JPH07194366A - 電気的細胞操作装置のための操作チャンバー - Google Patents

電気的細胞操作装置のための操作チャンバー

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JPH07194366A
JPH07194366A JP5070674A JP7067493A JPH07194366A JP H07194366 A JPH07194366 A JP H07194366A JP 5070674 A JP5070674 A JP 5070674A JP 7067493 A JP7067493 A JP 7067493A JP H07194366 A JPH07194366 A JP H07194366A
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己代治 杉浦
Takeshi Kazami
武 風見
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茂行 木村
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M35/00Means for application of stress for stimulating the growth of microorganisms or the generation of fermentation or metabolic products; Means for electroporation or cell fusion
    • C12M35/02Electrical or electromagnetic means, e.g. for electroporation or for cell fusion

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 細胞融合と核酸導入ができる電気的細胞操作
装置の従来の平行電極及び操作チャンバーの問題点の解
決。 【構成効果】 細胞融合または核酸導入に用いるスペー
スに該当する部分を切り取った平板スペーサーと、この
平板スペーサーを挟む二枚の平板電極を、組み立て分解
が容易にできるように圧着手段で圧着したもので、大き
さ、厚さ、切り取りスペースが異なった複数の平板スペ
ーサーと大きさの異なった複数の平板電極を用意し、こ
の平板スペーサーを挟む二枚の平板電極を組み立てるこ
とによって電極間距離とチャンバー容量を任意にでき
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電気的方法による細胞
融合と核酸導入を効果的に行うための電気的細胞操作装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】細胞融合法としては主にポリエチレング
リコール(PEG)を用いる化学的融合法が用いられて
いるが、この方法では(i)PEGは細胞に対して強い
毒性を持っている、(ii)融合するにあたり最適な諸
条件を見出すのに手間がかかる、(iii)融合に際し
て高度な技術が要求され、特定の技術に習熟した人にし
か使えない、(iv)融合効率が低い等の欠点を有して
いる。これに対して、電気的細胞融合法は、高度な技術
が不要で、簡単に効率よく融合させることができ、細胞
に与える毒性がなく、高活性をもったままの状態で細胞
を融合させることができるという利点がある。電気的細
胞融合法は、1981年西ドイツのZimmerman
nが確立したものであり、その原理は次の通りである。
すなわち、平行電極間に交流電圧をかけそこに細胞を導
入すると、細胞は電流密度の高い方へ引き寄せられ数珠
状にならぶ。この状態で数μsec〜数十μsec単位
の直流パルス電流を電極間にかけることにより細胞膜の
電気伝導度が瞬間的に低下し膜を構成する脂質二重層の
過逆的乱れとその再構成が行われ、その結果細胞融合が
起こるものである。従来、この電気的融合法には、
(a)微小電極法、(b)平行電極法、(c)上記Zi
mmermann等の方法等が知られているが、(a)
は融合効率が低く、手間がかかるという欠点があり、
(b)は融合率が低い(1〜3%)が、一度に大量の細
胞融合(プロトプラスト)を扱え、融合細胞が電極に付
着しないなどの利点がある。また、(c)は、(a)、
(b)に比べ融合率が高いため、最も実用的な方法とし
て利用されているが、融合細胞が電極表面に付着するた
め、融合細胞を傷つけることなく回収するための電極材
料を如何に開発するか及び融合細胞をいかに大量にしか
も迅速に作成するかが重要な課題とされていた。一方、
電気的核酸導入法は、1982年にNeumann等に
より開発された方法で細胞と核酸とを混合して電極に懸
濁した後、これに数μsec〜数十μsecの直流パル
ス電位を印加することによって核酸を細胞内に導入する
方法であるが、この場合にも、導入効率を高めることが
重要な課題であった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明は細胞融合と核
酸導入ができる電気的細胞操作装置の従来の平行電極及
び操作チャンバーの諸欠点、すなわち、i)融合率や導
入率が低い、ii)融合細胞を傷つける、iii)細胞
が電極に付着する、iv)融合細胞を大量、迅速に作成
できない等の問題点を一挙に解決するための新規な操作
チャンバーを提供することを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明者達は電極材料と
操作チャンバーの構造について研究を重ねた結果、電気
分解を起こしにくい化学的に安定な物質を用い、細胞サ
イズに比較して表面の凹凸がほとんど無視できる程度の
鏡面状態を有する平板電極を作成した。操作チャンバー
は、細胞融合及び核酸導入に用いるスペース部分を切り
取った平板スペーサーをこの二枚の平板電極で挟む構造
にすることにより従来の欠点を克服した電気的細胞操作
装置のための電極を提供することに成功したものであ
る。すなわち、本発明は電気的細胞融合又は核酸導入に
用いるチャンバーの二つの電極に、電圧と周期を制御可
能な発振器からの交流電位とパルス圧とパルス巾とパル
ス数を制御可能なパルス発振器からの直流パルス電位を
それぞれ印加して細胞融合又は核酸導入を行う電気的細
胞操作装置において、電極表面を細胞サイズに比較して
ほとんど無視できる程度に均一に平坦で、かつ電気分解
を起こしにくい化学的安定な物質で構成するもので、ご
れらの電極は、表面を鏡面研磨したガラス、石英、サフ
ァイヤ、プラスチック等の非金属材質や、アルミニウ
ム、ステンレス、銀等の金属材質等の平板基板に、金、
白金等の金属を蒸着したものを用いることを特徴とする
ものである。これらの電極としては、金属平板基板に、
金、白金、チタン等をメッキし表面を鏡面にした該金属
平板を電極としたものでも良く、あるいはまた白金、チ
タン、ステンレス等の金属平板を電解研磨し、該金属平
板を電極として用いても良い。また、機械加工もしくは
電解研磨した平板基板をイオンプレーティング加工し、
該加工を施した基板を電極として用いても良い。
【0005】本発明の操作チャンバーの構造は、細胞融
合又は核酸導入に用いるスペースに該当する部分を切り
取った平板スペ−サーと、該平板スペーサーを挟む二枚
の平板電極を、組立て分解が容易に出来るように圧着手
段で圧着した構成となっている。大きさ、厚さ、切り取
ったスペースが異なった複数の平板スペーサーと、大き
さの異なった複数の平板電極を用意し、該平板スペーサ
ーを挟む二枚の該平板電極を組立てることにより、電極
間の距離及びチャンバー容量を可変に出来るものであ
る。
【0006】
【実施例】本発明の具体例を第1図に模式的に示す。操
作チャンバーは、平板スペ−サー3と、それを挟む電極
1、2から構成されている。電極1、2に交流発振器4
及びパルス発振器5がつながれており、交流の周期、電
圧及びパルス電圧、パルス巾はオシロスコープ6でモニ
ターする。この装置を利用した電気的細胞融合の過程を
第2図を用いて説明する。上欄には、電極に印加するシ
グナルシーケンスを、下欄には、それに対応する細胞融
合の過程を模式的に示す。
【0007】過程(1)では電極に電圧が印加されてい
ない。この状態で細胞を第1図の平板電極1、2に挟ま
れたスペーサー3のチャンバー内に導入する。過程
(2)では発振器4(第1図)からの交流成分の電位の
印加により細胞が数珠状に配列する。過程(3)では直
流パルスにより細胞接触面で細胞膜の一時崩壊が起き
る。過程(4)では細胞膜の再構成にともなって細胞融
合が起こる。従来電気細胞操作装置に使用されている電
極及びチャンバーは第3図に示すように各種のタイプが
ある。a)は、白金線を平行にしたもの。b)は、円の
中心の電極とこれを同心円上に囲む電極を配置したも
の。c)は、大量の融合細胞を得る様に電極を配列した
もの、d)は、異なった種類の雑種融合細胞作成のも
の。これらに使用されている電極は、白金線白金板
ステンレス板等でありいずれも表面が平滑な鏡面状で
ないため電場電流が不均一になり、かつその表面に細胞
が付着する欠点を有していた。
【0008】本発明に於いては、電気分解を起こしにく
い物質の表面を鏡面状にした平行平板電極を用い操作チ
ャンバーの構造を工夫することにより、電場そのものが
均質になるとともに細胞が電極表面に付着せず電場に均
一にさらされた細胞が高い融合率を示すことが認められ
た。実施例においては、ガラス基板に金蒸着した二枚の
電極でスペーサーをサンドイッチし、クリップで圧着し
ている。二枚の電極には電極線をつけ電位が印加され
る。
【0009】スペーサーは、厚さ200μmで、中央部
分を切り取ってあるポリビニルクロライド板を用いてい
る。10mm×10mmに切り取ってある部分と両電極
にはさまれた部分が細胞操作のためのスペースになる。
電極間隔及び操作チャンバーの容量は、スペーサーの厚
みを変えることにより調整可能であり、また電極のサイ
ズも自由に大きく出来る。上記の操作チャンバーを用
い、第1図に示される装置で細胞融合並びに核酸導入の
実験を行った。
【0010】1.実験方法 (1)供試材料;タバコ葉肉プロトプラスト(品種;キ
サンチNN)およびタバコモザイクウイルス(TMV)
−RNAを供試した。 (2)細胞融合法:プロトプラストを約2×10/m
lで100μMCaCl−0.5Mマンニトールに懸
濁し、電極間隔200μmの上記チャンバー内で、周波
数500KHzで電圧400V/cm〜500V/cm
の交流を電極間に印加し細胞を配向配列させた後、0.
6kV/cm〜1.0kV/cmの電位でパルス巾50
μsecの直流パルスを1回与えた。 (3)核酸導入法:細胞融合法の場合と同じように、プ
ロトプラストを約2×10/mlで100μMCaC
−0.5Mマンニトールに懸濁し、10μg/ml
TMV−RNAを添加した後、交流成分の電極への印加
をせずに、0.6kV/cm〜1.0kV/cmの電位
でパルス巾50μsecの直流パルスを数回印加した。
【0011】2.実験結果 (1)予備試験として融合に及ぼすパルス電圧の影響を
調べたところ、100μM Ca++存在下に、パル
ス電圧を上げると、400V/cmから融合率が上昇
し、850V/cmでは全プロトプラスト内重連配列し
たプロトプラストの約90%以上が融合した。それ以上
の電圧では破砕プロトプラストが増加するため、全体の
融合率は低下した(第5図)。 (2)本実験として本発明の操作チャンバーを用い、上
記最適条件下(850V/cmのパルス印加)で融合実
験を行ったところ、全プロトプラストの約46%が融合
した。 (3)タバコ葉肉プロトプラストとニンジン根部プロト
プラストを融合させたところ、両者の雑種融合プロトプ
ラストが形成された。 (4)核酸導入実験ではパルス印加後、プロトプラスト
をAoki and Takebe(1969)の培養
液中で、28℃、40時間培養し、蛍光抗体法によって
感染率を測定したところ、感染率はパルス電圧400V
/cmから上昇し、800V/cmでは全プロトプラス
トの約95%が感染した(第5図)。この際のプロトプ
ラスト生存率は、パルス処理前と同じく約95%であっ
た。
【0012】
【発明の効果】電気的細胞操作装置に本発明による操作
チャンバーを用いることにより、高融合率が得られると
ともに融合細胞を全く傷付けることなく、しかも細胞が
電極に付着しない等の優れた効果が明らかになった。さ
らに本発明の電極を用いて核酸導入の実験をした結果、
電気的細胞融合と電気的核酸導入のための最適な電気的
条件がほぼ共通であることが明らかになった。更に植物
のプロトプラストにウイルスRNAを導入した結果、全
プロトプラストの約95%が感染し、従来法に比較して
極めて高い核酸導入率が得られたことから、本発明の操
作チャンバーが核酸導入にも非常に有効であることが判
明した。このことは、遺伝子組換を行ったDNAなどの
核酸を動植物及び微生物細胞に効率的に導入する方法と
しても極めて優れていることを示すものである。
【0013】
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明を用いる装置全体の概略図である。第
2図は、細胞融合の過程と電極間電位波形との関係を示
す模式図である。第3図は、種々の型をした操作チャン
バーの概略図である。第4図は、本発明による操作チャ
ンバーの構造図である。第5図は、本発明による実施例
としてプロトプラストの電気的融合率TMV−RNAに
よるプロトプラストの核酸導入率及びプロトプラスト破
砕率とパルス電圧との関係を示す図である。 1,2…電極、 3…スペーサー 4…交流発振器 5…パルス発振器 6…オシロスコープ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉浦 己代治 茨城県新治郡桜村並木4丁目1050番地926 棟104号室 (72)発明者 風見 武 茨城県新治郡新治村藤沢1616番地 (72)発明者 木村 茂行 東京都日野市西平山5−16−10

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】電気的細胞融合又は核酸誘導に用いるチャ
    ンバーの二つの電極に、電圧と周期を制御可能な発振器
    からの交流電位とパルス電圧とパルス巾とパルス数を制
    御可能なパルス発振器からの直流パルス電位をそれぞれ
    印加して細胞融合又は核酸導入を行う電気的細胞操作装
    置に使用するための、細胞融合又は核酸導入に用いるス
    ペース分を切り取った平板スペーサーと、該平板スペー
    サーを挟む二枚の平板電極を、組立て分解できるように
    圧接することを特徴とする操作チャンバー。
  2. 【請求項2】平板スペーサーが大きさ、厚さ、切り取っ
    たスペースが異なった複数の平板スペーサーであり、平
    板電極が大きさの異なった平板電極であって、該平板ス
    ペーサーを挟む二枚の該平板電極を組み立てることによ
    り、電極間の距離及びチャンバー容量を容易に可変に出
    来るものである請求項1記載の操作チャンバー。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005071057A1 (ja) * 2004-01-22 2005-08-04 Japan Science And Technology Agency 磁場又は電場刺激装置及びその磁場又は電場刺激装置を用いた生体細胞若しくは生体組織の成長及び機能の促進、抑制又は障害方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6137090A (ja) * 1984-07-27 1986-02-21 バイオテクノロジー アンド エクスペリメンタル リサーチ インコーポレーテツド 電気により生細胞を融合する装置

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