專利名稱：心臟折返模型芯片以及利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種心臟折返模型芯片(Cardiac Reentry ModelChip)以及利用心臟 折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置和方法。
背景技術(shù)：
在觀察細(xì)胞的狀態(tài)變化、細(xì)胞對(duì)于藥物等的反應(yīng)時(shí)常使用生物測(cè)定(Bioassay)。 在以往的生物測(cè)定中，一般使用培養(yǎng)細(xì)胞的情況較多。由于在這種系統(tǒng)中使用多個(gè)細(xì)胞進(jìn) 行測(cè)定，因此如同一個(gè)細(xì)胞的特性那樣觀察細(xì)胞群的值的平均值。 但是，實(shí)際上，在細(xì)胞群中細(xì)胞周期同步的情況很少，各個(gè)細(xì)胞以不同的周期表達(dá)
蛋白質(zhì)。因此，在解析對(duì)于剌激的反應(yīng)結(jié)果時(shí)，總是伴隨著發(fā)生波動(dòng)的問(wèn)題。 S卩，由于細(xì)胞的反應(yīng)機(jī)構(gòu)自身存在普遍具有的反應(yīng)的波動(dòng)，因此常常只能得到平
均的反應(yīng)。為了解決這些問(wèn)題，開(kāi)發(fā)出同步培養(yǎng)等的方法，但是要使用始終處于相同階段的
細(xì)胞群就必須始終持續(xù)供給這種細(xì)胞，由此成為生物測(cè)定廣泛普及的障礙。 另外，在實(shí)際情況下，對(duì)細(xì)胞的剌激(signal :信號(hào))中存在由包含在細(xì)胞周圍的
溶液中的信號(hào)物質(zhì)、營(yíng)養(yǎng)、溶解氣體的量所帶來(lái)的剌激以及與其它細(xì)胞之間的物理接觸和
細(xì)胞間的相互作用所引起的剌激這兩種，因此難以進(jìn)行關(guān)于波動(dòng)的判斷。 通過(guò)以如組織碎片那樣的細(xì)胞塊進(jìn)行生物測(cè)定來(lái)在某種程度上能夠解決細(xì)胞的
物理接觸和細(xì)胞間的相互作用的問(wèn)題。但是，在這種情況下，與培養(yǎng)細(xì)胞不同，無(wú)法得到始
終均一的屬性的細(xì)胞塊。因此，存在如下問(wèn)題導(dǎo)致所得到的數(shù)據(jù)分散，或者信息被埋沒(méi)在群中。 為了進(jìn)行以細(xì)胞群的每個(gè)細(xì)胞為最小構(gòu)成單位的信息處理模型的測(cè)量，本申 請(qǐng)的發(fā)明人已經(jīng)提出了一種如下結(jié)構(gòu)的聚集細(xì)胞微陣列(生物測(cè)定芯片)如日本特開(kāi) 2006-94703 (專利文獻(xiàn)1)所示的那樣，構(gòu)成用于事先將細(xì)胞封入特定的空間配置中的多個(gè) 細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域，相鄰的區(qū)域之間以細(xì)胞無(wú)法穿過(guò)的槽或通道相互連結(jié)，并且根據(jù)需要，在槽 或通道或細(xì)胞培養(yǎng)區(qū)域中具有用于測(cè)量細(xì)胞的電位變化的多個(gè)電極圖案。
專利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2006-94703號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問(wèn)題 在以往的生物測(cè)定中，將細(xì)胞視為組織碎片進(jìn)行處理，或者如培養(yǎng)細(xì)胞那樣視為 一個(gè)細(xì)胞而進(jìn)行處理。如果細(xì)胞數(shù)量過(guò)多，則如上述現(xiàn)有技術(shù)一項(xiàng)所述的那樣存在如下問(wèn) 題導(dǎo)致所得到的信息成為平均信息，而無(wú)法正確地得到對(duì)藥劑等的反應(yīng)。在每次使用一個(gè) 細(xì)胞的情況下，由于將本來(lái)作為多細(xì)胞組織的細(xì)胞而發(fā)揮功能的細(xì)胞作為分開(kāi)的獨(dú)立狀態(tài) 的細(xì)胞來(lái)使用，導(dǎo)致無(wú)法表現(xiàn)細(xì)胞之間的相互作用的影響，在得到正確的藥劑反應(yīng)、即生物 測(cè)定數(shù)據(jù)的方面仍舊存在問(wèn)題。
為了驗(yàn)證成為心臟搏動(dòng)的基礎(chǔ)的心肌細(xì)胞(Myocardial Cell)以及成纖維細(xì)胞 (Fibroblast)的動(dòng)作，開(kāi)發(fā)如下的芯片非常重要通過(guò)來(lái)自相鄰的心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞 的搏動(dòng)的傳播，能夠以一個(gè)細(xì)胞為單位正確地測(cè)量細(xì)胞電位、細(xì)胞形態(tài)，并且通過(guò)構(gòu)成適當(dāng) 地分散配置心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞而成的閉環(huán)來(lái)構(gòu)成心臟模型，能夠評(píng)價(jià)藥物所產(chǎn)生的影 響。 肝碰l、口扁勺錄 本發(fā)明提供一種如下的心臟折返模型芯片、利用該心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià) 裝置以及利用該心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法。 (1) —種心臟折返模型芯片，其特征在于，具有基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板 上，具有規(guī)定的大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；閉環(huán)， 其具有將該多個(gè)開(kāi)口的各個(gè)開(kāi)口之間連通的多個(gè)槽，并由上述多個(gè)開(kāi)口和上述多個(gè)槽形 成；壁，其用于在上述凝膠層的周圍填充細(xì)胞培養(yǎng)液；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上 述開(kāi)口位置處，載置被容納在上述開(kāi)口中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在由上述壁包圍的區(qū)域 內(nèi)；以及分別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線。
(2)根據(jù)上述(1)所記載的心臟折返模型芯片，上述槽是上述細(xì)胞無(wú)法穿過(guò)的間 隙。 (3) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，具有基板；凝膠 層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定的大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口 ，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用 于容納細(xì)胞；閉環(huán)，其具有將該多個(gè)開(kāi)口的各個(gè)開(kāi)口之間連通的多個(gè)槽，并由上述多個(gè)開(kāi)口 和上述多個(gè)槽形成；壁，其用于在上述凝膠層的周圍填充細(xì)胞培養(yǎng)液；微小電極，其設(shè)置在 上述基板上的上述開(kāi)口位置處，載置被容納在上述開(kāi)口中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在由上 述壁包圍的區(qū)域內(nèi)；以及分別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接 的引出線；培養(yǎng)液供給和排出單元，其向由上述壁包圍的區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液以及 從由上述壁包圍的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì)胞培養(yǎng)液；添加單元，其將想要作用于上述細(xì)胞的藥 劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中；以及測(cè)量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電 極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記錄。 (4) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，其特征在于，使用心臟折返模型 芯片，從將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液的單元將該藥劑添加到上述 細(xì)胞培養(yǎng)液中，該心臟折返模型芯片具備基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定的 大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口 ，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；閉環(huán)，其具有將該多 個(gè)開(kāi)口的各個(gè)開(kāi)口之間連通的多個(gè)槽，由上述多個(gè)開(kāi)口和上述多個(gè)槽形成；壁，其用于在上 述凝膠層的周圍填充細(xì)胞培養(yǎng)液；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上述開(kāi)口位置處，載置 被容納在上述開(kāi)口中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在由上述壁包圍的區(qū)域內(nèi)；分別與上述微 小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線；培養(yǎng)液供給和排出單元，其 向由上述壁包圍的區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液以及從由上述壁包圍的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì) 胞培養(yǎng)液；添加單元，其將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中；以及測(cè) 量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記錄。
(5)根據(jù)上述(1)所記載的心臟折返模型芯片，設(shè)置在上述基板上的凝膠層是對(duì) 細(xì)胞沒(méi)有粘合性的凝膠。
(6)根據(jù)上述(3)所記載的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，設(shè)置在上述 基板上的凝膠層是對(duì)細(xì)胞沒(méi)有粘合性的凝膠。 (7)根據(jù)上述(3)所記載的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，設(shè)置在上述 基板上的凝膠層是對(duì)細(xì)胞沒(méi)有粘合性的凝膠。
(8) —種心臟折返模型芯片，具備基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定的
大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口 ，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；槽，其將該多個(gè)開(kāi)口
分別相互連通，與上述多個(gè)開(kāi)口一起形成流體能夠連通的流路的閉環(huán)，該槽形成于該凝膠
層；用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域，該區(qū)域由上述基板的表面和在該基板上的上述凝膠層的
周圍形成的壁規(guī)定；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上述開(kāi)口內(nèi)，載置被容納在上述開(kāi)口
中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在上述基板上的上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)；以及分
別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線。
(9)根據(jù)上述(8)所記載的心臟折返模型芯片，上述槽的寬度是上述細(xì)胞無(wú)法穿
過(guò)的大小。 (10) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，是用于使用上述(8)或(9)所 記載的心臟折返模型芯片來(lái)進(jìn)行藥劑評(píng)價(jià)的藥劑評(píng)價(jià)裝置，該藥劑評(píng)價(jià)裝置具備載物臺(tái)， 其用于載置上述心臟折返模型芯片；培養(yǎng)液供給和排出單元，其向上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng) 液的區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液以及從上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì)胞 培養(yǎng)液；藥劑供給單元，其用于將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中； 以及測(cè)量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記 錄。
(11) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，是使用上述(10)所記載的利
用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置來(lái)進(jìn)行藥劑評(píng)價(jià)的方法，該方法包括以下步驟將想
要作用于上述細(xì)胞的藥劑從上述藥劑供給單元添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中。
(12) —種心臟折返模型芯片，具備基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定
的大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；槽，其將該多個(gè)開(kāi)
口分別相互連通，與上述多個(gè)開(kāi)口一起形成流體能夠連通的流路的閉環(huán)，該槽形成于該凝
膠層；用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域，該區(qū)域由上述基板的表面和在該基板上的上述凝膠層
的周圍形成的壁規(guī)定；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上述開(kāi)口內(nèi)，載置被容納在上述開(kāi)
口中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在上述基板上的上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)；以及
分別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線，其中，上述微
小電極、上述多個(gè)開(kāi)口以及將上述多個(gè)開(kāi)口之間連通的槽能夠保持多個(gè)細(xì)胞。
(13) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，是用于使用上述(12)所記載
的心臟折返模型芯片來(lái)進(jìn)行藥劑評(píng)價(jià)的藥劑評(píng)價(jià)裝置，該藥劑評(píng)價(jià)裝置具備載物臺(tái)，其用
于載置上述心臟折返模型芯片；培養(yǎng)液供給和排出單元，其向上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的
區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液以及從上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì)胞培養(yǎng)
液；藥劑供給單元，其用于將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中；以及
測(cè)量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記錄。
(14)根據(jù)上述(13)所記載的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，還具備以
下單元，該單元導(dǎo)出從所有的微小電極得到的細(xì)胞電位的相加值。
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(15) —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，是用于使用上述(13)或(14) 所記載的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置來(lái)進(jìn)行藥劑評(píng)價(jià)的方法，該藥劑評(píng)價(jià)方法 包括以下步驟將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑從上述藥劑供給單元添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液 中。 本發(fā)明利用將一個(gè)細(xì)胞事先封入到特定的空間配置中的結(jié)構(gòu)，使由配置在設(shè)置于
透明基板上的透明電極上的心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)的任意的心肌細(xì)胞或特定
的心肌細(xì)胞的搏動(dòng)向環(huán)的兩側(cè)傳播，電性地檢測(cè)閉環(huán)上的細(xì)胞的搏動(dòng)狀況，從而制作出在
體外(In vitro)的心臟折返模型芯片。使藥物作用于該心臟折返模型芯片，測(cè)量各個(gè)細(xì)胞
的細(xì)胞電位，來(lái)評(píng)價(jià)藥物對(duì)于心肌細(xì)胞的有用性或毒性。 制月隨果 能夠構(gòu)成心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合存在的在體外的折返模型芯片，能夠利用該 折返模型芯片來(lái)評(píng)價(jià)藥物對(duì)于心肌細(xì)胞的有用性或毒性。根據(jù)本發(fā)明的模型芯片，能夠得 到如下特別顯著的效果雖然是在體外，但是能夠以盡可能接近體內(nèi)(invivo)狀態(tài)的條件 進(jìn)行藥物試驗(yàn)，能夠針對(duì)藥物的有用性和/或毒性進(jìn)行可靠性高的評(píng)價(jià)。


圖1是示意性地表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的心臟折返模型芯片的結(jié)構(gòu) 的一例的立體圖。 圖2是示意性地表示圖1所示的心臟折返模型芯片的細(xì)胞容納部CH的結(jié)構(gòu)的一 例的立體圖。 圖3的(a)是概念性地說(shuō)明保持在開(kāi)口 4中的細(xì)胞通過(guò)槽5具有物理接觸和細(xì)胞 間的相互作用由此所引起的細(xì)胞搏動(dòng)的傳播的情形的一例的圖，(b)是以在電極2處所得 到的電信號(hào)的 一例來(lái)說(shuō)明細(xì)胞搏動(dòng)的傳播的圖。 圖4是將時(shí)間軸放大來(lái)示出所有的被保持在細(xì)胞容納部CH中的細(xì)胞以所謂的正 常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間1\、被保持在細(xì)胞容納部C比和CH6中的細(xì)胞在正常的脈沖電 位之后伴隨著與心律不齊(不整脈)對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間L切換時(shí)的 脈沖電位的圖。 圖5的(A) (C)是表示著眼于第二實(shí)施方式的模型芯片100的瓊脂糖凝膠層 (Agarose Gel Layer) 3和微小電極2的結(jié)構(gòu)(根據(jù)需要而稱為腔(Chamber))的圖。(A) 是以通過(guò)瓊脂糖凝膠層3構(gòu)成的由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞所形成的閉環(huán)為單位的顯微鏡 照片。(B)是(A)的示意圖。(C)是在瓊脂糖凝膠層3上噴灑心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合 存在的細(xì)胞來(lái)進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)六天并在第七天所拍攝到的顯微鏡照片。 圖6是示意性地表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式中的心臟折返模型芯片的細(xì)胞容納 部CH的結(jié)構(gòu)的一例的立體圖。 圖7的(A)和(B)是表示在如圖5的(C)所示那樣對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了培養(yǎng)的狀態(tài)下的 折返模型芯片的各通道(Channel)的微小電極2處所得到的電位波形以及將各通道的峰值 時(shí)間繪制成圖表的一個(gè)例子的圖。 圖8的(A)表示更簡(jiǎn)單地評(píng)價(jià)圖7的(A)所示的信號(hào)意味著是與正常的心臟活動(dòng) 對(duì)應(yīng)的信號(hào)的波形圖。(B)是表示處于人的心電圖的正常范圍的心電圖的例子的圖。(C)是估計(jì)構(gòu)成與正常的心臟活動(dòng)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)下的折返模型芯片的細(xì)胞的搏動(dòng)的傳播狀況而 得到的圖。 圖9的(A)和(B)是表示在如圖5的(C)所示那樣對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了培養(yǎng)的狀態(tài)下的 折返模型芯片的各通道的微小電極2處所得到的電位波形以及將各通道的峰值時(shí)間繪制 成圖表的另一例的圖。 圖10的(A)表示更簡(jiǎn)單地評(píng)價(jià)圖9的(A)所示的信號(hào)意味著不是與正常的心臟 活動(dòng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的波形圖。(B)是表示人的心電圖包含很多心律不齊而超出正常范圍的心 電圖的例子的圖。(C)是對(duì)構(gòu)成呈現(xiàn)圖9的(A)、 (B)的波形圖、峰值時(shí)間的狀態(tài)下的折返 模型芯片的細(xì)胞的搏動(dòng)傳播狀況進(jìn)行估計(jì)而得到的圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明 1 :透明基板;2 :微小電極；2c :比較電極；2':微小電極2的引出線;3 :瓊脂糖凝膠 層；4 :開(kāi)口 ;5 :槽;7 :包圍周圍的壁:管;PC :個(gè)人計(jì)算機(jī);Ms :個(gè)人計(jì)算機(jī)的操作 信號(hào)；10 :心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞；CH :細(xì)胞保持部。
具體實(shí)施例方式
圖i是示意性地表示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的心臟折返模型芯片的結(jié)構(gòu) 的一例的立體圖。圖2是示意性地表示圖1所示的心臟折返模型芯片的細(xì)胞容納部CH的 結(jié)構(gòu)的一例的立體圖。 IOO是折返模型芯片，構(gòu)成為以構(gòu)建于透明基板1上的部件為主體。透明基板1是 光學(xué)透明的材料、例如玻璃基板或硅基板。2是微小電極，例如設(shè)為由ITO形成的透明電極， 被配置在透明基板l上。2'是微小電極2的引出線，它也被設(shè)為由ITO形成的透明電極。 3是瓊脂糖凝膠層。在瓊脂糖凝膠層3的應(yīng)該容納心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞的位置處以規(guī)定 的周期形成從瓊脂糖凝膠層3的表面到達(dá)透明基板1的表面的開(kāi)口 4，從而構(gòu)成細(xì)胞容納 部CH。并且，在相鄰的開(kāi)口 4之間形成從瓊脂糖凝膠層3的表面到達(dá)透明基板1的表面的 槽5。在構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口4處的透明基板1上根據(jù)需要來(lái)配置微小電極2。在圖 1中，設(shè)為在所有的構(gòu)成細(xì)胞容納部的開(kāi)口 4處都配置微小電極2。不管是否存在微小電極 2，在構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4中容納一個(gè)心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞10。在圖2中，在構(gòu)成 細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4的位置處去除比槽5更靠前側(cè)的瓊脂糖凝膠層3而示出透明基板 1上的微小電極2、載置在微小電極2上的心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞10、與微小電極2連接并 引出的引出線2'的情形。優(yōu)選的是在微小電極2的細(xì)胞載置面以及不設(shè)置微小電極2而 在透明基板l上直接載置細(xì)胞的情況下的細(xì)胞載置面上事先涂敷膠原蛋白(Collagen)等 的有助于粘合細(xì)胞的材料。關(guān)于由瓊脂糖凝膠層包圍的構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4內(nèi)的 細(xì)胞，由于瓊脂糖凝膠對(duì)于細(xì)胞來(lái)說(shuō)沒(méi)有粘合性，因此即使將瓊脂糖凝膠層3的壁的高度 設(shè)為與細(xì)胞相同程度，細(xì)胞10也不會(huì)越過(guò)壁而移動(dòng)。另外，由于瓊脂糖凝膠層3的槽5的 兩側(cè)之間的寬度被設(shè)為小于細(xì)胞的大小，因此細(xì)胞10不會(huì)擠出該槽5而移動(dòng)到相鄰的構(gòu)成 細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口4。在此，瓊脂糖凝膠層3只要是能夠形成用于保持細(xì)胞的ym量級(jí) 的開(kāi)口且能夠以P m量級(jí)的槽來(lái)連通開(kāi)口之間的凝膠材料，就能夠使用任意的凝膠材料。
在圖1中，構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4呈直線狀以規(guī)定的間隔配置有8個(gè)，平行 地設(shè)置兩排該開(kāi)口 4。各排的構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4分別通過(guò)槽5相連接，并且各排兩端的構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4也分別通過(guò)槽5相連接。S卩，16個(gè)構(gòu)成細(xì)胞容納部CH 的開(kāi)口 4構(gòu)成閉環(huán)。構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的各個(gè)開(kāi)口 4分別保持一個(gè)心肌細(xì)胞或成纖維細(xì) 胞10，并且如圖2所示那樣分別具備微小電極2，從各微小電極2引出了引出線2'。關(guān)于這 些16個(gè)被直列排列的心肌細(xì)胞和/或成纖維細(xì)胞的分配，只要隨機(jī)分配即可。另外，優(yōu)選 為不將所有的細(xì)胞都設(shè)為心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞。作為心臟折返模型，最好是這些細(xì)胞適 當(dāng)?shù)鼗旌洗嬖?。并且，在?duì)16個(gè)構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4分配細(xì)胞時(shí)，也可以設(shè)為以如 下形式進(jìn)行分配在瓊脂糖凝膠層3的上表面噴灑與應(yīng)該分配到16個(gè)構(gòu)成細(xì)胞容納部CH 的各個(gè)開(kāi)口 4的細(xì)胞的數(shù)量相比足夠多的數(shù)量的細(xì)胞。通過(guò)這樣，成為除了在開(kāi)口 4分配 有細(xì)胞之外細(xì)胞還搭載于槽5上、細(xì)胞分散于瓊脂糖凝膠層3的周圍部分的形式，即使就這 樣放置這些細(xì)胞，也不會(huì)成為障礙。被保持在相鄰的構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4中的細(xì)胞 通過(guò)槽5能夠發(fā)生物理接觸和細(xì)胞之間的相互作用。在瓊脂糖凝膠層3的端部的下部設(shè)有 比較電極2c，引出了引出線2' c。 7是包圍周圍的壁，包圍瓊脂糖凝膠層3和比較電極2e。 8工和82是用于對(duì)壁7的 內(nèi)部區(qū)域供給細(xì)胞的培養(yǎng)液以及從壁7的內(nèi)部區(qū)域排出細(xì)胞的培養(yǎng)液的管。在圖1的例子 中，從延伸到基板1的底面附近的管8工供給培養(yǎng)液，從延伸到基板1的底面附近的管82排 出培養(yǎng)液。在供給培養(yǎng)液的管8工的培養(yǎng)液的出口附近與管83相結(jié)合，通過(guò)該管83來(lái)供給想 要作用于細(xì)胞的藥劑。因而，細(xì)胞10被暴露于通過(guò)管8工供給到壁7的內(nèi)部區(qū)域的細(xì)胞的培 養(yǎng)液的同時(shí)，穩(wěn)定地保持在微小電極2上。在不需要將細(xì)胞暴露于培養(yǎng)液時(shí)，只要通過(guò)管82 從壁7的內(nèi)部區(qū)域排出培養(yǎng)液即可。另外，當(dāng)將培養(yǎng)液更換為新的培養(yǎng)液時(shí)，只要在排出培 養(yǎng)液之后或者在排出的同時(shí)供給培養(yǎng)液即可。另一方面，當(dāng)想要使藥劑作用于細(xì)胞時(shí)，只要 在通過(guò)管82排出培養(yǎng)液的同時(shí)，通過(guò)管83將想要作用于細(xì)胞的藥劑添加到培養(yǎng)液中，通過(guò) 管8工來(lái)與培養(yǎng)液一起供給即可。此外，管8p管^以及管83的結(jié)構(gòu)也可以根據(jù)測(cè)量的方法 任意地變更配置。例如，也可以設(shè)為將管8工和管83分離，還可以設(shè)為省略管82，將管8工用 于供給和排出的兩方。 PC是個(gè)人計(jì)算機(jī)，在構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4的微小電極2的引出線2'與比 較電極2C的引出線2' e之間測(cè)量細(xì)胞電位并進(jìn)行記錄。此外，在圖1中，由于會(huì)使圖變得 復(fù)雜，因此省略顯示上部的構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4的微小電極2的引出線2'的引出 線對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)PC提供信號(hào)的線。另外，對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)9輸入操作者的操作信號(hào)Ms。
圖1所示的折返模型芯片100的結(jié)構(gòu)的主要尺寸的例子如下所示。這是將細(xì)胞的 大小設(shè)為10iim小的例子。透明基板l的大小是100mmX150mm，微小電極2是8iimX8iim 的大小，瓊脂糖凝膠層3的大小是4. 5mmX 2mmX 10 ii m(高度)，成為細(xì)胞容納部的開(kāi)口 4是 12iim小的圓柱狀，開(kāi)口4之間的距離是50 ii m，開(kāi)口 4之間的槽5的寬度是5 y m，形成于周 圍的壁7的外形設(shè)為5mmX5mm，高度是5mm。此夕卜，在此，微小電極2設(shè)為8 y mX8 y m的正 方形，但是也可以設(shè)為與構(gòu)成細(xì)胞容納部CH的開(kāi)口 4的12ym小相同的圓狀的電極。
下面，說(shuō)明使用了本發(fā)明的折返模型芯片100的具體的測(cè)量例。
圖3的(a)是概念性地說(shuō)明被保持在開(kāi)口 4中的細(xì)胞通過(guò)槽5具有物理接觸和細(xì) 胞間的相互作用由此所引起的細(xì)胞搏動(dòng)的傳播的情形的一例的圖，圖3的(b)是以在電極 2處所得到的電信號(hào)的一例來(lái)說(shuō)明細(xì)胞搏動(dòng)的傳播的圖。 在圖3的(a)中涂黑表示的記號(hào)對(duì)應(yīng)于具有開(kāi)口 4的細(xì)胞容納部CH，為了便于說(shuō)明，對(duì)各個(gè)記號(hào)附加了CHpC^、…、CHw的參照標(biāo)記。在圖3的(a)中，示意性地表示如下情形搏動(dòng)從細(xì)胞容納部CH6起沿順時(shí)針?lè)较?CW)和逆時(shí)針?lè)较?C CW)傳播，來(lái)自兩個(gè)方向的搏動(dòng)在與細(xì)胞容納部相距等距離的細(xì)胞容納部CH14處發(fā)生碰撞而消失。顯然，雖然成纖維細(xì)胞自身既不搏動(dòng)也不產(chǎn)生電信號(hào)，但是具有對(duì)被傳遞的搏動(dòng)和電信號(hào)進(jìn)行傳遞的功能。 對(duì)圖1所示的實(shí)施方式的心臟折返模型的細(xì)胞容納部CH適當(dāng)?shù)胤峙湫募〖?xì)胞和成纖維細(xì)胞，在規(guī)定的培養(yǎng)液中以規(guī)定的培養(yǎng)條件進(jìn)行培養(yǎng)。當(dāng)持續(xù)培養(yǎng)了幾天時(shí)，進(jìn)行如圖3的(a)所例示那樣的搏動(dòng)以及電信號(hào)的傳遞。 圖3的(b)是針對(duì)被保持在細(xì)胞容納部CH4、CH6、CHn以及CH15中的細(xì)胞示出在開(kāi)始培養(yǎng)后的第五天通過(guò)個(gè)人計(jì)算機(jī)PC取入細(xì)胞容納部CH的微小電極2的電位來(lái)測(cè)量得到的結(jié)果的例子的圖。在此，1\是所有的被保持在細(xì)胞容納部CH中的細(xì)胞以所謂的正常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間，T2是被保持在細(xì)胞容納部CH4和CH6中的細(xì)胞在正常的脈沖電位之后伴隨著與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間。參照?qǐng)D的右下方的比例尺條可知，以l次/l秒的程度產(chǎn)生脈沖電位。另外，在該例子中，以正常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間1\大約為5分鐘，伴隨著與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位進(jìn)行搏動(dòng)的期間T2大約為30秒。 在該測(cè)量中，在時(shí)間軸上比較期間1\的脈沖電位則可知，由于被保持在細(xì)胞容納部CHe中的細(xì)胞以最早的時(shí)刻產(chǎn)生脈沖電位，因此被保持在細(xì)胞容納部CHe中的細(xì)胞成為起搏點(diǎn)(Pacemaker)。還可知，被保持在細(xì)胞容納部CH6中的細(xì)胞所產(chǎn)生的脈沖電位沿逆時(shí)針?lè)较?CCW)傳播，從而被保持在細(xì)胞容納部CH4中的細(xì)胞產(chǎn)生了脈沖電位，并沿順時(shí)針?lè)较?CW)進(jìn)行傳播，從而被保持在細(xì)胞容納部CHn和CH15中的細(xì)胞產(chǎn)生了脈沖電位。
在該狀態(tài)繼續(xù)維持了期間1\之后，被保持在細(xì)胞容納部CH4和CH6中的細(xì)胞在正常的脈沖電位之后突然伴隨著與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位而開(kāi)始進(jìn)行搏動(dòng)，在該狀態(tài)繼續(xù)維持了期間12之后，突然再次成為以正常的脈沖電位搏動(dòng)的狀態(tài)，并持續(xù)期間1\。在此，當(dāng)觀察被保持在細(xì)胞容納部CH4和CH6中的細(xì)胞的與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位時(shí)，觀察到被保持在細(xì)胞容納部CH4中的細(xì)胞的異常的脈沖電位在比被保持在細(xì)胞容納部CH6中的細(xì)胞的異常的脈沖電位早的時(shí)刻產(chǎn)生。即，被保持在細(xì)胞容納部CH4中的細(xì)胞成為起搏點(diǎn)，從而異常的脈沖電位沿順時(shí)針?lè)较騻鞑ァ４_認(rèn)出該期間1\、期間T2的重復(fù)狀態(tài)是在正常的脈沖電位下的搏動(dòng)、伴隨著異常的脈沖電位的搏動(dòng)的重復(fù)，但是期間1\、期間T2并不是固定的，每當(dāng)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，都分別發(fā)生變動(dòng)。 圖4是放大時(shí)間軸來(lái)示出從期間1\切換為期間T2時(shí)的脈沖電位的圖。在上部以成為起搏點(diǎn)的被保持在細(xì)胞容納部CH6中的細(xì)胞的脈沖電位為基準(zhǔn)針對(duì)被保持在細(xì)胞容納部CH『CH^C^中的細(xì)胞的脈沖電位示出了沿順時(shí)針?lè)较?CW)的傳播。在下部以成為起搏點(diǎn)的被保持在細(xì)胞容納部CH6中的細(xì)胞的脈沖電位為基準(zhǔn)針對(duì)被保持在細(xì)胞容納部CH4、CH3、CH2中的細(xì)胞的脈沖電位示出了沿逆時(shí)針?lè)较?CCW)的傳播。 當(dāng)觀察沿順時(shí)針?lè)较?CW)的傳播時(shí)，可以認(rèn)為細(xì)胞容納部CH6中的細(xì)胞的脈沖電位依次向細(xì)胞容納部CH1Q、 CH15傳播，但是當(dāng)被保持于CH2中的細(xì)胞產(chǎn)生了脈沖電位而該脈沖電位被傳播到細(xì)胞容納部CH6的細(xì)胞時(shí)，該細(xì)胞產(chǎn)生與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位。另一方面，當(dāng)觀察沿逆時(shí)針?lè)较?CCW)的傳播時(shí)，細(xì)胞容納部CHe中的細(xì)胞的脈沖電位向細(xì)胞容納部C4傳播，但是到達(dá)CH3后中斷。其結(jié)果，如上所述，可以認(rèn)為沿順時(shí)針?lè)较?CW)傳播的脈沖電位傳播到細(xì)胞容納部CHe的細(xì)胞，從而產(chǎn)生與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位。 此外，關(guān)于在圖3、圖4中沒(méi)有顯示的細(xì)胞容納部CH的細(xì)胞的脈沖電位，細(xì)胞被認(rèn)為是成纖維細(xì)胞，在無(wú)法得到脈沖電位的情況下或許不需要進(jìn)行說(shuō)明，因此沒(méi)有進(jìn)行顯示。
在上述第一實(shí)施方式中，設(shè)利用了在由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)的特定的空間內(nèi)封入一個(gè)細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。在以下要說(shuō)明的第二實(shí)施方式中，為了使操作更加簡(jiǎn)單并且容易從微小電極得到電信號(hào)，使以規(guī)定的周期配置于由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)中的透明電極變大，并且使事先封入細(xì)胞的空間(開(kāi)口 )也變大，還使將空間(開(kāi)口 )與空間(開(kāi)口 )連接的槽的寬度變寬。下面，參照附圖進(jìn)行說(shuō)明。 圖5的(A) (C)是表示著眼于第二實(shí)施方式的模型芯片100的瓊脂糖凝膠層3和微小電極2的結(jié)構(gòu)(根據(jù)需要而稱為腔)的圖。模型芯片100的結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)思本身與圖1所說(shuō)明的構(gòu)思相同。圖5的(A)是以通過(guò)瓊脂糖凝膠層3構(gòu)成的由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞所形成的閉環(huán)為單位的顯微鏡照片。圖5的(B)是圖5的(A)的示意圖。圖5的(C)是在瓊脂糖凝膠層3上噴灑心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合存在的細(xì)胞來(lái)進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)六天并在第七天所拍攝到的顯微鏡照片。 圖5的(A) (C)的參照標(biāo)記(沒(méi)有對(duì)全部附加標(biāo)記)與圖1的相應(yīng)標(biāo)記相同，2是微小電極，2'是微小電極2的引出線，3是瓊脂糖凝膠層，4是保持心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞并且配置有微小電極2的空間(開(kāi)口 )，但是設(shè)為在腔的上下兩端將4個(gè)微小電極配置于一個(gè)空間(開(kāi)口 )的結(jié)構(gòu)(將參照標(biāo)記設(shè)為4'來(lái)與其它空間(開(kāi)口 )相區(qū)別)。5是連接空間(開(kāi)口 )之間的槽。它們被形成在透明基板1的表面上。在圖5的(A)中可以看到與由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)的微小電極2無(wú)關(guān)的微小電極2的引出線2'，這是因?yàn)闉榱朔奖愣鴺?gòu)成為能夠在透明基板1的表面上形成多個(gè)由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)，作為由心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)的一個(gè)單位，示出圖5的(B)所示的示意性的結(jié)構(gòu)。分別位于圖5的(C)的左側(cè)(Left)、右側(cè)(Right)的8個(gè)微小電極2附近所附加的1 8的數(shù)字是對(duì)各微小電極2附加的通道編號(hào)，在后述的說(shuō)明中使用。
在此，說(shuō)明圖5的(A) (C)所示的腔的主要尺寸和結(jié)構(gòu)的例子。在此，也將細(xì)胞的大小設(shè)為10 ii m小。設(shè)微小電極2為50 ii mX50 ii m的大小，微小電極2之間的距離為450 ii m，瓊脂糖凝膠層3的厚度(高度)為10 ii m，空間(開(kāi)口 )4為60 ii m小。空間(開(kāi)口 ) 4之間的槽5的寬度設(shè)為20 ii m 60 ii m，但是在此設(shè)為50 y m。設(shè)空間(開(kāi)口 ) 4之間的距離為450iim，腔的上下兩端的空間(開(kāi)口 )4'為500iimX500iim的大小。此外，在此沒(méi)有提及瓊脂糖凝膠層3的大小、透明基板1的大小、形成于周圍的壁7的外形以及高度。只要考慮上述尺寸來(lái)確定它們即可。 從該尺寸的例子也可知，在第二實(shí)施方式中，由于空間(開(kāi)口 )4和槽5相對(duì)于細(xì)胞的尺寸足夠大，因此當(dāng)從瓊脂糖凝膠層3的上表面噴灑心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合存在的細(xì)胞時(shí)，適當(dāng)?shù)胤植嫉轿⑿‰姌O2、空間(開(kāi)口)4、4'以及槽5。圖6是示意性地表示該狀態(tài)的圖。在處于空間(開(kāi)口)4的位置的微小電極2處搭載5個(gè)細(xì)胞10，在其兩側(cè)的槽5中也存在細(xì)胞IO，在瓊脂糖凝膠層3的上表面也搭載有細(xì)胞10。在此示出了在微小電極2處搭載5個(gè)細(xì)胞10的例子，但是能夠估計(jì)出搭載1個(gè)到10個(gè)左右的細(xì)胞。對(duì)比圖6和圖
112清楚可知，在第二實(shí)施方式中，閉環(huán)由載置了多個(gè)細(xì)胞10的微小電極2和在多個(gè)微小電極2之間的載置了細(xì)胞10的槽5構(gòu)成。由于只要將心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合存在的細(xì)胞群噴灑在瓊脂糖凝膠層3的上表面即可，因此能夠簡(jiǎn)單地構(gòu)成折返模型芯片。在這種情況下，不需要管理心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的混合比例。另外，期望在微小電極2處搭載多個(gè)細(xì)胞10，并不認(rèn)為搭載在微小電極2處的細(xì)胞都是成纖維細(xì)胞，因此不存在如第一實(shí)施方式那樣無(wú)法得到電位信號(hào)的微小電極2，從而能夠期望從所有的微小電極2得到電位信號(hào)。
圖7的(A)和(B)是表示在如圖5的(C)所示那樣對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了培養(yǎng)的狀態(tài)下的折返模型芯片的各通道的微小電極2處所得到的電位波形以及將各通道的峰值時(shí)間繪制成圖表的一個(gè)例子的圖。以折返模型芯片的左右兩側(cè)的t二O為基點(diǎn)進(jìn)行觀察。從圖7的(A)可知，在折返模型芯片的左右兩側(cè)的各通道的微小電極2處所得到的電位在所有的通道中都成為穩(wěn)定的周期波形。圖7的(B)是為了解析圖7的(A)的電位波形而將各通道的峰值時(shí)間繪制成圖表的圖，將圖7的(A)的折返模型芯片的左右兩側(cè)的電位波形所對(duì)應(yīng)的時(shí)間帶的峰值時(shí)間疊加顯示在同一時(shí)間軸上。能夠通過(guò)圖1示出的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC簡(jiǎn)單地進(jìn)行該處理。示出了根據(jù)在連接圖7的(A)與圖7的(B)之間的箭頭的根部位置的電位波形信號(hào)推導(dǎo)出箭頭前端位置的峰值時(shí)間。實(shí)線的箭頭與折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的信號(hào)相對(duì)應(yīng)，虛線的箭頭與折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的信號(hào)相對(duì)應(yīng)。在圖7的(B)中，用X記號(hào)表示與折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間，用O記號(hào)表示與折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間。從圖7的(B)容易地知道，在該例子中，搏動(dòng)從第一通道到第八通道以大致相同的速度傳播，從第一通道產(chǎn)生的搏動(dòng)大約在100ms內(nèi)傳播到第八通道并消失。 g卩，圖7的(A)所示的信號(hào)意味著是與正常的心臟活動(dòng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)。因此，在圖7的(B)所示的解析結(jié)果中附加"N"的顯示來(lái)表示正常的意思。 圖8的(A)表示更簡(jiǎn)單地評(píng)價(jià)圖7的(A)所示的信號(hào)意味著是與正常的心臟活動(dòng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的波形圖。圖8的(A)的波形圖是將圖7的(A)所示的第一通道至第八通道的信號(hào)波形全部相加得到的波形圖。能夠通過(guò)圖1示出的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC簡(jiǎn)單地進(jìn)行該處理。在圖8的(A)的波形圖中，具有穩(wěn)定的峰值波形的信號(hào)以規(guī)定的周期穩(wěn)定地呈現(xiàn)。該情形能夠根據(jù)圖8的(A)的波形圖與圖7的(A)的波形圖之間的對(duì)應(yīng)或者圖8的(A)的波形圖與圖7的(B)的峰值時(shí)間之間的對(duì)應(yīng)來(lái)容易地估計(jì)出。因而，在該圖8的(A)的波形圖中，附加"N"的顯示來(lái)表示是正常狀態(tài)的心臟活動(dòng)的意思。 圖8的(B)是表示處于人的心電圖的正常范圍的心電圖的例子的圖。將圖8的
(A)所示的信號(hào)波形與圖8的(B)所示的波形相比可知，根據(jù)穩(wěn)定的峰值波形、穩(wěn)定的周期
可知，構(gòu)成折返模型芯片的細(xì)胞的活動(dòng)對(duì)應(yīng)于與正常的心臟活動(dòng)相類似的正常的活動(dòng)。 圖8的(C)是對(duì)構(gòu)成與正常的心臟活動(dòng)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)下的折返模型芯片的細(xì)胞的搏
動(dòng)的傳播狀況進(jìn)行估計(jì)而得到的圖。位于左右兩側(cè)的第一通道的微小電極附近的細(xì)胞成為
起搏點(diǎn)(PM)，如箭頭所示，該搏動(dòng)在左右兩側(cè)的通道中依次傳播，在第七通道或第八通道的
微小電極附近發(fā)生碰撞而消失。估計(jì)出上述情形以規(guī)定的周期重復(fù)發(fā)生。 圖9的(A)和(B)是表示在如圖5的(C)所示那樣對(duì)細(xì)胞進(jìn)行了培養(yǎng)的狀態(tài)下的
折返模型芯片的各通道的微小電極2處所得到的電位波形以及將各通道的峰值時(shí)間繪制
成圖表的另一例的圖。與圖7的(A)同樣地，以折返模型芯片的左右兩側(cè)的t = 0為基點(diǎn)進(jìn)行觀察。從圖9的(A)可知，在折返模型芯片的左右兩側(cè)的各通道的微小電極2處所得到的電位與圖7的(A)的該電位相比，成為不穩(wěn)定的周期的波形。圖9的(B)是為了解析圖9的(A)的電位波形而將各通道的峰值時(shí)間繪制成圖表的圖，將圖9的(A)的折返模型芯片的左右兩側(cè)的電位波形所對(duì)應(yīng)的時(shí)間帶的峰值時(shí)間疊加顯示在同一時(shí)間軸上。能夠通過(guò)圖1示出的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC簡(jiǎn)單地進(jìn)行該處理。示出了根據(jù)在連接圖9的(A)與圖9的(B)之間的箭頭的根部位置的電位波形信號(hào)來(lái)推導(dǎo)出箭頭前端位置的峰值時(shí)間。實(shí)線的箭頭對(duì)應(yīng)于折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的信號(hào)，虛線的箭頭對(duì)應(yīng)于折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的信號(hào)。在圖9的(B)中，用X記號(hào)表示與折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間，用O記號(hào)表示與折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的信號(hào)對(duì)應(yīng)的峰值時(shí)間。 在圖9的(A) 、 (B)中，進(jìn)行著與圖7的(A) 、 (B)相比復(fù)雜的動(dòng)作。在該例子中，如圖9的(B)所示，在緊接著t二O之后，搏動(dòng)從第一通道到第八通道以大致相同的速度傳播，在測(cè)量到從第一通道所產(chǎn)生的搏動(dòng)在大約100ms內(nèi)傳播到第八通道并消失的正常的搏動(dòng)的傳播(N》之后，測(cè)量到從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第三通道到第七通道為止的搏動(dòng)的傳播(E》，之后，測(cè)量到如下的部分循環(huán)型傳播(U):從折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的第三通道到第八通道為止的搏動(dòng)的傳播之后，該傳播折回而從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第八通道到第三通道為止傳播。之后不久，搏動(dòng)從第一通道到第八通道以大致相同的速度傳播，在測(cè)量到從第一通道所產(chǎn)生的搏動(dòng)在大約100ms內(nèi)傳播到第八通道并消失的正常的搏動(dòng)的傳播(N2)之后，測(cè)量到從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第三通道到第七通道為止的搏動(dòng)的傳播(E》，之后，進(jìn)行搏動(dòng)的傳播(R》后，該傳播折回而進(jìn)行搏
動(dòng)的傳播og，之后，該傳播再次折回而進(jìn)行從折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的第一通道
到第六通道為止的搏動(dòng)的傳播(R3)后消失，其中，上述搏動(dòng)的傳播(R》是搏動(dòng)從折返模型芯片右側(cè)的微小電極2的第一通道到第八通道為止傳播之后，該傳播折回而搏動(dòng)從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第八通道到第一通道為止傳播，上述搏動(dòng)的傳播(R2)是該搏動(dòng)的傳播(R》折回而搏動(dòng)從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第一通道到第八通道為止傳播后，該傳播折回而搏動(dòng)從折返模型芯片左側(cè)的微小電極2的第八通道到第一通道為止傳播。 g卩，圖9的(A)所示的信號(hào)即使發(fā)生了正常的搏動(dòng)的傳播K、 K，也會(huì)產(chǎn)生伴隨著部分傳播EpEy部分傳播U以及2次半的循環(huán)型傳播的折返RpR^Rp這不能說(shuō)是正常的心臟活動(dòng)。 圖10的(A)表示更簡(jiǎn)單地評(píng)價(jià)圖9的(A)所示的信號(hào)意味著不是與正常的心臟活動(dòng)對(duì)應(yīng)的信號(hào)的波形圖。圖10的(A)的波形圖是將圖9的(A)所示的第一通道至第八通道的信號(hào)波形全部相加得到的波形圖。能夠通過(guò)圖1示出的個(gè)人計(jì)算機(jī)PC簡(jiǎn)單地進(jìn)行該處理。如在圖10的(A)的波形圖中示出了圖9的(B)的峰值時(shí)間的解析中所示的傳播的狀況N" N2、 E" E2、 U、 R" R2以及R3那樣，圖10的(A)的波形圖很好地對(duì)應(yīng)于圖9的(B)的峰值時(shí)間的解析。因而，該圖10的(A)的波形圖意味著不是正常狀態(tài)的心臟活動(dòng)。
圖10的(B)是表示人的心電圖包含很多心律不齊而超出正常范圍的心電圖的例子的圖。將圖10的(A)所示的信號(hào)波形與圖10的(B)所示的波形相比可知，構(gòu)成呈現(xiàn)圖10的(A)所示的信號(hào)波形的折返模型芯片的細(xì)胞的活動(dòng)對(duì)應(yīng)于與呈現(xiàn)超出正常心臟活動(dòng)的心電圖的情況下的人的心臟活動(dòng)相類似的異常的活動(dòng)。 圖10的(C)是對(duì)構(gòu)成呈現(xiàn)圖9的(A) 、 (B)的波形圖、峰值時(shí)間的狀態(tài)下的折返 模型芯片的細(xì)胞的搏動(dòng)傳播狀況進(jìn)行估計(jì)而得到的圖。K、N2與如下的例子相同在圖8的 (C)中所說(shuō)明的位于左右兩側(cè)的第一通道的微小電極附近的細(xì)胞成為起搏點(diǎn)(PM)，該搏動(dòng) 如箭頭所示那樣在左右兩側(cè)的通道依次傳播，并在第七通道或第八通道的微小電極附近發(fā) 生碰撞而消失。Ep^是如下的例子位于左側(cè)的第三通道的微小電極附近的細(xì)胞成為起搏 點(diǎn)(PM)，該搏動(dòng)如箭頭所示那樣僅在左側(cè)的通道依次傳播，在第七通道或第八通道的微小 電極附近消失。U是如下的例子位于右側(cè)的第三通道的微小電極附近的細(xì)胞成為起搏點(diǎn) (PM)，該搏動(dòng)如箭頭所示那樣僅在右側(cè)的通道依次傳播，在第七通道或第八通道的微小電 極附近傳播到左側(cè)的第八通道，在從左側(cè)的第八通道依次傳播到第四通道之后，與從位于 左側(cè)的第三通道的微小電極附近的細(xì)胞所產(chǎn)生的搏動(dòng)發(fā)生碰撞而消失。Ri是如下的例子
位于右側(cè)的第一通道的微小電極附近的細(xì)胞成為起搏點(diǎn)(PM)，該搏動(dòng)如箭頭所示那樣在右
兩側(cè)的通道依次傳播，在第七通道或第八通道的微小電極附近傳播到左側(cè)的第八通道，在
達(dá)到從左側(cè)的第八通道依次傳播到第一通道為止的狀態(tài)之后，進(jìn)一步如1 2所示那樣，再次 成為經(jīng)由位于左側(cè)通道的微小電極附近的細(xì)胞傳播的搏動(dòng)而循環(huán)，不僅如此還如!^所示那
樣，再次成為經(jīng)由位于右側(cè)通道的微小電極附近的細(xì)胞傳播的搏動(dòng)而傳播到第七通道之后 消失。 根據(jù)第二實(shí)施方式，如圖8的(A)和圖10的(A)所示，通過(guò)觀察將所有電極的電 壓信號(hào)合計(jì)得到的信號(hào)波形，能夠一目了然地獲知形成折返模型芯片的細(xì)胞群是進(jìn)行正常 狀態(tài)的動(dòng)作、還是進(jìn)行包含心律不齊的超出正常區(qū)域的動(dòng)作。通過(guò)在個(gè)人計(jì)算機(jī)中具備合 適的軟件，能夠容易地實(shí)現(xiàn)該信號(hào)波形的合計(jì)以及評(píng)價(jià)。當(dāng)然，也可以設(shè)為由個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn) 行合計(jì)并由醫(yī)生進(jìn)行評(píng)價(jià)。 因而，例如，對(duì)于輸出圖8的(A)的信號(hào)波形的折返模型芯片，如第一實(shí)施方式所 說(shuō)明的那樣，只要觀察使藥劑發(fā)生作用的結(jié)果，就能夠評(píng)價(jià)出藥劑是否有害。即，如果使藥 劑發(fā)生作用的結(jié)果，圖8的(A)的輸出波形如圖10的(A)那樣，則可以說(shuō)該藥劑有害，如果 沒(méi)有產(chǎn)生較大的變化，則可以說(shuō)不是有害的藥劑。同樣地，對(duì)于輸出圖10的(A)的信號(hào)波 形的折返模型芯片，如第一實(shí)施方式所說(shuō)明的那樣，只要觀察使藥劑發(fā)生作用的結(jié)果，就能 夠評(píng)價(jià)出藥劑是否有用。即，如果使藥劑發(fā)生作用的結(jié)果，圖10的(A)的輸出波形如圖8 的(A)那樣，則可以說(shuō)該藥劑有可能是對(duì)心臟疾病有用的藥，如果沒(méi)有帶來(lái)較大的變化，則 可以說(shuō)該藥劑不可能是對(duì)心臟疾病有用的藥。 這樣，根據(jù)本發(fā)明，能夠構(gòu)成心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞混合存在的在體外的心臟折 返模型芯片。因而，通過(guò)管83供給想要作用于細(xì)胞的藥劑，只要檢測(cè)圖3的(b)所示的脈 沖電位的變化并進(jìn)行評(píng)價(jià)，就能夠評(píng)價(jià)出藥劑對(duì)于心肌細(xì)胞的有用性或毒性。即，如果與心 律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位變大或者產(chǎn)生該異常的脈沖電位的持續(xù)期間變長(zhǎng)，則可知不 適合用作藥劑，相反地，如果與心律不齊對(duì)應(yīng)的異常的脈沖電位變小或者產(chǎn)生該異常的脈 沖電位的持續(xù)期間變短，則可知適合用作藥劑。 此外，在上述實(shí)施方式中，由于設(shè)為由光學(xué)透明的材料構(gòu)成基板1和微小電極2， 因此雖然沒(méi)有進(jìn)行具體的說(shuō)明，但是能夠并用通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察細(xì)胞搏動(dòng)的狀態(tài)的技 術(shù)。這樣，與僅通過(guò)脈沖電位進(jìn)行評(píng)價(jià)相比，能夠更多方面地評(píng)價(jià)藥劑的影響。相反地，在
14不通過(guò)光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察的情況下，不需要由光學(xué)透明的材料構(gòu)成基板1和電極2。
產(chǎn)業(yè)上的可利用件 根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種如下的芯片通過(guò)來(lái)自相鄰的心肌細(xì)胞或成纖維細(xì)胞 的搏動(dòng)的傳播，能夠以一個(gè)細(xì)胞為單位正確地測(cè)量細(xì)胞電位、細(xì)胞形態(tài)，并且通過(guò)構(gòu)成使心 肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞適當(dāng)?shù)胤稚⑴渲枚傻拈]環(huán)來(lái)構(gòu)成心臟模型，能夠評(píng)價(jià)藥物所產(chǎn)生的 影響。
權(quán)利要求
一種心臟折返模型芯片，具備基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定的大小和厚度；多個(gè)開(kāi)口，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；槽，其將該多個(gè)開(kāi)口分別相互連通，與上述多個(gè)開(kāi)口一起形成流體能夠連通的流路的閉環(huán)，該槽形成于該凝膠層；用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域，該區(qū)域由上述基板的表面和在該基板上的上述凝膠層的周圍形成的壁規(guī)定；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上述開(kāi)口內(nèi)，載置被容納在上述開(kāi)口中的細(xì)胞；比較電極，其設(shè)置在上述基板上的上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)；以及分別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟折返模型芯片，其特征在于， 上述槽的寬度是上述細(xì)胞無(wú)法穿過(guò)的大小。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的心臟折返模型芯片，其特征在于， 設(shè)置在上述基板上的凝膠層是對(duì)細(xì)胞沒(méi)有粘合性的凝膠。
4. 一種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，是使用權(quán)利要求1 3中的任一項(xiàng)所 述的心臟折返模型芯片來(lái)評(píng)價(jià)藥劑的藥劑評(píng)價(jià)裝置，該藥劑評(píng)價(jià)裝置具備載物臺(tái)，其用于載置上述心臟折返模型芯片；培養(yǎng)液供給和排出單元，其向上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液 以及從上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì)胞培養(yǎng)液；藥劑供給單元，其用于將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中；以及 測(cè)量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記錄。
5. —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，是使用權(quán)利要求4所述的利用心臟折 返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置來(lái)評(píng)價(jià)藥劑的方法，該方法包括以下步驟將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑從上述藥劑供給單元添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中。
6. —種心臟折返模型芯片，具備 基板；凝膠層，其設(shè)置在該基板上，具有規(guī)定的大小和厚度； 多個(gè)開(kāi)口，該多個(gè)開(kāi)口形成于該凝膠層，用于容納細(xì)胞；槽，其將該多個(gè)開(kāi)口分別相互連通，與上述多個(gè)開(kāi)口 一起形成流體能夠連通的流路的 閉環(huán)，該槽形成于該凝膠層；用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域，該區(qū)域由上述基板的表面和在該基板上的上述凝膠層的 周圍形成的壁規(guī)定；微小電極，其設(shè)置在上述基板上的上述開(kāi)口內(nèi)，載置被容納在上述開(kāi)口中的細(xì)胞； 比較電極，其設(shè)置在上述基板上的上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)；以及 分別與上述微小電極相連接的引出線以及與上述比較電極相連接的引出線， 其中，上述微小電極、上述多個(gè)開(kāi)口以及連通上述多個(gè)開(kāi)口之間的槽能夠保持多個(gè)細(xì)胞。
7. —種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，是使用權(quán)利要求6所述的心臟折返模型芯片來(lái)評(píng)價(jià)藥劑的藥劑評(píng)價(jià)裝置，該藥劑評(píng)價(jià)裝置具備載物臺(tái)，其用于載置上述心臟折返模型芯片；培養(yǎng)液供給和排出單元，其向上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)供給上述細(xì)胞培養(yǎng)液以及從上述用于填充細(xì)胞培養(yǎng)液的區(qū)域內(nèi)排出上述細(xì)胞培養(yǎng)液；藥劑供給單元，其用于將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中；以及測(cè)量記錄單元，其使用上述引出線對(duì)載置于上述微小電極的細(xì)胞的電位進(jìn)行測(cè)量并記錄。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置，其特征在于，還具備以下單元，該單元導(dǎo)出從所有的微小電極得到的細(xì)胞電位的相加值。
9. 一種利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)方法，是使用權(quán)利要求7或8所述的利用心臟折返模型芯片的藥劑評(píng)價(jià)裝置來(lái)評(píng)價(jià)藥劑的方法，該方法包括以下步驟將想要作用于上述細(xì)胞的藥劑從上述藥劑供給單元添加到上述細(xì)胞培養(yǎng)液中。
全文摘要
開(kāi)發(fā)出一種如下的芯片能夠以一個(gè)細(xì)胞為單位正確地測(cè)量細(xì)胞電位、細(xì)胞形態(tài)，并且通過(guò)構(gòu)成適當(dāng)?shù)胤稚⑴渲眯募〖?xì)胞和成纖維細(xì)胞而成的閉環(huán)來(lái)構(gòu)成心臟模型，能夠評(píng)價(jià)藥物所產(chǎn)生的影響。利用將一個(gè)細(xì)胞事先封入到特定的空間配置中的結(jié)構(gòu)，使由配置在設(shè)置于透明基板上的透明電極上的心肌細(xì)胞和成纖維細(xì)胞形成的閉環(huán)的任意的心肌細(xì)胞或特定的心肌細(xì)胞的搏動(dòng)向環(huán)的兩側(cè)傳播，電性地檢測(cè)閉環(huán)上的細(xì)胞的搏動(dòng)狀況，從而制作出在體外的心臟折返模型芯片。使藥物作用于該心臟折返模型芯片，測(cè)量各個(gè)細(xì)胞的細(xì)胞電位，來(lái)評(píng)價(jià)藥物對(duì)于心肌細(xì)胞的有用性或毒性。
文檔編號(hào)C12M1/34GK101730736SQ200880019300
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2008年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月8日
發(fā)明者安東賢太郎, 安田賢二, 寺薗英之, 杉山篤, 福島守, 野村典正, 金子智行 申請(qǐng)人:國(guó)立大學(xué)法人東京醫(yī)科齒科大學(xué);三菱化學(xué)美迪恩斯株式會(huì)社