JP4742882B2 - Cell electrophysiological sensor and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、細胞の活動によって発生する物理化学的変化を測定するために用いられる細胞内電位あるいは細胞外電位等の細胞電気生理現象を測定するための細胞電気生理センサに関するものである。 The present invention relates to a cell electrophysiological sensor for measuring a cell electrophysiological phenomenon such as an intracellular potential or an extracellular potential used for measuring a physicochemical change generated by a cell activity.
従来、電気生理学におけるパッチクランプ法は、細胞膜に存在するイオンチャンネル機能を測定する方法として知られており、このパッチクランプ法によってイオンチャンネルの様々な機能が解明されてきた。そして、イオンチャンネルの働きは細胞学において重要な関心ごとであり、これは薬剤の開発にも応用されている。 Conventionally, the patch clamp method in electrophysiology is known as a method for measuring the ion channel function existing in the cell membrane, and various functions of the ion channel have been elucidated by this patch clamp method. And the action of ion channels is an important concern in cytology, which has also been applied to drug development.
しかし、一方でパッチクランプ法は測定技術に微細なマイクロピペットを1個の細胞に高い精度で挿入するという極めて高い能力を必要としているため、熟練作業者が必要であり、高いスループットで測定を必要とする場合には適切な方法でない。 However, on the other hand, the patch clamp method requires an extremely high ability to insert a fine micropipette into a single cell with high precision in the measurement technique, so it requires skilled workers and requires high throughput. Is not an appropriate method.
このため、微細加工技術を利用した平板型プローブの開発がなされており、これらは個々の細胞についてマイクロピペットの挿入を必要としない自動化システムに適している。 For this reason, flat-type probes utilizing microfabrication techniques have been developed, which are suitable for automated systems that do not require the insertion of micropipettes for individual cells.
例えば、2つの領域を分離するキャリアに穴を有し、このキャリアの上下に設置した電極によって電界を発生させることで細胞を穴に効率よく保持し、上下の電極間で電気的測定を行うことで細胞の電気生理的測定を可能にしたり(特許文献1参照)、平板のデバイスに複数の貫通孔を設け、ここに接着した細胞の連続層を含み、電極で電位依存性のイオンチャンネル活性を測定する技術などが開示されている(特許文献2参照)。 For example, there is a hole in the carrier that separates the two regions, and an electric field is generated by the electrodes placed above and below this carrier to efficiently hold the cells in the hole, and electrical measurement is performed between the upper and lower electrodes Can be used for electrophysiological measurement of cells (see Patent Document 1), or a plate-like device is provided with a plurality of through-holes, and includes a continuous layer of cells adhered thereto. A technique for measuring is disclosed (see Patent Document 2).
また、基板に複数設けたキャビティの内部にそれぞれ設けたマイクロエレメントと、このマイクロエレメントにつながる流路を減圧することにより細胞をマイクロエレメントに引きつけて、細胞の電気生理現象を測定する技術(特許文献3参照)、基板の平面部に穴を設け、基板に基準電極および測定電極が一体化されていることにより、細胞の電気生理現象を測定する技術(特許文献4参照)、一つのチャンネルが貫通している表面に、細胞の下面から吸引して位置決めした後、圧力差を増大させて細胞の下面一部を破裂させることにより、液体中に含まれる細胞の測定を行う方法(特許文献5参照)について開示している。 Also, a technique for measuring the electrophysiological phenomenon of cells by attracting cells to the microelements by reducing the pressure of the microelements provided inside the cavities provided on the substrate and the flow paths connected to the microelements (Patent Literature) 3), a technique for measuring a cell's electrophysiological phenomenon (see Patent Document 4) by providing a hole in the flat portion of the substrate and integrating the reference electrode and the measurement electrode on the substrate, and one channel penetrates. A method of measuring cells contained in a liquid by locating the surface by suction from the lower surface of the cell and then rupturing part of the lower surface of the cell by increasing the pressure difference (see Patent Document 5) ).
さらに、使用時に物体がオリフィスをシールし、これによって電気的に絶縁された第一および第二の空洞部が形成されるように構成し、第一および第二の空洞部にそれぞれ設置された電極間のインピーダンスの変化によって、媒体中の物体の電気的測定を行う装置(特許文献6参照)について開示している。 In addition, an electrode is arranged in the first and second cavities, respectively, so that the object seals the orifice in use, thereby forming electrically insulated first and second cavities. An apparatus (see Patent Document 6) that performs electrical measurement of an object in a medium by changing the impedance between them is disclosed.
また、基板の上に設けられた細胞保持手段を備えたウエルと、このウエルの電気信号を検出する測定用電極と、基準電極とを備えた細胞外電位測定用デバイスによって細胞外電位を測定する技術(特許文献7参照)を開示している。 In addition, the extracellular potential is measured by an extracellular potential measuring device provided with a cell holding means provided on a substrate, a measurement electrode for detecting an electric signal of the well, and a reference electrode. The technique (refer patent document 7) is disclosed.
SiO2のメンブレンの内部に設けた2.5μmの穴に、ヒト培養細胞株の一種であるHEK293細胞を保持させて高い密着性を確保して高精度に細胞外電位を測定する技術(非特許文献1参照)を開示しており、これは平板に作成された貫通孔はガラスピペットにおける先端穴と同様の役割を果たし、高精度な細胞の電気生理現象を記録できるとともに、平板の裏面側からの吸引などの方法により細胞が自動的に引きつけられ、細胞を容易に保持できるという利点を有している。 A technique for measuring extracellular potential with high accuracy by maintaining HEK293 cells, a type of human cultured cell line, in a 2.5 μm hole provided inside the SiO 2 membrane to ensure high adhesion (non-patented) Reference 1) discloses that the through hole made in the flat plate plays the same role as the tip hole in the glass pipette, and can record the electrophysiological phenomenon of the cell with high accuracy and from the back side of the flat plate. The cell is automatically attracted by a method such as suction, and has an advantage that the cell can be easily held.
また、オリフィスに物体をシールさせて、これによって電気的に絶縁された空洞間の電極インピーダンスを測定することによって、物体の状態変化を検出する装置について開示されており、物体が置かれている液体環境を迅速に除去・交換するために液体供給毛細管と液体吸引毛細管を備えた液体供給手段についても開示している(特許文献8参照)。
しかしながら、前記従来の構成では、細胞を高い密着性によって保持することで、細胞内外で発生する電位差を高精度に測定する細胞電気生理センサの細胞保持部に関する技術について開示されたものはあるものの、この細胞電気生理センサの効率的な生産を実現するための構成についてほとんど開示されていない。 However, in the conventional configuration, although there is what is disclosed about a technique related to a cell holding unit of a cell electrophysiological sensor that measures a potential difference generated inside and outside the cell with high accuracy by holding cells with high adhesion, Little is disclosed about the configuration for realizing the efficient production of the cell electrophysiological sensor.
本発明は、生産性に優れた細胞電気生理センサおよびその製造方法を実現することを目的とするものである。 The object of the present invention is to realize a cell electrophysiological sensor excellent in productivity and a method for producing the same.
前記従来の課題を解決するために、本発明は、第一の貫通孔を設けた薄板と、この薄板の周囲に設けた支持体と、第二の貫通孔と電極パターンを設けた枠体基板とからなる細胞電気生理センサであって、第二の貫通孔の内部に支持体を設置する際、支持体の外形の大きさが収縮する機能を設けて、前記支持体の外形より小さな第二の貫通孔の内部に嵌合して設置した構成とするものである。 In order to solve the conventional problems, the present invention provides a thin plate provided with a first through hole, a support provided around the thin plate, and a frame substrate provided with a second through hole and an electrode pattern. A cell electrophysiological sensor comprising: a second body smaller than the outer shape of the support body, wherein the support body has a function of contracting the outer shape of the support body when the support body is installed inside the second through-hole. It is set as the structure fitted and installed in the inside of this through-hole.
本発明の細胞電気生理センサおよびその製造方法は、枠体基板への薄板および支持体によって構成される微少な形状を有するセンサチップのマウントが容易で、且つ確実な設置を実現できることから、特に効率よく生産することができる細胞電気生理センサおよびその製造方法を提供することができる。 The cell electrophysiological sensor and the method for producing the same according to the present invention are particularly efficient because a sensor chip having a minute shape constituted by a thin plate and a support on a frame substrate can be easily mounted and can be reliably installed. A cell electrophysiological sensor that can be produced well and a method for manufacturing the same can be provided.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサについて、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the cell electrophysiological sensor according to
図1は本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの上面図であり、図2はその断面図であり、図3は分解断面図である。また、図4はセンサチップの上面図であり、図5はその断面図であり、図6は別の例のセンサチップの上面図である。
1 is a top view of a cell electrophysiological sensor according to
図1〜図3において、1はシリコンなどの加工性に優れた基板からなる薄板であり、内部に少なくとも一つの第一の貫通孔2を形成しており、この薄板1の周囲にはシリコンなどの加工性に優れた材料からなる支持体4が接合手段によって一体化している。そして、5は樹脂などの成型性に優れた枠体基板であり、この枠体基板5の内部には第二の貫通孔6を形成しており、この第二の貫通孔6の内部へ薄板1および支持体4からなるセンサチップをマウントしている。
1 to 3,
また、前記枠体基板5には第一の電極7および第二の電極8をセンサチップを中心として対向配置するように設けており、これらの電極7,8によって薄板1で仕切られた領域間の電位や電流を測定することができる構成となっている。
The frame substrate 5 is provided with a first electrode 7 and a
なお、第一の電極7は第一の電極パターン12に接続しており、第二の電極8は枠体基板5のスルホール電極11を介して枠体基板5の上面に設けた第二の電極パターン13に接続している。また、薄板1の上下の空間に培養液あるいは薬液などを貯留するために、それぞれ第一の容器9および第二の容器10を接合して設けている。
The first electrode 7 is connected to the
以上のような構成を有する細胞電気生理センサにおいて、図3に示す組み立て前において、第二の貫通孔6の内径は薄板1および支持体4の外形よりわずかに小さく設計している。そして、図4に示すように支持体4の一端には薄板1を設けた支持体4の他端に向かってスリット3を複数形成している。このような複数のスリット3を設けた支持体4の構造によって、図2および図3に示すように支持体4および薄板1を第二の貫通孔6の内部へ嵌合したとき、支持体4は複数のスリット3が第二の貫通孔6の形状に沿って収縮することができるので、支持体4の外形より小さな第二の貫通孔6の内部へ確実に嵌合することによって固定している。
In the cell electrophysiological sensor having the above-described configuration, the inner diameter of the second through-
このような細胞電気生理センサは一般的に細胞の大きさは数μm〜数十ミクロンと微少な形状を有していることから、これに用いるセンサチップの形状もμmレベルの寸法形状を有していることが多く、そのために寸法精度を高く維持したまま、容易に作製することができる細胞電気生理センサが非常に望まれており、本実施の形態1のような構成とすることによってその要望に応えることができる細胞電気生理センサおよびその製造方法を提供することができる。 Since such a cell electrophysiological sensor generally has a very small cell size of several μm to several tens of microns, the shape of the sensor chip used therefor also has a dimensional shape of the μm level. Therefore, there is a great demand for a cellular electrophysiological sensor that can be easily manufactured while maintaining high dimensional accuracy. Therefore, the configuration as in the first embodiment is desired. It is possible to provide a cell electrophysiological sensor that can meet the above requirements and a method for manufacturing the same.
また、図4に示したようにスリット3の形状を支持体4の中心に向かって放射状に形成している。これによって、スリット3の加工形成を容易に行うことができるとともに、支持体4は適度な強度を持ちながらスリット3を収縮することができる。
Further, as shown in FIG. 4, the shape of the
また、図5に示すように、センサチップに形成するスリット3の深さは支持体4の厚みより小さくすることが好ましい。これによって、機械的強度を維持したままバネ性を高めることができる。例えば、支持体4の厚みが500μm程度の場合、スリット3の深さは200〜400μmとすることが生産性の観点から好ましい。さらに、スリット3の幅は支持体4の内径に比べて十分小さくすることが好ましい。これによって、生産性の利点を高めることができる。例えば、支持体4の内径が約500μmの場合、スリット3の幅は50μm以下とすることがセンサチップの保持強度の観点から好ましい。このような構造とすることによって、支持体4は適度なバネ性強度を持ちながらスリット3を変形収縮することができるとともに、後に述べる製造方法においても効率の良い生産性をもたらすことができる。
Further, as shown in FIG. 5, the depth of the
また、図6に示したように、スリット3の形状を支持体4の中心に向かって、渦巻き状に形成することによって、センサチップを渦巻き方向に回転させながら第二の貫通孔6の内部へ挿入嵌合するとき、容易にスリット3を収縮させながら支持体4を嵌合することができる。
In addition, as shown in FIG. 6, the
次に、図7は別の例の細胞電気生理センサの分解断面図であり、図8はその断面図である。 Next, FIG. 7 is an exploded sectional view of another example of the cell electrophysiological sensor, and FIG. 8 is a sectional view thereof.
図7および図8に示すように、第二の貫通孔6の内径を支持体4のスリット3側に行くに従ってテーパ状に小さくなるような形状とし、この第二の貫通孔6の内部へ薄板1および支持体4をマウントすることである。これによって、支持体4は確実に第二の貫通孔6の内部へ保持、密着されやすいことに加えて、支持体4を自動投入しやすいという製造上の利点を有する。
As shown in FIGS. 7 and 8, the inner diameter of the second through
次に、本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの製造方法について図面を用いて説明する。図9〜図15は本発明の実施の形態1における細胞電気生理センサの製造方法を説明するための断面図である。
Next, the manufacturing method of the cell electrophysiological sensor in
まず、図9に示すように、シリコン基板14の表面にレジストマスク15を通常のフォトリソ工程によって形成する。
First, as shown in FIG. 9, a resist
次に、図10に示すようにエッチングによって第一の貫通孔2を形成する。なお、第一の貫通孔2の形状はエッチングの種類によって代えることができ、例えばSF6、CF4などのエッチングを促進するガスとC4F8、CHF3などのエッチングを抑制するガスを混合したドライエッチングを行うことによって垂直にエッチング加工する。
Next, as shown in FIG. 10, the first through
なお、例えば図11に示したようにSF6やXeF2などのエッチングを促進するガスのみを用いてテーパ形状あるいは丸み形状としたり、あるいは図12に示したようにこれらの組み合わせにすることもできる。このような形状の第一の貫通孔2を形成することによって細胞のサイズ、形状および細胞の表面の特性に合わせて、細胞の保持性およびシール性の高いセンサチップを作製することができる。
For example, as shown in FIG. 11, only a gas that promotes etching, such as SF 6 or XeF 2, can be used to form a tapered shape or a round shape, or a combination thereof can be used as shown in FIG. . By forming the first through-
次に、図13に示すようにシリコン基板14の裏面にレジストマスク18を形成した後、図14に示すようにエッチングによってキャビティ17およびスリット3を形成する。ここでは、薄板1と支持体4を一つのシリコン基板から加工して作製しているが、薄板1と支持体4を別々の工程で作製した後、それらを接合することによって作製することも可能である。このどちらの製造方法を採用するかについてはセンサ構造と生産性の観点から適宜、選択することによって最適な製造方法を選択することができる。
Next, after forming a resist
このとき、図15に示すように上面から見たレジストマスク18にはキャビティ17を形成する開口部とスリット19を形成する開口部が形成されているが、スリット19の幅はキャビティ17の開口部より十分に小さい形状としている。このことによって、シリコン基板14をエッチングする際、スリット19とキャビティ17にはエッチングレートの差が生じ、キャビティ17を所定の深さまでエッチングしてもスリット19の深さは同じ深さとはならず、結果としてスリット19は薄板1まで到達することはないので簡単にスリット19をエッチングによって加工することができる。そして、このスリット19は支持体4を収縮させる機能を有するとともに支持体4の強度も保つことができる。
At this time, as shown in FIG. 15, the resist
なお、この時のエッチング方法としてはエッチングを促進するガスとエッチングを抑制するガスを混合して行うドライエッチングが好ましい。これによって、スリット19とキャビティ17のエッチングレートの差を大きくすることができ、効率の高い条件で生産を行うことができるという製造上の利点を有している。
As an etching method at this time, dry etching performed by mixing a gas for promoting etching and a gas for suppressing etching is preferable. As a result, the difference between the etching rates of the
次に、支持体4を枠体基板5の第二の貫通孔6の内部へ挿入して嵌合させた後、成型性に優れた高分子材料からなる第一の容器9および第二の容器10を接合させることによって細胞電気生理センサを作製することができる。
Next, after the
なお、支持体4の外形は第二の貫通孔6の内径より大きいが、支持体4にはスリット19が設けられているため、適度に収縮することができ、破壊されることなく、十分な強度を保ちながら固定設置することができる。
In addition, although the external shape of the
以上のように、本発明にかかる細胞電気生理センサおよびその製造方法は、細胞が発する物理化学的変化を電気的に検出することができる生産性に優れたセンサ構造およびその製造方法を実現することができることにより、例えばイオンチャンネルの薬剤に対する反応を高速に測定するための薬剤スクリーニング装置に用いるデバイスとして有用である。 As described above, the cell electrophysiological sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention realize a sensor structure excellent in productivity and a manufacturing method thereof capable of electrically detecting a physicochemical change emitted by a cell. Therefore, it is useful as a device used in a drug screening apparatus for measuring the reaction of an ion channel to a drug at high speed.
1 薄板
2 第一の貫通孔
3 スリット
4 支持体
5 枠体基板
6 第二の貫通孔
7 第一の電極
8 第二の電極
9 第一の容器
10 第二の容器
11 スルホール電極
12 第一の電極パターン
13 第二の電極パターン
14 シリコン基板
15 レジストマスク
17 キャビティ
18 レジストマスク
19 スリット
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