JP2002531118A - Applying shear flow stress to smooth muscle cells to produce implantable structures - Google Patents

Applying shear flow stress to smooth muscle cells to produce implantable structures

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JP2002531118A
JP2002531118A JP2000586876A JP2000586876A JP2002531118A JP 2002531118 A JP2002531118 A JP 2002531118A JP 2000586876 A JP2000586876 A JP 2000586876A JP 2000586876 A JP2000586876 A JP 2000586876A JP 2002531118 A JP2002531118 A JP 2002531118A
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shear flow
scaffold
smooth muscle
flow stress
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リー,アン,エー.
ゼルティンガー,ジョアン
クラダキス,ステファニー,エム.
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アドバンスド ティシュー サイエンシズ,インコーポレーテッド
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、組織を処理した移植片または他の埋込み可能な代替構造物の製造のための、培養物中の平滑筋細胞の増殖方法に関する。より具体的には、本発明は、培養物中の平滑筋細胞に対する剪断流応力の適用に関する。この適用では、細胞を流れの方向に対し垂直に整列させ、それによりin vivoにおける細胞の配向をより近くに接近させる。得られる培養物および方法は、体内の欠陥または異常組織の補正のための、改良型血管移植片、血管および他の埋込み可能な構造物の製造に有用である。 The present invention relates to a method of expanding smooth muscle cells in culture for the manufacture of tissue-treated implants or other implantable alternative structures. More specifically, the present invention relates to the application of shear flow stress to smooth muscle cells in culture. In this application, the cells are aligned perpendicular to the direction of flow, thereby bringing the cell orientation closer in vivo. The resulting cultures and methods are useful in the manufacture of improved vascular grafts, blood vessels and other implantable structures for correction of defects or abnormal tissue in the body.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 本出願は、同時継続出願である1998年12月11日に出願された米国特許仮出願第
60/111,760号の35U.S.C.§119(e)の恩恵を主張するものである。該出願は、その
全文を参照により本明細書に引用する。
[0001] This application is a pending provisional application filed on Dec. 11, 1998, US Provisional Application No.
Claims the benefits of 35 U.SC § 119 (e) of 60 / 111,760. The application is incorporated herein by reference in its entirety.

【0002】 1. 本発明は、組織を処理した移植片または他の埋込み可能な代替構造物の製造の
ための、培養物中の平滑筋細胞の増殖方法に関する。より具体的には、本発明は
、培養物中の平滑筋細胞に対する剪断流応力(shear flow stress)の適用に関す
る。この適用では、細胞を流れの方向に対し垂直に整列させ、それによりin viv
oにおける細胞の配向をより近くに近接させる。得られる培養物および方法は、
体内の欠陥または異常組織の修正のための改良型血管移植片(vascular graft)、
管および他の埋込み可能な構造物の製造に有用である。
[0002] 1. INTRODUCTION The present invention relates to a method of expanding smooth muscle cells in culture for the manufacture of tissue-treated implants or other implantable alternative structures. More specifically, the invention relates to the application of shear flow stress to smooth muscle cells in culture. In this application, the cells are aligned perpendicular to the direction of flow, thereby allowing in vivo
Bring the cell orientation closer to o. The resulting cultures and methods are:
Improved vascular grafts for the repair of defects or abnormal tissues in the body,
Useful for the manufacture of tubes and other implantable structures.

【0003】 2.発明の背景 血管移植片または代替管は、外傷または疾患(動脈瘤、アテローム硬化症およ
び真性糖尿病など)によって衰弱化、損傷または閉塞した動脈および静脈血管を
修復または置換するために、血管および頸胸外科医により使用されている。歴史
的には、血管移植片は、患者自身の伏在静脈もしくは内胸動脈などの同種移植片
、ポリエステル(例えばDacron)、発泡性ポリテトラフルオロエチレン(ePTFE
)および他の複合材料などの合成物質から作製された人工器官移植片、または新
鮮な固定化もしくは加工処理された生体組織移植片のいずれかが使用されてきた
(例えばVascular Surgery、第4版、Haimoviciら(編)、第10章、pp. 158-191
(Blackwell Science, Inc. 1996)参照)。
[0003] 2. BACKGROUND OF THE INVENTION Vascular grafts or replacement vessels are used to repair or replace arterial and venous vessels weakened, damaged or occluded by trauma or disease (such as aneurysms, atherosclerosis and diabetes mellitus). Used by surgeons. Historically, vascular grafts have been identified as allografts such as the patient's own saphenous vein or internal thoracic artery, polyester (eg, Dacron), effervescent polytetrafluoroethylene (ePTFE).
) And other composite materials, such as prosthetic implants, or fresh, fixed or processed biological tissue implants have been used (eg, Vascular Surgery, 4th edition, Haimovici et al. (Eds.), Chapter 10, pp. 158-191
(See Blackwell Science, Inc. 1996).

【0004】 しかしながら一般的に、合成移植片は多くの用途に関して不適当な開存率を有
するが、同種移植片の採取には、時間および費用がかかり、そして患者に対して
外傷を与える外科手術が過剰に必要である。固定化組織移植片では、再造形およ
び組織維持に不可欠な、宿主細胞による浸潤および集落形成が可能とはならない
。結果として、固定化組織移植片は時間と共に分解し、最終的には機能不全とな
るだろう。
[0004] In general, however, while synthetic grafts have inadequate patency for many applications, harvesting allografts is time consuming, expensive, and traumatic to the patient. Is necessary in excess. Fixed tissue grafts do not allow infiltration and colonization by host cells, which are essential for remodeling and tissue maintenance. As a result, the immobilized tissue graft will degrade over time and will eventually fail.

【0005】 現在利用可能なこれらの合成移植片および生体移植片の不適切性、ならびに同
種移植片の費用および限られた供給のために、組織を処理した移植片が置換療法
での使用のために開発されている。例えば米国特許第5,792,603号(この全文を
参照により本明細書に引用する)を参照のこと。該特許には、組織を処理した血
管移植片の培養装置および培養方法が開示されている。そのような組織を処理し
た移植片は、正常な生理学的機能とさらに類似して、長期間にわたる次元安定性
ならびに天然の動脈および血管の開存性を示す。例えばShinokaら、Mar. 1998、
J. Thorac. Cardiovasc. Surg.115 (3): 536-545を参照のこと。また、組織を処
理した三次元管状培養物(血管培養物を含む)に関する米国特許出願第08/487,7
49号を参照のこと。該出願は、最近認められたものであり、参照により本明細書
に引用する。
[0005] Due to the inadequacies of these currently available synthetic and biological grafts, and the cost and limited supply of allografts, tissue-treated grafts are not suitable for use in replacement therapy. Has been developed. See, for example, US Pat. No. 5,792,603, which is incorporated herein by reference in its entirety. The patent discloses an apparatus and method for culturing a vascular graft obtained by treating a tissue. Grafts treated with such tissue exhibit long-term dimensional stability and natural arterial and vascular patency, even more similar to normal physiological function. For example, Shinoka et al., Mar. 1998,
J. Thorac. Cardiovasc. Surg. 115 (3): 536-545. Also, U.S. patent application Ser.
See Issue 49. The application has recently been acknowledged and is incorporated herein by reference.

【0006】 これらの組織を処理した培養物の形成において、適切な細胞、または修復もし
くは置換が要求される生体構造物に対応する細胞の組み合わせを増殖させること
が可能である。動脈の修復または置換のために、例えば、平滑筋細胞および/ま
たは内皮細胞を使用する必要がある。なぜなら、in vivoの動脈は内皮細胞の薄
層内に並ぶ筋肉管(muscle tube)であるためである。より具体的に説明すると
、血管は3つの層、すなわち内側から外側へ順に、内層、中間層および外膜層か
ら構成される。例えばTextbook of HistologyおよびColor Atlas of Histology
、いずれも第2刷、1986、Finn Geneser(編)、Lea and Febiger(Philadelphi
a PA)を参照のこと。内層の主な細胞成分は内皮細胞であり、中間層の主な細胞
成分は平滑筋細胞である。この平滑筋細胞は、血管組織の大部分の細胞外マトリ
ックス、例えばタンパク質(エラスチンなど)、プロテオグリカン、糖タンパク
質およびコラーゲンを産生する(例えばThieら、1991、Eur. J. Cell Biol. 55:
295-304参照)。動脈において、内弾性板は内層の内側かつ中間層の外側に位置
し、有窓エラスチンの均質層である。動脈壁中の豊富なエラスチンのによって、
動脈が心臓の収縮毎に伸縮する能力が与えられる。静脈もまた静脈壁内のエラス
チンの非均質または個々の繊維を有しうる。外膜は、主に繊維芽細胞、より通常
は脈管(vasa vasorum)およびいくつかの神経組織から構成される。動脈(静脈で
はない)の外膜もまた、均質かつ有窓性の外弾性板を有する。この層中のコラー
ゲンおよびさらなる個々のエラスチンは、血管を固定するために重要である。静
脈もまた内皮細胞内に並んだ管状構造物であるが、結合組織層は動脈の層よりも
あまり正確に解明されていなく、その壁はより薄い。またヒトの静脈は、内弾性
板および外弾性板を欠損している。従って、血管移植片の組織処理には、平滑筋
細胞、内皮細胞および/または繊維芽細胞の培養が含まれうる。
[0006] In forming cultures of these tissues, it is possible to grow appropriate cells or combinations of cells corresponding to biological structures requiring repair or replacement. For arterial repair or replacement, for example, it is necessary to use smooth muscle cells and / or endothelial cells. This is because in vivo arteries are muscle tubes lining up in a thin layer of endothelial cells. More specifically, a blood vessel is composed of three layers, namely, an inner layer, an intermediate layer, and an adventitia layer in order from inside to outside. For example, Textbook of Histology and Color Atlas of Histology
Second edition, 1986, Finn Geneser (eds.), Lea and Febiger (Philadelphi
a PA). The major cellular component of the inner layer is endothelial cells, and the major cellular component of the middle layer is smooth muscle cells. The smooth muscle cells produce most of the extracellular matrix of vascular tissue, such as proteins (such as elastin), proteoglycans, glycoproteins and collagen (eg, Thie et al., 1991, Eur. J. Cell Biol. 55:
295-304). In the artery, the inner elastic lamina is located inside the inner layer and outside the middle layer and is a homogeneous layer of fenestrated elastin. By the rich elastin in the arterial wall,
The ability of the arteries to expand and contract with each contraction of the heart is provided. The vein may also have heterogeneous or individual fibers of elastin in the vein wall. The adventitia is composed mainly of fibroblasts, more usually the vasculature (vasa vasorum) and some nerve tissue. The adventitia of the artery (but not the vein) also has a homogeneous and fenestrated outer elastic plate. Collagen and additional individual elastin in this layer are important for anchoring blood vessels. Veins are also tubular structures lined within endothelial cells, but the connective tissue layers are less well understood than the layers of arteries and their walls are thinner. Also, human veins lack internal and external elastic lamina. Thus, tissue treatment of vascular grafts can include culturing smooth muscle cells, endothelial cells and / or fibroblasts.

【0007】 歴史的には、血管移植片および組織の培養は、一般的には、ペトリ皿または培
養ディッシュなどの静的環境下で行われてきた。しかしながらそのような静的環
境では、適切な増殖に必要とされる栄養素の循環が損なわれる可能性があり、細
胞増殖が緩慢かつ無効となる。さらに、動的環境下にて培養された細胞は、天然
のin vivo環境により近い条件下に晒され、それによりこれらの培養細胞は、体
内に埋込まれて晒される生理学的条件に対し許容性を有する可能性が高い。
[0007] Historically, culturing of vascular grafts and tissues has generally been performed in a static environment, such as a petri dish or culture dish. However, in such a static environment, the circulation of nutrients required for proper growth can be impaired, resulting in slow and ineffective cell growth. In addition, cells cultured in a dynamic environment are exposed to conditions closer to the natural in vivo environment, which makes these cultured cells permissive for the physiological conditions that are implanted and exposed in the body. Likely to have

【0008】 実際には、いくつかの研究が、in vitroにおける細胞培養物中の血管壁細胞の
増殖に対し種々の機械的圧力および血流力学的力を適用することを研究している
。例えば、Benbrahimら(1996、J. Surg. Res. 65: 119-127)は、血管刺激装置
(VSD)を記載し、この装置内において、ヒト内皮細胞、ウシ内皮細胞およびウ
シ平滑筋細胞を管状構造の被覆および非被覆シリコーンゴム上にて培養し、動脈
圧、流れおよびひずみ状態の影響を研究した。血管壁細胞(内皮細胞および/ま
たは平滑筋細胞など)のin vitro増殖に対する機械的圧力またはひずみの適用は
また、Millsら、1997、J. Cell Physiol. 170 (3): 228-234;Takemasaら、1997
、Exp. Cell Res. 230: 407-410;Kandaら、1994、Cell Transplantation 3 (6)
: 481-492;Kanadaら、1993、ASAIO J. 39: M561-M565;Kandaら、1992、ASAIO
J.、38 (3): M382-M385;ならびにBuckら、1983、Artherosclerosis 46: 217-22
3により研究されている。
[0008] In fact, several studies have studied applying various mechanical pressures and hemodynamic forces to the growth of vascular wall cells in cell culture in vitro. For example, Benbrahim et al. (1996, J. Surg. Res. 65: 119-127) describe a vascular stimulator (VSD) in which human endothelial cells, bovine endothelial cells and bovine smooth muscle cells are tubulated. The structures were cultured on coated and uncoated silicone rubber to study the effects of arterial pressure, flow and strain conditions. The application of mechanical pressure or strain to the in vitro proliferation of vascular wall cells (such as endothelial cells and / or smooth muscle cells) has also been described by Mills et al., 1997, J. Cell Physiol. 170 (3): 228-234; Takemasa et al. , 1997
Exp. Cell Res. 230: 407-410; Kanda et al., 1994, Cell Transplantation 3 (6).
: 481-492; Kanada et al., 1993, ASAIO J. 39: M561-M565; Kanda et al., 1992, ASAIO.
J., 38 (3): M382-M385; and Buck et al., 1983, Artherosclerosis 46: 217-22.
Researched by three.

【0009】 剪断流応力は他のタイプの圧力であり、そのin vitroにおける血管壁細胞に及
ぼす影響については研究されている。例えば、内皮細胞が培養物中において剪断
流応力の方向に対し平行に整列することが知られている(例えばZieglerら、199
5、Cells and Materials 5 (2): 115-124;Levesqueら、1985、J. Biomech. Eng
. 107: 341-347;およびRemuzziら、1984、Biorheology 2: 617-630参照)。内
皮細胞の整列が細胞内カルシウム依存性経路および微小管再構成などの複数の細
胞経路に依存していることも研究により示されている(例えばMalekら、1996、J
. Cell. Sci. 109: 713-726参照)。
[0009] Shear flow stress is another type of pressure and its effect on vascular wall cells in vitro has been studied. For example, it is known that endothelial cells align parallel to the direction of shear flow stress in culture (eg, Ziegler et al., 199).
5, Cells and Materials 5 (2): 115-124; Levesque et al., 1985, J. Biomech. Eng.
107: 341-347; and Remuzzi et al., 1984, Biorheology 2: 617-630). Studies have also shown that endothelial cell alignment is dependent on multiple cellular pathways, such as intracellular calcium-dependent pathways and microtubule reorganization (eg, Malek et al., 1996, J.
Cell. Sci. 109: 713-726).

【0010】 剪断流応力は、以下に示すような方法で血管平滑筋細胞に影響を及ぼすことが
示されている。すなわち、(1)平滑筋細胞の増殖(Uebaら、1997、Arterioscl
er. Thromb. Vasc. Biol. 17: 1512-1516;Papadakiら、1996、Biotech. Bioeng
. 50: 555-561;およびSterpettiら、1992、J. Cardiovasc. Surg. 33: 619-624
)およびDNA合成(Sterpettiら、1992、前掲)の低減を引き起こす;(2)細胞
による増殖因子(PDGF、b-FGFおよびTGF-βlなど)の放出を引き起こす(Sterpe
ttiら、1994、Eur. J. Vase. Surg. 8: 138-142およびSterpettiら、1993、Surg
. 113: 691-699);ならびに(3)血管作用性物質(PGI2、PGE2およびNOなど)
の放出を促進する(Papadakiら、1998、Am. J. Physiol. 274: H616-H626;およ
びAlshihaviら、1996、Biochem. Biophys. Res. Comm. 224: 808-814)。
[0010] Shear flow stress has been shown to affect vascular smooth muscle cells in the following manner. That is, (1) proliferation of smooth muscle cells (Ueba et al., 1997, Arterioscl
er. Thromb. Vasc. Biol. 17: 1512-1516; Papadaki et al., 1996, Biotech. Bioeng.
50: 555-561; and Sterpetti et al., 1992, J. Cardiovasc. Surg. 33: 619-624.
) And reduces DNA synthesis (Sterpetti et al., 1992, supra); (2) causes the release of growth factors (such as PDGF, b-FGF and TGF-βl) by cells (Sterpe
tti et al., 1994, Eur. J. Vase. Surg. 8: 138-142 and Sterpetti et al., 1993, Surg.
113: 691-699); and (3) vasoactive substances (such as PGI2, PGE2 and NO)
(Papadaki et al., 1998, Am. J. Physiol. 274: H616-H626; and Alshihavi et al., 1996, Biochem. Biophys. Res. Comm. 224: 808-814).

【0011】 しかしながら、剪断流応力が平滑筋細胞の配向または整列に及ぼす影響は不明
確である。例えば、Sterpettiら(1992、前掲)は、in vitroにおいてウシ平滑
筋細胞に対し剪断流応力を6ダイン/cm2で6時間加えることによって、細胞は球
形形態をとり、流れの方向に整列したことを開示している。対照的に、in vitro
における剪断流応力への暴露によって平滑筋細胞の選択的な整列は全く観察され
なかったという他の明確な記載もある。例えば、Malekら(1994、Circ. Res. 74
: 852-860)は、ウシ大動脈平滑筋細胞が、24時間にわたる剪断流応力(15ダイ
ン/cm2)への暴露後に、変更された細胞形状も流れの方向における整列も示さな
かったことを開示している。同様に、Papadakiら(1996、前掲)は、5または25
ダイン/cm2のいずれかにおける24時間後のヒト平滑筋細胞の流れの方向における
整列を全く見出さなかった。
However, the effect of shear flow stress on smooth muscle cell orientation or alignment is unclear. For example, Sterpetti et al. (1992, supra) show that by applying shear flow stress to bovine smooth muscle cells in vitro at 6 dynes / cm 2 for 6 hours, the cells assumed a spherical morphology and aligned in the direction of flow. Is disclosed. In contrast, in vitro
There is also another clear statement that no selective alignment of smooth muscle cells was observed by exposure to shear flow stress in. For example, Malek et al. (1994, Circ. Res. 74
: 852-860) disclose that bovine aortic smooth muscle cells showed no altered cell shape or alignment in the direction of flow after 24 hours of exposure to shear flow stress (15 dynes / cm 2 ). are doing. Similarly, Papadaki et al. (1996, supra) report 5 or 25
No alignment in the direction of flow of human smooth muscle cells after 24 hours in either dynes / cm 2 was found.

【0012】 他の研究は、平滑筋細胞と内皮細胞との共培養および内皮細胞への剪断流応力
の適用に関連している。例えばNachmanら、1998、Surg. 124 (2): 353-361;お
よびZieglerら、1995、前掲を参照のこと。剪断流応力が直接に平滑筋細胞に及
ぼす影響を分析した研究ははい。Zieglerら(前掲)の文献の最後の結論におい
ては、平滑筋細胞をガラスまたはプラスチック上で培養した場合に、該細胞が流
れの方向に対し垂直に向くことを評論者は論じているが、著者はそのような実験
を行ってはなく、当技術分野においてこのコメントを実証する刊行物またはデー
タはない。さらに、Zieglerら(前掲)ならびに他のWeinbergら(1985、J. Cell
. Physiol. 122: 410-414)およびThieら(1991、Eur. J. Cell Biol. 55: 295-
304)などは、三次元コラーゲンゲル中での平滑筋細胞の増殖を記載しているが
、これらにはいずれも剪断流応力が平滑筋細胞の配向または整列に及ぼす影響を
分析する開示はない。
[0012] Other studies have involved the co-culture of smooth muscle cells with endothelial cells and the application of shear flow stress to the endothelial cells. See, for example, Nachman et al., 1998, Surg. 124 (2): 353-361; and Ziegler et al., 1995, supra. Yes, studies analyzing the effects of shear flow stress directly on smooth muscle cells. In a final conclusion of the Ziegler et al., Supra, critics argue that when cultured on glass or plastic, smooth muscle cells are oriented perpendicular to the direction of flow. Has not performed such experiments and no publications or data in the art substantiate this comment. In addition, Ziegler et al. (Supra) and other Weinberg et al. (1985, J. Cell
Physiol. 122: 410-414) and Thie et al. (1991, Eur. J. Cell Biol. 55: 295-).
304) et al. Describe the growth of smooth muscle cells in three-dimensional collagen gels, but none of them disclose the analysis of the effect of shear flow stress on smooth muscle cell orientation or alignment.

【0013】 しかしながら、平滑筋細胞は、in vivo(例えば天然の血管)において、周囲
に整列する、すなわち血管中の血流の方向に対し垂直に整列することが知られて
いる(例えばDartschら、1986、Acta Anat. 125: 108-113およびKandaら、1994
、前掲参照)。この天然配向は、生理学的圧力下において適切な生物学的機能の
ために十分な機械的圧力を血管に提供するのに必要であると考えられる(例えば
、Tranquilloら、1996、Biomaterials 17: 349-357;L'Heureuxら、1993、J. Va
sc. Surg. 17: 499-509参照)。
[0013] However, it is known that smooth muscle cells align peripherally, ie, perpendicular to the direction of blood flow in blood vessels, in vivo (eg, natural blood vessels) (eg, Dartsch et al., 1986, Acta Anat. 125: 108-113 and Kanda et al., 1994.
, See above). This natural orientation may be necessary to provide sufficient mechanical pressure to the blood vessel for proper biological function under physiological pressure (eg, Tranquillo et al., 1996, Biomaterials 17: 349- 357; L'Heureux et al., 1993, J. Va
sc. Surg. 17: 499-509).

【0014】 従って、平滑筋細胞の培養方法およびそれから得られる組織を処理した培養物
は、この細胞がin vivoにおいて天然の平滑筋細胞の配向とより類似している様
式で整列することになりうるものであり、より有効な血管移植片および他の埋込
み可能な代替構造物の製造のために最も有用なものとなるだろう。
Thus, the method of culturing smooth muscle cells and the resulting tissue-treated cultures may result in the cells aligning in vivo in a manner more similar to the orientation of natural smooth muscle cells. And would be most useful for the production of more effective vascular grafts and other implantable alternative structures.

【0015】 3.発明の概要 本発明は、単層および三次元の両方の組織処理培養物の製造のための、in vit
roにおける平滑筋細胞の増殖に対する剪断流応力の適用に関する。この適用の場
合、上記細胞は流れの方向に対し垂直に向くかまたは整列する。好ましい実施形
態によると、平滑筋細胞は、他の細胞(例えば繊維芽細胞および/または内皮細
胞)と共にまたはなしで、血管移植片または代替血管の製造のために、培養物中
で剪断流応力下にて増殖させる。この場合、平滑筋細胞は移植片中の周縁に、す
なわち流れの方向に対し垂直に整列する。他の実施形態において、平滑筋細胞お
よび/または繊維芽細胞は、再建手術のための骨組筋、靱帯、腱もしくは腱索、
血管内層、血管覆(wrap)(すなわち再補強物(re-enforcement))または順応(
oriented)組織シートの製造のために、培養物中で剪断流応力下にて増殖させう
る。
[0015] 3. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an in vitro method for the production of both monolayer and three-dimensional tissue processing cultures.
The application of shear flow stress to smooth muscle cell proliferation in ro. In this application, the cells are oriented or aligned perpendicular to the direction of flow. According to a preferred embodiment, the smooth muscle cells are subjected to shear flow stress in culture, with or without other cells (eg, fibroblasts and / or endothelial cells), for the manufacture of vascular grafts or replacement blood vessels. Proliferate at In this case, the smooth muscle cells align with the periphery in the implant, ie, perpendicular to the direction of flow. In other embodiments, the smooth muscle cells and / or fibroblasts are skeletal muscle, ligaments, tendons or chordae for reconstruction surgery,
The lining, wrap (ie, re-enforcement) or adaptation (
oriented) For the production of tissue sheets, they can be grown under shear flow stress in culture.

【0016】 本発明の方法に従えば、平滑筋細胞は、繊維芽細胞または他の間質細胞および
以下に記載の構成要素と共にまたはなしで、in vitroにおいて二次元(例えば単
層)培養物または三次元培養物における基体上に接種し、増殖させる。細胞は基
体に接着することができ、続いて剪断流の方向に対して平滑筋細胞の垂直整列を
誘導するのに十分な時間にわたって剪断流応力を加える。あるいはまた、細胞は
、所望の時間にわたってin vitroにて培養し、続いて流れの方向に対し平滑筋細
胞の垂直整列を誘導するのに十分な時間にわたって剪断流応力を加えてもよい。
According to the method of the present invention, the smooth muscle cells are cultured in vitro with or without fibroblasts or other stromal cells and the components described below in two-dimensional (eg, monolayer) cultures or Inoculate and grow on a substrate in a three-dimensional culture. The cells can adhere to the substrate and are then subjected to shear flow stress for a time sufficient to induce vertical alignment of the smooth muscle cells with respect to the direction of the shear flow. Alternatively, cells may be cultured in vitro for a desired period of time, and then subjected to shear flow stress for a period of time sufficient to induce vertical alignment of smooth muscle cells to the direction of flow.

【0017】 剪断流は、好ましくは安定かつ層流であり、剪断流応力レベルは約0.1〜約 10
0ダイン/cm2、より好ましくは約0.3〜約50ダイン/cm2、そしてより好ましくは約
0.3〜約25ダイン/cm2の範囲でありうる。平滑筋細胞は、剪断流応力の適用後、
その適用した圧力レベルに応じて、数時間または長くても数週間のうちに整列を
開始しうる。当業者であれば、所望の時間の経過後に整列を得るために適用すべ
き剪断流応力の適切なレベルを実験により決定することができるだろう。例えば
、一実施形態によると、剪断流応力は、少なくとも24時間、より好ましくは少な
くとも48時間にわたり、約20ダイン/cm2の剪断流応力レベルで適用する。他の実
施形態によると、剪断流応力は、約0.3ダイン/cm2のレベルで約3週間にわたっ
て適用する。
[0017] The shear flow is preferably stable and laminar, with a shear flow stress level of about 0.1 to about 10
0 dynes / cm 2, more preferably from about 0.3 to about 50 dynes / cm 2, and more preferably about
It can range from 0.3 to about 25 dynes / cm 2 . After the application of shear flow stress, the smooth muscle cells
Depending on the applied pressure level, alignment may begin within hours or at most weeks. One of skill in the art will be able to experimentally determine the appropriate level of shear flow stress to apply after a desired time to obtain alignment. For example, according to one embodiment, the shear flow stress is applied at a shear flow stress level of about 20 dynes / cm 2 for at least 24 hours, more preferably at least 48 hours. According to another embodiment, the shear flow stress is applied at a level of about 0.3 dynes / cm 2 for about 3 weeks.

【0018】 本発明のさらなる実施形態によると、平滑筋細胞を外因性遺伝子により遺伝的
に改変する。外因性遺伝子は、調節プロモーターの制御下にあり、成功的および
/または改良された移植/埋込み、病状の機能または向上した維持に有利な遺伝
子産物を発現することが好ましい。例えば血管移植片の場合には、平滑筋細胞を
、血栓塞栓症、アテローム硬化症もしくは閉塞のリスクを低減する抗凝血性遺伝
子産物を発現するように、または組織拒絶のリスクを低減させる抗炎症性遺伝子
産物を発現するように、遺伝的に操作しうる。該細胞は、凝固または拒絶を促進
する因子または表面抗原の「ノックアウト」発現をするように遺伝的操作を行っ
ても良い。さらに、遺伝的に改変された細胞は、剪断流応力の制御(およびおそ
らく剪断応力制御エレメント)により因子を産生し、(局所的または全身的に送
達された)その因子は、他の生理学的機能の維持または調節(例えば、血栓症の
予防またはさらに一定レベルでのインシュリンの産生)を促進する可能性がある
According to a further embodiment of the present invention, the smooth muscle cells are genetically modified by an exogenous gene. Preferably, the exogenous gene is under the control of a regulated promoter and expresses a gene product that is advantageous for successful and / or improved transplantation / implantation, functioning of the disease state, or improved maintenance. For example, in the case of vascular grafts, anti-inflammatory drugs that direct smooth muscle cells to express anticoagulant gene products that reduce the risk of thromboembolism, atherosclerosis or occlusion, or reduce the risk of tissue rejection It can be genetically engineered to express a gene product. The cells may be genetically engineered to produce "knock-out" expression of factors or surface antigens that promote coagulation or rejection. In addition, genetically modified cells produce factors through the control of shear flow stress (and possibly shear stress control elements), and the factors (delivered either locally or systemically) are responsible for other physiological functions. (Eg, preventing thrombosis or even producing insulin at a certain level).

【0019】 他の好ましい実施形態によると、平滑筋細胞は、他の間質細胞(繊維芽細胞な
ど)と共にまたはなしで、生体適合性非生体物質からなる三次元骨組上で剪断流
応力下にて培養し、三次元生体組織構築物を形成させる。この構築物を剪断流応
力に晒すと、平滑筋細胞は流れの方向に対し垂直に整列し、三次元平滑筋細胞組
織構築物が得られる。この場合、細胞は、天然の血管または構造物とより類似し
た様式で整列する。
According to another preferred embodiment, the smooth muscle cells are subjected to shear flow stress on a three-dimensional framework of biocompatible non-biological material, with or without other stromal cells (such as fibroblasts). To form a three-dimensional living tissue construct. When the construct is subjected to shear flow stress, the smooth muscle cells align perpendicular to the direction of flow, resulting in a three-dimensional smooth muscle cell tissue construct. In this case, the cells align in a manner more similar to natural blood vessels or structures.

【0020】 本発明のさらなる実施形態において、垂直に整列された三次元平滑筋細胞組織
構築物にさらに内皮細胞を接種し、そして剪断流応力を内皮細胞に適用して内皮
細胞の平行な整列を誘導し、それにより天然の血管に非常に類似する血管移植片
を製造する。すなわち、この場合、平滑筋成分は剪断流の方向に対し垂直に整列
し、内皮細胞成分は流れの方向に対し平行に整列する。
In a further embodiment of the invention, the vertically aligned three-dimensional smooth muscle cell tissue construct is further inoculated with endothelial cells and shear flow stress is applied to the endothelial cells to induce a parallel alignment of the endothelial cells. To produce vascular grafts that are very similar to natural blood vessels. That is, in this case, the smooth muscle components align perpendicular to the direction of the shear flow, and the endothelial cell components align parallel to the direction of the flow.

【0021】 本発明の方法のさらに他の実施形態は、平滑筋細胞を単層培養物中で剪断流応
力下にて培養し、そして整列した細胞を管状構造物に成形して改良型管状血管移
植片を製造することを含む。この方法の他の実施形態によると、垂直に整列され
た平滑筋細胞の単層に、内皮細胞をさらに接種し(管成形の前または後のいずれ
でもよい)、そして内皮細胞の平行整列を誘導するために剪断流応力を加えて、
少なくとも1つの平滑筋細胞層および内皮細胞の内層を含有する改良型血管移植
片を製造する。
[0021] Yet another embodiment of the method of the present invention is a method of culturing smooth muscle cells under shear flow stress in a monolayer culture and forming the aligned cells into a tubular structure to form an improved tubular vessel. Producing an implant. According to another embodiment of the method, a monolayer of vertically aligned smooth muscle cells is further inoculated with endothelial cells (either before or after tube formation) and induces a parallel alignment of endothelial cells. To apply shear flow stress to
An improved vascular graft containing at least one layer of smooth muscle cells and an inner layer of endothelial cells is produced.

【0022】 本発明の平滑筋細胞およびそれから得られる組織構築物を培養するための本発
明の方法は、in vivoにおける埋込みまたは移植のための、改良型血管移植片お
よび/または他の修復もしくは代替構造物の製造に有用である。従って、本発明
の実施形態には、in vivo埋込みのためのin vitroで調製された改良型管状構造
物、例えば、間質細胞により架橋される空隙を有する生体適合性非生体物質から
なる管状三次元足場上の平滑筋細胞を含む間質細胞を含有する血管移植片を包含
し、この場合、該平滑筋細胞は管状構造物に対し周囲の足場上に整列する。この
管状構造物に内皮細胞をさらに接種し、剪断流応力を加えることにより、内皮細
胞が管状構造物の管腔に並び、管状構造物に対し縦方向に整列しうる。そのよう
な血管移植片には、動脈または静脈移植片が含まれうる。これらの改良型管状構
造物は、以下に記載する少なくとも1つの外因性遺伝子によって遺伝的に改変さ
れていてもよい。
The method of the present invention for culturing the smooth muscle cells of the present invention and the tissue constructs obtained therefrom is provided by an improved vascular graft and / or other repair or alternative structure for implantation or transplantation in vivo. It is useful for manufacturing products. Accordingly, embodiments of the present invention include improved in vitro prepared tubular structures for in vivo implantation, for example, a tubular tertiary of biocompatible non-biological material having voids cross-linked by stromal cells. Include a vascular graft containing stromal cells, including smooth muscle cells on the primary scaffold, wherein the smooth muscle cells align with the tubular structure on the surrounding scaffold. The tubular structure is further inoculated with endothelial cells and subjected to shear flow stress so that the endothelial cells line the lumen of the tubular structure and can be longitudinally aligned with the tubular structure. Such vascular grafts can include arterial or venous grafts. These improved tubular structures may be genetically modified by at least one exogenous gene described below.

【0023】 3.1 定義 本明細書において使用する以下の用語は、以下に示す意味を有するものである
3.1 Definitions The following terms used herein have the following meanings.

【0024】 接着層:三次元支持体に直接付着するか、または支持体に直接付着する細胞に付
着することにより間接的に結合している細胞。
Adhesive layer: Cells that adhere directly to a three-dimensional support or are indirectly attached by attaching to cells that directly adhere to the support.

【0025】 間質細胞:疎性結合組織に見られる他の細胞および/または構成要素を有しても
よいし有しなくてもよい平滑筋細胞および/または繊維芽細胞であって、限定す
るものではないが、内皮細胞、周細胞、マクロファージ、単球、プラズマ細胞、
肥満細胞、脂肪細胞、タン細胞、筋繊維芽細胞、ホウォートンゼリーの間質細胞
などが含まれる。
Stromal cells: Smooth muscle cells and / or fibroblasts, which may or may not have other cells and / or components found in loose connective tissue, which are defined Although not intended, endothelial cells, pericytes, macrophages, monocytes, plasma cells,
Mast cells, adipocytes, tan cells, myofibroblasts, stromal cells of Wharton's jelly and the like are included.

【0026】 組織特異的細胞または実質細胞:支持骨組と区別される、不可欠かつ特有の器官
の組織を形成する細胞。
Tissue-specific cells or parenchymal cells: Cells that form an essential and distinctive organ tissue, distinguished from the supporting framework.

【0027】 三次元骨組または足場:任意の物質および/または形状から構成される三次元支
持構造物であって、(a)細胞がそれに付着可能であるか、または細胞がそれに
付着可能なように改変することができ;そして(b)細胞を1以上の層で増殖可
能とするものである。この支持体に間質細胞を接種して、生体三次元間質マトリ
ックスを形成させる。例えば、骨組の構造物は、限定するものではないが、メッ
シュまたはスポンジを含み、管の形態に形作ることができる。
Three-dimensional scaffold or scaffold: a three-dimensional support structure composed of any material and / or shape, such that (a) cells can be attached to it or cells can be attached to it And (b) permit the cells to grow in one or more layers. The support is inoculated with stromal cells to form a living three-dimensional stromal matrix. For example, the framework structure may include, but is not limited to, a mesh or sponge, and may be formed in the form of a tube.

【0028】 生体間質マトリックス:支持体上で増殖させる間質細胞を接種した三次元骨組。
間質細胞が合成する細胞外マトリックスタンパク質を骨組上に配向し、それによ
り生体間質組織またはマトリックスを形成させる。生体間質マトリックスは、接
種後に組織特異的細胞の増殖を支持し、三次元細胞培養物を形成しうる。
Biological stromal matrix: A three-dimensional framework inoculated with stromal cells grown on a support.
The extracellular matrix proteins synthesized by the stromal cells are oriented on the scaffold, thereby forming a biological stromal tissue or matrix. The biological stromal matrix supports the growth of tissue-specific cells after inoculation and can form a three-dimensional cell culture.

【0029】 組織特異的三次元構築物:組織特異的または実質細胞が接種され、培養された三
次元生体間質マトリックス。一般的には、三次元間質マトリックスを接種するた
めに使用する組織特異的細胞は、組織、すなわち新しい細胞を生成する細胞のた
めに「幹」細胞(すなわち「予備」細胞)を含有する必要がある。この細胞は成
熟して、組織の実質もしくは分化したマトリックスまたは組織特異的マトリック
スを形成する分化(specialized)細胞となるだろう。
Tissue-specific three-dimensional construct: A three-dimensional biostromal matrix inoculated and cultured with tissue-specific or parenchymal cells. Generally, the tissue-specific cells used to inoculate the three-dimensional stromal matrix need to contain "stem" cells (i.e., "reserve" cells) for the tissue, i.e., cells that produce new cells. There is. The cells will mature and become specialized cells that form the parenchymal or differentiated matrix of the tissue or a tissue-specific matrix.

【0030】 5. 発明の詳細な説明 本発明は、平滑筋細胞に剪断流応力を加えることによって該細胞を培養する方
法に関する。本発明はまた、単層または三次元平滑筋培養物から調製される組織
を処理した組織構築物であって、埋込み/移植用の改良型血管移植片または他の
修復もしくは置換構造物を作製すべく該細胞が適切に整列されていることを特徴
とする組織構築物に関する。
5. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a method for culturing smooth muscle cells by applying shear flow stress to the cells. The present invention is also directed to a tissue construct prepared by treating tissue prepared from a monolayer or three-dimensional smooth muscle culture, to produce an improved vascular graft or other repair or replacement structure for implantation / transplantation. A tissue construct characterized in that the cells are properly aligned.

【0031】 本発明は、部分的には、平滑筋細胞の三次元または単層培養物に剪断流応力を
加えると剪断流動の方向に対して垂直な細胞の整列が誘導されるという発見に基
づく。in vivoの血管中の平滑筋細胞が円周方向、すなわち、血管を通る血流に
対し垂直な方向に配向した状態で見いだされることは周知であるので、本発明の
方法および構築物を用いると、in vivoの対応する組織により一層類似している
改良型血管移植片および他の埋込み可能な構造物を作製することが可能である。
The present invention is based, in part, on the discovery that applying shear flow stress to a three-dimensional or monolayer culture of smooth muscle cells induces cell alignment perpendicular to the direction of shear flow. . It is well known that smooth muscle cells in blood vessels in vivo are found to be oriented in the circumferential direction, i.e., perpendicular to the blood flow through the blood vessels, so using the methods and constructs of the present invention, It is possible to create improved vascular grafts and other implantable structures that are more similar to the corresponding tissue in vivo.

【0032】 本明細書中で使用する場合、「剪断流応力」という用語は、例えば液体培地な
どの液体と細胞との相対的運動により培養細胞に作用する、流体によって生じる
力を意味する。「剪断流応力」という用語はまた、当技術分野において「流体剪
断応力」とも呼ばれる。剪断流応力は、静止した細胞を通り過ぎるように液体を
移動させるか、静止した液体中を通るように細胞を移動させるか、または液体お
よび細胞を同時に移動させることによって、発生させることができる。液体の粘
度を増大させて、剪断のレベルを増大させるために、場合により、ビーズまたは
ミクロスフェアのような小さい粒子を液体に含有させてもよい(以下の第5.2節の
式(1)を参照されたい)。
As used herein, the term “shear flow stress” means the force generated by a fluid that acts on a cultured cell by the relative movement of the cell and a liquid, such as a liquid medium. The term "shear flow stress" is also referred to in the art as "fluid shear stress". Shear flow stress can be generated by moving a liquid past a stationary cell, moving a cell through a stationary liquid, or moving a liquid and a cell simultaneously. Small particles, such as beads or microspheres, may optionally be included in the liquid to increase the viscosity of the liquid and increase the level of shear (see Equation (1) in Section 5.2 below). I want to do that).

【0033】 剪断流応力は、一般的にはダイン/cm2によって定量化され、そして好ましくは
定常的かつ層流状である。剪断流応力のレベルは、約0.1〜約100ダイン/cm2、よ
り好ましくは約0.3〜約50ダイン/cm2、より好ましくは約0.3〜約25ダイン/cm2
範囲内の値をとることができる。平滑筋細胞は、剪断流応力を加えた後、加えた
応力のレベルに応じて、数時間以内または数週間程度の期間内に整列を開始させ
ることができる。当業者であれば、所望の時間が経過した後で整列状態が得られ
るように加えるべき剪断流応力の適切なレベルを実験により決定することができ
るであろう。一実施形態によれば、約20ダイン/cm2の剪断流応力レベルにおいて
、少なくとも24時間の持続期間で、より好ましくは少なくとも48時間の持続期間
で剪断流応力が加えられる。他の実施形態によれば、約0.3ダイン/cm2のレベル
において剪断流応力が約3週間加えられる。
The shear flow stress is generally quantified by dynes / cm 2 and is preferably steady and laminar. Level of shear flow stress is to take a value in the range from about 0.1 to about 100 dynes / cm 2, more preferably from about 0.3 to about 50 dynes / cm 2, more preferably from about 0.3 to about 25 dynes / cm 2 Can be. After applying the shear flow stress, the smooth muscle cells can begin to align within hours or weeks, depending on the level of stress applied. One of ordinary skill in the art will be able to experimentally determine the appropriate level of shear flow stress to apply to achieve alignment after the desired time has elapsed. According to one embodiment, at a shear flow stress level of about 20 dynes / cm 2 , the shear flow stress is applied for a duration of at least 24 hours, more preferably for a duration of at least 48 hours. According to another embodiment, a shear flow stress at a level of about 0.3 dynes / cm 2 is applied for about 3 weeks.

【0034】 本発明の方法および構築物によれば、平滑筋細胞(分化および/または未分化)
は、内皮細胞、繊維芽細胞、および他の結合組織もしくは間質細胞と一緒にまた
はそれらなしで、in vitroの二次元または三次元培養物中において基体上で増殖
させ、そして剪断流応力に付す。本明細書中で使用する場合、「基体」という用
語は、細胞が結合および増殖することのできる任意の表面を意味する。二次元細
胞培養物は、単層としてまたは単層基体上に、細胞の培養物を含有することがで
きる。そのような平滑筋細胞培養物を本発明に従って剪断流応力に付すと、流動
の方向に対し垂直に配向した状態で平滑筋細胞が整列するように誘導される。
According to the methods and constructs of the present invention, smooth muscle cells (differentiated and / or undifferentiated)
Are grown on substrates in vitro in two-dimensional or three-dimensional cultures, with or without endothelial cells, fibroblasts, and other connective tissue or stromal cells, and subjected to shear flow stress . As used herein, the term "substrate" refers to any surface to which cells can attach and grow. Two-dimensional cell cultures can contain a culture of cells as a monolayer or on a monolayer substrate. Subjecting such smooth muscle cell cultures to shear flow stress according to the present invention induces the smooth muscle cells to align in a direction perpendicular to the direction of flow.

【0035】 好ましい実施形態によれば、平滑筋細胞は、生体適合性の非生体三次元骨格ま
たは足場支持構造上に接種され、そして剪断流応力に付される。他の好ましい実
施形態によれば、平滑筋細胞および他の間質細胞は、三次元の生体適合性非生体
三次元骨格上で培養され、そして剪断流応力に付される。そのような実施形態の
一つによれば、平滑筋細胞および繊維芽細胞を含む間質細胞が、先に記載の第3.
1節に規定されているように、追加の間質細胞または構成要素と一緒にまたはそ
れらなしで、三次元骨格に接種される。好ましくは、細胞は哺乳動物細胞であり
、より好ましくはヒト細胞であり、これらの細胞は、三次元骨格上またはその中
に接種され、そしてそこで増殖して生体間質マトリックスを形成する。
According to a preferred embodiment, smooth muscle cells are seeded on a biocompatible non-living three-dimensional skeleton or scaffold support structure and subjected to shear flow stress. According to another preferred embodiment, smooth muscle cells and other stromal cells are cultured on a three-dimensional biocompatible non-living three-dimensional skeleton and subjected to shear flow stress. According to one such embodiment, the stromal cells, including smooth muscle cells and fibroblasts, are the third stromal cells described above.
As defined in section 1, the three-dimensional scaffold is inoculated with or without additional stromal cells or components. Preferably, the cells are mammalian cells, more preferably human cells, which are seeded on or in a three-dimensional scaffold and grow there to form a biostromal matrix.

【0036】 この実施形態で使用される間質細胞は、胚、胎児、成人までを起源とするもの
であってよく、そして例えば動脈、静脈などの血管のような適切な器官、または
臍帯もしくは胎盤組織に由来するものであってよい。そのような組織および/ま
たは器官は、適切な生検、外科手術による廃棄、器官採取により、または剖検の
際に取得することができる。実際には、間質細胞および構成要素を大量に供給す
るために、死体の器官を使用してもよい。しかしながら、同種異系供給源に由来
する細胞を使用すると、免疫学的要因による移植片拒絶反応に関連した問題を生
じる恐れがある。従って、いくつかの場合には、未分化のまたは胚もしくは胎児
の間質細胞、例えば、胎児の繊維芽細胞を使用することが好ましい場合もある。
そのような胎児細胞源としては、胎盤および臍帯が挙げられる。胎児に由来する
間質マトリックスは、増殖因子の添加によってまたは特定の増殖条件によって更
に支配されうる「全般的」組織特性を有していることがある。
The stromal cells used in this embodiment may be of embryo, fetal, adult, and appropriate organs, such as blood vessels, eg, arteries, veins, or umbilical cord or placenta. It may be derived from a tissue. Such tissues and / or organs can be obtained by appropriate biopsy, surgical disposal, organ harvesting, or at necropsy. In practice, cadaver organs may be used to supply large quantities of stromal cells and components. However, the use of cells from allogeneic sources can create problems associated with graft rejection due to immunological factors. Thus, in some cases, it may be preferable to use undifferentiated or embryonic or fetal stromal cells, such as fetal fibroblasts.
Such fetal cell sources include placenta and umbilical cord. The stromal matrix from the fetus may have “general” tissue properties that can be further governed by the addition of growth factors or by certain growth conditions.

【0037】 他の場合には、「全般的」間質支持マトリックスよりも「特異的」間質支持マ
トリックスを使用する方が好ましいかも知れない。この場合には、特定の組織、
器官、または個体から間質細胞および構成要素を取得することができる。例えば
、in vivoでの移植または埋込みを目的として三次元培養物を使用しようとする
場合には、移植体または埋込み物を受容しようとする個体から間質細胞および構
成要素(例えば、平滑筋細胞および繊維芽細胞)を取得することが好ましいかも
知れない。この手法は、移植体および/または移植片と宿主疾患との免疫学的拒
絶反応が起こりそうな場合、特に有利であろうと思われる。更に、平滑筋細胞、
繊維芽細胞、ならびに他の間質細胞および/または構成要素は、三次元系におけ
る培養の対象となる同じタイプの組織に由来するものであってよい。これは、分
化した間質細胞が特定の構造的/機能的役割を果たしうる組織、例えば、動脈ま
たは静脈の平滑筋細胞を培養する場合、有利であろうと思われる。
In other cases, it may be preferable to use a “specific” stromal support matrix over a “general” stromal support matrix. In this case, a particular organization,
Stromal cells and components can be obtained from an organ or an individual. For example, if a three-dimensional culture is to be used for transplantation or implantation in vivo, stromal cells and components (eg, smooth muscle cells and Fibroblasts) may be preferred. This approach would be particularly advantageous where immunological rejection of the transplant and / or graft with the host disease is likely. Furthermore, smooth muscle cells,
Fibroblasts, as well as other stromal cells and / or components, can be from the same type of tissue to be cultured in a three-dimensional system. This would be advantageous when culturing tissues where differentiated stromal cells may play a specific structural / functional role, for example, arterial or venous smooth muscle cells.

【0038】 三次元支持骨格上に接種したなら、間質細胞は骨格上で増殖し、そして増殖因
子、調節因子、および骨格上に堆積される細胞外マトリックスタンパク質を生成
する。間質細胞によって自然に分泌される結合組織タンパク質は、実質的に骨格
を取り囲んで、生体間質マトリックスまたは組織構築物を形成する。この生体間
質マトリックスは、マトリックス上に接種された組織特異的細胞の増殖を更に持
続させることができる。
When seeded on a three-dimensional scaffold, stromal cells grow on the scaffold and produce growth factors, regulatory factors, and extracellular matrix proteins that are deposited on the scaffold. Connective tissue proteins naturally secreted by stromal cells substantially surround the scaffold to form a biological stromal matrix or tissue construct. This biostromal matrix can further sustain the growth of tissue-specific cells inoculated on the matrix.

【0039】 先に述べたように、他の間質細胞と一緒にまたはそれなしで平滑筋細胞を非生
体骨格上に接種して、生体間質マトリックスを形成してもよい。このほか、平滑
筋細胞と一緒にまたはそれなしで繊維芽細胞を骨格上に接種して、生体間質マト
リックスを形成してもよく、そして次に、生体間質マトリックス上に平滑筋細胞
を接種する(組織特異的細胞として)。いずれの場合においても、これらの三次元
組織構築物は、長期間にわたって培養物の活性な増殖を持続させるであろう。骨
格中の開口によって培養物中の間質細胞の送出が可能になるので、集密的間質培
養物が接触阻止を呈することはなく、間質細胞は増殖、分裂を続けて機能的に活
性な状態に保たれる。従って、本明細書中に記載の三次元系は、培養物中すなわ
ちin vitroにおいて細胞の成熟、分化、および分離を支持し、in vivoで見いだ
されるものと類似した成体組織の構成要素を形成する。
As noted above, smooth muscle cells may be inoculated on a non-biological skeleton with or without other stromal cells to form a biological stromal matrix. Alternatively, fibroblasts can be inoculated on the skeleton with or without smooth muscle cells to form a biostromal matrix, and then inoculated with smooth muscle cells on the biostromal matrix (As tissue-specific cells). In each case, these three-dimensional tissue constructs will sustain active growth of the culture over an extended period of time. Opening in the skeleton allows for the delivery of stromal cells in culture, so confluent stromal cultures do not exhibit contact inhibition and stromal cells continue to grow and divide and remain functionally active State is maintained. Thus, the three-dimensional systems described herein support maturation, differentiation, and segregation of cells in culture, i.e., in vitro, and form components of adult tissue similar to those found in vivo. .

【0040】 増殖因子および調節因子を培養物に添加してもよいが、それらは間質組織によ
って生成されるので、それらが必要であるという訳ではない。三次元骨格または
足場のコロニー形成を更に促進するために、増殖因子(例えば、限定されるもの
ではないが、αFGF、βFGF、インスリン増殖因子、もしくはTGF-β)、または天
然もしくは改変血液産物、あるいは他の生物活性生体分子(例えば、限定される
ものではないが、ヒアルロン酸もしくはホルモン)を使用してもよいが、本発明
に絶対に必要であるという訳ではない。
Although growth and regulatory factors may be added to the culture, they are not required because they are produced by stromal tissue. To further promote colonization of the three-dimensional skeleton or scaffold, growth factors (such as, but not limited to, αFGF, βFGF, insulin growth factor, or TGF-β), or natural or modified blood products, or Other bioactive biomolecules (eg, but not limited to, hyaluronic acid or hormones) may be used, but are not absolutely necessary for the present invention.

【0041】 本発明によれば、特定の組織に関してin vivoで見いだされる細胞微小環境を
培養時に再形成することが重要であるので、in vivoで培養物を使用する前に、
生体間質マトリックスまたは組織特異的培養物をどの程度まで増殖させるかは、
三次元組織培養で増殖させる組織のタイプによって変化する可能性がある。更に
、in vivoで埋込みすることによって、生体間質マトリックス自体を修正構造物(
corrective structure)として使用してもよい。このほか、組織特異的細胞、例
えば、平滑筋細胞および/または内皮細胞を生体間質マトリックスに接種して、
in vitroでの前培養を行ってまたは行わずにin vivoで埋込んでもよい。
According to the present invention, it is important that the cellular microenvironment found in vivo for a particular tissue be reformed in culture, so prior to using the culture in vivo,
The extent to which a biological stromal matrix or tissue-specific culture is grown depends on
It may vary depending on the type of tissue grown in three-dimensional tissue culture. Furthermore, by implanting in vivo, the biological matrix itself can be modified (
corrective structure). In addition, tissue-specific cells, such as smooth muscle cells and / or endothelial cells, are inoculated into a biological stromal matrix,
It may be implanted in vivo with or without in vitro pre-culture.

【0042】 更に、上記系で増殖させる細胞、例えば、マトリックスの間質細胞または組織
特異的細胞を、移植に有益な遺伝子産物、例えば、抗炎症因子、具体的には、抗
GM-CSF、抗TNF、抗IL-1、抗IL-2などを産生するように遺伝子工学的に処理して
もよい。このほか、拒絶反応の危険性を低減させるために、炎症を促進する天然
遺伝子産物、例えば、GM-CSF、TNF、IL-1、IL-2の発現を「ノックアウト」する
かまたはMHC抗原の発現を「ノックアウト」するように細胞を遺伝子工学的に処
理してもよい。更に、遺伝子療法に使用するために、細胞を遺伝子工学的に処理
して、組織移植の結果、あるいは血管の機能に関連している他の生理学的機能、
例えば、開存性を改良し血栓形成性を低減させるための酸化窒素の発現もしくは
狭窄を低減させるためのPAI-1の発現、または血管の機能に関連していない他の
生理学的機能、例えば、インスリンの発現、を補助または改良するように患者の
遺伝子活性レベルを調節してもよい。
Furthermore, cells grown in the above-described system, such as matrix stromal cells or tissue-specific cells, can be transformed into gene products useful for transplantation, such as anti-inflammatory factors, specifically anti-inflammatory factors.
It may be genetically engineered to produce GM-CSF, anti-TNF, anti-IL-1, anti-IL-2 and the like. Alternatively, `` knock out '' the expression of natural gene products that promote inflammation, such as GM-CSF, TNF, IL-1, IL-2, or express MHC antigens to reduce the risk of rejection The cells may be genetically engineered to "knock out" the cells. In addition, cells may be genetically engineered for use in gene therapy, resulting in tissue transplantation or other physiological functions associated with vascular function,
For example, expression of nitric oxide to reduce patency and reduce thrombogenicity or expression of PAI-1 to reduce stenosis, or other physiological functions not associated with vascular function, e.g., The patient's gene activity level may be adjusted to assist or improve the expression of insulin.

【0043】 もう一つの選択肢において、細胞を遺伝子工学的に処理して、例えば、細胞分
裂周期2キナーゼおよび増殖細胞核抗原の発現のアンチセンスオリゴデオキシヌ
クレオチド遮断によって、平滑筋細胞が増殖、移動、そして新内膜肥厚の発生に
至る遷移に必要な遺伝子発現をブロックすることができる。本発明の方法および
構築物に使用される遺伝子工学的に処理された細胞の詳細については、以下の第
5.4.3節を参照されたい。
In another alternative, the cells are genetically engineered to allow smooth muscle cells to proliferate, migrate, and, for example, by antisense oligodeoxynucleotide blockade of the expression of cell division cycle 2 kinase and proliferating cell nuclear antigen, and It can block gene expression required for the transition leading to neointimal hyperplasia. For details of the genetically engineered cells used in the methods and constructs of the invention, see:
See section 5.4.3.

【0044】 従って、本発明によれば、例えば、改良型血管移植片を作製するために、平滑
筋細胞および/または繊維芽細胞ならびに他の間質細胞を含む上述の三次元構築
物をバイオリアクター中において剪断流応力下で増殖させる。例えば、図7に示
されているように、バイオリアクターは、三次元組織構築物が配置される増殖チ
ャンバー、ポンプ、培地リザーバー、および連結チューブを備えている。培養中
、構築物に剪断流応力を加えると、流れの方向に対し垂直に配向した平滑筋細胞
を有する血管移植片構築物が得られる。この構築物は、in vivoの血管中の平滑
筋細胞の状態により一層類似しており、従って、埋込みの際に人体中で晒される
生理学的条件に耐える可能性はより大きいであろう。このようにして、バイオリ
アクターにより、組織処理血管移植片もしくは他の生体移植片または他の埋込み
可能な構築物を培養するための動的環境が作製される。
Thus, according to the present invention, a three-dimensional construct as described above, including smooth muscle cells and / or fibroblasts and other stromal cells, is placed in a bioreactor, for example, to produce an improved vascular graft. At shear flow stress. For example, as shown in FIG. 7, a bioreactor includes a growth chamber in which a three-dimensional tissue construct is placed, a pump, a media reservoir, and a connecting tube. During culture, applying shear flow stress to the construct results in a vascular graft construct having smooth muscle cells oriented perpendicular to the direction of flow. This construct is more similar to the condition of smooth muscle cells in blood vessels in vivo, and thus will have greater potential to withstand the physiological conditions exposed in the human body upon implantation. In this way, the bioreactor creates a dynamic environment for culturing tissue-treated vascular grafts or other biografts or other implantable constructs.

【0045】 単に説明を容易にするために、発明の詳細な説明を、以下の節: (1)本発明の
単層および三次元組織構築物(三次元の生体間質マトリックスおよび組織特異的
な三次元組織構築物を含む)の樹立、(2)構築物への剪断流応力の適用、(3)剪断
流応力下における平滑筋細胞の整列、ならびに(4)本発明の方法および構築物の
使用に分割する。
For ease of explanation only, the detailed description of the invention is described in the following sections: (1) Monolayer and three-dimensional tissue constructs of the present invention (2) applying shear flow stress to the construct, (3) aligning smooth muscle cells under shear flow stress, and (4) using the methods and constructs of the present invention. .

【0046】 5.1 本発明の単層および三次元構築物の作製 5.1.1. 細胞の単離 本発明によれば、内皮細胞、繊維芽細胞、および他の結合組織細胞、例えば、
腱細胞、周細胞、形質細胞、マスト細胞、脂肪細胞などと一緒にまたはそれらな
しで、平滑筋細胞を用いて単層または三次元培養物への接種を行う。利用する特
異的細胞は、所望の移植片のタイプに依存するであろう。例えば、動脈移植片ま
たは静脈移植片の場合、接種物は、内側平滑筋細胞を含有することができ、そし
て更に、外膜もしくは真皮繊維芽細胞および/または内膜内皮細胞を含有しても
よい。これらの接種物細胞の供給源は、修復または置換の対象となる埋込み可能
な構造物により変更してもよい。例えば、移植片または構造物が小さな管に関す
るものである場合、これらの接種物細胞(例えば、平滑筋細胞、繊維芽細胞、お
よび/または内皮細胞)は、例えば、冠状、乳房、頸骨、腓骨、大腿膝窩、足背
、足根、弓状、または足底の動脈および/または静脈、臍帯血管あるいは胎盤か
ら取得してもよい。移植片が大きさが中程度の管に関するものである場合、細胞
は、例えば、頸動脈、鎖骨動脈、または大腿動脈のような管から取得してもよい
。大きな血管が関与する場合、細胞は、例えば、大動脈、肺動脈、胸部動脈、大
動脈腸骨動脈、または大動脈大腿動脈(あるいは、適切な場合には、静脈)から取
得してもよい。修復または置換構造物が内部の器官である場合、胃、腸、子宮、
または膀胱のような体腔内器官に由来する不随意平滑筋細胞を使用することがで
きる。そのような不随意平滑筋細胞はまた、例えば血管などの管の移植片用の細
胞供給源として利用することもできる。
5.1 Preparation of Monolayer and Three-Dimensional Constructs of the Invention 5.1.1. Cell Isolation According to the invention, endothelial cells, fibroblasts, and other connective tissue cells, for example,
Inoculation of monolayer or three-dimensional cultures with smooth muscle cells, with or without tendon cells, pericytes, plasma cells, mast cells, adipocytes, etc. The specific cells utilized will depend on the type of graft desired. For example, in the case of an arterial or venous graft, the inoculum may contain medial smooth muscle cells and may further contain adventitia or dermal fibroblasts and / or intima endothelial cells. . The source of these inoculum cells may vary depending on the implantable structure to be repaired or replaced. For example, if the implant or structure is for a small tube, these inoculum cells (eg, smooth muscle cells, fibroblasts, and / or endothelial cells) may be, for example, coronary, breast, tibia, fibula, It may be obtained from the artery and / or vein of the femoropopliteal, dorsal, tarsal, arcuate or plantar, umbilical cord blood vessels or placenta. If the graft is for a medium sized vessel, the cells may be obtained from a vessel such as, for example, a carotid, clavicular, or femoral artery. Where large blood vessels are involved, cells may be obtained, for example, from the aorta, pulmonary artery, thoracic artery, aortic iliac artery, or aortofemoral artery (or vein, where appropriate). If the repair or replacement structure is an internal organ, the stomach, intestines, uterus,
Alternatively, involuntary smooth muscle cells derived from an internal body organ such as the bladder can be used. Such involuntary smooth muscle cells can also be utilized as a cell source for grafts of vessels, such as blood vessels.

【0047】 本発明の構築物および方法に使用される平滑筋細胞(本明細書中では「SMC」と
も記される)、繊維芽細胞、および他の結合組織細胞は、当技術分野で周知の十
分に確立された方法を用いて単離することができる。先に述べたように、これら
の細胞は、胚、胎児、成人までの供給源、ならびに生検により(適切な場合には)
または剖検の際に取得することのできる血管、靱帯、または腱のような種々の器
官に由来するものであってよい。
The smooth muscle cells (also referred to herein as “SMCs”), fibroblasts, and other connective tissue cells used in the constructs and methods of the present invention may be of the type well known in the art. Can be isolated using established methods. As mentioned earlier, these cells can be obtained from embryos, fetuses, adults, and biopsies (where appropriate).
Alternatively, it may be derived from various organs such as blood vessels, ligaments, or tendons that can be obtained at the time of necropsy.

【0048】 より詳細には、SMCおよび繊維芽細胞は、当業者に周知の技法を用いて、細胞
の供給源として機能する適切な器官または組織を解離することによって、容易に
単離することが可能である。例えば、組織または器官に、機械的な解離処理なら
びに/あるいは消化酵素および/または隣接細胞間の結合を弱めるキレート化剤
による処理を施すことができ、これにより、識別しうる細胞破壊を起こすことな
く組織を分散させて個々の細胞の懸濁物にすることが可能である。酵素的解離は
、組織を切り刻んで、いくつかの消化酵素のいずれかを単独でまたは組み合わせ
て用いて切り刻まれた組織を処理することによって、達成することができる。こ
れらの酵素には、限定されるものではないが、トリプシン、キモトリプシン、コ
ラゲナーゼ、エラスターゼ、および/またはヒアルロニダーゼ、DNアーゼ、プロ
ナーゼ、ジスパーゼなどが含まれる。機械的破砕もまた、少し例を挙げてみると
、限定されるものではないが、グラインダー、ブレンダー、篩、ホモジナイザー
、加圧セル、またはインソネーターの使用を含めて、いくつかの方法によって達
成することができる。組織解離方法の概説については、Freshney, Culture of A
nimal Cells. A Manual of Basic Technique, 第2版, A. R. Liss, Inc., New
York, 1987を参照されたい。
More specifically, SMCs and fibroblasts can be easily isolated using techniques well known to those of skill in the art by dissociating a suitable organ or tissue that serves as a source of cells. It is possible. For example, tissues or organs can be subjected to mechanical dissociation treatment and / or treatment with digestive enzymes and / or chelators that weaken the bonds between adjacent cells, thereby causing no discernible cell destruction It is possible to disperse the tissue into a suspension of individual cells. Enzymatic dissociation can be achieved by mincing the tissue and treating the minced tissue with any of several digestive enzymes, alone or in combination. These enzymes include, but are not limited to, trypsin, chymotrypsin, collagenase, elastase, and / or hyaluronidase, DNase, pronase, dispase, and the like. Mechanical crushing is also achieved by several methods, including but not limited to the use of a grinder, blender, sieve, homogenizer, pressurized cell, or insonator, to name a few. be able to. For an overview of tissue dissociation methods, see Freshney, Culture of A.
nimal Cells. A Manual of Basic Technique, 2nd edition, AR Liss, Inc., New
See York, 1987.

【0049】 組織を細分して個々の細胞の懸濁物にした後は、懸濁物を、SMCまたは繊維芽
細胞および/または他の間質細胞および/または構成要素を取得することのでき
る小集団に分別することができる。このことはまた、限定されるものではないが
、特異的細胞タイプのクローニングおよび選択、不要な細胞の選択的破壊(陰性
選択)、混合集団における細胞の凝集性の差に基づく分離、凍結融解処理手法、
混合集団における細胞の接着特性の差、濾過、従来型およびゾーン型遠心分離、
遠心溶出法(向流遠心)、単位重力分離、向流分配、電気泳動、蛍光標示式細胞ソ
ーティング(FACS)、またはLDL取り込みアッセイを含めて、細胞分離の標準的な
方法を用いて達成することが可能である。クローン選択法および細胞分離法の概
説については、Freshney、前掲、第11章および第12章、pp.137-168を参照された
い。また、Shinokaら、前掲も参照されたい。例えば、SMCまたは繊維芽細胞の細
胞表面マーカーに結合する抗体を組織培養プレート上にコーティングし、次に、
この抗体を用いて異種細胞集団に由来するそれらの各細胞に選択的に結合させる
。同様に、SMCまたは繊維芽細胞を単離するために、FACS法においてSMC特異的ま
たは繊維芽細胞特異的な抗体をそれぞれ使用することができる。
Once the tissue has been subdivided into a suspension of individual cells, the suspension can be used to obtain SMCs or fibroblasts and / or other small cells from which stromal cells and / or components can be obtained. They can be separated into groups. This also includes, but is not limited to, cloning and selection of specific cell types, selective destruction of unwanted cells (negative selection), separation based on differences in cell aggregation in mixed populations, freeze-thaw processing Method,
Differences in cell adhesion properties in mixed populations, filtration, conventional and zonal centrifugation,
Achieved using standard methods of cell separation, including centrifugal elution (countercurrent centrifugation), unit gravity separation, countercurrent distribution, electrophoresis, fluorescence activated cell sorting (FACS), or LDL uptake assay Is possible. For an overview of clone selection and cell separation methods, see Freshney, supra, Chapters 11 and 12, pp. 137-168. See also Shinoka et al., Supra. For example, an antibody that binds to a cell surface marker of SMC or fibroblasts is coated on a tissue culture plate,
The antibody is used to selectively bind to each of those cells from a heterogeneous cell population. Similarly, SMC-specific or fibroblast-specific antibodies can be used in a FACS method to isolate SMC or fibroblasts, respectively.

【0050】 本発明の方法および構築物で使用される血管SMCは、外植によって(例えば、fr
eshney、前掲を参照されたい)またはコラゲナーゼ消化によって(Jaffe, 1973, J
. Clin. Inv. 32: 2745-2756)、種々の動脈から単離することができる。より詳
細には、血管SMCは、内膜および外膜を除去して中膜を露出させることによって
単離される。内側組織を切り刻み、外植し、そして20%のFCSを有する最小容量の
栄養培地中で、湿度95%、5% CO2、および37℃にて組織培養プラスチック上でイ
ンキュベートする。同様に、外膜を処理して動脈繊維芽細胞を放出させる。細胞
増殖は、一般的には、7〜14日以内に観察できる。血管SMCの単離の詳細な例につ
いては、以下の実施例の第6.1節を参照されたい。
The vascular SMC used in the methods and constructs of the present invention can be explanted (eg, fr
eshney, supra) or by collagenase digestion (Jaffe, 1973, J.
Clin. Inv. 32: 2745-2756), can be isolated from various arteries. More specifically, vascular SMCs are isolated by removing the intima and adventitia to expose the media. The inner tissue is minced, explanted, and incubated on tissue culture plastic in a minimum volume of nutrient medium with 20% FCS at 95% humidity, 5% CO 2 , and 37 ° C. Similarly, the adventitia is treated to release arterial fibroblasts. Cell proliferation can generally be observed within 7-14 days. For a detailed example of the isolation of vascular SMC, see Section 6.1 in the Examples below.

【0051】 このほか、長い非分枝状の動脈では、いずれかの端部にカニューレを挿入し、
生理食塩水を灌流させて過剰の血液を除去し、そしてコラゲナーゼ、エステラー
ゼ、DNアーゼ、およびダイズトリプシン阻害剤を含む酵素カクテルを充填してSM
Cを懸濁液中に放出させることができる。同様に、大量に切出された外膜を酵素
処理して動脈繊維芽細胞を放出させることができる。
In addition, for long unbranched arteries, a cannula may be inserted at either end,
Perfused saline to remove excess blood, and filled with SM cocktail containing collagenase, esterase, DNase, and soybean trypsin inhibitor
C can be released into the suspension. Similarly, the enucleated outer membrane can be enzymatically treated to release arterial fibroblasts.

【0052】 また、以下のように繊維芽細胞の単離を行ってもよい。新しい組織サンプルを
十分に洗浄し、そして血清を除去するためにハンクス平衡化塩類溶液(HBSS)中で
切り刻む。切り刻んだ組織を、トリプシンのような解離酵素の新たに調製された
溶液中で1〜12時間インキュベートする。そのようなインキュベーションの後、
解離した細胞を懸濁させ、遠心によりペレット化し、そして培養皿上にプレーテ
ィングする。繊維芽細胞は、典型的には、他の細胞よりも先に付着するので、適
切な間質細胞を選択的に単離して増殖させることができる。単離された繊維芽細
胞を、次に、集密化するまで増殖させ、集密的培養物から拾い上げ、そして単層
基体上または三次元骨格支持体上に接種することができる(Naughtonら, 1987, J
. Med. 18 (3および4): 219-250)。
[0052] Alternatively, fibroblasts may be isolated as follows. Fresh tissue samples are washed extensively and minced in Hank's balanced salt solution (HBSS) to remove serum. The minced tissue is incubated for 1-12 hours in a freshly prepared solution of a dissociating enzyme such as trypsin. After such incubation,
Dissociated cells are suspended, pelleted by centrifugation, and plated on culture dishes. Fibroblasts typically attach before other cells, so that appropriate stromal cells can be selectively isolated and expanded. The isolated fibroblasts can then be grown to confluence, picked up from the confluent culture, and inoculated on a monolayer substrate or on a three-dimensional skeletal support (Naughton et al., 1987, J
Med. 18 (3 and 4): 219-250).

【0053】 本発明の培養物中の接種用内皮細胞は、管サイズに特異的な方法を用いて3時
間未満の虚血時間で管から単離することができる。大きな管は、5cmの長さに切
開し、そして平らにして内膜表面を露出させる(Gospodarowiczら, 1976, Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 73(11): 4120-4124)。カルシウムの含まれていない生理
食塩水で内膜表面を洗浄し、そして、滅菌された綿棒を、少し加圧しながら、内
皮表面上でころがす。綿棒を回転させることにより、10%血清およびbFGFを含有
する栄養培地中に内皮細胞だけを放出させる。次に、細胞を含有する培地を培養
皿上にプレーティングする。
The inoculating endothelial cells in the cultures of the present invention can be isolated from tubes with an ischemic time of less than 3 hours using a tube size specific method. Large tubes are cut open to a length of 5 cm and flattened to expose the intimal surface (Gospodarowicz et al., 1976, Proc.
Natl. Acad. Sci. USA 73 (11): 4120-4124). The intimal surface is washed with calcium-free saline and a sterile swab is rolled over the endothelial surface with slight pressure. Spinning the swab releases only the endothelial cells into the nutrient medium containing 10% serum and bFGF. Next, the medium containing the cells is plated on a culture dish.

【0054】 より短い非分枝状の管では、いずれかの端部にカニューレを挿入し、生理食塩
水を灌流させ、次に0.02%コラゲナーゼ溶液を充填して10分間インキュベートす
る。消化物を取り出し、そして10%FCSを含有する培地で希釈し、更に、遠心して
内皮細胞をペレット化する。10% FCS、抗菌剤、内皮細胞増殖補充剤、およびヘ
パリンを含有するMedium-199中において培養フラスコに細胞をプレーティングす
る(例えば、Sorger, 1995, In Vitro Cell Dev. Biol.-Animal 31: 671-683を参
照されたい)。
For shorter unbranched tubes, either end is cannulated, perfused with saline, and then filled with 0.02% collagenase solution and incubated for 10 minutes. The digest is removed and diluted with media containing 10% FCS and centrifuged to pellet endothelial cells. Plate cells in culture flasks in Medium-199 containing 10% FCS, antimicrobial agent, endothelial cell growth supplement, and heparin (e.g., Sorger, 1995, In Vitro Cell Dev. Biol.-Animal 31: 671 -683).

【0055】 単離した後、組織培養物を作製するために基体上に細胞を接種し、次に、本発
明の方法に従って剪断流応力を加える。
After isolation, the cells are seeded on a substrate to produce a tissue culture, and then subjected to shear flow stress according to the method of the invention.

【0056】 5.1.2 単層培養物 上記のように単離されたSMC、繊維芽細胞、および/または内皮細胞は、本発
明の単層培養物を作製するために、種々の周知の基体上に接種することができる
。利用される基体は、単層中における細胞の付着および増殖を可能にする任意の
生体適合性物質から作製することができる。例えば、生物分解性または非生物分
解性の物質などから作製された非多孔性足場構造物を使用してもよい。また、合
成品、例えば、ガラス、プラスチック、もしくは金属の基体、または非合成もし
くは生物学的人工足場(コラーゲン、エラスチン、もしくはポリマーから構成さ
れる)、あるいはそれらの複合体、ハイブリッド、もしくは組み合わせ物の上に
細胞をプレーティングすることもできる。基体は更に、培養皿、スライド、フラ
スコ、プレート、ドラム、またはディスクの形態であってもよい。
5.1.2 Monolayer Cultures SMCs, fibroblasts, and / or endothelial cells isolated as described above can be used on various well-known substrates to make monolayer cultures of the invention. Can be inoculated. The substrate utilized can be made from any biocompatible material that allows cells to attach and grow in a monolayer. For example, non-porous scaffold structures made from biodegradable or non-biodegradable materials and the like may be used. Also, synthetic articles, such as glass, plastic, or metal substrates, or non-synthetic or biological artificial scaffolds (composed of collagen, elastin, or polymers), or composites, hybrids, or combinations thereof Cells can also be plated on top. The substrate may further be in the form of a culture dish, slide, flask, plate, drum, or disk.

【0057】 一実施形態によれば、ローラーボトル中で細胞を接種してから連続的に拡大さ
せ、トリプシン処理し、カウントし、そして次に生物分解性または生体再吸収性
足場上に接種して一晩放置してもよい。この足場は、予め、20X抗生物質/抗真菌
剤溶液で消毒するかまたは放射線照射により滅菌し、そして10% BCS DMEM完全培
地または10 mg/mlフィブロネクチンで一晩かけて前処理しておいてもよい。細胞
の直接接種によってまたは細胞懸濁液中で穏やかに攪拌することによって、例え
ば、約1〜5×106細胞/cm2、より好ましくは約3×106細胞/cm2で足場に接種し、
続いて、バイオリアクター中で静置培養することができる。
According to one embodiment, the cells are seeded in roller bottles and then continuously expanded, trypsinized, counted, and then seeded on a biodegradable or bioresorbable scaffold. You may leave it overnight. The scaffold may have previously been disinfected with a 20X antibiotic / antimycotic solution or sterilized by irradiation and pretreated overnight with 10% BCS DMEM complete medium or 10 mg / ml fibronectin. Good. By stirring gently by direct inoculation or cell suspension of cells, for example, about 1 to 5 × 10 6 cells / cm 2, more preferably inoculated into the scaffold at about 3 × 10 6 cells / cm 2 ,
Subsequently, stationary culture can be performed in the bioreactor.

【0058】 以下の実施例の第6.2節では、培養したSMC (継代6〜8回)を、フィブロネクチ
ンでコーティングされたガラススライド(2μg/cm2フィブロネクチン)上にプレー
ティングし、集密化するまで単層培養物を増殖させた。次に、平行板流動チャン
バーを用いてこれらの単層培養物に剪断流応力を加えた。このほか、ドラム、プ
レート、またはディスクの表面上で単層培養物として細胞を増殖させ、次に、単
層培養物に剪断流応力を加えるために、この培養物をバイオリアクター中に配置
してもよい。
In section 6.2 of the Examples below, cultured SMCs (passage 6-8) are plated and confluent on glass slides (2 μg / cm 2 fibronectin) coated with fibronectin. The monolayer culture was grown until. These monolayer cultures were then subjected to shear flow stress using a parallel plate flow chamber. Alternatively, the cells may be grown as a monolayer culture on the surface of a drum, plate, or disk and then placed in a bioreactor to apply shear flow stress to the monolayer culture. Is also good.

【0059】 5.1.3. 本発明の三次元構築物 あるいはまた、先に述べたように、SMC、繊維芽細胞、および/または内皮細
胞を、追加の間質構成要素と一緒にまたはそれなしで、三次元骨格もしくは足場
上にまたはその中に接種することにより、剪断流応力を加える対象となる三次元
組織構築物を形成することができる。本発明に係る三次元の生体間質マトリック
スおよび組織特異的構築物のパラメータ、それらの保持、ならびにこうした培養
物の様々な用途については、参照により本明細書に組み入れる同一所有権者の米
国特許第4,963,489号に記載されている。本出願人には本発明の作用機構につい
て説明する義務も責任もないが、以下に示すように、三次元培養系に特有のない
くつかの要因が本発明の成功に寄与している可能性がある。
5.1.3. The three-dimensional constructs of the present invention or, as described above, SMCs, fibroblasts, and / or endothelial cells, with or without additional stromal components, By inoculating onto or into a three-dimensional scaffold or scaffold, a three-dimensional tissue construct to which shear flow stress is to be applied can be formed. For the parameters of the three-dimensional biostromal matrices and tissue-specific constructs of the present invention, their retention, and various uses of such cultures, U.S. Pat.No. 4,963,489, commonly owned, is hereby incorporated by reference. It is described in. Applicants have no obligation or responsibility to explain the mechanism of action of the present invention, but as noted below, several factors specific to three-dimensional culture systems may contribute to the success of the present invention. There is.

【0060】 (a) 三次元骨格は、タンパク質が結合するための、従って、間質細胞が接着す
るためのより大きな表面積を提供する。その上、 (b) 骨格が三次元であるため、間質細胞は、単層培養物中の細胞とは対照的に
、活発に増殖を続ける。単層培養物は、集密化するまで増殖し、接触阻害を呈し
、そして増殖および分裂を停止する。間質細胞を複製することによって増殖因子
および調節因子が生成されることが、培養における細胞増殖の促進および細胞分
化の調節に部分的に関与している可能性がある。 (c) 三次元骨格を用いると、細胞構成要素の空間分布が、in vivoの対応する
組織中に見いだされる空間分布により類似したものとなる。 (d) 三次元系において細胞が増殖することのできる体積が増大すると、細胞の
成熟に寄与する局在化した微小環境が形成される可能性がある。 (e) 三次元骨格は、繊維芽細胞や平滑筋細胞のような移動性細胞の運動能力を
高めることによって、細胞間の相互作用を最大限にする。 (f) 分化細胞の表現型を保持するには増殖/分化因子だけでなく適切な細胞相
互作用が必要であることが確認されている。本発明は組織の微小環境を効率的に
再現する。
(A) The three-dimensional scaffold provides a larger surface area for proteins to bind and thus for stromal cells to adhere. Moreover, (b) because the skeleton is three-dimensional, the stromal cells continue to proliferate actively, in contrast to cells in monolayer culture. Monolayer cultures grow to confluence, exhibit contact inhibition, and stop growth and division. The production of growth and regulatory factors by replicating stromal cells may be partially involved in promoting cell growth and regulating cell differentiation in culture. (c) Using a three-dimensional scaffold, the spatial distribution of the cellular components is more similar to that found in the corresponding tissue in vivo. (d) As the volume in which cells can grow in a three-dimensional system increases, a localized microenvironment that contributes to cell maturation may be formed. (e) The three-dimensional skeleton maximizes cell-cell interactions by enhancing the motility of migrating cells such as fibroblasts and smooth muscle cells. (f) It has been confirmed that not only growth / differentiation factors but also appropriate cell interactions are required to maintain the phenotype of differentiated cells. The present invention efficiently reproduces the microenvironment of a tissue.

【0061】 三次元支持体または骨格は、(a) 細胞が結合することができ(または細胞が結
合することができるように改変することができ、かつ(b) 2層以上の層中で細胞
を増殖させることができる任意の物質および/または形状であってよい。多種多
様な物質を用いて骨格を作製することが可能である。こうした物質としては、非
生物分解性物質、例えば、ナイロン(ポリアミド)、Dacron(ポリエステル)、ポリ
スチレン、ポリプロピレン、ポリアクリレート、ポリビニル化合物(例えば、ポ
リ塩化ビニル)、ポリカーボネート(PVC)、ポリウレタン、ポリテトラフルオロエ
チレン(PTFE;テフロン(登録商標))、サーマノックス(TPX)、ニトロセルロース 、綿; ならびに生物分解性物質、例えば、ポリグリコール酸(PGA)、コラーゲン 、コラーゲンスポンジ、腸線縫合材、セルロース、ゼラチン、デキストラン、ポ リアルカノエート、ポリカプロラクトン、およびコポリマーなどが挙げられるが 、これらに限定されるものではない。これらの材料はいずれも、織ったり、組ん だり、編んだり、ポロゲンと一緒に注型してから浸出したりして足場構造にする ことにより、三次元骨格を形成することが可能である。続いて、骨格を変形し、 矯正構造物として、例えば、チューブ、ロープ、フィラメント、スポンジなどの 所望の形状にすることができる。ナイロン、ポリスチレンなどのような特定の材 料は、細胞結合性の劣った基体である。これらの材料を三次元骨格として使用す る場合、支持体への間質細胞の結合を促進するために、間質細胞を接種する前に 骨格を前処理することが望ましい。例えば、間質細胞を接種する前に、ナイロン 骨格を0.1M酢酸で処理し、そしてポリリシン、FBS、および/またはコラーゲン 中でインキュベートすることにより、ナイロンにコーティングを施すことが可能 である。同様に、硫酸を用いてポリスチレンを処理することも可能である。ポリ ウレタン足場は、例えば、以下の実施例の第6.4節に記載されているように、フ ィブロネクチンで処理することができる。
The three-dimensional support or scaffold can be (a) capable of binding cells (or modified to allow cells to bind), and (b) cells in two or more layers. Can be any material and / or shape that allows the growth of the skeleton. A wide variety of materials can be used to make the scaffold, including non-biodegradable materials such as nylon ( (Polyamide), Dacron (polyester), polystyrene, polypropylene, polyacrylate, polyvinyl compound (for example, polyvinyl chloride), polycarbonate (PVC), polyurethane, polytetrafluoroethylene (PTFE; Teflon (registered trademark)), Thermonox (TPX ), Nitrocellulose, cotton; and biodegradable substances such as polyglycolic acid (PGA), collagen, collagen sponge, intestine Sutures, including, but not limited to, cellulose, gelatin, dextran, polyalkanoate, polycaprolactone, and copolymers, all of which can be woven, braided, knitted, It is possible to form a three-dimensional skeleton by casting it together with the porogen and then leaching it into a scaffold structure, followed by deformation of the skeleton and a correction structure such as a tube, Can be in any desired shape, such as ropes, filaments, sponges, etc. Certain materials, such as nylon, polystyrene, etc., are substrates with poor cell binding. In some cases, it may be desirable to pre-treat the scaffold prior to inoculating the stromal cells to promote the binding of the stromal cells to the support. Before inoculating stromal cells, the nylon scaffold can be treated with 0.1 M acetic acid and coated with nylon by incubating in polylysine, FBS, and / or collagen. It is also possible to treat polystyrene with sulfuric acid, and the polyurethane scaffold can be treated with fibronectin, for example, as described in section 6.4 of the Examples below.

【0062】 三次元培養物のin vivo埋込みのために、例えば、ポリグリコール酸、コラー
ゲン、コラーゲンスポンジ、コラーゲン織物、腸線縫合材料、ゼラチン、ポリ乳
酸またはポリグリコール酸およびそれらのコポリマーのような生物分解性マトリ
ックスを使用することが好ましいと思われる。培養物を長期間にわたって保持す
るかまたは凍結保存する場合、ナイロン、ダクロン、ポリスチレン、ポリアクリ
レート、ポリビニル、ポリウレタン、テフロン、綿などのような非生物分解性物
質が好ましいと思われる。
For in vivo implantation of three-dimensional cultures, for example, biodegradation such as polyglycolic acid, collagen, collagen sponge, collagen fabric, intestinal suture material, gelatin, polylactic acid or polyglycolic acid and copolymers thereof It may be preferable to use a sex matrix. Non-biodegradable materials such as nylon, dacron, polystyrene, polyacrylate, polyvinyl, polyurethane, teflon, cotton and the like may be preferred if the culture is to be kept for a long period or stored frozen.

【0063】 本発明の好ましい実施形態によれば、管状マクロ構造が形成される際に細胞が
剪断応力下で円周方向に整列されるのを補助する螺旋型または他の同心円型設計
をミクロ構造内に有する生物分解性または生体再吸収性の足場上にまたはその中
に細胞が接種される。また、足場材料が生物分解性であるため、細胞の整列を補
助することができる。なぜなら、経時により足場が生物分解されるにつれて、培
養細胞が内方増殖するための追加の空間が提供され、剪断流下において培養組織
の再構築が可能になるからである。この実施形態によれば、材料は数週間〜数ヶ
月以内に生物分解されることが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, a helical or other concentric design that assists the cells to be aligned circumferentially under shear stress when the tubular macrostructure is formed is microstructured. The cells are inoculated on or in a biodegradable or bioresorbable scaffold having therein. Also, the scaffolding material is biodegradable, which can aid cell alignment. This is because, as the scaffold biodegrades over time, additional space is provided for cultured cells to grow inward, allowing the reconstitution of the cultured tissue under shear flow. According to this embodiment, the material is preferably biodegraded within weeks to months.

【0064】 先に述べたように、SMCは、繊維芽細胞のような他の間質細胞と一緒にまたは
それなしで、骨格上に接種される。約106〜5×107細胞/mlのような高濃度、例え
ば、25×106細胞/cm3で間質細胞を三次元骨格に接種すると、より短い時間で三
次元間質組織が形成されるであろう。
As mentioned above, SMCs are inoculated on the scaffold with or without other stromal cells, such as fibroblasts. Inoculating stromal cells into a three-dimensional skeleton at a high concentration, such as about 10 6 -5 × 10 7 cells / ml, for example, 25 × 10 6 cells / cm 3 , results in the formation of three-dimensional stromal tissue in a shorter time. Will be done.

【0065】 繰り返すことになるが、in vivoでの移植または埋込みのために培養細胞を使
用しようとする場合、患者自身の組織から間質細胞を採取することが好ましい。
三次元間質細胞培養における細胞の増殖は、タンパク質(例えば、コラーゲン、
弾性繊維、細網繊維)、糖タンパク質、グリコサミノグリカン(例えば、ヘパラン
硫酸、コンドロイチン-4-硫酸、コンドロイチン-6-硫酸、デルマタン硫酸、ケラ
チン硫酸など)、細胞マトリックス、および/または他の物質を骨格に添加する
か、あるいはそれらを支持体にコーティングすることによって、更に促進するこ
とが可能である。
Again, when using cultured cells for in vivo transplantation or implantation, it is preferred to harvest stromal cells from the patient's own tissue.
The growth of cells in three-dimensional stromal cell cultures is controlled by proteins (e.g., collagen,
Elastic fibers, reticulated fibers), glycoproteins, glycosaminoglycans (eg, heparan sulfate, chondroitin-4-sulfate, chondroitin-6-sulfate, dermatan sulfate, keratin sulfate, etc.), cell matrices, and / or other substances Can be further enhanced by adding to the backbone or coating them on a support.

【0066】 埋込み用の所望の形状、例えば、チューブ、ロープ、またはフィラメントを形
成する前または後に、間質細胞を骨格上に接種してもよい。間質細胞を接種した
後、適切な栄養培地中で三次元骨格をインキュベートしなければならない。Fish
er培地、Iscove培地、McCoy培地、DMEM培地などのような多くの市販の培地が使
用に好適であると思われる。増殖活性を最大化するために、インキュベーション
期間中、三次元間質細胞培養物を培地中に懸濁または浮遊させることが重要であ
る。更に、使用済み培地を除去し、放出された細胞の数を減少させ、そして新し
い培地を添加すべく、培養物を周期的に「供給」しなければならない。
The stromal cells may be inoculated on the scaffold before or after forming the desired shape for implantation, eg, a tube, rope, or filament. After inoculation of the stromal cells, the three-dimensional scaffold must be incubated in a suitable nutrient medium. Fish
Many commercially available media, such as er media, Iscove media, McCoy media, DMEM media, etc., may be suitable for use. To maximize proliferative activity, it is important that the three-dimensional stromal cell culture be suspended or suspended in culture during the incubation period. In addition, the culture must be periodically "fed" to remove spent media, reduce the number of cells released, and add fresh media.

【0067】 インキュベーション期間中、骨格の開口中に増殖し始める前に、間質細胞は、
三次元骨格に沿って直線的に増殖し、そして三次元骨格を取り囲むであろう。組
織特異的細胞を間質マトリックスに接種する前に、in vivoの組織中に存在する
間質細胞の量を反映する適切な程度にまで細胞を増殖させることが好ましい。
During the incubation period, before beginning to grow into the skeleton opening, the stromal cells
It will grow linearly along and surround the three-dimensional skeleton. Prior to inoculating the tissue-specific cells into the stromal matrix, it is preferable to grow the cells to an appropriate degree reflecting the amount of stromal cells present in the tissue in vivo.

【0068】 骨格の開口は、間質細胞が開口を横切って拡がるか、開口に詰め込まれるか、
または開口を満たすことができるように、適切なサイズでなければならない。骨
格を横切って拡がる間質細胞の活発な増殖を保持すると、間質細胞により生成さ
れる増殖因子の産生が促進されるので、長期間にわたり培養が継続されるであろ
う。例えば、開口が小さすぎる場合、間質細胞は、迅速に集密化状態に到達する
が容易にメッシュから出ることができない可能性があり、また、トラップされた
細胞は、接触阻害を呈して、増殖の持続および長期間にわたる培養の継続に必要
となる適切な因子の産生を停止する可能性がある。開口が大きすぎる場合、間質
細胞は、開口を横切って拡がることができない可能性があり、このため、増殖の
持続および長期間にわたる培養の継続に必要となる適切な因子の間質細胞による
産生が減少するであろう。メッシュタイプの支持体を使用する場合、約150μm〜
約220μmの範囲の開口を用いると十分に機能するだろう。しかしながら、骨格の
三次元構造および複雑度にもよるが、他のサイズを用いても同様にうまくいく場
合もある。実際には、間質細胞の拡大および複製の持続ならびに長期間にわたる
増殖を可能にする形状または構造はいずれも、本発明に適合した機能を示すであ
ろう。
The skeletal opening may determine whether stromal cells have spread across or packed into the opening,
Or it must be of a suitable size so that it can fill the opening. Maintaining the active growth of stromal cells that extend across the scaffold will promote the production of growth factors produced by the stromal cells, so that the culture will continue for a long time. For example, if the opening is too small, stromal cells may reach the confluent state quickly but cannot easily exit the mesh, and the trapped cells may exhibit contact inhibition, It may stop the production of the appropriate factors needed for sustained growth and continued culture over a long period of time. If the opening is too large, the stromal cells may not be able to spread across the opening, thus producing the appropriate factors needed for sustained growth and continued culture over long periods of time. Will decrease. When using a mesh type support, about 150 μm
An aperture in the range of about 220 μm will work well. However, depending on the three-dimensional structure and complexity of the skeleton, other sizes may work as well. Indeed, any shape or structure that allows stromal cell expansion and replication to persist and proliferate over a long period of time will exhibit a function compatible with the present invention.

【0069】 実施例の第6.4節に例示されている本発明の一実施形態に従って、三次元培養
物中に間質細胞を接種するために、フィブロネクチンで処理された管状ポリウレ
タン足場を使用した。より詳細には、Thomsonら, Polymer Scaffold Processing
, Principles of Tissue Engineering, RP Lanza, R. LangerおよびWL Chick (
編), pp. 263-272(RG Landes Co, Austin, TX)および米国特許第5,514,378号
に記載の溶剤鋳造/粒子溶脱法(solvent-cast/particulate leaching method)
を用いてポリウレタン足場を作製した(以下の第6.4節を参照されたい)。足場の
空隙率(VF)は様々な値をとりうるが、好ましい範囲は約80%〜約95%である。好ま
しい実施形態によれば、VFは90%である。足場の孔サイズは、63〜500μmの範囲
の値をとりうるが、好ましい範囲は150〜300μmである。以下の第6.4節に記載さ
れているように、そのようなポリウレタン足場上に平滑筋細胞を接種し、剪断流
応力下で、例えば、0.3ダイン/cm2で、3週間培養することにより、該細胞が剪断
流応力の方向に対し垂直に、すなわち、血管における該細胞のin vivoの配向と
同じように整列した。
In accordance with one embodiment of the present invention, exemplified in Section 6.4 of the Examples, a tubular polyurethane scaffold treated with fibronectin was used to inoculate stromal cells in a three-dimensional culture. For more details, see Thomson et al., Polymer Scaffold Processing.
, Principles of Tissue Engineering, RP Lanza, R. Langer and WL Chick (
Ed.), Pp. 263-272 (RG Landes Co, Austin, TX) and the solvent-cast / particulate leaching method described in US Pat. No. 5,514,378.
Was used to make a polyurethane scaffold (see Section 6.4 below). The porosity (VF) of the scaffold can vary, but the preferred range is from about 80% to about 95%. According to a preferred embodiment, the VF is 90%. The pore size of the scaffold can range from 63 to 500 μm, with a preferred range of 150 to 300 μm. As described, below, in Section 6.4, inoculated with smooth muscle cells on such a polyurethane scaffold, under shear flow stress, for example, at 0.3 dynes / cm 2, by culturing for 3 weeks, the The cells aligned perpendicular to the direction of the shear flow stress, ie, similar to their in vivo orientation in blood vessels.

【0070】 種々のタイプのコラーゲンを様々な比率で支持体上に供給することによっても
、後で間質組織上に接種されるかまたはin vivoにおいて構造物上で増殖しうる
組織特異的細胞または他の細胞の増殖に影響を及ぼすことができる。供給するコ
ラーゲンタイプの比率は、適切なコラーゲンタイプを生成する間質細胞を選択し
てそのような間質細胞を骨格上に接種することによって、操作したり増大させた
りすることができる。例えば、補体を活性化することが可能でかつ特定のコラー
ゲンタイプを規定する適切なアイソタイプまたはサブクラスのモノクロナール抗
体を用いて、繊維芽細胞を選択することができる。これらの抗体および補体を用
いることにより、所望のコラーゲンタイプを発現する繊維芽細胞に関して陰性選
択を行うことができる。このほか、マトリックスに接種するために使用される間
質は、所望の適切なコラーゲンタイプを合成する細胞の混合物であってもよい。
五つのタイプのコラーゲンの分布および起源を表Iに示す。
By supplying different types of collagen in various ratios on a support, tissue-specific cells or cells that can later be inoculated on stromal tissue or grown on structures in vivo. It can affect the growth of other cells. The proportion of collagen types supplied can be manipulated or increased by selecting stromal cells that produce the appropriate collagen type and inoculating such stromal cells onto the scaffold. For example, fibroblasts can be selected using monoclonal antibodies of the appropriate isotype or subclass that can activate complement and define a particular collagen type. By using these antibodies and complement, negative selection can be performed on fibroblasts that express the desired collagen type. Alternatively, the stroma used to inoculate the matrix may be a mixture of cells that synthesize the desired appropriate collagen type.
The distribution and origin of the five types of collagen are shown in Table I.

【0071】[0071]

【表1】 従って、培養される組織および所望のコラーゲンタイプにもよるが、三次元骨
格に接種するために、適切な間質細胞を選択することが可能である。
[Table 1] Thus, depending on the tissue to be cultured and the desired collagen type, it is possible to select the appropriate stromal cells to inoculate the three-dimensional skeleton.

【0072】 同様に、間質層中に存在する膠原繊維および弾性繊維の相対量は、最初の接種
物中のコラーゲン産生細胞対エラスチン産生細胞の比を制御することによって、
調節することができる。例えば、動脈の内壁はエラスチンに富んでいるので、動
脈間質は、エラスチンを生成する未分化平滑筋細胞を高濃度で含有しているはず
である。
Similarly, the relative amount of collagenous and elastic fibers present in the stromal layer can be controlled by controlling the ratio of collagen producing cells to elastin producing cells in the initial inoculum.
Can be adjusted. For example, since the inner wall of the artery is rich in elastin, the arterial stroma should contain high concentrations of undifferentiated smooth muscle cells that produce elastin.

【0073】 三次元間質細胞培養物のインキュベーション中、増殖細胞がマトリックスから
放出される可能性がある。これらの放出された細胞は培養容器の壁に付着する可
能性があり、そして付着した細胞は増殖を続けて集密的単層を形成する可能性が
ある。これは例えば、放出された細胞を供給時に除去することによって、または
三次元間質培養物を新しい培養容器に移すことによって、防止するかまたは最小
限に抑えることが必要である。容器中に集密的単層が存在すると、三次元マトリ
ックスおよび/または培養物中における細胞の増殖は「停止」されるであろう。
集密的単層を除去するかまたは新しい容器中の新鮮な培地に培養物を移すと、三
次元培養系の増殖活性は回復されるであろう。集密度が25%を超える間質単層を
有する培養容器ではいずれにおいても、そのような除去または移し替えを行わな
ければならない。このほか、放出された細胞が付着するのを防止するために、培
養系を攪拌してもよいし、あるいは培養物を周期的に供給する代わりに、新鮮な
培地が系を通って連続的に流れるように培養系を設定してもよい。流動速度は、
三次元培養物内での増殖を最大化するように、かつ培養物から放出された細胞を
洗浄除去するように、調節することが可能であり、そのようにすれば、放出され
た細胞が容器の壁に付着して集密化するまで増殖することはないであろう。
During incubation of the three-dimensional stromal cell culture, proliferating cells may be released from the matrix. These released cells can attach to the walls of the culture vessel, and the attached cells can continue to grow and form a confluent monolayer. This needs to be prevented or minimized, for example, by removing released cells at the time of supply, or by transferring the three-dimensional stromal culture to a new culture vessel. The presence of a confluent monolayer in the container will "stop" the growth of cells in the three-dimensional matrix and / or culture.
Removal of the confluent monolayer or transfer of the culture to fresh medium in a new container will restore the growth activity of the three-dimensional culture system. Such removal or transfer must be performed in any culture vessel having a stromal monolayer greater than 25% confluent. Alternatively, the culture system may be agitated to prevent the released cells from attaching, or instead of supplying the culture periodically, fresh medium may be continuously passed through the system. The culture system may be set to flow. The flow velocity is
Adjustments can be made to maximize growth in the three-dimensional culture and to wash away cells released from the culture, so that the released cells are in a container. Will not grow until it has adhered to the walls and becomes confluent.

【0074】 そのように形成された生きている間質組織は、in vivoにおいて修正構造物と
して使用することができる。このほか、組織特異的細胞または実質細胞のような
他の細胞を三次元の生きている間質組織上に接種して増殖させ、in vivoへの埋
込みに供してもよい。
The live stromal tissue so formed can be used as a modifying structure in vivo. Alternatively, other cells, such as tissue-specific cells or parenchymal cells, may be inoculated and grown on living three-dimensional stromal tissue and subjected to in vivo implantation.

【0075】 例えば、三次元間質細胞培養物が適切な増殖度に到達した後、培養が望まれる
組織特異的細胞または表面層細胞のような追加の細胞を更に、生きている間質組
織上に接種してもよい。生きている間質組織上に接種されたそのような細胞は、
間質組織に細胞を固着させるようにインキュベートされ、そしてin vivoに埋込
むことができるが、埋込んだ先でも継続的に増殖しうる。このほか、in vivoに
埋込む前に、生きている間質組織上で細胞を増殖させて、天然の組織に匹敵する
培養物を形成することができる。接種物中の細胞の濃度が高いと、有利なことに
、低濃度の場合よりもはるかに速やかに培地中の増殖が増大するであろう。
After the three-dimensional stromal cell culture has reached the appropriate degree of proliferation, for example, additional cells such as tissue-specific cells or surface layer cells that are desired to be cultured are further placed on living stromal tissue. May be inoculated. Such cells inoculated on living stromal tissue,
It is incubated to anchor cells to stromal tissue and can be implanted in vivo, but can continue to grow where it is implanted. Alternatively, cells can be grown on living stromal tissue prior to implantation in vivo to form a culture comparable to native tissue. A higher concentration of cells in the inoculum will advantageously increase growth in the medium much more quickly than at a lower concentration.

【0076】 接種用に選択される細胞は、培養される組織に依存するであろう。この場合、
本発明によれば、血管に由来するSMCおよび/または内皮細胞を選択してもよい
。従って、一実施形態において、先に記載の生きている間質マトリックスに、組
織特異的細胞としてSMCおよび/または内皮細胞を添加してもよい。
[0076] The cells selected for inoculation will depend on the tissue to be cultured. in this case,
According to the present invention, SMC and / or endothelial cells derived from blood vessels may be selected. Thus, in one embodiment, the living stromal matrix described above may be supplemented with SMC and / or endothelial cells as tissue-specific cells.

【0077】 組織特異的接種物中で使用されるSMCおよび/または内皮細胞は、先の第5.1.1
.節で間質細胞の取得に関して説明したように標準的な技法を用いて所望の組織
を分解することにより、細胞懸濁液から取得することが可能である。種々の組織
から実質細胞を取得するのに利用しうる方法のレビューについては、先に記載の
Freshneyの文献のCh. 20, pp. 257-288を参照されたい。
The SMC and / or endothelial cells used in the tissue-specific inoculum were as described in Section 5.1.1 above.
It can be obtained from a cell suspension by degrading the desired tissue using standard techniques as described for obtaining stromal cells in section. For a review of methods available for obtaining parenchymal cells from various tissues, see the previous section.
See Freshney, Ch. 20, pp. 257-288.

【0078】 先に述べたように、増殖因子および調節因子を培地に添加する必要はない。な
ぜなら、これらのタイプの因子は、三次元間質細胞によって生成されるからであ
る。しかしながら、そのような因子の添加または他の特定の細胞の接種を行うこ
とによって、培地中の増殖および細胞成熟を促進、改変、または調節することが
可能である。培地中の細胞の増殖および活性は、インスリン、増殖ホルモン、ソ
マトメジン、コロニー刺激因子、エリトロポエチン、表皮増殖因子、肝臓赤血球
産生因子(ヘパトポイエチン)、および肝細胞増殖因子のような種々の増殖因子に
よって変化させることができる。増殖および/または分化を調節する他の因子と
しては、プロスタグランジン、インターロイキン、および天然に存在するカロー
ンが挙げられる。
As mentioned above, it is not necessary to add growth and regulatory factors to the medium. This is because these types of factors are produced by three-dimensional stromal cells. However, by adding such factors or inoculating other specific cells, it is possible to promote, modify, or regulate growth and cell maturation in the medium. Growth and activity of cells in culture are altered by various growth factors such as insulin, growth hormone, somatomedin, colony stimulating factor, erythropoietin, epidermal growth factor, liver erythropoiesis factor (hepatopoietin), and hepatocyte growth factor be able to. Other factors that regulate growth and / or differentiation include prostaglandins, interleukins, and naturally occurring caron.

【0079】 5.2 本発明の構築物への剪断流応力の適用 本発明によれば、先に記載の単層または三次元の培養物には、定常的な層状剪
断流応力がかけられる。そのような応力を培養物に加えると、SMCは、流動の方
向に垂直に整列し、体内の細胞の整列により一層類似した細胞整列をとるように
なる。
5.2 Application of Shear Flow Stress to the Constructs of the Invention According to the invention, monolayer or three-dimensional cultures as described above are subjected to a steady laminar shear flow stress. When such stress is applied to the culture, the SMC aligns perpendicular to the direction of flow, resulting in a more similar cell alignment to that of cells in the body.

【0080】 剪断流応力は、定常的かつ層状であってよく、そしてそのレベルは、約0.1〜
約100ダイン/cm2、好ましくは約0.3〜約50ダイン/cm2、より好ましくは約0.3〜
約25ダイン/cm2の範囲の値をとりうる。一実施形態によれば、例えば、剪断流応
力は、少なくとも約15ダイン/cm2のレベル、より好ましくは少なくとも約20ダイ
ン/cm2のレベルにあり、そして少なくとも24時間の持続時間、より好ましくは少
なくとも48時間の持続時間にわたって加えられる。もう一つの実施形態によれば
、剪断流応力は、約0.3ダイン/cm2のレベルで約3週間の持続時間にわたって加え
られる。当業者は、所望の時間内で整列させるべく加えられる剪断流応力の適切
なレベルを経験的な方法によって容易に決定することができる。
The shear flow stress may be steady and laminar, and its level may range from about 0.1 to
About 100 dynes / cm 2, preferably about 0.3 to about 50 dynes / cm 2, more preferably from about 0.3
Values can range from about 25 dynes / cm 2 . According to one embodiment, for example, shear flow stress is at least about 15 dynes / cm 2 level, more preferably in the level of at least about 20 dynes / cm 2, and the duration of at least 24 hours, more preferably Added over a duration of at least 48 hours. According to another embodiment, the shear flow stress is applied at a level of about 0.3 dynes / cm 2 for a duration of about 3 weeks. One of skill in the art can readily determine the appropriate level of shear flow stress to be applied to align within the desired time by empirical methods.

【0081】 剪断流応力は、様々な手段によって培養細胞に加えることができる。例えば、
液体増殖培地中に浸漬された回転ドラムまたは回転ディスクの表面上でSMC単層
を増殖させることによって、剪断流応力を加えることができる(例えば、図2およ
び3を参照されたい)。このほか、ポンプ送液される液体増殖培地が通過する静止
平行板上でSMC単層を増殖させることによって、剪断流応力を加えることができ
る(例えば、図4を参照されたい)。以下の実施例の第6.2節に記載されているよう
に、平行板系においてSMC単層を20ダイン/cm2の剪断流応力に付した。48時間に
わたって細胞をこの剪断流応力に付すことにより、流動の方向に垂直なSMC整列
が誘導された。更に、剪断流応力を増大させたところ、静置培養物と比較して垂
直細胞整列が有意に多く誘導された。
[0081] Shear flow stress can be applied to cultured cells by various means. For example,
Shear flow stress can be applied by growing an SMC monolayer on the surface of a rotating drum or rotating disk immersed in a liquid growth medium (see, eg, FIGS. 2 and 3). Alternatively, shear flow stress can be applied by growing the SMC monolayer on a stationary parallel plate through which the pumped liquid growth medium passes (see, eg, FIG. 4). The SMC monolayer was subjected to a shear flow stress of 20 dynes / cm 2 in a parallel plate system as described in Section 6.2 of the Examples below. Subjecting the cells to this shear flow stress for 48 hours induced SMC alignment perpendicular to the direction of flow. Furthermore, increasing the shear flow stress induced significantly more vertical cell alignment compared to static cultures.

【0082】 剪断流応力はまた、ポンプ送液される増殖培地などの液体が通過する増殖チャ
ンバー中に培養物を配置することによって、三次元SMC培養物に加えることもで
きる(図1を参照)。
Shear flow stress can also be applied to a three-dimensional SMC culture by placing the culture in a growth chamber through which a liquid, such as a pumped growth medium, passes (see FIG. 1). .

【0083】 培養物に加えられる剪断流応力の大きさは、ドラムまたはディスクの回転速度
を調節することによって、あるいはポンプ送液速度を調節することによって制御
される。単層培養のために平行板チャンバーを用いるときの剪断流応力は、次式
(1)に従って計算される。 剪断流応力=τ=6μQ/bh2ダイン/cm2 式中、μ=液体の粘度(N秒/m2) Q=流量(ml/分) b=チャンバーの幅(cm)、および h=チャンバーの高さ(cm) 三次元管の培養では、次式(2)が使用される。 τ=32μQ/πd3 d=管の直径(cm単位) μ=ダイン×秒/m2 Q=cm3/秒
The magnitude of the shear flow stress applied to the culture is controlled by adjusting the rotation speed of the drum or disc, or by adjusting the pumping rate. The shear flow stress when using a parallel plate chamber for monolayer culture is
Calculated according to (1). Shear flow stress = τ = 6 μQ / bh 2 dynes / cm 2 where μ = viscosity of liquid (Nsec / m 2 ) Q = flow rate (ml / min) b = width of chamber (cm), and h = chamber In the culture of a three-dimensional tube, the following equation (2) is used. τ = 32μQ / πd 3 d = tube diameter (in cm) μ = dyne × sec / m 2 Q = cm 3 / sec

【0084】 本発明の方法で使用しうるバイオリアクター流動系の例を図1に示す。図7に示
されているように、循環流動系16を増殖チャンバー11と一緒に使用する。循環流
動系16は、培地リザーバー9、ポンプ10、増殖チャンバー11、および管12を備え
ている。
An example of a bioreactor flow system that can be used in the method of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 7, a circulating flow system 16 is used with the growth chamber 11. The circulating fluid system 16 includes a medium reservoir 9, a pump 10, a growth chamber 11, and a tube 12.

【0085】 リザーバー9として使用するために、任意の滅菌可能な液体容器が利用できる
。好ましいリザーバーの一つのタイプは、滅菌バッグである。好適な滅菌バッグ
は、例えば、Gibco/BRLから市販されている。本発明のいくつかの実施形態にお
いて、上側リザーバーをバイオリアクターの上流に配置することができ、下側リ
ザーバーをバイオリアクターの下流に配置することができ、そしてポンプによっ
て液体培地などの液体を下側リザーバーから上側リザーバーに戻すことができる
For use as reservoir 9, any sterilizable liquid container is available. One type of preferred reservoir is a sterile bag. Suitable sterile bags are commercially available, for example, from Gibco / BRL. In some embodiments of the present invention, the upper reservoir can be located upstream of the bioreactor, the lower reservoir can be located downstream of the bioreactor, and a pump, such as a liquid medium, is placed on the lower side of the bioreactor. The reservoir can be returned to the upper reservoir.

【0086】 系中で液体に滅菌ガスの直接的な供給を行うために、リザーバー9は滅菌フィ
ルターを備えることができる。このほか、拡散により系に滅菌ガスの間接的な供
給を行うために、リザーバー9は、シリコーンやテフロンなどから作製されたガ
ス透過性の管または膜を備えることができる。好ましくは、1個以上のバルブお
よび1台の流量計が流動系に配設される。
To provide a direct supply of sterile gas to the liquid in the system, the reservoir 9 can be equipped with a sterile filter. Alternatively, the reservoir 9 may include a gas permeable tube or membrane made of silicone, Teflon, or the like, to provide an indirect supply of sterilizing gas to the system by diffusion. Preferably, one or more valves and one flow meter are disposed in the flow system.

【0087】 ポンプ10は、リザーバー9から増殖チャンバー11へ液体を移動させて滅菌条件
下でその液体を再循環させるように設計されている。典型的には、ポンプ10によ
って流量および系内の圧力の両方を制御する。ポンプ10は蠕動ポンプであってよ
い。このほか、変動圧力源と一緒に弾性の袋(bladder)を用いてもよい。外圧を
変化させると、袋が膨らんだりへこんだりする。一対のチェックバルブを用いる
ことによって、系内において滅菌流体を単一方向に移動させるようにできる。系
内で滅菌液体を循環させるための連結管12は、ステンレス鋼パイプまたは耐久性
のある医療グレードのプラスチック管であってよい。このほか、管12は、シリコ
ーンのようなガス透過性材料であってもよい。
The pump 10 is designed to move liquid from the reservoir 9 to the growth chamber 11 and recirculate the liquid under sterile conditions. Typically, pump 10 controls both the flow rate and the pressure in the system. Pump 10 may be a peristaltic pump. Alternatively, an elastic bladder may be used with the fluctuating pressure source. Changing the external pressure causes the bag to bulge or dent. By using a pair of check valves, the sterile fluid can be moved in a single direction in the system. The connecting tube 12 for circulating the sterile liquid in the system may be a stainless steel pipe or a durable medical grade plastic tube. Alternatively, tube 12 may be a gas permeable material such as silicone.

【0088】 図7の流動系は、単層細胞培養物または三次元細胞培養物のいずれを培養する
場合にも使用することができる。この場合、三次元細胞培養物を増殖チャンバー
中に配置し、そして増殖チャンバー中を通ってポンプ送液される液体の運動によ
り剪断流応力を加えることができる。好ましくは、付着された培養細胞を含有す
る三次元骨格は静止している。
The flow system of FIG. 7 can be used for culturing either a monolayer cell culture or a three-dimensional cell culture. In this case, the three-dimensional cell culture can be placed in a growth chamber and shear flow stress can be applied by the movement of a liquid pumped through the growth chamber. Preferably, the three-dimensional scaffold containing the attached cultured cells is stationary.

【0089】 使用可能なこのほかの剪断流系としては、図8〜10に示されている系が挙げら
れる。図8に示されている系は、同心円状のドラム1および2の入った増殖チャン
バー3を備えている。一方のドラムまたは両方のドラムの表面は、本発明に従っ
て細胞を付着させるための基体として機能することができる。例えば、SMCをド
ラム表面上に接種してSMC単層を形成し、この単層に剪断流応力を加えることが
できる。一方のドラムを回転させた状態で、他方のドラムを静止した状態に保持
することができる。いずれの配置においても、ドラム1、2は少なくとも一部が
増殖培地15などの液体中に浸されている。このほか、両方のドラムを回転させ
ることもできる。ドラムに固定された細胞と液体15との相対的な運動によって剪
断流応力が発生する。
Other shear flow systems that can be used include those shown in FIGS. The system shown in FIG. 8 comprises a growth chamber 3 containing concentric drums 1 and 2. The surface of one or both drums can serve as a substrate for attaching cells according to the present invention. For example, SMC can be inoculated on a drum surface to form an SMC monolayer, and the monolayer can be subjected to shear flow stress. With one drum rotated, the other drum can be held stationary. In either arrangement, the drums 1, 2 are at least partially immersed in a liquid, such as a growth medium 15. In addition, both drums can be rotated. Shear flow stress is generated by the relative movement of the liquid 15 and the cells fixed to the drum.

【0090】 流応力の大きさは、先の式(1)に従ってドラムの回転速度を調節することによ
り調節可能である。ドラム1、2間の距離は、式(1)中のパラメーターhである。好
ましくは、先に列挙した剪断流応力の範囲が得られるようにドラムの回転速度を
選択する。好ましくは、可変速電動モーターを利用してドラムを回転させる。二
つのドラム間の最適距離は、ドラムのサイズおよびドラムを作製する材料を含め
て、種々の要因に依存する。最適なドラムの構成を決定することは、当業者の能
力の範囲内である。剪断流応力はドラムの回転によって発生するので、液体リザ
ーバーおよびポンプを備えた連続流動配置が最適である。
The magnitude of the flow stress can be adjusted by adjusting the rotation speed of the drum according to the above equation (1). The distance between the drums 1 and 2 is a parameter h in the equation (1). Preferably, the rotational speed of the drum is selected so as to obtain the shear flow stress ranges listed above. Preferably, the drum is rotated using a variable speed electric motor. The optimum distance between the two drums depends on various factors, including the size of the drum and the material from which the drum is made. Determining the optimal drum configuration is within the ability of those skilled in the art. Since the shear flow stress is generated by the rotation of the drum, a continuous flow arrangement with a liquid reservoir and a pump is optimal.

【0091】 図9の剪断流系には、回転ディスク4を備えた増殖チャンバー5が含まれている
。ディスク4は、培地などの液体15中に浸漬される。この場合、ディスクは、細
胞を付着させるための基体として機能する。例えば、ディスク表面上にSMCを接
種してSMC単層を形成し、この単層に剪断流応力を加えることができる。細胞に
加えられる流応力の大きさは、先に記載の式(1)に従ってディスクの回転速度を
調節することによって調節可能である。場合により、細胞増殖を持続させるのに
利用できる全表面積を増大させるために、複数のディスクを単一の回転シャフト
に配置することができる。典型的には、可変速電動モーターを利用してドラムを
回転させる。剪断流応力はドラムの回転によって発生するので、液体リザーバー
およびポンプを備えた連続流動配置が最適である。
The shear flow system of FIG. 9 includes a growth chamber 5 with a rotating disk 4. The disk 4 is immersed in a liquid 15 such as a culture medium. In this case, the disc functions as a substrate for attaching cells. For example, an SMC can be inoculated on a disk surface to form an SMC monolayer, and the monolayer can be subjected to shear flow stress. The magnitude of the flow stress applied to the cells can be adjusted by adjusting the rotation speed of the disk according to the above-described equation (1). Optionally, multiple disks can be placed on a single rotating shaft to increase the total surface area available to sustain cell growth. Typically, the drum is rotated using a variable speed electric motor. Since the shear flow stress is generated by the rotation of the drum, a continuous flow arrangement with a liquid reservoir and a pump is optimal.

【0092】 図10に示されている平行板流動系には、増殖チャンバー8の内部に二つの平行
静止板すなわち壁6および7を備えた剪断流動増殖チャンバー8が含まれている。
同一の増殖チャンバー8中に、一対の静止板6、7を使用することもできるし、2対
以上の板を使用することもできる。板6、7は静止しているので、剪断流応力は、
チャンバー8中を通ってポンプ送液される培地などの液体15の運動によってのみ
発生する。液体は、所望の剪断流応力が得られるように平行板に通してポンプ送
液される。先に述べたように、剪断流応力は約0.1〜約100ダイン/cm2の範囲であ
ってよく、あるいはより好ましくは、剪断応力は、少なくとも約15〜約20ダイン
/cm2のレベルであってよい。剪断流応力は、先の式(1)に従って液体15の流量を
調節することにより調節可能である。静止板6、7間の距離13は、式(1)のパラメ
ーターhである。静止板は、好ましくは、互いに平行であり、かつ液体15の主流
動に対して直角である。
The parallel plate flow system shown in FIG. 10 includes a shear flow growth chamber 8 with two parallel stationary plates or walls 6 and 7 inside the growth chamber 8.
In the same growth chamber 8, a pair of stationary plates 6, 7 can be used, or two or more pairs of plates can be used. Since the plates 6, 7 are stationary, the shear flow stress is
It occurs only by the movement of a liquid 15, such as a medium, pumped through the chamber 8. The liquid is pumped through the parallel plates to obtain the desired shear flow stress. As mentioned above, the shear flow stress may range from about 0.1 to about 100 dynes / cm, or more preferably, the shear stress is at least about 15 to about 20 dynes.
/ cm2 level. The shear flow stress can be adjusted by adjusting the flow rate of the liquid 15 according to the above equation (1). The distance 13 between the stationary plates 6 and 7 is a parameter h in the equation (1). The stationary plates are preferably parallel to each other and perpendicular to the main flow of the liquid 15.

【0093】 板6、7の数を増加させる利点は、細胞が単層を形成しうる全表面積を増大させ
ることができることである。複数の板によって生じる可能性のある欠点は、板の
数が増加するにつれて細胞に加わる剪断流応力のレベルをチャンバー8全体にわ
たって一様に保持することが相対的により困難になる可能性があることである。
剪断流応力のレベルを一様に保持する方法の一つは、流入する液体15aをチャン
バー8の一方の壁上に広い領域にわたって分配させると同時に、流出する液体15b
をチャンバーの反対側の壁上の同様に広い領域から回収することである。
An advantage of increasing the number of plates 6, 7 is that the total surface area on which cells can form a monolayer can be increased. A disadvantage that can be caused by multiple plates is that as the number of plates increases, it can be relatively more difficult to maintain a uniform level of shear flow stress on the cells throughout the chamber 8. It is.
One way to maintain a uniform level of shear flow stress is to distribute the incoming liquid 15a over a large area on one wall of the chamber 8 while simultaneously outflowing the liquid 15b.
From a similarly large area on the opposite wall of the chamber.

【0094】 場合により、利用する剪断流応力装置は、培地の流量、pH、および/または温
度を変更または調節することができるものでなければならない。また、この装置
は、整列を評価するために、画像取り込み/処理手段を有していてもよい。先に
記載のドラム、ディスク、および板は、例えば、ポリスチレン、ポリカーボネー
ト、またはステンレス鋼などの生体適合性材料から作製しなければならない。ま
た、基体は、足場のような非多孔性生分解性材料から作製することも可能である
が、但し、これらの基体は、増殖を単層培養に限定するものでなければならない
。増殖チャンバーの壁および基体に好適な材料の選択は、当業者の能力の範囲内
である。
In some cases, the shear flow stress device utilized must be capable of changing or adjusting the flow rate, pH, and / or temperature of the medium. The device may also include image capture / processing means to evaluate alignment. The drums, disks, and plates described above must be made from a biocompatible material, such as, for example, polystyrene, polycarbonate, or stainless steel. Substrates can also be made from non-porous biodegradable materials such as scaffolds, provided that these substrates limit growth to monolayer culture. The selection of suitable materials for the walls of the growth chamber and the substrate is within the ability of those skilled in the art.

【0095】 5.3 剪断流応力下におけるSMCの整列 先に記載したような剪断流応力を本明細書中に記載のSMC培養物に加えると、
剪断流応力の方向に対して細胞の整列が変化し、その結果、SMCは、流動の方向
に垂直に整列するようになる。例えば、以下に記載の実施例の第6.2節、第6.3節
、および第6.4節を参照されたい。図1に示されているように、静置培養で増殖さ
せたイヌ血管SMCの整列は、本質的にランダムである。これとは対照的に、培養
細胞を48時間にわたり20ダイン/cm2の剪断流応力に付したところ、細胞は流動の
方向に垂直に整列された。垂直整列は、剪断流応力暴露の大きさ(図2)および持
続時間(図3)に依存した。本発明に係る垂直に整列されたSMC培養物は、in vivo
における細胞の整列により一層類似した細胞整列をとるため、in vivoへの埋込
み用の改良されたSMC組織工学的構築物の作製が可能になる。
5.3 Alignment of SMCs under Shear Flow Stress Applying a shear flow stress as described above to an SMC culture described herein,
The alignment of the cells changes with the direction of the shear flow stress so that the SMC aligns perpendicular to the direction of flow. See, for example, Sections 6.2, 6.3, and 6.4 of the examples described below. As shown in FIG. 1, the alignment of dog vascular SMCs grown in static culture is essentially random. In contrast, when the cultured cells were subjected to a shear flow stress of 20 dynes / cm2 for 48 hours, the cells were aligned perpendicular to the direction of flow. Vertical alignment was dependent on the magnitude (FIG. 2) and duration (FIG. 3) of the shear flow stress exposure. The vertically aligned SMC cultures according to the invention can be used in vivo.
A more similar cell alignment to that of the cells in E. coli allows the creation of improved SMC tissue engineering constructs for in vivo implantation.

【0096】 SMCの整列は、当業者に周知の任意の方法を用いて、例えば、限定されるもの
ではないが、目視観測により、あるいは顕微鏡または位相差画像装置もしくは蛍
光画像装置のような他の光学画像装置を利用して、可視化することが可能である
。可視化を助けるために、細胞を染色したり免疫染色したりしてもよい。
The alignment of the SMCs can be performed using any method known to those skilled in the art, for example, but not limited to, by visual observation, or by a microscope or other such as a phase contrast or fluorescence imager. Visualization is possible using an optical imaging device. Cells may be stained or immunostained to aid visualization.

【0097】 5.4 本発明の方法および構築物の使用 5.4.1. 管状生体組織の形成 剪断流応力下で増殖させた本発明の三次元培養物および構築物は、in vivoで
単層または多層の管状組織を構築するのに使用することができる。円周方向に(
すなわち流動の方向に垂直に)整列された平滑筋組織を、縦方向に(すなわち流
動の方向に平行に)配向された内皮細胞と一緒にまたはそれなしで有するこれら
の管状構造物は、生体内の管状組織および器官、例えば、限定されるものではな
いが、血管、靱帯、および腱に、より一層類似しているであろう。従って、これ
らの構造物は、生体内の損傷組織を修正するための改良された埋込み可能な移植
片および置換構造物として使用することができる。
5.4 Use of the Methods and Constructs of the Invention 5.4.1. Formation of Tubular Biological Tissues The three-dimensional cultures and constructs of the present invention grown under shear flow stress can be used in vivo to produce single-layer or multi-layer tubular tissues. Can be used to construct Circumferentially (
That is, these tubular structures having aligned smooth muscle tissue with or without longitudinally oriented (ie, parallel to the direction of flow) endothelial cells, i.e., perpendicular to the direction of flow, can be used in vivo. Will be much more similar to vascular tissues, organs, such as, but not limited to, blood vessels, ligaments, and tendons. Accordingly, these structures can be used as improved implantable implants and replacement structures for repairing damaged tissue in vivo.

【0098】 血管のような管状構造物は、内皮の内層を有する多層の間質組織から構成され
ている。それらの結合組織には、いずれも動脈血管中で特に目立つ、様々な度合
いの弾性繊維と多層の平滑筋とが含まれている。更に、そのような構造物は、多
くの場合、繊維芽細胞および様々な量のコラーゲンを含有している。そのような
管の様々な構成要素、例えば、SMC、内皮細胞、繊維芽細胞などを含む細胞に剪
断流応力を加えることによって、本発明の方法は、in vivoで見いだされる組織
構成要素をより一層反映した構成要素を有する三次元の埋込み可能な組織構築物
または構造物を提供する。従って、これらの埋込み可能な構造物は、in vivoに
おいて適切な生理学的機能を発揮するのに必要となる特定の構造および機能特性
を獲得することができる。従って、それらは、生体内の損傷または罹患した管状
組織に対する改良された置換体として機能することができる。
[0098] Tubular structures, such as blood vessels, are composed of multiple layers of interstitial tissue with an inner layer of endothelium. These connective tissues contain varying degrees of elastic fibers and multiple layers of smooth muscle, all of which are particularly prominent in arterial blood vessels. In addition, such structures often contain fibroblasts and varying amounts of collagen. By applying shear flow stress to the various components of such vessels, for example, cells, including SMCs, endothelial cells, fibroblasts, etc., the method of the present invention further enhances the tissue components found in vivo. A three-dimensional implantable tissue construct or structure having reflected components is provided. Thus, these implantable structures can acquire specific structural and functional properties required to perform appropriate physiological functions in vivo. Thus, they can function as improved replacements for damaged or diseased tubular tissue in vivo.

【0099】 5.4.1a. 単層管状構造物 以下の分節では、剪断流応力下で細胞を増殖させるための様々な足場骨格を使
用して生体中に埋め込むことができる管状構造物を調製することに関する説明を
行う。
5.4.1a. Single-Layer Tubular Structure In the following segment, we will prepare a tubular structure that can be implanted in vivo using various scaffold scaffolds for growing cells under shear flow stress. Is explained.

【0100】 (A) 平面メッシュ出発材料 最終的に挿入の対象となる管状器官の内周にほぼ等しい幅を有する長方形のス
トリップに足場を裁断することができる。この足場上にSMCおよび/または他の
間質細胞を接種し、本発明に従って液体培地中において剪断流応力下でインキュ
ベートすることができる。適切な集密度の段階で、長い縁部を結合させて、足場
を丸めて管にすることにより、改良された適切に整列した管状の埋込み可能な組
織構築物を形成できる。継ぎ目は、適切な直径を有する好適な物質の繊維を使用
して二つの縁部を縫合することによって、閉じることができる。
(A) Planar mesh starting material The scaffold can be cut into rectangular strips having a width approximately equal to the inner circumference of the tubular organ to be finally inserted. The scaffold can be inoculated with SMC and / or other stromal cells and incubated in a liquid medium under shear flow stress according to the invention. At the stage of proper confluence, the long edges can be joined and the scaffold can be rolled into a tube to form an improved properly aligned tubular implantable tissue construct. The seam can be closed by suturing the two edges using fibers of a suitable material having the appropriate diameter.

【0101】 (B) 管状足場出発材料 このほか、管として最初に足場を形成し、SMCおよび/または他の間質細胞を
接種し、そして本発明に従って培地中において剪断流応力下で増殖させることが
できる。細胞が管腔を塞がないように、管状足場の開口端の一方をノズルに固定
し、そしてインキュベーションチャンバーに連結された供給源チャンバーからこ
のノズルを介して液体培地を押し出することにより、管状構造物の内部を通る流
れを形成することができる。他方の開口端は、供給源チャンバーを介して培地を
再循環させることのできる回収チャンバー中に連通されている流出アパーチャー
に固定することができる。インキュベーションが終了したときに、管をノズルお
よび流出アパーチャーから取り外すことができる。この方法については、Baller
mann, B.J.らの国際出願第WO 94/25584号に記載されている(米国特許第5,792,60
3号も参照されたい)。このようにして作製された改良型の適切に整列された管状
構造物は、in vivoに埋込むことができる。
(B) Tubular Scaffold Starting Material Alternatively, initially forming the scaffold as a tube, inoculating SMC and / or other stromal cells, and growing under shear flow stress in culture media according to the present invention Can be. The tubular structure is secured by securing one of the open ends of the tubular scaffold to a nozzle and extruding the liquid medium through this nozzle from a source chamber connected to the incubation chamber so that the cells do not block the lumen. A flow through the interior of the object can be formed. The other open end can be fixed to an outflow aperture that is connected to a collection chamber that can recirculate the medium through the source chamber. When the incubation is over, the tube can be removed from the nozzle and outflow aperture. For information on how to do this, see Baller
mann, BJ et al. in International Application No.WO 94/25584 (U.S. Pat.
See also Issue 3). The improved, properly aligned tubular structures thus produced can be implanted in vivo.

【0102】 (C) 多層管状構造物 別の実施形態において、剪断流応力下で増殖させた少なくとも二つの三次元培
養物を、様々な方法により組み合わせて多層管状構造物にすることができる。例
えば、一方の平面長方形培養物を他方の培養物上に配置し、そして両者を縫合す
るかまたは光活性化物質を用いて両者を一緒にアニールすることによって、多層
の平面足場を形成することができる。次に、第一の培養物について先に述べたよ
うに、すなわち、長い縁部を結合させて縫合材で縫合することによって、この2
層シートを丸めて管状構造物にすることができる。このほか、内層として機能さ
せる一方の管状足場に接種して剪断流応力下でインキュベートし、そして第二の
足場を、同様に剪断流応力下で、管状足場の外周よりも僅かに大きな幅を有する
平面長方形のストリップとして増殖させることができる。適切な増殖度に到達し
た後、管状足場の外周に長方形足場を巻き付けることができる。単一の縫合また
はアニール工程で外側ストリップの継ぎ目を閉じて内管に固定することができ、
結果として、多層で管状の埋込み可能な構造物が得られる。
(C) Multilayer Tubular Structure In another embodiment, at least two three-dimensional cultures grown under shear flow stress can be combined into a multilayer tubular structure by various methods. For example, forming a multilayer planar scaffold by placing one planar rectangular culture on another and suturing the two together or annealing them together using a photoactivator. it can. The second culture was then described as above for the first culture, i.e., by joining the long edges and suturing with suture.
The layer sheet can be rolled into a tubular structure. Alternatively, one of the tubular scaffolds to serve as the inner layer is inoculated and incubated under shear flow stress, and the second scaffold is also subjected to a flat surface having a width slightly larger than the outer circumference of the tubular scaffold, also under shear flow stress. They can be grown as rectangular strips. After reaching the appropriate degree of growth, a rectangular scaffold can be wrapped around the periphery of the tubular scaffold. The seam of the outer strip can be closed and fixed to the inner tube with a single stitching or annealing step,
The result is a multilayer, tubular, implantable structure.

【0103】 このほか、僅かに異なる直径を有する二つの管状メッシュを剪断流応力下で別
々に増殖させることができる。より小さい直径を有する培養物は、より大きい培
養物の内部に挿入して縫合材で縫合することができる。この方法は、非常に細い
管の場合には、実用的でないであろう。
In addition, two tubular meshes having slightly different diameters can be grown separately under shear flow stress. Cultures with smaller diameters can be inserted inside the larger culture and sutured with sutures. This method may not be practical for very thin tubes.

【0104】 これらの方法のいずれにおいても、二重層に対して該方法を繰り返すことによ
り、より多くの層を追加することができる。更に、任意の好適な方法を利用する
ことにより、模倣する天然の器官または組織の構成をとるように三次元培養物を
造形することができる。
In any of these methods, more layers can be added by repeating the method on the bilayer. Further, by utilizing any suitable method, a three-dimensional culture can be shaped to take on the composition of the natural organ or tissue that mimics it.

【0105】 (D) 動脈および静脈管状構造物 本発明の多層管状構造物の好ましい実施形態としては、動脈管状構築物および
静脈管状構築物が挙げられる。先に述べたように、血管は、3層: すなわち、内
側から外側の順に、内膜、中膜、および外膜から構成されている。内膜の主要細
胞構成要素は内皮細胞であり、そして中膜の主要細胞構成要素は、血管組織の細
胞外マトリックスの多く(例えば、エラスチンのようなタンパク質)を産生する
平滑筋細胞である。動脈の場合、内膜の内部および中膜の外側に存在する内部弾
性膜は、有窓エラスチンの均質層である。それらの壁中にはエラスチンが豊富に
含まれているため、動脈は、心臓の収縮のたびに伸長することができる。静脈も
また、それらの壁中にエラスチンの非均質繊維または個別繊維を有している。外
膜は、主に繊維芽細胞、より一般的な脈管(vasa vasorum)、およびいくらかの神
経組織から構成されている。静脈ではなく動脈の外膜は、均質かつ有窓の外部弾
性膜もまた有している。この層中のコラーゲンおよび他の個別エラスチンは、血
管を固着させるのに重要である。また、静脈は、内皮細胞で内層された管状構造
物であるが、結合組織層は、動脈のものよりも境界が不明瞭であり、そして壁は
より薄い。また、ヒト静脈は、内部および外部弾性膜が乏しい。
(D) Arterial and Vein Tubular Structures Preferred embodiments of the multilayer tubular structures of the present invention include arterial and venous tubular structures . As mentioned earlier, blood vessels are composed of three layers: the intima, the media and the adventitia, in order from the inside to the outside. The major cell component of the intima is endothelial cells, and the major cell component of the media is smooth muscle cells that produce much of the extracellular matrix of vascular tissue (eg, proteins such as elastin). In the case of arteries, the inner elastic membrane, which is inside the intima and outside the media, is a homogeneous layer of fenestrated elastin. The richness of elastin in their walls allows arteries to stretch with each contraction of the heart. The veins also have elastin heterogeneous fibers or individual fibers in their walls. The adventitia is composed primarily of fibroblasts, the more common vessels (vasa vasorum), and some neural tissue. The adventitia of arteries rather than veins also has a homogeneous, fenestrated outer elastic membrane. Collagen and other individual elastins in this layer are important in anchoring blood vessels. Also, veins are tubular structures lined with endothelial cells, but the connective tissue layers are less well-defined than those of arteries and the walls are thinner. Also, human veins have poor internal and external elastic membranes.

【0106】 血管の層にはいずれにも、組成上および機能上の差異が存在する。このため、
本発明に従って、別々の足場上に様々な層を増殖させることが有利であると思わ
れる。内膜および中膜を別々の足場上で増殖させるかまたは一つにまとめるかは
、三次元培養物が埋込まれる特定の動脈中でこれらの層がどのように異なってい
るかに依存する。
There are compositional and functional differences in any of the layers of blood vessels. For this reason,
In accordance with the present invention, it may be advantageous to grow the various layers on separate scaffolds. Whether the intima and media are grown on separate scaffolds or combined will depend on how these layers differ in the particular artery in which the three-dimensional culture is implanted.

【0107】 例えば、本発明によれば、患者の動脈の外膜から繊維芽細胞を単離し、これを
用いて、先の第5.1.3.節に記載されているように、三次元骨格に接種し、そして
本発明に従って剪断流応力下で増殖させることができる。エラスチン産生未分化
平滑筋細胞に富み、いくらかの繊維芽細胞をも含有する組織(例えば、同一の動
脈の内膜および中膜)から、細胞を単離し、そしてこれを用いて別々の足場また
は同一の足場のいずれかに接種する(すなわち、先の第5.1節に記載の生きている
間質マトリックス上に組織特異的細胞として接種する)。いずれの場合において
も、二つの足場または単一の三次元培養物を剪断流応力下で増殖させる。適切な
程度にまでSMCを増殖させかつ流動の方向に垂直に整列させた後、先に記載の方
法の一つを用いて足場を組み合わせることにより、管状構造物を形成することが
できる(別々の足場を利用する場合)。このようにして、in vivoにおいて動脈中
に見いだされるものと類似した結合組織層を有する改良された動脈移植片を作製
することができる。
For example, according to the present invention, fibroblasts are isolated from the adventitia of a patient's artery and used to create a three-dimensional skeleton as described in Section 5.1.3. Above. It can be inoculated and grown according to the invention under shear flow stress. Cells are isolated from tissues that are rich in elastin-producing undifferentiated smooth muscle cells and also contain some fibroblasts (eg, the intima and media of the same artery) and are used to separate scaffolds or the same. (Ie, as tissue-specific cells on a living stromal matrix as described in Section 5.1 above). In each case, two scaffolds or a single three-dimensional culture are grown under shear flow stress. After growing the SMCs to an appropriate degree and aligning them perpendicularly to the direction of flow, tubular structures can be formed by combining the scaffolds using one of the methods described above (separate When using a scaffold). In this way, an improved arterial graft having a connective tissue layer similar to that found in arteries in vivo can be produced.

【0108】 in vivoにおいて見いだされる動脈に更に類似した動脈移植片を作製するため
に、同一の患者(または、先に記載の他の供給源)から内皮細胞を単離し、垂直に
整列されたSMC培養物上に接種することができる(例えば、先に記載したように)
。例えば、先の第5.1.3.節に記載されているように、SMCを含有する生きている
間質マトリックス上に組織特異的細胞として内皮細胞を接種することができる。
この間質マトリックスは、予め、剪断流応力に付され、該SMCを流動の方向に垂
直に整列させたものである。内皮細胞をマトリックス上に接種した後、培養物を
再び剪断流応力下で増殖させると、内皮細胞は流動の方向に平行に配列される。
次に、先に記載したように足場を管状構造物に成形すると、in vivoの動脈に非
常に類似した埋込み可能の移植片、すなわち、流動の方向に平行に整列した細胞
を有する内皮内層と、流動の方向に垂直に整列した細胞を有する下側SMC層とを
含有する移植片が得られる(以下の実施例の第6.4節も参照されたい)。
To create an arterial graft that more closely resembles the artery found in vivo, the endothelial cells were isolated from the same patient (or other source as described above) and the vertically aligned SMC Can be inoculated on culture (e.g., as described above)
. For example, endothelial cells can be seeded as tissue-specific cells on a living stromal matrix containing SMCs, as described in Section 5.1.3. Above.
The interstitial matrix was previously subjected to a shear flow stress, aligning the SMC perpendicular to the direction of flow. After inoculation of the endothelial cells onto the matrix, the culture is grown again under shear flow stress and the endothelial cells are arranged parallel to the direction of flow.
Next, when the scaffold is shaped into a tubular structure as described above, an implantable graft very similar to an in vivo artery, i.e., an endothelial lining having cells aligned parallel to the direction of flow, An implant is obtained containing the lower SMC layer with cells aligned perpendicular to the direction of flow (see also section 6.4 in the Examples below).

【0109】 組織の種々の層をすべて有する完全な機能置換体が必要でない場合、単純で均
質な三次元のエラスチンに富んだ、例えば、SMCを含有した間質培養物を、剪断
流応力下で増殖させて使用することができる。この均質な間質マトリックスの他
の層を組み合わせることにより、そのような人工器官に適した厚さにすることが
できる。
If a complete functional replacement with all the various layers of tissue is not required, a simple, homogeneous, three-dimensional elastin-rich, eg, SMC-containing, stromal culture may be subjected to shear flow stress. It can be propagated and used. Combining other layers of this homogeneous interstitial matrix can provide a suitable thickness for such a prosthesis.

【0110】 静脈の壁を構成する結合組織の層は、動脈のものよりも境界が不明瞭である。
従って、単一の三次元培養物を、例えば、細胞の単一接種物から増殖させること
ができる。主に繊維芽細胞からなり、いくらかの平滑筋細胞を有するこれらの細
胞を、患者の静脈の壁から単離して、本明細書中に記載されているように剪断流
応力下で増殖させることにより、流動の方向に垂直に整列されたSMCを有する培
養物を作製することができる。また、この培養物は、先に記載したように、管状
構造物に成形することができる。このほか、間質培養物が適切な集密度に到達し
たときに、例えば、同一の患者から単離された内皮細胞を間質層上に接種して、
剪断流応力下で集密化するまで増殖させることができる。また、次に、培養物を
管状構造物に成形することが可能であり、こうすると、流動の方向に平行に配向
した内部内皮層と、流動の方向に垂直に配向した二つ以上の内側SMC層とを有す
る静脈構造物が得られるであろう。先に述べたように、これらの好ましい実施形
態は、血管の自然な状態を最もよく反映しており、従って、in vivoに埋込んだ
ときに受けるであろう機械的および血液動態学的な応力に耐える可能性が最も高
い。
The layers of connective tissue that make up the walls of the veins are less defined than those of the arteries.
Thus, a single three-dimensional culture can be grown, for example, from a single inoculum of cells. By isolating these cells, consisting primarily of fibroblasts and having some smooth muscle cells, from the wall of the patient's vein and growing them under shear flow stress as described herein Cultures can be made with SMCs aligned perpendicular to the direction of flow. This culture can also be formed into a tubular structure, as described above. Alternatively, when the stromal culture has reached an appropriate confluency, for example, inoculating endothelial cells isolated from the same patient onto the stromal layer,
It can be grown to confluency under shear flow stress. It is then also possible to form the culture into a tubular structure, whereby an inner endothelial layer oriented parallel to the direction of flow and two or more inner SMCs oriented perpendicular to the direction of flow. A venous structure with layers will be obtained. As mentioned earlier, these preferred embodiments best reflect the natural state of the blood vessels, and therefore the mechanical and hemodynamic stresses that would be experienced when implanted in vivo. Most likely to endure.

【0111】 5.4.2. 埋込み/移植 本明細書中に記載の組織工学的構築物は、欠陥を補正するか、あるいは外科的
に切除もしくは損傷した組織を置換するために、in vivoに埋込むことができる
。埋込みは、本明細書中に記載されているように、単層培養物または三次元培養
物のいずれかを用いて行うことができる。構築物は、好ましくは、血管のように
平滑筋細胞およびSMC細胞層を含有する構造物、例えば、小管、中管、または大
管を補修または置換するために埋込まれる。好ましい埋込み可能な構造物として
は、管状の動脈および静脈移植片が挙げられる。
5.4.2. Implantation / Implantation The tissue engineered constructs described herein can be implanted in vivo to correct a defect or replace surgically excised or damaged tissue. Can be. Implantation can be performed using either monolayer or three-dimensional cultures, as described herein. The construct is preferably implanted to repair or replace structures containing smooth muscle cells and the SMC cell layer, such as blood vessels, for example, small, medium, or large tubes. Preferred implantable structures include tubular arterial and venous grafts.

【0112】 このほか、構築物は、胃、腸、子宮、または膀胱中に見いだされるような内臓
の不随意平滑筋の修復または置換に有用である。また、構築物は、靱帯、腱、お
よび腱索(心臓の三尖弁および僧帽弁の腱状の索)を修復または置換するためにも
使用することができる。靱帯または腱(繊維芽細胞およびコラーゲン繊維を含む)
の場合、本明細書中に記載されているように、間質単層培養物あるいは三次元の
間質の生きているマトリックスまたは三次元のSMC培養物を使用することができ
る。
In addition, the constructs are useful for repairing or replacing involuntary visceral smooth muscle, such as found in the stomach, intestine, uterus, or bladder. The constructs can also be used to repair or replace ligaments, tendons, and chordae (tricuspid and mitral tendon chords of the heart). Ligaments or tendons (including fibroblasts and collagen fibers)
In this case, as described herein, a stromal monolayer culture or a three-dimensional stromal living matrix or three-dimensional SMC culture can be used.

【0113】 5.4.3. 遺伝子工学および遺伝子療法 本明細書中に記載されているように剪断流応力下で増殖させた単層および三次
元構築物は、埋込み/移植を補助するか、もしくはその結果を改良すべく遺伝子
および遺伝子産物を導入するためのおよび/または遺伝子療法に使用するための
ビヒクルを提供しうる。好ましい実施形態によれば、三次元構築物が使用される
。例えば、血管移植片の場合、血栓塞栓症のリスクを低減するための抗凝固遺伝
子産物を発現するように、または炎症反応による不全症のリスクを低減するため
の抗炎症遺伝子産物を発現するように、構築物の間質細胞または組織特異的細胞
、例えば、SMC、内皮細胞、または繊維芽細胞を遺伝子工学的に処理することが
できる。これに関連して、例えば、凝固などのリスクを低減するためのTPA、ス
トレプトキナーゼ、またはウロキナーゼを発現するように、細胞を遺伝子工学的
に処理することができる。血管または他のタイプの組織移植片の場合、それに加
えてまたはその代わりに、抗炎症遺伝子産物、例えば、TNF、IL-2、または他の
炎症性サイトカインに対する中和抗体のイディオタイプに相当するペプチドまた
はポリペプチドを発現するように、細胞を遺伝子工学的に処理することができる
。このほか、宿主による移植片の拒絶反応を防止するヒト補体調節タンパク質を
コードする遺伝子を、ヒト繊維芽細胞に挿入してもよい。McCurry et al., 1995
, Nature Medicine 1: 423-427。好ましくは、術後の回復期間中に一過的におよ
び/または誘導的制御下で、あるいは細胞に固着されるキメラ融合タンパク質と
して、例えば、受容体または受容体様分子の細胞内ドメインおよび/または膜貫
通ドメインからなり、かつ細胞外ドメインとしての遺伝子産物に融合されるキメ
ラ分子として、そのような遺伝子産物を発現するように、細胞を遺伝子工学的に
処理する。
5.4.3. Genetic Engineering and Gene Therapy Monolayer and three-dimensional constructs grown under shear flow stress as described herein assist in implantation / implantation or result. Vehicles for introducing genes and gene products to improve and / or for use in gene therapy may be provided. According to a preferred embodiment, a three-dimensional construct is used. For example, in the case of a vascular graft, to express an anticoagulant gene product to reduce the risk of thromboembolism, or to express an anti-inflammatory gene product to reduce the risk of insufficiency due to an inflammatory response. The stromal or tissue-specific cells of the construct, eg, SMC, endothelial cells, or fibroblasts, can be engineered. In this regard, cells can be engineered to express, for example, TPA, streptokinase, or urokinase to reduce risks such as coagulation. In the case of a vascular or other type of tissue graft, additionally or alternatively, a peptide corresponding to the idiotype of an anti-inflammatory gene product, e.g., a neutralizing antibody to TNF, IL-2, or other inflammatory cytokine Alternatively, cells can be engineered to express a polypeptide. In addition, a gene encoding a human complement regulatory protein that prevents graft rejection by the host may be inserted into human fibroblasts. McCurry et al., 1995
, Nature Medicine 1: 423-427. Preferably, under transient and / or inducible control during the post-operative recovery period, or as a chimeric fusion protein anchored to the cell, for example, the intracellular domain of a receptor or receptor-like molecule and / or The cells are genetically engineered to express such a gene product as a chimeric molecule consisting of a transmembrane domain and fused to the gene product as an extracellular domain.

【0114】 もう一つの実施形態において、患者に欠失している遺伝子または治療効果を示
す遺伝子、例えば、HDL、アポリポタンパク質Eなどを発現するように、構築物の
間質細胞または組織特異的細胞を遺伝子工学的に処理することができる。遺伝子
工学的に細胞に導入される対象となる遺伝子は、治療対象の疾患に関連させる必
要がある。例えば、血管の疾患の場合、血液によって運ばれる遺伝子産物、例え
ば、セレブレダーゼ、アデノシンデアミナーゼ、α-1-抗トリプシンを発現する
ように、細胞を遺伝子工学的に処理することができる。特定の実施形態において
、静脈または動脈の一部分を置換するために埋込まれる遺伝子処理血管移植片培
養物を用いることにより、α-1-抗トリプシンのような遺伝子産物を肺に送達す
ることができる。そのような手法では、遺伝子産物の構成的発現が好ましい。も
う一つの実施形態によれば、創傷治癒因子を発現する遺伝子処理細胞を、腱およ
び靱帯を作製するのに使用される生きている間質培養物中に組み込むことにより
、埋込み部位における創傷治癒を促進することが可能である。
In another embodiment, the stromal or tissue-specific cells of the construct are expressed so as to express a gene that is deleted or has a therapeutic effect in the patient, eg, HDL, apolipoprotein E, and the like. It can be processed by genetic engineering. The gene to be introduced into cells by genetic engineering must be associated with the disease to be treated. For example, in the case of a vascular disease, the cells can be engineered to express a gene product carried by the blood, such as cerebredase, adenosine deaminase, α-1-antitrypsin. In certain embodiments, gene products such as α-1-antitrypsin can be delivered to the lung by using a genetically engineered vascular graft culture that is implanted to replace a portion of a vein or artery. . In such an approach, constitutive expression of the gene product is preferred. According to another embodiment, wound healing at the site of implantation is incorporated by incorporating genetically engineered cells expressing a wound healing factor into living stromal culture used to make tendons and ligaments. It is possible to promote.

【0115】 更に、様々なタイプの血管疾患の症状を予防または軽減する遺伝子は、疾患状
況下で過少発現またはダウンレギュレートされる可能性がある。特に、以下の病
状の予防に関与する遺伝子の発現は、ダウンレギュレートされる可能性がある。
以下の病状とは、例えば、血栓形成、炎症反応、および繊維症、ならびに弁への
カルシウム沈着である。この場合、インテグリンアンタゴニストをコードする遺
伝子の発現を細胞へ導入することにより、異常な細胞移動の治療に役立てること
ができる。同様に、例えば、血栓症を治療するためのIIb/IIIa遮断薬に対する遺
伝子を含有させるように、細胞を処理することができる。例えば、Nikol et al.
, 1996, Atherosclerosis 123: 17-31を参照されたい。
In addition, genes that prevent or reduce the symptoms of various types of vascular disease can be under-expressed or down-regulated in disease conditions. In particular, the expression of genes involved in the prevention of the following pathologies may be down-regulated:
The following pathologies are, for example, thrombus formation, inflammatory response, and fibrosis, and calcification to valves. In this case, by introducing the expression of the gene encoding the integrin antagonist into cells, it can be used for treating abnormal cell migration. Similarly, cells can be treated to include a gene for a IIb / IIIa blocker for treating thrombosis, for example. For example, Nikol et al.
, 1996, Atherosclerosis 123: 17-31.

【0116】 このほか、遺伝子産物の活性が低下することにより、上記の病状のうちのいく
つかまたはすべてが現れ、そして弁膜症の症状へ結果的に進行する可能性もある
。この場合、単層もしくは三次元培養系中に存在する遺伝子産物のレベルを増大
させるか、またはそこに存在する活性遺伝子産物のレベルを増大させるかのいず
れかによって、遺伝子の活性レベルを増大させることが可能である。次に、活性
標的遺伝子産物を発現する培養物を、その産物を欠失している弁膜症患者に埋込
むことができる。「標的遺伝子」とは、本明細書中で使用する場合、標的遺伝子
の発現レベルまたは標的遺伝子産物の活性レベルの調節が疾患の症状を軽減する
ように作用しうるという形で、限定されるものではないが血管疾患のような治療
しようとする疾患に関与する遺伝子を意味する。
[0116] In addition, reduced activity of the gene product may manifest some or all of the above conditions and consequently progress to valvular disease symptoms. In this case, increasing the activity level of the gene, either by increasing the level of the gene product present in the monolayer or three-dimensional culture system, or by increasing the level of the active gene product present there Is possible. The culture expressing the active target gene product can then be implanted into a valvular disease patient deficient in that product. "Target gene", as used herein, is limited in that modulation of the level of expression of the target gene or the level of activity of the target gene product can act to reduce the symptoms of the disease. But not genes involved in the disease to be treated, such as vascular disease.

【0117】 また、本発明の三次元培養系に使用される間質細胞または組織特異的細胞は、
埋込み部位における凝固または拒絶反応を促進する因子または表面抗原の発現を
「ノックアウト」するように遺伝子工学的に処理することが可能である。標的遺
伝子の発現レベルまたは標的遺伝子産物の活性レベルを低下させるための負の調
節方法について、以下で説明する。「負の調節」とは、本明細書中で使用する場
合、調節処置を施さないときの標的遺伝子産物のレベルおよび/または活性に対
して、標的遺伝子産物のレベルおよび/または活性が低下することを意味する。
間質細胞などに特有な遺伝子の発現は、いくつかの技法を用いて減少させるかま
たはノックアウトすることができる。例えば、相同的組換え法を用いて遺伝子を
完全に不活性化することによって発現を抑制することが可能である(一般に、「
ノックアウト」と呼ばれる)。通常、タンパク質の重要な領域をコードするエキ
ソン(またはその領域の5’側のエキソン)に陽性選択マーカー(例えば、neo)を介
在させると、標的遺伝子に由来する正常なmRNAの産生が阻害され、結果として、
遺伝子が不活性化される。また、遺伝子の一部分に欠失を形成するかまたは遺伝
子全体を欠失させることによっても、遺伝子を不活性化させることが可能である
。標的遺伝子との相同性を有する二つの領域をゲノム中の離れた位置に有する構
築物を使用することによって、二つの領域に挟まれた配列を欠失させることがで
きる。Mombaerts, P., et al., 1991, Proc. Nat. Acad. Sci. U.S.A. 88:3084-
3087。
The stromal cells or tissue-specific cells used in the three-dimensional culture system of the present invention include:
The expression of factors or surface antigens that promote coagulation or rejection at the site of implantation can be engineered to "knock out" the expression. The negative regulation method for reducing the expression level of the target gene or the activity level of the target gene product is described below. "Negative modulation", as used herein, refers to a decrease in the level and / or activity of a target gene product relative to the level and / or activity of the target gene product when no regulatory treatment is applied. Means
Expression of genes specific to stromal cells and the like can be reduced or knocked out using several techniques. For example, expression can be suppressed by completely inactivating the gene using a homologous recombination method (generally, ``
Knockout "). Usually, the presence of a positive selectable marker (e.g., neo) in an exon encoding a critical region of a protein (or an exon 5 'to that region) inhibits the production of normal mRNA derived from the target gene, as a result,
The gene is inactivated. It is also possible to inactivate a gene by making a deletion in a part of the gene or deleting the entire gene. By using a construct having two regions having homology to the target gene at distant positions in the genome, a sequence flanked by the two regions can be deleted. Mombaerts, P., et al., 1991, Proc. Nat. Acad. Sci. USA 88: 3084-
3087.

【0118】 標的遺伝子の発現を抑制するアンチセンス分子およびリボザイム分子を本発明
に従って使用して、標的遺伝子の活性レベルを低下させることもできる。例えば
、主要組織適合遺伝子複合体(HLA)の発現を抑制するアンチセンスRNA分子は、免
疫応答に関して最も汎用性が高いことが確証されている。更にまた、標的遺伝子
の活性レベルを低下させるのに三重螺旋分子を利用することもできる。これらの
技法については、L.G. Davis, et al., eds, Basic Methods in Molecular Biol
ogy, 2nd ed., Appleton & Lange, Norwalk, Conn. 1994に詳細に記載されてい
る。
[0118] Antisense and ribozyme molecules that suppress the expression of the target gene can also be used in accordance with the present invention to reduce the level of activity of the target gene. For example, antisense RNA molecules that suppress the expression of the major histocompatibility complex (HLA) have proven to be the most versatile with respect to the immune response. Furthermore, triple helix molecules can be used to reduce the level of activity of the target gene. These techniques are described in LG Davis, et al., Eds, Basic Methods in Molecular Biol.
ogy, 2nd ed., Appleton & Lange, Norwalk, Conn. 1994.

【0119】 もう一つの選択肢において、構築物の細胞を遺伝子工学的に処理して、例えば
、細胞分裂周期2キナーゼおよび増殖細胞核抗原の発現のアンチセンスオリゴデ
オキシヌクレオチド阻害によって、平滑筋細胞が増殖、移動、そして新内膜肥厚
の発生に至る遷移に必要な遺伝子発現をブロックすることができる。Mann, M.J.
, et al., 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92:4502-4506。
In another alternative, the cells of the construct are genetically engineered to proliferate and migrate smooth muscle cells, for example, by antisense oligodeoxynucleotide inhibition of expression of cell division cycle 2 kinase and proliferating cell nuclear antigen. , And can block gene expression required for transition to neointimal hyperplasia. Mann, MJ
, et al., 1995, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92: 4502-4506.

【0120】 以上の技法のいずれを用いても、フィブリノーゲン、フォンビルブラント因子
、第V因子、または血小板のα2Bβ-3受容体に結合するすべての細胞表面分子の
発現を、間質細胞中でノックアウトし、血管または他のタイプの生体組織移植片
における凝集塊形成のリスクを低下させることができる。同様に、MHCクラスII
分子の発現を、移植片の拒絶反応のリスクを低下させるためにノックアウトする
ことができる。
Using any of the above techniques, the expression of fibrinogen, von Willebrand factor, factor V, or any cell surface molecule that binds to the α2Bβ-3 receptor of platelets is knocked out in stromal cells. However, the risk of clump formation in blood vessels or other types of living tissue grafts can be reduced. Similarly, MHC class II
Expression of the molecule can be knocked out to reduce the risk of graft rejection.

【0121】 本発明の細胞を遺伝子工学的に処理するのに有用でありうる方法は、当技術分
野で周知であり、さらに米国特許第4,963,489号および同第5,785,964号に詳細に
記載されている。これらの特許の開示内容は、参照により本明細書に組み入れる
。例えば、対象の遺伝子産物をコードする外因性核酸などを含有する組換えDNA
構築物を構築し、これを用いて、本明細書に記載の間質細胞または組織特異的細
胞にトランスフォームまたはトランスフェクトすることが可能である。外因性核
酸を有しかつ該核酸を遺伝子産物の形態で発現することのできるトランスフォー
ムまたはトランスフェクトされた細胞を選択し、本発明の三次元培養系中でクロ
ーン増殖させる。
[0121] Methods that may be useful for genetically engineering cells of the invention are well known in the art and are further described in US Pat. Nos. 4,963,489 and 5,785,964. The disclosures of these patents are incorporated herein by reference. For example, a recombinant DNA containing an exogenous nucleic acid encoding a gene product of interest, etc.
Constructs can be constructed and used to transform or transfect stromal or tissue-specific cells described herein. Transformed or transfected cells having the exogenous nucleic acid and capable of expressing the nucleic acid in the form of a gene product are selected and clonal propagated in the three-dimensional culture system of the present invention.

【0122】 対象の遺伝子を含有するDNA構築物を調製する方法、細胞にトランスフォーム
またはトランスフェクトする方法、および対象の遺伝子を有しかつそれを発現す
る細胞を選択する方法は、当技術分野で周知である。例えば、Maniatis et al.,
1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Labora
tory Press, Cold Spring Harbor, NY; Ausubel et al., 1989, Current Protoc
ols in Molecular Biology, Greene Publishing Associates & Wiley Interscie
nce, NY; およびSambrook et al., 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Ma
nual, 2nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,
NYに記載の技法を参照されたい。
Methods for preparing DNA constructs containing the gene of interest, transforming or transfecting cells, and selecting cells having and expressing the gene of interest are well known in the art. It is. For example, Maniatis et al.,
1989, Molecular Cloning, A Laboratory Manual, Cold Spring Harbor Labora
tory Press, Cold Spring Harbor, NY; Ausubel et al., 1989, Current Protoc
ols in Molecular Biology, Greene Publishing Associates & Wiley Interscie
nce, NY; and Sambrook et al., 1989, Molecular Cloning, A Laboratory Ma.
nual, 2 nd ed., Cold Spring Harbor Laboratory Press, Cold Spring Harbor,
See the technique described in NY.

【0123】 例えば、DNA構築物を用いて本発明の細胞をトランスフォームすることができ
る。すなわち、適切な発現制御エレメント(例えば、プロモーター、エンハンサ
ー、配列、転写ターミネーター、ポリアデニル化部位など)および選択マーカー
により制御することができる。外来性または外因性のDNAを導入した後、処理細
胞を強化培地中で増殖させ、そして次に選択培地に移し替えることが可能である
。組換えプラスミド中の選択マーカーは、選択耐性を付与し、更に、細胞がプラ
スミドをその染色体中に取り込んで増殖することによりフォーカスを形成できる
ようにする。このフォーカスは、次に、クローン化され、そして細胞系に増殖さ
せる。遺伝子タンパク質産物を発現する細胞系を形成するために、この方法を有
利に使用することができる。
For example, the cells of the invention can be transformed using a DNA construct. That is, it can be controlled by appropriate expression control elements (eg, promoter, enhancer, sequence, transcription terminator, polyadenylation site, etc.) and a selection marker. Following the introduction of exogenous or exogenous DNA, the treated cells can be grown in enriched media and then transferred to selective media. The selectable marker in the recombinant plasmid confers selectivity and also allows cells to take up the plasmid into their chromosomes and grow to form foci. This foci is then cloned and propagated into a cell line. This method can be used advantageously to form a cell line that expresses the gene protein product.

【0124】 そのような遺伝子工学的に処理した細胞、例えば、それぞれ異なる所望の遺伝
子産物を発現する細胞の混合物またはいくつかの特定の遺伝子を発現させるよう
に処理された細胞を含有する三次元培養物は、限定されるものではないが血管疾
患のような疾患の症状を軽減させるために、患者に埋込む。遺伝子発現は、非誘
導性(すなわち、構成的)プロモーターまたは誘導性プロモーターの制御下にあっ
てもよい。遺伝子発現のレベルおよび調節される遺伝子のタイプは、個々の患者
に適用される治療方式に応じて、制御することができる。
Three-dimensional cultures containing such genetically engineered cells, for example, a mixture of cells each expressing a different desired gene product or cells that have been treated to express several specific genes An object is implanted in a patient to reduce the symptoms of a disease such as, but not limited to, a vascular disease. Gene expression may be under the control of a non-inducible (ie, constitutive) promoter or an inducible promoter. The level of gene expression and the type of gene regulated can be controlled depending on the type of treatment applied to an individual patient.

【0125】 組織構築細胞中に導入される遺伝子産物の構成的発現または一過性発現を行う
ために、様々な方法を使用することが可能である。例えば、Seldon,R.F.,et al
.,1987,Science 236:714-718に記載の核改変(transkaryotic)埋込み法を使用
することができる。「核改変」とは、本明細書中で使用する場合、埋込まれた細
胞の核が、安定なまたは一過性のトランスフェクションによるDNA配列の付加に
よって改変されていることを意味する。種々のベクターのいずれを用いても細胞
を工学的に処理することができる。このようなベクターとしては、組込み型ウイ
ルスベクター、例えば、レトロウイルスベクターもしくはアデノ随伴ウイルスベ
クター、または非組込み型複製ベクター、例えば、パピローマウイルスベクター
、SV40ベクター、アデノウイルスベクター;あるいは複製欠損ウイルスベクター
などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。一過性発現が望ましい
場合には、これらの系で誘導性プロモーターもしくは構成的プロモーターのいず
れかを用いて対象の遺伝子の発現を制御することができるため、非組込み型ベク
ターおよび複製欠損ベクターが好ましい。このほか、対象の遺伝子を誘導性プロ
モーターによって制御することができるという条件付きで、組込み型ベクターを
使用して一過性発現を行うことができる。
A variety of methods can be used to effect constitutive or transient expression of a gene product to be introduced into a tissue-assembling cell. For example, Seldon, RF, et al
, 1987, Science 236: 714-718, the transkaryotic embedding method can be used. By "nuclear modification" as used herein is meant that the nucleus of the implanted cell has been modified by the addition of a DNA sequence by stable or transient transfection. Cells can be engineered using any of a variety of vectors. Such vectors include integrating viral vectors, such as retroviral vectors or adeno-associated viral vectors, or non-integrating replicating vectors, such as papilloma viral vectors, SV40 vectors, adenoviral vectors; or replication-defective viral vectors, and the like. But not limited thereto. If transient expression is desired, non-integrative vectors and replication deficient vectors are preferred because these systems can control the expression of the gene of interest using either an inducible or constitutive promoter. . Alternatively, transient expression can be performed using an integratable vector, provided that the gene of interest can be controlled by an inducible promoter.

【0126】 好ましくは、使用する発現制御エレメントは、in vivoで必要とされるときに
のみ産物が合成されるように遺伝子の調節発現を行えるようにするものでなけれ
ばならない。選択されるプロモーターは、部分的には、培養される組織および細
胞のタイプに依存するであろう。血管移植片の場合、SMC、内皮細胞、または他
の間質細胞を遺伝子工学的に処理することにより、遺伝子産物(局所的または全
身的に送達される)が血管の機能または他の生理学的機能の保持または調節、例
えば、血栓症の予防、更には一定のレベルでのインスリンの産生に役立つように
、剪断応力プロモーターまたは他の剪断応力制御エレメントを利用して剪断応力
下で遺伝子産物を産生させることができる。例えば、剪断流応力下でインスリン
の構成的発現を行う血管移植片を用いることにより、肝臓移植を容易にしたり、
インスリン関連疾患、例えば、糖尿病を治療したりすることができる。また、剪
断応力応答プロモーターの制御下で増殖因子VEGFを産生するように、細胞を遺伝
子工学的に処理することができる。そのようなプロモーターの一つは、剪断応力
を加えたときに一過的にアップレギュレートされるタンパク質であるトロンボモ
ジュリンをコードする遺伝子から誘導することが可能である。
Preferably, the expression control elements used should allow for the regulated expression of the gene such that the product is synthesized only when needed in vivo. The promoter selected will depend, in part, on the tissue and cell type being cultured. In the case of vascular grafts, genetic engineering of SMCs, endothelial cells, or other stromal cells allows gene products (delivered locally or systemically) to function in blood vessels or other physiological functions. Utilizing a shear stress promoter or other shear stress control element to produce a gene product under shear stress to help maintain or regulate, for example, prevent thrombosis, and even produce insulin at a certain level be able to. For example, by using a vascular graft that performs constitutive expression of insulin under shear flow stress, liver transplantation can be facilitated,
Or treat an insulin-related disorder, such as diabetes. Cells can also be engineered to produce the growth factor VEGF under the control of a shear stress responsive promoter. One such promoter can be derived from a gene encoding thrombomodulin, a protein that is transiently upregulated when subjected to shear stress.

【0127】 剪断応力応答プロモーターが好ましいが、任意のプロモーターを使用して挿入
遺伝子の発現を誘発することが可能である。例えば、ウイルスプロモーターとし
ては、CMVプロモーター/エンハンサー、SV40、パピローマウイルス、エプスタ
イン-バーウイルス、エラスチン遺伝子プロモーター、およびβ−グロビンが挙
げられるが、これらに限定されるものではない。一過性発現が望まれる場合、好
ましくは、そのような構成的プロモーターを非組込み型ベクターおよび/または
複製欠損ベクター中で使用する。このほか、誘導性プロモーターを使用して、必
要なときに挿入遺伝子の発現を誘発することができる。先に述べたように、剪断
応力誘導性プロモーターを使用することが可能である。他の誘導性プロモーター
としては、メタロチオネインおよび熱ショックタンパク質が挙げられるが、これ
らに限定されるものではない。
Although a shear stress responsive promoter is preferred, any promoter can be used to drive expression of the inserted gene. For example, viral promoters include, but are not limited to, CMV promoter / enhancer, SV40, papilloma virus, Epstein-Barr virus, elastin gene promoter, and β-globin. If transient expression is desired, preferably such a constitutive promoter is used in a non-integrative vector and / or a replication defective vector. Alternatively, an inducible promoter can be used to induce expression of the inserted gene when needed. As mentioned above, it is possible to use a shear stress inducible promoter. Other inducible promoters include, but are not limited to, metallothionein and heat shock proteins.

【0128】 結合組織に対して組織特異性を呈する転写制御領域のうち、報告が出されてい
て使用可能であるものとしては、例えば、膵臓の腺房細胞中で活性なエラスチン
またはエラスターゼI遺伝子制御領域(Swit et al.,1984,Cell 38:639-646;
Ornitz et al.,1986,Cold Spring Harbor Symp.Quant.Biol.50:399-409; M
acDonald,1987,Hepatology 7:425-515)が挙げられるが、これらに限定される
ものではない。エラスチンの沈着は、血管移植片を含めて様々な組織中における
特異的な生理学的および発達的イベントと関連づけられる。例えば、発達中の動
脈では、エラスチンの沈着は、動脈圧および機械的な活性の変化に連動している
ように思われる。機械的な活性とエラスチンの発現とを関連づける伝達機構には
、細胞表面受容体が関与している。エラスチン合成細胞が細胞の表面受容体を介
してエラスチンに付着すると、更なるエラスチンおよび他のマトリックスタンパ
ク質の合成は、組織中のストレスまたは機械的な力(例えば、バイオリアクター
中の構築物の一定の運動)に付されることによって影響を受ける可能性がある。
Among the transcription control regions that exhibit tissue specificity for connective tissue, those that have been reported and can be used include, for example, elastin or elastase I gene regulation active in pancreatic acinar cells. Region (Swit et al., 1984, Cell 38: 639-646;
Ornitz et al., 1986, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 50: 399-409; M
acDonald, 1987, Hepatology 7: 425-515), but is not limited thereto. Elastin deposition has been associated with specific physiological and developmental events in various tissues, including vascular grafts. For example, in developing arteries, elastin deposition appears to be linked to changes in arterial pressure and mechanical activity. The transmission mechanism that links mechanical activity to elastin expression involves cell surface receptors. As elastin-synthesizing cells attach to elastin via cell surface receptors, the synthesis of additional elastin and other matrix proteins is driven by stress or mechanical forces in tissue (eg, constant movement of constructs in bioreactors). ) May be affected.

【0129】 本発明の更にもう一つの実施形態において、三次元培養系をin vitroで使用す
ることにより、高い収率で生物学的産物を産生させることが可能である。例えば
、特定の生物学的産物(例えば、増殖因子、調節因子、ペプチドホルモン、抗体
など)を天然で大量に産生する細胞、または外来遺伝子産物を産生するように遺
伝子工学的に処理された宿主細胞を、in vitroで三次元培養系を用いてクローン
増殖することが可能である。トランスフォームされた細胞が栄養培地中に遺伝子
産物を放出する場合、標準的な分離技法(いくつか例を挙げると、HPLC、カラム
クロマトグラフィー、電気泳動法など)を用いて、使用済み培地または馴化培地
から産物を容易に単離することが可能である。in vitroで三次元培養物を供給す
るためにフロー法を利用する「バイオリアクター」が考案されている。本質的に
は、新鮮な培地が三次元培養物中を通過するにつれて、遺伝子産物は、培養物か
ら放出された細胞と一緒に培養物から洗浄除去される。遺伝子産物は、使用済み
培地または馴化培地の流出液から単離される(例えば、HPLCカラムクロマトグラ
フィー、電気泳動などによって)。
In yet another embodiment of the present invention, it is possible to produce a biological product in high yield by using a three-dimensional culture system in vitro. For example, cells that naturally produce large amounts of a particular biological product (eg, growth factors, regulators, peptide hormones, antibodies, etc.) or host cells that have been genetically engineered to produce a foreign gene product. Can be cloned in vitro using a three-dimensional culture system. If the transformed cells release the gene product into the nutrient medium, use standard separation techniques (HPLC, column chromatography, electrophoresis, etc.) to use the spent medium or conditioned medium, to name a few. The product can be easily isolated from the medium. "Bioreactors" have been devised that utilize a flow method to supply three-dimensional cultures in vitro. Essentially, as the fresh medium passes through the three-dimensional culture, the gene product is washed out of the culture along with the cells released from the culture. Gene products are isolated from the effluent of spent or conditioned media (eg, by HPLC column chromatography, electrophoresis, etc.).

【0130】 本発明の更なる実施形態において、遺伝子導入を容易にするために、三次元培
養物を使用することが可能である。例えば、限定されるものではないが、組換え
ウイルス発現ベクターを含む繊維芽細胞間質の三次元培養物を使用して、間質マ
トリックスと接触させる細胞中に組換えウイルスを移入し、それによってin viv
oにおけるウイルス伝播を刺激することができる。三次元培養系は、DNAトランス
フェクションのための現在の技法よりも効率的に遺伝子導入を達成する方法であ
る。
In a further embodiment of the present invention, it is possible to use a three-dimensional culture to facilitate gene transfer. For example, and without limitation, a three-dimensional culture of fibroblast stroma containing a recombinant virus expression vector is used to transfer the recombinant virus into cells that are contacted with a stromal matrix, thereby in viv
o can stimulate viral transmission in o. Three-dimensional culture systems are a way to achieve gene transfer more efficiently than current techniques for DNA transfection.

【0131】 遺伝子療法において本発明の遺伝子工学的に処理された三次元培養物を使用す
ることには、多くの利点がある。第一に、培養物は真核細胞を含むため、遺伝子
産物は、培養物中で適切に発現およびプロセシングされて活性な産物を生成する
であろう。第二に、遺伝子治療法は、トランスフェクトされた細胞の数が実質的
に増大して臨床的な価値、適切性、および有用性を生じる場合にのみ有用である
。本発明の三次元培養物は、トランスフェクトされた細胞の数の増大およびトラ
ンスフェクトされた細胞の増幅(細胞分裂を介する)を可能にする。
The use of the genetically engineered three-dimensional cultures of the present invention in gene therapy has many advantages. First, since the culture contains eukaryotic cells, the gene product will be appropriately expressed and processed in culture to produce the active product. Second, gene therapy is useful only when the number of transfected cells is substantially increased, resulting in clinical value, suitability, and utility. The three-dimensional cultures of the present invention allow for an increase in the number of transfected cells and expansion of the transfected cells (via cell division).

【0132】 6. 実施例 6.1 血管平滑筋細胞の単離および培養 例えば、Redmond et al., 1995, In Vitro Cell Dev. Biol. 31: 601-609に記
載されているようにコラゲナーゼ消化およびエラスターゼ消化により、イヌ血管
SMCを右冠状動脈から単離した。簡潔に述べると、麻酔した動物から冠状動脈を
外科的に取り出し、抗生物質/抗真菌剤溶液(1×抗生物質/抗真菌剤溶液、Gibco,
Gaithersburg MD)を用いて滅菌状態ですすいだ。滅菌された鉗子、鋏、または
メスを用いて動脈から外膜を切除し、1×抗生物質/抗真菌剤溶液ですすいだ。1
×トリプシンEDTA (Gibco)および0.2%コラゲナーゼIVの溶液中に血管の中膜組織
(medial tissue)を配置し、37℃において回転器上で15分間インキュベートした
。中膜組織を小片に切り刻み、PBS (リン酸緩衝塩類溶液)中に0.25 mg/mlエラス
ターゼ、0.7 mg/mlコラゲナーゼI、0.4 mg/ml大豆トリプシン阻害剤(Worthingto
n Biochem)、および0.1 mg/ml BSAを含有し、かつカルシウムおよびマグネシウ
ムを含有していない予め37℃に加温された溶液中に入れ、そして回転させながら
37℃で1時間インキュベートした。上清を回収し、消化された組織を20% FBS(ウ
シ胎仔血清; Hyclone, Logan UT)で補足されたDMEM(ダルベッコ改変イーグル培
地, Gibco)ですすいだ。培地を取り出し、回収した上清と一緒にした。一緒にし
た上清中に存在する細胞を、1200 rpmで10分間遠心することによって回収した。
細胞ペレットを、20% FBSで補足されたDMEM中に再懸濁させ、細胞培養を行うた
めに増殖フラスコ中に入れた。
6. Example 6.1 Isolation and Culture of Vascular Smooth Muscle Cells Collagenase and elastase digestion as described, for example, in Redmond et al., 1995, In Vitro Cell Dev. Biol. 31: 601-609. By canine blood vessels
SMC was isolated from the right coronary artery. Briefly, a coronary artery was surgically removed from an anesthetized animal and an antibiotic / antimycotic solution (1 × antibiotic / antimycotic solution, Gibco,
Rinse with sterile conditions using Gaithersburg MD). The adventitia was excised from the artery using sterile forceps, scissors, or a scalpel and rinsed with a 1 × antibiotic / antimycotic solution. 1
X Trypsin EDTA (Gibco) and 0.2% collagenase IV solution in vascular media
(medial tissue) was placed and incubated at 37 ° C. on a rotator for 15 minutes. The medial tissue is minced into small pieces and 0.25 mg / ml elastase, 0.7 mg / ml collagenase I, 0.4 mg / ml soybean trypsin inhibitor (Worthingto) in PBS (phosphate buffered saline).
n Biochem), and 0.1 mg / ml BSA in calcium- and magnesium-free pre-warmed solution at 37 ° C and swirled.
Incubated at 37 ° C. for 1 hour. The supernatant was collected, and the digested tissue was rinsed with DMEM (Dulbecco's modified Eagle's medium, Gibco) supplemented with 20% FBS (fetal calf serum; Hyclone, Logan UT). The medium was removed and combined with the recovered supernatant. Cells present in the combined supernatants were collected by centrifugation at 1200 rpm for 10 minutes.
Cell pellets were resuspended in DMEM supplemented with 20% FBS and placed in growth flasks for cell culture.

【0133】 10% FBS、2mM L-グルタミン(Gibco)、0.1 mM非必須アミノ酸(Gibco)、および1
×抗生物質/抗真菌剤溶液を有するDMEM中で、単離した細胞を培養した。5% CO2
を有する加湿インキュベーター中において37℃で細胞を培養し、そして単離した
平滑筋細胞を、α-平滑筋アクチンおよびカルポニンに対する陽性免疫染色なら
びにフォンビルブラント因子に対する陰性染色により確認した。分析する前に、
精製したSMC培養物を6〜8回継代させた。
[0133] 10% FBS, 2 mM L-glutamine (Gibco), 0.1 mM non-essential amino acids (Gibco), and 1
X Isolated cells were cultured in DMEM with antibiotic / antimycotic solution. 5% CO 2
The cells were cultured at 37 ° C. in a humidified incubator with, and the isolated smooth muscle cells were confirmed by positive immunostaining for α-smooth muscle actin and calponin and negative staining for von Willebrand factor. Before analyzing
The purified SMC culture was passaged 6-8 times.

【0134】 6.2 単離したSMCへの剪断流応力の適用 Frangos et al., 1988, Biotech. Bioeng. 32: 1053-1060に記載されているよ
うな平行板流動チャンバーを用いて、単層SMC細胞培養物に定常的層状剪断流応
力を加えた。簡潔に述べると、この系において、上側および下側の流体リザーバ
ー間の垂直距離により生じる静水圧によって、流動チャンバーを介する流動を駆
動した。流動ループ系を介して連続的に培地をポンプ送液することによって、圧
力ヘッドを一定に保持した。平行板系は、機械加工されたポリカーボネート板、
矩形シリコーン弾性ガスケット、および培養された細胞単層が付着されたガラス
スラスドを備えていた。細胞単層に加わる剪断応力τは、次式に従って決定した
6.2 Application of Shear Flow Stress to Isolated SMC Monolayer SMC cells using a parallel plate flow chamber as described in Frangos et al., 1988, Biotech. Bioeng. 32: 1053-1060. The culture was subjected to steady laminar shear flow stress. Briefly, in this system, the flow through the flow chamber was driven by hydrostatic pressure created by the vertical distance between the upper and lower fluid reservoirs. The pressure head was kept constant by continuously pumping the medium through a flow loop system. Parallel plate systems are machined polycarbonate plates,
It had a rectangular silicone elastic gasket and a glass thruster with a cultured cell monolayer attached. The shear stress τ applied to the cell monolayer was determined according to the following equation.

【0135】 τ=60μ/bh2 式中、Qは流量(cm3/秒)であり、μは粘度(ダイン×秒/cm2)であり、bはチャネル
入口幅であり、そしてhはチャネル高さである。
During [0135] τ = 60μ / bh 2 formula, Q is flow rate (cm 3 / sec), mu is the viscosity (dynes × sec / cm 2), b is the channel inlet width, and h is the channel Height.

【0136】 この系では、先に述べたように、培養したイヌSMC(継代6〜8回)をフィブロネ
クチンのコーティングされたガラススライド(2μg/cm2)上にプレーティングし、
集密化するまで単層培養物を増殖させた。ガスケットを備えたポリカーボネート
チャンバーにスライドを取り付け、72時間まで20ダイン/cm2の定常的層状剪断流
応力に付した。再循環培地は、50μg/mlアスコルビン酸で補足された先に記載の
培地からなっていた。位相差顕微鏡(Zeiss)に取り付けられた35-mmカメラを用い
て、指定の時間間隔で、細胞単層の写真を撮影した。顕微鏡画像中での配向を調
べるために自動化法を用いて後でディジタル画像処理を行なうために、写真を走
査した(例えば、Chaudhuri et al., 1993, Pattern Recognition Letters 14(2)
: 147-153を参照されたい)。局所的配向は、各画像の小領域における局所的強度
勾配を調べることによって決定した。Silicon Graphics O2ワークステーション
を用いてCプログラミング言語でアルゴリズムを実行した(先に記載のChaudhuri
et al.を参照されたい)。自動化画像処理法を用いて、流動方向に対して±90°
の細胞配向の平均角度分布を定量化した。
In this system, cultured dog SMCs (passage 6-8) were plated on fibronectin-coated glass slides (2 μg / cm 2 ) as described above,
Monolayer cultures were grown to confluence. The slide was mounted in a polycarbonate chamber equipped with a gasket and subjected to a steady laminar shear stress of 20 dynes / cm 2 for up to 72 hours. The recycle medium consisted of the medium described above supplemented with 50 μg / ml ascorbic acid. Photographs of the cell monolayer were taken at specified time intervals using a 35-mm camera attached to a phase contrast microscope (Zeiss). Photos were scanned for later digital image processing using automated methods to determine orientation in microscopic images (e.g., Chaudhuri et al., 1993, Pattern Recognition Letters 14 (2)
: 147-153). The local orientation was determined by examining the local intensity gradient in a small area of each image. The algorithm was executed in the C programming language using a Silicon Graphics O2 workstation (Chaudhuri described above).
et al.). ± 90 ° to the flow direction using automated image processing
The average angular distribution of cell orientation was quantified.

【0137】 6.3 結果 48時間にわたり細胞を20ダイン/cm2の剪断流応力に付したところ、流動制御し
ない場合におけるランダム細胞配向とは対照的に、流動の方向に対して垂直にSM
Cが整列された。具体的には、先に記載の自動化画像処理法により決定した平均
配向は、流動条件と非流動条件とでは著しく異なり、-88.4°vs. +37.6°; p<0.
001であった。例えば、図1を参照されたい。更に、剪断流応力のレベルを増大さ
せたところ、静止制御の場合とは対照的に、流動の方向に対して垂直に細胞が著
しく高度に整列され、10.7°vs. 32.9°; p<0.0001であった。例えば、図2を参
照されたい。図2のヒストグラムから確証されるように、加える剪断流応力が増
大するにつれて、細胞配向角度の分布は、ランダムパターンから-90°および+90
°付近に中心をもつ分布に変化する。このことから、流動の方向に対して垂直に
細胞が整列することが分かる。従って、これらの実験により、培養したSMCに定
常的層状剪断流応力を加えると、流動の方向に対して垂直な配向状態で細胞が整
列することが実証される。
6.3 Results When cells were subjected to a shear flow stress of 20 dynes / cm 2 for 48 hours, the SM was perpendicular to the direction of flow, as opposed to random cell orientation without flow control.
C is now aligned. Specifically, the average orientation determined by the automated image processing method described above is significantly different between flowing and non-flowing conditions, -88.4 ° vs. + 37.6 °; p <0.
001. For example, see FIG. Furthermore, when the level of shear flow stress was increased, the cells became significantly more highly aligned perpendicular to the direction of flow, as opposed to static control, with 10.7 ° vs. 32.9 °; p <0.0001. there were. For example, see FIG. As confirmed from the histogram in FIG. 2, as the applied shear flow stress increases, the distribution of cell orientation angles becomes -90 ° and +90 from the random pattern.
It changes to a distribution centered around °. This indicates that the cells are aligned perpendicular to the direction of flow. Thus, these experiments demonstrate that the application of steady laminar shear flow stress to cultured SMCs aligns the cells in an orientation perpendicular to the direction of flow.

【0138】 更に、次のようにF-アクチンフィラメントの蛍光染色を利用することにより、
SMCミクロフィラメント整列に及ぼす剪断応力の影響を可視化した。先に記載の
実験の後、37℃においてPBS中でSMC単層を洗浄し、3.7%ホルムアルデヒド中で固
定した。次に、0.1% Triton-X 100で細胞を透過性にして、Oregon Green 488-フ
ァロイジン(Molecular Probes, Eugene OR)で染色した。F-アクチンミクロフィ
ラメントの蛍光染色もまた、流動の方向に対して垂直な細胞の配向を示した。
Furthermore, by utilizing the fluorescent staining of the F-actin filament as follows,
The effect of shear stress on SMC microfilament alignment was visualized. After the experiments described above, the SMC monolayer was washed in PBS at 37 ° C. and fixed in 3.7% formaldehyde. The cells were then permeabilized with 0.1% Triton-X100 and stained with Oregon Green 488-Phalloidin (Molecular Probes, Eugene OR). Fluorescent staining of F-actin microfilaments also showed cell orientation perpendicular to the direction of flow.

【0139】 剪断応力の持続時間および大きさがSMC細胞整列に及ぼす影響を調べるために
、更なる研究を行った。先に記載したようにSMC細胞を単層で増殖させ、先に記
載の装置を用いて応力の様々な大きさおよび持続時間で、細胞に剪断流応力を加
えた。剪断応力を受けている細胞単層の画像をCCDカメラで取り込み、そして低
速度撮影VTRで記録した。
Further studies were conducted to determine the effect of the duration and magnitude of shear stress on SMC cell alignment. SMC cells were grown in monolayers as described above, and shear flow stressed the cells using the device described above at various magnitudes and durations of stress. Images of the sheared cell monolayer were captured with a CCD camera and recorded on a time-lapse VTR.

【0140】 この研究の結果を図3に示す。実際、剪断流応力下におけるSMCの垂直整列速度
は、応力の大きさおよび持続時間に依存した。例えば、図3に示されているよう
に、20ダイン/cm2に付された細胞は、48時間以内に整列した15ダイン/cm2に付さ
れた細胞と比較して、より迅速に、すなわち、24時間以内に、垂直に整列した。
更に、図4に示されているように、20ダイン/cm2に付されたSMC単層は、剪断流応
力を加えてから数時間以内に、流動に対して垂直に整列を開始した。低速度撮影
ビデオ画像の画像処理を行ったところ、細胞配向角度の変動は、剪断流応力に付
してから8時間後までに劇的に低下することが明らかになった。このことから、
細胞整列の増大が示唆される。
The results of this study are shown in FIG. In fact, the vertical alignment rate of SMC under shear flow stress was dependent on the magnitude and duration of the stress. For example, as shown in FIG. 3, the cells were subjected to 20 dynes / cm 2, compared to cells attached to the 15 dynes / cm 2 aligned within 48 hours, more quickly, i.e. Aligned vertically within 24 hours.
Furthermore, as shown in FIG. 4, the SMC monolayer subjected to 20 dynes / cm 2 began to align perpendicular to the flow within hours after applying the shear flow stress. Image processing of time-lapse video images revealed that the change in cell orientation angle decreased dramatically by 8 hours after subjecting to shear flow stress. From this,
Increased cell alignment is suggested.

【0141】 更なる研究を行うことにより、剪断流応力下におけるSMCの垂直整列がカルシ
ウムキレート化剤quin2-AMの添加によって抑制されることが確証された。31°vs
. 14°; p<0.02。具体的には、DMSO中の10μM quin2-AMでSMC単層を1時間処理し
た。次に、1μM quin2-AMを含有する培地を用いて細胞を剪断流応力に付し、そ
して先に記載の自動化画像処理法を用いて細胞整列の方向および度合いを定量化
した。この場合、20°未満の角度変動は、顕著な整列を意味する。先に述べたよ
うに、quin2-AMで処理することによって、未処理の細胞と比較して、剪断により
誘導されるSMC整列は抑制された。図5A〜5Bを参照されたい。
Further studies confirmed that the vertical alignment of SMCs under shear flow stress was suppressed by the addition of the calcium chelator quin2-AM. 31 ° vs
14 °; p <0.02. Specifically, SMC monolayers were treated with 10 μM quin2-AM in DMSO for 1 hour. The cells were then subjected to shear flow stress using media containing 1 μM quin2-AM, and the direction and degree of cell alignment was quantified using the automated imaging method described above. In this case, an angle variation of less than 20 ° implies significant alignment. As noted above, treatment with quin2-AM suppressed shear-induced SMC alignment as compared to untreated cells. See FIGS. 5A-5B.

【0142】 更に、SMC整列における微小管組織の役割を決めるために、剪断流応力を加え
る前に、微小管網状構造の周知の阻害剤である3μMノコダゾール(DMSO中)でSMC
単層を24時間処理した。剪断流応力を加えている間、3μMノコダゾールを循環培
地中に添加した。ノコダゾール処理すると流体流動下においてSMC整列は阻害さ
れることが分かった。33°vs. 18°; p<0.005。図6A〜6Bに示されているこれら
の結果から実証されるように、細胞内カルシウムおよび微小管網状構造は、流体
剪断応力によるSMC整列の制御を行う上で重要であると考えられる。
Further, to determine the role of microtubule tissue in SMC alignment, prior to applying shear flow stress, SMC was incubated with 3 μM nocodazole (in DMSO), a well-known inhibitor of microtubule networks.
The monolayer was treated for 24 hours. While applying shear flow stress, 3 μM nocodazole was added into the circulating medium. Nocodazole treatment was found to inhibit SMC alignment under fluid flow. 33 ° vs. 18 °; p <0.005. As demonstrated by these results shown in FIGS. 6A-6B, intracellular calcium and microtubule networks are believed to be important in controlling SMC alignment by fluid shear stress.

【0143】 6.4 三次元培養物中における細胞の剪断応力整列 また、剪断流応力を利用して、三次元培養物中において流動の方向に垂直に平
滑筋細胞を整列させた。
6.4 Shear stress alignment of cells in three-dimensional cultures Shear flow stress was also used to align smooth muscle cells in three-dimensional cultures perpendicular to the direction of flow.

【0144】 本発明の一実施形態によれば、滅菌された多孔性管状ポリマー足場を濾過され
た70%エタノール中に短時間浸漬してポリマー表面を湿潤させ、次に、培地中に2
4時間浸漬することができる。培地は、10% FBS、2mM L-グルタミン、0.1 mM非必
須アミノ酸、および1×抗生物質/抗真菌剤溶液を含むDMEMからなる。血清タンパ
ク質を足場に固着させると、続いておこる細胞の付着が促進される。次に、13ml
の培地中に106血管SMCを含有する懸濁液の入った15mlコニカルチューブ中に各足
場を配置することができる。コニカルチューブを37℃で24時間回転させることに
より、足場全体にわたって細胞を均一に付着させることができる。
According to one embodiment of the present invention, a sterilized porous tubular polymer scaffold is briefly immersed in filtered 70% ethanol to wet the polymer surface, and then
Can be soaked for 4 hours. The medium consists of DMEM with 10% FBS, 2 mM L-glutamine, 0.1 mM non-essential amino acids, and 1 × antibiotic / antimycotic solution. Immobilization of serum proteins on the scaffold promotes subsequent cell attachment. Next, 13ml
Each scaffold can be placed in a 15 ml conical tube containing a suspension containing 10 6 vessels SMC in medium. By rotating the conical tube at 37 ° C. for 24 hours, cells can be uniformly attached over the entire scaffold.

【0145】 もう一つの実施形態に従って、Thomson et al., Polymer Scaffold Processin
g, Principles of Tissue Engineering, RP Lanza, R. Langer and WL Chick (e
ds.), pp. 263-272(RG Landes Co, Austin, TX)に記載の溶剤注型/粒子浸出法を
用いて、多孔性管状ポリウレタン足場を作製した。この手順はまた、米国特許第
5,514,378号にも記載されている。簡潔に述べると、ポリウレタン(Tecothane; T
hermedics, Inc.; Woburn, MA)をテトラヒドロフラン(Sigma # T-5267; St. Lou
is, MO)溶剤中に溶解し、次に、150〜300μmの塩化ナトリウム(NaCl) (Sigma #
S9888)粒子と空隙率90% (塩:ポリマー重量)で混合することにより、同じサイズ
の細孔サイズを形成した。ポリマー/塩混合物を直径4mmのロッド上に繰り返しデ
ィップキャストして管状構造体を作製した。次に、構造体を一晩空気乾燥させ、
そして脱イオン水を数回交換してNaClを浸出させた。乾燥後、足場を長さ6cmに
裁断し、各端部にルエル(luer)を取り付け、電子線滅菌(2.0 Mrad)を行うために
別々のコニカルチューブに入れた。滅菌した足場を100%および70%エタノール中
で再湿潤させ、そしてリン酸緩衝塩類溶液(Gibco # 14190-136)を2回交換してす
すいだ。細胞付着用の表面を調製するために、インキュベーター(37℃、5% CO2
、相対湿度90%)中において、10μg/mlの滅菌濾過されたフィブロネクチン(Sigma
#F-1141)中に足場を一晩浸漬した。
According to another embodiment, Thomson et al., Polymer Scaffold Processin
g, Principles of Tissue Engineering, RP Lanza, R. Langer and WL Chick (e
ds.), pp. 263-272 (RG Landes Co, Austin, Tex.) was used to make porous tubular polyurethane scaffolds using the solvent casting / particle leaching method. This procedure is also described in U.S. Pat.
It is also described in 5,514,378. Briefly, polyurethane (Tecothane; T
hermedics, Inc .; Woburn, MA) with tetrahydrofuran (Sigma # T-5267; St. Lou).
is, MO) solvent and then 150-300 μm sodium chloride (NaCl) (Sigma #
S9888) The same pore size was formed by mixing the particles with a porosity of 90% (salt: polymer weight). The polymer / salt mixture was repeatedly dip cast on a 4 mm diameter rod to make a tubular structure. Next, the structure is air-dried overnight,
The deionized water was changed several times to leached the NaCl. After drying, the scaffolds were cut to a length of 6 cm, luers were attached to each end and placed in separate conical tubes for electron beam sterilization (2.0 Mrad). The sterilized scaffold was rewet in 100% and 70% ethanol and rinsed with two changes of phosphate buffered saline (Gibco # 14190-136). To prepare a surface for cell attachment, incubator (37 ° C, 5% CO 2
, 90% relative humidity) at 10 μg / ml sterile filtered fibronectin (Sigma
The scaffold was immersed in # F-1141) overnight.

【0146】 次に、フィブロネクチンのコーティングされた足場を吸引して半乾燥状態にし
、そして継代イヌ冠状動脈平滑筋細胞(20×106細胞/ml) (先の第6.1節に記載し
たように単離した)とDMEM (Gibco #11960-051)との高密度懸濁液中に約30秒間入
れた(約0.5mlまたは10×106細胞が移植片の細孔を満たす)。接種された移植片を
空の15mlコニカルチューブに入れ、しっかりとキャップをし、そしてインキュベ
ーター中において円周方向に約4時間回転させた(約1rpm)。20%ウシ胎仔血清(Hyc
lone, # SH30070.03)、3ng/ml硫酸第二銅(Sigma # C-8027)、1%抗生物質/抗真菌
剤(Gibco # 15240-062)、1%非必須アミノ酸(Gibco # 11140-050)、1% L-グルタ
ミン(Gibco # 25030-081)、および1% ピルビン酸ナトリウム(Gibco # 11360-070
)を含有するDMEM中に移植片を入れ、インキュベーター中において一晩静置培養
するためにゆるくキャップをした。
Next, the fibronectin-coated scaffold was aspirated to a semi-dry state and passaged dog coronary artery smooth muscle cells (20 × 10 6 cells / ml) (as described in Section 6.1 above). (Isolated) and DMEM (Gibco # 11960-051) in a high-density suspension for about 30 seconds (about 0.5 ml or 10 × 10 6 cells fill the pores of the graft). The inoculated graft was placed in an empty 15 ml conical tube, capped tightly, and spun circumferentially in the incubator for about 4 hours (about 1 rpm). 20% fetal calf serum (Hyc
lone, # SH30070.03), 3 ng / ml cupric sulfate (Sigma # C-8027), 1% antibiotic / antimycotic (Gibco # 15240-062), 1% non-essential amino acids (Gibco # 11140-050) ), 1% L-glutamine (Gibco # 25030-081), and 1% sodium pyruvate (Gibco # 11360-070)
) Were placed in DMEM containing DMEM and loosely capped for overnight incubation in an incubator.

【0147】 次に、例えば、米国特許第5,792,603号に記載されているように、流体流動バ
イオリアクター中において、接種された移植片を定常流動下で培養した。バイオ
リアクターは、三次元構造体の管腔中を通る流体流動を調節することができる。
これにより、管腔壁における剪断応力を制御することができる。
The inoculated graft was then cultured under constant flow in a fluid flow bioreactor, for example, as described in US Pat. No. 5,792,603. Bioreactors can regulate fluid flow through the lumen of a three-dimensional structure.
Thereby, the shear stress in the lumen wall can be controlled.

【0148】 具体的には、50μg/ml L-アスコルビン酸(Sigma # A-4034)で補足された約50m
lの上記培地調製物の入った50ml流体流動バイオリアクター中に移植片を入れた
。管腔を介して約0.3ダイン/cm2の流体剪断応力で流体を流動させながら、移植
片を培養した。アスコルビン酸補足培地を3〜5週間にわたって毎週(5〜7日ごと
に)交換した。このほか、部分的培地交換(例えば、50%)を毎週行うことにより、
細胞により産生されるオートクリン因子(例えば、増殖因子)を保持しながら、新
鮮な栄養源を提供することができる。
Specifically, about 50 m supplemented with 50 μg / ml L-ascorbic acid (Sigma # A-4034)
The explants were placed in a 50 ml fluid flow bioreactor containing 1 liter of the above media preparation. The explants were cultured while fluid was flowing through the lumen at a fluid shear stress of about 0.3 dynes / cm 2 . The ascorbic acid supplemented medium was changed weekly (every 5-7 days) for 3-5 weeks. In addition, by performing a partial medium exchange (for example, 50%) weekly,
Fresh nutrients can be provided while retaining autocrine factors (eg, growth factors) produced by the cells.

【0149】 先に記載したように培養した移植片(本明細書中では、組織処理血管移植片(TE
VG)とも記される)では、移植片への平滑筋の付着および移植片上での増殖が良好
であることが実証された。更に、走査型電子顕微鏡写真から、平滑筋細胞が流動
の方向に対して垂直に整列された状態で平滑筋組織が移植片上に存在することが
分かった(図11を参照されたい)。かくして、本実験から実証されるように、三次
元管状血管移植片上に平滑筋細胞を接種し、続いて剪断流応力下で細胞/移植片
を培養すると、流動の方向に対して垂直な配向状態で細胞が整列される。また、
この整列は、in vivoの、例えば、天然の血管のSMCが呈する整列に類似している
Grafts cultured as described above (herein, tissue-treated vascular grafts (TE
VG) also demonstrated good adhesion of the smooth muscle to the graft and growth on the graft. In addition, scanning electron micrographs showed that smooth muscle tissue was present on the graft with smooth muscle cells aligned perpendicular to the direction of flow (see FIG. 11). Thus, as demonstrated by this experiment, seeding smooth muscle cells on three-dimensional tubular vascular grafts, followed by culturing the cells / grafts under shear flow stress, results in an orientation perpendicular to the direction of flow. The cells are aligned with. Also,
This alignment is similar to the alignment exhibited by SMCs in vivo, eg, in native blood vessels.

【0150】 本発明の更なる実施形態において、先に記載のTEVG上にイヌ微小血管内皮細胞
(MVEC)を接種し、そして剪断流応力に付した。具体的には、例えば、Williams S
K, Jarrell BE, Kleinert LB., 1994 (Nov-Dec)、J Invest Surg 7(6):503-17に
記載されているようにイヌ鎌状靱帯脂肪からイヌMVECを単離し、受動接種により
TEVGの管腔中に40,000〜60,000細胞/cm2を接種した。このほか、強制堆積(force
d deposition)法によって細胞を接種することもできる。また、場合により、集
密度50%未満の密度で内皮細胞を接種することができる。
In a further embodiment of the present invention, canine microvascular endothelial cells on TEVG as described above
(MVEC) and subjected to shear flow stress. Specifically, for example, Williams S
K, Jarrell BE, Kleinert LB., 1994 (Nov-Dec), J Invest Surg 7 (6): Isolate canine MVEC from canine sickle ligament fat as described in 503-17 and passive inoculation.
40,000-60,000 cells / cm 2 were inoculated into the lumen of TEVG. In addition, force deposition (force
Cells can also be inoculated by the (d deposition) method. In some cases, endothelial cells can be inoculated at a density of less than 50% confluency.

【0151】 接種後、先に記載したようにTEVGをバイオリアクター中に入れ、4〜8時間にわ
たって1rpmで回転させた。バイオリアクターを蠕動ポンプに取り付け、そして約
0.1ダイン/cm2の流体剪断応力で定常的層流として培地をポンプ送液した。3日後
、流動を約6ダイン/cm2に増大させ(定常的層流)、更に3日間にわたってTEVGを培
養した。
After inoculation, TEVG was placed in the bioreactor as described above and spun at 1 rpm for 4-8 hours. Attach the bioreactor to a peristaltic pump, and
The medium was pumped as a steady laminar flow with a fluid shear stress of 0.1 dynes / cm 2 . After 3 days, the flow was increased to about 6 dynes / cm 2 (steady laminar flow) and the TEVG was cultured for a further 3 days.

【0152】 このほか、この実施形態においてヒトMVECを使用することもできる。そのよう
なMVECは、Cascade Biologics, Inc., Portland, ORから3回継代された市販品と
して入手することができ、そして微小血管増殖補足剤(MVGS, Cascade)を含有す
るMedium 131 (Cascade)中で培養することができる。継代5回の細胞は、トリプ
シン/EDTA (Gibco, Rockville MD)を用いて回収し、補足Medium 131中に7.5×10 5 細胞/mlで再懸濁させ、そして0.7mlを各TEVGの管腔中に接種することができる
In addition, human MVEC can be used in this embodiment. Like that
MVEC is a commercial product that has been passaged three times from Cascade Biologics, Inc., Portland, OR.
And contains microvascular growth supplements (MVGS, Cascade)
Can be cultured in Medium 131 (Cascade). Cells at passage 5 should be
Recovered using Syn / EDTA (Gibco, Rockville MD) and 7.5 × 10 in supplemented Medium 131 Five Resuspend at cells / ml and 0.7 ml can be inoculated into the lumen of each TEVG
.

【0153】 この実施形態のTEVG移植片は、MVECが存在すること、および内皮細胞と相互作
用する蛍光標識タンパク質、例えば、アセチル化低密度リポタンパク質(Molecul
ar Probes, Eugene, OR)、もしくはCD31に対する抗体(Pharmigen, San Diego)、
内皮細胞上で発現される抗原、を用いて配向されること、続いて、走査型電子顕
微鏡観察が行われることが特徴である。
[0153] The TEVG graft of this embodiment is based on the presence of MVEC and a fluorescently labeled protein that interacts with endothelial cells, such as acetylated low density lipoprotein (Molecule).
ar Probes, Eugene, OR) or antibodies to CD31 (Pharmigen, San Diego),
It is characterized by being oriented using an antigen expressed on endothelial cells, followed by scanning electron microscopy.

【0154】 図12に示されているように、SMC含有TEVG上に接種された血管内皮細胞は、剪
断流応力下で移植片の管腔壁に良好に付着し、流動の方向に対して平行に整列さ
れた細胞を有する平滑な内皮内層(endothelial lining)を形成した。約6ダイン/
cm2の流体剪断応力のときに良好な付着が得られた。非常に小さい剪断流応力、
例えば、約0.1ダイン/cm2の下で培養された対照の移植片は、内皮細胞整列を示
さなかった。
As shown in FIG. 12, vascular endothelial cells seeded on SVG-containing TEVG adhered well to the luminal wall of the graft under shear flow stress and were parallel to the direction of flow. A smooth endothelial lining was formed with cells aligned with the lining. About 6 dynes /
Good adhesion was obtained at a fluid shear stress of cm 2 . Very low shear flow stress,
For example, control explants cultured under about 0.1 dynes / cm 2 did not show endothelial cell alignment.

【0155】 これらの実験において流動の方向に対して平行である内皮細胞の整列は、in v
ivoの、例えば、天然の血管の該細胞の整列に類似している(例えば、Ballerman
et al., WO 94/25584を参照されたい)。従って、剪断流応力下でSMCを増殖させ
て、流動の方向に対して垂直に整列させ、そして次に内皮細胞を培養物上に接種
して培養物の管腔壁に沿った流動の方向に平行に整列させる本発明の三次元培養
物は、in vivoの血管構造に見いだされる構造と形態が非常に類似したものとな
る。
The alignment of endothelial cells parallel to the direction of flow in these experiments
ivo, for example, similar to the cell alignment of natural blood vessels (e.g., Ballerman
et al., WO 94/25584). Thus, the SMCs are grown under shear flow stress, aligned perpendicular to the direction of flow, and then inoculated with endothelial cells onto the culture in the direction of flow along the luminal wall of the culture. The three-dimensional cultures of the invention aligned in parallel will be very similar in structure and morphology to those found in the vasculature in vivo.

【0156】 本発明は、本明細書中に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるもの
ではない。これらの実施形態は、本発明の個々の態様の一例として提示されたも
のであり、機能的に等価な方法および要素は、本発明の範囲内にある。実際上、
本明細書中に提示および説明されているものに加えて、本発明の種々の変更態様
は、以上の説明および添付の図面から当業者には自明なものとなるであろう。そ
のような変更態様は、添付の特許請求の範囲内にあるとみなされる。
The present invention is not limited in scope by the specific embodiments described herein. These embodiments are provided as examples of individual aspects of the invention, and functionally equivalent methods and elements are within the scope of the invention. In practice,
Various modifications of the invention in addition to those shown and described herein will become apparent to those skilled in the art from the foregoing description and accompanying figures. Such modifications are considered to be within the scope of the appended claims.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 イヌ血管平滑筋細胞に対する剪断流応力の適用と、得られた流れの方向に対す
る細胞の垂直整列を示す。図1Aは、静的条件下にて単層中で培養した平滑筋細
胞の例示的位相差画像を示す。図1Bは、20ダイン/cm2の剪断流応力に48時間晒
した平滑筋細胞の位相差画像を示す。矢印は流れの方向を示す。
FIG. 1 shows the application of shear flow stress to canine vascular smooth muscle cells and the resulting vertical alignment of the cells to the direction of flow. FIG. 1A shows an exemplary phase contrast image of smooth muscle cells cultured in a monolayer under static conditions. FIG. 1B shows a phase contrast image of smooth muscle cells exposed to a shear flow stress of 20 dynes / cm 2 for 48 hours. Arrows indicate the direction of flow.

【図2】 加えた剪断流応力の大きさに関する血管平滑筋細胞の整列を示す。位相差画像
は、48時間にわたる表示された剪断流応力、すなわち0(静的条件)〜20ダイン
/cm2の剪断流の後の平滑筋細胞の単層を示す。細胞は、静的対照と比較した場合
に1もしくは10ダイン/cm2では選択的細胞整列を示さず、15および20ダイン/cm2
に晒した細胞は流れの方向に対し垂直に整列した。対応する棒グラフは、画像加
工処理による細胞配向角度を比較するものである。X軸は、液体流の方向に対し
て-90〜+90の範囲である。この棒グラフによって、加えた剪断流応力が増大する
に従い、細胞配向角度の分布が無作為的なパターンから-90°および+90°付近に
集中した分布へと変化することが確証される。このことは、流れの方向に対する
細胞の垂直整列を示す。
FIG. 2 shows the alignment of vascular smooth muscle cells with respect to the magnitude of applied shear flow stress. The phase contrast image shows the indicated shear flow stress over 48 hours, ie, 0 (static conditions) to 20 dynes.
1 shows a monolayer of smooth muscle cells after a shear flow of / cm 2 . Cells showed no 1 or 10 dynes / cm 2 in selective cell alignment when compared to static controls, 15 and 20 dynes / cm 2
The exposed cells were aligned perpendicular to the direction of flow. The corresponding bar graphs compare cell orientation angles by image processing. The X axis ranges from -90 to +90 with respect to the direction of the liquid flow. This bar graph confirms that as the applied shear flow stress increases, the distribution of cell orientation angles changes from a random pattern to a distribution concentrated around -90 ° and + 90 °. This indicates a vertical alignment of the cells with the direction of flow.

【図3】 剪断流応力の時間および大きさに関する単層中における血管平滑筋細胞の整列
を示す。細胞配向角度を示す棒グラフによって、20ダイン/cm2に晒した細胞は、
剪断応力に対して+/-90°の方向に再配向する速さが、15ダイン/cm2を加えた細
胞(48時間)よりも速い(24時間)ことが明らかである。
FIG. 3 shows the alignment of vascular smooth muscle cells in a monolayer with respect to time and magnitude of shear flow stress. Bar graph showing cell orientation angle, the cells exposed to 20 dynes / cm 2,
It is evident that the rate of reorientation in the +/- 90 ° direction to shear stress is faster (24 hours) than cells with 15 dynes / cm 2 (48 hours).

【図4】 経時的角度分散で示す、剪断流応力下における平滑筋細胞整列の時間経過を示
す。単層中で培養した平滑筋細胞を、20ダイン/cm2の剪断流応力に晒し、剪断応
力の開始から表示された時間内で再配向を開始した。低速度撮影ビデオ画像の画
像加工処理によって、細胞配向角度の角度分散が、8時間の実験により顕著に低
減したことが明らかとなり、このことは細胞整列の増大を示している。
FIG. 4 shows the time course of smooth muscle cell alignment under shear flow stress, shown as angular dispersion over time. Smooth muscle cells cultured in monolayer were subjected to a shear flow stress of 20 dynes / cm 2 and reorientation was initiated within the indicated time from the onset of shear stress. Image processing of the time-lapse video images revealed that the angular variance of the cell orientation angle was significantly reduced by the 8-hour experiment, indicating an increase in cell alignment.

【図5】 細胞内カルシウムは平滑筋細胞整列のために必要である。この図は、以下に示
す条件下にて単層中で培養したイヌ平滑筋細胞の位相差画像を示す。(A)20ダ
イン/cm2にて48時間;および(B)quin2-AM(細胞内カルシウムのキレート化剤
)で処理した平滑筋細胞、20ダイン/cm2にて48時間。quin2-AMによる細胞の処理
によって、平滑筋細胞整列が阻害される。剪断応力によるqin2-AM処理細胞の形
態は、静的培養細胞の形態と類似している。
FIG. 5. Intracellular calcium is required for smooth muscle cell alignment. This figure shows a phase contrast image of dog smooth muscle cells cultured in a monolayer under the following conditions. (A) 20 dynes / cm 2 at 48 hours; and (B) quin2-AM smooth muscle cells were treated with (a chelating agent of intracellular calcium), 20 dynes / cm 2 at 48 hours. Treatment of cells with quin2-AM inhibits smooth muscle cell alignment. The morphology of qin2-AM treated cells due to shear stress is similar to that of static cultured cells.

【図6】 微小管ネットワークの破壊によって平滑筋細胞整列は阻害される。この図は、
以下に示す条件下にて単層中で培養したイヌ平滑筋細胞の位相差画像を示す。(
A)20ダイン/cm2にて48時間;および(B)ノコダゾール(微小管ネットワーク
を破壊する)で処理した平滑筋細胞、20ダイン/cm2にて48時間。ノコダゾールに
よる細胞の処理によって、非処理の剪断応力適用細胞と比較した場合に細胞整列
が阻害される。ノコダゾール処理細胞は、形態は、静的培養細胞と比較した場合
に円形の形態をとっている。
FIG. 6. Disruption of the microtubule network inhibits smooth muscle cell alignment. This figure is
1 shows a phase contrast image of dog smooth muscle cells cultured in a monolayer under the following conditions. (
A) 48 hours at 20 dynes / cm 2 ; and (B) smooth muscle cells treated with nocodazole (which disrupts the microtubule network) for 48 hours at 20 dynes / cm 2 . Treatment of cells with nocodazole inhibits cell alignment when compared to untreated shear stressed cells. Nocodazole-treated cells have a circular morphology when compared to static cultured cells.

【図7】 増殖チャンバー、ポンプ、培地リザーバー、および連結チューブを備えた剪断
流バイオリアクターシステムの概略図を示す。
FIG. 7 shows a schematic of a shear flow bioreactor system with a growth chamber, pump, media reservoir, and connecting tubing.

【図8】 少なくとも部分的に液体培地中に浸した同心円型内部および外部漕を備えた剪
断流増殖チャンバーの概略図を示す。
FIG. 8 shows a schematic of a shear flow growth chamber with concentric internal and external vessels immersed at least partially in liquid medium.

【図9】 増殖チャンバー内で回転する円板を備えた剪断流増殖チャンバーの概略図を示
す。
FIG. 9 shows a schematic diagram of a shear flow growth chamber with a disk rotating in the growth chamber.

【図10】 増殖チャンバーの内部に静的平行プレートを備えた剪断流増殖チャンバーの概
略図を示す。
FIG. 10 shows a schematic of a shear flow growth chamber with static parallel plates inside the growth chamber.

【図11】 0.3ダイン/cm2の剪断流を3週間にわたり加えた、90%の空隙部分と150〜300
μmの孔サイズを有する管状ポリウレタン足場上での三次元培養物中の平滑筋細
胞の走査型電子顕微鏡写真を示す。図11A:70×の倍率における三次元培養物
のヘマトキシリンおよびエオシン染色は、足場内で増殖する平滑筋細胞を示して
いる。図11B:三次元培養物の横断面を示す。図11C:500×倍率の三次元
培養物の平滑筋細胞は、流れの方向に対し垂直な細胞の整列を示す。
FIG. 11: 90% voids and 150-300 with a shear flow of 0.3 dynes / cm 2 applied for 3 weeks.
FIG. 4 shows a scanning electron micrograph of smooth muscle cells in a three-dimensional culture on a tubular polyurethane scaffold with a pore size of μm. FIG. 11A: Hematoxylin and eosin staining of three-dimensional cultures at 70 × magnification shows smooth muscle cells growing in the scaffold. FIG. 11B shows a cross section of a three-dimensional culture. FIG. 11C: Smooth muscle cells in a three-dimensional culture at 500 × magnification show cell alignment perpendicular to the direction of flow.

【図12】 6ダイン/cm2の剪断流を3日間加えた、90%の間隙部分と150〜300μmの孔サ
イズを有する管状ポリウレタン足場上の三次元培養物中の平滑筋細胞と比較した
、本発明の組織処理血管移植片(TEVG)上で増殖した微小血管内皮細胞の走査型
電子顕微鏡写真を示す。内皮細胞は、in vivoにおける天然の血管中で観察され
る配向である、流れの方向に対し平行に整列する。
FIG. 12. Compared to smooth muscle cells in a three-dimensional culture on a tubular polyurethane scaffold with 90% interstitial space and 150-300 μm pore size with 6 dyne / cm 2 shear flow applied for 3 days. FIG. 2 shows a scanning electron micrograph of microvascular endothelial cells grown on a tissue-treated vascular graft (TEVG) of the present invention. Endothelial cells align parallel to the direction of flow, the orientation observed in natural blood vessels in vivo.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZW ),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU, TJ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ, BA,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,C R,CU,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB ,GD,GE,GH,GM,HR,HU,ID,IL, IN,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,L C,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MA,MD ,MG,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL, PT,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,S L,TJ,TM,TR,TT,UA,UG,UZ,VN ,YU,ZA,ZW (72)発明者 ゼルティンガー,ジョアン アメリカ合衆国 92122 カリフォルニア 州,サンディエゴ,カミノ ティシノ 4136 (72)発明者 クラダキス,ステファニー,エム. アメリカ合衆国 30339 ジョージア州, アトランタ,レイク ヴュウ レーン 1518 Fターム(参考) 4B029 AA02 AA21 BB11 CC02 DC07 4B065 AA93X AC12 BC43 CA44 4C081 AB13 BB07 BB08 CA21 CD34 DA03 DB07 DC05 EA01 EA11 EA13 【要約の続き】 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (81) Designated country EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LU, MC, NL, PT, SE ), OA (BF, BJ, CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, KE, LS, MW, SD, SL, SZ, TZ, UG, ZW), EA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM), AE, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CR, CU, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL , IN, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, UG, UZ, VN, YU, ZA, ZW (72) Inventor Seltinger, Joan United States 92122 Camino Tissino, San Diego, California 4136 (72) Inventor Cladakis, Stephanie, M. United States 30339 Lake View Lane, Atlanta, Georgia 1518 F-term (reference) 4B029 AA02 AA21 BB11 CC02 DC07 4B065 AA93X AC12 BC43 CA44 4C081 AB13 BB07 BB08 CA21 CD34 DA03 DB07 DC05 EA01 EA11 EA11 EA13

Claims (50)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 in vitroにおける平滑筋細胞の培養方法であって、平滑筋細
胞を含む間質細胞を基体上で剪断流応力下にて増殖させて、平滑筋細胞を剪断流
の方向に対し垂直に整列させることを含む、上記方法。
1. A method of culturing smooth muscle cells in vitro, wherein stromal cells containing smooth muscle cells are grown under shear flow stress on a substrate, and the smooth muscle cells are grown in a shear flow direction. Such a method, comprising vertically aligning.
【請求項2】 in vitroにおける平滑筋細胞の培養方法であって、 a)平滑筋細胞を含む間質細胞を基体上で培養し、そして b)次に培養した細胞に剪断流応力を加えて、平滑筋細胞を剪断流の方向に対し
垂直に整列させる、 ことを含む、上記方法。
2. A method of culturing smooth muscle cells in vitro, comprising: a) culturing stromal cells containing smooth muscle cells on a substrate; and b) applying shear flow stress to the cultured cells. Aligning the smooth muscle cells perpendicular to the direction of the shear flow.
【請求項3】 基体が単層中での平滑筋細胞の増殖を支持する表面である、
請求項1または2記載の方法。
3. The substrate is a surface that supports smooth muscle cell growth in a monolayer.
The method according to claim 1.
【請求項4】 基体が三次元培養物中での平滑筋細胞の増殖を支持する足場
である、請求項1または2記載の方法。
4. The method according to claim 1, wherein the substrate is a scaffold that supports smooth muscle cell growth in a three-dimensional culture.
【請求項5】 平滑筋細胞を含む間質細胞が、間質細胞により架橋される間
隙を有する生体適合性非生体物質からなる三次元足場上で培養される、請求項4
に記載の方法。
5. The method of claim 4, wherein the stromal cells, including the smooth muscle cells, are cultured on a three-dimensional scaffold made of a biocompatible non-biological material having interstices bridged by the stromal cells.
The method described in.
【請求項6】 間質細胞が、繊維芽細胞、内皮細胞または他の疎性結合組織
細胞をさらに含む、請求項1または2記載の方法。
6. The method of claim 1 or 2, wherein the stromal cells further comprise fibroblasts, endothelial cells or other loose connective tissue cells.
【請求項7】 間質細胞が、繊維芽細胞、内皮細胞または他の疎性結合組織
細胞をさらに含む、請求項5記載の方法。
7. The method of claim 5, wherein the stromal cells further comprise fibroblasts, endothelial cells or other loose connective tissue cells.
【請求項8】 剪断流応力が約0.1〜約100ダイン/cm2の範囲内である、請求
項1または2記載の方法。
8. The method of claim 1, wherein the shear flow stress is in the range of about 0.1 to about 100 dynes / cm 2 .
【請求項9】 剪断流応力が約0.1〜約100ダイン/cm2の範囲内である、請求
項5記載の方法。
9. The method of claim 5, wherein the shear flow stress is in a range from about 0.1 to about 100 dynes / cm 2 .
【請求項10】 剪断流応力が約0.3〜約50ダイン/cm2の範囲内である、請
求項1または2記載の方法。
10. The method of claim 1, wherein the shear flow stress is in the range of about 0.3 to about 50 dynes / cm 2 .
【請求項11】 剪断流応力が約0.3〜約50ダイン/cm2の範囲内である、請
求項5記載の方法。
11. The method of claim 5, wherein the shear flow stress is in a range from about 0.3 to about 50 dynes / cm 2 .
【請求項12】 剪断流応力が約0.3〜約25ダイン/cm2の範囲内である、請
求項1または2記載の方法。
12. The method of claim 1, wherein the shear flow stress is in the range of about 0.3 to about 25 dynes / cm 2 .
【請求項13】 剪断流応力が約0.3〜約25ダイン/cm2の範囲内である、請
求項5記載の方法。
13. The method of claim 5, wherein the shear flow stress is in a range from about 0.3 to about 25 dynes / cm 2 .
【請求項14】 足場が生物分解性である、請求項5記載の方法。14. The method of claim 5, wherein the scaffold is biodegradable. 【請求項15】 足場が非生物分解性である、請求項5記載の方法。15. The method of claim 5, wherein the scaffold is non-biodegradable. 【請求項16】 足場がポリウレタンで構成される、請求項15記載の方法
16. The method of claim 15, wherein the scaffold is comprised of polyurethane.
【請求項17】 ポリウレタンの足場が約80%〜約95%の空隙部分を有する
、請求項16記載の方法。
17. The method of claim 16, wherein the polyurethane scaffold has about 80% to about 95% void volume.
【請求項18】 足場の孔サイズが約150〜300μmである、請求項5記載の
方法。
18. The method of claim 5, wherein the scaffold has a pore size of about 150-300 μm.
【請求項19】 間質細胞が哺乳動物細胞である、請求項1または2記載の
方法。
19. The method according to claim 1, wherein the stromal cells are mammalian cells.
【請求項20】 間質細胞が哺乳動物細胞である、請求項5記載の方法。20. The method of claim 5, wherein the stromal cells are mammalian cells. 【請求項21】 間質細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項1または2記載の方法。
21. The method of claim 1 or 2, wherein the stromal cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項22】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項2
1記載の方法。
22. The expression element is induced by shear flow stress.
The method of claim 1.
【請求項23】 間質細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項5記載の方法。
23. The method of claim 5, wherein the stromal cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項24】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項2
3記載の方法。
24. The expression element wherein the expression element is induced by shear flow stress.
3. The method according to 3.
【請求項25】 請求項1または2記載の方法であって、さらにその後に、
整列させた平滑筋細胞上に内皮細胞を接種し、そして該内皮細胞を剪断流応力下
にて培養して、内皮細胞を剪断流の方向に対し平行に整列させることを含む、上
記方法。
25. The method according to claim 1 or 2, further comprising:
A method as described above comprising seeding endothelial cells on aligned smooth muscle cells and culturing the endothelial cells under shear flow stress to align the endothelial cells parallel to the direction of shear flow.
【請求項26】 内皮細胞を50%より低い集密的濃度にて接種する、請求項
25記載の方法。
26. The method of claim 25, wherein the endothelial cells are seeded at a confluent concentration of less than 50%.
【請求項27】 内皮細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項25記載の方法。
27. The method of claim 25, wherein the endothelial cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項28】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項2
7記載の方法。
28. The expression element wherein the expression element is induced by shear flow stress.
7. The method according to 7.
【請求項29】 間質細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項25記載の方法。
29. The method of claim 25, wherein the stromal cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項30】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項2
9記載の方法。
30. The expression element is induced by shear flow stress.
9. The method according to 9.
【請求項31】 請求項5記載の方法であって、さらにその後に、整列させ
た平滑筋細胞上に内皮細胞を接種し、該内皮細胞を剪断流応力下にて培養して、
該内皮細胞を剪断流の方向に対し平行に整列させることを含む、上記方法。
31. The method of claim 5, further comprising inoculating the aligned smooth muscle cells with endothelial cells and culturing the endothelial cells under shear flow stress.
Such a method, comprising aligning the endothelial cells parallel to the direction of the shear flow.
【請求項32】 内皮細胞を50%より低い集密的濃度にて接種する、請求項
31記載の方法。請求項に記載の方法。
32. The method of claim 31, wherein the endothelial cells are seeded at a confluent concentration of less than 50%. The method according to claim.
【請求項33】 内皮細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項31記載の方法。
33. The method of claim 31, wherein the endothelial cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項34】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項3
3記載の方法。
34. The expression element is induced by shear flow stress.
3. The method according to 3.
【請求項35】 間質細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項31記載の方法。
35. The method of claim 31, wherein the stromal cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
【請求項36】 発現エレメントが剪断流応力により誘導される、請求項3
5記載の方法。
36. The expression element is induced by shear flow stress.
5. The method according to 5.
【請求項37】 in vivo埋込みのための改良型管状構造物の製造方法であ
って、平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、間質細胞により架橋さ
れる間隙を有する生体適合性非生体物質からなる管状三次元足場上で剪断流応力
下にて培養し、それにより平滑筋細胞を剪断流の方向に対し垂直な配向で足場上
に整列させることを含む、上記方法。
37. A method of producing an improved tubular structure for in vivo implantation, comprising the steps of: converting stromal cells, including smooth muscle cells, in vitro with interstices bridged by stromal cells. Such a method comprising culturing under shear flow stress on a tubular three-dimensional scaffold of non-biological material, thereby aligning the smooth muscle cells on the scaffold in an orientation perpendicular to the direction of the shear flow.
【請求項38】 請求項37記載の方法であって、さらにその後に、管状構
造物上に整列させた平滑筋細胞上に内皮細胞を接種し、そして該管状構造物を剪
断流応力下にて培養して、該内皮細胞を剪断流の方向に対し平行に整列させるこ
とを含む、上記方法。
38. The method of claim 37, further comprising inoculating endothelial cells on smooth muscle cells aligned on the tubular structure and subjecting the tubular structure to shear flow stress. Culturing and aligning the endothelial cells parallel to the direction of the shear flow.
【請求項39】 in vivo埋込みのための改良型管状構造物の製造方法であ
って、平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、間質細胞により架橋さ
れる間隙を有する生体適合性非生体物質からなる平面足場上で剪断流応力下にて
培養し、それにより平滑筋細胞を剪断流の方向に対し垂直な配向で足場上に整列
させ、そして該足場をin vivo埋込みのための管状構造物に丸めることを含む、
上記方法。
39. A method for producing an improved tubular structure for in vivo implantation, comprising the steps of: converting stromal cells, including smooth muscle cells, in vitro with interstitial cells interstitial spaces. Culture under shear flow stress on a planar scaffold of non-biological material, thereby aligning the smooth muscle cells on the scaffold in an orientation perpendicular to the direction of the shear flow, and allowing the scaffold for in vivo implantation. Including rolling into a tubular structure,
The above method.
【請求項40】 請求項39記載の方法であって、さらにその後に、平面足
場構造物上に整列させた平滑筋細胞上に内皮細胞を接種し、そして該足場構造物
を剪断流応力下にて培養して、該内皮細胞を剪断流の方向に対し平行に整列させ
た後で、該足場を管状構造物に丸めることを含む、上記方法。
40. The method of claim 39, further comprising inoculating endothelial cells on smooth muscle cells aligned on the planar scaffold structure and subjecting the scaffold structure to shear flow stress. Culturing to align the endothelial cells parallel to the direction of the shear flow, and then rolling the scaffold into a tubular structure.
【請求項41】 in vivo埋込みのための改良型管状構造物の製造方法であ
って、 (a)平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、間質細胞により架橋さ
れる間隙を有する生体適合性非生体物質からなる少なくとも第1および第2の平
面長方形足場上で剪断流応力下にて培養し、それにより平滑筋細胞を剪断流の方
向に対し垂直の配向で足場上に整列させ、 (b)少なくとも第2足場の上に第1足場を積層し、そして (c)足場をin vivo埋込みのための管状構造物に丸める、 ことを含む、上記方法。
41. A method for producing an improved tubular structure for in vivo implantation, comprising: (a) providing a stromal cell containing a smooth muscle cell in vitro with a gap crosslinked by the stromal cell. Culturing under shear flow stress on at least first and second planar rectangular scaffolds of biocompatible non-biological material, thereby aligning the smooth muscle cells on the scaffolds in an orientation perpendicular to the direction of the shear flow. (B) laminating a first scaffold on at least a second scaffold, and (c) rolling the scaffold into a tubular structure for in vivo implantation.
【請求項42】 第1足場上に整列させた平滑筋細胞上に内皮細胞を接種し
、そして第1足場を剪断流応力下にて培養して、該内皮細胞を剪断流の方向に対
し平行に整列させた後で、該足場を管状構造物に丸めることをさらに含む、請求
項41記載の方法。
42. Inoculating endothelial cells on smooth muscle cells aligned on a first scaffold, and culturing the first scaffold under shear flow stress so that the endothelial cells are parallel to the direction of shear flow. 42. The method of claim 41, further comprising rolling the scaffold into a tubular structure after aligning the scaffold.
【請求項43】 in vivo埋込みのための改良型管状構造物の製造方法であ
って、 (a)平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、間質細胞により架橋さ
れる間隙を有する生体適合性非生体物質からなる管状三次元足場上で剪断流応力
下にて培養し、それにより該平滑筋細胞を剪断流の方向に対し垂直な配向で足場
上に整列させ、 (b)平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、管状足場の外縁よりも
わずかに大きい幅を有しかつ間質細胞により架橋される間隙を有する生体適合性
非生体物質からなる少なくとも1つの平面長方形足場上で剪断流応力下にて培養
し、それにより該平滑筋細胞を剪断流の方向に対し垂直な配向で平面足場上に整
列させ、そして (c)管状足場の外周に平面長方形足場を巻き付けることによりin vivo埋込み
のための管状構造物を形成させる、 ことを含む、上記方法。
43. A method for producing an improved tubular structure for in vivo implantation, comprising: (a) having stromal cells, including smooth muscle cells, in vitro with gaps cross-linked by stromal cells. Culturing under shear flow stress on a tubular three-dimensional scaffold made of biocompatible non-living material, whereby the smooth muscle cells are aligned on the scaffold in an orientation perpendicular to the direction of shear flow; In vitro, stromal cells, including muscle cells, are formed in vitro by at least one planar rectangle of a biocompatible non-biological material having a width slightly greater than the outer edge of the tubular scaffold and having interstices bridged by the stromal cells. Culture under shear flow stress on the scaffold, thereby aligning the smooth muscle cells on the planar scaffold in an orientation perpendicular to the direction of shear flow, and (c) wrapping the planar scaffold around the perimeter of the tubular scaffold By in vivo implantation Forming a tubular structure for the method.
【請求項44】 管状構造物上に整列させた平滑筋細胞上に内皮細胞を接種
し、そして該管状構造物を剪断流応力下にて培養して、該内皮細胞を剪断流の方
向に対し平行に整列させた後で、該管状足場の周りに平面足場を巻き付けること
をさらに含む、請求項43記載の方法。
44. Inoculation of endothelial cells onto smooth muscle cells aligned on a tubular structure and culturing the tubular structure under shear flow stress such that the endothelial cells are oriented in the direction of shear flow. 44. The method of claim 43, further comprising wrapping a planar scaffold around the tubular scaffold after the parallel alignment.
【請求項45】 in vivo埋込みのための改良型管状構造物の製造方法であ
って、平滑筋細胞を含む間質細胞を、in vitroにおいて、異なる直径を有しかつ
間質細胞により架橋される間隙を有する生体適合性非生体物質からなる少なくと
も2つの管状足場上で剪断流応力下にて培養し、それにより該平滑筋細胞を剪断
流の方向に対し垂直な配向でそれぞれの足場上に整列させ、そして直径が小さい
方の足場を直径が大きい方の足場に挿入して、in vivo埋込みのための管状構造
物を形成させることを含む、上記方法。
45. A method of making an improved tubular structure for in vivo implantation, comprising interstitial cells having different diameters and crosslinked by stromal cells in vitro, including smooth muscle cells. Culture under shear flow stress on at least two tubular scaffolds of biocompatible non-biological material with gaps, thereby aligning the smooth muscle cells on each scaffold in an orientation perpendicular to the direction of shear flow And inserting the smaller diameter scaffold into the larger diameter scaffold to form a tubular structure for in vivo implantation.
【請求項46】 直径が小さい方の管状構造物上に整列させた平滑筋細胞上
に内皮細胞を接種し、そして該直径が小さい方の管状構造物を剪断流応力下にて
培養して、該内皮細胞を剪断流の方向に対し平行に整列させた後で、直径が小さ
い方の足場を直径が大きい方の足場に挿入することをさらに含む、請求項45記
載の方法。
46. Inoculating endothelial cells on smooth muscle cells aligned on a smaller diameter tubular structure, and culturing the smaller diameter tubular structure under shear flow stress, 46. The method of claim 45, further comprising inserting the smaller diameter scaffold into the larger diameter scaffold after aligning the endothelial cells parallel to the direction of the shear flow.
【請求項47】 平滑筋細胞を含有する構造物の修復または置換のための組
織構築物をin vivoにおいて製造する方法であって、平滑筋細胞を含む間質細胞
を、in vitroにおいて、単層中の細胞の増殖を支持する基体上で剪断流応力下に
て培養し、それにより該平滑筋細胞を剪断流の方向に対し垂直に整列させること
を含む、上記方法。
47. A method for producing a tissue construct for repair or replacement of a structure containing a smooth muscle cell in vivo, comprising the steps of: Culturing under shear flow stress on a substrate that supports the growth of said cells, thereby aligning said smooth muscle cells perpendicular to the direction of shear flow.
【請求項48】 in vitroにおいて調製された三次元管状組織構築物であっ
て、間質細胞により架橋される間隙を有する生体適合性非生体物質からなる管状
三次元足場上にある平滑筋細胞を含む間質細胞を含有し、該平滑筋細胞が該管状
組織構築物に対し足場の外周上に整列されている、上記組織構築物。
48. A three-dimensional tubular tissue construct prepared in vitro, comprising smooth muscle cells on a tubular three-dimensional scaffold consisting of a biocompatible non-biological material having interstices bridged by stromal cells. Such a tissue construct, comprising stromal cells, wherein the smooth muscle cells are aligned on the perimeter of a scaffold relative to the tubular tissue construct.
【請求項49】 間質細胞が、繊維芽細胞、内皮細胞または他の疎性結合組
織細胞をさらに含む、請求項48記載の組織構築物。
49. The tissue construct of claim 48, wherein the stromal cells further comprise fibroblasts, endothelial cells or other loose connective tissue cells.
【請求項50】 間質細胞が発現エレメントの制御下にある少なくとも1つ
の外因性遺伝子を含有する、請求項48記載の組織構築物。
50. The tissue construct of claim 48, wherein the stromal cells contain at least one exogenous gene under the control of an expression element.
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