JP7282301B2 - 細胞刺激装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞刺激装置に関するものである。

特許文献１は、３電極方式の電圧印加手段を利用して、電極に付着した細胞を剥離する技術を開示している。

特許５５１５０９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、３電極方式の電圧印加手段を用意し、かつ、細胞を電極上で培養する必要があることから、構成が複雑であるという課題がある。
それに対して本発明者らは電極を細胞及び培養液に接触することを要しない細胞刺激装置及び細胞刺激方法を発明し、本出願人は先に特願２０１８－１３９５９３号として出願した。
この方法を行うにあたっては、容器内の細胞に所定の強度の高周波電場を与えることが重要である。
本発明の目的は、容器内の細胞に所定の強度の高周波電場を与えることが可能な細胞刺激装置を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明の細胞刺激装置は、容器内に収納された細胞と前記細胞を浸す溶液とを挟んで対向する第１の電極及び第２の電極の間に高周波交流電場を印加可能な印加手段を備え、
前記第１の電極と前記第２の電極の間にあって該第１の電極及び第２の電極と電気的に絶縁された平板状の導体よりなる少なくとも１枚の電場整形電極を有することを特徴とする。

本発明の細胞刺激装置によれば、均一な電場によって再現性良く細胞を刺激することができる。電場内に平板状の導体を置いた場合、その導体の表面は等電位面となり、かつ電気力線がその面に垂直になるという性質がある。したがって第１電極及び第２電極の間に平板状の導体（電場整形電極）を配置することにより、第１の電極及び第２の電極だけでは均一な電場を生成することが出来ない場合にも、電場整形電極によって電場が均一に整形される。そのため、第１又は第２の電極と電場整形電極の間、又は、２つの電場整形電極の間に配置される細胞に、均一に整形された電場を作用させることが可能になる。
電場整形電極は電気的に他と完全に絶縁されていても良いが、高いインピーダンスで他の電極や接地と接続されていても良い。高抵抗で接地されている場合には摩擦帯電などによって生じる不要な直流電場が印加されるのを防ぐことができるという利点がある。そのようにするには、例えば、電場整形電極を支持する部材を高抵抗の導電性プラスチックで構成することなどが有効である。
第１の電極が培養容器全体に均一な電場を形成するには不十分ないびつな形状であった場合であっても、電場整形電極が培養容器に比べて十分大きな平板で培養容器のごく近傍に設けてあれば、電場整形電極の近傍では電場が均一になる性質があるので、培養容器全体に均一な電場を与えることができる。このことは、培養容器が第１の電極と電場整形電極の間に有る場合、複数の電場整形電極の間に有る場合、電場整形電極と第２の電極の間に有る場合のいずれであっても有効である。
電場整形電極の大きさは第１の電極及び第２の電極の大きさにほぼ等しいことが望ましいが、必ずしも同じ大きさである必要は無い。大きさが異なる場合、電場整形電極を設けることで電場の強度が変化すると考えられるが、予め計算又は実測により校正しておけば問題は無い。
ところで、高周波交流電場の周波数が極めて高く、電場整形用電極の大きさが電磁波の波長に比べて無視できない大きさとなった場合には、電場整形用電極の面内が等電位面となるとは限らない。そこで本発明を実施するに当たっては、電場整形用電極の大きさが、光の速度（３×１０の８乗 ｍ／秒）を前記高周波交流電場の周波数で割った値の１／４、すなわち電磁波の波長の１／４に比べて小さくなるように、電極の大きさまたは印加する高周波交流電場の周波数を選択すれば良い。具体的には電場整形用電極の大きさは例えば１０００ＭＨｚの場合で７．５ｃｍ以下、３００ＭＨｚの場合で２５ｃｍ以下であることが望ましい
本発明の細胞刺激装置によれば、均一な電場によって再現性良く細胞を刺激することができる。

本発明の細胞刺激装置の第１の実施例の図である。 本発明の細胞刺激装置の第２の実施例の図である。 本発明の細胞刺激装置の第３の実施例の図である。

以下、図面を参照して説明する。
（１）実施形態１
図１に本発明の実施形態の第１の例を示す。積載台１は振盪手段２によって支持されており振盪手段２によって振盪される。本実施の形態に適用可能な振盪手段は特に限られるものではなく、目的に合致した振盪手段を適用することができる。例えば振盪手段として、直線的な往復運動や、円運動、揺動運動、あるいは、上下方向の微振動を与える機構を適用することができる。

本実施の形態では、第１の電極３と第２の電極４は概ね対向する平行平板電極となっているが、第１の電極３は振盪手段２の稼働を妨げないよう一部が切り欠かれている。第１の電極３及び第２の電極４は高周波交流電圧発生装置５に接続されている。高周波交流電圧発生装置５は、０．５ＭＨｚから１０００ＭＨｚの高周波交流電圧を発生する。この高周波交流電圧発生装置５及び配線６が第１の電極３及び第２の電極４の間に高周波交流電場を印加可能な印加手段を構成する。

積載台１には電場整形電極７ａが固定されており、その上に培養液とともに細胞が内蔵された培養容器８が積載される。培養容器８は横に複数並べて積載されているだけでなく、積層して積載される。ただし、培養容器８は、積載台１に１つのみ積載することも可能である。この例では電場整形電極７ｂ及び電場整形電極７ｃは電場を均一にする手段であると同時に一段毎に培養容器８を押えて固定する手段を兼ねている。
電場整形電極７ａと電場整形電極７ｂは平板状の導体であり、平行に配置されるから、それぞれその面内では電位が一定となる。そのため、第１の電極３の一部が切りかかれていても（第１の電極３と第２の電極４で生成される電界が不均一なものであっても）、電場整形電極７ａと電場整形電極７ｂの間の電場は均一となる。同様に電極７ｂと電場整形電極７ｃの間の電場も均一となる。電場整形電極７ａ、電場整形電極７ｂ、電極７ｃはいずれも電線を設けていないので、振盪手段２が稼働しても断線による障害の可能性は無い。

以上の構成により、各培養容器８中の細胞に、高周波交流電圧発生装置が発生する電圧を第１の電極３と第２の電極４の間の距離で割った値にほぼ等しい強度の高周波交流電場を印加することができ、それによって細胞を刺激して様々な状態変化を起こすことができる。

（２）実施形態２
この例では、第１の電極３が組み込まれた積載台１の上に多数の培養容器８を積層してその上に第２の電極４が組み込まれたプレート９を配置してある。第１の電極３及び第２の電極４は高周波交流電圧発生装置５に接続されており、第１の電極３及び第２の電極４の間に高周波交流電場を印加可能な印加手段を構成している。
これによると、図２に示すように培養容器８内の培養液が不均一であった場合でも、各培養容器８に均一に電場を作用させることが可能になる。すなわち、培養液は誘電率が高いため、電場を印加する領域内で、培養液の分布にばらつきがあると、電極間で電場が不均一になるおそれがある。これに対して、積層された培養容器８の間に電場整形電極７を設ければ、電場整形電極７上に並列された培養容器８に、均一な電場を作用させることが可能になる。

（３）実施形態３
電場整形用電極を、培養容器と一体にして設けておくことも有効である。図３は、多数の培養領域１０を積層することにより一度に大量の接着細胞を培養することができる積層型培養容器１１に、本発明にかかわる電場整形電極７を予め組み込んだ例である。積層型培養容器１１は横倒しにした状態でキャップ１２から培養液を入れることで夫々の培養領域１０に培養液を均等に分注して培養を行うことができる。電場整形電極７は、インサートモールドの方法により金属板を樹脂で覆って成型したものであり、外部に対して電気的に絶縁されている。光を透過することが望ましい場合は、電場整形電極７を目の細かい金網や透明電極を利用することも可能である。このように電場整形電極を培養容器に予め組み込んでおくことで、取り扱いが容易になり、均一な電場を印加することができる。
電場整形用電極が培養容器の底面を構成し培養液に接していても良い。一般に、電極が培養液に接すると電池作用により培養液に直流電流が流れ、電極の金属材料が培養液に溶け出すなどの問題を生じ易いが、本発明においては電場整形用電極が他と電気的に接続されていないのでそのような問題は生じにくい。

１…積載台、 ２…振盪手段、 ３…第１の電極、 ４…第２の電極、 ５…高周波交流電圧発生装置、 ６…配線、 ７…電場整形電極、 ７ａ…電場整形電極、 ７ｂ…電場整形電極、 ７ｃ…電場整形電極、 ８…培養容器、 ９…プレート、 １０…培養領域、 １１…積層型培養容器

Claims (5)

1. 細胞を刺激する細胞刺激装置であって、
   容器内に収納された細胞と前記細胞を浸す溶液とを挟んで対向する第１の電極及び第２の電極の間に高周波交流電場を印加可能な印加手段を備え、
   前記第１の電極と前記第２の電極の間にあって該第１の電極及び第２の電極と電気的に絶縁された平板状の導体よりなる、少なくとも１枚以上の電場整形電極を有することを特徴とする細胞刺激装置。
2. 前記電場整形電極の１つと、第１の電極、第２の電極、他の電場整形電極の何れかよりなる少なくとも一対の電極が、
   細胞と前記細胞を浸す溶液とを挟んで対向して配置された平行平板電極であることを特徴とする請求項１に記載の細胞刺激装置。
3. 前記高周波交流電場の周波数を、０．５ＭＨｚ～１０００ＭＨｚとすることを特徴とする請求項１乃至２の何れか１項に記載の細胞刺激装置。
4. 前記細胞及び前記溶液は容器内に収納されており、
   前記容器を振盪させる振盪手段をさらに備えており、
   前記第１の電極及び第２の電極は振盪せず、
   前記電場整形電極の少なくとも一つは振盪することを特徴と
   する請求項１乃至３の何れか１項に記載の細胞刺激装置。
5. 前記電場整形電極の大きさは、光の速度（３×１０の８乗ｍ／秒）を前記高周波交流電場の周波数で割った値の１／４に比べて小さいことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の細胞刺激装置。

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