マイクロパイペット画像キャリブレーション法を用いた体細胞マイクロインジェクション

研究背景

マイクロインジェクション技術は、微細なマイクロパイペットを用いて遺伝物質、薬剤、その他の外部物質を細胞や組織に直接注入する技術です。この技術は、遺伝子組み換え、遺伝子ターゲティング、動物クローニング、ヒト不妊治療、核酸誘導型遺伝子工学などの生物医学研究において重要な役割を果たしています。自動化技術の進化に伴い、従来の手動マイクロインジェクションは自動化操作へと進化しました。しかし、自動マイクロインジェクションシステムにおいて、顕微鏡視野で観察されたマイクロパイペット先端の二次元座標と外部コントローラから得られる三次元位置データを正確にマッピングする方法は、依然として技術的な課題です。既存のキャリブレーション法は、モーター駆動の対物レンズや複雑な顕微鏡視覚システムに依存しており、実際の応用では迅速性と実用性に欠けることが多いです。

この課題に対処するために、Fei Panらは、顕微鏡視野内のマイクロパイペット先端の二次元ピクセル座標とXYZマイクロマニピュレータの外部コントローラから得られる三次元空間位置との正確なマッピングを実現するための実用的なマイクロパイペット画像キャリブレーション法を提案しました。この研究は、体細胞マイクロインジェクションのための新しいキャリブレーション法を提供するだけでなく、マイクロアセンブリなど他のマイクロ操作アプリケーションにも技術的な参考を提供します。

研究の出典

本論文は、Fei Pan、Shuxun Chen、Liushuai Zheng、Shaohua Zhi、Xi Chen、およびDong Sunによって共同執筆されました。著者らは、香港嶺南大学や香港城市大学などの機関に所属しています。本論文は2025年にIEEE Transactions on Automation Science and Engineering誌に掲載されました。

研究内容とプロセス

1. マイクロパイペット画像キャリブレーション法

本研究の核心は、マイクロパイペット先端と培養皿底部の接触に基づくマイクロパイペット画像キャリブレーション法を提案することです。具体的なプロセスは以下の通りです：

1. 座標系の定義：研究では、ピクセル座標系（op, u, v）と世界座標系（o, x, y, z）を含む複数の空間座標系を定義しました。座標系を回転し傾けることで、異なる座標系におけるマイクロパイペット先端の位置関係を確立しました。
2. キャリブレーションプロセス：マイクロパイペット先端を培養皿底部の三つの非共線接触点に移動させ、各接触点の二次元ピクセル座標と外部コントローラの三次元位置データを記録しました。行列演算を通じて、ピクセル座標とコントローラの読み値の間のマッピング関係を確立しました。
3. 誤差分析：キャリブレーションデータの分析を通じて、本手法の実現可能性と安定性を検証しました。

2. マイクロパイペット先端の切断と細胞前処理技術

マイクロインジェクションの成功率をさらに向上させるため、本研究では二つの補助技術を提案しました：

1. マイクロパイペット先端切断技術：低コストのアクリルリングを使用してマイクロパイペット先端を制御的に切断し、単一細胞マイクロインジェクションに適した小さな開口部を確保します。この方法は、従来の方法における塵の蓄積や操作の複雑さを克服します。
2. 細胞前処理技術：完全に接着した体細胞を半接着状態に変換し、細胞の厚さを増加させることで穿孔を容易にします。この処理方法は、マイクロインジェクションの成功率と細胞生存率を大幅に向上させます。

3. 実験検証

研究チームは、900回以上に及ぶヒト皮膚線維芽細胞（HDF）のマイクロインジェクション実験を通じて本手法の有効性を検証しました。実験結果は、注射成功率が53.3％、細胞生存率が95.8％であることを示しました。

研究結論

本研究は、モーター駆動マイクロマニピュレータのみを備えたマイクロ操作プラットフォームに適した実用的なマイクロパイペット画像キャリブレーション法を提案しました。マイクロパイペット先端切断技術と細胞前処理技術を組み合わせることで、効率的なマイクロインジェクション操作を実現しました。この手法は、体細胞マイクロインジェクションだけでなく、他のマイクロ操作タスクにも新しい解決策を提供します。

研究のハイライト

1. 革新的なキャリブレーション法：本研究は、マイクロパイペット先端と培養皿底部の接触に基づくマイクロパイペット画像キャリブレーション法を提案し、正確なマイクロインジェクションのための新しい技術的支援を提供しました。
2. 効率的な補助技術：マイクロパイペット先端切断技術と細胞前処理技術を通じて、マイクロインジェクションの成功率と細胞生存率を大幅に向上させました。
3. 実験検証：多数の実験を通じて本手法の有効性と実用性を検証し、将来の自動化マイクロインジェクションシステムの技術的参考を提供しました。

研究の意義

本研究は、マイクロインジェクションにおけるマイクロパイペット先端位置のキャリブレーション課題を解決するだけでなく、自動化マイクロ操作システムの発展に新たな視点を提供します。将来的には、この手法を他の技術と組み合わせることで、マイクロインジェクションシステムの精度と効率をさらに最適化し、生物医学研究や臨床応用の進展を促進することが期待されます。