JP2006129798A - Cell chip and method for modifying cell and method for controlling cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞機能を研究や細胞を用いる種々物質のバイオアッセイおよびそのための細胞チップ、細胞を用いる物質生産を目的とした細胞の制御方法および改変方法に関する。 The present invention relates to a bioassay of various substances using cells for studying cell functions, a cell chip therefor, and a cell control method and modification method for the purpose of producing substances using cells.
ゲノム計画の進展とともにDNAレベルで生体を理解し、病気の診断や生命現象の理解をしようとする動きが活発化してきた。生命現象の理解や遺伝子の働きを調べるには遺伝子の発現状況を調べることが頻繁に行われている。この有力な方法として固体表面上に数多くのDNAプローブを種類毎に区分けして固定したDNAプローブアレーあるいはDNAチップ(実際には固定されているのはオリゴヌクレオチドの誘導体であるのでオリゴチップと呼ぶこともある)が用いられている(非特許文献1あるいは非特許文献2)。あるいは、採取した試料に含まれる特定の配列のmRNA(あるいはcDNA)をPCR増幅して得られる産物の量やPCR産物長、塩基配列を調べる方法が用いられている。
Along with the progress of the genome project, the movement to understand living organisms at the DNA level, to diagnose diseases and to understand life phenomena has become active. In order to understand life phenomena and investigate the function of genes, it is frequently conducted to examine the expression status of genes. As an effective method, a DNA probe array or a DNA chip in which a large number of DNA probes are classified and fixed on a solid surface (called an oligo chip because it is actually an oligonucleotide derivative) Is also used (Non-patent
これら分離したmRNAは単に分析目的で用いられる以外にこれをcDNAに変換し、ベクターに組み込んだりして色々の目的に利用されている。一例として言えば、採取したmRNAをベクターに組み込み、クローニングした後、ベクターを鋳型にして部分的に異なる塩基を持つプライマーで相補鎖合成し、任意の遺伝子改変を施す遺伝子組換えに用いられている。 These isolated mRNAs are used not only for analysis purposes but also for various purposes by converting them into cDNA and incorporating them into vectors. As an example, the collected mRNA is incorporated into a vector, cloned, and then complementary strand synthesis is performed with primers having partially different bases using the vector as a template, and used for gene recombination where any genetic modification is performed. .
細胞そのものをセンサーに見立てて、極微量物質を検出するバイオアッセイの研究も盛んである。特に、種々の有害物質の影響を調べたり、薬剤の薬効や副作用を調べるのは、現在はマウスなどの哺乳類個体に頼る部分が大きいが、今後、動物愛護の観点からも細胞ベースでのアッセイに移行することは時代の趨勢である。 Research on bioassays that detect extremely small amounts of substances by using cells themselves as sensors is also active. In particular, investigating the effects of various harmful substances and investigating the efficacy and side effects of drugs are largely dependent on mammals such as mice, but in the future, cell-based assays will also be used from the viewpoint of animal welfare. Transition is a trend of the times.
別の観点からは、細胞を自由に機能制御し、有用物質を生産することや医療治療面へ応用することでもニーズが高い。実際、アンチセンスオリゴヌクレオチドやRNAiのように細胞外部からの操作により細胞を制御する試みが盛んになされるようになっている。 From another point of view, there is a great need for controlling the function of cells freely, producing useful substances, and applying them to medical treatment. In fact, attempts have been actively made to control cells by manipulation from outside the cells, such as antisense oligonucleotides and RNAi.
このような、細胞を用いるアッセイや細胞機能制御に関しては、方法論的に万能な手法が存在しない。アッセイのためには、細胞を遺伝子組換えの技術を用いて特定物質を捕捉するレセプラーやトランスポーターを発現させ、これとイオンポンプをカップルさせて、電極を差し込み、細胞膜を流れる電流量として計測する。細胞機能制御に関しても原理は細胞内に制御用の物質を挿入し、細胞の活動をコントロールする。 There is no methodologically versatile technique for such cell-based assays and cell function control. For the assay, cells are expressed with a receptor or transporter that captures a specific substance using genetic recombination technology, and this is coupled with an ion pump, an electrode is inserted, and the amount of current flowing through the cell membrane is measured. . The principle of cell function control is that a control substance is inserted into the cell to control cell activity.
ところが、細胞は安定な細胞膜で外界と仕切られており、実施者の都合で任意の物質を定量的に細胞に入れたり出したりすることは困難である。もちろん、金微粒子をビークルにして、その表面に、細胞内に挿入したいものをくっつけて、細胞に打ち込む技術など多くの技術が開発されているが、確実性と細胞内に取り込む物質量の再現性にはかなりのばらつきがあると考えてよい。 However, the cells are separated from the outside by a stable cell membrane, and it is difficult to quantitatively add or remove any substance into the cells for the convenience of the practitioner. Of course, many technologies have been developed, such as making gold particles into a vehicle, sticking what you want to insert into the cell, and driving it into the cell, but certainty and reproducibility of the amount of substance taken into the cell It can be considered that there is considerable variation.
細胞膜を半透膜にする技術(swmi-contact cell: Molecular Biology of the Cell 11,3073-3087(2000))、あるいは、ファゴトーシスやエンドサイトーシスを利用するのが有効な方法であると思われる。しかし、細胞膜を半透膜化すると細胞表面全体に穴が開いてしまい、細胞内の物質(細胞質)が細胞外に流れ出てしまう欠点がある。また、ファゴトーシスやエンドサイトーシスを利用する方法は即応性がないために、細胞機能の逐次制御という面では利用が難しい。 It seems that the effective method is to use a technique of making the cell membrane semi-permeable (swmi-contact cell: Molecular Biology of the Cell 11,3073-3087 (2000)), or phagotosis or endocytosis. However, when the cell membrane is made semipermeable, there is a defect that a hole is formed in the entire cell surface, and the intracellular substance (cytoplasm) flows out of the cell. In addition, methods using phagotosis and endocytosis are not responsive and are difficult to use in terms of sequential control of cell functions.
本発明のポイントは、細胞の内容物の流失を押さえ、確実に目的物質を細胞内に挿入したり、細胞内の物質を回収したりする技術を確立し、特定物質のアッセイや有用物質の生産をより容易にする技術を提供することにある。 The point of the present invention is to establish a technique for suppressing the loss of the contents of cells and reliably inserting the target substance into the cell or recovering the intracellular substance, and assaying specific substances or producing useful substances It is to provide a technology that makes it easier.
従来の技術を改良し、細胞の逐次制御やアッセイを安定に行う方法に最も近いのは細胞膜を半透膜化する技術である。本発明では、細胞全体を半透膜化するのではなく、細胞のごく一部に限定することで細胞質の細胞外への流失を防ぎ、安定して細胞を利用できるようにする。 The technique closest to the method of improving the conventional technique and performing stable cell control and assay stably is a technique for making the cell membrane semi-permeable. In the present invention, the entire cell is not made semi-permeable, but is limited to a small part of the cell to prevent the cytoplasm from flowing out of the cell, so that the cell can be used stably.
細胞の一部を半透膜化するため、細胞外径より小さい穴を開けた隔壁構造のチップを用いる。このチップの一面の細孔のある位置に細胞を固定し、他面から前記細孔を介して細胞の一部に、たとえば、ストレプトリシンOのような細胞膜毒素を作用させ、細孔部分の細胞膜を半透膜化する。この半透膜部分を用いて細胞に物質の出し入れを行う。また、隔壁の内外に電極を設けることで、細胞膜を通過するイオンを計測したり、電極に電圧を印加することで細胞への物質の出し入れを強制的に行う。 In order to make a part of cells semipermeable, a chip having a partition wall structure with a hole smaller than the outer diameter of the cell is used. A cell is fixed at a position of the pore on one surface of the chip, and a cell membrane toxin such as streptricin O is allowed to act on a part of the cell through the pore from the other surface, so that the cell membrane of the pore portion Is made semi-permeable. Using this semipermeable membrane portion, the substance is taken in and out of the cell. In addition, by providing electrodes inside and outside the partition wall, ions passing through the cell membrane are measured, or a voltage is applied to the electrodes to force the substance into and out of the cells.
本発明は、細胞膜の一部を半透膜化するに過ぎない。さらに、半透膜化した細胞膜部分は、平常は細胞膜と隔壁で区切られているため、細胞質は隔壁外に拡散しない。細胞を連続的に観測することや、逐次細胞内に物質を注入することもできる。しかも、半透膜における拡散のみで細胞内物質の出し入れが可能となる。外部から種々物質を加えられるので、タンパク質相互作用や遺伝子発現の制御か可能になり、細胞内で起きる生理現象を能動的に解析できる。隔壁の内外に電極を設けることで、細胞膜を通過するイオンを計測したり、物質の出し入れを強制的に行うことができる。パッチクランプによる細胞への物質の出し入れと比較して、格段に、安定な操作である。 The present invention only makes a part of the cell membrane semi-permeable. Further, since the semipermeable membrane is normally separated from the cell membrane by the partition wall, the cytoplasm does not diffuse outside the partition wall. It is also possible to observe cells continuously or to inject substances into cells sequentially. Moreover, intracellular substances can be taken in and out only by diffusion in the semipermeable membrane. Since various substances can be added from the outside, it is possible to control protein interactions and gene expression, and actively analyze physiological phenomena occurring in cells. By providing electrodes inside and outside the partition wall, ions passing through the cell membrane can be measured, and substances can be forcibly put in and taken out. Compared to the loading and unloading of substances into cells by patch clamp, this is a much more stable operation.
(実施例1)
図1は、実施例1による細胞チップとその細孔部分に固定される細胞との関係の概要を示す断面図である。
Example 1
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an outline of the relationship between a cell chip according to Example 1 and cells fixed to the pores.
図1において、100は細胞チップである。20は細胞である。後述するように、細胞20は細胞チップ100の細孔3の部分に固定されている。
In FIG. 1, 100 is a cell chip. 20 is a cell. As will be described later, the
1は細胞チップ100の細胞固定基板であり、例えば、シリコン基板から作られる。大きさは、例えば、図の高さ方向が5mm、図と垂直方向が500μmである。厚さは、例えば、100μmである。細胞固定基板1の一端部に突起2を形成する、この高さは、例えば、5μmであり、突起2の部分の厚さは、例えば、2μmである。突起2の頂部に細孔3を形成する。この大きさは、例えば、2〜5μmφである。細胞固定基板1の下部の両面に電極層4,5が形成されている。電極層4,5は絶縁層6,7で大部分が覆われているが、突起2の近辺と細胞固定基板1の端部近辺では露出している。
10は背面板であり、細胞固定基板1の突起2の背面部にバッファ室8を形成するために、突起2の背面部全体を覆う形で貼り付けられる。背面板10の厚さは、全体としては、例えば、100μmであるが、図に示すように、細胞固定基板1側の面の細孔3に対応する位置に突起11が形成され、外側面の突起11の両端に位置に貫通孔を有する突起12,13が形成される。突起12,13には、キャピラリー14,15を取り付けることができ、これに、マイクロシリンジポンプ(図示しない)に連結することができる。このキャピラリー14,15を利用して、太い矢印で示すように、バッファ室8内にバッファを循環させ、あるいは、バッファの供給を上回る吸引をすることで、バッファ室8の内部を陰圧状態とすることができる。突起11は、供給されたバッファの流れを乱し、細孔3の方に流れるようにするために設けられる。
図が煩雑になるので、顕微鏡関係の図示は省略したが、顕微鏡の観察ガラス板の上に細胞培養に適したバッファの液滴を滴下し、この液滴中に細胞固定基板1の突起2と細胞20を対向して配置する。この際、顕微鏡で観察しながら、細胞20を突起2の細孔3の部分に向き合う形に置く。21は細胞20の脂質二重層であり、22は細胞質を表わす。図1において、細胞固定基板1の突起2と細胞20を取り囲む破線は液滴に浸漬されている領域のイメージを示す。破線が取り囲む領域にはバッファ室8が含まれた形となっているが、後述するように、細胞20が細胞固定基板1に固定された状態では、バッファ室8は、液滴とは繋がらないものとなる。一方、液滴の範囲外にある細胞固定基板1の端部で露出している電極層4,5には導線が接続され、引き出されて図示しない計測器、あるいは、計算機に接続される。
Since the figure becomes complicated, the illustration of the microscope is omitted, but a droplet of a buffer suitable for cell culture is dropped on the observation glass plate of the microscope, and the
顕微鏡で観察しながら、細胞20を突起2の細孔3に接触させる。このとき、前述した電極層4,5間の電気伝導度を監視していると、細胞20が突起2の細孔3に接触する前は、バッファ室8内に露出している電極層5と液滴内に露出している電極層4とはバッファにより短絡状態であるのに対して、接触した後は、細孔3が細胞20の脂質二重層21で塞がれるので、実質的に絶縁状態になるので、細胞接触を確認できる。細胞接触が確認されたら、突起12,13に連結されたキャピラリー14,15によるバッファの供給を制御して、バッファの供給を上回る吸引をすることでバッファ室8内を陰圧にすることにより、細胞20は細孔3にしっかりと固定される。
While observing with a microscope, the
次に、背面板10の突起12,13に取り付けられたキャピラリー14,15に連結されているマイクロシリンジポンプを用いて、バッファ室8内にストレプトリシンOを注入する。ストレプトリシンOは細孔3を介して、細胞20の脂質二重層21のうち細孔3に接している部分に作用して、この部分のみを半透膜化する。半透膜化とは細胞骨格は残っているが、脂質二重層21に穴が開いた状態である。ストレプトリシンOの反応条件は、例えば、Fumi Kano, Y. Sako et al、Reconstraction of Brefeldin A-induced Golgi Tubulation and Fusion with the Endoplasmic Reticulum in Semi-Intact Chinese Hamster, Molecular Biology of the Cell 11,3073-3087(2000)に開示されている技術をベースに細胞の種類に応じて改変する。たとえば、卵巣細胞ではストレプトリシンO(60ng/ml)、115mM酢酸カリウム、2.5mM MgCl2,1mMジチオスレイトール、2mM EGTAを含むpH7.4の25mMHEPES緩衝液で4℃10分間である。その後、115mM酢酸カリウム、2.5mM MgCl2,1mMジチオスレイトール、2mM EGTAを含むpH7.4の25mMHEPES緩衝液(32℃)で洗浄する。この間、細胞20は、液滴のバッファ内にあるので細胞20へのダメージは少ない。
Next, streptolysin O is injected into the
以下、このようにして構成された、部分的な半透膜を有する細胞を固定した細胞チップ100の使用法を説明する。
Hereinafter, a method of using the thus configured
キャピラリー14から、特定のmRNAの一部である短鎖のRNAをバッファ室8内に流入させる。このRNAの一部は細孔3から半透膜を通して細胞20内に取り込まれる。通常、RNAは、細胞20内に導入された場合、RNaseの攻撃を受け速やかに消失する。しかし、実施例1の細胞チップ100では、キャピラリー14から、連続的に、バッファ室8内に新鮮なRNAが供給されるから、細胞20内のRNAは細孔3に細い矢印で示すように、半透膜を通して細胞20とバッファ室8とで平衡状態を形成する。このため、常に一定量のRNAを細胞内に保持することができる。これはRNAに限らず、DNAないしRNAないしそれらの誘導体でも同様である。
A short RNA, which is a part of specific mRNA, is caused to flow into the
このようにしてRNAを細胞20内に入れる前と入れた状態で、電極4と5の間の電流値をモニターする。細胞に導入されたRNAが細胞二重膜21のトランスポーターに影響があるものであれば、細胞二重膜21に存在するイオンチャンネルがカップルし、イオンの膜輸送に変動が現れ、電極4と5の間に電流が流れる。すなわち、細胞内に物質を導入し、それが細胞に与える影響をモニターできる。これはRNA以外にも、化学物質や、タンパク質の影響測定にも利用できる。
In this way, the current value between the
あるいは、ストレプトリシンOに晒されない、液滴側の細胞二重膜21が存在する側で、液滴に種々の化学物質を添加し、トランスポーターを介してこれを細胞20内に導入させ、それが細胞に影響を与える状況を電極4,5間の電位差などで知ることができる。すなわち、バイオアッセイが可能である。
Alternatively, various chemical substances are added to the droplet on the side where the cell
図2(a)−(g)は実施例1の細胞固定基板1を半導体技術を利用して形成する処理の概要を説明する図である。図2(a)−(g)は左側に断面図、右側にそれに対応する平面図を示す。
FIGS. 2A to 2G are diagrams for explaining the outline of the process of forming the
まず、図2(a)に示すように、所定の結晶軸を持つシリコン基板1を準備し、その一面にマスク31を施し、突起3を作成する位置に、マスク31を除去した窓32を形成する。図2(b)に示すように、エッチング処理をして、四角錐33に対応する部分を除去する。次に、図2(c)に示すように、マスク31を除去し、シリコン基板1の他面にマスク34を施し、突起3を作成する位置に、マスク34を除去した窓を形成しこれにより断面三角の凹部35,36を形成する。凹部35,36は、平面図から分かるように、四角錐33に対応する連続した凹部である。次に、図2(d)に示すように、凹部35,36で囲まれた位置に、マスク37を設けて、窓38を開ける。次に、図2(e)に示すように、この窓38を利用して基板1の対応部分に細孔3を開ける。このとき、併せて、凹部35,36の周辺部の基板1にもエッチングを施して突起2を形成する。次に、図2(f)に示すように、基板1の突起2のある面に電極4を形成する。この電極4はアルミの蒸着層とする。次に、図2(g)に示すように、電極4の両端部を除く、ほぼ全面をポリイミドの絶縁層6で覆う。次いで、基板1の他の面に電極5を形成する。この電極5は白金の蒸着層とし、電極5の両端部を除く、ほぼ全面をポリイミドの絶縁層7で覆う。かくして、細胞チップ100の細胞固定基板1が形成される。ここでは、半導体技術に関する詳細なデータは省略したが、当業者は容易に実施できる。
First, as shown in FIG. 2A, a
同様にして、背面板10も半導体技術によるシリコン基板の加工により形成することができる。そして、細胞固定基板1と背面板10とを貼り合わせて、細胞チップ100が構成される。
Similarly, the
(実施例2)
実施例1は単一の細胞を細胞チップの細孔部分に固定し、細孔部分の細胞膜のみを半透膜化してバイオアッセイの可能な細胞チップを説明した。しかしながら、多細胞生物においては、細胞は単独で機能しているケースはまれで、周囲の細胞と強調しながら全体として機能している。このような多細胞系はお互いに種々化学物質を用いて情報のやり取りを行っているものと考えられる。多くの場合このような化学物質は微量で、生きた細胞からの逐次解析は困難なのが実情である。実施例2では、周囲の細胞と協調しながら全体として機能している細胞群について、模擬的に、バイオアッセイを可能とする細胞チップを提案する。実施例2でも、細胞を実施例1の細孔部分に固定し、細孔部分の細胞膜のみを半透膜化してバイオアッセイのを可能とするものである点においては、実施例1と同じである。
(Example 2)
In Example 1, a single cell was fixed to the pore part of the cell chip, and only the cell membrane of the pore part was made semi-permeable to explain a cell chip capable of bioassay. However, in multicellular organisms, cells rarely function alone, and function as a whole while emphasizing surrounding cells. Such multicellular systems are thought to exchange information using various chemical substances. In many cases, such chemical substances are in minute amounts, and it is difficult to perform sequential analysis from living cells. In Example 2, a cell chip that enables a bioassay for a group of cells functioning as a whole in cooperation with surrounding cells is proposed. Example 2 is the same as Example 1 in that cells are fixed to the pore part of Example 1 and only the cell membrane of the pore part is made semipermeable to enable bioassay. is there.
図3は、実施例2による細胞チップとその細孔部分に固定される細胞との関係の概要を示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing an outline of the relationship between the cell chip according to Example 2 and the cells fixed to the pores.
図3において、200は実施例2による細胞チップであり、細胞固定基板41と背面板51および側壁板61,62より構成される。なお、側壁板は図示されていない紙面の背後方向および手前方向にも設けられる。これらで囲われた空間は、実施例1と同様、バッファ室71を形成する。
In FIG. 3,
細胞固定基板41には細孔43が形成される。これらは、実施例1の細胞固定基板1、細孔3と対応する。実施例2の細胞固定基板41は、実施例1の細胞固定基板1と異なり、突起2は形成されておらず、多数の細孔3が形成されている。これは、細胞固定基板41の面上に、多数の細胞を配列させ、これらの細胞同士で協調しながら全体として機能している細胞群を構成させるためである。図の例では、4個の細孔43が構成されている例が示されているが、これをもっと多くすることは容易である。細胞固定基板41は、例えば、全体の大きさは10×10mm程度である。厚さは、例えば、100μmである。細孔43は2ないし5μmφとし、これを8μmピッチで配列する。細胞固定基板41の細孔3の位置には、それぞれ、細胞20が配列される。すなわち、細胞20が8μmピッチで配列される。
A
背面板51は、細胞固定基板41と同一の大きさで、細胞固定基板41に対向して、例えば、1mm離して配置される。細胞固定基板41と背面板51とは、側壁板61,62および図示されていない紙面の背後方向および手前方向の側壁板により、所定の位置関係に保持されるとともに、これらによって囲われた空間をバッファ室71とする。側壁板61,62には、実施例1と同様、貫通孔を有する突起63,64が形成される。突起63,64には、キャピラリー(図示しない)を取り付けることができ、これを、マイクロシリンジポンプ(図示しない)に連結することができ、バッファ等を供給することができる。背面板51には、細孔43に対応する位置に突起52が形成される。この突起52は、実施例1の突起11と同様、バッファ室71供給されたバッファの流れを乱し、細孔43の方に流れるようにするために設けられる。また、背面板51のバッファ室71内の面には電極53が設けられる。電極53の引き出し線54は絶縁線とされて、バッファ室71の外部に引き出される。
The
図4(a)−(d)は実施例2の細胞固定基板41を半導体技術を利用して形成する処理の概要を説明する図である。図4(a)−(c)は左側に断面図、右側にそれに対応する平面図を示す。図4(d)の平面図は図4(c)のそれと同じであるので、省略した。
FIGS. 4A to 4D are views for explaining the outline of the process for forming the
まず、図4(a)に示すように、所定の結晶軸を持つシリコン基板1を準備し、その一面にマスク31を施し、細孔3を作成する位置の凹部に、マスク31を除去した窓32を形成する。図4(b)に示すように、エッチング処理をして、四角錐33に対応する部分を除去する。次に、図4(c)に示すように、マスク31を除去し、シリコン基板1の他面にマスク34を施し、細孔43を作成する位置に、マスク34を除去した窓35を形成する。図4(d)に示すように、エッチング処理をして、細孔43を形成する。かくして、細胞チップ200の細胞固定基板41が形成される。ここでは、半導体技術に関する詳細なデータは省略したが、当業者は容易に実施できる。
First, as shown in FIG. 4A, a
同様にして、背面板51、側壁板61,62も半導体技術によるシリコン基板の加工により形成することができる。そして、細胞固定基板41と背面板51および側壁板61,62とを貼り合わせて、細胞チップ200が構成される。
Similarly, the
図2(g)の平面図と図4(c)の平面図とを比較して明らかなように、実施例1の細胞チップ100は1個の細胞を対象にしてバイオアッセイを行うのに対して、実施例2の細胞チップ200は4×4個の細胞を配列してバイオアッセイを行うことを可能にしたものである。細胞チップ200を培養皿に入れ、適当な培養液に浸した状態で、例えば、上皮細胞20を細胞チップ200の細胞固定基板41上で培養すると、必然的に、細胞固定基板41上に単層の細胞シートが構成される。図3は、破線で細胞チップ200と培養された細胞シートが培養液の領域にあることをイメージとして示すとともに、細胞チップ200の細胞固定基板41上に単層の細胞シートが形成されている状態を断面図で示すものである。図3では、細孔43を細胞配列のピッチに対応するように設けたものとしたが、細胞間隔(例えば、8μm)に比べて十分な密度、たとえば5μmピッチで細孔43を設ければ、細胞のサイズに係わらず、細胞固定基板41上に構成された単層の細胞シートのほぼすべての細胞に細孔が配されることになる。勿論、細胞のサイズに対応した細孔43が配置された細胞固定基板41上に、予め、アガロースマイクロチャンバーアレーなどで一定間隔になるように細胞を培養してもよい。さらに、任意の細胞を配列して、細胞シートにしても良い。なお、図3の細胞20に関して、21で示すのは細胞二重膜、22は細胞質、23は細胞二重膜に存在するトランスポーターである。
As is clear by comparing the plan view of FIG. 2 (g) with the plan view of FIG. 4 (c), the
まず、実施例2においても、顕微鏡で観察しながら、実施例1と同様に、側壁板61,62の突起63,64を介してバッファをバッファ室71に供給する。培養皿の培養液に浸した電極55とバッファ室71内の電極53との間の電気伝導度を監視していると、細胞20による細胞シートがしっかりと細胞固定基板41上に固定されていないときには、培養皿の培養液に浸されている電極55とバッファ室8内に露出している電極54とはバッファにより比較的電気伝導度が小さい。この状態では、突起61,62の貫通孔を介して、太い矢印で示すように、供給されるバッファを制御して、バッファの供給を上回る吸引をすることでバッファ室71内を陰圧にすることにより、細胞シートは細胞固定基板41上に固定される。
First, also in the second embodiment, the buffer is supplied to the
ここで、実施例1と同様に、バッファ室71内にストレプトリシンOを注入する。ストレプトリシンOは細孔43を介して、細胞20の脂質二重層21のうち細孔43に接している部分に作用して、この部分のみを半透膜化する。これにより、細孔43に対応する部分のみが半透膜とされた細胞を有する細胞チップが得られる。
Here, streptolysin O is injected into the
以下、このようにして構成された、部分的な半透膜を有する細胞を固定した細胞チップ200の使用法を説明する。
Hereinafter, a method of using the thus configured
突起61,62の貫通孔を介して、太い矢印で示すように、特定のmRNAの一部である短鎖のRNAをバッファ室71内に流入させる。このRNAの一部は細孔43から半透膜を通して細胞20内に取り込まれる。通常、RNAは、細胞20内に導入された場合、RNaseの攻撃を受け速やかに消失する。しかし、実施例2の細胞チップ200では、突起61,62の貫通孔から、連続的に、バッファ室71内に新鮮なRNAが供給されるから、細胞20内のRNAは細孔43に細い矢印で示すように、半透膜を通して細胞20とバッファ室71とで平衡状態を形成する。このため、常に一定量のRNAを細胞内に保持することができる。
A short RNA, which is a part of a specific mRNA, is caused to flow into the
このようにしてRNAを細胞20内に入れる前と入れた状態で、電極54と55の間の電流値をモニターする。細胞シートを構成する細胞に導入されたRNAが細胞二重膜21のトランスポーター23に影響があるものであれば、細胞二重膜21に存在するイオンチャンネルがカップルし、イオンの膜輸送に変動が現れ、電極54と55の間に電流が流れる。すなわち、細胞内に物質を導入し、それが細胞に与える影響をモニターできる。これはRNA以外にも、化学物質や、タンパク質の影響測定にも利用できる。
In this way, the current value between the
あるいは、ストレプトリシンOに晒されない、培養皿側の細胞二重膜21が存在する側で、培養液に種々の化学物質を添加し、トランスポーターを介してこれを細胞20内に導入させ、それが細胞に影響を与える状況を電極54,55間の電位差などで知ることができる。すなわち、バイオアッセイが可能である。
Alternatively, various chemical substances are added to the culture solution on the side where the cell
あるいは、培養皿に白抜きの三角で示す化学物質を添加すると、トランスポーター23を介して細胞内に化学物質が薄い塗りつぶしの三角で示すように取り込まれる。トランスポーター23を貫く矢印は、化学物質が通過することをイメージするためのものである。取り込まれた化学物質は半透膜化した部分を通過し、細孔43よりバッファ室71に黒の塗りつぶしの三角として溶出する。これを突起62の貫通孔を介して回収することにより、細胞の化学物質に対する反応を評価することができる。
Alternatively, when a chemical substance indicated by a white triangle is added to the culture dish, the chemical substance is taken into the cell via the
本明細書において、生化学物質というのは、アミノ酸、ジペプチド、トリペプチドなどのオリゴペプチド、タンパク質などのポリペプチド、核酸、mRNAなどのRNA、単糖、2単糖やオリゴ糖、多糖類などの糖類、ステロイドなどのホルモン類、ノルアドレナリン、ドーパミン、セロトニンなどの神経伝達物質、そのほか内分泌攪乱剤、各種薬剤、カリウム、ナトリウム、塩化物イオン、水素イオンなど生命現象にかかわる物質一般を指す。このように生化学物質とは多種多様な性質を持つものである。したがって、これらの細胞に対する影響を、細胞に直接作用させて、評価できるのは、きわめて有用である。 In this specification, biochemical substances include aminopeptides such as amino acids, dipeptides and tripeptides, polypeptides such as proteins, nucleic acids, RNAs such as mRNA, monosaccharides, disaccharides, oligosaccharides, and polysaccharides. It refers to hormones such as saccharides and steroids, neurotransmitters such as noradrenaline, dopamine and serotonin, other endocrine disruptors, various drugs, and substances related to life phenomena such as potassium, sodium, chloride ions and hydrogen ions. Thus, biochemical substances have a wide variety of properties. Therefore, it is extremely useful to be able to evaluate the effect on these cells by directly acting on the cells.
たとえば、トランスポーターであるSLC6A1を強制発現させた細胞で上記チップを作成するとγ−アミノ酪酸の検出に有用である。SLC6A2を強制発現したものはノルアドレナリン、SLC6A4ではセロトニン、の測定に利用できる。SLCO3A1ではプロスタグランジン、SLC6A5ではグリシンの測定に利用できる。 For example, if the above-mentioned chip is prepared from cells in which SLC6A1, which is a transporter, is forcibly expressed, it is useful for detecting γ-aminobutyric acid. Those forcibly expressing SLC6A2 can be used for measurement of noradrenaline, and SLC6A4 for serotonin. SLCO3A1 can be used to measure prostaglandins and SLC6A5 can be used to measure glycine.
さらに本発明のチップを用いると、物質を精製することができる。たとえば、ドーパミンのトランスポーターを上記手法により強制発現させた細胞を図3記載のチップ200のようにチップ上にアレー状に整列させる。各細胞は細孔に接する部分だけ半透膜化している。チップにドーパミンやその誘導体などを含む試料溶液を添加し、電極54と電極55に電圧をかける。すると、目的のドーパミンあるいはその類似体が細胞膜を通過して回収される。まったく異なる構造のものは膜を通過しない。もちろん、その他の物質に対するトランスポーターを介して他の物質も回収されるが、関連するトランスポーターの数の差が大きいので実質的に目的物質が回収される。同様な精製をアミノ酸や糖などでも行うことができる。特に、トランスポーターに立体異性を識別できるようなものを強制発言させれば、たとえば、合成アミノ酸(DL混合物)からL体のみを少ないエネルギーで精製できる。
Furthermore, when the chip of the present invention is used, the substance can be purified. For example, cells in which a dopamine transporter is forcibly expressed by the above-described method are arranged in an array on the chip as in
このように、本発明を用いれば、化学物質のアッセイのみならず、化学物質の精製などの物質生産に利用できる。 As described above, the present invention can be used not only for assaying chemical substances but also for producing substances such as purification of chemical substances.
1,41…細胞固定基板(シリコン基板)、2…突起、3,43…細孔、4,5…電極層、6,7…絶縁層、8,71…バッファ室、10,51…背面板、11,12,13,63,64…突起、14,15…キャピラリー、20…細胞、21…細胞の脂質二重層、31,34,37…マスク、32,38…窓、33…四角錐、35,36…凹部、53…電極、54…引き出し線、61,62…側壁板、100,200…細胞チップ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
A cell fixing substrate having one surface as a surface for fixing cells, pores having a smaller diameter than cells provided in the cell fixing portion of the substrate, and fixing cells at the positions of the pores of the cell fixing substrate Provided with a buffer chamber formed on the back surface of the surface, and electrodes are provided in the buffer chamber and on the surface side for fixing the cells, and a liquid such as a buffer can be continuously supplied to the buffer chamber. Place the cells fixed on the cell fixing substrate of the cell chip in a buffer solution, supply streptricin O to the buffer chamber, and make the lipid bilayer of the cell at the position of the pores semi-permeable A cell chip having a structure in which cells are modified, a voltage is applied between the electrodes, and a chemical substance passing through the fixed cells is continuously collected from the buffer chamber.
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