TWI445820B - 細胞培養容器及細胞培養方法 - Google Patents

Description

細胞培養容器及細胞培養方法

本發明係相關於細胞培養容器及細胞培養方法。

將從組織而單離的細胞使用於試驗、檢查之方法，係生物科技相關領域不可或缺之方法。廣泛應用於疾病、病情之診斷、新藥之探討及藥效之評估、或動物檢查、植物檢查、環境污染物質之試驗等。因此，使用於生物科技領域之細胞類係相當多樣化。

單離的細胞亦可直接使用於試驗，惟大多於培養皿或試驗管中進行細胞培養。使用該培養細胞來進行各種檢查。使用於細胞培養試驗之細胞培養株，需具備和生物體內的試驗亦即活體試驗(in vivo試驗)相同的藥劑感受性、毒性反應。亦即，必須可在細胞培養容器的表面，建構有規則性而排列的細胞間之網絡。細胞間的網絡係指細胞間進行鍵結而發生相互作用之狀態，細胞聚集而形成細胞塊之形態，或細胞鍵結成網目狀之形態。又，因使用於細胞培養試驗之細胞培養株相當昂貴，希冀提高細胞的生存率及增殖速度。

上述細胞培養試驗係於相同條件下，改變評價的藥物等的量、濃度等，而測定其效果。因此，細胞培養容器的材質、形狀等亦必需相同。該細胞培養容器，一般可使用塑膠製培養皿、玻璃製培養皿、固定於容器內的玻璃板、井板(well plate)等。井板係有6井、12井、48井、96井之各板或培養皿。一般而言，板整體的大小幾乎相同，井數 目愈多，則1井的尺寸愈小。該1井係相當於1培養皿。因最近有微量化的趨勢，亦開始使用更小口徑且由多數的培養皿形成之384井板。該類培養皿的底面係平坦的平板狀，使用該底面為培養面。

惟，進行組織細胞的培養時，若使用先前的細胞培養容器，則細胞薄薄地延展，成無方向性之形態。且因隨機地分布於細胞培養容器之表面，細胞間的網絡係複雜地交錯而形成。因此，無法重現生物體內之細胞機能。

解決上述問題又可立體地培養細胞之方法，係利用數百μm級大小的細胞培養小容器來培養細胞之方法(參考專利文獻1)、利用具備細胞配置部位和流路的微圖型來培養細胞之方法(參考專利文獻2)等。

【專利文獻1】特開2004－154027號公報【專利文獻2】特開2006－191809號公報

專利文獻1及2均設有為使培養細胞的空間區隔化之凸部位，惟專利文獻1中，因凸部位上方的寬度係細胞之2~3倍，細胞黏附於其上方，因此在上述培養空間內，無法有效率地建構細胞間的網絡。另一方面，專利文獻2中，凸部位的寬度較細胞小，因凸部位的高度低，細胞會越過，在上述培養空間內，無法有效率地建構細胞間的網絡。

本發明的目的係解決上述問題，提供一種可有效率地建構培養空間內細胞間的網絡之細胞培養容器及細胞培養方法。

本發明的細胞培養容器係於表面具有複數的微容器之細胞培養容器，形成區隔相鄰的上述微容器間之凸部位，使細胞不黏附於上述凸部位之上方。凸部位係多階層結構，使細胞不黏附於各階層之上方。凸部位上方之短邊寬度為0.5~15 μm，上述凸部位之高度宜為上述短邊寬度的3倍以上。上述凸部位之高度宜為30~300 μm。

又，以上述微容器水平面為基準面的高度方向之上部50%以上處，水平面和該側壁的各側面之形成角度宜為80°~90°。

微容器之底面面積宜為6.25×10^－4 mm² ~0.563mm² 。培養細胞為肝細胞時，底面之長徑宜為短徑的1~1.5倍。另一方面，評價細胞的遷移性時，底面之長徑宜為短徑的1.5~50倍。

且，上述微容器係與至少1個的相鄰微容器相通，為此之開口部位之底面寬度宜為1~25 μm。

在設置上述微容器之範圍進行表面處理，藉由上述表面處理而形成的層壓膜係2層以上，宜為至少1層為無機膜，至少1層為有機膜。又，其範圍宜為透明。

本發明之細胞培養方法，係於上述細胞培養容器，在設置於細胞培養容器之上述微容器中，注入細胞並培養上述細胞。上述細胞宜為肝細胞、脂肪細胞、骨芽細胞、齒髓細胞、軟骨細胞、幹細胞、神經細胞、心肌細胞中之任一種。

本發明係可提供一種在培養空間內可有效率地建構細胞間的網絡之細胞培養容器及細胞培養方法。

[進行發明之最佳形態]：

本發明的細胞培養容器係形成凹凸圖型，亦即複數的微容器，亦即培養空間。使間隔該微容器的側壁(凸部)之寬度及高度最適當化，只於微容器內培養細胞，可有效率地建構細胞間之網絡。

由側壁圍成的微容器之尺寸，必須是為培養細胞之最佳範圍。若微容器之底面面積過大，則與培養於平板上之情形相同，細胞係薄薄地延展，無法形成立體結構。另一方面，若微容器之底面面積過小，則無法收納細胞。因此，空間之尺寸，宜因應培養的細胞種類使成為可收納一個或複數個之範圍。形成複數個細胞集結而成之細胞塊時，宜為可收納其細胞塊之範圍。

又，微容器之側壁亦必須是為培養細胞之最適範圍。若側壁之寬度過寬，則細胞黏附於側壁之上方，不適於培養。若側壁之寬度過窄，則不易製作。若側壁之高度過低，則細胞越過側壁，不適於培養。若側壁之高度過高，則不易製作且物質不易擴散，使培養環境惡化。

藉由在側壁設置開口部位，使複數的微容器相通之結構，可有效率地供給細胞氧或營養份及去除來自細胞的老舊廢物。又因應培養的細胞種類，適當地設定側壁之高度、微容器尺寸、開口部位之寬度，可適用於各樣培養系。

以下，說明本發明之進行形態。惟，本發明不受限於 以下之進行形態。為明確地說明而適當地簡略以下之記載及圖式。

進行形態 〔實施的形態〕

使用第1、2圖說明進行形態的細胞培養容器之構成。第1圖係表示本實施形態的細胞培養容器的構成之平面圖，第2圖係第1圖的II－II切面圖。如第1圖所示般，細胞培養容器10具備微容器11、側壁12、開口部位13。於細胞培養容器10之培養面，複數的側壁12係形成網目狀，於該側壁12，圍住四面之空間係微容器11。在矩形的各微容器11之四邊所形成的側壁12之各邊中央部位，則形成開口部位13。

第1圖係表示微容器11之底面寬度a、為區隔微容器11之側壁12的寬度b、高度c、為使鄰接的微容器11間相通之開口部位13的寬度d。其中，0.5 μm≦b≦15 μm，且c/b≧3。若側壁12之寬度b超過15 μm，則細胞黏附於側壁之上方，不適於培養。另一方面，若側壁12之寬度b小於0.5 μm，則不易製作。若側壁之高度過低，則細胞越過側壁，不適於培養。若側壁12之高度c小於側壁12的寬度b之2倍，則培養於微容器11的細胞越過而往相鄰的微容器11移動。側壁12之高度c，宜為30 μm~300 μm之範圍內。具體而言，形成相當直徑100 μm的細胞塊時，側壁12之高度c宜為50 μm~150 μm。若側壁之高度c過高，則不易製作且物質不易擴散，使培養環境惡化。側壁12亦可為多階層形狀。

微容器11之底面形狀係無特別之限制，可採用正方形、圓形、多角形以外之各種形狀。該底面面積宜為6.25×10^－4 mm² ~0.563mm² 。具體而言，重現生物體內的肝機能之細胞培養，該底面面積宜為0.01mm² ~0.1mm² 。此時，底面的長徑宜為短徑的1~1.5倍。且宜為等方之形狀，若為正方形例如形成相當直徑100 μm的細胞塊時，一邊之長度宜為100 μm~300 μm。

為重現生物體內之神經網絡而進行神經細胞的排列之培養，可採用具有長方形或開口部位之微容器。例如，微容器短邊寬度宜為20 μm，長邊的長度宜為100 μm以上。亦即，底面的長徑宜為短徑的5倍以上。

為探討生物體內的細胞機能而進行細胞的遷移性評價時，可採用長方形之形狀。例如微容器短邊寬度為15 μm，長邊之長度宜為22.5~750 μm。亦即，底面之長徑宜為短徑的1.5~50倍。

微容器11的水平面和側壁12之形成角度，必須為細胞無法越過之角度，故由側面的上部50%以上處宜為80°~90°，尤宜為85°~90°。

為使相鄰的微容器11相通的開口部位13之寬度d，宜為培養細胞無法從最初播種的微容器11移動至相鄰的微容器11之程度。例如若培養細胞之相當直徑為20 μm，則宜為5~15 μm。如第11、12圖所示之凹凸圖型形狀般，開口部位13非為微容器11的中央，可為角落部分(矩形的角的部分)。第11圖係表示本實施形態的其他的細胞培養容器的構成之平面圖，第12圖係第11圖的XI－XI切面圖。 又，開口部位13係非必須，如第3圖及第4圖所示般，微容器11的四周亦可以側壁12完全地包圍。第3圖係表示本實施形態的其他的細胞培養容器的構成之平面圖，第4圖係第3圖的IV－IV切面圖。

如第5圖及第6圖所示般，圓形狀的微容器11係以第1側壁121完全地包圍，更可於第1側壁121上，形成第2側壁122。亦即，形成由第1側壁121及第2側壁122而成之多階層側壁(凸部位)12。第5圖係表示本實施形態的其他的細胞培養容器的構成之平面圖，第6圖係第5圖的VI－VI切面圖。

製作本發明的細胞培養容器上的凹凸圖型之方法，係無特別之限制，例如使用模具之複印成型、3次元光造形、精密機械切削、濕式蝕刻、乾式蝕刻、雷射加工、放電加工等方法。宜考量細胞培養容器之用途、要求之加工密度、成本等，而適當地選擇製造方法。

使用模具之複印成型方法之具體例，係以金屬結構體為模型，以樹脂成型來形成凹凸圖型之方法。該方法係可以高複印率將金屬結構體的形狀重現於樹脂之凹凸圖型，藉由使用常用的樹脂材料，可降低成本，因此較適當。這般使用金屬結構體的模型之方法係低成本，且可符合高尺寸精度，故較適當。

上述金屬結構體之製法，例如以光微影而製作之抗蝕圖型或以3次元光造形而製作的樹脂圖型之鍍敷處理、精密機械切削、濕式蝕刻、乾式蝕刻、雷射加工、放電加工等方法。考量用途、要求之加工精度、成本等而適當地選 擇即可。

使用上述製得的金屬結構體為模型，使凹凸圖型成型於樹脂之方法，例如射出成型、加壓成型、單體流延成型、溶劑流延成型、熱壓紋成型、利用擠壓成型之輥複印等方法。從生產性及模型複印性之觀點，宜採用射出成型。

構成本發明的細胞培養容器之材料，係具有自支持性者即可無特別之限制，例如合成樹脂、聚矽氧烷、玻璃等。從成本面或顯微鏡觀察之細胞視認性之觀點，宜以透明的合成樹脂為材料。透明之合成樹脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯－苯乙烯共聚物等丙烯酸系樹脂、聚苯乙烯等苯乙烯系樹脂、環烯烴等烯烴系樹脂、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乳酸等酯系樹脂、聚二甲基矽氧烷等矽系樹脂、聚碳酸酯樹脂等。在不影響透明性之範圍內，樹脂中亦可含有著色劑、擴散劑、增稠劑等各種添加劑。

本發明的細胞培養容器係以提昇容器表面的親水性、生物體適合性、細胞親和性等為目的，於凹凸圖型表面側進行表面處理，亦可設置改良層及/或被覆層。設置上述改良層之方法，只要不喪失自支持性的方法或不發生10 μm以上的極端表面粗糙之方法即可，無特別的限制，例如藥品處理、溶劑處理、導入表面接枝聚合之接枝聚合物等之化學處理、電暈放電、臭氧處理、等離子處理等物理處理等方法。設置被覆層之方法係無特別之限制，例如濺射、蒸鍍等乾式被覆、無機材料被覆、聚合物被覆等濕式被覆等方法。於凹凸圖型上，為不混入氣泡而注入培養液，宜附予親水性，而形成均勻的親水性膜之方法，宜採用無機 蒸鍍。

又，考量細胞親和性時，尤宜被覆例如膠原、纖維結合素等細胞親和性蛋白質。為均勻地被覆膠原水溶液等，宜形成上述親水性膜之後再進行被覆。一般，在細胞培養中，期待一種模仿生物體內環境而於細胞外基質表面之培養，因此，如上述般設置均勻的親水性無機膜後，尤宜設置由適於培養細胞的細胞外基質而成之有機膜。

本發明的細胞培養方法，係只於培養細胞的微容器置入細胞，為在其空間內具有類似生物體內之形態或機能，必須播種適當的細胞數，細胞播種密度宜為1.0×10⁴ ~1.0×10⁶ 細胞/cm² 。例如微容器為正方形，而一邊為200 μm時，宜為5.0×10⁴ ~5.0×10⁵ 細胞/cm² 。基於如此之條件，可得直徑為30~200 μm之細胞塊。

(實施例)

其次，說明本發明的細胞培養容器之實施例，惟本發明不受限於這些實施例。

〈肝細胞之調製〉 使用於培養的初代大鼠肝細胞係如下述般而調製。將靜脈留置針插入6週齡的威斯塔(Wistar)系大鼠之門脈，使含EDTA的溶液流於其中並進行脫血液後，灌流膠原酶溶液。之後，將經過膠原酶溶液處理之肝臟放入培養液，以液量計進行吸量使細胞分散。洗淨細胞懸浮液3次，去除細胞以外之細胞，將單離的細胞使用於培養

〈培養方法〉 使用於培養之培養液係如下述般而調製。

於DMEM/F12培養基中，添加10%牛胎兒血清、1 μg/ml胰島素、1×10^－7 M地塞米松(dexamethasone)、10mM菸醯胺、2mM的L－麩胺醯胺、50 μm的β－巰基乙醇、5mM的HEPES、59 μg/ml青黴素、100 μg/ml鏈黴素、25ng/ml的HGF、20ng/ml的EGF。

以1.0×10⁵ 細胞/cm² 的濃度，將肝細胞播種於凹凸圖型基材上，於5%CO₂ 、37℃的條件下，培養規定的時間。使用相同組成的新鮮培養基0.5mL，每1日至2日進行培養基交換。

[實施例1]

藉由光微影製作如第3圖所示的凹凸圖型形狀，且a＝100 μm、b＝10 μm、c＝50 μm之圖型，進行鎳電解鍍敷，製得具有對應的凹凸形狀之模具。使用該模具以熱壓紋成型，於聚苯乙烯上進行圖型複印，製作上述尺寸的樹脂基材。藉由真空蒸鍍，於其樹脂基材表面形成100nm二氧化矽膜，進行γ射線滅菌，製得凹凸圖型基材。將肝細胞培養於該凹凸基材上。

[比較例1]

藉由光微影製作如第3圖所示的凹凸圖型形狀，且a＝100 μm、b＝20 μm、c＝50 μm之圖型，進行鎳電解鍍敷，製得具有對應的凹凸形狀之模具。使用該模具以熱壓紋成型，於聚苯乙烯上進行圖型複印，製作上述尺寸的樹脂基材。藉由真空蒸鍍，於其樹脂基材表面形成100nm二氧化矽膜，進行γ射線滅菌，製得凹凸圖型基材。將肝細胞培養於該凹凸基材上。

以實例1的條件進行細胞播種，培養4小時後的光學顯微鏡相片係如第7圖所示，培養4天後的光學顯微鏡相片係如第8圖所示。細胞不黏附於區隔培養空間之凸部位上方，可以只培養於原本的培養空間之凹部位。因此，可建構培養空間內的細胞間之網絡，可表現相近於生物體之機能。

以比較例1的條件進行細胞播種，培養4小時後的光學顯微鏡相片係如第9圖所示，培養4天後的光學顯微鏡相片係如第10圖所示。細胞係黏附於區隔培養空間之凸部位上方而進行培養。無法明確地區隔相鄰之培養空間，且無法只於培養空間內培養細胞。因此，無法建構培養空間內的細胞間之網絡，無法表現相近於生物體之機能。

[實施例2]

藉由光微影製作如第11、12圖所示的凹凸圖型形狀，且a＝80 μm、b＝15 μm、c＝50 μm之圖型，進行鎳電解鍍敷，製得具有對應的凹凸形狀之模具。使用該模具以熱壓紋成型，於聚苯乙烯上進行圖型複印，製作上述尺寸的樹脂基材。藉由真空蒸鍍，於其樹脂基材表面形成100nm二氧化矽膜，進行γ射線滅菌，製得凹凸圖型基材。將肝細胞培養於該凹凸基材上。

以實施例2的條件進行細胞播種，培養4小時後的光學顯微鏡相片係如第13圖所示。細胞不黏附於區隔培養空間之凸部位上方，可以只培養於原本的培養空間之凹部位。因此，可建構培養空間內的細胞間之網絡，可表現相近於生物體之機能。

10‧‧‧細胞培養容器

11‧‧‧微容器

12‧‧‧側壁

13‧‧‧開口部位

121‧‧‧第1側壁

122‧‧‧第2側壁

第1圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之平面圖。

第2圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之切面圖。

第3圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之平面圖。

第4圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之切面圖。

第5圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之平面圖。

第6圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之切面圖。

第7圖實施例1的細胞培養容器中的培養細胞之光學顯微鏡像。

第8圖實施例1的細胞培養容器中的培養細胞之光學顯微鏡像。

第9圖比較例1的細胞培養容器中的培養細胞之光學顯微鏡像。

第10圖比較例1的細胞培養容器中的培養細胞之光學顯微鏡像。

第11圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之平面圖。

第12圖表示實施形態的細胞培養容器的構成之切面圖。

第13圖實施例2的細胞培養容器中的培養細胞之光學顯微鏡像。

10‧‧‧細胞培養容器

11‧‧‧微容器

12‧‧‧側壁

13‧‧‧開口部位

Claims (14)

1. 一種細胞培養容器，其特徵係在表面具有複數的微容器之細胞培養容器，形成區隔相鄰的該微容器間之凸部位，其中該凸部位上方之短邊寬度為0.5至15μm，該凸部位之高度為較該短邊寬度大3倍之尺寸，將細胞播種於該微容器中時，使細胞不黏附於該凸部位之上方。
2. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中該凸部位係多階層結構，細胞不黏附於各階層之上方。
3. 如申請專利範圍第2項之細胞培養容器，其中該凸部位之高度為30至300μm。
4. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中以該微容器的底面為基準面的該凸部位之高度方向之上部50%以上處，該底面和該凸部位各側面之形成角度為80°至90°。
5. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中該微容器之底面面積為6.25×10^-4 mm² 至0.563mm² 。
6. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中該微容器的底面之長徑為短徑的1至1.5倍。
7. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中該微容器的底面之長徑為短徑的1.5至50倍，評價細胞的遷移性。
8. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中該微容器係與至少1個的相鄰微容器相通。
9. 如申請專利範圍第8項之細胞培養容器，其中使該微容器與至少1個的相鄰微容器相通之開口部位之寬度為1至25μm。
10. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其係在設置該複數的微容器的範圍，進行表面處理。
11. 如申請專利範圍第10項之細胞培養容器，其中藉由該表面處理而形成的層壓膜係2層以上，至少1層為無機膜，至少1層為有機膜。
12. 如申請專利範圍第1項之細胞培養容器，其中設置該複數的微容器之範圍係透明。
13. 一種細胞培養方法，係使用在表面具有複數的微容器，且形成區隔相鄰的該微容器間之凸部位，該凸部位上方之短邊寬度為0.5至15μm，該凸部位之高度為較該短邊寬度大3倍之尺寸的細胞培養容器，在將細胞播種於該微容器中時，使細胞不黏附於該凸部位之上方，於該微容器中注入細胞並培養該細胞。
14. 如申請專利範圍第13項之細胞培養方法，其中該細胞係肝細胞、脂肪細胞、骨芽細胞、齒髓細胞、軟骨細胞、幹細胞、神經細胞、心肌細胞中之任一種。