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JP2002529071A - 軟骨細胞様細胞のための無血清培地 - Google Patents

軟骨細胞様細胞のための無血清培地

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JP2002529071A
JP2002529071A JP2000581163A JP2000581163A JP2002529071A JP 2002529071 A JP2002529071 A JP 2002529071A JP 2000581163 A JP2000581163 A JP 2000581163A JP 2000581163 A JP2000581163 A JP 2000581163A JP 2002529071 A JP2002529071 A JP 2002529071A
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JP
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free medium
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human
fgf
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JP2000581163A
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カンチェッダ,ラニエリ
ドツィン,ベアトリス
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Istituto Nazionale per la Ricerca Sul Cancro
Original Assignee
Istituto Nazionale per la Ricerca Sul Cancro
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、培養における軟骨細胞及び間葉幹細胞の成長及び増殖のための無血清培地を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 発明の背景 骨移植及び軟骨移植は、整形外科、外傷外科、又は新生物病変等の除去後にお
ける、骨及び軟骨の再構築に必須である。一般的には、(自己のか、ドナーから
か、又は死体からの)ヒト又は動物起源の材料が、この目的のために用いられて
いる。移植組織のための臨床医からの高まる需要、組織移植における微生物の安
全性の高まる必要性、細胞生物学、細胞分化及び組織工学における進歩を考慮す
ると、インビトロ(in vitro)で展開される自己のか又はアロジェニックの細胞
からの再建性組織の概念は、生物医学科学の成果における成長領域になっている
。骨格修復のための細胞性原料は、軟骨細胞及び軟骨系列に拘束された細胞、並
びに間葉性幹細胞を包含し、前者は軟骨に特異的であり、後者は多分化能であり
、したがって骨、軟骨及び別の組織を置換するために用いられる可能性を有して
いる。
【0002】 間葉幹細胞(MSC)は、骨髄同じく血液、真皮及び骨膜において見出される
。しかし、これらの細胞は、骨髄において通常は極めて低頻度で存在し、これら
の細胞は、例えば、米国特許5,486,359に記載されているように、単離され、精
製され、培養的に展開されることができる。
【0003】 一般的には、軟骨細胞及びMSCのインビトロ展開は、ウシ血清、又は場合に
より患者由来自己血清を補完した培地において行われる。しかし、軟骨細胞及び
MSC培養における、動物又は自己血清の存在は、この培養の潜在的治療適用を
考慮すると特定の不都合及び制限がある。
【0004】 例えば、血清は、インビボの組織における多くの細胞が密接に接触する生理学
的流体ではない。インビボでその無血管化マトリックス内に埋め込まれ、そして
それ自身の成長及び分化を、離れた血流からの拡散ではなく自己分泌/傍分泌様
式で作用する種々の成長因子及びサイトカインに頼ることは、軟骨細胞に特にあ
てはまる。更に、しばしば動物血清バッチ間には高い変動性がある。バッチを選
択するために必要な大規模な血清スクリーニング、最も代表的にはインビボ誘導
効果は、多大な時間を必要とし、高価である。患者由来の自己血清の調製も、多
大な時間を必要とし、そして供給は制限される。動物血清は、患者に対して汚染
の結果生じるリスクによる未知病原体を潜在的に有する。
【0005】 したがって、インビボでの治療的適用に可能性のある細胞を培養するための血
清代替物が、所望されている。
【0006】 本発明は、血清含有培地と同様に効果的な細胞生存度、増殖及び分化を支持す
ることができるはっきりと明示された因子を用いる、インビトロにおいて細胞を
培養するための血清代替物を提供する。好ましい実施態様において、この細胞は
、関節軟骨細胞又は間葉細胞幹細胞である。
【0007】 一つの側面において、本発明は、最少必須培地、成長因子、アルブミン、ステ
ロイド、抗酸化剤、鉄源、脂肪酸及び/又は脂質源、及びインスリンを含む、軟
骨細胞の展開のための組成物を含む。特に好ましい実施態様において、この軟骨
細胞用無血清成長培地は、成長因子としてFGF−2、脂質/脂肪酸源としてリ
ノール酸、抗酸化剤としてアスコルビン酸及びβ−メルカプトエタノール、鉄源
としてホロトランスフェリン及びアポトランスフェリン、並びにステロイドとし
てデキサメタゾンを含む。場合により成分は、コレステロール、セリニウムのよ
うな微量金属、並びにビオチン及びパントテン酸ナトリウムのようなビタミンを
包含することができる。
【0008】 別の側面において、本発明は、最少必須培地と組み合わせて、成長因子、アル
ブミン、ステロイド、抗酸化剤、鉄源、脂肪酸及び/又は脂質源、1種以上のビ
タミン、1種以上の微量金属、並びにIGF−1を含む、間葉幹細胞の軟骨細胞
のための組成物を含む。特に好ましい実施態様において、間葉幹細胞のための無
血清成長培地は、FGF−2,成長因子としてLIF及びSCF、ビタミンとし
てパントテン酸ナトリウム及びビオチン、並びに微量金属としてセレンを含む。
【0009】 本発明は、軟骨細胞及び間葉幹細胞成長及び増殖のために適切な無血清組成物
を提供する。この組成物は、クーン改変ハムF12培地のような基本最少必須培
地、血清の代替物として下記成分: i)インスリン、FGF−2,PDGFbb、EGF、LIF及びJGF−1
のような、静止細胞を細胞分裂させる及び/又は分化させる、1種以上の成長因
子又はタンパク質、 ii)デキサメタゾンのような、1種以上のステロイド、 iii)コレステロール及びリノール酸のような、細胞膜合成に必要な、1種以
上の脂質及び脂肪酸、並びに、 iv)トランスフェリンのような、鉄源 を含むことができる。
【0010】 FGF−2、PDGFbb及びEGFは、間葉起源細胞のための強力なマイト
ジェンである。デキサメタゾンは、インビトロで循環期に細胞を維持させること
が公知である。
【0011】 本発明の無血清培地は、 i)非特異的担体として機能する(好ましくは哺乳類種の)アルブミン、 ii)β−メルカプトエタノールのような、1種以上の抗酸化剤、 iii)ビオチンのような、カルボキシル基転移反応における補酵素輸送のため
の補完物、 iv)セレンのような、電子輸送、及び多くの金属酵素及びタンパク質に必要な
金属の補完的供給源としての微量成分、 v)ビオチン及びパントテン酸のような、ビタミン、並びに、 細胞外マトリックスの組織化を促進するためのアスコルビン酸 を更に含むことができる。
【0012】 インスリン及びデキサメタゾンは、文献中に通常報告されている平均濃度で加
えられる。
【0013】 IGF−1、LIF及びSCFは、約5〜約10ng/mlの範囲の濃度で、好ま
しくは、5ng/mlの濃度で存在する。他の全ての成分は、細胞培養研究において
一般的に用いられる濃度の範囲に包含される。
【0014】 軟骨細胞の成長及び増殖のために適切な組成物の好ましい実施態様において、
所定の成分は、EGF、PDGFbb及びFGF−2、アスコルビン酸、ヒト血
清アルブミン(HSA)、β−メルカプトエタノール、デキサメタゾン、インス
リン、ヒトホロトランスフェリン及びヒトアポトランスフェリンを含む。この実
施態様において、FGF−2,PDGFbb、及びEGFは、約1〜約10ng/m
lの範囲の濃度で存在する。好ましい実施態様において、FGF−2、PDGF
bb、及びEGFは、1〜2ng/mlの濃度で存在する。
【0015】 間葉幹細胞の成長及び増殖に適切な組成物の好ましい実施態様において、所定
の成分は、EGF、PDGFbb及びEGF−2、LIF、SCF、IGF−1
、アスコルビン酸、コレステロール、HSA、β−メルカプトエタノール、デキ
サメタゾン、ヒトホロトランスフェリン及びヒトアポトランスフェリン、セレン
、ビオチン、パントテン酸ナトリウムを含む。FGF−2,PDGFbb及びE
GFは、約5〜約10ng/mlの範囲の濃度で存在する。FGF−2、PDGFb
b及びEGFの好ましい濃度は、10ng/mlである。FGF−2単独は、MSC
における骨軟骨形成源潜在性の維持のための最も活性な因子であることが見出さ
れた。
【0016】
【実施例】
実施例1 関節軟骨を若年成人ヒトドナーの膝関節から得た。サンプルを最初にあらゆる
接着筋肉性、結合性又は軟骨下の骨組織を洗浄し、1〜3mmの断片に切断し、次
いでPBSで洗浄した。次に、単一の軟骨細胞を0.25%のトリプシン、40
0U/mlのコラゲナーゼI、1000U/mlのコラゲナーゼII及び1mg/mlのヒアル
ロニダーゼを用いて37℃で反復した酵素的消化によって遊離した。次にトリプ
シンをブロックし、そしてダイズトリプシン阻害剤を含有するPBSにおける急
速及び十分な洗浄によって除去した。細胞を10%ウシ胎児血清(FCS、コン
トロール培養)又は下記成分:EGF、PDGFbb及びFGF−2、アスコル
ビン酸、リノール酸、ヒト血清アルブミン(HSA)、β−メルカプトエタノー
ル、デキサメタゾン、インスリン、ヒトホロトランスフェリン及びヒトアポトラ
ンスフェリンのいずれかを補完したクーン改変ハムF12培地中で足場依存条件
において播種した。下記表1に各成分の好ましい量を示した。無血清条件におけ
る細胞の付着を助けるために、ディッシュを2%ゼラチンで前被膜した。
【0017】 インスリンを軟骨細胞のための培地においてIGF−1と置換することはでき
ない。インスリンは好ましくは5μg/mlの濃度である。セレン、ビオチン、パン
トテン酸ナトリウム及びコレステロールを、任意ではなく通常に含む。
【0018】 表1 ヒト軟骨細胞の無血清展開のための培地補完物 成分 濃度 (基礎培地:クーン改変ハムF12) FGF−2 1〜10ng/ml PDGFbb 1〜10ng/ml EGF 1〜10ng/ml インスリン 5μg/ml デキサメタゾン 10-8M アスコルビン酸 50μg/ml トランスフェリン 20〜50μg/ml HSA 1% リノール酸 6μM β−メルカプトエタノール 5×10-5M
【0019】 実施例2 患者の腸骨頂から得た骨髄サンプルをPBSで2回洗浄した。有核細胞をメチ
ルバイオレットを用いて計数し、そして10cm組織培養ディッシュ当たり不分離
髄質として5×106細胞で播種した。選択及び展開のために、細胞を、10%
FSC及び1ng/mlFGF−2(コントロール培養)か、又は下記成分:EGF
、PDGFbb、FGF−2,LIF、IGF−1、アルコルビン酸、コレステ
ロール、HSA、β−メルカプトエタノール、デキサメタゾン、ヒトホロトラン
スフェリン及びヒトアポトランスフェリン、セレン、ビオチン、並びにパントテ
ン酸ナトリウムのいずれかを補完したクーン改変ハムF12(F12)中で維持
した。下記表2は、各成分の適切量を示す。MSCの付着を助けるために、細胞
を最初に10%ヒト血清及び1ng/mlFGF−2を補完したF12培地中で48
時間プレートした。その後、培地を除去し、そして細胞をPBSで十分に洗浄し
、いかなる補完物も存在しないF12培地中に更に24〜48時間置いた。次に
、所定の因子の混合物を加え、細胞増殖を促進した。
【0020】 EGF−2単独が、間葉幹細胞における骨軟骨原性可能性の維持のための最も
活性な因子であった。好ましくは、細胞生存度のために、セレン、ビオチン及び
パントテン酸ナトリウムを包含する。LIF及びSCFが、特にIGF−1との
組合わせにおいて、細胞増殖の程度を改善することが認められた。
【0021】 表2 MSCの無血清展開のための培地補完物 成分 濃度 (基礎培地:クーン改変ハムF12) ヒト血清アルブミン 1〜2% トランスフェリン(アポ/ホロ) 20〜50μg/ml アスコルビン酸 50μg/ml β−メルカプトエタノール 5×10-5M コレステロール 30μg/ml セレン 20nM ビオチン 33μM Naパントテン酸 17μM EGF/PDGF/FGF−2 1〜10ng/ml デキサメタゾン 10-8M IGF−1 5ng/ml LIF 5ng/ml SCF 5ng/ml
【0022】 研究は、増殖期において包含されたとき、PDGFbb自身がMSCの骨形成
可能性を増加することを示した。この効果は、PDGFbbとFGF−2との組
合わせによって増幅されることが見出された。
【0023】 実施例3 軟骨細胞の成長動態 第0日に、0.5×103個の最初の継代細胞をFCSの存在下に24ウェル
プレートの各ウェルに播種した。付着状態で、FCSを除去し、細胞をPBSで
十分に洗浄し、補完物無しでF12中に2〜3日間置き、残存する微量のセレン
を消耗させた。次に、10%FCS又は軟骨細胞のために確立された所定の混合
物のいずれかを補完することによって増殖を再誘導した。細胞数をチアゾリルブ
ルー(MTT)染色によって異なる日に測定した。要するに、培地を除去し、補
完物無しの培地0.5mlと置換し、MTT(Sigma, St. Louis, MO)ストック溶
液(5mg/ml)25μlをアッセイする各培養物に加えた。3時間インキュベーシ
ョン後、培地を除去し、無水エタノールで色素を可溶化に変換した。670nmで
のバックグラウンド値を減算し、570nmでの変換した色素の吸収を測定した。
【0024】 得られたデータ(図1を参照せよ)は、所定の培地は軟骨細胞にFCSの存在
下に得られた速度及び程度と同等の速度及び程度までの増殖を誘導することを明
らかに示した。
【0025】 無血清条件において展開される軟骨細胞の分化可能性をインビトロ及びインビ
ボの両者について試験した。Johnstone et alによってすでに示されたように、
インビトロアッセイのために、展開された細胞を足場非依存条件においてトラン
スフェクトし、無血清培地中で2〜4中間ペレット培養として維持し、血清展開
SCの軟骨細胞を誘導した(Johnstone, B., Hering, T.M., Caplan, A.I., Gol
dberg, V.M. and Yoo, J.U. Exp. Cell Res. 238, 265-272, 1998)。
【0026】 インビボアッセイのために、展開された細胞を、高密度細胞懸濁液か又はフィ
ブリンゲル(Tissucol)に埋め込んだ後のいずれかとして胸腺欠損マウス内に2
〜8週間移植した。アッセイ時に、サンプルをホルマリンで固定し、パラフィン
に包埋し、そして切片化した。組織学的(トルイジンブルー及びアルシアンブル
ー)分析及びコラーゲン特異的抗体を用いる免疫組織化学のために、連続切片を
調製した。
【0027】 結果は、FCSの存在下において展開された軟骨細胞と異なり、無血清条件に
おいて展開された軟骨細胞は、インビトロ及びインビボの両者で軟骨構造を直接
的に改善し、トルイジンブルーで異染色性に染色され、アルシアンブルー及びII
型コラーゲンに陽性であり、多くのI型コラーゲンに陰性であることを示した。
対照的に、FCSにおける展開の場合には、全部の軟骨形成の完全な不在がイン
ビトロ及びインビボの両者で認められ、多くとも、弱い異染色性染色がいくつか
のペレット培養において検出されたが、常に明らかに裂孔、及びよく組織された
細胞外マトリックスを欠いていた。
【0028】 これらのデータは、TGF−β又は別の因子の存在下(Johnstoneの誘導性条
件)における更なる培養の必要性が無い軟骨形成を可能にする無血清システムの
主要な利点を示す。これは、事実上、軟骨形成を阻害する要素を含有してもよい
軟骨細胞が血清と接触していないということが原因であることができる。
【0029】 実施例5 所定の無血清条件下での展開後のMSCの骨形成能力をコラグラフト上への吸
着後に胸腺欠損マウス中で展開された細胞の移植によってインビボでテストした
【0030】 条件のいくつかの組合わせをインビボでの骨形成について試験した。全ての因
子組合わせについて、培地は、クーン改変ハムF−12,デキサメタゾン、FG
F−2,PDGFbb、EGF、トランスフェリン、コレステロール、ヒト血清
アルブミン、ビオチン、セレン、Naパントテン酸及びアスコルビン酸を含有し
た(表2におけるような濃度)。テストした組合わせは、1)インスリン、2)
IGF−1、3)インスリン及びLIF、4)インスリン及びSCF、5)イン
スリン、LIF及びSCF、6)IGF−1及びLIF、7)IGF−1及びS
CF、並びに8)IGF−1、LIF及びSCFであった。
【0031】 移植の8週間後に、サンプルを脱灰し、含有し、上記のように組織学のために
プロセスした。切片をヘマトキシリン−エオシンで染色した。展開の全ての条件
はMSCをインビボで骨組織に再編成することを可能にしたが、形成された骨の
量は、条件によって変動した。IGF−1、LIF及びSCFの組合わせが、テ
ストした組合わせの中でも最適な展開環境を提供した。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、FCSを含有する培地と本発明の無血清培地との関節軟骨細胞成長動
態の比較を示す。
【手続補正書】特許協力条約第34条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成12年11月14日(2000.11.14)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,DM,EE,ES,FI ,GB,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID, IL,IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,K Z,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA ,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ, PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,S K,SL,TJ,TM,TR,TT,TZ,UA,UG ,US,UZ,VN,YU,ZA,ZW (71)出願人 イスティテュート・ナツィオナーレ・ペー ル・ラ・リチェルカ・シュル・カンクロ ISTITUTO NAZIONALE PER LA RICERCA SUL CANCRO イタリア国、イ−16132 ジェノヴァ、ラ ルゴ・ロザンナ・ベンツィ 10 (72)発明者 カンチェッダ,ラニエリ イタリア国、イ−16145 ジェノヴァ、ヴ ィア・ニッザ 11 (72)発明者 ドツィン,ベアトリス イタリア国、イ−16035 ラパッロ、ヴィ ア・エッセ・マッシーモ 111 Fターム(参考) 4B065 AA93X BB02 BB08 BB11 BB19 BB20 BB25 BB32 BB34 BC41 CA44

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基本最少必須培地、並びに a)1種以上の成長因子、及び b)1種以上の脂質及び脂肪酸 を含む、細胞培養のための無血清培地。
  2. 【請求項2】 1種以上のステロイドを更に含む、請求項1記載の無血清培
    地。
  3. 【請求項3】 a)アルブミン、 b)鉄源、 c)1種以上の抗酸化剤、 d)カルボキシル基転移反応における補酵素輸送のための補完物、 e)微量要素、及び f)ビタミン を更に含む、請求項1の無血清培地。
  4. 【請求項4】 該成長因子が、インスリン、FGF−2、PDGFbb、E
    GF、LIF及びSCF並びにIGF−1からなる群より選ばれる、請求項1の
    無血清培地。
  5. 【請求項5】 該ステロイドが、デキサメタゾンである、請求項2の無血清
    培地。
  6. 【請求項6】 該脂質又は脂肪酸が、コレステロール又はリノール酸である
    、請求項1の無血清培地。
  7. 【請求項7】 該アルブミンが、ヒト血清アルブミンである、請求項3の無
    血清培地。
  8. 【請求項8】 該鉄源が、トランスフェリンである、請求項3の無血清培地
  9. 【請求項9】 該鉄源が、ヒトホロトランスフェリン又はヒトアポトランス
    フェリンである、請求項8の無血清培地。
  10. 【請求項10】 該抗酸化剤が、β−メルカプトエタノール又はアスコルビ
    ン酸である、請求項3の無血清培地。
  11. 【請求項11】 該カルボキシル基転移反応における補酵素輸送のための補
    完剤が、ビオチンである、請求項3の無血清培地。
  12. 【請求項12】 該微量要素が、セレンである、請求項3の無血清培地。
  13. 【請求項13】 該ビタミンが、ビオチン又はパントテン酸である、請求項
    3の無血清培地。
  14. 【請求項14】 FGF−2,脂肪酸源、アスコルビン酸、デキサメタゾン
    及びインスリンを含む、軟骨細胞の展開のための組成物。
  15. 【請求項15】 最少必須培地及びEGF、PDGFbb及びFGF−2,
    アスコルビン酸、リノール酸、ヒト血清アルブミン(HSA)、β−メルカプト
    エタノール、デキサメタゾン、インスリン、ヒトホロトランスフェリン及びヒト
    アポトランスフェリンを含む、軟骨細胞の展開のための組成物。
  16. 【請求項16】 セレン、ビオチン、パントテン酸ナトリウム、LIF、S
    CF及びIGF−1を含む、間葉幹細胞の維持のための組成物。
  17. 【請求項17】 最少必須培地、並びにEGF、PDGFbb、FGF−2
    、LIF、SCF、IGF−1、アスコルビン酸、コレステロール、HSA、β
    −メルカプトエタノール、デキサメタゾン、ヒトホロトランスフェリン及びヒト
    アポトランスフェリン、セレン、ビオチン、及びパントテン酸ナトリウムを含む
    、間葉幹細胞の維持のための組成物。
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