JPWO2017056274A1 - Cell analysis device and cell analysis method using the same - Google Patents

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Abstract

本発明は、単一細胞解析装置において、核酸捕捉効率の向上と細胞捕捉効率の向上の両立を図ることを目的とする。本発明は、細胞を1個ずつ捕捉可能な複数の細胞捕捉部と、各細胞捕捉部に対応して存在し、細胞捕捉部に捕捉された細胞から抽出された核酸を捕捉する核酸捕捉部を有する二次元アレイチップを備えた単一細胞解析用デバイスに関する。本発明のデバイスは、二次元アレイチップの核酸捕捉部に隣接して設けられた溶液保持部をさらに備え、溶液保持部は、毛細管現象により核酸捕捉部に滞留した溶液を吸収し、かつ負圧を印加することにより吸収した溶液を外部に排出可能な三次元多孔質体を有し、さらに溶液保持部は流路と隣接し、流路の一端に負圧を印加することにより、該溶液保持部、核酸捕捉部および細胞捕捉部に負圧を印加可能に構成されていることを特徴とする。An object of the present invention is to achieve both improvement in nucleic acid capture efficiency and improvement in cell capture efficiency in a single cell analysis apparatus. The present invention includes a plurality of cell capture units capable of capturing cells one by one, and a nucleic acid capture unit that exists corresponding to each cell capture unit and captures nucleic acid extracted from cells captured by the cell capture unit. The present invention relates to a device for single cell analysis provided with a two-dimensional array chip. The device of the present invention further includes a solution holding unit provided adjacent to the nucleic acid capturing unit of the two-dimensional array chip, and the solution holding unit absorbs the solution staying in the nucleic acid capturing unit due to capillary action and has a negative pressure. Has a three-dimensional porous body capable of discharging the solution absorbed by applying external pressure to the outside, and the solution holding part is adjacent to the flow path, and the negative pressure is applied to one end of the flow path to hold the solution. And a nucleic acid capturing part and a cell capturing part are configured to be capable of applying a negative pressure.

Description

本発明は遺伝子発現解析、細胞機能解析、生体組織の解析方法および病気の診断、創薬などの技術分野に関し、より具体的には単一細胞についての遺伝子解析を可能とする細胞解析装置およびそれを用いた細胞解析方法に関する。   The present invention relates to technical fields such as gene expression analysis, cell function analysis, biological tissue analysis method and disease diagnosis, and drug discovery, and more specifically, a cell analysis apparatus capable of gene analysis of a single cell and the same The present invention relates to a cell analysis method using.

再生医療の実用化研究、遺伝子解析によるがんや免疫関連の診断法の研究、あるいは多細胞生物の生命現象の基礎研究において、組織の平均としての遺伝子の発現量ばかりでなく、組織を構成する個々の細胞の中味を定量的に分析することが重要視され始めている。そのため、細胞を一つずつ取り出して種々遺伝子の発現量を定量的にモニターすることが望まれている。生体組織の中で活動する遺伝子mRNAを単一細胞レベルで計測する単一細胞解析を行うことができれば、生体内で起こっている種々現象を細胞間の相互作用も含めて詳細に知ることができるようになり、生命科学分野、特に医療あるいは創薬分野の研究と診断に大きな効果があると期待される。   In the research on the practical application of regenerative medicine, the research on diagnostic methods related to cancer and immunity by genetic analysis, or the basic research on the life phenomenon of multicellular organisms, not only the average gene expression level but also the organization The importance of quantitatively analyzing the contents of individual cells has begun to be emphasized. Therefore, it is desired to take out cells one by one and monitor the expression levels of various genes quantitatively. If single-cell analysis can be performed to measure the level of gene mRNA that is active in living tissue at the single-cell level, various phenomena occurring in the body, including the interaction between cells, can be known in detail. Therefore, it is expected to have a great effect on research and diagnosis in the life science field, especially in the medical or drug discovery field.

単一細胞解析は、単一細胞毎の細胞中の生体分子を高精度に検出、定量する技術である。単一細胞解析を行うためには、細胞を個別処理するために単離し、細胞中の計測対象となる核酸を効率よく抽出し、cDNAを合成(逆転写)し、必要に応じて、PCR増幅して得られた産物を配列解析する必要がある。   Single cell analysis is a technique for detecting and quantifying biomolecules in cells for each single cell with high accuracy. For single cell analysis, cells are isolated for individual processing, nucleic acids to be measured in cells are efficiently extracted, cDNA is synthesized (reverse transcription), and PCR amplification is performed as necessary. It is necessary to analyze the sequence of the resulting product.

特許文献1には、細孔アレーシートの細孔に個々の細胞を捕捉し、次いで細孔に固定され細孔ごとに異なるタグ配列を有するDNAプローブでその細胞の核酸を捕捉してcDNAを合成することにより、個々の細胞を識別可能な配列解析用の産物を得ることができるデバイスが開示されている。図1にそのようなデバイスの基本構成(特許文献1の図8に相当)を示す。   In Patent Document 1, individual cells are captured in the pores of the pore array sheet, and then the nucleic acids of the cells are captured by a DNA probe fixed to the pores and having a different tag sequence for each pore to synthesize cDNA. Thus, a device capable of obtaining a product for sequence analysis that can identify individual cells is disclosed. FIG. 1 shows a basic configuration of such a device (corresponding to FIG. 8 of Patent Document 1).

図1のデバイスにおいて、細胞1を含む細胞溶液はインレット6から導入する。多孔質膜2の上部領域4を細胞溶液で満たすため、上部アウトレット7から細胞溶液を吸引する。下部アウトレット8から溶液を吸引して負圧をかけると、細胞溶液は多孔質膜2を介して吸引され、細胞1は細胞捕捉部3に誘導される。細胞1は多孔質膜2の上に構築された格子状の細胞捕捉部3で捕捉され、細胞を破砕すると、その細胞中のmRNAは細胞の直下の多孔質膜中に固定されたポリTプローブによって捕捉される。   In the device of FIG. 1, a cell solution containing cell 1 is introduced from inlet 6. In order to fill the upper region 4 of the porous membrane 2 with the cell solution, the cell solution is sucked from the upper outlet 7. When a negative pressure is applied by sucking the solution from the lower outlet 8, the cell solution is sucked through the porous membrane 2, and the cell 1 is guided to the cell trap 3. The cell 1 is captured by the lattice-shaped cell trap 3 built on the porous membrane 2, and when the cell is disrupted, the mRNA in the cell is fixed in the porous membrane directly under the cell. Captured by

図1のようなデバイスを用いると、捕捉された細胞から抽出された核酸を、反応領域である多孔質膜内壁以外の領域にほとんど接触させることなく捕捉し、cDNAを合成することができる。そのため、反応に関連のないデバイスの内壁に核酸が吸着する確率を低く抑えて、高効率に配列解析のための産物を調製することができる。   When a device such as that shown in FIG. 1 is used, a nucleic acid extracted from captured cells can be captured with little contact with a region other than the inner wall of the porous membrane, which is a reaction region, and cDNA can be synthesized. Therefore, it is possible to prepare a product for sequence analysis with high efficiency while suppressing the probability that a nucleic acid is adsorbed on the inner wall of a device not related to the reaction.

国際公開第2014/020657号International Publication No. 2014/020657

図1のようなデバイスにおいて、核酸を効率よく捕捉するためには、多孔質膜2を構成する平均的な孔の直径は数μm以下である必要があり、特に1μm以下であることが望ましい。また、多孔質膜2の膜厚は10μm以上、特に数十μm以上であることが望ましい。しかし、そのような多孔質膜を用いると、細胞溶液を通過させる際の圧力損失が大きくなってしまう。圧力損失が大きいと、下部アウトレット8から溶液を吸引した際に吸引速度が低下することにより、細胞1が細胞捕捉部3に吸引される速度が低下する。そのため、比較的多くの細胞が重力により沈降し、細胞捕捉部3にたどり着く前に、その他のデバイス上の領域に留まってしまう現象がみられていた。図1中、9で示した細胞は、そのような細胞捕捉部3まで到達しなかった細胞の一例である。   In the device as shown in FIG. 1, in order to efficiently capture nucleic acids, the average diameter of the pores constituting the porous membrane 2 needs to be several μm or less, and particularly preferably 1 μm or less. The film thickness of the porous membrane 2 is desirably 10 μm or more, particularly several tens of μm or more. However, when such a porous membrane is used, the pressure loss when passing the cell solution increases. When the pressure loss is large, the suction speed is reduced when the solution is sucked from the lower outlet 8, so that the speed at which the cells 1 are sucked into the cell trap 3 is lowered. For this reason, a phenomenon has been observed in which a relatively large number of cells settle by gravity and remain in the region on the other device before reaching the cell trap 3. In FIG. 1, a cell indicated by 9 is an example of a cell that has not reached such a cell trapping unit 3.

細胞捕捉部3以外に細胞が留まってしまうことは、解析できる細胞の割合が低下するのみならず、付随した問題を引き起こす。すなわち、細胞から核酸を抽出する際には細胞を破砕する工程が必要となるが、その際に細胞捕捉部3以外の領域に存在する細胞も同時に破砕され、その細胞から抽出された核酸が複数の細胞捕捉部3に流入してしまい、正確な単一細胞解析が困難になるという問題が生じる。   The remaining of cells other than the cell trapping part 3 not only reduces the percentage of cells that can be analyzed, but also causes associated problems. That is, when extracting nucleic acid from a cell, a step of crushing the cell is required. At that time, cells existing in a region other than the cell capturing unit 3 are also crushed at the same time, and a plurality of nucleic acids extracted from the cell are extracted. Into the cell trapping part 3, and the problem that accurate single cell analysis becomes difficult occurs.

上記のような問題は、核酸捕捉効率の向上を図って、多孔質膜2の孔の直径を小さくし、膜厚を大きくしたことによる圧力損失の増大が原因である。それゆえ、核酸捕捉効率の向上と細胞捕捉効率の向上がトレードオフの関係になっていることが本質的な課題である。   The above problems are caused by an increase in pressure loss due to an increase in nucleic acid capture efficiency, a decrease in the diameter of the pores of the porous membrane 2 and an increase in the film thickness. Therefore, it is an essential problem that there is a trade-off relationship between improvement in nucleic acid capture efficiency and improvement in cell capture efficiency.

本発明者らは上述したような問題を検討した結果、毛細管現象により溶液を吸収可能であり、かつ負圧を印加することによりそれを排出可能な三次元多孔質体を利用することで、核酸捕捉効率の向上と細胞捕捉効率の向上の両方が図れることを見出した。本発明の要旨は以下のとおりである。   As a result of studying the problems as described above, the present inventors have used a three-dimensional porous body that can absorb a solution by capillary action and discharge it by applying a negative pressure. It was found that both the capture efficiency and the cell capture efficiency can be improved. The gist of the present invention is as follows.

(1)細胞を1個ずつ捕捉可能な複数の細胞捕捉部と、各細胞捕捉部に対応して存在し、細胞捕捉部に捕捉された細胞から抽出された核酸を捕捉する核酸捕捉部を有する二次元アレイチップを備えた単一細胞解析用デバイスであって、
前記二次元アレイチップの核酸捕捉部に隣接して設けられた溶液保持部をさらに備え、前記溶液保持部は、毛細管現象により核酸捕捉部に滞留した溶液を吸収し、かつ負圧を印加することにより吸収した溶液を外部に排出可能な三次元多孔質体を有し、
前記溶液保持部は流路と隣接し、流路の一端に負圧を印加することにより、前記溶液保持部、核酸捕捉部および細胞捕捉部に負圧を印加可能に構成されている、前記デバイス。
(2)前記流路がデバイス外部に開放された吸気ポートと連通しており、流路の一端に負圧を印加することにより吸気ポートから外気が取り込まれ、その気流が前記溶液保持部を通過することにより溶液保持部から溶液が排出される、(1)に記載のデバイス。
(3)複数の二次元アレイチップおよび個々の二次元アレイチップに対応する溶液保持部を備え、前記流路が複数の溶液保持部を直列的に接続している、(2)に記載のデバイス。
(4)複数の二次元アレイチップおよび個々の二次元アレイチップに対応する溶液保持部を備え、前記流路が複数の溶液保持部を並列的に接続しており、前記吸気ポートが個々の溶液保持部ごとに複数設けられている、(2)に記載のデバイス。
(5)前記三次元多孔質体の表面に1μLの純水を滴下した際の液滴の吸収時間が10秒以内である、(1)〜(4)のいずれかに記載のデバイス。
(6)前記三次元多孔質体が、多孔質ガラス材、ガラス繊維集合体、またはガラスビーズ集合体である、(1)〜(4)のいずれかに記載のデバイス。
(7)前記核酸捕捉部が核酸を捕捉するための核酸プローブを有し、核酸プローブは細胞から抽出された核酸とハイブリダイズする核酸捕捉配列と、各細胞捕捉部に対応して異なる細胞認識配列とを有する、(1)〜(4)のいずれかに記載のデバイス。
(8)前記核酸捕捉部が、核酸プローブが固定されたビーズが充填された構造を有する、(7)に記載のデバイス。
(9)(1)または(2)に記載のデバイスを用いた単一細胞解析方法であって、前記二次元アレイチップの上を細胞溶液で満たす工程、および前記溶液保持部が隣接する流路の一端に負圧を印加することにより前記細胞捕捉部に負圧を印加し、前記細胞溶液を溶液保持部に吸収させるとともに、前記細胞捕捉部に単一の細胞を吸着させる工程を含む、前記方法。
(10)前記細胞捕捉部に吸着させた単一の細胞を、細胞捕捉部に負圧を印加した状態で破砕し、前記細胞から抽出された核酸を前記核酸捕捉部に捕捉させる工程をさらに含む、(9)に記載の解析方法。
(11)前記核酸捕捉部に捕捉された核酸とハイブリダイズする配列を有する第二の核酸プローブ、ならびに捕捉された核酸を鋳型とする相補鎖合成のための酵素および基質を核酸捕捉部に供給して相補鎖合成を行う工程をさらに含む、(10)に記載の解析方法。
(1) It has a plurality of cell capture units that can capture cells one by one and a nucleic acid capture unit that exists corresponding to each cell capture unit and captures nucleic acid extracted from the cells captured by the cell capture unit. A device for analyzing a single cell with a two-dimensional array chip,
A solution holding unit provided adjacent to the nucleic acid capturing unit of the two-dimensional array chip; and the solution holding unit absorbs a solution staying in the nucleic acid capturing unit by capillary action and applies a negative pressure. It has a three-dimensional porous body that can discharge the solution absorbed by
The device is configured such that the solution holding unit is adjacent to the flow channel, and can apply a negative pressure to the solution holding unit, the nucleic acid capturing unit, and the cell capturing unit by applying a negative pressure to one end of the flow channel. .
(2) The flow path communicates with an intake port opened to the outside of the device, and external air is taken in from the intake port by applying a negative pressure to one end of the flow path, and the airflow passes through the solution holding unit. The device according to (1), wherein the solution is discharged from the solution holding unit.
(3) The device according to (2), comprising a plurality of two-dimensional array chips and a solution holding unit corresponding to each two-dimensional array chip, wherein the flow path connects the plurality of solution holding units in series. .
(4) A plurality of two-dimensional array chips and a solution holding unit corresponding to each two-dimensional array chip are provided, the flow path connects a plurality of solution holding units in parallel, and the intake port is an individual solution. The device according to (2), wherein a plurality of devices are provided for each holding unit.
(5) The device according to any one of (1) to (4), wherein the absorption time of the liquid droplets when 1 μL of pure water is dropped on the surface of the three-dimensional porous body is within 10 seconds.
(6) The device according to any one of (1) to (4), wherein the three-dimensional porous body is a porous glass material, a glass fiber aggregate, or a glass bead aggregate.
(7) The nucleic acid capture unit has a nucleic acid probe for capturing a nucleic acid, the nucleic acid probe hybridizes with a nucleic acid extracted from a cell, and a different cell recognition sequence corresponding to each cell capture unit The device according to any one of (1) to (4).
(8) The device according to (7), wherein the nucleic acid capturing unit has a structure filled with beads to which a nucleic acid probe is immobilized.
(9) A single cell analysis method using the device according to (1) or (2), wherein the two-dimensional array chip is filled with a cell solution, and the flow path adjacent to the solution holding unit Including applying a negative pressure to one end of the cell trapping portion to apply a negative pressure to the cell trapping portion to absorb the cell solution into the solution holding portion and adsorbing a single cell to the cell trapping portion, Method.
(10) The method further includes a step of crushing a single cell adsorbed on the cell trapping part in a state where a negative pressure is applied to the cell trapping part and causing the nucleic acid trapping part to capture a nucleic acid extracted from the cell. The analysis method according to (9).
(11) A second nucleic acid probe having a sequence that hybridizes with the nucleic acid captured by the nucleic acid capture unit, and an enzyme and a substrate for synthesizing a complementary strand using the captured nucleic acid as a template are supplied to the nucleic acid capture unit. The method for analysis according to (10), further comprising a step of performing complementary strand synthesis.

本発明の単一細胞解析用デバイスにより、核酸捕捉部における核酸捕捉効率を維持しつつ、細胞捕捉部が細胞を捕捉する効率を従来よりも向上させることに成功した。その結果、従来のデバイスよりも高効率に単一細胞解析用のサンプルを調製することが可能となった。   The device for single cell analysis of the present invention has succeeded in improving the efficiency of capturing cells by the cell capture unit while maintaining the nucleic acid capture efficiency in the nucleic acid capture unit. As a result, it has become possible to prepare a sample for single cell analysis with higher efficiency than conventional devices.

本発明の関連技術である、特許文献1に記載のデバイスの基本構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a basic configuration of a device described in Patent Document 1, which is a related technique of the present invention. 本発明に係る細胞解析装置の構成の一態様を示す図である。It is a figure showing one mode of composition of a cell analysis device concerning the present invention. 実施例1-1で製造したデバイスの構成の概要を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing an outline of the configuration of a device manufactured in Example 1-1. 図2に示した本発明によるデバイスと、図1に示したような従来技術によるデバイスにおける溶液の吸引速度を比較した結果を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the result of comparing the suction speed of a solution in the device according to the present invention shown in FIG. 2 and the device according to the prior art as shown in FIG. 図3に示される実施例1-1で製造した本発明のデバイスを用いた単一細胞解析法の詳細を示すフロー図である。FIG. 4 is a flowchart showing details of a single cell analysis method using the device of the present invention produced in Example 1-1 shown in FIG. 図3に示される実施例1-1で製造した本発明のデバイスを用いた単一細胞解析法の詳細を示すフロー図である。FIG. 4 is a flowchart showing details of a single cell analysis method using the device of the present invention produced in Example 1-1 shown in FIG. 図3に示される実施例1-1で製造した本発明のデバイスを用いた単一細胞解析法の詳細を示すフロー図である。FIG. 4 is a flowchart showing details of a single cell analysis method using the device of the present invention produced in Example 1-1 shown in FIG. シーケンシング用サンプルの調整手順を説明する図である。It is a figure explaining the adjustment procedure of the sample for sequencing. 実施例2に係るデバイスの構成の概要を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a device according to Example 2. 実施例2に係るデバイスを含む、サンプル調製を自動的に実行することができる装置の構成の一例を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus that can automatically execute sample preparation, including a device according to Example 2. 実施例3に係るデバイスの構成の概要を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a device according to Example 3. 実施例3に係るデバイスの構成の別態様を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing another aspect of the configuration of the device according to Example 3. 実施例4に係るデバイスの構成の概要を示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating an outline of a configuration of a device according to Example 4.

図2は、本発明に係る細胞解析装置の構成の一態様を示す図であり、(a)は上面図、(b)は2A-2A'断面における断面図、(c)は2B-2B'断面における断面図をそれぞれ示す。   FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the configuration of the cell analysis device according to the present invention, in which (a) is a top view, (b) is a cross-sectional view in the 2A-2A ′ cross section, and (c) is 2B-2B ′. Sectional drawing in a cross section is shown, respectively.

本発明に係る細胞解析装置は、細胞を1個ずつ捕捉可能な複数の細胞捕捉部203と、各細胞捕捉部に対応して存在し、細胞捕捉部に捕捉された細胞から抽出された核酸を捕捉する核酸捕捉部202を有する二次元アレイチップを有し、その二次元アレイチップの核酸捕捉部202に隣接して液体保持部211が設けられている。また、溶液保持部211は流路と隣接しており、流路の一端である下部アウトレット208から吸引することにより、流路を介して、溶液保持部211、核酸捕捉部202および細胞捕捉部203に負圧を印加可能に構成されている。図2に示した態様においては、さらに流路に外部に開放された吸気ポート213が設けられている。   The cell analysis device according to the present invention includes a plurality of cell capture units 203 capable of capturing cells one by one, and nucleic acids that are present corresponding to each cell capture unit and extracted from the cells captured by the cell capture unit. A two-dimensional array chip having a nucleic acid capturing unit 202 for capturing is provided, and a liquid holding unit 211 is provided adjacent to the nucleic acid capturing unit 202 of the two-dimensional array chip. Further, the solution holding unit 211 is adjacent to the flow channel, and is sucked from the lower outlet 208, which is one end of the flow channel, so that the solution holding unit 211, the nucleic acid capturing unit 202, and the cell capturing unit 203 are connected via the flow channel. Is configured to be able to apply a negative pressure. In the embodiment shown in FIG. 2, an intake port 213 opened to the outside is further provided in the flow path.

核酸捕捉部202は多孔質材料またはビーズ(好ましくは磁性ビーズ)などから構成され、細胞から抽出された核酸を捕捉するための核酸プローブが固定されている。核酸プローブには、細胞から抽出された核酸とハイブリダイズする核酸捕捉配列と、各細胞捕捉部に対応して異なる細胞認識配列とを有し、そのような核酸プローブに捕捉された核酸を増幅させた産物を用いることにより単一細胞解析が可能となる。   The nucleic acid capturing unit 202 is composed of a porous material, beads (preferably magnetic beads), or the like, and a nucleic acid probe for capturing nucleic acids extracted from cells is fixed. The nucleic acid probe has a nucleic acid capture sequence that hybridizes with a nucleic acid extracted from a cell and a different cell recognition sequence corresponding to each cell capture portion, and amplifies the nucleic acid captured by such a nucleic acid probe. Single cell analysis becomes possible by using the obtained product.

細胞溶液は、上部インレット206から導入する。図1に示した従来例と同様に、上部領域204を細胞溶液で満たすため、上部アウトレット207から細胞溶液を吸引する。次いで、下部アウトレット208から溶液を吸引して負圧を印加することにより、細胞捕捉部203に単一の細胞を吸着させる点も従来例と同じである。しかし、本発明に係る装置は、多孔質膜やビーズなどからなる核酸捕捉部202の直下に溶液保持部211が設けられている点において従来例の装置とは相違する。   Cell solution is introduced from the upper inlet 206. Similar to the conventional example shown in FIG. 1, the cell solution is sucked from the upper outlet 207 in order to fill the upper region 204 with the cell solution. Next, the point that a single cell is adsorbed to the cell trap 203 by sucking the solution from the lower outlet 208 and applying a negative pressure is the same as the conventional example. However, the apparatus according to the present invention is different from the conventional apparatus in that the solution holding unit 211 is provided immediately below the nucleic acid capturing unit 202 made of a porous membrane or beads.

溶液保持部211は三次元多孔質体から構成され、三次元多孔質体は毛細管現象により接触した水溶液を素早く吸収し、かつその吸収した水溶液を外部へ、とりわけ核酸捕捉部202に接していない方向へと排出させることができる性質を有する。吸収した水溶液を排出させることにより、三次元多孔質体の毛細管現象による溶液吸収性能を維持させることができる。三次元多孔質体の毛細管現象を利用することにより、図1に示した従来例のように単に負圧を印加するのみの場合と比べて、より速やかに核酸捕捉部202に滞留した溶液を吸引することができ、さらに細胞捕捉部203が細胞を吸着する能力も向上させることができる。   The solution holding part 211 is composed of a three-dimensional porous body, and the three-dimensional porous body quickly absorbs the aqueous solution contacted by capillarity, and the absorbed aqueous solution is not exposed to the nucleic acid capturing part 202, in particular. It has the property that it can be discharged. By discharging the absorbed aqueous solution, the solution absorption performance by the capillary phenomenon of the three-dimensional porous body can be maintained. By utilizing the capillary phenomenon of the three-dimensional porous body, the solution staying in the nucleic acid capturing unit 202 is sucked more quickly than in the case of simply applying a negative pressure as in the conventional example shown in FIG. In addition, the ability of the cell capture unit 203 to adsorb cells can be improved.

本発明に用いる三次元多孔質体とは、数十nmから数百nmの細孔をランダムに有し、その細孔の存在により生じる毛細管現象により水溶液を吸収することができる程度の表面親水性を有する材料である。その具体例としては、多孔質ガラス材、ガラス繊維集合体(例えば、ガラス繊維を同じ方向に揃えて束ねたもの)、ガラスビーズ集合体(平均粒径が0.1〜30μmの範囲であることがより好ましい)などが挙げられる。三次元多孔質体は、容易に変形するものではないほうが、吸収した溶液が意図せず排出されて核酸捕捉部202や細胞捕捉部203に逆流する可能性が低くなるため好ましい。三次元多孔質体の表面の親水性は、純水を用いて測定した水接触角が90°以下、好ましくは80°以下、より好ましくは50°以下、特に好ましくは40°以下であること、あるいは1μLの液体を保持するのに十分な体積を有する三次元多孔質体に1μLの純水を滴下した際に、10秒以内、好ましくは5秒以内、より好ましくは3秒以内、特に好ましくは1秒以内に滴下した液滴が吸収されることのいずれかにより特徴付けることができる。なお、液滴が三次元多孔質体に吸収されるとは、三次元多孔質体表面に対して垂直な面から観察した際に、液滴の存在が目視で確認できない状態となることを意味する。   The three-dimensional porous material used in the present invention has pores of several tens to several hundreds of nanometers at random, and has surface hydrophilicity that can absorb an aqueous solution by capillary action caused by the presence of the pores. It is the material which has. Specific examples thereof include a porous glass material, a glass fiber aggregate (for example, a bundle of glass fibers aligned in the same direction), and a glass bead aggregate (with an average particle size in the range of 0.1 to 30 μm). Preferred). It is preferable that the three-dimensional porous body is not easily deformed because the absorbed solution is unlikely to be unintentionally discharged and flows back to the nucleic acid capturing unit 202 or the cell capturing unit 203. The hydrophilicity of the surface of the three-dimensional porous body has a water contact angle measured using pure water of 90 ° or less, preferably 80 ° or less, more preferably 50 ° or less, particularly preferably 40 ° or less, Alternatively, when 1 μL of pure water is dropped onto a three-dimensional porous body having a volume sufficient to hold 1 μL of liquid, it is within 10 seconds, preferably within 5 seconds, more preferably within 3 seconds, particularly preferably. It can be characterized by any of the absorption of drops dropped within 1 second. In addition, that the droplet is absorbed by the three-dimensional porous body means that the presence of the droplet cannot be visually confirmed when observed from a plane perpendicular to the surface of the three-dimensional porous body. To do.

溶液保持部211を構成する三次元多孔質体は、有する細孔の孔径が多孔質膜やビーズなどからなる核酸捕捉部202が有する細孔の孔径よりも十分大きいことが好ましく、例えば平均孔径が0.2μm以上、特に1μm以上であることが好ましい。そのような大きさであれば、空気などの気体が溶液保持部211を通過する際に、過度に大きな圧力損失は生じない。三次元多孔質体が有する細孔の孔径が上記のような大きさであれば、下部アウトレット208から負圧をかけた際に、核酸捕捉部202の上部−下部間に十分な圧力差を生じさせることができる。また、液体保持部211を構成する三次元多孔質体は、複数の細孔径を持つ多孔質体から構成されていてもよい。特に、核酸捕捉部211に隣接する部分における多孔質体の細孔径を、核酸捕捉部211から離れた領域よりも小さくすると、多孔質体の毛細管現象による吸収力(キャピラリ効果)の向上と、多孔質体に保持された溶液の空気圧による排出の速度向上とを実現することができる。   The three-dimensional porous body constituting the solution holding unit 211 preferably has a pore diameter sufficiently larger than the pore diameter of the pores of the nucleic acid capturing unit 202 made of a porous membrane or beads, for example, the average pore diameter. It is preferably 0.2 μm or more, particularly 1 μm or more. With such a size, an excessively large pressure loss does not occur when a gas such as air passes through the solution holding unit 211. If the pore diameter of the pores of the three-dimensional porous material is as described above, a sufficient pressure difference is generated between the upper and lower portions of the nucleic acid capturing unit 202 when negative pressure is applied from the lower outlet 208. Can be made. Further, the three-dimensional porous body constituting the liquid holding unit 211 may be composed of a porous body having a plurality of pore diameters. In particular, when the pore diameter of the porous body in the portion adjacent to the nucleic acid capturing section 211 is made smaller than the area away from the nucleic acid capturing section 211, the absorption capacity (capillary effect) due to capillary action of the porous body is improved, and the porous body It is possible to improve the speed of discharging the solution held in the material by air pressure.

溶液保持部211が設けられており下部アウトレット208と連通する流路は、圧力調整部材212を介して装置外部に開放された吸気ポート213とも連通していることが好ましい。図2の装置では、吸気ポート213は装置上部方向に外部へと解放されている。吸気ポート213が設けられている場合、下部アウトレット208から負圧をかけると、圧力調整部材212を介して吸気ポート213から外気が取り込まれ、空気の流れ214が発生し、それにより溶液保持部211に吸収された溶液が排出される。吸気ポート213を設けた構成とすることで、下部アウトレット208から負圧をかけた時のみ溶液保持部211が毛細管現象により溶液を吸収するように、すなわち溶液保持部211が排出した溶液の容量分だけ毛細管現象により再び溶液を吸収するようにすることができる。また、吸気ポート213を設けない構成の場合は、上部領域204を溶液で満たしただけでは溶液が溶液保持部211まで到達せずに吸収が始まらないこともある一方、吸収が始まれば溶液保持部211の容量が満たされるまで吸収は停止せず、制御性が不十分となるが、吸気ポート213を設けることにより制御性を補うことができる。吸気ポート213にエアバルブをさらに設けると、溶液の吸収の制御性がより向上するため好ましい。   It is preferable that the flow path provided with the solution holding part 211 and communicated with the lower outlet 208 is also communicated with the intake port 213 opened to the outside of the apparatus via the pressure adjusting member 212. In the apparatus of FIG. 2, the intake port 213 is released to the outside in the upper part direction of the apparatus. In the case where the intake port 213 is provided, when negative pressure is applied from the lower outlet 208, outside air is taken in from the intake port 213 via the pressure adjusting member 212, and an air flow 214 is generated, whereby the solution holding unit 211 is obtained. The solution absorbed in is discharged. By providing the intake port 213, the solution holding unit 211 absorbs the solution by capillary action only when negative pressure is applied from the lower outlet 208, that is, the volume of the solution discharged by the solution holding unit 211. Only by capillary action can the solution be absorbed again. In addition, in the case of a configuration in which the intake port 213 is not provided, there is a case where the solution does not reach the solution holding unit 211 and absorption does not start just by filling the upper region 204 with the solution, whereas if absorption starts, the solution holding unit Absorption does not stop until the capacity of 211 is satisfied and the controllability becomes insufficient, but the controllability can be supplemented by providing the intake port 213. It is preferable to further provide an air valve in the intake port 213 because the controllability of solution absorption is further improved.

圧力調整部材212は、気体が通過する際に、溶液が核酸捕捉部202を通過する際に生じるものよりも大きな圧力損失を生じさせるものであることが好ましい。そのような圧力調整部材212を設けることで、下部アウトレット208から負圧を印加した際に、吸気ポート213のみならず、溶液保持部211、核酸捕捉部202および細胞捕捉部203に十分な負圧が印加されるようになる。圧力調整部材212としては、例えば核酸捕捉部202が有する孔よりも微細な孔を有する材料、例えば核酸捕捉部202が有する孔の平均孔径の約1/5〜約1/10、より好ましくは約1/7〜約1/9、具体的には約1/8の平均孔径を有する材料を用いると、空気と水の粘度差の観点からバランスがよいといえる。   The pressure adjusting member 212 is preferably a member that causes a larger pressure loss when the gas passes than when the solution passes through the nucleic acid capturing unit 202. By providing such a pressure adjusting member 212, when negative pressure is applied from the lower outlet 208, sufficient negative pressure is applied not only to the intake port 213 but also to the solution holding unit 211, the nucleic acid capturing unit 202, and the cell capturing unit 203. Is applied. As the pressure adjusting member 212, for example, a material having pores finer than the holes of the nucleic acid capturing unit 202, for example, about 1/5 to about 1/10 of the average pore diameter of the holes of the nucleic acid capturing unit 202, more preferably about If a material having an average pore diameter of 1/7 to about 1/9, specifically about 1/8 is used, it can be said that the balance is good from the viewpoint of the difference in viscosity between air and water.

上述のようにして細胞を細胞捕捉部203に吸着させた後、下部アウトレット208から負圧を印加した状態で、リシスバッファなどにより細胞を破砕すると、その細胞から抽出された核酸(mRNA)は核酸捕捉部202に固定された核酸プローブにより捕捉される。捕捉された核酸は、核酸捕捉部202に、その核酸とハイブリダイズする配列(例えばポリT配列)を有する第二の核酸プローブ、ならびに捕捉された核酸を鋳型とする相補鎖合成のための酵素および基質を供給して相補鎖合成を行うことにより増幅させ、解析用のサンプルとして得ることができる。なお、核酸の増幅はPCR増幅を想定しているが、それに限定されず、ローリングサークル増幅(RCA)やNASBAやLAMP法など他の増幅法を用いても良い。また、核酸捕捉部202が磁性ビーズにより構成されている場合には、二次元アレイチップから磁性ビーズを取り出してから核酸増幅を行ってもよい。   After adsorbing the cells to the cell trapping part 203 as described above, if the cells are disrupted with a lysis buffer or the like while a negative pressure is applied from the lower outlet 208, the nucleic acid (mRNA) extracted from the cells becomes nucleic acid Captured by the nucleic acid probe fixed to the capture unit 202. The captured nucleic acid is added to the nucleic acid capturing unit 202, a second nucleic acid probe having a sequence that hybridizes with the nucleic acid (for example, a poly T sequence), an enzyme for synthesizing a complementary strand using the captured nucleic acid as a template, and It can be amplified by supplying a substrate and carrying out complementary strand synthesis to obtain a sample for analysis. In addition, although amplification of nucleic acid assumes PCR amplification, it is not limited to it, You may use other amplification methods, such as rolling circle amplification (RCA), NASBA, and LAMP method. When the nucleic acid capturing unit 202 is composed of magnetic beads, nucleic acid amplification may be performed after the magnetic beads are taken out from the two-dimensional array chip.

以下、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example, this invention is not limited to these Examples.

(実施例1-1)デバイスの製造
図3は、本実施例で製造したデバイスの構成の概要を示す図であり、(a)は上面図、(b)は3A-3A'断面における断面図を示す。デバイス301は複数の反応室302を備えており、その反応室302のそれぞれには、複数の細胞捕捉部203と、その個々の細胞捕捉部203に対応する核酸捕捉部202を備えた二次元アレイチップ315が配置されている。細胞溶液は、上部インレット307から上部アウトレット308に向かって共通流路305の中を流すことにより二次元アレイチップ315上に供給し、チップ上を細胞溶液で満たす。個別インレット311は、チップことに個別に試薬を導入する場合、具体的にはチップを識別するためのタグ配列を有するプライマーを含む試薬を導入する際に用いる。
Example 1-1 Device Manufacturing FIG. 3 is a diagram showing an outline of the configuration of a device manufactured in this example, (a) is a top view, (b) is a cross-sectional view in the 3A-3A ′ cross section Indicates. The device 301 includes a plurality of reaction chambers 302, and each of the reaction chambers 302 includes a plurality of cell traps 203 and a two-dimensional array including nucleic acid traps 202 corresponding to the individual cell traps 203. A chip 315 is disposed. The cell solution is supplied onto the two-dimensional array chip 315 by flowing through the common channel 305 from the upper inlet 307 toward the upper outlet 308, and the chip is filled with the cell solution. The individual inlet 311 is used when a reagent including a primer having a tag sequence for identifying a chip is specifically introduced when a reagent is individually introduced into a chip.

二次元アレイチップ315の製造には、射出成形により得られたジメチルポリシロキサン(PDMS)製樹脂チップ(一辺が1.125mmの正方形)を用い、細胞より小さい直径3〜10μm程度の貫通孔を形成して細胞捕捉部203とした。なお、二次元アレイチップの製造は、他の樹脂(ポリカーボネート、サイクリックポリオレフィン、ポリプロピレンなど)を用いた射出成形により得られた樹脂チップを用いて行ってもよく、あるいはナノインプリント技術や半導体プロセスを用いて行うこともできる。二次元アレイチップの製造に用いる材料は、疎水性材料であることが好ましい。   In the production of the two-dimensional array chip 315, a resin chip made of dimethylpolysiloxane (PDMS) obtained by injection molding (a square with a side of 1.125 mm) is used, and a through hole having a diameter of about 3 to 10 μm smaller than a cell is formed. Thus, a cell trap 203 was obtained. The two-dimensional array chip may be manufactured using a resin chip obtained by injection molding using another resin (polycarbonate, cyclic polyolefin, polypropylene, etc.), or using a nanoimprint technology or a semiconductor process. Can also be done. The material used for manufacturing the two-dimensional array chip is preferably a hydrophobic material.

細胞捕捉部203の直下には、直径数十μmの円筒状の空間を設け、その中に核酸捕捉用プローブを固定した磁性ビーズを充填し、核酸捕捉部202を構成するようにした。磁性ビーズの充填は個別にインクジェットプリンタヘッドを用いて実行する。チップを上下逆転させた状態で、領域ごとに異なる配列が固定されたビーズ溶液を個別に核酸捕捉部202に2nLずつ充填する。充填に用いるビーズ溶液は、直径1μmの磁性ビーズが5×109個/mLの数密度で懸濁されている。磁性ビーズ上にはストレプトアビジンが固定されており、そのストレプトアビジンを介して5'ビオチン基修飾されたDNAプローブが固定されている。充填する磁性ビーズの数を増やして核酸捕捉効率を向上させるため、ビーズの直径は数μm以下とした。充填した磁性ビーズが流出しないよう、ビーズ直径よりも孔径が小さいビーズ流出防止膜(孔径0.8μmの樹脂製ポーラス膜:Isopore膜、ミリポア社製)を二次元アレイチップ315に密着させた。A cylindrical space having a diameter of several tens of μm was provided immediately below the cell trapping part 203, and magnetic beads with a nucleic acid trapping probe fixed therein were filled therein to constitute the nucleic acid trapping part 202. The filling of magnetic beads is performed individually using an ink jet printer head. In a state where the chip is turned upside down, 2 nL of the bead solution in which different sequences are fixed for each region is individually filled in the nucleic acid capturing unit 202. In the bead solution used for filling, magnetic beads having a diameter of 1 μm are suspended at a number density of 5 × 10 9 particles / mL. Streptavidin is immobilized on the magnetic beads, and a 5 ′ biotin group-modified DNA probe is immobilized via the streptavidin. In order to improve the nucleic acid capture efficiency by increasing the number of magnetic beads to be filled, the bead diameter was set to several μm or less. A bead outflow prevention membrane (resin porous membrane having a pore diameter of 0.8 μm: Isopore membrane, manufactured by Millipore) having a pore diameter smaller than the bead diameter was adhered to the two-dimensional array chip 315 so that the filled magnetic beads did not flow out.

核酸捕捉部202の下部流路309には、三次元多孔質体である多孔質シラス焼結体(シラス多孔質ガラス:SPG膜、SPGテクノ社製)を配置し、溶液保持部211とした。下部流路309は、下部アウトレット310および空気を取り入れる吸気ポート319と連通するようにし、吸入ポート319近傍には、圧力調整フィルタ320(本実施例では水と空気の粘度の差を考慮して、孔径0.1μmの樹脂製ポーラス膜(Isopore膜、ミリポア社製)を用いた)およびエアバルブ318を設けた。細胞捕捉部203に細胞を捕捉させる際には、二次元アレイチップ315上を細胞溶液で満たした後、エアバルブ318を開いた状態で下部アウトレット310に接続したシリンジポンプにより負圧を印加する。なお、シリンジポンプに代えて、ダイアフラムポンプなど他のポンプを用いることもできる。   A porous shirasu sintered body (shirasu porous glass: SPG film, manufactured by SPG Techno Co.), which is a three-dimensional porous body, is disposed in the lower flow path 309 of the nucleic acid capturing unit 202 to form a solution holding unit 211. The lower flow path 309 communicates with the lower outlet 310 and the intake port 319 for taking in air, and in the vicinity of the intake port 319, the pressure adjustment filter 320 (in this embodiment, taking into account the difference in viscosity between water and air, A resin porous membrane (Isopore membrane, manufactured by Millipore) having a pore diameter of 0.1 μm and an air valve 318 were provided. When cells are captured by the cell capturing unit 203, the two-dimensional array chip 315 is filled with a cell solution, and then a negative pressure is applied by a syringe pump connected to the lower outlet 310 with the air valve 318 opened. In addition, it can replace with a syringe pump and can also use other pumps, such as a diaphragm pump.

二次元アレイチップ315の核酸捕捉部202は微細な磁性ビーズが充填されているため、単純に二次元アレイチップ315の上部と下部に圧力差を印加するのみでは細胞溶液が十分な流速で流れず、細胞捕捉部203に効率よく細胞を捕捉することができない。しかし、本実施例のデバイスでは、上記のような構成とすることで三次元多孔質体における毛細管現象を利用して細胞溶液の流速を高めることができ、細胞の捕捉効率を向上させることができる。   Since the nucleic acid capture unit 202 of the 2D array chip 315 is filled with fine magnetic beads, the cell solution does not flow at a sufficient flow rate by simply applying a pressure difference between the upper and lower parts of the 2D array chip 315. Thus, the cells cannot be efficiently captured by the cell capturing unit 203. However, in the device of this example, by adopting the above-described configuration, the flow rate of the cell solution can be increased by utilizing the capillary phenomenon in the three-dimensional porous body, and the cell capture efficiency can be improved. .

図3に示したデバイスにおいて、図中に示した位置A(二次元アレイチップ315の上部)、位置B(溶液保持部211と圧力調整フィルタ320の間の下部流路309)、位置C(二次元アレイチップ315と溶液保持部211の間)および位置D(溶液保持部211よりも下部アウトレット310に近い下部流路309)における圧力関係は、A>>B>C>Dの大小関係となるように設定すると、核酸捕捉部202が溶液で満たされ、さらに溶液保持部211に溶液が接するようになり、溶液保持部211を構成する三次元多孔質体における毛細管現象が生じて大きな吸引力が発生する。この毛細管現象による吸引力は、例えば三次元多孔質体のポアサイズが10μmであった場合、本実施例の構成では、細胞捕捉部203(直径5μmの円形と仮定)に約100kPaの吸引力を生じさせると計算することができる。また、三次元多孔質体としてポアサイズ2μmのSPG膜とポアサイズ10μmのSPG膜(いずれも厚さ0.6mm)を2枚重ねて用いることで、吸引圧力を500kPaまで高め、かつ三次元多孔質膜からの空気による溶液排出時の流速低下をほとんど起こさないようにすることができた。さらに、直径10μm〜100μmのシリカ(ガラス)ビーズを液体保持部に詰めて三次元多孔質体としても同様の効果が得られることを確認した。   In the device shown in FIG. 3, position A (upper part of the two-dimensional array chip 315), position B (lower flow path 309 between the solution holding unit 211 and the pressure adjustment filter 320), position C (two The pressure relationship between the three-dimensional array chip 315 and the solution holding unit 211) and the position D (the lower flow path 309 closer to the lower outlet 310 than the solution holding unit 211) is A >> B> C> D. With this setting, the nucleic acid capturing unit 202 is filled with the solution, and the solution comes into contact with the solution holding unit 211. Capillary phenomenon occurs in the three-dimensional porous body constituting the solution holding unit 211, and a large suction force is generated. Occur. For example, when the pore size of the three-dimensional porous material is 10 μm, the suction force due to this capillary phenomenon generates a suction force of about 100 kPa in the cell trapping portion 203 (assuming a circular shape with a diameter of 5 μm) in the configuration of this example. Can be calculated. In addition, by using two SPG membranes with a pore size of 2 μm and a SPG membrane with a pore size of 10 μm (both 0.6 mm thick) as a three-dimensional porous body, the suction pressure is increased to 500 kPa, and the three-dimensional porous membrane It was possible to hardly cause a decrease in flow rate when the solution was discharged by air. Furthermore, it was confirmed that the same effect can be obtained by packing silica (glass) beads having a diameter of 10 μm to 100 μm in a liquid holding part to obtain a three-dimensional porous body.

吸入ポート319から取り入れられた空気は、位置B、位置Cおよび位置Dの間の圧力差によって溶液保持部211を通過し、それにより溶液保持部211が吸収した水溶液は位置Dに向かって排出される。この排出によって溶液保持部211の毛細管現象による吸引力は回復するため、下部アウトレット310からの吸引が続く限り溶液保持部211の吸引力は持続する。一方、下部アウトレット310からの吸引が止まれば、溶液保持部211を構成する三次元多孔質体の孔内壁は速やかに水溶液で覆われ、吸引力は失われる。   The air taken in from the suction port 319 passes through the solution holding part 211 due to the pressure difference between the position B, the position C, and the position D, whereby the aqueous solution absorbed by the solution holding part 211 is discharged toward the position D. The By this discharge, the suction force due to the capillary action of the solution holding unit 211 is recovered, so that the suction force of the solution holding unit 211 is maintained as long as the suction from the lower outlet 310 continues. On the other hand, when the suction from the lower outlet 310 is stopped, the inner wall of the three-dimensional porous body constituting the solution holding part 211 is quickly covered with the aqueous solution, and the suction force is lost.

(実施例1-2)デバイスを用いた単一細胞解析法
図5〜7は、図3に示される実施例1-1で製造した本発明のデバイスを用いた単一細胞解析法の詳細を示すフロー図である。本実施例では、(1)細胞捕捉、(2)細胞リシス(破砕)、(3)逆転写(cDNA合成)、(4)RNA分解、(5)2nd strand合成、(6)PCR増幅をデバイス中で実行する。(4)までをデバイス中で実行して、その後二次元アレイチップを個別の反応チューブに入れて、(5)および(6)の反応を行ってもよい。ここでは、(1)〜(6)までの反応をデバイス中で行う場合を説明する。
Example 1-2 Single Cell Analysis Method Using Device FIGS. 5 to 7 show details of a single cell analysis method using the device of the present invention produced in Example 1-1 shown in FIG. FIG. In this example, (1) cell capture, (2) cell lysis (crush), (3) reverse transcription (cDNA synthesis), (4) RNA degradation, (5) 2nd strand synthesis, (6) PCR amplification Run in. Steps (4) to (4) may be performed in the device, and then the two-dimensional array chip may be placed in a separate reaction tube to perform the reactions (5) and (6). Here, the case where the reactions (1) to (6) are performed in the device will be described.

まず、細胞溶液中の細胞を二次元アレイチップ315上の細胞捕捉部203で捕捉する工程を行う。そのために、細胞溶液を上部インレット307から導入し、上部アウトレット308から吸引することで、細胞溶液で二次元アレイチップ315上を満たす。次に、エアバルブ318を開く。次に、下部アウトレット310にシリンジを用いて負圧を印加することによって、位置A〜Dの圧力分布が圧力の高い方からA>>B>C>Dとなり、細胞溶液が二次元アレイチップ315上の細胞捕捉部203と核酸捕捉部202を通過して、細胞が細胞捕捉部203に捕捉される。図3の300は細胞捕捉部203に捕捉された細胞を示す。   First, a process of capturing cells in the cell solution by the cell capturing unit 203 on the two-dimensional array chip 315 is performed. For this purpose, the cell solution is introduced from the upper inlet 307 and sucked from the upper outlet 308 to fill the two-dimensional array chip 315 with the cell solution. Next, the air valve 318 is opened. Next, by applying a negative pressure to the lower outlet 310 using a syringe, the pressure distribution at positions A to D becomes A >> B> C> D from the higher pressure, and the cell solution becomes the two-dimensional array chip 315. The cells are captured by the cell capturing unit 203 after passing through the upper cell capturing unit 203 and the nucleic acid capturing unit 202. 300 in FIG. 3 indicates a cell captured by the cell capturing unit 203.

細胞を破砕するためにリシスバッファを上部インレット307から導入し、上部アウトレット308から吸引することで、リシスバッファで二次元アレイチップ上を満たし、必要な吸引速度が得られるように下部アウトレット310に負圧を印加する。圧力分布の相対値は細胞捕捉時とほぼ同じである。本実施例では、シリンジ位置を細胞吸引から変更せず、下部アウトレット310の負圧の圧力は細胞捕捉時とほぼ同じ設定とした。このとき、下部アウトレット310の圧力が正にならないように注意した。下部アウトレット310の圧力が正になると、細胞溶液が細胞捕捉部203を逆流してしまい、捕捉された細胞300が遊離してしまうためである。   In order to disrupt the cells, a lysis buffer is introduced from the upper inlet 307 and aspirated from the upper outlet 308, so that the lysis buffer fills the two-dimensional array chip and negative pressure is applied to the lower outlet 310 to obtain the required aspiration rate. Apply pressure. The relative value of the pressure distribution is almost the same as that during cell capture. In this example, the syringe position was not changed from cell aspiration, and the negative pressure of the lower outlet 310 was set to be almost the same as that during cell capture. At this time, care was taken not to make the pressure in the lower outlet 310 positive. This is because, when the pressure in the lower outlet 310 becomes positive, the cell solution flows backward through the cell trap 203 and the trapped cells 300 are released.

次に逆転写(cDNA合成)のステップに進む。逆転写用試薬ミックスの必要な導入速度が得られるように、負圧の値を再設定する。設定後、上部インレット307から逆転写用試薬を導入し、二次元アレイチップ315上を試薬で満たす。その後、逆転写反応を進めるためにデバイスの温度を上昇させて、反応に必要な時間だけ維持する。さらに、逆転写酵素を失活させるための85℃まで昇温する。不要な洗浄液を洗浄・排出するため、洗浄バッファを上部インレット307から導入し、洗浄バッファを核酸捕捉部に導入・排出するために負圧を再設定する。次の工程であるmRNA分解と2nd strand合成は、前記逆転写の工程とほぼ同じである。   Next, the process proceeds to the reverse transcription (cDNA synthesis) step. Reset the negative pressure value to achieve the required rate of introduction of the reverse transcription reagent mix. After the setting, a reverse transcription reagent is introduced from the upper inlet 307, and the two-dimensional array chip 315 is filled with the reagent. Thereafter, the temperature of the device is raised to proceed with the reverse transcription reaction and maintained for the time required for the reaction. Further, the temperature is raised to 85 ° C. for inactivating the reverse transcriptase. In order to wash and discharge unnecessary washing liquid, the washing buffer is introduced from the upper inlet 307, and the negative pressure is reset to introduce and remove the washing buffer from the nucleic acid capturing unit. The next steps, mRNA degradation and 2nd strand synthesis, are almost the same as the reverse transcription step.

最後の工程がPCR増幅である。PCR試薬ミックスを上部インレット307に導入し、核酸捕捉部202にPCR試薬ミックスを必要な溶液速度で導入されるように負圧設定を行う。PCR反応を行うために温度サイクルを開始し、1〜数サイクル目に溶液導入を停止するように圧力設定を変更する。その後、必要なPCR産物濃度になるまで温度サイクルを繰り返し、PCR産物を回収するために、下部アウトレット310に負圧を印加して、吸引し、回収されたPCR産物溶液をチューブに排出する。   The last step is PCR amplification. The PCR reagent mix is introduced into the upper inlet 307, and the negative pressure is set so that the PCR reagent mix is introduced into the nucleic acid capturing unit 202 at a necessary solution speed. Start the temperature cycle to perform the PCR reaction, and change the pressure setting to stop solution introduction in the first to several cycles. Thereafter, the temperature cycle is repeated until the required PCR product concentration is reached, and in order to collect the PCR product, a negative pressure is applied to the lower outlet 310, suction is performed, and the collected PCR product solution is discharged into a tube.

次に、二次元アレイチップ315を用いたシーケンシング用サンプルの調整手順を詳細に説明する。本実施例のデバイスの核酸捕捉部202に捕捉されたmRNAの処理によって、どのようにサンプルが調整されるかを図8に示した。この工程は、各細胞からの核酸抽出および核酸(mRNA)捕捉(step 1)、cDNAの合成(step 2)、核酸増幅(PCR)およびシーケンスに必要な既知の末端配列を導入した2nd cDNAの合成(step 3)(step 4)、およびPCR増幅(step 5)のステップに分けられる。   Next, a procedure for adjusting a sequencing sample using the two-dimensional array chip 315 will be described in detail. FIG. 8 shows how the sample is prepared by processing the mRNA captured by the nucleic acid capturing unit 202 of the device of this example. This step involves nucleic acid extraction from each cell and capture of nucleic acid (mRNA) (step 1), cDNA synthesis (step 2), nucleic acid amplification (PCR), and synthesis of 2nd cDNA into which known terminal sequences necessary for sequencing are introduced. The steps are divided into (step 3) (step 4) and PCR amplification (step 5).

細胞を500μLの1×PBSバッファで細胞を傷つけないように洗浄後、4℃に冷却された1×PBSバッファ10μLに懸濁された1000個の細胞を上部インレット307から導入し、反応室302がこの溶液で満たされるように、上部アウトレット308から吸引する。このようにすることで、二次元アレイチップ315上は細胞を含むPBSバッファで満たされることとなる。次に、下部流路309に向かって細胞捕捉部203を溶液が通って流れるように、下部アウトレット310に負圧0.95気圧を印加して溶液を吸引する。細胞は溶液の流れに乗って移動し、細胞捕捉部203まで到達し、細胞捕捉部203の開口直径が細胞の直径よりも小さいため、ここに細胞が捕捉される。捕捉された細胞は、溶液流に対して栓の役割を果たすので、流れはまだ細胞を捕捉していない細胞捕捉部203に移動する。そのため、残りの細胞はまだ細胞が捕捉されていない部分へと移動し捕捉される。   After washing the cells with 500 μL of 1 × PBS buffer so as not to damage the cells, 1000 cells suspended in 10 μL of 1 × PBS buffer cooled to 4 ° C. were introduced from the upper inlet 307. Aspirate from top outlet 308 to fill with this solution. By doing so, the two-dimensional array chip 315 is filled with a PBS buffer containing cells. Next, a negative pressure of 0.95 atm is applied to the lower outlet 310 so that the solution flows through the cell trapping portion 203 toward the lower channel 309, and the solution is sucked. The cells move along the flow of the solution, reach the cell capturing unit 203, and since the opening diameter of the cell capturing unit 203 is smaller than the diameter of the cells, the cells are captured here. Since the trapped cells act as plugs for the solution flow, the flow moves to the cell trap 203 that has not yet trapped the cells. Therefore, the remaining cells move to the part where the cells are not yet captured and are captured.

細胞が十分な数だけが捕捉されたら、捕捉されなかった過剰な細胞とPBSバッファを上部アウトレット308から排出する。次に、上部インレット307から上部アウトレット308に向かってリシスバッファ(例えばTween 20などの表面活性剤)を流し、二次元アレイチップ315上がバッファで満たされたあと、直ちに下部アウトレット310に負圧を印加して吸引する。以下すべての溶液は、同様の方法によって二次元アレイチップ315の核酸捕捉部202を通過させる。このとき、ビーズ流出防止膜は直径0.8μmの多孔質材料から構成された流路であり、圧力損失が大きいため、リシスバッファが細胞捕捉部203を通って下部流路309に向かって5分程度ゆっくりと流れ続けるようにすることは容易にできる。   When only a sufficient number of cells have been captured, excess cells that have not been captured and PBS buffer are drained from the upper outlet 308. Next, a lysis buffer (for example, a surface active agent such as Tween 20) is flowed from the upper inlet 307 toward the upper outlet 308, and immediately after the two-dimensional array chip 315 is filled with the buffer, negative pressure is immediately applied to the lower outlet 310. Apply and suck. Thereafter, all the solutions are passed through the nucleic acid capturing unit 202 of the two-dimensional array chip 315 by the same method. At this time, the bead outflow prevention membrane is a flow path composed of a porous material having a diameter of 0.8 μm, and since the pressure loss is large, the lysis buffer passes through the cell trapping part 203 toward the lower flow path 309 for about 5 minutes. It is easy to keep it flowing slowly.

リシスバッファによって、捕捉された細胞300は破砕され、mRNA806は細胞の外に出るが、細胞捕捉部203周辺での細胞溶液の流れは、細胞捕捉部203を構成する孔に吸い込まれるように流れ続けているので、mRNA806は周辺に拡散することなく細胞捕捉部203を通って核酸捕捉部202まで到達する。このようにして、リシスバッファの導入によって、細胞の破砕と、mRNA806の核酸捕捉部202のビーズ上に固定された第1のDNAプローブ801での捕捉が同時に実行される。その様子を図8のstep 1に示す。   The trapped cells 300 are crushed by the lysis buffer, and the mRNA 806 goes out of the cells, but the flow of the cell solution around the cell trapping part 203 continues to be sucked into the holes constituting the cell trapping part 203. Therefore, the mRNA 806 reaches the nucleic acid capturing unit 202 through the cell capturing unit 203 without diffusing to the periphery. In this way, by introducing the lysis buffer, disruption of cells and capture with the first DNA probe 801 immobilized on the beads of the nucleic acid capture unit 202 of mRNA 806 are simultaneously performed. This is shown in step 1 of FIG.

ここで、細胞が捕捉された二次元アレイチップ315上における位置の情報、すなわち図3の(a)に示したような格子状に配列した細胞捕捉部203の位置座標を遺伝子解析のデータの中に盛り込むために、核酸捕捉部202のビーズ表面上には、細胞捕捉部203ごとに異なる配列の細胞認識配列802が導入された第1のDNAプローブ801が固定されている。図8において、各ステップ図の左端の斜線は固定壁面、ここではビーズ表面を示す。この第1のDNAプローブ801は3'末端領域にポリT配列を持っており、mRNAの3'末端のポリA配列とハイブリダイズすることによってmRNA806を捕捉する。また、5'末端側にPCR増幅のための共通プライマー(804, Reverse)を設けている。   Here, the position information on the two-dimensional array chip 315 where the cells are trapped, that is, the position coordinates of the cell trapping sections 203 arranged in a grid as shown in FIG. Therefore, on the bead surface of the nucleic acid capture unit 202, a first DNA probe 801 having a cell recognition sequence 802 having a different sequence for each cell capture unit 203 is fixed. In FIG. 8, the diagonal line at the left end of each step diagram indicates the fixed wall surface, here the bead surface. This first DNA probe 801 has a poly T sequence in the 3 ′ end region, and captures mRNA 806 by hybridizing with the poly A sequence at the 3 ′ end of mRNA. In addition, a common primer (804, Reverse) for PCR amplification is provided on the 5 ′ end side.

この第1のDNAプローブ801は、5'末端から30塩基のPCR増幅用共通プライマー(804,Reverse)、7塩基の細胞認識用配列(802)、および18塩基のオリゴ(dT)配列+2塩基のVN配列の順に配列する。本実施例ではmRNAを解析するために補足用DNAプローブ801の一部にポリT配列を用いたが、microRNAやゲノム解析を行うためにポリT配列の代わりにランダム配列は解析したい配列と相補的な配列の一部を用いてもよい。   This first DNA probe 801 has a 30 base PCR amplification common primer (804, Reverse) from the 5 ′ end, a 7 base cell recognition sequence (802), and an 18 base oligo (dT) sequence + 2 bases. Arrange in order of VN sequence. In this example, a poly-T sequence was used as a part of the complementary DNA probe 801 to analyze mRNA. However, in order to perform microRNA or genome analysis, a random sequence is complementary to the sequence to be analyzed instead of the poly-T sequence. A part of the arrangement may be used.

次に、図8のStep 2で示すように、第1のDNAプローブ801に捕捉されたmRNA806を鋳型として、1st cDNA807を合成する。1st cDNA合成試薬として0.1%Tween20を含む10mM Tris Buffer (pH = 8.0) 58.5μL、10mM dNTP 4μL、5xRT Buffer (SuperScript III, Invitrogen社) 225μL、0.1M DTT 4μL、RNaseOUT (Invitrogen社) 4μL、およびSuperscript III(逆転写酵素, Invitrogen社)4μLを混和し、上部インレット307から前工程と同様に導入する。上記溶液を逆転写酵素および合成基質を含む溶液で充填されたビーズの空隙部分を満たした状態で、反応室302から下部流路309に非常にゆっくり流しながら、50℃にゆっくり昇温して50分ほど相補鎖合成反応(1st cDNAを合成反応)を行った。その結果、細胞ごとに複数のビーズ表面に固定されたcDNAをライブラリとして得た。これはいわば1細胞cDNAライブラリアレイというべきものであり、従来多くの細胞から得られる平均化されたcDNAライブラリとは根本的に異なるものである。   Next, as shown in Step 2 of FIG. 8, 1st cDNA 807 is synthesized using mRNA 806 captured by first DNA probe 801 as a template. 10 mM Tris Buffer with 0.1% Tween20 (pH = 8.0) 58.5 μL, 10 mM dNTP 4 μL, 5xRT Buffer (SuperScript III, Invitrogen) 225 μL, 0.1 M DTT 4 μL, RNaseOUT (Invitrogen) 4 μL, and Superscript 3 μL of III (reverse transcriptase, Invitrogen) is mixed and introduced from the upper inlet 307 as in the previous step. While the above solution was filled in the void portion of the beads filled with the solution containing the reverse transcriptase and the synthetic substrate, the temperature was raised slowly to 50 ° C. while flowing very slowly from the reaction chamber 302 to the lower flow path 309. Complementary strand synthesis reaction (1st cDNA synthesis reaction) was performed for about 5 minutes. As a result, cDNA immobilized on the surface of a plurality of beads for each cell was obtained as a library. This is a so-called 1-cell cDNA library array, which is fundamentally different from the averaged cDNA library obtained from many cells.

1st cDNA鎖807を合成した後、デバイス全体を85℃にて1.5分保ち、逆転写酵素を失活させた。さらに、4℃に冷却後、RNaseおよび0.1%Tween20を含む10mM Tris Buffer(pH = 8.0)0.2mLを上部インレット307から注入し、上部アウトレット308から吸引して、反応室302を溶液で満たした後、下部アウトレット310から排出し、反応室302中のバッファを上部アウトレット308から取り除くという工程を5回繰り返すことによって、mRNAを分解し、核酸捕捉部中の残存物および分解物を除去・洗浄した。さらに、アルカリ変性剤を含む液および洗浄液で同様に5回洗浄した。ここまでのプロセスで、図8のstep2に示すような捕捉した細胞ごとの、すべての細胞に対応するcDNAライブラリアレイが構築される。   After synthesizing the 1st cDNA strand 807, the entire device was kept at 85 ° C. for 1.5 minutes to inactivate the reverse transcriptase. Furthermore, after cooling to 4 ° C., 0.2 mL of 10 mM Tris Buffer (pH = 8.0) containing RNase and 0.1% Tween 20 was injected from the upper inlet 307 and sucked from the upper outlet 308 to fill the reaction chamber 302 with the solution. Then, the process of discharging from the lower outlet 310 and removing the buffer in the reaction chamber 302 from the upper outlet 308 was repeated five times to decompose the mRNA, and the residue and decomposed product in the nucleic acid capturing part were removed and washed. Further, it was washed 5 times in the same manner with a solution containing an alkali denaturant and a washing solution. Through the process so far, a cDNA library array corresponding to all the cells is constructed for each captured cell as shown in step 2 of FIG.

次に、滅菌水69μL、10 x Ex Taq Buffer(TaKaRa Bio社)10μL、2.5mM dNTP Mix 100μL、および各10μMのPCR増幅用共通配列(Reverse)809が付加されたEx Taq Hot start version (TaKaRa Bio社)1μLを混和し、この混合試薬を前工程と同様に上部インレット307から核酸捕捉部202に導入した。チップ識別タグ810付きの第2のDNAプローブの個別導入方法は後述する。その後、95℃、3分間で核酸の2次構造を解いたあと、44℃2分間で1st cDNA鎖を鋳型としてプライマーの遺伝子特異的配列811をアニールさせた。図8のstep 3に第2のDNAプローブ808がst cDNAにハイブリダイズしている様子を示す。さらに6分間72℃に温度を上げることによって相補鎖伸長反応を行い、2nd cDNA鎖812を合成させた(図8のstep 4)。   Next, Ex Taq Hot start version (TaKaRa Bio) with 69 μL of sterilized water, 10 μL of 10 x Ex Taq Buffer (TaKaRa Bio), 2.5 μm dNTP Mix 100 μL, and 10 μM each of the PCR amplification consensus sequence (Reverse) 809 was added. 1 μL was mixed, and this mixed reagent was introduced from the upper inlet 307 to the nucleic acid capturing unit 202 in the same manner as in the previous step. A method for individually introducing the second DNA probe with the chip identification tag 810 will be described later. Subsequently, the secondary structure of the nucleic acid was solved at 95 ° C. for 3 minutes, and then the primer gene-specific sequence 811 was annealed at 44 ° C. for 2 minutes using the 1st cDNA strand as a template. Step 3 in FIG. 8 shows how the second DNA probe 808 is hybridized to st cDNA. Further, the complementary strand extension reaction was carried out by raising the temperature to 72 ° C. for 6 minutes to synthesize the 2nd cDNA strand 812 (step 4 in FIG. 8).

反応室302への第2のDNAプローブ808の導入は以下のように行う。まず、上部インレット307からミネラルオイルを導入し、上部アウトレット308から排出する。次に塩を含む緩衝溶液を下部流路309から個別インレット311に向かって流し、反応室内の余分なミネラルオイルを個別インレット311から排出する。このようにすることによって、反応室302の二次元アレイチップ315上部の領域がミネラルオイルによって分離される。このような分離が起きるのは、反応室302の内壁が親水的である一方、反応室間の領域316が疎水的になるように表面処理が施されているからである。また、1st cDNAがビーズに強固に(たとえばビオチン−アビジン結合によって)固定されていることも高い反応効率を維持するために重要である。反応室302の分離の完了後、チップ識別配列がそれぞれ異なる第2のDNAプローブを含む緩衝溶液を個別インレット311から導入し、下部流路309を通して下部アウトレット310から排出する。これによって、核酸捕捉部203近傍は、反応室302ごとに異なる第2のDNAプローブで満たされ、このプローブが1st cDNAにハイブリダイズする。2nd cDNAを合成の完了後、上部インレット307から上部アウトレット308に向かって大量の緩衝溶液を流し、領域316にあるミネラルオイルを洗い流す。流路がつながればよいので、多少ミネラルオイルが領域316に残ってもよい。   The second DNA probe 808 is introduced into the reaction chamber 302 as follows. First, mineral oil is introduced from the upper inlet 307 and discharged from the upper outlet 308. Next, a buffer solution containing salt is allowed to flow from the lower channel 309 toward the individual inlet 311, and excess mineral oil in the reaction chamber is discharged from the individual inlet 311. By doing in this way, the area | region of the two-dimensional array chip | tip 315 of the reaction chamber 302 is isolate | separated with mineral oil. Such separation occurs because the inner wall of the reaction chamber 302 is hydrophilic while the surface treatment is performed so that the region 316 between the reaction chambers is hydrophobic. It is also important to maintain high reaction efficiency that the 1st cDNA is firmly fixed to the beads (for example, by biotin-avidin binding). After the separation of the reaction chamber 302 is completed, a buffer solution containing a second DNA probe having a different chip identification sequence is introduced from the individual inlet 311 and discharged from the lower outlet 310 through the lower channel 309. As a result, the vicinity of the nucleic acid capture unit 203 is filled with the second DNA probe that is different for each reaction chamber 302, and this probe hybridizes to the 1st cDNA. After the synthesis of the 2nd cDNA is completed, a large amount of buffer solution is poured from the upper inlet 307 toward the upper outlet 308, and the mineral oil in the region 316 is washed away. Some mineral oil may remain in the region 316 as long as the flow paths are connected.

最後の工程は、図6のStep 5とStep 6に示すような、共通プライマーによるPCR増幅である。滅菌水49μL、10 x High Fidelity PCR Buffer (Invitrogen) 10μL、2.5 mM dNTP mix 10μL、50mM MgSO4 4μL、10μM PCR増幅用共通プライマー(Forward)10μL、10μM PCR増幅用共通配列プライマー(Reverse)10μL、およびPlatinum Taq Polymerase High Fidelity (Invitrogen社) 1.5μLを混和して試薬を作製後、前工程と同様に上部インレット307から導入した。続いて、デバイス全体を30秒間94℃に保ち、94℃30秒間→55℃30秒間→68℃30秒間の3段階工程を40サイクル繰り返し、最後に68℃で3分間保った後、4℃に冷却してPCR増幅工程を行った。この反応は共通反応であり、すべてのチップについて共通の条件でPCR増幅を行うことで、チップ間での増幅効率の均一化を図ることができる。溶液中に蓄積されたPCR増幅産物溶液を回収し、この溶液中に含まれるフリーのPCR増幅用共通配列プライマー(Forward/Reverse)や酵素などの残留試薬を除去する目的で、PCR PurificationKit(QIAGEN社)を用いて精製する。   The last step is PCR amplification using common primers as shown in Step 5 and Step 6 of FIG. Sterile water 49 μL, 10 x High Fidelity PCR Buffer (Invitrogen) 10 μL, 2.5 mM dNTP mix 10 μL, 50 mM MgSO4 4 μL, 10 μM PCR amplification common primer (Forward) 10 μL, 10 μM PCR amplification common sequence primer (Reverse) 10 μL, and Platinum Taq Polymerase High Fidelity (Invitrogen) 1.5 μL was mixed to prepare a reagent, which was then introduced from the upper inlet 307 as in the previous step. Subsequently, keep the entire device at 94 ° C for 30 seconds, repeat 40 cycles of 3 steps of 94 ° C for 30 seconds → 55 ° C for 30 seconds → 68 ° C for 30 seconds, finally hold at 68 ° C for 3 minutes, then increase to 4 ° C The PCR amplification process was performed after cooling. This reaction is a common reaction, and by performing PCR amplification under the same conditions for all the chips, it is possible to make the amplification efficiency uniform among the chips. PCR Purification Kit (QIAGEN) is used to collect the PCR amplification product solution accumulated in the solution and remove residual reagents such as free PCR amplification common sequence primers (Forward / Reverse) and enzymes contained in this solution. ).

得られたPCR産物815は配列解析が可能な配列であり、シーケンシングライブラリと呼ばれる。上述の工程において遺伝子間または分子間で増幅バイアスが生じたとしても、シーケンシングデータ取得後に、分子認識タグを利用して増幅バイアスの補正を行う事ができるため、高精度な定量データを得る事が出来る。このシーケンシングライブラリを配列解析することによって、細胞識別配列、チップ識別配列ごとに遺伝子発現量が得られる。すなわち、デバイス中に同時に導入された細胞識別配列の種類とチップ識別配列の種類の積の数以下の細胞数についての同時解析が可能となる。これによって、事前に二次元アレイチップ中に導入した細胞識別配列数よりも大幅に多い数の細胞数の解析が可能となる。   The obtained PCR product 815 is a sequence that can be sequenced, and is called a sequencing library. Even if an amplification bias occurs between genes or molecules in the above-mentioned process, it is possible to correct the amplification bias using molecular recognition tags after acquiring sequencing data, so that highly accurate quantitative data can be obtained. I can do it. By analyzing the sequence of this sequencing library, a gene expression level can be obtained for each cell identification sequence and chip identification sequence. That is, it is possible to simultaneously analyze the number of cells equal to or less than the product of the type of the cell identification sequence and the type of the chip identification sequence simultaneously introduced into the device. As a result, it is possible to analyze the number of cells significantly larger than the number of cell identification sequences introduced in advance into the two-dimensional array chip.

なお、本発明者らは、単一細胞についての遺伝子解析と、その細胞を含む細胞集団についての網羅的遺伝子解析とを同時に実現可能とする細胞解析方法について既に国際特許出願(PCT/JP2014/073753)を行っている。その出願の明細書、特許請求の範囲および図面に記載された内容は、そのまま参考として本明細書中にとり入れるものとする。   Note that the present inventors have already filed an international patent application (PCT / JP2014 / 073753) for a cell analysis method that enables simultaneous gene analysis of a single cell and comprehensive gene analysis of a cell population containing the cell. )It is carried out. The contents described in the specification, claims, and drawings of the application are incorporated herein by reference as they are.

(実施例1-3)溶液の吸引速度の比較
図2に示した本発明によるデバイスと、図1に示したような三次元多孔質体による毛細管現象を利用しない従来技術によるデバイスにおける溶液の吸引速度を比較した。いずれも、下部アウトレットにはシリンジポンプを接続し、同じ圧力で初期の負圧を印加した。本発明によるデバイスでは、三次元多孔質体として1.3×1.3×0.7mmの大きさの3μmポアのSPG膜を二次元アレイチップごとに一枚用いた。吸引速度の比較結果を図4に示す。両者には、約一桁オーダーの吸引力の差が生じることがわかった。
(Example 1-3) Comparison of solution suction speed Solution suction between the device according to the present invention shown in FIG. 2 and a device according to the prior art that does not use capillary action due to the three-dimensional porous body as shown in FIG. The speed was compared. In either case, a syringe pump was connected to the lower outlet, and an initial negative pressure was applied at the same pressure. In the device according to the present invention, a 3 μm pore SPG film having a size of 1.3 × 1.3 × 0.7 mm was used for each two-dimensional array chip as a three-dimensional porous body. The comparison results of the suction speed are shown in FIG. It was found that there was a difference in suction force of about one order of magnitude between the two.

(実施例2)
図9は、本発明の別態様に係るデバイスの構成の概要を示す図であり、(a)は上面図、(b)は9A-9A'断面における断面図を、(c)は(b)に対して垂直方向の断面図を示す。本実施例のデバイスでは、液体保持部211が吸収した水溶液を排出させる方法が実施例1とは異なる。以下、実施例1のデバイスとの相違点について説明する。
(Example 2)
FIG. 9 is a diagram showing an outline of the configuration of a device according to another embodiment of the present invention, (a) is a top view, (b) is a cross-sectional view in the 9A-9A ′ cross section, (c) is (b) FIG. In the device of the present embodiment, the method for discharging the aqueous solution absorbed by the liquid holding unit 211 is different from that of the first embodiment. Hereinafter, differences from the device of the first embodiment will be described.

本実施例のデバイスでは、吸気ポート319を二次元アレイチップ315の数と同じ数だけ設置し、吸気ポート319から下部アウトレット310への空気の流れが並列となるようにした。すなわち、実施例1のデバイスでは、溶液保持部211が流路により直列的に接続されているのに対し、本実施例のデバイスでは溶液保持部211を流路により並列的に接続した。吸気ポート319に設置したエアバルブ318と圧力調整フィルタ320は実施例1と同じものを用いた。このように吸気ポート319を個々に設けることによって、二次元アレイチップ315ごとに溶液保持部211による吸収の制御が可能となる。なお、溶液保持部211には、実施例1で用いたSPG膜の代わりに、直径10μmのガラスビーズの集合体を用いた。   In the device of this embodiment, the same number of intake ports 319 as the number of two-dimensional array chips 315 are installed so that the air flow from the intake ports 319 to the lower outlet 310 is parallel. That is, in the device of Example 1, the solution holding unit 211 is connected in series by the flow path, whereas in the device of this example, the solution holding unit 211 is connected in parallel by the flow path. The same air valve 318 and pressure adjustment filter 320 installed in the intake port 319 as those in Example 1 were used. Thus, by providing the intake ports 319 individually, absorption by the solution holding unit 211 can be controlled for each two-dimensional array chip 315. For the solution holding unit 211, an aggregate of glass beads having a diameter of 10 μm was used instead of the SPG film used in Example 1.

図10は、本実施例で示したデバイスを含み、サンプル調製を自動的に実行することができる装置の構成の一例を示した図である。制御部1009は、デバイスへの細胞導入を制御する細胞導入制御装置1011、吸気ポート319のエアバルブ318を制御するバルブ制御装置1020、細胞を破砕するためのリシスバッファ、cDNA合成やPCR増幅のための酵素試薬、第2のDNAプローブ、さらには反応室を分離するためのミネラルオイル等の導入を制御する試薬導入制御装置1012、不要な試薬や、細胞、反応室を分離するためのミネラルオイル等の排出を制御する上部試薬排出装置1014、ならびに細胞の導入や各種酵素試薬、DNAプローブや基質等を導入するために吸引を行うとともに、調製された核酸増幅産物を排出するための下部試薬排出装置1015を適切に制御している。デバイスに設けられた温度計は温度制御装置1016に接続されて、反応温度が制御されている。また、デバイスは、顕微鏡観察のためデバイスの観察視野のXYZ位置を変更できるようにするためのステージ制御装置に接続されている。   FIG. 10 is a diagram showing an example of the configuration of an apparatus that includes the device shown in this embodiment and can automatically execute sample preparation. The control unit 1009 includes a cell introduction control device 1011 that controls the introduction of cells into the device, a valve control device 1020 that controls the air valve 318 of the intake port 319, a lysis buffer for disrupting cells, and cDNA synthesis and PCR amplification. Reagent introduction control device 1012 for controlling introduction of enzyme reagent, second DNA probe, mineral oil for separating reaction chamber, unnecessary reagent, cells, mineral oil for separating reaction chamber, etc. Upper reagent discharge device 1014 for controlling discharge, and lower reagent discharge device 1015 for discharging cells and introducing various enzyme reagents, DNA probes, substrates, etc. and discharging prepared nucleic acid amplification products Is properly controlled. The thermometer provided in the device is connected to a temperature control device 1016 to control the reaction temperature. In addition, the device is connected to a stage controller for enabling the XYZ position of the observation field of the device to be changed for microscopic observation.

より具体的には、細胞導入制御装置1011と試薬導入制御装置1012は、細胞および各種試薬(酵素試薬、基質、DNAプローブ、プライマー)を適切な温度で保存し、適切なタイミングでデバイスの上部インレット307または個別インレット311に導入するべく、切り替えバルブを用いて各導入制御装置内部の配管を切り替えることができるよう構成されている。また、上部試薬排出装置1014および下部試薬排出装置1015は、その内部にシリンジポンプなどを有しており、試薬や細胞溶液を吸引することによって排出する。もちろん、シリンジに蓄積された廃液は廃液ボトルに排出できるように構成されている。また、温度制御装置1016は反応室の温度を4℃〜98℃の間で温度を制御する能力を有し、ペルチェ素子1017とその制御装置から構成されている。   More specifically, the cell introduction control device 1011 and the reagent introduction control device 1012 store cells and various reagents (enzyme reagent, substrate, DNA probe, primer) at an appropriate temperature, and at the upper timing of the device at an appropriate timing. In order to introduce into 307 or individual inlet 311, it is configured such that the piping inside each introduction control device can be switched using a switching valve. Further, the upper reagent discharging device 1014 and the lower reagent discharging device 1015 have a syringe pump or the like inside, and discharge them by sucking the reagent or the cell solution. Of course, the waste liquid accumulated in the syringe can be discharged into the waste liquid bottle. The temperature control device 1016 has the ability to control the temperature of the reaction chamber between 4 ° C. and 98 ° C., and is composed of a Peltier element 1017 and its control device.

(実施例3)
図11は、本発明の別態様に係るデバイスの構成の概要を示す図であり、(a)は上面図、(b)は11A-11A'断面における断面図を、(c)は(b)に対して垂直方向の断面図を示す。本実施例のデバイスでは、下部流路1109の構成が異なる。すなわち、溶液保持部211が吸収した水溶液を排出させるための負圧の印加を、図9のように二次元アレイチップ315に対して平行方向に行うのではなく、二次元アレイチップ315に対して垂直方向に行えるよう下部流路1109を構成している。このような流路構成をとることによって、空気の流れが溶液保持部211を迂回することがなく、より効率的に溶液保持部211に吸収された溶液を排出させることができる。なお、この構成において、溶液保持部211と下部流路1109の隣接部分に、さらに親水性多孔質膜を配置してもよい。そのようにすることで、溶液保持部211から下部流路1109への溶液の排出がよりスムーズに進むようになる。
(Example 3)
FIG. 11 is a diagram showing an outline of the configuration of a device according to another embodiment of the present invention, (a) is a top view, (b) is a cross-sectional view in the 11A-11A ′ cross section, (c) is (b) FIG. In the device of this embodiment, the configuration of the lower flow path 1109 is different. That is, the application of the negative pressure for discharging the aqueous solution absorbed by the solution holding unit 211 is not performed in the direction parallel to the two-dimensional array chip 315 as shown in FIG. The lower flow path 1109 is configured so that it can be performed in the vertical direction. By adopting such a flow path configuration, the air flow does not bypass the solution holding unit 211, and the solution absorbed by the solution holding unit 211 can be discharged more efficiently. In this configuration, a hydrophilic porous membrane may be further disposed adjacent to the solution holding part 211 and the lower flow path 1109. By doing so, the discharge of the solution from the solution holding unit 211 to the lower channel 1109 proceeds more smoothly.

図11に示した態様では、複数の二次元アレイチップ315に対して一つの吸気ポート319を設置しているが、実施例2に示した態様と同様に、一つの二次元アレイチップ315に対して一つの吸気ポート319を設置してもよい。その態様を図12に示す。この場合、実施例2と同様に、個々の二次元アレイチップごとに溶液の吸引の制御が可能となる。   In the embodiment shown in FIG. 11, one intake port 319 is installed for a plurality of two-dimensional array chips 315. However, as with the embodiment shown in the second embodiment, one two-dimensional array chip 315 is provided. One intake port 319 may be installed. This embodiment is shown in FIG. In this case, as in Example 2, the suction of the solution can be controlled for each two-dimensional array chip.

(実施例4)
実施例1〜3では、細胞溶液や反応試薬を上部インレット307から導入し、上部アウトレット308から吸引することによって、溶液を二次元アレイチップ上に溶液を満たし、次いで下部アウトレット310に負圧を印加することによって、細胞の捕捉や、核酸捕捉部への試薬の導入および排出を行う構成としたが、本実施例では細胞溶液や試薬を個別に導入ウェル1330に分注することによって導入する構成とした。デバイスの構造を図13に示す。このような流路構成にすることによって、上部インレットから二次元アレイチップまでの途中で細胞が吸着するなどの問題が発生する可能性が排除できる。
(Example 4)
In Examples 1 to 3, a cell solution and a reaction reagent are introduced from the upper inlet 307, and the solution is filled on the two-dimensional array chip by sucking from the upper outlet 308, and then negative pressure is applied to the lower outlet 310. In this example, the cell solution and the reagent are individually introduced into the introduction well 1330, and the reagent is introduced into and discharged from the nucleic acid capturing unit. did. The structure of the device is shown in FIG. By adopting such a flow path configuration, it is possible to eliminate the possibility of problems such as cell adsorption in the middle from the upper inlet to the two-dimensional array chip.

本明細書中で引用した全ての刊行物、特許および特許出願をそのまま参考として本明細書中にとり入れるものとする。   All publications, patents and patent applications cited herein are incorporated herein by reference in their entirety.

1…細胞、2…多孔質膜、3…細胞捕捉部、4…上部領域、5…下部領域、6…インレット、7…上部アウトレット、8…下部アウトレット、9…細胞、201…細胞、202…核酸捕捉部、203…細胞捕捉部、204…上部領域、206…上部インレット、207…上部アウトレット、208…下部アウトレット、211…溶液保持部(三次元多孔質体)、212…圧力調整部材、213…吸気ポート、214…空気の流れ、300…細胞、301…デバイス、302…反応室、305…共通流路、307…上部インレット、308…上部アウトレット、309…下部流路、310…下部アウトレット、311…個別インレット、315…二次元アレイチップ、316…反応室間の領域、318…エアバルブ、319…吸気ポート、320…圧力調整フィルタ、801…第1のDNAプローブ、802…細胞認識配列、804…共通プライマー、806…mRNA、807…1st cDNA、808…第2のDNAプローブ、809…PCR増幅用共通配列(Reverse)、810…チップ識別タグ、811…遺伝子特異的プローブ、812…2nd cDNA、813…共通プライマー、814…PCR増幅用共通配列(Forward)、815…PCR産物、901…デバイス、1001…デバイス、1009…制御部、1011…細胞導入制御装置、1012…試薬導入制御装置、1014…上部試薬排出装置、1015…下部試薬排出装置、1016…温度制御装置、1017…ペルチェ素子、1020…バルブ制御装置、1101…デバイス、1109…下部流路、1201…デバイス、1301…デバイス、1330…導入ウェル 1 ... cell, 2 ... porous membrane, 3 ... cell trapping part, 4 ... upper region, 5 ... lower region, 6 ... inlet, 7 ... upper outlet, 8 ... lower outlet, 9 ... cell, 201 ... cell, 202 ... Nucleic acid capture unit, 203 ... cell capture unit, 204 ... upper region, 206 ... upper inlet, 207 ... upper outlet, 208 ... lower outlet, 211 ... solution holding unit (three-dimensional porous body), 212 ... pressure adjusting member, 213 Inlet port, 214 ... Air flow, 300 ... Cell, 301 ... Device, 302 ... Reaction chamber, 305 ... Common flow path, 307 ... Upper inlet, 308 ... Upper outlet, 309 ... Lower flow path, 310 ... Lower outlet, 311 ... Individual inlet, 315 ... Two-dimensional array chip, 316 ... Area between reaction chambers, 318 ... Air valve, 319 ... Intake port, 320 ... Pressure regulating filter, 801 ... First DNA probe, 802 ... Cell recognition sequence, 804 ... Common primer, 806 ... mRNA, 807 ... 1st cDNA, 808 ... Second DNA Lobe, 809 ... Common sequence for PCR amplification (Reverse), 810 ... Chip identification tag, 811 ... Gene specific probe, 812 ... 2nd cDNA, 813 ... Common primer, 814 ... Common sequence for PCR amplification (Forward), 815 ... PCR Product, 901 ... Device, 1001 ... Device, 1009 ... Control unit, 1011 ... Cell introduction control device, 1012 ... Reagent introduction control device, 1014 ... Upper reagent discharge device, 1015 ... Lower reagent discharge device, 1016 ... Temperature control device, 1017 ... Peltier element, 1020 ... Valve control device, 1101 ... Device, 1109 ... Lower flow path, 1201 ... Device, 1301 ... Device, 1330 ... Introduction well

Claims (11)

細胞を1個ずつ捕捉可能な複数の細胞捕捉部と、各細胞捕捉部に対応して存在し、細胞捕捉部に捕捉された細胞から抽出された核酸を捕捉する核酸捕捉部を有する二次元アレイチップを備えた単一細胞解析用デバイスであって、
前記二次元アレイチップの核酸捕捉部に隣接して設けられた溶液保持部をさらに備え、前記溶液保持部は、毛細管現象により核酸捕捉部に滞留した溶液を吸収し、かつ負圧を印加することにより吸収した溶液を外部に排出可能な三次元多孔質体を有し、
前記溶液保持部は流路と隣接し、流路の一端に負圧を印加することにより、前記溶液保持部、核酸捕捉部および細胞捕捉部に負圧を印加可能に構成されている、前記デバイス。
A two-dimensional array having a plurality of cell capture units capable of capturing cells one by one and a nucleic acid capture unit that exists corresponding to each cell capture unit and captures nucleic acid extracted from the cells captured by the cell capture unit A device for single cell analysis with a chip,
A solution holding unit provided adjacent to the nucleic acid capturing unit of the two-dimensional array chip; and the solution holding unit absorbs a solution staying in the nucleic acid capturing unit by capillary action and applies a negative pressure. It has a three-dimensional porous body that can discharge the solution absorbed by
The device is configured such that the solution holding unit is adjacent to the flow channel, and can apply a negative pressure to the solution holding unit, the nucleic acid capturing unit, and the cell capturing unit by applying a negative pressure to one end of the flow channel. .
前記流路がデバイス外部に開放された吸気ポートと連通しており、流路の一端に負圧を印加することにより吸気ポートから外気が取り込まれ、その気流が前記溶液保持部を通過することにより溶液保持部から溶液が排出される、請求項1に記載のデバイス。   The flow path communicates with an intake port opened to the outside of the device, and external air is taken in from the intake port by applying a negative pressure to one end of the flow path, and the air flow passes through the solution holding unit. The device according to claim 1, wherein the solution is discharged from the solution holding unit. 複数の二次元アレイチップおよび個々の二次元アレイチップに対応する溶液保持部を備え、前記流路が複数の溶液保持部を直列的に接続している、請求項2に記載のデバイス。   3. The device according to claim 2, further comprising a plurality of two-dimensional array chips and a solution holding unit corresponding to each two-dimensional array chip, wherein the flow path connects the plurality of solution holding units in series. 複数の二次元アレイチップおよび個々の二次元アレイチップに対応する溶液保持部を備え、前記流路が複数の溶液保持部を並列的に接続しており、前記吸気ポートが個々の溶液保持部ごとに複数設けられている、請求項2に記載のデバイス。   A plurality of two-dimensional array chips and a solution holding unit corresponding to each two-dimensional array chip are provided, the flow path connects a plurality of solution holding units in parallel, and the intake port is provided for each individual solution holding unit. 3. The device according to claim 2, wherein a plurality of devices are provided. 前記三次元多孔質体の表面に1μLの純水を滴下した際の液滴の吸収時間が10秒以内である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のデバイス。   The device according to any one of claims 1 to 4, wherein the absorption time of the liquid droplets when 1 μL of pure water is dropped on the surface of the three-dimensional porous body is within 10 seconds. 前記三次元多孔質体が、多孔質ガラス材、ガラス繊維集合体、またはガラスビーズ集合体である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のデバイス。   The device according to any one of claims 1 to 4, wherein the three-dimensional porous body is a porous glass material, a glass fiber aggregate, or a glass bead aggregate. 前記核酸捕捉部が核酸を捕捉するための核酸プローブを有し、核酸プローブは細胞から抽出された核酸とハイブリダイズする核酸捕捉配列と、各細胞捕捉部に対応して異なる細胞認識配列とを有する、請求項1〜4のいずれか一項に記載のデバイス。   The nucleic acid capture unit has a nucleic acid probe for capturing a nucleic acid, and the nucleic acid probe has a nucleic acid capture sequence that hybridizes with a nucleic acid extracted from a cell, and a different cell recognition sequence corresponding to each cell capture unit. The device according to any one of claims 1 to 4. 前記核酸捕捉部が、核酸プローブが固定されたビーズが充填された構造を有する、請求項7に記載のデバイス。   8. The device according to claim 7, wherein the nucleic acid capturing unit has a structure filled with beads to which a nucleic acid probe is immobilized. 請求項1または2に記載のデバイスを用いた単一細胞解析方法であって、前記二次元アレイチップの上を細胞溶液で満たす工程、および前記溶液保持部が隣接する流路の一端に負圧を印加することにより前記細胞捕捉部に負圧を印加し、前記細胞溶液を溶液保持部に吸収させるとともに、前記細胞捕捉部に単一の細胞を吸着させる工程を含む、前記方法。   3. A single cell analysis method using the device according to claim 1, wherein the two-dimensional array chip is filled with a cell solution, and negative pressure is applied to one end of a channel adjacent to the solution holding unit. The method includes the steps of applying a negative pressure to the cell trapping unit by applying a solution to absorb the cell solution in the solution holding unit and adsorbing a single cell to the cell trapping unit. 前記細胞捕捉部に吸着させた単一の細胞を、細胞捕捉部に負圧を印加した状態で破砕し、前記細胞から抽出された核酸を前記核酸捕捉部に捕捉させる工程をさらに含む、請求項9に記載の解析方法。   The method further comprises a step of crushing a single cell adsorbed on the cell trapping part in a state where a negative pressure is applied to the cell trapping part, and causing the nucleic acid trapping part to capture a nucleic acid extracted from the cell. 9. The analysis method according to 9. 前記核酸捕捉部に捕捉された核酸とハイブリダイズする配列を有する第二の核酸プローブ、ならびに捕捉された核酸を鋳型とする相補鎖合成のための酵素および基質を核酸捕捉部に供給して相補鎖合成を行う工程をさらに含む、請求項10に記載の解析方法。   The second nucleic acid probe having a sequence that hybridizes with the nucleic acid captured in the nucleic acid capturing part, and an enzyme and substrate for synthesizing a complementary strand using the captured nucleic acid as a template are supplied to the nucleic acid capturing part to obtain a complementary strand. 11. The analysis method according to claim 10, further comprising a step of performing synthesis.
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