JP3600874B2 - 細胞刺激装置及び細胞刺激方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞刺激装置及び細胞刺激方法に関するものである。より詳細には、本発明は、培養細胞に非接触の状態で該培養細胞に電気的刺激を与えることができる細胞刺激装置及び細胞刺激方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
神経細胞の特徴の一つは、細胞自体が神経活動と呼ばれる電気的な活動を有することである。未熟な神経細胞が分化・発達していく過程において、神経細胞は神経伝達物質や神経栄養因子などの刺激に反応してイオンチャンネルや伝達物質受容体などを発現し、神経細胞固有の伝達物質感受性や興奮性（固有の神経活動）を獲得していき、そのパターンが神経細胞の個々の歴史や個性を表現していると考えられる。また、近年ではこの神経活動、即ち電気的な刺激が逆に神経に関連する物質の動態を制御していることも明らかとなってきている。
【０００３】
本発明者らはこれまで、神経活動とその生物学的役割を明らかにするために研究を行ってきた。その結果、神経活動のパターン（電気的活動のパターン）が情報コードシステムとして働いている可能性があることが明らかになってきた。本発明者らの研究の最終的な目標は、神経活動のパターンを制御することにより脳の可塑性を制御することであるが、そのために重要なことは、神経活動（神経インパルス）のパターンの持つ役割を明らかにし、神経活動のパターンを解読し、神経活動のパターンのプロファイリングを行うことである。そのためには、人為的によくコントロールされた刺激条件下で実験を行うことが必要であった。
【０００４】
また、神経細胞の電気的な活動を制御することにより、脳の可塑性を制御し、治療に応用することも可能である。再生医療においても、特に神経の再生においては、神経細胞の電気的な活動を持たせることが正常な機能を獲得する上で必須と考えられている。そのためには、生体外で効率よく大量の神経細胞に細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えるための電気刺激装置が必須であった。
【０００５】
細胞に電気刺激を与えるための従来の方法としては、（１）電極を神経細胞に挿入することにより刺激する方法、または（２）刺激用電極基盤上に神経細胞を接着させることにより刺激する方法が知られている。しかし、上記（１）の方法では、一度に多数の細胞を刺激することが困難であり、また細胞へのダメージも大きいという欠点がある。また、上記（２）の方法では、電極基盤上に接着できる神経細胞は極めて少なく、実用的な刺激装置として機能させることは困難であるという欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来技術の問題点を解消することを解決すべき課題とした。即ち、本発明は、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えるための電気刺激装置を提供することを解決すべき課題とした。本発明はまた、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えることができる細胞刺激方法を提供することを解決すべき課題とした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、支持板に取り付けられた同一方向に延びる複数の正負の電極と、培養細胞から一定距離離れたところで上記複数の正負の電極を支持する手段とを備える細胞刺激装置を用いることにより細胞に所望の電気的刺激を与えることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明によれば、培養細胞に非接触の状態で該培養細胞に電気的刺激を与える装置であり、該装置が支持板に取り付けられた同一方向に延びる複数の正負の電極と、培養細胞から一定距離離れたところで前記複数の正負の電極を支持する手段とを備えることを特徴とする、細胞刺激装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい態様によれば、該基枠の内側において培養細胞を入れるための培養容器を支持する容器支持手段と、前記基枠の内側に設けられ、前記複数の正負の電極と接続可能な複数のコネクタとを更に備え、前記複数のコネクタは電気信号発生装置に接続されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記基枠には前記電気信号発生装置に接続可能なアダプタが設けられ、前記複数のコネクタが前記基枠内部の配線によりそれぞれ前記アダプタに接続されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記容器支持手段が、前記基枠に対して着脱可能であることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記複数の正負の電極が３〜１０ｍｍ間隔で配置されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置：
複数の電極が個別に制御されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；並びに、
細胞と電極との間の距離をインピーダンスを測定することにより一定に保つことができることを特徴とする、上記の細胞刺激装置：
が提供される。
【００１０】
本発明の別の側面によれば、培養細胞を含む培養プレートに複数の正負の電極を、該培養細胞が形成する面に対して同一の方向から該細胞に接触しないように設置し、該電極を用いて電場を形成し、該電場により該培養細胞を刺激することを特徴とする、細胞の電気的刺激方法が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、
培養細胞が神経細胞である、上記の細胞の電気的刺激方法；
複数の正負の電極を３〜１０ｍｍ間隔で設置する、上記の細胞の電気的刺激方法；
複数の正負の電極による電気的刺激のタイミングをずらして培養細胞を刺激することを特徴とする、上記の細胞の電気的刺激方法；並びに、
上記した本発明の細胞刺激装置を用いて細胞を電気的に刺激する、上記の細胞の電気的刺激方法：
が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る細胞刺激装置１の基枠３及びこれに設けられる部材を示す正面図である。基枠３は中空部材を使用して矩形形状に構成されており、該矩形形状の内側に収納部５が形成されている。また収納部５には細胞の入った培養容器たるシャーレ（図１には図示せず）を載せるための容器支持手段たる培養用トレー７が上方へ着脱可能な状態で設けられており、培養用トレー７には、ガスや水蒸気を通すための複数の穴９が全体に亘って形成されている。
【００１３】
基枠３の内側には一例として６つのコネクタ１１が設けられており、これらコネクタ１１には各々後述する電極装置の基端側コネクタが接続できるようになっている。各コネクタ１１からは配線１３が延びており、配線１３は基枠３を構成する中空部材内を通り、その他端側が基枠３の外側に設けられるアダプタ１５に各々接続されている。
【００１４】
アダプタ１５には図２に示す切換装置１７が適宜の配線を介して接続可能である。図２（ａ）は切換装置１７の前面側を示し、図２（ｂ）は切換装置１７の背面側を示す。本例の切換装置１７では、電極へのパルス電流の切換えを最短で１ミリ秒毎に行えるようにトランジスタが搭載されている。
【００１５】
図２（ａ）に示すように切換装置１７の前面側には、アイソレータ１９（図３参照）に接続するための接続端子２１、各チャンネルの情報を設定するためのスイッチ２３、各チャンネルのパルスを設定するためのスイッチ２５、各チャンネルのためのＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７及び主電源２８が設けられている。ＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７は、横方向のｃｈ１、ｃｈ２・・・ｃｈ３２及び縦方向のｐ１、ｐ２・・・ｐ３２によってその位置を特定するマトリックス状に配列されたスイッチ群から構成されており、これらから任意の２以上のスイッチを選択してＯＮにすることにより、後述する各電極間に選択的にパルス電流を供給できるようになっている。
【００１６】
また図２（ｂ）に示すように切換装置１７の背面側には、アダプタ１５への出力接続部２９、１００Ｖ電源に接続可能な接続コンセント３１及びアイソレータ１９からの信号を受け入れる入力部３３が設けられている。
【００１７】
図３は切換装置１７とアイソレータ１９との接続状態を示す図である。アイソレータ１９は後述する電極装置３５に正確に電気が流れるように制御する装置であり、複数の電極装置３５に同時にパルスを供給する場合には各電極装置３５に対して各々アイソレータ１９を対応させて用意する必要がある。一方、複数の電極装置３５に時間をずらしてパルスを送るようにする場合には、１つのアイソレータ１９だけで対応することができる。この点については後述する。
【００１８】
図３に示すように切換装置１７の接続端子２１からアイソレータ１９へ送られた電気はアイソレータ１９において所定の電極に応じたパルス数の電気信号に変換され、これが切換装置１７の入力部３３へ入力する。入力部３３へ入ったパルス信号は出力接続部２９よりアダプタ１５を介して所定のコネクタ１１から以下説明する電極装置へ供給されるようになっている。尚、切換装置１７及びアイソレータ１９は電気信号発生装置に対応する。
【００１９】
以下、本発明の特徴的構成を備える電極装置３５について図４〜図６を参照しながら説明する。図４は、電極装置３５を細胞３７の入ったシャーレ３９にセットした状態を示す側面図である。電極装置３５は支持板４１を備えており、該支持板４１の上面から配線４３が延び、該配線４３の末端にはコネクタ１１に接続可能な基端側コネクタ１２が形成されている。また電極装置３５の下面からは、３〜１０ｍｍ間隔で配置された複数の正負の電極４５が下方へ延びている。
【００２０】
電極装置３５は、シャーレ３９の蓋部４７に形成された開口部に対して支持されるようになっており、このとき電極装置３５から下方へ延びる電極４５の少なくとも先端部分が、シャーレ３９内の培地４９に挿入されるが、細胞３７には直接触れないような高さに維持されるようになっている。尚、電極装置４５の高さを維持するための構造は、図４に示すような構造に限定されるものではなく、例えば電極装置３５自体を直接シャーレ３９の上端に支持させるようにしたり、適宜の補助具等を使用して、これにより電極４５の先端が細胞３７に直接触れないように支持するようにしてもよい。
【００２１】
電極４５の先端以外の部分は絶縁塗料が塗布されているため、培地４９中への通電は電極４５の先端部分のみから行われる。電極４５は、図５に示すようにほぼ等間隔に整列して配置されており、上述したＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７における例えば２つのスイッチを選択的にＯＮにすることにより、該ＯＮにしたスイッチに対応する２つの電極４５ａ、４５ｂ間に予め設定したパルス電流を流すことができる。
【００２２】
１つのアイソレータ１９を使用して複数の電極４５にパルス電流を供給する場合には、第１セットの電極にパルス電流を流した後、一定間隔をあけて第２セットの電極にパルス電流を流し、その後も一定間隔をあけて第３〜第ｎセットの電極にパルス電流を流し、これを繰り替えす方法を採ることができる。
【００２３】
例えば１０個の電極４５があり正負で１組となったセットが５個ある場合を仮定する。例えば全てのセットを１Ｈｚで３０分間刺激したい場合、１秒に１回の刺激が３０分間続くようになる。２セット目の刺激は１セット目のパルス電流が流れた後、１．１ミリ秒後に行われ、３セット目は１．２秒後、４セット目は１．３秒後、５セット目は１．４秒後にそれぞれパルス電流が流れ、その後１セット目にパルス電流を流すという工程を循環させる。これにより３０分後には３０ミリ秒以内の誤差で刺激が全体に平均的に与えられるようになる。全体での刺激をどのように設定するかの条件に応じて、各セットの刺激タイミングを変えることもできる。上記の実施の形態では５セットの電極に全て異なるタイミングでパルス電流を流しているが、例えば２つのアイソレータ１９を使用することにより、第１セットの電極と第３セットの電極から刺激が開始され、それぞれ第２、第３・・・の各セット、また第４、第５・・・の各セットというように２つの循環パターンで電極を順次刺激していくことも可能である。
以下の実施例により本発明をさらに具体的に示すが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
【００２４】
【実施例】
実施例１：分泌型ニューレグリンを特異的に認識する抗体の作製
（１）抗原ハプテンペプチドの設計
タンパク質の限定分解反応を補足する抗ペプチド抗体を調製するためには、標的とする基質タンパク質の切断部位に関する情報が必要である。本実施例では分泌型ニューレグリンのＣ末端を含む短いペプチド（５ｍｅｒあるいは６ｍｅｒ）にシステイン残基を付加したペプチドを合成し、ハプテンとして用いた。具体的には、Ｃｙｓ−Ｇｌｕ−Ｌｅｕ−Ｔｙｒ−Ｇｌｎ及びＣｙｓ−Ｇｌｕ−Ｌｅｕ−Ｔｙｒ−Ｇｌｎ−Ｌｙｓの混合ペプチドを抗原として用いた。
【００２５】
（２）用いた試薬
・合成ハプテンペプチド
・ＫＬＨ（ｋｅｙｈｏｌｅ ｌｉｍｐｅｔ ｈｅｍｏｃｙａｎｉｎ） ｉｎ ５０％グリセロール（約８０％ｍｇ／ｍｌ） 〔Ｃａｌｉｂｉｏｃｈｅｍ社〕
・ＤＭＦＡ （ジメチルホルムアルデヒド）
・ＭＢＳ （ｍ−マレイミドベンゾイル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル）〔Ｐｉｅｒｃｅ社〕
・ゲル濾過カラム（ファルマシアＰＤ−１０）
・５０ｍＭリン酸ナトリウムバッファー （ｐＨ７．５）
・１００ｍＭリン酸ナトリウムバッファー （ｐＨ７．２）
【００２６】
免疫
・フロイント完全アジュバント（ＦＣＡ）
・フロイント不完全アジュバント（ＦＩＡ）
・シリンジ・注射針など
【００２７】
抗体のアフィニティー精製
・１００ｍＭ ＨＥＰＥＳバッファー （ｐＨ７．５）
・Ａｆｆｉｇｅｌ １０または１５〔バイオラッド社〕
・３０％酢酸
・２０％エタノール
・ＰＢＳ
・５０ｍＭクエン酸バッファー（ｐＨ３．０）
・２Ｍトリスバッファー（ｐＨ９．５）
・２０％グリセロール含Ｎａ−ＰＢＳ
【００２８】
（３）抗原（ハプテン／キャリア複合体）の調製
▲１▼ ＭＢＳ／活性化ＫＬＨを調製する。ＫＬＨ約４０ｍｇ（０．５ｍｌ）を５０ｍＭ リン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．５）１．５ｍｌに加え、スターラーを用いて撹拌する。次に、９．３ｍｇのＭＢＳを０．３８ｍｌのＤＭＦＡに溶解したものを（用時調製）、これに加える。ＭＢＳ添加後、室温で３０分撹拌する。その後、２，０００ｒｐｍで２分程度遠心し、上清を以下で用いた。
【００２９】
▲２▼ ＭＢＳ／活性化ＫＬＨをフリーのＭＢＳから分離する。ファルマシアＰＤ−１０カラムをを５０ｍＭ リン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．５）４０〜５０ｍｌで洗浄し、平衡化しておく。これに▲１▼の遠心上清２ｍｌを添加し、ゲルに浸潤した後に０．５ｍｌのバッファーを加える。浸潤し終わった時点で溶出液の回収を始め（最初の２．５ｍｌをｐｒｅｖｏｉｄとして捨てる）、２ｍｌの溶出液（ＭＢＳ／活性化ＫＬＨ）を回収する。これで４回分のカップリングに使用することのできる標品が得られる。
【００３０】
▲３▼ 合成ハプテンペプチドを活性化ＫＬＨにカップリングする。合成ペプチド５ｍｇ程度を４．５ｍｌの１００ｍＭリン酸Ｎａバッファー（ｐＨ７．２）に溶解し、撹拌する。この際、ｐＨ試験紙を用いて溶液のｐＨが下がっていないことを確認する。これに、０．５ｍｌのＭＢＳ／活性化ＫＬＨを加え、４℃で一昼夜撹拌する。その後、透析する必要はない。これを免疫原として使用する。保存は−２０℃または−８０℃で行う。
【００３１】
（４）免疫
▲１▼ ウサギを用いてポリクローナル抗体を調製した。まず、体重約３ｋｇのウサギに対して１次免疫を行う。抗原溶液０．３ｍｌに対して０．６ｍｌのＦＣＡを加え、撹拌後、超音波処理〔Ｂｒａｎｓｏｎ Ｓｏｎｉｆｉｅｒ １８５ （ｂａｔｈ ｔｙｐｅ）、ｐｏｗｅｒ７〜１０、３分程度〕によってエマルジョンを調製する。これを、左右の背筋上に位置する皮下部分に１０ヶ所程度に分けて注射する。注射針は１８Ｇあるいは２１Ｇを用いる。
▲２▼ 約１ヵ月後に２次免疫を行う。この場合は、０．３ｍｌの抗原溶液に対して０．６ｍｌのＦＬＡを用いて、同様にエマルジョンを調製する。左右の大腿筋に注射する。
▲３▼ ２次免疫の２週間後と４週間後に、３次免疫及び４次免疫を行う。この場合は、０．１５ｍｌの抗原溶液を０．４５ｍｌのＰＢＳで希釈し、▲１▼と同様に背中に皮下注射を行う。用いる注射針は２６Ｇでよい。
▲４▼ ４次免疫の約１週間後に、部分採血を行う。４０〜５０ｍｌ程度採血し抗体の生成状態をチェックした後、アフィニティー精製を行う。良好であれば、約１ヶ月休ませて、２回ほど追加免疫を行って、全採血を行う。
【００３２】
（５）抗体のアフィニティー精製
▲１▼ アフィニティーゲルを調製する。アフィニティー担体としてはＡｆｆｉｇｅｌ １０または１５を用いる。まず、ハプテンペプチド１〜５ｍｇを４ｍｌの１００ｍＭ ＨＥＰＥＳバッファー（ｐＨ７．５）に溶解する。次に、１〜２ｍｌのＡｆｆｉｇｅｌをグラスフィルター上で吸引洗浄し（氷冷蒸留水１０ｍｌ×２回）、直ちにペプチド溶液に加える。一昼夜４℃で回転撹拌した後、フリーのペプチドを除くために、再度グラスフィルター上で吸引洗浄する。この場合は、十分量の蒸留水以外に３０％酢酸や２０％エタノールを用いて完全に洗浄し、最後にＰＢＳで平衡化しておく。保存は冷蔵で行う。
【００３３】
▲２▼ 特異的抗体をアフィニティーカラムに吸着させる。アフィニティーゲルをカラムに（内径５〜１０ｍｍ程度）に詰め、ＰＢＳで洗浄する。非働化血清１０ｍｌを同量のＰＢＳで希釈し、フィルター（０．２２または０．４５μｍ）を通し、カラムに添加する。透過液を回収し、３〜４回再添加を繰り返す（流速は１ｍｌ／分程度）。さらに、約５０ｍｌのＰＢＳでカラムを洗浄する。
【００３４】
▲３▼ 抗体を回収する。あらかじめ０．５ｍｌの２Ｍトリスバッファー（ｐＨ９．５）を入れておいたチューブに、アフィニティーゲルから抗体を溶出させる。溶出は、５ｍｌの５０ｍＭクエン酸バッファー（ｐＨ３．０）を１ｍｌ／分程度の速度で添加して行う。次に、溶出液を透析チューブに移し、２０％グリセロール含Ｎａ−ＰＢＳに対して透析を行う（４℃、一昼夜）。抗体の定量は、２８０ｎｍの吸収を計測して行う（１ｍｇ ＩｇＧ／ｍｌ、Ａ２８０＝１．４）。通常、１〜１０ｍｇの特異的ＩｇＧが回収される。保存は、分注後−８０℃で行う。
【００３５】
実施例２：ニューレグリンの病態作用機序
（方法）
（１）細胞の調製
脳橋核の神経細胞および小脳顆粒細胞を各々Ｅ１８ＢＡＬＢ／ＣおよびＰ７マウスから標準法によって調製した。７ ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）培養物を、両方の細胞種におけるＰＭＡ及び電気刺激のために使用した。顆粒細胞は、受容体サブユニット発現の定量のために、１０ｍＭのＫＣｌ条件下インビトロで１〜２１日間培養した。脳橋核ニューロンは、１０％馬血清を含むＤＭＥＭ（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）で１又は２日間培養し、その後、Ｂ−２７（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）を補充したＮｅｕｒｏｂａｓａｌ培地（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）で維持した。培養物には、Ｂ−２７（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）を補充したＮｅｕｒｏｂａｓａｌ培地（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）から成る培地を供給した。ＧＦＰタグ及びベクターを含む全長のＮＲＧプラスミド（ｐＥＧＦＰ、Ｃｌｏｎｔｅｃｈ）をＬｉｐｏｆｅｃｔａｍｉｎｅ（登録商標）２０００（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）により各々トランスフェクションした（脳橋核のトランスフェクション効率；１〜３％、顆粒細胞；５〜１０％）。トランスフェクションの２４〜３６時間後にニューロンを１μＭのＰＭＡ（Ｔｏｃｒｉｓ）で６０分間刺激した。
【００３６】
（２）切断型のＮＲＧの検出
本実施例における電気刺激は、本明細書中上記した構造を有し、図１から６に示した構造を有する細胞刺激装置を用いて行った。
組み換え全長ｍＮＲＧをトランスフェクションした５×１０６〜５×１０７細胞に３０分間の電気刺激（１ｍＡ、３０〜６０Ｖ細胞外）を加えた後、細胞から得られた条件培地を回収し、セントリコン１０及び１００（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）を用いて濃縮し、大分子量（＞１００ｋＤ）及び小分子量（＜１０ｋＤ）のタンパク質を除去した。７ＤＩＶの顆粒細胞は、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞から得た濃縮条件培地で処理した。ＥｒｂＢリン酸化において、ポリクローナル抗−ＥｒｂＢ４抗体（Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ）による免疫沈降後に、マウスモノクローナル抗ホスホチロシン抗体（４Ｇ１０）を用いて標準法によりウエスタンブロット分析を行った（Ｒｉｅｆｆ ＨＩ他 Ｊ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １９（２４）， １０７５７−１０７６６（１９９９））。免疫沈降試験のために、ライセートを免疫沈降抗体の適当な稀釈物と一緒に４℃で１時間インキュベートした後、プロテインＡ−Ｓｅｐｈａｒｏｓｅと一緒に４℃で１時間インキュベートした。次いで、ライセートを１５０００ｒｐｍで３分間遠心し、上清を廃棄した。ペレットを溶解緩衝液で２回洗浄し、ゲルローディング緩衝液に再懸濁した。試料を３分間煮沸し、タンパク質を電気泳動で分離した。
【００３７】
ＣＲＥＢリン酸化を検出するために、７ＤＩＶの培養顆粒細胞を、条件培地で１０〜１５分間刺激した後、４％パラホルムアルデヒドで１０分間固定化し、ポリクローナル抗−ＮＲＧβ１抗体、ポリクローナル抗−ＰＣＲＥＢ抗体（ＢｉｏＬａｂｓ）で染色した。染色した顆粒細胞をレーザー共焦点顕微鏡（Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ）で観察した。Ａｌｅｘａ（登録商標）染料（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｒｏｂｅ）を二次抗体として使用した。
【００３８】
（結果）
（１）脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞におけるＮＲＧの膜貫通型のタンパク質分断
図７Ａの実験で使用した小脳顆粒細胞及び脳橋核ニューロンの分散初代培養物の状態を調べた。脳橋核ニューロン（ＰＮ）は、１８日目の胚（Ｅ１８）から調製し、小脳顆粒細胞（ＧＣ）は出生後７日目（Ｐ７）から調製した。培養ニューロンでのｍＮＲＧのタンパク質分断の有無を調べるために、抗ＥｒｂＢ及び抗ホスホチロシン抗体による免疫沈降、及び抗ＰＣＲＥＢ抗体を用いた免疫細胞化学分析を、ＧＦＰ−ｔａｇを含む組み換え全長ＮＲＧβ１をトランスフェクションした場合としない場合について、ＰＫＣ活性化因子であるホルボール−１２−ミリステート−１３−アセテート（ＰＭＡ）で６０分間刺激した脳橋核ニューロン及び顆粒細胞を用いて行った。
【００３９】
苔状線維と顆粒細胞の間のシナプスにおけるＮＲＧ受容体に関連して、ＥｒｂＢ２及びＥｒｂＢ４が小脳系に関与していることは既報である（Ｏｚａｋｉ Ｍ 他 Ｎａｔｕｒｅ， ３９０， ６９１−６９４（１９９７）；及びＯｚａｋｉ Ｍ 他 Ｎｅｕｒｏｓｃｉ Ｒｅｓ， ３０ （４）， ３５１−３５４（１９９８））。ＥｒｂＢ４の発現は、小脳顆粒細胞ではインビトロ及びインビボでＥｒｂＢ２の発現よりも強かった。サイクリックＡＭＰ応答部位結合タンパク質（ＣＲＥＢ）のリン酸化が、ＥｒｂＢ４シグナル伝達経路のさらに下流に関与していた（Ｔａｂｅｒｂｅｒｏ Ａ 他 Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １０， ３０９−３２２（１９９８））。ＰＭＡで処理後の脳橋核ニューロン及び顆粒細胞の培養物の条件培地を回収し、濃縮し、顆粒細胞に５〜１０分間適用した。抗ＥｒｂＢ４抗体による免疫沈降後に、顆粒細胞からのライセートをＳＤＳ−ＰＡＧＥで解析し、ブロットを抗−ホスホチロシン抗体（抗−ＴＹＫ）で検出した。トランスフェクションしない脳橋核ニューロン（Ｎｏｎｅ）、ベクターをトランスフェクションした脳橋核（ｖＰＮ）、ＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン（ｔＰＮ）、ベクターをトランスフェクションした顆粒細胞（ｖＧＣ）、及びｍＮＲＧをトランスフェクションした顆粒細胞（ｔＧＣ）から、条件培地を回収した。ｍＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞は共に、トランスフェクションしないニューロン及びベクターのみをトランスフェクションした細胞と比較して、強いリン酸化活性を示した（図７Ｂ、図７Ｃ）。上昇したｓＮＲＧ量は、顆粒細胞を用いてＥｒｂＢリン酸化によって確認した。ｍＮＲＧをトランスフェクションしたニューロンから得られた条件培地による１８０ｋＤのチロシン−リン酸化バンドは、ＰＭＡ刺激を用いた場合に顕著であった（図７Ｂ）。トランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞をＰＫＣ阻害剤であるＨ７で処理した場合の条件培地では、リン酸化活性は抑制された。内在性ＮＲＧはＥｒｂＢリン酸化の顕著な活性を示さなかった。しかし、リコンビナント（組み換え）ｍＮＲＧを培養ニューロンにトランスフェクトした場合、ＥｒｂＢ４リン酸化は顕著であった。これらの結果は、ＰＫＣ活性化後にｓＮＲＧが組み換えｍＮＲＧから産生したことを示す。図７Ｃにおいて、リン酸化の比率は、ＥｒｂＢ４抗体による免疫沈降後にブロットしたＥｒｂＢ４シグナルに対して標準化した。
【００４０】
ＣＲＥＢ−リン酸化の結果を図７のＤに示す。ＰＭＡ刺激（６０分間）により放出される可溶型をスピンカラムを用いて濃縮し、培養顆粒細胞に添加した。刺激した顆粒細胞を固定後、抗ホスホＣＲＥＢ抗体で染色した。脳橋核ニューロンからの条件培地を刺激（ａ、ｂ及びｃ）のために使用し、顆粒細胞培養物からの条件培地を刺激（ｄ、ｅ及びｆ）のために使用した。パネルＤは、コントロール（ａ、ｄ）、ベクター（ｂ、ｅ）及び全長ＮＲＧ（ｃ、ｆ）を示す。条件培地（ｃ及びｆ）は、切断された内在性及び組み換えのＮＲＧを有するはずである。ｃからｂの引き算及びｆからｅの引き算は、組み換えｍＮＲＧ由来のｓＮＲＧにより誘発されるＣＲＥＢリン酸化を示す。条件培地による５分以上の処理後に、異なるＣＲＥＢリン酸化が観察された。生培養顆粒細胞を使用した場合には、ＫＣｌ刺激によるＮＲＧの放出は明白には観察されなかった。
【００４１】
全長ｍＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞からの条件培地は、ＥｒｂＢ−及びＣＲＥＢ−リン酸化の異なる活性を示した。ＥｒｂＢ−及びＣＲＥＢ−リン酸化活性の測定から、タンパク質分断に必要なアミノ酸配列を同定した。図７Ｅ及び７Ｆに示す通り、ＥＬＹＱＫＲＶＬＴ領域内の欠失変異体は、タンパク質分断を明白には示さなかった。この領域内のＫからＧへの点変異は表、図７Ｆに示す通り切断の減少を生じた。ＮＲＧはメタロプロテアーゼ（ＡＤＡＭｓ）ファミリープロテアーゼの基質として報告されている（Ｓｈｉｒａｋａｂｅ Ｋ 他 Ｊ Ｂｉｏｌ Ｃｈｅｍ， ２７６（１２）， ９３５２−９３５８（２０００））。メタロプロテアーゼによるＮＲＧ切断は、主としてゴルジ体で起こると報告されている。ｍＮＲＧのある種のタンパク質分断は細胞表面で起こることが報告されている（Ｌｏｅｂ ＪＡ 他 Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １１（１−２）， ７７−９１（１９９８））。ＮＲＧのタンパク質分断は、細胞の種類、ＮＲＧ及びプロテアーゼのタンパク質局在、及び時期に依存して複数のプロテアーゼによって調節されている可能性がある。
【００４２】
（２）パターン化電気刺激によるＮＲＧのタンパク質分断
ＣＲＥＢ−リン酸化活性を、抗−ＰＣＲＥＢ抗体を用いた免疫細胞化学分析により測定し、電気刺激による小脳顆粒細胞のＣＲＥＢリン酸化の最適条件を調べた。顆粒細胞を異なる周波数で５分間電気的に直接刺激した（図８のＡ及びＢ）。１Ｈｚから１００Ｈｚの周波数でリン酸化活性が検出され、５０Ｈｚが最適であった。５０ＨｚでのＣＲＥＢ−リン酸化活性は、ナトリウムチャンネルブロッカーＴＴＸで３６．６±５．４５％ブロックされた。図Ｂにおいて、ＰＣＲＥＢ−陽性細胞を計測し、全細胞数に対して標準化した。これらの実験は、異なる周波数によりニューロン細胞内に異なる状況が生じることを示唆する。ＮＲＧのタンパク質分断に最適な周波数は５０Ｈｚであった。
【００４３】
ＮＲＧのタンパク質分断が異なるパターンの電気刺激で生じるかどうかを確かめるために、異なる周波数での電気刺激後に、ＥｒｂＢリン酸化を抗−ＴＹＫ及び抗−ＥｒｂＢ４抗体を用いた免疫沈降により検出した。抗−ＥｒｂＢ４抗体で落とした切断型ＮＲＧは、抗ＴＹＫ抗体を用いた免疫ブロットにより検出した。抗ＴＹＫを使用して、リン酸化したＥｒｂＢ受容体を認識した。リン酸化の効率は、ＥｒｂＢ４シグナルに対して標準化することにより測定した。リン酸化シグナルは、他の周波数の場合と比較して５０Ｈｚの刺激で有意に強かった（図９Ａ及び図９Ｂ）。条件培地のＣＲＥＢ−リン酸化活性も５０Ｈｚの刺激が最適であった。図８Ｂ及び図９Ｄのグラフは同様のパターンを示す。
【００４４】
上記方法を使用後、図９Ｅ及び９Ｆに記載した方法を使用して切断型のＮＲＧを検出した。実施例１で作製した切断型ニューレグリンのＣ末端のみを認識する抗体（抗ｓＮＲＧ抗体）を使用した。電気刺激後、約１×１０６個のトランスフェクションした顆粒細胞を使用して条件培地を回収した。１００ｋＤ以上及び１０ｋＤ未満のタンパク質をセントリコン１０及び１００遠心濾過を用いて除去し、セントリコン１０によりさらに濃縮した。その後、抗ｓＮＲＧ抗体を用いて免疫沈降を行い、ＮＲＧのβ１アイソフォームのみを認識できる抗−ＮＲＧβ１抗体を用いてイムノブロットした。ブロットを図９Ｇに示す。切断したＮＲＧのシグナルは約３０ｋＤの位置に検出された。Ｈ７で５０Ｈｚの刺激の場合、切断型のＮＲＧのシグナルは明白には検出されなかった。以上の結果から、ｓＮＲＧは、特定のパターンの電気刺激により開始かつ制御されたタンパク質分断によりｍＮＲＧから産生することが判明した。
【００４５】
実施例３：伝達受容体発現機構の解析
（方法）ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットのリアルタイム定量分析
電気刺激後、リアルタイム定量分析（ＡＢＩ ｐｒｉｓｍ ７７００， Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ）を行った。Ｐｒｉｍｅｒ Ｅｘｐｒｅｓｓ（ＰＥ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）を用いてプライマー及びＴａｑＭａｎプローブを設計した。各プライマーにより増幅したＰＣＲ産物はアガロースゲル上でシングルバンドであった。産物を直接配列によって確認した。使用した全プライマーは他の遺伝子と交差しなかった。薬理実験では、ＴＴＸ（１μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、Ｄ−ＡＰ５（５０μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、ＭＫ８０１（２５μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、ＣＮＱＸ（１０μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、Ｃｄ（１００μＭ、Ｗａｋｏ Ｉｎｃ．）及びＥＧＴＡ（１ｍＭ、Ｓｉｇｍａ）を使用した。
【００４６】
（結果）電気刺激により制御されたＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットの発現
ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を制御できる電気活性のパターンを調べた。リアルタイム定量化ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）法を用いて、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットのｍＲＮＡの発現を、インビトロで１〜２１日目の培養中で定量した。先ず、培養顆粒細胞中のＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体の各サブユニットのｍＲＮＡ発現レベルを調べた（図１０Ａ）。ニューロン特異的エノラーゼ（ＮＳＥ）を対照として用いた。Ｐ７マウスから調製した７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）培養ニューロンの性質は、成熟期でインビボでＰ１４マウスのものと理論的に同一である。インビボのＰ１４で、ＮＲ２Ｂ発現は小脳顆粒細胞でシャットダウンする一方、ＮＲ２Ｃ発現は全顆粒細胞で見られる。ＮＭＤＡ受容体のサブユニットの切り替えはマウスではＰ１４でほぼ終了した。一方、ＧＡＢＡＡのα１、β２及びγ２サブユニットはインビボのＰ１４で大量発現していた。インビトロの状況をインビボに適合するように調整するために、インビトロで７日間培養した顆粒細胞を選択して電気刺激した。
【００４７】
培養顆粒細胞を異なる周波数（０〜１００Ｈｚ）で１ｍＡで３０分間刺激した（図１０Ｂ、１０Ｃ）。刺激後の細胞の生物学的活性は化学染色及び抗ＮＲＧ抗体染色によって確認したが、生細胞数の有意な差異は何れの場合も見られなかった。ＮＭＤＡ受容体ＮＲ２Ｂ及びＧＡＢＡＡα２、γ１の場合、電気刺激の効果は何れの周波数でも明白には検出されなかった。ＮＭＤＡ受容体ＮＲ２Ｃサブユニットの発現は、１Ｈｚ及び１００Ｈｚの周波数での直接刺激によって促進され、１００Ｈｚなどの高周波数での刺激で検出された増加はＴＴＸによりブロックされた。１Ｈｚの刺激によるＮＲ２Ｃの増加は、ＴＴＸにより強くはブロックされなかった。ＧＡＢＡＡ受容体β２サブユニットの場合、ｍＲＮＡ発現は、０．１から１０Ｈｚの低周波数の刺激で増加した。低周波数の刺激による増加はＴＴＸにより部分的にブロックされたが、１００Ｈｚによるβ２の増加はＴＴＸによりブロックされなかった。
【００４８】
薬理学的実験によれば、ＮＭＤＡ及びＡＭＰＡ受容体活性、並びにカルシウムチャンネルがＮＲ２Ｃ及びβ２発現の保持に関与していることが示された。１Ｈｚで刺激したＮＲ２Ｃでは、ｍＲＮＡの発現はＮＭＤＡ、ＡＭＰＡ受容体アンタゴニストにより強く阻害された。刺激周波数１００Ｈｚでは、特にＭＫ８０１（非競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト）がＮＲ２Ｃ増加を強くブロックした。また、カルシウムチャンネルは、ＡＭＰＡ受容体よりもＮＲ２Ｃ発現に寄与していた。１Ｈｚで刺激したβ２では、刺激周波数１ＨｚのＮＲ２Ｃの場合と同様の結果であった。１００Ｈｚで刺激したβ２のｍＲＮＡの増加は、ＮＭＤＡ、ＡＭＰＡ受容体アンタゴニスト及びカルシウムチャンネルブロッカー（非特異的ブロッカー；Ｃｄ＆ＥＧＴＡ）により阻害された。ＮＲ２Ｃ及びβ２の両方の場合で、カルシウムチャンネルブロッカーは高周波数でサブユニットの発現を強く阻害したが、低周波数では阻害しなかった。異なる周波数は、関与する顆粒細胞受容体の組み合わせと活性の度合いを制御していることがわかる。また、特定の電気刺激は、アンタゴニスト及びブロッカーの存在下でも正常な活性を部分的に回復することができた。１Ｈｚの刺激でカルシウムチャンネルブロッカーを用いた場合の例を示す（図１０Ｃ、β２の場合）。
【００４９】
（実施例の考察）
図１１に示す通り、小脳顆粒細胞は、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体を介して苔状線維及びゴルジ細胞からの興奮性及び抑制性シグナルの入力のバランスを取っていると考えられる。顆粒細胞のニューロン発火のパターンは、各種受容体の関与によってシナプス発達中に変化する。顆粒細胞における最終的神経活動のパターンは、伝達物質、神経ペプチド、及び神経栄養因子、並びに、シナプス前部ニューロンを含む環境刺激からの他のものなどの分子の組み合わせによって決まる可能性が高い。分子の異なる組み合わせは、分子の挙動と電気活性のパターンの関係において、異なるパターンのニューロン発火をもたらすはずである。幾つかの遺伝子発現がパターン化された電気活性によって調節されていることは既報である（Ｂｕｏｎａｎｎｏ Ａ 他 Ｃｕｒｒ Ｏｐｉｎ Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌ， ９， １１０−１２０（１９９９））。パターン化された電気活性によって分子のリン酸化活性が制御されていることは確かである（Ｂｕｏｎａｎｎｏ Ａ 他 Ｃｕｒｒ Ｏｐｉｎ Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌ， ９， １１０−１２０（１９９９））。
【００５０】
実施例２では、タンパク質分断などのタンパク質プロセシングが、パターン化された電気活性によって制御されることを実証した。ＮＲＧのタンパク質分断は低周波数から高周波数で検出されたが、シナプス前細胞である苔状線維とシナプス後細胞である顆粒細胞からのＮＲＧのタンパク質分断に最適な刺激周波数は共に５０Ｈｚであった。この現象は、分子的観点から、シナプス前後細胞間で神経活動のパターンが同調する機構を裏付けている。シナプス前部シグナルは先ずシナプス後部ニューロンを活性化し、次に、シナプス前部及びシナプス後部ニューロンを同調させる。シナプス後部細胞がシナプス前部細胞と同調する際に、シナプス後部ニューロンはオートクライン機構で自己活性化し、第ＩＩＩ期に入る可能性がある（図１１）。シナプス形成過程において、シナプス前部ニューロンからのシグナルや逆行性シグナル伝達を介した分子情報の交換の後に、ｍＮＲＧは刺激依存型のタンパク質分断を受ける可能性もある。何れの場合も、５０Ｈｚの刺激はシナプス前部及びシナプス後部のニューロンの間の伝達における中間段階と考えられる（図１１のＩＩ）。
【００５１】
さらに、ｓＮＲＧにより調節されるＮＲ２Ｃ及びβ２発現の分子機構が明らかになった。低周波数の刺激では（１Ｈｚ）、β２ＲＮＡはグルタミン酸受容体及びＥｒｂＢ受容体の活性化を介して、ＮＲ２Ｃ ＲＮＡよりも多量に転写された。ＮＲ２ＣｍＲＮＡは、高周波数（１００Ｈｚ）ではβ２よりも強く誘導され、グルタミン酸受容体（特に、ＮＭＤＡ受容体）の活性化を伴なった。ＮＲＧのタンパク質分断の最適周波数である５０Ｈｚでは、ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現は観察できなかった。ＮＲ２Ｃ発現にはニューロン活動が必要であり、可溶型のＮＲＧの産生効率は電気活動によって制御されている可能性は既に提唱されている（Ｏｚａｋｉ Ｍ 他 Ｔｈｅ Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｔｉｓｔ， ７（２）， １４６−１５４（２００１））。本実施例では、ＮＲＧのタンパク質分断が周波数に依存した形で電気活動のパターンによって制御されていることを初めて実証した。ＮＲＧはＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現を誘導するのに必要であるけれども、発現段階（図７のＩ及びＩＩＩ）及び中間段階（図１１のＩＩ）の間で周波数の最適値に不一致が生じた。この不一致を説明するために、薬理学的実験を行った。この薬理学的実験の結果から、ＥｒｂＢ受容体を含む複数の受容体がＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現の制御に関与していることが判明した。
【００５２】
直接的電気刺激実験から、以下の２つの事項が示唆される。（１）遺伝子発現を誘導するために必要な受容体の活性化には、細胞自身のもつ神経活動が必要な場合があり、（２）直接的電気刺激は、受容体及びイオンチャンネルブロッカーの効果を部分的に補うことができる（図１０、Ｃ）。シナプス成熟の過程において、特定のパターンのニューロン活性と受容体活性化の間にカスケードが存在する可能性がある（図１２）。受容体Ａが活性化される場合、ニューロンはパターンＡの神経活動を有する。次に、受容体ＢがパターンＡによって活性化され、パターンＢが産生する。その結果、ニューロンはパターンＡとＢをあわせた活動パターンを有する。カスケードにおける各パターンの活動が分子挙動を制御する可能性がある。特定のパターンが分子挙動を制御し、ニューロン発火のパターンが、個々の受容体又はチャンネルの活性化の組み合わせによって構成されていると考えられる。構成された各パターン内に遺伝子発現リン酸化タンパク質のプロセッシングなどの分子の挙動を制御する一定の過程が存在するはずである。従って、活性化した受容体及びイオンチャンネルの組み合わせ及びそれらの活性化の順序が、上記した不一致を解くための鍵を握っている可能性がある。
【００５３】
さらに、アンタゴニスト及びブロッカーによりブッロク可能な受容体の幾つかの作用は、特定の電気刺激によって補うことができた。これは、シナプス前部ニューロン、受容体及びチャンネル活性の役割がある特定パターンの電気活性によって模倣できることを意味する。従って、ニューロン形成を人工的に制御する電気活性のパターンの役割を調べることは重要である。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、電極を直接細胞に挿入しないため、細胞へのダメージが小さく、また多数の細胞に一度に電気的刺激を与えることができる。また請求項２に記載の発明によれば、培養容器を容器支持手段上に載せた状態で、各コネクタに電極装置を接続して、複数の培養容器内の細胞に一度に電気的刺激を与えることができる。
また請求項３に記載の発明によれば、アダプタに切換装置からの配線を接続することで、各コネクタに電気を供給可能な状態とすることができる。また基枠内部に配線することにより、すっきりとした配線構造を実現することができる。
また請求項４に記載の発明によれば、培養容器の基枠内へのセット及び取り出しを容器支持手段の着脱によって効率的に行うことができる。
また請求項５に記載の発明によれば、培養容器内に存在する細胞に対して、ほぼ平均的に電気的刺激を与えることが可能となる。
また請求項６から９に記載の発明によれば、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えることができる。
【００５５】
【配列表】
【００５７】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の細胞刺激装置の基枠及びこれに設けられる部材を示す正面図である。
【図２】図２（ａ）は切換装置の前面側を示し、図２（ｂ）は切換装置の背面側を示す。
【図３】切換装置とアイソレータとの接続状態を示す図である。
【図４】電極装置を細胞の入ったシャーレにセットした状態を示す側面図である。
【図５】電極装置を細胞の入ったシャーレにセットした状態を示す一部破断上面図である。
【図６】基枠内に複数のシャーレを配置して細胞に電気的刺激を与えている様子を示す上面図である。
【図７】図７は、ＰＭＡ刺激によるニューレグリンのタンパク質分断を示す。脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞を７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）で抗ＮＲＧβ１抗体で染色した。両ニューロンで、細胞体及びニューロン性プロセスはＮＲＧ陽性であった（図Ａ）。スケールバー；６０μｍ図Ｂでは、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞を、膜貫通型のＮＲＧをトランスフェクションしたものとしないものについて調製し、ＰＭＡで６０分間刺激し、条件培地を回収した。条件培地のチロシンリン酸化活性を小脳顆粒細胞を用いて調べた。顆粒細胞培養物を、回収・濃縮した条件培地で５〜１０分間刺激した。顆粒細胞からのライセートをＳＤＳ−ＰＡＧＥで分解し、ブロットを抗−ＥｒｂＢ４抗体で免疫沈降した後、抗ホスホチロシン抗体（４Ｇ１０）で検出した。１８０ｋＤのチロシンリン酸化したバンドを刺激により検出した（図Ｂ）。条件培地をＰＮ（トランスフェクションしない脳橋核ニューロン）、ｔＰＮ（トランスフェクションした脳橋核ニューロン）、ＧＣ（トランスフェクションしない顆粒細胞）、及びｔＧＣ（トランスフェクションした顆粒細胞）から回収した。結果を図Ｃに要約する。実験は独立に３又は４回繰り返した。
図Ｄでは、小脳顆粒細胞を用いて、条件培地刺激後のＣＲＥＢ−リン酸化を確かめた。血清飢餓小脳顆粒細胞を、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞培養物から回収した条件培地で処理した（５〜１０分間）。脳橋核ニューロンからの条件培地をａ、ｂ及びｃにおいて刺激のために使用した。ｄ、ｅ及びｆでは、条件培地を顆粒細胞培養物から調製した。
ａ、ｄ：対照
ｂ、ｅ：ベクター（ｐＥＧＦＰ−Ｎ３）
ｃ、ｆ：ｐＮＲＧ−ＧＦＰ
刺激した顆粒細胞は、固定化後、ホスホ−ＣＲＥＢ抗体で染色した。ＰＭＡ刺激（６０分間）により放出された可溶型を濃縮し、培養顆粒細胞に加えた。条件培地は、パネルｃ及びｆにおいて内在性ＮＲＧ及び組み換えＮＲＧを含むはずである。ｂ及びｅからの差し引きは、組み換えｍＮＲＧから切断されたＮＲＧの作用を示した。ＥｒｂＢ及びＣＲＥＢリン酸化アッセイ系を使用して、Ｅ及びＦにおいてタンパク質分解に必要なアミノ酸配列を同定した。ＥＬＹＱＫＲＶＬＴ配列は膜貫通ドメインのすぐＮ末側の細胞外領域上に位置していた。配列を欠失またはリジンからグリシンに変異させた場合、タンパク質分解の効率はＦに示す通り阻害された。リジン残基はプロテアーゼによる認識に必須のアミノ酸であった。
【図８】図８は、電気刺激によるＣＲＥＢ−リン酸化活性を示す。
脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞を１８日齢の胎児マウス及び生後７日のマウスからそれぞれ調製した。ニューロンを７日間培養し、異なるパターンの電気刺激で刺激した。電気刺激後、ＣＲＥＢ−リン酸化を顆粒細胞を用いて調べた（図Ａ及びＢ）。抗ＰＣＲＥＢ抗体に陽性の細胞を計数し、全細胞数に対して標準化した。各皿からランダムな５箇所の顕微鏡視野（２０倍）を細胞計数のために撮影した。独立した実験から、３〜５枚の皿を計数した。ＣＲＥＢリン酸化の効率は５０Ｈｚ刺激で最高であった。リン酸化はＴＴＸにより部分的にブロックされた。
【図９】図９は、電気刺激によるＮＲＧのタンパク質分断を示す。
電気刺激後、ＥｒｂＢ４のチロシンリン酸化活性をＰＭＡ刺激により同一の方法で測定した。パネルＡは、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞においては、ＥｒｂＢ４に対する条件培地のチロシン−リン酸化活性の効率が５０Ｈｚの刺激で最高あることを示す。チロシンリン酸化はＰＫＣ阻害剤であるＨ７によりブロックされた。結果をグラフに要約する（図Ｂ）。図Ｃ及びＤでは、小脳顆粒細胞を用いて条件培地刺激による刺激後に、ＣＲＥＢリン酸化を確認した。血清飢餓小脳顆粒細胞を、電気刺激後の顆粒細胞培養物から回収した条件培地で試験した（１５分間）。５０Ｈｚの刺激では７７．４±２．０８％の顆粒細胞がＰＣＲＥＢ陽性であり、１００Ｈｚの刺激では６２．５±４．１７％がＰＣＲＥＢ陽性であった。ＰＣＲＥＢの反応ピークは５０Ｈｚで検出された（ｎ＝１５，＊Ｐ＜０．０１５）。
最後に、免疫沈降後のイムノブロットにより切断されたＮＲＧを直接検出した結果をＧに示す。検出の手法を図Ｅ及びＦに要約する。ｍＮＲＧを電気刺激後にトランスフェクションした（トランスフェクション効率；〜５％）５×１０６〜５×１０７個の顆粒細胞から、条件培地を回収した。培地をセントリコンを用いて濃縮し、抗−ｓＮＲＧ抗体で免疫沈降した。抗体としては、切断型ＮＲＧのｃ末端のみを認識する抗ｓＮＲＧポリクローナル抗体（実施例１で作成した抗体）を使用した。免疫沈降後に、ＮＲＧβ１のみを認識する抗ＮＲＧβ１抗体を用いてウエスタンブロット分析を行った。図Ｇに示す通り、５０Ｈｚの刺激で切断型ＮＲＧのシグナルが検出できた。このシグナルはＰＫＣ阻害剤であるＨ７により消失した。これらの結果から、培地中に放出されたＮＲＧ量は周波数の刺激に応じて異なることが分かる。
【図１０】図１０は、リアルタイム定量化ＰＣＲ法により定量したＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を示す。
図Ａでは、インビトロで１〜２１日間１０ｍＭのＫＣｌを用いて培養した顆粒細胞を用いて、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を調べた。電気刺激実験のために７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）を選択した。７ＤＩＶでは、顆粒細胞は未だ生きているが、ＮＭＤＡ受容体、ＮＲ２Ｃ、２Ｂ及びＧＡＢＡＡ受容体β２サブユニットｍＲＮＡは減少している。ＧＡＢＡＡ受容体α１及びγ２ｍＲＮＡは７ＤＩＶでは保持されていた。異なるパターンの電気刺激後にＲＴ−ＰＣＲのリアルタイム定量分析を行った。ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニットの転写を異なる周波数で制御した。ＮＲ２Ｃ転写は、１．０及び１００Ｈｚの刺激で促進され（図Ｂ）、１００Ｈｚで検出された増加はＴＴＸ処理でブロックされた。しかし、１．０Ｈｚでの増加はＴＴＸでは強くはブロックされなかった。一方、β２転写は、０．１〜１０Ｈｚの刺激でＮＲ２Ｃよりも強く促進され、増加はＴＴＸ処理でブロックされた。１００Ｈｚでの増加はＴＴＸで部分的にブロックされた。０．１Ｈｚ；ｎ＝６、１Ｈｚ；ｎ＝１８、１０Ｈｚ；ｎ＝１０、５０Ｈｚ；ｎ＝１２、１００Ｈｚ；ｎ＝２６、ＴＴＸで非刺激；ｎ＝３、１Ｈｚ及びＴＴＸ；ｎ＝６、１００Ｈｚ＆ＴＴＸ；ｎ＝６、＊ｐ＜０．００１、＊＊ｐ＜０．００００１
図Ｃでは薬理実験を電気刺激の下で行った。ＮＲ２Ｃの場合、１及び１００Ｈｚで増加した転写は全てのアンタゴニスト及びブロッカーにより部分的にブロックされた。しかしながら、ＭＫ８０１はＮＲ２ＣｍＲＮＡ発現を強くブロックした。β２の場合、ＭＫ８０１に加えてＣＮＱＸは１．０及び１００Ｈｚの刺激で転写をブロックした。１００ＨｚでのｍＲＮＡの増加は非特異的カルシウムブロッカーにより強く阻害されたが、１．０Ｈｚでの増加は明らかにはブロックされなかった。何れの場合も、直接的電気刺激は、少なくとも基底レベルまで受容体の活性化を部分的に模倣できた。ＡＰ５；競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト、ＭＫ８０１；非競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト、ＣＮＱＸ；ＡＭＰＡ受容体アンタゴニスト、Ｃｄ＆ＥＧＴＡ；非特異的カルシウムチャンネルブロッカー。各実験は独立に３〜８回繰り返した。
【図１１】図１１は、周波数依存形式で制御されたＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現の模式図を示す。
小脳顆粒細胞は、苔状線維から興奮シグナルを、そしてゴルジ細胞からＧＡＢＡＡ受容体を介して抑制性シグナルを受ける。これらのシグナルの組み合わせが、神経活動のパターンを決定する。苔状線維によって刺激されない顆粒細胞でも自発発火を有する。比較的低い周波数において、ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現は共に検出されたが、β２発現はＮＲ２Ｃよりも促進された（Ｉ）。一方、ＮＲ２Ｃ発現は、１００Ｈｚのような高周波数でより強く誘導された。ＮＲ２Ｃの発現は苔状線維刺激顆粒細胞で誘導される可能性があり、相当量の受容体活性化が関与している（ＩＩＩ）。
【図１２】図１２は、受容体活性化のモデル及びニューロン活性のパターンを示す。
【符号の説明】
１ 細胞刺激装置
３ 基枠
５ 収納部
７ 培養用トレー
９ 穴
１１ コネクタ
１２ 電極の基端側コネクタ
１３ 配線
１５ アダプタ
１７ 切換装置
１９ アイソレータ
２１ 接続端子
２３ 各チャンネルの情報を設定するためのスイッチ
２５ 各チャンネルのパルスを設定するためのスイッチ
２７ ＯＮ−ＯＦＦスイッチ
２８ 主電源
２９ 出力接続部
３１ 接続コンセント
３３ 入力部
３５ 電極装置
３７ 細胞
３９ シャーレ
４１ 支持板
４３ 配線
４５、４５ａ、４５ｂ 電極
４７ 蓋部
４９ 培地
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞刺激装置及び細胞刺激方法に関するものである。より詳細には、本発明は、培養細胞に非接触の状態で該培養細胞に電気的刺激を与えることができる細胞刺激装置及び細胞刺激方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
神経細胞の特徴の一つは、細胞自体が神経活動と呼ばれる電気的な活動を有することである。未熟な神経細胞が分化・発達していく過程において、神経細胞は神経伝達物質や神経栄養因子などの刺激に反応してイオンチャンネルや伝達物質受容体などを発現し、神経細胞固有の伝達物質感受性や興奮性（固有の神経活動）を獲得していき、そのパターンが神経細胞の個々の歴史や個性を表現していると考えられる。また、近年ではこの神経活動、即ち電気的な刺激が逆に神経に関連する物質の動態を制御していることも明らかとなってきている。
【０００３】
本発明者らはこれまで、神経活動とその生物学的役割を明らかにするために研究を行ってきた。その結果、神経活動のパターン（電気的活動のパターン）が情報コードシステムとして働いている可能性があることが明らかになってきた。本発明者らの研究の最終的な目標は、神経活動のパターンを制御することにより脳の可塑性を制御することであるが、そのために重要なことは、神経活動（神経インパルス）のパターンの持つ役割を明らかにし、神経活動のパターンを解読し、神経活動のパターンのプロファイリングを行うことである。そのためには、人為的によくコントロールされた刺激条件下で実験を行うことが必要であった。
【０００４】
また、神経細胞の電気的な活動を制御することにより、脳の可塑性を制御し、治療に応用することも可能である。再生医療においても、特に神経の再生においては、神経細胞の電気的な活動を持たせることが正常な機能を獲得する上で必須と考えられている。そのためには、生体外で効率よく大量の神経細胞に細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えるための電気刺激装置が必須であった。
【０００５】
細胞に電気刺激を与えるための従来の方法としては、（１）電極を神経細胞に挿入することにより刺激する方法、または（２）刺激用電極基盤上に神経細胞を接着させることにより刺激する方法が知られている。しかし、上記（１）の方法では、一度に多数の細胞を刺激することが困難であり、また細胞へのダメージも大きいという欠点がある。また、上記（２）の方法では、電極基盤上に接着できる神経細胞は極めて少なく、実用的な刺激装置として機能させることは困難であるという欠点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来技術の問題点を解消することを解決すべき課題とした。即ち、本発明は、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えるための電気刺激装置を提供することを解決すべき課題とした。本発明はまた、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えることができる細胞刺激方法を提供することを解決すべき課題とした。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、支持板に取り付けられた同一方向に延びる複数の正負の電極と、培養細胞から一定距離離れたところで上記複数の正負の電極を支持する手段とを備える細胞刺激装置を用いることにより細胞に所望の電気的刺激を与えることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明によれば、培養細胞に非接触の状態で該培養細胞に電気的刺激を与える装置であり、該装置が支持板に取り付けられた同一方向に延びる複数の正負の電極と、培養細胞から一定距離離れたところで前記複数の正負の電極を支持する手段とを備えることを特徴とする、細胞刺激装置が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい態様によれば、該基枠の内側において培養細胞を入れるための培養容器を支持する容器支持手段と、前記基枠の内側に設けられ、前記複数の正負の電極と接続可能な複数のコネクタとを更に備え、前記複数のコネクタは電気信号発生装置に接続されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記基枠には前記電気信号発生装置に接続可能なアダプタが設けられ、前記複数のコネクタが前記基枠内部の配線によりそれぞれ前記アダプタに接続されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記容器支持手段が、前記基枠に対して着脱可能であることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；
前記複数の正負の電極が３〜１０ｍｍ間隔で配置されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置：
複数の電極が個別に制御されていることを特徴とする、上記の細胞刺激装置；並びに、
細胞と電極との間の距離をインピーダンスを測定することにより一定に保つことができることを特徴とする、上記の細胞刺激装置：
が提供される。
【００１０】
本発明の別の側面によれば、培養細胞を含む培養プレートに複数の正負の電極を、該培養細胞が形成する面に対して同一の方向から該細胞に接触しないように設置し、該電極を用いて電場を形成し、該電場により該培養細胞を刺激することを特徴とする、細胞の電気的刺激方法が提供される。
【００１１】
本発明の好ましい態様によれば、
培養細胞が神経細胞である、上記の細胞の電気的刺激方法；
複数の正負の電極を３〜１０ｍｍ間隔で設置する、上記の細胞の電気的刺激方法；
複数の正負の電極による電気的刺激のタイミングをずらして培養細胞を刺激することを特徴とする、上記の細胞の電気的刺激方法；並びに、
上記した本発明の細胞刺激装置を用いて細胞を電気的に刺激する、上記の細胞の電気的刺激方法：
が提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る細胞刺激装置１の基枠３及びこれに設けられる部材を示す正面図である。基枠３は中空部材を使用して矩形形状に構成されており、該矩形形状の内側に収納部５が形成されている。また収納部５には細胞の入った培養容器たるシャーレ（図１には図示せず）を載せるための容器支持手段たる培養用トレー７が上方へ着脱可能な状態で設けられており、培養用トレー７には、ガスや水蒸気を通すための複数の穴９が全体に亘って形成されている。
【００１３】
基枠３の内側には一例として６つのコネクタ１１が設けられており、これらコネクタ１１には各々後述する電極装置の基端側コネクタが接続できるようになっている。各コネクタ１１からは配線１３が延びており、配線１３は基枠３を構成する中空部材内を通り、その他端側が基枠３の外側に設けられるアダプタ１５に各々接続されている。
【００１４】
アダプタ１５には図２に示す切換装置１７が適宜の配線を介して接続可能である。図２（ａ）は切換装置１７の前面側を示し、図２（ｂ）は切換装置１７の背面側を示す。本例の切換装置１７では、電極へのパルス電流の切換えを最短で１ミリ秒毎に行えるようにトランジスタが搭載されている。
【００１５】
図２（ａ）に示すように切換装置１７の前面側には、アイソレータ１９（図３参照）に接続するための接続端子２１、各チャンネルの情報を設定するためのスイッチ２３、各チャンネルのパルスを設定するためのスイッチ２５、各チャンネルのためのＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７及び主電源２８が設けられている。ＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７は、横方向のｃｈ１、ｃｈ２・・・ｃｈ３２及び縦方向のｐ１、ｐ２・・・ｐ３２によってその位置を特定するマトリックス状に配列されたスイッチ群から構成されており、これらから任意の２以上のスイッチを選択してＯＮにすることにより、後述する各電極間に選択的にパルス電流を供給できるようになっている。
【００１６】
また図２（ｂ）に示すように切換装置１７の背面側には、アダプタ１５への出力接続部２９、１００Ｖ電源に接続可能な接続コンセント３１及びアイソレータ１９からの信号を受け入れる入力部３３が設けられている。
【００１７】
図３は切換装置１７とアイソレータ１９との接続状態を示す図である。アイソレータ１９は後述する電極装置３５に正確に電気が流れるように制御する装置であり、複数の電極装置３５に同時にパルスを供給する場合には各電極装置３５に対して各々アイソレータ１９を対応させて用意する必要がある。一方、複数の電極装置３５に時間をずらしてパルスを送るようにする場合には、１つのアイソレータ１９だけで対応することができる。この点については後述する。
【００１８】
図３に示すように切換装置１７の接続端子２１からアイソレータ１９へ送られた電気はアイソレータ１９において所定の電極に応じたパルス数の電気信号に変換され、これが切換装置１７の入力部３３へ入力する。入力部３３へ入ったパルス信号は出力接続部２９よりアダプタ１５を介して所定のコネクタ１１から以下説明する電極装置へ供給されるようになっている。尚、切換装置１７及びアイソレータ１９は電気信号発生装置に対応する。
【００１９】
以下、本発明の特徴的構成を備える電極装置３５について図４〜図６を参照しながら説明する。図４は、電極装置３５を細胞３７の入ったシャーレ３９にセットした状態を示す側面図である。電極装置３５は支持板４１を備えており、該支持板４１の上面から配線４３が延び、該配線４３の末端にはコネクタ１１に接続可能な基端側コネクタ１２が形成されている。また電極装置３５の下面からは、３〜１０ｍｍ間隔で配置された複数の正負の電極４５が下方へ延びている。
【００２０】
電極装置３５は、シャーレ３９の蓋部４７に形成された開口部に対して支持されるようになっており、このとき電極装置３５から下方へ延びる電極４５の少なくとも先端部分が、シャーレ３９内の培地４９に挿入されるが、細胞３７には直接触れないような高さに維持されるようになっている。尚、電極装置４５の高さを維持するための構造は、図４に示すような構造に限定されるものではなく、例えば電極装置３５自体を直接シャーレ３９の上端に支持させるようにしたり、適宜の補助具等を使用して、これにより電極４５の先端が細胞３７に直接触れないように支持するようにしてもよい。
【００２１】
電極４５の先端以外の部分は絶縁塗料が塗布されているため、培地４９中への通電は電極４５の先端部分のみから行われる。電極４５は、図５に示すようにほぼ等間隔に整列して配置されており、上述したＯＮ−ＯＦＦスイッチ２７における例えば２つのスイッチを選択的にＯＮにすることにより、該ＯＮにしたスイッチに対応する２つの電極４５ａ、４５ｂ間に予め設定したパルス電流を流すことができる。
【００２２】
１つのアイソレータ１９を使用して複数の電極４５にパルス電流を供給する場合には、第１セットの電極にパルス電流を流した後、一定間隔をあけて第２セットの電極にパルス電流を流し、その後も一定間隔をあけて第３〜第ｎセットの電極にパルス電流を流し、これを繰り替えす方法を採ることができる。
【００２３】
例えば１０個の電極４５があり正負で１組となったセットが５個ある場合を仮定する。例えば全てのセットを１Ｈｚで３０分間刺激したい場合、１秒に１回の刺激が３０分間続くようになる。２セット目の刺激は１セット目のパルス電流が流れた後、１．１ミリ秒後に行われ、３セット目は１．２秒後、４セット目は１．３秒後、５セット目は１．４秒後にそれぞれパルス電流が流れ、その後１セット目にパルス電流を流すという工程を循環させる。これにより３０分後には３０ミリ秒以内の誤差で刺激が全体に平均的に与えられるようになる。全体での刺激をどのように設定するかの条件に応じて、各セットの刺激タイミングを変えることもできる。上記の実施の形態では５セットの電極に全て異なるタイミングでパルス電流を流しているが、例えば２つのアイソレータ１９を使用することにより、第１セットの電極と第３セットの電極から刺激が開始され、それぞれ第２、第３・・・の各セット、また第４、第５・・・の各セットというように２つの循環パターンで電極を順次刺激していくことも可能である。
以下の実施例により本発明をさらに具体的に示すが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
【００２４】
【実施例】
実施例１：分泌型ニューレグリンを特異的に認識する抗体の作製
（１）抗原ハプテンペプチドの設計
タンパク質の限定分解反応を補足する抗ペプチド抗体を調製するためには、標的とする基質タンパク質の切断部位に関する情報が必要である。本実施例では分泌型ニューレグリンのＣ末端を含む短いペプチド（５ｍｅｒあるいは６ｍｅｒ）にシステイン残基を付加したペプチドを合成し、ハプテンとして用いた。具体的には、Ｃｙｓ−Ｇｌｕ−Ｌｅｕ−Ｔｙｒ−Ｇｌｎ及びＣｙｓ−Ｇｌｕ−Ｌｅｕ−Ｔｙｒ−Ｇｌｎ−Ｌｙｓの混合ペプチドを抗原として用いた。
【００２５】
（２）用いた試薬
・合成ハプテンペプチド
・ＫＬＨ（ｋｅｙｈｏｌｅ ｌｉｍｐｅｔ ｈｅｍｏｃｙａｎｉｎ） ｉｎ ５０％グリセロール（約８０％ｍｇ／ｍｌ） 〔Ｃａｌｉｂｉｏｃｈｅｍ社〕
・ＤＭＦＡ （ジメチルホルムアルデヒド）
・ＭＢＳ （ｍ−マレイミドベンゾイル−Ｎ−ヒドロキシスクシンイミドエステル）〔Ｐｉｅｒｃｅ社〕
・ゲル濾過カラム（ファルマシアＰＤ−１０）
・５０ｍＭリン酸ナトリウムバッファー （ｐＨ７．５）
・１００ｍＭリン酸ナトリウムバッファー （ｐＨ７．２）
【００２６】
免疫
・フロイント完全アジュバント（ＦＣＡ）
・フロイント不完全アジュバント（ＦＩＡ）
・シリンジ・注射針など
【００２７】
抗体のアフィニティー精製
・１００ｍＭ ＨＥＰＥＳバッファー （ｐＨ７．５）
・Ａｆｆｉｇｅｌ １０または１５〔バイオラッド社〕
・３０％酢酸
・２０％エタノール
・ＰＢＳ
・５０ｍＭクエン酸バッファー（ｐＨ３．０）
・２Ｍトリスバッファー（ｐＨ９．５）
・２０％グリセロール含Ｎａ−ＰＢＳ
【００２８】
（３）抗原（ハプテン／キャリア複合体）の調製
▲１▼ ＭＢＳ／活性化ＫＬＨを調製する。ＫＬＨ約４０ｍｇ（０．５ｍｌ）を５０ｍＭ リン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．５）１．５ｍｌに加え、スターラーを用いて撹拌する。次に、９．３ｍｇのＭＢＳを０．３８ｍｌのＤＭＦＡに溶解したものを（用時調製）、これに加える。ＭＢＳ添加後、室温で３０分撹拌する。その後、２，０００ｒｐｍで２分程度遠心し、上清を以下で用いた。
【００２９】
▲２▼ ＭＢＳ／活性化ＫＬＨをフリーのＭＢＳから分離する。ファルマシアＰＤ−１０カラムをを５０ｍＭ リン酸ナトリウムバッファー（ｐＨ７．５）４０〜５０ｍｌで洗浄し、平衡化しておく。これに▲１▼の遠心上清２ｍｌを添加し、ゲルに浸潤した後に０．５ｍｌのバッファーを加える。浸潤し終わった時点で溶出液の回収を始め（最初の２．５ｍｌをｐｒｅｖｏｉｄとして捨てる）、２ｍｌの溶出液（ＭＢＳ／活性化ＫＬＨ）を回収する。これで４回分のカップリングに使用することのできる標品が得られる。
【００３０】
▲３▼ 合成ハプテンペプチドを活性化ＫＬＨにカップリングする。合成ペプチド５ｍｇ程度を４．５ｍｌの１００ｍＭリン酸Ｎａバッファー（ｐＨ７．２）に溶解し、撹拌する。この際、ｐＨ試験紙を用いて溶液のｐＨが下がっていないことを確認する。これに、０．５ｍｌのＭＢＳ／活性化ＫＬＨを加え、４℃で一昼夜撹拌する。その後、透析する必要はない。これを免疫原として使用する。保存は−２０℃または−８０℃で行う。
【００３１】
（４）免疫
▲１▼ ウサギを用いてポリクローナル抗体を調製した。まず、体重約３ｋｇのウサギに対して１次免疫を行う。抗原溶液０．３ｍｌに対して０．６ｍｌのＦＣＡを加え、撹拌後、超音波処理〔Ｂｒａｎｓｏｎ Ｓｏｎｉｆｉｅｒ １８５ （ｂａｔｈ ｔｙｐｅ）、ｐｏｗｅｒ７〜１０、３分程度〕によってエマルジョンを調製する。これを、左右の背筋上に位置する皮下部分に１０ヶ所程度に分けて注射する。注射針は１８Ｇあるいは２１Ｇを用いる。
▲２▼ 約１ヵ月後に２次免疫を行う。この場合は、０．３ｍｌの抗原溶液に対して０．６ｍｌのＦＬＡを用いて、同様にエマルジョンを調製する。左右の大腿筋に注射する。
▲３▼ ２次免疫の２週間後と４週間後に、３次免疫及び４次免疫を行う。この場合は、０．１５ｍｌの抗原溶液を０．４５ｍｌのＰＢＳで希釈し、▲１▼と同様に背中に皮下注射を行う。用いる注射針は２６Ｇでよい。
▲４▼ ４次免疫の約１週間後に、部分採血を行う。４０〜５０ｍｌ程度採血し抗体の生成状態をチェックした後、アフィニティー精製を行う。良好であれば、約１ヶ月休ませて、２回ほど追加免疫を行って、全採血を行う。
【００３２】
（５）抗体のアフィニティー精製
▲１▼ アフィニティーゲルを調製する。アフィニティー担体としてはＡｆｆｉｇｅｌ １０または１５を用いる。まず、ハプテンペプチド１〜５ｍｇを４ｍｌの１００ｍＭ ＨＥＰＥＳバッファー（ｐＨ７．５）に溶解する。次に、１〜２ｍｌのＡｆｆｉｇｅｌをグラスフィルター上で吸引洗浄し（氷冷蒸留水１０ｍｌ×２回）、直ちにペプチド溶液に加える。一昼夜４℃で回転撹拌した後、フリーのペプチドを除くために、再度グラスフィルター上で吸引洗浄する。この場合は、十分量の蒸留水以外に３０％酢酸や２０％エタノールを用いて完全に洗浄し、最後にＰＢＳで平衡化しておく。保存は冷蔵で行う。
【００３３】
▲２▼ 特異的抗体をアフィニティーカラムに吸着させる。アフィニティーゲルをカラムに（内径５〜１０ｍｍ程度）に詰め、ＰＢＳで洗浄する。非働化血清１０ｍｌを同量のＰＢＳで希釈し、フィルター（０．２２または０．４５μｍ）を通し、カラムに添加する。透過液を回収し、３〜４回再添加を繰り返す（流速は１ｍｌ／分程度）。さらに、約５０ｍｌのＰＢＳでカラムを洗浄する。
【００３４】
▲３▼ 抗体を回収する。あらかじめ０．５ｍｌの２Ｍトリスバッファー（ｐＨ９．５）を入れておいたチューブに、アフィニティーゲルから抗体を溶出させる。溶出は、５ｍｌの５０ｍＭクエン酸バッファー（ｐＨ３．０）を１ｍｌ／分程度の速度で添加して行う。次に、溶出液を透析チューブに移し、２０％グリセロール含Ｎａ−ＰＢＳに対して透析を行う（４℃、一昼夜）。抗体の定量は、２８０ｎｍの吸収を計測して行う（１ｍｇ ＩｇＧ／ｍｌ、Ａ２８０＝１．４）。通常、１〜１０ｍｇの特異的ＩｇＧが回収される。保存は、分注後−８０℃で行う。
【００３５】
実施例２：ニューレグリンの病態作用機序
（方法）
（１）細胞の調製
脳橋核の神経細胞および小脳顆粒細胞を各々Ｅ１８ＢＡＬＢ／ＣおよびＰ７マウスから標準法によって調製した。７ ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）培養物を、両方の細胞種におけるＰＭＡ及び電気刺激のために使用した。顆粒細胞は、受容体サブユニット発現の定量のために、１０ｍＭのＫＣｌ条件下インビトロで１〜２１日間培養した。脳橋核ニューロンは、１０％馬血清を含むＤＭＥＭ（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）で１又は２日間培養し、その後、Ｂ−２７（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）を補充したＮｅｕｒｏｂａｓａｌ培地（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）で維持した。培養物には、Ｂ−２７（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）を補充したＮｅｕｒｏｂａｓａｌ培地（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）から成る培地を供給した。ＧＦＰタグ及びベクターを含む全長のＮＲＧプラスミド（ｐＥＧＦＰ、Ｃｌｏｎｔｅｃｈ）をＬｉｐｏｆｅｃｔａｍｉｎｅ（登録商標）２０００（Ｇｉｂｃｏ ＢＲＬ）により各々トランスフェクションした（脳橋核のトランスフェクション効率；１〜３％、顆粒細胞；５〜１０％）。トランスフェクションの２４〜３６時間後にニューロンを１μＭのＰＭＡ（Ｔｏｃｒｉｓ）で６０分間刺激した。
【００３６】
（２）切断型のＮＲＧの検出
本実施例における電気刺激は、本明細書中上記した構造を有し、図１から６に示した構造を有する細胞刺激装置を用いて行った。
組み換え全長ｍＮＲＧをトランスフェクションした５×１０６〜５×１０７細胞に３０分間の電気刺激（１ｍＡ、３０〜６０Ｖ細胞外）を加えた後、細胞から得られた条件培地を回収し、セントリコン１０及び１００（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ）を用いて濃縮し、大分子量（＞１００ｋＤ）及び小分子量（＜１０ｋＤ）のタンパク質を除去した。７ＤＩＶの顆粒細胞は、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞から得た濃縮条件培地で処理した。ＥｒｂＢリン酸化において、ポリクローナル抗−ＥｒｂＢ４抗体（Ｓａｎｔａ Ｃｒｕｚ）による免疫沈降後に、マウスモノクローナル抗ホスホチロシン抗体（４Ｇ１０）を用いて標準法によりウエスタンブロット分析を行った（Ｒｉｅｆｆ ＨＩ他 Ｊ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １９（２４）， １０７５７−１０７６６（１９９９））。免疫沈降試験のために、ライセートを免疫沈降抗体の適当な稀釈物と一緒に４℃で１時間インキュベートした後、プロテインＡ−Ｓｅｐｈａｒｏｓｅと一緒に４℃で１時間インキュベートした。次いで、ライセートを１５０００ｒｐｍで３分間遠心し、上清を廃棄した。ペレットを溶解緩衝液で２回洗浄し、ゲルローディング緩衝液に再懸濁した。試料を３分間煮沸し、タンパク質を電気泳動で分離した。
【００３７】
ＣＲＥＢリン酸化を検出するために、７ＤＩＶの培養顆粒細胞を、条件培地で１０〜１５分間刺激した後、４％パラホルムアルデヒドで１０分間固定化し、ポリクローナル抗−ＮＲＧβ１抗体、ポリクローナル抗−ＰＣＲＥＢ抗体（ＢｉｏＬａｂｓ）で染色した。染色した顆粒細胞をレーザー共焦点顕微鏡（Ｃａｒｌ Ｚｅｉｓｓ）で観察した。Ａｌｅｘａ（登録商標）染料（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｐｒｏｂｅ）を二次抗体として使用した。
【００３８】
（結果）
（１）脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞におけるＮＲＧの膜貫通型のタンパク質分断
図７Ａの実験で使用した小脳顆粒細胞及び脳橋核ニューロンの分散初代培養物の状態を調べた。脳橋核ニューロン（ＰＮ）は、１８日目の胚（Ｅ１８）から調製し、小脳顆粒細胞（ＧＣ）は出生後７日目（Ｐ７）から調製した。培養ニューロンでのｍＮＲＧのタンパク質分断の有無を調べるために、抗ＥｒｂＢ及び抗ホスホチロシン抗体による免疫沈降、及び抗ＰＣＲＥＢ抗体を用いた免疫細胞化学分析を、ＧＦＰ−ｔａｇを含む組み換え全長ＮＲＧβ１をトランスフェクションした場合としない場合について、ＰＫＣ活性化因子であるホルボール−１２−ミリステート−１３−アセテート（ＰＭＡ）で６０分間刺激した脳橋核ニューロン及び顆粒細胞を用いて行った。
【００３９】
苔状線維と顆粒細胞の間のシナプスにおけるＮＲＧ受容体に関連して、ＥｒｂＢ２及びＥｒｂＢ４が小脳系に関与していることは既報である（Ｏｚａｋｉ Ｍ 他 Ｎａｔｕｒｅ， ３９０， ６９１−６９４（１９９７）；及びＯｚａｋｉ Ｍ 他 Ｎｅｕｒｏｓｃｉ Ｒｅｓ， ３０ （４）， ３５１−３５４（１９９８））。ＥｒｂＢ４の発現は、小脳顆粒細胞ではインビトロ及びインビボでＥｒｂＢ２の発現よりも強かった。サイクリックＡＭＰ応答部位結合タンパク質（ＣＲＥＢ）のリン酸化が、ＥｒｂＢ４シグナル伝達経路のさらに下流に関与していた（Ｔａｂｅｒｂｅｒｏ Ａ 他 Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １０， ３０９−３２２（１９９８））。ＰＭＡで処理後の脳橋核ニューロン及び顆粒細胞の培養物の条件培地を回収し、濃縮し、顆粒細胞に５〜１０分間適用した。抗ＥｒｂＢ４抗体による免疫沈降後に、顆粒細胞からのライセートをＳＤＳ−ＰＡＧＥで解析し、ブロットを抗−ホスホチロシン抗体（抗−ＴＹＫ）で検出した。トランスフェクションしない脳橋核ニューロン（Ｎｏｎｅ）、ベクターをトランスフェクションした脳橋核（ｖＰＮ）、ＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン（ｔＰＮ）、ベクターをトランスフェクションした顆粒細胞（ｖＧＣ）、及びｍＮＲＧをトランスフェクションした顆粒細胞（ｔＧＣ）から、条件培地を回収した。ｍＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞は共に、トランスフェクションしないニューロン及びベクターのみをトランスフェクションした細胞と比較して、強いリン酸化活性を示した（図７Ｂ、図７Ｃ）。上昇したｓＮＲＧ量は、顆粒細胞を用いてＥｒｂＢリン酸化によって確認した。ｍＮＲＧをトランスフェクションしたニューロンから得られた条件培地による１８０ｋＤのチロシン−リン酸化バンドは、ＰＭＡ刺激を用いた場合に顕著であった（図７Ｂ）。トランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞をＰＫＣ阻害剤であるＨ７で処理した場合の条件培地では、リン酸化活性は抑制された。内在性ＮＲＧはＥｒｂＢリン酸化の顕著な活性を示さなかった。しかし、リコンビナント（組み換え）ｍＮＲＧを培養ニューロンにトランスフェクトした場合、ＥｒｂＢ４リン酸化は顕著であった。これらの結果は、ＰＫＣ活性化後にｓＮＲＧが組み換えｍＮＲＧから産生したことを示す。図７Ｃにおいて、リン酸化の比率は、ＥｒｂＢ４抗体による免疫沈降後にブロットしたＥｒｂＢ４シグナルに対して標準化した。
【００４０】
ＣＲＥＢ−リン酸化の結果を図７のＤに示す。ＰＭＡ刺激（６０分間）により放出される可溶型をスピンカラムを用いて濃縮し、培養顆粒細胞に添加した。刺激した顆粒細胞を固定後、抗ホスホＣＲＥＢ抗体で染色した。脳橋核ニューロンからの条件培地を刺激（ａ、ｂ及びｃ）のために使用し、顆粒細胞培養物からの条件培地を刺激（ｄ、ｅ及びｆ）のために使用した。パネルＤは、コントロール（ａ、ｄ）、ベクター（ｂ、ｅ）及び全長ＮＲＧ（ｃ、ｆ）を示す。条件培地（ｃ及びｆ）は、切断された内在性及び組み換えのＮＲＧを有するはずである。ｃからｂの引き算及びｆからｅの引き算は、組み換えｍＮＲＧ由来のｓＮＲＧにより誘発されるＣＲＥＢリン酸化を示す。条件培地による５分以上の処理後に、異なるＣＲＥＢリン酸化が観察された。生培養顆粒細胞を使用した場合には、ＫＣｌ刺激によるＮＲＧの放出は明白には観察されなかった。
【００４１】
全長ｍＮＲＧをトランスフェクションした脳橋核ニューロン及び顆粒細胞からの条件培地は、ＥｒｂＢ−及びＣＲＥＢ−リン酸化の異なる活性を示した。ＥｒｂＢ−及びＣＲＥＢ−リン酸化活性の測定から、タンパク質分断に必要なアミノ酸配列を同定した。図７Ｅ及び７Ｆに示す通り、ＥＬＹＱＫＲＶＬＴ領域内の欠失変異体は、タンパク質分断を明白には示さなかった。この領域内のＫからＧへの点変異は表、図７Ｆに示す通り切断の減少を生じた。ＮＲＧはメタロプロテアーゼ（ＡＤＡＭｓ）ファミリープロテアーゼの基質として報告されている（Ｓｈｉｒａｋａｂｅ Ｋ 他 Ｊ Ｂｉｏｌ Ｃｈｅｍ， ２７６（１２）， ９３５２−９３５８（２０００））。メタロプロテアーゼによるＮＲＧ切断は、主としてゴルジ体で起こると報告されている。ｍＮＲＧのある種のタンパク質分断は細胞表面で起こることが報告されている（Ｌｏｅｂ ＪＡ 他 Ｍｏｌ Ｃｅｌｌ Ｎｅｕｒｏｓｃｉ， １１（１−２）， ７７−９１（１９９８））。ＮＲＧのタンパク質分断は、細胞の種類、ＮＲＧ及びプロテアーゼのタンパク質局在、及び時期に依存して複数のプロテアーゼによって調節されている可能性がある。
【００４２】
（２）パターン化電気刺激によるＮＲＧのタンパク質分断
ＣＲＥＢ−リン酸化活性を、抗−ＰＣＲＥＢ抗体を用いた免疫細胞化学分析により測定し、電気刺激による小脳顆粒細胞のＣＲＥＢリン酸化の最適条件を調べた。顆粒細胞を異なる周波数で５分間電気的に直接刺激した（図８のＡ及びＢ）。１Ｈｚから１００Ｈｚの周波数でリン酸化活性が検出され、５０Ｈｚが最適であった。５０ＨｚでのＣＲＥＢ−リン酸化活性は、ナトリウムチャンネルブロッカーＴＴＸで３６．６±５．４５％ブロックされた。図Ｂにおいて、ＰＣＲＥＢ−陽性細胞を計測し、全細胞数に対して標準化した。これらの実験は、異なる周波数によりニューロン細胞内に異なる状況が生じることを示唆する。ＮＲＧのタンパク質分断に最適な周波数は５０Ｈｚであった。
【００４３】
ＮＲＧのタンパク質分断が異なるパターンの電気刺激で生じるかどうかを確かめるために、異なる周波数での電気刺激後に、ＥｒｂＢリン酸化を抗−ＴＹＫ及び抗−ＥｒｂＢ４抗体を用いた免疫沈降により検出した。抗−ＥｒｂＢ４抗体で落とした切断型ＮＲＧは、抗ＴＹＫ抗体を用いた免疫ブロットにより検出した。抗ＴＹＫを使用して、リン酸化したＥｒｂＢ受容体を認識した。リン酸化の効率は、ＥｒｂＢ４シグナルに対して標準化することにより測定した。リン酸化シグナルは、他の周波数の場合と比較して５０Ｈｚの刺激で有意に強かった（図９Ａ及び図９Ｂ）。条件培地のＣＲＥＢ−リン酸化活性も５０Ｈｚの刺激が最適であった。図８Ｂ及び図９Ｄのグラフは同様のパターンを示す。
【００４４】
上記方法を使用後、図９Ｅ及び９Ｆに記載した方法を使用して切断型のＮＲＧを検出した。実施例１で作製した切断型ニューレグリンのＣ末端のみを認識する抗体（抗ｓＮＲＧ抗体）を使用した。電気刺激後、約１×１０６個のトランスフェクションした顆粒細胞を使用して条件培地を回収した。１００ｋＤ以上及び１０ｋＤ未満のタンパク質をセントリコン１０及び１００遠心濾過を用いて除去し、セントリコン１０によりさらに濃縮した。その後、抗ｓＮＲＧ抗体を用いて免疫沈降を行い、ＮＲＧのβ１アイソフォームのみを認識できる抗−ＮＲＧβ１抗体を用いてイムノブロットした。ブロットを図９Ｇに示す。切断したＮＲＧのシグナルは約３０ｋＤの位置に検出された。Ｈ７で５０Ｈｚの刺激の場合、切断型のＮＲＧのシグナルは明白には検出されなかった。以上の結果から、ｓＮＲＧは、特定のパターンの電気刺激により開始かつ制御されたタンパク質分断によりｍＮＲＧから産生することが判明した。
【００４５】
実施例３：伝達受容体発現機構の解析
（方法）ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットのリアルタイム定量分析
電気刺激後、リアルタイム定量分析（ＡＢＩ ｐｒｉｓｍ ７７００， Ｐｅｒｋｉｎ Ｅｌｍｅｒ）を行った。Ｐｒｉｍｅｒ Ｅｘｐｒｅｓｓ（ＰＥ Ｂｉｏｓｙｓｔｅｍｓ）を用いてプライマー及びＴａｑＭａｎプローブを設計した。各プライマーにより増幅したＰＣＲ産物はアガロースゲル上でシングルバンドであった。産物を直接配列によって確認した。使用した全プライマーは他の遺伝子と交差しなかった。薬理実験では、ＴＴＸ（１μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、Ｄ−ＡＰ５（５０μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、ＭＫ８０１（２５μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、ＣＮＱＸ（１０μＭ、Ｔｏｃｒｉｓ）、Ｃｄ（１００μＭ、Ｗａｋｏ Ｉｎｃ．）及びＥＧＴＡ（１ｍＭ、Ｓｉｇｍａ）を使用した。
【００４６】
（結果）電気刺激により制御されたＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットの発現
ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を制御できる電気活性のパターンを調べた。リアルタイム定量化ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）法を用いて、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニットのｍＲＮＡの発現を、インビトロで１〜２１日目の培養中で定量した。先ず、培養顆粒細胞中のＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体の各サブユニットのｍＲＮＡ発現レベルを調べた（図１０Ａ）。ニューロン特異的エノラーゼ（ＮＳＥ）を対照として用いた。Ｐ７マウスから調製した７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）培養ニューロンの性質は、成熟期でインビボでＰ１４マウスのものと理論的に同一である。インビボのＰ１４で、ＮＲ２Ｂ発現は小脳顆粒細胞でシャットダウンする一方、ＮＲ２Ｃ発現は全顆粒細胞で見られる。ＮＭＤＡ受容体のサブユニットの切り替えはマウスではＰ１４でほぼ終了した。一方、ＧＡＢＡＡのα１、β２及びγ２サブユニットはインビボのＰ１４で大量発現していた。インビトロの状況をインビボに適合するように調整するために、インビトロで７日間培養した顆粒細胞を選択して電気刺激した。
【００４７】
培養顆粒細胞を異なる周波数（０〜１００Ｈｚ）で１ｍＡで３０分間刺激した（図１０Ｂ、１０Ｃ）。刺激後の細胞の生物学的活性は化学染色及び抗ＮＲＧ抗体染色によって確認したが、生細胞数の有意な差異は何れの場合も見られなかった。ＮＭＤＡ受容体ＮＲ２Ｂ及びＧＡＢＡＡα２、γ１の場合、電気刺激の効果は何れの周波数でも明白には検出されなかった。ＮＭＤＡ受容体ＮＲ２Ｃサブユニットの発現は、１Ｈｚ及び１００Ｈｚの周波数での直接刺激によって促進され、１００Ｈｚなどの高周波数での刺激で検出された増加はＴＴＸによりブロックされた。１Ｈｚの刺激によるＮＲ２Ｃの増加は、ＴＴＸにより強くはブロックされなかった。ＧＡＢＡＡ受容体β２サブユニットの場合、ｍＲＮＡ発現は、０．１から１０Ｈｚの低周波数の刺激で増加した。低周波数の刺激による増加はＴＴＸにより部分的にブロックされたが、１００Ｈｚによるβ２の増加はＴＴＸによりブロックされなかった。
【００４８】
薬理学的実験によれば、ＮＭＤＡ及びＡＭＰＡ受容体活性、並びにカルシウムチャンネルがＮＲ２Ｃ及びβ２発現の保持に関与していることが示された。１Ｈｚで刺激したＮＲ２Ｃでは、ｍＲＮＡの発現はＮＭＤＡ、ＡＭＰＡ受容体アンタゴニストにより強く阻害された。刺激周波数１００Ｈｚでは、特にＭＫ８０１（非競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト）がＮＲ２Ｃ増加を強くブロックした。また、カルシウムチャンネルは、ＡＭＰＡ受容体よりもＮＲ２Ｃ発現に寄与していた。１Ｈｚで刺激したβ２では、刺激周波数１ＨｚのＮＲ２Ｃの場合と同様の結果であった。１００Ｈｚで刺激したβ２のｍＲＮＡの増加は、ＮＭＤＡ、ＡＭＰＡ受容体アンタゴニスト及びカルシウムチャンネルブロッカー（非特異的ブロッカー；Ｃｄ＆ＥＧＴＡ）により阻害された。ＮＲ２Ｃ及びβ２の両方の場合で、カルシウムチャンネルブロッカーは高周波数でサブユニットの発現を強く阻害したが、低周波数では阻害しなかった。異なる周波数は、関与する顆粒細胞受容体の組み合わせと活性の度合いを制御していることがわかる。また、特定の電気刺激は、アンタゴニスト及びブロッカーの存在下でも正常な活性を部分的に回復することができた。１Ｈｚの刺激でカルシウムチャンネルブロッカーを用いた場合の例を示す（図１０Ｃ、β２の場合）。
【００４９】
（実施例の考察）
図１１に示す通り、小脳顆粒細胞は、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体を介して苔状線維及びゴルジ細胞からの興奮性及び抑制性シグナルの入力のバランスを取っていると考えられる。顆粒細胞のニューロン発火のパターンは、各種受容体の関与によってシナプス発達中に変化する。顆粒細胞における最終的神経活動のパターンは、伝達物質、神経ペプチド、及び神経栄養因子、並びに、シナプス前部ニューロンを含む環境刺激からの他のものなどの分子の組み合わせによって決まる可能性が高い。分子の異なる組み合わせは、分子の挙動と電気活性のパターンの関係において、異なるパターンのニューロン発火をもたらすはずである。幾つかの遺伝子発現がパターン化された電気活性によって調節されていることは既報である（Ｂｕｏｎａｎｎｏ Ａ 他 Ｃｕｒｒ Ｏｐｉｎ Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌ， ９， １１０−１２０（１９９９））。パターン化された電気活性によって分子のリン酸化活性が制御されていることは確かである（Ｂｕｏｎａｎｎｏ Ａ 他 Ｃｕｒｒ Ｏｐｉｎ Ｎｅｕｒｏｂｉｏｌ， ９， １１０−１２０（１９９９））。
【００５０】
実施例２では、タンパク質分断などのタンパク質プロセシングが、パターン化された電気活性によって制御されることを実証した。ＮＲＧのタンパク質分断は低周波数から高周波数で検出されたが、シナプス前細胞である苔状線維とシナプス後細胞である顆粒細胞からのＮＲＧのタンパク質分断に最適な刺激周波数は共に５０Ｈｚであった。この現象は、分子的観点から、シナプス前後細胞間で神経活動のパターンが同調する機構を裏付けている。シナプス前部シグナルは先ずシナプス後部ニューロンを活性化し、次に、シナプス前部及びシナプス後部ニューロンを同調させる。シナプス後部細胞がシナプス前部細胞と同調する際に、シナプス後部ニューロンはオートクライン機構で自己活性化し、第ＩＩＩ期に入る可能性がある（図１１）。シナプス形成過程において、シナプス前部ニューロンからのシグナルや逆行性シグナル伝達を介した分子情報の交換の後に、ｍＮＲＧは刺激依存型のタンパク質分断を受ける可能性もある。何れの場合も、５０Ｈｚの刺激はシナプス前部及びシナプス後部のニューロンの間の伝達における中間段階と考えられる（図１１のＩＩ）。
【００５１】
さらに、ｓＮＲＧにより調節されるＮＲ２Ｃ及びβ２発現の分子機構が明らかになった。低周波数の刺激では（１Ｈｚ）、β２ＲＮＡはグルタミン酸受容体及びＥｒｂＢ受容体の活性化を介して、ＮＲ２Ｃ ＲＮＡよりも多量に転写された。ＮＲ２ＣｍＲＮＡは、高周波数（１００Ｈｚ）ではβ２よりも強く誘導され、グルタミン酸受容体（特に、ＮＭＤＡ受容体）の活性化を伴なった。ＮＲＧのタンパク質分断の最適周波数である５０Ｈｚでは、ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現は観察できなかった。ＮＲ２Ｃ発現にはニューロン活動が必要であり、可溶型のＮＲＧの産生効率は電気活動によって制御されている可能性は既に提唱されている（Ｏｚａｋｉ Ｍ 他 Ｔｈｅ Ｎｅｕｒｏｓｃｉｅｎｔｉｓｔ， ７（２）， １４６−１５４（２００１））。本実施例では、ＮＲＧのタンパク質分断が周波数に依存した形で電気活動のパターンによって制御されていることを初めて実証した。ＮＲＧはＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現を誘導するのに必要であるけれども、発現段階（図７のＩ及びＩＩＩ）及び中間段階（図１１のＩＩ）の間で周波数の最適値に不一致が生じた。この不一致を説明するために、薬理学的実験を行った。この薬理学的実験の結果から、ＥｒｂＢ受容体を含む複数の受容体がＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現の制御に関与していることが判明した。
【００５２】
直接的電気刺激実験から、以下の２つの事項が示唆される。（１）遺伝子発現を誘導するために必要な受容体の活性化には、細胞自身のもつ神経活動が必要な場合があり、（２）直接的電気刺激は、受容体及びイオンチャンネルブロッカーの効果を部分的に補うことができる（図１０、Ｃ）。シナプス成熟の過程において、特定のパターンのニューロン活性と受容体活性化の間にカスケードが存在する可能性がある（図１２）。受容体Ａが活性化される場合、ニューロンはパターンＡの神経活動を有する。次に、受容体ＢがパターンＡによって活性化され、パターンＢが産生する。その結果、ニューロンはパターンＡとＢをあわせた活動パターンを有する。カスケードにおける各パターンの活動が分子挙動を制御する可能性がある。特定のパターンが分子挙動を制御し、ニューロン発火のパターンが、個々の受容体又はチャンネルの活性化の組み合わせによって構成されていると考えられる。構成された各パターン内に遺伝子発現リン酸化タンパク質のプロセッシングなどの分子の挙動を制御する一定の過程が存在するはずである。従って、活性化した受容体及びイオンチャンネルの組み合わせ及びそれらの活性化の順序が、上記した不一致を解くための鍵を握っている可能性がある。
【００５３】
さらに、アンタゴニスト及びブロッカーによりブッロク可能な受容体の幾つかの作用は、特定の電気刺激によって補うことができた。これは、シナプス前部ニューロン、受容体及びチャンネル活性の役割がある特定パターンの電気活性によって模倣できることを意味する。従って、ニューロン形成を人工的に制御する電気活性のパターンの役割を調べることは重要である。
【００５４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、電極を直接細胞に挿入しないため、細胞へのダメージが小さく、また多数の細胞に一度に電気的刺激を与えることができる。また請求項２に記載の発明によれば、培養容器を容器支持手段上に載せた状態で、各コネクタに電極装置を接続して、複数の培養容器内の細胞に一度に電気的刺激を与えることができる。
また請求項３に記載の発明によれば、アダプタに切換装置からの配線を接続することで、各コネクタに電気を供給可能な状態とすることができる。また基枠内部に配線することにより、すっきりとした配線構造を実現することができる。
また請求項４に記載の発明によれば、培養容器の基枠内へのセット及び取り出しを容器支持手段の着脱によって効率的に行うことができる。
また請求項５に記載の発明によれば、培養容器内に存在する細胞に対して、ほぼ平均的に電気的刺激を与えることが可能となる。
また請求項６から９に記載の発明によれば、生体外で効率よく大量の神経細胞に、細胞を傷つけることなく、直接電気刺激を与えることができる。
【００５５】
【配列表】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の細胞刺激装置の基枠及びこれに設けられる部材を示す正面図である。
【図２】図２（ａ）は切換装置の前面側を示し、図２（ｂ）は切換装置の背面側を示す。
【図３】切換装置とアイソレータとの接続状態を示す図である。
【図４】電極装置を細胞の入ったシャーレにセットした状態を示す側面図である。
【図５】電極装置を細胞の入ったシャーレにセットした状態を示す一部破断上面図である。
【図６】基枠内に複数のシャーレを配置して細胞に電気的刺激を与えている様子を示す上面図である。
【図７】図７は、ＰＭＡ刺激によるニューレグリンのタンパク質分断を示す。脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞を７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）で抗ＮＲＧβ１抗体で染色した。両ニューロンで、細胞体及びニューロン性プロセスはＮＲＧ陽性であった（図Ａ）。スケールバー；６０μｍ図Ｂでは、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞を、膜貫通型のＮＲＧをトランスフェクションしたものとしないものについて調製し、ＰＭＡで６０分間刺激し、条件培地を回収した。条件培地のチロシンリン酸化活性を小脳顆粒細胞を用いて調べた。顆粒細胞培養物を、回収・濃縮した条件培地で５〜１０分間刺激した。顆粒細胞からのライセートをＳＤＳ−ＰＡＧＥで分解し、ブロットを抗−ＥｒｂＢ４抗体で免疫沈降した後、抗ホスホチロシン抗体（４Ｇ１０）で検出した。１８０ｋＤのチロシンリン酸化したバンドを刺激により検出した（図Ｂ）。条件培地をＰＮ（トランスフェクションしない脳橋核ニューロン）、ｔＰＮ（トランスフェクションした脳橋核ニューロン）、ＧＣ（トランスフェクションしない顆粒細胞）、及びｔＧＣ（トランスフェクションした顆粒細胞）から回収した。結果を図Ｃに要約する。実験は独立に３又は４回繰り返した。
図Ｄでは、小脳顆粒細胞を用いて、条件培地刺激後のＣＲＥＢ−リン酸化を確かめた。血清飢餓小脳顆粒細胞を、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞培養物から回収した条件培地で処理した（５〜１０分間）。脳橋核ニューロンからの条件培地をａ、ｂ及びｃにおいて刺激のために使用した。ｄ、ｅ及びｆでは、条件培地を顆粒細胞培養物から調製した。
ａ、ｄ：対照
ｂ、ｅ：ベクター（ｐＥＧＦＰ−Ｎ３）
ｃ、ｆ：ｐＮＲＧ−ＧＦＰ
刺激した顆粒細胞は、固定化後、ホスホ−ＣＲＥＢ抗体で染色した。ＰＭＡ刺激（６０分間）により放出された可溶型を濃縮し、培養顆粒細胞に加えた。条件培地は、パネルｃ及びｆにおいて内在性ＮＲＧ及び組み換えＮＲＧを含むはずである。ｂ及びｅからの差し引きは、組み換えｍＮＲＧから切断されたＮＲＧの作用を示した。ＥｒｂＢ及びＣＲＥＢリン酸化アッセイ系を使用して、Ｅ及びＦにおいてタンパク質分解に必要なアミノ酸配列を同定した。ＥＬＹＱＫＲＶＬＴ配列は膜貫通ドメインのすぐＮ末側の細胞外領域上に位置していた。配列を欠失またはリジンからグリシンに変異させた場合、タンパク質分解の効率はＦに示す通り阻害された。リジン残基はプロテアーゼによる認識に必須のアミノ酸であった。
【図８】図８は、電気刺激によるＣＲＥＢ−リン酸化活性を示す。
脳橋核ニューロン及び小脳顆粒細胞を１８日齢の胎児マウス及び生後７日のマウスからそれぞれ調製した。ニューロンを７日間培養し、異なるパターンの電気刺激で刺激した。電気刺激後、ＣＲＥＢ−リン酸化を顆粒細胞を用いて調べた（図Ａ及びＢ）。抗ＰＣＲＥＢ抗体に陽性の細胞を計数し、全細胞数に対して標準化した。各皿からランダムな５箇所の顕微鏡視野（２０倍）を細胞計数のために撮影した。独立した実験から、３〜５枚の皿を計数した。ＣＲＥＢリン酸化の効率は５０Ｈｚ刺激で最高であった。リン酸化はＴＴＸにより部分的にブロックされた。
【図９】図９は、電気刺激によるＮＲＧのタンパク質分断を示す。
電気刺激後、ＥｒｂＢ４のチロシンリン酸化活性をＰＭＡ刺激により同一の方法で測定した。パネルＡは、脳橋核ニューロン及び顆粒細胞においては、ＥｒｂＢ４に対する条件培地のチロシン−リン酸化活性の効率が５０Ｈｚの刺激で最高あることを示す。チロシンリン酸化はＰＫＣ阻害剤であるＨ７によりブロックされた。結果をグラフに要約する（図Ｂ）。図Ｃ及びＤでは、小脳顆粒細胞を用いて条件培地刺激による刺激後に、ＣＲＥＢリン酸化を確認した。血清飢餓小脳顆粒細胞を、電気刺激後の顆粒細胞培養物から回収した条件培地で試験した（１５分間）。５０Ｈｚの刺激では７７．４±２．０８％の顆粒細胞がＰＣＲＥＢ陽性であり、１００Ｈｚの刺激では６２．５±４．１７％がＰＣＲＥＢ陽性であった。ＰＣＲＥＢの反応ピークは５０Ｈｚで検出された（ｎ＝１５，＊Ｐ＜０．０１５）。
最後に、免疫沈降後のイムノブロットにより切断されたＮＲＧを直接検出した結果をＧに示す。検出の手法を図Ｅ及びＦに要約する。ｍＮＲＧを電気刺激後にトランスフェクションした（トランスフェクション効率；〜５％）５×１０６〜５×１０７個の顆粒細胞から、条件培地を回収した。培地をセントリコンを用いて濃縮し、抗−ｓＮＲＧ抗体で免疫沈降した。抗体としては、切断型ＮＲＧのｃ末端のみを認識する抗ｓＮＲＧポリクローナル抗体（実施例１で作成した抗体）を使用した。免疫沈降後に、ＮＲＧβ１のみを認識する抗ＮＲＧβ１抗体を用いてウエスタンブロット分析を行った。図Ｇに示す通り、５０Ｈｚの刺激で切断型ＮＲＧのシグナルが検出できた。このシグナルはＰＫＣ阻害剤であるＨ７により消失した。これらの結果から、培地中に放出されたＮＲＧ量は周波数の刺激に応じて異なることが分かる。
【図１０】図１０は、リアルタイム定量化ＰＣＲ法により定量したＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を示す。
図Ａでは、インビトロで１〜２１日間１０ｍＭのＫＣｌを用いて培養した顆粒細胞を用いて、ＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現を調べた。電気刺激実験のために７ＤＩＶ（ｄａｙｓ ｉｎ ｖｉｔｒｏ）を選択した。７ＤＩＶでは、顆粒細胞は未だ生きているが、ＮＭＤＡ受容体、ＮＲ２Ｃ、２Ｂ及びＧＡＢＡＡ受容体β２サブユニットｍＲＮＡは減少している。ＧＡＢＡＡ受容体α１及びγ２ｍＲＮＡは７ＤＩＶでは保持されていた。異なるパターンの電気刺激後にＲＴ−ＰＣＲのリアルタイム定量分析を行った。ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニットの転写を異なる周波数で制御した。ＮＲ２Ｃ転写は、１．０及び１００Ｈｚの刺激で促進され（図Ｂ）、１００Ｈｚで検出された増加はＴＴＸ処理でブロックされた。しかし、１．０Ｈｚでの増加はＴＴＸでは強くはブロックされなかった。一方、β２転写は、０．１〜１０Ｈｚの刺激でＮＲ２Ｃよりも強く促進され、増加はＴＴＸ処理でブロックされた。１００Ｈｚでの増加はＴＴＸで部分的にブロックされた。０．１Ｈｚ；ｎ＝６、１Ｈｚ；ｎ＝１８、１０Ｈｚ；ｎ＝１０、５０Ｈｚ；ｎ＝１２、１００Ｈｚ；ｎ＝２６、ＴＴＸで非刺激；ｎ＝３、１Ｈｚ及びＴＴＸ；ｎ＝６、１００Ｈｚ＆ＴＴＸ；ｎ＝６、＊ｐ＜０．００１、＊＊ｐ＜０．００００１
図Ｃでは薬理実験を電気刺激の下で行った。ＮＲ２Ｃの場合、１及び１００Ｈｚで増加した転写は全てのアンタゴニスト及びブロッカーにより部分的にブロックされた。しかしながら、ＭＫ８０１はＮＲ２ＣｍＲＮＡ発現を強くブロックした。β２の場合、ＭＫ８０１に加えてＣＮＱＸは１．０及び１００Ｈｚの刺激で転写をブロックした。１００ＨｚでのｍＲＮＡの増加は非特異的カルシウムブロッカーにより強く阻害されたが、１．０Ｈｚでの増加は明らかにはブロックされなかった。何れの場合も、直接的電気刺激は、少なくとも基底レベルまで受容体の活性化を部分的に模倣できた。ＡＰ５；競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト、ＭＫ８０１；非競合ＮＭＤＡ受容体アンタゴニスト、ＣＮＱＸ；ＡＭＰＡ受容体アンタゴニスト、Ｃｄ＆ＥＧＴＡ；非特異的カルシウムチャンネルブロッカー。各実験は独立に３〜８回繰り返した。
【図１１】図１１は、周波数依存形式で制御されたＮＭＤＡ及びＧＡＢＡＡ受容体サブユニット発現の模式図を示す。
小脳顆粒細胞は、苔状線維から興奮シグナルを、そしてゴルジ細胞からＧＡＢＡＡ受容体を介して抑制性シグナルを受ける。これらのシグナルの組み合わせが、神経活動のパターンを決定する。苔状線維によって刺激されない顆粒細胞でも自発発火を有する。比較的低い周波数において、ＮＲ２Ｃ及びβ２サブユニット発現は共に検出されたが、β２発現はＮＲ２Ｃよりも促進された（Ｉ）。一方、ＮＲ２Ｃ発現は、１００Ｈｚのような高周波数でより強く誘導された。ＮＲ２Ｃの発現は苔状線維刺激顆粒細胞で誘導される可能性があり、相当量の受容体活性化が関与している（ＩＩＩ）。
【図１２】図１２は、受容体活性化のモデル及びニューロン活性のパターンを示す。
【符号の説明】
１ 細胞刺激装置
３ 基枠
５ 収納部
７ 培養用トレー
９ 穴
１１ コネクタ
１２ 電極の基端側コネクタ
１３ 配線
１５ アダプタ
１７ 切換装置
１９ アイソレータ
２１ 接続端子
２３ 各チャンネルの情報を設定するためのスイッチ
２５ 各チャンネルのパルスを設定するためのスイッチ
２７ ＯＮ−ＯＦＦスイッチ
２８ 主電源
２９ 出力接続部
３１ 接続コンセント
３３ 入力部
３５ 電極装置
３７ 細胞
３９ シャーレ
４１ 支持板
４３ 配線
４５、４５ａ、４５ｂ 電極
４７ 蓋部
４９ 培地
Claims (12)
- 培養細胞に非接触の状態で該培養細胞に電気的刺激を与える装置であり、該装置が支持板に取り付けられた同一方向に延びる複数の正負の電極と、培養細胞から一定距離離れたところで前記複数の正負の電極を支持する手段とを備えることを特徴とする、細胞刺激装置。
- 基枠と、該基枠の内側において培養細胞を入れるための培養容器を支持する容器支持手段と、前記基枠の内側に設けられ、前記複数の正負の電極と接続可能な複数のコネクタとを更に備え、前記複数のコネクタは電気信号発生装置に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の細胞刺激装置。
- 前記基枠には前記電気信号発生装置に接続可能なアダプタが設けられ、前記複数のコネクタは前記基枠内部の配線によりそれぞれ前記アダプタに接続されていることを特徴とする、請求項２に記載の細胞刺激装置。
- 前記容器支持手段は、前記基枠に対して着脱可能であることを特徴とする、請求項２又は３に記載の細胞刺激装置。
- 前記複数の正負の電極は３〜１０ｍｍ間隔で配置されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の細胞刺激装置。
- 複数の電極が個別に制御されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の細胞刺激装置。
- 細胞と電極との間の距離をインピーダンスを測定することにより一定に保つことができることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の細胞刺激装置。
- 培養細胞を含む培養プレートに複数の正負の電極を、該培養細胞が形成する面に対して同一の方向から該細胞に接触しないように設置し、該電極を用いて電場を形成し、該電場により該培養細胞を刺激することを特徴とする、細胞の電気的刺激方法。
- 培養細胞が神経細胞である、請求項８に記載の細胞の電気的刺激方法。
- 複数の正負の電極を３〜１０ｍｍ間隔で設置する、請求項８または９に記載の細胞の電気的刺激方法。
- 複数の正負の電極による電気的刺激のタイミングをずらして培養細胞を刺激することを特徴とする、請求項８から１０の何れかに記載の細胞の電気的刺激方法。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の細胞刺激装置を用いて細胞を電気的に刺激する、請求項８〜１１のいずれかに記載の細胞の電気的刺激方法。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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