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特開2023-180256進行性精子選別のための垂直温度勾配装置および方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023180256
(43)【公開日】2023-12-20
(54)【発明の名称】進行性精子選別のための垂直温度勾配装置および方法
(51)【国際特許分類】
   C12M 1/34 20060101AFI20231213BHJP
   C12N 5/071 20100101ALI20231213BHJP
【FI】
C12M1/34 A
C12N5/071
【審査請求】有
【請求項の数】14
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023095107
(22)【出願日】2023-06-08
(31)【優先権主張番号】17/835,626
(32)【優先日】2022-06-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】523219806
【氏名又は名称】アイプレグ インコーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】110003214
【氏名又は名称】弁理士法人服部国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】チン-ウェン チャン
(72)【発明者】
【氏名】チェン-イェン チュン
(72)【発明者】
【氏名】チュン-シェン ファン
(72)【発明者】
【氏名】ボー-ラン リー
【テーマコード(参考)】
4B029
4B065
【Fターム(参考)】
4B029AA07
4B029BB11
4B029CC01
4B029DG10
4B029FA15
4B065AA90X
4B065AC20
4B065BA30
4B065BD50
4B065CA60
(57)【要約】
【課題】本開示は粗精液から運動性精子を選別するための装置および方法を提供する。
【解決手段】受精能獲得精子を有する精子集団の濃縮は、スイムアップ法と組み合わせて1~4度の垂直温度差を提供することによって達成することができる。精子を処理するための装置は、下部チャンバと、収集ポートと、注入ポートと、多孔質層と、温度制御ユニット手段と、を含む。
【選択図】無し
【特許請求の範囲】
【請求項1】
垂直に配置された上部チャンバおよび下部チャンバと、
前記上部チャンバに接続された収集ポートと、
前記下部チャンバに接続された注入ポートと、
前記上部チャンバと前記下部チャンバとの間の界面に配置され、それらの間の粒子の連通を可能にし、それらの間の熱平衡を遅延させる多孔質層と、
前記上部チャンバの温度を前記下部チャンバの温度よりも高く維持するための温度制御ユニット手段と、を含む精子を処理するための装置。
【請求項2】
前記温度制御ユニットは、前記上部チャンバを加熱するための加熱源を備える、請求項1に記載の精子を処理するための装置。
【請求項3】
前記多孔質層は生体適合性半透膜である請求項1に記載の精子を処理するための装置。
【請求項4】
前記生体適合性半透膜は、ポリカーボネートまたはポリビニルアルコールトラックエッチング膜である請求項3に記載の精子を処理するための装置。
【請求項5】
前記多孔質層の孔径は8~20μmである請求項1に記載の精子を処理するための装置。
【請求項6】
前記上部チャンバが傾斜天井を備え、前記傾斜天井の前記下端が前記収集ポートに近く、前記傾斜天井の前記上端が前記収集ポートから離れている、請求項1に記載の精子を処理するための装置。
【請求項7】
前記傾斜天井は気泡を放出するために、前記上端にストリップベントを備える、請求項6に記載の精子を処理するための装置。
【請求項8】
前記傾斜天井は、前記上部チャンバを換気するための複数の貫通孔を含む、請求項1に記載の精子を処理するための装置。
【請求項9】
a) 請求項1に記載の精子を処理するための装置を提供すること、
b) 注入ポートを通して下部チャンバに分別されていない精子の集団を注入すること、
c) 採取口から上部チャンバへの適合性緩衝液を注入すること、
d) 上部チャンバの温度を下部チャンバの温度より高く維持すること、
e) 期間のインキュベートすること、
f) 収集ポートを通して上部チャンバから選別された精子の集団を採取すること、
を含む請求項1に記載の精子を処理するための装置を用いて精子を処理する方法。
【請求項10】
前記温度制御ユニットは、前記上部チャンバと熱的に接触する加熱源を含む、請求項9に記載の精子を処理する方法。
【請求項11】
前記上部チャンバの温度が前記下部の温度よりも高く、1~4℃に維持される、請求項9に記載の精子を処理する方法。
【請求項12】
前記上部チャンバおよび前記下部チャンバの温度は、それぞれ35~38℃および30~36℃に維持される、請求項11に記載の精子を処理する方法。
【請求項13】
前記期間が15~30分である請求項9に記載の精子を処理する方法。
【請求項14】
前記適合性緩衝液が、重炭酸塩またはHEPES緩衝精子洗浄媒体である請求項9に記載の精子を処理する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は一般に、精子収集のための装置および方法に関し、より詳細には、健康でDNAに異常のない精子細胞が豊富な精子集団を高収率で得るための装置および方法に関する。
【背景技術】
【0002】
不妊症は世界的に主要な健康問題であり、生殖年齢群の夫婦の8~12%に影響を及ぼすと推定されている(Agarwal et al., Lancet2021;10271:319-333)体外受精(IVF)および卵細胞質内精子注入法(ICSI)などの補助生殖医療技術(ART)は、不妊症治療に広く使用されている。
【0003】
高度に運動性で形態学的に正常な精子を選択することは、体外受精(IVF)および卵細胞質内精子注入法(ICSI)の成功の明らかな鍵である。スイムアップ技術および密度勾配分離などの現在の標準的なART手順の性能はROSの生成および精子細胞における酸化的DNA損傷のレベルの増加のために、完全に満足のいくものではない(Punjabi et al., J Assist Reprod Genet. 2019; 36:1413-21)。
【0004】
水平マイクロ流体チップは、精子を非生存または非運動性精子から生存および運動性精子に分離するための少量の使用を可能にする。高い運動性を有する精子のみが、流れ場に逆らってチャネルの収縮領域に到達し、出口に輸送されることができた。このような装置は例えば、特許公開US10532357、CN102242055B、およびUS10450545に見られる。しかしながら、この過程は多くの場合、時間のかかる作業であり、重大な体積制限を有する可能性がある。
【0005】
米国特許出願公開第10,422,737号明細書に開示されている装置は、精子をフィルタに対して移動させ、重力を出口に到達させるフィルタを組み込んでいる。しかしながら、低精子濃度および/または低運動性を有する患者では、仕分け後の低収率および低品質の分離結果を克服する必要がある。特に、男性の精子の数は減少し、水泳ではしばらくの間、悪化している。
【0006】
精子の熱走性は、受精能を獲得した精子を選択して卵母細胞を受精させる機構の1つである。熱走性は、卵管内に確立された温度勾配に依存する。この勾配により、受精能が獲得された哺乳類精子は、卵母細胞が待機するより温かい温度に向かって、子宮卵管接合部から離れて泳ぐことができる。最近の刊行物において、マウスおよびヒトにおける熱走性による精子選択は、より高いDNA完全性を有し、ICISの生存出生率だけでなく胚盤胞の産生も増加した(P・rez-Cerezales et al. Scientific Reports 2018, 8:2902)。加えて、無精子症の男性に軽度な熱処理を施すと、運動性精子の数および妊娠率を増加させた(Kuschuk et al. J Assist Reprod Genet 2008, 25:235-238)。
【0007】
熱走性による精子選択の現在の方法は、実験室ホットプレートまたは抵抗加熱器によって提供される水平熱勾配を有するペトリ皿またはマイクロ流体チップ上で操作された(P・rez-Cerezales et al., Scientific Reports 2018; 8:2902)。Liらは、精子単離のための水平温度勾配システム(CN108504563A)を開示した。しかしながら、上述の方法を使用しても、IVF基準を満たすのに必要なスループットは得られなかった。さらに、水平温度勾配システムでは、有効温度差を確立するために、高温リザーバと低温リザーバとを距離だけ分離する必要があり、その結果、システムに空間制約が生じる。さらに、これまでのところ、運動性精子の選別を補助するためのサーモタクシーに基づく装置は存在しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
したがって、精子選択の量および質を増加させ、操作者によって行われる選択不良を最小限にし、精子選択を標準化するために、本発明は、精子単離のための垂直温度勾配精子選別装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0009】
1つの態様において、本発明は垂直に配置された上部チャンバおよび下部チャンバと、前記上部チャンバに接続された収集口と、前記下部チャンバに接続された注入口と、前記上部チャンバと前記下部チャンバとの間の界面に配置され、前記上部チャンバと前記下部チャンバとの間のパーティクルの連通を可能にし、それらの間に熱交換を遅らせる多孔質の層と、かつ、前記上部チャンバの温度を前記下部チャンバの温度よりも高く維持するための温度制御ユニット手段と、を含む、精子を加工するための機器に関する。
【0010】
いくつかの実施形態において、温度制御ユニットは上部チャンバを加熱するための加熱源を備える。
【0011】
いくつかの実施形態において、多孔質層は生体適合性半透膜である。
【0012】
いくつかの好ましい実施形態において、生体適合性半透膜はポリカーボネートまたはポリビニルアルコールトラックエッチング膜である。
【0013】
いくつかの実施形態において、多孔質層の孔径は、8~20μmである。
【0014】
いくつかの実施形態において、上部チャンバは傾斜天井を備え、傾斜天井の下端は収集ポートに近く、傾斜した天井の上端は収集ポートから離れている。
【0015】
いくつかの好ましい実施形態において、傾斜天井は気泡を放出するために、上端にストリップ通気口を備える。
【0016】
いくつかの実施形態において、傾斜天井は上部チャンバを換気するための複数の貫通孔を備える。
【0017】
別の態様において、本発明は前記装置を使用して精子を処理するための方法であって、前記装置を提供することと、未選別精子の集団を前記注入ポートを通して前記底部チャンバに注入することと、前記収集ポートを通して前記上部チャンバに適合性緩衝液を注入することと、前記上部チャンバの温度を前記底部チャンバの温度よりも高く維持することと、ある期間インキュベートすることと、前記収集ポートを通して前記上部チャンバから選別された精子の集団を収集することとを含む方法に関する。
【0018】
いくつかの実施形態において、温度制御ユニットは上部チャンバと熱的に接触する加熱源を備える。
【0019】
いくつかの実施形態において、下部の温度よりも高い上部チャンバの温度が1~4℃に維持される。
【0020】
いくつかの好ましい実施形態において、上部チャンバおよび下部チャンバの温度がそれぞれ35~38℃および30~36℃の間に維持される。
【0021】
いくつかの実施形態において、期間は15~30分である。
【0022】
いくつかの実施形態において、適合性緩衝液は精子洗浄媒体(重炭酸塩またはHEPES緩衝液)である。
【図面の簡単な説明】
【0023】
図1】デバイスの設計および動作原理の概略図である。生精液サンプルを注入するための1つの注入ポート(11)と、精製精子の緩衝液注入および収集のための1つの収集ポート(21)とがある。上部チャンバ(20)および下部チャンバ(10)は、多孔質層(30)によって分離されている。温度制御ユニット(400)を取り付けて、垂直温度勾配を生成し、上部チャンバ(20)の温度を下部チャンバ(10)の温度よりも高くした。
図2】デバイスの設計および動作原理の概略図である。生精液サンプルを注入するための1つの注入ポート(11)と、緩衝液注入および選別された精子の収集のための1つの収集ポート(21)とがある。上部チャンバ(20)および下部チャンバ(10)は、多孔質層(30)によって分離されている。垂直温度勾配を生成するために、温度制御ユニット(400)は、温和な加熱パッドまたは手温め装置などの加熱源(410)とすることができる。加熱源(410)は上部チャンバ(20)と接触する(例えば、その上に配置される)ことによって、上部チャンバ(20)内のバッファを加熱する。
図3】垂直温度勾配装置の一例を示す。
図4】装置の上部に熱源(410)を提供する際の多孔質層(30)の存在下または非存在下での上部チャンバ(20)と下部チャンバ(10)との間の温度差を示し、膜を有する装置ではΔTは約4℃であるが、膜を有さない装置ではΔTは約0.8℃である。
図5A】温度(tm)勾配系を用いたまたは用いない精子選別を示す。選別後の精子の濃度(/mL)。
図5B】温度(tm)勾配系を用いたまたは用いない精子選別を示す。(進行性精子(PR)回収率(上部チャンバ上の総運動性精子を、未加工ストック精液試料中の運動性精子の数で割った)のパーセンテージ。
図5C】温度(tm)勾配系を用いたまたは用いない精子選別を示す。(温度勾配システムまたは温度勾配システムを用いないで選別する前後のPR精子のパーセンテージ(各点は、実験の1人の被験者からの測定結果を表す)。
図6A】は、生精液の精子パラメータおよび温度勾配の有無による選別を示す。温度勾配の有る場合と無い場合の本発明による選別後の精子パラメータの比較。生精液の精子パラメータおよび温度勾配の有無による選別を示す。温度勾配の有る場合と無い場合の本発明による選別後の精子パラメータの比較。VAP:平均経路速度。
図6B】生精液の精子パラメータおよび温度勾配の有無による選別を示す。温度勾配の有る場合と無い場合の本発明による選別後の精子パラメータの比較。VSL:直線速度。
図6C】生精液の精子パラメータおよび温度勾配の有無による選別を示す。温度勾配の有る場合と無い場合の本発明による選別後の精子パラメータの比較。VCL:曲線速度。
図7A】処理された画分における精子DNA断片化を示す。TUNEL法による精子の免疫染色。本発明による精子選別は、DNA断片化を減少させた。
図7B】処理された画分における精子DNA断片化を示す。TUNEL法による精子の免疫染色。本発明による精子選別は、DNA断片化を減少させた。
図8A】機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。平面図。
図8B】機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。上部チャンバの断面図。
図8C】機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。平面図。
図8D】機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。下部チャンバの断面図。
図8E】機能的ヒト精子を選別するための本発明の概略図である。組立装置。
図9A】複数の貫通孔を有する本発明による選別が選別後の不動精子を減少させたことを示す。上部チャンバは、複数の貫通孔を有するように設計され、選別後の精子回収を検査した。
図9B】複数の貫通孔を有する本発明による選別が選別後の不動精子を減少させたことを示す。上部チャンバは、複数の貫通孔を有するように設計され、選別後の精子回収を検査した。
【発明を実施するための形態】
【0024】
本明細書に開示されるすべての特徴は、任意の組み合わせで組み合わせることができる。同じ、同等、または同様の目的を果たす代替的な特徴は、本明細書に開示される各特徴に置き換わることができる。したがって、明示的に別段の定めがない限り、開示される各特徴は、一般的な一連の同等または類似の特徴の一例にすぎない。
【0025】
デバイス製造
【0026】
図1に示されるように、本明細書で提供される装置は一般に、精液サンプル堆積物のための下部チャンバ(10)および上部チャンバ(20)と、選別された精子の収集とをそれぞれ備える。下部チャンバ(10)は試料注入のための注入ポート(11)を有し、一方、上部チャンバは緩衝液を装填し、選別された精子を採取するための収集ポート(21)を有する。温度制御ユニット(400)は、上部チャンバ(20)の温度を下部チャンバ(10)の温度よりも高く維持するために利用される。8~20μmの典型的な孔径を有する多孔質層(30)を、温度勾配を維持し、運動性精子を下部チャンバ(10)から上部チャンバ(20)に移動させるのを助けることができる2つの主チャンバの間に配置した。
【0027】
典型的には上部チャンバ(20)と下部チャンバ(10)との間の温度差が1~4℃に維持され、例えば、上部チャンバ(20)および下部チャンバ(10)の温度はそれぞれ35~38℃および30~36℃に維持された。動作中、運動性精子(50)は上部チャンバ(20)内に徐々に蓄積し、一方、非運動性精子(60)は、下部チャンバ(10)内に留まります。温度制御ユニット(400)の例は、加熱パッド(410)、温度勾配インキュベータ(420)、または単に予熱された金属シートであり得る。
【0028】
加熱パッド(410)または予熱された金属シートなどの加熱源は、上部チャンバの外壁に接触することによって内部の流体を温める。加熱パッド(410)は、温度を維持するように設定されます。予め温められた金属シートは、動作前に温度まで予め温められた。好ましくは、前記温度が上部チャンバ内の流体の所望の温度よりもわずかに高い。
【0029】
熱勾配インキュベータ(420)は、加熱源(421)の一端から熱を提供するように設計される。他方の側は、温度勾配インキュベータの複数の穴(422)を設けることによって自由冷却される。
【0030】
上部チャンバと下部チャンバを分離する多孔質層(30)は、上部チャンバ(20)の重力(50)に逆らって精子を集め、下部チャンバ(10)の非運動性精子(60)を離れるだけでなく、上部チャンバと下部チャンバの熱平衡を遅らせる。典型的には、多孔質層(30)が疎水性または親水性のいずれかの生体適合性膜である。いくつかの実施形態では、生体適合性膜がポリカーボネートトラックエッチング膜またはポリビニルアルコール(PVA)膜である。
【0031】
ヒトの精子の取り扱いおよび精子の選別
【0032】
ヒト精液サンプルは、3日間の性的禁欲後にドナーから得た。各ドナーからインフォームドコンセントを得ました。病院から精液サンプルを得た後、LensHooke X1pro(bonraybio)により液化精液サンプルを分析しました。続いて、温度勾配条件の存在下および非存在下で精子を選別するために、精液サンプルを2つの画分に分割しました。精子は、本発明によって粗精液から分離された。簡単に説明すると、1.5~2mLの精液サンプルを装置の底部に注入し、装置の上部を1~1.5mLの精子洗浄培地(mHTF培地)で満たした。回収した精子を、加熱パッドの存在下または非存在下で15~30分間インキュベートした後に回収した。40マイクロリットルの回収試料をLensHooke CS0チップ(bonraybio)上に置き、LensHooke X1pro(bonraybio)で分析した。
【0033】
免疫蛍光染色
【0034】
選別前後の精子の質を比較するために、約2×106の精子を400gで7分間遠心分離し、4%のパラホルムアルデヒドを含むPBS中に再懸濁した。固定後、試料を遠心分離し、PBSで2回洗浄し、次いで200μLでPBSに再懸濁した。次いで、固定された細胞をアリコートし、ガラス顕微鏡スライド上に塗抹し、乾燥させた。空気乾燥スライドを-80℃で保管するか、または直接免疫蛍光染色を行うことができる。精子における精子DNA断片化(sDF)の評価をTUNEL法を用いて評価した。
【0035】
例1:垂直方向の温度勾配の確立
【0036】
この例および以下の例では温度制御ユニット(400)が上部チャンバ(20)の外壁と熱的に接触して上部チャンバと下部チャンバとの間に温度勾配を生成する加熱源(410)を備え、多孔質層(30)はポリカーボネートトラックエッチング膜フィルタである。図2に示すように垂直温度勾配システムを設定し、赤外線サーマルイメージャ(MT-4606, Proskit)により温和な熱源の温度を検出した。多孔質PCTE膜を挿入することは、運動性精子が下部チャンバから上部チャンバへ通過することを可能にするだけでなく、図4に示されるように温度勾配を高める直接的な利点も有する。その結果、膜の有無による上下室の平均温度差は、30分間でそれぞれ3.80~4.97℃、0.73~1.10℃の範囲で測定された。温度勾配は全測定範囲で有効でした。結果は選別装置の間に多孔質層(30)を配置することが、少なくとも3℃の温度勾配を維持することができることを示唆する。精子分離のための従来の水平温度勾配システムと比較して、温度勾配はわずか4mm(上部チャンバでは4mm、下部チャンバでは4mm)の空間で達成することができ、単純な加熱源のみが必要である。
【0037】
実施例2精子の運動性、濃度、および分離効率
【0038】
垂直温度勾配システムを用いた精子選別の改善を、垂直温度勾配システムを用いない精子選別と並行して評価しました。精子が上部チャンバー(20)から収集されると、CASA(LensHooke X1 pro bonraybio)によって濃度、運動性、および精子パラメータを分析した。図5に示すように、垂直温度勾配を利用した精子選別は均一温度での精子選別と比較して総精子数の増加を示し、約1.86~6倍の増加を示した(図5A)。
【0039】
図5Bにおいて、進行性精子(PR精子)の回収率は、対照(均一温度での仕分け)と比較して、垂直温度勾配を有する精子仕分けにおいて約2~4倍増加した。重要なことに、これらの結果はまた、垂直熱勾配システムが、均一温度システム(89.27±12.71%)および分類されていないサンプル(54±16.84%)と比較して、より高いパーセンテージのPR精子(96±4.86%)を提供することを実証した。
【0040】
実施例3精子速度分析
【0041】
選別された精子の精子および移動経路を、図6(A~C)に示すように、コンピュータ支援精子分析(LensHooke X1 pro bonraybio)によって追跡した。熱走性選別精子は、生精子試料よりも有意に高い一連の速度パラメータを示した。VAP、VSL、およびVCLの値は垂直温度勾配系において増加する傾向があり、温度勾配に応答する精子がより良好な速度パラメータを有することを示唆する。
【0042】
実施例4熱走性精子の品質
【0043】
TUNEL法による垂直選別システムで選別した後のDNA断片化レベルを調べ、熱走性により選別した精子の遺伝的品質を評価した。図7に示されるように、垂直温度勾配システムによって選択された後の精子におけるTUNEL指数は、選択されていない試料と比較して、ほぼ0%まで減少した。
【0044】
実施例5複数の貫通孔を有する上部チャンバは、選別後の不動細胞数を減少させた。
【0045】
バッファを上部チャンバ(20)に注入するとき、気泡が頻繁に観察された。上部チャンバ(20)の天井を傾斜させ、傾斜の上端にストリップベント(22)を配備することは、状況を改善するのに役立つことが分かりました。気泡は緩衝液注入中に天井に生じ、傾斜に沿って移動し、最終的にストリップ通気孔(22)を通って解放する。一方、天井に複数の貫通孔(23)をさらに配置することにより、回収口(21)から選別された精子を回収する際に上室(20)で発生する負圧を緩和することができる。図8Aおよび8Bは、上記目的を達成するための実施形態の1つを例示する。
【0046】
図9に示すように、精子選別におけるスルーホール(23)の有無にかかわらず、装置の性能を均一温度(37℃)で比較した。スルーホール(23)を有する選別装置は、選別後に不動細胞数を減少させた。結果は、天井上のスルーホール(23)の数の増加が精子選別を実施する際の不動精子の数を減少させるための有効な方法であることを示す。
【0047】
本発明は女性生殖管における精子の移動機構を模倣し、それは、受精能獲得が温度勾配変化に正に応答した後のヒト精子として最良の精子を選択するためのART設定におけるツールとして使用され得る。
【0048】
上記の説明から、当業者は本発明の本質的な特徴を容易に確認することができ、その趣旨及び範囲から逸脱することなく、本発明の様々な変更及び修正を行って、それを様々な使用及び条件に適合させることができる。したがって、他の実施形態もまた、特許請求の範囲内である。
図1
図2
図3
図4
図5A
図5B
図5C
図6A
図6B
図6C
図7A
図7B
図8A
図8B
図8C
図8D
図8E
図9A
図9B
【外国語明細書】