JP6619345B2 - 人工三次元組織の製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、人工三次元組織の製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法に関する。
本願は、２０１４年９月２３日に出願された米国特許仮出願６２／０５４，０６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
本願は、２０１４年９月２３日に出願された米国特許仮出願６２／０５４，０６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
化粧品や薬品の試験、皮膚移植、ロボットへの搭載等に人工三次元組織の一つである人工皮膚組織は広く用いられている。特許文献１には、細胞外マトリックス成分を含む被膜で細胞の表面が被覆された被覆細胞を培養し、被覆細胞が積層された真皮組織層を形成すること、および真皮組織層上に表皮細胞を配置して表皮層を形成して人工皮膚モデルを製造する技術が開示されている。
人工皮膚組織の構築には、気液界面における培養が必須であるが、特許文献１に記載された培養は、表皮層とは最も離れた位置に配置されたメンブレンフィルタを介して培地が供給されるため、養分供給の効率が十分とはいえず、例えば、生体移植時の生着率が低い低品質の人工皮膚組織が製造される可能性がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、高品質の人工三次元組織とその製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様に従えば、所定方向に延びる人工三次元組織の製造方法であって、側壁に囲まれた培養空間を有する培養槽と、対向する前記側壁を貫いて前記培養空間に前記所定方向に沿って懸架された流路形成部材と、前記対向する側壁にそれぞれ設けられ前記流路形成部材が挿通される貫通孔を有し前記側壁を貫通する支持部であって、前記培養槽の外側で培地供給管または培地排出管に接続され、前記培養槽の内側の前記培養空間で前記流路形成部材を取り付けおよび取り外し自在に支持する前記支持部とを備えたデバイスを準備することと、前記培養空間で細胞を培養して、前記流路形成部材が貫く前記人工三次元組織を形成することと、前記人工三次元組織から前記流路形成部材を抜去して前記人工三次元組織を貫通する灌流流路を形成することと、を含み、前記支持部は、前記貫通孔を有し前記側壁に貫通して装着されている筒状の装着部と、前記培養槽の内側の前記装着部に設けられ前記人工三次元組織の一部を係合して前記所定方向への収縮を抑える係合部とを有し、前記係合部は、前記装着部の外周面の直径よりも大きい直径の内周面及び外周面を有する、前記装着部と同軸の筒状の第２筒部と、前記装着部の周方向に間隔をあけて複数配置され前記第２筒部の内周面と前記装着部の外周面とを接続するリブ部とを有し、前記第２筒部及び前記リブ部は、それぞれ前記培養空間の中心とは逆側で前記培養空間を介して前記側壁と対向し、前記係合部のうち、前記培養空間を介して前記側壁と対向する前記第２筒部及び前記リブ部は、前記所定方向の中央側から前記人工三次元組織の一部と係合することを特徴とする人工三次元組織の製造方法が提供される。
本発明の第２の態様に従えば、本発明の第１の態様の製造方法で人工三次元組織を製造することと、薬剤を前記人工三次元組織に接触させることと、前記薬剤の接触による刺激に対する前記人工三次元組織の応答を測定することと、を含むことを特徴とする人工三次元組織を用いた薬剤評価方法が提供される。
本発明の第３の態様に従えば、所定方向に延びる人工三次元組織に灌流が行われる人工三次元組織灌流デバイスであって、側壁に囲まれた培養空間を有する培養槽と、対向する前記側壁を貫いて前記培養空間に前記所定方向に沿って懸架された流路形成部材と、前記対向する側壁にそれぞれ設けられ前記流路形成部材が挿通される貫通孔を有し前記側壁を貫通する支持部であって、前記培養槽の外側で培地供給管または培地排出管に接続され、前記培養槽の内側の前記培養空間で前記流路形成部材を取り付けおよび取り外し自在に支持する前記支持部と、を備え、前記支持部は、前記貫通孔を有し前記側壁に貫通して装着されている筒状の装着部と、前記培養槽の内側の前記装着部に設けられ前記人工三次元組織の一部を係合して前記所定方向への収縮を抑える係合部とを有し、前記係合部は、前記装着部の外周面の直径よりも大きい直径の内周面及び外周面を有する、前記装着部と同軸の筒状の第２筒部と、前記装着部の周方向に間隔をあけて複数配置され前記第２筒部の内周面と前記装着部の外周面とを接続するリブ部とを有し、前記第２筒部及び前記リブ部は、それぞれ前記培養空間の中心とは逆側で前記培養空間を介して前記側壁と対向し、前記係合部のうち、前記培養空間を介して前記側壁と対向する前記第２筒部及び前記リブ部は、前記所定方向の中央側から前記人工三次元組織の一部と係合することを特徴とする人工三次元組織灌流デバイスが提供される。
本発明の第４の態様に従えば、所定方向に延びる人工三次元組織であって、内部を貫通し前記所定方向に延びる灌流流路を有することを特徴とする人工三次元組織が提供される。
本発明によれば、高品質の人工三次元組織とその製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法を提供することことができる。
以下、本発明の人工三次元組織とその製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法の実施の形態を、図１ないし図２７を参照して説明する。
本実施形態では、人工三次元組織として人工皮膚組織を製造する例を用いて説明する。
なお、以下の実施の実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせている。
本実施形態では、人工三次元組織として人工皮膚組織を製造する例を用いて説明する。
なお、以下の実施の実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせている。
（人工皮膚組織）
まず、本発明に係る人工皮膚組織について、図１を参照して説明する。
図１は、人工三次元組織である人工皮膚組織１を模式的に示した斜視断面図である。
人工皮膚組織１は、真皮組織層１０と表皮層２０とを含む。人工皮膚組織１は、真皮組織層１０と表皮層２０とが積層された方向（図１における上下方向、以下、積層方向と称する）と直交する平面に沿った所定方向（図１における左右方向、以下、第１方向と称する）に延びて形成されている。
まず、本発明に係る人工皮膚組織について、図１を参照して説明する。
図１は、人工三次元組織である人工皮膚組織１を模式的に示した斜視断面図である。
人工皮膚組織１は、真皮組織層１０と表皮層２０とを含む。人工皮膚組織１は、真皮組織層１０と表皮層２０とが積層された方向（図１における上下方向、以下、積層方向と称する）と直交する平面に沿った所定方向（図１における左右方向、以下、第１方向と称する）に延びて形成されている。
表皮層２０は、真皮組織層１０上に表皮細胞２１を播種して培養することにより形成されたものである。表皮細胞２１としては、例えば、表皮角化細胞が使用できる。
表皮細胞としては、ヒト、マウス、ラット等、哺乳動物由来の細胞が挙げられ、ヒト由来表皮細胞が好ましい。ヒト由来表皮細胞としては、表皮角化細胞、表皮メラノサイトが挙げられ、表皮角化細胞が好ましい。表皮角化細胞としては、正常ヒト表皮角化細胞（Normal Human Epidermal Keratinocytes：NHEK） が挙げられる。表皮メラノサイトとしては、正常ヒト表皮メラノサイト（Normal Human Epidermal Melanocytes：NHEM）が挙げられる。
真皮組織層１０は、細胞外マトリックス成分１１中の真皮細胞１２を培養することにより形成されたものである。細胞外マトリックス成分１１としては、特に限定されないが、例えば、コラーゲン（Ｉ型、ＩＩ型、ＩＩＩ型、Ｖ型、ＸＩ型など）、マウスＥＨＳ腫瘍抽出物（ＩＶ型コラーゲン、ラミニン、ヘパラン硫酸プロテオグリカンなどを含む）より再構成された基底膜成分（商品名：マトリゲル）、ゼラチン、寒天、アガロース、フィブリン、グリコサミノグリカン、ヒアルロン酸、プロテオグリカンなどを例示することができる。真皮細胞１２としては、例えば、線維芽細胞を用いることができる。
線維芽細胞としては、ヒト、マウス、ラット等、哺乳動物由来の細胞が挙げられ、ヒト由来線維芽細胞が好ましい。ヒト由来線維芽細胞としては、ヒト皮膚線維芽細胞（Normal Human Dermal Fibroblasts：NHDF）、ヒト肺線維芽細胞：Human Pulmonary Fibroblasts (HPF)、ヒト心臓線維芽細胞：Human Cardiac Fibroblasts (HCF)、ヒト大動脈外膜線維芽細胞：Human Aortic Adventitial Fibroblasts (HAoAF)、ヒト子宮線維芽細胞：Human Uterine Fibroblasts (HUF)、ヒト絨毛間葉系線維芽細胞：Human Villous Mesenchymal Fibroblasts (HVMF)等が挙げられ、ヒト皮膚線維芽細胞（NHDF）が好ましい。
真皮組織層１０は、真皮組織層１０の内部を貫通し第１方向のに延びる灌流流路１３を有している。灌流流路１３は、表皮細胞２１を培養する際に培地（詳細は後述）が灌流する流路である。灌流流路１３の表面には、血管系細胞１４を用いて形成された管腔層１５が設けられている。血管系細胞１４としては、例えば、内皮細胞を用いることができる。
血管系細胞としては、血管上皮細胞、血管内皮細胞等が挙げられ、血管内皮細胞が好ましい。血管内皮細胞としては、ヒト、マウス、ラット等、哺乳動物由来の細胞が挙げられ、ヒト由来血管内皮細胞が好ましい。ヒト由来血管内皮細胞としては、ヒト臍帯静脈内皮細胞（Human Umbilical Vein Endothelial Cells：HUVEC）、 ヒト臍帯動脈内皮細胞（Human Umbilical Artery Endothelial Cells：HUAEC） 、ヒト冠状動脈内皮細胞（Human Coronary Artery Endothelial Cells：HCAEC）、 ヒト伏在静脈内皮細胞（Human Saphenous Vein Endothelial Cells：HSaVEC）、 ヒト肺動脈内皮細胞（Human Pulmonary Artery Endothelial Cells：HPAEC）、 ヒト大動脈内皮細胞（Human Aortic Endothelial Cells：HAoEC）、ヒト皮膚微小血管内皮細胞（Human Dermal Microvascular Endothelial Cells：HDMEC）、 ヒト皮膚血管内皮細胞（Human Dermal Blood Endothelial Cells：HDBEC）、 ヒト皮膚リンパ管内皮細胞（Human Dermal Lymphatic Endothelial Cells：HDLEC）、 ヒト肺微小血管内皮細胞（Human Pulmonary Microvascular Endothelial Cells：HPMEC）、 ヒト心臓微小血管内皮細胞（Human Cardiac Microvascular Endothelial Cells：HCMEC）、 ヒト膀胱微小血管内皮細胞（Human Bladder Microvascular Endothelial Cells：HBdMEC）、 ヒト子宮微小血管内皮細胞（Human Uterine Microvascular Endothelial Cells：HUtMEC）等が挙げられ、ヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）が好ましい。
（人工皮膚組織製造装置）
次に、上記の人工皮膚組織１を製造する人工皮膚組織製造装置について、図２乃至図５を参照して説明する。
図２は、人工皮膚組織製造装置３０の概略的な構成図である。
次に、上記の人工皮膚組織１を製造する人工皮膚組織製造装置について、図２乃至図５を参照して説明する。
図２は、人工皮膚組織製造装置３０の概略的な構成図である。
人工皮膚組織製造装置３０は、灌流デバイス（人工三次元組織灌流デバイス）４０、培養皿５０およびポンプ６０を備えている。培養皿５０は、内部空間に灌流デバイス４０が載置される。ポンプ６０は、配管６１を介して灌流デバイス４０に培地を供給する。ポンプ６０は、灌流デバイス４０を介して培養皿５０内に排出された培地Ｍを、配管６２を介して回収する。
（灌流デバイス４０の第１実施形態）
図３は、灌流デバイス４０の第１実施形態の外観斜視図である。
灌流デバイス４０は、培養槽４１、コネクタ（支持部）４２およびワイヤー（線状部材、流路形成部材）４３を備えている。培養槽４１は、側壁４４に囲まれた上部が開口する培養空間４５と、底壁（底部）４６に設けられた底板４７を備えている。側壁４４は、平面視で矩形状に設けられている。底壁４６は、鉛直方向に貫通する開口部４６ａと、底面４６ｂに設けられた溝部４６ｃとを有している。溝部４６ｃは、第１方向に延在して設けられ両端部において培養皿５０の内部空間に開口している。底板４７は、培養槽４１に取り付けおよび取り外し自在である。底板４７は、培養槽４１の底壁４６に取り付けられたときに開口部４６ａを閉塞する。
図３は、灌流デバイス４０の第１実施形態の外観斜視図である。
灌流デバイス４０は、培養槽４１、コネクタ（支持部）４２およびワイヤー（線状部材、流路形成部材）４３を備えている。培養槽４１は、側壁４４に囲まれた上部が開口する培養空間４５と、底壁（底部）４６に設けられた底板４７を備えている。側壁４４は、平面視で矩形状に設けられている。底壁４６は、鉛直方向に貫通する開口部４６ａと、底面４６ｂに設けられた溝部４６ｃとを有している。溝部４６ｃは、第１方向に延在して設けられ両端部において培養皿５０の内部空間に開口している。底板４７は、培養槽４１に取り付けおよび取り外し自在である。底板４７は、培養槽４１の底壁４６に取り付けられたときに開口部４６ａを閉塞する。
コネクタ４２は、装着部（筒部）４２ａ、接続部４２ｂ、係合部４２ｃおよび内部を貫通する貫通孔４２ｄを有している。装着部４２ａは軸状に形成され培養槽４１の側壁４４を貫通して装着されている。接続部４２ｂは、装着部４２ｂの一端に設けられている。接続部４２ｂは、培養槽４１の外側に配置され配管６１または配管６３（後述）に接続可能である。
係合部４２ｃは、装着部４２ｂの他端に設けられている。係合部４２ｃは、培養槽４１の培養空間４５に側壁４４と隙間をあけて配置されている。図４は、係合部４２ｃを軸方向で視た正面図である。図５は、図４におけるＡ−Ａ線視断面図である。図４および図５に示すように、係合部４２ｃは、装着部４２ａの外周面と隙間をあけて同軸で配置された第２筒部４２ｅと、装着部４２ａの周方向に間隔をあけて配置された複数のリブ部４２ｆとを備えている。リブ部４２ｆは、装着部４２ａの外周面と第２筒部４２ｅの内周面とを接続する。リブ部４２ｆは、９０度間隔で４つ設けられている。装着部４２ａ、第２筒部４２ｅおよびリブ部４２ｆで囲まれた隙間４２ｇは、係合部４２ｃを軸方向に貫通している。
コネクタ４２は、対向する側壁４４のそれぞれに貫通孔４２ｄが同軸となる位置に複数対（図３では６対）装着される。３対のコネクタ４２は、第１方向に沿って配置され、他の３対のコネクタ４２は、第１方向とで水平方向で直交する第２方向に沿って配置されている。コネクタ４２のうち、少なくとも培養空間４５に露出する領域には、細胞外マトリックス成分１１に対する親液化処理が施されている。親液化処理としては、例えば、Ｏ２プラズマ処理を採用できる。
ワイヤー４３は、灌流流路１３を形成するために用いられる線状部材である。ワイヤー４３は、対向する側壁４４に同軸で装着されたコネクタ４２に取り付けおよび取り外し自在に支持される。ワイヤー４３は、コネクタ４２の貫通孔４２ｄに挿通（支持）されて培養空間４５の真皮組織層１０を配置する領域に懸架可能である。ワイヤー４３は、例えば、ポリアミド樹脂で形成されている。
（人工皮膚組織１の製造方法）
次に、人工皮膚組織１の製造方法について、図６乃至図２０を参照して説明する。
本発明に係る人工皮膚組織（人工三次元組織）１の製造方法は、真皮組織層１０上に表皮層２０が形成され第１方向（所定方向）に延びる人工皮膚組織１の製造方法であって、側壁４４に囲まれた培養空間４５を有する培養槽４１と、対向する側壁４４を貫いて培養空間４５に所定方向に沿って懸架されたワイヤー（線状部材、流路形成部材）４３とを備えた灌流デバイス（人工三次元組織灌流デバイス、デバイス）４０を準備することと、培養空間４５で細胞外マトリックス成分１１中の真皮細胞１２を培養して、ワイヤー４３が貫く真皮組織層１０を形成することと、真皮組織層１０からワイヤー４３を抜去して真皮組織層１０を貫通する灌流流路１３を形成することと、真皮組織層１０上に表皮細胞２１を配置し灌流流路１３に培地Ｍを灌流させながら、表皮層２０を形成することと、を含む。また、本発明に係る人工皮膚組織１の製造方法は、対向する側壁４４にそれぞれ設けた係合部４２ｃに細胞外マトリックス成分１１を係合させて所定方向への収縮を抑えながら真皮組織層１０を形成することを含む。
次に、人工皮膚組織１の製造方法について、図６乃至図２０を参照して説明する。
本発明に係る人工皮膚組織（人工三次元組織）１の製造方法は、真皮組織層１０上に表皮層２０が形成され第１方向（所定方向）に延びる人工皮膚組織１の製造方法であって、側壁４４に囲まれた培養空間４５を有する培養槽４１と、対向する側壁４４を貫いて培養空間４５に所定方向に沿って懸架されたワイヤー（線状部材、流路形成部材）４３とを備えた灌流デバイス（人工三次元組織灌流デバイス、デバイス）４０を準備することと、培養空間４５で細胞外マトリックス成分１１中の真皮細胞１２を培養して、ワイヤー４３が貫く真皮組織層１０を形成することと、真皮組織層１０からワイヤー４３を抜去して真皮組織層１０を貫通する灌流流路１３を形成することと、真皮組織層１０上に表皮細胞２１を配置し灌流流路１３に培地Ｍを灌流させながら、表皮層２０を形成することと、を含む。また、本発明に係る人工皮膚組織１の製造方法は、対向する側壁４４にそれぞれ設けた係合部４２ｃに細胞外マトリックス成分１１を係合させて所定方向への収縮を抑えながら真皮組織層１０を形成することを含む。
以下、人工皮膚組織１の製造方法について詳細に説明する。
図６乃至図２０においては、適宜、灌流デバイス４０のみを図示し、培養皿５０、ポンプ６０等の図示を省略している。
図６乃至図２０においては、適宜、灌流デバイス４０のみを図示し、培養皿５０、ポンプ６０等の図示を省略している。
（灌流デバイス４０の準備）
灌流デバイス４０の準備としては、図６に示すように、上記の培養槽４１の対向する側壁４４に貫通孔４２ｄが同軸となるようにコネクタ４２を装着するとともに、底壁４６に底板４７を取り付けて開口部４６ａを閉塞する。同軸となっている貫通孔４２ｄにワイヤー４３を挿通し、培養空間４５にワイヤー４３を懸架させる。
灌流デバイス４０の準備としては、図６に示すように、上記の培養槽４１の対向する側壁４４に貫通孔４２ｄが同軸となるようにコネクタ４２を装着するとともに、底壁４６に底板４７を取り付けて開口部４６ａを閉塞する。同軸となっている貫通孔４２ｄにワイヤー４３を挿通し、培養空間４５にワイヤー４３を懸架させる。
コネクタ４２のうち、少なくとも培養空間４５に露出する領域に親液化処理を施す。親液化処理は、培養槽４１に装着する前にコネクタ４２に実施してもよいし、側壁４４に装着したコネクタ４２に対して実施してもよい。
側壁４４へのコネクタ４２の装着部の隙間、および底壁４６への底板４７の取付部の隙間をシールするために、シール材で培養空間４５に臨む培養槽４１の表面を被膜する。シール材としては、細胞外マトリックス成分１１、真皮細胞１２、表皮細胞２１に悪影響を与えない材料、一例として、ポリパラキシリレン（以下、パリレンと称する）が蒸着等の成膜方法により成膜される。シール材の膜厚としては、上記装着部の隙間および取付部の隙間に対して１／１００〜１／１０であることが好ましい。また、シール材の膜厚は、上記装着部の隙間および取付部の隙間に対して１／５０〜１／１０であることが好ましく、１／５０〜１／２０であることがより好ましい。本実施形態では、約５０μｍの隙間に対して２μｍの膜厚（１／２５）でシール材を成膜した。
（真皮組織層１０の形成）
灌流デバイス４０の準備が完了すると、真皮組織層１０を形成する。
真皮組織層１０の形成は、まず、図７に示すように、細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物を培養槽４１の培養空間４５に注ぎ込む。混合物は、ワイヤー４３が浸漬される高さとなる量で注ぎ込まれる。本実施形態では、細胞外マトリックス成分１１としてコラーゲンが用いられている。
灌流デバイス４０の準備が完了すると、真皮組織層１０を形成する。
真皮組織層１０の形成は、まず、図７に示すように、細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物を培養槽４１の培養空間４５に注ぎ込む。混合物は、ワイヤー４３が浸漬される高さとなる量で注ぎ込まれる。本実施形態では、細胞外マトリックス成分１１としてコラーゲンが用いられている。
細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物が培養槽４１に注ぎ込まれると、混合物を所定条件で培養（インキュベーション）する。培養条件としては、真皮組織層１０の密度がヒトの真皮相当となる条件で行う。培養条件は、一例として、３７℃の温度下で２日間（４８時間）行った。
培養によって細胞外マトリックス成分１１は収縮する。細胞外マトリックス成分１１は、係合部４２ｃに係合しているため、積層方向の収縮は拘束されないが、第１方向および第２方向の収縮は拘束される。より詳細には、図５に示されるように、細胞外マトリックス成分１１は、培養空間４５の中心とは逆側から係合部４２ｃの第２筒部４２ｅ、リブ部４２ｆに係合しているため、第２筒部４２ｅ、リブ部４２ｆが障壁となって中心側への収縮が抑制される。また、細胞外マトリックス成分１１は、積層方向への収縮により、第２筒部４２ｅの外周面、装着部４２ａの先端側の外周面に圧着されることになる。従って、細胞外マトリックス成分１１と係合部４２ｃとの間の摩擦力が大きくなり、第１方向および第２方向への収縮に対する抵抗力が大きくなる。特に、本実施形態では、係合部４２ｃが細胞外マトリックス成分１１に対する親液化処理が施されているため、細胞外マトリックス成分１１は、より大きな密着力で係合部４２ｃに密着し第１方向および第２方向への収縮に対する抵抗力が大きくなる。
細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物の培養が完了することにより、図８に示すように、積層方向が収縮し、第１方向および第２方向の収縮が抑制され、内部をワイヤー４３が貫く真皮組織層１０が形成される。
（灌流流路１３および管腔層１５の形成）
次に、コネクタ４２に支持されているワイヤー４３を抜去する。これにより、図９に示すように、真皮組織層１０には、第１方向に延びる空洞である灌流流路１３が形成される。このとき、真皮組織層１０は、両端部において係合部４２ｃに係合しているため、ワイヤー４３の抜去時にコネクタ４２から脱離することなく安定してコネクタ４２に支持される。
次に、コネクタ４２に支持されているワイヤー４３を抜去する。これにより、図９に示すように、真皮組織層１０には、第１方向に延びる空洞である灌流流路１３が形成される。このとき、真皮組織層１０は、両端部において係合部４２ｃに係合しているため、ワイヤー４３の抜去時にコネクタ４２から脱離することなく安定してコネクタ４２に支持される。
次に、図１０に示すように、コネクタ４２の貫通孔４２ｄを介して、灌流流路１３に臨む真皮組織層１０の表面に血管系細胞１４を注入（播種）し一定時間培養することにより、管腔層１５を形成する。これにより、灌流流路１３は、管腔層１５に囲まれた状態となる。
（表皮層２０の形成）
次に、表皮層２０を形成するための準備を行う。
図１１に示すように、培養槽４１の底壁４６から底板４７を取り外すとともに、図２に示したように、培養槽４１を培養皿５０の内部に載置する。次いで、第１方向の一方側のコネクタ４２の接続部４２ｂに配管６１を接続し、第１方向の他方側のコネクタ４２の接続部４２ｂに配管６３を接続する。各側の接続部４２ｂに接続する配管６１または配管６３については３つのコネクタ４２全てに接続してもよいし、一部のみに接続してもよい。
次に、表皮層２０を形成するための準備を行う。
図１１に示すように、培養槽４１の底壁４６から底板４７を取り外すとともに、図２に示したように、培養槽４１を培養皿５０の内部に載置する。次いで、第１方向の一方側のコネクタ４２の接続部４２ｂに配管６１を接続し、第１方向の他方側のコネクタ４２の接続部４２ｂに配管６３を接続する。各側の接続部４２ｂに接続する配管６１または配管６３については３つのコネクタ４２全てに接続してもよいし、一部のみに接続してもよい。
表皮層２０を形成するための準備が完了すると、真皮組織層１０上に表皮細胞２１を播種する。表皮細胞２１が播種されると、ポンプ６０から配管６１および貫通孔４２ｄを介して培地Ｍを灌流流路１３に灌流させながら表皮細胞２１を培養する。表皮細胞２１の培養は、表皮細胞２１を気体に曝しながら、灌流流路１３の培地Ｍを真皮組織層１０を介して拡散させる気液培養を行う。これにより、表皮細胞２１が分化誘導されて表皮層２０を形成することができる。表皮層２０を形成する際の培養条件は、一例として、３７℃の温度下で９日間行った。
一方のコネクタ４２を介して灌流流路１３に灌流された培地Ｍは、他方のコネクタ４２および配管６３を介して培養皿５０の内部空間に排出される。また、灌流流路１３から真皮組織層１０に拡散した培地Ｍの一部は、培養槽４１の開口部４６ａおよび溝部４６ｃを介して培養皿５０の内部空間に排出される。培養皿５０に排出された培地Ｍは、配管６２を介して回収される。ポンプ６０からの培地Ｍの供給量と、配管６２を介しての培地Ｍの回収量とは、表皮層２０の培養時に真皮組織層１０の下側が培地Ｍに浸漬され、表皮細胞２１が空気に曝されるように培養皿５０内の培地Ｍの液位が保たれる値に設定される。
（評価方法）
本発明は、さらにその他の態様として、本発明の人工皮膚組織１を用いた薬剤の皮膚に対する刺激性を評価する方法に関する。本発明における薬剤とは、医薬品等の薬物、化粧品や医薬部外品等を含む。１本発明の評価方法によれば、例えば、従来の方法と比較して実際の皮膚に近い環境で薬剤の評価を行うことができる。また、本発明の評価方法は、例えば、新薬の創出（スクリーニング）等における各種分子量の薬物の動態評価、化粧品や医薬部外品等の開発における評価において極めて有用である。
本発明は、さらにその他の態様として、本発明の人工皮膚組織１を用いた薬剤の皮膚に対する刺激性を評価する方法に関する。本発明における薬剤とは、医薬品等の薬物、化粧品や医薬部外品等を含む。１本発明の評価方法によれば、例えば、従来の方法と比較して実際の皮膚に近い環境で薬剤の評価を行うことができる。また、本発明の評価方法は、例えば、新薬の創出（スクリーニング）等における各種分子量の薬物の動態評価、化粧品や医薬部外品等の開発における評価において極めて有用である。
本発明の評価方法は、例えば、薬剤を前記人工皮膚組織と接触させること、及び、薬剤の接触による刺激に対する応答を測定することにより行うことができる。応答の測定は、例えば、経皮電気抵抗を測定すること等によって行うことができる。薬剤は、評価対象となる物質のことをいい、例えば、無機化合物及有機化合物等が挙げられる。
［実施例］
図１３は、上述の製造方法により製造された人工皮膚組織１を示す図である。この図に示されるように、コネクタ４２によって第１方向および第２方向の収縮が抑制された状態の人工皮膚組織１が得られた。
図１３は、上述の製造方法により製造された人工皮膚組織１を示す図である。この図に示されるように、コネクタ４２によって第１方向および第２方向の収縮が抑制された状態の人工皮膚組織１が得られた。
図１４は、灌流流路１３に培地Ｍを灌流させて人工皮膚組織１を製造した結果を示す図である。図１５は、灌流流路１３を設けることなく人工皮膚組織１を製造した結果を示す図である。図１４に示されるように、灌流流路１３に培地Ｍを灌流させた場合には、真皮組織層１０および表皮層２０を形成することができたが、図１５に示されるように、灌流流路１３を設けない場合には、表皮層２０を形成することができなかった。
図１６は、表皮層２０の培養を一日実施した後に、表皮層２０の表面に液滴を塗布した図である。図１７は、表皮層２０の培養を九日実施した後に、表皮層２０の表面に液滴を塗布した図である。図１６に示されるように、表皮層２０の表面に塗布した液滴は、培養開始後一日経過した場合は大きく濡れ拡がったが、図１７に示されるように、培養開始後九日経過した場合は濡れ拡がりが小さくなった。すなわち、培養開始後九日経過した表皮層２０の表面は、撥液性が大きくなり角質層の角化が進行したと考えられる。
図１８は、表皮層２０の培養開始後九日経過したときの鉛直方向に断面した人工皮膚組織１を示す図である。図１８に示されるように、培養開始後九日経過した場合でも灌流流路１３が保持されていることを確認することができた。図１９は、培養開始後九日経過した人工皮膚組織１において灌流流路１３を気泡が移動する様子を観察した図である。図１９に示されるように、気泡が時間経過に伴って流動することが確認でき、灌流流路１３の機能が保持されていることを確認できた。
図２０は、コネクタ４２の装着部の隙間、および底板４７の取付部の隙間のシールに関して、シール材の厚さに対するシール成功率、および底板４７の取付部の隙間から漏れる細胞外マトリックス成分１１の平均量を示す図である。図２０に示されるように、隙間が５０μｍの場合、隙間の１／２５である２μｍにシール材であるパリレンの厚さを設定することにより、高いシール率および低い平均漏れ量を達成することができた。
以上説明したように、本実施形態では、真皮組織層１０の内部を貫通する灌流流路１３が設けられているため、表皮層２０を形成する際にも十分な養分補給が可能である。そのため、本実施形態では、生体移植時の生着率が高い高品質の人工皮膚組織１を得ることができる。本実施形態では、ワイヤー４３を抜去するという操作で容易に灌流流路１３を形成することが可能であり、人工皮膚組織１の製造に係るコスト手間を低減することができる。
本実施形態では、灌流流路１３を臨む面に管腔層１５が設けられているため、長期間に亘る培養を行う際にもより安定した灌流流路１３を保持することが可能となる。本実施形態では、第１方向および第２方向の収縮を抑えながら真皮組織層１０を形成するため、細胞外マトリックス成分１１中の真皮細胞１２を培養する場合のように収縮が大きい場合でも、灌流流路１３を保持することで、高品質の人工皮膚組織１を安定して製造することが可能である。本実施形態では、コネクタ部４２の係合部４２ｃに親液化処理を施しているため、係合部４２ｃへの細胞外マトリックス成分１１の密着性を大幅に高めることができ、収縮を抑えながらの真皮組織層１０の形成をより安定した状態で実施することができる。本実施形態では、培養槽４１の底部の開口部４６ａを閉塞可能な底板４７を取り付け・取り外し自在としているため、表皮層２０の培養時には、培養槽４１の底部に溜まる汚濁した使用済みの培地Ｍを容易に培養皿５０に排出することが可能である。
（灌流デバイス４０Ａの第２実施形態）
続いて、灌流デバイス４０Ａの第２実施形態について、図２１乃至図２７を参照して説明する。
これらの図において、図１乃至図２０に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
第１実施形態では平面状の人工皮膚組織１を製造する場合を例示したが、第２実施形態では、断面形状が曲面の人工皮膚組織１を製造する例を用いて説明する。
続いて、灌流デバイス４０Ａの第２実施形態について、図２１乃至図２７を参照して説明する。
これらの図において、図１乃至図２０に示す第１実施形態の構成要素と同一の要素については同一符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
第１実施形態では平面状の人工皮膚組織１を製造する場合を例示したが、第２実施形態では、断面形状が曲面の人工皮膚組織１を製造する例を用いて説明する。
図２１は、培養槽４１に生体モデルＦが設けられた灌流デバイス４０Ａの概略的な斜視図である。生地モデルＦは、指を模したモデルである。図２２は、生体モデルＦの長さ方向（所定方向、第１方向）を含む鉛直面で断面した図である。図２３〜図２７は、生体モデルＦの長さ方向と直交する面で断面した図である。
図２２および図２３に示されるように、生体モデルＦは、背側の表面を曲面部７０として培養槽４１の底壁４６から培養空間４５に露出して設けられている。培養槽４１の底壁４６と生体モデルＦとの接合部は、上述したパリレンによってシールされている。ワイヤー４３は、第１方向に関する曲面部７０の傾斜に応じて、指先側が低くなるように懸架されている。図２３に示されるように、ワイヤー４３は、生体モデルＦの周方向に間隔をあけて複数（図２３では５本）設けられている。各ワイヤー４３と生体モデルＦとの距離は、ワイヤー４３と生体モデルＦとの間に形成される真皮組織層１０の厚さが所定値を確保できる距離に設定されている。なお、ワイヤー４３の本数は、表皮層２０の幅（周方向の長さ）に応じて適宜決定される。
なお、図２２および図２３では図示を省略しているが、ワイヤー４３の数に応じてコネクタ４２は、側壁４４に５対（合計１０本）設けられている。本実施形態の培養槽４１には、底板４７が設けられていない。
他の構成は、上記第１実施形態の灌流デバイス４０と同様である。
他の構成は、上記第１実施形態の灌流デバイス４０と同様である。
（人工皮膚組織１の製造方法）
続いて、上記の灌流デバイス４０Ａを用いて人工皮膚組織１を製造する方法について説明する。ここでは、灌流デバイス４０Ａの準備は完了しているものとして説明する。
まず、真皮組織層１０を形成するために、図２３に示すように、細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物を培養槽４１の培養空間４５に注ぎ込む。混合物は、ワイヤー４３が浸漬される高さとなる量で注ぎ込まれる。
続いて、上記の灌流デバイス４０Ａを用いて人工皮膚組織１を製造する方法について説明する。ここでは、灌流デバイス４０Ａの準備は完了しているものとして説明する。
まず、真皮組織層１０を形成するために、図２３に示すように、細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物を培養槽４１の培養空間４５に注ぎ込む。混合物は、ワイヤー４３が浸漬される高さとなる量で注ぎ込まれる。
細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物が培養槽４１に注ぎ込まれると、混合物を所定条件で培養する。培養された細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物は、ワイヤー４３が懸架された方向の収縮が抑えられ、他の方向については収縮するため、図２４に示されるように、曲面部７０に沿った形状の真皮組織層１０が形成される。
次に、ワイヤー４３を抜去することにより、図２５に示されるように、真皮組織層１０に複数（本実施形態では５つ）の灌流流路１３が形成される。続いて、灌流流路１３に臨む真皮組織層１０の表面に血管系細胞１４を注入（播種）し一定時間培養することにより、管腔層１５を形成する。
次に、真皮組織層１０上に表皮細胞２１を播種する。表皮細胞２１が播種されると、培地Ｍを灌流流路１３に灌流させながら表皮細胞２１を気液培養する。これにより、図２７に示されるように、表皮細胞２１が分化誘導されて表皮層２０を形成することができる。本実施形態では、真皮組織層１０および表皮層２０が曲面部７０に沿った曲面形状の人工皮膚組織１が得られる。
このように、本実施形態では、上記第１実施形態の灌流デバイス４０を用いた場合と同様の作用・効果が得られることに加えて、生体モデルＦの曲面部７０に沿った形状の高品質の人工皮膚組織１を容易に製造することができる。従って、本実施形態では、所望部位の生体モデルＦを用意して用いることにより、所望部位の形状の高品質の人工皮膚組織１を容易に得ることができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、上記実施形態では、人工皮膚組織１として指の皮膚組織を例示して説明したが、上述したように、他の部位の皮膚組織を人工的に製造する際にも本発明を適用可能である。
また、上記実施形態では、係合部４２ｃの親液化処理としてＯ２プラズマ処理を処理を例示したが、これに限定されるものではなく、他の親液化処理を採ってもよい。係合部４２ｃへの細胞外マトリックス成分１１と真皮細胞１２との混合物の密着性を高める方法として、親液化処理ではなく、例えば皮膚用の接着剤を用いてもよい。皮膚用の接着剤を用いる場合には、細胞外マトリックス成分１１および真皮細胞１２に悪影響が及ばない材料のものを選択することが好ましい。
また、上記実施形態では、灌流流路１３を形成するための流路形成部材として線状部材であるワイヤー４３を用いる構成を例示したが、ワイヤー４３の他に、例えば、ゲル材またはポリマーで作製した細胞付きあるいは細胞入り３のファイバーを用いる構成であってもよい。この構成を採って、例えば、細胞として血管系細胞１４を含む流路形成部材を用いることにより、血管系細胞１４を注入する工程を別途設ける必要がなくなり、製造効率を向上させることが可能となる。灌流流路１３としては、線状である構成に限られない。例えば、面状部材を流路形成部材として用いることにより、面状の灌流流路を形成することも可能である。この場合、灌流させる培地の流量を多くすることが可能となり、養分供給効率を高めることで一層高品質の人工皮膚組織を製造することができる。面状の流路形成部材としては、例えば、メッシュ材を用いることができる。
上記実施形態では、表皮細胞２１を培養して表皮層２０を形成するための培地を灌流させるために灌流流路１３を用いる構成を例示したが、この構成に限定されるものではない。例えば、組織表面（例えば表皮層２０）に薬剤を塗布し、当該薬剤の灌流流路１３への取り込みを評価するために灌流流路１３を用いる等の構成であってもよい。また、灌流流路１３を流れる培地中に薬剤を混入させ、当該薬剤が灌流流路１３から真皮組織層１０または表皮層２０への拡散を評価するために灌流流路１３を用いる等の構成であってもよい。このような構成で灌流流路１３を用いる場合には、表皮層２０を形成する前に灌流流路１３を形成する必要はなく、表皮層２０を形成した後に灌流流路１３を形成する手順であっててもよい。また、評価対象を、例えば、真皮組織層１０のみとする場合には、表皮層２０を形成する必要もなくなる。
また、上記実施形態では、人工三次元組織として人工皮膚組織１を例示したが、これに限定されるものではない。人工三次元組織としては、例えば、上述した線維芽細胞の代わりに、骨格筋細胞または心筋細胞を用いた筋組織であってもよい。さらに、肝細胞を用いた肝臓組織、膵臓系細胞を用いた膵臓組織、神経系細胞を用いた神経組織であってもよい。このような組織に本発明を適用する場合には、上記実施形態で用いた細胞外マトリクスは必ずしも存在していなくてもよく、各種細胞のみを集積したものであってもよい。
本発明によれば、高品質の人工三次元組織とその製造方法、人工三次元組織灌流デバイス、人工三次元組織を用いた薬剤評価方法を提供できる。このため、本発明は、例えば、化粧品、医薬、製薬等の分野において有用である。
１…人工皮膚組織（人工三次元組織）、 １０…真皮組織層、 １１…細胞外マトリックス成分、 １２…真皮細胞（線維芽細胞）、 １３…灌流流路、 １４…血管系細胞、 １５…管腔層、 ２０…表皮層、 ２１…表皮細胞、 ４０、４０Ａ…灌流デバイス（人工三次元組織灌流デバイス）、 ４１…培養槽、 ４２…コネクタ（支持部）、 ４２ａ…装着部（筒部）、 ４２ｃ…係合部、 ４２ｅ…第２筒、 ４２ｆ…リブ部、 ４３…ワイヤー（線状部材、流路形成部材）、 ４４…側壁、 ４５…培養空間、 ４６…底壁（底部）、 ７０…曲面部、 Ｆ…生体モデル、 Ｍ…培地
Claims (15)
- 所定方向に延びる人工三次元組織の製造方法であって、
側壁に囲まれた培養空間を有する培養槽と、対向する前記側壁を貫いて前記培養空間に前記所定方向に沿って懸架された流路形成部材と、前記対向する側壁にそれぞれ設けられ前記流路形成部材が挿通される貫通孔を有し前記側壁を貫通する支持部であって、前記培養槽の外側で培地供給管または培地排出管に接続され、前記培養槽の内側の前記培養空間で前記流路形成部材を取り付けおよび取り外し自在に支持する前記支持部とを備えたデバイスを準備することと、
前記培養空間で細胞を培養して、前記流路形成部材が貫く前記人工三次元組織を形成することと、
前記人工三次元組織から前記流路形成部材を抜去して前記人工三次元組織を貫通する灌流流路を形成することと、
を含み、
前記支持部は、前記貫通孔を有し前記側壁に貫通して装着されている筒状の装着部と、前記培養槽の内側の前記装着部に設けられ前記人工三次元組織の一部を係合して前記所定方向への収縮を抑える係合部とを有し、
前記係合部は、前記装着部の外周面の直径よりも大きい直径の内周面及び外周面を有する、前記装着部と同軸の筒状の第２筒部と、前記装着部の周方向に間隔をあけて複数配置され前記第２筒部の内周面と前記装着部の外周面とを接続するリブ部とを有し、
前記第２筒部及び前記リブ部は、それぞれ前記培養空間の中心とは逆側で前記培養空間を介して前記側壁と対向し、
前記係合部のうち、前記培養空間を介して前記側壁と対向する前記第２筒部及び前記リブ部は、前記所定方向の中央側から前記人工三次元組織の一部と係合することを特徴とする人工三次元組織の製造方法。 - 前記第２筒部及び前記リブ部が前記中央側から前記人工三次元組織の一部と係合する前記所定方向の位置は、前記流路形成部材が前記培養空間に露出する前記所定方向の位置よりも外側であることを特徴とする請求項１に記載の人工三次元組織の製造方法。
- 前記人工三次元組織を形成することにおいては、前記培養空間で細胞外マトリックス成分と細胞との混合物を培養し、
前記支持部の前記培養空間に露出する領域に前記細胞外マトリックス成分に対する親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１または２に記載の人工三次元組織の製造方法。 - 前記培養槽の底部に、前記所定方向に延びる曲面部を設け、
前記人工三次元組織を前記曲面部上に形成することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の人工三次元組織の製造方法。 - 前記曲面部は、生体モデルの一部であることを特徴とする請求項４記載の人工三次元組織の製造方法。
- 前記灌流流路の表面に血管系細胞を培養して管腔層を形成することを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の人工三次元組織の製造方法。
- 前記培養槽の底部に設けた開口部を開放して前記培養槽を培養皿に載置することと、
前記灌流流路を灌流し前記開口部を介して前記培養皿に溜まった培地を回収することとを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の人工三次元組織の製造方法。 - 前記人工三次元組織を形成することは、細胞外マトリックス成分中の真皮細胞を培養して、前記流路形成部材が貫く真皮組織層を形成することと、
前記真皮組織層から前記流路形成部材を抜去して前記真皮組織層を貫通する灌流流路を形成することと、
前記真皮組織層上に表皮細胞を配置し前記表皮層を形成することと、
を含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の人工三次元組織の製造方法。 - 前記灌流流路に培地を灌流させながら前記表皮層を培養することを特徴とする請求項８記載の人工三次元組織の製造方法。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載の製造方法で人工三次元組織を製造することと、
薬剤を前記人工三次元組織に接触させることと、
前記薬剤の接触による刺激に対する前記人工三次元組織の応答を測定することと、
を含むことを特徴とする人工三次元組織を用いた薬剤評価方法。 - 所定方向に延びる人工三次元組織に灌流が行われる人工三次元組織灌流デバイスであって、
側壁に囲まれた培養空間を有する培養槽と、
対向する前記側壁を貫いて前記培養空間に前記所定方向に沿って懸架された流路形成部材と、
前記対向する側壁にそれぞれ設けられ前記流路形成部材が挿通される貫通孔を有し前記側壁を貫通する支持部であって、前記培養槽の外側で培地供給管または培地排出管に接続され、前記培養槽の内側の前記培養空間で前記流路形成部材を取り付けおよび取り外し自在に支持する前記支持部と、
を備え、
前記支持部は、前記貫通孔を有し前記側壁に貫通して装着されている筒状の装着部と、前記培養槽の内側の前記装着部に設けられ前記人工三次元組織の一部を係合して前記所定方向への収縮を抑える係合部とを有し、
前記係合部は、前記装着部の外周面の直径よりも大きい直径の内周面及び外周面を有する、前記装着部と同軸の筒状の第２筒部と、前記装着部の周方向に間隔をあけて複数配置され前記第２筒部の内周面と前記装着部の外周面とを接続するリブ部とを有し、
前記第２筒部及び前記リブ部は、それぞれ前記培養空間の中心とは逆側で前記培養空間を介して前記側壁と対向し、
前記係合部のうち、前記培養空間を介して前記側壁と対向する前記第２筒部及び前記リブ部は、前記所定方向の中央側から前記人工三次元組織の一部と係合することを特徴とする人工三次元組織灌流デバイス。 - 前記第２筒部及び前記リブ部が前記中央側から前記人工三次元組織の一部と係合する前記所定方向の位置は、前記流路形成部材が前記培養空間に露出する前記所定方向の位置よりも外側であることを特徴とする請求項１１記載の人工三次元組織灌流デバイス。
- 前記培養空間では、細胞外マトリックス成分と細胞との混合物が培養され、
前記支持部の前記培養空間に露出する領域に前記細胞外マトリックス成分に対する親液化処理が施されていることを特徴とする請求項１１または１２に記載の人工三次元組織灌流デバイス。 - 前記培養槽の底部に、前記所定方向に延びる曲面部が設けられ、
前記人工三次元組織は前記曲面部上に配置されることを特徴とする請求項１１から１３のいずれか一項に記載の人工三次元組織灌流デバイス。 - 前記曲面部は、生体モデルの一部であることを特徴とする請求項１４記載の人工三次元組織灌流デバイス。
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