JP2012034589A - Apparatus for culturing intestine imitation - Google Patents

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豊 中島田
Toshio Fujii
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    • C12MAPPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for culturing an intestine imitation maintaining a microbial diversity which is similar to an actual enteric bacterial flora.SOLUTION: The apparatus for culturing the intestine imitation incorporates at least one mechanism enhancing the microbial diversity.

Description

本発明は、腸管模倣培養装置に関する。具体的には、本発明は、腸内細菌の多様性を増大させるための改良型腸管模倣培養装置に関する。   The present invention relates to an intestinal mimetic culture apparatus. Specifically, the present invention relates to an improved intestinal mimic culture device for increasing the diversity of enteric bacteria.

ヒトや動物の腸管には腸内細菌叢(フローラ)と呼ばれる数百種の微生物がおよそ10兆個常在している。近年これらの微生物とその代謝が、宿主であるヒトや動物の代謝や免疫機構、ひいては健康状態にも大きな影響を与えていることが数多く報告されてきた。これに伴い、腸内フローラとその代謝産物の研究がさかんになってきている。一般的にヒトの腸内フローラ、代謝産物プロファイルの研究は、健常者・病院患者などのボランティア、そして実験動物を用いて行われてきた。しかし、ヒトボランティアによる研究は高額な費用と長期間の実験を必要とするうえに、食事や薬の種類制限等の負担を強いる必要がある。また、倫理上及び実用上の観点から、腸内容物又は組織を直接採取することは難しい。さらに実験結果はボランティアの年齢、性別等の個人差に起因する影響を受けやすい。   In the intestine of humans and animals, there are about 10 trillions of microorganisms called the intestinal flora (flora). In recent years, it has been reported many times that these microorganisms and their metabolism have a great influence on the metabolism and immune mechanism of humans and animals as hosts, as well as the health condition. Along with this, research on intestinal flora and its metabolites has become increasingly popular. In general, human intestinal flora and metabolite profile studies have been conducted using volunteers such as healthy persons and hospital patients, and experimental animals. However, research by human volunteers requires high costs and long-term experiments, and it is necessary to impose burdens such as dietary and drug type restrictions. Also, it is difficult to directly collect intestinal contents or tissues from an ethical and practical viewpoint. Furthermore, the experimental results are susceptible to individual differences such as volunteer age and gender.

動物モデルを用いた研究においては、上記の問題のいくつかは解決する。さらに、無菌動物や様々なノックアウト動物を使用した免疫学試験が可能なので、マウス/ラットなどを用いた動物実験が現在広く用いられている。しかし、動物の飼育には特別な施設及び装置を必要とする上に、マウス/ラットの腸内では腸内腐敗物の濃度がヒト糞尿と比較して著しく低いなど、ヒトの腸内環境を完全にシミュレーションしているとは言い難い。また腸内における局所的微生物動態をリアルタイムでモニタリングすることが困難であることはヒトの場合と同様である。   In studies using animal models, some of the above problems are solved. Furthermore, since an immunological test using aseptic animals and various knockout animals is possible, animal experiments using mice / rats are currently widely used. However, in addition to the need for special facilities and equipment for animal breeding, the intestinal environment of humans is completely reduced, such as the concentration of intestinal spoilage in the intestine of mice / rats is significantly lower than that of human manure. It is hard to say that they are simulating. In addition, it is difficult to monitor the local microbial dynamics in the intestine in real time, as in the case of humans.

この問題を解決するための一つの方法として、腸内環境を再現した腸管模倣培養装置により培養した腸内フローラの研究が近年、欧州を中心にして行われている。最も良く用いられている腸管模倣培養装置は、単純な単槽型、又は腸管部位をそれぞれ再現した多段型培養槽を用いた連続培養システムである。代表的な例をあげれば、Gibsonらは腸内発酵における空間的、一時的及び栄養的な要素、そしてpHなど不均一な要素について研究を行うために、右半結腸と左半結腸の環境が異なっていることに着目した三連の撹拌型培養槽を供えた腸管模倣培養装置(以下「3MCS」)を提案した(非特許文献1)。このモデルでは、小腸出口からの食餌分解混合物を模倣した培地が連続的又は間欠的に第一槽に供給される。従って、第一槽は盲腸と類似した富栄養条件であり、高い微生物増殖速度、低pHの状態で微生物の活性を調べることができる。第二槽及び第三槽では微生物が摂取しやすい栄養源がずっと少なくなり、低い微生物増殖速度、pHが中性付近という横行結腸から左半結腸と類似の環境条件となる。   As one method for solving this problem, research on intestinal flora cultured by an intestinal mimetic culture apparatus that reproduces the intestinal environment has been recently conducted mainly in Europe. The most commonly used intestinal mimetic culture apparatus is a simple single tank type or a continuous culture system using a multi-stage type culture tank that reproduces the intestinal tract part. To give a typical example, Gibson et al. Investigated the spatial, temporal and nutritional factors in intestinal fermentation, and the heterogeneous factors such as pH, so that the environment of the right and left hemicolons An intestinal mimetic culture device (hereinafter referred to as “3MCS”) provided with a triple stirrer-type culture tank focused on the difference was proposed (Non-patent Document 1). In this model, a medium simulating a dietary degradation mixture from the small intestine outlet is fed continuously or intermittently to the first tank. Accordingly, the first tank is under eutrophic conditions similar to those of the cecum, and the activity of microorganisms can be examined at a high microorganism growth rate and low pH. The second and third tanks have much fewer nutrient sources that microorganisms are likely to ingest, resulting in similar environmental conditions from the transverse colon to the left hemicolon with a low microbial growth rate and near neutral pH.

また、3MCSを基本としてDe Boeverらは胃及び小腸を模倣する無撹拌型培養槽を加えた5槽システム(The Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem: SHIME)を考案している(非特許文献2)。   Moreover, based on 3MCS, De Boever et al. Have devised a 5-tank system (The Simulator of the Human Intestinal Microbial Ecosystem: SHIME) that includes a non-stirring culture tank that mimics the stomach and small intestine (Non-patent Document 2). .

一方、オランダのTNOはTIM(TNO's in vitro gastrointestinal models, TIM)と呼ばれるモデルを開発した(特許文献1、2及び3、非特許文献3)。TIMは、胃及び小腸のぜん動運動をシミュレートするTIM-1と、大腸をシミュレートするTIM-2から構成されている。TIM2では中空糸ファイバー中で腸内フローラを培養することにより、代謝産物と微生物を分離抽出することができるシステムになっている。   On the other hand, TNO in the Netherlands has developed a model called TIM (TNO's in vitro gastrointestinal models, TIM) (Patent Documents 1, 2, and 3, Non-Patent Document 3). The TIM is composed of TIM-1 that simulates peristaltic movement of the stomach and small intestine and TIM-2 that simulates the large intestine. TIM2 is a system that can separate and extract metabolites and microorganisms by culturing intestinal flora in hollow fiber.

このように腸管培養システムには、腸管の形状や動き、pH等を様々なかたちで模倣するための工夫がなされている。なぜならば、腸内フローラのように栄養資化性や至適pHの異なっている多様な微生物数百種からなる群集を安定に維持及び培養することが困難だからである。   Thus, the intestinal tract culture system has been devised to imitate the shape, movement, pH, etc. of the intestinal tract in various ways. This is because it is difficult to stably maintain and culture a community composed of several hundreds of various microorganisms having different nutrient utilization and optimum pH, such as intestinal flora.

米国特許第5,525,305号U.S. Pat.No. 5,525,305 欧州特許第0642382号European Patent No. 0642382 欧州特許第0642382号European Patent No. 0642382

G.R. Gibson, et al.: Appl. Environ. Microbiol. 54:2750-2755 (1988)G.R.Gibson, et al .: Appl.Environ.Microbiol. 54: 2750-2755 (1988) P. De Boever, et al.: J Nutr. 130:2599-2606 (2000)P. De Boever, et al .: J Nutr. 130: 2599-2606 (2000) G.T. Macfarlane, et al.: Microbial Ecology. 35:180-187 (1998)G.T.Macfarlane, et al .: Microbial Ecology. 35: 180-187 (1998)

ところで、ヒトの腸はその表面が柔網とよばれる複雑な構造をとっており、このために非常に大きな比表面積を有していることが知られている。しかしながら、腸管模倣培養装置において腸管表皮の比表面積を拡大又は腸管表皮を模倣することにより、腸内細菌叢(フローラ)の多様性の維持を検討する研究は実施されてきていなかった。   By the way, the surface of the human intestine has a complicated structure called a soft net, and it is known that it has a very large specific surface area. However, no studies have been conducted to investigate the maintenance of the diversity of intestinal flora (flora) by enlarging the specific surface area of the intestinal epidermis or imitating the intestinal epidermis in an intestinal mimicking culture apparatus.

本発明は、実際の腸内細菌叢に類似した微生物多様性を維持する腸管模倣培養装置を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide an intestinal mimetic culture apparatus that maintains microbial diversity similar to the actual intestinal flora.

そこで本発明者らは、腸管模倣培養装置において腸管表皮の比表面積を拡大又は腸管表皮を模倣することにより、従来装置と比較して実際の腸内細菌叢に類似した微生物の多様性を維持することができるのではないかと考え、研究を重ねた。その結果、本発明者らは、腸管模倣培養装置に腸管表皮を模倣した構造物を組み込むことにより、微生物の多様性を増すことができることを見出した。   Therefore, the present inventors maintain the diversity of microorganisms similar to the actual intestinal microflora as compared with the conventional apparatus by expanding the specific surface area of the intestinal epidermis or imitating the intestinal epidermis in the intestinal mimicking culture apparatus. I thought that I could do it, and I repeated research. As a result, the present inventors have found that the diversity of microorganisms can be increased by incorporating a structure imitating the intestinal epidermis into the intestinal mimicking culture apparatus.

すなわち、本発明は以下の[1]〜[8]である。
[1]腸管模倣培養装置において、微生物多様性を増大させる少なくとも1つの機構が組み込まれていることを特徴とする腸管模倣培養装置。
[2]微生物多様性を増大させる機構が培養槽内の比表面積を拡大する機構である、[1]に記載の腸管模倣培養装置。
[3]培養槽内の比表面積を拡大する機構が発泡性担体である、[2]に記載の腸管模倣培養装置。
[4]培養槽内の比表面積を拡大する機構が不繊布担体である、[2]に記載の腸管模倣培養装置。
That is, the present invention includes the following [1] to [8].
[1] An intestinal mimetic culture apparatus characterized in that in the intestinal mimetic culture apparatus, at least one mechanism for increasing microbial diversity is incorporated.
[2] The intestinal mimetic culture apparatus according to [1], wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank.
[3] The intestinal mimetic culture apparatus according to [2], wherein the mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank is a foamable carrier.
[4] The intestinal imitation culture apparatus according to [2], wherein the mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank is a non-woven cloth carrier.

[5]微生物多様性を増大させる機構が培養槽内に微生物を保持する機構である、[1]〜[4]のいずれかに記載の腸管模倣培養装置。
[6]培養槽内に微生物を保持する機構が、腸から分泌される粘性物質を放出する機構である、[5]に記載の腸管模倣培養装置。
[5] The intestinal mimetic culture device according to any one of [1] to [4], wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a mechanism for retaining microorganisms in a culture tank.
[6] The intestinal mimetic culture apparatus according to [5], wherein the mechanism for holding microorganisms in the culture tank is a mechanism for releasing a viscous substance secreted from the intestine.

[7]腸から分泌される粘性物質がムチンである、[6]に記載の腸管模倣培養装置。
[8]微生物多様性を増大させる機構が、培養槽内の比表面積を拡大する機構と微生物多様性を増大させる機構との組み合わせである、[1]〜[7]のいずれかに記載の腸管模倣培養装置。
[7] The intestinal mimetic culture device according to [6], wherein the viscous substance secreted from the intestine is mucin.
[8] The intestinal tract according to any one of [1] to [7], wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a combination of a mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank and a mechanism for increasing microbial diversity. Imitation culture device.

本発明により、改良型腸管模倣培養装置が提供される。本発明に係る腸管模倣培養装置には、腸管表皮面積及びその構造を模倣した構造物が組み込まれているため、実験者は装置内に滞在する微生物種の多様性を容易に増大させることができ、また微生物を安定に装置内に維持することができる。さらに、本発明に係る腸管模倣培養装置内の微生物多様性は実際の腸管内に滞在する微生物フローラと類似したものとなる。   According to the present invention, an improved intestinal mimetic culture apparatus is provided. Since the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention incorporates a structure imitating the intestinal epidermis area and its structure, the experimenter can easily increase the diversity of microbial species staying in the apparatus. In addition, microorganisms can be stably maintained in the apparatus. Furthermore, the microbial diversity in the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention is similar to the microbial flora staying in the actual intestinal tract.

従来の腸管模倣培養装置3MCSの概略図を示す。A schematic diagram of a conventional intestinal mimetic culture apparatus 3MCS is shown.

本発明は、改良された腸管模倣培養装置に関する。腸管模倣培養装置とは、腸内環境を再現し、腸管機能を模倣した1若しくは複数の培養槽を備える連続培養システムを意味する。本発明においては、腸管模倣培養装置において、微生物多様性を増大させる少なくとも1つの機構が組み込まれていることを特徴とする。   The present invention relates to an improved intestinal mimetic culture apparatus. The intestinal mimetic culture apparatus means a continuous culture system provided with one or more culture tanks that reproduce the intestinal environment and imitate the intestinal tract function. The present invention is characterized in that at least one mechanism for increasing microbial diversity is incorporated in the intestinal mimetic culture apparatus.

本発明において使用する腸管模倣培養装置は、当技術分野において公知の腸管模倣培養装置であれば任意の装置とすることができる。具体的には、腸管機能を模倣して、腸内細菌が成育する環境(培養装置)を備えた装置であり、適宜に培養槽の容積、温度、pH、細菌、酵素、栄養条件、滞留時間、圧力などが制御されている。例えば、3つの撹拌型培養槽を供えた腸管模倣培養装置(3MCS、非特許文献1)、撹拌型培養槽と無撹拌型培養槽とを備えた5槽システムの培養装置(SHIME、非特許文献2)、流通管型培養槽を連結した培養装置(TIM、非特許文献3)などを使用することができる。使用可能な従来の培養装置の構成例(3MCS)を図1に示す。図1において、Vessel 1〜3は培養槽であり、培地及び各Vesselからポンプ(P4)で矢印方向に培地が移動する(青色実線)。タイマーは、長い点線で示されるようにポンプP4に接続されており、ポンプP4のON/OFFを制御し培地流量の調節を行う。短い点線は、pHコントローラ、それぞれの培養槽に装着されたpH電極、そしてそれぞれの培養槽にpH調整剤を送るためのポンプ(P1〜P3)との接続を示す。pHコントローラは各pH電極での測定値に基づき、各培養槽が設定pHになるようにポンプP1〜P3のON/OFFを制御する。使用できるpH調整剤は例えばNaOH、KOHなどがあるがこれに限定されるものではない。   The intestinal mimetic culture apparatus used in the present invention can be any apparatus as long as it is a known intestinal mimic culture apparatus. Specifically, it is a device equipped with an environment (culture device) that mimics the intestinal tract function and grows intestinal bacteria. The culture tank volume, temperature, pH, bacteria, enzymes, nutrient conditions, residence time The pressure is controlled. For example, an intestinal imitation culture device (3MCS, Non-Patent Document 1) provided with three agitation-type culture vessels, and a 5-tank system culture device (SHIME, Non-Patent Literature) equipped with an agitation-type culture vessel and an agitation-type culture vessel 2) A culture apparatus (TIM, Non-Patent Document 3) connected with a flow-tube type culture tank can be used. A configuration example (3MCS) of a conventional culture apparatus that can be used is shown in FIG. In FIG. 1, Vessels 1 to 3 are culture vessels, and the medium moves in the direction of the arrow from the medium and each Vessel with a pump (P4) (solid blue line). The timer is connected to the pump P4 as indicated by a long dotted line, and controls the ON / OFF of the pump P4 to adjust the medium flow rate. The short dotted line shows the connection to the pH controller, the pH electrode attached to each culture vessel, and the pumps (P1 to P3) for feeding the pH adjuster to each culture vessel. The pH controller controls ON / OFF of the pumps P1 to P3 so that each culture tank has a set pH based on the measured value at each pH electrode. Examples of pH adjusters that can be used include, but are not limited to, NaOH and KOH.

また、使用する細菌(微生物)も慣用の腸内細菌であれば特に限定されるものではなく、バクテロイデス属(Bacteroides)、アナエロラブダス属(Anaerorhabdus)、プレボテラ属(Prevotella)、スポロムサ属(Sporomusa)、コプロコッカス属(Coprococcus)、クロストリジウム属(Clostridium)(例えばC. coccoidesサブグループ、C. lituseburenseサブグループ、C.leptumサブグループ、C.botulinumサブグループ)、フェカリバクテリウム属(Faecalibacterium)、サルシナ属(Sarcina)、スタフィロコッカス属(Staphylococcus)、エンテロコッカス属(Enterococcus)、ストレプトコッカス属(Streptococcus)、アトポビウム属(Atopobium)、ユーバクテリウム属(Eubacterium)、ラクトバチルス属(Lactobacillus)、コリンセラ属(Collinsella)、エッゲルセラ属(Eggerthella)、スラッキア属(Slackia)、ペプトストレプトコッカス属(Peptostreptococcus)、アナエロコッカス属(Anaerococcus)、フィネゴルディア属(Finegoldia)、パルビモナス属(Parvimonas)、ペプトニフィルス属(Peptoniphilus)、フィブロバクター属(Fibrobacter)、アコレプラズマ属(Acholeplasma)、アナエロプラズマ属(Anaeroplasma)、フソバクテリウム属(Fusobacterium)、ビフィドバクテリウム属(Bifidobacterium)、ルミノコッカス属(Ruminococcus)、ラクトコッカス属(Lactococcus)、メガスフェラ属(Megasphaera)(例えばM. elsdenii)、及びマイコプラズマ属(Mycoplasma)に属する細菌が消化管内に生息する細菌として知られている。本発明においては、上述した腸内細菌であれば任意の細菌を使用することができる。例えば、腸内細菌は、糞便に由来するものとすることができる。また、これらの腸内細菌の検出方法、単離方法、系統分類なども公知である。   In addition, the bacteria (microorganisms) to be used are not particularly limited as long as they are conventional intestinal bacteria. , Coprococcus, Clostridium (eg, C. coccoides subgroup, C. lituseburense subgroup, C. leptum subgroup, C. botulinum subgroup), Faecalibacterium, Sarsina Genus (Sarcina), Staphylococcus, Enterococcus, Streptococcus, Atopobium, Eubacterium, Lactobacillus, Lactobacillus, Collinsella ), Eggerthella, Slacki a), Peptostreptococcus, Anaerococcus, Finegoldia, Parvimonas, Peptoniphilus, Fibrobacter, Acholeplasma (Acholeplasma) ), Anaeroplasma, Fusobacterium, Bifidobacterium, Ruminococcus, Lactococcus, Megasphaera (eg M. elsdenii), Bacteria belonging to the genus Mycoplasma are known as bacteria that inhabit the digestive tract. In the present invention, any bacteria can be used as long as it is the above-mentioned enteric bacteria. For example, enteric bacteria can be derived from feces. Moreover, the detection method, isolation method, systematic classification, etc. of these enteric bacteria are also well-known.

本発明においては、上記腸管模倣培養装置における培養槽内に、微生物多様性を増大させる少なくとも1つの機構を組み込む。そのような微生物多様性を増大させる機構とは、腸管模倣培養装置内において多種多様な微生物の成育を可能にする機構を意味し、具体的には、培養槽内の比表面積を拡大する機構及び培養槽内に微生物を保持する機構が含まれる。   In the present invention, at least one mechanism for increasing microbial diversity is incorporated into the culture tank in the intestinal mimicking culture apparatus. Such a mechanism for increasing microbial diversity means a mechanism that enables the growth of a wide variety of microorganisms in the intestinal mimetic culture apparatus, specifically, a mechanism that increases the specific surface area in the culture tank, and A mechanism for holding the microorganisms in the culture vessel is included.

「培養槽内の比表面積を拡大する機構」は、腸管の表面積を模倣する機構であり、具体的には多孔性構造物とすることができるが、比表面積を増大させることができる構造物であれば任意のものであってよい。そのような機構(多孔性構造物)は、例えば発泡性担体(スポンジ)、不繊布担体、多孔性ゲル、中空糸膜などとすることができ、そのような構造物は市販品として入手することが可能である。発泡性担体としては、例えば微生物固定化担体として知られるマイクロブレス(アイオン株式会社製)、バイオチューブ(JFEエンジニアリング株式会社製)、APG(日清紡ケミカル株式会社製)、多孔性セルロース担体(EYELA製)などが挙げられる。不繊布担体としては、例えば綿、セルロース、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ガラスウールなどの材質の多孔性不織布が挙げられる。中空糸膜としては、ポリエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリスルフォン、ポリフッ化ビニリデンなどの材質の多孔性中空糸膜が挙げられる。   The “mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank” is a mechanism that mimics the surface area of the intestinal tract, specifically a porous structure, but a structure that can increase the specific surface area. Any may be used. Such a mechanism (porous structure) can be, for example, a foamable carrier (sponge), a non-woven fabric carrier, a porous gel, a hollow fiber membrane, etc., and such a structure should be obtained as a commercial product. Is possible. Examples of the foamable carrier include micro breath (manufactured by Aion Co., Ltd.), biotube (manufactured by JFE Engineering Co., Ltd.), APG (manufactured by Nisshinbo Chemical Co., Ltd.), and porous cellulose carrier (manufactured by EYELA). Etc. Examples of the non-woven fabric carrier include porous nonwoven fabrics made of materials such as cotton, cellulose, nylon, polyester, polypropylene, and glass wool. Examples of the hollow fiber membrane include porous hollow fiber membranes made of materials such as polyethylene, polyacrylonitrile, polysulfone, and polyvinylidene fluoride.

「培養槽内の比表面積を拡大する機構」は、腸管模倣培養装置の培養槽内に遊離して存在してもよいし、あるいは固定されていてもよい。例えば、図1に示した従来の腸管模倣培養装置の各Vessel内に多孔性構造物を添加することにより、本発明の腸管模倣培養装置を構築することができる。   The “mechanism for enlarging the specific surface area in the culture tank” may exist in the culture tank of the intestinal mimetic culture apparatus, or may be fixed. For example, the intestinal mimetic culture apparatus of the present invention can be constructed by adding a porous structure in each Vessel of the conventional intestinal mimic culture apparatus shown in FIG.

また、「培養槽内に微生物を保持する機構」は、腸内微生物の生育や保持を促進する物質を放出又は保持して、腸管表皮の構成を模倣する機構であり、具体的には、腸から分泌される粘性物質を放出又は保持する機構である。そのような粘性物質は、特に限定されるものではないが、ムチン多糖類(ムチン1〜7)、腸管細胞表皮タンパク質、微生物細菌に対する抗体からなる群より選択される少なくとも1種とすることができる。粘性物質として好ましいムチン糖タンパク質は、当技術分野で公知であり、市販品として入手することができる。   In addition, the “mechanism for holding microorganisms in the culture tank” is a mechanism for releasing or holding a substance that promotes the growth and maintenance of intestinal microorganisms and imitating the structure of the intestinal epidermis. It is a mechanism that releases or retains viscous substances secreted from the body. Such a viscous substance is not particularly limited, and can be at least one selected from the group consisting of mucin polysaccharides (mucins 1 to 7), intestinal cell epidermal proteins, and antibodies against microbial bacteria. . Mucin glycoproteins preferred as viscous substances are known in the art and can be obtained as commercial products.

上記「培養槽内に微生物を保持する機構」は、腸管模倣培養装置の培養槽内にそのまま存在してもよいし、あるいは固定されていてもよいし、あるいは上記「培養槽内の比表面積を拡大する機構」と組み合わせて存在してもよい。例えば、「培養槽内に微生物を保持する機構」としての腸分泌粘性物質を、「培養槽内の比表面積を拡大する機構」としての発泡性担体又は不織布担体に保持させることができる。一例としては、実施例2に挙げたように、低濃度寒天に粘性物質を混合し、これを多孔性構造物に塗布することによって、好適な機構とすることができる。   The “mechanism for holding microorganisms in the culture tank” may be present as it is in the culture tank of the intestinal mimetic culture apparatus, or may be fixed, or the “specific surface area in the culture tank is determined. It may be present in combination with the “enlarging mechanism”. For example, an intestinal secretory substance as a “mechanism for holding microorganisms in a culture tank” can be held on an effervescent carrier or a nonwoven fabric carrier as a “mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank”. As an example, as described in Example 2, a suitable mechanism can be obtained by mixing a viscous substance in low-concentration agar and applying it to a porous structure.

本発明に係る腸管模倣培養装置は、腸管表皮面積及びその構造を模倣した構造物が組み込まれているため、実験者は装置内に滞在する微生物種の多様性を容易に増大させることができ、また微生物を安定に装置内に維持することができる。そのため、腸管における物質や薬剤の挙動を判定する方法や、物質や薬剤による腸管細菌への影響を判定する方法などの用途に有用である。具体的には、本発明に係る腸管模倣培養装置において被験物質を培養し、該腸管模倣培養装置における腸内細菌の生育又は増殖を判定することによって、腸内細菌の生育又は増殖に影響を及ぼす物質をスクリーニングすることが可能である。また、本発明に係る腸管模倣培養装置において被験薬を培養し、該腸管模倣培養装置における被験薬の放出を測定することによって、被験薬の放出プロフィールを測定することが可能である。なお、本発明の腸管模倣培養装置の用途は、従来の装置が使用されている用途であれば特に限定されるものではない。   Since the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention incorporates a structure imitating the intestinal epidermis area and its structure, the experimenter can easily increase the diversity of microbial species staying in the apparatus, Moreover, microorganisms can be stably maintained in the apparatus. Therefore, it is useful for applications such as a method for determining the behavior of substances and drugs in the intestine and a method for determining the effects of substances and drugs on intestinal bacteria. Specifically, the test substance is cultured in the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention, and the growth or proliferation of intestinal bacteria in the intestinal mimic culture apparatus is determined, thereby affecting the growth or proliferation of intestinal bacteria. Substances can be screened. Moreover, it is possible to measure the release profile of the test drug by culturing the test drug in the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention and measuring the release of the test drug in the intestinal mimic culture apparatus. In addition, the use of the intestinal mimicking culture apparatus of the present invention is not particularly limited as long as the conventional apparatus is used.

以下、本説明を実施例によりさらに詳細に説明する。なお、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, the present embodiment will be described in more detail with reference to examples. The present invention is not limited to these.

[参考例1]
豚糞を微生物源として、pH、温度、滞留時間といった大腸内における基本的な環境状態を模倣するが、なんら表皮を模倣する構造物を持たない、図1に示す従来の腸管模倣培養装置3MCSを用いた培養試験を行った。培養槽は3槽とも同じであり、側面にpH電極、培地供給・排出チューブ、pH調整剤投入チューブを取り付けることができるようにガラス製デュラン瓶を改造したものを自製した。検出された微生物種の数は、Vessel 1、Vessel 2及びVessel 3において、各々11、14及び14種類という結果となった。
[Reference Example 1]
The conventional intestinal mimetic culture device 3MCS shown in Fig. 1 that mimics the basic environmental conditions in the large intestine such as pH, temperature, and residence time, but does not have any structure that mimics the epidermis, using pig feces as a microbial source. The culture test used was performed. The culture tanks were the same for all three tanks, and they were made by remodeling a glass Duran bottle so that a pH electrode, a medium supply / discharge tube, and a pH adjusting agent charging tube could be attached to the side. The number of detected microbial species was 11, 14 and 14 types in Vessel 1, Vessel 2 and Vessel 3, respectively.

また、豚糞より検出された菌叢(非特許文献4:Michael A. Cotta , Terence R. Whitehead and Rhonda L. Zeltwanger, "Isolation, characterization and comparison of bacteria from swine faecesand manure storage pits," Environmental Microbiology 5(9):737-745 (2003))と、S字結腸/直腸を模倣した容器Vessel 3とを比較したところ、表1に示すように、9グループ中3グループが一致した結果となった。図1の培養装置では腸内細菌叢において通常観察される多くの嫌気性菌の培養に成功したが、豚糞の菌叢と比較したところ、1/3程度しか菌叢の再現が出来ていない結果となった。   In addition, bacterial flora detected from swine feces (Non-patent Document 4: Michael A. Cotta, Terence R. Whitehead and Rhonda L. Zeltwanger, "Isolation, characterization and comparison of bacteria from swine faecesand manure storage pits," Environmental Microbiology 5 (9): 737-745 (2003)) and the vessel Vessel 3 that imitates the sigmoid colon / rectum, as shown in Table 1, 3 out of 9 groups matched. Although the culture apparatus of Fig. 1 succeeded in culturing many anaerobic bacteria that are usually observed in the intestinal flora, only about 1/3 of the flora can be reproduced compared to the swine dung flora. As a result.

Figure 2012034589
Figure 2012034589

[実施例1]
内部に構造物を導入した腸管模倣培養装置の効果を示すために、図1に示した従来装置に多孔性担体を添加した培養装置を構築した。使用した担体は、マイクロブレス(高密度微生物固定担体、アイオン株式会社製)であり、大腸の表面積0.20 m2にあわせた量(Vessel 1: 0.18g, Vessel 2: 0.26g, Vessel 3: 0.26g)を添加した。
[Example 1]
In order to show the effect of the intestinal mimetic culture apparatus in which the structure was introduced, a culture apparatus in which a porous carrier was added to the conventional apparatus shown in FIG. 1 was constructed. The carrier used was micro-brace (high density microorganism fixed carrier, manufactured by Aion Co., Ltd.), and the amount according to the surface area of the large intestine 0.20 m 2 (Vessel 1: 0.18g, Vessel 2: 0.26g, Vessel 3: 0.26g) ) Was added.

装置は、Vessel 1〜3内に培地、攪拌子を入れた状態でオートクレーブ(121℃、20 min)した後、クリーンベンチ内で豚糞を接種し、予めUV滅菌(クリーンベンチ内でUVを20 min照射)したpH電極をVessel 1〜3に設置した。その後、フィルターを介して20 minにわたりN2ガスを通気することによって内部をN2ガスで置換し、嫌気状態にした。 After autoclave (121 ° C, 20 min) with medium and stirrer in Vessel 1-3, the device is inoculated with pig feces in a clean bench and pre-sterilized with UV (20 UV in clean bench). Min irradiation) pH electrodes were placed in Vessels 1-3. After that, N 2 gas was passed through the filter for 20 min to replace the inside with N 2 gas, which was anaerobic.

装置の滞留時間は大腸の各部位での滞留時間にあわせて表2に示した通りに設定した。ここで、各々のVessel内の滞留時間(Retention time)は、成人の一般的な糞便滞留時間に設定した。   The residence time of the apparatus was set as shown in Table 2 according to the residence time at each part of the large intestine. Here, the retention time (Retention time) in each Vessel was set to the general fecal residence time of an adult.

Figure 2012034589
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豚糞は、10 gを300 mLのオートクレーブ滅菌(121℃、20 min)済み生理食塩水で濾過して固形物を取り除いた。濾した豚糞を、Vessel 1〜3にそれぞれ100 mLずつ接種した。最終的な各Vesselにおける豚糞量は3.3gであった。接種後、豚糞中の微生物叢を安定させるため、スターラーでVessel内を攪拌しつつ、24時間前培養してから、培養装置の稼動を開始し、毎日サンプリングを行った。   The swine dung was filtered with 10 g of physiological saline that had been sterilized by autoclaving (121 ° C., 20 min) to remove solid matter. 100 mL of each of the filtered pig feces was inoculated into Vessels 1-3. The final amount of pig feces in each Vessel was 3.3 g. After inoculation, in order to stabilize the microflora in swine feces, the vessel was pre-cultured for 24 hours while stirring in the Vessel, and then the culture apparatus was started to perform sampling every day.

菌叢解析の結果、装置稼動開始から1日目の間に菌叢が大きく変化し、その後、培養8日目以降、菌叢の安定が見られた。菌叢が安定した培養8日目以降の菌叢としては、Bacteroides、Clostridium、Lactobacillus、Eubacterium、Listeria、Streptococcus、Enterococcusなどのグループが検出され、全微生物数はVessel 1(V1)、Vessel 2(V2)及びVessel 3(V3)において、各々20、15及び16種類であり、参考例1に示した初期バイオリアクターにおける結果と比較して、菌叢の多様性が高まった結果となった。   As a result of the flora analysis, the flora changed greatly during the first day from the start of operation of the device, and then the flora was stabilized after the eighth day of culture. Bacteroides, Clostridium, Lactobacillus, Eubacterium, Listeria, Streptococcus, Enterococcus, and other groups were detected as the bacterial flora after the 8th day of stable culture. The total number of microorganisms was Vessel 1 (V1), Vessel 2 (V2 ) And Vessel 3 (V3) were 20, 15 and 16 types, respectively, and compared to the results in the initial bioreactor shown in Reference Example 1, the diversity of the flora increased.

また、菌叢結果を、豚糞より検出された菌叢(非特許文献4)とS字結腸/直腸を模倣したVessel 3における菌叢との比較を行ったところ、検出不可能なT-RF値を除いて、9グループ中6グループが検出され、参考例1に示した初期バイオリアクターよりも菌叢の多様性が高まった結果となった(表3)。   In addition, when comparing the flora results with the flora detected in swine feces (Non-patent Document 4) and the flora in Vessel 3 that mimics the sigmoid colon / rectum, T-RF was detected. Except for the values, 6 out of 9 groups were detected, resulting in increased flora diversity over the initial bioreactor shown in Reference Example 1 (Table 3).

Figure 2012034589
Figure 2012034589

[実施例2]
腸管模倣培養装置の構築において、比表面積が重要な要素であることを実施例1に示したが、さらに、ヒトの大腸内の上皮細胞の管腔側表面を覆っている、杯細胞(goblet cells)より分泌された粘性物質ムチン(糖タンパク質)を主体とする分厚い粘液層を再現した「ムチン保持型培養装置」を構築した。
[Example 2]
Example 1 shows that specific surface area is an important factor in the construction of an intestinal mimetic culture apparatus, but in addition, goblet cells covering the luminal surface of epithelial cells in the human large intestine. ) A "mucin-retaining culture device" that reproduces a thick mucus layer mainly composed of the mucous substance (glycoprotein) secreted from the mucous substance was constructed.

ムチン層は、上皮を機械的な障害作用から保護するのみならず、上皮細胞の修復を促す因子を含んでおり、さらに、微生物の流出を防ぐなど腸内環境において重要な役割を担っていると考えられている。   The mucin layer not only protects the epithelium from mechanical damage, but also contains factors that promote the repair of epithelial cells, and also plays an important role in the intestinal environment, such as preventing the outflow of microorganisms. It is considered.

この「ムチン保持型培養装置」に導入する構造体は、実施例1で用いた担体に寒天とムチンを混合した高粘性液を含浸することにより作製した。構造体の添加量は実施例1と同じである。   The structure to be introduced into this “mucin-retaining culture apparatus” was prepared by impregnating the carrier used in Example 1 with a highly viscous liquid in which agar and mucin were mixed. The amount of structure added is the same as in Example 1.

担体へのムチンの含浸方法は、まず100 mLのmilli Q水に寒天を0.8 g溶解し、オートクレーブ(121℃、15min)後、UV滅菌(クリーンベンチ内で20分間UVを照射)したムチン(豚胃由来ムチン タイプIII、シグマ社製)2 gを入れ、溶解させた。溶解液が固まらないうちにマイクロブレス担体を入れ、吸引ポンプを用いて、担体中の脱気及びムチンゲルの含浸を15分間行った。   Mucin is impregnated on a carrier. First, 0.8 g of agar is dissolved in 100 mL of milli Q water, autoclaved (121 ° C, 15 min), then UV sterilized (UV irradiation for 20 minutes in a clean bench) (pig) 2 g of stomach-derived mucin type III (manufactured by Sigma) was added and dissolved. The micro-breath carrier was put before the solution was solidified, and the carrier was degassed and impregnated with mucin gel for 15 minutes using a suction pump.

菌叢解析の結果、検出された微生物数は、Vessel 1(V1)、Vessel 2(V2)及びVessel 3(V3)において各々10、11及び11種類であった。対照の寒天ゲル担体を導入した培養結果と比較すると、菌叢の多様性が増加していた(表4)。   As a result of the microbial flora analysis, the numbers of microorganisms detected were 10, 11 and 11 in Vessel 1 (V1), Vessel 2 (V2) and Vessel 3 (V3), respectively. Compared to the culture results of introducing the control agar gel carrier, the diversity of the flora increased (Table 4).

Figure 2012034589
Figure 2012034589

さらに、担体内の菌叢を対照の寒天ゲル担体を導入した培養装置で比較すると、「ムチン保持型培養装置」に、より多種類の微生物が生育していたことが確認できた(表5)。   Furthermore, when the bacterial flora in the carrier was compared with a culture device in which a control agar gel carrier was introduced, it was confirmed that more types of microorganisms were growing in the “mucin-retaining type culture device” (Table 5). .

Figure 2012034589
Figure 2012034589

以上の結果により、ムチンを含浸した「ムチン保持型培養装置」では、寒天のみの場合と比較して、菌叢の多様性が高まる結果となった。これにより、ムチンを培養装置に導入(固定化)することによって、培養槽内微生物の多様性を増大させることが分かった。   From the above results, in the “mucin-retaining culture apparatus” impregnated with mucin, the diversity of the flora increased compared to the case of agar alone. Thus, it has been found that introduction of mucin into the culture apparatus (immobilization) increases the diversity of microorganisms in the culture tank.

本発明により、改良型腸管模倣培養装置が提供される。本発明に係る腸管模倣培養装置には、腸管表皮面積及びその構造を模倣した構造物が組み込まれているため、実験者は装置内に滞在する微生物種の多様性を容易に増大させることができ、また微生物を安定に装置内に維持することができる。さらに、本発明に係る腸管模倣培養装置内の微生物多様性は実際の腸管内に滞在する微生物フローラと類似したものとなる。   According to the present invention, an improved intestinal mimetic culture apparatus is provided. Since the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention incorporates a structure imitating the intestinal epidermis area and its structure, the experimenter can easily increase the diversity of microbial species staying in the apparatus. In addition, microorganisms can be stably maintained in the apparatus. Furthermore, the microbial diversity in the intestinal mimetic culture apparatus according to the present invention is similar to the microbial flora staying in the actual intestinal tract.

Claims (4)

腸管模倣培養装置において、微生物多様性を増大させる少なくとも1つの機構が組み込まれていることを特徴とする腸管模倣培養装置。   An intestinal mimetic culture apparatus, wherein at least one mechanism for increasing microbial diversity is incorporated in the intestinal mimetic culture apparatus. 微生物多様性を増大させる機構が培養槽内の比表面積を拡大する機構である、請求項1に記載の腸管模倣培養装置。   The intestinal mimetic culture apparatus according to claim 1, wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a mechanism for expanding the specific surface area in the culture tank. 微生物多様性を増大させる機構が培養槽内に微生物を保持する機構である、請求項1又は2に記載の腸管模倣培養装置。   The intestinal mimetic culture apparatus according to claim 1 or 2, wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a mechanism for holding microorganisms in a culture tank. 微生物多様性を増大させる機構が、培養槽内の比表面積を拡大する機構と微生物多様性を増大させる機構との組み合わせである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の腸管模倣培養装置。   The intestinal mimetic culture apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the mechanism for increasing microbial diversity is a combination of a mechanism for expanding a specific surface area in a culture tank and a mechanism for increasing microbial diversity. .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2021003023A (en) * 2019-06-25 2021-01-14 日環科学株式会社 Closed 3d fractal culture system and cultured object thereof

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