JP2020028270A - Cell migration assay device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は細胞アッセイデバイスに関する。本発明は特に、細胞遊走をアッセイするためのデバイスに関する。 The present invention relates to a cell assay device. The invention particularly relates to devices for assaying cell migration.
細胞遊走とは、細胞が化学物質(ケモカイン等の化学誘引物質)の濃度勾配に従って移動する、或いは細胞外マトリックスを分解しながら移動する現象の総称である。これらの現象は、免疫反応やがんの転移などに関わっている。 Cell migration is a general term for a phenomenon in which cells move according to a concentration gradient of a chemical substance (a chemoattractant such as a chemokine) or move while decomposing an extracellular matrix. These phenomena are involved in immune reactions and cancer metastasis.
例えば、炎症状態の皮膚組織においては、間質に存在するマクロファージがサイトカインおよびケモカインを分泌して、サイトカインが血管透過性の亢進を引き起こすとともに、ケモカインが血管から間質への好中球の遊走を誘導し、炎症が促進される。また、がん細胞はケモカイン受容体を細胞表面に発現し、このがん細胞がケモカインに誘引されながら血管外に遊走することによって、他組織への浸潤、そして転移巣の形成へとつながることとなり得る。 For example, in inflammatory skin tissue, macrophages present in the interstitium secrete cytokines and chemokines, which increase vascular permeability, and chemokines cause neutrophils to migrate from blood vessels to the stroma. Induces and promotes inflammation. In addition, cancer cells express chemokine receptors on the cell surface, and these cancer cells are attracted by chemokines to migrate out of blood vessels, leading to invasion of other tissues and formation of metastatic foci. obtain.
細胞遊走を実験的に評価するための系として、基板上での遊走を見る2D Gap Closureアッセイ、および多孔膜を通過する遊走を見るBoyden Chamberアッセイなどが知られている。しかしながらこれらのアッセイは、数mLの液量を含む大きなアッセイ容器中で細胞の遊走がアッセイされるという点で、現実の血管組織等からの乖離が大きい。また、リアルタイムで細胞遊走を観察するのではなくエンドポイントにおいて遊走結果を評価するに過ぎないという欠点もある。 As a system for experimentally evaluating cell migration, a 2D Gap Closure assay for observing migration on a substrate and a Boyden Chamber assay for observing migration through a porous membrane are known. However, these assays have a large deviation from actual vascular tissue and the like in that migration of cells is assayed in a large assay container containing a volume of several mL. In addition, there is a disadvantage that the migration result is only evaluated at the endpoint instead of observing the cell migration in real time.
2000年頃からは、微細加工で作製したマイクロ流路を細胞遊走の分析場とする系が報告され始めた(例えば非特許文献1)。マイクロ流路を用いることで、微小量の試薬・細胞を用いた分析や、複雑な濃度勾配下での分析などが可能となり、また、リアルタイムでの観察も可能になった。 From around 2000, a system began to be reported using a microchannel produced by microfabrication as an analysis site for cell migration (for example, Non-Patent Document 1). The use of a microchannel enables analysis using a small amount of reagents and cells, analysis under a complicated concentration gradient, and also enables real-time observation.
非特許文献1に例示される、従来の細胞遊走分析用マイクロ流体デバイスは、フォトリソグラフィー技術によって作製されていた。すなわち、シリコン基板にフォトレジストを塗布し、次にフォトマスクを被せて紫外線露光を行って現像することによって鋳型を形成し、この鋳型にポリジメチルシロキサン(PDMS)のプレポリマーを流し込んで硬化させ、型取りされて硬化したPDMSを鋳型から外して、流路型を有する面を平坦なガラス基板と対面させて接合させることによって、マイクロ流路が作製されていた。フォトマスクの設計により、多数の四角いカラム状構造を、互いに3〜15μmほどの狭い間隔で、流路中央を縦断するように一列に並べて形成することにより、細胞が通り抜けられる間隙を有する疑似血管壁が形成された。すなわち、流路の一方の側は疑似間質であって化学誘引物質で充填され、上記カラム列を隔てた流路のもう一方の側は疑似血管内腔であって細胞が流される。 The conventional microfluidic device for cell migration analysis exemplified in Non-Patent Document 1 has been manufactured by photolithography technology. That is, a photoresist is applied to a silicon substrate, and then covered with a photomask, exposed to ultraviolet light, and developed to form a mold. A prepolymer of polydimethylsiloxane (PDMS) is poured into the mold and cured. A microchannel has been produced by removing the mold-molded and cured PDMS from the mold and bonding the surface having the channel mold to a flat glass substrate. A pseudo-vascular wall having a gap through which cells can be formed by forming a large number of square column-shaped structures in a row so as to traverse the center of the flow channel at a narrow interval of about 3 to 15 μm by the design of a photomask. Was formed. That is, one side of the flow path is a pseudo-interstitial and is filled with a chemoattractant, and the other side of the flow path separating the column rows is a pseudo-vessel lumen through which cells flow.
フォトリソグラフィー技術による細胞遊走分析用マイクロ流体デバイスの作製は、現実の組織を模倣した精密な流路構造を作ることができるが、クリーンルーム設備やマスクアライナーなどの高価で大掛かりな装置を必要とし、また、フォトレジスト等の高額な消耗品も用いる必要がある。細胞遊走の生物学的実験を主眼とする生物学系の研究者にとっては、そのような高額で専門性の高い工学的設備・備品を入手あるいは利用することは容易でないという現状がある。 Fabrication of microfluidic devices for cell migration analysis by photolithography technology can create a precise channel structure that mimics real tissue, but requires expensive and large-scale equipment such as clean room equipment and mask aligners. It is also necessary to use expensive consumables such as photoresist and the like. At present, it is not easy for biological researchers focusing on biological experiments of cell migration to obtain or use such expensive and highly specialized engineering equipment and supplies.
本発明者は、シリコーンゴムの基板に人工の多孔膜を組み込んだマイクロ流体デバイスを利用することにより、フォトリソグラフィーを用いることなくきわめて安価かつ簡便に、生体内環境を模倣した細胞遊走アッセイを行えることを見出し、本発明を完成するに至った。 By using a microfluidic device in which an artificial porous membrane is incorporated in a silicone rubber substrate, the present inventor can perform a cell migration assay that mimics the in vivo environment extremely simply and without using photolithography. And completed the present invention.
本発明は以下の実施形態を含む。
[1]
多孔膜が組み込まれたシリコーンゴムの基板内に、遊走性細胞が導入された第1の流路および化学誘引物質が導入された第2の流路を有し、前記第1の流路と前記第2の流路とが少なくとも1つの多孔膜によって隔てられている、細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイス。
[2]
前記多孔膜のうちの少なくとも1つは、前記基板内で水平面に対して45°〜90°の角度で形成された切込みに挿入されることによって前記基板内に組み込まれている、[1]に記載の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイス。
[3]
前記多孔膜のうちの少なくとも1つの平均孔径が3〜15μmである、[1]または[2]に記載の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイス。
[4]
前記第1の流路と前記第2の流路との間に配置された第3の流路をさらに含み、前記第1の流路と前記第3の流路とが第1の多孔膜によって隔てられ、前記第2の流路と前記第3の流路とが第2の多孔膜によって隔てられている、[1]〜[3]のいずれかに記載の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイス。
[5]
前記シリコーンゴムはポリジメチルシロキサンを含む、[1]〜[4]のいずれかに記載の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイス。
[6]
[1]〜[5]のいずれかに記載の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスの前記第1の流路に導入された細胞が前記多孔膜のうちの少なくとも1つを透過する細胞遊走を試験することを含み、前記細胞遊走は、前記第2の流路に導入された化学誘引物質の存在に依存する細胞遊走である、細胞遊走アッセイ方法。
The present invention includes the following embodiments.
[1]
In a silicone rubber substrate having a porous membrane incorporated therein, the substrate has a first channel into which migratory cells are introduced and a second channel into which a chemoattractant is introduced. A microfluidic device for cell migration assay, wherein the second channel is separated from the second channel by at least one porous membrane.
[2]
At least one of the porous membranes is incorporated into the substrate by being inserted into a notch formed at an angle of 45 ° to 90 ° with respect to a horizontal plane in the substrate; [1] The microfluidic device for cell migration assay as described above.
[3]
The microfluidic device for cell migration assay according to [1] or [2], wherein the average pore size of at least one of the porous membranes is 3 to 15 μm.
[4]
A third flow path disposed between the first flow path and the second flow path, wherein the first flow path and the third flow path are formed by a first porous membrane; The microfluidic device for cell migration assay according to any one of [1] to [3], wherein the microfluidic device is separated and the second flow path and the third flow path are separated by a second porous membrane.
[5]
The microfluidic device for cell migration assay according to any one of [1] to [4], wherein the silicone rubber contains polydimethylsiloxane.
[6]
The microfluidic device for cell migration assay according to any one of [1] to [5] is tested for cell migration in which cells introduced into the first channel permeate at least one of the porous membranes. Wherein the cell migration is cell migration dependent on the presence of a chemoattractant introduced into the second channel.
本発明の実施形態により、フォトリソグラフィーを用いることなくきわめて安価かつ簡便に、生体内に近い環境での細胞遊走抑制剤(例えば抗炎症剤および抗癌剤、特に癌転移抑制剤)の薬剤評価試験を実施することなどが可能になる。本実施形態によるデバイスは、フォトリソグラフィー技術により作製されたデバイスと同様に、あるいはそれ以上に、各種マトリックスゲルや生体分子被覆を容易に適用して、それらの存在下での細胞遊走評価試験をサポートすることができ、また、例えば内皮細胞等の生細胞を膜上に培養して、細胞間の相互作用を考慮した評価試験を行うことも可能である。 According to the embodiment of the present invention, a drug evaluation test of a cell migration inhibitor (for example, an anti-inflammatory agent and an anti-cancer agent, particularly a cancer metastasis inhibitor) in an environment close to a living body is performed extremely inexpensively and simply without using photolithography. And so on. The device according to the present embodiment supports a cell migration evaluation test in the presence of a matrix gel or a biomolecule coating easily, similarly to or more than a device manufactured by photolithography technology. It is also possible to culture living cells such as endothelial cells on a membrane and perform an evaluation test in consideration of the interaction between the cells.
本デバイスは、あらゆる細胞種、化学誘引物質、および阻害剤に適用できる。本デバイスによるアッセイのために必要とされる細胞数は少ないので、例えば患者由来の免疫細胞を用いた評価試験も実行可能である。 The device is applicable to any cell type, chemoattractant, and inhibitor. Since the number of cells required for an assay by the present device is small, an evaluation test using, for example, immune cells derived from a patient can be performed.
フォトリソグラフィー技術によるデバイスと比べて、本デバイスは、多孔膜の数、位置、孔径、孔密度などを色々と変えて作ることにも大きなコスト、労力、時間がかかることがなく、高度な工学的設備を使用することが困難な状況にある生物学者であっても、それら構造的パラメータが細胞遊走に与える影響をきわめて簡便に評価することができる。すなわち、本発明は、これまでマイクロデバイスに基づく細胞遊走の実験を容易に行うことができなかった多くの研究者にその機会を開放するものであり、細胞遊走の生物学的解明および関連医薬の研究を急速に進歩させる可能性を有する。 Compared to devices using photolithography technology, this device does not require much cost, labor and time to change the number, position, pore size, pore density, etc. Even for biologists who have difficulty using the equipment, the effects of these structural parameters on cell migration can be very easily assessed. That is, the present invention opens the opportunity to many researchers who have not been able to easily carry out cell migration experiments based on microdevices, and has elucidated the biological clarification of cell migration and the use of related drugs. Has the potential to advance research rapidly.
本開示において、「上」、「下」、「第1」、「第2」といった用語は、複数ある要素または工程を区別する便宜のために用いられており、必ずしも絶対的な位置関係や順序を特定する意図のものではない。例えば、同じ水平面上に位置する2つの流路を上流路および下流路と呼ぶことがあり、その場合、上流路と下流路という呼称を入れ替えたとしても構造上何ら変わりないということがあり得る。 In the present disclosure, terms such as “up”, “down”, “first”, and “second” are used for convenience in distinguishing a plurality of elements or steps, and are not necessarily absolute positional relations or orders. Is not intended to be specified. For example, two flow paths located on the same horizontal plane may be referred to as an upper flow path and a lower flow path. In this case, even if the names of the upper flow path and the lower flow path are interchanged, there may be no structural difference.
一側面において、本開示は、多孔膜が組み込まれたシリコーンゴムの基板内に、第1の流路および第2の流路を有し、その第1の流路と第2の流路とが少なくとも1つの多孔膜によって隔てられている、細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスを提供する。本開示におけるマイクロ流体デバイスは、シリコーンゴムをデバイス本体すなわち基板とするものである。本開示におけるシリコーンゴムは、典型的にはポリジメチルシロキサンを含むものであり、ポリジメチルシロキサンからなるものであってもよい。少なくとも一部のメチル基が例えばビニル基またはフェニル基のような他の置換基に置き換えられたものであってもよい。 In one aspect, the present disclosure has a first flow path and a second flow path in a silicone rubber substrate in which a porous membrane is incorporated, and the first flow path and the second flow path are separated from each other. Provided is a microfluidic device for cell migration assay, which is separated by at least one porous membrane. The microfluidic device according to the present disclosure uses silicone rubber as a device body, that is, a substrate. The silicone rubber in the present disclosure typically contains polydimethylsiloxane, and may be made of polydimethylsiloxane. At least a part of the methyl group may be replaced with another substituent such as a vinyl group or a phenyl group.
基板は、通常は略平板状の外形を有している。平板は縦25mm以内×横75mm以内の大きさであることが好ましく、縦20mm以内×横30mm以内の大きさであることがより好ましい。「縦」「横」という用語は、平板を長方形平板に限定する意図ではない。平板の厚さは、20mm以内であることが好ましく、10mm以内であることがより好ましい。これらの寸法とすることによって、顕微鏡による細胞遊走観察が行いやすくなる。 The substrate usually has a substantially flat outer shape. The flat plate preferably has a size of not more than 25 mm in length and not more than 75 mm in width, and more preferably not more than 20 mm in length and not more than 30 mm in width. The terms "vertical" and "horizontal" are not intended to limit the flat plate to a rectangular flat plate. The thickness of the flat plate is preferably within 20 mm, more preferably within 10 mm. With these dimensions, observation of cell migration with a microscope is facilitated.
本実施形態の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスは、少なくとも2つの流路、すなわち第1の流路および第2の流路を有する。マイクロ流体デバイスの流路とは、当業者に通常理解されるように、外部から(通常はポートを通じて)マイクロリットル単位の量の液体を流し入れて満たすことができる、基板内部に形成された空間である。細胞遊走アッセイの実行中は、流路中の液は流れ続けさせることもできるし、滞留させることもできる。液体ではなくゲル状の物質で流路を満たすこともできる。第1の流路と第2の流路とは、少なくとも1つの多孔膜によって隔てられる。すなわち、第1の流路に入れられた細胞または液体は、少なくとも1つの多孔膜を透過しなければ第2の流路に到達することができない。 The microfluidic device for cell migration assay of the present embodiment has at least two flow paths, that is, a first flow path and a second flow path. As is commonly understood by those skilled in the art, a channel in a microfluidic device is a space formed inside a substrate that can be filled with a microliter volume of liquid from outside (usually through a port). is there. During the execution of the cell migration assay, the fluid in the flow channel can be kept flowing or can be retained. The channel may be filled with a gel-like substance instead of a liquid. The first flow path and the second flow path are separated by at least one porous membrane. That is, the cells or liquids placed in the first flow path cannot reach the second flow path unless they pass through at least one porous membrane.
多孔膜自体は、受動的に挟み込まれるものであり、シリコーンゴムと積極的に架橋を形成してもしなくてもよいので、多孔膜の素材は本質的に限定されない。多孔膜は、典型的には合成樹脂で構成される。合成樹脂の例としては、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアクリロニトリル、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリオレフィン、環状ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリビニルアルコール、ポリアミド等、およびそれらの混合物が挙げられるが、これに限定されない。多孔膜がポリエステルまたはポリカーボネートを含む、あるいは多孔膜がポリエステルまたはポリカーボネートからなることが特に好ましい。ポリエステルは好ましくはポリエチレンテレフタレート(PET)である。 Since the porous membrane itself is passively sandwiched and may or may not actively form a crosslink with the silicone rubber, the material of the porous membrane is not essentially limited. The porous membrane is typically made of a synthetic resin. Examples of synthetic resins include polyester, polycarbonate, polyacrylonitrile, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyolefin, cyclic polyolefin, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl alcohol, polyamide and the like, and mixtures thereof. Not limited. It is particularly preferred that the porous membrane comprises polyester or polycarbonate, or that the porous membrane comprises polyester or polycarbonate. The polyester is preferably polyethylene terephthalate (PET).
多孔膜上の孔の少なくとも一部の孔径は、遊走細胞の透過を許容できる大きさであり、多孔膜の平均孔径は好ましくは3〜15μm、より好ましくは5〜15μm、さらに好ましくは5〜10μmである。本開示において、多孔膜の個々の孔の孔径は、孔と同面積の円の直径として定義することができる。平均孔径は、多孔膜の表面を電子顕微鏡で撮影して複数(例えば少なくとも10個、好ましくは少なくとも100個)の孔径を測定し平均することにより得ることができる。例えば、市販のセルカルチャーインサートの底部は多孔性であり、これを切り出して得た多孔膜を本実施形態の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスに組み込むことができる。あるいは、トラックエッチング法のような手法を用いて多孔膜を調製してもよい。 The pore diameter of at least a part of the pores on the porous membrane is a size that allows permeation of the migrating cells, and the average pore diameter of the porous membrane is preferably 3 to 15 μm, more preferably 5 to 15 μm, and still more preferably 5 to 10 μm. It is. In the present disclosure, the pore diameter of each pore of the porous membrane can be defined as the diameter of a circle having the same area as the pore. The average pore diameter can be obtained by taking an image of the surface of the porous membrane with an electron microscope, measuring a plurality of (for example, at least 10, preferably at least 100) pore diameters, and averaging them. For example, the bottom of a commercially available cell culture insert is porous, and a porous membrane obtained by cutting out the bottom can be incorporated into the microfluidic device for cell migration assay of the present embodiment. Alternatively, the porous film may be prepared using a technique such as a track etching method.
多孔膜の厚さは、200μm以下であることが好ましい。多孔膜が過度に厚いと、生体組織モデルとしての意義が薄れる可能性がある。多孔膜の厚さは、より好ましくは100μm以下であり、さらに好ましくは50μm以下であり、特に好ましくは20μm以下である。多孔膜の厚さは、特に決まった下限は有さないが、通常は0.5μm以上であり、例えば1μm以上あるいは5μm以上であり得る。 The thickness of the porous membrane is preferably 200 μm or less. If the porous membrane is too thick, its significance as a biological tissue model may be diminished. The thickness of the porous membrane is more preferably 100 μm or less, further preferably 50 μm or less, and particularly preferably 20 μm or less. The thickness of the porous membrane has no particular lower limit, but is usually 0.5 μm or more, for example, 1 μm or more or 5 μm or more.
多孔膜は、水平面に対して好ましくは45°〜90°、より好ましくは70°〜90°の角度で基板内に組み込まれていることが好ましい。基板内の各流路が略水平面方向に展開し、多孔膜がこのように略垂直に基板に組み込まれて流路を隔てていれば、顕微鏡のレンズを垂直方向すなわち基板の厚さ方向に向けることにより、多孔膜を透過する細胞遊走をリアルタイムで観察することが可能になる(図4参照)。このような角度における膜組み込みは、後述するように、基板内で水平面に対して上記の角度で切込みを形成させ、そこに膜を挿入することによって達成することができる。 The porous membrane is preferably incorporated in the substrate at an angle of preferably 45 ° to 90 °, more preferably 70 ° to 90 ° with respect to the horizontal plane. If each flow path in the substrate evolves in a substantially horizontal plane direction and the porous membrane is thus substantially vertically incorporated into the substrate and separates the flow path, the microscope lens is directed in the vertical direction, that is, the thickness direction of the substrate. This makes it possible to observe cell migration permeating through the porous membrane in real time (see FIG. 4). As described later, the incorporation of the film at such an angle can be achieved by forming a cut in the substrate at the above-mentioned angle with respect to the horizontal plane, and inserting the film therein.
デバイスに複数の多孔膜が組み込まれる場合、そのそれぞれが上記の素材、平均孔径、厚さ、および/または角度を有し得、それらのパラメータはそれぞれ、多孔膜間で互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。第1の流路に接する多孔膜が上記の素材、平均孔径、厚さ、および/または角度を有することが好ましい。 If a device incorporates multiple porous membranes, each of which may have the materials, average pore sizes, thicknesses, and / or angles described above, each of which may be the same as each other between the porous membranes. And may be different. It is preferable that the porous membrane in contact with the first channel has the above-mentioned material, average pore diameter, thickness, and / or angle.
シリコーンゴムの基板内部にマイクロ流路パターンを形成する方法は当業者に知られている。例えば、適切な素材で作製された流路鋳型を、必要に応じて型枠と組み合わせて、そこにシリコーンのプレポリマーを流し入れ、シリコーンを鋳型の形状に合わせて硬化させることにより、表面に凹に成型されたマイクロ流路パターンを有する基板材を得ることができる。この基板材の流路側表面を、もう1つの基板材の平坦な表面と対面させて接合すれば、基質表面ではなく基質内部に流路空間を有する基板を得ることができる。この接合は、例えば約100℃で30分程度加熱することによって好ましく行うことができるが、接合方法はこれに限定されない。上記鋳型の素材は当業者が通常の知識に基づいて適宜選択することができるが、描画ソフトウェアと組み合わせたレーザー加工技術によりマイクロメートル規模の流路を精密に加工することに適していることからアクリル樹脂が特に好ましい。基板表面から各流路へと穴を貫通させることにより、流路内を充填することや流路内に液流を発生させることを可能にするポートを形成することができる。 Methods of forming a microchannel pattern inside a silicone rubber substrate are known to those skilled in the art. For example, a flow channel mold made of an appropriate material is combined with a mold if necessary, a silicone prepolymer is poured into the mold, and the silicone is cured according to the shape of the mold, so that the surface is concave. A substrate having a molded microchannel pattern can be obtained. By joining the flow path side surface of this substrate material to the flat surface of another substrate material and joining, it is possible to obtain a substrate having a flow path space inside the substrate instead of the substrate surface. This bonding can be preferably performed by heating at about 100 ° C. for about 30 minutes, for example, but the bonding method is not limited to this. The material of the mold can be appropriately selected by a person skilled in the art based on ordinary knowledge, but acrylic is suitable for precisely processing a micrometer-scale flow path by laser processing technology combined with drawing software. Resins are particularly preferred. By penetrating the holes from the substrate surface to the respective flow paths, it is possible to form a port capable of filling the flow paths and generating a liquid flow in the flow paths.
流路同士を隔てる多孔膜を基板に組み込むことは、例えば、基板の適切な箇所に切込みを入れ、その切込みに多孔膜を挟み込んだ後に加熱して切込み面を接合させることによって達成することができる(図1a)。シリコーンゴムの基板に切込みを入れることは、典型的には、鋭利な刃をシリコーンゴムの基質の中途まで挿入することによって達成される。切込みとは、刃が貫通してシリコーンゴム基質が完全に2つのブロックに切断されるのではなく、刃が貫通せず切られていない部分が残ることによって刃の両側の基質ブロックがつながっていることを意味する。この目的のために使用され得る切込み手段としては、カミソリが好適であるが、これに限定されない。 The incorporation of the porous membrane separating the flow channels into the substrate can be achieved, for example, by cutting a suitable portion of the substrate, heating the sandwiched porous membrane to the cut, and joining the cut surfaces. (FIG. 1a). Cutting a silicone rubber substrate is typically accomplished by inserting a sharp blade halfway into the silicone rubber substrate. The notch does not mean that the blade penetrates and the silicone rubber substrate is completely cut into two blocks, but that the substrate block on both sides of the blade is connected by leaving the uncut part without the blade penetrating Means that. A razor is suitable, but not limited to, a cutting means that can be used for this purpose.
上記切込みを入れた後に、切込み口が開かれるように基板を曲げた状態に保持しながら(図1a右)基板にプラズマ処理(またはコロナ放電処理)を施し、その後多孔膜を挟み込んで圧着させることにより切込み面を接合させて膜組み込み型デバイスを製造すると、液漏れを起こすデバイス個体が減少し歩留りが上昇することも本発明者は見出した。上述した加熱による切込み面の接合も、接触されたシロキサン骨格同士を架橋するという点で本質的に同じであるため、加熱の代わりにプラズマ処理により架橋を行うことによって液漏れが減少することは必ずしも予測できなかった。また、このプラズマ処理を用いる製造方法によれば、例えば足場分子被覆多孔膜のような、熱により変性または破壊されるおそれがある成分を含む多孔膜も膜組み込み型マイクロ流体デバイスに組み込むことができるようになる。その結果、流路内面の全域ではなく膜面のみに足場分子を局在させることができ、細胞遊走アッセイのためのデバイス設計の自由度が大きく向上する。 After making the cut, the substrate is subjected to plasma treatment (or corona discharge treatment) while holding the substrate in a bent state so that the cut opening is opened (FIG. 1A, right), and then the porous film is sandwiched and pressed. The present inventor has also found that, when a cut-in surface is joined to produce a membrane-embedded device, the number of individual devices that cause liquid leakage decreases and the yield increases. Since the joining of the cut surfaces by the above-mentioned heating is essentially the same in that the contacted siloxane skeletons are cross-linked, it is not always necessary to reduce the liquid leakage by performing the cross-linking by plasma treatment instead of heating. I could not predict. Further, according to the manufacturing method using the plasma treatment, a porous membrane containing a component that may be denatured or destroyed by heat, such as a scaffold molecule-coated porous membrane, can also be incorporated into the membrane-embedded microfluidic device. Become like As a result, the scaffold molecule can be localized only on the membrane surface, not on the entire inner surface of the flow channel, and the degree of freedom in device design for cell migration assay is greatly improved.
プラズマ処理を行うためには、切込みを入れられた基板を、その切込み口が開かれるように曲げた状態に保持する。この状態は例えば、基板の全長より短い間隔で固定された2つの突起物(例えばアクリル棒)を用意し、基板の一方の端を一方の突起に留め、基板の他方の端を他方の突起に留めることにより、切込み口側を凸面として基板を反らせて保持することによって、達成することができる。基板はこの状態のまま、プラズマ処理に付される。プラズマ処理後、切込みに多孔膜を挟み込んで切込み面を圧着させる際に、切込み内に追加のシリコーンまたはそのプレポリマーを含ませる必要はない。むしろ、切込み内にシリコーンまたはそのプレポリマーを加えないで圧着を行うことが好ましい。圧着の際に切込み内に入っているのは多孔膜のみであることが好ましい。 In order to perform the plasma treatment, the cut substrate is held in a bent state so that the cut opening is opened. In this state, for example, two protrusions (for example, acrylic rods) fixed at a shorter interval than the entire length of the substrate are prepared, one end of the substrate is fixed to one protrusion, and the other end of the substrate is fixed to the other protrusion. This can be achieved by holding the substrate by warping the substrate so that the cut side is a convex surface. The substrate is subjected to plasma processing in this state. After the plasma treatment, it is not necessary to include additional silicone or its prepolymer in the cut when pressing the cut surface with the porous membrane sandwiched between the cuts. Rather, it is preferable to perform pressure bonding without adding silicone or its prepolymer into the cut. It is preferable that only the porous membrane is included in the cut during the pressure bonding.
多孔膜は、切込みの断面積よりも小さい面積であることが好ましい。多孔膜は、切込みに挟み込まれた際にシリコーンゴムの基板からはみ出ない寸法であることが好ましい。多孔膜は、その外縁が流路内空間に露出しない状態でデバイスに組み込まれることが好ましい。すなわち、多孔膜の膜面のみが流路内空間に晒され、膜縁は流路内空間に晒されないような配置で、多孔膜が切込みに挟み込まれていることが好ましい。 The porous membrane preferably has an area smaller than the cross-sectional area of the cut. It is preferable that the porous membrane has a size that does not protrude from the silicone rubber substrate when sandwiched between the cuts. It is preferable that the porous membrane is incorporated into the device in a state where the outer edge is not exposed to the space in the flow channel. That is, it is preferable that the porous membrane is sandwiched between the cuts so that only the membrane surface of the porous membrane is exposed to the space in the flow path, and the membrane edge is not exposed to the space in the flow path.
本実施形態の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスは、使用に際して、第1の流路に細胞を含み、第2の流路に化学誘引物質を含むことにより細胞遊走アッセイシステムを構成することが好ましい(図4:この図において、「上流路」が第1の流路であり、「下流路」が第2の流路であり、「中流路」が後述する第3の流路である)。この細胞遊走アッセイシステムでは、第1の流路に入れられた細胞が多孔膜を透過する細胞遊走を試験することができる。ここで試験される細胞遊走は、第2の流路に入れられた化学誘引物質の存在に依存する細胞遊走である。ここでいう試験とは、細胞の移動を顕微鏡で観察すること(観察は撮影を含み得る)、および/または多孔膜を透過した細胞数を測定することを含み得る。細胞は、遊走性を有する細胞、または遊走性の有無を試験する対象となる細胞である。以下、これらをまとめて遊走性細胞という。遊走性細胞は、動物細胞、植物細胞、細菌細胞、真菌細胞等であり得、哺乳類細胞であることが好ましく、ヒト細胞であることがより好ましい。哺乳類細胞またはヒト細胞は、例えば好中球およびマクロファージのような免疫系細胞、またはがん細胞であり得る。 When the microfluidic device for cell migration assay of the present embodiment is used, it is preferable to configure a cell migration assay system by including cells in the first channel and a chemoattractant in the second channel ( FIG. 4: In this figure, the “upper channel” is the first channel, the “lower channel” is the second channel, and the “middle channel” is the third channel described later. In this cell migration assay system, it is possible to test the cell migration in which the cells put in the first channel permeate the porous membrane. The cell migration tested here is cell migration dependent on the presence of a chemoattractant placed in the second channel. The test herein may include observing the movement of cells with a microscope (observation may include imaging), and / or measuring the number of cells that have permeated the porous membrane. The cell is a cell having migration or a cell to be tested for the presence or absence of migration. Hereinafter, these are collectively referred to as migratory cells. Migratory cells can be animal cells, plant cells, bacterial cells, fungal cells, and the like, are preferably mammalian cells, and more preferably human cells. Mammalian or human cells can be, for example, immune system cells such as neutrophils and macrophages, or cancer cells.
複数ある流路のうちの少なくとも1つが、遊走性細胞以外の細胞をさらに含んでいてもよい。例えば、第1の流路中であらかじめ血管内皮細胞を培養しておくことにより、多孔膜が内皮細胞層で裏打ちされた状態にして、生体内環境における細胞遊走をより忠実に再現することができる(図4)。別の例では、第2の流路に、化学誘引物質を分泌する細胞を含ませることができる。 At least one of the plurality of channels may further include cells other than the migratory cells. For example, by pre-culturing vascular endothelial cells in the first channel, the porous membrane can be lined with an endothelial cell layer, and cell migration in an in vivo environment can be reproduced more faithfully. (FIG. 4). In another example, the second flow path can include cells that secrete chemoattractants.
本実施形態で使用される細胞、特に遊走性細胞は、観察および/または測定を促進するために、標識されていてもよい。細胞を標識する手段は当業者に知られており、例えば蛍光標識、および放射性標識が挙げられる。 Cells used in this embodiment, especially migratory cells, may be labeled to facilitate observation and / or measurement. Means for labeling cells are known to those of skill in the art, and include, for example, fluorescent labels and radioactive labels.
多孔膜(表面と孔内)および/または流路内表面が、例えばフィブロネクチンもしくはコラーゲンのような生体分子もしくは足場分子またはマトリゲルのような生体由来組成物でコーティングされていてもよい。コーティングは、通常は、これらの分子または組成物の溶液で流路を満たした後に余剰の液体を排出することにより達成することができる。あるいは、上述したように、あらかじめこれらの分子または組成物でコーティングされた多孔膜を基板に組み込んでもよい。 The porous membrane (surface and in the pores) and / or the inner surface of the flow channel may be coated with a biomolecule or scaffold molecule such as fibronectin or collagen or a bio-derived composition such as Matrigel. Coating can usually be accomplished by filling the flow path with a solution of these molecules or compositions and then draining excess liquid. Alternatively, as described above, a porous membrane previously coated with these molecules or compositions may be incorporated into the substrate.
本実施形態における化学誘引物質の種類は、ユーザーが個々のアプリケーションに応じて決定すべきものであり、当業者に知られるいずれの化学誘引物質でもあり得る。その例としては、ホルミルペプチドおよびケモカインが挙げられる。好適なホルミルペプチドの一例はfMLP (N−ホルミル−Met−Leu−Phe)である。 The type of chemoattractant in the present embodiment is to be determined by the user according to each application, and may be any chemoattractant known to those skilled in the art. Examples include formyl peptides and chemokines. One example of a suitable formyl peptide is fMLP (N-formyl-Met-Leu-Phe).
第1の流路と第2の流路との間に、第3の流路をさらに設けることが好ましい。この場合、第1の流路と第3の流路とが第1の多孔膜によって隔てられ、第2の流路と第3の流路とが第2の多孔膜によって隔てられ得る。第1の流路と第2の流路とは隣接していないことが好ましい。第1の流路と第2の流路とは、例えば少なくとも1mm以上、2mm以上、5mm以上、または10mm以上離隔されていてもよい。一例として、前述のfMLPに対する好中球様細胞の遊走による膜透過は、第3の流路がない場合はごくわずかにのみ観察できたのに対し、第3の流路を設けることで膜透過を特に効果的に観察できることが見出された。その理由としては、第3の流路を設けない場合は化学誘引物質が第1の流路に短時間で拡散し濃度勾配がわずかしか形成されないが、第3の流路を設けることで、化学誘引物質が第3の流路を通って第1の流路へと拡散し、化学誘引物質の濃度勾配が安定して形成され、第1の多孔膜を多くの細胞が遊走して透過したという可能性が考えられる。従って、第3の流路には化学誘引物質が導入されないか、または導入されたとしても第2の流路より低い濃度で導入されることが好ましい。ここでいう導入とは、多孔膜を通して侵入することではなく、ポート等を通じて人為的に導入することを指す。 It is preferable to further provide a third flow path between the first flow path and the second flow path. In this case, the first flow path and the third flow path can be separated by the first porous film, and the second flow path and the third flow path can be separated by the second porous film. Preferably, the first flow path and the second flow path are not adjacent. The first flow path and the second flow path may be separated from each other by, for example, at least 1 mm or more, 2 mm or more, 5 mm or more, or 10 mm or more. As an example, the membrane permeation due to the migration of neutrophil-like cells to the fMLP described above could be observed only slightly in the absence of the third channel, whereas the membrane permeation could be achieved by providing the third channel. Was found to be particularly effective. The reason is that when the third flow path is not provided, the chemoattractant diffuses into the first flow path in a short time and only a small concentration gradient is formed. The attractant diffuses into the first flow path through the third flow path, the concentration gradient of the chemoattractant is formed stably, and many cells migrate and permeate the first porous membrane. There is a possibility. Therefore, it is preferable that the chemoattractant is not introduced into the third flow path, or even if it is introduced, it is introduced at a lower concentration than the second flow path. The term “introduction” here refers not to intrusion through a porous membrane but to artificial introduction through a port or the like.
細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスに、4つ以上の流路を設けてもよく、異なる流路は、多孔膜で隔てられていてもよいし、それ以外の隔離手段で隔てられることもあり得る。例えば、上述した第3の流路がさらに複数の流路に区切られていてもよい。 The microfluidic device for cell migration assay may be provided with four or more flow paths, and different flow paths may be separated by a porous membrane or separated by other separation means. For example, the third flow path described above may be further divided into a plurality of flow paths.
本開示の別の側面では、上記において説明した細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスを用いて、第1の流路に導入された細胞が多孔膜のうちの少なくとも1つを透過する細胞遊走を試験することを含む、細胞遊走アッセイ方法が提供される。ここで、試験される細胞遊走は、第2の流路に導入された化学誘引物質の存在に依存する細胞遊走である。ここでいう試験とは、細胞の移動を顕微鏡で観察すること(観察は撮影を含み得る)、および/または多孔膜を透過した細胞数を測定することを含み得る。デバイスが多孔膜を複数有する場合、第1の流路に接する多孔膜を透過する細胞遊走を試験することが特に好ましいが、他の多孔膜を試験対象とすることもできる。 In another aspect of the present disclosure, the microfluidic device for cell migration assay described above is used to test cell migration in which cells introduced into the first channel permeate at least one of the porous membranes. A cell migration assay method is provided. Here, the cell migration to be tested is a cell migration dependent on the presence of a chemoattractant introduced into the second channel. The test herein may include observing the movement of cells with a microscope (observation may include imaging), and / or measuring the number of cells that have permeated the porous membrane. When the device has a plurality of porous membranes, it is particularly preferable to test cell migration permeating through the porous membrane in contact with the first flow path, but other porous membranes can be tested.
以下、実施例を示して本発明の実施形態をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described more specifically with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
[細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスの作製]
細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスは、まず鋳型を作製し、次にその鋳型を用いて、流路を有する基板材(上基板材)を作製するとともに、流路を有さない基板材(下基板材)も作製し、それら上下の基板材同士を直接貼り合わせることにより、内部に流路を有する基板を得、その基板に多孔膜を組み込むことにより取得した。以下、各工程をより詳細に説明する。
[Production of microfluidic device for cell migration assay]
In the microfluidic device for cell migration assay, a template is first prepared, and then the substrate material having a flow path (upper substrate material) is prepared using the template, and the substrate material having no flow path (lower base material) is prepared. Plate material) was also prepared, and the upper and lower substrate materials were directly bonded to each other to obtain a substrate having a flow path therein, and the substrate was obtained by incorporating a porous film into the substrate. Hereinafter, each step will be described in more detail.
鋳型の作製
Adobe Illustrator CCソフトウェアを利用して、流路パターンと、26mm×76mmの長方形パターンとをデザインした。デザインしたパターン通りに、厚さ1mmのアクリル板(クラレックス、日東樹脂工業)を、レーザー加工機(HAJIME、オーレーザー)で切断した。流路の形状については図1参照。
Fabrication of a mold A channel pattern and a rectangular pattern of 26 mm × 76 mm were designed using Adobe Illustrator CC software. According to the designed pattern, an acrylic plate (Clarex, Nitto Jushi Kogyo) having a thickness of 1 mm was cut with a laser processing machine (HAJIME, O Laser). See FIG. 1 for the shape of the channel.
上記長方形に切断されたアクリル板は、流路を有さない下基板材の鋳型とした。 The acrylic plate cut into a rectangle was used as a mold for a lower substrate material having no flow path.
一方、ブラント針(02−165、NIPRO)を取り付けたシリンジ(SS−01T、TERUMO)にアクリル樹脂用接着剤(アクリサンデー)を充填し、この接着剤を適用することによって、上記と同じ長方形のアクリル板の上に、流路の形に切断したアクリル板を接着させた。これを循環式恒温乾燥機(MOV−102F、三洋電機)の中に入れ、65℃で30分間ベイクした。このようにして得た合板を、流路を有する上基板材の鋳型とした。 On the other hand, a syringe (SS-01T, TERUMO) to which a blunt needle (02-165, NIPRO) is attached is filled with an acrylic resin adhesive (Acrysandy), and the same rectangular acrylic as described above is applied by applying this adhesive. An acrylic plate cut in the shape of a channel was adhered onto the plate. This was placed in a circulating thermostatic dryer (MOV-102F, Sanyo Electric) and baked at 65 ° C for 30 minutes. The plywood thus obtained was used as a mold for an upper substrate material having a flow path.
基板の作製
バランストレイ(1−5233−04、アズワン)にポリジメチルシロキサン(PDMS)(SILPOT 184、東レダウコーニング)の主剤および硬化剤を重量比10:1で入れてよく混ぜ合わせ、PDMSプレポリマーとした。これを真空デシケーター(VS、アズワン)に入れ、気泡がなくなるまで脱気した。
Preparation of Substrate A main component of polydimethylsiloxane (PDMS) (SILPOT 184, Toray Dow Corning) and a curing agent are put in a balance tray (1-5233-04, As One) at a weight ratio of 10: 1 and mixed well. And This was put in a vacuum desiccator (VS, As One) and degassed until no bubbles were found.
脱気中に、PDMSプレポリマーを流し込むための枠組みを作製した。アクリル板の上にベンコット不織布(スーパーCN、小津産業)を敷き、その上に、上述した鋳型を置いた。上基板材の鋳型には厚さ3mmの型枠をのせ、下基板材の鋳型には厚さ4mmの型枠をのせた。アクリル板、ベンコット、鋳型、および型枠の重なりをクリップで6ヶ所において固定し、枠組みを完成させた。 During degassing, a framework was created for pouring the PDMS prepolymer. A Bencott nonwoven fabric (Super CN, Ozu Sangyo) was laid on an acrylic plate, and the mold described above was placed thereon. A mold having a thickness of 3 mm was placed on the mold of the upper substrate material, and a mold having a thickness of 4 mm was placed on the mold of the lower substrate material. The overlap of the acrylic plate, the bencot, the mold, and the formwork was fixed at six places with clips to complete the framework.
次に、脱気終了後のPDMSプレポリマーを、上基板材用の枠組みについては約4.8g、下基板材用の枠組みについては約6.4g、型枠内を埋めるように流し込んだ。これを真空デシケーターの中に入れ、気泡がなくなるまで再び脱気した。脱気終了後、循環式恒温乾燥機の中に入れ、65℃で1時間ベイクしてPDMS基板材を硬化させた。ベイク終了後、ピンセットを用いて型枠から基板材を取り外し、スライドガラス(S1226、MATSUNAMI)上に置いた。その後、カッターを用いて、18mm×23mmの寸法になるようにそれぞれの基板材をカットした。さらに、φ1.5mmの生検トレパン(BPP−15F、カイインダストリーズ)を用いて、流路を有する上基板材の表面から流路に向けて穴を貫通させて、6ヶ所ポートを形成した(ポートの位置については図1参照)。 Next, about 4.8 g of the PDMS prepolymer after the completion of degassing was poured into the mold for the frame for the upper substrate, and about 6.4 g for the frame for the lower substrate. This was placed in a vacuum desiccator and degassed again until there were no bubbles. After the deaeration was completed, the substrate was placed in a circulating thermostatic drier and baked at 65 ° C. for 1 hour to cure the PDMS substrate material. After the baking, the substrate material was removed from the mold using tweezers and placed on a slide glass (S1226, MATSUNAMI). Thereafter, each substrate material was cut into a size of 18 mm × 23 mm using a cutter. Further, using a biopsy trepan (BPP-15F, Kai Industries) of φ1.5 mm, holes were made to penetrate from the surface of the upper substrate material having the flow path toward the flow path to form six ports (ports). (See FIG. 1 for the position of.).
上述したように同じ18mm×23mmの寸法に揃えられた上下の基板材を、上基板材の流路側が下基板材の平坦な表面に対面するようにして互いに直接貼り合わせて、卓上型送風乾燥機(MD−100、ヨネザワ)の中に入れ、100℃で30分間ベイクすることによって基板材を接合し、内部に流路を有するPDMS基板を得た。 As described above, the upper and lower substrate materials having the same dimensions of 18 mm × 23 mm are directly bonded to each other such that the flow path side of the upper substrate material faces the flat surface of the lower substrate material, and is then subjected to a tabletop blow drying. The substrates were put into a machine (MD-100, Yonezawa) and baked at 100 ° C. for 30 minutes to join the substrate materials to obtain a PDMS substrate having a flow path therein.
多孔膜の組み込み
メスを用いて、セルカルチャーインサート(353093、Falcon)の底部から孔径8.0μmのPET多孔膜を切り出し、ハサミで3mm×7mmの大きさにカットした。カミソリを用いて、上記PDMS基板の2ヶ所に、深さ約5mmの切込みを入れた(切込みの位置については図1a参照)。その後、切り込み口を押し開いて、上記多孔膜を挟み込み、切り込み口を再閉鎖した。このようにして多孔膜が組み込まれた基板を、卓上型送風乾燥機中で100℃で1時間ベイクして切り込み面同士を接合させ、デバイスを完成させた。
Using a scalpel, a PET porous membrane having a pore size of 8.0 μm was cut out from the bottom of the cell culture insert (353093, Falcon) using a scalpel, and cut into 3 mm × 7 mm pieces with scissors. Using a razor, cuts having a depth of about 5 mm were made in two places on the PDMS substrate (see FIG. 1a for cut positions). Thereafter, the cut was pushed open to sandwich the porous membrane, and the cut was closed again. The substrate having the porous film incorporated therein was baked at 100 ° C. for 1 hour in a tabletop blower dryer to join the cut surfaces to complete the device.
この例におけるデバイスは、上流路と、第1の多孔膜によって上流路から隔てられた中流路と、第2の多孔膜によって中流路から隔てられた下流路とを有するものである。図1aにおいて、本実施形態の細胞遊走アッセイ用マイクロ流体デバイスの製作過程のうち、PDMS基板に切り込みを入れる工程、および切り込みに多孔膜を挟み込む工程の概略を示す。図1bは、完成したデバイスを上から撮影した写真である。図1bの写真中、上側の台形部分が上流路であり、中央の、横に長い部分が中流路であり、下側の台形部分が下流路である。これらの流路は透明なシリコーンゴム製基板材表面を通して見えている。丸く見えている6つの構造がポートである。 The device in this example has an upper flow path, a middle flow path separated from the upper flow path by the first porous membrane, and a lower flow path separated from the middle flow path by the second porous film. FIG. 1a shows an outline of a step of making a cut in a PDMS substrate and a step of sandwiching a porous membrane in the cut in the process of manufacturing the microfluidic device for cell migration assay of the present embodiment. FIG. 1b is a photograph of the completed device taken from above. In the photograph of FIG. 1b, the upper trapezoidal portion is the upper channel, the centrally long portion is the middle channel, and the lower trapezoidal portion is the lower channel. These channels are visible through the surface of the transparent silicone rubber substrate material. The six structures that look round are ports.
[HL−60細胞の培養]
継代
HL−60細胞の培養は、37℃、5%CO2の条件で行った。培地として、RPMI1640(30264−56、ナカライテスク)500mLにウシ胎児血清(Biowest、56℃・30分間の処理で非働化したもの)100mL、100mMピルビン酸ナトリウム(ナカライテスク)5mL、ペニシリン−ストレプトマイシン混合溶液(ナカライテスク)5mL、および2−メルカプトエタノール(Invitrogen)4μLを添加したものを用いた。
[Culture of HL-60 cells]
The culture of the passage HL-60 cells was performed at 37 ° C. and 5% CO 2 . As a medium, 500 mL of RPMI1640 (30264-56, Nacalai Tesque), 100 mL of fetal bovine serum (Biowest, inactivated by treatment at 56 ° C. for 30 minutes), 5 mL of 100 mM sodium pyruvate (Nacalai Tesque), and a mixed solution of penicillin-streptomycin (Nacalai Tesque) and 5 mL of 2-mercaptoethanol (Invitrogen) were used.
5日程度培養したフラスコ内の細胞を、倒立顕微鏡(CKX53、OLYMPUS)で位相差観察し、増殖を確認した。フラスコ内の細胞懸濁液をピペットで15mL遠沈管(1332−015S、WATSON)に移し、遠心分離機(2800、久保田商事)で遠心分離して細胞を沈殿させた(23℃、1200rpm、5分間)。遠心分離後、上清をアスピレーターで吸引した。遠沈管の底をタッピングして細胞をほぐした後、培地を2mL程度加え、ピペッティングで懸濁させた。この懸濁液10μLをマイクロチューブに取り、トリパンブルー染色液(207−17081、和光純薬工業)30μLを加えて混合した。その後、フックスローゼンタール血球計算盤を用いて細胞数を測定した。測定結果から細胞濃度を算出し、培地を加えて5.0×105細胞/mLの濃度に調整した。新しいフラスコに、濃度調整した細胞懸濁液0.5mLおよび培地4.5mLを加えることにより5.0×104細胞/mLにさらに希釈し、インキュベーターに入れて培養を再開した。 The cells in the flask cultured for about 5 days were subjected to phase contrast observation with an inverted microscope (CKX53, OLYMPUS) to confirm proliferation. The cell suspension in the flask was transferred to a 15 mL centrifuge tube (1332-015S, WATSON) with a pipette, and centrifuged with a centrifuge (2800, Kubota Corporation) to precipitate the cells (23 ° C., 1200 rpm, 5 minutes) ). After centrifugation, the supernatant was aspirated with an aspirator. After tapping the bottom of the centrifuge tube to loosen the cells, about 2 mL of medium was added and suspended by pipetting. 10 μL of this suspension was placed in a microtube, and 30 μL of trypan blue staining solution (207-17081, Wako Pure Chemical Industries) was added and mixed. Thereafter, the number of cells was measured using a hook Rosenthal hemocytometer. The cell concentration was calculated from the measurement results, and adjusted to a concentration of 5.0 × 10 5 cells / mL by adding a medium. The new flask was further diluted to 5.0 × 10 4 cells / mL by adding 0.5 mL of the adjusted cell suspension and 4.5 mL of medium, and placed in an incubator to resume culture.
分化誘導
HL−60細胞にジメチルスルホキシド(DMSO)を加えることによって、化学誘引物質fMLPに対する遊走性を有する好中球様細胞への分化を誘導することは、A. Millius and O. Weiner, Methods Mol. Biol., 571, 167 (2009)に記載されており、本実施例においてもその記載に従った。具体的には、まず、継代後5日間程度培養したフラスコ内の細胞懸濁液を15mL遠沈管に全て移し、遠心分離機で遠心分離して細胞を沈殿させた(23℃、1200rpm、5分間)。一方、別の15mL遠沈管に、培地3934μLおよびDMSO(041−29351、和光純薬工業)66μLを入れてよく混合して1.3%DMSO溶液を調製しておいた。上記遠心分離後、上清をアスピレーターで吸引し、遠沈管の底をタッピングして細胞をほぐした後、培地1mLを加えてピペッティングで懸濁させた。この細胞懸濁液および4mLの上記1.3%DMSO溶液を合わせて元のフラスコに移し、インキュベーターに入れ、培養を行った。
Differentiation Induction By adding dimethylsulfoxide (DMSO) to HL-60 cells to induce differentiation into neutrophil-like cells having chemoattractant fMLP, A. Millius and O. Weiner, Methods Mol. Biol., 571, 167 (2009), and the description was also followed in this example. Specifically, first, all the cell suspension in the flask cultured for about 5 days after the passage was transferred to a 15 mL centrifuge tube, and centrifuged with a centrifuge to precipitate the cells (23 ° C., 1200 rpm, 5 rpm). Minutes). On the other hand, in another 15 mL centrifuge tube, 3934 μL of the medium and 66 μL of DMSO (041-29351, Wako Pure Chemical Industries) were added and mixed well to prepare a 1.3% DMSO solution. After the centrifugation, the supernatant was aspirated with an aspirator, the cells were loosened by tapping the bottom of a centrifuge tube, and 1 mL of medium was added and suspended by pipetting. This cell suspension and 4 mL of the above 1.3% DMSO solution were combined, transferred to the original flask, placed in an incubator, and cultured.
[細胞遊走試験]
染色液
冷凍保存状態から取り出して室温に30分程度放置しておいたCell Tracker(商標)Green CMFDA(5−クロロメチルフルオレセインジアセテート)(C7025、Invitrogen)に、DMSOを10μL加えて溶解させた。容器内の溶液全量および無血清培地10.789mLを15mL遠沈管に入れてボルテックスして混合し、染色液を得た。
[Cell migration test]
Staining solution 10 μL of DMSO was added to Cell Tracker (trademark) Green CMFDA (5-chloromethylfluorescein diacetate) (C7025, Invitrogen), which had been taken out of the frozen storage state and allowed to stand at room temperature for about 30 minutes, and dissolved. The total amount of the solution in the container and 10.789 mL of the serum-free medium were placed in a 15 mL centrifuge tube and mixed by vortexing to obtain a staining solution.
分化細胞懸濁液
上記において分化誘導のためにDMSOを加えてから5〜6日経過したフラスコ内の細胞懸濁液を、15mL遠沈管に全て移し、遠心分離機で遠心分離して細胞を沈殿させた(23℃、1200rpm、5分間)。上清をアスピレーターで吸引し、培地を1 mL程度加えてピペッティングして再懸濁させた。この懸濁液10μLをマイクロチューブに取り、トリパンブルー染色液30μLと混合した。フックスローゼンタール血球計算盤を用いて細胞数を測定した。測定結果から細胞濃度を算出し、培地を加えて5.0×105細胞/mLの濃度に調整した。
Differentiated cell suspension The cell suspension in the flask 5 to 6 days after the addition of DMSO for differentiation induction was transferred to a 15 mL centrifuge tube and centrifuged by a centrifuge to precipitate cells (23 ° C., 1200 rpm, 5 minutes). The supernatant was aspirated with an aspirator, and about 1 mL of the medium was added thereto, and resuspended by pipetting. 10 μL of this suspension was placed in a microtube and mixed with 30 μL of trypan blue staining solution. The number of cells was measured using a hook Rosenthal hemocytometer. The cell concentration was calculated from the measurement results, and adjusted to a concentration of 5.0 × 10 5 cells / mL by adding a medium.
fMLP溶液
まず、fMLP (N−ホルミル−Met−Leu−Phe)(063−02811、和光純薬工業)4.4mgを精密天秤で測り取った。これを15mL遠沈管に入れ、1mLのDMSOに溶解し、10mMストック溶液とした。これをマイクロチューブに50μLずつ分注し、アルミホイルで遮光して冷凍保存した。
fMLP solution First, 4.4 mg of fMLP (N-formyl-Met-Leu-Phe) (063-02811, Wako Pure Chemical Industries) was measured with a precision balance. This was placed in a 15 mL centrifuge tube, dissolved in 1 mL of DMSO, and used as a 10 mM stock solution. This was dispensed into microtubes at 50 μL each, and the mixture was frozen and stored in the light-shielded state with aluminum foil.
上記fMLPストック溶液10μLおよび培地990μLを混合し、100μMのfMLPワーキング溶液とした。この溶液はアルミホイルで遮光して冷蔵保存した。ワーキング溶液は調製から1ヶ月以内のものを使用するようにした。このワーキング溶液を、実験に応じた濃度に培地で希釈して使用した。 10 μL of the above fMLP stock solution and 990 μL of the medium were mixed to prepare a 100 μM fMLP working solution. This solution was stored refrigerated, protected from light with aluminum foil. The working solution was used within one month from the preparation. This working solution was used after being diluted with a medium to a concentration according to the experiment.
フィブロネクチン溶液
冷凍保存状態から取り出したフィブロネクチン(354008、コスモバイオ)を室温で1時間程度放置した。そこに滅菌水を1mL加え、30分間放置して溶解させた(1mg/mL)。これをマイクロチューブに30μLずつ分注し、冷凍保存した。
Fibronectin solution Fibronectin (354008, Cosmo Bio) removed from the frozen storage state was left at room temperature for about 1 hour. 1 mL of sterilized water was added thereto, and the mixture was left standing for 30 minutes to dissolve (1 mg / mL). This was dispensed into microtubes at 30 μL each and stored frozen.
1×PBS
PBSタブレット(T900、TaKaRa)5錠および純水500mLをびんの中に入れ、オートクレーブで溶解・滅菌した。
1x PBS
Five tablets of PBS tablets (T900, TaKaRa) and 500 mL of pure water were placed in a bottle, and dissolved and sterilized in an autoclave.
細胞遊走試験の実施
上記で作製したデバイスを、試験前日にクリーンベンチ内に入れ、一晩UV殺菌した。UV殺菌後のデバイスを真空デシケーターの中に入れ、1時間程度脱気した。冷凍保存してあったフィブロネクチン溶液を冷蔵庫に入れ、30分間程度放置して解凍した。1 mg/mLフィブロネクチン溶液30μLに1×PBSを270μL加えて、100μg/mLフィブロネクチン溶液を調製した。脱気したデバイスの流路全てにこのフィブロネクチン溶液を導入し、30分間インキュベートした。インキュベート後、流路から溶液を除去した。この過程で、多孔膜の表面および孔ならびに流路内表面がフィブロネクチンでコーティングされた。
Implementation of Cell Migration Test The device prepared above was placed in a clean bench the day before the test, and UV-sterilized overnight. The device after UV sterilization was put in a vacuum desiccator and degassed for about 1 hour. The frozen fibronectin solution was placed in a refrigerator and left for about 30 minutes to thaw. 270 μL of 1 × PBS was added to 30 μL of the 1 mg / mL fibronectin solution to prepare a 100 μg / mL fibronectin solution. This fibronectin solution was introduced into all the channels of the degassed device and incubated for 30 minutes. After the incubation, the solution was removed from the channel. In this process, the surface and pores of the porous membrane and the inner surface of the flow channel were coated with fibronectin.
染色液中に30分間インキュベートすることにより蛍光染色した5.0×105細胞/mLの濃度の分化細胞懸濁液を、デバイスの上流路に導入した。その際、中流路および下流路のポートはメンディングテープで塞いでおいた。次に、今度は上流路と中流路のポートをテープで塞ぎ、下流路にfMLP溶液を導入した。最後に、上流路と下流路のポートをテープで塞いで、中流路に培地を導入した。全ての流路にそれぞれ液を導入した後、厚さ2mmのPDMS基板で全てのポートを覆うように蓋をした。培養チャンバー(C−070A、ブラスト)内にデバイスを置き、3時間に渡り15分間おきに蛍光顕微鏡観察を行った。 A differentiated cell suspension at a concentration of 5.0 × 10 5 cells / mL, which was fluorescently stained by incubating in a staining solution for 30 minutes, was introduced into the upper channel of the device. At that time, the ports of the middle flow path and the lower flow path were closed with mending tape. Next, the ports of the upper flow path and the middle flow path were closed with a tape, and the fMLP solution was introduced into the lower flow path. Finally, the ports of the upper channel and the lower channel were covered with tape, and the medium was introduced into the middle channel. After introducing the liquids into all the flow paths, a lid was covered with a PDMS substrate having a thickness of 2 mm so as to cover all the ports. The device was placed in a culture chamber (C-070A, blast), and fluorescence microscopy was performed every 15 minutes for 3 hours.
図2は、上記のように培養を開始してから0時間後(上)および3時間後(下)の、上流路と中流路の境界領域の蛍光顕微鏡画像を示す。下流路にfMLPを導入しなかった場合(0nM)には、培養から3時間経過後も、中流路側に蛍光シグナルすなわち好中球様細胞の存在は実質的に検出されていない(図2左下)。つまり、化学誘引物質の非存在下では、多孔膜を通過する好中球様細胞の遊走は起こらなかった。それに対し、下流路に100nMのfMLPを導入した場合には、培養から3時間経過後に、多数の蛍光標識好中球様細胞が中流路側に検出された(図2右下)。この結果は、化学誘引物質によって好中球が誘引されて血管壁の間隙を透過する細胞遊走現象を、このデバイスが的確に再現できたことを示す。 FIG. 2 shows fluorescence microscope images of the boundary region between the upper channel and the middle channel at 0 hour (upper) and 3 hours (lower) after the start of the culture as described above. When fMLP was not introduced into the lower flow path (0 nM), the fluorescence signal, ie, the presence of neutrophil-like cells, was not substantially detected in the middle flow path even after 3 hours from the culture (FIG. 2, lower left). . That is, neutrophil-like cells did not migrate through the porous membrane in the absence of the chemoattractant. In contrast, when 100 nM fMLP was introduced into the lower channel, a large number of fluorescently labeled neutrophil-like cells were detected in the middle channel after 3 hours from the culture (FIG. 2, lower right). This result indicates that the device was able to accurately reproduce the cell migration phenomenon in which neutrophils were attracted by the chemoattractant and penetrated the gap of the blood vessel wall.
図3aは、図2の実験において中流路に検出された細胞数(遊走細胞数)を測定した結果を示している。図3bは、異なる濃度のfMLPを下流路に導入した場合の、3時間後の遊走細胞数を比較した結果を示している。図3cは、下流路における100nMのfMLPに加えて100nMまたは1μMのWortmanninを全ての流路に導入した場合の遊走細胞数を測定した結果を示している。Wortmanninは、細胞遊走に関与する分子であるPI3キナーゼの阻害剤である。Wortmanninが用量依存的に細胞遊走を抑制していることが見て取れる。この結果は、細胞遊走研究における本デバイスの有用性をさらに実証するものである。 FIG. 3A shows the result of measuring the number of cells (migrating cells) detected in the middle channel in the experiment of FIG. FIG. 3b shows the results of comparing the numbers of migrated cells after 3 hours when different concentrations of fMLP were introduced into the lower channel. FIG. 3c shows the results of measuring the number of migrating cells when 100 nM or 1 μM Wortmannin was introduced into all the channels in addition to 100 nM fMLP in the lower channel. Wortmannin is an inhibitor of PI3 kinase, a molecule involved in cell migration. It can be seen that Wortmannin suppresses cell migration in a dose-dependent manner. This result further demonstrates the utility of the device in studying cell migration.
図3bにおいて、fMLPの濃度を1000nMまで高くすると遊走細胞数が逆に減少していく傾向が見られた。系全体として化学誘引物質の濃度を高くし過ぎると、細胞が濃度勾配を効果的に感知しにくくなる可能性が考えられる。 In FIG. 3b, when the concentration of fMLP was increased to 1000 nM, the number of migrating cells tended to decrease. If the concentration of the chemoattractant is too high for the entire system, it is possible that the cells will not be able to effectively sense the concentration gradient.
中流路を設けずに、上流路と下流路とが隣り合わせで一枚の多孔膜で隔てられているというデバイス構成にし、上流路に細胞を入れ下流路にfMLPを入れた場合にも、細胞遊走を観察することができたが、中流路を設けた場合ほどは効率的な細胞遊走が見られなかった(データは示していない)。これは中流路を設けない場合は化学誘引物質が下流路から上流路に短時間で拡散し濃度勾配がわずかしか形成されないが、中流路を設けることで、化学誘引物質が下流路から中流路を通って上流路へと拡散し、特に上流路と中流路を隔てる多孔膜の近傍において、化学誘引物質の濃度勾配が安定して形成されたためと考えられる。このような濃度勾配は、セルカルチャーインサートのような従来のアッセイでは形成できないため、本実施形態の方が、化学誘引物質の安定した濃度勾配下において細胞遊走をより精密かつ正確に評価できていると考えられる。 Even if the upper flow path and the lower flow path are adjacent to each other and separated by a single porous membrane without providing the middle flow path, cells are migrated even when cells are placed in the upper flow path and fMLP is placed in the lower flow path. Was observed, but cell migration was not as efficient as when the middle channel was provided (data not shown). This is because when the middle flow path is not provided, the chemoattractant diffuses from the lower flow path to the upper flow path in a short time and only a small concentration gradient is formed, but by providing the middle flow path, the chemoattractant flows from the lower flow path to the middle flow path. It is thought that the concentration gradient of the chemoattractant was formed stably in the vicinity of the porous membrane separating the upper flow path and the middle flow path through the upper flow path and the intermediate flow path. Since such a concentration gradient cannot be formed by a conventional assay such as a cell culture insert, the present embodiment can more accurately and accurately evaluate cell migration under a stable concentration gradient of a chemoattractant. it is conceivable that.
本発明の実施形態は、医学・生物学・薬学の研究用デバイス、医学的診断、および医薬開発の分野などで利用することができる。 Embodiments of the present invention can be used in medical / biological / pharmaceutical research devices, medical diagnostics, and drug development fields.
Claims (6)
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JP2018157278A JP2020028270A (en) | 2018-08-24 | 2018-08-24 | Cell migration assay device |
Applications Claiming Priority (1)
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