JP2008271804A - Method and system for microinjection - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞に試薬を導入するための自動刺入が可能なマイクロインジェクション方法及びマイクロインジェクション装置に関する。 The present invention relates to a microinjection method and a microinjection apparatus capable of automatic insertion for introducing a reagent into a cell.
バイオテクノロジーの分野では、細胞、さらに極小の領域として核、ミトコンドリア、ゴルジ体などのオルガネラ(細胞内小器官)のそれぞれに対し、遺伝子・蛋白質・各種阻害剤・分子標的薬剤などを導入することにより細胞内での発現・挙動などを評価するという需要が高まってきている。 In the field of biotechnology, by introducing genes, proteins, various inhibitors, molecular targeting drugs, etc. into cells and organelles (intracellular organelles) such as the nucleus, mitochondria, and Golgi apparatus There is an increasing demand for evaluating expression and behavior in cells.
細胞内に物質を注入する方法として、ガラスや石英でできたキャピラリ(細管)を熱し、引き伸ばすことにより加工された中空のピペットを用いて、細胞内に直接注入するマイクロインジェクション法が知られている。マイクロインジェクション法は、ターゲット細胞に種々の生物活性物質を直接注入する方法として有用な方法であることは認識されているが、熟練したオペレーターが顕微鏡を覗きながらマイクロマニピュレータを操作する必要があり、一日に数百個程度の細胞しか処理できない。マイクロインジェクションを自動的に行う方法として、Anal. Chem., 77, 5628(2005)には、多数の微小ウエルを有するプレートを用い、その微小ウエルに細胞を固定する方法が提案されている。 As a method for injecting a substance into a cell, there is known a microinjection method in which a hollow pipette processed by heating and stretching a capillary made of glass or quartz is directly injected into a cell. . Although the microinjection method is recognized as a useful method for directly injecting various bioactive substances into target cells, it is necessary for a skilled operator to operate the micromanipulator while looking through a microscope. Only a few hundred cells can be processed per day. As a method for automatically performing microinjection, Anal. Chem., 77, 5628 (2005) proposes a method of fixing a cell in a microwell using a plate having a large number of microwells.
細胞の中には、細胞膜などのように、脂質二重膜と呼ばれる非常に薄い層で囲まれたような区画が三次元的に配置されており、オルガネラと呼ばれている。この中には、核、ミトコンドリア、ゴルジ体、液胞などがあり、細胞質とは、異なる区画として構成されている。最近では、生物活性物質の種類に応じて、細胞内でも、細胞質やオルガネラに局所的に導入することが必要であることが知られてきている。 In the cell, compartments surrounded by a very thin layer called a lipid bilayer, such as a cell membrane, are arranged three-dimensionally and are called organelles. Among these are the nucleus, mitochondria, Golgi apparatus, vacuole, etc., which are configured as a compartment different from the cytoplasm. Recently, it has been known that local introduction into the cytoplasm and organelle is necessary even within the cell, depending on the type of biologically active substance.
微小ウエルを有するプレートを用いて細胞への刺入座標位置を確定する方法の場合、生物活性物質を注入するためのピペットの先端はウエルの中心位置を表すXY座標に駆動される。そのXY座標のみを指標として、一定量マニピュレータを稼働させ、ピペットを刺入させた場合、ピペットは細胞壁あるいは、細胞膜を貫通したのちに、細胞の中心付近に達してしまう。そのため生物活性物質の種類に応じて、細胞内でも、細胞質やオルガネラに局所的に導入仕分けることが不可能であり、かつほとんどの細胞が死んでしまう。このことは、ピペットの貫通深さは局所構造体において、できるだけ浅いことが望ましいことを示している。従って、ピペット先端が細胞膜あるいはオルガネラ膜を貫通した直後にピペットの移動を停止する必要がある。この停止位置は0.5μmの精度で決定する必要がある。しかし、細胞は大きさがそれぞれ異なるため、ウエルの位置に基づいてピペットの移動目標であるXY座標を決定するのは困難である。更に、ピペットが細胞膜を押して貫通するとき、変形によって細胞の大きさは変化する。また、上述したように、薬剤の評価などの目的によっては、これら各々の箇所に局所的に狙いを定めて薬剤を導入する必要がある。従って、細胞の大きさに依存しない別の原理に基づいて発生される停止信号によってマイクロインジェクション用ピペットの移動を停止させる仕組みが必要である。 In the case of a method for determining the insertion coordinate position of a cell using a plate having a microwell, the tip of a pipette for injecting a bioactive substance is driven to XY coordinates representing the center position of the well. When a certain amount of manipulator is operated using only the XY coordinates as an index and a pipette is inserted, the pipette penetrates the cell wall or cell membrane and then reaches the vicinity of the center of the cell. Therefore, depending on the type of biologically active substance, it is impossible to locally introduce and sort into the cytoplasm and organelle within the cell, and most cells die. This indicates that the penetration depth of the pipette is desirably as shallow as possible in the local structure. Therefore, it is necessary to stop the movement of the pipette immediately after the tip of the pipette penetrates the cell membrane or the organelle membrane. This stop position needs to be determined with an accuracy of 0.5 μm. However, since the cells are different in size, it is difficult to determine the XY coordinates that are the movement targets of the pipette based on the position of the well. Furthermore, when the pipette pushes through the cell membrane, the cell size changes due to deformation. Further, as described above, depending on the purpose such as evaluation of a medicine, it is necessary to locally aim at each of these locations and introduce the medicine. Therefore, there is a need for a mechanism for stopping the movement of the microinjection pipette by a stop signal generated based on another principle that does not depend on the cell size.
本発明は、個別の細胞に対するピペットの先端位置を自動的かつ正確に検出し細胞内の目的とする位置でピペットを停止する方法、及び細胞内の所望位置に物質を導入することのできる方法を提供することを目的とする。 The present invention provides a method for automatically and accurately detecting the tip position of a pipette with respect to an individual cell, stopping the pipette at a target position in the cell, and a method for introducing a substance into a desired position in the cell. The purpose is to provide.
細胞膜を微小電極が貫通するとき、膜電位は急激に変化する。生きている細胞に対しては、この電位は外部媒質に対して負である。我々は、膜電位の変化を停止信号として利用することを考えた。 When the microelectrode penetrates the cell membrane, the membrane potential changes rapidly. For living cells, this potential is negative with respect to the external medium. We considered using the change in membrane potential as a stop signal.
図1は、細胞にバレルピペットが刺入されたときのバレルピペット先端位置での電位変化を摸式的に示す図である。細胞膜あるいはオルガネラ膜を貫通するたびに生じる電位変化のパターンは、細胞質あるいはオルガネラ内の電解質濃度によって異なるが、生きている細胞では、細胞質内の電位は外部より負電位である。オルガネラ内の電位はオルガネラの種類や生理状態によって異なるが、例えば液胞の場合は通常、細胞質よりは正側の電位である。図1(a)、図1(b)、図1(c)中の符号は、図1に示したピペットの位置にそれぞれ対応している。図1(a)では、バレルピペットが細胞外(A1)、細胞膜近傍(A2)、細胞質(A3)、液胞(A4)、の順に進むに従って生じる電位変化を示している。図1(b)は、オルガネラ1内の電位が、細胞質よりさらに負側の電位の場合である。図1(c)は、細胞電位よりさらに負側の電位のオルガネラ2と細胞質よりは正側の電位の液胞に連続して進む場合の電位変化を示している。このように、膜電位の高低等は異なるものの、バレルピペットの移動に伴う電位の変化パターンを蓄積していけば、細胞質あるいはオルガネラ内に刺入されたことがリアルタイムで判定でき、有用性が高い。
FIG. 1 is a diagram schematically showing a change in potential at a barrel pipette tip position when a barrel pipette is inserted into a cell. The pattern of potential change that occurs each time the cell membrane or organelle membrane is penetrated varies depending on the electrolyte concentration in the cytoplasm or organelle, but in living cells, the potential in the cytoplasm is negative from the outside. The potential in the organelle varies depending on the type and physiological state of the organelle. For example, in the case of a vacuole, the potential is usually on the positive side of the cytoplasm. Reference numerals in FIGS. 1A, 1B, and 1C correspond to the positions of the pipettes shown in FIG. FIG. 1A shows potential changes that occur as the barrel pipette advances in the order of extracellular (A1), cell membrane vicinity (A2), cytoplasm (A3), and vacuole (A4). FIG. 1B shows a case where the potential in the
本発明の自動刺入可能なマイクロインジェクション方法は、電位測定電極を備えるマイクロツールとしてのバレルピペットの先端を1個の細胞に対して位置決めする工程と、バレルピペットを1個の細胞に対して所定速度で移動させ、先端を前記細胞に刺入する工程と、電位測定電極によってバレルピペットの先端が位置する細胞部位の電位を測定する工程と、バレルピペットの移動に伴う電位の変化からバレルピペットの先端が細胞内の所望の部位に到達したと判定されたときバレルピペットの移動を停止する工程と、バレルピペットから試薬を注入する工程とを有する。バレルピペットの先端が細胞内の所望の部位に到達したかどうかの判定にあたっては、測定された電位信号が急変したとき、バレルピペットの先端が別のオルガネラに挿入されたと判定することができる。 The microinjection method capable of automatic insertion according to the present invention includes a step of positioning a tip of a barrel pipette as a microtool having a potential measuring electrode with respect to one cell, and a barrel pipette with respect to one cell. Moving at a speed, inserting the tip into the cell, measuring the potential of the cell site where the tip of the barrel pipette is located by the potential measuring electrode, and changing the potential of the barrel pipette from the change in potential accompanying the movement of the barrel pipette. A step of stopping the movement of the barrel pipette when it is determined that the tip has reached a desired site in the cell, and a step of injecting a reagent from the barrel pipette. In determining whether or not the tip of the barrel pipette has reached a desired site in the cell, it can be determined that the tip of the barrel pipette has been inserted into another organelle when the measured potential signal changes suddenly.
また、本発明の自動刺入可能なマイクロインジェクション装置は、電位測定電極及び試薬を含む溶液が充填された試薬ピペットを備えるマニピュレータと、マニピュレータを駆動する駆動部と、マイクロツールとしてのバレルピペットの移動に伴う電位測定電極の出力変化からバレルピペットの先端が位置する細胞部位に関する情報を取得する信号処理部と、信号処理部の出力により駆動部を制御する制御部と、試薬ピペットから試薬を含む溶液を噴出させるインジェクタとを有する。信号処理部は、電位測定電極の出力が入力されるローパスフィルタ及びローパスフィルタの出力を微分する微分回路を有し、微分回路によって微分された電位測定電極の出力が予め定められた閾値を超えたとき、バレルピペットの先端がオルガネラに挿入されたことを示す信号を出力する構成とすることができる。電位測定電極は、液体あるいは固体の導電性物質を充填したピペットで構成することができる。 The microinjection apparatus capable of automatic insertion according to the present invention includes a manipulator including a reagent pipette filled with a solution containing a potential measuring electrode and a reagent, a driving unit for driving the manipulator, and a movement of a barrel pipette as a micro tool. A signal processing unit that obtains information about a cell site where the tip of the barrel pipette is located from the output change of the potential measurement electrode, a control unit that controls the driving unit by the output of the signal processing unit, and a solution that contains the reagent from the reagent pipette And an injector for ejecting the fuel. The signal processing unit includes a low-pass filter to which the output of the potential measurement electrode is input and a differentiation circuit that differentiates the output of the low-pass filter, and the output of the potential measurement electrode that has been differentiated by the differentiation circuit exceeds a predetermined threshold value. In some cases, a signal indicating that the tip of the barrel pipette has been inserted into the organelle can be output. The potential measuring electrode can be composed of a pipette filled with a liquid or solid conductive substance.
本発明では、バレルピペットの自動挿入を停止し、細胞内の目的の部位にバレルピペットの先端をとどめることができるということが重要である。その後に、バレルピペットに試薬注入信号を印加すれば、細胞内の所望の部位に試薬を導入することができる。 In the present invention, it is important to be able to stop the automatic insertion of the barrel pipette and keep the tip of the barrel pipette at the target site in the cell. Thereafter, if a reagent injection signal is applied to the barrel pipette, the reagent can be introduced into a desired site in the cell.
本発明によると、細胞内におけるバレルピペット先端位置を正確に判定し、細胞を殺すことなく個別の細胞内の所望部位に確実に遺伝子や薬剤を導入することができる。 According to the present invention, the position of the tip of a barrel pipette in a cell can be accurately determined, and a gene or drug can be reliably introduced into a desired site in an individual cell without killing the cell.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下では、主に図1(a)の場合、すなわち植物細胞での細胞質、あるいは液胞への選別刺入の場合を例にとって説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, the case of FIG. 1 (a), that is, the case of selecting and inserting into the cytoplasm of a plant cell or a vacuole will be mainly described as an example.
図2は、本発明による自動刺入可能なマイクロインジェクション装置の一例を示す模式図である。この装置は、容器30に入れられた溶液中の細胞31にマイクロツールとしてのバレルピペット10から遺伝子・蛋白質・各種阻害剤・分子標的薬剤などの試薬を導入するためのものである。バレルピペット10は、3チャンネル型のバレルピペットからなり、先端の直径は約1μmである。バレルピペットの1つのチャネルには電解質として0.5M KCl溶液を満たし、Ag/AgClワイヤを挿入して、電位測定電極11として使用する。他のチャネルには0.5M KClと細胞に導入すべき試薬とを満たし、Ptワイヤを挿入して、試薬注入電極12として使用する。残りのチャネルには電解質として0.5M KCl溶液を満たし、Ptワイヤを挿入し試薬注入電極12に対する対電極13として使用する。また試薬注入電極12には、トレーサーとしての蛍光色素を混合することによって、導入確認を行うことができる。電位測定電極11に対する参照電極21として、市販のAg/AgCl電極が容器30中の溶液に浸漬されている。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of a microinjection apparatus capable of automatic insertion according to the present invention. This apparatus is for introducing reagents such as genes, proteins, various inhibitors, and molecular target drugs from a
電位測定電極11及び参照電極21は、信号処理部22に接続されている。信号処理部22の出力は全体制御部29に供給される。全体制御部29には、自動運転・手動運転切換えスイッチが装備されている。手動運転では、スイッチを1回クリックするたびに、0.1秒間パルスモータを駆動する信号が出るようになっている。自動運転では、駆動開始信号から信号処理部22から停止信号が出力されるまでの間、モータ駆動制御部23は、油圧マニピュレータ25に直結されたパルスモータ24を連続的に駆動制御する。油圧マニピュレータ25が時計方向に回転するとZ軸刺入マニピュレータ50が前進し、それに伴って、Z軸刺入マニピュレータの先端に接続されているバレルピペット10が前進する。Z軸刺入マニピュレータ50の最小ステップは0.5μmであり、最大移動速度は250μm/秒である。試薬注入電極12と対電極13は、試薬注入信号発生器27に接続されている。試薬注入信号発生器27は、全体制御部29の制御下に、試薬注入パルスを発生する。パルス発生器からアナログ矩形パルスが発生され、増幅された後、対電極13に対して−20Vのパルス電圧が試薬注入電極12に印加される。一例として、試薬注入パルスは、パルス幅:10−50ms、パルス数:1秒間隔で1−5パルスである。モータ駆動制御部23も統括制御部29の制御を受ける。パルスモータ24と油圧マニピュレータ25の間には、マニュアル操作用ダイアル26が設けられている。また、信号処理部22にはレコーダ28が接続されている。
The potential measuring electrode 11 and the
図3は、本発明の自動刺入可能なマイクロインジェクション装置における信号の流れと信号処理分の詳細を示すブロック図である。信号処理部は、増幅器、ローパスフィルタ、微分回路及び弁別器を備える。参照電極に対する電位測定電極の出力は、増幅器で増幅された後、ローパスフィルタに通される。ローパスフィルタを通った信号は微分回路で微分され、弁別器に通される。本例の弁別器は、非反転増幅回路、反転増幅器、2つの半波整流器、及び2つのコンパレータからなる。この例の信号処理部は細胞質信号及び液胞信号を発生し、細胞質信号及び液胞信号は統括制御部29に供給される。統括制御部29は、モータ駆動制御部23及び試薬注入信号発生器27を制御する。
FIG. 3 is a block diagram showing details of signal flow and signal processing in the microinjection apparatus capable of automatic insertion according to the present invention. The signal processing unit includes an amplifier, a low-pass filter, a differentiation circuit, and a discriminator. The output of the potential measurement electrode with respect to the reference electrode is amplified by an amplifier and then passed through a low-pass filter. The signal that has passed through the low-pass filter is differentiated by a differentiation circuit and passed to a discriminator. The discriminator of this example includes a non-inverting amplifier circuit, an inverting amplifier, two half-wave rectifiers, and two comparators. The signal processing unit in this example generates a cytoplasm signal and a vacuole signal, and the cytoplasm signal and the vacuole signal are supplied to the overall control unit 29. The overall control unit 29 controls the motor
なお、この例ではピペット中の試薬を細胞に注入する方法として電圧印加を用いたため、試薬の充填されたピペットを試薬注入電極と呼んだが、試薬注入方法としては圧力印加等、他の手段を用いてもよい。圧力印加によって試薬を注入する場合には、試薬注入信号発生器27は電気パルスの代わりに圧力パルスを試薬の充填されたピペットの後部に印加することになる。当然ながら、上の例において試薬の充填されたピペットに挿入したPtワイヤは不要であり、対電極13も不要である。
In this example, voltage application was used as a method for injecting the reagent in the pipette into the cells, so the pipette filled with the reagent was called a reagent injection electrode, but other methods such as pressure application were used as the reagent injection method. May be. In the case of injecting a reagent by applying pressure, the reagent
次に、本発明の装置による自動刺入マイクロインジェクション方法について説明する。実験に用いた細胞はタバコ培養細胞BY−2である。通常、植物細胞への薬剤導入・形質転換には、細胞表面を酵素処理させ、柔らかいプロトプラスト体又はスフェロプラスト体を用いることが一般的であり、細胞壁を維持したままのインタクトな植物細胞への連続インジェクションは困難とされていたが、本発明の装置によるとそれが可能になる。 Next, an automatic insertion microinjection method using the apparatus of the present invention will be described. The cell used for the experiment is tobacco cultured cell BY-2. Usually, for drug introduction / transformation into plant cells, it is common to use a soft protoplast or spheroplast to treat the cell surface with an enzyme, and to intact plant cells while maintaining the cell wall. Although continuous injection has been considered difficult, the apparatus of the present invention makes it possible.
最初、顕微鏡の下で観察しながら、半自動操作によってバレルピペット10を容器30中の1つの細胞31の近くに位置決めした。次に、空間電位分布を得るためにバレルピペット10を250μm/秒の速度で100ms前進させた。バレルピペット10が細胞膜を貫通したとき、電位測定電極11からノイズの多い応答が得られた。
Initially, the
図4は、手動運転で刺入処理した際に得られた出力信号と微分信号を示す。信号処理部22では、ローパスフィルタを通った電位測定電極11からの信号を微分回路で微分する。図4(a)に、ローパスフィルタ通過後の電位測定電極11からの信号の典型例を示す(10倍に増幅)。図中の工程Aでは、マニュアル操作で、バレルピペット10を細胞膜外表面まで接近させた。工程B及び工程Dでは、制御スイッチを1回クリックした(250μm/秒×100ms)。また、工程C及び工程Eは、Z軸刺入マニピュレータを停止状態にした。図4(b)は、ローパスフィルタを通った電位測定電極11からの信号を微分した上で増幅した信号を示す。電位測定電極の出力を微分することより、図4(b)に示すように、正のパルスT1と負のパルスT2が得られる。第1番目のピークである正のパルスT1は外部から細胞膜を貫通した信号である。図4(b)に示すように、実際に200mV程度の第1番目のピークである正のパルスT1が得られた際に、挿入を停止し、蛍光色素をインジェクションすると原形質へ導入された。第2番目のピークである負のパルスT2は液胞膜を貫通した信号である。ここで第1番目のピークである正のパルスT1が得られた後に、さらに挿入を継続し、図4(b)に示すように、第2番目のピークである負のパルスT2の両方を得られた際に、挿入停止し、蛍光色素をインジェクションすると液胞へ導入された。これらのパルス信号は非反転増幅あるいは反転増幅されて、弁別器に入力される。こうして、細胞質信号と液胞信号が得られる。
FIG. 4 shows an output signal and a differential signal obtained when the insertion process is performed by manual operation. In the
図5は、信号処理部の弁別器で処理される信号波形と、細胞質信号及び液胞信号の関係を表す摸式図である。微分信号に含まれる正のパルスT1が予め設定した閾値を超えたとき細胞質信号が出力され、負のパルスT2が予め設定した閾値を越えたとき液胞信号が出力される。これらの信号を受けて、統括制御部29はモータ駆動制御部23に指令してパルスモータ24の駆動を停止させる。すなわち、バレルピペット10を細胞質内で停止させる必要があるとき、統括制御部29は、信号処理部から細胞質信号が出力されたときモータ駆動制御部23にパルスモータの停止指令を出す。また、バレルピペット10を液胞内で停止させる必要があるときには、統括制御部29は、信号処理部から液胞信号が出力されたときモータ駆動制御部23にパルスモータの停止指令を出す。
FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship between the signal waveform processed by the discriminator of the signal processing unit, the cytoplasm signal, and the vacuole signal. A cytoplasm signal is output when the positive pulse T 1 included in the differential signal exceeds a preset threshold, and a vacuole signal is output when the negative pulse T 2 exceeds a preset threshold. Upon receiving these signals, the overall control unit 29 instructs the motor
図6は、モータの制御フロー図である。本実施例の場合、動作モードとしては細胞質停止モードと液胞停止モードの2つが用意されている。動作モードの選択は統括制御部29において行われる。モータ駆動制御部23は、ステップモータ24を駆動してバレルピペット10を一度に500nmずつ前進させ、選択された動作モードに合わせて、細胞質信号が検出されたか、あるいは液胞信号が検出されたかを判定し、検出されなければ再びバレルピペット10を500nmだけ前進させる。所望の信号が検出されると、モータを停止させる。モータ駆動パルスのオン・オフはモータ駆動制御部23によって行われ、細胞質信号あるいは液胞信号の検出判定は統括制御部29によって行われる。
FIG. 6 is a control flowchart of the motor. In the case of the present embodiment, two operation modes are prepared: a cytoplasmic stop mode and a vacuole stop mode. The operation mode is selected by the overall control unit 29. The motor
統括制御部29は、モータ駆動制御部23に対して、バレルピペット10の刺入(前進)、退避(後退)、停止、迅速退避(迅速後退)を指示することができる。統括制御部29は、信号処理部22からの信号によってバレルピペット10の先端位置に関する情報を取得し、細胞内での任意の位置を設定することにより、細胞に対してバレルピペット先端を自動的に駆動し、任意の位置で停止させることができる。統括制御部29は、信号処理部22からバレルピペット10の先端が細胞内の所望の位置に到達したことを示す信号を受け取った後に、試薬注入信号発生器27に指令してバレルピペットの試薬注入電極12の先端から細胞内の所望の部位に試薬を導入する。試薬の導入量も統括制御部29から設定することができ、試薬注入信号発生器27はその設定に応じて決められたパルス幅、インターバル時間、及び回数の試薬注入パルスを発生する。こうして試薬注入電極12と対電極13の間に電圧印加して導入負荷をかけることにより、試薬注入電極12内の薬剤を細胞に注入する。試薬を細胞に導入するためには、バレルピペット10を刺入しただけでは達成できず、このような導入負荷をかける必要がある。
The overall control unit 29 can instruct the motor
自動運転では、停止信号検出後の制動距離を短くするために、バレルピペットを4μm/秒でゆっくり前進させた。この速度では、図7及び図8に示すように、スムーズな信号波形が得られた。 In automatic operation, the barrel pipette was slowly advanced at 4 μm / sec in order to shorten the braking distance after detection of the stop signal. At this speed, a smooth signal waveform was obtained as shown in FIGS.
図7は、バレルピペットを細胞質中に挿入した際に得られる電位変化の測定結果と微分回路による波形変換を行った結果を示す図である。図7(a)は、バレルピペット先端を細胞膜近傍から細胞内(細胞質)方向へ刺入(insert)させたときの電位測定電極の出力を増幅して示した波形図である。図7(b)はその微分信号である。 FIG. 7 is a diagram showing the measurement result of the potential change obtained when the barrel pipette is inserted into the cytoplasm and the result of waveform conversion by the differentiation circuit. FIG. 7A is a waveform diagram showing an amplified output of the potential measurement electrode when the tip of the barrel pipette is inserted from the vicinity of the cell membrane into the intracellular (cytoplasmic) direction. FIG. 7B shows the differential signal.
バレルピペット先端が細胞膜に接触した後、さらに刺入すると細胞質に到達する。この際に、電位変化は、正方向から負の電荷をもつ膜に接触することで、負方向へ傾く。これを示したのが、図7(a)である。また、この生データを常時取り込み、微分回路に通すと、図7(b)のように変換される。図7(c)は、Z軸刺入マニピュレータの駆動制御の状態を示す図であり、塗りつぶしは前進を表し、白い部分は細胞質信号検出後に停止した状態を表している。 After the tip of the barrel pipette contacts the cell membrane, it reaches the cytoplasm when further inserted. At this time, the potential change is inclined in the negative direction by contacting a film having a negative charge from the positive direction. This is shown in FIG. 7 (a). When this raw data is always taken and passed through a differentiating circuit, it is converted as shown in FIG. FIG. 7C is a diagram showing a state of drive control of the Z-axis insertion manipulator, in which the solid color represents the forward movement, and the white portion represents the state stopped after the detection of the cytoplasm signal.
図8は、細胞質を経て、バレルピペットをオルガネラの一種である液胞中に挿入した際に得られる電位変化の測定結果と微分回路による波形変換を行った結果を示す図である。図8(a)は、電位測定電極の出力を増幅して示した波形図である。図8(b)はその微分信号である。 FIG. 8 is a diagram showing the measurement result of the potential change obtained when the barrel pipette is inserted into the vacuole which is a kind of organelle through the cytoplasm, and the result of waveform conversion by the differentiation circuit. FIG. 8A is a waveform diagram illustrating the output of the potential measurement electrode after amplification. FIG. 8B shows the differential signal.
バレルピペット先端を細胞膜近傍から細胞内(細胞質)方向へ刺入させると、細胞膜に接触し、さらに刺入すると細胞質に到達する。この際に、電位変化は、正方向から負の電荷をもつ膜に接触することで、負方向へ傾く。これは、図7の場合と同様である。さらに刺入させると、細胞の中心方向にある脂質二重膜で隔離されたオルガネラ(液胞など)の膜を通過し、オルガネラの中へ至る。これを示したものが、図8(a)である。また、この生データを常時取り込み、微分回路に通すと、図8(b)のように変換される。図8(c)は、Z軸刺入マニピュレータの駆動制御の状態を示す図であり、塗りつぶしは前進を表し、白い部分は細胞質信号検出後に停止した状態を表している。 When the tip of the barrel pipette is inserted from the vicinity of the cell membrane into the cell (cytoplasm) direction, it contacts the cell membrane, and reaches the cytoplasm when further inserted. At this time, the potential change is inclined in the negative direction by contacting a film having a negative charge from the positive direction. This is the same as in the case of FIG. When inserted further, it passes through the membrane of an organelle (such as a vacuole) isolated by a lipid bilayer in the center of the cell, and reaches the organelle. This is shown in FIG. 8 (a). Further, when this raw data is always taken and passed through a differentiating circuit, it is converted as shown in FIG. FIG. 8C is a diagram showing a state of drive control of the Z-axis insertion manipulator, in which the solid portion represents the forward movement, and the white portion represents the state stopped after the detection of the cytoplasm signal.
本発明の装置による自動刺入マイクロインジェクションが成功したかどうかを顕微鏡観察により評価した。試薬注入電極に蛍光試薬としてルシファーイエローを入れ、細胞内の所望の部位に局所的に試薬を導入した。用いた細胞はタバコ培養細胞BY−2である。 Whether the automatic insertion microinjection by the apparatus of the present invention was successful was evaluated by microscopic observation. Lucifer yellow was added as a fluorescent reagent to the reagent injection electrode, and the reagent was locally introduced into a desired site in the cell. The cell used was tobacco cultured cell BY-2.
図9は、バレルピペット先端を細胞質中で自動停止させた後、試薬注入電極にパルス信号を印加してルシファーイエローを注入し、その後、蛍光顕微鏡によってルシファーイエローの拡散パターンを観察したものである。図9(a)は、バレルピペットを細胞質中で自動停止させた後、試薬注入電極にパルス信号を印加してルシファーイエローを注入する操作を連続して行い、図9(a)の中央に位置する細胞の細胞質中に自動停止させた状態のレリーフコントラスト像(明視野)である。なお、図中に示したバーのサイズは20μmである。図9(b)は、細胞にルシファーイエローを導入したあとの蛍光像である。図9(b)によると蛍光発光領域が細胞中で局限されており、中央に位置する細胞の細胞質中にルシファーイエローが導入されたことが確認できる。 FIG. 9 shows a case where the tip of the barrel pipette is automatically stopped in the cytoplasm, a pulse signal is applied to the reagent injection electrode to inject lucifer yellow, and then the diffusion pattern of lucifer yellow is observed with a fluorescence microscope. FIG. 9 (a) shows an operation in which the barrel pipette is automatically stopped in the cytoplasm, and then a pulse signal is applied to the reagent injection electrode to continuously inject lucifer yellow and is positioned at the center of FIG. 9 (a). It is the relief contrast image (bright field) of the state stopped automatically in the cytoplasm of the cell to do. The bar size shown in the figure is 20 μm. FIG. 9B is a fluorescence image after lucifer yellow is introduced into the cells. According to FIG. 9B, the fluorescence emission region is localized in the cell, and it can be confirmed that lucifer yellow has been introduced into the cytoplasm of the cell located in the center.
次に、バレルピペット先端をタバコ培養細胞BY−2の液胞中で自動停止させた後、試薬注入電極にパルス信号を印加してルシファーイエローを注入し、その後、蛍光顕微鏡によってルシファーイエローの拡散パターンを観察した。図10(a)は、中央に位置する細胞の液胞中にバレルピペット先端を自動停止させたあとのレリーフコントラスト像である。図10(b)は、中央に位置する細胞の液胞中にルシファーイエローを導入したあとの蛍光像である。図10(b)の蛍光像によると、細胞内の広い領域から蛍光が発生しており、バレルピペット先端が液胞中に停止し、液胞中にルシファーイエローが導入されたことが確認できる。 Next, after the barrel pipette tip is automatically stopped in the vacuole of cultured tobacco cell BY-2, lucifer yellow is injected by applying a pulse signal to the reagent injection electrode, and then the diffusion pattern of lucifer yellow is observed with a fluorescence microscope. Was observed. FIG. 10A is a relief contrast image after the barrel pipette tip is automatically stopped in the vacuole of the cell located at the center. FIG. 10B is a fluorescence image after lucifer yellow is introduced into the vacuole of the cell located in the center. According to the fluorescence image of FIG. 10B, it can be confirmed that fluorescence is generated from a wide area in the cell, the tip of the barrel pipette stops in the vacuole, and lucifer yellow is introduced into the vacuole.
これまでは細胞壁がある植物の細胞の例を説明してきたが、本発明は、細胞壁がなく細胞膜に覆われている動物細胞などにも適用可能である。図11(a)は、動物細胞の例として、マウス胚性幹細胞にバレルピペットを刺入したとき電位測定電極の微分出力信号を示す。また、図11(b)は、本来なら細胞壁がある植物細胞から酵素処理を経て、細胞壁を取り除き、細胞膜を露出した(プロトプラスト)状態のイネ細胞に対する電位測定電極の微分出力信号を示す。細胞の種類によってそれぞれに異なるパターンを示すが、いずれも細胞膜を貫通した際に急激な電位変化を示し、本発明の原理を適用して細胞内の所望位置でバレルピペットを停止し、試薬を導入することが可能であることが分かる。 Although the example of the plant cell with a cell wall was demonstrated so far, this invention is applicable also to the animal cell etc. which have no cell wall and are covered with the cell membrane. FIG. 11A shows a differential output signal of the potential measurement electrode when a barrel pipette is inserted into a mouse embryonic stem cell as an example of an animal cell. FIG. 11B shows a differential output signal of the potential measurement electrode for a rice cell in a state where the cell wall is removed from the plant cell which originally has a cell wall through the enzyme treatment and the cell membrane is exposed (protoplast). Each cell type shows a different pattern, but all show rapid potential changes when penetrating the cell membrane, applying the principle of the present invention to stop the barrel pipette at the desired position in the cell and introduce the reagent. You can see that it is possible.
このように、バレルピペットが細胞内を移動するに従って、電位は特定のパターンを示すことがわかった。なお、細胞内オルガネラは、上述したように核、小胞体、ミトコンドリア、液胞などがあり、ミトコンドリアは、電位が比較的高いことが知られている。いずれも脂質二重膜により外界と隔てられているという特徴を有しており、膜電位の高低等は異なるものの、バレルピペットの移動に伴う電位の変化パターンを蓄積していけば、それぞれのオルガネラも判定が可能となり有用性が高い。例えば、特定のオルガネラとして、核のみに薬剤を注入することも可能になる。このため、DNAの高効率な取り込みを能動的に引き起こすことが可能になり、産業的メリットが高い。 Thus, it was found that the electric potential showed a specific pattern as the barrel pipette moved inside the cell. As described above, intracellular organelles include nuclei, endoplasmic reticulum, mitochondria, vacuoles, etc., and mitochondria are known to have a relatively high potential. Each has the characteristic of being separated from the outside by a lipid bilayer membrane, and although the membrane potential level is different, if the potential change pattern accompanying the movement of the barrel pipette is accumulated, each organelle can be accumulated. Can be determined, and is highly useful. For example, as a specific organelle, it is possible to inject a drug only into the nucleus. For this reason, it becomes possible to actively cause high-efficiency incorporation of DNA, and industrial merit is high.
このように、本発明によると細胞内における試薬注入部位を自由に設定することが可能になるとともに、その試薬注入を自動で行うことができる。このようなことは、これまでの技術では困難であり、まさに本発明の有用性を示すものである。 As described above, according to the present invention, it is possible to freely set the reagent injection site in the cell, and the reagent injection can be automatically performed. Such a thing is difficult with the conventional technology, and just shows the usefulness of the present invention.
トランスフェクション法と本発明による単一細胞導入法を比較すると、トランスフェクション法は遺伝子が導入された細胞がある程度の割合で得られるが、遺伝子導入細胞の割合を100%近くに高めるためには、数ヶ月間選抜圧存在下で継代培養を行い、クローニングを行う必要がある。それに対し、本発明の単一細胞への導入は、文字通り細胞1個をターゲットにしているため、導入細胞を単離しクローニングを行えば、解析を行う程度の細胞数に増えた時点でサンプリングが可能であり、所要時間を大幅に短縮できる。リアルタイムPCRの解析であれば細胞1個からでも解析が可能であり、労力、時間、設備の面で大幅な節約が可能であるため、実験技術としては今までにない新しい手法になり得ると考えられる。 Comparing the transfection method with the single cell introduction method according to the present invention, the transfection method can obtain a certain percentage of cells into which the gene has been introduced, but in order to increase the ratio of the transfected cells to nearly 100%, It is necessary to perform subculture and cloning in the presence of selection pressure for several months. On the other hand, since the introduction into a single cell of the present invention literally targets one cell, if the introduced cell is isolated and cloned, sampling can be performed when the number of cells increases to the extent of analysis. Therefore, the required time can be greatly shortened. Real-time PCR analysis can be performed from a single cell, and it can save a lot of labor, time, and equipment, so it can be an unprecedented new experimental technique. It is done.
10:バレルピペット
11:電位測定電極
12:試薬注入電極
13:対電極
21:参照電極
22:信号処理部
23:モータ駆動制御部
24:パルスモータ
25:油圧マニピュレータ
26:マニュアル操作用ダイアル
27:試薬注入信号発生器
28:レコーダ
29:統括制御部
30:容器
31:細胞
50:Z軸刺入マニピュレータ
10: barrel pipette 11: potential measuring electrode 12: reagent injection electrode 13: counter electrode 21: reference electrode 22: signal processing unit 23: motor drive control unit 24: pulse motor 25: hydraulic manipulator 26: manual operation dial 27: reagent Injection signal generator 28: recorder 29: overall control unit 30: container 31: cell 50: Z-axis insertion manipulator
Claims (10)
前記バレルピペットを前記細胞に対して所定速度で移動させ、先端を前記細胞に刺入する工程と、
前記電位測定電極によって前記バレルピペットの先端が位置する細胞部位の電位を測定する工程と、
前記バレルピペットの移動に伴う前記電位の変化から前記バレルピペットの先端が細胞内の所望の部位に到達したと判定されたとき前記バレルピペットの移動を停止する工程と、
前記バレルピペットから試薬を注入する工程と
を有することを特徴とするマイクロインジェクション方法。 Positioning the tip of a barrel pipette with a potential measuring electrode relative to one cell;
Moving the barrel pipette with respect to the cell at a predetermined speed, and inserting a tip into the cell;
Measuring the potential of the cell site where the tip of the barrel pipette is located by the potential measuring electrode;
Stopping the movement of the barrel pipette when it is determined that the tip of the barrel pipette has reached a desired site in the cell from the change in potential associated with the movement of the barrel pipette;
And a step of injecting a reagent from the barrel pipette.
前記マニピュレータを駆動する駆動部と、
前記バレルピペットの移動に伴う前記電位測定電極の出力変化から前記バレルピペットの先端が位置する細胞部位に関する情報を取得する信号処理部と、
前記信号処理部の出力に基づいて前記駆動部を制御する制御部と、
前記試薬ピペットから試薬を含む溶液を噴出させるインジェクタと
を有することを特徴とするマイクロインジェクション装置。 A manipulator comprising a reagent pipette filled with a solution containing a potential measuring electrode and a reagent;
A drive unit for driving the manipulator;
A signal processing unit for acquiring information on a cell site where a tip of the barrel pipette is located from an output change of the potential measuring electrode accompanying the movement of the barrel pipette;
A control unit that controls the driving unit based on an output of the signal processing unit;
A microinjection apparatus comprising an injector for ejecting a solution containing a reagent from the reagent pipette.
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