JP6945242B2 - New tissue regenerated material and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、新規組織再生材料およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a novel tissue regenerated material and a method for producing the same.
老化やスポーツによる軟骨や靱帯の変性、損傷は増加の一途をたどっている。関節に存在する腱、靱帯、軟骨は関節の安定を保つ重要な役割を担う一方で、一度損傷すると自己治癒しにくい特性を有している。これらの組織が損傷した場合、同一個体内の移植により治療が行われることが多いが、修復組織の力学特性が正常組織と比較して劣るという問題がある。国民の30%以上が罹患している変形性関節症などでは、QOL維持・向上のために組織修復の質的レベルを向上させることが急務とされている。 Cartilage and ligament degeneration and damage due to aging and sports are increasing. While the tendons, ligaments, and cartilage present in joints play an important role in maintaining joint stability, they have the property of being difficult to self-heal once damaged. When these tissues are damaged, treatment is often performed by transplantation within the same individual, but there is a problem that the mechanical properties of the repaired tissue are inferior to those of normal tissue. For osteoarthritis, which affects more than 30% of the population, there is an urgent need to improve the qualitative level of tissue repair in order to maintain and improve QOL.
そのための修復材料として最も有望視されているのがiPS細胞や間葉系幹細胞などの幹細胞を基本とする幹細胞由来組織修復材料である。幹細胞は増殖能(自己を増やす能力)と分化能(他の細胞になる能力)をあわせもつ細胞の総称であり、理論的にはすべて生体組織を作り上げることができるため、幹細胞を基本とする組織修復材料に寄せる期待は大きい。幹細胞のなかの間葉系幹細胞は生体内に存在している体性幹細胞の一種であり、個体から容易に収集でき、拒絶反応の心配も少ないため、再生医療の現実的な切り札として注目されている。 The most promising repair material for this purpose is a stem cell-derived tissue repair material based on stem cells such as iPS cells and mesenchymal stem cells. Stem cells are a general term for cells that have both proliferative ability (ability to increase self) and differentiation ability (ability to become other cells). In theory, all living tissues can be created, so a tissue based on stem cells. Expectations are high for restoration materials. Among stem cells, mesenchymal stem cells are a type of somatic stem cells that exist in the body, can be easily collected from individuals, and there is little concern about rejection, so they are attracting attention as a realistic key to regenerative medicine. There is.
例えば、腱、靱帯、軟骨の修復に関する問題を解決するためのアプローチとして、膝滑膜より採取した間葉系幹細胞(MSCs)にコラーゲンなどの細胞外基質(extracellular matrix:ECM)を自己生成させて作製される幹細胞自己生成組織(stem cell-based self-assembled tissue:scSAT)が開発され、基礎的な研究が行われている(非特許文献1)。scSATは、当該技術分野においてティッシュ・エンジニアード・コンストラクト(tissue engineered construct:TEC)としても知られている。scSATは、動物由来のコラーゲンや人工化合物からなるスキャフォールドを必要としないため、生体内に埋入した際に拒絶反応等を起こしにくいといった特徴を有している。これまでにscSATは軟骨修復に効果があることが報告されている(非特許文献2)。しかし、scSATは細胞およびそれが自己生成する細胞外基質で構成される組織であり、薄く破れやすいなど移植手術の現場での取り扱いが難しい点が課題であったことに加え、修復組織の力学特性は正常軟骨と比較して低く、特に表層のコラーゲン密度が正常軟骨ほど高まらないことが課題となっている(非特許文献3)。 For example, as an approach to solve problems related to repair of tendons, ligaments, and cartilage, mesenchymal stem cells (MSCs) collected from the knee synovium are made to self-generate extracellular matrix (ECM) such as collagen. The produced stem cell-based self-assembled tissue (scSAT) has been developed and basic research is being conducted (Non-Patent Document 1). scSAT is also known in the art as a tissue engineered construct (TEC). Since scSAT does not require a scaffold made of animal-derived collagen or an artificial compound, it has a feature that it is unlikely to cause rejection when implanted in a living body. So far, scSAT has been reported to be effective in cartilage repair (Non-Patent Document 2). However, scSAT is a tissue composed of cells and an extracellular matrix that is self-generated by it, and has the problem that it is difficult to handle in the field of transplant surgery such as being thin and easily torn, and the mechanical properties of repair tissue. Is lower than normal cartilage, and the problem is that the collagen density in the surface layer is not as high as that of normal cartilage (Non-Patent Document 3).
しかし、上記の技術を含め、間葉系幹細胞由来の組織再生材料には以下の3つの問題がある。
a)培養環境の制約から幹細胞の分化能などのポテンシャルが最大限活かされていない。
b)組織再生材料の力学的強度が低く、また周囲組織と癒合能が低い。
c)調製可能な組織再生材料が小体積のため広領域の治療に用いることができない。However, including the above technique, the tissue regeneration material derived from mesenchymal stem cells has the following three problems.
a) Due to restrictions on the culture environment, the potential such as the ability of stem cells to differentiate is not fully utilized.
b) The mechanical strength of the tissue regenerating material is low, and the ability to fuse with surrounding tissues is low.
c) Due to the small volume of the tissue regenerating material that can be prepared, it cannot be used for wide area treatment.
組織再生材料において力学的強度を高めるためには、細胞と何らかのスキャフォールドの複合体を作成することが考えられるが、一般に、細胞とスキャフォールドの複合体の作成では、細胞をスキャフォールド内に侵入させることは困難とされている。例えば、陰圧の負荷や培養液の環流により、細胞をスキャフォールド内に侵入させる検討が行われているが、これらの方法は効果が少なく、生体組織のように細胞をある程度均一かつ高密度に含むような状態は作り出すことができない。 In order to increase the mechanical strength of the tissue regeneration material, it is conceivable to create a complex of cells and some scaffold, but in general, in the creation of a complex of cells and scaffold, cells invade the scaffold. It is said that it is difficult to make it. For example, studies have been conducted to allow cells to invade the scaffold by applying negative pressure or recirculating the culture medium, but these methods are less effective and make cells fairly uniform and dense like living tissues. It is not possible to create a state that includes it.
Yokoyamaらは、コラーゲンゲル内で細胞を培養するコラーゲンゲル培養法を用いて、低分子量コラーゲンからなる基質内に多量の幹細胞を含有させることに成功している(非特許文献4)。この培養法は、既存の細胞培養方としてニッタゼラチン(ニッタ)など、市販品も存在する。この方法は細胞をスキャフォールド内に充分に侵入させるという観点で、上記の問題を解決するものであるが、この方法では106細胞/cm2以上の多量の細胞が必要な上、生成された材料内のコラーゲンは量が少なく、再線維化度の低い低分子量の線維がほとんどである。これより少量の細胞を用い、より生体内環境に近い線維化度の高い多量のコラーゲン線維内に高密度に細胞を含有させることは不可能であった。Yokoyama et al. Have succeeded in containing a large amount of stem cells in a substrate composed of low molecular weight collagen by using a collagen gel culture method in which cells are cultured in a collagen gel (Non-Patent Document 4). As for this culture method, there are commercially available products such as Nitta gelatin (Nitta) as an existing cell culture method. In terms of this method is to sufficiently penetrate the cells into the scaffold, but is intended to solve the above problems, 10 6 cells / cm 2 or more large amounts on cells is needed in this method, the generated The amount of collagen in the material is small, and most of the fibers have a low molecular weight and a low degree of refibrosis. It was impossible to use a smaller amount of cells and to contain the cells at a high density in a large amount of collagen fibers having a high degree of fibrosis, which is closer to the in vivo environment.
本発明は、新規組織再生材料およびその製造方法を提供する。 The present invention provides a novel tissue regenerated material and a method for producing the same.
以上に鑑み、本件の発明者は、コラーゲン溶液中での幹細胞の培養に注目し、研究を開始した。鋭意検討の結果、少量の幹細胞を含む培養液にコラーゲン溶液またはコラーゲン分散体を混入させ、遠心分離による遠心力を与えて幹細胞とコラーゲンを培養平面に高密度に集積させ、その集積物を再び培養環境に戻す培養法の開発に至った(図1)。この手法により、幹細胞と線維化度の高いコラーゲン線維を基本組成とし、両材料の密度および密着度の極めて高い、新規の組織再生材料(本願明細書において、「幹細胞/コラーゲン複合体」とも称する)を開発することに成功した。当該知見に基づいて、本発明は完成された。 In view of the above, the inventor of this case focused on culturing stem cells in a collagen solution and started research. As a result of diligent studies, a collagen solution or collagen dispersion was mixed in a culture medium containing a small amount of stem cells, and centrifugal force was applied by centrifugation to accumulate stem cells and collagen at high density on the culture plane, and the aggregate was cultured again. We have developed a culture method that returns to the environment (Fig. 1). By this method, a novel tissue regeneration material (also referred to as "stem cell / collagen complex" in the present specification), which is based on stem cells and collagen fibers having a high degree of fibrosis and has extremely high density and adhesion between the two materials. Succeeded in developing. Based on this finding, the present invention has been completed.
すなわち、一態様において、本発明は以下のとおりであってよい。 That is, in one aspect, the present invention may be as follows.
[1] 組織再生材料の製造方法であって、以下の工程:
(1)幹細胞を含む中性の培養培地と、コラーゲン溶液または分散体とを混合する;
(2)(1)の混合物を遠心分離して、幹細胞とコラーゲンを集積させる;
(3)幹細胞とコラーゲンの集積物を培養する;
を含む、前記方法。[1] A method for producing a tissue-regenerated material, which comprises the following steps:
(1) Mix a neutral culture medium containing stem cells with a collagen solution or dispersion;
(2) Centrifuge the mixture of (1) to accumulate stem cells and collagen;
(3) Culturing stem cells and collagen aggregates;
The method described above.
[2] 幹細胞が、間葉系幹細胞、ES細胞、または人工多能性幹細胞(iPS細胞)である、上記[1]に記載の方法。 [2] The method according to the above [1], wherein the stem cell is a mesenchymal stem cell, an ES cell, or an induced pluripotent stem cell (iPS cell).
[3] 工程(1)の幹細胞が、1.0×105細胞/cm2〜6.0×105細胞/cm2の細胞密度まで培養した幹細胞である、上記[1]または[2]に記載の方法。[3] The stem cells in step (1) are stem cells cultured to a cell density of 1.0 × 10 5 cells / cm 2 to 6.0 × 10 5 cells / cm 2 , as described above [1] or [2]. The method described in.
[4] コラーゲンが、I型、II型またはIII型コラーゲンである、上記[1]〜[3]のいずれか1項に記載の方法。 [4] The method according to any one of [1] to [3] above, wherein the collagen is type I, type II or type III collagen.
[5] 工程(1)のコラーゲン溶液または分散体が、再線維化コラーゲンの線維分散体である、上記[1]〜[4]のいずれか1項に記載の方法。 [5] The method according to any one of [1] to [4] above, wherein the collagen solution or dispersion in step (1) is a fibrotic dispersion of refibrotic collagen.
[6] 工程(1)または工程(3)においてアスコルビン酸もしくはアスコルビン酸誘導体またはそれらの塩を添加することを含む、上記[1]〜[5]のいずれか1項に記載の方法。 [6] The method according to any one of the above [1] to [5], which comprises adding ascorbic acid or an ascorbic acid derivative or a salt thereof in the step (1) or the step (3).
[7] 上記[1]〜[6]のいずれか1項に記載の方法により製造される、組織再生材料。 [7] A tissue regenerating material produced by the method according to any one of the above [1] to [6].
本願に記載した手法により調製される新規の組織再生材料(幹細胞/コラーゲン複合体)は、従来のTECと比較して、細胞含有度が高く、大型の組織として得られた。また、幹細胞/コラーゲン複合体における再線維化コラーゲンの構造は、細胞が生体内に置かれた際の周囲環境に酷似しており、メカノバイオロジーの観点から、その環境下で培養される幹細胞の分化能等が最大限発揮される可能性が高い。これらの特徴から、好ましい特性を有する組織再生材料として有用である。 The novel tissue regeneration material (stem cell / collagen complex) prepared by the method described in the present application has a high cell content as compared with the conventional TEC, and is obtained as a large tissue. In addition, the structure of refibrotic collagen in the stem cell / collagen complex closely resembles the surrounding environment when the cells are placed in vivo, and from the viewpoint of mechanobiology, stem cells cultured in that environment There is a high possibility that the differentiation ability will be maximized. From these characteristics, it is useful as a tissue regeneration material having preferable properties.
以下に本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 The present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited thereto.
本明細書で特段に定義されない限り、本発明に関連して用いられる科学用語及び技術用語は、当業者によって一般に理解される意味を有するものとする。 Unless otherwise defined herein, scientific and technical terms used in the context of the present invention shall have meanings commonly understood by those skilled in the art.
組織再生材料の製造方法
一態様において本発明は以下の工程:
(1)幹細胞を含む中性の培養培地と、コラーゲン溶液または分散体とを混合する;
(2)(1)の混合物を遠心分離して、幹細胞とコラーゲンを集積させる;
(3)幹細胞とコラーゲンの集積物を培養する;
を含む、組織再生材料の製造方法に関する。 Method for Producing Tissue Regenerated Material In one aspect, the present invention describes the following steps:
(1) Mix a neutral culture medium containing stem cells with a collagen solution or dispersion;
(2) Centrifuge the mixture of (1) to accumulate stem cells and collagen;
(3) Culturing stem cells and collagen aggregates;
The present invention relates to a method for producing a tissue regenerated material, including.
上記の方法において、幹細胞の種類は特に限定されないが、例えば、間葉系幹細胞、ES細胞、および人工多能性幹細胞(iPS細胞)、からなる群より選択してもよい。好ましくは、幹細胞は間葉系幹細胞である。幹細胞は哺乳動物由来の細胞、好ましくはヒト由来の細胞である。 In the above method, the type of stem cell is not particularly limited, but may be selected from the group consisting of, for example, mesenchymal stem cells, ES cells, and induced pluripotent stem cells (iPS cells). Preferably, the stem cells are mesenchymal stem cells. Stem cells are mammalian-derived cells, preferably human-derived cells.
上記工程(1)において、幹細胞の密度は特に限定されないが、例えば、1.0×105細胞/cm2〜1.0×106細胞/cm2の細胞密度まで培養した幹細胞であってもよく、好ましくは1.0×105細胞/cm2〜6.0×105細胞/cm2の細胞密度まで培養した幹細胞である。さらに好ましくは2.0×105細胞/cm2〜4.0×105細胞/cm2の細胞密度まで培養した幹細胞である。In the above step (1), the density of stem cells is not particularly limited, but for example, even stem cells cultured to a cell density of 1.0 × 10 5 cells / cm 2 to 1.0 × 10 6 cells / cm 2. Stem cells are often and preferably cultured to a cell density of 1.0 × 10 5 cells / cm 2 to 6.0 × 10 5 cells / cm 2. More preferably 2.0 × 10 5 cells / cm 2 ~4.0 × 10 5 stem cells cultured to a cell density of cells / cm 2.
培養培地または培地は、幹細胞の培養に適した培地である限り特に限定はないが、例えば、DMEMなどを好適に使用することができる。培養培地または培地は、血清、抗生物質等の追加の成分を含んでいてもよく、これらは培養する幹細胞の種類に応じて当業者が適宜選択することができる。培地のpHは中性であり、例えばpH6.0〜8.0、またはpH6.5〜7.5、の範囲で調製される。 The culture medium or medium is not particularly limited as long as it is a medium suitable for culturing stem cells, but for example, DMEM or the like can be preferably used. The culture medium or medium may contain additional components such as serum and antibiotics, which can be appropriately selected by those skilled in the art depending on the type of stem cells to be cultured. The pH of the medium is neutral and is prepared, for example, in the range of pH 6.0-8.0 or pH 6.5-7.5.
コラーゲン溶液または分散体は、コラーゲンを含む溶液または分散体であれば特に制限はない。コラーゲン分散体は、好ましくは再線維化コラーゲンの線維分散体である。コラーゲンの再線維化は、コラーゲン溶液を中性の環境に置くことで進行する。したがって、再線維化コラーゲンの線維分散体は、コラーゲン溶液を中性の条件下に置くことで調製してもよい。 The collagen solution or dispersion is not particularly limited as long as it is a solution or dispersion containing collagen. The collagen dispersion is preferably a fibrotic dispersion of refibrotic collagen. Collagen refibrosis proceeds by placing the collagen solution in a neutral environment. Therefore, fibrotic dispersions of refibrotic collagen may be prepared by placing the collagen solution under neutral conditions.
コラーゲン溶液または分散体に含まれるコラーゲンは、コラーゲンであれば特に限定されない。好ましくは、中性、37℃でインキュベートすることで線維形成することができるコラーゲンであればよい。そのようなコラーゲンとしては、例えば、I型、II型、またはIII型コラーゲンが挙げられる。より好ましくは、コラーゲンは、I型またはII型コラーゲンであってもよい。 The collagen contained in the collagen solution or the dispersion is not particularly limited as long as it is collagen. Preferably, collagen is neutral and can form fibers by incubating at 37 ° C. Examples of such collagen include type I, type II, or type III collagen. More preferably, the collagen may be type I or type II collagen.
上記工程(1)を実施する温度は、幹細胞の培養に適した温度である限り特に制限はなく、当業者が適宜選択することができる。好ましい温度は、例えば、35℃〜40℃、より好ましくは37℃である。 The temperature at which the above step (1) is carried out is not particularly limited as long as it is a temperature suitable for culturing stem cells, and can be appropriately selected by those skilled in the art. The preferred temperature is, for example, 35 ° C to 40 ° C, more preferably 37 ° C.
上記工程(2)において、遠心分離は、細胞を沈降・集積させるのに当業者が通常使用する条件であれば特に限定されない。例えば1000rpm〜3000rpm、好ましくは1000rpm〜1500rpm、より好ましくは1000rpm、の回転数で5分間、といった条件を利用してもよい。 In the above step (2), the centrifugation is not particularly limited as long as it is a condition normally used by those skilled in the art for precipitating and accumulating cells. For example, a condition such as 1000 rpm to 3000 rpm, preferably 1000 rpm to 1500 rpm, and more preferably 1000 rpm for 5 minutes may be used.
上記工程(3)において、幹細胞とコラーゲンの集積物を培養は、上述のとおりの培養培地または培地中で行うことができる。培養温度は、幹細胞の培養に適した温度である限り特に制限はなく、当業者が適宜選択することができる。好ましい温度は、例えば、35℃〜40℃、より好ましくは37℃である。培養時間は、例えば、6日〜28日の間、より好ましくは6日〜14日の間、であってよい。 In the above step (3), the accumulation of stem cells and collagen can be cultured in the culture medium or medium as described above. The culture temperature is not particularly limited as long as it is a temperature suitable for culturing stem cells, and can be appropriately selected by those skilled in the art. The preferred temperature is, for example, 35 ° C to 40 ° C, more preferably 37 ° C. The culturing time may be, for example, between 6 and 28 days, more preferably between 6 and 14 days.
一態様において、上記の方法において、工程(1)または(3)においてアスコルビン酸もしくはアスコルビン酸誘導体またはそれらの塩を添加してもよい。これらの添加は、細胞によるコラーゲンを含む細胞外基質の生成を向上させる作用が期待される。 In one aspect, ascorbic acid or ascorbic acid derivatives or salts thereof may be added in steps (1) or (3) in the above method. These additions are expected to have the effect of improving the production of extracellular matrix containing collagen by cells.
アスコルビン酸誘導体は、特に限定されないが、アスコルビン酸の2位、3位、5位、および/または6位の水酸基が、リン酸、硫酸、グルコースなどの糖、脂肪酸(例えば、ステアリン酸、パルミチン酸、ヘキシルデカン酸、など)、でエステル化された誘導体やアルキル基(例えば、C1〜C20アルキル)でエーテル化された誘導体、などが挙げられる。アスコルビン酸誘導体には、アスコルビン酸2−リン酸、アスコルビン酸2−硫酸、アスコルビル−2−グルコシド、アスコルビル−6−グルコシド、が含まれてもよい。The ascorbic acid derivative is not particularly limited, but the hydroxyl groups at the 2-position, 3-position, 5-position, and / or 6-position of ascorbic acid are sugars such as phosphoric acid, sulfuric acid, and glucose, and fatty acids (for example, stearic acid and palmitic acid). , Hexyldecanoic acid, etc.), derivatives esterified with alkyl groups (eg, C 1 to C 20 alkyl), and the like. The ascorbic acid derivative may contain ascorbic acid 2-phosphoric acid, ascorbic acid 2-sulfuric acid, ascorbic-2-glucoside, and ascorbic-6-glucoside.
アスコルビン酸の塩またはアスコルビン酸誘導体の塩は、特に限定されないが、アルカリ金属塩(ナトリウム塩、カリウム塩など)、アルカリ土類金属塩(マグネシウム塩、カリウム塩など)を含む。 The salt of ascorbic acid or the salt of the ascorbic acid derivative is not particularly limited, and includes an alkali metal salt (sodium salt, potassium salt, etc.) and an alkaline earth metal salt (magnesium salt, potassium salt, etc.).
アスコルビン酸もしくはアスコルビン酸誘導体またはそれらの塩は、水和物の形で存在していてもよい。 Ascorbic acid or ascorbic acid derivatives or salts thereof may be present in the form of hydrates.
上記工程(1)〜(3)を経て、幹細胞がコラーゲン分散体を巻き込む形で三次元化した構造を有する組織構築物を生じてくる。この得られた組織構築物を組織再生材料として利用できる。 Through the above steps (1) to (3), a tissue structure having a three-dimensional structure is produced in which stem cells involve a collagen dispersion. The obtained tissue structure can be used as a tissue regeneration material.
組織再生材料
一態様において本発明は、以下の工程:
(1)幹細胞を含む中性の培養培地と、コラーゲン溶液または分散体とを混合する;
(2)(1)の混合物を遠心分離して、幹細胞とコラーゲンを集積させる;
(3)幹細胞とコラーゲンの集積物を培養する;
を含み、ここで上記(1)または(3)の工程においてアスコルビン酸もしくはアスコルビン酸誘導体またはそれらの塩を添加することを含む方法、により製造される組織再生材料に関する。 In one aspect of the tissue regenerating material , the present invention describes the following steps:
(1) Mix a neutral culture medium containing stem cells with a collagen solution or dispersion;
(2) Centrifuge the mixture of (1) to accumulate stem cells and collagen;
(3) Culturing stem cells and collagen aggregates;
The present invention relates to a tissue regenerating material produced by a method comprising adding ascorbic acid or an ascorbic acid derivative or a salt thereof in the above steps (1) or (3).
上記組織再生材料を製造する方法の各構成に関する説明は、上記「組織再生材料の製造方法」の項目において記載したとおりである。 The description of each configuration of the method for producing the tissue regenerated material is as described in the item of the above-mentioned "Method for producing the tissue regenerated material".
組織再生材料は、強固なシート状の組織の形態を有する。その厚みは600μm〜1500μm程度、面積は30mm2〜360mm2程度のものも作成可能である。これは、非特許文献1に記載されるような従来のTECと比較して10倍程度厚く、体積も100倍程度大きい。The tissue regenerated material has a strong sheet-like tissue morphology. Its thickness is about 600Myuemu~1500myuemu, area also can be created of about 30mm 2 ~360mm 2. This is about 10 times thicker and about 100 times larger in volume than the conventional TEC as described in Non-Patent Document 1.
上記の方法により製造された組織再生材料を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察したところ、多孔性の高い表面を有するとともに、直径がサブマイクロメーターレベルのコラーゲン(フィブリル、サブフィブリル)構造に加え、その高次構造であるマイクロメーターレベルのコラーゲン(ファシクル)構造が共存している様子が観察された。このようなコラーゲンの構造は天然の生体線維構造に酷似している。また、細胞に結合するコラーゲンが多量かつ立体的である様子も観察された。したがって、上記の方法により製造された組織再生材料は、当該材料内のコラーゲン原線維が豊富であり、線維形成度も高く、細胞が生体内に置かれた際の周囲環境に近い。 When the tissue regeneration material produced by the above method was observed with a scanning electron microscope (SEM), it had a highly porous surface, and in addition to the collagen (fibril, subfibril) structure having a submicrometer level in diameter, It was observed that the higher-order structure, the micrometer-level collagen (fascicle) structure, coexisted. The structure of such collagen closely resembles the structure of natural biofibers. It was also observed that the amount of collagen that binds to cells was large and three-dimensional. Therefore, the tissue regeneration material produced by the above method is rich in collagen fibrils in the material, has a high degree of fibrosis, and is close to the surrounding environment when cells are placed in a living body.
本発明の組織再生材料は、腱、靱帯および軟骨の修復のために用いることができる。腱、靱帯および軟骨の修復のために本発明の組織再生材料を用いる際は、腱、靱帯および軟骨の欠損部位に本発明の組織再生材料を置くことで埋入し、当該欠損部位を覆う皮膚を縫合すればよい。本発明の組織再生材料は、幹細胞が細胞外基質を自己生成することから接着因子等が分泌されるため、腱、靱帯および軟骨の欠損部位と組織修復材を抱合または接着するための特別な手順は不要である。 The tissue regeneration material of the present invention can be used for repairing tendons, ligaments and cartilage. When the tissue regeneration material of the present invention is used for repairing tendons, ligaments and cartilage, the tissue regeneration material of the present invention is placed on the defect site of the tendon, ligament and cartilage to implant the tissue, and the skin covering the defect site is embedded. Should be sutured. The tissue regeneration material of the present invention is a special procedure for conjugating or adhering a tissue repair material to a defective site of tendon, ligament and cartilage because adhesion factors and the like are secreted because stem cells self-generate extracellular matrix. Is unnecessary.
また、本発明の組織再生材料は、上記のように従来のTECと比較して厚みがある材料として、または大きなサイズの材料として得ることができる。これらの特性は、従来のTECと比較して、手術時に材料をハンドリングする際の安定性の向上する、腱修復および軟骨修復が必要な場合に欠損患部への移植が容易になる、より広範な欠損部への移植に利用可能である、等の利点を提供する。 Further, the tissue regenerated material of the present invention can be obtained as a material having a thickness as compared with the conventional TEC as described above, or as a material having a large size. These properties are broader than traditional TECs, which improve stability during surgical handling of materials and facilitate transplantation into defective affected areas when tendon and cartilage repairs are required. It provides advantages such as being available for transplantation into a defect.
以下に本発明の具体例を示す。これらの具体例は、本発明を理解するための説明を提供することを目的とするものであって、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。 Specific examples of the present invention are shown below. These specific examples are intended to provide an explanation for understanding the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention.
実施例1:幹細胞/コラーゲン複合体の作製およびSEM観察
(1)幹細胞/コラーゲン複合体の作製
ヒト滑膜より採取した間葉系幹細胞(MSCs)を、培養培地(DMEM、10%ウシ胎児血清(FBS)、1%P/S(ペニシリン/ストレイプトマイシン)中で、4.0×105細胞/cm2または2.0×105細胞/cm2となるまで培養した。培養した細胞をチューブに集め、培養培地(DMEM、10%FBS、1%P/S、0.2mMアスコルビン酸2−リン酸)中、5.6×105細胞/mLまたは2.8×105細胞/mLの細胞懸濁液となるよう調製した。 Example 1: Preparation of stem cell / collagen complex and observation of SEM (1) Preparation of stem cell / collagen complex Mesenchymal stem cells (MSCs) collected from human synovial membrane were used in a culture medium (DMEM, 10% fetal bovine serum). FBS), cultured in 1% P / S (penicillin / streptomycin) to 4.0 × 10 5 cells / cm 2 or 2.0 × 10 5 cells / cm 2, and the cultured cells were tubed. In culture medium (DMEM, 10% FBS, 1% P / S, 0.2 mM 2-phosphate ascorbic acid), 5.6 × 10 5 cells / mL or 2.8 × 10 5 cells / mL. Prepared to be a cell suspension.
別のチューブに、3.0mg/mLのI型コラーゲン溶液2.5mLに対し、培地(DMEM、10%FBS、1%P/S、0.2mMアスコルビン酸2−リン酸)およびNaHCO3を添加して中性にした。37℃で1日間インキュベートすることにより、再線維化コラーゲン分散液を得た。これを、37℃で、4000rpm、20分間遠心分離し、上清を除去した。In a separate tube, add medium (DMEM, 10% FBS, 1% P / S, 0.2 mM ascorbic acid 2-phosphate) and NaHCO 3 to 2.5 mL of 3.0 mg / mL type I collagen solution. And made it neutral. Incubation at 37 ° C. for 1 day gave a refibrotic collagen dispersion. This was centrifuged at 37 ° C. at 4000 rpm for 20 minutes to remove the supernatant.
上清を除去した再線維化コラーゲンに上記細胞懸濁液を3mL加え、駒込ピペットで懸濁させ、コラーゲン線維/MSCs溶液を得た。このコラーゲン線維/MSCs溶液を、細胞培養インサートを設置した6ウェルプレートに移した。このプレートを、1000rpmで5分間遠心分離し、コラーゲン線維およびMSCs線維を圧縮および脱水した。これをインキュベータで37℃で培養した。培地交換は、上記遠心分離の翌日、およびその後は2日おきに行った。培養は上記遠心分離の日を0日とし、14日目まで行った。培養6日目頃から自己組織化が観察され、ピンセットでも把持可能な強固なシート状の組織を生じた。この組織を、本願において幹細胞/コラーゲン複合体と称する。 3 mL of the above cell suspension was added to the refibrotic collagen from which the supernatant had been removed, and the suspension was suspended with a Komagome pipette to obtain a collagen fiber / MSCs solution. The collagen fiber / MSCs solution was transferred to a 6-well plate with cell culture inserts. The plate was centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes to compress and dehydrate collagen and MSCs fibers. This was cultured in an incubator at 37 ° C. The medium was changed the day after the centrifugation, and every two days thereafter. The culture was carried out until the 14th day, with the day of the above centrifugation being 0 day. Self-organization was observed from about the 6th day of culture, and a strong sheet-like tissue that could be grasped with tweezers was formed. This tissue is referred to herein as a stem cell / collagen complex.
(2)幹細胞/コラーゲン複合体のSEM観察
上記(1)において、2.8×105細胞/mLの細胞懸濁液を用いて作製した幹細胞/コラーゲン複合体を用い、特許文献1の方法に従って作製したTECとの比較を走査型電子顕微鏡(SEM)画像解析により行った。結果を図2に示す。(2) In the SEM observation above stem cells / collagen composite (1), using stem cells / collagen composite produced using the cell suspension 2.8 × 10 5 cells / mL, according to the method of Patent Document 1 Comparison with the prepared TEC was performed by scanning electron microscope (SEM) image analysis. The results are shown in FIG.
TECについては、多孔度の低い表面が観察され、コラーゲン構造は確認できなかった。また、TECでは、壁状の構造に細胞が埋め込まれているか、球形状の細胞が点在する様子が観察された。 Regarding TEC, a surface with low porosity was observed, and the collagen structure could not be confirmed. In TEC, it was observed that cells were embedded in the wall-like structure or that spherical cells were scattered.
一方、幹細胞/コラーゲン複合体については、多孔度の高い表面が観察され、直径がサブマイクロメーターレベルのコラーゲン(フィブリル、サブフィブリル)構造と、その高次構造であるマイクロメーターレベルのコラーゲン(ファシクル)構造が共存していることが観察された。このようなコラーゲンの構造は天然の生体線維構造に酷似している。また、細胞とコラーゲン構造の連結性が高い様子も観察された。 On the other hand, for the stem cell / collagen complex, a highly porous surface was observed, and a collagen (fibril, subfibril) structure with a diameter of submicrometer level and a micrometer level collagen (fascicle), which is a higher-order structure thereof. It was observed that the structures coexisted. The structure of such collagen closely resembles the structure of natural biofibers. It was also observed that the cells and collagen structure were highly connected.
実施例2:遠心分離の影響
実施例1(1)では、コラーゲン線維/MSCs溶液を6ウェルプレートにおいて遠心分離を行った。実施例2においては、この遠心分離工程のない実験により得られる組織と、実施例1(1)の方法による幹細胞/コラーゲン複合体を比較した。また、下記実施例4において示すコラーゲンゲル内培養で生成される組織と、実施例1(1)の方法による幹細胞/コラーゲン複合体を比較した。 Example 2: Effect of Centrifugation In Example 1 (1), the collagen fiber / MSCs solution was centrifuged in a 6-well plate. In Example 2, the tissue obtained by this experiment without the centrifugation step was compared with the stem cell / collagen complex by the method of Example 1 (1). In addition, the tissue produced by the collagen gel culture shown in Example 4 below was compared with the stem cell / collagen complex by the method of Example 1 (1).
その結果、培養14日時点において、上記遠心分離工程のない実験およびコラーゲンゲル内培養では、非常に脆く、円盤形状の大きい組織が得られたのに対し、上記遠心分離工程を含む実施例1(1)の方法では、シート状の強固な組織が得られた。(図3) As a result, at the 14th day of culturing, in the experiment without the centrifugation step and the culture in the collagen gel, a very brittle and large disk-shaped tissue was obtained, whereas in Example 1 including the centrifugation step (the above-mentioned centrifugation step). In the method of 1), a sheet-like strong structure was obtained. (Fig. 3)
実施例3:アスコルビン酸2−リン酸添加の影響
幹細胞/コラーゲン複合体生成におけるアスコルビン酸2−リン酸添加の影響を検討すべく、以下の方法で幹細胞/コラーゲン複合体を調製した。 Example 3: Effect of addition of ascorbic acid 2-phosphate In order to examine the effect of addition of ascorbic acid 2-phosphate on the formation of the stem cell / collagen complex, a stem cell / collagen complex was prepared by the following method.
方法
ヒト滑膜より採取した間葉系幹細胞(MSCs)を、培養培地(DMEM、10%FBS、1%P/S(ペニシリン/ストレイプトマイシン)中で、2.0×105細胞/cm2となるまで培養した。培養した細胞をチューブに集め、培養培地(DMEM、10%FBS、1%P/S、0.2mMアスコルビン酸2−リン酸)中、2.8×105細胞/mLの細胞懸濁液となるよう調製した。The mesenchymal stem cells methods were collected from human synovial (MSCs), in culture medium (DMEM, 10% FBS, 1 % P / S ( penicillin / Stray script mycin), 2.0 × 10 5 cells / cm 2 and until cultured. cultured cells were collected in a tube, in culture medium (DMEM, 10% FBS, 1 % P / S, 0.2mM ascorbic acid 2-phosphate), 2.8 × 10 5 cells / mL Was prepared to be a cell suspension of.
別のチューブに、3.0mg/mLのI型コラーゲン溶液2.5mLに対し、培地(DMEM、10%FBS、1%P/S)およびNaHCO3を添加して中性にした。37℃で1日間インキュベートすることにより、再線維化コラーゲン分散液を得た。これを、37℃で、4000rpm、20分間遠心分離し、上清を除去した。In another tube, medium (DMEM, 10% FBS, 1% P / S) and NaHCO 3 were added to 2.5 mL of 3.0 mg / mL type I collagen solution to neutralize the solution. Incubation at 37 ° C. for 1 day gave a refibrotic collagen dispersion. This was centrifuged at 37 ° C. at 4000 rpm for 20 minutes to remove the supernatant.
上清を除去した再線維化コラーゲンに上記細胞懸濁液を3mL加え、駒込ピペットで懸濁させ、コラーゲン線維/MSCs溶液を得た。このコラーゲン線維/MSCs溶液を、細胞培養インサートを設置した6ウェルプレートに移した。このプレートを、1000rpmで5分間遠心分離し、コラーゲン線維およびMSCs線維を圧縮および脱水した。これをインキュベータで37℃で培養した。上記遠心分離の日を0日とし、培養1日目にアスコルビン酸2−リン酸(0.2mM)を添加した群、培養4日目にアスコルビン酸2−リン酸(0.2mM)を添加した群、およびアスコルビン酸2−リン酸を添加しない群、を調製した。培地交換は、上記遠心分離の翌日、およびその後は2日おきに行った。培養は上記遠心分離の日を0日とし、14日目まで行った。 3 mL of the above cell suspension was added to the refibrotic collagen from which the supernatant had been removed, and the suspension was suspended with a Komagome pipette to obtain a collagen fiber / MSCs solution. The collagen fiber / MSCs solution was transferred to a 6-well plate with cell culture inserts. The plate was centrifuged at 1000 rpm for 5 minutes to compress and dehydrate collagen and MSCs fibers. This was cultured in an incubator at 37 ° C. The day of centrifugation was set to day 0, and the group to which ascorbic acid 2-phosphate (0.2 mM) was added on the first day of culture, and the group to which ascorbic acid 2-phosphate (0.2 mM) was added on the fourth day of culture. A group and a group to which ascorbic acid 2-phosphate was not added were prepared. The medium was changed the day after the centrifugation, and every two days thereafter. The culture was carried out until the 14th day, with the day of the above centrifugation being 0 day.
結果
上記の培養1日目にアスコルビン酸2−リン酸(0.2mM)を添加した群、培養4日目にアスコルビン酸2−リン酸(0.2mM)を添加した群、およびアスコルビン酸2−リン酸を添加しない群はともに、シート状の幹細胞/コラーゲン複合体を形成した。 Results The group to which ascorbic acid 2-phosphate (0.2 mM) was added on the first day of the culture, the group to which ascorbic acid 2-phosphate (0.2 mM) was added on the fourth day of the culture, and the ascorbic acid 2-. Both groups without the addition of phosphoric acid formed a sheet-like stem cell / collagen complex.
肉眼による形態観察では、アスコルビン酸2−リン酸の添加の有無による影響、およびアスコルビン酸2−リン酸の添加時期による影響は、いずれも確認されなかった。 In the morphological observation with the naked eye, neither the effect of the addition or absence of ascorbic acid 2-phosphate nor the effect of the addition time of ascorbic acid 2-phosphate was confirmed.
また、実施例1(1)の方法により作製された幹細胞/コラーゲン複合体(アスコルビン酸2−リン酸有り)と、本実施例のアスコルビン酸2−リン酸を添加しない群として調製された幹細胞/コラーゲン複合体(アスコルビン酸2−リン酸無し)についてのSEM画像を比較した。いずれにおいても、多孔度が高い表面を有する様子、直径がサブマイクロメーターレベルのコラーゲン(フィブリル、サブフィブリル)構造に加え、その高次構造であるマイクロメーターレベルのコラーゲン(ファシクル)構造が共存している様子、および細胞に結合するコラーゲンが多量かつ立体的である様子、が観察された(図4)。そして、高倍率(1500〜2000倍)のSEM観察では、両者において立体的形状の細胞の存在や、細胞に結合するコラーゲンが多量かつ立体的であることが観察されたが、この傾向はアスコルビン酸2−リン酸有りの幹細胞/コラーゲン複合体においてより顕著であった。 In addition, the stem cell / collagen complex (with ascorbic acid 2-phosphate) prepared by the method of Example 1 (1) and the stem cell / prepared as a group to which the ascorbic acid 2-phosphate of this example was not added. SEM images for the collagen complex (without ascorbic acid 2-phosphate) were compared. In each case, in addition to the appearance of having a highly porous surface and a collagen (fibril, subfibril) structure with a diameter of submicrometer level, a micrometer level collagen (fascicle) structure, which is a higher-order structure, coexists. It was observed that collagen was present and that collagen binding to cells was abundant and three-dimensional (Fig. 4). Then, in high-magnification (1500-2000 times) SEM observation, it was observed that cells having a three-dimensional shape and a large amount of collagen binding to the cells were observed in both cases, and this tendency was observed as ascorbic acid. It was more prominent in the stem cell / collagen complex with 2-phosphate.
実施例4:コラーゲンゲル内培養との比較
上記(1)において、2.8×105細胞/mLの細胞懸濁液を用いて作製した幹細胞/コラーゲン複合体を用い、以下に示すコラーゲンゲル内培養によって作製した組織との形態学的な比較を、肉眼による形態観察およびSEM画像解析により行った。 Example 4: Comparative above within collagen gel culture (1), 2.8 × 10 5 cells / mL cell suspension with using stem cells / collagen composite produced in, the collagen gel in the following Morphological comparison with the tissue prepared by culturing was performed by morphological observation with the naked eye and SEM image analysis.
コラーゲンゲル内培養(比較例)
コラーゲン線維とともに細胞培養を行う一般的な方法として、コラーゲンゲル内培養が知られている。非特許文献4の記載に基づき、以下の方法により、組織を調製した。 Culture in collagen gel (comparative example)
Intracollagen gel culture is known as a general method for culturing cells together with collagen fibers. Based on the description of Non-Patent Document 4, the tissue was prepared by the following method.
氷冷下で、3mg/mLのコラーゲン溶液 7mL、5倍DMEM 2mL、37g/L NaHCO3 1mLを混合し、10mLのゲル溶液を作製した。10%FBS、1%P/S、0.2mMアスコルビン酸2−リン酸を添加した。Under ice-cooling, 7 mL of 3 mg / mL collagen solution, 5 times DMEM 2 mL, and 37 g / L NaHCO 3 1 mL were mixed to prepare a 10 mL gel solution. 10% FBS, 1% P / S, 0.2 mM ascorbic acid 2-phosphate was added.
細胞数2.0×105細胞/cm2のMSCsを含む細胞懸濁液を遠心分離し、細胞を遠沈管の底に集積させ、上清を除去した。細胞の集積物に、上記の10%FBS、1%P/S、0.2mMアスコルビン酸2−リン酸を添加したコラーゲンゲル溶液を3.7mL添加し、37℃でインキュベート(培養)し、ゲル化した。培養は7日目、ないし14日目まで行った。The cell suspension containing MSCs cell numbers 2.0 × 10 5 cells / cm 2 was centrifuged, the cells are integrated in the bottom of the centrifuge tube, the supernatant was removed. To the cell aggregate, 3.7 mL of a collagen gel solution containing the above 10% FBS, 1% P / S, and 0.2 mM ascorbic acid 2-phosphate was added, and the mixture was incubated at 37 ° C. to gel. It became. Culturing was carried out from the 7th day to the 14th day.
結果
結果を図4に示す(「コラーゲンゲル内培養」と「細胞/コラーゲン複合体(アスコルビン酸2リン酸有り」の画像)。実施例2において言及したとおり、コラーゲンゲル内培養では大きいものの、ピンセットで把持すると破壊しそうな、多量の水を含む非常に弱い組織が生じた。一方、実施例1(1)の方法により作製した幹細胞/コラーゲン複合体は、強固なシート状の組織であった。 Results The results are shown in FIG. 4 (images of "collagen gel culture" and "cell / collagen complex (with ascorbic acid diphosphate"). As mentioned in Example 2, although large in collagen gel culture, tweezers A very weak tissue containing a large amount of water, which was likely to be destroyed when grasped with, was formed. On the other hand, the stem cell / collagen complex prepared by the method of Example 1 (1) was a strong sheet-like tissue.
また、低倍率(200倍)のSEM観察では、コラーゲンゲル内培養で得られた組織について、実施例1(2)で比較に用いたTECと同様に、コラーゲン線維構造が確認されず、のっぺりとした多孔度の低い表面が観察された。一方、実施例1(1)の方法により作成した幹細胞/コラーゲン複合体については、低倍率(200倍観察)で多孔度の高い表面が観察され、直径がマイクロメーターレベルのコラーゲン(ファシクル)構造が存在することが確認された(図4(A))。 In addition, in the low-magnification (200-fold) SEM observation, the collagen fiber structure was not confirmed in the tissue obtained by culturing in the collagen gel, as in the case of the TEC used for comparison in Example 1 (2), and the tissue was flat. A surface with low porosity was observed. On the other hand, in the stem cell / collagen complex prepared by the method of Example 1 (1), a highly porosity surface was observed at a low magnification (200 times observation), and a collagen (facicle) structure having a micrometer level in diameter was observed. It was confirmed to exist (Fig. 4 (A)).
中倍率(1000倍)のSEM観察では、コラーゲンゲル内培養で得られた組織について、直径がサブマイクロメーターレベルのコラーゲン(フィブリル、サブフィブリル)構造が観察された。一方、幹細胞/コラーゲン複合体については、直径がサブマイクロメーターレベルのコラーゲン(フィブリル、サブフィブリル)構造に加え、その高次構造であるマイクロメーターレベルのコラーゲン(ファシクル)構造が共存している様子が観察された。また、細胞に結合するコラーゲンが多量かつ立体的である様子も観察された(図4(B))。 In medium magnification (1000 times) SEM observation, collagen (fibril, subfibril) structure with a diameter of submicrometer level was observed in the tissue obtained by culturing in collagen gel. On the other hand, regarding the stem cell / collagen complex, in addition to the submicrometer-level collagen (fibril, subfibril) structure, the higher-order structure, the micrometer-level collagen (fascicle) structure, coexists. It was observed. It was also observed that the amount of collagen that binds to cells was large and three-dimensional (Fig. 4 (B)).
高倍率(1500倍〜2500倍)のSEM観察では、コラーゲンゲル内培養で得られた組織について、平板状の細胞が存在する様子が観察された。一方、幹細胞/コラーゲン複合体については、立体的形状の細胞が存在する様子が観察された。また、中倍率の観察と同様に、細胞に結合するコラーゲンが多量かつ立体的である様子も観察された(図4(C))。 In high-magnification (1500 to 2500 times) SEM observation, the presence of flat cells was observed in the tissue obtained by culturing in collagen gel. On the other hand, regarding the stem cell / collagen complex, the existence of cells having a three-dimensional shape was observed. In addition, similar to the observation at medium magnification, it was also observed that the collagen binding to the cells was abundant and three-dimensional (FIG. 4 (C)).
したがって、幹細胞/コラーゲン複合体は、多孔度が高く、フィブリルとファシクルを有するコラーゲン線維の階層構造を有すること確認された。また、幹細胞/コラーゲン複合体では、細胞周囲のコラーゲン線維が密であることから、細胞の基質生成が盛んであると推測される。 Therefore, it was confirmed that the stem cell / collagen complex has a high porosity and a hierarchical structure of collagen fibers having fibrils and facilitates. Moreover, in the stem cell / collagen complex, since the collagen fibers around the cells are dense, it is presumed that the substrate production of the cells is active.
本願に記載した手法により調製される新規の組織再生材料(幹細胞/コラーゲン複合体)は、細胞含有度が高く大型の組織として得られる、および幹細胞/コラーゲン複合体における再線維化コラーゲンの構造は、細胞が生体内に置かれた際の周囲環境に酷似している、といった特性から、組織再生材料として利用可能である。 The novel tissue regeneration material (stem cell / collagen complex) prepared by the method described in the present application is obtained as a large tissue with high cell content, and the structure of refibrotic collagen in the stem cell / collagen complex is It can be used as a tissue regeneration material because of its characteristics that it closely resembles the surrounding environment when cells are placed in a living body.
Claims (7)
(1)幹細胞を含む中性の培養培地と、コラーゲン溶液または分散体とを混合する;
(2)(1)の混合物を遠心分離して、幹細胞とコラーゲンを集積させる;
(3)幹細胞とコラーゲンの集積物を培養する;
を含む、前記方法。A method for producing a tissue-regenerated material, which is the following process:
(1) Mix a neutral culture medium containing stem cells with a collagen solution or dispersion;
(2) Centrifuge the mixture of (1) to accumulate stem cells and collagen;
(3) Culturing stem cells and collagen aggregates;
The method described above.
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