JPWO2015146153A1 - Method of introducing an object into a cell - Google Patents

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Abstract

従来技術に比してサイズの大きな物体であっても簡便に導入することができ、細胞の生存を損なうことがない細胞内物体導入方法として、物体を封入した巨大単層膜リポソーム(Giant Unilamellar Liposome)を細胞と電気融合させる手順を含む方法を提供する。この方法は、前記物体を封入した巨大単層膜リポソームと前記細胞との混合液に交流電場を印加する第一手順と、該第一手順の後に前記混合液に直流パルス電場を印加する第二手順と、を含む。この方法によれば、直径100nm以上の大きさの物体を細胞内に導入できる。Giant Unilamellar Liposomes (Giant Unilamellar Liposomes) encapsulating an object can be introduced easily even in the case of an object having a size larger than that of the prior art, and as an intracellular object introduction method that does not impair the survival of cells. ) Is electrofused with the cell. This method includes a first procedure in which an alternating electric field is applied to a mixed solution of giant unilamellar liposomes encapsulating the object and the cells, and a second pulse pulse electric field is applied to the mixed solution after the first procedure. Procedures. According to this method, an object having a diameter of 100 nm or more can be introduced into the cell.

Description

本発明は、細胞内へ物体を導入する方法に関する。より詳しくは、巨大単層膜リポソーム(Giant Unilamellar Liposome)を用いて、サイズの大きな物体を細胞内へ導入する方法に関する。   The present invention relates to a method for introducing an object into a cell. More specifically, the present invention relates to a method of introducing a large-sized object into a cell using a giant unilamellar liposome (Giant Unilamellar Liposome).

近年、様々な化学修飾がなされたマイクロビーズや機能性物質が開発され、研究や診断に利用されている。これらを細胞内に導入できれば、生きた細胞内の環境を観察することが可能となる。生細胞への物質導入方法として、従来、リポフェクションや電気穿孔法、パーティクルガン、マイクロインジェクションなどが用いられている。   In recent years, microbeads and functional substances with various chemical modifications have been developed and used for research and diagnosis. If these can be introduced into cells, the environment inside living cells can be observed. Conventionally, lipofection, electroporation, particle gun, microinjection and the like have been used as methods for introducing substances into living cells.

巨大単層膜リポソーム(Giant Unilamellar LiposomeあるいはGiant Unilamellar Vesicle、以下「GUV」と称する)は、脂質二重膜(lipid bilayer)が水溶液中で自然に閉じてできる人工膜小胞(liposome又はvesicle)であって、直径がマイクロメートルオーダー以上のものをいう(非特許文献1,2参照)。GUVは、細胞と同程度の大きさであり、位相差、蛍光、微分干渉、暗視野などの種々の光学顕微鏡法で直接観察ができる利点を持つ。GUVは、生体膜の形態形成や動態制御の機構をインビトロの系で研究する際、膜のモデルとして用いられてきている。   Giant unilamellar liposome (Giant Unilamellar Liposome or Giant Unilamellar Vesicle, hereinafter referred to as “GUV”) is an artificial membrane vesicle (liposome or vesicle) formed by a lipid bilayer closed naturally in an aqueous solution. In this case, the diameter is a micrometer order or more (see Non-Patent Documents 1 and 2). GUV is about the same size as a cell and has the advantage that it can be directly observed by various optical microscopy methods such as phase difference, fluorescence, differential interference, dark field, and the like. GUV has been used as a membrane model when studying the mechanism of morphogenesis and dynamic control of biological membranes in an in vitro system.

特許文献1及び非特許文献3には、コネキシンから構成されるコネクソンを組み込んだリポソームを作製し、該リポソームの内部に物質を包含させ、細胞と接触させることによって、細胞に物質を注入する方法が記載されている。この方法では、リポソームの膜上に構成されたコネクソンがチャネルとして機能し、リポソーム内の物質が当該チャネルを通って細胞内に注入される。このため、細胞に注入可能な物質のサイズは、コネクソンの内径(2nm程度)によって制限される。   Patent Document 1 and Non-Patent Document 3 describe a method of injecting a substance into a cell by preparing a liposome incorporating a connexin composed of connexin, including the substance inside the liposome, and bringing the substance into contact with the cell. Have been described. In this method, the connexon formed on the liposome membrane functions as a channel, and the substance in the liposome is injected into the cell through the channel. For this reason, the size of a substance that can be injected into cells is limited by the inner diameter (about 2 nm) of Connexon.

非特許文献4には、細胞の長期凍結・乾燥保存を目的として、膜非透過性の凍結・乾燥保護物質(トレハロースなどの糖類)を含むGUVを細胞と電気融合させることで凍結・乾燥保護物質を細胞内に導入することが記載されている。当該文献は、トレハロース等の糖類に比してサイズが大きいマイクロビーズ等の物体を細胞内に導入すること及びそのためのGUVの調製方法や電気融合条件等については記載していない。   Non-Patent Document 4 discloses a cryoprotective substance that is freeze-dried by electrofusion of a GUV containing a membrane-impermeable freeze-drying substance (saccharide such as trehalose) with cells for the purpose of long-term freezing / drying preservation of cells. Is introduced into cells. This document does not describe introduction of an object such as a microbead having a size larger than that of a saccharide such as trehalose into a cell, and a GUV preparation method and electrofusion conditions for that purpose.

特許第5057362号Japanese Patent No. 5057362

Nature, 1991, 349, 475-481Nature, 1991, 349, 475-481 Biosystems, 2003, 71, 93-100Biosystems, 2003, 71, 93-100 Biomaterials, 2009, 30, 3971-3977Biomaterials, 2009, 30, 3971-3977 Cryobiology, 2006, 53(3), 397Cryobiology, 2006, 53 (3), 397

リポフェクションや電気穿孔法、パーティクルガンのような従来の生細胞への物質導入方法では、導入可能な物質のサイズは、最大で100nm程度である。また、マイクロインジェクションでは、個々の細胞に微小な注射針を刺して物質を導入するため、作業に熟練と時間を要し、多数の細胞に物質を導入することは困難である。   In conventional methods for introducing substances into living cells such as lipofection, electroporation, and particle guns, the maximum size of substances that can be introduced is about 100 nm. In addition, in microinjection, since a substance is introduced by piercing a small injection needle into each cell, skill and time are required for the operation, and it is difficult to introduce the substance into a large number of cells.

そこで、本発明は、従来技術に比してサイズの大きな物体であっても簡便に導入することができ、細胞の生存を損なうことがない細胞内物体導入方法を提供することを主な目的とする。   Therefore, the main object of the present invention is to provide a method for introducing an intracellular substance that can be easily introduced even if the object is larger in size than the conventional technique and does not impair the survival of the cell. To do.

上記課題解決のため、本発明は、以下の細胞内物体導入方法等を提供する。
[1]細胞内に物体を導入する方法であって、前記物体を封入した巨大単層膜リポソーム(Giant Unilamellar Liposome)を前記細胞と電気融合させる手順を含む方法。
[2]前記物体を封入した巨大単層膜リポソームと前記細胞との混合液に交流電場を印加する第一手順と、該第一手順の後に前記混合液に直流パルス電場を印加する第二手順と、を含む[1]記載の方法。
[3]前記第一手順は、GUVと前記細胞との混合液に交流電場を印加して前記GUVと前記細胞とを配列させる手順であり、
前記第二手順は、前記混合液に直流パルス電場を印加して前記GUVの膜と前記細胞の膜とを少なくとも一部融合させる手順である[3]記載の方法。
[4]前記GUVに負の表面電位が付されている[1]〜[3]のいずかに記載の方法。
[5]前記GUVが−40mV〜−20mVの表面電位を有する[4]記載の方法。
[6]前記GUVの膜を構成する脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%である[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7]前記第一手順において、前記交流電場を5〜15V/mmで、10〜60秒印加し、前記第二手順において、前記直流パルス電場を100〜175V/mmで、30〜50マイクロ秒印加する[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
[8]前記物体が、直径100nm以上の大きさである[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[9]前記物体が、粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内器官からなる群より選択される一以上である[1]〜[8]のいずれかに記載の方法。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following intracellular object introduction method and the like.
[1] A method of introducing an object into a cell, the method comprising a step of electrofusion of a giant unilamellar liposome encapsulating the object with the cell (Giant Unilamellar Liposome).
[2] A first procedure in which an alternating electric field is applied to a mixed solution of giant unilamellar liposomes enclosing the object and the cells, and a second procedure in which a direct-current pulse electric field is applied to the mixed solution after the first procedure And the method according to [1].
[3] The first procedure is a procedure in which an alternating electric field is applied to a mixture of GUV and the cells to arrange the GUV and the cells.
The method according to [3], wherein the second procedure is a procedure in which a direct-current pulse electric field is applied to the mixed solution to at least partially fuse the GUV film and the cell film.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the GUV has a negative surface potential.
[5] The method according to [4], wherein the GUV has a surface potential of −40 mV to −20 mV.
[6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the proportion of cholesterol in the total lipid constituting the GUV membrane is 0 to 15 mol%.
[7] In the first procedure, the AC electric field is applied at 5 to 15 V / mm for 10 to 60 seconds, and in the second procedure, the DC pulse electric field is applied at 100 to 175 V / mm and 30 to 50 microseconds. The method according to any one of [1] to [6], wherein the method is applied.
[8] The method according to any one of [1] to [7], wherein the object has a diameter of 100 nm or more.
[9] The method according to any one of [1] to [8], wherein the object is one or more selected from the group consisting of particles, nucleic acids, polymers, microorganisms, and intracellular organs.

[10]GUVの製造方法であって、該GUVの膜を構成する脂質を、前記GUVの表面電位が−40mV〜−20mVとなるように調製することを含む製造方法。
[11]前記GUVの膜を構成する脂質を、該脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%となるように調製することを含む[10]記載の製造方法。
[10] A method for producing GUV, the method comprising preparing a lipid constituting the GUV film such that a surface potential of the GUV is −40 mV to −20 mV.
[11] The production method according to [10], comprising preparing the lipid constituting the GUV membrane such that the proportion of cholesterol in the total lipid is 0 to 15 mol%.

[12]40mV〜−20mVの表面電位を有するGUV。
[13]膜を構成する脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%である[12]記載のGUV。
[14]粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内小器官からなる群より選択される一以上の物体が封入された[12]又は[13]記載のGUV。
[15]直径100nm以上の大きさの物体が封入された[12]〜[14]のいずれかに記載の巨大単層膜リポソーム。
[12] GUV having a surface potential of 40 mV to -20 mV.
[13] The GUV of [12], wherein the proportion of cholesterol in the total lipid constituting the membrane is 0 to 15 mol%.
[14] The GUV according to [12] or [13], wherein one or more objects selected from the group consisting of particles, nucleic acids, polymers, microorganisms, and organelles are encapsulated.
[15] The giant unilamellar liposome according to any one of [12] to [14], in which an object having a diameter of 100 nm or more is encapsulated.

[16][1]〜[9]記載の方法により細胞内に物体を導入し、該物体の細胞内における搖動を検出することにより、細胞内の物理特性を測定する方法。
[17][1]〜[9]記載の方法により細胞内に磁性を有する物体を導入し、細胞に磁場を印加することにより、細胞の位置を制御する方法。
[18][1]〜[9]記載の方法により細胞内に金粒子及び/又は銀粒子を導入する手順を含む、表面増強ラマン散乱分光法。
[19]細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に物理的な力を作用させる方法であって、前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合対の第一因子を付加する手順と、結合対の第二因子を付加した磁性粒子を[1]〜[9]記載の方法により前記細胞内に導入する手順と、前記第一因子及び前記第二因子が形成する結合対を介して前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合した前記磁性粒子に磁場を作用させる手順と、を含む方法。
[20]前記第一因子がビオチンであり、前記第二因子がストレプトアビジンであり、インビボビオチニレーション法によって前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官にビオチンを付加する[19]記載の方法。
[21][19]又は[20]記載の方法により細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に物理的な力を負荷し、負荷の前後における前記細胞内の遺伝子発現量の変化を検出する遺伝子発現解析方法。
[22][1]〜[9]記載の方法により細胞内に酵素反応に関与する酵素及び/又は機能性分子を固定した人工DNAナノ構造(DNA origami)を導入することにより、細胞内代謝を改変する方法。
[23][1]〜[9]記載の方法により細胞内に温度感受性ポリマーを導入する手順と、該温度感受性ポリマーの温度依存的な構造変化を検出する手順を含む、細胞内温度測定方法。
[16] A method for measuring physical properties in a cell by introducing an object into the cell by the method according to [1] to [9] and detecting peristalsis of the object in the cell.
[17] A method for controlling the position of a cell by introducing a magnetic object into the cell by the method according to [1] to [9] and applying a magnetic field to the cell.
[18] Surface-enhanced Raman scattering spectroscopy including a procedure for introducing gold particles and / or silver particles into cells by the method according to [1] to [9].
[19] A method for applying a physical force to a predetermined protein in a cell or an intracellular organ constituted by the protein, wherein a first factor of a binding pair is added to the predetermined protein or the intracellular organ. A procedure for introducing a magnetic particle to which a second factor of a binding pair has been added into the cell by the method described in [1] to [9], and a binding pair formed by the first factor and the second factor. And a step of applying a magnetic field to the magnetic particles bound to the predetermined protein or the intracellular organ.
[20] The method according to [19], wherein the first factor is biotin and the second factor is streptavidin, and biotin is added to the predetermined protein or the intracellular organ by an in vivo biotinylation method.
[21] A physical force is applied to a predetermined protein in the cell or an intracellular organ composed of the protein by the method according to [19] or [20], and the gene expression level in the cell before and after the load is determined. Gene expression analysis method for detecting changes.
[22] By introducing an artificial DNA nanostructure (DNA origami) in which an enzyme involved in an enzymatic reaction and / or a functional molecule is immobilized in a cell by the method described in [1] to [9], intracellular metabolism is reduced. How to modify.
[23] A method for measuring intracellular temperature, comprising a step of introducing a temperature-sensitive polymer into cells by the method according to [1] to [9] and a step of detecting a temperature-dependent structural change of the temperature-sensitive polymer.

[24][1]〜[9]記載の方法により細胞内にミトコンドリアを導入する手順を含む、ミトコンドリア病の治療方法。
[25]患者から分離された細胞に、[1]〜[9]記載の方法により正常なミトコンドリアを導入する手順を含む、ミトコンドリア病の治療用細胞製剤の製造方法。
[26]前記細胞内小器官がミトコンドリアである[14]記載のGUV。
[27][26]記載のGUVと、細胞とを含む、ミトコンドリア病の治療用細胞組成物。
[28][26]記載のGUVと、患者から分離された細胞であって正常なミトコンドリアが導入された細胞と、を含む、ミトコンドリア病の治療用細胞組成物。
[24] A method for treating mitochondrial disease, comprising a step of introducing mitochondria into cells by the method according to [1] to [9].
[25] A method for producing a cell preparation for treating mitochondrial diseases, comprising a procedure for introducing normal mitochondria into cells isolated from a patient by the method according to [1] to [9].
[26] The GUV of [14], wherein the organelle is a mitochondria.
[27] A cell composition for treating mitochondrial disease, comprising the GUV according to [26] and a cell.
[28] A cell composition for treating mitochondrial disease, comprising the GUV according to [26] and a cell isolated from a patient into which normal mitochondria have been introduced.

本発明により、従来技術に比してサイズの大きな物体であっても簡便に導入することができ、細胞の生存を損なうことがない細胞内物体導入方法が提供される。   According to the present invention, there is provided a method for introducing an intracellular object that can be easily introduced even if the object is larger in size than the prior art and does not impair the survival of the cell.

本発明に係る細胞内物体導入方法におけるGUVと細胞の電気融合の手順を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the procedure of electrofusion of GUV and a cell in the intracellular substance introduction method according to the present invention. DNA origamiの塩基配列を示す図である。It is a figure which shows the base sequence of DNA origami. DNA origamiの塩基配列を示す図である。It is a figure which shows the base sequence of DNA origami. DNA origamiの塩基配列を示す図である。It is a figure which shows the base sequence of DNA origami. DNA origamiの塩基配列を示す図である。It is a figure which shows the base sequence of DNA origami. GUVとの電気融合により蛍光ビーズ(直径1μm)を導入した細胞の共焦点顕微鏡写真である。It is a confocal microscope picture of the cell which introduce | transduced the fluorescent bead (diameter 1 micrometer) by electrofusion with GUV. サイズの異なる蛍光ビーズを封入したGUVと電気融合させた細胞の共焦点顕微鏡写真である。It is a confocal microscope picture of the cell electrofused with GUV encapsulating fluorescent beads of different sizes. GUVとの電気融合によりEGFP発現ベクターを導入した細胞の位相差顕微鏡写真及び共焦点顕微鏡写真である。It is the phase-contrast micrograph and the confocal micrograph of the cell which introduce | transduced the EGFP expression vector by electrofusion with GUV. GUVとの電気融合によりDNA origamiを導入した細胞の位相差顕微鏡写真及び共焦点顕微鏡写真である。It is the phase-contrast micrograph and the confocal micrograph of the cell which introduce | transduced DNA origami by electrofusion with GUV. 本発明に係る細胞内物体導入方法により磁気ビーズを導入し、磁場を印加して回転させた細胞を撮影した連続写真である。It is the continuous photograph which image | photographed the cell which introduce | transduced the magnetic bead with the intracellular substance introduction method based on this invention, and applied the magnetic field and rotated.

以下、本発明を実施するための好適な形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。   Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the present invention will be described. In addition, embodiment described below shows an example of typical embodiment of this invention, and, thereby, the range of this invention is not interpreted narrowly.

1.細胞内物体導入方法
本発明に係る細胞内物体導入方法は、物体を封入した巨大単層膜リポソーム(GUV)を細胞と電気融合させる手順を含むことを特徴とする。具体的には、本発明に係る細胞内物体導入方法は、(i)前記物体が封入され、負の表面電位を付されたGUVと前記細胞との混合液に交流電場を印加して、前記GUVと前記細胞とを配列させる第一手順と、(ii)該第一手順の後に、前記混合液に直流パルス電場を印加して、前記GUVの膜と前記細胞の膜とを少なくとも一部融合させる第二手順と、場合によって(iii)該第二手順の後に、前記混合液に交流電場を印加して、前記巨大単層膜リポソームの膜と前記細胞の膜との融合状態を維持する第三手順と、を含む。
1. Intracellular object introduction method The intracellular object introduction method according to the present invention includes a procedure for electrofusion of giant unilamellar liposomes (GUV) encapsulating an object with cells. Specifically, in the method for introducing an intracellular object according to the present invention, (i) an alternating electric field is applied to a mixed solution of the GUV in which the object is sealed and a negative surface potential is applied, and the cell, A first procedure for arranging the GUV and the cells; and (ii) after the first procedure, a DC pulse electric field is applied to the mixed solution to at least partially fuse the GUV membrane and the cell membrane. And (iii) after the second step, an alternating electric field is applied to the mixed solution to maintain a fusion state between the membrane of the giant unilamellar liposome and the membrane of the cell. Including three steps.

(1)GUV及びその製造方法
GUVの製造は、文献公知の静置水和法、エレクトロフォーメーション法及び界面通過法などの手法あるいはこれらの改良手法によって行うことができる。静置水和法は、試験管内に作製したリン脂質を主成分とする脂質フィルムに水溶液を加え静置してGUVを作製する方法である(J. Mol. Biol., 1999, 287, 293-300; J. Mol. Biol., 1998, 284, 1671-1681; Curr. Biol., 2009, 19, 140-145)。エレクトロフォーメーション法は、白金や透明導電ガラス(ITOガラスなど)の表面にリン脂質を主成分とする脂質を塗布しておき、水溶液中で交流電圧を印加してGUVを作製する方法である(Nature, 2010, 464, 864-869)。界面通過法は、油水界面にできる脂質の単層の膜(lipid monolayer)を利用してGUVを作製する方法である(Langmuir, 2011, 27, 11528-11535; Method Enzymol., 2009, 464, 31-53)。
(1) GUV and production method thereof GUV can be produced by a known method such as static hydration method, electroformation method and interface passing method, or an improved method thereof. The static hydration method is a method for preparing GUV by adding an aqueous solution to a lipid film mainly composed of phospholipids prepared in a test tube and allowing to stand (J. Mol. Biol., 1999, 287, 293-). 300; J. Mol. Biol., 1998, 284, 1671-1681; Curr. Biol., 2009, 19, 140-145). The electro-formation method is a method for producing GUV by applying a lipid containing phospholipid as a main component to the surface of platinum or transparent conductive glass (ITO glass or the like) and applying an alternating voltage in an aqueous solution (Nature). , 2010, 464, 864-869). The interface passing method is a method for producing GUV using a lipid monolayer formed at an oil-water interface (Langmuir, 2011, 27, 11528-11535; Method Enzymol., 2009, 464, 31 -53).

GUVの製造に用いられる脂質を列挙すれば、リン脂質、コレステロール、合成脂質などが挙げられる。   Examples of lipids used for GUV production include phospholipids, cholesterol, and synthetic lipids.

リン脂質としてグリセロ糖脂質、スフィンゴ糖脂質等を挙げることができる。
グリセロ糖脂質としては、例えば、スルホキシリボシルグリセリド、ジグリコシルジグリセド、ジガラクトシルジグリセリド、ガラクトシルジグリセリド及びグリコシルジグリセリド等を挙げることができる。
スフィンゴ糖脂質としては、例えば、ガラクトシルセレブロシド、ラクトシルセレブロシド、ガングリオシド等を挙げることができる。
リン脂質としては、例えば、ホスファチジルコリン、ホスファチジルエタノールアミン、ホスファチジルセリン、ホスファチジン酸、ホスファチジルグリセロール、ホスファチジルイノシトール、リゾホスファチジルコリン、スフィンゴミエリン、卵黄レシチン、大豆レシチン及び水素添加リン脂質等の天然または合成のリン脂質を挙げることができる。
Examples of phospholipids include glyceroglycolipid and glycosphingolipid.
Examples of the glyceroglycolipid include sulfoxyribosyl glyceride, diglycosyl diglyced, digalactosyl diglyceride, galactosyl diglyceride and glycosyl diglyceride.
Examples of glycosphingolipids include galactosyl cerebroside, lactosyl cerebroside, ganglioside and the like.
Examples of phospholipids include natural or synthetic phospholipids such as phosphatidylcholine, phosphatidylethanolamine, phosphatidylserine, phosphatidic acid, phosphatidylglycerol, phosphatidylinositol, lysophosphatidylcholine, sphingomyelin, egg yolk lecithin, soybean lecithin and hydrogenated phospholipid. Can be mentioned.

上記ホスファチジルコリンとしては、大豆ホスファチジルコリン、卵黄ホスファチジルコリン、ジラウロイルホスファチジルコリン、ジミリストイルホスファチジルコリン、ジオレオイルホスファチジルコリン、ジパルミトイルホスファチジルコリン、パルミトオレオイルホスファチジルコリン及びジステアロイルホスファチジルコリン等を挙げることができる。
上記ホスファチジルエタノールアミンとしては、ジラウロイルホスファチジルエタノールアミン、ジミリストイルホスファチジルエタノールアミン、ジオレオイルホスファチジルエタノールアミン、ジパルミトイルホスファチジルエタノールアミン、パルミトオレオイルホスファチジルエタノールアミン及びジステアロイルホスファチジルエタノールアミン等を挙げることができる。
上記ホスファチジルセリンとしては、ジラウロイルホスファチジルセリン、ジミリストイルホスファチジルセリン、ジオレオイルホスファチジルセリン、ジパルミトイルホスファチジルセリン、パルミトオレオイルホスファチジルセリン及びジステアロイルホスファチジルセリン等を挙げることができる。
上記ホスファチジルグリセロールとしては、ジラウロイルホスファチジルグリセロール、ジミリストイルホスファチジルグリセロール、ジオレオイルホスファチジルグリセロール、ジパルミトイルホスファチジルグリセロール、パルミトオレオイルホスファチジルグリセロール及びジステアロイルホスファチジルグリセロール等を挙げることができる。
上記ホスファチジルイノシトールとしては、ジラウロイルホスファチジルイノシトール、ジミリストイルホスファチジルイノシトール、ジオレオイルホスファチジルイノシトール、ジパルミトイルホスファチジルイノシトール、パルミトオレオイルホスファチジルイノシトール及びジステアロイルホスファチジルイノシトール等を挙げることができる。
Examples of the phosphatidylcholine include soybean phosphatidylcholine, egg yolk phosphatidylcholine, dilauroyl phosphatidylcholine, dimyristoyl phosphatidylcholine, dioleoylphosphatidylcholine, dipalmitoylphosphatidylcholine, palmitooleoyl phosphatidylcholine and distearoylphosphatidylcholine.
Examples of the phosphatidylethanolamine include dilauroyl phosphatidylethanolamine, dimyristoyl phosphatidylethanolamine, dioleoyl phosphatidylethanolamine, dipalmitoyl phosphatidylethanolamine, palmitooleoyl phosphatidylethanolamine, and distearoyl phosphatidylethanolamine. .
Examples of the phosphatidylserine include dilauroylphosphatidylserine, dimyristoylphosphatidylserine, dioleoylphosphatidylserine, dipalmitoylphosphatidylserine, palmitooleoylphosphatidylserine, and distearoylphosphatidylserine.
Examples of the phosphatidyl glycerol include dilauroyl phosphatidyl glycerol, dimyristoyl phosphatidyl glycerol, dioleoyl phosphatidyl glycerol, dipalmitoyl phosphatidyl glycerol, palmitooleoyl phosphatidyl glycerol, and distearoyl phosphatidyl glycerol.
Examples of the phosphatidylinositol include dilauroyl phosphatidylinositol, dimyristoyl phosphatidylinositol, dioleoyl phosphatidylinositol, dipalmitoyl phosphatidylinositol, palmitooleoyl phosphatidylinositol and distearoyl phosphatidylinositol.

合成脂質としては、例えば、アルキル化アンモニウム塩を挙げることが出来る。アルキル化アンモニウム塩としては,ベンジルドデシルジメチルアンモニウムブロミド、ベンジルジメチルテトラデシルアンモニウムクロリド、ベンジルオクタデシルジメチルアンモニウムクロリド、ステアリルトリメチルアンモニウムブロミド、ベンジルジメチルヘキサデシルアンモニウムクロリド、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド、ジメチルジパルミチルアンモニウムブロミド、ジオクタデシルアンモニウムブロミド、ジメチルジオクタデシルアンモニウムブロミド、ヘキサデシルピリジニウムクロリド1水和物等を挙げることができる。   Examples of synthetic lipids include alkylated ammonium salts. Examples of alkylated ammonium salts include benzyldodecyldimethylammonium bromide, benzyldimethyltetradecylammonium chloride, benzyloctadecyldimethylammonium chloride, stearyltrimethylammonium bromide, benzyldimethylhexadecylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium bromide, dimethyldipalmitylammonium bromide , Dioctadecyl ammonium bromide, dimethyl dioctadecyl ammonium bromide, hexadecyl pyridinium chloride monohydrate, and the like.

これらの脂質のうち、ホスファチジルセリン、ホスファチジン酸、ホスファチジルグリセロール及びホスファチジルイノシトールは形成されるGUVに負の表面電位を付与し、アルキル化アンモニウム塩は正の表面電位を付与する。これら2群の脂質の比率を調整することで、所望の表面電位を有するGUVを製造できる。GUVの表面電位は、好ましくは0mV未満であり、より好ましくは−20mV以下であり、さらに好ましくは、−40mV〜−20mVである。このような表面電位を与える脂質組成として、ジオレオイルホスファチジルコリン:ジオレオイルフォスファチジルグリセロール:コレステロール=9:1:1(モル比)を例示できる。表面電位が高過ぎる場合、GUVと細胞との意図しない接着が生じ、GUVと細胞との電気融合が不能となったり、電気融合後にGUVと細胞を分離できなくなったりする。また、表面電位が上記範囲よりも低過ぎる場合、GUVが不安定となる。   Of these lipids, phosphatidylserine, phosphatidic acid, phosphatidylglycerol and phosphatidylinositol impart a negative surface potential to the GUV formed, and alkylated ammonium salts impart a positive surface potential. A GUV having a desired surface potential can be produced by adjusting the ratio of these two groups of lipids. The surface potential of GUV is preferably less than 0 mV, more preferably −20 mV or less, and further preferably −40 mV to −20 mV. Examples of the lipid composition that gives such a surface potential include dioleoylphosphatidylcholine: dioleoylphosphatidylglycerol: cholesterol = 9: 1: 1 (molar ratio). When the surface potential is too high, unintentional adhesion between the GUV and the cell occurs, and the electrofusion between the GUV and the cell becomes impossible, or the GUV and the cell cannot be separated after the electrofusion. If the surface potential is too lower than the above range, the GUV becomes unstable.

コレステロールとしては、コレステロール、ベーターコレステロール、ベーターシトステロール及びスティグマステロール等を挙げることができる。   Examples of cholesterol include cholesterol, beta-cholesterol, beta-sitosterol, and stigmasterol.

脂質全体に占めるコレステロールの割合を調整することで所望の膜強度を有するGUVを製造できる。脂質全体に占めるコレステロールの割合が大きい程膜強度は大きくなる。コレステロールの割合は、例えば0〜20モル%、好ましくは0〜15モル%、より好ましくは0〜10モル%、さらに好ましくは0〜5モル%、最も好ましくは0モル%である。すなわち、GUVはコレステロールを含まない脂質からなることが最も好ましい。   A GUV having a desired film strength can be produced by adjusting the proportion of cholesterol in the total lipid. The greater the proportion of cholesterol in the total lipid, the greater the membrane strength. The proportion of cholesterol is, for example, 0 to 20 mol%, preferably 0 to 15 mol%, more preferably 0 to 10 mol%, still more preferably 0 to 5 mol%, and most preferably 0 mol%. That is, the GUV is most preferably composed of a lipid not containing cholesterol.

GUVのサイズは、通常、直径でマイクロメートルオーダー以上とされる。GUVのサイズは、本発明においては、交流電場による細胞との配向の影響を考慮して、細胞と同程度のサイズとなる直径10μm以上50μm以下が好ましい。本発明に係る細胞内物体導入方法では、あらかじめGUVに封入した直径100nm以上の大きさの物体を細胞内に導入する。そのため、GUVのサイズは導入される物体よりも充分に大きいことが望ましい。   The size of GUV is usually set to a micrometer order or more in diameter. In the present invention, the size of the GUV is preferably 10 μm or more and 50 μm or less in diameter, which is the same size as the cell in consideration of the effect of orientation with the cell due to the alternating electric field. In the intracellular object introduction method according to the present invention, an object having a diameter of 100 nm or more encapsulated in GUV in advance is introduced into the cell. Therefore, it is desirable that the size of the GUV is sufficiently larger than the object to be introduced.

(2)封入する物体
GUVに封入する物体は、粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内器官からなる群より選択される一以上であってよい。
(2) Object to be Encapsulated The object to be encapsulated in GUV may be one or more selected from the group consisting of particles, nucleic acids, polymers, microorganisms, and intracellular organs.

粒子としては、樹脂製又は金属製のマイクロビーズ、金コロイドや銀コロイドなどのコロイド粒子などが挙げられる。マイクロビーズは、化合物や高分子を修飾あるいは含有させたものであってもよく、抗体やアビジン/ビオチンなどを結合したアフィニティービーズや薬剤徐放ビーズなどとできる。化合物あるいは薬剤としては、センサー、細胞内反応の賦活剤や阻害剤、酸やアルカリなどが挙げられる。また、マイクロビーズは、フェライトビーズなどの磁性を有するものであってもよい。
核酸としては、DNA、RNA、プラスミド及び人工DNAナノ構造(例えばDNA origami)などが挙げられる。プラスミドは、細胞内で発現させる遺伝子と遺伝子発現のためのプロモータなどを組み込んだものであってよい。人工DNAナノ構造は、化合物や高分子を結合したものであってもよい。
高分子は、天然あるいは人工のものであってよく、タンパク質や種々のポリマーが挙げられる。タンパク質は、上記の抗体や、細胞内反応に関与する酵素、蛍光タンパク質などが挙げられる。ポリマーは、温度やpHに感応して構造が変化する機能性ポリマーであってよい。
微生物としては、例えば、らん藻やらい菌、乳酸菌、プロトバクテリアなどが挙げられる。また、細胞内器官としては、葉緑体やミトコンドリア、核(物体を導入する細胞とは異なる細胞種の核)などが挙げられる。さらに、GUVに封入する物体は、微小な電気回路やセンサー、ミラーなどのいわゆるナノデバイスであってもよい。
Examples of the particles include resin or metal microbeads, colloidal particles such as gold colloid and silver colloid. The microbead may be modified or contained with a compound or a polymer, and can be an affinity bead bound with an antibody, avidin / biotin, or a drug sustained-release bead. Examples of compounds or drugs include sensors, activators and inhibitors of intracellular reactions, acids and alkalis. In addition, the microbeads may have magnetism such as ferrite beads.
Examples of the nucleic acid include DNA, RNA, plasmid, and artificial DNA nanostructure (for example, DNA origami). A plasmid may incorporate a gene to be expressed in a cell and a promoter for gene expression. The artificial DNA nanostructure may be a combination of a compound or a polymer.
The polymer may be natural or artificial and includes proteins and various polymers. Examples of the protein include the above-described antibodies, enzymes involved in intracellular reactions, fluorescent proteins, and the like. The polymer may be a functional polymer whose structure changes in response to temperature and pH.
Examples of the microorganism include cyanobacterium, leiomycetes, lactic acid bacteria, and protobacteria. In addition, examples of intracellular organs include chloroplasts, mitochondria, and nuclei (nuclei of cell types different from cells into which objects are introduced). Further, the object enclosed in the GUV may be a so-called nanodevice such as a minute electric circuit, a sensor, or a mirror.

本発明に係る細胞内物体導入方法において、GUVに封入する物体は、以上に例示したものに限られず、GUVに封入可能なまでの大きさのものであれば任意の物体であってよい。本発明に係る細胞内物体導入方法によれば、直径100nm以上の大きさの物体を細胞内に導入することが可能であるが、物体の大きさは、GUVへの封入及び細胞内への導入の効率の観点から直径1μm程度までが好ましい。ただし、直径2μm程度までの物体についてはGUVへの封入及び細胞内への導入が可能であることが確認されており(実施例参照)、直径5μm程度までの物体であれば細胞内に導入できる可能性がある。   In the intracellular object introduction method according to the present invention, the object to be enclosed in the GUV is not limited to those exemplified above, and may be any object as long as it can be enclosed in the GUV. According to the method for introducing an intracellular object according to the present invention, an object having a diameter of 100 nm or more can be introduced into a cell. However, the size of the object is determined by encapsulation into GUV and introduction into the cell. From the viewpoint of efficiency, the diameter is preferably about 1 μm. However, it has been confirmed that an object up to about 2 μm in diameter can be enclosed in GUV and introduced into cells (see Examples), and an object up to about 5 μm in diameter can be introduced into cells. there is a possibility.

(3)GUV内への物体の封入
静置水和法、エレクトロフォーメーション法及び界面通過法などを用いてGUVを製造する際に、物体を含んだ溶液又は分散液を用いることで、内部に物体を取り込んだGUVを形成できる。誘電率の高い物体をGUV内に導入する場合には、エレクトロフォーメーション法以外の方法を用いることが好ましく、特に界面通過法を用いることが好ましい。
(3) Encapsulation of an object in GUV When manufacturing GUV by using a static hydration method, an electro-formation method, an interface passing method, etc., an object is contained inside by using a solution or dispersion containing the object. Can be formed. When introducing an object having a high dielectric constant into the GUV, it is preferable to use a method other than the electroformation method, and it is particularly preferable to use an interface passing method.

このようにして製造される本発明に係るGUVは、好ましくは、粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内小器官からなる群より選択される一以上の物体を含み、−40mV〜−20mVの表面電位を有し、膜を構成する脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%とされたものである。   The GUV according to the present invention thus produced preferably contains one or more objects selected from the group consisting of particles, nucleic acids, macromolecules, microorganisms and organelles, and has a potential of −40 mV to −20 mV. It has a surface potential, and the proportion of cholesterol in the total lipid constituting the membrane is 0 to 15 mol%.

(4)電気融合
GUVに封入した物体の細胞内への導入は、GUVと細胞を電気融合させることによって行うことができる。電気融合は、物体を封入したGUVと細胞との混合液に交流電場を印加する第一手順と、混合液に直流パルス電場を印加する第二手順と、場合によって混合液に再度交流電場を印加する第三手順を含む。電気融合の手順を図1に示す。
(4) Electrofusion Introduction of an object enclosed in GUV into cells can be performed by electrofusion of GUV and cells. In electrofusion, a first procedure for applying an alternating electric field to a mixture of GUV and cells encapsulating an object, a second procedure for applying a direct current pulse electric field to the mixture, and optionally applying an alternating electric field to the mixture again Including a third step. The electrofusion procedure is shown in FIG.

[第一手順]
第一手順は、GUV1と細胞3との混合液に交流電場を印加してGUV1と細胞3とを配列させる手順である。まず、物体2を封入したGUV1と、細胞3とを適当な緩衝液中で懸濁、混合する。緩衝液は、特に限定されないが、細胞内溶液と浸透圧が同等または近いものが望ましい。例えば、300mMマンニトール、0.1mM塩化カルシウム及び0.1mM塩化マグネシウムの溶液が挙げられる(図(A)参照)。
[First step]
The first procedure is a procedure for arranging GUV1 and cells 3 by applying an alternating electric field to a mixture of GUV1 and cells 3. First, GUV1 enclosing the object 2 and the cell 3 are suspended and mixed in an appropriate buffer. The buffer solution is not particularly limited, but a buffer solution having an osmotic pressure equivalent to or close to the intracellular solution is desirable. For example, a solution of 300 mM mannitol, 0.1 mM calcium chloride, and 0.1 mM magnesium chloride can be given (see FIG. (A)).

次に、物体2を封入したGUV1と細胞3との混合液に交流電場を印加する(図(B)参照)。この手順は、一対の電極4,4間に混合液を導入して交流電場を印加することによって行うことができ、市販の細胞電気融合装置(電極及び電圧調整器等を含む)を用いて行うことができる。交流電圧としては、特に限定されないが、例えば5〜15V/mm程度で10〜60秒程度とされる。交流電場を印加することによって、GUV1と細胞3が電極4,4間に一列に配列し、互いに接触して数珠状(パールチェーン状)に連なった状態となる。   Next, an alternating electric field is applied to the mixture of GUV 1 and cells 3 enclosing the object 2 (see FIG. (B)). This procedure can be performed by introducing a mixed solution between a pair of electrodes 4 and 4 and applying an AC electric field, and is performed using a commercially available cell electrofusion device (including electrodes and a voltage regulator). be able to. Although it does not specifically limit as an alternating voltage, For example, it is set as about 5 to 15V / mm and about 10 to 60 second. By applying an AC electric field, the GUV 1 and the cells 3 are arranged in a line between the electrodes 4, 4 and come into contact with each other to form a bead shape (pearl chain shape).

[第二手順]
第二手順は、混合液に直流パルス電場を印加してGUV1の膜と細胞3の膜とを少なくとも一部融合させる手順である。(図(C)参照)。この手順では、直流パルス電圧の印加により、接触し合うGUV1の脂質膜と細胞3の細胞膜とが融合する。これにより、GUV1内の物体2が細胞3内に導入される(図(D)参照)。直流パルス電圧としては、特に限定されないが、例えば100〜175V/mm程度で30〜50マイクロ秒程度とされる。
[Second step]
The second procedure is a procedure in which a DC pulse electric field is applied to the mixed solution to fuse at least a part of the GUV1 membrane and the cell 3 membrane. (See Figure (C)). In this procedure, the lipid membrane of GUV1 and the cell membrane of the cell 3 fuse with each other by applying a DC pulse voltage. Thereby, the object 2 in GUV1 is introduce | transduced in the cell 3 (refer figure (D)). Although it does not specifically limit as direct-current pulse voltage, For example, it is set as about 30-50 microseconds at about 100-175 V / mm.

[第三手順]
第三手順は、混合液に交流電場を印加してGUV1の膜と細胞3の膜との融合状態を維持する手順である。この手順は、必要に応じて行われるものであるが、通常は省略でき、省略することが好ましい場合もある。交流電圧としては、特に限定されないが、例えば5〜30V/mm程度で10秒程度以下とされる。電気融合後、細胞3を洗浄してGUV1と分離させる。
[Third procedure]
The third procedure is a procedure in which an AC electric field is applied to the mixed solution to maintain a fusion state between the GUV1 membrane and the cell 3 membrane. Although this procedure is performed as necessary, it can usually be omitted and it may be preferable to omit it. Although it does not specifically limit as an alternating voltage, For example, it is about 10 seconds or less at about 5-30 V / mm. After electrofusion, the cells 3 are washed and separated from GUV1.

以上の手順により、直径100nm以上の大きさの物体を、複雑な操作を要することなく、多数の生細胞(105個/ml程度)に同時に物体を導入できる(後述する実施例参照)。また、細胞内に導入された物体は一部核や小胞体、ミトコンドリアの内部に移行すると予想されるため、本発明に係る細胞内物体導入方法によれば、核、小胞体及びミトコンドリア等の細胞内器官内への物体の導入も可能である。According to the above procedure, an object having a diameter of 100 nm or more can be simultaneously introduced into a large number of living cells (about 10 5 cells / ml) without requiring a complicated operation (see Examples described later). In addition, since the substance introduced into the cell is expected to partially move inside the nucleus, endoplasmic reticulum, mitochondria, according to the intracellular substance introducing method according to the present invention, cells such as the nucleus, endoplasmic reticulum and mitochondria It is also possible to introduce objects into the internal organs.

2.応用例
(1)細胞内の物理特性測定
本発明に係る細胞内物体導入方法は、細胞内(核等の細胞内器官内を含む)の物理特性を測定するために応用できる。この細胞内物理特性測定方法は、本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞内に物体を導入し、該物体の細胞内における搖動を検出する手順を含む。
2. Application Example (1) Measurement of Physical Properties in Cells The method for introducing intracellular objects according to the present invention can be applied to measure physical properties in cells (including in intracellular organs such as nuclei). This intracellular physical property measuring method includes a procedure of introducing an object into a cell by the intracellular object introducing method according to the present invention and detecting peristalsis of the object in the cell.

細胞内に導入する物体は、汎用の樹脂製マイクロビーズなどの粒子であってよい。粒子の搖動は、光学顕微鏡法下で細胞を撮像し、細胞内の粒子の動きを画像解析することによって検出できる。検出された粒子の搖動に基づけば、例えば細胞質や核の粘弾性などの物理特性を測定することができる。   The object to be introduced into the cell may be particles such as general-purpose resin microbeads. The movement of particles can be detected by imaging a cell under an optical microscope and analyzing the movement of the particle in the cell. Based on the detected movement of the particles, physical properties such as cytoplasm and nucleus viscoelasticity can be measured.

また、光ピンセットの技術は、集光したレーザー光により粒子を焦点位置の近傍に捕捉したり動かしたりすることできるため、粒子の搖動を制御しながら粘弾性等を測定するために利用できる。   In addition, the optical tweezers technique can be used to measure viscoelasticity and the like while controlling the movement of the particles because the particles can be captured or moved in the vicinity of the focal position by the focused laser beam.

また、フェライト粒子などの市販の磁性マイクロビーズを細胞内に導入して、細胞内の物理特性を測定することもできる。例えば、細胞に磁場を印加して細胞内の磁性マイクロビーズを磁力で牽引しながら、磁性マイクロビーズの移動(速度、加速度等)を検出する。検出された速度及び加速度等に基づけば、細胞質や核の粘弾性を測定できる。   In addition, commercially available magnetic microbeads such as ferrite particles can be introduced into the cells, and the physical properties in the cells can be measured. For example, the movement (speed, acceleration, etc.) of the magnetic microbead is detected while applying a magnetic field to the cell and pulling the magnetic microbead in the cell with a magnetic force. Based on the detected velocity and acceleration, it is possible to measure the viscoelasticity of the cytoplasm and nucleus.

(2)細胞の位置制御
本発明に係る細胞内物体導入方法は、細胞の位置を制御するために応用できる。この細胞位置制御方法は、本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞内に磁性を有する物体を導入し、細胞に磁場を印加する手順を含む。
(2) Cell position control The intracellular substance introduction method according to the present invention can be applied to control the position of a cell. This cell position control method includes a procedure of applying a magnetic object to a cell by introducing a magnetic object into the cell by the intracellular object introduction method according to the present invention.

細胞内に導入する磁性を有する物体には、フェライト粒子などの市販の磁性マイクロビーズを利用できる。磁性マイクロビーズを導入した細胞にネオジム磁石等を用いて磁場を印加することによって、細胞を移動、回転等させて細胞の位置を制御することができる。この細胞位置制御方法よれば、複数種の細胞を積層して3次元構造を構築することが可能となる。   Commercially available magnetic microbeads such as ferrite particles can be used for magnetic objects to be introduced into cells. By applying a magnetic field to a cell into which magnetic microbeads have been introduced using a neodymium magnet or the like, the cell position can be controlled by moving or rotating the cell. According to this cell position control method, it is possible to build a three-dimensional structure by stacking a plurality of types of cells.

(3)生細胞の表面増強ラマン散乱測定
本発明に係る細胞内物体導入方法は、表面増強ラマン散乱分光法による生細胞の観察のために応用できる。この表面増強ラマン散乱分光法は、本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞内に金粒子及び/又は銀粒子を導入する手順を含む。
(3) Surface-enhanced Raman scattering measurement of living cells The intracellular substance introduction method according to the present invention can be applied for observation of living cells by surface-enhanced Raman scattering spectroscopy. This surface-enhanced Raman scattering spectroscopy includes a procedure for introducing gold particles and / or silver particles into cells by the intracellular object introduction method according to the present invention.

本発明に係る細胞内物体導入方法によれば、生きた細胞の細胞質内又は核内に金粒子や銀粒子を導入できるため、粒子表面での増強ラマン散乱を生細胞で検出、測定することができる。この表面増強ラマン散乱分光法によれば、生細胞の細胞質内あるいは核内に存在する単一タンパク質分子を測定することが可能となる。   According to the method for introducing an intracellular substance according to the present invention, gold particles or silver particles can be introduced into the cytoplasm or nucleus of a living cell, so that enhanced Raman scattering on the particle surface can be detected and measured in living cells. it can. According to this surface-enhanced Raman scattering spectroscopy, it becomes possible to measure a single protein molecule present in the cytoplasm or nucleus of a living cell.

(4)細胞内器官に物理的な力を作用させる方法
本発明に係る細胞内物体導入方法は、細胞内の特定のオルガネラ(細胞内器官)に物理的な力を作用させるために応用が可能である。すなわち、本発明に係る細胞内器官に物理的な力を作用させる方法は、細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に物理的な力を作用させる方法であって、前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合対の第一因子を付加する手順(第1手順)と、結合対の第二因子を付加した磁性粒子を封入したGUVを前記細胞と電気融合させる手順(第2手順)と、前記第一因子及び前記第二因子が形成する結合対を介して前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合した前記磁性粒子に磁場を作用させる手順(第3手順)と、を含むことを特徴とする。
(4) Method of applying a physical force to an intracellular organ The method for introducing an intracellular substance according to the present invention can be applied to apply a physical force to a specific organelle (intracellular organ) in the cell. It is. That is, the method of applying a physical force to an intracellular organ according to the present invention is a method of applying a physical force to a predetermined protein in a cell or an intracellular organ constituted by the protein. A procedure for adding a first factor of a binding pair to the protein of the above or the intracellular organ (first procedure), and a procedure for electrofusion of GUV encapsulating magnetic particles added with a second factor of the binding pair to the cells (first procedure) 2 procedures), and a procedure (third procedure) for applying a magnetic field to the magnetic particles bound to the predetermined protein or the intracellular organ through a binding pair formed by the first factor and the second factor, It is characterized by including.

[第1手順]
第1手順は、細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に結合対の第一因子を付加する手順である。
[First procedure]
The first procedure is a procedure for adding a first factor of a binding pair to a predetermined protein in the cell or an intracellular organ constituted by the protein.

第一因子は、後述する第二因子と結合し得るものであればよく、例えばアビジンと結合するビオチンを用いることができる。第一因子の付加のための手法は、用いる因子に応じて適宜種々の手法が採用され得るが、例えばビオチンを用いる場合、インビボビオチニレーション法によって行うことができる。所定のタンパク質をコードするcDNAにビオチンタグを付加し、遺伝子導入によって細胞内にビオチンタグ融合タンパク質を発現させ、同時にビオチンリガーゼも発現させる。これにより、融合タンパク質にビオチンを付加できる。さらに、ビオチンが付加されたタンパク質が細胞内においてオルガネラを構成することで、ビオチンが付加されたオルガネラが得られる。   The first factor only needs to be capable of binding to the second factor described below, and for example, biotin that binds to avidin can be used. As a method for adding the first factor, various methods can be appropriately employed depending on the factor to be used. For example, when biotin is used, it can be performed by an in vivo biotinylation method. A biotin tag is added to cDNA encoding a predetermined protein, and a biotin tag fusion protein is expressed in cells by gene introduction, and at the same time, biotin ligase is also expressed. Thereby, biotin can be added to the fusion protein. Furthermore, a protein to which biotin is added constitutes an organelle in the cell, whereby an organelle to which biotin is added is obtained.

[第2手順]
第2手順は、結合対の第二因子を付加した磁性粒子を封入したGUVを細胞と電気融合させる手順であり、本発明に係る細胞内物体導入方法に相当する手順である。
[Second procedure]
The second procedure is a procedure in which GUV encapsulating magnetic particles to which the second factor of the binding pair is added is electrofused with the cell, and is a procedure corresponding to the intracellular object introduction method according to the present invention.

第一因子は、第二因子と結合し得るものであればよく、例えばアビジンを用いることができる。磁性粒子へのアビジンの付加は、公知の手法によって行うことができ、フェライト粒子などの磁性粒子にストレプトアビジンを修飾した市販の磁性マイクロビーズを利用してもよい。   The first factor only needs to be capable of binding to the second factor, and for example, avidin can be used. Addition of avidin to the magnetic particles can be performed by a known method, and commercially available magnetic microbeads in which streptavidin is modified to magnetic particles such as ferrite particles may be used.

[第3手順]
第3手順は、第一因子及び第二因子が形成する結合対を介して所定のタンパク質あるいは細胞内器官に結合した磁性粒子に磁場を作用させる手順である。
[Third procedure]
The third procedure is a procedure in which a magnetic field is applied to magnetic particles bound to a predetermined protein or intracellular organ via a binding pair formed by the first factor and the second factor.

磁性マイクロビーズを導入した細胞にネオジム磁石等を用いて磁場を印加することによって、アビジン/ビオチンを介して磁性マイクロビーズが結合しているタンパク質又はオルガネラに物理的な力を作用させることができる。   By applying a magnetic field to cells into which magnetic microbeads have been introduced using a neodymium magnet or the like, a physical force can be applied to the protein or organelle to which the magnetic microbeads are bound via avidin / biotin.

この方法は、遺伝子発現解析方法に応用でき、具体的には、特定のオルガネラに対する力学刺激負荷に応答して発現量が変化する遺伝子の同定等に利用できる。例えば、アクチンやクロマチン等の各種核内タンパク質をビオチン化し、ストレプトアビジン修飾磁性マイクロビーズを結合させて物理的な力を負荷する。そして、負荷前後の細胞内の遺伝子発現量の変化を比較する。これにより、アクチン骨格やクロマチンへの力学刺激に応答して発現が増加又は減少する遺伝子を同定できる。なお、遺伝子発現量は、RNAシークエンス及びマイクロアレイなどの公知の手法によって測定できる。   This method can be applied to a gene expression analysis method. Specifically, it can be used for identification of a gene whose expression level changes in response to a mechanical stimulation load on a specific organelle. For example, various nuclear proteins such as actin and chromatin are biotinylated, and streptavidin-modified magnetic microbeads are bound to apply physical force. And the change of the gene expression level in the cell before and after loading is compared. This makes it possible to identify genes whose expression increases or decreases in response to mechanical stimulation to the actin skeleton and chromatin. The gene expression level can be measured by a known method such as RNA sequencing or microarray.

(5)細胞内代謝改変
[人工DNAナノ構造]
本発明に係る細胞内物体導入方法は、細胞内の代謝を改変するために応用できる。この細胞内代謝改変方法は、本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞内に酵素及び/又は機能性分子を固定した人工DNAナノ構造(例えばDNA origami)を導入する手順を含む。
(5) Intracellular metabolism modification [artificial DNA nanostructure]
The intracellular substance introduction method according to the present invention can be applied to modify intracellular metabolism. This method for altering intracellular metabolism includes a procedure for introducing an artificial DNA nanostructure (for example, DNA origami) in which an enzyme and / or a functional molecule is immobilized in a cell by the method for introducing an intracellular substance according to the present invention.

一連の酵素反応に関与する酵素及び/又は機能性分子を固定したDNA origamiは、細胞外で反応を進行させ得ることが示されている(Single-step rapid assembly of DNA origami nanostructures for addressable nanoscale bioreactors. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135:696-702)。DNA origamiへの酵素等の固定は、DNA origamiの表面に座標を設定し、反応に関与する分子を2次元ネットワークを形成するように各座標位置に配列していくことによって行う。後述する実施例では、表面に282個の蛍光分子を座標指定して配置したDNA origamiを細胞内へ導入できることが確認されている。DNA origamiのサイズもGUVに封入可能なまでの大きさであればよいが、例えば一辺100nm程度の矩形とされ得る。   It has been shown that DNA origami immobilized with enzymes and / or functional molecules involved in a series of enzyme reactions can advance the reaction outside the cell (Single-step rapid assembly of DNA origami nanostructures for addressable nanoscale bioreactors. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135: 696-702). The enzyme or the like is fixed to the DNA origami by setting coordinates on the surface of the DNA origami and arranging molecules involved in the reaction at respective coordinate positions so as to form a two-dimensional network. In Examples described later, it has been confirmed that DNA origami having 282 fluorescent molecules arranged on the surface by designating coordinates can be introduced into cells. The size of DNA origami is not limited as long as it can be encapsulated in GUV, but may be a rectangle having a side of about 100 nm, for example.

一連の酵素反応に関与する酵素及び/又は機能性分子を固定したDNA origamiを細胞内に導入し機能させることにより、細胞が元来有する代謝経路をその経路を維持したまま活性化あるいは抑制したり、経路を改変したりできる。また、細胞に、当該細胞が元来備えない新たな代謝機能を付与することもできる。この細胞内代謝改変方法は、例えば糖代謝系を活性化した場合における、脂肪球の消化や細胞周期の変化を解析するためなどに利用できる。   By introducing or functioning DNA origami immobilizing enzymes and / or functional molecules involved in a series of enzyme reactions into cells, the metabolic pathways inherent in the cells can be activated or suppressed while maintaining the pathways. , The route can be modified. In addition, a new metabolic function that the cell originally does not have can be imparted to the cell. This method for modifying intracellular metabolism can be used, for example, to analyze digestion of fat globules and changes in cell cycle when the sugar metabolism system is activated.

[サブマイクロゲルビーズ]
本発明に係る細胞内代謝改変方法では、人工DNAナノ構造に替えて、サブマイクロゲルビーズを用いることもできる。種々の小分子・高分子を封入できる材料として,アルギン酸をカルシウムで架橋固定したマイクロゲルビーズ(人工イクラ)が知られている。マイクロゲルビーズは、凍結乾燥してすりつぶすなどの簡単な操作によって、サブマイクロメートルサイズに変換できる。ゲルにおいては、封入した高分子の拡散係数がほぼゼロとなり、封入した小分子の拡散係数は溶液中よりやや低いか同程度となる環境を設定できる。このため、高分子として酵素を、小分子として基質を、ゲルに封入することによって、一連の酵素反応に関与する酵素及び/又は機能性分子を封入した人工連鎖酵素反応球を作成できる。この人工連鎖酵素反応球によれば、上記のDNA origamiにおける2次元ネットワークよりも大規模な3次元ネットワークを形成した酵素反応経路を細胞に導入できる。
[Sub-micro gel beads]
In the method for modifying intracellular metabolism according to the present invention, sub-microgel beads can be used instead of the artificial DNA nanostructure. As a material capable of encapsulating various small molecules / polymers, microgel beads (artificial salmon roe) in which alginic acid is cross-linked and fixed with calcium are known. Microgel beads can be converted to submicrometer size by simple operations such as freeze-drying and grinding. In the gel, the environment where the diffusion coefficient of the encapsulated polymer becomes almost zero and the diffusion coefficient of the encapsulated small molecule is slightly lower than or comparable to that in the solution can be set. For this reason, by encapsulating an enzyme as a polymer and a substrate as a small molecule in a gel, an artificial chain enzyme reaction sphere encapsulating an enzyme and / or a functional molecule involved in a series of enzyme reactions can be produced. According to this artificial chain enzyme reaction sphere, an enzyme reaction pathway that forms a three-dimensional network larger than the two-dimensional network in the DNA origami can be introduced into cells.

(6)細胞内温度の測定
本発明に係る細胞内物体導入方法は、細胞内の温度を測定するために応用できる。この細胞内温度測定方法は、本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞内に温度感受性ポリマーを導入する手順と、該温度感受性ポリマーの温度依存的な構造変化を検出する手順を含む。
(6) Measurement of intracellular temperature The method for introducing an intracellular substance according to the present invention can be applied to measure the temperature of a cell. This intracellular temperature measurement method includes a procedure for introducing a temperature-sensitive polymer into a cell by the intracellular substance introduction method according to the present invention, and a procedure for detecting a temperature-dependent structural change of the temperature-sensitive polymer.

温度感受性ポリマーには、従来マイクロインジェクションにより細胞内に導入され、細胞内の温度を測定するために用いられている蛍光ポリマー(例えば、Diffusive Thermoprobe; Okabe, K., et. al., Nat. Commun., 2012, 28(3), 705参照)を利用できる。このような温度感受性蛍光ポリマーとして、例えば、温度感受性ユニット、親水性ユニット及び蛍光性ユニットから構成されるポリマーがある。このポリマーは、低温条件では構造内の水分子の存在により蛍光性ユニットの蛍光は弱い状態であるが、高温条件では温感性ユニットの疎水性相互作用によって小さく丸まった状態となり水分子が構造外へ排除され、強い蛍光を発する状態となる。従って、細胞内に導入した温度感受性蛍光ポリマーからの蛍光強度の変化に基づいてポリマーの温度依存的な構造変化を検出することで、細胞内の温度を評価・測定できる。   The temperature-sensitive polymer is a fluorescent polymer (for example, Diffusive Thermoprobe; Okabe, K., et. Al., Nat. Commune) that has been introduced into cells by microinjection and is used to measure the temperature inside the cells. , 2012, 28 (3), 705). Examples of such a temperature sensitive fluorescent polymer include a polymer composed of a temperature sensitive unit, a hydrophilic unit, and a fluorescent unit. In this polymer, the fluorescence of the fluorescent unit is weak due to the presence of water molecules in the structure under low temperature conditions, but the polymer becomes small and round due to the hydrophobic interaction of the temperature sensitive units under high temperature conditions. It is eliminated and it becomes a state of emitting strong fluorescence. Therefore, the temperature inside the cell can be evaluated and measured by detecting the temperature-dependent structural change of the polymer based on the change in fluorescence intensity from the temperature-sensitive fluorescent polymer introduced into the cell.

本発明に係る細胞内温度測定方法は、細胞内の温度を測定して細胞の熱産生量を評価できるため、例えば、褐色脂肪細胞の脂肪燃焼を促進する薬剤をスクリーニングするために利用できる。   The method for measuring intracellular temperature according to the present invention can be used for screening a drug that promotes fat burning of brown adipocytes, for example, because the amount of heat production of cells can be evaluated by measuring intracellular temperature.

(7)ミトコンドリア病の治療法
本発明に係る細胞内物体導入方法により、ミトコンドリアDNAに変異をもつミトコンドリア病の患者の細胞内に正常ミトコンドリアを導入することで、ミトコンドリア病の治療が可能となる。例えば、ミトコンドリア病の一種であるPearson病では、ミトコンドリアDNA異常のために貧血を主体とする汎血球減少症をきたすが、患者から分離した骨髄幹細胞、あるいは胚性幹細胞(ES細胞)や誘導性多能性細胞(iPS細胞)等の幹細胞から誘導して得た骨髄幹細胞に正常ミトコンドリアを導入し移植することで、根本的な治療が可能である。
(7) Treatment method for mitochondrial disease By introducing the intracellular substance according to the present invention, normal mitochondrion is introduced into the cell of a mitochondrial disease patient having a mutation in mitochondrial DNA, thereby enabling treatment of mitochondrial disease. For example, Pearson's disease, which is a type of mitochondrial disease, causes pancytopenia mainly consisting of anemia due to mitochondrial DNA abnormality. However, bone marrow stem cells isolated from patients, embryonic stem cells (ES cells), By introducing and transplanting normal mitochondria into bone marrow stem cells derived from stem cells such as competent cells (iPS cells), fundamental treatment is possible.

本発明に係る細胞内物体導入方法により細胞にミトコンドリアを導入する過程で生成する、GUVと細胞とを含む細胞組成物は、ミトコンドリア病の治療用に利用できる。ミトコンドリア病の患者から細胞を分離し、正常ミトコンドリアを封入したGUVとの電気融合を行うことで得られるミトコンドリア病の治療用細胞組成物は、GUVと正常なミトコンドリアが導入された細胞とを含み得る。   The cell composition containing GUV and cells, which is generated in the process of introducing mitochondria into cells by the intracellular substance introduction method according to the present invention, can be used for the treatment of mitochondrial diseases. A cell composition for treating mitochondrial disease obtained by separating cells from a patient with mitochondrial disease and performing electrofusion with GUV encapsulating normal mitochondria may contain GUV and cells into which normal mitochondria have been introduced. .

また、ミトコンドリアに起源が近いプロトバクテリアを細胞内に導入して、ミトコンドリア機能を代替させることも考えられる。   It is also possible to substitute mitochondrial functions by introducing protobacteria that are closely related to mitochondria into cells.

(8)細胞のリプログラミング
乳酸菌を細胞に取り込ませることでリプログラミングが生じうることが報告されている(Lactic acid bacteria convert human fibroblasts to multipotent cells. PLOS ONE)。本発明に係る細胞内物体導入方法により、乳酸菌などの細菌を細胞内に導入することで、細胞の初期化や多能性幹細胞の誘導が可能となる。
(8) Reprogramming of cells It has been reported that reprogramming can occur by incorporating lactic acid bacteria into cells (Lactic acid bacteria convert human fibroblasts to multipotent cells. PLOS ONE). By introducing bacteria such as lactic acid bacteria into cells by the intracellular substance introduction method according to the present invention, cell initialization and pluripotent stem cells can be induced.

<実施例1:細胞内への物体導入>
1.GUVの調製
文献(PNAS, 2003, 100:10718-10721; J. Physical Chemistry B Lett., 2008, 112:14678-14681; PNAS, 2012, 109:5942-5947)記載の油中水型エマルション通過法に従って、GUVを作製した。ジオレオイルフォスファチジルコリン(DOPC)、ジオレオイルフォスファチジルグリセロール(DOPG)及びコレステロールをモル比9:1:1(合計105mg)でクロロホルム(1050μl)に溶解した。溶液をガラスチューブに移し、アルゴンガス雰囲気下での乾燥と真空乾燥を行った後、液体パラフィン(500μl)と混合した。混合物を60℃で60分間超音波処理した。
<Example 1: Introduction of an object into a cell>
1. Preparation of GUV Water-in-oil emulsion passing method described in literature (PNAS, 2003, 100: 10718-10721; J. Physical Chemistry B Lett., 2008, 112: 14678-14681; PNAS, 2012, 109: 5942-5947) According to the above, a GUV was prepared. Dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylglycerol (DOPG) and cholesterol were dissolved in chloroform (1050 μl) at a molar ratio of 9: 1: 1 (total 105 mg). The solution was transferred to a glass tube, dried in an argon gas atmosphere and vacuum dried, and then mixed with liquid paraffin (500 μl). The mixture was sonicated at 60 ° C. for 60 minutes.

蛍光ビーズ、DNA origami又はプラスミドDNAを内部溶液(90mMスクロース、210mMマンニトール、0.1mM塩化カルシウム、0.1mM塩化マグネシウム)と混合し、この内部溶液(50μl)を上記脂質混合物に加えた。   Fluorescent beads, DNA origami or plasmid DNA was mixed with an internal solution (90 mM sucrose, 210 mM mannitol, 0.1 mM calcium chloride, 0.1 mM magnesium chloride) and this internal solution (50 μl) was added to the lipid mixture.

蛍光ビーズには、直径0.2、0.5、1.0、2.0μmのカルボン酸修飾されたFluoSpheres(登録商標、Invitrogen)を用いた。プラスミドDNAには、市販のキット(NucleoBond Xtra Midi plus kit, Macherey-Nagel GmbH & Co.)を用いて作製したEGFP発現ベクターを用いた。細断された矩形のDNA origami(60nm×90nm)を、ソフトウェア(caDNAno)を用いて設計した。図2に、DNA origamiの配列を示す。DNA origamiには、60×90nm2の面に282個のFITCラベルを配置した。As the fluorescent beads, carboxylic acid-modified FluoSpheres (registered trademark, Invitrogen) having diameters of 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0 μm were used. As the plasmid DNA, an EGFP expression vector prepared using a commercially available kit (NucleoBond Xtra Midi plus kit, Macherey-Nagel GmbH & Co.) was used. Shredded rectangular DNA origami (60 nm × 90 nm) was designed using software (caDNAno). FIG. 2 shows the sequence of DNA origami. In DNA origami, 282 FITC labels were arranged on a surface of 60 × 90 nm 2 .

チューブを撹拌して、マイクロメーターサイズのW/Oエマルションを生成させた。エマルションを外部溶液(300mMマンニトール、0.1mM塩化カルシウム、0.1mM塩化マグネシウム)上に静かに注いだ。4℃で30分間遠心分離(18,000g)した後、エマルションを脂質で飽和させたW/O界面に通して二重膜を形成させた。油と水との混合を避けるため、チューブの底にニードルで開けた穴からGUVを抽出した。   The tube was agitated to produce a micrometer sized W / O emulsion. The emulsion was gently poured onto an external solution (300 mM mannitol, 0.1 mM calcium chloride, 0.1 mM magnesium chloride). After centrifugation (18,000 g) at 4 ° C. for 30 minutes, the emulsion was passed through a W / O interface saturated with lipid to form a bilayer membrane. To avoid mixing oil and water, GUV was extracted from a hole drilled with a needle in the bottom of the tube.

得られたGUVの平均直径は、顕微鏡下での画像解析により、20μmと推計された。蛍光顕微鏡下での画像解析により、各GUVに封入されたビーズの数は101〜104オーダーと計測された。また、各GUVに封入されたプラスミド及びDNA origamiの濃度は、それぞれ220ng/μl、3.36nMと計算された。The average diameter of the obtained GUV was estimated to be 20 μm by image analysis under a microscope. By image analysis under a fluorescence microscope, the number of beads encapsulated in each GUV was measured to be on the order of 10 1 to 10 4 . The concentration of plasmid and DNA origami encapsulated in each GUV was calculated to be 220 ng / μl and 3.36 nM, respectively.

2.GUVと細胞の電気融合
HeLa細胞を融合バッファー(300mMマンニトール、0.1mM塩化カルシウム、0.1mM塩化マグネシウム)に分散させた。GUVのマンニトール溶液(400μl)と細胞分散液(400μl、1×105細胞/ml)の混合溶液を、細胞電気融合装置(ECFG21, NEPA GENE)の発電機に接続された電気融合チャンバ―(NEPA GENE)に設置した。GUV数は、顕微鏡下での画像解析により、2×104/mlと計測された。チャンバ―は、2mm間隔で配された2枚のプラチナ平行電極(2×80×5mm)を含む。
2. Electrofusion of GUV and cells HeLa cells were dispersed in a fusion buffer (300 mM mannitol, 0.1 mM calcium chloride, 0.1 mM magnesium chloride). A mixed solution of GUV mannitol solution (400 μl) and cell dispersion (400 μl, 1 × 10 5 cells / ml) is connected to an electrofusion chamber (NEPA) connected to a generator of a cell electrofusion device (ECFG21, NEPA GENE). GENE). The GUV number was measured as 2 × 10 4 / ml by image analysis under a microscope. The chamber contains two platinum parallel electrodes (2 × 80 × 5 mm) spaced 2 mm apart.

混合溶液に15V/mmの交流電場を30秒かけ、細胞とGUVを一列に配列させた(第一手順)。次に、175V/mmの直流パルスを50マイクロ秒かけ、細胞とGUVを融合させた(第二手順)。細胞とGUVの融合は、細胞とGUVが接触している領域の膜が不可逆的に電気絶縁膜破壊されることによって引き起こされる。続いて、15V/mmの交流電場を10秒かけ、細胞とGUVの接触を維持した(第三手順)。その後、細胞をPBSで洗浄し、DMEMを入れた培養ディッシュに移した。   An AC electric field of 15 V / mm was applied to the mixed solution for 30 seconds, and cells and GUV were arranged in a line (first procedure). Next, a DC pulse of 175 V / mm was applied for 50 microseconds to fuse the cells and GUV (second procedure). Fusion of cells and GUV is caused by irreversibly destroying the insulating film in the region where the cells and GUV are in contact. Subsequently, an AC electric field of 15 V / mm was applied for 10 seconds to maintain contact between the cells and the GUV (third procedure). Thereafter, the cells were washed with PBS and transferred to a culture dish containing DMEM.

3.細胞内への物体導入
(1)蛍光ビーズ
蛍光ビーズ(直径1μm)を封入したGUVと電気融合させた細胞を図3示す。図左上は立体観察像、左下は垂直断面観察像、右は水平断面観察像を示す。細胞内に蛍光ビーズが導入されているのが確認できる。
3. Introduction of objects into cells (1) Fluorescent beads FIG. 3 shows cells electrofused with GUV encapsulating fluorescent beads (diameter 1 μm). The upper left of the figure shows a stereoscopic observation image, the lower left shows a vertical sectional observation image, and the right shows a horizontal sectional observation image. It can be confirmed that fluorescent beads are introduced into the cells.

直径0.2、0.5、1.0、2.0μmの蛍光ビーズを封入したGUVと細胞を電気融合させた結果を図4に示す。図は、細胞質、蛍光ビーズ及び核の蛍光観察像とこれらの合成像を示す。また、上段から対照(ビーズなし)、直径0.2、0.5、1.0、2.0μmの蛍光ビーズの結果を示す。直径0.2、0.5、1.0μmの蛍光ビーズが細胞内に導入されているのが確認できる。直径2μmの蛍光ビーズは、細胞内へ導入されなかった。細胞内への蛍光ビーズの導入率をフローサイトメータで測定した結果、直径0.2、0.5、1.0、2.0μmの蛍光ビーズでそれぞれ73、50、40、0.38%であった。   FIG. 4 shows the result of electrofusion of GUV encapsulating fluorescent beads having diameters of 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0 μm and cells. The figure shows a fluorescence observation image of the cytoplasm, fluorescent beads and nuclei and a composite image thereof. In addition, the results of fluorescent beads with a control (no beads) and diameters of 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0 μm are shown from the top. It can be confirmed that fluorescent beads having diameters of 0.2, 0.5, and 1.0 μm are introduced into the cells. The fluorescent beads having a diameter of 2 μm were not introduced into the cells. As a result of measuring the introduction rate of the fluorescent beads into the cells with a flow cytometer, the fluorescent beads having diameters of 0.2, 0.5, 1.0, and 2.0 μm were 73, 50, 40, and 0.38%, respectively. there were.

(2)プラスミド
EGFP発現ベクターを封入したGUVと電気融合させた細胞を図5に示す。電気融合後1日及び5日の培養後、細胞のGFP発現が確認され、細胞内にEGFP発現ベクターを導入できたことが確認された。細胞へのEGFP発現ベクターの導入効率は約20%であった。
(2) Plasmid FIG. 5 shows cells electrofused with GUV encapsulating an EGFP expression vector. After culturing on the 1st and 5th days after electrofusion, GFP expression in the cells was confirmed, and it was confirmed that the EGFP expression vector could be introduced into the cells. The introduction efficiency of the EGFP expression vector into the cells was about 20%.

(3)DNA origami
DNA origamiを封入したGUVと電気融合させた細胞を図6示す。FITCで標識されたDNA origamiが細胞内に導入されているのが確認できる。
(3) DNA origami
FIG. 6 shows a cell electrofused with GUV encapsulating DNA origami. It can be confirmed that DNA origami labeled with FITC is introduced into the cells.

なお、蛍光ビーズ(直径1μm)を封入したGUVとEGFP発現ベクターを封入したGUVとを組み合わせて用いることにより、細胞内に蛍光ビーズとEGFP発現ベクターを同時に導入できることも分かった(不図示)。   It was also found that fluorescent beads and EGFP expression vector can be simultaneously introduced into cells by using a combination of GUV encapsulating fluorescent beads (diameter 1 μm) and GUV encapsulating EGFP expression vector (not shown).

<実施例2:磁気ビーズの導入による細胞の磁気操作>
実施例1の蛍光ビーズと同様の手法により、細胞内に磁気ビーズ(FG-beads、多摩川精機)を導入した。
<Example 2: Magnetic manipulation of cells by introduction of magnetic beads>
Magnetic beads (FG-beads, Tamagawa Seiki) were introduced into the cells by the same method as the fluorescent beads of Example 1.

磁気ビーズが導入された細胞に磁場を印加することにより、細胞を移動させた。図7に、磁石で磁気を作用させて細胞を回転(右回りに一回転)させながら撮影した連続写真を示す。図中矢印は、時間の進行を示す。磁気ビーズの導入により、磁石を用いて細胞を自在に移動させることができた。   The cells were moved by applying a magnetic field to the cells into which the magnetic beads were introduced. FIG. 7 shows a series of photographs taken while rotating a cell (one turn clockwise) by applying magnetism with a magnet. The arrows in the figure indicate the progress of time. With the introduction of magnetic beads, cells could be moved freely using a magnet.

<実施例3:GUVの表面電位の検討>
実施例1の「1.GUVの調製」において、ジオレオイルフォスファチジルコリン(DOPC)、ジオレオイルフォスファチジルグリセロール(DOPG)及びコレステロールのモル比を9:1:1のままあるいは9:0:1に変更し、実施例1で用いた蛍光ビーズ(直径0.2μm)が封入されたGUVを作製した。また、ジオレオイルフォスファチジルコリン(DOPC):ジオクタデシルアンモニウムブロミド(DODAB)及びコレステロールをモル比9:1.26:1で用いて同様に蛍光ビーズが封入されたGUVを作製した。
<Example 3: Examination of surface potential of GUV>
In Example 1, “1. Preparation of GUV”, the molar ratio of dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylglycerol (DOPG) and cholesterol remains at 9: 1: 1 or 9: The GUV in which the fluorescent beads (diameter 0.2 μm) used in Example 1 were encapsulated was prepared by changing to 0: 1. Further, GUV in which fluorescent beads were similarly encapsulated was prepared using dioleoylphosphatidylcholine (DOPC): dioctadecylammonium bromide (DODAB) and cholesterol at a molar ratio of 9: 1.26: 1.

以下の手順でGUVの表面電位(ゼータ電位)測定を行った。前記の脂質組成と手順でGUV(蛍光ビーズは封入しない)を調製し、エクストルーダー (Mini-Extruder,Avanti Polar Lipids社製)を使用して直径を1μmにそろえた(メンブレンポアサイズ1μm、液量1mlに対してポア通過21回)。このリポソーム分散溶液300μlを微粒子測定器(nano Partica SZ-100 series、堀場製作所製)に導入し、ゼータ電位の測定を行った。測定値を「表1」に示す。   The surface potential (zeta potential) of GUV was measured by the following procedure. GUV (fluorescent beads not encapsulated) was prepared with the above lipid composition and procedure, and the diameter was adjusted to 1 μm using an extruder (Mini-Extruder, Avanti Polar Lipids) (membrane pore size 1 μm, liquid volume 1 ml). Against the pore 21 times). 300 μl of this liposome dispersion solution was introduced into a fine particle measuring device (nano Partica SZ-100 series, manufactured by Horiba, Ltd.), and the zeta potential was measured. The measured values are shown in “Table 1”.

Figure 2015146153
Figure 2015146153

実施例1の「2.GUVと細胞の電気融合」と同様にしてHeLa細胞とGUVの電気融合を行い、蛍光ビーズを細胞に導入した。融合操作後,以下の手順で蛍光ビーズ(直径0.2μm)の細胞への導入率を算出した。導入細胞を遠心分離(1000g,3min)し、上清を取り除いた後、融合バッファーを用いて再懸濁し洗浄した。再懸濁後の細胞をフローサイトメータ(Cell Lab Quanta SC MPL、ベックマンコールター社製)によって解析し、細胞への物質導入効率を求めた。直径7μm以上の物質を計測対象とした。細胞の計測数(1.5×104cells)のうち、融合操作を行わないネガティブコントロール(検出した蛍光強度<1×101)以上の蛍光強度を有するものの割合を算出した。結果を「表2」に示す。HeLa cells and GUV were electrofused in the same manner as in “2. Electrofusion of GUV and cells” in Example 1, and fluorescent beads were introduced into the cells. After the fusion operation, the introduction rate of fluorescent beads (diameter 0.2 μm) into cells was calculated according to the following procedure. The introduced cells were centrifuged (1000 g, 3 min), the supernatant was removed, and then resuspended and washed with a fusion buffer. The cells after resuspension were analyzed by a flow cytometer (Cell Lab Quanta SC MPL, manufactured by Beckman Coulter) to determine the substance introduction efficiency into the cells. Substances having a diameter of 7 μm or more were measured. Of the number of cells counted (1.5 × 10 4 cells), the ratio of those having a fluorescence intensity equal to or higher than the negative control (detected fluorescence intensity <1 × 10 1 ) without fusion operation was calculated. The results are shown in “Table 2”.

Figure 2015146153
Figure 2015146153

負の表面電位を有するGUV(DOPC:DOPG:コレステロール=9:1:1あるいは9:0:1)では蛍光ビーズの導入が可能であったが、正の表面電位を有するGUV(DOPC:DODAB:コレステロール=9:1.26:1)では、電気融合後洗浄を経た細胞にもGUVが付着し、評価が不能であった。また、より低い負の表面電位を有するGUVにおいてより高い蛍光ビーズの導入効率が得られた。   Although GUV having a negative surface potential (DOPC: DOPG: cholesterol = 9: 1: 1 or 9: 0: 1) can introduce fluorescent beads, GUV having a positive surface potential (DOPC: DODAB: In the case of cholesterol = 9: 1.26: 1), GUV adhered to the cells after washing after electrofusion, and evaluation was impossible. Also, higher introduction efficiency of fluorescent beads was obtained in GUV having a lower negative surface potential.

<実施例4:GUVのコレステロール含有率の検討>
実施例1の「1.GUVの調製」において、ジオレオイルフォスファチジルコリン(DOPC)、ジオレオイルフォスファチジルグリセロール(DOPG)及びコレステロールのモル比を9:1:1から9:1:0,9:1:0.1,9:1:0.4、9:1:2又は9:1:5に変更し、実施例1で用いた蛍光ビーズ(直径0.5μm)が封入されたGUVを作製した。
<Example 4: Examination of cholesterol content of GUV>
In Example 1, “1. Preparation of GUV”, the molar ratio of dioleoylphosphatidylcholine (DOPC), dioleoylphosphatidylglycerol (DOPG) and cholesterol was 9: 1: 1 to 9: 1: Changed to 0, 9: 1: 0.1, 9: 1: 0.4, 9: 1: 2 or 9: 1: 5, and the fluorescent beads (diameter 0.5 μm) used in Example 1 were enclosed. GUV was prepared.

実施例1の「2.GUVと細胞の電気融合」と同様にしてHeLa細胞とGUVの電気融合を行い、蛍光ビーズを細胞に導入した。実施例3と同様にしてフローサイトメータを用いて蛍光ビーズの細胞への導入率を算出した。結果を「表3」に示す。コレステロール比がより低いGUVにおいて、より高い蛍光ビーズの導入率が得られる傾向があった。コレステロールの割合は、好ましくは0〜16.6モル%、より好ましくは0〜9.1モル%、さらに好ましくは0〜3.8モル%、さらにより好ましくは0〜0.9モル%、最も好ましくは0モル%である。   HeLa cells and GUV were electrofused in the same manner as in “2. Electrofusion of GUV and cells” in Example 1, and fluorescent beads were introduced into the cells. In the same manner as in Example 3, the introduction rate of fluorescent beads into cells was calculated using a flow cytometer. The results are shown in “Table 3”. There was a tendency to obtain a higher introduction rate of fluorescent beads in GUV having a lower cholesterol ratio. The proportion of cholesterol is preferably 0 to 16.6 mol%, more preferably 0 to 9.1 mol%, still more preferably 0 to 3.8 mol%, even more preferably 0 to 0.9 mol%, most preferably Preferably it is 0 mol%.

Figure 2015146153
Figure 2015146153

<実施例5:ポストフュージョン交流電場の印加時間の検討>
実施例1の「2.GUVと細胞の電気融合」の第三手順での交流電場(15V/mm)の印加時間を10秒から0,20,60秒に変化させて蛍光ビーズ(0.5μm)の細胞への導入を行った。実施例3と同様にしてフローサイトメータを用いて蛍光ビーズの細胞への導入率を算出した。結果を「表4」に示す。
<Example 5: Examination of application time of post-fusion AC electric field>
The application time of the alternating electric field (15 V / mm) in the third procedure of “2. Electrofusion of GUV and cells” in Example 1 was changed from 10 seconds to 0, 20, 60 seconds to obtain fluorescent beads (0.5 μm ) Was introduced into the cells. In the same manner as in Example 3, the introduction rate of fluorescent beads into cells was calculated using a flow cytometer. The results are shown in “Table 4”.

Figure 2015146153
Figure 2015146153

Claims (19)

細胞内に物体を導入する方法であって、
前記物体が封入され、負の表面電位を付された巨大単層膜リポソーム(Giant Unilamellar Liposome)と、前記細胞と、の混合液に交流電場を印加して、前記巨大単層膜リポソームと前記細胞とを配列させる第一手順と、
該第一手順の後に、前記混合液に直流パルス電場を印加して、前記巨大単層膜リポソームの膜と前記細胞の膜とを少なくとも一部融合させる第二手順と、
を含む方法。
A method of introducing an object into a cell,
By applying an alternating electric field to a mixture of giant unilamellar liposomes (Giant Unilamellar Liposomes) encapsulating the object and having a negative surface potential, and the cells, the giant unilamellar liposomes and the cells And a first step of arranging
After the first procedure, a second procedure in which a DC pulse electric field is applied to the mixed solution to fuse at least partially the membrane of the giant unilamellar liposome and the membrane of the cell;
Including methods.
前記巨大単層膜リポソームが−40mV〜−20mVの表面電位を有する請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the giant unilamellar liposome has a surface potential of −40 mV to −20 mV. 前記巨大単層膜リポソームの膜を構成する脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%である請求項1又は2記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the proportion of cholesterol in the total lipid constituting the membrane of the giant unilamellar liposome is 0 to 15 mol%. 前記第一手順において、前記交流電場を5〜15V/mmで、10〜60秒印加し、前記第二手順において、前記直流パルス電場を100〜175V/mmで、30〜50マイクロ秒印加する請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。   In the first procedure, the AC electric field is applied at 5 to 15 V / mm for 10 to 60 seconds, and in the second procedure, the DC pulse electric field is applied at 100 to 175 V / mm for 30 to 50 microseconds. Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3. 前記物体が、直径100nm以上の大きさである請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the object has a diameter of 100 nm or more. 前記物体が、粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内小器官からなる群より選択される一以上である請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the object is one or more selected from the group consisting of particles, nucleic acids, macromolecules, microorganisms, and intracellular organelles. 巨大単層膜リポソームの製造方法であって、
該巨大単層膜リポソームの膜を構成する脂質を、前記巨大単層膜リポソームの表面電位が−40mV〜−20mVとなるように調製することを含む製造方法。
A method for producing giant unilamellar liposomes,
A production method comprising preparing the lipid constituting the membrane of the giant unilamellar liposome such that the surface potential of the giant unilamellar liposome is -40 mV to -20 mV.
前記巨大単層膜リポソームの膜を構成する脂質を、該脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%となるように調製することを含む請求項7記載の製造方法。   The production method according to claim 7, comprising preparing the lipid constituting the membrane of the giant unilamellar liposome such that the proportion of cholesterol in the total lipid is 0 to 15 mol%. −40mV〜−20mVの表面電位を有する巨大単層膜リポソーム。   Giant unilamellar liposomes having a surface potential of −40 mV to −20 mV. 膜を構成する脂質全体に占めるコレステロールの割合が0〜15モル%である請求項9記載の巨大単層膜リポソーム。   The giant unilamellar liposome according to claim 9, wherein the proportion of cholesterol in the total lipid constituting the membrane is 0 to 15 mol%. 粒子、核酸、高分子、微生物及び細胞内小器官からなる群より選択される一以上の物体が封入された請求項9又は10記載の巨大単層膜リポソーム。   The giant unilamellar liposome according to claim 9 or 10, wherein one or more objects selected from the group consisting of particles, nucleic acids, polymers, microorganisms, and organelles are encapsulated. 請求項1〜6記載の方法により細胞内に物体を導入し、該物体の細胞内における搖動を検出することにより、細胞内の物理特性を測定する方法。   A method for measuring physical properties in a cell by introducing an object into the cell by the method according to claim 1 and detecting peristalsis of the object in the cell. 請求項1〜6記載の方法により細胞内に磁性を有する物体を導入し、細胞に磁場を印加することにより、細胞の位置を制御する方法。   A method for controlling the position of a cell by introducing a magnetic object into the cell by the method according to claim 1 and applying a magnetic field to the cell. 請求項1〜6記載の方法により細胞内に金粒子及び/又は銀粒子を導入する手順を含む、表面増強ラマン散乱分光法。   Surface-enhanced Raman scattering spectroscopy comprising a procedure for introducing gold particles and / or silver particles into cells by the method according to claim 1. 細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に物理的な力を作用させる方法であって、
前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合対の第一因子を付加する手順と、
結合対の第二因子を付加した磁性粒子を請求項1〜6記載の方法により細胞内に導入する手順と、
前記第一因子及び前記第二因子が形成する結合対を介して前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官に結合した前記磁性粒子に磁場を作用させる手順と、
を含む方法。
A method of applying a physical force to a predetermined protein in a cell or an intracellular organ constituted by the protein,
Adding a first factor of a binding pair to the predetermined protein or the intracellular organ;
A procedure for introducing magnetic particles, to which a second factor of a binding pair has been added, into a cell by the method according to claims 1 to 6;
A step of applying a magnetic field to the magnetic particles bound to the predetermined protein or the intracellular organ through a binding pair formed by the first factor and the second factor;
Including methods.
前記第一因子がビオチンであり、前記第二因子がストレプトアビジンであり、インビボビオチニレーション法によって前記所定のタンパク質あるいは前記細胞内器官にビオチンを付加する請求項15記載の方法。   The method according to claim 15, wherein the first factor is biotin and the second factor is streptavidin, and biotin is added to the predetermined protein or the intracellular organ by an in vivo biotinylation method. 請求項15又は16記載の方法により細胞内の所定のタンパク質あるいは該タンパク質が構成する細胞内器官に物理的な力を負荷し、負荷の前後における前記細胞内の遺伝子発現量の変化を検出する遺伝子発現解析方法。   A gene for applying a physical force to a predetermined protein in a cell or an intracellular organ composed of the protein by the method according to claim 15 or 16, and detecting a change in gene expression level in the cell before and after the load. Expression analysis method. 請求項1〜6記載の方法により細胞内に酵素反応に関与する酵素及び/又は機能性分子を固定した人工DNAナノ構造(DNA origami)を導入することにより、細胞内代謝を改変する方法。   A method for modifying intracellular metabolism by introducing an artificial DNA nanostructure (DNA origami) in which an enzyme involved in an enzyme reaction and / or a functional molecule is immobilized in the cell by the method according to claim 1. 請求項1〜6記載の方法により細胞内に温度感受性ポリマーを導入する手順と、該温度感受性ポリマーの温度依存的な構造変化を検出する手順を含む、細胞内温度測定方法。   A method for measuring an intracellular temperature, comprising a step of introducing a temperature-sensitive polymer into a cell by the method according to claim 1 and a step of detecting a temperature-dependent structural change of the temperature-sensitive polymer.
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