静電気学会誌，38, 1（2014）46-51

J. Inst. Electrostat. Jpn.

論

文

高電圧パルス電界処理による線虫Caenorhabditis elegansの不活性化
谷野 孝徳，岡田 拓也，大嶋 孝之＊, 1（2013年9月10日受付；2013年12月20日受理）

Inactivation of Caenorhabditis elegans with Pulsed Electric Field Treatment＊, 1

Takanori TANINO, Takuya OKADA and Takayuki OHSHIMA(Received September 10, 2013; Accepted December 20, 2013)

Inactivation of Caenorhabditis elegans in pulsed electric field (PEF) was studied. Experimental results and electric fieldstrength simulation in the treatment chamber indicated that C. elegans could be inactivated in the electric field strength of 1
kV/cm. Because general bacterial cells can be inactivated in the field strength of 10 kV/cm, nematode seems to be very
sensitive toward PEF. We also compared the inactivating efficiency of the egg, larva, and adult C. elegans with PEF treatment.
The egg was most sensitive to PEF treatment, more than 90％ of the C. elegans egg was inactivated after 4.0 kV and 2 sec of
PEF treatment. Although the larva, and adult C. elegans was resistant to PEF treatment, the survival ratio 1 day after PEF
decreased than that just after PEF treatment. Fluorescence microscopic analysis of fluorescently-stained C. elegans after PEF
treatment showed that the head, tail, epidermis and muscle of C. elegans tend to be damaged by PEF treatment. And it wassuggested that inactivation measurement method based on ATP content could be partially applied to inactivation measurementof C. elegans.

1．はじめにとしている ．しかしながら，多細胞生物に対し PEF が

近年，生物への静電気技術の応用が注目され，様々な及ぼす影響についての研究例はあまり報告されておら基礎研究・応用研究が行われている．その応用例としてず，不明な点が多い．そこで，本研究では PEF 処理が最も盛んな例の一つがパルス電界（ PEF: Pulsed Electric

多細胞生物に与える影響を明らかとするための取り組み

Field ）による微生物の殺菌技術である．微生物に対すとして，多細胞生物研究のモデル生物に広く使われ，培る PEF 不活化技術は，極短時間の電界の印加により微養や観察が容易である線虫 Caenorhabditis elegans を用い

生物細胞膜の不可逆的な破壊を引き起こし，細胞内容物て，PEF による不活性化に着目し検討を行った．

5）を漏出させることで微生物を殺菌する技術であり，これ

線虫 C. elegans は 99.9％雌雄同体であり，成虫の体細までの研究成果により大腸菌など単細胞微生物について

胞数は 959 個であるにもかかわらず神経，筋肉，消化管，は膜破壊の詳細なモデルが確立されている ．PEF 不活

表皮，生殖巣といった組織，器官をもつ ．このことは，性化技術は非加熱かつ薬剤を使用しない殺菌法であり，遺伝的背景が均一な対象に対し詳細な器官別の解析を行

この特徴を利用し，加熱による風味や有用成分の変質をう上で役立つ．また，卵，幼虫，成虫からなるライフサ防ぐことで製品品質ならびに付加価値の向上を目指し，イクルを有し，約 2 日半で 4 回の脱皮を繰り返して成虫

食品製造分野における活発な研究が行われているへと成長する．線虫に対する電気的刺激の例としては P.

1）

．

2-4）

6）

また，殺菌に留まらず致死強度以下の PEF に対し微生

Rezai ら物細胞が示す生物学的応答などについても研究がなされしている．また，鈴木ら

はじめている．一例として我々は酵母細胞を用いた研究

プラズマジェット照射を行い，GFP 発現の変化を観察しにより，致死強度以下の PEF ストレスは酵母細胞に酸ている．これらとは異なり，本研究では線虫 C. elegans

化ストレス応答遺伝子群の発現を誘導することを明らかの PEF による不活性化に着目する上で，これら異なる

7）が微弱パルス状電流による刺激に関して検討
8）

は GFP 組換え線虫に対して

ライフサイクル中にある線虫の感受性の違いに着目して
キ ー ワ ー ド：pulsed electric field, inactivation, Caenorhabditis

調査を行った．

elegans

群馬大学理工学研究院（〒376-8515 群馬県桐生市天神町 1-5-1）
Faculty of Science and Technology, Gunma University
1-5-1, Tenjin-cho, Kiryu city, Gunma, 376-8515, Japan1
tohshima@gunma-u.ac.jp＊

2．実験方法・手順
2.1 線虫C. elegansの調整
NGM 寒天培地を作成し，下記の手順で線虫を培養した．NGM 寒天培地の調製法は，1 L の蒸留水に NaCl 3 g,

高電圧パルス電界処理による線虫Caenorhabditis elegansの不活性化（大嶋 孝之ら）
Bacto pepton 2.5 g, Agar 17 g を加えオートクレーブ後，

47

この寒天上に接種し，処理前後を顕微鏡で観察した．シ

別 滅 菌 し た コ レ ス テ ロ ー ル 液（5 mg/mL ）1 mL, 1 M

ャーレの側面に小さな穴を 2 つ開け，その穴から直径 1

CaCl2 0.5 mL, 1 M MgSO4 1 mL, 1 M phosphate buffer（ pHmm のステンレス針電極を 1 本ずつ差し込んだ．ステン

6.0）25 mL を追加し，クリーンベンチ内で分注，固化さレス針電極は，シリコーンの厚みの中間部分から正方形

せた ．ここに餌となる大腸菌（ OP50 株）を 37℃，24の穴の側面まで貫通させてある．また，シリコーンの正h 培養した後に，線虫 C. elegans 細胞を白金耳で接種し，方形の穴と寒天の大きさを 20 mm×20 mm にした装置も増殖させた．C. elegans 細胞の培養温度は 20℃で行った．

用意した．

6）

線虫は卵，幼虫，成虫の三種類を使用した．まず，卵また，卵，幼虫，成虫の PEF に対する感受性の違いの分離は以下の手順で行った．線虫を培養している NGMを調査するために，均一な電界が印加されるように設計

プレートに K 培地（53 mM NaCl, 32 mM KCl ）1 ml を注した実験装置の概略図を Fig. 2 に示す．上記と同様のシ

いで卵，線虫を K 培地中に懸濁し，エッペンチューブにャーレとシリコーンを用い，シリコーンの中心に 34 mm

移した．これを遠心（3000×g，3 min ）にかけ，上清をピ

×34 mm の正方形の穴を開け，2％寒天プレートをはめペットで除き，ブリーチ液（2％ NaClO，0.1 M KOH ）1

込んだ．先端をシリコーンで皮膜した直径 1 mm のステ

ml を入れて混ぜ，室温で 2 分間インキュベートした．イ

ンレス針電極を，対辺上に 1 本ずつ差し込んだ．

ンキュベート後すぐに遠心（3000×g，2 min ）し，K 培
地 1 ml を用いて沈殿物を 2 度洗浄した．洗浄後に上清を除き，残った沈殿物から卵を採取した．この操作は，ブリーチ液に対して孵化した線虫は耐性が無く溶けてしまうが，卵には殻があるため耐性があり溶けずに残るという性質を利用して卵だけを採取することが可能である．
また，幼虫は卵から孵化した後半日後の個体，成虫は孵化した後 3 日後の個体とした．上記以外の線虫のハン
ドリングの多くは線虫ラボマニュアル（三谷昌平著）

6）

を参考とした．

2.2 パルス電源および処理装置
パルス電源としてはロータリースパークギャップ型パルス発生装置（ RSG 電源）を用いた ．本実験で電界強9）度と線虫の不活性化の関係を調査するために使用した実Fig. 2 Schematic of treatment chamber to apply uniform electric
field

験装置の概略図を Fig. 1 に示す．直径 50 mm のシャーレに厚さ 2 mm のシリコーンを取り付け，シリコーンの2.3 電界シミュレータによる解析

中心に 10 mm × 10 mm の正方形の穴を開けた．その穴実験装置に印加される電界強度を 2 次元有限要素法解に厚さ 2 mm の 2％寒天プレートをはめ込んだ．線虫は

析ソフト（ Maxwell 2D, Ansoft Corp.,USA ）を用いてシ
ミュレーションを行った．

2.4 線虫細胞の染色
生細胞と死細胞を染色して明確に観察するため，セル
ステイン細胞二重染色キット（同仁化学研究所）を使用した．また，
染色プロトコールは付属の説明書通りに行い，490 nm フィルターで励起した顕微鏡像を写真撮影した．
本キットは Calsein により生 細 胞を黄 緑 色に Propidium
Iodide（PI）
により死細胞を赤色に染め分けることができ，蛍光顕微鏡観察によりその分布を観察することが可能となる．Calsein 溶液ならびに PI 溶液を 10 μM に調整し，PEF を印加した線虫に滴下し，蛍光顕微鏡観察を行った．

2.5 線虫ATP量の測定
Fig. 1 Schematic of treatment chamber

ATP（アデノシン三リン酸）は生物内で用いられるエ48

静電気学会誌 第38巻 第 1 号（2014）

ネルギー保存および利用に関与するヌクレオチドであ天プレート端では線虫が不活性化されない領域が確認さり，「生体のエネルギー通貨」も呼ばれている．生物体

れ，線虫の不活性化に最低限必要となる PEF 電界強度の活動に伴い生産されるため，細胞の生死の判定や菌体の閾値が実験で印加した電界強度付近に存在するものと数の定量評価に用いることもできる．

推測される．

PEF 印加による線虫内の ATP 量の変化を，ルシフェー

そこで，次に 20 mm × 20 mm の処理面積を有する実ル HS セット（キッコーマン）を用いて測定した．PEF を

験装置を用い電極間距離を 20 mm とし，同条件にて印加した線虫を 1 mL の蒸留水に懸濁後，ATP 消去試薬

PEF 処理が線虫の不活性化に与える影響を調査した（ Fig.

0.1 mL を加え撹拌した．このうち 0.1 mL を測定用チュー

4）．同様の実験は 3 回行い，典型的な実験結果を Fig. 4

ブに分注し 30 min 反応させ，遊離の ATP を消去した．

に示している．線虫の不活性化は電極が対向する寒天プ

次に，線虫内から ATP を抽出するため ATP 抽出液を 0.1

レートの中心付近のみの狭い領域のみであることが確認

mL 加え，20 sec 後に発光試薬 0.1 mL を加え，ルミテスされた．これは同じ印加電圧条件で電極間距離が長くな

ターC-110（キッコーマン）を用いて ATP 量に依存してったことで処理面積中では電界強度が弱くなる領域が増発生する発光量（ RLU: Relative Light Unit ）を測定した．

加し，いっそう電界強度による不活性化の有無が明瞭と測定後，測定液中に含まれる線虫数を測定し，線虫数でなったと考えられる．

RLU 値を除することで平均 RLU 値を求めた．同様の実
験は 5 回行い，数値の妥当性を確認した．

3．実験結果および考察
3.1 線虫不活性化に要するPEF電界強度
成虫の線虫に対して Fig. 1 に示した 10 mm×10 mm の処理面積を有する実験装置を用い，電極間距離 10 mm，
周波数 50 Hz，印加電圧 4.0 kV にて 2 sec の PEF 処理を行い線虫への影響を調査した．この印加時間ではオーミ
ックヒーティングによる顕著な温度上昇は認められない
ので，電界効果を検討できると考えた．実験は寒天プレ

Fig. 4 Survival point of C. elegans on 20×20 mm agar plate afterPEF treatment

ートを 5 × 5 に 25 分割して，それぞれの位置について

線虫の不活性化に必要となる電界強度の閾値を推定す

線虫の不活性化を確認した．線虫の不活性化は，PEF 印

るため，電界シミュレータを用い 10 mm × 10 mm なら

加後に顕微鏡観察により線虫の動きがあるかどうかで確

びに 20 mm × 20 mm の処理面積を有する実験装置の電認した．3 回実験したうちの典型的な実験結果を Fig. 3

極間に 4.0 kV の電圧を印加した際に生じる電界強度分に示す．

布のシミュレーションを行った結果をそれぞれ Fig. 5，

図中の×印が記載されていない位置は，その位置にいFig. 6 に示す．

た線虫が PEF 印加後に動かずに不活性化したことを表これら Fig. 5，Fig. 6 のシミュレーションの結果は電極

す．寒天プレート上の大部分において線虫の不活性化が平面上のシミュレーション結果で，実際の実験系では線確認された．この結果より，PEF 処理により成虫の線虫

虫は電極平面上から約 1 mm 上方に位置している．したを不活性化できることが確認された．しかしながら，寒がって，線虫が暴露されている電界強度はシミュレーシ
ョンが示す値よりも小さいが，最大値の目安とすることができる．シミュレーションの結果から電極が接している部分および電極を結ぶ直線上の部分，つまり寒天プレートの中心付近の電界強度が強く，そこから離れるにつれて電界強度が弱まっていることが確認できる．それぞれを Fig. 3，Fig. 4 に示した線虫が不活性化された領域と照らし合わせてみると，10 mm × 10 mm ならびに 20
mm × 20 mm の処理面積を有する実験装置どちらにおFig. 3 Survival point of C. elegans on 10×10 mm agar plate afterPEF treatment

いても，およそ電界強度 1.0 kV/cm 以上の領域で線虫が不活性化したことが確認できる．

高電圧パルス電界処理による線虫Caenorhabditis elegansの不活性化（大嶋 孝之ら）

49

Fig. 7 Fluorescent microscopy of fluorescently- stained C. elegans
with native（a）and 70％ ethanol treatment（b）

Fig. 5 Electric field strength simulation of 4 kV PEF treatment on
10×10 mm agar plate

Fig. 6 Electric field strength simulation of 4 kV PEF treatment on
20×20 mm agar plate
Fig. 8 Fluorescent microscopy of fluorescently- stained C. elegans

前述のようにシミュレーションによる電界強度は実際に線虫が暴露されている電界強度よりも高い値を示して調べた結果を Table 1 に示す．また，電界強度により線いると考えられる．したがって，電界強度 1.0 kV/cm よ虫の不活性化の様子が異なるかを調べるため電界強度

りも低い電界強度で線虫の不活性化効果があることは間

2.0 kV/cm となるよう 6.8 kV の PEF を印加し同様に線虫違いないと考えられる．パルス殺菌に関しては多くの知の不活性化を調べた（ Table 1）．

見があり，バクテリアの懸濁系に均一パルス電界を印加した場合には，不活性化に必要な電界強度は 10 kV/cm
程度であることから，線虫はバクテリアに比べ PEF

10）に対し非常に感受性が高いことが確認された．

3.2

線虫成長段階のPEF感受性への影響

成虫の PEF に対する感受性が卵，幼虫，成虫それぞ

電界強度 1.1 kV/cm および 2.0 kV/cm の両結果より，Table 1 Inactivation ratios of C. elegans after PEF treatment of 2 sec

Electric field
C.elegansstrengthform（ Applied voltage ）egg

れの成長段階により異なるか調査した．線虫の卵は顕微鏡観察により卵中の線虫が透けて見えるため幼虫，成虫と同様動きの有無により生死を判断可能である．実験装1.1 kV/cm（4.0 kV ）置として寒天プレート上の多くの領域に均一な電界を印

adult

加できるように Fig. 2 に示した装置を用い対象の線虫を中央付近に置いて PEF を印加した．中央付近の電界強egg

度は Fig. 5 と同様のシミュレートを行い，中央付近に均
一な電界強度領域があることを確認した．線虫が不活性化することが明らかとなった電界強度である約 1.0 kV/
cm となるよう 4 kV の PEF（電界強度 1.1 kV/cm ）を 2
sec 印加し，印加直後と印加 1 日後の線虫の不活性化を

larva

2.0 kV/cm（6.8 kV ）

larva
adult

Measurement
time

Inactivation
ratio

just after PEF

93.3％

1 day after PEF

95.6％

just after PEF

51.9％

1 day after PEF

77.4％

just after PEF

29.5％

1 day after PEF

64.9％

just after PEF

95.4％

1 day after PEF

95.6％

just after PEF

81.6％

1 day after PEF

85.8％

just after PEF

81.4％

1 day after PEF

83.4％

静電気学会誌 第38巻 第 1 号（2014）50

線虫は卵，幼虫，成虫の順に PEF に対する感受性が高く，することが確認される．中でも成虫では損傷を受けず生電界強度 1.1 kV/cm の PEF 印加直後にそれぞれ 93.3％，細胞として残存している細胞が多いことが確認された．

51.9％ , 29.5％が不活性化されることが明らかとなった．

卵では死細胞の存在を示す赤色蛍光が幼虫，成虫に比べつまり，電界強度 1.1 kV/cm では卵はほぼ完全に不活性強く確認される．幼虫，成虫の線虫では個体の表層に赤化できるが，幼虫，成虫は不活性化しにくいことが確認

色蛍光による死細胞の分布が確認されることから，PEF

できた．一方で電界強度 2.0 kV/cm の PEF 処理において処理により線虫の表皮，表層近くの筋肉が損傷を受ける

は卵，幼虫，成虫の PEF 印加直後の不活性化率はそれことが考えられる．また，線虫の両端部分にも死細胞のぞれ 95.4％，81.6％，81.4％であり，電界強度 2 kV/cm

分布が確認されることから，線虫の尾部ならびに神経細では幼虫，成虫に対しても PEF は十分に不活性化効果

胞や神経線維が密集する咽頭付近も PEF により損傷をを有することが確認された．また，電界強度 1.1 kV/cm

受けることが確認された．これらの結果より，電界強度の PEF 印加 1 日後に線虫の不活性化率の変化を確認し

1.1 kV/cm にて PEF 処理を行った場合に印加 1 日後に線たところ卵，幼虫，成虫それぞれにおいて不活性化率の虫の不活性化率が増加するのは，線虫の運動機能や摂食増加が確認された．中でも成虫は不活性化率が 64.9％で機能が損傷を受けるため生命機能を維持することが困難

あり，増加の割合が最も大きく PEF 印加直後の 2 倍以になるためであることが示唆される．

PEFが線虫内ATP量に及ぼす影響

上の不活性化が確認された．この結果より，電界強度

3.4

1.1 kV/cm では幼虫・成虫は卵とは異なり即座に不活性

これまでの実験では線虫の不活性化は PEF 印加後に化される個体は少ないものの，不活性化されなかった個

顕微鏡観察により線虫の動きがあるかどうかで確認し体のうち多くは致死性の損傷を受けて時間とともに不活た．しかしながら，顕微鏡観察による確認では種々の検性化されるものと考えられる．電界強度 2.0 kV/cm にお討などを行うために必要となる多量のサンプルに対し不いても，PEF 印加 1 日後には全ての成長段階の線虫にお活性化をハイスループットに解析することは困難であいて不活性化率の増加が確認されたが，増加の割合は小る．そこで，バクテリアの不活性化をハイスループット

さい．これは電界強度 2.0 kV/cm においては線虫が損傷に評価するための手法として利用される対象生物内のを受ける場合には即座の不活性化につながるような損傷

ATP 量に着目した不活性化評価手法が線虫にも適応可能を受けるためだと考えられる．

かどうかを調べた．ATP は生体内の生体活動の指標とな

3.3 蛍光染色を用いたPEF処理で損傷を受ける線虫
細胞分布の可視化る物質で，ATP 量を測定することで純粋培養における細胞数を計測する方法もある（ルシフェール HS セット（キ2.4 で述べた方法により線虫を観察したところ，無処理でッコーマン））．用いた手法としては ATP 存在量に比例は Fig. （7 a）のように全体が黄緑色に観察された．一方，線して発色する蛍光の発光量を測定する手法を試みた．こ虫に 70％エタノールを数滴たらし，5 分ほど放置した後にの実験では Fig. 2 の実験装置の中央付近に線虫を置き，染色したものは，
赤く染色された像が観察できた（Fig. （
7 b）
）
．

PEF を印加した．予想電界強度 1.1 kV/cm および 2.0 kV/

PEF 処理により線虫がどのように損傷を受けるのか，

cm にて PEF 処理を行った線虫を用い発光量を測定した

つまり線虫のどのような部分が PEF により細胞死を引き起こすのかを，蛍光染色にて生細胞と死細胞をそれぞ

結果を Table 2 に示す．

れ黄緑色，赤色に染め分けた上で蛍光顕微鏡観察を行い

Table 2 ATP content measurement of C. elegans

確認した．この実験では Fig. 2 の実験装置の中央付近にElectric field
C. elegans
strengthform（ Applied voltage ）線虫を置き，PEF を印加した．予想電界強度 1.1 kV/cm
および 2.0 kV/cm にて PEF 処理後に蛍光染色を行った各
成長段階の線虫の蛍光顕微鏡写真を Fig. 8 に示す．
電界強度 2.0 kV/cm にて PEF 処理を行った場合には，どの成長段階の線虫においても死細胞を示す赤色蛍光が強く確認され，線虫の表層の大部分の細胞が損傷を受けていることが確認される．一方で，電界強度 1.1 kV/cm
にて PEF 処理を行った場合には，全ての成長段階の線虫において生細胞の存在を示す黄緑色の発色が部分的に確認され，表層には損傷を受けていない細胞が多く存在

control（0 kV ）
1.1 kV/cm（4.0 kV ）2.0 kV/cm（6.8 kV ）Average
RLU

Average RLU
decrease ratio

egg

3.1

－

larva

24.6

－

adult

29.5

－

egg

0.47

84.8％

larva

14.7

41.4％

adult

17.5

40.1％

egg

0.21

93.2％

larva

3.6

85.7％

adult

6.3

78.6％

高電圧パルス電界処理による線虫Caenorhabditis elegansの不活性化（大嶋 孝之ら）

51

PEF の印加により平均 RLU 値の減少が確認され，PEF（4）蛍光染色の結果から，PEF により線虫の表皮，筋感受性の高い卵では大きな減少が確認された．平均

肉，咽頭部，尾部に損傷が生じやすいことが明ら

RLU 値の減少率を Table 1 で示した不活性化率と比較すかとなった．

るとおおよそその傾向は一致しているが，致死性の傷害（5）バクテリアの不活性化評価手法として用いられるを受けながらも完全には不活性化していない個体の多い

ATP を指標とした測定法は，PEF 印加直後に不活

電界強度 1.1 kV/cm の PEF 処理においては 10％以上の性化が見られる強い電界強度での PEF 処理では，差異があり，不活性化の評価法として用いることは難し

線虫の不活性化評価手法として応用可能であるこいと考えられる．一方で PEF 印加直後に線虫の不活性とが示唆された．

化が確認される電界強度 2.0 kV/cm での PEF 処理では，
ATP 量を指標として線虫の不活性化を判断することが可

参考文献

能であることが示唆された．この実験では線虫生死の判

1） J.C. Weaver and Y.A. Chizmadzhev: Bioenerg., 41（1996）135

別の簡素化を考えた系であるが，やはり顕微鏡による直2） K. Hung, H. Tain, L. Gai and J. Wang: J. Food Eng. 111（2012）

接観察に置き換えることは難しいと考えられる．

191
3） K. Huang and J. Wang: J. Food Eng. 95（2009）227

4．結言
PEF が多細胞生物に与える影響を明らかとするためモデル生物として線虫 C. elegans を用い，不活性化に着目
し卵，幼虫，成虫の異なる成長段階への PEF 処理を行い，以下の結果を得た．
（1）PEF 処理により線虫は不活性化可能であり，不活性化に必要となる電界強度はおよそ 1.0 kV/cm であった．また，この値は一般的なバクテリアを不活性化するために必要となる電界強度 10 kV/cmに比べて小さく，線虫は PEF への感受性が高い
ことが明らかとなった．
（2）線虫の成長段階別の PEF 感受性は卵，幼虫，成虫の順に高かった．卵は電界強度 1.1 kV/cm で 92％以上が不活性化され非常に PEF 感受性が高い
ことが明らかとなった．
（3）PEF 印加後しばらくして不活性化される線虫が存在することが明らかとなり，成虫ではその傾向が強く印加 1 日後の不活性化率は印加直後の 2 倍に増加することが明らかとなった．

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