した、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、細胞保管庫１０１から、測定部１０２に移動機構又は手動にて搬送される。そして、細胞及び電極チップ搬送装置１０５が電極チップ１０６上に位置すると、ポンプ４０１の吐出動作により、細胞及び担体保持部４０３からポリスチレンビーズ１０４が吐出され、電極チップ１０６の細胞収納領域５０１（図５に示す）に収納される。

電極チップ１０６の細胞収納領域５０１の底部には、ポリスチレンビーズ１０４が、電極チップ１０６をすり抜けて落ちない程度の大きさの細胞及び担体吸引穴４０６が形成されている。測定部１０２の下部には、細胞及び担体吸引口１０７が形成されており、この細胞及び担体吸引口１０７をポンプ（図示せず）により吸引することにより、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を電極チップ１０６の細胞収納領域５０１に装填することができる。

なお、図示した例では、４つの細胞及び担体吸引穴４０６が形成され、４つの細胞及び担体吸引穴４０６に接続する４つの流路が１つの細胞及び担体吸引口１０７に連通するようにな構成となっている。

ただし、細胞及び担体吸引口１０７は、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を電極チップ１０６の細胞収納領域５０１に装填できる吸引能力を保持できればよく、例えば、４つの細胞および担体吸引穴４０６をカバーするような１つの流路や、４つの細胞および担体吸引穴４０６にそれぞれ接続する４つの流路を用いてもよい。

また、この例では、細胞及び担体を細胞収納領域５０１に吸引する方法としてポンプを用いているが、水頭差を利用してもよいし、細胞及び担体吸引口１０７を直接、操作者の口で吸ってもよい。

さらに、細胞収納領域５０１に吸引するためのポンプの排出側に廃液溜めを設置し、細胞および担体とともに吸引してしまった培地を回収できるようにすることもできる。

また、図１に示すように、細胞保管庫１０１と測定部１０２との間には高低差があるが、培地１０３の液面を十分高く維持することにより、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を培地１０３中に保持したまま、細胞保管庫１０１から測定部１０２まで搬送することができる。

細胞及び電極チップ搬送装置１０５の、移動方法としては、電気モータを用いてもよく、空気による圧力を利用してもよく、レール上をハンドル操作で動かしてもよく、手で直接動かしてもよい。

電極チップ１０６は、図５に示すように、微細加工技術により製作され、シリコン−シリコン直接接合基板５０２を用いている。細胞収納領域５０１と微小電極内蔵針４０７とが一体構造となっており、細胞と微小電極の位置合わせが不要である。

シリコンで作られた微小電極内蔵針４０７は、２本の動物細胞アッセイ用に作製された微小電極５０３、５０４を有しており、微小電極内蔵針４０７の先端が細胞内に挿入されたとき、２本の微小電極５０３、５０４も同時に挿入できるような構造になっている。

図４（ａ）に示すように、微小電極内蔵針４０７の先端を、細胞収納領域５０１に収容された、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４上のＨＥＫ２９３細胞３０２に挿入するには、まず、歯付きのローター４０８を前後（紙面表裏方向）に動かすことにより、歯車４０９と噛み合わせる。次に、歯車４０９及び押棒４１０を長手方向軸を中心として回転させる。

歯付きのローター４０８を動かす機構としては、電気モータ、空気による圧力を利用してもよく、手で直接動かす構成とすることもできる。

押棒４１０の下部に位置する電極チップ１０６は、図４（ｂ）に示すようなカム機構を有しており、押棒４１０が回転することでカム４１１が回転し、図４（ｂ）の（Ａ）→（Ｂ）→（Ｃ）に示すように、微小電極内蔵針４０７がカム４１１に押されて距離４１４だけ移動する。

これにより、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４は、細胞収納領域５０１の細胞収納領域の仕切り壁４１２に押し付けられながら、微小電極内蔵針４０７がＨＥＫ２９３細胞３０２に挿入される。

なお、図示した例では、カム４１１の形状を楕円形としているが、必ずしも楕円形状に限定されるものではなく、カム４１１の形状は、カム４１１が回転することにより、微小電極内蔵針４０７が移動して、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４上のＨＥＫ２９３細胞３０２に挿入されるものであればよい。

一枚のシリコン−シリコン直接接合基板５０２に、複数の細胞収納領域５０１および微小電極内蔵針４０７を作り込むことにより、複数のＨＥＫ２９３細胞３０２に微小電極内蔵針４０７を同時にもしくは順番に挿入し、ＨＥＫ２９３細胞３０２の電位及び電流を測定することができる。

図６は、図４の細胞及び電極チップ搬送装置１０５における、微小電極５０３、５０４と外部との電気的接続関係を示す模式図である。
図６において、微小電極５０３、５０４は、微小電極取り出し口５０５、５０６を経由して、アンプ６０１、出力記録及び結果表示装置６０２に接続されている。

なお、この例では、１つの微小電極内蔵針４０７に対し、１つのアンプ６０１が接続されているが、アンプ６０１と微小電極５０３、５０４の接続を電気的もしくは機械的に切り替え、複数の微小電極内蔵針４０７を１つのアンプ６０１に順番に接続する構成とすることもできる。

細胞の電位又は電流測定が終了した後は、ポンプ４０１を用いてチューブ４０２を介して吸引することにより、細胞及び電極チップ搬送装置１０５の細胞及び担体保持部４０３に、測定済みのＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４が吸引される。

続いて、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に搬送される。細胞及び電極チップ搬送装置１０５が細胞及び電極チップ廃棄部１０８に位置すると、ポンプ４０１は吐出動作を行い、測定済みのＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４が、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に廃棄される。

図７は、図１のハイスループット細胞アッセイ装置の動作フローチャートである。
図７において、細胞アッセイを行う一連の流れとして、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、細胞保管庫１０１→測定部１０２→細胞および電極チップ廃棄部１０８と移動する。その後、動作制御部（図示せず）が、電極チップの交換条件７０１に照らし合わせて、使用後の電極チップ１０６を再度使用するか否かの判断を行う。

使用済みの電極チップを再び使用しない場合には、使用後の電極チップの交換および廃棄を行う一連の流れとして、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は、測定部１０２に移動して電極チップ１０６を持ち上げ、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に移動して、電極チップ１０６を廃棄する。その後、細胞及び電極チップ搬送装置１０５は交換用電極チップ保管庫１０９に移動して、新たな電極チップ１０６を持ち上げ、測定部１０２に移動して、新たな電極チップ１０６を測定部１０２に配置する。

ここで、電極チップの交換条件７０１としては、電極チップ１０６の寿命を考え、例えば、その電極チップ１０６を５回連続して使用したときとすることができる。なお、連続して使用できる回数は、電極チップ１０６の材質や性能に依存するため、必ずしも５回に限定されるものではない。

例えば、電極チップ１０６を５回連続して使用した後は、細胞及び電極チップ搬送装置１０５の下部に形成された鈎４１３で、使用済み電極チップ１０６の４辺の中央部分を引っ掛けて持ち上げることにより、使用済み電極チップ１０６が測定部１０２から取り除かれる。そして、細胞及び電極チップ搬送装置１０５が、鈎４１３を外すと、使用済み電極チップ１０６は、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に廃棄される。新たな電極チップ１０６を交換用電極チップ保管庫１０９から持ち上げ、測定部１０２に配置する場合も同様に、鈎４１３を用いて行なわれる。

ここで、鈎４１３の駆動手段は、電気的手段（電動モータ）を用いてもよく、磁気（磁石等）を用いてもよく、手動式機構であってもよい。

なお、この例では、細胞及び電極チップ搬送装置１０５の下部に形成された鈎４１３で、電極チップ１０６を搬送および廃棄することとしているが、電極チップ１０６を搬送および廃棄することができれば、必ずしも鈎４１３を用いる必要はない。例えば、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４を搬送するときと同じように、ポンプにより、電極チップ１０６を吸着及び離脱することで、電極チップ１０６を搬送および廃棄することもできる。

また、正常なＨＥＫ２９３細胞３０２の静止膜電位が、−７０ｍＶ〜−１０ｍＶの値を示すため、ＨＥＫ２９３細胞３０２が測定に適切な状態であるか否かが、静止膜電位の値から確認できることを利用して、電極チップの交換条件７０１を決めることもできる。

なぜなら、静止膜電位の値が異常を示すのは、ＨＥＫ２９３細胞３０２が測定に適切な状態でない場合だけではなく、電極チップ１０６に、微小電極内蔵針４０７の破損、微小電極５０３、５０４の破損、破損した細胞による流路の詰まりなどの異常がある場合もあるからである。

そこで、ＨＥＫ２９３細胞３０２の静止膜電位の値を、測定部１０２での細胞アッセイごとに出力記録および結果表示装置６０２に記録させておく。使用後の電極チップ１０６を交換する条件は、例えば、複数の細胞収納領域５０１の全体数の半分以上が測定不可能であるときとし、ある細胞収納領域５０１の微小電極内蔵針４０７が測定可能か否かは、その細胞収納領域５０２に収納されているＨＥＫ２９３細胞３０２の静止膜電位の値により判断することもできる。

なお、上述した例では、細胞収納領域５０１の全体数の半分以上が測定不可能であるときを、使用後の電極チップ１０６を交換する条件としているが、一枚の電極チップ１０６に含まれる細胞収納領域５０１の数、一度に測定したい細胞収納領域５０１の数などの違いにより、使用後の電極チップ１０６を交換する条件となる、測定不可能な細胞収納領域の数の割合を変えることができる。

例えば、同一の細胞収納領域５０１に収納したＨＥＫ２９３細胞３０２の静止膜電位の値が、５回連続して−７０ｍＶ〜−１０ｍＶの範囲内に収まらない場合には、その細胞収納領域５０１での測定は不可能であると判断する。なお、判断基準となる電極チップ１０６の使用回数は、必ずしも５回だけに限定されるものではない。

また、判断基準となる正常なＨＥＫ２９３細胞３０２の静止膜電位の値の範囲を−７０ｍＶ〜−１０ｍＶとしているが、測定対象のＨＥＫ２９３細胞３０２の質を上げるために、判断基準の値の範囲を狭くし、例えば−７０ｍＶ〜−２０ｍＶとすることもできる。

そして、電極チップ１０６の測定可能である細胞収納領域５０１の数が、細胞収納領域５０１の全体数の半分以下になった段階で、その電極チップ１０６を使用済み電極チップとして廃棄する。

さらに、例えば、複数の正常なＨＥＫ２９３細胞３０２に同じ化合物を同時に添加し、それらから得られた測定結果を統計処理することで、測定精度を向上させることができる。

図８は、測定精度を向上するために統計処理するデータ選択方法の一例を説明するための模式図である。

図８に示すように、例えば、８行×１２列の９６個の細胞収納領域を含む電極チップ８０１を考える。

例えば、得られた測定結果を算術平均して測定精度を向上させる場合には、使用後の電極チップ８０１を再度使用する条件は、同じ化合物を同時に添加できる５つの正常なＨＥＫ２９３細胞３０２が存在するか否かで判断する。ここで、ＨＥＫ２９３細胞３０２が正常であるか否かは、上記と同じように静止膜電位の値から判断することができる。

なお、この例においては、５つの細胞から得られたデータを算術平均することを考えているが、測定精度を向上させることができれば、必ずしも算術平均するデータは５つでなくてもよく、また、統計処理の方法として、重み付き平均を用いてもよい。

図８の（ａ）に示すように、細胞の静止膜電位の値から、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２（白丸）と、静止膜電位が異常値を示す細胞８０３（黒丸）とを判別し、その位置情報を出力記録および結果表示装置６０２に記憶させておく。

例えば、一つの列毎に着目し、１２の列のうち、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２が５つに満たない列８０４、８０５は使用不可とし、それらには化合物の添加を行わない。

静止膜電位が正常値を示す細胞８０２が５つ以上である列は、使用可能とし、列ごとに同じ化合物の添加を行う。そして、全ての列が使用不可となった段階で、使用済み電極チップとして廃棄する。ここで、図８の（ａ）に示した例では、列に着目して判断したが、行に着目して判断することもできる。

また、１２列のうちのいくつかの列が使用不可となった段階で、使用済み電極チップとして廃棄することもできる。さらに、この例においては、５つのＨＥＫ２９３細胞３０２から得られた値を算術平均することを考えているが、測定精度を向上させることができれば、必ずしも算術平均するデータは５つでなくてもよい。

さらに、例えば、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２を５つずつ含むように、同じ化合物の添加を行うＨＥＫ２９３細胞３０２の組み合わせを選んでいくこともできる。つまり、図８の（ｂ）に示すように、例えば、一番左の列の上から順番に静止膜電位が正常値を示す細胞８０２を５つずつ含むように選ぶことも可能である。

なお、一番左の列の下から順番に５つずつ、あるいは、一番右の列の上から順番に５つずつ、さらには、一番右の列の下から順番に５つずつ含むように選ぶこともできる。また、列に着目するのではなく、行に着目して判断することもできる。

さらに、細胞収納領域５０１に番号をつけて出力記録及び結果表示装置６０２に記憶させておき、番号の若い順から順番に、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２を５つずつ含むように、同じ化合物の添加を行うＨＥＫ２９３細胞３０２の組み合わせを選ぶこともできる。

そして、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２を５つずつ含んでいる、組み合わせ８０６、８０７などの１４の組み合わせに、それぞれ同じ化合物を同時に添加し、組に当てはまらなかった細胞８０８には、化合物の添加を行わない。

そして、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２を５つずつ含むように組み合わせを作ることができなくなった段階で、使用済み電極チップとして廃棄する。

なお、この例では、５つのＨＥＫ２９３細胞３０２から得られたデータを算術平均することを考えているが、測定精度を向上させることができれば、必ずしも算術平均するデータは５つでなくてもよい。

また、この例では、静止膜電位が異常値を示す細胞８０３にも、化合物の添加を行っているが、添加する化合物が希少である場合や高価である場合には、静止膜電位が正常値を示す細胞８０２のみに、同じ化合物の添加を行うこともできる。

また、ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ１０４の代わりに、卵母細胞または卵細胞を測定対象とし、微小電極５０３、５０４を卵母細胞および卵細胞用とした、上記の細胞アッセイシステムを用いることで、卵母細胞または卵細胞の細胞アッセイを行うことができる。

なお、動作制御部は、図示しない手段として備えても良いが、細胞及び電極チップ搬送装置１０５内に備えるようにしてもよい。

図９は、本発明の第２の実施形態であるハイスループット細胞アッセイ装置の概略構成断面図であり、図１０は、図９に示したハイスループット細胞アッセイ装置における、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシートと電極チップの合体機構を示す図である。

図９〜図１１において、ＨＥＫ２９３細胞３０２を培養する際に、例えば、後述する電極チップ９０１と同じ大きさのマイラーシート１００１を用意し、微小電極内蔵針４０７の先端に対応する位置に、チオール基１００２を導入して、ＨＥＫ２９３細胞３０２を培養させると、チオール基１００２が導入された場所に、ＨＥＫ２９３細胞３０２が選択的に付着する。

このように培養することにより、図１０に示すように、ＨＥＫ２９３細胞３０２単体に比べ、見かけのサイズが大きくなり、細胞のハンドリングを良くすることができる。この例では、マイラーシート１００１を用いているが、必ずしもマイラーシート１００１に限定するものではなく、シート状であり、ＨＥＫ２９３細胞３０２が付着できるものであればよい。

また、この例では、マイラーシート１００１にチオール基１００２を導入しているが、チオール基１００２を導入するのは、特定の位置へのＨＥＫ２９３細胞３０２の付着を促進させるためであり、ＨＥＫ２９３細胞３０２の付着が促進されるのであれば、必ずしもチオール基１００２である必要はなく、別の化学物質を導入してもよい。

さらに、この例では、チオール基１００２が４箇所に導入されたマイラーシート１００１を示しているが、必ずしもチオール基１００２の導入箇所は４つに限定されるものではない。

ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２と電極チップ９０１には、互いに着脱可能な合体機構をもたせる。このような合体機構をもたせることで、微小電極内蔵針４０７をＨＥＫ２９３細胞３０２に効率よく挿入することができる。なお、電極チップ９０１には、図１０に示すように、微小電極５０３、５０４、微小電極取り出し口５０５、５０６が形成されている。

また、図１０に示すように、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２と電極チップ９０１との合体における位置合わせには、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２と電極チップ９０１のそれぞれの４辺の中心に、予め同じ大きさの切り込み１００３および１００４を作製しておき、切り込み１００３、１００４を互いに合わせることで行なうことができる。

この例では、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２と電極チップ９０１の位置合わせ機構として、それぞれの４辺の中心に三角形の切り込みを用いるが、必ずしも三角形の形状に限定されるものではなく、位置合わせができるのであれば、半円状、長方形の切り込みなどでもよい。

また、位置合わせの切り込みを入れる場所は、必ずしもＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２および電極チップ９０１の４辺の中心に限定するものではなく、位置合わせができるのであれば、向かい合う２辺の中心でもよく、１辺の中心でもよく、さらに、辺の中心でなくてもよい。

図９に示すように、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を予め細胞保管庫１０１に用意しておく。そして、マイラーシート及び電極チップ搬送装置９０４を用いて、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を鈎４１３で細胞保管庫１０１から取り出し、測定部１０２に搬送して配置する。

続いて、マイラーシート及び電極チップ搬送装置９０４は、電極チップ９０１を交換用電極チップ保管庫１０９から取り出し、測定部１０２に搬送して、図１０に示すように、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２と電極チップ９０１とを合体させる。

図１１は、図９のハイスループット細胞アッセイ装置における、マイラーシート及び電極チップ搬送装置９０４の下部９０４ａ、マイラーシート９０２及び電極チップ９０１の概略断面図である。

図１１に示すように、電極チップ９０１に備えられた微小電極内蔵針４０７の先端を、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２上のＨＥＫ２９３細胞３０２に挿入するには、下部９０４ａの押棒１１０２に接合された支持棒１１０１を、押棒１１０２と共に下方に移動させる。

これにより、微小電極内蔵針４０７が支持棒１１０１により押されて下方に移動し、微小電極内蔵針４０７はＨＥＫ２９３細胞３０２に挿入する。なお、支持棒１１０１を誤って必要以上に動かすと、微小電極内蔵針４０７がＨＥＫ２９３細胞３０２を突き破り、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２の表面に達してしまい、微小電極内蔵針４０７を破損する危険性がある。このため、押棒１１０２及び支持棒１１０１の長さは、微小電極内蔵針４０７がＨＥＫ２９３細胞３０２を突き破らない程度であることが望ましい。

押棒１１０２を下方へ押す手段は、電動モータ、磁気、空気圧、手動等を用いて実現することができる。

測定部１０２で測定を終了した後は、マイラーシートおよび電極チップ搬送装置９０４は、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に移動し、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を廃棄する。

ここで、本発明の第１の実施形態と同様な判断基準により、電極チップ９０１を廃棄するか否かを決定し、廃棄する場合は、細胞及び電極チップ廃棄部１０８に電極チップ９０１を廃棄する。そして、上述と同様にして、新たなＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を細胞保管庫１０１から測定部１０２に移動させた後、新たな電極チップ９０３（交換用電極チップ）を交換用電極チップ保管庫１０９より取り出す。

電極チップ９０１を廃棄しない場合は、電極チップ９０１を取り付けた状態で細胞保管庫１０１からＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を電極チップ９０１に合体させ、測定部１０２で測定を行なう。

つまり、図９に示した細胞アッセイ装置においても、図７と同様の制御アルゴリズムにより、細胞アッセイを行うことができる。

なお、第２の実施形態では、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２の上に電極チップ９０１を合体させる機構になっているが、これらの上下を逆にし、電極チップ９０１の上にＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート９０２を合体させる機構にし、細胞アッセイを行うこともできる。

また、第２の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、図６に示したアンプ６０１や表示装置６０２を備えるものである。

本発明の第１の実施形態であるハイスループット細胞アッセイ装置の概略構成断面図である。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置の外観斜視図である。 ＨＥＫ２９３細胞を付着させたポリスチレンビーズを示す図である。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置における細胞及び電極チップ搬送装置を示す図である。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置における、電極チップの模式図である。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置における、微小電極と外部との電気的接続関係を示す模式図である。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置の動作フローチャートである。 図１のハイスループット細胞アッセイ装置における、統計処理するデータ選択方法の一例を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態であるハイスループット細胞アッセイ装置の概略構成断面図である。 図９のハイスループット細胞アッセイ装置における、ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシートと電極チップとの合体機構を示す図である。 図９のハイスループット細胞アッセイ装置における、マイラーシート及び電極チップ搬送装置の下部、マイラーシート及び電極チップの概略断面図である。

符号の説明

１０１ 細胞保管庫
１０２ 測定部
１０３ 培地
１０４ ＨＥＫ２９３細胞が付着したポリスチレンビーズ
１０５ 細胞及び電極チップ搬送装置
１０５ａ 細胞及び電極チップ搬送装置の下部
１０５ｂ 細胞及び電極チップ搬送装置の上部
１０６、８０１、９０１ 電極チップ
１０７ 細胞及び担体吸引口
１０８ 細胞及び電極チップ廃棄部
１０９ 交換用電極チップ保管庫
１１０、９０３ 交換用電極チップ
３０１ コラーゲンでコーティングされたポリスチレンビーズ
３０２ ＨＥＫ２９３細胞
４０１ ポンプ
４０２、４０４ チューブ
４０３ 細胞及び担体保持部
４０５ 継手
４０６ 細胞及び担体吸引穴
４０７ 微小電極内蔵針
４０８ 歯付きのローター
４０９ 歯車
４１０ 押棒
４１１ カム
４１２ 細胞収納領域の仕切り壁
４１３ 鈎
５０１ 細胞収納領域
５０２ シリコン−シリコン直接接合基板
５０３、５０４ 微小電極
５０５、５０６ 微小電極取り出し口
６０１ アンプ
６０２ 出力記録及び結果表示装置
９０２ ＨＥＫ２９３細胞が付着したマイラーシート
９０４ マイラーシート及び電極チップ搬送装置
９０４ａ マイラーシート及び電極チップ搬送装置の下部
９０４ｂ マイラーシート及び電極チップ搬送装置の上部
１００１ マイラーシート
１００２ チオール基
１００３、１００４ 切り込み
１１０１ 支持棒
１１０２ 押棒

Claims (8)

1. 任意の受容体を表面に発現させた細胞に化合物を投与し、上記細胞に接触させた電極により計測される電気信号の値に基づき、化合物と受容体との結合をアッセイするハイスループット細胞アッセイ装置であって、
   細胞を収納する領域と、細胞収納領域に収納された細胞に接触させる電極とが、一体化された電極チップと、
   上記電極により計測される電気信号を計測する計測部と、
   上記電極チップを装着及び取り外し可能で、上記電極を上記計測部に接続させる細胞及び電極チップ搬送手段と、
   を備え、上記搬送手段に装着された電極チップを、新たな電極チップに交換できることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
2. 請求項１記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、電極チップを交換する条件は、測定する細胞の種類に応じて設定されることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
3. 請求項１記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、細胞及び電極チップ搬送手段は、電極チップ内の電極を細胞に挿入するための駆動機構を備えることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
4. 請求項１記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、複数の細胞に同じ化合物を同時に添加し、それらの細胞から得られた電気信号のうち、複数の正常な細胞からの電気信号を判別し、それらの電気信号を統計処理する演算処理部を備えることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
5. 請求項１記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、上記細胞を担体に付着させ、細胞が付着しているその担体を、上記搬送手段を用いて、上記電極チップの細胞収納領域に収納することを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
6. 請求項１記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、細胞を担体の特定の位置に付着させ、その細胞が付着している担体を搬送する、もしくは、細胞を特定の位置に付着させた担体と電極チップ間に、着脱可能な合体機構を有することを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
7. 請求項１〜６のうちのいずれか一項記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、上記細胞の複数個を収納可能な細胞保管庫と、細胞をその位置で測定する測定部と、複数の電極チップが配置された交換用電極チップ保管庫と、細胞及び電極チップ廃棄部と、上記細胞及び電極チップ搬送手段を、上記細胞保管庫、上記測定部、上記交換用電極チップ保管庫、上記細胞及び電極チップ廃棄部に移動させる移動機構と、をさらに備えることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。
8. 請求項７記載のハイスループット細胞アッセイ装置において、上記細胞及び電極チップ搬送手段は、上記細胞保管庫から複数の細胞を採取する手段と、採取した細胞を上記電極チップ内に移動させる手段と、上記電極チップ内に移動させた細胞を取り出し、上記細胞及び電極チップ廃棄部に廃棄する手段とを備えることを特徴とするハイスループット細胞アッセイ装置。

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