JP2004321065A

JP2004321065A - Method and device for culturing cell, method and apparatus for forming three-dimensional frame for use in culturing cell tissue, and three-dimensional frame for use in culturing cell tissue

Info

Publication number: JP2004321065A
Application number: JP2003119672A
Authority: JP
Inventors: Katsumasa Fujita; 克昌藤田; Osamu Nakamura; 收中村; Satoshi Kawada; 聡河田
Original assignee: Nanophoton Corp
Current assignee: Nanophoton Corp
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-24
Also published as: JP3733127B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device for culturing three-dimensional biological tissue through controlling cell shape or the configuration/arrangement at cellular levels, to provide such three-dimensional biological tissue cultured by using the device, and to provide a method for culturing such three-dimensional biological tissue. <P>SOLUTION: The method for culturing the biological tissue 62 comprises taking cells 61 onto a three-dimensional wire frame 50 in a culture medium and growing the thus taken cells 61 on the three-dimensional wire frame 50 so that the cells 61 are arranged in such an orientation as to correspond to the shape of the three-dimensional wire frame 50. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生体組織の培養装置、生体組織、及び生体組織の培養方法に関し、特に、３次元的な生体組織の培養装置、生体組織、及び生体組織の培養方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、細胞の培養法は、医学・生物学分野での研究において、基本的な実験技術として用いられてきた。この細胞の培養技術は生体組織の構築にも応用され、特に再生医学分野では、臓器等の生体組織を形成するために種々の生体組織の培養方法が研究されている。
【０００３】
このような生体組織の培養方法として、種々の培養方法が開発されているが、例えば、表面処理を施された２次元平面上で細胞を培養する方法が知られている。２次元平面上で細胞を培養する方法では、基板表面上の微細構造又は化学的・生物学的に性質が異なる表面パターンを形成して細胞の成長を空間的に抑制する。しかしながら、２次元平面上の細胞培養法では、３次元的な組織を構築すること自体が困難なだけでなく、２次元平面上での細胞技術自体もいまだ確立されたとは言い難く、そこに残された課題も多い。
【０００４】
細胞が生体組織として機能するためには、細胞が３次元的な組織を構築し、その空間の中でお互いにコミュニケーションをとる必要がある。例えば、心臓を構成する主たる細胞は、同種の心筋細胞であるにもかかわらず、ペースメーキングを行う部位、心拍のリズムを作る部位、実際に力強く血流を生み出す部位と、心臓の各部位で異なった機能をもっている。それぞれの部位での実際の相違は細胞の密度や配列であり、その違いによって細胞間コミュニケーションの違いが生まれ、機能の違いをもたらしている。従って、細胞の培養において、生体内での細胞配列に近似した配列で、細胞組織を形成することが望まれる。
【０００５】
３次元的に細胞を培養する技術として、充填層型培養装置において細胞を培養する方法（特許文献１）が知られている。これは、多孔質担体を立体構造物に支持させ、各担体に間隔を持たせることによって充填層を上下に貫通する流路を形成する。流路によって培地が供給され、多孔質担体内の細胞の活性が維持される。あるいは、特定の形状もしくは材料によって多孔質担体を形成し、その担体で細胞の培養を行う方法がある（特許文献２、３）。多孔質担体の間に培養液の流通を維持する空隙が設けられ、多孔質担体内で培養される細胞の活性を維持する。しかし、多孔質担体内の細胞は配列が制御されることなく培養されるに過ぎない。そのため、細胞同士のコミュニケーションが可能な環境を細胞にもたらすことはできない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−１８１７４８号公報
【特許文献２】
特開２００１−１７８４４５号公報
【特許文献３】
特開２００２−３００８７２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の細胞組織の培養方法では、細胞の形状、細胞レベルでの配向あるいは配置を制御して、細胞組織を培養することができないという問題点があった。本発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたものであって、細胞の形状、細胞レベルでの配置、あるいは配向を制御し、３次元的な細胞組織の培養する技術を提供することを一つの目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の態様は、３次元細胞組織を形成する細胞の培養方法であって、集光されたレーザ光によって硬化された光硬化性材料で形成された立体フレームを準備するステップと、前記立体フレームに細胞を付着するステップと、前記細胞を前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成するステップと、を備える。これにより、細胞培養のコントロールを効果的に行うことができる。
【０００９】
他方、本発明の第１の態様は、３次元細胞組織を形成する、細胞の培養方法であって、集光されたレーザ光によって破壊された樹脂材料で形成された立体フレームを準備するステップと、前記立体フレームに細胞を付着するステップと、前記細胞を前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成するステップと、を備える。これにより、細胞培養のコントロールを効果的に行うことができる。
【００１０】
上記第１の態様において、前記立体フレームは、生体材料で形成されていることが好ましい。これにより、細胞組織の培養後の立体フレームの影響を小さくすることができる。さらに、前記立体フレームは、光硬化性ゼラチンもしくは光硬化性生体吸収性ポリマーで形成されていることが好ましい。
【００１１】
上記第１の態様において、前記立体フレームは所定の間隔をおいて配置された複数のワイヤー部を備えることが好ましい。あるいは、上記第１の態様の細胞の培養方法において、前記立体フレームは、前記樹脂材料内で所定の間隔をおいて配置された複数の空洞部を備えることが好ましい。そして、前記細胞組織の各細胞は、前記ワイヤー部若しくは前記空洞部によって配列が制御される。これにより、細胞の成長を効果的に制御することができる。
【００１２】
上記第１の態様において、前記立体フレームを準備するステップは、レーザ光を前記光硬化性材料に集光するステップと、前記レーザ光の集光点近傍において前記光硬化性材料の多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させるステップと、前記集光点を３次元的に走査し、前記立体フレームを形成するステップと、を備えることが好ましい。あるいは、上記第１の態様の細胞の培養方法において、前記立体フレームを準備するステップは、レーザ光を前記樹脂材料に集光するステップと、前記レーザ光の集光点近傍において前記樹脂材料の多光子吸収を引き起こし、前記樹脂性材料を破壊させるステップと、前記集光点を３次元的に走査し、前記立体フレームを形成するステップと、を備える。これにより、微細な立体フレームを正確に形成することができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成方法であって、レーザ光源からの光を光硬化性材料に集光するステップと、前記集光されたレーザ光によって前記光硬化性材料による多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させるステップと、前記レーザ光の集光点を３次元的に走査し、前記光硬化性材料による立体フレームを形成するステップと、を備える。これにより、微細な立体フレームを正確に形成することができる。
【００１４】
他方、本発明の第２の態様は、細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成方法であって、レーザ光源からの光を、樹脂材料に集光するステップと、前記集光されたレーザ光によって前記樹脂材料による多光子吸収を引き起こし、前記樹脂材料を破壊させるステップと、前記レーザ光の集光点を３次元的に走査し、前記樹脂材料による立体フレームを形成するステップと、を備える。これにより、微細な立体フレームを正確に形成することができる。
【００１５】
上記第２の態様において、前記レーザ光源からの光は、フェムト秒パルスレーザ光である、ことが好ましい。これにより、効果的に多光子吸収を引き起こすことができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置であって、培地と、前記培地内に収容され、集光された光によって硬化した光硬化性材料で形成された立体フレームと、を備え、前記立体フレーム上に付着された細胞を、前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成する。これにより、細胞培養のコントロールを効果的に行うことができる。
【００１７】
他方、本発明の第３の態様は、３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置であって、培地と、前記培地内に収容され、集光された光によって破壊した樹脂材料で形成された立体フレームと、を備え、前記立体フレーム上に付着された細胞を、前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成する。これにより、細胞培養のコントロールを効果的に行うことができる。
【００１８】
上記第３の態様において、前記立体フレームは、所定の間隔をおいて配置された複数のワイヤー部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記ワイヤー部によって配列が制御されることが好ましい。あるいは、上記第３の態様において、前記立体フレームは、前記樹脂材料内で所定の間隔をおいて配置された複数の空洞部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記空洞部によって配列が制御されることが好ましい。これにより、所望の配列で細胞組織の培養を行うことができる。
【００１９】
上記第３の態様において、前記立体フレームは、生体吸収材料で形成されていることが好ましい。これにより、細胞組織の培養後の立体フレームの影響を小さくすることができる。
【００２０】
本発明の第４の態様は、３次元細胞組織を形成するため、細胞を培養する立体フレームであって、所定の間隔をおいて３次元的に配置された複数のワイヤー部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記フレーム上において、前記ワイヤー部によって配列が制御されて培養される、細胞を培養するものである。これにより、これにより、所望の配列で細胞組織の培養を行うことができる。
【００２１】
他方、本発明の第４の態様は、３次元細胞組織を形成するため、細胞を培養する立体フレームであって、樹脂材料内で所定の間隔をおいて３次元的に配置された複数の空洞部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記フレーム上において、前記空洞部によって形状と配列が制御されて培養されるものである。これにより、これにより、所望の配列で細胞組織の培養を行うことができる。
【００２２】
本発明の第５の態様は、細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成装置であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光を、光硬化性材料に集光するレンズと、前記レーザ光の集光点を３次元的に走査する手段と、を備え、前記集光されたレーザ光によって前記光硬化性材料による多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させるものである。これにより、細胞組織の培養に使用される微細な立体フレームを正確に形成することができる。あるいは、他の態様は、細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成装置であって、レーザ光源と、前記レーザ光源からの光を、樹脂材料に集光するレンズと、前記レーザ光の集光点を３次元的に走査する手段と、を備え、前記集光されたレーザ光によって前記樹脂材料による多光子吸収を引き起こし、前記樹脂材料の一部を破壊するものである。これにより、細胞組織の培養に使用される微細な立体フレームを正確に形成することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を適用可能な実施の形態が説明される。以下の説明は、本発明の実施形態を説明するものであり、本発明が以下の実施形態に限定されるものではない。説明の明確化のため、以下の記載は、適宜、省略及び簡略化がなされている。又、当業者であれば、以下の実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能であろう。
【００２４】
発明の実施の形態１．
本形態は、レーザ光学系を使用して、細胞培養のための３次元フレームを形成する。３次元フレームを培養媒質に配置し、細胞をフレーム上で成長させることによって３次元生体組織の構築を行う。以下においては、本形態にかかるレーザ光造形装置について説明した後、細胞の培養に用いる３次元フレーム、この３次元フレームを用いた生体組織の培養について説明する。
【００２５】
まず、図１を用いて、本形態におけるレーザ光造形装置について説明する。図１は、本形態におけるレーザ光造形装置１００の構成を示す模式図である。図１において、１０１はレーザ光源である。レーザ光源１０１としては、例えば、チタンサファイアレーザを使用することができる。１０２はシャッターを備えるアッテネータ、１０３はビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ１０３は、２枚のレンズ１０４、１０５を備えている。１０６はピンホールであって、レンズ１０４、１０５の間に配置されている。１０７はミラー、１０８はガルバノスキャナーである。
【００２６】
ガルバノスキャナー１０８は、２つのガルバノメータミラー１０９と１１０を有している。１１１、１１２はミラー、１１３はビームエキスパンダである。ビームエキスパンダ１１３は、２枚のレンズ１１４、１１５を備えている。１１６はλ／２板、１１７は偏光ビームスプリッタ、１１８はミラー、１１９は対物レンズである。１２０はピエゾ作動ステージ、１２１はステージ１２０上の光硬化性樹脂である。１２２はファイバー光源、１２３はカラーフィルター、１２４はイメージングレンズ４３、１２５はＣＣＤである。
【００２７】
図１に示すように、レーザ光源１０１から出射されたレーザ光は、シャッターを有するアッテネータ２２を通過して、ビームエキスパンダ１０３に入射する。ビームエキスパンダ１０３は入射したレーザの径を拡大する。本形態のビームエキスパンダ１０３は、レンズ１０４と１０５の間の集光部位に、空間フィルターとしてのピンホールを備えている。これにより良好な解像度を得ることができる。ピンホールの直径は、例えば、およそ５０μｍとすることができる。
【００２８】
ビームエキスパンダ１０３によって広げられたレーザ光は、ミラー１０７によって反射され、光路方向が変更された後、ガルバノスキャナー１０８に入射する。ガルバノスキャナー１０８は、２つのガルバノメータミラー１０９と１１０を備えており、Ｘ−Ｙ平面内でレーザ・スポットが樹脂試料を走査することを可能とする。ガルバノメータミラー１０９と１１０は、それぞれ異なる回転軸と回転方向とを備えている。例えば、一方のミラーの回転により露光ビームの集光部位のＸ方向への移動を実現し、他方のミラーの回転によりＹ方向への露光ビームの集光部位の移動を実現する構成とすることができる。また、ガルバノスキャナー１０８のミラー１０９、１１０でビームパスを遮ることによって、レーザ光のＯＮ／ＯＦＦを行うことができる。
【００２９】
ガルバノスキャナー１０８を通過したレーザ光は、ミラー１１１、１１２によって反射され、光路方向が変更された後、ビームエキスパンダ１１３に入射する。ビームエキスパンダ１１３は２つのレンズ１１４、１１５を備えており、入射レーザ光の径を拡大する。ビームエキスパンダ１１３からの射出光は、１／２λ板１１６を通過した後、偏光ビームスプリッタ１１７入射する。偏光ビームスプリッタ１１７からの射出光はミラー１１８を介して、対物レンズ１１９に入射する。対物レンズ１１９は入射光を試料内の所定位置に集光する。
【００３０】
図１に示すように、光硬化性樹脂１２１が、ピエゾ作動ステージ１２０のカバーガラス上に滴下され、ピエゾ作動ステージ１２０上に配置されている。対物レンズ１１９によって集光された光は、光硬化性樹脂１２１に下方よりカバーガラスを介して入射され、光硬化性樹脂１２１を硬化させる。このとき、露光ビームの集光部位は、ガルバノスキャナー２７により焦平面内でＸＹ軸方向に走査され、ピエゾ作動ステージ１２０によって光軸方向（Ｚ軸方向）に走査される。
【００３１】
カバーガラス上の光硬化性樹脂１２１は、上方からファイバー光源１２２を用いて光を照明される。照射光は対物レンズ１１９、ミラー１１８を介して偏光ビームスプリッタ１１７に入射する。偏光ビームスプリッタ１１７で反射された照明光は、イメージングレンズ１２４を介してＣＣＤ４４に結像している。また、ファイバー光源１２２からの照明光によって光硬化性樹脂１２１が硬化するのを防ぐために、例えば波長５６０ｎｍ以下というように一定の波長をカットするカラーフィルター１２３を設けることができる。ＣＣＤ４４によって３次元フレームの形成状況を視認することができる。
【００３２】
上記のようなレーザ光造形装置１００は、例えば、ＧＰ−ＩＢ、ＤＡボードを介して、コンピュータ・システム（不図示）に接続され、コンピュータ・システムから自動的にコントロールすることができる。また、このコンピュータ・システム上のＣＡＤソフトにより、造形する光硬化性樹脂１２１の形状を設計することができる。設計されたＣＡＤデータは、制御ソフトにより読み込まれ、この形状データに沿ってレーザ光造形装置１００は３次元フレームの造形を行うことができる。
【００３３】
続いて、図２を用いて、上記のレーザ光造形装置１００により形成される３次元フレームについて説明する。細胞が生体組織として機能するためには、細胞が３次元的な組織を構築し、その空間の中でお互いにコミュニケーションをとる必要がある。細胞の密度あるいは配列などによって、同種の細胞が異なる機能を担う。本形態は、３次元フレーム上で細胞を成長・増殖させることによって、細胞を用いた３次元的な組織を構築する。これにより、生体内の条件に近い細胞組織を構築することができる。３次元フレームは、細胞が実際の生体中でとる３次元配列、例えば配置密度は配向などを人工的に再現する構造が好ましい。
【００３４】
図２は、３次元フレームの一つの構造例を示す斜視図である。図２の３次元フレーム５０は、ワイヤー５１で構成される３次元ワイヤーフレームである。３次元ワイヤーフレーム５０は、ワイヤー５１を立体的に組むことにより形作られた３次元構造体である。３次元ワイヤーフレームは、３次元フレームの好ましい例である。ワイヤーフレームは、細胞の形状や配列をコントロールして成長・増殖させるために好適な構造である。ワイヤーの形状、寸法、ワイヤー間隔、フレーム全体形状などを変化させることによって、様々な細胞の培養のそれぞれに適した細胞組織形成のための足場を形成することができる。
【００３５】
例えば、このワイヤー５１により形作られた３次元ワイヤーフレームは、ワイヤー５１の組み方により種々の形状とすることができる。一例として示された３次元ワイヤーフレーム５０は、ワイヤー５１により構成された球状構造を有する。３次元ワイヤーフレーム５０の形状は、後述のように培養される生体組織の構造に従って設計される。３次元ワイヤーフレーム５０の形状は、球体、円筒体、回転楕円体状、立方体状、直方体状、ひょうたん、あるいは尖部をもつ構造体など、様々な形状を選択することができる。３次元ワイヤーフレームは、所定形状の外郭のみを形成し、その内部が空洞である構成とすることができる。あるいいは、所定形状の外郭及びその内部に組み立てられたワイヤーを配置することができる。
【００３６】
また、ワイヤー５１の断面形状は、培養される細胞に従って設計される。図２においては、ワイヤー５１の断面形状は円形であるが、これに限らず、楕円形、楕円形、矩形、多角形とすることができる。また、断面形状が円形のワイヤー５１を用いて３次元ワイヤーフレーム５０全てが形成する他、一部のワイヤー５１の断面形状を変更し、複数の種類のワイヤー５１を用いて３次元ワイヤーフレーム５０を構成しても良い。連続的に変化する断面形状を有することもできる。
【００３７】
ワイヤー５１間のスペースは、培養される生体組織の大きさ、個々の細胞の大きさやなどに従って、好適なものが選択される。ワイヤー５１間のスペースは、最初に細胞が各ワイヤーに付着するための通路となると同時に、付着した細胞が成長するスペースとなる。細胞によるが、ワイヤー５１間のスペースは、例えば１０μｍ〜１００μｍとすることができる。また、ワイヤー５１の長さや径などの寸法も、培養される細胞の大きさや細胞組織の構造に従って適切なものが選択される。例えば１０μｍほどの細胞を密に培養する場合にはワイヤー５１間の幅、ワイヤー５１の寸法を約１０μｍとすることができる。
【００３８】
３次元ワイヤーフレーム５０は、上記の光硬化性樹脂１２１を用いて形成される。この光硬化性樹脂１２１として、培養した生体組織に最終的に吸収される材料が好ましい。３次元ワイヤーフレーム５０上で生体組織を培養するからである。光硬化性樹脂１２１としては、たとえば、光硬化性ゼラチン、光硬化性生体吸収性ポリマー等を用いることが好ましい。
【００３９】
一般に、光硬化性樹脂は、主成分として、樹脂成分、光重合開始剤から構成される。この樹脂成分として、重合度が２〜２０程度の重合体で、末端に多数の反応基を有するオリゴマー、光硬化性樹脂の粘度、硬化性等を調整する反応性希釈剤とを含む。細胞培養において使用可能であるならば、例えば、アクリレート系樹脂、ウレタンアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂を光硬化性樹脂１２１に用いることができる。ワイヤーフレームは、形状、寸法、材料のほか、表面処理など適切な条件において形成される。
【００４０】
次に、上記レーザ光造形装置１００による３次元ワイヤーフレーム５０の造形方法について説明する。本形態のレーザ光造形装置１００による３次元ワイヤーフレーム５０の造形は、多光子吸収を利用して行われる。多光子吸収により、集光点近傍においてのみ樹脂材料を硬化させることができる。これによって、樹脂材料内に所望の３次元フレーム形状を形成することができる。対物レンズ１１９を透過した光は樹脂材料の一部を透過し、集光点近傍において樹脂材料に吸収され、樹脂を硬化する。多光子吸収の典型的な例として、２光子吸収について説明する。２光子吸収とは、非線形光学効果の一種であり、分子が２個の光子を同時に吸収して励起される現象をいう。この２光子吸収においては、１光子あたりのエネルギーが通常の吸収と比べ、およそ半分となる。すなわち、２光子吸収の光は、１光子吸収の光に比べ、その周波数がおよそ半分であり、波長はおよそ倍である。
【００４１】
通常の１光子吸収の発生確率は入射光強度に比例するが、２光子吸収においては、入射光強度の２乗に比例する。そのため、より空間的に小さな領域の分子を励起することができる。２光子吸収においては、波長が倍になることにより、より長い波長で励起が行われる。そのため、光硬化性樹脂に対する透過率が良くなり、より深い位置の分子を励起することができる。さらに、より長い波長で励起が行われるため、光硬化性樹脂１２１中の散乱、屈折の影響を受け難くなる。
【００４２】
２光子吸収は、通常の吸収と異なり、２光子吸収の吸収断面積は非常に小さく非常に起こり難い現象である。２光子吸収が顕著に現れるのは光強度が非常に大きいときに限られるため、好ましくは、瞬間的な光強度が非常に大きいフェムト秒（ｆｓ）パルスレーザが用いられる。例えば、波長７５０〜８５０ｎｍ、パルス幅５０〜１５０ｆｓ、繰り返し周波数７０〜９０ＭＨｚのパルスレーザを用いることができる。好適なレーザ光源は、チタンサファイアレーザである。レーザ光波長、露光時間、強度、スキャン速度などは、装置あるいはフレームによって、適切なものが選択される。
【００４３】
続いて、レーザ光造形装置１００による３次元ワイヤーフレーム５０の造形について説明する。ここで、２光子吸収を発生させるために、例えば、モードロックされた波長７８０ｎｍ、パルス幅８０ｆｓ、繰り返し周波数８２ＭＨｚのチタンサファイアレーザを用いることができる。また、このようなチタンサファイアレーザを用いる場合、波長７８０ｎｍ周辺に吸収を持たず、かつその半分の波長３９０ｎｍ周辺に吸収を持つ光硬化性樹脂１２１が用いられる。
【００４４】
チタンサファイアレーザからの露光ビームを光硬化性樹脂１２１に照射したとき、光硬化性樹脂１２１が波長７８０ｎｍ周辺には吸収を持たないため、光硬化性樹脂１２１では１光子吸収は発生しない。対物レンズ１１９からのレーザ光は、光硬化性樹脂１２１の一部を透過して、光硬化性樹脂１２１内で集光される。これに対して、露光ビームが光硬化性樹脂１２１内において集光されると、光硬化性樹脂１２１が波長７８０ｎｍの半分の３９０ｎｍ周辺に吸収を持つため、集光された位置の光硬化性樹脂１２１で２光子吸収が発生する。２光子吸収は、光強度が非常に大きいときに顕著に発生するので、対物レンズ１１９による露光ビームの集光部位のみで発生し、光硬化性樹脂１２１の内部の集光部位が硬化する。また、２光子吸収の吸収断面積は非常に小さいため、露光ビームにより、光硬化性樹脂１２１の内部の特定の点のみ硬化を行うことができる。
【００４５】
２光子吸収により露光ビームを吸収した光硬化性樹脂１２１は、重合反応を起こし、液体から固体へと変化する。露光ビームを３次元的にスキャンさせることにより、光硬化性樹脂１２１が点露光されて硬化し、所望の形状を有する３次元ワイヤーフレーム５０が形成される。露光ビームは、ガルバノスキャナー１０８の動作に従って試料のＸＹ面内を走査し、ピエゾ作動ステージ１２０のＺ軸方向の移動によってＺ軸方向に走査する。なお、ガルバノスキャナー１０８の加減速の影響を低減するため、露光はベクトルスキャンではなく、点露光の繰り返しであるラスタースキャンにより行うのが好ましい。
【００４６】
また、チタンサファイアレーザ２１からの露光ビームは、ピエゾ作動ステージ４０のカバーガラス下側から光硬化性樹脂１２１を照射し、これを硬化する。これにより、３次元ワイヤーフレーム５０がカバーガラスに付着することができ、作製中の３次元ワイヤーフレーム５０が光硬化性樹脂１２１中でゆらぐのを軽減することができる。
【００４７】
このように、光硬化性樹脂１２１に露光ビームを照射し、集光部位で２光子吸収を生じさせて光硬化性樹脂１２１を加工する。これにより、３次元ワイヤーフレーム５０を効率良く形成することができる。さらに、２光子吸収を利用して光硬化性樹脂１２１を加工するため、露光ビームの集光部位の光硬化性樹脂１２１のみを硬化させることができ、微細な３次元ワイヤーフレーム５０を精度良く形成することができる。
【００４８】
続いて、図３を用いて、３次元フレームを用いた細胞組織の培養方法について説明する。細胞による３次元構造の構築のため、３次元的な細胞の足場を形成し、その上に単離した細胞を播き培養する。図３は、この生体組織の培養例を示す模式図である。ここで、心筋細胞の培養を例として説明するが、これに限らず、種々の細胞組織を同様に培養することができる。
【００４９】
まず、所定の方法により、心筋細胞が取り出される。この心筋細胞には、心筋細胞を細片化するときに傷害を受けていない心筋細胞、傷害を受けた心筋細胞が含まれている。この取り出された心筋細胞は、シャーレにゲル状の培養媒質を入れた培地に懸濁される。培地内には３次元ワイヤーフレーム５０が配置されており、ＣＯ_２インキュベーター等の中で心筋細胞は培養される。すると、図３（ａ）に示すように、心筋細胞６１が３次元ワイヤーフレーム５０に生着する。このとき、３次元ワイヤーフレーム５０に接着していない心筋細胞は、ほとんどが傷害を受けた心筋細胞である。心筋細胞６１が３次元ワイヤーフレーム５０に生着した状態で培養した後、培地を交換する。これにより、傷害を受けた心筋細胞が除去され、純度の高い心筋細胞６１が得られる。なお、図３においては、傷害を受けた心筋細胞、培地については、図示せずに省略している。
【００５０】
得られた心筋細胞６１は、図３（ｂ）に示すように、シャーレ内で再培養されて成長・増殖する。このとき、各心筋細胞６１はワイヤーに従って成長・増殖し、細胞組織が３次元ワイヤーフレーム５０の形状に従って形成される。より具体的には、図３（ｂ）に示すように、個々の心筋細胞６１は３次元ワイヤーフレーム５０のワイヤー５１に沿うようにして成長し、個々の心筋細胞６１がワイヤー５１上に配列する。すなわち、心筋細胞６１のその長手方向と３次元ワイヤーフレームのワイヤー５１の長手方向とがほぼ同じ方向となるように成長し、配列される。
【００５１】
培養が進むと、心筋細胞組織６２は、３次元ワイヤーフレーム５０の形状とほぼ同じ形状となるように、各細胞が成長し、配列される。成長した個々の心筋細胞６１は、ワイヤー５１に従った形状となり、その配向もワイヤー５１によって制御され、ワイヤー５１上に配置される。また、３次元ワイヤーフレーム５０の材料として、生体組織に吸収される材料を用いた場合、図３（ｃ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０は心筋細胞６１に分解されて無くなる。
【００５２】
以上のように、３次元ワイヤーフレーム５０を用いることにより、細胞の形状、配置（密度を含む）、配向を制御しつつ３次元的な生体組織を培養することが可能となる。細胞レベルで形状及び配列が制御されているため、培養された細胞に生体組織としての機能を持たせることが可能となる。細胞の配列は、細胞の配向及び／または配置を意味する。さらに、３次元ワイヤーフレーム５０の形状を適宜変更することにより、様々な配列を有する生体組織を培養することができる。さらにまた、上記のように３次元ワイヤーフレーム５０を用いて細胞を培養する場合には、３次元ワイヤーフレーム５０のワイヤー５１間の間隙が培養液の流路となっている。これにより、培養する細胞に培養液を確実に供給することができるので、細胞の活性を維持することができ、良質な細胞を得ることが可能となる。
【００５３】
発明の実施の形態２．
実施の形態２において、まず生体組織の培養に用いる３次元ワイヤーフレームの他の構造例について図４を用いて説明し、生体組織の培養について図５を用いて説明する。図４は、３次元ワイヤーフレームの他の構造例を示す斜視図である。図４に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０１は、長手方向に垂直な断面形状が円形となるようにワイヤー５１が巻かれた螺旋状構造を有する。この螺旋状構造の断面形状は、後述のように培養される生体組織の形状に従って設計される。図４においては、螺旋状構造を有する３次元ワイヤーフレーム５０１の断面形状は円形であるが、これに限らず、楕円形、矩形、多角形とすることができる。
【００５４】
また、ワイヤー５１の断面形状、ワイヤー５１間の幅、ワイヤー５１の寸法、３次元ワイヤーフレーム５０１の断面寸法などは、培養される細胞の種類、培養される細胞組織の大きさ、個々の細胞の大きさや数などに従って設計される。３次元ワイヤーフレーム５０１を構成する材料は、光硬化性ゼラチン、光硬化性生体吸収性ポリマー等の光硬化性生体材料を用いることができる。
【００５５】
図５は、この生体組織の他の培養例を示す模式図である。まず、図５（ａ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０１上に単離した細胞６１１が播かれる。細胞６１１は、図５（ｂ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０１の形状に従い、シャーレ内で培養される。細胞６１１は、３次元ワイヤーフレーム５０１のワイヤー５１に沿うようにして成長・増殖し、個々の細胞６１１がワイヤーフレーム５０１上に配列する。細胞６１１は、その長手方向と３次元ワイヤーフレームのワイヤー５１の長手方向とがほぼ同じ方向となるように成長・増殖する。培養が進むと、図５（ｃ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０１の形状とほぼ同じ形状を有する、細胞組織６２１が形成される。成長した個々の細胞６１１は、形状及び配向が制御され、ワイヤー５１上に配置される。
【００５６】
このように、３次元ワイヤーフレーム５０２を螺線状構造とすることにより、螺旋状に細胞が配列された筒状の細胞組織を形成することが可能となる。また、３次元ワイヤーフレーム５０１の螺旋状構造を適宜変更することにより、細胞の配置、方向などを変更することができる。
【００５７】
発明の実施の形態３．
図６は、３次元ワイヤーフレームの他の構造例を示す斜視図である。図６に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０２は、格子上の複数のフレーム要素を備えており、全体として、ワイヤー５１が直方体状に組まれた立体格子状構造を有する。
図７を用いて、上記３次元ワイヤーフレーム５０２を用いた細胞組織の培養方法について説明する。図７は、この細胞組織の他の培養例を示す模式図である。まず、図７（ａ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０２上に単離した細胞６１２が播かれる。細胞６１２は、図７（ｂ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０２の形状に従い、シャーレ内で培養されて成長・増殖する。細胞６１２は、３次元ワイヤーフレーム５０２のワイヤー５１に沿うようにして成長・増殖し、個々の細胞６１２が３次元ワイヤーフレーム５０２上に配列される。細胞６１２は、その長手方向と３次元ワイヤーフレームのワイヤー５１の長手方向とがほぼ同じ方向となるように成長・増殖する。培養が進むと、図７（ｃ）に示すように、３次元ワイヤーフレーム５０２の形状とほぼ同じ形状を有する細胞組織６２２が、形成される。このとき、成長した個々の細胞６１２は、その形状及び配向を制御され、ワイヤー５１上に配置される。
【００５８】
このように、３次元ワイヤーフレーム５０２を立体格子状構造とすることにより、個々の細胞がほぼ同じ方向を向き、平面上に延在した生体組織を形成することが可能となる。また、３次元ワイヤーフレーム５０２は直方体形状の立体格子状構造を有するために平面状に延在した生体組織が形成されたが、これに限らず、３次元ワイヤーフレーム５０２に曲面をつけることによって個々の細胞がほぼ同じ方向を向く曲面状の生体組織を形成することができる。
【００５９】
発明の実施の形態４．
実施の形態４において、まず生体組織の培養に用いる３次元ワイヤーフレームの他の構造例について図８を用いて説明し、生体組織の培養について図９を用いて説明する。ここで、上記実施の形態１乃至実施の形態３においては、光硬化性樹脂１２１をワイヤー状に硬化したワイヤー５１により構成された３次元ワイヤーフレームを用いたが、本実施の形態４においては、樹脂内部に空間が形成された３次元フレームを用いる。図８（ａ）は、３次元フレームの他の構造例を示す斜視図である。図８（ｂ）及び図８（ｃ）は、図８（ａ）に示す３次元フレームのＡ−Ａ‘断面図及びＢ−Ｂ’断面図を示す。
【００６０】
図８に示す３次元フレーム５０３は、硬化された樹脂材料２２１の一部を、レーザ光を使用して削除、もしくは破壊することで加工し、形成することができる。樹脂材料２２１をレーザ光によって加工するための装置は、図１に示された装置に適切な変更を加えて実現することができる。例えば、レーザ加工に適したレーザ光源を使用し、図１に示した光学系と基本的に同様のシステムによって、加工装置を構成することができる。レーザ光源としては、チタンサファイアレーザなどのパルスレーザ光源を使用することができる。レーザ光のパルス幅は、好ましくは１０ナノ秒以下である。レーザ光による樹脂材料２２１の加工は、レーザ光を対物レンズによって樹脂２２１内部で集光させ、この集光部位の樹脂２２１を部分的に破壊することにより、樹脂２２１内部に穴をあけることができる。空間的に小さな領域であるレーザ光の集光部位の樹脂２２１を破壊して形成することができる。集光部における樹脂材料の破壊は、樹脂材料の多光子吸収を利用して行われる。多光子吸収を利用することによって、集光部のみでの樹脂材料の加工を行うことができる。３次元的な樹脂材料の加工は、レーザ光を３次元的に走査することにより、３次元フレーム５０３を形成することができる。３次元フレーム５０３を構成する樹脂材料２２１として、例えば、ポリ無水物、ポリオルトエステル、ポリ乳酸、ポリグルコール酸、コポリマー、これらの混合物から構成される生体吸収ポリマーを用いることが好ましい。
【００６１】
図８（ａ）に示すように、３次元フレーム５０３は、樹脂材料２２１が部分的に除去され、複数の空洞である培養穴２２２が形成された構造を有する。すなわち、３次元フレーム５０３は、培養穴２２２が樹脂２２１中に離間した状態で形成されている構造を有する。そして、後述するように、この培養穴２２２の中で細胞が培養される。
【００６２】
図８（ｂ）に示すように、培養穴２２２の断面形状は、培養穴２２２間の樹脂２２１の幅、培養穴２２２の寸法などは、培養される細胞の種類、培養される細胞組織の大きさ、個々の細胞の大きさ、形状、数等に従って設計される。図８に示す培養穴２２２は、長手方向に対して垂直な断面形状が円形状であるが、これに限らず、楕円形状、多角形状等の種々の形状とすることができる。例えば、培養穴２２２の断面形状は、ラットの心筋細胞を培養する場合には、幅４０μｍ、高さ２０μｍの楕円形状となるように形成することができる。
【００６３】
図８（ｂ）に示すように、個々の培養穴２２２は、樹脂２２１により離間された状態で、ほぼ等間隔に形成されている。また、各培養穴２２２は、他の培養穴２２２により八方から囲まれるようにして密に配置されている。培養穴２２２は、これに限らず、ランダムな間隔で形成してもよいし、また培養穴２２２間の距離を空けて疎に形成してもよい。あるいは、複数の培養穴２２からなるパターンを繰り返して配置してもよい。
【００６４】
図８（ｃ）に示すように、培養穴２２２は、図８（ａ）において紙面表面から紙面裏面に直線状に延在し、それぞれが長手方向に関して平行に形成されている。培養穴２２２は、これに限らず、球状、立体格子状、球状、チューブ状、袋状等の様々な立体構造とすることができ、形成する生体組織の形状に応じて設計される。図８（ｃ）に示すように、３次元フレーム５０３には、複数の流路２２３が形成されている。この流路２２３は、培養穴２２２の長手方向に対して垂直に形成されており、各培養穴２２２を通って樹脂２２１表面の間を貫通している。また、流路２２３の形状、配置分布、寸法等は、培養される細胞の種類、大きさ、数等の培養される細胞によって定められ、細胞間を培養液が確実に流れるように形成される。この流路２２３は、細胞を培養する際、培養液を培養穴２２２内に引き入れ、培養穴２２２内の細胞に培養液を供給する。
【００６５】
図９は、この生体組織の他の培養例を示す模式図である。まず、３次元フレーム５０３上に単離した細胞６１３が播かれると、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように細胞６１３が培養穴２２２内に入り込み、培養穴２２２内側面に付着する。細胞６１３は、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、３次元フレーム５０３の形状に従い、シャーレ内などで培養される。細胞６１３は、３次元フレーム５０３の培養穴２２２の内側面に沿うようにして成長・増殖し、個々の細胞６１３が培養穴２２２内に配列する。細胞６１３は、その長手方向と３次元フレーム５０３の培養穴２２２の長手方向とがほぼ同じ方向となるように成長・増殖する。培養が進むと、図９（ｅ）及び図９（ｆ）に示すように、培養穴２２２の形状とほぼ同じ形状を有する、細胞組織６２３が形成される。成長した個々の細胞６１３は、形状及び配向が制御され、培養穴２２２内に配置される。また、３次元フレーム５０３の樹脂２２１が生体吸収性を有する場合、細胞６１３の成長後、３次元フレーム５０３が分解される。分解された樹脂２２１は、例えば、細胞６１３自身の作り出す細胞外気質となる。
【００６６】
このように、３次元フレーム５０３を樹脂２２１内部に培養穴２２２が形成された構造とすることにより、個々の細胞がほぼ同じ方向を向き、束となって直線状に延在する生体組織を形成することが可能となる。また、３次元フレーム５０３の培養穴２２２が直方状に延びた構造を有するために直線状に延在する生体組織が形成されたが、これに限らず、３次元フレーム５０３の培養穴２２２に曲面をつけることによって個々の細胞が束となってほぼ同じ方向を向く曲線状の生体組織を形成することができる。
【００６７】
本発明によれば、上記のように、３次元フレームを足場として細胞培養を行うことによって、細胞の形状、配向、配置を制御しつつ、細胞組織の形成を行うことができる。このように培養した細胞や生体組織の機能を、タンパク質の発現の様子を観察することで、生物学的な知見を得ることができる。例えば、細胞間コミュニケーションを担うタンパク質、や細胞接着、細胞骨格を形成するタンパク等、細胞や組織の形状と機能との関連について知見を得ることができる。あるいは、上記方法に従って人工的に構築した生体組織を医療目的に使用することが可能である。特に、生体内への機能する細胞組織の移植や臓器の再生、あるいは生態の機能を有するバイオマイクロマシンの構築に利用することができる。さらに、本発明の方法によって形成された細胞組織は、細胞の形態異常由来した疾患における研究において力を発揮する。形態異常とたんぱく質発現の関係を明らかにすることで、治療法や新薬の開発に利用することができる。
【００６８】
【発明の効果】
本発明によれば、細胞の形状や細胞レベルでの配置・配向を制御して３次元的な細胞組織を培養することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ光造形装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施の形態における３次元ワイヤーフレームの構造例を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態における生体組織の培養例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態における３次元ワイヤーフレームの他の構造例を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態における生体組織の他の培養例を示す模式図である。
【図６】本発明の実施の形態における３次元ワイヤーフレームの他の構造例を示す斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態における生体組織の他の培養例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態における３次元ワイヤーフレームの他の構造例を示す斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態における生体組織の他の培養例を示す模式図である。
【符号の説明】
１００レーザ光造形装置、１０１レーザ光源、１０２アッテネータ、１０３ビームエキスパンダ、１０４、１０５レンズ、１０６ピンホール、１０７ミラー、１０８ガルバノスキャナー、１０９、１１０ガルバノメータミラー、１１１、１１２ミラー、１１３ビームエキスパンダ、１１４、１１５レンズ、１１６ λ／２板、１１７偏光ビームスプリッタ、１１８ミラー、１１９対物レンズ、１２０ピエゾ作動ステージ、１２１光硬化性樹脂、１２２ファイバー光源、１２３カラーフィルター、１２４イメージングレンズ、１２５ＣＣＤ、５０、５０１、５０２３次元ワイヤーフレーム、５０３３次元フレーム、２２１樹脂、２２２培養穴、５１ワイヤー、６１、６１１、６１２、６１３細胞、６２、６２１、６２２、６２３細胞組織[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a living tissue culturing apparatus, a living tissue, and a living tissue culturing method, and particularly to a three-dimensional living tissue culturing apparatus, a living tissue, and a living tissue culturing method.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, cell culture methods have been used as basic experimental techniques in research in the fields of medicine and biology. This cell culture technique is also applied to the construction of living tissues, and in particular, in the field of regenerative medicine, various methods for culturing living tissues to form living tissues such as organs have been studied.
[0003]
Various culture methods have been developed as such a method of culturing a living tissue. For example, a method of culturing cells on a two-dimensional plane subjected to a surface treatment is known. In the method of culturing cells on a two-dimensional plane, the growth of cells is spatially suppressed by forming a fine pattern on a substrate surface or a surface pattern having different properties chemically and biologically. However, in the cell culture method on a two-dimensional plane, it is not only difficult to construct a three-dimensional tissue itself, but it is difficult to say that the cell technology itself on a two-dimensional plane has yet been established. Many issues have been addressed.
[0004]
In order for cells to function as living tissues, cells need to construct a three-dimensional tissue and communicate with each other in that space. For example, despite the fact that the main cells that make up the heart are the same type of cardiomyocytes, there are differences between the parts that make pace, the parts that make the rhythm of the heartbeat, the parts that actually generate powerful blood flow, and the parts of the heart. It has a function. The actual difference at each site is the density and arrangement of the cells, which creates differences in cell-to-cell communication and results in differences in function. Therefore, in cell culture, it is desired to form a cell tissue with an arrangement similar to that in a living body.
[0005]
As a technique for culturing cells three-dimensionally, a method of culturing cells in a packed bed type culture apparatus (Patent Document 1) is known. In this method, the porous carrier is supported by the three-dimensional structure, and a space is formed between the carriers to form a flow path vertically penetrating the packed bed. The medium is supplied by the flow path, and the activity of the cells in the porous carrier is maintained. Alternatively, there is a method of forming a porous carrier with a specific shape or material and culturing cells using the carrier (Patent Documents 2 and 3). Voids for maintaining the flow of the culture solution are provided between the porous carriers to maintain the activity of the cells cultured in the porous carriers. However, the cells in the porous carrier are only cultured without sequence control. Therefore, it is impossible to provide an environment where cells can communicate with each other.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-6-181748
[Patent Document 2]
JP 2001-178445 A
[Patent Document 3]
JP-A-2002-300872
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, the conventional method for culturing cell tissues has a problem that cell tissues cannot be cultured by controlling the shape and orientation or arrangement of cells at the cell level. The present invention has been made in view of the above conventional technology, and has as its object to provide a technique for controlling the shape, arrangement or orientation at the cell level, and culturing a three-dimensional cell tissue. For one purpose.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A first aspect of the present invention is a method for culturing cells forming a three-dimensional cell tissue, wherein a step of preparing a three-dimensional frame formed of a photocurable material cured by a focused laser beam; Attaching a cell to the three-dimensional frame, and culturing the cell on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame. Thereby, control of cell culture can be performed effectively.
[0009]
On the other hand, a first aspect of the present invention is a method for culturing a cell, which forms a three-dimensional cell tissue, comprising the steps of: preparing a three-dimensional frame formed of a resin material destroyed by a focused laser beam; Attaching the cells to the three-dimensional frame, and culturing the cells on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame. Thereby, control of cell culture can be performed effectively.
[0010]
In the first aspect, it is preferable that the three-dimensional frame is formed of a biomaterial. Thereby, the influence of the three-dimensional frame after culturing the cell tissue can be reduced. Further, it is preferable that the three-dimensional frame is made of photocurable gelatin or photocurable bioabsorbable polymer.
[0011]
In the first aspect, it is preferable that the three-dimensional frame includes a plurality of wire portions arranged at predetermined intervals. Alternatively, in the method for culturing cells according to the first aspect, it is preferable that the three-dimensional frame includes a plurality of cavities arranged at predetermined intervals in the resin material. The arrangement of each cell of the cell tissue is controlled by the wire portion or the hollow portion. Thereby, cell growth can be effectively controlled.
[0012]
In the first aspect, the step of preparing the three-dimensional frame includes the steps of: focusing laser light on the photocurable material; and performing multiphoton absorption of the photocurable material in the vicinity of the focal point of the laser light. Preferably, the method includes the steps of causing the light-curable material to cure, and scanning the light-converging point three-dimensionally to form the three-dimensional frame. Alternatively, in the method for culturing cells according to the first aspect, the step of preparing the three-dimensional frame includes the step of condensing laser light on the resin material, and the step of concentrating the resin material near the condensing point of the laser light. A step of causing photon absorption to destroy the resinous material; and a step of three-dimensionally scanning the light-collecting point to form the three-dimensional frame. Thereby, a fine three-dimensional frame can be accurately formed.
[0013]
A second aspect of the present invention is a method of forming a three-dimensional frame used for culturing a cell tissue, comprising: condensing light from a laser light source on a photocurable material; Causing multi-photon absorption by the photo-curable material to cure the photo-curable material, and three-dimensionally scan the focal point of the laser beam to form a three-dimensional frame of the photo-curable material And step. Thereby, a fine three-dimensional frame can be accurately formed.
[0014]
On the other hand, a second aspect of the present invention is a method for forming a three-dimensional frame used for culturing cell tissue, wherein the step of condensing light from a laser light source on a resin material includes the steps of: The method includes a step of causing multi-photon absorption by the resin material by light to destroy the resin material, and a step of three-dimensionally scanning a focal point of the laser beam to form a three-dimensional frame of the resin material. . Thereby, a fine three-dimensional frame can be accurately formed.
[0015]
In the second aspect, it is preferable that the light from the laser light source is a femtosecond pulse laser light. Thereby, multiphoton absorption can be effectively caused.
[0016]
A third aspect of the present invention is a cell culture device for forming a three-dimensional cell tissue, which is formed of a medium and a photocurable material contained in the medium and cured by condensed light. And a cell attached to the three-dimensional frame is cultured on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame. Thereby, control of cell culture can be performed effectively.
[0017]
On the other hand, a third aspect of the present invention is a cell culture device for forming a three-dimensional cell tissue, which is formed of a medium and a resin material housed in the medium and destroyed by condensed light. And a cell attached to the three-dimensional frame is cultured on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame. Thereby, control of cell culture can be performed effectively.
[0018]
In the third aspect, it is preferable that the three-dimensional frame includes a plurality of wires arranged at predetermined intervals, and the arrangement of each cell of the cell tissue is controlled by the wires. Alternatively, in the third aspect, the three-dimensional frame includes a plurality of cavities arranged at predetermined intervals in the resin material, and the arrangement of each cell of the cell tissue is controlled by the cavities. Preferably. Thereby, the cell tissue can be cultured in the desired sequence.
[0019]
In the third aspect, it is preferable that the three-dimensional frame is formed of a bioabsorbable material. Thereby, the influence of the three-dimensional frame after culturing the cell tissue can be reduced.
[0020]
A fourth aspect of the present invention is a three-dimensional frame for culturing cells in order to form a three-dimensional cell tissue, comprising a plurality of wire portions three-dimensionally arranged at predetermined intervals. Each cell of the tissue is for culturing a cell, the arrangement of which is controlled by the wire portion on the frame. Thereby, the cell tissue can be cultured in the desired sequence.
[0021]
On the other hand, a fourth aspect of the present invention is a three-dimensional frame for culturing cells in order to form a three-dimensional cell tissue, wherein a plurality of cavities three-dimensionally arranged at predetermined intervals in a resin material. A cell, and the cells of the cell tissue are cultured on the frame with the shape and arrangement controlled by the cavity. Thereby, the cell tissue can be cultured in the desired sequence.
[0022]
A fifth aspect of the present invention is an apparatus for forming a three-dimensional frame used for culturing cell tissue, comprising: a laser light source; a lens for condensing light from the laser light source onto a photocurable material; Means for three-dimensionally scanning the focal point of the laser beam, wherein the focused laser beam causes multiphoton absorption by the photocurable material to cure the photocurable material. . Thereby, a fine three-dimensional frame used for culturing a cell tissue can be accurately formed. Alternatively, another embodiment is an apparatus for forming a three-dimensional frame used for culturing cell tissue, comprising: a laser light source; a lens for condensing light from the laser light source on a resin material; Means for three-dimensionally scanning a light spot, wherein the condensed laser light causes multi-photon absorption by the resin material to destroy a part of the resin material. Thereby, a fine three-dimensional frame used for culturing a cell tissue can be accurately formed.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments to which the present invention can be applied will be described. The following description is for describing an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment. For clarity of explanation, the following description is appropriately omitted and simplified. Also, those skilled in the art will be able to easily change, add, or convert each element of the following embodiments within the scope of the present invention.
[0024]
First Embodiment of the Invention
In this embodiment, a three-dimensional frame for cell culture is formed using a laser optical system. A three-dimensional living tissue is constructed by placing a three-dimensional frame in a culture medium and growing cells on the frame. In the following, after describing the laser optical shaping apparatus according to the present embodiment, a three-dimensional frame used for culturing cells and culturing of a living tissue using the three-dimensional frame will be described.
[0025]
First, a laser beam forming apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laser optical modeling apparatus 100 according to the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a laser light source. As the laser light source 101, for example, a titanium sapphire laser can be used. 102 is an attenuator provided with a shutter, and 103 is a beam expander. The beam expander 103 includes two lenses 104 and 105. Reference numeral 106 denotes a pinhole, which is arranged between the lenses 104 and 105. 107 is a mirror, and 108 is a galvano scanner.
[0026]
The galvanometer scanner 108 has two galvanometer mirrors 109 and 110. 111 and 112 are mirrors, and 113 is a beam expander. The beam expander 113 includes two lenses 114 and 115. 116 is a λ / 2 plate, 117 is a polarization beam splitter, 118 is a mirror, and 119 is an objective lens. Reference numeral 120 denotes a piezo operation stage, and 121 denotes a photocurable resin on the stage 120. 122 is a fiber light source, 123 is a color filter, 124 is an imaging lens 43, and 125 is a CCD.
[0027]
As shown in FIG. 1, a laser beam emitted from a laser light source 101 passes through an attenuator 22 having a shutter and enters a beam expander 103. The beam expander 103 enlarges the diameter of the incident laser. The beam expander 103 of the present embodiment has a pinhole as a spatial filter at a light condensing portion between the lenses 104 and 105. Thereby, a good resolution can be obtained. The diameter of the pinhole can be, for example, approximately 50 μm.
[0028]
The laser light expanded by the beam expander 103 is reflected by the mirror 107 and, after the optical path direction is changed, enters the galvano scanner 108. The galvanometer scanner 108 includes two galvanometer mirrors 109 and 110, and enables the laser spot to scan the resin sample in the XY plane. The galvanometer mirrors 109 and 110 have different rotation axes and different rotation directions. For example, it is possible to adopt a configuration in which the rotation of one mirror realizes the movement of the condensing part of the exposure beam in the X direction, and the rotation of the other mirror realizes the movement of the condensing part of the exposure beam in the Y direction. it can. Further, the laser beam can be turned on / off by blocking the beam path by the mirrors 109 and 110 of the galvano scanner 108.
[0029]
The laser light that has passed through the galvano scanner 108 is reflected by mirrors 111 and 112, and after being changed in the optical path direction, enters the beam expander 113. The beam expander 113 includes two lenses 114 and 115, and enlarges the diameter of the incident laser light. The light emitted from the beam expander 113 passes through the 1 / 2λ plate 116 and then enters the polarization beam splitter 117. The light emitted from the polarizing beam splitter 117 enters the objective lens 119 via the mirror 118. The objective lens 119 focuses the incident light at a predetermined position in the sample.
[0030]
As shown in FIG. 1, the photocurable resin 121 is dropped on the cover glass of the piezo operation stage 120 and is disposed on the piezo operation stage 120. The light condensed by the objective lens 119 is incident on the photocurable resin 121 from below via a cover glass, and cures the photocurable resin 121. At this time, the condensing portion of the exposure beam is scanned in the XY axis direction within the focal plane by the galvano scanner 27, and is scanned in the optical axis direction (Z axis direction) by the piezo operation stage 120.
[0031]
The photocurable resin 121 on the cover glass is illuminated with light using a fiber light source 122 from above. The irradiation light enters the polarization beam splitter 117 via the objective lens 119 and the mirror 118. The illumination light reflected by the polarization beam splitter 117 forms an image on the CCD 44 via the imaging lens 124. In order to prevent the photocurable resin 121 from being cured by the illumination light from the fiber light source 122, a color filter 123 that cuts a certain wavelength such as a wavelength of 560 nm or less can be provided. The formation state of the three-dimensional frame can be visually recognized by the CCD 44.
[0032]
The laser optical shaping apparatus 100 as described above is connected to a computer system (not shown) via, for example, a GP-IB or DA board, and can be automatically controlled from the computer system. Further, the shape of the photocurable resin 121 to be formed can be designed by CAD software on the computer system. The designed CAD data is read by the control software, and the laser beam forming apparatus 100 can form a three-dimensional frame according to the shape data.
[0033]
Next, a three-dimensional frame formed by the laser beam forming apparatus 100 will be described with reference to FIG. In order for cells to function as living tissues, cells need to construct a three-dimensional tissue and communicate with each other in that space. The same type of cell performs different functions depending on the density or arrangement of the cells. In the present embodiment, a three-dimensional tissue using cells is constructed by growing and growing cells on a three-dimensional frame. Thereby, it is possible to construct a cell tissue close to the condition in the living body. The three-dimensional frame preferably has a three-dimensional arrangement of cells in an actual living body, for example, a structure in which the arrangement density artificially reproduces the orientation and the like.
[0034]
FIG. 2 is a perspective view showing one structural example of the three-dimensional frame. The three-dimensional frame 50 shown in FIG. The three-dimensional wire frame 50 is a three-dimensional structure formed by three-dimensionally assembling the wires 51. A three-dimensional wire frame is a preferred example of a three-dimensional frame. A wire frame is a structure suitable for growing and proliferating by controlling the shape and arrangement of cells. By changing the wire shape, dimensions, wire spacing, overall frame shape, and the like, a scaffold for cell tissue formation suitable for each of various cell cultures can be formed.
[0035]
For example, the three-dimensional wire frame formed by the wires 51 can have various shapes depending on how the wires 51 are assembled. The three-dimensional wire frame 50 shown as an example has a spherical structure constituted by wires 51. The shape of the three-dimensional wire frame 50 is designed according to the structure of a living tissue to be cultured as described later. The shape of the three-dimensional wire frame 50 can be selected from various shapes such as a sphere, a cylinder, a spheroid, a cube, a rectangular parallelepiped, a gourd, or a structure having an apex. The three-dimensional wire frame may be configured such that only the outer shape of a predetermined shape is formed and the inside is hollow. Alternatively, an outer shell having a predetermined shape and a wire assembled therein can be arranged.
[0036]
The cross-sectional shape of the wire 51 is designed according to the cells to be cultured. In FIG. 2, the cross-sectional shape of the wire 51 is circular, but is not limited to this, and may be elliptical, elliptical, rectangular, or polygonal. Further, in addition to forming the entire three-dimensional wire frame 50 using the wire 51 having a circular cross-sectional shape, the cross-sectional shape of a part of the wire 51 is changed, and the three-dimensional wire frame 50 is formed using a plurality of types of wires 51. You may comprise. It can also have a continuously changing cross-sectional shape.
[0037]
A suitable space between the wires 51 is selected according to the size of a living tissue to be cultured, the size of individual cells, and the like. The space between the wires 51 serves as a passage for cells to first adhere to each wire, and at the same time serves as a space where the attached cells grow. Depending on the cell, the space between the wires 51 can be, for example, 10 μm to 100 μm. In addition, appropriate dimensions such as the length and diameter of the wire 51 are selected according to the size of the cells to be cultured and the structure of the cell tissue. For example, when cells of about 10 μm are densely cultured, the width between the wires 51 and the size of the wires 51 can be about 10 μm.
[0038]
The three-dimensional wire frame 50 is formed using the photocurable resin 121 described above. As the photocurable resin 121, a material that is finally absorbed by the cultured biological tissue is preferable. This is because living tissue is cultured on the three-dimensional wire frame 50. As the photocurable resin 121, for example, it is preferable to use photocurable gelatin, photocurable bioabsorbable polymer, or the like.
[0039]
Generally, a photocurable resin is composed of a resin component and a photopolymerization initiator as main components. As this resin component, a polymer having a degree of polymerization of about 2 to 20 and containing an oligomer having a large number of reactive groups at its terminals, and a reactive diluent for adjusting the viscosity and curability of the photocurable resin are included. If it can be used in cell culture, for example, an acrylate resin, a urethane acrylate resin, or an epoxy resin can be used for the photocurable resin 121. The wire frame is formed under appropriate conditions such as shape, size, material, and surface treatment.
[0040]
Next, a method of forming the three-dimensional wire frame 50 by the laser light forming apparatus 100 will be described. The shaping of the three-dimensional wire frame 50 by the laser light shaping apparatus 100 of the present embodiment is performed using multiphoton absorption. By the multiphoton absorption, the resin material can be cured only in the vicinity of the focal point. Thus, a desired three-dimensional frame shape can be formed in the resin material. The light transmitted through the objective lens 119 passes through a part of the resin material, is absorbed by the resin material near the focal point, and cures the resin. As a typical example of multiphoton absorption, two-photon absorption will be described. Two-photon absorption is a kind of nonlinear optical effect, and refers to a phenomenon in which a molecule absorbs two photons simultaneously and is excited. In this two-photon absorption, the energy per photon is about half that of ordinary absorption. That is, the frequency of the two-photon absorption light is about half the frequency and the wavelength is about twice that of the one-photon absorption light.
[0041]
The probability of occurrence of ordinary one-photon absorption is proportional to the incident light intensity, but for two-photon absorption, it is proportional to the square of the incident light intensity. Therefore, molecules in a spatially smaller region can be excited. In two-photon absorption, the doubling of the wavelength causes excitation at a longer wavelength. Therefore, the transmittance to the photocurable resin is improved, and molecules at deeper positions can be excited. Further, since the excitation is performed at a longer wavelength, it is hardly affected by scattering and refraction in the photocurable resin 121.
[0042]
Two-photon absorption is a phenomenon in which the absorption cross section of two-photon absorption is very small and unlikely to occur, unlike ordinary absorption. Since the two-photon absorption appears remarkably only when the light intensity is very high, a femtosecond (fs) pulse laser having a very large instantaneous light intensity is preferably used. For example, a pulse laser having a wavelength of 750 to 850 nm, a pulse width of 50 to 150 fs, and a repetition frequency of 70 to 90 MHz can be used. A preferred laser light source is a titanium sapphire laser. Appropriate laser beam wavelength, exposure time, intensity, scan speed, and the like are selected depending on the device or frame.
[0043]
Subsequently, the shaping of the three-dimensional wire frame 50 by the laser light shaping apparatus 100 will be described. Here, in order to generate two-photon absorption, for example, a mode-locked titanium sapphire laser having a wavelength of 780 nm, a pulse width of 80 fs, and a repetition frequency of 82 MHz can be used. When such a titanium sapphire laser is used, a photocurable resin 121 having no absorption around a wavelength of 780 nm and having absorption around a half wavelength of 390 nm is used.
[0044]
When an exposure beam from a titanium sapphire laser is applied to the photo-curable resin 121, the photo-curable resin 121 does not absorb around a wavelength of 780 nm, so that one-photon absorption does not occur in the photo-curable resin 121. The laser light from the objective lens 119 passes through a part of the photocurable resin 121 and is collected in the photocurable resin 121. On the other hand, when the exposure beam is condensed in the photocurable resin 121, the photocurable resin 121 has absorption around 390 nm, which is a half of the wavelength of 780 nm. At 121, two-photon absorption occurs. Since two-photon absorption occurs remarkably when the light intensity is extremely high, it occurs only at the converging portion of the exposure beam by the objective lens 119, and the converging portion inside the photocurable resin 121 is hardened. In addition, since the absorption cross-sectional area of two-photon absorption is extremely small, only a specific point inside the photocurable resin 121 can be cured by the exposure beam.
[0045]
The photocurable resin 121 that has absorbed the exposure beam by two-photon absorption undergoes a polymerization reaction and changes from a liquid to a solid. By scanning the exposure beam three-dimensionally, the photocurable resin 121 is point-exposed and cured to form the three-dimensional wire frame 50 having a desired shape. The exposure beam scans the XY plane of the sample according to the operation of the galvano scanner 108, and scans in the Z-axis direction by moving the piezo operation stage 120 in the Z-axis direction. In order to reduce the influence of the acceleration / deceleration of the galvano scanner 108, the exposure is preferably performed not by the vector scan but by the raster scan which is a repetition of the point exposure.
[0046]
The exposure beam from the titanium sapphire laser 21 irradiates the photocurable resin 121 from below the cover glass of the piezo operation stage 40 and cures it. Thereby, the three-dimensional wire frame 50 can adhere to the cover glass, and the fluctuation of the three-dimensional wire frame 50 in the photocurable resin 121 during manufacture can be reduced.
[0047]
In this manner, the photocurable resin 121 is irradiated with the exposure beam to cause two-photon absorption at the condensing portion, thereby processing the photocurable resin 121. Thereby, the three-dimensional wire frame 50 can be efficiently formed. Further, since the photocurable resin 121 is processed by using two-photon absorption, only the photocurable resin 121 at the condensing portion of the exposure beam can be cured, and the fine three-dimensional wire frame 50 can be formed accurately. can do.
[0048]
Next, a method for culturing a cell tissue using a three-dimensional frame will be described with reference to FIG. To construct a three-dimensional structure by cells, a three-dimensional cell scaffold is formed, and the isolated cells are seeded and cultured thereon. FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of culturing the living tissue. Here, the culture of cardiomyocytes will be described as an example, but not limited to this, and various cell tissues can be similarly cultured.
[0049]
First, cardiomyocytes are extracted by a predetermined method. The cardiomyocytes include cardiomyocytes that have not been damaged when the cardiomyocytes are fragmented, and cardiomyocytes that have been damaged. The removed cardiomyocytes are suspended in a medium containing a gel-like culture medium in a petri dish. A three-dimensional wire frame 50 is arranged in the medium, ₂ Cardiomyocytes are cultured in an incubator or the like. Then, as shown in FIG. 3A, the cardiomyocytes 61 engraft on the three-dimensional wire frame 50. At this time, cardiomyocytes that are not adhered to the three-dimensional wire frame 50 are mostly damaged cardiomyocytes. After culturing in a state where the cardiomyocytes 61 have survived on the three-dimensional wire frame 50, the medium is replaced. Thereby, the damaged cardiomyocytes are removed, and the cardiomyocytes 61 having high purity are obtained. In FIG. 3, the damaged cardiomyocytes and the culture medium are not shown and are omitted.
[0050]
As shown in FIG. 3B, the obtained cardiomyocytes 61 are re-cultured in a petri dish and grow and proliferate. At this time, each cardiomyocyte 61 grows and proliferates according to the wire, and a cell tissue is formed according to the shape of the three-dimensional wire frame 50. More specifically, as shown in FIG. 3B, the individual cardiomyocytes 61 grow along the wires 51 of the three-dimensional wire frame 50, and the individual cardiomyocytes 61 are arranged on the wires 51. . That is, the cardiomyocytes 61 are grown and arranged such that the longitudinal direction of the cardiomyocytes 61 and the longitudinal direction of the wires 51 of the three-dimensional wire frame are substantially the same.
[0051]
As the culture proceeds, each cell grows and is arranged so that the myocardial cell tissue 62 has a shape substantially the same as the shape of the three-dimensional wire frame 50. Each of the grown cardiomyocytes 61 has a shape following the wire 51, and its orientation is also controlled by the wire 51, and is arranged on the wire 51. When a material that is absorbed by living tissue is used as the material of the three-dimensional wire frame 50, the three-dimensional wire frame 50 is broken down into cardiomyocytes 61 and disappears, as shown in FIG.
[0052]
As described above, by using the three-dimensional wire frame 50, it is possible to culture a three-dimensional living tissue while controlling the shape, arrangement (including density), and orientation of cells. Since the shape and arrangement are controlled at the cell level, it becomes possible for cultured cells to have a function as a living tissue. Cell arrangement refers to the orientation and / or arrangement of cells. Further, by appropriately changing the shape of the three-dimensional wire frame 50, living tissues having various arrangements can be cultured. Furthermore, when cells are cultured using the three-dimensional wire frame 50 as described above, the gap between the wires 51 of the three-dimensional wire frame 50 is a flow path of the culture solution. Thereby, the culture solution can be reliably supplied to the cells to be cultured, so that the activity of the cells can be maintained and high-quality cells can be obtained.
[0053]
Embodiment 2 of the invention
In the second embodiment, first, another structural example of a three-dimensional wire frame used for culturing a living tissue will be described with reference to FIG. 4, and culturing of a living tissue will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional wire frame. As shown in FIG. 4, the three-dimensional wire frame 501 has a spiral structure in which the wire 51 is wound so that the cross-sectional shape perpendicular to the longitudinal direction is circular. The cross-sectional shape of the spiral structure is designed according to the shape of the living tissue to be cultured as described later. In FIG. 4, the cross-sectional shape of the three-dimensional wire frame 501 having a spiral structure is circular, but is not limited to this, and may be elliptical, rectangular, or polygonal.
[0054]
In addition, the cross-sectional shape of the wires 51, the width between the wires 51, the dimensions of the wires 51, the cross-sectional dimensions of the three-dimensional wire frame 501, and the like are determined by the type of cells to be cultured, the size of the cell tissue to be cultured, Designed according to size and number. As a material forming the three-dimensional wire frame 501, a photocurable biomaterial such as photocurable gelatin or photocurable bioabsorbable polymer can be used.
[0055]
FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of culturing the living tissue. First, as shown in FIG. 5A, the isolated cells 611 are seeded on a three-dimensional wire frame 501. The cells 611 are cultured in a petri dish according to the shape of the three-dimensional wire frame 501, as shown in FIG. The cells 611 grow and proliferate along the wires 51 of the three-dimensional wire frame 501, and the individual cells 611 are arranged on the wire frame 501. The cell 611 grows and proliferates so that its longitudinal direction and the longitudinal direction of the wire 51 of the three-dimensional wire frame are substantially the same. As the culture proceeds, as shown in FIG. 5C, a cell tissue 621 having substantially the same shape as the three-dimensional wire frame 501 is formed. The grown individual cells 611 are arranged on the wire 51 in a controlled shape and orientation.
[0056]
Thus, by forming the three-dimensional wire frame 502 into a spiral structure, it is possible to form a cylindrical cell tissue in which cells are arranged in a spiral. In addition, by appropriately changing the spiral structure of the three-dimensional wire frame 501, the arrangement, direction, and the like of the cells can be changed.
[0057]
Embodiment 3 of the Invention
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional wire frame. As shown in FIG. 6, the three-dimensional wire frame 502 includes a plurality of frame elements on a lattice, and has a three-dimensional lattice structure in which the wires 51 are assembled in a rectangular parallelepiped shape as a whole.
A method for culturing cell tissue using the three-dimensional wire frame 502 will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic diagram showing another culture example of this cell tissue. First, as shown in FIG. 7A, the isolated cells 612 are seeded on the three-dimensional wire frame 502. As shown in FIG. 7B, the cells 612 grow and proliferate by being cultured in a petri dish according to the shape of the three-dimensional wire frame 502. The cells 612 grow and proliferate along the wires 51 of the three-dimensional wire frame 502, and the individual cells 612 are arranged on the three-dimensional wire frame 502. The cell 612 grows and proliferates so that its longitudinal direction and the longitudinal direction of the wire 51 of the three-dimensional wire frame are substantially the same. As the culture proceeds, a cell tissue 622 having substantially the same shape as that of the three-dimensional wire frame 502 is formed as shown in FIG. At this time, the shape and orientation of the grown individual cells 612 are controlled and arranged on the wire 51.
[0058]
In this way, by forming the three-dimensional wire frame 502 into a three-dimensional lattice structure, it becomes possible for individual cells to be oriented in substantially the same direction and to form a biological tissue extending on a plane. In addition, since the three-dimensional wire frame 502 has a rectangular parallelepiped three-dimensional lattice-like structure, a biological tissue extending in a planar shape is formed. However, the present invention is not limited to this. Can form a curved biological tissue that is oriented in substantially the same direction.
[0059]
Embodiment 4 of the Invention
In Embodiment 4, first, another structural example of a three-dimensional wire frame used for culturing living tissue will be described with reference to FIG. 8, and culturing of living tissue will be described with reference to FIG. Here, in the above-described first to third embodiments, a three-dimensional wire frame including the wire 51 obtained by curing the photo-curable resin 121 into a wire shape is used. However, in the fourth embodiment, A three-dimensional frame having a space formed inside the resin is used. FIG. 8A is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional frame. 8 (b) and 8 (c) show an AA 'sectional view and a BB' sectional view of the three-dimensional frame shown in FIG. 8 (a).
[0060]
The three-dimensional frame 503 illustrated in FIG. 8 can be formed by processing a part of the cured resin material 221 by deleting or destroying the part using a laser beam. An apparatus for processing the resin material 221 by using a laser beam can be realized by appropriately modifying the apparatus shown in FIG. For example, a processing apparatus can be configured using a laser light source suitable for laser processing and a system basically similar to the optical system shown in FIG. As the laser light source, a pulse laser light source such as a titanium sapphire laser can be used. The pulse width of the laser light is preferably 10 nanoseconds or less. In processing the resin material 221 by laser light, a hole can be formed in the resin 221 by condensing the laser light inside the resin 221 with an objective lens and partially destroying the resin 221 at the light condensing portion. . It can be formed by destroying the resin 221 at the laser beam condensing portion which is a spatially small region. The destruction of the resin material in the light condensing part is performed by utilizing multiphoton absorption of the resin material. By utilizing multiphoton absorption, processing of the resin material can be performed only at the light collecting portion. In the three-dimensional processing of the resin material, the three-dimensional frame 503 can be formed by three-dimensionally scanning a laser beam. As the resin material 221 constituting the three-dimensional frame 503, it is preferable to use, for example, a bioabsorbable polymer composed of polyanhydride, polyorthoester, polylactic acid, polyglycolic acid, a copolymer, or a mixture thereof.
[0061]
As shown in FIG. 8A, the three-dimensional frame 503 has a structure in which the resin material 221 is partially removed and a plurality of culture holes 222 as cavities are formed. That is, the three-dimensional frame 503 has a structure in which the culture holes 222 are formed in the resin 221 so as to be separated from each other. Then, the cells are cultured in the culture holes 222 as described later.
[0062]
As shown in FIG. 8B, the cross-sectional shape of the culture hole 222 is determined by the width of the resin 221 between the culture holes 222, the size of the culture hole 222 is determined by the type of the cell to be cultured, and the size of the cell tissue to be cultured. Design is made according to the size, shape, number, etc. of individual cells. The culture hole 222 shown in FIG. 8 has a circular cross section perpendicular to the longitudinal direction, but is not limited to this, and may have various shapes such as an elliptical shape and a polygonal shape. For example, when culturing rat cardiomyocytes, the cross-sectional shape of the culture hole 222 can be formed to be an elliptical shape having a width of 40 μm and a height of 20 μm.
[0063]
As shown in FIG. 8B, the individual culture holes 222 are formed at substantially equal intervals while being separated by the resin 221. Further, the culture holes 222 are densely arranged so as to be surrounded by the other culture holes 222 from all sides. The culture holes 222 are not limited to this, and may be formed at random intervals, or may be formed sparsely with a distance between the culture holes 222. Alternatively, a pattern consisting of a plurality of culture holes 22 may be repeatedly arranged.
[0064]
As shown in FIG. 8C, the culture holes 222 linearly extend from the front surface of the paper to the back surface of the paper in FIG. 8A, and are formed in parallel in the longitudinal direction. The culture hole 222 is not limited to this, and may have various three-dimensional structures such as a spherical shape, a three-dimensional lattice shape, a spherical shape, a tube shape, and a bag shape, and is designed according to the shape of the living tissue to be formed. As shown in FIG. 8C, a plurality of flow paths 223 are formed in the three-dimensional frame 503. The flow channel 223 is formed perpendicular to the longitudinal direction of the culture hole 222, and penetrates between the surfaces of the resin 221 through each culture hole 222. In addition, the shape, arrangement distribution, size, and the like of the flow path 223 are determined by the type, size, number, and the like of the cells to be cultured, and are formed so that the culture solution flows between the cells without fail. . When the cells are cultured, the flow path 223 draws the culture solution into the culture hole 222 and supplies the culture solution to the cells in the culture hole 222.
[0065]
FIG. 9 is a schematic view showing another example of culturing the living tissue. First, when the isolated cells 613 are seeded on the three-dimensional frame 503, the cells 613 enter the culture holes 222 and adhere to the inner surface of the culture holes 222 as shown in FIGS. 9A and 9B. I do. The cells 613 are cultured in a petri dish or the like according to the shape of the three-dimensional frame 503 as shown in FIGS. 9C and 9D. The cells 613 grow and proliferate along the inner surface of the culture hole 222 of the three-dimensional frame 503, and individual cells 613 are arranged in the culture hole 222. The cell 613 grows and proliferates so that its longitudinal direction and the longitudinal direction of the culture hole 222 of the three-dimensional frame 503 are almost the same. As the culture proceeds, as shown in FIGS. 9E and 9F, a cell tissue 623 having substantially the same shape as the shape of the culture hole 222 is formed. The shape and orientation of the grown individual cells 613 are controlled, and the cells 613 are arranged in the culture holes 222. When the resin 221 of the three-dimensional frame 503 has bioabsorbability, the three-dimensional frame 503 is decomposed after the cells 613 grow. The decomposed resin 221 becomes, for example, extracellular air quality created by the cell 613 itself.
[0066]
As described above, by forming the three-dimensional frame 503 with the structure in which the culture holes 222 are formed in the resin 221, the individual cells are oriented in substantially the same direction and form a biological tissue that extends linearly as a bundle. It is possible to do. In addition, since the culture hole 222 of the three-dimensional frame 503 has a structure extending in a rectangular shape, a living tissue that extends linearly is formed. However, the present invention is not limited to this, and the culture hole 222 of the three-dimensional frame 503 has a curved surface. By adding a mark, individual cells can be bundled to form a curved biological tissue oriented in substantially the same direction.
[0067]
According to the present invention, as described above, by performing cell culture using a three-dimensional frame as a scaffold, it is possible to form a cell tissue while controlling the shape, orientation, and arrangement of cells. By observing the state of expression of the protein, the function of the cells or living tissues cultured in this way, biological knowledge can be obtained. For example, it is possible to obtain information on the relationship between the shape and function of cells and tissues, such as proteins responsible for intercellular communication, cell adhesion, and proteins that form the cytoskeleton. Alternatively, a living tissue artificially constructed according to the above method can be used for medical purposes. In particular, it can be used for transplantation of a functional cell tissue into a living body, regeneration of an organ, or construction of a biomicromachine having an ecological function. In addition, the cell tissue formed by the method of the present invention exerts its power in studies on diseases derived from abnormal cell morphology. Clarifying the relationship between morphological abnormalities and protein expression can be used for the development of therapeutics and new drugs.
[0068]
【The invention's effect】
According to the present invention, a three-dimensional cell tissue can be cultured by controlling the shape and arrangement / orientation at the cell level of a cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a laser beam forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a structural example of a three-dimensional wire frame according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of culturing a biological tissue according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional wire frame according to the embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing another example of culturing a living tissue in the embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional wire frame according to the embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram showing another example of culturing a living tissue according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing another example of the structure of the three-dimensional wire frame according to the embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram showing another example of culturing a living tissue according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 100 laser beam forming apparatus, 101 laser light source, 102 attenuator, 103 beam expander, 104, 105 lens, 106 pinhole, 107 mirror, 108 galvano scanner, 109, 110 galvanometer mirror, 111, 112 mirror, 113 beam expander, 114, 115 lens, 116 λ / 2 plate, 117 polarizing beam splitter, 118 mirror, 119 objective lens, 120 piezo operation stage, 121 photocurable resin, 122 fiber light source, 123 color filter, 124 imaging lens, 125 CCD, 50 , 501, 502 three-dimensional wire frame, 503 three-dimensional frame, 221 resin, 222 culture hole, 51 wires, 61, 611, 612, 613 cells, 62, 621, 622, 62 Cellular tissue

Claims

３次元細胞組織を形成する、細胞の培養方法であって、
集光されたレーザ光によって硬化された光硬化性材料で形成された立体フレームを準備するステップと、
前記立体フレームに細胞を付着するステップと、
前記細胞を前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成するステップと、を備える細胞の培養方法。A method for culturing cells, which forms a three-dimensional cell tissue,
Preparing a three-dimensional frame formed of a photocurable material cured by the focused laser light;
Attaching cells to the three-dimensional frame,
Culturing the cells on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame.

３次元細胞組織を形成する、細胞の培養方法であって、
集光されたレーザ光によって破壊された樹脂材料で形成された立体フレームを準備するステップと、
前記立体フレームに細胞を付着するステップと、
前記細胞を前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成するステップと、を備える細胞の培養方法。A method for culturing cells, which forms a three-dimensional cell tissue,
Preparing a three-dimensional frame formed of a resin material destroyed by the focused laser light,
Attaching cells to the three-dimensional frame,
Culturing the cells on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame.

前記立体フレームは、生体吸収材料で形成されている、請求項１又は２に記載の細胞の培養方法。The cell culture method according to claim 1, wherein the three-dimensional frame is formed of a bioabsorbable material.

前記立体フレームは、光硬化性ゼラチンもしくは光硬化性生体吸収性ポリマーで形成されている、請求項３に記載の細胞の培養方法。The cell culture method according to claim 3, wherein the three-dimensional frame is formed of photocurable gelatin or photocurable bioabsorbable polymer.

前記立体フレームは、所定の間隔をおいて配置された複数のワイヤー部を備える、請求項１に記載の細胞の培養方法。The cell culture method according to claim 1, wherein the three-dimensional frame includes a plurality of wire portions arranged at predetermined intervals.

前記立体フレームは、前記樹脂材料内で所定の間隔をおいて配置された複数の空洞部を備える、請求項２に記載の細胞の培養方法。The cell culture method according to claim 2, wherein the three-dimensional frame includes a plurality of cavities arranged at predetermined intervals in the resin material.

前記細胞組織の各細胞は、前記ワイヤー部若しくは前記空洞部によって配列が制御される、請求項５又は６に記載の細胞の培養方法。The cell culture method according to claim 5, wherein the arrangement of each cell of the cell tissue is controlled by the wire portion or the hollow portion.

前記立体フレームを準備するステップは、レーザ光を前記光硬化性材料に集光するステップと、
前記レーザ光の集光点近傍において前記光硬化性材料の多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させるステップと、
前記集光点を３次元的に走査し、前記立体フレームを形成するステップと、を備える、請求項１に記載の細胞の培養方法。The step of preparing the three-dimensional frame, the step of focusing laser light on the photocurable material,
Causing multiphoton absorption of the photocurable material in the vicinity of the focal point of the laser light, and curing the photocurable material;
The method of culturing cells according to claim 1, further comprising: three-dimensionally scanning the light-collecting point to form the three-dimensional frame.

前記立体フレームを準備するステップは、レーザ光を前記樹脂材料に集光するステップと、
前記レーザ光の集光点近傍において前記樹脂材料の多光子吸収を引き起こし、前記樹脂性材料を破壊させるステップと、
前記集光点を３次元的に走査し、前記立体フレームを形成するステップと、を備える、請求項２に記載の細胞の培養方法。The step of preparing the three-dimensional frame, focusing laser light on the resin material,
Causing multi-photon absorption of the resin material in the vicinity of the focal point of the laser light, and destroying the resin material;
3. The method of culturing cells according to claim 2, further comprising the step of three-dimensionally scanning the light-collecting point to form the three-dimensional frame.

細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成方法であって、
レーザ光源からの光を、光硬化性材料に集光するステップと、
前記集光されたレーザ光によって前記光硬化性材料による多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させるステップと、
前記レーザ光の集光点を３次元的に走査し、前記光硬化性材料による立体フレームを形成するステップと、を備える立体フレームの形成方法。A method for forming a three-dimensional frame used for culturing cell tissue,
Focusing the light from the laser light source on the photocurable material;
Inducing multi-photon absorption by the photocurable material by the focused laser light, curing the photocurable material,
Forming a three-dimensional frame of the photocurable material by three-dimensionally scanning the focal point of the laser beam.

細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成方法であって、
レーザ光源からの光を、樹脂材料に集光するステップと、
前記集光されたレーザ光によって前記樹脂材料による多光子吸収を引き起こし、前記樹脂材料を破壊するステップと、
前記レーザ光の集光点を３次元的に走査し、前記樹脂材料による立体フレームを形成するステップと、を備える立体フレームの形成方法。A method for forming a three-dimensional frame used for culturing cell tissue,
Condensing light from a laser light source on a resin material;
Causing multi-photon absorption by the resin material by the focused laser light, and destroying the resin material;
Three-dimensionally scanning the focal point of the laser beam to form a three-dimensional frame made of the resin material.

前記レーザ光源からの光は、フェムト秒パルスレーザ光である、請求項１０又は１１に記載の立体フレームの形成方法。The method according to claim 10, wherein the light from the laser light source is a femtosecond pulse laser light.

３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置であって、
培地と、
前記培地内に収容され、集光された光によって硬化した光硬化性材料で形成された立体フレームと、
を備え、前記立体フレーム上に付着された細胞を、前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置。A cell culture device for forming a three-dimensional cell tissue,
A medium,
A three-dimensional frame formed of a photocurable material that is housed in the culture medium and cured by the collected light,
An apparatus for culturing cells, comprising: culturing cells attached to the three-dimensional frame on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame.

３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置であって、
培地と、
前記培地内に収容され、集光された光によって破壊した樹脂材料で形成された立体フレームと、
を備え、前記立体フレーム上に付着された細胞を、前記立体フレーム上で培養し、前記立体フレームに従った３次元細胞組織を形成する、細胞の培養装置。A cell culture device for forming a three-dimensional cell tissue,
A medium,
A three-dimensional frame formed of a resin material housed in the culture medium and destroyed by the collected light,
An apparatus for culturing cells, comprising: culturing cells attached to the three-dimensional frame on the three-dimensional frame to form a three-dimensional cell tissue according to the three-dimensional frame.

前記立体フレームは、所定の間隔をおいて配置された複数のワイヤー部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記ワイヤー部によって配列が制御される、請求項１３に記載の細胞の培養装置。14. The cell culture device according to claim 13, wherein the three-dimensional frame includes a plurality of wires arranged at predetermined intervals, and the arrangement of each cell of the cell tissue is controlled by the wires.

前記立体フレームは、前記樹脂材料内で所定の間隔をおいて配置された複数の空洞部を備え、前記細胞組織の各細胞は、前記空洞部によって配列が制御される、請求項１４に記載の細胞の培養装置。The said three-dimensional frame is provided with the some hollow part arrange | positioned at predetermined intervals in the said resin material, The arrangement | sequence of each cell of the said cell tissue is controlled by the said hollow part, The Claim of Claim 14. Cell culture equipment.

前記立体フレームは、生体吸収材料で形成されている、請求項１３又は１４に記載の細胞の培養装置。The cell culture device according to claim 13 or 14, wherein the three-dimensional frame is formed of a bioabsorbable material.

請求項１３又は１４に記載の培養装置によって形成された細胞組織。A cell tissue formed by the culture device according to claim 13.

３次元細胞組織を形成するため、細胞を培養する立体フレームであって、
所定の間隔をおいて３次元的に配置された複数のワイヤー部を備え、
前記細胞組織の各細胞は、前記フレーム上において、前記ワイヤー部によって形状と配列が制御されて培養される、細胞を培養する立体フレーム。A three-dimensional frame for culturing cells to form a three-dimensional cell tissue,
It comprises a plurality of three-dimensionally arranged wire parts at predetermined intervals,
A three-dimensional frame for culturing cells, wherein each cell of the cell tissue is cultured on the frame with its shape and arrangement controlled by the wire portion.

３次元細胞組織を形成するため、細胞を培養する立体フレームであって、
樹脂材料内で所定の間隔をおいて３次元的に配置された複数の空洞部を備え、
前記細胞組織の各細胞は、前記フレーム上において、前記空洞部によって形状と配列が制御されて培養される、細胞を培養する立体フレーム。A three-dimensional frame for culturing cells to form a three-dimensional cell tissue,
A plurality of cavities three-dimensionally arranged at predetermined intervals in the resin material,
A three-dimensional frame for culturing cells, wherein each cell of the cell tissue is cultured on the frame with its shape and arrangement controlled by the cavity.

細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成装置であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を、光硬化性材料に集光するレンズと、
前記レーザ光の集光点を３次元的に走査する手段と、を備え、
前記集光されたレーザ光によって前記光硬化性材料による多光子吸収を引き起こし、前記光硬化性材料を硬化させる、立体フレームの形成装置。A three-dimensional frame forming device used for culturing cell tissue,
A laser light source,
A lens for condensing light from the laser light source on a photocurable material,
Means for three-dimensionally scanning the focal point of the laser light,
An apparatus for forming a three-dimensional frame, wherein the condensed laser light causes multiphoton absorption by the photocurable material to cure the photocurable material.

細胞組織の培養に使用される立体フレームの形成装置であって、
レーザ光源と、
前記レーザ光源からの光を、樹脂材料に集光するレンズと、
前記レーザ光の集光点を３次元的に走査する手段と、を備え、
前記集光されたレーザ光によって前記樹脂材料による多光子吸収を引き起こし、前記樹脂材料の一部を破壊する、立体フレームの形成装置。A three-dimensional frame forming device used for culturing cell tissue,
A laser light source,
A lens for condensing light from the laser light source on a resin material,
Means for three-dimensionally scanning the focal point of the laser light,
An apparatus for forming a three-dimensional frame, wherein the condensed laser light causes multi-photon absorption by the resin material to destroy a part of the resin material.