JP6377929B2 - Stem cell culture apparatus and stem cell culture method - Google Patents
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本発明は、幹細胞培養装置、および幹細胞培養方法に係り、特に、低出力のレーザを照射して幹細胞を活性化させる幹細胞培養装置、および幹細胞培養方法に関する。 The present invention relates to a stem cell culture apparatus and a stem cell culture method, and more particularly to a stem cell culture apparatus and a stem cell culture method for activating stem cells by irradiating a low-power laser.
従来、事故や病気によって失われた生体の細胞、組織、器官の再生や機能の回復を目的とした再生医療が知られている。
例えば、外傷や骨腫瘍を外科的に除去した後の骨組織の修復処置は、患者本人の腸骨、肋骨等の自家骨を採取し、患部へ移植することが行われている。しかし、この方法では、患者に患部の治療以外に健常な患部の外科的な処理が必要となり二重の負担をかけることとなり、医療費の負担も大きくなる。
Conventionally, regenerative medicine has been known for the purpose of regenerating and restoring the cells, tissues, and organs of living bodies lost due to accidents and diseases.
For example, in bone tissue repair treatment after surgically removing trauma or bone tumor, autologous bones such as the iliac bones and ribs of the patient are collected and transplanted to the affected area. However, this method requires a surgical treatment of a healthy affected part in addition to the treatment of the affected part, which puts a double burden on the patient and increases the burden of medical expenses.
このため、近時、生体内のありとあらゆる組織や器官へ分化することができる幹細胞に着目した再生医療技術が注目されている。
幹細胞に着目した再生医療は、幹細胞を移植することで、目的とする組織を構成する細胞への直接分化および移植幹細胞からのパラクライン効果により、失われた組織や器官を再生させる画期的な治療法である(例えば、特許文献1)。
For this reason, recently, regenerative medical techniques that focus on stem cells that can be differentiated into various tissues and organs in a living body have attracted attention.
Regenerative medicine that focuses on stem cells is a revolutionary technique that regenerates lost tissues and organs by transplanting stem cells, and by direct differentiation into cells that make up the target tissue and the paracrine effect from transplanted stem cells. It is a treatment method (for example, Patent Document 1).
特に、間葉系幹細胞は、様々な組織に分化でき、その組織を再生できる細胞として知られている。間葉系幹細胞は、骨髄や皮下脂肪に存在するが、皮下脂肪が最も安全に採取できる。医科及び歯科領域の再生治療において、皮下脂肪を用いる方法が有用と考えられている。皮下脂肪は、通常麻酔下で吸引脂肪により採取できる。 In particular, mesenchymal stem cells are known as cells that can differentiate into various tissues and regenerate the tissues. Mesenchymal stem cells are present in bone marrow and subcutaneous fat, but subcutaneous fat can be collected most safely. In regenerative treatment in the medical and dental fields, a method using subcutaneous fat is considered useful. Subcutaneous fat can be collected by aspiration fat under normal anesthesia.
しかしながら、組織の再生には大量の幹細胞が必要になり、採取した皮下脂肪から幹細胞を培養して増殖させる必要があるが、幹細胞の増殖能等は採取した患者の状態により個人差が大きく、手術等の必要な時期に必要な量の幹細胞を円滑に効率よく準備するのが困難であった。 However, tissue regeneration requires a large amount of stem cells, and it is necessary to culture and proliferate stem cells from the collected subcutaneous fat, but the proliferative ability of stem cells varies greatly depending on the condition of the collected patient, and surgery It was difficult to smoothly and efficiently prepare a necessary amount of stem cells at a necessary time.
つまり、幹細胞の増殖速度は、患者の年齢、性別、基礎疾患の有無などにより大きく変化し、安定した細胞培養法がないという問題があった。
一方、臨床現場では、手術予定の日程管理を厳格に遵守することが重要であり、手術日に必要な数の幹細胞を培養して確実に準備できることが要請されている。
In other words, the proliferation rate of stem cells varies greatly depending on the age, sex, presence or absence of the underlying disease, and there is a problem that there is no stable cell culture method.
On the other hand, in the clinical field, it is important to strictly observe the schedule management of the scheduled operation, and it is required that the necessary number of stem cells can be cultured and reliably prepared on the operation day.
また、幹細胞の培養には、専門性が高く衛生面で厳格に管理された設備を投資し、大量の器材や消耗品が必要となり、高度の熟練した技術力を有する労働資本を投入しなければならない。このため、投入される労働力や設備維持管理工数が拡大するという障壁があり、患者が負担する治療費が増大してしまうという問題があった。 In addition, investing in highly specialized and strictly controlled facilities for stem cell culture, requiring a large amount of equipment and consumables, and investing highly skilled and skilled labor capital Don't be. For this reason, there is a barrier that the labor force and facility maintenance management man-hours to be input are increased, and there is a problem that the treatment cost to be borne by the patient increases.
他方、医療分野において、レーザに代表される光学治療は、切開、蒸散操作だけに留まらず、網膜や皮膚の組織再生治療等への応用も期待されているが、細胞に対してどのような影響があるかについては見通しが不明な状況である。 On the other hand, in the medical field, optical therapy represented by laser is not limited to incision and transpiration, but is expected to be applied to tissue regeneration treatment of the retina and skin. The outlook is unclear as to whether there is any.
そこで、本発明は、前記した問題点を解決すべく、ヒト、非ヒト(動物)から採取した組織またはその細胞に存在する幹細胞を活性化させて飛躍的に増殖させることができる幹細胞培養装置、および幹細胞培養方法を提供することを課題とする。 Therefore, in order to solve the above-mentioned problems, the present invention activates a stem cell existing in a tissue collected from a human or a non-human (animal) or a cell thereof, and can proliferate dramatically, a stem cell culture apparatus, It is another object of the present invention to provide a stem cell culture method.
前記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、幹細胞を培養する培地と、前記幹細胞に対して照射エネルギーが0を超え10ジュール/cm2以下、かつ、レーザパワー密度が0.1W/cm 2 以下の低出力のレーザである炭酸ガスレーザを照射するレーザ照射手段と、を備えた幹細胞培養装置であり、前記低出力のレーザを照射して前記幹細胞を活性化させることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, an invention according to
本発明に係る幹細胞培養装置は、採取した組織またはその細胞に存在する幹細胞に対して、照射エネルギーが0を超え10ジュール/cm2以下のレーザを照射することで、幹細胞を活性化させて放置した場合よりも格段に増殖させることができる。
また、本発明に係る幹細胞培養装置は、例えば1ワット程度以下の低出力のレーザを照射することで、損傷を与えることなく幹細胞を活性化させることができる。
The stem cell culture apparatus according to the present invention activates a stem cell by irradiating the collected tissue or a stem cell existing in the cell with a laser having an irradiation energy of more than 0 and 10 joules / cm 2 or less. It is possible to proliferate much more than the case.
In addition, the stem cell culture device according to the present invention can activate stem cells without damaging them by irradiating a low-power laser of, for example, about 1 watt or less.
このため、本発明に係る幹細胞培養装置は、幹細胞を活性化させ幹細胞の増殖速度を高めることができるため、生産性を向上させて投資した設備を効率的に運用し、器材や消耗品に要する費用や人件費を削減して、培養コストを効果的に抑制することができる。 For this reason, since the stem cell culture apparatus according to the present invention can activate stem cells and increase the proliferation rate of stem cells, it efficiently operates equipment that has been invested to improve productivity and is required for equipment and consumables. Costs and labor costs can be reduced, and culture costs can be effectively suppressed.
ここで、レーザパワー密度とは、培地の単位面積(cm2)当たりに照射するレーザ出力(W)である。レーザパワー密度が0.1W/cm2以下の低出力のレーザを照射することで、熱による損傷を与えることなく幹細胞を活性化させることができる。 Here, the laser power density is a laser output (W) irradiated per unit area (cm 2 ) of the culture medium. By irradiating a low-power laser with a laser power density of 0.1 W / cm 2 or less, stem cells can be activated without being damaged by heat.
炭酸ガスレーザは、特に歯科医療の分野では、患者に優しい治療を行うことができるため信頼性が高く歯肉の切開等において広範囲に普及していることから、所定の低出力に設定することが容易で取り扱い性がよく設備投資や維持管理費用を低減することができる。 Since the carbon dioxide laser can perform patient-friendly treatment, particularly in the field of dentistry, it is highly reliable and widely used in gingival incisions and the like, so it can be easily set to a predetermined low output. It is easy to handle and can reduce capital investment and maintenance costs.
また、実験によって、照射エネルギーを0.5ジュール/cm2とした場合には、炭酸ガスレーザの方がダイオードレーザを照射した場合よりも有利な作用効果を奏することが認められた。幹細胞に炭酸ガスレーザを照射した場合には、放置した場合よりも格段に幹細胞を増殖させることが認められた。 Further, it has been found through experiments that when the irradiation energy is set to 0.5 Joule / cm 2 , the carbon dioxide laser has a more advantageous effect than the case where the diode laser is irradiated. It was confirmed that when stem cells were irradiated with a carbon dioxide laser, the stem cells were proliferated much more than when they were left untreated.
このようにして、本発明に係る幹細胞培養装置は、低出力の炭酸ガスレーザを幹細胞に照射することで、信頼性が高く広く普及された簡易な手段により効果的に幹細胞を増殖させることができるため、投入する労働力や設備投資を削減し患者が負担する治療費を抑制して、幹細胞培養装置の実用化に好適に寄与することができる。 In this way, the stem cell culture apparatus according to the present invention can proliferate stem cells effectively by simple means that is highly reliable and widely spread by irradiating the stem cells with a low-power carbon dioxide laser. Therefore, it is possible to reduce the labor force and capital investment to be input and suppress the treatment cost borne by the patient, thereby favorably contributing to the practical use of the stem cell culture apparatus.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の幹細胞培養装置であって、前記レーザ照射手段は、前記低出力のレーザの照射エネルギーを0.1以上2.5ジュール/cm2以下に設定して照射し、前記幹細胞の増殖させること、を特徴とする。
The invention according to
請求項2に係る発明によれば、前記低出力のレーザの照射エネルギーを0.1以上2.5ジュール/cm2以下に設定して照射することで、特に増殖速度を向上させることができる。 According to the second aspect of the invention, the growth rate can be particularly improved by irradiating the low-power laser with the irradiation energy set to 0.1 or more and 2.5 joules / cm 2 or less.
一般に、幹細胞の増殖速度は採取した患者等の状態により個体差が大きいが、照射エネルギーを0.1以上2.5ジュール/cm2以下に設定した場合には、レーザを照射しない場合と比較して、増殖速度の減速が抑制され増殖速度が向上することが実験によって確認された。 In general, the growth rate of stem cells varies greatly depending on the state of the collected patient, etc., but when the irradiation energy is set to 0.1 or more and 2.5 Joules / cm 2 or less, it is compared with the case where the laser is not irradiated. Thus, it was confirmed by experiments that the growth rate was suppressed and the growth rate was improved.
このため、本発明に係る幹細胞培養装置は、幹細胞を短期間で効果的に増殖させて生産性を向上させ、培養コストをより効果的に抑制することができる。 For this reason, the stem cell culturing apparatus according to the present invention can effectively proliferate stem cells in a short period of time to improve productivity, and more effectively suppress culture costs.
請求項3に係る発明は、請求項1または請求項2に記載の幹細胞培養装置であって、前記レーザ照射手段は、前記低出力のレーザの照射光をデフォーカスして前記幹細胞に照射するデフォーカス照射手段を備えていること、を特徴とする。
The invention according to
請求項3に係る発明によれば、デフォーカス照射手段を備えたことで、レーザの照射エネルギーを適切に調整して管理することができる。
According to the invention which concerns on
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の幹細胞培養装置であって、前記デフォーカス照射手段は、前記幹細胞に照射したデフォーカス照射領域の径を可変するデフォーカス径調整手段を備えていること、を特徴とする。
The invention according to
請求項4に係る発明によれば、デフォーカス径調整手段を備えたことで、幹細胞を増殖させる培地にレーザの照射範囲を好適に適合させることができる。
According to the invention which concerns on
請求項5に係る発明は、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置であって、前記活性化によって増殖させた後の前記幹細胞の増殖細胞数を計測する細胞数計測手段を備えていること、を特徴とする。
The invention according to
請求項5に係る発明によれば、細胞数計測手段によって増殖後の増殖細胞数を計測することで、手術予定日に合わせて必要な数の幹細胞を培養して準備することができる。例えば、低出力のレーザを照射した後の増殖細胞数と、放置した場合の増殖細胞数とを比較することで、幹細胞の増殖度を判断することができる。
According to the invention which concerns on
請求項6に係る発明は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置であって、前記培地を収容し開口部を有する培地収容手段と、前記開口部を覆う蓋と、この蓋を開閉する蓋開閉装置と、を備えていることを特徴とする。
The invention according to
請求項6に係る発明によれば、開口部を覆う蓋を開閉する蓋開閉装置を備えたことで、幹細胞を投入したり、継代操作等の処理をしたりするときのみ蓋を開いて増殖期間中は培地収容手段(シャーレや袋状のバッグ等の収容器具基材)を閉鎖し細菌等の不純物が入らないようにコンタミネーションを防止することができる。このため、簡易な手段により装置の自動化に寄与して生産性を向上させて人件費や設備維持費等のコストを低減することができる。
According to the invention of
請求項7に係る発明は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置であって、前記培地を収容し開口部を有する培地収容手段と、前記開口部を覆う蓋と、を備え、前記培地収容手段の蓋は、前記低出力のレーザを透過する材質で構成したこと、を特徴とする。
Lid invention according to
請求項7に係る発明によれば、培地収容手段の蓋は、前記低出力のレーザを透過する材質で構成したことで、蓋をしたままで前記低出力のレーザを照射することができるため、コンタミネーションをより効果的に抑制することができる。
According to the invention according to
請求項8に係る発明は、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置であって、前記培地を収容し開口部を有する培地収容手段を備え、前記開口部を下方に向けた状態で、下方から前記低出力のレーザを照射すること、を特徴とする。
The invention according to claim 8 is the stem cell culturing apparatus according to any one of
請求項8に係る発明によれば、前記開口部を下方に向けた状態で、下方から前記低出力のレーザを照射することで、前記開口部を下方に向けるという簡易な手段によって細菌等の不純物を入りにくくしてコンタミネーションを抑制することができる。このため、自動化に寄与して生産性を向上させて人件費や設備維持費等のコストを低減することができる。 According to the invention of claim 8 , impurities such as bacteria can be obtained by a simple means of directing the opening downward by irradiating the low-power laser from below with the opening directed downward. Contamination can be suppressed by making it difficult to enter. For this reason, it is possible to contribute to automation, improve productivity, and reduce costs such as labor costs and equipment maintenance costs.
請求項9に係る発明は、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置であって、前記培地を移動させる可動テーブルを備えていること、を特徴とする。
The invention according to claim 9 is the stem cell culture apparatus according to any one of
請求項9に係る発明によれば、前記培地を移動させる可動テーブルを備えていることで、可動テーブル上に多数の培地を配置して順次前記低出力のレーザを照射することができる。また、可動テーブルによってレーザ照射位置から培地を移動させることで、前記低出力のレーザを照射する位置から培地を移動した状態で幹細胞を投入したり、継代操作等の処理をしたりすることができるため、操作性および生産性を向上させて効率よく幹細胞を培養することができる。 According to the invention which concerns on Claim 9 , since the movable table which moves the said culture medium is provided, many culture media can be arrange | positioned on a movable table and the said low output laser can be irradiated sequentially. In addition, by moving the culture medium from the laser irradiation position by the movable table, it is possible to insert stem cells in a state where the culture medium has been moved from the position where the low-power laser is irradiated, or to perform processing such as passage processing. Therefore, stem cells can be efficiently cultured with improved operability and productivity.
請求項10に係る発明は、培地に収容された幹細胞に対して照射エネルギーが0を超え10ジュール/cm2以下、かつ、レーザパワー密度が0.1W/cm 2 以下の低出力のレーザである炭酸ガスレーザを照射して前記幹細胞を活性化させることを特徴とする幹細胞培養方法である。 The invention according to claim 10 is a low-power laser in which the irradiation energy exceeds 0 joule / cm 2 and the laser power density is 0.1 W / cm 2 or less with respect to the stem cells accommodated in the medium. A stem cell culture method comprising activating the stem cells by irradiation with a carbon dioxide laser .
請求項11に係る発明は、前記低出力のレーザは、照射エネルギーを0.1以上2.5ジュール/cm2以下に設定して照射し、前記幹細胞を増殖させること、を特徴とする請求項10に記載の幹細胞培養方法である。
The invention according to
請求項12に係る発明は、前記低出力のレーザの照射光をデフォーカスして前記培地全体に照射すること、を特徴とする請求項10または請求項11のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法である。
The invention according to
請求項13に係る発明は、前記低出力のレーザを透過する材質で構成された蓋を有する培地収容手段に前記培地を収容し、前記蓋を透過させて前記幹細胞に前記低出力のレーザを照射すること、を特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法である。 According to a thirteenth aspect of the present invention, the medium is accommodated in a medium accommodating means having a lid made of a material that transmits the low-power laser, and the stem cell is irradiated with the low-power laser through the lid. The stem cell culturing method according to any one of claims 10 to 12 , wherein the method is a stem cell culture method.
請求項14に係る発明は、開口部を有する培地収容手段に前記培地を収容し、前記開口部を下方に向けた状態で、下方から前記低出力のレーザを照射すること、を特徴とする請求項10から請求項13のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法である。
The invention according to
請求項15に係る発明は、前記幹細胞に前記低出力のレーザを照射して活性化させた後、当該幹細胞に所定の休止期間を設けて目標増殖数まで増殖させること、を特徴とする請求項10から請求項14のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法である。
The invention according to
本発明は、ヒト、非ヒト(動物)から採取した組織またはその細胞に存在する幹細胞を活性化させて飛躍的に増殖させることができる幹細胞培養装置、および幹細胞培養方法を提供する。 The present invention provides a stem cell culturing apparatus and a stem cell culturing method capable of activating stem cells present in tissues or cells collected from humans and non-humans (animals) and dramatically expanding them.
本発明の実施形態に係る幹細胞培養装置1について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
幹細胞培養装置1は、人体または動物等から採取した幹細胞Kを培養して増殖させる装置であり、図1に示すように、幹細胞Kを培養する培地2と、幹細胞Kに対して低出力のレーザである炭酸ガスレーザL(以下、特に区別する場合を除いて、単に「レーザL」という。)を照射するレーザ照射手段3と、活性化によって増殖させた後の幹細胞Kの増殖細胞数を計測する細胞数計測手段4と、培地2を移動させる可動テーブル5と、培地2の環境を所定の温度範囲(37度C程度)に保つ温度調整手段11と、培地2の環境を所定の気体(5%の炭酸ガスを含む空気)で充満させるための気体交換手段12と、空気の不純物を取り除く空気清浄手段13と、気圧調整手段14と、幹細胞Kに光を照射して増殖を促進する光照射手段15と、所定の湿度範囲に保つ湿度調整手段16と、を備えている。
A stem
The stem
レーザ照射手段3は、培地2に播種された幹細胞Kに対して、適切な照射エネルギーのレーザLを適切な時期に照射する装置であり、幹細胞Kに対して10ジュール(J)/cm2以下の適切な照射エネルギーに制御したレーザLを照射する。
レーザLは、幹細胞Kを損傷しないように1ワット程度以下の低出力に制御されている。
The laser irradiation means 3 is an apparatus that irradiates the stem cells K seeded in the
The laser L is controlled to a low output of about 1 watt or less so as not to damage the stem cell K.
レーザ照射手段3は、レーザLを発振させるレーザ発振器31と、レーザLを所定の方向に反射させるミラー31aと、レーザ発振器31から発振されたレーザLをデフォーカスして培地2に照射するデフォーカス照射手段32と、レーザLの照射エネルギーや照射時間、照射時期を制御する増殖細胞制御手段33と、増殖細胞制御手段33に動作プログラムを入力するためのプログラム入力手段34と、を備えている。
The
レーザ発振器31は、炭酸ガスレーザLを発生させる装置である。
炭酸ガスレーザLは、波長が10.6μmと9.3μmと9.6μmを中心にして発振し、高出力、高効率で使用することができるが、本発明では0.5Wないし1W程度の低出力で使用する。
The
The carbon dioxide laser L oscillates around wavelengths of 10.6 μm, 9.3 μm, and 9.6 μm, and can be used with high output and high efficiency. In the present invention, the low output of about 0.5 W to 1 W is used. Used in.
なお、本実施形態においては、炭酸ガスレーザLを使用するが、これに限定されるものではなく、10J/cm2以下の適切な照射エネルギーに制御できるものであれば、He−Neレーザ、Arイオンレーザ、半導体レーザ、Nd:YAGレーザ、Ho:YAGレーザ、Er:YAGレーザ等、他の種類のレーザを使用することもできる。 In the present embodiment, the carbon dioxide laser L is used. However, the carbon dioxide laser L is not limited to this, and a He—Ne laser, Ar ion can be used as long as it can be controlled to an appropriate irradiation energy of 10 J / cm 2 or less. Other types of lasers such as lasers, semiconductor lasers, Nd: YAG lasers, Ho: YAG lasers, Er: YAG lasers can also be used.
デフォーカス照射手段32は、発振されたレーザLをデフォーカスして適切なレーザパワー密度(W/cm2)および照射エネルギー(ジュール/cm2)で幹細胞Kに対してレーザLを照射するための装置であり、デフォーカスレンズ32aと、デフォーカスレンズ32aを軸方向に移動させる移動装置32bと、を備えている。
レーザパワー密度とは、培地の単位面積(cm2)当たりに照射するレーザ出力(W)である。
The defocusing irradiation means 32 defocuses the oscillated laser L and irradiates the stem cell K with the laser L at an appropriate laser power density (W / cm 2 ) and irradiation energy (joule / cm 2 ). A defocusing
The laser power density is a laser output (W) irradiated per unit area (cm 2 ) of the culture medium.
かかる構成により、デフォーカス照射手段32は、移動装置32bによってデフォーカスレンズ32aを上方に移動するとレーザLの照射範囲を拡大してレーザパワー密度を小さくし(一点差線で表示したレーザL1参照)、デフォーカスレンズ32aを下方に移動するとレーザLの照射範囲を縮小してレーザパワー密度を大きくすることができる(二点差線で表示したレーザL2参照)。
With this configuration, when the defocusing
具体的には、デフォーカス照射手段32は、幹細胞Kに対してレーザパワー密度が0.1W/cm2以下になるようにしてレーザLを照射する。例えば、培地2(シャーレ21)の直径を35mmとして、培地2の全体にレーザ出力が1WのレーザLを照射すると、レーザパワー密度は、1(W)÷(π×1.75×1.75)≒0.1(W/cm2)である。
幹細胞Kに対して、レーザパワー密度が0.1W/cm2以下の低出力のレーザLを照射することで、熱による損傷を与えることなく幹細胞を活性化させることができる。また、照射エネルギー(ジュール/cm2)は、レーザLの照射時間の長さで調整することができる。
Specifically, the
By irradiating the stem cell K with a low-power laser L having a laser power density of 0.1 W / cm 2 or less, the stem cell can be activated without being damaged by heat. The irradiation energy (joule / cm 2 ) can be adjusted by the length of the laser L irradiation time.
増殖細胞制御手段33は、例えば、図2に示すように、第1回目のレーザ照射は、培地2に幹細胞Kを播種した後、例えば播種した日から2日後の何月何日に0.1J/cm2のレーザを照射して、10日間の休止時間を経過後に、例えば第2回目のレーザ照射を行うというような制御を適宜実行して、幹細胞Kの増殖速度を制御することができる。
For example, as shown in FIG. 2, the proliferation cell control means 33 performs the first laser irradiation after seeding the stem cells K on the
プログラム入力手段34は、増殖細胞制御手段33が実行する制御をプログラム入力するための入力装置である。 The program input means 34 is an input device for inputting a program executed by the proliferation cell control means 33.
細胞数計測手段4は、レーザLを照射し活性化によって増殖させた後の幹細胞Kの増殖細胞数を計測する装置であり、例えば、トリパンブルーという試薬と血球計算盤を使用して計測することができる。 The cell number measuring means 4 is an apparatus for measuring the number of proliferating cells of the stem cell K after being irradiated with the laser L and proliferated by activation. For example, the cell number measuring means 4 is measured using a reagent called trypan blue and a hemocytometer. Can do.
可動テーブル5は、多数の培地2を載置した状態で培地2を移動できるようにした装置であり、テーブル51上に多数の培地2を円周方向に並べてテーブル51を回転させるターンテーブル方式、テーブル51を直線移動ガイドで案内して往復移動させる往復移動テーブル方式、テーブル51を直交する水平方向の前後方向および左右方向に移動させるXY移動テーブル方式等を適宜適用することができる。
The movable table 5 is a device that allows the
かかる構成により、可動テーブル5上に多数の培地2を配置して順次レーザLを照射することができる。また、可動テーブル5によってレーザ照射位置から培地2を移動させることで、レーザLを照射する位置から培地2を移動した状態で幹細胞Kを投入したり、継代操作等の処理をしたりすることができるため、操作性および生産性を向上させて効率よく幹細胞Kを培養することができる。
With this configuration, a large number of
培地2は、図3(a)に示すように、細菌等の不純物が入らないように培地収容手段であるシャーレ21に収容されている。シャーレ21は、幹細胞Kを投入したり継代操作をしたりするための開口部22を有し、開口部22を覆う蓋23を備えている。蓋23は、蓋開閉装置24によって自在に開閉可能である。
なお、培地収容手段は、シャーレ21に限定されるものではなく、袋状(バッグ)の収容基材でもよく種々の収容器具基材を採用することができる。
As shown in FIG. 3A, the
In addition, a culture medium accommodation means is not limited to the
かかる構成により、幹細胞Kを投入したり、継代操作等の処理をしたりするときのみ蓋23を開いて増殖期間中はシャーレ21を閉鎖し細菌等の不純物が入らないようにコンタミネーションを防止することができる。このため、簡易な手段により装置の自動化に寄与して生産性を向上させて人件費や設備維持費等のコストを低減することができる。
With this configuration, the
なお、本実施形態においては、蓋開閉装置24を設けて開閉操作を行なったが、これに限定されるものではなく、シャーレ21に収容された培地2にレーザLを照射する他の方法について説明する。
図3(b)は、シャーレ21の開口部22を下にして下からレーザLを照射する方法である。図3(c)は、レーザLを透過する材質の蓋25を適用することで、蓋25をしたままでレーザLを照射する方法である。
炭酸ガスレーザLを透過する材質としては、セレン化亜鉛(ZnSe)、ポリエチレンPE)、ダイヤモンド(C)等がある。
In the present embodiment, the lid opening /
FIG. 3B shows a method of irradiating the laser L from below with the
Examples of the material that transmits the carbon dioxide laser L include zinc selenide (ZnSe), polyethylene PE), and diamond (C).
続いて、本発明の実施形態に係る幹細胞培養装置1を使用した幹細胞培養方法の作用効果について、図4〜図7を参照しながら説明する。図4と図5は、本発明の実施形態に係る幹細胞培養方法の効果を確認するための動物実験の結果を示すグラフと対比表であり、照射エネルギーを0.5〜10J/cm2とした場合である。図6と図7は、照射エネルギーを0.1〜1J/cm2とした場合のグラフと対比表である。
Then, the effect of the stem cell culture method using the stem
図4において、培養する幹細胞K(図1参照)は、実験動物(F344ラット)の鼠径部脂肪組織から間質系細胞集団を回収したものである。この回収した幹細胞K(ラット脂肪組織由来幹細胞)を基本培地(DMEM/10%FBS)にて培養する実験を行った。
第3継代後のASCs(Adipose−derived stem cells)30000細胞個を直径35mmの円形培養シャーレ(ディッシュ)に播種して培養を開始した(day:−2)。
In FIG. 4, stem cells K to be cultured (see FIG. 1) are those obtained by collecting a stromal cell population from the groin adipose tissue of an experimental animal (F344 rat). An experiment was conducted in which the collected stem cells K (rat adipose tissue-derived stem cells) were cultured in a basic medium (DMEM / 10% FBS).
30000 ASCs (Adipose-derived stem cells) after the 3rd passage were seeded in a circular culture dish (dish) having a diameter of 35 mm to start the culture (day: -2).
培養開始から2日後に(day:0)、所定の照射エネルギーの炭酸ガスレーザLを1回照射して、照射した日から4日後(day:4)と7日後(day:7)に細胞数計測手段4(図1参照)によって細胞増殖数を計測した。
照射した炭酸ガスレーザLの照射エネルギーは、レーザ発振器31とデフォーカス照射手段32(図1参照)によって、以下のように調整した。
Two days after the start of the culture (day: 0), the carbon dioxide laser L having a predetermined irradiation energy is irradiated once, and the number of cells is counted 4 days (day: 4) and 7 days (day: 7) after the irradiation date. The cell proliferation number was measured by means 4 (see FIG. 1).
The irradiation energy of the irradiated carbon dioxide laser L was adjusted by the
試料1は、レーザLを照射しなかったものである(Controlと表示)。試料2は、レーザLの出力を0.5Wとして、照射エネルギーを0.5J/cm2とした(簡略化して0.5J/0.5Wと表示)。試料3は、出力を1Wとして、照射エネルギーを0.5J/cm2とした(0.5J/1Wと表示)。試料4は、出力を0.5Wとして、照射エネルギーを2.5J/cm2とした(2.5J/0.5Wと表示)。試料5は、出力を0.5Wとして、照射エネルギーを5J/cm2とした(5J/0.5Wと表示)。試料6は、出力を1Wとして、照射エネルギーを10J/cm2とした(10J/1Wと表示)。試料7は、出力を0.5Wとして、照射エネルギーを10J/cm2とした(10J/0.5Wと表示)。
シャーレの直径が35mmである場合におけるレーザパワー密度は、出力が0.5Wのときは約0.05(W/cm2)であり、出力が1Wのときは約0.1(W/cm2)である。
When the petri dish has a diameter of 35 mm, the laser power density is about 0.05 (W / cm 2 ) when the output is 0.5 W, and about 0.1 (W / cm 2 ) when the output is 1 W. ).
増殖速度は個体差があるが本実験では、幹細胞Kを播種(day:−2)してから2日間では、30000個から34000個まで微増している(day:0)。レーザLを照射しなかった試料1では、その後4日間のうちに20万個までは比較的順調に増殖するが(day:4)、その後は増殖速度が減退してその後3日間のうちに24万個まで増殖している(day:7)。
Although the growth rate varies from individual to individual, in this experiment, it increased slightly from 30000 to 34000 (day: 0) in 2 days after seeding of the stem cells K (day: -2). In the
図4に示すように、レーザLを照射してから7日間経過後において、幹細胞Kの増殖速度を考察すると、試料3と試料2が最も増殖速度が高く、図5に示すように、それぞれレーザLを照射しない試料1に対して増殖率が157%と152%である。また、試料4も好適な増殖速度が得られ139%である。
つまり、照射エネルギーが0.5〜10J/cm2の範囲である場合には、いずれも増殖率の向上が期待できるが、特に0.5J/cm2のときに最も増殖率が高く、2.5J/cm2においても好適に増殖速度を向上させることができる。
As shown in FIG. 4, when the growth rate of the stem cell K is considered after 7 days from the irradiation of the laser L, the growth rate of the
That is, when the irradiation energy in the range of 0.5~10J / cm 2, although both can be expected to improve the growth rate, most growth rate is high, especially when the 0.5J / cm 2, 2. Even at 5 J / cm 2 , the growth rate can be preferably improved.
なお、図4に示すように、試料2と試料3は、照射エネルギーが同じで(0.5J/cm2)、出力が異なり、試料2が0.5Wであり、試料3が1Wであるが、出力の違いは大きな影響がないことが認められる。試料6の0.5Wと試料7の1Wの場合でも同様の傾向である。
As shown in FIG. 4,
続いて、図6を参照しながら、照射エネルギーを0.1〜1J/cm2とした場合について説明する。
図6では、第3〜第4継代後のASCs(Adipose−derived stem cells)100000細胞個を直径100mmの円形培養シャーレ(ディッシュ)に播種して培養を開始した(day:−2)。
Next, the case where the irradiation energy is set to 0.1 to 1 J / cm 2 will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, 100000 ASCs (Adipose-derived stem cells) after the 3rd to 4th passages were seeded in a circular culture dish (dish) having a diameter of 100 mm and the culture was started (day: -2).
幹細胞Kを播種(day:−2)から2日後に(day:0)、所定の照射エネルギーの炭酸ガスレーザLを1回照射して、照射した日から5日後(day:5)、10日後(day:10)、および15日後(day:15)に細胞数計測手段4(図1参照)によって細胞増殖数を計測した。また、出力は0.5Wと1Wでは同様の傾向であるから、図6では出力をすべて0.5Wとした。 Two days after seeding with the stem cells K (day: -2) (day: 0), the carbon dioxide laser L having a predetermined irradiation energy is irradiated once, 5 days after the irradiation day (day: 5), 10 days later ( Day: 10), and 15 days later (day: 15), the number of cell proliferation was counted by the cell number counting means 4 (see FIG. 1). Moreover, since the output has the same tendency at 0.5 W and 1 W, the output is all 0.5 W in FIG.
試料11は、レーザLを照射しなかったものである(Controlと表示)。試料12は、照射エネルギーを1J/cm2とした(0.1J/0.5Wと表示)。試料13は、照射エネルギーを0.5J/cm2とした(0.5J/0.5Wと表示)。試料4は、照射エネルギーを1J/cm2とした(1J/0.5Wと表示)。
試料15は、試料12〜14の炭酸ガスレーザLと比較するために900nmの波長のダイオードレーザを0.5J/cm2で照射したものである(Diodeと表示)。
シャーレの直径が100mmである場合におけるレーザパワー密度は、出力が0.5Wのときは約0.006(W/cm2)である。
The
When the petri dish has a diameter of 100 mm, the laser power density is about 0.006 (W / cm 2 ) when the output is 0.5 W.
図6に示すように、増殖速度には個体差があるが本実験における全体的な増殖速度の傾向としては、レーザLを照射してから5日間は、増殖率が比較的高く、その後は10日目までは増殖率が略横ばいで推移してから、10日を経過すると15日目までは再度増殖率が上昇した。 As shown in FIG. 6, although there are individual differences in the growth rate, the tendency of the overall growth rate in this experiment is that the growth rate is relatively high for 5 days after irradiation with the laser L, and thereafter 10%. The growth rate increased substantially until the day, and after 10 days, the growth rate increased again until the 15th day.
炭酸ガスレーザLを照射してから5日間経過後において、幹細胞Kの増殖速度を考察すると、試料13と試料12が最も増殖速度が高く、図7に示すように、それぞれレーザLを照射しない試料11に対して増殖率が200%と188%である。
さらに、炭酸ガスレーザLを照射してから15日間経過後においても同様に、試料13と試料12が最も増殖速度が高く、それぞれレーザLを照射しない試料11に対して増殖率が164%と143%である。
Considering the growth rate of the stem cell K after 5 days from the irradiation of the carbon dioxide laser L, the growth rate of the
Further, even after 15 days from the irradiation of the carbon dioxide laser L, the growth rate of the
なお、試料15のダイオードレーザでは、900nmの波長のダイオードレーザを0.5J/cm2で照射した場合には、図7に示すように、炭酸ガスレーザLを照射しない試料11と対比すると幹細胞Kの数が減少し79%であり、増殖速度の向上が見られなかった。
また、照射エネルギーを0.5ジュール/cm2とした場合には、炭酸ガスレーザの方がダイオードレーザを照射した場合よりも有利な作用効果を奏することが認められた。幹細胞に炭酸ガスレーザを照射した場合には、放置した場合よりも格段に幹細胞を増殖させることが認められた。
In the diode laser of
Further, when the irradiation energy was set to 0.5 Joule / cm 2 , it was recognized that the carbon dioxide laser had a more advantageous effect than the case where the diode laser was irradiated. It was confirmed that when stem cells were irradiated with a carbon dioxide laser, the stem cells were proliferated much more than when they were left untreated.
以上より、炭酸ガスレーザLを採用し、照射エネルギーが0.5〜10J/cm2の範囲である場合には、照射エネルギーが、5J/cm2や2.5J/cm2よりも0.5J/cm2のときの方が増殖率が高い。つまり、照射エネルギーが小さいほど増殖率が高い。
また、照射エネルギーが0.1〜1J/cm2の範囲である場合には、0.5J/cm2のときに増殖率が最も高く、0.1J/cm2でも0.5J/cm2のときと同様に優れた増殖率の向上が認められる。
したがって、これらの実験では照射エネルギーが0.1J/cm2未満のデータを取得していないが(図6と図7参照)、図4〜図7の実験の結果を総合的に考察すれば、0.1J/cm2未満においても一定の増殖率の向上が期待できることが推認される。
From the above, it employs a carbon dioxide gas laser L, when the irradiation energy in the range of 0.5~10J / cm 2, the irradiation energy, than 5 J / cm 2 and 2.5J / cm 2 0.5J / The growth rate is higher when cm 2 . That is, the smaller the irradiation energy, the higher the proliferation rate.
Further, the irradiation energy in the case of the range of 0.1~1J / cm 2 is the growth rate at 0.5 J / cm 2 is the highest, the 0.5 J / cm 2 even 0.1 J / cm 2 The improvement of the proliferation rate which is excellent similarly to time is recognized.
Accordingly, in these experiments, data with an irradiation energy of less than 0.1 J / cm 2 has not been acquired (see FIG. 6 and FIG. 7), but if the results of the experiments in FIGS. It is presumed that a constant increase in growth rate can be expected even at less than 0.1 J / cm 2 .
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されず、適宜変更して実施することが可能である。
例えば、本実施形態においては、気体交換手段12、空気清浄手段13、気圧調整手段14、光照射手段15、および湿度調整手段16を備えて構成したが、必ずしも必須の構成要素ではなく、幹細胞Kの種類等に応じて適宜組み合わせて使用する。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with appropriate modifications.
For example, in the present embodiment, the gas exchange means 12, the air cleaning means 13, the atmospheric pressure adjustment means 14, the light irradiation means 15, and the humidity adjustment means 16 are provided. Depending on the type, etc., they are used in appropriate combinations.
1 幹細胞培養装置
2 培地
3 レーザ照射手段
4 細胞数計測手段
5 可動テーブル
11 温度調整手段
12 気体交換手段
13 空気清浄手段
14 気圧調整手段
15 光照射手段
16 湿度調整手段
21 シャーレ(培地収容手段)
22 開口部
23,25 蓋
24 蓋開閉装置
31 レーザ発振器
32 デフォーカス照射手段
33 増殖細胞制御手段
34 プログラム入力手段
K 幹細胞
L 炭酸ガスレーザ(レーザ)
L1,L2 レーザ
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
L1, L2 laser
Claims (15)
前記幹細胞に対して照射エネルギーが0を超え10ジュール/cm2以下、かつ、レーザパワー密度が0.1W/cm 2 以下の低出力のレーザである炭酸ガスレーザを照射するレーザ照射手段と、を備え、
前記低出力のレーザを照射して前記幹細胞を活性化させることを特徴とする幹細胞培養装置。 A medium for culturing stem cells;
A laser irradiation means for irradiating the stem cell with a carbon dioxide laser that is a low-power laser having an irradiation energy exceeding 0 and not more than 10 joules / cm 2 and a laser power density of not more than 0.1 W / cm 2. ,
A stem cell culture apparatus, wherein the stem cells are activated by irradiating the low-power laser.
を特徴とする請求項1に記載の幹細胞培養装置。 The laser irradiation means is configured to irradiate the low-power laser with an irradiation energy set to 0.1 or more and 2.5 joules / cm 2 or less, and to proliferate the stem cells;
The stem cell culture apparatus according to claim 1 .
を特徴とする請求項1または請求項2に記載の幹細胞培養装置。 The laser irradiation means includes defocus irradiation means for defocusing the irradiation light of the low-power laser to irradiate the stem cells;
The stem cell culture apparatus according to claim 1 or 2 , wherein
を特徴とする請求項3に記載の幹細胞培養装置。 The defocusing irradiation means includes a defocusing diameter adjusting means for changing a diameter of a defocusing irradiation region irradiated to the stem cells;
The stem cell culture apparatus according to claim 3 .
を特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置。 Comprising cell number measuring means for measuring the number of proliferating cells of the stem cells after being proliferated by the activation,
The stem cell culture apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein:
前記開口部を覆う蓋と、
この蓋を開閉する蓋開閉装置と、
を備えていることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置。 Medium containing means for containing the medium and having an opening;
A lid covering the opening;
A lid opening and closing device for opening and closing the lid;
The stem cell culture device according to any one of claims 1 to 5 , comprising:
前記開口部を覆う蓋と、を備え、
前記培地収容手段の蓋は、前記低出力のレーザを透過する材質で構成したこと、
を特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置。 Medium containing means for containing the medium and having an opening;
A lid that covers the opening,
The lid of the medium containing means is made of a material that transmits the low-power laser,
The stem cell culture apparatus according to any one of claims 1 to 6 , wherein:
前記開口部を下方に向けた状態で、下方から前記低出力のレーザを照射すること、
を特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置。 A medium containing means for containing the medium and having an opening;
Irradiating the low-power laser from below with the opening directed downward;
The stem cell culture apparatus according to any one of claims 1 to 6 , wherein:
を特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の幹細胞培養装置。 Having a movable table for moving the medium;
The stem cell culture apparatus according to any one of claims 1 to 8 , wherein:
を特徴とする請求項10に記載の幹細胞培養方法。 The low-power laser is irradiated with an irradiation energy set to 0.1 or more and 2.5 joules / cm 2 or less to proliferate the stem cells,
The stem cell culture method according to claim 10 .
を特徴とする請求項10または請求項11に記載の幹細胞培養方法。 Irradiating the entire medium by defocusing the irradiation light of the low-power laser,
The stem cell culturing method according to claim 10 or 11 , wherein:
を特徴とする請求項10から請求項12のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法。 Storing the medium in a medium containing means having a lid made of a material that transmits the low-power laser, irradiating the stem cell with the low-power laser through the lid,
The stem cell culturing method according to any one of claims 10 to 12 , wherein:
前記開口部を下方に向けた状態で、下方から前記低出力のレーザを照射すること、
を特徴とする請求項10から請求項13のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法。 Storing the medium in a medium storing means having an opening,
Irradiating the low-power laser from below with the opening directed downward;
The stem cell culturing method according to any one of claims 10 to 13 , wherein:
を特徴とする請求項10から請求項14のいずれか1項に記載の幹細胞培養方法。 Irradiating the stem cell with the low-power laser and activating the stem cell, and then proliferating to the target proliferation number by providing a predetermined rest period for the stem cell,
The stem cell culturing method according to any one of claims 10 to 14 , wherein:
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