WO2020189172A1

WO2020189172A1 - 細胞保持容器および計測システム

Info

Publication number: WO2020189172A1
Application number: PCT/JP2020/006899
Authority: WO
Inventors: 駿中島; 芳樹水野; 郁郎鈴木; 直毅松田
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Tohoku Institute of Technology
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Tohoku Institute of Technology
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2021-09-20

Abstract

この計測システム（１）は、細胞保持容器（１０）内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムである。計測システム（１）は、細胞保持容器（１０）内に配置された作用電極（１１）、対向電極１２および参照電極（１３）とそれぞれ接続する第１端子（２１）、第２端子（２２）および第３端子（２３）と、第１端子（２１）と第２端子（２２）との間に電圧を印加する電圧源と、第１端子（２１）と第３端子（２３）との間の印加電圧を監視する電圧監視回路（３０）と、第１端子（２３）を流れる電流を検出する電流検出回路（４０）とを有する。これにより作用電極（１１）－対向電極（１２）間に電圧を印加し、作用電極（１１）－参照電極（１３）間の電圧と、作用電極（１１）を流れる電流とを計測することにより、計測対象である細胞における神経電圧物質の放出を検出することができる。このように、従来の微小多電極アレイ法を応用して、神経細胞の神経伝達物質の計測を行うことができる。

Description

細胞保持容器および計測システム

　本発明は、内部で細胞を培養するとともに、培養された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器と、細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムと、に関する。

　電気生理学の分野において、単一あるいは集団における細胞イオンチャネルの挙動を解明するイオンチャネル検出装置が知られている。イオンチャネル検出装置として、パッチクランプ法を用いた細胞内活動電位検出装置や、微小多電極アレイ（ＭＥＡ，Multi Electrode Array）法を用いた細胞外活動電位検出装置が広く使用されている。通常のパッチクランプ法やＭＥＡ法といった測定法では、細胞内外の活動電位のみが計測される。従来の微小多電極アレイ（ＭＥＡ）プレートは、例えば、特許文献１に記載されている。

特表２０１６－５２９８８９号公報

　一方、神経細胞は、酸化還元電位が印加されると、プレシナプス－ポストシナプス間において放出された神経伝達物質の酸化還元反応が促進され、当該酸化還元反応にて電荷量の変化により、電圧が印加された電極間に電流が流れる。このような神経細胞の神経伝達物質のリアルタイム計測を行うための方法の確立が求められている。

　本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、従来の微小多電極アレイ法を応用して、神経細胞の神経伝達物質の計測を行うことができる技術を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するため、本願の第１発明は、内部に保持された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器であって、前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、前記保持空間内の前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、電流検出機構と接続される作用電極と、前記保持空間内に配置され、前記作用電極との間に電圧印加機構が接続される対向電極と、前記保持空間内に配置される参照電極と、を有する。

　本願の第２発明は、第１発明の細胞保持容器であって、前記内面は、平らな底面と、前記底面の縁部から延びる側面と、を有し、前記作用電極は、前記底面に間隔を開けて配列された複数の配列電極のうちの１つであり、前記参照電極は、前記複数の配列電極の外側に配置される。

　本願の第３発明は、第１発明または第２発明の細胞保持容器であって、前記作用電極および前記参照電極は、前記内面に固定され、前記対向電極は、前記保持空間内に配置される。

　本願の第４発明は、第２発明の細胞保持容器であって、前記対向電極は、前記保持空間内に挿入された電極である。

　本願の第５発明は、細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、前記細胞保持容器内に配置された作用電極と接続する第１端子と、前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、を有する。

　本願の第６発明は、第５発明の計測システムであって、前記電圧監視回路が検出した監視電圧と、前記電流検出回路からの出力電圧とが入力される電流値演算部をさらに有し、前記電流値演算部は、前記監視電圧および前記出力電圧に基づいて、前記第１端子を流れる電流の電流値を算出する。

　本願の第７発明は、第５発明または第６発明の計測システムであって、内部に細胞を保持する前記細胞保持容器をさらに有し、前記細胞保持容器は、前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、前記保持空間内のうちの前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、前記第１端子と接続する前記作用電極と、前記保持空間内に配置され、前記第２端子と接続する前記対向電極と、前記保持空間内に配置され、前記第３端子と接続する前記参照電極と、を有する。

　本願の第８発明は、細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、前記細胞保持容器内に配置された作用電極と接続する第１端子と、前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、を有し、前記電圧監視回路は、前記印加電圧と近似した電圧値となる監視電圧を計測する電圧計を有する。

　本願の第９発明は、第８発明の計測システムであって、前記電圧源は、前記第２端子およびグラウンドと接続される接地端子と、電圧を出力する出力端子と、を有し、前記電圧監視回路は、非反転入力が前記第１端子と接続され、反転入力が前記第２端子と接続される、第１演算増幅器と、非反転入力が前記電圧源の前記出力端子と接続され、反転入力が前記第１演算増幅器の出力と接続される、第２演算増幅器と、をさらに有し、前記電圧計は、前記第２演算増幅器の反転入力電圧を前記監視電圧として計測する。

　本願の第１０発明は、第８発明または第９発明の計測システムであって、前記電流検出回路は、前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる前記電流に応じた電圧を出力する電流電圧変換回路を含む。

　本願の第１１発明は、第１０発明の計測システムであって、前記電流検出回路は、前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅し、前記第１端子を流れる前記電流の電流値に比例する電圧を出力する増幅回路を含む。

　本願の第１２発明は、第９発明の計測システムであって、前記電流検出回路は、前記第１端子と接続し、前記第１端子を流れる前記電流に応じた電圧を出力する電流電圧変換回路を含み、前記電流電圧変換回路は、非反転入力が前記第２演算増幅器の出力と接続され、反転入力が前記第１端子および第１演算増幅器の非反転入力と接続される第３演算増幅器と、前記第３演算増幅器の反転入力および出力と接続される負帰還抵抗と、を有する。

　本願の第１３発明は、第１２発明の計測システムであって、前記電流検出回路は、前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅し、前記第１端子を流れる前記電流の電流値に比例する電圧を出力する増幅回路を含み、前記増幅回路は、非反転入力が前記第３演算増幅器の出力と接続され、反転入力が前記第２演算増幅器の出力と接続される第４演算増幅器と、前記第４演算増幅器の出力電圧に比例する電圧を出力する非反転増幅回路と、を含む。

　本願の第１４発明は、内部に保持された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器であって、前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、前記保持空間内の前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、電流検出機構と接続される第１作用電極および第２作用電極と、前記保持空間内に配置され、前記第１作用電極との間に電圧印加機構が接続される対向電極と、前記保持空間内に配置される参照電極と、を有する。

　本願の第１５発明は、第１４発明の細胞保持容器であって、前記内面は、平らな底面と、　前記底面の縁部から延びる側面と、を有し、前記第１作用電極および前記第２作用電極はそれぞれ、前記底面に間隔を開けて配列された複数の電極のうちの１つであり、前記参照電極は、前記複数の電極の外側に配置される。

　本願の第１６発明は、細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、前記細胞保持容器内に配置された第１作用電極と接続する第１端子と、前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、前記最奥培養容器内に配置された第２作用電極と接続する第４端子と、を有し、前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、前記第３端子と前記第４端子との間の電圧を検出する電圧検出回路と、を有する。

　本願の第１７発明は、第１６発明の計測システムであって、前記電圧監視回路が検出した監視電圧と、前記電流検出回路からの出力電圧とが入力される制御部をさらに有し、前記制御部は、前記監視電圧および前記出力電圧に基づいて、前記第１端子を流れる電流の電流値を算出する。

　本願の第１８発明は、第１６発明または第１７発明の計測システムであって、内部に細胞を保持する前記細胞保持容器をさらに有し、前記細胞保持容器は、前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、前記保持空間内のうちの前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、前記第１端子と接続する前記第１作用電極と、前記保持空間内に配置され、前記第２端子と接続する前記対向電極と、前記保持空間内に配置され、前記第３端子と接続する前記参照電極と、前記細胞配置領域に配置され、前記第４端子と接続する前記第２作用電極と、を有する。

　本願の第１発明～第７発明によれば、作用電極－対向電極間に電圧を印加し、作用電極－参照電極間の電圧と、作用電極を流れる電流とを計測することにより、計測対象である細胞における神経電圧物質の放出を検出することができる。

　本願の第８発明～第１３発明によれば、三電極法により、監視電圧と、電流とを検出することができる。電圧を直接印加する作用電極－対向電極間の電圧を直接計測する二電極法では、通電による電圧降下が大きく、実際の電位がわからない。このため、三電極法により監視電圧を計測することにより、作用電極にかかる電圧と、作用電極を流れる電流とを計測することができる。これにより、計測対象である細胞における神経電圧物質の放出をより正確に検出することができる。

　本願の第１４発明～第１８発明によれば、計測対象である細胞について、細胞内外の活動電位と、神経電圧物質の放出による電流とを、同時に検出することができる。

第１実施形態に係る計測ユニットの電気的な接続を示した概略図である。第１実施形態に係る細胞保持容器の斜視図である。第１実施形態に係る細胞保持容器の上面図である。第１実施形態に係る計測ユニットの電圧監視回路および電流掲出回路の回路構成を示した図である。一変形例に係る細胞保持容器の上面図である。他の変形例に係る細胞保持容器の上面図である。他の変形例に係る細胞保持容器の上面図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において細胞保持容器の底面に平行な方向を「水平方向」、水平方向に直交する方向を「上下方向」と称する。しかしながら、細胞保持容器の使用時の姿勢は、細胞保持容器の底面が必ずしも水平方向とならなくてもよい。

　＜１．第１実施形態＞
　図１は、本発明の第１実施形態に係る計測システム１の電気的な接続を示した概略図である。この計測システム１は、細胞保持容器１０内に収容された細胞または組織の電気的特性を計測するためのシステムである。ここで、「細胞」とは、細胞保持容器１０内で培養された細胞だけでなく、細胞保持容器１０内に収容された、脳スライス試料等の生体組織の細胞も含まれる。計測システム１において、計測対象となる細胞は、例えば、ドーパミン作動性神経細胞や、セロトニン作動性神経細胞等の神経細胞である。

　計測システム１は、細胞保持容器１０と、４つの端子２１～２４と、電圧源付き電圧監視回路３０と、電流検出回路４０と、電圧検出回路５０と、電流値演算部６０とを有する。細胞保持容器１０は、４つの電極１１～１４を有する。４つの端子２１～２４はそれぞれ、電極１１～１４のそれぞれと接続される。４つの端子２１～２４は、具体的には、第１端子２１、第２端子２２、第３端子２３および第４端子を含む。

　図２は、本発明の第１実施形態に係る細胞保持容器１０の斜視図である。図３は、細胞保持容器１０の上面図である。

　細胞保持容器１０は、内部に細胞および培地を収容および保持するとともに、保持された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器の一実施形態である。本実施形態の細胞保持容器１０は、内部で細胞を培養するとともに、培養された細胞の電気的特性を計測するための容器である。具体的には、本発明の細胞保持容器１０は、計測システム１とともに用いられ、細胞保持容器１０内で培養された細胞の細胞外電圧と電圧印加時電流とが計測される。

　図２に示すように、細胞保持容器１０は、本体部９と、電極部８とを有する。本体部９は、カップ状の内面９０を有する。電極部８は、複数の電極８１，８２，８３を有する。細胞保持容器１０の内部の空間は、細胞および培地が保持される保持空間９００である。すなわち、内面９０が、保持空間９００を形成する。なお、細胞保持容器１０内に保持される試料は、細胞および保存液、生体組織および培地、生体組織および保存液等であってもよい。

　本体部９の内面９０は、平らな底面９１と、側面９２を有する。側面９２は、底面９１の縁部から上方に延びる。本実施形態の本体部９は有底円筒状であるため、底面９１は円形であり、側面９２は円筒状である。しかしながら、本体部９は、カップ状であれば、底面が楕円形、四角形等の他の形状であってもよいし、底部が半球状であってもよい。

　細胞の培養時には、底面９１の中央を中心として、細胞が播かれる。これにより、底面９１の中央は、細胞が配置される細胞配置領域９１０に含まれる。図２中には、細胞配置領域９１０の一例が破線で示されている。

　図２および図３に示すように、電極部８は、複数の配列電極８１と、複数の周縁電極８２と、挿入電極８３とを有する。

　複数の配列電極８１は、底面９１の中央において、２次元的に配列される。本実施形態では、電極部８は縦４列、横４列に配列された１６個の配列電極８１を有する。また、配列電極８１は、表面がカーボンナノチューブの薄膜により覆われた、いわゆるカーボンナノチューブ電極である。

　複数の周縁電極８２は、底面９１の周縁部に配置される。すなわち、周縁電極８２はそれぞれ、複数の配列電極８１の外側に配置される。本実施形態では、電極部８は、周方向に等間隔に配置された４個の周縁電極８２を有する。また、周縁電極８２は、カーボンナノチューブ電極である。

　複数の配列電極８１および複数の周縁電極８２はそれぞれ、内面９０の一部である底面９１に固定される。これらの電極８１，８２は、例えば、底面９１の表面に固定されてもよいし、底面９１の表面に設けられた凹部の内部に固定されてもよい。

　配列電極８１および周縁電極８２に用いられるカーボンナノチューブの電極は、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ、Indium Tin Oxide）電極または白金黒電極等の電極の表面に電解めっき等によりカーボンナノチューブ薄膜を形成したものである。カーボンナノチューブ薄膜は、薬品耐性および熱耐性が高く、かつ、電気伝導性および熱伝導性にも優れている。高感度なカーボンナノチューブ電極を用いることにより、微小な電気信号をリアルタイムに計測することが可能となる。

　挿入電極８３は、本体部９の保持空間９００に挿入された電極である。本実施形態では、挿入電極８３は、鉛直方向に延びる円柱状の電極である。また、本実施形態では、挿入電極８３は、複数の配列電極８１よりも外側に配置される。なお、挿入電極８３は、底面９１上に載置される板状の電極であってもよいし、保持空間９００内に配置できれば、その形状は問わない。挿入電極８３は、例えば、白金（Ｐｔ）により形成される。

　図１および図３に示すように、複数の配列電極８１のうちの１つが、第１端子２１と電気的に接続される第１作用電極１１として用いられる。挿入電極８３が、第２端子２２と電気的に接続される対向電極１２として用いられる。複数の周縁電極８２のうちの１つが、第３端子と電気的に接続される参照電極１３として用いられる。また、複数の配列電極８１のうちの他の１つが、第４端子２４と電気的に接続される第２作用電極１４として用いられる。

　ここで、細胞を細胞保持容器１０内に配置する際には、第１作用電極１１および第２作用電極１４が細胞配置領域９１０内に配置されるように、細胞を配置する。具体的には、細胞保持容器１０内で細胞を培養する場合には、第１作用電極１１および第２作用電極１４の上に重なるように細胞を播く。なお、細胞の培養後に、配列電極８１の中で、その上面を細胞が十分に覆っているものの中から、第１作用電極１１および第２作用電極１４を設定してもよい。また、計測対象が組織である場合には、第１作用電極１１および第２作用電極１４の双方を覆うように、当該組織を配置する。

　一方、細胞を細胞保持容器１０内に配置する際に、少なくとも参照電極１３が細胞配置領域９１０外に配置されるように、細胞を配置する。すなわち、少なくとも周縁電極８２上に細胞が配置されないように、細胞を配置する。

　図１に示すように、電圧監視回路３０は、第１端子２１、第２端子２２および第３端子２３と接続される。電圧監視回路３０は、第１端子２１と第２端子２２との間に電圧を印加するとともに、第１端子２１と第３端子２３との間の印加電圧を監視する、電圧源付きの回路である。すなわち、電圧監視回路３０は、第１作用電極１１と対向電極１２との間に電圧を印加するとともに、第１作用電極１１と参照電極１３との間の印加電圧を監視する。電圧監視回路３０は、第１作用電極１１－対向電極１２間の電圧に比例した電圧である監視電圧Ｖｍを出力する。電圧監視回路３０の具体的な構成については、後述する。

　電流検出回路４０は、第１端子２１と接続され、第１端子２１を流れる電流を検出する。すなわち、電流検出回路４０は、第１作用電極１１と対向電極１２との間に流れる電流を検出する。電流検出回路４０は、第１作用電極１１－対向電極１２間の電流に比例した電圧値を有する電流検出電圧Ｖｉを出力する。電流検出回路４０の具体的な構成については、後述する。

　電圧検出回路５０は、第３端子２３と第４端子２４との間の電圧を検出する。すなわち、電圧検出回路５０は、第２作用電極１４と参照電極１３との間の電位差を検出する。電圧検出回路５０は、第２作用電極１４－参照電極１３間の電圧に比例した電圧である検出電圧Ｖｖを出力する。電圧検出回路５０には、例えば、一般的な差動増幅回路が用いられる。

　電流値演算部６０には、電圧監視回路３０が出力した監視電圧Ｖｍと、電流検出回路４０の出力電圧である電流検出電圧Ｖｉとが入力される。電流値演算部６０は、監視電圧Ｖｍおよび電流検出電圧Ｖｉに基づいて、第１端子２１を流れる電流の電流値を算出する。

　電流値演算部６０は、例えば、パーソナルコンピュータにより実現される。電流値演算部６０は、ＣＰＵ等の演算処理部、ＲＡＭ等のメモリ、およびハードディスクドライブ等の記憶部から構成される。また、電流値演算部６０は、ディスプレイ装置等からなる表示部６１と、キーボードやマウス等からなる入力部６２と接続されている。

　続いて、電圧監視回路３０および電流検出回路４０の具体的な構成について、図４を参照しつつ説明する。図４は、計測システム１のうち、電圧監視回路３０および電流検出回路４０の回路構成を示した図である。

　図４に示すように、電圧監視回路３０は、電圧源３１と、第１演算増幅器３２と、第２演算増幅器３３と、第１電圧計測部３４を有する。

　電圧源３１は、第１端子２１と第２端子２２との間に電圧Ｖｂを印加するための電圧源である。電圧源３１は、グラウンドと接続される接地端子と、電圧を出力する出力端子とを有する。電圧源３１の接地端子は、第２端子２２と接続される。また、電圧源３１の出力端子は、第２演算増幅器３３の非反転入力と接続される。

　第１演算増幅器３２は、一般的なオペアンプである。第１演算増幅器３２の非反転入力は、第１端子２１と接続される。第１演算増幅器３２の反転入力は、第３端子２３と接続される。第１演算増幅器３２の出力は、第２演算増幅器３３の反転入力と接続される。

　第２演算増幅器３３は、一般的なオペアンプである。第２演算増幅器３３の非反転入力は、電圧源３１の出力端子と接続される。また、第２演算増幅器３３の反転入力は、第１演算増幅器３２の出力と接続される。第２演算増幅器３３の出力は、後述する第３演算増幅器４１１の非反転入力と、後述する第４演算増幅器４２１の反転入力と接続される。

　第１電圧計測部３４は、第１演算増幅器３２の出力と第２演算増幅器３３の反転入力との接続箇所の電圧を、監視電圧Ｖｍとして計測する。この監視電圧Ｖｍは、印加電圧Ｖｂと近似した電圧値となる。

　電流検出回路４０は、第１端子２１と接続され、第１端子２１を流れる電流を検出するための回路である。具体的には、電流検出回路４０は、第１端子２１を流れる電流の電流値に比例する電圧を出力する回路である。電流検出回路４０は、電流電圧変換回路４１と、差動電圧増幅回路４２と、非反転増幅回路４３と、第２電圧計測部４４とを有する。

　電流電圧変換回路４１は、第１端子２１と接続され、第１端子２１を流れる電流に応じた電圧を出力する。電流電圧変換回路４１は、第３演算増幅器４１１と、負帰還抵抗４１２とにより構成される。

　第３演算増幅器４１１の非反転入力は、第２演算増幅器３３の出力および第４演算増幅器４２１の反転入力と接続される。第３演算増幅器４１１の反転入力は、第１端子２１と、第１演算増幅器３２の非反転入力と接続される。

　負帰還抵抗４１２は、第３演算増幅器４１１の反転入力および出力と接続される。すなわち、負帰還抵抗４１２の一方側の端部は、第３演算増幅器４１１の反転入力と接続される。また、負帰還抵抗４１２の他方側の端部は、第３演算増幅器４１１の出力と接続される。これにより、第３演算増幅器４１１の出力、すなわち、電流電圧変換回路４１の出力は、第１端子２１を流れる電流の電流値に比例する電圧に、第３演算増幅器４１１の非反転入力に入力される電圧を加算した電圧を出力する。

　差動電圧増幅回路４２および非反転増幅回路４３からなる増幅回路は、電流電圧変換回路４１の出力電圧を増幅するとともに、第１端子２１を流れる電流の電流値に比例する電圧を出力する。

　差動電圧増幅回路４２は、第４演算増幅器４２１により構成される。第４演算増幅器４２１の非反転入力は、第３演算増幅器４１１の出力と接続される。第４演算増幅器４２１の反転入力は、第２演算増幅器３３の出力と接続される。これにより、差動電圧増幅回路４２は、第１端子２１を流れる電流の電流値に比例する電圧を出力する。

　非反転増幅回路４３は、第４演算増幅器４２１の出力電圧に比例する電圧を出力する。このため、非反転増幅回路４３は、第１端子２１を流れる電流の電流値に比例する電圧を出力する。

　非反転増幅回路４３は、第５演算増幅回路４３１と、第１抵抗４３２と、第２抵抗４３３とを有する。第５演算増幅器４３１の非反転入力には、第４演算増幅回路４２１の出力が接続される。第５演算増幅器４３１の反転入力には、第１抵抗４３２の一端および第２抵抗４３３の一端が接続される。

　第１抵抗４３２の一端は、第５演算増幅器４３１の非反転入力と接続される。また、第１抵抗４３２の他端は、接地される。第２抵抗４３３の一端は、第５演算増幅器４３１の非反転入力と接続される。また、第２抵抗４３３の他端は、第５演算増幅器４３１の出力と接続される。

　第２電圧計測部４４は、第５演算増幅器４３１の出力電圧を、電流検出電圧Ｖｉとして計測する。この電流検出電圧Ｖｉは、第１端子を流れる電流の電流値と比例した電圧値となる。

　上記の回路構成において、第１作用電極１１の電位をＶｐ１、参照電極１３の電位をＶｐ３、第１演算増幅器３２の出力電圧をＶａ１、第２演算増幅器３３の出力電圧をＶａ２、第３演算増幅器４１１の出力電圧をＶａ３、第４演算増幅器４２１の出力電圧をＶａ４、第５演算増幅器４３１の出力電圧をＶａ５とする。

　電圧源３１によって第１端子２１－第２端子２２間に電圧を印加すると、第１作用電極１１－対向電極１２間を保持空間９００内の細胞および液体を介して電流が流れる。これにより、第１作用電極１１および対向電極１２の表面において電気化学反応が生じる。一方、参照電極１３には、電流は殆ど流れない。

　第１演算増幅器３２において、非反転入力にＶｐ１、反転入力にＶｐ３が入力されるため、第１作用電極１１－参照電極１３間の電位差をΔＶとすると、第１演算増幅器３２の増幅率がＡ１である場合、第１演算増幅器３２の出力電圧Ｖａ１は以下の通りである。

　ここで、第１電圧計測部３４の計測する監視電圧Ｖｍは、第１演算増幅器３２の出力電圧Ｖａ１と等しい。したがって、第１演算増幅器３２の増幅率Ａ１＝１とすると、監視電圧Ｖｍは以下の通りである。これにより、監視電圧Ｖｍを計測することによって、第１作用電極１１－参照電極１３間の電位差ΔＶを計測することができる。

　次に、第２演算増幅器３３の非反転入力にＶｂ、反転入力にΔＶが入力されるため、第２演算増幅器３３の出力電圧Ｖａ２は、第２演算増幅器３３の増幅率Ａ２を用いて以下のように表せる。

　したがって、第１作用電極１１－参照電極１３間の電位差ΔＶは、以下のように表せる。

　ここで、第２端子２２は接地されているため、第１作用電極１１の電位Ｖｐ１は、第１作用電極１１－対向電極１２間を流れる電流の電流値Ｉｄ、第１作用電極１１－対向電極１２間の細胞および液体のインピーダンスＺを用いて以下のように表せる。

　第３演算増幅器４１１は負帰還抵抗４１２が接続されているため、イマジナリーショートにより非反転入力と反転入力はほぼ同電位となる。ここで、第３演算増幅器４１１の非反転入力に第２演算増幅器３３の出力電圧Ｖａ２、反転入力にＶｐ１が入力されるため、以下のように表せる。

　式（４）～（６）より、以下の式が成り立つ。

　このため、第３演算増幅器４１１の増幅率Ａ２が十分に大きい（例えばＡ２＝１００）場合、以下のように、監視電圧Ｖｍおよび第１作用電極１１－参照電極１３間の電位差ΔＶは、印加電圧Ｖｂと近似する。

　一方、電流電圧変換回路４１の構成より、負帰還抵抗４１２の抵抗値をＲｒとすると、第１作用電極１１および第１端子２１に流れる電流はＩｄであることから、第３演算増幅器４１１の出力電圧Ｖａ３は以下のように表せる。

　続いて、第４演算増幅器４２１の増幅率が１であることから、第４演算増幅器４２１の出力電圧Ｖａ４は以下のように表せる。

　式（９）および式（１０）より、第４演算増幅器４２１の出力電圧Ｖａ４は以下のようになる。

　非反転増幅回路４３において、第１抵抗４３２の抵抗値をＲ１、第２抵抗４３３の抵抗値をＲ２とすると、第５演算増幅器４３１の出力電圧Ｖａ５は、以下のように表せる。

　第２電圧計測部４４は、第５演算増幅器４３１の出力電圧Ｖａ５を電流検出電圧Ｖｉとして計測する。このため、電流検出電圧Ｖｉは、以下のように表せる。

　したがって、式（１１）および式（１３）より、電流検出電圧Ｖｉは、以下のように表せる。これにより、第１作用電極１１を流れる電流の電流値Ｉｄを、電流検出電圧Ｖｉから算出することができる。

　上述の通り、この計測システム１では、第１作用電極１１、対向電極１２および参照電極１３を有する細胞保持容器１０を用いて、細胞の電気的特性を計測する。また、この計測システム１は、第１作用電極１１と対向電極１２との間に電圧を印加する電圧源３１と、第１作用電極１１と参照電極との間の印加電圧を監視する電圧監視回路３０と、第１作用電極１１を流れる電流を検出する電流検出回路４０とを有する。これにより、第１作用電極１１－対向電極１２間に電圧を印加し、第１作用電極１１－参照電極１３の電圧と、第１作用電極１１を流れる電流とを計測することにより、計測対象である細胞における神経電圧物質の放出を検出することができる。

　また、この計測システム１では、電圧監視回路３０と電流検出回路４０とが上述の回路構成を有することにより、三電極法により、第１作用電極１１－参照電極１３の電圧と、第１作用電極１１を流れる電流とを検出することができる。電圧を直接印加する第１作用電極１１－対向電極１２間の電圧を直接計測する二電極法では、通電による電圧降下が大きく、実際の電位を計測することができない。これに対し、この計測システム１では、三電極法により監視電圧を計測することにより、第１作用電極１１にかかる電圧と、第１作用電極を流れる電流とを計測することができる。これにより、計測対象である細胞における神経電圧物質の放出をより正確に検出することができる。

　また、この計測システム１では、細胞保持容器１０がさらに第２作用電極１４を有する。そして、この計測システム１は、第２作用電極１４と参照電極１３との間の電圧を検出する電圧検出回路６０をさらに有する。これにより、計測対象である細胞について、細胞内外の活動電位と、神経電圧物質の放出による電流とを、同時に検出することができる。

　このように、この計測システム１を用いることにより、従来の微小多電極アレイ法を応用して、神経細胞の神経伝達物質の計測を行うことができる。

　＜２．変形例＞
　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

　図５は、一変形例に係る細胞保持容器１０Ａの上面図である。図５中において、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同じ符号が付されている。図５に示すように、対向電極１２Ａとして用いられる挿入電極８３Ａが、上面視において複数の配列電極８１の間に配置されてもよい。これにより、挿入電極８３Ａが、細胞保持容器１０Ａの細胞配置領域９１０に配置された細胞と接触してもよい。

　図６は、他の変形例に係る細胞保持容器１０Ｂの上面図である。図７は、細胞保持容器１０Ｂの縦断面図である。図６および図７中において、第１実施形態と同様の構成については、第１実施形態と同じ符号が付されている。図６および図７の例では、対向電極１２Ｂとして用いられる挿入電極８３Ｂは、円環状である。挿入電極８３Ｂは、複数の配列電極８１の外側、かつ、複数の周縁電極８２の内側に配置される。また、図７に示すように、挿入電極８３Ｂは、本体部９の底面９１の上に載置される。一方、第１作用電極１１および第２作用電極１４として用いられる配列電極８１と、参照電極１３として用いられる周縁電極８２とは、底面９１に設けられた凹部の内部に固定される電極である。

　図６および図７の例のように、対向電極として用いられる挿入電極は、必ずしも円柱状でなくてもよい。また、対向電極として用いられる電極は、必ずしも挿入電極でなくてもよい。対向電極は、細胞保持容器の本体部の内面に固定された電極であってもよい。

　また、計測システムの構成や、細胞保持容器の細部の構成については、本願の各図と相違していてもよい。また、上記の実施形態や変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

　１　計測システム
　８　電極部
　９　本体部
　１０，１０Ａ，１０Ｂ　細胞保持容器
　１１　第１作用電極
　１２，１２Ａ，１２Ｂ　対向電極
　１３　参照電極
　１４　第２作用電極
　２１　第１端子
　２２　第２端子
　２３　第３端子
　２４　第４端子
　３０　電圧監視回路
　３１　電圧源
　３２　第１演算増幅器
　３３　第２演算増幅器
　３４　第１電圧計測部
　４０　電流検出回路
　４１　電流電圧変換回路
　４２　差動電圧増幅回路
　４３　非反転増幅回路
　４４　第２電圧計測部
　５０　電圧検出回路
　６０　電流値演算部
　８１　配列電極
　８２　周縁電極
　８３，８３Ａ，８３Ｂ　挿入電極
　９０　内面
　９１　底面
　９２　側面
　４１１　第３演算増幅器
　４１２　負帰還抵抗
　４２１　第４演算増幅器
　４３１　第５演算増幅器
　４３２　第１抵抗
　４３３　第２抵抗
　９００　保持空間
　９１０　細胞配置領域

Claims

　内部に保持された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器であって、
　前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、
　前記保持空間内の前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、電流検出機構と接続される作用電極と、
　前記保持空間内に配置され、前記作用電極との間に電圧印加機構が接続される対向電極と、
　前記保持空間内に配置される参照電極と、
を有する、細胞保持容器。
　請求項１に記載の細胞保持容器であって、
　前記内面は、
　　平らな底面と、
　　前記底面の縁部から延びる側面と、
を有し、
　前記作用電極は、前記底面に間隔を開けて配列された複数の配列電極のうちの１つであり、
　前記参照電極は、前記複数の配列電極の外側に配置される、細胞保持容器。
　請求項１または請求項２に記載の細胞保持容器であって、
　前記作用電極および前記参照電極は、前記内面に固定され、
　前記対向電極は、前記保持空間内に配置される、細胞保持容器。
　請求項２に記載の細胞保持容器であって、
　前記対向電極は、前記保持空間内に挿入された電極である、細胞保持容器。
　細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、
　前記細胞保持容器内に配置された作用電極と接続する第１端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、
　前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、
　前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、
　前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
を有する、計測システム。
　請求項５に記載の計測システムであって、
　前記電圧監視回路が検出した監視電圧と、前記電流検出回路からの出力電圧とが入力される電流値演算部
をさらに有し、
　前記電流値演算部は、前記監視電圧および前記出力電圧に基づいて、前記第１端子を流れる電流の電流値を算出する、計測システム。
　請求項５または請求項６に記載の計測システムであって、
　内部に細胞を保持する前記細胞保持容器
をさらに有し、
　前記細胞保持容器は、
　　前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、
　　前記保持空間内のうちの前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、前記第１端子と接続する前記作用電極と、
　　前記保持空間内に配置され、前記第２端子と接続する前記対向電極と、
　　前記保持空間内に配置され、前記第３端子と接続する前記参照電極と、
を有する、計測システム。
　細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、
　前記細胞保持容器内に配置された作用電極と接続する第１端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、
を有し、
　前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、
　前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、
　前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
を有し、
　前記電圧監視回路は、前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧と近似した電圧値となる監視電圧を計測する電圧計を有する、計測システム。
　請求項８に記載の計測システムであって、
　前記電圧源は、
　　前記第２端子およびグラウンドと接続される接地端子と、
　　電圧を出力する出力端子と、
を有し、
　前記電圧監視回路は、
　　非反転入力が前記第１端子と接続され、反転入力が前記第２端子と接続される、第１演算増幅器と、
　　非反転入力が前記電圧源の前記出力端子と接続され、反転入力が前記第１演算増幅器の出力と接続される、第２演算増幅器と、
　をさらに有し、
　前記電圧計は、前記第２演算増幅器の反転入力電圧を前記監視電圧として計測する、計測システム。
　請求項８または請求項９に記載の計測システムであって、
　前記電流検出回路は、
　　前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる前記電流に応じた電圧を出力する電流電圧変換回路
を含む、計測システム。
　請求項１０に記載の計測システムであって、
　前記電流検出回路は、
　　前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅し、前記第１端子を流れる前記電流の電流値に比例する電圧を出力する増幅回路
を含む、計測システム。
　請求項９に記載の計測システムであって、
　前記電流検出回路は、
　　前記第１端子と接続し、前記第１端子を流れる前記電流に応じた電圧を出力する電流電圧変換回路
を含み、
　前記電流電圧変換回路は、
　　非反転入力が前記第２演算増幅器の出力と接続され、反転入力が前記第１端子および第１演算増幅器の非反転入力と接続される第３演算増幅器と、
　　前記第３演算増幅器の反転入力および出力と接続される負帰還抵抗と、
を有する、計測システム。
　請求項１２に記載の計測システムであって、
　前記電流検出回路は、
　　前記電流電圧変換回路の出力電圧を増幅し、前記第１端子を流れる前記電流の電流値に比例する電圧を出力する増幅回路
を含み、
　前記増幅回路は、
　　非反転入力が前記第３演算増幅器の出力と接続され、反転入力が前記第２演算増幅器の出力と接続される第４演算増幅器と、
　　前記第４演算増幅器の出力電圧に比例する電圧を出力する非反転増幅回路と、
を含む、計測システム。
　内部に保持された細胞の電気的特性を計測するための細胞保持容器であって、
　前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、
　前記保持空間内の前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、電流検出機構と接続される第１作用電極および第２作用電極と、
　前記保持空間内に配置され、前記第１作用電極との間に電圧印加機構が接続される対向電極と、
　前記保持空間内に配置される参照電極と、
を有する、細胞保持容器。
　請求項１４に記載の細胞保持容器であって、
　前記内面は、
　　平らな底面と、
　　前記底面の縁部から延びる側面と、
を有し、
　前記第１作用電極および前記第２作用電極はそれぞれ、前記底面に間隔を開けて配列された複数の電極のうちの１つであり、
　前記参照電極は、前記複数の電極の外側に配置される、細胞保持容器。
　細胞保持容器内に保持された細胞の電気的特性を計測するための計測システムであって、
　前記細胞保持容器内に配置された第１作用電極と接続する第１端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された対向電極と接続する第２端子と、
　前記細胞保持容器内に配置された参照電極と接続する第３端子と、
　前記最奥培養容器内に配置された第２作用電極と接続する第４端子と、
を有し、
　前記第１端子と前記第２端子との間に電圧を印加する電圧源と、
　前記第１端子と前記第３端子との間の印加電圧を監視する電圧監視回路と、
　前記第１端子と接続され、前記第１端子を流れる電流を検出する電流検出回路と、
　前記第３端子と前記第４端子との間の電圧を検出する電圧検出回路と、
を有する、計測システム。
　請求項１６に記載の計測システムであって、
　前記電圧監視回路が検出した監視電圧と、前記電流検出回路からの出力電圧とが入力される制御部
をさらに有し、
　前記制御部は、前記監視電圧および前記出力電圧に基づいて、前記第１端子を流れる電流の電流値を算出する、計測システム。
　請求項１６または請求項１７に記載の計測システムであって、
　内部に細胞を保持する前記細胞保持容器
をさらに有し、
　前記細胞保持容器は、
　　前記細胞および液体が保持される保持空間を形成するカップ状の内面と、
　　前記保持空間内のうちの前記細胞が配置される細胞配置領域に配置され、前記第１端子と接続する前記第１作用電極と、
　　前記保持空間内に配置され、前記第２端子と接続する前記対向電極と、
　　前記保持空間内に配置され、前記第３端子と接続する前記参照電極と、
　　前記細胞配置領域に配置され、前記第４端子と接続する前記第２作用電極と、
を有する、計測システム。