JP2009122016A - Determination system, selection system, determination method, cell production method, program, and recording medium - Google Patents

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政壽 野村
Eri Matsubara
恵理 松原
Toshihiro Ona
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a determination system, etc. suited to determine a polarized state of measured objects in contact with or adjacent to substrates, etc. by a surface plasmon resonance system. <P>SOLUTION: The determination system 17 determines a polarized state of mitochondria 9, 11 in living cells 5, 7 on a substrate 3 by using a surface plasmon resonance phenomenon and includes a polarized state determination section 21 to determine three-dimensional distribution/intensity/morphology of the polarized state of mitochondria 9, 11 based on at least two kinds of incident light 13 to the substrate 3. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、判定装置、選定装置、判定方法、細胞生産方法、プログラム及び記録媒体に関し、特に、表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定装置等に関する。   The present invention relates to a determination device, a selection device, a determination method, a cell production method, a program, and a recording medium, and more particularly to a determination device that determines the polarization state of mitochondria in a living cell using a surface plasmon resonance phenomenon.

発明者らは、表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance:SPR)装置を用いて、細胞内ミトコンドリアの分極状態をモニタリングすることを研究している(特許文献1参照)。   The inventors have studied monitoring the polarization state of intracellular mitochondria using a surface plasmon resonance (SPR) device (see Patent Document 1).

また、胚性幹細胞(ES細胞)からのヒト生体組織の再生を目指して、特定の生体組織への分化を誘導する因子の特定、分化状態をモニタリングするためのマーカー分子に関する研究を行っている。   In addition, with the aim of regenerating human biological tissue from embryonic stem cells (ES cells), we are conducting research on marker molecules for identifying factors that induce differentiation into specific biological tissues and monitoring the differentiation state.

分化状態・未分化状態で維持することができる、またはインビトロにおいて胚体外または体細胞系統に分化するように誘導することができる全能性幹細胞を作製することにより、早期ヒト発生に関する細胞生物学および分子生物学の研究、機能ゲノム工学、移植または薬物スクリーニングおよびインビトロにおける医薬品発見に使用する幹細胞からの分化細胞の作製が可能になる。   Cell biology and molecules for early human development by creating totipotent stem cells that can be maintained in differentiated or undifferentiated states or that can be induced to differentiate into extraembryonic or somatic cell lines in vitro It enables the generation of differentiated cells from stem cells for use in biological research, functional genomic engineering, transplantation or drug screening and drug discovery in vitro.

一般に、幹細胞は、一連の成熟機能細胞を生じることができる未分化細胞である。例えば、造血幹細胞は、異なる種類の最終的に分化した血液細胞のいずれかを生ずることができる。胚性幹細胞(ES細胞)は胚由来であり、多分化能をもつので、発生して、任意の器官、細胞種もしくは組織種またはおそらく完全な胚を形成する能力を有する。   In general, stem cells are undifferentiated cells that can give rise to a series of mature functional cells. For example, hematopoietic stem cells can give rise to any of the different types of terminally differentiated blood cells. Embryonic stem cells (ES cells) are embryonic and pluripotent, so have the ability to develop and form any organ, cell type or tissue type, or perhaps a complete embryo.

全能性幹細胞から分化した特定の細胞系統を得るために、分化を特定の細胞系統へと導くin vivoメカニズムが用いられた。例えば、全能性幹細胞をレポーターコンストラクトで修飾し、次にこれを初期の胚に再導入した後に、神経系統の幹細胞が単離された(非特許文献1)。レポーターコンストラクトは神経形成中に発現され、レポーター遺伝子を発現する細胞は、分離されて培養物中に置かれる。この方法は、 in vivoメカニズムを通して神経系統に関与する細胞の単離を許容するが、しかし、分離され1度培養物中に置かれた細胞は、最終的な分化に進行する。   In order to obtain specific cell lines differentiated from totipotent stem cells, an in vivo mechanism was used that led differentiation to specific cell lines. For example, neural lineage stem cells were isolated after modifying totipotent stem cells with a reporter construct and then reintroducing them into early embryos (Non-Patent Document 1). The reporter construct is expressed during neurogenesis and cells expressing the reporter gene are isolated and placed in culture. This method allows the isolation of cells involved in the nervous system through in vivo mechanisms, but cells that have been separated and placed once in culture proceed to terminal differentiation.

特許文献2には、以下のようにしてin vitroで系統特異的幹細胞を単離する方法が教示されている:全能性胚性幹細胞
に、レポータータンパク質をコードするDNAに動作可能に結合する系統特異的遺伝子の調節領域を含むコンストラクトをトランスフェクトすること;全能性胚性幹細胞を、全能性胚性幹細胞が系統特異的幹細胞に分化するような条件下で培養すること;および培養物中のレポータータンパク質を発現する細胞を、他の細胞から分離すること;ここでレポータータンパク質を発現する細胞が、単離された、系統特異的幹細胞である。
Patent Document 2 teaches a method for isolating lineage-specific stem cells in vitro as follows: Lineage-specific binding to totipotent embryonic stem cells operably to DNA encoding a reporter protein Transfecting constructs containing regulatory regions of genetic genes; culturing totipotent embryonic stem cells under conditions such that the totipotent embryonic stem cells differentiate into lineage-specific stem cells; and a reporter protein in the culture Is isolated from other cells; wherein the cell expressing the reporter protein is an isolated, lineage-specific stem cell.

また、現在までに、全能性胚性幹細胞から特定組織への分化誘導が報告されている。   To date, induction of differentiation from totipotent embryonic stem cells to specific tissues has been reported.

世界公開第2007/069692号パンフレットWorld Publication No. 2007/069692 Pamphlet 米国特許第5639618号US Pat. No. 5,639,618 Ott, etal. (1994) J. Cell. Biochem. Supplement 18A:187Ott, etal. (1994) J. Cell. Biochem. Supplement 18A: 187

表面プラズモン共鳴装置は、表面プラズモン共鳴現象を利用し、共鳴角度変化を測定する。この共鳴角度変化は、センサー部の金膜表面近傍における誘電率の変化に依存する。生体分子はそれぞれ固有の誘電率を有しているが、金膜上に固定した対象リガンドとの結合が生じた場合は複合体が形成され、誘電率が変化する。   The surface plasmon resonance apparatus uses a surface plasmon resonance phenomenon to measure a change in resonance angle. This change in resonance angle depends on the change in dielectric constant in the vicinity of the gold film surface of the sensor unit. Each biomolecule has a specific dielectric constant, but when binding to a target ligand immobilized on a gold film occurs, a complex is formed and the dielectric constant changes.

しかしながら、表面プラズモン共鳴装置は、通常、特定の波長の光を用いるものである。そのため、測定対象となるミトコンドリアに関して得られた情報には、さまざまな情報が混在していた。このことは、細胞内ミトコンドリアに限らず、同様に基板などに接し又は近接して存在する物の分極状態を測定する場合も同様である。   However, the surface plasmon resonance apparatus normally uses light of a specific wavelength. Therefore, various information was mixed in the information obtained about the mitochondria to be measured. This applies not only to intracellular mitochondria but also to the measurement of the polarization state of an object that is in contact with or close to the substrate.

また、特許文献2や非特許文献1に記載された方法は、幹細胞に非生体物質を導入しその物質の応答により幹細胞の状態をモニタリングしており、生体組織の再生および再生医療を目的とした幹細胞の分化誘導には利用することができないという問題点を有している。   The methods described in Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 introduce a non-biological substance into stem cells and monitor the state of the stem cells based on the response of the substance, and are intended for regeneration of living tissue and regenerative medicine. There is a problem that it cannot be used for induction of differentiation of stem cells.

現在までに報告されている全能性胚性幹細胞から特定組織への分化誘導は、分化状態が、細胞内分子の発現プロファイル、細胞表面抗原の発現プロファイル等のin vitro解析に基づいて特徴づけられている。例えば、転写因子であるOct−3/4の発現を解析することにより分化状態を判別することができる。これらのin vitro解析を行うためには、分化中の細胞を採取し、その抽出液を調整する必要があり、分化状態を継続的にモニタリングすることは不可能であった。   Induction of differentiation from totipotent embryonic stem cells to specific tissues reported so far, the differentiation state is characterized based on in vitro analysis of intracellular molecule expression profiles, cell surface antigen expression profiles, etc. Yes. For example, the differentiation state can be determined by analyzing the expression of Oct-3 / 4, which is a transcription factor. In order to perform these in vitro analyses, it is necessary to collect the differentiating cells and adjust the extract, and it was impossible to continuously monitor the differentiation state.

そこで、本発明の目的は、表面プラズモン共鳴装置による、測定対象物の分極状態を判定するに適した判定装置等を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a determination device and the like suitable for determining the polarization state of a measurement object using a surface plasmon resonance device.

請求項1に係る発明は、表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定装置であって、少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態を判定する分極状態判定手段、を備えるものである。   The invention according to claim 1 is a determination device that determines a polarization state of a mitochondrion in a living cell by using a surface plasmon resonance phenomenon, and determines the polarization state of the mitochondrion based on at least two types of incident light State determination means.

請求項2に係る発明は、請求項1記載の判定装置であって、前記分極状態判定手段による判定が、前記ミトコンドリアの分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つである。   The invention according to claim 2 is the determination apparatus according to claim 1, wherein the determination by the polarization state determination means is at least one of distribution, intensity and form of the polarization state of the mitochondria.

請求項3に係る発明は、請求項1又は2に記載の判定装置であって、前記少なくとも2種類の入射光は、互いに、波長及び生じさせるエバネッセント波の少なくとも一方を異にするものであり、前記分極状態判定手段が、スペクトル分析により前記ミトコンドリアの分極状態を判定するものである。   The invention according to claim 3 is the determination apparatus according to claim 1 or 2, wherein the at least two types of incident light are different from each other in at least one of a wavelength and an evanescent wave to be generated. The polarization state determination means determines the polarization state of the mitochondria by spectral analysis.

請求項4に係る発明は、請求項1から3のいずれかに記載の判定装置であって、前記分極状態判定手段による判定結果に基づいて前記生細胞の性質を判定する性質判定手段を備えるものである。   The invention according to claim 4 is the determination apparatus according to any one of claims 1 to 3, comprising a property determination unit that determines the property of the living cell based on a determination result by the polarization state determination unit. It is.

請求項5に係る発明は、請求項4記載の前記性質判定手段により判定された生細胞の性質に基づいて培養対象となる生細胞を選定する選定手段を備える選定装置である。   The invention according to claim 5 is a selection device including a selection unit that selects a living cell to be cultured based on the property of the living cell determined by the property determination unit according to claim 4.

請求項6に係る発明は、表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定方法であって、少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態を判定するステップ、を含むものである。   The invention according to claim 6 is a determination method for determining a mitochondrial polarization state in a living cell using a surface plasmon resonance phenomenon, wherein the mitochondrial polarization state is determined based on at least two types of incident light. , Including.

請求項7に係る発明は、培養により細胞を生産する細胞生産方法であって、表面プラズモン共鳴現象を用いて、少なくとも2種類の光を入射光とする生細胞内のミトコンドリアの分極状態の判定結果に基づいて、培養対象とされた生細胞を培養して細胞を生産する生産ステップ、を含むものである。   The invention according to claim 7 is a cell production method for producing cells by culturing, and the determination result of the polarization state of mitochondria in living cells using surface plasmon resonance phenomenon and incident light of at least two kinds of light And a production step of culturing a living cell to be cultured and producing the cell.

請求項8に係る発明は、コンピュータを、表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定装置であって、少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つを判定する判定手段、を備える判定装置として機能させるためのプログラムである。   The invention according to claim 8 is a determination device for determining a mitochondrial polarization state in a living cell using a surface plasmon resonance phenomenon, wherein the mitochondrial polarization state is determined based on at least two types of incident light. It is a program for functioning as a determination device including a determination unit that determines at least one of distribution, intensity, and form.

請求項9に係る発明は、請求項8に記載のプログラムを記録した記録媒体である。   The invention according to claim 9 is a recording medium on which the program according to claim 8 is recorded.

請求項10に係る発明は、表面プラズモン共鳴現象を用いて、接し又は近接して存在する判定対象物の分極状態を判定する判定装置であって、少なくとも2種類の入射光に基づいて、前記分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つを判定する判定手段、を備えるものである。   The invention according to claim 10 is a determination device that determines a polarization state of a determination object that is in contact with or close to the surface using a surface plasmon resonance phenomenon, and the polarization is based on at least two types of incident light. And determining means for determining at least one of state distribution, intensity and form.

なお、判定対象となる生細胞は、基板上のものであってもよい。入射光は基板に対するものであってもよい。判定対象物は、基板に接し又は近接して存在するものであってもよい。また、判定対象となる生細胞は、分化可能な状態を保持したまま分極状態を判定するものであってもよい。   In addition, the living cell used as determination object may be on a board | substrate. The incident light may be on the substrate. The determination target may be in contact with or close to the substrate. In addition, the living cell to be determined may be one that determines the polarization state while maintaining a differentiable state.

また、判定対象となる生細胞は、例えば、幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、ES細胞に由来する分化細胞、間葉系幹細胞(脂肪幹細胞、血液幹細胞など)、組織分化能を有する未分化細胞、多分化機能を保持する細胞などであってもよい。また、正常細胞、がん細胞、受精卵、動植物のクローン細胞、ES細胞、がん幹細胞等であってもよく、これらの培養細胞であってもよい。   In addition, living cells to be determined include, for example, stem cells, embryonic stem cells (ES cells), differentiated cells derived from ES cells, mesenchymal stem cells (eg, adipose stem cells, blood stem cells), and undifferentiated tissues. It may be a cell, a cell that holds a multi-differentiation function, or the like. Moreover, normal cells, cancer cells, fertilized eggs, animal and plant clonal cells, ES cells, cancer stem cells, and the like, or cultured cells thereof may be used.

さらに、イメージング・マッピングによりミトコンドリアの分極状態の分布・強度・形態などを測定するようにしてもよい。   Furthermore, the distribution, intensity, morphology, etc. of the mitochondrial polarization state may be measured by imaging mapping.

さらに、少なくとも2種類の光は、例えば、請求項3に記載しているように、波長及び生じさせるエバネッセント波の少なくとも一方を異にするものであり、例えば、白色光(波長が一定の幅にあるもの)や、異なる波長の光を連続して入射光とするものであってもよい。   Further, at least two types of light are different in at least one of wavelength and generated evanescent wave, for example, as described in claim 3. For example, white light (wavelength has a constant width). Some), or light having different wavelengths may be used as incident light continuously.

本願の各請求項に係る発明によれば、入射光を複数種類の光とすることにより、ミトコンドリアの分極状態の分布(三次元的な分布)・強度・形態などにつき、非標識・非破壊にモニタリングすることができる。   According to the invention according to each claim of the present application, by making the incident light into a plurality of types of light, the distribution (three-dimensional distribution), intensity, and form of the mitochondria can be unlabeled and nondestructive. Can be monitored.

また、例えば請求項4や請求項5に係る発明にあるように、複数の生細胞がある場合にも、各ミトコンドリアの分極状態の分布・強度・形態などを判定し、各生細胞の性質(例えば、分裂活性、老化状態、悪性(がん細胞であるか否か)など)までもが特定することが可能となる。   Further, for example, as in the inventions according to claim 4 and claim 5, even when there are a plurality of living cells, the distribution, strength, and form of the polarization state of each mitochondrion are determined, and the properties of each living cell ( For example, mitotic activity, aging status, malignancy (whether or not it is a cancer cell), etc. can be specified.

すなわち、ミトコンドリアの分極状態について、例えば、次のようなことが知られている。老化した細胞ではミトコンドリアの分極程度が低下する。細胞分裂活性の高い細胞では分極程度が高い。細胞の増殖や分化の過程においてミトコンドリアの極性が大きく変化する。ミトコンドリアと分化に関しては、ミトコンドリア内膜構成要素(シトクロムbc1(複合体III))の活性を抑制し膜電位を変化させるとES細胞から心筋への初期分化が阻害されたことが報告されている。また、個体発生の初期において、内因性の膜電位の変化が起こり正常な胚発生を維持する。中枢系神経細胞においてミトコンドリアの役割は神経の成熟に伴いエネルギー代謝からシナプスの伸展、維持へと変化する。さらに、ヒトおよびマウスES細胞から分化させた神経細胞でKClによる脱分極や心筋細胞の電位の伝導に膜分極の変化を用いるなど、分化細胞の機能性の評価としても膜の分極の変化が用いられている。   That is, for example, the following is known about the polarization state of mitochondria. In aging cells, the degree of mitochondrial polarization decreases. Cells with high cell division activity have a high degree of polarization. The mitochondrial polarity changes greatly during cell growth and differentiation. Regarding mitochondria and differentiation, it has been reported that when the activity of the inner mitochondrial membrane component (cytochrome bc1 (complex III)) is suppressed and the membrane potential is changed, the initial differentiation from ES cells to myocardium is inhibited. Also, at the early stage of ontogeny, endogenous membrane potential changes occur and normal embryonic development is maintained. The role of mitochondria in central nervous cells changes from energy metabolism to synaptic extension and maintenance as nerves mature. Furthermore, changes in membrane polarization are also used to evaluate the functionality of differentiated cells, such as depolarization by KCl and changes in membrane polarization for cardiomyocyte potential conduction in neurons differentiated from human and mouse ES cells. It has been.

本願発明により複数の生細胞の性質をそれぞれ特定することが可能となり、例えばES細胞から成熟機能性細胞への分化段階にある細胞を早期に単一細胞レベルで選別し、特定の細胞系譜へと分化が運命づけられた細胞集団を選別することが可能となる。目的とする機能性細胞集団や組織への効率的な分化誘導法の確立に用いることができる。すなわち、組織幹細胞の同定、purityを高くすることができ、臓器といった立体的(三次元的)なものの生産も可能となる。この表面プラズモン共鳴を応用した分化誘導法は、例えば、再生医学さらにはその実践としての再生医療に有用である。   The present invention makes it possible to specify the properties of a plurality of living cells, for example, early selection of cells in the differentiation stage from ES cells to mature functional cells at the single cell level, to a specific cell lineage It becomes possible to select a cell population whose differentiation is destined. It can be used to establish an efficient differentiation-inducing method for a target functional cell population or tissue. That is, identification and purity of tissue stem cells can be increased, and three-dimensional (three-dimensional) things such as organs can be produced. The differentiation induction method using this surface plasmon resonance is useful, for example, in regenerative medicine and also in regenerative medicine as practice.

以下、図面を参照して、本願発明の実施例について説明する。ただし、下記は実施例であり、これに限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the following is an example, and the present invention is not limited to this.

まず、本発明の実施例である表面プラズモン共鳴測定方法の概要について説明する。   First, an outline of a surface plasmon resonance measurement method that is an embodiment of the present invention will be described.

図1を参照して、前処理について説明する。図1は、前処理の概要を示す図であり、(a)は12wellセルカルチャープレート(Falcon#353225)を示し、(b)はその中にセットされるサーマノックスカバースリップ(Nunc#174950)を示す。12wellセルカルチャープレートの各wellは、直径が22mmの円形である。サーマノックスカバースリップは直径13mmの円形で、その上でES細胞等の細胞を培養する。例えば、カバースリップをコーティング剤でコーティングした上で細胞を培養してもよく、また、ES細胞を支持細胞上で培養してもよい。サーマノックスカバースリップは、12wellセルカルチャープレートにセット後に細胞培養と同様にコーティング剤でコートされる。   The preprocessing will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an outline of pretreatment, where (a) shows a 12-well cell culture plate (Falcon # 353225), and (b) shows a thermonox cover slip (Nunc # 174950) set therein. Show. Each well of the 12-well cell culture plate is circular with a diameter of 22 mm. The Thermonox coverslip is circular with a diameter of 13 mm, and cells such as ES cells are cultured on it. For example, the cells may be cultured after the coverslip is coated with the coating agent, and the ES cells may be cultured on the feeder cells. The Thermonox coverslip is coated on the 12-well cell culture plate and coated with a coating agent in the same manner as cell culture.

次に、プレートのコーティング剤を除いて、その上にシャーレから剥離した細胞を1wellずつ播種する。そして、プレートの蓋を閉じて、37℃、CO2濃度5%で細胞を培養する。 Next, except for the coating agent on the plate, the cells detached from the petri dish are seeded on the well one by one. Then, the lid of the plate is closed, and the cells are cultured at 37 ° C. and a CO 2 concentration of 5%.

続いて、測定について説明する。図2は、本願発明の実施の形態に係る判定・培養システム1の概略ブロック図である。判定・培養システム1には、表面プラズモン共鳴装置2と判定装置17と選定装置23と培養装置26を備える。   Subsequently, the measurement will be described. FIG. 2 is a schematic block diagram of the determination / culture system 1 according to the embodiment of the present invention. The determination / culture system 1 includes a surface plasmon resonance device 2, a determination device 17, a selection device 23, and a culture device 26.

表面プラズモン共鳴は、例えばプリズムを用いた場合では、金属表面プラズモンをレーザー光などの光により得られるエバネッセント波を用いて共鳴励起することで起こる現象である(特許文献1参照)。   Surface plasmon resonance is a phenomenon that occurs when, for example, a prism is used, a metal surface plasmon is resonantly excited using an evanescent wave obtained by light such as laser light (see Patent Document 1).

表面プラズモン共鳴装置2には基板3がある。基板3は、例えば、硝子導波路のような光透過型である。基板3上には金属層4がある。基板3上には生細胞5及び7がある。生細胞5及び7内にはミトコンドリア9及び11がある。   The surface plasmon resonance device 2 has a substrate 3. The substrate 3 is, for example, a light transmission type such as a glass waveguide. On the substrate 3 is a metal layer 4. There are live cells 5 and 7 on the substrate 3. There are mitochondria 9 and 11 in living cells 5 and 7.

基板3に入射光13を入射して基板3内で全反射を起こすことにより、エバネッセント波をその反射面の反対側に発生させることができる。基板3上に薄い金属膜4が存在する場合、エバネッセント波は金属層4を抜けて金属反対面の表面プラズモンを共鳴励起する。共鳴を起こす条件を決定する要因として金属層4と界面をなしている物質の誘電率などがある。生細胞5及び7内のミトコンドリア9及び11の分極状態は、測定対象物の誘電率として共鳴を起こす条件を決定する要因となりうるものであり、入射光13に基づく光15を分析することにより、検出可能となる。   By making the incident light 13 enter the substrate 3 and causing total reflection in the substrate 3, an evanescent wave can be generated on the opposite side of the reflecting surface. When the thin metal film 4 is present on the substrate 3, the evanescent wave passes through the metal layer 4 and resonantly excites surface plasmons on the opposite surface of the metal. Factors that determine the conditions that cause resonance include the dielectric constant of a substance that forms an interface with the metal layer 4. The polarization state of mitochondria 9 and 11 in the living cells 5 and 7 can be a factor that determines the conditions that cause resonance as the dielectric constant of the measurement object. By analyzing the light 15 based on the incident light 13, It can be detected.

本実施例において、測定は、具体的には、以下のように行った。   In this example, the measurement was specifically performed as follows.

まず、機械の設定をする。既存の表面プラズモン共鳴装置を利用し、エリア型検出器を用いて検出することができる(特許文献1参照)。設定ソフトはSPR spectraであり、解析ソフトはBW Specである。初めに、検出側をゴムキャップとアルミで覆い、darkデータを取る。次に、測定する細胞の各培養培地を用いて、referenceデータを取る。培地は4℃から取り出して15分以上置いて用いる。光源は立ち上げてから15分置いてから測定する。   First, set up the machine. An existing surface plasmon resonance device can be used to detect using an area detector (see Patent Document 1). The setting software is SPR spectra, and the analysis software is BW Spec. First, cover the detection side with a rubber cap and aluminum, and take dark data. Next, reference data is taken using each culture medium of the cells to be measured. Remove the medium from 4 ° C and leave it for at least 15 minutes. The light source is measured for 15 minutes after starting.

次に、上部に細胞が張り付いているカバースリップを、金基板の上にひっくり返して細胞を基板に接着させた状態で機械にセットする。図3(a)は、本実施例で使用する図2の基板3の一例である硝子導波路を示すものであり、(b)は、図1(b)のサーマノックスカバースリップを利用して培養した細胞を基板に接着させた状態とする一例を示すものである。図3(a)にあるように、本実施例で使用する基板はBK7硝子導波路であり、横65mm、縦20mmであり、中央に一辺が3mmの正方形の金属膜が存在する。そして、図3(b)にあるように、図1(b)のサーマノックスカバースリップを利用して培養した細胞を基板に接着させた状態とする一例を示すものである。このように、細胞を固定させることなく、培養した細胞を基板にそのまま接着させても測定可能である。なお、金属板については、図2にあるように、生細胞群がすべて金属板4上にあるようにしてもよく、また、図3にあるように、その一部にあるようにしてもよい。   Next, the cover slip with the cells attached to the top is turned over on the gold substrate and set in the machine with the cells adhered to the substrate. FIG. 3A shows a glass waveguide which is an example of the substrate 3 of FIG. 2 used in this embodiment, and FIG. 3B shows the use of the thermonox cover slip of FIG. An example in which cultured cells are adhered to a substrate is shown. As shown in FIG. 3A, the substrate used in this example is a BK7 glass waveguide, which is 65 mm wide and 20 mm long, and has a square metal film with a side of 3 mm at the center. And as shown in FIG.3 (b), an example which makes the state which adhere | attached the cell cultured using the thermonox cover slip of FIG.1 (b) on a board | substrate is shown. As described above, the measurement can be performed even if the cultured cells are directly adhered to the substrate without fixing the cells. In addition, about a metal plate, as shown in FIG. 2, you may make it all the living cell groups exist on the metal plate 4, and you may make it be a part as shown in FIG. .

そして、光15より各細胞のスペクトルデータを取る。以下、図面において、Spectrumは生の波形データを示し、t/r%は、(spectrum-dark)/(reference-dark)*100を計算して求めたものである。   Then, spectrum data of each cell is taken from the light 15. Hereinafter, in the drawings, Spectrum indicates raw waveform data, and t / r% is obtained by calculating (spectrum-dark) / (reference-dark) * 100.

このようにして、例えば図4、図5(a)にあるような、スペクトルデータを取ることができる。図5〜図9において、(a)は細胞及び培養培地のスペクトル波形である。細胞は実線、培養培地は点線で示す。(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%をさらに微分することにより得られる。正側のピークはリファレンス、負側のピークは細胞の最大共鳴角を示す。   In this way, for example, spectral data as shown in FIGS. 4 and 5A can be obtained. 5-9, (a) is a spectrum waveform of a cell and a culture medium. Cells are indicated by solid lines, and culture medium is indicated by dotted lines. (B) is obtained by further differentiating t / r% obtained by standardizing cell resonance at each wavelength with a reference. The positive peak indicates the reference, and the negative peak indicates the maximum resonance angle of the cell.

解析パラメータとして、例えば、培地と細胞間での最大共鳴角のシフト、細胞の最大共鳴角での共鳴の強さ、共鳴カーブの幅、最も共鳴が少ない波長でのリファレンスとの強度差などがある。   Analysis parameters include, for example, the shift of the maximum resonance angle between the medium and the cell, the resonance intensity at the maximum resonance angle of the cell, the width of the resonance curve, and the intensity difference from the reference at the wavelength with the least resonance. .

そして、図2の判定装置17は、光15に基づいてミトコンドリアの分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つを判定する分極状態判定部19と、分極状態判定部19の判定結果に基づいて各生細胞5及び7の性質を判定する性質判定部21を備える。光15は、例えば、図2にあるように、入射光13に基づいて基板3より観測可能な光である。   2 is based on the determination result of the polarization state determination unit 19 and the polarization state determination unit 19 that determine at least one of the distribution, intensity, and form of the mitochondrial polarization state based on the light 15. A property determining unit 21 that determines the property of each living cell 5 and 7 is provided. For example, as shown in FIG. 2, the light 15 is light that can be observed from the substrate 3 based on the incident light 13.

なお、例えば特開2004−271337号公報には、表面プラズモン共鳴現象を利用して細胞の多検体同時解析が記載されているが、細胞の数、接着面積、大きさなど、基板に接着する細胞を対象とするものであり、細胞内部のミトコンドリアの分極状態など基板とは接着しないものも対象とする本願発明とは異なるものである。また、特開2004−279041号公報には表面プラズモン共鳴装置においてスペクトル分析を行うことが記載されているが、これは蛍光観察であり、エバネッセント波を照明光として蛍光標識したものを照らして行う検出方法であり、本願発明とは異なるものである。   For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-271337 discloses simultaneous analysis of cells using the surface plasmon resonance phenomenon. However, the number of cells, adhesion area, size, etc. The present invention is also different from the present invention which is also intended for those that do not adhere to the substrate such as the polarization state of mitochondria inside the cell. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-279041 describes that spectrum analysis is performed in a surface plasmon resonance apparatus. This is fluorescence observation, and detection is performed by illuminating an evanescent wave that is fluorescently labeled as illumination light. This method is different from the present invention.

また、図2の選定装置23は、性質判定部21により判定された各生細胞5及び7の性質に基づいて生細胞5及び7から培養対象となる生細胞を選定する選定部25を備える。また、培養装置26は、選定部25により選定された生細胞を培養する培養部27を備える。培養部27による培養により、細胞が生産される。   2 includes a selection unit 25 that selects live cells to be cultured from the live cells 5 and 7 based on the properties of the live cells 5 and 7 determined by the property determination unit 21. The culture apparatus 26 includes a culture unit 27 that cultures the living cells selected by the selection unit 25. Cells are produced by the culture in the culture unit 27.

次に、ミトコンドリア染色の評価方法について説明する。   Next, an evaluation method for mitochondrial staining will be described.

前処理としては、4wellカルチャースライド(Falcon#354114)の各wellを細胞培養と同様にコーティング剤でコートした。次に、コーティング剤を除いて、シャーレから剥離した細胞を1wellずつ播種した。そして、カルチャースライドの蓋を閉じて37℃、CO2濃度5%で細胞を培養した。 As pretreatment, each well of a 4-well culture slide (Falcon # 354114) was coated with a coating agent in the same manner as in cell culture. Next, the cells detached from the petri dish were seeded 1 well at a time except for the coating agent. Then, the lid of the culture slide was closed, and the cells were cultured at 37 ° C. and CO 2 concentration of 5%.

ミトコンドリアの染色方法としては、培養培地を除去して、JC-1 iodideを2μM含む新しい培養培地500μlと交換してCO2インキュベータ内(37℃、CO2濃度5%)にて30分間置いた。 As a method for staining mitochondria, the culture medium was removed, replaced with 500 μl of a new culture medium containing 2 μM JC-1 iodide, and placed in a CO 2 incubator (37 ° C., CO 2 concentration 5%) for 30 minutes.

そして、インキュベーション30分後、蛍光強度の観察を行った。使用した顕微鏡はNikon ECLIPSE 80iである。対物レンズはNikon Japan L Plan SLWD 20×0.35 WD24である。蛍光フィルタは、B-2A(励起フィルタ450-490、ダイナミックミラー505、吸収フィルタ520)とG-2A(励起フィルタ510-560、ダイナミックミラー575、吸収フィルタ590)である。解析ソフトはNIS-Elements BR2.30である。露光は400-600msである。   Then, after 30 minutes of incubation, the fluorescence intensity was observed. The microscope used is a Nikon ECLIPSE 80i. The objective lens is Nikon Japan L Plan SLWD 20 × 0.35 WD24. The fluorescent filters are B-2A (excitation filter 450-490, dynamic mirror 505, absorption filter 520) and G-2A (excitation filter 510-560, dynamic mirror 575, absorption filter 590). The analysis software is NIS-Elements BR2.30. The exposure is 400-600ms.

ミトコンドリア内部での陽イオン性色素JC-1の蓄積は、膜電位に依存する。ミトコンドリア膜電位が低いと色素はほとんど蓄積しない。低い濃度では色素はモノマーとして存在し、緑色の蛍光を放出する。ミトコンドリアの膜電位が高いと色素は非常に多く蓄積され、このような高濃度では色素はJ−会合体を形成し、蛍光が緑色から赤色にシフトする。緑色蛍光JC−1モノマーのシグナルとJ−会合体を組み合わせることで、さまざまなレシオメトリック分析が可能である。赤色/緑色JC−1蛍光の比は膜電位に依存しており、ミトコンドリアの大きさや形状、密度とは独立している。   Accumulation of the cationic dye JC-1 inside the mitochondria depends on the membrane potential. Little pigment accumulates when the mitochondrial membrane potential is low. At low concentrations, the dye is present as a monomer and emits green fluorescence. When the membrane potential of mitochondrion is high, a large amount of dye accumulates. At such a high concentration, the dye forms a J-aggregate, and the fluorescence shifts from green to red. Various ratiometric analyzes are possible by combining the signal of the green fluorescent JC-1 monomer and the J-aggregate. The ratio of red / green JC-1 fluorescence depends on the membrane potential and is independent of the size, shape and density of mitochondria.

図5〜図9において、(c)は緑と赤の発色を合わせた画像(merge)を示す図であり、(d)はJ−会合体単独の画像を示す図であり、(e)はJ−会合体の拡大図(×22.5)を示す図である。   5-9, (c) is a diagram showing an image (merge) in which green and red colors are combined, (d) is a diagram showing an image of J-aggregate alone, (e) is a diagram It is a figure which shows the enlarged view (x22.5) of a J-aggregate.

解析パラメータとして、ミトコンドリアの活動電位、分布、密度、形状(球状、繊維状など)、細胞特異的な形態の変化などである。   Analytical parameters include mitochondrial action potential, distribution, density, shape (spherical, fibrous, etc.), cell-specific morphological changes, and the like.

続いて、図4〜図13を用いて、図2の判定装置17の動作について具体的に説明する。   Next, the operation of the determination device 17 in FIG. 2 will be specifically described with reference to FIGS.

図4は、培養培地による表面プラズモン共鳴スペクトルを示す図である。供試培地は、ES培地、神経幹細胞培地、インスリン産生細胞培地、神経細胞培地、皮膚細胞培地の5種類の完全培地とし、超純水をリファレンスに設定する。各培養培地中に含まれる成長促進剤や血清等による表面プラズモン共鳴シグナルへの影響についての評価を行う。なお、今回計測したなかで血清を含む培地はES培地(10%v/v)と神経系細胞培地(5%v/v)の2種類である。   FIG. 4 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum by a culture medium. The test medium is an ES medium, a neural stem cell medium, an insulin-producing cell medium, a nerve cell medium, and a skin cell medium, and five types of complete medium are set with ultrapure water as a reference. The effect of the growth promoter and serum contained in each culture medium on the surface plasmon resonance signal is evaluated. In this measurement, there are two types of medium containing serum: ES medium (10% v / v) and nervous system cell medium (5% v / v).

測定に用いた5種類の培養培地は、以下のものである。ES培地は、MEM非必須アミノ酸100μM、ペニシリン40units/ml、ストレプトマイシン40μg/ml、2-メルカプトエタノール0.1mM、FBS 14%(v/v)、mLIF(マウス白血病阻害因子)500units/mlを含む液体培地DMEMである。神経幹細胞培地は、インスリン5μg/ml、トランスフェリン50μg/ml、亜セレン酸ナトリウム30nM、フィブロネクチン5μg/mlを含むDMEM/F-12 (1:1)である。インスリン産生細胞培地は、インスリン5μg/ml、トランスフェリン100μg/ml、プロゲステロン6.3ng/ml、プトレッシン16.11μg/ml、亜セレン酸5.2ng/ml、ニコチンアミド10mM、LY294002 10μMを含むDMEM/F-12(1:1)である(PNAS 2002;99:16105-16110参照)。神経細胞培地は、B27supplement 1×、FBS 14%(v/v)を含む神経細胞培養用培地である(Journal of Neurochemistry 2005;92:1265-1276参照)。皮膚細胞培地は、造血幹細胞研究用無血清基本培地、2-メルカプトエタノール0.1mMである(Nature Biotechnology 2005;23:1542-1550参照)。   The five types of culture media used for the measurement are as follows. ES medium is a liquid medium containing MEM non-essential amino acids 100 μM, penicillin 40 units / ml, streptomycin 40 μg / ml, 2-mercaptoethanol 0.1 mM, FBS 14% (v / v), mLIF (mouse leukemia inhibitory factor) 500 units / ml DMEM. The neural stem cell medium is DMEM / F-12 (1: 1) containing insulin 5 μg / ml, transferrin 50 μg / ml, sodium selenite 30 nM, fibronectin 5 μg / ml. Insulin-producing cell medium is DMEM / F-12 containing 5 μg / ml insulin, transferrin 100 μg / ml, progesterone 6.3 ng / ml, putrescine 16.11 μg / ml, selenite 5.2 ng / ml, nicotinamide 10 mM, LY294002 10 μM. 1: 1) (see PNAS 2002; 99: 16105-16110). The nerve cell medium is a medium for nerve cell culture containing B27 supplement 1 ×, FBS 14% (v / v) (see Journal of Neurochemistry 2005; 92: 1265-1276). The skin cell medium is a serum-free basal medium for hematopoietic stem cell research, 2-mercaptoethanol 0.1 mM (see Nature Biotechnology 2005; 23: 1542-1550).

まず、表面プラズモン共鳴による培養培地の評価について説明する。図4にあるように、供試培地をES培地、神経幹細胞培地、インスリン産生細胞培地、神経細胞培地、皮膚細胞培地の5種類の完全培地として、超純水をリファレンスに設定して測定した。基板を表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置し、基板上を1mlの各培地で満たし、測定する。その結果、図4に示されるように、培地による表面プラズモン共鳴シグナルに特徴的な差は認められなかった。   First, evaluation of the culture medium by surface plasmon resonance will be described. As shown in FIG. 4, measurement was performed using five types of complete culture media as test media: ES medium, neural stem cell culture medium, insulin-producing cell culture medium, nerve cell culture medium, and skin cell culture medium, with ultrapure water set as a reference. Place the substrate on the prism on the surface plasmon resonance sensor, fill the substrate with 1 ml of each medium, and measure. As a result, as shown in FIG. 4, no characteristic difference was observed in the surface plasmon resonance signal due to the medium.

続いて、未分化ES細胞のミトコンドリアの分極状態の評価について説明する。   Subsequently, evaluation of the mitochondrial polarization state of undifferentiated ES cells will be described.

供試細胞にはマウスES細胞を用いた。37℃、CO25%濃度下で、MEM非必須アミノ酸100μM、ペニシリン40units/ml、ストレプトマイシン40μg/ml、2-メルカプトエタノール0.1mM、FBS 14%(v/v)、mLIF(マウス白血病阻害因子)500units/mlを含む液体培地DMEMを培養培地として用い、0.2%ゼラチンでコーティングしたT25フラスコに支持細胞(マウス胎児性皮膚細胞)上で共培養した。 Mouse ES cells were used as test cells. MEM non-essential amino acid 100 μM, penicillin 40 units / ml, streptomycin 40 μg / ml, 2-mercaptoethanol 0.1 mM, FBS 14% (v / v), mLIF (mouse leukemia inhibitory factor) at 37 ° C. and CO 2 concentration 5% A liquid medium DMEM containing 500 units / ml was used as a culture medium, and co-cultured on feeder cells (mouse embryonic skin cells) in a T25 flask coated with 0.2% gelatin.

図5は、ES細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。図5(a)、(b)を参照して、表面プラズモン共鳴による未分化のES細胞のミトコンドリアの分極状態の評価は、例えば、以下の手順で行うことができる。   FIG. 5 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum and a mitochondrial image of ES cells. With reference to FIG. 5 (a), (b), evaluation of the mitochondrial polarization state of the undifferentiated ES cell by surface plasmon resonance can be performed by the following procedures, for example.

供試細胞は、90%コンフルエントにまで増殖したES細胞をtrypsin0.25%/EDTA 1mMを加えて37℃で10分インキュベートし細胞を剥離した。剥離した細胞はFBSを含む培地で回収して1000rpmで5分間遠心分離し、得られた細胞懸濁液を再びシャーレに播種した。ゼラチンコーティングしたシャーレ上でES細胞を37℃、CO25%濃度下で4時間インキュベートすることにより支持細胞(共培養細胞)と分離して上清を回収して、先に支持細胞でコーティングしておいたカバースリップ(Nuncサーマノックスカバースリップ)の上に播種した。この状態で細胞を37℃、CO25%濃度下で90%コンフルエントにまで増殖するまで培養した。約48時間の培養後、基板に細胞が接着したカバースリップが相対するように配置し、そのまま表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置して測定を開始した。 As test cells, ES cells grown to 90% confluence were added with trypsin 0.25% / EDTA 1 mM and incubated at 37 ° C. for 10 minutes to detach the cells. The detached cells were collected in a medium containing FBS, centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes, and the obtained cell suspension was seeded again in a petri dish. ES cells were incubated on a gelatin-coated petri dish at 37 ° C. for 5 hours at a CO 2 concentration of 5% to separate them from feeder cells (co-cultured cells), and the supernatant was collected and coated with feeder cells first. The seeds were seeded on a cover slip (Nunc Thermonox cover slip). In this state, the cells were cultured at 37 ° C. under a concentration of 5% CO 2 until they grew to 90% confluence. After culturing for about 48 hours, the cover slip with the cells adhered to the substrate was placed so as to face each other, and placed directly on the prism on the surface plasmon resonance sensor to start measurement.

図5(a)は、ES培地のみをリファレンスとして(点線)、ES細胞を乗せた場合(実線)のスペクトルを示す図である。横軸は波長であり、縦軸はrerlative intensityである。図5(a)に示されるように、ES培地のみをリファレンスにとった共鳴カーブに比べて、ES細胞を乗せた際の共鳴カーブは最大共鳴角が右上方向に向かって移行していた。図5(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%を、さらに微分することにより得られる。   FIG. 5A is a diagram showing a spectrum when ES cells are placed (solid line) using only ES medium as a reference (dotted line). The horizontal axis is wavelength, and the vertical axis is rerlative intensity. As shown in FIG. 5 (a), the maximum resonance angle of the resonance curve when the ES cells were loaded was shifted toward the upper right direction as compared with the resonance curve using only the ES medium as a reference. FIG. 5B is obtained by further differentiating the t / r% obtained by standardizing the cell resonance at each wavelength with the reference.

解析パラメータとして、本実施例では、図5(a)において記号A〜Dに示すように、培地と細胞間での最大共鳴角のシフト(A)、細胞が最大の共鳴を示す波長での共鳴強度(B)、共鳴カーブの幅(C)、最小共鳴波長での培地との強度差(D)を用いる。   As analysis parameters, in this example, as indicated by symbols A to D in FIG. 5A, the shift of the maximum resonance angle between the medium and the cell (A), the resonance at the wavelength at which the cell exhibits the maximum resonance. The intensity (B), the width of the resonance curve (C), and the intensity difference (D) from the medium at the minimum resonance wavelength are used.

続いて、図5(c)〜(e)を参照して、蛍光試薬JC−1によるミトコンドリアの分極状態のモニタリングについて説明する。   Subsequently, the monitoring of the mitochondrial polarization state by the fluorescent reagent JC-1 will be described with reference to FIGS.

供試細胞は、90%コンフルエントにまで増殖したES細胞をtrypsin0.25%/EDTA 1mMを加えて37℃で10分インキュベートし細胞を剥離した。剥離した細胞はFBSを含む培地で回収して1000rpmで5分間遠心分離し、得られた細胞懸濁液を先に支持細胞でコーティングした4wellチャンバーの上に播種した。この状態で細胞を37℃、CO25%濃度下で90%コンフルエントにまで増殖するまで培養した。約48時間の培養後、JC-1 iodideを2μM含むES培地500μlに交換してCO2インキュベータ内(37℃、CO2濃度5%)に30分間置いた。インキュベーション30分後試薬を含まないES培地に培地を交換して、蛍光強度の観察を行った。 As test cells, ES cells grown to 90% confluence were added with trypsin 0.25% / EDTA 1 mM and incubated at 37 ° C. for 10 minutes to detach the cells. The detached cells were collected with a medium containing FBS, centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes, and the obtained cell suspension was seeded on a 4-well chamber previously coated with supporting cells. In this state, the cells were cultured at 37 ° C. under a concentration of 5% CO 2 until they grew to 90% confluence. After culturing for about 48 hours, 500 μl of ES medium containing 2 μM JC-1 iodide was exchanged and placed in a CO 2 incubator (37 ° C., CO 2 concentration 5%) for 30 minutes. After 30 minutes of incubation, the medium was replaced with an ES medium containing no reagent, and the fluorescence intensity was observed.

図5(c)は、上記のように、モノマー色素(緑)にJ−会合体(赤)をマージしたものである。モノマー色素は、シングルの部分を表す緑色の蛍光強度を示す。J−会合体は、固まっている部分を表す赤色の蛍光強度を示す。図5(d)は、J-会合体を表す赤色の蛍光強度を示す図である。図5(e)は、J−会合体の拡大図(×22.5)を示す図である。図5(c)〜(e)より、膜電位が非常に高いミトコンドリアが、核を取り囲むように位置し、核周辺に凝集している。また、ミトコンドリアの形態は小さく球状で、数が多い。さらに、一細胞各々が密接しており、ミトコンドリアの分布も非常に密である。   FIG.5 (c) is what merged the J-aggregate (red) with the monomer pigment | dye (green) as mentioned above. The monomer dye exhibits a green fluorescence intensity representing a single portion. The J-aggregate exhibits a red fluorescence intensity representing a solidified part. FIG. 5 (d) is a diagram showing red fluorescence intensity representing J-aggregates. FIG. 5 (e) is an enlarged view (× 22.5) of the J-aggregate. As shown in FIGS. 5C to 5E, mitochondria with very high membrane potential are located so as to surround the nucleus and aggregate around the nucleus. The mitochondrial morphology is small and globular and numerous. In addition, each cell is in close proximity, and the mitochondrial distribution is very close.

続いて、ES細胞から神経幹細胞および神経系細胞へと段階的に分化誘導させた細胞の評価について説明する。   Next, evaluation of cells that have been induced to differentiate stepwise from ES cells into neural stem cells and nervous system cells will be described.

供試細胞には、マウスES細胞からRonald D.G.Mckayらの方法を用いて神経系細胞へと分化誘導を行った細胞を用いた(Journal of Neurochemistry 2005;92:1265-1276参照)。37℃、CO25%濃度下において、ES細胞から神経系細胞へと分化誘導を行った手順について以下に簡潔に示す。 Test cells include mouse ES cells and Ronald DG. Cells that had been induced to differentiate into nervous system cells using the method of Mckay et al. Were used (see Journal of Neurochemistry 2005; 92: 1265-1276). The procedure for inducing differentiation from ES cells to nervous system cells at 37 ° C. and 5% CO 2 is briefly described below.

供試細胞は、90%コンフルエントにまで増殖したES細胞を剥離し、その細胞懸濁液をゼラチンコーティングした10cmシャーレ1枚に播種した。37℃、CO25%濃度下で4時間のインキュベーション後に上清のES細胞を回収し、mLIFを除いたES培地にて2日間培養した。その間、シャーレは超低接着表面ディッシュ(Corning)を用いて胚様体を形成し、次に神経幹細胞培地に交換して神経幹細胞のセレクションを行った。この段階まで分化した細胞を神経幹細胞とし、表面プラズモン共鳴およびJC−1によるミトコンドリアの分極の測定に用いた。さらに、それらの細胞を次にラミニンとオルニチンで予めコーティングしたシャーレ上で、mN3FL培地(インスリン25μg/ml、トランスフェリン50μg/ml、亜セレン酸ナトリウム30nM、プロゲステロン20μM、プトレッシン100μM、塩基性線維芽細胞増殖因子5ng/ml、ラミニン1μg/mlを含むDMEM/F-12(1:1))を用いて増殖後、神経細胞培地へと培地交換して12日間(5日に一度1/4量ずつ培地を交換)培養し、測定に用いた。 For the test cells, ES cells grown to 90% confluence were detached, and the cell suspension was seeded on one gelatin-coated 10 cm petri dish. After incubation for 4 hours at 37 ° C. under a CO 2 concentration of 5%, supernatant ES cells were collected and cultured in ES medium excluding mLIF for 2 days. Meanwhile, Petri formed embryoid bodies using an ultra-low adhesion surface dish (Corning), and then switched to neural stem cell medium for selection of neural stem cells. Cells differentiated to this stage were used as neural stem cells and used for measurement of mitochondrial polarization by surface plasmon resonance and JC-1. In addition, these cells were then grown on mN3FL medium (insulin 25 μg / ml, transferrin 50 μg / ml, sodium selenite 30 nM, progesterone 20 μM, putrescine 100 μM, basic fibroblast growth on a petri dish pre-coated with laminin and ornithine. After growth using DMEM / F-12 (1: 1) containing 5ng / ml of factor and 1μg / ml of laminin, the medium is changed to neuronal medium for 12 days (1/4 volume of medium once every 5 days) Was exchanged) and cultured for use.

図6は、神経幹細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。図6(a)、(b)を参照して、表面プラズモン共鳴による神経幹細胞のミトコンドリアの分極状態の評価は、例えば、以下の手順で行うことができる。   FIG. 6 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum and a mitochondrial image of a neural stem cell. With reference to FIG. 6 (a), (b), evaluation of the polarization state of the mitochondria of the neural stem cell by surface plasmon resonance can be performed by the following procedures, for example.

上記のようにして、神経幹細胞まで分化させた細胞を、カバースリップの上に播種した。FBSを含むDMEMでカバースリップに接着させた後、神経幹細胞培地へと交換し2日間培養を行った。それから基板に細胞が接着したカバースリップが相対するように配置してそのまま表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置して測定を開始した。   Cells differentiated to neural stem cells as described above were seeded on coverslips. After adhering to the coverslip with DMEM containing FBS, the medium was replaced with neural stem cell medium and cultured for 2 days. Then, the measurement was started by placing the cover slip with the cells adhered to the substrate so as to face each other and placing it directly on the prism on the surface plasmon resonance sensor.

図6(a)は、神経幹細胞培地のみをリファレンスとして(点線)、神経幹細胞を乗せた場合(実線)のスペクトルを示す図である。横軸は波長であり、縦軸はrerlative intensityである。図6(a)に示されるように、神経幹細胞培地のみをリファレンスにとった共鳴カーブに比べて神経幹細胞を乗せた際の共鳴カーブは幅が広くなり、最大共鳴角は右に移行していた。図6(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%を、さらに微分することにより得られる。   FIG. 6A is a diagram showing a spectrum in a case where neural stem cells are placed (solid line) using only neural stem cell culture medium as a reference (dotted line). The horizontal axis is wavelength, and the vertical axis is rerlative intensity. As shown in FIG. 6 (a), the resonance curve when the neural stem cell was placed was wider than the resonance curve using only the neural stem cell medium as a reference, and the maximum resonance angle was shifted to the right. . FIG. 6B is obtained by further differentiating t / r% obtained by standardizing cell resonance at each wavelength with a reference.

続いて、図6(c)〜(e)を参照して、蛍光試薬JC-1によるミトコンドリアの分極状態のモニタリングについて説明する。   Subsequently, monitoring of the mitochondrial polarization state using the fluorescent reagent JC-1 will be described with reference to FIGS.

供試細胞は、神経幹細胞まで分化した細胞を、FBSを含むDMEMで4wellチャンバーに接着させた後、神経幹細胞培地へと交換し、この状態で細胞を37℃、CO25%濃度下で2日間培養した。JC-1 iodideを2μM含む神経幹細胞培地500μlに交換してCO2インキュベータ内(37℃、CO2濃度5%)に30分間置いた。インキュベーション30分後試薬を含まない神経幹細胞培地に培地を交換して、蛍光強度の観察を行った。 As test cells, cells differentiated to neural stem cells were adhered to a 4-well chamber with DMEM containing FBS, and then replaced with neural stem cell culture medium. In this state, the cells were cultured at 37 ° C. under a CO 2 concentration of 5%. Cultured for days. The neural stem cell medium containing 2 μM of JC-1 iodide was replaced with 500 μl and placed in a CO 2 incubator (37 ° C., CO 2 concentration 5%) for 30 minutes. After 30 minutes of incubation, the medium was changed to a neural stem cell medium containing no reagent, and the fluorescence intensity was observed.

図6(c)〜(e)の関係は、図5(c)〜(e)の関係と同様である。図6(c)〜(e)により、神経幹細胞のミトコンドリアは核周辺に局在するが、ES細胞と異なり、膜電位の高いミトコンドリアと低いミトコンドリアが点在していることが分かる。また、形態は球状、繊維状のものを含む。細胞の形態変化に伴い、ミトコンドリアの分布も均一ではない。   The relationship between FIGS. 6C to 6E is the same as the relationship with FIGS. 5C to 5E. 6C to 6E show that mitochondria of neural stem cells are localized around the nucleus, but, unlike ES cells, mitochondria with high membrane potential and low mitochondria are scattered. Further, the form includes spherical and fibrous forms. As the cell shape changes, the distribution of mitochondria is not uniform.

続いて、表面プラズモン共鳴による成熟神経系細胞のミトコンドリアの分極状態の評価について説明する。   Subsequently, evaluation of the mitochondrial polarization state of mature nervous system cells by surface plasmon resonance will be described.

上記の方法によって成熟神経系細胞にまで分化した細胞を、オルニチン/ラミニンでコーティングしたカバースリップ(Nuncサーマノックスカバースリップ)の上に播種した。1週間の培養後、基板に細胞が接着したカバースリップが相対するように配置してそのまま表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置して測定を開始した。   Cells differentiated to mature nervous system cells by the above method were seeded on ornithine / laminin-coated coverslips (Nunc Thermonox coverslips). After culturing for one week, the measurement was started by placing the cover slip with the cells adhered to the substrate facing each other and placing it directly on the prism on the surface plasmon resonance sensor.

図7は、神経系細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。図7(a)に示されるように、神経細胞培地のみをリファレンスにとった共鳴カーブに比べて成熟神経系細胞を乗せた際の共鳴カーブは幅が広くなり、最大共鳴角は右上部に移行していた。図7(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%を、さらに微分することにより得られる。   FIG. 7 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum and a mitochondrial image of a nervous system cell. As shown in FIG. 7 (a), the resonance curve when the mature nervous system cell is placed is wider than the resonance curve using only the nerve cell medium as a reference, and the maximum resonance angle shifts to the upper right part. Was. FIG. 7B is obtained by further differentiating t / r% obtained by standardizing cell resonance at each wavelength with a reference.

続いて、図7(c)〜(e)を参照して、蛍光試薬JC-1によるミトコンドリアの分極状態のモニタリングについて説明する。   Subsequently, monitoring of the mitochondrial polarization state using the fluorescent reagent JC-1 will be described with reference to FIGS.

供試細胞は、神経細胞培地へ培地交換して12日間培養し、測定に用いた。成熟神経系細胞にまで分化した細胞を、オルニチン/ラミニンでコーティングした4wellチャンバーの上に播種した。この状態で細胞を37℃、CO25%濃度下で7日間培養した後、JC-1 iodideを2μM含む神経細胞培地500μlに交換してCO2インキュベータ内(37℃、CO2濃度5%)に30分間置いた。インキュベーション30分後試薬を含まない神経細胞培地に培地を交換して、蛍光強度の観察を行った。 The test cells were cultured for 12 days after changing the medium to a nerve cell medium and used for measurement. Cells differentiated to mature nervous system cells were seeded onto a 4-well chamber coated with ornithine / laminin. In this state, the cells were cultured for 7 days at 37 ° C. and 5% CO 2 , and then replaced with 500 μl of neuronal cell culture medium containing 2 μM JC-1 iodide in a CO 2 incubator (37 ° C., 5% CO 2 concentration). For 30 minutes. After 30 minutes of incubation, the medium was replaced with a neuronal medium containing no reagent, and the fluorescence intensity was observed.

図7(c)〜(e)の関係は、図5(c)〜(e)の関係と同様である。図7(c)〜(e)に示されるように、神経系細胞ではシナプス上を過分極を示す赤色が点在していた。神経系細胞では経細胞塊と軸索上にミトコンドリアが点在している。また、形態は繊維状のものが多く、大きさも異なる不均一なミトコンドリアが点在している。膜電位の高いミトコンドリアは、細胞塊に局在している。   The relationship between FIGS. 7C to 7E is the same as the relationship between FIGS. As shown in FIGS. 7 (c) to (e), the nervous system cells were dotted with red indicating hyperpolarization on the synapse. In nervous system cells, mitochondria are scattered on the transcellular mass and axons. In addition, the morphology is often fibrous and is dotted with heterogeneous mitochondria of different sizes. Mitochondria with high membrane potential are localized in the cell mass.

続いて、ES細胞からインスリン産生細胞へと分化誘導させた細胞の評価について説明する。   Next, evaluation of cells induced to differentiate from ES cells into insulin producing cells will be described.

供試細胞には、マウスES細胞からSeung K.Kim等の方法を用いて分化させたインスリン産生細胞を用いた(PNAS 2002;99:16105-16110参照)。37℃、CO25%濃度下、ES細胞からインスリン産生細胞へと分化誘導を行った手順について以下に簡潔に示す。 Test cells include mouse ES cells from Seung K. et al. Insulin-producing cells differentiated using the method of Kim et al. (See PNAS 2002; 99: 16105-16110). A procedure for inducing differentiation from ES cells to insulin-producing cells at 37 ° C. and 5% CO 2 is briefly described below.

供試細胞は、90%コンフルエントにまで増殖したES細胞を剥離し、その細胞懸濁液をゼラチンコーティングした10cmシャーレ1枚に播種した。37℃、CO25%濃度下で4時間のインキュベーション後に上清のES細胞を回収し、mLIFを除いたES培地にて2日間培養した。その間、シャーレは超低接着表面ディッシュ(Corning)を用いて胚様体を形成し、次に神経幹細胞培地に交換して神経幹細胞のセレクションを行った。この段階まで分化した細胞を神経幹細胞とした。それらの細胞を次にフィブロネクチンとオルニチンで予めコーティングしたシャーレ上で、stage4培地(インスリン5μg/ml、トランスフェリン100μg/ml、プロゲステロン6.3ng/ml、プトレッシン16.11μg/ml、亜セレン酸5.2ng/ml、B27 supplement 1×、塩基性線維芽細胞増殖因子10ng/mlを含むDMEM/F-12(1:1))、stage5NB(インスリン5μg/ml、トランスフェリン100μg/ml、プロゲステロン6.3ng/ml、プトレッシン16.11μg/ml、亜セレン酸5.2ng/ml、B27 supplement 1×、ニコチンアミド10mMを含むDMEM/F-12(1:1))、stage5NL培地(上記)と6日ごとに培地を交換し作製した細胞を測定に用いた。 For the test cells, ES cells grown to 90% confluence were detached, and the cell suspension was seeded on one gelatin-coated 10 cm petri dish. After incubation for 4 hours at 37 ° C. and 5% CO 2 , supernatant ES cells were collected and cultured for 2 days in ES medium excluding mLIF. Meanwhile, Petri formed embryoid bodies using an ultra-low adhesion surface dish (Corning), and then switched to neural stem cell medium for selection of neural stem cells. Cells differentiated to this stage were used as neural stem cells. The cells were then placed on a petri dish pre-coated with fibronectin and ornithine on stage 4 medium (insulin 5 μg / ml, transferrin 100 μg / ml, progesterone 6.3 ng / ml, putrescine 16.11 μg / ml, selenite 5.2 ng / ml, B27 supplement 1 ×, DMEM / F-12 (1: 1) with basic fibroblast growth factor 10ng / ml), stage5NB (insulin 5μg / ml, transferrin 100μg / ml, progesterone 6.3ng / ml, putrescine 16.11μg / ml, Selenite 5.2 ng / ml, B27 supplement 1 ×, DMEM / F-12 (1: 1) containing nicotinamide 10 mM), stage5NL medium (above) and cells prepared by exchanging the medium every 6 days Was used for the measurement.

図8は、インスリン産生細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。上記方法に従ってインスリン産生細胞にまで分化させクランプになった細胞を、フィブロネクチンでコーティングしたカバースリップの上に播種した。FBSを含むDMEMでカバースリップに接着させた後、インスリン産生細胞培地へと交換し2日間培養を行った。それから基板に細胞が接着したカバースリップが相対するように配置してそのまま表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置して測定を開始した。その結果、図8(a)に示されるように、インスリン産生細胞培地のみをリファレンスにとった共鳴カーブ(点線)に比べてインスリン産生細胞を乗せた際の共鳴カーブ(実線)は広くなり、最大共鳴角は右下部に移行していた。図8(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%を、さらに微分することにより得られる。   FIG. 8 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum and a mitochondrial image of insulin-producing cells. Cells that had been differentiated into insulin-producing cells and clamped according to the above method were seeded on fibronectin-coated coverslips. After adhering to the coverslip with DMEM containing FBS, the medium was replaced with an insulin-producing cell medium and cultured for 2 days. Then, the measurement was started by placing the cover slip with the cells adhered to the substrate so as to face each other and placing it directly on the prism on the surface plasmon resonance sensor. As a result, as shown in FIG. 8 (a), the resonance curve (solid line) when the insulin-producing cells are placed is wider than the resonance curve (dotted line) using only the insulin-producing cell medium as a reference. The resonance angle was shifted to the lower right. FIG. 8B is obtained by further differentiating t / r% obtained by standardizing cell resonance at each wavelength with a reference.

続いて、図8(c)〜(e)を参照して、蛍光試薬によるミトコンドリアの分極状態のモニタリングについて説明する。図8(c)〜(e)の関係は、図5(c)〜(e)の関係と同様である。図8(c)〜(e)に示されるように、インスリン産生細胞のミトコンドリアは細胞全体に広がり、形態や大きさが一定ではなく、細胞塊のなかには、膜電位の低いミトコンドリアが多い。   Subsequently, monitoring of the mitochondrial polarization state using a fluorescent reagent will be described with reference to FIGS. The relations of FIGS. 8C to 8E are the same as the relations of FIGS. 5C to 5E. As shown in FIGS. 8C to 8E, the mitochondria of the insulin-producing cell spread throughout the cell, the form and size are not constant, and there are many mitochondria with a low membrane potential in the cell mass.

続いて、ES細胞から皮膚様細胞へと分化誘導させた細胞の評価について説明する。   Subsequently, evaluation of cells induced to differentiate from ES cells to skin-like cells will be described.

供試細胞には、マウスES細胞からShin-Ichi Nishikawaらの方法を用いて分化させた皮膚様細胞を用いた(Nature Biotechnology 2005;23:1542-1550参照)。37℃、CO25%濃度下において、ES細胞から皮膚様細胞へと分化誘導を行った手順について以下に簡潔に示す。 As test cells, skin-like cells differentiated from mouse ES cells using the method of Shin-Ichi Nishikawa et al. Were used (see Nature Biotechnology 2005; 23: 1542-1550). A procedure for inducing differentiation from ES cells to skin-like cells at 37 ° C. and 5% CO 2 is briefly described below.

供試細胞は、90%コンフルエントにまで増殖したES細胞を剥離し、その細胞懸濁液をゼラチンコーティングした10cmシャーレ1枚に播種した。37℃、CO25%濃度下で4時間のインキュベーション後に上清のES細胞を回収し、フィブロネクチンでコーティングしたシャーレに105/ml濃度で細胞を播種した。皮膚細胞培地を用いて皮膚様細胞を形成するまで10日間培養し、その後測定に用いた。 For the test cells, ES cells grown to 90% confluence were detached, and the cell suspension was seeded on one gelatin-coated 10 cm petri dish. After incubation for 4 hours at 37 ° C. and 5% CO 2 , supernatant ES cells were collected, and cells were seeded at a concentration of 10 5 / ml in a petri dish coated with fibronectin. It was cultured for 10 days until skin-like cells were formed using skin cell medium, and then used for measurement.

図9は、皮膚様細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。図9(a)、(b)を参照して、表面プラズモン共鳴による皮膚様細胞のミトコンドリアの分極状態の評価は、以下のように行うことができる。   FIG. 9 is a diagram showing a surface plasmon resonance spectrum and a mitochondrial image of skin-like cells. With reference to FIGS. 9A and 9B, evaluation of the mitochondrial polarization state of skin-like cells by surface plasmon resonance can be performed as follows.

上記方法に従って皮膚様細胞にまで分化させた細胞を、フィブロネクチンでコーティングしたカバースリップの上に播種した。FBSを含むDMEMでカバースリップに接着させた後、皮膚細胞培地へと交換し2日間培養を行った。それから基板に細胞が接着したカバースリップが相対するように配置してそのまま表面プラズモン共鳴センサー上のプリズムに設置して測定を開始した。その結果、図9(a)に示すように、皮膚細胞培地のみをリファレンスにとった共鳴カーブに比べて皮膚様細胞を乗せた際の共鳴カーブは、幅が広がり、最大共鳴角は右上方向に向かって移行していた。図9(b)は、各波長における細胞の共鳴をリファレンスで標準化したt/r%を、さらに微分することにより得られる。   Cells differentiated to skin-like cells according to the above method were seeded on a coverslip coated with fibronectin. After adhering to the coverslip with DMEM containing FBS, it was replaced with skin cell medium and cultured for 2 days. Then, the measurement was started by placing the cover slip with the cells adhered to the substrate so as to face each other and placing it directly on the prism on the surface plasmon resonance sensor. As a result, as shown in FIG. 9A, the resonance curve when the skin-like cells are placed is wider than the resonance curve using only the skin cell culture medium as a reference, and the maximum resonance angle is in the upper right direction. It was moving towards. FIG. 9B is obtained by further differentiating the t / r% obtained by standardizing the cell resonance at each wavelength with the reference.

続いて、図9(c)〜(e)を参照して、蛍光試薬によるミトコンドリアの分極状態のモニタリングについて説明する。図9(c)〜(e)の関係は、図5(c)〜(e)の関係と同様である。図9(c)〜(e)に示されるように、ミトコンドリアが凝集し、非常に膜電位が高い細胞が存在する。また、それらのミトコンドリアは形態が細長く、核周辺に密集している。各細胞の大きさに伴って、ミトコンドリアが点在している。   Subsequently, monitoring of the mitochondrial polarization state using a fluorescent reagent will be described with reference to FIGS. The relations of FIGS. 9C to 9E are the same as the relations of FIGS. 5C to 5E. As shown in FIGS. 9C to 9E, mitochondria aggregate and cells with a very high membrane potential exist. In addition, these mitochondria are elongated and dense around the nucleus. Mitochondria are interspersed with the size of each cell.

続いて、図5〜図9を参照して、表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージとの整合性について説明する。   Subsequently, the consistency between the surface plasmon resonance spectrum and the mitochondrial image will be described with reference to FIGS.

幹細胞では、ミトコンドリアは細胞の分裂、増殖へとエネルギーを傾けるが、一方で分化細胞では細胞の形態の維持や例えば神経系であれば軸索の伸展など、その成熟細胞として役割の維持へとミトコンドリアの機能が転換していくことが知られている。その観点から考えると、幹細胞のミトコンドリアは細胞全体として非常に活発なエネルギーをもち、一方で分化細胞は局所的に活発なエネルギーを発することが予測され、全体としてのエネルギーレベルは幹細胞に比して低いことが推測される。   In stem cells, mitochondria incline the energy of cell division and proliferation, while in differentiated cells, mitochondria maintain their role as mature cells, such as maintaining cell morphology and, for example, axon extension in the nervous system. It is known that the function of will change. From that perspective, stem cell mitochondria have very active energy as a whole cell, while differentiated cells are expected to emit locally active energy, and the overall energy level is higher than that of stem cells. Inferred to be low.

そこで、各々の細胞ごとのスペクトル波形について、培地と細胞間での最大共鳴角のシフト(図5(a)、(b)のA参照)、細胞の最大共鳴角での共鳴の強さ(図5(a)、(b)のB参照)、共鳴カーブの幅(図5(a)のC参照)、最も共鳴が少ない波長でのリファレンスとの強度差(図5(a)のD参照)を検討する。   Therefore, with respect to the spectrum waveform for each cell, the shift of the maximum resonance angle between the culture medium and the cell (see A in FIGS. 5A and 5B), the strength of resonance at the maximum resonance angle of the cell (FIG. 5 (a), (b) B), resonance curve width (see C in FIG. 5 (a)), intensity difference from the reference at the wavelength with the least resonance (see D in FIG. 5 (a)) To consider.

まず、培地と細胞間での最大共鳴角のシフトについて検討する。ES細胞、皮膚様細胞で最大共鳴角が最もシフトしており、神経系細胞ではその差が最も少ない。ES細胞及び皮膚様細胞では活動電位の高いミトコンドリアが凝集している。一方で神経系細胞では細胞塊の一部に局在している。そのため、培地と細胞間での最大共鳴角のシフトにより、例えば「分極状態のミトコンドリアの密度とその分布」を知ることができる。   First, the shift of the maximum resonance angle between the medium and the cells is examined. The maximum resonance angle is most shifted in ES cells and skin-like cells, and the difference is smallest in neural cells. In ES cells and skin-like cells, mitochondria with high action potentials are aggregated. On the other hand, neural cells are localized in a part of the cell mass. Therefore, for example, “the density and distribution of mitochondria in a polarized state” can be known from the shift of the maximum resonance angle between the medium and the cells.

次に、細胞が最大の共鳴を示す波長での共鳴強度について検討する。ES細胞、神経幹細胞、皮膚様細胞において、共鳴強度が同等に大きく、インスリン産生細胞において最も小さい。ES細胞、神経幹細胞、皮膚様細胞において、ミトコンドリアの分布や形状は異なるが、分極しているミトコンドリア数は非常に多い。そのため、細胞が最大の共鳴を示す波長での共鳴強度により、例えば「ミトコンドリアの分極の総量=エネルギーレベル」を知ることができる。   Next, the resonance intensity at the wavelength at which the cell exhibits the maximum resonance is examined. The resonance intensity is equally large in ES cells, neural stem cells, and skin-like cells, and the smallest in insulin-producing cells. In ES cells, neural stem cells, and skin-like cells, the distribution and shape of mitochondria are different, but the number of polarized mitochondria is very large. Therefore, for example, “total amount of mitochondrial polarization = energy level” can be known from the resonance intensity at the wavelength at which the cell exhibits the maximum resonance.

次に、共鳴カーブの幅について検討する。神経幹細胞、皮膚様細胞において共鳴カーブの幅が同等に広く、神経系細胞において最も狭い。神経幹細胞、皮膚様細胞のミトコンドリアの形態は、球状と繊維状のものが多く点在しているが、神経系細胞では繊維状のものが多い。そのため、共鳴カーブの幅により、例えば「ミトコンドリアの形態の均一性」を知ることができる。   Next, the width of the resonance curve will be examined. The width of the resonance curve is equally wide in neural stem cells and skin-like cells, and the narrowest in nervous system cells. The mitochondrial morphology of neural stem cells and skin-like cells is scattered in many spherical and fibrous forms, but many of the nervous system cells are fibrous. Therefore, for example, “mitochondrial morphology uniformity” can be known from the width of the resonance curve.

次に、最小共鳴波長でのリファレンスとの強度の差について検討する。皮膚様細胞が最も差が広く、ES細胞と神経系細胞でその差は最も狭い。ES細胞は細胞塊同士が接触することなく、また神経系細胞でも軸索が進展することから、両細胞では基板上に細胞が接触していない面積が生じる。一方で、皮膚様細胞のように一面に広がる細胞ではその隙間は少ない。そのため、最小共鳴波長での培地と強度の差により、例えば「細胞の接着面積」を知ることができる。   Next, the difference in intensity from the reference at the minimum resonance wavelength will be examined. Skin-like cells have the widest difference, and ES cells and nervous system cells have the smallest difference. Since ES cells are not in contact with each other, and axons develop even in nervous system cells, both cells have areas where the cells are not in contact on the substrate. On the other hand, there are few gaps in cells that spread all over like skin-like cells. Therefore, for example, the “cell adhesion area” can be known from the difference in strength from the medium at the minimum resonance wavelength.

以上の4点を定量するためには、例えば、一細胞中のミトコンドリア数と凝集の程度・大きさなどのミトコンドリアの形態、基板上の細胞数・接着面積の計測と形態変化の観察、遺伝子導入細胞によるリアルタイムモニタリングとの整合性、体性幹細胞からの分化系モデルの構築、などを活用することが有効であると考えられる。   In order to quantify the above four points, for example, mitochondrial morphology such as the number of mitochondria in one cell and the degree and size of aggregation, measurement of cell number and adhesion area on the substrate and observation of morphological changes, gene transfer It is considered effective to utilize consistency with real-time monitoring by cells and construction of differentiation system models from somatic stem cells.

図10は、様々な細胞の場合のスペクトルの、レファレンスに対する影響を加味した比較を示す図であり、(a)はES細胞と神経幹細胞の比較を示し、(b)は神経系細胞とインスリン産生細胞、皮膚様細胞の比較を示し、(c)は神経幹細胞と神経系細胞とインスリン産生細胞の比較を示し、(d)はES細胞と神経幹細胞と神経系細胞とインスリン産生細胞、皮膚様細胞の比較を示す。   FIG. 10 is a diagram showing a comparison of spectra in the case of various cells, taking into account the effects on the reference, (a) showing a comparison between ES cells and neural stem cells, and (b) showing nervous system cells and insulin production. (C) shows a comparison of neural stem cells, neural cells, and insulin-producing cells, and (d) shows ES cells, neural stem cells, neural cells, insulin-producing cells, and skin-like cells. A comparison of is shown.

図10(a)を参照して、最大共鳴角はES細胞が右上に神経幹細胞は左下に位置している。また、最小共鳴角はES細胞と神経幹細胞でそろっているものの、t/r%の値は異なっている。図5(e)や図6(e)に示されるように、ES細胞と神経幹細胞では、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを異にする。そのため、図7(a)に示されるように、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを異にすることによりスペクトル分析の結果が異なることがわかる。そのため、表面プラズモン共鳴に対するスペクトル分析を行うことにより、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを検出可能であることがわかる。   Referring to FIG. 10A, the maximum resonance angle is such that ES cells are located on the upper right and neural stem cells are located on the lower left. Further, although the minimum resonance angle is the same for ES cells and neural stem cells, the value of t / r% is different. As shown in FIGS. 5 (e) and 6 (e), ES cells and neural stem cells differ in the three-dimensional distribution, intensity, morphology, etc. of the mitochondrial polarization state. Therefore, as shown in FIG. 7A, it can be seen that the results of spectrum analysis differ depending on the three-dimensional distribution, intensity, morphology, etc. of the mitochondrial polarization state. Therefore, it can be seen that the three-dimensional distribution, intensity, morphology, etc. of the mitochondrial polarization state can be detected by performing spectral analysis on surface plasmon resonance.

また、図10(b)を参照して、神経系細胞とインスリン産生細胞、皮膚様細胞でも図7(e)や図8(e)、図9(e)に示されるようなミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などの相違により、スペクトル分析の結果を異にしていることがわかる。そのため、表面プラズモン共鳴に対するスペクトル分析を行うことにより、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを検出可能であることがわかる。   In addition, referring to FIG. 10 (b), the mitochondrial polarization state as shown in FIG. 7 (e), FIG. 8 (e), and FIG. 9 (e) also in the nervous system cells, insulin producing cells, and skin-like cells. It can be seen that the results of the spectrum analysis are different due to differences in the three-dimensional distribution, intensity, form, and the like. Therefore, it can be seen that the three-dimensional distribution, intensity, morphology, etc. of the mitochondrial polarization state can be detected by performing spectral analysis on surface plasmon resonance.

さらに、図10(c)、(d)に示されるように、ES細胞、神経幹細胞、神経系細胞、インスリン産生細胞、皮膚様細胞を比較しても、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを異にする場合に、表面プラズモン共鳴に対するスペクトル分析結果を異にすることがわかる。そのため、ミトコンドリアの分極状態の三次元的な分布・強度・形態などを検出可能であることがわかる。   Furthermore, as shown in FIGS. 10C and 10D, even when ES cells, neural stem cells, nervous system cells, insulin producing cells, and skin-like cells are compared, the three-dimensional distribution of the mitochondrial polarization state・ It can be seen that the spectrum analysis results for the surface plasmon resonance are different when the intensity and the form are different. Therefore, it can be seen that the three-dimensional distribution, intensity, and morphology of the mitochondrial polarization state can be detected.

図11は、(a)ラ氏島様構造物(インスリン産生細胞、グルカゴン産生細胞)(b)神経様細胞、(c)皮膚様細胞、を示す図である。   FIG. 11 is a diagram showing (a) La Jade Island-like structure (insulin-producing cells, glucagon-producing cells), (b) nerve-like cells, and (c) skin-like cells.

図12及び図13は、ES細胞から神経細胞、膵β細胞、心筋細胞及び中内胚葉性細胞への分化誘導を示す図である。   FIG. 12 and FIG. 13 are diagrams showing differentiation induction from ES cells into nerve cells, pancreatic β cells, cardiomyocytes, and mesendoderm cells.

前処理の概要を示す図であり、(a)は12wellセルカルチャープレートを示し、(b)はその中にセットされるサーマノックスカバースリップを示す。It is a figure which shows the outline | summary of a pre-processing, (a) shows a 12 well cell culture plate, (b) shows the thermonox cover slip set in it. 本願発明の実施の形態に係る判定・培養システム1の概略ブロック図である。1 is a schematic block diagram of a determination / culture system 1 according to an embodiment of the present invention. (a)は、本実施例で使用する図2の基板3の一例である硝子導波路を示すものであり、(b)は、図1(b)のサーマノックスカバースリップを利用して培養した細胞を基板に接着させた状態とする一例を示すものである。(A) shows the glass waveguide which is an example of the board | substrate 3 of FIG. 2 used in a present Example, (b) is cultured using the thermonox cover slip of FIG.1 (b). An example in which cells are adhered to a substrate is shown. 培養培地による表面プラズモン共鳴スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum by a culture medium. ES細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum and mitochondrial image of ES cell. 神経幹細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum and mitochondrial image of a neural stem cell. 神経系細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum and mitochondria image of a nervous system cell. インスリン産生細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum and mitochondrial image of an insulin producing cell. 皮膚様細胞の表面プラズモン共鳴スペクトルとミトコンドリアイメージを示す図である。It is a figure which shows the surface plasmon resonance spectrum and mitochondrial image of a skin-like cell. 図5〜図9に基づいて、様々な細胞の場合の光のスペクトルの、レファレンスに対する影響を加味した比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison which considered the influence with respect to the reference of the spectrum of the light in the case of various cells based on FIGS. (a)インスリン産生細胞、(b)神経様細胞、(c)皮膚様細胞、を示す図である。It is a figure which shows (a) insulin producing cells, (b) nerve-like cells, and (c) skin-like cells. ES細胞から神経様細胞、膵β細胞、心筋細胞への分化誘導を示す第1図である。It is FIG. 1 which shows the differentiation induction from an ES cell to a neuron-like cell, a pancreatic beta cell, and a cardiac muscle cell. ES細胞から中内胚葉性細胞への分化誘導を示す第2図である。FIG. 2 is a second diagram showing induction of differentiation from ES cells to mesendoderm cells.

符号の説明Explanation of symbols

1 判定・培養システム、2 表面プラズモン共鳴装置、3 基板、4 金属層、5,7 生細胞、9,11 ミトコンドリア、13 入射光、15 光、17 判定装置、19 分極状態判定部、21 性質判定部、23 選定装置、25 選定部、26 培養装置、27 培養部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Determination and culture system, 2 Surface plasmon resonance apparatus, 3 Substrate, 4 Metal layer, 5, 7 Living cell, 9,11 Mitochondria, 13 Incident light, 15 Light, 17 Determination apparatus, 19 Polarization state determination part, 21 Property determination Part, 23 selection device, 25 selection part, 26 culture device, 27 culture part

Claims (10)

表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定装置であって、
少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態を判定する分極状態判定手段、
を備える判定装置。
A determination device for determining a mitochondrial polarization state in a living cell using a surface plasmon resonance phenomenon,
Polarization state determining means for determining the polarization state of the mitochondria based on at least two types of incident light;
A determination apparatus comprising:
前記分極状態判定手段による判定は、前記ミトコンドリアの分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つである、請求項1記載の判定装置。   The determination apparatus according to claim 1, wherein the determination by the polarization state determination means is at least one of distribution, intensity, and form of the polarization state of the mitochondria. 前記少なくとも2種類の入射光は、互いに、波長及び生じさせるエバネッセント波の少なくとも一方を異にするものであり、
前記分極状態判定手段は、スペクトル分析により前記ミトコンドリアの分極状態を判定する、
請求項1又は2に記載の判定装置。
The at least two types of incident light have different wavelengths and at least one of evanescent waves to be generated,
The polarization state determination means determines the polarization state of the mitochondria by spectral analysis;
The determination apparatus according to claim 1 or 2.
前記分極状態判定手段による判定結果に基づいて前記生細胞の性質を判定する性質判定手段を備える請求項1から3のいずれかに記載の判定装置。   The determination apparatus according to claim 1, further comprising a property determination unit that determines a property of the living cell based on a determination result by the polarization state determination unit. 請求項4記載の前記性質判定手段により判定された生細胞の性質に基づいて培養対象となる生細胞を選定する選定手段を備える選定装置。   5. A selection apparatus comprising selection means for selecting live cells to be cultured based on the properties of live cells determined by the property determination means according to claim 4. 表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定方法であって、
少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態を判定するステップ、
を含む判定方法。
A determination method for determining a mitochondrial polarization state in a living cell by using a surface plasmon resonance phenomenon,
Determining the polarization state of the mitochondria based on at least two types of incident light;
A determination method including
培養により細胞を生産する細胞生産方法であって、
表面プラズモン共鳴現象を用いて、少なくとも2種類の光を入射光とする生細胞内のミトコンドリアの分極状態の判定結果に基づいて、培養対象とされた生細胞を培養して細胞を生産する生産ステップ、
を含む細胞生産方法。
A cell production method for producing cells by culture,
Production step of producing cells by culturing living cells to be cultured based on the determination result of the polarization state of mitochondria in living cells using surface plasmon resonance phenomenon as incident light with at least two kinds of light ,
A cell production method comprising:
コンピュータを、
表面プラズモン共鳴現象を用いて生細胞内のミトコンドリアの分極状態を判定する判定装置であって、
少なくとも2種類の入射光に基づいて前記ミトコンドリアの分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つを判定する判定手段、
を備える判定装置として機能させるためのプログラム。
Computer
A determination device for determining a mitochondrial polarization state in a living cell using a surface plasmon resonance phenomenon,
Determining means for determining at least one of distribution, intensity and morphology of the mitochondria polarization state based on at least two types of incident light;
A program for functioning as a determination device.
請求項8に記載のプログラムを記録した記録媒体。   A recording medium on which the program according to claim 8 is recorded. 表面プラズモン共鳴現象を用いて、接し又は少なくとも近接して存在する判定対象物の分極状態を判定する判定装置であって、
少なくとも2種類の入射光に基づいて、前記分極状態の分布、強度及び形態の少なくとも一つを判定する判定手段、
を備える判定装置。
A determination device that determines a polarization state of a determination object that is in contact with or at least close by using a surface plasmon resonance phenomenon,
Determination means for determining at least one of the distribution, intensity and form of the polarization state based on at least two types of incident light;
A determination apparatus comprising:
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