JP2022080320A - Biopolymer operating device and biopolymer operating method - Google Patents

Biopolymer operating device and biopolymer operating method Download PDF

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祥他 山崎
Shota Yamazaki
宏道 保科
Hiromichi Hoshina
知行 大谷
Tomoyuki Otani
昌彦 原田
Masahiko Harada
雅明 坪内
Masaaki Tsubouchi
雄一 小川
Yuichi Ogawa
悟朗 磯山
Goro Isoyama
正也 永井
Masaya Nagai
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Abstract

To provide a new technique that has low cytotoxicity and can control polymerizable proteins only in arbitrary cell groups and intracellular regions.SOLUTION: Provided is a method for manipulating a biopolymer. The method irradiates the interface of a liquid with terahertz pulsed light to manipulate a biopolymer in the liquid by shock wave in the liquid generated by the irradiation. The biopolymer is, for example, a polymerizable protein, such as actin. In the method, the fiber structure of the polymerizable protein may be cleaved by irradiation with terahertz pulse light.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

特許法第30条第2項適用申請有り 〔刊行物等〕 掲載日 令和1年11月12日 ウェブサイトのアドレス 1-1.https://arxiv.org/abs/1911.04674 1-2.https://arxiv.org/pdf/1911.04674 〔刊行物等〕 掲載日 令和1年11月18日 ウェブサイトのアドレス 2-1.https://www.biorxiv.org/content/10.1101/846295v2 2-2.https://www.biorxiv.org/content/10.1101/846295v2.full.pdf 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年1月20日 ウェブサイトのアドレス https://confit.atlas.jp/guide/event/lsj40/top 〔刊行物等〕 集会名 レーザー学会学術講演会第40回年次大会 開催日 令和2年1月20日 〔刊行物等〕 刊行物 「2019年度衝撃波シンポジウム」の講演論文集(CD-ROM) 発行日 令和2年2月17日 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年2月28日 ウェブサイトのアドレス https:/meeting.jsap.or.jp/jsap2020s/ 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年6月2日 ウェブサイトのアドレス https://www.nature.com/articles/s41598-020-65955-5 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年6月2日 ウェブサイトのアドレス https://www.riken.jp/press/2020/20200602_2/index.html 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年7月16日 ウェブサイトのアドレス 9-1.https://www.sankeibiz.jp/business/news/200716/cpc2007160500001-n1.htm 9-2.https://www.sankeibiz.jp/business/news/200716/cpc2007160500001-n2.htm 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年8月26日 ウェブサイトのアドレス https://confit.atlas.jp/guide/event/jsap2020a/topApplication for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act [Publications, etc.] Publication date November 12, 1st Reiwa Website address 1-1. https: // arxiv. org / abs / 1911.04674 1-2. https: // arxiv. org / pdf / 1911.04674 [Publications, etc.] Publication date November 18, 1st Reiwa Website address 2-1. https: // www. biorxiv. org / content / 10.1101 / 846295v2 2-2. https: // www. biorxiv. org / content / 10.1101 / 846295v2. full. pdf [Publications, etc.] Publication date January 20, 2nd year Website address https: // confit. atlas. jp / guide / event / lsj40 / top [Publications, etc.] Meeting name Laser Society of Japan Academic Lecture 40th Annual Meeting Date Reiwa January 20, 2 [Publications, etc.] Publication "2019 Shockwave Symposium" Proceedings (CD-ROM) Publication date February 17, 2nd year of Reiwa [Publications, etc.] Publication date February 28th, 2nd year of Reiwa Website address https: / meeting. jsap. or. jp / jsap2020s / [Publications, etc.] Publication date June 2, 2nd year Website address https: // www. nature. com / articles / s41598-020-65955-5 [Publications, etc.] Publication date June 2, 2nd Reiwa Website address https: // www. riken. jp / press / 2020/20200602_2 / index. html [Publications, etc.] Publication date July 16, 2nd year Website address 9-1. https: // www. sankeibiz. jp / businesss / news / 200716 / cpc200715000001-n1. http 9-2. https: // www. sankeibiz. jp / businesss / news / 200716 / cpc20071500010-12. http [Publications, etc.] Publication date August 26, 2nd year Website address https: // confit. atlas. jp / guide / event / jsap2020a / top

特許法第30条第2項適用申請有り 〔刊行物等〕 集会名 2020年(令和2年)応用物理学会秋季学術講演会(オンライン) 開催日 令和2年9月8日 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年9月28日 ウェブサイトのアドレス https://www.ile.osaka-u.ac.jp/ja/wp-content/uploads/2020/10/20200929-02_YamazakiShota_RIKEN.pdf 〔刊行物等〕 集会名 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2020(オンライン) 開催日 令和2年9月29日 〔刊行物等〕 集会名 光・量子ビーム科学合同シンポジウム2020(オンライン) 開催日 令和2年9月29日 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年10月28日 ウェブサイトのアドレス https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7595166/ 〔刊行物等〕 掲載日 令和2年10月28日 ウェブサイトのアドレス https://www.qst.go.jp/site/press/45262.htmlApplication for application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law [Publications, etc.] Meeting name 2020 (Reiwa 2nd year) Japan Society of Applied Physics Autumn Academic Lecture (Online) Date: September 8th, 2nd year of Reiwa [Publications, etc.] ] Publication date September 28, 2nd year Website address https: // www. ile. osaka-u. ac. jp / ja / wp-content / uploads / 2020/10/2009229-02_YamazakiShota_RIKEN. pdf [Publications, etc.] Meeting Name Optical / Quantum Beam Science Joint Symposium 2020 (Online) Date September 29, 2 [Publications, etc.] Meeting Name Optical / Quantum Beam Science Joint Symposium 2020 (Online) Date September 29, 2nd year [Publications, etc.] Publication date October 28, 2nd year Website address https: // www. ncbi. nlm. nih. gov / pmc / artles / PMC759516 / [Publications, etc.] Publication date October 28, 2nd year Website address https://www. qst. go. jp / site / press / 45262. html

本発明は、生体高分子操作技術に関連し、特にタンパク質の重合構造の切断を行う技術に関連する。 The present invention relates to a biopolymer manipulation technique, and more particularly to a technique for cleaving a polymerized structure of a protein.

重合性タンパク質は、生体内において単量体と重合した繊維の二つの形態で存在する。特にアクチン繊維は、細胞の増殖・遊走・分化・発生において必須の役割を持つ。がん細胞では前述の生体機能が恒常的に活性化されており、そのためアクチン繊維の形成阻害を標的とした新しいがん治療技術が探索されている。 Polymerizable proteins exist in the living body in two forms: monomers and polymerized fibers. In particular, actin fibers play an essential role in cell proliferation, migration, differentiation, and development. The above-mentioned biological functions are constantly activated in cancer cells, and therefore new cancer therapeutic techniques targeting inhibition of actin fiber formation are being sought.

従来のアクチン繊維の形成阻害方法では、アクチンに結合し繊維の伸長を阻害する薬剤(サイトカラシンD, ラトランキュリンB, ミカロライドBなど)の投与が主流であり、実
際にin vitro解析から薬剤処理によるがん細胞の分裂、遊走、浸潤の抑制効果が報告されている(非特許文献1,2)。
In the conventional method of inhibiting the formation of actin fibers, administration of a drug that binds to actin and inhibits fiber elongation (cytochalasin D, latrancurin B, micarolide B, etc.) is the mainstream, and it is actually based on drug treatment from in vitro analysis. It has been reported that it has an effect of suppressing cell division, migration and infiltration (Non-Patent Documents 1 and 2).

一方でこれら薬剤は、正常細胞のアクチン繊維化も阻害すること、生体内の疾患領域に限定したドラッグデリバリーが困難であること、アクチン結合状態で安定化し細胞から排出されず高い細胞毒性を示すことが問題点として存在する。この特性は、これら薬剤の起源がキノコや海綿の毒素であることに起因し、可逆的、一過的なアクチン繊維の操作は困難である。 On the other hand, these drugs also inhibit actin fibrosis in normal cells, it is difficult to deliver drugs limited to disease areas in the body, and they are stabilized in an actin-bound state and are not excreted from cells and show high cytotoxicity. Exists as a problem. This property is due to the origin of these agents being mushroom and sponge toxins, making reversible and transient actin fiber manipulation difficult.

Saito, S., Watabe, S., Ozaki, H., Fusetani, N. & Karaki, H. Mycalolide B, a novel actin depolymerizing agent. J. Biol. Chem. 269, 29710-29714 (1994).Saito, S., Watabe, S., Ozaki, H., Fusetani, N. & Karaki, H. Mycalolide B, a novel actin depolymerizing agent. J. Biol. Chem. 269, 29710-29714 (1994). Wakatsuki, T., Schwab, B., Thompson, N. C. & Elson, E. L. Effects of cytochalasin D and latrunculin B on mechanical properties of cells. J. Cell Sci. 114, 1025-1036 (2001).Wakatsuki, T., Schwab, B., Thompson, N.C. & Elson, E.L. Effects of cytochalasin D and latrunculin B on mechanical properties of cells. J. Cell Sci. 114, 1025-1036 (2001).

上記実情を鑑み、本発明は、細胞毒性が低く、任意の細胞群及び細胞内領域のみで重合性タンパク質を制御可能な新しい技術を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, it is an object of the present invention to provide a new technique having low cytotoxicity and capable of controlling a polymerizable protein only in an arbitrary cell group and intracellular region.

本発明者らは、テラヘルツパルス光を液体に照射すると、液体界面で衝撃波が発生し、テラヘルツ光のエネルギーが衝撃波として液体中を伝搬することを発見した。さらには、この衝撃波によって重合性タンパク質の操作が可能であることを発見した。 The present inventors have discovered that when a liquid is irradiated with terahertz pulsed light, a shock wave is generated at the liquid interface, and the energy of the terahertz light propagates in the liquid as a shock wave. Furthermore, it was discovered that this shock wave can manipulate polymerizable proteins.

本発明の第一の態様は生体高分子操作方法であって、液体の界面にテラヘルツパルス光を照射し、当該照射により生じる前記液体中の衝撃波によって、前記液体内にある生体高分子を操作する、ことを特徴とする。生体高分子は、例えば、アクチンなどの重合性タンパク質であり、テラヘルツパルス光の照射によって生じる衝撃波によって、重合性タンパク質の繊維構造を切断できる。なお、液体の界面にテラヘルツパルス光を照射するというのは、液体の界面に直接テラヘルツパルス光を照射することに加えて、テラヘルツパルス光としてその光エネルギーを液体界面まで伝播できれば、フィルム、ガラス、生体組織を
介して液体界面にテラヘルツパルス光を照射することを意味する。本発明によれば、繊維構造の先端のみならず、構造の途中であっても繊維構造を切断できる。また、テラヘルツパルス光の照射位置の調整によって、切断領域を特定の領域に限定することができる。また、テラヘルツパルス光の照射によって、タンパク質の変性、凝集、細胞傷害を与えないため安全面でも有利である。
The first aspect of the present invention is a biopolymer manipulation method, in which a terahertz pulse light is irradiated to the interface of a liquid, and the biopolymer in the liquid is manipulated by a shock wave in the liquid generated by the irradiation. , Characterized by that. The biopolymer is, for example, a polymerizable protein such as actin, and the fiber structure of the polymerizable protein can be cut by a shock wave generated by irradiation with terahertz pulse light. Irradiating the terahertz pulse light to the liquid interface means that in addition to directly irradiating the terahertz pulse light to the liquid interface, if the light energy can be propagated to the liquid interface as terahertz pulse light, the film, glass, etc. It means irradiating the liquid interface with terahertz pulsed light through the living tissue. According to the present invention, the fiber structure can be cut not only at the tip of the fiber structure but also in the middle of the structure. Further, the cut region can be limited to a specific region by adjusting the irradiation position of the terahertz pulse light. In addition, irradiation with terahertz pulse light does not cause protein denaturation, aggregation, or cell damage, which is advantageous in terms of safety.

本態様において、生体高分子を保持するガラスプレートを、液体を含むフィルムボトムディッシュの底面から所定の距離離れた位置に配置して、フィルムボトムディッシュの底面に前記テラヘルツパルス光を照射してもよい。上記の所定距離は、テラヘルツパルス光の照射による熱効果が及ばない程度に離れた距離であり、かつ、液体中に生じる衝撃波によってエネルギーが到達できる程度の距離であることが望ましい。生体高分子は、生きた細胞内に存在していてよい。例えば、ガラスプレート上で細胞を培養して、上述のようにしてテラヘルツパルス光を照射してもよい。あるいは、生体高分子は、前記液体中に溶解されていてもよい。 In this embodiment, the glass plate holding the biopolymer may be arranged at a position separated from the bottom surface of the film bottom dish containing the liquid by a predetermined distance, and the bottom surface of the film bottom dish may be irradiated with the terahertz pulse light. .. It is desirable that the above-mentioned predetermined distance is a distance so far that the thermal effect of the irradiation of the terahertz pulse light does not reach, and the distance is such that the energy can be reached by the shock wave generated in the liquid. Biopolymers may be present in living cells. For example, cells may be cultured on a glass plate and irradiated with terahertz pulse light as described above. Alternatively, the biopolymer may be dissolved in the liquid.

本発明の第二の態様は生体高分子操作装置であって、液体を保持し、少なくとも前記液体の界面から離れた位置に生体高分子を保持する保持部と、前記液体の界面にテラヘルツパルス光を照射する光照射部と、を備え、前記テラヘルツパルス光の照射によって生じる前記液体中の衝撃波によって前記生体高分子を操作することを特徴とする。 The second aspect of the present invention is a biopolymer manipulation device, which holds a liquid and holds a biopolymer at least at a position away from the interface of the liquid, and terahertz pulse light at the interface of the liquid. It is characterized by comprising a light irradiation unit for irradiating the biopolymer, and manipulating the biopolymer by a shock wave in the liquid generated by irradiation with the terahertz pulse light.

本発明によれば、細胞毒性が低く、任意の細胞群及び細胞内領域のみで重合性タンパク質を制御できる。 According to the present invention, the cytotoxicity is low, and the polymerizable protein can be controlled only in an arbitrary cell group and intracellular region.

実施例1に係る生体高分子操作装置の概要構成を示す図。The figure which shows the outline structure of the biopolymer operation apparatus which concerns on Example 1. FIG. 実施例1に係る実験結果を示す図。The figure which shows the experimental result which concerns on Example 1. 液体表面に照射したテラヘルツ波によって生じる衝撃波を可視化した図。The figure which visualized the shock wave generated by the terahertz wave irradiating the liquid surface. 実施例2に係る生体高分子操作装置の概要構成(光学系部分を除く)を示す図。The figure which shows the outline structure (excluding the optical system part) of the biopolymer operation apparatus which concerns on Example 2. FIG. 実施例2に係る実験結果を示す図。The figure which shows the experimental result which concerns on Example 2.

以下では、図面を参照しながら、この発明を実施するための形態を説明するが、本発明はこれに限定されない。以下で説明する各実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. The components of each embodiment described below can be combined as appropriate.

[1.水溶液中のアクチンへのテラヘルツ波照射]
まず、水溶液中のアクチン繊維形成へテラヘルツ光照射が及ぼす影響を調べた。図1は、本実施例に係るアクチン繊維切断装置(生体高分子操作装置)1の概要構成を示す図である。アクチン繊維切断装置1は、テラヘルツパルス波を照射する光照射部10、強度調整のための減衰器11、放物面ミラー12、フィルムボトムディッシュ13を含む。
[1. Irradiation of actin in an aqueous solution with terahertz waves]
First, the effect of terahertz light irradiation on the formation of actin fibers in an aqueous solution was investigated. FIG. 1 is a diagram showing an outline configuration of an actin fiber cutting device (biopolymer operating device) 1 according to the present embodiment. The actin fiber cutting device 1 includes a light irradiation unit 10 that irradiates a terahertz pulse wave, an attenuator 11 for adjusting the intensity, a parabolic mirror 12, and a film bottom dish 13.

光照射部10は、自由電子(FEL)レーザー光源を含み、テラヘルツ周波数のパルス光を照射可能に構成される。本実施例では、光照射部10は、パルス幅5ピコ秒の約100のミクロパルスからなるマクロパルスを5Hzの繰り返し周波数で照射する。テラヘルツ波の中心周波数は4THzであり帯域幅は1THzである。テラヘルツ光は、放物面ミラー12によって緩く集束され、焦点は試料から25mm離れた位置とした。また、ビーム径は試料上で4mmである。ビーム強度は、ワイヤーグリッド偏光子11a,11bおよびテラヘルツアッテネーター11cからなる減衰器によって調整可能である。本実施例
のビーム強度は1ミクロパルスあたり80~250μJ/cmとした。光照射部10からのテラヘルツパルス光は、フィルムボトムディッシュ13のフィルム部に照射される。なお、テラヘルツパルス光はフィルム部に照射されるが、フィルム部は十分に薄く、テラヘルツパス光の光エネルギーがフィルム部とアクチン水溶液14の界面まで伝播するので、上記の照射はアクチン水溶液14の界面へのテラヘルツパルス光の照射と捉えられる。
The light irradiation unit 10 includes a free electron (FEL) laser light source and is configured to be capable of irradiating pulsed light having a terahertz frequency. In this embodiment, the light irradiation unit 10 irradiates a macro pulse consisting of about 100 micropulses having a pulse width of 5 picoseconds at a repetition frequency of 5 Hz. The center frequency of the terahertz wave is 4 THz and the bandwidth is 1 THz. The terahertz light was loosely focused by the parabolic mirror 12 and the focal point was 25 mm away from the sample. The beam diameter is 4 mm on the sample. The beam intensity can be adjusted by an attenuator consisting of wire grid modulators 11a, 11b and a terahertz attenuator 11c. The beam intensity of this example was 80 to 250 μJ / cm 2 per micropulse. The terahertz pulse light from the light irradiation unit 10 irradiates the film unit of the film bottom dish 13. Although the terahertz pulse light is applied to the film portion, the film portion is sufficiently thin and the light energy of the terahertz pass light propagates to the interface between the film portion and the actin aqueous solution 14, so that the above irradiation is performed at the interface of the actin aqueous solution 14. It can be regarded as the irradiation of terahertz pulse light to.

アクチン水溶液14は、精製アクチンを水に溶解して得られるG-アクチン(球状アクチン)の溶液に、アクチンを重合化する緩衝液を加えたものである。アクチン水溶液14は、フィルムボトムディッシュ13上に厚さ1mmとなるよう滴下し、フィルムボトムディッシュ13上で重合反応をさせた。 The actin aqueous solution 14 is obtained by adding a buffer solution for polymerizing actin to a solution of G-actin (spherical actin) obtained by dissolving purified actin in water. The actin aqueous solution 14 was dropped onto the film bottom dish 13 so as to have a thickness of 1 mm, and a polymerization reaction was carried out on the film bottom dish 13.

フィルムボトムディッシュ13の底部から、強度80μJ/cmの波長4THzのパルス光を30分間照射した。また、比較のために、テラヘルツパルス光を照射しないアクチン水溶液を、テラヘルツパルス光を照射するアクチン水溶液の隣に配置した。 From the bottom of the film bottom dish 13, pulsed light having an intensity of 80 μJ / cm 2 and a wavelength of 4 THz was irradiated for 30 minutes. In addition, for comparison, an actin aqueous solution not irradiated with terahertz pulse light was placed next to the actin aqueous solution irradiated with terahertz pulse light.

図2は、30分間のテラヘルツパルス光の照射の後、アクチン繊維を蛍光プローブで染色して蛍光顕微鏡で観察した結果である。図2(A)はテラヘルツパルス光の非照射サンプル、図2(B)はテラヘルツパルス光の照射サンプルの観察結果である。顕微鏡視野内のアクチンタンパク質の濃度は同じ(2.4μM)であり、アクチン繊維のみを染色して可視化している。明らかに、照射サンプル(図2(B))は、非照射サンプル(図2(A))と比較して輝度が低下しており、検出可能な長さを有するアクチン繊維の数が少ないことが分かる。また、図2(C)は顕微鏡視野内で計数したアクチン繊維数を示しており、テラヘルツパルス光照射によりアクチン繊維数が約40%減少することが分かる。また、1つのアクチン繊維を拡大して観察したところ、アクチン繊維の直線状の正常な繊維構造に影響は認められず、変性や凝集体形成のような構造変化が生じていないことが確認できた。 FIG. 2 shows the results of staining actin fibers with a fluorescent probe and observing them with a fluorescence microscope after irradiation with terahertz pulse light for 30 minutes. FIG. 2A is an observation result of a non-irradiated sample of terahertz pulse light, and FIG. 2B is an observation result of an irradiated sample of terahertz pulse light. The concentration of actin protein in the field of view under the microscope is the same (2.4 μM), and only the actin fibers are stained and visualized. Obviously, the irradiated sample (FIG. 2 (B)) has a lower luminance than the non-irradiated sample (FIG. 2 (A)) and has a smaller number of actin fibers having a detectable length. I understand. Further, FIG. 2C shows the number of actin fibers counted in the field of view of the microscope, and it can be seen that the number of actin fibers is reduced by about 40% by irradiation with terahertz pulse light. Further, when one actin fiber was magnified and observed, no influence was observed on the linear normal fiber structure of the actin fiber, and it was confirmed that no structural change such as modification or aggregate formation occurred. ..

このように、アクチン水溶液にテラヘルツパルス光を照射することにより、アクチン繊維の切断あるいは形成阻害が可能である。従来行われていた薬剤による手法では、繊維の伸長阻害に加えて、薬剤結合によるアクチンの構造変化が問題になるが、上述のように本手法によれば構造変化を招かない。 As described above, by irradiating the actin aqueous solution with terahertz pulse light, it is possible to cleave or inhibit the formation of actin fibers. In the conventional method using a drug, in addition to the inhibition of fiber elongation, the structural change of actin due to drug binding becomes a problem, but as described above, this method does not cause a structural change.

また、水溶液系による本実験結果は、テラヘルツパルス光照射による繊維形成の阻害効果が、細胞内現象(細胞内シグナル、化学修飾、タンパク質制御因子)を介さない直接的な作用であることを示している。また、照射するテラヘルツパルス光のエネルギーは10W/cm程度と十分に小さいため熱作用による副作用を招かない。 In addition, the results of this experiment using an aqueous solution system show that the inhibitory effect on fiber formation by terahertz pulse light irradiation is a direct action not mediated by intracellular phenomena (intracellular signals, chemical modifications, protein regulators). There is. In addition, the energy of the terahertz pulsed light to be irradiated is sufficiently small, about 108 W / cm 2 , so that side effects due to thermal action are not caused.

テラヘルツ光照射による熱効果は液体深部には及ばない。テラヘルツ光は水素結合ネットワークの分子間振動を直接励起する。水の4THz波の吸収係数を考慮すると99%のエネルギーが液体表面から10μm以内で吸収されてしまう。この強い吸収は局所的な温度および圧力の急速な上昇を生じ、高い効率で水中に衝撃波を生じさせる。 The thermal effect of terahertz light irradiation does not extend to the deep part of the liquid. Terahertz light directly excites intermolecular oscillations in hydrogen-bonded networks. Considering the absorption coefficient of the 4 THz wave of water, 99% of the energy is absorbed within 10 μm from the liquid surface. This strong absorption results in a rapid rise in local temperature and pressure, producing shock waves in water with high efficiency.

図3はこのようにして生じる水中の衝撃波を可視化した実験結果である。この図では、周波数4THz、ビーム径0.7mm、1マイクロパルスあたりのエネルギー密度4.5mJ/cm(パワー密度3.1GW/cm)のテラヘルツパルス光を水面に緩く収束させて照射したときの水中の状態をシャドウグラフ法によって観察している。図から、水中に平面波の衝撃波が生じていることが分かる。平面波であるので長距離の伝播が可能であり、表面から3mm以上伝播していることが分かる。 FIG. 3 shows the experimental results of visualizing the shock waves in the water generated in this way. In this figure, when terahertz pulse light with a frequency of 4 THz, a beam diameter of 0.7 mm, and an energy density of 4.5 mJ / cm 2 per micropulse (power density of 3.1 GW / cm 2 ) is gently converged on the water surface and irradiated. The underwater condition of the water is observed by the shadow graph method. From the figure, it can be seen that a plane shock wave is generated in the water. Since it is a plane wave, it can propagate over a long distance, and it can be seen that it propagates by 3 mm or more from the surface.

以上の理由から、テラヘルツパルス光のアクチン水溶液照射によるアクチン分子の操作
は、テラヘルツ波の熱効果によるものではなく、テラヘルツパルス光の照射に伴う衝撃波によるものであるといえる。すなわち、液体の界面にテラヘルツパルス光を照射して、この照射により生じる液体中の衝撃波によって、液体中の生体高分子の操作が可能である。
For the above reasons, it can be said that the operation of actin molecules by irradiation with an aqueous actin solution of terahertz pulse light is not due to the thermal effect of the terahertz wave, but to the shock wave accompanying the irradiation of the terahertz pulse light. That is, it is possible to irradiate the interface of the liquid with terahertz pulse light and manipulate the biopolymer in the liquid by the shock wave in the liquid generated by this irradiation.

なお、高強度の可視光または近赤外光を照射して、プラズマ化およびアブレーション作用によって水中に衝撃波を発生させることもできるが、球面波が発生するため衝撃波の発生効率が悪く、また1015W/cmものエネルギーが必要であるため生体への安全面で問題が生じる。 It is also possible to irradiate high-intensity visible light or near-infrared light to generate a shock wave in water by plasma conversion and ablation, but since spherical waves are generated, the shock wave generation efficiency is poor, and 10 15 Since energy of W / cm 2 is required, there is a problem in terms of safety to the living body.

[2.細胞中のアクチンへのテラヘルツ波照射]
次に、生きた細胞中のアクチンへのテラヘルツ波照射の影響を調べるために、ヒト培養細胞内に存在するアクチン繊維にテラヘルツ波を照射した。
[2. Irradiation of actin in cells with terahertz waves]
Next, in order to investigate the effect of terahertz wave irradiation on actin in living cells, the actin fibers present in cultured human cells were irradiated with terahertz waves.

生きた細胞内のアクチン繊維への影響を調べるためには、照射環境において細胞の生命機能を維持する必要がある。そこで、本実施例に係るアクチン繊維切断装置(生体高分子操作装置)は、テラヘルツパルス光照射の光学系、細胞培養装置、蛍光顕微鏡を組み合わせた可搬型の照射・観察プラットフォームと自由電子レーザー光源と組み合わせて構築した。光学系の構成は図1の例と同様であるため繰り返しの説明は省略する。 In order to investigate the effect on actin fibers in living cells, it is necessary to maintain the vital function of the cells in the irradiation environment. Therefore, the actin fiber cutting device (biopolymer manipulation device) according to this embodiment includes a portable irradiation / observation platform combining an optical system for terahertz pulse light irradiation, a cell culture device, and a fluorescence microscope, and a free electron laser light source. Constructed in combination. Since the configuration of the optical system is the same as that of the example of FIG. 1, the repeated description will be omitted.

図4は、細胞培養装置部分と蛍光顕微鏡部分の拡大図である。細胞培養装置部分(保持部)は、開口を有する加熱ステージ21、フィルムボトムディッシュ22、培養細胞とフィルムボトムディッシュ22の底面の間の距離を所定の距離に調整するためのスペーサ23、培養細胞を担持するカバーガラス24を有する。加熱ステージ21は、フィルムボトムディッシュ22内の培養液26を一定の温度(例えば37℃)に保つ。スペーサ23は、培養細胞が接着したカバーガラス24を、フィルムボトムディッシュの底面から所定の距離離れた位置に配置するよう調整するために用いられ、本実施形態では所定の距離は少なくとも800μmから2800μmの範囲で調整可能である。カバーガラス(試料プレート)24上で培養細胞(HeLa細胞)25を培養している。 FIG. 4 is an enlarged view of a cell culture device portion and a fluorescence microscope portion. The cell culture apparatus portion (holding portion) includes a heating stage 21 having an opening, a film bottom dish 22, a spacer 23 for adjusting the distance between the cultured cells and the bottom surface of the film bottom dish 22, and a cultured cell. It has a cover glass 24 to carry. The heating stage 21 keeps the culture solution 26 in the film bottom dish 22 at a constant temperature (for example, 37 ° C.). The spacer 23 is used to adjust the cover glass 24 to which the cultured cells are adhered so as to be arranged at a predetermined distance from the bottom surface of the film bottom dish. In the present embodiment, the predetermined distance is at least 800 μm to 2800 μm. It is adjustable in the range. Cultured cells (HeLa cells) 25 are cultured on the cover glass (sample plate) 24.

また、本実施例ではテラヘルツ波照射による経時的な影響を観察するために、集光面の上方に水浸対物レンズ27を有する蛍光顕微鏡(不図示)を設置している。培養細胞25内のアクチン繊維を蛍光プローブで染色して、蛍光顕微鏡で観察することにより、照射影響の経時的な観察を可能としている。なお、蛍光顕微鏡はアクチン繊維の切断という観点からは省略可能である。 Further, in this embodiment, a fluorescence microscope (not shown) having a water immersion objective lens 27 is installed above the condensing surface in order to observe the influence of terahertz wave irradiation over time. By staining the actin fibers in the cultured cells 25 with a fluorescent probe and observing them with a fluorescence microscope, it is possible to observe the effects of irradiation over time. The fluorescence microscope can be omitted from the viewpoint of cutting actin fibers.

培養細胞(HeLa細胞)25は実験2日前にカバーガラス24に播種して、10%ウシ胎児血清(FBS)を含むダルベッコ改変イーグル培地(DMEM)中に加えて、37℃、5%CO条件下で培養した。また、細胞内のアクチン繊維の染色には、蛍光プローブであるシリコンローダミン(SiR)アクチンを使用した。SiRアクチンは細胞膜透過性が高く、アクチン繊維に結合することで蛍光を発するため、細胞内のアクチン繊維のみを高い解像度で観察することができる。染色後に、培養細胞が接着したカバーガラス24をフィルムボトムディッシュ22に設置した。この際、スペーサ23によって、カバーガラス24をフィルムボトムディッシュ22の底面から800μm離れた位置に設置している。その後、フィルムボトムディッシュ22を加熱ステージ21上に置き、培地を37℃に保った状態でフィルムボトムディッシュ22の底面にテラヘルツパルス光を照射した。 Cultured cells (HeLa cells) 25 were seeded in cover glass 24 2 days prior to the experiment and added to Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) containing 10% fetal bovine serum (FBS) at 37 ° C., 5% CO 2 conditions. Cultured under. In addition, silicon rhodamine (SiR) actin, which is a fluorescent probe, was used for staining intracellular actin fibers. Since SiR actin has high cell membrane permeability and fluoresces when it binds to actin fibers, only intracellular actin fibers can be observed with high resolution. After staining, the cover glass 24 to which the cultured cells were adhered was placed on the film bottom dish 22. At this time, the cover glass 24 is installed at a position 800 μm away from the bottom surface of the film bottom dish 22 by the spacer 23. Then, the film bottom dish 22 was placed on the heating stage 21, and the bottom surface of the film bottom dish 22 was irradiated with terahertz pulse light while the medium was kept at 37 ° C.

本実施例では、テラヘルツ波のビーム強度が1ミクロパルスあたり250J/cmである以外は、第1の実験と照射条件は同じである。すなわち、テラヘルツパルス光は、パルス幅5ピコ秒の約100のミクロパルスからなるマクロパルスを5Hzの繰り返し周波
数を有し、テラヘルツビームの中心周波数は4THz、帯域幅は1THzである。また、テラヘルツビームは緩く集束して、焦点は試料から25mm離れた位置とし、ビーム径は試料上で4mmである。
In this embodiment, the irradiation conditions are the same as those in the first experiment except that the beam intensity of the terahertz wave is 250 J / cm 2 per micropulse. That is, the terahertz pulse light has a repetition frequency of 5 Hz for a macro pulse consisting of about 100 micropulses having a pulse width of 5 picoseconds, the center frequency of the terahertz beam is 4 THz, and the bandwidth is 1 THz. The terahertz beam is loosely focused, the focal point is 25 mm away from the sample, and the beam diameter is 4 mm on the sample.

なお、比較のために、テラヘルツパルス光の照射を行わない以外は同じ条件での観察も行っている。 For comparison, observations are also made under the same conditions except that terahertz pulse light is not irradiated.

図5は、実験結果を示す蛍光顕微鏡の観察結果である。図5(A)はテラヘルツパルス光の非照射サンプルの観察結果であり、図5(B)は図5(A)の部分拡大図である。図5(C)はテラヘルツパルス光の照射サンプルの観察結果であり、図5(D)は図5(C)の部分拡大図である。テラヘルツパルス光を30分照射したサンプルでは、細胞内に存在するアクチン繊維が断片化している様子が確認できた(図5(D)の矢印部分)。この結果は、前述の精製アクチンと同様に、生体内のアクチン繊維もテラヘルツパルス光照射によって切断されることを示している。 FIG. 5 is an observation result of a fluorescence microscope showing the experimental results. 5 (A) is an observation result of a non-irradiated sample of terahertz pulse light, and FIG. 5 (B) is a partially enlarged view of FIG. 5 (A). 5 (C) is an observation result of an irradiation sample of terahertz pulse light, and FIG. 5 (D) is a partially enlarged view of FIG. 5 (C). In the sample irradiated with terahertz pulse light for 30 minutes, it was confirmed that the actin fibers existing in the cells were fragmented (arrow portion in FIG. 5D). This result indicates that actin fibers in the living body are also cleaved by terahertz pulse light irradiation, similar to the above-mentioned purified actin.

カバーガラス24とフィルムボトムディッシュ22の底面との間の距離を変えて実験をしたところ、テラヘルツ波の照射によるエネルギーは少なくとも界面から1000μmの深さまで到達している。これは、熱効果によりエネルギーが伝達したのではなく、照射された光子エネルギーが圧力波(衝撃波)として水中を伝わり、細胞内のアクチン繊維を切断したことを意味する。 When the experiment was conducted by changing the distance between the cover glass 24 and the bottom surface of the film bottom dish 22, the energy due to the irradiation of the terahertz wave reached at least a depth of 1000 μm from the interface. This means that the energy was not transmitted by the heat effect, but the irradiated photon energy was transmitted in water as a pressure wave (shock wave) and cut the actin fibers in the cell.

本実施例によれば、アクチン繊維を構造の途中で切断することができる(図5(D))。従来の薬物投与による繊維形成阻害の作用機序は、薬剤が繊維の先端へ結合・キャッピングすることで単量体アクチンの接合を抑制するものであり、伸長を末端のみで阻害する。つまり、本実施例のアクチン繊維切断は、これまでにない新規な繊維構造の崩壊誘導効果である。この作用は、薬剤と比較してテラヘルツ光照射がより効率的に短時間で繊維を切断・崩壊させる可能性を示唆している。加えて薬剤投与で生じるアクチンの凝集(変性)体は水溶液系と同様に細胞内でも観察されず、細胞の生存率も99%以上であることが確認できている。さらに、本手法はテラヘルツ光を集光することで、任意の領域へ限定的に作用させることができる。したがって、本手法は、従来は困難であった特定領域に限定して作用させることが可能であり、また、安全面においても大きな利点を有する。 According to this embodiment, actin fibers can be cleaved in the middle of the structure (FIG. 5 (D)). The conventional mechanism of action of inhibiting fiber formation by drug administration is that the drug binds to and capps to the tip of the fiber to suppress the bonding of monomeric actin, and inhibits elongation only at the end. That is, the actin fiber cutting of this example is a novel effect of inducing disintegration of the fiber structure, which has never been seen before. This action suggests that terahertz light irradiation may cut and disintegrate fibers more efficiently and in a short time compared to drugs. In addition, the aggregated (modified) form of actin generated by drug administration was not observed in the cells as in the aqueous solution system, and it was confirmed that the survival rate of the cells was 99% or more. Furthermore, this method can be applied to an arbitrary region in a limited manner by condensing terahertz light. Therefore, this method can be applied only to a specific region, which has been difficult in the past, and has a great advantage in terms of safety.

[3.その他の実施例]
本発明は、液体の界面にテラヘルツパルス光を照射し、この照射により生じる液体中の衝撃波によって、液体内にある生体高分子を操作する生体高分子操作方法と捉えられる。上記の説明では生体高分子としてアクチンを対象としてテラヘルツパルス光の照射による構造操作を行っているが、アクチン以外にもチューブリンやケラチン、アミロイド、コラーゲンなどを含む任意の重合性タンパク質を対象とすることもできる。
[3. Other Examples]
The present invention can be regarded as a biopolymer manipulation method in which a terahertz pulse light is irradiated to the interface of a liquid and the biopolymer in the liquid is manipulated by the shock wave in the liquid generated by the irradiation. In the above explanation, actin is targeted as a biopolymer and structural manipulation is performed by irradiation with terahertz pulse light, but in addition to actin, any polymerizable protein including tubulin, keratin, amyloid, collagen, etc. is targeted. You can also do it.

また、使用可能なテラヘルツ光は、液体中に衝撃波(圧力波)を引き起こせるように高周波、高エネルギー、短パルスであることが好ましいが、上記で説明した周波数やエネルギー密度のものに限られない。例えば、テラヘルツビームの周波数は1THz以上25THz以下であればよく、4THz以上20THz以下であることがより好ましい。また、エネルギー密度は、1マイクロパルスあたり50μJ/cm以上500μJ/cmであればよい。また、パルス幅は、1ps(ピコ秒)以上1000ps以下であればよい。 Further, the terahertz light that can be used is preferably high frequency, high energy, and short pulse so as to cause a shock wave (pressure wave) in the liquid, but is not limited to the frequency and energy density described above. .. For example, the frequency of the terahertz beam may be 1 THz or more and 25 THz or less, and more preferably 4 THz or more and 20 THz or less. The energy density may be 50 μJ / cm 2 or more and 500 μJ / cm 2 per micropulse. The pulse width may be 1 ps (picoseconds) or more and 1000 ps or less.

また、上記の説明ではテラヘルツビームの光源として自由電子レーザー光源を使用しているがこれに限られない。近年の技術の進展により、強力で小型、安価な光源が提案されており、上記の条件を満たすテラヘルツ波を照射できる限りどのような光源を用いてもよい。小型な光源を採用することで可搬な生体高分子操作装置を構築することができる。 Further, in the above description, a free electron laser light source is used as a light source of the terahertz beam, but the present invention is not limited to this. Recent advances in technology have proposed powerful, compact, and inexpensive light sources, and any light source that can irradiate terahertz waves satisfying the above conditions may be used. By adopting a small light source, it is possible to construct a portable biopolymer operating device.

また、培養細胞ではなく生体組織に対して水などの液体を介してテラヘルツ波を照射してもよい。また、液体は生体組織中の水分であってもよい。テラヘルツ波照射に伴う衝撃波が2~3mm程度の深さに到達すること、および、人体において皮膚の厚さが2mm程度であることから、テラヘルツパルス光の影響が皮膚組織の深部まで到達する。すなわち、生体高分子操作装置は、人体あるいは動物の皮膚表面に対してテラヘルツパルス光を照射して、この照射によって生じる生体組織内の衝撃波によって、組織深部の重合性タンパク質を操作することができることが期待される。 Further, the terahertz wave may be irradiated to the living tissue instead of the cultured cells via a liquid such as water. Further, the liquid may be water in a living tissue. Since the shock wave accompanying the terahertz wave irradiation reaches a depth of about 2 to 3 mm and the thickness of the skin in the human body is about 2 mm, the influence of the terahertz pulse light reaches the deep part of the skin tissue. That is, the biopolymer manipulation device can irradiate the skin surface of a human body or an animal with terahertz pulse light, and the shock wave in the living tissue generated by this irradiation can manipulate the polymerizable protein in the deep part of the tissue. Be expected.

1:生体高分子操作装置 10:光照射部
11a,11b:ワイヤーグリッド偏光子 11c:テラヘルツアッテネーター
12:放物面ミラー 13:フィルムボトムディッシュ
21:加熱ステージ 22:フィルムボトムディッシュ 23:スペーサ
24:カバーガラス 25:培養細胞(HeLa細胞) 25:培養液
27:水浸対物レンズ
1: Biopolymer operation device 10: Light irradiation unit 11a, 11b: Wire grid splitter 11c: Terrahertz attenuator 12: Radial surface mirror 13: Film bottom dish 21: Heating stage 22: Film bottom dish 23: Spacer 24: Cover Glass 25: Cultured cells (HeLa cells) 25: Culture solution 27: Water-immersed objective lens

Claims (9)

液体の界面にテラヘルツパルス光を照射し、当該照射により生じる前記液体中の衝撃波によって、前記液体内にある生体高分子を操作する、ことを特徴とする生体高分子操作方法。 A method for manipulating a biopolymer, which comprises irradiating an interface of a liquid with terahertz pulse light and manipulating the biopolymer in the liquid by a shock wave in the liquid generated by the irradiation. 前記生体高分子は、重合性タンパク質であり、
前記テラヘルツパルス光の照射によって、前記重合性タンパク質の繊維構造を切断する、
請求項1に記載の生体高分子操作方法。
The biopolymer is a polymerizable protein and is
Irradiation with the terahertz pulse light cuts the fiber structure of the polymerizable protein.
The biopolymer manipulation method according to claim 1.
前記生体高分子が接着した試料プレートを、前記液体を含むフィルムボトムディッシュの底面から所定の距離離れた位置に配置し、前記フィルムボトムディッシュの底面に前記テラヘルツパルス光を照射する、
請求項1または2に記載の生体高分子操作方法。
The sample plate to which the biopolymer is adhered is placed at a position separated from the bottom surface of the film bottom dish containing the liquid by a predetermined distance, and the bottom surface of the film bottom dish is irradiated with the terahertz pulse light.
The biopolymer manipulation method according to claim 1 or 2.
前記テラヘルツパルス光の周波数は、1THz以上25THz以下である、
請求項1から3のいずれか1項に記載の生体高分子操作方法。
The frequency of the terahertz pulse light is 1 THz or more and 25 THz or less.
The biopolymer manipulation method according to any one of claims 1 to 3.
前記テラヘルツパルス光のパルス幅は、1ps以上1000ps以下である、
請求項1から4のいずれか1項に記載の生体高分子操作方法。
The pulse width of the terahertz pulse light is 1 ps or more and 1000 ps or less.
The biopolymer manipulation method according to any one of claims 1 to 4.
前記テラヘルツパルス光のエネルギーは、50μJ/cm以上500μJ/cm以下である、
請求項1から5のいずれか1項に記載の生体高分子操作方法。
The energy of the terahertz pulse light is 50 μJ / cm 2 or more and 500 μJ / cm 2 or less.
The biopolymer manipulation method according to any one of claims 1 to 5.
液体を保持し、少なくとも前記液体の界面から離れた位置に生体高分子を保持する保持部と、
前記液体の界面にテラヘルツパルス光を照射する光照射部と、
を備え、
前記テラヘルツパルス光の照射によって生じる前記液体中の衝撃波によって前記生体高分子を操作することを特徴とする生体高分子操作装置。
A holding part that holds the liquid and holds the biopolymer at least at a position away from the interface of the liquid.
A light irradiation unit that irradiates the interface of the liquid with terahertz pulse light,
Equipped with
A biopolymer manipulation apparatus comprising manipulating the biopolymer by a shock wave in the liquid generated by irradiation with the terahertz pulse light.
前記生体高分子は、重合性タンパク質である、
請求項7に記載の生体高分子操作装置。
The biopolymer is a polymerizable protein.
The biopolymer operating device according to claim 7.
前記保持部は、フィルムボトムディッシュと、前記生体高分子を担持する試料プレートと、を含み、
前記光照射部は、前記フィルムボトムディッシュのフィルム部に前記テラヘルツパルス光を照射する、
請求項7または8に記載の生体高分子操作装置。
The holding portion includes a film bottom dish and a sample plate carrying the biopolymer.
The light irradiation unit irradiates the film portion of the film bottom dish with the terahertz pulse light.
The biopolymer manipulation apparatus according to claim 7 or 8.
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