JP6547625B2 - 膜小胞回収デバイス、膜小胞回収方法、及び膜小胞分析方法 - Google Patents
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Description
本願は、2013年10月25日に日本に出願された特願2013−222751号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
エキソソームは、蛋白質、mRNA、マイクロRNA(miRNA)、DNAなどを内部に包含し、細胞間を移動することにより移動先の細胞に情報を伝達できることが知られた膜小胞である。例えば、がん細胞由来のマイクロRNAを含むエキソソームを受容した細胞において、免疫機能が活性化したり、転移能を獲得したりすることが知られている。
たとえば、特許文献1、3には、エキソソーム内のmiRNAを分析し、がん又は有害な妊娠転帰を診断することが開示されている。
特許文献2には、siRNA(small interfering RNA)またはmiRNA治療薬による治療の効率を決定するために各RNAを測定することが開示されている。
特許文献4には、心血管系イベントを発症するリスクの指標となる蛋白質マーカーを検出することが開示されている。
特許文献5には、免疫反応性の自己抗体のレベルを測定し、がんや不妊症など自己抗体産生に関連する疾患を診断することが開示されている。
特許文献6には、尿中エキソソームのアクアポリン1を測定することにより小胞体ストレス応答および該応答に関連する腎疾患を検出することが開示されている。
また、超遠心分離や密度勾配超遠心分離などは、エキソソームを分離するための作業手順が煩雑であり且つ分離精製に長時間を要する。
また、エキソソームを簡便に分離する従来の分離キットは、エキソソームの精製が不十分で分析の信頼性に劣る。
また、エキソソームを分析するためにエキソソームの膜構造を破壊することがあるが、この場合、エキソソームの内容物はエキソソームの破壊過程で希釈されてしまう。希釈された状態のエキソソームを破壊することによって得られる産物を濃縮しようとすると、濃縮過程で変性したり失われたりする成分があり得るので、濃縮は困難である。また、エキソソームの蛋白質を解析対象とする場合、核酸と異なり解析対象の蛋白質をin vitroで増幅することができないので、できるだけ希釈せずにエキソソームの分析をすることが求められている。
本発明の第1実施形態について説明する。図1は、本実施形態の膜小胞回収デバイスを示す斜視図である。図2は、図1に符号Xで示す部分の拡大図である。図3は、図2のA−A線における模式的な断面図である。
反応基体2は、表面3に複数の凹部4が形成された板状部材である。反応基体2において、凹部4の開口端4bと表面3とは疎水性である。本実施形態では、反応基体2はガラスまたはシリコン製である。凹部4となる微細ウェルは、反応基体2の表面がジシラザン処理により疎水性処理された後に、反応基体2の表面に作製されている。本実施形態では、凹部4の内壁面4aは親水性である。
凹部4において、融合膜5の疎水部、凹部4の開口端4b、及び疎水性の表面3が結合している。
まず、反応基体2を成形する。反応基体2は、図4に示すように、板状のガラス若しくは板状の樹脂部材からなる母材9に対して、エキソソーム11等の膜小胞が収納可能な大きさを有する凹部4をアレイ状に配置することにより成形される。凹部4のアレイは、成形型を用いた母材9への転写や、母材9の切削等によって母材9に形成される。
凹部4は、例えば1μmの直径、1μmの深さを有する形状であってもよい。
また、母材9が親水性の材料から形成される場合には、凹部4が成形された後に母材9の外面に対して疎水化処理を行う。疎水化処理は、たとえば、母材9の外面に対するジシラザン処理などの表面改質である。
融合膜5を反応基体2に結合させるためには、まず、図7に示すように、反応基体2を水槽100内に保持し、上記の2次元固体膜10を水面上に形成する。続いて、図8に示すように、水面上の2次元固体膜10を固体状態に保ったまま、水槽100中の反応基体2を水槽100から引き上げる。このとき、反応基体2において凹部4が形成された表面3が鉛直となるように反応基体2を引き上げることで、2次元固体膜10が、反応基体2の表面3の凹部4を覆うように、反応基体2の表面3に付着する。このとき、図9に示すように、反応基体2に付着した2次元固体膜10は、融合膜5の第一層6となる。
2次元固体膜10が凹部4を覆って反応基体2の表面3に付着したあと、再び、図10に示すように、反応基体2が水槽100中に挿入される。このとき、水面には、上記の2次元固体膜10が存在する。
図11に示すように、反応基体2が水槽100中に挿入されることにより、水面に形成された2次元固体膜10の疎水部10bと第一層6の疎水部6bとが接し、融合膜5の第二層7が反応基体2の表面3で凹部4を覆うように形成される。
融合膜5の第一層6及び第二層7が反応基体2の表面3に形成された後、図12に示すように、2次元固体膜10を水面から除去し、その後膜小胞回収デバイス1を水槽100から引き上げる。このとき、反応基体2の表面3のうち凹部4でない部分では、融合膜5の第一層6における親水部6aが疎水性処理をした表面3に対して結合力が弱いことにより、融合膜5の第一層6が表面3から外れる。すると、凹部4の開口端4b近傍の部分と、融合膜5の疎水部6bとが結合(図3A参照)する。このため、複数の凹部4は融合膜5によってそれぞれ個別に塞がれる。また、融合膜5の疎水部7bは表面3に結合(図3B参照)した状態となる場合もある。この場合でも、複数の凹部4は塞がれる。
すなわち、反応基体2は、凹部4が形成された中間層2Aと、中間層2Aを間に挟む一対の外層2Bとを有し、中間層2Aに形成された凹部4に融合膜5が形成されていてもよい。このとき、反応基体2に設ける脂質二重膜の形成方法としては、上記の方法によるほか、日本国特開2009−128206号公報に記載される方法などが利用できる。
このような構成の器具は、たとえば、日本国特開2009−128206号公報に記載の方法により平面上に設けられた液滴表面に脂質二重膜を形成することで製造し得る。具体的には、図14A及び図14Bに示す外層2Bの間に充填物8を流し込んだあと、脂質溶液入りの有機溶媒を流し込み、最後に溶解物を含まない緩衝液を流し込む。これによって、充填物8の外面を覆う脂質二重膜から形成される融合膜5を形成できる。この際、融合膜5は、反応基体2の疎水部4Bの疎水度、溶質の種類により図14A若しくは図14Bに示すいずれかの形状をとる。
図15から図17は、膜小胞回収デバイス1を使用した膜小胞回収方法を説明するための図である。
本実施形態の膜小胞回収方法は、生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞を本実施形態の膜小胞回収デバイス1に回収する膜小胞回収方法である。
本実施形態においては、膜小胞の回収の例として、エキソソーム11を回収する例を示す。
凹部4がアレイ状に配置された反応基体2においては、各凹部4を塞ぐ脂質二重膜から形成される融合膜5が各凹部4の内壁面4a(図3A及び図3B参照)に結合している。このため、エキソソーム11などの膜小胞が融合膜5に近接すると、膜融合を経て、エキソソーム11などの膜小胞の内容物が凹部4の内部へ移動する(図17参照)。膜小胞の内容物が凹部4の内部へ移動する過程において、エキソソーム11の内部と凹部4の内部が連通した状態で、エキソソーム11の内部と外界とは脂質二重膜により仕切られている。このため、エキソソーム11の内容物は外界へは拡散せず、エキソソーム11の融合後、凹部4は、エキソソーム11の内容物が収容されて脂質二重膜で塞がれ閉ざされた容器となる。
本実施形態の膜小胞回収デバイス1は、エキソソーム11などの膜小胞を凹部4内にトラップし、エキソソーム11の構成要素である分子を分析可能である。
本実施形態では、膜小胞回収デバイス1の融合膜5にエキソソーム11などの膜小胞を融合させることで、エキソソーム11の内容物は充填物8内に保持され、エキソソーム11の膜蛋白質や膜脂質は融合膜5上に保持される。
このため、各凹部4においてエキソソーム11の構成要素に対する分析ができる。たとえば、融合膜5上に保持された膜貫通蛋白質等に対する分析としては、イムノアッセイが挙げられる。具体的な分析方法の例としては、エキソソーム11に多く発現していることが知られているCD9,CD63,及びCD81の定量が挙げられる。CD9,CD63,及びCD81は、エキソソーム11が融合膜5と融合することで融合膜5上に保持され、抗CD9抗体,抗CD63抗体,及び抗CD81抗体を用いてそれぞれ定量可能である。
本発明の第2実施形態について説明する。図18は、本実施形態の膜小胞回収デバイスを示す模式的な断面図で、図2のB−B線と同様の線における断面図である。図19は、図18の模式的な拡大図である。
図18及び図19に示すように、本実施形態の膜小胞回収デバイス1Aは、第1実施形態で説明した反応基体2に代えて、反応基体2とは材質が異なる反応基体2Aを備える。
本実施形態では、反応基体2Aの表面3Aは親水性である。たとえば、本実施形態の反応基体2Aは親水性の材料により形成される。なお、反応基体2Aの母材が疎水性の材料から形成される場合には、凹部4が成形された後に母材の外面に対して親水化処理を行う。親水化処理は、たとえば、母材の外面に対するプラズマ処理などの表面改質である。
本実施形態では、融合膜5の親水部が反応基体2Aの表面3Aに好適に結合する。このため、融合膜5は、反応基体2Aの表面3Aに沿う面状に形成され、複数の凹部4を塞ぐ一続きの膜状に形成される。
このような構成であっても上記第1実施形態と同様の効果を奏する。
本発明の第3実施形態について説明する。図20は、本実施形態の膜小胞回収デバイスを示す模式的な拡大断面図である。
図20に示す本実施形態の膜小胞回収デバイス1Bは、融合膜5が、膜小胞と融合膜5との融合を促進する膜電荷調整物質12を含む。
膜電荷調整物質12は、膜破壊性ペプチド、膜融合性ポリマー、pH感受性ポリマー、及びウィルス由来膜融合蛋白質のうち少なくとも1つを含む。
本実施形態の膜小胞回収デバイス1Bにおいては、エキソソームを含んだ溶液を融合膜5に接触するように添加したときに、融合膜5に組み込まれた膜電荷調整物質12が融合膜5の膜電荷を調整し膜小胞に対する膜融合を促進する。
本実施形態では、上記第1,2実施形態と比較して、エキソソームなどの膜小胞の回収効率がさらに高い。
本発明の第4実施形態について説明する。図21は、本実施形態の膜小胞回収デバイスを示す模式的な拡大断面図である。
図21に示す本実施形態の膜小胞回収デバイス1Cは、充填物8が、溶媒13と、溶媒13に含まれた生化学分析用反応試薬14とを含む。生化学分析用反応試薬14は、核酸分析試薬、インベーダー反応試薬、蛋白質分析試薬、脂質分析試薬、イムノアッセイ試薬、及びホモジニアス抗原抗体反応用試薬のうちの少なくとも1つを含む。
また、本実施形態では、生化学分析用反応試薬14が、溶媒13としての水系バッファーに溶解された状態で充填物8が形成されてもよいし、ゲルあるいはゾルに加工されて充填物8が形成されてもよい。充填物8がゲルあるいはゾルであると、膜小胞回収デバイス1Cの製造時に水槽100(図7参照)内に反応基体2を入れたときに生化学分析用反応試薬14が水槽100内に拡散しにくい。
本実施形態の膜小胞分析方法は、生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞の内容物若しくは膜蛋白質若しくは膜脂質を凹部4内で分析する方法である。
本実施形態では、上記第1実施形態で説明したのと同様に、エキソソーム等の膜小胞を融合膜5に融合させる。
さらに、分析に必要となる試薬を予め凹部4内に含ませておくことにより、凹部4内に取り込まれた分析対象物に対する生化学的反応を速やかに実施することが可能である。このため、実験系において活性が失われるのが早い物質などに対する分析を簡便に行うことができる。
また、融合膜5上のテトラスパニンの検出と凹部4内での生化学分析とをあわせて行うことにより、反応基体2上の複数の凹部4のうち、エキソソームが入っている凹部4とエキソソームが入らなかった凹部4とを区別し、エキソソームが入っている凹部4のみを対象とした生化学分析結果を得ることができる。
なお、各凹部4におけるテトラスパニンを定量することによって、一つの凹部4に対して何個のエキソソームが入っているかを推定することもできる。
次に、上記実施形態の変形例について図21を参照して説明する。
本変形例では、図21に示す生化学分析用反応試薬14は、上記の試薬に加えて、pH指示薬をさらに含む。本変形例では、反応基体2上の複数の凹部4のうち、エキソソーム11が入っている凹部4とエキソソーム11が入らなかった凹部4とをpH指示薬を用いて区別することができる。
また、凹部4の容積及びpH指示薬の量が各凹部4において一定になるように構成された膜小胞回収デバイス1を用いれば、一つの凹部4に対して何個のエキソソーム11が入っているかをpH指示薬を用いて推定することもできる。
本発明の第5実施形態について説明する。図22は、本発明の第5実施形態に係る膜小胞体回収デバイス1Dの断面図である。本実施形態に係る膜小胞体回収デバイスは、凹部4を有する基材(反応基体)2Cと、平滑な基材(反応基体)2Dとで構成されている。また、本実施形態に係る膜小胞体回収デバイスは、2つの基材の間に設けられた流路15を備えている。流路15は液体を凹部4に送液可能である。流路15を通じて充填物8が凹部4に充填され、脂質溶液を含む有機溶媒が凹部4に送液される。この後にさらに、水系の溶媒17が凹部4に送液される。これによって、図23に示すように、充填物8を覆い、凹部4を塞ぐ融合膜5を各凹部4に結合させることができる。この水系の溶媒17は、図14A、14Bに記載された緩衝液16のように、融合膜5の親水部が水系の溶媒に向く構成を有すれば、特に溶媒の種類は問わない。例えば、血清、血液等のサンプル、試薬、バッファーなどの水溶液が挙げられる。また、水系の溶媒は、膜小胞体を含んでいても良い。
インプリントにより直径1μm、深さ1μmの微細孔(ウェル,凹部)をアレイ状に配置したPDMS製の平板を作製し、プラズマ発生装置でプラズマ処理を行いウェル部だけを親水化処理した。平板は1辺1cm、厚さ5mmとし、9×10^6ウェルを中央に配置した。ウェルへインベーダー反応試薬(1μM アレルプローブ、0.4μM インベーダーオリゴ、1μM FAM標識アーム、20μM MOPS pH7.5、15mM NaCl、6.25mM MgCl2、50U/μL クリベース)を充填するために、平板上に試薬溶液5μLを滴下しカバーグラスで覆い、減圧下でウェル内部に試薬溶液を注入後、カバーグラスを剥がして風乾した。
エキソソームのモデルとして、基質となるオリゴヌクレオチドをリポソーム試薬(ライフテクノロジー社、リポフェクタミン)で封入後段階希釈し、試料溶液を得た。その後、上記(1)のインベーダー反応試薬充填ウェル平板上に試料溶液を滴下し、カバーグラスを載せ軽く押し付け、62℃のオーブンにて15分間インキュベートした。反応後のウェルを蛍光顕微鏡(ツァイス社、AX10)、対物レンズ(EC Plan−Neofluar 40× oil NA1.3)、光源(LEJ社、FluoArc001.26A Usable with HBO 10)、センサー(浜松ホトニクス社、EM−CCD C9100)、フィルター(オリンパス社、U−MNIBA2)、解析ソフト(浜松ホトニクス社、AQUACOSMOS 2.6:露光時間 64.3ms、EMゲイン 180、オフセット 0、ビニング ×1)にて蛍光量を測定(5ウェルを選び、21ピクセルの蛍光量の平均値を求めた)すると共に、蛍光を発するウェル数を計測した。その結果、リポソーム量に応じて一定量の蛍光を発するウェル数が増加することが確認された。
0.5mm厚のガラス基材にCYTOP(旭硝子社製)をスピンコートし、180℃で3時間熱硬化させ、フォトリソグラフィー技術を使って直径5μmの微小孔(ウェル,凹部)を100万個持つ微小孔チップを作製した。微小孔チップとの隙間が100μmとなるように、微小孔チップの上部に送液ポート付きのガラス基材を設置した。これにより、2つの基材の間に設けられた流路を作製した。流路は微小孔に液体を送液可能である。インベーダー反応試薬(1μM アレルプローブ、0.4μM インベーダーオリゴ、1μM FAM標識アーム、20μM MOPS pH7.5、15mM NaCl、6.25mM MgCl2、50U/μL クリベース)をサンプルポートより凹部に送液し、脱気することで微細な凹部に反応試薬を充填した。凹部に、DOPEとDOPGとの混合脂質を4mg/mlになるように溶解したヘキサデカンを 40μL送液した。凹部にバッファー(20μM MOPS pH7.5、15mM NaCl、6.25mM MgCl2)を40μL送液した。
エキソソームのモデルとして、基質となるオリゴヌクレオチドをリポソーム試薬(ライフテクノロジー社、リポフェクタミン)で封入し、試料溶液を得た。その後、上記のインベーダー反応試薬が充填されたウェル上に試料溶液を送液し、さらにオイルを送液することで試料溶液を液滴化した。その後、62℃のオーブンにて15分間インキュベートした。反応後のウェルを蛍光顕微鏡にて蛍光量を測定した。測定結果を図23に示す。
たとえば、上記実施形態3,4,及び5において、上記第1実施形態で説明したように融合膜5の疎水部7bが反応基体2の表面3に結合していてもよい。
また、上述の各実施形態において示した事項は適宜に組み合わせて構成することが可能である。
また、本発明は、膜小胞の構成要素の分析に利用できる。
2 反応基体
3 表面
4 凹部
5 融合膜
6 第一層
6a 親水部
6b 疎水部
7 第二層
7a 親水部
7b 疎水部
8 充填物
9 母材
10 2次元固体膜
10a 親水部
10b 疎水部
11 エキソソーム
12 膜電荷調整物質
13 溶媒
14 生化学分析用反応試薬
Claims (16)
- 液性の充填物と、
前記充填物が接する状態で前記充填物を保持可能な複数の保持部が形成された表面を有する反応基体と、
複数の前記保持部の各々において、前記充填物の外周を、前記充填物が前記保持部に接する部位を除いて覆う脂質二重膜を有する融合膜と、
を備え、
前記充填物は、複数の前記保持部の各々において、前記保持部および前記融合膜に覆われており、
膜小胞と前記融合膜とが融合することにより前記膜小胞の内容物が前記充填物に混合される、
膜小胞回収デバイス。 - 請求項1に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記保持部は前記反応基体に形成された凹部であり、
前記融合膜は、前記凹部において前記表面と前記凹部との境界を形成する開口端に接し、前記凹部を塞ぐように前記反応基体に設けられ、
前記充填物は前記凹部内に充填されている膜小胞回収デバイス。 - 請求項2に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記融合膜は、前記凹部の内壁面のうち前記開口端に沿う部分に結合され前記複数の凹部の各々を個別に塞ぐように前記反応基体に複数設けられている膜小胞回収デバイス。 - 請求項3に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記反応基体は少なくとも前記内壁面が疎水性であり、前記融合膜の疎水部と前記内壁面とが結合している膜小胞回収デバイス。 - 請求項2に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記融合膜は、前記表面に沿う面状に形成され、前記複数の凹部を塞ぐ一続きの膜状に形成される膜小胞回収デバイス。 - 請求項2に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記融合膜は、生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞と前記融合膜との膜融合を促進する膜電荷調整物質を含む膜小胞回収デバイス。 - 請求項6に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記膜電荷調整物質は、膜破壊性ペプチド、膜融合性ポリマー、pH感受性ポリマー、及びウィルス由来膜融合蛋白質のうち少なくとも1つを含む膜小胞回収デバイス。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記充填物は、溶媒と、前記溶媒に含まれる生化学分析用反応試薬と、を含む膜小胞回収デバイス。 - 請求項8に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記生化学分析用反応試薬はpH指示薬を含む膜小胞回収デバイス。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の膜小胞回収デバイスであって、
前記充填物はゲルあるいはゾルである膜小胞回収デバイス。 - 請求項1に記載の膜小胞回収デバイスであって、
複数の親水部および前記親水部を囲む疎水部が形成された表面を有する反応基体をさらに備え、
前記充填物は前記親水部に設けられ、前記融合膜は、前記親水部と前記疎水部との境界において前記疎水部に結合して前記充填物を包んでいる膜小胞回収デバイス。 - 生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞を請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の膜小胞回収デバイスに回収する膜小胞回収方法であって、
前記膜小胞を含む試料を前記融合膜に接触させて前記融合膜と前記膜小胞とを膜融合させる膜小胞回収方法。 - 請求項12に記載の膜小胞回収方法であって、
前記試料を酸性にするpH調整剤を前記試料に添加した後に酸性の前記試料を前記融合膜に接触させる膜小胞回収方法。 - 生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞の内容物、膜蛋白質、若しくは膜脂質を分析する膜小胞分析方法であって、
請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の膜小胞回収デバイスの前記融合膜に前記膜小胞を融合させ、
前記膜小胞上の前記膜蛋白質若しくは前記膜脂質を前記融合膜において保持する膜小胞分析方法。 - 生体由来又は人工の小胞であって脂質二重膜に覆われた膜小胞の内容物、膜蛋白質、若しくは膜脂質を分析する膜小胞分析方法であって、
請求項8または請求項9に記載の膜小胞回収デバイスの前記融合膜に前記膜小胞を融合させ、
前記充填物内で前記膜小胞の内容物、膜蛋白質、若しくは膜脂質と前記生化学分析用反応試薬と反応させる膜小胞分析方法。 - 請求項8または請求項9に記載の膜小胞回収デバイスを用いた膜小胞分析方法若しくは請求項15に記載の膜小胞分析方法であって、
前記生化学分析用反応試薬は、核酸分析試薬、インベーダー反応試薬、蛋白質分析試薬、脂質分析試薬、イムノアッセイ試薬、及びホモジニアス抗原抗体反応用試薬のうちの少なくとも1つを含む膜小胞分析方法。
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