JP6434014B2 - 球状軟骨細胞治療剤の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の球状軟骨細胞治療剤の製造方法は、下記工程を含むことを特徴とする。
a)軟骨細胞及び/又は軟骨分化能を有する細胞をV字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートに分注し、
b)上記プレートを遠心分離し、
c)上記プレートをインキュベーター内で三次元培養し、そして
d)各ウェルからペレットを回収する工程。
a)軟骨細胞及び/又は軟骨分化能を有する細胞をV字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートに分注し、
b)上記プレートを遠心分離し、
c)上記プレートをインキュベーター内で三次元培養し、
c−1)培地を交換し、そして
d)各ウェルからペレットを回収する工程。
軟骨細胞の単離及び増殖
肋軟骨組織を抗生剤が含まれたリン酸緩衝生理食塩水(PBS)で3〜5回洗浄し、血液と汚染物を除去した。軟骨を1〜2mm3程度の大きさに細かく切断した後、0.5%プロナーゼ(pronase)及び0.2%タイプIIコラゲナーゼ処理で細胞外基質を消化し、細胞を単離した。単離した細胞は、2〜4×104個/cm2の密度で培養皿に接種し、細胞増殖用培地(1ng/mLのFGF−2が含まれた間葉系幹細胞培養培地(MSCGM))を添加し、37℃、5%CO2インキュベーターで細胞が過密になるまで培養した。トリプシン−EDTA溶液で、培養皿で脱着させた細胞を1〜2×104個/cm2の密度で培養皿に接種し、6〜8継代まで継代培養した。
増殖が完了された6〜8継代目の細胞は、軟骨分化用培地(DMEM、50μg/mLゲンタマイシン、10ng/mL TGF−beta3、1% ITS+3、100nM デキサメタゾン、50μg/mL アスコルビン酸、40μg/mL L−プロリン)に懸濁し、(1)V字状の底部を有する96ウェル プレート(300μLウェル容量)に、ウェル当たり1.0×105細胞/200μLになるように分注し、(2)平たな底部を有する96ウェル プレート(300μLウェル容量)に、ウェル当たり1.0×105細胞/200μLになるように分注し、(3)凹状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレート(600μLウェル容量)に、ウェル当たり1.0×105細胞/400μLになるように分注し、(4)V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレート(600μLウェル容量)に、ウェル当たり1.0×105細胞/400μLになるように分注した後、プレートを1200rpmで5分間、遠心分離し、その後、37℃、5%CO2インキュベーター内で3〜4日間隔で培地を交換しながら28日間三次元培養した。
V字状の底部を有する96ウェル プレート(300μLウェル容量)では、球体形成はうまくいったが、後述する実施例2の(4)組織学的特性及び免疫染色のサフラニンO(Safranin O)GAG染色方法によって評価した結果、細胞形状と軟骨性基質発現可否に基づいて軟骨分化が進んでいないことを確認することができた(図4a)。平たな底部を有する96ウェル プレート(300μLウェル容量)を用いた三次元培養では、安定的に正常な形状の球体が形成されなかった(図4b)。96ウェル ディープウェルプレート(600μLウェル容量)を用いた三次元培養でウェルの底形状が凹状の場合には、遠心分離過程にもかかわらず安定的に正常な形状の球体が形成されなかったが(図4c)、ウェルの底形状がV字状の場合には、安定的に均一な大きさを有する球体がウェル当たり1つずつ観察され、三次元培養3日目にはある程度硬い構造を形成した(図4d)。
球状三次元軟骨組織の製造
細胞増殖用培地で継代6〜8代目まで培養したウサギの軟骨細胞をV字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートに0.5×105細胞/400μL/ウェル、1.0×105細胞/400μL/ウェル又は2.0×105細胞/400μL/ウェルでペレット培養し、28日間評価した。
(1)外観及び大きさ
三次元培養過程中、それぞれのウェルでペレットを収集し、その特性を評価した。まず、肉眼観察を通して外観を評価し、スライドガラス上にペレットをマウントし、40倍の倍率で顕微鏡に取り付けられたデジタルカメラで写真を撮った後、その面積を測定した。
ペレット中のDNA量は、ペレットに125μg/mLのパパインを添加して均質化(homogenization)し、65℃で、一晩処理後、試料を用意して、DNA Quantitationキット(Bio−Rad Laboratories)のHoechst 33258dyeと混合し、吸光度を測定した。仔牛胸腺(Calf thymus)DNAをスタンダード(20ng〜10μg)にして定量的に計算した。
ペレット中のGAG量を測定するために、ペレットをパパイン溶液(125μg/mL)で、65℃で、一晩処理して、GAG成分を抽出し、遠心分離後上清を採取し、試験試料を用意した。ここに、Blyscan染料(dyere agent)(Biocolor社製、英国)を添加し、硫酸(sulfated)GAG成分と染料が結合するよう反応させた後、遠心分離して、上清を除去した。残ったGAG−染料の塊を染料分離試薬(dye dissociation reagent)で溶かした後、656nmで吸光度を測定した。このように測定した吸光度はス、タンダード(コンドロイチン硫酸、1.0〜5.0μg)を基準に定量化した。
組織学的評価のために、ペレットをホルマリンで固定し、脱水、パラフィン包埋過程を経て、ミクロトームで4〜6μm厚さに薄切し、ヘマトキシリンで核染色実施後、サフラニンOを染色薬でGAGを染色した。対照染色としては、ファーストグリーン(Fast green)を用いてGAG発現及び細胞の形態学的評価を実施した。
三次元培養過程で、ペレット中の細胞の死滅を評価するために、4μm厚さの切片でTUNELアッセイ(Roche社製、ドイツ)を実施した。DAPIで核を染色し、蛍光顕微鏡下で死滅細胞の存在を評価した。
ペレット中のコラーゲン量は、ペレットをペプシン溶液で処理して、コラーゲン成分を抽出した。この試料溶液にSircol Kit(Biocolor社製)の染料溶液を添加し、室温で振とうして反応し、遠心分離して、色素と結合したコラーゲンを沈殿させた。上清を完全に除去し、沈澱物を1N NaOH溶液に溶解し、540nmでの吸光度を測定した。標準曲線(0〜50μg)を得た後、上記の方法で測定した吸光度を基準に定量化した。
細胞の遺伝学的特性を評価するために、ペレットからRNAを抽出し、逆転写し、cDNAを合成した。合成されたcDNAに対して下記表1に示された遺伝子のプライマーを使用してPCRを行った。PCR産物を臭化エチジウム(EtBr)が含まれたアガロースゲルで電気泳動した後、UV下で各増幅産物の大きさに該当するバンドを確認し、評価した。
(1)外観及び大きさ
作製された構造体は、三次元培養3日目から硝子軟骨のように表面が滑らかで、白い、半透明の性状を示した。その大きさは0.5×105細胞/ウェルの場合、3日目には直径が約0.5mmであり、培養期間の増加に伴いその大きさがゆっくり増加し、28日目には直径が約1mmであった。1.0×105細胞/ウェルの場合、3日目には直径約1mmの球体を形成しており、培養期間の増加に伴いその大きさがゆっくり増加し、28日目には直径が約1.5mmと三次元培養全般にかけて、0.5×105細胞/ウェルと比較して、約2倍大きさの球体を形成した。しかし、2.0×105細胞/ウェルで作製された三次元構造体の場合、3日目には直径約1mmの球体を形成しており、培養期間の増加に伴いその大きさがゆっくり増加し、28日目には直径が約1.5mmであったが、1.0×105細胞/ウェルで作製された三次元構造体と大きさの差は観察されなかった(図5a及び5b)。
三次元培養期間中のペレット中の細胞数をDNA含量で評価した結果、培養期間中、0.5×105細胞/ウェルでは約80ng、1.0×105細胞/ウェルでは約170ng、2.0×105細胞/ウェルでは約200ngと一定であった。接種細胞数は2倍であったが、DNA含量はそれぞれ2倍及び1.2倍であった(図5d)。
硝子軟骨特異的細胞外基質であるGAG成分は、培養期間の増加に伴い増加した。1.0×105細胞/ウェルでは0.5×105細胞/ウェルと比較して、約2倍の量であったが、2.0×105細胞/ウェルでは1.0×105細胞/ウェルと同様のGAG含量を示した(図5e)。
三次元培養中の硝子軟骨性組織の形成の有無を、サフラニンO染色でGAGの発現を評価した結果、V字状の底部のウェルで0.5×105細胞/ウェル及び1.0×105細胞/ウェル細胞が形成された三次元構造体は、培養3日目から構造体全般に亘って強いサフラニンO染色が観察された。2.0×105細胞/ウェルでは3日及び7日目にサフラニンO染色に陰性の部分が構造体中心部から観察されており、その後には構造体全般に亘って強いサフラニンO染色が観察された。三次元培養3日目に、ペレットで細胞はぎっしり密集され、丸い形状であったが、小腔(lacunae)の形態は観察されなかった。7日目に、1.0×105細胞/ウェルのペレットで細胞は明確な小腔内に存在した。14日目以降には全ての細胞数のペレットで小腔に包まれている細胞が観察され、経時間によって成熟した硝子軟骨の形態を示した(図5f)。
三次元培養中の細胞の死滅有無をTUNELアッセイで評価した結果、2.0×105細胞/ウェルでは3日目から培養終了時までペレットの中心部及び外郭でアポトーシス細胞が多数観察された。0.5×105細胞/ウェル及び1.0×105細胞/ウェルでは28日目にのみアポトーシス細胞が観察された(図5g)。
1.0×105細胞/ウェルのペレットで三次元培養中、タイプIコラーゲン、タイプIIコラーゲン及びタイプXコラーゲンの発現を免疫染色で評価した結果、タイプIコラーゲンは培養28日目に表面の外郭でのみ発現しており、タイプIIコラーゲンは28日目に外郭を除いたペレット全体で強く染色された。肥大軟骨細胞(hypertrophic chondrocyte)のマーカーであるタイプXコラーゲンは14日目に発現細胞が観察され、経時的に発現割合が増加した(図5h)。
細胞増殖用培地で継代6〜8代目まで培養したウサギの肋軟骨細胞を分化用培地に懸濁し、V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートにウェル当たり1.0×105個/400μLずつ分注した。以降、プレートを1200rpmで、5分間遠心分離した後、ペレットを37℃、5%CO2インキュベーターで3〜4日間隔で培地を交換しながら10日間培養して、関節軟骨損傷に移植するための支持体のない球状軟骨組織を製造した。培養が終わった球状軟骨組織を、持ち運び可能なペレット収集装置を利用して収集し(図8c)、実施例2に記載された方法によりその特性を評価した。
細胞増殖用培地で継代6〜8代目まで培養したヒトの肋軟骨細胞を分化用培地に懸濁し、V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートにウェル当たり1.0×105個/400μLずつ分注した。以降、プレートを1200rpmで、5分間遠心分離した後、ペレットを37℃、5%CO2インキュベーターで3〜4日間隔で培地を交換しながら10日間培養して、関節軟骨損傷に移植するための支持体のない球状軟骨組織を製造した。培養が終わった球状軟骨組織を、持ち運び可能なペレット収集装置を利用して収集し(図8c)、実施例2に記載された方法によりその特性を評価した。
球状軟骨組織の動物移植評価:ヌードマウス皮下移植
ヒト肋軟骨細胞を継代6〜8代目まで増殖後、V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートにウェル当たり細胞1.0×105個/400μLずつ分注した後、遠心分離し、軟骨分化用培地で10日間ペレット培養した。ペレット40個とペレット固定のためのフィブリン接着剤(Greenplast(登録商標)、緑十字製)を混合して、軟骨部分を作製した。その下にHA−TCP(ヒドロキシアパタイト−トリカルシウムホスフェート;PURUGO社製、韓国)と骨髄由来間葉系幹細胞(BMSC)を混合して作製した骨部分を位置させ、骨と再生軟骨間の連結を評価できるようにサンドウィッチ形態の軟骨−骨二層構造物を製作した(図9a)。
球状軟骨組織の動物移植評価:ウサギ膝軟骨損傷部移植
ウサギ肋軟骨細胞を継代6〜8代目まで増殖後、V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートにウェル当たり細胞1.0×105個/400μLずつ分注した後、遠心分離して、軟骨分化用培地で10日間ペレット培養した。ウサギ膝の膝蓋骨内側を切開して膝蓋窩を露出し、直径5mm、深さ約2mmの軟骨損傷を、歯科用マイクロドリルを使用して作製した。損傷部を冷たい生理食塩水で強く洗浄し、落ちた断片を除去した後、ペレット18〜20個をフィブリノーゲンと希釈したトロンビン(約10IU)と均一に混合した後、直ちに膝損傷溝部位に詰め込んだ。その上を高濃度のトロンビンを含むフィブリン接着剤で塗布した。対照欠陥には、フィブリン接着剤(Greenplast(登録商標)、緑十字社製、大韓民国)のみを使用した。十分に固化した後、膝蓋骨を再び元位置させ、関節カプセルと皮膚を縫合した。移植6週、12週及び24週後、手術した膝を切開し、関節嚢と膝軟骨を肉眼で観察した後、大腿骨の遠位骨端を摘出し、10%中性緩衝ホルマリン溶液に固定した後、脱灰後、パラフィンに包埋して6μmの厚さに切断し、サフラニンO染色及びタイプIコラーゲン又はタイプIIコラーゲンに対する免疫染色を実施した。その結果、損傷部位を硝子軟骨性軟骨層で修復されるのを肉眼、組織学的及び免疫化学的に確認することができた(図10)。
球状軟骨組織の動物移植評価:ヤギ膝軟骨損傷部移植
ヤギ肋軟骨細胞を継代6〜8代目まで増殖後、V字状の底部を有する96ウェル ディープウェルプレートにウェル当たり細胞1.0×105個/400μLずつ分注した後、遠心分離して、軟骨分化用培地で10日間ペレット培養した。ヤギ膝の膝蓋骨内側を切開し、膝蓋窩(patellar groove)と大腿骨の内側顆(medial femoral condyle)は露出させ、それぞれ直径8mm、深さ約2mmの軟骨損傷を、歯科用マイクロドリルを使用して作製した。損傷部を冷たい生理食塩水で強く洗浄し、落ちた断片を除去した後、ペレット約48個をフィブリン接着剤(トロンビン約10IU)又は血液で遠心分離して得た自己多血小板血漿(PRP)とトロンビン(約10IU)で損傷部に固定した。そして、その表面を高濃度のトロンビンを含むフィブリン接着剤又は自己PRPを塗布した。十分に固化後、膝蓋骨を再び元置させ、関節カプセルと皮膚を縫合した。細胞移植後、欠損部位での細胞固定を確認するために、手術後2週目、ヤギのヤギ両側膝に対してMRI(Magnus 2.1 for Magnum 3.0T MRI system; Medinus, Korea)評価を実施した。移植直後と移植12週及び24週後、再生組織の物理学的特性を評価するために、万能物性計測機JTM(H5K−T, H.T.E., Salfords, UK)を利用して押し込み試験(indentation test)を実施した。再生組織を含む膝部位を鋸で切断した後、再生組織の中心部を5Nロード細胞(load cell)と直径3mmの圧子プローブ(indenter probe)を使用して、0.1S−1速度で400μm深さまで押し込みながら剛性度(stiffness)及び弾性係数(elastic modulus)を測定した。その結果を下記表2に示した。
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Claims (10)
- a)軟骨細胞及び/又は軟骨分化能を有する細胞をV字状の底部を有するウェル容量が500μL以上である96ウェル ディープウェルプレートに0.5×10 5 〜2.0×10 5 細胞/400〜600μL/ウェルで分注し、
b)上記プレートを遠心分離し、
c)上記プレートをインキュベーター内で三次元培養し、そして
d)各ウェルからペレットを回収する、
工程を含む、球状軟骨細胞治療剤の製造方法。 - 工程a)で、軟骨分化能を有する細胞が間葉系幹細胞、胚性幹細胞及び人工多能性幹細胞からなる群より選択される、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 間葉系幹細胞が、脂肪由来、骨髄由来、臍帯由来、臍帯血由来、胎盤由来、滑膜由来、骨膜由来又は軟骨膜由来の細胞である、請求項2に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程a)で、軟骨細胞又は軟骨分化能を有する細胞を0.5×105〜2.0×105細胞/400μL/ウェルで分注する、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程a)で、マルチ−チャネルピペット、マルチ−ピペット、マイクロプレートワォッシャー及びマイクロプレートディスペンサーからなる群より選択される装置を用いて軟骨細胞又は軟骨分化能を有する細胞を分注する、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程b)で、500〜2000rpmで5分〜10分間遠心分離する、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程c)で、無血清培地で三次元培養する、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程c)で、3日〜30日間三次元培養する、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- 工程c)で、培地を交換する工程をさらに含む、請求項1に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
- マルチ−チャネルピペット、マルチ−ピペット、マイクロプレートワォッシャー及びマイクロプレートディスペンサーからなる群より選択される装置を用いて培地を交換する、請求項9に記載の球状軟骨細胞治療剤の製造方法。
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