JP4928831B2 - Automatic culture equipment - Google Patents
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Description
本発明は、自動培養装置に係り、具体的には、骨髄液から幹細胞を分離し、増殖、分化誘導の培養プロトコールを安全かつ自動的に実現する自動培養装置に関する。 The present invention relates to an automatic culture apparatus, and more particularly to an automatic culture apparatus that separates stem cells from bone marrow fluid and safely and automatically realizes a culture protocol for inducing proliferation and differentiation.
再生医療は、例えば、欠損した組織の修復法として注目されている。このような再生医療は、細胞を用いた治療であり、培養器での培養及びALP(アルカリフォスファターゼ)活性などの試験を含むインビトロ(In Vitro)の細胞培養作業を必要とする。例えば、骨又は軟骨を欠損した被験者の治療においては、間葉系幹細胞(以下、適宜、MSC(Mesenchymal Stem Cell)と略す。)を培養し、骨又は軟骨に分化させ、被験者に移植する方法が提案されている。このMSCは腸骨などの骨髄液に含まれることが知られているが、骨髄液に含まれるMSCを分離、培養して、骨や軟骨へ分化させるには煩雑な培養作業が必要である。また、培養の途中でMSCが汚染される、いわゆるコンタミネーションなどのリスクが伴うことがある。一般に、MSCの培養作業は、例えば、次の手順により行われている。
(1)腸骨等に穿刺し、ヘパリンナトリウムなどの血液凝固防止剤を含んだシリンジで骨髄液を採取する。
(2)骨髄液に含まれる赤血球など血球系細胞を排除し、MSCを分離するために、遠沈管に骨髄液を入れ、遠心分離を行って密度勾配法により目的の細胞であるMSC層の液をピペツターで吸出し、培地等で希釈した後にシャーレなどの培養器へ注入して培養(インキュベート)する。
Regenerative medicine is attracting attention as a method for repairing deficient tissue, for example. Such regenerative medicine is treatment using cells, and requires in vitro cell culture work including culture in an incubator and tests such as ALP (alkaline phosphatase) activity. For example, in the treatment of a subject lacking bone or cartilage, there is a method in which mesenchymal stem cells (hereinafter abbreviated as MSC (Mesenchymal Stem Cell) as appropriate) are cultured, differentiated into bone or cartilage, and transplanted to the subject. Proposed. This MSC is known to be contained in bone marrow fluid such as iliac bone. However, complicated culture work is required to separate and culture MSC contained in bone marrow fluid to differentiate into bone and cartilage. In addition, there may be a risk of contamination of MSC during the culture, so-called contamination. In general, MSC culture work is performed, for example, by the following procedure.
(1) Puncture the iliac bone and collect bone marrow fluid with a syringe containing a blood coagulation inhibitor such as heparin sodium.
(2) In order to eliminate blood cells such as erythrocytes contained in the bone marrow fluid and to separate MSC, the bone marrow fluid is put into a centrifuge tube, centrifuged, and the liquid in the MSC layer that is the target cell by density gradient method Is sucked out with a pipetter, diluted with a medium or the like, and then poured into a petri dish or other incubator for incubation (incubation).
また、所定の培養条件下の培地により培養する過程で、MSCはシャーレに接着することから、適当な期間をあけて培地交換することにより、シャーレに接着しない血球系細胞を排除してMSCを分離することができる。
(3)その後、所定の培養条件下において継続して培養する。ここで、所定の培養条件は、温度37℃前後、CO2濃度5%が一般的である。凡そ3日おきにピペツターなどを使用しながら培地交換して培養を継続する。
(4)細胞が増殖し、局所に細胞密度の高いコロニーが形成されるか、あるいは培養面積の60〜90%程度まで細胞が増殖したら、複数の新しいシャーレに再播種する継代を行う。この継代は、培養中のシャーレにタンパク分解酵素を入れて細胞を浮遊させ、数分後にタンパク分解酵素失活剤を注入して、複数の新しいシャーレに再播種することにより行う。このように細胞増殖に伴い継代を複数回行うことにより、シャーレの数が鼠算的に増加する。例えば、培養器の面積が約75cm2の場合、約1〜1.5×106個の細胞を回収できる。
(5)適当な日数が経過し、細胞が充分量増殖した後に、骨又は軟骨などの用途に応じて適当な成分を含有する培地に切り替え、目的の組織の細胞に分化誘導する。
(6)目的の組織の培養細胞の回収は、シャーレにタンパク分解酵素を入れて細胞を浮遊させ、数分後にタンパク分解酵素の失活剤を注入して回収する。回収した培養細胞は、被験者への移植などに利用する。例えば、最終的には1×107個以上の細胞を必要とする場合が多く、例えば約75cm2のシャーレの場合は、10枚以上必要となる。
In addition, MSC adheres to the petri dish in the process of culturing with a medium under the predetermined culture conditions. Therefore, by exchanging the medium after an appropriate period of time, blood cells that do not adhere to the petri dish are eliminated to separate the MSC. can do.
(3) Then, it culture | cultivates continuously on a predetermined culture condition. Here, the predetermined culture conditions are generally a temperature of around 37 ° C. and a CO 2 concentration of 5%. The culture is continued by changing the medium every 3 days using a pipetter or the like.
(4) When cells grow and colonies with high cell density are formed locally, or when cells grow to about 60 to 90% of the culture area, subculture is performed by reseeding in a plurality of new dishes. This passage is carried out by putting proteolytic enzymes in a petri dish in culture, floating the cells, injecting a proteolytic enzyme inactivator after several minutes, and reseeding in a plurality of new petri dishes. Thus, the number of petri dishes increases by performing passage several times with cell proliferation. For example, when the area of the incubator is about 75 cm 2 , about 1 to 1.5 × 10 6 cells can be collected.
(5) After an appropriate number of days have passed and the cells have grown to a sufficient amount, the medium is switched to a medium containing an appropriate component according to the use, such as bone or cartilage, to induce differentiation into cells of the target tissue.
(6) To collect cultured cells of the target tissue, put proteolytic enzyme in a petri dish to float the cells, and after several minutes inject a proteolytic enzyme inactivator. The collected cultured cells are used for transplantation into a subject. For example, in the end, 1 × 10 7 or more cells are often required. For example, in the case of a petri dish of about 75 cm 2 , 10 or more cells are required.
上述したように、再生医療に用いる細胞の培養作業は、煩雑な作業を伴うことから、培養プロトコールに従って自動的に培養操作を行うようにした自動培養装置が特許文献1等に提案されている。これによれば、煩雑な培養作業を自動化することができ、かつ、気密でクリーンな環境で培養操作をすることができるから、培養細胞が汚染されるコンタミネーションを回避でき、安全性を向上させることができる。
As described above, since the work of culturing cells used for regenerative medicine involves complicated work, an automatic culture apparatus that automatically performs a culture operation according to a culture protocol has been proposed in
しかしながら、特許文献1に記載の自動培養装置は、基本的に手作業による個々の培養操作を自動化したものであり、例えば、シャーレ内の培地交換はインキュベータ内のシャーレの蓋を開けてピペットにより交換するようにしている。したがって、インキュベータ内又はインキュベータを収納する筐体内をクリーン環境に保持しても、コンタミネーションのリスクを軽減することに改善の余地がある。また、シャーレの数が鼠算的に増加するため、非常に煩雑な作業となり、作業ミスの発生も否定できない。特に、間葉系幹細胞(MSC)の培養に適用する場合、骨髄液からMSCを分離する操作を自動化することについては配慮されていない。
However, the automatic culture apparatus described in
本発明は、コンタミネーションのリスクを軽減し、培養細胞の安全性を一層向上させることができ、かつ、骨髄液からの幹細胞の分離操作を自動化することを第1の課題とする。 The first object of the present invention is to reduce the risk of contamination, further improve the safety of cultured cells, and to automate the operation of separating stem cells from bone marrow fluid.
また、本発明は、第1の課題に加えて、骨髄液から幹細胞を分離し、増殖、分化誘導の培養プロトコールを安全かつ自動的に実現することを第2の課題とする。 Further, in addition to the first problem, the present invention has a second problem of separating a stem cell from bone marrow fluid and realizing a culture protocol for inducing proliferation and differentiation safely and automatically.
上記第1の課題を解決するため、本発明の自動培養装置は、インキュベータ内に設置され気密に形成された細胞の培養器と、培地が貯留された培地容器と、タンパク質分解酵素が貯留されたタンパク質分解酵素容器と、洗浄液が貯留された洗浄液容器と、骨髄液が貯留された骨髄液容器と、前記培養器に気密に接続された送液管を介して前記培地容器と前記洗浄液容器と前記骨髄液容器の液を選択的に前記培養器に注入する送液手段と、前記培養器に気密に接続された排液管を介して前記培養器内の液を排出する排液手段と、前記送液手段と前記排液手段を予め定められた培養プロトコールに従って制御する制御手段とを備えてなり、前記制御手段は、前記送液手段を制御して前記培地を前記培養器に注入した後に前記骨髄液を前記培養器に注入して設定時間静置させる初期操作と、該初期操作の後に前記排液手段と前記送液手段を制御して、前記培養器内を前記培地又は前記洗浄液によって洗浄して前記培養器に接着する幹細胞を選択的に分離する分離操作と、該分離操作後に前記培養器に前記培地を注入して前記幹細胞を培養する培養操作とを制御し、前記培養操作は、取得される前記培養器内の画像に基づいて前記幹細胞の増殖速度が抑制されていることを確認したとき、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させた後、前記培地を注入して懸濁させる継代操作を含んで構成する。 In order to solve the first problem, an automatic culture apparatus according to the present invention includes a cell incubator that is installed in an incubator and formed airtight, a medium container in which a medium is stored, and a protease that is stored. A protease container, a washing liquid container in which a washing liquid is stored, a bone marrow liquid container in which bone marrow fluid is stored, the medium container, the washing liquid container, and the like via a liquid feeding tube that is airtightly connected to the incubator. A liquid feeding means for selectively injecting a liquid in a bone marrow fluid container into the incubator; a draining means for discharging the liquid in the incubator through a drainage tube connected airtight to the incubator ; And a control means for controlling the liquid delivery means and the drainage means according to a predetermined culture protocol, the control means controlling the liquid delivery means and injecting the medium into the incubator. Bone marrow fluid into the incubator An initial operation to be allowed to stand for a set time, and after the initial operation, the draining means and the liquid feeding means are controlled, and the inside of the incubator is washed with the medium or the washing liquid and adhered to the incubator Controlling a separation operation for selectively separating stem cells to be performed and a culture operation for injecting the medium into the incubator after the separation operation and culturing the stem cells, and the culture operation is acquired in the incubator When it was confirmed that the growth rate of the stem cells was suppressed based on the image of, after the stem cells were suspended by controlling the liquid feeding means and injecting the proteolytic enzyme into the incubator, It comprises a subculture operation of injecting and suspending the medium .
このような構成を有する本発明によれば、培養器が気密に形成され、かつ、培地、洗浄液、骨髄液等の液が気密に接続された送液管を介して培養器に送液されることから、ピペットなど培養器具を介して、あるいは周囲の空気から培養器内に汚染物質が侵入するのを防ぐことができる。その結果、コンタミネーションのリスクを軽減し、自動培養細胞の安全性を一層向上させることができる。特に、培養器内の液の排出及び洗浄液の注入を、好ましくは繰返し行って、培養器に接着する幹細胞を選択的に分離するようにしているから、幹細胞の分離操作を自動化することができる。 According to the present invention having such a configuration, the incubator is formed in an airtight manner, and a liquid such as a culture medium, a washing solution, or a bone marrow fluid is sent to the incubator through an airtightly connected liquid feeding tube. Therefore, it is possible to prevent contaminants from entering the incubator through a culture instrument such as a pipette or from the surrounding air. As a result, the risk of contamination can be reduced and the safety of the automatically cultured cells can be further improved. In particular, the discharge of the liquid in the incubator and the injection of the washing liquid are preferably performed repeatedly to selectively separate the stem cells adhering to the incubator, so that the stem cell separation operation can be automated.
また、第2の課題を解決するため、本発明の他の発明の自動培養装置は、インキュベータ内に設置され気密に形成された細胞の培養器と、タンパク質分解酵素を失活させる成分が含まれた第1の培地が貯留された第1の培地容器と、該第1の培地とは異なる第2の培地が貯留された第2の培地容器と、タンパク質分解酵素が貯留されたタンパク質分解酵素容器と、洗浄液が貯留された洗浄液容器と、骨髄液が貯留された骨髄液容器と、前記培養器に気密に接続された送液管を介して前記第1の培地容器と前記第2の培地容器と前記タンパク質分解酵素容器と前記洗浄液容器と前記骨髄液容器の液を選択的に前記培養器に注入する送液手段と、前記培養器に気密に接続された排液管を介して前記培養器内の液を排液タンク又は細胞回収タンクに選択的に排出する排液手段と、前記送液手段と前記排液手段を予め定められた培養プロトコールに従って制御する制御手段とを備えてなり、前記制御手段は、前記送液手段を制御して前記第1の培地を前記培養器に注入した後に前記骨髄液を前記培養器に注入して設定時間静置させる初期操作と、該初期操作の後に前記排液手段と前記送液手段を制御して、前記培養器内を前記培地又は前記洗浄液によって洗浄して前記培養器に接着する幹細胞を選択的に分離する分離操作と、該分離操作後に前記送液手段を制御して前記第1の培地を前記培養器に注入して前記幹細胞を培養する培養操作と、該培養操作により前記幹細胞が十分に増殖したことを確認した後、前記送液手段を制御して前記第2の培地を前記培養器に注入して前記幹細胞を組織細胞に分化させる分化操作と、該分化操作後に、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させ、前記第1の培地を前記培養器に注入して浮遊した前記幹細胞を前記細胞回収タンクに排出する細胞回収操作とを制御し、前記培養操作は、取得される前記培養器内の画像に基づいて前記幹細胞の増殖速度が抑制されていることを確認したとき、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させた後、前記培地を注入して懸濁させる継代操作を含んで構成する。 In order to solve the second problem, an automatic culture apparatus according to another invention of the present invention includes a cell incubator that is installed in an incubator and formed airtight, and a component that inactivates a proteolytic enzyme. A first medium container storing a first medium, a second medium container storing a second medium different from the first medium, and a proteolytic enzyme container storing a proteolytic enzyme A cleaning liquid container in which a cleaning liquid is stored, a bone marrow liquid container in which bone marrow fluid is stored, and the first medium container and the second medium container via a liquid feeding tube that is airtightly connected to the incubator. The incubator via a liquid feeding means for selectively injecting the liquid in the proteolytic enzyme container, the washing liquid container and the bone marrow fluid container into the incubator, and a drain tube connected to the incubator in an airtight manner . Select the liquid in the drainage tank or cell recovery tank. A draining means for selectively discharging, and a control means for controlling the liquid feeding means and the draining means in accordance with a predetermined culture protocol, wherein the control means controls the liquid feeding means. An initial operation of injecting the bone marrow fluid into the incubator after injecting the first medium into the incubator and allowing it to stand for a set time; and controlling the drainage means and the liquid delivery means after the initial operation. Separating the stem cell adhering to the incubator by washing the inside of the incubator with the medium or the washing solution, and controlling the liquid feeding means after the separation operation to control the first medium. A culture operation for injecting the stem cell into the incubator, and confirming that the stem cells have sufficiently proliferated by the culture operation, and then controlling the liquid feeding means to culture the second medium. The stem cells are injected into the vessel A differentiation operation for differentiating into cells, and after the differentiation operation, the liquid feeding means is controlled to inject the proteolytic enzyme into the incubator to float the stem cells, and the first medium is injected into the incubator. The cell collection operation for discharging the stem cells floating in the cell recovery tank to the cell collection tank, and the culturing operation is performed such that the proliferation rate of the stem cells is suppressed based on the acquired image in the incubator. When confirmed, it comprises a subculture operation in which the liquid feeding means is controlled to inject the proteolytic enzyme into the incubator to suspend the stem cells, and then inject and suspend the medium .
これによれば、骨髄液から幹細胞を分離し、増殖、分化誘導の培養プロトコールを安全かつ自動的に実現することができる。 According to this, stem cells are separated from bone marrow fluid, and a culture protocol for inducing proliferation and differentiation can be realized safely and automatically.
本発明において、さらに、前記培養器を揺らす揺動手段を備え、前記制御手段は、前記分離操作時に前記揺動手段を制御して前記培養器を揺らすように構成することにより、幹細胞の分離効率を向上させることができる。 In the present invention, it further comprises rocking means for rocking the incubator, and the control means is configured to rock the incubator by controlling the rocking means during the separation operation. Can be improved.
本発明によれば、コンタミネーションのリスクを軽減し、培養細胞の安全性を一層向上させることができ、かつ、骨髄液からの幹細胞の分離操作を自動化することができる。 According to the present invention, the risk of contamination can be reduced, the safety of cultured cells can be further improved, and the operation of separating stem cells from bone marrow fluid can be automated.
また、本発明の他の発明によれば、骨髄液から幹細胞を分離し、増殖、分化誘導の培養プロトコールを安全かつ自動的に実現することができる。 According to another invention of the present invention, stem cells can be separated from bone marrow fluid, and a culture protocol for inducing proliferation and differentiation can be realized safely and automatically.
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。図1は、本発明の自動培養装置の一実施形態のブロック構成図である。図2〜図6は、骨髄液から間葉系幹細胞を培養するのに好適な本発明の一実施形態の培養プロトコールの操作手順を示すフローチャートである。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described. FIG. 1 is a block configuration diagram of an embodiment of the automatic culture apparatus of the present invention. FIG. 2 to FIG. 6 are flowcharts showing an operation procedure of a culture protocol according to an embodiment of the present invention suitable for culturing mesenchymal stem cells from bone marrow fluid.
図1に示すように、本実施形態の培養器2は円形シャーレを用いて密閉状態に形成されている。この培養器2には、送液側のチューブ4、排出側のチューブ8、空気交換用のチューブ6が気密に接続されている。培養器2は、細胞無毒性の材質であればよく、例えば、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。また、培養器2の形状は、本実施形態のように円形シャーレを用いることが好ましいが、特に限定されるものではない。
As shown in FIG. 1, the
洗浄液を入れたバッグ10、タンパク質分解酵素を入れたバッグ12、第1の培地を入れたバッグ14,第1の培地とは異なる成分の第2の培地を入れたバッグ15が備えられている。バッグ14の第1の培地にはタンパク質分解酵素を失活する血清が含有されている。また、バッグ15の第2の培地には、目的とする組織細胞に分化させるのに適した組成の薬剤が用いられる。これらのバッグは、図示していないが、保冷(約4℃)された庫内に収納されている。各バッグ10,12,14,15は、それぞれ培養器2の送液側のチューブ4に接続されている。また、各バッグ10,12,14,15に接続された分岐チューブには、ピンチ弁16,18,20,21が設けられている。チューブ4には、各バッグ10,12,14,15から培養器2に注入する液を余熱するヒータ26が設けられている。ヒータ26と培養器2の間のチューブ4に、ピンチ弁22とポンプ34が設けられている。ポンプ34は外気が侵入しないタイプが良く、ローラポンプが好ましい。ローラポンプは、例えば3本のローラを一体に回転させるように構成され、その3本のローラの外周にチューブ4を巻き付けて用いる。
ポンプ34とピンチ弁22の間のチューブ4には、チューブ25を介して液溜め32が接続されている。液溜め32の開口部はフィルム30により覆われている。液溜め32には、シリンジ28をフィルム30に穿刺してシリンジ28内に採取した骨髄液が注入される。
A
培養器2の排出側のチューブ8には、培養後の細胞液を入れる細胞回収容器である細胞回収用のバッグ48と、培養器2内の廃液を排出するためのバッグ50が接続されている。また、チューブ8には、ローラポンプなどのポンプ42が設けられ、各バッグ48,50に接続された分岐チューブには、それぞれピンチ弁44,46が設けられている。ここで、バッグ10,12,14,15、48及びチューブ4,6、8、25等は、細胞無毒性の材質であればよく、例えば、塩化ビニル、シリコン製が好ましい。
Connected to the tube 8 on the discharge side of the
培養器2に接続された空気交換用のチューブ6の先端は、インキュベータ36内に空気フィルター38を介して開口されている。これにより、外気が直接培養器2内部に侵入するのを防いで、コンタミネーションのリスクを低減している。また、インキュベータ30内に空気フィルター40が設けられ、この空気フィルター40はチューブ27を介して各バッグ10,12,14,15とヒータ26との間のチューブ4に接続されている。インキュベータ36には、図示していないが、内部の温度及び二酸化炭素濃度を調整する手段が設けられている。例えば、温度は30℃から40℃、CO2濃度は5%に制御されている。培養器2には、培養細胞を観察するCCDカメラ付き顕微鏡などの画像取得手段52が設けられている。また、培養器2を揺らす揺動手段54が設けられている。
The tip of the air exchange tube 6 connected to the
各ピンチ弁16,18,20,21、22、23、24,44,46、ポンプ34,42、画像取得手段52、及び揺動手段54は、図示していない制御装置により駆動制御されるようになっている。
The
このように構成される本実施形態の自動培養装置を、予め定めた培養プロトコールに従って制御する制御装置の動作手順を、図2〜図6を参照して説明する。図2は、図1の自動培養装置により骨髄液から間葉系幹細胞を培養する培養プロトコールの概要フローチャートである。 The operation procedure of the control apparatus that controls the automatic culture apparatus of the present embodiment configured as described above according to a predetermined culture protocol will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a schematic flowchart of a culture protocol for culturing mesenchymal stem cells from bone marrow fluid using the automatic culture apparatus of FIG.
〔ステップS1:初期・分離操作〕
オペレータが細胞培養の開始指令を制御装置に入力することにより、培養プロトコールに従って一連のシーケンス動作が開始する。まず、培養器2にバッグ14の第1の培地を注入し、続いて培養器2に液溜め32から骨髄液を注入し、しばらく(例えば、30分以上)静止した後、培養器2内の培地をバッグ50に排液する。これにより、培養器2に接着する間葉系幹細胞以外の細胞を排出させて間葉系幹細胞を分離することができる。この場合、必要に応じて、バッグ10の洗浄液又はバッグ14の第1の培地を培養器2に注入して、再び排出する処理を繰返し行うことにより、間葉系幹細胞の分離精度を向上することができる。
[Step S1: Initial / separation operation]
When an operator inputs a cell culture start command to the control device, a series of sequence operations starts according to the culture protocol. First, the first medium of the
〔ステップS2:培養操作〕
ステップS2では、培養器2に残された間葉系幹細胞を第1の培地により培養する。このステップでは、必要に応じて、培地交換及び培地内に空気を送る操作を行う。この培養は、培養器2内の細胞数が所定の十分な数になるまで行う。
[Step S2: Culture Operation]
In step S2, the mesenchymal stem cells left in the
〔ステップS3:継代操作〕
継代操作は、通常、培養操作に含まれる処理である。つまり、ステップS2の培養操作において、細胞数が十分に増えていない場合であっても、培養器2内に局所的に細胞密度が高いコロニーが形成されると、その領域における増殖速度が抑制されることから、培養器2内の細胞を播き直す継代を行う。この継代は、培養中の培養器2にバッグ12のタンパク質分解酵素を注入して細胞を浮遊させた後、タンパク質分解酵素の失活剤が含有された第1の培地を注入することにより行う。このように、細胞増殖に伴い継代を複数回行うことにより、培養器2内の細胞密度が均等化され、増殖を促すことができる。
[Step S3: Passage operation]
The passage operation is usually a treatment included in the culture operation. That is, even if the number of cells has not increased sufficiently in the culturing operation in step S2, if a colony having a high cell density is locally formed in the
〔ステップS4:分化操作〕
適当な日数が経過し、培養操作によって細胞数が十分な数に達したことを、例えば、画像取得手段52の画像により確認したときは、培養操作を停止して、培養された間葉系幹細胞を目的とする組織細胞に分化誘導する操作を行う。この分化操作は、骨又は軟骨などの用途に応じて適当な成分を含有する第2の培地に切り替えて培養し、目的の組織の細胞に誘導する。この培養は、ステップS2の培養操作と同様の操作になる。
[Step S4: Differentiation Operation]
When an appropriate number of days have passed and the number of cells has reached a sufficient number by the culturing operation, for example, when the image of the image acquisition means 52 is confirmed, the culturing operation is stopped and the cultured mesenchymal stem cells To induce differentiation into the desired tissue cells. This differentiation operation is performed by switching to a second medium containing an appropriate component according to the use such as bone or cartilage, and culturing the cells in a target tissue. This culture is the same as the culture operation in step S2.
〔ステップS5:細胞回収操作〕
ステップS4の操作で、目的の組織の細胞への分化が完了したら、培養器2内の細胞を回収する。この回収は、培養器2にバッグ12のタンパク質分解酵素を入れて細胞を浮遊させ、数分後にタンパク質分解酵素の失活剤を含有する第1の培地を注入して、バッグ48に回収する。回収した培養細胞は、被験者への移植などに利用する。
[Step S5: Cell recovery operation]
When the differentiation of the target tissue into cells is completed by the operation in step S4, the cells in the
ここで、各ステップS1〜S5の詳細な処理手順を、図3〜図6を用いて説明する。 Here, the detailed processing procedure of each step S1-S5 is demonstrated using FIGS.
図3は、初期・分離操作の詳細なフローチャートである。まず、細胞培養の開始指令が入力されると、ステップS11において、ピンチ弁20,22を開き、ポンプ34を動作させて、培養器2にバッグ14から第1の培地を注入する。この際、培養器2内部の空気は、空気フィルター38から排気されるので、円滑に培地を注入できる。
FIG. 3 is a detailed flowchart of the initial / separation operation. First, when a cell culture start command is input, in step S11, the
次に、ステップS12において、液溜め32から培養器2に骨髄液を注入する。液溜め32内には、予め培地などと混合された骨髄液が入ったシリンジ28を、フィルム30に穿刺して骨髄液が注入されている。培養器2に骨髄液を注入するには、ピンチ弁24を開いてポンプ34を動作させることにより行う。この際、培養器2内部の空気は、空気フィルター38から排気されるので、骨髄液がチューブに詰まることなく円滑に注入できる。
Next, in step S <b> 12, bone marrow fluid is injected from the
次いで、ステップS13において、培養器2に骨髄液を注入した状態で、少なくとも30分以上静置する。これにより、培養器2に間葉系幹細胞を接着させる。
Next, in step S13, the bone marrow fluid is injected into the
次に、ステップS14において、間葉系幹細胞のみを残して、血球系細胞などの他の細胞を除去するために、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させ、培養器2の培地をバッグ50に排出する。この場合、空気フィルター38から外気が培養器2内に吸入されるので、培養器2内が負圧になることなく培地を円滑に排出できる。その後、ピンチ弁20,22を開き、ポンプ34を動作させて第1の培地を注入する。
Next, in step S14, the
この洗浄は、ピンチ弁20に代えて、ピンチ弁16を開き、バッグ10の洗浄液を用いてもよい。また、この洗浄の回数は複数回行うと効果的である。さらに培地(もしくは洗浄液)を入れた後に、揺動手段54を駆動して培養器2を揺すると、より高い洗浄の効果が得られる。このようにして、培養器2内に、間葉系幹細胞のみが分離される。
In this cleaning, instead of the
図4は、図2における培養操作と継代処理の詳細なフローチャートである。図示のように、培養操作はステップS21〜24からなり、継代処理はステップS31〜34からなる。なお、本実施形態では、図3のステップS14の洗浄処理の最後において、培養器2には第1の培地が注入されているものとするが、洗浄処理の最後においても洗浄液を用いる場合は、ステップS21において第1の培地を注入する。培養は、培養器2を所定期間(例えば、3日程度)インキュベータ36内に静置して行う。この間、培養器2は密閉状態にあるため、適宜、培養器2内を換気する。この換気は、ステップS22において、ピンチ弁22,23を開き、ポンプ34を動作させて、空気フィルター40からインキュベータ36内の空気を吸引して培養器2に注入する。この換気において、培養器2内の空気は空気フィルター38を介して排気される。この換気は、後述する培地交換、細胞回収以外の時間帯は、何回行ってもよく、また、常時連続して実施してもよい。
FIG. 4 is a detailed flowchart of the culturing operation and the passage process in FIG. As shown in the figure, the culture operation consists of steps S21 to S24, and the passaging process consists of steps S31 to S34. In the present embodiment, it is assumed that the first culture medium is injected into the
培養を継続していくうちに、培地中に溶出する細胞の不要な代謝物質を除去するため、及び培地の栄養分補給のために、定期的に行う培地を交換する必要がある。そこで、ステップS23において、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の培地をバッグ50に排出する。この際、培養器2内部には、空気フィルター38を介して外気が吸入されるので、円滑に培地を排出できる。次いで、ピンチ弁20,22を開き、ポンプ34を動作させて、第1の培地を注入する。培養器2内部の空気は、空気フィルター38から排気されるので、円滑に培地を注入できる。このステップS23の培地交換は、通常、3日程度おきに実施するが、この時間は予め、もしくは細胞の増殖状況に応じて任意に設定できる。なお、回数には限定しない。
As culture is continued, it is necessary to replace the medium regularly, in order to remove unnecessary metabolites of cells eluted in the medium and to supplement nutrients of the medium. Therefore, in step S23, the
このようにして培養した後、ステップS24において画像取得手段52により培養器2内の画像を取得し、取得した画像に基づいて細胞の増殖状況を確認する。所期の細胞数に対して十分な細胞数に達していなければ、ステップS3の継代操作に移行する。
After culturing in this way, an image in the
継代操作は、図4のステップS31〜S34の手順で行う。まず、図示していないが、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の培地をバッグ50に排出する。続いて、ピンチ弁16、22を開き、ポンプ34を動作させて、培養器2内にバッグ10の洗浄液を注入する。さらに、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の洗浄液を排出する。次に、ピンチ弁18、22を開き、ポンプ34を動作させて、培養器2にバッグ12のタンパク質分解酵素を注入する。これにより、培養器2に接着している細胞が剥離して浮遊する。
The passaging operation is performed according to the procedure of steps S31 to S34 in FIG. First, although not shown, the
ステップS32では、タンパク質分解酵素を失活させるために、ピンチ弁20、22を開き、ポンプ34を動作させて、培養器2にバッグ14の第1の培地を注入する。次のステップS33において、揺動手段54を動作させて培養器2を揺らし、培地内に細胞を懸濁させて均一に分散させる。そして、ステップS34において一定時間(例えば、30分)静置して細胞を培養器2に接着させた後、ステップ21の培養に戻る。
In step S32, in order to deactivate the proteolytic enzymes, to open the
このような培養操作と継代操作を繰り返し、ステップS24において、十分な細胞数が確認できた場合は培養操作を終了し、ステップS4の図5の分化操作に移行する。なお、培養器2から排液時及び培養器2に液を注入する際、培養器2の内部は空気フィルター38を介して吸排気される。
Such culturing operation and subculture operation are repeated, and when a sufficient number of cells can be confirmed in step S24, the culturing operation is terminated, and the process proceeds to the differentiation operation of FIG. 5 in step S4. Note that the inside of the
図5に示す分化操作は、培養された間葉系幹細胞を目的とする組織細胞に分化誘導する操作であり、骨又は軟骨などの用途に応じて適当な成分を含有する第2の培地に切り替えて培養し、目的の組織の細胞に誘導する。図示のように、ステップS41において、培養に用いていた第1の培地を、第2の培地に交換する。この交換は、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の第1の培地をバッグ50に排出する。続いて、ピンチ弁21、22を開き、ポンプ34を動作させて、第2の培地を注入することにより行う。次いで、ステップS42において第2の培地により培養することにより、目的とする細胞に分化させる。この培養の過程で、必要に応じて培養器2内に空気を送るため、ピンチ弁22,23を開き、ポンプ34を動作させる。
The differentiation operation shown in FIG. 5 is an operation for inducing differentiation of cultured mesenchymal stem cells into target tissue cells, and switching to a second medium containing an appropriate component according to the use such as bone or cartilage. And then induced into cells of the target tissue. As shown in the figure, in step S41, the first medium used for the culture is replaced with a second medium. In this exchange, the
分化操作が終了したら、図6のステップS51〜S53の細胞回収操作に移行する。まず、図示していないが、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器内部の第2の培地を排出する。続いて、ピンチ弁16、22を開き、ポンプ34を動作させて、洗浄液を注入する。さらに、ピンチ弁46を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の洗浄液を排出する。
When the differentiation operation is completed, the process proceeds to the cell recovery operation in steps S51 to S53 in FIG. First, although not shown, the
そして、ステップS51において、ピンチ弁18、22を開き、ポンプ34を動作させて、培養器2にタンパク質分解酵素注入を注入し、細胞を培養器2内に浮遊させる。次に、ステップS52において、培養器2に培地(第1又は第2?)を注入する。そして、ステップS53において、ピンチ弁44を開き、ポンプ42を動作させて、培養器2内の細胞を回収バッグ48に排出する。排出後、回収バッグ48に接続されたチューブを熱シールなどにより切断及びシールする。回収バッグ48は培養細胞を利用する部署に運ばれる。
In step S51, the
このようにして、細胞回収操作が終了すると、制御装置の表示装置などにシーケンス制御の終了が表示される。 Thus, when the cell recovery operation is completed, the end of the sequence control is displayed on the display device of the control device.
以上説明した動作フローチャートにおいて、ステップ11、15で用いる培地は、図2における培地15を用いてもよい。その場合の動作は、前述の培地12を用いるときに動作させたピンチ弁20を21とすればよい。
In the operation flowchart described above, the medium 15 in FIG. 2 may be used as the medium used in
(実施例)
以下、上記実施形態の自動培養装置を用いて、ヒト骨髄液から間葉形幹細胞を培養した結果について、具体的かつ詳細に述べる。
(1)実験条件
図1の自動培養装置の制御装置に、図2〜図6の培養プロトコールを実行するシーケンス制御ソフトを搭載した。また、培養に用いた薬剤は表1のとおりである。
(Example)
Hereinafter, the results of culturing mesenchymal stem cells from human bone marrow fluid using the automatic culture apparatus of the above embodiment will be described specifically and in detail.
(1) Experimental conditions The control apparatus of the automatic culture apparatus of FIG. 1 was equipped with sequence control software for executing the culture protocol of FIGS. Moreover, the chemical | medical agent used for culture | cultivation is as Table 1.
外科的に採取した29歳男性の骨髄液10m1を、DMEM(10%FBS,1%PS)で3倍希釈し(総量30ml)、液溜め32に投入して、図2の培養プロトコールーチンによる培養を開始した。なお、培養器2には、直径25cmの円形シャーレを用いた。
Surgically collected 29-year-old male bone marrow 10m1 diluted 3 times with DMEM (10% FBS, 1% PS) (total volume 30ml), put into the
(2)培養プロトコールによる培養
液溜め32に投入された骨髄は、日詰まりをおこすこともなく、培養器2へ到達し、第1の培地150mlと培容器2内で混和した。投入直後の骨髄液には、多量の血球成分が含まれており、光の透過率の関係で顕微鏡画像には何も写らないが、図3ステップS13,S14の静置及び洗浄を経ることで、図7に示すように、浮遊系細胞は除去された。本実施例では、7回の洗浄を行った。
(2) Culture by culture protocol The bone marrow put into the
培養開始後10日目に、培養器2内を観察したところ、細胞数が少ない部分がある一方(図8(A))、細胞が密になったコロニーを確認した(図8(B))。この段階で、細胞の密度分布を培養器内で均一にするため、継代操作(図4ステップS31〜S34)を実行した結果、培養器2内で細胞は剥離され、再度均一に播種された(図8(C))。さらに、継代後に、図4のステップS21〜S23の培養操作で間葉系幹細胞(MSC)を培養した結果、培養器2内でMSCはコンフルエントに達した(図8(D))。
On the 10th day after the start of the culture, the inside of the
培養器2内でコンフルエントに達したMSCに対して、図5のステップS41〜S43の手順で、分化培地を投入して約1週間培養(培養開始から21日)した。そして、図6のステップS51〜S53の手順で、細胞回収を行った結果、3×107個のMSCが回収バッグ48に得られた。
For MSCs that reached confluence in the
(3)実験結果の考察
骨髄液からのMSCの分離精製・増殖・分化・回収の工程を完全閉鎖系環境の中で、自動で行うことが可能となった。また、コンタミネーションを生じることはなく、またその恐れも感じることもなかった。さらに、細胞数は通常利用される75cm2の培養器の約6.5倍の面積を有する培養器を用いたため、その期待値はせいぜい約1×107個であったが、3×107個と非常に多い細胞を得ることができた。
(3) Discussion of experimental results The process of separation, purification, growth, differentiation, and recovery of MSC from bone marrow fluid can be automatically performed in a completely closed system environment. Also, there was no contamination and no fear of it. Furthermore, since an incubator having an area approximately 6.5 times as large as the commonly used 75 cm 2 incubator was used, the expected value was about 1 × 10 7 at most, but 3 × 10 7. Individual and very many cells could be obtained.
(4)培養細胞の生化学的評価
1)評価方法
本実施例の方法で培養した細胞の分化能を確認するため、回収した細胞の総数を測定した上で、その一部を採取し、PNPP法を用いてアルカリフォスフォターゼ活性(ALP活性)を測定した。また、コントロールとして、用手法で培養した40歳女性、本発明の自動培養装置で培養した40歳男性のMSCも比較として用いた。なお、ALP活性測定用試薬は、p-Nitrophenyl phosphate tablets sets (Sigma製)を用いた。
(4) Biochemical evaluation of cultured cells 1) Evaluation method In order to confirm the differentiation potential of the cells cultured by the method of this example, after measuring the total number of recovered cells, a part of them was collected and PNPP was collected. The alkaline phosphatase activity (ALP activity) was measured using this method. In addition, as controls, MSCs of 40-year-old women cultured by the conventional method and 40-year-old men cultured by the automatic culture apparatus of the present invention were also used for comparison. Note that p-Nitrophenyl phosphate tablets sets (manufactured by Sigma) were used as reagents for measuring ALP activity.
2)評価結果
測定の結果、本発明の方法で分化誘導処理を行った29歳男性由来のMSCと、用手法で行った40歳女性由来のMSCで高いALP活性を示しており、本実施例で分化誘導処理を行ったMSCは分化能を有していることが示された(図9)。本発明で行った40歳男性のMSCのALP活性が低いが、これは本発明の影響よりも、被験者の年齢や状態が影響しているものと考えられる。
2) Evaluation results As a result of the measurement, MSCs derived from a 29-year-old man who had been subjected to differentiation induction treatment by the method of the present invention and MSCs derived from a 40-year-old woman performed by the method showed high ALP activity. It was shown that MSCs that had undergone differentiation induction treatment in FIG. Although the ALP activity of 40-year-old male MSC performed in the present invention is low, it is considered that the age and condition of the subject affected rather than the effect of the present invention.
3)結果の解釈
本実施例により骨髄液からのMSCの分離精製・増殖・分化を自動で実現できることが明確になった。さらに骨髄液からのMSCは、骨への分化能を有することが示された。
3) Interpretation of results It was clarified that separation and purification, growth and differentiation of MSC from bone marrow fluid can be automatically realized by this example. In addition, MSCs from bone marrow fluid were shown to have the ability to differentiate into bone.
(5)培養細胞を用いた骨誘導移植実験
1)方法
本実施例の方法で培養した骨髄細胞を用いた骨分化によるインビボ(In vivo)評価をヌードマウスヘの細胞移植により行った。具体的な方法は、回収した細胞は1×106個をTCP(Tricalcium phosphate)頼粒50mgに混ぜ、ヌードマウスの皮下に移植し、4週後に取り出し、HE染色(ヘマトキシリン・エオジン染色)を行い顕微鏡で観察した。
(5) Bone induction transplantation experiment using cultured cells 1) Method In vivo evaluation by bone differentiation using bone marrow cells cultured by the method of this example was performed by cell transplantation into nude mice. Specifically, 1 × 10 6 cells collected were mixed with 50 mg of TCP (Tricalcium phosphate) -reliable granules, transplanted subcutaneously into nude mice, removed 4 weeks later, and subjected to HE staining (hematoxylin / eosin staining). Observed with a microscope.
2)結果
移植実験の結果、TCP頼粒中に混ぜられた細胞の中に、骨に分化した部分が存在しており、得られた細胞には骨分化能が存在することが判明した(図10)。
2) Results As a result of the transplantation experiment, it was found that the cells mixed in the TCP grains had a portion differentiated into bone, and the obtained cells had bone differentiation ability (Fig. 10).
3)結果の解釈
本実施例の方法により分離精製・増殖・分化させたMSCは、骨形成能を有することが示された。
3) Interpretation of results MSCs separated, purified, grown and differentiated by the method of this example were shown to have bone forming ability.
以上説明したように、本実施形態によれば、培養器2が気密に形成され、かつ、培地、洗浄液、骨髄液等の液が気密に接続されたチューブ4を介して培養器2に送液されることから、ピペットなど培養器具を介して、あるいは周囲の空気から培養器2内に汚染物質が侵入するのを防ぐことができる。また、培養器2内の培養細胞は、気密に接続されたチューブ8を介してバッグ48に回収できる。その結果、コンタミネーションのリスクを軽減し、培養細胞の安全性を一層向上させることができる。
As described above, according to this embodiment, the
特に、培養器2内の培地等の液の排出及び洗浄液の注入による洗浄処理を、好ましくは繰返し行うことにより、培養器2に接着する間葉系幹細胞を選択的に分離するようにしているから、間葉系幹細胞の分離操作を自動化することができる。また、分離操作時に揺動手段54を動作させて培養器2を揺らすように構成しているから、間葉系幹細胞の分離効率を向上させることができる。
In particular, the mesenchymal stem cells adhering to the
また、本実施形態によれば、骨髄液から幹細胞を分離し、増殖、分化誘導の培養プロトコールを安全かつ自動的に実現することができる。 Further, according to the present embodiment, stem cells are separated from bone marrow fluid, and a culture protocol for inducing proliferation and differentiation can be realized safely and automatically.
2 培養器
4、8 チューブ
10,12,14,15 バッグ
16,18,20,21,22,24,23,44,46 ピンチ弁
26 ヒータ
32 液溜め
34,42 ポンプ
36 インキュベータ
48、50 バッグ
52 画像取得手段
54 揺動手段
2
Claims (3)
前記制御手段は、前記送液手段を制御して前記培地を前記培養器に注入した後に前記骨髄液を前記培養器に注入して設定時間静置させる初期操作と、
該初期操作の後に前記排液手段と前記送液手段を制御して、前記培養器内を前記培地又は前記洗浄液によって洗浄して前記培養器に接着する幹細胞を選択的に分離する分離操作と、
該分離操作後に前記培養器に前記培地を注入して前記幹細胞を培養する培養操作とを制御し、
前記培養操作は、取得される前記培養器内の画像に基づいて前記幹細胞の増殖速度が抑制されていることを確認したとき、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させた後、前記培地を注入して懸濁させる継代操作を含んでなる自動培養装置。 An incubator of cells that are installed in an incubator and formed airtight, a medium container in which a medium is stored, a proteolytic enzyme container in which a proteolytic enzyme is stored, a cleaning liquid container in which a cleaning liquid is stored, and a bone marrow fluid The culture medium container, the proteolytic enzyme container, the washing liquid container, and the bone marrow liquid container are selectively supplied with the liquid from the stored bone marrow liquid container and a liquid feeding tube connected to the incubator in an airtight manner. Liquid feeding means for injecting the liquid into the culture vessel, drainage means for discharging the liquid in the incubator via a drainage pipe connected airtight to the incubator, the liquid feeding means and the drainage means are predetermined. Control means for controlling according to the culture protocol,
The control means controls the liquid feeding means, injects the medium into the incubator, and then injects the bone marrow fluid into the incubator and allows it to stand for a set time; and
A separation operation for selectively separating stem cells that adhere to the incubator by controlling the draining means and the liquid feeding means after the initial operation, and washing the inside of the incubator with the medium or the washing liquid;
Controlling the culture operation of injecting the medium into the incubator after the separation operation and culturing the stem cells ,
In the culture operation, when it is confirmed that the growth rate of the stem cells is suppressed based on the acquired image in the incubator, the liquid feeding means is controlled to supply the proteolytic enzyme to the incubator. An automatic culture apparatus comprising a subculture operation of injecting and suspending the medium after injecting and suspending the stem cells .
前記制御手段は、前記送液手段を制御して前記第1の培地を前記培養器に注入した後に前記骨髄液を前記培養器に注入して設定時間静置させる初期操作と、
該初期操作の後に前記排液手段と前記送液手段を制御して、前記培養器内を前記培地又は前記洗浄液によって洗浄して前記培養器に接着する幹細胞を選択的に分離する分離操作と、
該分離操作後に前記送液手段を制御して前記第1の培地を前記培養器に注入して前記幹細胞を培養する培養操作と、
該培養操作により前記幹細胞が十分に増殖したことを確認した後、前記送液手段を制御して前記第2の培地を前記培養器に注入して前記幹細胞を組織細胞に分化させる分化操作と、
該分化操作後に、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させ、前記第1の培地を前記培養器に注入して浮遊した前記幹細胞を前記細胞回収タンクに排出する細胞回収操作を制御し、
前記培養操作は、取得される前記培養器内の画像に基づいて前記幹細胞の増殖速度が抑制されていることを確認したとき、前記送液手段を制御して前記タンパク質分解酵素を前記培養器に注入して前記幹細胞を浮遊させた後、前記培地を注入して懸濁させる継代操作を含んでなる自動培養装置。 An incubator for cells that are installed in an incubator and formed airtight, a first medium container in which a first medium containing a component that inactivates a proteolytic enzyme is stored, and the first medium A second medium container in which a different second medium is stored; a proteolytic enzyme container in which a proteolytic enzyme is stored; a cleaning liquid container in which a cleaning liquid is stored; a bone marrow fluid container in which bone marrow fluid is stored; The liquids in the first medium container, the second medium container, the proteolytic enzyme container, the washing liquid container, and the bone marrow liquid container are selectively cultured through a liquid feeding tube that is airtightly connected to an incubator. Liquid feeding means for injecting into the incubator, drainage means for selectively discharging the liquid in the incubator to a drainage tank or a cell recovery tank via a drainage pipe connected airtight to the incubator, and The liquid feeding means and the draining means are predetermined. And control means for controlling in accordance with the culture protocol,
The control means controls the liquid feeding means, injects the first medium into the incubator, and then injects the bone marrow fluid into the incubator and allows it to stand for a set time;
A separation operation for selectively separating stem cells that adhere to the incubator by controlling the draining means and the liquid feeding means after the initial operation, and washing the inside of the incubator with the medium or the washing liquid;
A culture operation for controlling the liquid feeding means after the separation operation and injecting the first medium into the incubator to culture the stem cells;
After confirming that the stem cells have sufficiently proliferated by the culture operation, a differentiation operation for controlling the liquid feeding means and injecting the second medium into the incubator to differentiate the stem cells into tissue cells;
After the differentiation operation, the liquid feeding means is controlled to inject the proteolytic enzyme into the incubator to suspend the stem cells, and the first medium is injected into the incubator to float the stem cells Control the cell recovery operation to discharge to the cell recovery tank ,
In the culture operation, when it is confirmed that the growth rate of the stem cells is suppressed based on the acquired image in the incubator, the liquid feeding means is controlled to supply the proteolytic enzyme to the incubator. An automatic culture apparatus comprising a subculture operation of injecting and suspending the medium after injecting and suspending the stem cells .
さらに、前記培養器を揺らす揺動手段を備え、前記制御手段は、前記分離操作時に前記揺動手段を制御して前記培養器を揺らすことを特徴とする自動培養装置。 In the automatic culture apparatus according to claim 1 or 2 ,
The automatic culture apparatus further comprises a swinging means for swinging the incubator, and the control means swings the incubator by controlling the swinging means during the separation operation.
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