WO2017188065A1 - Fluid flow control device and fluid flow control method - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a technique for controlling the flow of fluid.
- concentration gradient formation techniques with the development of microfluidic devices has advanced research on how cells detect concentration gradients.
- concentration gradient formation techniques it is difficult to apply a drug stimulus and a concentration gradient in an arbitrary direction to an arbitrary part of a cell, and to smoothly switch the direction in time. The problem will be specifically described below.
- Patent Document 1 As a method of administering drug stimulation to cells in a microchannel, a method using a T-shaped channel (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 below), a stair-shaped mixer, or a Christmas tree-type branch flow There is a technique (see Patent Document 2 and Non-Patent Document 2 below) that forms a concentration gradient by distributing a laminar flow by a path. In these techniques, the direction of laminar flow, and hence the direction of the concentration gradient of the stimulant, is uniquely determined. The same problem applies to a system in which a stimulating substance administration port is provided on the ceiling of the chamber (see Patent Document 3 below).
- Non-Patent Document 3 change the gradient direction by switching the stimulus inlet (see Non-Patent Document 3 below), and move the gradient position by changing the flow velocity.
- the technique to perform (refer the following nonpatent literature 4) is proposed.
- the inflow and outflow ports are arranged in a dipole shape (see Non-Patent Document 7 below), and a laminar flow can be applied immediately above the cells.
- a laminar flow can be applied immediately above the cells.
- stimulation of physiologically active molecules such as hormones, growth factors, and attractants is important in terms of which side of the cell the stimulus is applied from.
- the direction in which the axon extends depends on which side of the axon is attracted from which side.
- the direction of movement is determined by the difference between the front and rear ends of the cell and the angle at which the stimulus is applied. Movement toward or away from the stimulant concentration gradient is called chemotaxis movement.
- a main object of the present invention is to provide a technique capable of controlling a fluid flow and a concentration gradient formed thereby in a desired direction.
- An apparatus for controlling the flow of fluid It has a device body, The device body includes a chamber, an inflow port, and an exhaust port, The chamber is a closed space extended in a two-dimensional direction, And the chamber includes a specific region in a part thereof,
- the inflow port includes at least a first port and a second port; The first port and the second port both supply fluid into the chamber in a direction that intersects the extension direction of the chamber, so that the first port and the second port are directed to at least one direction in or near the specific region. It is configured to form a composite flow with a velocity component,
- the discharge port is configured to discharge the fluid from an end portion in the extension direction of the chamber or the vicinity thereof.
- the inflow port further includes a third port;
- the third port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber,
- the control device according to item 2, wherein the third port is arranged at or near the position where the phase difference of about 120 degrees with each of the first and second ports is centered on the specific region.
- the inflow port further comprises a controlled flow port;
- the control device according to any one of items 1 to 3, wherein the controlled flow port is configured to supply a controlled flow to the specific region or the vicinity thereof.
- the control unit is configured to control the flow rate or flow rate of the fluid flowing into the chamber from the inflow port, Further, the control unit is configured to control the direction of the combined flow by controlling an inflow amount or a flow velocity of the fluid from the inflow port to the chamber.
- Item 8 In addition, it has a stimulus input unit, As the fluid flowing into the chamber from the inflow port, a caged material is used, Item 8.
- the control device according to any one of Items 1 to 7, wherein the stimulus input unit is configured to apply a stimulus for uncaging to the caged material that flows into the chamber and constitutes the combined flow. .
- the inflow port further includes a fourth port;
- the chamber further includes a second specific region in a part thereof, The second area is a position different from the specific area,
- the fourth port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber, thereby having a velocity component in at least one direction at or near the second specific region.
- the fluid supply unit is configured to supply the fluid to the inflow port
- the control device according to any one of items 1 to 11, wherein the fluid discharge section is configured to collect the fluid from the discharge port.
- the flow of fluid and the concentration gradient formed thereby can be controlled in a desired direction.
- FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a device body used in the fluid flow control device of FIG. 1 in a plan view.
- FIG. 3 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. It is explanatory drawing for demonstrating the arrangement state of the inflow port and discharge port which are provided in the device main body of FIG. In this figure, the inflow port portion is shown on the upper side and the discharge port portion is shown on the lower side, and the positions of the first to third ports are indicated by broken lines in the lower chamber. It is described. It is explanatory drawing which displayed the explanatory drawing of FIG. 4 in three dimensions by the perspective.
- FIG. 6A schematically shows the arrangement of channels in the chamber and the observation region (region surrounded by a rectangle).
- FIG. 6B shows the direction of the stimulation flow when liquid is fed from the channel 2.
- FIG. 6C shows a case where an equal amount is sent from channels 2 and 3.
- FIG. 6D shows a case where liquid is fed from the channel 3.
- the direction of the stimulus flow from the channel 4 is controlled by controlling the liquid feeding from the i-th channel (here, channel 2) and the j-th channel (here, channel 3).
- the direction of the stimulation flow from channel 4 is determined by the superposition (v) of the flow (regulated flow) velocity (ie, v 2 and v 3 ) created by the liquid delivery from channel 2 and channel 3 at the position of channel 4. Determined. It is explanatory drawing for demonstrating the mode of the control flow in a chamber. 8A and 8B are photographs in which a buffer solution mixed with fluorescent beads having a diameter of 1 ⁇ m (Fluoresbrite® YG Carboxylate Microspheres 1.00 ⁇ m (15702), Polyscience) is fed, and the state of the regulated flow is visualized by the fluorescence of the beads. Show. This photograph was created by superimposing the maximum brightness values of 6 seconds continuous images taken with a confocal microscope.
- 8C and 8D are graphs showing the direction of the regulated flow laminar flow and the evaluation of the flow velocity by the particle image velocimetry (PIV).
- FIG. 8C shows a theoretical curve (formula (1)) regarding the p dependence of the angle ⁇ of the regulated flow
- FIG. 8D shows a theoretical curve (formula (2)) regarding the p dependence of the flow velocity.
- FIG. 8D shows a case where the flow rate matches v max regardless of the liquid feeding amount ratio p.
- a micro flow controller MFCS Fluid
- FIG. 9B is a graph showing the direction dependency of the stimulation flow with respect to the liquid feeding amount ratio p.
- FIG. 9C and 9D are graphs showing concentration profiles formed in the direction perpendicular to the stimulation flow.
- FIG. 9C shows the case of the controlled liquid feed constant control
- FIG. 9D shows the case of the controlled flow rate constant control.
- the horizontal axis indicates the position on the circumference having a radius of 400 ⁇ m from the center of the channel 4, and the vertical axis indicates the fluorescence value of fluorescein (stimulated flow).
- FIG. 10A is a confocal microscope image of a rotating wave when the amount of liquid fed in channels 1, 2, and 3 (CH1, 2, and 3) is changed with time.
- FIG. 10B is a graph showing a concentration gradient profile of the stimulation flow. This graph displays the fluorescence intensity (average fluorescence intensity in a width of 50 ⁇ m) on the circumference having a radius of 300 ⁇ m from the center of the liquid delivery port for stimulation. This graph also shows profiles at times 3:12, 3:42, 4:12, 4:42, 5:12, 5:42, and 6:12 (minutes: seconds), respectively.
- FIGS. 10C and 10D show the angle change state of the stimulus flow and its evaluation.
- FIG. 10C shows a case where the liquid feeding ratio p is changed in proportion to time
- FIG. 10D shows a case where p is changed with time in accordance with the derived relational expression.
- the upper diagrams of FIGS. 10C and 10D show the fluorescence intensity in shades.
- FIG. 10E is a histogram for showing variations in angular velocity when the liquid feeding amount is changed in proportion to time and when time is changed according to the derived relational expression.
- the stimulation flow is visualized by the fluorescence of the fluorescent substance (fluorescein) mixed in the stimulation solution.
- a bright part shows a fluorescent substance.
- Liquid was fed from channel 1 at 30 ⁇ L / min, and a regulated flow was formed from the upper right side of the visual field to the lower left side.
- the amount of the stimulation solution delivered from the channel 4 was 1.0 ⁇ L / min, 0.5 ⁇ L / min, 0.2 ⁇ L / min, and 0.1 ⁇ L / min from the left diagram.
- the scale bar indicates 500 ⁇ m.
- FIG. 12A is a schematic diagram of stimulus flow formation by optical uncaging
- FIG. 12B is a measurement example of a confocal microscope image
- FIG. 12C is a measurement example of a concentration gradient profile.
- a regulated flow of a caged compound of a fluorescent substance (CMNB caged fluorescein, F7103, Invitrogen) from the lower left side of the field of view to the upper right side was formed by the basic module, and the circular region (FIG. 12B) near the center of the field of view was irradiated with ultraviolet light. The fluorescence intensity of fluorescein released by uncaging was visualized.
- CMNB caged fluorescein, F7103, Invitrogen fluorescent substance
- the concentration gradient of the liberated fluorescein was evaluated by the spatial distribution of the average fluorescence luminance in the region having a width of 10 ⁇ m on the circumference having a radius of 100 ⁇ m from the center of the ultraviolet light irradiation region (FIG. 12C).
- a light stimulus forming apparatus Mosaic, Photonic Instruments Inc.
- a caged fluorescein solution was used as a stimulating solution, and fluorescence of fluorescein released by light irradiation was measured with a confocal microscope.
- FIG. 13B is a graph showing the p dependence of the direction of the stimulation flow, in which the circles indicate actual measurement values, and the curve indicates the theoretical curve (formula (1)) regarding the p dependence of ⁇ .
- FIG. 13C is a graph showing a spatial profile of the stimulating substance concentration formed in the direction perpendicular to the direction of the stimulating flow in the case of the controlled liquid supply constant control.
- FIG. 13D is a graph showing a spatial profile of stimulating substance concentration in the case of controlled flow rate constant control.
- light irradiation was performed on a circular region having a radius of 34 ⁇ m located at the center of the chamber, and fluorescence of fluorescein was evaluated on a circumference having a radius of 100 ⁇ m from the center of the chamber.
- FIG. 13D is a graph showing a spatial profile of stimulating substance concentration in the case of controlled flow rate constant control.
- FIG. 13E is an explanatory diagram for explaining the dependency of the stimulus flow direction on the liquid feeding amount ratio p when the optical uncaging position is shifted from the chamber center.
- the left diagram in FIG. 13E is an explanatory diagram for explaining the position where uncaging is performed, and the right diagram shows the relationship between the direction of the formed stimulation flow and the liquid delivery ratio p for each uncaging position. It is a graph shown in. It is a figure for demonstrating control of the stimulation flow by optical uncaging of a caged compound.
- FIG. 14A is an example (confocal microscope image) of controlling the width of the stimulus flow.
- FIG. 14B shows an example in which a relatively thin stimulation flow (half width of 83 ⁇ m) formed by optical uncaging is rotated.
- a relatively thin stimulation flow half width of 83 ⁇ m
- the state of fluorescence brightness confocal microscope image
- the stimulus is visualized by measuring the fluorescence of the fluorescent substance released by uncaging.
- the stimulation flow is controlled to make one rotation in 3 minutes.
- the scale bar in the figure indicates 100 ⁇ m. It is a figure for demonstrating that a stimulus flow and its gradient stimulus can be shown to an observation field from a different direction by changing the optical uncaging position of a caged compound.
- FIG. 15A is a schematic diagram of stimulus flow control.
- FIG. 15B is a confocal microscope image of a stimulus flow (fluorescein released by uncaging) applied to the observation region from different directions. In this figure, a circle indicates an optical uncaging region. The position of the observation region in FIG. 15B is at the center of the triangle surrounded by the channels 1, 2, and 3 (square region in FIG. 15A).
- FIG. 15C is an enlarged view of the rectangular area in the image of FIG. 15B, and shows an enlarged image of the stimulus flow. The order of the image arrangement in FIG. 15C corresponds to FIG. 15B.
- FIG. 15D is a graph showing a gradient profile of the stimulation flow. FIG. 15D shows a luminance value profile (upper diagram in FIG.
- FIG. 15D shows several arrangement examples of a stimulation liquid supply port (Stimulus inlet, S) and a buffer liquid supply port (Buffer inlet, B) in the multiplex flow channel system.
- the positional relationship of the liquid supply port (inflow port) in the first embodiment can be given as a module (1S / 3B, left figure in FIG.
- FIG. 16A is a schematic diagram of a cell direction change experiment using a multiplex flow path system (3S / 6B). It is explanatory drawing which shows the example of mounting of the flow path of a duplex (2S / 4B type).
- FIG. 17A is an explanatory diagram showing a schematic flow path.
- FIG. 17B shows that the stimulation flow from channel 5 and channel 6 (fluorescein solution for fluorescence observation) is directed by feeding from channels 1, 2, and 3, and the sample (observation area, (Displayed by a square) shows the state of alternately loading (upper figure).
- the lower figure is a confocal microscope image, and here, the stimulus flow passing through the observation region (square in the upper figure) is switched every two minutes, and this is repeated in a cycle of four minutes.
- the scale bar in the figure indicates 200 ⁇ m.
- FIG. 17C shows an example in which the angle between alternating gradient stimuli can be selected from 0 degrees to about 180 degrees depending on the observation position in the sample chamber (square in the left figure) (in the right figure).
- Panels ROI1, ROI2, and ROI3 correspond to the rectangular observation areas 1, 2, and 3 in the left figure).
- the upper stage and the lower stage in the diagram on the right correspond to the stimulation flows from channels 5 and 6, respectively.
- the scale bar in the figure indicates 100 ⁇ m. It is a figure for demonstrating the migration of the cellular slime mold Dictyostelium discoideum cell with respect to the rotational wave stimulation of the chemotactic attractant cyclic AMP (cAMP).
- the figure on the left shows a snapshot of the stimulation flow of cAMP solution (containing fluorescein for fluorescence visualization).
- the figure on the right shows the migration trajectory of representative cells over 50 minutes (different concentrations indicate different cells).
- the broken line in the figure indicates the opening position of the ceiling that is the stimulation liquid feeding port.
- the gradient of cAMP moves and the cells move toward it.
- the trajectory of HL60 cell migration towards the bacterial peptide fMLP is shown by the solid line in the lower figure.
- the stimulus alternates between a gradient in which the concentration of fMLP increases from the upper left of the visual field to the lower right and a gradient in which the concentration of fMLP increases from the lower left of the visual field to the upper right. .
- control device a fluid flow control device according to a first embodiment of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “control device” or “device”) will be described with reference to the accompanying drawings.
- the control apparatus includes a device body 10. Further, this apparatus additionally includes a fluid supply unit (sometimes referred to as “liquid feeding unit”) 20, a fluid discharge unit (sometimes referred to as “drainage unit”) 30, and a control unit 40. (See FIG. 1).
- a fluid supply unit sometimes referred to as “liquid feeding unit”
- a fluid discharge unit sometimes referred to as “drainage unit”
- a control unit 40 See FIG. 1.
- the device body 10 includes a chamber 11, an inflow port 12, and an exhaust port 13 (see FIGS. 2 and 3).
- the device body 10 further includes an inflow channel 14 and an exhaust channel 15 (see FIG. 4).
- the chamber 11 is a closed space extended in a two-dimensional direction (see FIG. 3). More specifically, the chamber 11 is a flat and substantially cylindrical space formed inside the device body 10.
- the chamber 11 includes a specific region 111 in a part thereof (see FIG. 2).
- the specific area is an area to be observed.
- a substantially central portion of the chamber 11 is the specific region 111.
- the specific area 111 does not mean a partitioned area, but means that a part of the space in the chamber 11 is grasped as such, and an appropriate position can be recognized as the specific area 111 according to the purpose.
- Inflow port 12 of this embodiment is provided with the 1st port 121, the 2nd port 122, and the 3rd port 123 (refer to Drawing 2 and Drawing 3).
- Each of the first to third ports 121 to 123 supplies fluid into the chamber 11 in a direction (downward in FIG. 3) that intersects the extending direction of the chamber 11 (eg, the left-right direction in FIG. 3).
- a composition flow having a velocity component in at least one direction is formed in the specific region 111 or in the vicinity thereof.
- the method for forming the composite flow will be described later.
- the fluid is not limited to a liquid, but may be a fluid having fluidity that can be an object of the present invention, for example, a fluid material such as a sol or gel.
- liquid is basically assumed as the fluid.
- the first port 121 and the second port 122 are arranged at or near the position where the specific region 111 is the center and the phase difference is about 120 degrees. Further, the third port 123 of the present embodiment is arranged at a position where the phase difference is about 120 degrees with respect to the first and second ports 121 and 122 or in the vicinity thereof with the specific region 111 as the center. That is, the first port 121 to the third port 123 are arranged at equal intervals on one virtual circumference.
- the inflow port 12 of this embodiment further includes a controlled flow port 120.
- the controlled flow port 120 is configured to supply the controlled flow to the specific region 111 or the vicinity thereof (see FIGS. 2 and 3). More specifically, the controlled flow port 120 of the present embodiment can supply the controlled flow into the chamber 11 downward in FIG. 3, that is, in a direction parallel to the first to third ports 121 to 123. It is like that.
- a controlled flow that is a flow of a so-called stimulating substance is used as the controlled flow.
- the stimulating substance is a chemotactic attractant for the purpose of examining the chemotaxis of cells, for example.
- the discharge port 13 is configured to discharge the fluid from an end portion in the extending direction of the chamber 11 or the vicinity thereof. Further, the discharge port 13 is configured to discharge the fluid at a substantially uniform speed at the end in the extending direction of the chamber 11.
- the discharge port 13 of the present embodiment is discretely formed on the side surface (left and right surfaces in FIG. 3) of the chamber 11 over substantially the entire circumference. Therefore, there are actually a plurality of discharge ports 13, but in this specification, the same reference numerals 13 are assigned to the respective discharge ports.
- the intervals between the discharge ports 13 are substantially uniform. Further, it is preferable that the distance between the specific region 111 and the discharge port 13 is as long as possible.
- the inflow channel 14 (see FIGS. 4 and 5) is a path for individually supplying the fluid supplied from the fluid supply unit 20 to the ports 120 to 123 constituting the inflow port 12.
- the same reference numeral 14 is assigned to each inflow channel.
- Each inflow channel 14 is formed by a groove formed in the device body 10 in this embodiment.
- the specific configuration of the inflow channel 14 is not limited to this, and for example, a pipe capable of conveying a microfluid may be used.
- the discharge channel 15 (see FIG. 4) is a path for collecting the fluid supplied into the chamber 11 from the discharge port 13 and sending it to the fluid discharge unit 30.
- the discharge channel 15 is formed by a groove formed in the device body 10, similarly to the inflow channel 14.
- a pipe capable of feeding a microfluid may be used as the discharge channel 15, for example.
- the shape of the discharge channel 15 is set so that the path lengths from the respective discharge ports 13 to the fluid discharge portions 30 are substantially equal (that is, the suction pressures at the respective discharge ports 13 are substantially equal). It is set.
- the fluid supply unit 20 is configured to supply fluid to the inflow port 12.
- the fluid supply unit 20 various devices that can be used for supplying a microfluid, such as a syringe pump or a liquid-feeding pressure control device, can be used.
- the fluid supply unit 20 is connected to an end of the inflow channel 14 (end opposite to the inflow port 12), and can supply fluid to the inflow channel 14.
- the fluid supply unit 20 of the present embodiment can set the flow rate or flow rate of the fluid to each inflow channel 14 for each port in accordance with control from the control unit 40.
- the fluid discharge unit 30 is configured to collect the fluid supplied into the chamber 11 from the discharge port 13 via the discharge channel 15. Specifically, various pumps for drainage can be used as the fluid discharge unit 30.
- the fluid discharge unit 30 may collect the fluid isotropically from the chamber 11 so that the fluid already supplied to the chamber 11 does not disturb the flow of the fluid supplied to the chamber 11 thereafter.
- the fluid discharge unit 30 is not limited to a unit that actively discharges like a pump, but is a unit that collects a discharged fluid passively (that is, without performing active suction). Also good.
- the control unit 40 is configured to control the flow rate or flow velocity of the fluid flowing into the chamber 11 from the inflow port 12 for each port. More specifically, the control unit of the present embodiment is configured to control the direction of the combined flow in the chamber by controlling the inflow amount or flow velocity of the fluid from the inflow port 12 to the chamber 11. . The operation in the control unit 40 will be described later.
- an observation target having adhesiveness such as a cell is adhered and fixed to a specific region (rectangular region in FIG. 6A) 111 near the center of the chamber 11.
- the fixing method of the observation target is not particularly limited, and may not be fixed as long as observation is possible.
- the specific area may be referred to as an “observation area”.
- control unit 40 inputs a controlled flow (hereinafter sometimes referred to as “stimulation” or “stimulated flow”) from the ceiling at the center of the chamber 11 (that is, the controlled flow port 120) by the fluid supply unit 20. To do.
- stimulation a controlled flow
- the control unit 40 sends the liquid feeding amount from the first to third ports 121 to 123 surrounding the controlled flow port 120 to the liquid feeding amount from the fluid supply unit 20 to each inflow channel 14. Adjust by adjusting. This controls the direction and width of the laminar flow formed in the chamber, that is, the spatial direction profile of the stimulus flow and concentration.
- the method for this can be expressed as follows. A method in which the beam-like stimulation flow and the concentration gradient formed thereby are directed in any direction in two dimensions by controlling the flow rate of the liquid feeding from each port. A method of dynamically changing the amount of liquid delivered and changing the direction of the stimulation flow over time. In this case, a method for adjusting the amount of liquid delivered to keep the rate of change in the stimulus flow direction constant.
- the first to third ports 121 to 123 constitutes the buffer feeding port
- the controlled flow port 120 (hereinafter sometimes simply referred to as“ channel 4 ”) constitutes the stimulation solution feeding port.
- the liquid feeding from the channels 1, 2, and 3 forms a flow field toward a discharge port (hereinafter also referred to as “waste liquid port”) 13 (see FIG. 4) provided at the peripheral edge of the chamber 11.
- the combined flow can be directed in an arbitrary direction depending on the ratio of the liquid feeding amounts of the channels 2 and 3.
- the flow is directed in a direction rotated 120 degrees from the direction formed from channel 2 alone (FIG. 3D).
- the combined flow includes a case where the flow is formed by liquid feeding from only one channel.
- the flow (regulated flow) from the i-th and j-th ports (in this example, any two of the first to third ports) for laminar flow adjustment is controlled flow port 120 (channel 4 in FIG. 7). It is assumed that a controlled flow having a velocity vector v is realized by combining in the vicinity of (Fig. 7). Let the flow velocity contribution from each channel at the position of channel 4 be represented by vectors v i and v j , keeping their sum constant (v max ) while changing their absolute values from 0 to v max. I will do it. Now the relative ratio of the jth flow velocity is p, i.e.
- tan -1 is defined as [0,180] degrees
- flow rate ratio p is defined as [0, 1].
- ⁇ 120 degrees (basic module)
- the direction of the stimulation flow from the channel 4 can be determined by forming the regulation flow in this way.
- Q i and Q j are the amounts of liquid fed per unit time from the i-th and j-th channels.
- the liquid feeding control described above can be performed relatively easily by using a commercially available syringe pump with a programmable liquid feeding speed or a pressure control type micro flow control device as the fluid supply unit 20.
- An example of an actual flow (synthetic flow) formed in the chamber 11 is shown in FIG.
- a buffer containing fluorescent beads is fed from the channels 2 and 3 of the device body 10 (basic module) using a pressure control type micro flow control device as the fluid supply unit 20, and the chamber 11 (sample The state of the regulated flow in the chamber) was visualized.
- the liquid supply port (controlled flow port 120) of channel 4 is closed.
- FIG. 9 shows a state in which the stimulating substance solution is fed from the channel 4 while feeding the buffer from the channels 2 and 3 of the basic module to control the direction of the regulation flow.
- the liquid feeding ratio p is changed from 0 to 1
- the direction of the stimulation flow changes by 120 degrees (FIG. 9B).
- the measured p dependence of the direction ⁇ of the stimulation flow is in good agreement with the theoretical formula (formula (1)) as in the basic operation in FIG. 8 (FIG. 9B).
- the maximum value (fluorescence luminance value) of the concentration profile when p is changed from 0 to 1 is 0.49 on average, and the average variation (standard deviation / average value) is 14
- the average concentration gradient in the range of 20% to 80% of the peak fluorescence luminance was 0.021 ⁇ m ⁇ 1 , and the variation in slope (standard deviation / average value) was 18%.
- the average maximum concentration was 0.40
- the variation was 9%
- the average gradient slope was 0.0018 ⁇ m ⁇ 1
- the gradient variation was 11%.
- control unit 40 of the present embodiment can control the inflow amount or flow rate of the fluid so that the concentration gradient profile in the combined flow is constant.
- FIG. 10 shows that the direction of the stimulus flow from 4 can be rotated once.
- the stimulus directed to the lower right direction was rotated once counterclockwise (FIG. 10A).
- the concentration distribution of the physiologically active substance created by the stimulation flow and its gradient has a mountain shape when viewed in the vertical direction of the flow.
- the direction of the mountain-shaped concentration gradient changes (FIG. 10B).
- FIG. 10C shows a comparison of changes in the direction of the stimulation flow when the liquid feeding ratio p is changed to be proportional to time and when it is changed according to the derived relational expression (formula (3)).
- D When the liquid feeding ratio p is changed linearly with time, the direction of the stimulation flow can be rotated, but the rotational speed changes depending on the direction and is not constant (FIG. 10C).
- the liquid supply amount is changed according to the derived relational expression, a stimulation flow rotating at a constant angular velocity is realized as expected from the theoretical expression (FIG. 10D). Comparing the variations in angular velocities in the respective methods (FIG.
- the width of the stimulation flow can be adjusted by changing the amount of liquid fed per unit time from the liquid feed port of channel 4 (FIG. 11).
- a beam-like stimulation flow is formed by constricting the fluid by the adjustment flow from the upper right side to the lower left side of the field of view.
- a wide stimulation flow can be formed when the amount of stimulation flow is increased, and a wide stimulation flow is formed when the amount of delivery is reduced.
- the direction of the stimulation flow can be controlled by the above-described method even for the stimulation flows having different widths.
- the controlled flow port for sending the controlled flow to the chamber 11 was provided.
- the controlled flow port is abbreviate
- the chamber 11 is not shown, and a virtual circle connecting the channels 1 to 3 is shown for convenience of explanation.
- a caged material is used as the fluid flowing into the chamber 11 from the inflow port 12 in the second embodiment.
- the stimulus input unit 50 is configured to apply a stimulus for uncaging to the caged material that flows into the chamber 11 and constitutes the combined flow.
- the stimulus input unit 50 is a mirror or an optical fiber (not shown) for applying a light stimulus to the caged substance.
- the formation and direction control of the stimulus flow described in the first embodiment is a stimulus flow formed by activating (uncaging) a caged compound in which a physiologically active substance is bound to a photodegradable protective group by light irradiation. It can also be applied to.
- a solution in which a caged compound of a stimulating substance is mixed is introduced from the channels 1, 2, and 3, and a regulated flow (synthetic flow) according to the method described in the first embodiment. Is controlled (see FIG. 12A).
- the setting of the light irradiation region for uncaging can be performed by a method using a pinhole or a commercially available nanomirror system that can change the light irradiation region.
- FIG. 13A An example in which the direction of the stimulation flow is controlled according to the second embodiment is shown in FIG.
- the stimulus flow turns to the right
- p 0.3 turns to the upper right
- p 0.7 goes up
- p 1 changes the direction to the upper left
- the ratio p of the liquid delivery amount is changed from 0 to 1
- the direction of the stimulation flow changes by 120 degrees
- the measured p dependency of the direction ⁇ of the stimulation flow is in good agreement with the theoretical formula (Equation (1)). It was seen (FIG. 13B).
- the spatial profile of the stimulant concentration is kept more constant (FIG. 13D).
- the peak fluorescence intensity value of the concentration profile is 2.94 on average and the average variation (standard deviation / average value) is 39%
- the average slope gradient in the range of 20% to 80% of the peak fluorescence brightness was 0.045 ⁇ m ⁇ 1 , and the slope variation (standard deviation / average value) was 41%.
- the average value of peak fluorescence brightness was 1.76
- the variation was 5%
- the average gradient slope was 0.027 ⁇ m ⁇ 1
- the gradient variation was 6%.
- the controlled flow rate constant control it is possible to greatly suppress the variation of the concentration spatial profile from the viewpoint of both the concentration peak value and the concentration gradient.
- the direction of the stimulus flow can be controlled without greatly deviating from the theoretical value at least within the range of 300 ⁇ m from the center (FIG. 13E, from the chamber center). Distance of 100 ⁇ m, 140, 200, 300).
- the width of the stimulus flow is determined by the size of the light irradiation region (FIG. 14A).
- a stimulation flow having an arbitrary width in the range of 1 ⁇ m to 1 ⁇ m can be formed in a single device.
- the direction of the stimulation flow can be controlled over time as in the first embodiment (FIG. 14B). In this way, even when stimulating using uncaging, a rotational wave of the stimulating flow can be formed based on the above-described method for controlling the direction of the regulated flow.
- FIG. 15A shows the operation procedure when the optical uncaging is switched at two locations in the basic module and the direction of the stimulus flow formed from each location is controlled.
- FIG. 15B to 15D a case where a stimulation flow from the lower left side of the chamber to the upper right side and a stimulation flow from the upper left side of the chamber 11 to the lower right side are input to the center of the chamber is shown. Since two or more light irradiation positions can be provided, a stimulus flow and a gradient from an arbitrary direction can be presented at the position of interest.
- control device of the second embodiment is basically the same as those of the first embodiment described above, and thus further description is omitted.
- the method of presenting the stimulus flow and the gradient from an arbitrary direction at the position of interest using optical uncaging has been described.
- the applicable range of this method is limited to the case where a caged compound of a physiologically active substance can be used and the optical uncaging position can be set in the microscope observation region.
- a multiplex system in which a plurality of basic modules are arranged can be considered (FIG. 16A).
- the basic module (the first embodiment) is composed of one stimulus feeding port (Stimulus inlet, S) and three buffer feeding ports for control arranged at the vertices of a triangle surrounding the stimulus feeding port (Stimulustiminlet, S).
- Buffer inlet, B (FIG. 16A left, 1S / 3B).
- a diamond-shaped duplex channel system (second from the left in FIG. 16A, 2S / 4B) in which two triangles are arranged in the chamber 11 and three in this chamber 11 (Fig. 16A). 16 is the third from the left, 3S / 9B and 3S6B), and the configuration of a channel system (FIG. 16 right, 4S / 4B and 6S6B) having more modules can be considered.
- the above-described stimulation flow direction control is performed in each module, and by combining a plurality of these, the stimulation flow and its gradient can be presented from different directions to the position of interest in the chamber 11. (FIG. 16B).
- a duplex (2S / 4B type) channel combining two basic modules is shown (FIG. 17).
- the control liquid supply port (second port 122 and third port 123 in this example) of the basic module is formed in units of two modules (first to third ports and controlled flow port).
- the liquid supply ports are arranged in a diamond shape (FIG. 17A).
- FIG. 17B By using this flow path and controlling the direction of the aforementioned stimulus flow, gradient stimuli that alternated from different directions were formed (FIG. 17B).
- FIG. 17C by appropriately selecting the three observation positions 1 to 3 (corresponding to the first to third specific regions 111 to 113) in the sample chamber, the directions in which the two gradient stimuli appear can be changed.
- ROI 1 to 3 in FIG. 17C show the concentration gradients (that is, gradient stimulation) observed in the first to third specific regions 111 to 113.
- region 112 in FIG. 17C is set to the substantially same position as the 1st specific area
- the position of each specific region can be appropriately set according to various factors such as each port, chamber shape, observation purpose, and the like.
- channels 1, 2, and 4 correspond to the first to third ports 121 to 123, and channel 5 corresponds to the controlled port 120.
- channels 3, 2, and 4 correspond to the first to third ports 121 to 123, and channel 6 corresponds to the controlled port 120.
- the channel 3 can also be recognized as the fourth port 124.
- the direction of the laminar flow (synthetic flow) from the center of the chamber 11 toward the peripheral portion can be directed in an arbitrary direction within a range of 360 degrees.
- FIG. 18 shows an example in which a rotational wave stimulus that makes one turn in 6 minutes is given to a cellular slime mold that is a typical example of a moving cell.
- Cellular slime molds are moving in the direction opposite to the traveling direction of the rotation wave. In slime mold cells, it is considered that the attracting substances that are formed in a self-organizing manner in the population gather together to form multi-cells.
- the time space of concentration gradients for the chemotaxis of cellular slime molds, neutrophils, and even cancer cells Evaluate responsiveness to changes and analyze how cells determine the timing and direction of movement. These analyzes are expected to provide useful information for understanding the mechanisms of cell information processing and chemotaxis in the field of physiologically active substances in tissues.
- a plurality of laminar flows in different directions can be alternately introduced. This makes it possible to analyze how a cell changes its extension direction and movement direction when a gradient stimulus is applied from a different direction from the beginning.
- a cell turning experiment is considered in which stimulation input positions are prepared at a plurality of positions surrounding the cell, and gradient stimulation in various directions as viewed from the cell is given ( FIG. 16B).
- FIG. 19 shows an experimental example in which two gradient stimuli directed in different directions were alternately applied to cells using a duplex channel.
- the neutrophil-like cells (HL60) of the immune system move in a zigzag direction while moving in the direction of climbing the concentration gradient formed by the stimulus flow and following the change in the direction of the gradient. The state of going is captured.
- Such cell reorientation is thought to be important for immune cells to move to the damaged site during inflammatory reaction, and cancer cells for understanding invasive metastasis.
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Abstract
Description
本発明は、流体の流れを制御するための技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for controlling the flow of fluid.
マイクロ流体デバイスの発展によって、いわゆる濃度勾配形成の手法が発展したことで、細胞が濃度勾配をいかに検知しているかについての研究が進展した。しかしながら従来のマイクロ流体デバイスでは、細胞の任意の箇所にたいして、任意の方向に薬剤刺激および濃度勾配を加えることや、その向きを時間的になめらかに切り替えることが困難である。以下に、問題点を具体的に述べる。 The development of so-called concentration gradient formation techniques with the development of microfluidic devices has advanced research on how cells detect concentration gradients. However, in the conventional microfluidic device, it is difficult to apply a drug stimulus and a concentration gradient in an arbitrary direction to an arbitrary part of a cell, and to smoothly switch the direction in time. The problem will be specifically described below.
1. 微小流路内の細胞への薬剤刺激の投与法としては、T字型流路を用いる方法(下記特許文献1及び非特許文献1参照)、階段状のミキサーやクリスマスツリー型の分岐流路によって層流を分配することで濃度勾配を形成する手法(下記特許文献2及び非特許文献2参照)がある。これらの手法では、層流の方向、したがって刺激物質の濃度勾配の向きが一意的に決定されてしまっている。同様の問題は、刺激物質の投与口をチャンバの天井に設けた方式(下記特許文献3参照)についてもあてはまる。
1. As a method of administering drug stimulation to cells in a microchannel, a method using a T-shaped channel (see
2. 勾配の時間的な切替については、3分岐型の流路において、刺激の投入口の切替による勾配の向きの切替(下記非特許文献3参照)、ならびに流速変化による勾配の位置の移動を行う技術(下記非特許文献4参照)が提案されている。また、クリスマスツリー型の分岐流路を二層式にし、これらの層の間を切り替える手法(下記非特許文献5参照)もある。これらの方法では、勾配の向きの制御は180度の反転に限られており、また、切り替えの際に刺激濃度の一過的な乱れが不可避的に生じてしまう。
2. Regarding the temporal switching of the gradient, in the three-branch type flow path, change the gradient direction by switching the stimulus inlet (see
3. 直線状の流路を3つ重ね合わせた形状の放射状流路の末端部にもうけた複数の流入、流出口によって層流を形成させることにより刺激角度を変化させる方式(下記非特許文献6参照)も存在する。しかしながら、この技術では、流入・流出口の位置とその離散性のため、刺激角度の連続可変的な調節ができない。同様の問題は、層流を用いない、パッシブ方式(円形チャンバの周縁部にもうけた複数の染み出し口から刺激物質を加える方式、下記特許文献4参照)においても同様である。
3. A method in which the stimulation angle is changed by forming a laminar flow by a plurality of inflow and outflow ports at the end of a radial flow channel formed by superimposing three linear flow channels (
4. マニピュレータに取り付けて可動させる方式のデバイスでは、流入、流出口を対としてダイポール型に配置し(下記非特許文献7参照)、細胞の直上に層流を与えることを可能にしている。このデバイスを任意の方向に配置することで、刺激が投入される角度を変化させることが可能であるが、装置の配置や移動により生じる速度場の不安定化によって、層流の方向が一過的に乱れてしまう。 4. In a device of a system that is attached to a manipulator and is movable, the inflow and outflow ports are arranged in a dipole shape (see Non-Patent Document 7 below), and a laminar flow can be applied immediately above the cells. By arranging this device in an arbitrary direction, it is possible to change the angle at which the stimulus is applied, but the laminar flow direction is temporarily changed due to the instability of the velocity field caused by the arrangement and movement of the device. Will be disturbed.
ホルモンや増殖因子、誘引物質などの生理活性分子の刺激は、多くの場合、細胞のどの場所にどの側面から刺激が加えられるかという点が重要である。たとえば神経であれば軸索のどの箇所にどの側面から誘引物質を与えるかによって軸索が伸びる方向が変わる。白血球のように動く細胞では、細胞前端、後端の違い、またどの角度から刺激を加えるのかなどで動く方向が決定される。刺激物質の濃度勾配へ向かう又はそれから離れる運動は走化性(chemotaxis; 化学走性)運動と呼ばれる。マイクロ流体デバイスを用いたいわゆる勾配形成装置の発展と応用によって、刺激物質の濃度勾配により細胞の形態や運動がいかに制御されるかについての理解が進展した。しかしながら一方で、細胞の方向転換がいかにしておこなわれるかは、ほとんど手がつけられていない問題である。 In many cases, stimulation of physiologically active molecules such as hormones, growth factors, and attractants is important in terms of which side of the cell the stimulus is applied from. For example, in the case of nerves, the direction in which the axon extends depends on which side of the axon is attracted from which side. For cells that move like leukocytes, the direction of movement is determined by the difference between the front and rear ends of the cell and the angle at which the stimulus is applied. Movement toward or away from the stimulant concentration gradient is called chemotaxis movement. With the development and application of so-called gradient forming devices using microfluidic devices, understanding of how cell morphology and movement are controlled by concentration gradients of stimulating substances has advanced. However, on the other hand, how to change the direction of the cells is a problem that is almost untouched.
前記したように、細胞が刺激によってどのように動く向きを変えるのか、もしくは細胞の伸張方向の向きを変化させるのかを精密に観察したいという要望がある。走化性誘引物質の濃度勾配の向きの変化にたいして、細胞運動の向きの変化を調べるためのアッセイは、従来、刺激物質をマイクロピペットに充填し、マニピュレータでその位置を変えることでおこなわれてきた(下記非特許文献8及び9参照)。この方法では、任意の方向に刺激物質の濃度勾配を与えることができるが、濃度勾配の角度を正確に切り替えるためには、作業者の熟練した手作業を必要とする。しかも、この方法では、勾配の除去をパッシブな拡散にまかせているため、素早い切り替えが原理的に困難である。また、溶液中のマイクロピペットの移動による溶液の流れが不可避的に生まれるため、細胞程度の大きさ(マイクロメートルスケール)での安定な濃度勾配の形成は困難であった。
As described above, there is a demand for precisely observing how the direction of movement of a cell is changed by stimulation or whether the direction of extension of a cell is changed. Conventionally, assays for examining changes in the direction of cell motility against changes in the concentration gradient of chemotactic attractants have been performed by filling a micropipette with a stimulating substance and changing its position with a manipulator. (See
したがって、任意の方向に刺激物質の濃度勾配を加え、およびその角度を時間的になめらかに、もしくは不連続的に切り替えることができる新たな方法が必要であった。 Therefore, there is a need for a new method that can add a concentration gradient of a stimulating substance in an arbitrary direction and can switch the angle smoothly or discontinuously.
本発明は、前記した状況に基づいてなされたものである。本発明の主な目的は、流体の流れと、それにより形成される濃度勾配を、所望の方向に制御することができる技術を提供することである。 The present invention has been made based on the above situation. A main object of the present invention is to provide a technique capable of controlling a fluid flow and a concentration gradient formed thereby in a desired direction.
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。 The means for solving the above-described problems can be described as the following items.
(項目1)
流体の流れを制御するための装置であって、
デバイス本体を備えており、
前記デバイス本体は、チャンバと、流入ポートと、排出ポートとを備えており、
前記チャンバは、二次元方向に延長された閉鎖空間となっており、
かつ、前記チャンバは、その一部に特定領域を含んでおり、
前記流入ポートは、少なくとも第1ポートと第2ポートとを備えており、
前記第1ポート及び第2ポートは、いずれも、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成する構成となっており、
前記排出ポートは、前記チャンバの前記延長方向における端部又はその近傍から前記流体を排出させる構成となっている
流体流の制御装置。
(Item 1)
An apparatus for controlling the flow of fluid,
It has a device body,
The device body includes a chamber, an inflow port, and an exhaust port,
The chamber is a closed space extended in a two-dimensional direction,
And the chamber includes a specific region in a part thereof,
The inflow port includes at least a first port and a second port;
The first port and the second port both supply fluid into the chamber in a direction that intersects the extension direction of the chamber, so that the first port and the second port are directed to at least one direction in or near the specific region. It is configured to form a composite flow with a velocity component,
The discharge port is configured to discharge the fluid from an end portion in the extension direction of the chamber or the vicinity thereof.
(項目2)
前記第1ポートと前記第2ポートとは、前記特定領域を中心として、約120度の位相差となる位置又はその近傍に配置されている
項目1に記載の制御装置。
(Item 2)
The control device according to
(項目3)
前記流入ポートは、第3ポートをさらに備えており、
前記第3ポートは、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給する構成となっており、
かつ、前記第3ポートは、前記特定領域を中心として、前記第1及び第2ポートとそれぞれ約120度の位相差となる位置又はその近傍に配置されている
項目2に記載の制御装置。
(Item 3)
The inflow port further includes a third port;
The third port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber,
The control device according to
(項目4)
前記流入ポートは、被制御流ポートをさらに備えており、
前記被制御流ポートは、前記特定領域又はその近傍に被制御流を供給する構成となっている
項目1~3のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 4)
The inflow port further comprises a controlled flow port;
The control device according to any one of
(項目5)
さらに制御部を備えており、
前記制御部は、前記流入ポートから前記チャンバ内に流入する前記流体の流量又は流速を制御する構成となっており、
さらに、前記制御部は、前記流入ポートから前記チャンバへの前記流体の流入量又は流速を制御することにより、前記合成流の向きを制御する構成となっている
項目1~4のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 5)
Furthermore, it has a control part,
The control unit is configured to control the flow rate or flow rate of the fluid flowing into the chamber from the inflow port,
Further, the control unit is configured to control the direction of the combined flow by controlling an inflow amount or a flow velocity of the fluid from the inflow port to the chamber. The control device described in 1.
(項目6)
前記制御部は、前記合成流の向きを、角速度が一定となるように回転させる構成となっている
項目5に記載の制御装置。
(Item 6)
The control device according to item 5, wherein the control unit is configured to rotate the direction of the combined flow so that an angular velocity is constant.
(項目7)
前記制御部は、前記合成流における濃度勾配プロファイルが一定となるように前記流体の流入量又は流速を制御する構成となっている
項目5又は6に記載の制御装置。
(Item 7)
The control device according to
(項目8)
さらに刺激入力部を備えており、
前記流入ポートから前記チャンバ内に流入する流体としては、ケージド物質が用いられており、
前記刺激入力部は、前記チャンバ内に流入して前記合成流を構成する前記ケージド物質に、アンケージのための刺激を加える構成となっている
項目1~7のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 8)
In addition, it has a stimulus input unit,
As the fluid flowing into the chamber from the inflow port, a caged material is used,
(項目9)
前記特定領域は、前記チャンバの前記二次元方向における中央部分またはその近傍の位置とされている
項目1~8のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 9)
The control device according to any one of
(項目10)
前記流入ポートは、第4ポートをさらに備えており、
前記チャンバは、その一部に第2特定領域をさらに含んでおり、
前記第2領域は、前記特定領域とは異なる位置とされており、
前記第4ポートは、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記第2特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成する構成となっている
項目1~9のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 10)
The inflow port further includes a fourth port;
The chamber further includes a second specific region in a part thereof,
The second area is a position different from the specific area,
The fourth port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber, thereby having a velocity component in at least one direction at or near the second specific region. 10. The control device according to any one of
(項目11)
前記排出ポートは、前記チャンバの延長方向端部において、前記流体を、ほぼ一様な速度で排出する構成となっている
項目1~10のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 11)
The control device according to any one of
(項目12)
さらに流体供給部と流体排出部とを備えており、
前記流体供給部は、前記流入ポートに前記流体を供給する構成となっており、
前記流体排出部は、前記排出ポートから前記流体を回収する構成となっている
項目1~11のいずれか1項に記載の制御装置。
(Item 12)
Furthermore, it has a fluid supply part and a fluid discharge part,
The fluid supply unit is configured to supply the fluid to the inflow port,
The control device according to any one of
(項目13)
項目1~12のいずれか1項に記載の制御装置を用いて流体の流れを制御するための方法であって、
前記第1ポート及び第2ポートから、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成するステップと、
前記第1ポート及び第2ポートのうちの一方又は両方における、前記流体の流速又は流量を変更することにより、前記合成流の方向又は流速を変更するステップと
を備える流体流の制御方法。
(Item 13)
A method for controlling a flow of fluid using the control device according to any one of
By supplying a fluid from the first port and the second port into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber, a velocity component in at least one direction is generated in or near the specific region. Forming a composite flow having,
Changing the direction or flow rate of the combined flow by changing the flow velocity or flow rate of the fluid in one or both of the first port and the second port.
本発明によれば、流体の流れと、それにより形成される濃度勾配を、所望の方向に制御することが可能となる。 According to the present invention, the flow of fluid and the concentration gradient formed thereby can be controlled in a desired direction.
以下、本発明の第1実施形態に係る流体流制御装置(以下単に「制御装置」又は「装置」と略称することがある)を、添付の図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, a fluid flow control device according to a first embodiment of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “control device” or “device”) will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1実施形態の構成)
本実施形態の制御装置は、デバイス本体10を備えている。さらに、この装置は、流体供給部(「送液部」と称することがある)20と、流体排出部(「排液部」と称することがある)30と、制御部40とを追加的に備えている(図1参照)。
(Configuration of the first embodiment)
The control apparatus according to the present embodiment includes a
(デバイス本体)
デバイス本体10は、チャンバ11と、流入ポート12と、排出ポート13とを備えている(図2及び図3参照)。さらに、このデバイス本体10は、流入チャネル14と排出チャネル15とを備えている(図4参照)。
(Device body)
The
(チャンバ)
チャンバ11は、二次元方向に延長された閉鎖空間となっている(図3参照)。より具体的には、チャンバ11は、デバイス本体10の内部に形成された、扁平かつ略円柱状の空間となっている。
(Chamber)
The
チャンバ11は、その一部に特定領域111を含んでいる(図2参照)。特定領域とは、この実施形態では、観察の対象となる領域である。また、この実施形態では、チャンバ11のほぼ中央部が、特定領域111とされている。特定領域111は、仕切られた領域という意味ではなく、チャンバ11内の空間の一部をそのように把握するという意味であり、目的に応じて適宜の位置を特定領域111として認識できる。
The
(流入ポート)
この実施形態の流入ポート12は、第1ポート121と、第2ポート122と、第3ポート123とを備えている(図2及び図3参照)。
(Inflow port)
第1ポート~第3ポート121~123は、いずれも、チャンバ11内に流体を、チャンバ11の延長方向(図3においては例えば左右方向)に交差する方向(図3においては下向き)に供給することにより、特定領域111又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成する構成となっている。合成流の形成手法においては後述する。ここで、本明細書においては、流体とは、液体に限らず、本発明の対象となりうる流動性を有する流体、例えばゾル状やゲル状などの、流動性物質であってもよい。ただし、以下の説明では、基本的に、流体としては液体を仮定する。
Each of the first to
第1ポート121と第2ポート122とは、特定領域111を中心として、約120度の位相差となる位置又はその近傍に配置されている。さらに、本実施形態の第3ポート123は、特定領域111を中心として、第1及び第2ポート121及び122とそれぞれ約120度の位相差となる位置又はその近傍に配置されている。つまり、第1ポート121~第3ポート123は、一つの仮想的な円周上に、等間隔で配置されている。
The
本実施形態の流入ポート12は、被制御流ポート120をさらに備えている。被制御流ポート120は、特定領域111又はその近傍に被制御流を供給する構成となっている(図2及び図3参照)。より具体的には、本実施形態の被制御流ポート120は、図3において下向きに、つまり第1~第3ポート121~123と平行な向きで、被制御流をチャンバ11の内部に供給できるようになっている。ここで、本実施形態では、被制御流は、いわゆる刺激物質の流れである刺激流が用いられている。刺激物質とは、例えば細胞の走化性を調べる目的の場合は、走化性誘引物質である。
The
(排出ポート)
排出ポート13は、チャンバ11の延長方向における端部又はその近傍から前記流体を排出させる構成となっている。また、排出ポート13は、チャンバ11の延長方向端部において、流体を、ほぼ一様な速度で排出する構成となっている。
(Discharge port)
The
より具体的には、本実施形態の排出ポート13は、チャンバ11の側面(図3における左右の面)に、ほぼ全周にわたって、離散的に形成されている。したがって、実際は、複数の排出ポート13が存在しているが、この明細書では、各排出ポートについて、同じ符号13を付す。排出ポート13間の間隔は、ほぼ均一となっている。また、特定領域111と排出ポート13との距離は、できるだけ長くすることが好ましい。
More specifically, the
(流入チャネル)
流入チャネル14(図4及び図5参照)は、流体供給部20から供給される流体を、流入ポート12を構成する各ポート120~123にそれぞれ個別に供給するための経路である。この明細書では、各流入チャネルに対して同じ符号14を付す。各流入チャネル14は、この実施形態では、デバイス本体10に形成された溝により形成されている。しかし、流入チャネル14の具体的構成としてはこれに制約されず、例えばマイクロ流体を搬送可能な配管を用いてもよい。
(Inflow channel)
The inflow channel 14 (see FIGS. 4 and 5) is a path for individually supplying the fluid supplied from the
(排出チャネル)
排出チャネル15(図4参照)は、チャンバ11内に供給された流体を、排出ポート13から回収して流体排出部30に送るための経路である。排出チャネル15は、この実施形態では、流入チャネル14と同様に、デバイス本体10に形成された溝により形成されている。しかし、排出チャネル15としては、例えばマイクロ流体を送液可能な配管を用いてもよい。また、この実施形態では、各排出ポート13から流体排出部30までの経路長がほぼ等しくなるように(つまり各排出ポート13での吸引圧力がほぼ等しくなるように)、排出チャネル15の形状を設定している。
(Discharge channel)
The discharge channel 15 (see FIG. 4) is a path for collecting the fluid supplied into the
(流体供給部)
流体供給部20は、流入ポート12に流体を供給する構成となっている。
(Fluid supply part)
The
具体的には、流体供給部20としては、シリンジポンプ又は送液用圧力制御装置のように、マイクロ流体の供給のために使用可能な各種の機器を用いることができる。流体供給部20は、流入チャネル14における端部(流入ポート12とは反対側の端部)に接続されており、流入チャネル14に流体を供給できるようになっている。本実施形態の流体供給部20は、制御部40からの制御に従って、各流入チャネル14への流体の流量又は流速をポートごとに設定することができるようになっている。
Specifically, as the
(流体排出部)
流体排出部30は、チャンバ11内に供給された流体を、排出ポート13から、排出チャネル15を介して回収する構成となっている。具体的には、流体排出部30としては、排液用の各種のポンプを使用することができる。ここで、流体排出部30としては、チャンバ11にすでに供給された流体が、その後にチャンバ11に供給される流体の流れを乱さないように、流体をチャンバ11から等方的に回収することが好ましい。なお、流体排出部30としては、ポンプのように能動的に排出する手段に限らず、例えば、排出される流体を受動的に(つまり積極的な吸引を行わずに)回収する手段であってもよい。
(Fluid discharge part)
The
(制御部)
制御部40は、流入ポート12からチャンバ11内に流入する流体の流量又は流速をポートごとに制御する構成となっている。より具体的には、本実施形態の制御部は、流入ポート12からチャンバ11への流体の流入量又は流速を制御することにより、チャンバ内での合成流の向きを制御する構成となっている。制御部40での動作については後述する。
(Control part)
The
(本実施系の動作)
以下、本実施形態の動作原理と制御方法を説明する。
(Operation of this system)
Hereinafter, the operation principle and control method of this embodiment will be described.
まず、一例として、細胞などの接着性のある観察対象を、チャンバ11の中央付近の特定領域(図6Aにおける矩形領域)111に接着させて固定する。なお、観察対象の固定方法は特に制約されず、観察可能であれば固定されていなくともよい。また、以下の説明では、特定領域を「観察領域」と称することがある。
First, as an example, an observation target having adhesiveness such as a cell is adhered and fixed to a specific region (rectangular region in FIG. 6A) 111 near the center of the
ついで、制御部40は、流体供給部20により、チャンバ11中心の天井(つまり被制御流ポート120)より、被制御流(以下では「刺激」又は「刺激流」と称することがある)を投入する。
Next, the
これと同時に又は前後して、制御部40は、被制御流ポート120を取り囲む第1~第3ポート121~123からの送液量を、流体供給部20から各流入チャネル14への送液量を調節することにより調節する。これにより、チャンバ内に形成される層流の方向と幅、すなわち刺激流の方向と濃度の空間プロファイルを制御する。このための方法は以下のように表現できる。
・各ポートからの送液の流速の制御によって、ビーム状の刺激流およびそれによって形成される濃度勾配を、2次元上で任意の方向にむける方法。
・送液量を動的に変化させ、刺激流の方向を時間的に変動させる方法。
・この場合において刺激流方向の変化速度を一定に保つための送液量の調節方法。
At the same time or before and after this, the
A method in which the beam-like stimulation flow and the concentration gradient formed thereby are directed in any direction in two dimensions by controlling the flow rate of the liquid feeding from each port.
A method of dynamically changing the amount of liquid delivered and changing the direction of the stimulation flow over time.
In this case, a method for adjusting the amount of liquid delivered to keep the rate of change in the stimulus flow direction constant.
(基本原理)
以下の説明では、デバイス本体10の天井に設けた4個の流入ポート(以下「送液口」ということがある)12のうち、第1~第3ポート121~123(以下単に「チャンネル1、2、3」と称することがある)は、バッファ送液口を構成し、被制御流ポート120(以下単に「チャンネル4」と称することがある)は、刺激溶液の送液口を構成するものとする。
(Basic principle)
In the following description, of the four inflow ports (hereinafter sometimes referred to as “liquid feeding ports”) 12 provided on the ceiling of the
チャンネル4からの送液量を一定に保ちながら、チャンネル1、2、3からの送液を切り替える。チャンネル1、2、3からの送液は、チャンバ11の周縁部に設けた排出ポート(以下「廃液口」と称することがある)13(図4参照)にむけて、流れ場を形成する。
Switch the liquid supply from
ここでは特に、観察対象とする細胞を置くこととなるチャンバ11の中央付近(図6Aの特定領域111)に着目し、そこにもうけているチャンネル4付近の流れの方向を考察する。チャンネル1、2、3のどれか一つのみから送液する場合、刺激流の方向は、層流調整用の送液チャンネル(図6Bの例ではチャンネル2)からの流れ(調節流)によってのみ定まる。つぎに、チャンネル2、3の両方から送液すると、両チャンネルからの送液量の比によって、チャンネル2と4を通る直線とチャンネル3と4を通る直線とがなす角(120度)の間の任意の方向に向かせることができる(図6C)。この場合、チャンネル2、3の送液量の比によって任意の方向に合成流を向けることができる。チャンネル3のみから送液した場合には、チャンネル2のみからの場合に形成される方向から120度回転した方向に流れが向く(図3D)。このような操作をチャンネル(2、3)の組み合わせだけでなく、チャンネル(3、1)とチャンネル(1、2)においても同様に行うことで、チャンネル4からの刺激流を120度×3=360度の全方向に向けられることが期待される。なお、この明細書において合成流とは、一つのチャンネルのみからの送液によって形成される流れである場合も含む。
Here, in particular, attention is paid to the vicinity of the center of the chamber 11 (the
(調節流および刺激流の速度の方向と大きさの決定方法)
層流調整用のi番目とj番目のポート(この例では第1~第3ポートうちの任意の二つ)からの流れ(調節流)を、被制御流ポート120(図7のチャンネル4)の近傍で合成することで、速度ベクトルvをもった調節流を実現したいとする(図7)。チャンネル4の位置における、それぞれのチャンネルからの流速の寄与をベクトルviおよびvjで表すこととし、これらの絶対値を0からvmaxに変化させながら、その合計を一定(vmax)に保つこととする。いまj番目の流速の相対比をp、すなわち
(Method of determining the direction and magnitude of the velocity of the regulated flow and stimulus flow)
The flow (regulated flow) from the i-th and j-th ports (in this example, any two of the first to third ports) for laminar flow adjustment is controlled flow port 120 (
で与えられる。ここで、tan-1は[0,180]度、流速比pは[0, 1]を定義域とする。φ=120度(基本モジュール)の場合、調節流を目的の方向θ(図7)に向けるには、
となる。
Given in. Here, tan -1 is defined as [0,180] degrees, and the flow rate ratio p is defined as [0, 1]. In the case of φ = 120 degrees (basic module), to direct the regulated flow in the desired direction θ (FIG. 7),
It becomes.
このように調節流を形成することによって、チャンネル4からの刺激流の方向を決定できることが期待される。実際の操作としては、送液量の相対比( j番目のチャンネルからの送液量 Qj )/( i番目と j番目のチャンネルからの送液量の和 Qi + Qj )を制御することで流速比(p = Qj/(Qi + Qj))を調節することになる。ただしここで、QiおよびQj はi番目とj番目のチャンネルからの単位時間あたりの送液量である。流速比、すなわち送液量比pを変化させるには主に以下の二つの方法がある。
It is expected that the direction of the stimulation flow from the
1)i番目とj番目のチャンネルからの送液量の和、つまり調節送液量 Qsum (= Q2 + Q3) を一定値 Qc に保ちながらpを制御する(「調節送液量一定制御」、 Qsum = Qc)。この場合、チャンバ中心での調節流の流速は式(2)で表される。 1) Control p while keeping the sum of the amount of liquid delivered from the i-th and j-th channels, that is, the adjusted amount of liquid Q sum (= Q 2 + Q 3 ) at a constant value Q c ( Constant control ", Qsum = Qc ). In this case, the flow rate of the regulated flow at the center of the chamber is expressed by equation (2).
2)チャンバ11の中心での調節流の流速を一定に保つように、送液量比pとともに調節送液量 Qsumを制御する(「調節流速一定制御」)。この制御を実現するためには、式(2)における送液量比pへの依存性を打ち消すように、調節送液量 Qsum を、pに対応して、
2) Control the adjusted liquid supply amount Q sum together with the liquid supply amount ratio p so as to keep the flow rate of the adjusted flow at the center of the
を保つように制御する。 Control to keep.
なお、いずれの制御方法においても、送液量比pがp = 0およびp = 1では、Qsum = Qc となる。以上の議論は、チャンネル(2、3)、チャンネル(3、1)とチャンネル(1、2)の組み合わせのいずれにおいても同様に成立する。 In any of the control methods, Q sum = Q c when the liquid feed ratio p is p = 0 and p = 1. The above discussion holds true for any combination of channel (2, 3) and channel (3, 1) and channel (1, 2).
上述の送液制御は、送液速度がプログラム可能な市販のシリンジポンプや、圧力制御型の微小流制御装置を流体供給部20として用いることにより、比較的簡便におこなうことができる。チャンバ11内に形成される実際の流れ(合成流)の例を図8に示す。この例では、圧力制御型の微小流制御装置を流体供給部20として用いて、デバイス本体10(基本モジュール)のチャンネル2と3から、蛍光ビーズを含んだバッファを送液し、チャンバ11(サンプルチャンバ)内の調節流の様子を可視化した。ここではチャンネル4の送液口(被制御流ポート120)は閉じている。送液量の相対比p((チャンネル3からの送液量 Q3)/(チャンネル2とチャンネル3からの送液量の和 Q2 + Q3))がp = 0のとき、上述の議論で期待されたように、チャンネル4の位置(チャンバ11の中心であり、図8において白点で示す)での調節流(つまり特定領域111での合成流)は、図8において右方向を向き、p = 0.2や0.5では右上方向へと向きを変える。粒子画像流速測定法(Particle image velocimetry、PIV)をもちいて、蛍光ビーズ(Fluoresbrite(R) YG Carboxylate Microspheres 1.00μm (15702), Polyscience)の位置の時間変化から、調節流の方向と流速を評価した(図8CおよびD)。調節送液量一定制御の方法にしたがい、送液量比pを0から1まで変化させると、調節流の方向は120度変わる(図8C)。調節流の方向θのp依存性は、実測値と理論値(式(1))によい一致がみられる(図8C)。また、流速は、pに対して非単調な依存性を示し、p = 0.5で極小値をとる(図8D)。流速のp依存性についても、理論式(式(2))とのよい一致がみられる(図8D)。調節流速一定制御の方法においても、調節流の方向のp依存性は、さきほどと同様に理論式(式(1))とのよい一致がみられる(図8C)。またそのときの流速は、期待されるように、pの値によらずほぼ一定に保たれる(図8D)。調節送液量一定制御の場合、pを0から1まで変化させたときの流速の平均は240 μm/secであり、平均のばらつき(標準偏差/平均)は25%であるのに対して、調節流速一定制御では、流速の平均値は330 μm/sec、平均のばらつきは2%と、流速のばらつきを大きく抑えることができる。前記した例における流体供給部20としては、Fluigent社の微小流制御装置MFCSを用いた。本例におけるp = 0, 1のときの単位時間あたりの送液量Qcは10 μL/minであった。
The liquid feeding control described above can be performed relatively easily by using a commercially available syringe pump with a programmable liquid feeding speed or a pressure control type micro flow control device as the
つぎに、基本モジュールのチャンネル2と3からバッファを送液して調節流の方向を制御しながら、チャンネル4から刺激物質溶液を送液したときの様子を図9に示す。図8で確認した基本的な振る舞いから期待されるように、送液量の相対比がp = 0のとき、刺激流は右の方向を向き、p = 0.3で右上、p = 0.7で上方向へ、p = 1では左上方向へと向きを変える(図9A)。送液量比pを0から1まで変化させると、刺激流の方向は120度変わる(図9B)。実測した刺激流の方向θのp依存性は、図8での基本動作と同様、理論式(式(1))とのよい一致がみられる(図9B)。調節送液量一定制御の場合は、刺激流とそこからの刺激物質の拡散によって形成される山型の濃度勾配プロファイルは、pによって大きく変化してしまう(図9C)。pが0か1に近い値では、極大値が低く、pが0.5かそれに近い値では、極大値が高い(図9C)。一方、調節流速一定制御の場合、刺激物質濃度の空間プロファイルが角度にほとんど依存しなくなる(図9D)。調節送液量一定制御の場合、p を0から1まで変化させたときの濃度プロファイルの極大値(蛍光輝度値)は、平均値が0.49で、平均のばらつき(標準偏差/平均値)は14%であり、ピークの蛍光輝度の20%から80%範囲での濃度勾配の平均は0.021 μm-1、傾きのばらつき(標準偏差/平均値)は18%となった。それに対して、調節流速一定制御の場合には、極大値濃度の平均が0.40でそのばらつきは9%、勾配の傾きの平均は0.0018 μm-1、傾きのばらつきは11%となった。このように、調節流速一定制御の場合に、濃度のピーク値、濃度勾配いずれにおいても、濃度勾配の空間プロファイルのばらつきを抑えることができる。なお、前記の例において、チャンネル1,2,3からの送液には、微小流制御装置(MFCS、Fluigent社)を用い、チャンネル4からの送液にはシリンジポンプ(Pump 11 Elite、 Harvard Apparatus社)を用いた(以下同様)。すなわち、本実施形態の制御部40により、合成流における濃度勾配プロファイルが一定となるように流体の流入量又は流速を制御することができる。
Next, FIG. 9 shows a state in which the stimulating substance solution is fed from the
(刺激流の方向を一定速度で変化させる方法)
チャンネル1、2、3からの送液速度の組み合わせを連続的に時間変化させることで、刺激流の方向を回転させ、進行波型の刺激を実現できる。またこの際、以下の考察に基づき送液量を制御部40により動的に制御することで、進行波の移動速度を勾配の法線方向にたいして一定に保てることを示す。
(Method of changing the direction of stimulation flow at a constant speed)
By continuously changing the combination of the liquid feeding speeds from the
上述の基本原理での議論に基づくと、pの微小変化にたいするチャンネル4付近の流体の流れの方向は
Based on the discussion on the basic principle described above, the direction of fluid flow in the vicinity of
上述の議論にしたがい、チャンネル(1、2)、チャンネル(2、3)、チャンネル(3、1)の組み合わせの順に、送液量比pを時間的に変化させることによって、角速度を保ちながらチャンネル4からの刺激流の方向を1回転できることを図10に示す。チャンネル1、2、3の送液を制御することで、はじめ右下方向へ向いた刺激を反時計回りに1回転させた(図10A)。また、刺激流およびその勾配が作る生理活性物質の濃度分布は、流れの垂直方向にみると、山型の形状を持つ。刺激流の向きが回転するのに対応して、山型の濃度勾配の向きが変化する(図10B)。送液量比pを時間に比例するように変化させた場合と、導出された関係式(式(3))にしたがって変化させた場合について、刺激流の方向変化の比較を示す(図10CとD)。送液量比pを時間的に線形に変化させた場合、刺激流の方向を回転できるものの、方向によって回転速度が変化し、一定でない(図10C)。一方、導出した関係式に従って送液量を変化させた場合、理論式からの予想通りに、一定の角速度で回転する刺激流が実現される(図10D)。それぞれの方法における角速度のばらつきを比較すると(図10E)、時間に比例してpを変化させた場合には、期待される平均速度よりも高いところと低いところにそれぞれピークをもつ2峰的な分布を持ち、角速度は2.02 ± 0.64 rad/分(平均 ± 標準偏差)と30%程度ばらつく。その一方、導出した関係にしたがって時間変化させた場合、期待される角速度付近にピークをもつ分布をとり、2.05 ± 0.17 rad/分と、ばらつきを10%以下まで抑えられている。以上のように、本実施形態の制御部によれば、制御部40により、合成流の向きを、角速度が一定となるように回転させることができる。
In accordance with the above-mentioned argument, the channel is maintained while maintaining the angular velocity by temporally changing the liquid feeding ratio p in the order of the combination of channel (1, 2), channel (2, 3), channel (3, 1). FIG. 10 shows that the direction of the stimulus flow from 4 can be rotated once. By controlling the feeding of the
(刺激流の大きさが異なる場合の制御方法)
チャンネル4の送液口からの単位時間あたりの送液量を変えることで、刺激流の幅を調節できる(図11)。視野の上方右側から下方左側に向かう調節流による流体の絞り込みによって、ビーム状の刺激流が形成されている。刺激流の送液量をおおきくすると幅の広い刺激流が形成でき、送液量を小さくすると幅の広い刺激流が形成される。このように異なる幅の刺激流にたいしても、上述の方法によって刺激流の方向を制御できる。
(Control method when the magnitude of stimulus flow is different)
The width of the stimulation flow can be adjusted by changing the amount of liquid fed per unit time from the liquid feed port of channel 4 (FIG. 11). A beam-like stimulation flow is formed by constricting the fluid by the adjustment flow from the upper right side to the lower left side of the field of view. A wide stimulation flow can be formed when the amount of stimulation flow is increased, and a wide stimulation flow is formed when the amount of delivery is reduced. The direction of the stimulation flow can be controlled by the above-described method even for the stimulation flows having different widths.
(第2実施形態:光アンケージングによる刺激投入を用いる場合)
次に、本発明の第2実施形態に係る制御装置を、図12をさらに参照しながら説明する。この第2実施形態の説明においては、前記した第1実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。
(Second Embodiment: When using stimulus injection by optical uncaging)
Next, a control device according to a second embodiment of the present invention will be described with further reference to FIG. In the description of the second embodiment, elements that are basically the same as those of the apparatus of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, thereby avoiding redundant description.
前記した第1実施形態では、被制御流をチャンバ11に送り出すための被制御流ポートを有していた。これに対して、第2実施形態では、被制御流ポートが省略されており、代わりに、刺激入力部50がデバイス本体10に備えられている。なお、図12では、チャンバ11の図示を省略しており、また、チャンネル1~3をつなぐ仮想的な円を、説明の便宜のために記載している。
In the first embodiment, the controlled flow port for sending the controlled flow to the
第2実施形態における流入ポート12からチャンバ11内に流入する流体としては、ケージド物質が用いられている。
A caged material is used as the fluid flowing into the
刺激入力部50は、チャンバ11内に流入して合成流を構成するケージド物質に、アンケージのための刺激を加える構成となっている。具体的には、刺激入力部50は、ケージド物質に光刺激を与えるためのミラーや光ファイバ(図示せず)である。第2実施形態のより具体的な動作を以下においてさらに説明する。
The
(刺激投入の方法と、刺激流の形成および方向制御)
第1実施形態において説明した刺激流の形成および方向制御は、生理活性物質を光分解性の保護基と結合させたケージド化合物を光照射によって活性化(アンケージング)することで形成させた刺激流にたいしても適用できる。この場合、基本モジュールのチャンネル4は閉じたまま、チャンネル1、2、3から、刺激物質のケージド化合物を混合した溶液を導入し、第1実施形態で説明した方法にしたがい調節流(合成流)の方向を制御する(図12A参照)。アンケージングのための光照射領域の設定は、ピンホールを用いた方法や、光照射領域を変更可能な市販のナノミラー系などによっておこなうことができる。サンプルチャンバ中央部において光照射をおこない、ケージド化合物をアンケージングすることで、照射位置から調節流の下流方向へ向かうビーム状の刺激流およびその濃度勾配を形成できる(図12B及びC参照)。
(Stimulation method and stimulus flow formation and direction control)
The formation and direction control of the stimulus flow described in the first embodiment is a stimulus flow formed by activating (uncaging) a caged compound in which a physiologically active substance is bound to a photodegradable protective group by light irradiation. It can also be applied to. In this case, while the
第2実施形態により刺激流の方向を制御した実例を図13に示す。チャンバ中央(特定領域111に対応)において(チャンネル4は閉じておく)光アンケージングし、上述の第1実施形態の説明において示した基本動作をおこなった。送液量の相対比がp = 0では刺激流が右の方向を向き、p = 0.3で右上、p = 0.7で上へ、p = 1では左上方向へと向きを変える(図13A)。送液量の比pを0から1まで変化させると、刺激流の方向は120度変わり、実測した刺激流の方向θのp依存性は、理論式(式(1))とのよい一致がみられた(図13B)。調節送液量一定制御の場合の刺激物質濃度の空間プロファイルは、p = 0、1で極大が小さい値を示し、pが0.5に近づくにしたがって、極大が大きい値を示す(図13C)。調節流速一定制御の場合、刺激物質濃度の空間プロファイルはより一定に保たれる(図13D)。調節送液量一定制御の場合、p を0から1まで変化させた場合の濃度プロファイルのピークの蛍光輝度の値は、平均値は2.94で、平均のばらつき(標準偏差/平均値)は39%であり、ピークの蛍光輝度の20%から80%範囲での勾配の傾きの平均は0.045 μm-1、傾きのばらつき(標準偏差/平均値)は41%となった。一方、調節流速一定制御の場合には、ピークの蛍光輝度の平均値は1.76、ばらつきは5%で、勾配の傾きの平均は0.027 μm-1、傾きのばらつきは6%となった。このように、調節流速一定制御の場合には、濃度のピーク値、濃度勾配どちらの観点からも、濃度の空間プロファイルのばらつきを大きく抑えることができる。また、光アンケージングの位置を中心からずらした場合においても、すくなくとも中心から距離が300 μmまでの範囲においては、理論値から大きくずれることなく刺激流の方向を制御できる(図13E、チャンバ中心からの距離 100 μm、140、200、300)。
An example in which the direction of the stimulation flow is controlled according to the second embodiment is shown in FIG. In the center of the chamber (corresponding to the specific region 111) (
アンケージングによる刺激投入の方法では、光照射領域の大きさによって刺激流の幅が決定される(図14A)。この方法では、単一デバイス内において、1 μmから1 mmの範囲で任意の幅をもった刺激流を形成することができる。また、第2実施形態では、第1実施形態と同様に、刺激流の方向を経時的に制御できる(図14B)。このように、アンケージングをもちいた刺激投入においても、調節流の方向を制御する上述の方法にもとづき、刺激流の回転波を形成できる。 In the stimulus injection method by uncaging, the width of the stimulus flow is determined by the size of the light irradiation region (FIG. 14A). In this method, a stimulation flow having an arbitrary width in the range of 1 μm to 1 μm can be formed in a single device. Further, in the second embodiment, the direction of the stimulation flow can be controlled over time as in the first embodiment (FIG. 14B). In this way, even when stimulating using uncaging, a rotational wave of the stimulating flow can be formed based on the above-described method for controlling the direction of the regulated flow.
(複数箇所の光アンケージングによる任意の方向からの刺激流およびその勾配の提示)
基本モジュールにおいて形成される刺激流は常にチャンバの中心から外側に向いているため、刺激流の方向はチャンバ内のそれぞれの場所において一意的に定まる。これに対し、光アンケージングによる刺激投入をチャンバ中心から離れた複数の位置(領域)からおこなうことによって、注目している場所(すなわち特定領域111)に異なる方向からの刺激流を投入することが可能である。図15Aは基本モジュール内の2箇所で光アンケージングを切り替えながらおこない、それぞれの箇所から形成させた刺激流方向を制御する場合の操作手順をしめす。実行例として、チャンバ左下側から右上側へ向かう刺激流と、チャンバ11の左上側から右下側へ向かう刺激流をチャンバ中央部へ投入した場合を示す(図15B~D)。光照射位置を2箇所以上にすることもできるため、注目している位置に任意の方向からの刺激流および勾配を提示することができる。
(Presentation of stimulus flow from any direction and its gradient by optical uncaging at multiple locations)
Since the stimulus flow formed in the basic module is always directed outward from the center of the chamber, the direction of the stimulus flow is uniquely determined at each location in the chamber. On the other hand, by performing stimulus injection by optical uncaging from a plurality of positions (regions) away from the center of the chamber, it is possible to input stimulus flows from different directions to the place of interest (that is, the specific region 111). Is possible. FIG. 15A shows the operation procedure when the optical uncaging is switched at two locations in the basic module and the direction of the stimulus flow formed from each location is controlled. As an execution example, a case where a stimulation flow from the lower left side of the chamber to the upper right side and a stimulation flow from the upper left side of the
第2実施形態の制御装置における他の構成及び利点は、前記した第1実施形態と基本的に同様なので、これ以上の説明は省略する。 Other configurations and advantages of the control device of the second embodiment are basically the same as those of the first embodiment described above, and thus further description is omitted.
(第3実施形態:マルチプレックス流路系)
次に、本発明の第3実施形態に係る制御装置を説明する。この第3実施形態の説明においては、前記した第1実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同一符号を付することにより、説明の重複を避ける。
(Third embodiment: Multiplex channel system)
Next, a control device according to a third embodiment of the present invention will be described. In the description of the third embodiment, elements that are basically the same as those of the apparatus of the first embodiment described above are denoted by the same reference numerals, thereby avoiding redundant description.
上述の第2実施形態では、光アンケージングをもちいて、注目している位置に任意の方向から刺激流および勾配を提示する方法について述べた。この方法の適応範囲は、生理活性物質のケージド化合物が使用でき、かつ光アンケージング位置を顕微鏡観察領域内に設定できる場合に限定される。これらの要件が満たされない場合や、光照射が好ましくない場合の代替方法として、基本モジュールを複数配置するマルチプレックス方式が考えられる(図16A)。上述のとおり、基本モジュール(第1実施形態)は、ひとつの刺激送液口(Stimulus inlet、S)と、それを中心として取り囲む三角形の頂点に配置された、制御用の3つのバッファ送液口(Buffer inlet、B)から構成される(図16A左、1S/3B)。この三角形をひとつのモジュールとし、それをチャンバ11内に2つ並べた菱型状のデュープレックス流路系(図16A左から2番目、2S/4B)、3つ並べたトリプレックス流路系(図16左から3番目、3S/9Bおよび3S6B)、さらに多くのモジュールをもつ流路系(図16右、4S/4Bおよび6S6B)の構成を考えることができる。これらマルチプレックス流路系では、それぞれのモジュールにおいて上述の刺激流の方向制御をおこない、これを複数組み合わせることによって、チャンバ11内の注目している位置に異なる方向から刺激流およびその勾配を提示できる(図16B)。
In the above-described second embodiment, the method of presenting the stimulus flow and the gradient from an arbitrary direction at the position of interest using optical uncaging has been described. The applicable range of this method is limited to the case where a caged compound of a physiologically active substance can be used and the optical uncaging position can be set in the microscope observation region. As an alternative method when these requirements are not satisfied or when light irradiation is not preferable, a multiplex system in which a plurality of basic modules are arranged can be considered (FIG. 16A). As described above, the basic module (the first embodiment) is composed of one stimulus feeding port (Stimulus inlet, S) and three buffer feeding ports for control arranged at the vertices of a triangle surrounding the stimulus feeding port (Stimulustiminlet, S). (Buffer inlet, B) (FIG. 16A left, 1S / 3B). A diamond-shaped duplex channel system (second from the left in FIG. 16A, 2S / 4B) in which two triangles are arranged in the
マルチプレックス流路系の実例として、基本モジュールを二つ組み合わせたデュープレックス(2S/4B型)流路を示す(図17)。このデュープレックス流路は、基本モジュールの制御用送液口(この例では第2ポート122と第3ポート123)を2つのモジュール(第1~第3ポート及び被制御流ポートの単位で形成されるモジュール)の間で共有する形をとり、菱型状に送液口が配置されている(図17A)。この流路をもちいて、前述の刺激流の方向の制御をおこなうことによって、異なる方向から交代して現れる勾配刺激を形成させた(図17B)。さらに、図17Cに示すように、サンプルチャンバ内の三つの観察位置1~3(第1~第3特定領域111~113に対応)を適切に選択することによって、2つの勾配刺激の現れる方向が0度から180度までの任意の角度をもつ刺激系を実現することができる。図17CのROI1~3は、第1~第3特定領域111~113で観察された濃度勾配(つまり勾配刺激)を示す。なお、図17Cにおける第2特定領域112の位置は、図17Bにおける第1特定領域111とほぼ同じ位置に設定されているが、これはあくまで一例である。各特定領域の位置は、各ポートやチャンバ形状や観察目的などの種々の要因に対応して適宜に設定可能である。
As an example of a multiplex channel system, a duplex (2S / 4B type) channel combining two basic modules is shown (FIG. 17). In this duplex channel, the control liquid supply port (
なお、図17Bの例では、チャンネル1,2,4が第1~第3ポート121~123に対応し、チャンネル5が被制御ポート120に対応している。同様に、チャンネル3,2,4が第1~第3ポート121~123に対応し、チャンネル6が被制御ポート120に対応している。ここで、チャンネル3を第4ポート124と認識することもできる。
In the example of FIG. 17B,
なお、第3実施形態における前記以外の構成及び利点は、基本的に第1実施形態と同様なので、これ以上詳しい説明は両略する。 The configuration and advantages other than those described above in the third embodiment are basically the same as those in the first embodiment, and thus detailed descriptions thereof will be omitted.
(利点)
第1実施形態の構成(基本モジュール)においては、チャンバ11の中心の刺激送液口(被制御流ポート120)を取り囲むように配置されたバッファ送液口(第1~第3ポート123)からの送液量を制御することによって、チャンバ11の中心から周縁部に向かう層流(合成流)の方向を、360度の範囲で、任意の方向へ向けることができる。さらに、各ポートからの送液量を角度依存的に時間制御することによって、円形チャンバ11の中央から周縁部へと向かう刺激流の方向を、角速度を一定に保ちながら変化させることができる。刺激流の方向が変化することは、刺激流によって形成される刺激物質の濃度勾配の向きが変えられることを意味する。刺激流およびその勾配が作る生理活性物質の濃度分布は、流れの垂直方向にみると、一山型の形状を持つ(図9CおよびD)。このため、刺激流を繰り返し360度回すことで、一山型の進行波刺激を周期的に細胞に与えることができる。図18に、6分で1回りする回転波刺激を、動く細胞の代表例である細胞性粘菌にたいして与えた例を示す。細胞性粘菌は、回転波の進行方向とは逆向きに移動している。粘菌細胞では、集団の中で自己組織化的に形成される誘引物質の回転波をたよりに集合し、多細胞化することがしられている。それを模した場を人工的に生成することで、細胞の誘引場の知覚や走化性メカニズムを詳細に解析することができる。また、一般には、組織中における誘引物質や生理活性物質のつくる場は時間的にも空間的にも動的であるとかんがえられる。そのような動的で複雑な場は、数理的には特定の波長と時間周期をもつ波の重ね合わせとして表すことができる。前記した各実施形態の装置で生成可能である、特定の波長と周期をもった回転波は、そのような場のもっともシンプルな場合と捉えることができる。さまざまな波長と周期の回転波刺激に対する細胞の走化性や応答特性を解析することによって、細胞性粘菌や好中球、さらにはがん細胞などの走化性について、濃度勾配の時間空間変化にたいする応答性を評価し、いかにして動くタイミングと方向を細胞が決定しているかを解析することができる。これらの解析は、組織中の生理活性物質の場における細胞の情報処理や走性のメカニズムを理解するために有益な知見を与えると期待される。
(advantage)
In the configuration (basic module) of the first embodiment, from the buffer liquid supply port (first to third ports 123) arranged so as to surround the stimulation liquid supply port (controlled flow port 120) in the center of the
第3実施形態のように、基本モジュールを2個以上組み合わせることで、異なる方向を向いた複数の層流を互い違いに投入することができる。これによって、はじめとは異なる方向から勾配刺激が与えられたときに、細胞がいかにその伸張方向や移動方向を変化させるかを解析することが可能となる。このようなマルチプレックス流路系の応用例として、細胞を取り囲む複数の位置に刺激投入位置を用意し、細胞からみてさまざまな向きへの勾配刺激をあたえるような細胞の方向転換実験が考えられる(図16B)。図19に、デュープレックス流路をもちいて、異なる方向を向いた2つの勾配刺激を交互に細胞に与えた実験例を示す。免疫系の好中球様細胞(HL60)が、刺激流によって形成された濃度勾配を登る方向へと移動しながら、かつ、勾配の向きの変化に追随しながら、ジグザグ状に方向転換しながら動いていく様子が捉えられている。細胞のこのような方向転換は免疫細胞では炎症反応時の損傷部位への移動、がん細胞では浸潤転移の理解に重要と考えられ、そうした原理の解明およびそれに関わる因子群の機能解析を推進するうえで有用な手段を提供する。顕微鏡下の生細胞イメージングと組み合わせることによって、各実施形態の装置を細胞内の分子動態解析や変異体の解析に用いることができる。 As in the third embodiment, by combining two or more basic modules, a plurality of laminar flows in different directions can be alternately introduced. This makes it possible to analyze how a cell changes its extension direction and movement direction when a gradient stimulus is applied from a different direction from the beginning. As an application example of such a multiplex flow path system, a cell turning experiment is considered in which stimulation input positions are prepared at a plurality of positions surrounding the cell, and gradient stimulation in various directions as viewed from the cell is given ( FIG. 16B). FIG. 19 shows an experimental example in which two gradient stimuli directed in different directions were alternately applied to cells using a duplex channel. The neutrophil-like cells (HL60) of the immune system move in a zigzag direction while moving in the direction of climbing the concentration gradient formed by the stimulus flow and following the change in the direction of the gradient. The state of going is captured. Such cell reorientation is thought to be important for immune cells to move to the damaged site during inflammatory reaction, and cancer cells for understanding invasive metastasis. Provides a useful tool. By combining with live cell imaging under a microscope, the apparatus of each embodiment can be used for intracellular molecular dynamics analysis and mutant analysis.
なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。 Note that the content of the present invention is not limited to the above embodiment. In the present invention, various modifications can be made to the specific configuration within the scope of the claims.
10 デバイス本体
11 チャンバ
111 特定領域
12 流入ポート
120 被制御流ポート
121 第1ポート
122 第2ポート
123 第3ポート
124 第4ポート
13 排出ポート
14 流入チャネル
15 排出チャネル
111 特定領域
20 流体供給部
30 流体排出部
40 制御部
50 刺激入力部
DESCRIPTION OF
Claims (13)
デバイス本体を備えており、
前記デバイス本体は、チャンバと、流入ポートと、排出ポートとを備えており、
前記チャンバは、二次元方向に延長された閉鎖空間となっており、
かつ、前記チャンバは、その一部に特定領域を含んでおり、
前記流入ポートは、少なくとも第1ポートと第2ポートとを備えており、
前記第1ポート及び第2ポートは、いずれも、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成する構成となっており、
前記排出ポートは、前記チャンバの前記延長方向における端部又はその近傍から前記流体を排出させる構成となっている
流体流の制御装置。 An apparatus for controlling the flow of fluid,
It has a device body,
The device body includes a chamber, an inflow port, and an exhaust port,
The chamber is a closed space extended in a two-dimensional direction,
And the chamber includes a specific region in a part thereof,
The inflow port includes at least a first port and a second port;
The first port and the second port both supply fluid into the chamber in a direction that intersects the extension direction of the chamber, so that the first port and the second port are directed to at least one direction in or near the specific region. It is configured to form a composite flow with a velocity component,
The discharge port is configured to discharge the fluid from an end portion in the extension direction of the chamber or the vicinity thereof.
請求項1に記載の制御装置。 The control device according to claim 1, wherein the first port and the second port are arranged at or near a position where a phase difference of about 120 degrees is centered on the specific region.
前記第3ポートは、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給する構成となっており、
かつ、前記第3ポートは、前記特定領域を中心として、前記第1及び第2ポートとそれぞれ約120度の位相差となる位置又はその近傍に配置されている
請求項2に記載の制御装置。 The inflow port further includes a third port;
The third port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber,
The control device according to claim 2, wherein the third port is arranged at or near a position where a phase difference of about 120 degrees with each of the first and second ports is centered on the specific region.
前記被制御流ポートは、前記特定領域又はその近傍に被制御流を供給する構成となっている
請求項1~3のいずれか1項に記載の制御装置。 The inflow port further comprises a controlled flow port;
The control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the controlled flow port is configured to supply a controlled flow to the specific region or the vicinity thereof.
前記制御部は、前記流入ポートから前記チャンバ内に流入する前記流体の流量又は流速を制御する構成となっており、
さらに、前記制御部は、前記流入ポートから前記チャンバへの前記流体の流入量又は流速を制御することにより、前記合成流の向きを制御する構成となっている
請求項1~4のいずれか1項に記載の制御装置。 Furthermore, it has a control part,
The control unit is configured to control the flow rate or flow rate of the fluid flowing into the chamber from the inflow port,
The control unit is configured to control a direction of the combined flow by controlling an inflow amount or a flow velocity of the fluid from the inflow port to the chamber. The control device according to item.
請求項5に記載の制御装置。 The control device according to claim 5, wherein the control unit is configured to rotate the direction of the combined flow so that an angular velocity is constant.
請求項5又は6に記載の制御装置。 The control device according to claim 5, wherein the control unit is configured to control an inflow amount or a flow rate of the fluid so that a concentration gradient profile in the combined flow is constant.
前記流入ポートから前記チャンバ内に流入する流体としては、ケージド物質が用いられており、
前記刺激入力部は、前記チャンバ内に流入して前記合成流を構成する前記ケージド物質に、アンケージのための刺激を加える構成となっている
請求項1~7のいずれか1項に記載の制御装置。 In addition, it has a stimulus input unit,
As the fluid flowing into the chamber from the inflow port, a caged material is used,
The control according to any one of claims 1 to 7, wherein the stimulus input unit is configured to apply a stimulus for uncaging to the caged material that flows into the chamber and constitutes the combined flow. apparatus.
請求項1~8のいずれか1項に記載の制御装置。 The control device according to any one of claims 1 to 8, wherein the specific region is a central portion of the chamber in the two-dimensional direction or a position in the vicinity thereof.
前記チャンバは、その一部に第2特定領域をさらに含んでおり、
前記第2特定領域は、前記特定領域とは異なる位置とされており、
前記第4ポートは、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記第2特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成する構成となっている
請求項1~9のいずれか1項に記載の制御装置。 The inflow port further includes a fourth port;
The chamber further includes a second specific region in a part thereof,
The second specific area is a position different from the specific area,
The fourth port is configured to supply a fluid into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber, thereby having a velocity component in at least one direction at or near the second specific region. The control device according to any one of claims 1 to 9, wherein the control device is configured to form a flow.
請求項1~10のいずれか1項に記載の制御装置。 The control device according to any one of claims 1 to 10, wherein the discharge port is configured to discharge the fluid at a substantially uniform speed at an end portion in the extension direction of the chamber.
前記流体供給部は、前記流入ポートに前記流体を供給する構成となっており、
前記流体排出部は、前記排出ポートから前記流体を回収する構成となっている
請求項1~11のいずれか1項に記載の制御装置。 Furthermore, it has a fluid supply part and a fluid discharge part,
The fluid supply unit is configured to supply the fluid to the inflow port,
The control device according to any one of claims 1 to 11, wherein the fluid discharge section is configured to collect the fluid from the discharge port.
前記第1ポート及び第2ポートから、前記チャンバ内に流体を、前記チャンバの延長方向に交差する方向に向けて供給することにより、前記特定領域又はその近傍において、少なくとも一方向への速度成分を持つ合成流を形成するステップと、
前記第1ポート及び第2ポートのうちの一方又は両方における、前記流体の流速又は流量を変更することにより、前記合成流の方向又は流速を変更するステップと
を備える流体流の制御方法。 A method for controlling a flow of fluid using the control device according to any one of claims 1 to 12, comprising:
By supplying a fluid from the first port and the second port into the chamber in a direction crossing the extension direction of the chamber, a velocity component in at least one direction is generated in or near the specific region. Forming a composite flow having,
Changing the direction or flow rate of the combined flow by changing the flow velocity or flow rate of the fluid in one or both of the first port and the second port.
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