JP2007298350A - Cell electrophysiological sensor and cell electrophysiological phenomenon measuring method using this - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定するために用いられる細胞内電位あるいは細胞外電位等の細胞電気生理現象を測定するための細胞電気生理センサおよびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a cell electrophysiological sensor for measuring a cell electrophysiological phenomenon such as an intracellular potential or an extracellular potential used for measuring a physicochemical change generated by a cell activity, and a method for producing the same. is there.
従来、電気生理学におけるパッチクランプ法は、細胞膜に存在するイオンチャンネルを測定する方法として知られており、このパッチクランプ法によってイオンチャンネルの様々な機能が解明されてきた。そして、このイオンチャンネルの働きは細胞学において重要な関心ごとであり、これは薬剤の開発にも応用されている。 Conventionally, the patch clamp method in electrophysiology is known as a method for measuring ion channels existing in cell membranes, and various functions of ion channels have been elucidated by this patch clamp method. And the action of this ion channel is an important concern in cytology, which is also applied to drug development.
しかし、一方でパッチクランプ法は測定技術に微細なマイクロピペットを1個の細胞に高い精度で挿入するという極めて高い能力を必要としているため、熟練作業者が必要であり、高いスループットで測定を必要とする場合には適切な方法でない。 However, on the other hand, the patch clamp method requires an extremely high ability to insert a fine micropipette into a single cell with high precision in the measurement technique, so it requires skilled workers and requires high throughput. Is not an appropriate method.
このため、微細加工技術を利用した平板型プローブの開発がなされており、これらは個々の細胞についてマイクロピペットの挿入を必要としない自動化システムに適している。例えば、2つの領域を分離するキャリアに穴を有し、このキャリアの上下に設置した電極によって電界を発生させることで細胞を穴に効率よく保持し、上下の電極間で電気的測定を行うことで細胞の電気生理的測定を可能にしている。これは、平板に作製された貫通孔はガラスピペットにおける先端穴と同様の役割を果たし、高精度な細胞の電気生理現象を記録できるとともに、平板の裏面側からの吸引などの方法により細胞が自動的に引きつけられ、細胞を容易に保持できるという利点を有している(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記従来の構成では、細胞の電気生理現象を測定する場合、細胞は溶液中で存在し、この細胞は溶液の状態、例えば薬剤の溶解濃度、イオン濃度などには極めて敏感に反応する。このとき、溶液の内部に残留する気泡などの状態は測定結果に悪影響を及ぼすことが分かっている。このため、溶液の流れの制御は極めて重要である。 However, in the conventional configuration, when the electrophysiological phenomenon of a cell is measured, the cell exists in a solution, and this cell reacts extremely sensitively to the state of the solution, for example, the drug dissolution concentration, ion concentration, and the like. At this time, it is known that the state of bubbles remaining in the solution adversely affects the measurement result. For this reason, control of the flow of the solution is extremely important.
特に、細胞の電気生理現象の一つである細胞膜を流れるイオン電流を測定する工程において、二つの領域それぞれに蓄積されている液体の種類を交換する必要性がしばしば存在する。このため、ピペットによって内部に蓄積される液体を交換する方法、平板の上下の領域を閉空間の流路に閉じこめて、この閉空間の流路の内部の溶液を置換する方法などがあるが、閉空間の内部の圧力制御が難しく、流路の内部に気泡が発生することによって測定が不安定になるという課題を有していた。 In particular, in the process of measuring an ionic current flowing through a cell membrane, which is one of the electrophysiological phenomena of cells, there is often a need to exchange the type of liquid accumulated in each of the two regions. For this reason, there are a method of exchanging the liquid accumulated inside by a pipette, a method of confining the upper and lower areas of the flat plate with the flow path of the closed space, and replacing the solution inside the flow path of the closed space, etc. It was difficult to control the pressure inside the closed space, and there was a problem that measurement was unstable due to the generation of bubbles inside the flow path.
本発明は、気泡の発生を極力抑制することによって高精度に測定することができる細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a cell electrophysiological sensor capable of measuring with high accuracy by suppressing the generation of bubbles as much as possible and a method for measuring a cell electrophysiological phenomenon using the cell electrophysiological sensor.
前記従来の課題を解決するために、本発明は、第一の貫通孔を有した薄板と、第二の貫通孔を有した保持プレートと、第一の貫通孔の下部に流体を流出入させるための流路を形成した流路プレートとを有し、前記薄板を第二の貫通孔を塞ぐように固着し、前記流路プレートを保持プレートの下部に固着させた細胞電気生理センサであって、流路プレートに第三の貫通孔を第二の貫通孔と同軸上に設け、この第三の貫通孔を通して外部より中空管プローブを挿入し、且つこの中空管プローブの先端を第二の貫通孔の内部に流路とシール性を保持して挿入したものである。 In order to solve the above-described conventional problems, the present invention allows a fluid to flow into and out of a thin plate having a first through hole, a holding plate having a second through hole, and a lower portion of the first through hole. A flow path plate having a flow path for the cell electrophysiological sensor, wherein the thin plate is fixed so as to close the second through hole, and the flow path plate is fixed to a lower portion of a holding plate. The flow path plate is provided with a third through hole coaxially with the second through hole, the hollow tube probe is inserted from the outside through the third through hole, and the tip of the hollow tube probe is connected to the second through hole. The inside of the through hole is inserted while maintaining the flow path and the sealing property.
本発明の細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法は、流路に溶液を流出入させて薄板の一方の領域内の溶液を迅速に交換できるとともに、第三の貫通孔から中空管プローブを挿入することによって、薄板の一方の領域周辺の圧力制御を気泡が発生することを極力抑えながら制御することができることから、効率よく高精度に測定することができる細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法を提供することができる。 The cell electrophysiological sensor of the present invention and the method for measuring a cell electrophysiological phenomenon using the sensor can rapidly exchange the solution in one region of the thin plate by allowing the solution to flow into and out of the flow path, and the third through hole. By inserting a hollow tube probe, the pressure control around one region of the thin plate can be controlled while suppressing the generation of bubbles as much as possible, so that cell electrophysiology can be measured efficiently and with high accuracy. A sensor and a method for measuring a cell electrophysiological phenomenon using the sensor can be provided.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法について図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a cell electrophysiological sensor and a cell electrophysiological measurement method using the same according to
図1は本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの断面図であり、測定時における細胞電気生理センサのセンサ構造の様子を示している。図1において、1はシリコン、二酸化シリコン、ガラスなどからなる薄板であり、上下の面に貫通するように第一の貫通孔2を設けている。3は樹脂よりなる保持プレートであり、この保持プレート3には上下に貫通する第二の貫通孔4を設けている。
FIG. 1 is a cross-sectional view of the cell electrophysiological sensor according to
そして、この第二の貫通孔4の内部に薄板1を第二の貫通孔4を塞ぐように保持している。これによって、保持プレート3の上下の空間は第一の貫通孔2を通してのみ、連通している。
The
また、5は樹脂材料等よりなる流路プレートであり、この流路プレート5を保持プレート3の下面に当接させることで、この内部に流路12aを形成しており、この流路12aは流入孔10および流出孔11を通して外部と連通している。
さらに、流路プレート5には第三の貫通孔6を設けており、この第三の貫通孔6には中空管プローブ7を挿入して設置することができるように構成している。
Further, the
また、この中空管プローブ7の内部には第一の測定電極8を形成し、薄板1の上部には第二の測定電極13を形成している。そして、これら測定電極8,13はそれぞれの領域に蓄積された第二の溶液16または第一の溶液15と接している。これによって、二つの領域間で発生する電位差、電流、抵抗値などを測定することができるように構成している。
A
なお、測定時においては中空管プローブ7の先端は第二の貫通孔4の開口部に密着して設置することによって、前記流路とシール性を保持している。
At the time of measurement, the tip of the
これによって、中空管プローブ7の内部に蓄積された第二の溶液16は流路12a側へ漏れることなく、電気的にも絶縁が保たれることから、薄板1の上下領域で発生する電気化学的変化を高精度に測定することができる。ここで、上下領域で発生する電気化学的変化とは、被検体細胞18を第一の貫通孔2へ保持させることによって、被検体細胞18が細胞の内外へ各種イオンを透過させることによって生じる細胞膜電流、細胞膜電位などを含むものである。
As a result, the
また、前記中空管プローブ7の第二の貫通孔4の開口部に密着して挿入するために、図2に示したように中空管プローブ7の先端の内壁面にスリットを設けることによって第二の貫通孔4への挿入を容易にするとともに、よりシール性の高い気密性を保持することができる。
In addition, in order to insert closely into the opening of the second through
なお、このような構成において、中空管プローブ7の設置の際の密着度をゆるめれば、簡単に流路12aの内部の液体を中空管プローブ7の内部へ導入することも可能である。すなわち、流入孔10および流出孔11を通して流路12aの内部に流入蓄積させた第二の溶液16は、図3に示すように中空管プローブ7を第二の貫通孔4の設置位置から抜いて隙間を作ることで、中空管プローブ7の内部に蓄積していた第一の溶液15を押し出して第二の溶液16を内部へ導入することができる。
In such a configuration, it is possible to easily introduce the liquid inside the
このとき、好ましくは中空管プローブ7の根元側に吸引システム9を接続しておくことで、より簡単に流路12aの液体を中空管プローブ7の内部へ導入することができる。
At this time, the
そして、再度中空管プローブ7を第二の貫通孔4へ密着させれば、再び中空管プローブ7の内部の液体は流路12a側とシール性を保持して隔離することが可能であることから電気的にも絶縁することができ、薄板1の上下領域で発生する電気化学的変化を高精度に測定することができる。
If the
このように、前記構成を用いれば、溶液の種類を培養液、薬液あるいは試薬などの液体などに自由に変えることが容易となる細胞電気生理センサを実現することができる。 As described above, by using the above-described configuration, it is possible to realize a cell electrophysiological sensor that makes it easy to freely change the type of solution to a liquid such as a culture solution, a chemical solution, or a reagent.
なお、前記構成のような構成および方法によって溶液を交換することが可能となることから、一度中空管プローブ7の内部の液体を抜き取ったりする必要がなくなり、気泡の発生を効率よく抑制することができる。
Since the solution can be exchanged by the configuration and method as described above, it is not necessary to once extract the liquid inside the
次に、本実施の形態1における細胞電気生理センサを用いて細胞の電気生理現象を測定する方法について図面を用いて説明する。 Next, a method for measuring a cell electrophysiological phenomenon using the cell electrophysiological sensor according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
図4は本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサに中空管プローブ7を挿入する前の状態を示している。この中空管プローブ7を挿入する前には、第三の貫通孔6をフィルム14によって塞いでおり、流路12aの内部に液体を流入・蓄積させても液体が漏れ出さないようにしている。
FIG. 4 shows a state before the
まず始めに、図5に示すように薄板1の上部領域と下部領域に第一の溶液15を導入する。例えばこの第一の溶液15は細胞外液である。
First, as shown in FIG. 5, the
次に、図6に示すように中空管プローブ7を第三の貫通孔6の内部に挿入する。このとき、フィルム14を搾孔することとなるが、フィルム14の材質をポリエチレン、シリコンゴムなどの弾力性の高い材料にしておけば、搾孔された場合でも外部に第一の溶液15が漏れ出すことはないので好都合である。
Next, the
そして、図7に示すように中空管プローブ7の根元側の吸引システム9から吸引することによって、第一の溶液15を速やかに中空管プローブ7の内部へ導入することができる。
Then, as shown in FIG. 7, the
なお、第二の貫通孔4の付近、あるいは中空管プローブ7の内部に気泡を残留させないためには、流入孔10から流出孔11あるいは中空管プローブ7へ向かって第一の溶液15を流し続けることが極めて効果的である。
In order to prevent bubbles from remaining in the vicinity of the second through
次に、図8に示すように中空管プローブ7を第二の貫通孔4の内部へ十分密着するように突き当てる。このとき、別の例として、十分に密着させるためには図11に示すように中空管プローブ7の先端をテーパ形状とすることが好ましい。そして、中空管プローブ7の先端の外形を第二の貫通孔4より小さくし、第三の貫通孔6よりも小さくし、且つ第二の貫通孔4より第三の貫通孔6に向かって大きくなるテーパ形状としておくことが好ましい。これによって、挿入を容易にできるのと、シール性を容易に高めることができる。
Next, as shown in FIG. 8, the
また、図8に示す状態において、薄板1の上下の領域、第一の貫通孔2の内部、中空管プローブ7の内部は、いずれも第一の溶液15で満たしており、第一の測定電極8と第二の測定電極13間で所定の抵抗値、代表的には1MΩから10MΩの値が観測される。
In the state shown in FIG. 8, the upper and lower regions of the
次に、図9に示すように薄板1の上部領域に被検体細胞18を投入する。このとき、被検体細胞18は薄板1の上部領域にある第一の溶液15中を浮遊しているが、その後、図10に示すように中空管プローブ7に連結した吸引システム9から吸引を行うと、被検体細胞18は第一の貫通孔2へと引き込まれる。
Next, as shown in FIG. 9, the
しかしながら、被検体細胞18の大きさは第一の貫通孔2より大きいことから、第一の貫通孔2を通り抜けることはできず、第一の貫通孔2の開口部の表面で保持される。この状態で、被検体細胞18の第一の貫通孔2の開口部への密着力が十分に高いと、第一の測定電極8と第二の測定電極13との間で観測される抵抗値は100MΩ以上、好ましくは1GΩ以上となる。
However, since the size of the
このように、被検体細胞18が十分高い密着度で第一の貫通孔2へ保持されると、被検体細胞18の内外で、例えばNa+,Ca2+,K+などのイオンの流出入によって発生する膜電流、あるいは細胞膜の内外の電位差の変化は、第一の測定電極8と第二の測定電極13間に観測される電流値、電圧値の変化として高精度に測定することができる。
As described above, when the
なお、前記抵抗値や電流や電圧を測定する際、薄板1の上下領域で溶液の種類を変える必要がある場合には、図3に示すように、一度、中空管プローブ7を第二の貫通孔4から離し、流路12aの内部へ第二の溶液16を投入して、流路12aの内部、中空管プローブ7の内部を置換した後、再度、中空管プローブ7を第二の貫通孔4へ密着させて吸引を行うことができる。このように、前記工程は被検体細胞18が密着して抵抗値が十分高くなった後でも随時行うことができ、例えば、さらに薄板1の下部領域および中空管プローブ7内を第三の溶液(図示せず)に置換することも可能である。
When measuring the resistance value, current, and voltage, if it is necessary to change the type of solution in the upper and lower regions of the
以上説明してきたように、本実施の形態1における細胞電気生理センサの構成によって、薄板1とこれに保持された被検体細胞18によって仕切られた上下の領域に蓄積される溶液の種類を簡単に変えることができることから、細胞が発する物理化学的現象である電気生理現象をより効率的に高精度に測定することができる細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法を提供することができる。
As described above, the type of solution accumulated in the upper and lower regions partitioned by the
(実施の形態2)
次に、本発明の実施の形態2における細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法について図面を用いて説明する。
(Embodiment 2)
Next, a cell electrophysiological sensor according to
特に、本実施の形態2が実施の形態1と異なる点は、図12に示すように保持プレート3に複数の第二の貫通孔4が設けられており、それぞれに薄板1が保持固着されており、これら複数の薄板1の下部側は共通の流路12b、流入孔10、流出孔11を持つことである。なお、薄板1の上部側は隔壁19によって個別に仕切られていても良い。
In particular, the second embodiment is different from the first embodiment in that a plurality of second through
そして、それぞれの薄板1の位置に対応するように、流路プレート5に第三の貫通孔6を第二の貫通孔4と同軸上に設け、この第三の貫通孔6の下部より中空管プローブ7を挿入することができる。
Then, a third through
また、それぞれに測定のための第一の測定電極8と第二の測定電極13を設けており、各薄板1に保持された被検体細胞18の電気生理現象を個別に測定することができる。
Moreover, the
また、このような複数の中空管プローブ7を一括して挿入するためには測定電極である第一の測定電極8を中空管プローブ7の内壁面に電極を接着、埋設などの方法によって固着しておくことによって測定操作の簡便化を向上することができる。
In order to insert a plurality of such hollow tube probes 7 together, the
本実施の形態2においても、実施の形態1と同様に薄板1の下部領域と中空管プローブ7の内部の溶液を交換することができるが、本実施の形態2では、特に流路12bを共通にしていることから、同じ溶液をそれぞれの中空管プローブ7の内部に置換することが可能である上、測定時においては中空管プローブ7が第三の貫通孔6の内部へ十分密着すれば、それぞれの中空管プローブ7の内部の溶液は互いに電気的に遮断されることから、それぞれの領域における測定が他の領域に及ぼす影響をなくすことができる。
Also in the second embodiment, the lower region of the
一方、流路12b、流入孔10および流出孔11が共通であることから、設置される薄板1の数を増やした場合においても、流路12b、流入孔10および流出孔11の占有面積を減らすことができ、細胞電気生理センサの小型化・簡素化に効果的である。
On the other hand, since the
以上のように、本発明にかかる細胞電気生理センサおよびこれを用いた細胞電気生理現象の測定方法は、細胞の電気生理現象の測定を効率的に行えることから、例えば高速で薬理判定を行う薬品スクリーニングシステムに有用である。 As described above, the cell electrophysiological sensor according to the present invention and the cell electrophysiological measurement method using the same can efficiently measure the cell electrophysiological phenomenon. Useful for screening systems.
1 薄板
2 第一の貫通孔
3 保持プレート
4 第二の貫通孔
5 流路プレート
6 第三の貫通孔
7 中空管プローブ
8 第一の測定電極
9 吸引システム
10 流入孔
11 流出孔
12a,12b 流路
13 第二の測定電極
14 フィルム
15 第一の溶液
16 第二の溶液
18 被検体細胞
19 隔壁
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記薄板の上部と前記流路の内部に流体を流入させる第二の工程と、
前記中空管プローブを前記流路プレートの一部に挿入して第三の貫通孔を作製する第三の工程と、前記中空管プローブの先端を前記第二の貫通孔の内部に挿入する第四の工程と、
前記保持プレートの前記薄板の上下の領域間の電位、電流または抵抗を測定する第五の工程を含み、前記第一の貫通孔の開口部に細胞を保持させて測定する細胞電気生理現象の測定方法。 A thin plate having a first through hole, a holding plate having a second through hole, and a flow path plate having a flow path for allowing fluid to flow into and out of the lower portion of the first through hole. The thin plate is fixed so as to close the second through hole, the flow path plate is fixed to a lower portion of the holding plate, and the third through hole is connected to the flow path plate with the second through hole. Provided on the same axis, a hollow tube probe is inserted from the outside through this third through-hole, and the tip of this hollow tube probe is inserted inside the second through-hole while maintaining the flow path and sealing performance A first step of preparing a cellular electrophysiological sensor,
A second step of flowing a fluid into the upper part of the thin plate and the flow path;
A third step of forming the third through hole by inserting the hollow tube probe into a part of the flow path plate; and inserting the tip of the hollow tube probe into the second through hole. A fourth step;
Measuring a cell electrophysiological phenomenon in which a cell is held in the opening of the first through-hole and includes a fifth step of measuring a potential, current, or resistance between the upper and lower regions of the thin plate of the holding plate Method.
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