JP3799998B2 - Electrophysiological automatic measuring device and electrophysiological automatic measuring method - Google Patents

Electrophysiological automatic measuring device and electrophysiological automatic measuring method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は,卵母細胞を用いる電気生理自動計測装置及び電気生理自動計測方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
生体の電気的性質に関する科学は「電気生理学」として約200年の歴史を持ち,生理学の中でも主要な分野の一つとして発展してきた。特に神経・筋肉に於いては活動電位が興奮の最も本質的な現象であり,興奮伝導が電流の媒介によって行われることが明らかにされ,電気生理学はその最も重要な研究分野となっている。
【0003】
電位固定法(Voltage clamp method)は1940年代にアメリカのColeによって提案された。この電位固定法は,膜電位が変動する瞬間に膜電位を抑制する方向に電流を流すフィードバック回路を利用することで膜電位を常に一定にする方法である。この電位固定法を用いて膜電位とイオン透過性の関係についての定量的な計測が可能になり,イギリスのHodgikin,HuxleyとKatzらは電位固定法を用いてヤリイカの巨大神経の膜コンダクタンスの性質を解析し,その後の神経生物学研究の基礎になる多くの業績を挙げた。
【0004】
これらの成果はジャーナル・オブ・フィジオロジー,第116号(1952年),第424頁から第448頁(Hodgikin,A,L.,Huxley,A.F. and Katz,B.,J.Physiol.,116(1952),pp.424−448)に報告されている。
【0005】
その後,この方法はNeherとSackmanによって更に洗練された。彼らは生きた細胞から単一チャネル分子に流れる電流をリアルタイムで計測することに成功した。この技術はパッチクランプ法と呼ばれる。このパッチクランプ法の技術については,サックマンらによって「シングルチャネルレコーディング」(1995年)(Sackman,B.,Neher,E.(eds.):Single−Channel Recording(2nd ed.),Plenum Press,New York 1995))に於いて詳しく述べられている。
【0006】
電気的シグナルを記録するための電極として,直径約1mmの硬質ガラス毛細管の中央部をヒーターで熱して軟らかくし,長軸方向に急速に引き伸ばして引き切ったものを用意する。引き伸ばされた先端が開口しており,その直径が1μm以下であるものを選んで,この毛細管の内部に3Mの塩化カリウム(KCl)溶液を注入して満たし,これを電極として手動で細胞に突き刺すことで膜電位を測定することが可能である。
【0007】
ホルモンや神経伝達物質の多くは,7回膜貫通型受容体あるいはG蛋白共役型受容体と呼ばれる受容体を介して細胞に情報を伝えている。近年ヒトゲノム計画が急速に進展し,遺伝子の塩基配列に関する情報が大量に蓄積しており,リガンドが不明のいわゆる「オーファン」の受容体遺伝子も数多く存在しているものと推定されている。
【0008】
7回膜貫通型受容体のリガンドはホルモン,情報伝達物質,サイトカイン,酵素など多岐にわたり,分子種としてもアミン,アミノ酸,ペプチド,タンパク質,脂質,核酸,イオンなどが含まれる。更に,光や匂い,味などに対する感覚受容体も7回膜貫通型受容体の一種であり,生体機能の調節に重要な役割を果たしている。このため,7回膜貫通型受容体は,しばしば疾患にも深く関与しているため創薬の重要なターゲットとされてきた。実際,市販されている医薬品には7回膜貫通型受容体に結合することにより薬効を示すものが多い。このようなオーファン受容体のリガンドをスクリーニングし,決定する手段の一つとしても,電気生理法は重要である。
【0009】
電気生理法は膜タンパク質分子の機能をリアルタイムで計測することのできる数少ない方法の一つであり,受容体タンパク質の中心的研究法である。従って,電気生理法は医薬品開発に於いても欠くことのできない技術であり,将来的にもその重要性は増していくものと考えられる。
【0010】
なお,特開平11−083785号公報に,卵母細胞にヒスタミン受容体を発現させ,卵母細胞のヒスタミンに対する応答を計測し,組織特異的にアレルギー反応を検出する技術が記載されている。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように,電気生理法はイオンチャネルの研究及び医薬品の開発に欠かせないものである。しかし,電気生理実験を行なうためには多くの煩雑な手作業を必要とするという問題がある。まず,測定者は細いガラス管を熱して引き延ばし,先端の直径が1μm以下のガラス微小電極を手作業で作成する必要がある。更に,ガラス電極を細胞に挿入するためには,マイクロマニュピレーターを手動で操作する必要がある。
【0012】
マイクロマニュピレーターはガラス電極を保持し,ガラス電極の微量変位を手動で調節できる装置であるが,その操作については熟練した技術が要求されるという問題がある。一般にガラス電極を細胞内に挿入するためには手動でマイクロマニュピレーターを用いる。このため,ガラス電極が考案された1940年代から現在に至るまで電気生理に関する計測は測定者の職人的な手作業に大きく依存していた。
【0013】
既存技術を用いてガラス電極の卵母細胞への挿入の自動化を考える時,画像認識の応用が考えられる。上部からCCDカメラにより卵母細胞の膜表面の存在位置を計測し,ガラス電極をモータなどで駆動し移動させ,挿入することが考えられる。しかし,ガラス電極の挿入時には卵母細胞の膜表面は弾性変形を伴うため,上方からの画像認識により,膜内にガラス電極が正確に挿入されたかどうかについて判断を行うことは極めて難しい。また,画像認識によるガラス電極の挿入制御は,極めて高価になるため現実的な制御手段とはいえない。
【0014】
卵母細胞あるいは培養細胞を用いた電気生理実験に於ける電流変化応答は細胞によるばらつきが大きいため,多数の細胞からの電流応答を平均化することでデータの信頼性を増す必要がある。従って,十分に信頼できるデータを得るためには各計測者が手作業で細胞にガラス電極を挿入する電気生理実験を多数回行う必要がある。そのため,信頼できるデータを得るためには長時間と多大な労力を要するという問題がある。
【0015】
本発明の目的は,ガラス電極からの電気信号の基づいてガラス電極を卵母細胞膜内に挿入し,膜電位を固定し薬物投与した時の反応を自動計測する卵母細胞を用いる電気生理自動計測装置及び電気生理自動計測方法を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明の電気生理自動計測装置では,アース電極が配置又は形成されるセルの複数個(例えば,8×12=96個)が規則正しく配列され成型されている容器の各セルに卵母細胞を保持し,容器を保持し移動させて所定のセル内の卵母細胞の位置決めをXYステージの移動により行ない,所定のセル内の卵母細胞に1本又は2本のガラス電極を挿入手段により挿入して,ガラス電極から発する電気信号を検出手段により検出して,卵母細胞の膜電位を固定手段により所定の値に固定して,マイクロシリンジにより卵母細胞に化学物質を投与し,卵母細胞についての電気生理測定を自動で行なう。
【0017】
電気生理測定を自動で行なうために,XYステージ,挿入手段,固定手段,及びマイクロシリンジは,制御手段により制御される。制御手段は,ガラス電極から発する電気信号に基づいて,ガラス電極のセル内の溶液面への接触,卵母細胞の膜表面への接触,卵母細胞の膜内への挿入を検出識別して,ガラス電極の卵母細胞への挿入の制御,マイクロシリンジによる卵母細胞への化学物質の投与の制御を行ない,電気生理自動計測装置の自動化を可能とする。即ち,ガラス電極の抵抗の測定,ガラス電極の零点電位の調整,ガラス電極のバイブレーション,膜電位の固定及び化学物質の投与の制御により自動計測を行う。
【0018】
各セルの形状は,円錐の先端に半球を持つ形状を有し,各セルに卵母細胞を効率よく保持する。
【0019】
より好ましくは,電気生理自動計測装置を,遮蔽手段により電磁波から遮蔽する。また,肉眼でセルに保持された卵母細胞を光学的にモニタする光学顕微鏡を配置しても良い。
【0020】
アース電極は,導電性を持つ金属により成形され,表面が塩化銀により被覆され,セルに個別にアース線を付加する。容器を寒天により成型して,寒天の一部にアース電極を接触させて複数のセルを一様に接地できる。また,アース電極を1軸上でセルに保持された溶液内で移動させて,セル毎に独立して接地する構成としても良い。
【0021】
より具体的には,8×12=96個の卵母細胞が各セル内に規則的に配置された卵母細胞保持用プレートは,XYステージ上に搭載される。1つの卵母細胞が保持されているセルにはそれぞれ独立にアース電極が付加されている。実体顕微鏡の視野中央にXYステージにより位置決めされた1つの卵母細胞に,2本のガラス電極をモーター駆動による移動により自動挿入する。XYステージ,ガラス電極を駆動するモーター,リガンド投与用マイクロシリンジを駆動するモーター及び電気生理計測装置を,ガラス電極からの電気信号に基づいて外部より一括して制御用コンピューターで制御し,複数の卵母細胞についての電気生理測定を自動で行なうことができる。計測された卵母細胞の電流応答は計測記録用コンピューターで記録する。
【0022】
本発明の電気生理自動計測方法では,卵母細胞を保持し,アース電極が配置又は形成されるセルの複数個を有する容器をXYステージに保持して,XYステージを移動させて,所定のセル内の卵母細胞の位置決めを行ない,所定のセル内の卵母細胞に1本又は2本のガラス電極を挿入して,ガラス電極から発する電気信号を検出して,卵母細胞の膜電位を所定の値に固定して,マイクロシリンジにより卵母細胞に化学物質を投与し,卵母細胞についての電気生理測定を自動で行なう。電気生理測定を自動で行なうために,XYステージの移動の制御,卵母細胞へのガラス電極を挿入の制御,卵母細胞の膜電位の固定の制御,卵母細胞への化学物質の投与の制御の,各制御を,ガラス電極から発する電気信号に基づいて行なう。上記の各制御は,ガラス電極のセル内の溶液面への接触,卵母細胞の膜表面への接触,卵母細胞の膜内への挿入を検出識別することにより行ない,電気生理自動計測の自動化を可能とする。
【0023】
本発明では,ガラス電極を卵母細胞膜に自動挿入し膜電位を保持し,薬物投与した時の反応を自動計測する電気生理自動計測装置を提供する。図を参照して,以下に本発明の原理を説明する。まず,空中にあるガラス電極103をセル内に保持された卵母細胞601に向けて移動する。ガラス電極103が溶液面603に着水し,アース電極604と通電すると,ガラス電極の電位は0mV付近を示す。ガラス電極103を移動させ卵母細胞601の膜表面にガラス電極103が接触する時に,−5mV程度の電位を示す。更に,ガラス電極102を移動させ膜内にガラス電極102が挿入された時,−20mV程度の電位を示す。以上のガラス電極の電位状態を制御用コンピューターにより取り込み,ガラス電極102と卵母細胞601の相対位置を識別し,ガラス電極102を卵母細胞601に挿入し膜電位を保持し薬物を投与する,一連の電気生理計測を自動化する。
【0024】
本発明の卵母細胞を用いる電気生理自動計測装置では,電気生理計測を自動化し計測者の負担を軽減し,計測の回数を増すことによりデータの信頼性を向上させることが可能となる。また,自動化により多数の試料の計測を高速化し,多数の電気生理計測を短時間に処理することが可能となる。更に,塩基配列が既知であるが機能が未知である遺伝子の機能をスクリーニングすることも可能となる。
【0025】
【発明の実施の形態】
図1は,本発明の実施例の電気生理自動計測装置の構成例を示す図である。本発明の実施例の電気生理自動計測装置では,複数の細胞を電気生理法を用いて連続かつ自動に計測する。
【0026】
図1に示すように,本発明の電気生理自動計測装置は,卵母細胞を観察する実体顕微鏡116;卵母細胞に挿入するガラス電極102,103;微小電気信号を増幅する微小電気信号増幅回路部122,123;リガンドを卵母細胞に投与するリガンド投与用マイクロシリンジ126;実体顕微鏡116及びガラス電極102,103を保持するXYステージ101;卵母細胞を保持する96個の(セル)穴を持つ96穴卵母細胞保持用プレート111;96穴プレート用アース電極124;ガラス電極102,103の電位状態及び抵抗状態を示す電気信号を測定する電気生理測定回路部109;XYステージ101,及びガラス電極102,103の移動を行なうためのモーターの駆動を制御するモーター駆動用コントローラー107;計測結果を記録する計測記録用コンピューター121;電気生理測定回路部109,モーター駆動用コントローラー107,及び計測記録用コンピューター121を制御する制御用コンピューター108から構成される。
【0027】
実体顕微鏡116はその光軸が垂直になるようにXYステージ101に配置される。モーター104,105によりそれぞれ駆動されるガラス電極102,103は,実体顕微鏡116を配置した垂直軸から30度傾けた位置に対称に配置される。また,ノイズを低減させ,効率よく電気生理実験を行うためにシールドにより装置全体を覆い,空気中の電磁波を遮蔽する。
【0028】
本実施例では,ヒトヒスタミン受容体遺伝子をインジェクションした後に数日間の培養を経た卵母細胞を使用する。これらの卵母細胞は,96穴卵母細胞保持用プレート111に保持される。ヒトヒスタミン受容体を発現している96個の卵母細胞は,8×12=96のマトリックス上に規則正しく配置される。
【0029】
ガラス電極102,103の位置は,実体顕微鏡116の視野中央に位置決めされたセル内の1つの卵母細胞に挿入が可能な位置に調整されている。
【0030】
制御用コンピューター108による制御により,ガラス電極駆動用モーター104,105を一軸(図1に示す矢印で示す)上に駆動させ,実体顕微鏡116の視野中央に位置決めされた卵母細胞に,ガラス電極102,103を挿入できる。
【0031】
ガラス電極102,103の細胞膜内への挿入の過程を実体顕微鏡116により肉眼で観察できる。また,実体顕微鏡116にCCDカメラを付加し,ガラス電極102,103の卵母細胞への挿入状況をモニターし,画像処理からガラス電極102,103の移動を制御することも可能である。
【0032】
なお,実体顕微鏡116は必ずしもガラス電極102,103を卵母細胞へ挿入するために必須な構成ではなく,ガラス電極102,103の動作を目視により確認するためだけのものである。従って,ガラス電極102,103の移動機構の精度を高めて,目視による確認なしにガラス電極102,103を卵母細胞へ挿入可能な構成とすることにより,実体顕微鏡116は装置から除去することが可能である。
【0033】
リガンド投与用マイクロシリンジ126は,支持体127を通して微小電気信号増幅回路部122に保持されているため,ガラス電極駆動用モーター105によりガラス電極102と共に移動できる。ガラス電極102が卵母細胞膜内に挿入された時に,リガンド投与用マイクロシリンジ126の先端は,卵母細胞の膜表面付近に十分に接近する位置に調整されており,ヒスタミンを効率よく投与できる。
【0034】
電気生理測定回路部109ではガラス電極102,103の電位状態及び抵抗状態を示す電気信号を測定する。細胞膜にガラス電極102,103が挿入されたことを示す電気信号が電気生理測定回路部109により取り込まれ,これを識別した制御用コンピューター108は電気生理測定回路部109に膜電位を−60mVに固定する信号を送り返し,卵母細胞の膜電位が固定される。
【0035】
細胞の膜電位の固定を確認した後に,制御用コンピューター108は,マイクロシリンジ駆動用モーター125を駆動させて,卵母細胞の膜表面に発現しているヒスタミン受容体にリガンドであるヒスタミンをマイクロシリンジ126により投与する。
【0036】
なお,卵母細胞の膜表面に発現可能な受容体はヒスタミン受容体に限定されるものではなく,種種の受容体を発現させることが可能である。卵母細胞の膜表面に存在するヒスタミン受容体は,ヒスタミンの結合により活性化され,一連のシグナル伝達が進行し,最終的に卵母細胞のクロライドチャネルよりクロライドイオンが細胞外に流れ出す。
【0037】
計測記録用コンピューター121は,このクロライドイオン流を電流変化として捉え記録する。1つの細胞についての測定が終了した後,制御用コンピューター108は,電気生理測定回路部109を通じ,膜電位の固定を解除し,ガラス電極駆動用モーター104,105を初期位置にまで移動させ,2本のガラス電極102,103を卵母細胞より引き抜く。次に,XYステージ101を隣り合ったセルの間隔分だけ移動させ,実体顕微鏡116の視野中央に,次の計測を行なう卵母細胞の位置決めを行なう。以上の操作を繰り返すことにより,複数の卵母細胞について効率的に連続して電気生理実験を自動化することが可能である。一般に,卵母細胞を用いた電気生理的測定方法では,ガラス電極102,103を2本用いる2電極膜電位固定法が広く用いられている。一方,卵母細胞より小さな神経細胞では,1本のガラス電極のみを使用する1電極膜電位固定法が広く用いられている。これは神経細胞では,ピコアンペアレベルのイオン電流量を測定するのに対し,卵母細胞の場合は細胞体が大きいために,マイクロアンペアの電流量が発生するために,従来の1電極膜電位固定法をそのまま使用することが困難なためである。しかし,原理的には,イオン電流レベルを卵母細胞で予想される数マイクロアンペアの電流が測定可能な電気回路を設計することにより,卵母細胞の計測においても1電極膜電位固定法を適用することが可能である。これにより,2電極膜電位固定法に於ける複数のガラス電極の挿入が単純化され,ガラス電極の挿入に伴うエラーの発生を減少させることが可能である。また,計測の手続きも同様に簡素化するために,2電極膜電位固定法と比較して1電極膜電位固定法は単位時間当たりに計測できる卵母細胞の個数を増すことが可能であるため,スループットが向上する。また,装置の製造コストも低くできるという利点もある。
【0038】
また,ガラス微小管を用いて目的となる遺伝子を手作業で細胞に注入するマイクロインジェクション法が,従来,細胞への遺伝子導入の主流な方法の一つであるが,本実施例のガラス微小管の細胞への挿入方法を応用し,一定量の遺伝子を細胞に注入する機構を付加することにより,複数の細胞の各細胞にガラス微小管を自動挿入した後に,目的となる遺伝子を一定量注入する装置を製作することが可能である。
【0039】
図2は,本発明の実施例のアレルギー診断を行なう電気生理自動計測装置の構成例を示す図である。複数の96穴卵母細胞保持用プレート111がベルトコンベア809により搬送され,プレートスタッカー803に装着される。プレートスタッカー803を使用することにより,ベルトコンベアに809により搬送されてきた複数の96穴卵母細胞保持用プレート111を効率よく整理し,円滑にXYステージ101に96穴卵母細胞保持用プレート111を順次送り込むことが可能となる。各プレート上の卵母細胞にはヒスタミン受容体が既に発現している。
【0040】
アレルギー診断の具体的な検査項目として挙げられるのが,杉花粉,ハウスダスト,イエダニなどである。予め検体から採取された血液にアレルゲンを添加し,30〜90分程インキュベートしたものを遠心分離し,血漿成分を回収する。この前処理を事前に行っておく。これらの各検体からの血漿成分を反応ディスク806内の反応容器805に設置する。
【0041】
リガンド投与用マイクロシリンジ126に反応容器805内の血漿成分を採取し,モーター810によりマイクロシリンジ126を回転させて,96穴卵母細胞保持用セル111に保持された卵母細胞に血漿成分を投与する。これにより,多数の検体から採取された血液について多項目について検査を行うことが可能である。以上の動作を,制御用コンピューター108’により統合して行う。制御用コンピューター108’は,図2に図示しない,図1に示すモーター駆動用コントローラー107,及び電気生理測定回路部109を制御すると共に,図1に示す計測記録用コンピューター121を兼ねており,計測データの取得,管理も一括して行う。
【0042】
図3は,本発明の実施例で使用する96穴卵母細胞保持用プレートの構成例を示す平面図であり,図4は,図3に示す96穴卵母細胞保持用プレートの断面図である。卵母細胞保持用プレート111は,8×12=96個の独立したセル202をもつ。セル202は,上方に90度の角度で開いており,セルの下方部に半球部203をもつ。なお,プレート上のセル数は96個に限定する必要はなく,電気生理実験に使用する細胞の大きさに応じて384,864,1536個のセル数に拡張することが可能である。
【0043】
セル202のそれぞれは1つの卵母細胞を保持し,保持することが可能である。卵母細胞保持用プレート111は,市販の96穴タイタープレートと同様の大きさ及び穴(セル)の位置をもつ。卵母細胞保持用プレート111の大きさは縦85mm,横127mm,厚さ10mmである。セル202の直径は9mmであり,セル202の間隔は9.5mmである。
【0044】
セル202は卵母細胞をセル下方部の半球部203に保持できる。この半球部203の径が大きすぎるとガラス電極102,103の挿入時に,卵母細胞がセル202内に安定して保持されず,移動するため,安定してガラス電極102,103を卵母細胞に挿入できない。一方,半球部203の径が小さすぎると,卵母細胞が半球部203内に入りきらないために,卵母細胞の安定した保持ができない。2本のガラス電極102,103を卵母細胞に挿入する時に,卵母細胞を半球部203内で安定して保持するために最適な径は,1.2mm±0.1mmである。
【0045】
また,実体顕微鏡116を用いてガラス電極102,103の卵母細胞への挿入を目視により観察する場合は,ガラス電極102,103を卵母細胞保持用プレート111の垂直方向から卵母細胞に挿入きない。この場合は,ガラス電極102,103は卵母細胞保持用プレート111から垂直方向の軸に対して一定の角度を保持する必要がある。
【0046】
図5は,本発明の実施例に於けるガラス電極の卵母細胞への挿入制御を示す図である。本発明では,ガラス電極の電位信号に基づいて,ガラス電極の卵母細胞への挿入のための制御を行なう。
【0047】
卵母細胞保持用プレートの1つのセルに卵母細胞601が保持されている。ガラス電極102,103が移動する軸上に卵母細胞601は位置している。リガンド投与用シリンジ126は,ガラス電極103より微小量後退した位置に調整され,設置されている(従って,図5には図示せず)。図5に示すグラフは,時間と共に変化するガラス電極102,103の電位の変遷を示し,(a)から(e)に示すガラス電極の異なる位置に対応する異なる電位状態を示す。
【0048】
(a)に示すように,ガラス電極102は溶液面603より上方に位置し,アース電極604とは通電しておらず,従って,電位は無限大となる。制御用コンピューターは,電位が無限大であることから,ガラス電極102が空中にあることを認識する。
【0049】
(b)に示すように,卵母細胞601に向かって移動を開始したガラス電極102が溶液面603に到達すると,ガラス電極102とアース電極604とが溶液603を通して接触し通電するため,電位は0±3mV付近となる。ガラス電極102の溶液面603への到達を認識した制御用コンピューターは,ガラス電極102の抵抗が0.8MΩ〜2.4MΩの許容値の範囲に収まるかどうかを計測し,判定する。ガラス電極102の抵抗が許容値内に入らない場合は,モーターによりガラス電極102は引き上げられ,ガラス電極102の交換を行なう。更に,制御用コンピューターは±3mV程度のオフセット電位を自動で除去し,0mVに電位を調整する。
【0050】
(c)に示すように,制御用コンピューターは,モーター駆動によりガラス電極102を卵母細胞601に向かって移動させる。ガラス電極102が卵母細胞601に接触すると,卵母細胞は弾性変形する。この時,ガラス電極の電位は更に,約5mV程度降下する。制御用コンピューターは,この電位降下を検出し,ガラス電極102が卵母細胞601の膜表面に接触したことを認識する。
【0051】
(d)に示すように,制御用コンピューターは,卵母細胞102の膜表面に圧力をかけた状態でガラス電極102をモーターの駆動軸上で振動させる。これにより,卵母細胞601に大きな損傷を与えることなく円滑にガラス電極102を膜内に挿入することが可能である。通常の卵母細胞102の膜電位は−20mV程度なので,制御用コンピューターは,−20mV程度の電位を検出することにより,ガラス電極102が卵母細胞601内に挿入されたことを認識する。
【0052】
(e)に示すように,ガラス電極103も,(a)〜(d)の操作を繰り返すことで,卵母細胞601膜内に挿入する。2本のガラス電極102,103が卵母細胞601に挿入された後に,制御用コンピューターは電気生理測定回路部109に膜電位を−60mVに固定する信号を送ることにより,膜電位を−60mVに固定する。
【0053】
以上,詳述したように,本実施例ではガラス電極102,103から得られる電気信号のみを用いて,卵母細胞601に2本のガラス電極102,103の挿入を実行でき,更に,ヒスタミン投与に応答する電流変化を検出することが可能である。
【0054】
次に,96穴卵母細胞保持用プレート111を使用して電気生理計測を行う際のアースの3種類の取り方について以下に説明する。
【0055】
図6は,本発明の実施例で使用する96穴プレート用アース電極の形状を示す平面図であり,図7は,図6に示す96穴卵母細胞プレート用アース電極の部分斜視図である。図6は,96穴卵母細胞保持用プレート111に組み合わせる96穴プレート用アース電極301を示す。96穴プレート用アース電極301の材質は,銅又はアルミニウムであり,形成された後に銀メッキを施す。更に,銀メッキを施した96穴プレート用アース電極301を150mMの塩化ナトリウム溶液中に浸し,1.5V程度の直流電流を流した状態で24時間以上放置することにより,銀と塩素イオンとを反応させ,96穴プレート用アース電極301の表面に塩化銀の皮膜を作る。生体中の細胞外液の主成分はNaClであり,銀電極とNaCl溶液との間に両方に共通したイオンをもつ化学物質(ここでは,塩化銀)があれば分極電圧の発生を防ぎ,計測上の電気雑音を低減できる。
【0056】
図7は,96穴プレート用アース電極301を斜め上方よりみた図である。96穴プレート用アース電極301は,各セル202に対してそれぞれ独立に伸びるアース部302をもち,アース部302はセル202の側面に沿って45度の角度で折り込まれている。このため,96穴プレート用アース電極301を1箇所で接地することにより,96個のセル202全てのアースをとることが可能である。また,上記の方法以外に,96穴卵母細胞保持用プレート111に直接アース電極をパターニングし,アースを取ることもできる。
【0057】
図8は,本発明の実施例で使用する寒天からなる96穴卵母細胞保持用プレートを作成し,アースをとる方法を示す図である。次に説明する方法では,寒天からなる卵母細胞保持用プレート405を作成しアースをとる。容器403に,予め加熱してゾル化した寒天402を流し込む。次に,96穴卵母細胞保持用セルの型401をゾル化した寒天402中に浸し,固定する。一定時間放置した後,ゾル化した寒天402は室温まで冷却され,ゲル化する。型401をゲル化した寒天404より取り外すと,ゲル化した寒天404は卵母細胞を保持可能な形状に成型されており,寒天からなる96穴卵母細胞保持用セル405を作成できる。ゲル化した寒天404は通電に十分な水溶液をゲル内に含むため,寒天上の任意の箇所にアース電極406を配置することにより,96の個々のセルについて一括してアースをとることが可能である。従って,寒天からなる96穴卵母細胞保持用セル405を用いることにより,煩雑なアース電極を付加することなく簡便に電気生理測定を連続で行なうことが可能となる。使い捨て可能な寒天製の容器は,プラスチックで作成する容器に比較して,非常に安価である。
【0058】
図9は,本発明の実施例に於いてアース電極を移動させて各セルについてアースをとる構成例を示す図である。図9に示すように,アース電極をガラス電極に付随させて移動することにより,各セル内の電気生理計測でアースをとる。アース電極503をガラス電極103の先端付近に支持体502を通して固定する。リガンド投与用マイクロシリンジ126は,ガラス電極102にオフセットを保った形で固定されている。
【0059】
ガラス電極103を卵母細胞601に向かって移動させていくと,アース電極503が溶液面603に接触する。アース電極503が溶液603に接触したことでガラス電極103は通電し,オフセット電位を除去する。ガラス電極102についても同様にアースを取ることが可能である。ガラス電極103にアース電極503を付随させることにより,複雑なアース電極を付加することなく,複数のセルについて安定したアースをとることが可能である。また,アース電極503をガラス電極103に付随させるのではなく,新たに一軸上にアース電極503を独立に移動させるアース電極駆動用モーターを用意する。これにより,ヒスタミン投与時に於ける卵母細胞の膜表面上での2本のガラス電極,アース電極,リガンド投与用シリンジが非常に接近するため,計測上のエラーが発生しやすいという問題を解決し,安定した状態でアースをとることも可能である。
【0060】
図10は,本発明の実施例の電気生理自動計測装置を用いて卵母細胞にヒスタミンを投与した時の反応を示す実験データである。図10は,ヒスタミン受容体を発現させた卵母細胞に対して膜電位の固定を全自動で行い,ヒスタミンを投与し自動計測を行なった結果の一例を示す。図5で説明した,ガラス電極の異なる位置(a)〜(e)の状態を経て,矢印(e)で示した時刻で細胞の膜電位を固定し,矢印(f)で示した時刻で1μMのヒスタミンを5μL(リットル)投与を行い,卵母細胞から発する電流応答を自動計測した結果である。
【0061】
図10に示す計測では,1個の卵母細胞の計測に約180秒必要である。しかし,計測時間については,ガラス電極及びステージの移動の高速化,2本のガラス電極を同時に卵母細胞へ挿入するなどの工夫により,大幅に短縮することが可能である。また,図10に示す例では,20秒間で膜電位の固定の確認を行っているが,これは省略できる。更に,ヒスタミン濃度のみを測定するのであれば発生した内向き電流のピーク値(図10に示す例では,約130秒の点での電流ピーク)のみを検出すれば良く,ヒスタミン投与後の履歴計測は省くことができる。従って,60秒以内での1個の卵母細胞の計測は容易に達成できる。
【0062】
本発明の電気生理自動計測装置によれば,遺伝子導入によりにある受容体を発現させた複数の卵母細胞のそれぞれに,全自動でガラス電極を挿入し,電位を固定し,対応するリガンドを投与した時の電流応答を計測できる。この結果,例えば,アレルギー関連の診断を高速化でき,大量の検体について短時間に診断を行える。更に,機能が未知である7回膜貫通型受容体の遺伝子を卵母細胞に導入し,未知の受容体を発現した卵母細胞に対して対応するリガンドをスクリーニングする作業を自動化することにより,大規模な遺伝子の機能解析探索を効率良く行なえる。
【0063】
【発明の効果】
本発明の電気生理自動計測装置によれば,ルーチンワーク的な仕事の自動化により計測者の負担を軽減でき,計測を高速化でき,多数の計測を短時間にできるため,ばらつきの少ない信頼性の高いデーターを取得できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の電気生理自動計測装置の構成例を示す図。
【図2】本発明の実施例のアレルギー診断を行なう電気生理自動計測装置の構成例を示す。
【図3】本発明の実施例で使用する96穴卵母細胞保持用プレートの構成例を示す平面図。
【図4】図3に示す96穴卵母細胞保持用プレートの断面図。
【図5】本発明の実施例に於けるガラス電極の卵母細胞への挿入制御法を示す図。
【図6】本発明の実施例で使用する96穴プレート用アース電極の形状を示す平面図。
【図7】図6に示す96穴卵母細胞プレート用アース電極の部分斜視図。
【図8】本発明の実施例で使用する寒天からなる96穴卵母細胞保持用プレートを作成し,アースをとる方法を示す図。
【図9】本発明の実施例に於いてアース電極を移動させて各セルについてアースをとる構成例を示す図。
【図10】本発明の実施例の電気生理自動計測装置を用いて卵母細胞にヒスタミンを投与した時の反応を示す実験データ。
【符号の説明】
101…XYステージ,102,103…ガラス電極,104,105…ガラス電極駆動用モーター,107…モーター駆動用コントローラー,108,108’…制御用コンピューター,109…電気生理測定回路部,111…96穴卵母細胞保持用プレート,116…実体顕微鏡,121…計測記録用コンピューター,125…マイクロシリンジ駆動用モーター,126…リガンド投与用マイクロシリンジ,202…セル,203…半球部,301…96穴プレート用アース電極,302…アース部,401…型,402…ゾル化した寒天,404…ゲル化した寒天,405…寒天からなる卵母細胞保持用プレート,127,502…支持体,406…寒天に挿入するアース電極,503…支持体に固定されたアース電極,604…アース電極,603…溶液面,601…卵母細胞,803…プレートスタッカー,805…反応容器,806…反応ディスク,809…ベルトコンベア,810…モーター。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automatic electrophysiology measurement apparatus and an electrophysiology automatic measurement method using an oocyte.
[0002]
[Prior art]
Science related to the electrical properties of living organisms has a history of about 200 years as “electrophysiology” and has developed as one of the major fields in physiology. Especially in nerves and muscles, action potential is the most essential phenomenon of excitement, and it has been clarified that excitatory conduction is mediated by electric current, and electrophysiology has become the most important research field.
[0003]
The voltage clamp method was proposed by Cole, USA in the 1940s. This potential fixing method is a method in which the membrane potential is always kept constant by using a feedback circuit that allows current to flow in the direction of suppressing the membrane potential at the moment when the membrane potential changes. This potential fixation method enables quantitative measurement of the relationship between membrane potential and ion permeability. The UK's Hodgkinkin, Huxley and Katz et al. Use the potential fixation method to characterize the membrane conductance of the squid giant nerve. And has made many achievements that will serve as the basis for subsequent neurobiological research.
[0004]
These results are described in Journal of Physiology, 116 (1952), pages 424 to 448 (Hodgikin, A, L., Huxley, A.F. and Katz, B., J. Physiol. 116 (1952), pp. 424-448).
[0005]
The method was then further refined by Neher and Sackman. They succeeded in measuring the current flowing from a living cell to a single channel molecule in real time. This technique is called the patch clamp method. The technique of the patch clamp method is described by Sackman et al. In “Single Channel Recording” (1995) (Sackman, B., Neher, E. (eds.): Single-Channel Recording (2nd ed.), Plenum Press, New. (York 1995)).
[0006]
As an electrode for recording an electrical signal, a central portion of a hard glass capillary tube having a diameter of about 1 mm is softened by heating with a heater, and it is rapidly stretched in the long axis direction and prepared. Select the one with a stretched tip open and a diameter of 1 μm or less, fill the capillary tube with a 3M potassium chloride (KCl) solution, and manually puncture the cell as an electrode. Thus, it is possible to measure the membrane potential.
[0007]
Many hormones and neurotransmitters transmit information to cells via receptors called 7-transmembrane receptors or G protein-coupled receptors. In recent years, the human genome project has advanced rapidly, and a large amount of information on the base sequence of genes has been accumulated. It is estimated that there are many so-called “orphan” receptor genes whose ligands are unknown.
[0008]
The seven-transmembrane receptor ligands are diverse, including hormones, signal transmitters, cytokines, and enzymes, and molecular species include amines, amino acids, peptides, proteins, lipids, nucleic acids, ions, and the like. Furthermore, sensory receptors for light, smell, taste, and the like are a kind of seven-transmembrane receptors and play an important role in the regulation of biological functions. For this reason, 7-transmembrane receptors have often been an important target for drug discovery because they are often deeply involved in diseases. In fact, many commercially available drugs exhibit a medicinal effect by binding to a 7-transmembrane receptor. Electrophysiology is also important as a means of screening and determining such orphan receptor ligands.
[0009]
Electrophysiology is one of the few methods that can measure the function of membrane protein molecules in real time, and is a central research method for receptor proteins. Therefore, electrophysiology is an indispensable technology in drug development, and its importance will increase in the future.
[0010]
JP-A-11-083785 describes a technique for expressing an histamine receptor in an oocyte, measuring the response of the oocyte to histamine, and detecting an allergic reaction in a tissue-specific manner.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
As mentioned above, electrophysiology is indispensable for ion channel research and drug development. However, in order to conduct electrophysiological experiments, there is a problem that many complicated manual operations are required. First, the measurer must heat and stretch a thin glass tube and manually create a glass microelectrode with a tip diameter of 1 μm or less. Furthermore, in order to insert the glass electrode into the cell, it is necessary to manually operate the micromanipulator.
[0012]
A micromanipulator is a device that holds a glass electrode and can manually adjust a small amount of displacement of the glass electrode, but there is a problem that a skilled technique is required for the operation. In general, a micromanipulator is manually used to insert a glass electrode into a cell. For this reason, from the 1940's when the glass electrode was devised to the present, measurements related to electrophysiology have relied heavily on the manual work of the measurer.
[0013]
When automating insertion of glass electrodes into oocytes using existing technology, application of image recognition can be considered. It is conceivable that the position of the oocyte membrane surface is measured by a CCD camera from above, and the glass electrode is driven and moved by a motor or the like. However, since the membrane surface of the oocyte is elastically deformed when the glass electrode is inserted, it is extremely difficult to determine whether the glass electrode has been correctly inserted into the membrane by image recognition from above. Further, glass electrode insertion control by image recognition is extremely expensive and cannot be said to be a realistic control means.
[0014]
Since the current change response in electrophysiological experiments using oocytes or cultured cells varies greatly from cell to cell, it is necessary to increase the reliability of the data by averaging the current responses from many cells. Therefore, in order to obtain sufficiently reliable data, it is necessary for each measurer to conduct electrophysiological experiments in which a glass electrode is manually inserted into a cell many times. Therefore, there is a problem that it takes a long time and much labor to obtain reliable data.
[0015]
An object of the present invention is to automatically measure electrophysiology using an oocyte that inserts a glass electrode into an oocyte membrane based on an electrical signal from the glass electrode, automatically measures the reaction when the membrane potential is fixed and a drug is administered. It is to provide an apparatus and an electrophysiological automatic measurement method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In the electrophysiology automatic measuring device of the present invention, an oocyte is held in each cell of a container in which a plurality of cells (for example, 8 × 12 = 96) in which earth electrodes are arranged or formed are regularly arranged and molded. Then, the container is held and moved to position the oocyte in the predetermined cell by moving the XY stage, and one or two glass electrodes are inserted into the oocyte in the predetermined cell by the inserting means. Then, the electric signal emitted from the glass electrode is detected by the detecting means, the membrane potential of the oocyte is fixed to a predetermined value by the fixing means, the chemical substance is administered to the oocyte by the microsyringe, and the oocyte The electrophysiological measurement is automatically performed.
[0017]
In order to automatically perform electrophysiological measurement, the XY stage, insertion means, fixing means, and microsyringe are controlled by the control means. The control means detects and identifies the contact of the glass electrode with the solution surface in the cell, the contact of the oocyte with the membrane surface, and the insertion of the oocyte into the membrane based on the electrical signal emitted from the glass electrode. It controls the insertion of glass electrodes into the oocytes and controls the administration of chemical substances to the oocytes using a microsyringe, making it possible to automate the automatic electrophysiology measurement device. That is, automatic measurement is performed by measuring the resistance of the glass electrode, adjusting the zero potential of the glass electrode, vibrating the glass electrode, fixing the membrane potential, and controlling the administration of the chemical substance.
[0018]
Each cell has a shape having a hemisphere at the tip of the cone, and efficiently holds the oocyte in each cell.
[0019]
More preferably, the electrophysiology automatic measuring device is shielded from electromagnetic waves by the shielding means. Further, an optical microscope for optically monitoring the oocyte held in the cell with the naked eye may be arranged.
[0020]
The ground electrode is formed of a conductive metal, the surface is coated with silver chloride, and a ground wire is individually attached to the cell. A plurality of cells can be uniformly grounded by molding the container with agar and bringing a ground electrode into contact with a part of the agar. Alternatively, the ground electrode may be moved within the solution held in the cell on one axis and grounded independently for each cell.
[0021]
More specifically, an oocyte holding plate in which 8 × 12 = 96 oocytes are regularly arranged in each cell is mounted on the XY stage. A ground electrode is independently added to each cell holding one oocyte. Two glass electrodes are automatically inserted into one oocyte positioned by an XY stage in the center of the field of view of a stereomicroscope by movement driven by a motor. The XY stage, the motor that drives the glass electrode, the motor that drives the micro-syringe for administering the ligand, and the electrophysiological measurement device are collectively controlled from the outside by the control computer based on the electrical signal from the glass electrode, and multiple eggs Electrophysiological measurement of mother cells can be performed automatically. The measured current response of the oocyte is recorded by a measurement recording computer.
[0022]
In the electrophysiology automatic measurement method of the present invention, a predetermined cell is obtained by holding an oocyte, holding a container having a plurality of cells on which an earth electrode is disposed or formed on an XY stage, and moving the XY stage. The oocyte in the cell is positioned, one or two glass electrodes are inserted into the oocyte in a given cell, the electrical signal emitted from the glass electrode is detected, and the membrane potential of the oocyte is determined. It is fixed at a predetermined value, a chemical substance is administered to the oocyte by a microsyringe, and electrophysiological measurement of the oocyte is automatically performed. In order to perform electrophysiology measurement automatically, control of movement of XY stage, control of insertion of glass electrode into oocyte, control of fixation of membrane potential of oocyte, administration of chemical substance to oocyte Each control is performed based on an electrical signal emitted from the glass electrode. Each of the above controls is performed by detecting and identifying the contact of the glass electrode with the solution surface in the cell, the contact of the oocyte with the membrane surface, and the insertion of the oocyte into the membrane. Enables automation.
[0023]
The present invention provides an automatic electrophysiology measuring apparatus that automatically inserts a glass electrode into an oocyte membrane to maintain a membrane potential and automatically measures a reaction when a drug is administered. Figure 5 Hereinafter, the principle of the present invention will be described. First, the glass electrode 103 in the air is moved toward the oocyte 601 held in the cell. When the glass electrode 103 lands on the solution surface 603 and the earth electrode 604 is energized, the potential of the glass electrode shows around 0 mV. When the glass electrode 103 is moved and the glass electrode 103 contacts the membrane surface of the oocyte 601, a potential of about −5 mV is exhibited. Furthermore, when the glass electrode 102 is moved and the glass electrode 102 is inserted into the film, a potential of about −20 mV is exhibited. The above-described potential state of the glass electrode is captured by a control computer, the relative positions of the glass electrode 102 and the oocyte 601 are identified, the glass electrode 102 is inserted into the oocyte 601, the membrane potential is maintained, and a drug is administered. Automate a series of electrophysiological measurements.
[0024]
In the electrophysiology automatic measurement apparatus using the oocyte of the present invention, it is possible to improve the reliability of data by automating electrophysiology measurement, reducing the burden on the measurer, and increasing the number of measurements. Moreover, it is possible to speed up the measurement of a large number of samples by automation and to process a large number of electrophysiological measurements in a short time. Furthermore, it is possible to screen the function of a gene whose base sequence is known but whose function is unknown.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an electrophysiology automatic measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In the electrophysiology automatic measurement apparatus according to the embodiment of the present invention, a plurality of cells are continuously and automatically measured using an electrophysiology method.
[0026]
As shown in FIG. 1, the automatic electrophysiology measuring apparatus of the present invention includes a stereomicroscope 116 for observing an oocyte; glass electrodes 102 and 103 inserted into the oocyte; a micro electric signal amplifier circuit for amplifying a micro electric signal. Part 122, 123; microsyringe 126 for administering ligand to the oocyte; XY stage 101 for holding the stereomicroscope 116 and the glass electrodes 102, 103; 96 (cell) holes for holding the oocyte 96-well oocyte holding plate 111; earth electrode 124 for 96-well plate; electrophysiological measurement circuit unit 109 for measuring an electric signal indicating the potential state and resistance state of glass electrodes 102, 103; XY stage 101, and glass A motor drive controller 107 for controlling the drive of the motor for moving the electrodes 102 and 103; Measuring records the measurement result recording computer 121; electrophysiological measurement circuit section 109, and a control computer 108 for controlling the motor driving controller 107 and the measurement recording computer 121,.
[0027]
The stereomicroscope 116 is arranged on the XY stage 101 so that its optical axis is vertical. The glass electrodes 102 and 103 respectively driven by the motors 104 and 105 are arranged symmetrically at a position inclined by 30 degrees from the vertical axis on which the stereomicroscope 116 is arranged. In order to reduce noise and conduct electrophysiological experiments efficiently, the entire device is covered with a shield to shield electromagnetic waves in the air.
[0028]
In this example, an oocyte that has been cultured for several days after injection of the human histamine receptor gene is used. These oocytes are held on a 96-well oocyte holding plate 111. 96 oocytes expressing the human histamine receptor are regularly arranged on an 8 × 12 = 96 matrix.
[0029]
The positions of the glass electrodes 102 and 103 are adjusted so that they can be inserted into one oocyte in the cell positioned at the center of the visual field of the stereomicroscope 116.
[0030]
Under the control of the control computer 108, the glass electrode driving motors 104 and 105 are driven on one axis (indicated by the arrows shown in FIG. 1), and the oocytes positioned in the center of the visual field of the stereomicroscope 116 are moved to the glass electrode 102. , 103 can be inserted.
[0031]
The process of inserting the glass electrodes 102 and 103 into the cell membrane can be observed with the naked eye by the stereomicroscope 116. It is also possible to add a CCD camera to the stereomicroscope 116, monitor the insertion state of the glass electrodes 102 and 103 into the oocyte, and control the movement of the glass electrodes 102 and 103 from image processing.
[0032]
Note that the stereomicroscope 116 is not necessarily an essential configuration for inserting the glass electrodes 102 and 103 into the oocyte, but only for visually confirming the operation of the glass electrodes 102 and 103. Therefore, the stereomicroscope 116 can be removed from the apparatus by increasing the accuracy of the moving mechanism of the glass electrodes 102 and 103 and making the glass electrodes 102 and 103 insertable into the oocyte without visual confirmation. Is possible.
[0033]
Since the ligand administration microsyringe 126 is held in the minute electric signal amplification circuit unit 122 through the support 127, it can be moved together with the glass electrode 102 by the glass electrode driving motor 105. When the glass electrode 102 is inserted into the oocyte membrane, the tip of the ligand administration microsyringe 126 is adjusted to a position sufficiently close to the vicinity of the membrane surface of the oocyte, so that histamine can be administered efficiently.
[0034]
The electrophysiological measurement circuit unit 109 measures electrical signals indicating the potential state and resistance state of the glass electrodes 102 and 103. An electrical signal indicating that the glass electrodes 102 and 103 are inserted into the cell membrane is taken in by the electrophysiological measurement circuit unit 109, and the control computer 108, which has identified this, fixes the membrane potential to −60 mV in the electrophysiological measurement circuit unit 109. Signal is sent back, and the membrane potential of the oocyte is fixed.
[0035]
After confirming that the membrane potential of the cell is fixed, the control computer 108 drives the motor 125 for driving the microsyringe so that the histamine that is a ligand for the histamine receptor expressed on the membrane surface of the oocyte is the microsyringe. 126.
[0036]
The receptors that can be expressed on the membrane surface of the oocyte are not limited to histamine receptors, and various receptors can be expressed. The histamine receptor present on the membrane surface of the oocyte is activated by the binding of histamine, a series of signal transduction proceeds, and finally chloride ions flow out of the oocyte chloride channel.
[0037]
The measurement recording computer 121 captures and records this chloride ion flow as a current change. After the measurement of one cell is completed, the control computer 108 releases the fixation of the membrane potential through the electrophysiological measurement circuit unit 109, moves the glass electrode driving motors 104 and 105 to the initial position, and 2 The glass electrodes 102 and 103 of the book are extracted from the oocyte. Next, the XY stage 101 is moved by the interval between adjacent cells, and the oocyte for the next measurement is positioned in the center of the field of view of the stereomicroscope 116. By repeating the above operations, it is possible to automate electrophysiological experiments efficiently and continuously for a plurality of oocytes. In general, in an electrophysiological measurement method using an oocyte, a two-electrode membrane potential fixing method using two glass electrodes 102 and 103 is widely used. On the other hand, the one-electrode membrane potential fixing method using only one glass electrode is widely used for neurons smaller than oocytes. This is because the neuron measures the amount of ionic current at the picoampere level, whereas in the case of an oocyte, the cell body is large, and thus a microampere current is generated. This is because it is difficult to use the fixing method as it is. However, in principle, the one-electrode membrane potential fixing method can be applied to oocyte measurement by designing an electrical circuit that can measure the current of several microamperes, which is expected to occur in an oocyte. Is possible. This simplifies the insertion of a plurality of glass electrodes in the two-electrode membrane potential fixing method, and can reduce the occurrence of errors associated with the insertion of the glass electrodes. In addition, in order to simplify the measurement procedure as well, the 1-electrode membrane potential fixation method can increase the number of oocytes that can be measured per unit time compared to the 2-electrode membrane potential fixation method. , Throughput is improved. There is also an advantage that the manufacturing cost of the apparatus can be reduced.
[0038]
In addition, a microinjection method in which a target gene is manually injected into a cell using a glass microtubule has been one of the mainstream methods for gene introduction into a cell. By applying a method of inserting cells into a cell and adding a mechanism to inject a certain amount of gene into the cell, a glass microtubule is automatically inserted into each cell of a plurality of cells, and then a desired amount of gene is injected. Can be made.
[0039]
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of an automatic electrophysiology measuring apparatus that performs allergy diagnosis according to an embodiment of the present invention. A plurality of 96-hole oocyte holding plates 111 are conveyed by a belt conveyor 809 and mounted on a plate stacker 803. By using the plate stacker 803, a plurality of 96-hole oocyte holding plates 111 conveyed to the belt conveyor by 809 are efficiently arranged, and the 96-hole oocyte holding plate 111 is smoothly placed on the XY stage 101. Can be sent sequentially. The histamine receptor is already expressed in the oocytes on each plate.
[0040]
Specific test items for allergy diagnosis include cedar pollen, house dust, house dust mites and the like. Allergen is added to blood collected from a specimen in advance, and the one incubated for 30 to 90 minutes is centrifuged to collect plasma components. This pre-processing is performed in advance. Plasma components from each of these specimens are placed in a reaction container 805 in the reaction disk 806.
[0041]
The plasma component in the reaction container 805 is collected in the ligand administration microsyringe 126, and the microsyringe 126 is rotated by the motor 810 to administer the plasma component to the oocyte held in the 96-well oocyte holding cell 111. To do. Thereby, it is possible to test about many items about the blood collected from many samples. The above operation is integrated by the control computer 108 '. The control computer 108 'controls the motor drive controller 107 and the electrophysiological measurement circuit unit 109 shown in FIG. 1, which are not shown in FIG. 2, and also serves as the measurement recording computer 121 shown in FIG. Data acquisition and management are performed collectively.
[0042]
FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of a 96-hole oocyte holding plate used in the embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a cross-sectional view of the 96-hole oocyte holding plate shown in FIG. is there. The oocyte holding plate 111 has 8 × 12 = 96 independent cells 202. The cell 202 is open upward at an angle of 90 degrees, and has a hemispherical portion 203 at the lower portion of the cell. Note that the number of cells on the plate need not be limited to 96, and can be expanded to 384,864,1536 cells depending on the size of the cells used in the electrophysiological experiment.
[0043]
Each of the cells 202 holds and can hold one oocyte. The oocyte holding plate 111 has the same size and hole (cell) position as a commercially available 96-well titer plate. The size of the oocyte holding plate 111 is 85 mm long, 127 mm wide, and 10 mm thick. The diameter of the cells 202 is 9 mm, and the interval between the cells 202 is 9.5 mm.
[0044]
The cell 202 can hold the oocyte in the hemispherical part 203 at the lower part of the cell. If the diameter of the hemispherical portion 203 is too large, the oocytes are not stably held in the cell 202 when the glass electrodes 102 and 103 are inserted, and thus move, so that the glass electrodes 102 and 103 are stably held. Cannot insert into. On the other hand, if the diameter of the hemispherical portion 203 is too small, the oocyte cannot fully enter the hemispherical portion 203, and thus the oocyte cannot be stably held. When the two glass electrodes 102 and 103 are inserted into the oocyte, the optimum diameter for stably holding the oocyte in the hemispherical portion 203 is 1.2 mm ± 0.1 mm.
[0045]
In addition, when the insertion of the glass electrodes 102 and 103 into the oocytes is visually observed using the stereomicroscope 116, the glass electrodes 102 and 103 are inserted into the oocytes from the vertical direction of the oocyte holding plate 111. I can't. In this case, the glass electrodes 102 and 103 need to hold a fixed angle with respect to the vertical axis from the oocyte holding plate 111.
[0046]
FIG. 5 is a diagram showing the insertion control of the glass electrode into the oocyte in the embodiment of the present invention. In the present invention, control for inserting the glass electrode into the oocyte is performed based on the potential signal of the glass electrode.
[0047]
An oocyte 601 is held in one cell of the oocyte holding plate. The oocyte 601 is located on the axis on which the glass electrodes 102 and 103 move. The ligand administration syringe 126 is adjusted and installed at a position slightly retracted from the glass electrode 103 (therefore, not shown in FIG. 5). The graph shown in FIG. 5 shows the transition of the potential of the glass electrodes 102 and 103 changing with time, and shows different potential states corresponding to different positions of the glass electrodes shown in (a) to (e).
[0048]
As shown in (a), the glass electrode 102 is positioned above the solution surface 603 and is not energized with the ground electrode 604, and therefore the potential is infinite. The control computer recognizes that the glass electrode 102 is in the air because the potential is infinite.
[0049]
As shown in (b), when the glass electrode 102 that has started moving toward the oocyte 601 reaches the solution surface 603, the glass electrode 102 and the ground electrode 604 come into contact with each other through the solution 603 and are energized. Around 0 ± 3 mV. The control computer that recognizes the arrival of the glass electrode 102 on the solution surface 603 measures and determines whether or not the resistance of the glass electrode 102 falls within the allowable range of 0.8 MΩ to 2.4 MΩ. If the resistance of the glass electrode 102 does not fall within the allowable value, the glass electrode 102 is pulled up by the motor and the glass electrode 102 is replaced. Furthermore, the control computer automatically removes the offset potential of about ± 3 mV and adjusts the potential to 0 mV.
[0050]
As shown in (c), the control computer moves the glass electrode 102 toward the oocyte 601 by driving the motor. When the glass electrode 102 contacts the oocyte 601, the oocyte is elastically deformed. At this time, the potential of the glass electrode further drops by about 5 mV. The control computer detects this potential drop and recognizes that the glass electrode 102 is in contact with the membrane surface of the oocyte 601.
[0051]
As shown in (d), the control computer vibrates the glass electrode 102 on the drive shaft of the motor while pressure is applied to the membrane surface of the oocyte 102. Thereby, it is possible to smoothly insert the glass electrode 102 into the membrane without damaging the oocyte 601. Since the membrane potential of the normal oocyte 102 is about −20 mV, the control computer recognizes that the glass electrode 102 has been inserted into the oocyte 601 by detecting a potential of about −20 mV.
[0052]
As shown in (e), the glass electrode 103 is also inserted into the oocyte 601 membrane by repeating the operations (a) to (d). After the two glass electrodes 102 and 103 are inserted into the oocyte 601, the control computer sends a signal for fixing the membrane potential to −60 mV to the electrophysiological measurement circuit unit 109, thereby setting the membrane potential to −60 mV. Fix it.
[0053]
As described above in detail, in this embodiment, the insertion of the two glass electrodes 102 and 103 into the oocyte 601 can be performed using only the electrical signal obtained from the glass electrodes 102 and 103, and histamine administration is further performed. It is possible to detect a current change in response to.
[0054]
Next, three methods of grounding when performing electrophysiological measurement using the 96-hole oocyte holding plate 111 will be described below.
[0055]
6 is a plan view showing the shape of a 96-hole plate ground electrode used in the embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a partial perspective view of the 96-hole oocyte plate ground electrode shown in FIG. . FIG. 6 shows a 96-hole plate ground electrode 301 to be combined with the 96-hole oocyte holding plate 111. The material of the ground electrode 301 for the 96-hole plate is copper or aluminum, and silver plating is applied after it is formed. Further, the 96-well plate ground electrode 301 plated with silver is immersed in a 150 mM sodium chloride solution and left to stand for 24 hours or more in a state where a direct current of about 1.5 V flows, so that silver and chloride ions are removed. A silver chloride film is formed on the surface of the 96-hole plate ground electrode 301 by reaction. The main component of extracellular fluid in the body is NaCl, and if there is a chemical substance (in this case, silver chloride) that has common ions between the silver electrode and the NaCl solution, the generation of polarization voltage can be prevented and measured. The above electrical noise can be reduced.
[0056]
FIG. 7 is a diagram of the 96-hole plate ground electrode 301 as viewed obliquely from above. The 96-hole plate ground electrode 301 has a ground portion 302 that extends independently of each cell 202, and the ground portion 302 is folded along a side surface of the cell 202 at an angle of 45 degrees. For this reason, it is possible to ground all 96 cells 202 by grounding the 96-hole plate ground electrode 301 at one location. In addition to the above method, the ground electrode can be directly patterned on the 96-hole oocyte holding plate 111 to be grounded.
[0057]
FIG. 8 is a diagram showing a method of creating a 96-hole oocyte holding plate made of agar used in the embodiment of the present invention and grounding. In the method described below, an oocyte holding plate 405 made of agar is prepared and grounded. Agar 402 that has been heated and made into sol in advance is poured into the container 403. Next, a 96-well oocyte holding cell mold 401 is immersed in a sol agar 402 and fixed. After standing for a certain period of time, the sol agar 402 is cooled to room temperature and gelled. When the mold 401 is removed from the gelled agar 404, the gelled agar 404 is molded into a shape capable of holding an oocyte, and a 96-well oocyte holding cell 405 made of agar can be created. Since the gelled agar 404 contains an aqueous solution sufficient for energization in the gel, it is possible to ground the 96 individual cells at once by arranging the ground electrode 406 at any location on the agar. is there. Therefore, by using the 96-well oocyte holding cell 405 made of agar, electrophysiological measurement can be easily and continuously performed without adding a complicated ground electrode. Disposable agar containers are much cheaper than plastic containers.
[0058]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example in which each cell is grounded by moving the ground electrode in the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 9, the earth electrode is moved along with the glass electrode, whereby the earth is taken in the electrophysiological measurement in each cell. The ground electrode 503 is fixed through the support 502 near the tip of the glass electrode 103. The ligand administration microsyringe 126 is fixed to the glass electrode 102 while maintaining an offset.
[0059]
When the glass electrode 103 is moved toward the oocyte 601, the ground electrode 503 comes into contact with the solution surface 603. When the ground electrode 503 contacts the solution 603, the glass electrode 103 is energized and the offset potential is removed. Similarly, the glass electrode 102 can be grounded. By attaching the ground electrode 503 to the glass electrode 103, it is possible to stably ground a plurality of cells without adding a complicated ground electrode. Also, instead of attaching the ground electrode 503 to the glass electrode 103, a ground electrode driving motor for newly moving the ground electrode 503 on one axis is prepared. This solves the problem that measurement errors are likely to occur because the two glass electrodes, ground electrode, and syringe for ligand administration on the membrane surface of the oocyte during histamine administration are very close together. It is also possible to ground in a stable state.
[0060]
FIG. 10 is experimental data showing a reaction when histamine is administered to an oocyte using the electrophysiology automatic measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 10 shows an example of the result of performing automatic measurement after administration of histamine by fully fixing the membrane potential to an oocyte expressing a histamine receptor. The membrane potential of the cell is fixed at the time indicated by the arrow (e) through the state of the different positions (a) to (e) of the glass electrode described in FIG. 5, and 1 μM at the time indicated by the arrow (f). This is a result of automatically measuring the current response emitted from the oocyte by administering 5 μL (liter) of histamine.
[0061]
In the measurement shown in FIG. 10, it takes about 180 seconds to measure one oocyte. However, the measurement time can be greatly shortened by speeding up the movement of the glass electrode and the stage, and by inserting two glass electrodes into the oocyte at the same time. Further, in the example shown in FIG. 10, confirmation of the membrane potential is confirmed in 20 seconds, but this can be omitted. Furthermore, if only the histamine concentration is measured, it is sufficient to detect only the peak value of the generated inward current (current peak at the point of about 130 seconds in the example shown in FIG. 10). Can be omitted. Therefore, measurement of one oocyte within 60 seconds can be easily achieved.
[0062]
According to the electrophysiology automatic measuring apparatus of the present invention, a glass electrode is inserted fully automatically into each of a plurality of oocytes expressing a receptor by gene transfer, the potential is fixed, and the corresponding ligand is added. Current response when administered can be measured. As a result, for example, allergy-related diagnosis can be accelerated, and a large number of samples can be diagnosed in a short time. Furthermore, by introducing the 7-transmembrane receptor gene whose function is unknown into the oocyte and automating the screening of the corresponding ligand against the oocyte expressing the unknown receptor, Efficiently perform functional analysis search for large-scale genes.
[0063]
【The invention's effect】
According to the electrophysiology automatic measuring apparatus of the present invention, the burden on the measurer can be reduced by automating routine work, the measurement can be speeded up, and a large number of measurements can be performed in a short time. There is an effect that high data can be acquired.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an electrophysiology automatic measurement apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a configuration example of an electrophysiology automatic measuring apparatus for performing allergy diagnosis according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration example of a 96-hole oocyte holding plate used in an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of the 96-hole oocyte holding plate shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a method for controlling insertion of a glass electrode into an oocyte in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view showing the shape of a 96-hole plate ground electrode used in an embodiment of the present invention.
7 is a partial perspective view of the 96-hole oocyte plate ground electrode shown in FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing a method for preparing a 96-well oocyte holding plate made of agar used in an embodiment of the present invention and grounding it.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example for grounding each cell by moving a ground electrode in the embodiment of the present invention.
FIG. 10 is experimental data showing a reaction when histamine is administered to an oocyte using the electrophysiology automatic measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... XY stage, 102,103 ... Glass electrode, 104,105 ... Glass electrode drive motor, 107 ... Motor drive controller, 108,108 '... Control computer, 109 ... Electrophysiological measurement circuit part, 111 ... 96 holes Plate for holding oocyte, 116 ... stereo microscope, 121 ... computer for measurement recording, 125 ... motor for driving microsyringe, 126 ... microsyringe for ligand administration, 202 ... cell, 203 ... hemisphere, 301 ... for 96-well plate Earth electrode, 302 ... Earth part, 401 ... Mold, 402 ... Soled agar, 404 ... Gelled agar, 405 ... Oocyte holding plate made of agar, 127, 502 ... Support, 406 ... Inserted into agar Earth electrode, 503... Earth electrode fixed to the support, 604. Earth Electrode, 603 ... Solution surface, 601 ... Oocyte, 803 ... Plate stacker, 805 ... Reaction vessel, 806 ... Reaction disk, 809 ... Belt conveyor, 810 ... Motor.

Claims (3)

遺伝子を発現させた卵母細胞を保持するセルを複数個有する容器を保持するステージを移動させて,前記複数のセルに保持された卵母細胞のうち第1の卵母細胞の位置決めを行なう工程と、
前記第1の卵母細胞へのガラス電極の挿入を、ガラス電極から発する電気信号に基づいて,前記セル内の溶液面への接触,前記第1の卵母細胞の膜表面への接触,前記第1の卵母細胞の膜内への挿入を検出して行う工程と、
前記第1の卵母細胞の膜内への挿入を検出した後、前記第1の卵母細胞の膜電位を所定の値に固定する工程と、
前記膜電位の固定を検出した後、前記第1の卵母細胞に化学物質を投与する工程と、
前記第1の卵母細胞の前記化学物質に対する応答を、電流値を計測して測定する工程とを有することを特徴とする電気生理自動計測方法。
A step of positioning a first oocyte among the oocytes held in the plurality of cells by moving a stage holding a container having a plurality of cells holding the oocytes expressing the gene; When,
The insertion of the glass electrode to the first oocyte, based on Hassu that electrical signals from the glass electrode, the contact of the solution surface in the cell, contacting the membrane surface of the first oocyte Detecting the insertion of the first oocyte into the membrane; and
After detecting insertion into the first oocyte membrane, and fixing the membrane potential of the first oocyte to a predetermined value,
Administering a chemical to the first oocyte after detecting fixation of the membrane potential;
And a step of measuring a response of the first oocyte to the chemical substance by measuring a current value .
請求項1記載の電気生理自動計測方法において、前記第1の卵母細胞の膜表面に圧力をかけた状態でガラス電極を振動させ、前記第1の卵母細胞にガラス電極を挿入することを特徴とする電気生理自動計測方法。2. The automatic electrophysiology measurement method according to claim 1, wherein a glass electrode is vibrated in a state where pressure is applied to a membrane surface of the first oocyte, and the glass electrode is inserted into the first oocyte. A characteristic electrophysiology automatic measuring method. 請求項1記載の電気生理自動計測方法において、前記セル内の溶液面への接触の後、オフセット電位を除去する工程を有することを特徴とする電気生理自動計測方法。  2. The electrophysiology automatic measurement method according to claim 1, further comprising a step of removing an offset potential after contact with the solution surface in the cell.
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