JPWO2016063912A1 - 粒子検出方法、粒子検出装置および粒子検出システム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2014年10月24日に出願された日本国特許出願2014−217807号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
図1は、実施形態に係る粒子検出装置1の概略的な平面図である。図2は、実施形態に係る粒子検出装置1の概略的な正面図である。
本実施形態における流体デバイスCは、一例として、検体を分析する際に用いられる電気泳動分析チップである。検体としては、細胞、細胞外小胞体、微粒子、ラテックス粒子(抗体で修飾され、さらに細胞で修飾されたラテックス粒子を含む)、高分子ミセル等が挙げられる。本実施形態では、電気泳動分析チップとして、細胞外小胞体を分析するための細胞外小胞体分析チップを用いる場合について説明する。本明細書において、細胞外小胞体とは、エクソソーム(エキソソーム)、アポトーシス小体、マイクロベシクル等を含む、脂質小胞を意味するものとする。以下に、エクソソームを分析する場合を例として、本実施形態に係る細胞外小胞体分析チップ(電気泳動分析チップ)について説明する。
エクソソーム(エキソソーム)は、直径30〜100nm程度の脂質小胞であり、エンドソームと細胞膜との融合体として、腫瘍細胞、樹状細胞、T細胞、B細胞等、種々の細胞から、血液、尿、唾液等の体液中に分泌される。
生体内に存在する癌細胞等の異常細胞は、その細胞膜に特有のタンパク質を発現している。エクソソームは細胞の分泌物であり、その表面に分泌源の細胞由来のタンパク質を発現している。
細胞外小胞体分析チップを用いたエクソソームの分析は、一例として次のようにして行うことができる。まず、検出対象のエクソソームを精製する。次に、エクソソームと特異的結合物質とを接触させる。ここで、特異的結合物質とは、エクソソームの表面に存在する分子に特異的に結合することができる物質を意味し、詳細は後述する。次に、細胞外小胞体分析チップを用いて、エクソソームのゼータ電位を計測し、分析を行う。本分析は、エクソソームに限らず、広く細胞外小胞体一般の分析にも適用できる。
特異的結合物質としては、例えば、抗体、改変抗体、アプタマー、リガンド分子等が挙げられる。抗体としては、IgG、IgA、IgD、IgE、IgM等が挙げられる。IgGとしては、IgG1、IgG2、IgG3、IgG4等が挙げられる。IgAとしては、IgA1、IgA2等が挙げられる。IgMとしては、IgM1、IgM2等が挙げられる。改変抗体としては、Fab、F(ab’)2、scFv等が挙げられる。アプタマーとしては、ペプチドアプタマー、核酸アプタマー等が挙げられる。リガンド分子としては、エクソソームの表面に存在する検出対象分子が、レセプタータンパク質である場合の、そのレセプタータンパク質のリガンド等が挙げられる。例えば、エクソソームの表面に存在する分子がインターロイキンである場合、リガンド分子としてはGタンパク質等が挙げられる。
本分析の各工程について説明する。まず、エクソソームを含有する試料からそのエクソソームを精製する。試料としては、目的に応じて、血液、尿、母乳、気管支肺胞洗浄液、羊水、悪性滲出液、唾液、細胞培養液等が挙げられる。中でも、血液及び尿からは、エクソソームを精製しやすい。
次に、エクソソームと特異的結合物質(抗体、アプタマー等)とを接触させる。エクソソームの表面に検出対象の分子が存在した場合、特異的結合物質−エクソソーム複合体が形成される。特異的結合物質を適切に選択することにより、例えば、癌、肥満、糖尿病、神経変性疾患等の疾患に関連する異常を検出することができる。
一例として、特異的結合物質として抗体を使用した場合について説明する。エクソソームと抗体とを反応させた後、抗体と反応させたエクソソームのゼータ電位を計測する。ゼータ電位とは、溶液中の微粒子の表面電荷である。例えば、エクソソームが負に帯電しているのに対し、抗体は正に帯電している。このため、抗体−エクソソーム複合体のゼータ電位は、エクソソーム単独のゼータ電位と比較して正にシフトしている。したがって、抗体と反応させたエクソソームのゼータ電位を測定することによって、エクソソームの膜表面における抗原の発現を検出することができる。これは、抗体に限らず、正に帯電した特異的結合物質でも同様である。
U=(ε/η)ζ …(1)
式(1)中、Uは測定対象のエクソソームの電気泳動移動度、εはサンプル溶液の誘電率、ηはサンプル溶液の粘性係数である。また、電気泳動移動度Uは、電気泳動速度Sをマイクロ流路内の電界強度で除して算出することができる。
図3は、実施形態に係る細胞外小胞体分析チップの基本構造を示す斜視図である。図4は、図3のII−II線断面図である。細胞外小胞体分析チップ101は、第1リザーバー110と、第2リザーバー120と、第1リザーバー110と第2リザーバー120とを接続する泳動流路150と、基材160とを備えている。泳動流路150は、例えば、ミリ流路やマイクロ流路である。泳動流路150は、一例として、幅200μm、高さ400μm、長さ10mm程度の大きさである。泳動流路150は、細胞外小胞体、あるいは、細胞外小胞体の表面に存在する分子に特異的に結合する特異的結合物質と細胞外小胞体とが相互作用してなる、特異的結合物質−細胞外小胞体複合体(一例として、抗体−エクソソーム複合体)を電気泳動する流路である。特異的結合物質の一例として、抗体、アプタマー、または抗体とアプタマーとの組み合わせからなる物質が挙げられる。アプタマーは例えば、核酸アプタマー、ペプチドアプタマーなどである。特異的結合物質が認識する分子としては、例えば抗原、膜タンパク質、核酸、糖鎖、糖脂質等が挙げられる。
分析対象のエクソソームは、特異的結合物質と反応させたものであってもよい。エクソソームは例えば培養上清や血清から抽出したものであり、試料液は、例えば、リン酸緩衝液(Phosphate Buffered Saline、PBS)等の緩衝液にエクソソームが懸濁されたエクソソーム懸濁液である。次に、エクソソームを含む試料液が泳動流路150に導入される。一例として、シリンジを第2リザーバー120に接続して試料液を吸引することにより、エクソソームを泳動流路150に導入することができる。次に、緩衝液を、第1リザーバー110及び第2リザーバー120に入れる。後述する液位調整手段により、第1リザーバー110と第2リザーバー120との液位(液面高)を調整して揃え、泳動流路150に生じる静水圧流の発生を防ぎ、ゼータ電位測定の精度を向上させることが可能となる。続いて、制御部(例、後述の制御部CONT、又はコンピュータなど)によって電極130及び140の間に電圧を印加し、エクソソームを電気泳動する。一例として、制御部は約50V/cmの電界強度の電圧を約10秒間印加する。
図5は、実施形態に係るステージ部STの設置面STaに流体デバイスCが設置された平面図である。図6は、実施形態に係る流体デバイスCをyz平面で部分的に切断した部分断面図である。図7は、図6におけるA−A線断面図である。
この場合、流体デバイスCの積層構造は二層構造を有する。また、例えば、このような流体デバイスCの積層構造は、リザーバー部材10と、底板11とを互いに貼りあわせて形成される。
照明光L1は、上述した直交面と交差する方向に延びる光軸に沿って流体デバイスCに照射される。本実施形態では、照明光L1の光軸は、x方向と平行である。本実施形態の照明光L1は、x方向に延びる光軸に沿って流体デバイスCに照射される。
この場合、流路13の位置が異なるチップを用いた場合であっても、流路13内に収光点が位置するように調整することが可能である。また、収光点と流路13の中心とが実質的に一致するように調整してもよく、検出部の中心部と収光点とが実質的に一致するように調整してもよい。図9は、実施形態に係る調整部CLおよび流体デバイスCの部分詳細図である。
調整部CLは、一例として、シリンドリカルレンズで構成される。調整部CLは、照明光L1のz方向の幅が流路13の内部において最小となり、且つ、流路13の照射光入射側の側面16aの位置における照明光L1の通過領域が側面16a内に限定されるように収束する収束角度に照明光L1を調整している。調整部CLは、照明光L1のz方向の幅が流路13の内部において最小となり、且つ、流路13の照射光入射側の側面16aの位置における照明光L1の照射領域が側面16a内に集光するような収束角度に照明光L1を調整している。また、調整部CLは、流路13の照射光射出側の側面16bの位置における照明光L1(照射光束)の通過領域が側面16b内に限定されるように収束する収束角度に照明光L1を調整している。調整部CLは、流路13の照射光射出側の側面16bの位置における照明光L1(照射光束)の照射領域が側面16b内に集光するような収束角度に照明光L1を調整している。また、調整部CLは、リザーバー部材10の端面17の位置における照明光L1の照射領域が端面17内に収束する収束角度に照明光L1を調整している。さらに、調整部CLは、照明光L1が流路13内の検出領域において収束点が存在するような収束角に照明光L1を調整している。
例えば、流路13の検出領域において検出部30の焦点深度外の照明光L1の照明光束は焦点深度内の照明光束よりも少なくなるような収束角を有する。なお、例えば、上述の直交面は、リザーバー部材10の端面17、流路13の照射光入射側の側面16a、又は流路13の照射光射出側の側面16bを含む。
n2sinα3=n3sinα4
α1+β1=δ1
α2+β1=δ2
α3+β2=δ2
α4+β2=δ3
α1:自由空間からリザーバー部材10の端面17への照明光L1の入射角
α2:端面17からリザーバー部材10内の照明光L1の出射角
α3:リザーバー部材10内から流路13の側面(壁面)16aへの照明光L1の入射角
α4:側面16aから流路13内部への照明光L1の出射角
β1:端面17の傾斜角
β2:側面16aの傾斜角
δ1:自由空間においての照明光L1の焦点面Fからの仰角
δ2:リザーバー部材10内においての照明光L1の焦点面Fからの仰角
δ3:流路13内においての照明光L1の焦点面Fからの仰角
n1:自由空間媒質の屈折率
n2:リザーバー部材10材質の屈折率
n3:流路13内の媒質の屈折率
であり、
入射角・出射角:端面17および側面16aへの垂線からの角度
傾斜角:焦点面Fの垂線からの角度
仰角:焦点面Fからの角度
としている。また、符号は全て反時計回り方向を正とする。
本実施形態の粒子検出方法は、設置工程、導入工程、照射工程、検出工程を含む。
具体的には、図5に示したように、押し付けコマ52により流体デバイスCを対角方向に押し付けることにより、流体デバイスCは、固定ピン51a、51bに押し付けられ、流路13(レーン2)がy方向と平行になるように、ステージ部STに位置決めされた状態で設置面STaに設置される。
試料が流路13に導入されたら、制御部CONTはステージ駆動部60を駆動して、検出対象となるレーン2を照明光L1の光路および検出部30の検出軸31a上に位置させる。検出対象となるレーン2が検出位置に移動すると、制御部CONTは、電源部BTを制御して電極18A及び電極18Bに電界を印加させ、エクソソームを流路13に沿って電気泳動させる力を付与する。一例として、制御部CONTは、約50V/cmの電界強度の電圧を約10秒間印加する。エクソソームの移動方向は、y方向と平行である。
照明光L1を照射する照射部20および調整部CLは、y方向の幅が一定で、上述した式(1)〜式(6)を満足する収束角θでz方向に収束するシートビーム状の照明光L1を照射する。照明光L1の最小ビーム厚(z方向のビーム幅)は、一例として、10μmである。照明光L1の最小ビーム厚(z方向のビーム幅)方向は、図7および図9のz方向またはz方向と平行な方向である。照明光L1の最小ビーム厚(z方向のビーム幅)方向は、入射面(端面17および側面16a)における照明光L1の光軸方向及び流路方向とは異なる方向であり、その光軸方向及び流路方向と直交する方向である。流路方向は、流路13が延在する方向である。流路方向は、流路13を流体が流れる方向である。
照射された照明光L1は、流体デバイスCの第一端面(照明光入射側端面)17、流路13の側面(照明光入射側側面)16a、流路13の内部、流路13の側面(照明光射出側側面)16b、流体デバイスCの第二端面(照明光射出側端面)27(図5参照)を順次通過する。照明光L1は、エクソソームの移動方向と直交する方向に照射される。
照射された照明光L1は、図9に示すように、流路13の内部においてz方向の幅が最小となるように収束し、且つ、流路13の側面16aの位置における照射光束の通過領域が側面16a内に限定されるように収束する。さらに、照射された照明光L1は、流路13の照明光射出側の側面16bの位置における照射光束の通過領域が側面16a内に限定されるように収束する。照明光L1は、側面16aの位置における照射領域が側面16a内に集光し、側面16bの位置における照射領域が側面16b内に集光するような収束角に調整されている。また、照射された照明光L1は、流路13における検出部30の検出領域において収束点が存在する。
Claims (31)
- 試料中の粒子を検出する粒子検出方法であって、
前記粒子が移動可能な流路を備える流体デバイスをステージ部に設置する設置工程と、
前記流路に照明光を照射する照射工程と、
前記照明光の照射によって、前記粒子から生ずる散乱光を検出する検出工程と、
を含み、
前記照射工程において、前記照明光は、前記流路の照明光入射側の第1側面の位置における前記照明光の光束の通過領域が前記第1側面内に限定されるように収束する粒子検出方法。 - 前記照射工程において、前記照明光は前記第1側面内に集光するような収束角で照射される請求項1に記載の粒子検出方法。
- 前記照射工程において、前記照射光は、前記流体デバイスが設置されるステージ部の設置面に対し直交する直交面と交差する第1方向に延びる光軸に沿って照射され、前記第1方向と直交する第2方向の幅が前記流路内部において最小となるように収束する請求項1に記載の粒子検出方法。
- 前記照射工程において、前記照明光の収束角は、前記流路の照明光射出側の第2側面の位置における前記照明光の光束の通過領域が前記第2側面内に限定される、
請求項1に記載の粒子検出方法。 - 前記流路は、前記直交面と直交する第3方向に互いに離間した一対の第1面と、前記第3方向と直交する第4方向に互いに離間した一対の第2面とに囲まれた断面矩形形状に形成されており、
前記第1方向は、前記第3方向と平行であり、
前記照明光は前記第1面について直交して入射する、
請求項1または請求項4に記載の粒子検出方法。 - 前記流体デバイスは、前記一対の第1面と、前記一対の第2面と、を有する流路部と、
前記第1面よりも前記照明光の入射側に位置し前記第1面と平行な端面とを備え、
前記照射工程において、前記照明光は、前記端面に直交して入射するとともに、前記第3方向について前記端面の位置における前記照明光の通過領域が前記端面内に限定されるように収束する
請求項5記載の粒子検出方法。 - 前記流体デバイスは、前記第4方向に積層され屈折率が互いに異なる材料で形成された第1基材と第2基材とを備え、
前記第1基材は、前記一対の第1面と、前記一対の第2面のうちの一方と、を有する溝部と、前記端面とを備える
請求項6に記載の粒子検出方法。 - 前記端面は、鏡面加工されている
請求項6または請求項7に記載の粒子検出方法。 - 前記検出工程において、前記散乱光は側方散乱光である
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 前記流体デバイスをステージ部に保持させて移動させる工程を含む
請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 前記照明光の前記第2方向の幅が最小となる前記第3方向の位置を調整する工程を含む
請求項1から10のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 前記散乱光の画像情報を取得することと、
取得した前記画像情報に基づいて、前記粒子に関する情報を判定することと、を含む
請求項1から11のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 前記粒子に前記流路内を移動させる力を付与する工程を含む
請求項12記載の粒子検出方法。 - 前記媒質中に印加される電界による力を前記粒子に付与する
請求項13記載の粒子検出方法。 - 前記画像情報に基づいて前記粒子の移動速度を判定する
請求項13または請求項14に記載の粒子検出方法。 - 前記画像情報に基づいて前記粒子の粒径を判定する
請求項12から請求項15のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 前記粒子は、エクソソームである
請求項1から16のいずれか一項に記載の粒子検出方法。 - 試料中の粒子を検出する粒子検出装置であって、
粒子を含む試料を導入可能な流路を備えた流体デバイスが設置されうるステージ部と、
前記流路に照明光を照射する照射部と、
前記照明光を調整する調整部と、
前記照明光の照射により、前記試料中の粒子から生ずる散乱光を検出する検出部と、
を備え、
前記調整部は、前記流路の照射光入射側の側面の位置における照射領域が前記側面内に集光するような収束角に前記照明光を調整する、粒子検出装置。 - 前記照射部は、前記照明光を前記設置面と直交する直交面と交差する第1方向に延びる光軸に沿って前記流路に照射し、
前記調整部は、前記照明光が前記第1方向と直交する第2方向の幅が前記流路内部において最小となるように収束するような収束角に前記照明光を調整する、請求項18に記載の粒子検出装置。 - 前記検出部は、前記散乱光の画像情報を取得する取得部と、
前記取得部で取得された前記画像情報に基づいて、前記粒子に関する情報を判定する判定部とを備える
請求項18記載の粒子検出装置。 - 前記流路に沿った方向の電界を印加する印加部を備える
請求項20に記載の粒子検出装置。 - 前記判定部は、前記画像情報に基づいて前記粒子の移動速度を判定する
請求項20または請求項21に記載の粒子検出装置。 - 前記判定部は、前記画像情報に基づいて前記粒子の大きさを判定する
請求項20から請求項22のいずれか一項に記載の粒子検出装置。 - 前記照明光の前記第2方向の幅が最小となる前記直交面と直交する第3方向の位置を調整する第2調整部を備える
請求項18から請求項23のいずれか一項に記載の粒子検出装置。 - 粒子を含む試料を導入可能な流路を備えた流体デバイスと、
請求項18から請求項24のいずれか一項に記載の粒子検出装置と、
を備える粒子検出システム。 - 前記流体デバイスの流路は、前記直交面と直交する第3方向に互いに離間した一対の第1面と、前記第3方向と直交する第4方向に互いに離間した一対の第2面とに囲まれた断面矩形形状に形成されており、
前記第1方向は、前記第3方向と平行であり、
前記照射部は、前記照明光を前記第1面について直交して入射させる
請求項25に記載の粒子検出システム。 - 前記流体デバイスは、前記一対の第1面と、前記一対の第2面と、を有する流路部と、
前記第1面よりも前記照明光の入射側に位置し前記第1面と平行な端面とを備え、
前記照明光は、前記端面に直交して入射するとともに、前記第3方向について前記端面の位置における照射領域が前記端面内に集光するような収束角に調整されている
請求項26に記載の粒子検出システム。 - 前記流体デバイスは、前記第4方向に積層され屈折率が互いに異なる材料で形成された第1基材と第2基材とを備え、
前記第1基材は、前記一対の第1面と、前記一対の第2面のうちの一方と、を有する溝部と、前記端面とを備える
請求項27に記載の粒子検出システム。 - 前記端面は、鏡面加工されている
請求項28記載の粒子検出システム。 - 前記第2基材は、前記照明光の入射側に位置する第2端面が前記第3方向について前記第1基材の端面の位置よりも前記入射側とは逆側に離間する
請求項28または請求項29に記載の粒子検出システム。 - 前記粒子は、エクソソームである
請求項25から30のいずれか一項に記載の粒子検出システム。
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