世界最高速の細胞分取マイクロ流体チップ

ポイント

• ガラス－シリコン－ガラスの３層構造を持つ高剛性なマイクロ流体チップを用いることで、１６マイクロ秒（１マイクロ秒は１００万分の１秒）の高速な流体制御に成功しました。
• 本技術を応用することで、世界最高レベルの細胞分取性能（高速・高純度・高生存率）を実現しました。
• 顕微鏡を用いた流体中の細胞イメージング技術に適応ができるため、画像情報を用いた複雑な高速細胞分取システムへの大きな飛躍が期待できます。

＜合田 圭介　プログラム・マネージャーのコメント＞

本成果は、内閣府革新的研究開発推進プログラム（ＩｍＰＡＣＴ）「セレンディピティの計画的創出による新価値創造」に参画する新井チームによるものです。今回開発した世界最高速の細胞分取マイクロ流体チップは、大きな細胞から小さな細胞までを高い生存率で高速・高精度に分取することが可能で、本チップ上でのイメージングデータを用いた高速細胞分取システムへと応用できます。本プログラムでは、最先端の異分野技術を組み合わせて、膨大な数の多種多様な細胞集団の細胞一つ一つを網羅的に調べ上げる細胞分析装置「セレンディピター」を開発しており、本研究成果は、セレンディピターの実現、そして、これを用いた超効率バイオ燃料や高精度血液検査技術の開発に向けた大きな一歩であると考えています。

＜研究の背景＞

近年、単一細胞解析の重要性から、図１に示すような、単一細胞を分取する研究が盛んに行われています。これらの単一細胞分取技術は、細胞の特性解析に貢献するのみならず、細胞集団の中から優れた特性を持つ細胞を発見するための強力なツールとして注目されています。例えば、血液中の循環腫瘍細胞を発見・解析して癌の早期診断を行う、多数のミドリムシの中から、脂質を大量に含む個体を分取し大量培養を行うことで高効率なバイオ燃料を生産するなど、医療や産業への応用が期待されています。

従来、細胞を分取するために、Fluorescence-activated cell sorting（ＦＡＣＳ）装置が多くの研究機関で用いられてきました。しかしながら、多くのＦＡＣＳ装置は高速分取が可能という特徴がある一方で、分取の際に細胞を含む液滴を空気中に打ち出す工程があるため、空気感染の対策が必要であったり、分取された細胞の生存率が細胞の大きさなどの条件に大きく依存するなどの問題がありました。

このような問題に対し、近年、液滴を形成することなく装置内で分取が可能な技術として、マイクロ流体チップを用いた細胞の分取装置（オンチップセルソーター）に注目が集まっています。現在までに、さまざまな方式を用いたオンチップセルソーターの研究が行われていますが、広い領域の流体を高速で制御するシステムの構築が困難であるため、大きさが１００マイクロメートル程度のミドリムシや、大きさが数１０マイクロメートル程度の白血球や循環腫瘍細胞など、比較的大きな細胞や希少な細胞を１０マイクロ秒程度の高速かつ高生存率で分取することは困難であるという問題がありました。

そこで本研究では、マイクロ流体チップ中で、超高速に流体を制御することで、細胞を高い生存率で高速に分取するオンチップセルソーターの開発を行いました。

＜研究内容＞

本研究では、マイクロ流体チップを用いた大きな細胞の高速分取を目指し、ガラス－シリコン－ガラスの３層構造を持つ高剛性なマイクロ流体チップを用いて、高速で局所的に流体制御が可能なシステムを構築しました。本研究で提案するマイクロ流体チップは膜型構造を持っており、図２に示すように、外部アクチュエータを用いてガラスの膜を押し込むことによってポンプ内の流体をメインの流路に押し出し、細胞の流れを切り替えることで分取できる仕組みになっています。また、膜型ポンプはメインの流路の上下に設置してあり、２つのポンプの押し引きを交互に行うことで、目的の細胞を上下に分取できる構造になっています。この構成において、流路の断面積に対してガラス膜の断面積を大きくすることにより大容量の流体制御が可能となり、さらに、膜型ポンプの駆動源としてマイクロ秒オーダーの高速駆動が可能なピエゾアクチュエータを用いることで、広い領域の流体を高速で制御するシステムを実現しました。

本研究では、メイン流路の流れを微粒子を用いて可視化し、流体制御の応答速度と応答領域の評価を行いました。図３（ａ）、（ｂ）に示す実験の結果より、サンプルの流れが最も変位するまでにかかる時間を計測し、最速で応答速度１６マイクロ秒を達成しました。これは、３１ｋＨｚの分取の処理速度に相当します。応答領域の実験では、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、今回の開発したチップにおいて、分取に必要な変位量の約３０マイクロメートルを超える領域の幅を計測し、１５０マイクロメートル程の大領域の応答領域が制御可能であることを確認しました。

さらに、開発した高速流体制御技術を用いて、オンチップセルソーターを構築し、細胞の分取を行いました。大きな藻類細胞の分取の例として、ミドリムシとマイクロビーズを１：１の割合で混合した溶液の中からミドリムシのみを分取する実験を行いました。ミドリムシの分取の様子を図４（ａ）に示します。ミドリムシの分取実験の結果、成功率９２．８％、純度９５．８％、生存率９０．８％という高い性能を達成しました。また、本研究で提案する細胞分取方式は小さな細胞に対しても適応が可能なため、小さい細胞の例として、胃がんの細胞を対象とした分取の実験を行いました。実験では、胃がん細胞とマイクロビーズを１：１の割合で混合し、胃がん細胞のみを分取する実験を行いました（図４（ｂ））。分取実験の結果、小さな細胞の分取実験でも、成功率９７．８％、純度９８．９％、生存率９０．７％という世界最高レベルの分取性能を実現しました。

以上より、本研究で提案したオンチップセルソーターは、従来の細胞分取装置の問題であった処理速度と細胞の大きさのトレードオフを大きく打破する性能を達成しました。

＜今後の展望＞

本研究で開発したオンチップセルソーターは、従来技術では難しかった比較的大きな細胞を高速かつ高生存率で分取することを可能とします。これにより、細胞の特性解析に貢献するのみならず、細胞集団の中から循環腫瘍細胞などの希少な細胞や、優れた特性を持つ細胞を発見・分取に強く貢献できると考えられます。これらの技術は、癌の早期診断、高効率バイオ燃料を用いた新規エネルギー開発への応用が強く期待されます。また、顕微鏡を用いた流体中の細胞イメージング技術に適応ができるため、従来技術では難しかった複雑な画像情報を用いた次世代の高速細胞分取システムの開発など大きな飛躍が期待できます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 生存率

分取した細胞のうち、生きている細胞の割合。

注２） 分取

集団の中から、対象のみを抽出すること。

注３） トレードオフ

一方を追求する際に、他方を犠牲にしなければならないということ。

注４） マイクロ流体チップ

微量な溶液や生体試料の混合、反応、分離、精製、検出などさまざまな化学、生物操作をミクロ化できる半導体製造技術を用いて作製したデバイス。

注５） 成功率

検出した目的細胞のうち、分取した細胞の割合。

注６） 純度

分取した粒子（細胞など）のうち、目的の粒子の割合。

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