JP2008017798A - 生体組織製造装置および生体組織製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェット吐出装置のような吐出ノズルを用いて、３次元的な生体組織を構築する。
【解決手段】複数種の細胞Ａ〜Ｄを、種類毎に、分離状態で収容する複数の細胞収容部６〜９と、各細胞収容部６〜９に接続され、該細胞収容部６〜９に収容された細胞Ａ〜Ｄを吐出する複数の細胞吐出ノズル１０〜１３とを有する細胞噴射装置２と、生体親和性の接着材Ｅ，Ｆを収容する接着材収容部１５，１６と、該接着材収容部１５，１６に収容された接着材Ｅ，Ｆを吐出する接着材吐出ノズル１７，１８とを有する接着材噴射装置３と、細胞噴射装置２による細胞Ａ〜Ｄの吐出タイミングおよび接着材噴射装置３により、細胞Ａ〜Ｄの吐出位置に接着材Ｅ，Ｆを噴射させるタイミングを制御する制御装置５とを備える生体組織製造装置１を提供する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、生体組織製造装置および生体組織製造方法に関するものである。

従来、インクジェット吐出装置を利用して２次元の構造物を構築する組織構築用マイクロゲルプロッタが考えられている（例えば、非特許文献１参照。）。
この技術は、将来的に３次元の生体組織を構築するための試作的技術であり、細胞の代わりにゲル前駆体を用いることで、３次元構造物を構築することを試みているが、３次元の生体組織の構築には至っておらず、２次元構造物の構築に留まっている。
西山他６名、"組織構築用マイクロゲルプロッタの試作"、再生医療、日本再生医療学会雑誌、vol.５、２００６年、２１９頁

インクジェット吐出装置による３次元構造物の構築には、２次元構造物の積層の問題があるが、非特許文献１には何ら開示されていない。
また、生体組織は単一種類の細胞により構成されているものではなく、複数種の細胞を組み合わせて構成されているため、非特許文献１の装置では、生体組織を製造することができない。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、インクジェット吐出装置のような吐出ノズルを用いて、３次元的な生体組織を構築することができる生体組織製造装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、複数種の細胞を、種類毎に、分離状態で収容する複数の細胞収容部と、各細胞収容部に接続され、該細胞収容部に収容された細胞を吐出する複数の細胞吐出ノズルとを有する細胞噴射装置と、生体親和性の接着材を収容する接着材収容部と、該接着材収容部に収容された接着材を吐出する接着材吐出ノズルとを有する接着材噴射装置と、前記細胞噴射装置による細胞の吐出タイミングおよび前記接着材噴射装置により、細胞の吐出位置に接着材を噴射させるタイミングを制御する制御装置とを備える生体組織製造装置を提供する。

本発明によれば、制御装置の作動により、細胞噴射装置および接着材噴射装置が制御される。細胞噴射装置は、細胞収容部に収容された細胞を、細胞吐出ノズルを介して吐出させ、接着材噴射装置は、接着材収容部に収容された生体親和性の接着材を、接着材吐出ノズルを介して吐出させる。制御装置は、前記細胞噴射装置による細胞の吐出タイミングおよび前記接着材噴射装置により、細胞の吐出位置に接着材を噴射させるタイミングを制御するので、吐出された細胞を接着材によりその位置に固定することができる。

生体組織を構築するための複数種の細胞が種類毎に複数の細胞収容部に収容されていて、別々の細胞吐出ノズルにより吐出されるので、吐出前に相互に混合してしまうことなく、所望の吐出位置に所望の種類の細胞を精度よく吐出することができる。これにより、所望のパターンで複数種の細胞を固定していくことができ、３次元的な生体組織を容易にかつ迅速に製造することができる。

上記発明においては、前記接着材が、主材と、該主材に混合されて接着性を発揮させる硬化剤とからなり、前記接着材収容部が、主材を収容する主材収容部と、硬化剤を収容する硬化剤収容部とを備えることとしてもよい。
このようにすることで、主材と硬化剤とを混合することにより接着性を発揮させることができ、主材と硬化剤とを別個に吐出させることにより、接着材を吐出前に硬化させてノズルに詰まらせてしまうことなく、スムーズに吐出することができる。

また、上記発明においては、前記細胞吐出ノズルおよび前記接着材吐出ノズルの先端を３次元的に移動させる移動機構を備えることとしてもよい。
このようにすることで、移動機構の作動により、細胞吐出ノズルおよび接着材吐出ノズルの先端を３次元的に移動させつつ、接着材の吐出後に複数種の細胞を所望のパターンで吐出させることにより、３次元的な生体組織を製造することができる。

また、上記発明においては、前記細胞吐出ノズルおよび前記接着材吐出ノズルの吐出方向が１点で交差することが好ましい。
このようにすることで、細胞および接着材の吐出方向の交差点を、細胞の固定位置に設定しておくことにより、接着材吐出ノズルからの接着材の吐出後、ノズルを移動させることなく細胞吐出ノズルから細胞を吐出して固定することができる。

また、本発明は、生体吸収性または溶出可能な性質を有する材質からなるダミー細胞を含む複数種の細胞を吐出するステップと、前記細胞の吐出位置に生体親和性の接着材を吐出するステップと、前記複数種の細胞が接着材により固定された状態で、前記ダミー細胞を除去するステップとを備える生体組織製造方法を提供する。
本発明によれば、所望のパターンで複数種の細胞を接着材により固定していくことができ、３次元的な生体組織を容易にかつ迅速に製造することができる。そして、構築された３次元的な生体組織から、ダミー細胞を除去することにより、例えば、血管のような空洞を有する生体組織を構築することができる。

本発明によれば、インクジェット吐出装置のような吐出ノズルを用いて、３次元的な生体組織を構築することができるという効果を奏する。

以下、本発明の第１の実施形態に係る生体組織製造装置１および生体組織製造方法について、図１〜図５を参照して説明する。
本実施形態に係る生体組織製造装置１は、図１に示されるように、３次元的な生体組織を製造する装置であって、細胞噴射装置２と、接着材噴射装置３と、これら噴射装置２，３の吐出ノズルの先端を３次元的に移動させるノズル移動装置４と、これらを制御する制御装置５とを備えている。

細胞噴射装置２は、複数種の細胞Ａ〜Ｄを種類毎に収容する複数の容器（細胞収容部）６〜９と、これらの容器６〜９に接続される複数の吐出ノズル（細胞吐出ノズル）１０〜１３を備えている。
容器６〜９には、例えば、細胞Ａ〜Ｄと浸透圧が同じ液体、好ましくは、生理食塩水、ブドウ糖液、ＰＢＳ、ＭＥＭまたはＴｗｅｅｎ−８０のような生体親和性の高い液体が貯留され、前記細胞Ａ〜Ｄが液体内に浮遊した状態に保持されている。これにより、各細胞Ａ〜Ｄは相互に接着することなく分離状態に維持されるようになっている。なお、液体に界面活性剤を添加してもよい。

複数の容器６〜９は恒温槽１４に収容され、一定の温度に保持されている。
容器６〜８内に収容される細胞Ａ〜Ｃとしては、例えば、皮膚組織を構成する真皮細胞Ａ、表皮細胞Ｂおよび血管を構成する血管内皮細胞Ｃが挙げられる。また、容器９内には、擬似的な細胞を形成する材質からなるダミー細胞Ｄが収容されている。ダミー細胞Ｄとしては、生体吸収性の材料で構成されていてもよいし、温度変化により溶出するゼラチンのような物質により構成されていてもよい。

前記吐出ノズル１０〜１３は、チューブ１０ａ〜１３ａを介してそれぞれ単一の容器６〜９に接続されている。吐出ノズル１０〜１３は、例えば、吐出口の流路の内壁面にピエゾ素子（図示略）を配置したインクジェットノズルと同様のノズルであって、制御装置５からの電気信号に応じて流路断面を変化させることにより、容器６〜９から流路内に供給された細胞Ａ〜Ｄを１個ずつ吐出させることができるようになっている。

前記接着材噴射装置３は、主材Ｅを収容する主材容器１５と、硬化剤Ｆを収容する硬化剤容器１６と、これらの容器１５，１６にチューブ１７ａ．１８ａを介してそれぞれ接続された吐出ノズル１７，１８とを備えている。主材Ｅとしては、例えば、フィブリノーゲンが用いられ、硬化剤Ｆとしては、例えば、トロンビンが用いられている。吐出ノズル１７，１８は、細胞Ａ〜Ｄ用の吐出ノズル１０〜１３と同様のインクジェット型のノズルが用いられている。

前記ノズル移動装置４は、例えば、直交する３軸の直線移動機構である。スライダ４ａ〜４ｃを直交する３軸方向に移動させることで、先端に取り付けた吐出ノズル１０〜１３，１７，１８を３次元的に移動させることができるようになっている。図中、符号１９は製造された生体組織を載置するためのステージである。

前記制御装置５は、製造する生体組織の構造に従って決定された所定のパターンに種々の細胞Ａ〜Ｄを配列し、所望の位置に接着材Ｅ，Ｆを吐出するように、前記ノズル移動装置４を作動させて、吐出ノズル１０〜１３，１７，１８の先端の３次元的な位置を移動させるとともに、各吐出ノズル１０〜１３，１７，１８のオンオフを切り替えるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る生体組織製造装置１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る生体組織製造装置１を用いて生体組織を製造するには、制御装置５の作動により、制御装置５に記憶されている所定のパターンでノズル移動機構４を移動させつつ、細胞噴射装置２を作動させることにより、例えば、真皮細胞Ａを２次元的に配列するように吐出ノズル１０から吐出させる。これにより、図２（ａ）に示されるように、真皮細胞Ａからなる２次元構造物を構築することができる。

そして、形成された２次元構造物の上に、次の２次元構造物を順次積層していく。この場合に、他の２次元構造物を積層するのに先立って、ノズル移動機構４および接着材噴射装置３を作動させ、最初に構築された２次元構造物を構成する真皮細胞Ａの上面に接着材Ｅ，Ｆを吐出しておく。この場合において、本実施形態によれば、制御装置５は接着材噴射装置３を作動させることにより、まず、図２（ｂ）に示されるように、主材容器１５から導かれた主材Ｅを吐出ノズル１７により吐出させ、次いで、図２（ｃ）に示されるように、硬化剤容器１６から導かれた硬化剤Ｆを吐出ノズル１８により同一位置に吐出させる。これにより、最初に構築された２次元構造物を構成する真皮細胞Ａの上面において主材Ｅと硬化剤Ｆとが混合された接着剤が塗布されることになる。

そして、この状態で、制御装置５がノズル移動機構４および細胞噴射装置２を作動させ、制御装置５に記憶している所定のパターンで、再度、真皮細胞Ａを２次元的に配列するように吐出ノズル１０から吐出させる。これにより、図２（ｄ）に示されるように、２層の真皮細胞Ａからなる２次元構造物を積層させた状態に固定することができる。

このようにして、細胞噴射装置２による真皮細胞Ａの吐出と、接着材噴射装置３による接着材Ｅ，Ｆの吐出とを繰り返すとともに、細胞噴射装置２により吐出する細胞Ａ，Ｂの種類を切り替えることにより、図３に示されるように、真皮組織Ａ′と表皮組織Ｂ′とを有する皮膚組織を構築することができる。

また、真皮組織Ａ′内に血管Ｃ′を有する皮膚組織を製造する場合には、例えば、図４および図５に示されるように、細胞Ａ〜Ｄを吐出していく。すなわち、図４（ａ）に示されるように、真皮細胞Ａによる２次元構造物を構成して接着材Ｅ，Ｆを塗布した後、図４（ｂ）に示されるように、真皮細胞Ａおよび血管内皮細胞Ｃを切り替えて吐出させる。このとき、制御装置５は、真皮細胞Ａを収容した容器６からの吐出ノズル１０を介した真皮細胞Ａの吐出と、血管内皮細胞Ｃを収容した容器８からの吐出ノズル１２を介した血管内皮細胞Ｃの吐出とを制御装置５内に記憶されている所定のパターンで切り替えて行う。

次いで、構築された真皮細胞Ａと血管内皮細胞Ｃとによる２次元構造物の上面に接着材Ｅ，Ｆを塗布した後、図４（ｃ）に示されるように、真皮細胞Ａ、血管内皮細胞Ｃおよびダミー細胞Ｄを所定のパターンで切り替えて吐出させる。
このような吐出動作を繰り返し行うことにより、図５（ａ）に示されるように、真皮組織Ａ内に筒状の血管内皮細胞Ｃと、その内部に充填されたダミー細胞Ｄとを有する３次元的な皮膚組織が構成される。したがって、図５（ｂ）に示されるように、血管内皮細胞Ｃ内のダミー細胞Ｄをその後に除去することにより、内部に空洞Ｇを有する血管内皮細胞Ｃからなる血管Ｃ′を真皮組織Ａ′内に有する皮膚組織を構築することができる。

このように、本実施形態に係る生体製造装置１によれば、複数種の細胞Ａ〜Ｄを、細胞噴射装置２により所定のパターンで吐出させることにより形成した２次元構造物を、接着材Ｅ，Ｆを介在させた状態で複数積層していくことにより、容易に３次元の生体組織を構築することができる。この場合に、接着材Ｅ，Ｆとして、混合することにより硬化する主材Ｅと硬化剤Ｆとを別個に吐出させることとしたので、容器１５，１６内で硬化してしまうことなく、細胞Ａ〜Ｄ同士を効果的に接着させることができる。

また、細胞Ａ〜Ｃから分離して除去することができるダミー細胞Ｄを使用することにより、血管Ｃ′のように空洞Ｇを有する組織を簡易に構築することができる。
なお、本実施形態においては、真皮細胞Ａ、表皮細胞Ｂ、血管内皮細胞Ｃおよびダミー細胞Ｄを用いて製造する生体組織を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、他の任意の細胞を用いて生体組織を製造することとしてもよい。また、フィブリノーゲンからなる主材Ｅとトロンビンからなる硬化剤Ｆとを接着材として使用したが、他の接着材を採用することとしてもよい。

また、細胞Ａ〜Ｄを所定のパターンに配列して２次元構造物を構築した後に、該２次元構造物の上面に接着材Ｅ，Ｆを塗布することとしたが、これに代えて、各細胞Ａ〜Ｄを配置した後にそれぞれの細胞Ａ〜Ｄの上面に接着材Ｅ，Ｆを塗布していくこととしてもよい。

また、血管Ｃ′を有する皮膚組織として、直管状の血管Ｃ′を例に挙げて説明したが、２股に別れる血管Ｃ′等、さらに複雑な形態の組織を製造する場合にも容易に適用することができる。
また、細胞Ａ〜Ｄあるいは接着材Ｅ，Ｆを収容する容器６〜９，１５，１６と、吐出ノズル１０〜１３，１７，１８と、これらを接続するチューブ１０ａ〜１３ａ，１７ａ，１８ａは、それぞれ、各細胞Ａ〜Ｄあるいは接着材Ｅ，Ｆのみに使用するものであるため、容器６〜９，１５，１６内の細胞Ａ〜Ｄ等を使用し終えたら、吐出ノズル１０〜１３，１７，１８およびチューブ１０ａ〜１３ａ，１７ａ，１８ａごと交換することが好ましく、これら、容器６〜９，１５，１６、チューブ１０ａ〜１３ａ，１７ａ，１８ａおよび吐出ノズル１０〜１３，１７，１８を一体的な使い捨て品として、交換可能に設けることとしてもよい。

また、図１に示されるように、複数の吐出ノズル１０〜１３，１７，１８を、それらの吐出方向が平行となるように配列する場合には、同一位置に細胞Ａ〜Ｄと接着材Ｅ，Ｆとを吐出する場合であっても、ノズル移動機構４を作動させて吐出ノズル１０〜１３，１７，１８を移動させる必要がある。これに代えて、図６に示されるように、吐出ノズル１０〜１３，１７，１８，２０の吐出方向が相互に交差するように配置することにより、細胞Ａ〜Ｄを吐出した同一位置に、吐出ノズル１０〜１３，１７，１８，２０を移動させることなく接着材を構成する主材Ｅおよび硬化剤Ｆを吐出することが可能となる。したがって、生体組織の製造時間を短縮することができる。また、ノズル移動機構４の作動を最小限に抑えて、耐久性を向上することができる。さらに、全ての吐出ノズル１０〜１３，１７，１８，２０の位置決めを吐出方向が交差する点Ｐを基準として行うことができ、プログラミングを容易にすることができるという利点がある。

また、本実施形態においては、細胞の吐出に先立って接着材を吐出させることとしたが、これに代えて、制御装置が、細胞の吐出と同時に接着材を吐出させるよう、細胞および接着材の吐出タイミングを制御することとしてもよい。このようにすることで、先に接着材を吐出した場合と比較して、他の余計な物質が接着材に付着してしまう不都合の発生を防止することができる。

また、制御装置が、細胞の吐出の後に接着材を吐出させるよう、細胞および接着材の吐出タイミングを制御することとしてもよい。このようにすることで、細胞が所定の場所に配置されたのを確認した後に接着材を吐出することができるという利点がある。

本発明の一実施形態に係る生体組織製造装置の全体構成を模式的に示す図である。 図１の生体組織製造装置を用いた生体組織の製造手順を説明する斜視図である。 図２の製造手順により製造された生体組織の一例を示す斜視図である。 血管を有する生体組織の製造手順を説明する斜視図である。 図４の製造手順により製造された生体組織の一例を示す正面図である。 図１の生体組織製造装置の吐出ヘッドの変形例を示す図である。

符号の説明

Ａ 真皮細胞（細胞）
Ｂ 表皮細胞（細胞）
Ｃ 血管内皮細胞（細胞）
Ｄ ダミー細胞（細胞）
Ｅ 主材（接着材）
Ｆ 硬化剤（接着材）
１ 生体組織製造装置
２ 細胞噴射装置
３ 接着材噴射装置
４ ノズル移動機構（移動機構）
５ 制御装置
６〜９ 容器（細胞収容部）
１０〜１３ 吐出ノズル（細胞吐出ノズル）
１５ 主材容器（主材収容部，接着材収容部）
１６ 硬化剤容器（硬化剤収容部，接着材収容部）
１７，１８ 吐出ノズル（接着材吐出ノズル）

Claims (5)

1. 複数種の細胞を、種類毎に、分離状態で収容する複数の細胞収容部と、各細胞収容部に接続され、該細胞収容部に収容された細胞を吐出する複数の細胞吐出ノズルとを有する細胞噴射装置と、
   生体親和性の接着材を収容する接着材収容部と、該接着材収容部に収容された接着材を吐出する接着材吐出ノズルとを有する接着材噴射装置と、
   前記細胞噴射装置による細胞の吐出タイミングおよび前記接着材噴射装置により細胞の吐出位置に接着材を噴射させるタイミングを制御する制御装置とを備える生体組織製造装置。
2. 前記接着材が、主材と、該主材に混合されて接着性を発揮させる硬化剤とからなり、
   前記接着材収容部が、主材を収容する主材収容部と、硬化剤を収容する硬化剤収容部とを備える請求項１に記載の生体組織製造装置。
3. 前記細胞吐出ノズルおよび前記接着材吐出ノズルの先端を３次元的に移動させる移動機構を備える請求項１または請求項２に記載の生体組織製造装置。
4. 前記細胞吐出ノズルおよび前記接着材吐出ノズルの吐出方向が１点で交差する請求項１から請求項３のいずれかに記載の生体組織製造装置。
5. 生体吸収性または溶出可能な性質を有する材質からなるダミー細胞を含む複数種の細胞を吐出するステップと、
   前記細胞の吐出位置に生体親和性の接着材を吐出するステップと、
   前記複数種の細胞が接着材により固定された状態で、前記ダミー細胞を除去するステップとを備える生体組織製造方法。

Images