JP2011041472A - Spheroid for cell transplantation treatment composed of cell mixture and method for preparing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】臨床へ効率的かつ実質的に利用可能な、細胞混合物からなる細胞移植治療用スフェロイド、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】軟骨様組織として形質発現している細胞混合物からなる、細胞移植治療用スフェロイド。
【選択図】図10To provide a spheroid for cell transplantation treatment comprising a cell mixture, which can be effectively and substantially used clinically, and a method for producing the same.
A spheroid for cell transplantation treatment comprising a mixture of cells expressed as cartilage-like tissue.
[Selection] Figure 10
Description
本発明は、軟骨組織、骨組織の生物学、医学等の分野において使用するための細胞混合物からなる細胞移植治療用スフェロイド、及びその作製方法に関する。本発明においては、軟骨様組織として形質発現している細胞混合物を構成しうる各細胞材料を分離準備し、分離された各細胞を継代培養して増殖させた後、1種もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、それを振とう培養することによって、細胞同士が相互接着した細胞混合物を作製し、細胞移植治療のための細胞スフェロイドを分離する。分離された細胞移植治療用スフェロイドは、損傷患部に移動して細胞移植治療を行うことができる。 The present invention relates to a spheroid for cell transplantation treatment comprising a cell mixture for use in the fields of cartilage tissue, bone tissue biology, medicine, and the like, and a method for producing the same. In the present invention, each cell material that can constitute a cell mixture that is expressed as a cartilage-like tissue is prepared for separation, and each separated cell is subcultured and expanded, and then one or more types are prepared. Cell spheroids for cell transplantation treatment by preparing a cell suspension by shaking or culturing the cells in a culture solution alone or mixed, and then culturing them by shaking. Isolate. The separated spheroids for cell transplantation treatment can be moved to the damaged area and subjected to cell transplantation treatment.
日本、韓国及び欧米の国等は既に高齢化社会を迎え、平均寿命も世界最高水準となっている。人々の希望は単なる延命よりも、より良く健康に生きるというクオリティー・オブ・ライフ(QOL)に重点が置かれるようになってきた。その中で注目される1つに運動機能障害が上げられる。運動機能障害の原因となる関節炎にはさまざまな疾患が含まれるが、アメリカにおいては2002年に実に7,000万人以上の患者が何らかの関節炎、あるいは慢性の関節症状を訴えて受診している。これは成人3人に1人に達し、更に2020年までに倍増することが予想されている。日常生活の不具合を生じる割合は心疾患に次いで第2位であり、1年に862億ドルもの医療費がかかっている。また、高齢化社会で最も頻繁に遭遇する変形性膝関節症は主要な原因の1つであり、東京大学22世紀医療センターの調査でも日本だけで2,400万人に上ると推察されている。日本でも患者は多く、45〜65歳で30%、65歳以上では63〜85%の有病率となり、毎年90万人の新規患者が発生すると考えられている。変形性関節症等を代表とする運動器疾患は、臓器の疾患と異なり直接生命を脅かすことは少ないものの、人間の手足の自由を奪い、そのQOLを著しく低下させる。これらの運動器疾患は今後の高齢化によってますます増加することが予測され、このような障害による人的、社会的損失は極めて大きいものである。 Japan, South Korea, and countries in Europe and the United States have already entered an aging society, and the average life expectancy is at the highest level in the world. People's hope has come to focus on the quality of life (QOL) of living better and healthier than just prolonging life. One of the attentions is motor dysfunction. Arthritis that causes motor dysfunction includes various diseases, but in the United States, over 70 million patients in the United States complained of some arthritis or chronic joint symptoms in 2002. This is expected to reach 1 in 3 adults and double by 2020. It is the second most common cause of problems in daily life after heart disease, and costs 86.2 billion dollars a year. The most common cause of knee osteoarthritis in an aging society is one of the main causes, and it is estimated that there are 24 million people in Japan alone in a survey conducted by the University of Tokyo's 22nd Century Medical Center. . There are many patients in Japan, with a prevalence of 30% at the age of 45 to 65 and 63 to 85% at the age of 65 and over, and it is believed that 900,000 new patients occur each year. Unlike organ diseases, musculoskeletal diseases such as osteoarthritis deprive human limbs and reduce their QOL significantly. These musculoskeletal diseases are expected to increase with the aging of the future, and human and social losses due to such disabilities are extremely large.
これらの運動器疾患の大部分は軟骨組織、骨組織が炎症、あるいは損傷を受けることが原因となっている。現在、重度の疾患の場合、金属と超高分子量のポリエチレンとからなる人工関節がその治療に用いられている。しかしながら、埋め込み後10年以上経過すると摩耗し、磨耗粉により種々の望ましくない生体反応が引き起こされるようになることから適用患者に制限がある。これらの問題を解決するため耐磨耗性を向上させる研究が行われているが、耐磨耗性において限界が予測される。新たな解決方法として近年、細胞を生体外で培養し、培養した細胞もしくは組織を患者に適用する技術が数多く報告されつつある。この場合、細胞もしくは組織は単独もしく1種、もしくは2種以上の生体親和性材料又は生体吸収性材料の人工バイオマテリアルで形成された組織再生用基材のスキャホールド、もしくは培養液又は運搬用溶液等の溶液と同時に構築される構造物として利用され、自己治癒能力により生体内で組織を再生させる技術である組織工学技術・再生医療を利用した軟骨組織、骨組織の治療が注目されている。この治療方法は患部に培養した軟骨細胞又は骨細胞、及びそれより作り出した軟骨組織、骨組織を移植する方法が考えられている。 Most of these musculoskeletal diseases are caused by inflammation or damage of cartilage tissue and bone tissue. Currently, in the case of severe diseases, artificial joints made of metal and ultra-high molecular weight polyethylene are used for the treatment. However, there is a limit to the application patient because it wears after 10 years or more after implantation and various undesirable biological reactions are caused by the abrasion powder. In order to solve these problems, studies have been made to improve the wear resistance, but a limit is predicted in the wear resistance. In recent years, a number of techniques for culturing cells in vitro and applying the cultured cells or tissues to patients have been reported as new solutions. In this case, the cells or tissues may be used alone, or one or two or more biocompatible materials or scaffolds for tissue regeneration formed of artificial biomaterials made of bioabsorbable materials, or a culture solution or transportation. The treatment of cartilage tissue and bone tissue using tissue engineering technology and regenerative medicine, which is used as a structure constructed at the same time as a solution such as a solution and regenerates the tissue in vivo by self-healing ability, has attracted attention. . As a method for this treatment, a method of transplanting cartilage cells or bone cells cultured in the affected area, and cartilage tissue and bone tissue produced therefrom is considered.
1994年に、Brittbergらが関節の非過重部より関節軟骨組織を採取し、単離した軟骨組織細胞を培養し過重部の骨軟骨全層欠損部に移植する治療法(自家軟骨細胞移植術、Autologous Chondrocyte Implantation)を報告(Brittbergら、New England Journal of Medicine, 331 (14), 889(1994))して以来、1997年にFDAに認可され、ビジネス化され全世界ですでに2万例以上の症例に施行された実績がある。2〜10年経過の219例の中長期成績は良好で89%に機能改善が認められた(Peterson L、6th Annu. Meet., American Academic Orthopaedic Surgery (1998))。一方で、2002年には移植後の細菌感染による死亡事例の報告があり、またCDCの調査では41例の術後感染例が見つかったため、日本でも厚生労働省健康局から日本整形外科学会にこれらの事例の情報提供があり、慎重に扱われるべき問題点もあることを再認識させられた。また、この方法においても、高齢者に多発する広範な軟骨組織、骨組織の変性と部分欠損を伴う変形性関節症の治療には利用できるものではなく、改善することが求められていた。 In 1994, Brittberg et al. Collected articular cartilage tissue from the non-overweight part of the joint, cultured the isolated cartilage tissue cell, and transplanted it into the osteochondral full thickness defect part of the overweight part (autologous chondrocyte transplantation, Autologous Chondrocyte Implantation) (Brittberg et al., New England Journal of Medicine, 331 (14), 889 (1994)) has been approved by the FDA in 1997, has been commercialized, and over 20,000 cases worldwide Has been implemented in a number of cases. The mid- to long-term results of 219 cases after 2 to 10 years were good, and 89% showed functional improvement (Peterson L, 6th Annu. Meet., American Academic Orthopaedic Surgery (1998)). On the other hand, there were reports of death cases due to bacterial infection after transplantation in 2002, and 41 postoperative infection cases were found in the CDC survey. I was reminded that there are case examples and there are some issues that should be treated carefully. In addition, this method cannot be used for the treatment of osteoarthritis with a wide range of cartilage tissue and bone tissue degeneration and partial defects that frequently occur in the elderly, and has been demanded to be improved.
国内でも非過重部の関節軟骨から単離した軟骨細胞や骨髄由来間葉系幹細胞を用いて組織工学的に軟骨組織を作製し、骨軟骨全層欠損例に対しては臨床応用が開始されている。しかしなから、これらの臨床応用例は外傷性の骨軟骨損傷や離断性骨軟骨炎であり、軟骨欠損範囲がもともと小さな症例の適応だけに限られていた(特願2001−384446(特開2003−180819号公報)、特願2002−216561(特開2003−111831号公報)、特願2003−358118(特開2004−136096号公報)。現状では、人工関節置換術の治療成績が安定しているために、広範な軟骨組織、骨組織の変性と部分欠損を伴う変形性関節症の治療には踏み込めていないといえる。また、これらの技術の殆どが、培養細胞から産生された以外のタンパク質、糖類あるいは人工バイオマテリアルのスキャホールドを必須とする技術であり、これらのスキャホールドの自体が引き起こす異物反応や不良な生体内適合性等の生体への影響も問題に取り上げられつつあり、実際上臨床適用が容易ではないという問題点がある。そのため、そのようなスキャホールドの使用を最大限に制限する技術の開発が切望されている。 In Japan, chondrocytes were produced by tissue engineering using chondrocytes isolated from non-overweight articular cartilage and bone marrow-derived mesenchymal stem cells. Yes. However, these clinical application examples are traumatic osteochondral injury and isolated osteochondritis, and the range of cartilage defect was originally limited to only small cases (Japanese Patent Application No. 2001-384446 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-384446)). No. 2003-180819), Japanese Patent Application No. 2002-216561 (Japanese Patent Laid-Open No. 2003-111831), Japanese Patent Application No. 2003-358118 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-136096) Currently, the treatment results of artificial joint replacement are stable. Therefore, it cannot be said that it has entered into the treatment of osteoarthritis with extensive cartilage and bone tissue degeneration and partial defects, and most of these technologies other than those produced from cultured cells. This technology requires scaffolding of proteins, sugars or artificial biomaterials. The effects on the living body such as in-vivo compatibility are being taken up as problems, and there is a problem that clinical application is not easy in practice. Development is anxious.
一方、変形性関節症の治療を基礎研究の面から真摯に取り組んでいるHunzikerらは、変形性関節症の病態を軟骨の変性と軟骨下骨には達しない部分欠損にあることに着目し、関節軟骨部分欠損モデルを用いて基礎研究を行っているが、この際、軟骨の修復、再生の中心的な役割は軟骨細胞ではなく滑膜由来細胞であることを見出している(Hunzikerら、The Journal of Bone and Joint Surgery, 78-A, 721 (1996))。しかしながら、この技術も、治療可能な範囲が狭い点で実用性に乏しいものであるため、ここでの議論も変形性関節症の治療に直結するようなものではなく、広範囲な骨軟骨部分欠損に対する早期の治療技術の確立が切望されていた。 On the other hand, Hunziker et al. Who are seriously working on the treatment of osteoarthritis focusing on the fact that osteoarthritis is caused by degeneration of cartilage and partial defects that do not reach the subchondral bone, We are conducting basic research using an articular cartilage partial defect model. At this time, we have found that the central role of cartilage repair and regeneration is not chondrocytes but synovial cells (Hunziker et al., The Journal of Bone and Joint Surgery, 78-A, 721 (1996)). However, since this technique is also not practical because it has a narrow range of treatment, the discussion here is not directly related to the treatment of osteoarthritis. The establishment of early treatment technology was eagerly desired.
生体各組織には成体幹細胞に存在が確認され、あらゆる組織由来には間葉系幹細胞の局在が解明しつつある。特にこの中で滑膜由来細胞や骨髄由来細胞では、軟骨細胞への分化能を保持する間葉系幹細胞を利用することで軟骨様組織として形質発現された組織に分化させて生体外及び生体内にて再構築に成功したという研究が数多く報告されつつある。成体幹細胞は生体を構成するあらゆる組織への分化・再生が可能であり、特に生体外で培養にて一般組織由来の体性細胞と比べ増殖能がはるかに高い。このような極めて高い増殖率を保有する間葉系幹細胞は、発生学的にも軟骨組織への分化にも有利である。一方、Sekiyaらは、滑膜由来細胞を利用し、生体外又は生体内の軟骨組織欠損部位の良好な軟骨組織の再生及び修復を確認している(Sekiyaら、Stem cell, 25, 689 (2007))。Chenらは、滑膜由来細胞を髄核細胞と共培養させた結果軟骨組織への分化を確認している(Chenら、Spine, 34−12, 1272 (2009))。Andererらは、軟骨組織への分化に通常の培養液を使用し、培養細胞から産生された以外の成長因子等のタンパク質を追加した軟骨分化誘導培地を使用せずに軟骨再生に成功している(Andererら、Journal of Bone and Mineral Research, 17−8, 1420 (2002))。 The existence of adult stem cells has been confirmed in each tissue, and the localization of mesenchymal stem cells is being elucidated from all tissues. In particular, synovial cells and bone marrow cells are differentiated into tissues expressed as cartilage-like tissues by using mesenchymal stem cells that retain the ability to differentiate into chondrocytes in vitro and in vivo. Many studies have been reported on successful reconstruction at. Adult stem cells can be differentiated and regenerated into all tissues constituting the living body, and have a much higher proliferation ability than cultured somatic cells derived from general tissues in vitro. Such mesenchymal stem cells possessing an extremely high proliferation rate are advantageous for developmental and differentiation into cartilage tissue. On the other hand, Sekiya et al. Have confirmed good regeneration and repair of cartilage tissue defect sites in vitro or in vivo using synovial cells (Sekiya et al., Stem cell, 25, 689 (2007). )). Chen et al. Have confirmed differentiation into cartilage tissue as a result of co-culture of synovial cells with nucleus pulposus cells (Chen et al., Spine, 34-12, 1272 (2009)). Anderer et al. Succeeded in cartilage regeneration without using cartilage differentiation-inducing medium supplemented with proteins such as growth factors other than those produced from cultured cells using normal culture medium for differentiation into cartilage tissue (Anderer et al., Journal of Bone and Mineral Research, 17-8, 1420 (2002)).
これらの研究結果を考慮して、間葉系幹細胞を細胞混合物の細胞移植治療用スフェロイドの作製に使用する材料として選択した。特に、通常の細胞培養条件下でも間葉系幹細胞の高度な増殖能を示し、軟骨組織への容易な分化能を保有することは、短期間以内に所定の目的とした量の細胞移植治療用スフェロイドの作製が可能になる。一方、今までの開発の軟骨もしくは骨欠損部修復のための生体外にて準備され移植可能な細胞もしくは組織又は、組織工学技術・再生医療を利用した軟骨組織、骨組織は、殆ど1種類からなるものが主流であった。 In view of these research results, mesenchymal stem cells were selected as a material to be used for the preparation of spheroids for cell transplantation treatment of cell mixtures. In particular, the ability to proliferate mesenchymal stem cells under normal cell culture conditions and the ability to easily differentiate into cartilage tissue is intended for cell transplantation treatments of a predetermined target amount within a short period of time. Spheroids can be produced. On the other hand, cells and tissues that have been prepared and transplanted in vitro for repairing cartilage or bone defects, or cartilage tissue and bone tissue using tissue engineering technology / regenerative medicine have been developed from almost one type. That was the mainstream.
本発明者は、臨床へ効率的かつ実質的に利用可能な、細胞混合物からなる細胞移植治療用スフェロイド、及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とした。 This inventor made it the subject which should be solved to provide the spheroid for cell transplantation treatment which consists of a cell mixture which can be utilized efficiently and substantially to clinical, and its manufacturing method.
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討し、軟骨様組織として形質発現している細胞移植治療用スフェロイドを構成する各細胞材料を分離準備し、分離された各細胞を継代培養して増殖させた後、1種もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、これを振とう培養することによって、細胞同士を相互接着させた細胞混合物を作製し、このようにして作製された細胞スフェロイドを細胞移植治療のために分離することによって、細胞移植治療用スフェロイドを作製することに成功した。本発明の細胞移植治療用スフェロイドは、細胞移植治療のために使用でき、さらに化合物、薬剤又は毒物などの薬効や毒性などの生理作用を評価するためのシステムとしても使用することができる。本発明においては、細胞移植治療用スフェロイドを構成する各細胞材料が、軟骨細胞の単独使用のみならず、高度な増殖能を示し、軟骨組織への容易な分化能を保有する任意の幹細胞もしくは軟骨前駆細胞等を利用することによっても、軟骨様組織として形質発現された細胞移植治療用スフェロイドを大量準備することが可能となり、高齢者に多発する広範囲な骨軟骨損傷や損傷の程度が軟骨組織表層から軟骨下骨まで到達しない部分欠損等に対する治療技術の確立において極めて有用である細胞移植治療用スフェロイドが提供される。 The present inventors diligently studied to solve the above-mentioned problems, prepared to separate each cell material constituting a spheroid for cell transplantation that is expressed as a cartilage-like tissue, and subcultured each separated cell. After one or two or more types of cells were grown in a single or mixed manner in a culture solution, a cell suspension was prepared, and the cells were attached to each other by culturing with shaking. The present inventors have succeeded in producing a spheroid for cell transplantation treatment by preparing a cell mixture and separating the thus produced cell spheroid for cell transplantation treatment. The spheroids for cell transplantation treatment of the present invention can be used for cell transplantation treatments, and further can be used as a system for evaluating physiological effects such as pharmacological effects and toxicity of compounds, drugs or toxicants. In the present invention, each cell material constituting the spheroid for cell transplantation treatment is not only a single use of chondrocytes, but also shows any proliferating ability and any stem cell or cartilage having an ability to easily differentiate into cartilage tissue. It is also possible to prepare a large amount of spheroids for cell transplantation expressed as cartilage-like tissue by using progenitor cells, etc., and the extent of extensive osteochondral damage and damage that occurs frequently in elderly people is the surface layer of cartilage tissue The present invention provides a spheroid for cell transplantation treatment that is extremely useful in establishing a treatment technique for partial defects that do not reach the subchondral bone from the end.
即ち、本発明によれば以下の発明が提供される。
[1] 軟骨様組織として形質発現している細胞混合物からなる、細胞移植治療用スフェロイド。
[2] 細胞混合物が、軟骨細胞、軟骨前駆細胞、滑膜由来細胞、滑膜幹細胞、骨芽細胞、骨髄由来細胞、生体幹細胞又は間葉系幹細胞、脂肪由来細胞、脂肪由来幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、あるいは分化細胞の初期化により獲られる誘導多能性幹細胞(iPS細胞)から選ばれる1種又は2種以上の細胞の混合物である、[1]に記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[3] 細胞混合物が、自家、同種もしくは異種の組織から由来した細胞の混合物である、[1]又は[2]に記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[4] 細胞混合物の大きさが50から999μmである、[1]から[3]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[5] 軟骨組織の一部又は全部を損傷又は欠損した患部、あるいは骨組織の一部を損傷又は欠損した患部に移植するために使用する、[1]から[4]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[6] 軟骨組織が、関節軟骨、半月板、椎間板、肋軟骨、鼻中隔、又は耳介軟骨である、[5]に記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[7] 関節炎、関節症、軟骨損傷、骨軟骨損傷、半月板損傷、椎間板変性、又は変形性関節症の治療のために使用される、[1]から[6]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイド。
[8] 被験物質の薬効又は毒性を評価するために使用する、[1]に記載の細胞移植治療用スフェロイド。
That is, according to the present invention, the following inventions are provided.
[1] A spheroid for cell transplantation treatment comprising a mixture of cells expressed as cartilage-like tissue.
[2] The cell mixture is chondrocyte, cartilage progenitor cell, synovial cell, synovial stem cell, osteoblast, bone marrow derived cell, living stem cell or mesenchymal stem cell, adipose derived cell, adipose derived stem cell, embryonic stem cell (ES cell) or a spheroid for cell transplantation treatment according to [1], which is a mixture of one or more cells selected from induced pluripotent stem cells (iPS cells) obtained by reprogramming differentiated cells .
[3] The spheroid for cell transplantation according to [1] or [2], wherein the cell mixture is a mixture of cells derived from autologous, allogeneic or heterogeneous tissues.
[4] The spheroid for cell transplantation according to any one of [1] to [3], wherein the size of the cell mixture is 50 to 999 μm.
[5] The method according to any one of [1] to [4], which is used for transplanting a part or all of cartilage tissue to an affected part damaged or missing, or a part of bone tissue damaged or missing. Spheroids for cell transplantation treatment.
[6] The spheroid for cell transplantation according to [5], wherein the cartilage tissue is articular cartilage, meniscus, intervertebral disc, costal cartilage, nasal septum, or auricular cartilage.
[7] The cell according to any one of [1] to [6], which is used for the treatment of arthritis, arthropathy, cartilage injury, osteochondral injury, meniscal injury, intervertebral disc degeneration, or osteoarthritis. Spheroids for transplantation treatment.
[8] The spheroid for cell transplantation according to [1], which is used for evaluating the efficacy or toxicity of a test substance.
[9] 下記の工程(1)から(4)を含む、細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
(1)細胞混合物を構成する1種又は2種以上の細胞を分離準備する工程;
(2)工程(1)で分離された細胞を継代培養して増殖させる工程;
(3)工程(2)で増殖させた1種又は2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、細胞を高密度の浮遊状態に維持して培養することによって、細胞同士を相互接着させた細胞混合物を作製する工程;及び
(4)工程(3)で製造された細胞スフェロイドを分離する工程:
[10] 工程(1)において分離準備される細胞が、軟骨細胞、軟骨前駆細胞、滑膜由来細胞、滑膜幹細胞、骨芽細胞、骨髄由来細胞、生体幹細胞又は間葉系幹細胞、脂肪由来細胞、脂肪由来幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、あるいは分化細胞の初期化により獲られる誘導多能性幹細胞(iPS細胞)から選ばれる1種又は2種以上の細胞である、[9]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[11] 工程(1)において、対象組織をチョッピングして細切し、粉砕した後、蛋白分解酵素で処理して細胞を単離する、[9]又は[10]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[12] 対象組織は、凹形の底が設けられ、細切行為中に切断されたとき、対象組織が位置する受容する機材から飛散して離れることができない程度の長さの側壁部を持つ容器の中の底部中に位置させ、前記容器の側面部の長軸より長い手術用の曲刃を利用してチョッピングする、[11]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[13] 対象組織は、蛋白分解酵素で処理するとき、37℃、5%CO2の条件下で電磁スターラーを用いて攪拌しながら消化させる、[11]又は[12]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[14] 工程(2)において、細胞が軟骨細胞及び軟骨前駆細胞である場合には、継代培養の回数が3回以下である、[9]から[13]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[15] 工程(3)において、細胞を高密度の浮遊状態に維持した培養が、人為的な操作から起因する持続的な反復運動から起きる培養液の流動により、各細胞は培養容器の底部に留まらず、培養液中に浮く懸濁状態を、振とう培養期間中に維持できる振とう培養である、[9]から[14]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[16] 振とう培養を1〜7日間行う、[15]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[9] A method for producing a spheroid for cell transplantation treatment, comprising the following steps (1) to (4).
(1) A step of preparing for separation of one or more cells constituting the cell mixture;
(2) a step of subculturing and proliferating the cells isolated in step (1);
(3) One or two or more types of cells grown in step (2) are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell suspension, and the cells are maintained in a high-density floating state and cultured. A step of producing a cell mixture in which cells are adhered to each other; and (4) a step of separating the cell spheroids produced in step (3):
[10] The cells prepared for separation in step (1) are chondrocytes, cartilage precursor cells, synovial cells, synovial stem cells, osteoblasts, bone marrow derived cells, living stem cells or mesenchymal stem cells, adipose derived cells [9], one or more cells selected from adipose-derived stem cells, embryonic stem cells (ES cells), or induced pluripotent stem cells (iPS cells) obtained by reprogramming differentiated cells Of producing spheroids for cell transplantation treatment.
[11] For cell transplantation treatment according to [9] or [10], in step (1), the target tissue is chopped and chopped, pulverized, and then treated with a protease to isolate cells. A method for producing spheroids.
[12] The target tissue is provided with a concave bottom, and has a side wall that is long enough to scatter away from the receiving equipment where the target tissue is located when cut during shredding. The method for producing a spheroid for cell transplantation according to [11], wherein the spheroid is placed in the bottom of the container and chopped by using a curved blade for operation longer than the long axis of the side surface of the container.
[13] The cell transplantation treatment according to [11] or [12], wherein the target tissue is digested with stirring using an electromagnetic stirrer under conditions of 37 ° C. and 5% CO 2 when treated with a protease. For producing spheroids.
[14] The cell transplant according to any one of [9] to [13], wherein in the step (2), when the cells are chondrocytes and cartilage precursor cells, the number of subcultures is 3 or less. A method for producing therapeutic spheroids.
[15] In the step (3), when the culture in which the cells are maintained in a high-density floating state is caused by the flow of the culture solution resulting from the continuous repetitive motion resulting from the artificial manipulation, each cell is placed at the bottom of the culture vessel. The method for producing a spheroid for cell transplantation treatment according to any one of [9] to [14], wherein the suspension is a suspension culture that can maintain a suspended state in a culture solution without remaining, during the period of shaking culture.
[16] The method for producing a spheroid for cell transplantation according to [15], wherein the shaking culture is performed for 1 to 7 days.
[17] 振とう培養における細胞懸濁液の細胞密度が、1×104個/mlから3,000×104個/mlである、[15]又[16]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[18] 工程(3)において、細胞懸濁液が、振とう培養の際に、細胞同士の良好な相互接着、細胞スフェロイド形成効率の向上、及び移植に適合な軟骨様組織へ形質発現の強化による治療効果の極大化のための1種又は2種以上のマイクロキャリアを含有する、[9]から[17]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[19] マイクロキャリアが、細胞懸濁液の中の細胞同士の相互接着を促すための分子であり、各細胞と前記マイクロキャリア同士に対する互いの良好な付着性が保持される、[18]8に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[20] マイクロキャリアが、コラーゲン、コラーゲン誘導体、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸誘導体、ラブリシン(Lubricin)、ムチン(Mucin)、キトサン、キトサン誘導体、ポリロタキサン、ポリロタキサン誘導体、キチン、キチン誘導体、ウレタン、セルロース、アガロース、ゼラチン、フィブロネクチン、フィブリン、多血小板血漿、ヘパリン、ヘパリン誘導体、フラグミン(Fragmin、一般名:ダルテパリンナトリウム[Dalteparin sodium])、硫酸プロタミン(Protamine sulfate)、Avidin、Streptavidin、Biotin、ラミニン、2−Octyl Cyanoacryleate、アルギン酸カルシウム、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸ポリグリコール酸共重合体、ポリ乳酸ポリカプロラクトン共重合体及びポリグリコール酸ポリカプロラクトン共重合体からなる群より選ばれる1種又は2種以上の生体親和性材料又は生体吸収性材料で形成されている、[18]又は[19]に記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[21] 工程(3)において、細胞を高密度の浮遊状態に維持して培養することによって、細胞同士を相互接着させた1次細胞スフェロイドを作製し、次いで前記1次細胞スフェロイドを中心として更に追加の1種もしくは2種以上の細胞を培養液中に混合して細胞懸濁液を準備し、続いて培養することによって、前記1次細胞スフェロイドと前記追加の細胞を相互接着させた2次細胞スフェロイドを作製する、[9]から[20]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[22] 工程(3)で用いる培養液が、軟骨分化誘導培地である、[9]から[21]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[23] 工程(4)において、細胞スフェロイドが、内視鏡又は関節鏡下手術に使用可能な形状とされる、[9]から[22]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[24] 細胞移植治療用スフェロイドの作製過程が14日以内である、[9]から[23]の何れかに記載の細胞移植治療用スフェロイドの作製方法。
[17] The cell transplantation treatment according to [15] or [16], wherein the cell density of the cell suspension in the shaking culture is 1 × 10 4 cells / ml to 3,000 × 10 4 cells / ml. A method for producing spheroids.
[18] In the step (3), when the cell suspension is subjected to shaking culture, the cells are favorably adhered to each other, the cell spheroid formation efficiency is improved, and the expression of the phenotype to a cartilage-like tissue suitable for transplantation is enhanced. The method for producing a spheroid for cell transplantation treatment according to any one of [9] to [17], which comprises one or more microcarriers for maximizing the therapeutic effect due to.
[19] A microcarrier is a molecule for promoting mutual adhesion between cells in a cell suspension, and maintains good adhesion between each cell and the microcarrier. [18] 8 A method for producing a spheroid for cell transplantation treatment according to 1.
[20] The microcarrier is collagen, collagen derivative, hyaluronic acid, hyaluronic acid derivative, rubricin, mucin, chitosan, chitosan derivative, polyrotaxane, polyrotaxane derivative, chitin, chitin derivative, urethane, cellulose, agarose, Gelatin, fibronectin, fibrin, platelet-rich plasma, heparin, heparin derivatives, Fragmin (generic name: dalteparin sodium), protamine sulfate, Avidin, Streptavidin, Biotin, laminin, 2-Octyl Cyanoacryleate , Calcium alginate, polylactic acid, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyglycolic acid, polycaprolactone, polylactic acid polyglycolic acid copolymer, [18] or [19] formed of one or more biocompatible materials or bioabsorbable materials selected from the group consisting of a polylactic acid polycaprolactone copolymer and a polyglycolic acid polycaprolactone copolymer ] The manufacturing method of the spheroid for cell transplantation treatment of description.
[21] In the step (3), primary cells spheroids in which cells are adhered to each other are produced by culturing the cells while maintaining the cells in a high-density floating state, and then further focusing on the primary cell spheroids. Secondary cells in which the primary cell spheroids and the additional cells are adhered to each other are prepared by mixing one or more types of cells in a culture solution to prepare a cell suspension and then culturing. The method for producing a spheroid for cell transplantation according to any one of [9] to [20], wherein a cell spheroid is produced.
[22] The method for producing a spheroid for cell transplantation according to any one of [9] to [21], wherein the culture solution used in the step (3) is a cartilage differentiation induction medium.
[23] Production of a spheroid for cell transplantation treatment according to any one of [9] to [22], wherein in the step (4), the cell spheroid is shaped to be usable for endoscopic or arthroscopic surgery. Method.
[24] The method for producing a spheroid for cell transplantation according to any one of [9] to [23], wherein the production process of the spheroid for cell transplantation is within 14 days.
本発明の細胞移植治療用スフェロイドにおいては、細胞混合物を構成する各細胞について、軟骨細胞を単独で使用するのみならず、1種もしくは2種以上の高度な増殖能を示し、軟骨組織への容易な分化能を保有するあらゆる種類の幹細胞もしくは軟骨前駆細胞等を利用することによって、軟骨様組織として形質発現された細胞移植治療用スフェロイドを大量に準備することが可能となる。本発明の細胞移植治療用スフェロイドは、高齢者に多発する広範囲な骨軟骨損傷や損傷の程度が軟骨組織表層から軟骨下骨まで到達しない部分欠損等に対する治療技術の確立において極めて有用である。さらに、本発明では、骨膜パッチを使用しないため、通常の自家軟骨移植術と比較して患者側の負担を減らすことができ、切開部を最小限に止めるため、手術侵襲も軽減できる。 In the spheroid for cell transplantation treatment of the present invention, each cell constituting the cell mixture not only uses a chondrocyte alone, but also exhibits one or more kinds of high proliferative ability, and can easily be applied to cartilage tissue. By using all kinds of stem cells or cartilage progenitor cells having a sufficient differentiation potential, it becomes possible to prepare a large amount of spheroids for cell transplantation expressed as cartilage-like tissue. The spheroid for cell transplantation treatment of the present invention is extremely useful in establishing a therapeutic technique for a wide range of osteochondral damage and partial defects that do not reach from the cartilage surface layer to the subchondral bone, which frequently occur in the elderly. Furthermore, in the present invention, since no periosteum patch is used, the burden on the patient side can be reduced compared to normal autologous cartilage transplantation, and the surgical invasion can be reduced because the incision is minimized.
一方、本発明者らは今まで組織工学的手法による軟骨再生に適した担体作製に関する研究、至適細胞外環境の構築に関する研究、組織工学的に作製した軟骨の同種移植による軟骨再生に関する研究、並びに人工材料のスキャホールドを使用しない軟骨細胞シート及び再生軟骨plateによる軟骨修復・再生に関する研究などの成果を得ている。これらの結果から、損傷を治療するためには、損傷部位への動員の間葉系幹細胞等の存在が必須条件で組織修復・再生に必要最小限の軟骨誘導イニシエーターとして、組織工学的軟骨成分の存在が重要であることを見出している。他方、上記した本発明者らの知見から考慮すると、前記の軟骨組織表層から軟骨下骨まで到達しない部分欠損は、多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有間葉系幹細胞の動員が少なく、結果組織修復・再生が十分ではない不完全な治療しか望めない場合が多い。本発明による滑膜由来、骨髄由来等の間葉系幹細胞と軟骨細胞を細胞混合物の細胞材料として作製した細胞移植治療用スフェロイドは、上記の条件を満たすため、良好な組織修復・再生の結果が期待できる。 On the other hand, the present inventors have so far conducted research on carrier production suitable for cartilage regeneration by tissue engineering techniques, research on construction of optimal extracellular environment, research on cartilage regeneration by allotransplantation of tissue engineering cartilage, In addition, they have obtained results such as research on cartilage repair and regeneration using a chondrocyte sheet and a regenerated cartilage plate that do not use a scaffold of artificial materials. From these results, in order to treat the injury, tissue engineering cartilage component as a minimal cartilage induction initiator necessary for tissue repair and regeneration under the condition that the presence of mesenchymal stem cells mobilized to the damaged site is essential. Has found that the existence of is important. On the other hand, considering the above findings of the present inventors, the partial defect that does not reach from the cartilage tissue surface layer to the subchondral bone has pluripotency and proliferative ability, and possesses the ability to easily differentiate into cartilage tissue. There are many cases where only incomplete treatment with insufficient mobilization of mesenchymal stem cells resulting in insufficient tissue repair and regeneration can be expected. The spheroids for cell transplantation prepared by using mesenchymal stem cells and chondrocytes derived from synovium, bone marrow, etc. as cell materials of the cell mixture according to the present invention satisfy the above-mentioned conditions, and therefore have good tissue repair / regeneration results. I can expect.
本発明は、軟骨様組織として形質発現している細胞混合物からなる、変形性関節症、関節炎、関節症、軟骨損傷、骨軟骨損傷、半月板損傷もしくは椎間板変性の治療のための細胞移植治療用スフェロイドに関する。 The present invention relates to a cell transplantation treatment for the treatment of osteoarthritis, arthritis, arthropathy, cartilage injury, osteochondral injury, meniscus injury or intervertebral disc degeneration comprising a cell mixture that is expressed as a cartilage-like tissue. It relates to spheroids.
本発明において、“細胞混合物”とは、軟骨様組織として形質発現された細胞移植治療用スフェロイドを意味するが、提供組織由来の軟骨細胞、軟骨前駆細胞、滑膜由来細胞、滑膜幹細胞、骨芽細胞、骨髄由来細胞、あらゆる組織由来の生体幹細胞又は間葉系幹細胞、脂肪由来細胞、脂肪由来幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、あらゆる分化細胞を初期化した誘導多能性幹細胞胚性幹細胞(iPS細胞)等のようにES細胞と同様な多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有する細胞等の損傷患部に移植することで治療効果がある1種もしくは2種以上の細胞が混合された細胞混合物であってもよい。これは、多能性を有する細胞は未分化細胞のため、移植後、移植先の生体組織に応じた細胞へと分化することが予測されるからである。細胞混合物は、拒絶反応や倫理的問題のない理想的細胞移植のため自家組織由来の細胞であることが好ましいが、軟骨組織は正常状態では血管、神経、リンパ管が分布しておらず、白血球等の炎症細胞の侵入が不可能であるため、移植のとき、免疫拒絶反が引き起こりにくい低免疫原性を示し免疫特権を保有する組織として知られていることから同種もしくは異種の組織から由来した細胞又はこれらの2種以上の細胞であってよい。 In the present invention, the “cell mixture” means a spheroid for cell transplantation expressed as a cartilage-like tissue, and includes a chondrocyte, a cartilage precursor cell, a synovial cell, a synovial stem cell, a bone derived from a donor tissue Blast cells, bone marrow-derived cells, living tissue stem cells or mesenchymal stem cells derived from any tissue, adipose-derived cells, adipose-derived stem cells, embryonic stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells with all differentiated cells embryonic stem cells One type that has therapeutic effects when transplanted into an affected area such as a cell that has the same pluripotency and proliferative ability as ES cells, such as (iPS cells), and has the ability to easily differentiate into cartilage tissue Alternatively, it may be a cell mixture in which two or more types of cells are mixed. This is because pluripotent cells are undifferentiated cells, and therefore, after transplantation, it is predicted to differentiate into cells corresponding to the transplanted living tissue. The cell mixture is preferably an autologous tissue-derived cell for ideal cell transplantation without rejection or ethical problems, but the cartilage tissue is normally free from blood vessels, nerves, and lymph vessels, and white blood cells It is derived from the same or different types of tissues because it is known as a tissue with low immunogenicity and immune immunity that is unlikely to cause immune rejection during transplantation because invasion of inflammatory cells such as is impossible Or two or more of these cells.
本発明において、細胞混合物の細胞移植治療用スフェロイドは、そのサイズが50から999μm範囲のものを治療に用いるのが好ましい。細胞移植治療用スフェロイドのサイズが約600μm程度のものが好ましいが、これは一般の体性細胞からなるスフェロイドは、その中心からスフェロイドの表層までの距離が300μm程度までが通常の培養条件下で気体及び栄養分の拡散がより円滑にでき、細胞スフェロイドの生体外にての寿命が延長でき、増殖促進することで移植物の本来の機能を発揮するのにさらに有益に働くためである。比較的に厚みの薄い細胞混合物のスフェロイドは、気体及び栄養分の拡散がより円滑にでき、移植物の寿命が延長でき、軟骨様組織として形質発現を維持できることで細胞スフェロイドの本来の機能を発揮するのにさらに有益に働くためである。他方、軟骨組織は正常では多くは軟骨細胞から分泌される細胞外基質であり、その中の軟骨細胞は数%に過ぎない。さらに、代謝が極めて低く軟骨細胞は、細胞混合物のスフェロイドの形状になると他の細胞と比べ、良好な気体及び栄養分の拡散が可能なスフェロイドの中心からスフェロイドの表層までの距離が300μmより長いと予測されるが、999μmより小さいものが好ましい。 In the present invention, the spheroid for cell transplantation treatment of a cell mixture preferably has a size in the range of 50 to 999 μm for treatment. The size of spheroids for cell transplantation treatment is preferably about 600 μm, but this is because spheroids composed of general somatic cells are gas under normal culture conditions up to a distance of about 300 μm from the center to the surface layer of the spheroids. In addition, the diffusion of nutrients can be performed more smoothly, the life span of the cell spheroids in vitro can be extended, and the growth can be promoted to further beneficially exert the original function of the implant. Spheroids with a relatively thin cell mixture demonstrate the original function of cell spheroids by allowing more smooth diffusion of gases and nutrients, extending the life of the implant, and maintaining phenotypic expression as cartilage-like tissue This is because it works even more beneficially. On the other hand, cartilage tissue is normally an extracellular matrix secreted mostly from chondrocytes, and only a few percent of chondrocytes are contained therein. In addition, chondrocytes, which are extremely low in metabolism, are expected to have a longer distance from the center of the spheroid to the surface of the spheroid, which allows better gas and nutrient diffusion, than the other cells when in the form of spheroids in the cell mixture. However, those smaller than 999 μm are preferable.
本発明は、下記の工程(1)から(4)を含む、細胞移植治療用スフェロイドの作製方法に関する。
(1)細胞混合物を構成する1種又は2種以上の細胞を分離準備する工程;
(2)工程(1)で分離された細胞を継代培養して増殖させる工程;
(3)工程(2)で増殖させた1種又は2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、細胞を高密度の浮遊状態に維持して培養することによって、細胞同士を相互接着させた細胞混合物を作製する工程;及び
(4)工程(3)で製造された細胞スフェロイドを分離する工程:
The present invention relates to a method for producing a spheroid for cell transplantation treatment comprising the following steps (1) to (4).
(1) A step of preparing for separation of one or more cells constituting the cell mixture;
(2) a step of subculturing and proliferating the cells isolated in step (1);
(3) One or two or more types of cells grown in step (2) are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell suspension, and the cells are maintained in a high-density floating state and cultured. A step of producing a cell mixture in which cells are adhered to each other; and (4) a step of separating the cell spheroids produced in step (3):
本発明による作製方法の工程(1)では、細胞混合物を構成する各細胞材料を分離準備する。まず、細胞混合物を構成する各細胞材料の起源となる各該当提供組織を採集し、皮膚組織、皮下組織、筋肉組織、軟骨下骨(subchondral bone)、靭帯、半月板、その他の結合組織を除去した後ホモジナイザー、乳鉢等の粉砕機、ブレンダー、手術用メス、注射器、鉗子、超音波装置等のような物理的な手段でチョッピング(chopping)し、細切する。このとき、各該当提供組織を受容する無菌の機材として、培養皿、遠心用容器等を含む樹脂素材の器材、時計皿(watch glass)等を含むガラス素材の器材等のような機材を利用するが、該当提供組織が軟骨組織等の弾力のある組織の場合、チョッピング操作中、切断された組織が位置された受容する機材から飛散して離れることがある。このような現象は、該当提供組織のチョッピング後組織の回収量を軽減することや位置された受容する機材から飛散して離れた切断された組織を戻してチョッピング以下の各細胞材料を分離準備するとき細菌や真菌等の汚染の可能性が高くなる等の目的とした細切行為が上手に実施することを困難とする。これは上記のような該当提供組織から各細胞材料を単離して準備する過程を含む初代培養のとき、細菌や真菌等の汚染が懸念され、これらの汚染を防止するため無菌的な操作が要求されるからである。 In step (1) of the production method according to the present invention, each cell material constituting the cell mixture is prepared for separation. First, collect each donated tissue that is the source of each cell material that makes up the cell mixture, and remove skin tissue, subcutaneous tissue, muscle tissue, subchondral bone, ligament, meniscus, and other connective tissues After that, the material is chopped by physical means such as homogenizer, pulverizer such as mortar, blender, scalpel, syringe, forceps, ultrasonic device, etc. At this time, as an aseptic device for receiving each corresponding donated tissue, a device such as a culture plate, a resin material device including a centrifuge container, a glass material device including a watch glass, etc. is used. However, when the corresponding provided tissue is an elastic tissue such as a cartilage tissue, the cut tissue may be scattered away from the receiving equipment where the cut tissue is located during the chopping operation. Such a phenomenon may reduce the amount of collected tissue after chopping of the corresponding donor tissue, or return the cut tissue that has been scattered away from the receiving equipment positioned to separate each cell material below chopping. Sometimes it is difficult to carry out shredding for the purpose of increasing the possibility of contamination with bacteria and fungi. This is due to concerns about contamination with bacteria and fungi during primary culture, including the process of isolating and preparing each cell material from the corresponding donor tissue as described above, and aseptic operation is required to prevent such contamination. Because it is done.
前記対象組織は、凹形の底が設けられ、細切行為中に切断されたとき、対象組織が位置する受容する機材から飛散して離れることができない程度の長さの側壁部を持つ遠心用容器等の中の底部中に位置させ、手術用の曲刃(curved scissors)を利用してチョッピングするのが好ましい。通常市販の50ml容量遠心用容器は、チョッピングするとき、対象組織が遠心用容器から飛散して離れることができない程度の長さの側壁部を持つため、例え軟骨組織等の弾力のある組織の場合であっても、遠心用容器内部の空間から飛散して離れることがない。そのうえ、本法によると手術用の曲刃は曲がっているため、細胞培養のとき利用する通常市販の50ml容量遠心用容器の凹形の底との密着した接触が容易に得られる。対象組織は通常の場合、重力に影響され常に遠心用容器の凹形の底に位置される現象が起きる。このような現象と連続的に反復する手術用の曲刃の遠心用容器の凹形の底の位置の切断運動は対象組織を底に集まるようにし、弾性軟骨に強力な手術用の曲刃の切断運動が持続的な作用が可能となり、該当提供組織が軟骨組織等の弾力のある組織であっても結果的には短時間でより細かいサイズに細切することができる。以上のチョッピングを容易に達成するためには遠心用容器の長軸より長い手術用の曲刃を利用するのが好ましい。 The target tissue is provided with a concave bottom, and when cut during shredding, the target tissue has a side wall portion that is long enough to scatter away from the receiving equipment where the target tissue is located. It is preferably located in the bottom of a container or the like and chopped using curved scissors. Usually, commercially available 50 ml capacity centrifuge containers have side walls that are long enough to prevent the target tissue from splashing away from the centrifuge container when chopping. For example, in the case of elastic tissues such as cartilage tissue Even so, it does not scatter away from the space inside the centrifuge container. In addition, according to the present method, the curved blade for surgery is bent, so that close contact with the concave bottom of a commercially available 50 ml capacity centrifuge container used for cell culture can be easily obtained. In general, the target tissue is affected by gravity and is always located at the concave bottom of the centrifuge container. The cutting motion of the concave bottom position of the centrifuge container of the surgical curved blade that continuously repeats such a phenomenon makes the target tissue gather at the bottom, and the elastic curved cartilage of the powerful surgical curved blade The cutting motion can be sustained, and even if the provided tissue is an elastic tissue such as a cartilage tissue, it can be cut into smaller sizes in a short time. In order to easily achieve the above chopping, it is preferable to use a surgical bending blade longer than the long axis of the centrifuge container.
チョッピング作業により細かく細切した後は、中性プロテアーゼ、トリプシン、セリンプロテアーゼ、エラスターゼ及びコラゲナーゼ等の中から選択した少なくても一つの蛋白分解酵素で処理して、個体の体温と同一な温度に設定された温水を提供する恒温水槽等の水中や個体の体温と同一な温度に設定された空気を提供する細胞培養用インキュベーター等の空気中等の環境下で該当提供組織と蛋白分解酵素溶液からなる細胞懸濁液に流動による攪拌を誘発しなから消化させる。本発明において蛋白分解酵素を処理する温度と時間は蛋白分解酵素の種類及び個体の種等によって異なるが、通常の細胞培養用インキュベーターの中の37℃、5%CO2の条件下で電磁スターラー(Magnetic Stirrer)を用いて攪拌しながら消化させるのが好ましい。その理由は以下のように説明できる。本法では、蛋白分解酵素によって消化させる過程おいて通常の細胞培養用インキュベーター、無菌のガラス製瓶、電磁スターラー用の無菌磁石バーを利用するが、これらの細胞培養器材は、清潔に維持されるうえ、無菌のガラス製瓶の中にチョッピング作業で細切された該当提供組織と蛋白分解酵素溶液からなる細胞懸濁液に流動による攪拌を誘発が容易に起こり、ガラス製瓶の蓋をわずかに緩み開放することで、この隙間からインキュベーターの中の空間の温度、湿度等の気体調性に直接連結することができ、細胞培養に理想的に調整されたインキュベーターの中の気体調性は、該当提供組織と蛋白分解酵素溶液からなる細胞懸濁液の中の各細胞に対しても安定かつ有利となる。 After finely chopping by chopping, it is treated with at least one proteolytic enzyme selected from neutral protease, trypsin, serine protease, elastase, collagenase, etc., and set to the same temperature as the body temperature of the individual Cells consisting of a corresponding tissue and proteolytic enzyme solution in an environment such as an incubator for cell culture that provides water set to the same temperature as the body temperature of water or an individual body such as a thermostatic water tank that supplies the heated water The suspension is digested without inducing fluid agitation. In the present invention, the temperature and time for treating the proteolytic enzyme vary depending on the type of proteolytic enzyme and the species of the individual, but an electromagnetic stirrer (37 ° C. and 5% CO 2 in a normal cell culture incubator) It is preferable to digest with stirring using a magnetic stirrer. The reason can be explained as follows. In this method, a normal cell culture incubator, a sterile glass bottle, and a sterile magnetic bar for an electromagnetic stirrer are used in the process of digestion with proteolytic enzymes, but these cell culture equipment are kept clean. In addition, the cell suspension consisting of the corresponding donated tissue and proteolytic enzyme solution chopped into a sterile glass bottle easily induces agitation due to flow, and slightly covers the glass bottle lid. By loosening and releasing, it can be directly connected to the gas tonality such as temperature and humidity in the space in the incubator through this gap, and the gas tonality in the incubator ideally adjusted for cell culture is applicable. It is stable and advantageous for each cell in the cell suspension composed of the donor tissue and the protease solution.
本発明による作製方法の工程(2)では、このように分離された細胞を継代培養して増殖させる。この段階において、培地としては当業界で公知された任意の細胞増殖用培地もしくは、軟骨分化誘導培地を使用してもよいが、細胞の生存増殖に必要な成分(無機塩、炭水化物、ホルモン、必須アミノ酸、非必須アミノ酸、ビタミン)を含む基本培地(例えば、Dulbeco's Modified Eagle Medium(D-MEM)、Minimum Essential Medium(MEM)、RPMI-1640、Basal Medium Eagle(BME)、Dulbeco's Modified Eagle Medium:Nutrient Mixture F-12(D-MEM/F-12)、Glasgow Minimum Essential Medium(Glasgow MEM))のような基本培地を使用する。このような培地にはコラーゲン合成に必要なアスコルビン酸を必修的に添加し、その他増殖因子又は分化誘導因子であるFGF(Fibroblast Growth Factor)、HGF(Hepatocyte Growth Factor)、IGF(Insulin-like Growth Factor)、TGF(Transforming Growth Factor)、EGF(Erythrocyte Growth Factor)、BMP(Bone Morphogenetic Protein)、TNF(Tumor Necrosis Factor)、ビタミン類、インターロイキン類、ヘパリン、ヘパリン誘導体、ヘパラン硫酸、コラーゲン、フィブロネクチン、フィブリン、多血小板血漿、プロゲステロン、セレナイト、B27−サプリメント、N2−サプリメント、ITS−サプリメント(インスリン、トランスフェリン、亜セリン酸、ウシ血清アルブミン、リノレン酸含)、デキサメタゾン、ビルビン酸ナトリウム、プロリン、L−グルタミン等は必要に応じて添加する。また、必要に応じて、HEPES等の酸・塩基調整のための添加剤や、抗菌剤、抗真菌剤等の抗生物質、通常利用時の%である10%のFBS(ウシ胎児血清)又はより高い増殖を好む場合は10%以上のFBS、臨床応用の容易さを配慮すると患者自家由来の血清を前記の10%から10%以上で含有されてもよい。 In step (2) of the production method according to the present invention, the cells thus separated are subcultured and grown. At this stage, any medium for cell growth or cartilage differentiation induction medium known in the art may be used as the medium, but the components necessary for viable cell growth (inorganic salts, carbohydrates, hormones, essential Basic medium containing amino acids, non-essential amino acids, vitamins (eg, Dulbecco's Modified Eagle Medium (D-MEM), Minimum Essential Medium (MEM), RPMI-1640, Basal Medium Eagle (BME), Dulbecco's Modified Eagle Medium: Nutrient Mixture) A basic medium such as F-12 (D-MEM / F-12), Glasgow Minimum Essential Medium (Glasgow MEM)) is used. Ascorbic acid necessary for collagen synthesis is inevitably added to such a medium, and other growth factors or differentiation inducing factors such as FGF (Fibroblast Growth Factor), HGF (Hepatocyte Growth Factor), and IGF (Insulin-like Growth Factor). ), TGF (Transforming Growth Factor), EGF (Erythrocyte Growth Factor), BMP (Bone Morphogenetic Protein), TNF (Tumor Necrosis Factor), vitamins, interleukins, heparin, heparin derivatives, heparan sulfate, collagen, fibronectin, fibrin , Platelet-rich plasma, progesterone, selenite, B27-supplement, N2-supplement, ITS-supplement (including insulin, transferrin, selenite, bovine serum albumin, linolenic acid), dexamethasone, sodium bibrate, proline, L-glutamine Etc. are added as necessary. In addition, if necessary, additives for acid / base adjustment such as HEPES, antibiotics such as antibacterial agents and antifungal agents, 10% FBS (fetal bovine serum) which is the percentage during normal use or more If high growth is preferred, 10% or more of FBS may be included, and in view of ease of clinical application, serum derived from the patient's own patient may be contained at 10% to 10% or more.
本発明においては、軟骨細胞、軟骨前駆細胞、滑膜由来細胞、滑膜幹細胞、骨芽細胞、骨髄由来細胞、あらゆる組織由来の生体幹細胞又は間葉系幹細胞、脂肪由来細胞、脂肪由来幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、あらゆる分化細胞を初期化した誘導多能性幹細胞胚性幹細胞(iPS細胞)等のようにES細胞と同様な多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有する細胞等の損傷患部に移植することで治療効果があるいずれかの各細胞材料を約2週間の繰り返しの継代培養によって増殖させる。高度分化度を示す軟骨細胞は2〜20倍以上、ES細胞と同様な多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有する未分化細胞は20〜100倍以上増殖できる当業界で公知された任意の細胞増殖用培地に、熱により不活化された10%のFBS、アスコルビン酸で調整された培地を利用するのが好ましい。 In the present invention, chondrocytes, cartilage progenitor cells, synovial cells, synovial stem cells, osteoblasts, bone marrow-derived cells, living tissue cells or mesenchymal stem cells derived from any tissue, fat-derived cells, fat-derived stem cells, embryos Has the same pluripotency and proliferative ability as ES cells, such as sex stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells that have initialized all differentiated cells, and embryonic stem cells (iPS cells). Each cell material that has a therapeutic effect by being transplanted to an injured affected area such as a cell having a sufficient differentiation potential is proliferated by repeated subculture for about 2 weeks. Chondrocytes exhibiting a high degree of differentiation are 2 to 20 times or more, pluripotency and proliferation ability similar to those of ES cells, and undifferentiated cells having the ability to easily differentiate into cartilage tissue are 20 to 100 times or more. Preferably, any cell growth medium known in the art that can be used is a medium prepared with 10% FBS, ascorbic acid inactivated by heat.
培養を継続して約90%のコンフルエンシーに到達したら、トリプシン・EDTAで処理して、増殖させた各細胞材料を剥がし、新しい培地で継代培養を行う。本発明において軟骨細胞及び軟骨前駆細胞の継代培養は3回以下に制限するのが好ましいが、これは、繰り返しの継代培養によって軟骨細胞は、特に第4回目の継代を超えると脱分化(de-differentiation)して本来の性質を失ってしまい、軟骨細胞から分泌する細胞外基質のコラーゲンのタイプがIIからIに変化する等の繊維芽細胞様(fibroblast-like)に変化するためである。本発明における前記軟骨細胞及び軟骨前駆細胞の継代培養は、細胞が高密度に播種して培養されたものである。本発明の示すところの前記軟骨細胞及び軟骨前駆細胞の播種時の細胞密度は培養される細胞によっても異なるが、5,000個/cm2以上が良く、好ましくは10,000個/cm2以上が良く、さらに好ましくは20,000個/cm2以上が良く、軟骨組織や骨組織を最も効率良く再生する密度は(2.0±0.4)×104/cm2程度である。継代培養は、播種細胞の細胞密度は1,000/cm2以下であると、培養細胞が前記繊維芽細胞様に変化する場合が多く、すなわち軟骨細胞の場合であると形質発現の程度が弱く、本技術の目的を達成できない。本発明の細胞移植治療用スフェロイドは、細胞混合物が軟骨様組織として形質発現されたことを特性の一つとしている。軟骨様組織として形質発現された、という場合、SOX9、HASなどの遺伝形質を発現していること、あるいはマトリックス形成にかかわるコラーゲンIIなどの分化形質を発現している。 When the culture is continued to reach about 90% confluency, it is treated with trypsin / EDTA to peel off the proliferated cell material and subcultured in a new medium. In the present invention, the subculture of chondrocytes and cartilage progenitor cells is preferably limited to 3 times or less, but this is because the chondrocytes are dedifferentiated particularly after the fourth subculture by repeated subculture. (De-differentiation), the original properties are lost, and the type of collagen in the extracellular matrix secreted from chondrocytes changes from fibroblast-like, such as from II to I. is there. The subculture of the chondrocytes and cartilage precursor cells in the present invention is a culture in which cells are seeded at a high density. The cell density at the time of seeding of the chondrocytes and cartilage progenitor cells shown in the present invention varies depending on the cells to be cultured, but is preferably 5,000 cells / cm 2 or more, preferably 10,000 cells / cm 2 or more. More preferably, the density is 20,000 / cm 2 or more, and the density at which cartilage tissue or bone tissue is most efficiently regenerated is about (2.0 ± 0.4) × 10 4 / cm 2 . In subculture, when the cell density of seeded cells is 1,000 / cm 2 or less, the cultured cells often change like the fibroblasts, that is, the degree of phenotypic expression is in the case of chondrocytes. It is weak and cannot achieve the purpose of this technology. One characteristic of the spheroid for cell transplantation treatment of the present invention is that the cell mixture is expressed as a cartilage-like tissue. When expressed as a cartilage-like tissue, it expresses a genetic trait such as SOX9 or HAS, or expresses a differentiation trait such as collagen II involved in matrix formation.
上記の条件下で軟骨細胞を約2週間(すなわち、継代回数4回以前まで所要する時間)培養すると少なくても2〜20倍以上増殖できる。一方、ES細胞と同様な多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有する未分化細胞を約2週間(すなわち、連続継代回数に制限がなく、分離された細胞を継代培養して増殖させるに所要する時間)培養すると少なくても20〜100倍以上増殖できる。 When chondrocytes are cultured under the above conditions for about 2 weeks (that is, the time required until the number of passages is 4 times or more), they can grow at least 2 to 20 times or more. On the other hand, undifferentiated cells having the same pluripotency and proliferative ability as ES cells and having the ability to easily differentiate into cartilage tissue were isolated for about 2 weeks (that is, there was no limit on the number of continuous passages). The time required for the cells to be subcultured and proliferated) When cultured, the cells can proliferate at least 20 to 100 times or more.
また、上記の当業界で公知された任意の細胞増殖用培地に、熱により不活化された10%のFBS、アスコルビン酸で調整された培地に、さらに増殖速度を増大させるためにその他増殖もしくは分化因子を必要に応じて添加すると上記の増殖以上に増殖できる。 In addition, any cell growth medium known in the art, 10% FBS inactivated by heat, medium adjusted with ascorbic acid, other growth or differentiation to further increase the growth rate If a factor is added as needed, it can proliferate more than said proliferation.
本発明による作製方法の工程(3)では、1種もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、細胞を高密度の浮遊状態に維持する培養することで、細胞材料同士を相互接着させ細胞混合物を作製する。この段階において、細胞混合物が十分に細胞材料同士を相互接着し細胞移植治療用スフェロイドを形成するように過量の細胞材料を添加することが好ましい。細胞は本来細胞自ら作り出し細胞表面に発現させる各種の接着因子や電気的な引力や化学結合によってお互いに接着しようとする性質を持ち、その傾向が各細胞の種類によって差異がある。この性質に加えてさらに振とう運動を伴うため、人為的に細胞と細胞の間の接触の機会が増加するようになる。このような人為的な操作から起因する持続的な反復の振とう運動から起きる培養液の流動により各細胞は培養容器の底部に留まらず、培養液中に浮く懸濁状態で振とう培養期間中に維持できる。従って、振とう開始の振とう初期段階に細胞スフェロイドになった小さいサイズの混合細胞複合を中心として多数の他の細胞材料同士が迅速に接着するようになり、細胞移植治療用スフェロイドが成長するようになる。特に、軟骨細胞もしくは軟骨様組織として形質発現された細胞は、高密度で存在するとそのサイズを維持しながら本来の軟骨組織により類似する状態に戻る。すなわち軟骨組織に適した正常軟骨の分化度を維持できる環境下では軟骨細胞は固有の細胞外基質であるコラーゲンのタイプIIを豊富に産生して分泌するようになり、結果的には体内存在時のように細胞数は比較的に少なく細胞外基質は豊富な正常軟骨と同様な性質を表すようになる。 In step (3) of the production method according to the present invention, one or two or more types of cells are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell suspension, and the cells are maintained in a high-density floating state. By doing so, cell materials are bonded together to produce a cell mixture. In this stage, it is preferable to add an excessive amount of cell material so that the cell mixture sufficiently adheres the cell materials to each other to form a spheroid for cell transplantation treatment. Cells originally have the property of trying to adhere to each other by various adhesion factors that are created by the cells themselves and expressed on the cell surface, or by electrical attraction and chemical bonding, and the tendency varies depending on the type of each cell. In addition to this property, there is an additional shaking motion, which increases the chance of artificial contact between cells. Each cell does not stay at the bottom of the culture container due to the flow of the culture solution resulting from the continuous repetitive shaking motion resulting from such an artificial operation, but during the shaking culture period in a suspended state floating in the culture solution. Can be maintained. Therefore, many other cell materials will quickly adhere to each other centering on the mixed cell complex of small size that has become a cell spheroid in the initial stage of shaking, so that the spheroid for cell transplantation treatment will grow. become. In particular, cells expressed as chondrocytes or cartilage-like tissue return to a state more similar to the original cartilage tissue while maintaining its size when present at a high density. In other words, in an environment where normal cartilage differentiation suitable for cartilage tissue can be maintained, chondrocytes produce and secrete collagen type II, which is a unique extracellular matrix, resulting in secretion in the body. Thus, the number of cells is relatively small, and the extracellular matrix exhibits the same properties as abundant normal cartilage.
前記の工程(3)においては、本発明による作製方法の工程(2)に記載の各培地が利用できる。振とう培養は立体8字型、平面円形又は平面左右型に移動可能な振とう培養用シェーカーを利用して振動の強度を60から80rpmに設定し、個体の体温と同一の温度の環境で行うことが好ましい。特に、振とう培養期間は、1日から7日間かけて実施するが、前記継代培養期間にて十分に増殖できた各細胞材料は、細胞培養期間が4週間以上を要する既存の自家軟骨細胞移植術より培養期間を短縮するこが可能となり、結局、短期間で細胞移植治療用スフェロイドの作製が可能となる。このような期間短縮は、高齢の患者や広範囲の損傷を持つ患者等にも臨床応用可能な手法の確立にもつながり、患者たちの入院期間の短縮で医療費軽減に寄与できるという観点から、振とう培養期間は1日から3日間かけて実施し、前記継代培養期間と振とう培養期間を含める前記細胞移植治療用スフェロイドの総作製過程は、14日程度にすることが好ましい。培養容器として、前記培養容器の表面に細胞が接着できないように考案された非接着性培養皿(すなわち浮遊培養用皿、例えば、約37℃にて親水性になり、細胞が一切接着しないHydroCellTM培養皿(CellSeed.Co.))又は特に大量培養の場合にはスピナーフラスコ(Spinner flask)を使用する。以上の作業で50から999μmのサイズの細胞移植治療用スフェロイドの作製ができる。また、振とう培養は、細胞材料懸濁液の細胞密度が1×104個/mlから3,000×104個/mlにして適用するが、適当な細胞密度を選択するには、利用する細胞材料の種類、培養器材の性質や振とう培養ときの培養容器の空間や容積やサイズ等の必要に応じて、総合的に判断し、上記の範囲内の細胞材料懸濁液の細胞密度を設定されてもよい。 In said process (3), each culture medium as described in process (2) of the preparation method by this invention can be utilized. Shaking culture is performed in an environment with the same temperature as the body temperature of the individual by setting the shaking intensity to 60 to 80 rpm using a shaking culture shaker that can be moved to a solid 8-shape, planar circle, or planar left and right. It is preferable. In particular, the shaking culture period is from 1 day to 7 days, and each cell material that has been able to proliferate sufficiently during the subculture period is an existing autologous chondrocyte that requires a cell culture period of 4 weeks or more. The culture period can be shortened compared to transplantation, and eventually, spheroids for cell transplantation treatment can be produced in a short period of time. Such shortening of the period also leads to the establishment of a method that can be applied clinically to elderly patients and patients with a wide range of injuries, etc. From the viewpoint of shortening the hospitalization period of patients and contributing to reducing medical expenses. The culture period is preferably 1 to 3 days, and the total production process of the spheroid for cell transplantation treatment including the subculture period and the shaking culture period is preferably about 14 days. As a culture vessel, a non-adhesive culture dish designed to prevent cells from adhering to the surface of the culture container (that is, a suspension culture dish, for example, HydroCell TM which becomes hydrophilic at about 37 ° C. and does not adhere to any cells) Use a culture dish (CellSeed. Co.)) or spinner flask in the case of mass culture. Through the above operation, spheroids for cell transplantation treatment having a size of 50 to 999 μm can be produced. For shaking culture, the cell material suspension is applied at a cell density of 1 × 10 4 cells / ml to 3,000 × 10 4 cells / ml. The cell density of the cell material suspension within the above range will be comprehensively judged according to the type of cell material to be used, the nature of the culture equipment, the space, volume, size, etc. of the culture vessel during shaking culture. May be set.
前記の工程(3)において、前記マイクロキャリアは、前記細胞材料懸濁液の中の細胞同士の相互接着を促すための分子であり、各細胞と前記マイクロキャリア同士に対するお互いの良好な付着性を保持する。このマイクロキャリアを利用することで、振とう培養のとき、細胞材料同士の良好な相互接着、細胞スフェロイド形成効率の向上及び移植に適合な軟骨様組織へ形質発現の強化が可能となる。前記マイクロキャリアの使用は、必要に応じて1種もしくは2種以上を併用してもよい。2種以上を併用で使用する場合は、2つのマイクロキャリアの相違な性質が反応しさらに有益な性質を示す新たなマイクロキャリアとして働いてもよい。例えば、以下のものの中でフラグミンと硫酸プロタミンは、相違な電気電荷により、マイクロキャリアを形成し、これは、細胞と前記マイクロキャリア同士に対するお互いの良好な付着性(Nakamuraら、J Biomed Mater Res A. , May−12, Epub ahead of print (2009))を提供してくれるので好ましい。 In the step (3), the microcarrier is a molecule for promoting mutual adhesion between cells in the cell material suspension, and has good adhesion to each cell and the microcarrier. Hold. By utilizing this microcarrier, it becomes possible to enhance the expression of a cartilage-like tissue suitable for transplantation by improving the mutual adhesion between cell materials, improving the efficiency of cell spheroid formation, during shaking culture. The microcarriers may be used alone or in combination of two or more as required. When two or more kinds are used in combination, the different properties of the two microcarriers may react to serve as new microcarriers that exhibit further beneficial properties. For example, among the following, Fragmin and Protamine Sulfate form microcarriers due to different electrical charges, and this is due to the good adhesion between cells and said microcarriers (Nakamura et al., J Biomed Mater Res A , May-12, Epub ahead of print (2009)).
また、前記マイクロキャリアとしては、コラーゲン、コラーゲン誘導体、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸誘導体、ラブリシン(Lubricin)、ムチン(Mucin)、キトサン、キトサン誘導体、ポリロタキサン、ポリロタキサン誘導体、キチン、キチン誘導体、ウレタン、セルロース、アガロース、ゼラチン、フィブロネクチン、フィブリン、多血小板血漿、ヘパリン、ヘパリン誘導体、フラグミン(Fragmin、一般名:ダルテパリンナトリウム[Dalteparin sodium])、硫酸プロタミン(Protamine sulfate)、Avidin、Streptavidin、Biotin、ラミニン、2−Octyl Cyanoacryleate、アルギン酸カルシウム、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸ポリグリコール酸共重合体、ポリ乳酸ポリカプロラクトン共重合体及びポリグリコール酸ポリカプロラクトン共重合体からなる群より選ばれた1種又は2種以上の生体親和性材料又は生体吸収性材料で形成されるものが好ましい。さらに、前記マイクロキャリアは、臨床へ効率的かつ実質的に利用可能な細胞混合物の細胞移植治療用スフェロイドを作製及びそれを利用した治療法に使用されやすい観点からみると、関連機関から臨床的使用の際は、許可及び認可を収得したものが好ましい。 Examples of the microcarrier include collagen, collagen derivatives, hyaluronic acid, hyaluronic acid derivatives, lubricin, mucin, chitosan, chitosan derivatives, polyrotaxane, polyrotaxane derivatives, chitin, chitin derivatives, urethane, cellulose, agarose , Gelatin, fibronectin, fibrin, platelet-rich plasma, heparin, heparin derivatives, Fragmin (generic name: dalteparin sodium), protamine sulfate, Avidin, Streptavidin, Biotin, laminin, 2-Octyl Cyanoacryleate, calcium alginate, polylactic acid, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyglycolic acid, polycaprolactone, polylactic acid polyglycolic acid copolymer Those formed of one or two or more biocompatible materials or bioabsorbable materials selected from the group consisting of a polymer, a polylactic acid polycaprolactone copolymer and a polyglycolic acid polycaprolactone copolymer are preferred. In addition, the microcarrier is clinically used by related organizations from the viewpoint of making a spheroid for cell transplantation treatment of a cell mixture that can be effectively and substantially used clinically and easily used in a treatment method using the spheroid. In this case, it is preferable to obtain permission and authorization.
前記の段階(3)において、前記振とう培養について、図1、図2、及び図3を参照して以下に説明する。1種、もしくは2種以上(図2の細胞材用Aと細胞材料B)の細胞を培養液の中で単独又は混合した細胞材料懸濁液を準備して振とう培養することで、細胞材料同士を相互接着させ、細胞混合物を作製過程1回のみの振とう培養、もしくは2回以上反復実施する複数段階の振とう培養を行うことができる。複数段階の振とう培養を行う場合は、1回目の振とう培養の結果産物である1次細胞スフェロイドを中心として、更に1種もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、続いて2回目以上の振とう培養することで、前記1回目の振とう培養の結果産物の細胞スフェロイドと細胞材料同士を相互接着させた細胞混合物である2次細胞スフェロイドで新たな細胞混合物を作製することが可能となる。このように1次細胞スフェロイドを中心として更に細胞材料を培養液の中で混合した細胞懸濁液を準備し、続いて2回目の振とう培養することで、前記1回目の振とう培養の結果産物の細胞スフェロイドと細胞材料同士を相互接着させた細胞混合物である2次細胞スフェロイドで新たな細胞混合物を作製する過程において、1次細胞スフェロイドと2回目の振とう培養の細胞材料を投入した直後の像を位相差顕微鏡下にて観察した結果を図11に示した。 In the above step (3), the shaking culture will be described below with reference to FIG. 1, FIG. 2, and FIG. Cell material can be obtained by preparing and culturing a cell material suspension of a single type or two or more types (cell material A and cell material B in FIG. 2) alone or mixed in a culture solution. The cells can be adhered to each other, and the cell mixture can be subjected to shaking culture only once in the production process, or multiple stages of shaking culture that are repeated two or more times. When performing multi-stage shaking culture, the primary cell spheroid, which is the product of the first shaking culture, is used as a center, and one or more cells are further singly or mixed in the culture solution. A secondary cell that is a cell mixture in which cell spheroids and cell materials, which are the result of the first shaking culture, are adhered to each other by preparing a cell suspension and subsequently culturing the cells for the second or more times. A new cell mixture can be prepared with spheroids. Thus, by preparing a cell suspension in which the cell material is further mixed in the culture solution with the primary cell spheroid as the center, and subsequently performing the second shaking culture, the result of the first shaking culture is as follows. Immediately after adding the primary cell spheroid and the cell material of the second shaking culture in the process of producing a new cell mixture with the secondary cell spheroid, which is a cell mixture in which the product cell spheroid and cell material are adhered to each other The result of observing this image under a phase contrast microscope is shown in FIG.
2回目以上の振とう培養することで、結果産物の細胞スフェロイドの構造を人為的に変更することが可能となる。例え、より表層に近い2次細胞スフェロイドの細胞材料を軟骨細胞とし、より深部に位置する1次細胞スフェロイドの細胞材料を滑膜由来細胞とすれば、高い増殖率を保有する滑膜由来細胞により細胞スフェロイドの殆どの部分を示す1次細胞スフェロイドを形成させたうえ、比較的に高齢の患者の場合ではより増殖率が衰える軟骨細胞であって限られた培養期間内では少ない細胞材料しか準備できなくても、前記の2次細胞スフェロイドを形成させるには十分であるので、各細胞材料の増殖能や、生体内での解剖学、組織学及び発生学の面で総合的に判断し、上記の複数段階の振とう培養の細胞材料の種類や組み合わせを考慮した作製方法を選択すればよい。 By culturing for the second time or more, it becomes possible to artificially change the structure of the resulting cell spheroid. For example, if the cell material of secondary cell spheroid closer to the surface layer is chondrocyte and the cell material of primary cell spheroid located deeper is synovial cell, the synovial cell having high proliferation rate In addition to the formation of primary cell spheroids that represent most of the cell spheroids, in the case of relatively elderly patients, chondrocytes with a lower growth rate can be prepared with less cellular material within a limited culture period. Even if not, it is sufficient to form the secondary cell spheroids described above, and therefore comprehensively determined in terms of the proliferative ability of each cell material, anatomy, histology and embryology in vivo, A production method may be selected in consideration of the types and combinations of the cell materials for the multi-stage shaking culture.
本発明による作製方法の工程(4)では、細胞移植治療のため作製された細胞スフェロイドを分離する。分離された細胞スフェロイドは、さらに損傷患部に移動することができる。前記の工程(3)において振とう培養が1日から7日間経過すると培養皿内に多様なサイズの細胞移植治療用スフェロイドが存在するようになる。これらを単純に分離する及びサイズ別に分離するために、一の態様においては、滅菌処理されたマイクロピペットのチップ(Tip)を用いて、位相差顕微鏡下にて観察しながらマイクロピペットで細胞移植治療用スフェロイドを吸入し、新たな培養皿(浮遊培養用皿)に置き換える方式が利用できる。このとき、培養皿を円運動させ遠心力により、細胞移植治療用スフェロイドを中心に集まるようにしてマイクロピペットのチップを利用して前記細胞移植治療用スフェロイドの作製過程において使用した培養液及び細胞懸濁液、マイクロキャリア含有溶液、各種緩衝もしくは生理食塩水等の体液に類似する調整である前記運搬用溶液等と同時に吸入させるとチップの直径に大きさ別に適当なサイズの移植治療用スフェロイド吸入することができる。また、同様に注射用針と注射器を利用し、損傷患部に細胞移植する過程において内視鏡もしくは関節鏡下手術に使用可能な形態に移植治療用スフェロイドを準備してもよい。 In step (4) of the production method according to the present invention, cell spheroids produced for cell transplantation treatment are separated. The separated cell spheroids can further move to the affected area. In the above step (3), when the shaking culture is performed for 1 to 7 days, various sizes of spheroids for cell transplantation treatment are present in the culture dish. In order to separate them simply and according to size, in one embodiment, using a sterilized micropipette tip (Tip), cell transplantation treatment with a micropipette while observing under a phase contrast microscope A method of inhaling spheroids for use and replacing them with a new culture dish (floating culture dish) can be used. At this time, the culture medium and the cell suspension used in the process of producing the spheroid for cell transplantation treatment are collected using a micropipette tip so that the culture dish is moved in a circular motion and collected by the centrifugal force. Inhalation of spheroids for transplantation treatment of appropriate size according to the diameter of the chip when inhaled at the same time as the transport solution etc., which are similar to body fluids such as suspension, microcarrier-containing solution, various buffers or physiological saline be able to. Similarly, a spheroid for transplantation treatment may be prepared in a form that can be used for endoscopic or arthroscopic surgery in the process of transplanting cells into an affected area using an injection needle and syringe.
作製された細胞スフェロイドを移動させて損傷部位である移植部位へ細胞スフェロイドを位置させると、これらの細胞スフェロイドの表面も構成する細胞によって成立しているため、このような細胞は、本来細胞自ら作り出し細胞表面に発現させる各種の接着因子や電気的な引力や化学結合によってお互いに接着しようとする性質を持つ。従って、このような細胞で表面が構成されている細胞スフェロイドは、近接する細胞スフェロイド同士のみでもお互いに容易に合体する。また、細胞混合物を損傷患部へより良好な固定及び短期間内の移植患部と細胞スフェロイド関の迅速な結合を望むときは、前記マイクロキャリアを利用してもよい。マイクロキャリアは、コラーゲン、コラーゲン誘導体、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸誘導体、ラブリシン(Lubricin)、ムチン(Mucin)、キトサン、キトサン誘導体、ポリロタキサン、ポリロタキサン誘導体、キチン、キチン誘導体、ウレタン、セルロース、アガロース、ゼラチン、フィブロネクチン、フィブリン、多血小板血漿、ヘパリン、ヘパリン誘導体、フラグミン(Fragmin、一般名:ダルテパリンナトリウム[Dalteparin sodium])、硫酸プロタミン(Protamine sulfate)、Avidin、Streptavidin、Biotin、ラミニン、2−Octyl Cyanoacryleate、アルギン酸カルシウム、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸ポリグリコール酸共重合体、ポリ乳酸ポリカプロラクトン共重合体及びポリグリコール酸ポリカプロラクトン共重合体からなる群より選ばれた1種又は2種以上の生体親和性材料又は生体吸収性材料で形成されていることが好ましい。マイクロキャリアの素材は、マイクロキャリアの性質や細胞移植治療用スフェロイドの構成や、移植部位の環境等を総合的に考慮し、適宜選択することができる。 When the produced cell spheroids are moved to place the cell spheroids at the transplant site, which is the site of injury, these cells are formed by the cells that also make up the surface of these cell spheroids. It has the property of trying to adhere to each other by various adhesion factors expressed on the cell surface, electrical attraction and chemical bonds. Therefore, the cell spheroids whose surfaces are constituted by such cells can be easily combined with each other even in the vicinity of adjacent cell spheroids. In addition, the microcarrier may be used when better fixation of the cell mixture to the damaged affected part and quick binding between the transplanted affected part and the cell spheroid in a short period of time are desired. Microcarriers include collagen, collagen derivatives, hyaluronic acid, hyaluronic acid derivatives, lubricin, mucin, chitosan, chitosan derivatives, polyrotaxane, polyrotaxane derivatives, chitin, chitin derivatives, urethane, cellulose, agarose, gelatin, fibronectin , Fibrin, platelet-rich plasma, heparin, heparin derivatives, Fragmin (generic name: dalteparin sodium), protamine sulfate, Avidin, Streptavidin, Biotin, laminin, 2-Octyl Cyanoacryleate, calcium alginate , Polylactic acid, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyglycolic acid, polycaprolactone, polylactic acid polyglycolic acid copolymer, polylactic acid poly It is preferably formed of one or more biocompatible materials or bioabsorbable materials selected from the group consisting of a licaprolactone copolymer and a polyglycolic acid polycaprolactone copolymer. The material of the microcarrier can be appropriately selected in consideration of the properties of the microcarrier, the configuration of the spheroid for cell transplantation treatment, the environment of the transplantation site, and the like.
また、上記の細胞混合物を損傷患部へ良好に固定するために用いるマイクロキャリア単独利用とは別途に、損傷部位を含む移植部位は損傷部位とその周辺部位の平坦な形状を考えると、前記該当提供組織由来の軟骨細胞、軟骨前駆細胞、滑膜由来細胞、滑膜幹細胞、骨芽細胞、骨髄由来細胞、あらゆる組織由来の生体幹細胞又は間葉系幹細胞、脂肪由来細胞、脂肪由来幹細胞、胚性幹細胞(ES細胞)、あらゆる分化細胞の初期化にした誘導多能性幹細胞胚性幹細胞(iPS細胞)等のようにES細胞と同様な多能性や増殖能を有し、軟骨組織への容易な分化能を保有する細胞等が損傷患部に移植することで治療効果がある、いずれか1種もしくは2種以上の細胞から一定期間培養され、シート状に前記細胞と細胞外基質で構成された培養細胞シート単独、もしくは前記培養細胞シートとコラーゲン、コラーゲン誘導体、ヒアルロン酸、ヒアルロン酸誘導体、ラブリシン(Lubricin)、ムチン(Mucin)、キトサン、キトサン誘導体、ポリロタキサン、ポリロタキサン誘導体、キチン、キチン誘導体、ウレタン、セルロース、アガロース、ゼラチン、フィブロネクチン、フィブリン、多血小板血漿、ヘパリン、ヘパリン誘導体、フラグミン(Fragmin、一般名:ダルテパリンナトリウム[Dalteparin sodium])、硫酸プロタミン(Protamine sulfate)、Avidin、Streptavidin、Biotin、ラミニン、2−Octyl Cyanoacryleate、アルギン酸カルシウム、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸ポリグリコール酸共重合体、ポリ乳酸ポリカプロラクトン共重合体及びポリグリコール酸ポリカプロラクトン共重合体からなる群より選ばれた1種又は2種以上の生体親和性材料又は生体吸収性材料の人工バイオマテリアルで形成されたシート状構造物又は多様な形状構造物を、補助的に軟骨、もしくは骨組織表面に対し被覆又は補填してもよい。ここでは、細胞混合物を損傷患部へ良好に固定するためにシート状構造物を用いて補助的に利用する様態を例にとって図4に示した。 In addition to the use of a single microcarrier used to fix the above cell mixture to the damaged affected area, the transplanted site including the damaged site is provided as described above, considering the flat shape of the damaged site and the surrounding site. Tissue-derived chondrocytes, cartilage precursor cells, synovial cells, synovial stem cells, osteoblasts, bone marrow-derived cells, living tissue cells or mesenchymal stem cells derived from any tissue, adipose-derived cells, adipose-derived stem cells, embryonic stem cells (ES cells), induced pluripotent stem cells in which all differentiated cells are initialized, embryonic stem cells (iPS cells), etc. have the same pluripotency and proliferative ability as ES cells, and can be easily applied to cartilage tissue A culture in which cells having differentiating potential have a therapeutic effect by transplanting to the affected area, cultured for a certain period from one or more cells, and composed of the cells and extracellular matrix in a sheet form Cell Alone or the cultured cell sheet and collagen, collagen derivative, hyaluronic acid, hyaluronic acid derivative, rubricin, mucin, chitosan, chitosan derivative, polyrotaxane, polyrotaxane derivative, chitin, chitin derivative, urethane, cellulose, Agarose, gelatin, fibronectin, fibrin, platelet-rich plasma, heparin, heparin derivatives, fragmin (general name: Dalteparin sodium), protamine sulfate, Avidin, Streptavidin, Biotin, laminin, 2- Octyl Cyanoacryleate, calcium alginate, polylactic acid, polyethylene glycol, polyvinyl pyrrolidone, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyglycolic acid, polycaprolactone, polylactic acid polyglycolic acid A sheet formed of an artificial biomaterial of one or more biocompatible materials or bioabsorbable materials selected from the group consisting of a polymer, a polylactic acid polycaprolactone copolymer, and a polyglycolic acid polycaprolactone copolymer A structure or various shaped structures may be supplementarily coated or supplemented on the surface of cartilage or bone tissue. Here, FIG. 4 shows an example of a mode in which the cell mixture is used in an auxiliary manner by using a sheet-like structure in order to satisfactorily fix the cell mixture to the damaged area.
本発明において、細胞移植は、まずは細胞混合物の細胞移植治療用スフェロイドの細胞成分であるが、細胞スフェロイド中の構成細胞から分泌される分子及び産生細胞外基質、前記細胞移植治療用スフェロイドの作製過程において使用した培養液及び細胞懸濁液、マイクロキャリア含有溶液、各種緩衝もしくは生理食塩水等の体液に類似する調整である運搬用溶液を同時に治療のために損傷患部へ移植することであり、軟骨様組織として形質発現されたままの本来の機能が発揮できる細胞移植治療が可能となる。 In the present invention, cell transplantation is first a cellular component of a spheroid for cell transplantation treatment in a cell mixture, but a molecule secreted from the constituent cells in the cell spheroid and a production extracellular matrix, and a process for producing the spheroid for cell transplantation treatment Is used to transfer the culture solution and the cell suspension, the microcarrier-containing solution, various buffers or physiological solutions such as physiological saline used in the preparation to the wounded lesion for treatment at the same time. Cell transplantation treatment that can exert its original function as expressed in a tissue is possible.
本発明の他の態様において、前記細胞移植治療用スフェロイドは、治療用の目的とは別途に化合物、薬剤、毒物などの薬効や毒性の生理作用や毒性を評価するためのシステムと利用することが可能である。これは前記細胞移植治療用スフェロイドの用途は特に限定されず、治療用の目的以外に細胞スフェロイドを利用して行われているあらゆる試験・研究や細胞スフェロイドを用いた疾病の治療などに使用することができる。例えば、本発明の方法により得られたあらゆる成体幹細胞のスフェロイドをIGF、TGF、トランスフェリン、インスリン、FBS、GA−1000、ITS-サプリメント、デキサメタゾン、アスコルビン酸、ピルビン酸ナトリウム、プロリン等の因子で処理することにより、軟骨細胞へ分化誘導することができ、そのようにして得られた分化細胞を患者に戻すことにより自家細胞移植による幹細胞療法を達成することもできる。もっとも、本発明の細胞移植治療用スフェロイドの用途は上記の特定の態様に限定されることはない。 In another aspect of the present invention, the spheroid for cell transplantation treatment can be used with a system for evaluating the physiological effect and toxicity of a medicinal effect and toxicity of a compound, drug, toxicant, etc. separately from the purpose of treatment. Is possible. The use of the spheroid for cell transplantation treatment is not particularly limited, and it can be used for all tests / researches using cell spheroids other than the purpose of treatment and treatment of diseases using cell spheroids. Can do. For example, all adult stem cell spheroids obtained by the method of the present invention are treated with factors such as IGF, TGF, transferrin, insulin, FBS, GA-1000, ITS-supplements, dexamethasone, ascorbic acid, sodium pyruvate, proline and the like. Thus, differentiation into chondrocytes can be induced, and stem cell therapy by autologous cell transplantation can be achieved by returning the differentiated cells thus obtained to the patient. However, the use of the spheroid for cell transplantation treatment of the present invention is not limited to the above specific embodiment.
本発明の他の態様において、前記2回以上反復実施する複数段階の振とう培養し、1回目の振とう培養の結果産物である1次細胞スフェロイドを中心として更に1種、もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、続いて2回目以上の振とう培養することで、前記1回目の振とう培養の結果産物の細胞スフェロイドと細胞材料同士を相互接着させた細胞混合物である2次細胞スフェロイドで新たな細胞混合物を作製することが可能となる。このような特徴の複数段階の振とう培養を施し、細胞スフェロイドは多重の層状向上を構築させることが可能となる。 In another aspect of the present invention, a plurality of stages of shaking culture that are repeated two or more times, and one or more kinds of primary cell spheroids, which are the product of the first shaking culture, are used. Cells are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell suspension, followed by second or more shaking cultures. As a result of the first shaking culture, the resulting cell spheroids and cell materials It becomes possible to produce a new cell mixture with a secondary cell spheroid which is a cell mixture in which the two are adhered to each other. By applying multi-stage shaking culture with such characteristics, cell spheroids can build up multiple layered improvements.
例えば、膝軟骨組織を解剖学、組織学及び発生学の観点から観察すると、表面から骨髄を向かって深部に到達するにつれて膝軟骨組織を構成する軟骨細胞の形状は変わっていく。このような形状の異なる軟骨細胞はその性質と機能も相違であろうと考えられる。層別に異なる細胞で細胞スフェロイド構造物を作製することでより生体内にごく類似した環境を構築することが可能となる。このように作製された細胞スフェロイド構造物を用いた上記のシステムによる化合物、薬剤、毒物などの薬効や毒性の生理作用や毒性を評価はより正確な評価及び予測が可能となる。 For example, when the knee cartilage tissue is observed from the viewpoints of anatomy, histology, and embryology, the shape of the chondrocytes constituting the knee cartilage tissue changes as it reaches the deep part from the surface toward the bone marrow. It is considered that the chondrocytes having different shapes have different properties and functions. By creating a cell spheroid structure with different cells for each layer, it is possible to construct a very similar environment in the living body. Evaluation of the pharmacological effects and toxic physiological effects and toxicity of compounds, drugs, toxicants and the like by the above-described system using the cell spheroid structure produced in this way can be more accurately evaluated and predicted.
以下の実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例によって制限されるものではない。 The present invention will be described more specifically by the following examples, but the scope of the present invention is not limited by these examples.
実施例1:ウサギ膝の関節軟骨細胞と膜由来細胞を混合した細胞混合物による細胞移植治療のため細胞スフェロイド作製
(1−A) 軟骨細胞及び滑膜由来細胞の分離及び培養
ウサギ(Japanese White Rabbit、1kg±200g、雌)の膝から軟骨組織及び滑膜組織を採集し、皮膚組織、皮下組織、筋肉組織、軟骨下骨(subchondral bone)、靭帯、半月板、その他の結合組織を除去した後、通常市販の50ml容量遠心用容器の内部に位置させ、手術用の曲刃を利用してチョッピングし、細切した。そして、1.25%トリプシン(Invitrogen Co.)又は0.5%コラゲナーゼI(collagenase class I: Worthington, Biochemical Co.)をD-MEM/F-12培地(Gibco. Co.)、1%の抗菌剤/抗真菌剤混合物(10,000units/mlのペニシリンG、10,000μg/mlのストレプトマイシン硫酸塩及び25μg/mlのアムホテリシンB: Invitrogen Co.)及び50μg/mlのアスコルビン酸で調整した培地に溶解した消化溶液を調整して、1次消化酵素溶液及び2次消化酵素溶液を準備した。軟骨組織及び滑膜組織は前記の各消化溶液で処理し、無菌のガラス製瓶に受容する同時に磁スターラー用の無菌磁石バーを入れる。その後、通常の細胞培養用インキュベーターの中の37℃、5%CO2の条件下で電磁スターラー(モデル名:Magnetic Stirrer RCN-3D、EYELA Co.)を用いて60rpmにて攪拌しながら消化させる。この際、1次消化酵素溶液による1時間の消化及び2次消化酵素溶液による3時間の消化を実施し、軟骨組織及び滑膜組織が単一細胞になるよう分離した。このようにして得られた細胞懸濁液は70μm及び40μmのナイロン製cell-strainer(BD FalconTM:BD Biosciences)で連続的に通過させた後、リン酸緩衝液を用いて2回洗浄した。
Example 1: Preparation of cell spheroids for cell transplantation treatment using a mixture of rabbit knee articular chondrocytes and membrane-derived cells (1-A) Isolation and culture of chondrocytes and synovial cells Rabbit (Japanese White Rabbit, After collecting cartilage tissue and synovial tissue from 1 kg ± 200 g (female) knee and removing skin tissue, subcutaneous tissue, muscle tissue, subchondral bone, ligament, meniscus, and other connective tissue, It was usually placed inside a commercially available 50 ml capacity centrifuge container, chopped using a surgical blade, and chopped. Then, 1.25% trypsin (Invitrogen Co.) or 0.5% collagenase I (collagenase class I: Worthington, Biochemical Co.) is added to D-MEM / F-12 medium (Gibco. Co.), 1% antibacterial. Dissolved in a medium prepared with an agent / antifungal mixture (10,000 units / ml penicillin G, 10,000 μg / ml streptomycin sulfate and 25 μg / ml amphotericin B: Invitrogen Co.) and 50 μg / ml ascorbic acid The digested solution was adjusted to prepare a primary digestive enzyme solution and a secondary digestive enzyme solution. Cartilage tissue and synovial tissue are treated with each of the digestive solutions described above and received in a sterile glass bottle, and at the same time a sterile magnetic bar for a magnetic stirrer is placed. Thereafter, digestion is performed with stirring at 60 rpm using an electromagnetic stirrer (model name: Magnetic Stirrer RCN-3D, EYELA Co.) under conditions of 37 ° C. and 5% CO 2 in a normal cell culture incubator. At this time, digestion for 1 hour with the primary digestive enzyme solution and digestion for 3 hours with the secondary digestive enzyme solution were performed to separate the cartilage tissue and synovial tissue into single cells. The cell suspension thus obtained was continuously passed through a 70 μm and 40 μm nylon cell-strainer (BD Falcon ™ : BD Biosciences), and then washed twice using a phosphate buffer.
このような過程によって得られた単一細胞は軟骨細胞及び滑膜由来細胞の個数を増殖させるため、増殖用培地に播種し培養した。初回の細胞密度は(2.0±0.4)×104で/cm2播種し、続いて継代培養にも細胞密度は(2.0±0.4)×104/cm2播種した。また、D-MEM/F-12培地(Gibco. Co.)に、熱により不活化された10%のFBS(ウシ胎児血清)、1%の抗菌剤/抗真菌剤混合物(10,000units/mlのペニシリンG、10,000μg/mlのストレプトマイシン硫酸塩及び25μg/mlのアムホテリシンB: Invitrogen Co.)及び50μg/mlのアスコルビン酸で調整した培地を利用し、90%のコンフルエンシーに到達したとき、トリプシン・EDTAを処理して増殖させた軟骨細胞を培養皿から剥がした。 Single cells obtained by such a process were seeded and cultured in a growth medium in order to increase the number of chondrocytes and synovial cells. Cell density of the first time (2.0 ± 0.4) × 10 4 in / cm 2 seeded, followed cell density in subculture is (2.0 ± 0.4) × 10 4 / cm 2 seeding did. Also, 10% FBS (fetal bovine serum), 1% antibacterial / antifungal mixture (10,000 units / ml) inactivated by heat in D-MEM / F-12 medium (Gibco. Co.) Of penicillin G, 10,000 μg / ml streptomycin sulfate and 25 μg / ml amphotericin B: Invitrogen Co.) and 50 μg / ml ascorbic acid, and reaching 90% confluency, Chondrocytes grown by treatment with trypsin / EDTA were detached from the culture dish.
12〜13日間の細胞増殖の継代培養期間において軟骨細胞は2回、滑膜由来細胞は最大4回まで継代し、最終的に細胞混合物の細胞移植治療用スフェロイドを作製する細胞材料としては、第3継代目の軟骨細胞と第4〜5継代目の滑膜由来細胞を用いた。 As a cell material for producing a spheroid for cell transplantation treatment of a cell mixture, a chondrocyte is subcultured twice in a subculture period of 12 to 13 days, and a synovial cell is subcultured up to 4 times. 3rd passage chondrocytes and 4th to 5th passage synovial cells were used.
(1−B)単離培養軟骨細胞及び滑膜由来細胞への蛍光試薬のタッギング
上記(1−A)によって回収した各単離培養軟骨細胞及び滑膜由来細胞は、D-MEM/F-12培地(Gibco. Co.)を1%の抗菌剤/抗真菌剤混合物(10,000units/mlのペニシリンG、10,000μg/mlのストレプトマイシン硫酸塩及び25μg/mlのアムホテリシンB: Invitrogen Co.)及び50μg/mlのアスコルビン酸で調整した培地で再懸濁して遠心(1,800rpm/5分、24℃)させて、軟骨細胞及び滑膜由来細胞軟骨細胞数を対象とし、各細胞を蛍光顕微鏡及び共焦点レーザー顕微鏡下にて経時的に追跡するためPKH染色キット(Sigma Co.)を用いて光試薬のタッギングする準備をした。 軟骨細胞は赤色蛍光タッグのMINI26を滑膜由来細胞は緑色蛍光タッグのMINI67KIT(Fluorescent Cell Linker Mini Kit for General Cell)を用いてプロトコールに従って実施し、軟骨細胞及び滑膜由来細胞はお互いに比較できるようにした。この作業によって蛍光試薬のタッギングした軟骨細胞及び滑膜由来細胞の細胞懸濁液を準備した。
(1-B) Tagging of fluorescent reagent to isolated cultured chondrocytes and synovial cell-derived cells Each isolated cultured chondrocyte and synovial cell recovered by (1-A) above is D-MEM / F-12. Medium (Gibco. Co.) was mixed with 1% antibacterial / antifungal mixture (10,000 units / ml penicillin G, 10,000 μg / ml streptomycin sulfate and 25 μg / ml amphotericin B: Invitrogen Co.) and Resuspend in a medium adjusted with 50 μg / ml ascorbic acid and centrifuge (1,800 rpm / 5 min, 24 ° C.) to target the number of chondrocytes and synovial cell chondrocytes. Preparations for tagging of photoreagents were made using a PKH staining kit (Sigma Co.) for tracking over time under a confocal laser microscope. Chondrocytes are performed according to the protocol using red fluorescent tag MINI26, and synovial cells using green fluorescent tag MINI67KIT (Fluorescent Cell Linker Mini Kit for General Cell), so that chondrocytes and synovial cells can be compared with each other. I made it. By this operation, cell suspensions of chondrocytes and synovial cells derived from fluorescent reagents were prepared.
(1−C)振とう培養による細胞混合物の作製
上記(1−A)及び(1−B)によって調整した、適当な回数で継代され、蛍光試薬でタッギングされた軟骨細胞及び滑膜由来細胞の細胞懸濁液を、D-MEM/F-12培地(Gibco. Co.)を熱により不活化された10%のFBS(ウシ胎児血清)、1%の抗菌剤/抗真菌剤混合物(10,000units/mlのペニシリンG、10,000μg/mlのストレプトマイシン硫酸塩及び25μg/mlのアムホテリシンB: Invitrogen Co.)及び50μg/mlのアスコルビン酸で調整した培地を用いて5mlに再懸濁し、軟骨細胞及び滑膜由来細胞の個数を600×104/5ml調節した。このような軟骨細胞及び滑膜由来細胞を、さらに単独又は軟骨細胞と滑膜由来細胞を決めた割合、(すなわち(1)100%滑由来膜細胞・0%軟骨細胞の細胞懸濁液、(2)75%滑膜由来細胞・25%軟骨細胞の細胞懸濁液、(3)50%滑膜由来細胞・50%軟骨細胞の細胞懸濁液、(4)25%滑膜由来細胞・75%軟骨細胞の細胞懸濁液、(5)0%滑膜由来細胞・100%軟骨細胞の細胞懸濁液)で含む細胞材料懸濁液を準備した。培養容器としては直径60mmのHydroCellTM培養皿(CellSeed.Co.)を使用し、通常の細胞培養用インキュベーターの中の37℃、5%CO2の条件下で振とう培養用シェーカー(モデル名:ダブルシェーカーNR-3、TAITEK Co.)を利用して平面円形の移動を実施しながら70rpmの振動を加えながら37℃で条件によって1日〜5日間培養した。継代培養期間と振とう培養期間を含める細胞移植治療用スフェロイドの総作製過程を14日程度とした。ここでは、細胞混合物を損傷患部へ良好に固定するために補助的なシート状構造物(軟骨細胞シート)利用する様態を例にとってそのスケジュールを図5に示した。
(1-C) Preparation of cell mixture by shaking culture Chondrocytes and synovial cells derived from the appropriate number of passages and tagged with a fluorescent reagent, adjusted according to the above (1-A) and (1-B) Of 10% FBS (fetal bovine serum), 1% antibacterial / antimycotic mixture (10%) in which D-MEM / F-12 medium (Gibco. Co.) was inactivated by heat. , 000 units / ml penicillin G, 10,000 μg / ml streptomycin sulfate and 25 μg / ml amphotericin B: Invitrogen Co.) and 50 μg / ml ascorbic acid, and resuspended in 5 ml. the number of cells and synovial-derived cells were adjusted 600 × 10 4 / 5ml. Such chondrocytes and synovial cell-derived cells are further used alone or in a ratio determined by chondrocytes and synovial cell-derived cells (that is, (1) a cell suspension of 100% synovial cell and 0% chondrocytes, ( 2) 75% synovial cell / 25% chondrocyte cell suspension, (3) 50% synovial cell / 50% chondrocyte cell suspension, (4) 25% synovial cell / 75 Cell suspension containing (5) cell suspension of% chondrocytes, (5) cell suspension of 0% synovial cell and 100% chondrocytes). As a culture vessel, a HydroCell ™ culture dish (CellSeed. Co.) having a diameter of 60 mm was used, and a shaker for shaking culture (model name: 37 ° C., 5% CO 2 ) in a normal cell culture incubator. Using a double shaker NR-3, TAITEK Co.), the cells were cultured at 37 ° C. for 1 to 5 days while applying a vibration of 70 rpm while performing planar circular movement. The total production process of the spheroids for cell transplantation treatment including the subculture period and the shaking culture period was about 14 days. Here, the schedule is shown in FIG. 5 by taking as an example a mode of using an auxiliary sheet-like structure (chondrocyte sheet) in order to satisfactorily fix the cell mixture to the damaged area.
培養期間ごとに収得した細胞スフェロイドを位相差顕微鏡下にて及び蛍光試薬のタッギングした軟骨細胞及び滑膜由来細胞を観察する際は位相差顕微鏡に適当な範囲の波長のみ選択的に通過させる蛍光フィルター付加して観察し、その結果を図6及び図7に示した。図6のAは軟骨細胞及び滑膜由来細胞の割合を(2)75%滑膜由来細胞・25%軟骨細胞の細胞懸濁液を対象に振とう培養開始直後、Bは12時間経過後、Cは24時間経過後、Dは36時間経過後の位相差顕微鏡像である。 Fluorescent filter that selectively passes only a suitable range of wavelengths through the phase contrast microscope when observing the cell spheroids collected during each culture period under the phase contrast microscope and the chondrocytes and synovial cells derived from the fluorescent reagent. Additional observations were made and the results are shown in FIGS. 6A shows the ratio of chondrocytes and synovial cell-derived cells (2) Immediately after the start of shaking culture with a cell suspension of 75% synovial cell-derived cells and 25% chondrocytes, B shows 12 hours later, C is a phase contrast microscope image after 24 hours and D is 36 hours.
図7のAは軟骨細胞及び滑膜由来細胞の割合を(4)25%滑膜由来細胞・75%軟骨細胞の細胞懸濁液を対象に振とう培養開始直後、Bは12時間経過後、Cは24時間経過後、Dは36時間経過後の位相差顕微鏡に適当な範囲の波長のみ選択的に通過させる蛍光フィルター付加して観察像である。 FIG. 7A shows the ratio of chondrocytes and synovial cell-derived cells (4) immediately after the start of shaking culture for a cell suspension of 25% synovial cell-derived cells and 75% chondrocytes, and B shows 12 hours later. C is an observation image after adding a fluorescent filter that selectively passes only a wavelength in an appropriate range through a phase contrast microscope after 24 hours and D after 36 hours.
また、振とう培養は、上記の軟骨細胞及び滑膜由来細胞をさらに単独又は軟骨細胞と滑膜由来細胞を決めた割合を(5)0%滑膜由来細胞・100%軟骨細胞の細胞懸濁液を対象に、平面円形又は平面左右型に移動させながら4日間実施し、その結果を図8A及びBに示した。 Further, in the shaking culture, the above-mentioned chondrocytes and synovial cell-derived cells are further used alone or the ratio of chondrocytes and synovial cell-derived cells is determined as (5) 0% synovial cell-derived cell suspension / 100% chondrocyte cell suspension. It carried out for 4 days, moving a liquid to a plane circular shape or a plane left-right type | mold, and the result was shown to FIG. 8A and B. FIG.
図9は、上記の各(1)〜(5)までの割合の条件での軟骨細胞及び滑膜由来細胞の細胞懸濁液を対象に振とう培養開始36時間経過後の位相差顕微鏡に適当な範囲の波長のみ選択的に通過させる蛍光フィルター付加して観察像である。共焦点レーザー顕微鏡下にて、軟骨細胞及び滑膜由来細胞の割合を(3)50%滑膜由来細胞・50%軟骨細胞の細胞懸濁液を対象に振とう培養を5日間実施して観察した像の結果を図10に示した。 FIG. 9 is suitable for a phase-contrast microscope after 36 hours from the start of shaking culture of a cell suspension of chondrocytes and synovial cell-derived cells under the ratios (1) to (5) above. An observation image is obtained by adding a fluorescent filter that selectively passes only a wavelength in a certain range. Under confocal laser microscope, the ratio of chondrocytes and synovial cells was observed by (3) shaking culture of 50% synovial cells and 50% chondrocytes for 5 days. The resulting image is shown in FIG.
細胞移植治療用スフェロイドを構成する各細胞材料は、時間が経つにつれて、人為的な操作から起因する持続的な反復の振とう運動から起きる培養液の流動により各細胞は培養容器の底部に留まらず、培養液中に浮く懸濁状態で振とう培養期間中に維持でき、振とう開始の振とう初期段階に細胞スフェロイドになった小さいサイズの混合細胞複合を中心として多数の他の細胞材料同士が迅速に接着するようになり、細胞移植治療用スフェロイドが成長した。この期間中に、細胞混合物は、振とう培養開始後12時間から肉眼的にも観察でき、全振とう培養期間において観察可能であった。このとき、収得した細胞スフェロイドを肉眼的な所見を、その結果を図12に示した。 Over time, each cell material that makes up a spheroid for cell transplantation does not stay at the bottom of the culture vessel due to the flow of the culture fluid resulting from the continuous repetitive shaking motion resulting from human manipulation. Many other cellular materials can be maintained in a suspension state floating in the culture solution during the shaking culture period, mainly in small-sized mixed cell complexes that have become cell spheroids at the beginning of shaking. It quickly became attached and spheroids for cell transplantation grew. During this period, the cell mixture could be observed macroscopically from 12 hours after the start of the shaking culture, and was observable during the entire shaking culture period. At this time, the obtained cell spheroids were visually observed, and the results are shown in FIG.
細胞混合物は、時間が経つにつれて、輪郭が徐々に滑らかになるのを確認した。培養開始後125時間を経過したマイクロ粒子を位相差顕微鏡下にて観察し、その結果を上記の図6及び図7に示した。サイズが小さい細胞スフェロイドの場合は、直径が250±100μm、サイズが大きい細胞スフェロイドの場合は、直径が700±250μm程度であった。 The cell mixture was observed to gradually smooth the contour over time. Microparticles that had passed 125 hours after the start of culture were observed under a phase contrast microscope, and the results are shown in FIG. 6 and FIG. In the case of a cell spheroid having a small size, the diameter was about 250 ± 100 μm, and in the case of a cell spheroid having a large size, the diameter was about 700 ± 250 μm.
本発明による軟骨様組織として形質発現している細胞混合物からなる細胞移植治療用スフェロイドは、上記細胞混合物を構成する各細胞材料を分離準備し、前記分離された各細胞を継代培養して増殖させた後、1種もしくは2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞材料懸濁液を準備し、これを振とう培養することで、細胞材料同士を相互接着させて細胞混合物を作製し、作製された細胞スフェロイドを分離することにより得られるものである。本発明の細胞移植治療用スフェロイドは、損傷患部に移動することによって、細胞移植治療を行うことができ、また化合物、薬剤、毒物などの薬効や毒性などの生理作用を評価するためのシステムとしても有用である。本発明の細胞移植治療用スフェロイドにおいては、それを構成する各細胞が、軟骨細胞の単独使用のみならず、1種もしくは2種以上の高度な増殖能を示し、軟骨組織への容易な分化能を保有する任意の幹細胞もしくは軟骨前駆細胞等を利用することが可能であり、軟骨様組織として形質発現された細胞移植治療用スフェロイドを大量に準備するこが可能となる。これにより、本発明の細胞移植治療用スフェロイドは、高齢者に多発する広範囲な骨軟骨損傷や、損傷の程度が軟骨組織表層から軟骨下骨まで到達しない部分欠損等に対する治療技術の確立において極めて有用である。 A spheroid for cell transplantation treatment comprising a cell mixture expressed as a cartilage-like tissue according to the present invention is prepared by separating each cell material constituting the cell mixture, and subcultured each of the separated cells to proliferate. Then, one or two or more types of cells are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell material suspension, and the cells are cultured by shaking to adhere the cell materials to each other. It is obtained by producing a mixture and separating the produced cell spheroids. The spheroid for cell transplantation treatment of the present invention can be used for cell transplantation treatment by moving to the affected area, and can also be used as a system for evaluating physiological effects such as the efficacy and toxicity of compounds, drugs, and toxicants. Useful. In the spheroid for cell transplantation treatment of the present invention, each cell constituting the spheroid shows not only a single use of chondrocytes but also one or two or more advanced proliferative ability and easy differentiation ability into cartilage tissue. Any stem cell or cartilage progenitor cell or the like that possesses can be used, and a large amount of spheroids for cell transplantation treatment expressed as cartilage-like tissue can be prepared. As a result, the spheroid for cell transplantation treatment of the present invention is extremely useful in establishing a treatment technique for a wide range of osteochondral damage that frequently occurs in the elderly, and partial defects in which the degree of damage does not reach the subchondral bone from the cartilage surface layer. It is.
Claims (24)
(1)細胞混合物を構成する1種又は2種以上の細胞を分離準備する工程;
(2)工程(1)で分離された細胞を継代培養して増殖させる工程;
(3)工程(2)で増殖させた1種又は2種以上の細胞を培養液の中で単独又は混合して細胞懸濁液を準備し、細胞を高密度の浮遊状態に維持して培養することによって、細胞同士を相互接着させた細胞混合物を作製する工程;及び
(4)工程(3)で製造された細胞スフェロイドを分離する工程: A method for producing a spheroid for cell transplantation treatment, comprising the following steps (1) to (4).
(1) A step of preparing for separation of one or more cells constituting the cell mixture;
(2) a step of subculturing and proliferating the cells isolated in step (1);
(3) One or two or more types of cells grown in step (2) are singly or mixed in a culture solution to prepare a cell suspension, and the cells are maintained in a high-density floating state and cultured. A step of producing a cell mixture in which cells are adhered to each other; and (4) a step of separating the cell spheroids produced in step (3):
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