JP3139794B2 - 中空糸膜型細胞培養装置 - Google Patents

中空糸膜型細胞培養装置

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    • C12M23/00Constructional details, e.g. recesses, hinges
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    • C12M25/10Hollow fibers or tubes
    • C12M25/12Hollow fibers or tubes the culture medium flowing outside the fiber or tube
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12M29/00Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/16Hollow fibers

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、中空糸膜型細胞培養装
置に関するものであり、さらに詳しくは、細胞の種類に
よらず細胞の本来の性質をできるかぎり損なうことなく
増殖あるいは維持させ、有用な生合成化合物を容易に得
ることが可能な、そして、特に効率的なガス交換を必要
とする系に有効な中空糸膜型細胞培養装置に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】近年、スポンジ状のもの、マイクロビー
ズ状のものを、培養液中に浮遊させて接触面積を増大さ
せることにより、細胞培養を高効率で行わせる方法や、
小型で表面積を多くとれる中空糸膜モジュールの中空糸
膜の外側に細胞を増殖させることにより細胞培養を高効
率で行わせる方法等が行われている。これらの技術に関
しては、成書(例えば、講談社サイエンティフィック細
胞培養技術など参照)も多く、ここで述べるまでもな
い。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の技術
では、例えば、マイクロキャリアービーズ等の担体を用
いた系では、培養時のずり速度の問題や、培地のガス交
換効率の低さなどの問題があり、また、産生された有用
物質と細胞を分離するのに手間がかかり、連続生産系に
は不適である。また、中空糸膜型の例では、以上の問題
を一応は解決できるが、接着型細胞の初期接着率を上げ
るため膜の素材を検討する必要があり、また、ガス交換
効率も改善されたとはいえ、高濃度にO2 が必要な系な
どへの対応が難しい等の問題点がある。
【0004】また、ハイブリドーマなどの培養で連続培
養した例もある。これは、中空糸膜の外側に細胞を生育
させることで生体内の環境をin vitroで再現し
ようと意図されたものではあるが、血管を想定して作ら
れた中空糸膜から出た培地を再循環しており、常に新鮮
な血液が循環してくる生体系とは本質的に異なるもので
あり、それゆえ、高度に分化した初代培養でもすぐに機
能低下がおこるような細胞では不適であるといった欠点
がある。このような問題は、従来の技術全てに係わる問
題点とされているものである。
【0005】そこで、本発明者は、連続生産系および高
濃度にO2 ガスが必要とされる系等に適用し得ると共
に、細胞の種類によらず細胞の本来の性質をできるかぎ
り損なうことなく増殖あるいは維持させ、有用な生合成
化合物を生産するのに好適な培養装置を開発することを
目標として鋭意研究開発を積重ねた結果、中空糸膜部を
湿らせた状態で常に新しい培養液を供給する新しいシス
テムを利用することにより所期の目的を達成し得ること
に成功して本発明を完成するに至った。
【0006】すなわち、本発明は、細胞の種類によらず
細胞の本来の性質をできるかぎり損なうことなく増殖あ
るいは維持させ、有用な生合成化合物を連続生産させ得
る中空糸膜型細胞培養装置を提供することを目的とする
ものである。
【0007】また、本発明は、特に高濃度にO2 が必要
な系など効率的なガス交換を必要とする系に有用な中空
糸膜型細胞培養装置を提供することを目的とするもので
ある。
【0008】さらに、本発明は、高度に分化した初代培
養でも機能低下がおこるような細胞に対しても安定的に
連続生産系として利用し得る中空糸膜型細胞培養装置を
提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明の構成は、以下の技術的手段からなる。
【0010】(1)適宜の本数に束ねて形成される透水
の中空糸膜を培養タンク(モジュール)内に設置して
構成した中空糸膜型細胞培養装置において、中空糸膜内
側に培養液および細胞を供給するための手段、細胞を抜
き出すための手段、中空糸膜外側の中空糸膜モジュール
内部にガスを導入するための手段、および老廃物、産生
物等を流去するための手段を構成要素として具備し、
空糸膜内側に培養液および細胞を入れ、中空糸膜モジュ
ール内部を培養液で満たすことなく、中空糸膜部を湿ら
せた状態で、培養液供給手段から常に新しい培養液を供
給し、中空糸膜モジュール内部にガスを導入し当該ガス
が中空糸膜多孔質部で培養液中に交換されるように構成
したことを特徴とする中空糸膜型細胞培養装置。 (2)ガスがCO2 またはO2 ガスからなることを特徴
とする上記(1)記載の中空糸膜型細胞培養装置。 (3)中空糸膜内側に培養液および細胞を供給するため
の上部開口部(1)、細胞を抜き出すための下部開口部
(4)、中空糸膜モジュール内部にガスを導入するため
のガス交換用開口部(2)、および老廃物、産生物等を
流去するための排出開口部(3)を有することを特徴と
する上記(1)記載の中空糸膜型細胞培養装置。 (4)細胞が動物細胞からなることを特徴とする上記
(1)記載の中空糸膜型細胞培養装置。
【0011】本発明の構成について以下に、さらに詳細
に説明する。一般に、中空糸膜モジュールには、図1に
示したように4つの開口部、すなわち、上部開口部
(1)、気体交換用開口部(2)、産生物等排出用開口
部(3)、および下部開口部(4)が存在する。本発明
では、細胞を中空糸膜内に充填する訳であるが、例え
ば、(4)を閉じて(2)、(3)を開放した状態で遊
離細胞浮遊液を(1)から流し込む。中空糸膜の内径は
250マイクロm程度であれば、付着性の動物細胞でも
中心部に入った細胞が死ぬことはない。これより径を小
さくすると、充填密度が下がるため培養効率が下がり好
ましくはないが、生体内の環境を模倣するという意味で
問題なく、有用な生合成産物を得ることができる。細胞
の数は、そのときの中空糸膜の寸法および本数による
し、用いる細胞の大きさにも大きくかかわるため、その
目的に応じて適宜決定すればよい。
【0012】細胞密度は、動物細胞の場合、108 〜1
9cell/ml程度まで最適に培養される。このと
き本発明で用いる中空糸膜は、親水性であることが必要
であり、この特徴のためにプライミングも容易となる。
物質交換性に優れるため、孔径は大きい方が望ましい。
とりわけ、0.1マイクロm〜10マイクロm程度の内
孔径が望ましく、外側の面の孔径は、これより小さい方
が良い。透水性は、10l/hr・m2 ・mmHg以上
が望ましい。
【0013】このスペックを満たす中空糸膜としては、
最近、市場に出ている家庭用浄水器に用いられているも
のがあり、これらを応用することもできる。モジュール
を形成する素材は、従来より人工腎臓用フィルター、血
漿交換用フィルター等で用いられてきたものを応用すれ
ば良いし、また、その形態も同様のものが使用可能であ
る。また、モジュール径が太くなったとき、培養液を分
散させる必要があり、このときは、例えば、液体クロマ
トグラフィー用に開発されてきた技術を応用できる。中
空糸膜を固定する方法も、従来よりある中空糸膜固定用
の接着剤で固定する方法が簡便に使える。ただし、これ
らはいわゆる生体適合性にすぐれたものでなければなら
ない。モジュール外筒(C)には、モジュールキャップ
(A)、(B)が連結されるが、この連結は、接着剤又
は超音波などでの接着、あるいはネジ式にて連結、固定
したものでもよい。
【0014】本発明では、細胞を注入した時点から細胞
は3次元的に積層された状態にあり、生体内での微小環
境を再現している。中空糸膜そのものは、(肉厚部)親
水性であるため、培養液をしみこみ、生体内における血
管の役割を担う。細胞の充填が終わったら開口部(1)
から、培養液を、注入した細胞108 個あたり1.5m
l/hr程度を目安に滴下していく。もちろんこの条件
も、細胞の種類や状態によって変化する。培養のpHを
コントロールするためCO2 濃度を変化させる方法も適
宜採用される。中空糸膜の本数が増えた場合には、開口
部(1)にメッシュなどをとりつけ、まんべんなく培養
液が行きわたるようにすることも適宜採用される。
【0015】動物細胞の場合は、開口部(1)を少なく
とも開口部(4)より上にした状態で使用する必要があ
る。開口部(2)からは、O2 、CO2 等の交換をす
る。本発明ではモジュール内部が液体で満たされること
はないことと、細胞が中空糸膜内部にあるため、細胞に
害を与えることなくこの膜上で、気体の交換が効率良く
行われる。高いO2 分圧を必要とするような肝細胞など
でも問題はおこらない。老廃物および産生物は、開口部
(3)から取り出す。このように、本発明によると、従
来の中空糸膜型培養装置の利点を生かしつつ、さらに、
中空糸膜の素材を選ばず常に新鮮な培養液を供給でき、
極く初期から生体内を模倣した微小環境に細胞をおくこ
とが可能な中空糸膜型細胞培養装置を提供することがで
きる。また、本発明は、微生物による酢酸醗酵のように
高効率なガス交換能を要求される系にも有効である。
【0016】以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体
的に説明する。
【0017】実施例1 マウスハイブリドーマ 106 cellを内径250マ
イクロmで有効長8cm、本数25本からなる透水性1
0l/hr・m2 ・mmHgの中空糸膜モジュールの内
側に10%FCS(ウシ胎児血清)を含む培養液RPM
I−1640を使用して流し込み充填した。このとき、
はじめ図1の開口部(2)、(3)を閉じ、開口部
(1)と(4)にシリンジをつなぎ、モジュールをほぼ
水平に保ってピストン運動を注意深く行い中空糸膜の内
側に、まんべんなく細胞が広がるようにしながら開口部
(2)、(3)を開き、約1/10の密度で充填した。
続いて、モジュールを垂直に保って開口部(1)より
0.3ml/hrの速度で上記と同じ培養液を滴下し、
37℃にてCO2 インキュベータ中(CO2 5%)で培
養した。中空糸膜内部が細胞で満たされたと考えられる
5日後より、IgG産生量は100マイクロg/ml以
上を保持した。また、20日後より、FCS含量を2%
に減らしても、IgG産生量は変わらず、高い産生量を
少なくともさらに2週間保持した。
【0018】実施例2 実施例1と同型の装置で、ラット肝臓よりコラゲナーゼ
還流法によって調製した細胞を、実質細胞、非実質細胞
を分けることなくDME培地(ダルベッコ変法イーグル
培地)に懸濁した状態で、モジュールを垂直に保持し、
図1の開口部(1)より、開口部(4)を閉じた状態で
ゆっくり流し込み、中空糸膜内部に充填した。この状態
で、37℃にて酸素分圧30%CO2 インキュベータ
(CO2 5%)中、上記培養液を0.3ml/hr速度
で開口部(1)から注入し培養した。2週間経過後も、
単層培養系における初代培養時(1日目)よりも多いア
ルブミン合成量を保持していた。
【0019】
【発明の効果】本発明の中空糸膜型細胞培養装置は、細
胞の種類によらず細胞の本来の性質をできるかぎり損な
うことなく増殖あるいは維持させ、有用な生合成化合物
を連続生産することを可能にするものであり、特に高濃
度にO2 ガスが必要な系など効率的なガス交換を必要と
する系に好適に利用し得るなど、従来の中空糸膜型培養
装置にみられない特徴を有する。
【0020】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の中空糸膜型細胞培養装置(モジュー
ル)を示す。
【符号の説明】
(1) 上部開口部 (2) 気体交換用開口部 (3) 産生物等排出用開口部 (4) 下部開口部 (A)(B) モジュールキャップ (C) モジュール外筒 (D) 中空糸膜

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 適宜の本数に束ねて形成される透水性
    中空糸膜を培養タンク(モジュール)内に設置して構成
    した中空糸膜型細胞培養装置において、中空糸膜内側に
    培養液および細胞を供給するための手段、細胞を抜き出
    すための手段、中空糸膜外側の中空糸膜モジュール内部
    にガスを導入するための手段、および老廃物、産生物等
    を流去するための手段を構成要素として具備し、中空糸
    膜内側に培養液および細胞を入れ、中空糸膜モジュール
    内部を培養液で満たすことなく、中空糸膜部を湿らせた
    状態で、培養液供給手段から常に新しい培養液を供給
    し、中空糸膜モジュール内部にガスを導入し当該ガスが
    中空糸膜多孔質部で培養液中に交換されるように構成し
    たことを特徴とする中空糸膜型細胞培養装置。
  2. 【請求項2】 ガスがCO2 またはO2 ガスからなるこ
    とを特徴とする請求項1記載の中空糸膜型細胞培養装
    置。
  3. 【請求項3】 中空糸膜内側に培養液および細胞を供給
    するための上部開口部(1)、細胞を抜き出すための下
    部開口部(4)、中空糸膜モジュール内部にガスを導入
    するためのガス交換用開口部(2)、および老廃物、産
    生物等を流去するための排出開口部(3)を有すること
    を特徴とする請求項1記載の中空糸膜型細胞培養装置。
  4. 【請求項4】 細胞が動物細胞からなることを特徴とす
    る請求項1記載の中空糸膜型細胞培養装置。
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