JP2023012914A - 培養デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】電極が培養物の観察の妨げとなることを抑制しつつ、測定室の広域に電流を有効に印加する技術を提供する。【解決手段】培養デバイス１は、細胞９の電気抵抗の測定に適用可能である。培養デバイス１は、測定室１００と、透過層３０と、上側作用電極４０と、下側作用電極５０とを有する。測定室１００は、第１方向の長さが、第１方向と交差する第２方向の長さよりも長い。透過層３０は、測定室１００を、上側の第１室１１０と、下側の第２室１２０とに仕切る。透過層３０は、液体を通過させることが可能である。上側作用電極４０は、測定室１００に対して上側に位置し、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い作用電極部４１，４２を有する。下側作用電極５０は、測定室１００に対して上側に位置し、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い作用電極部５１，５２を有する。【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、培養デバイスに関する。

培養した細胞などの培養物の性質や、培養状態を調べるために、培養物の電気抵抗を計測する技術が知られている。例えば、経上皮電気抵抗（ＴＥＥＲ）測定では、培養液中において細胞培養用の膜の一方側と他方側とに電極を配置して電極間の電気抵抗が測定され、これによって、膜上に培養された細胞の電気抵抗が測定される。このような細胞の電気抵抗を計測する技術は、例えば特許文献１に記載されている。

また、特許文献２には、流路内に細胞を培養する透過膜が配置され、透過膜の上下に複数対の電極が配置されたマイクロ流体デバイスが開示されている。特許文献２では、上部作用電極および下部作用電極は、流路の短手方向に延びており、短手方向に流路を横断するように配置されている。

特開２００５－１３７３０７号公報 特開２０２０－１４６０１５号公報

ところで、ＴＥＥＲ測定では、測定室内の培養物全体に対して、均一に電流が印加されることが望ましい。特許文献２のように、電極を流路の短手方向に配置した場合、流路内の広域に電流を印加するために、流路の長手方向において、電極の幅を大きくすることが考えられる。しかしながら、この場合、電極の幅が大きくなることによって、電極が培養物の観察の妨げとなるおそれがあった。また、流路内の広域に電流を印加するために、流路の長手方向に電極を複数配置することが考えられる。しかしながら、この場合も、電極数が増えることにより、電極が培養物の観察の妨げとなるおそれがあった。

本発明の目的は、電極が培養物の観察の妨げとなることを抑制しつつ、測定室内の広域に電流を有効に印加する技術を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１態様は、培養物の電気抵抗の測定に適用可能な培養デバイスであって、第１方向の長さが、前記第１方向と交差する第２方向の長さよりも長い測定室と、前記第１方向および前記第２方向とそれぞれ交差する第３方向において、前記測定室を一方側の第１室と他方側の第２室とに仕切る層であって、液体を通過させることが可能な透過層と、前記測定室に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する一方側作用電極と、前記測定室に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する他方側作用電極とを備える。

第２態様は、第１態様の培養デバイスであって、前記他方側作用電極は、前記第１方向に延びており、前記測定室内において前記一方側作用電極と対向する他方側第１作用電極部を有する。

第３態様は、第１態様または第２態様の培養デバイスであって、前記他方側作用電極は、前記第１方向に延びており、前記測定室内において前記一方側作用電極に対して前記第２方向に離れて位置する他方側第２作用電極部を有する。

第４態様は、第１態様の培養デバイスであって、前記一方側作用電極は、前記第１方向に延びる一方側第１作用電極部と、前記第１方向に延びており、前記一方側第１作用電極部に対して前記第２方向に離れて位置する一方側第２作用電極部とを有する。

第５態様は、第４態様の培養デバイスであって、前記他方側作用電極は、前記第１方向に延びる他方側第１作用電極部と、前記第１方向に延びており、前記他方側第１作用電極部に対して前記第２方向に離れて位置する他方側第２作用電極部とを有する。

第６態様は、第５態様の培養デバイスであって、前記測定室内において、前記一方側第１作用電極部が前記他方側第１作用電極部と対向する。

第７態様は、第６態様の培養デバイスであって、前記測定室内において、前記一方側第２作用電極部が前記他方側第２作用電極部と対向する。

第８態様は、第５態様から第７態様のいずれか１つの培養デバイスであって、前記一方側第１作用電極部と前記他方側第１作用電極部との間の距離を第１距離、前記一方側第１作用電極部と前記他方側第２作用電極部との間の距離を第２距離とした場合、前記第２距離が前記第１距離の１．５倍以下である。

第９態様は、第１態様から第８態様のいずれか１つの培養デバイスであって、前記測定室に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する一方側参照電極と、前記測定室に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する他方側参照電極とをさらに備える。

第１０態様は、第１態様から第９態様のいずれか１つの培養デバイスであって、前記第１室を形成する内面を有する第１部材と、前記第１部材に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第２室を形成する内面を有する第２部材と、前記第１部材に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記一方側作用電極が配置されている表面を有する一方側電極基材と、前記第２部材に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記他方側作用電極が配置されている表面を有する他方側電極基材とをさらに備え、前記透過層が、前記第１部材と前記第２部材との間に配置される。

第１１態様は、第１態様から第１０態様のいずれか１つの培養デバイスであって、前記一方側作用電極が、前記第１方向における前記測定室の一端から他端まで延びる電極部分を有し、前記他方側作用電極が、前記一方側における前記測定室の一端から他端まで延びる電極部分を有する。

第１態様から第１１態様の培養デバイスによると、測定室に対して、測定室の長手方向に延びるように一方側作用電極が配置される。これにより、一方側作用電極が培養物の観察の妨げになることを抑制しつつ、測定室内の広域に電流を有効に印加できる。

第２態様の培養デバイスによれば、他方側第２作用電極部が一方側作用電極と互いに対向するため、一方側作用電極部と他方側作用電極部との間の培養物に対して、電流を有効に印加できる。

第３態様の培養デバイスによれば、他方側第２作用電極部が一方側作用電極に対して第２方向に離れて配置されるため、電流が流れる範囲を第２方向に広げることができる。

第４態様の培養デバイスによれば、電流を印加する範囲を第２方向に広げることができる。

第５態様の培養デバイスによれば、電流が流れる範囲を第２方向に広げることができる。

第６態様の培養デバイスによれば、一方側第１作用電極部と他方側第１作用電極部との間の培養物に電流を印加できる。

第７態様の培養デバイスによれば、一方側第２作用電極部と他方側第２作用電極部との間の培養物に電流を印加できる。

第８態様の培養デバイスによれば、一方側第１作用電極部と他方側第２作用電極部との間にある培養物に対する電流密度を、一方側第１作用電極部と他方側第１作用電極部との間にある培養物に対する電流密度に近づけることができる。これにより、第２方向において、培養物に対する電流密度を均一にすることができる。

第９態様の培養デバイスによると、一方側第１作用電極部と他方側第１作用電極部との間に電流を印加し、一方側第１参照電極部と他方側第１参照電極部との間の電圧を測定することによって、４端子法によるＴＥＥＲ測定を実施できる。

第１０態様の培養デバイスによると、第１部材、第２部材、一方側電極基材、他方側電極基材および透過層を所定の順で積層することによって、両側に作用電極が配置された測定室を容易に形成できる。

第１１態様の培養デバイスによると、一方側作用電極が、第１方向における測定室の一端から他端まで延びる電極部分を有しているため、測定室の長手方向全域に電流を印加できる。

実施形態に係る培養デバイスを示す上面図（Ａ）および下面図（Ｂ）である。 図１に示すＡ－Ａ線に沿う位置における培養デバイスの断面図である。 図１に示すＢ－Ｂ線に沿う位置における培養デバイスの断面図である。 細胞の抵抗値を測定する際の回路図である。 比較例に係る解析モデルを用いた電流密度のシミュレーション結果を示す図である。 図１に示す培養デバイスに対応する解析モデルを用いた電流密度のシミュレーション結果を示す図である。 図６に示す解析モデルを用いた電流密度のシミュレーション結果から算出される細胞の抵抗値を示す図である。 第１変形例に係る培養デバイスの断面図である。 第２変形例に係る培養デバイスの断面図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態に記載されている構成要素はあくまでも例示であり、本発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。図面においては、理解容易のため、必要に応じて各部の長さや数が誇張又は簡略化して図示されている場合がある。

＜１． 第１実施形態＞
図１は、実施形態に係る培養デバイス１を示す上面図（Ａ）および下面図（Ｂ）である。なお、図１においては、培養デバイス１のうち、測定室１００および測定室１００の周囲の構造を示している。図２は、図１に示すＡ－Ａ線に沿う位置における培養デバイス１の断面図である。図３は、図１に示すＢ－Ｂ線に沿う位置における培養デバイス１の断面図である。

以下の説明では、各要素の位置関係を説明するため、「第１方向」、「第２方向」および「上下方向（第３方向）」を定義する。第２方向は、第１方向と交差し、より好ましくは、第１方向と直交する。上下方向は、第１方向および第２方向と交差し、より好ましくは、第１方向および第２方向と直交する。以下の説明では、上下方向における上側を単に「上側」と略し、上下方向における下側を単に「下側」と略す場合がある。

図１に示すように、培養デバイス１は、内部空間である測定室１００が、微細な供給流路１４および排出流路１５を除いて閉空間となる、いわゆるマイクロ流路デバイスである。培養デバイス１は、測定室１００内で培養された細胞９（培養物）の電気抵抗（レジスタンス、インスタンス、またはインピーダンス）を４端子法で測定するＴＥＥＲ測定に適用される。なお、測定の対象となる培養物は、細胞９に限定されるものではなく、生体組織等の生物学的試料であってもよい。

図２および図３に示すように、培養デバイス１は、測定容器１０と、上側電極基材２１（一方側電極基材）と、下側電極基材２２（他方側電極基材）とを備えている。測定容器１０は、板状である第１部材１１と、第２部材１２とで構成されている。第２部材１２は、第１部材１１の下側に配置されている。第１部材１１および第２部材１２は、例えば、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）で形成されている。

測定容器１０は、内部に測定室１００を有する。測定室１００は、培養液などの液体を収容することが可能な空間を形成している。測定室１００の側面は、第１部材１１および第２部材１２に形成された、貫通穴の内面１３ａ，１３ｂによって構成されている。図３に示すように、測定室１００は、第２方向一方側の第１側面１０１と、第２方向他方側の第２側面１０２とを有する。第１側面１０１および第２側面１０２は、第２方向において、互いに対向している。

図１に示すように、測定室１００は、第１方向の長さが、第２方向の長さよりも長い。本例では、測定室１００は、上側から見た平面視において、第１方向を長手方向、第２方向を短手方向とする長方形状である。

上側電極基材２１および下側電極基材２２は、例えば石英ガラスなどで形成された基板であって、透明性を有する基板である。図２及び図３に示すように、上側電極基材２１は、第１部材１１の上側に配置されている。下側電極基材２２は、第２部材１２の下側に配置されている。図２および図３に示すように、上側電極基材２１の下面は、測定室１００の上側の開口を塞いでいる。また、下側電極基材２２の上面は、測定室１００の下側の開口を塞いでいる。

なお、図１（Ａ）に示すように、上側電極基材２１が透明であるため、上方からの培養デバイス１の内部に配置された、上側作用電極４０、上側参照電極６０、および測定室１００等が視認可能である。同様に、図１（Ｂ）に示すように、下側電極基材２２が透明性を有するため、下方から培養デバイス１の内部に配置された下側作用電極５０、下側参照電極７０および測定室１００等が視認可能である。

図２および図３に示すように、培養デバイス１は、透過層３０を有している。透過層３０は、液体を透過させるシート状の透過膜である。透過層３０は、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、またはＰＥＴなどで形成されている。透過層３０は、第１部材１１と第２部材１２との間に挟み込まれて保持されている。

透過層３０は、上下方向において、測定室１００を上側の第１室１１０と、下側の第２室１２０とに仕切る層である。測定室１００内に収容された液体は、透過層３０を介して、第１室１１０と第２室１２０との間を行き来することが可能である。第１室１１０は、第１部材１１の内面１３ａにより形成されており、第２室１２０は、第２部材１２の内面１３ｂによって形成されている。

図１および図２に示すように、培養デバイス１は、供給口２１０と供給流路１４とを有している。供給流路１４は、外部から測定室１００内へ供給される液体が通過する流路である。供給口２１０は、外部から供給流路１４に液体を供給するための開口である。本例では、供給口２１０は、上側電極基材２１を上下方向に貫通する穴によって構成されている。供給口２１０は、供給流路１４を介して、測定室１００の第１室１１０と連通している。なお、「連通」とは、液体が流通可能に連結されている状態をいう。供給流路１４は、第１方向に沿って延びる管状に形成されている。図２に示すように、供給流路１４は、第１部材１１を上下に貫通する穴の内面と、上側電極基材２１の下面と、第２部材１２の上面とで構成されている。

図１および図２に示すように、培養デバイス１は、排出口２２０と排出流路１５とを有している。排出流路１５は、測定室１００内から外部へ排出される液体が通過する流路である。排出口２２０は、排出流路１５から液体を排出するための開口である。本例では、排出口２２０は、上側電極基材２１および第１部材１１を上下に貫通する穴によって構成されている。排出口２２０は、排出流路１５を介して、測定室１００の第２室１２０と連通している。排出流路１５は、第１方向に沿って延びる管状に形成されている。図２に示すように、排出流路１５は、第２部材１２を上下に貫通する穴の内面と、第１部材１１の下面と、下側電極基材２２の上面とで構成されている。

培養デバイス１を用いて細胞９の電気抵抗を測定する場合、供給口２１０には培養液などの液体を測定室１００に供給するための供給チューブが接続され、排出口２２０には測定室１００から培養液を排出するための排出チューブが接続される。

図１に示すように、培養デバイス１は、上側作用電極４０（一方側作用電極）と、下側作用電極５０（他方側作用電極）と、上側参照電極６０（一方側参照電極）と、下側参照電極７０（他方側参照電極）とをさらに備えている。

上側作用電極４０および上側参照電極６０は、上側電極基材２１の下面にそれぞれ配置されている。上側作用電極４０および上側参照電極６０は、測定室１００に対して上側（第３方向の一方側）に配置されている。下側作用電極５０および下側参照電極７０は、下側電極基材２２の上面にそれぞれ配置されている。下側作用電極５０および下側参照電極７０は、測定室１００に対して下側（第３方向の他方側）に配置されている。

上側作用電極４０および上側参照電極６０は、例えば、上側電極基材２１の下面に電極用の金属を蒸着させることによって形成される。蒸着によって形成された上側作用電極４０および上側参照電極６０のうち少なくとも測定室１００と上下に重なる部分は、好ましくは、絶縁保護膜（酸化膜）などで覆われる。このように、絶縁保護膜で覆うことによって、電極金属と液体との界面で生じる電気化学反応を抑制でき、経時的な電極金属の劣化や摩耗を抑制できる。下側作用電極５０および下側参照電極７０についても、上側作用電極４０および上側参照電極６０と同様に、下側電極基材２２の上面に対して蒸着によって形成されるとともに、適宜、絶縁保護膜で覆われる。

＜上側作用電極４０＞
図１（Ａ）に示すように、上側作用電極４０は、作用電極部４１（一方側第１作用電極部）と、作用電極部４２（一方側第２作用電極部）と、作用バス部４３とを有している。図１（Ａ）に示すように、作用電極部４１，４２は、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い。本例では、作用電極部４１，４２は、第１方向に沿って直線状に延びている。図１（Ａ）に示すように、第１方向における、作用電極部４１，４２の各一端部は、作用バス部４３と電気的に接続されている。

図１（Ａ）および図３に示すように、作用電極部４２は、作用電極部４１に対して、第２方向に離れて配置されている。作用電極部４１は、測定室１００の中央に対して、第２方向の一方側に寄った位置に配置されている。また、作用電極部４２は、測定室１００の中央に対して、第２方向の他方側に寄った位置に配置されている。

図３に示すように、作用電極部４１は、測定室１００の第１側面１０１に対して、第２方向他方側に間隔Ｗ３１だけ離れて配置されている。作用電極部４２は、測定室１００の第２側面１０２に対して、第２方向一方側に間隔Ｗ３２だけ離れて配置されている。

＜下側作用電極５０＞
図１（Ｂ）に示すように、下側作用電極５０は、作用電極部５１（他方側第１作用電極部）と、作用電極部５２（他方側第２作用電極部）と、作用バス部５３とを有している。作用電極部５１，５２は、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い。本例では、作用電極部５１，５２は、第１方向に沿って直線状に延びている。第１方向における、作用電極部５１，５２の各一端部は、作用バス部５３と電気的に接続されている。

図１（Ｂ）および図３に示すように、作用電極部５２は、作用電極部５１に対して、第２方向他方側に離れて配置されている。作用電極部５１は、測定室１００の中央に対して、第２方向の一方側に寄った位置に配置されている。また、作用電極部５２は、測定室１００の中央に対して、第２方向の他方側に寄った位置に配置されている。図３に示すように、作用電極部５２は、作用電極部４１に対して、第２方向他方側に離れて配置されている。

図３に示すように、作用電極部５１は、測定室１００の第１側面１０１に対して、第２方向他方側に間隔Ｗ３３だけ離れて配置されている。作用電極部５２は、測定室１００の第２側面１０２に対して、第２方向一方側に間隔Ｗ３４だけ離れて配置されている。

作用電極部４１，４２，５１，５２の幅（第２方向の寸法）Ｗ１１，Ｗ１２，Ｗ１３，Ｗ１４は、好ましくは同じ大きさである。

図３に示すように、作用電極部４１，５１は、第２方向において同じ位置に配置されている。測定室１００内において、作用電極部４１は、作用電極部５１と上下方向に対向している。図３に示すように、作用電極部４２，５２は、第２方向において同じ位置に配置されている。測定室１００内において、作用電極部４２は、作用電極部５２と上下方向に対向している。

作用電極部４１，４２，５１，５２は、測定室１００と上下に重なる位置にそれぞれ配置されている。また、図１および図２に示すように、第１方向における作用電極部４１，４２，５１，５２の各長さは、第１方向における測定室１００の長さよりも長い。また、図１および図２に示すように、作用電極部４１，４２，５１，５２は、測定室１００を第１方向に縦断するようにそれぞれ配置されている。すなわち、上側作用電極４０および下側作用電極５０は、第１方向における測定室１００の一端から他端まで延びる電極部分（作用電極部４１，４２，５１，５２）をそれぞれ有している。

＜上側参照電極６０＞
図１（Ａ）および図３に示すように、上側参照電極６０は、参照電極部６１（一方側第１参照電極部）と、参照電極部６２（一方側第２参照電極部）と、参照バス部６３とを有している。

図１（Ａ）に示すように、参照電極部６１，６２は、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い。本例では、参照電極部６１，６２は、第１方向に沿って直線状に延びている。第１方向における、参照電極部６１，６２の各一端部は、参照バス部６３と電気的に接続されている。

図３に示すように、参照電極部６１は、測定室１００の中央に対して、第２方向の一方側に寄った位置に配置されている。また、参照電極部６２は、測定室１００の中央に対して、第２方向の他方側に寄った位置に配置されている。

図３に示すように、参照電極部６２は、参照電極部６１に対して、第２方向の他方側に間隔Ｗ５１だけ離れて配置されている。参照電極部６１，６２は、第２方向において、作用電極部４１，４２の間に配置されている。

図３に示すように、参照電極部６１は、作用電極部４１に対して、第２方向他方側に間隔Ｗ４１だけ離れて配置されている。参照電極部６２は、作用電極部４２に対して、第２方向一方側に間隔Ｗ４２だけ離れて配置されている。

培養デバイス１では、測定室１００の長手方向（第１方向）の全体にわたって、作用電極部４１，４２の間に隙間が形成されている。そして、当該隙間に、上側参照電極６０の参照電極部６１，６２が配置されている。また、参照電極部６１，６２の間には、間隔Ｗ５１の隙間が形成される。このため、観察者は、培養デバイス１の上側から、参照電極部６１，６２の間の隙間を介して、透過層３０に支持された細胞９を観察できる。

上側参照電極６０の参照電極部６１，６２の幅（第２方向の寸法）Ｗ２１，Ｗ２２は、好ましくは、上側作用電極４０の作用電極部４１，４２の幅Ｗ１１，１２よりも小さい。このように、参照電極部６１，６２の幅Ｗ２１，Ｗ２２を小さくすることによって、上側参照電極６０が細胞９の観察の妨げとなることを抑制できる。

＜下側参照電極７０＞
下側参照電極７０は、参照電極部７１（他方側第１参照電極部）と、参照電極部７２（他方側第２参照電極部）と、参照バス部７３とを有している。参照電極部７１および参照電極部７２は、第１方向の長さが第２方向の長さよりも長い。本例では、参照電極部７１および参照電極部７２は、第１方向に沿って直線状に延びている。第１方向における、参照電極部７１および参照電極部７２の各一端部は、参照バス部７３と電気的に接続されている。

図１において、図示を省略しているが、作用バス部４３，５３および参照バス部６３，７３は、外部機器と電気的に接続するための接点部をそれぞれ有している。各接点部は、外部機器の電極（プローブピンなど）が接触できるように、培養デバイス１外に露出している。

図３に示すように、参照電極部７１は、測定室１００の中央に対して、第２方向の一方側に寄った位置に配置されている。また、参照電極部７２は、測定室１００の中央に対して、第２方向の他方側に寄った位置に配置されている。

図３に示すように、参照電極部７２は、参照電極部７１に対して、第２方向他方側に間隔Ｗ５２だけ離れて配置されている。参照電極部７１，７２は、第２方向において、作用電極部５１，５２の間に配置されている。

図３に示すように、参照電極部６１，７１は、第２方向において同じ位置に配置されている。測定室１００内において、参照電極部６１は、参照電極部７１と上下方向に対向している。また、図３に示すように、参照電極部６２，７２は、第２方向において同じ位置に配置されている。測定室１００内において、参照電極部６２は、参照電極部７１と上下方向に対向している。

参照電極部６１，６２，７１，７２の幅Ｗ２１，Ｗ２２，Ｗ２３，Ｗ２４は、好ましくは同じである。参照電極部７１，７２の幅Ｗ２３，Ｗ２４は、好ましくは、下側作用電極５０の作用電極部５１，５２の幅Ｗ１３，Ｗ１４よりも小さい。

測定室１００において、参照電極部６１は参照電極部７１と、参照電極部６２は参照電極部７２と、上下方向にそれぞれ重なっている。参照電極部６１，６２，７１，７２は、第１方向の長さが第１方向における測定室１００の長さよりも長い。図１（Ａ）および（Ｂ）に示すように、参照電極部６１，６２，７１，７２は、測定室１００を第１方向に縦断するように配置されている。すなわち、上側参照電極６０および下側参照電極７０は、第１方向において測定室１００の一端から他端まで延びる電極部分（参照電極部６１，６２，７１，７２）を有している。

測定室１００の第１方向の長さは、好ましくは１００ｍｍ以下であり、より好ましくは２０ｍｍ以上、３０ｍｍ以下である。測定室１００の第２方向の長さは、好ましくは１０ｍｍ以下であり、より好ましくは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。測定室１００の上下方向の長さは、好ましくは１０ｍｍ以下であり、より好ましくは１ｍｍ以上、２ｍｍ以下である。

作用電極部４１，４２，５１，５２の幅Ｗ１１～Ｗ１４は、好ましくは１ｍｍ以下であり、より好ましくは３００μｍ以上、５００μｍ以下であり、例示的には４００μｍである。なお、幅Ｗ１１～Ｗ１４は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。

図３に示すように、参照電極部６１，６２，７１，７２の幅Ｗ２１～Ｗ２４は、好ましくは２００μｍ以下であり、より好ましくは５０μｍ以上１５０μｍ以下であり、例示的には１００μｍである。なお、幅Ｗ２１～Ｗ２４は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。

図３に示すように、作用電極部４１と第１側面１０１との間、作用電極部４２と第２側面１０２との間、作用電極部５１と第１側面１０１との間、作用電極部５２と第２側面１０２との間の間隔Ｗ３１，Ｗ３２，Ｗ３３，Ｗ３４は、好ましくは１００μｍ以上３００μｍ以下であり、例示的には２００μｍである。なお、間隔Ｗ３１～Ｗ３４は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。

図３に示すように、作用電極部４１と参照電極部６１との間、作用電極部４２と参照電極部６２との間、作用電極部５１と参照電極部７１との間、および、作用電極部５２と参照電極部７２との間の間隔Ｗ４１，Ｗ４２，Ｗ４３，Ｗ４４は、好ましくは２００μｍ以下であり、例示的には１００μｍである。なお、間隔Ｗ４１～Ｗ４４は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。

図３に示すように、参照電極部６１，６２の間、および、参照電極部７１，７２の間の間隔Ｗ５１，Ｗ５２は、好ましくは３００μｍ以上５００μｍ以下であり、例示的には４００μｍである。なお、間隔Ｗ５１，Ｗ５２は、同じであることが好ましいが、異なっていてもよい。

上側から見た平面視において、上側作用電極４０の作用電極部４１，４２のうち、測定室１００と重なる部分の面積は、測定室１００の面積に対して、好ましくは３０％以上５０％以下あり、例示的には４０％である。

＜電気抵抗の測定について＞
図４は、細胞９の電気抵抗を測定する際の回路図である。細胞９の電気抵抗を測定する場合、培養デバイス１に対して、電源装置９１および電圧計９２が接続される。電源装置９１の出力端子は、導線９４ａを介して、上側作用電極４０の接点部および下側作用電極５０の接点部とそれぞれ電気的に接続される。また、電圧計９２の入力端子は、導線９４ｂを介して、上側参照電極６０の接点部および下側参照電極７０の接点部とそれぞれ電気的に接続される。

また、細胞９の電気抵抗を測定する場合、測定室１００内における透過層３０の上面に、多数の細胞９が支持される。そして、供給口２１０および供給流路１４を介して、培養液などの液体が測定室１００に充填される。また、排出口２２０および排出流路１５を介して、測定室１００内の液体が排出される。これにより、測定室１００の第１室１１０および第２室１２０において、液体の交換（または循環）が行われる。

図４において、抵抗Ｒｍは、透過層３０のうち測定室１００内に配置されている部分と、その透過層３０の部分に支持されている細胞９の層（以下、「細胞層９０」と称する。）の電気抵抗に相当する。抵抗Ｒｗ１は、上側作用電極４０と細胞層９０との間（すなわち、第１室１１０）における液体の電気抵抗に相当する。抵抗Ｒｗ２は、下側作用電極５０と細胞層９０との間（すなわち、第２室１２０）における液体の電気抵抗に相当する。

また、図４において、抵抗Ｒｒ１は、上側参照電極６０と細胞層９０との間（すなわち、第１室１１０）における液体の電気抵抗に相当する。抵抗Ｒｒ２は、下側参照電極７０と細胞層９０との間（すなわち、第２室１２０）における液体の電気抵抗に相当する。

電源装置９１によって上側作用電極４０と下側作用電極５０との間に電流が印加されるとともに、電圧計９２によって上側参照電極６０と下側参照電極７０間の電圧が測定される。そして、電圧計９２によって測定された電圧値から、上側作用電極４０と下側作用電極５０との間の電気抵抗が算出される。さらに、上側作用電極４０と下側作用電極５０との間の算出された電気抵抗から、細胞層９０の抵抗Ｒｍが算出される。

電源装置９１が上側作用電極４０と下側作用電極５０との間に電流を印加すると、上側作用電極４０および下側作用電極５０の各電極表面において、液体の酸化反応および還元反応が起き、電気二重層が形成される場合がある。この場合、電源装置９１による出力電圧と上側作用電極４０と下側作用電極５０との間に印加される電圧とが異なってしまうおそれがある。培養デバイス１の場合、測定室１００の内部において、上側作用電極４０および下側作用電極５０の近傍に、上側参照電極６０および下側参照電極７０がそれぞれ配置されている。このため、上側参照電極６０と下側参照電極７０との間の電圧を測定し、測定された電圧を、上側作用電極４０と下側作用電極５０との間の電圧として利用することによって、細胞層９０の抵抗Ｒｍを精度良く測定できる。

＜効果＞
培養デバイス１によれば、上側作用電極４０および下側作用電極５０を、測定室１００の長手方向である第１方向に延ばすことによって、測定室１００の短手方向に電極を延ばす場合よりも、測定室１００に面する電極部分の長さを大きくすることができる。これにより、電極数を増やさずに、かつ、電極を太くせずに、電流が印加される領域を広げることができる。したがって、上側作用電極４０が細胞９の観察の妨げとなることを抑制しつつ、測定室１００の広域に電流を有効に印加できる。

また、上側作用電極４０が、第１方向における測定室１００の一端から他端まで延びる電極部分（作用電極部４１，４２）を有している。これにより、測定室１００の長手方向の全域に電流を印加できるため、測定室１００の広域に電流を印加できる。また、下側作用電極５０も、第１方向における測定室１００の一端から他端まで延びる電極部分（作用電極部５１，５２）を有している。これにより、測定室１００の長手方向全域に電流を印加できる。

作用電極部４１，５１が対向しているため、作用電極部４１，５１の間にある細胞９に電流を印加できる。また、作用電極部４２，５２が対向しているため、作用電極部４２，５２の間にある細胞９に電流を印加できる。

作用電極部４１に対して、作用電極部５２が第２方向に離れて配置されている。これにより、作用電極部４１，５２間で電流が流れることにより、細胞層９０の中間部に電流を印加できる。これと同様に、作用電極部４２，５１間に電流が流れることにより、細胞層９０の中間部に電流を印加できる。

培養デバイス１は、第１部材１１、第２部材１２、上側電極基材２１、下側電極基材２２、透過層３０によって構成されている。このため、これらの部材を所定の順で上下に積層することによって、両側に一対の上側作用電極４０および下側作用電極５０が配置された測定室１００を容易に形成することができる。

＜シミュレーション＞
図５は、比較例に係る解析モデル８ａを用いた電流密度のシミュレーション結果を示す図である。図６は、図１に示す培養デバイス１に対応する解析モデル８ｂを用いた電流密度のシミュレーション結果を示す図である。電流密度のシミュレーションは、具体的には、COMSOL Multiphysics（COMSOL AB社製）等の解析ソフトウェアを用いた有限要素法により行っている。また、解析モデル８ａ，８ｂにおいては、測定室１００の第１方向（長手方向）の長さを３０ｍｍ、第２方向（短手方向）の長さを１ｍｍ、上下方向の長さを１ｍｍとしている。また、図５及び図６では、細胞層９０の電気抵抗を全域に渡って一様としている。またシミュレーションを簡易にするため、解析モデル８ａ，８ｂでは、上側作用電極４０および下側作用電極５０のみを備え、上側参照電極６０および下側参照電極７０は省略している。

図５（Ａ）は、解析モデル８ａを示す上面図であり、図５（Ｂ）は、解析モデル８ａを示す側面図である。図５（Ｃ）は、電流密度のシミュレーション結果を示す図である。図５（Ｃ）において、横軸は測定室１００の第１方向における位置（ｍｍ）を示しており、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。

図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示すように、比較例に係る解析モデル８ａでは、上側作用電極４０および下側作用電極５０が、第２方向の長さが第１方向の長さよりも長い電極部分（作用電極部４１ａ，４２ａ，５１ａ，５２ａ）でそれぞれ構成されており、各電極部分が、測定室１００の第１方向における両端部に配置されている。また、作用電極部４１ａ，５１ａ、および、作用電極部４２ａ，５２ａは、それぞれ上下に対向している。

解析モデル８ａの場合、図５（Ｃ）に示すように、第１方向における測定室１００の中央付近に近づくほど、電流密度が小さくなる。具体的には、電極の直下の電流密度がおよそ１．００×１０^－９であるのに対して、測定室１００の中央付近の電流密度がおよそ１．００×１０^－１２であり、両者間に１０００倍程度の開きがある。すなわち、解析モデル８ａのような電極形状の場合、電流密度に大きなバラツキが生じる。

図６（Ａ）は、解析モデル８ｂを示す上面図であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示すＣ－Ｃ線に沿う位置における解析モデル８ｂを示す断面図である。図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、電流密度のシミュレーション結果を示す図である。図６（Ｃ）中、横軸は測定室１００の第１方向における位置（ｍｍ）を示しており、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。図６（Ｄ）中、横軸は測定室１００の第２方向における位置（ｍｍ）を示しており、縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。

解析モデル８ｂの場合、図６（Ｃ）に示すように、第１方向において、電流密度のバラツキがほぼない。また、解析モデル８ｂの場合、図６（Ｄ）に示すように、第２方向においても、電流密度の差が５％未満である。これらのシミュレーション結果は、解析モデル８ｂの電極形状の場合、細胞９全体に、電流を均一に印加できることを示している。

解析モデル８ｂの場合、図６（Ｂ）に示すように、作用電極部４１，５１間の距離Ｌ１（第１距離、ここでは１ｍｍ）に対して、作用電極部４１，５２間の距離Ｌ２（第２距離）が充分に小さい。このため、作用電極部４１，５２間にも充分に電流が流れる。また、作用電極部４１，５２間と同様に、作用電極部４２，５１間にも、充分に電流が流れる。したがって、図６（Ｄ）に示すように、第２方向において、電流密度が均一になると考えられる。

なお、距離Ｌ２は、距離Ｌ１の１．５倍以下であることが望ましい。距離Ｌ２が距離Ｌ１の１．５倍より大きい場合、作用電極部５２が作用電極部４１に対して第２方向に離れる。このため、作用電極部４１，５２間の細胞９に対する電流密度が、作用電極部４１，５１間の細胞９に対する電流密度よりも顕著に小さくなる。したがって、細胞層９０に対する電流密度にバラツキが生じるおそれがある。

図７は、図６に示す解析モデル８ｂを用いたシミュレーションから算出される細胞層９０の抵抗値を示す図である。図７には、細胞層９０の抵抗を全域で均一としてシミュレーションした場合に算出される抵抗値と、細胞層９０のうち、第１方向一端の領域Ａ１の抵抗、または、第１方向中央の領域Ａ２の抵抗を、他の領域に対して１／１０または１／１００に設定してシミュレーションした場合に算出される各抵抗値とをそれぞれ示している。

図７に示すように、一端の領域Ａ１の電気抵抗、および、中央の領域Ａ２の抵抗を１／１０にそれぞれ設定した場合、「１９７．５Ω」、「１９７．９Ω」となっている。また、一端の領域Ａ１の抵抗および中央の領域Ａ２の抵抗を１／１００にそれぞれした場合、算出される抵抗値は「１９０．６Ω」、「１９１．３Ω」となっている。このように、解析モデル８ｂの場合、細胞層９０における一端の領域Ａ１および中央の領域Ａ２のいずれの抵抗値を変動させた場合であっても、電流密度から算出される細胞層９０の抵抗値がほぼ同じ値となる。

解析モデル８ａの場合、図５（Ｃ）に示すように、細胞層９０の端部と中央付近とで、電流密度にバラツキが生じる。このため、細胞層９０における一端の領域Ａ１の抵抗が低くなった場合と、細胞層９０の中央の領域Ａ２の抵抗が低くなった場合とでは、電流密度から算出される細胞層９０の抵抗値に差異が生じ得る。これに対して、解析モデル８ｂの場合、図６（Ｃ）に示すように、第１方向における電流密度が均一であるため、細胞層９０の一部分が低抵抗であったとしても、他部分に対して電流が均一に流れる。したがって、抵抗が周囲と異なる部分が細胞層９０のどの位置にあったとしても、細胞層９０の他部分に電流を均一に印加できるため、最終的に同程度の抵抗値を算出できる。したがって、解析モデル８ｂの電極形状の場合、解析モデル８ａの電極形状と比べて、ＴＥＥＲ測定の再現性を向上できる。

以上のように、解析モデル８ｂの解析結果から、作用電極部４１，４２，５１，５２を測定室１００の長手方向に延ばすことによって、細胞層９０の広域に電流を均一に印加することができる。また、細胞９の死滅や細胞９の欠如などにより、細胞層９０の一部分の抵抗が変動しても、細胞層９０の他部分に電流が均一に流れる。したがって、細胞層９０の抵抗を適切に算出できる。

＜２． 変形例＞
以上、実施形態について説明してきたが、本発明は上記のようなものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

図８は、第１変形例に係る培養デバイス１の断面図である。図８に示すように、第２方向において、上側作用電極４０の作用電極部４１，４２が、測定室１００の外側まで延びていてもよい。この第１変形例において、作用電極部４１の幅Ｗ１１は、例えば８００μｍである。このように作用電極部４１，４２を測定室１００の外側まで延ばすことによって、第２方向における測定室１００の端部に電流を印加できる。また、図８に示すように、第２方向において、下側作用電極５０の作用電極部５１，５２が、測定室１００の外側まで延びていてもよい。

図９は、第２変形例に係る培養デバイス１の断面図である。図９に示すように、上側作用電極４０は、作用電極部４１，４２に加えて、作用電極部４４，４５をさらに備えていてもよい。作用電極部４４，４５は、第１方向に沿って直線状に延びている。

参照電極部６１は、第２方向において、作用電極部４１，４４の間に配置されている。また、参照電極部６２は、第２方向において、作用電極部４２，４５の間に配置されている。この第２変形例において、作用電極部４１の幅Ｗ１１は、例えば５００μｍである。また、作用電極部４４の幅Ｗ１５は、例えば２００μｍである。参照電極部６１と作用電極部４４間の間隔Ｗ４５は、例えば１００μｍである。作用電極部４４，４５間の間隔Ｗ５３は、例えば４００μｍである。

図９に示すように、下側作用電極５０は、作用電極部５１，５２に加えて、作用電極部５４，５５をさらに備えていてもよい。作用電極部５４，５５は、第１方向に沿って直線状に延びている。参照電極部７１は、第２方向において、作用電極部５１，５４の間に配置されていてもよい。また、参照電極部７２は、第２方向において、作用電極部５２，５５間に配置されていてもよい。

この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせたり、省略したりすることができる。

１ 培養デバイス
９ 細胞
１１ 第１部材
１２ 第２部材
１３ａ，１３ｂ 内面
２１ 上側電極基材（一方側電極基材）
２２ 下側電極基材（他方側電極基材）
３０ 透過層
４０ 上側作用電極（一方側作用電極）
４１ 作用電極部（一方側第１作用電極部）
４２ 作用電極部（一方側第２作用電極部）
５０ 下側作用電極（他方側作用電極）
５１ 作用電極部（他方側第１作用電極）
５２ 作用電極部（他方側第２作用電極）
６０ 上側参照電極（一方側参照電極）
７０ 下側参照電極（他方側参照電極）
９０ 細胞層
１００ 測定室
１１０ 第１室
１２０ 第２室

Claims (11)

1. 培養物の電気抵抗の測定に適用可能な培養デバイスであって、
   第１方向の長さが、前記第１方向と交差する第２方向の長さよりも長い測定室と、
   前記第１方向および前記第２方向とそれぞれ交差する第３方向において、前記測定室を一方側の第１室と他方側の第２室とに仕切る層であって、液体を通過させることが可能な透過層と、
   前記測定室に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する一方側作用電極と、
   前記測定室に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する他方側作用電極と、
   を備える、培養デバイス。
2. 請求項１に記載の培養デバイスであって、
   前記他方側作用電極は、前記第１方向に延びており、前記測定室内において前記一方側作用電極と対向する他方側第１作用電極部を有する、培養デバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載の培養デバイスであって、
   前記他方側作用電極は、前記第１方向に延びており、前記測定室内において前記一方側作用電極に対して前記第２方向に離れて位置する他方側第２作用電極部を有する、培養デバイス。
4. 請求項１に記載の培養デバイスであって、
   前記一方側作用電極は、
   前記第１方向に延びる一方側第１作用電極部と、
   前記第１方向に延びており、前記一方側第１作用電極部に対して前記第２方向に離れて位置する一方側第２作用電極部と、
   を有する、培養デバイス。
5. 請求項４に記載の培養デバイスであって、
   前記他方側作用電極は、
   前記第１方向に延びる他方側第１作用電極部と、
   前記第１方向に延びており、前記他方側第１作用電極部に対して前記第２方向に離れて位置する他方側第２作用電極部と、
   を有する、培養デバイス。
6. 請求項５に記載の培養デバイスであって、
   前記測定室内において、前記一方側第１作用電極部が前記他方側第１作用電極部と対向する、培養デバイス。
7. 請求項６に記載の培養デバイスであって、
   前記測定室内において、前記一方側第２作用電極部が前記他方側第２作用電極部と対向する、培養デバイス。
8. 請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の培養デバイスであって、
   前記一方側第１作用電極部と前記他方側第１作用電極部との間の距離を第１距離、前記一方側第１作用電極部と前記他方側第２作用電極部との間の距離を第２距離とした場合、前記第２距離が前記第１距離の１．５倍以下である、培養デバイス。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の培養デバイスであって、
   前記測定室に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する一方側参照電極と、
   前記測定室に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第１方向の長さが前記第２方向の長さよりも長い電極部分を有する他方側参照電極と、
   をさらに備える、培養デバイス。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の培養デバイスであって、
    前記第１室を形成する内面を有する第１部材と、
    前記第１部材に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記第２室を形成する内面を有する第２部材と、
    前記第１部材に対して前記第３方向の一方側に位置し、前記一方側作用電極が配置されている表面を有する一方側電極基材と、
    前記第２部材に対して前記第３方向の他方側に位置し、前記他方側作用電極が配置されている表面を有する他方側電極基材と、
    をさらに備え、
    前記透過層が、前記第１部材と前記第２部材との間に配置される、培養デバイス。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の培養デバイスであって、
    前記一方側作用電極が、前記第１方向における前記測定室の一端から他端まで延びる電極部分を有し、
    前記他方側作用電極が、前記一方側における前記測定室の一端から他端まで延びる電極部分を有する、培養デバイス。

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