マイクロピペットを作る

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マイクロピペットを作る

https://press.asimov.com/resources/making-the-micropipette

駒込ピペット
https://www.tmhp.jp/komagome/about/introduction/history.html#:~:text=%E4%BD%9C%E8%A3%BD%E8%80%85%E3%81%AF%E3%80%81%E4%BB%8A%E3%82%88%E3%82%8A,%E3%82%82%E3%81%AE%E3%81%A8%E6%8E%A8%E5%AF%9F%E3%81%95%E3%82%8C%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82


言葉
メタケルスス
エッセイ
第01号
"口ピペッティングの危険性"
マイクロピペットは、ある容器から別の容器へ液体を測定したり移動させたりするために世界中の研究者に愛用され、法医学分析からDNA塩基配列決定まであらゆる用途に使われる器具であるが、無名の32歳のドイツ人ポスドクが、特に生産的な2日間の癇癪の後に発明したものである。

ハインリッヒ・シュニトガーは1925年にドイツのレムゴで生まれた。彼は第二次世界大戦に参戦したが、結核で入院し、その結果現役を退いた。この病気が彼の命を救ったのだろう。戦後、シュニトガーは医学博士号を取得し、マールブルク大学で研究職に就いた。

そこでシュニトガーは、液体をカラムに通して分子を分離し、出てきた微小な液滴を丹念に選別する技術であるクロマトグラフィーに精を出した。当時、こうした実験はすべて口ピペットで行われていた。研究者は液体をガラス管に吸い込み、別の容器に移し替えていた。しかし、口ピペットは壊れやすく、不正確で危険だった。

マウスピペットを使うアダ・エリザベス・バーダー博士、1938年頃。出典：国立衛生研究所
1915年に57の研究室を対象に行われた調査では、職場に関連する感染症の40％がマウスピペットに直接関連していることが判明した。数十年後の1960年代、米陸軍の研究者たちは "マウスピペットの危険性 "と題する論文を発表した。あいまいな表現は許されず、彼らは大文字でこう結んでいる： そして、ピペッティングにはピペッター器具を使用すること、と結んでいる1。

シュニッガーはマウスピペットを "大いなる軽蔑 "の目で見ていた。1957年、おそらくこの憤慨に駆られたのであろう、彼は研究室から姿を消し、2日後に "マイクロリットルの量をピペッティングするために自分で設計した道具を持って "戻ってきた。5月3日、シュニトガーは "少量の液体を素早く正確にピペッティングする装置 "と題する特許を申請した。この特許は1961年に取得され、彼の設計には、バネ式ピストン、残留液体を噴出させるための第二のバネ、プラスチック製チップなど、「現代のピペットの本質的な特徴をすべて備えていた」と、発明の側近は語っている2。

マイクロピペットがなければ、現代の生物学を想像することは不可能に近い。マイクロピペットのおかげで、科学者たちははるかに高い精度で細胞を操作できるようになった。組換えDNAの最初の実験にも使われたし、1968年には、体外受精の開発に必要なウサギ胚の雌雄判定にも使われた。しかし、この道具の普及は必然的なものではなく、その特徴もあらかじめ決まっていたわけでもない。マイクロピペットが存在するのは、科学者と実業家の長い歴史のおかげであり、彼らの創造的な反復、巧みな取引、高価な法廷闘争が現代科学の流れを形作ったのである。

多くのテクノロジーがそうであるように、マイクロピペットの開発は適応放散の物語である。世界のまったく異なる地域に住む発明家たちが、それぞれ少量の液体を移動させる独自の方法を考え出した。多くの設計が失敗し、他の機能が流行し、勝ち残ったもの（使い捨てのプラスチック製チップやマイクロピペットの容量を調節するノブなど）が徐々に再構成され、今日使用されている器具になった。

現代のマイクロピペットはシュニトガーの憤慨から始まったが、彼自身の物語は、悲しいことに1964年、バイエルンの山間の湖に泳ぎに行き溺死したことで幕を閉じた。これは偉大な革新者にとっては早すぎる最期であったが、少量の液体を移動させる装置を作ったことで最もよく知られている人物が、大量の液体を管理することができずに亡くなったというのは、妙にしっくりくる。

現代のマイクロピペット
シュニッガーの最初のマイクロピペットは単純な部品から作られた。彼は病院で使われるような小さな金属製の注射器を使い、それにバネとエンドストップをつけた。シュニッガーは、注射器の針をポリエチレンチューブから作ったプラスチックの先端に付け替え、液体が金属のピストンに触れて装置内部を汚染したり腐食したりしないように、小さなエアポケットを付けた3。再びプランジャーを押すと、液体が排出された。

その斬新さにもかかわらず、シュニトガーのデザインには、現代の科学者が当たり前のように使っているいくつかの機能が欠けていた。また、ポリエチレンのチップは使い捨てにするには高価すぎて、汚染されやすかった。これらの欠点を解決する方法が、1969年、顔の広いフィンによってもたらされた。

マイクロピペットの進化。(上）ハインリッヒ・シュニッガーの1957年のデザインは、ドイツの実験器具メーカー、エッペンドルフの科学者によって改良された。(中）1969年から1972年にかけて製造されたと思われるギルソンのオリジナル・マイクロピペット。(下）現代のギルソンピペットマン。
オスモ・スオバニエミは、フィンランドのキホニオという小さな湖畔の小さな町の農家に育った。昼は医学を学び、夜はヘルシンキ大学の研究室で働いた。2014年のレビューによれば、ある夜、研究室でマウスピペットを使っていたとき、スオバニエミは「ラットの脳の一部を飲み込みそうになった」。スオバニエミは、注射器、バネ、ネジをいじった後、口からの吸引を必要としない、内部の容量を調整するためのノブを上部に備えたマイクロピペットを組み立てた。

スオバニエミは1969年、26歳のときに彼の調整可能なマイクロピペットの特許を申請し、この器具を製造する会社を設立した4。彼の研究はフィンランド以外ではほとんど知られておらず、この設計が普及しなかったのは、容量を表示する数値ゲージがなく、精度が低かったことも一因である5。

調整可能なマイクロピペットを作った直後、スオバニエミは複数の液体を一度に移動できる2番目のピペットを作った。興味深いことに、スオバニエミは自分の発明を勤勉さやたゆまぬ野心によるものではなく、まったく逆のものだという。「私は生来、非常に怠け者なのです」とスオバニエミはインタビュアーに語ったことがある。チップを3×3の格子状に配置した彼のマルチチャンネルピペットは、1969年に特許を取得した。

1972年、ウィスコンシン州のハゲで頬の赤い医学教授、ウォーレン・E・ギルソンによって、マイクロピペットのもう一つの飛躍的な進歩がもたらされた。息子のロバートとウィスコンシン大学の数人の科学者の協力を得て、ギルソンはスクリュー機構を使ってピストンの移動量を調整し、液体の量を変えた。ピペットの側面にあるゲージがスクリューの位置を表示した。また、ピペットの上部にはロックリングがあり、誤って容量がずれないように設定することができた。

ギルソンがデザインしたピペットは、現在も彼の名を冠した会社で販売されている。1974年、ギルソンのフランス人共同研究者、エリック・マルトー・ドートリーは、指掛けのデザインを変更し、チップ排出機構を追加した。その結果、ドイツとフィンランドの科学者たちによる初期の設計に基づき、フランスとアメリカの二人組によって作られた装置である。

D'Autry-Gilsonマイクロピペットはヨーロッパ全土で販売されたが、アメリカ市場の権利はカリフォルニアの若き実業家ケネス・レイニンが買い取った。レーニンは1938年にオハイオ州クリーブランドで生まれ、その後陸軍に入隊し、ボストンで科学機器の販売を始めた。レーニンは25歳の時にレーニン・インストゥルメント社を設立し、ギルソンのピペットやその他の実験用品を販売しました。

レーニンはギルソンのピペットを販売することで一攫千金を狙ったが、その後、独自のピペット帝国を築き上げ、2001年にはメトラー・トレド社に現金と株式で2億9000万ドル以上を売却した。レーニンは全長62メートルの特注のモーターヨットを注文し、英国の田舎の家のような内装とマホガニーの羽目板で飾った。

レーニンにはビジネス以外の能力もあった。彼はマイクロピペットに多くの改良を施した。例えば、電子ディスプレイを追加して設定量を見やすくしたり、「クイックセット」コントロールを追加して、科学者が少量から大量へ移動するためにピペットを何度もひねる必要がないようにした。レイニンはまた、ギルソンのデザインを改良し、手にフィットするようにし、プラスチックのチップを排出するのに必要な力を軽減した。

レーニンがギルソンのベースデザインに人間工学的な改良を加えたことが証明しているように、マイクロピペットメーカーは数十年間、比較的うまくいっていた。しかしその後、レーニンとギルソンの契約に関する問題が発生し、両社は高額な法廷闘争に突入し、平穏は破られた。

レーニンはギルソンの米国における独占販売代理店だった。販売契約の条件では、レーニンはギルソンの製品を宣伝することになっていた。しかし、1991年にギルソンのアジャスタブル・ピペットの特許が切れた後、レーニンは競合するピペット・ラインを発表し、アメリカの科学者に販売する機会を得た。

2004年、ギルソン社はレーニン社を提訴し、レーニン社の幹部が「ギルソン社のピペットマン製品を中傷し、顧客を自社の競合製品ラインに誘導するキャンペーンを行った」と非難した。NBCニュースの報道によると、ウィスコンシン州の裁判所は「法の問題としてギルソン社の判決を求める申し立てを認め、レーニンとメトラー・トレドはギルソン社のピペットマン製品のマーケティングと販売に最善の努力を払う義務に違反したと判断した」。陪審はギルソン社に50万ドルの損害賠償を命じたが、これはギルソン社が当初求めていた800万ドルをはるかに下回るものであった。しかし、レイニンに与えられた打撃は陪審員の決定だけではなかった： 同社はまた、米国におけるギルソン社製ピペットの独占販売権を失い、レイニンは推定1900万ドルの逸失利益を被った。

マイクロピペットの革新者たち。左上から時計回りに ハインリッヒ・シュニッガー、オスモ・スオバニエミ、ケネス・レイニン、ウォーレン・ギルソン。
ギルソンとレーニンがマイクロピペット市場の大部分を奪い合う中、使い捨てチップから利益を得ようとする他の企業も現れた。

最初のマイクロピペットは、特注のテフロンチップを使用していた。テフロンチップは耐薬品性に優れ、精度も高かったが、定期的に廃棄するには高価すぎた。シュニトガーの1957年の発明を最初にライセンスしたドイツのエッペンドルフ社も、最初の使い捨てポリプロピレン・チップを作った。使い捨てのプラスチック製チップは、科学者が二次汚染を避けるのに役立ったが、液体が少量のエアロゾルを発生させ、それがピペット本体に吸い込まれ、後続のサンプルに染み込むため、敏感な実験には必ずしも使用できなかった。1986年、エッペンドルフの科学者たちは、このようなエアロゾルをブロックするために、各ピペットの先端にフィルターを追加した7。

1986年、エッペンドルフの科学者たちは、このようなエアロゾルを防ぐために、ピペットチップの先端にフィルターをつけた。ピペットを数百ドルで販売し、チップを1箱20ドルで販売する。やがて、利益の大部分はチップの販売からもたらされるだろうと考えていた。しかし2000年代初め、USAサイエンティフィックという会社が、レイニンの特許を使わずにレイニン互換のチップを作る方法を見つけた。レイニンはUSAサイエンティフィック社を訴えたが、失敗に終わり、USAサイエンティフィック社は今でもレイニン・スタイルのチップを販売している。

これが現代のマイクロピペットの誕生である。およそ30年間、この発明はドイツ、フィンランド、アメリカ、フランスの発明家たちによって繰り返し改良された。その中には、利益追求に走った発明家もいれば、ネズミの脳みそを吸引したくなかっただけの発明家もいる。彼らの努力の積み重ねが、現代の生物学と医学に不可欠な道具として結実したのである。

適応放射線
バイオサイエンス分野の一般的な博士課程の学生は、研究の過程で約20万個のピペットチップを使用する。2020年、テキサス州の停電でプラスチック製造工場が一時閉鎖され、ポリプロピレン樹脂の供給不足と相まって、ピペットチップの大不足が発生した。

COVID検査、新生児遺伝子スクリーニング、その他の診断検査の順番待ちが長期化したため、ピペットチップメーカーは数ヶ月、時には数年にわたりバックオーダーを余儀なくされた。PCRベースの診断検査1つには約10本のピペットチップが必要で、2020年10月までに毎日100万本以上の検査が実施された。科学者たちは他の科学者たちとチップを物々交換したり、怪しげな転売屋に運試しをしたり、チップを洗って再利用することに賭けたりした。

しかし、格言にあるように、必要は発明の母である。最初のマイクロプレート（液体を入れる小さなウェルのついた平らなプレート）が、1950年代初頭にハンガリーでインフルエンザの流行により製造不足に陥った後、プラスチックチューブの代替品としてハンガリーの科学者によって発明されたように、最近のパンデミックは、マイクロピペットとチップのデザインにおける同様の技術革新に拍車をかけた。

コネティカット州の化学研究所は、3Dプリントされたマイクロピペット先端とスマートフォンアプリを使ってCOVID-19診断キットを発明した。日本の岡山の化学者たちは、マイクロピペットを装填する必要が全くない紙ベースの分析装置を開発した。エッペンドルフ社は、表向きはプラスチック廃棄物を抑制するために、生物由来のプロピレンガスから作られたピペットチップの製品ラインを発売した。サプライチェーンが自らを修正し、最終的にピペットチップ不足が解消された一方で、必要な時や特殊な時というのは、イノベーションが特に活発になる瞬間であることが多い。

今日、研究室で使用されている基本的なマイクロピペットのデザインは、1970年代半ばにドートリーとギルソンが調整可能なバージョンを作って以来、ほとんど変わっていない。しかし、技術革新は現在まで続いている。2018年、シカゴの生物工学チームが、3Dプリントによる調整可能なマイクロピペットの設計図をオープンソース化した。わずか0.6％のばらつきで0.1マイクロリットルの微量を分注する高精度のマイクロピペットも同じ年に開発された。そして2014年には、日本のチームが細いガラス管を通して個々の細胞をピックアップできるマイクロピペットを発明した。

調整可能で正確なマイクロピペットは、医療用注射器と3Dプリントされたプラスチック部品だけで、家庭でも作れるようになった。Credit: Brennan M.D. et al. "Open Design 3D-Printable Adjustable Micropipette that Meets the ISO Standard for Accuracy", Micromachines (2018).
技術の進歩は、真空管、トランジスタ、マイクロチップというように、直線的な一連の進歩として進むことが多い。しかし、ピペットの歴史を紐解くと、もっと微妙なストーリーが見えてくる。

シュニッガーが1957年にピストン駆動のマイクロピペットを作る以前から、他の発明家たちは少量の液体を測定したり移動させたりするユニークな方法を提案していた。これらのアイデアのいくつかはうまくいったが、流行には至らなかった。例えば、1953年、ジェームス・W・ブラウンとロバート・L・ワイントローブという二人のアメリカ人発明家が、先端が取り外し可能な調節可能なピペットの特許を申請した。このピペットは、先端のホイールを回転させることで小さな液滴を吐出するもので、片手で使うことができた。しかし、最終的にはシュニトガーのプランジャー機構が勝った。

ある改良が、その後の改良の方向性を決めることがよくある。例えば、今日のマルチチャンネルピペットは96穴プレートを中心に設計されているが、これはハンガリーの72穴プレートからコピーされたものである。もし、科学者たちが72ウェルのフォーマットを採用していたら、今日のマルチチャンネルピペットの姿は全く違ったものになっていたかもしれません9。

1950年代後半から1960年代前半にかけて、遺伝暗号を解読し、遺伝子発現の原理を発見した科学者たちは、その実験のほとんどをマウスピペットで行った。そのため、彼らの偉業はより印象的なものとなったが、調節可能なマイクロピペットがあれば、彼らの研究は大幅に加速されただろう。同様に、1970年代半ばに行われたDNA配列決定に関する画期的な実験は、ゲノミクスの分野を切り開くきっかけとなったが、マイクロピペットがなければ実現は難しかっただろう。

マイクロピペットの歴史は、単純な道具が大きな影響力を持ちうることを思い起こさせる。あるチューブから別のチューブへ液体を移すという単純な作業でさえ、さまざまなメカニズムで達成することができる。だからこそ、考えてみる価値がある： あなたが毎日していることで、大変なことや煩わしいことは何ですか？それをより簡単にするために、微妙なかゆみや差し迫った必要性がありますか？

もし答えがイエスなら、1957年にシュニッガーが行ったように、2、3日かけてそのプロセスを改善することを検討してみよう。広範な問題に対する単純な解決策が、科学史の流れを変えることもあるのだ。

脚注
今日、研究者はほとんどこのアドバイスに耳を傾け、両手を自由にする必要があるニッチなケースでのみマウスピペットを使用している。
ドイツの医療用品会社であるエッペンドルフ社が独占ライセンスを購入した。同社は1961年までに少なくとも2つのモデルを製造した。1つは1マイクロリットル容量（塩粒より小さい）、もう1つは25マイクロリットル容量用のピペットである。
シュニッガーの最初のマイクロピペットは、金属と反応して水素ガスを発生させる化学薬品であるギ酸の移送に使用された。
スオバニエミは80歳で、現在も彼の会社Biohit OYJの取締役会長である。
サーモ・フィッシャー社が販売するフィンピペット・ブランドは、スオバニエミの設計に由来する。しかし、私はこれらのピペットを実際に見たことがないし、その市場シェアは（少なくともアメリカでは）他のメーカーのほんの一部である。
レイニンのピペットは、21人の科学者に10種類のマイクロピペットの使い心地と使いやすさを評価してもらった2010年の研究で、総合的に最高点を獲得した。レイニンのピペットは、"手と腕の快適さ"、"チップの排出力の低さ、吹き出し力の低さ、手の中でのピペットのバランス "の点で総合的に最も高い評価を得ました。
エッペンドルフの科学者は、感染性物質の移送にマウスピペットを使用する科学者を保護するために設計されたフィルターにヒントを得ました。
1週間に96本入りのピペットを10箱使用し、5年間で年間50週間使用すると、240,000本になります。そして5年というのは、バイオサイエンスの博士号を取得するのに十分な期間である。
96という数字にはいくつかの利点がある。整数要素が多いので、実験用のプレートを均等に分割するのが簡単である。
ポリプロピレンは1950年代半ばまで大規模に生産されていなかったので、プラスチックチップを作るには別の（そしておそらく劣った）材料が必要だっただろう。
メタセルサスは博士課程の学生で、合成生物学、幹細胞、生殖発生学を研究している。ブログ「De Novo」も書いている。

このエッセイの引用 Metacelsus. "マイクロピペットを作る". Asimov Press (2024). DOI: https://doi.org/10.62211/2u7d-jwms

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