❶

組織工学ライブラリ
マイクロロボティクスとバイオの融合

BIO Assembler

ナ
社

細胞の特性計測・操作と応用
史人【編著】

コロ

博士（工学） 新井

コロナ社

組織工学ライブラリ―マイクロロボティクスとバイオの融合―

編集委員会

新井

史人（名古屋大学，1 巻担当）

新井健生（大阪大学，2 巻担当）

大和雅之（東京女子医科大学，3 巻担当）

ナ社

（2016 年 7 月現在）

編著者・執筆者一覧
編著者

史人（名古屋大学）ロ

新井

執筆者（執筆順）

新井

史人（名古屋大学，

川原コ

1 . 1, 1 . 6, 2 . 1, 2 . 2, 2 . 3, 3 . 1 節） 安川知洋（九州工業大学，2 . 2 節）智之（兵庫県立大学，2 . 4，3 . 5 節）

佐久間臣耶（名古屋大学，1 . 1 節）

小塚 晃透（愛知工業大学，2 . 5 節）

Tsai

小嶋

蔡

Chia-Hung Dylan

佳宏（大阪大学，1 . 2 節）

勝 （大阪大学，2 . 6 節）

金子

真 （大阪大学，1 . 2 節）

新井 健生（大阪大学，2 . 6 節）岡嶋孝治（北海道大学，1 . 3 節）益田 泰輔（名古屋大学，3 . 1 節）

高橋 亮 輔（北海道大学，1 . 3 節）

入口 翔 一（京都大学，3 . 2 節）梅嶋宏樹（京都大学，1 . 4 節）

山口 智之（東京大学，3 . 2 節）

Yao

姚

Jiafeng佳烽（千葉大学，1 . 5 節）

鈴木 郁郎（東北工業大学，3 . 3 節）

武居昌宏（千葉大学，1 . 5 節）

山田 真澄（千葉大学，3 . 4 節）

丸山

央峰（名古屋大学，1 . 6 節）関早川実 （千葉大学，3 . 4 節）

健 （名古屋大学，2 . 1，2 . 3 節）
（2016 年 11 月現在）

刊

行

の

こ

と

ば

i

刊行のことば

このたび「組織工学ライブラリ―マイクロロボティクスとバイオの融合―」を 3 巻のシ
リーズとして刊行いたしました。著者らが 2011 年 7 月から約 5 年をかけて取り組んだ文部科学省科学研究費補助金新学術領域「超高速バイオアセンブラ（略称：バイオアセンブラ）」
プロジェクトが本ライブラリの原点です。バイオアセンブラとは人工の 3 次元組織を生体外で構築し，生体としての機能を発現させるという革新的な取組みです。作られた人工組織は再生医療や薬剤アッセイ，組織を対象とする試験や検査などに応用することができます。組
織構築や細胞の計測制御にかかわるさまざまなプロセスにマイクロロボティクスの技術が活ナ社

用されています。微小対象物の計測と制御を得意とするマイクロロボティクスの工学者，細胞や組織の培養や分析に携わる生物学者，そして人工組織を再生医療に活用しようとする医学者の三つの異分野の研究者が連携融合して，生体外で機能する人工 3 次元組織の構築に挑みました。プロジェクトは 2016 年 3 月に終了し，その主要な成果として本ライブラリを刊行しました。

ロ

バイオアセンブラでは三つの重要な柱があります。

一番目は，生体外から取り出した単一細胞や細胞群の特性を見極めるということです。組織構築に使える細胞かどうかを判断するために短時間でその特性を計測し，有用な細胞や細コ胞群を高速により分けるための細胞特性計測と分離が必要です。第 1 巻では，これを細胞ソート工学と位置づけ，『細胞の特性計測・操作と応用』としてまとめています。
二番目は，単一細胞からさまざまな形状と機能を持つ 3 次元組織を組み立てるプロセスになります。細胞を紐状につなげて 1 次元の構造に，面状に並べて 2 次元に，これらを積み重ねて 3 次元組織を構築していきます。細胞塊を生体外で培養するとき，そのサイズがある一定以上になると内部の細胞には十分な酸素や栄養が行き届かなくなり壊死してしまいます。
酸素や栄養を補給するための適切な補給路，すなわち血管構造が必要となり，これをうまく内部に作りこむ必要があります。第 2 巻では，このような細胞の 3 次元組織を構築するためのさまざまな手法やツールを『3 次元細胞システム設計論』としてまとめています。
最後の三番目は，上記のように人工的に作成した組織が，組織としての機能や性能を発揮することができるか，あるいはどのような条件で発現するかを見きわめる必要があります。
これまでの再生医療や組織構築の研究で，生体内に移植して培養すると元の組織と適切に結合・融合して本来の組織の機能が発揮することが知られています。生体外条件（in vitro）

ii

刊 行

の

こ

と

ば

においていかに生体内条件（in vivo）と同じ条件が作れるか，その培養方法と培養条件がポイントとなります。第 3 巻では，細胞どうしが協調，共存しあって組織としての機能を発現するという視点で，このような培養方法や機能発現の解明について『細胞社会学』としてまとめています。
プロジェクトでは上記三つの視点でそれぞれの方法論や学理を極めるとともに，これらを統合して計測分離から 3 次元組織の構築，そして機能発現までを通しで実現し，さらにフィードバックするサイクルの検証までを実施しました。後者については，各巻の関連する部分においてそのつながりを示すようにしています。
バイオアセンブラのプロジェクトでは新しい原理の発見や革新的な手法の提案が行われ，数多くの学術成果が出されました。本ライブラリではそれらのエッセンスを示しながら，人工 3 次元組織の生体外構築に関わる知見と手法をまとめて紹介しています。本ライブラリが
ライフサイエンスのさらなる発展に寄与することができれば，著者一同望外の喜びです。発ナ社

刊のお世話になりましたコロナ社の皆様，ならびにプロジェクトのご支援を頂きました文部
科学省に謹んでお礼を申し上げます。

コロ2016 年 6 月

編

者 新井

健生

新井

史人

大和

雅之

ま

ま

え

が

え

が

き

iii

き

2011 年 7 月から 2016 年 3 月までの約 5 年をかけて，文部科学省科学研究費補助金新学術領域「超高速バイオアセンブラ（略称：バイオアセンブラ）」が実施されました。本プロ
ジェクトは，人工の 3 次元組織を生体外で構築し，生体としての機能を発現させるという革新的な取組みであります。作られた人工組織は，再生医療や薬剤アッセイ，組織を対象とする試験や検査などに応用することを狙っています。このバイオアセンブラには三つの重要な柱があります。一番目は，人工組織を構成するための細胞の特性を計測してその特性を見き
わめ，組織構築に使う細胞だけを分離することです。二番目は，単一細胞からさまざまな形

ナ
社

状と機能を持つ 3 次元組織を組み立てるプロセスです。三番目は，人工的に作成した組織
が，組織としての機能や性質を発揮することができるか，あるいはどのような条件で発現するかを見きわめることです。

本書では，特に一番目の細胞の特性を計測し，細胞を分離する点に焦点を当てています。
ここでは細胞の特性に応じて特定の細胞を分離することを目的とした学問を「細胞ソート工ロ学」として位置づけることとします。本書は，まず細胞を測るための計測技術をいくつか紹
介し，つぎに細胞を分離するために適用可能なさまざまな操作技術を紹介します。そして，細胞の特性に応じて特定の細胞を分ける細胞分離技術を紹介します。

コ

まず，細胞のどのような特性をどのように測るかですが，近年，顕微鏡の進歩とともに，細胞の特性を測る試みは数多くなされてきました。特に蛍光色素による染色技術の発展や超高解像度のイメージング技術の発展は目覚ましく，また，走査型プローブ顕微鏡による表面形状の計測技術の進歩も目覚ましいといえます。これらに関してはすでに多くの成書が出版されていますので，本書では，特にこれまであまり議論がされていない細胞の力学的特性や環境との力学的相互作用の計測に着目しました。ここでは，細胞の力学的特性は浮遊細胞と接着細胞に分けて計測手法を紹介します。また，細胞の電気的特徴量の計測についても紹介し，さらに，蛍光色素を用いて細胞の局所環境状態（pH，温度，酸素濃度など）を計測する方法を紹介します。
つぎに，細胞の分離に必要となる細胞の操作技術について紹介します。細胞の計測結果や特性に基づいて，目的とする細胞もしくは目的としない細胞だけに力を加えることができれば細胞分離が達成できます。つまり，細胞の操作技術が細胞分離の基盤となるわけです。細
胞操作技術にはさまざまな原理，方式があり，本書では非接触で細胞を操作する方式や，機

iv

ま

え

が

き

械式マイクロマニピュレータを用いる方式を紹介します。非接触で細胞を操作するための原理としては，光（レーザ）トラップ，磁場，音響流れ，誘電泳動，超音波などがあります。
これらは直接的に細胞に力を加えることが可能ですが，人工的に製作した微小なツールに力を加えて，このツールを介して細胞を間接的に操作する方式もあります。これらは力の発生方式の違いで位置決め分解能や力の発生レンジ，発生範囲，さらには細胞への影響（ダメージ）が異なるため，目的に応じて適切な方式を用いることが必要です。
最後に，細胞の特性に応じて特定の細胞を分離する細胞分離技術の例をいくつか紹介します。細胞を分離する方式としては，以下の二つの方式に大別できます。
（ 1 ） 細胞を一つずつ個別に計測し，その計測結果に基づいて分離する方式（ 2 ） 細胞の特性（細胞の免疫特性，力学的特性，電気的特性など）に応じて，特定の細胞だけを捕捉したり，特定の細胞だけに力を加えて操作することで分離する方式
ただし，（ 1 ）と（ 2 ）の組み合わせも考えられ，例えば，まず（ 2 ）によって分離もし

ナ社

くは固定したあとに（ 1 ）によって細胞を一つずつ計測し，ターゲットを絞り込むこともあります。どの分離手法も計測・操作の原理に由来して一長一短があるため，実際は目的に応じて適切な方式を選択することになります。ここで，（ 1 ）の方式は，なにをどう計測する
かとか，計測パラメータの数が増えるほど計測の速度が鍵となります。（ 2 ）の方式は，特定の細胞だけをいかに捕捉もしくは操作するかが鍵となります。どちらの技術にも共通して

ロ

重要な点は，組織構築に使う分離細胞にダメージがないことといえます。
作られた人工組織を，再生医療や薬剤アッセイ，組織を対象とする試験や検査などに応用するには，人工組織を構成するための部品としての細胞の選択はきわめて重要であり，細胞コの特性に応じて特定の細胞を分離することを目的とした「細胞ソート工学」が重要となります。本書では，細胞を測るための計測技術，細胞を分離するために適用可能なさまざまな操
作技術，そして，細胞の特性に応じて特定の細胞を分ける細胞分離技術を紹介し，体系的にまとめました。また，これらの技術は多くの応用例が考えられており，適宜紹介しました。
本書が今後の組織構築と再生医療の発展に資することを執筆者一同が願っています。
2016 年 10 月

編

者 新井

史人

目

目

1.
1.1

細胞の特性を測る

マイクロ流体チップによる浮遊細胞の力学特性の精密計測 ･･･････････････････････････････ 1
ハイスループットを可能とするマイクロ流体チップ

1.1.2

マイクロ流体チップを用いた細胞の力学特性計測

1.1.3

細胞の力学特性の精密計測のためには

1.1.4

ロボット統合型マイクロ流体チップを用いた浮遊細胞計測

1.1.5

お

わ

り

引用・参考文献

14

に

10

め

パッシブ計測手法

1.2.3

アクティブ手法による細胞疲労試験

1.2.4

考

1.2.5

お

わ

り

引用・参考文献

29

に

16

ナ
社

1.2.2

18

察

29

に

29

24

ロ

原子間力顕微鏡を用いた細胞の力学特性計測 ･･･････････････････････････････････････････････ 30
原子間力顕微鏡

30

1.3.2

AFM を用いた細胞の力学特性計測

1.3.3

ソフトガラスレオロジー理論

1.3.4

多数細胞間レオロジーのばらつき

1.3.5

細胞内レオロジーの空間分布

コ

1.3.1

引用・参考文献

31

36
36

40

41

牽引力顕微鏡法を用いた細胞と基質の界面における力の計測 ･･･････････････････････････ 43

1.4.1

は じ

1.4.2

シリコーン基質を用いた計測

1.4.3

マイクロピラーアレイによる計測

1.4.4

ポリアクリルアミドゲルを用いた計測

1.4.5

生体高分子ゲルを用いた計測

1.4.6

め

お

わ

り

引用・参考文献

54

1.5

8

浮遊細胞の力学的指標の高速計測 ･････････････････････････････････････････････････････････････ 16
は じ

1.4

1
4

13

1.2.1

1.3

v

次

1.1.1

1.2

次

に

に

43
45
46
46

47

54

浮遊細胞の電気的特徴量の計測 ････････････････････････････････････････････････････････････････ 56

1.5.1

は じ

め

に

56

vi

目

次

1.5.2

細胞の誘電特性の計測

1.5.3

流れ場における細胞の分布計測

1.5.4

お

わ

り

引用・参考文献

66

1.6

に

58
63

65

細胞の蛍光計測 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 68

1.6.1

は じ

に

68

1.6.2

蛍 光 の 原 理

め

68

1.6.3

蛍光に影響を及ぼす要因

1.6.4

蛍光計測法の分類

1.6.5

マルチパラメータ計測用蛍光センサビーズ

76

1.6.6

マウス卵子酸素消費速度の蛍光計測チップ

79

1.6.7

お

わ

り

引用・参考文献

84

70

に

72

84

2.1

光 に よ る 操 作 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 87

2.1.1

は じ

2.1.2

光による細胞操作の分類

2.1.3

光圧による細胞操作

2.1.4

そのほかの操作

102

2.1.5

お

108

め

り
108

に

に

87
89

87

ロ

わ

引用・参考文献

2.2

細胞を操作する

ナ社

2.

磁気駆動マイクロロボットによる操作 ･･････････････････････････････････････････････････････ 110
は じ

2.2.2

駆動方式による分類

2.2.3

磁気駆動ロボットの駆動性能向上のための方策

2.2.4

細胞操作への応用

2.2.5

お

わ

引用・参考文献

2.3

め

に

110

コ

2.2.1

り

に

111
114

122

123

123

音響流れによる操作 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 126

2.3.1

は じ

2.3.2

定常表面弾性波（SSAW）による操作

129

2.3.3

進行表面弾性波（TSAW）による操作

131

2.3.4

一軸振動誘起流れによる操作

134

2.3.5

多軸振動誘起流れによる操作

135

2.3.6

お

わ

引用・参考文献

め

り
145

に

に

126

143

目

2.4

は じ

に

147

2.4.2

誘電泳動の原理

148

2.4.3

誘電泳動デバイスの作製技術

2.4.4

細胞操作のための誘電泳動デバイス

152

2.4.5

3 次元電極を用いた細胞操作の拡張

156

2.4.6

お

わ

引用・参考文献

め

り

に

152

158

158

超音波による操作 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 160

2.5.1

は じ

に

160

2.5.2

超 音 波 音 場

161

2.5.3

定在波音場中での微小物体の捕捉

2.5.4

超音波マニピュレーション

2.5.5

お

め

り

に

174

175

機械式マイクロマニピュレータによる操作 ････････････････････････････････････････････････ 176

2.6.1

は じ

2.6.2

二本指マイクロハンドの概要

2.6.3

マイクロハンド設計・開発

2.6.4

振 動

析

186

2.6.5

可動範囲評価

188

2.6.6

お

190

め

解
り

176

に

コ

190

に

177

180

ロ

わ

引用・参考文献

3.1

164

168

ナ
社

わ

引用・参考文献

2.6

3.

細胞分離への応用

気液界面を用いた細胞分離 ････････････････････････････････････････････････････････････････････ 193

3.1.1

は じ

に

193

3.1.2

移 流 集 積 法

194

3.1.3

移流集積による微粒子配列

3.1.4

気液界面を利用したパターン配列

3.1.5

気液界面を利用した希少細胞の分離

3.1.6

お

わ

引用・参考文献

3.2

vii

誘電泳動による操作 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 147

2.4.1

2.5

次

め

り

に

195
196
198

200

200

閉鎖系高速細胞解析分離 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 203

3.2.1

は じ

め

に

203

3.2.2

循環がん細胞205

3.2.3

出生前診断による胎児の染色体異常の検出

3.2.4

血液中希少細胞の検出の問題点と解決策

206
206

viii

目

次

3.2.5

マイクロ流路と超高速画像処理システムを用いた血液細胞の物性解析

3.2.6

お

わ

引用・参考文献

3.3

り

に

212

マイクロ流体チップを用いた細胞カプセルの分離 ････････････････････････････････････････ 213

3.3.1

は じ

3.3.2

ビーズ表面を利用した細胞培養とセンシング

3.3.3

細胞のカプセル化培養技術

3.3.4

マイクロ流路型セルソーター

3.3.5

cell ball ソーティング

引用・参考文献

3.4

め

に

213
215

217
218

221

223

流体力を利用した細胞のソーティング ･･････････････････････････････････････････････････････ 224
は じ

3.4.2

大きさを利用した細胞の選抜

227

3.4.3

水力学的フィルトレーション

229

3.4.4

格子状流路の利用

3.4.5

表面マーカーを利用した細胞の選抜

3.4.6

お

わ

引用・参考文献

め

り

に

に

224

232
235

236

ナ
社

3.4.1

3.5

233

電場を利用した細胞分離 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････ 237

3.5.1

は じ

3.5.2

誘電泳動ピンセット

3.5.3

マイクロ流路システムに誘電泳動を組み込んだ細胞分離

3.5.4

免疫反応を利用した細胞分離
247

に

237
238

ロ

め

コ

引用・参考文献

索

207

210

239

245

引 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････ 249

1.

1 .1 マイクロ流体チップによる浮遊細胞の力学特性の精密計測

1.1.1

▲

▼

細胞の特性を測る

ハイスループットを可能とするマイクロ流体チップ

ナ社

近年，細胞の特性は，顕微鏡から得られる画像情報をもとに機械式マイクロマニピュレータを用いた操作によって計測されてきた。これらのロボット技術を基盤とする微細操作によって，同一環境で培養された細胞集団の計測の場合においても，図 1 . 1 に示すように細胞の特性にばらつきが存在し，いわゆる＂ユニークな細胞＂の存在が明らかとなってきた1）†。
そこで，単一の細胞や，単一の細胞凝集体，さらには単一の微生物など，極微小な単一生物サンプルの計測技術に注目が集まってきた2）～4）。一方で，細胞などの極微小な単一生物サロ

ンプルを計測するには，単一細胞レベルで操作・解析する必要がある。最近では，マイクロ・ナノ技術の発展とともに，単一細胞レベルでの力学的操作が可能となり，細胞の特性

コ計測に貢献してきた。特に，単一細胞レベルの力学的操作技術の大きな貢献は，細胞の力学特性計測技術の発展であるといえる。細胞の弾性や粘性といった機械的特徴量は，生体の疾患や，細胞そのものの状態との依存関係があるといった報告がある。例えば，卵子の透明帯の硬さは，細胞周期に応じて変化する5）ということが報告されている。また，マラリ
アの感染6）や，糖尿病患者7）では，赤血球の変形能が低下する兆候が見られるなどといった報告がある。つまり，細胞の力学特性計測は，細胞そのものの弾性や粘性といった機械的特徴量の評価だけではなく，生体の疾患の検査や薬効評価にも貢献し得る技術であると考えられる8）。
近年の単一細胞計測に関する研究結果が示唆するように，細胞集団はユニークな単一細胞の集団であると考えられる。すなわち，細胞の弾性や粘性，もしくは大きさといった個々の細胞の力学特性は，図 1 . 2（a）のようなばらつきを持つデータであることが予想される。

†

肩付き数字は，節末の引用・参考文献の番号を表す。

18 siRNA
247 bp細胞の特性を測る
GAPDH
205 bp

1.

2

150

200

未処理 Jurket
20

GAPDH siRNA
処理 Jurket

10
0
0

50

100
時

間〔s〕

75

イベント回数

4
3
2

ナ
社

50

25

no RT

0 cells0

ロcell 8cell 7cell 6cell 5cell 4cell 3cell 2cell 1050 cells

1

+

（a）

細胞特性
低

0

25

50

75

100

正規化した siRNA 発現，GAPDH（b）

単一細胞計測による集団の中のユニークな細胞の例1）

コ

図 1.1

細胞特性

正規化した siRNA 発現，GAPDH

（a）

データ頻度
計測対象の
細胞特性
図 1.2

高

+
+

（b-1）

（b-2）

計測システム
起因のばらつき

=
=
=

（c-1）

（c-2）

計測された
細胞特性

計測系のばらつきが計測結果に与える影響の概念図9）

1.1

マイクロ流体チップによる浮遊細胞の力学特性の精密計測

3

一般に，これらの対象を計測するには，計測系の計測ばらつきがデータに付与されることが考えられる。わかりやすい例を挙げれば，顕微鏡を通して得られる画像データから計測される細胞の大きさといったデータは，光の分解能などの影響から少なくとも数百ナノメートルのばらつきを持つことが考えられる。もちろん，この計測ばらつきは，測定対象の大きさが計測ばらつきに対して非常に大きい場合は，大きな問題とならないが，一般に，細胞の大きさは数十マイクロメートルであり，たとえシンプルなサイズ計測においても数パーセントのばらつきを持つことになる。したがって，図（b）に示すように，細胞の特性計測においては，計測ばらつきを含んだデータを細胞の特性ばらつきとして計測することになる。つまり，図（c）に示すように，計測系のばらつきを小さくすることが，細胞の特性を精密に計測することに強く貢献できると考えられる9）。
最も有名な機械式マイクロマニピュレータを用いた単一細胞計測技術の一つは，図 1 . 3 に示すような，1954 年に Mitchison らによってはじめて報告されたマイクロピペット吸引法をナ
社

用いたウニの卵子計測であろう10）。この方法では，細胞の大きさより小さな内径を有するマ
イクロピペットを用いて細胞を吸引し，そのときの吸引圧力と変形形状から，細胞の硬さを算出する。高精度・高出力・多自由操作が可能な機械式マイクロマニピュレータと，顕微鏡の外部に配置した精密な圧力制御システムを用いることで，複雑な細胞計測を顕微鏡の焦点ロ面に限定した状態で細胞を一つずつ操作し，細胞に精密に吸引圧力を印加した際の変形の様マイクロマニピュレータ

ガラス
ピペット
海水

コ

海水リザーバ

対物レンズ

ウニ卵子
ゴムチューバマイクロメータ

d

x

r

（a）

R

100 µm（b）（c）
図 1 . 3 マイクロピペット吸引法によるウニの卵子計測10）

くぼみ付き
スライド

4

1.

細胞の特性を測る

子を精密に計測することが可能である。現在までに，マイクロピペット吸引法を用いた，浮遊細胞の多数の力学特性計測が報告されている10）～13）.
一方で，その計測作業の多くは人手によるものであり，操作技術の習熟を要因とする，操
作中に生じる流体移動に伴う計測のばらつきの増大や，スループットの低下，さらには操作
者間での再現性の向上などの課題があった。これらの要因から，単一細胞の特性計測においては，再現性の高いハイスループット計測が強く求められてきた。
そこで近年，micro total analysis systems（µ TAS）や，lab⊖on⊖a⊖chip（LOC）に代表されるような，マイクロフルイディクスを基盤としたマイクロ流体チップを用いたハイスルー
プットな細胞の特性計測が提案されてきた。この方式においては，マイクロ流体チップ中に配置したマイクロ流路を搬送系として細胞を連続的に導入することで細胞の特性計測を行う。マイクロ流路内は，マイクロ・ナノ領域において特徴的な，低レイノルズ数環境となるため，環境制御が容易で，かつ予期しない流体移動などの問題を解決できるため，きわめてナ
社

ばらつきの少ない再現性の高い安定した計測環境が実現できる。すなわち，マイクロ流体
チップを用いることで，計測ばらつきの少ない細胞の特性計測を行うことができ，細胞特性計測のスループットを飛躍的に向上することが可能であると考えられる。
以上の背景を踏まえ，本節では，マイクロ流体チップを安定した計測環境として用いて細

1.1.2

ロ

胞の力学特性を計測する技術について紹介する。

マイクロ流体チップを用いた細胞の力学特性計測

細胞を計測対象として考えると，その形態は接着状態と浮遊状態に大きく分けられる。接コ

着状態の細胞計測の詳細は 1 . 3 節に譲るが，代表的な計測手法としては，atomic force
microscopy（AFM）14），15）や，磁性体を用いたレオロジー解析16）～20）といった方法が挙げられる。特に AFM を用いた方式では，空間分解能が高いので，単一の細胞内の力学特性のマッピングが可能であるため，接着細胞の細胞骨格などの評価に広く用いられている。AFM を用いた手法においては，高精度かつ高空間分解能な計測が可能である反面，スキャニングの速度に時間を必要とするため，浮遊状態の細胞をハイスループットに計測することは困難であるといえる。そこで，本項では浮遊状態での細胞の力学特性計測について考える。
マイクロ流体チップを用いた細胞の機械的特徴量計測について考えると，計測方式は計測
指標の対象に関して間接対象方式と直接対象方式に大きく分けることができる。間接対象方式に関しての詳細は 1 . 2 節で議論されるが，例えば，マイクロ流路に対して赤血球などの比較的軟らかい細胞を導入し，マイクロ流路に狭窄部を設けることで幾何学的に細胞に力を印加し，そのときの細胞の挙動から機械的特徴量を指標化する方式である21）～23）。高速度カメラを用いて，細胞がマイクロ流路内に設けた狭窄部を通過する際の，通過時間，通過形状な1.1

マイクロ流体チップによる浮遊細胞の力学特性の精密計測

5どを計測し，これらを機械的特徴量の指標として計測する。この方式では，マイクロ流体
チップの安定した低レイノルズ数環境を用いて，いわば細胞を流路に流すだけで計測できるため，きわめてハイスループットな計測が可能である。しかし，例えば卵子や核を有する細胞など，比較的硬い細胞に適応することを考えると，幅の固定されたマイクロ流体チップを用いるため，狭窄部での細胞が詰まるといった課題がある。また，狭窄部のない計測方式として，流体力を用いて細胞を変形させ，細胞の形状の硬さを指標化する研究が行われている24）。
これは，十字路を有するマイクロ流路に対して細胞を導入し，一対の対抗する流れを用いて，細胞を圧縮することで，細胞を変形させ，このときの変形量に応じて細胞の硬さを指標化する方式である。レイノルズ数が 10 程度の高速な搬送流を用いるため，流体制御のばら
つきや，マイクロ流路内での細胞の位置決めの難しさから，計測データのばらつきが大きいナ
社といった課題があるが，非常にハイスループットな計測が可能である（図 1 . 4）。
インレット

アウトレット

（a）

細胞
Xeq

流線

コ

X

ロ

上面図

流れ

慣性フォーカサー

フィルタ

（b）

Y

d

60°

a

b

（c）

t＝7 µs流れ

t＝14 µst＝21 µst＝28 µs
（e）
図 1.4

（d）

t＝0 µs
変形能 a/b

MCF7 cell

N＝9 740

3.0
2.6
2.2
1.8
1.4
1.0

5 10 15 20 25
初期直径 d〔µm〕（f）

高速流体環境を用いた細胞の力学特性計測24）

一方で，直接対象方式とは，細胞を変形させたときの反力を計測することで，細胞の弾性や粘性といった力学特性を直接に計測する方式である。マイクロ流体チップ内のきわめて安

索

索

アクチン

･････････････････････44【い】
位相 強度変換フィルタ ･････94
位相シフトインデックス ････12
移流集積法 ･････････････････ 194
インピーダンススペクトロ
スコピー法 ････････････････56【お】応力緩和計測法 ･･････････････31
音響流れ ･･･････････････････ 126
音響放射圧 ･････････････････ 160

【か】

【き】

光熱相互作用 ････････････････88
光量子収率 ･･･････････････････69【さ】
酸素消費速度 ････････････････79
サンプリングモアレ法 ･･････10【し】磁気駆動方式マイクロロボット ･････････････････ 110
時分割スキャニング法 ･･････93
循環がん細胞 ･･････････････ 203
除核作業 ･･･････････････････ 122
振動誘起流れ ･･････････････ 128【す】

水力学的フィルトレーション･･･････････････････････････ 229
ストレスファイバー ･････････44【せ】

静的粘弾性計測法 ･･･････････34
正の誘電泳動 ･･････････････ 150
赤血球疲労試験 ･･････････････24
接着状態 ･･････････････････････ 4
接着斑 ････････････････････････44
線形相互作用 ････････････････88

ロ

画像補間 ･････････････････････50
カプセル化培養技術 ･･･････ 217
間接操作 ･････････････････････88
緩和計測法 ･･･････････････････31
緩和弾性率 ･･･････････････････33

コ

気液界面 ･･･････････････････ 194
機械式マイクロマニピュ
レータ ･････････････････1, 176
機械的特徴量 ･････････････････ 1【く】

空間位相変調器 ･･････････････94
クリープ計測法 ･･････････････31
クリープコンプライアンス ･･･33【け】
蛍光活性化細胞ソーティング･･･････････････････････････ 225
蛍光計測 ･････････････････････68
蛍光寿命 ･････････････････････70
決定論的側方変位 ･････････ 227
牽引力顕微鏡法 ･･････････････45【こ】
光 圧 ････････････････････････87
交差周波数 ･････････････････ 151
光電気相互作用 ･･････････････88

損失弾性率

【そ】
･･･････････････････34【た】
多重周波数フォースモジュレー
ション計測法 ･･････････････35
多点操作光ピンセット ･･････93

【ち】
直接操作法
貯蔵弾性率

･･･････････････････88･･･････････････････34

【て】
電気泳動

249

引

ナ
社

【あ】

引

･･･････････････････ 148【と】動的粘弾性計測法･･･････････34【に】二本指マイクロハンド････ 176【は】胚操作技術 ･････････････････ 122
発蛍光速度定数 ･･････････････69
パラレルメカニズム ･･･････ 179
パラレルリンク機構 ･･･････ 179【ひ】光退色 ････････････････････････71
光てこ法 ･････････････････････31
光ばね定位数 ･････････････････ 6
光ピンセット ･････････････ 6, 88
微小流体力学 ･･････････････ 226
非接触操作 ･･･････････････････87
非線形光学現象 ･･････････････88
表面弾性波 ･････････････････ 127
ピンチドフローフラクショ
ネーション ･･････････････ 227【ふ】フィールドフロー分別法 ･･ 241
フォースカーブ計測法 ･･････31
フォースモジュレーション
計測法 ･････････････････････31複素弾性率 ･･･････････････････34
不定特異点 ･････････････････ 181
負の誘電泳動 ･･････････････ 150
浮遊状態 ･･････････････････････ 4
フローサイトメトリー･･･････････････････････ 56, 225【へ】
ヘルツの接触モデル
ヘルムホルツコイル･･････････ 9･･･････ 112【ほ】
放射圧 ････････････････････････87
ポリアクリルアミドゲル ････46【ま】マイクロピペット吸引法 ･････ 3
マイクロフルイディクス ･･ 226
マイクロ流体チップ ･･････････ 4索250
マイクロ流路引･････････････････ 4

【み】
ミオシン

･････････････････････44【も】モアレ縞 ･････････････････････10
モル吸光係数 ････････････････69

【む】
【め】
メニスカス

･････････････････ 194

誘電泳動 ･･･････････････････ 147
誘電泳動ピンセット ･･･････ 238

【よ】
葉状仮足

GPC

【A】
acoustic streaming ･････････ 126
AFM ･･･････････････････････････ 4
atomic force microscopy ･･････ 4【B】
bicubic 法
bilinear 法････････････････････50････････････････････50

【C】

コ

【D】

･････････････････････44･･････････････････････････94【H】
Hanai Cell Model ･････････････56
highest occupied molecularorbital ･･････････････････････69
HOMO ････････････････････････69
hysteresivity ･････････････････35【I】

image interpolation ･･････････50
interdigitated 電極 ･････････ 154【L】

lab on a chip ････････････4, 147
lamellipodia ･･････････････････44
LOC ･･････････････････････4, 147
lowest unoccupied molecularorbital ･･････････････････････69
LUMO ････････････････････････69

ロ

castellated 電極 ････････････ 153
cell ball ･････････････････････ 221
CEP ･･････････････････････････25
CGH ･･････････････････････････94
Clausius Mossotti 因子 ････ 150
close encountering point ････25
CM 因子 ････････････････････ 150
computer generated
hologram 法 ･･･････････････94
CTCs ･･･････････････････････ 203【M】

DEP FFF ･･････････････････ 241
deterministic lateraldisplacement ････････････ 227
durotaxis ･････････････････････43

MEMS ･････････････････････････ 6
micro electro mechanicalsystems ･････････････････････ 6
micro total analysis
systems ････････････････4, 147

【E】

【N】

ECM タンパク質････････････････････････70【ら】
ランベルト・ベールの法則【ゆ】･････････69

ナ社

無輻射失活速度定数

溶媒和･････････････48【F】

nearest neighboring 法 ･･････50
negative DEP ･･････････････ 150【O】

FACS ･･･････････････････････ 225
FITC ･･････････････････････････77
Fluorescein isothiocyanate ･･77

OCR ･･････････････････････････79
oxygen consumption rate ････79

【G】

【P】

generalized phase
contrast 法 ･････････････････93

particle image velocimetry ･･･50

･･69

【れ】
レシオ計測

･･･････････････････74【ろ】
ロボット統合型マイクロ流体
チップ ･･････････････････････ 6

particle tracking
velocimetry ････････････････50
PCF ･･････････････････････････94
phase contrast filter ･････････94
pinched flow fractionation ･･ 227
PIV ･･･････････････････････････50
polynomial 電極 ････････････ 153
positive DEP ･･････････････ 150
power law structural damping
model ･･････････････････････35
PTV ･･････････････････････････50【R】
Rhodamine B･････････････････77【S】
SAW ････････････････････････ 127
SGR 理論 ･････････････････････36
SLM ･･････････････････････････94
soft glassy rheology ･･････････36
spatial light modulator ･･･････94
Sulfo SANPAH ･･･････････････49
sulfosuccinimidyl 6（4ʼ azido
2ʼ nitrophenylamino）
hexanoate ･････････････････49
surface acoustic wave ･･････ 127【T】
time shared scanning 法 ････93
TSS ･･･････････････････････････93

【µ】
µ TAS

････････････････････4, 147

―― 編著者略歴 ――

ロナ
社

1986 年 東京理科大学工学部機械工学科卒業
1988 年 東京理科大学大学院工学研究科修士課程修了（機械工学専攻）
富士写真フィルム株式会社入社
1989 年 名古屋大学助手
1993 年 博士（工学）（名古屋大学 ）1994 年 名古屋大学講師
1998 年 名古屋大学助教授
2005 年 東北大学教授
2010 年 名古屋大学教授
現在に至る

細胞の特性計測・操作と応用
Measurement of Cell Property
and Manipulation of Cells

初版第 1 刷発行

コ

2016 年 12 月 22 日

検印省略

Ⓒ Fumihito Arai 2016

編 著 者
発 行 者
印 刷 所
112⊖0011

発行所

★

あら

い

新

井

ふみ

ひと

史
人
株式会社
コロナ社
代 表 者
牛来真也
萩原印刷株式会社
東京都文京区千石 4⊖46⊖10
株式会社

コ ロ ナ 社

CORONA PUBLISHING CO., LTD.
Tokyo Japan
振替 00140⊖8⊖14844・電話（03）3941⊖3131（代）ISBN 978⊖4⊖339⊖07261⊖7
Printed in Japan（柏原） （製本：愛千製本所）
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