JP5170599B2

JP5170599B2 - Ｍｅｍｓ技術を用いて製造した渦巻状微小流体チャネルおよび同心電極を有する誘電泳動細胞クロマトグラフィ装置

Info

Publication number: JP5170599B2
Application number: JP2011523780A
Authority: JP
Inventors: ハルククラー; アタツナシフトリック
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-01-20
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-01-20
Also published as: EP2318145B1; WO2010021604A1; EP2318145A1; US9409186B2; TR201101665T2; TR200806315A2; US20110240473A1; JP2012500626A; DK2318145T3

Description

本発明は、生体細胞の分離を目的とし、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術により製造した同心電極および渦巻状微小流体チャネルによって誘電泳動を行うクロマトグラフィ装置に関する。

発明に関する従来技術（先行技術）細胞の誘電泳動特性は、種々健康状態や病状に応じて変化することがある。この研究では、様々な癌に起因するこれらパラメータの変化に着目している。また、この方法により、多大な時間を要する高価な遺伝子解析法を用いない早期診断を目指している。文献においては、特定種の癌に特化したシステムもあるが、これらは、単一種類の癌（乳癌等）の診断を目的としている。また、これらのシステムは定性的に動作するものであって、定量的な結果が得られるわけではない。さらに、これらのシステムには、複雑な電極形状および電界印加法を採用しており、単独での動作が制限されている。

上記文献で紹介されている装置は、並列かつ単独では動作しない。分析が同一の条件下で同時に行われるわけではないため、分析結果の信頼性および再現性は低下する。

これに対して、本発明に係る装置は、誘電泳動法による細胞クロマトグラフィを可能にする。この装置では、２つの同心電極間に設けた渦巻状微小チャネルを用いて、細胞分離を自動的に行う。この方法により、すべての細胞を同調して分離することができる。また、この装置は、分解能を大幅に向上する特性である時間分離または置換分離として、細胞パラメータの線形変化に応答可能である。

この装置は、ガラス上でパリレン吊り下げチャネル技術により製造するため、安価でありながら高い再現性を示すとともに、商品化が容易である。また、電界特性を変化させることによって、単一標的細胞モードで動作するように調整することもできる。同様に、電界特性を調整することによって、細胞の大きさごとの分離も可能である。
この開示装置は、複数の平行な分離チャネルによって、同一の分離を同時に行うことができ、分析結果の信頼性および再現性が向上する。

発明の開発目的
本発明に係る、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極および渦巻状微小流体チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の開発においては、以下のような装置を目標としている。
・高分解能を示す
・高速性
・安価に製造可能
・低使用コスト
・低サンプル消費
・並列、同時、かつ同一条件での分離が可能
・高い再現性で製造可能
・小型かつ持ち運び可能
・使い捨て型
・複雑かつ高価な機器を追加せずに動作可能
・細胞分離によって判定可能な癌や貧血症等の疾患の診断・治療プロセスに利用可能
・電圧や印加電位の周波数スペクトルを変更することによって多目的使用が可能

また、先行技術に係る既存の機械およびシステムに提供される上述の主題がもたらす革新は、以下のように説明することができる。
・本発明を用いて開発した製品は、同心電極に設けられた渦巻状微小流体チャネルを用いることによって高い分解能を示し、細胞パラメータの変化を対数表示の分離時間に変換する。
・この高い分解能によって、パラメータが正常細胞と酷似する癌細胞の分離に使用可能である。
・また、この高い分解能によって、特定疾患の診断時間の短縮も可能であり、早期診断の実現および成功の可能性が高まる。
・高速動作が可能なため、既存の治療法（化学療法等）の有効性を判定するツールとして利用可能であり、治療プロセスの高速化にも寄与する。既存の高価かつ限定的な診断・分析法では、医師が治療期間中にこれらの制御を頻繁に行うことができない。
・この装置は、非常に低コストで製造可能であるため、多くの個人や病院が利用可能になる。また、運用コストも低いため、診断の固定費や運用コストも低く抑えられる。
・この装置は、結果を得るのに要するサンプル消費量が非常に少なくて済むため、外科手術を最低限に抑えることができる。
・同時かつ同一条件での分離が可能であることから、環境条件（サンプル量、熱、液体導電率等）の変化によって生じる誤差は抑制され、信頼性の高い結果が得られる。
・高い再現性での製造が可能であるため、製造後の校正および品質管理に要する時間やコストが削減できる。
・この装置は、小型、持ち運び可能、使い捨て型、高価かつ複雑な外部機器を用いずに動作可能といった特徴により、遠隔医療センターまたは軍隊での一体的な使用が容易である。

発明を明示する図面の説明
本発明に係る、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置を詳細に説明するために作図・添付した図面は以下の通りである。
図１は、ＭＥＭＳ技術に従って製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の平面図である。
図２は、電界効果電極の裏面斜視図である。
図３は、ＭＥＭＳ技術に従って製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の断面図である。

発明の特徴の説明
本発明による改良として、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置を詳細に説明するために作成した図面中の構成要素には、個別に番号を付与している。各番号の説明は、以下の通りである。また、図解はカラー付きで行い、これらの部分についても番号を付与している。番号を付与した各構成要素の説明についても、以下の通りである。さらに、理解が困難と思われる部分については、図面上で個別に図示したものもある。
１．外側上部電極
２．３次元形状の内側副電極
３．上部入口電極
４．副入口電極
５．渦巻状領域
６．中央間隙
７．絶縁ウェハー

図１は、ＭＥＭＳ技術に従って製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の平面図である。図２は、電界効果電極の裏面斜視図である。図３は、ＭＥＭＳ技術に従って製造した同心電極および渦巻状微小チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の断面図である。

発明の詳細な説明
本発明による改良として、ＭＥＭＳ技術に従って製造した同心電極および渦巻状微小流体チャネルを有する誘電泳動微小細胞クロマトグラフィ装置の主要な部分は、以下の４つのグループに分けられる。
・電界効果電極
・入口電極
・渦巻状領域
・中央間隙

電界効果電極は、外側上部電極（１）および３次元形状の内側副電極（２）で構成されている。これらの電極は金属膜で構成され、同心状に配置されている。３次元形状の内側副電極（２）は、放物線構造を有し、絶縁ウェハー（７）の裏面で中央間隙に向かって配置されている。外側上部電極（１）は、スペーサの上側で平面リング状に配置されている。

外部から電界効果電極に電圧を印加するための入口電極は、上部入口電極（３）および副入口電極（４）で構成されている。これらの電極は金属膜で構成され、上部入口電極（３）が絶縁ウェハー（７）の上側に配置される一方、副入口電極（４）は絶縁ウェハー（７）の下側に配置されている。また、これらの入口電極はいずれも、平面形状を有する。

渦巻状領域（５）を上から見ると、外側上部電極（１）と３次元形状の内側副電極（２）との間に配置され、渦巻状の微小流体チャネルを備えている。これらの流体チャネルは、絶縁ウェハー（７）の上側に配置されるとともに、非導電性ポリマーで互いに分離されている。また、各チャネルの上部および下部は閉鎖されている。

中央間隙（６）もまた、上部に間隙を有するチャネルであって、毛細管現象によるサンプル細胞の導入手順において、チャネル内に液体を充填する際に使用する。

動作原理
この装置は、入口電極（３、４）を介して非作動の電位源に接続する。次に、毛細管力を印加して、中央間隙（６）から微小流体チャネルに等張細胞溶液を充填する。その後、細胞培養で製造またはヘパリン化した血液サンプルを中央間隙（６）に滴下する。そして、用途に応じて交流または直流の電位源を起動する。

電圧を印加するとまず初めに、渦巻状微小流体チャネルの起点の内壁に向かって細胞が引き寄せられる。その後、分離が始まる。誘電泳動特性の差異および同心電極の形状により、時間の枠内で異なる細胞には異なる力が作用し、その結果、細胞の分離が開始する。特性が類似する細胞は、一体的に結合することにより、それぞれの誘電特性に応じて先行または後続することになる。

各細胞の分離中は、所定の電気的方法または光学的方法を採用したセンサーにより、一定箇所で細胞を監視する。これらのセンサーは、定量的方法および定性的方法によって、予め設定した一定の読み出し点までの細胞の到着時間を記録する。そして、分離の最後に、細胞到着時間のクロマトグラフが得られる。

同時かつ同一条件での分離に関しては、同じ手順を適用することによって、２つ以上の異なるサンプルが並列かつ同一条件を有する２つ以上のチャネルに分離される。得られるクロマトグラフは、比較分析する。

上記以外にも、既知の電気的特性を有する微小球を用いて、参照分離を行うことができる。この方法は、異なる時間および条件で実施する必要がある分離のランク付けに利用可能である。この場合の分離は、既知の特性を有する微小球を両サンプル中に混合して実施する。得られるクロマトグラフは、球の位置に応じてランク付けするとともに、比較分析する。

１．外側上部電極
２．３次元形状の内側副電極
３．上部入口電極
４．副入口電極
５．渦巻状領域
６．中央間隙
７．絶縁ウェハー

Claims

誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する装置であって、
１−電界効果電極、
２−入口電極、
３−渦巻状領域（５）、および
４−中央間隙（６）、
の４つのグループを有することを特徴とする装置。
誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する請求項１に記載の装置であって、
細胞に所望の電界を印加するために内側渦巻状領域（５）および前記電界効果電極を有することを特徴とする装置。
誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する請求項２に記載の装置であって、
それぞれ絶縁ウェハー（７）の上と下に配置された外側上部電極（１）および３次元形状の内側副電極（２）で構成された前記電界効果電極を有することを特徴とする装置。
誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する請求項３に記載の装置であって、
前記外側上部電極（１）は平面リング状であり、３次元形状の前記内側副電極（２）は放物線構造を有するとともに前記絶縁ウェハー（７）の裏面で前記間隙に向かって配置されており、前記電界効果電極は同心状の配置となるように形成されていることを特徴とする装置。
誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する請求項３または４のいずれかに記載の装置であって、
ポリマー壁で分離された微小流体チャネルを備え、前記外側上部電極（１）と３次元形状の前記内側副電極（２）との間で、前記絶縁ウェハー（７）の上側に配置された前記渦巻状領域を有することを特徴とする装置。
誘電泳動法による細胞分離に使用する、ＭＥＭＳ技術を用いて製造した同心電極、および、２つの同心電極間に設けられた渦巻状微小流体チャネルを有する、請求項３〜５のいずれか１項に記載の装置であって、
前記外側上部電極（１）と３次元形状の前記内側副電極（２）との間で、前記渦巻状領域の中心に配置され、上部が微小流体チャネルで構成されるとともに、毛細管力によるサンプル細胞の遷移手順において、前記チャネル内に液体を充填する際に使用する前記中央間隙（６）を有することを特徴とする装置。