JP5099309B2 - Cultured bone production equipment - Google Patents
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Description
この発明は、培養骨製造装置に関するものである。 The present invention relates to a cultured bone manufacturing apparatus .
従来、骨腫瘍掻爬、外傷などによる骨折や人工関節再置換術の際に、骨欠損がある場合には、その外科的治療法として自家骨移植や同種骨移植等が行われているが、種々の問題が残されている。例えば、骨欠損部に骨補填材を補填して骨を修復することが治療方法として実施されているが、骨欠損部が広域に及ぶ場合には、この手法による治療は困難となる。 Conventionally, when there is a bone defect in bone fractures due to bone tumor curettage, trauma, etc., or when there is a bone defect, autologous bone transplantation and allogeneic bone transplantation have been performed as surgical treatment methods. The problem remains. For example, a bone repairing method is performed by repairing a bone by filling a bone defect with a bone grafting material. However, when the bone defect covers a wide area, it is difficult to treat with this technique.
近年、骨欠損部に対する再生医療の試みがなされている。すなわち、患者から骨髄を採取し、採取された骨髄中に含まれている間葉系幹細胞を基にして、人為的に骨芽細胞を十分に増殖させた後、再度患者の体内に戻す手法が行われている。この場合に、患者自身から採取した骨髄から骨芽細胞への分化を促進させ、十分に増殖させた後に患者の体内に戻すため、拒絶反応等の免疫反応を生じることなく骨形成を促進することが期待されている。 In recent years, regenerative medicine has been attempted for bone defects. In other words, there is a technique in which bone marrow is collected from a patient, artificially proliferated with osteoblasts based on mesenchymal stem cells contained in the collected bone marrow, and then returned to the patient's body again. Has been done. In this case, to promote differentiation from bone marrow collected from patients themselves to osteoblasts, and after sufficient growth, return them to the patient's body, thus promoting bone formation without causing immune reactions such as rejection Is expected.
また、このような細胞を培養するシステムの開発も試みられている(例えば、特許文献1,2参照。)。骨髄細胞から骨芽細胞への分化を促進することが可能であれば、患者からより少ない骨髄細胞を採取し、採取後短時間で患者に戻すことができるため、治療期間を短縮することが可能となる。
Also, development of a system for culturing such cells has been attempted (see, for example,
一方、低出力超音波(Low-Intensity
Pulsed Ultrasound:以下、LIPUSと略す。)パルス刺激が骨折修復促進機能を有することが知られている(例えば、特許文献3参照。)。このような作用をもたらすLIPUS条件(周波数1.5MHz、繰り返し周波数1kHz,パルス幅200μs、出力値30mW/cm2)を備えた治療装置が米国Exogen社により超音波骨折治療器として開発されている。
On the other hand, low-power ultrasound (Low-Intensity
Pulsed Ultrasound: hereinafter abbreviated as LIPUS. ) It is known that pulse stimulation has a function of promoting fracture repair (see, for example, Patent Document 3). A treatment device having LIPUS conditions (frequency 1.5 MHz,
この超音波骨折治療器は、臨床試験において、頸骨骨幹部骨折(例えば、非特許文献1参照。)、橈骨遠位端骨折(例えば、非特許文献2参照。)等の治癒促進効果並びに動物モデルでの有効性(例えば、非特許文献3参照。)が照明されている。これらの超音波治療は非侵襲、非温熱効果を用いたものであり、超音波の音圧により骨表面で発生する微小な機械的刺激が骨折部位並びに周囲の細胞群に影響を与えていると考えられている。 This ultrasonic fracture treatment device is used in clinical trials for healing promotion effects such as tibial shaft fracture (for example, see Non-Patent Document 1), distal radius fracture (for example, Non-Patent Document 2), and animal models. The effectiveness (for example, refer nonpatent literature 3) is illuminated. These ultrasonic treatments use non-invasive and non-thermal effects, and the minute mechanical stimulation generated on the bone surface by the sound pressure of ultrasonic waves affects the fracture site and surrounding cells. It is considered.
これらのメカニズム解明のための研究として、LIPUSにより早期の骨芽細胞内の骨形成作用増強に関連したCOX−2などの因子の発現が増強されている報告や、コラーゲン分子の架橋結合が増強していることが骨強度の増加につながっているという報告がある(例えば、非特許文献4,5参照。)。また、様々な研究者が多数の超音波条件で骨芽細胞、骨細胞、軟骨細胞などへの超音波刺激の影響を検討しているが、そのメカニズムの詳細は未だに明らかとはなっていない。さらに、三次元軟骨細胞培養モデルにおいて、超音波刺激が軟骨細胞の分化を促進するという報告(例えば、非特許文献6参照。)があるが、その詳細についても不明である。
As a study to elucidate these mechanisms, LIPUS has reported that expression of factors such as COX-2 related to enhanced osteogenesis in early osteoblasts has been enhanced, and that cross-linking of collagen molecules has been enhanced. There is a report that this has led to an increase in bone strength (see, for example,
患者の骨髄液から採取した間葉系幹細胞を培養後、骨補填材料上で骨細胞に分化させ、培養骨として提供する再生医療事業が実施に移されている。かかる骨補填材料として、βリン酸三カルシウム(β−TCP)が市販され、整形外科分野で生体に吸収されながら自ら骨様に置換する特性を利用して再生医療技術に応用されている。
しかしながら、患者から採取した骨髄細胞を骨補填材料に播種し、骨分化誘導剤を添加して骨芽細胞に分化させ、充分な量に達した段階で患者に戻す方法は、培養に時間を要することから、治療時期の遅れや骨再生の遅延などの不都合がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、骨髄細胞から骨芽細胞への分化をさらに促進させ、迅速に患者の骨欠損部を修復することができる培養骨製造装置を提供することを目的としている。
However, the method of seeding bone marrow cells collected from a patient on a bone filling material, adding an osteoinductive agent to differentiate into osteoblasts, and returning them to the patient when a sufficient amount is reached requires time for culturing. Therefore, there are inconveniences such as delayed treatment time and delayed bone regeneration.
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and provides a cultured bone production apparatus that can further promote differentiation from bone marrow cells to osteoblasts and quickly repair a bone defect of a patient. The purpose is that.
上記目的を達成するために、本発明者らは、骨髄細胞の骨芽細胞への分化を促進する方法について鋭意検討を行った結果、骨補填材内において培養されている骨髄細胞に対し超音波を照射することで骨芽細胞への分化を促進する手法を見いだし、以下の手段を提供する。 In order to achieve the above object, the present inventors conducted extensive studies on a method for promoting the differentiation of bone marrow cells into osteoblasts. As a result, the present inventors conducted ultrasound on bone marrow cells cultured in a bone grafting material. The following means are provided by finding a method of promoting differentiation into osteoblasts by irradiating with.
本発明の参考例は、骨補填材上に播種された骨髄細胞に骨分化誘導剤を添加するとともに、周波数1.3〜2MHz、繰り返し周期100〜1kHz、バースト幅10〜2000μs、空間時間平均出力100mW/cm2以下の超音波パルスを照射しつつ培養する培養骨の製造方法を提供する。 In the reference example of the present invention, a bone differentiation inducer is added to bone marrow cells seeded on a bone grafting material, and the frequency is 1.3 to 2 MHz, the repetition period is 100 to 1 kHz, the burst width is 10 to 2000 μs, and the spatiotemporal average output Provided is a method for producing cultured bone that is cultured while being irradiated with an ultrasonic pulse of 100 mW / cm 2 or less.
上記参考例においては、前記超音波パルスが周波数1.5MHz、繰り返し周期1kHz、バースト幅200μs、空間時間平均出力30mW/cm2であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記骨補填材が、βリン酸三カルシウム多孔体からなる成形体であることが好ましい。
さらに、上記参考例においては、前記骨分化誘導剤が、デキサメタゾンおよびβグリセロフォスフェートであることが好ましい。
In the above reference example, it is preferable that the ultrasonic pulse has a frequency of 1.5 MHz, a repetition period of 1 kHz, a burst width of 200 μs, and a spatiotemporal average output of 30 mW / cm 2 .
Moreover, in the said invention, it is preferable that the said bone grafting material is a molded object which consists of a beta tricalcium phosphate porous body.
Furthermore, in the above reference example , the bone differentiation inducer is preferably dexamethasone and β-glycerophosphate.
本発明は、骨髄液から培養骨を製造する培養骨製造装置であって、前記骨髄液から骨髄細胞を抽出する細胞抽出部と、該細胞抽出部により抽出された前記骨髄細胞を培養する一次培養部と、該一次培養部に投入され、培養された前記骨髄細胞を剥離する蛋白質分解酵素を貯蔵する酵素容器と、骨補填材を収容する補填材容器と、前記一次培養部から前記蛋白質分解酵素により剥離された前記骨髄細胞が投入され、前記補填材容器から前記骨補填材が投入されることにより前記骨髄細胞が前記骨補填材上に播種されるとともに、さらに骨分化誘導剤を含む培地が投入されることにより前記骨補填材上に播種された前記骨髄細胞を培養する二次培養部とを備え、該二次培養部が、前記骨補填材に播種された前記骨髄細胞に周波数1.3〜2MHz、繰り返し周期100〜1.0kHz、バースト幅10μs〜2000μs、空間時間平均出力100mW/cm2以下の超音波パルスを照射する超音波発振器を備える培養骨製造装置を提供する。
上記発明においては、前記超音波パルスが周波数1.5MHz、繰り返し周期1.0kHz、バースト幅200μs、空間時間平均出力30mW/cm2であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記骨補填材が、βリン酸三カルシウム多孔体からなる成形体であることが好ましい。
また、上記発明においては、前記骨分化誘導剤が、デキサメタゾンおよびβグリセロフォスフェートであることが好ましい。
また、上記発明においては、前記骨髄液または前記培養骨の感染の有無を検査する検査部をさらに備えることとしてもよい。
The present invention is a cultured bone production apparatus for producing cultured bone from bone marrow fluid, a cell extraction unit for extracting bone marrow cells from the bone marrow fluid, and primary culture for culturing the bone marrow cells extracted by the cell extraction unit Part, an enzyme container that stores the proteolytic enzyme that is put into the primary culture part and separates the cultured bone marrow cells, a filling material container that contains a bone filling material, and the proteolytic enzyme from the primary culture part The bone marrow cells separated by the above are loaded, and the bone grafting material is loaded from the filling material container so that the bone marrow cells are seeded on the bone grafting material, and a medium further containing a bone differentiation inducer is provided. A secondary culture unit for culturing the bone marrow cells seeded on the bone grafting material by being charged, and the secondary culture unit has a frequency of 1. for the bone marrow cells seeded on the bone grafting material. 3 to 2
In the above invention, the ultrasonic pulse preferably has a frequency of 1.5 MHz, a repetition period of 1.0 kHz, a burst width of 200 μs, and a spatiotemporal average output of 30 mW / cm 2 .
Moreover, in the said invention, it is preferable that the said bone grafting material is a molded object which consists of a beta tricalcium phosphate porous body.
Moreover, in the said invention, it is preferable that the said bone differentiation inducer is a dexamethasone and (beta) glycerophosphate.
Moreover, in the said invention, it is good also as providing the test | inspection part which test | inspects the presence or absence of the infection of the said bone marrow fluid or the said cultured bone.
本発明によれば、骨補填材上に播種された骨髄細胞を早期に骨芽細胞に分化させて、短期間で患者の骨欠損部に補填可能な成熟した培養骨を早期に製造することができ、治療期間を短縮し、患者にかかる負担を軽減できるという効果を奏する。 According to the present invention, the bone marrow cells seeded on the bone grafting material can be differentiated into osteoblasts at an early stage, and a mature cultured bone that can be filled in a bone defect of a patient in a short period of time can be produced at an early stage. The treatment period can be shortened and the burden on the patient can be reduced.
以下、本発明の一実施形態に係る培養装置100および製造方法について、図1および図2を参照して説明する。
本実施形態に係る培養装置100は、骨髄細胞を播種した骨補填材101および骨分化誘導剤を添加した培地102を収容する培養槽103と、培養槽103の下方に配置され培養槽103内の骨髄細胞に対し超音波Uを照射する超音波照射装置104とを備えている。
Hereinafter, a
The
前記培養槽103は、培地102を収容する容器部105と、該容器部105の上部開口を塞ぐように配置される蓋部106とを備えている。これら容器部105および蓋部106は、生体に対して毒性を有しない材質で構成されている。特に、容器部105は、ポリエチレンやポリスチレン等の透明材料または半透明材料により構成されている。容器部105の底面は、厚さ1mm程度に形成されている。
The
蓋部106は、容器部105の上部開口外周を全周にわたって覆う一方、スペーサ107によって容器部105との間に隙間をあけて配される鍔部108と、該鍔部108の内側に一体的に設けられ、容器部105内に挿入されて、容器部105内に貯留されている培地102の液面に接触させられる凸部109とを備えている。蓋部106は、その少なくとも凸部109が、超音波吸収材、例えば、シリコーンゴムにより構成されている。
The
前記超音波照射装置104は、滅菌水110を貯留し、その水面近傍に前記培養槽103を収容し、例えば、37℃の培養温度に水温を維持する恒温水槽111と、該恒温水槽111内に配置され、培養槽103の底面に向けて超音波パルスUを照射する超音波発振器112とを備えている。超音波発振器112を作動させて超音波パルスUを出射させると、超音波パルスUが滅菌水110内を伝播して、培養槽103の容器部105底面から培養槽103内に入射され、培養槽103内に収容されている骨補填材101上の骨髄細胞に超音波振動が加えられるようになっている。
The
超音波発振器112は、周波数1.3〜2MHz、繰り返し周期100〜1kHz、バースト幅10〜2000μs、空間時間平均出力100mW/cm2以下の超音波パルスUを出射するようになっている。
The
骨補填材101としては、それに担持させた骨髄細胞が骨芽細胞へと分化誘導されることにより培養骨を構成するものであり、例えば、高純度のβリン酸三カルシウム(β−TCP)多孔体を、例えば、立方体ブロック状に成形したものが使用される。
また、培地102としては、デキサメタゾンあるいはβグリセロフォスフェート(β−GP)を骨分化誘導材として含有する骨形成培地である。
The
The medium 102 is an osteogenic medium containing dexamethasone or β-glycerophosphate (β-GP) as a bone differentiation inducer.
このように構成された本実施形態に係る培養装置100を用いて培養骨を製造するには、培養槽103の容器部105内に骨形成培地102を貯留し、骨補填材101に骨髄細胞を播種したものを培養槽10の容器部105内に投入して、蓋部106により上部開口を覆う。そして、この培養槽103を、滅菌水110を貯留した恒温水槽111内に収容し、超音波発振器112を作動させる。
In order to manufacture cultured bone using the
超音波発振器112から出射された超音波パルスUは、滅菌水110内を伝播して培養槽103内に入射される。本実施形態においては、培養槽103を構成する容器部105の底面が1mm程度と薄く形成されているので、滅菌水110と容器部105との界面における反射があまり発生せず、超音波パルスUは培養槽103内にスムーズに入射され、骨補填材101に播種されている骨髄細胞に照射される。
The ultrasonic pulse U emitted from the
培養槽103は恒温水槽111内に収容されているので、37℃の適正な培養温度に維持され、超音波発振器112から照射される超音波パルスUの作用によって骨髄細胞の骨芽細胞への分化が効率的に促進される。その結果、従来と比較して大幅に骨芽細胞への分化誘導を促進することができ、早期に培養骨を得ることができるという効果がある。
Since the
(実施例1)
次に、上述した本実施形態に係る培養骨製造方法の実施例について説明する。
本実施例においては、培養槽103の容器部105として6穴の培養皿(以下、培養皿105とも言う。)を用い、該培養皿105の上部を覆う蓋部106として、シリコーンゴムを成形してなる超音波吸収板を使用した。恒温水槽111内にフレーム113を配置し、フレーム113によって恒温水槽111を滅菌水110の水面近傍に支持した。また、フレーム113には、培養皿105の下方に該培養皿105の6個の各ウェル105aに対応する位置に超音波発振器112を配置した。超音波の出力条件は、周波数1.5MHz、繰り返し周期1.0kHz、バースト幅200μs、空間時間平均出力30mW/cm2とした。符号114は超音波発振器112への電力を供給するケーブルである。
Example 1
Next, examples of the cultured bone manufacturing method according to the above-described embodiment will be described.
In this embodiment, a 6-hole culture dish (hereinafter also referred to as culture dish 105) is used as the
骨髄細胞として、ラット大腿骨由来の骨髄細胞を使用した。具体的には、Fischer334(ラット)の6週齢の大腿骨から骨髄細胞を採取し、75mm2の培養皿で初代培養を実施した。この際の培地は、α−MEM、15%FCSを使用し、分化誘導剤を含んでいない。トリプシン処理により得られた骨髄細胞を、106cell/mLの濃度に調製し、この細胞懸濁液に5mm角(125mm3)、気孔率75%のβ−TCPブロック(オスフェリオン/オリンパスバイオマテリアル株式会社製)101を2時間浸漬した。 As bone marrow cells, bone marrow cells derived from rat femur were used. Specifically, bone marrow cells were collected from a 6-week-old femur of Fischer334 (rat), and primary culture was performed in a 75 mm 2 culture dish. The medium at this time uses α-MEM and 15% FCS and does not contain a differentiation inducer. Bone marrow cells obtained by trypsin treatment were prepared to a concentration of 10 6 cells / mL, and a 5-mm square (125 mm 3 ) and a porosity of 75% β-TCP block (Osferion / Olympus Biomaterials stock) 101) was immersed for 2 hours.
その後、骨髄細胞およびβ−TCPの複合体(以下、複合体101という。)を培地内から取り出し、6穴培養皿105に載せて、骨形成培地(α−MEM、15%FCS、108mMデキサメタゾン(以下、DEXという。)、10mMβグリセロフォスフェート(以下、β−GPという。))102中で培養した、以下の2群を設定した。
(1)超音波照射群:複合体+DEX+β−GPに対して、37℃のインキュベータ内で超音波パルスU刺激を実施した群。
(2)対照群:複合体+DEX+β−GPに対して、37℃のインキュベータ内で静置し、超音波刺激は実施しない群。
超音波照射群に関しては、培養1日後から超音波発振器112の作動により超音波パルスU刺激(20分/日)を実施した。
Thereafter, a complex of bone marrow cells and β-TCP (hereinafter referred to as complex 101) is taken out from the medium, placed on a 6-
(1) Ultrasonic irradiation group: a group in which ultrasonic pulse U stimulation was performed in a 37 ° C. incubator for the complex + DEX + β-GP.
(2) Control group: a group that is left to stand in a 37 ° C. incubator with respect to the complex + DEX + β-GP and does not perform ultrasonic stimulation.
For the ultrasonic irradiation group, ultrasonic pulse U stimulation (20 minutes / day) was performed by operating the
本実施例における検討項目を以下に列挙する。
(1)DNA量
採取したβTCPブロック101を液体窒素で破砕し、PBS/NP−40液でホモジネートしてHoechist33258を用いてdsDNA量を定量し、細胞数を算出した。
(2)アルカリフォスファターゼ(ALP)量
上記によるホモジネート後の溶液を用いて、Kind−King法でALP活性を測定した。
(3)オステオカルシン(OC)量(mRNAレベル並びに蛋白量)
特定器プライマを用いてPT−PCR法でmRNA発現量を解析した。また、OC蛋白量は回収したβTCPブロック101を20%蟻酸で脱灰し、その抽出液を脱塩凍結乾燥したものを用いてEIA法で定量した。
(4)コラーゲン量(mRNAレベル並びに蛋白量)
特異的プライマを用いてPT−PCR法でmRNA発現量を解析した。コラーゲン蛋白量は、βTCPブロック101を6N塩酸で110℃、24時間加水分解した後、HPLC法でhyroxyroline量を求め、コラーゲン量に換算した。
(5)コラーゲン架橋形成量(未熟型架橋:DHLNL,HLNL,LNL、成熟架橋:Pyridinoline,Deoxypyridinoline)
βTCPブロック101を6N塩酸で110℃24時間加水分解した後、HPLC法で未熟型架橋、成熟架橋を分離定量し、単位コラーゲン量当たりとして算出した。
The examination items in this example are listed below.
(1) DNA amount The collected
(2) Alkaline phosphatase (ALP) ALP activity was measured by the Kind-King method using the solution after homogenation as described above.
(3) Osteocalcin (OC) level (mRNA level and protein level)
The mRNA expression level was analyzed by PT-PCR method using a specific device primer. The amount of OC protein was quantified by the EIA method using the recovered βTCP block 101 deashed with 20% formic acid and the extract obtained by desalting and freeze-drying.
(4) Collagen content (mRNA level and protein content)
The mRNA expression level was analyzed by the PT-PCR method using a specific primer. The amount of collagen protein was obtained by hydrolyzing βTCP block 101 with 6N hydrochloric acid at 110 ° C. for 24 hours, and then determining the amount of hyroxyroline by the HPLC method and converting it to the amount of collagen.
(5) Collagen crosslink formation amount (Immature type crosslinks: DHLNL, HLNL, LNL, mature crosslinks: Pyridinoline, Deoxypyridinoline)
After
これらの検討項目に対して、超音波パルスUの刺激回数との関係を、対照群に対する超音波刺激群の比率(%)により表1に示した。
解析サンプルとしては、超音波刺激1回の24時間後、刺激3回(3日間)してから24時間後、刺激7回(7日間)してから24時間後、刺激14回(2週間)してから24時間後、および刺激21回(3週間)してから24時間後のサンプルを使用した。
Table 1 shows the relationship between the number of stimulations of the ultrasonic pulse U and the ratio (%) of the ultrasonic stimulation group to the control group.
As analysis samples, 24 hours after one ultrasonic stimulation, 24 hours after three stimulations (3 days), 24 hours after seven stimulations (7 days), and 14 stimulations (2 weeks) Samples 24 hours after and 24 hours after 21 stimulations (3 weeks) were used.
本試験実施前に、DEX等の分化誘導剤を添加しないで超音波刺激により骨髄細胞から骨芽細胞への分化状態を検討したが、オステオカルシンの誘導およびコラーゲン架橋パターンの骨型への誘導は認められなかった。 Before conducting this study, we examined the differentiation state from bone marrow cells to osteoblasts by ultrasonic stimulation without adding differentiation inducers such as DEX. However, induction of osteocalcin and induction of collagen cross-linking pattern to bone type were observed. I couldn't.
対照群では、培養約2週間で骨芽細胞への分化傾向が認められた。この結果から、超音波刺激により、対照群に比較して約1週間早く、石灰化基質の成熟等が認められた。分化誘導剤であるDEXは、骨髄細胞の骨芽細胞への分化誘導に効果があるが、培養期間が長いほど、効果を発揮することがわかっている。 In the control group, an osteoblast differentiation tendency was observed in about 2 weeks of culture. From this result, maturation of the calcified substrate was recognized about one week earlier than the control group by ultrasonic stimulation. DEX, which is a differentiation inducer, is effective in inducing differentiation of bone marrow cells into osteoblasts, but it has been found that the longer the culture period, the more effective.
したがって、この結果においても、培養2週目以降は超音波刺激による顕著な差は認められなかったが、その時期に至るまでのオステオカルシン量並びにコラーゲン量は、超音波刺激群で有意に複合体101内に蓄積されている。このことから、成熟度の高い基質、すなわち、基質量は同様であっても、非常に骨質が高い基質が得られる可能性が示唆された。以上のように、超音波刺激により分化誘導剤存在下における骨補填材101中の骨髄細胞の骨芽細胞への分化が促進されることが明らかとなった。
Therefore, also in this result, no significant difference was observed due to ultrasonic stimulation after the second week of culture, but the amount of osteocalcin and the amount of collagen up to that time were significantly different in the complex 101 in the ultrasonic stimulation group. Is accumulated within. From this, it was suggested that a substrate with high maturity, that is, a substrate with very high bone quality, could be obtained even if the substrate mass was the same. As described above, it has been clarified that the differentiation of bone marrow cells in the
(実施例2)
実施例1と同一の試験を実施し、21日間培養し経時的に回収して分析した。また、検討項目として、コラーゲン架橋パターン(未熟型架橋:(DHLNL+HLNL)/LNL、成熟架橋:DPD/PYD)を加えた。
培養14日目の顕微鏡写真を図4に示す。図4(a)は超音波照射群、(b)は対照群である。これによれば、超音波照射群は、TCPの周囲に骨マトリクスが形成されていることがわかる。
(Example 2)
The same test as in Example 1 was carried out, cultured for 21 days, collected over time and analyzed. In addition, collagen cross-linking patterns (immature cross-linking: (DHLNL + HLNL) / LNL, mature cross-linking: DPD / PYD) were added as examination items.
A photomicrograph of the 14th day of culture is shown in FIG. FIG. 4A shows the ultrasonic irradiation group, and FIG. 4B shows the control group. According to this, it can be seen that the bone matrix is formed around the TCP in the ultrasonic irradiation group.
図5に細胞数、図6にコラーゲン量、図7にALP活性、図8にオステオカルシン量、図9に未熟架橋「量」、図10に成熟架橋「量」、図11に未熟架橋「骨型パターン」、図12に成熟架橋「骨型パターン」をそれぞれ示す。
細胞数においては、超音波照射群と対照群との間に顕著な差は見られないが、他の分析結果においては、両者の差は顕著である。未熟架橋「量」はDHLNLとHLNLとLNLとの総和、成熟架橋「量」はPYDとDPDとの和により求めた。
5 shows the number of cells, FIG. 6 shows the amount of collagen, FIG. 7 shows the ALP activity, FIG. 8 shows the amount of osteocalcin, FIG. 9 shows the amount of immature cross-linking, FIG. 10 shows the amount of mature cross-linking, and FIG. FIG. 12 shows mature cross-linked “bone pattern”.
There is no significant difference in the number of cells between the ultrasonic irradiation group and the control group, but the difference between the two is significant in other analysis results. The amount of immature crosslinking was determined by the sum of DHLNL, HLNL and LNL, and the amount of mature crosslinking was determined by the sum of PYD and DPD.
また、未熟架橋「骨型パターン」では、(DHLNL+HLNL)/LNLが9以上になると骨のパターンと言うことができ、成熟架橋「骨型パターン」では、(DPD/PYD)が0.2以上になると骨のパターンと言える。図11,12によれば、対照群が骨のパターンに移行するのに21日を要しているのに対し、超音波照射により、7日目と極めて早期に骨のパターンになっていることがわかる。
これにより、超音波照射によって、早期にコラーゲンの「量」と「質」を高め、骨型のコラーゲン基質を誘導することができることがわかった。
In the immature bridge “bone pattern”, when (DHLNL + HLNL) / LNL is 9 or more, it can be said to be a bone pattern. In the mature bridge “bone pattern”, (DPD / PYD) is 0.2. That's the bone pattern. According to FIGS. 11 and 12, it takes 21 days for the control group to shift to the bone pattern, but the bone pattern is very early on the seventh day due to ultrasonic irradiation. I understand.
As a result, it was found that the “amount” and “quality” of collagen can be increased at an early stage by ultrasonic irradiation, and a bone-type collagen matrix can be induced.
ここで、骨補填材101としての多孔質体について説明する。
細胞を用いた骨組織再生用の足場材料には、リン酸カルシウム、コラーゲン等の多くの材料が応用されている。その中でも、β−TCPはそれ自体が吸収性を有するとともに、骨形成の足場となり、完全に骨に置換する特徴を有するため、極めて有用である。さらに、細胞がその内部に進入することを可能とするために、足場材料に効果的に付着、増殖、分化しなければならない。そのため、本発明では、骨補填材101として、β−TCPからなる多孔質体を使用することが望ましい。さらに、その気孔率は、60〜80%であることが望ましく、75%が最も好ましい。75%の気孔率が最も超音波刺激の付与に適した気孔性状である。
Here, the porous body as the
Many materials such as calcium phosphate and collagen have been applied to scaffold materials for bone tissue regeneration using cells. Among them, β-TCP is extremely useful because it has a resorbability and serves as a scaffold for bone formation and has a feature of completely replacing bone. Furthermore, in order to allow cells to enter the interior, they must effectively attach, proliferate and differentiate to the scaffold material. Therefore, in the present invention, it is desirable to use a porous body made of β-TCP as the
また、本実施形態に係る培養装置100を適用した培養骨製造装置1について説明する。
この培養骨製造装置1は、患者から採取した骨髄液2と、該骨髄液2に含有されている細胞を付着させる骨補填材101と、培地4,102とを供給することにより、培養細胞を付着させた培養骨5と各工程における感染検査の結果を示すデータとを出力するものである。
Moreover, the culture
The cultured
さらに具体的には、この培養骨製造装置1は、貯蔵部6と、細胞抽出部7と、細胞培養部8a8bと、密封部9と、検査部10とを無菌室11内に備えている。
貯蔵部6は、骨補填材101,培地4,102をそれぞれ別々に収容する複数の容器を備えている。培地4は、例えば、図に示されるように、MEM(Minimal Essential Medium:最小必須培地)、FBS(Fatal Bovine Serum:ウシ胎子血清)および抗生剤から構成されており、これらが混合された状態で、あるいは別々の容器12,13,14内に収容されている。また、培地4を貯蔵する容器は、図示しない冷蔵装置内に収容されており、例えば、4℃で保存されている。抗生剤は、例えば、ペニシリン系抗生物質である。骨髄液2は細胞抽出部7に供給される。
More specifically, the cultured
The
該細胞抽出部7は、例えば、遠心分離機であり、骨髄液2を収容している容器から骨髄液2を受け取って、旋回させることにより、骨髄液2中から比重の重い骨髄細胞を採集することができるようになっている。
The
骨髄培養部は、一次培養部8aと二次培養部8bとから構成されている。一次培養部8aは、図に示すように、前記細胞抽出部7および培地4を収容している容器のそれぞれに接続されている。この一次培養部8aは細胞抽出部7において抽出された骨髄細胞と、容器に貯蔵されている培地4とを受け入れる培養容器15と、培養容器15内においてこれら骨髄細胞および培地4を攪拌する攪拌手段(図示略)と、攪拌されて混合された骨髄細胞および培地4を所定の温度(例えば、37±0.5℃)およびCO2濃度(例えば、5%)等の培養条件に維持する手段16とを備え、所定時間にわたって、一定培養条件下で骨髄細胞を培養することができるようになっている。また、一次培養部8aにはトリプシン等の蛋白質分解酵素を貯蔵する容器17が接続されている。
The bone marrow culture part is composed of a
これにより、一次培養部8aにおける培養工程において、培養容器15内にトリプシンを供給することで、培養容器15の底面に付着した骨髄細胞を培養容器15から剥離させることができるようになっている。図中、符号18はトリプシン内に混合している骨髄細胞を抽出するための遠心分離機である。
Thereby, in the culturing process in the
二次培養部8bには、上述した本実施形態に係る培養装置100が用いられる。
二次培養部8bは一次培養部8aに接続されているとともに、骨補填材101を収容する容器(図示略)にも接続されている。この二次培養部8bも前記一次培養部8aと同様に、培養容器103および図示しない攪拌手段、培養条件維持手段20を備えている。
The
The secondary culture unit 8b is connected to the
また、これら、一次培養部8aおよび二次培養部8bには、培養容器15,19内の培地を定期的に交換する培地交換手段27,28が備えられている。培地交換手段27,28は、例えば、培養容器15,103を水平軸回りに回転させる容器回転手段(図示略)を備えている。すなわち、容器回転手段を作動させて培養容器15,103を水平軸回りに回転させることにより傾斜させ、あるいは反転させて、内部の培地102を培養容器15,103から排出することができるようになっている。
また、培地交換手段27,28には排出された培地102’を収容する廃培地容器29が備えられている。
The
In addition, the medium exchange means 27 and 28 are provided with a
密封部9は、二次培養部8bに接続され、該二次培養部8bにおいて製造された培養骨を密封容器30内に密封して出力するように構成されている。図中、符号31は最終製品である培養骨から検査用の検体を取り出す検体抽出部である。
また、検査部は前記骨髄液2の容器、一次培養部8aの廃培地容器29、二次培養部8bの廃培地容器29および検体抽出部31に接続された全自動リアルタイムPCR(Polymerase Chain
Reaction)装置である。この全自動リアルタイムPCR装置においては、真菌、細菌、エンドトキシン、ウィルス、マイコプラズマ等を全て検出できるようなプライマが使用される。
The sealing
In addition, the test unit is a fully automatic real-time PCR (Polymerase Chain) connected to the
Reaction) equipment. In this fully automatic real-time PCR apparatus, a primer capable of detecting all of fungi, bacteria, endotoxin, virus, mycoplasma and the like is used.
この培養骨製造装置1においては、貯蔵部6、細胞抽出部7、細胞培養部8a,8b、密封部9および検査部10が無菌室11内に配置されており、無菌室11は、例えば、クリーンルームと同様に、内部を一定の陽圧に設定され、パーティクルカウンタ等によって単位容積当たりの塵埃数を制限されている。
In this cultured
このように、この培養骨製造装置1によれば、骨髄液から採取した骨髄細胞を使用し、β−TCPなどの骨補填材101上で骨分化誘導剤を添加して培養する二次培養部8bにおいて、特定周波数の低出力超音波パルスUを照射することにより、骨芽細胞への分化を促進し、骨折等の骨欠損部の修復用として自家骨細胞を含む培養骨を早期に製造することができる。
Thus, according to this cultured
U 超音波パルス
100 培養装置
101 骨補填材
102 培地
103 培養槽
104 超音波照射装置
U
Claims (5)
前記骨髄液から骨髄細胞を抽出する細胞抽出部と、
該細胞抽出部により抽出された前記骨髄細胞を培養する一次培養部と、
該一次培養部に投入され、培養された前記骨髄細胞を剥離する蛋白質分解酵素を貯蔵する酵素容器と、
骨補填材を収容する補填材容器と、
前記一次培養部から前記蛋白質分解酵素により剥離された前記骨髄細胞が投入され、前記補填材容器から前記骨補填材が投入されることにより前記骨髄細胞が前記骨補填材上に播種されるとともに、さらに骨分化誘導剤を含む培地が投入されることにより前記骨補填材上に播種された前記骨髄細胞を培養する二次培養部とを備え、
該二次培養部が、前記骨補填材に播種された前記骨髄細胞に周波数1.3〜2MHz、繰り返し周期100〜1.0kHz、バースト幅10μs〜2000μs、空間時間平均出力100mW/cm2以下の超音波パルスを照射する超音波発振器を備える培養骨製造装置。 A cultured bone manufacturing apparatus for manufacturing cultured bone from bone marrow fluid,
A cell extractor for extracting bone marrow cells from the bone marrow fluid;
A primary culture unit for culturing the bone marrow cells extracted by the cell extraction unit;
An enzyme container for storing a proteolytic enzyme that is put into the primary culture unit and peels off the cultured bone marrow cells;
A filling material container for containing a bone filling material;
The bone marrow cells peeled off by the proteolytic enzyme from the primary culture part are charged, and the bone marrow cells are seeded on the bone filler by loading the bone filler from the filler container. Further, a secondary culture unit for culturing the bone marrow cells seeded on the bone filling material by introducing a medium containing a bone differentiation inducer,
The secondary culture section has a frequency of 1.3 to 2 MHz, a repetition period of 100 to 1.0 kHz, a burst width of 10 μs to 2000 μs, and a spatiotemporal average output of 100 mW / cm 2 or less on the bone marrow cells seeded on the bone grafting material. A cultured bone manufacturing apparatus including an ultrasonic oscillator for irradiating an ultrasonic pulse.
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