JP5590604B2 - 試料ケース、電極機構、電極機構の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、細胞外微小電極に関係し、細胞を配置または培養する試料ケース、試料ケース内の細胞を計測または刺激する電極機構、電極機構の使用方法に関する。

細胞を計測または刺激する細胞外微小電極としては、特許文献１、特許文献２、非特許文献などが知られている。これらの細胞外微小電極は、シリコンやポリイミドなどの基板材料を用いて微細加工技術によって作成される。そして、細胞外微小電極上に細胞を配置したり、細胞外微小電極上で細胞を培養したりし、細胞外微小電極で細胞を計測または刺激していた。

特開２００７−２０５７５６号公報 特開２００９−２８８０８０号公報

Stephen A. Boppart, Bruce C. Wheeler, and Chistopher S. Wallace, "A Flexible Perforated Microelectrode Array for Extended Neural Recordings",IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol.39, No.1, pp37-42, January 1992.

しかしながら、従来技術は、電極の位置が固定されていること、電極の大きさが一定であること、電極が平面上に配置されていることによって生じる課題があった。具体的には、以下のような課題がある。細胞の位置が安定しないため、計測中または刺激中に細胞と電極の位置にずれが生じることがある。しかし、従来技術では電極の位置が固定されているので、細胞の移動に合わせて電極の位置を変えることができなかった。または、細胞の移動を考慮して電極を多数配置しておく必要があった。また、電極の大きさ（面積）も固定されているので、細胞を配置した後（または培養した後）に、電極の接触面積を変更できなかった。したがって、電極の空間分解能は一定であり、計測の範囲の調整や電極インピーダンスの調整などを適切に行うことができなかった。また、刺激を与える場合には、刺激電圧や刺激電流を調整することは可能であったが、概して高めることが多く、必要以上に侵襲的な刺激電圧や刺激電流を加えてしまっていた。さらに、従来の細胞外微小電極は、平面上に配置されている。したがって、試料が球状や凹凸状などの立体的形状である場合、計測したい場所や刺激したい場所に電極が密着しないという問題があった。

本発明は、上記課題の中の細胞を配置または培養した後に電極の位置を調整できるようにすること（変更できるようにすること）を第１の目的とする。そして、上記の他の課題を解決できる方法も提案する。

本発明の試料ケースは、細胞を配置もしくは培養するための細胞配置部を有する。そして、細胞配置部は、当該試料ケースの外側と内側の方向の抵抗が他の方向の抵抗よりも十分小さい異方性導電材料で形成されている。「十分小さい」とは、計測する場合であれば、細胞配置部の内側の１点に電圧が印加されたとき（または電流が流れたとき）に、その点に対応する外側の１点に加わる電圧（または流れる電流）に比べ、その他の点に加わる電圧（または流れる電流）が計測に影響を与えないほど小さくなることを意味している。また、刺激する場合であれば、細胞配置部の外側の１点に電圧を印加したとき（または電流を流したとき）に、その点に対応する内側の１点に加わる電圧（または流れる電流）に比べ、その他の点に加わる電圧（または流れる電流）が試料である細胞に影響を与えないほど小さくなることを意味している。本発明の電極機構は、試料ケースと細胞配置部の外側の面に接触する電極とを備える。そして、接触部（電極の細胞配置部の外側の面に接触する部分）の面積が異なる複数の電極を備えればよい。また、異方性導電材料を異方性導電柔軟材料（例えば、異方性導電ゴム、異方性導電シリコン、異方性導電ウレタンなど）としてもよい。

本発明の試料ケースによれば、細胞が配置または培養される場所（細胞配置部）には、試料ケースの外側と内側（つまり細胞が接触する面）の方向の抵抗が他の方向の抵抗よりも十分小さい異方性導電材料が使われている。したがって、計測または刺激したい位置に対応する細胞配置部の外側の面の位置に電極を接触させれば、目的の位置を計測または刺激できる。また、本発明の電極機構では、接触部の面積が異なる複数の電極を備えることができる。したがって、電極の距離分解能を適宜変更でき、計測の範囲の調整や電極インピーダンスの調整などを適切に行うことができる。さらに、異方性導電材料を異方性導電柔軟材料（例えば、異方性導電ゴム、異方性導電シリコン、異方性導電ウレタンなど）とすれば、細胞配置部は試料の形状に合わせて変形できるので、試料が球状や凹凸状の立体的形状である場合でも、計測したい場所や刺激したい場所に電極を密着させやすい。そして、本発明の電極機構の使用方法では、細胞を配置した後に電極を選定、配置、移動、交換することができる。したがって、場所が安定しない細胞であっても追従できる。また、電極の不具合が生じても、電極を交換できる。したがって、長期に渡って細胞の計測や刺激が可能となる。

本発明の試料ケースの構成を示す図。 異方性導電材料の構造を示す図。 試料ケースの底面を異方性導電材料のみで形成した例を示す断面図。 ケース本体１１０の内面側に異方性導電材料１３０”を張った試料ケースの構成を示す断面図。 ケース本体１１０”が爪部１１５”を有する場合であって、異方性導電材料をケース本体１１０”の内側面に張った試料ケース構造を示す断面図。 図５の試料ケースの下部に補強部を備えた試料ケースの断面図。 本発明の電極機構の機能構成例を示す図。 試料ケースとＮ本の電極を示す側面図。 細胞配置部１２０の細胞がある部分を上から見た図。 試料である細胞を配置した場合の試料ケースの断面と電極の様子を示す図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、同じ機能を有する構成部には同じ番号を付し、重複説明を省略する。

＜試料ケース＞
図１に本発明の試料ケースの構成を示す。図１（Ａ）は試料ケース１００の斜視図、図１（Ｂ）は試料ケース１００の平面図、図１（Ｃ）は図１（Ｂ）のＡ−Ａ線での断面図である。試料ケース１００は、ケース本体１１０と異方性導電材料１３０で構成されている。この図では、異方性導電材料１３０の全体が細胞配置部１２０となっている。ケース本体１１０は、側面部１１１と底面部１１５から構成される。底面部１１５と異方性導電材料１３０とは接着されており、この例では、底面部１１５と異方性導電材料１３０とで試料ケースの底面を形成している。細胞配置部１２０は、試料となる細胞を配置する場所であり、ここで培養することもある。ケース本体１１０は、試料や使用する観察用の装置に適した大きさと形状とすればよい。例えば、顕微鏡で細胞を観察するのであれば、顕微鏡の台上に置きやすい大きさと形状とすればよい。つまり、図１では円形のシャーレのような形状としているが、この形状に限定する必要は無い。

図２は、異方性導電材料の構造を示す図である。図２（Ａ）は異方性導電材料１３０の斜視図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）の異方性導電材料の一部１３１を拡大した図である。細胞配置部１２０は、異方性導電材料１３０で形成されており、試料ケースの外側と内側の方向の抵抗が他の方向の抵抗に比べ十分小さい。つまり、この図の場合は異方性導電材料１３０の上下方向の抵抗は小さいが、水平方向の抵抗は大きい。なお、「試料ケースの外側と内側の方向の抵抗が他の方向の抵抗に比べ十分小さい」とは、計測する場合であれば、細胞配置部の内側の１点に電圧が印加されたとき（または電流が流れたとき）に、その点に対応する外側の１点に加わる電圧（または流れる電流）に比べ、その他の点に加わる電圧（または流れる電流）が計測に影響を与えないほど小さくなることを意味している。また、刺激する場合であれば、細胞配置部の外側の１点に電圧を印加したとき（または電流を流したとき）に、その点に対応する内側の１点に加わる電圧（または流れる電流）に比べ、その他の点に加わる電圧（または流れる電流）が試料である細胞に影響を与えないほど小さくなることを意味している。

異方性導電材料は、主に導電性粒子（フィラ）１３５と接着剤（バインダ）から構成されている。フィラ１３５には、金属核（ニッケルや金メッキを施したニッケルなど）を用いてもよいし、金メッキ処理した樹脂核（スチレン、アクリルなど）を用いてもよい。接着剤は非導電性の合成ゴムや樹脂であり、フィラ１３５を配列した状態で固定するために用いられる。図２（Ｂ）はフィラ１３５が上下方向に配列されている。したがって、上下方向の抵抗は小さい（例えば数Ω）が、水平方向の抵抗は大きい（例えば数ＭΩ以上）。また、試料となる細胞の大きさに合わせて粒径や配向ピッチ（フィラが配列されるピッチ）を決めればよい。例えば、神経細胞を試料とするのであれば、粒径を数μｍにし、配向ピッチを１０μｍ程度にすればよい。なお、異方性導電材料上に細胞が十分に生着しない場合は、ラミニンやポリリジンなどの生着性を高める材料を、異方性導電材料の上に固着させたものを細胞配置部としてもよい。

なお、試料ケースの構造は図１に限定する必要は無い。その他の構造を次に示す。図３は試料ケースの底面を異方性導電材料のみで形成した例を示す断面図である。この図の場合、細胞配置部１２０は試料ケースの底面全体となる。図４はケース本体１１０の内面側に異方性導電材料１３０”を張った試料ケースの構成を示す断面図である。この場合、異方性導電材料１３０”の一部が、細胞配置部１２０である。図５は、ケース本体１１０”が爪部１１５”を有する場合であって、異方性導電材料をケース本体１１０”の内側面に張った試料ケース構造を示す断面図である。この場合も、異方性導電材料１３０”の一部が細胞配置部１２０である。また、細胞配置部１２０は試料ケースの底面全体となる。図６は、図５の試料ケースの下部に補強部を備えた試料ケースの断面図である。補強部１３９は、試料の重みなどによって異方性導電材料１３０”が壊れることを防ぐために備えられてもよい。ただし、補強部１３９は、後述する電極を差し込むことができるように、非導電性の材料でメッシュ状に形成される。

＜電極機構＞
図７は本発明の電極機構の機能構成例を示す図である。図８は試料ケースとＮ本の電極を示す側面図である。電極機構２００は、試料ケース１００と電極部２１１を有する。電極部２１１はＮ本の電極２１０−１，…，Ｎ（Ｎは１以上の整数）を具備し、電極２１０−１，…，Ｎは試料ケース１００の細胞配置部１２０外側の面（図では下側の面）に接触できる位置に配置されている。そして、電極把持・移動手段（図示していない）が、電極２１０−ｎ（ｎは１以上Ｎ以下の整数）を把持し、移動させる。例えば、電極把持・移動手段は、マイクロメータなどを用いて人手で微小な位置を調整し、その位置に電極を固定できる手段とすればよい。あるいは、人が入力した数値が示す位置に自動で移動し、停止する手段であってもよい。したがって、電極を細胞配置部１２０の外側の面に接触させることや離すこともできるし、試料である細胞が移動した場合には追従して移動させることもできる。電極の本数は、同時に計測する場所の数、および刺激する場所の数から決めればよく、１本でもかまわない。また、電極は取替えも可能である。さらに、自動的に電極を移動させる電極把持・移動手段を備える場合には、電極把持・移動手段を制御するための電極制御部２２０も備えればよい。

電極２１０−ｎの細胞配置部１２０の外側の面に接触する部分である接触部２１９−ｎは、電極ごとに面積が調整されている。そして、接触部２１９−ｎの面積が異なる複数の電極の中から計測または刺激に用いる電極を選択できる。例えば、電極部２１１の電極を取り替えることによって接触部の面積を選択してもよいし、電極部２１１に具備されているＮ本の電極の中から使う電極を選択することで接触部の面積を選択してもよい。図９は、細胞配置部１２０の細胞がある部分を上から見た図である。実線で示した９０１と９０２は、試料の細胞である。また、点線で示した２１９−ａ、２１９−ｂ、２１９−ｃ（ａ，ｂ，ｃは１以上Ｎ以下の整数）は電極の接触部である。例えば、細胞９０１と９０２は直径２０μｍ、接触部２１９−ａと２１９−ｂが直径１０μｍ、接触部２１９−ｃが直径５０μｍである。接触部２１９−ａ、２１９−ｂは面積が小さいので、細胞９０１、９０２の１つずつを選択して計測したり、刺激したりできる。一方、接触部２１９−ｃは面積が大きいので、両方の試料を一緒に計測したり、刺激したりできる。細胞９０１と細胞９０２を、同時にかつ別々に計測する場合には電極２１０−ａと電極２１０−ｂとを同時に使用すればよい。また、細胞９０１と細胞９０２を一緒に刺激する場合には電極２１０−ｃを使用すればよい。また、細胞９０１が移動した場合には、電極２１０−ａを移動させればよい。

図１０は、試料である細胞を配置した場合の試料ケースの断面と電極の様子を示す図である。図１０（Ａ）は平面状の細胞の場合を、図１０（Ｂ）は立体的な細胞の場合を示している。平面状の細胞９０３を計測または刺激する場合であれば、異方性導電材料１３０は硬いものの方が適している（図１０（Ａ）参照）。一方、細胞９０４が立体的であり、計測または刺激したい位置が立体的に分布している場合は、異方性導電材料１３０は弾性がある材質がよい（図１０（Ｂ）参照）。したがって、立体的な細胞を試料とする場合には、異方性導電材料として異方性導電柔軟材料（例えば、異方性導電ゴム、異方性導電シリコン、異方性導電ウレタンなど）を使用すればよい。

＜電極機構の使用方法＞
上述のような電極機構２００を用いる場合、以下のように使用すればよい。電極２１０−ｎの接触部２１９−ｎを選択する必要がない場合には、
（１）細胞配置部１２０に細胞を配置する（または培養する）。
（２）細胞が配置された位置に対応する細胞配置部１２０の外側の面の位置に、電極２１０−ｎを接触させる。
（３）電極２１０−ｎで、細胞を計測もしくは刺激する。
また、電極２１０−ｎの接触部２１９−ｎを選択する場合には、
（１）細胞配置部１２０に細胞を配置する（または培養する）。
（２）複数の電極２１０−１，…，Ｎの中から、細胞を計測もしくは刺激する範囲と対応する接触部２１９−ｎを有する電極２１０−ｎを選択する。または、電極を、細胞を計測もしくは刺激する範囲と対応する接触部２１９−ｎを有する電極２１０−ｎに交換する。
（３）細胞が配置された位置に対応する細胞配置部１２０の外側の面の位置に、電極２１０−ｎを接触させる。
（４）電極２１０−ｎで、細胞を計測もしくは刺激する。
さらに、継続的に計測や刺激を繰り返す場合に、細胞が移動したときには、細胞が移動した位置に対応する細胞配置部１２０の外側の面の位置に、電極２１０−ｎを接触させるように調整すればよい。また、電極の接触部が汚れたときなどは、電極を取り替えればよい。

このように本発明の試料ケースによれば、細胞が配置または培養される場所（細胞配置部）には、試料ケースの外側と内側（つまり細胞が接触する面）の方向の抵抗が他の方向の抵抗よりも小さい異方性導電材料が使われている。したがって、計測または刺激したい位置に対応する細胞配置部の外側の面の位置に電極を接触させれば、目的の位置を計測または刺激できる。また、本発明の電極機構では、接触部の面積が異なる複数の電極を備えることができる。したがって、電極の距離分解能を適宜変更でき、計測の範囲の調整や電極インピーダンスの調整などを適切に行うことができる。さらに、異方性導電材料を異方性導電柔軟材料（例えば、異方性導電ゴム、異方性導電シリコン、異方性導電ウレタンなど）とすれば、細胞配置部は試料の形状に合わせて変形できるので、試料が球状や凹凸状の立体的形状である場合でも、計測したい場所や刺激したい場所に電極を密着させやすい。そして、本発明の電極機構の使用方法では、細胞を配置した後に電極を選定、配置、移動、交換することができる。したがって、場所が安定しない細胞であっても追従できる。また、電極の不具合が生じても、電極を交換できる。したがって、長期に渡って細胞の計測や刺激が可能となる。

本発明は、細胞を計測または刺激するための細胞外微小電極の分野に利用することができる。

１００ 試料ケース １１０ ケース本体
１１１ 側面部 １１５ 底面部
１１５” 爪部 １２０ 細胞配置部
１３０ 異方性導電材料 １３５ フィラ
１３９ 補強部 ２００ 電極機構
２１０ 電極 ２１１ 電極部
２１９ 接触部 ２２０ 電極制御部

Claims (9)

1. 細胞を配置もしくは培養するために、前記細胞と直接接触する細胞配置部を有する試料ケースであって、
   前記細胞配置部は、
   当該試料ケースの外側と内側の方向の抵抗が他の方向の抵抗よりも十分小さくなるように異方性導電材料を用いて形成されている
   ことを特徴とする試料ケース。
2. 請求項１記載の試料ケースであって、
   前記細胞配置部は、凹凸がない面である
   ことを特徴とする試料ケース。
3. 請求項１または２記載の試料ケースであって、
   前記異方性導電材料が、少なくとも前記試料ケースの底面全体を覆っている
   ことを特徴とする試料ケース。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の試料ケースであって、
   前記細胞配置部は前記試料ケースの底面に位置しており、
   前記細胞配置部の下に、メッシュ状の非導電性の補強部も備える
   ことを特徴とする試料ケース。
5. 請求項１記載の試料ケースであって、
   前記細胞配置部は前記試料ケースの底面に位置しており、
   前記異方性導電材料は、異方性導電柔軟材料である
   ことを特徴とする試料ケース。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の試料ケースと、
   前記細胞配置部の外側の面に接触する電極
   を有する電極機構。
7. 請求項６記載の電極機構であって、
   前記電極の前記細胞配置部の外側の面に接触する部分（以下、「接触部」と呼ぶ）の面積が異なる複数の電極を有する
   ことを特徴とする電極機構。
8. 請求項６記載の電極機構の使用方法であって、
   前記細胞配置部に細胞を配置し、
   前記細胞が配置された位置に対応する前記細胞配置部の外側の面の位置に、前記電極を接触させ、
   前記電極で、前記細胞を計測もしくは刺激する
   ことを特徴とする電極機構の使用方法。
9. 請求項７記載の電極機構の使用方法であって、
   前記細胞配置部に細胞を配置し、
   前記複数の電極の中から、前記細胞を計測もしくは刺激する範囲と対応する前記接触部を有する電極を選択し、
   前記細胞が配置された位置に対応する前記細胞配置部の外側の面の位置に、前記電極を接触させ、
   前記電極で、前記細胞を計測もしくは刺激する
   ことを特徴とする電極機構の使用方法。

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