(57)【要約】細胞によって放射された電位を非侵襲的に測定するためのシステム及び方法。これを実行するため、信号を受け取るためにプローブが、細胞から１０ミクロン以内に配置される。更に細胞の環境の基準電位が、決定される。センサは、この信号を記録し、基準電位をこの細胞の信号と比較して、この細胞の電位を測定する。
2006524055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
栄養浴中の細胞の電位を、前記細胞によって放射された信号に従って非侵襲的に測定するためのシステムであって、
前記細胞から所定の距離以内に配置されて、前記細胞からの前記信号を受け取るプローブと、
前記浴に浸漬されて、前記栄養浴の基準電位を決定する基準電極と、
前記プローブに電子的に接続されて、前記栄養浴中の前記細胞によって放射された前記信号を記録するセンサと、
前記基準電位を、前記細胞から放射された前記信号と比較して、前記細胞の前記電位を測定するセンサ手段と、
を備えるシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、前記所定の距離は、１／２ミクロン（０．５μｍ）と１０ミクロン（１０μｍ）の間の範囲にある、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムであって、前記プローブは、検出面を有し、前記細胞と前記検出面とは、実質的に同じ空間的広がりを有する、システム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムであって、前記プローブが、前記所定の距離以内にあるときに、細胞−プローブ静電容量は、確立され、前記細胞−プローブ静電容量は、約１／１００ピコファラド（０．０１ｐＦ）未満である、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムであって、前記細胞によって放射される前記信号は、約１０ヘルツを超える（＞１０Ｈｚ）周波数を有し、前記センサは、１を超えるＳＮ比（ＳＮＲ）（ＳＮＲ＞１）を有する前記信号を記録する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、前記細胞は、生物学的存在である、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムであって、前記生物学的存在は、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本及びアメーバからなる群から選択される、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムであって、前記センサは、複数の細胞から放射された信号を記録する、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムであって、前記プローブは、
電気絶縁材料によって被覆された電極と、
前記被覆電極を部分的に取り囲むガードと、
前記ガードを前記電極と実質的に同じ電位に維持して、前記電極と前記浴との間の容量結合を最小限に抑える手段と、
を備える、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、前記プローブは、導電層と、前記導電層の電位を前記基準電位に対する所定の電位に制御して前記栄養浴内の電界の歪みを最小限に抑える手段と、を更に備える、システム。
【請求項１１】
細胞の電位を、前記細胞によって放射された信号に従って非侵襲的に測定するためのシステムであって、
前記細胞からの信号の放射のために前記細胞を維持する手段と、
検出面による前記細胞からの前記信号の受取りのために前記検出面から所定の距離以内に細胞を配置する手段と、
前記配置手段に電気的に接続されて、前記維持手段中の前記細胞によって放射された前記信号を記録する手段と、
前記細胞から放射された前記信号を使用して前記細胞の電位を測定するセンサ手段と、
を備えるシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムであって、
前記維持手段の基準電位を決定する手段と、
前記基準電位を前記信号と比較して前記細胞の電位を測定する手段と、
を更に備えるシステム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のシステムであって、前記維持手段は、栄養浴である、システム。
【請求項１４】
請求項１１に記載のシステムであって、前記配置手段は、プローブである、システム。
【請求項１５】
請求項１１に記載のシステムであって、前記記録手段は、センサである、システム。
【請求項１６】
請求項１１に記載のシステムであって、前記所定の距離は、１／２ミクロン（０．５μｍ）と１０ミクロン（１０μｍ）の間の範囲にある、システム。
【請求項１７】
請求項１１に記載のシステムであって、前記細胞と前記伝導面とは、実質的に同じ空間的広がりを有する、システム。
【請求項１８】
請求項１１に記載のシステムであって、前記細胞によって放射される前記信号は、約１０ヘルツを超える（＞１０Ｈｚ）周波数を有し、前記記録手段は、１を超えるＳＮ比（ＳＮＲ）（ＳＮＲ＞１）を有する前記信号を記録する、システム。
【請求項１９】
請求項１１に記載のシステムであって、前記細胞は、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本及びアメーバからなる群から選択された生物学的存在である、システム。
【請求項２０】
細胞の電位を、前記細胞によって放射された信号に従って非侵襲的に測定するための方法であって、
前記細胞からの信号の放射のために前記細胞を栄養浴中に維持するステップと、
伝導面による前記細胞からの前記信号の受取りのために前記伝導面から所定の距離以内に細胞を配置するステップと、
前記栄養浴の基準電位を決定するステップと、
前記栄養浴中の前記細胞によって放射された前記信号を記録するステップと、
前記栄養浴の前記基準電位を前記セルから放射された前記信号と比較して前記セルの前記電位を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法であって、前記所定の距離は、１／２ミクロン（０．５μｍ）と１０ミクロン（１０μｍ）の間の範囲にあり、前記細胞によって放射される前記信号は、約１０ヘルツを超える（＞１０Ｈｚ）周波数を有し、前記細胞によって放射される前記信号は、前記記録ステップにおいて、１を超える大きなＳＮ比（ＳＮＲ）（ＳＮＲ＞１）で記録される、方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法であって、前記細胞は、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本及びアメーバからなる群から選択された生物学的存在である、方法。
【請求項２３】
請求項２０に記載の方法であって、
生物学的因子、化学的因子及び薬理学的因子からなる因子の群から選択された因子に前記細胞を暴露するステップと、
前記栄養浴中の前記暴露された細胞によって放射された前記信号を記録するステップと、
前記栄養浴の前記基準電位を、前記暴露された細胞から放射された前記信号と比較して、前記暴露された細胞の前記電位を測定するステップと、
を更に含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
一般に、本発明は、電界を測定するためのシステム及び方法に関する。詳細には、本発明は、栄養培地が、その周囲を取り囲む、生きた細胞によって生み出される極めて小さな電界を測定するためのシステム及び方法に関する。特に、本発明は、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本及びアメーバを含む群からの生物学的存在などの細胞の自由空間電界電位を非侵襲的に測定することができるシステム及び方法に役立つが、これらに限定されるわけではない。
【背景技術】
【０００２】
ニューロンを含む生細胞は、非常に小さいけれども測定され得る電位を示す。例えば、一般的な細胞の中に含まれる総電荷は、その細胞が、その中に維持された栄養浴（ｎｕｔｒｉｅｎｔ  ｂａｔｈ）に対して−５０ｍＶの電圧について測定されたときに、約５×１０−１３Ｃである。明らかにこのような測定値を得ることは難しい。細胞の電位の測定値は、細胞の健康状態及び化学的組成を評価するのに非常に役立ち得る情報を含むので、それにも関わらずこの努力は、するに値する可能性がある。このような情報は、細胞の連続する測定値が、長期間にわたって測定され得るときに、特に役立つ可能性がある。更に細胞の電位は、生物学的、化学的又は薬理学的物質への細胞の暴露に応答して変化する可能性がある。従って、この変化の測定値は、これらの物質の１つの存在を検出する際に役立ち得る。
【０００３】
細胞の電位を測定するための既存の方法は、細胞内部へのプローブの挿入又はプローブと細胞の膜との間の直接接触を必要とする手法を含む。然しＦｒｏｍｈｅｒｚ他は、特注の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を使用する、細胞の電位を測定するための別の方法を提案した。この方法は、細胞とトランジスタの間の数ピコファラド程度の容量結合に依存する。その結果として、細胞とトランジスタの間の距離は、およそ１ミクロンの１００分の５（０．０５μｍ）でなければならない。当業者によって理解されるとおり、これは、非常に小さな距離であり、事実上、実際に接触しているに等しい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のことから考えると、本発明の目的は、細胞によって生み出される電位を測定するための非侵襲性のシステム及び方法であって、能動電子部品が、細胞の直近にある必要がない、システム及び方法を提供することにある。本発明の他の目的は、細胞の電位を非侵襲的に測定するためのシステム及び方法であって、細胞によって生み出される電位に結合し、第１段電子部品に信号を送るプローブの領域が、細胞から１０ミクロン（１０μｍ）も離れているときに有効なシステム及び方法を提供することにある。本発明の更なる他の目的は、細胞が、その必要な栄養／電解質環境の中で長期間、実質的に乱されることなく維持されることができるように細胞を取り囲んでいる栄養浴中の細胞によって生み出される電位を測定するためのシステム及び方法を提供することにある。本発明の更なる他の目的は、細胞の電位を測定して、この細胞が、１種又は数種の生物学的、化学的又は薬理学的物質に暴露されたかどうかを判定するためのシステム及び方法を提供することにある。本発明の更なる他の目的は、細胞の電位を測定するためのシステム及び方法であって、使用しやすく、比較的に単純に製造でき、比較的に費用効果のよいシステム及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の概要）
細胞の電位を非侵襲的に測定するためのシステムは、基準電極と、プローブと、センサと、例えばコンピュータ、演算増幅器などの比較手段と、を組合せで含む。概観すると、細胞は、プローブによって受け取られ、続いてセンサによって記録される電磁信号を放射する。次いで、コンピュータ（演算増幅器）が、この信号を、基準電極によって決定された基準電位と比較して、細胞の電位を測定する。本発明では、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本、アメーバなどの生物学的存在を含む全ての種類の細胞が、企図される。
【０００６】
使用時、プローブが、評価される細胞がその中に位置する栄養浴に浸漬され、又はこの栄養浴中に構築される。具体的には、プローブは、その検出面が、細胞から所定の距離以内（例えば細胞から１０ミクロン（１０μｍ）以内）にあるように配置される。この配置は、プローブの伝導面が、細胞から放射された信号を受け取ることを可能にする。好ましくは、信号の受取りを最適化するため、プローブの伝導面と細胞とが、実質的に同じ空間的広がりを有する（即ちこれらは、ほぼ同じサイズである）。受け取られた後、この信号は、記録するため伝導面からセンサへ電子的に送られる。
【０００７】
このプローブと一緒に、基準電極が、栄養浴中に浸漬され、又は栄養浴中に構築される。プローブが、細胞から信号を受け取ると、基準電極は、使用されて、浴の基準電位を決定する。細胞の電位が、この基準電位に対して測定される。本発明に対して想像されるとおり、細胞によって放射された信号が、約１０ヘルツを超える（＞１０Ｈｚ）周波数を有するとき、センサは、１を超えるＳＮ比（ＳＮＲ）（ＳＮＲ＞１）を有する信号を記録することができる。本発明のシステムに関しては更に、センサが、複数の細胞から同時に放射された信号を記録してもよいことが、想像される。この場合、センサは、結果として生じる複数の信号を使用して、統合された応答を測定する。
【０００８】
なお、本発明の新規の特徴並びに本発明自体は、その構造と動作の両方に関して、添付の説明とともに参照される添付図面から最もよく理解されるだろう。これらの図面中、同様の参照符号は、同様の部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
最初に図１を参照すると、本発明に基づくシステムが、示されており、このシステムは全体が、符号１０で指示される。詳細には、図１は、システム１０が、希望される場合にはコンピュータ１６に電子的に接続されてもよいセンサ１４を有するシステム電子ユニット１２を含む、ことを示している。更にシステム１０は、やはり希望される場合には、線２０によってコンピュータ１６に電子的に接続されてもよい基準電極１８を含む、として示されている。或いは、基準電極１８は、線２０ａによってセンサ１４に電子的に接続されてもよい。更にシステム１０は、線２４によってセンサ１４に電子的に接続されたプローブ２２を含む。
【００１０】
なおも図１を参照すると、システム１０を使用するための意図された操作環境が、栄養浴２８を保持するためのトレイ２６ないしシールされた囲いを含む、ことが理解される。本発明向けに意図されるとき、栄養浴２８は、評価される特定の生物学的存在を維持するのに適切な栄養条件及び電解質条件を提供するよう、適当に選択される。一般に、これらの生物学的存在は、動物細胞、植物細胞、ニューロン、細菌標本及びアメーバを含む全ての細胞の群から選択される細胞３０である（細胞３０ａ、３０ｂ及び３０ｃは、例に過ぎない）。更に細胞３０は、例えばプロテイン・ポア（ｐｒｏｔｅｉｎ  ｐｏｒｅ）の挿入によって修正されることができ、又は、遺伝子的に修正された細胞３０が、使用されることができる。
【００１１】
次に図２を参照すると、プローブ２２が、栄養浴及び細胞と直接に抵抗性接触することからプローブ２２を保護するために誘電絶縁体３４によって被覆された電極３２を含むことが、理解される。プローブ２２の伝導面３６は、細胞３０ａによってその体積にわたって生み出される電位を感知する。当業者によってよく知られているように、これらの信号は、細胞３０ａ内の電位を指示する。なおも図２を参照すると、例示的な細胞３０ａの全体構造が、示されている。具体的には、細胞３０ａは、約１０ナノメートル（ｎｍ）の厚さ４０を有する外膜を有するとして示されている。更に細胞３０ａは、細胞３０の中心４４から膜３８まで延びる約１０ミクロン（１０μｍ）の平均半径４２を有する。
【００１２】
次に図３を参照すると、本発明で使用するためのプローブ（プローブ１２２と指示されている）の他の実施形態が、示されている。示されているように、プローブ１２２は、誘電絶縁体１３４によって被覆された電極１３２を含む。本発明のこの実施形態では、誘電絶縁体１３４が、電極１３２と栄養浴１２８との間の電気接触を防ぐために提供されている。線１２４が、電極１３２をセンサ１４（図１に示されたセンサ１４）に接続する。やはり図３に示されているように、プローブ１２２は、被覆電極１３２を部分的に取り囲み、線５２によってセンサ１４（図１に示されている）に接続されたガード（ｇｕａｒｄ）５０を含む。この構造の協力によって、ガード５０の開口は、細胞１３０が、被覆電極１３２に接近することを可能にする。一般に、この開口は、示されているように、細胞１３０とほぼ同じ空間的広がりを有する。本発明によれば、ガード５０は、電極１３２と栄養浴１２８との間の容量結合を防ぐために、電極１３２と実質的に同じ電位に維持され得る。
【００１３】
図３を続けると、プローブ１２２が、導電層５４（これも栄養浴１２８から絶縁されている）を更に含むことが、理解される。導電層５４とガード５０の間には、導電層５４をガード５０から分離するために、絶縁層５６が、配置されている。更に示されているように、導電層５４をセンサ１４（図１に示されている）に接続するために線５８が、提供されている。本発明によれば、導電層５４の電位は、栄養浴１２８内の電界の歪みを最小限に抑え、複数のプローブ１２２が使用されるときに隣接するプローブ１２２間の結合を最小限に抑え、又は測定された信号を最大にするように、制御され得る。
【００１４】
プローブ１２２の他の実施形態（図示せず）では、センサ１４（図１に示されている）の一部又は全部が、電極３２、１３２と一緒に移動させるために、これらの電極に取り付けられることができる。この実施形態では、センサ１４の取り付けられた部分に電力を供給するためのバッテリが、電極３２、１３２に結合されることができ、センサ１４の取り付けられた部分又はバッテリは、センサ１４から離れて配置され、ケーブルを使用してセンサ１４に接続されることができる。
【００１５】
好ましくは、電極３２、１３２、線２４、１２４及びセンサ１４への信号入力のその他の領域が、関心の周波数において少なくとも１ＧΩ、より好ましくは１００ＧΩのインピーダンスによって外界から分離される。好ましくは更に、センサ１４が、電極１３２の純粋に容量性の入力に接続されたときのその第１段増幅器の入力バイアス電流に起因したその入力のドリフトに関して安定である。好ましくは更に、センサ１４の第１段増幅器の電流及び電圧雑音が、十分に小さく、そのため、電極３２、１３２の純粋に容量性のインピーダンスに接続されたときに、細胞信号が、必要な帯域幅にわたって十分な忠実度で測定され得る。
【００１６】
センサ１４で使用するのに適した回路が、「Ｌｏｗ  Ｎｏｉｓｅ，Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｆｉｅｌｄ  Ｓｅｎｓｏｒ」という名称の発明に対する、２００１年２月１３日に出願され、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｉｎｃ．社に譲渡された、同時係属の米国特許出願第０９／７８３８５８号に開示されている。米国出願第０９／７８３８５８号の内容は、その全体が、参照によって本明細書に組み込まれる。或いは、増幅器入力に提示される信号を容認できない低いレベルまでは低減させないセンサ接地までの電流経路を提供する関心の信号において十分に高いインピーダンス値を有する回路が、センサ１４で使用され得る。
【００１７】
操作時、基準電極１８とプローブ２２の両方が、栄養浴２８に浸漬され、又は他の方法で栄養浴２８中に配置される。細胞３０（例えば細胞３０ａ）が、プローブ２２の距離４６の範囲内に入ると、プローブ２２が、細胞３０ａからの信号を拾い上げる。本発明のシステム１０の目的上、効果的には距離４６が、ゼロから約１０ミクロンまでの範囲のどこかにある。好ましくは距離４６が、約１ミクロン又は１／２ミクロンである。距離４６の大きさとは無関係に、プローブ２２の伝導面３６によって受け取られる電位は、センサ１４の入力に加えられる。受け取られる信号を最適化するためには伝導面３６と細胞３０ａが、ほぼ同じサイズでなければならないことが、特筆される。いずれにしても、細胞３０ａからの信号が、センサ１４に送られているときに、同時に栄養浴２８の基準電位が、基準電極１８からコンピュータ１６へ送られる。次いで、電子ユニット１２が、細胞３０ａから受け取られた信号を栄養浴２８の基準電位と比較する。その結果が、浴に対する細胞３０ａの電位を指示するリードアウト４８である。同時に幾つかの細胞３０が、測定され得ることは、当業者によって理解されるであろう。この後者のケースの結果は、統合された応答である。何れの方法でも、このリードアウトが使用されて、１つ又は複数の細胞３０の状態及び活動性を当業者によく知られた方法で評価することができる。
【００１８】
本発明の方法によれば、生物学的、化学的又は薬理学的物質への細胞の暴露に応答して生じる細胞の電位の変化は、測定され得る。具体的には、最初に、暴露されていない細胞３０の電位が、先に述べたように測定されることができる。次に細胞３０は、生物学的、化学的、薬理学的物質などの因子（ａｇｅｎｔ）に暴露されることができる。一実施態様では、この因子が、単純に栄養浴２８に添加される。この添加の後、この暴露が細胞３０を変化させたかどうか、この暴露がいつ細胞３０を変化させたのか、及び対応する細胞の電位の変化を決定するために、暴露された細胞３０の電位は、連続的に監視されることができる。因子に対する細胞の応答が、測定された後、この情報は、例えば（同じ細胞タイプの）別の細胞の暴露歴を決定するために使用されることができる。
【００１９】
例えば、細胞３０からの信号の強さ、及び、ユニット１２によって受け取られる全体のＳＮ比（ＳＮＲ）は、推定され得る。細胞３０ａ上の電荷の２０％が、プローブ２２の伝導面３６の反対側にあると仮定すると、３×１０−１６Ｃ程度の総電荷は、細胞３０ａから電子ユニット１２に結合されることが、示され得る。これは、センサ１４への約１００マイクロボルト（１００μＶ）の入力電圧を与える。或いは、センサ１４に結合される細胞３０ａからの電圧の部分は、式Ｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅ／（Ｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−ｃｅｌｌ＋Ｃｃｅｎｓｏｒ）によって、おおよそ与えられる。この式は、１６０マイクロボルト（１６０μＶ）の入力信号を予測する。従って、単一の小細胞３０ａに対してさえ、１０Ｈｚを超える周波数で１００を超えるＳＮＲが、予測される。より大きな細胞に対しては当然ながら、この信号は、増大される。
【００２０】
本明細書に詳細に示され開示された特定の「細胞又はニューロンの電位を非侵襲的に検出するための回路及び方法」は、本明細書において先に述べた目的を達成し、本明細書において先に述べた利点を提供することが十分にできるが、これは、現時点における本発明の好ましい実施形態の例に過ぎず、添付の請求項に記載された内容以外に、本明細書に示された構造又は設計の詳細を限定するものはないことが、理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】その意図される環境の中で使用されている本発明のシステムの概略透視画である。
【図２】本発明のプローブ及びこのプローブによってその電位が測定されている細胞の、図１の線２−２に沿って見られたときの断面図である。
【図３】本発明のプローブの他の実施形態の断面図である。
【図１】
2006524055.tif 000003
【図２】
2006524055.tif 000004
【図３】
2006524055.tif 000005
【国際調査報告】
2006524055.tif 000006