JP4171775B2

JP4171775B2 - 核酸分析装置

Info

Publication number: JP4171775B2
Application number: JP2002245900A
Authority: JP
Inventors: 賢二安田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: EP1541678A4; US20050272039A1; WO2004018664A1; CN1678737A; JP2004081084A; EP1541678A1

Description

【０００１】
【発明の属する分野】
この出願の発明は、核酸分析チップを用いた核酸分析装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、微生物、細胞を用いたバイオテクノロジーの研究分野において、特定の細胞を顕微鏡観察しながら、１細胞単位で培養する、細胞培養マイクロチャンバー内で培養した細胞の核酸成分を分析することのできる、新しい核酸分析チップを用いた分析装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の生物学、医学、薬学の分野では、細胞の状態の変化、あるいは細胞の薬物等に対する応答を観察するのに、細胞集団の値の平均値をあたかも一細胞の特性であるかの様に観察してきた。しかし、実際には細胞は集団の中で細胞周期が同調しているものはまれであり、各々の細胞が異なった周期でタンパク質を発現している。これらの問題を解決するべく、発明者らは、新たに特定の一細胞のみを選択し、その一細胞を細胞株として培養する技術、および細胞を観察する場合に、細胞の溶液環境条件を制御し、かつ、容器中での細胞濃度を一定に制御する技術、あるいは相互作用する細胞を特定しながら培養観察する技術を発明し特願２０００−３５６８２７として出願した。細胞の1 細胞単位の計測は、これによって可能とされた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のとおりのこの出願の発明者によって実現されたマイクロチャンバーは、1 細胞単位で完全に環境を制御しながら計測を可能にする培養技術であるが、薬物に対する応答など、細胞の変化を計測するためには細胞中の発現ｍＲＮＡ量を定量的に計測する必要があり、この観点においては、１細胞培養系に最適化された核酸分析技術は開発されていないのが実情であった。
【０００４】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの背景に基づいて、細胞培養マイクロチャンバー中で培養した各々の細胞の核酸成分を分析する新しい技術手段を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するために、上記のとおりのこの出願の発明者らが開発した細胞培養マイクロチャンバー内の各容器中の細胞の核酸成分の定量解析を直接計測する手段を有する核酸分析チップを用いた核酸分析装置を提供する。
【０００６】
すなわち、この出願の発明は、第１には、基板上に、単一の細胞を完全に封入することが可能であってかつ反応液が導入可能な複数の穴が培養容器として配置され、この各々の穴に水溶液を残しながら、穴の上部を水溶液と混合することなく、しかも水溶液より比重の軽い液体で満たすことのできる上部領域を有する核酸分析チップと、水の吸収を持つ波長の集束光を照射する加熱手段と、前記培養容器中の反応を光学的に計測する計測手段と、を備え、前記核酸分析チップの培養容器中の、反応液が導入された細胞を含む水溶液に対して、前記加熱手段の集束光を照射して反応に必要な加熱を行い、その培養容器中の反応を前記計測手段で計測することにより、光学的に細胞の核酸分析が行われることを特徴とする核酸分析装置を提供する。
【０００７】
また、第２には、核酸分析チップは、反応液の導入後に穴から核酸成分の回収が可能とされていることを特徴とする核酸分析装置を、第３には、培養容器としての穴と上部領域との間には穴への反応液の導入、さらには穴からの核酸成分の回収が可能とされるシール材が介在されていることを特徴とする核酸分析装置を、第４には、シール材は、培養液の交換が可能とされる半透膜であることを特徴とする核酸分析装置を、第５には、計測手段は、特定の波長の蛍光量の変化を計測する手段であることを特徴とする核酸分析装置を、第６には、穴に反応液を導入する手段と穴から核酸成分を抽出する手段とを有することを特徴とする核酸分析装置を提供する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、その実施においては、たとえば、核酸分析チップは、反応液の導入後に穴から核酸成分の回収可能とされていることや、穴と上部領域との間にはシール材、たとえば半透膜が介在されている等の様々な形態が採用されることになる。
【０００９】
まず、この出願の発明の核酸分析チップの基本構成の一例を図1 の実施例を用いて説明する。核酸分析チップ１００の基本構成は、前記細胞培養マイクロチャンバと同一である。すなわち、光学的に透明な基板１０１に複数の細胞培養容器１０２が構成されており、各容器１０２中に、細胞１０３を入れて培養することができる。この基板１０１の上面には半透膜１０７がシールされており、培養液の交換が可能であり、また、細胞１０３が容器から逃げたり、バクテリア等の不純物が混入しないようにしながら細胞を連続培養することができる。培養中に、細胞内の核酸成分の情報を明らかにする場合には、前記容器１０２の上面にある培養液をすべて除去し、その部分に水溶液と混ざらず、かつ、水より比重の軽い液体、たとえば流動パラフィンやシリコンオイルを上部領域１０５に導入する。すると流動パラフィン等の液体によって各容器１０２は隔離される。その状態でマイクロピペット１０４を用いて前記容器１０２上面の半透膜１０７を破ってＰＣＲ反応液を導入する。ここには、例えば光学的にＰＣＲ反応を計測できる蛍光色素、たとえばＴａｑＭａｎＰｒｏｂｅ（アマシャム、Ｕ．Ｓ．Ａ．）を加えることでと蛍光エメルギー移動法を利用した核酸定量計測が可能となる。蛍光量の計測を行う場合には、対物レンズ１０６で集光された蛍光を計測することが可能である。また、各容器を加熱するためには、対物レンズ１０６を通じて赤外光を照射することでＰＣＲ反応に必要な加熱をすることが可能である。また、未知の核酸成分の解析には、マイクロピペット１０４によって各容器１０２から回収した核酸成分を、キャピラリー電気泳動を用いて網羅的かつ定量的に解析することも可能である。この場合には、核酸分析チップを光学的に加熱する必要は無いので、サーマルサイクラーなど既存の加熱冷却装置によってＰＣＲ反応を行うことができる。
【００１０】
図２は、細胞培養マイクロチャンバー１００の、容器１０２を加熱してＰＣＲ反応を起こすための集束光を導入するための装置の構成の一例を示したものである。この装置では核酸分析チップ１００中の細胞等の試料や蛍光量の変化を観察するために、顕微鏡観察系を有し、また、同時に容器中の水溶液を加熱させるために赤外集束光照射系を有している。図２からもわかるように顕微観察光学系の光路上に核酸分析チップ１００を配置することになる。まず、顕微観察光学系は、以下のような構成になっている。光源２０１から照射された光は、フィルター２０２で特定の波長に調整され、コンデンサレンズ２０３によって集光されて、核酸分析チップ１００に照射される。照射された光は、透過光として対物レンズ２０５での観察に用いられる。核酸分析チップ１００内部の透過光像は、ミラー２１１によってフィルタ２１２通過後、カメラ２１３に誘導され、カメラの受光面に結像する。従って、チップ１００の素材は、フィルタ２０２で選択された波長の光に対して、光学的に透明な素材であることが望ましい。具体的には、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス等のガラスや、ポリスチレン等の樹脂やプラスチック、あるいはシリコン基板等の固体基板を用いる。また特にシリコン基板を用いる場合は波長９００ｎｍ以上の波長の光を観測に用いることが望ましい。
【００１１】
そしてまた、光源２０８から照射された蛍光観察用励起光も、フィルター２０９で波長選択された後に、ダイクロイック・ミラー２１０によって対物レンズ２０５に誘導され、核酸分析チップ１００内部の蛍光観察の励起光として用いられる。チップ１００から発した蛍光は再度対物レンズ２０５によって集光され、フィルター２１２によって励起光をカットした後の蛍光と透過光のみをカメラ２１３で観察することができる。このとき、フィルター２０２、２０９、２１２の組み合わせを調整することで、透過光のみをカメラ２１３で観察したり、あるいは蛍光のみを観察したり、透過光像と蛍光像を同時に観察することもできる。光路内には、赤外レーザー光源２０７で発生させたレーザー光を可動ダイクロイック・ミラー２０６によって対物レンズ２０５に導入する機構も備わっている。このレーザー光は対物レンズ２０５によって集束光となり、核酸分析チップ１００を局所的に加熱することができる。集光点を移動させる場合には、可動ダイクロイック・ミラーを移動させることで、核酸分析チップ１００内でのレーザー光の集束位置を動かすことが可能である。このレーザー光の波長としては、水の吸収を持つが、光化学作用を持たず、かつ、基板への吸収が少ない波長が望ましい。たとえ１５００ｎｍの波長の光などでは、水で効果的にレーザー光吸収が起こり、光が吸収された容器内で反応液が局所的に発熱する。
【００１２】
また、カメラで得られた画像データは画像処理解析装置２１４によって解析され、さまざまな解析結果を基に可動ダイクロイック・ミラー２０６や、核酸分析チップ１００が載っている温調機能付可動ＸＹステージ２０４の位置を制御するためにＸ−Ｙ方向に自在に移動させるステージ移動用モーター２１５を駆動することが出来る。また、この温調装置でチップ全体をＰＣＲ反応させることも可能である。
【００１３】
なお、以上の実施例では１つのカメラを用いて計測を行っているが、この出願の発明では、たとえば、ダイクロイックミラーを加えて少なくとも異なる2 波長での蛍光強度の変化を計測することで、前記エネルギー移動法による定量解析を行うことができる。
【００１４】
もちろん、この出願の発明は以上の例示に限定されることなくその構成の細部において様々な形態が可能であることは言うまでもない。
【００１５】
【発明の効果】
以上記述したように、この出願の発明によって、単一細胞培養マイクロチャンバ内で培養した各々の細胞の核酸成分の解析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の核酸分析チップの基本構成の一例を示す模式図である。
【図２】図１で示した核酸分析チップを観察し集束光局所過熱する装置構成の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１００核酸分析チップ
１０１光学的に透明な基板
１０２培養容器
１０３細胞
１０４マイクロピペット
１０５上部領域
１０６対物レンズ
１０７半透膜
２０１光源
２０２、２０９、２１２フィルター
２０３コンデンサレンズ
２０４温調機能付ステージ
２０５対物レンズ
２０６可動ダイクロイック・ミラー
２０８光源
２１０ダイクロイック・ミラー
２１１ミラー
２１３カメラ
２１４画像処理解析装置
２１５ステージ移動用モーター

Claims

基板上に、単一の細胞を完全に封入することが可能であってかつ反応液が導入可能な複数の穴が培養容器として配置され、この各々の穴に水溶液を残しながら、穴の上部を水溶液と混合することなく、しかも水溶液より比重の軽い液体で満たすことのできる上部領域を有する核酸分析チップと、
水の吸収を持つ波長の集束光を照射する加熱手段と、
前記培養容器中の反応を光学的に計測する計測手段と、を備え、
前記核酸分析チップの培養容器中の、反応液が導入された細胞を含む水溶液に対して、前記加熱手段の集束光を照射して反応に必要な加熱を行い、その培養容器中の反応を前記計測手段で計測することにより、光学的に細胞の核酸分析が行われることを特徴とする核酸分析装置。
核酸分析チップは、反応液の導入後に穴から核酸成分の回収が可能とされていることを特徴とする請求項１に記載の核酸分析装置。
培養容器としての穴と上部領域との間には穴への反応液の導入、さらには穴からの核酸成分の回収が可能とされるシール材が介在されていることを特徴とする請求項１または２に記載の核酸分析装置。
シール材は、培養液の交換が可能とされる半透膜であることを特徴とする請求項３に記載の核酸分析装置。
計測手段は、特定の波長の蛍光量の変化を計測する手段であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の核酸分析装置。
穴に反応液を導入する手段と穴から核酸成分を抽出する手段とを有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の核酸分析装置。