SOUND

平成31年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より

大規模単一細胞解析の普及へ向けた
音響型細胞整列マイクロ流路プラットフォームの構築
東京大学大学院理学系研究科

特任助教

地方独立行政法人神奈川県立産業技術総合研究所常勤研究員

磯崎瑛宏い。その原因はさまざまであるが、一側面を、1.はじめに図1を用いて説明する。生物は非常に多様であ食料問題やエネルギー問題は、QOLの根幹り、同じ種類の細胞でも様々な形態を示す。形を成す問題である。これらの問題を解決し得る態を顕微鏡で丁寧に観察することで、生物学的素材として、近年では藻類（ユーグレナやクラ知見を積み重ねることができる。たとえ潤沢なミドモナス）が着目されている。現在の主な予算が無くとも、このように丁寧に顕微鏡で観藻類の研究方法は、細胞をひとつひとつ顕微察して新種を発見したり、特異な現象を発見し鏡で観察することにより、形質の変化など確たりすることは（原理的には）可能であり、現認することである。一方で、近年では大規模単一細胞解析研究が盛り上がりを見せている。
細胞にも個性があるため、全体の平均ではな
く、ひとつひとつの細胞を丹念に見ていくことが必要であり、かつ数千から数十万個の細胞を見ることで、細胞の特性を理解しようという研究分野である。しかし、このような技術の利用には高度・高価なマイクロ流路が必要という参入障壁が存在した。そこで本研究は、音響波を利用した簡易・安価なマイクロ流路で参入障壁を取り除き、藻類の大規模単一細胞解析研究の裾野を広げて研究分野の発展に貢献することを目指している。

2.大規模単一細胞解析への参入障壁と目指すべきところ～筆者の主観～大規模単一細胞解析技術とは、単位時間あ

図1 単位時間あたりにたくさんの細胞を観察たりにたくさんの細胞を観察する技術であるする技術（大規模単一細胞解析技術）とが、一部の限られた人しか使うことができな参入障壁

14

SOUND

在でも多く行われている手法である（図1の左しいからである。しかしながら、筆者はこのよ上）。しかしながら、顕微鏡で観察するとどううな領域の研究が本質的に重要なのではないかしても時間がかかる。その問題を解決するためと考えている。すなわち、潤沢な予算を持たなに、超高性能自作顕微鏡が多数開発されているい研究室でも使用可能な、中規模単一細胞解析（図1の右上）。
これは非常に優れた技術であり、技術を提供することができれば、研究の裾野を顕微鏡技術と比較すると、1000倍以上の高速化大きく広げることに繋がり、延いては研究レベが見込まれ、生物学を大きく前進させる可能性ル全体を押し上げることに繋がるのではないかを秘めている。しかしながら、この技術を利用と考えている。このような背景のもと、筆者はするためには、高度な光学技術と、高性能なマ安価でかつ中規模な単一細胞解析が可能となイクロ流体デバイスが必要であり、大きな参入る技術の開発を試みることにした（図1の下）。

障壁となっている。

具体的には、顕微鏡とデジタルカメラ（または一方で、顕微鏡技術の10倍の高速化でも十分比較的安価なハイスピードカメラ）と安価なマに大きなメリットがあるはずである。しかしな

イクロ流路を用いて大規模（中規模？）単一細がらそのような研究はあまり行われていない。

胞解析を行うプラットフォームを構築する。

あくまで筆者の主観であるが、その原因は、それぞれの研究者が考える研究としての面白さ、および予算の採りやすさに起因していると考え3.1本200円のガラスキャピラリーを用いて細胞を整列ている。筆者は工学系の研究者なので、その視本研究のコア技術は、安価なマイクロ流路の点から述べる。世界最先端の計測技術が、顕微開発である。細胞を一列に並べ（細胞整列技術）、鏡技術の1000倍の速度である場合、研究としてカメラの視野内に連続的に細胞を供給すること目指すところは10000倍の速度など、今まで誰が、マイクロ流路の役割である。表１に示すよも達成していない領域である。そこに研究としうに、細胞整列技術は主に、流体中に流れる細ての面白さ（新規性）があるからである。
さらに、胞の慣性力を用いて細胞を並べる技術（Inertial「世界一を目指す」と書くと研究予算も採りやfocusing）、流路に上下左右から流体を流し込すい（これはとても大切）。たとえ、生物学者

み、中心流体を流路中心に押込むことで細胞をが顕微鏡技術の10倍の速度で使える技術が欲し

並 べ る 技 術（Hydrodynamic focusing）、 流 路

い、と言っても、工学系研究者はそこに興味を中に定在音響波を発生させ、流路中心に細胞を持ちにくい。研究予算の獲得と論文の執筆が難集めて流す技術（Acoustic focusing）の3つの15

SOUND
表1

細胞整列技術

図2aに筆者がこれまで使ってきたマイクロ流路（名古屋大学新井研究室提供）を示す

。

1），2）

断面図に示すように、シリコンがガラスでサンドイッチされた構造となっている。この流路に適切な周波数を持つ音響波を与えると、流路内に定在波が立ち、細胞が流路中心に集まる。ここでは幅200µmの流路を用いていたため、音響周波数は、3.6MHzを印加した。この流路を用いると、細胞整列がきれいに行える。一方で、このような流路を作製するためには、高度半導体製造装置が必要になる。市販の流路として購入する場合には、ひとつ約20万円程度するなど、非常に高価である。
図2bは筆者らがこれまでに試作したガラスキャピラリーを用いた流路である。ガラスキャピラリーは市販のものを利用しており、1本約
図2 音響型細胞整列デバイス (a)半導体プ200円と非常に安価である。ここに音響波を与ロセスを用いて試作したデバイス

えると、粒子がきれいに整列する様子が確認で

1）
，
2）

(b)ガラスキャピラリーを用いた試作デきた。さらなる条件検討が必要であるものの、バイス。ピエゾ素子にガラスキャピラリ大規模単一細胞解析に使用できる可能性を十分ーを貼り付けた簡単な構成で7µm粒子に示していると言える。の整列に成功。

4.実は…
音響波による細胞整列技術は、スウェーデン技術がある。それぞれ、適用可能な流速が異なのThomasグループが中心となり多くの研究発っている。本研究では、流速を遅くする必要が表を行っているほか、一部の大規模単一細胞解あるので、Acoustic focusingが最も適している析装置（Thermo Fisher社製）にも採用されて技術となる。

いる。さらに、歴史的には、ガラスキャピラリ

16

SOUNDーに音響波を与えることで細胞を整列させ、細胞の蛍光情報を検出する装置は提案、実証され謝辞ている。従って、本研究で提案している内容は、本研究の一部は、一般財団法人カワイサウン

大きな新規性があるとは言えない。一方で、近ド技術・音楽振興財団の研究助成によって遂行

年ではデジタルカメラの性能向上や、ハイスピされました。2節や4節で述べたように、工学ードカメラの低価格化などにより、流路内に流系としての新規性が大きくない中、研究の重要れる細胞の形態を観察することが容易になって性に共感していただき助成いただいたものと理きている。このような周辺技術の変化により、解しています。ここに深謝申し上げます。また、ガラスキャピラリーを用いたデバイスの再構築

本研究の一部は、地方独立行政法人神奈川県立にも意義があると考えて取り組んでいる。

産業技術総合研究所の研究事業の一環として行

5.今後の展開
本研究の目的が達成されると、大学やベンチわれました。

参考文献

ャー企業など潤沢な予算を持たない研究グルー1）Isozaki, A.; Mikami, H.; Hiramatsu, K.;

プが細胞整列技術を利用可能になり、大規模単Sakuma, S.; Kasai, Y.; Iino, T.; Yamano,

一細胞解析研究の裾野が広がる。特に、情熱をT.; Yasumoto, A.; Oguchi, Y.; Suzuki, N.;

持って藻類の研究に取り組む研究者が大規模単Shirasaki, Y.; Endo, T.; Ito, T.; Hiraki, K.;

一細胞解析技術を手にすることにより、多くのYamada, M.; Matsusaka, S.; Hayakawa,ブレークスルーが期待でき、食糧問題やエネルT.; Fukuzawa, H.; Yatomi, Y.; Arai, F.;

ギー問題の解決、延いては（少し遠い未来かもDi Carlo, D.; Nakagawa, A.; Hoshino, Y.;

しれないが）それら資源を奪い合って起きる戦

Hosokawa, Y.; Uemura, S.; Sugimura, T.;

争や内戦なども減少し、QOL向上へ向かうと

Ozeki, Y.; Nitta, N.; Goda, K.; Nat. Protoc .

期待される。また、本技術の応用先は藻類に限14, 2370-2415, 2019.

定されるものではなく、細胞全般や化粧品など

2）Nitta, N.; Sugimura, T.; Isozaki, A.;の粒子の解析技術としても有用であるため、幅Mikami, H.; Hiraki, K.; Sakuma, S.; Iino,

広い波及効果が期待できる。

T.; Arai, F.; Endo, T.; Fujiwaki, Y.; Fukuzawa, H.; Hase, M.; Hayakawa, T.; Hiramatsu, K.; Hoshino, Y.; Inaba, M.; Ito, T.;
17SOUND

Karakawa, H.; Kasai, Y.; Koizumi, K.; Lee,Toyokawa, C.; Yalikun, Y.; Yamada, M.;

S-W.; Lei, C.; Li, M.; Maeno, T.; Matsu-Yamagishi, M.; Yamano, T.; Yasumoto,saka, S.; Murakami, D.; Nakagawa, A.;

A.; Yatomi, Y.; Yazawa, M.; Di Carlo,Oguchi, Y.; Oikawa, M.; Ota, T.; Shiba, K.;

D.; Hosokawa, Y.; Uemura, S.; Ozeki, Y.;

Shintaku, H.; Shirasaki, Y.; Suga, K.; Suzu-Goda, K.; Cell 175, 1, 266-276, 2018.

ki, Y.; Suzuki, N.; Tanaka, Y.; Tezuka, H.;

18