JP2012075391A - Apparatus and method for culturing fertilized egg - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、受精卵の培養に用いられる培養装置および該培養装置を用いた受精卵の培養方法に関する。 The present invention relates to a culture apparatus used for culturing fertilized eggs and a method for culturing fertilized eggs using the culture apparatus.
哺乳動物の受精卵の培養は、医療分野や家畜分野、最近では胚性幹細胞(ES細胞)の樹立などの様々なライフサイエンス分野において必要不可欠な基盤技術であり、その応用範囲も日増しに拡大の一途を辿っている。不妊治療や家畜繁殖などにおいて受精卵を母胎内に移植する過程では、確実な着床とその後の成長を期すため、一旦、体外で胚盤胞と呼ばれる段階まで培養し、状態の良い受精卵だけを選別して移植している。
従来、こうした受精卵の移植に際しては、洗浄、培養、選別等の操作が行われている。
受精卵の生体外培養は、通常、マイクロドロップレット法によって行われる。この方法は、シャーレ上に培養液の液滴を形成し、該液滴内に複数の受精卵を配置して培養を行う方法である。しかしマイクロドロップレット法は、高度な技術が必要であり、操作者の手技によって受精卵の質や発生率にばらつきが生じやすい問題がある。一例を挙げると、液滴内への受精卵の配置する際には、ガラスキャピラリーにマイクロピペットやマウスピースを接続し、吸気・排気のバランスによってキャピラリー内に受精卵を回収して新しい培地等の別の環境に移すといった操作が一般的に行われている。しかし受精卵は外乱に弱く、操作不良により胚盤胞への発生率の低下が生じやすい。そのため、上記のような方法は、行う者の手技の熟練度によって受精卵の質や胚盤胞への発生率にばらつきが生じるなど、定量性や再現性が低い問題がある。さらに、従来の技術では、受精卵を個別に管理し培養することが困難であるため、それぞれの受精卵の発生過程の評価が難しい。
そのため、熟練度によらず定量性や再現性の良好な受精卵の培養を行うために、自動化が期待されている。受精卵の培養の自動化のためには、複数の受精卵を、個別に品質管理しながら培養できること、および胚盤胞へと発生した受精卵のみの選択的回収が可能であること、を両立するシステムが要求されるが、このようなシステムは未だ実現されていない。
Mammal fertilized egg culturing is a fundamental technology that is indispensable in various fields of life science such as medical and livestock fields, and recently, establishment of embryonic stem cells (ES cells). It has been following. In the process of transplanting fertilized eggs into the womb for infertility treatment or livestock breeding, in order to ensure reliable implantation and subsequent growth, cultivate once to a stage called blastocyst outside the body, and only fertilized eggs in good condition Are selected and transplanted.
Conventionally, when such fertilized eggs are transplanted, operations such as washing, culturing and selection have been performed.
In vitro culture of fertilized eggs is usually performed by the microdroplet method. This method is a method in which a culture liquid droplet is formed on a petri dish, and a plurality of fertilized eggs are placed in the droplet to perform culture. However, the microdroplet method requires advanced techniques, and there is a problem that the quality and incidence of fertilized eggs are likely to vary depending on the operator's technique. For example, when placing a fertilized egg in a droplet, connect a micropipette or mouthpiece to the glass capillary, collect the fertilized egg in the capillary by the balance between intake and exhaust, Operations such as moving to another environment are generally performed. However, fertilized eggs are vulnerable to disturbances, and the incidence of blastocysts tends to decrease due to poor operation. Therefore, the method as described above has a problem of low quantitativeness and reproducibility, such as variations in the quality of fertilized eggs and the incidence of blastocysts depending on the skill level of the person performing the procedure. Furthermore, in the conventional technique, it is difficult to individually manage and cultivate fertilized eggs, so it is difficult to evaluate the development process of each fertilized egg.
Therefore, automation is expected in order to culture fertilized eggs with good quantification and reproducibility regardless of skill level. In order to automate the culture of fertilized eggs, both fertilized eggs can be cultured with quality control individually, and only the fertilized eggs that have developed into blastocysts can be selectively recovered. A system is required, but such a system has not yet been realized.
一方、近年、微細加工技術を応用したμTAS(Micro Total Analysis System)分野で、細胞、細菌、生体分子などの微小なバイオ粒子を扱う研究が行われるようになっている。μTASでは、微細加工技術により形成したマイクロ流路内で微量流体操作を伴うマイクロシステムが実現されており、これまで多種多様のバイオ粒子の操作方法が提案されている。たとえば本願発明者らは、簡単な微量流体操作のみで、大量の微粒子を特定の部位に配置する、配置した状態で溶液を交換して薬物刺激を与える、配置した位置から流体に戻して他の部位に移動させる、といった微粒子操作が可能なマイクロ流路(ダイナミックマイクロアレイ)を設けたマイクロ流体デバイスについて研究している。たとえば特許文献1には、マイクロビーズを配列させる装置として、マイクロビーズが流されるとともに狭窄領域を有する直線状流路と、該直線状流路と順次交差する方形波形状の流路と、マイクロビーズが捕捉されていない空の狭窄領域がある場合はその空の狭窄領域でマイクロビーズを捕捉し、マイクロビーズが捕捉されている狭窄領域がある場合は該狭窄領域をバイパスしてマイクロビーズを下流に移動させるマイクロビーズ移動手段と、を具備する配列装置を開示している。
このダイナミックマイクロアレイにおいては、粒子が存在していない状態で液体を流した場合、直線状流路内の流れがメインストリームとなり、方形波形状流路内の流れはサブストリームとなるように設計されている。そのため、該ダイナミックマイクロアレイに液体とともに粒子を流すと、粒子は、主流路である直線状流路と方形波形状流路とが交差する位置(以下、交差路ということがある。)で直線状流路に流入し、粒子が通過しない幅で形成された狭窄部にせき止められる。粒子がせき止められると、次に流れてきた粒子は、迂回路である方形波形状流路に流入して下流側に移動し、次の交差路で、直線状流路に流入し、その下流側の狭窄部にせき止められる。このようにして、粒子が順次、交差路とその下流の狭窄部との間(ケージ領域)に捕捉され、アレイ化(配列化)される。そのため、該ダイナミックマイクロアレイを、1つのケージ領域に1つの粒子が捕捉されるように設計することで、各ケージ領域に捕捉された粒子を個別に管理することが可能である。
On the other hand, in recent years, in the field of μTAS (Micro Total Analysis System) to which microfabrication technology is applied, research dealing with minute bioparticles such as cells, bacteria, and biomolecules has been conducted. In μTAS, a micro system involving a micro fluid operation is realized in a micro flow path formed by a microfabrication technique, and various bio particle operation methods have been proposed so far. For example, the inventors of the present invention can arrange a large amount of fine particles at a specific site only by a simple microfluidic operation, exchange a solution in the arranged state, and give a drug stimulus. We are researching microfluidic devices with microchannels (dynamic microarrays) that allow microparticle manipulation, such as moving to a site. For example, Patent Document 1 discloses, as an apparatus for arranging microbeads, a linear flow channel having a narrowed region while microbeads are flown, a square wave channel that sequentially intersects the linear flow channel, and microbeads. If there is an empty stenosis area in which the microbead is not captured, the microbead is captured in the empty stenosis area. If there is a stenosis area in which the microbead is captured, the stenosis area is bypassed and the microbead is moved downstream. Disclosed is an array device comprising microbead moving means for movement.
In this dynamic microarray, when the liquid is flowed in the absence of particles, the flow in the linear flow path becomes the main stream, and the flow in the square wave flow path becomes the substream. Yes. Therefore, when particles are caused to flow along with the liquid to the dynamic microarray, the particles flow linearly at a position where the linear flow channel, which is the main flow channel, and the rectangular wave flow channel intersect (hereinafter also referred to as a crossing route). It flows into the path and is dammed by a narrowed portion formed with a width that prevents particles from passing through. When the particles are dammed up, the next flowing particles flow into the square wave channel, which is a detour, and move downstream, and flow into the straight channel at the next intersection, downstream It is dammed to the stenosis. In this way, particles are sequentially captured between the crossing path and the stenosis portion downstream thereof (cage region) and arrayed (arranged). Therefore, by designing the dynamic microarray so that one particle is captured in one cage region, the particles captured in each cage region can be individually managed.
本発明者らは、特許文献1に記載するような、主流路と、該主流路と順次交差する蛇行流路とを備えるダイナミックマイクロアレイを設けたマイクロ流体デバイスを受精卵培養に適用してみた。その結果、該マイクロ流体デバイスには、受精卵の培養上、いくつかの問題があることを見出した。
その問題の一つは、1つのケージ領域に複数の受精卵が捕捉されてしまい、うまくアレイ化できないことである。つまり、受精卵を胚盤胞の状態まで培養するためには、ケージ領域の大きさを胚盤胞の大きさにあわせて設定する必要があるが、胚盤胞の大きさは、種別にもよるが初期の受精卵の1.3〜2倍程度である。そのため、初期の受精卵に比べてケージ領域が広すぎるため、受精卵がすでに捕捉されているケージ領域に、さらに別の受精卵が入ってしまう。1つのケージ領域に複数の受精卵が捕捉されてしまうと、個別管理ができなくなる。また、受精卵が連なって流れてくる場合、主流路と蛇行流路の交差路に受精卵が複数個引っかかることがあり、流路そのものを受精卵がふさいでしまう場合がある。
また、別の問題は、培養時に、捕捉した受精卵の位置を保持できない場合があることである。たとえば培養中に受精卵のケージ領域内での位置が変化したり、最悪、受精卵が胚盤胞まで発生する前にケージ領域からリリースされてしまうことがある。ケージ領域内での位置が変化すると、受精卵の個別観察が困難になる。
受精卵の培養を行う場合、受精卵が外乱に弱いため、特許文献1に記載されるようなマイクロビーズを配列する場合に比べて、流路内の液体の流量を少なくすることが望まれるが、低流量化すると上記リリース等の問題が生じやすくなる。
これらの問題は、受精卵培養の自動化への妨げとなるため、その改善が求められる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、受精卵のアレイ化またはアレイ化された受精卵の保持を良好に行うことができる受精卵培養デバイスおよび受精卵培養装置ならびに前記デバイスを用いた受精卵の培養方法を提供することを目的とする。
The inventors of the present invention applied a microfluidic device provided with a dynamic microarray having a main flow path and a meandering flow path that sequentially intersects the main flow path, as described in Patent Document 1, to fertilized egg culture. As a result, it has been found that the microfluidic device has several problems in the culture of fertilized eggs.
One of the problems is that a plurality of fertilized eggs are trapped in one cage region and cannot be arrayed well. In other words, in order to culture fertilized eggs to the state of blastocysts, it is necessary to set the size of the cage region according to the size of the blastocysts. However, it is about 1.3 to 2 times the initial fertilized egg. Therefore, since the cage area is too wide compared to the initial fertilized egg, another fertilized egg enters the cage area where the fertilized egg has already been captured. If a plurality of fertilized eggs are captured in one cage region, individual management cannot be performed. Further, when fertilized eggs flow in series, a plurality of fertilized eggs may be caught at the intersection of the main flow path and the meandering flow path, and the fertilized egg may block the flow path itself.
Another problem is that the position of the captured fertilized egg may not be maintained during culture. For example, the position of the fertilized egg in the cage region may change during culture, or in the worst case, the fertilized egg may be released from the cage region before it develops to the blastocyst. If the position in the cage region changes, it becomes difficult to individually observe the fertilized egg.
When cultivating a fertilized egg, the fertilized egg is vulnerable to disturbance, so it is desirable to reduce the flow rate of the liquid in the flow channel as compared with the case where microbeads are arranged as described in Patent Document 1. If the flow rate is lowered, problems such as the above release tend to occur.
Since these problems hinder the automation of fertilized egg culture, improvements are required.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a fertilized egg culturing device, a fertilized egg culturing apparatus, and the device that can satisfactorily hold an array of fertilized eggs or an arrayed fertilized egg. It aims at providing the culture method of the used fertilized egg.
上記課題を解決する本発明は、以下の態様を有する。
[1]哺乳動物の受精卵および培養液が流通するマイクロ流路構造を備え、
前記マイクロ流路構造は、主流路と、前記主流路と順次交差する蛇行流路とを有し、
前記主流路には、前記受精卵が通過しない幅の狭窄部が設けられて、前記狭窄部と、その上流で前記主流路に交差する蛇行流路との間が前記受精卵を捕捉するケージ領域とされており、
前記ケージ領域は、前記蛇行流路の下流側の側壁が切り欠かれて前記蛇行流路の下流方向に拡張している受精卵培養デバイス。
[2]哺乳動物の受精卵および培養液が流通するマイクロ流路構造を備え、
前記マイクロ流路構造は、主流路と、前記主流路と順次交差する蛇行流路とを有し、
前記主流路には、前記受精卵が通過しない幅の狭窄部が設けられて、前記狭窄部と、その上流で前記主流路に交差する蛇行流路との間が前記受精卵を捕捉するケージ領域とされており、
前記ケージ領域の底面に凹部が設けられている受精卵培養デバイス。
[3]前記ケージ領域の底面に凹部が設けられている、[1]に記載の受精卵培養デバイス。
[4]前記ケージ領域の、前記蛇行流路の上流側の側壁と、前記蛇行流路の側壁とが略垂直に合流している、[1]に記載の受精卵培養デバイス。
[5]前記ケージ領域の、前記蛇行流路の上流側の側壁と、前記蛇行流路の側壁とが略垂直に合流している、[2]または[3]のいずれか一項に記載の受精卵培養デバイス。
[6][1]〜[5]のいずれか一項に記載の受精卵培養デバイスを備えた受精卵培養装置。
[7][1]〜[5]のいずれか一項に記載の受精卵培養デバイスを用いて哺乳動物の受精卵を培養する方法であって、
前記マイクロ流路構造に前記受精卵を培養液とともに流通させることにより前記ケージ領域に前記受精卵を配置する工程と、前記マイクロ流路構造に培養液を流通させながら前記受精卵を培養する工程と、を有する培養方法。
[8][2]、[3]または[5]に記載の受精卵デバイスを用いて哺乳動物の受精卵を培養する方法であって、
前記マイクロ流路構造に前記受精卵を培養液とともに流通させることにより前記ケージ領域に前記受精卵を配置する工程と、前記マイクロ流路構造に培養液を流通させずに前記受精卵を培養する工程と、を有する培養方法。
The present invention for solving the above problems has the following aspects.
[1] A microchannel structure through which a fertilized egg and a culture solution of a mammal circulate is provided.
The microchannel structure has a main channel and a meandering channel that sequentially intersects the main channel,
The main flow path is provided with a narrowed portion having a width through which the fertilized egg does not pass, and a cage region that captures the fertilized egg between the narrowed portion and a meandering flow channel that intersects the main flow channel upstream of the narrowed portion. And
The cage region is a fertilized egg culturing device in which a side wall on the downstream side of the meandering channel is notched and expanded in the downstream direction of the meandering channel.
[2] A microchannel structure through which a fertilized egg and a culture solution of a mammal circulate,
The microchannel structure has a main channel and a meandering channel that sequentially intersects the main channel,
The main flow path is provided with a narrowed portion having a width through which the fertilized egg does not pass, and a cage region that captures the fertilized egg between the narrowed portion and a meandering flow channel that intersects the main flow channel upstream of the narrowed portion. And
A fertilized egg culturing device in which a recess is provided on the bottom surface of the cage region.
[3] The fertilized egg culture device according to [1], wherein a recess is provided on a bottom surface of the cage region.
[4] The fertilized egg culturing device according to [1], wherein the side wall of the cage region on the upstream side of the meandering flow path and the side wall of the meandering flow path merge substantially vertically.
[5] The side wall on the upstream side of the meandering flow path and the side wall of the meandering flow path of the cage region are joined substantially vertically, [2] or [3] Fertilized egg culture device.
[6] A fertilized egg culturing apparatus comprising the fertilized egg culturing device according to any one of [1] to [5].
[7] A method of culturing a fertilized egg of a mammal using the fertilized egg culturing device according to any one of [1] to [5],
Disposing the fertilized egg in the cage region by circulating the fertilized egg together with a culture solution in the microchannel structure; and culturing the fertilized egg while circulating the culture solution in the microchannel structure; A culture method comprising:
[8] A method of culturing a mammalian fertilized egg using the fertilized egg device according to [2], [3] or [5],
Arranging the fertilized egg in the cage region by circulating the fertilized egg together with a culture solution in the microchannel structure, and culturing the fertilized egg without circulating the culture solution in the microchannel structure And a culture method.
本発明によれば、受精卵のアレイ化またはアレイ化された受精卵の保持を良好に行うことができる受精卵培養デバイスおよび受精卵培養装置ならびに前記デバイスを用いた受精卵の培養方法を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a fertilized egg culturing device, a fertilized egg culturing apparatus, and a method for culturing a fertilized egg using the device, which can satisfactorily hold an array of fertilized eggs or an arrayed fertilized egg. .
本態様の受精卵培養デバイスを、添付の図面を用いて説明する。
<第一実施形態>
図1〜2に本発明の第一実施形態の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造10を示す。図1は、本態様の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造10の上面図であり、図2はその部分拡大図である。図1〜2中の矢印は、培養液の流通方向を示す。
マイクロ流路構造10は、直線状の主流路11と、主流路11と順次交差する方形波形状の蛇行流路12とを有する。
主流路11には、培養する受精卵が通過しない幅の狭窄部11aが複数設けられて、各狭窄部11aと、その上流で主流路11に交差する蛇行流路12との間(図2中の斜線部)が、受精卵を捕捉するケージ領域11bとされている。
ケージ領域11bは、蛇行流路12の下流側の側壁が切り欠かれて切り欠き11cが設けられることにより、蛇行流路12の下流方向に拡張している。以下、ケージ領域11bのうち、切り欠き11cによって幅が拡張している領域を拡張部11dという。
ケージ領域11b内の、拡張部11dよりも下流側の領域は、横断面が半円状(半円部11e)となっている。
ここで、「主流路」とは、受精卵が全く捕捉されていない状態で培養液を当該マイクロ流路構造内に流入させた際に、最も流量が多い流路を意味する。つまり、受精卵培養デバイス10において、主流路11の体積流量Q1と、蛇行流路12の体積流量Q2との比(Q1/Q2)は1超となっている。主流路11および蛇行流路12がQ1/Q2>1を満たすように設計されていることにより、受精卵培養デバイス10に受精卵を培養液とともに流通させた際に、空いているケージ領域11bに受精卵が導入される。
Q1/Q2は、1超5以下が好ましく、2以上4以下がより好ましい。Q1/Q2の値が1超以上、特に2以上であると、ケージ領域11bへの受精卵の配置が容易であり、Q1/Q2の値が5以下であると、1つのケージ領域11bに複数個の受精卵が捕捉されにくく、アレイ化を良好に行うことができる。
A fertilized egg culturing device of this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.
<First embodiment>
1 and 2 show a microchannel structure 10 provided in the fertilized egg culture device of the first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a top view of a microchannel structure 10 included in a fertilized egg culturing device of this embodiment, and FIG. 2 is a partially enlarged view thereof. The arrow in FIGS. 1-2 shows the distribution direction of a culture solution.
The microchannel structure 10 includes a linear main channel 11 and a square-wave meandering channel 12 that sequentially intersects the main channel 11.
The main channel 11 is provided with a plurality of narrowed portions 11a having a width that does not allow a fertilized egg to be cultured to pass between each narrowed portion 11a and a meandering channel 12 that intersects the main channel 11 upstream thereof (in FIG. 2). Is a cage region 11b that captures a fertilized egg.
The cage region 11 b extends in the downstream direction of the meandering flow path 12 by providing a notch 11 c by notching the downstream side wall of the meandering flow path 12. Hereinafter, the area | region where the width | variety is expanded by the notch 11c among the cage areas 11b is called the expansion part 11d.
A region in the cage region 11b on the downstream side of the expanded portion 11d has a semicircular cross section (semicircular portion 11e).
Here, the “main flow channel” means a flow channel having the highest flow rate when the culture solution is introduced into the micro flow channel structure in a state where the fertilized egg is not captured at all. That is, in embryo culture device 10, the volume flow rate to Q 1 the main channel 11, the ratio of the volume flow rate Q 2 of the serpentine channel 12 (Q 1 / Q 2) has a greater than 1. When the main flow path 11 and the meandering flow path 12 are designed to satisfy Q 1 / Q 2 > 1, a cage region that is vacant when the fertilized egg is circulated through the fertilized egg culture device 10 together with the culture solution. A fertilized egg is introduced into 11b.
Q 1 / Q 2 is preferably more than 1 and 5 or less, and more preferably 2 or more and 4 or less. When the value of Q 1 / Q 2 is more than 1, particularly 2 or more, it is easy to place a fertilized egg in the cage region 11b, and when the value of Q 1 / Q 2 is 5 or less, one cage A plurality of fertilized eggs are not easily captured in the region 11b, and the array can be favorably performed.
主流路11の幅W1および高さ、蛇行流路12の幅W2および高さ、狭窄部11aの幅W3および長さW5、培養液の流通方向におけるケージ領域11b、拡張部11d、半円部11eそれぞれの長さW4、Wa、Wbは、それぞれ、上記Q1/Q2の値と、培養する受精卵に応じて設定される。
Q1/Q2の値は、狭窄部11aの幅W3、長さW5及び高さ、蛇行流路12の幅W2、長さ、高さ等のバランスによって定まる。
ここで、本発明の受精卵培養デバイスにより培養される受精卵は哺乳動物の受精卵であり、哺乳動物としては、ヒト、マウス、ウシ、ブタ等が挙げられる。哺乳動物の受精卵は、受精後、卵割により2細胞期、4細胞期、8細胞期と細胞数が増えていき、桑実胚を経て、胚盤胞へと発生する。胚盤胞は、栄養外胚葉とその内部にある内部細胞塊とから構成されるものであり、体外受精において、子宮内への移植は通常、4〜8細胞期から胚盤胞の段階で行われる。
受精直後の受精卵の大きさは、通常、ヒトは約130μm、マウスは約80μm、ウシやブタは約120〜130μmである。また、胚盤胞の段階の受精卵の大きさは、受精直後の受精卵の大きさの1.3〜2倍程度である。この倍率は、動物種によって異なり、たとえばマウスは約1.3倍、ウシは約2倍である。
したがって、主流路11の幅W1および高さ、蛇行流路12の幅W2および高さは、それぞれ、受精卵の導入、回収等を行うために、胚盤胞の大きさを基準として設定することが好ましい。具体的には、胚盤胞が移動可能な幅および高さであればよいが、胚盤胞の大きさ+5μm〜+50μmとすることが好ましい。
狭窄部11aの幅W3は、導入された受精卵をトラップするために、最小サイズ時の受精卵の大きさよりも狭くする必要がある。ここで「最小サイズ時の受精卵の大きさ」は、受精直後の受精卵と同等の大きさであり、受精直後から初期胚盤胞くらいまでは「最小サイズ時の受精卵の大きさ」である。一方、幅W3が狭すぎると、交差路から狭窄部方向への流れに対する抵抗が高くなり、蛇行流路12の流量が主流路の流量よりも多くなって、受精卵をうまく捕捉できないおそれがある。ただし幅W3を小さくしても、蛇行流路12の長さ)を長くすることで、交差路から蛇行流路12の下流方向への流れに対する抵抗を増加させ、Q1/Q2の値を維持あるいは大きくすることできるため、幅W3の下限は特に限定されない。ここで、蛇行流路12の長さとは、蛇行流路12が主流路11に交差する位置の1つと、その次に主流路11に交差する位置との間の流路中央の長さである。
狭窄部11aの長さW5は特に限定されないが、省流路スペースの点では短い方が好ましい。ただし長さW5は蛇行流路12の長さと相関し、長さW5が長くなると蛇行流路12の長さも長くなる。そのため、狭窄部11aの幅W3および長さW5の設定に際しては、Q1/Q2の値を考慮することが好ましい。
培養液の流通方向におけるケージ領域11bの長さW4は、受精卵を胚盤胞の段階まで発生させるために、胚盤胞の大きさを基準として設定することが好ましい。具体的には、受精卵が胚盤胞となるまでは受精卵全体がケージ領域11b内に収容される長さであればよいが、たとえば長さW4を、胚盤胞の大きさと同じ長さ又はそれよりもやや小さめに設計すると、長さW4と同じ大きさに達した胚盤胞が流れによって自動的にケージ領域11bから飛び出し、リリースされるようにすることができる。これらの観点から、胚盤胞の大きさ−10μm〜+50μmとすることが好ましい。また、培養液の流通方向における拡張部11dの長さWaは、胚盤胞の半径−5μm〜+25μmとすることが好ましい。また、培養液の流通方向における半円部11eの長さWbは、胚盤胞の半径−5μm〜+25μmとすることが好ましい。
Width W 1 and height of the main flow path 11, width W 2 and height of the meandering flow path 12, width W 3 and length W 5 of the constricted portion 11 a, cage region 11 b in the culture medium flow direction, expansion portion 11 d, The lengths W 4 , W a , and W b of the semicircular portions 11e are set according to the value of Q 1 / Q 2 and the fertilized egg to be cultured, respectively.
The value of Q 1 / Q 2 has a width W 3, the length W 5 and the height of the constriction 11a, the width W 2, the length of the serpentine channel 12, defined by the balance of the height and the like.
Here, the fertilized egg cultured by the fertilized egg culturing device of the present invention is a fertilized egg of a mammal, and examples of the mammal include human, mouse, cow, and pig. After fertilization, the fertilized egg of a mammal increases in the number of cells from the 2 cell stage, the 4 cell stage, and the 8 cell stage by cleavage, and develops into a blastocyst through a morula. A blastocyst is composed of a trophectoderm and an inner cell mass inside it. In in vitro fertilization, transplantation into the uterus is usually performed from the 4-8 cell stage to the blastocyst stage. Is called.
The size of a fertilized egg immediately after fertilization is usually about 130 μm for humans, about 80 μm for mice, and about 120 to 130 μm for cows and pigs. The size of the fertilized egg at the blastocyst stage is about 1.3 to 2 times the size of the fertilized egg immediately after fertilization. This magnification varies depending on the animal species, for example, about 1.3 times for mice and about 2 times for cows.
Therefore, the width W 1 and a height of the main channel 11, the width W 2 and a height of the serpentine channel 12, respectively set, the introduction of the embryo, in order to perform the collection, etc., based on the size of the blastocyst It is preferable to do. Specifically, the width and height of the blastocyst can be moved, but the size of the blastocyst is preferably +5 μm to +50 μm.
Width W 3 of the constriction 11a in order to trap the introduced fertilized egg should be smaller than the size of the embryo at the minimum size. Here, the “size of the fertilized egg at the minimum size” is the same size as the fertilized egg immediately after fertilization, and from the time of fertilization to the initial blastocyst is the “size of the fertilized egg at the minimum size”. is there. On the other hand, if the width W 3 is too narrow, the resistance to flow of the constriction direction is increased from the intersection, the flow rate of the serpentine channel 12 becomes larger than the flow rate of the main flow path, may not be caught successfully fertilized is there. However even by decreasing the width W 3, by increasing the length) of the serpentine channel 12, increasing the resistance to flow in the downstream direction of the serpentine channel 12 from the intersection, the value of Q 1 / Q 2 Therefore, the lower limit of the width W 3 is not particularly limited. Here, the length of the meandering channel 12 is the length of the center of the channel between one of the positions where the meandering channel 12 intersects the main channel 11 and the next position where it intersects the main channel 11. .
But not limited length W 5, especially stenosis 11a, is preferably short in terms of Shoryuro space. However the length W 5 is correlated with the length of the serpentine channel 12, also increases the length of the serpentine channel 12 length W 5 becomes longer. Therefore, it is preferable to consider the value of Q 1 / Q 2 when setting the width W 3 and the length W 5 of the narrowed portion 11a.
The length W 4 of the cage area 11b in the flow direction of the culture, in order to generate the fertilized egg to the blastocyst stage, it is preferable to set the size of the blastocyst as a reference. Specifically, a fertilized egg may be any until the blastocyst length of the whole fertilized egg is accommodated in the cage area 11b, but for example, the length W 4, as long as the magnitude of the blastocyst or when slightly smaller design than is, it is possible to blastocysts reach the same size as the length W 4 is automatically pop out from the cage area 11b by the flow, to be released. From these viewpoints, the size of the blastocyst is preferably −10 μm to +50 μm. The length W a of the extension portion 11d in the flow direction of the culture, it is preferable that the radius -5μm~ + 25μm blastocyst. The length W b of semicircular portion 11e in the flow direction of the culture, it is preferable that the radius -5μm~ + 25μm blastocyst.
ケージ領域11cは、下流側が半円状の横断面を有する半円部11eとなっており、切り欠き11cは、その円弧の一端から、蛇行流路12の下流側の方向に切り込んだ形状を有する。
切り欠き11cの側壁と、蛇行流路12の側壁とがなす角度θbは、110〜160°が好ましく、120〜150°がより好ましい。
ケージ領域11cの切り欠き11cが設けられた側とは反対側の側壁、つまり蛇行流路12の上流側の側壁と、蛇行流路12の側壁とは、略垂直に合流している。ここで、略垂直とは、80〜100°の範囲内であることを意味する。ケージ領域11cの切り欠き11cとは反対側の側壁と、蛇行流路12の側壁とがなす角度θaは、80〜150°が好ましく、90〜120°がより好ましい。
The cage region 11c has a semicircular portion 11e having a semicircular cross section on the downstream side, and the notch 11c has a shape cut from one end of the arc in the downstream direction of the meandering channel 12. .
And the side wall of the notch 11c, the angle theta b formed by the side wall of the serpentine channel 12 is preferably 110 to 160 °, more preferably 120 to 150 °.
The side wall of the cage region 11c opposite to the side where the notch 11c is provided, that is, the upstream side wall of the meandering channel 12 and the side wall of the meandering channel 12 are joined substantially vertically. Here, “substantially perpendicular” means within a range of 80 to 100 °. A cutout side wall opposite to the 11c of the cage region 11c, the angle theta a formed by the side wall of the serpentine channel 12, preferably 80 to 150 °, more preferably 90 to 120 °.
上記マイクロ流路構造10に受精卵を培養液とともに導入すると、受精卵がケージ領域11bに順次捕捉され、アレイ化される。つまり、ケージ領域11bが空いている(受精卵が捕捉されていない)場合、主流路11と蛇行流路12との交差路から狭窄部11a方向への流れに対する抵抗は、蛇行流路12の下流方向への流れに対する抵抗よりも低いため、主流路11の流量が蛇行流路12の流量よりも多くなる。そのため、培養液とともに導入した受精卵が、交差路から狭窄部11a方向に移動する。狭窄部11aは、培養液は通過するが受精卵は通過しない幅で形成されているため、狭窄部11aにより受精卵がトラップされ、ケージ領域11b内に受精卵が捕捉された状態となる。ケージ領域11b内に受精卵が捕捉された状態となると、その上流の交差路から狭窄部11a方向への流れに対する抵抗が大幅に上昇するため、蛇行流路12の流量が主流路11の流量よりも多くなる。従って、次に導入された受精卵は蛇行流路12沿いに移動し、受精卵が捕捉されたケージ領域11bを迂回して、次の空いているケージ領域11bに捕捉される。
前記特許文献1では、ケージ領域11bの側壁の両方が、蛇行流路12の側壁と垂直に合流した形状とされている(特許文献1の図5参照)。しかしこのような形状のケージ領域の場合、上述したように、1つのケージ領域に複数の受精卵が捕捉されやすい。本実施形態においては、切り欠き11cが設けられていることで、1つのケージ領域11bに1つの受精卵が捕捉された良好なアレイ化が可能である。これは、受精卵が捕捉されたケージ領域11bに別の受精卵が進入してきても、蛇行流路12の流れを受けたときに切り欠き11cに沿って押し流されやすくなるので、ケージ領域11b内に停滞することなくそのまま蛇行流路12へ流れるためと考えられる。
このように、本態様の受精卵培養デバイスによれば、受精卵を培養液とともにマイクロ流路構造10に順次導入するだけで、主流路11上に設けられた複数のケージ領域11bが上流側から順次受精卵で塞がれてゆき、結果として、受精卵を良好にアレイ化することができる。
本態様の受精卵培養デバイスによれば、1つのケージ領域に1つの受精卵が捕捉されたた良好なアレイを形成できるため、複数の受精卵を個別に品質管理しながら培養でき、受精卵の培養操作を自動化するうえで有用である。
When fertilized eggs are introduced into the microchannel structure 10 together with the culture solution, the fertilized eggs are sequentially captured in the cage region 11b and arrayed. That is, when the cage region 11b is vacant (the fertilized egg is not captured), the resistance to the flow from the intersection of the main flow path 11 and the meandering flow path 12 toward the narrowed portion 11a is downstream of the meandering flow path 12. Since it is lower than the resistance to the flow in the direction, the flow rate of the main flow channel 11 is larger than the flow rate of the meandering flow channel 12. Therefore, the fertilized egg introduced together with the culture solution moves in the direction of the narrowed portion 11a from the intersection. Since the stenosis part 11a is formed with a width that allows the culture solution to pass but not the fertilized egg, the fertilized egg is trapped by the stenosis part 11a, and the fertilized egg is trapped in the cage region 11b. When the fertilized egg is captured in the cage region 11b, the resistance to the flow from the upstream crossing path toward the narrowed portion 11a is significantly increased, so that the flow rate of the meandering flow channel 12 is higher than the flow rate of the main flow channel 11. Will also increase. Therefore, the fertilized egg introduced next moves along the meandering flow path 12, bypasses the cage region 11b where the fertilized egg is captured, and is captured by the next empty cage region 11b.
In Patent Document 1, both the side walls of the cage region 11b are shaped to merge perpendicularly to the side walls of the meandering channel 12 (see FIG. 5 of Patent Document 1). However, in the case of the cage region having such a shape, as described above, a plurality of fertilized eggs are easily captured in one cage region. In the present embodiment, by providing the notches 11c, it is possible to form a good array in which one fertilized egg is captured in one cage region 11b. This is because even if another fertilized egg enters the cage region 11b in which the fertilized egg has been captured, it is likely to be pushed away along the notch 11c when receiving the flow of the meandering channel 12, so that the inside of the cage region 11b This is considered to flow to the meandering flow path 12 without stagnation.
As described above, according to the fertilized egg culturing device of this aspect, the cage regions 11b provided on the main flow path 11 are formed from the upstream side only by sequentially introducing the fertilized eggs together with the culture solution into the micro flow path structure 10. The fertilized eggs are sequentially blocked, and as a result, the fertilized eggs can be well arrayed.
According to the fertilized egg culturing device of this aspect, since a good array in which one fertilized egg is captured in one cage region can be formed, a plurality of fertilized eggs can be cultured individually while quality control is performed. This is useful for automating culture operations.
上記マイクロ流路構造10は、通常、板状の支持体の内部に設けられる。
支持体を構成する材料は特に限定されず、たとえば従来、マイクロ流路構造の形成に用いられている公知の材料のなかから目的に応じてから適宜選択できる。たとえばマイクロ流路構造10内の観察を外部から目視で行う場合、可視光を透過する透明材料が好ましい。透明材料として、たとえばポリジメチルシロキサン(以下、PDMSという)等のシリコーンゴム、アクリル、ポリスチレン等の各種樹脂材料やガラス、ゲル等が挙げられる。これらの中でも、安価で量産しやすい点から、ポリスチレン樹脂が好ましい。
透明材料以外では、シリコン、白金等の金属などが挙げられる。
本発明においては、受精卵の培養を行うことから、支持体を構成する材料が、受精卵に対して適合性を有する材料であることが好ましく、特に、デバイス外の大気中の酸素をマイクロ流路構造10内に供給できる点から、酸素透過性を有する材料(酸素透過性材料)が好ましい。酸素透過性材料としては、既知の任意の酸素透過性材料が使用可能であり、たとえば、酸素透過性コンタクトレンズなどに用いられている生体適合性の酸素透過性材料などを挙げることができる。特に、デバイス外部からマイクロ流路構造10内の培養細胞を観察できることから、酸素透過性を有する材料が、透明材料であることが好ましい。
生体適合性の酸素透過性材料として具体的には、シリコーンゴム、ゲル等が挙げられる。特に、生体適合性を有するとともに、透明性および酸素透過性を有し、さらに安価な材料であることから、PDMSが好ましい。
The microchannel structure 10 is usually provided inside a plate-like support.
The material constituting the support is not particularly limited, and can be appropriately selected from known materials conventionally used for forming a microchannel structure according to the purpose. For example, when the inside of the microchannel structure 10 is visually observed from the outside, a transparent material that transmits visible light is preferable. Examples of the transparent material include silicone rubber such as polydimethylsiloxane (hereinafter referred to as PDMS), various resin materials such as acrylic and polystyrene, glass, and gel. Among these, polystyrene resin is preferable because it is inexpensive and easily mass-produced.
Other than transparent materials, metals such as silicon and platinum can be used.
In the present invention, since the fertilized egg is cultured, the material constituting the support is preferably a material that is compatible with the fertilized egg, and in particular, oxygen in the atmosphere outside the device is micro-flowed. A material having oxygen permeability (oxygen permeable material) is preferable because it can be supplied into the path structure 10. As the oxygen permeable material, any known oxygen permeable material can be used, and examples thereof include biocompatible oxygen permeable materials used for oxygen permeable contact lenses. In particular, since the cultured cells in the microchannel structure 10 can be observed from the outside of the device, the material having oxygen permeability is preferably a transparent material.
Specific examples of the biocompatible oxygen permeable material include silicone rubber and gel. In particular, PDMS is preferable because it is biocompatible, has transparency and oxygen permeability, and is an inexpensive material.
支持体の内部にマイクロ流路構造10が形成されたデバイスは、たとえば以下の手順で製造できる。
まず、支持体の表面にマイクロ流路構造10が形成された構造体を作製する。該構造体は、従来、微小な流路構造を有するマイクロデバイスの製造に用いられている方法など、公知の微細加工法を利用して製造できる。該微細加工法としては、たとえばリソグラフィー法、エッチング法、切削、射出成型等が挙げられる。
リソグラフィー法を用いた製造方法の一例を挙げると、以下の工程(1)〜(5)を行うことにより、支持体の表面にマイクロ流路構造10が形成された構造体を作製できる。
(1)まず、基板上に、スピンコーティングによりフォトレジストを塗布してフォトレジスト層を形成する。
(2)フォトレジスト層に対し、マイクロ流路構造10に対応したパターンのマスクを介して露光し、現像することにより、フォトレジスト層をパターニングする。
(3)パターニングされたフォトレジスト層(鋳型)上に、UV硬化型または熱硬化型ポリマーのプレポリマーを塗布してプレポリマー層を形成する。
(4)プレポリマー層にUVを照射または加熱して硬化させてポリマー層とする。
(5)ポリマー層を剥離する。
このようにして得られたポリマー層(支持体)の表面には、フォトレジスト層のパターンが反転されたパターン(たとえばフォトレジスト層のパターンがラインパターンの場合はスペースパターン)で、フォトレジスト層の厚さと同じ高さ(深さ)のマイクロ流路構造10が形成されている。
このようにして得られた、支持体の表面にマイクロ流路構造10が形成された構造体に、貫通孔(マイクロ流路構造10の上流に培養液および/または受精卵を導入するためのポートとなる貫通孔、マイクロ流路構造10の下流から培養液および/または受精卵を導出するためのポートとなる貫通孔等)を形成する等の処理を行う。
支持体の内部にマイクロ流路構造10が形成されたデバイスは、たとえば、前記構造体の、マイクロ流路構造10が形成された面上に、板状の支持体(PDMSの平板やガラス板等)を接着することにより作製できる。また、前記支持体の表面にマイクロ流路構造10が形成された構造体と同様の手順で、支持体の表面に、マイクロ流路構造10のパターンが反転したパターンのマイクロ流路構造が形成された構造体を作製し、それら二つの構造体の、マイクロ流路構造が形成された面を位置合わせして貼り合わせることによっても作製できる。
A device in which the microchannel structure 10 is formed inside the support can be manufactured, for example, by the following procedure.
First, a structure in which the microchannel structure 10 is formed on the surface of the support is manufactured. The structure can be manufactured by using a known microfabrication method such as a method conventionally used for manufacturing a microdevice having a minute channel structure. Examples of the fine processing method include a lithography method, an etching method, cutting, and injection molding.
If an example of the manufacturing method using the lithography method is given, a structure in which the microchannel structure 10 is formed on the surface of the support can be produced by performing the following steps (1) to (5).
(1) First, a photoresist is applied on a substrate by spin coating to form a photoresist layer.
(2) The photoresist layer is patterned by exposing and developing the photoresist layer through a mask having a pattern corresponding to the microchannel structure 10.
(3) A prepolymer layer of UV curable or thermosetting polymer is applied on the patterned photoresist layer (template) to form a prepolymer layer.
(4) The prepolymer layer is cured by irradiating or heating UV to form a polymer layer.
(5) The polymer layer is peeled off.
The surface of the polymer layer (support) thus obtained is a pattern obtained by inverting the pattern of the photoresist layer (for example, a space pattern when the pattern of the photoresist layer is a line pattern). A microchannel structure 10 having the same height (depth) as the thickness is formed.
A through hole (a port for introducing a culture solution and / or a fertilized egg upstream of the microchannel structure 10) into the structure having the microchannel structure 10 formed on the surface of the support thus obtained. A through-hole that becomes a port for leading a culture solution and / or a fertilized egg from the downstream of the micro-channel structure 10) is performed.
The device in which the microchannel structure 10 is formed inside the support includes, for example, a plate-like support (such as a flat plate or glass plate of PDMS) on the surface of the structure on which the microchannel structure 10 is formed. ). Further, in the same procedure as the structure in which the microchannel structure 10 is formed on the surface of the support, a microchannel structure having a pattern in which the pattern of the microchannel structure 10 is reversed is formed on the surface of the support. Can also be produced by aligning and bonding the surfaces of the two structures on which the microchannel structure is formed.
<第二実施形態>
図3〜4に本発明の第二実施形態の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造20を示す。図3は、本態様の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造20の上面図であり、図4(a)はその部分拡大図であり、図4(b)は図4(a)中の位置X−X’における縦断面図である。図3〜4中の矢印は、培養液の流通方向を示す。
マイクロ流路構造20は、直線状の主流路21と、主流路21と順次交差する方形波形状の蛇行流路22とを有する。
主流路21には、培養する受精卵が通過しない幅の狭窄部21aが複数設けられて、各狭窄部21aと、その上流で主流路21に交差する蛇行流路22との間(図4(a)中の斜線部)が、受精卵を捕捉するケージ領域21bとされている。
前記ケージ領域21bの底面には、円柱状のカップ構造(凹部)22cが設けられている。
<Second embodiment>
The microchannel structure 20 with which the fertilized egg culture device of 2nd embodiment of this invention is provided in FIGS. 3-4 is shown. FIG. 3 is a top view of the microchannel structure 20 provided in the fertilized egg culture device of this embodiment, FIG. 4 (a) is a partially enlarged view thereof, and FIG. 4 (b) is a diagram in FIG. 4 (a). It is a longitudinal cross-sectional view in position XX '. The arrows in FIGS. 3 to 4 indicate the flow direction of the culture solution.
The microchannel structure 20 includes a linear main channel 21 and a rectangular wave meandering channel 22 that sequentially intersects the main channel 21.
The main flow path 21 is provided with a plurality of narrow portions 21a having a width that does not allow a fertilized egg to be cultured to pass between each narrow portion 21a and a meandering flow path 22 that intersects the main flow path 21 upstream thereof (FIG. 4 ( A hatched portion in a) is a cage region 21b for capturing a fertilized egg.
A cylindrical cup structure (concave portion) 22c is provided on the bottom surface of the cage region 21b.
主流路21の幅および高さ、蛇行流路22の幅および高さ、狭窄部21aの幅および長さ、培養液の流通方向におけるケージ領域21bの長さは、それぞれ、前記第一実施形態における主流路11の幅W1および高さ、蛇行流路12の幅W2および高さ、狭窄部11aの幅W3および長さW5、培養液の流通方向におけるケージ領域11bの長さW4と同様にして設定される。
ケージ領域21cは、下流側が半円状の横断面を有しており、カップ構造21cは、ケージ領域21bの下流側末端、つまり狭窄部21aと接する位置に設けられている。
カップ構造21cの直径D1は、培養する受精卵の最小サイズ時の大きさの1.3〜2倍程度が好ましい。また、カップ構造21cの深さD2は、培養する受精卵の最小サイズ時の大きさの1/3〜1/2倍程度が好ましい。直径D1が小さすぎると、受精卵の発生をさまたげてしまうおそれがある。また、深さD2が小さすぎると、カップ構造21cを設ける効果が充分に得られないおそれがある。直径D1または深さD2が大きすぎると、配置の際に複数個の受精卵がケージ領域に入り込んでしまう上に、培養後に胚盤胞がカップ構造21c内にはまりこみ、回収が難しくなる。ただし、直径D1はW1以下の大きさでなければならない。
The width and height of the main channel 21, the width and height of the meandering channel 22, the width and length of the constricted portion 21 a, and the length of the cage region 21 b in the culture medium flow direction are the same as in the first embodiment. The width W 1 and height of the main flow path 11, the width W 2 and height of the meandering flow path 12, the width W 3 and length W 5 of the constricted portion 11a, and the length W 4 of the cage region 11b in the culture medium flow direction It is set in the same way.
The cage region 21c has a semicircular cross section on the downstream side, and the cup structure 21c is provided at the downstream end of the cage region 21b, that is, at a position in contact with the narrowed portion 21a.
The diameter D 1 of the cup-shaped structure 21c is 1.3 to 2 times the size of preferred at the minimum size of the embryo to be cultured. The depth D 2 of the cup-shaped structure 21c is 1 / 3-1 / 2 times the size of preferred at the minimum size of the embryo to be cultured. When the diameter D 1 is too small, there is a possibility that interfere with the generation of the embryo. Further, when the depth D 2 is too small, the effect of providing a cup-shaped structure 21c might not be sufficiently obtained. If the diameter D 1 or the depth D 2 is too large, a plurality of fertilized eggs will enter the cage region at the time of placement, and the blastocyst will be trapped in the cup structure 21c after culture, making recovery difficult. . However, the diameter D 1 must be W 1 less in size.
上記マイクロ流路構造20に受精卵を培養液とともに導入すると、前記第一実施形態と同様、受精卵がケージ領域21bに順次捕捉され、アレイ化される。
前記特許文献1では、ケージ領域の底面は平滑である。しかしこのような形状のケージ部の場合、上述したように、培養時に、捕捉した受精卵の位置を保持できず、培養中に受精卵のケージ領域内での位置が変化したり、受精卵が胚盤胞まで発生する前にケージ領域からリリースされてしまうことがある。
受精卵の位置が変化する原因としてインキュベータ内圧の上昇が挙げられる。つまり、受精卵培養を行う際、環境中の二酸化炭素濃度や酸素濃度を受精卵の培養に適した条件とするためにマイクロ流体デバイスをインキュベータ内に収容し、炭酸ガスや窒素ガスを供給している。これによりインキュベータ内圧が上昇する。この内圧の上昇により、主流路で培養液の逆流が生じ、この流れによって受精卵が上流方向に移動してしまうと考えられる。
この逆流による位置の変化は、培養液の流量が多い場合はあまり問題にはならないが、低流量化するにつれて大きな問題となる。受精卵の培養を行う場合、受精卵が外乱に弱いため、発生率の向上のためには、特許文献1に記載されるようなマイクロビーズを配列する場合に比べて、流路内の液体の流量を少なくすることが望まれる。本実施形態においては、ケージ領域21bの底面にカップ構造21cが設けられていることで、低流量(たとえばマウス受精卵用の流路サイズの場合は0.1μL/分以下、ウシ受精卵用の流路サイズ(マウス受精卵用の流路サイズのほぼ倍)の場合は流量0.4μL/分以下)の場合でも、ケージ領域21bに捕捉された受精卵を、カップ構造21cの位置に安定に保持できる。したがって、本実施形態の受精卵培養デバイスは、胚盤胞に発生するまで受精卵を所定の位置に保持して品質管理を行うことができることから、受精卵の培養操作を自動化するうえで有用である。
When a fertilized egg is introduced into the microchannel structure 20 together with a culture solution, the fertilized egg is sequentially captured and arrayed in the cage region 21b as in the first embodiment.
In Patent Document 1, the bottom surface of the cage region is smooth. However, in the case of such a cage portion, as described above, the position of the captured fertilized egg cannot be maintained during the culture, and the position of the fertilized egg within the cage region changes during the culture, It may be released from the cage region before it develops to the blastocyst.
An increase in the incubator internal pressure can be cited as a cause of the change in the position of the fertilized egg. In other words, when culturing fertilized eggs, the microfluidic device is housed in an incubator and carbon dioxide gas or nitrogen gas is supplied in order to make the carbon dioxide concentration and oxygen concentration in the environment suitable for culturing fertilized eggs. Yes. As a result, the incubator internal pressure increases. This increase in internal pressure causes a back flow of the culture solution in the main channel, and this flow is thought to move the fertilized egg in the upstream direction.
The change in position due to the backflow is not a problem when the flow rate of the culture solution is large, but becomes a serious problem as the flow rate is lowered. When fertilized eggs are cultivated, the fertilized eggs are vulnerable to disturbances. Therefore, in order to improve the incidence, the liquid in the flow path is less than when microbeads are arranged as described in Patent Document 1. It is desirable to reduce the flow rate. In the present embodiment, the cup structure 21c is provided on the bottom surface of the cage region 21b, so that a low flow rate (for example, 0.1 μL / min or less in the case of a channel size for mouse fertilized eggs, Even in the case of a flow path size (approximately 0.4 μL / min or less in the case of a flow path size for mouse fertilized eggs), fertilized eggs captured in the cage region 21b can be stably placed at the position of the cup structure 21c. Can hold. Therefore, the fertilized egg culturing device of the present embodiment is useful for automating the culturing operation of fertilized eggs since it can perform quality control by holding the fertilized eggs in a predetermined position until they develop in blastocysts. is there.
さらに、カップ構造21cが設けられていることで、以下の効果も得られる。
(1)オートクライン・パラクライン効果。
(2)溶存酸素濃度の保持。
(3)共培養の容易化。
上記のうち(1)について、受精卵は、受精後着床に至るまでに、各種の成長因子の影響を受けて発生が進行している。カップ構造21cが設けられていることによって、たとえば受精卵から放出される成長因子がそのままカップ構造21c内に留まり、ケージ領域21b内の成長因子の濃度が高くなる。そのため、より生体内に近い環境で培養でき、発生効率が向上する。
(2)について、たとえばカップ構造21cの底面に、酸素消費量により蛍光強度が変わる物質を付着させておき、培養を行う。その際、カップ構造21c部分の蛍光強度を測定することで、ケージ領域21b内の溶存酸素濃度が高感度で計測できる。この計測結果に応じて、マイクロ流路構造20に供給する培養液の溶存酸素濃度を調整することで、ケージ領域21b内の溶存酸素濃度を所望の濃度に維持できる。同時に受精卵の呼吸活性の計測も可能であり、その結果を受精卵の品質の指標とすることができる。
(3)について、カップ構造21cが設けられていることによって、その底面に、共培養のための支持細胞(feeder cell)を付着させることができる。カップ構造21cの底面に子宮内膜細胞等の支持細胞を付着させて受精卵の培養(共培養)を行うと、より生体内に近い環境で培養でき、発生効率が向上する。
ここで、「共培養」は、培養細胞(本発明の場合は受精卵)と、同種または異種の動物の体細胞とを同時に培養する方法を意味する。
哺乳動物の受精卵との共培養に用いられる支持細胞は、同種の哺乳動物の体細胞あるいは組織が好ましく、具体的には、繊維芽細胞(Fibroblast)、生殖器官由来細胞(子宮内膜細胞、卵管上皮細胞など)等が挙げられる。また、これらの細胞からなる組織であってもよい。これらの中でも、卵管上皮細胞が好ましい。
支持細胞のカップ構造21c底面への付着は、たとえば、受精卵を導入する前に、予め、マイクロ流路構造20内に支持細胞を含む培養液を導入し、そのまま閉鎖状態で培養することにより実施できる。カップ構造の底面に播種された支持細胞は、流れによる悪影響、たとえばせん断応力などを受けずに良好に培養できる。
Furthermore, the following effects are also acquired by providing the cup structure 21c.
(1) Autocline / paracline effect.
(2) Maintaining dissolved oxygen concentration.
(3) Easy co-culture.
Regarding (1) among the above, the fertilized egg has been developed under the influence of various growth factors before reaching the post-fertilization implantation. By providing the cup structure 21c, for example, the growth factor released from the fertilized egg remains in the cup structure 21c as it is, and the concentration of the growth factor in the cage region 21b increases. Therefore, it can culture | cultivate in the environment nearer to a living body, and generation | occurrence | production efficiency improves.
For (2), for example, a substance whose fluorescence intensity varies depending on the amount of oxygen consumption is attached to the bottom surface of the cup structure 21c and cultured. At that time, the dissolved oxygen concentration in the cage region 21b can be measured with high sensitivity by measuring the fluorescence intensity of the cup structure 21c. By adjusting the dissolved oxygen concentration of the culture solution supplied to the microchannel structure 20 according to the measurement result, the dissolved oxygen concentration in the cage region 21b can be maintained at a desired concentration. At the same time, the respiratory activity of the fertilized egg can be measured, and the result can be used as an index of the quality of the fertilized egg.
With regard to (3), by providing the cup structure 21c, a feeder cell for co-culture can be attached to the bottom surface thereof. When supporting cells such as endometrial cells are attached to the bottom surface of the cup structure 21c and the fertilized egg is cultured (co-culture), it can be cultured in an environment closer to the living body and the generation efficiency is improved.
Here, “co-culture” means a method of simultaneously culturing cultured cells (fertilized eggs in the case of the present invention) and somatic cells of the same or different species.
The feeder cells used for co-culture with a mammalian fertilized egg are preferably mammalian somatic cells or tissues of the same species. Specifically, fibroblasts, reproductive organ-derived cells (endometrial cells, Oviduct epithelial cells, etc.). Moreover, the tissue which consists of these cells may be sufficient. Of these, oviduct epithelial cells are preferred.
The attachment of the feeder cells to the bottom surface of the cup structure 21c is performed, for example, by introducing a culture solution containing the feeder cells into the microchannel structure 20 in advance and then culturing it in a closed state before introducing the fertilized egg. it can. Supporting cells seeded on the bottom surface of the cup structure can be cultured well without being adversely affected by flow, such as shear stress.
上記マイクロ流路構造20は、通常、前記第一実施形態におけるマイクロ流路構造10と同様、板状の支持体の内部に設けられる。
支持体の内部にマイクロ流路構造20が設けられたデバイスは、前記第一実施形態のデバイスと同様の手順で作製できる。
The microchannel structure 20 is usually provided inside a plate-like support, similarly to the microchannel structure 10 in the first embodiment.
A device in which the microchannel structure 20 is provided inside the support can be manufactured in the same procedure as the device of the first embodiment.
<第三実施形態>
図5に本発明の第三実施形態の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造30を示す。図5は、本態様の受精卵培養デバイスが備えるマイクロ流路構造30の上面図である。図5中の矢印は、培養液の流通方向を示す。
マイクロ流路構造30は、直線状の主流路31と、主流路31と順次交差する方形波形状の蛇行流路32とを有する。
主流路31には、培養する受精卵が通過しない幅の狭窄部31aが複数設けられて、各狭窄部31aと、その上流で主流路31に交差する蛇行流路32との間が、受精卵を捕捉するケージ領域31bとされている。
ケージ領域31bは、蛇行流路32の下流側の側壁が切り欠かれて切り欠き31cが設けられることにより、蛇行流路32の下流方向に拡張している。以下、ケージ領域31bのうち、切り欠き31cによって幅が拡張している領域を拡張部という。
ケージ領域31b内の、拡張部よりも下流側の領域は、横断面が半円状となっている。
また、ケージ領域31bの底面には、円柱状のカップ構造(凹部)31dが設けられている。
<Third embodiment>
FIG. 5 shows a microchannel structure 30 provided in the fertilized egg culture device of the third embodiment of the present invention. FIG. 5 is a top view of the microchannel structure 30 provided in the fertilized egg culture device of this embodiment. The arrows in FIG. 5 indicate the flow direction of the culture solution.
The microchannel structure 30 includes a linear main channel 31 and a square-wave meandering channel 32 that sequentially intersects the main channel 31.
The main flow path 31 is provided with a plurality of narrowed portions 31a each having a width that does not allow a fertilized egg to be cultured to pass. Is a cage region 31b.
The cage region 31 b extends in the downstream direction of the meandering flow path 32 by providing a notch 31 c by notching the downstream side wall of the meandering flow path 32. Hereinafter, in the cage region 31b, a region whose width is expanded by the notch 31c is referred to as an expanded portion.
A region in the cage region 31b on the downstream side of the expanded portion has a semicircular cross section.
In addition, a cylindrical cup structure (concave portion) 31d is provided on the bottom surface of the cage region 31b.
本実施形態におけるマイクロ流路構造30は、さらにカップ構造31cが設けられている以外は、前記第一実施形態のマイクロ流路構造10と同様である。
カップ構造31dは、前記第二実施形態で説明したカップ構造21cと同様である。
したがって、本態様の受精卵培養デバイスによれば、受精卵を培養液とともにマイクロ流路構造30に順次導入するだけで、主流路31上に設けられた複数のケージ領域31bが上流側から順次受精卵で塞がれてゆき、結果として、受精卵を良好にアレイ化することができる。また、アレイ化された受精卵を、低流量下においても、ケージ領域31bのカップ構造31dの位置に安定に保持できる。そのため、本態様の受精卵培養デバイスは、受精卵の培養操作を自動化するうえで有用である。
さらに、前述した以下の効果も得られる。
(1)オートクライン・パラクライン効果。
(2)溶存酸素濃度の保持。
(3)共培養の容易化。
The microchannel structure 30 in the present embodiment is the same as the microchannel structure 10 of the first embodiment except that a cup structure 31c is further provided.
The cup structure 31d is the same as the cup structure 21c described in the second embodiment.
Therefore, according to the fertilized egg culturing device of this aspect, the plurality of cage regions 31b provided on the main flow path 31 are fertilized sequentially from the upstream side only by sequentially introducing the fertilized eggs together with the culture solution into the micro flow path structure 30. As a result, the fertilized eggs can be well arrayed. In addition, the fertilized eggs arranged in an array can be stably held at the position of the cup structure 31d in the cage region 31b even under a low flow rate. Therefore, the fertilized egg culturing device of this aspect is useful for automating the culturing operation of the fertilized egg.
Furthermore, the following effects described above can also be obtained.
(1) Autocline / paracline effect.
(2) Maintaining dissolved oxygen concentration.
(3) Easy co-culture.
上記マイクロ流路構造30は、通常、前記第一実施形態におけるマイクロ流路構造10と同様、板状の支持体の内部に設けられる。
支持体の内部にマイクロ流路構造30が設けられたデバイスは、前記第一実施形態のデバイスと同様の手順で作製できる。
The microchannel structure 30 is usually provided inside a plate-like support, similarly to the microchannel structure 10 in the first embodiment.
A device in which the microchannel structure 30 is provided inside the support can be manufactured in the same procedure as the device of the first embodiment.
本発明の受精卵培養デバイスは上記実施形態に限定されるものではない。
たとえば第一実施形態〜第三実施形態では、主流路11、21、31として直線状のものを示し、蛇行流路12、22、32として、主流路に垂直に交差する方形波形状のものを示したが、本発明はこれに限定されず、主流路の流量が蛇行流路の流量よりも多くなる形状の流路構造であれば効果が得られる。したがって、主流路の流量が蛇行流路の流量よりも多くなる範囲内であれば、たとえば主流路を、曲線状、折線状等としてもよく、また、蛇行流路を、曲線状、折線状、のこぎり波形状、三角波形状、正弦波形状等としてもよい。主流路の流量が蛇行流路の流量よりも多くなる形状の流路構造を設計するには、流路の高さ、幅、長さによって決定される流路抵抗を、主流路より蛇行流路の方が高くなるように設定すればよい。
前記第一実施形態および第三実施形態では、切り欠き11c、31cが直線状である例を示したが、切り欠きが曲線状であってもよい。
前記第二実施形態および第三実施形態では、カップ構造21c、31dとして円柱状のものを示したが、半球状であってもよい。
第一実施形態〜第三実施形態では、ケージ領域11b、21b、31bとして、下流側の横断面形状が半円形状であるものを示したが、半円形状以外の形状、たとえば方形状、下流側に向かって幅狭となるテーパー形状等であってもよい。
The fertilized egg culture device of the present invention is not limited to the above embodiment.
For example, in the first embodiment to the third embodiment, the main flow paths 11, 21, and 31 are linear, and the meandering flow paths 12, 22, and 32 are square wave shapes that perpendicularly intersect the main flow path. Although shown, the present invention is not limited to this, and an effect can be obtained if the flow channel structure has a shape in which the flow rate of the main flow channel is larger than the flow rate of the meandering flow channel. Therefore, as long as the flow rate of the main flow path is larger than the flow rate of the meandering flow path, for example, the main flow path may be curved, bent, or the like, and the meandering flow path is curved, bent, It is good also as a sawtooth wave shape, a triangular wave shape, a sine wave shape. In order to design a flow channel structure in which the flow rate of the main flow channel is larger than the flow rate of the meandering flow channel, the flow resistance determined by the height, width, and length of the flow channel is determined from the main flow channel. Should be set to be higher.
In the first embodiment and the third embodiment, an example in which the notches 11c and 31c are linear is shown, but the notches may be curved.
In the second embodiment and the third embodiment, the cup structures 21c and 31d are cylindrical, but may be hemispherical.
In the first embodiment to the third embodiment, the cage regions 11b, 21b, and 31b have been shown to have a semicircular cross section on the downstream side. The taper shape etc. which become narrow toward the side may be sufficient.
本発明の受精卵培養デバイスは、上述したように、受精卵の培養操作を自動化するうえで有用である。
本発明の受精卵培養装置は、本発明の受精卵培養デバイスと、送液手段と、受精卵観察手段と、インキュベータと、を備える。
受精卵を自動培養するための受精卵自動培養装置の一例として、受精卵培養デバイスと、シリンジポンプと、タイムラプス装置と、マルチガスインキュベータと、廃液タンクとを備えるものが挙げられる。該受精卵自動培養装置において、受精卵培養デバイスは、タイムラプス装置上に設置されている。受精卵培養デバイスのマイクロ流路構造の入口側ポートは送液用のシリンジポンプに、出口側ポートは廃液タンクにそれぞれ、シリコーンチューブによって接続されている。
このような受精卵自動培養装置においては、下記のようにして受精卵の配置、培養および回収が行われる。
まず、受精卵が、シリンジポンプを用いて培養液とともにマイクロ流路構造に導入し、流通させる。これにより、上述したように、受精卵が、マイクロ流路構造内の空いているケージ領域に捕捉される。この動作を繰り返すことによって、マイクロ流路構造内の複数のケージ領域に受精卵が配置(アレイ化)される。
受精卵としては、哺乳動物の受精卵であればよく、たとえばヒト、マウス、ウシ、ブタ等の受精卵が挙げられる。
受精卵を導入する前に、予め、共培養のための支持細胞を導入し、培養を行って、ケージ領域の底面等に支持細胞を付着させてもよい。
As described above, the fertilized egg culturing device of the present invention is useful for automating the culturing operation of the fertilized egg.
The fertilized egg culturing apparatus of the present invention comprises the fertilized egg culturing device of the present invention, a liquid feeding means, a fertilized egg observing means, and an incubator.
As an example of a fertilized egg automatic culture apparatus for automatically culturing a fertilized egg, an apparatus including a fertilized egg culturing device, a syringe pump, a time lapse device, a multi-gas incubator, and a waste liquid tank can be cited. In the fertilized egg automatic culture apparatus, the fertilized egg culture device is installed on a time-lapse apparatus. The inlet-side port of the micro-channel structure of the fertilized egg culture device is connected to a syringe pump for feeding liquid, and the outlet-side port is connected to a waste liquid tank by a silicone tube.
In such a fertilized egg automatic culture apparatus, the placement, culture and recovery of the fertilized egg are performed as follows.
First, a fertilized egg is introduced into a microchannel structure together with a culture solution using a syringe pump and distributed. Thereby, as above-mentioned, a fertilized egg is capture | acquired by the vacant cage area | region in a microchannel structure. By repeating this operation, fertilized eggs are arranged (arrayed) in a plurality of cage regions in the microchannel structure.
The fertilized egg may be a fertilized egg of a mammal, and examples thereof include fertilized eggs such as humans, mice, cows, and pigs.
Before introducing a fertilized egg, support cells for co-culture may be introduced in advance and cultured to attach the support cells to the bottom surface of the cage region or the like.
次に、マイクロ流路構造内に配置された受精卵を培養する。
受精卵の培養は、マイクロ流路構造に培養液を流通させながら行うことが好ましい。この場合、供給する培養液の組成(栄養成分の種類や濃度、溶存酸素濃度等)を調整することによりケージ領域の組成を調節できる。ただし本発明はこれに限定されず、培養液を流通させずに培養を行ってもよい。拡張部や凹部を設けない従来のマイクロ流路構造を用いて受精卵の培養を行う場合、培養液を流通させずに培養を行うと、主流路において逆流が生じ、受精卵をケージ領域内の所定の位置に安定に保持できず、受精卵が胚盤胞に発生していない段階でケージ領域からリリースされてしまう。培養液をある程度高い流量で流せばリリースを防止できるが、胚盤胞への発生効率への悪影響が懸念される。これに対し、前記第二実施形態に示したような、ケージ領域の底面に凹部を設けた受精卵培養デバイスの場合、培養液を流通させなくても、受精卵をケージ領域内の所定の位置に安定に保持できる。
受精卵の培養を、マイクロ流路構造に培養液を流通させながら行う場合、マイクロ流路構造に供給する培養液の流量は、受精卵の胚盤胞への発生効率の点から、マウス受精卵用流路の場合、0.5μL/分以下が好ましく、0.2μL/分以下がより好ましい。該流量の下限は特に限定されないが、受精卵をケージ領域内の所定の位置に安定に保持できる点から、マウス受精卵用流路の場合、0.2μL/分以上が好ましく、0.5μL/分以上がより好ましい。該流量はシリンジポンプ等により制御できる。
使用する培養液の組成およびその他の培養条件(培養温度、培養時間等)は、培養する受精卵に応じて適宜設定できる。
受精卵の培養は、胚盤胞へと発生するまで行うことが好ましい。
培養中の受精卵の状態(発生段階等)は、タイムラプス装置により、ケージ領域毎に個別に観察できる。タイムラプス装置のステージは、XYZ軸をコンピュータによって自動制御可能であり、培養中の各ケージ領域内の受精卵を経時的に観察することができる。そのため、胚盤胞の形態学的評価だけでなく、発生の仕方を観察して評価し、質のよい受精卵だけをマイクロデバイスから回収することができる。質のよい受精卵を母胎に移植することで受胎率の向上が期待できる。
なお、ここではケージ領域毎の観察を、タイムラプス装置を用いて行う例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的な光学顕微鏡や動画撮影装置等を用いて行ってもよい。
Next, the fertilized egg arranged in the microchannel structure is cultured.
It is preferable to culture the fertilized egg while circulating the culture solution through the microchannel structure. In this case, the composition of the cage region can be adjusted by adjusting the composition of the supplied culture solution (type and concentration of nutrient components, dissolved oxygen concentration, etc.). However, this invention is not limited to this, You may culture | cultivate, without distribute | circulating a culture solution. When fertilized eggs are cultured using a conventional microchannel structure that does not have an extension or recess, if the culture is performed without circulating the culture solution, backflow occurs in the main channel, and the fertilized eggs are placed in the cage region. It cannot be stably held in place, and the fertilized egg is released from the cage region when it has not developed in the blastocyst. Although the release can be prevented by flowing the culture solution at a certain high flow rate, there is a concern that the development efficiency to the blastocyst may be adversely affected. On the other hand, in the case of a fertilized egg culturing device in which a recess is provided on the bottom surface of the cage region as shown in the second embodiment, the fertilized egg is placed in a predetermined position in the cage region without circulating the culture solution. Can be held stably.
When culturing fertilized eggs while circulating the culture medium through the microchannel structure, the flow rate of the culture solution supplied to the microchannel structure is determined from the point of efficiency of the fertilized egg blastocyst development. In the case of a use channel, 0.5 μL / min or less is preferable, and 0.2 μL / min or less is more preferable. The lower limit of the flow rate is not particularly limited, but is preferably 0.2 μL / min or more in the case of a mouse fertilized egg flow path from the viewpoint that the fertilized egg can be stably held at a predetermined position in the cage region. More than minutes are more preferable. The flow rate can be controlled by a syringe pump or the like.
The composition of the culture solution to be used and other culture conditions (culture temperature, culture time, etc.) can be appropriately set according to the fertilized egg to be cultured.
Fertilized eggs are preferably cultured until they develop into blastocysts.
The state of the fertilized egg during development (development stage, etc.) can be individually observed for each cage region by a time lapse apparatus. The stage of the time lapse apparatus can automatically control the XYZ axes by a computer, and can observe a fertilized egg in each cage region in culture over time. Therefore, not only the morphological evaluation of blastocysts but also the way of development can be observed and evaluated, and only high-quality fertilized eggs can be recovered from the microdevice. Improving the conception rate can be expected by transplanting high-quality fertilized eggs into the womb.
Here, an example in which observation for each cage region is performed using a time lapse device has been shown, but the present invention is not limited to this, and is performed using a general optical microscope, a moving image photographing device, or the like. Also good.
マイクロ流路構造内の受精卵の回収は、たとえば、回収対象の受精卵が捕捉されているケージ領域の下流の狭窄部に気泡を発生させる気泡発生手段を設け、該気泡発生手段により狭窄部に気泡を発生させることにより実施できる。気泡発生手段としては、電極、レーザー等が挙げられる。たとえばケージ領域の下流側の狭窄部に電極(白金電極等)を設置し、該電極に電圧を印可すると、気泡が発生、成長する。これによって、狭窄部からケージ領域方向に圧力がかかる。この圧力によって受精卵がケージ領域から押し出され、蛇行流路にリリースされる。リリースされた受精卵は、デバイスの出口側ポートから回収される。 For collection of fertilized eggs in the microchannel structure, for example, bubble generating means for generating bubbles is provided in the narrowed portion downstream of the cage region where the fertilized eggs to be collected are captured, and the bubble generating means provides This can be done by generating bubbles. Examples of the bubble generating means include an electrode and a laser. For example, when an electrode (platinum electrode or the like) is installed in a narrowed portion on the downstream side of the cage region and a voltage is applied to the electrode, bubbles are generated and grow. As a result, pressure is applied from the constriction to the cage region. This pressure pushes the fertilized egg out of the cage area and releases it into the serpentine channel. The released fertilized egg is collected from the outlet port of the device.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。ただし本発明は本実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
表面に、図1〜2に示す構成のマイクロ流路構造10を有するPDMS製のマイクロ流体デバイスを以下の手順で製造した。
(1)シリコン基板をピラナ−溶液(硫酸:過酸化水素水=2:1)とバッファードフッ酸(BHF)で洗浄した。
(2)ネガティブフォトレジストSU−8 2075(MicroChem社製)を、洗浄したシリコン基板上に、膜厚が120μmとなるようにスピンコートし、加熱して硬化(プリベイク処理)させた。
(3)流路形状が描画されているガラスフォトマスクでSU−8表面をマスキングし、UVを照射した。
(4)ポストベイク後、SU−8用現像液にシリコン基板ごと浸して現像した。この時、マスキングによってUVが照射されなかったところのSU−8が除去された。これによりマイクロ流路構造の凸型がシリコン基盤に製作できた。
(5)現像後、イソプロパノールと純水によってシリコン基板(以下,モールドマスタ)を洗浄した。
(6)PDMSをモールドマスタから離型しやすくするために、リアクティブイオンエッチング(RIE)装置を用いてモールドマスタ表面にトリフロロカーボンをコーティングした。
(7)未重合のPDMSと硬化剤を重量比10:1で撹拌し、適量をモールドマスタに流し込み、75度で2時間半加熱することで硬化させた。
(8)硬化したPDMSをモールドマスタから離型した。離型したPDMS(以下、PDMSチップ)の表面には凹構造が転写されていた。
(9)トレパンを用いてPDMSチップ流路の上流側(入口)ポート、下流側(出口)ポート、及び受精卵導入ポートに当たる部位に貫通孔をあけた。
(10)上記PDMSチップの流路構造面とPDMS製の平板、もしくはガラス板をRIE装置を用いた酸素プラズマボンディング法によって接合することで、上記マイクロ流路構造10を有するマイクロ流体デバイスが得られた。
得られたPDMS製のマイクロ流体デバイスにおけるマイクロ流路構造10の寸法は以下のとおりであった。
主流路11の幅W1=120μm、高さ=120μm。
蛇行流路12の幅W2=120μm、高さ=120μm、長さ1060μm。なお、蛇行流路12の長さは、上述したように、蛇行流路12が主流路11に交差する位置の1つと、その次に主流路11に交差する位置との間の流路中央の長さである。
狭窄部11aの幅W3=40μm、高さ=120μm、長さW5=30μm。
培養液の流通方向におけるケージ領域11bの長さW4=110μm、拡張部11dの長さWa=50μm、半円部11eの長さWb=60μm。
切り欠き11cの側壁と蛇行流路12の側壁とがなす角度θb=135°。
ケージ領域11cの切り欠き11cとは反対側の側壁と、蛇行流路12の側壁とがなす角度θa=90°。
また、このマイクロ流体デバイスをデジタルカメラにより撮影した。その写真を図6に示す。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the present invention is not limited to this embodiment.
<Example 1>
A PDMS microfluidic device having the microchannel structure 10 having the configuration shown in FIGS. 1 and 2 on the surface was manufactured by the following procedure.
(1) The silicon substrate was washed with a pyrana solution (sulfuric acid: hydrogen peroxide solution = 2: 1) and buffered hydrofluoric acid (BHF).
(2) A negative photoresist SU-8 2075 (manufactured by MicroChem) was spin-coated on a cleaned silicon substrate so as to have a film thickness of 120 μm, and heated to be cured (prebaked).
(3) The SU-8 surface was masked with a glass photomask on which the channel shape was drawn, and UV was irradiated.
(4) After the post-baking, the silicon substrate was immersed in the SU-8 developer and developed. At this time, SU-8 which was not irradiated with UV by masking was removed. As a result, the convex shape of the microchannel structure could be manufactured on the silicon substrate.
(5) After development, the silicon substrate (hereinafter, mold master) was washed with isopropanol and pure water.
(6) In order to easily release the PDMS from the mold master, the surface of the mold master was coated with trifluorocarbon using a reactive ion etching (RIE) apparatus.
(7) Unpolymerized PDMS and a curing agent were stirred at a weight ratio of 10: 1, poured into a mold master, and cured by heating at 75 degrees for 2 and a half hours.
(8) The cured PDMS was released from the mold master. A concave structure was transferred on the surface of the released PDMS (hereinafter referred to as PDMS chip).
(9) Using a trepan, a through hole was made in a portion corresponding to the upstream (inlet) port, the downstream (exit) port, and the fertilized egg introduction port of the PDMS chip channel.
(10) A microfluidic device having the microchannel structure 10 is obtained by bonding the PDMS chip channel structure surface and a PDMS flat plate or glass plate by an oxygen plasma bonding method using an RIE apparatus. It was.
The dimensions of the microchannel structure 10 in the obtained PDMS microfluidic device were as follows.
The width W 1 of the main flow path 11 is 120 μm, and the height is 120 μm.
The meandering channel 12 has a width W 2 = 120 μm, a height = 120 μm, and a length of 1060 μm. The length of the meandering channel 12 is the center of the channel between one of the positions where the meandering channel 12 intersects the main channel 11 and the next position where it intersects the main channel 11 as described above. Length.
The width W 3 = 40 μm, height = 120 μm, and length W 5 = 30 μm of the constricted portion 11a.
The length W 4 = 110 μm of the cage region 11b in the flow direction of the culture solution, the length W a = 50 μm of the expansion portion 11d, and the length W b = 60 μm of the semicircular portion 11e.
An angle θ b = 135 ° formed by the side wall of the notch 11 c and the side wall of the meandering flow path 12.
An angle θ a = 90 ° formed by the side wall of the cage region 11 c opposite to the notch 11 c and the side wall of the meandering channel 12.
The microfluidic device was photographed with a digital camera. The photograph is shown in FIG.
<実施例2>
表面に、図3〜4に示す構成のマイクロ流路構造20を有するPDMS製のマイクロ流体デバイスを、前記実施例1において基本的手順(2)〜(5)を2回行うことで製造した。具体的な手順は以下の通りである。
(1’)前記実施例1の手順(1)〜(5)によりマイクロ流路構造の凸型を製作した。
(2’)カップ構造を製作するために、前記実施例1の手順(2)に戻り、膜厚が40μmとなるようにSU−8 2050をスピンコートした。前記実施例1の手順(3)でカップ構造が描画されているガラスフォトマスクでSU−8表面をマスキングし、UVを照射した。この時、流路のケージ領域にカップ構造を製作するようにアライメント(位置合わせ)を行った。
(3’)以降は前記実施例1の(4)〜(10)と同様の手順でマイクロ流体デバイスを製作した。
得られたPDMS製のマイクロ流体デバイスにおけるマイクロ流路構造20の寸法は以下のとおりであった。
主流路21の幅W1=120μm、高さ=120μm。
蛇行流路22の幅W2=120μm、高さ=120μm、長さ1060μm。
狭窄部21aの幅W3=40μm、高さ=120μm、長さW5=30μm。
ケージ領域21bの長さW4=110μm。
ケージ領域21bの側壁と、蛇行流路12の側壁とがなす角度=90°。
カップ構造21cの直径D1=100μm、深さD2=40μm。
また、該PDMS製のマイクロ流体デバイスのマイクロ流路構造20の一部を倒立顕微鏡とデジタルカメラを用いて撮影した。その写真を図7に示す。
<Example 2>
A PDMS microfluidic device having the microchannel structure 20 having the configuration shown in FIGS. 3 to 4 on the surface was produced by performing the basic procedures (2) to (5) twice in Example 1. The specific procedure is as follows.
(1 ′) A convex shape having a micro-channel structure was manufactured by the procedures (1) to (5) in Example 1.
(2 ′) In order to fabricate the cup structure, the procedure was returned to the procedure (2) of Example 1, and SU-8 2050 was spin-coated so that the film thickness was 40 μm. The surface of SU-8 was masked with the glass photomask on which the cup structure was drawn in the procedure (3) of Example 1 and irradiated with UV. At this time, alignment (positioning) was performed so as to produce a cup structure in the cage region of the flow path.
After (3 ′), a microfluidic device was manufactured in the same procedure as (4) to (10) in Example 1.
The dimensions of the microchannel structure 20 in the obtained PDMS microfluidic device were as follows.
The width W 1 of the main channel 21 is 120 μm and the height is 120 μm.
The width W 2 of the meandering channel 22 is 120 μm, the height is 120 μm, and the length is 1060 μm.
The width W 3 = 40 μm, height = 120 μm, and length W 5 = 30 μm of the constricted portion 21a.
The length W 4 of the cage region 21b is 110 μm.
Angle formed by the side wall of the cage region 21b and the side wall of the meandering channel 12 = 90 °.
The diameter D 1 = 100 μm and the depth D 2 = 40 μm of the cup structure 21c.
A part of the microchannel structure 20 of the PDMS microfluidic device was photographed using an inverted microscope and a digital camera. The photograph is shown in FIG.
<実施例3>
表面に図5に示す構成のマイクロ流路構造30を有するPDMS製のマイクロ流体デバイスを、前記実施例2においてガラスフォトマスクを、流路構造に切り欠きがあるデザインのものに変更した以外は同様の手順で製造した。
得られたPDMS製のマイクロ流体デバイスにおけるマイクロ流路構造30の寸法は以下のとおりであった。
主流路31の幅W1=120μm、高さ=120μm。
蛇行流路32の幅W2=120μm、高さ=120μm、長さ1060μm。
狭窄部31aの幅W3=40μm、高さ=120μm、長さW5=30μm。
ケージ領域31bの長さW4=110μm。
培養液の流通方向におけるケージ領域31bの長さW4=110μm、拡張部の長さWa=50μm、半円部の長さWb=60μm。
切り欠き31cの側壁と蛇行流路32の側壁とがなす角度θb=135°。
ケージ領域31cの切り欠き31cとは反対側の側壁と、蛇行流路32の側壁とがなす角度θa=90°。
カップ構造31dの直径D1=100μm、深さD2=40μm。
また、該PDMS製のマイクロ流体デバイスのマイクロ流路構造30の一部を倒立顕微鏡とデジタルカメラを用いて撮影した。その写真を図8に示す。
<Example 3>
5 except that the PDMS microfluidic device having the microchannel structure 30 having the structure shown in FIG. 5 on the surface is changed to a glass photomask having a notch in the channel structure in Example 2. It was manufactured according to the procedure.
The dimensions of the microchannel structure 30 in the obtained PDMS microfluidic device were as follows.
The width W 1 of the main flow path 31 is 120 μm and the height is 120 μm.
The width W 2 of the meandering channel 32 is 120 μm, the height is 120 μm, and the length is 1060 μm.
The width W 3 = 40 μm, the height = 120 μm, and the length W 5 = 30 μm of the narrowed portion 31a.
The length W 4 of the cage region 31b is 110 μm.
The length W 4 = 110 μm of the cage region 31 b in the flow direction of the culture solution, the length W a = 50 μm of the extended portion, and the length W b = 60 μm of the semicircular portion.
An angle θ b = 135 ° formed by the side wall of the notch 31c and the side wall of the meandering flow path 32.
An angle θ a = 90 ° formed by the side wall of the cage region 31c opposite to the notch 31c and the side wall of the meandering channel 32.
The diameter D 1 = 100 μm and the depth D 2 = 40 μm of the cup structure 31d.
A part of the microchannel structure 30 of the PDMS microfluidic device was photographed using an inverted microscope and a digital camera. The photograph is shown in FIG.
<比較例1>
切り欠き11cを有さない以外はマイクロ流路構造10と同様の構成のマイクロ流路構造を表面に有するPDMS製のマイクロ流体デバイスを、用いるガラスフォトマスクを変更した以外は前記製造例1と同様の手順で製造した。
得られたPDMS製のマイクロ流体デバイスにおけるマイクロ流路構造の寸法は以下のとおりであった。
主流路11の幅W1=120μm、高さ=120μm。
蛇行流路12の幅W2=120μm、高さ=120μm、長さ1060μm。
狭窄部11aの幅W3=40μm、高さ=120μm、長さW5=30μm。
ケージ領域11bの長さW4=110μm。
ケージ領域11bの側壁と、蛇行流路12の側壁とがなす角度=90°。
また、該PDMS製のマイクロ流体デバイスのマイクロ流路構造部分を倒立顕微鏡とデジタルカメラを用いて撮影した。その写真を図9に示す。
<Comparative Example 1>
A PDMS microfluidic device having a microchannel structure having the same configuration as that of the microchannel structure 10 except that the notch 11c is not provided, and the same as in Production Example 1 except that the glass photomask used is changed. It was manufactured according to the procedure.
The dimensions of the microchannel structure in the obtained PDMS microfluidic device were as follows.
The width W 1 of the main flow path 11 is 120 μm, and the height is 120 μm.
The meandering channel 12 has a width W 2 = 120 μm, a height = 120 μm, and a length of 1060 μm.
The width W 3 = 40 μm, height = 120 μm, and length W 5 = 30 μm of the constricted portion 11a.
The length W 4 of the cage region 11b is 110 μm.
Angle formed by the side wall of the cage region 11b and the side wall of the meandering flow path 12 = 90 °.
Further, the microchannel structure portion of the PDMS microfluidic device was photographed using an inverted microscope and a digital camera. The photograph is shown in FIG.
<試験例1>
実施例1〜3、比較例1で作製したマイクロ流体デバイスのマイクロ流路構造の入口側ポートを送液用のシリンジポンプに、出口側ポートを廃液タンクにそれぞれ、シリコーンチューブによって接続した。その後、該マイクロ流体デバイスを、タイムラプス装置上に設置した。
まず、シリンジポンプを用いて、マイクロ流路構造の入口側ポート側から、培養液を導入して、マイクロ流路構造内を培養液で満たした。次いで、受精卵導入ポート(入口側ポートの下流側すぐに設置されているポート。マイクロ流路構造よりも上流側。)からマウス受精卵を導入した。このとき、マイクロ流路構造内における受精卵の配置操作は、倒立顕微鏡とデジタルビデオカメラを用いて経時的に観察した。マウス受精卵は13週齢の雌BDF1と雄ICRを用い、Toyodaらが提案した体外受精手法によって用意したもので、導入時の直径は約80μmであった。培養液は、流量1.0μL/分にて送液した。
なお、各デバイスにおける、主流路および蛇行流路の体積流量比Q1/Q2は約2.5であった。
<Test Example 1>
The inlet port of the microchannel structure of the microfluidic device manufactured in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 was connected to a syringe pump for liquid feeding, and the outlet port was connected to a waste liquid tank by a silicone tube. Thereafter, the microfluidic device was placed on a time lapse apparatus.
First, using a syringe pump, the culture solution was introduced from the inlet side port side of the microchannel structure, and the inside of the microchannel structure was filled with the culture solution. Next, a mouse fertilized egg was introduced from a fertilized egg introduction port (a port installed immediately downstream of the inlet side port; upstream of the microchannel structure). At this time, the placement operation of the fertilized egg in the microchannel structure was observed over time using an inverted microscope and a digital video camera. Mouse fertilized eggs were prepared by in vitro fertilization method proposed by Toyoda et al. Using 13-week-old female BDF1 and male ICR, and the diameter at the time of introduction was about 80 μm. The culture solution was fed at a flow rate of 1.0 μL / min.
In each device, the volume flow ratio Q 1 / Q 2 of the main flow path and the meandering flow path was about 2.5.
その結果、比較例1で得たマイクロ流体デバイスを用いた例では、図10(a)に示すように、複数の受精卵が捕捉されたケージ領域が多数確認された。また、図10(b)に示すように、ケージ領域に引っかかってしまった受精卵が流路をふさいでしまうケースも確認された。
これに対し、実施例1、3で得たマイクロ流体デバイスを用いた例では、マイクロ流路構造のケージ領域に順次受精卵が捕捉されていった。また、各ケージ領域に捕捉された受精卵はそれぞれ1個であった。実施例1、3で得たマイクロ流体デバイスを用いた例で受精卵がケージ領域に捕捉されている状態をそれぞれ図11、12に示す。
実施例2で得たマイクロ流体デバイスを用いた例では、マイクロ流路構造のケージ領域に順次受精卵が捕捉されていった。しかし、図13に示すように、2〜3個の受精卵が捕捉されたケージ領域がわずかに存在していた。
As a result, in the example using the microfluidic device obtained in Comparative Example 1, many cage regions where a plurality of fertilized eggs were captured were confirmed as shown in FIG. Moreover, as shown in FIG.10 (b), the case where the fertilized egg which was caught in the cage area obstruct | occluded the flow path was also confirmed.
In contrast, in the example using the microfluidic device obtained in Examples 1 and 3, fertilized eggs were sequentially captured in the cage region of the microchannel structure. Each fertilized egg was captured in each cage region. FIGS. 11 and 12 show the state where the fertilized egg is captured in the cage region in the example using the microfluidic device obtained in Examples 1 and 3, respectively.
In the example using the microfluidic device obtained in Example 2, the fertilized eggs were sequentially captured in the cage region of the microchannel structure. However, as shown in FIG. 13, there was a slight cage region in which 2 to 3 fertilized eggs were captured.
<試験例2>
カップ構造による受精卵保持位置の安定化効果を以下の手順で評価した。
上記試験例1において、受精卵の導入を開始した時点から72時間後まで、特定のケージ領域をタイプラプス装置によって定点観測し、捕捉された受精卵の位置の安定性を評価した。
その結果、比較例1のマイクロ流体デバイスを用いた例では、受精卵を導入(培養液を流量1.0μL/分で送液)してアレイ化した後、流量0.1μL/分で培養液を送液し続けたものの、実験開始した時点から72時間の間に幾度となくケージ領域からリリースされて戻ってくるという動作を繰り返し、最終的には、ケージ領域からほとんどの受精卵が消失していた。
これに対し、実施例2、3で得たマイクロ流体デバイスを用いた例では、受精卵を導入(培養液を流量1.0μL/分で送液)してアレイ化した後、流量0.1μL/分で培養液を送液し続けた場合はもちろん、培養液の送液を行わなく(流量0)とも、開始した時点から72時間後において、カップ構造の位置に受精卵が保持されていた。
<Test Example 2>
The effect of stabilizing the fertilized egg holding position by the cup structure was evaluated by the following procedure.
In Test Example 1 above, from the time when introduction of the fertilized egg was started to 72 hours later, a specific cage region was observed at a fixed point by a type lapse apparatus, and the stability of the position of the captured fertilized egg was evaluated.
As a result, in the example using the microfluidic device of Comparative Example 1, after fertilized eggs were introduced (culture medium was fed at a flow rate of 1.0 μL / min) and arrayed, the culture solution was flowed at a flow rate of 0.1 μL / min. However, most of the fertilized eggs disappeared from the cage area in the end until 72 hours after the start of the experiment. It was.
On the other hand, in the example using the microfluidic device obtained in Examples 2 and 3, after fertilized eggs were introduced (culture solution was fed at a flow rate of 1.0 μL / min) and arrayed, the flow rate was 0.1 μL. Of course, the fertilized egg was held at the position of the cup structure 72 hours after the start even when the culture solution was continuously fed at a rate of 1 min / min, even without feeding the culture solution (flow rate 0). .
10…マイクロ流路構造、11…主流路、11a…狭窄部、11b…ケージ領域、11c…切り欠き、11d…拡張部、11e…半円部、12…蛇行流路、20…マイクロ流路構造、21…主流路、21a…狭窄部、21b…ケージ領域、21c…カップ構造(凹部)、22…蛇行流路、30…マイクロ流路構造、31…主流路、31a…狭窄部、31b…ケージ領域、31c…切り欠き、31d…カップ構造(凹部)、32…蛇行流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microchannel structure, 11 ... Main channel, 11a ... Narrow part, 11b ... Cage area | region, 11c ... Notch, 11d ... Expansion part, 11e ... Semicircle part, 12 ... Serpentine channel, 20 ... Microchannel structure 21 ... main flow path, 21a ... constriction, 21b ... cage region, 21c ... cup structure (concave), 22 ... serpentine flow path, 30 ... micro flow path structure, 31 ... main flow path, 31a ... constriction, 31b ... cage Area, 31c ... notch, 31d ... cup structure (recessed part), 32 ... meandering channel
Claims (8)
前記マイクロ流路構造は、主流路と、前記主流路と順次交差する蛇行流路とを有し、
前記主流路には、前記受精卵が通過しない幅の狭窄部が設けられて、前記狭窄部と、その上流で前記主流路に交差する蛇行流路との間が前記受精卵を捕捉するケージ領域とされており、
前記ケージ領域は、前記蛇行流路の下流側の側壁が切り欠かれて前記蛇行流路の下流方向に拡張している受精卵培養デバイス。 Provided with a micro-channel structure through which mammalian fertilized eggs and culture fluid circulate,
The microchannel structure has a main channel and a meandering channel that sequentially intersects the main channel,
The main flow path is provided with a narrowed portion having a width through which the fertilized egg does not pass, and a cage region that captures the fertilized egg between the narrowed portion and a meandering flow channel that intersects the main flow channel upstream of the narrowed portion. And
The cage region is a fertilized egg culturing device in which a side wall on the downstream side of the meandering channel is notched and expanded in the downstream direction of the meandering channel.
前記マイクロ流路構造は、主流路と、前記主流路と順次交差する蛇行流路とを有し、
前記主流路には、前記受精卵が通過しない幅の狭窄部が設けられて、前記狭窄部と、その上流で前記主流路に交差する蛇行流路との間が前記受精卵を捕捉するケージ領域とされており、
前記ケージ領域の底面に凹部が設けられている受精卵培養デバイス。 Provided with a micro-channel structure through which mammalian fertilized eggs and culture fluid circulate,
The microchannel structure has a main channel and a meandering channel that sequentially intersects the main channel,
The main flow path is provided with a narrowed portion having a width through which the fertilized egg does not pass, and a cage region that captures the fertilized egg between the narrowed portion and a meandering flow channel that intersects the main flow channel upstream of the narrowed portion. And
A fertilized egg culturing device in which a recess is provided on the bottom surface of the cage region.
前記マイクロ流路構造に前記受精卵を培養液とともに流通させることにより前記ケージ領域に前記受精卵を配置する工程と、前記マイクロ流路構造に培養液を流通させながら前記受精卵を培養する工程と、を有する培養方法。 A method for culturing a mammalian fertilized egg using the fertilized egg culturing device according to any one of claims 1 to 5,
Disposing the fertilized egg in the cage region by circulating the fertilized egg together with a culture solution in the microchannel structure; and culturing the fertilized egg while circulating the culture solution in the microchannel structure; A culture method comprising:
前記マイクロ流路構造に前記受精卵を培養液とともに流通させることにより前記ケージ領域に前記受精卵を配置する工程と、前記マイクロ流路構造に培養液を流通させずに前記受精卵を培養する工程と、を有する培養方法。 A method for culturing a mammalian fertilized egg using the fertilized egg culturing device according to claim 2, 3 or 5,
Arranging the fertilized egg in the cage region by circulating the fertilized egg together with a culture solution in the microchannel structure, and culturing the fertilized egg without circulating the culture solution in the microchannel structure And a culture method.
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