JP6126716B2 - 細胞培養用中空糸モジュールおよび細胞培養方法 - Google Patents
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Description
(1)1人の患者の移植手術に必要な所望量の培養細胞を確保するために、多数のシャーレを用いる。このため、1人の患者の移植手術のために多数のシャーレをインキュベーター内に配置して細胞培養を行う必要がある。よって、結果的に、患者1人当たりのインキュベーターの利用効率が極めて低い。
(2)多数のシャーレから必要量の培養細胞をかき集めた後に移植手術を行うため、不衛生になり易く、また、衛生状態を確保・維持するためのコストが増大する。
(3)培養細胞をかき集めて移植した直後の状態では移植部位の強度に欠ける。このため、軟骨欠損の移植手術などのように移植部位に、当該移植部位が健全な状態であった時と同程度の強度が要求される場合には、移植部位の強度が増大・回復までの長期間に渡って患者に負担を強いることになる。たとえば、膝の変形性関節症の治療のために、軟骨細胞を移植する手術を行った場合、手術により軟骨が埋め込まれた部位が、歩行ができる程度に十分な強度を回復するまでに、一般的に6カ月以上を要する。
第一の本発明の細胞培養用中空糸モジュールは、半透膜機能を有する中空糸を1本以上含む中空糸束と、セラミックス、ガラスセラミックス、ガラス、金属あるいはこれらを2種類以上組み合わせた複合材料から構成されると共に、細胞培養面を備えた多孔質体と、細胞培養面に向き合うと共に、細胞培養面に略対応する表面形状を有しかつ微細な凹凸や孔の無い平滑面からなる対向面を備えた対向部材と、中空糸束、多孔質体および対向部材を格納するハウジングと、を少なくとも有し、細胞培養面の面内において、細胞培養面から対向面までの最短距離が略一定となるように、細胞培養面と対向面とを対面させた状態で、ハウジング内に多孔質体および対向部材が配置されると共に、中空糸束が、少なくとも細胞培養面と対向面との間に形成される空間の一部分を占めるように配置されていることを特徴とする。
図1は、第一の本実施形態の細胞培養用中空糸モジュール(以下、「モジュール」と略す場合がある)の一例を示す模式側面図であり、図中の点線A−B間については、断面構造について示したものである。但し、図1中、中空糸束を構成する各々の中空糸や多孔質体の断面構造の詳細については記載を省略してある。
ここで、モジュール10を用いた細胞の培養・増殖は、細胞培養面30Sと、対向面40Sと、ハウジング50を構成する円筒状部材60の内周面とにより囲まれた空間(すなわち、ECS)内に種細胞を少なくとも含む被培養部材を配置する種細胞配置工程を少なくとも実施することにより行われる。この場合、ECS内を埋め尽くすように種細胞を増殖させることが極めて容易である。それゆえ、1人の患者の移植手術に必要な所望量の培養細胞を、1つのモジュール10を用いるだけで確保することも極めて容易である。また、それ故に、従来のように多数のシャーレから必要量の培養細胞をかき集める必要も無いため、高い衛生状態を確保・維持することも容易である。このような効果が得られる理由は、シャーレ内部の空間と比べて、ECSが、細胞が何がしかの固体表面に沿って増殖するという性質を最大限に発揮し易い空間、言い換えれば、細胞の3次元的かつ効率的な増殖に適した空間になっているためである。
なお、第一の本実施形態のモジュール10は、図1に例示したように、中空糸束20が、多孔質体30を貫通すると共に、細胞培養面30Sと交差するように配置された実施形態(第一バリエーション)では無く、中空糸束20が、細胞培養面30Sと略平行を成すように配置された形態(第二バリエーション)であってもよい。図3は、本実施形態のモジュールの他の例(第二バリエーション)の一例を示す模式側面図であり、図中の点線A−B間については、断面構造について示したものである。但し、図3中、中空糸束を構成する各々の中空糸や多孔質体の断面構造の詳細については記載を省略してある。
次に、第一の本実施形態のモジュール10の内部構造および第一の本実施形態のモジュール10を構成する主要部材の詳細について説明する。
まず、細胞培養面30Sから対向面40Sまでの最短距離Dminとしては、非特許文献1記載の技術で利用されているような一般的なシャーレの高さ(1〜2cm程度)よりも十分に小さければ特に限定されない。0.1mm〜5.0mmの範囲内であることが好ましく、0.3mm〜3.0mmの範囲内であることがより好ましい。最短距離Dminが5.0mmを上回ると、細胞培養面30Sと対向面40Sとの隙間が大きすぎるため、ECS内を細胞で埋め尽くすように細胞を培養することができても、培養細胞層110の強度が確保し難くなる可能性がある。このため、モジュール10から多孔質体30と、培養細胞層110と、中空糸22とが一体となった部材を回収したり、この部材を移植しようとした際に、培養細胞層110が型崩れし易くなるおそれがある。また、最短距離Dminが0.1mmを下回ると、移植手術に必要な量の細胞が確保できなくなったり、移植手術に必要な培養細胞層110の厚みが確保できなくなる場合がある。これに加えて、生体内における骨と骨との間の隙間などのように、生体内に形成される隙間は、一般的には0.3mm〜3.0mm程度である。よって、移植手術の際に、隙間のサイズが異なる個々の患部への移植を容易にするためのマージンの確保を考慮しても、最短距離Dminは0.1mm〜5.0mmの範囲内であることが好ましく、0.3mm〜3.0mmの範囲内であることがより好ましいと言える。
また、多孔質体30の形状は、特に限定されず適宜選択できるが、上述した第二の態様で移植手術を行う場合には、移植部位に対応した形状およびサイズを有することが好ましい。ここで、「移植部位に対応した形状およびサイズ」とは、広義には、移植手術の対象となる部分に対して、取付・固定し易い形状およびサイズを意味する。なお、このような形状・サイズは、通常は、移植手術の対象となる部分に対して、隙間やサイズ的な過不足を極力小さくした状態で多孔質体30を含む複合部材100を取り付けられるように、移植手術の対象となる部分の表面形状に対応した形状およびサイズを有していることが好ましい。
対向部材40の形状は、対向面40Sが、細胞培養面30Sに略対応する表面形状を有しているのであれば特に限定されず、適宜選択できる。ここで、「対向面40Sが、細胞培養面30Sに略対応する表面形状を有する」とは、対向面40Sと細胞培養面30Sとが対面するように対向部材40と多孔質体30とを接触させた場合、対向面40Sと細胞培養面30Sとが、大きな隙間が形成されることなくほぼ全面が密着して接触できることを意味する。また、対向面40Sの表面は、細胞培養面30Sと異なり、微細な凹凸や孔の無い平滑面からなる。これにより、培養した細胞をモジュール10から取り出す際に、培養細胞層110の一部あるいは全部が対向面40S側に付着した状態で取り残される可能性を小さくすることができる。
また、中空糸22を構成する材料としては、生分解性材料、非生分解性材料、および、両者の混合材料、から選択されるいずれの材料も利用できる。ここで、非生分解性材料としては、たとえば、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリスチレン(PS)、ポリエーテルサルフォン(PES)などを例示することができる。しかしながら、中空糸22を構成する材料としては生分解性材料を単独で用いることが好ましい。この場合、中空糸22と共に培養細胞を移植しても、中空糸22は最終的には生体内で分解され、体内に吸収されるため、生体に対して何らの悪影響を与えるおそれも無い。また、移植に際して中空糸22と培養細胞とを分離する必要性も無いため、培養細胞の回収に際して培養細胞の活性度が低下するのを抑制できる。これに加えて、移植直後においては、中空糸22は、移植部位の強度の弱さを補うこともできる。
(i)ポリ乳酸、ポリグリコール酸、ポリカプロラクトン、脂肪族ポリエステル、ポリアミド
(ii)(i)に示す高分子材料からなる群より選択される少なくとも2種類以上の高分子材料を含む混合材料
(iii)(i)に示す高分子材料からなる群より選択される少なくとも2種類以上の高分子材料の重合に用いる各々の単量体を共重合させた共重合体
ハウジング50は、(1)中空糸束20、多孔質体30および対向部材40を少なくとも格納でき、(2)最短距離Dminが略一定となるように細胞培養面30Sと対向面40Sとを対面させた状態で、多孔質体30および対向部材40を配置でき、かつ、(3)中空糸束20が多孔質体30および対向部材40の間に形成される空間の一部を占めるように配置できるのであれば、その構造は図1および図3に示す例に限定されない。また、ハウジング50には、図1および図3に例示したように、細胞の培養を効率的に行う観点から、通常は、ECSおよびルーメンに接続される導管が適宜設けられる。そして、細胞の培養に際して、これらの導管には、チューブを介して外部の機器(たとえば、ポンプ、培養液供給タンク、被培養部材供給タンクなど)に適宜接続される。また、ハウジング50の内周面のうち、少なくともECSを構成する内周面は、細胞培養面30Sと異なり、通常、微細な凹凸や孔の無い平滑面とされる。これにより、培養した細胞をモジュール10から取り出す際に、培養細胞層110の一部あるいは全部が内周面側に付着した状態で取り残される可能性を小さくすることができる。
図4は、第二の本実施形態の細胞培養用中空糸モジュールの一例を示す模式側面図である。図4中に示す各部材について、図1中に示すものと同様の機能を持つ部材については同一の符号が付してある。図4に示す第二の本実施形態のモジュール200では、細胞培養面30Sから対向面40Sまでの最短距離Dminが0.1mm〜5.0mmの範囲内に設定される。最短距離Dminを上記範囲内に設定することにより、容易にECS内を細胞で埋め尽くすように細胞を培養することができると共に、移植手術に必要な量の細胞の確保も極めて容易である。
20 :中空糸束
22 :中空糸
30 :多孔質体
30S :細胞培養面
40 :対向部材
40S :対向面
50 :ハウジング
60 :円筒状部材
62L :キャップ
62R :キャップ
70A :第一ECS導管
70B :第二ECS導管
80A :第一ルーメン導管
80B :第二ルーメン導管
100 :複合部材
110 :培養細胞層
200 :モジュール
Claims (5)
- 半透膜機能を有する中空糸を1本以上含む中空糸束と、
セラミックス、ガラスセラミックス、ガラス、金属あるいはこれらを2種類以上組み合わせた複合材料から構成されると共に、細胞培養面を備えた多孔質体と、
前記細胞培養面に向き合うと共に、前記細胞培養面に略対応する表面形状を有しかつ微細な凹凸や孔の無い平滑面からなる対向面を備えた対向部材と、
前記中空糸束、前記多孔質体および前記対向部材を格納するハウジングと、を少なくとも有し、
前記細胞培養面の面内において、前記細胞培養面から前記対向面までの最短距離が略一定となるように、前記細胞培養面と前記対向面とを対面させた状態で、前記ハウジング内に前記多孔質体および前記対向部材が配置されると共に、
前記中空糸束が、少なくとも前記細胞培養面と前記対向面との間に形成される空間の一部分を占めるように配置されていることを特徴とする細胞培養用中空糸モジュール。 - 半透膜機能を有する中空糸を1本以上含む中空糸束と、
細胞培養面を備えた多孔質体と、
前記細胞培養面に向き合うと共に、微細な凹凸や孔の無い平滑面からなる対向面を備えた対向部材と、
前記中空糸束、前記多孔質体および前記対向部材を格納するハウジングと、を少なくとも有し、
前記細胞培養面から前記対向面までの最短距離が0.1mm〜5.0mmの範囲内となるように、前記細胞培養面と前記対向面とを対面させた状態で、前記ハウジング内に前記多孔質体および前記対向部材が配置されると共に、
前記中空糸束が、少なくとも前記細胞培養面と前記対向面との間に形成される空間の一部分を占めるように配置されていることを特徴とする細胞培養用中空糸モジュール。 - 請求項1または2に記載の細胞培養用中空糸モジュールにおいて、
前記多孔質体を構成する材料が、人工骨材料であることを特徴とする細胞培養用中空糸モジュール。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載の細胞培養用中空糸モジュールを用いた細胞培養方法であって、
前記細胞培養面と、前記対向面と、前記ハウジングの内周面とにより囲まれた空間内に、種細胞を少なくとも含む被培養部材を配置する種細胞配置工程と、
細胞の培養が完了した後に、前記多孔質体と、増殖した細胞を含む前記被培養部材と、前記中空糸束とが一体となった状態で、これら部材を前記ハウジング内から取り出す取り出し工程と、を少なくとも含むことを特徴とする細胞培養方法。 - 請求項4に記載の細胞培養方法において、
前記種細胞が軟骨細胞であることを特徴とする細胞培養方法。
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