JP6330039B2 - 細胞構造体及び細胞構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、細胞構造体及び細胞構造体の製造方法に関する。詳しくは、本発明は、移植後に血管を形成できる細胞構造体及びその製造方法に関する。
現在、機能障害や機能不全に陥った生体組織・臓器の再生を図る再生医療の実用化が進められている。再生医療は、生体が持っている自然治癒能力だけでは回復できなくなった生体組織を、細胞、足場及び成長因子の三因子を使って元の組織と同じような形態や機能を再び作り出す新たな医療技術である。近年では、細胞を使った治療が徐々に実現されつつある。例えば、自家細胞を用いた培養表皮、自家軟骨細胞を用いた軟骨治療、間葉系幹細胞を用いた骨再生治療、筋芽細胞を用いた心筋細胞シート治療、角膜上皮シートによる角膜再生治療、及び神経再生治療などが挙げられる。これら新たな治療は、従来の人工物による代替医療(例えば、人工骨補填剤やヒアルロン酸注射など)とは異なり、生体組織の修復・再生を図るものであり、高い治療効果を得られる。実際、自家細胞を用いた培養表皮や培養軟骨などの製品が市販されてきた。
例えば、細胞シートを用いた心筋の再生においては、厚みのある組織を再生するには、細胞シートの多層構造体が必要であると考えられる。近年、岡野らは温度応答性培養皿を用いた細胞シートを開発した。細胞シートはトリプシンのような酵素処理が不要であるため、細胞と細胞との結合および接着蛋白が保持される(非特許文献1から6)。このような細胞シート製造技術は、心筋組織の再生に有用であると期待される(非特許文献7)。また岡野らは、細胞シートに血管網を形成すべく、血管内皮細胞を一緒に導入した細胞シートの開発を行っている(非特許文献8)。
また、特許文献1には、生体親和性を有する高分子ブロックと細胞とを含み、上記複数個の細胞間の隙間に複数個の上記高分子ブロックが配置されている細胞構造体が記載されている。特許文献1に記載の細胞構造体においては、外部から細胞構造体の内部への栄養送達が可能であり、十分な厚みを有するとともに、構造体中で細胞が均一に存在している。特許文献1の実施例においては、リコンビナントゼラチンや天然ゼラチン素材からなる高分子ブロックを用いて高い細胞生存活性が実証されている。特許文献2には、生体親和性を有する高分子ブロックと少なくとも一種類の細胞とを含み、上記複数個の細胞間の隙間に複数個の上記高分子ブロックが配置されている細胞移植用細胞構造体が記載されている。特許文献2の実施例においては、細胞移植用細胞構造体を用いて血管形成が評価されている。
国際公開WO2011/108517号 特開2014−12114号公報
Shimizu, T. et al., Circ. Res. 90, e40-48 (2002) Kushida, A. et al., J. Biomed. Mater. Res. 51, 216-223 (2000) Kushida, A. et al., J. Biomed. Mater. Res. 45, 355-362 (1999) Shimizu, T., Yamato, M., Kikuchi, A. & Okano, T., Tissue Eng.7, 141-151 (2001) Shimizu, T et al., J. Biomed. Mater. Res. 60,110-117(2002) Harimoto, M. et al., J. Biomed. Mater. Res. 62, 464-470 (2002) Shimizu, T., Yamato, M., Kikuchi, A. & Okano, T., Biomaterials 24, 2309-2316 (2003) Inflammation and Regeneration vol.25 No.3 2005, p158-159. 第26回 日本炎症・再生医学会 ―炎症学と再生医学の融合を目指して― 岡野光夫
特許文献1及び特許文献2の実施例に記載されている細胞構造体の高分子ブロックにおいては、高分子の架橋のためにグルタルアルデヒドが使用されている。人体に対する細胞移植治療のためには、グルタルアルデヒドを使用しない方法で作製した細胞構造体を使用することが望ましい。しかし、グルタルアルデヒドを使用しない方法で作製され、かつ移植後に血管形成できる細胞構造体は未だ提供されていない。
本発明は、グルタルアルデヒドを含まず、かつ移植後に血管形成できる細胞構造体を提供することを課題とした。更に本発明は、上記細胞構造体の製造方法を提供することを解決すべき課題とした。
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討した結果、生体親和性高分子ブロックと細胞と空隙とを有する細胞構造体において、細胞構造体の体積に対する、生体親和性高分子ブロックの体積、細胞の体積及び空隙の体積の割合をそれぞれ10〜30%、20〜50%及び35〜60%とすることによって、細胞構造体中に血管を形成することに成功した。さらに本発明者らは、血管内皮前駆細胞を含む細胞構造体を腎皮膜下に移植した場合に細胞構造体中で長期間に渡って血管を維持させることにも成功した。本発明はこれらの知見に基づいて完成したものである。
即ち、本発明によれば、以下の発明が提供される。
(1) 生体親和性高分子ブロックと少なくとも一種類の細胞とを含み、複数個の上記細胞間の隙間に複数個の上記生体親和性高分子ブロックが配置され、かつ空隙を有する細胞構造体であって、上記細胞構造体の体積に対する上記生体親和性高分子ブロックの体積の割合が10〜30%であり、上記細胞構造体の体積に対する上記細胞の体積の割合が20〜50%であり、かつ上記細胞構造体の体積に対する上記空隙の体積の割合が35〜60%である、上記の細胞構造体。
(2) 上記細胞が、少なくともヒト間葉系幹細胞を含む、(1)に記載の細胞構造体。
(3) 上記細胞が、少なくとも血管系細胞を含む、(1)又は(2)に記載の細胞構造体。
(4) 細胞移植のために使用される、(1)から(3)の何れかに記載の細胞構造体。
(5) 腎皮膜への細胞移植のための使用される、(4)に記載の細胞構造体。
(6) 上記生体親和性高分子ブロック一つの大きさが10μm以上300μm以下である、(1)から(5)の何れかに記載の細胞構造体。
(7) 厚さ又は直径が400μm以上3cm以下である、(1)から(6)の何れかに記載の細胞構造体。
(8) 上記生体親和性高分子ブロックがリコンビナントペプチドからなる、(1)から(7)の何れかに記載の細胞構造体。
(9) 上記リコンビナントペプチドが、
配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるペプチド;
配列番号1に記載のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;又は
配列番号1に記載のアミノ酸配列と80%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;
の何れかである、(8)に記載の細胞構造体。
(10) 上記生体親和性高分子ブロックにおいて、上記生体親和性高分子が熱、紫外線又は酵素により架橋されている、(1)から(9)の何れかに記載の細胞構造体。
(11) 上記生体親和性高分子ブロックが、
生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度以下となる、凍結処理により凍結する工程a;及び
上記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程b:
を含む方法により製造される生体親和性高分子ブロックである、(1)から(10)の何れかに記載の細胞構造体。
(12) 上記生体親和性高分子ブロックが、
生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度以下となる、凍結処理により凍結する工程a;
上記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程b;及び
工程bで得られた多孔質体を粉砕する工程c:
を含む方法により製造される生体親和性高分子ブロックである、(1)から(11)の何れかに記載の細胞構造体。
(13) 上記細胞構造体の内部において血管が形成されている、(1)から(12)の何れかに記載の細胞構造体。
(14) 生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度以下となる、凍結処理により凍結する工程a、及び上記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程bを含む方法により製造される生体親和性高分子ブロックと、少なくとも一種類の細胞とを混合する工程を含む、(1)から(13)の何れかに記載の細胞構造体を製造する方法。
(15) (1)から(13)の何れかに記載の細胞構造体の複数個を融合させることによって得られる細胞構造体。
さらに本発明によれば、以下の発明が提供される。
(16) (1)から(13)又は(15)の何れかに記載の細胞構造体を、細胞移植を必要とする患者に移植する工程を含む細胞移植方法。
(17) 細胞構造体を、腎皮膜に移植する、(16)に記載の細胞移植方法。
(18) 細胞移植治療剤の製造のための、(1)から(13)又は(15)の何れかに記載の細胞構造体の使用。
(19) 細胞移植治療剤が、腎皮膜に移植される細胞移植治療剤である、(18)に記載の使用。
(20) (1)から(13)又は(15)の何れかに記載の細胞構造体を含む、細胞移植治療剤。
(21) 腎皮膜に移植される細胞移植治療剤である、(20)に記載の細胞移植治療剤。
本発明の細胞構造体は、グルタルアルデヒドを使用することなく製造することができることから、人体に安全な細胞移植治療のために使用できる。また、本発明の細胞構造体によれば、移植後に血管を効率よく形成することができる。
図1は、実施例の条件Aにおける溶媒を凍結する際の温度プロファイルを示す。 図2は、実施例の条件Bにおける溶媒を凍結する際の温度プロファイルを示す。 図3は、実施例の条件Cにおける溶媒を凍結する際の温度プロファイルを示す。 図4は、実施例5のモザイク細胞塊、比較例3のモザイク細胞塊、及び比較例4の細胞塊大の切片画像を示す。 図5は、実施例5及び比較例3のモザイク細胞塊、並びに比較例4の細胞塊のATPアッセイの結果を示す。 図6は、実施例5のモザイク細胞塊、及び比較例4の細胞塊における生細胞と死細胞のライブイメージングを示す。 図7は、実施例8(条件A、B及びC)又は比較例6(単純凍結ブロック)のhMSCモザイク細胞塊を皮下移植した2週間後に作製したHE(ヘマトキシリン・エオシン)標本を示す。 図8は、実施例8の条件Cのブロックを用いたhMSCモザイク細胞塊、又は実施例9の条件Cのブロックを用いたhMSC+hECFCモザイク細胞塊を皮下に移植した2週間後に作製したHE標本を示す。 図9は、実施例9の条件Cのブロックを用いた場合のhMSC+hECFCモザイク細胞塊を皮下に移植したときのHE標本の経時変化を示す。 図10は、実施例9のhMSC+hECFCモザイク細胞塊を腎被膜下に移植したときのHE標本の経時変化を示す。 図11は、比較例7のhMSC+hECFC細胞塊を腎被膜下に移植したときのHE標本の経時変化を示す。 図12は、実施例4の条件A及び条件Dのブロック並びに比較例2の単純凍結ブロックの走査型電子顕微鏡(SEM)像を示す。上段の目盛は100μmを示し、下段の目盛は500μmを示す。 図13は、実施例4の条件A及び条件Dのブロック並びに比較例2の単純凍結ブロックのHE切片像を示す。目盛は100μmを示す。 図14は、実施例4の条件Aのブロックを用いたモザイク細胞塊の走査型電子顕微鏡(SEM)像を示す。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明は、生体親和性高分子ブロックと、少なくとも一種類の細胞とを含み、複数個の上記細胞間の隙間に複数個の上記生体親和性高分子ブロックが配置され、かつ空隙を有する細胞構造体であって、上記細胞構造体の体積に対する上記生体親和性高分子ブロックの体積の割合が10〜30%であり、上記細胞構造体の体積に対する上記細胞の体積の割合が20〜50%であり、かつ上記細胞構造体の体積に対する上記空隙の体積の割合が35〜60%である、上記細胞構造体に関する。なお、本発明の細胞構造体は、本明細書中において、モザイク細胞塊(モザイク状になっている細胞塊)と称する場合もある。
細胞構造体の体積に対する生体親和性高分子ブロックの体積の割合は10〜30%であり、より好ましくは12〜27%であり、特に好ましくは15〜24%である。細胞構造体の体積に対する細胞の体積の割合は20〜50%であり、より好ましくは25〜45%であり、特に好ましくは28〜42%である。細胞構造体の体積に対する空隙の体積の割合は35〜60%であり、より好ましくは35〜57%である。生体親和性高分子ブロック、細胞及び空隙のぞれぞれの割合を上記の範囲内とすることにより、細胞構造体における血管形成が可能となる。
細胞構造体の体積に対する、生体親和性高分子ブロックの体積の割合、細胞の体積の割合、及び空隙の体積の割合は、以下の方法により求めることができる。
細胞構造体の全体が視野に入る画像を用意する。その画像から、photoshop(登録商標)などの画像抽出ソフトを用いて生体親和性高分子ブロックのみを抽出した画像、並びに細胞のみを抽出した画像を用意する。これからの抽出画像を、Imagej(登録商標)などの画像ソフトを用いて、細胞構造体(モザイク細胞塊)全体が占める面積、生体親和性高分子ブロックが占める面積、及び細胞が占める面積を算出する。細胞構造体(モザイク細胞塊)全体が占める面積に対する生体親和性高分子ブロックが占める面積の割合を、細胞構造体の体積に対する生体親和性高分子ブロックの体積の割合とみなし、細胞構造体(モザイク細胞塊)全体が占める面積に対する細胞が占める面積の割合を、細胞構造体の体積に対する細胞の体積の割合とみなす。空隙の体積の割合は、「空隙の体積の割合=細胞構造体の体積の割合(100%)−生体親和性高分子ブロックの体積の割合−細胞の体積の割合」として算出する。即ち、本発明で言う空隙とは、細胞構造体が占める空間のうち、生体親和性高分子ブロックが占める空間及び細胞占める空間以外の空間を意味する。
(1)生体親和性高分子ブロック
(1−1)生体性親和性高分子
生体性親和性とは、生体に接触した際に、長期的かつ慢性的な炎症反応などのような顕著な有害反応を惹起しないことを意味する。本発明で用いる生体親和性高分子は、生体に親和性を有するものであれば、生体内で分解されるか否かは特に限定されないが、生分解性高分子であることが好ましい。非生分解性材料として具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエステル、塩化ビニル、ポリカーボネート、アクリル、ステンレス、チタン、シリコーンおよびMPC(2-メタクリロイルオキシエチルホスホリルコリン)などが挙げられる。生分解性材料としては、具体的にはリコンビナントペプチドなどのポリペプチド(例えば、以下に説明するゼラチン等)、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、乳酸・グリコール酸コポリマー(PLGA)、ヒアルロン酸、グリコサミノグリカン、プロテオグリカン、コンドロイチン、セルロース、アガロース、カルボキシメチルセルロース、キチン、およびキトサンなどが挙げられる。上記の中でも、リコンビナントペプチドが特に好ましい。これら生体親和性高分子には細胞接着性を高める工夫がなされていてもよい。具体的には、1.「基材表面に対する細胞接着基質(フィブロネクチン、ビトロネクチン、ラミニン)や細胞接着配列(アミノ酸一文字表記で現わされる、RGD配列、LDV配列、REDV配列、YIGSR配列、PDSGR配列、RYVVLPR配列、LGTIPG配列、RNIAEIIKDI配列、IKVAV配列、LRE配列、DGEA配列、及びHAV配列)ペプチドによるコーティング」、「基材表面のアミノ化、カチオン化」、又は「基材表面のプラズマ処理、コロナ放電による親水性処理」といった方法を使用できる。
リコンビナントペプチドを含むポリペプチドの種類は生体親和性を有するものであれば特に限定されないが、例えば、ゼラチン、コラーゲン、エラスチン、フィブロネクチン、プロネクチン、ラミニン、テネイシン、フィブリン、フィブロイン、エンタクチン、トロンボスポンジン、レトロネクチンが好ましく、最も好ましくはゼラチン、コラーゲン、アテロコラーゲンである。本発明で用いるためのゼラチンとしては、好ましくは、天然ゼラチン又はリコンビナントゼラチンであり、さらに好ましくはリコンビナントゼラチンである。ここでいう天然ゼラチンとは天然由来のコラーゲンより作られたゼラチンを意味する。リコンビナントゼラチンについては、本明細書中後記する。
本発明で用いる生体親和性高分子の親水性値「1/IOB」値は、0から1.0が好ましい。より好ましくは、0から0.6であり、さらに好ましくは0から0.4である。IOBとは、藤田穆により提案された有機化合物の極性/非極性を表す有機概念図に基く、親疎水性の指標であり、その詳細は、例えば、"Pharmaceutical Bulletin", vol.2, 2, pp.163-173(1954)、「化学の領域」vol.11, 10, pp.719-725(1957)、「フレグランスジャーナル」, vol.50, pp.79-82(1981)等で説明されている。簡潔に言えば、全ての有機化合物の根源をメタン(CH4)とし、他の化合物はすべてメタンの誘導体とみなして、その炭素数、置換基、変態部、環等にそれぞれ一定の数値を設定し、そのスコアを加算して有機性値(OV)、無機性値(IV)を求め、この値を、有機性値をX軸、無機性値をY軸にとった図上にプロットしていくものである。有機概念図におけるIOBとは、有機概念図における有機性値(OV)に対する無機性値(IV)の比、すなわち「無機性値(IV)/有機性値(OV)」をいう。有機概念図の詳細については、「新版有機概念図−基礎と応用−」(甲田善生等著、三共出版、2008)を参照されたい。本明細書中では、IOBの逆数をとった「1/IOB」値で親疎水性を表している。「1/IOB」値が小さい(0に近づく)程、親水性であることを表す表記である。
本発明で用いる高分子の「1/IOB」値を上記範囲とすることにより、親水性が高く、かつ、吸水性が高くなることから、栄養成分の保持に有効に作用し、結果として、本発明の細胞構造体(モザイク細胞塊)における細胞の安定化・生存しやすさに寄与するものと推定される。
本発明で用いる生体親和性高分子がポリペプチドである場合は、Grand average of hydropathicity(GRAVY)値で表される親疎水性指標において、0.3以下、マイナス9.0以上であることが好ましく、0.0以下、マイナス7.0以上であることがさらに好ましい。Grand average of hydropathicity(GRAVY)値は、『Gasteiger E., Hoogland C., Gattiker A., Duvaud S., Wilkins M.R., Appel R.D., Bairoch A.;Protein Identification and Analysis Tools on the ExPASy Server;(In) John M. Walker (ed): The Proteomics Protocols Handbook, Humana Press (2005). pp. 571-607』及び『Gasteiger E., Gattiker A., Hoogland C., Ivanyi I., Appel R.D., Bairoch A.; ExPASy: the proteomics server for in-depth protein knowledge and analysis.; Nucleic Acids Res. 31:3784-3788(2003).』の方法により得ることができる。
本発明で用いる高分子のGRAVY値を上記範囲とすることにより、親水性が高く、かつ、吸水性が高くなることから、栄養成分の保持に有効に作用し、結果として、本発明の細胞構造体(モザイク細胞塊)における細胞の安定化・生存しやすさに寄与するものと推定される。
(1−2)架橋
本発明で用いる生体親和性高分子は、架橋されているものでもよいし、架橋されていないものでもよいが、架橋されているものが好ましい。架橋されている生体親和性高分子を使用することにより、培地中で培養する際および生体に移植した際に瞬時に分解してしまうことを防ぐという効果が得られる。一般的な架橋方法としては、熱架橋、アルデヒド類(例えば、ホルムアルデヒド、グルタルアルデヒドなど)による架橋、縮合剤(カルボジイミド、シアナミドなど)による架橋、酵素架橋、光架橋、紫外線架橋、疎水性相互作用、水素結合、イオン性相互作用などが知られている。本発明ではグルタルアルデヒドを使用しない架橋方法を使用することが好ましい。本発明では、アルデヒド類又は縮合剤を使用しない架橋方法を使用することがより好ましい。即ち、本発明における生体親和性高分子ブロックは、好ましくは、グルタルアルデヒドを含まない生体親和性高分子ブロックであり、より好ましくは、アルデヒド類又は縮合剤を含まない生体親和性高分子ブロックである。本発明で使用する架橋方法としては、さらに好ましくは熱架橋、紫外線架橋、又は酵素架橋であり、特に好ましくは熱架橋である。
酵素による架橋を行う場合、酵素としては、高分子材料間の架橋作用を有するものであれば特に限定されないが、好ましくはトランスグルタミナーゼおよびラッカーゼ、最も好ましくはトランスグルタミナーゼを用いて架橋を行うことができる。トランスグルタミナーゼで酵素架橋するタンパク質の具体例としては、リジン残基およびグルタミン残基を有するタンパク質であれば特に制限されない。トランスグルタミナーゼは、哺乳類由来のものであっても、微生物由来のものであってもよく、具体的には、味の素(株)製アクティバシリーズ、試薬として発売されている哺乳類由来のトランスグルタミナーゼ、例えば、オリエンタル酵母工業(株)製、Upstate USA Inc.製、Biodesign International製などのモルモット肝臓由来トランスグルタミナーゼ、ヤギ由来トランスグルタミナーゼ、ウサギ由来トランスグルタミナーゼなど、ヒト由来の血液凝固因子(Factor XIIIa、Haematologic Technologies, Inc.社)などが挙げられる。
架橋(例えば、熱架橋)を行う際の反応温度は、架橋ができる限り特に限定されないが、好ましくは、−100℃〜500℃であり、より好ましくは0℃〜300℃であり、更に好ましくは50℃〜300℃であり、更に好ましくは100℃〜250℃であり、更に好ましくは120℃〜200℃である。
(1−3)リコンビナントゼラチン
本発明で言うリコンビナントゼラチンとは、遺伝子組み換え技術により作られたゼラチン類似のアミノ酸配列を有するポリペプチドもしくは蛋白様物質を意味する。本発明で用いることができるリコンビナントゼラチンは、コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列(X及びYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す)の繰り返しを有するものが好ましい。ここで、複数個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。好ましくは、細胞接着シグナルが一分子中に2配列以上含まれている。本発明で用いるリコンビナントゼラチンとしては、コラーゲンの部分アミノ酸配列に由来するアミノ酸配列を有するリコンビナントゼラチンを用いることができる。例えばEP1014176、US特許6992172号、国際公開WO2004/85473、国際公開WO2008/103041等に記載のものを用いることができるが、これらに限定されるものではない。本発明で用いるリコンビナントゼラチンとして好ましいものは、以下の態様のリコンビナントゼラチンである。
リコンビナントゼラチンは、天然のゼラチン本来の性能から、生体親和性に優れ、且つ天然由来ではないことで牛海綿状脳症(BSE)などの懸念がなく、非感染性に優れている。また、リコンビナントゼラチンは天然セラチンと比べて均一であり、配列が決定されているので、強度及び分解性においても架橋等によってブレを少なく精密に設計することが可能である。
リコンビナントゼラチンの分子量は、特に限定されないが、好ましくは2kDa以上100kDa以下であり、より好ましくは2.5kDa以上95kDa以下であり、さらに好ましくは5kDa以上90kDa以下であり、最も好ましくは10kDa以上90kDa以下である。
リコンビナントゼラチンは、コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列の繰り返しを有することが好ましい。ここで、複数個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。Gly−X−Y において、Glyはグリシンを表し、X及びYは、任意のアミノ酸(好ましくは、グリシン以外の任意のアミノ酸)を表す。コラーゲンに特徴的なGly−X−Yで示される配列とは、ゼラチン・コラーゲンのアミノ酸組成および配列における、他のタンパク質と比較して非常に特異的な部分構造である。この部分においてはグリシンが全体の約3分の1を占め、アミノ酸配列では3個に1個の繰り返しとなっている。グリシンは最も簡単なアミノ酸であり、分子鎖の配置への束縛も少なく、ゲル化に際してのヘリックス構造の再生に大きく寄与している。X及びYで表されるアミノ酸はイミノ酸(プロリン、オキシプロリン)が多く含まれ、全体の10%〜45%を占めることが好ましい。好ましくは、リコンビナントゼラチンの配列の80%以上、更に好ましくは95%以上、最も好ましくは99%以上のアミノ酸が、Gly−X−Yの繰り返し構造である。
一般的なゼラチンは、極性アミノ酸のうち電荷を持つものと無電荷のものが1:1で存在する。ここで、極性アミノ酸とは具体的にシステイン、アスパラギン酸、グルタミン酸、ヒスチジン、リジン、アスパラギン、グルタミン、セリン、スレオニン、チロシン及びアルギニンを指し、このうち極性無電荷アミノ酸とはシステイン、アスパラギン、グルタミン、セリン、スレオニン及びチロシンを指す。本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおいては、構成する全アミノ酸のうち、極性アミノ酸の割合が10〜40%であり、好ましくは20〜30%である。且つ上記極性アミノ酸中の無電荷アミノ酸の割合が5%以上20%未満、好ましくは10%未満であることが好ましい。さらに、セリン、スレオニン、アスパラギン、チロシン及びシステインのうちいずれか1アミノ酸、好ましくは2以上のアミノ酸を配列上に含まないことが好ましい。
一般にポリペプチドにおいて、細胞接着シグナルとして働く最小アミノ酸配列が知られている(例えば、株式会社永井出版発行「病態生理」Vol.9、No.7(1990年)527頁)。本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、これらの細胞接着シグナルを一分子中に2以上有することが好ましい。具体的な配列としては、接着する細胞の種類が多いという点で、アミノ酸一文字表記で現わされる、RGD配列、LDV配列、REDV配列、YIGSR配列、PDSGR配列、RYVVLPR配列、LGTIPG配列、RNIAEIIKDI配列、IKVAV配列、LRE配列、DGEA配列、及びHAV配列の配列が好ましい。さらに好ましくはRGD配列、YIGSR配列、PDSGR配列、LGTIPG配列、IKVAV配列及びHAV配列、特に好ましくはRGD配列である。RGD配列のうち、好ましくはERGD配列である。細胞接着シグナルを有するリコンビナントゼラチンを用いることにより、細胞の基質産生量を向上させることができる。例えば、細胞として、間葉系幹細胞を用いた軟骨分化の場合には、グリコサミノグリカン(GAG)の産生を向上させることができる。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおけるRGD配列の配置としては、RGD間のアミノ酸数が0〜100の間、好ましくは25〜60の間で均一でないことが好ましい。
この最小アミノ酸配列の含有量は、細胞接着・増殖性の観点から、タンパク質1分子中3〜50個が好ましく、さらに好ましくは4〜30個、特に好ましくは5〜20個である。最も好ましくは12個である。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンにおいて、アミノ酸総数に対するRGDモチーフの割合は少なくとも0.4%であることが好ましい。リコンビナントゼラチンが350以上のアミノ酸を含む場合、350のアミノ酸の各ストレッチが少なくとも1つのRGDモチーフを含むことが好ましい。アミノ酸総数に対するRGDモチーフの割合は、更に好ましくは少なくとも0.6%であり、更に好ましくは少なくとも0.8%であり、更に好ましくは少なくとも1.0%であり、更に好ましくは少なくとも1.2%であり、最も好ましくは少なくとも1.5%である。リコンビナントペプチド内のRGDモチーフの数は、250のアミノ酸あたり、好ましくは少なくとも4、更に好ましくは6、更に好ましくは8、更に好ましくは12以上16以下である。RGDモチーフの0.4%という割合は、250のアミノ酸あたり、少なくとも1つのRGD配列に対応する。RGDモチーフの数は整数であるので、0.4%の特徴を満たすには、251のアミノ酸からなるゼラチンは、少なくとも2つのRGD配列を含まなければならない。好ましくは、本発明のリコンビナントゼラチンは、250のアミノ酸あたり、少なくとも2つのRGD配列を含み、より好ましくは250のアミノ酸あたり、少なくとも3つのRGD配列を含み、さらに好ましくは250のアミノ酸あたり、少なくとも4つのRGD配列を含む。本発明のリコンビナントゼラチンのさらなる態様としては、少なくとも4つのRGDモチーフ、好ましくは6つ、より好ましくは8つ、さらに好ましくは12以上16以下のRGDモチーフを含む。
リコンビナントゼラチンは部分的に加水分解されていてもよい。
好ましくは、本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、式:A−[(Gly−X−Y)nm−Bで示されるものである。n個のXはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示し、n個のYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す。mとして好ましくは2〜10、好ましくは3〜5である。nは3〜100が好ましく、15〜70がさらに好ましく、50〜65が最も好ましい。Aは任意のアミノ酸又はアミノ酸配列を示し、Bは任意のアミノ酸又はアミノ酸配列を示し、n個のXはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示し、n個のYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す。
より好ましくは、本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、 式:Gly−Ala−Pro−[(Gly−X−Y)633−Gly(式中、63個のXはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示し、63個のYはそれぞれ独立にアミノ酸の何れかを示す。なお、63個のGly−X−Yはそれぞれ同一でも異なっていてもよい。)で示されるものである。
繰り返し単位には天然に存在するコラーゲンの配列単位を複数結合することが好ましい。ここで言う天然に存在するコラーゲンとは天然に存在するものであればいずれでも構わないが、好ましくはI型、II型、III型、IV型、又はV型コラーゲンである。より好ましくは、I型、II型、又はIII型コラーゲンである。別の形態によると、上記コラーゲンの由来は好ましくは、ヒト、ウシ、ブタ、マウス又はラットであり、より好ましくはヒトである。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンの等電点は、好ましくは5〜10であり、より好ましくは6〜10であり、さらに好ましくは7〜9.5である。
好ましくは、リコンビナントゼラチンは脱アミン化されていない。
好ましくは、リコンビナントゼラチンはテロペプタイドを有さない。
好ましくは、リコンビナントゼラチンは、アミノ酸配列をコードする核酸により調製された実質的に純粋なポリペプチドである。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンとして特に好ましくは、
(1)配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるペプチド;
(2)配列番号1に記載のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;又は
(3)配列番号1に記載のアミノ酸配列と80%以上(さらに好ましくは90%以上、特に好ましくは95%以上、最も好ましくは98%以上)の配列同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;
である。
「1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列」における「1若しくは数個」とは、好ましくは1〜20個、より好ましくは1〜10個、さらに好ましくは1〜5個、特に好ましくは1〜3個を意味する。
本発明で用いるリコンビナントゼラチンは、当業者に公知の遺伝子組み換え技術によって製造することができ、例えばEP1014176A2号公報、米国特許第6992172号公報、国際公開WO2004/85473号、国際公開WO2008/103041号等に記載の方法に準じて製造することができる。具体的には、所定のリコンビナントゼラチンのアミノ酸配列をコードする遺伝子を取得し、これを発現ベクターに組み込んで、組み換え発現ベクターを作製し、これを適当な宿主に導入して形質転換体を作製する。得られた形質転換体を適当な培地で培養することにより、リコンビナントゼラチンが産生されるので、培養物から産生されたリコンビナントゼラチンを回収することにより、本発明で用いるリコンビナントゼラチンを調製することができる。
(1−4)生体親和性高分子ブロック
本発明では、上記した生体親和性高分子からなるブロック(塊)を使用する。
本発明における生体親和性高分子ブロックの形状は特に限定されるものではない。例えば、不定形、球状、粒子状、粉状、多孔質状、繊維状、紡錘状、扁平状およびシート状であり、好ましくは、不定形、球状、粒子状、粉状および多孔質状であり、より好ましくは不定形である。不定形とは、表面形状が均一でないもののことを示し、例えば、岩のような凹凸を有する物を示す。
本発明における生体親和性高分子ブロック一つの大きさは、特に限定されないが、好ましくは1μm以上700μm以下であり、より好ましくは10μm以上700μm以下であり、さらに好ましくは10μm以上300μm以下であり、さらに好ましくは20μm以上200μm以下であり、さらに好ましくは20μm以上150μm以下であり、特に好ましくは25μm以上106μm以下である。生体親和性高分子ブロック一つの大きさを上記の範囲内にすることにより、より優れた血管形成を達成することができる。なお、生体親和性高分子ブロック一つの大きさとは、複数個の生体親和性高分子ブロックの大きさの平均値が上記範囲にあることを意味するものではなく、複数個の生体親和性高分子ブロックを篩にかけて得られる、一つ一つの生体親和性高分子ブロックのサイズを意味するものである。
ブロック一つの大きさは、ブロックを分ける際に用いたふるいの大きさで定義することができる。例えば、180μmのふるいにかけ、通過したブロックを106μmのふるいにかけた際にふるいの上に残るブロックを、106〜180μmの大きさのブロックとすることができる。次に、106μmのふるいにかけ、通過したブロックを53μmのふるいにかけた際にふるいの上に残るブロックを、53〜106μmの大きさのブロックとすることができる。次に、53μmのふるいにかけ、通過したブロックを25μmのふるいにかけた際にふるいの上に残るブロックを、25〜53μmの大きさのブロックとすることができる。
(1−5)生体親和性高分子ブロックの製造方法
生体親和性高分子ブロックの製造方法は、特に限定されないが、例えば、生体親和性高分子の多孔質体を、粉砕機(ニューパワーミルなど)を用いて粉砕することにより、生体親和性高分子ブロックを得ることができる。
生体親和性高分子の多孔質体を製造する際に、溶液内で最も液温の高い部分の液温(内部最高液温)が、未凍結状態で「溶媒融点−3℃」以下となる凍結工程を含めることによって、形成される氷は球状となる。この工程を経て、氷が乾燥されることで、球状の等方的な空孔(球孔)を持つ多孔質体が得られる。溶液内で最も液温の高い部分の液温(内部最高液温)が、未凍結状態で「溶媒融点−3℃」以上となる凍結工程を含まずに、凍結されることで、形成される氷は柱/平板状となる。この工程を経て、氷が乾燥されると、一軸あるいは二軸上に長い、柱状あるいは平板状の空孔(柱/平板孔)を持つ多孔質体が得られる。
本発明においては好ましくは、
生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度(“溶媒融点−3℃”)以下となる、凍結処理により凍結する工程a;及び
上記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程b:
を含む方法により、生体親和性高分子ブロックを製造することができる。
本発明ではさらに好ましくは、上記工程bで得られた多孔質体を粉砕することによって、生体親和性高分子ブロックを製造することができる。
より好ましくは、上記工程aにおいて、生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より7℃低い温度(“溶媒融点−7℃”)以下となる凍結処理により凍結することができる。
(2)細胞
本発明で用いる細胞は、本発明の細胞構造体の目的である、細胞移植を行えるものであれば任意の細胞を使用することができ、その種類は特に限定されない。また、使用する細胞は1種でもよいし、複数種の細胞を組合せて用いてもよい。また、使用する細胞として、好ましくは、動物細胞であり、より好ましくは脊椎動物由来細胞、特に好ましくはヒト由来細胞である。脊椎動物由来細胞(特に、ヒト由来細胞)の種類は、万能細胞、体性幹細胞、前駆細胞、又は成熟細胞の何れでもよい。万能細胞としては、例えば、胚性幹(ES)細胞、生殖幹(GS)細胞、又は人工多能性幹(iPS)細胞を使用することができる。体性幹細胞としては、例えば、間葉系幹細胞(MSC)、造血幹細胞、羊膜細胞、臍帯血細胞、骨髄由来細胞、心筋幹細胞、脂肪由来幹細胞、又は神経幹細胞を使用することができる。前駆細胞及び成熟細胞としては、例えば、皮膚、真皮、表皮、筋肉、心筋、神経、骨、軟骨、内皮、脳、上皮、心臓、腎臓、肝臓、膵臓、脾臓、口腔内、角膜、骨髄、臍帯血、羊膜、又は毛に由来する細胞を使用することができる。ヒト由来細胞としては、例えば、ES細胞、iPS細胞、MSC、軟骨細胞、骨芽細胞、骨芽前駆細胞、間充織細胞、筋芽細胞、心筋細胞、心筋芽細胞、神経細胞、肝細胞、ベータ細胞、線維芽細胞、角膜内皮細胞、血管内皮細胞、角膜上皮細胞、羊膜細胞、臍帯血細胞、骨髄由来細胞、又は造血幹細胞を使用することができる。また、細胞の由来は、自家細胞又は他家細胞の何れでも構わない。
例えば、重症心不全、重度心筋梗塞等の心臓疾患においては、自家および他家から摘出した心筋細胞、平滑筋細胞、線維芽細胞、骨格筋由来細胞(特にサテライト細胞)、骨髄細胞(特に心筋様細胞に分化させた骨髄細胞)などを好適に使用することができる。更に、他の臓器においても、適宜移植細胞を選択することができる。例えば、脳虚血・脳梗塞部位への神経前駆細胞または、神経細胞に分化可能な細胞の移植、心筋梗塞部位・骨格筋虚血部位への血管内皮細胞または血管内皮細胞に分化可能な細胞の移植などを挙げることができる。
また、糖尿病性の臓器障害に対する細胞移植に使用される細胞が挙げられる。例えば、腎臓、膵臓、末梢神経、眼、四肢の血行障害などの疾患に対して、種々検討されている細胞移植治療法用の細胞が挙げられる。即ち、インスリン分泌能が低下した膵臓にインスリン分泌細胞を移植する試みや、四肢の血行障害に対する骨髄由来細胞の移植などが検討されており、このような細胞を使用することができる。
また本発明においては、血管系細胞を使用することもできる。本明細書において、血管系細胞とは、血管形成に関連する細胞を意味し、血管および血液を構成する細胞、およびその細胞に分化することができる前駆細胞、体性幹細胞である。ここで、血管系細胞には、ES細胞、GS細胞、又はiPS細胞等の万能細胞や、間葉系幹細胞(MSC)のような血管および血液を構成する細胞に、自然には分化しないものは含まれない。血管系細胞として、好ましくは血管を構成する細胞である。脊椎動物由来細胞(特に、ヒト由来細胞)では、血管を構成する細胞の具体例としては、血管内皮細胞および血管平滑筋細胞を挙げることができる。血管内皮細胞は、静脈内皮細胞および動脈内皮細胞の何れでもよい。血管内皮細胞の前駆細胞としては、血管内皮前駆細胞を使用することができる。好ましくは血管内皮細胞および血管内皮前駆細胞である。血液を構成する細胞としては、血球細胞が使用でき、リンパ球や好中球などの白血球細胞、単球細胞、それらの幹細胞である造血幹細胞を使用できる。
本明細書において、非血管系細胞とは、上記の血管系細胞以外の細胞を意味する。例えば、ES細胞、iPS細胞、間葉系幹細胞(MSC)、心筋幹細胞、心筋細胞、線維芽細胞、筋芽細胞、軟骨細胞、筋芽細胞、肝細胞または神経細胞を使用することができる。好ましくは、MSC、軟骨細胞、筋芽細胞、心筋幹細胞、心筋細胞、肝細胞またはiPS細胞を使用することができる。より好ましくは、MSC、心筋幹細胞、心筋細胞または筋芽細胞である。
(3)細胞構造体
本発明においては、生体親和性高分子ブロックと細胞とを用いて、複数個の細胞間の隙間に複数個の生体親和性高分子ブロックをモザイク状に3次元的に配置させることによって細胞移植のために適した厚みを有することが可能となる。さらに、生体親和性高分子ブロックと細胞とがモザイク状に3次元に配置されることにより、構造体中で細胞が均一に存在する細胞構造体が形成され、外部から細胞構造体の内部への栄養送達を可能となる。これにより、本発明の細胞構造体を用いて細胞移植を行うと、血管を形成することが可能となる。
本発明の細胞構造体においては、複数個の細胞間の隙間に複数個の生体親和性高分子ブロックが配置されているが、ここで、「細胞間の隙間」とは、構成される細胞により、閉じられた空間である必要はなく、細胞により挟まれていればよい。なお、すべての細胞間に隙間がある必要はなく、細胞同士が接触している箇所があってもよい。生体親和性高分子ブロックを介した細胞間の隙間の距離、即ち、ある細胞とその細胞から最短距離に存在する細胞を選択した際の隙間距離は特に制限されるものではないが、生体親和性高分子ブロックの大きさであることが好ましく、好適な距離も生体親和性高分子ブロックの好適な大きさの範囲である。
また、生体親和性高分子ブロックは、細胞により挟まれた構成となるが、すべての生体親和性高分子ブロック間に細胞がある必要はなく、生体親和性高分子ブロック同士が接触している箇所があってもよい。細胞を介した生体親和性高分子ブロック間の距離、即ち、生体親和性高分子ブロックとその生体親和性高分子ブロックから最短距離に存在する生体親和性高分子ブロックを選択した際の距離は特に制限されるものではないが、使用される細胞が1〜数個集まった際の細胞の塊の大きさであることが好ましく、例えば、10μm以上1000μm以下であり、好ましくは10μm以上100μm以下であり、より好ましくは10μm以上50μm以下である。
なお、本明細書中、「構造体中で細胞が均一に存在する細胞構造体」等、「均一に存在する」との表現を使用しているが、完全な均一を意味するものではなく、外部から細胞構造体の内部への栄養送達を可能とすることを意味するものである。
本発明の細胞構造体の厚さ又は直径は、所望の厚さとすることができるが、下限としては、215μm以上であることが好ましく、400μm以上がさらに好ましく、730μm以上であることが最も好ましい。厚さ又は直径の上限は特に限定されないが、使用上の一般的な範囲としては3cm以下が好ましく、2cm以下がより好ましく、1cm以下であることが更に好ましい。また、細胞構造体の厚さ又は直径の範囲として、好ましくは、400μm以上3cm以下、より好ましくは500μm以上2cm以下、更に好ましくは720μm以上1cm以下である。細胞構造体の厚さ又は直径を上記の範囲内とすることにより、血管形成をより促進することができる。
本発明の細胞構造体においては、好ましくは、生体親和性高分子ブロックからなる領域と細胞からなる領域とがモザイク状に配置されている。尚、本明細書中における「細胞構造体の厚さ又は直径」とは、以下のことを示すものとする。細胞構造体中のある一点Aを選択した際に、その点Aを通る直線の内で、細胞構造体外界からの距離が最短になるように細胞構造体を分断する線分の長さを線分Aとする。細胞構造体中でその線分Aが最長となる点Aを選択し、その際の線分Aの長さのことを「細胞構造体の厚さ又は直径」とする。
本発明の細胞構造体は、細胞と生体親和性高分子ブロックの比率は特に限定されないが、好ましくは細胞1個当りの生体親和性高分子ブロックの比率が0.0000001μg以上1μg以下であることが好ましく、さらに好ましくは0.000001μg以上0.1μg以下、より好ましくは0.00001μg以上0.01μg以下、最も好ましくは0.00002μg以上0.006μg以下である。細胞と生体親和性高分子ブロックの比率を上記範囲とすることより、細胞をより均一に存在させることができ、また細胞構造体の体積に対する生体親和性高分子ブロックの体積の割合及び細胞構造体の体積に対する細胞の体積の割合を、本発明において規定した範囲内とすることができる。下限を上記範囲とすることにより、上記用途に使用した際に細胞の効果を発揮することができ、上限を上記範囲とすることにより、任意で存在する生体親和性高分子ブロック中の成分を細胞に供給できる。ここで、生体親和性高分子ブロック中の成分は特に制限されないが、後述する培地に含まれる成分が挙げられる。
本発明の細胞構造体は、血管新生因子を含んでいてもよい。ここで、血管新生因子としては、塩基性繊維芽細胞増殖因子(bFGF)、血管内皮増殖因子(VEGF)、肝細胞増殖因子(HGF)などを好適に挙げることができる。血管新生因子を含む細胞構造体の製造方法は、特に制限されないが、例えば、血管新生因子を含浸させた生体親和性高分子ブロックを使用することにより、製造することができる。血管新生を促進する観点からは、本発明の細胞構造体は、血管新生因子を含むことが好ましい。
本発明の細胞構造体は、非血管系細胞を含むものでもよい。また、本発明の細胞構造体を構成する細胞は、非血管系細胞のみでもよい。細胞として非血管系細胞のみを含む本発明の細胞構造体により、移植後、移植部位に、血管を形成することができる。また、本発明の細胞構造体を構成する細胞が二種類以上であり、非血管系細胞および血管系細胞の両方を含む場合には、非血管系細胞のみで構成されている場合と比較して、より血管形成することが可能となり、好ましい。
本発明の細胞構造体としては、細胞構造体の内部において血管形成されているものが好ましい。
なお、本発明の細胞構造体としては、二種類以上の細胞を含み、かつ非血管系細胞および血管系細胞の両方を含む本発明の細胞構造体を用いて、細胞構造体の内部に血管形成されたものも含む。また、ここで、「二種類以上の細胞を含み、かつ非血管系細胞および血管系細胞の両方を含む本発明の細胞構造体」の好適な範囲は上記と同様である。
(4)細胞構造体の製造方法
本発明の細胞構造体は、生体親和性高分子ブロックと、少なくとも一種類の細胞とを混合することによって製造することができる。より具体的には、本発明の細胞構造体は、生体親和性高分子ブロックと、細胞とを交互に配置することにより製造できる。製造方法は特に限定されないが、好ましくは生体親和性高分子ブロックを形成したのち、細胞を播種する方法である。具体的には、生体親和性高分子ブロックと細胞含有培養液との混合物をインキュベートすることによって、本発明の細胞構造体を製造することができる。例えば、容器中、容器に保持される液体中で、細胞と、予め作製した生体親和性高分子ブロックとをモザイク状に配置する。配置の手段としては、自然凝集、自然落下、遠心、攪拌を用いることで、細胞と生体親和性基材からなるモザイク状の配列形成を促進又は制御することが好ましい。
用いられる容器としては、細胞低接着性材料又は細胞非接着性材料からなる容器が好ましく、より好ましくはポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ガラス、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレートからなる容器である。容器底面の形状は平底型、U字型、V字型であることが好ましい。
上記の方法で得られた細胞構造体(モザイク細胞塊)は、例えば、
(a)別々に調製した細胞構造体(モザイク細胞塊)同士を融合させる、又は
(b)分化培地又は増殖培地下でボリュームアップさせる、
などの方法により所望の大きさの細胞構造体を製造することができる。融合の方法、ボリュームアップの方法は特に限定されない。
例えば、生体親和性高分子ブロックと細胞含有培養液との混合物をインキュベートする工程において、培地を分化培地又は増殖培地に交換することによって、細胞構造体をボリュームアップさせることができる。好ましくは、生体親和性高分子ブロックと細胞含有培養液との混合物をインキュベートする工程において、生体親和性高分子ブロックをさらに添加することによって、所望の大きさの細胞構造体であって、細胞構造体中に細胞が均一に存在する細胞構造体を製造することができる。
別々に調製した細胞構造体同士を融合させる場合には、例えば、複数個の生体親和性高分子ブロックと複数個の細胞とを含み、上記複数の細胞により形成される複数個の隙間の一部または全部に、一または複数個の上記生体親和性高分子ブロックが配置されている細胞構造体を複数個融合させることができる。上記(a)に記載の通り本発明の細胞構造体の複数個を融合させることによって得られる細胞構造体も、本発明の範囲内である。
本発明の細胞構造体の製造方法にかかる「生体親和性高分子ブロック(種類、大きさ等)」、「細胞」、「細胞間の隙間」、「得られる細胞構造体(大きさ等)」、「細胞と生体親和性高分子ブロックの比率」等の好適な範囲は、本明細書中上記と同様である。
上記融合前の各細胞構造体の厚さ又は直径は好ましくは10μm以上1cm以下であり、より好ましくは10μm以上2000μm以下、更に好ましくは15μm以上1500μm以下、最も好ましくは、20μm以上1300μm以下である。融合後の厚さ又は直径は好ましくは400μm以上3cm以下であり、より好ましくは500μm以上2cm以下であり、更に好ましくは720μm以上1cm以下である。
上記した生体親和性高分子ブロックをさらに添加することによって、所望の大きさの細胞構造体を製造する方法としては、具体的には、複数個の第一の生体親和性高分子ブロックと、複数個の細胞とを含み、上記複数の細胞により形成される複数個の隙間の一部または全部に、一または複数個の上記生体親和性高分子ブロックが配置されている細胞構造体に、更に、第二の生体親和性高分子ブロックを添加しインキュベートする方法を挙げることができる。ここで、「生体親和性高分子ブロック(種類、大きさ等)」、「細胞」、「細胞間の隙間」、「得られる細胞構造体(大きさ等)」、「細胞と生体親和性高分子ブロックの比率」等の好適な範囲は、本明細書中上記と同様である。
融合させたい細胞構造体同士は、0以上50μm以下の距離に設置することが好ましく、より好ましくは、0以上20μm以下、更に好ましくは0以上5μm以下の距離である。細胞構造体同士を融合させる際、細胞の増殖・伸展によって細胞あるいは細胞が産生する基質が接着剤の役割を果たし、接合させることが考えられ、上記範囲とすることにより、細胞構造体同士の接着が容易となる。
本発明の細胞構造体の製造方法により得られる細胞構造体の厚さ又は直径の範囲として、好ましくは、400μm以上3cm以下、より好ましくは500μm以上2cm以下、更に好ましくは720μm以上1cm以下である。
細胞構造体に、更に、第二の生体親和性高分子ブロックを添加しインキュベートする際の、第二の生体親和性高分子ブロックの添加するペースは、使用する細胞の増殖の速度に合わせて、適宜、選択することが好ましい。具体的には、第二の生体親和性高分子ブロックを添加するペースが早いと細胞が細胞構造体の外側へと移動し、細胞の均一性が低くなり、添加のペースが遅いと、細胞の割合が多くなる箇所ができ、細胞の均一性が低くなるため、使用する細胞の増殖速度を考慮し、選択する。
非血管系細胞および血管系細胞の両方を含む場合の細胞構造体の製造方法として、例えば、下記(a)〜(c)の製造方法を好適に挙げることができる。
(a)は非血管系細胞を用いて前述の方法で細胞構造体を形成した後、血管系細胞および生体親和性高分子ブロックを加える工程を有する製造方法である。ここで、「血管系細胞および生体親和性高分子ブロックを加える工程」とは、前述した、調製した細胞構造体(モザイク細胞塊)同士を融合させる方法、および、分化培地又は増殖培地下でボリュームアップさせる方法、いずれも含むものである。
(b)は血管系細胞を用いて前述の方法で細胞構造体を形成した後、非血管系細胞および生体親和性高分子ブロックを加える工程を有する製造方法である。ここで、「非血管系細胞および生体親和性高分子ブロックを加える工程」とは、前述した、調製した細胞構造体(モザイク細胞塊)同士を融合させる方法、および、分化培地又は増殖培地下でボリュームアップさせる方法、いずれも含むものである。
(c)は、非血管系細胞および血管系細胞を実質的に同時に使用し、前述の方法で細胞構造体を形成させる製造方法である。
(5)細胞構造体の用途
本発明の細胞構造体は、細胞移植のために使用することができる。具体的には、本発明の細胞構造体は、例えば、重症心不全、重度心筋梗塞等の心臓疾患、脳虚血・脳梗塞といった疾患部位に細胞移植の目的で使用できる。また、糖尿病性の腎臓、膵臓、末梢神経、眼、四肢の血行障害などの疾患に対しても用いることができる。
本発明の細胞構造体は、特に好ましくは、腎皮膜への細胞移植のための使用することができる。本発明の細胞構造体は、生体内で血管形成できるだけでなく、形成した血管を生体内で長期間維持することができる。本発明の細胞構造体を腎皮膜に移植した場合には形成した血管を特に長期間維持できるという観点から、腎皮膜への細胞移植は本発明の好ましい態様の一つである。
移植方法としては、切開、注射、内視鏡といったものが使用可能である。本発明の細胞構造体は、細胞シートといった細胞移植物とは異なり、構造体のサイズを小さくすることができるため、注射による移植といった低侵襲の移植方法が可能となる。
また、本発明によれば、本発明の細胞構造体を、細胞移植を必要とする患者に移植する工程を含む細胞移植方法が提供される。本発明の細胞移植方法においては、上記した本発明の細胞構造体を用いる。好ましくは、細胞構造体は、腎皮膜に移植される。細胞構造体の好適な範囲は前述と同様である。
更に本発明によれば、細胞移植治療剤の製造のための、本発明の細胞構造体の使用が提供される。本発明によれば、好ましくは、腎皮膜に移植される細胞移植治療剤の製造のための、本発明の細胞構造体の使用が提供される。細胞構造体の好適な範囲は前述と同様である。
更に本発明によれば、本発明の細胞構造体を含む、細胞移植治療剤が提供される。本発明によれば、好ましくは、本発明の細胞構造体を含む、腎皮膜に移植される細胞移植治療剤が提供される。細胞構造体の好適な範囲は前述と同様である。
以下の実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は実施例によって限定されるものではない。
[実施例1]リコンビナントペプチド(リコンビナントゼラチン)
リコンビナントペプチド(リコンビナントゼラチン)として以下記載のCBE3を用意した(国際公開WO2008/103041号公報に記載)。
CBE3:
分子量:51.6kD
構造: GAP[(GXY)63]3G
アミノ酸数:571個
RGD配列:12個
イミノ酸含量:33%
ほぼ100%のアミノ酸がGXYの繰り返し構造である。CBE3のアミノ酸配列には、セリン、スレオニン、アスパラギン、チロシン及びシステインは含まれていない。CBE3はERGD配列を有している。
等電点:9.34
GRAVY値:−0.682
1/IOB値:0.323
アミノ酸配列(配列表の配列番号1)(国際公開WO2008/103041号公報の配列番号3と同じ。但し末尾のXは「P」に修正)
GAP(GAPGLQGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPIGPPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPIGPPGPAGAPGAPGLQGMPGERGAAGLPGPKGERGDAGPKGADGAPGKDGVRGLAGPP)3G
[実施例2] リコンビナントペプチド多孔質体の作製
[PTFE厚・円筒形容器]
底面厚さ3mm、直径51mm、側面厚さ8mm、高さ25mmのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製円筒カップ状容器を用意した。PTFE製円筒カップカップ状容器は曲面を側面としたとき、側面は8mmのPTFEで閉鎖されており、底面(平板の円形状)も3mmのPTFEで閉鎖されている。一方、上面は開放された形をしている。よって、円筒カップ状容器の内径は43mmになっている。以後、この容器のことをPTFE厚・円筒形容器と称する。
[アルミ硝子板・円筒形容器]
厚さ1mm、直径47mmのアルミ製円筒カップ状容器を用意した。円筒カップ状容器は曲面を側面としたとき、側面は1mmのアルミで閉鎖されており、底面(平板の円形状)も1mmのアルミで閉鎖されている。一方、上面は開放された形をしている。また、側面の内部にのみ、肉厚1mmのテフロン(登録商標)を均一に敷き詰め、結果として円筒カップの内径は45mmになっている。また、この容器の底面にはアルミの外に2.2mmの硝子板を接合した状態にしておく。以後、この容器のことをアルミ硝子・円筒形容器と称する。
PTFE厚・円筒形容器、及びアルミ硝子板・円筒形容器に、CBE3水溶液を流し込み、真空凍結乾燥機(TF5−85ATNNN:宝製作所)内で冷却棚板を用いて底面からCBE3水溶液を冷却した。この際の容器、CBE3水溶液の最終濃度、液量、および棚板温度の設定の組み合わせは、以下に記載の通りで用意した。
条件A:
PTFE厚・円筒形容器にCBE3水溶液を流し込み、真空凍結乾燥機(TF5−85ATNNN:宝製作所)内で冷却棚板を用いて底面からCBE3水溶液を冷却した。PTFE厚・円筒形容器を使用し、CBE3水溶液の最終濃度は4質量%であり、水溶液量は4mLである。棚板温度の設定は、−10℃になるまで冷却し、−10℃で1時間、その後−20℃で2時間、さらに−40℃で3時間、最後に−50℃で1時間凍結を行った。得られた凍結品は、その後、棚板温度を−20℃設定に戻してから−20℃で24時間の真空乾燥を行い、24時間後にそのまま真空乾燥を続けた状態で棚板温度を20℃へ上昇させ、十分に真空度が下がる(1.9×105Pa)まで、さらに20℃で48時間の真空乾燥を実施した後に、真空凍結乾燥機から取り出した。上記により多孔質体を得た。
条件B及びC:
アルミ硝子板・円筒形容器にCBE3水溶液を4mL流し込み、冷凍庫内で冷却棚板を用いて底面からCBE3水溶液を冷却した。この際の容器、CBE3水溶液の最終濃度、液量、および棚板温度の設定の組み合わせは、以下に記載の通りで用意した。また、棚板温度は予め設定温度になるまで十分冷却しておいたところへ、CBE3水溶液入りの容器を設置することで凍結を実施した。
条件B;
アルミ硝子板・円筒形容器を使用し、CBE3水溶液の最終濃度は4質量%であり、水溶液量は4mLである。棚板温度の設定は、予め−60℃に冷却しておいたところへCBE3水溶液入りのアルミ硝子板・容器を置き、棚板温度はそのまま−60℃を維持して、凍結を行った。得られた凍結品に対して、その後、凍結乾燥を行い、多孔質体を得た。
条件C;
アルミ硝子板・円筒形容器を使用し、CBE3水溶液の最終濃度は7.5質量%であり、水溶液量は4mLである。棚板温度の設定は、予め−60℃に冷却しておいたところへCBE3水溶液入りのアルミ硝子板・容器を置き、棚板温度はそのまま−60℃を維持して、凍結を行った。得られた凍結品に対して、その後、凍結乾燥を行い、多孔質体を得た。
[実施例3]各凍結工程での内部最高液温の測定
条件A、条件B、条件Cの多孔質体を作製する際、それぞれの水溶液は、底面から冷却されるため、円中心部の水表面温度が最も冷却されにくい。従って、円中心部の水表面部分が、溶液内で最も温度の高い液温となるため、円中心部の水表面部分の液温を測定した。以下、円中心部の水表面部分の液温のことを内部最高液温と称する。
条件A、B及びCのそれぞれについて、溶媒を凍結する際の温度プロファイルを図1〜図3に示す。条件A、B及びCの何れの場合も、融点以下で未凍結状態を経た後、凝固熱が発生し温度上昇が始まり、この段階で実際に氷形成が始まる。その後、温度は0℃付近を一定時間経過していき、この段階では、水と氷の混合物が存在する状態となっていた。最後0℃から再び温度降下が始まるが、この段階では、液体部分はなくなり氷となる。測定している温度は氷内部の固体温度となり、液温ではなくなる。上記の通り、凝固熱が発生する瞬間の内部最高液温を見れば、内部最高液温が未凍結状態で「溶媒融点−3℃」を経た後に凍結したかどうかが分かる。
条件A、B及びCのそれぞれについて、凝固熱が発生する瞬間の未凍結状態での内部最高液温は、条件Aが−8.8℃、条件Bが−8.4℃、条件Cが−7.2℃となった。何れの場合においても、凝固熱が発生する瞬間の内部最高液温を見れば、内部最高液温が未凍結状態で「溶媒融点−3℃」以下であることが分かる。
[実施例4] リコンビナントペプチドブロックの作製(多孔質体の粉砕と架橋)
実施例2において条件A、B又はCにより作製したCBE3多孔質体を、ニューパワーミル(大阪ケミカル、ニューパワーミルPM−2005)で粉砕した。粉砕は、最大回転数で1分間×5回の計5分間行った。得られた粉砕物をステンレス製ふるいでサイズ分けし、25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmのCBE3ブロックを得た。その後、減圧下で160℃で熱架橋(架橋時間は8〜48時間)を施して、リコンビナントペプチドブロックを得た。
[比較例1] リコンビナントペプチド単純凍結多孔質体の作製
比較例として、架橋方法を熱架橋に変更したこと以外は特開2014−12114号公報に記載の方法に準じて、比較用リコンビナントペプチド単純凍結多孔質体を以下の通りに作製した。
50℃で、2000mgのCBE3を18mLの超純水に溶解し、終濃度10%のCBE3溶液20mLを作製した。白板にシリコン枠(5cm×10cm程度)をつけ、空気の隙間がないようにシリコン枠を白板に押し付けてから、その枠内へ上記のCBE3溶液(50℃)を流し込んだ。液を流し込んだら、4℃へ移して約1時間ゲル化させて、4mm厚程度の薄い板状のゲルを作製した。ゲル化を確認した後、−80℃へ移して、ゲルを3時間凍結させた。凍結後、凍結乾燥機(EYELA、FDU−1000)で凍結乾燥を行った。得られた凍結乾燥体は多孔質体であった。以後、これを単純凍結多孔質体と称する。
[比較例2] リコンビナントペプチド単純凍結ブロックの作製
比較例1で得られた単純凍結多孔質体を、ニューパワーミル(大阪ケミカル、ニューパワーミルPM−2005)で粉砕した。粉砕は、最大回転数で1分間×5回の計5分間行った。得られた粉砕物をステンレス製ふるいでサイズ分けし、25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmのCBE3ブロックを得た。得られたCBE3ブロックを160℃のオーブンに入れ、6〜72時間熱架橋した。以後、これを単純凍結ブロックと称する。
[実施例5] リコンビナントペプチドブロックを用いたモザイク細胞塊の作製(hMSC)
ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて1×105cells/mLに調整し、実施例4で作製したCBE3ブロックを0.1mg/mLとなるように添加した。得られた混合物200μLをスミロンセルタイトX96Uプレート(住友ベークライト、底がU字型)に播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置した。これにより、CBE3ブロックとhMSC細胞からなる、直径1mm程度の球状のモザイク細胞塊を作製した。このモザイク細胞塊は、細胞1個当たり0.001μgのCBE3ブロックを含む。なお、U字型のプレート中で作製したため、このモザイク細胞塊は球状であった。なお、条件A、B又はCの何れにおいても、またCBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様のモザイク細胞塊が得られた。
[比較例3] リコンビナントペプチド単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊の作製(hMSC)
ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて1×105cells/mLに調整し、比較例2で作製したCBE3ブロックを0.1mg/mLとなるように添加した。得られた混合物200μLをスミロンセルタイトX96Uプレート(住友ベークライト、底がU字型)に播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置した。これにより、CBE3ブロックとhMSC細胞からなる、直径1mm程度の球状のモザイク細胞塊を作製した。このモザイク細胞塊は、細胞1個当たり0.001μgのCBE3ブロックを含む。なお、U字型のプレート中で作製したため、このモザイク細胞塊は、球状であった。なお、CBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様のモザイク細胞塊が得られた。
[比較例4] 細胞塊の作製(hMSC)
ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて1×105cells/mLまたは4×105cells/mLに調整した。得られた細胞懸濁液200μLをスミロンセルタイトX96Uプレート(住友ベークライト、底がU字型)に播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置した。これにより、直径約400μm又は直径約1mmの球状の細胞塊を作製した。1×105cells/mLで作製した細胞塊は細胞塊小、4×105cells/mLで作製した細胞塊は細胞塊大と称する。
[実施例6] 本発明と比較例の標本解析
実施例5のモザイク細胞塊(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)、比較例3のモザイク細胞塊(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)、及び比較例4の細胞塊大について、組織切片を作製した。3例とも培養7日の細胞塊を用いた。実施例5のモザイク細胞塊、比較例3のモザイク細胞塊、及び比較例4の細胞塊大を10%ホルマリン緩衝液に浸漬し、ホルマリン固定を行った。その後、パラフィンで包埋し、細胞塊の組織切片を作製した。切片はHE染色(ヘマトキシリン・エオシン染色)に供した。切片像を図4に示した。
図4に示したモザイク細胞塊の切片を用いて、実施例5のモザイク細胞塊、比較例3のモザイク細胞塊、及び比較例4の細胞塊大における生体親和性高分子ブロック、細胞、空隙の割合(体積比)をそれぞれ求めた。空隙の割合が多いほど、モザイク細胞塊中での物質交換が行われやすいことを意味する。これらの値は、画像解析ソフトを用いて算出した。
先ず、モザイク細胞塊全体が視野に入る画像を用意した。その画像から、photoshop(登録商標)を用いて生体親和性高分子ブロックのみを抽出した画像、並びに細胞のみを抽出した画像を用意した。これからの抽出画像を、画像ソフトImagej(登録商標)を用いて、モザイク細胞塊全体が占める面積、生体親和性高分子ブロックが占める面積、及び細胞が占める面積を算出する。細胞構造体(モザイク細胞塊)全体が占める面積に対する生体親和性高分子ブロックが占める面積の割合を、細胞構造体の体積に対する生体親和性高分子ブロックの体積の割合とみなし、細胞構造体(モザイク細胞塊)全体が占める面積に対する細胞が占める面積の割合を、細胞構造体の体積に対する細胞の体積の割合とみなす。空隙の体積の割合は、「空隙の体積の割合=細胞構造体の体積の割合(100%)−生体親和性高分子ブロックの体積の割合−細胞の体積の割合」として算出した。
生体親和性高分子ブロック、細胞、空隙の体積比の測定結果を表1に示す。実施例5のモザイク細胞塊では、空隙の割合は、条件A、条件B及び条件Cでそれぞれ57%、35%及び44%となった。一方、比較例3のモザイク細胞塊では、空隙の割合は32%であった。細胞のみの比較例4の細胞塊では空隙の割合は0%であった。一方、実施例5のモザイク細胞塊では、生体親和性高分子ブロックの割合は、条件A、条件B及び条件Cでそれぞれ15%、24%及び14%となった。一方、比較例3のモザイク細胞塊では生体親和性高分子ブロックの割合は40%であった。実施例5のモザイク細胞塊では、比較例3のモザイク細胞塊に比べ、空隙の割合が多く、生体親和性高分子ブロックの割合が少ないことが分かる。
[実施例7] リコンビナントペプチドブロックを用いたモザイク細胞塊の作製(hMSC+hECFC)及び標本解析
ヒト血管内皮前駆細胞(hECFC)を増殖培地(Lonza:EGM−2+ECFC serum supplement)にて1×105cells/mLに調整し、実施例5で作製したCBE3ブロックを0.05mg/mLとなるように添加した。得られた混合物200μLをスミロンセルタイトX96Uプレートに播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置し、hECFCとCBE3ブロックからなる扁平状のモザイク細胞塊を作製した。
また、ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて1×105cells/mLに調整し、実施例4で作製したCBE3ブロックを0.1mg/mLとなるように添加して、hMSCとCBE3ブロックを含む混合物を調製した。
hECFCとCBE3ブロックからなる扁平状のモザイク細胞塊を有するスミロンセルタイトX96Uプレートから培地を除去し、hMSCとCBE3ブロックを含む上記混合物200μLを、上記スミロンセルタイトX96Uプレートに播種した。卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置し、hMSCとhECFCとCBE3ブロックからなる直径1mm程度の球状のモザイク細胞塊を作製した。
条件A、B又はCの何れにおいても、またCBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様のモザイク細胞塊が得られた。
上記で作製したモザイク細胞塊について、実施例6と同様に標本から体積の割合を算出した。その結果、ブロックの割合は15%、細胞の割合は35%、空隙の割合は50%となった。
[比較例5] 細胞塊の作製(hMSC+hECFC)
ヒト血管内皮前駆細胞(hECFC)を増殖培地(Lonza:EGM−2+ECFC serum supplement)にて1×105cells/mLに調整した。得られた細胞懸濁液200μLをスミロンセルタイトX96Uプレートに播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置し、ECFCの細胞塊を作製した。
また、ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて30万cells/mLに調整し、細胞懸濁液を作製した。
ECFCの細胞塊を有するスミロンセルタイトX96Uプレートから培地を除去し、hMSCを含む細胞懸濁液200μLを上記スミロンセルタイトX96Uプレートに播種した。卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置し、hMSCとhECFCからなる直径1mm程度の球状の細胞塊を作製した。
[実施例8] リコンビナントペプチドブロックを用いたモザイク細胞塊(hMSC)の融合
実施例5で作製した2日目のモザイク細胞塊(本発明のCBE3ブロックを使用)5個をスミロンセルタイトX96Uプレート中で並べ、24時間培養を行った。その結果、モザイク細胞塊同士の間を、外周部に配された細胞が結合させることで、モザイク細胞塊が自然に融合することが明らかになった。なお、条件A、B又はCの何れにおいても、またCBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様の結果であった。
[実施例9] リコンビナントペプチドブロックを用いたモザイク細胞塊(hMSC+hECFC)の融合
実施例7で作製した2日目のモザイク細胞塊(本発明のCBE3ブロックを使用)5個をスミロンセルタイトX96Uプレート中で並べ、24時間培養を行った。その結果、モザイク細胞塊同士の間を、外周部に配された細胞が結合させることで、モザイク細胞塊が自然に融合することが明らかになった。なお、条件A、B又はCの何れにおいても、またCBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様の結果であった。
[比較例6]リコンビナントペプチド単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊(hMSC)の融合
比較例3で作製した2日目のモザイク細胞塊(比較用のリコンビナントペプチド単純凍結ブロックを使用)5個をスミロンセルタイトX96Uプレート中で並べ、24時間培養を行った。その結果、モザイク細胞塊同士の間を、外周部に配された細胞が結合させることで、モザイク細胞塊が自然に融合することが明らかになった。なお、CBE3ブロックの大きさについては25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmの何れにおいても、同様の結果であった。
[比較例7]細胞塊(hMSC+hECFC)の融合
比較例5で作製した2日目の細胞塊5個をスミロンセルタイトX96Uプレート中で並べ、24時間培養を行った。その結果、細胞塊同士の間を、外周部に配された細胞が結合させることで、細胞塊が自然に融合することが明らかになった。
[実施例10]本発明と比較例についてのインビトロATPアッセイ
実施例5で作製したモザイク細胞塊(条件A、B及びCの3種類;CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)、比較例3で作製したモザイク細胞塊(単純凍結)(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)、及び比較例4で作製した細胞塊(ブロックなし)について、各モザイク細胞塊又は細胞塊中の細胞が産生・保持しているATP(アデノシン三リン酸)量を定量した。ATPは生物全般のエネルギー源として知られ、ATP合成量・保持量を定量することで、細胞の代謝活性の状態、活動状態を知ることができる。測定には、CellTiter−Glo(Promega社)を用いた。実施例5および比較例3で作製したモザイク細胞塊と、比較例4で作製した細胞塊大について、ともに7日目の細胞塊について、CellTiter−Gloを用いて、各モザイク細胞塊又は細胞塊中のATP量を定量した。実施例5のモザイク細胞塊に比べ、比較例3のモザイク細胞塊では、ATP量が少ない結果となった。(図5)。 また、生体親和性高分子ブロック及び空隙のない細胞塊大においても、実施例3のモザイク細胞塊に比べるとATP量が少ないことが分かる。比較例4の細胞塊における元の細胞数は、比較例3のモザイク細胞塊における元の細胞数の4倍であることにより、比較例3のモザイク細胞塊よりも比較例4の細胞塊の方がATP量が多くなっている。図5に示す結果から、体積比が生体親和性高分子ブロック14〜24%、細胞28〜42%、空隙35〜57%のモザイク細胞塊では、細胞の産生するATP量が多いことが分かる。
[実施例11] 本発明と比較例についてのライブイメージングによる生細胞と死細胞の染色
実施例5(条件A;CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)並びに比較例4の細胞塊大及び細胞塊小を用いて、ライブイメージングによる生細胞死細胞の染め分けを実施した。
染色試薬はLIVE/DEAD Viability Kit (Life Technology)を用いた。培養5日後と培養11日後のモザイク細胞塊及び細胞塊について、以下の手順により、生細胞と死細胞とを染色した。モザイク細胞塊と細胞塊を作製した96ウェルU字プレート中で、PBSで2回洗浄し、8 μM Calcein(登録商標) AM(Life Technology)と20μM EthD-1(Ethidium Homodimer-1; Life Technology社)中に37℃で30分遮光静置した。その後、Ex/Em〜495 nm/〜515 nm(緑:生細胞)および、Ex/Em〜495 nm/〜635 nm(赤:死細胞)で蛍光顕微鏡を用いて観察した。
上記の結果を図6に示した。培養5日および11日いずれにおいても、実施例5のモザイク細胞塊では赤に染まる死細胞が少なく、比較例4の細胞塊小及び細胞塊大では死細胞が多く散見されることが確認できた。細胞塊は、モザイク細胞塊と同じサイズの細胞塊大の場合はもちろん、モザイク細胞塊と同細胞数にした細胞塊小の場合でも、死細胞はモザイク細胞塊の方が少なかった。このことは、モザイク細胞塊の方が、リコンビナントペプチドブロックおよび空隙があることによって、酸素及び栄養の透過供給、並びに死細胞の排出などの物質交換がなされやすいことを示唆している。
[実施例12]モザイク細胞塊の移植(皮下)
移植動物としてNOD/SCID(チャールズリバー)のオスマウス(4〜6週齢)を用いた。麻酔下でマウス腹部の体毛を除去し、上腹部の皮下に切れ込みを入れ、切れ込みからはさみを差し込み、皮膚を筋肉から剥がした。その後、実施例8、実施例9及び比較例6で作成したモザイク細胞塊をピンセットで取り出し、切れ込みから1.5cmほど下の腹部寄りの皮下に移植し、皮膚の切れ込み部を縫合した。
なお、実施例8のモザイク細胞塊としては、条件A、B及びC、そしてCBE3ブロックの大きさが53〜106μmのものを使用し、実施例9のモザイク細胞塊としては、条件C、そしてCBE3ブロックの大きさが53〜106μmのものを使用し、比較例6のモザイク細胞塊としては、CBE3ブロックの大きさが53〜106μmのものを使用した。
[実施例13]モザイク細胞塊の移植(腎被膜下)
移植動物としてNOD/SCID(チャールズリバー)のオスマウス(4〜6週齢)を用いた。麻酔下でマウス腹部の体毛を除去し、腹部の中心部に縦に切れ込みを入れて開腹し、内臓を外に引き出し、腎臓を露出させた。腎臓の腎被膜をピンセットでつまみ、被膜と実質の間に実施例9のモザイク細胞塊および比較例7の細胞塊を置いた。その後、外に出した内臓を腹部に戻し、切開部を縫合した。
なお、実施例9のモザイク細胞塊としては、条件C、CBE3ブロックの大きさが53〜106μmのものを使用した。
[実施例14]モザイク細胞塊の採取
実施例12及び13において移植を行ったマウスの解剖は、移植から1週、2週、4週及び8週後に行った。皮下移植したものは、腹部の皮膚を剥がし、モザイク細胞塊が付着した皮膚を、約1平方cmの正方形の大きさに切り取った。モザイク細胞塊が腹部の筋肉にも付着している場合は、筋肉と共に採取した。腎被膜下移植したものは、モザイク細胞塊を含む腎臓を採取した。
[実施例15] 本発明、比較例及び参考例についての標本解析
モザイク細胞塊が付着した皮膚または腎臓について組織切片を作製した。組織を4%パラホルムアルデヒドまたは10%ホルマリン緩衝液に浸漬し、ホルマリン固定を行った。その後、パラフィンで包埋し、モザイク細胞塊を含む皮膚の組織切片を作製した。切片はHE染色(ヘマトキシリン・エオシン染色)を行い、標本とした。
得られた標本について、細胞生存、血管新生、繊維化、血漿集積、及び細胞死について、4点方式で4段階評価を行った。同じ水準で複数個個体がある場合には、その平均値を算出した。
また、hECFC染色用にCD31抗体(EPT Anti CD31/PECAM-1)にDAB発色を用いたキット(ダコLSAB2キット ユニバーサル K0673 ダコLSAB2キット/HRP(DAB) ウサギ・マウス一次抗体両用)による免疫染色を行った。
実施例12において、実施例8又は比較例6のhMSCモザイク細胞塊を皮下移植した2週間後のHE標本を図7に示す。図7に記載の細胞数は、画像中の全生細胞数であり、血管の数はそれぞれの画像中にある血管の本数を面積あたりに換算した値である。
比較例6の単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊(生細胞数81cells、血管0本/mm3)に比べ、実施例8の条件A、B又はCのブロックを用いたモザイク細胞塊(条件A:生細胞数244cells、血管61本/mm3、条件B:生細胞数98cells、血管20本/mm3、条件C:生細胞数168cells、血管31本/mm3)では、血管が多く形成され、細胞も多く生存していることが分かる。
上記の通り、比較例6の細胞28%、空隙32%、生体親和性高分子ブロック40%の単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊では、血管が形成されないのに対し、実施例8の細胞28%、空隙57%、生体親和性高分子ブロック15%の「条件A」のブロックを用いたモザイク細胞塊、細胞41%、空隙35%、生体親和性高分子ブロック24%の「条件B」のブロックを用いたモザイク細胞塊、並びに細胞42%、空隙44%、ブロック14%の「条件C」のブロックを用いたモザイク細胞塊では血管が形成されていることが分かる。上記の結果から、体積割合が細胞20〜50%、空隙35〜60%及び生体親和性高分子ブロック10〜30%を満たすモザイク細胞塊を用いた場合に血管形成を達成できることが分かる。
また、比較例6の単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)、実施例8の条件Bのブロック(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)を用いたモザイク細胞塊について、以下の基準により標本の評価を行った。それぞれの評価項目は、4点方式で段階評価を行った。
血管形成:
血管形成については、以下のように4段階で評価した。血管が存在しない場合は0点、低密度で存在する場合には1点、中程度の密度で存在する場合には2点、高密度で存在する場合には3点で評価した。
細胞生存:
細胞生存については、以下のように4段階で評価した。生細胞がほとんど存在しない場合には0点、まばらに存在する場合には1点、混み合って存在する場合には2点、埋め尽くすように存在している場合には3点で評価した。
細胞死:
死細胞については、以下のように4段階で評価した。死細胞が存在しない場合には0点、死細胞がほとんど存在しない場合には1点、まばらに存在する場合には2点、多く存在する場合には3点で評価した。
上記の結果を表2に示す。表2に記載の結果からも、比較例6の単純凍結ブロックを用いたモザイク細胞塊よりも実施例8のブロックを用いたモザイク細胞塊の方が血管形成が良好であることが分かる。
実施例12において実施例9の条件Cのブロックを用いた場合のhMSC+hECFCモザイク細胞塊を皮下に移植した結果、並びに実施例12において実施例8の条件Cのブロックを用いた場合のhMSCモザイク細胞塊を皮下に移植した結果を図8に示す。図8に示す2つの結果を比較すると、実施例9のhMSC+hECFCモザイク細胞塊の方が、hECFCによって多くの血管が形成されていることが分かる。
また、実施例12において実施例9の条件Cのブロック(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)を用いた場合のhMSC+hECFCモザイク細胞塊を皮下に移植したときの経時変化を図9に示す。移植1週後及び2週後では、hECFCによって多くの血管が形成されているが、移植4週及び8週後では、形成された血管の維持がやや困難になっていることが分かる。
一方、実施例13において実施例9のhMSC+hECFCモザイク細胞塊を腎被膜下に移植した結果を図10に示す。腎被膜下では、皮下と異なり、形成された血管が移植4週間後でも血管が存在しており、さらに移植8週間後まで維持されていることが分かった。hECFC染色用にCD31抗体で免疫染色をすると、移植4週、8週後でも、hECFC由来の血管が存在していることが示された。
比較例7の細胞塊を腎被膜下に移植した場合では、血管は形成されないため、移植8週後まで血管は見られなかった(図11)。腎被膜下に本発明のモザイク細胞塊を置くことで、血管を形成するだけでなく、長期で血管を維持することが可能であることが示された。得られた標本について、血管形成、細胞生存、細胞死については実施例15と同様に解析を行った。また、血漿集積及び繊維化については以下の通り評価した。
血漿集積:
血漿集積については、以下のように4段階で評価した。血漿が存在しない場合には0点、わずかに存在する場合には1点、多く存在する場合には2点、血漿で満たされている場合には3点で評価した。
繊維化:
繊維化については、以下のように4段階で評価した。繊維化していない場合には0点、わずかに繊維を形成している場合には1点、繊維化が進行中である場合には2点、繊維化が進んで繊維が完全に形成されている場合には3点で評価した。
上記の評価の結果を表3に示す。表3の結果からも、皮下よりも腎被膜下に置くことで、血管が長期維持されることが分かる。
[参考例1] リコンビナントペプチド多孔質体の作製
条件D:
アルミ硝子板・円筒形容器を使用し、CBE3水溶液の最終濃度7.5質量%であり、水溶液量は4mLである。棚板温度の設定は、予め−40℃に冷却しておいたところへCBE3水溶液入りのアルミ硝子板・容器を置き、棚板温度はそのまま−40℃を維持して、凍結を行った。得られた凍結品に対して、その後、凍結乾燥を行い、多孔質体を得た。
[参考例2] リコンビナントペプチドブロックの作製(多孔質体の粉砕と架橋)
参考例1において条件Dにより作製したCBE3多孔質体を、ニューパワーミル(大阪ケミカル、ニューパワーミルPM−2005)で粉砕した。粉砕は、最大回転数で1分間×5回の計5分間行った。得られた粉砕物をステンレス製ふるいでサイズ分けし、25〜53μm、53〜106μm及び106μm〜180μmのCBE3ブロックを得た。その後、減圧下で160℃で熱架橋(架橋時間は8〜48時間)を施して、リコンビナントペプチドブロックを得た。
[実施例16]本発明及び比較例の生体親和性高分子ブロックの走査型電子顕微鏡(SEM)像とHE標本
実施例4の条件Aのブロック(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)と参考例1の条件Dのブロック(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)と比較例2の単純凍結ブロック(CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)について、ブロックの表面構造と断面の形を見るために、SEM像の撮影とHE標本作製を行った。SEM像を図12に示し、HE標本を図13に示した。
図12のSEM像から、比較例2の単純凍結ブロックの表面は比較的平らであるのに対し、実施例4および参考例1のブロックはどちらも表面に凸凹があり、構造が複雑であることが分かる。これは、図13のHE標本を見ても確認できる。
この表面構造の違いによって、実施例4および参考例1のブロックを用いた細胞構造体では空隙が多く、比較例2のブロックを用いた細胞構造体では空隙が少なくなると考えられる。
[実施例17]本発明のモザイク細胞塊の走査型電子顕微鏡(SEM)像
ヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を増殖培地(タカラバイオ:MSCGM BulletKit(登録商標))にて5×103cells/mLに調整し、実施例4で作製したCBE3ブロック(条件A;CBE3ブロックの大きさは53〜106μm)を0.1mg/mLとなるように添加した。得られた混合物200μLをスミロンセルタイトX96Uプレート(住友ベークライト、底がU字型)に播種し、卓上プレート遠心機で遠心(600g、5分)し、24時間静置した。作製したモザイク細胞塊について、SEM像の撮影を行った。SEM像を図14に示した。
図14のSEM像から、複数のブロックを細胞がつなぎ合わせている状況が分かる。さらに、hMSCはブロックの凹部に入りこんでいるのではなく、凸部をつなぎ合わせるようにして接着していた。
これにより、培養液や酸素が通る隙間が形成されることから、間隙を介した液・ガス交換によってモザイク細胞塊内部でも細胞が生存することが示唆される。

Claims (9)

  1. 生体親和性高分子ブロックと少なくとも一種類の細胞とを含み、複数個の前記細胞間の隙間に複数個の前記生体親和性高分子ブロックが配置され、かつ空隙を有する細胞構造体を含む、腎皮膜に移植される細胞移植治療剤であって、前記細胞構造体の体積に対する前記生体親和性高分子ブロックの体積の割合が10〜30%であり、前記細胞構造体の体積に対する前記細胞の体積の割合が20〜50%であり、かつ前記細胞構造体の体積に対する前記空隙の体積の割合が35〜60%であり、前記細胞が少なくとも間葉系幹細胞と血管系細胞とを含む、細胞移植治療剤。
  2. 間葉系幹細胞がヒト間葉系幹細胞である、請求項1に記載の細胞移植治療剤。
  3. 前記生体親和性高分子ブロック一つの大きさが10μm以上300μm以下である、請求項1又は2に記載の細胞移植治療剤
  4. 厚さ又は直径が400μm以上3cm以下である、請求項1からの何れか一項に記載の細胞移植治療剤
  5. 前記生体親和性高分子ブロックがリコンビナントペプチドからなる、請求項1からの何れか一項に記載の細胞移植治療剤
  6. 前記リコンビナントペプチドが、
    配列番号1に記載のアミノ酸配列からなるペプチド;
    配列番号1に記載のアミノ酸配列において1若しくは数個のアミノ酸が欠失、置換若しくは付加されたアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;又は
    配列番号1に記載のアミノ酸配列と80%以上の配列同一性を有するアミノ酸配列からなり、かつ生体親和性を有するペプチド;
    の何れかである、請求項5に記載の細胞移植治療剤
  7. 前記生体親和性高分子ブロックにおいて、前記生体親和性高分子が熱、紫外線又は酵素により架橋されている、請求項1からの何れか一項に記載の細胞移植治療剤
  8. 生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度以下となる、凍結処理により凍結する工程a、及び前記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程bを含む方法により製造される生体親和性高分子ブロックと、少なくとも一種類の細胞とを混合する工程を含む、細胞構造体を製造する方法であって、
    前記細胞構造体が、生体親和性高分子ブロックと少なくとも一種類の細胞とを含み、複数個の前記細胞間の隙間に複数個の前記生体親和性高分子ブロックが配置され、かつ空隙を有する細胞構造体であって、前記細胞構造体の体積に対する前記生体親和性高分子ブロックの体積の割合が10〜30%であり、前記細胞構造体の体積に対する前記細胞の体積の割合が20〜50%であり、かつ前記細胞構造体の体積に対する前記空隙の体積の割合が35〜60%である細胞構造体である、
    前記の方法
  9. 生体親和性高分子の溶液を、溶液内で最も液温の高い部分の液温である内部最高液温が、未凍結状態で、溶媒融点より3℃低い温度以下となる、凍結処理により凍結する工程a、及び前記工程aで得られた凍結した生体親和性高分子を凍結乾燥する工程bを含む方法により製造される生体親和性高分子ブロックと、少なくとも一種類の細胞とを混合する工程を含む、請求項1からの何れか1項に記載の細胞移植治療剤を製造する方法。
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