JP3200631B2 - Biosensor for measuring effects on cell metabolic activity - Google Patents

Biosensor for measuring effects on cell metabolic activity

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JP3200631B2
JP3200631B2 JP25443299A JP25443299A JP3200631B2 JP 3200631 B2 JP3200631 B2 JP 3200631B2 JP 25443299 A JP25443299 A JP 25443299A JP 25443299 A JP25443299 A JP 25443299A JP 3200631 B2 JP3200631 B2 JP 3200631B2
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栄一 民谷
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北陸先端科学技術大学院大学長
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、細胞の代謝活性に
及ぼす影響を測定するためのバイオセンサーに関する。
詳しくは、細胞の代謝活性に及ぼす影響を測定すること
により環境ホルモン等を検出するバイオセンサーに関す
る。
[0001] The present invention relates to a biosensor for measuring the influence on the metabolic activity of cells.
More specifically, the present invention relates to a biosensor for detecting environmental hormones or the like by measuring the effect on the metabolic activity of cells.

【0002】[0002]

【従来の技術】環境ホルモンは、外因性のホルモン様物
質である。このような物質は、内分泌撹乱物質とも称さ
れ、近年では、このような物質が生体において異常なホ
ルモン制御を行い、それにより生体の内分泌系を撹乱し
ていることが明らかにされた。そのため、その暴露によ
る人体や野生動物への影響が世界的な問題となってい
る。
2. Description of the Related Art Environmental hormones are exogenous hormone-like substances. Such a substance is also called an endocrine disrupting substance. In recent years, it has been revealed that such a substance controls abnormal hormones in a living body and thereby disrupts the endocrine system of the living body. Therefore, the effects on humans and wildlife due to the exposure have become a global problem.

【0003】従来では、このような環境ホルモンは、ホ
ルモンレセプターとの結合試験及び細胞増殖試験等のイ
ンビトロでの試験、並びに生殖器異常を解剖学的に観察
するインビボでの試験等により検出又は定量がなされて
いる。しかしながら、それらの試験は操作が煩雑であっ
たり、測定に時間を要するなどの問題がある。
Conventionally, such environmental hormones have been detected or quantified by in vitro tests such as a binding test with a hormone receptor and a cell proliferation test, and in vivo tests for anatomically observing genital abnormalities. It has been done. However, these tests have problems such as complicated operation and time-consuming measurement.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、簡便
に、迅速に、且つ高感度で細胞の代謝活性の変化を測定
するための装置を提供することである。特に、環境ホル
モンを簡便且つ高感度で検出するための装置を提供する
ことである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an apparatus for simply, quickly and highly sensitively measuring a change in metabolic activity of a cell. In particular, it is an object of the present invention to provide an apparatus for detecting environmental hormones simply and with high sensitivity.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、発明者らは鋭意研究の結果以下の手段を見出した。
即ち;被検物質が細胞の代謝活性に及ぼす影響を測定す
るためのバイオセンサーであって、半導体層、該半導体
の主面に積層された絶縁層、該絶縁層に接触してその上
に配置された生細胞又は生細胞群、及び該生細胞又は生
細胞群を浸漬し且つ前記絶縁層に接触した培養液層とか
らなるMIS構造体と、前記MIS構造体にバイアス電
圧を印加するためのバイアス電極手段と、前記MIS構
造体に光起電力を発生させるために、前記MIS構造体
に制御された光を照射するための光源手段と、前記培養
液層に、被検物質を添加するための手段と、並びに、前
記MIS構造に発生した光起電力の変化をモニターする
ための手段とを具備し、前記被検物質を添加する前後に
おける前記光起電力の変化から、前記被検物質が前記細
胞の代謝活性に及ぼす影響を測定することを特徴とする
バイオセンサーである。
Means for Solving the Problems In order to achieve the above object, the present inventors have made intensive studies and found the following means.
A biosensor for measuring the effect of a test substance on the metabolic activity of a cell, comprising a semiconductor layer, an insulating layer laminated on the main surface of the semiconductor, and placed on and in contact with the insulating layer An MIS structure comprising a live cell or a live cell group, and a culture solution layer in which the live cell or the live cell group is immersed and in contact with the insulating layer, and a bias voltage is applied to the MIS structure. Bias electrode means, light source means for irradiating the MIS structure with controlled light in order to generate a photoelectromotive force in the MIS structure, and for adding a test substance to the culture solution layer Means, and means for monitoring a change in photovoltaic power generated in the MIS structure, and the change in the photovoltaic power before and after adding the test substance indicates that the test substance Affect the metabolic activity of the cells A biosensor and measuring the affect.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】1.装置 本発明の装置は、生体材料とトランスデューサーを組み
合わせたバイオセンサーである。詳しくは、表面光電位
デバイス[surface photovoltage;以後、SPVとも称
するが、また、一般的にLAPS(Light-Addressable
PotentiometricSensor)又はミクロメーター(Microphy
siometer)とも称される]に、生細胞又は生組織片等を
組み込んだバイオセンサーである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Apparatus The apparatus of the present invention is a biosensor that combines a biomaterial and a transducer. More specifically, a surface photovoltage device [surface photovoltage; hereinafter also referred to as SPV, and generally, LAPS (Light-Addressable
PotentiometricSensor) or micrometer (Microphy)
A biosensor in which a living cell or a piece of a living tissue is incorporated.

【0007】具体的な構造の1例を図1に示す。本発明
のバイオセンサーは、半導体層2と該半導体層2の主面
に積層された絶縁層3と、該絶縁層に接触してその上に
配置された生細胞又は生細胞群4、及び該生細胞又は生
細胞群を浸漬し且つ前記絶縁層に接触した培養液層8と
からなるMIS構造と、前記MIS構造にバイアス電圧
を印加するためのバイアス電極手段7と、前記MIS構
造体に光起電力を発生させるために、前記MIS構造体
に制御された光を照射するための光源手段9と、前記培
養液層8に被検物質を添加するための手段と、並びに前
記MIS構造に発生した光起電力の変化をモニターする
ための手段11とを具備し、前記被検物質を添加する前
後における前記光起電力の変化から、前記被検物質が前
記細胞の代謝活性に及ぼす影響を測定することを特徴と
するバイオセンサーである。
FIG. 1 shows an example of a specific structure. The biosensor of the present invention includes a semiconductor layer 2, an insulating layer 3 laminated on the main surface of the semiconductor layer 2, a living cell or a living cell group 4 disposed on and in contact with the insulating layer, and A MIS structure composed of a culture solution layer 8 in which living cells or a group of living cells are immersed and in contact with the insulating layer; bias electrode means 7 for applying a bias voltage to the MIS structure; A light source means 9 for irradiating the MIS structure with controlled light to generate an electromotive force; a means for adding a test substance to the culture solution layer 8; Means 11 for monitoring the change in the photovoltaic power, and measuring the influence of the test substance on the metabolic activity of the cell from the change in the photovoltaic power before and after the addition of the test substance. Bio Is Nsa.

【0008】ここで、絶縁層3は、酸化膜又は窒化膜
等、一般的に用いられる何れの絶縁膜を使用することが
可能である。
Here, as the insulating layer 3, any commonly used insulating film such as an oxide film or a nitride film can be used.

【0009】また、生細胞又は生細胞群4は、絶縁層3
の上側面に直接固定されている。前記細胞群4は、その
栄養源を前記MIS構造体に含まれる培養液層8から得
ることが可能である。
The living cells or living cell group 4 is
It is fixed directly to the upper side of the vehicle. The cell group 4 can obtain its nutrient source from the culture solution layer 8 included in the MIS structure.

【0010】培養液層8は、絶縁層を有した半導体層
と、シリコンゴム等とにより保持手段を形成し、そこに
培養液等の溶液を添加することにより形成することが可
能である。前記シリコンゴム以外にも、ポリエチレンフ
ィルム等の非腐食性の絶縁性材料を使用することも可能
である。また、培養液層8は、電極7から前記MIS構
造に電場を伝える伝導体の役割も果たす。更に、この培
養液層8に接して、電極7が配置される。電極7はバイ
アス電圧を印加し電位を保持することを目的とする。
The culture solution layer 8 can be formed by forming a holding means using a semiconductor layer having an insulating layer and silicon rubber or the like, and adding a solution such as a culture solution to the holding means. In addition to the silicone rubber, a non-corrosive insulating material such as a polyethylene film can be used. The culture solution layer 8 also functions as a conductor that transmits an electric field from the electrode 7 to the MIS structure. Further, the electrode 7 is arranged in contact with the culture solution layer 8. The purpose of the electrode 7 is to maintain a potential by applying a bias voltage.

【0011】また、培養液層8への溶液の流入及び流出
は、流入路6を経て行なうことが可能であり、また、流
出は、流出路10を経て行なうことが可能である。流入
路及び流出路は、シリコンチューブ、ポリエチレンチュ
ーブ、及びフッ素樹脂(FEP)チューブ等の非腐蝕性
の絶縁性材料を使用することが可能である。流入路及び
流出路は、流入出路として1本で行なってもよいが、継
続的に溶液を流し込み、且つ継続的に測定することが可
能であるため、夫々別々に配置することが好ましい。
Further, the inflow and outflow of the solution into and out of the culture solution layer 8 can be performed through the inflow channel 6, and the outflow can be performed through the outflow channel 10. The inflow path and the outflow path can use a non-corrosive insulating material such as a silicone tube, a polyethylene tube, and a fluororesin (FEP) tube. The inflow path and the outflow path may be performed as a single inflow / outflow path. However, since the solution can be continuously poured and the measurement can be continuously performed, it is preferable that the inflow path and the outflow path be separately disposed.

【0012】また、検出対象となる試料は、培養液層8
に添加することが必要である。培養液層8に、被検物質
を添加するための手段は、培養液層8に試料が添加でき
ればどのような手段でもよく、培養液層8に対して試料
の注入が可能な試料注入口を配置しても、また、培養液
又は緩衝液を添加するための何れかの手段を用いてもよ
いが、培養液又は緩衝液に予め被験物質を混合して試料
を調製し、流入路6を経て培養液層8に添加することが
好ましい。
The sample to be detected is a culture solution layer 8
Need to be added. The means for adding the test substance to the culture solution layer 8 may be any means as long as a sample can be added to the culture solution layer 8. Even if it is arranged, any means for adding a culture solution or a buffer solution may be used, but a sample is prepared by previously mixing a test substance with the culture solution or the buffer solution, and the inflow path 6 is formed. It is preferable to add to the culture solution layer 8 after passing through.

【0013】本装置で使用可能な生細胞又は生細胞群
は、絶縁層に単層で配置されても、多層で配置されても
よく、また、組織切片であってもよい。例えば、子宮頸
部癌由来のHeLa細胞、乳癌細胞のMCF−7細胞、
T47D細胞、T細胞リンパ腫細胞のJURKAT細胞
等の種々の癌細胞、及び肝細胞、心筋、血管系の細胞、
平滑筋、中枢系細胞等の正常細胞細胞である。また、組
織切片の例は、肝臓、心臓、腎臓等の臓器組織、大脳及
び小脳等の中枢系組織、皮膚組織、筋肉組織、並びに血
管系組織等、生体の如何なる組織の切片でもよい。しか
し、これらに限られるものではなく、また、どのような
細胞若しくは細胞群又は組織切片を使用するかは、検出
物質に応じて決定する必要がある。例えば、環境ホルモ
ンを検出する場合には、環境ホルモンに対する受容体を
有する細胞を選択することが必要である。
The living cell or living cell group usable in the present apparatus may be arranged as a single layer or a multilayer in the insulating layer, or may be a tissue section. For example, cervical cancer-derived HeLa cells, breast cancer cells MCF-7 cells,
T47D cells, various cancer cells such as T-cell lymphoma cells JURKAT cells, and hepatocytes, myocardium, cells of the vascular system,
Normal cell cells such as smooth muscle cells and central cells. Examples of the tissue section may be any tissue section of a living body, such as organ tissues such as liver, heart and kidney, central tissues such as cerebrum and cerebellum, skin tissues, muscle tissues, and vascular tissues. However, the present invention is not limited to these, and it is necessary to determine what kind of cell or cell group or tissue section to use depending on the substance to be detected. For example, when detecting environmental hormones, it is necessary to select cells having receptors for environmental hormones.

【0014】細胞を固定する方法は、細胞が機能を失わ
ないような何れの方法によっても行なうことが可能であ
る。例えば、半導体チップ上に直接培養して細胞を固定
することが可能である。また、組織を固定する方法も、
細胞が機能を失わないような何れの方法によっても行な
うことが可能である。例えば、組織生切片を切片製作装
置にて製作した後、これを直接センサー表面などの担体
上に物理的に配置して固定する。
The method of fixing the cells can be performed by any method that does not cause the cells to lose their function. For example, it is possible to fix cells by culturing directly on a semiconductor chip. Also, how to fix the tissue
It can be done by any method that does not cause the cells to lose function. For example, after a raw tissue section is produced by a section production apparatus, it is physically placed directly on a carrier such as a sensor surface and fixed.

【0015】細胞を固定する場合、固定される細胞の密
度は、1cm当たり約1X10個から2X10
が好ましい。また、固定される細胞層は、単層でも複数
層でもよい。一層を使用する場合には、刺激に対する応
答が速いという利点があり、複数層を使用する場合に
は、刺激に対する信号が強くなるという利点がある。ま
た、組織切片を使用する場合には、刺激に対する応答は
遅いものの、信号は非常に強くなる。本発明で使用する
組織片の厚さは、約5μmから約100μmが好まし
く、約30μmが好ましい。
When cells are fixed, the density of the cells to be fixed is preferably about 1 × 10 4 to 2 × 10 6 per cm 2 . The cell layer to be fixed may be a single layer or a plurality of layers. When one layer is used, there is an advantage that the response to the stimulus is fast, and when a plurality of layers are used, there is an advantage that the signal to the stimulus is strong. When a tissue section is used, the response to the stimulus is slow, but the signal is very strong. The thickness of the tissue piece used in the present invention is preferably about 5 μm to about 100 μm, and more preferably about 30 μm.

【0016】本発明の装置では、細胞の代謝活性の変化
が検出可能である。本発明において、細胞の代謝活性の
変化は、細胞周囲のpHの微妙な変化及び細胞膜電位の
変化等を測定することにより検出することが可能であ
る。また、環境ホルモンに対する受容体を有する細胞を
使用すれば、細胞の代謝活性の変化を検出することによ
って、添加した被検物質が、環境ホルモンであるのかど
うかをスクリーニングすることも、或いは定量すること
も可能である。また更に、所望する被検物質に反応性の
ある細胞を用いることにより、該被験物質の検出及び定
量を行なうことも可能である。
The device of the present invention can detect a change in the metabolic activity of a cell. In the present invention, a change in the metabolic activity of a cell can be detected by measuring a subtle change in pH around the cell, a change in cell membrane potential, and the like. In addition, if cells having receptors for environmental hormones are used, it is possible to screen or quantify whether the added test substance is an environmental hormone by detecting a change in the metabolic activity of the cells. Is also possible. Furthermore, the detection and quantification of the test substance can be performed by using cells reactive with the desired test substance.

【0017】細胞又は組織切片を維持する培養液は、緩
衝作用のある何れの培地又は緩衝液も使用することが可
能である。好ましくは、使用する細胞又は組織に最も適
切な溶液を用いることが好ましい。例えば、培地の例
は、RPMI1640、MEM(minimum essential me
dium)、L−15培地(L-15 medium modified)及びDM
EM(Dulbecco Modify Eagle Medium)等であるが、これ
に限られるものではない。培地及び緩衝液のpHは、約
7から約8に保持することが好ましい。また、温度は3
7℃に維持することが好ましい。
As the culture medium for maintaining the cells or tissue sections, any medium or buffer having a buffering action can be used. Preferably, a solution most suitable for the cell or tissue to be used is used. For example, examples of the medium include RPMI1640, MEM (minimum essential me
dium), L-15 medium (L-15 medium modified) and DM
EM (Dulbecco Modify Eagle Medium) and the like, but are not limited thereto. Preferably, the pH of the medium and buffer is maintained at about 7 to about 8. The temperature is 3
Preferably, it is maintained at 7 ° C.

【0018】前記MIS構造体に光起電力を発生させる
ために、前記MIS構造体に制御された光を照射するた
めの光源手段として、本発明の装置で使用することが可
能である光源の例は、発光ダイオード、レーザー光源、
種々のランプ等であり、これらを単数個又は複数個で配
置することが可能であるが、これに限るものではない。
また、光源からの光を制御する方法は、それ自身公知の
方法により行なうことが可能である。
An example of a light source that can be used in the apparatus of the present invention as light source means for irradiating the MIS structure with controlled light in order to generate a photoelectromotive force in the MIS structure Is a light emitting diode, laser light source,
There are various lamps and the like, and it is possible to arrange one or more of them, but the present invention is not limited to this.
The method for controlling the light from the light source can be performed by a method known per se.

【0019】バイアス電圧を印加するための電極7は、
即ち、培養液層8に電場を印加するための電極であり、
電位を制御することが可能な電極又は電極群を配置する
ことが必要である。電極7には、例えば、金、白金、
銅、ニッケル等を使用することが可能であるが、金及び
白金電極の使用は、溶液中で安定であることから好まし
い。また、培養液層8と絶縁層3との間の表面電位を一
定に保つために、培養液層8に接して参照電極を配置し
てもよい。本発明の参照電極は、電極7の近傍に配置し
ても、また、培養液層8を形成している溶液が流出され
る先に設置される廃液槽内に配置してもよい。参照電極
の設置は、例えば、鉄イオン等の酸化還元性物質の存在
等により生じる表面電位の変化を制御できることから好
ましい。本発明に使用できる参照電極は、飽和カロメル
電極、銀・塩化銀電極等であるが、これに限られるもの
ではない。
The electrode 7 for applying a bias voltage is
That is, it is an electrode for applying an electric field to the culture solution layer 8,
It is necessary to arrange an electrode or an electrode group capable of controlling the potential. For example, gold, platinum,
Copper, nickel and the like can be used, but the use of gold and platinum electrodes is preferred because they are stable in solution. Further, a reference electrode may be arranged in contact with the culture solution layer 8 in order to keep the surface potential between the culture solution layer 8 and the insulating layer 3 constant. The reference electrode of the present invention may be arranged in the vicinity of the electrode 7 or may be arranged in a waste liquid tank installed before the solution forming the culture solution layer 8 flows out. The provision of the reference electrode is preferable because a change in surface potential caused by the presence of a redox substance such as iron ions can be controlled. Reference electrodes that can be used in the present invention include, but are not limited to, saturated calomel electrodes, silver / silver chloride electrodes, and the like.

【0020】また、前記MIS構造に発生した光起電力
の変化をモニターするための手段は、半導体層2の下側
面に接して導伝体1を配置し、この導伝体1に接触して
電極11が配置することにより得られる。電極11及び
導伝体1は、種々の電極を使用することが可能である。
例えば、アルミニウム及び金等であり、また、光透過性
導伝体を用いることも可能である。ここで、導伝体1
は、その下方に位置する光源からの照射光を遮らないよ
うに配置することが望ましい。また、電極11と導伝体
1は一体化されて配置されてもよい。
The means for monitoring the change in the photovoltaic power generated in the MIS structure is provided by arranging the conductor 1 in contact with the lower surface of the semiconductor layer 2 and contacting the conductor 1 with the conductor 1. It is obtained by arranging the electrodes 11. Various electrodes can be used for the electrode 11 and the conductor 1.
For example, it is aluminum, gold, or the like, and a light-transmitting conductor can be used. Here, the conductor 1
Is desirably arranged so as not to block irradiation light from a light source located thereunder. Further, the electrode 11 and the conductor 1 may be arranged integrally.

【0021】2.バイオセンサーの測定原理 本発明のバイオセンサーは、前記MIS構造に適当なバ
イアス電圧を印加しながら、下側の界面に光を照射する
と光起電力が生じることを利用している。
2. Measurement Principle of Biosensor The biosensor of the present invention utilizes the fact that when a proper bias voltage is applied to the MIS structure, light is applied to the lower interface to generate a photoelectromotive force.

【0022】ここで、前記バイアス電圧の印加は、培養
液層8に接して電極7を配置することにより好ましく行
なうことが可能である。
Here, the application of the bias voltage can be preferably performed by disposing the electrode 7 in contact with the culture solution layer 8.

【0023】図2にバイオセンサーを用いた代謝活性測
定装置の1例を示す。本バイオセンサーの電極7は電圧
印加装置に接続しており、伝導体1と接続している電極
11は、電流量又は電位変化を検出するために測定メー
タに接続される。前記測定メータは、更に、パーソナル
コンピューター(図2ではパソコンと示す)等に接続さ
れ、測定条件の管理及びデータ処理等を行なうことが可
能である。また、図には示していないが、参照電極を培
養液層8内に配置することも、廃液槽内に配置すること
も可能である。
FIG. 2 shows an example of an apparatus for measuring metabolic activity using a biosensor. The electrode 7 of the present biosensor is connected to a voltage application device, and the electrode 11 connected to the conductor 1 is connected to a measurement meter to detect a current amount or a change in potential. The measurement meter is further connected to a personal computer (indicated as a personal computer in FIG. 2) or the like, and can perform measurement condition management, data processing, and the like. Although not shown in the drawing, the reference electrode can be arranged in the culture solution layer 8 or in the waste liquid tank.

【0024】また、本バイオセンサーの培養液層8への
送入及び排出はペリスタポンプ、シリンジポンプ及びプ
ランジャーポンプ等の手段を用いることが可能である。
また、本発明のバイオセンサーは、所望に応じて、送液
を行なわないバッチ方式で使用することも可能である。
The biosensor can be fed into and out of the culture solution layer 8 by using a means such as a peristaltic pump, a syringe pump, and a plunger pump.
In addition, the biosensor of the present invention can be used in a batch system that does not perform liquid feeding, if desired.

【0025】また、本バイオセンサーの応答を得るため
には、一定のバイアス電圧で光電流量の変化を検出する
方法と、変曲点の電位変化を検出する方法とを行なうこ
とが可能である。リアルタイムでの測定には、バイアス
電圧を固定する方法が好ましい。
In order to obtain the response of the present biosensor, it is possible to carry out a method of detecting a change in photoelectric flow with a constant bias voltage and a method of detecting a change in potential at an inflection point. For real-time measurement, a method of fixing the bias voltage is preferable.

【0026】本発明のバイオセンサーにより測定が可能
な試料は、あらゆる合成化合物及びあらゆる天然物質で
ある。また、本発明のバイオセンサーを用いることによ
り、試験試料について、生細胞若しくは細胞群又は生組
織切片における代謝活性に対する影響を測定することが
可能である。また、使用する細胞若しくは細胞群又は組
織切片の選択により、検出物質を選択することが可能で
ある。例えば、環境ホルモンを検出する場合には、環境
ホルモンに対する受容体を有する細胞を選択することが
必要である。それにより環境ホルモンであるかどうかの
スクリーニング、又は定量を行なうことが可能である。
また更に、所望する他の検出物質に対して特異的に反応
性を有する細胞若しくは細胞群又は組織を使用すること
により、特異的に所望する物質を検出及び定量すること
が可能である。
Samples that can be measured by the biosensor of the present invention are all synthetic compounds and all natural substances. In addition, by using the biosensor of the present invention, it is possible to measure the influence of a test sample on metabolic activity in a living cell or a cell group or a living tissue section. Further, a detection substance can be selected by selecting a cell or a cell group or a tissue section to be used. For example, when detecting environmental hormones, it is necessary to select cells having receptors for environmental hormones. Thereby, it is possible to screen or determine whether the substance is an environmental hormone.
Furthermore, by using cells or cell groups or tissues having specific reactivity to other desired detection substances, it is possible to specifically detect and quantify the desired substances.

【0027】3.実施例 3−1.装置 [表面光電位デバイス]本発明の好ましい実施の態様を
以下に示す。SPVデバイスの測定装置として、ミクロ
フィジオメーター(テクノローグ SE1030)、テクノロ
ーグSPV用半導体チップ(新電元社製)、制御用コン
ピューター(NEC9801ns/t)、測定プログラ
ム(テクノローグSPV Measurement System)、ペリ
スタポンプを使用した。
3. Example 3-1. Apparatus [Surface Photoelectric Device] Preferred embodiments of the present invention are described below. Microphysiometer (Technolog SE1030), semiconductor chip for Technolog SPV (manufactured by Shindengen), control computer (NEC 9801 ns / t), measurement program (Technolog SPV Measurement System), peristaltic pump It was used.

【0028】[細胞の培養並びに固定化]生細胞群とし
て乳癌細胞T47Dを使用した。乳癌細胞T47Dは接
着細胞であるため、培養容器の底に接着して増殖する。
従って、60mmディッシュに半導体チップを置き、乳
癌細胞T47D懸濁液を加え、10%ウシ胎児血清含有
RPMI1640培地(以後、RPMI1640−10
%FBS培地と称する)で該ディッシュを満たし、これ
を37℃、5%CO下で48時間培養することによ
り、半導体チップに該乳癌細胞を接着した。この培養
後、顕微鏡により細胞接着を確認した。
[Cell culture and immobilization] T47D breast cancer cells were used as a living cell group. Since breast cancer cells T47D are adherent cells, they will grow by adhering to the bottom of the culture vessel.
Therefore, the semiconductor chip was placed on a 60 mm dish, a suspension of breast cancer cells T47D was added, and RPMI1640 medium containing 10% fetal bovine serum (hereinafter referred to as RPMI1640-10).
% FBS medium), and the breast cancer cells were adhered to a semiconductor chip by culturing the dish for 48 hours at 37 ° C. and 5% CO 2 . After this culture, cell adhesion was confirmed with a microscope.

【0029】[バイオセンサー]上記のSPVデバイス
及び細胞を使用し、バイオセンサーを具備した測定装置
を、図1及び図2に従って組み立てた。
[Biosensor] Using the SPV device and cells described above, a measuring device equipped with a biosensor was assembled according to FIGS. 1 and 2.

【0030】参照極には白金、バイアス電圧を印加する
ための対極には金を使用した。装置に印加するバイアス
電流は、0〜4Vの間で任意に設定した。光源には、ピ
ーク発光波長940nm、周波数750Hzの発光ダイ
オード(以下、LEDとも称する)を1つ使用した。
Platinum was used as a reference electrode, and gold was used as a counter electrode for applying a bias voltage. The bias current applied to the device was arbitrarily set between 0 and 4V. As the light source, one light emitting diode (hereinafter, also referred to as LED) having a peak emission wavelength of 940 nm and a frequency of 750 Hz was used.

【0031】[バイオセンサーの測定方法]先ず、溶媒
を一定流速で流し、次に、バイアス電圧を増加させたと
きの応答曲線を測定した。このときの変曲点におけるバ
イアス電圧値を算出する。以下の試験は、バイアス電圧
をこの条件で変曲点の電圧に保ち、測定試料を流した際
に見られる光電流量の経時変化を測定して行なった。
[Measurement Method of Biosensor] First, a solvent was flowed at a constant flow rate, and then a response curve when the bias voltage was increased was measured. The bias voltage value at the inflection point at this time is calculated. The following tests were performed by maintaining the bias voltage at the inflection point voltage under these conditions and measuring the change over time in the photoelectric flow rate observed when the measurement sample was passed.

【0032】[緩衝液を用いたpH変化の測定]SPV
デバイスはpHの微小な変化を光電流の変化として測定
することができる。そこで、以下の方法により光電流と
pHの関係を確認した。
[Measurement of pH change using buffer] SPV
The device can measure small changes in pH as changes in photocurrent. Then, the relationship between the photocurrent and the pH was confirmed by the following method.

【0033】細胞や組織切片等を固定化していない半導
体チップを、SPVデバイスにセットし、流速0.1m
l/minでリン酸緩衝液(pH7)を流した。次にフ
ローを硼酸緩衝液(pH9)に切り替え、pHによる光
電流変化を測定した。
A semiconductor chip on which cells, tissue sections and the like are not fixed is set on an SPV device, and the flow rate is set to 0.1 m.
A phosphate buffer (pH 7) was flowed at 1 / min. Next, the flow was switched to a borate buffer (pH 9), and the change in photocurrent with pH was measured.

【0034】[リン酸緩衝液を溶媒に用いた光電流量の
測定]乳癌細胞T47Dを固定化した半導体チップをS
PVデバイスにセットし、流速0.1ml/minでリ
ン酸緩衝液(以下、PBSと称す)を流した。この流速
は、測定前後において接着した細胞が剥離しない速度を
検討することにより決定した(データは示さず)。
[Measurement of Photoelectric Flow Using Phosphate Buffer Solution as Solvent] A semiconductor chip on which breast cancer cells T47D were immobilized was
It was set in a PV device, and a phosphate buffer solution (hereinafter, referred to as PBS) was flowed at a flow rate of 0.1 ml / min. This flow rate was determined by examining the rate at which adherent cells did not detach before and after the measurement (data not shown).

【0035】PBSにおける光電流応答が安定したとこ
ろで、流入液をPBSで調製した50μM−エストラジ
オール17β溶液に切り替えることにより培養液層8の
溶液を入れ替えて光電流応答の経時変化を測定した。ま
た、対照として、細胞を固定しない半導体チップについ
ても同様に測定した。
When the photocurrent response in PBS was stabilized, the influent was switched to a 50 μM-estradiol 17β solution prepared in PBS to exchange the solution in the culture solution layer 8 and the change over time in the photocurrent response was measured. As a control, a semiconductor chip on which no cells were fixed was also measured in the same manner.

【0036】3−2.測定結果 [動物細胞の培養及び固定化]半導体チップ上への細胞
接着を顕微鏡で観察した(図3)。図3の上図は、使用
した35mm×18mmの半導体チップであり、1.5
mm×1.5mmの5つの領域は、シリコン基板上にシ
リコン酸化膜とシリコン窒化膜をコートした絶縁膜であ
り、この部分が電位変化を感知する役割を果たす。図3
の下の写真はこの領域に固定された細胞を示す。この結
果より、半導体チップ上に細胞を培養できることが確認
された。
3-2. Measurement results [Culture and immobilization of animal cells] Cell adhesion on the semiconductor chip was observed with a microscope (FIG. 3). The upper diagram of FIG. 3 shows a used 35 mm × 18 mm semiconductor chip,
Five regions of mm × 1.5 mm are insulating films in which a silicon oxide film and a silicon nitride film are coated on a silicon substrate, and these portions play a role of sensing a potential change. FIG.
The photo below shows cells fixed in this area. From this result, it was confirmed that cells could be cultured on the semiconductor chip.

【0037】[緩衝液を用いたpH変化の測定]pH7
の緩衝液からpH9の緩衝液に溶媒を変化させたこと
ろ、30nA程度の光電流量の変化が見られた(図
4)。このことから、本SPVデバイスはpHの変化を
光電流量の変化として測定できることを確認した。
[Measurement of pH change using buffer] pH 7
When the solvent was changed from the buffer to the buffer of pH 9, a change in photoelectric flow of about 30 nA was observed (FIG. 4). From this, it was confirmed that the present SPV device can measure a change in pH as a change in photoelectric flow.

【0038】ここで、光電流量の上昇はアルカリ性に変
化したことを意味し、光電流量の減少は酸性に変化した
ことを意味する。
Here, an increase in the photoelectric flow rate means that it has changed to alkaline, and a decrease in the photoelectric flow rate means that it has changed to acidic.

【0039】[リン酸緩衝液を溶媒に用いた光電流量の
測定]結果を図5に示す。図中の「細胞なし」は、シリ
コンチップのみによる光電流量の経時変化を示し、「細
胞あり」は、シリコンチップに前述の通りに細胞を固定
したチップを使用した場合の光電流量の経時変化を示
す。また、矢印の時点で培養液層8の溶液をエストラジ
オール17β溶液に変え、この時点を時間0分とし、光
電流量の経時変化を測定した。
[Measurement of Photoelectric Flow Rate Using Phosphate Buffer Solution as Solvent] The results are shown in FIG. In the figure, “without cells” indicates the temporal change of the photoelectric flow due to only the silicon chip, and “with cells” indicates the temporal change of the photoelectric flow when the chip having cells fixed to the silicon chip is used as described above. Show. Further, at the time of the arrow, the solution of the culture solution layer 8 was changed to the estradiol 17β solution, and this time was set to time 0 minute, and the change with time of the photoelectric flow rate was measured.

【0040】細胞なしでは、エストラジオール17β注
入前後において変化はなく、経時的に連続して光電流量
は増加した。このことは、PBSとエストラジオールの
PBS溶液との間にpHの差が存在しないことを意味す
る。更に、エストラジオールの該半導体チップへの吸着
はないことをも示す。
Without the cells, there was no change before and after the injection of estradiol 17β, and the photoelectric flow increased continuously over time. This means that there is no pH difference between PBS and estradiol in PBS. It also shows that there is no adsorption of estradiol to the semiconductor chip.

【0041】一方、細胞ありでは、約15分から光電流
量は減少している。即ち、これは、添加されたエストラ
ジオールにより該細胞群の代謝が活性化されたことを示
す。
On the other hand, with cells, the photoelectric flow decreases from about 15 minutes. That is, this indicates that the metabolism of the cell group was activated by the added estradiol.

【0042】また、光電流量測定の前後における、流速
による細胞脱離の有無を顕微鏡で観察したところ、細胞
の接着に対するフローの影響は顕著ではなかった。
When the presence or absence of cell detachment due to the flow rate before and after the photoelectric flow measurement was observed with a microscope, the influence of the flow on cell adhesion was not remarkable.

【0043】[0043]

【発明の効果】本発明の装置により、種々の物質につい
ての細胞の代謝活性に及ぼす影響を簡便に、迅速に且つ
感度良く測定することが可能である。また、環境ホルモ
ンに対する受容体を有する細胞を使用することにより、
非常に高感度に、且つ迅速且つ簡便に環境ホルモンの検
出及び定量を行なうことが可能である。また、環境ホル
モンの検出以外にも、所望する物質に対して反応性を有
する細胞を使用することにより、所望する物質、その細
胞の代謝活性の変化を測定することによって、該細胞の
おかれた環境の栄養状態をも容易に分析することが可能
である。従って、本発明の装置は、例えば、農薬、重金
属及び発癌物質等を検出するための環境モニタリング、
また、例えば、アミノ酸、核酸、ビタミン類等を検出又
は定量するための食品モニタリング等への応用も可能で
ある。
According to the apparatus of the present invention, the effects of various substances on the metabolic activity of cells can be measured simply, promptly and with high sensitivity. Also, by using cells that have receptors for environmental hormones,
It is possible to detect and quantify environmental hormones with very high sensitivity, quickly and easily. In addition to the detection of environmental hormones, by using cells having reactivity to a desired substance, a desired substance is measured by measuring a change in the metabolic activity of the cell, thereby placing the cell. The nutritional status of the environment can also be easily analyzed. Therefore, the device of the present invention, for example, environmental monitoring for detecting pesticides, heavy metals and carcinogens,
Further, for example, application to food monitoring for detecting or quantifying amino acids, nucleic acids, vitamins, and the like is also possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明のバイオセンサーを示す図。FIG. 1 is a diagram showing a biosensor of the present invention.

【図2】 本発明のバイオセンサーを示す図。FIG. 2 is a view showing a biosensor of the present invention.

【図3】 半導体チップ上に固定した細胞を示す顕微鏡
写真
FIG. 3 is a micrograph showing cells fixed on a semiconductor chip.

【図4】 本発明の装置を用いてpHを測定した結果を
示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the results of measuring pH using the apparatus of the present invention.

【図5】 本発明の装置を用いて細胞の代謝活性に及ぼ
すエストロジェンの影響を測定した結果を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing the results of measuring the effect of estrogen on the metabolic activity of cells using the device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.伝導体 2.半導体 3.絶縁層 4.生細
胞又は生細胞群 7.電極 8.培養液層 9.
発光ダイオード 10.流出路 11.電極
1. Conductor 2. Semiconductor 3. Insulating layer 4. 6. Living cells or living cell group Electrode 8. Culture layer 9.
Light emitting diode 10. Outflow channel 11. electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C12M 1/34 C12Q 1/00 G01N 27/416 G01N 33/48 - 33/98 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) C12M 1/34 C12Q 1/00 G01N 27/416 G01N 33/48-33/98

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被検物質が細胞の代謝活性に及ぼす影響
を測定し、環境ホルモンを検出するためのバイオセンサ
ーであって、 半導体層、該半導体の主面に積層された絶縁層、該絶縁
層に接触してその上に配置された環境ホルモンに感受性
のある生細胞又は生細胞群、及び該生細胞又は生細胞群
を浸漬し且つ前記絶縁層に接触した培養液層とからなる
MIS構造体と、前記MIS構造体にバイアス電圧を印
加するためのバイアス電極手段と、 前記MIS構造体に光起電力を発生させるために、前記
MIS構造体に制御された光を照射するための光源手段
と、 前記培養液層に、被検物質を添加するための手段と、 並びに、前記MIS構造に発生した光起電力の変化をモ
ニターするための手段とを具備し、 前記被検物質を添加する前後における前記光起電力の変
化から、前記被検物質が前記細胞の代謝活性に及ぼす影
響を測定することを特徴とするバイオセンサー。
1. A biosensor for measuring the effect of a test substance on metabolic activity of cells and detecting environmental hormones, comprising: a semiconductor layer; an insulating layer laminated on a main surface of the semiconductor; An MIS structure comprising a living cell or a living cell group sensitive to an environmental hormone disposed thereon in contact with the layer, and a culture solution layer in which the living cell or the living cell group is immersed and in contact with the insulating layer Body, bias electrode means for applying a bias voltage to the MIS structure, and light source means for irradiating the MIS structure with controlled light to generate photovoltaic power in the MIS structure And a means for adding a test substance to the culture solution layer, and a means for monitoring a change in photovoltaic power generated in the MIS structure, wherein the test substance is added. Before and after Biosensor characterized from the change in the photovoltaic, said test substance to measure the effect on metabolic activity of the cells.
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