JP7282327B2 - 細胞固定デバイス、細胞固定方法、及び細胞操作方法 - Google Patents

Description

本開示は細胞固定デバイス及び細胞固定方法に関する。

特許文献１、２に、細胞を固定するデバイスが開示されている。

特開２００２－２７９６９号公報 ＷＯ２００９／０１６８４２号公報

特許文献１に記載のデバイスは、液溜めと、貫通孔との間に微細な溝を備える。液溜めに細胞を含む試料を投入し、貫通孔を陰圧にすると、微細な溝のうち、液溜め側の入口部分で細胞が固定される。特許文献２に記載のデバイスは、マイクロメッシュを用いて細胞を固定する。

特許文献１、２に記載のデバイスは、微小な細胞を固定しようとする場合、複数の細胞をまとめて固定する。そのため、特許文献１、２に記載のデバイスでは、１個の微小な細胞を、他の細胞から分離して固定することは困難であった。本開示の一局面は、１個の微小な細胞を、他の細胞から分離して固定できる細胞固定デバイス及び細胞固定方法を提供することを目的とする。

本開示の一局面は、細胞を固定する細胞固定デバイスであって、表面に溝が形成された第１部材と、前記第１部材と当接し、前記溝を覆う第２部材と、前記溝と前記第２部材とにより形成される流路と、前記第１部材又は前記第２部材を貫通し、前記流路に連通する複数の孔と、を備え、前記流路は、前記複数の孔の一部である第１孔に連通する部分から、前記複数の孔の一部である第２孔に連通する部分まで延びる第１流路と、前記第１流路から分岐し、前記複数の孔のうちのいずれかの孔に連通する部分まで延びる第２流路と、を備え、前記第２流路は、前記第１流路よりも幅が狭く、前記細胞を固定可能な隘路部を備える細胞固定デバイスである。

本開示の一局面である細胞固定デバイスを用いれば、１個の微小な細胞を、他の細胞から分離して固定できる。
本開示の別の局面は、細胞固定デバイスを用いて細胞を固定する細胞固定方法である。前記細胞固定デバイスは、表面に溝が形成された第１部材と、前記第１部材と当接し、前記溝を覆う第２部材と、前記溝と前記第２部材とにより形成される流路と、前記第１部材又は前記第２部材を貫通し、前記流路に連通する複数の孔とを備える。

前記流路は、前記複数の孔の一部である第１孔に連通する部分から、前記複数の孔の一部である第２孔に連通する部分まで延びる第１流路と、前記第１流路から分岐し、前記複数の孔のうちのいずれかの孔である第３孔に連通する部分まで延びる第２流路と、を備える。前記第２流路は、前記第１流路よりも幅が狭く、前記細胞を固定可能な隘路部を備える。

本開示の別の局面である細胞固定方法では、前記細胞を含む液を前記第１孔に供給し、前記第２孔及び前記第３孔から吸引を行うことで、前記細胞を含む液を、前記第１流路から前記第２流路に流入させ、前記吸引を止める。
本開示の別の局面である細胞固定方法を用いれば、１個の微小な細胞を、他の細胞から分離して固定できる。

第１部材３と第２部材５とが分離した状態にある細胞固定デバイス１の構成を表す斜視図である。 第１溝９及び第２溝１１、１３の構成を表す平面図である。 図２におけるIII-III断面で細胞固定デバイス１を切断した断面図である。 図２におけるIV-IV断面で細胞固定デバイス１を切断した断面図である。 図５Ａは、細胞４５が固定されていない枝流路４３Ａを示す説明図であり、図５Ｂは、細胞４５が固定された枝流路４３Ａを示す説明図である。 細胞を固定した枝流路４３Ａを表す写真である。 枝流路４３Ａの構成を表す説明図である。 図８Ａは、サイズがＷ１以上である複数の細胞４５が上流部４９に固定された状態を表す説明図であり、図８Ｂは、サイズがＷ１以上である１つの細胞４５が上流部４９に固定された状態を表す説明図であり、図８Ｃは、サイズがＷ１よりは小さくＷ２以上である１つの細胞４５が下流部５１に固定された状態を表す説明図である。

本開示の例示的な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１実施形態＞
１．細胞固定デバイス１の構成
細胞固定デバイス１の構成を、図１～図４に基づき説明する。細胞固定デバイス１は、細胞を固定する用途に用いられるデバイスである。図１に示すように、細胞固定デバイス１は、第１部材３と、第２部材５と、を備える。

第１部材３は、平面視において長方形である板状の部材である。第１部材３はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から成る。第１部材３の弾性率は、固定しようとする細胞の弾性率より小さい。

図１に示すように、第１部材３の短辺に平行な方向をＸ方向とする。第１部材３の長辺に平行な方向をＹ方向とする。第１部材３の厚みは０．５ｍｍである。なお、第１部材３の厚みは１．０ｍｍ以下であることが好ましい。

図１に示すように、第１部材３の一方の表面７に、第１溝９と、第２溝１１、１３とが形成されている。第１溝９及び第２溝１１、１３は、表面７における他の部分よりも陥没した部分である。第１溝９は、Ｙ方向に平行な直線状の溝である。第１溝９は、Ｙ方向側の端部に、拡張部１５を備える。また、第１溝９は、Ｙ方向とは反対方向側の端部に、拡張部１７を備える。拡張部１５、１７は、第１溝９における他の部分（以下では本体部１９とする）よりも、Ｘ－Ｙ平面において拡張された部分である。本体部１９の幅及び深さは、どの位置でも一定である。

図２に示すように、第２溝１１は、１６本の分岐部２１と、８本の一次合流部２３と、４本の二次合流部２５と、２本の三次合流部２７と、１本の四次合流部２９と、を備える。１６本の分岐部２１は、それぞれ、本体部１９から分岐し、Ｘ方向に沿って延びる。１６本の分岐部２１は、Ｙ方向に沿って配列されている。隣接する２本の分岐部２１同士の間隔は、どの２本の分岐部２１を選択しても一定である。隣接する２本の分岐部２１同士の間隔は、５００μｍ以上である。分岐部２１は、本体部１９よりも幅が狭い。分岐部２１は、本体部１９より浅い。分岐部２１の幅及び深さは、細胞を固定できるように調整されている。分岐部２１の幅は、固定しようとする細胞の幅の８０～９９％であることが好ましい。

８本の一次合流部２３は、それぞれ、２本の分岐部２１が合流した部分である。一次合流部２３はＸ方向に沿って延びる。一次合流部２３の幅及び深さは、分岐部２１の幅及び深さより大きい。

４本の二次合流部２５は、それぞれ、２本の一次合流部２３が合流した部分である。二次合流部２５はＸ方向に沿って延びる。二次合流部２５の幅及び深さは、分岐部２１の幅及び深さより大きい。

２本の三次合流部２７は、それぞれ、２本の二次合流部２５が合流した部分である。三次合流部２７はＸ方向に沿って延びる。三次合流部２７の幅及び深さは、分岐部２１の幅及び深さより大きい。

１本の四次合流部２９は、２本の三次合流部２７が合流した部分である。四次合流部２９は、屈曲しながら、吸引部３１に至る。吸引部３１は、第２溝１１、１３が合流する部分である。吸引部３１は、周囲の表面７よりも陥没した部分である。吸引部３１は、拡張部１７よりも、Ｙ方向とは反対方向側に移動した位置にある。吸引部３１は、四次合流部２９に比べて、Ｘ－Ｙ平面において拡張されている。

第２溝１３は、本体部１９を対称軸として、第２溝１１と対称となる形状を有する。第２溝１３が備える四次合流部２９も、吸引部３１に至る。
第２部材５は、平面視において長方形である板状の部材である。第２部材５のＸ方向及びＹ方向におけるサイズは、第１部材３と同じである。第２部材５の材質は、第１部材３の材質と同じである。そのため、第２部材５の弾性率は、固定しようとする細胞の弾性率より小さい。

第２部材５は、第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７を備える。第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７は、それぞれ、第２部材５を厚み方向に貫通する。第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７の形状は、それぞれ、平面視において円形である。第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７は、その順番に、Ｙ方向に沿って配列されている。第１孔３３と第２孔３５との間隔は、第２孔３５と第３孔３７との間隔に比べて広い。第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７は、複数の孔に対応する。

第２部材５の一方の表面３９を、第１部材３の表面７に当接させることができる。表面３９は、第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７を除き、平面である。このとき、第１溝９は、拡張部１５、１７を除き、表面３９により覆われる。

図３に示すように、第１溝９と表面３９とにより、第１流路４１が形成される。第１流路４１は周囲が閉じられた流路である。第１孔３３は拡張部１５に連通している。第２孔３５は拡張部１７に連通している。よって、細胞固定デバイス１の外部から、第１孔３３、拡張部１５、第１流路４１、拡張部１７、及び第２孔３５を順次経て、細胞固定デバイス１の外部に再び至る経路が形成される。

第１流路４１の幅は、５０μｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。第１流路４１の幅とは、Ｘ方向における幅である。第１流路４１の幅が５０μｍ以上である場合、第１流路４１内を細胞が流れ易くなり、細胞が後述する枝流路４３Ａに吸い込まれ易くなる。第１流路４１の幅が５ｍｍ以下である場合、第１流路４１内における細胞の流れが適度に遅くなり、細胞が枝流路４３Ａにアクセスし易くなる。

第２部材５の表面３９を、第１部材の表面７に当接させたとき、第２溝１１、１３は、吸引部３１を除き、表面３９により覆われる。図３、図４に示すように、第２溝１１、１３と表面３９とにより、第２流路４３が形成される。第２流路４３は周囲が閉じられた流路である。第２流路４３は第１流路４１から分岐し、吸引部３１まで延びる。

第２流路４３のうち、分岐部２１と表面３９とにより形成される部分を枝流路４３Ａとする。枝流路４３Ａは複数存在する。複数の枝流路４３Ａは、第１流路４１における複数の位置でそれぞれ分岐した流路である。枝流路４３Ａは、第１流路４１よりも幅が狭い。枝流路４３Ａは細胞を固定する部分である。枝流路４３Ａは、細胞を固定可能な隘路部に対応する。枝流路４３Ａの幅は、分岐部２１の幅と同じである。枝流路４３Ａの幅は、固定しようとする細胞の幅の８０～９９％であることが好ましい。

第２流路４３のうち、一次合流部２３、二次合流部２５、三次合流部２７、及び四次合流部２９と、表面３９とにより形成される部分を合流流路４３Ｂとする。合流流路４３Ｂは、複数の枝流路４３Ａが合流した流路である。

第３孔３７は吸引部３１に連通している。そのため、第１流路４１から、枝流路４３Ａ、合流流路４３Ｂ、吸引部３１、及び第３孔３７を順次経て、細胞固定デバイス１の外部に至る経路が形成される。

２．実施例
（２－１）細胞懸濁液の調製
ココミクサＫＪ株を通気培養した。培養条件は以下のとおりとした。

培地：ＭＡ５培地
明暗期：１２／１２時間
ＣＯ_２濃度：２％
ココミクサＫＪ株は、２０１３年６月４日付で独立行政法人製品評価技術基盤機構 特許生物寄託センター（ＮＩＴＥ－ＩＰＯＤ）（千葉県木更津市かずさ鎌足２－５－８ １２０号室）に受託番号ＦＥＲＭ Ｐ－２２２５４として寄託されている。ココミクサＫＪ株の短径は１～２μｍであり、長径は２～５μｍである。

ＯＤ_７２０が０．００５の状態でココミクサＫＪ株の培養を開始し、ＯＤ_７２０が約０．５になるまで培養を行った。培養の終了後、ココミクサＫＪ株を含む細胞懸濁液を調製した。細胞懸濁液は細胞を含む液に対応する。

（２－２）細胞固定方法
第２部材５の表面３９を、第１部材の表面７に当接させた。次に、第１孔３３に細胞懸濁液を供給した。次に、シリンジポンプを用い、第２孔３５、及び第３孔３７から吸引を行った。吸引の圧力は１１８Ｐａとした。なお、吸引の圧力は、１Ｐａ以上が好ましく、１０Ｐａ以上がさらに好ましく、１００Ｐａ以上が特に好ましい。

細胞懸濁液は、第１孔３３、拡張部１５、第１流路４１、拡張部１７、及び第２孔３５を順次経て、細胞固定デバイス１の外部に排出された。
また、一部の細胞懸濁液は、第１流路４１から枝流路４３Ａに流入し、合流流路４３Ｂ、吸引部３１、及び第３孔３７を順次経て、細胞固定デバイス１の外部に排出された。細胞懸濁液が枝流路４３Ａを流れるとき、細胞の一部は枝流路４３Ａに固定された。

図５Ａに、細胞４５が固定されていない枝流路４３Ａを示す。図５Ｂに、細胞４５が固定された枝流路４３Ａを示す。枝流路４３Ａの流路壁４６は、細胞４５により押し広げられる。細胞を固定した枝流路４３Ａの写真を図６に示す。図６において、三角形の指標が指す位置に藻の細胞が固定されている。図６に示すように、１個の細胞が、他の細胞から分離して固定されている。細胞の一部が枝流路４３Ａに固定された後、吸引を止めることが好ましい。

（２－３）インジェクションの実施
第２部材５を第１部材３から分離した。分岐部２１に固定されている細胞に対し、顕微鏡下で、マイクロマニュピレーターを用いてインジェクションを行った。インジェクションにより、以下のサンプルを細胞内に導入した。インジェクションは細胞操作に対応する。

サンプル：Alexa488-dextran 10kDa 0.6mM
（２－４）細胞の回収及び培養
第１部材３のうち、固定されている細胞を含む部分を、メスを用いて切り出した。切り出した部分には、分岐部２１の一部と、その周辺部とが含まれる。次に、切り出した部分を培地に投入した。そして、内部の温度が２５℃であるＣＯ_２インキュベーター内で細胞を培養した。細胞を培養しながら、細胞のトラッキングを行った。

３．細胞固定デバイス１が奏する効果
（１Ａ）細胞固定デバイス１を用いれば、１個の微小な細胞を、他の細胞から分離して固定できる。

（１Ｂ）細胞固定デバイス１は、複数の枝流路４３Ａを備える。細胞固定デバイス１は、複数の枝流路４３Ａにおいて、それぞれ、細胞を固定することができる。また、細胞固定デバイス１は、複数の枝流路４３Ａが合流した合流流路４３Ｂを備える。そのため、複数の枝流路４３Ａ間における細胞懸濁液の流量のばらつきを抑制することができる。

（１Ｃ）枝流路４３Ａ同士の間隔は５００μｍ以上である。そのため、第１部材３から、１のみの分岐部２１を含む部分を切り出し、培養することが容易である。
（１Ｄ）第１部材３の弾性率は、細胞の弾性率より小さい。そのため、図５Ｂに示すように、枝流路４３Ａの流路壁４６が、固定した細胞４５により押し広げられ易い。そのため、細胞４５をしっかりと固定することができる。

（１Ｅ）第１部材３の材質は、ポリジメチルシロキサンである。ポリジメチルシロキサンの弾性率は、一般的に、細胞の弾性率より小さい。そのため、図５Ｂに示すように、枝流路４３Ａの流路壁４６が、固定した細胞４５により押し広げられ易い。そのため、細胞４５をしっかりと固定することができる。

（１Ｆ）第１部材３において、表面７から、その裏面４７までの厚みは１．０ｍｍ以下である。そのため、裏面４７の側から、顕微鏡を用いて、固定された細胞を観察することが容易である。
＜第２実施形態＞
１．第１実施形態との相違点
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、枝流路４３Ａの幅は、どの位置でも一定であった。これに対し、第２実施形態では、枝流路４３Ａが図７に示す形態を有する点で、第１実施形態と相違する。

図７に示すように、枝流路４３Ａは、上流部４９と下流部５１とを備える。上流部４９は、第１流路４１の側に位置する。下流部５１は、上流部４９よりも合流流路４３Ｂの側に位置する。

上流部４９の幅はＷ１である。下流部５１の幅はＷ２である。Ｗ１及びＷ２は、Ｙ方向における幅である。Ｗ２はＷ１より小さい。Ｗ１の値は、例えば、２μｍ以上３μｍ以下である。Ｗ２の値は、例えば、３μｍ以上５μｍ以下である。

下流部５１と上流部４９との境界には、段差が生じている。枝流路４３Ａの幅は、下流部５１と上流部４９との境界において急激に変化している。
２．細胞固定デバイス１が奏する効果
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２Ａ）細胞固定デバイス１は、様々なサイズの細胞４５を固定することができる。例えば、図８Ａ、図８Ｂに示すように、細胞４５のサイズがＷ１以上である場合、細胞４５を上流部４９に固定することができる。図８Ａに示すように、複数の細胞４５を上流部４９に集積することができる。

また、例えば、図８Ｃに示すように、細胞４５のサイズがＷ１よりは小さくＷ２以上である場合、細胞４５を下流部５１に固定することができる。
＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（１）表面３９のうち、第１溝９、第２溝１１、１３に対向する部分に溝が形成されていてもよい。その場合、第１流路４１は、第１溝９と、表面３９側の溝とにより形成される。第２流路４３は、第２溝１１、１３と、表面３９側の溝とにより形成される。

（２）第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７のうちの少なくとも一部は、裏面４７から表面７まで貫通する孔であってもよい。すなわち、第１孔３３、第２孔３５、及び第３孔３７のうちの少なくとも一部は、第１部材３に形成されていてもよい。

（３）吸引部３１は、拡張部１７と同じ場所にあってもよい。その場合、第２孔３５及び第３孔３７に代えて、吸引部３１及び拡張部１７に連通する一つの孔を第２部材５に形成することができる。

（４）四次合流部２９は、全ての分岐部２１よりもＹ方向の反対方向側において、第１溝９に合流してもよい。
（５）第１部材３及び第２部材５の材質は、ポリジメチルシロキサン以外の材質であってもよい。

（６）枝流路４３Ａの数は、第１、第２実施形態における数とは異なっていてもよい。枝流路４３Ａの数は、１本の一次合流流路に対して、１本以上４本以下であることが好ましく、２本以上４本以下であることがさらに好ましい。一次合流流路とは、合流流路４３Ｂのうち、一次合流部２３と表面３９とにより形成される部分である。枝流路４３Ａの数が、１本の一次合流流路に対して１本以上である場合、細胞固定デバイス１の構造を維持し、細胞を枝流路４３Ａに固定することができる。枝流路４３Ａの数が、１本の一次合流流路に対して２本以上である場合、枝流路４３Ａ同士の間隔が大きくなる。その結果、枝流路４３Ａに固定された複数の細胞同士が適度に離れるため、細胞に物質導入を行うことが容易である。枝流路４３Ａの数が、１本の一次合流流路に対して４本以下である場合、枝流路４３Ａ同士の間隔が適度に離れた状態で、より多くの細胞に一度に物質導入を行うことができる。

一次合流流路の数は、第１、第２実施形態における数とは異なっていてもよい。一次合流流路の数は、２本以上４本以下であることが好ましい。一次合流流路の数が２本以上である場合、複数の細胞を一度に固定することができる。一次合流流路の数が４本以下である場合、強い吸引力を維持することができる。

（７）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（８）上述した細胞固定デバイスの他、当該細胞固定デバイスを構成要素とするシステム、細胞の固定方法、細胞の培養方法、細胞の観察方法、細胞への遺伝子の導入方法等、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…細胞固定デバイス、３…第１部材、５…第２部材、７…表面、９…第１溝、１１、１３…第２溝、１５、１７…拡張部、１９…本体部、２１…分岐部、２３…一次合流部、２５…二次合流部、２７…三次合流部、２９…四次合流部、３１…吸引部、３３…第１孔、３５…第２孔、３７…第３孔、３９…表面、４１…第１流路、４３…第２流路、４３Ａ…枝流路、４３Ｂ…合流流路、４５…細胞、４６…流路壁、４７…裏面、４９…上流部、５１…下流部

Claims (7)

1. 細胞を固定する細胞固定デバイスであって、
   表面に溝が形成された第１部材と、
   前記第１部材と当接し、前記溝を覆う第２部材と、
   前記溝と前記第２部材とにより形成される流路と、
   前記第１部材又は前記第２部材を貫通し、前記流路に連通する複数の孔と、
   を備え、
   前記流路は、
   前記複数の孔の一部である第１孔に連通する部分から、前記複数の孔の一部である第２孔に連通する部分まで延びる第１流路と、
   前記第１流路から分岐し、前記複数の孔のうちのいずれかの孔に連通する部分まで延びる第２流路と、
   を備え、
   前記第２流路は、前記第１流路よりも幅が狭く、前記細胞を固定可能な隘路部を備え、
   前記隘路部の幅が前記細胞の幅の８０～９９％であり、かつ、前記第１部材の弾性率が前記細胞の弾性率より小さい細胞固定デバイス。
2. 請求項１に記載の細胞固定デバイスであって、
   前記第２流路は、前記第１流路における複数の位置でそれぞれ分岐する複数の枝流路と、前記複数の枝流路が合流した合流流路とを備え、
   前記隘路部は、前記枝流路に備えられている細胞固定デバイス。
3. 請求項２に記載の細胞固定デバイスであって、
   前記隘路部は、
   上流部と、
   前記上流部よりも前記合流流路の側に位置し、前記上流部よりも幅が狭い下流部と、
   を備える細胞固定デバイス。
4. 請求項２又は３に記載の細胞固定デバイスであって、
   前記枝流路同士の間隔は５００μｍ以上であり、
   前記第１部材及び前記第２部材の材質は、ポリジメチルシロキサンである細胞固定デバイス。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の細胞固定デバイスであって、
   前記第１部材の材質は、ポリジメチルシロキサンであり、
   前記第１部材において、前記表面から、その裏面までの厚みは１．０ｍｍ以下である細胞固定デバイス。
6. 細胞固定デバイスを用いて細胞を固定する細胞固定方法であって、
   前記細胞固定デバイスは、
   表面に溝が形成された第１部材と、
   前記第１部材と当接し、前記溝を覆う第２部材と、
   前記溝と前記第２部材とにより形成される流路と、
   前記第１部材又は前記第２部材を貫通し、前記流路に連通する複数の孔と、
   を備え、
   前記流路は、
   前記複数の孔の一部である第１孔に連通する部分から、前記複数の孔の一部である第２孔に連通する部分まで延びる第１流路と、
   前記第１流路から分岐し、前記複数の孔のうちのいずれかの孔である第３孔に連通する部分まで延びる第２流路と、
   を備え、
   前記第２流路は、前記第１流路よりも幅が狭く、前記細胞を固定可能な隘路部を備え、
   前記隘路部の幅が前記細胞の幅の８０～９９％であり、かつ、前記第１部材の弾性率が前記細胞の弾性率より小さく、
   前記細胞を含む液を前記第１孔に供給し、
   前記第２孔及び前記第３孔から吸引を行うことで、前記細胞を含む液を、前記第１流路から前記第２流路に流入させ、
   前記吸引を止める細胞固定方法。
7. 請求項６に記載の細胞固定方法を行い、
   前記第２部材を前記第１部材から分離し、
   固定されている前記細胞に対しインジェクションを行う、
   細胞操作方法。

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