JP2005040060A - Highly efficient seeding of cells on porous biocompatible materials - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、細胞を用いて傷害された臓器を治療する再生医療技術の範囲で、培養細胞を多孔性の生体材料の孔内に効率高く播種・保持する方法を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明では、多孔性生体親和性材料の孔内に細胞を播種する方法であって、外力を用いて細胞を多孔性生体材料の孔内に導入する方法により細胞に障害を与えずに多孔性材料の孔内に効率高く細胞を保持させた。この細胞/多孔性生体材料複合体を生体内に移植することにより、孔内への新生血管構築に起因する細胞の長期機能維持を実現した。
【選択図】図1
An object of the present invention is to provide a method for efficiently seeding and holding cultured cells in the pores of a porous biomaterial within the scope of regenerative medical techniques for treating injured organs using cells. And
In the present invention, cells are seeded in the pores of a porous biocompatible material, and the cells are damaged by a method of introducing cells into the pores of the porous biomaterial using an external force. The cells were efficiently retained in the pores of the porous material. By transplanting this cell / porous biomaterial complex into a living body, long-term function maintenance of cells due to the construction of new blood vessels in the pores was realized.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、通常の細胞播種法では実現できない多孔性生体親和性材料の孔内に細胞を効率良く播種し、その孔内に細胞を保持する技術に属する。 The present invention belongs to a technique for efficiently seeding cells in pores of a porous biocompatible material that cannot be realized by a normal cell seeding method and retaining the cells in the pores.
本発明の方法により得られる細胞組込型デバイスは、移植後に人工臓器として良好にヒトないし哺乳動物の体内に移植することができ、移植後においても細胞の機能を長期間保持することができる。 The cell-embedded device obtained by the method of the present invention can be successfully transplanted into a human or mammalian body as an artificial organ after transplantation, and can retain the function of cells for a long time even after transplantation.
種々の臓器傷害を細胞を用いて治療する再生医療が発展してきている。根本治療として臓器移植が考慮されるが、ドナー不足は深刻である。人工臓器も重要な選択肢であるが、生物機能を有さないのでその治療効果は短期的である。 Regenerative medicine for treating various organ injuries using cells has been developed. Although organ transplantation is considered as a fundamental treatment, donor shortages are serious. Artificial organs are also an important option, but their therapeutic effects are short-term because they have no biological function.
この解決策として、細胞そのものを移植する細胞療法が試みられているが、そのレシピエントへの生着率の低さのため大量の細胞数を確保しなくてはならない問題がある。そのため、細胞を材料に組み込み、その代謝機能を利用するハイブリッド型人工臓器の開発が求められている。これまで、生体外で機能するバイオリアクターに代表される細胞組込型デバイスが用いられてきたが、大量の細胞数を必要としながら、その機能が短期間しか持続しない欠点があった。
細胞を播種・保持するための多孔性生体材料は数多く知られているが(特許文献1〜5)、多孔性生体材料に通常の自由落下により細胞を播種する方法では、その孔内に細胞を有効に播種・保持することが困難であった。
As a solution to this, cell therapy in which cells themselves are transplanted has been attempted, but there is a problem that a large number of cells must be secured due to the low engraftment rate of the recipient. Therefore, there is a demand for the development of hybrid artificial organs that incorporate cells into materials and utilize their metabolic functions. Until now, cell-embedded devices typified by bioreactors that function in vitro have been used, but there is a drawback that their functions only last for a short period of time while requiring a large number of cells.
Many porous biomaterials for seeding and holding cells are known (Patent Documents 1 to 5). However, in the method of seeding cells on a porous biomaterial by ordinary free fall, cells are placed in the pores. It was difficult to effectively sow and maintain.
また、特許文献6は、遠心力、減圧、加圧等を利用して細胞を播種する方法を開示しているが、その具体的な条件についての開示はなく、常圧下での播種方法と比較して細胞の機能が保持されていたのかどうかについても記載していない。
本発明は、多数の細胞を播種・保持させることで、その機能を長期間持続可能なバイオリアクターに代表される細胞組込型デバイスを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a cell-integrated device typified by a bioreactor whose function can be sustained for a long period of time by seeding and holding a large number of cells.
本発明者は上記課題に鑑み検討を重ねた結果、遠心、減圧、加圧、振動などにより細胞に外力を加えることで多孔性材料の孔内に多数の培養細胞を密に充填することができ、細胞機能が長期間持続可能であることを見出した。 As a result of repeated examinations in view of the above problems, the present inventor can densely fill a large number of cultured cells into the pores of the porous material by applying external force to the cells by centrifugation, decompression, pressurization, vibration, etc. They found that cell function can be sustained for a long time.
本発明は、以下の方法を提供するものである。
項1. 多孔性生体親和性材料の孔内に細胞を播種する方法であって、外力を用いて細胞を多孔性生体材料の孔内に導入する方法。
項2. 前記生体親和性材料が、
(1)ハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、カルシウム欠損型アパタイト、非晶
質リン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、フッ素化アパタイト、炭酸アパタイト、炭酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、モネタイト、生体内でリン酸カルシウム類を吸着することができる無機化合物を包含するセラミックス系材料;
(2)コラーゲン、ゼラチン、キチン、キトサン、グリコサミノグリカン、ヒアルロン酸、
コンドロイチン硫酸、フィブリン、アルギン酸、フィブロイン、デンプン、ペクチン、ペクチン酸、アガロース並びにこれらの部分分解物、酸化物、アルキレンオキシド付加物、カルボキシメチル化物及び架橋体を包含する天然高分子;及び
(3)ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリメタクリル酸メチル、メタク
リル酸エステル系ポリマー、シリコーン樹脂、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリε−カプロラクトンなどの生体吸収性高分子の単独重合体又は共重合体を包含する合成高分子;からなる群から選ばれる少なくとも1種である項1に記載の方法。
項3. 前記生体親和性材料が、ハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、カルシウム欠損型アパタイト、非晶質リン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、フッ素化アパタイト、炭酸アパタイト、炭酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、モネタイト、生体内でリン酸カルシウム類を吸着することができる無機化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種のセラミックス系材料を含み、任意成分としてコラーゲン、ゼラチン、キチン、キトサン、グリコサミノグリカン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、フィブリン、アルギン酸、フィブロイン、デンプン、ペクチン、ペクチン酸、アガロース並びにこれらの部分分解物、酸化物、アルキレンオキシド付加物、カルボキシメチル化物及び架橋体を包含する天然高分子又はポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリメタクリル酸メチル、メタクリル酸エステル系ポリマー、シリコーン樹脂、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリε−カプロラクトンなどの生体吸収性高分子の単独重合体又は共重合体を包含する合成高分子からなる群から選ばれる少なくとも1種をさらに含んでいてもよい項1または2に記載の方法。
項4. 細胞を多孔性生体材料の孔内に導入する外力が、1Gより大きく、200G以下である項1〜3のいずれかに記載の方法。
項5. 前記外力が遠心力、加圧、減圧及び振動からなる群から選ばれる項1〜4のいずれかに記載の方法。
項6. 前記多孔性生体親和性材料の気孔率は20%から95%、気孔径の範囲は、50 μmから600 μmである項1〜5のいずれかに記載の方法。
項7. 前記多孔性生体親和性材料に細胞を有効播種するときの気孔率と外力の条件は、気孔率95%〜65%のとき外力1G超かつ30G以下、気孔率65%〜40%のとき外力30G〜120G、気孔率40%〜20%のとき外力120G〜200Gである項1〜6のいずれかに記載の方法。
項8. 前記多孔性生体親和性材料に細胞を有効播種するときの気孔径と外力の条件は、気孔径600 μm〜500 μmのとき外力1G超かつ30G以下、気孔径500 μm〜200 μmのとき外
力30G〜120G、気孔径200 μm〜50 μmのとき外力120G〜200Gである項1〜6のいずれかに記載の方法。
項9. 前記多孔性生体親和性材料の形状が、塊状、シート状、ビーズ状、ディスク状またはスポンジ状の形状である項1〜8のいずれかに記載の方法。
項10. 項1〜9のいずれかの方法により得られた細胞を孔内に導入した多孔性生体材料をヒト又は哺乳動物に移植することを特徴とする移植方法。
本発明において、多孔性生体親和性材料の気孔率(空隙率)は、通常20〜95%程度、好
ましくは30〜80%程度、より好ましくは40〜65%程度である。気孔率が大きすぎると十分
な強度が得られず、気孔率が小さすぎると十分な数の細胞を保持できなくなる。
The present invention provides the following methods.
Item 1. A method of seeding cells in pores of a porous biocompatible material, wherein the cells are introduced into the pores of the porous biomaterial using an external force.
(1) Hydroxyapatite, tricalcium phosphate, calcium deficient apatite, amorphous calcium phosphate, tetracalcium phosphate, octacalcium phosphate, fluorinated apatite, carbonate apatite, calcium carbonate, calcium pyrophosphate, monetite, calcium phosphate in vivo Ceramic-based materials including inorganic compounds capable of adsorbing species;
(2) Collagen, gelatin, chitin, chitosan, glycosaminoglycan, hyaluronic acid,
Natural polymers including chondroitin sulfate, fibrin, alginic acid, fibroin, starch, pectin, pectic acid, agarose and their partial degradation products, oxides, alkylene oxide adducts, carboxymethylates and cross-linked products; and
(3) A homopolymer or copolymer of a bioabsorbable polymer such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polymethyl methacrylate, methacrylic acid ester polymer, silicone resin, polylactic acid, polyglycolic acid, polyε-caprolactone, etc.
Item 4. Item 4. The method according to any one of Items 1 to 3, wherein an external force for introducing cells into the pores of the porous biomaterial is greater than 1G and not greater than 200G.
Item 5. Item 5. The method according to any one of Items 1 to 4, wherein the external force is selected from the group consisting of centrifugal force, pressurization, decompression, and vibration.
Item 6. Item 6. The method according to any one of Items 1 to 5, wherein the porous biocompatible material has a porosity of 20% to 95% and a pore diameter range of 50 μm to 600 μm.
Item 7. The porosity and external force conditions when cells are effectively seeded on the porous biocompatible material are external force of over 1G and porosity of 30G or less when the porosity is 95% to 65%, and external force of 30G when the porosity is 65% to 40%. Item 7. The method according to any one of Items 1 to 6, wherein the external force is 120G to 200G when the porosity is 40% to 20%.
Item 8. The pore diameter and external force conditions when cells are effectively seeded on the porous biocompatible material are as follows: external force is more than 1G and 30G or less when the pore diameter is 600 μm to 500 μm, and external force is 30G when the pore diameter is 500 μm to 200 μm Item 7. The method according to any one of Items 1 to 6, wherein the external force is 120 G to 200 G when the pore diameter is 200 μm to 50 μm.
Item 9. Item 9. The method according to any one of Items 1 to 8, wherein the porous biocompatible material has a lump shape, a sheet shape, a bead shape, a disk shape, or a sponge shape.
In the present invention, the porosity (porosity) of the porous biocompatible material is usually about 20 to 95%, preferably about 30 to 80%, more preferably about 40 to 65%. If the porosity is too high, sufficient strength cannot be obtained, and if the porosity is too low, a sufficient number of cells cannot be retained.
多孔性生体親和性材料の気孔径は、十分な数の細胞が保持できる限り特に限定されないが、通常50〜600 μm程度、好ましくは100〜500 μm程度、より好ましくは200〜400 μm
程度である。孔径が小さすぎると外力を作用させても細胞が入り難くなり、孔径が大きすぎると、細胞の出入りが容易になり、細胞が内部に定着し難くなる。
The pore size of the porous biocompatible material is not particularly limited as long as a sufficient number of cells can be retained, but is usually about 50 to 600 μm, preferably about 100 to 500 μm, more preferably 200 to 400 μm.
Degree. If the pore size is too small, cells are difficult to enter even when an external force is applied. If the pore size is too large, cells enter and exit easily, and the cells are difficult to settle inside.
多孔性生体親和性材料は無機系材料及び有機系材料のいずれでもよく、1種又は2種以上の材料を組み合わせて使用することができる。 The porous biocompatible material may be either an inorganic material or an organic material, and may be used alone or in combination of two or more materials.
無機系材料としては、ハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、カルシウム欠損型アパタイト、非晶質リン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム、フッ素化アパタイト、炭酸アパタイト、炭酸カルシウム、ピロリン酸カルシウム、モネタイト、生体内でリン酸カルシウム類を吸着することができる無機化合物が例示される。「生体内でリン酸カルシウム類を吸着することができる無機化合物」としては、チタン、チタン化合物、ガラスセラミックス、ゼオライト、シリカが例示される。 Inorganic materials include hydroxyapatite, tricalcium phosphate, calcium deficient apatite, amorphous calcium phosphate, tetracalcium phosphate, octacalcium phosphate, fluorinated apatite, carbonate apatite, calcium carbonate, calcium pyrophosphate, monetite, raw Examples include inorganic compounds capable of adsorbing calcium phosphates in the body. Examples of the “inorganic compound capable of adsorbing calcium phosphates in vivo” include titanium, titanium compounds, glass ceramics, zeolite, and silica.
有機系材料としては、コラーゲン、ゼラチン、キチン、キトサン、グリコサミノグリカン、ヒアルロン酸、コンドロイチン硫酸、フィブリン、アルギン酸、フィブロイン、デンプン、ペクチン、ペクチン酸、アガロース並びにこれらの部分分解物、酸化物、アルキレンオキシド付加物、カルボキシメチル化物及び架橋体を包含する天然高分子、及び、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリメタクリル酸メチル、メタクリル酸エステル系ポリマー、シリコーン樹脂、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリε−カプロラクトンなどの生体吸収性高分子の単独重合体又は共重合体を包含する合成高分子が例示される。 Examples of organic materials include collagen, gelatin, chitin, chitosan, glycosaminoglycan, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, fibrin, alginic acid, fibroin, starch, pectin, pectic acid, agarose and their partial decomposition products, oxides, alkylene Natural polymers including oxide adducts, carboxymethylates and cross-linked products, and polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polymethyl methacrylate, methacrylic ester polymers, silicone resins, polylactic acid, polyglycolic acid, poly-ε-caprolactone Examples thereof include synthetic polymers including a homopolymer or a copolymer of a bioabsorbable polymer.
多孔性生体親和性材料は無機系材料からなるか、無機系材料と有機系材料を組み合わせて使用するのが好ましい。無機系材料と有機系材料を組み合わせ使用する場合では、多孔質の無機系材料表面に有機系材料をコーティングする構成を好ましく例示できる。 The porous biocompatible material is preferably composed of an inorganic material or a combination of an inorganic material and an organic material. In the case of using a combination of an inorganic material and an organic material, a configuration in which the organic material is coated on the surface of the porous inorganic material can be preferably exemplified.
前記材料の多孔質体は、公知の方法により製造することができる。例えば、前記有機系材料の多孔質体は、発泡剤を利用する発泡成形法、あるいは多孔質化剤除去法等周知の方法により得ることができる。この多孔質体の発泡成型法においては、高分子化合物に発泡剤を添加し発泡剤を発泡させた後、上記高分子を硬化させる。高分子溶液中に、水溶性の糖類あるいは塩類を添加し、硬化後、該水溶性物質を水で洗浄除去すればよい。また、前記無機系材料の多孔質体は、無機系材料粉末を有機系バインダーと共に混合、造形し、焼結して製造することができる。 The porous body of the material can be produced by a known method. For example, the porous body of the organic material can be obtained by a well-known method such as a foam molding method using a foaming agent or a porous agent removing method. In the foam molding method of the porous body, a foaming agent is added to a polymer compound to foam the foaming agent, and then the polymer is cured. A water-soluble saccharide or salt may be added to the polymer solution, and after curing, the water-soluble substance may be washed away with water. Further, the porous body of the inorganic material can be manufactured by mixing, shaping and sintering inorganic material powder together with an organic binder.
生体親和性材料が無機系材料と有機系材料を含む場合、無機系材料の表面に有機系材料をコーティングすることができる。また有機高分子材料をカルシウム塩又はその溶液とリン酸塩又はその溶液で処理することによりリン酸カルシウムを析出させるなどの任意の方法により有機系材料の表面を無機系材料で処理することも可能である。 When the biocompatible material includes an inorganic material and an organic material, the surface of the inorganic material can be coated with the organic material. It is also possible to treat the surface of the organic material with an inorganic material by any method such as precipitating calcium phosphate by treating the organic polymer material with a calcium salt or solution thereof and a phosphate salt or solution thereof. .
前記多孔性生体親和性材料の形状としては、塊状、シート状、ビーズ状、ディスク状またはスポンジ状などの形状が例示される。 Examples of the shape of the porous biocompatible material include a lump shape, a sheet shape, a bead shape, a disk shape, and a sponge shape.
多孔性生体親和性材料には、細胞が播種される。播種される細胞としては、肝臓、腎臓、膵臓、脳、脊髄、胆嚢、副腎、脾臓、胃、甲状腺などの臓器由来細胞が挙げられ、好ましくは、肝実質細胞、尿細管上皮細胞、膵β細胞、ドパミン産生細胞、神経細胞、グリア細胞、クロマフィン細胞、甲状腺上皮細胞などが例示される。細胞は、1種のみの細胞を播種しても良く、複数の細胞を同時に又は順次播種してもよい。複数の細胞を用いる場合、同一臓器の細胞を用いても良く、異なる臓器の細胞を使用してもよい。また、多孔質体内に血管を導入するために、線維芽細胞、血管内皮細胞等を他の細胞と混合してもよい。 Cells are seeded in the porous biocompatible material. Examples of cells to be seeded include cells derived from organs such as liver, kidney, pancreas, brain, spinal cord, gallbladder, adrenal gland, spleen, stomach, thyroid gland, preferably hepatocytes, tubule epithelial cells, pancreatic β cells And dopaminergic cells, nerve cells, glial cells, chromaffin cells, thyroid epithelial cells and the like. Only one type of cell may be seeded, or a plurality of cells may be seeded simultaneously or sequentially. When using a plurality of cells, cells from the same organ may be used, or cells from different organs may be used. In addition, fibroblasts, vascular endothelial cells and the like may be mixed with other cells in order to introduce blood vessels into the porous body.
細胞は、ヒト又は動物、特に哺乳動物由来の細胞が使用できる。また、細胞は、2種以上の細胞を融合した融合細胞を使用してもよい。 As the cells, cells derived from humans or animals, particularly mammals, can be used. Moreover, you may use the fused cell which fuse | melted 2 or more types of cells.
本発明の方法により得られた細胞を孔内に導入した多孔性生体材料をヒトに移植する場合には、ヒト又は他の動物由来の細胞、特にヒト由来の細胞が好ましく使用できる。 When a porous biomaterial in which cells obtained by the method of the present invention are introduced into pores is transplanted into a human, a human or other animal-derived cell, particularly a human-derived cell can be preferably used.
本発明では、前記多孔性材料に外力を利用して前記細胞を播種して効率よく細胞を導入して細胞密度の高い多孔性材料を得る。 In the present invention, a porous material having a high cell density is obtained by seeding the porous material using external force and efficiently introducing the cells.
外力としては、遠心力、加圧、減圧及び振動が例示される。 Examples of the external force include centrifugal force, pressurization, decompression, and vibration.
本発明において、細胞を播種するとは、多孔体の内部に高密度の細胞群を形成することをいう。細胞は、多孔体の空間の20%以上、好ましくは50%以上、より好ましくは70%以上
、特に80%以上を占める。細胞内に栄養分が供給される限り、多孔体の空間のほぼ100%が
細胞で占められていてもよい。
In the present invention, seeding cells means forming a high-density cell group inside the porous body. The cells occupy 20% or more, preferably 50% or more, more preferably 70% or more, particularly 80% or more of the space of the porous body. As long as nutrients are supplied into the cell, almost 100% of the space of the porous body may be occupied by the cell.
多孔体内で細胞は一群の集団ないし密集体として存在することができる。 Within the porous body, cells can exist as a group of populations or clusters.
外力を用いて細胞を播種する方法は、
(1)加圧:例えば細胞懸濁液(液体培地又はバッファー等)と多孔性生体親和 性材料を
底部が多孔質の容器内に入れ、例えば容器に密着する注射用シリン ジ等を用いて、容器内を加圧状態にし、培養液を容器外に押し出すと共に細 胞を多孔性材料内部に導入する方法;
(2)減圧:細胞懸濁液と多孔性生体親和性材料を底部が多孔質の容器内に入れ 、例えば
底部側を減圧して、容器内の培養液を容器底部から抜き出すと共に 細胞を多孔性材料内部に導入する方法;
(3)遠心力:細胞懸濁液及び多孔性生体親和性材料を容器内に入れ、通常の遠 心機を用
いて、細胞の種類及び多孔性材料の材質、孔径等に応じて細胞に傷 害を与えない範囲の遠心力をかけることにより多孔性材料内部に細胞を導入 する方法;
(4)振動:細胞懸濁液を底部に多孔性材料を含む容器内に入れ、機械的振動や 音波等を
加えることにより、重力を利用して細胞を多孔性材料内に導入する 方法;
が例示される。
The method of seeding cells using external force is:
(1) Pressurization: For example, a cell suspension (liquid medium or buffer, etc.) and a porous biocompatible material are placed in a container with a porous bottom, and for example, using a syringe for injection closely attached to the container, A method in which the inside of the container is pressurized, the culture solution is pushed out of the container, and the cells are introduced into the porous material;
(2) Depressurization: Place the cell suspension and porous biocompatible material in a container with a porous bottom, for example, depressurize the bottom to extract the culture solution in the container from the bottom of the container and make the cell porous Introducing into the material;
(3) Centrifugal force: Place the cell suspension and porous biocompatible material in a container, and use normal centrifugal devices to damage cells depending on the cell type, porous material, pore size, etc. A method of introducing cells into the porous material by applying a centrifugal force within a range that does not give
(4) Vibration: A method in which cells are introduced into a porous material using gravity by placing a cell suspension in a container containing a porous material at the bottom and applying mechanical vibration or sound waves;
Is exemplified.
本発明の特に好ましい実施形態において、前記多孔性生体親和性材料に細胞を有効播種するときの気孔率または気孔径と外力の条件は、
・気孔率95%〜65%のとき外力1G超かつ30G以下、
・気孔率65%〜40%のとき外力30G〜120G、
・気孔率40%〜20%のとき外力120G〜200G、
・気孔径600 μm〜500 μmのとき外力1G超かつ30G以下、
・気孔径500 μm〜200 μmのとき外力30G〜120G、
・気孔径200 μm〜50 μmのとき外力120G〜200Gである。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, the porosity or the pore diameter and the external force conditions when cells are effectively seeded on the porous biocompatible material are:
・ When the porosity is 95% to 65%, the external force exceeds 1G and 30G or less.
・ When the porosity is 65% ~ 40%, external force 30G ~ 120G,
・ When the porosity is 40% ~ 20%, external force 120G ~ 200G,
・ When the pore size is 600 μm to 500 μm, the external force exceeds 1G and 30G or less.
・ External force 30G ~ 120G when the pore size is 500μm ~ 200μm,
-When the pore diameter is 200 μm to 50 μm, the external force is 120 G to 200 G.
このような条件を満たす場合、細胞の播種によりその活性が低下しないため特に好ましい。 When such conditions are satisfied, it is particularly preferable because the activity is not reduced by cell seeding.
1回外力をかけた場合に細胞が多孔性材料の片側に偏って播種される場合、多孔性材料をひっくり返し、複数回外力を加えることで、多孔質材料の細胞密度をより高めることが可能である。 When cells are seeded on one side of the porous material when an external force is applied once, it is possible to increase the cell density of the porous material by turning the porous material over and applying multiple external forces. It is.
本発明の播種方法により得られる、細胞を高密度に含む多孔性材料は、細胞を外力によ
り強制的に高密度で多孔性材料内に導入したにもかかわらず、細胞の機能は培養細胞と同等以上を維持している。従って、生体内に移植された場合にも、その臓器の一部の機能を十分に発揮することができる。
The porous material containing cells at a high density obtained by the seeding method of the present invention has the same functions as cultured cells even though the cells are forcibly introduced into the porous material at a high density by external force. The above is maintained. Therefore, even when transplanted in a living body, some functions of the organ can be fully exhibited.
移植部位としては、皮下、皮内、筋肉内、腹腔内などが例示される。 Examples of the transplant site include subcutaneous, intradermal, intramuscular and intraperitoneal.
例えば、肝実質細胞を多孔性材料に播種後、皮下、皮内、筋肉内、腹腔内等の適切な生体内部位に移植した場合、アルブミン等のタンパク質・酵素の産生や各種物質代謝などの機能を発揮することができる。また、インシュリン産生細胞を播種した多孔性材料であれば、インシュリンの産生により血糖値を低下させることが可能である。 For example, when hepatocytes are seeded on a porous material and transplanted to appropriate in vivo sites such as subcutaneous, intradermal, intramuscular, intraperitoneal, etc., functions such as production of proteins and enzymes such as albumin and metabolism of various substances Can be demonstrated. Moreover, if it is a porous material which seed | inoculated the insulin producing cell, it is possible to reduce a blood glucose level by production of insulin.
肝細胞などの各種細胞をバラバラの培養細胞として、或いは細胞塊として移植したとしても、これらの細胞は周辺の組織に吸収されて、その機能を発揮させることはできない。 Even if various cells such as hepatocytes are transplanted as dissociated cultured cells or cell clusters, these cells are absorbed into surrounding tissues and cannot function.
一方、本発明のように、細胞を高密度で多孔性生体親和性材料に播種後に移植した場合には、細胞は周辺の組織と独立してその機能を長期間持続できるだけでなく、細胞数(細胞密度)が大きいため、十分な程度でその機能を発揮することができる。 On the other hand, when cells are transplanted after seeding in a porous biocompatible material at a high density as in the present invention, the cells can not only maintain their functions for a long time independently of the surrounding tissue, but also the number of cells ( Since the cell density is large, its function can be exhibited to a sufficient extent.
細胞を多孔性生体親和性材料の孔内に高密度で播種する手法により、細胞数の低減を実現するとともに、生体内での細胞の長期機能維持を実現した。
The technique of seeding cells in the pores of a porous biocompatible material at a high density has made it possible to reduce the number of cells and to maintain the long-term function of the cells in vivo.
実施例1
本発明の実施例1として、遠心操作によりラット肝細胞を高密度に含むラット肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体の作製方法、作製した複合体をモデル動物に移植後の結果について記述する。
1.細胞培養
肝実質細胞は、雄SDラット肝臓よりSeglenの方法に従い単離した。単離した肝実質細胞を、Williams E培地に10%ウシ胎児血清(以下FBSとする)、100 ng/mLアプロチニン、1 nM
インスリン、1 nMデキサメサゾン、50 U/mLペニシリンG、100μg/mLストレプトマイシン、50 ng/mLアンホテリシンBを加えたもの(IDSA培地)で懸濁した。細胞懸濁液を直径5
mm、高さ2 mm、平均孔径200 μmのハイドロキシアパタイトセラミックス上に、3X105個播種した。肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体を、37?C、5% CO2存在下I
DSA培地で6時間培養後、Williams E培地に10% FBS、50 U/mLペニシリンG、100μg/mLストレプトマイシン、50 ng/mLアンホテリシンBを加えた培地で培養した。培地交換は24時間おきにおこなった。
2.遠心操作を用いた細胞播種
肝細胞を高密度に充填するため、肝細胞懸濁液(2.5X106個/mL)5 mLの入った50 mL遠心
管にハイドロキシアパタイトセラミックスを4個入れ、遠心操作(50G、 1分)を三回お
こなった。この肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体を、37?C、5% CO2
存在下IDSA培地で6時間培養後、Williams E培地に10% FBS、50 U/mLペニシリンG、100
μg/mLストレプトマイシン、50 ng/mLアンホテリシンBを加えた培地で培養した。培地交換は24時間おきにおこなった。
培養6日目に解析したところ、この遠心操作によりハイドロキシアパタイトセラミックスに保持された細胞数は、遠心操作をおこなわなかったコントロールと比較して、セラミックス当たり約4倍であった(図1A)。
3.尿素合成活性測定
培養肝細胞による、尿素合成活性の測定は、培養開始後6日目に、肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体の培養系に1 mM 塩化アンモニウムを添加し、4時間後までに培養液中に生成される尿素量を定量することによりおこなった。評価は1時間に生成される尿素量をハイドロキシアパタイトセラミックス1個当たりに換算した。
Example 1
As Example 1 of the present invention, a method for preparing a rat hepatocyte / hydroxyapatite ceramics composite containing rat hepatocytes at high density by centrifugation and the results after transplanting the prepared composite to a model animal will be described.
1. Cell culture hepatocytes were isolated from male SD rat liver according to the method of Seglen. Isolated hepatocytes in Williams E medium with 10% fetal bovine serum (FBS), 100 ng / mL aprotinin, 1 nM
The suspension was suspended in insulin (1 nM dexamethasone, 50 U / mL penicillin G, 100 μg / mL streptomycin, 50 ng / mL amphotericin B) (IDSA medium). Cell suspension diameter 5
Three 3 × 10 5 seeds were seeded on hydroxyapatite ceramics having a height of 2 mm and an average pore diameter of 200 μm. Hepatocyte / hydroxyapatite ceramics composite, 37? C, in the presence of 5% CO 2 I
After culturing in DSA medium for 6 hours, it was cultured in Williams E medium supplemented with 10% FBS, 50 U / mL penicillin G, 100 μg / mL streptomycin, 50 ng / mL amphotericin B. The medium was changed every 24 hours.
2. Cell seeding using a centrifugal operation To fill the hepatocytes with high density, place 4 hydroxyapatite ceramics in a 50 mL centrifuge tube containing 5 mL of a hepatocyte suspension (2.5X10 6 cells / mL) and perform the centrifugation. (50G, 1 minute) was performed three times. Is this hepatocyte / hydroxyapatite ceramic composite 37? C, 5% CO 2
Cultivate for 6 hours in IDSA medium in the presence of 10% FBS, 50 U / mL penicillin G, 100 in Williams E medium.
The cells were cultured in a medium supplemented with μg / mL streptomycin and 50 ng / mL amphotericin B. The medium was changed every 24 hours.
When analyzed on the 6th day of culture, the number of cells retained in the hydroxyapatite ceramics by this centrifugation operation was about 4 times per ceramic compared to the control in which the centrifugation operation was not performed (FIG. 1A).
3. Measurement of urea synthesis activity The measurement of urea synthesis activity using cultured hepatocytes was carried out by adding 1 mM ammonium chloride to the culture system of hepatocyte / hydroxyapatite ceramics complex on the 6th day after the start of culture, and culturing by 4 hours later. This was done by quantifying the amount of urea produced in the liquid. In the evaluation, the amount of urea produced per hour was converted to one per hydroxyapatite ceramic.
遠心操作によりハイドロキシアパタイトセラミックスに保持される肝細胞の数は、遠心操作をおこなわなかったコントロールと比較して4倍に増加したので、尿素合成活性もハイドロキシアパタイト1個当たり4倍になった(図1B)。
4.肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体の無アルブミンラットへの移植
遠心操作により作製した肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体を、37?C、5% CO2存在下IDSA培地で6時間培養後、この複合体をSDラット由来の雄の無アルブミ
ンラットの腹腔内に移植した。移植操作をおこなわなかった無アルブミンラットをコントロールに用いた。
5.血清アルブミン濃度測定法
前項4による移植後1、2、3週目に無アルブミンの尾静脈から採血し、抗ラットアルブミン抗体を用いたサンドイッチELISAにより、血清アルブミン濃度を定量した。
Since the number of hepatocytes retained in hydroxyapatite ceramics by centrifugation increased by a factor of 4 compared to the control without centrifugation, urea synthesis activity also increased by a factor of 4 per hydroxyapatite (Fig. 1B).
4). Transplantation of hepatocyte / hydroxyapatite ceramics composites into albumin-free rats 37? After culturing in an IDSA medium in the presence of C and 5% CO 2 for 6 hours, the complex was transplanted into the abdominal cavity of male albumin-free rats derived from SD rats. Albumin-free rats that were not transplanted were used as controls.
5. Serum albumin concentration measurement method Blood was collected from the tail vein without albumin at 1, 2, and 3 weeks after transplantation according to the previous section 4, and the serum albumin concentration was quantified by sandwich ELISA using anti-rat albumin antibody.
移植後1、2、3週目の血清アルブミン濃度は、移植操作をおこなわなかったコントロールと比較して有意に高値を示した(図2)。このことは、少なくとも移植後3週目までは肝細胞が生体内で生存し、機能を果たしていたことを示している。
6.組織化学的解析
前項4による移植後3週目に無アルブミンラット腹腔内より肝細胞/ハイドロキシアパタイトセラミックス複合体を取り出した。この複合体を、10%ホルマリン溶液で固定し、
脱灰後に薄切切片を作製した。この切片をヘマトキシリン/エオジン溶液で染色後、光学顕微鏡で観察した。
Serum albumin concentrations at 1, 2, and 3 weeks after transplantation were significantly higher than those in the control without transplantation (FIG. 2). This indicates that hepatocytes survived and functioned in vivo at least until 3 weeks after transplantation.
6). Histochemical analysis The hepatocyte / hydroxyapatite ceramic composite was taken out from the abdominal cavity of the albumin-
Thin slices were prepared after decalcification. The sections were stained with a hematoxylin / eosin solution and then observed with an optical microscope.
移植後3週間目の複合体を観察したところ、ハイドロキシアパタイト孔内で肝細胞が生着していた。その孔内に明らかな血管新生が観察された(図3)。遠心操作によりハイドロキシアパタイト孔内に生着した肝細胞が、この新生血管による血流により、その生存と機能発現が可能となったものと推察された。 When the complex 3 weeks after transplantation was observed, hepatocytes were engrafted in the hydroxyapatite pores. Obvious angiogenesis was observed in the pores (FIG. 3). It was inferred that hepatocytes engrafted in hydroxyapatite pores by centrifugation were able to survive and develop functions due to blood flow through the new blood vessels.
Claims (10)
(1)ハイドロキシアパタイト、リン酸三カルシウム、カルシウム欠損型アパタ イト、非
晶質リン酸カルシウム、リン酸四カルシウム、リン酸八カルシウム 、フッ素化アパタイト、炭酸アパタイト、炭酸カルシウム、ピロリン酸カル シウム、モネタイト、生体内でリン酸カルシウム類を吸着することができる 無機化合物を包含するセラミックス系材料;
(2)コラーゲン、ゼラチン、キチン、キトサン、グリコサミノグリカン、ヒア ルロン酸
、コンドロイチン硫酸、フィブリン、アルギン酸、フィブロイン、 デンプン、ペクチン、ペクチン酸、アガロース並びにこれらの部分分解物、 酸化物、アルキレンオキシド付加物、カルボキシメチル化物及び架橋体を包 含する天然高分子;及び
(3)ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、ポリメタクリル酸メチ ル、メタ
クリル酸エステル系ポリマー、シリコーン樹脂、ポリ乳酸、ポリグ リコール酸、ポリε−カプロラクトンなどの生体吸収性高分子の単独重合体 又は共重合体を包含する合成高分子;
からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1に記載の方法。 The biocompatible material is
(1) Hydroxyapatite, tricalcium phosphate, calcium deficient apatite, amorphous calcium phosphate, tetracalcium phosphate, octacalcium phosphate, fluorinated apatite, carbonate apatite, calcium carbonate, calcium pyrophosphate, monetite, raw Ceramic materials including inorganic compounds that can adsorb calcium phosphates in the body;
(2) Collagen, gelatin, chitin, chitosan, glycosaminoglycan, hyaluronic acid, chondroitin sulfate, fibrin, alginic acid, fibroin, starch, pectin, pectic acid, agarose and their partial degradation products, oxide, alkylene oxide addition Natural polymers including products, carboxymethylates and cross-linked products; and
(3) Homopolymers or copolymers of bioabsorbable polymers such as polyvinyl alcohol, polyethylene glycol, polymethacrylic acid methyl, methacrylic acid ester polymer, silicone resin, polylactic acid, polyglycolic acid, polyε-caprolactone A synthetic polymer comprising:
The method according to claim 1, wherein the method is at least one selected from the group consisting of:
以下である請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 The external force that introduces cells into the pores of the porous biomaterial is greater than 1G (G is the acceleration of gravity), and 200G
The method according to claim 1, wherein:
である請求項1〜5のいずれかに記載の方法。 The porosity of the porous biocompatible material is 20% to 95%, and the pore diameter range is 50 μm to 600 μm.
The method according to any one of claims 1 to 5.
%〜65%のとき外力1G超かつ30G以下、気孔率65%〜40%のとき外力30G〜120G、気孔率40%〜2
0%のとき外力120G〜200Gである請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 The porosity and external force conditions when cells are effectively seeded on the porous biocompatible material are: porosity 95
When external force is more than 1G and 30G or less when% to 65%, external force is 30G to 120G when porosity is 65% to 40%, porosity is 40% to 2
The method according to claim 1, wherein the external force is 120 G to 200 G when 0%.
0 μm〜500 μmのとき外力1G超かつ30G以下、気孔径500 μm〜200 μmのとき外力30G〜12
0G、気孔径200 μm〜50 μmのとき外力120G〜200Gである請求項1〜6のいずれかに記載
の方法。 The pore diameter and external force conditions when cells are effectively seeded on the porous biocompatible material are: pore diameter 60
External force over 1G and 30G or less when 0 μm to 500 μm, external force 30G to 12 when pore diameter is 500 μm to 200 μm
The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the external force is 120G to 200G when the pore size is 0 G and the pore diameter is 200 µm to 50 µm.
A transplantation method comprising transplanting a porous biomaterial into which pores obtained by the method according to any one of claims 1 to 9 are introduced into a human or a mammal.
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- 2003-07-23 JP JP2003277949A patent/JP2005040060A/en active Pending
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