JP2006000105A - 拍動流加圧刺激培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内皮細胞等、血管由来の細胞を培養して生体外で移植可能な血管を作製するには、培養液に拍動の流れを付加する必要があり、そのための拍動流加圧刺激培養装置を提供する。
【解決手段】パイプ状に形成された生体適合材に血管由来の内皮細胞、平滑筋細胞、繊維芽細胞を細胞播種、接着させた培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体を保持管１２に保持し、保持管１２と内部を連結したピストン加圧装置５と培地排出装置２４で構成し、ピストン用アクチュエーター３の伸縮を制御コンピューター１でアクチュエーター３に連結されたピストン２３を伸縮させ、ピストン加圧装置５内の培地を介して加圧、減圧のサイクル、流量の制御を行い拍動の流れを付加する拍動流加圧刺激培養装置。
【選択図】図１

Description

本発明は生体の心臓血流による拍動流加圧刺激環境に類似した拍動流加圧刺激を生体外でパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に培地を培養担体内部から拍動流による加圧、減圧刺激を繰り返し、血流の流れによる拍動加圧刺激、流れによる歪みの剪断応力刺激を生体に適応するための培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に生体類似拍動流加圧刺激を拍動流加圧刺激培養装置による培養方法と細胞組織の損傷、破壊のメカニズムに関する。

生体内の細胞・組織は生化学的な刺激だけでなく、静的又は動的な力学的刺激を受けることにより、分化・増殖、代謝など、細胞の生化学的と生理学的な機能を発揮している。また細胞培養に力学刺激を加え培養を行うと培養細胞の増殖が加速される事が実証され、生体の培養部位によって異なる生体力学加圧刺激に類似した加圧刺激装置が広く求められている。

患者の軟骨細胞を受け入れて、培養増殖し、基の患者に移植する方法が欧米では移植治療として行われようになったが、この方法は軟骨細胞の培養、増殖を行っただけで、軟骨細胞組織の再生を体外で行うものでなく、治療効果も不安定であった。また国内でも最近、骨髄細胞から採取した間葉系幹細胞を初期の培養を行い、セラミック製の人工関節とともに培養し幹細胞が骨をつくる骨芽細胞に分化し、人工関節の表面をコーティングさせ拒絶反応を防ぐ治療も行われた。

こうした治療方法から足場を必要としない幹細胞で軟骨細胞組織や血管細胞組織を作る研究が世界中で盛んに行われるようになった。

応力刺激による培養システムとしてはＬｅｕｎｇらが細胞を付着させた膜を伸縮または振動させる方法で血管平滑筋の培養例を示し、Ｄｕｎｋｅｌｍａｎらがカラム内に支持体に保持された軟骨細胞を入れ、ポンプで培地を循環させ支持体中の軟骨細胞へ液の流れによる応力刺激を行う培養例を示している。

静水圧刺激による培養システムとしてガスシリンダー式の圧力負荷による軟骨細胞の刺激負荷例を示し、油圧シリンダー式ポンプでカラムに関節部内圧力に相当する圧力を負荷するという方法で軟骨細胞への刺激負荷例を示している。

また血管培養については傾斜培養装置についての例が示されている。静脈血管内皮細胞を播種したガーゼと線維芽細胞を播種したガーゼを重ね、ガーゼを平板の両端に培地の貯水槽を設けてあり、上側の培地槽にガーゼを垂らして先端を培地に湿るようにすると、毛管現象で端からガーゼは徐々に濡れていき、培地は下側の培地槽に流れ込み、この下側の培地槽に貯まった培地をポンプで上側の培地槽に戻し、連続的に培地を供給する方法も発表されている。

また加圧、非加圧ともにカラム内デバイスに培地の移動、流量の調節で圧力負荷を制御する方法で、ポンプで培地を送液し、バルブ等の操作で培地の流量を変化させ圧力負荷のパターンやサイクルを任意に作りだす細胞培養装置もあるが、圧力の強度や上昇と下降のパターンを培地を介して生体内圧力に近い状態に再現したとしても、部位によっては圧力、培地の流れにも違いがある。骨、軟骨の鉛直方向の荷重刺激、剪断応力刺激や循環器系の血管培養には培養液に流れと拍動を付加する必要があるとされている。

細胞培養には炭酸ガスインキュベーター内に置いた培養皿内で静的条件で行われている。この方法は細胞の培養装置として広く世界中で利用されているが、細胞培養、組織培養に動的条件の刺激が重要かつ必要な役割であることが解ってきた。しかしただ動的加圧刺激を加えたとしても全ての細胞、組織に効果を発揮するものであるとは断言できない。生体の細胞、組織は筋肉や骨、軟骨の支持体組織や心臓、血管等の循環器系あるいは胃、大腸、小腸等の消化器系や肺、気管支等の呼吸器系等にかかる荷重刺激、圧力刺激や流れによる応力刺激等のストレス、刺激は部位によって異なる。骨、軟骨の生体内での動的刺激を考慮すると、地上で起立、歩行、走行、あるいは運動による際に生じる力学的荷重刺激は重力による鉛直方向の荷重刺激や膝を曲げる事によって生じる剪断応力刺激等の動的刺激を受けている。また血管については内皮細胞は流れのストレスに応じて細胞の増殖のスピードや配列が変化する特徴を持ち、血液の流れや呼吸器系の気流による剪断応力刺激の歪みによる刺激や心臓の拍動刺激が重要な役割をしていると言われている。

本発明は上記現状に鑑み、生体の培養環境に類似した環境で自己の細胞を用い生体外で培養細胞、培養組織を行い生体適応血管を作成するための培養液の流れ、さらに培養液に拍動を加え、培養液による流れと拍動を付加できる簡易な拍動流加圧刺装置の提供である。

すなわち本発明は、動脈の内皮細胞を、生体と同様な配列で流れに並行になるような培養をおこなうために、自己血管内皮細胞を用いて培養人工血管を提供する装置である。血管内皮細胞は流れのストレスに応じて細胞の増殖のスピードや配列が変化する特徴をもち、血管内皮細胞を培養して人工血管を作成するには、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に培養液による拍動の流れを付加する必要がある。このような簡易な拍動流加圧刺激培養装置ができれば、培養細胞により心筋細胞培養が容易になり、自己血管内皮細胞に覆われた血栓閉塞のおこらない生体外培養血管の製造可能な培養装置の提供である。

細胞及び培養担体を保持し生体の自己血管内皮細胞組織を生体外で育成させるために、炭酸ガスインキュベーター内を滅菌、温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素分圧等を制御した環境内に培地を注入した培地容器に、パイプ状に形成された生体適合材で血管由来の血管内皮細胞と線維芽細胞を細胞番種、接着させた培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体を保持管に保持し、保持管と内部を連結したピストン加圧装置と、他方の保持管と内部を連結された培地排出装置で構成し、アクチュエーターの伸縮をコンピューター制御でアクチュエーターと連結されたピストンを伸縮させピストン加圧部の培地を介して加圧、減圧のサイクル、流量の制御を行う。

ピストン加圧時は、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織、培養細胞を含んだ培養担体内部に培地が流れ、心臓の鼓動のように一分間で約６０回の加圧サイクルを発生させ、ピストンの伸縮移動で培地に加圧、減圧を繰り返し生体の心臓による血液吐出の血流刺激に類似した刺激を生体外装置で培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に拍動加圧刺激と培地流による剪断応力刺激を繰り返し行う拍動流加圧刺激培養装置。

パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の大きさによって保持管の大きさを変える事により大きさの異なるパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体を装着可能とする。

培地排出装置の固定部をスライド移動固定できるようにし、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体の長さの異なる培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に対応できるように培地排出装置とピストン加圧装置の間隔を調整できるようにした拍動流加圧刺激培養装置。

パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体にかかる拍動圧力の調整は減圧弁にかかる荷重重量を天秤状に構成した荷重装置で、パソコン制御でアクチュエーターの伸縮を利用して荷重重鎮を移動させ加重圧力を可変とした。この装置は無負荷の状態から目的の加重圧力まで極めて正確に調整できる。

また培地注入装置の注入口とピストン加圧装置の減圧弁の排出口を培地から外部に出し、培地注入装置内やパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体とピストン加圧装置内部に炭酸ガスインキュベーター内の滅菌、温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素分圧等を制御した気体を流し外部は培地で内部は気体で、一分間に約１６回の気体による拍動流を発生させ、生体の呼吸器系に類似した拍動刺激と気体の流れによる剪断応力刺激をパイプ状に形成された培養細胞、培養組織あるいは培養細胞を含んだ培養担体に気体による拍動刺激と剪断応力刺激を発生させる拍動流加圧刺激培養装置。

炭酸ガスインキュベーター内に設置された培地容器と培地槽を設け、培地槽に培地注入装置の注入口とピストン加圧装置の減圧弁排出口にチューブ、パイプ等で配管連結をし、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に培地槽内に注入された培地や血液あるいは流動食等を循環させ、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の外面は培地容器内の培地で、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内部には培地槽内の培地や血液または流動食等をパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体内部に循環させ外面と内面の環境を変える。例えば外部面は培地で内部面は血液あるいは消化器系用に流動食を循環させ拍動刺激と流れによる歪みの剪断応力刺激を発生させる循環器系培養あるいは消化器系培養の研究を行う拍動流加圧刺激培養装置。

培地注入装置の注入口とピストン加圧装置の減圧弁排出口を培地容器より外部に出し、培地容器を蓋で密封状態に、培地注入装置の保持管とピストン加圧装置の保持管に生体適応材料の合成ゴム等で製作した膨張、加圧に充分耐えられるパイプ状の風船チューブを装着し、ピストンで風船チューブを加圧（膨張）、減圧（収縮）を行い培養容器内部から拍動加圧刺激を加え生体の横隔膜による加圧刺激に類似した拍動流加圧刺激培養装置。

本発明に係る拍動流加圧刺激培養装置は基本的な装置の一部構造を変える事により、生体の循環器系、呼吸器系、消化器系、内臓器系と部位によって異なる生体の力学的環境に類似した環境を生体外で提供する培養装置で、従来の細胞培養技術で得られなかった生体力学刺激を体外で行い、細胞培養、組織培養または培養細胞を含む培養担体が、力学的培養により増殖、分化に影響をあたえ、移植に適した組織を製作する装置の提供である。さらに、本装置を用いた基礎医学研究により、体外で生体的力学負荷刺激を受けた組織は、移植後の力学負荷に耐えうる分化成熟した培養組織が製作可能であり、生体外での組織再生は今後の移植医療に大きく貢献する可能性がある。

本発明は培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に生体内の環境に類似した環境で効果的な力学的負荷を加えるために、循環器系の拍動流をアクチュエーターと連動するピストンで培地を吐出（加圧）、吸引（減圧）を繰り返し、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または細胞組織を含んだ培養担体の内部に培地を流すことにより、生体の心臓より吐出された血流の流れと極めて類似した流れの拍動流による拍動加圧刺激、流れによる剪断応力（歪み）刺激をパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に加える拍動流加圧刺激培養装置。

滅菌した炭酸ガスインキュベーター内の温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素分圧等を制御した環境内で拍動流加圧刺激装置を稼動させる。

パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の両端を保持管に保持し、保持管と内部を連結するようピストン加圧装置に固定連結し、他方の保持管の内部を連結するよう培地排出装置に固定連結する。ピストン加圧装置と培地排出装置に連結されたパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の内部にピストン加圧装置内のピストンによって培地を押し加圧を行い、ピストンを引くことで減圧を行うと同時に逆流防止弁から培地を流入させる。ピストンの移動距離で培地の流入量が決まり、ピストンの移動距離により加圧力も大きくなるが、減圧弁の荷重調節で加圧力は可変可能で、ピストンの移動量により加圧力が限界を越えた場合は減圧弁が開き減圧弁から培地は排出口へ流れ出し、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体を通過排出されるために、加圧時はパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体内には拍動加圧刺激と培地の流れによる剪断応力刺激が加わる。

こうした事からパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体内にはピストン加圧装置からの流れしか発生せず、血管内皮細胞は培地の流れという刺激によって増殖が促進され配列が変化する特徴が報告されており、一方向の流れに加え接着性の動物細胞は培地の流れに対して弱く、安定するまでは極めて遅い流速で培地を流す必要があり、この装置の特徴はピストンの移動制御を０．１ミリ単位も可能で極めて正確に培地の流量が決定でき、拍動圧力も減圧弁の調整で、培地の流速、流量はピストンの移動のスピード、移動の距離による吐出量で決まる。

培地の流れは極めて微量の緩やかな流れから、流量の調節が可能であり、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に培地の吐出量で心臓の鼓動と類似した拍動をパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内に拍動圧力刺激と剪断応力刺激を与える。

培地容器内で培地注入装置の培地注入口とピストン加圧装置の培地排出口を培地容器より外側に出し、炭酸ガスインキュベーター内の滅菌、温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素分圧等を制御された気体（空気等）を培地注入装置に連結されたパイプ状に形成された培養細胞、培養組織、または培養細胞を含んだ培養担体と連結されたピストン加圧装置内をピストンの移動操作で、吸引、排出を繰り返し拍動流で気体（空気等）を流し、横隔膜で肺に空気を吸引、排出する呼吸器系に類似した環境にし、呼吸器系の培養細胞、培養組織にパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の内部に気体（空気等）を流し、気管、気管支、喉頭等の生体外の拍動流加圧刺激培養装置。

炭酸ガスインキュベーター内の培地容器外に培地槽を設け、培地槽の培地排出口と培地注入装置の培地注入口とを生体適応材で作られたチューブで連結し、培地注入装置とパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体とピストン加圧装置に連結し、ピストン加圧装置の減圧弁排出口と培地槽の注入口を生体適合材でつくられたチューブで連結し、培地槽内に血液を注入し連結された装置内とパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体の内部に血液を流す拍動流加圧刺激培養装置。

上記拍動流加圧刺激培養装置の培地槽に流動食等を注入し、生体の消化器官の環境に類似させた環境でパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に生体の消化器系の内面を通過する液体、流体に類似した液体、流体を、ピストン加圧装置のピストンで流入、排出の拍動流刺激を加え、生体の食道、小腸、大腸等の細胞組織の培養を行う拍動流加圧刺激培養装置。

炭酸ガスインキュベーター内の培地容器に蓋を設け、密封状態とし、培地注入装置とピストン加圧装置の間に収縮に充分耐えられる生体適応材で、例えば合成ゴムでつくられた風船チューブを装着し、培地注入装置の培地注入口とピストン加圧装置の培地排出口を培地容器の蓋から外側に設け、炭酸ガスインキュベーター内の気体をピストンの移動で生体適合材でつくられた合成ゴムの風船チューブに送り込み、密封された培地容器内を静水加圧、静水減圧を繰り返し行う。

密封された培地容器に炭酸ガスインキューター内の培地槽から培地が注入できるように注入弁と減圧弁を設けた配管を行い、培地容器内の培地の交換可能にした。

実施例を揚げて本発明を図面を用いて詳しく説明をする。図１は本発明の１実施例である。この拍動流加圧刺激培養装置は循環器系の培養を表す。拍動流加圧刺激装置は炭酸ガスインキュベーター（２）内に設置する。操作は制御コンピューター（１）はピストン用アクチュエーター（３）と減圧弁荷重負荷装置用アクチュエーター（４）を操作する。ピストン用アクチュエーター（３）とピストン加圧装置（５）のピストン（２２）とは連結固定しており、ピストン用アクチュエーター（３）の伸縮はピストンに連動し、ピストン加圧装置（５）内の培地にピストンを移動させることで加圧、減圧をする。加圧時は培地排出装置（２４）内の減圧弁（９）は閉じられ、減圧弁によって決められた圧力を越えると減圧弁の弁が解除され、培地がパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）内にピストン（２２）により加圧された培地で加圧と流れによる拍動流の刺激を繰り返し行う事ができる。

減圧時はピストンを吸引方向に移動させ、培地排出装置（２４）内の減圧弁（９）は閉じ、ピストン加圧装置（５）内の逆流防止弁（２３）が開き培地を流入し、培地は培地排出装置（２４）とパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）内には培地は流れず静止した環境となる。

培地の流量はピストンの移動距離で決まり、ピストンの移動距離を大きくすると、加圧力が大きくなるが、減圧弁（９）が培地を流出し圧力を調整する。この流出された培地量がパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）内を通過する流量となる。

減圧弁（９）より排出された培地は生体の静脈流の流れに類似した環境で静脈用培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（７）内を流れ排出される。

減圧弁（９）の圧力調整は減圧弁負荷装置用アクチュエーター（４）の伸縮で荷重重鎮（１１）を移動させ減圧弁（９）に掛かる荷重負荷を調整する。（１３）は減圧弁荷重装置の支点である。

全体の培地の流れ、サイクルは制御コンピューター（１）の操作で、ピストンの移動距離で培地の流量と加圧を決め、加圧サイクルも制御コンピューター（１）の操作で生体の心臓の脈拍と同じサイクル、例えば１分間に約６０サイクル等を設定できる。心臓による血流の吐出量も装置のピストンの移動距離で決定できる。圧力の強さも減圧弁（９）の操作を制御コンピューター（１）で減圧弁負荷装置用アクチュエーター（４）の伸縮で可変決定できる。この装置の特徴は培地により、生体の心臓の鼓動による血流、すなわち脈拍と類似した拍流の流れと、鼓動に類似した拍動流による加圧刺激を発生できる拍動流加圧刺激培養装置。

図２、図３、図４は図１と減圧弁、逆流防止弁の取り付け位置を変え、培地、気体等の流れを図１と減圧時に逆方向から流れるように構成した実施例である。

図２は本発明の１実施例である。この実施例は、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）の内部に炭酸ガスインキュベーター（２）内の気体を介して拍動加圧刺激と気体の流れによる剪断応力刺激を発生させ呼吸器系の気管、気管支の生体外培養を目的とした装置で、炭酸ガスインキュベーター（２）内の培地容器（１０）内の培地注入装置（８）の気体注入管（１４）とピストン加圧装置（５）の気体排出管（１５）を培地容器（１０）内の培地（２１）より外側に取り出し、炭酸ガスインキュベーター内の滅菌、温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素等分圧された気体を培地注入装置（８）とピストン加圧装置（５）とに連結されたパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）内に気体による拍動流刺激を発生させ呼吸器系の細胞、組織の培養を目的とした装置である。

まずピストン加圧装置（５）のピストン（２２）を制御コンピューター（１）でピストン用アクチュエーター（３）の操作を行いピストンを伸縮させ、加圧、吸引を繰り返し、圧力の加減は減圧弁（９）で調節を行い、流出量はピストン（２２）の移動距離で決められた気体を、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）内部に拍流させ生体の呼気に類似した環境で、気体の排出、吸引を１分間で約１６回等のサイクル、拍動流の加圧刺激や気体の流れによる剪断応力刺激を繰り返し、呼吸器系の気管、気管支等の培養を生体外で行う拍動流加圧刺激培養装置。

図３は本発明の１実施例である。この実施例は、炭酸ガスインキュベーター（２）内に培地容器（１０）と培地槽（１６）を設置し、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）、（７）に培地槽（１６）から酸素を多く含んだ培地、血液あるいは流動食等を流し、血管の培養の調査と研究を、流動食等で生体の消化器系に類似した環境を生体外培養を目的とした装置で、制御コンピューター（１）で電子制御されたピストン用アクチュエーター（３）でピストン（２２）を伸縮させ、加圧、減圧を繰り返す。減圧弁（９）の圧力より大きくピストン加圧装置（５）内のピストン（２２）を移動させると、内部液体（流動食等）は減圧弁（９）から培地排出管（１７）からピストン加圧装置（５）内の内部液体（流動食等）が排出される。またピストン（２２）を減圧方向に移動させると、排出された内部液体（流動食等）分が培地注入装置（８）内に培地槽（１６）から培地注入管（１８）を通過し注入され、パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体（６）、（７）内を培地槽（１６）内の液体（流動食等）が流れる。

このようにパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体（６）、（７）の外部は培地容器（１０）内の培地（２１）と、内部は培地槽（１６）内の液体（流動食等）でパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体（６）、（７）に拍動圧力刺激と流動による剪断応力刺激を加え、目的によって培地槽の培地を変えうる消化器系の拍動流加圧刺激培養装置。

図４は本発明の１実施例である。この実施例は生体の横隔膜が腹部臓器に与える荷重刺激に類似した刺激を生体外装置で臓器等の培養研究装置。密封培養容器（２０）内にパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体（６）の代わりに生体適応材の合成ゴムで作られた風船チューブ（１９）を保持管で培地注入装置（８）とピストン加圧装置（５）の間に取り付け、ピストン加圧装置（５）のピストン（２２）で風船チューブ（１９）に圧力をかけ密封培養容器（２０）内に静水圧をかける。一般に接着性の動物細胞は培地の流れに対して弱く、初期の細胞培養には静水圧での拍動加圧を行い、安定すると拍動流に切り替え培養を行う。

ピストン加圧装置（５）のピストンの加圧サイクルを呼吸と、同じサイクルの１分間に約１６から１８回の加圧サイクルとし、腹部臓器の影響を研究する。培地排出管（１７）に可変減圧弁を取り付け、培地注入管（１８）に逆流防止弁を設け、密封培養容器（２０）内の培地を培地槽（１６）からの循環を可能とする。

また密封培養容器（２０）の蓋を生体適応材の合成ゴムで作り、装置内の風船チューブ（１９）の加圧（膨張）、減圧（縮小）の影響を密封培養容器（２０）内の培地を介して合成ゴムの蓋が伸び（膨張）、縮み（縮小）をし、密封培養容器（２０）内の培地にひずみを発生させ幕状の培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に歪みによる応力刺激を発生させる装置である。

この装置は生体の横隔膜による腹部臓器が受ける影響、呼吸による拍動圧力刺激が内臓に及ぼす影響、歪みによる剪断応力刺激が及ぼす影響等の研究装置としての提供も期待される拍動流加圧刺激培養装置。

本発明の拍動流加圧刺激培養装置は培養液に拍動流による拍動加圧刺激と流れの剪断応力刺激は、血管内皮細胞は流れのストレスに応じて細胞の増殖のスピードや配列が変化する特徴を持ち、血管内皮細胞を培養して生体外で培養血管を作成するには、培養液に拍動の流れを付加する必要がある。簡易な拍動流加圧刺激培養装置ができれば、培養細胞により血管作成や心筋細胞培養が容易になり、自己血管内皮細胞に覆われた血栓閉塞の起こらない培養人工血管が作成可能になる。

またこの拍動流加圧刺激培養装置は一部を変えることで消化器系の培養装置、あるいは呼吸器系の培養装置が期待できる。再生医学あるいは再生医療等まだ名前も統一されてない状態でもあるとも言われているが、世界中の研究機関や国の重点研究開発課題とされ、市場規模も５兆円とも５０兆円とも言われる産業の可能性がある。

本発明の実施形態に係わる拍動流加圧刺激培養装置の１実施例を示す。構成の全体図である。四角く囲った点線は炭酸ガスインキュベーター（２）を示す。培養容器（１０）内の点線は培地（２１）を示す。この装置は血管の培養装置。 本発明の実施形態に係わる拍動流加圧刺激培養装置の１実施例を示す。点線は炭酸ガスインキュベーター（２）で、培地容器（１０）内の点線は培地（２１）を示す。この装置は呼吸器系の培養装置。 本発明の実施形態に係わる拍動流加圧刺激培養装置の１実施例を示す。点線は炭酸ガスイクキュベーター（２）で、培地容器（１０）と培地槽（１６）でパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体（６）、（７）内は培地槽（１６）内の液体（血液、流動食）が流れ、血管、消化器系の拍動流加圧刺激培養装置。 本発明の実施形態に係わる拍動流加圧刺激培養装置の１実施例を示す。構成を示す全体図である。四角く囲った点線は炭酸ガスインキュベーター（２）を示す。密封培養容器（２０）内の培地注入装置（８）とピストン加圧装置（５）に風船チューブ（１９）を連結、生体の横隔膜による腹部臓器の加圧刺激を繰り返す拍動流加圧刺激培養装置。

符号の説明

１：制御コンピューター
２：炭酸ガスインキュベーター
３：ピストン用アクチュエーター
４：減圧弁荷重負荷用アクチュエーター
５：ピストン加圧装置
６：パイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体
７：静脈用培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体
８：培地注入装置
９：減圧弁
１０：培養容器
１１：荷重重鎮
１２：保持管
１３：減圧弁荷重装置支点
１４：気体注入管
１５：気体排出管
１６：培地槽
１７：培地排出管
１８：培地注入管
１９：風船チューブ
２０：密封培養容器
２１：培地（点線）
２２：ピストン
２３：逆流防止弁
２４：培地排出装置

Claims (10)

1. 炭酸ガスインキュベーター内の滅菌、温度、湿度、酸素、二酸化炭素、窒素分圧等を制御した環境内に培地を注入した培地容器内にパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体を保持管に保持し、保持管と内部を連結したピストン加圧装置に固定連結し、他方の保持管と内部を連結された培地排出装置に固定連結を行い、制御コンピュータでアクチュエーターに連結されたピストンを操作し、培地流量、加圧サイクル等を制御し、培地を介し加圧、減圧を繰り返す。加圧時はピストン加圧装置の逆流防止弁を閉じ、ピストン加圧装置内の培地を加圧し、指定の加圧を越えたとき減圧弁が開き、ピストン加圧装置内から加圧された培地がパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内を流れ培地排出装置から排出される。減圧時はピストン加圧装置の逆流防止弁は開き、減圧弁を閉じ培地を逆流防止弁からピストン加圧装置内に注入する。このようにパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内部に培地を介して加圧、減圧の拍動流を繰り返し生体内の心臓による血流加圧刺激に類似した加圧刺激を、ピストンの操作でパイプ状に形成した培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内部に培地を流し、培地の拍動流による歪みの剪断応力刺激と拍動の加圧刺激を繰り返し行う拍動流加圧刺激培養装置。
2. 減圧弁側培地排出口にパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体を減圧弁側培地排出口保持管に保持し、生体の静脈に類似した環境で脈流刺激をパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体の内部からの刺激で培養を行う、請求項１に記載された拍動流加圧刺激培養装置
3. 保持管はパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内径等の大きさによって保持管を取り変えられるようにし、培養担体の形状、大きさに適合できるようにした請求項１、請求項２に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
4. ピストン加圧装置と培地排出装置の間隔を、培地排出装置を移動固定する事で可変可能にし、長さの異なるパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に対応できるように構成した請求項１、請求項２、請求項３に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
5. 減圧弁の加圧調整は天秤に類似した形状で、コンピューター制御でアクチュエーターを伸縮させ重鎮を移動させることで、減圧弁にかける荷重を可変可能とし、装置内部の加圧刺激の圧力を調整させる請求項１に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
6. 培地注入口と培地排出口を培地容器より外部に出るように構成し、ピストン加圧装置内、培地注入装置内とパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体内に炭酸ガスアクチュエーター内の気体を循環させ、生体の呼吸器官に類似した拍動流圧力刺激を行う請求項１、請求項３、請求項４、請求項５に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
7. 培地注入口と培地排出口に生体適応材料で作られたチューブ、パイプ等で培地や血液あるいは流動食等を入れた培地槽と配管連結を行い、拍動流加圧刺激培養装置内を培地や流動食、血液等を循環させ血管や消化器官の培養メカニズムや破損等の研究を行う請求項１、請求項３、請求項４、請求項５に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
8. 請求項６に記載されたパイプ状に形成された培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体の変わりに、収縮に充分に耐えられる生体適合材で例えば合成ゴムで作られた風船チューブを培地容器内で保持管に装着し、培地容器を蓋で密閉し、ピストンの移動を介して風船チューブ内に炭酸ガスインキュベーター内の管理された気体を注入、排出を行い風船チューブを膨張、縮小させ培養容器内の加圧、減圧を行う。生体の横隔膜による静水加圧、減圧に類似した拍動加圧刺激を培養細胞、培養組織または培養細胞を含む培養担体に加える請求項１、請求項５に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
9. 請求項８に記載された拍動流加圧刺激培養装置の密閉された培養容器に培地槽から培地を注入交換できるように逆流防止弁と減圧弁を設け、加圧時は逆流防止弁を閉じ、減圧弁は目的の圧力以上の圧が発生した時に開弁される。また減圧時に逆流防止弁は開弁され、減圧弁の弁は閉じられ培地容器内に培地が導入される。請求項１、請求項６、請求項８に記載された拍動流加圧刺激培養装置。
10. 請求項８、請求項９に記載された拍動流加圧刺激培養装置の密閉された培養容器の蓋を生体適応材で伸縮に充分耐えられる合成ゴムで製造し、合成ゴムの蓋が培地容器内の風船チューブにピストン加圧装置のピストン移動により加圧、減圧で膨張（増圧）、縮小（減圧）をさせ、その風船チューブの膨張（増圧）、縮小（減圧）に対応して培地容器の合成ゴムの蓋に培地を介して膨張、縮小を繰り返し、培地に歪みを作り培養細胞、培養組織または培養細胞を含んだ培養担体に歪み応力刺激を繰り返す請求項１、請求項６、請求項８、請求項９に記載された拍動流加圧刺激培養装置。

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