JP2020103713A - 細胞カプセル - Google Patents

Abstract

【課題】細胞カプセルによって移植された細胞・組織に対して、十分な量の酸素を長期間にわたって安定的に供給することができる技術を提供する。【解決手段】本発明に係る細胞カプセルは、酸素徐放材を用いて細胞に対して十分な量の酸素を供給するための仕組みを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、細胞をカプセル化する細胞カプセルに関する。

再生医療等の治療において、細胞・組織を移植した際に、移植された細胞・組織に対する酸素供給が不足することによる細胞死が課題となっている。下記特許文献１は、カプセル化された細胞もしくは組織に対して酸素利用可能性および送達をより良くするべく、パーフルオロ有機化合物などの水よりも高い酸素溶解度を有する溶媒を用いる方法を提案している（同文献の００９６参照）。

特表２０１２−５０８５８４号公報

特許文献１に記載されているように、液体溶媒に酸素を溶解させる手法においては、溶媒が体内に拡散してしまうので、細胞カプセル内に溶媒を長期的に保持することが困難である。また細胞に対して供給できる酸素量が少ないので、細胞の生存率が低いという課題がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、細胞カプセルによって移植された細胞・組織に対して、十分な量の酸素を長期間にわたって安定的に供給することができる技術を提供することを目的とする。

本発明に係る細胞カプセルは、酸素徐放材を用いて細胞に対して十分な量の酸素を供給するための仕組みを備える。

本発明に係る細胞カプセルによれば、移植された細胞が体内においてより長期間生存することができる。本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面によって明らかにする。

実施形態１に係る細胞カプセル１００の構成図である。 実施形態２に係る細胞カプセル１００の構成図である。 実施形態３に係る細胞カプセル１００の構成図である。 実施形態３に係る細胞カプセル１００の変形例である。 実施形態４に係る細胞カプセル１００の構成図である。 実施形態５に係る細胞カプセル１００の構成図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る細胞カプセル１００の構成図である。細胞カプセル１００は、細胞１０１をカプセル化する。細胞カプセル１００は、酸素徐放材１０２と細胞保持担体１０３を備える。図面記載の便宜上、細胞保持担体１０３にはハッチングを付与した。

酸素徐放材１０２は、固体であり、酸素を放出する機能を有する。徐放材より放出される酸素は、液中に溶解により、また一部は気泡として放出される。酸素徐放材１０２は固体であるので、細胞１０１の近傍に安定して配置することができる。したがって酸素徐放材１０２が細胞１０１の近傍から散逸することなく、細胞１０１に対して長期的に酸素を供給し続けることができる。これにより、特に酸素を大量に必要とする細胞１０１を長期間生存させることができる。

細胞保持担体１０３は、細胞１０１を保持するための媒体である。本実施形態１においては酸素徐放材１０２も保持している。細胞保持担体１０３により、細胞１０１の細胞カプセル１００内における位置を安定させることができる。これにより、酸素徐放材１０２から細胞１０１に対して酸素を均一に供給することができるので、効果的である。細胞保持担体１０３の材料は特に限定されるものではないが、例えばアルギン酸ゲルなどのゲル材料や多孔性ポリスチレンなど多孔性高分子材料を用いることができる。また細胞保持担体１０３を用いることにより、細胞カプセル１００を容器によって覆わない場合であっても、細胞１０１をカプセル化することができる。また、酸素徐放材との間に酸素透過性膜（たとえば、ＰＤＭＳ等）を設けることで、細胞に害を与えず、緩やかに酸素供給できるため望ましい。

酸素徐放材１０２は、酸素を吸着、放出する多孔質材料を用いて構成することができる。これにより、多量の酸素を貯蔵することができるので効果的である。酸素を貯蔵する多孔質材料として、酸化セリウム（セリア）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化セリウム−酸化ジルコニウム（ＣｅＯ_２−ＺｒＯ_２）（セリア−ジルコニア）、多孔性配位高分子、金属有機構造、などを用いることができる。この場合、酸素徐放材１０２が単位時間当たりに酸素を放出する量を制御する方法としては、（ａ）多孔質材料に対して酸素を吸着させる量を制御する、（ｂ）酸素徐放材１０２を細胞カプセル１００内に配置した後において、細胞保持担体１０３（後述する実施形態３と４においては酸素徐放材担体１０６）内の酸素濃度を変化させる、などが考えられる。

酸素徐放材１０２は、水と反応して酸素を発生する過酸化物を用いて構成することもできる。水と反応して酸素を発生する過酸化物としては、過酸化カルシウム、過酸化マグネシウム、過酸化水素−尿素などが挙げられる。この場合、酸素徐放材１０２が単位時間当たりに酸素を放出する量を制御する方法としては、酸素徐放材１０２近傍に水を供給することが考えられる。あるいは、例えば細胞保持担体１０３（後述する実施形態３と４においては酸素徐放材担体１０６）の粘度を上げると水分の移動度が低下し、これにより酸素徐放材１０２近傍に対して供給される水分が減少するので、酸素放出量を抑制することができる。

本実施形態１に係る細胞カプセル１００の具体的な構成例としては、例えば以下のものを用いることができる：細胞１０１としてＨｅＰＧ２細胞（ヒト肝癌由来細胞）、酸素徐放材１０２としてセリア−ジルコニア、細胞保持担体１０３としてアルギン酸ゲルを用いることができる。なお、本実施形態の酸素放出量は約0.7 mL/day/cm³であり、治療に必要な細胞数約10⁸個、細胞の酸素必要量は約22 mL/dayを想定した。

本実施形態１に係る細胞カプセル１００をＨｅＰＧ２用培地に浸漬し、窒素９０％、酸素５％、二酸化炭素５％の低酸素雰囲気下で培養した。７日後に細胞１０１の数が初期の１．９倍となり、１４日後に３．９倍となった。本実施形態１に係る細胞カプセル１００は良好な増殖性を示すことが確認できた。

＜比較例１＞
本実施形態１に係る細胞カプセル１００内に酸素徐放材１０２を入れない細胞カプセルを比較例１として作製した。上記と同様の低酸素雰囲気下での細胞増殖性を確認したところ、７日後に細胞数が初期の１．１倍となり、１４日後に１．２倍となった。比較例１の細胞カプセルでは、本実施形態１に係る細胞カプセル１００よりも低い増殖性を示すことが確認できた。

＜実施の形態２＞
図２は、本発明の実施形態２に係る細胞カプセル１００の構成図である。本実施形態２に係る細胞カプセル１００は、実施形態１で説明した構成に加えて容器１０４を備える。その他構成は実施形態１と同様である。

容器１０４は、細胞カプセル１００全体を覆う。容器１０４は半透膜を用いて構成することができる。半透膜とは、あるサイズ以下の分子やイオンのみを透過させる膜である。容器１０４はこの半透膜を介して、細胞１０１に対して体内からの酸素や栄養素を供給するとともに、細胞１０１が生産するホルモンや老廃物を排出することができる。これにより細胞１０１の生存率向上に寄与する。容器１０４を構成する半透膜の材料は特に限定されるものではないが、多孔性高分子膜を用いることができる。多孔性高分子膜に用いられる高分子材料として、ポリテトラフルオロエチレンは生体適合性が高く特に望ましい。

容器１０４を構成する半透膜は、体内から酸素を受け取ることもできる。しかし細胞１０１に対する酸素供給量を向上させる観点から、酸素徐放材１０２が単位時間当たりに酸素を放出する量は、半透膜を酸素が単位時間当たりに透過する量よりも大きいことが望ましい。

容器１０４は、細胞１０１に対して免疫隔離性を提供することもできる。細胞１０１を体内に直接さらすと、体内の免疫細胞が細胞１０１を攻撃する場合がある。容器１０４によって細胞１０１を免疫細胞から隔離することにより、細胞１０１の生存率を向上させることができる。免疫隔離の手法は特に限定されるものではないが、容器１０４として多孔性高分子膜を用いることにより、半透膜としての機能と免疫隔離機能を兼ね備えることができる。また細胞保持担体１０３も免疫隔離機能を発揮するので、これらを組み合わせて使うとさらに効果的である。

本実施形態２に係る細胞カプセル１００の具体的な構成例としては、例えば以下のものを用いることができる：細胞１０１としてＨｅＰＧ２細胞、酸素徐放材１０２として過酸化カルシウム、細胞保持担体１０３としてアルギン酸ゲル、半透膜として多孔性ポリテトラフルオロエチレンを用いることができる。

＜実施の形態３＞
図３Ａは、本発明の実施形態３に係る細胞カプセル１００の構成図である。本実施形態３に係る細胞カプセル１００は、実施形態２で説明した構成に加えて、酸素透過膜１０５と酸素徐放材担体１０６を備える。その他構成は実施形態１と同様である。

容器１０４内部は、酸素透過膜１０５によって第１区画と第２区画に区分されている。第１区画は細胞１０１と細胞保持担体１０３を収容しており、第２区画は酸素徐放材１０２と酸素徐放材担体１０６を収容している。すなわち細胞１０１と酸素徐放材１０２は、酸素透過膜１０５を介して配置されている。酸素徐放材１０２から細胞１０１の生存率を低下させるような悪影響が生じた場合、酸素透過膜１０５によってこれを緩和することができる。例えば酸素徐放材１０２から生じる酸素濃度が過剰であった場合がこれに相当する。酸素透過膜１０５は酸素を透過させるので、酸素徐放材１０２による酸素供給を維持するとともに、上記のような悪影響を緩和できる。

酸素徐放材担体１０６は、細胞カプセル１００内における酸素徐放材１０２の位置を保持するための媒体である。これにより、酸素を細胞１０１に対して偏りなく均一に供給することができる。

酸素透過膜１０５は、例えばポリジメチルシロキサンもしくは含フッ素高分子膜を用いて構成することができる。ポリジメチルシロキサンは生体適合性が高いので、本発明が有効に作用する。

酸素徐放材担体１０６は、酸性のゲル材料を用いて構成することができる。酸素徐放材１０２として過酸化物を用いる場合、過酸化水素が発生して細胞１０１に対してダメージを与える可能性がある。酸素透過膜１０５が過酸化水素をブロックすることによりある程度はダメージを抑制することができるが、酸性のゲル材料によって酸素徐放材担体１０６を構成することにより、さらにダメージを抑制することができる。すなわち、酸性であるため水素イオンが存在し、この水素イオンが過酸化水素と反応して水を生成するので、過酸化水素の悪影響を抑制することができる。

図３Ｂは、本実施形態３に係る細胞カプセル１００の変形例である。図３Ｂにおいて、容器１０４のうち細胞１０１と細胞保持担体１０３を覆う部分は第１膜１０４Ａによって構成され、容器１０４のうち酸素徐放材１０２と酸素徐放材担体１０６を覆う部分は第２膜１０４Ｂによって構成されている。第１膜１０４Ａは図３Ａと同様の半透膜である。第２膜１０４Ｂは水を透過（または通過、以下同様）させる膜である。

酸素徐放材１０２として、水と反応して酸素を発生する過酸化物を用いた場合、酸素徐放材１０２に対して与える水の量を制御することにより、酸素発生量を制御することができる。したがって第２膜１０４Ｂとして水を透過させる膜を用いることにより、細胞カプセル１００の外から与える水の量を制御して、酸素徐放材１０２からの酸素発生量を制御することができる。

実施形態２で説明したのと同様に、細胞１０１に対する酸素供給量を向上させる観点から、酸素が単位時間当たりに酸素透過膜１０５を透過する量は、容器１０４を構成する半透膜を酸素が単位時間当たりに透過する量よりも大きいことが望ましい。

本実施形態３においては、細胞１０１と酸素徐放材１０２が酸素透過膜１０５を介して隔離されているので、例えば酸素徐放材１０２のみを定期的に詰め替えて使用することができる。これにより、細胞１０１を長期間にわたって生存させることができる。酸素徐放材１０２を詰め替える方法としては、（ａ）細胞カプセル１００を体内から取り出して酸素徐放材１０２を詰め替える、（ｂ）注射器を用いて酸素徐放材担体１０６を吸引し、新たな酸素徐放材担体１０６を注入する、などが考えられる。

本実施形態３に係る細胞カプセル１００の具体的な構成例としては、例えば以下のものを用いることができる：細胞１０１としてＭＩＮ６（ｍｏｕｓｅ ｉｎｓｕｌｉｎｏｍａ ６）細胞、酸素徐放材１０２として過酸化マグネシウム、細胞保持担体１０３として多孔性ポリスチレン、容器１０４として多孔性ポリテトラフルオロエチレン、酸素透過膜１０５としてポリジメチルシロキサン、酸素徐放材担体１０６としてアルギン酸ゲルを用いることができる。

＜実施の形態４＞
図４は、本発明の実施形態４に係る細胞カプセル１００の構成図である。本実施形態４に係る細胞カプセル１００は、実施形態３で説明した構成に加えて、２つ目の酸素透過膜１０５を有する。したがって細胞カプセル１００内部は、３つの区画に分離されていることになる。中央の区画には酸素徐放材１０２と酸素徐放材担体１０６が配置され、その両側の区画には細胞１０１と細胞保持担体１０３が配置されている。第１膜１０４Ａは細胞１０１と細胞保持担体１０３を覆う部分に配置され、第２膜１０４Ｂは酸素徐放材１０２と酸素徐放材担体１０６を覆う部分に配置されている。したがって第２膜１０４Ｂは、細胞カプセル１００の中央部分に帯状に配置されていることになる。

本実施形態４に係る細胞カプセル１００は、実施形態３と比較して略２倍の細胞１０１を収容している。Ｃ−ｐｅｐｔｉｄｅを分泌する細胞１０１を用いて実施形態３と４を比較したところ、本実施形態４においては実施形態３の約２倍のＣ−ｐｅｐｔｉｄｅが分泌されることを確認できた。

＜実施の形態５＞
図５は、本発明の実施形態５に係る細胞カプセル１００の構成図である。細胞カプセル１００が収容する細胞１０１や各媒質などは、細胞カプセル１００を用いる直前に細胞カプセル１００内へ投入することもできる。この場合、細胞カプセル１００は初期状態として少なくとも容器１０４を備える。図５においては、図３Ｂで説明した構成を備える例を示した。すなわち細胞カプセル１００は、第１膜１０４Ａと第２膜１０４Ｂが酸素透過膜１０５を収容した構成を備える。その他実施形態で説明したものに対応する構成を備える場合も同様に、細胞１０１と各媒質以外の構成のみを備える。

本実施形態５に係る細胞カプセル１００によれば、細胞１０１や各媒質を使用直前に細胞カプセル１００内へ投入するので、これらが新鮮な状態で体内へ投入することができる利点がある。また細胞カプセル１００とその内部に収容する各物質等を分けて搬送することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態において、異なる特性の酸素徐放材１０２を組み合わせて使用することが考えられる。例えば、長期間少量の酸素放出が可能な徐放材と、短期間酸素放出量の多い徐放材とを組み合わせること等である。また、酸素徐放材１０２として、上記に例示した水と反応することにより酸素を放出する材料と、酸素吸着材料とを組み合わせて用いることが好ましい。例えば酸素吸着材料は初期の酸素放出量が大きい傾向があるので、初期段階においてはまず酸素吸着材料によって酸素を供給する。酸素吸着材料からの酸素放出量が低下し始める時点以降は、水を供給することによって過酸化物から酸素を放出させる。これにより酸素供給の絶対量を維持しつつ、時間経過にともなって酸素供給量を制御することができる。

以上の実施形態において、細胞１０１の由来、種類、フェノタイプ、遺伝子改変の有無、継代数、などは限定されない。浮遊細胞、接着細胞、シングル、シート、オルガノイド、などのような細胞１０１の性質・形態も限定されない。細胞１０１の用途も限定されない。すなわち細胞保持担体１０３によって保持し容器１０４内に収容することができる任意の細胞について本発明を適用することができる。ただし酸素徐放材１０２によって酸素供給能力を向上させたことに鑑みると、酸素を大量に必要とする細胞１０１に対して本発明の効果を最も効果的に発揮することができる。例えばヒト膵臓細胞などが１例として考えられるが、これに限られるものではない。

１００：細胞カプセル
１０１：細胞
１０２：酸素徐放材
１０３：細胞保持担体
１０４：容器
１０５：酸素透過膜
１０６：酸素徐放材担体

Claims (33)

1. 細胞をカプセル化する細胞カプセルであって、
   前記細胞を保持する細胞保持担体、
   前記細胞カプセル内に収容された固体の酸素徐放材、
   を有することを特徴とする細胞カプセル。
2. 前記酸素徐放材は、過酸化物または多孔質材料のいずれかまたは双方を用いて構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞カプセル。
3. 前記細胞保持担体は、ゲル材料または多孔性高分子材料を用いて構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞カプセル。
4. 前記細胞カプセルはさらに、前記細胞保持担体と前記酸素徐放材を収容する容器を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞カプセル。
5. 前記容器は、半透膜を用いて形成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の細胞カプセル。
6. 前記半透膜は、多孔性ポリテトラフルオロエチレン膜によって形成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の細胞カプセル。
7. 前記酸素徐放材が単位時間当たりに酸素を放出する量は、前記半透膜を酸素が前記単位時間当たりに透過する量よりも大きい
   ことを特徴とする請求項５記載の細胞カプセル。
8. 前記細胞カプセルはさらに、酸素を透過させる酸素透過膜を備え、
   前記容器の内部は、前記酸素透過膜によって第１区画と第２区画に区分されており、
   前記細胞は前記第１区画に配置され、前記酸素徐放材は前記第２区画に配置されている
   ことを特徴とする請求項４記載の細胞カプセル。
9. 前記容器は、半透膜を用いて形成されており、
   前記酸素透過膜を酸素が単位時間当たりに透過する量は、前記半透膜を酸素が前記単位時間当たりに透過する量よりも大きい
   ことを特徴とする請求項８記載の細胞カプセル。
10. 前記酸素透過膜は、ポリジメチルシロキサンまたは含フッ素高分子膜によって形成されている
    ことを特徴とする請求項８記載の細胞カプセル。
11. 前記容器は、前記第１区画を覆う第１膜と、前記第２区画を覆う第２膜とを備え、
    前記第１膜は、半透膜を用いて形成されている
    ことを特徴とする請求項８記載の細胞カプセル。
12. 前記酸素徐放材は、水と反応して酸素を発生する過酸化物を用いて構成されており、
    前記第２膜は、水を透過または通過させる膜を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項１１記載の細胞カプセル。
13. 前記細胞カプセルはさらに、前記第２区画内に配置され前記酸素徐放材を保持する酸素徐放材担体を備える
    ことを特徴とする請求項８記載の細胞カプセル。
14. 前記酸素徐放材担体は、酸性のゲル材料を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項１３記載の細胞カプセル。
15. 前記細胞カプセルはさらに、酸素を透過させる第２酸素透過膜を備え、
    前記容器の内部は、前記酸素透過膜によって前記第１区画と前記第２区画に区分されるとともに、前記第２酸素透過膜によって前記第２区画と第３区画に区分されており、
    前記細胞は、前記第１区画に加えて前記第３区画にも配置されている
    ことを特徴とする請求項８記載の細胞カプセル。
16. 前記容器は免疫隔離性を有することを特徴とする請求項４記載の細胞カプセル。
17. 前記細胞はヒト膵臓細胞であることを特徴とする請求項４記載の細胞カプセル。
18. 細胞をカプセル化する細胞カプセルであって、
    前記細胞を収容する容器、
    前記容器内を第１区画と第２区画に区分する区画膜、
    を備え、
    前記区画膜は、酸素を透過させる酸素透過膜を用いて構成されている
    ことを特徴とする細胞カプセル。
19. 前記容器は、前記第１区画を覆う第１膜と、前記第２区画を覆う第２膜とを備え、
    前記第１膜は、半透膜を用いて形成されている
    ことを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
20. 前記酸素透過膜を酸素が単位時間当たりに透過する量は、前記半透膜を酸素が前記単位時間当たりに透過する量よりも大きい
    ことを特徴とする請求項１９記載の細胞カプセル。
21. 前記第２膜は、水を透過または通過させる膜を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項１９記載の細胞カプセル。
22. 前記酸素透過膜は、ポリジメチルシロキサンまたは含フッ素高分子膜によって形成されている
    ことを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
23. 前記半透膜は、多孔性ポリテトラフルオロエチレン膜によって形成されている
    ことを特徴とする請求項１９記載の細胞カプセル。
24. 前記細胞カプセルはさらに、酸素を透過させる第２酸素透過膜を備え、
    前記容器の内部は、前記酸素透過膜によって前記第１区画と前記第２区画に区分されるとともに、前記第２酸素透過膜によって前記第２区画と第３区画に区分されている
    ことを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
25. 前記第１区画は前記細胞を収容しており、
    前記第２区画は固体の酸素徐放材を収容している
    ことを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
26. 前記酸素徐放材は、過酸化物または多孔質材料のいずれかまたは双方を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項２５記載の細胞カプセル。
27. 前記第１区画は、前記細胞を保持する細胞保持担体を収容している
    ことを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
28. 前記細胞保持担体は、ゲル材料または多孔性高分子材料を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項２７記載の細胞カプセル。
29. 前記容器は、半透膜を用いて形成されており、
    前記酸素徐放材が単位時間当たりに酸素を放出する量は、前記半透膜を酸素が前記単位時間当たりに透過する量よりも大きい
    ことを特徴とする請求項２５記載の細胞カプセル。
30. 前記細胞カプセルはさらに、前記第２区画内に配置され前記酸素徐放材を保持する酸素徐放材担体を備える
    ことを特徴とする請求項２５記載の細胞カプセル。
31. 前記酸素徐放材担体は、酸性のゲル材料を用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項３０記載の細胞カプセル。
32. 前記容器は免疫隔離性を有することを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。
33. 前記細胞はヒト膵臓細胞であることを特徴とする請求項１８記載の細胞カプセル。

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