[go: up one dir, main page]

JP2015175681A - Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same - Google Patents

Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same Download PDF

Info

Publication number
JP2015175681A
JP2015175681A JP2014051135A JP2014051135A JP2015175681A JP 2015175681 A JP2015175681 A JP 2015175681A JP 2014051135 A JP2014051135 A JP 2014051135A JP 2014051135 A JP2014051135 A JP 2014051135A JP 2015175681 A JP2015175681 A JP 2015175681A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
oxygen
oxygen concentration
beads
permeable
bead
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014051135A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
利章 蒲池
Toshiaki Kamaike
利章 蒲池
健治 田畠
Kenji Tabata
健治 田畠
大輔 富岡
Daisuke Tomioka
大輔 富岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
Priority to JP2014051135A priority Critical patent/JP2015175681A/en
Publication of JP2015175681A publication Critical patent/JP2015175681A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily measure an oxygen concentration in a cell peripheral environment together with intracellular oxygen concentration.SOLUTION: The method for measuring an oxygen concentration comprises the steps of: placing oxygen permeable beads including phosphorescent dye molecules or oxygen permeable beads claimed in any of [1]-[6] in an oxygen concentration measuring object; and irradiating the oxygen permeable beads with excitation light to measure a phosphorescent lifetime or phosphorescent intensity of the phosphorescent dye molecules. An oxygen concentration in a liquid or a gas can be easily measured.

Description

本発明は、リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ及びそれを用いた酸素濃度の測定方法に関する。本発明によれば、液体又は気体中の酸素濃度を容易に測定することができる。   The present invention relates to an oxygen-permeable bead containing phosphorescent dye molecules and an oxygen concentration measurement method using the same. According to the present invention, the oxygen concentration in a liquid or gas can be easily measured.

酸素は好気呼吸を行う生物にとって非常に重要な分子である。これらの生物では、解糖系、クエン酸サイクル、電子伝達系などによって炭水化物を二酸化炭素と水に分解する。この過程で、酸素は最終電子受容体として働き、生命活動に用いるエネルギーの生産に重要な役割を果たしている。一方、酸素は高い毒性を持つ活性酸素種の生成にも関わっている。活性酸素種は、呼吸の過程で生じ、腫瘍形成や神経欠陥、早老などの障害の原因と考えられている。このように、酸素は生体で重要な役割を担っており、様々な疾患ともかかわりが深い。   Oxygen is a very important molecule for aerobic organisms. In these organisms, carbohydrates are decomposed into carbon dioxide and water by a glycolysis system, a citric acid cycle, an electron transport system, and the like. In this process, oxygen acts as the final electron acceptor and plays an important role in the production of energy used for life activities. On the other hand, oxygen is also involved in the generation of highly toxic reactive oxygen species. Reactive oxygen species are generated in the process of breathing and are considered to be the cause of disorders such as tumor formation, nerve defects and premature aging. As described above, oxygen plays an important role in the living body and is deeply related to various diseases.

「ジャーナル・オブ・ポルフィリンズ・アンド・フタロシアニンズ(Journal of Porphyrins and Phthalocyanines)」(カナダ)2007年、第11巻、p.160−164“Journal of Porphyrins and Phthalocyanines” (Canada) 2007, Vol. 11, p. 160-164 「ジャーナル・オブ・マテリアルズ・サイエンス(Journal of Materials Science)」(ドイツ)2013年、第38巻、p.4271−4282“Journal of Materials Science” (Germany) 2013, Vol. 38, p. 4271-4282

本発明者らは、細胞内にリン光性色素を取り込ませ、色素のリン光寿命を利用した顕微鏡下での酸素濃度イメージング法を開発することによって、細胞内の酸素濃度を測定することを可能にした(非特許文献1)。しかしながら、細胞周辺環境の酸素濃度測定については、適当な方法が開発されていなかった。例えば、細胞周辺環境の酸素濃度を測定する方法として、電極電流を利用した酸素センサーを用いる方法がある。電極電流を利用した酸素センサーとして、半導体表面への酸素分子の吸着による電気抵抗の変化を測定する半導体酸素センサー、ジルコニアの酸素イオン導電性を利用したジルコニア酸素センサー、酸素分子の電極での電気化学的還元による電流値を測定するクラーク型酸素電極などがある(非特許文献2)が、これらの酸素センサーは、局所的な酸素濃度しか測定できなかった。また、細胞培養用のプレートの底部にリン光性色素を塗布し、蛍光プレートリーダーによって、培地中の溶存酸素を測定できるセンサープレートが販売されている(PreSens Precision Sensing GmbH)。しかしながら、このプレートでは、リン光強度が酸素濃度のみではなく、リン光性色素の濃度にも依存するため、正確な濃度測定ができなかった。
本発明の目的は、細胞内酸素濃度と一緒に、細胞周辺環境の酸素濃度測定を容易に測定することである。
The present inventors can measure the oxygen concentration in a cell by incorporating a phosphorescent dye into the cell and developing a method for imaging oxygen concentration under a microscope using the phosphor lifetime of the dye. (Non-Patent Document 1). However, an appropriate method has not been developed for measuring the oxygen concentration in the cell surrounding environment. For example, as a method for measuring the oxygen concentration in the environment around the cell, there is a method using an oxygen sensor utilizing an electrode current. As an oxygen sensor using electrode current, a semiconductor oxygen sensor that measures changes in electrical resistance due to adsorption of oxygen molecules on the semiconductor surface, a zirconia oxygen sensor using oxygen ion conductivity of zirconia, and electrochemistry at the electrode of oxygen molecules There is a Clark-type oxygen electrode that measures the current value due to mechanical reduction (Non-patent Document 2), but these oxygen sensors can only measure local oxygen concentration. In addition, a sensor plate is commercially available in which a phosphorescent dye is applied to the bottom of a cell culture plate and dissolved oxygen in the medium can be measured with a fluorescent plate reader (PreSens Precision Sensing GmbH). However, in this plate, since the phosphorescence intensity depends not only on the oxygen concentration but also on the phosphorescent dye concentration, accurate concentration measurement cannot be performed.
An object of the present invention is to easily measure the oxygen concentration measurement in the surrounding environment together with the intracellular oxygen concentration.

本発明者は、細胞周辺環境の酸素濃度測定について、鋭意研究し、細胞培地にリン光性色素を存在させ、酸素濃度の測定を行うことを考えた。しかしながら、細胞に少量のリン光性色素を取り込ませた場合は、細胞はすぐには死滅しないが、意外なことに培地にリン光性色素を存在させると、細胞が急速に死滅することがわかった。
本発明者は、細胞周辺環境の酸素濃度測定について、更に鋭意研究した結果、驚くべきことに、リン光性色素分子を酸素透過性ビーズに含有させ、リン光性色素分子からのリン光寿命を測定することによって、細胞周辺環境の酸素濃度を、細胞を死滅させることなく測定できることを見出した。
本発明は、こうした知見に基づくものである。
従って、本発明は、
[1]リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ、
[2]酸素濃度測定用である、[1]に記載の酸素透過性ビーズ、
[3]リン光性色素分子が、白金錯体、パラジウム錯体、イリジウム錯体、ルテニウム錯体、及びオスミウム錯体からなる群から選択される金属錯体である、[1]又は[2]に記載の酸素透過性ビーズ、
[4]前記白金錯体又はパラジウム錯体の配位子が、ポルフィリン又はポルフィリン誘導体である、[3]に記載の酸素透過性ビーズ、
[5]前記酸素透過性ビーズが、ポリマービーズ又はゲルビーズである、[1]〜[4]のいずれかに記載の酸素透過性ビーズ、
[6]前記ポリマービーズがポリスチレンビーズであり、そしてリン光性色素分子が、オクタエチルポルフィリン白金錯体(Pt(II)-Octaethylporphyrin)である、[5]に記載の酸素透過性ビーズ、及び
[7][1]〜[6]のいずれかに記載の酸素透過性ビーズを、酸素濃度測定対象に載置する工程;及び酸素透過性ビーズに励起光を照射し、リン光性色素分子のリン光寿命又はリン光強度を測定する工程;を含む酸素濃度の測定方法、
に関する。
The present inventor has eagerly studied the measurement of oxygen concentration in the surrounding environment of the cells, and considered the measurement of the oxygen concentration by allowing a phosphorescent dye to be present in the cell culture medium. However, when cells are loaded with a small amount of phosphorescent dye, the cells do not die immediately, but surprisingly, the presence of the phosphorescent dye in the medium indicates that the cells die rapidly. It was.
As a result of further diligent research on the measurement of the oxygen concentration in the environment surrounding the cell, the present inventor surprisingly incorporated a phosphorescent dye molecule into the oxygen-permeable bead, and increased the phosphorescence lifetime from the phosphorescent dye molecule. It has been found that by measuring, the oxygen concentration in the environment surrounding the cell can be measured without killing the cell.
The present invention is based on these findings.
Therefore, the present invention
[1] Oxygen permeable beads containing phosphorescent dye molecules,
[2] The oxygen-permeable bead according to [1], which is used for measuring oxygen concentration,
[3] The oxygen-permeable property according to [1] or [2], wherein the phosphorescent dye molecule is a metal complex selected from the group consisting of a platinum complex, a palladium complex, an iridium complex, a ruthenium complex, and an osmium complex. beads,
[4] The oxygen-permeable bead according to [3], wherein the platinum complex or the ligand of the palladium complex is porphyrin or a porphyrin derivative,
[5] The oxygen permeable beads according to any one of [1] to [4], wherein the oxygen permeable beads are polymer beads or gel beads.
[6] The oxygen permeable beads according to [5], wherein the polymer beads are polystyrene beads, and the phosphorescent dye molecule is octaethylporphyrin platinum complex (Pt (II) -Octaethylporphyrin), and [7] ] A step of placing the oxygen permeable beads according to any one of [1] to [6] on an oxygen concentration measurement target; and irradiating the oxygen permeable beads with excitation light to phosphorescence of phosphorescent dye molecules Measuring the lifetime or phosphorescence intensity; a method for measuring oxygen concentration, comprising:
About.

本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズによれば、細胞周辺環境の酸素濃度を、細胞を死滅させることなく測定することができる。例えば、酸素消費が盛んな受精卵の周辺環境の酸素濃度も、受精卵に影響を与えずに測定することができる。また、前記ビーズを局所に散置することによって、それぞれの局所環境における酸素濃度を測定することができる。
更に、本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズは、液体中の酸素濃度だけでなく、気体中の酸素濃度を測定することも可能である。
According to the oxygen permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention, the oxygen concentration in the cell peripheral environment can be measured without killing the cell. For example, the oxygen concentration in the surrounding environment of a fertilized egg with high oxygen consumption can also be measured without affecting the fertilized egg. Further, by dispersing the beads locally, the oxygen concentration in each local environment can be measured.
Furthermore, the oxygen permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention can measure not only the oxygen concentration in the liquid but also the oxygen concentration in the gas.

リン光の発生における光励起一重項状態(Excited Single state)、光励起三重項状態(Excited Triplet state)、及び基底状態(Ground State)、並びに酸素による消光との関係を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the relationship between the photoexcited singlet state (Excited Single state), the photoexcited triplet state (Excited Triplet state), the ground state (State), and the quenching by oxygen in the generation of phosphorescence. 本発明におけるリン光寿命の測定に用いる共焦点光学顕微鏡のシステム、及び時間相関単一光子係数法によるリン光寿命の測定について、説明した図である。It is the figure explaining the measurement of the phosphorescence lifetime by the system of the confocal optical microscope used for the measurement of the phosphorescence lifetime in this invention, and the time correlation single photon coefficient method. リン光性色素分子としてPtOEP、ビーズの原料としてポリスチレン(PS)を用いて得られた、ポリスチレンビーズ(a:PS濃度1.1mg/mL)及びポリスチレンビーズ(b:PS濃度1.3mg/mL)の写真及び粒子径分布を示したグラフである。Polystyrene beads (a: PS concentration 1.1 mg / mL) and polystyrene beads (b: PS concentration 1.3 mg / mL) obtained using PtOEP as the phosphorescent dye molecule and polystyrene (PS) as the raw material of the beads It is the graph which showed the photograph of this, and particle size distribution. 本発明の酸素センシングビーズを用いて、0、1、5、10、15、及び20%の酸素濃度における、共焦点光学システムによるリン光寿命イメージング画像を示した図である。It is the figure which showed the phosphorescence lifetime imaging image by a confocal optical system in the oxygen concentration of 0, 1, 5, 10, 15, and 20% using the oxygen sensing bead of this invention. 20℃〜40℃の温度範囲における、酸素センシングビーズの酸素濃度測定の温度依存性について検討したグラフである。It is the graph which examined about the temperature dependence of the oxygen concentration measurement of an oxygen sensing bead in the temperature range of 20 degreeC-40 degreeC. 本発明の酸素センシングビーズを用い、外部からの高い酸素濃度の培地を添加した場合の酸素濃度の変化を測定したグラフである。It is the graph which measured the change of the oxygen concentration at the time of adding the culture medium of the high oxygen concentration from the outside using the oxygen sensing bead of this invention. 褐色脂肪細胞を用いた細胞内酸素濃度イメージングと、細胞周辺環境の酸素濃度のイメージングを同時に行った結果を示す写真である。It is a photograph which shows the result of having performed intracellular oxygen concentration imaging using a brown fat cell, and imaging of the oxygen concentration of a cell surrounding environment simultaneously.

[1]リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ
本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズは、励起光を照射し、リン光の強度又は寿命を測定することにより、酸素濃度の測定に用いることができる(以下、「リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ」を、便宜的に「酸素センシングビーズ」と称することがある)。なお、本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズは、前記のように酸素濃度の測定に用いることができるが、これ以外の用途に用いることを、なんら制限するものではない。
[1] Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule The oxygen permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention is irradiated with excitation light and measured for phosphorescence intensity or lifetime, thereby increasing the oxygen concentration. (Hereinafter, “oxygen-permeable beads containing phosphorescent dye molecules” may be referred to as “oxygen sensing beads” for convenience). In addition, although the oxygen-permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention can be used for the measurement of oxygen concentration as described above, it is not limited to use for other purposes.

ピレン又はピレンブタン酸などの多環式芳香族炭化水素、トリス(2,2′−ビピリジル)ルテニウム(II)などの金属錯体、ポルフィリン又はフタロシアニンなどの複素環式化合物色素分子は、光の吸収によって光励起状態となる。図1に示すように、色素分子は励起光によって光励起され、光励起一重項状態(Excited Single state)になる。光励起一重項状態の色素分子は、無放射遷移または光を放出して基底状態(Ground State)に戻る。このときの光が蛍光であり、その寿命は10−10〜10−7sと非常に短い。一方、ある種の分子は光励起一重項状態から系間交差を経て光励起三重項状態(Excited Triplet state)となる。光励起三重項状態から基底状態へ遷移するときに放出する光がリン光である。三重項状態から、一重項状態への遷移は禁制遷移であるためその確率は低く、リン光寿命は蛍光寿命よりも長い(10−5〜10−2s)という特徴がある。そのため、光励起三重項状態にある分子は、他の分子との間で電子移動、エネルギー移動などが進行する。例えば、光励起三重項状態の色素分子が酸素との間でエネルギー移動が進行すると、一重項酸素が生成する。この酸素分子へのエネルギー移動にともない、励起分子は基底状態へ戻る(消光)。このような消光現象が起こると、リン光強度やリン光寿命は減少する。すなわち、酸素が存在するとリン光が消光されることを利用して、酸素濃度を測定することが可能である。 Polycyclic aromatic hydrocarbons such as pyrene or pyrenebutanoic acid, metal complexes such as tris (2,2'-bipyridyl) ruthenium (II), heterocyclic compound dye molecules such as porphyrin or phthalocyanine are photoexcited by light absorption It becomes a state. As shown in FIG. 1, the dye molecule is photoexcited by excitation light and enters a photoexcited singlet state. The dye molecule in the photoexcited singlet state returns to the ground state by emitting a non-radiative transition or light. The light at this time is fluorescence, and its lifetime is as short as 10 −10 to 10 −7 s. On the other hand, a certain kind of molecule changes from a photoexcited singlet state to a photoexcited triplet state through intersystem crossing. The light emitted when transitioning from the photoexcited triplet state to the ground state is phosphorescence. Since the transition from the triplet state to the singlet state is a forbidden transition, the probability thereof is low, and the phosphorescence lifetime is longer than the fluorescence lifetime (10 −5 to 10 −2 s). Therefore, a molecule in a photoexcited triplet state undergoes electron transfer, energy transfer, and the like with another molecule. For example, when energy transfer proceeds between oxygen molecules in a photoexcited triplet state, singlet oxygen is generated. Along with this energy transfer to the oxygen molecule, the excited molecule returns to the ground state (quenching). When such a quenching phenomenon occurs, phosphorescence intensity and phosphorescence lifetime decrease. That is, it is possible to measure the oxygen concentration using the fact that phosphorescence is quenched when oxygen is present.

《リン光性色素分子》
本発明の酸素センシングビーズに含まれるリン光性色素分子は、光励起によりリン光を放出する限りにおいて、限定されるものではないが、ピレン若しくはピレンブタン酸などの多環式芳香族炭化水素、ポルフィリン若しくはフタロシアニンなどの複素環式化合物色素分子、シリコーン錯体、あるいは白金錯体、パラジウム錯体、イリジウム錯体、ルテニウム錯体、オスミウム錯体、アルミニウム錯体、銅錯体、ロジウム錯体、銀錯体、金錯体、亜鉛錯体、レニウム錯体、ユーロピウム錯体又はそれらの混合物を挙げることができるが、特には白金錯体、又はパラジウム錯体が好ましい。
<Phosphorescent dye molecule>
The phosphorescent dye molecule contained in the oxygen sensing beads of the present invention is not limited as long as it emits phosphorescence by photoexcitation, but is not limited to polycyclic aromatic hydrocarbons such as pyrene or pyrenebutanoic acid, porphyrin or Heterocyclic compound dye molecules such as phthalocyanine, silicone complexes, platinum complexes, palladium complexes, iridium complexes, ruthenium complexes, osmium complexes, aluminum complexes, copper complexes, rhodium complexes, silver complexes, gold complexes, zinc complexes, rhenium complexes, A europium complex or a mixture thereof can be mentioned, but a platinum complex or a palladium complex is particularly preferable.

例えば、白金錯体、又はパラジウム錯体の配位子としては、ポルフィリン若しくはポルフィリン誘導体、又はピリジン誘導体を挙げることができるが好ましくはポルフィリン誘導体である。ポルフィリン若しくはポルフィリン誘導体白金錯体(以下、まとめて「ポルフィリン白金錯体」と称する)、又はポルフィリン若しくはポルフィリン誘導体パラジウム錯体(以下、まとめて「ポルフィリンイリジウム錯体」と称する)は、常温でリン光を発生することができる。従って、細胞周辺環境の酸素濃度を測定する観点から、ポルフィリン白金錯体又はポルフィリンイリジウム錯体が好ましい。
ポルフィリン誘導体としては、白金又はパラジウムと配位し、錯体を形成できる限りにおいて、限定されるものではないが、テトラベンゾポルフィリン、テトラナフトポルフィリン、テトラアントラポルフィリン、テトラフルオロフェニルポルフィリン、メソーテトラキス(カルボキシフェニル)ポルフィリン、又はオクタエチルポルフィリンを挙げることができる。これらの配位子と、白金又はパラジウムとからなる金属錯体をリン光性色素分子として用いることができるが、例えば本発明の酸素センシングビーズを後述の液中乾燥法により調製する観点からは、有機溶媒に溶解しやすいポルフィリン誘導体が好ましく、例えば下記式(1)で表されるPt(II)−オクタエチルポルフィリン(PtOEP)が好ましい。
For example, as a ligand of a platinum complex or a palladium complex, a porphyrin, a porphyrin derivative, or a pyridine derivative can be exemplified, but a porphyrin derivative is preferable. Porphyrin or porphyrin derivative platinum complex (hereinafter collectively referred to as “porphyrin platinum complex”), or porphyrin or porphyrin derivative palladium complex (hereinafter collectively referred to as “porphyrin iridium complex”) emits phosphorescence at room temperature. Can do. Therefore, a porphyrin platinum complex or a porphyrin iridium complex is preferable from the viewpoint of measuring the oxygen concentration in the cell surrounding environment.
The porphyrin derivative is not limited as long as it can coordinate with platinum or palladium to form a complex. Tetrabenzoporphyrin, tetranaphthoporphyrin, tetraanthraporphyrin, tetrafluorophenylporphyrin, mesotetrakis (carboxy) Phenyl) porphyrin or octaethylporphyrin. A metal complex composed of these ligands and platinum or palladium can be used as a phosphorescent dye molecule. For example, from the viewpoint of preparing the oxygen sensing beads of the present invention by the below-mentioned liquid drying method, organic A porphyrin derivative that is easily dissolved in a solvent is preferable, and for example, Pt (II) -octaethylporphyrin (PtOEP) represented by the following formula (1) is preferable.

一方、細胞内の酸素濃度を測定する場合には、水溶性のポルフィリン白金錯体又はポルフィリンイリジウム錯体が好ましい。水溶性のポルフィリン白金錯体として、例えば下記式(2)で表されるPt(II)−メソ−テトラキス(カルボキシフェニル)ポルフィリン(PtTCPP)を挙げることができる。
On the other hand, when measuring intracellular oxygen concentration, a water-soluble porphyrin platinum complex or porphyrin iridium complex is preferable. Examples of the water-soluble porphyrin platinum complex include Pt (II) -meso-tetrakis (carboxyphenyl) porphyrin (PtTCPP) represented by the following formula (2).

例えば、イリジウム錯体の配位子としては、2−フェニルピリジン誘導体、ビピリジン誘導体を挙げることができる。   For example, examples of the ligand of the iridium complex include a 2-phenylpyridine derivative and a bipyridine derivative.

例えば、ルテニウム錯体の配位子としては、ビピリジン誘導体、フェナンスロリン誘導体を挙げることができる。   For example, examples of the ligand of the ruthenium complex include a bipyridine derivative and a phenanthroline derivative.

例えば、オスミウム錯体の配位子としては、ビピリジン誘導体、フェナンスロリン誘導体、カルボニル誘導体を挙げることができる。   For example, examples of the ligand of the osmium complex include a bipyridine derivative, a phenanthroline derivative, and a carbonyl derivative.

《酸素透過性ビーズ》
前記リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズは、酸素透過性である限りにおいて限定されるものではないが、ポリマービーズ、又はゲルビーズを挙げることができるが、ポリマービーズ、又はゲルビーズは、生体適合性が高いため、本発明に好ましく用いることができる。なお、本明細書において、ゲルビーズはシリカゲル又はアルミナを含む。
《Oxygen permeable beads》
The oxygen permeable bead containing the phosphorescent dye molecule is not limited as long as it is oxygen permeable, and may include a polymer bead or a gel bead, but the polymer bead or the gel bead is biocompatible. Since it has high property, it can be preferably used in the present invention. In this specification, gel beads include silica gel or alumina.

前記ポリマービーズの原料となるポリマーとしては、ポリスチレン、臭化ポリスチレン、ポリアクリル酸、ポリアクリロニトリル、ポリアミド、ポリアクリルアミド、ポリアクロレイン、ポリブタジエン、ポリカプロラクトン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリジメチルシロキサン、ポリイソプレン、ポリウレタン、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリビニルピリジン、ポリ塩化ビニルベンジル、ポリビニルトルエン、ポリ塩化ビニリデン、ポリジビニルベンゼン、ポリメチルメタクリレート、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリ(乳酸−co−グリコール酸)、ポリ無水物、ポリオルトエステル、ポリホスファゼン、ポリスルホン、ポリトリメチルシリルプロピン及びそれらの組み合わせ、並びにコポリマーからなる群より選択されるポリマーを挙げることができるが、好ましくはポリスチレン、又はポリトリメチルシリルプロピンである。   Examples of the polymer beads used as a raw material include polystyrene, polystyrene bromide, polyacrylic acid, polyacrylonitrile, polyamide, polyacrylamide, polyacrolein, polybutadiene, polycaprolactone, polycarbonate, polyester, polyethylene, polyethylene terephthalate, polydimethylsiloxane, Polyisoprene, polyurethane, polyvinyl acetate, polyvinyl chloride, polyvinyl pyridine, polyvinyl benzyl chloride, polyvinyl toluene, polyvinylidene chloride, polydivinylbenzene, polymethyl methacrylate, polylactic acid, polyglycolic acid, poly (lactic acid-co-glycol Acid), polyanhydride, polyorthoester, polyphosphazene, polysulfone, polytrimethylsilylpropyne and combinations thereof Align, and can be exemplified a polymer selected from the group consisting of a copolymer, preferably polystyrene, or poly trimethylsilyl propyne.

《リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズの製造方法》
本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズは、リン光性色素分子をビーズに含有させることを除いては、公知の方法によって製造することができる。
<< Method for producing oxygen-permeable bead containing phosphorescent dye molecule >>
The oxygen-permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention can be produced by a known method, except that the phosphorescent dye molecule is contained in the bead.

例えば、ポリマービーズの調整法としては、液中乾燥法、コアセルベーション法、噴霧乾燥法、in situ重合法、又は界面重合法を挙げることができ、低コストかつ短時間でビーズを調製することができることから液中乾燥法が好ましい。   For example, methods for preparing polymer beads can include in-liquid drying methods, coacervation methods, spray drying methods, in situ polymerization methods, or interfacial polymerization methods. Prepare beads at low cost and in a short time. Therefore, the in-liquid drying method is preferable.

液中乾燥法は、低沸点の有機溶媒にポリマーおよび芯物質を溶解し、親水性コロイドまたは活性剤を含む連続相中に加えて安定なO/Wエマルジョンを形成させた後に、減圧または加熱によって有機溶媒を除去して皮膜を作る方法である。具体的には、ビーズを形成するポリマーを溶解した溶液を、相溶性のない溶媒に添加・混合する。その後、ポリマーを溶解している溶媒を蒸発・除去することによって、溶解していたポリマーが析出しながら球状のビーズが形成することができる。   In the liquid drying method, the polymer and the core substance are dissolved in an organic solvent having a low boiling point and added to a continuous phase containing a hydrophilic colloid or an active agent to form a stable O / W emulsion, followed by reduced pressure or heating. In this method, a film is formed by removing the organic solvent. Specifically, a solution in which the polymer forming the beads is dissolved is added to and mixed with an incompatible solvent. Thereafter, by evaporating and removing the solvent dissolving the polymer, spherical beads can be formed while the dissolved polymer is precipitated.

コアセルベーション法は、相分離とそれに基づく界面化学的な変化を利用する方法である。例えば、ビーズ壁を形成する物質を油相に溶解し、ここに芯物質となる水相をはげしい攪拌によって微小滴とし分散させる。このようなW/O分散系の油相にカプセル壁物質をよく溶かすことのできない液体(貧溶媒)を注入することによって、壁物質の溶解度が低下し、壁物質が微小滴をとり囲むように析出し、ビーズを形成することができる。   The coacervation method uses phase separation and interfacial chemical changes. For example, a substance that forms a bead wall is dissolved in an oil phase, and an aqueous phase serving as a core substance is dispersed therein as fine droplets by vigorous stirring. By injecting a liquid (poor solvent) that cannot dissolve the capsule wall material well into the oil phase of such a W / O dispersion, the solubility of the wall material is lowered and the wall material surrounds the microdroplets. Precipitate and form beads.

噴霧乾燥法は、芯物質(微粒子の固体や液体)を,ビーズ壁となる物質を溶かした液体に投入し、噴霧状にして,熱風中に吹き出す。これによって、ビーズ壁物質を溶かしている液体が蒸発するためにビーズ壁物質が残り,ビーズを形成することができる。   In the spray drying method, a core material (solid or liquid of fine particles) is poured into a liquid in which a substance that becomes a bead wall is dissolved, sprayed, and blown into hot air. As a result, since the liquid dissolving the bead wall material evaporates, the bead wall material remains, and beads can be formed.

界面重合法は界面における重合反応をビーズ形成に利用するものである。例えば、油溶性モノマーとしては酸クロライド、セバコイルクロライド、テレフタル酸クロライド、水溶性モノマーとしてポリアミン、ポリフェノールを用い、ビーズ壁物質としてポリアミドやポリエーテルを用いて重合反応を起こすことによってビーズを形成することができる。   The interfacial polymerization method uses a polymerization reaction at the interface for forming beads. For example, acid beads, sebacoyl chloride, terephthalic acid chloride are used as oil-soluble monomers, polyamines and polyphenols are used as water-soluble monomers, and beads are formed by causing a polymerization reaction using polyamide or polyether as bead wall materials. Can do.

In situ重合法は、外殻用樹脂の原料モノマー、開始剤等を、分散相の内相または外相の一方から供給し、重合により外殻を形成してビーズを得ることができる。   In the in situ polymerization method, raw material monomers, initiators, and the like of the resin for the outer shell can be supplied from either the inner phase or the outer phase of the dispersed phase, and the outer shell can be formed by polymerization to obtain beads.

本発明のビーズの粒径(直径)は、酸素濃度の測定ができる限りにおいて、特に限定されるものではなく、酸素濃度を測定する局所環境に応じて、適宜決定することができる。例えば、細胞内の酸素濃度と培地の酸素濃度とを同時に測定したい場合は、細胞程度の大きさを有していることが好ましく、例えば直径7μm以上が好ましい。また、6μm以下のビーズは、培地中では動きやすいため、リン光寿命の測定が困難になる場合がある。この点からも直径7μm以上のビーズが好ましい。また、粒径の上限は、特に限定されるものではないが、酸素透過性の観点から100μm以下が好ましく、50μm以下が更に好ましい。   The particle size (diameter) of the beads of the present invention is not particularly limited as long as the oxygen concentration can be measured, and can be determined as appropriate according to the local environment in which the oxygen concentration is measured. For example, when it is desired to measure the oxygen concentration in the cell and the oxygen concentration in the medium at the same time, the cell preferably has a cell size, for example, a diameter of 7 μm or more is preferable. In addition, beads having a size of 6 μm or less are likely to move in the culture medium, which may make it difficult to measure the phosphorescence lifetime. Also in this respect, beads having a diameter of 7 μm or more are preferable. Further, the upper limit of the particle diameter is not particularly limited, but is preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less from the viewpoint of oxygen permeability.

ビーズに含まれるリン光性色素分子の含有量(濃度)は、リン光性色素分子の種類、及び酸素濃度を測定する局所環境に応じて適宜、変更することが可能であるが、例えば細胞内の酸素濃度と培地中の酸素濃度を比較する場合は、同程度のりん光の発光強度が得られることが好ましい。このようなりん光強度とするために、リン光性色素分子の含有量(濃度)を調節することは、過度の負担なく行うことができる。   The content (concentration) of the phosphorescent dye molecule contained in the beads can be appropriately changed according to the type of the phosphorescent dye molecule and the local environment for measuring the oxygen concentration. When the oxygen concentration in the medium is compared with the oxygen concentration in the culture medium, it is preferable that the same phosphorescence emission intensity can be obtained. In order to obtain such phosphorescence intensity, the content (concentration) of phosphorescent dye molecules can be adjusted without excessive burden.

本明細書における「酸素透過性」は、酸素濃度の測定が可能な限りにおいて、特に限定されるものではない。   The “oxygen permeability” in the present specification is not particularly limited as long as the oxygen concentration can be measured.

[2]酸素濃度の測定方法
本発明の酸素濃度の測定方法は、前記酸素透過性ビーズを、酸素濃度測定対象に載置する工程;及び酸素透過性ビーズに励起光を照射し、リン光性色素分子のリン光強度又はリン光寿命を測定する工程;を含む。
[2] Method for Measuring Oxygen Concentration The method for measuring the oxygen concentration according to the present invention comprises a step of placing the oxygen permeable beads on an oxygen concentration measurement target; and irradiating the oxygen permeable beads with excitation light to obtain phosphorescence. Measuring the phosphorescence intensity or phosphorescence lifetime of the dye molecule.

《載置工程》
本発明の酸素濃度の測定方法においては、酸素透過性ビーズを、酸素濃度測定対象に載置する。
本明細書において「酸素透過性ビーズを、酸素濃度測定対象に載置する」とは、酸素透過性ビーズを測定対象に置くことを意味し、例えば測定対象が細胞培養用培地であれば、細胞培養用培地に投入することを意味し、酸素透過性ビーズの周囲の培地の酸素濃度を測定することができる。また、例えば測定対象が密封された気体であれば、その気体中に投入することを意味し、酸素透過性ビーズの周囲の気体の酸素濃度を測定することができる。
<< Placement process >>
In the method for measuring oxygen concentration according to the present invention, oxygen permeable beads are placed on an oxygen concentration measurement target.
In this specification, “place oxygen permeable beads on an oxygen concentration measurement target” means placing oxygen permeable beads on a measurement target. For example, if the measurement target is a cell culture medium, This means that it is put into a culture medium, and the oxygen concentration of the medium around the oxygen permeable beads can be measured. Further, for example, if the measurement target is a sealed gas, it means that the gas is introduced into the gas, and the oxygen concentration of the gas around the oxygen permeable beads can be measured.

酸素濃度測定対象は、特に限定されることはなく、例えば液相又は気相の酸素濃度を測定することが可能である。液相としては、細胞培養用培地を挙げることができる。   The oxygen concentration measurement target is not particularly limited. For example, the oxygen concentration in the liquid phase or the gas phase can be measured. An example of the liquid phase is a cell culture medium.

《測定工程》
測定工程においては、酸素透過性ビーズに励起光を照射し、リン光性色素分子のリン光寿命又はリン光強度を測定する。
リン光寿命の測定は、例えばZ軸分解能を有する共焦点光学顕微鏡を用いて行うことができる。図2に示すように、酸素透過性ビーズにパルスレーザーにより励起光を照射し、リン光の寿命を検出器によって検出する。具体的には、リン光寿命の測定は、時間相関単一光子係数法を用いて行う。時間相関単一光子係数法は、一回の励起事象による光子一個の発光確率分布が、励起によって発する全光子の時間軸上での実際の強度分布になるという概念に基づく寿命測定法である。パルス光源を単一光子係数レベルになるように光量を調節し、試料を励起し、生じた光子を光電子増倍管(PMT)で検出する。このとき、パルス光源と同期した信号がスタート信号、PMTで光子を検出したときに出る信号がストップ信号となる。時間電圧変換器(TAC)は、この二つの信号を検出し、その時間に比例した大きさの電圧パルスを出力する。この電圧パルスを波高分析器(PHA)で検出することで、光子の到着時間を求める。こうして得られた光子到着時間確率分布を解析し、リン光寿命を導き出すことができる。
<< Measurement process >>
In the measuring step, the oxygen permeable beads are irradiated with excitation light, and the phosphorescence lifetime or phosphorescence intensity of the phosphorescent dye molecules is measured.
The phosphorescence lifetime can be measured using, for example, a confocal optical microscope having a Z-axis resolution. As shown in FIG. 2, the oxygen permeable beads are irradiated with excitation light by a pulse laser, and the lifetime of phosphorescence is detected by a detector. Specifically, the phosphorescence lifetime is measured using a time correlated single photon coefficient method. The time-correlated single photon coefficient method is a lifetime measurement method based on the concept that the emission probability distribution of one photon by one excitation event becomes an actual intensity distribution on the time axis of all photons emitted by excitation. The amount of light is adjusted so that the pulsed light source has a single photon coefficient level, the sample is excited, and the generated photons are detected by a photomultiplier tube (PMT). At this time, a signal synchronized with the pulse light source is a start signal, and a signal output when a photon is detected by the PMT is a stop signal. The time voltage converter (TAC) detects these two signals and outputs a voltage pulse having a magnitude proportional to the time. The voltage pulse is detected by a pulse height analyzer (PHA) to obtain the arrival time of the photon. By analyzing the photon arrival time probability distribution thus obtained, the phosphorescence lifetime can be derived.

リン光強度の測定は、一般的な蛍光顕微鏡を用いて行うことができる。リン光寿命の測定と同じように、酸素透過性ビーズを励起し、リン光の強度を検出器によって検出する。   The phosphorescence intensity can be measured using a general fluorescence microscope. Similar to the measurement of phosphorescence lifetime, the oxygen permeable beads are excited and the intensity of phosphorescence is detected by a detector.

本発明の酸素濃度の測定方法における測定温度は、特に限定されるものではなく、測定環境に応じて、所望の測定温度で測定することができる。例えば、細胞培養における培地の酸素濃度を測定する場合、一般的に培養温度として、10〜40℃程度の温度範囲を用いること多く、そのような測定温度で測定する。後述の実施例に示すように、本発明の酸素濃度の測定方法は温度変化の影響を受けにくいものであり、広い範囲の測定温度で、酸素濃度を測定することができる。   The measurement temperature in the oxygen concentration measurement method of the present invention is not particularly limited, and can be measured at a desired measurement temperature according to the measurement environment. For example, when measuring the oxygen concentration of a medium in cell culture, generally, a temperature range of about 10 to 40 ° C. is often used as the culture temperature, and measurement is performed at such a measurement temperature. As shown in the examples described later, the method for measuring oxygen concentration of the present invention is not easily affected by temperature changes, and can measure oxygen concentration at a wide range of measurement temperatures.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、これらは本発明の範囲を限定するものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be specifically described by way of examples, but these do not limit the scope of the present invention.

《実施例1》
本実施例では、リン光性色素分子としてPt(II)−オクタエチルポルフィリン(PtOEP)を、ビーズの原料としてポリスチレン(PS)を用いて、液中乾燥法により、酸素センシングビーズを調製した。
ジクロロメタンに、PtOEPを終濃度が6.5μM、PSの終濃度が1.1mg/mL又は1.3mg/mLとなるように溶解し、PtOEP−PS混合溶液を得た。1Lビーカーに、5g/LのPVA水溶液700mL及びジクロロメタン130mLを加え激しく攪拌した。この撹拌によって、PtOEP及びPSの混合溶液からのジクロロメタンの蒸発速度を制御した。前記PVA−ジクロロメタン溶液に、PtOEP−PS混合溶液10mLを液滴が生じる速度で素早く滴下した。遮光下で20時間攪拌することによって、懸濁液中のジクロロメタンを蒸発させた。遠心分離(3500xg、5min)により沈殿物を回収し、RO水で洗浄することによってPtOEPを内包したポリスチレンビーズを得た。図3(a)にPS濃度が1.1mg/mLで得られたポリスチレンビーズ(a)を示し、図3(b)にPS濃度が1.3mg/mLで得られたポリスチレンビーズ(b)を示す。
ポリスチレンビーズ(a)の粒子径は2−10μmに分布し、平均粒子径は4μmであった。ポリスチレンビーズ(b)の粒子径は2−12μmに分布し、平均粒子径は7μmだった。PSの濃度を変化させることにより、粒子径を制御することができた。顕微鏡での観察から、6μm以下の粒子は溶液添加などの外部刺激により動きやすく、外部刺激に応答した細胞内の酸素濃度変化を観察するためには適さないと考えられた。このため、実施例2以降では、平均粒子径7μmの酸素センシングビーズを使用した。
Example 1
In this example, oxygen sensing beads were prepared by submerged drying using Pt (II) -octaethylporphyrin (PtOEP) as the phosphorescent dye molecule and polystyrene (PS) as the raw material for the beads.
PtOEP was dissolved in dichloromethane so that the final concentration was 6.5 μM and the final concentration of PS was 1.1 mg / mL or 1.3 mg / mL to obtain a PtOEP-PS mixed solution. To a 1 L beaker, 700 mL of a 5 g / L PVA aqueous solution and 130 mL of dichloromethane were added and vigorously stirred. By this stirring, the evaporation rate of dichloromethane from the mixed solution of PtOEP and PS was controlled. To the PVA-dichloromethane solution, 10 mL of the PtOEP-PS mixed solution was quickly added dropwise at a speed at which droplets were generated. Dichloromethane in the suspension was evaporated by stirring for 20 hours in the dark. The precipitate was collected by centrifugation (3500 × g, 5 min) and washed with RO water to obtain polystyrene beads containing PtOEP. FIG. 3 (a) shows polystyrene beads (a) obtained at a PS concentration of 1.1 mg / mL, and FIG. 3 (b) shows polystyrene beads (b) obtained at a PS concentration of 1.3 mg / mL. Show.
The particle size of the polystyrene beads (a) was distributed in 2-10 μm, and the average particle size was 4 μm. The particle size of the polystyrene beads (b) was distributed between 2 and 12 μm, and the average particle size was 7 μm. The particle diameter could be controlled by changing the PS concentration. From observation with a microscope, it was considered that particles of 6 μm or less are easily moved by external stimulation such as addition of a solution and are not suitable for observing changes in intracellular oxygen concentration in response to external stimulation. For this reason, in Example 2 and later, oxygen sensing beads having an average particle diameter of 7 μm were used.

《実施例2》
本実施例では、実施例1で製造した酸素センシングビーズを用いて、細胞培養用の培地の酸素濃度を測定した。
細胞培養ステージにRO水を注入し、酸素濃度を0、1、5、10、15、及び20%に調整した。酸素濃度0%は、細胞培養ステージ内に100%窒素ガス噴射下により制御し、1〜20%の酸素濃度はガス混合装置を用いて制御した。なお、CO濃度は5%に制御した。
細胞培養ステージに酸素センシングビーズを投入し、以下の共焦点光学システムにより、リン光寿命を測定した。
(共焦点光学システム)
Becker&Hickl社製2チャンネル共焦点ガルバノスキャナーユニット(DCS-120sci)、ガルバノスキャナー電源・信号増幅ユニット(GDA-120)、シングルフォトンカウンティングPMT検出器(HPM-100-40)、ピコ秒パルス半導体レーザー(BDL-405-SMC)、時間相関シングルフォトンカウンティングユニット(SIMPLE-TAU-150-DX)、イメージ解析用ソフトウェア(SPC-image)、ガルバノスキャナー制御モジュール(GVD-120)、検出器制御モジュール(DCC-100)、ケーブル、接続BOXセット(CSET-DCS-BOX-150)、対物レンズ用ピエゾアクチュエーター(Miops100PLSG-TII)
Example 2
In this example, the oxygen concentration of the culture medium for cell culture was measured using the oxygen sensing beads produced in Example 1.
RO water was injected into the cell culture stage, and the oxygen concentration was adjusted to 0, 1, 5, 10, 15, and 20%. The oxygen concentration of 0% was controlled by injecting 100% nitrogen gas into the cell culture stage, and the oxygen concentration of 1 to 20% was controlled using a gas mixing device. The CO 2 concentration was controlled to 5%.
Oxygen sensing beads were introduced into the cell culture stage, and the phosphorescence lifetime was measured with the following confocal optical system.
(Confocal optical system)
Becker & Hickl 2 channel confocal galvano scanner unit (DCS-120sci), galvano scanner power and signal amplification unit (GDA-120), single photon counting PMT detector (HPM-100-40), picosecond pulse semiconductor laser (BDL) -405-SMC), time-correlated single photon counting unit (SIMPLE-TAU-150-DX), image analysis software (SPC-image), galvano scanner control module (GVD-120), detector control module (DCC-100) ), Cable, connection box set (CSET-DCS-BOX-150), piezo actuator for objective lens (Miops100PLSG-TII)

RO水中での酸素センシングビーズの各酸素濃度でのリン光寿命イメージを図4に示した。本共焦点光学システムによるリン光寿命イメージング画像では、リン光寿命に応じた疑似カラーで表現され、リン光寿命が短寿命のものは赤く、長寿命のものは青く表現されている。図4の画像は、リン光寿命が10−70μsの箇所を赤色〜青色で表示しており、リン光寿命が短寿命であるほど酸素濃度が高いことを示している。従って、リン光寿命イメージング画像では、高酸素濃度の領域は赤く、低酸素濃度の領域は青く表現されている。図4に示されているように、低酸素下のビーズは青く、酸素濃度が上昇するにしたがって赤くなり、本発明によって、液体中の酸素濃度が測定可能であること示された。   The phosphorescence lifetime image in each oxygen concentration of the oxygen sensing bead in RO water was shown in FIG. In the phosphorescence lifetime imaging image by this confocal optical system, it is expressed in a pseudo color corresponding to the phosphorescence lifetime, and the phosphorescence lifetime is expressed in red while the long lifetime is expressed in blue. The image of FIG. 4 displays a portion having a phosphorescence lifetime of 10-70 μs in red to blue, and indicates that the shorter the phosphorescence lifetime, the higher the oxygen concentration. Therefore, in the phosphorescence lifetime imaging image, the high oxygen concentration region is expressed in red, and the low oxygen concentration region is expressed in blue. As shown in FIG. 4, the hypoxic beads are blue and red as the oxygen concentration is increased, indicating that the oxygen concentration in the liquid can be measured by the present invention.

《実施例3》
本実施例では、酸素センシングビーズの酸素濃度測定の温度依存性について検討した。
RO水の温度を20℃〜40℃の範囲としたことを除いては、実施例2の操作を繰り返した。なお、酸素濃度は大気圧の20%とした。結果を図5に示す。
20〜40℃の温度範囲において、酸素センシングビーズのリン光寿命は温度に依存しなかった。すなわち、酸素センシングビーズを用いた酸素濃度測定は、20〜40℃の温度域では、温度に依存しない測定が可能である。従って、薬剤添加などの際に微小な温度変化があっても、酸素センシングビーズを用いた酸素濃度測定法は有効である。
Example 3
In this example, the temperature dependence of oxygen concentration measurement of oxygen sensing beads was examined.
The operation of Example 2 was repeated except that the temperature of the RO water was in the range of 20 ° C to 40 ° C. The oxygen concentration was 20% of atmospheric pressure. The results are shown in FIG.
In the temperature range of 20-40 ° C., the phosphorescence lifetime of the oxygen sensing beads was independent of temperature. That is, the oxygen concentration measurement using the oxygen sensing beads can be performed without depending on the temperature in the temperature range of 20 to 40 ° C. Therefore, the oxygen concentration measurement method using the oxygen sensing beads is effective even when there is a minute temperature change during drug addition.

《実施例4》
本実施例では、外部からの培地を添加する場合の酸素濃度の変化を測定した。すなわち、あらかじめ低酸素にした培地内に、新たに培地を添加することによる培地内酸素濃度変化を測定した。酸素センシングビーズを含む培地を添加した8ウエルカバーグラスチェンバーを、5%CO、10%Oに制御した細胞培養ステージ内で1時間インキュベートした。このチェンバーの培地に、細胞培養ステージ内でインキュベートしていない培地を送液した。リン光寿命の測定は、実施例2の操作を繰り返した。結果を図6に示す。
送液により、培地内の酸素センシングビーズのリン光寿命は一時的に短くなり、その後長くなった。この結果から、培地内酸素濃度は空気飽和の培地の送液により、酸素濃度が一端上昇し、その後、時間経過に従い初期の酸素濃度に戻っていった。これらの結果から、低酸素化においた培地に、大気下の培地を新たに添加することで酸素濃度が上昇することを、本発明の酸素センシングビーズでモニタリングすることが可能であった。
Example 4
In this example, the change in oxygen concentration when an external medium was added was measured. That is, the change in oxygen concentration in the medium due to the addition of a new medium in the medium that had previously been hypoxic was measured. An 8-well cover glass chamber supplemented with medium containing oxygen sensing beads was incubated for 1 hour in a cell culture stage controlled to 5% CO 2 , 10% O 2 . A medium not incubated in the cell culture stage was fed to the medium of the chamber. For the measurement of phosphorescence lifetime, the operation of Example 2 was repeated. The results are shown in FIG.
By sending the solution, the phosphorescence lifetime of the oxygen sensing beads in the medium was temporarily shortened and then increased. From this result, the oxygen concentration in the medium increased once due to the feeding of the air-saturated medium, and then returned to the initial oxygen concentration over time. From these results, it was possible to monitor with the oxygen sensing beads of the present invention that the oxygen concentration increased by newly adding a medium in the atmosphere to a medium that had been hypoxic.

《実施例5》
本実施例では、褐色脂肪細胞を用い、細胞内酸素濃度イメージングと、細胞周辺環境の酸素濃度のイメージングを同時に行った。
ディープフリーザーで保存した3代目ラット褐色脂肪前駆体細胞を、コラーゲンコートした8ウエルカバーグラスチェンバーに細胞密度2x10cell/cmで播種し、5%CO雰囲気下、37℃で培養した。培養1日後、増殖培地に培地交換し、90%コンフルエントになったことを確認し、更に分化誘導用培地に培地交換した。分化誘導用培地には、増殖用培地に25μMデキサメタゾン、10μg/mLインシュリンを添加したものを用いた。分化誘導用培地で2日間培養後、維持培地に交換した。維持培地には、増殖用培地に10μg/mLインシュリンを添加したものを用いた。維持培地に交換後、5〜7日間培養を行い実験に使用した。
分化誘導を行った褐色脂肪細胞の中で、十分脂肪滴を蓄積させた細胞を用いた。PBS(pH7.4)で二回洗浄した後、10μMのPt(II)−メソ−テトラキス(カルボキシフェニル)ポルフィリン(PtTCPP)を含むフェノールレッド不含DMEM培地(高グルコース)を各ウエルに350μLずつ添加し、2時間、37℃、5%CO環境下でインキュベートした。その後、PtTCPP含有培地を捨て、再びPBS(pH7.4)で洗浄した後、フェノールレッド不含DMEM培地を200μL添加した。さらに1mg/mL酸素センシングビーズ含有DMEM培地50μLを添加し、褐色脂肪細胞及び酸素センシングビーズのリン光寿命を観察した。リン光寿命の測定は、実施例2と同じように行った。結果を図7に示す。
Example 5
In this example, brown adipocytes were used, and intracellular oxygen concentration imaging and oxygen concentration imaging of the cell peripheral environment were simultaneously performed.
The third-generation rat brown fat precursor cells stored in the deep freezer were seeded at a cell density of 2 × 10 3 cells / cm 2 in a collagen-coated 8-well cover glass chamber and cultured at 37 ° C. in a 5% CO 2 atmosphere. One day after the culture, the medium was replaced with a growth medium, and it was confirmed that the medium was 90% confluent. Then, the medium was replaced with a medium for induction of differentiation. As a differentiation induction medium, a growth medium supplemented with 25 μM dexamethasone and 10 μg / mL insulin was used. After culturing in a differentiation-inducing medium for 2 days, the medium was replaced with a maintenance medium. The maintenance medium used was a growth medium supplemented with 10 μg / mL insulin. After changing to the maintenance medium, the cells were cultured for 5 to 7 days and used for experiments.
Among the brown adipocytes in which differentiation was induced, cells in which fat droplets were sufficiently accumulated were used. After washing twice with PBS (pH 7.4), 350 μL of phenol red-free DMEM medium (high glucose) containing 10 μM Pt (II) -meso-tetrakis (carboxyphenyl) porphyrin (PtTCPP) was added to each well. And incubated for 2 hours at 37 ° C. in a 5% CO 2 environment. Thereafter, the PtTCPP-containing medium was discarded, washed again with PBS (pH 7.4), and then 200 μL of phenol red-free DMEM medium was added. Furthermore, 50 μL of 1 mg / mL oxygen sensing bead-containing DMEM medium was added, and phosphorescence lifetimes of brown adipocytes and oxygen sensing beads were observed. The phosphorescence lifetime was measured in the same manner as in Example 2. The results are shown in FIG.

図7の左の写真には、酸素センシングビーズ、分化の進んだ褐色脂肪細胞、及び分化が進んでいない褐色脂肪細胞が確認される。分化の進んだ褐色脂肪細胞は、細胞内部に脂肪滴が蓄積されており、分化が進んでいない褐色脂肪細胞は脂肪滴がないのが分かる。脂肪滴にはPtTCPPは取り込まれず、発光が見られず黒く抜けているが、細胞内および酸素センシングビーズからのリン光が観察された。また、分化が進んでおらず脂肪滴がない細胞に比べ、分化が進み大きな脂肪滴を蓄積している細胞は、リン光寿命が長くなっている。この結果から、分化が進んでいる細胞は細胞内酸素濃度が低くなることが分かった。また、細胞近傍の酸素センシングビーズのリン光寿命は15−17μsであった。この値は、20%O下の培地中の酸素センシングビーズのリン光寿命と等しく、褐色脂肪細胞を培養している培地中の酸素濃度は、20%O下での培地内酸素濃度と変わらなかった。従って、細胞周辺環境酸素濃度イメージング及び細胞内酸素濃度イメージングの同時測定法が可能であった。 In the left photograph of FIG. 7, oxygen sensing beads, well-differentiated brown adipocytes, and undifferentiated brown adipocytes are confirmed. It can be seen that brown adipocytes with advanced differentiation have lipid droplets accumulated inside the cells, and brown adipocytes with poor differentiation do not have lipid droplets. PtTCPP was not taken into the lipid droplets, and no luminescence was seen and blackened, but phosphorescence from the intracellular and oxygen sensing beads was observed. In addition, cells that have differentiated and accumulated large lipid droplets have a longer phosphorescence lifetime than cells that have not differentiated and have no lipid droplets. From this result, it was found that the cell in which differentiation is advanced has a low intracellular oxygen concentration. Moreover, the phosphorescence lifetime of the oxygen sensing beads near the cells was 15-17 μs. This value is equal to 20% O 2 phosphorescence lifetime of the oxygen sensing beads in the medium below the oxygen concentration in the medium that cultured brown fat cells, and the medium an oxygen concentration of under 20% O 2 It didn't change. Therefore, the simultaneous measurement method of the ambient oxygen concentration imaging and the intracellular oxygen concentration imaging was possible.

本発明のリン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ及びそれを用いた酸素濃度の測定方法により、細胞培養用の培地などの液体又は気体中の酸素濃度を容易に測定することができる。   With the oxygen-permeable bead containing the phosphorescent dye molecule of the present invention and the method for measuring oxygen concentration using the same, the oxygen concentration in a liquid or gas such as a medium for cell culture can be easily measured.

Claims (7)

リン光性色素分子を含む酸素透過性ビーズ。   Oxygen permeable beads containing phosphorescent dye molecules. 酸素濃度測定用である、請求項1に記載の酸素透過性ビーズ。   The oxygen-permeable bead according to claim 1, which is used for measuring oxygen concentration. リン光性色素分子が、白金錯体、パラジウム錯体、イリジウム錯体、ルテニウム錯体、及びオスミウム錯体からなる群から選択される金属錯体である、請求項1又は2に記載の酸素透過性ビーズ。   The oxygen-permeable bead according to claim 1 or 2, wherein the phosphorescent dye molecule is a metal complex selected from the group consisting of a platinum complex, a palladium complex, an iridium complex, a ruthenium complex, and an osmium complex. 前記白金錯体又はパラジウム錯体の配位子が、ポルフィリン又はポルフィリン誘導体である、請求項3に記載の酸素透過性ビーズ。   The oxygen permeable bead according to claim 3, wherein the ligand of the platinum complex or the palladium complex is porphyrin or a porphyrin derivative. 前記酸素透過性ビーズが、ポリマービーズ又はゲルビーズである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の酸素透過性ビーズ。   The oxygen-permeable bead according to any one of claims 1 to 4, wherein the oxygen-permeable bead is a polymer bead or a gel bead. 前記ポリマービーズがポリスチレンビーズであり、そしてリン光性色素分子が、オクタエチルポルフィリン白金錯体(Pt(II)-Octaethylporphyrin)である、請求項5に記載の酸素透過性ビーズ。   The oxygen-permeable bead according to claim 5, wherein the polymer bead is a polystyrene bead and the phosphorescent dye molecule is an octaethylporphyrin platinum complex (Pt (II) -Octaethylporphyrin). 請求項1〜6のいずれか一項に記載の酸素透過性ビーズを、酸素濃度測定対象に載置する工程;及び
酸素透過性ビーズに励起光を照射し、リン光性色素分子のリン光寿命又はリン光強度を測定する工程;
を含む酸素濃度の測定方法。
A step of placing the oxygen-permeable bead according to any one of claims 1 to 6 on an oxygen concentration measurement target; and irradiating the oxygen-permeable bead with excitation light and phosphorescence lifetime of the phosphorescent dye molecule Or measuring the phosphorescence intensity;
Method for measuring oxygen concentration including
JP2014051135A 2014-03-14 2014-03-14 Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same Pending JP2015175681A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014051135A JP2015175681A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014051135A JP2015175681A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015175681A true JP2015175681A (en) 2015-10-05

Family

ID=54255004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014051135A Pending JP2015175681A (en) 2014-03-14 2014-03-14 Oxygen permeable bead containing phosphorescent dye molecule and method for measuring oxygen concentration using the same

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015175681A (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05137596A (en) * 1991-04-18 1993-06-01 Becton Dickinson & Co Monitoring apparatus for microorganism
JP2005062178A (en) * 2003-08-12 2005-03-10 Becton Dickinson & Co Microencapsulation of oxygen sensing particles
JP2008536140A (en) * 2005-04-15 2008-09-04 ラクセル・バイオサイエンシズ・リミテッド Evaluation of biological or chemical samples
US20110236986A1 (en) * 2010-03-29 2011-09-29 University College Cork, National University Of Ireland, Cork Sensor material and uses thereof to simultaneously sense two analytes
WO2011119343A1 (en) * 2010-03-25 2011-09-29 Mocon, Inc Luminescence lifetime based analyte sensing instruments and calibration technique

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05137596A (en) * 1991-04-18 1993-06-01 Becton Dickinson & Co Monitoring apparatus for microorganism
JP2005062178A (en) * 2003-08-12 2005-03-10 Becton Dickinson & Co Microencapsulation of oxygen sensing particles
JP2008536140A (en) * 2005-04-15 2008-09-04 ラクセル・バイオサイエンシズ・リミテッド Evaluation of biological or chemical samples
WO2011119343A1 (en) * 2010-03-25 2011-09-29 Mocon, Inc Luminescence lifetime based analyte sensing instruments and calibration technique
JP2013534614A (en) * 2010-03-25 2013-09-05 モコン・インコーポレーテッド Analyte detection device and calibration technology based on luminescence lifetime
US20110236986A1 (en) * 2010-03-29 2011-09-29 University College Cork, National University Of Ireland, Cork Sensor material and uses thereof to simultaneously sense two analytes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sun et al. Temperature-sensitive luminescent nanoparticles and films based on a terbium (III) complex probe
Koo et al. Real-time measurements of dissolved oxygen inside live cells by organically modified silicate fluorescent nanosensors
Cao et al. Poly (decyl methacrylate)-based fluorescent PEBBLE swarm nanosensors for measuring dissolved oxygen in biosamples
Pierri et al. A photoCORM nanocarrier for CO release using NIR light
Kong et al. High-bright fluorescent carbon dots and their application in selective nucleoli staining
Ribeiro et al. NIR and visible perylenediimide-silica nanoparticles for laser scanning bioimaging
CN112444505B (en) Intracellular detection method based on double-excitation-ratio up-conversion fluorescent probe
Wang et al. Bi-functional fluorescent polymer dots: a one-step synthesis via controlled hydrothermal treatment and application as probes for the detection of temperature and Fe 3+
EP2260085B1 (en) Fluorescent nanocrystals encapsulated in an inorganic shell
Cheng et al. Electrochemical synthesis, characterization of Ir–Zn containing coordination polymer, and application in oxygen and glucose sensing
Wang et al. Biocompatible fluorescent core–shell nanoparticles for ratiometric oxygen sensing
Wang et al. Imaging of cellular oxygen via two-photon excitation of fluorescent sensor nanoparticles
Coogan et al. Probing intracellular oxygen by quenched phosphorescence lifetimes of nanoparticles containing polyacrylamide-embedded [Ru (dpp (SO3Na) 2) 3] Cl2
Crucho et al. Silica nanoparticles with thermally activated delayed fluorescence for live cell imaging
Kopach et al. Polymer microchamber arrays for geometry-controlled drug release: a functional study in human cells of neuronal phenotype
Nasrin et al. Conjugated ternary doped carbon dots from vitamin B derivative: Multispectral nanoprobes for targeted melanoma bioimaging and photosensitization
Halim et al. Water-dispersed semiconductor nanoplatelets with high fluorescence brightness, chemical and colloidal stability
US8557811B2 (en) Dual-color imaging method of sodium/calcium activities using two-photon fluorescent probes and preparation method of two-photon fluorescent probes
Zhuang et al. A self-adaptive multi-color fluorescent pH probe with the ability of whole cell imaging
JP2014519361A (en) Time-gated fluorescence imaging using Si-containing particles
Marín-Suárez et al. Electrophoretic deposition as a new approach to produce optical sensing films adaptable to microdevices
CN112268882B (en) Preparation method and application of carbon dot-manganese dioxide nano fluorescent probe for high-selectivity detection of glutathione
Sun et al. Development of Two-Channel Phosphorescent Core-Shell Nanoprobe for Ratiometric and Time-Resolved Luminescence Imaging of Intracellular Oxygen Levels.
CN103709203A (en) Dinuclear ruthenium complex as well as preparation method and application thereof as living cell fluorescent dye
Gai et al. Silica cross-linked nanoparticles encapsulating fluorescent conjugated dyes for energy transfer-based white light emission and porphyrin sensing

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20170130

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20171220

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20171226

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20180626