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JP7373833B2 - Three-dimensional biological tissue culturing method, three-dimensional biological tissue culturing device and system - Google Patents
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Three-dimensional biological tissue culturing method, three-dimensional biological tissue culturing device and system Download PDF

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Description

本発明は、三次元生体組織の培養方法に関する。また、本発明は、三次元生体組織培養デバイス及びシステム方法に関する。 The present invention relates to a method for culturing three-dimensional biological tissue. The present invention also relates to a three-dimensional biological tissue culture device and system method.

近年、オルガノイド(Organoid)と呼ばれる、人為的に生体外で創出した、器官又は臓器に類似した組織体を構築する研究が盛んに行われている。オルガノイドは、一般に、器官形成に寄与する前駆細胞等の集合体から、生体内における発生や再生過程を模倣することにより創出される。ヒト組織オルガノイドは、器官・臓器の発生過程を理解するために用いられるのみならず、創薬研究への応用が期待されており、癌、腸、肝臓、腎臓等のオルガノイド誘導研究が既に行われている。 In recent years, research has been actively conducted on constructing organs or organ-like tissues called organoids, which are artificially created outside the living body. Organoids are generally created from aggregates of progenitor cells and the like that contribute to organ formation by imitating in vivo development and regeneration processes. Human tissue organoids are not only used to understand the developmental process of organs and organs, but are also expected to be applied to drug discovery research, and organoid induction research for cancer, intestine, liver, kidney, etc. has already been conducted. ing.

オルガノイドを培養する方法としては、様々な方法が開発されており、例えば、セルカルチャーインサートの多孔膜上において三次元化したオルガノイドを培養する方法が知られている(例えば、非特許文献1)。また、オルガノイドの内部へ酸素や栄養を供給するための血管網を模倣するために、微細加工技術を用いて構築したマイクロ流体デバイス上で、オルガノイドを培養する方法が開発されている(例えば、非特許文献2)。 Various methods have been developed for culturing organoids, and for example, a method for culturing three-dimensional organoids on a porous membrane of a cell culture insert is known (for example, Non-Patent Document 1). In addition, methods for culturing organoids on microfluidic devices constructed using microfabrication technology have been developed to mimic the vascular network that supplies oxygen and nutrients to the interior of organoids (e.g., Patent Document 2).

Takasato M.,et al.,Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis,Nature.2015 Oct.22;526(7574):pp.564-568.Takasato M. , et al. , Kidney organoids from human iPS cells contain multiple lineages and model human nephrogenesis, Nature. 2015 Oct. 22;526(7574):pp. 564-568. Nashimoto Y.,et al.,Integrating perfusable vascular networks with a three-dimensional tissue in a microfluidic device,Integr.Biol.(Camb).2017 Jun.19;9(6):506-518.Nashimoto Y. , et al. , Integrating perfusable vascular networks with a three-dimensional tissue in a microfluidic device, Integr. Biol. (Camb). 2017 Jun. 19;9(6):506-518.

従来の器官培養法は、長期間培養すると、三次元生体組織(例えば、オルガノイド)の構造が保てず、所望の形状を有するオルガノイドが得られないという課題があった。すなわち、本発明は、酸素透過性を向上させつつ、オルガノイドの構造を維持し、所望の形状を有するオルガノイドを作製するための培養方法、並びに培養デバイスおよび培養システムを提供する。 Conventional organ culture methods have had the problem that when cultured for a long period of time, the structure of three-dimensional biological tissues (eg, organoids) cannot be maintained, and organoids having a desired shape cannot be obtained. That is, the present invention provides a culture method, a culture device, and a culture system for producing organoids having a desired shape by maintaining the structure of the organoids while improving oxygen permeability.

本発明者らは、種々の角度から検討を加えて研究開発を行ってきた。その結果、多孔膜の下部に、培地を灌流させるための流路を設け、三次元生体組織を気相-液相界面を維持しながら培養するという簡便な方法によって、三次元生体組織(例えば、オルガノイド)の形状が崩壊することなく、長期間培養を可能となることを見出した。本発明は、上記知見を元に完成させたものである。すなわち、本発明は以下を含む。 The present inventors have conducted research and development by considering from various angles. As a result, by a simple method of providing a channel for perfusing the medium at the bottom of the porous membrane and culturing the three-dimensional biological tissue while maintaining the gas-liquid interface, three-dimensional biological tissue (e.g. We have discovered that it is possible to culture the organoids for a long period of time without their shape collapsing. The present invention was completed based on the above findings. That is, the present invention includes the following.

[1] 三次元生体組織の培養方法であって、
培地の成分が透過する多孔膜の一方の面に載置された三次元生体組織を気相に曝露させ、かつ、前記多孔膜の他方の面に接触させた培地を、前記多孔膜と平行な液流で灌流させながら、前記三次元生体組織を培養する工程、
を含む、方法。
[2] 前記多孔膜が、前記多孔膜の厚み方向に貫通する細孔を有する、[1]に記載の方法。
[3] 前記多孔膜が、セルカルチャーインサートの多孔膜である、[1]または[2]に記載の方法。
[4] 前記三次元生体組織が、腎オルガノイド、肺オルガノイド、胸腺オルガノイドまたは精巣オルガノイドである、[1]~[3]のいずれか1項に記載の方法。
[5] 前記三次元生体組織が、腎オルガノイドである、[1]~[4]のいずれか1項に記載の方法。
[6] 前記培地が、0.01μL/分以上の流速で灌流される、[1]~[5]のいずれか1項に記載の方法。
[1] A method for culturing three-dimensional biological tissue, comprising:
A three-dimensional biological tissue placed on one side of a porous membrane through which the components of the medium permeate is exposed to a gas phase, and the medium in contact with the other side of the porous membrane is placed parallel to the porous membrane. culturing the three-dimensional biological tissue while perfusing it with a liquid flow;
including methods.
[2] The method according to [1], wherein the porous membrane has pores that penetrate in the thickness direction of the porous membrane.
[3] The method according to [1] or [2], wherein the porous membrane is a porous membrane of a cell culture insert.
[4] The method according to any one of [1] to [3], wherein the three-dimensional biological tissue is a kidney organoid, a lung organoid, a thymus organoid, or a testis organoid.
[5] The method according to any one of [1] to [4], wherein the three-dimensional biological tissue is a renal organoid.
[6] The method according to any one of [1] to [5], wherein the medium is perfused at a flow rate of 0.01 μL/min or more.

[7] セルカルチャーインサート保持部と;
前記セルカルチャーインサート保持部の底部の一部に設けられた少なくとも1つの流路と;
前記流路に培地を供給するための培地供給管と;
前記流路から培地を排出するための培地排出管と、
を備え、
ここで、前記流路の上面の一部は流路上部開口部を有し、セルカルチャーインサートが前記セルカルチャーインサート保持部に載置された時に、前記流路上部開口部が前記セルカルチャーインサートの多孔膜の下面により覆われることを特徴とする、三次元生体組織培養デバイス。
[8] 前記セルカルチャーインサート保持部が、前記セルカルチャーインサートと密着させるための嵌合手段を有する、[7]に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[9] 前記嵌合手段が、テーパ構造及びシール部材からなる群から選択される1以上の嵌合手段である、[8]に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[10] 前記流路が、培地が流された場合に層流となるよう形成されている、[7]~[9]のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[11] 前記流路の幅/高さが、2.0以上である、[7]~[10]のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[12] 前記流路の高さが、約0.1mm~約5mmである、[7]~[11]のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[13] さらに、前記セルカルチャーインサート保持部に載置されたセルカルチャーインサートを備える、[7]~[12]のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。
[7] Cell culture insert holding part;
at least one channel provided in a part of the bottom of the cell culture insert holding part;
a culture medium supply pipe for supplying a culture medium to the flow path;
a culture medium discharge pipe for discharging the culture medium from the flow path;
Equipped with
Here, a part of the upper surface of the flow path has a flow top opening, and when the cell culture insert is placed on the cell culture insert holding part, the flow top opening opens the cell culture insert. A three-dimensional biological tissue culture device characterized by being covered with a lower surface of a porous membrane.
[8] The three-dimensional biological tissue culture device according to [7], wherein the cell culture insert holding section has a fitting means for making the cell culture insert adhere to the cell culture insert.
[9] The three-dimensional living tissue culture device according to [8], wherein the fitting means is one or more fitting means selected from the group consisting of a tapered structure and a sealing member.
[10] The three-dimensional biological tissue culture device according to any one of [7] to [9], wherein the flow path is formed so that a laminar flow occurs when the medium is flowed.
[11] The three-dimensional biological tissue culture device according to any one of [7] to [10], wherein the width/height of the channel is 2.0 or more.
[12] The three-dimensional living tissue culture device according to any one of [7] to [11], wherein the height of the flow path is about 0.1 mm to about 5 mm.
[13] The three-dimensional living tissue culture device according to any one of [7] to [12], further comprising a cell culture insert placed on the cell culture insert holding section.

[14] [13]に記載の三次元生体組織培養デバイスと、
前記培地供給管に接続された培地供給ラインと、
前記培地供給ラインに培地を供給する培地供給槽と、
前記培地供給ラインに培地を送る送液ポンプと、
前記培地排出管に接続された培地排出ラインと、
前記培地排出ラインから排出された培地を貯留する培地排出槽と、
を備える、三次元生体組織培養システム。
[15] 前記培地供給槽と、前記培地排出槽が同一であり、培地が循環することを特徴とする、[14]に記載の三次元生体組織培養システム。
[14] The three-dimensional biological tissue culture device according to [13],
a medium supply line connected to the medium supply pipe;
a medium supply tank that supplies a medium to the medium supply line;
a liquid pump that sends the medium to the medium supply line;
a medium discharge line connected to the medium discharge pipe;
a medium discharge tank that stores the medium discharged from the medium discharge line;
A three-dimensional biological tissue culture system.
[15] The three-dimensional biological tissue culture system according to [14], wherein the medium supply tank and the medium discharge tank are the same, and the medium circulates.

本発明の特徴は、簡便なデバイスを用いることによって、気相-液相界面を維持しながら、三次元生体組織を培養可能とした点にある。従来、三次元生体組織、例えば腎臓オルガノイドは、その上部に培地やゲルが存在する状態で培養していたために、細胞間への培地が受動的に侵入し、内部上皮細胞構造の維持が困難で崩壊していた。本発明により、三次元生体組織の上部は気相で培養可能となり、培地のランダムな侵入なしに、酸素が十分に供給可能であり、培養期間中に三次元生体組織の組織構造を維持することが可能となる。また、三次元生体組織下部は多孔膜を介して液相と接しており、液相の還流によって培地が供給され、栄養及び酸素の供給、老廃物の除去が可能となる。また、三次元生体組織下部の液流刺激が徐々に三次元生体組織の上層に向かうにしたがって減衰するため、生体内の血流、例えば生体内の胎児腎へ供給される血流と類似しており、胎内の状態を模倣するものである。これにより、三次元生体組織の成熟が促進され、従来の三次元生体組織よりも高度に分化した三次元生体組織を得ることが可能となる。 A feature of the present invention is that by using a simple device, three-dimensional living tissue can be cultured while maintaining the gas-liquid interface. Conventionally, three-dimensional biological tissues, such as kidney organoids, have been cultured in the presence of a medium or gel on top, which makes it difficult to maintain the internal epithelial cell structure due to passive penetration of the medium between cells. It was collapsing. According to the present invention, the upper part of the three-dimensional living tissue can be cultured in the gas phase, and oxygen can be sufficiently supplied without random invasion of the medium, and the tissue structure of the three-dimensional living tissue can be maintained during the culture period. becomes possible. Furthermore, the lower part of the three-dimensional biological tissue is in contact with the liquid phase through a porous membrane, and a culture medium is supplied by the reflux of the liquid phase, making it possible to supply nutrients and oxygen and remove waste products. In addition, because the fluid flow stimulation at the bottom of the three-dimensional living tissue gradually attenuates as it moves toward the upper layer of the three-dimensional living tissue, it is similar to the blood flow in the living body, for example, the blood flow supplied to the fetal kidney in the living body. It mimics the conditions inside the womb. This promotes the maturation of the three-dimensional biological tissue, making it possible to obtain a three-dimensional biological tissue that is more highly differentiated than conventional three-dimensional biological tissues.

また、本発明の三次元生体組織培養デバイスは、市販のセルカルチャーインサートと組み合わせて使用することもできる。セルカルチャーインサートの多孔膜の孔径を適宜選択することで、上部還流組織への培地の還流量も制御可能となる。さらに、通常の培養皿を用いて灌流培養可能であるため、培養中の三次元生体組織を市販の顕微鏡で観察することが可能であり、経時的な観察も可能となる。 Moreover, the three-dimensional biological tissue culture device of the present invention can also be used in combination with a commercially available cell culture insert. By appropriately selecting the pore size of the porous membrane of the cell culture insert, it is also possible to control the amount of medium refluxed to the upper perfusion tissue. Furthermore, since perfusion culture is possible using a normal culture dish, it is possible to observe the three-dimensional biological tissue during culture with a commercially available microscope, and observation over time is also possible.

図1-1は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイスを示す図である。(A)上面図。(B)底面図。FIG. 1-1 is a diagram illustrating a three-dimensional biological tissue culture device in one embodiment. (A) Top view. (B) Bottom view. 図1-2は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイスを示す図である。(A)図1-1(A)のA-A断面を示す図である。(B)図1-1(A)のB-B断面を示す図である。FIGS. 1-2 are diagrams illustrating a three-dimensional biological tissue culture device in one embodiment. (A) It is a diagram showing the AA cross section in FIG. 1-1(A). (B) A diagram showing a cross section taken along the line BB in FIG. 1-1(A). 図1-3は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイスを示す図である。(A)三次元生体組織培養デバイスの斜視図(上面側)である。(B)三次元生体組織培養デバイスの斜視図(底面側)である。FIGS. 1-3 are diagrams illustrating a three-dimensional biological tissue culture device in one embodiment. (A) It is a perspective view (top side) of a three-dimensional biological tissue culture device. (B) It is a perspective view (bottom side) of a three-dimensional biological tissue culture device. 図2-1は、一実施形態における、培養デバイスアセンブリを示す図である。セルカルチャーインサート、三次元生体組織培養デバイス及び培養容器を組み合わせた培養デバイスアセンブリを示す斜視図である。FIG. 2-1 is a diagram illustrating a culture device assembly in one embodiment. FIG. 2 is a perspective view showing a culture device assembly that combines a cell culture insert, a three-dimensional biological tissue culture device, and a culture container. 図2-2は、一実施形態における、培養デバイスアセンブリを示す図である。(A)図1-2(A)に、セルカルチャーインサート及び培養容器を組み合わせた培養デバイスアセンブリの断面図を示す。(B)図1-2(B)に、セルカルチャーインサート及び培養容器を組み合わせた培養デバイスアセンブリの断面図を示す。FIG. 2-2 is a diagram illustrating a culture device assembly in one embodiment. (A) FIG. 1-2 (A) shows a cross-sectional view of a culture device assembly that combines a cell culture insert and a culture container. (B) FIG. 1-2 (B) shows a cross-sectional view of a culture device assembly that combines a cell culture insert and a culture container. 図3は、一実施形態における、三次元生体組織培養システムの一部(培養デバイスアセンブリ)の使用状態を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing how a part of the three-dimensional biological tissue culture system (culture device assembly) is used in one embodiment. 図4-1は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイスを示す図である。(A)上面図。(B)底面図。FIG. 4-1 is a diagram illustrating a three-dimensional biological tissue culture device in one embodiment. (A) Top view. (B) Bottom view. 図4-2は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイスを示す図である。(A)図4-1(A)のC-C断面を示す図である。(B)図4-1(A)のD-D断面を示す図である。FIG. 4-2 is a diagram illustrating a three-dimensional biological tissue culture device in one embodiment. (A) A diagram showing a cross section taken along the line CC in FIG. 4-1(A). (B) It is a diagram showing the DD cross section of FIG. 4-1(A). 図5は、一実施形態における、三次元生体組織培養システムを示す図である。培養デバイスアセンブリは断面図で示されている。FIG. 5 is a diagram showing a three-dimensional biological tissue culture system in one embodiment. The culture device assembly is shown in cross-section. 図6は、一実施形態における、三次元生体組織培養システムを示す図である。培養デバイスアセンブリは断面図で示されている。FIG. 6 is a diagram illustrating a three-dimensional biological tissue culture system in one embodiment. The culture device assembly is shown in cross-section. 図7は、一実施形態における、三次元生体組織培養システム及び灌流状態を示す図である。(A)三次元生体組織培養システムの一部(培養デバイスアセンブリ)の使用態様を示す模式図である。(B)蛍光ビーズを用いた灌流テストの結果を示すグラフである。流路内((A)のF1)の蛍光ビーズ移動度とポンプ流量の関係を示す。(C)蛍光ビーズを用いた灌流テストの結果を示すグラフである。セルカルチャーインサート内((A)のF2)の蛍光ビーズ移動速度とポンプ流量(μL/秒)の関係を示す。FIG. 7 is a diagram showing a three-dimensional biological tissue culture system and perfusion conditions in one embodiment. (A) It is a schematic diagram which shows the usage aspect of a part (culture device assembly) of a three-dimensional biological tissue culture system. (B) is a graph showing the results of a perfusion test using fluorescent beads. The relationship between the mobility of fluorescent beads in the channel (F1 in (A)) and the pump flow rate is shown. (C) A graph showing the results of a perfusion test using fluorescent beads. The relationship between the fluorescent bead movement speed within the cell culture insert (F2 in (A)) and the pump flow rate (μL/sec) is shown. 図8は、iPS細胞からの腎オルガノイドの誘導を示す図である。(A)腎オルガノイドの誘導条件を示す。(B)12ウェルセルカルチャーインサート内の誘導18日目(3次元化後12日)の腎オルガノイドのマクロスコピック像。(C)腎オルガノイドの経時的なNPHS1遺伝子(ネフリン発現マーカー)の発現を示す。FIG. 8 is a diagram showing the induction of renal organoids from iPS cells. (A) Shows the induction conditions for kidney organoids. (B) Macroscopic image of kidney organoids at day 18 of induction (12 days after 3D) in a 12-well cell culture insert. (C) Shows the expression of the NPHS1 gene (nephrin expression marker) over time in renal organoids. 図9は、腎オルガノイドの灌流培養の結果を示す。ポンプ流量10μL/分で灌流した場合の蛍光レクチンの動態(赤:Alexa 649 Tomato lectin)を示す。Figure 9 shows the results of perfusion culture of renal organoids. The dynamics of fluorescent lectin (red: Alexa 649 Tomato lectin) when perfused at a pump flow rate of 10 μL/min is shown. 図10は、灌流による腎オルガノイド内の尿管芽組織および誘導尿細管構造の変化を示す図である。腎オルガノイドを誘導後18日から21日の間培養した各々の凍結切片染色像を示す。(A)及び(B):静置培養群(対比コントロール)、(C)及び(D):2.5μL/分 灌流培養群、(E)及び(F):10μL/分 灌流培養群。(A)、(C)及び(E)は、赤:尿管芽細胞(CK8)、緑:発生尿細管(Podocalyxin)を示す。(B)、(D)及び(F)は、(A)、(C)及び(E)の画像に、細胞核染色像を重ね合わせた画像である。FIG. 10 is a diagram showing changes in ureteric bud tissue and induced tubule structure within renal organoids due to perfusion. FIG. 2 shows frozen section stained images of kidney organoids cultured for 18 to 21 days after induction. (A) and (B): static culture group (control), (C) and (D): 2.5 μL/min perfusion culture group, (E) and (F): 10 μL/min perfusion culture group. (A), (C) and (E) show red: ureteroblasts (CK8), green: developing tubules (Podocalyxin). (B), (D), and (F) are images obtained by superimposing cell nucleus staining images on the images of (A), (C), and (E). 図11は、灌流による腎オルガノイド内の遺伝子発現の変化を示す。3日間培養後の腎オルガノイドにおけるPAX8遺伝子発現の変化を示すグラフである。Figure 11 shows changes in gene expression within renal organoids due to perfusion. It is a graph showing changes in PAX8 gene expression in kidney organoids after 3 days of culture. 図12は、灌流による尿管芽細胞の内腔拡張を示す。(A)静止培養、(B)2.5μL/分、(C)10μL/分での3日間培養後の腎オルガノイド内尿管芽管構造を示す(赤:尿管芽細胞(CK8)、緑:発生尿細管(Podocalyxin)、青:細胞核)。Figure 12 shows luminal expansion of ureteroblasts upon perfusion. Showing ureteroblast structures within renal organoids after 3 days of culture at (A) static culture, (B) 2.5 μL/min, (C) 10 μL/min (red: ureteroblasts (CK8), green : Developmental tubule (podocalyxin), blue: cell nucleus). 図13は、浸漬培養した腎オルガノイドを示す。上段:培養方法の模式図、中段:培養後のオルガノイド(矢頭)、下段:培養後の凍結切片染色像(青:細胞核、赤:尿管芽細胞、緑:近位ネフロン)。Figure 13 shows kidney organoids cultured in immersion. Upper row: Schematic diagram of the culture method, middle row: organoids after culture (arrowhead), lower row: frozen section stained image after culture (blue: cell nucleus, red: ureteroblast, green: proximal nephron). 図14は、一実施態様の三次元生体組織培養システムにおける培養環境の模式図を示す。FIG. 14 shows a schematic diagram of the culture environment in the three-dimensional biological tissue culture system of one embodiment. 図15は、がん細胞(G401細胞)を移植した腎オルガノイドを用いた、がん細胞の浸潤・転移の解析結果を示す。(A)7日間静置培養後、又は(B)7日間灌流培養後のコラーゲンゲル包埋がん細胞(G401細胞)を移植した腎オルガノイドの組織切片のHE染色像を示す。FIG. 15 shows the analysis results of cancer cell invasion and metastasis using kidney organoids transplanted with cancer cells (G401 cells). HE-stained images of tissue sections of renal organoids transplanted with collagen gel-embedded cancer cells (G401 cells) after (A) 7 days of static culture or (B) 7 days of perfusion culture are shown. 図16は、がん細胞(G401細胞)を移植した腎オルガノイドを用いた、がん細胞の浸潤・転移の解析結果を示す。がん細胞(G401細胞)を含む懸濁液を腎オルガノイドへ滴下移植し、その後灌流しながら培養を行った。灌流後の培地に含まれる細胞を回収して、別途培養し、上清中のMMPの量をELISAで測定した。FIG. 16 shows the analysis results of cancer cell invasion and metastasis using kidney organoids transplanted with cancer cells (G401 cells). A suspension containing cancer cells (G401 cells) was transplanted dropwise into kidney organoids, and then cultured under perfusion. The cells contained in the medium after perfusion were collected and cultured separately, and the amount of MMP in the supernatant was measured by ELISA.

以下、本発明の実施形態について、必要に応じて図面を参照にしながら説明する。実施形態の構成は例示であり、本発明の構成は、実施形態の具体的構成に限定されない。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings as necessary. The configuration of the embodiment is an example, and the configuration of the present invention is not limited to the specific configuration of the embodiment.

I.三次元生体組織
本明細書において、「三次元生体組織」とは、細胞を含む三次元の構造体をいい、例えば、生体から単離された生体組織(例えば、臓器及び組織またはその一部(例えば、皮膚組織(例えば、毛根付随皮膚組織など)、心筋組織、骨格筋組織、平滑筋組織、肝組織、腎組織、消化管組織、眼組織(例えば角膜組織)、脳組織、胸腺組織、精巣組織、膵臓組織、甲状腺組織、乳腺組織、唾液腺組織、肺組織など)、又は、生体組織を構成する細胞を用いて再構築された三次元細胞構造体、例えば、オルガノイドが本発明に適用され得る。本発明に適用し得る生体から単離された生体組織とは、生体から採取された生体組織そのものであってもよく、生体から採取された生体組織を任意の形状に加工した組織片であってもよい。また、本発明に適用し得る三次元細胞構造体とは、細胞を含む懸濁液とゲル溶液又はゲル化剤とを混合させて形成した三次元細胞構造体であってもよく、複数枚の細胞シートを積層した三次元細胞構造体であってもよい。本発明に適用し得る三次元細胞構造体とは、ゲルの上に、細胞を播種し、培養することにより形成される三次元細胞構造体であってもよい。
I. Three-dimensional biological tissue As used herein, "three-dimensional biological tissue" refers to a three-dimensional structure containing cells, such as a biological tissue isolated from a living body (for example, an organ and tissue or a part thereof). For example, skin tissue (e.g. skin tissue associated with hair roots, etc.), cardiac muscle tissue, skeletal muscle tissue, smooth muscle tissue, liver tissue, kidney tissue, gastrointestinal tissue, eye tissue (e.g. corneal tissue), brain tissue, thymus tissue, testis. Three-dimensional cell structures, such as organoids, reconstructed using cells constituting tissue, pancreatic tissue, thyroid tissue, mammary gland tissue, salivary gland tissue, lung tissue, etc.) or biological tissue can be applied to the present invention. The biological tissue isolated from a living body that can be applied to the present invention may be the living tissue itself collected from the living body, or a piece of tissue obtained by processing the living tissue collected from the living body into an arbitrary shape. Furthermore, the three-dimensional cell structure applicable to the present invention may be a three-dimensional cell structure formed by mixing a suspension containing cells with a gel solution or a gelling agent. The three-dimensional cell structure that can be applied to the present invention may be a three-dimensional cell structure formed by stacking a plurality of cell sheets. It may also be a three-dimensional cell structure.

本明細書において、「オルガノイド(Organoid)」とは、臓器又は器官の形成に寄与する前駆細胞等の集合体から、3次元的に試験管内(in vitro)で構築された組織体をいい、当業者にとって最も広義に解釈される「オルガノイド」と同義のものを指す。オルガノイドは、一般に、実際の臓器又は器官よりも小型であり、単純な構造を有するが、解剖学的及び機能的に生体内に存在する臓器又は器官に近い特徴を示す。オルガノイドとしては、例えば、腎オルガノイド、肝臓オルガノイド、消化管オルガノイド(例えば、腸オルガノイド、口腔オルガノイド、胃オルガノイドなど)、眼杯オルガノイド、脳オルガノイド、胸腺オルガノイド、精巣オルガノイド、膵臓オルガノイド、上皮オルガノイド、甲状腺オルガノイド、乳腺オルガノイド、唾液腺オルガノイド及び肺オルガノイド等が挙げられ、また、これらのオルガノイドにがん細胞を含む「がんオルガノイド」なども含まれる。また、本明細書において、オルガノイドとは、生体から採取された臓器および組織またはその一部(例えば、組織片)を含むものであってもよい(例えば、Shamir ER., Nat.Rev.Mol.Cell Biol.2014 Oct;15(10):647-64を参照)。 As used herein, the term "organoid" refers to a tissue that is three-dimensionally constructed in vitro from a collection of organs or progenitor cells that contribute to the formation of organs. It refers to something synonymous with "organoid," which is interpreted in the broadest sense by manufacturers. Organoids are generally smaller and have a simpler structure than actual organs or organs, but exhibit characteristics anatomically and functionally similar to organs or organs existing in living bodies. Examples of organoids include kidney organoids, liver organoids, gastrointestinal organoids (e.g., intestinal organoids, oral organoids, stomach organoids, etc.), optic cup organoids, brain organoids, thymus organoids, testicular organoids, pancreatic organoids, epithelial organoids, and thyroid organoids. , mammary gland organoids, salivary gland organoids, lung organoids, etc. These organoids also include "cancer organoids" containing cancer cells. Furthermore, in this specification, organoids may include organs and tissues collected from living bodies, or parts thereof (for example, tissue pieces) (for example, see Shamir ER., Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2014 Oct; 15(10):647-64).

本発明に適用可能な三次元生体組織、例えばオルガノイドを得る方法としては公知の方法を用いればよく、以下に限定されないが、例えば、腎オルガノイドは、Takasato M.,et al.,Nature.2015,Oct.22,526(7574),pp.564-568;肺オルガノイドは、Unbekandt M.,Kidney Int.,2010,Mar.,77(5),pp.407-416;胸腺オルガノイドは、Sheridan JM.,et al.,Genesis,2009 May,47(5),pp.346-351;精巣オルガノイドは、Sanjo H.,et al.,PLoS One.2018,Feb 12,13(2),e0192884などを参考にすればよい。その他、オルガノイドを形成する方法によって得られた任意のオルガノイドも用いることが可能である。本発明に適用可能な三次元生体組織としては、多孔膜上で培養可能である三次元生体組織であればよく、例えば、腎オルガノイド、肺オルガノイド、胸腺オルガノイド、精巣オルガノイドに適用可能であり、好ましくは、腎オルガノイドである。 Known methods may be used to obtain three-dimensional biological tissue, such as organoids, which can be applied to the present invention, and are not limited to the following methods. For example, kidney organoids can be obtained by Takasato M. , et al. , Nature. 2015, Oct. 22,526(7574), pp. 564-568; lung organoids were prepared by Unbekandt M. et al. , Kidney Int. , 2010, Mar. , 77(5), pp. 407-416; thymus organoids were prepared by Sheridan JM. , et al. , Genesis, 2009 May, 47(5), pp. 346-351; testicular organoids were obtained by Sanjo H. , et al. , PLoS One. 2018, Feb 12, 13(2), e0192884, etc. may be referred to. In addition, any organoid obtained by a method for forming organoids can also be used. The three-dimensional biological tissue applicable to the present invention may be any three-dimensional biological tissue that can be cultured on a porous membrane, and is preferably applicable to, for example, kidney organoids, lung organoids, thymus organoids, and testis organoids. is a renal organoid.

本発明に適用可能な三次元生体組織は、例えば、哺乳類、鳥類、両生類、爬虫類、魚類の三次元生体組織である。好ましくは、哺乳動物の三次元生体組織であり、例えば、マウス、ラット、ヒト、サル、ブタ、イヌ、ヒツジ、ネコ、ヤギなどの哺乳動物由来の細胞を含んでいる。 Three-dimensional biological tissues applicable to the present invention include, for example, those of mammals, birds, amphibians, reptiles, and fish. Preferably, it is a three-dimensional biological tissue of a mammal, and contains cells derived from a mammal such as a mouse, rat, human, monkey, pig, dog, sheep, cat, or goat.

本発明に適用可能な三次元生体組織に含まれる細胞は、生体組織から採取された初代細胞であってもよく、株化された細胞であってもよく、多能性幹細胞若しくは組織幹細胞(例えば、間葉系幹細胞)から分化誘導された細胞であってもよい。 The cells contained in the three-dimensional biological tissue applicable to the present invention may be primary cells collected from the biological tissue, established cell lines, pluripotent stem cells or tissue stem cells (e.g. , mesenchymal stem cells).

本明細書において「多能性幹細胞」とは、あらゆる組織の細胞へと分化する能力(分化多能性)を有する幹細胞の総称することを意図する。限定されるわけではないが、多能性幹細胞は胚性幹細胞(embryonic stem cell:ES細胞)、胚性癌腫細胞(embryonic carcinoma cell:EC細胞)、栄養芽幹細胞(trophoblast stem cell:TS細胞)、エピブラスト幹細胞(epiblast stem cell:EpiS細胞)、胚性生殖細胞(embryonic germ cell:EG細胞)、多能性生殖細胞(multipotent germline stem cell:mGS細胞)、人工多能性幹細胞(induced pluripotent stem cell:iPS細胞)、Muse細胞等を含む。多能性幹細胞としては公知の任意のものを使用可能であるが、例えば、国際公開第2009/123349号に記載の多能性幹細胞を使用することができる。 As used herein, "pluripotent stem cells" is intended to collectively refer to stem cells that have the ability to differentiate into cells of any tissue (pluripotency). Pluripotent stem cells include, but are not limited to, embryonic stem cells (ES cells), embryonic carcinoma cells (EC cells), trophoblast stem cells (TS cells), epiblast stem cell (EpiS cell), embryonic germ cell (EG cell), multipotent germline stem cell (mGS cell), induced pluripotent stem cell (induced p luripotent stem cell : iPS cells), Muse cells, etc. Any known pluripotent stem cells can be used, and for example, pluripotent stem cells described in International Publication No. 2009/123349 can be used.

組織幹細胞や多能性細胞から、任意の三次元生体組織(例えば、オルガノイド)を構築する細胞へと分化させる方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、以下に限定されるわけではないが、腎オルガノイドを構築する細胞は、Takasato M.,et al.,Nature.2015,Oct.22,526(7574),pp.564-568;肝臓オルガノイドを構築する細胞は、Takebe T.,et al.,Nature,2013,Jul,25,499(7459),pp.481-484;消化管オルガノイドを構築する細胞は、Sato T.,et al.,Nature,2009,May 14,459(7244),pp.262-265;眼杯オルガノイドを構築する細胞は、Eiraku M.,et al.,Nature,2011,Apr 7,472(7341)pp.51-56;脳オルガノイドを構築する細胞は、Eiraku M.,et al.,Cell Stem Cell,2008,Nov 6,3(5),pp.519-532及びLancaster MA.,et al.,Nature,2013,Sep 19,501(7467),pp.373-379、肺オルガノイドを構築する細胞は、Yamamoto Y.,et al.,Nat Methods.2017 Nov,14(11),pp.1097-1106;膵臓オルガノイドを構築する細胞は、Raikwar SP.,et al.,PLoS One.2015 Jan 28,10(1),e0116582;甲状腺オルガノイドを構築する細胞は、Ma R.,et al.,Front Endocrinol(Lausanne).2015 Apr 22,6,56.などを参考にすることができる。その他、三次元生体組織を構築する細胞へと分化させる方法によって得られた任意の細胞も用いることが可能である。 Known methods can be used to differentiate tissue stem cells and pluripotent cells into cells that construct arbitrary three-dimensional biological tissues (eg, organoids). For example, but not limited to, cells that construct kidney organoids are described by Takasato M. , et al. , Nature. 2015, Oct. 22,526(7574), pp. 564-568; Cells that construct liver organoids were described by Takebe T. , et al. , Nature, 2013, Jul, 25, 499 (7459), pp. 481-484; Cells constructing gastrointestinal organoids were developed by Sato T. , et al. , Nature, 2009, May 14, 459 (7244), pp. 262-265; Cells that construct optic cup organoids are described by Eiraku M. , et al. , Nature, 2011, April 7, 472 (7341) pp. 51-56; Cells that construct brain organoids are described by Eiraku M. , et al. , Cell Stem Cell, 2008, Nov 6, 3(5), pp. 519-532 and Lancaster MA. , et al. , Nature, 2013, Sep 19, 501 (7467), pp. 373-379, cells constructing lung organoids were developed by Yamamoto Y. , et al. , Nat Methods. 2017 Nov, 14(11), pp. 1097-1106; Cells for constructing pancreatic organoids were obtained from Raikwar SP. , et al. , PLoS One. 2015 Jan 28, 10(1), e0116582; Cells that construct thyroid organoids were developed by Ma R. , et al. , Front Endocrinol (Lausanne). 2015 Apr 22, 6, 56. etc. can be referred to. In addition, any cells obtained by a method of differentiating into cells that construct three-dimensional biological tissues can also be used.

II.三次元生体組織の培養方法
一実施態様において、本発明の方法は、以下の工程を含む:
培地の成分が透過する多孔膜の一方の面に載置された三次元生体組織を気相に曝露させ、かつ、前記多孔膜の他方の面に接触させた培地を、前記多孔膜と平行な液流で灌流させながら前記三次元生体組織を培養する工程。本明細書において「培地の成分が透過する多孔膜」とは、培地を構成する成分、例えば、水、緩衝液中の成分、タンパク質など、細胞培養に必要な成分が通過することができる細孔を有する多孔膜をいう。
II. Method for culturing three-dimensional biological tissue In one embodiment, the method of the invention includes the following steps:
A three-dimensional biological tissue placed on one side of a porous membrane through which the components of the medium permeate is exposed to a gas phase, and the medium in contact with the other side of the porous membrane is placed parallel to the porous membrane. A step of culturing the three-dimensional living tissue while perfusing it with a liquid flow. In this specification, "a porous membrane through which components of a medium permeate" refers to pores through which components necessary for cell culture, such as components constituting a medium, such as water, components in a buffer solution, and proteins, can pass through. A porous membrane with

本発明の方法を実施することによって、多孔膜上に載置された三次元生体組織には、気相から十分な酸素が供給され、虚血になることが防止される。また、三次元生体組織が接触する面とは反対の面から浸透した培地によって、三次元生体組織が接触する面の上で液流が生じる。三次元生体組織が接触する面の上に生じた液流は、極めて緩やかな流れとなるため、三次元生体組織を構成する細胞が分泌する分化に必要な因子が洗い流されずに三次元生体組織周辺にとどまることとなる。これにより、栄養を含む培地が十分に三次元生体組織へ供給されることとなる。例えば、本発明を腎オルガノイドに適用した場合、オルガノイドの構造が崩壊することが防止され、腎オルガノイドの成熟化も促進される。一実施態様において、培地の液流は、例えば、多孔膜と平行な任意の一方向流である。多孔膜と平行な任意の一方向流は、時間によって、液流の方向を変更してもよい。これにより、多孔膜の三次元生体組織が載置された面に生じる液流の向きも変更することができる。 By implementing the method of the present invention, sufficient oxygen is supplied from the gas phase to the three-dimensional living tissue placed on the porous membrane, thereby preventing ischemia. Furthermore, a liquid flow is generated on the surface that contacts the three-dimensional biological tissue due to the medium that permeates from the surface opposite to the surface that contacts the three-dimensional biological tissue. The liquid flow generated on the surface that comes into contact with the 3D living tissue is an extremely slow flow, so the factors necessary for differentiation secreted by the cells that make up the 3D living tissue are not washed away, and the liquid flows around the 3D living tissue. It will remain in the Thereby, the medium containing nutrients is sufficiently supplied to the three-dimensional biological tissue. For example, when the present invention is applied to kidney organoids, the structure of the organoids is prevented from collapsing, and the maturation of the kidney organoids is also promoted. In one embodiment, the flow of medium is any unidirectional flow, for example parallel to the porous membrane. Any unidirectional flow parallel to the porous membrane may change the direction of liquid flow over time. Thereby, the direction of the liquid flow generated on the surface of the porous membrane on which the three-dimensional biological tissue is placed can also be changed.

一実施態様において、本発明に用いられる多孔質膜は、当該記多孔膜の厚み方向に貫通する細孔を有していることが好ましく、さらに好ましくはセルカルチャーインサートの多孔膜である。セルカルチャーインサートは、市販のセルカルチャーインサートを用いることができる。本発明に用いられる多孔質膜の細孔の平均孔径は、培養される三次元生体組織の種類、大きさ、用途などに応じて、適宜選択することができ、例えば、0.01μm~100μmの平均孔径(例えば、0.01μm~50μm、0.01μm~10μm、0.1μm~50μm、好ましくは0.1μm~10μm)を有する。多孔膜の平均孔径が0.1μm~10μmであれば、三次元生体組織に含まれる細胞が、三次元生体組織が接触する多孔膜の一方の面から、多孔膜の他方の面へ移動することが防止され、好ましい。また、本発明に用いられる多孔膜の細孔の密度は、培養される三次元生体組織の種類、大きさ、用途などに応じて、適宜選択することができるが、例えば1×10/cm以上、好ましくは5×10/cm以上、より好ましくは10×10/cm以上、さらに好ましくは50×10/cm以上、最も好ましくは100×10/cm以上の細孔の密度を有する多孔膜を使用することができる。本発明に用いられる多孔質膜の平均膜厚は、例えば、5μm~500μm、5μm~100μm、または5μm~100μmである。本発明に用いられる多孔膜の材質としては、例えばポリカーボネート、ポリスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーンポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等があげられるが、これに限定されない。 In one embodiment, the porous membrane used in the present invention preferably has pores penetrating in the thickness direction of the porous membrane, and more preferably is a porous membrane of a cell culture insert. A commercially available cell culture insert can be used as the cell culture insert. The average pore diameter of the pores of the porous membrane used in the present invention can be appropriately selected depending on the type, size, purpose, etc. of the three-dimensional biological tissue to be cultured, and is, for example, 0.01 μm to 100 μm. It has an average pore size (eg, 0.01 μm to 50 μm, 0.01 μm to 10 μm, 0.1 μm to 50 μm, preferably 0.1 μm to 10 μm). If the average pore diameter of the porous membrane is 0.1 μm to 10 μm, cells contained in the three-dimensional biological tissue will migrate from one surface of the porous membrane with which the three-dimensional biological tissue is in contact to the other surface of the porous membrane. is prevented, which is preferable. Furthermore, the pore density of the porous membrane used in the present invention can be appropriately selected depending on the type, size, purpose, etc. of the three-dimensional biological tissue to be cultured, and is, for example, 1×10 5 /cm. 2 or more, preferably 5×10 5 /cm 2 or more, more preferably 10×10 5 /cm 2 or more, even more preferably 50×10 5 /cm 2 or more, most preferably 100×10 5 /cm 2 or more. Porous membranes with a density of pores can be used. The average thickness of the porous membrane used in the present invention is, for example, 5 μm to 500 μm, 5 μm to 100 μm, or 5 μm to 100 μm. Examples of the material for the porous membrane used in the present invention include, but are not limited to, polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane, silicone polycarbonate, and polyethylene terephthalate.

一実施態様において、本発明の方法は、多孔膜に接触させた培地が、0.01μL/分以上の流速で灌流される。例えば、培地の流速は、0.01μL/分以上、0.05μL/分以上、0.1μL/分以上、0.5μL/分以上、1.0μL/分以上、または2.0μL/分以上であってもよい。また、流速は、例えば、0.01μL/分~10mL/分、0.1μL/分~10mL/分、1.0μL/分~10mL/分、2.0μL/分~10mL/分、0.01μL/分~2mL/分、0.1μL/分~2mL/分、1.0μL/分~2mL/分、2.0μL/分~2mL/分、0.01μL/分~500μL/分、0.1μL/分~500μL/分、1.0μL/分~500μL/分、2.0μL/分~500μL/分、0.01μL/分~100μL/分、0.1μL/分~100μL/分、1.0μL/分~100μL/分、2.0μL/分~100μL/分、0.01μL/分~20μL/分、0.1μL/分~20μL/分、1.0μL/分~20μL/分、2.0μL/分~20μL/分、0.01μL/分~12.5μL/分、0.1μL/分~12.5μL/分、1.0μL/分~12.5μL/分、2.0μL/分~12.5μL/分、0.01μL/分~8.0μL/分、0.1μL/分~8.0μL/分、1.0μL/分~8.0μL/分、2.0μL/分~8.0μL/分であってもよい。多孔膜に接触させた培地は、層流となるように還流されることが好ましい。 In one embodiment, in the method of the present invention, the medium brought into contact with the porous membrane is perfused at a flow rate of 0.01 μL/min or more. For example, the flow rate of the medium is 0.01 μL/min or more, 0.05 μL/min or more, 0.1 μL/min or more, 0.5 μL/min or more, 1.0 μL/min or more, or 2.0 μL/min or more. There may be. Further, the flow rate is, for example, 0.01 μL/min to 10 mL/min, 0.1 μL/min to 10 mL/min, 1.0 μL/min to 10 mL/min, 2.0 μL/min to 10 mL/min, 0.01 μL /min~2mL/min, 0.1μL/min~2mL/min, 1.0μL/min~2mL/min, 2.0μL/min~2mL/min, 0.01μL/min~500μL/min, 0.1μL /min~500μL/min, 1.0μL/min~500μL/min, 2.0μL/min~500μL/min, 0.01μL/min~100μL/min, 0.1μL/min~100μL/min, 1.0μL/min /min~100μL/min, 2.0μL/min~100μL/min, 0.01μL/min~20μL/min, 0.1μL/min~20μL/min, 1.0μL/min~20μL/min, 2.0μL/min /min~20μL/min, 0.01μL/min~12.5μL/min, 0.1μL/min~12.5μL/min, 1.0μL/min~12.5μL/min, 2.0μL/min~12 .5 μL/min, 0.01 μL/min to 8.0 μL/min, 0.1 μL/min to 8.0 μL/min, 1.0 μL/min to 8.0 μL/min, 2.0 μL/min to 8.0 μL /minute may be sufficient. The medium brought into contact with the porous membrane is preferably refluxed to form a laminar flow.

一実施態様において、本発明の方法は、肺オルガノイド、胸腺オルガノイドまたは精巣オルガノイドであるに適用することが可能であり、好ましくは腎オルガノイドに適用される。 In one embodiment, the method of the invention can be applied to lung organoids, thymic organoids or testicular organoids, preferably renal organoids.

III.三次元生体組織培養デバイス
図1(図1-1~3)は、一実施形態における、三次元生体組織培養デバイス10を示す。三次元生体組織培養デバイス10は、セルカルチャーインサート保持部11と、セルカルチャーインサート保持部11の底部110の一部に設けられた少なくとも1つの流路12と、流路12に培地を供給するための培地供給管13と、前記流路12から培地を排出するための培地排出管14とを備えている。
III. Three-Dimensional Biological Tissue Culture Device FIG. 1 (FIGS. 1-1-3) shows a three-dimensional biological tissue culture device 10 in one embodiment. The three-dimensional living tissue culture device 10 includes a cell culture insert holding section 11, at least one channel 12 provided in a part of the bottom 110 of the cell culture insert holding section 11, and a structure for supplying a medium to the channel 12. A culture medium supply pipe 13 and a culture medium discharge pipe 14 for discharging the culture medium from the flow path 12 are provided.

セルカルチャーインサート保持部11は、図2に示されるように、セルカルチャーインサート20が保持できるよう設計されており、本体部15の一部である内壁111と底部110によって規定される。セルカルチャーインサート20は、底部110に載置される。セルカルチャーインサート保持部11の形状や大きさは、載置されるセルカルチャーインサート20の形状に応じて選択される。例えば、図2-1(A)に示されるように、セルカルチャーインサート20が円錐台形である場合、本体部15の内壁111は、セルカルチャーインサート本体21が密着して嵌合するように、嵌合手段として、テーパ構造を有しても良い。これにより、セルカルチャーインサート20をセルカルチャーインサート保持部11に密着させることができる。また、セルカルチャーインサート保持部11は、嵌合手段として、シール部材、例えばOリングを有することにより、セルカルチャーインサート20を密着させることもできる。セルカルチャーインサート20が、例えば、円柱形又は角柱形である場合は、それらが密着して嵌合するように、セルカルチャーインサート保持部11の内壁111も円柱形又は角柱形を有する。 As shown in FIG. 2, the cell culture insert holding part 11 is designed to hold the cell culture insert 20, and is defined by an inner wall 111, which is a part of the main body part 15, and a bottom part 110. Cell culture insert 20 is placed on bottom 110. The shape and size of the cell culture insert holding section 11 are selected depending on the shape of the cell culture insert 20 to be placed. For example, as shown in FIG. 2-1(A), when the cell culture insert 20 has a truncated conical shape, the inner wall 111 of the main body 15 is fitted so that the cell culture insert main body 21 is fitted tightly. As a coupling means, a tapered structure may be provided. Thereby, the cell culture insert 20 can be brought into close contact with the cell culture insert holding part 11. Moreover, the cell culture insert holding part 11 can also bring the cell culture insert 20 into close contact with the cell culture insert 20 by having a sealing member, for example, an O-ring, as a fitting means. When the cell culture insert 20 is, for example, cylindrical or prismatic, the inner wall 111 of the cell culture insert holding part 11 also has a cylindrical or prismatic shape so that they fit tightly together.

底部110の一部には、少なくとも1つの流路12が形成されている。流路12には、本体部15に設けられた培地供給管13と培地排出管14が流体連通している。培地供給管13は、一実施態様において、培地供給管13及び培地排出管14は、図2-1(A)のように、本体部15の本体部上面150に対して略垂直に設けられている。これにより、三次元生体組織培養デバイス10を培養容器30に設置した場合、培養容器30の上部から培地を供給・排出することができる。しかしながら、培地供給管13及び培地排出管14の位置や形状は、適用される培養容器30の形状や、設置する場所等によって適宜変更することができるために、特に限定されない。 At least one channel 12 is formed in a portion of the bottom portion 110 . A culture medium supply pipe 13 and a culture medium discharge pipe 14 provided in the main body 15 are in fluid communication with the flow path 12 . In one embodiment, the medium supply pipe 13 and the medium discharge pipe 14 are provided approximately perpendicularly to the main body upper surface 150 of the main body 15, as shown in FIG. 2-1(A). There is. Thereby, when the three-dimensional biological tissue culture device 10 is installed in the culture container 30, the culture medium can be supplied and discharged from the top of the culture container 30. However, the positions and shapes of the culture medium supply pipe 13 and the culture medium discharge pipe 14 are not particularly limited because they can be changed as appropriate depending on the shape of the culture container 30 to which they are applied, the place where they are installed, etc.

図1及び2に示されるように、流路12の上面の一部は、流路上部開口部121を有している。流路上部開口部121は、セルカルチャーインサート保持部11の底部110の一部に形成されている。セルカルチャーインサート20がセルカルチャーインサート保持部11に載置された時に、流路上部開口部121は、セルカルチャーインサート20の多孔膜22の下面により覆われる。これにより、流路12を流れる培地が、多孔膜22の直下を通過することとなる。 As shown in FIGS. 1 and 2, a portion of the upper surface of the flow path 12 has a flow upper opening 121. As shown in FIGS. The upper flow opening 121 is formed in a part of the bottom 110 of the cell culture insert holding part 11. When the cell culture insert 20 is placed on the cell culture insert holding part 11 , the upper flow opening 121 is covered by the lower surface of the porous membrane 22 of the cell culture insert 20 . Thereby, the culture medium flowing through the channel 12 passes directly under the porous membrane 22.

一実施形態において、流路12は、流路底部開口部122を有している(図1-1(B)、図1-2参照)。本体部15の本体部底面151が、培養容器30の培養容器底面31と密着することにより、培養容器底面31が流路12の底面となる。三次元生体組織培養デバイス10が流路底部開口部122を有することにより、三次元生体組織を培養しながら、例えば倒立顕微鏡により観察可能もなる。また、三次元生体組織培養デバイス10を製造する場合、例えば3Dプリンターや、射出成形などによって、1つのパーツとして製造することも可能となり、製造工程が容易となる。 In one embodiment, the channel 12 has a channel bottom opening 122 (see FIGS. 1-1(B) and 1-2). When the main body bottom surface 151 of the main body section 15 comes into close contact with the culture container bottom surface 31 of the culture container 30, the culture container bottom surface 31 becomes the bottom surface of the flow path 12. Since the three-dimensional biological tissue culturing device 10 has the channel bottom opening 122, it becomes possible to observe the three-dimensional biological tissue using, for example, an inverted microscope while culturing the three-dimensional biological tissue. Furthermore, when manufacturing the three-dimensional biological tissue culture device 10, it is also possible to manufacture it as one part using, for example, a 3D printer or injection molding, which simplifies the manufacturing process.

一実施態様において、培養容器30が円錐台形である場合、本体部15は、培養容器30と密着して嵌合するように、嵌合手段として、例えばテーパ構造を有しても良い。これにより、三次元生体組織培養デバイス10を培養容器30に密着させることができる。また、本体部15は、嵌合手段として、シール部材、例えばOリングを有することにより、培養容器30の内壁に密着させることもできる。培養容器30の内壁が、例えば、円柱形又は角柱形である場合は、それらが密着して嵌合できるように、本体部15も円柱形又は角柱形を有する。 In one embodiment, when the culture container 30 has a truncated cone shape, the main body portion 15 may have, for example, a tapered structure as a fitting means so as to closely fit into the culture container 30. Thereby, the three-dimensional biological tissue culture device 10 can be brought into close contact with the culture container 30. Moreover, the main body part 15 can also be brought into close contact with the inner wall of the culture container 30 by having a sealing member, for example, an O-ring, as a fitting means. When the inner wall of the culture container 30 is, for example, cylindrical or prismatic, the main body 15 also has a cylindrical or prismatic shape so that they can fit tightly together.

流路12は、培地が流された場合に、層流となることが期待されるよう設計されている。一般に、流体が層流となるか、または乱流となるかは、レイノルズ数を計算することによって予測することができる。レイノルズ数は、以下の式によって求めることができる。

Figure 0007373833000001
ここで、U:代表流速(円管の場合、平均流速)、L:代表長さ(円管の場合、内径)、ν:動粘性係数、を表す。 The flow path 12 is designed so that a laminar flow is expected when the culture medium flows. Generally, whether a fluid will be laminar or turbulent can be predicted by calculating the Reynolds number. The Reynolds number can be determined by the following formula.
Figure 0007373833000001
Here, U: representative flow velocity (in the case of a circular pipe, average flow velocity), L: representative length (inner diameter, in the case of a circular pipe), and ν: kinematic viscosity coefficient.

一般に、流路が円管である場合は、レイノルズ数(Re)が2300未満であれば、層流と判断される。一実施態様のように、流路12の断面(培地の流れ方向に垂直断面)が矩形である場合、流体平均深さm=A/S(A:断面積、S:断面の周囲長)に近似するため、代表長さ(L)=4m、すなわち、「L=4×流路の高さ」を上記式に代入することにより、レイノルズ数を計算することができる。レイノルズ数を算出することによって、層流となることが期待される流路12を適宜設計することが可能となる。 Generally, when the flow path is a circular pipe, if the Reynolds number (Re) is less than 2300, it is determined that the flow is laminar. As in one embodiment, when the cross section of the flow path 12 (the cross section perpendicular to the flow direction of the medium) is rectangular, the fluid average depth m=A/S (A: cross-sectional area, S: perimeter of the cross-section) For approximation, the Reynolds number can be calculated by substituting the representative length (L)=4 m, that is, "L=4×height of the flow path" into the above equation. By calculating the Reynolds number, it becomes possible to appropriately design the flow path 12 that is expected to provide laminar flow.

したがって、層流となる流路12の高さは、使用される培地の流速や動粘度係数などによって変わるために限定されないが、例えば、一般に使用される培地を灌流させる場合、流路12の高さは、0.1mm~5.0mm、0.5mm~3.0mm、0.5mm~2.0mm、1.0mm~2.0mmであれば、層流となることが期待される。培養中に三次元生体組織を観察する用途で用いる場合、流路12の高さは2.0mm以下であることが好ましく、例えば、0.1mm~2.0mmが好ましい。 Therefore, the height of the flow path 12 for laminar flow is not limited because it varies depending on the flow rate and kinematic viscosity coefficient of the medium used, but for example, when perfusing a commonly used medium, the height of the flow path 12 is Laminar flow is expected if the height is 0.1 mm to 5.0 mm, 0.5 mm to 3.0 mm, 0.5 mm to 2.0 mm, or 1.0 mm to 2.0 mm. When used for observing three-dimensional living tissues during culture, the height of the channel 12 is preferably 2.0 mm or less, for example, 0.1 mm to 2.0 mm.

図3は、三次元生体組織培養デバイス10、セルカルチャーインサート20及び培養容器30を組み合わせた培養デバイスアセンブリ4において、流路12に培地を灌流させた状態を示す模式図である。上述のように、培地は流路12内を層流で流れるため、多孔膜22を通過する培地の量は十分に少ないものと仮定することができる。流路12の幅が、流路12の高さに比べて広い場合、例えば、流路12の「幅/高さ」(すなわち、アスペクト比)が、2.0以上、好ましくは3.0以上、より好ましくは3.5以上、さらに好ましくは4.0以上(例えば、4.5以上、5.0以上、10.0以上)である場合、培地の流れは、流路12の中央部では平面ポアズイユ流れ(plane Poiseuille flow)に近似し、流路入口123から流路出口124に向かってわずかな圧力勾配が生じる。すなわち、流路入口123付近では、多孔膜を通ってセルカルチャーインサート20に流れる向きの微小流が生じ、流路出口124付近では、多孔膜を通ってセルカルチャーインサート20から排出される向きの微小流が生じる。これにより、多孔膜上に載置された三次元生体組織OG周辺には、極めて緩やかな培地の流れが生じることになる(図3の参照)。その結果、三次元生体組織OGには、三次元生体組織を構成する細胞が分泌する分化に必要な因子が洗い流されずにとどまり、かつ、栄養を含む培地が供給される。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a state in which a culture medium is perfused through the channel 12 in the culture device assembly 4 which is a combination of the three-dimensional biological tissue culture device 10, the cell culture insert 20, and the culture container 30. As described above, since the medium flows in the flow path 12 in a laminar flow, it can be assumed that the amount of the medium passing through the porous membrane 22 is sufficiently small. When the width of the flow path 12 is wider than the height of the flow path 12, for example, the "width/height" (i.e., aspect ratio) of the flow path 12 is 2.0 or more, preferably 3.0 or more. , more preferably 3.5 or more, still more preferably 4.0 or more (for example, 4.5 or more, 5.0 or more, 10.0 or more), the flow of the medium is Approximately to a plane Poiseuille flow, a slight pressure gradient occurs from the channel inlet 123 to the channel outlet 124. That is, in the vicinity of the channel inlet 123, a microcurrent flows through the porous membrane into the cell culture insert 20, and in the vicinity of the channel outlet 124, a microcurrent flows in the direction of passing through the porous membrane and being discharged from the cell culture insert 20. A flow occurs. This causes an extremely gentle flow of the medium around the three-dimensional biological tissue OG placed on the porous membrane (see FIG. 3). As a result, the three-dimensional biological tissue OG is supplied with a medium containing nutrients in which the factors necessary for differentiation secreted by the cells constituting the three-dimensional biological tissue remain without being washed away.

図4(図4-1~図4-2)は、他の実施形態である三次元生体組織培養デバイス10aを示す。各部材の符号の番号に「a」が付加されていること以外、三次元生体組織培養デバイス10に設けられた各部材と同一の符号番号が付与されている各部材についての説明は、三次元生体組織培養デバイス10の対応する各部材についての上述の説明が適用される。ここでは、三次元生体組織培養デバイス10の各部材の説明が適用されない部材についてのみ説明する。 FIG. 4 (FIGS. 4-1 and 4-2) shows a three-dimensional biological tissue culture device 10a that is another embodiment. The description of each member having the same code number as each member provided in the three-dimensional biological tissue culture device 10, except that "a" is added to the code number of each member, is as follows. The above description for each corresponding member of the biological tissue culture device 10 applies. Here, only the members to which the description of each member of the three-dimensional biological tissue culture device 10 does not apply will be described.

三次元生体組織培養デバイス10aは、本体部15aの側面に、培地供給管13a及び培地排出管14aが設けられている。培地供給管13a及び培地排出管14aは、流路12aとそれぞれ流体連通している。流路12aは、三次元生体組織培養デバイス10とは異なり、流路底部開口部122(図1-1(B)、図1-2参照)は有しない。そのため、三次元生体組織培養デバイス10aは、培養容器30と共に使用することを要しない。本体部15aは、培養容器30と共に使用しないので、任意の形状であってもよい。 The three-dimensional living tissue culture device 10a is provided with a culture medium supply pipe 13a and a culture medium discharge pipe 14a on the side surface of the main body 15a. The culture medium supply pipe 13a and the culture medium discharge pipe 14a are each in fluid communication with the flow path 12a. Unlike the three-dimensional living tissue culture device 10, the channel 12a does not have a channel bottom opening 122 (see FIGS. 1-1(B) and 1-2). Therefore, the three-dimensional biological tissue culture device 10a does not need to be used together with the culture container 30. Since the main body portion 15a is not used together with the culture container 30, it may have any shape.

また、他の実施形態において、三次元生体組織培養デバイス(10、10a)は、セルカルチャーインサート保持部(11、11a)に載置されたセルカルチャーインサート20を予め備えたものであってもよい。 In other embodiments, the three-dimensional biological tissue culture device (10, 10a) may be provided with a cell culture insert 20 placed on the cell culture insert holding section (11, 11a). .

IV.三次元生体組織培養システム
図5は、一実施態様における三次元生体組織培養システム1を示している。三次元生体組織培養システム1は、三次元生体組織培養デバイス10と、三次元生体組織培養デバイス10のセルカルチャーインサート保持部11に載置されたセルカルチャーインサート20と、培地供給管13に接続された培地供給ライン17と、培地供給ライン17に培地を供給する培地供給槽5と、培地供給ライン17に培地を送る送液ポンプ19と、培地排出管14に接続された培地排出ライン18と、培地排出ライン18から排出された培地を貯留する培地排出槽(図5では、培地供給槽5に相当)と、を備えている。培地供給ライン17と培地供給管13、及び、培地排出ライン18と培地排出管14は、アダプタ16によって接続されている。
IV. Three-dimensional biological tissue culture system FIG. 5 shows a three-dimensional biological tissue culture system 1 in one embodiment. The three-dimensional biological tissue culture system 1 is connected to a three-dimensional biological tissue culture device 10, a cell culture insert 20 placed on a cell culture insert holding part 11 of the three-dimensional biological tissue culture device 10, and a medium supply pipe 13. a culture medium supply line 17 that supplies the culture medium to the culture medium supply line 17 , a liquid supply pump 19 that supplies the culture medium to the culture medium supply line 17 , a culture medium discharge line 18 connected to the culture medium discharge pipe 14 , A culture medium discharge tank (corresponding to the culture medium supply tank 5 in FIG. 5) that stores the culture medium discharged from the culture medium discharge line 18 is provided. The medium supply line 17 and the medium supply pipe 13 and the medium discharge line 18 and the medium discharge pipe 14 are connected by an adapter 16.

図5のように、三次元生体組織培養システム1は、培地供給槽5と、培地排出槽が同一であり、培地が循環するものであってもよく、培地供給槽5と、培地排出槽とが、別々に提供され、常に新鮮な培地が提供されるものであってもよい。送液ポンプ19は、公知のポンプを用いることが可能であり、チューブポンプ(ペリスタポンプ)であってもよく、ピエゾポンプであってもよく、流体を送り出すことができるポンプであれば使用することができる。他の実施形態において、送液ポンプ19と培地供給槽5とが一体となったものである、シリンジポンプであってもよい。 As shown in FIG. 5, in the three-dimensional biological tissue culture system 1, the medium supply tank 5 and the medium discharge tank may be the same, and the medium may be circulated. may be provided separately and always provided with fresh medium. The liquid feeding pump 19 can be any known pump, and may be a tube pump (peristaltic pump) or a piezo pump, and any pump that can pump fluid can be used. can. In another embodiment, a syringe pump in which the liquid feeding pump 19 and the culture medium supply tank 5 are integrated may be used.

図6に示されるように、他の実施形態において、三次元生体組織培養システム1aは、2以上の三次元生体組織培養デバイス10(図6では、培養デバイスアセンブリ4に相当)が接続ライン180によって連結されたものであってもよい。2つ以上の三次元生体組織培養デバイス10を連結させることにより、例えば、それぞれのセルカルチャーインサート20に、同一の又は異なる三次元生体組織を適用し、培地を共有させた灌流培養が可能となる。これにより、離れた位置で培養された三次元生体組織が、培地を共有することによって起こる現象を観察することができる。例えば、1つの三次元生体組織培養デバイス10に設置されたセルカルチャーインサート20上の三次元生体組織に、任意の細胞(例えば、がん細胞、間葉系幹細胞、骨髄細胞など)を移植し、その後、灌流培養することにより、移植した細胞が浸潤し、他の三次元生体組織培養デバイス10に設置されたセルカルチャーインサート20上の三次元生体組織に転移する現象を解析し得る。 As shown in FIG. 6, in another embodiment, the three-dimensional biological tissue culture system 1a includes two or more three-dimensional biological tissue culture devices 10 (corresponding to the culture device assembly 4 in FIG. 6) connected by a connection line 180. They may be connected. By connecting two or more three-dimensional biological tissue culture devices 10, for example, it becomes possible to apply the same or different three-dimensional biological tissues to each cell culture insert 20 and perform perfusion culture in which the culture medium is shared. . This makes it possible to observe phenomena that occur when three-dimensional biological tissues cultured at separate locations share a medium. For example, arbitrary cells (e.g., cancer cells, mesenchymal stem cells, bone marrow cells, etc.) are transplanted into a three-dimensional biological tissue on a cell culture insert 20 installed in one three-dimensional biological tissue culture device 10, Thereafter, by performing perfusion culture, it is possible to analyze the phenomenon in which the transplanted cells infiltrate and metastasize to the three-dimensional biological tissue on the cell culture insert 20 installed in another three-dimensional biological tissue culture device 10.

三次元生体組織培養システム(1、1a)に使用される三次元生体組織培養デバイス(10、10a)は、キットとして提供されてもよく、例えば、三次元生体組織培養デバイス(10、10a)と、セルカルチャーインサート20とが同梱されたキットであってもよく、三次元生体組織培養デバイス(10、10a)と、セルカルチャーインサート20とが別々に提供されるキットであってもよい。セルカルチャーインサート20は、市販のものを使用することができ、使用されるセルカルチャーインサート20の多孔膜22の平均孔径は、培養される三次元生体組織の種類、大きさ、用途などに応じて、適宜選択することができ、例えば、0.01μm~100μmの平均孔径(例えば、0.01μm~50μm、0.01μm~10μm、0.1μm~50μm、好ましくは0.1μm~10μm)を有する多孔膜を備えたセルカルチャーインサート20を使用することができる。多孔膜22の平均孔径が0.1μm~10μmであれば、三次元生体組織に含まれる細胞が多孔膜22の下面へ移動することが防止され、好ましい。また、使用されるセルカルチャーインサート20の多孔膜22の細孔の密度は、培養される三次元生体組織の種類、大きさ、用途などに応じて、適宜選択することができる。多孔膜22の内外の培地交換効率の観点から、1×10/cm以上、好ましくは5×10/cm以上、より好ましくは10×10/cm以上、さらに好ましくは50×10/cm以上、最も好ましくは100×10/cm以上の細孔の密度を有する多孔膜22を備えるセルカルチャーインサート20を使用することができる。また、セルカルチャーインサート20の多孔膜22の平均膜厚は、例えば、5μm~500μm、5μm~100μmまたは5μm~50μmである。また、セルカルチャーインサート20の多孔膜22の材質としては、例えばポリカーボネート、ポリスチレン、ポリジメチルシロキサン、シリコーンポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート等があげられるが、これに限定されない。 The three-dimensional biological tissue culture device (10, 10a) used in the three-dimensional biological tissue culture system (1, 1a) may be provided as a kit, for example, the three-dimensional biological tissue culture device (10, 10a) and , the cell culture insert 20 may be included in the kit, or the three-dimensional biological tissue culture device (10, 10a) and the cell culture insert 20 may be provided separately. A commercially available cell culture insert 20 can be used, and the average pore diameter of the porous membrane 22 of the cell culture insert 20 used varies depending on the type, size, purpose, etc. of the three-dimensional biological tissue to be cultured. , can be selected as appropriate, for example, porous having an average pore diameter of 0.01 μm to 100 μm (for example, 0.01 μm to 50 μm, 0.01 μm to 10 μm, 0.1 μm to 50 μm, preferably 0.1 μm to 10 μm). A cell culture insert 20 with a membrane can be used. If the average pore diameter of the porous membrane 22 is 0.1 μm to 10 μm, cells contained in the three-dimensional living tissue are prevented from moving to the lower surface of the porous membrane 22, which is preferable. Further, the density of pores in the porous membrane 22 of the cell culture insert 20 used can be appropriately selected depending on the type, size, purpose, etc. of the three-dimensional biological tissue to be cultured. From the viewpoint of medium exchange efficiency inside and outside the porous membrane 22, the density is 1×10 5 /cm 2 or more, preferably 5×10 5 /cm 2 or more, more preferably 10×10 5 /cm 2 or more, and even more preferably 50× A cell culture insert 20 comprising a porous membrane 22 having a pore density of 10 5 /cm 2 or more, most preferably 100×10 5 /cm 2 or more can be used. Further, the average thickness of the porous membrane 22 of the cell culture insert 20 is, for example, 5 μm to 500 μm, 5 μm to 100 μm, or 5 μm to 50 μm. Furthermore, examples of the material for the porous membrane 22 of the cell culture insert 20 include, but are not limited to, polycarbonate, polystyrene, polydimethylsiloxane, silicone polycarbonate, and polyethylene terephthalate.

三次元生体組織培養デバイス10に適用される培養容器30は、本体部15の形状に応じて適宜選択することができ、市販の培養容器(例えば、6ウェル培養皿、12ウェル培養皿、35mm培養皿、100mm培養皿など)を使用してもよい。 The culture container 30 applied to the three-dimensional biological tissue culture device 10 can be appropriately selected depending on the shape of the main body 15, and can be selected from commercially available culture containers (for example, 6-well culture dish, 12-well culture dish, 35 mm culture dish). dish, 100 mm culture dish, etc.) may be used.

本発明の三次元生体組織の培養方法、並びに三次元生体組織培養デバイス及びシステムを用いることにより、従来では維持培養が難しかった三次元生体組織を維持培養可能となる。また、本発明の三次元生体組織培養デバイス及びシステムを用いることにより、新規治療薬のスクリーニングや、毒性試験などを実施することも可能となる。 By using the method for culturing three-dimensional biological tissue and the three-dimensional biological tissue culture device and system of the present invention, it becomes possible to maintain and culture three-dimensional biological tissue, which has been difficult to maintain and culture in the past. Furthermore, by using the three-dimensional biological tissue culture device and system of the present invention, it is also possible to screen new therapeutic agents, perform toxicity tests, and the like.

以下に、本発明を実施例に基づいて更に詳しく説明するが、これらは本発明を何ら限定するものではない。 EXAMPLES The present invention will be explained in more detail below based on examples, but these are not intended to limit the invention in any way.

(実施例1)
1.材料及び実験方法
1-1.三次元生体組織培養デバイスの作製
三次元生体組織培養デバイスは3DCAD設計データを元に、3Dプリンター(ストラタシス社object Edenシリーズ、樹脂MED610)を用いて作製し、サポート材を水酸化ナトリウムにて溶解して作製した。
(Example 1)
1. Materials and experimental methods 1-1. Fabrication of a three-dimensional biological tissue culture device The three-dimensional biological tissue culture device was manufactured using a 3D printer (Stratasys object Eden series, resin MED610) based on 3D CAD design data, and the support material was dissolved in sodium hydroxide. It was made by

具体的には、三次元生体組織培養デバイスのセルカルチャーインサート保持部は、12ウェルセルカルチャーインサート(ファルコン製)が載置可能なように、直径14.2mmに設計し、流路の幅は5mm、流路の高さは1mmとなるように設計した(図1-3を参照)。また、三次元生体組織培養デバイスの本体部は、6ウェルプレートに設置可能に設計した。こうして設計した三次元生体組織培養デバイスの流路を流れる培地について、レイノルズ数を計算した。 Specifically, the cell culture insert holding part of the three-dimensional biological tissue culture device was designed to have a diameter of 14.2 mm so that a 12-well cell culture insert (manufactured by Falcon) could be placed there, and the width of the flow path was 5 mm. The height of the channel was designed to be 1 mm (see Figure 1-3). Furthermore, the main body of the three-dimensional biological tissue culture device was designed to be able to be installed in a 6-well plate. The Reynolds number was calculated for the medium flowing through the flow path of the three-dimensional biological tissue culture device thus designed.

培地の粘度が0.6mPa・S、培地の密度が1000kg/mと仮定すると、動粘性係数ν=0.6mm/sとなる。流路の幅が5mm、流路の高さが1mmであるので、流量Q=5mm×1mm×代表流速Uより、U=Q/5mmとなる。代表長さ(L)=4×流体平均深さ、であるので、L=4×1mm=4mmとなる。これより、レイノルズ数は、以下のように算出することができる。Re = UL/ν=(Q/5mm)×(4mm)/(0.6mm/s) ≒ Q×1.33s/μL Assuming that the viscosity of the medium is 0.6 mPa·S and the density of the medium is 1000 kg/m 3 , the kinematic viscosity coefficient ν=0.6 mm 2 /s. Since the width of the flow path is 5 mm and the height of the flow path is 1 mm, flow rate Q = 5 mm x 1 mm x representative flow velocity U, so U = Q/5 mm 2 . Since the representative length (L)=4×fluid average depth, L=4×1 mm=4 mm. From this, the Reynolds number can be calculated as follows. Re = UL/ν=(Q/5mm 2 )×(4mm)/(0.6mm 2 /s) ≒ Q×1.33s/μL

流量Q=25μL/m(すなわち、Q≒0.42μL/s)であると仮定すると、Re≒(0.42μL/s)×(1.33s/μL) ≒ 0.56となる。すなわち、レイノルズ数が2300よりはるかに小さいために、培地の液流は層流となることが期待できる。 Assuming that the flow rate Q=25 μL/m (ie, Q≈0.42 μL/s), Re≈(0.42 μL/s)×(1.33 s/μL) ≈0.56. That is, since the Reynolds number is much smaller than 2300, the liquid flow of the medium can be expected to be laminar.

三次元生体組織培養デバイスの流路は、高さに対して幅が十分に広い矩形流路(幅:5mm、高さ:1mm)であるため、流路の中央部での粘性流体の流れは、平面ポアズイユ流れに近似する。上述のように、培地の流れは層流であり、流路の開口部を覆った多孔膜を通過する液量が十分に少ないものと仮定すると、流速は、以下の式に近似する分布となる。

Figure 0007373833000002
式中、x:流路長手方向座標、y:高さ方向座標、u:流速、Umax:最大流速、Umean:平均流速、Q:単位奥行き当たりの流量、p:圧力、ρ:密度、h:流路の高さ、ν:動粘性係数、を示す。 The flow channel of the three-dimensional biological tissue culture device is a rectangular channel that is sufficiently wide relative to its height (width: 5 mm, height: 1 mm), so the flow of viscous fluid at the center of the channel is , which approximates a planar Poiseuille flow. As mentioned above, the flow of the medium is a laminar flow, and assuming that the amount of liquid passing through the porous membrane covering the opening of the channel is sufficiently small, the flow velocity will have a distribution approximated by the following formula: .
Figure 0007373833000002
In the formula, x: channel longitudinal coordinate, y: height direction coordinate, u: flow velocity, U max : maximum flow velocity, U mean : average flow velocity, Q: flow rate per unit depth, p: pressure, ρ: density, h: Height of the flow path, ν: Kinematic viscosity coefficient.

上記式(3)を変形すると、
dp/dx = -Umax×(8ρν)/h(・・・(6))
となる。
さらに、式(5)から、式(6)は、
dp/dx = -3/2Umean×(8ρν)/h(・・・(7))
と変形することができる。ρνは粘度であるため、ρν=0.6mPa・Sであり、Umean= Q/5mm = (0.42μL/s)/5mm、h=1mmを、式(7)に代入することで以下の値が算出される。
dp/dx = -3/2Umean×(8ρν)/h = -3/2((0.42μL/s)/5mm)×(8×0.6mPa・S)/(1mm) = -0.6mPa/mm
Transforming the above formula (3), we get
dp/dx = -U max × (8ρν)/h 2 (...(6))
becomes.
Furthermore, from equation (5), equation (6) becomes
dp/dx = -3/2U mean × (8ρν)/h 2 (...(7))
It can be transformed into Since ρν is the viscosity, ρν = 0.6 mPa・S, and by substituting U mean = Q/5mm 2 = (0.42 μL/s)/5mm 2 and h = 1 mm into equation (7), The following values are calculated.
dp/dx = -3/2U mean × (8ρν)/h 2 = -3/2 ((0.42μL/s)/5mm 2 ) × (8×0.6mPa・S)/(1mm) 2 = - 0.6mPa/mm

従って、三次元生体組織培養デバイスの流路長14.2mm(セルカルチャーインサート保持部の直径に相当)の流路入口から流路出口まで、-0.6mPa/mmの微小な圧力勾配を生じる。これにより、流路入口付近では、多孔膜を通ってセルカルチャーインサートに流れる向きの微小流が生じ、流路出口付近では、多孔膜を通ってセルカルチャーインサートから排出される向きの微小流が生じ、多孔膜上に載置された三次元生体組織に、緩やかな培地の流れが生じる。 Therefore, a minute pressure gradient of -0.6 mPa/mm is generated from the channel inlet to the channel outlet with a channel length of 14.2 mm (corresponding to the diameter of the cell culture insert holding part) of the three-dimensional biological tissue culture device. As a result, near the flow path inlet, a microflow is created in the direction of flowing through the porous membrane to the cell culture insert, and near the flow path exit, a microflow is created in the direction of exiting from the cell culture insert through the porous membrane. , a gentle flow of medium occurs in the three-dimensional biological tissue placed on the porous membrane.

1-2.三次元生体組織培養システムの組み立て
三次元生体組織培養デバイスは、6ウェルインサート用プレート(Falcon)の蓋に、培地供給管及び培地排出管を挿入するための孔を作製し、滅菌した。三次元生体組織培養デバイスを6ウェルプレートに設置し、さらに、三次元生体組織を載置した0.4μmポアまたは3.0μm、12ウェルのセルカルチャーインサート(Corning社、Falcon Cell Culuture insert、Cat#353494または#353292)を三次元生体組織培養デバイス上に設置した。それを蓋で覆い、培地供給管及び培地排出管にシリコンチューブを接続し、マイクロペリスタポンプ(アイカムス・ラボ)と接続した。培地供給ライン及び培地排出ラインであるシリコンチューブを培地供給槽と接続した。
1-2. Assembly of Three-Dimensional Biological Tissue Culture System For the three-dimensional biological tissue culture device, holes for inserting a medium supply pipe and a medium discharge pipe were prepared in the lid of a 6-well insert plate (Falcon), and the device was sterilized. The three-dimensional biological tissue culture device was placed in a 6-well plate, and a 0.4 μm pore or 3.0 μm, 12-well cell culture insert (Corning, Falcon Cell Culture insert, Cat#) was placed on which the three-dimensional biological tissue was placed. 353494 or #353292) was placed on a three-dimensional biological tissue culture device. It was covered with a lid, and silicone tubes were connected to the medium supply tube and medium discharge tube, and the tubes were connected to a microperistaltic pump (Icams Lab). Silicon tubes serving as a medium supply line and a medium discharge line were connected to the medium supply tank.

1-3.灌流試験
灌流の動態を調べるために、蛍光ビーズ(Cat.#17149、Lot.536309、平均粒径0.0394μm、2.5%(w/v)、Polyscience Inc.)を含有したPBS200μL(0.05%溶液)を、培地供給ラインに設けた三方活栓から導入した。Nikon顕微鏡に接続したカメラで1分間撮影し、ビーズの移動距離をアクアコスモス(浜松フォトニクス)にて計測して移動度を解析した(図7(A)のF1、及び図7(B))。また、セルカルチャーインサート内の液体の動態は、直径10μmの蛍光ビーズ(3.6 × 10 beads/mL,FluoSpheres(商標)、Thermo Fisher Scientific)約6%含有するPBS溶液をセルカルチャーインサート内だけに入れて灌流を行い、2秒毎1~1.5分間のビーズの動態を記録し、移動度を解析した(図7(A)のF2、及び図7(C))。
1-3. Perfusion Test To examine the kinetics of perfusion, 200 μL of PBS (0.0 μm) containing fluorescent beads (Cat. #17149, Lot. 536309, average particle size 0.0394 μm, 2.5% (w/v), Polyscience Inc.) was added. 05% solution) was introduced from a three-way stopcock provided in the medium supply line. The beads were photographed for 1 minute using a camera connected to a Nikon microscope, and the distance traveled by the beads was measured using Aqua Cosmos (Hamamatsu Photonics) to analyze the mobility (F1 in FIG. 7(A) and FIG. 7(B)). In addition, the dynamics of the liquid inside the cell culture insert was determined by adding a PBS solution containing about 6% of fluorescent beads (3.6 × 10 6 beads/mL, FluoSpheres (trademark), Thermo Fisher Scientific) with a diameter of 10 μm only inside the cell culture insert. The bead dynamics were recorded every 2 seconds for 1 to 1.5 minutes, and the mobility was analyzed (F2 in FIG. 7(A) and FIG. 7(C)).

2.結果
流路に液体を流すことによって、多孔膜上の蛍光マイクロビーズが移動することを確認した。従って、理論通り、多孔膜上に緩やかな液流が生じることを確認することができた(図7(C))。
2. Results We confirmed that fluorescent microbeads on the porous membrane moved by flowing liquid through the channel. Therefore, it was confirmed that a gentle liquid flow was generated on the porous membrane as theoretically expected (FIG. 7(C)).

(実施例2)
1.材料及び実験方法
1-1.iPS細胞の維持培養
iPS細胞(201B7、Lot No.18)はRIKEN Cell bankより分与された株を使用し、継代p8~23の間のiPS細胞を実験に使用した。iPS細胞は、フィーダーレスで維持培養した。具体的には、予め0.4mg/cm imatrix-511(WAKO)でコーティングした培養皿に、4~5×10個のiPS細胞を播種し、10μM Rock inhibitor(Y27632、WAKO)を添加した維持培地にて培養し、24時間以内に維持培地(AK02N、AJINOMOTO)に交換した。細胞数が増えないうちは2日に一回の培地交換を行い、細胞数が増加し、コロニーが直径1mm前後に育った後は毎日培地交換を行った。継代は、コロニー同士が融合し始める40~50%コンフルエントの状態で行った。PBS(WAKO)で洗浄後、2分の1希釈したTrypLET(Thermo)を添加し、7分間37℃でインキュベーション後、剥離し、細胞数を計測し、適宜培養を続けた。保存する場合はStem Cell Banker(ゼノアック)を用いた緩慢凍結法で凍結した。
(Example 2)
1. Materials and experimental methods 1-1. Maintenance culture of iPS cells A strain of iPS cells (201B7, Lot No. 18) distributed by RIKEN Cell bank was used, and iPS cells between passages p8 to 23 were used in the experiment. iPS cells were maintained and cultured without a feeder. Specifically, 4 to 5 × 10 iPS cells were seeded in a culture dish coated with 0.4 mg/cm 2 imatrix-511 (WAKO) in advance, and 10 μM Rock inhibitor (Y27632 , WAKO) was added. The cells were cultured in a maintenance medium and replaced with a maintenance medium (AK02N, AJINOMOTO) within 24 hours. The medium was exchanged once every two days until the number of cells increased, and after the number of cells increased and the colony grew to around 1 mm in diameter, the medium was exchanged every day. Passage was carried out at 40-50% confluence, at which point the colonies began to fuse with each other. After washing with PBS (WAKO), 1/2 diluted TrypLET (Thermo) was added, and after incubation at 37° C. for 7 minutes, the cells were detached, the number of cells was counted, and culture was continued as appropriate. When preserving, it was frozen by slow freezing using Stem Cell Banker (Zenoac).

1-2.腎オルガノイドの誘導
腎オルガノイドは、Takasatoらの手法に従って行った(Takasato M.,et al.,Nature.2015 Oct.22;526(7574):pp.564-568.)。具体的には、iPS細胞を35mm培養皿上で培養し、70~80%コンフルエントになった状態で0.8μMのCHIR99021(WAKO)を含有するXeno-free培地(APEL2,STEMCELL)で4日間培養した。その後2日間、2μg/mLのFGF9(PEPRO TECH)含有Xeno-free培地にて培養を続けた。その後、細胞を3次元化するために培養皿より継代試薬にて剥離し、細胞数6.25×10個/100~200μL/チューブの濃度に懸濁液を調製し、400×gで3分間室温にて遠心した。得られたペレットを12ウェルプレート用の0.4μmポアのセルカルチャーインサート(Corning社、Falcon Cell Culture insert、Cat#353494)の中央に移した。その後、セルカルチャーインサートを12ウェルプレートのウェルに設置し、ウェル内にのみ培地(0.5μM CHIR99021、10μM Y27632添加APEL)添加し、37℃で1時間インキュベータした。その後、2μg/mL FGF9添加APEL培地に交換して培養した。2日に一回、培地を交換し、培養を継続した(図8(A)参照)。
1-2. Induction of kidney organoids Kidney organoids were generated according to the method of Takasato et al. (Takasato M., et al., Nature. 2015 Oct. 22; 526 (7574): pp. 564-568.). Specifically, iPS cells were cultured on a 35 mm 2 culture dish, and when they reached 70 to 80% confluence, they were cultured in Xeno-free medium (APEL2, STEMCELL) containing 0.8 μM CHIR99021 (WAKO) for 4 days. Cultured. Thereafter, culture was continued for 2 days in a Xeno-free medium containing 2 μg/mL FGF9 (PEPRO TECH). Then, in order to make the cells three-dimensional, they were detached from the culture dish using a passage reagent, a suspension was prepared at a concentration of 6.25 x 10 cells/100 to 200 μL/tube, and the cells were incubated at 400 x g. Centrifugation was performed for 3 minutes at room temperature. The resulting pellet was transferred to the center of a 0.4 μm pore cell culture insert (Corning, Falcon Cell Culture insert, Cat #353494) for a 12-well plate. Thereafter, cell culture inserts were placed in wells of a 12-well plate, and a medium (0.5 μM CHIR99021, 10 μM Y27632-added APEL) was added only to the wells, followed by incubation at 37° C. for 1 hour. Thereafter, the culture medium was changed to APEL medium supplemented with 2 μg/mL FGF9. The culture medium was replaced once every two days and culture was continued (see FIG. 8(A)).

1-3.灌流培養条件
遺伝子解析を行い、腎オルガイドが、腎臓細胞を誘導する時期を探索した。腎臓細胞の誘導時期に3日間オルガノイドを灌流培養した。灌流用の培地総量は2.5mL~3mLを用い、灌流速度は0~100μL/分の間にて設定した。培地は1.5日毎に全量を交換した。オルガノイド培養システムは、37℃、5%COインキュベータ内に設置した。ポンプコントローラーはインキュベータの外部に設置した。タイムラプスで観察する時は顕微鏡の周囲のチャンバーを37℃に保ち、マルチウェルプレートの非使用ウェルに滅菌水を加えて5%COをバブリングで供給して観察した。
1-3. Perfusion culture conditions Genetic analysis was performed to explore the timing at which kidney organ guide induces kidney cells. Organoids were perfused cultured for 3 days during the induction period of kidney cells. The total volume of medium for perfusion was 2.5 mL to 3 mL, and the perfusion rate was set between 0 and 100 μL/min. The entire amount of the medium was replaced every 1.5 days. The organoid culture system was placed in a 37°C, 5% CO2 incubator. The pump controller was installed outside the incubator. During time-lapse observation, the chamber around the microscope was kept at 37°C, sterile water was added to unused wells of the multiwell plate, and 5% CO 2 was supplied by bubbling for observation.

1-4.腎オルガノイド灌流培養
遺伝子解析及び形態的解析の結果より、確実に腎臓細胞の誘導が進んだ誘導18日目からオルガノイドの灌流培養を行った。6ウェルマルチウェルプレート内にオルガノイド培養デバイスを入れ、オルガノイドを載せた12ウェルセルカルカルチャーインサートを設置し、蓋をした。その後、3方活性にてポンプを接続したシリコン製の灌流チューブを接続し、培地を充填して泡を除いた後に灌流を開始した。対比コントロールとして、約2mm程度の間隙を形成したオルガノイド培養デバイス上に12ウェルセルカルカルチャーインサートを載置し、それを3mLの培地を入れた5cm培養皿に載置し、灌流群と使用培地量を揃えることで検討した。
1-4. Kidney organoid perfusion culture From the results of genetic analysis and morphological analysis, perfusion culture of organoids was performed from day 18 of induction, when kidney cell induction had definitely progressed. The organoid culture device was placed in a 6-well multiwell plate, a 12-well cell culture insert with organoids placed thereon, and a lid was placed. Thereafter, a silicone perfusion tube connected to a pump with three-way activation was connected, and after filling with the culture medium and removing bubbles, perfusion was started. As a control, a 12-well cell culture insert was placed on an organoid culture device with a gap of about 2 mm, and then placed in a 5 cm culture dish containing 3 mL of medium, and the perfusion group and the amount of medium used were determined. We considered this by arranging the following.

1-5.遺伝子解析
各々の培養期間で得られたオルガノイドを回収し、RNA抽出キット(Ambion Thermo)を用いてRNAを抽出した。RNA量を計測後、同量のRNA量をHigh Capacity cDNA(ABI Thermo)を用いて逆転写反応させ、cDNAを作製した。Taqmanプローブ(ABI Thermo)を用いてリアルタイムPCRを行い、Via7にて反応・解析を行った。標準サンプルを用いて相対的標準曲線を作成し、それを用いて定量計算を行った。内部標準はACTBを用いた。
1-5. Genetic Analysis Organoids obtained during each culture period were collected, and RNA was extracted using an RNA extraction kit (Ambion Thermo). After measuring the amount of RNA, the same amount of RNA was subjected to reverse transcription reaction using High Capacity cDNA (ABI Thermo) to produce cDNA. Real-time PCR was performed using Taqman probe (ABI Thermo), and reaction and analysis were performed using Via7. A relative standard curve was created using standard samples, and quantitative calculations were performed using it. ACTB was used as an internal standard.

1-6.免疫組織染色
各々の培養期間で得られた腎オルガノイドを、4%パラフォルムアルデヒド(武藤化学)で固定し、4℃で保存した。凍結ブロックを作製するために、固定した腎オルガノイドを15%ショ糖/PBSで30分間処理し、新しい15%ショ糖/PBSに交換して再度30分間処理した。その後、30%ショ糖/PBSに交換して30分処理し、新しい30%ショ糖/PBSに交換して再度30分間処理した。得られた組織からTissue Tek O.C.T.Compound(サクラファインテック・ジャパン)を用いて凍結ブロックを作製し、-80℃で保存を行った。クライオスタット(Leica)を用い、8μm厚にて薄切した凍結切片を作製し、それを染色に用いた。
1-6. Immunohistochemical staining Renal organoids obtained during each culture period were fixed with 4% paraformaldehyde (Muto Chemical) and stored at 4°C. To create cryoblocks, fixed renal organoids were treated with 15% sucrose/PBS for 30 minutes, then replaced with fresh 15% sucrose/PBS and treated again for 30 minutes. Thereafter, the solution was replaced with 30% sucrose/PBS and treated for 30 minutes, and then replaced with fresh 30% sucrose/PBS and treated again for 30 minutes. Tissue Tek O. C. T. A frozen block was prepared using Compound (Sakura Finetech Japan) and stored at -80°C. Using a cryostat (Leica), frozen sections were prepared at a thickness of 8 μm and used for staining.

1-7.組織内灌流培養液分布状態の可視化
灌流培養時、2日間 0.5mg/mL Texas Red-conjugated dextran(70,000 MW Molecular Probes,Eugene,OR,USA)を含有する培養液で灌流し、その後、4%パラホルムアルデヒドで灌流固定を行った。得られたオルガノイドから凍結切片を作製し、共焦点レーザー顕微鏡で観察した。Texas Red陽性領域(図9A)を灌流液体の組織内通過領域と見なすことで動態の可視化を行った。用いた試薬は以下の通りである。
1-7. Visualization of distribution of perfusion culture medium in tissues During perfusion culture, cells were perfused with a culture medium containing 0.5 mg/mL Texas Red-conjugated dextran (70,000 MW Molecular Probes, Eugene, OR, USA) for 2 days, and then, Perfusion fixation was performed with 4% paraformaldehyde. Frozen sections were prepared from the obtained organoids and observed using a confocal laser microscope. Dynamics were visualized by considering the Texas Red positive region (FIG. 9A) as the region through which the perfusion fluid passes through the tissue. The reagents used are as follows.

<一次抗体>
・CK8(mouse monoclonal antibody:abcam)1/200希釈
・Podocalyxicin(goat polyclonal antibody:R&D)1/500希釈・PDGFβreceptor(rabbit monoclonal antibody:abcam)1/200希釈
・Active-Caspase-3(rabbit polyclonal antibody:abcam)1/200希釈
・CK19(rabbit monoclonal antibody:abcam)
<二次抗体>
・moues IgG Rhodamin(Jackson immunology)
・rabit IgG FITC(Jackson immunology)
・Goat IgG FITC(Jackson immunology)
それぞれ1/200希釈にて使用。
<核染色>
・Hoechxist 33528(Dojindo)1/500希釈
<Primary antibody>
・CK8 (mouse monoclonal antibody: abcam) 1/200 dilution ・Podocalyxicin (goat polyclonal antibody: R&D) 1/500 dilution ・PDGFβ receptor (rabbit monocl onal antibody: abcam) 1/200 dilution/Active-Caspase-3 (rabbit polyclonal antibody: abcam) 1/200 dilution/CK19 (rabbit monoclonal antibody: abcam)
<Secondary antibody>
・moues IgG Rhodamine (Jackson immunology)
・rabit IgG FITC (Jackson immunology)
・Goat IgG FITC (Jackson immunology)
Each was used at 1/200 dilution.
<Nuclear staining>
・Hoechxist 33528 (Dojindo) 1/500 dilution

2.結果
iPS細胞から腎オルガノイドを誘導した(図8(A))。その結果、腎臓細胞の遺伝子発現や形態形成は誘導12日後より徐々に増加しはじめ、18日後でピークを示すことが明らかとなった(図8(B)および(C))。
2. Results Kidney organoids were induced from iPS cells (Fig. 8(A)). As a result, it was revealed that gene expression and morphogenesis of kidney cells began to gradually increase after 12 days of induction, and reached a peak after 18 days (FIGS. 8(B) and (C)).

図9は、腎オルガノイドの灌流培養の結果を示している。腎オルガノイド下部の100μm前後に培地が侵入していることが確認された。 Figure 9 shows the results of perfusion culture of renal organoids. It was confirmed that the medium had invaded approximately 100 μm below the kidney organoid.

図10は、灌流による腎オルガノイド内の尿管芽組織および誘導尿細管構造の変化の結果を示している。CK8陽性細胞は、2.5μL/分の灌流で増加する傾向が観察された。 Figure 10 shows the results of changes in ureteric bud tissue and induced tubular structure within renal organoids due to perfusion. A tendency for CK8-positive cells to increase with perfusion of 2.5 μL/min was observed.

図11は、灌流による腎オルガノイド内の遺伝子発現の変化を示している。尿管芽分岐点に発現するPAX8の発現は2.5μL/分の灌流で最も発現が上昇していた。 Figure 11 shows changes in gene expression within renal organoids upon perfusion. The expression of PAX8, which is expressed at the ureteric bud junction, was highest when perfused at 2.5 μL/min.

図12は、灌流による尿管芽細胞の内腔拡張の様子を示す図である。灌流量の増加に伴い、尿管芽細胞の内腔が拡張する傾向が観察された。 FIG. 12 is a diagram showing the state of lumen expansion of ureteroblasts due to perfusion. A tendency for the ureteroblast lumen to expand was observed as the perfusion rate increased.

(比較例)
腎オルガノイドの浸漬培養
誘導18日目(3次元化12日目)の腎オルガノイドを培養しているセルカルチャーインサート内に培地300μLを添加し、さらに3日間培養を行った(図13)。
(Comparative example)
Immersion Culture of Kidney Organoids 300 μL of medium was added to the cell culture insert in which the kidney organoids were cultured on the 18th day of induction (12th day of three-dimensionalization), and the culture was continued for an additional 3 days (FIG. 13).

その結果、器官培養(気-液界面維持培養)から浸漬培養へ切り替えると、3日後には腎オルガノイドの3次元構造と内部組織構造が崩壊した(図13)。 As a result, when switching from organ culture (air-liquid interface maintenance culture) to immersion culture, the three-dimensional structure and internal tissue structure of kidney organoids collapsed after 3 days (Figure 13).

(考察)
図14は、本発明で培養される腎オルガノイドの環境と胎内腎環境との類似点を説明する図である。本発明によって、オルガノイドは、気相から酸素が供給され、同時に、栄養が多孔膜直下を流れる液相(培地)によって供給される。本発明により実現される培養環境は、下部から上部に向かって層状に伝達する、胎児腎の血流環境と類似しており、これを模倣する環境になっているものと考えられる。
(Consideration)
FIG. 14 is a diagram illustrating the similarities between the environment of kidney organoids cultured in the present invention and the fetal kidney environment. According to the present invention, organoids are supplied with oxygen from the gas phase, and at the same time, nutrients are supplied by the liquid phase (medium) flowing directly under the porous membrane. The culture environment realized by the present invention is similar to the blood flow environment of the fetal kidney, where blood flow is transmitted in layers from the bottom to the top, and is considered to be an environment that imitates this.

(実施例3)
1.実験方法
実施例1で作製した2個の三次元生体組織培養デバイスの流路を約2.8cmポリプロピレン製コネクタで連結した。実施例2の方法により得られた腎オルガノイドを、2個の三次元生体組織培養デバイス上のセルカルチャーインサート上にそれぞれ載置した。片方の腎オルガノイドに、50μLのI型コラーゲンゲル内に包埋した10個のG401細胞(小児腎癌細胞株)を移植し、約3mLの培地(APEL;STEMCELL社 腎オルガノイド用培地)を2.5μL/分で灌流しながら7日間培養した。
(Example 3)
1. Experimental Method The flow channels of the two three-dimensional biological tissue culture devices produced in Example 1 were connected using a polypropylene connector of about 2.8 cm. The kidney organoids obtained by the method of Example 2 were placed on cell culture inserts on two three-dimensional biological tissue culture devices, respectively. 10 5 G401 cells (pediatric renal cancer cell line) embedded in 50 μL of type I collagen gel were transplanted into one kidney organoid, and approximately 3 mL of medium (APEL; STEMCELL's kidney organoid medium) was added to the gel. The cells were cultured for 7 days with perfusion at .5 μL/min.

なお、コントロール(静置培養)として、3mLのAPEL培地を入れた6ウェルプレートの1ウェルに、腎オルガノイドを載置したセルカルチャーインサートをセットし、I型コラーゲンゲル内に包埋した10個のG401細胞(小児腎癌細胞株)を移植し、同様に7日間培養した。 As a control (static culture), a cell culture insert with renal organoids placed thereon was set in one well of a 6-well plate containing 3 mL of APEL medium, and 10 5 cells were embedded in type I collagen gel. G401 cells (pediatric renal cancer cell line) were transplanted and similarly cultured for 7 days.

2.結果
癌細胞を包埋したI型コラーゲンゲルは灌流培養により溶解が進行していた(図15)
2. Results The type I collagen gel in which cancer cells were embedded progressed to dissolve during perfusion culture (Figure 15)

(実施例4)
1.実験方法
実施例1で作製した2個の三次元生体組織培養デバイスの流路を約2.8cmポリプロピレン製コネクタで連結した。実施例2の方法により得られた腎オルガノイドを、2個の三次元生体組織培養デバイス上のセルカルチャーインサート上にそれぞれ載置した。片方の腎オルガノイドに、培地1uLに懸濁した100個のG401細胞を滴下して移植した。約3mLの培地(APEL;STEMCELL社 腎オルガノイド用培地)を2.5μL/分で灌流しながら14日間培養した。
(Example 4)
1. Experimental Method The flow channels of the two three-dimensional biological tissue culture devices produced in Example 1 were connected using a polypropylene connector of about 2.8 cm. The kidney organoids obtained by the method of Example 2 were placed on cell culture inserts on two three-dimensional biological tissue culture devices, respectively. One hundred G401 cells suspended in 1 uL of medium were dropped and transplanted into one kidney organoid. The cells were cultured for 14 days while perfusing with about 3 mL of a medium (APEL; STEMCELL's renal organoid medium) at a rate of 2.5 μL/min.

培地交換後、回収した灌流後の培地を遠心分離して細胞を回収し、G401用10%血清添加MaCoy’s 5A培地に懸濁して、6wellプレートの1wellに加え、コンフルエントになるまで増殖させた。その後、無血清の培地で24時間培養し、培養上清中に含まれるHuman MMP9の量をELISA法で測定した。コントロールとして、G401細胞が1個/ウェルとなるように96穴プレートにてクローニングし、同様に増殖させた培養上清を使用した(図16の「1 cell/w(M)」)。 After medium exchange, the cells were collected by centrifuging the collected post-perfusion medium, suspended in MaCoy's 5A medium supplemented with 10% serum for G401, added to 1 well of a 6-well plate, and grown until confluent. . Thereafter, the cells were cultured in a serum-free medium for 24 hours, and the amount of Human MMP9 contained in the culture supernatant was measured by ELISA. As a control, a culture supernatant in which 1 G401 cell was cloned in a 96-well plate and grown in the same manner was used ("1 cell/w (M)" in FIG. 16).

2.結果
灌流培養5日後の灌流培地から採取した細胞を、血清入り培地で18日間培養した結果、癌細胞が検出され、滴下移植後に灌流培地内に癌細胞が浸潤していたことが確認された。
2. Results Cells collected from the perfusion medium after 5 days of perfusion culture were cultured in serum-containing medium for 18 days. As a result, cancer cells were detected, and it was confirmed that cancer cells had infiltrated into the perfusion medium after drop transplantation.

灌流培養3日後と7日後以降の灌流培地から採取した細胞を、血清入り培地で18日間培養した結果、MMP9発現の高い間葉系細胞が検出された(図16)。G401細胞ではメタロプロテアーゼ活性は低かった(図16)。 Cells collected from the perfusion medium after 3 and 7 days of perfusion culture were cultured in serum-containing medium for 18 days, and as a result, mesenchymal cells highly expressing MMP9 were detected (FIG. 16). Metalloprotease activity was low in G401 cells (Figure 16).

1、1a 三次元生体組織培養システム
10、10a 三次元生体組織培養デバイス
11、11a セルカルチャーインサート保持部
110、110a 底部
111 内壁
12、12a 流路
120、120a 流路内壁
121、121a 流路上部開口部
122 流路底部開口部
122a 流路底部
123 流路入口
124 流路出口
13 培地供給管
130 下部培地供給口
131 上部培地供給口
14 培地排出管
140 下部培地排出口
141 上部培地排出口
15、15a 本体部
150、150a 本体部上面
151、151a 本体部底面
16 アダプタ
17 培地供給ライン
18 培地排出ライン
180 接続ライン
19 送液ポンプ
20 セルカルチャーインサート
21 セルカルチャーインサート本体
22 多孔膜
30 培養容器
31 培養容器底面
4 培養デバイスアセンブリ
5 培地供給槽
OG 三次元生体組織
M 培地
1, 1a Three-dimensional biological tissue culture system 10, 10a Three-dimensional biological tissue culture device 11, 11a Cell culture insert holding part 110, 110a Bottom 111 Inner wall 12, 12a Channel 120, 120a Channel inner wall 121, 121a Upper opening of channel Part 122 Channel bottom opening 122a Channel bottom 123 Channel inlet 124 Channel outlet 13 Medium supply pipe 130 Lower medium supply port 131 Upper medium supply port 14 Medium discharge pipe 140 Lower medium discharge port 141 Upper medium discharge port 15, 15a Main body 150, 150a Main body top 151, 151a Main body bottom 16 Adapter 17 Medium supply line 18 Medium discharge line 180 Connection line 19 Liquid pump 20 Cell culture insert 21 Cell culture insert main body 22 Porous membrane 30 Culture vessel 31 Bottom of culture vessel 4 Culture device assembly 5 Medium supply tank OG Three-dimensional biological tissue M Medium

Claims (14)

三次元生体組織の培養方法であって、
培地の成分が透過する多孔膜の一方の面に載置された三次元生体組織を気相に曝露させ、かつ、前記多孔膜の他方の面に接触させた培地を、前記多孔膜と平行な液流で灌流させながら、前記三次元生体組織を培養する工程であって、前記液流が層流である、工程
を含む、方法。
A method for culturing three-dimensional biological tissue, the method comprising:
A three-dimensional biological tissue placed on one side of a porous membrane through which the components of the medium permeate is exposed to a gas phase, and the medium in contact with the other side of the porous membrane is placed parallel to the porous membrane. a step of culturing the three-dimensional biological tissue while perfusing it with a liquid flow, the liquid flow being a laminar flow ;
including methods.
前記多孔膜が、前記多孔膜の厚み方向に貫通する細孔を有する、請求項1に記載の方法。 The method according to claim 1, wherein the porous membrane has pores that penetrate in the thickness direction of the porous membrane. 前記多孔膜が、セルカルチャーインサートの多孔膜である、請求項1又は2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, wherein the porous membrane is a porous membrane of a cell culture insert. 前記三次元生体組織が、腎オルガノイド、肺オルガノイド、胸腺オルガノイドまたは精巣オルガノイドである、請求項1~3のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the three-dimensional biological tissue is a kidney organoid, a lung organoid, a thymus organoid, or a testis organoid. 前記三次元生体組織が、腎オルガノイドである、請求項1~4のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the three-dimensional biological tissue is a kidney organoid. 前記培地が、0.01μL/分以上の流速で灌流される、請求項1~5のいずれか1項に記載の方法。 The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the medium is perfused at a flow rate of 0.01 μL/min or more. セルカルチャーインサート保持部と;
前記セルカルチャーインサート保持部の底部の一部に設けられた少なくとも1つの流路と;
前記流路に培地を供給するための培地供給管と;
前記流路から培地を排出するための培地排出管と、
を備え、
ここで、前記流路の上面の一部は流路上部開口部を有し、セルカルチャーインサートが前記セルカルチャーインサート保持部に載置された時に、前記流路上部開口部が前記セルカルチャーインサートの多孔膜の下面により覆われており、前記流路の形状は、培地を流した場合、層流となるよう形成されていることを特徴とする、
三次元生体組織培養デバイス。
A cell culture insert holding part;
at least one channel provided in a part of the bottom of the cell culture insert holding part;
a culture medium supply pipe for supplying a culture medium to the flow path;
a culture medium discharge pipe for discharging the culture medium from the flow path;
Equipped with
Here, a part of the upper surface of the flow path has a flow top opening, and when the cell culture insert is placed on the cell culture insert holding part, the flow top opening opens the cell culture insert. Covered by the lower surface of the porous membrane, the shape of the flow path is formed so that when the medium flows, it becomes a laminar flow .
Three-dimensional biological tissue culture device.
前記セルカルチャーインサート保持部が、前記セルカルチャーインサートと密着させるための嵌合手段を有する、請求項7に記載の三次元生体組織培養デバイス。 The three-dimensional living tissue culture device according to claim 7, wherein the cell culture insert holding section has a fitting means for bringing the cell culture insert into close contact with the cell culture insert. 前記嵌合手段が、テーパ構造及びシール部材からなる群から選択される1以上の嵌合手段である、請求項8に記載の三次元生体組織培養デバイス。 The three-dimensional living tissue culture device according to claim 8, wherein the fitting means is one or more fitting means selected from the group consisting of a tapered structure and a sealing member. 前記流路の形状において、幅/高さが、2.0以上である、請求項7~のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。 The three-dimensional living tissue culture device according to any one of claims 7 to 9 , wherein the shape of the flow path has a width/height of 2.0 or more. 前記流路の高さが、約0.1mm~約5mmである、請求項7~10のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。 The three-dimensional biological tissue culture device according to any one of claims 7 to 10 , wherein the height of the flow path is about 0.1 mm to about 5 mm. さらに、前記セルカルチャーインサート保持部に載置されたセルカルチャーインサートを備える、請求項7~11のいずれか1項に記載の三次元生体組織培養デバイス。 The three-dimensional biological tissue culture device according to any one of claims 7 to 11 , further comprising a cell culture insert placed on the cell culture insert holding section. 請求項12に記載の三次元生体組織培養デバイスと、
前記培地供給管に接続された培地供給ラインと、
前記培地供給ラインに培地を供給する培地供給槽と、
前記培地供給ラインに培地を送る送液ポンプと、
前記培地排出管に接続された培地排出ラインと、
前記培地排出ラインから排出された培地を貯留する培地排出槽と、
を備える、三次元生体組織培養システム。
The three-dimensional biological tissue culture device according to claim 12 ,
a medium supply line connected to the medium supply pipe;
a medium supply tank that supplies a medium to the medium supply line;
a liquid pump that sends the medium to the medium supply line;
a medium discharge line connected to the medium discharge pipe;
a medium discharge tank that stores the medium discharged from the medium discharge line;
A three-dimensional biological tissue culture system.
前記培地供給槽と、前記培地排出槽が同一であり、培地が循環することを特徴とする、請求項13に記載の三次元生体組織培養システム。 The three-dimensional living tissue culture system according to claim 13 , wherein the medium supply tank and the medium discharge tank are the same, and the medium circulates.
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7605589B2 (en) 2020-03-16 2024-12-24 日本光電工業株式会社 Tension Measuring Device
EP4163364A4 (en) * 2020-06-08 2024-07-31 National University Corporation Tokyo Medical and Dental University CELL CULTURE METHODS
US12584122B2 (en) 2020-09-23 2026-03-24 Tohoku University Medical device for culturing biological sample and embedding biological sample in embedding material, kit, and culturing and embedding method
CN113773959B (en) * 2021-08-20 2023-09-26 合肥燃音生物科技有限公司 Organoid culture chip and organoid culture method
CN114456933B (en) * 2022-02-28 2022-11-15 大连理工大学 A three-dimensional flow culture device, system and analysis method
JP2023151611A (en) * 2022-03-31 2023-10-16 ポーラ化成工業株式会社 Artificial three-dimensional tissue perfusion device, artificial skin tissue manufacturing method, drug evaluation method using artificial skin tissue
CN115491302A (en) * 2022-09-22 2022-12-20 广州精科生物技术有限公司 A three-dimensional culture device and method for balanced nourishment organoids
JPWO2024106334A1 (en) * 2022-11-14 2024-05-23
GB2624469A (en) * 2022-11-21 2024-05-22 Univ Nottingham Trent Insert
CN116200331A (en) * 2023-01-06 2023-06-02 北京赛拉达生物科技有限公司 Suspension type method for culturing testis tissue organoids
KR102744474B1 (en) * 2023-06-02 2024-12-19 (주) 멥스젠 Microfluidic device for forming 3-dimensional tissue barrier
WO2025005727A1 (en) * 2023-06-29 2025-01-02 고려대학교 산학협력단 Screening device for analyzing multiple organoids
CN118374354A (en) * 2024-04-22 2024-07-23 丹望医疗科技(上海)有限公司 Vascularized kidney organ chip and its preparation method and application
JP2025165561A (en) * 2024-04-23 2025-11-05 ウシオ電機株式会社 Cell Culture Device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010239916A (en) 2009-04-08 2010-10-28 Lion Corp Culture vessel spacer, culture device provided with the spacer, and observation method using the culture device
WO2013183121A1 (en) 2012-06-06 2013-12-12 株式会社日立製作所 Culturing vessel and automatic culturing device
JP2016208866A (en) 2015-04-30 2016-12-15 株式会社日立製作所 Automatic culture apparatus
WO2017222065A1 (en) 2016-06-24 2017-12-28 株式会社資生堂 Three-dimensionally cultured skin sheet, cell culturing vessel used for production thereof, and method for producing three-dimensionally cultured skin sheet

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010239916A (en) 2009-04-08 2010-10-28 Lion Corp Culture vessel spacer, culture device provided with the spacer, and observation method using the culture device
WO2013183121A1 (en) 2012-06-06 2013-12-12 株式会社日立製作所 Culturing vessel and automatic culturing device
JP2016208866A (en) 2015-04-30 2016-12-15 株式会社日立製作所 Automatic culture apparatus
WO2017222065A1 (en) 2016-06-24 2017-12-28 株式会社資生堂 Three-dimensionally cultured skin sheet, cell culturing vessel used for production thereof, and method for producing three-dimensionally cultured skin sheet

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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ヒト表皮モデル作成キット LabCyte EPI-KIT 取扱説明書,2017年3月改訂,2017年03月,https://www.jpte.co.jp/business/LabCyte/documents/EPIKIT_manual.pdf

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