(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロ流体チップ内において非接触駆動するマイクロロボットにより細胞操作を行う装置を提供する。【解決手段】非接触に駆動するブレード３０形状を持つマイクロロボットをマイクロ流体チップ内部で用い、ブレードにより細胞に振動を加えて回転させて姿勢制御を行い、かつ、マイクロ流体チップにより細胞を局所的に吸引し、かつ、ブレードとマイクロ流路の流れを組み合わせて細胞膜を破壊しないよう細胞の切断を行うことで細胞操作装置。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流路を有するマイクロ流体チップと、
前記マイクロ流体チップ内に配置され、ブレードを有し、非接触で前記マイクロ流体チップ内を移動可能なマイクロロボットと、
前記マイクロ流路の流体の流れ及びマイクロロボットの動きを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記マイクロ流体の流れ及び前記マイクロロボットのブレードの動きにより前記マイクロ流量チップ内に導入された細胞の動きを制御することを特徴とする細胞操作装置。
【請求項２】
請求項１に記載の細胞操作装置において、
前記制御手段は、
前記マイクロ流路の流体の流れと、前記マイクロロボットのブレードの動きにより、前記細胞を回転させて前記細胞の姿勢を制御することを特徴とする細胞操作装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の細胞操作装置において、
前記制御手段は、
永久磁石又は電磁石により前記マイクロロボットを駆動させることを特徴とする細胞操作装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の細胞操作装置において、
前記制御手段は、
前記細胞を前記マイクロ流路に吸引することにより前記マイクロ流路の入口近傍に固定し、前記マイクロ流路の壁面に前記ブレード先端で押しつけるようにして切断することを特徴とする細胞操作装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体チップ内において非接触駆動するマイクロロボットにより細胞操作を行う装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、主に医療分野、医薬分野、品種改良といったバイオ系産業分野において、卵子、細胞、菌などの微粒子に対して、分離、分類、加工、選択、処理等の一連の操作が行われている。従来、このような微粒子に対する操作を行う装置として、永久磁石や電磁石により駆動される磁性体を加工した磁気駆動マイクロツールを使用して、微小流路を流れる微粒子に対して各操作を行うものがある（例えば、特許文献１、２、３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１４８６７７号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６５７１号公報
【特許文献３】特開２００９−１４２２５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１および２は磁気により非接触に駆動するマイクロロボットをマイクロ流体チップ内部で駆動することについて記載されている。特許文献３ではマイクロ流体チップ内部で細胞を流体により吸引して切断することについて記載されている。特許文献１に記載のような装置は、マイクロ流体チップの壁面と駆動するロボットを使用しているが、ロボットの自由度が一方向で動くのみであり、細胞の回転や切断は困難である。特許文献２に記載の装置は細胞の姿勢制御の操作が可能であるが、細胞の切断については、細胞を固定していないため、細胞の特定箇所を切除することは困難である。特許文献３は流体により細胞を吸引するために切断が可能であるが、回転による細胞の姿勢制御は困難であるという課題があった。
【０００５】
図１は従来の非接触駆動マイクロロボットによる細胞切断の手法を示す。非接触駆動するマイクロロボットのブレード１および２がウシ卵子細胞３を切断するものである。ウシ卵子細胞は細胞骨格を一時的に柔軟化するサイトカラシンという薬品により柔軟化している。図１のようにブレードを対向させて細胞を切断すると、細胞が伸び完全に切断することは困難である。
【０００６】
これに対し、マイクロ流路に細胞を吸引して変形させ切断することで、細胞を完全に切断するものがある（たとえば、特許文献３参照）。図２はマイクロ流体チップにて細胞を吸引し細胞を切断する手法を示す。
【０００７】
しかし、特許文献３に記載の手法では、細胞を２分割するため、細胞質の量が減るため、核が無い切断された細胞２個を電圧印加により融合することで細胞融合を行い、失った細胞質を補うことを行う。この手法に細胞の姿勢を制御し、細胞の核周辺のみを吸引して切断することが課題となる。
【０００８】
本発明は、このような課題に着目してなされたもので、細胞の姿勢制御を可能とし、核周辺の細胞を切断できる細胞操作装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた発明は、マイクロ流路を有するマイクロ流体チップと、マイクロ流体チップ内に配置され、ブレードを有し、非接触でマイクロ流体チップ内を移動可能なマイクロロボットと、マイクロ流路の流体の流れ及びマイクロロボットの動きを制御する制御手段と、を備え、制御手段は、マイクロ流体の流れ及びマイクロロボットのブレードの動きによりマイクロ流量チップ内に導入された細胞の動きを制御することを特徴とする細胞操作装置である。
【００１０】
このような細胞操作装置によれば、マイクロ流体チップ内に導入された細胞を操作することができる。
つまり、マイクロ流体チップ内部に導入された細胞は、マイクロ流路の流れによって生じるマイクロ流体チップ内の流体の流れによって移動する。
【００１１】
また、マイクロロボットが動くことにより、マイクロロボットのブレードが動く。してがって、ブレードの先端に細胞が接触させた状態で、マイクロロボットを制御すれば、細胞を動かすことができる。
【００１２】
したがって、マイクロ流路の流れを制御するとともに、マイクロロボットの動きを制御すれば、マイクロ流体チップ内の流れによる細胞の動きと、ブレードの動きとによって細胞を傷つけることなく操作することができる。
【００１３】
また、請求項２のように、制御手段により、マイクロ流路の流体の流れと、マイクロロボットのブレードの動きにより、細胞を回転させて細胞の姿勢を制御するようにすると、例えば、細胞を切断する場合に、切断したい部位で細胞を切断することができるようになる。
【００１４】
ところで、マイクロロボットの動きを制御する（駆動する）ためには、種々の方法があるが、請求項３に記載のように、制御手段は、永久磁石又は電磁石によりマイクロロボットを駆動させるようにするとよい。
【００１５】
このようにすると、非接触でマイクロロボットを制御することができるため、コードなどの制約を受けずに、マイクロロボットをマイクロ流体チップ内で自由に動かすことができる。
【００１６】
また、請求項４に記載のように、制御手段は、細胞をマイクロ流路に吸引することによりマイクロ流路の入口近傍に固定し、マイクロ流路の壁面にブレード先端を押しつけるようにして切断するようにするとよい。
【００１７】
このようにすると、マイクロ流路に引きこまれた細胞が細胞吸引する流路の口でくびれを生ずる。細胞にくびれが生じた後に更にブレードを細胞方向に押し当て、流路壁面とブレードで細胞を挟み込むと細胞が更にくびれ、最終的に吸引力により細胞が切断される。  
【００１８】
このように細胞をくびれさせながら切断することで、細胞膜が切断の瞬間瞬時に復元し、細胞質を損なうこと無く、また、細胞膜が破損すること無く細胞を切断することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の非接触駆動マイクロロボットによる細胞切断を表した図である。
【図２】従来のマイクロ流体チップによる細胞切断を表した図である。
【図３】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットとマイクロ流体チップによる吸引を用いた細胞切断する際の構成を表した図である。
【図４】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットとマイクロ流体チップによる吸引を用いた細胞吸引量制御を表した図である。
【図５】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットの高速振動による細胞回転を表した図である。
【図６】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットの駆動機構とマイクロ流体チップでの流体制御の構成を表した図である。
【図７】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットとマイクロ流体チップによる吸引を用いた細胞切断を行った結果である。
【図８】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットとマイクロ流体チップによる吸引を用いた細胞吸引量の評価を行った結果である。
【図９】本発明の装置のうち、非接触駆動するブレード形状を持ったマイクロロボットの高速振動による細胞回転を評価した結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
【００２１】
図３は、実施の形態に係わる非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットとマイクロ流体チップによる細胞の吸引固定と切断の構成と原理を示す。図３（ａ）は、マイクロ流体チップ２０の全体を示し、図３（ｂ）及び（ｃ）は、図３（ａ）の一部を拡大して示す。図３では非接触に駆動するマイクロロボット２３の駆動機構として、磁気を用いている。
【００２２】
サンプルチャンバー２１に導入された細胞２２がマイクロ流路２５に吸引され、細胞２２が伸長されくびれ２７が生じる。このくびれ２７にブレード２４を押し当て、流路壁２６とブレード２４が接触し、マイクロ流路２５が細胞をさらに吸引することで、細胞２２が切断される。ブレード２４と流路壁２６が接触することでくびれ２７に流路２５の流体の応力が集中し、細胞膜が密着した状態で切断され、切断後も膜の損傷が無く復元する。
【００２３】
このように非接触で駆動するブレード形状を有するマイクロロボット２３とマイクロ流路２５を用いて、流路２５の一部をブレード２４で遮ることで流量を局所的に抑え細胞の核周辺のみの細胞を吸引し、細胞２２が流路２５に吸引され細胞２２を引き伸ばし細胞２２を切断することで除核が完了する。非接触で駆動するブレード形状を有するマイクロロボット２３を用いることで人手での操作がなくなり、操作者のスキルによる除核のばらつきが抑えられる。細胞２２を局所的に吸引して切断するため細胞２２は固定されるので，核周辺の細胞のみ切断でき、また、ブレードのブレが無くなるため、細胞膜へのダメージを抑え、発生率の高い卵子の供給が可能となる。
【００２４】
次に、非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットとマイクロ流体チップによる細胞の吸引量制御機構について図４を用いて説明する。図４(ａ)及び（ｂ）はその吸引量制御の構成と原理を示す。図４では非接触に駆動するマイクロロボットのブレード３０と流路壁３４の距離の変化により、細胞吸引用流路３３の断面積が変化し、流れる流体の流量が変化する。それにより、吸引されるウシ卵子細胞３１の吸引部分３２の体積をブレード３０の位置により制御することが可能である。
【００２５】
次に、本発明に係わる非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットによる細胞の回転制御機構の構成と原理を図５に示す。図５（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、マイクロロボットによる細胞回転制御の状態を拡大して示す。図５では非接触に駆動するマイクロロボットのブレード４２を振動させることにより、ブレード４２先端に流体が発生する。ブレード４２の振動方向を円軌道にすることで、細胞４０の周囲に流体が発生する。これにより、細胞の回転が１本のブレードで可能となる。
【００２６】
次に実施例１-３について図６を用いて説明する。図６に示すように、マイクロ流体チップ４５がステージにセットされ、その中にマイクロロボット４４が設置される。マイクロ流体チップにはポンプ４８が接続され、流体を制御する。マイクロロボットの制御のために、XYステージ４６に永久磁石４７が４個設置されており、これによりXYステージステージ４６を駆動することで、マイクロロボットの位置が制御される。マイクロ流体チップ内部は対物レンズ付きCCDカメラ４９で観察される。これらXYステージ４６、ポンプ４８の制御とカメラ４９による映像はシステム制御用コンピュータ４３によりコントロールされる。
【００２７】
次に実施例１について図７を用いて説明する。
図７（ａ）-（ｆ）に示すように、非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットとマイクロ流体チップにより細胞を切断する実験を行った。システムの構成としては図６に示す物を使用している。マイクロロボットの駆動方法は直径1.0×1.0 mmのネオジム円柱磁石を用いXYステージ上に設置した。またマイクロロボットは直径1.0×0.05 mmのニッケル円板を用い駆動磁石を駆動することによりマイクロロボットの位置制御を行った。ウシ卵子細胞５０をマイクロ流体チップに導入し、細胞吸引用流路５２にて吸引する。吸引された細胞５０は吸引口の部分でくびれ５４が生じ、くびれ５４部分をブレード５１で流路壁５３に押し付けることで、細胞５０が切断される。切断された細胞５５は１分後に球形に復元するため、細胞膜の破損が無いことが確認されている（図７（ｆ）参照）。
【００２８】
次に実施例２について図８を用いて説明する。
図８上側に示す図において、非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットとマイクロ流体チップにより細胞の吸引量を制御する実験を行った。システムの構成としては図６に示す物を使用している。マイクロ流体チップにウシ卵子を導入し、ブレード６０を流路壁６３からの距離２０ミクロンから２００ミクロンまで変化させ、ウシ卵子６１が吸引された体積６４の時間変化を計測した。細胞吸引量流路は幅200ミクロン、高さ５０ミクロンである。図８下側に示すグラフはその際の時間、吸引された卵子６４と吸引される前の卵子の体積の比である。細胞吸引用流路６２は、ブレード６０により断面積が変化するため、ブレード６０と流路壁６３の距離が近いほど、吸引される細胞６４は遅く、２０ミクロンの時は２００ミクロンに比べ３分の１以下の速度で吸引されている。これにより、細胞の切断を組み合わせることで細胞の吸引量を５％程度で制御することができる。
【００２９】
次に実施例３をについて図９を用いて説明する。
図９（ａ）-（ｃ）に示すように、非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットを利用して、細胞の回転実験を行った。マイクロロボットの駆動方法は直径1.0×1.0 mmのネオジム円柱磁石を用いXYステージ上に設置した。またマイクロロボットは直径1.0×0.05 mmのニッケル円板を用い駆動磁石を駆動することによりマイクロロボットの位置制御を行った。ウシ卵子細胞７１をマイクロ流体チップに導入し、ブレード７０を振幅１００ミクロン、６０Hzで振動させた。それにより、ウシ卵子細胞の核７２が回転する事が確認でき、細胞７１の回転を行うことができた。細胞の回転速度は１０度／秒であり、細胞の回転と吸引量制御、吸引による細胞固定切断手法と合わせることで、細胞の核とその周辺２０％の細胞質の除去による除核ができる。
【００３０】
なお本発明は上記した実施の形態に限定されるわけではなく、その他種々の変更が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
２  もう一方の非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
３  ウシ卵子細胞
１０  細胞搬送切断用流路
１１  細胞吸引用流路
１２  ウシ卵子細胞
２０  マイクロ流体チップ
２１  細胞チャンバー
２２  ウシ卵子細胞
２３  非接触駆動マイクロロボット
２４  非接触駆動マイクロロボットのブレード
２５  細胞吸引用流路
２６  流路壁
２７  吸引により生じたウシ卵子細胞のくびれ
３０  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
３１  ウシ卵子細胞
３２  吸引されたウシ卵子細胞
３３  細胞吸引用流路
３４  流路壁
４０  細胞
４１  細胞の核
４２  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
４３  システム制御用コンピュータとXYステージ操作用ジョイスティック
４４  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボット
４５  マイクロ流体チップ
４６  XYステージ
４７  マイクロロボット駆動用永久磁石
４８  マイクロ流体チップの流体制御用ポンプ
４９  対物レンズ付きCCDカメラ
５０  切断前ウシ卵子細胞
５１  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
５２  細胞吸引用マイクロ流路
５３  流路壁
５４  ウシ卵子細胞のくびれ
５５  切断後ウシ卵子細胞
６０  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
６１  ウシ卵子細胞
６２  吸引用マイクロ流路
６３  流路壁
６４  吸引されたウシ卵子細胞
７０  非接触駆動するブレード形状を持つマイクロロボットのブレード
７１  ウシ卵子細胞
７２  ウシ卵子細胞の核
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013243968.tif 000009
【図８】
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【図９】
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