JP2007089426A - Gene introduction device and gene introduction method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遺伝子導入装置、更に詳しくは生物体の形質転換又は生物体への形質導入を目的とした遺伝子導入装置及び遺伝子導入方法に関する。 The present invention relates to a gene transfer apparatus, and more particularly to a gene transfer apparatus and a gene transfer method for the purpose of transformation of a living organism or transduction into an organism.
従来より、生物体へ新たな形質を導入するための形質導入又は生物体が本来有する形質を転換するための形質転換を目的として、外来遺伝子を細胞内に導入するための様々な遺伝子導入装置や遺伝子導入方法が知られている。 Conventionally, various gene introduction apparatuses for introducing foreign genes into cells for the purpose of transduction for introducing new traits into organisms or transformation for transforming inherent traits of organisms, Gene transfer methods are known.
例えば、リン酸カルシウムを用いる方法(以下、単に「リン酸カルシウム法」という場合がある。)が知られている。この方法は、正の電荷を持つカルシウムイオンを負の電荷を持つ遺伝子に結合させ、そこにリン酸を加えることによって、カルシウムイオンとリン酸が結合して複合体の沈殿を生じさせる。このリン酸カルシウムと遺伝子の複合体が、細胞が本来有する機能であるエンドサイトーシスによって細胞内に取込まれることにより、外来遺伝子を細胞内へ導入する方法である。 For example, a method using calcium phosphate (hereinafter sometimes simply referred to as “calcium phosphate method”) is known. In this method, a calcium ion having a positive charge is bound to a gene having a negative charge, and phosphoric acid is added thereto, whereby the calcium ion and the phosphate are bound to cause precipitation of the complex. This is a method of introducing a foreign gene into a cell by incorporating the calcium phosphate / gene complex into the cell by endocytosis, which is a function inherent to the cell.
又、陽性荷電脂質等からなる脂質二重膜小胞(リポソーム)と、導入しようとする遺伝子との電気的な相互作用により、複合体を形成させ、細胞の貧食作用や膜融合によって細胞に取込ませる方法(以下、単に「リポフェクション法」という場合がある。)もある。 In addition, lipid bilayer vesicles (liposomes) composed of positively charged lipids and the like are electrically interacted with the gene to be introduced to form a complex, resulting in cell phagocytosis and membrane fusion. There is also a method (hereinafter sometimes simply referred to as “lipofection method”).
又、高電圧のパルスを細胞に印加することにより、一時的に脂質二重層の細胞膜構造を不安定化させ、外来遺伝子を取込ませる方法(以下、単に「エレクトロポレーション法」という場合がある。)もある。 In addition, by applying a high-voltage pulse to cells, the cell membrane structure of the lipid bilayer is temporarily destabilized and a foreign gene is incorporated (hereinafter simply referred to as “electroporation method”). .)
又、個々の細胞に、非常に微細なガラス注入針を使用して直接的に外来遺伝子を導入する方法(以下、単に「マイクロインジェクション法」という場合がある。)も知られている。 In addition, a method of directly introducing a foreign gene into individual cells using a very fine glass injection needle (hereinafter sometimes simply referred to as “microinjection method”) is also known.
又、導入しようとする遺伝子を、弱毒化したウィルスに取込ませ、そのウィルスを標的細胞に感染させることによって目的とする遺伝子を標的細胞へと導入する方法(以下、単に「ウィルスベクター法」という場合がある。)もある。 Also, a method of introducing a target gene into a target cell by incorporating the gene to be introduced into the attenuated virus and infecting the target cell with the virus (hereinafter simply referred to as “virus vector method”). There are cases.)
更には、特許文献1に記載されるような装置も知られている。この特許文献1に記載される装置を図6に示す。 Furthermore, an apparatus as described in Patent Document 1 is also known. The apparatus described in this patent document 1 is shown in FIG.
特許文献1に記載される遺伝子導入装置は、ピペット先端34の内部に、導入しようとするプラスミド(遺伝子)を溶かし込んだDNA溶液を含んでおり、この溶液に電極36によってマイナスの電気を印加している。遺伝子であるDNA(図6においては「プラスミド」がこの遺伝子に相当する。)は、自身が有するリン酸基によって遺伝子全体としてマイナスの電荷にチャージしている。このため、電極36からマイナスの電荷が印加されることによって、細胞内あるいは核内側、即ちアノード側へと遺伝子を移動させて、導入しようとするものである。
The gene introduction apparatus described in Patent Document 1 includes a DNA solution in which a plasmid (gene) to be introduced is dissolved inside a
しかしながら、前述したリン酸カルシウム法においては、特殊な装置や技術を必要とせずに比較的簡単に行なえるというメリットはあるものの、細胞がリン酸カルシウムと遺伝子の複合体をエンドサイトーシスによって取込むことを受動的に待っているものであり、必ずしも遺伝子の導入効率が高いとは言えない。 However, the above-mentioned calcium phosphate method has the merit that it can be carried out relatively easily without the need for special equipment or technology, but passively takes up the calcium phosphate-gene complex by endocytosis. The gene transfer efficiency is not necessarily high.
又、リポフェクション法においては、トランスフェクション効率が高く、オリゴヌクレオチドや高分子DNA、メッセンジャーRNA、一本鎖RNA等、種々の遺伝子の導入が可能であり、操作が簡単且つ短時間で終了するため同時に多数のサンプル処理が可能であって、しかも、特別な装置や設備が不要というメリットがある。しかし、トランスフェクションの至適条件(細胞密度、遺伝子量、リポソーム量、培養時間、培地等)が非常に狭く、更に使用する試薬が非常に高価であるというデメリットがある。 In the lipofection method, transfection efficiency is high, and various genes such as oligonucleotides, high molecular DNA, messenger RNA, single-stranded RNA can be introduced, and the operation is completed in a short time. Many samples can be processed, and there is an advantage that no special apparatus or equipment is required. However, there are disadvantages in that the optimal conditions for transfection (cell density, gene amount, liposome amount, culture time, medium, etc.) are very narrow and the reagents used are very expensive.
又、エレクトロポレーション法によれば、簡単な操作で且つ高い確率で遺伝子を導入することが可能であるものの、装置自体が高価であり、特に、細胞の種類や導入しようとする遺伝子の種類毎に最適な電圧や電気パルスの長さ、温度、細胞及び遺伝子濃度、バッファー組成の条件等が異なるため、それらの条件を最適にするのが困難である。 In addition, according to the electroporation method, although it is possible to introduce a gene with a simple operation and a high probability, the apparatus itself is expensive, and in particular, for each kind of cell and each kind of gene to be introduced. Since the voltage, electric pulse length, temperature, cell and gene concentration, buffer composition conditions, and the like are different, it is difficult to optimize these conditions.
又、マイクロインジェクション法によれば、希望する特定の細胞にのみ非常に高い確率で遺伝子を導入でき、更には、核と細胞質へ別々に遺伝子を導入したり、導入できる遺伝子の大きさが特に制限されない等のメリットがある。しかし、この方法によって遺伝子を導入するには特別な装置や技術が必要である。特に、非常に小さな細胞の1つ1つに微細なガラス管を差し込んで遺伝子を導入するのであるから、非常に高度な技術が必要であると共に、熟練者であっても導入できる細胞数に限りがある。 In addition, the microinjection method can introduce a gene with a very high probability only to a specific desired cell, and introduces a gene into the nucleus and cytoplasm separately, and the size of the gene that can be introduced is particularly limited. There are advantages such as not being. However, special equipment and techniques are required to introduce genes by this method. In particular, since a gene is introduced by inserting a fine glass tube into each very small cell, a very advanced technique is required, and even a skilled person is limited to the number of cells that can be introduced. There is.
又、ウィルスベクター法は、導入できる遺伝子の大きさに制限がある他、いくら弱毒化したとしても、病原体であるウィルスを感染させることに変わりはなく、多少なりとも標的細胞に不具合が発生することも懸念される。 In addition, the viral vector method is limited in the size of the gene that can be introduced, and no matter how attenuated it is, it does not change the infection of the virus that is the pathogen, and it will cause defects in the target cells. Is also a concern.
又、特許文献1記載の遺伝子導入装置においては、電圧を印加することによってマイナスに荷電している遺伝子を細胞内へと取込ませるという発想は優れているものの、細胞内に存在する細胞質、即ち、各種のイオンが存在して形成されている細胞内液の存在を見落としている欠点がある。 In addition, in the gene introduction device described in Patent Document 1, although the idea of incorporating a negatively charged gene into a cell by applying a voltage is excellent, the cytoplasm present in the cell, , There is a drawback of overlooking the presence of intracellular fluid formed in the presence of various ions.
遺伝子の分画方法としてよく利用される電気泳動の例を考えれば容易に想像できるが、一般的に、電圧の印加による物質(イオン)の移動量は、分子量に反比例する。 Although it can be easily imagined by considering an example of electrophoresis that is often used as a gene fractionation method, in general, the amount of movement of a substance (ion) by application of a voltage is inversely proportional to the molecular weight.
例えば、前述した細胞内液には分子量の小さなカチオンとしてナトリウムイオンや、カリウムイオンが大量に存在している。この条件のもとで電極(カソード)からの電圧が印加されれば、分子量の大きな遺伝子よりも、分子量の小さなナトリウムイオンやカリウムイオンが対向して優先的に移動してしまい、せっかく印加した電気の力を効率良く目的とする遺伝子だけの移動に働かせることができていない。更に、アノード側では、細胞内に存在するアニオンである、例えば塩素イオンが電気分解されて塩素ガスとなって発生する可能性もある。 For example, the aforementioned intracellular fluid contains a large amount of sodium ions and potassium ions as cations having a small molecular weight. If a voltage from the electrode (cathode) is applied under these conditions, sodium ions and potassium ions with lower molecular weight will move preferentially over genes with higher molecular weight, and the applied electricity It is not possible to use this power efficiently to move only the target gene. Furthermore, on the anode side, for example, chlorine ions, which are anions present in the cell, may be electrolyzed to generate chlorine gas.
本発明は、前述した遺伝子導入装置及び遺伝子導入方法に加えて新たな遺伝子導入装置及び遺伝子導入方法を提供するものであって、簡単な操作で且つ確実・大量に、目的とする細胞に形質転換又は形質導入等のために用意された遺伝子を導入することをその課題としている。 The present invention provides a new gene transfer apparatus and gene transfer method in addition to the gene transfer apparatus and the gene transfer method described above, and transforms the target cells with simple operations reliably and in large quantities. Alternatively, the problem is to introduce a gene prepared for transduction or the like.
以下の実施形態で詳細に説明するように、標的とする細胞内に遺伝子を導入する遺伝子導入装置であって、電源のカソードに接続された第1電極と、該第1電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第1緩衝液保持部と、該第1緩衝液保持部の更に前面に配置される第1カチオン交換膜と、該第1カチオン交換膜の更に前面に配置され、遺伝子が保持される遺伝子保持部と、該遺伝子保持部の更に前面に配置される第1アニオン交換膜とを少なくとも有して遺伝子導入装置を構成することにより、上記課題を解決するものである。 As will be described in detail in the following embodiments, a gene introduction apparatus for introducing a gene into a target cell, the first electrode connected to the cathode of a power source, and disposed in front of the first electrode A first buffer solution holding unit for holding a buffer solution, a first cation exchange membrane disposed further on the front side of the first buffer solution holding unit, a gene disposed on the further front side of the first cation exchange membrane, The gene transfer apparatus is configured to have at least a gene holding part that holds the gene and a first anion exchange membrane disposed in front of the gene holding part.
これにより、導入を目的とする遺伝子のみを確実に細胞内へと導入でき、又、細胞内からのカウンターイオン(カチオン)の放出によって、遺伝子の導入効率が低下することもない。 As a result, only the gene intended for introduction can be reliably introduced into the cell, and the efficiency of gene introduction does not decrease due to the release of counter ions (cations) from within the cell.
又、前記第1アニオン交換膜の前面側表面に、ニードルを配置してもよい。 Further, a needle may be disposed on the front surface of the first anion exchange membrane.
これにより、細胞膜の外周に細胞壁を有するような植物細胞であっても、非常に効率良く遺伝子を導入することが可能となる。 Thereby, even if it is a plant cell which has a cell wall in the outer periphery of a cell membrane, it becomes possible to introduce | transduce a gene very efficiently.
又、電源のアノードに接続された第2電極と、該第2電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第2緩衝液保持部と、該第2緩衝液保持部の更に前面に配置される第2アニオン交換膜と、該第2アニオン交換膜の更に前面に配置され、電解液が保持される電解液保持部と、該電解液保持部の更に前面に配置される第2カチオン交換膜とを少なくとも有して遺伝子導入装置を構成してもよい。 Also, a second electrode connected to the anode of the power source, a second buffer solution holding part that is arranged in front of the second electrode and holds a buffer solution, and arranged further in front of the second buffer solution holding part Second anion exchange membrane, an electrolyte solution holding part that is further disposed on the front surface of the second anion exchange membrane and that holds the electrolyte solution, and a second cation exchange that is further disposed on the front surface of the electrolyte solution holding part The gene introduction device may be configured to have at least a membrane.
これにより、遺伝子を導入しようとする側の電極の対極の電極側へとアニオンが移動して、例えば、塩素ガス等の気体が発生することを防止できる。 Thereby, it can prevent that anions move to the electrode side of the counter electrode of the electrode which is going to introduce | transduce a gene, and generate | occur | produce gas, such as chlorine gas, for example.
又、更に、前記第2カチオン交換膜の前面側表面に、ニードルを配置してもよい。 Furthermore, a needle may be disposed on the front surface of the second cation exchange membrane.
これにより、細胞膜の外周に細胞壁を有するような植物細胞であっても、非常に効率良く遺伝子を導入することが可能となる。 Thereby, even if it is a plant cell which has a cell wall in the outer periphery of a cell membrane, it becomes possible to introduce | transduce a gene very efficiently.
又、電解液保持部に保持される電解液のカチオンを、標的細胞内に存在する代謝経路によって代謝され得る物質で構成してもよい。 Moreover, you may comprise the cation of the electrolyte solution hold | maintained at an electrolyte solution holding part with the substance which can be metabolized by the metabolic pathway which exists in a target cell.
これにより、細胞自身が本来的に有する恒常性(ホメオスタシス)により、遺伝子と共に導入されるカチオンが最適な条件に処理され、細胞に与える影響を抑えることが可能となる。 Thus, the cation introduced together with the gene is treated under optimal conditions by the homeostasis inherent to the cell itself, and the influence on the cell can be suppressed.
又、前記第1アニオン交換膜と標的細胞の接触状態を観察可能な顕微鏡を備えて構成してもよい。 Moreover, you may comprise with the microscope which can observe the contact state of a said 1st anion exchange membrane and a target cell.
これにより、遺伝子が通過する前記第1アニオン交換膜と標的細胞との接触状態を確認しつつ操作が行なえるため、より効率的な遺伝子の導入が可能となる。 Accordingly, since the operation can be performed while confirming the contact state between the first anion exchange membrane through which the gene passes and the target cell, the gene can be introduced more efficiently.
又、前記顕微鏡の観察画像を映し出すことが可能なモニタ装置を備えて構成してもよい。 Moreover, you may comprise with the monitor apparatus which can project the observation image of the said microscope.
これにより、わざわざ顕微鏡をのぞきながらの操作から解放されるため、操作が容易に行なうことができるというメリットがある。 This frees the user from looking through the microscope and has the advantage that the operation can be easily performed.
又、以下の実施形態で説明するように、標的とする細胞内に遺伝子を導入する遺伝子導入装置であって、電源のアノードに接続された第1電極と、該第1電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第1緩衝液保持部と、該第1緩衝液保持部の更に前面に配置される第1アニオン交換膜と、該第1アニオン交換膜の更に前面に配置され、遺伝子が保持される遺伝子保持部と、該遺伝子保持部の更に前面に配置される第1カチオン交換膜とを少なくとも有して遺伝子導入装置を構成してもよい。 Further, as will be described in the following embodiments, a gene introduction apparatus for introducing a gene into a target cell, which is disposed on the front surface of the first electrode connected to the anode of the power source. A first buffer solution holding unit for holding a buffer solution, a first anion exchange membrane disposed further in front of the first buffer solution holding unit, and a gene further disposed in front of the first anion exchange membrane. The gene introduction device may be configured to have at least a gene holding unit that holds the first cation exchange membrane disposed in front of the gene holding unit.
これにより、例えば、本来マイナスの電荷にチャージしている遺伝子を、例えば化学的な修飾を施すことによって、全体としてプラスの電荷にチャージするように構成した場合でも、遺伝子導入が可能となる。これは、遺伝子自体を修飾してもよいし、遺伝子を例えば脂質等の微小なカプセルに取り込んで、このカプセル自体を修飾してもよい。 Thereby, for example, even when a gene that is originally charged with a negative charge is configured to be charged with a positive charge as a whole by, for example, chemical modification, gene transfer can be performed. For this, the gene itself may be modified, or the capsule itself may be modified by incorporating the gene into a microcapsule such as a lipid.
又、以下の実施形態で詳細に説明するように、標的とする細胞内に遺伝子を導入する遺伝子導入方法であって、標的とする細胞の細胞膜に直接接触させたイオン交換膜を介して遺伝子を導入するものである。 Further, as will be described in detail in the following embodiments, a gene introduction method for introducing a gene into a target cell, wherein the gene is introduced via an ion exchange membrane directly in contact with the cell membrane of the target cell. It is to be introduced.
これにより、導入しようとする遺伝子よりも分子量の小さなカチオンが細胞内から対向して移動してくることによる遺伝子導入効率の低下を防止することができる。 As a result, it is possible to prevent a decrease in gene transfer efficiency caused by a cation having a molecular weight smaller than that of the gene to be transferred moving from the inside of the cell.
又、以下の実施形態で詳細に説明するように、標的とする細胞内に遺伝子を導入する遺伝子導入方法であって、標的とする細胞の細胞壁に直接接触させたイオン交換膜を介して遺伝子を導入するものである。 Further, as will be described in detail in the following embodiment, a gene introduction method for introducing a gene into a target cell, wherein the gene is introduced via an ion exchange membrane directly in contact with the cell wall of the target cell. It is to be introduced.
これにより、導入しようとする遺伝子よりも分子量の小さなカチオンが細胞内から対向して移動してくることによる遺伝子導入効率の低下を防止することができる。又、わざわざ細胞壁取り除く処理をせずに遺伝子を導入できる。 As a result, it is possible to prevent a decrease in gene transfer efficiency caused by a cation having a molecular weight smaller than that of the gene to be transferred moving from the inside of the cell. In addition, genes can be introduced without the need to remove cell walls.
簡単な操作で且つ確実・大量に、目的とする細胞に形質転換又は形質導入等のために用意された遺伝子を導入することができる。 A gene prepared for transformation or transduction can be introduced into a target cell reliably and in a large amount with a simple operation.
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明に係る遺伝子導入装置100を概念的に示した概念構成図である。 FIG. 1 is a conceptual configuration diagram conceptually showing a gene introduction apparatus 100 according to the present invention.
遺伝子導入装置100は、遺伝子を導入しようとする標的細胞の置き皿となる下部プレート(非作用側電極構造体)120と、この下部プレートを支持する下部支持体104とを備えている。又、下部プレート120の上側には、導入しようとする遺伝子が封入される上部プレート(作用側電極構造体)140と、この上部プレートを支持する上部支持体106が対向して配置されている。上部支持体106には、上部プレート140の高さを調整可能な高さ調整機構108が備わっている。図1においては、この高さ調整機構108は必ずしも詳細に図示していないが、上部プレート140の高さ(下部プレート120との距離)をマイクロメートルの単位で確実に調整することが可能な機構となっている。この調整機構の調整は、例えばコントローラ152によって調整される。
The gene introduction device 100 includes a lower plate (non-working side electrode structure) 120 that serves as a dish for target cells into which a gene is to be introduced, and a lower support 104 that supports the lower plate. On the upper side of the lower plate 120, an upper plate (working side electrode structure) 140 in which a gene to be introduced is enclosed and an upper support 106 that supports the upper plate are disposed to face each other. The upper support 106 is provided with a height adjustment mechanism 108 that can adjust the height of the
又、下部プレート120と上部プレート140の接触面付近には、両プレートの接触状態(正確には上部プレート140と標的細胞との接触状態)を観察可能な顕微鏡102が配置されている。この顕微鏡に関しても、例えばコントローラ152によって操作され、撮影された画像は、モニタ150に映し出すことが可能となっている。
A microscope 102 that can observe the contact state between the two plates (more precisely, the contact state between the
又、電源112は、遺伝子を導入するために印加される電圧を発生可能な電源であって、そのカソードが上部プレート側140側へと接続され、アノードが下部プレート120側へと接続されている。
The
なお、遺伝子導入装置100の高さ調整機構108や顕微鏡102、コントローラ152、モニタ150等を駆動させるための電源は別途設けられている。 A power source for driving the height adjusting mechanism 108, the microscope 102, the controller 152, the monitor 150, and the like of the gene introduction apparatus 100 is separately provided.
又、前述した下部プレート120及び上部プレート140は、それぞれ取り外し可能に設計されている。
Further, the lower plate 120 and the
次に、下部プレート120と、上部プレート140についてその構成をより詳細に説明する。
Next, the configurations of the lower plate 120 and the
図2は、下部プレート120と上部プレート140とが標的細胞160を介して接触している状態の断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state where the lower plate 120 and the
まず、上部プレート140側から説明する。
First, the
上部プレート140は、プレートの容器として機能している上部プレートケース141の内部に、電源のカソードと接続された第1電極142が備わっている。更に、第1電極142の前面に、緩衝液が保持される第1緩衝液保持部143が配置されている。更に、第1緩衝液保持部143の前面に第1カチオン交換膜144が配置されている。更に、第1カチオン交換膜144の前面に、遺伝子が保持される遺伝子保持部145が備わっている。更にこの遺伝子保持部145の前面に第1アニオン交換膜146が配置されている。この第1アニオン交換膜146は、直接標的細胞160の細胞膜又は細胞壁と接触可能とされている。
The
次に、下部プレート120の構成について詳細に説明する。 Next, the configuration of the lower plate 120 will be described in detail.
下部プレート120は、下部プレートの容器として機能する下部プレートケース121と、その下部プレートケース121の内部に、電源のアノードと接続された第2電極122が備わっている。更に、第2電極122の前面に、緩衝液が保持される第2緩衝液保持部123が配置されている。更にこの第2緩衝液保持部123の前面に第2アニオン交換膜124が配置されている。更にこの第2アニオン交換膜124の前面に、電解液が保持される電解液保持部125が配置されている。更に、この電解液保持部125の前面に第2カチオン交換膜126が配置されている。この第2カチオン交換膜126は、標的細胞160の細胞膜又は細胞壁と直接接触することが可能な構成とされている。
The lower plate 120 includes a lower plate case 121 that functions as a container for the lower plate, and a second electrode 122 that is connected to the anode of the power source inside the lower plate case 121. Furthermore, a second buffer solution holding unit 123 that holds a buffer solution is disposed on the front surface of the second electrode 122. Further, a second anion exchange membrane 124 is disposed on the front surface of the second buffer solution holding unit 123. Further, an electrolyte
なお、ここでいう「前面」とは、遺伝子を導入しようとする標的細胞に近い側のことを意味している。 The “front surface” here means the side closer to the target cell into which the gene is to be introduced.
下部プレートケース121及び上部プレートケース141は、各緩衝液保持部123、143及び電解液保持部125及び遺伝子保持部145等に含まれることのある液体が漏れ出ずに、更にこれらの各液と反応しない(不活性な)材料で構成されている。
The lower plate case 121 and the upper plate case 141 are provided in the buffer solution holding units 123 and 143, the electrolyte
第1電極142及び第2電極122は、任意の導電性材料を用いることができるが、本実施形態のように後述する各緩衝液保持部123、143が存在するような場合には、炭素電極(カーボン電極)を用いるのが好ましい。 Any conductive material can be used for the first electrode 142 and the second electrode 122, but in the case where each of the buffer solution holding portions 123 and 143 described later is present as in the present embodiment, the carbon electrode It is preferable to use (carbon electrode).
次に、各緩衝液保持部123、143には、長時間にわたって遺伝子導入装置の通電性を確保するための緩衝液が保持されており、この緩衝液としてはリン酸緩衝食塩水や有機酸類の水溶液を使用することが可能である。より好ましくは、水の電解反応(アノード電極における酸化反応及びカソード電極における還元反応)よりも酸化又は還元され易い電解質、例えば、リン酸第1鉄、リン酸第2鉄等の無機化合物、アスコルビン酸(ビタミンC)やアスコルビン酸ナトリウム等の物質、リン酸、シュウ酸、リンゴ酸、コハク酸、フマル酸の有機酸及び/又はその塩、又はこれらの混合物を使用することにより、水の電解によるガスの発生及びこれによる導電抵抗の増大あるいはpH値の変動を防止することも可能である。勿論ここで説明した物質に限定される趣旨のものではない。 Next, each buffer holding part 123, 143 holds a buffer solution for ensuring the electrical conductivity of the gene transfer device for a long time. Examples of the buffer solution include phosphate buffered saline and organic acids. It is possible to use an aqueous solution. More preferably, the electrolyte is more easily oxidized or reduced than the electrolytic reaction of water (oxidation reaction at the anode electrode and reduction reaction at the cathode electrode), for example, inorganic compounds such as ferrous phosphate and ferric phosphate, ascorbic acid By using substances such as (vitamin C) and sodium ascorbate, organic acids of phosphoric acid, oxalic acid, malic acid, succinic acid, fumaric acid and / or their salts, or mixtures thereof, gas from electrolysis of water It is also possible to prevent the occurrence of this and the increase in the conductive resistance or the fluctuation of the pH value due to this. Of course, it is not intended to be limited to the substances described here.
次に、各カチオン交換膜126、144は、カチオンを選択的に透過させる機能を有するイオン交換膜であり、例えば、株式会社トクヤマ製ネオセプタ(NEOSEPTA)CM−1、CM−2、CMX、CMS、CMB等のカチオン交換膜を特に制限無く使用できる。又、ポリオレフィン樹脂、塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等からなる多孔質フィルムの孔の一部又は全部に、カチオン交換樹脂が充填されたタイプのカチオン交換膜を特に好ましく使用することができる。この場合のカチオン交換樹脂の充填は、例えば、スチレン−ジビニルベンゼン、クロロメチルスチレン−ジビニルベンゼン等の架橋性単量体に重合開始剤を配合した溶液を上記多孔質フィルムの孔中に含浸させた後に重合させ、この重合体にスルホン酸基、カルボン酸基、ホスホン酸基等のカチオン交換基を導入することにより行なうことができる。
Next, the
次に、各アニオン交換膜124、146は、アニオンを選択的に透過させる機能を有するイオン交換膜であり、例えば、株式会社トクヤマ製ネオセプタ(NEOSEPTA)AM−1、AM−3、AMX、AHA、AMH、ACS等のアニオン交換膜を特に制限無く使用できる。又、ポリオレフィン樹脂、塩化ビニル系樹脂、フッ素系樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂からなる多孔質フィルムの孔の一部又は全部に、アニオン交換樹脂が重合されたタイプのアニオン交換膜を特に好ましく使用することができる。この場合のアニオン交換樹脂の充填は、スチレン−ジビニルベンゼン、クロロメチルスチレン−ジビニルベンゼン等の架橋性単量体に重合開始剤を配合した溶液を、上記多孔質フィルムの孔中に含浸させた後に重合させ、この重合体に1乃至3級アミノ基、4級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、4級ピリジニウム基、4級イミダゾリウム基等のアニオン交換基を導入することにより行なうことができる。
Next, the
次に、遺伝子保持部145には、標的細胞160へと導入しようとする遺伝子が保持される。この遺伝子保持部145は例えば遺伝子を溶液として保持しても良いし、又、たとえばポリアクリルアミドゲルやアガロースゲル等に保持させるような形で備えていても良い。
Next, the
又、本明細書における「遺伝子」とは、DNA(デオキシリボ核酸)、RNA(リボ核酸)、を含むことは勿論として、DNA−RNAハイブリットも含む趣旨である。更に、2本鎖として存在するもののみならず1本鎖のものも含まれ、更には、プラスミドのように環状構造を有するものも含まれる。 In addition, “gene” in the present specification includes not only DNA (deoxyribonucleic acid) and RNA (ribonucleic acid), but also DNA-RNA hybrids. Furthermore, not only those present as double strands but also single strands are included, and further, those having a circular structure such as a plasmid are also included.
次に、電解液保持部125には、そのカチオンが標的細胞160内にもともと存在する代謝経路によって代謝され得る物質である電解液が保持されている。例えば、カチオンとしてカリウムイオンやナトリウムイオンが存在している場合には、遺伝子導入装置100の通電によってこのカチオンが標的細胞160内へと導入されることになるが、標的細胞160の細胞膜上に存在するナトリウムポンプやカリウムポンプ等によってその濃度は適宜調整される。具体的には、生理食塩水などを使用することが可能である。
Next, the electrolyte
続いて、遺伝子導入装置100による遺伝子導入方法について説明する。 Next, a gene introduction method using the gene introduction apparatus 100 will be described.
まず、遺伝子を導入しようとする標的細胞160を適宜調整し、下部プレート120の上面、即ち、第2カチオン交換膜126の上面に用意する必要がある。
First, it is necessary to appropriately adjust the target cell 160 to which the gene is to be introduced and prepare it on the upper surface of the lower plate 120, that is, the upper surface of the second
続いて、上部プレート140を高さ調整機構108によって下部プレート120側へと移動させる。このとき、上部プレート140を下部プレート120側へ押し付けすぎることによって、標的細胞160を破壊することのないように、顕微鏡102の画像が映し出されたモニタ150を観察しながら調整する。但し、この調整作業は望ましい作業として示すものであり、必須の作業ではない。
Subsequently, the
この調整によって、標的細胞160は、下部プレート120における第2カチオン交換膜126と、上部プレート140における第1アニオン交換膜146の両方に接触するように配置するのが好ましい。なお、図2においては、標的細胞160がきれいに一列に(一層に)整列しているが、幾層に重なり合っていても本発明の効果を妨げるものではない。
By this adjustment, the target cells 160 are preferably arranged so as to contact both the second
この状態で、コントローラ152を操作することによって、電源112から上部プレート140及び下部プレート120へと電圧を印加する。この電源112からの電圧が各電極122、142へと伝わると、以下のような作用が起こる。
In this state, by operating the controller 152, a voltage is applied from the
最初に、下部プレート120においては次のような作用が起こる。 First, the following action occurs in the lower plate 120.
電源112から第2電極122へと電流が伝えられると、第2緩衝液保持部123に備わる緩衝液を酸化させる。例えば、リン酸第1鉄の場合であればリン酸第2鉄へと変化する。そうすると、この第2緩衝液保持部123に備わるカチオンとアニオンのバランスが崩れる(カチオンが多くなる)こととなる。このバランスを補うために、第2緩衝液保持部123のカチオンは電解液保持部125の方向に移動してバランスを保とうとする。一方、電解液保持部125に備わるアニオンも、第2緩衝液保持部123側へと移動してバランスを保とうとする。しかしながら、第2緩衝液保持部123と電解液保持部125との間に位置する第2アニオン交換膜124の存在により、カチオンは通過できず、アニオンのみが選択的に通過されることになる。即ち、第2緩衝液保持部123から電解液保持部125へのカチオンの移動は認められず、電解液保持部125から第2緩衝液保持部123へのアニオンの移動のみが許容される。そうすると、今度は、電解液保持部125のカチオンとアニオンのバランスが崩れてしまう。更に、このバランスの崩れを補うために、電解液保持部125のカチオンは第2カチオン交換膜126を通過して下部プレート120の外部(標的細胞側)へと移動してバランスを保とうとする。一方、第2カチオン交換膜126が接触する標的細胞160の内部(細胞質)からも、このバランスの崩れを補うために、細胞質内のアニオンが電解液保持部125へと移動してバランスを保とうとする。しかしながら、電解液保持部125と標的細胞160との間に位置する第2カチオン交換膜126の存在により、アニオンは通過できず、カチオンのみが選択的に通過されることになる。即ち、標的細胞160の細胞質から電解液保持部125へのアニオンの移動は認められず、電解液保持部125から標的細胞160側へのカチオンの移動のみが許容される。このときのカチオンは第2カチオン交換膜126に選択的に透過されるため、標的細胞160側へと移動することが可能となっている。
When a current is transmitted from the
次に、上部プレート140の内部の作用について説明する。
Next, the operation inside the
電源112から第1電極142へと電流が伝達されると、第1緩衝液保持部143に備わる緩衝液が還元される。例えばリン酸第2鉄の場合であればリン酸第1鉄へと変化する。そうすると、第1緩衝液保持部143に備わるカチオンとアニオンのバランスが崩れる(アニオンが多くなる)こととなる。このバランスを補うために、第1緩衝液保持部143のアニオンは遺伝子保持部145の方向に移動しようとする。一方、遺伝子保持部145に備わるカチオンも、第1緩衝液保持部143の方向に移動してバランスを保とうとする。しかしながら、第1緩衝液保持部143と遺伝子保持部145との間に位置する第1カチオン交換膜144の存在により、アニオンは通過できずにカチオンのみが選択的に透過されることになる。即ち、第1緩衝液保持部143から遺伝子保持部145へのアニオンの移動は認められず、遺伝子保持部145から第1緩衝液保持部143へのカチオンの移動のみが許容される。そうすると、今度は、遺伝子保持部145のカチオンとアニオンのバランスが崩れてしまう。更に、このバランスの崩れを補うために、遺伝子保持部145のアニオンは第2アニオン交換膜146を通過して上部プレート140の外部(標的細胞側)へと移動してバランスを保とうとする。一方、第2アニオン交換膜146が接触する標的細胞160の内部(細胞質)からも、このバランスの崩れを補うために、細胞質内のカチオンが遺伝子保持部145へと移動してバランスを保とうとする。しかしながら、遺伝子保持部145と標的細胞160との間に位置する第2アニオン交換膜146の存在により、カチオンは通過できず、アニオンのみが選択的に通過されることになる。即ち、標的細胞160の細胞質から遺伝子保持部145へのカチオンの移動は認められず、遺伝子保持部145から標的細胞160側へのアニオンの移動のみが許容される。このときのアニオン(遺伝子)は、第1アニオン交換膜146に選択的に透過されるため、標的細胞160側へと移動することが可能となっている。
When current is transmitted from the
このような下部プレート120及び上部プレート140内の作用を経て、上部プレート140内に備わる遺伝子が、標的細胞160内へと移動する。上記説明したのとは逆に、電源112からの電流が非通電とされれば、遺伝子の導入は直ちに停止される。即ち、電源112からの通電/非通電を適宜コントロールすることによって、導入しようとする遺伝子の導入量を適宜コントロールすることが可能になる。
Through the action in the lower plate 120 and the
又、図3に示すように、標的細胞160内には遺伝子保持部145からの遺伝子が第1アニオン交換膜146を介して細胞内に導入されると同時に、電解液保持部125に備わるカチオンが第2カチオン交換膜126を介してイオンとして等価な量だけ導入されることになる。このように、トータルで導入されるカチオンとアニオンの電荷量が相対的にコントロールされながら導入されるため、標的細胞160における細胞質内のpH値が大きく変化してしまうこともない。更に、電解液保持部125に備わるカチオンを、例えば、NAD+(ニコチン酸アミドアデニンジヌクレオチドリン酸)等で構成しておくことにより、標的細胞160内に本来存在する代謝経路(例えばクエン酸回路や電子伝達系等)で適宜使用されることによって、消費されるため、導入されたカチオンが蓄積することによって、標的細胞160に不具合が生じることもない。
In addition, as shown in FIG. 3, a gene from the
次に、遺伝子導入装置の他の実施形態について説明する。 Next, another embodiment of the gene introduction apparatus will be described.
図4は、本発明の他の実施形態を示すものであり、前述した遺伝子導入装置100における図3に相当する図面である。 FIG. 4 shows another embodiment of the present invention and corresponds to FIG. 3 in the gene introduction apparatus 100 described above.
この実施形態の特徴は、標的細胞260が植物細胞の場合に適用すると効果的である。植物細胞は動物細胞と異なり、細胞膜260Mの更に外側にセルロース等で構成される細胞壁260Hが存在している。本発明を適用すれば、前述した遺伝子導入装置100を利用することでこの細胞壁260Hの存在に影響されることなく遺伝子を導入することも可能である。しかし、図4に示すように、植物標的細胞260の細胞壁260Hに直接接触する第1アニオン交換膜246と、第2カチオン交換膜226の表面に、ナノレベルで作製した複数のニードル(中空であると更に望ましい)を設けることによって、植物標的細胞260が有する細胞壁260Hを部分的に貫通し、この貫通した隙間をぬって導入しようとする遺伝子が植物標的細胞260内へと移動する。このように、無数のニードルを設けることによって本発明の遺伝子導入効率をより高めることが可能となっている。
The feature of this embodiment is effective when applied when the target cell 260 is a plant cell. Unlike animal cells, plant cells have a cell wall 260H made of cellulose or the like on the outer side of the cell membrane 260M. By applying the present invention, it is possible to introduce a gene without being affected by the presence of the cell wall 260H by using the gene introduction device 100 described above. However, as shown in FIG. 4, on the surface of the first
更に、本発明は、必ずしも遺伝子導入をしようとする標的細胞を細胞レベルで準備する必要は無く、図5に示すように直接生物体(図においては植物190の葉)に直接的に遺伝子を導入することも可能である。図5に示すように、植物190の葉の表面と裏面に、導入しようとする遺伝子が保持される上部プレートに相当する構造体(作用側電極構造体)と、その反対側に下部プレートに相当する構造体(非作用側電極構造体)を配置して電源からの電圧を印加することにより導入可能である。このとき、植物体の表面には、セルロースで構成される細胞壁や更にクチクラ層等が形成されているため、これらの層を薬品等によって取り除いた上で、当該装置を使用してもよい。
Furthermore, in the present invention, it is not always necessary to prepare target cells for gene transfer at the cell level. As shown in FIG. 5, the gene is directly introduced into an organism (the leaf of a
又、図示はしないが、遺伝子保持部を、アノードに接続された構造体側に設けることも可能である。本来マイナスの電荷にチャージしている遺伝子を、例えば化学的な修飾を施すことによって、全体としてプラスの電荷にチャージするように構成した場合には、このような構成であっても遺伝子導入が可能となる。これは、遺伝子自体を修飾してもよいし、遺伝子を例えば脂質等の微小なカプセルに取り込んで、このカプセル自体を修飾してもよい。更に、このような構成とすることで、いずれか一方が遺伝子を導入しない「非作用側構造体」として機能していたものを、両方共に、作用側構造体として機能させることができる。 Although not shown, the gene holding part can be provided on the structure side connected to the anode. When a gene that is originally charged with a negative charge is configured to be charged with a positive charge as a whole by, for example, chemical modification, gene transfer is possible even with such a configuration. It becomes. For this, the gene itself may be modified, or the capsule itself may be modified by incorporating the gene into a microcapsule such as a lipid. Furthermore, by adopting such a configuration, both of which function as “non-acting side structures” into which genes are not introduced can both function as working side structures.
なお、本明細書において、作用側構造体及び非作用側構造体という文言における「作用側」とは遺伝子保持部を備えており、遺伝子導入作用が起こる側のことを意味している。 In the present specification, the term “acting side” in the terms of a working side structure and a non-acting side structure means a side on which a gene holding action occurs and a gene introduction action occurs.
本発明は、動物細胞、植物細胞に拘わらず、広く遺伝子導入するための遺伝子導入装置として適用することが可能である。 The present invention can be applied as a gene introduction apparatus for gene introduction widely regardless of animal cells or plant cells.
100…遺伝子導入装置
102…顕微鏡
104…下部支持体
106…上部支持体
108…高さ調整機構
112…電源
120…下部プレート
121…下部プレートケース
122…第2電極
123…第2緩衝液保持部
124…第2アニオン交換膜
125…電解液保持部
126…第2カチオン交換膜
140…上部プレート
141…上部プレートケース
142…第1電極
143…第1緩衝液保持部
144…第1カチオン交換膜
145…遺伝子保持部
146…第1アニオン交換膜
150…モニタ
152…コントローラ
160…標的細胞
160C…細胞核
160M…細胞膜
190…植物
270…ニードル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Gene transfer apparatus 102 ... Microscope 104 ... Lower support body 106 ... Upper support body 108 ...
Claims (10)
電源のカソードに接続された第1電極と、
該第1電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第1緩衝液保持部と、
該第1緩衝液保持部の更に前面に配置される第1カチオン交換膜と、
該第1カチオン交換膜の更に前面に配置され、遺伝子が保持される遺伝子保持部と、
該遺伝子保持部の更に前面に配置される第1アニオン交換膜と、
を少なくとも有してなる遺伝子導入装置。 A gene introduction device for introducing a gene into a target cell,
A first electrode connected to the cathode of the power source;
A first buffer solution holding unit disposed on the front surface of the first electrode and holding a buffer solution;
A first cation exchange membrane disposed further on the front surface of the first buffer holding unit;
A gene holding part that is arranged in front of the first cation exchange membrane and holds a gene;
A first anion exchange membrane disposed further in front of the gene holding unit;
A gene introduction apparatus comprising at least
前記第1アニオン交換膜の前面側表面に、ニードルが配置されている
ことを特徴とする遺伝子導入装置。 In claim 1,
A gene introduction device, wherein a needle is disposed on a front surface of the first anion exchange membrane.
電源のアノードに接続された第2電極と、
該第2電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第2緩衝液保持部と、
該第2緩衝液保持部の更に前面に配置される第2アニオン交換膜と、
該第2アニオン交換膜の更に前面に配置され、電解液が保持される電解液保持部と、
該電解液保持部の更に前面に配置される第2カチオン交換膜と、
を少なくとも有してなる遺伝子導入装置。 In claim 1 or 2,
A second electrode connected to the anode of the power source;
A second buffer solution holding unit disposed on the front surface of the second electrode and holding a buffer solution;
A second anion exchange membrane disposed further in front of the second buffer holding part;
An electrolyte solution holding part that is disposed further on the front surface of the second anion exchange membrane and holds the electrolyte solution;
A second cation exchange membrane disposed further in front of the electrolyte solution holding unit;
A gene introduction apparatus comprising at least
前記第2カチオン交換膜の前面側表面に、ニードルが配置されている
ことを特徴とする遺伝子導入装置。 In claim 3, further:
A gene introduction device, wherein a needle is disposed on a front surface of the second cation exchange membrane.
前記電解液保持部に保持される電解液のカチオンは、標的細胞内に存在する代謝経路によって代謝され得る物質である
ことを特徴とする遺伝子導入装置。 In claim 3 or 4,
The gene introduction device, wherein the cation of the electrolyte solution held in the electrolyte solution holding part is a substance that can be metabolized by a metabolic pathway existing in the target cell.
前記第1アニオン交換膜と標的細胞の接触状態を観察可能な顕微鏡が備わっている
ことを特徴とする遺伝子導入装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5, Furthermore,
A gene introduction apparatus comprising a microscope capable of observing a contact state between the first anion exchange membrane and a target cell.
前記顕微鏡の観察画像を映し出すことが可能なモニタ装置が備わっている
ことを特徴とする遺伝子導入装置。 In claim 6, further:
A gene introduction apparatus comprising a monitor device capable of projecting an observation image of the microscope.
電源のアノードに接続された第1電極と、
該第1電極の前面に配置され、緩衝液が保持される第1緩衝液保持部と、
該第1緩衝液保持部の更に前面に配置される第1アニオン交換膜と、
該第1アニオン交換膜の更に前面に配置され、遺伝子が保持される遺伝子保持部と、
該遺伝子保持部の更に前面に配置される第1カチオン交換膜と、
を少なくとも有してなる遺伝子導入装置。 A gene introduction device for introducing a gene into a target cell,
A first electrode connected to the anode of the power source;
A first buffer solution holding unit disposed on the front surface of the first electrode and holding a buffer solution;
A first anion exchange membrane disposed further in front of the first buffer holding part;
A gene holding part that is arranged in front of the first anion exchange membrane and holds a gene;
A first cation exchange membrane disposed further in front of the gene holding unit;
A gene introduction apparatus comprising at least
標的とする細胞の細胞膜に直接接触させたイオン交換膜を介して遺伝子を導入する
ことを特徴とする遺伝子導入方法。 A gene introduction method for introducing a gene into a target cell,
A gene introduction method comprising introducing a gene through an ion exchange membrane directly in contact with a cell membrane of a target cell.
標的とする細胞の細胞壁に直接接触させたイオン交換膜を介して遺伝子を導入する
ことを特徴とする遺伝子導入方法。 A gene introduction method for introducing a gene into a target cell,
A gene introduction method comprising introducing a gene through an ion exchange membrane directly in contact with a cell wall of a target cell.
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JP2005280541A JP2007089426A (en) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Gene introduction device and gene introduction method |
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JP2016506751A (en) * | 2013-02-20 | 2016-03-07 | チン,ジェン | Electroporation method and electroporation apparatus |
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2005
- 2005-09-27 JP JP2005280541A patent/JP2007089426A/en active Pending
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