JPWO2019202327A5 - - Google Patents

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Description

[技術分野]
本発明は、細胞の生命力を検出すること、つまり、複数の細胞が生きている(生命力がある)か死んでいる(生命力がない)かを判定することに関する。
[背景技術]
試料内で生きている、つまり生存能力のある複数の細胞の存在を検出する従来の方法は、通例は試料を培地で培養し、複数の細胞の繁殖の有無やその繁殖程度を判定することを要する。この種の試験は、試料内の細菌の存在やその量を検出する場合には一般的である。試料を培養する際に求められることとして、試料の培養が可能になるのにかなりの遅れが発生し、結果が得られるまでにほぼ数日程度かかってしまうこともあり得る。
[Technical field]
The present invention relates to detecting cell vitality, that is, determining whether a plurality of cells are alive (vital) or dead (non-vital).
[Background technology]
Conventional methods for detecting the presence of living, or viable, cells in a sample typically involve culturing the sample in a culture medium and determining whether and to what extent the cells are multiplying . It takes. This type of test is common for detecting the presence and amount of bacteria in a sample. As required when culturing a sample, there is a considerable delay before the sample can be cultured, and it may take several days before results are obtained.

蛍光色素の中には、例えば核酸染色法に用いるSytox(登録商標)系のように、易感染性膜を用いた複数の細胞の検出に使用できるものもある。なぜなら、この色素は親水性であるかまたは帯電しており、通常であれは脂質膜を透過するのに用いるルートを有さないからである。例えば電気穿孔法により生じた非特異性の孔を有する複数の細胞は、色素が脂質膜を透過するのに用いる経路を供給し、透過した色素がDNAに結合した結果、蛍光シグナルが生成される。しかし、無傷膜を有する複数の細胞ではシグナルは生成されず、これらの色素を用いて生きている複数の細胞を検出することができない。よって、細胞の生命力の表示は、崩壊した複数の細胞の分を割り引いて行うことでしか実行できない。
[発明の概要]
第1の態様に従って、試料内の複数の細胞の生命力を検出する方法が提供されており、本方法は、
蛍光色素を試料に加えて、
試料の一部を電極対の間にある試験用空間内に配置して、
電極対の間に電圧を印加して、試料の一部にわたって電界を発生させ、
試験用空間を照光して、
電圧を印加してからの時間にわたって、試験用空間からの蛍光反応を測定して、
時間の間の蛍光反応の変化次第で、試料内の複数の細胞を生きていると検出することを含む。
Some fluorescent dyes, such as the Sytox® system used in nucleic acid staining methods, can be used to detect multiple cells using susceptible membranes. This is because the dyes are hydrophilic or charged and do not have the routes they would normally use to penetrate lipid membranes. Cells with non-specific pores, e.g. created by electroporation, provide a pathway for the dye to penetrate the lipid membrane, and binding of the dye to the DNA results in the generation of a fluorescent signal. . However, cells with intact membranes do not generate a signal and live cells cannot be detected using these dyes. Therefore, the vitality of a cell can only be expressed by discounting the number of cells that have collapsed.
[Summary of the invention]
According to a first aspect, a method is provided for detecting the vitality of a plurality of cells in a sample, the method comprising:
Add fluorescent dye to the sample,
A part of the sample is placed in the test space between the electrode pair,
applying a voltage between the electrode pair to generate an electric field across a portion of the sample;
Illuminate the test space,
measuring the fluorescence response from the test space over a period of time after applying the voltage;
It involves detecting multiple cells within a sample as alive depending on the change in fluorescence response over time.

本方法は、試料内の生きている複数の細胞を迅速かつ確実に検出する方法の問題点に対処している。本方法は、培養を要する従来技術と比較すると、このような複数の細胞をより短時間で、しかも対象試料上で直接検出可能である。 The method addresses the problem of how to rapidly and reliably detect living cells within a sample. Compared to conventional techniques that require culturing, this method allows such multiple cells to be detected directly on the target sample in a shorter time.

通常の用途における電界は1kV/cmよりも小さくてもよい。この場合における目的は、電気穿孔法のように細胞膜内に孔を開口することではなく、むしろ、生きている複数の細胞には蛍光色素を導入するが、生きていない複数の細胞には導入しないことを選択的に促進させるためである。電界は通常の用途においては100V/cmよりも大きくてもよく、範囲例としては約100V/cmから800V/cmの間、または約400V/cmから800V/cmの間である。好ましくは、本方法は複数の細胞の電気穿孔を含まない。つまり、好ましくは、電界は電圧印加時には複数の細胞の電気穿孔が起こらないように選定される。 Electric fields in typical applications may be less than 1 kV/cm. The goal in this case is not to open pores in the cell membrane as in electroporation, but rather to introduce a fluorescent dye into living cells but not into non -living cells. This is to selectively promote this. The electric field may be greater than 100V/cm in typical applications, with example ranges being between about 100V/cm and 800V/cm, or between about 400V/cm and 800V/cm. Preferably, the method does not involve electroporation of a plurality of cells. That is, the electric field is preferably selected such that electroporation of cells does not occur when the voltage is applied.

本方法はさらに、前述の時間における蛍光反応が減少した場合、または増大しなかった場合に、試料の複数の細胞を生きていないと検出してもよい。 The method may further detect cells of the sample as non-viable if the fluorescence response decreases or does not increase over the aforementioned time period.

検出ステップでは、前述の時間の間に蛍光反応が例えば2分の1よりも多い量だけ変化した場合に、試料の生きている複数の細胞を検出してもよい。 In the detection step, live cells of the sample may be detected if the fluorescence response changes by, for example, more than a factor of two during the aforementioned time period.

本方法は好ましくは、複数の細菌細胞の生命力または生存能力、つまり、このような複数の細胞が繁殖する能力を検出することに関する。したがって、本方法は、まず試料を抗生物質で処理し、次に本方法を実行して、抗生物質に耐性のある細菌を検出することによって、試料内の細菌株を検出するのに使用されてもよい。細菌は例えば、ペニシリンやバンコマイシンを含むある種の抗生物質に耐性がある、大腸菌等の大腸菌群であってもよい。 The method preferably relates to detecting the vitality or viability of a plurality of bacterial cells, ie the ability of such cells to reproduce. Therefore, the method can be used to detect bacterial strains in a sample by first treating the sample with an antibiotic and then running the method to detect bacteria that are resistant to the antibiotic. Good too. The bacteria may be, for example, coliform bacteria such as E. coli, which is resistant to certain antibiotics, including penicillin and vancomycin.

第2の態様に従って、試料内の複数の細胞の生命力を検出する装置が提供されており、本装置は、
試料を収容する試料ホルダであって、電極対を試験用空間の向かい合う側に備えている試料ホルダと、
電極対に接続されている電圧源と、
試験用空間を照光するように配置された光源と、
光源が照光すると、試験用空間からの蛍光反応を検出するように配置された光検出器と、を備えている。
According to a second aspect, there is provided an apparatus for detecting the vitality of a plurality of cells in a sample, the apparatus comprising:
A sample holder that accommodates a sample and includes a pair of electrodes on opposite sides of a test space;
a voltage source connected to the electrode pair;
a light source arranged to illuminate the test space;
and a photodetector positioned to detect a fluorescent response from the test space when illuminated by the light source.

第1の態様にかかる本方法は、好ましくは、適切にプログラミングされたコンピュータコントローラの制御下で実行されることによって、少なくとも部分的に自動化されている。したがって、代替として、本方法は、試料内の複数の細胞の生命力を検出する方法として規定されてもよく、本方法は、
試料と蛍光色素を収容している試験用空間内にある電極対の間に電圧を印加して、試料の一部にわたって電界を発生させ、
試験用空間を照光して、
電圧を印加してからの時間にわたって、試験用空間からの蛍光反応を測定して、
時間の間の蛍光反応の変化次第で、試料内の複数の細胞を生きていると検出することを含む。
The method according to the first aspect is preferably at least partially automated by being carried out under the control of a suitably programmed computer controller. Therefore, alternatively, the method may be defined as a method of detecting the vitality of a plurality of cells within a sample, the method comprising:
applying a voltage between a pair of electrodes within a test volume containing the sample and a fluorescent dye to generate an electric field across a portion of the sample;
Illuminate the test space,
measuring the fluorescence response from the test space over a period of time after applying the voltage;
It involves detecting multiple cells within a sample as alive depending on the change in fluorescence response over time.

図1は試料内の複数の細胞の生命力を測定する装置例の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of an example of an apparatus for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. 図2は図1の装置で使用する櫛型電極アレイの略平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view of a comb-shaped electrode array used in the apparatus of FIG. 図3は、蛍光色素がある状態での電界印加後の複数の細胞試料の顕微鏡写真である。FIG. 3 is a micrograph of multiple cell samples after application of an electric field in the presence of a fluorescent dye. 図4aは、異なる時間で電界を印加している間における複数の細胞からの蛍光発光の画像である。Figure 4a is an image of fluorescence emission from multiple cells during application of an electric field at different times. 図4bは、異なる時間で電界を印加している間における複数の細胞からの蛍光発光の画像である。Figure 4b is an image of fluorescence emission from multiple cells during application of an electric field for different times. 図4cは、異なる時間で電界を印加している間における複数の細胞からの蛍光発光の画像である。Figure 4c is an image of fluorescence emission from multiple cells during application of an electric field at different times. 図5は、試料内の複数の細胞から選択した2つに電界を印加した時間にわたって起きた相対的な蛍光反応のグラフである。FIG. 5 is a graph of the relative fluorescence response that occurred over time when an electric field was applied to two selected cells within a sample. 図6は、試料内の複数の細胞から選択した2つに電界を印加した時間にわたって起きた相対的な蛍光反応の別のグラフである。FIG. 6 is another graph of the relative fluorescence response that occurred over time when an electric field was applied to two selected cells within the sample. 図7は試料内の複数の細胞の生命力を測定する別の装置例の概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of another example of an apparatus for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. 図8は試料内の複数の細胞の生命力を測定する別の代替装置例の概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of another alternative example apparatus for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. 図9は試料内の複数の細胞の生命力を検出する方法を示す概略フローチャート図である。FIG. 9 is a schematic flowchart diagram illustrating a method for detecting the vitality of a plurality of cells within a sample. 図10は試料内の複数の細胞の生命力を測定する装置例の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of an example of an apparatus for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. 図11は図10の装置の回路構成の概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram of the circuit configuration of the device of FIG. 10. 図12は図10の装置の光学アセンブリ例の略断面図である。FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of an example optical assembly of the apparatus of FIG. 10. 図13は試料ホルダの電極レイアウト例の平面図である。FIG. 13 is a plan view of an example of the electrode layout of the sample holder. 図14は図13の電極レイアウト例の一部の平面図である。FIG. 14 is a plan view of a portion of the example electrode layout of FIG. 13. 図15は図13の電極レイアウトを有する試料ホルダの構成の概略図である。FIG. 15 is a schematic diagram of the configuration of a sample holder having the electrode layout of FIG. 13.

複数の細胞が生きている場合は、カリウムチャネルが開口した結果、細胞膜の過分極が起こるが、これは生きている複数の細胞は大量のカリウムを細胞質内に蓄えているからである。死んでいる複数の細胞では、代謝は限定的または皆無であるので、カリウムイオン勾配を戻すことができる代謝エネルギーが存在しない。これは、電気パルスで刺激するとすぐにカリウムチャネルが開口する場合には、膜電位が崩壊する、つまり脱分極することを意味する。したがって、膜分極の変化に反応する蛍光色素を添加して、外部電界に晒されている細胞膜に対して色素がどのように反応するかによって複数の細胞の生死を判定してもよい。よって、過分極は、ネルンスト色素(Nernstian dye)を使用した場合には蛍光発光の増加として示されることもあるし、他の種類の色素の場合には蛍光シグナルの減少として示されることもある。例えばFluoVolt(登録商標)といった蛍光色素は、過分極の場合にはその蛍光シグナルが減少する。膜電位に対する他の蛍光指示薬は、di-4-ANEPPS色素等のように、膜極性に応じてスペクトルを変化させるものもある。 When cells are alive, the opening of potassium channels results in hyperpolarization of the cell membrane, because living cells store large amounts of potassium in their cytoplasm. In dead cells , there is limited or no metabolism, so there is no metabolic energy available to reverse the potassium ion gradient. This means that when a potassium channel opens upon stimulation with an electrical pulse, the membrane potential collapses, or depolarizes. Therefore, by adding a fluorescent dye that responds to changes in membrane polarization, the survival or death of a plurality of cells may be determined based on how the dye reacts with the cell membrane exposed to an external electric field. Thus, hyperpolarization may be manifested as an increase in fluorescence emission when using Nernstian dyes, or as a decrease in fluorescence signal with other types of dyes. Fluorescent dyes, such as FluoVolt®, decrease their fluorescent signal when hyperpolarized. Other fluorescent indicators for membrane potential, such as di-4-ANEPPS dye, change their spectra depending on membrane polarity.

分子の導入に関与する主な機構は印加された電界による選択性イオンチャネルの開口であるとみなされているが、他の機構も同時に働いている。例えば、電気パルスにより細胞外培地のイオン濃度が一時的に変化して、細胞膜内でのイオン勾配が変化して流出が発生することがあり、その結果、輸送機構の状態の変化ではなく、輸送を促進する勾配の変化が存在する。この反応は、複数の細胞内にストレスが誘発されたことも一因である可能性があり、これがイオンチャネル、特にカリウムチャネルの開口も誘発し得る。このストレスは、電気パルス印加中に電気化学的に生成された電気信号や化学物質が原因の可能性がある。この複数の細胞の反応はまた、電極間の電流の流れが起こした電気化学反応により反応種が生成されたことが一因である可能性もある。これらの種はチャネルを調整したり、またはストレス反応を誘発したりすることもある。このような種は反応性酸素種または酸化性塩素化合物であり得る。上述の機構のすべてが、細胞膜内のイオンチャネルの導電性やイオン輸送速度を調整し、その結果分子が細胞へ入る動きを調整することをもたらすという共通の性質を有している。 Although the main mechanism involved in the introduction of molecules is considered to be the opening of selective ion channels by an applied electric field, other mechanisms are also at play. For example, electrical pulses can temporarily alter the ion concentration of the extracellular medium, altering the ionic gradient within the cell membrane and causing efflux, resulting in transport rather than changes in the state of the transport machinery. There are gradient changes that promote This response may also be due in part to induced stress within multiple cells, which may also trigger the opening of ion channels, particularly potassium channels. This stress may be caused by electrical signals or chemicals that are electrochemically generated during the application of electrical pulses. This multi- cell reaction may also be due in part to the generation of reactive species through electrochemical reactions caused by the flow of current between the electrodes. These species may also modulate channels or induce stress responses. Such species may be reactive oxygen species or oxidizing chlorine compounds. All of the above-mentioned mechanisms have the common property that they result in modulating the conductivity of ion channels in the cell membrane and the rate of ion transport, thereby regulating the movement of molecules into the cell.

図1は試料内の複数の細胞の生命力を測定する装置例100を図示したものである。試料101は、表面に電極(図1には図示せず)が施されている基板103の表面にある試料箱102内部に載置されている。試料101は培地を含み、培地内には、複数の細胞と、その細胞膜を通過して吸収可能な蛍光色素が備わっている。培地はその形態が例えば液状またはゲル状培地であってもよい。 FIG. 1 illustrates an example apparatus 100 for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. A sample 101 is placed inside a sample box 102 on the surface of a substrate 103 on which electrodes (not shown in FIG. 1) are provided. The sample 101 contains a medium, and the medium contains a plurality of cells and a fluorescent dye that can be absorbed through the cell membrane. The medium may be in the form of a liquid or gel medium, for example.

電圧源105、光源107、及び光学機器104には、コントローラ108が接続されており、電圧源105を制御して、電圧信号が試料101に印加される規定の時間にわたって光学機器104から画像を取得するように構成されている。コントローラ108は、例えば、電圧信号が印加される前の時間の開始時に第1画像を取得し、その後、電圧信号が印加されていた時間の最後に第2画像を取得し、第1画像と第2画像の差、例えば輝度レベルの差等に基づいて第3画像を算出して出力し、この時間の間に蛍光発光の変化を示した複数の細胞を判定してもよい。 A controller 108 is connected to the voltage source 105, the light source 107, and the optical device 104, and controls the voltage source 105 to acquire images from the optical device 104 over a specified period of time during which the voltage signal is applied to the sample 101. is configured to do so. The controller 108 may, for example, obtain a first image at the beginning of the time period before the voltage signal is applied, and then obtain a second image at the end of the time period during which the voltage signal was applied, and combine the first image with the first image. A third image may be calculated and output based on the difference between the two images, such as a difference in brightness level, and a plurality of cells that showed a change in fluorescence emission during this time may be determined.

ある実験装置において、複数の細菌細胞をアガロースパッドに接種し、電極面に載置すると、顕微鏡下で単一細胞の解像度で複数の細胞をモニタリングすることができた。これまで細菌とともに広く用いられてきた蛍光性ネルンスト指示色素であるチオフラビンT(ThT)を用いて、複数の細胞の膜電位動力学をモニタリングした。 In one experimental setup, bacterial cells were inoculated onto an agarose pad and placed on an electrode surface, allowing the cells to be monitored with single- cell resolution under a microscope. Thioflavin T (ThT), a fluorescent Nernst indicator dye that has been widely used with bacteria, was used to monitor membrane potential dynamics in multiple cells.

一連の電気パルス(±1.5V交流、0.1kHz、2.5秒間)を、電極の間隙に配置した複数の大腸菌(K12株)細胞に印加し、このパルスによって生きている複数の細胞内に過分極(ThTの蛍光シグナルの増大により示された)を生じさせた。図3は、図1で図示した種類の装置の対向する電極対301,302の間で見られた、試料304中に電界を印加した結果を示している。電界印加前に、試料の一部は、試料ホルダの規定された領域303内において、複数の細胞を殺すのに十分な紫外線に曝された。その後に電界を印加して、表示された画像は、電界を印加してからの時間における蛍光発光の差を表していた。図に示されているように、紫外線に曝された領域303内の蛍光発光の変化は、試料304の残りの部分の蛍光発光の変化と区別することができる。試料において紫外線による影響を受けていない領域は蛍光発光の増大を示したのに対し、紫外線による影響を受けた領域303は示さなかった。このことは、蛍光発光の変化が試料内の複数の細胞の生命力の表れであることをはっきりと示している。 A series of electrical pulses (±1.5 V AC, 0.1 kHz, 2.5 seconds) are applied to multiple E. coli (K12 strain) cells placed in the gap between the electrodes, and the pulses cause the intracellular activation of multiple living cells. caused hyperpolarization (as indicated by an increase in the fluorescence signal of ThT). FIG. 3 shows the result of applying an electric field into a sample 304 as seen between opposing electrode pairs 301, 302 of a device of the type illustrated in FIG. Prior to application of the electric field, a portion of the sample was exposed to sufficient ultraviolet light to kill cells within a defined area 303 of the sample holder. An electric field was then applied and the displayed image represented the difference in fluorescence emission over time after the electric field was applied. As shown, the change in fluorescence emission within the UV-exposed region 303 can be distinguished from the change in fluorescence emission in the rest of the sample 304. Areas of the sample that were not affected by UV radiation showed an increase in fluorescence emission, whereas areas 303 that were affected by UV radiation did not. This clearly shows that the change in fluorescence emission is an indication of the vitality of multiple cells within the sample.

図4a~4cは、異なる時間で枯草菌の試料に電界を印加している間の顕微鏡画像を示している。振幅が3Vの信号を、間隔が50μmの電極間に保持されている試料に印加して、400V/cmから800V/cmの間のピーク電界強度を与えた。これは、少なくとも3,000~24,000V/cmを使用することもある細胞の電気穿孔法に匹敵する。図4aは1秒以内で電界が印加された試料を示しているが、ここでは1つの細菌401が蛍光発光している。図4bはさらに1秒印加された後の試料を示していて、今度はさらに2つの細菌402が蛍光発光しているが、最初の細菌401の蛍光強度は減少していることを見ることができる。図4cはさらに2秒印加された後の試料を示していて、その2つの細菌が今度は強く蛍光発光しているが、最初の細菌からの蛍光発光は低いままである。この事例は、複数の細胞の生命力の測定結果はほんの数秒で得られることを示しており、生命力の測定が可能になるまでに必要な電界印加時間はおそらく10秒未満であり、5秒未満、さらには3秒未満もあり得ることを実証している。 Figures 4a-4c show microscopic images during the application of an electric field to a sample of Bacillus subtilis at different times. A signal of 3 V amplitude was applied to the sample held between electrodes with a spacing of 50 μm, giving a peak field strength between 400 V/cm and 800 V/cm. This is comparable to cell electroporation, which may use at least 3,000-24,000 V/cm. Figure 4a shows a sample with an electric field applied for less than 1 second, where one bacterium 401 is fluorescent. Figure 4b shows the sample after a further 1 second application, and it can be seen that two more bacteria 402 are now fluorescent, but the fluorescence intensity of the first bacteria 401 has decreased. . Figure 4c shows the sample after an additional 2 seconds of application, and the two bacteria are now strongly fluorescent, but the fluorescence from the original bacteria remains low. This example shows that measurements of the vitality of multiple cells can be obtained in just a few seconds, and the electric field application time required before vitality measurements are possible is likely less than 10 seconds, and less than 5 seconds. Furthermore, it has been demonstrated that it can take less than 3 seconds.

生きている複数の細胞はネルンスト色素を、周囲の培地よりも非常に高いレベルで蓄積する。この作用は、既に細胞膜を透過可能であるネルンスト色素に対して選択性があり、また、生きている細胞膜を通過しないSytox(登録商標)等の色素を排除する。この作用によって、相当に高い電界レベルでしか実現しない複数の細胞の電気穿孔による色素の輸送は発生しないが、その代わりに、既存の細胞電位で生きている細胞膜をわたる輸送を増加させることによる色素の輸送が生じる。 Living cells accumulate Nernst dye at levels much higher than the surrounding medium. This action is selective for Nernst dyes that are already capable of penetrating cell membranes, and also excludes dyes such as Sytox® that do not cross living cell membranes. This action does not result in the transport of dye by electroporation of multiple cells, which is only possible at considerably high electric field levels, but instead by increasing the transport of dye across living cell membranes at existing cell potentials. transportation occurs.

図5は、枯草菌の試料に選択的な紫外線処理を施した後に電界印加による処理を施した結果を示している。試料(図3に示している)は、周波数が100Hzで3Vの交流パルスに2.5秒間曝された。紫外線処理を行った細胞10個の平均反応501を、図5に紫外線処理を行っていない細胞10個の平均反応502と並べて示す。電流と最初の蛍光発光との比の対数で表される細胞生存確実性指標は、蛍光発光の相対的な増大または減少を示しており、生きている複数の細胞と死んでいる複数の細胞との間の反応の違いを明確に表している。この事例において、生きている複数の細胞はかなりの増大を示したが、一方死んでいる複数の細胞はかなりの減少を示した。 FIG. 5 shows the results of selective ultraviolet treatment on a Bacillus subtilis sample followed by treatment by applying an electric field. The sample (shown in Figure 3) was exposed to an AC pulse of 3V at a frequency of 100Hz for 2.5 seconds. The average response 501 of 10 cells treated with ultraviolet rays is shown in FIG. 5 alongside the average response 502 of 10 cells not treated with ultraviolet rays. The cell viability index, expressed as the logarithm of the ratio of current to initial fluorescence emission, indicates the relative increase or decrease in fluorescence emission, and indicates the relative increase or decrease in fluorescence emission between living and dead cells . It clearly shows the difference in reactions between the two. In this case, living cells showed a significant increase, while dead cells showed a significant decrease.

図6は、バンコマイシンの存在下における2つの種の複数の細胞、枯草菌と大腸菌の蛍光反応の対数値を示している。バンコマイシンは大腸菌等の大腸菌群に対して不活性であるが、他のほぼすべての種の細菌を標的にしている。混合培養において、バンコマイシン処理をした複数の枯草菌細胞は脱分極601を示した一方で、複数の大腸菌細胞は過分極602を示した。このことは、この作用は混合培養では大腸菌群の生命力を選択的に示すことができることを表している。したがって、バンコマイシン等の選択性抗生物質で処理した試料の蛍光分析によって、大腸菌または他の大腸菌群の存在を確認することができる。 Figure 6 shows the logarithm of the fluorescence response of multiple cells of two species, B. subtilis and E. coli, in the presence of vancomycin. Vancomycin is inactive against coliform bacteria such as E. coli, but targets nearly all other species of bacteria. In mixed cultures, vancomycin-treated Bacillus subtilis cells exhibited depolarization 601, while E. coli cells exhibited hyperpolarization 602. This indicates that this effect can selectively show the vitality of coliform bacteria in mixed culture. Therefore, the presence of E. coli or other coliform bacteria can be confirmed by fluorescence analysis of samples treated with selective antibiotics such as vancomycin.

図7は、試料内の複数の細胞の生命力を検出する装置の別の例である装置700を示している。本例では、装置は、透明な蓋702と光ファイバー平板702との間に、試料を収容する試験用空間701を備えている。試験用空間701の対向面を規定する、蓋702及び光ファイバー平板702のそれぞれの表面703,704の片方または両方には、電極が設けられている。電極は、例えば平板の一方にある電極対の形式、または櫛型電極パターンであってもよく、あるいは、両方の平板に、透明電極の形で設けられていてもよい。ここで、両平板の間の間隙は、試料中の電界を規定する。 FIG. 7 shows an apparatus 700 that is another example of an apparatus for detecting the vitality of a plurality of cells within a sample. In this example, the apparatus includes a test space 701 that accommodates a sample between a transparent lid 702 and an optical fiber flat plate 702. Electrodes are provided on one or both of surfaces 703 and 704 of each of the lid 702 and the optical fiber flat plate 702, which define the opposing surfaces of the test space 701. The electrodes may, for example, be in the form of electrode pairs on one of the plates, or a comb-shaped electrode pattern, or they may be provided in the form of transparent electrodes on both plates. Here, the gap between both plates defines the electric field in the sample.

光ファイバー平板702の反対側には、光検出器706が設けられている。光検出器706はCCD等の画像センサ方式の形態であってもよい。画像センサ706と試験用空間701との間に光ファイバー平板702を介在させることにより、センサ706が試験用空間内の複数の細胞を、間にレンズを配置する必要もなく直接撮像することが可能になる。 A photodetector 706 is provided on the opposite side of the optical fiber flat plate 702. The photodetector 706 may be in the form of an image sensor such as a CCD. By interposing the optical fiber plate 702 between the image sensor 706 and the test space 701, it is possible for the sensor 706 to directly image multiple cells in the test space without the need for placing a lens between them. Become.

電圧源705、光源706、及び画像センサ706には、コントローラ708が接続されており、電圧源705を制御して、電圧信号が試料701に印加されている規定の時間にわたって画像センサ706から画像を取得するように構成されている。コントローラ708は、例えば、電圧信号が印加される前の時間の開始時に第1画像を取得し、その後、電圧信号が印加されていた時間の最後に第2画像を取得し、第1画像と第2画像の差、例えば輝度レベルの差等に基づいて第3画像を算出して出力し、この時間の間に蛍光発光の変化を示した複数の細胞を判定してもよい。 A controller 708 is connected to the voltage source 705, the light source 706, and the image sensor 706, and controls the voltage source 705 to capture images from the image sensor 706 over a specified period of time during which the voltage signal is applied to the sample 701. is configured to retrieve. The controller 708 may, for example, acquire a first image at the beginning of the time before the voltage signal is applied, and then acquire a second image at the end of the time that the voltage signal was applied, and combine the first image and the second image. A third image may be calculated and output based on the difference between the two images, such as a difference in brightness level, and a plurality of cells that showed a change in fluorescence emission during this time may be determined.

図8は、試料内の複数の細胞の生命力を検出するさらに別の装置800を示している。装置は、マイクロ流体デバイス802内に流路形状の試料ホルダ801を備えており、ホルダ801は、試料を流入口803から流出口804へと流すように配置されている。流路801は、複数の細胞の個々に対して蛍光測定が行えるように、デバイス802内を複数の細胞が1つずつ通過できるような寸法であってもよい。流路の向かい合う壁には、各々が電圧源805に接続されている電極対を設けてもよい。 FIG. 8 shows yet another apparatus 800 for detecting the vitality of a plurality of cells within a sample. The apparatus includes a channel-shaped sample holder 801 within a microfluidic device 802, and the holder 801 is arranged to allow the sample to flow from an inlet 803 to an outlet 804. Channel 801 may be dimensioned to allow multiple cells to pass through device 802 one at a time so that fluorescence measurements can be made for each individual cell. Opposite walls of the channel may be provided with pairs of electrodes, each connected to a voltage source 805.

励起光は例えば405nmレーザーダイオードで供給してもよく、レーザービームは10~20μmのスポットでマイクロ流体デバイス802の流路801に集束してもよい。細胞が存在する場合、蛍光光が発せられ、励起光の光路を、ファイバーを通り光源に向かって戻るが、蛍光光は、反射して光源へと向かうのではなく、二クロム鏡を通過して光検出器809aへと向かう。同一の構成を2つ用いて、細胞が流路の第1部分を通過した時の蛍光発光と、次に同じ細胞が流路の第2部分を通過した時の蛍光発光とを比較できるようにすることによって、細胞の蛍光発光を定量化する。複数の細胞が流路内を通過する速度が分かれば、細胞単位で蛍光発光の相対的な変化の測定値を算出することが可能になる。各光検出器809a,809bは例えば光電子増倍管やアバランシェフォトダイオードであってもよい。 The excitation light may be provided by a 405 nm laser diode, for example, and the laser beam may be focused into the channel 801 of the microfluidic device 802 with a 10-20 μm spot. When cells are present, fluorescent light is emitted and follows the excitation light path back through the fiber towards the light source, but instead of being reflected back towards the light source, the fluorescent light passes through a dichrome mirror. It heads toward the photodetector 809a. Using two identical configurations, it is possible to compare the fluorescence emission when a cell passes through the first part of the channel and the fluorescence emission when the same cell then passes through the second part of the channel. Quantify the fluorescence emission of the cells by: If the speed at which a plurality of cells pass through the channel is known, it becomes possible to calculate the measured value of the relative change in fluorescence emission on a cell-by-cell basis. Each photodetector 809a, 809b may be, for example, a photomultiplier tube or an avalanche photodiode.

図9は、試料内の複数の細胞の生命力を検出する方法を示す概略フローチャート図を示している。本方法は、複数の細胞と蛍光色素とを備えている試料を準備することで開始される(ステップ901)。試料、またはその一部を、電極対の間にある試験用空間内に配置する(ステップ902)。その後、電極対の間に電圧を印加して(ステップ903)、試験用空間内の試料の一部にわたって電界を発生させる。試験用空間を照光して(ステップ904)、電極間に電圧を印加してからの時間にわたって蛍光反応を測定する(ステップ905)。測定時間の間に蛍光反応が増加していれば、試料内の複数の細胞を生きているものとして検出する(ステップ906)。少なくともステップ903からステップ906は、適切にプログラミングされたコントローラによって自動化されて実行されてもよい。 FIG. 9 shows a schematic flowchart diagram illustrating a method for detecting the vitality of a plurality of cells within a sample. The method begins by providing a sample comprising a plurality of cells and a fluorescent dye (step 901). A sample, or a portion thereof, is placed within a test space between a pair of electrodes (step 902). A voltage is then applied between the electrode pair (step 903) to generate an electric field across a portion of the sample within the test volume. The test space is illuminated (step 904) and the fluorescence response is measured over time after applying a voltage between the electrodes (step 905). If the fluorescence response increases during the measurement time, multiple cells in the sample are detected as alive (step 906). At least steps 903 to 906 may be performed automatically by a suitably programmed controller.

図10は試料内の複数の細胞の生命力を測定する装置例1000を図示している。試料は、移動ステージ1002に装着したホルダ1001内に収容されており、移動ステージ1002は、従来の顕微鏡の移動ステージと同様に、試料ホルダ1001をXY面内で二方向に動かすことができる。好ましくは、ステージ1002は、ホルダ1001に取り付けられた試料スライド(図示せず)が動くことで、スライド上の2つ以上の別々の位置で順次読み取りを実行できるようになっている。例示のスライド1501及びホルダ1001は図15に詳細に示されており、本例ではスライド1501には、試料を配置してもよい位置が3か所ある。スライド1501はホルダ1001内に挿入するものであり、PCBエッジコネクタ1503に取り付けるエッジ端子1502を有する電極レイアウトを備えている。 FIG. 10 illustrates an example apparatus 1000 for measuring the vitality of a plurality of cells within a sample. The sample is housed in a holder 1001 attached to a moving stage 1002, and the moving stage 1002 can move the sample holder 1001 in two directions within the XY plane, similar to the moving stage of a conventional microscope. Preferably, the stage 1002 is configured such that a sample slide (not shown) attached to the holder 1001 can be moved to perform sequential readings at two or more separate positions on the slide. An exemplary slide 1501 and holder 1001 are shown in detail in FIG. 15, and in this example, slide 1501 has three locations where a sample may be placed. Slide 1501 is inserted into holder 1001 and has an electrode layout with edge terminals 1502 that attach to PCB edge connectors 1503.

試料を照光する光学アセンブリの例の詳細図を図12に示す。例えばLED等の光源1201は試料1202への入射光を出力し、入射光は試料1202に到達する前に、レンズ1203、フィルタ1204、及び光ガイド1205を通過する。試料からの光は、レンズアセンブリ1206を通って受信され、上述したように、レンズアセンブリ1206は画像センサへの入射光を集束させる。一般的な態様では、複数の細胞と蛍光色素とを備えた試料の試験用空間を、試料ホルダ面に対して斜めの角度で試料上に入射する光源1201からの光で照光する。入射光は、光ガイド1205を通って試料に誘導されてもよい。この構成の利点は、光源1201から発せられてレンズアセンブリに入射されるあらゆる迷光を低減または最小化することである。 A detailed view of an example optical assembly for illuminating the sample is shown in FIG. A light source 1201, such as an LED, outputs light incident on the sample 1202, and the incident light passes through a lens 1203, a filter 1204, and a light guide 1205 before reaching the sample 1202. Light from the sample is received through lens assembly 1206, which focuses the incident light onto the image sensor, as described above. In a typical embodiment, a sample test space containing a plurality of cells and a fluorescent dye is illuminated with light from a light source 1201 that is incident on the sample at an oblique angle to the sample holder plane. Incident light may be directed to the sample through light guide 1205. An advantage of this configuration is that it reduces or minimizes any stray light emitted from the light source 1201 and incident on the lens assembly.

Claims (19)

試料内の複数の細胞の生命力を検出する方法であって、
複数の細胞と、膜電位の変化に反応する蛍光色素とを備えている試料を準備して、
前記複数の細胞と、前記蛍光色素を含む液状またはゲル状培地と、を含む前記試料の一部を、電極対の間にある試験用空間内に配置して、
前記電極対の間に電圧を印加して、前記試料の前記一部にわたって電界を発生させ、
前記試験用空間を照光して、
前記電極対の間に電圧を印加してからの時間にわたって、前記試験用空間からの蛍光反応を測定して、
前記時間の間の蛍光反応の変化次第で、前記試料内の複数の細胞を生きていると検出する、方法。
A method for detecting the vitality of a plurality of cells in a sample, the method comprising:
Prepare a sample containing multiple cells and a fluorescent dye that responds to changes in membrane potential ,
A part of the sample containing the plurality of cells and a liquid or gel medium containing the fluorescent dye is placed in a test space between the electrode pair,
applying a voltage between the electrode pair to generate an electric field across the portion of the sample;
illuminating the test space;
measuring a fluorescence response from the test space over a period of time after applying a voltage between the electrode pair;
A method of detecting a plurality of cells within said sample as alive depending on a change in fluorescence response over said time period.
前記蛍光反応の変化は前記時間の間の蛍光反応の増大である、請求項1記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the change in fluorescence response is an increase in fluorescence response during the time period. 前記電界は1kV/cmよりも小さい、請求項1または2に記載の方法。 3. A method according to claim 1 or 2, wherein the electric field is less than 1 kV/cm. 前記電界は100V/cmよりも大きい、請求項3記載の方法。 4. The method of claim 3, wherein the electric field is greater than 100 V/cm. 前記電界は交流である、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the electric field is alternating current. 前記電圧は10秒よりも短い時間の間印加される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the voltage is applied for a period of time less than 10 seconds. 前記電圧は0.1秒よりも長い時間の間印加される、請求項5記載の方法。 6. The method of claim 5, wherein the voltage is applied for a period of time greater than 0.1 seconds. 前記電圧5秒よりも短い時間の間印加される、請求項6または7に記載の方法。 8. A method according to claim 6 or 7, wherein the voltage is applied for a time shorter than 5 seconds. 前記時間における蛍光反応が減少した場合に、前記試料の複数の細胞を生きていないと検出する、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein cells of the sample are detected as non-viable if the fluorescence response decreases over the time period. 前記時間は60秒よりも短い、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the time period is less than 60 seconds. 前記時間は10秒よりも短い、請求項10記載の方法。 11. The method of claim 10, wherein the time period is less than 10 seconds. 前記時間は0.1秒よりも長い、請求項10または11に記載の方法。 12. A method according to claim 10 or 11, wherein the time period is longer than 0.1 seconds. 前記蛍光色素は、ネルンスト色素(Nernstian dye)である、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the fluorescent dye is a Nernstian dye. 前記試料は前記試験用空間内を、前記時間の間に前記試験用空間の第1地点から第2地点へと流れていて、前記試験用空間を光で照光して蛍光反応を測定するステップが、前記第1地点と第2地点で繰り返される、請求項1に記載の方法。 The sample flows within the test space from a first point to a second point in the test space during the time period, and the step of illuminating the test space with light and measuring a fluorescence reaction is performed. , repeated at the first and second locations. 検出ステップでは、前記時間の間に蛍光反応が所定の量よりも多い量だけ変化した場合に、前記試料の生きている複数の細胞を検出する、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the detecting step detects a plurality of live cells of the sample if the fluorescence response changes by more than a predetermined amount during the time period. 前記所定の量は50%よりも多い、請求項15記載の方法。 16. The method of claim 15, wherein the predetermined amount is greater than 50%. 試料内の細菌株を検出する方法であって、
前記試料を抗生物質で処理し、
請求項1~16のいずれか1項に記載の方法を実行して、前記抗生物質に耐性のある細菌を検出する、方法。
A method for detecting bacterial strains in a sample, the method comprising:
treating the sample with an antibiotic;
A method of detecting bacteria resistant to the antibiotic by carrying out the method according to any one of claims 1 to 16.
前記細菌は大腸菌である、請求項17記載の方法。 18. The method of claim 17, wherein the bacterium is E. coli. 前記抗生物質はバンコマイシンである、請求項18記載の方法。 19. The method of claim 18, wherein the antibiotic is vancomycin.
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