JP2003265164A - Cell culture device capable of loading mechanical stimulus - Google Patents
Cell culture device capable of loading mechanical stimulusInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 生理的な力学的刺激パターンを再現し、か
つ、長期にわたる無菌性及び種々の細胞に適用できる汎
用性を有する培養システムを提供する。
【解決手段】 カラム様デバイス(1)、バックプレッ
シャーレギュレーター(3)、バルブ(2)及び(1
3)、ポンプ(7)、圧力リザーバー(6)、培地槽
(4)、制御用コンピューター(11)、並びに、圧力
センサー(10)からなる細胞培養装置。
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a culture system which reproduces a physiological mechanical stimulation pattern, has long-term sterility, and is versatile and can be applied to various cells. SOLUTION: A column-like device (1), a back pressure regulator (3), a valve (2) and (1)
3) A cell culture device comprising a pump (7), a pressure reservoir (6), a medium tank (4), a control computer (11), and a pressure sensor (10).
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、力学的刺激負荷が
可能な細胞培養装置及び細胞培養方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a cell culture device and a cell culture method capable of applying mechanical stimulation.
【0002】[0002]
【従来の技術】生体内の組織・細胞は、サイトカインな
ど種々の因子による生化学的な刺激だけでなく、静的又
は動的な力学的刺激を受けることにより、分化・増殖、
代謝など、細胞の生化学的そして生理学的な機能を発揮
している。生体における力学的刺激としては部位によっ
て異なるが、大気圧の数十倍という静水圧による刺激
と、静水圧に比べそれ自体の圧力レベルはかなり低いも
のであるが血液、体液の流れによる応力圧による刺激が
その主なものである。2. Description of the Related Art In vivo tissues / cells are differentiated and proliferated by receiving static or dynamic mechanical stimulation as well as biochemical stimulation by various factors such as cytokines.
It exerts the biochemical and physiological functions of cells such as metabolism. The mechanical stimulus in the living body varies depending on the site, but the stimulus due to the hydrostatic pressure of several tens of atmospheric pressure and the pressure level itself is considerably lower than the hydrostatic pressure, but due to the stress pressure due to the flow of blood and body fluid. Stimulation is the main one.
【0003】これまでこのような力学的刺激を利用した
細胞の分化・増殖を目的とする細胞培養システムの検討
はいくつか実施されてきた。Until now, several studies have been carried out on a cell culture system for the purpose of cell differentiation / proliferation using such mechanical stimulation.
【0004】応力刺激による培養システムとして、Le
ungら(Leungら、Science 191巻、
475−477頁、1976年)が細胞を付着させた膜
を伸縮又は振動させる方法で血管平滑筋の培養例を示
し、Dunkelmanら(Dunkelman N.
S.ら、Biotechnology and Bio
engineering 46巻、299−305頁)
や、Bujiaら(Bujia J.、Laryngo
rhinootologie 73巻、577−580
頁、1994年)がカラム内に支持体に保持された軟骨
細胞を入れ、ポンプで培地を循環させ支持体中の軟骨細
胞へ液の流れによる応力刺激を行う内容の培養例を示し
ている。これは一定の力で一定の方向に刺激を行うもの
で、その刺激の強度そしてその刺激パターンも生体本来
のものとはかけ離れたものである。As a culture system by stress stimulation, Le
ung et al. (Leung et al., Science 191 vol.
475-477, 1976) shows an example of culturing vascular smooth muscle by a method of stretching or vibrating a membrane to which cells are attached, Dunkelman et al. (Dunkelman N. et al.
S. Et al., Biotechnology and Bio
engineering 46, 299-305)
And Bujia et al. (Bujia J., Laryngo)
rhinoautologie Volume 73, 577-580
(1994, p. 1994) shows a culture example in which chondrocytes retained on a support are placed in a column, a culture medium is circulated by a pump, and stress stimulation is performed on the chondrocytes in the support by the flow of a liquid. This is a stimulus with a constant force in a constant direction, and the intensity of the stimulus and its stimulus pattern are far from those of the living body.
【0005】また、静水圧刺激による培養システムとし
て、Wrightら(Wrightら、Clinica
l Science 90巻、61−71頁、1996
年)がガスシリンダー式の圧力負荷による軟骨細胞への
刺激負荷例を示し、Parkkinenら(Parkk
inenら、Archives of Biochem
istry 300巻、458−465頁、1993
年)は油圧シリンダー式ポンプでカラムに関節部内圧力
に相当する5MPaの圧力を負荷するという方法で軟骨
細胞の刺激例を示している。また、Smithら(Sm
ithら、Journal of Orthopaed
ic Research 14巻、53−60頁、19
96年)は、同じく油圧シリンダー式の圧力負荷で関節
部の生理的な圧力である10MPaを中心に30MPa
までの圧力負荷を行い軟骨細胞への刺激を行っている。In addition, as a culture system by hydrostatic pressure stimulation, Wright et al. (Wright et al., Clinica
l Science 90, pp. 61-71, 1996.
Year) shows an example of stimulation load to chondrocytes by pressure load of gas cylinder type, Parkkinen et al. (Parkk).
inen et al., Archives of Biochem.
volume 300, pages 458-465, 1993.
(Year) shows an example of stimulating chondrocytes by a method of loading a column with a pressure of 5 MPa corresponding to the pressure in the joint with a hydraulic cylinder pump. In addition, Smith et al. (Sm
ith et al., Journal of Orthopaed
ic Research 14: 53-60, 19
1996) is a hydraulic cylinder type pressure load, which is 30 MPa centering on 10 MPa which is the physiological pressure of the joint.
Is applied to the chondrocytes to stimulate them.
【0006】これらの方法は生体内レベルの圧力強度自
体は再現しているが、その負荷パターンは急激な圧力上
昇と下降という凸凹の圧力変化を示すものでやはり生体
本来のものとは異なるものである。さらにこのタイプの
システムでは短時間の刺激例のみ示されており、長期の
培養に耐える十分な無菌性を確保した培養システムであ
ることは示されていない。These methods reproduce the in-vivo level pressure intensity itself, but the load pattern shows uneven pressure changes such as rapid pressure increase and decrease, which is also different from the original one. is there. Furthermore, this type of system shows only an example of stimulation for a short period of time, and has not been shown to be a culture system that ensures sufficient sterility to withstand long-term culture.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】以上のように現行の力
学的刺激による細胞培養システムは生体本来の力学的刺
激負荷に近いパターンを再現したものであるとは言いが
たい。細胞の培養の面からも数週間に及ぶ長期培養が可
能であるような無菌性を保つことは困難であり、かつ種
々の細胞への適用を可能とする汎用性を十分確保したも
のでもないと言える。As described above, it is hard to say that the existing cell culture system using mechanical stimulation reproduces a pattern close to the original mechanical stimulation load of the living body. From the aspect of cell culture, it is difficult to maintain sterility such that long-term culture for several weeks is possible, and the versatility that enables application to various cells is not sufficiently secured. I can say.
【0008】本発明は、上記現状に鑑み、生理的な力学
的刺激パターン、特に関節内の静水圧を再現し、かつ、
長期にわたる無菌性及び種々の細胞に適用できる汎用性
を有する培養システムを提供することを目的としたもの
である。In view of the above situation, the present invention reproduces a physiological mechanical stimulation pattern, particularly a hydrostatic pressure in a joint, and
It is an object of the present invention to provide a culture system having a long-term sterility and versatility applicable to various cells.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、細胞
及び培養担体を保持し、内部で細胞を生育させるための
カラム様デバイス、前記カラム様デバイスの出口に接続
されたバックプレッシャーレギュレーター、前記バック
プレッシャーレギュレーターの作動を操作できるよう前
記カラム様デバイスの出口側に設置された電子制御可能
なバルブ、前記カラム様デバイスの入口側に設置された
電子制御可能なバルブ、前記カラム様デバイスの入口側
に設置された前記バルブを介して前記カラム様デバイス
に接続されたポンプ、前記カラム様デバイスの入口に接
続された前記バルブと前記ポンプとの間に設置された圧
力リザーバー、前記カラム様デバイスの出口に接続され
た前記バルブ及び前記バックプレッシャーレギュレータ
ーと前記圧力リザーバーとの間に設置された培地槽、前
記2つのバルブに電気的に接続されており、前記2つの
バルブを開閉させることで前記バックプレッシャーレギ
ュレーターの作動を操作し、前記カラム様デバイス内の
細胞にかかる圧力パターンを制御するための制御用コン
ピューター、並びに、前記カラム様デバイス内の圧力を
測定できるよう設置され、かつ前記制御用コンピュータ
ーに電気的に接続された圧力センサー、からなる細胞培
養装置である。[Means for Solving the Problems] That is, the present invention provides a column-like device for holding cells and a culture carrier and growing the cells therein, a back pressure regulator connected to the outlet of the column-like device, and the bag. An electronically controllable valve installed on the outlet side of the column-like device to control the operation of the pressure regulator, an electronically controllable valve installed on the inlet side of the column-like device, on the inlet side of the column-like device A pump connected to the column-like device via the valve installed, a pressure reservoir installed between the valve and the pump connected to the inlet of the column-like device, an outlet of the column-like device The valve, the back pressure regulator, and the pressure riser connected to each other. A medium tank installed between the cell and the bar, which is electrically connected to the two valves, and operates the back pressure regulator by opening and closing the two valves to operate the cells in the column-like device. A cell culture device comprising a control computer for controlling the pressure pattern applied to the column, and a pressure sensor installed to measure the pressure in the column-like device and electrically connected to the control computer. is there.
【0010】本発明の細胞培養装置においては、細胞に
かかる圧力強度が可変であり、かつ周期的な圧力負荷が
可能である。この場合において、上記圧力強度の可変範
囲が0〜9Mpa(ただし好ましい下限は0.1MPa
であり、好ましい上限は7MPaである)であり、周期
性として10Hzから0.005Hz(ただし好ましい
下限は0.01Hzであり、好ましい上限は1Hzであ
る)の範囲で圧力負荷を制御することが可能である。In the cell culture device of the present invention, the pressure intensity applied to the cells is variable and cyclic pressure loading is possible. In this case, the variable range of the pressure intensity is 0 to 9 MPa (however, the preferable lower limit is 0.1 MPa).
It is possible to control the pressure load in the range of 10 Hz to 0.005 Hz (however, the preferred lower limit is 0.01 Hz and the preferred upper limit is 1 Hz) as the periodicity. Is.
【0011】本発明の細胞培養装置は、細胞にかかる圧
力負荷パターンを、生体内部で起こる圧力負荷パターン
に制御するために使用することができる。生体内部で起
こる圧力負荷パターンとは、通常、正弦波型の圧力負荷
パターンのことをいう。また、本発明の細胞培養装置に
おいては、加圧、非加圧時ともにカラム様デバイス内に
培地の移動を生起させることが可能である。The cell culture device of the present invention can be used to control the pressure load pattern applied to cells to the pressure load pattern occurring inside the living body. The pressure load pattern that occurs inside the living body usually refers to a sinusoidal pressure load pattern. In addition, in the cell culture device of the present invention, it is possible to cause the movement of the medium in the column-like device during both pressurization and non-pressurization.
【0012】上記カラム様デバイス中の上記培養担体
は、生体適合性材料からなるものであることが好まし
い。上記カラム様デバイス中の培養担体としては、細胞
等を良好に保持できるものであれば特に限定されず、具
体的には、平板プレート、多孔質体、不織布、メッシ
ュ、組み紐、ゲルが挙げられる。上記生体適合性材料と
しては、例えば、ポリグリコール酸、ポリ乳酸、ポリグ
リコール酸/ポリ乳酸共重合体、ポリεカプロラクト
ン、ポリ乳酸/ポリεカプロラクトン共重合体、アルギ
ン酸、セルロース、ニトロセルロース、ゼラチン、コラ
ーゲン等の分解性材料、ポリアミド、ポリエステル、ポ
リスチレン、ポリプロピレン、ポリアクリル酸、ポリビ
ニール、ポリカーボネート、ポリウレタン等の非分解性
材料などが挙げられる。The culture carrier in the column-like device is preferably made of a biocompatible material. The culture carrier in the column-like device is not particularly limited as long as it can well retain cells and the like, and specific examples thereof include a flat plate, a porous body, a nonwoven fabric, a mesh, a braid, and a gel. Examples of the biocompatible material include polyglycolic acid, polylactic acid, polyglycolic acid / polylactic acid copolymer, polyε-caprolactone, polylactic acid / polyε-caprolactone copolymer, alginic acid, cellulose, nitrocellulose, gelatin, Examples thereof include degradable materials such as collagen, non-degradable materials such as polyamide, polyester, polystyrene, polypropylene, polyacrylic acid, polyvinyl, polycarbonate and polyurethane.
【0013】上記カラム様デバイスは、透明な素材から
なることが好ましい。具体的には、強化ガラス(ホウケ
イ酸ガラスなど)が挙げられる。The column-like device is preferably made of a transparent material. Specifically, tempered glass (borosilicate glass etc.) is mentioned.
【0014】上記ポンプとしては、プランジャー式、油
圧式、又は、ガス圧式のものが好ましい。The pump is preferably of the plunger type, hydraulic type or gas pressure type.
【0015】本発明の細胞培養措置は、さらに、カラム
様デバイスの入口側に設置された電子制御可能なバルブ
によって作動を操作できるようカラム様デバイスの入口
に接続されたバックプレッシャーレギュレーターを含む
ことが好ましい。これによって圧力負荷パターンをより
精緻に制御することが可能となる。The cell culture procedure of the present invention may further include a back pressure regulator connected to the inlet of the column-like device so that the actuation can be operated by an electronically controllable valve located on the inlet side of the column-like device. preferable. This makes it possible to control the pressure load pattern more precisely.
【0016】カラム様デバイスの入口にもバックプレッ
シャーレギュレーターを有する場合、2種類のバックプ
レッシャーレギュレーターは、電磁弁方式により連動し
ていることが好ましい。When a back pressure regulator is also provided at the inlet of the column-like device, it is preferable that the two types of back pressure regulators be linked by a solenoid valve system.
【0017】上記ポンプは、上記制御用コンピューター
により制御されていることが好ましい。The pump is preferably controlled by the control computer.
【0018】上記カラム様デバイス内の培養担体に保持
される細胞は、ほ乳類(例えば、ヒト、イヌ、ネコ、ウ
シ、ウマ、ブタなど、好ましくはヒト)由来の細胞であ
ることが好ましく、ほ乳類由来の骨髄若しくは組織由来
の幹細胞又は関節軟骨由来の細胞であることがより好ま
しく、ヒト由来の骨髄若しくは組織由来の幹細胞又は関
節軟骨由来の細胞であることが更に好ましい。The cells retained on the culture carrier in the column-like device are preferably cells derived from mammals (eg, humans, dogs, cats, cattle, horses, pigs, etc., preferably humans), and cells derived from mammals. The bone marrow or tissue-derived stem cells or articular cartilage-derived cells are more preferable, and the human bone marrow- or tissue-derived stem cells or articular cartilage-derived cells are more preferable.
【0019】本発明の細胞培養装置の基本原理は、図1
に示すとおり、ポンプ(7)からの送液により圧力リザ
ーバー(6)を介してカラム様デバイス(1)に加圧
し、さらにバックプレッシャーレギュレーター(3)の
能力に対応した圧力、又は、ポンプ(7)の加圧により
蓄えられた圧力リザーバー(6)の圧力に対応した圧力
を生成させるというものである。圧力負荷パターンの制
御は、カラム様デバイス(1)の入口側及び出口側のバ
ルブ(2)及び(13)のON/OFF、又は、これと
カラム様デバイス(1)の出口に接続されたバックプレ
ッシャーレギュレーター(3)による制御を組み合わせ
ることにより行う。したがって、圧力の上昇パターンは
圧力リザーバー(6)から押し出される培地の流量によ
って規定され、流量を変化させることにより急激な上昇
も緩慢な上昇も任意に作り出すことが可能である。圧力
の維持及び下降パターンは、生成した圧力を開放する経
路に置いたバルブ(2)の開閉及びバックプレッシャー
レギュレーター(3)の制御圧力により規定され、制御
圧力の低いものでは急激な下降、高いものでは緩慢な下
降が得られる。以上のような機構により本発明の細胞培
養装置を用いて生体における圧力の上昇下降を再現する
ことが可能となる。さらに本発明の細胞培養装置は培地
と接触するすべての部分がオートクレーブ又はエチレン
オキサイドガスにより滅菌できる構造、またこのような
滅菌法に耐え得る素材でできており、雑菌等のコンタミ
がない状態で長期にわたって細胞の培養が可能である。
また、カラム構造の工夫により汎用的な培養が可能であ
る。The basic principle of the cell culture device of the present invention is shown in FIG.
As shown in, the column-like device (1) is pressurized by the liquid supply from the pump (7) through the pressure reservoir (6), and the pressure corresponding to the capacity of the back pressure regulator (3), or the pump (7). ) The pressure corresponding to the pressure of the pressure reservoir (6) stored by the pressurization is generated. Control of the pressure load pattern is performed by turning on / off the valves (2) and (13) on the inlet side and the outlet side of the column-like device (1) or a back connected to this and the outlet of the column-like device (1). It is performed by combining the control by the pressure regulator (3). Therefore, the rising pattern of the pressure is defined by the flow rate of the medium pushed out from the pressure reservoir (6), and it is possible to arbitrarily create a rapid increase or a slow increase by changing the flow rate. The maintenance and lowering pattern of pressure is defined by the opening / closing of the valve (2) and the control pressure of the back pressure regulator (3) placed in the path for releasing the generated pressure. Gives a slower descent. With the mechanism as described above, it becomes possible to reproduce the rise and fall of the pressure in the living body by using the cell culture device of the present invention. Furthermore, the cell culture device of the present invention has a structure in which all parts in contact with the medium can be sterilized by an autoclave or ethylene oxide gas, and is made of a material that can withstand such a sterilization method. It is possible to culture cells throughout.
Also, general-purpose culture is possible by devising the column structure.
【0020】なおポンプ(7)についてはより好ましく
はプランジャー式のポンプであるが、従来の油圧又はガ
ス圧による圧力負荷形式のものであっても、バックプレ
ッシャーレギュレーター(3)とバルブ(2)及び(1
3)のON/OFFを組み合わせることにより、正弦波
的な圧力負荷パターンなど種々の負荷パターンを再現で
きる。The pump (7) is more preferably a plunger type pump, but the back pressure regulator (3) and the valve (2) may be used even if it is a conventional pressure load type by hydraulic pressure or gas pressure. And (1
By combining ON / OFF of 3), various load patterns such as a sinusoidal pressure load pattern can be reproduced.
【0021】以下で本発明の細胞培養装置の一態様を詳
細に説明する。本発明の細胞培養装置の一態様は、図1
に示すように、基本構造としてポンプ(7)、バックプ
レッシャーレギュレーター(3)及び(14)、カラム
様デバイス(1)、バルブ(2)及び(13)、圧力リ
ザーバー(6)、培地槽(4)、制御用コンピューター
(11)、好ましくは圧力センサー(10)及びpHセ
ンサーからなる。ポンプ(7)からの送液により圧力リ
ザーバー(6)を介してカラム様デバイス(1)に加圧
し、さらにバックプレッシャーレギュレーター(3)及
び(14)の能力に対応した圧力、又は、ポンプ(7)
の加圧により蓄えられた圧力リザーバー(6)の圧力に
対応した圧力を生成させる。圧力負荷パターンの制御
は、カラム様デバイス(1)の入口側及び出口側のバル
ブ(2)及び(13)のON/OFF、又は、これとカ
ラム様デバイス(1)の出口に接続されたバックプレッ
シャーレギュレーター(3)及びカラム様デバイス
(1)の入口に接続されたバックプレッシャーレギュレ
ーター(14)による制御を組み合わせることにより行
う。したがって、圧力の上昇パターンは圧力リザーバー
(6)から押し出される培地の流量によって規定され、
流量を変化させることにより急激な上昇も緩慢な上昇も
任意に作り出すことが可能である。圧力の維持及び下降
パターンは、生成した圧力を開放する経路に置いたバル
ブ(2)の制御用コンピューター(11)制御による開
閉及びバックプレッシャーレギュレーター(3)の制御
圧力により規定され、制御圧力の低いものでは急激な下
降、高いものでは緩慢な下降が得られる。以上のような
機構により本発明の細胞培養装置を用いて生体における
圧力の上昇下降を再現することが可能となる。なお圧力
の上昇下降はバックプレッシャーレギュレーター(3)
を用いず、カラム様デバイス(1)前後のバルブの制御
用コンピューター(11)の制御による開閉操作でも可
能である。ただし実施例でも述べるように、より生理的
な圧力負荷パターンの再現のためにはバックプレッシャ
ーレギュレーター(3)の利用が必要である。One embodiment of the cell culture device of the present invention will be described in detail below. One embodiment of the cell culture device of the present invention is shown in FIG.
As shown in Fig. 1, the basic structure is a pump (7), back pressure regulators (3) and (14), column-like device (1), valves (2) and (13), pressure reservoir (6), medium tank (4). ), A control computer (11), preferably a pressure sensor (10) and a pH sensor. The column-like device (1) is pressurized by the liquid supply from the pump (7) through the pressure reservoir (6), and the pressure corresponding to the capabilities of the back pressure regulators (3) and (14), or the pump (7). )
The pressure corresponding to the pressure of the pressure reservoir (6) stored by the pressurization is generated. Control of the pressure load pattern is performed by turning on / off the valves (2) and (13) on the inlet side and the outlet side of the column-like device (1) or a back connected to this and the outlet of the column-like device (1). It is performed by combining the control by the pressure regulator (3) and the back pressure regulator (14) connected to the inlet of the column-like device (1). Therefore, the pressure rise pattern is defined by the flow rate of the medium extruded from the pressure reservoir (6),
By changing the flow rate, it is possible to arbitrarily create a sharp rise or a slow rise. The maintenance and lowering pattern of the pressure is regulated by the opening / closing by the control computer (11) of the valve (2) placed in the path for releasing the generated pressure and the control pressure of the back pressure regulator (3), and the control pressure is low. One can get a steep descent, and one can get a slow descent. With the mechanism as described above, it becomes possible to reproduce the rise and fall of the pressure in the living body by using the cell culture device of the present invention. The back pressure regulator (3) is used to increase and decrease the pressure.
It is also possible to perform opening / closing operations by controlling a computer (11) for controlling the valves before and after the column-like device (1) without using. However, as described in Examples, it is necessary to use the back pressure regulator (3) in order to reproduce a more physiological pressure load pattern.
【0022】圧力センサー(10)、さらに必要により
pHセンサーはカラム様デバイス(1)の入口箇所等に
設置しリアルタイムでの測定を行う。この測定シグナル
はモジュレーターを経て制御用コンピューター(11)
に取り込まれる。The pressure sensor (10) and, if necessary, the pH sensor are installed at the entrance of the column-like device (1) or the like to perform real-time measurement. This measurement signal goes through a modulator and a control computer (11)
Is taken into.
【0023】培地槽(4)は、CO2インキュベーター
内に設置し、フィルター(12)を介してインキュベー
ターの内部環境と接触し培地の温度及びpHが制御され
るようになっている。The culture medium tank (4) is installed in a CO 2 incubator and is brought into contact with the internal environment of the incubator through a filter (12) to control the temperature and pH of the culture medium.
【0024】装置内を通液する培地としては、細胞が良
好に培養できるものであれば特に限定されない。The medium to be passed through the apparatus is not particularly limited as long as cells can be cultivated well.
【0025】また本発明の細胞培養装置は、装置全体又
は少なくとも培地槽(4)とカラム様デバイス(1)に
ついては、培養する細胞に適した温度環境に設定し得る
容器内に設置して稼働する。特に、培地槽(4)につい
ては、CO2インキュベーター等、より細胞に適した環
境を付与し得る容器内に設置し稼働する。Further, the cell culture apparatus of the present invention is operated by installing the entire apparatus, or at least the medium tank (4) and the column-like device (1) in a container capable of setting a temperature environment suitable for cells to be cultured. To do. Particularly, the medium tank (4) is installed and operated in a container such as a CO 2 incubator that can provide an environment more suitable for cells.
【0026】さらに本発明の細胞培養装置は、培養の途
中で無菌的にサンプリングすることが可能であり、細胞
及び細胞混合物の生化学的、生理学的評価を経時的に行
うことが可能である。Furthermore, the cell culture device of the present invention can be aseptically sampled during the culture, and can perform biochemical and physiological evaluations of cells and cell mixtures over time.
【0027】[0027]
【実施例】以下に実施例を掲げて本発明を更に詳しく説
明するが、本発明はこれら実施例のみに限定されるもの
ではない。The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【0028】(実施例1)以下、実施例2〜4で用いた
個々のユニットについて説明する。ポンプ(7)はプラ
ンジャー式のものを用い、圧力強度として2500ps
i(約16MPa)までの圧力負荷が可能な株式会社ケ
ムコ製のものを用いた。このものはプランジャー部のう
ち培地と接触する部品を分解して個別にオートクレーブ
又はエチレンオキサイドガスにより滅菌できるようにな
っている。バックプレッシャーレギュレーター(3)及
び(14)はアップチャーチ社製を用いた。圧力生成用
バックプレッシャーレギュレーター(3)には、制御圧
力が1000、750又は500psiのものを、生成
させる圧力に応じて用いた。圧力開放用バックプレッシ
ャーレギュレーター(14)には5、20、40、7
5、100又は250psiのものを目的の圧力下降パ
ターンに応じて用いた。(Embodiment 1) The individual units used in Embodiments 2 to 4 will be described below. The pump (7) uses a plunger type and the pressure strength is 2500 ps.
A product manufactured by Chemco Co., Ltd., which can apply a pressure load up to i (about 16 MPa) was used. In this product, parts of the plunger part that come into contact with the medium can be disassembled and sterilized individually by autoclaving or ethylene oxide gas. The back pressure regulators (3) and (14) used were manufactured by Upchurch. As the back pressure regulator (3) for pressure generation, a control pressure of 1000, 750 or 500 psi was used according to the pressure to be generated. 5, 20, 40, 7 for back pressure regulator (14) for pressure relief
5, 100 or 250 psi was used depending on the desired pressure drop pattern.
【0029】カラム様デバイス(1)は内部カラム部が
ホウケイ酸ガラス製で外側のシールド部がポリカーボネ
ート製の円筒形二重構造を有し、圧力、熱に対して耐性
があるウォーターズ社製のものを用いた。The column-like device (1) is manufactured by Waters Co., which has a cylindrical double structure in which the inner column part is made of borosilicate glass and the outer shield part is made of polycarbonate, and is resistant to pressure and heat. Was used.
【0030】カラム様デバイス(1)、バックプレッシ
ャーレギュレーター(3)、ポンプ(7)及び培地槽
(4)、チュービングポンプ(5)、圧力リザーバー
(6)、滅菌水槽(8)を接続するラインは、熱に対し
て耐性があるアップチャーチ社製のPEEK素材のもの
を用い、各ユニットへの接続はアップチャーチ社製の接
続器具を用いた。The line connecting the column-like device (1), back pressure regulator (3), pump (7) and culture medium tank (4), tubing pump (5), pressure reservoir (6), sterile water tank (8) is A PEEK material made by Upchurch, which is resistant to heat, was used, and a connection device made by Upchurch was used for connection to each unit.
【0031】圧力センサー(10)はゼネレクス社製を
用い、培養カラムの入口箇所に設置した。その測定シグ
ナルをコンピューターに取り込むためのモジュレーター
はバイオラッド社製のものを用いた。The pressure sensor (10) manufactured by Generex Co., Ltd. was used and installed at the inlet of the culture column. A modulator manufactured by Bio-Rad Co. was used to import the measurement signal into a computer.
【0032】培地槽はCO2インキュベーター内に設置
し、ポアサイズが0.22μmのフィルター(12)を
介してインキュベーターの内部環境と接触し培地の温度
及びpHが制御されるようにした。培地は10%のウシ
胎児血清を含むHam′s F−12培地(Gibco
BRL製)を用い、無菌的にシステムに充填した。The medium tank was installed in a CO 2 incubator, and the temperature and pH of the medium were controlled by contacting with the internal environment of the incubator through a filter (12) having a pore size of 0.22 μm. The medium was Ham's F-12 medium (Gibco) containing 10% fetal bovine serum.
BRL) was used to aseptically fill the system.
【0033】(実施例2、3及び比較例1、2)実施例
1の細胞培養装置を用いて、培養カラム内への圧力負荷
を行った。圧力負荷の時間、圧力の大きさ、さらにバッ
クプレッシャーレギュレーターの有無により様々な圧力
負荷パターンを生成させることができた。その代表的な
ものを図2のA〜Dに示した。(Examples 2 and 3 and Comparative Examples 1 and 2) Using the cell culture apparatus of Example 1, pressure was applied to the inside of the culture column. It was possible to generate various pressure load patterns depending on the time of pressure load, the magnitude of pressure, and the presence or absence of a back pressure regulator. Typical ones are shown in A to D of FIG.
【0034】5MPaの静水圧を1秒間隔で生成させた
時、バックプレッシャーレギュレーター(3)を用いな
い場合は圧力の降下が急激に起こり、圧力の生成パター
ンが鋭角的であった(図2−A、比較例1)が、バック
プレッシャーレギュレーター(3)を用いると正弦波に
近い圧力パターンが観察された(図2−B、実施例
2)。また、5MPaの静水圧を15秒間隔で生成させ
た時、バックプレッシャーレギュレーター(3)を用い
ない場合は、やはり圧力の降下が急激であった(図2−
C、比較例2)。同じ圧力負荷条件でバックプレッシャ
ーレギュレーター(3)を用いると図2−Dのような圧
力パターンが得られた(実施例3)。これは関節におけ
る生理的な圧力負荷パターンと極めて類似したものであ
った(図3)。When a hydrostatic pressure of 5 MPa was generated at intervals of 1 second, the pressure dropped sharply unless the back pressure regulator (3) was used, and the pressure generation pattern was sharp (Fig. 2). In A, Comparative Example 1), a pressure pattern close to a sine wave was observed when the back pressure regulator (3) was used (Fig. 2-B, Example 2). Further, when hydrostatic pressure of 5 MPa was generated at intervals of 15 seconds, the pressure dropped sharply when the back pressure regulator (3) was not used (Fig. 2-
C, Comparative Example 2). When the back pressure regulator (3) was used under the same pressure load condition, a pressure pattern as shown in FIG. 2-D was obtained (Example 3). This was very similar to the physiological pressure loading pattern in the joint (Fig. 3).
【0035】図2−A:バックプレッシャーレギュレー
ター(3)を用いず、5MPaの静水圧を1秒負荷後0
MPaで1秒保持した場合(比較例1)。
図2−B:バックプレッシャーレギュレーター(3)を
用いて、5MPaの静水圧を1秒負荷後0MPaで1秒
保持した場合(実施例2)。
図2−C:バックプレッシャーレギュレーター(3)を
用いず、5MPaの静水圧を15秒負荷後0MPaで1
5秒保持した場合(比較例2)。
図2−D:バックプレッシャーレギュレーター(3)を
用いて、5MPaの静水圧を15秒負荷後0MPaで1
5秒保持した場合(実施例3)。FIG. 2-A: Without using the back pressure regulator (3), after applying a hydrostatic pressure of 5 MPa for 1 second, 0
In the case of holding at MPa for 1 second (Comparative Example 1). FIG. 2-B: A case where a hydrostatic pressure of 5 MPa was applied for 1 second and then held at 0 MPa for 1 second using a back pressure regulator (3) (Example 2). Fig.2-C: Without using the back pressure regulator (3), after applying a hydrostatic pressure of 5 MPa for 15 seconds, it was 1 at 0 MPa.
When held for 5 seconds (Comparative Example 2). Fig. 2-D: Using a back pressure regulator (3), a hydrostatic pressure of 5 MPa was applied for 15 seconds, and then 1 at 0 MPa.
When held for 5 seconds (Example 3).
【0036】(実施例4)4週令のウシ前肢関節荷重部
より採取した軟骨細胞を直径6.5mm、厚さ3mmの
PLGAスポンジディスクに2x107cells/c
m3となるように播種し、実施例1の細胞培養装置を用
いた圧力下での培養を実施した。圧力は5MPaの負荷
を5分間加えた後、大気圧(0MPa)下で55分間保
持するというパターンを繰り返した。この条件で2週間
培養後、周期的な静水圧の負荷が軟骨組織の形成に与え
る影響を生化学的及び組織学的に評価した。Example 4 Chondrocytes collected from a 4-week-old bovine forelimb joint loading part were placed in a PLGA sponge disk having a diameter of 6.5 mm and a thickness of 3 mm at 2 × 10 7 cells / c.
The cells were inoculated so as to have m 3 and cultured under pressure using the cell culture device of Example 1. A pattern was repeated, in which a load of 5 MPa was applied for 5 minutes, and then the pressure was maintained at atmospheric pressure (0 MPa) for 55 minutes. After culturing for 2 weeks under these conditions, the effect of cyclic hydrostatic pressure on the formation of cartilage tissue was evaluated biochemically and histologically.
【0037】生化学的評価は軟骨細胞が産生するプロテ
オグリカンの量をコンドロイチン−4−硫酸をELIS
Aにより定量することによって評価した。培養後の軟骨
組織を抽出用緩衝溶液(4Mグアニジン塩酸、0.05
M酢酸ナトリウム、0.01Mエチレンジアミン四酢酸
二ナトリウム、0.1Mアミノヘキサン酸、0.005
Mベンズアミジン塩酸、pH5.8)中で、4℃、48
時間、ゆるやかに振盪して可溶化した後、1.3%酢酸
カリウムを含むエタノール溶液でプロテオグリカンを沈
殿させた。沈殿物をELISA用96穴プレートに吸着
させ、4℃で一晩放置した。ELISA洗浄液(0.0
5%ツィーン20を含むリン酸緩衝液)で各ウェルを洗
浄後、0.1%ウシ血清アルブミンを含むリン酸緩衝液
を1ウェル当り200μlを加え、2時間放置した。E
LISA洗浄液で洗浄後500倍希釈したビオチン標識
抗コンドロイチン−4−硫酸モノクローナル抗体(生化
学工業)を1ウェル当り100μl加え、2時間放置し
た。ELISA洗浄液で洗浄後1000倍希釈したホー
スラディッシュパーオキシダーゼ−ストレプトアビジン
コンジュゲート(GIBCO/BRL Laborat
ory)を1ウェル当り100μl加え、30分放置し
た。ELISA洗浄液で洗浄後、発色基質(Genzy
me/Techne)を1ウェル当り100μl加え室
温で30分間放置した後、2N硫酸を1ウェル当り50
μl加え反応を停止した。反応停止後オートプレートリ
ーダーにより450nmの吸光度を測定した。以上の方
法により細胞が産生したコンドロイチン−4−硫酸の量
を測定したところ、周期的な圧力負荷を行って培養した
軟骨細胞による産生量は、圧力負荷を行わず大気圧下で
2週間培養した軟骨細胞が産生する量より約1.5倍高
かった(図4)。For biochemical evaluation, the amount of proteoglycan produced by chondrocytes was determined by chondroitin-4-sulfate ELIS.
It was evaluated by quantifying according to A. The cartilage tissue after culturing was extracted with a buffer solution for extraction (4M guanidine hydrochloride, 0.05%
M sodium acetate, 0.01M disodium ethylenediaminetetraacetic acid, 0.1M aminohexanoic acid, 0.005
M benzamidine hydrochloride, pH 5.8) at 4 ° C, 48
After gently shaking for solubilization for a period of time, proteoglycan was precipitated with an ethanol solution containing 1.3% potassium acetate. The precipitate was adsorbed on a 96-well plate for ELISA and left overnight at 4 ° C. ELISA cleaning solution (0.0
After washing each well with a phosphate buffer containing 5% Tween 20, 200 μl of a phosphate buffer containing 0.1% bovine serum albumin was added to each well and left for 2 hours. E
After washing with a LISA washing solution, a biotin-labeled anti-chondroitin-4-sulfate monoclonal antibody (Seikagaku Corporation) diluted 500-fold was added in an amount of 100 μl per well and left for 2 hours. Horseradish peroxidase-streptavidin conjugate (GIBCO / BRL Laborat) diluted 1000 times after washing with ELISA washing solution
ory) was added in an amount of 100 μl per well and left for 30 minutes. After washing with an ELISA washing solution, a chromogenic substrate (Genzy
me / Techne) was added in an amount of 100 μl per well and left at room temperature for 30 minutes, and then 2N sulfuric acid was added at 50 per well.
The reaction was stopped by adding μl. After stopping the reaction, the absorbance at 450 nm was measured by an auto plate reader. When the amount of chondroitin-4-sulfate produced by the cells was measured by the above method, the amount produced by the chondrocytes cultured under cyclic pressure loading was cultivated for 2 weeks under atmospheric pressure without pressure loading. It was about 1.5 times higher than that produced by chondrocytes (Fig. 4).
【0038】組織学的評価は、作製した軟骨組織をHE
(ヘマトキシリン−エオシン)染色し、生細胞数を計測
することにより評価した。周期的な静水圧を負荷して培
養した軟骨組織及び大気圧下で培養した軟骨組織の凍結
切片1mm2当りの生細胞数を表1に示した。表1から
わかるように静水圧を負荷したものの生細胞数は、負荷
しないものの生細胞数の約1.6倍であった。また、静
水圧を負荷した軟骨組織の方が支持体中に細胞がより均
一に分散していた。For histological evaluation, the cartilage tissue thus prepared was subjected to HE
(Hematoxylin-eosin) staining and evaluation were performed by counting the number of viable cells. Table 1 shows the number of viable cells per 1 mm 2 of frozen sections of a cartilage tissue cultured under cyclic hydrostatic pressure and a cartilage tissue cultured under atmospheric pressure. As can be seen from Table 1, the number of viable cells loaded with hydrostatic pressure was about 1.6 times the number of viable cells not loaded. In the cartilage tissue loaded with hydrostatic pressure, the cells were more uniformly dispersed in the support.
【0039】[0039]
【表1】 [Table 1]
【0040】[0040]
【発明の効果】本発明は生体組織のあらゆる部分の細胞
培養用として応用可能なシステムであるが、その中でも
特に、軟骨細胞の培養への応用が挙げられる。生体の軟
骨細胞は常に高い圧力負荷の中、さらに歩行などによる
周期的な圧力変化を受けている。本発明はまさにこの圧
力負荷を忠実に再現し得る性能を有するものであり、軟
骨細胞の増殖、機能発現、維持ひいては軟骨組織の形成
促進に有効に働くことが強く示唆される。INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is a system applicable to culturing cells of all parts of a living tissue, and among them, it is particularly applicable to culturing chondrocytes. The chondrocytes in the living body are constantly subjected to a high pressure load, and undergo cyclic pressure changes due to walking and the like. The present invention has the ability to faithfully reproduce this pressure load, and it is strongly suggested that it works effectively for the proliferation, function expression and maintenance of chondrocytes, and in turn, the promotion of cartilage tissue formation.
【図1】 本発明の好ましい一態様である細胞培養装置
の模式図FIG. 1 is a schematic diagram of a cell culture device which is a preferred embodiment of the present invention.
【図2】 本発明の一態様である細胞培養装置又は比較
対照の細胞培養装置により生成された圧力負荷パターン
を示した図FIG. 2 is a diagram showing a pressure load pattern generated by the cell culture device according to one embodiment of the present invention or a cell culture device for comparison.
【図3】 生体における生理的圧力負荷パターンと本発
明の一態様である細胞培養装置による圧力負荷パターン
を示した図FIG. 3 is a diagram showing a physiological pressure load pattern in a living body and a pressure load pattern by the cell culture device according to one embodiment of the present invention.
【図4】 本発明の一態様である細胞培養装置と比較対
照の細胞培養装置において培養細胞が産生するコンドロ
イチン−4−硫酸の量を示すグラフFIG. 4 is a graph showing the amount of chondroitin-4-sulfate produced by cultured cells in the cell culture device of one embodiment of the present invention and a cell culture device for comparison and control.
1:カラム様デバイス 2:バルブ 3:バックプレッシャーレギュレーター 4:培地槽 5:チュービングポンプ 6:圧力リザーバー 7:ポンプ 8:滅菌水槽 9:フィルター 10:圧力センサー 11:制御用コンピューター 12:フィルター 13:バルブ 14:バックプレッシャーレギュレーター 1: Column-like device 2: Valve 3: Back pressure regulator 4: Medium tank 5: Tubing pump 6: Pressure reservoir 7: Pump 8: Sterile water tank 9: Filter 10: Pressure sensor 11: control computer 12: Filter 13: Valve 14: Back pressure regulator
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 立石 哲也 茨城県つくば市下広丘670−3 (72)発明者 牛田 多加志 茨城県つくば市竹園1−817−204 (72)発明者 丹羽 英夫 兵庫県明石市魚住町2568−3 (72)発明者 福地 健 兵庫県明石市朝霧町3−123セゾン朝霧304 (72)発明者 佐藤 匡生 兵庫県神戸市垂水区塩屋6−31−17 (72)発明者 山下 憲司 香川県高松市神在川窪町332−3 Fターム(参考) 4B029 AA02 AA21 BB11 CC02 CC10 DA04 DF07 4B065 AA90X BA23 BA24 BC05 BC07 BC18 BC42 CA46 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (72) Inventor Tetsuya Tateishi 670-3 Shimohirooka, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Takashi Ushida 1-817-204 Takezono, Tsukuba City, Ibaraki Prefecture (72) Inventor Hideo Niwa 2568-3 Uozumicho, Akashi City, Hyogo Prefecture (72) Inventor Ken Fukuchi 3-123 Asagiri-cho, Akashi-shi, Hyogo 304 Saison Asagiri (72) Inventor Masao Sato 6-31-17 Shioya, Tarumi-ku, Kobe-shi, Hyogo (72) Inventor Kenji Yamashita 332-3 Kamugawakubocho, Takamatsu City, Kagawa Prefecture F term (reference) 4B029 AA02 AA21 BB11 CC02 CC10 DA04 DF07 4B065 AA90X BA23 BA24 BC05 BC07 BC18 BC42 CA46
Claims (18)
を生育させるためのカラム様デバイス、前記カラム様デ
バイスの出口に接続されたバックプレッシャーレギュレ
ーター、前記バックプレッシャーレギュレーターの作動
を操作できるよう前記カラム様デバイスの出口側に設置
された電子制御可能なバルブ、前記カラム様デバイスの
入口側に設置された電子制御可能なバルブ、前記カラム
様デバイスの入口側に設置された前記バルブを介して前
記カラム様デバイスに接続されたポンプ、前記カラム様
デバイスの入口に接続された前記バルブと前記ポンプと
の間に設置された圧力リザーバー、前記カラム様デバイ
スの出口に接続された前記バルブ及び前記バックプレッ
シャーレギュレーターと前記圧力リザーバーとの間に設
置された培地槽、前記2つのバルブに電気的に接続され
ており、前記2つのバルブを開閉させることで前記バッ
クプレッシャーレギュレーターの作動を操作し、前記カ
ラム様デバイス内の細胞にかかる圧力パターンを制御す
るための制御用コンピューター、並びに、前記カラム様
デバイス内の圧力を測定できるよう設置され、かつ前記
制御用コンピューターに電気的に接続された圧力センサ
ー、からなることを特徴とする細胞培養装置。1. A column-like device for holding cells and a culture carrier and growing cells therein, a back pressure regulator connected to an outlet of the column-like device, and a back pressure regulator for operating the back pressure regulator. The electronically controllable valve installed on the outlet side of the column-like device, the electronically controllable valve installed on the inlet side of the column-like device, the valve via the valve installed on the inlet side of the column-like device A pump connected to a column-like device, a pressure reservoir installed between the pump and the valve connected to the inlet of the column-like device, the valve connected to the outlet of the column-like device, and the back pressure. A medium tank installed between the regulator and the pressure reservoir, Note that it is electrically connected to the two valves, and controls the operation of the back pressure regulator by opening and closing the two valves to control the pressure pattern applied to the cells in the column-like device. A cell culture device comprising a computer and a pressure sensor installed to measure the pressure in the column-like device and electrically connected to the control computer.
力負荷が可能な請求項1記載の細胞培養装置。2. The cell culture device according to claim 1, wherein the pressure intensity is variable and cyclic pressure loading is possible.
り、周期性として10Hzから0.005Hzの範囲で
圧力負荷を制御することが可能な請求項2記載の細胞培
養装置。3. The cell culture device according to claim 2, wherein the variable range of the pressure intensity is 0 to 9 MPa, and the pressure load can be controlled in the range of 10 Hz to 0.005 Hz as periodicity.
パターンに制御するための請求項1〜3のいずれか1項
に記載の細胞培養装置。4. The cell culture device according to claim 1, which is for controlling the pressure pattern to a pressure pattern occurring inside a living body.
内に培地の移動を生起させることが可能な請求項1〜4
のいずれか1項に記載の細胞培養装置。5. The medium can be moved in the column-like device both when pressurized and when not pressurized.
The cell culture device according to any one of 1.
合性材料からなるものである請求項1〜5のいずれか1
項に記載の細胞培養装置。6. The culture carrier in the column-like device is made of a biocompatible material.
The cell culture device according to the item.
ものである請求項1〜6のいずれか1項に記載の細胞培
養装置。7. The cell culture device according to claim 1, wherein the column-like device is made of a transparent material.
求項1〜7のいずれか1項に記載の細胞培養装置。8. The cell culture device according to claim 1, wherein the pump is of a plunger type.
8のいずれか1項に記載の細胞培養装置。9. The pump according to claim 1, which is of a hydraulic type.
8. The cell culture device according to any one of 8 above.
1〜8のいずれか1項に記載の細胞培養装置。10. The cell culture device according to claim 1, wherein the pump is a gas pressure type.
設置された電子制御可能なバルブによって作動を操作で
きるようカラム様デバイスの入口に接続されたバックプ
レッシャーレギュレーターを含む請求項1〜10のいず
れか1項に記載の細胞培養装置。11. A back pressure regulator connected to the inlet of a column-like device so that its operation can be operated by an electronically controllable valve installed on the inlet side of the column-like device. The cell culture device according to item 1.
ーターが電磁弁方式により連動している請求項11記載
の細胞培養装置。12. The cell culture device according to claim 11, wherein two types of back pressure regulators are linked by a solenoid valve system.
制御されている請求項1〜12のいずれか1項に記載の
細胞培養装置。13. The cell culture device according to claim 1, wherein the pump is controlled by a control computer.
される細胞がほ乳類由来の細胞である請求項1〜13の
いずれか1項に記載の細胞培養装置。14. The cell culture device according to claim 1, wherein the cells retained in the culture carrier in the column-like device are cells of mammalian origin.
される細胞がヒト由来の細胞である請求項1〜13のい
ずれか1項に記載の細胞培養装置。15. The cell culture device according to claim 1, wherein the cells retained in the culture carrier in the column-like device are human-derived cells.
される細胞がヒト由来の骨髄又は組織由来の幹細胞であ
る請求項1〜13のいずれか1項に記載の細胞培養装
置。16. The cell culture device according to claim 1, wherein the cells retained in the culture carrier in the column-like device are human-derived bone marrow or tissue-derived stem cells.
される細胞がヒト関節軟骨由来の細胞である請求項1〜
13のいずれか1項に記載の細胞培養装置。17. The cell retained in the culture carrier in the column-like device is a human articular cartilage-derived cell.
The cell culture device according to any one of 13 above.
の細胞培養装置で細胞を培養することからなる細胞培養
方法。18. A cell culture method comprising culturing cells with the cell culture device according to claim 1.
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