JP2015177755A - Groove structure which expresses cell exclusion properties - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞の接着、増殖、伸展・移動を抑制することによって、長期に渡って安定に細胞排除性を発現する、細胞チップ及び細胞培養基材などの表面に加工される溝構造に関するものである。基材上の平滑な細胞親和領域の周囲に、上記の単一あるいは複数列のV字溝構造からなる細胞排除領域を隣接して配置することによって、細胞パターニングや細胞を用いた組織形成などの細胞工学的あるいは医学的応用に資するものである。 The present invention relates to a groove structure processed on the surface of a cell chip, a cell culture substrate, or the like that stably expresses cell exclusion over a long period of time by suppressing cell adhesion, proliferation, extension / migration. It is. By arranging the cell exclusion area consisting of the above-mentioned single or multiple rows of V-shaped groove structure around the smooth cytophilic area on the substrate, cell patterning and tissue formation using cells etc. Contributes to cell engineering or medical applications.
DNAチップやプロテインチップに代表されるように、生体分子をチップ表面のμmスケールの微小領域に固定化し、ハイスループット解析する技術が近年開発され、頻繁に利用されている。さらに最近では、チップ上に細胞をアレイ状に配列した細胞チップも開発され、細胞レベルでの遺伝子、タンパク質のハイスループット機能解析が医療診断分野などへ応用され始めている。
細胞の機能評価をハイスループット解析するためには、他のバイオチップと同様にチップ表面へ細胞をアレイ状に接着させて培養する必要がある。これまでに、基材上の微小な部分にのみ細胞を選択的に接着させ、配列させる培養技術がいくつか報告されている。このようなヒトや動物由来の培養細胞の安定な配列制御技術が確立されたならば、センシング機能を有する細胞チップや生体有用物質生産のためのバイオリアクターなどに産業応用することが可能になるばかりでなく、iPS細胞などの幹細胞培養のための培養基材への適用によって、再生医療やハイブリッド型人工臓器などの先端医療分野への応用も期待される。
As represented by DNA chips and protein chips, a technique for immobilizing biomolecules on a micro area of μm scale on the chip surface and performing high-throughput analysis has recently been developed and frequently used. Furthermore, recently, a cell chip in which cells are arranged in an array on a chip has been developed, and high-throughput functional analysis of genes and proteins at the cell level has begun to be applied to the field of medical diagnosis.
In order to perform high-throughput analysis of cell function evaluation, it is necessary to culture cells by attaching them to the chip surface in the same manner as other biochips. So far, several culture techniques have been reported in which cells are selectively adhered and arranged only on a minute part on a substrate. Once such stable sequence control technology for cultured cells derived from humans and animals is established, it will be possible to industrially apply to cell chips having sensing functions, bioreactors for the production of biologically useful substances, etc. In addition, application to culture substrates for stem cell culture such as iPS cells is expected to be applied to advanced medical fields such as regenerative medicine and hybrid artificial organs.
培養細胞を配列制御する方法としては、従来、細胞に対して接着の容易さが異なるような表面が同一平面上でパターンをなしているような基材を用い、この表面で細胞を培養し、細胞が接着するように加工した表面だけに細胞が接着することによって細胞を配列させる方法がとられている。
例えば、特許文献1では、細胞非接着性あるいは細胞接着性高分子をフォトリソグラフィ法によりマイクロパターニングした表面上への培養細胞の配列を試みている。細胞接着性高分子としては、コラーゲン、フィブロネクチンなどの細胞接着性蛋白質、細胞非接着性高分子としては、ポリビニルアルコールやポリエチレングリコールなどの電荷を持たない親水性高分子が代表的な物質である。
特許文献2では、細胞の接着率や形態に影響を与えるコラーゲンなどの物質がパターニングされた細胞培養用基材と、この基材をフォトリソグラフィ法によって作製する方法について開示している。このような基材の上で細胞を培養することによって、コラーゲンなどがパターニングされた表面により多くの細胞を接着させ、細胞のパターニングを実現している。
特許文献3では、ポリエポキシ化合物からなる架橋剤を用いて処理した架橋アルブミンを基板上に塗布することで細胞非接着性表面を作製し、その一部にコラーゲン、フィブロネクチンなどの細胞接着性の細胞外マトリックスをインクジェット印刷技術によって配置することで、細胞のマイクロパターニングを可能としている。
特許文献4では、基材上にコーティングしたゼラチン、コラーゲンに対して、イオンビームを照射することによって照射部位が細胞非接着性となることを特徴とする細胞接着制御材料が報告されている。
しかし、現在知られているこれらの細胞配列方法は、基板表面にタンパク質性の細胞接着因子等を固定したり、化学的方法によって表面を疎水化・親水化したりした培養基板を用いているために、表面の安定性や均一性の問題から、培養期間中に細胞接着性等が変化してしまうという本質的な問題があり、長期間の細胞の培養や、細胞の接着・非接着を完全に仕分けてパターンニングすることは困難であり、細胞パターンニング,生体内外での組織形成等への応用には大きな制限があった。さらに、特許文献4のようなイオン注入による接着性の改変には、大型で高価なイオン注入装置が必要という欠点も伴う。
As a method for controlling the arrangement of cultured cells, conventionally, using a base material on which surfaces having different ease of adhesion to cells form a pattern on the same plane, cells are cultured on this surface, A method is used in which cells are arranged by adhering only to the surface that has been processed so that the cells adhere.
For example,
In Patent Document 3, a non-cell-adhesive surface is prepared by applying a cross-linked albumin treated with a cross-linking agent made of a polyepoxy compound onto a substrate, and cell-adherent cells such as collagen and fibronectin are formed on a part thereof. Micropatterning of cells is possible by arranging the outer matrix by inkjet printing technology.
Patent Document 4 reports a cell adhesion control material characterized in that an irradiation site becomes non-cell-adhesive by irradiating an ion beam to gelatin or collagen coated on a substrate.
However, these currently known cell array methods use a culture substrate in which proteinous cell adhesion factors or the like are fixed on the substrate surface or the surface is hydrophobized / hydrophilicized by a chemical method. However, due to surface stability and uniformity problems, there is an essential problem that cell adhesiveness changes during the culture period, and long-term cell culture and cell adhesion / non-adhesion are completely eliminated. Sorting and patterning is difficult, and there are significant limitations in application to cell patterning, tissue formation in and outside the body, and the like. Furthermore, the modification of adhesion by ion implantation as in Patent Document 4 is accompanied by a disadvantage that a large and expensive ion implantation apparatus is required.
これらの問題を解決するため、培養中に基板表面から脱離し易い細胞非接着性の化学物質を用いることなく、細胞パターンを長期間維持出来るように、安定で堅牢な細胞排除性を発現する表面の創製が求められてきた。 In order to solve these problems, a surface that exhibits stable and robust cell exclusion so that the cell pattern can be maintained for a long time without using non-cell-adhesive chemicals that are easily detached from the substrate surface during culture. The creation of
本発明は、安定で堅牢な細胞排除性を発現する表面を細胞親和表面の周囲に隣接して配することによって、基礎及び臨床医学、インプラント、再生医療分野において必要性が高い長期間安定な高感度細胞チップや、安全性の高い細胞シートなどの作製を可能とすることを目的とする。
従来の細胞接着あるいは非接着領域のマイクロパターン作製方法においては、フォトマスク加工法やスタンプ法で細胞非接着性の化学物質が使用され、ポリエチレングリコール(PEG)などがもっぱら細胞非接着領域を形成するために使用され、PEG修飾領域とPEG非修飾領域をそれぞれ細胞非接着領域、細胞接着領域としてパターン形成を行うという技術であった。
しかしながら、このような基板表面の化学的性質を利用する従来の細胞配列方法は、表面の安定性や均一性の問題から、培養期間中に接着性等が変化してしまうという問題があり、長期間の細胞の培養や、細胞の接着・非接着を完全に仕分けてパターンニングすることは原理的に困難であり、細胞パターンニング、組織形成等への応用には大きな制限があった。この問題を解決するため、培養中に基板表面から脱離し易い細胞非接着性の化学物質を用いることなく、細胞パターンを長期間維持出来るような、安定で堅牢な細胞排除性表面の創製が強く求められている。化学物質を用いなければ、培養液に化学物質が脱離することもないために培養細胞への影響も少なく、細胞チップでは解析精度が高くなり、再生医療に用いた場合には、生体への安全性の向上を図ることができる。
The present invention provides a stable and robust surface-excluded surface adjacent to the periphery of the cytophilic surface, thereby providing a long-term stable high-requirement that is highly necessary in the basic and clinical medicine, implant, and regenerative medicine fields. The object is to enable the production of sensitive cell chips and highly safe cell sheets.
In conventional cell adhesion or non-adhesion region micropattern fabrication methods, non-cell-adhesive chemicals are used in photomask processing and stamping methods, and polyethylene glycol (PEG), etc., forms cell non-adhesion regions exclusively. The PEG-modified region and the PEG-unmodified region are used as a cell non-adhesion region and a cell adhesion region, respectively.
However, the conventional cell array method using the chemical properties of the surface of the substrate has a problem that the adhesiveness and the like change during the culture period due to surface stability and uniformity. In principle, it is difficult to perform patterning by completely sorting cell adhesion and non-adhesion of cells for a certain period of time, and there are significant limitations in application to cell patterning, tissue formation, and the like. In order to solve this problem, the creation of a stable and robust cell-exclusion surface that can maintain the cell pattern for a long time without using non-cell-adhesive chemicals that are easily detached from the substrate surface during culture is strong. It has been demanded. If chemical substances are not used, the chemical substances will not be detached from the culture medium, so there will be little effect on the cultured cells, the cell chip will have high analysis accuracy, and if used for regenerative medicine, Safety can be improved.
本発明は、細胞培養基板において、単一あるいは複数列のV字溝構造からなる、安定で堅牢な細胞排除性を発現する表面を細胞親和表面の周囲に隣接して配することによって、上記課題を解決するものである。 The present invention provides a cell culture substrate comprising a single or multiple rows of V-groove structures, and a surface that expresses a stable and robust cell exclusion property adjacent to the periphery of the cell affinity surface. Is a solution.
本発明者らは、従来の細胞非接着性の化学物質を用いた細胞培養方法による問題点に鑑み鋭意研究を重ねた結果、基板表面に形成した細胞スケールの幾何構造(V字溝構造) に培養細胞が反応し、このV字溝構造の夾角と溝底面の曲率半径を適切に調整することによって、懸濁状態で播種された細胞のV字溝構造部分への初期接着が顕著に抑制され、さらに、V字溝構造部分に接着した小数の細胞は溝構造内の微小空間に閉じ込められることによって平面上とは異なった細胞形態に変化し、その結果として細胞増殖、伸展が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち本発明は、細胞チップ、インプラント、再生医療に使用される細胞を培養する基板において、基板表面の細胞親和領域の周囲に隣接して適切な形状と寸法を有したV字溝構造からなる細胞排除性表面を配置することによって、基板上に播種された細胞の接着、増殖、伸展・移動などの動態を、従来用いられていたような細胞排除性の化学物質を用いることなくコントロール可能な培養基板を提供する。
The present inventors have conducted extensive research in view of the problems associated with conventional cell culture methods using non-cell-adhesive chemicals, and as a result, have obtained a cell-scale geometric structure (V-groove structure) formed on the substrate surface. By initial adjustment of the depression angle of the V-groove structure and the radius of curvature of the groove bottom, the initial adhesion of the cells seeded in suspension to the V-groove structure is significantly suppressed. In addition, a small number of cells adhered to the V-shaped groove structure are confined in a minute space within the groove structure, thereby changing to a cell shape different from that on the plane, and as a result, cell proliferation and extension are suppressed. As a result, the present invention has been completed.
That is, the present invention relates to a cell for culturing cells used in cell chips, implants, and regenerative medicine, and a cell having a V-shaped groove structure having an appropriate shape and size adjacent to the periphery of the cell affinity region on the surface of the substrate. By placing an exclusion surface, the culturing of cells seeded on the substrate can be controlled without using cell-exclusion chemicals such as those used in the past. Providing a substrate.
本発明によるV字溝構造を設けた細胞培養基板の概念図を、図1に示す。本発明の基板は、細胞の接着、増殖、伸展・移動が阻害を受けない平滑な表面からなる細胞親和領域(図のB領域)と、その周囲に隣接して設けられる、細胞の接着、増殖、伸展・移動が阻害されるV字溝構造が加工された細胞排除領域(図のA, An-1, An領域)を構成単位とする。
細胞の移動性に応じてV字溝構造を複数列にする(右上図)ことによって、細胞接着性平面間の細胞移動の抑制を単一の列より高めることも可能である。
さらに、細胞接着性平面を凸の島構造から凹の穴構造にする(右下図)ことによって、細胞の移動性は一層抑制されることになる。
A conceptual diagram of a cell culture substrate provided with a V-shaped groove structure according to the present invention is shown in FIG. The substrate of the present invention is a cell-affinity region (B region in the figure) consisting of a smooth surface that does not inhibit cell adhesion, proliferation, extension / migration, and cell adhesion / proliferation provided adjacent to the periphery. The cell exclusion region (A, An-1, An region in the figure) in which the V-shaped groove structure that inhibits extension / movement is processed is used as a structural unit.
By arranging the V-shaped groove structure in a plurality of rows according to the cell mobility (upper right figure), it is possible to further suppress the cell migration between the cell adhesion planes than in a single row.
Furthermore, by changing the cell adhesion plane from a convex island structure to a concave hole structure (lower right figure), cell mobility is further suppressed.
本発明に用いられるV字溝構造は、培養液等に懸濁した球状の細胞が完全に入る深さと幅を有し、かつ溝壁面がなす夾角が53度以下となる、V字形状の溝であることを特徴とする。
溝がこのような深さと幅を有することにより、細胞が当該溝をまたいで、基板表面上で直接増殖することを防ぐことができ、また、溝壁面がこのような夾角を有することにより、溝に入った細胞が、細胞親和領域とは異なる、溝壁面に挟まれた狭い空間に置かれることにより、当該細胞の正常な成長・増殖を妨げることができる。
このような観点から、本発明の溝構造は、溝底面の曲率半径が20μm以下で、細胞の曲率半径より小さいことが好ましい。
また、このような観点から、本発明のV字溝の幅は、細胞がV字溝内にすっかり収まる大きさであり、たとえば、通常本発明の用途に用いられる5〜100μm程度の大きさを有するヒト、動物由来の真核細胞などのうち、5μm程度の大きさの細胞については15μm程度以上であることが好ましい。
The V-shaped groove structure used in the present invention is a V-shaped groove having a depth and a width that allow spherical cells suspended in a culture solution or the like to enter completely, and an angle formed by the groove wall surface is 53 degrees or less. It is characterized by being.
The groove having such a depth and width can prevent cells from directly growing on the substrate surface across the groove, and the groove wall surface having such a depression angle can prevent the groove from growing. The cells that enter can be prevented from normal growth / proliferation of the cells by being placed in a narrow space between the groove wall surfaces, which is different from the cell affinity region.
From such a viewpoint, the groove structure of the present invention preferably has a radius of curvature of the bottom surface of the groove of 20 μm or less and smaller than the radius of curvature of the cell.
From this point of view, the width of the V-shaped groove of the present invention is a size that allows the cells to be completely accommodated in the V-shaped groove. Among the human and animal-derived eukaryotic cells having a size of about 5 μm, the size is preferably about 15 μm or more.
そして、本発明は、上記手段を使用して細胞の動態をコントロールすることにより、細胞チップ、インプラント、再生医療分野において必要とされる細胞のパターンニング、ネットワーク化、 組織構築等を可能とするものである。
なお、基板材料としては、ガラスや結晶、 金属、 樹脂など、通常の細胞チップ、インプラント、再生医療用材料に用いられる種々の材料の基板を用いることができる。また、これら基板表面へのV字溝構造の加工方法としては、切削、集束イオンビーム、サンドブラスティング、射出成形、コンタクトインプリント、リソグラフィーなどの、基板の材質にあった既知の任意の方法を選択することが可能である。
The present invention enables cell patterning, networking, tissue construction, etc. required in the field of cell chips, implants, and regenerative medicine by controlling cell dynamics using the above means. It is.
In addition, as a substrate material, substrates of various materials used for normal cell chips, implants, and regenerative medical materials such as glass, crystal, metal, and resin can be used. In addition, as a processing method of the V-shaped groove structure on the surface of the substrate, any known method suitable for the material of the substrate such as cutting, focused ion beam, sand blasting, injection molding, contact imprint, lithography, etc. may be used. It is possible to select.
細胞培養基板に幾何学的構造を設ける技術は、本発明以前にも、いくつか知られている。
たとえば、特許文献5では、本発明と同様に、細胞の移動、接着を阻害するための阻害領域として、リソグラフィー法で作製された複数の多角柱形状の構造物を設けることが記載されている。構造物の頂上面の一辺の長さは、3μm以上20μm以下で、構造物の間隔は0.5μm以上1.5μm以下を特徴としている。
特許文献5では、上記構造物の間隔を細胞の大きさよりも小さくすることにより、細胞が当該構造物に接着し、また、当該構造物の領域を越えて移動することを阻害している。
また、特許文献6では、天面を有する凸部と該凸部間に形成される凹部からなる、細胞シートを形成するための環境応答性ポリマーから構成される細胞支持体が報告されている。当該支持体は、当該凹部の開口部の幅を培養される細胞が潜入できない寸法の0.1〜10μmにすることによって、当該凹部をまたいで成長・増殖する細胞シートに対し、当該凹部を細胞非接着性とすることにより、得られた細胞シートを支持体からはがしやすくするものである。
これに対し、本発明は、細胞が潜入可能な幅を有するV字溝を設けることにより、細胞が当該V字溝をまたいで直接増殖することが防げるとともに、当該V字溝に潜入した細胞は正常な増殖が妨げられ、当該V字溝に沿った増殖も妨げられることを見出したものであり、特許文献5の方法よりも、より簡略な、作製も容易な構造により、細胞の接着、増殖、伸展・移動の阻害を実現するものである。
Several techniques for providing a geometric structure on a cell culture substrate have been known before the present invention.
For example, Patent Document 5 describes providing a plurality of polygonal column-shaped structures produced by a lithography method as an inhibition region for inhibiting cell migration and adhesion, as in the present invention. The length of one side of the top surface of the structure is 3 μm or more and 20 μm or less, and the interval between the structures is 0.5 μm or more and 1.5 μm or less.
In Patent Document 5, the interval between the structures is made smaller than the size of the cells, thereby preventing the cells from adhering to the structure and moving beyond the region of the structure.
Moreover, in patent document 6, the cell support body comprised from the environmentally responsive polymer for forming a cell sheet which consists of the convex part which has a top | upper surface, and the recessed part formed between this convex part is reported. The support is made non-adherent to the cell sheet that grows and proliferates across the recess by setting the width of the opening of the recess to 0.1 to 10 μm, which is a size in which cells to be cultured cannot infiltrate. By making it sex, the obtained cell sheet is easily peeled off from the support.
In contrast, according to the present invention, by providing a V-shaped groove having a width that allows cells to infiltrate, it is possible to prevent cells from directly proliferating across the V-shaped groove, and cells that have entered the V-shaped groove are It has been found that normal growth is prevented and growth along the V-shaped groove is also prevented, and the adhesion and proliferation of cells by a structure that is simpler and easier to produce than the method of Patent Document 5. , To achieve the inhibition of extension and movement.
すなわち、本出願は以下の発明を提供するものである。
〈1〉細胞の接着、増殖、伸展・移動を阻害するV字形状の溝であって、培養液等に懸濁された球状の細胞が完全に入る深さと幅を有し、かつ溝壁面の夾角が53度以下となることを特徴とする細胞排除性溝構造。
〈2〉溝底面の曲率半径が20μm以下である、〈1〉に記載の細胞排除性溝構造。
〈3〉〈1〉または〈2〉に記載の細胞排除性溝構造が形成された、細胞培養基板。
〈4〉細胞排除性溝構造が細胞親和領域の周囲に形成された、〈3〉に記載の細胞培養基板。
〈5〉細胞排除性溝構造が単数の列、あるいは複数の列設けられた、〈3〉または〈4〉に記載の細胞培養基板。
〈6〉細胞親和領域が平滑な平面であることを特徴とする、〈3〉〜〈5〉のいずれかに記載の細胞培養基板。
〈7〉細胞親和領域が細胞接着性のタンパク質によって表面修飾されていることを特徴とする、〈3〉〜〈6〉のいずれかに記載の細胞培養基板。
〈8〉細胞培養基板が、細胞チップ、インプラント材料、細胞シート培養用基板として用いられることを特徴とする、〈3〉〜〈7〉のいずれかに記載の細胞培養基板。
〈9〉切削、集束イオンビーム、サンドブラスティング、射出成形、コンタクトインプリント、リソグラフィーのいずれかにより溝を加工することを特徴とする、〈1〉または〈2〉に記載の細胞排除性溝構造の製造方法。
That is, this application provides the following invention.
<1> A V-shaped groove that inhibits cell adhesion, proliferation, extension, and migration, and has a depth and width that allow a spherical cell suspended in a culture solution or the like to completely enter. A cell-excluded groove structure characterized by a depression angle of 53 degrees or less.
<2> The cell-excluded groove structure according to <1>, wherein the curvature radius of the groove bottom is 20 μm or less.
<3> A cell culture substrate on which the cell-exclusion groove structure according to <1> or <2> is formed.
<4> The cell culture substrate according to <3>, wherein the cell-exclusion groove structure is formed around the cell affinity region.
<5> The cell culture substrate according to <3> or <4>, wherein the cell-exclusion groove structure is provided in a single row or in a plurality of rows.
<6> The cell culture substrate according to any one of <3> to <5>, wherein the cell affinity region is a smooth plane.
<7> The cell culture substrate according to any one of <3> to <6>, wherein the cell affinity region is surface-modified with a cell adhesive protein.
<8> The cell culture substrate according to any one of <3> to <7>, wherein the cell culture substrate is used as a cell chip, an implant material, or a cell sheet culture substrate.
<9> The cell-excluded groove structure according to <1> or <2>, wherein the groove is processed by any one of cutting, focused ion beam, sandblasting, injection molding, contact imprint, and lithography. Manufacturing method.
本発明によれば、V字溝加工が施されていない平面の細胞親和領域(島構造あるいは穴構造)では細胞が正常に接着、増殖、分化する。一方、V字溝加工が施された細胞排除領域では、微小なV字空間によって細胞の接着、増殖、伸展・移動が顕著に抑制される。その結果、基板の表面上で、細胞の接着領域と非接着領域を明確に分けることができる。
周囲にV字溝加工が施された細胞排除領域を配した細胞親和領域をパターン化して配置させることにより、自在に細胞接着パターンを基板上に設定できる。これにより、細胞チップ、インプラント、再生医療分野において必要とされる細胞のパターンニング、ネットワーク化、 組織構築等が可能となる。
本発明を適用した細胞チップにおいては解析だけでなく、細胞親和領域の別々に異なった細胞接着性物質に薬剤や遺伝子を混入することで、それぞれ独立して互いに混じり合うことのない導入エリアを設定することができるため、所望のクローン細胞が得やすくなる。よって、様々な細胞表現型(細胞運動・分化・細胞死・細胞増殖など) に基づく薬剤や遺伝子のスクリーニングや評価が可能となる。
本発明の方法によれば、従来のフォトマスク加工やスタンプ法と比べて簡便かつ低コストで細胞の接着領域のマイクロパターンを形成することができるため、培養基板のマイクロアレイ化ができ、これを用いて薬剤や遺伝子の評価を迅速、簡便、安価に行える。このように、本発明により、新たな医薬品開発や遺伝子解析ツール、再生医療用培養基材が提供される。
以上のように本発明の培養基板は、局所的な細胞の接着、増殖、伸展・移動などの動態を確実にコントロールでき、また基板材料を直接表面加工して形成したV字溝構造、即ち調整された形状及び幅と深さといった、物理的構造によりこのようなコントロールを行うものであるため、化学物質を用いた場合のような表面からの脱離や変性がなく、細胞排除性部位における細胞排除性は培養期間中維持され、長期間の生体細胞の培養や、パターンニングなどを容易に実現できるので、生体細胞ネットワーク形成, 組織形成等が可能である。また、本発明の培養基板は、化学物質を用いた場合のように化学物質の作用が細胞に及ぶことがないため、細胞チップとして用いた場合、被検試料の正確なチップ解析が可能となり、インプラント、再生医療用材料として用いた場合にも、化学物質のコンタミネーションが無く、より安全な治療を可能とするなどのメリットがある。
According to the present invention, cells normally adhere, proliferate, and differentiate in a planar cytophilic region (island structure or hole structure) that is not subjected to V-groove processing. On the other hand, in the cell exclusion region that has been subjected to V-shaped groove processing, cell adhesion, proliferation, extension, and movement are remarkably suppressed by the minute V-shaped space. As a result, the cell adhesion region and the non-adhesion region can be clearly separated on the surface of the substrate.
A cell adhesion pattern can be freely set on a substrate by patterning and arranging a cell affinity region having a cell exclusion region with a V-shaped groove formed around it. Thereby, cell patterning, networking, tissue construction, etc. required in the field of cell chips, implants, and regenerative medicine are possible.
In the cell chip to which the present invention is applied, not only analysis but also introduction of areas that do not mix with each other independently by mixing drugs and genes into different cell adhesion substances in the cell affinity region. This makes it easier to obtain desired clonal cells. Therefore, it becomes possible to screen and evaluate drugs and genes based on various cell phenotypes (cell motility, differentiation, cell death, cell proliferation, etc.).
According to the method of the present invention, since the micropattern of the cell adhesion region can be formed easily and at a lower cost than the conventional photomask processing and stamp method, the culture substrate can be made into a microarray and used. This makes it possible to evaluate drugs and genes quickly, simply, and inexpensively. Thus, the present invention provides a new drug development, gene analysis tool, and culture substrate for regenerative medicine.
As described above, the culture substrate of the present invention can surely control the dynamics such as local cell adhesion, proliferation, extension, and movement, and also has a V-groove structure formed by directly surface processing the substrate material. Since this is controlled by physical structure such as the shape and width and depth of the cells, there is no detachment or denaturation from the surface as in the case of using chemical substances, and cells in the cell exclusion site Exclusion is maintained during the culturing period, and long-term culturing and patterning of living cells can be easily realized, so that formation of living cell networks, tissue formation, and the like are possible. In addition, since the culture substrate of the present invention does not reach the cell as the chemical substance acts as in the case of using a chemical substance, when used as a cell chip, it becomes possible to perform an accurate chip analysis of the test sample, Even when used as an implant or a material for regenerative medicine, there is a merit that there is no contamination of chemical substances and a safer treatment is possible.
本発明は、基板において細胞の固定領域及び排除領域を制御するという目的を、簡便で、しかも精度も高い、優れた基板の表面幾何構造によって、細胞、基板の種類等に左右されないで実現した。ここで用いられる基板としては、平滑な表面をもつ固体材料であれば種類を問わない。例えば、細胞チップ、インプラント、再生医療用材料などの使用目的に応じて、ガラス、石英、プラスチックなどが挙げられるが、それらに限定されない。また、その表面形状としては、幾何構造を加工する方法に応じ、平面状あるいは曲面状表面のいずれでもよく、平板に限定されることはない。 The present invention has realized the purpose of controlling the fixed and excluded areas of cells in a substrate, regardless of the type of cells, the substrate, etc., by means of an excellent substrate surface geometry that is simple and highly accurate. The substrate used here is not limited as long as it is a solid material having a smooth surface. Examples thereof include, but are not limited to, glass, quartz, and plastic depending on the purpose of use such as cell chips, implants, and regenerative medical materials. Further, the surface shape may be either a flat surface or a curved surface depending on the method of processing the geometric structure, and is not limited to a flat plate.
本発明における対象となる「細胞」としては、典型的には付着性の株化あるいは癌細胞、哺乳動物の正常あるいはガン組織から分離された初代細胞、または、ES細胞やiPS細胞など人工的に操作された細胞などを含む。基板付着性を示さない血液細胞などの浮遊性の細胞は、その性質ゆえに本発明の対象からは除外される。 The “cell” as a target in the present invention is typically an adherent cell line or a cancer cell, a primary cell isolated from normal or cancerous tissue of a mammal, or an artificial cell such as an ES cell or an iPS cell. Including engineered cells. Suspended cells such as blood cells that do not exhibit substrate adhesion are excluded from the subject of the present invention due to their nature.
本発明において基板上に細胞を配置するプロセスとは、所望の配列パターンに基づいて、特定の細胞を接着させる工程を意味する。すなわち、複数の細胞のスポットを一定の領域内に整列させて固定化した細胞チップの作製、iPS細胞などの幹細胞からの増殖・分化誘導した再生組織の生体外での形成、あるいは生体内に埋入されたインプラント上での特定細胞の生着などが含まれる。設計したパターン上への細胞の配置が成功するには、細胞親和領域への細胞の接着だけでなく、それ以外の領域への細胞接着、増殖、伸展・移動が抑制されてはじめて可能となる。
細胞親和領域への細胞接着を確実とするためには、コラーゲン、フィブロネクチンなどの細胞接着性蛋白質などの表面コーティングが有効である。
さらに、これらの細胞外マトリックスは、DNAやRNAなどの核酸物質を混ぜることにより、細胞親和領域において培養された細胞への、細胞接着面を介する遺伝子導入に利用することができる。
細胞親和領域への細胞播種は、基板表面全体に細胞含有液を接触させたり、あるいは細胞含有液をインジェクタ等によって細胞親和領域へピンポイントで播種したりする従来技術の適応が可能である。
現在問題となっているのは、化学物質を用いた細胞排除面は経時的に不安定であり、短期間で細胞排除能が弱まり、細胞パターンが失われることである。本発明は、基板表面に構築された幾何構造に細胞排除能を持たせることによって、細胞の初期接着の抑制だけでなく、その後の増殖、移動の抑制にも有効であるため、長い期間にわたって細胞パターンが維持され、細胞チップ解析の精度向上、インプラントの生体適合性の向上、再生医療における幹細胞工学の高度化におおいに有効である。
In the present invention, the process of arranging cells on a substrate means a step of adhering specific cells based on a desired arrangement pattern. That is, preparation of a cell chip in which spots of a plurality of cells are aligned and fixed in a certain region, formation of a regenerated tissue induced from proliferation and differentiation from stem cells such as iPS cells, or in vivo implantation. The engraftment of specific cells on the inserted implant is included. In order to successfully place cells on the designed pattern, not only cell adhesion to the cell affinity region but also cell adhesion, proliferation, extension / migration to other regions can be suppressed.
In order to ensure cell adhesion to the cell affinity region, a surface coating such as a cell adhesion protein such as collagen or fibronectin is effective.
Furthermore, these extracellular matrices can be used for gene transfer via cell adhesion surfaces to cells cultured in the cell affinity region by mixing nucleic acid substances such as DNA and RNA.
For cell seeding in the cell affinity region, it is possible to apply a conventional technique in which a cell-containing solution is brought into contact with the entire substrate surface, or the cell-containing solution is seeded on the cell affinity region pinpointed by an injector or the like.
The current problem is that the cell exclusion surface using chemical substances is unstable over time, and the cell exclusion ability is weakened and the cell pattern is lost in a short period of time. The present invention is effective not only in suppressing initial adhesion of cells but also in suppressing subsequent growth and migration by providing cell exclusion ability to the geometric structure constructed on the substrate surface. The pattern is maintained, which is effective for improving the accuracy of cell chip analysis, improving the biocompatibility of implants, and enhancing the advancement of stem cell engineering in regenerative medicine.
次に、本発明を実施例によりさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further more concretely, this invention is not limited to these Examples.
実施例1
マウス由来骨芽細胞様細胞(MC3T3-E1細胞)の細胞接着、増殖、分化に対する表面粗さの影響に関する我々の研究結果から、基板表面のμmオーダーの幾何構造によって細胞増殖と分化を制御できると考えた。この考えに基づいて、基材表面に作製された幾何構造の形状と寸法がどのように細胞接着、増殖、伸展・移動に影響するかを調べる目的で、スライドガラス表面上に、サンドブラスト法で、幅50, 100, 150及び300μm、深さ100μmの4種類の溝を形成し、当該溝で周囲を囲まれた細胞接着領域の島構造を作製した。図2 A-1及びB-1に示すように、250μm四方の島構造がアレイ状に作製された。
溝深さが100μmで溝幅が300μm(アスペクト比=溝深さ÷溝幅=0.33)でサンドブラスト加工した場合、図2 B-2に示されるように溝の断面はU字形状で溝底面の曲率半径は206μmであった。溝深さが100μmで溝幅が150μm(アスペクト比=0.67)で加工した場合も、U字形状で曲率半径は51μmであった。一方、溝深さが100μmで溝幅が50μm(アスペクト比=2)で加工した場合、図2 A-2に示されるように、溝の形状は夾角=28度のV字形状になった。底面の曲率半径は8.5μmであった。溝深さが100μmで溝幅が100μm(アスペクト比=1)で加工した場合でも、夾角=53度のV字形状となった。この場合の、底面の曲率半径は16.2μmであった。
以下の細胞培養実験では、アスペクト比=2(V字溝)とアスペクト比=0.33(U字溝)の2種類の基板を用いて、細胞応答(細胞接着、増殖、分化)への溝の形状の影響を検討した。
Example 1
Our research results on the effect of surface roughness on cell adhesion, proliferation, and differentiation of mouse-derived osteoblast-like cells (MC3T3-E1 cells) indicate that cell growth and differentiation can be controlled by the micrometer-order geometry of the substrate surface. Thought. Based on this idea, the purpose of investigating how the shape and dimensions of the geometric structure created on the surface of the substrate affects cell adhesion, proliferation, extension, and migration is to be performed on the surface of the glass slide by the sandblast method. Four types of grooves having a width of 50, 100, 150 and 300 μm and a depth of 100 μm were formed, and an island structure of a cell adhesion region surrounded by the grooves was produced. As shown in FIGS. 2A-1 and B-1, 250 μm square island structures were formed in an array.
When sandblasting is performed with a groove depth of 100 μm and a groove width of 300 μm (aspect ratio = groove depth ÷ groove width = 0.33), the cross section of the groove is U-shaped as shown in FIG. The radius of curvature was 206 μm. Even when the groove depth was 100 μm and the groove width was 150 μm (aspect ratio = 0.67), it was U-shaped and the radius of curvature was 51 μm. On the other hand, when the groove depth was 100 μm and the groove width was 50 μm (aspect ratio = 2), the groove shape was V-shaped with a depression angle = 28 degrees as shown in FIG. 2A-2. The curvature radius of the bottom surface was 8.5 μm. Even when the groove depth was 100 μm and the groove width was 100 μm (aspect ratio = 1), a V-shape with a depression angle = 53 degrees was obtained. In this case, the curvature radius of the bottom surface was 16.2 μm.
In the following cell culture experiment, using two types of substrates with aspect ratio = 2 (V-shaped groove) and aspect ratio = 0.33 (U-shaped groove), the shape of the groove for cell response (cell adhesion, proliferation, differentiation) The effect of was examined.
実施例2
実施例1で作製したV字とU字の2種類の溝形状が形成された基板上へのMC3T3-E1細胞の初期接着性を調べた。
細胞を培養液alpha-Minimum Essential Medium(α-MEM)に懸濁した状態で基板に播種した。培養1日目に、核染色試薬のDAPI(6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride)を用いて、基板に接着した細胞の核染色を行い、接着細胞の分布を調べた。
図3 A-1及びB-1に、溝形状により周囲を囲まれた島構造の表面に焦点を合わせた顕微鏡写真像を示す。写真像中の微細な点が染色された細胞核である。V字溝で周囲を囲われた細胞接着領域の島構造(A-1)とU字溝で周囲を囲われた細胞接着領域の島構造(B-1)の上には、細胞が同じように接着していることが示される。
一方、溝部分に焦点を合わせ、溝部分の付着細胞を観察した図3 A-2及びB-2によれば、アスペクト比=0.33でU字溝構造の場合(B-2)、かなり多くの細胞が溝部分に初期接着しているが、アスペクト比=2でV字溝構造の場合(A-2)は、溝構造部分にはほとんど細胞が初期接着していないことがわかる。
これらの結果より、細胞懸濁液として播種した細胞はV字溝へはほとんど接着しないため、細胞接着領域の周囲にV字溝を配置することは、基板上に所望の細胞パターンを形成するのに都合が良いことが明らかになった。V字溝へ細胞が接着しにくい理由の一つとして、底に向かって狭くなる構造のため、V字溝を満たしている培養液と後から添加される細胞懸濁液の混合が起こりにくく、V字溝への細胞の接近が妨げられることが考えられる。
Example 2
The initial adhesiveness of MC3T3-E1 cells on the substrate on which two types of V-shaped and U-shaped grooves formed in Example 1 were formed was examined.
Cells were seeded on a substrate in a state suspended in a culture medium alpha-Minimum Essential Medium (α-MEM). On the first day of the culture, nuclear staining of cells adhered to the substrate was performed using the nuclear staining reagent DAPI (6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) to examine the distribution of adherent cells.
FIGS. 3A-1 and B-1 show photomicrograph images focused on the surface of the island structure surrounded by the groove shape. Fine spots in the photographic image are stained cell nuclei. On the island structure (A-1) of the cell adhesion region surrounded by the V-shaped groove and the island structure (B-1) of the cell adhesion region surrounded by the U-shaped groove, the cells appear to be the same. It is shown that it adheres to.
On the other hand, focusing on the groove part and observing the adherent cells in the groove part, according to FIGS. 3A-2 and B-2, in the case of the U-shaped groove structure with an aspect ratio = 0.33 (B-2), quite a lot Although the cells are initially attached to the groove portion, it can be seen that when the aspect ratio = 2 and the V-shaped groove structure is (A-2), almost no cells are initially attached to the groove structure portion.
From these results, cells seeded as a cell suspension hardly adhere to the V-groove, so placing the V-groove around the cell adhesion region forms the desired cell pattern on the substrate. It became clear that it was convenient for. One of the reasons why it is difficult for cells to adhere to the V-shaped groove is because the structure narrows toward the bottom, so it is difficult for the culture medium filling the V-shaped groove and the cell suspension added later to occur. It is possible that the access of cells to the V-shaped groove is hindered.
実施例3
細胞播種後1日目に形成された初期接着パターンが、その後発達・維持されているか調べるため、培養14日目にDAPIを用いて細胞の核染色を行い、基板上での細胞分布を調べた。
図4に示すように、V字溝で周囲を囲われた細胞親和領域の島構造(A-1)とU字溝 で周囲を囲われた細胞親和領域の島構造(B-1)上の細胞、さらにアスペクト比=0.33のU字溝部分(B-2)の細胞においては、核が染色されており、円形であることから細胞は正常であることが認められた。しかしながら、アスペクト比=2のV字溝部分(A-2)の細胞については、細胞質全体がDAPIによって染色され、「健康な」核がほとんどない細胞壊死の状態であることが観察された。
これらの結果から、狭いV字溝の空間に押し込められた細胞は、V字溝壁面から細胞膜に不均一な応力がかかることによって細胞が壊死し易く、一方、細胞親和領域の細胞は平面上で増殖することによって、初期接着パターンが培養経過とともに発達し、少なくとも14日間細胞パターンが維持されることが示された。
Example 3
In order to investigate whether the initial adhesion pattern formed on the first day after cell seeding was developed and maintained thereafter, the cells were stained with DAPI on the 14th day of culture, and the cell distribution on the substrate was examined. .
As shown in Fig. 4, the island structure (A-1) of the cytophilic region surrounded by the V-shaped groove and the island structure (B-1) of the cytophilic region surrounded by the U-shaped groove In the cells, and in the cells of the U-shaped groove part (B-2) having an aspect ratio = 0.33, the nuclei were stained, and the cells were found to be normal because they were circular. However, for the V-groove portion (A-2) cells with an aspect ratio = 2, the entire cytoplasm was stained with DAPI, and it was observed that the cells were necrotic with few “healthy” nuclei.
From these results, the cells pushed into the narrow V-shaped groove space are likely to be necrotized due to uneven stress applied to the cell membrane from the V-shaped groove wall, while the cells in the cytophilic region are flat on the plane. By proliferating, it was shown that the initial adhesion pattern developed over the course of the culture and the cell pattern was maintained for at least 14 days.
実施例4
細胞播種後7日目に、増殖用培地のα-MEMから分化因子が添加された分化培地に変更することによって、基板上のMC3T3-E1細胞は分化が進行し、アルカリフォスファターゼ(ALP)、オステオカルシン、副甲状腺ホルモンレセプターのような骨芽細胞の分化マーカー蛋白質を発現するようになる。14日目の基板上のMC3T3-E1細胞の分化の程度をALP陽性細胞染色によって調べた。
図5に示すように、V字溝で周囲を囲われた細胞親和領域の島構造(A-1)とU字溝で周囲を囲われた細胞親和領域の島構造(B-1)上の細胞はALP陽性を示し、骨分化が進んでいることが示された。
一方、アスペクト比=2のV字溝部分(A-2)の細胞はヘマトキシリン染色されず、細胞壊死の状態であることが解った。アスペクト比=0.33のU字溝部分(B-2)の細胞はヘマトキシリン染色され、分化の程度は低いものの、細胞機能を保っていることが解った。
これらの結果から、V字溝で周囲を囲われた細胞親和領域の島構造上の細胞は、正常に増殖し、分化する能力を保っていることが示された。
Example 4
On the 7th day after cell seeding, MC3T3-E1 cells on the substrate undergo differentiation by changing from the growth medium α-MEM to the differentiation medium supplemented with differentiation factors, and alkaline phosphatase (ALP), osteocalcin , The osteoblast differentiation marker protein such as parathyroid hormone receptor is expressed. The degree of differentiation of MC3T3-E1 cells on the 14th day substrate was examined by ALP positive cell staining.
As shown in FIG. 5, on the island structure (A-1) of the cytophilic region surrounded by the V-shaped groove and on the island structure (B-1) of the cytophilic region surrounded by the U-shaped groove. The cells were positive for ALP, indicating that bone differentiation was progressing.
On the other hand, the cells in the V-shaped groove part (A-2) with an aspect ratio = 2 were not stained with hematoxylin and were found to be in a state of cell necrosis. The cells in the U-shaped groove part (B-2) with an aspect ratio = 0.33 were stained with hematoxylin, and it was found that although the degree of differentiation was low, the cell function was maintained.
From these results, it was shown that the cells on the island structure of the cytophilic region surrounded by the V-shaped groove maintained the ability to grow and differentiate normally.
本発明の細胞親和領域とV字溝構造の細胞排除領域を配置した細胞基板は、V字溝構造により長期間、安定に細胞排除性を発現させることができ、これにより長期間安定な細胞パターンを形成することができるため、新しい細胞チップを作製するための有望なプラットフォームとなり、基礎及び応用生物学に適用可能である。更に、この細胞基板技術は細胞チップばかりでなく、インプラント材料表面、再生医療用細胞シート作製のための培養基板としても応用可能な技術であり、非毒性及び非汚染性のために生体外・生体内にある細胞と接触する様々なバイオ医学の装置製造にも応用可能である。 The cell substrate on which the cell affinity region of the present invention and the cell-exclusion region of the V-shaped groove structure are arranged can stably express cell exclusion for a long period of time by the V-shaped groove structure. Is a promising platform for creating new cell chips and is applicable to basic and applied biology. Furthermore, this cell substrate technology can be applied not only to cell chips, but also to the surface of implant materials and as a culture substrate for the production of cell sheets for regenerative medicine. It can also be applied to manufacture various biomedical devices that come into contact with cells in the body.
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