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JP7597315B2 - Three-dimensional structures and their uses - Google Patents
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JP7597315B2 - Three-dimensional structures and their uses - Google Patents

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本発明は、三次元構造体及びその使用に関する。より具体的には、本発明は、被験物質の皮膚透過性評価用三次元構造体、被験物質の皮膚透過性の評価方法、被験物質の皮膚透過性評価用キットに関する。 The present invention relates to a three-dimensional structure and its use. More specifically, the present invention relates to a three-dimensional structure for evaluating the skin permeability of a test substance, a method for evaluating the skin permeability of a test substance, and a kit for evaluating the skin permeability of a test substance.

近年、ナノ粒子は、化粧品、塗料、電子機器、医薬品等、様々な分野で用途が拡大している。一方、ナノ粒子の生体応答機序には未解明な部分が多く、安全性への懸念が唱えられている。 In recent years, the use of nanoparticles has expanded in various fields, including cosmetics, paints, electronic devices, and pharmaceuticals. However, many aspects of the biological response mechanisms of nanoparticles remain unclear, raising safety concerns.

国際標準化機構(ISO)によれば、ナノ粒子は、外形寸法が1~100nmの範囲にある物質と定義されている(ISO/TS 27687:2008 Nanotechnologies - Terminology and definitions for nanoobjects-Nanoparticle, nanofibre and nanoplate)。ナノ粒子は、大きさという物理量のみで定義されるため、化学的には多くの種類があり、その数は市場に流通しているものだけでも100種類を超える。また、表面修飾等を含めるとその数は更に多くなる。しかしながら、実際に生体に影響を与えることが明らかとなっているナノ粒子はその中の一部にとどまり、多くのナノ粒子については、生体への影響は明らかにされていない。 According to the International Organization for Standardization (ISO), nanoparticles are defined as substances with external dimensions in the range of 1 to 100 nm (ISO/TS 27687:2008 Nanotechnologies - Terminology and definitions for nanoobjects-Nanoparticle, nanofibre and nanoplate). Nanoparticles are defined only by the physical quantity of size, so there are many chemical types, with over 100 types in circulation on the market alone. If surface modifications are included, the number is even greater. However, only a small number of nanoparticles have been shown to actually have an effect on living organisms, and the effects of many nanoparticles on living organisms have not been clarified.

皮膚に接触するナノ粒子や薬剤等の経皮毒性を評価する上で、それらの皮膚透過性を評価することが重要な課題となっている。ヒトの皮膚、特に上皮層は、外界から体内を守るバリア機能を持つため、ナノ粒子や薬剤等の皮膚透過性により、体内の細胞応答が大きく異なる可能性がある。非特許文献1に記載されているように、従来、皮膚透過性試験には、ヒトの皮膚、又は、ブタ、マウス等の非ヒト動物の皮膚が用いられてきた。 In assessing the transdermal toxicity of nanoparticles, drugs, etc. that come into contact with the skin, it is important to evaluate their skin permeability. Human skin, particularly the epithelial layer, has a barrier function that protects the body from the outside world, so the skin permeability of nanoparticles, drugs, etc. may significantly affect the cellular response in the body. As described in Non-Patent Document 1, human skin or the skin of non-human animals such as pigs and mice has traditionally been used for skin permeability tests.

しかしながら、特にEUの化粧品業界において、安全性が担保できない新規材料の使用は規制される一方、動物実験を行った材料を含む製品の販売が全面的に禁止されている。このため、生体外でナノ粒子の経皮毒性を適切に評価できるインビトロ手法が国際的に求められている。 However, particularly in the EU cosmetics industry, the use of new materials whose safety cannot be guaranteed is restricted, while the sale of products containing materials that have been tested on animals is completely prohibited. For this reason, there is an international demand for in vitro methods that can appropriately evaluate the dermal toxicity of nanoparticles outside of living organisms.

ヒトの皮膚は入手困難であり、動物実験にも代替法が求められるため、近年では、被験物質の皮膚透過性評価に、培養細胞を用いて人工的に作成した三次元培養皮膚を使用することが検討されている。ところが、従来の三次元培養皮膚の作製には数週間にわたる長い培養工程が必要であり生産性に課題がある。また、従来の三次元培養皮膚は、被験物質の透過性等にばらつきが存在し、品質安定性が低い場合がある。 Human skin is difficult to obtain, and alternative methods are required for animal testing. In recent years, therefore, the use of artificially created three-dimensional cultured skin using cultured cells has been considered for evaluating the skin permeability of test substances. However, the creation of conventional three-dimensional cultured skin requires a lengthy culture process spanning several weeks, which poses productivity issues. Furthermore, conventional three-dimensional cultured skin can vary in the permeability of test substances, and the quality stability can be low.

また、ヒト及び動物から剥離した皮膚組織は、長期に生存を保つことができないため、一定の条件で一時的に皮膚を透過した物質量を測定することができても、長期における物質の透過や分解物の放出等が、皮膚の下層部の細胞の生理活性に与える影響を評価することができない。 In addition, skin tissue detached from humans and animals cannot remain viable for a long period of time. Therefore, even if it is possible to measure the amount of a substance that has temporarily permeated the skin under certain conditions, it is not possible to evaluate the effect of long-term permeation of the substance or release of decomposition products on the physiological activity of cells in the lower layers of the skin.

このような背景のもと、本発明は、被験物質の皮膚透過性を評価する新たな技術を提供することを目的とする。 Against this background, the present invention aims to provide a new technology for evaluating the skin permeability of test substances.

本発明の三次元構造体は、被験物質の皮膚透過性評価用であり、細胞層と、前記細胞層に積層されたハイドロゲルを含む透過層と、を含み、前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む。 The three-dimensional structure of the present invention is for evaluating the skin permeability of a test substance, and includes a cell layer and a permeation layer containing a hydrogel laminated to the cell layer, the permeation layer having substance permeability equivalent to that of the skin of a living body, and the cell layer containing indicator cells for the test substance.

本発明によれば、被験物質の皮膚透過性を評価する新たな技術を提供することができる。 The present invention provides a new technique for evaluating the skin permeability of a test substance.

三次元構造体の一例を示す模式断面図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an example of a three-dimensional structure. (a)及び(b)は、実験例1において、ハイドロゲル層に対するブルーデキストランの透過率を測定した結果を示すグラフである。(c)は、アルギン酸ゲルを走査電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示す電子顕微鏡写真である。(d)は、フィブリンゲルをSEMで観察した結果を示す電子顕微鏡写真である。Graphs (a) and (b) show the results of measuring the permeability of Blue Dextran through a hydrogel layer in Experimental Example 1. (c) is an electron microscope photograph showing the results of observing an alginate gel with a scanning electron microscope (SEM). (d) is an electron microscope photograph showing the results of observing a fibrin gel with a SEM. 実験例2における亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。1 is a graph showing the quantitative results of zinc ions in Experimental Example 2. (a)は、実験例3において、ウェル中に透過した亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。(b)は、実験例3において、IL-8-HaCaT細胞が発するGFPの蛍光を撮影した蛍光顕微鏡写真である。1A is a graph showing the quantitative results of zinc ions permeated into wells in Experimental Example 3. FIG. 1B is a fluorescent microscope photograph of GFP fluorescence emitted by IL-8-HaCaT cells in Experimental Example 3. (a)及び(b)は、実験例4における定量的リアルタイムPCRの結果を示すグラフである。13( a ) and 13 ( b ) are graphs showing the results of quantitative real-time PCR in Experimental Example 4. (a)は、実験例5における亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。(b)は、実験例5における定量的リアルタイムPCRの結果を示すグラフである。1A is a graph showing the quantitative results of zinc ions in Experimental Example 5. FIG. 1B is a graph showing the results of quantitative real-time PCR in Experimental Example 5.

以下、場合により図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一又は対応する符号を付し、重複する説明は省略する。なお、各図における寸法比は、説明のため誇張している部分があり、必ずしも実際の寸法比とは一致しない。 Below, an embodiment of the present invention will be described in detail, with reference to the drawings where necessary. Note that in the drawings, identical or equivalent parts are given the same or corresponding reference numerals, and duplicate explanations will be omitted. Note that the dimensional ratios in each drawing are exaggerated for the purpose of explanation, and do not necessarily correspond to the actual dimensional ratios.

[三次元構造体]
本発明の一側面において、細胞層と、ハイドロゲルを含む透過層と、を含み、前記細胞層と前記透過層とは積層されており、前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む、前記被験物質の皮膚透過性評価用三次元構造体が提供される。ハイドロゲルを含む透過層は、細胞層と積層されていればよく、透過層と細胞層の間に、細胞層及び透過層以外の層(例えば別の透過性の層や別の細胞層等)が配置されていてもよいが、好ましくは細胞層に接する形で透過層が積層されている。透過層の細胞層が存在する側(以下、細胞層側と称する)とは反対側(以下、被験物質適用側と称する)から適用された被験物質は、透過層を透過し細胞層に至り、細胞層に含まれるインジケーター細胞と接触することでインジケーター細胞の生理学的特性が変化する。かかる変化を観察及び評価することにより、被験物質の皮膚透過性を評価することができる。
[Three-dimensional structure]
In one aspect of the present invention, a three-dimensional structure for evaluating the skin permeability of a test substance is provided, the structure including a cell layer and a permeable layer containing a hydrogel, the cell layer and the permeable layer being laminated, the permeable layer having the same substance permeability as the skin of a living body, and the cell layer containing an indicator cell for the test substance. The permeable layer containing a hydrogel may be laminated with the cell layer, and a layer other than the cell layer and the permeable layer (e.g., another permeable layer or another cell layer, etc.) may be disposed between the permeable layer and the cell layer, but preferably the permeable layer is laminated in a manner that contacts the cell layer. The test substance applied from the opposite side (hereinafter referred to as the test substance application side) to the side where the cell layer is present (hereinafter referred to as the cell layer side) of the permeable layer permeates the permeable layer and reaches the cell layer, and the physiological properties of the indicator cells change when the test substance comes into contact with the indicator cells contained in the cell layer. By observing and evaluating such changes, the skin permeability of the test substance can be evaluated.

実施例において後述するように、本発明の三次元構造体によれば、三次元培養皮膚よりも簡便に被験物質の皮膚透過性を評価することができる。また、被験物質の皮膚透過性の評価結果の再現性も高い。 As described later in the Examples, the three-dimensional structure of the present invention allows the skin permeability of a test substance to be evaluated more easily than three-dimensional cultured skin. In addition, the evaluation results of the skin permeability of the test substance are highly reproducible.

図1は、本発明の三次元構造体の一例を示す模式断面図である。かかる例において、三次元構造体100は、細胞層120と、細胞層120の上部に配置された透過層110とを含む。透過層110はハイドロゲルを含む。透過層110は生体の皮膚と同等の物質透過性を有する。細胞層120は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む。 Figure 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a three-dimensional structure of the present invention. In this example, the three-dimensional structure 100 includes a cell layer 120 and a permeable layer 110 disposed on the cell layer 120. The permeable layer 110 includes a hydrogel. The permeable layer 110 has substance permeability equivalent to that of living body skin. The cell layer 120 includes indicator cells for a test substance.

図1に示すように、三次元構造体100は、容器に収容されていてもよく、また培地等の液体に浸漬されていてもよい。図1の例では、三次元構造体100は、トランズウェルインサート130に収容され、培地141に浸漬されているが、培地に直接浸漬されていてもよい。トランズウェルインサート130のうち、細胞層120が接する領域の少なくとも一部は、透過性の高いメンブレン131から構成されており、図1の例のように、細胞層120が接する領域の全面がメンブレン131で構成されていてもよい。メンブレン131は、細胞を透過させず、培地中の成分及び細胞からの分泌物を透過させるものであればいかなるものを用いてもよい。 As shown in FIG. 1, the three-dimensional structure 100 may be housed in a container or may be immersed in a liquid such as a culture medium. In the example of FIG. 1, the three-dimensional structure 100 is housed in a Transwell insert 130 and immersed in a culture medium 141, but it may also be directly immersed in the culture medium. At least a part of the area of the Transwell insert 130 that contacts the cell layer 120 is made of a highly permeable membrane 131, and as in the example of FIG. 1, the entire area of the area that contacts the cell layer 120 may be made of the membrane 131. Any membrane 131 may be used as long as it is impermeable to cells but permeable to components in the culture medium and secretions from the cells.

透過層110のうち、細胞層120に対向する面111とは反対側の面112には、被験物質が適用される。被験物質は、面112に接触する形態であればいかなる形態で適用されてもよく、例えば被験物質を溶解又は分散させた液を添加したり、被験物質を含むゲル又はクリームを塗布したりしてよい。図1の例では、透過層110の上に培地140が添加され、後述するように、培地140に被験物質が添加される形で適用されている。また、図1の例では、トランズウェルインサート130は、ウェル150に収容されている。ウェル150とトランズウェルインサート130との間の空間には、培地141が収容されており、透過層110を透過した被験物質は、細胞層120に接触し、更にメンブレン131を透過して培地141に放出される。また、被験物質が細胞層120に含まれるインジケーター細胞に接触することにより何らかの物質を分泌する場合は、かかる分泌物もまたメンブレン131を透過して培地141に放出される。かかる培地141に放出された被験物質や分泌物の量を測定することによって、皮膚透過性を評価することもできる。 A test substance is applied to the surface 112 of the permeable layer 110 opposite the surface 111 facing the cell layer 120. The test substance may be applied in any form that contacts the surface 112, for example, by adding a liquid in which the test substance is dissolved or dispersed, or by applying a gel or cream containing the test substance. In the example of FIG. 1, a culture medium 140 is added on the permeable layer 110, and the test substance is applied in the form of being added to the culture medium 140, as described below. In the example of FIG. 1, the transwell insert 130 is contained in the well 150. The space between the well 150 and the transwell insert 130 contains a culture medium 141, and the test substance that has permeated the permeable layer 110 contacts the cell layer 120, and then permeates the membrane 131 and is released into the culture medium 141. Furthermore, if the test substance secretes any substance upon contact with the indicator cells contained in the cell layer 120, such secretions also permeate the membrane 131 and are released into the medium 141. Skin permeability can also be evaluated by measuring the amount of the test substance or secretions released into the medium 141.

本発明において、「透過層が生体の皮膚と同等の物質透過性を有する」とは、特定の被験物質に着目した場合に、当該被験物質が生体の皮膚を透過する透過性と、当該被験物質が本発明の三次元構造体の透過層を透過する透過性が同等であることを意味する。 In the present invention, "the permeability layer has substance permeability equivalent to that of the skin of a living body" means that, in the case of a specific test substance, the permeability of the test substance through the skin of a living body is equivalent to the permeability of the test substance through the permeability layer of the three-dimensional structure of the present invention.

本明細書において、「被験物質が透過層を透過する」とは、被験物質が変化することなく透過層を透過すること、及び、被験物質が変化して生じた物質が透過層を透過することを含む。被験物質が変化して生じた物質とは、例えば、被験物質が溶解して生じたイオンや被験物質が結合して生じるクラスター等が挙げられる。 In this specification, "the test substance permeates the permeable layer" includes the test substance permeating the permeable layer without being changed, and the test substance changing to produce a substance that permeates the permeable layer. Examples of substances that change to produce a substance include ions that are produced when the test substance dissolves and clusters that are produced when the test substance binds to each other.

本発明において、透過層は、ハイドロゲルを含むものである。細胞毒性や被験物質との反応性に影響しない限り、その他の成分を含んでもよいが、好ましくはハイドロゲルのみからなる。透過層は、好ましくはナノ粒子等の粒子を透過させないが、ナノ粒子の溶解物(イオン等の低分子物質)は透過させる。いいかえると、透過層は、粒子と溶解性の物質(金属イオン等)を分別可能であることが好ましい。また、透過層は、その組成や厚さ等を変化させることによって、透過層の物質透過性を調節可能であることが好ましい。 In the present invention, the permeable layer contains a hydrogel. Other components may be included as long as they do not affect the cytotoxicity or reactivity with the test substance, but preferably the permeable layer is made of only a hydrogel. The permeable layer preferably does not allow particles such as nanoparticles to pass through, but allows dissolved substances of nanoparticles (low molecular weight substances such as ions) to pass through. In other words, the permeable layer is preferably capable of separating particles from soluble substances (metal ions, etc.). In addition, it is preferable that the permeability of the permeable layer can be adjusted by changing the composition, thickness, etc. of the permeable layer.

透過層が含むハイドロゲルは、少なくとも使用濃度範囲において、それ自体に細胞毒性がないものが好ましい。また、透過層が含むハイドロゲルは、生体の皮膚と同等に、粒子や高分子物質の透過性と、イオン等の低分子物質の透過性に差を有する構造及び密度を有することが好ましい。ハイドロゲルは、水を内部に含む高分子材料であり、例えば、生体由来高分子(コラーゲン、エラスチン、ゼラチン、フィブリン、ヒアルロン酸、ポリペプチド等)、ポリ乳酸、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミド等の合成高分子、アルギン酸、ジェランガム等の多糖類、多価金属塩等が挙げられる。 The hydrogel contained in the permeable layer is preferably one that is not cytotoxic in itself, at least within the range of concentrations used. In addition, the hydrogel contained in the permeable layer is preferably one that has a structure and density that is similar to that of living skin, with a difference in permeability to particles and polymeric substances and permeability to low molecular weight substances such as ions. Hydrogels are polymeric materials that contain water inside, and examples of such materials include bio-derived polymers (collagen, elastin, gelatin, fibrin, hyaluronic acid, polypeptides, etc.), synthetic polymers such as polylactic acid, polyethylene glycol, and polyacrylamide, polysaccharides such as alginic acid and gellan gum, and polyvalent metal salts.

ハイドロゲルは、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。 Hydrogels may be used alone or in combination of two or more types.

実施例において後述するように、発明者らは、例えば、空隙率の低いアルギン酸ゲルは、被験物質の透過性が低すぎて何も通さないのに対し、空隙率がより高いフィブリンゲルは、透過層の厚さを調節することにより、被験物質の透過性を調節することができることを明らかにした。 As described later in the Examples, the inventors have clarified that, for example, an alginate gel with low porosity has too low permeability to the test substance to allow any of it to pass through, whereas a fibrin gel with higher porosity allows the permeability of the test substance to be adjusted by adjusting the thickness of the permeable layer.

このため、透過層に含まれるハイドロゲルとして、フィブリンゲル等を用いた場合、透過層の厚さを調節することにより、被験物質の透過性を、生体の皮膚と同等の透過性に設定することができる。 For this reason, when a fibrin gel or the like is used as the hydrogel contained in the permeable layer, the permeability of the test substance can be set to the same level as that of living skin by adjusting the thickness of the permeable layer.

本発明の三次元構造体によれば、ナノ粒子材料やその他の化学物質、生物由来物質の経皮毒性や、ドラッグデリバリーシステムにおける医薬品の皮膚浸透性及び有効性等を、より正確にスクリーニングできるシステムを構築することができる。 The three-dimensional structure of the present invention makes it possible to construct a system that can more accurately screen the dermal toxicity of nanoparticle materials, other chemical substances, and biological substances, as well as the skin permeability and efficacy of pharmaceuticals in drug delivery systems.

本発明の三次元構造体は、透過層の下に、被験物質に対するインジケーター細胞を含む細胞層を有する。本明細書において、インジケーター細胞とは、ある物質との接触に応答して、生理学的特性が変化する細胞を意味する。生理学的特性としては、遺伝子発現プロファイル、蛍光タンパク質等のレポータータンパク質を含むタンパク質の発現量、細胞の表現型、生存率、バイタリティ等が挙げられる。本発明の三次元構造体に用いられるインジケーター細胞は、被験物質との接触に応答して生理学的特性が変化する細胞である。 The three-dimensional structure of the present invention has a cell layer containing indicator cells for a test substance under a permeable layer. In this specification, indicator cells refer to cells whose physiological properties change in response to contact with a certain substance. Examples of physiological properties include gene expression profiles, expression levels of proteins including reporter proteins such as fluorescent proteins, cell phenotypes, survival rates, vitality, etc. The indicator cells used in the three-dimensional structure of the present invention are cells whose physiological properties change in response to contact with a test substance.

本実施形態の三次元構造体において、細胞層が含むインジケーター細胞としては、ヒト等の哺乳類の生体由来の初代培養細胞、継代培養細胞、幹細胞、幹細胞から分化誘導された細胞、株化された細胞、各種遺伝子編集を施した細胞等を使用することができる。 In the three-dimensional structure of this embodiment, the indicator cells contained in the cell layer can be primary cultured cells derived from mammalian living organisms such as humans, subcultured cells, stem cells, cells induced to differentiate from stem cells, established cell lines, cells that have been subjected to various gene editing processes, etc.

皮膚透過性を評価する観点では、インジケーター細胞として、特に、皮膚を構成し炎症反応に関わる表皮角化細胞又はHaCaT細胞等の表皮角化細胞株が好ましく用いられる。インジケーター細胞としては、これらの他にも、線維芽細胞、血管内皮細胞、ランゲルハンス細胞、末梢神経細胞等を目的に応じて適宜用いることができる。 In terms of evaluating skin permeability, epidermal keratinocytes that constitute the skin and are involved in inflammatory reactions or epidermal keratinocyte cell lines such as HaCaT cells are preferably used as indicator cells. In addition to these, fibroblasts, vascular endothelial cells, Langerhans cells, peripheral nerve cells, etc. can also be used as appropriate depending on the purpose.

また、インジケーター細胞の応答性を非侵襲にリアルタイムで評価する手段として、例えば、標的遺伝子の応答配列の下流に所定の外来遺伝子(以下、レポーター遺伝子と称する。)を連結したコンストラクトを導入した細胞を好適に用いることができる。レポーター遺伝子としては特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ルシフェラーゼ遺伝子、緑色蛍光タンパク質(GFP)遺伝子、これらの派生物等が挙げられる。 As a means for non-invasively evaluating the responsiveness of indicator cells in real time, for example, cells into which a construct in which a specific foreign gene (hereinafter referred to as a reporter gene) is linked downstream of the response sequence of a target gene has been introduced can be suitably used. There are no particular limitations on the reporter gene, and it can be selected appropriately depending on the purpose. Examples of the reporter gene include the luciferase gene, the green fluorescent protein (GFP) gene, and derivatives thereof.

これにより、標的遺伝子の転写活性を蛍光等により検出することができる。つまり、インジケーター細胞は、蛍光タンパク質を発現する細胞であってもよいし、基質と反応して蛍光を生じる酵素を発現する細胞であってもよい。また、蛍光タンパク質を発現する細胞は、レポーター遺伝子が導入された細胞であってもよい。 This allows the transcription activity of the target gene to be detected by fluorescence or the like. In other words, the indicator cells may be cells that express a fluorescent protein, or cells that express an enzyme that reacts with a substrate to produce fluorescence. Furthermore, the cells that express a fluorescent protein may be cells into which a reporter gene has been introduced.

レポーター遺伝子は、発現レベルを測定する標的遺伝子の応答配列の下流に連結されている。標的遺伝子の応答配列に特に制限はないが、特に、皮膚における炎症誘発の評価にはIL-8遺伝子のプロモーターのNF-kB応答配列を好適に用いることができる。 The reporter gene is linked downstream of the response element of the target gene whose expression level is to be measured. There are no particular limitations on the response element of the target gene, but the NF-kB response element of the IL-8 gene promoter can be preferably used to evaluate the induction of inflammation in the skin.

応答配列のその他の例としては、酸化ストレスに応答するHO-1遺伝子のARE配列、DNA損傷に応答するp53応答配列、小胞体ストレスに応答するATF6応答配列、金属ストレスに応答するMT2AのMRE配列等が挙げられる。 Other examples of response elements include the ARE sequence of the HO-1 gene that responds to oxidative stress, the p53 response element that responds to DNA damage, the ATF6 response element that responds to endoplasmic reticulum stress, and the MRE element of MT2A that responds to metal stress.

ヒトIL-8遺伝子のmRNAのNCBIアクセッション番号はNM_000584.4、NM_001354840.2等である。ヒトHO-1遺伝子のmRNAのNCBIアクセッション番号はNM_002133.3等である。ヒトp53遺伝子のmRNAのNCBIアクセッション番号はNM_000546.5、NM_001126112.2等である。ヒトATF6遺伝子のmRNAのNCBIアクセッション番号はNM_007348.4等である。ヒトMT2A遺伝子のmRNAのNCBIアクセッション番号はNM_005953.5等である。 The NCBI accession numbers for the human IL-8 gene mRNA are NM_000584.4, NM_001354840.2, etc. The NCBI accession numbers for the human HO-1 gene mRNA are NM_002133.3, etc. The NCBI accession numbers for the human p53 gene mRNA are NM_000546.5, NM_001126112.2, etc. The NCBI accession numbers for the human ATF6 gene mRNA are NM_007348.4, etc. The NCBI accession numbers for the human MT2A gene mRNA are NM_005953.5, etc.

図1に示すように、三次元構造体は、容器に収容されていてもよい。容器は、細胞の接着と増殖に適した基材からなる培養容器が好ましい。また、インジケーター細胞の応答を蛍光等で測定する観点から、容器として、光透過性が高く、自己発光しないマルチウェルタイプのカルチャープレート等を用いることが好ましい。 As shown in FIG. 1, the three-dimensional structure may be housed in a container. The container is preferably a culture container made of a substrate suitable for cell adhesion and proliferation. In addition, from the viewpoint of measuring the response of the indicator cells by fluorescence or the like, it is preferable to use a multi-well type culture plate or the like that has high light transmittance and does not self-illuminate as the container.

特に、下部からの細胞への栄養・酸素等の供給を妨げず、三次元組織体を通過した後の被験物質の回収と評価を可能にするため、メンブレンを含む、Transwell(コーニング社)等のトランズウェルインサートを用いることが好ましい。 In particular, it is preferable to use a transwell insert such as Transwell (Corning) that includes a membrane, in order to allow recovery and evaluation of the test substance after it has passed through the three-dimensional tissue structure without interfering with the supply of nutrients, oxygen, etc. to the cells from below.

被験物質としては、皮膚透過性を評価する対象のあらゆる物質が挙げられる。より具体的には、例えば、ナノ粒子、合成化合物、天然化合物、生物由来物質、医薬等が挙げられる。 The test substance may be any substance for which skin permeability is to be evaluated. More specifically, examples include nanoparticles, synthetic compounds, natural compounds, biological substances, medicines, etc.

ナノ粒子は、外形寸法が1~100nmの範囲にある物質である。具体的なナノ粒子としては、例えば、酸化亜鉛(ZnO)、SiOコートされたZnO(ZnO-Si)、酸化銅(CuO)、酸化ニッケル(NiO)、三酸化アンチモン(Sb)、一酸化コバルト(CoO)、三酸化モリブデン(MoO)、酸化イットリウム(Y)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化ガドリニウム(Gd)、酸化スズ(SnO)、三酸化タングステン(WO)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化第二鉄(Fe)、二酸化チタン(TiO)、酸化セリウム(CeO)、酸化アルミニウム(Al)、三酸化ビスマス(Bi)、酸化ランタン(La)、酸化インジウムスズ(ITO、In/SnO)、コバルトブルー顔料(Al/CoO)、金ナノ粒子等が挙げられるがこれらに限定されない。 Nanoparticles are materials with external dimensions in the range of 1-100 nm. Specific examples of nanoparticles include zinc oxide (ZnO), SiO2 - coated ZnO (ZnO-Si), copper oxide (CuO), nickel oxide (NiO), antimony trioxide (Sb2O3), cobalt monoxide (CoO), molybdenum trioxide ( MoO3 ), yttrium oxide ( Y2O3 ), magnesium oxide (MgO), gadolinium oxide ( Gd2O3 ), tin oxide ( SnO2 ), tungsten trioxide ( WO3 ), zirconium oxide ( ZrO2 ), ferric oxide ( Fe2O3 ), titanium dioxide ( TiO2 ), cerium oxide ( CeO2 ), aluminum oxide ( Al2O3 ), bismuth trioxide ( Bi2O3 ), lanthanum oxide ( La2O3 ), indium tin oxide (ITO, In2O3 ), and the like . 3 /SnO 2 ), cobalt blue pigment (Al 2 O 3 /CoO), gold nanoparticles, and the like, but are not limited to these.

これらの被験物質を生体の皮膚や本実施形態の三次元構造体に適用した場合、分解等により溶解性の物質が放出されることがある。例えば、実施例において後述するように、酸化亜鉛等の金属ナノ粒子は、溶解して金属イオンを生じる。 When these test substances are applied to the skin of a living body or to the three-dimensional structure of this embodiment, soluble substances may be released due to decomposition, etc. For example, as described later in the Examples, metal nanoparticles such as zinc oxide dissolve and produce metal ions.

この結果、一定の場所が高濃度の金属イオンに晒されることになる。従来、このような条件下での生体応答性を評価するためにはインビボの解析系を用いる必要があり、インビトロモデルでは解析することが困難であった。 As a result, certain areas are exposed to high concentrations of metal ions. Previously, in order to evaluate biological responses under such conditions, it was necessary to use an in vivo analysis system, and it was difficult to analyze using an in vitro model.

これに対し、実施例において後述するように、本発明の三次元構造体によれば、一定の場所が高濃度の金属イオンに晒された条件下における生体応答性を解析することができる。また、実施例において後述するように、例えば、溶解した亜鉛の透過性と、細胞層における炎症誘発性を同時に評価できることができるため、インビボに近い評価を行うことができる。 In contrast, as described later in the Examples, the three-dimensional structure of the present invention makes it possible to analyze the biological response under conditions in which a certain location is exposed to a high concentration of metal ions. In addition, as described later in the Examples, for example, it is possible to simultaneously evaluate the permeability of dissolved zinc and the inflammatory properties of the cell layer, making it possible to perform an evaluation close to that in vivo.

[被験物質の皮膚透過性の評価方法]
一側面において、本発明は、細胞層と、ハイドロゲルを含む透過層と、を含み、前記細胞層と前記透過層とは積層されており、前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む、三次元構造体の、前記透過層の前記細胞層に対向する面(細胞層側)とは反対側の面(被験物質適用側)に被験物質を接触させる工程と、前記インジケーター細胞の生理学的特性を測定する工程と、を含む、被験物質の皮膚透過性の評価方法を提供する。
[Method for evaluating skin permeability of test substance]
In one aspect, the present invention provides a method for evaluating the skin permeability of a test substance, the method comprising: a step of contacting a test substance with a surface (test substance application side) of the permeation layer opposite a surface (cell layer side) of the permeation layer facing the cell layer of a three-dimensional structure comprising a cell layer and a permeation layer containing a hydrogel, the cell layer and the permeation layer being laminated, the permeation layer having substance permeability equivalent to that of living body skin, and the cell layer containing indicator cells for the test substance; and a step of measuring physiological characteristics of the indicator cells.

本発明の評価方法において、三次元構造体としては、上述した三次元構造体を用いることができる。一例として、図1に示す三次元構造体を用いた被験物質の皮膚透過性の評価方法を説明する。 In the evaluation method of the present invention, the three-dimensional structure described above can be used as the three-dimensional structure. As an example, a method for evaluating the skin permeability of a test substance using the three-dimensional structure shown in Figure 1 will be described.

本発明の評価方法では、まず、三次元構造体100における、透過層110の細胞層120に対向する面111(細胞層側)とは反対側の面112(被験物質適用側)に被験物質を接触させる。これは、トランズウェルインサート130内の培地140に被験物質を添加すること等により実施することができる。被験物質としては、上述したものと同様のものを用いることができる。 In the evaluation method of the present invention, first, a test substance is brought into contact with the surface 112 (test substance application side) of the permeable layer 110 of the three-dimensional structure 100, which is opposite to the surface 111 (cell layer side) facing the cell layer 120. This can be carried out by adding the test substance to the culture medium 140 in the Transwell insert 130, for example. The test substance can be the same as that described above.

培地140に添加された被験物質は、溶解してイオン等の低分子物質を生じてもよい。被験物質又は被験物質から生じた低分子物質は、透過層110を透過し、細胞層120に接触し、更にメンブレン131を透過して培地141に放出される。 The test substance added to the culture medium 140 may dissolve and produce low molecular weight substances such as ions. The test substance or low molecular weight substances produced from the test substance permeate the permeable layer 110, come into contact with the cell layer 120, and further permeate the membrane 131 to be released into the culture medium 141.

被験物質又は被験物質から生じた低分子物質は、透過層110を透過して細胞層120に含まれるインジケーター細胞に接触し、インジケーター細胞の生理学的特性に影響を与える。続いて、細胞層120に含まれるインジケーター細胞の生理学的特性を測定する。 The test substance or a low molecular weight substance generated from the test substance permeates the permeation layer 110 and contacts the indicator cells contained in the cell layer 120, affecting the physiological properties of the indicator cells. The physiological properties of the indicator cells contained in the cell layer 120 are then measured.

インジケーター細胞は、レポーター遺伝子が導入された細胞であり、生理学的特性が、レポーター遺伝子の発現量に対応した蛍光強度により測定されてもよい。あるいは、インジケーター細胞の生理学的特性は、定量的リアルタイムPCRによる標的遺伝子の発現量の測定、DNAマイクロアレイを用いた網羅的な遺伝子の発現量の測定、ELISA又はウエスタンブロッティングによる標的タンパク質の発現量の測定、液体クロマトグラフィー(LC)、LC-質量分析(MS)等によって、インジケーター細胞の代謝物を解析すること等により測定してもよい。被験物質の皮膚透過性は、インジケーター細胞の生理学的特性に対応づけて評価することができる。 The indicator cells are cells into which a reporter gene has been introduced, and the physiological characteristics may be measured based on the fluorescence intensity corresponding to the expression level of the reporter gene. Alternatively, the physiological characteristics of the indicator cells may be measured by measuring the expression level of the target gene by quantitative real-time PCR, comprehensively measuring the expression level of genes using a DNA microarray, measuring the expression level of a target protein by ELISA or Western blotting, or analyzing the metabolites of the indicator cells by liquid chromatography (LC), LC-mass spectrometry (MS), or the like. The skin permeability of the test substance can be evaluated in correspondence with the physiological characteristics of the indicator cells.

本発明の評価方法は、ウェル150とトランズウェルインサート130との間の空間に収容された培地141中に放出された被験物質又は被験物質から生じた低分子物質を定量する工程を更に含んでいてもよい。被験物質又は被験物質から生じた低分子物質の定量は、LC-MS、ICP発光分光分析装置(ICP-OES)等により行うことができる。培地141中に放出された被験物質又は被験物質から生じた低分子物質を定量することにより、被験物質の皮膚透過性を評価することができる。 The evaluation method of the present invention may further include a step of quantifying the test substance released into the medium 141 contained in the space between the well 150 and the Transwell insert 130, or the low molecular weight substance generated from the test substance. The test substance or the low molecular weight substance generated from the test substance can be quantified using LC-MS, ICP optical emission spectrometry (ICP-OES), or the like. By quantifying the test substance released into the medium 141, or the low molecular weight substance generated from the test substance, the skin permeability of the test substance can be evaluated.

[被験物質の皮膚透過性評価用キット]
一側面において、本発明は、ハイドロゲルを含む、被験物質の皮膚透過性評価用キットを提供する。本実施形態のキットにより、上述した三次元構造体を作製することができる。更に、三次元構造体を用いて被験物質の皮膚透過性を評価することができる。
[Kit for evaluating skin permeability of test substance]
In one aspect, the present invention provides a kit for evaluating the skin permeability of a test substance, comprising a hydrogel. The kit of this embodiment can produce the above-mentioned three-dimensional structure. Furthermore, the three-dimensional structure can be used to evaluate the skin permeability of the test substance.

本発明のキットにおいて、ハイドロゲルとしては、上述したものと同様のものを用いることができる。ハイドロゲルは、ハイドロゲルの形態でキットに含まれていてもよいし、ハイドロゲルを形成する材料の形態でキットに含まれていてもよい。 In the kit of the present invention, the hydrogel may be the same as that described above. The hydrogel may be included in the kit in the form of a hydrogel, or may be included in the kit in the form of a material that forms a hydrogel.

本発明のキットは、容器を更に含んでいてもよい。容器としては、トランズウェルインサート、トランズウェルインサート及びウェルプレートの組み合わせ等を好ましく用いることができる。 The kit of the present invention may further include a container. As the container, a Transwell insert, or a combination of a Transwell insert and a well plate, etc., can be preferably used.

本発明のキットは、インジケーター細胞を更に含んでもよい。インジケーター細胞としては、上述したものと同様のものを用いることができる。また、前記インジケーター細胞を培養し、細胞層を調製するための培地や緩衝液等を更に含んでもよい。 The kit of the present invention may further include indicator cells. As the indicator cells, the same ones as those described above can be used. In addition, the kit may further include a medium, a buffer solution, etc. for culturing the indicator cells and preparing a cell layer.

三次元構造体の作製においては、まず、トランズウェルインサートにインジケーター細胞を播種する。インジケーター細胞は、ユーザーが目的に応じて適宜用意した細胞であってもよい。あるいは、本発明のキットがインジケーター細胞を更に含んでおり、当該インジケーター細胞を播種してもよい。この結果、細胞層が形成される。続いて、細胞層にハイドロゲルを積層する。これにより、三次元構造体が形成される。形成された三次元構造体は、上述した被験物質の皮膚透過性の評価方法に好適に用いることができる。 In the preparation of the three-dimensional structure, first, indicator cells are seeded in the Transwell insert. The indicator cells may be cells prepared by the user according to the purpose. Alternatively, the kit of the present invention may further contain indicator cells, and the indicator cells may be seeded. As a result, a cell layer is formed. Next, a hydrogel is layered on the cell layer. This forms a three-dimensional structure. The formed three-dimensional structure can be suitably used in the above-mentioned method for evaluating the skin permeability of a test substance.

次に実施例を示して本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 The present invention will now be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実験例1]
(ハイドロゲルの透過性の検討1)
ハイドロゲルで形成した透過層に被験物質を接触させて、被験物質の透過性を検討した。ハイドロゲルとして、アルギン酸ゲル及びフィブリンゲルを使用した。また、被験物質として、ブルーデキストラン(分子量約2,000kDa)の1質量%水溶液を使用した。
[Experimental Example 1]
(Study on hydrogel permeability 1)
The permeability of the test substance was examined by contacting the test substance with the permeable layer formed of hydrogel. Alginate gel and fibrin gel were used as the hydrogel. A 1% by mass aqueous solution of blue dextran (molecular weight approximately 2,000 kDa) was used as the test substance.

アルギン酸ゲル透過層は、24ウェルプレートのトランズウェルインサートに10mg/mLのアルギン酸水溶液を50μL、100μL又は150μL入れ、それぞれに100mMの塩化カルシウムを架橋剤として添加してゲル化することにより形成した。 The alginate gel permeable layer was formed by placing 50 μL, 100 μL, or 150 μL of 10 mg/mL alginate aqueous solution in the Transwell insert of a 24-well plate, and then adding 100 mM calcium chloride as a crosslinking agent to each solution to form a gel.

フィブリンゲル透過層は次のようにして調製した。まず、50ユニット/mLトロンビン(シグマ-アルドリッチ社)及び80mM塩化カルシウムをリン酸緩衝生理食塩水(PBS)に溶解して調整したトロンビン溶液、及び、60mg/mLフィブリノーゲン(シグマ-アルドリッチ社)をPBSに溶解して調整したフィブリノーゲン溶液を調製した。続いて、トロンビン溶液:フィブリノーゲン溶液=1:5(体積比)となるように混合した溶液50μL、100μL又は150μLを、24ウェルプレートのトランズウェルインサートにそれぞれ入れて、37℃、5%CO環境下で30分間ゲル化することにより形成した。 The fibrin gel permeation layer was prepared as follows: First, a thrombin solution was prepared by dissolving 50 units/mL thrombin (Sigma-Aldrich) and 80 mM calcium chloride in phosphate buffered saline (PBS), and a fibrinogen solution was prepared by dissolving 60 mg/mL fibrinogen (Sigma-Aldrich) in PBS. Next, 50 μL, 100 μL, or 150 μL of the solution, which was mixed so that the thrombin solution:fibrinogen solution was 1:5 (volume ratio), was placed in a Transwell insert of a 24-well plate, and gelled for 30 minutes at 37°C in a 5% CO2 environment.

上述した各トランズウェルインサートを、各ウェルに300μLの水を添加した24ウェルプレートにセットした。続いて、各トランズウェルインサートにブルーデキストラン(分子量約2,000kDa)の1質量%水溶液を100μLずつ添加し、1週間インキュベートした。 Each of the above-mentioned Transwell inserts was placed in a 24-well plate with 300 μL of water added to each well. Next, 100 μL of a 1% by mass aqueous solution of Blue Dextran (molecular weight approximately 2,000 kDa) was added to each Transwell insert, and the inserts were incubated for one week.

続いて、24ウェル中に透過したブルーデキストランの量を、波長620nmの吸光を測定することにより評価した。図2(a)及び(b)は、ブルーデキストランの透過率を測定した結果を示すグラフである。図2(a)はアルギン酸ゲルを用いた場合の結果であり、図2(b)は、フィブリンゲルを用いた場合の結果である。対照として、ゲルを形成していないトランズウェルインサート上にブルーデキストランの1質量%水溶液100μL添加したものを用いた。図2(a)及び(b)中、縦軸は、対照における波長620nmの吸光度を100%とした吸光度(%)を示し、横軸はハイドロゲルの体積(μL)を示す。 The amount of Blue Dextran that penetrated into the 24 wells was then evaluated by measuring the absorbance at a wavelength of 620 nm. Figures 2(a) and (b) are graphs showing the results of measuring the transmittance of Blue Dextran. Figure 2(a) shows the results when alginate gel was used, and Figure 2(b) shows the results when fibrin gel was used. As a control, a Transwell insert in which 100 μL of a 1% by mass aqueous solution of Blue Dextran was added to a non-gel-formed insert was used. In Figures 2(a) and (b), the vertical axis shows the absorbance (%) with the absorbance at a wavelength of 620 nm in the control taken as 100%, and the horizontal axis shows the volume (μL) of the hydrogel.

その結果、フィブリンゲルは、透過層の厚さに応じて、被験物質の透過性を示すことが明らかとなった。一方、アルギン酸ゲルは、透過層の厚さに関わらず、被験物質の透過性が低い結果となった。 As a result, it was found that fibrin gel exhibited permeability to the test substance depending on the thickness of the permeable layer. On the other hand, alginate gel showed low permeability to the test substance regardless of the thickness of the permeable layer.

図2(c)は、アルギン酸ゲルを走査電子顕微鏡(SEM)で観察した結果を示す電子顕微鏡写真である。図2(d)は、フィブリンゲルをSEMで観察した結果を示す電子顕微鏡写真である。 Figure 2(c) is an electron microscope photograph showing the results of observing an alginate gel with a scanning electron microscope (SEM). Figure 2(d) is an electron microscope photograph showing the results of observing a fibrin gel with a SEM.

[実験例2]
(ハイドロゲルの透過性の検討2)
ハイドロゲルで形成した透過層に被験物質を接触させて、被験物質の透過性を検討した。ハイドロゲルとして、フィブリンゲルを使用した。また、被験物質として、1mMの塩化亜鉛水溶液を使用した。
[Experimental Example 2]
(Study of hydrogel permeability 2)
The permeability of a test substance was examined by contacting the test substance with the permeable layer formed of a hydrogel. Fibrin gel was used as the hydrogel. 1 mM zinc chloride aqueous solution was used as the test substance.

フィブリンゲルは、実験例1と同様にして調製したトロンビン溶液及びフィブリノーゲン溶液を、トロンビン溶液:フィブリノーゲン溶液=1:5(体積比)となるように混合した溶液200μLを、24ウェルプレートのトランズウェルインサートに入れて、37℃、5%CO環境下で30分間ゲル化して調製した。 The fibrin gel was prepared by mixing the thrombin solution and the fibrinogen solution prepared in the same manner as in Experimental Example 1 at a volume ratio of thrombin solution:fibrinogen solution = 1:5, placing 200 µL of the solution in a Transwell insert of a 24-well plate, and gelling for 30 minutes at 37°C in a 5% CO2 environment.

続いて、上述したトランズウェルインサートを、各ウェルに1,000μLの水を添加した24ウェルプレートにセットした。続いて、各トランズウェルインサートに1mMの塩化亜鉛水溶液を100μLずつ添加してインキュベートした。 The above-mentioned Transwell inserts were then placed in a 24-well plate with 1,000 μL of water added to each well. Then, 100 μL of 1 mM zinc chloride aqueous solution was added to each Transwell insert and incubated.

続いて、24時間後及び48時間後に、各24ウェル中に透過した亜鉛イオンの量をICP発光分光分析装置(Inductivity coupled plasma optical emission spectrometer:ICP-OES、型式「5110VDV」、アジレントテクノロジーズ社)を用いて定量した。 After 24 and 48 hours, the amount of zinc ions that had permeated into each of the 24 wells was quantified using an ICP optical emission spectrometer (Inductivity Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer: ICP-OES, model number "5110VDV", Agilent Technologies).

図3は、亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。その結果、トランズウェルインサートの下層に放出された亜鉛イオンの濃度が、経時的に上昇したことが明らかとなった。 Figure 3 is a graph showing the quantitative results of zinc ions. The results revealed that the concentration of zinc ions released into the lower layer of the Transwell insert increased over time.

[実験例3]
(塩化亜鉛に対する細胞層の反応の評価)
透過層の厚さを様々に変えて、被験物質がインジケーター細胞に与える影響を評価した。透過層としては、厚さの異なるフィブリンゲルを使用した。被験物質としては、塩化亜鉛水溶液を使用した。インジケーター細胞としては、後述するIL-8-HaCaT細胞を使用した。
[Experimental Example 3]
(Assessment of cell layer response to zinc chloride)
The thickness of the permeable layer was varied to evaluate the effect of the test substance on the indicator cells. Fibrin gels of different thicknesses were used as the permeable layer. A zinc chloride solution was used as the test substance. IL-8-HaCaT cells, which will be described later, were used as the indicator cells.

《レポーター遺伝子の調製》
炎症誘発性マーカーであるIL-8遺伝子のプロモーターの下流に、緑色蛍光タンパク質(GFP)をコードする遺伝子が連結された、レポーター遺伝子のコンストラクトを作製した。具体的には、まず、ヒトゲノムDNAを鋳型とし、センスプライマー(配列番号1)及びアンチセンスプライマー(配列番号2)を用いたPCRにより、IL-8遺伝子のプロモーター領域のDNA断片を増幅した。
<Preparation of reporter genes>
A reporter gene construct was prepared in which a gene encoding green fluorescent protein (GFP) was linked downstream of the promoter of the IL-8 gene, an inflammation-inducing marker. Specifically, a DNA fragment of the promoter region of the IL-8 gene was first amplified by PCR using human genomic DNA as a template and a sense primer (SEQ ID NO: 1) and an antisense primer (SEQ ID NO: 2).

続いて、増幅したDNA断片を制限酵素XhoI及びBamHIで消化し、同様に制限酵素XhoI及びBamHIで消化したpAcGFP1-1ベクター(クロンテック社)とT4DNAリガーゼ(タカラバイオ社)で連結し、コンピテントセル(DH5 alpha、ニッポンジーン社)に導入してクローニングし、レポーター遺伝子のコンストラクトを得た。 The amplified DNA fragment was then digested with the restriction enzymes XhoI and BamHI, and ligated with pAcGFP1-1 vector (Clontech) similarly digested with the restriction enzymes XhoI and BamHI using T4 DNA ligase (Takara Bio). The resulting vector was then introduced into competent cells (DH5 alpha, Nippon Gene) for cloning, yielding a reporter gene construct.

《インジケーター細胞の調製》
ヒト表皮角化細胞株であるHaCaT細胞に、遺伝子導入試薬(製品名「Lipofectamine 3000」、サーモフィッシャーサイエンティフィック社)を用いて上述したレポーター遺伝子を導入した。続いて、800μg/mLのG418(ナカライテスク社)を含む培地中で4週間継代培養し、安定導入株を得た。以下、この細胞をIL-8-HaCaT細胞という場合がある。IL-8-HaCaT細胞は、IL-8遺伝子の発現量に応じてGFPの蛍光を発する。
Preparation of indicator cells
The above-mentioned reporter gene was introduced into HaCaT cells, a human epidermal keratinocyte cell line, using a gene introduction reagent (product name: Lipofectamine 3000, Thermo Fisher Scientific). The cells were then subcultured for 4 weeks in a medium containing 800 μg/mL G418 (Nacalai Tesque), to obtain a stable reporter gene-introduced line. Hereinafter, these cells may be referred to as IL-8-HaCaT cells. IL-8-HaCaT cells emit GFP fluorescence in accordance with the expression level of the IL-8 gene.

《塩化亜鉛に対する細胞層の反応の評価》
IL-8-HaCaT細胞を5×10個/ウェルの細胞密度で24ウェルプレートのトランズウェルインサートに接種した。続いて、24時間インキュベートした後、IL-8-HaCaT細胞の上にフィブリンゲルを積層した。
Evaluation of cell layer response to zinc chloride
IL-8-HaCaT cells were seeded into a Transwell insert of a 24-well plate at a cell density of 5× 104 cells/well, and then incubated for 24 hours before overlaying fibrin gel on top of the IL-8-HaCaT cells.

フィブリンゲルは、実験例1と同様にして調製したトロンビン溶液及びフィブリノーゲン溶液を、トロンビン溶液:フィブリノーゲン溶液=1:5(体積比)となるように混合した溶液を、0、50、75、100、125、150、175、200、225μLずつ添加して、37℃、5%CO環境下で30分間ゲル化して調製した。 The fibrin gels were prepared by adding 0, 50, 75, 100, 125, 150, 175, 200, and 225 μL each of a solution prepared by mixing thrombin solution and fibrinogen solution in the same manner as in Experimental Example 1 at a volume ratio of thrombin solution:fibrinogen solution = 1:5, and gelling the solution at 37°C and in a 5% CO2 environment for 30 minutes.

続いて、トランズウェルインサートに5mMの塩化亜鉛水溶液を100μLずつ添加して48時間インキュベートした。なお、フィブリンゲルを添加しなかったトランズウェルインサートには、塩化亜鉛水溶液を添加しなかった。 Next, 100 μL of 5 mM zinc chloride aqueous solution was added to each Transwell insert and incubated for 48 hours. Note that no zinc chloride aqueous solution was added to the Transwell inserts to which no fibrin gel had been added.

続いて、各24ウェル中に透過した亜鉛イオンの量をICP発光分光分析装置(ICP-OES、型式「5110VDV」、アジレントテクノロジーズ社)を用いて定量した。また、各トランズウェルインサート上のIL-8-HaCaT細胞が発するGFPの蛍光を蛍光顕微鏡で撮影した。 The amount of zinc ions that had permeated into each of the 24 wells was then quantified using an ICP optical emission spectrometer (ICP-OES, model number "5110VDV", Agilent Technologies). In addition, the GFP fluorescence emitted by the IL-8-HaCaT cells on each Transwell insert was photographed using a fluorescence microscope.

図4(a)は、各24ウェル中に透過した亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。また、図4(b)は、IL-8-HaCaT細胞が発するGFPの蛍光を撮影した蛍光顕微鏡写真である。図4(b)中、「w/o fibrin」はフィブリンゲルを添加していないIL-8-HaCaT細胞の結果であることを示し、「175μL」は、175μLのフィブリンゲルを積層した結果であることを示し、「200μL」は、200μLのフィブリンゲルを積層した結果であることを示し、「225μL」は、225μLのフィブリンゲルを積層した結果であることを示す。 Figure 4(a) is a graph showing the quantitative results of zinc ions that permeated into each of the 24 wells. Figure 4(b) is a fluorescence microscope photograph of the GFP fluorescence emitted by IL-8-HaCaT cells. In Figure 4(b), "w/o fibrin" indicates the results for IL-8-HaCaT cells to which no fibrin gel was added, "175 μL" indicates the results when 175 μL of fibrin gel was layered, "200 μL" indicates the results when 200 μL of fibrin gel was layered, and "225 μL" indicates the results when 225 μL of fibrin gel was layered.

その結果、透過層の厚さが厚くなると共に、塩化亜鉛の透過量が低下したことが明らかとなった。また、塩化亜鉛の透過量に比例してIL-8遺伝子の発現量も低下したことが明らかとなった。 As a result, it was found that the amount of zinc chloride permeated decreased as the thickness of the permeable layer increased. It was also found that the expression level of the IL-8 gene decreased in proportion to the amount of zinc chloride permeated.

[実験例4]
(ハイドロゲルと三次元培養皮膚の比較)
ハイドロゲルと市販の三次元培養皮膚(カタログ番号「EPI-200」、MatTek社)とを比較した。ハイドロゲルとしては、フィブリンゲルを使用した。
[Experimental Example 4]
(Comparison between hydrogel and 3D cultured skin)
The hydrogel was compared with a commercially available three-dimensional cultured skin (catalog number "EPI-200", MatTek). Fibrin gel was used as the hydrogel.

まず、IL-8-HaCaT細胞を5×10個/ウェルの細胞密度で24ウェルプレートのトランズウェルインサートに接種した。続いて、24時間インキュベートした後、IL-8-HaCaT細胞の上にフィブリンゲルを積層した。 First, IL-8-HaCaT cells were seeded into the Transwell insert of a 24-well plate at a cell density of 5 x 104 cells/well. After incubation for 24 hours, fibrin gel was layered on top of the IL-8-HaCaT cells.

フィブリンゲルは、実験例1と同様にして調製したトロンビン溶液及びフィブリノーゲン溶液を、トロンビン溶液:フィブリノーゲン溶液=1:5(体積比)となるように混合した溶液を、200又は225μLずつ添加して、37℃、5%CO環境下で30分間ゲル化して調製した。 The fibrin gel was prepared by adding 200 or 225 μL of a solution prepared by mixing thrombin solution and fibrinogen solution in the same manner as in Experimental Example 1 at a volume ratio of thrombin solution:fibrinogen solution = 1:5, and gelling the solution at 37°C and in a 5% CO2 environment for 30 minutes.

続いて、トランズウェルインサートに5mMの塩化亜鉛水溶液を100μLずつ添加して48時間インキュベートした。続いて、各トランズウェルインサート上のIL-8-HaCaT細胞によるIL-8遺伝子の発現を、定量的リアルタイムPCRにより定量した。 Next, 100 μL of 5 mM zinc chloride aqueous solution was added to each Transwell insert and incubated for 48 hours. Next, the expression of the IL-8 gene by the IL-8-HaCaT cells on each Transwell insert was quantified by quantitative real-time PCR.

全RNAの調製には市販のキット(製品名「RNeasy Mini Kit」、キアゲン社)を使用した。また、cDNAの合成には市販のキット(製品名「High Capacity cDNA Reverse Transcription Kit」、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。 A commercially available kit (product name: "RNeasy Mini Kit", Qiagen) was used to prepare total RNA. A commercially available kit (product name: "High Capacity cDNA Reverse Transcription Kit", Applied Biosystems) was used to synthesize cDNA.

IL-8遺伝子のcDNAの定量的リアルタイムPCRには、市販のキット(製品名「TaqMan Gene Expression Assay(ID:Hs00174103_m1)」、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。また、内部標準として、ハウスキーピング遺伝子であるβ-アクチン遺伝子のcDNAを、市販のキット(製品名「TaqMan Gene Expression Assay(ID:Hs99999903_m1)」、アプライドバイオシステムズ社)を使用した定量的リアルタイムPCRにより定量した。定量的リアルタイムPCRには、市販の装置(製品名「7300 Real-Time PCR System」、アプライドバイオシステムズ社)を使用した。 A commercially available kit (product name: TaqMan Gene Expression Assay (ID: Hs00174103_m1), Applied Biosystems) was used for quantitative real-time PCR of IL-8 gene cDNA. In addition, cDNA of the housekeeping gene β-actin was quantified as an internal standard by quantitative real-time PCR using a commercially available kit (product name: TaqMan Gene Expression Assay (ID: Hs99999903_m1), Applied Biosystems). A commercially available device (product name: 7300 Real-Time PCR System, Applied Biosystems) was used for quantitative real-time PCR.

一方、市販の三次元培養皮膚(カタログ番号「EPI-200」、MatTek社)の各ウェルに、0、2、5mMの塩化亜鉛水溶液を添加して48時間インキュベートした。続いて、各ウェルの三次元培養皮膚によるIL-8遺伝子の発現を、上述したIL-8-HaCaT細胞と同様にして定量的リアルタイムPCRにより定量した。 Meanwhile, 0, 2, and 5 mM zinc chloride aqueous solutions were added to each well of a commercially available three-dimensional cultured skin (catalog number "EPI-200", MatTek) and incubated for 48 hours. Next, the expression of the IL-8 gene by the three-dimensional cultured skin in each well was quantified by quantitative real-time PCR in the same manner as for the IL-8-HaCaT cells described above.

図5(a)及び(b)は、定量的リアルタイムPCRの結果を示すグラフである。図5(a)はIL-8-HaCaT細胞の結果であり、図5(b)は、市販の三次元培養皮膚(カタログ番号「EPI-200」、MatTek社)の結果である。 Figures 5(a) and (b) are graphs showing the results of quantitative real-time PCR. Figure 5(a) shows the results for IL-8-HaCaT cells, and Figure 5(b) shows the results for commercially available three-dimensional cultured skin (catalog number "EPI-200", MatTek).

図5(a)及び(b)中、グラフの縦軸は、IL-8遺伝子の発現量(相対値)を示し、「ZnCl conc.」は添加した塩化亜鉛水溶液の濃度を示す。また、「*」は、塩化亜鉛非添加群に対してP<0.05で有意差があることを示し、「**」は、塩化亜鉛非添加群に対してP<0.01で有意差があることを示す。また、図5(a)中、「Fibrin volume」は、トランズウェルインサートに添加したフィブリンゲルの体積(μL)を示す。 5(a) and (b), the vertical axis of the graph indicates the expression level (relative value) of IL-8 gene, and "ZnCl 2 conc." indicates the concentration of the added aqueous zinc chloride solution. Furthermore, "*" indicates that there is a significant difference at P<0.05 compared to the group to which zinc chloride was not added, and "**" indicates that there is a significant difference at P<0.01 compared to the group to which zinc chloride was not added. Furthermore, in FIG. 5(a), "Fibrin volume" indicates the volume (μL) of fibrin gel added to the Transwell insert.

その結果、5mM塩化亜鉛水溶液に対して、フィブリンゲルを200~225μL積層したIL-8-HaCaT細胞が、市販の三次元培養皮膚(カタログ番号「EPI-200」、MatTek社)と同等の反応性を示すことが明らかとなった。この結果は、ハイドロゲル層の空隙率と厚みを調節することで、三次元培養皮膚と同等の透過性を再現できることを示す。 As a result, it was revealed that IL-8-HaCaT cells layered with 200-225 μL of fibrin gel showed the same reactivity to a 5 mM zinc chloride aqueous solution as commercially available three-dimensional cultured skin (catalog number "EPI-200", MatTek). This result indicates that by adjusting the porosity and thickness of the hydrogel layer, it is possible to reproduce permeability equivalent to that of three-dimensional cultured skin.

[実験例5]
(ハイドロゲルの透過性の検討3)
ハイドロゲルで形成した透過層に被験物質を接触させて、被験物質の透過性を検討した。ハイドロゲルとして、フィブリンゲルを使用した。また、被験物質として、金属ナノ粒子を使用した。金属ナノ粒子としては、直径20~50nmの酸化亜鉛(ZnO)粒子、直径10~100nmのSiOコートされたZnO(ZnO-Si)粒子を使用した。
[Experimental Example 5]
(Study on hydrogel permeability 3)
The permeability of the test substance was examined by contacting the test substance with a permeable layer formed of a hydrogel. Fibrin gel was used as the hydrogel. Metal nanoparticles were used as the test substance. As the metal nanoparticles, zinc oxide (ZnO) particles with a diameter of 20 to 50 nm and SiO2- coated ZnO (ZnO-Si) particles with a diameter of 10 to 100 nm were used.

まず、IL-8-HaCaT細胞を5×10個/ウェルの細胞密度で24ウェルプレートのトランズウェルインサートに接種した。続いて、24時間インキュベートした後、IL-8-HaCaT細胞の上にフィブリンゲルを積層した。 First, IL-8-HaCaT cells were seeded into the Transwell insert of a 24-well plate at a cell density of 5 x 104 cells/well. After incubation for 24 hours, fibrin gel was layered on top of the IL-8-HaCaT cells.

フィブリンゲルは、実験例1と同様にして調製したトロンビン溶液及びフィブリノーゲン溶液を、トロンビン溶液:フィブリノーゲン溶液=1:5(体積比)となるように混合した溶液を、200μLずつ添加して、37℃、5%CO環境下で30分間ゲル化して調製した。 The fibrin gel was prepared by adding 200 μL of a solution prepared by mixing thrombin solution and fibrinogen solution in the same manner as in Experimental Example 1 at a volume ratio of thrombin solution:fibrinogen solution = 1:5 to each well and gelling for 30 minutes at 37°C in a 5% CO2 environment.

続いて、各トランズウェルインサートに1mg/mLのZnO粒子又は1mg/mLのZnO-Si粒子を100μLずつ添加してインキュベートした。また、対照として、金属ナノ粒子を添加しないウェルを用意した。 Next, 100 μL of 1 mg/mL ZnO particles or 1 mg/mL ZnO-Si particles were added to each Transwell insert and incubated. As a control, wells to which no metal nanoparticles were added were also prepared.

続いて、48時間後に、各24ウェル中に透過した亜鉛イオンの量をICP発光分光分析装置(ICP-OES、型式「5110VDV」、アジレントテクノロジーズ社)を用いて定量した。 After 48 hours, the amount of zinc ions that had permeated into each of the 24 wells was quantified using an ICP optical emission spectrometer (ICP-OES, model number "5110VDV", Agilent Technologies).

図6(a)は、亜鉛イオンの定量結果を示すグラフである。図6(a)中、「Control」は金属ナノ粒子を添加しなかった対照を示し、「**」は、対照に対してP<0.01で有意差があることを示す。 Figure 6(a) is a graph showing the quantitative results of zinc ions. In Figure 6(a), "Control" indicates a control to which no metal nanoparticles were added, and "**" indicates a significant difference from the control at P<0.01.

その結果、透過層にZnO粒子又はZnO-Si粒子を添加すると、これらの粒子が溶解して亜鉛イオンとなり、トランズウェルインサートの下層に放出されたことが明らかとなった。 As a result, it was found that when ZnO particles or ZnO-Si particles were added to the permeable layer, these particles dissolved and became zinc ions, which were then released into the lower layer of the Transwell insert.

また、各トランズウェルインサート上のIL-8-HaCaT細胞によるIL-8遺伝子の発現を、実験例4と同様にして定量的リアルタイムPCRにより定量した。 In addition, the expression of the IL-8 gene by IL-8-HaCaT cells on each Transwell insert was quantified by quantitative real-time PCR in the same manner as in Experimental Example 4.

図6(b)は、定量的リアルタイムPCRの結果を示すグラフである。図6(b)中、グラフの縦軸は、IL-8遺伝子の発現量(相対値)を示し、「Control」は金属ナノ粒子を添加しなかった対照を示し、「**」は、対照に対してP<0.01で有意差があることを示す。 Figure 6(b) is a graph showing the results of quantitative real-time PCR. In Figure 6(b), the vertical axis of the graph shows the expression level (relative value) of the IL-8 gene, "Control" shows the control to which no metal nanoparticles were added, and "**" indicates a significant difference from the control at P<0.01.

その結果、透過層を透過して放出された亜鉛イオンの量に比例して、IL-8遺伝子の発現が認められた。この結果は、ナノ粒子が皮膚下層に与える影響の評価に本実験系を適用することができることを示す。 As a result, IL-8 gene expression was observed in proportion to the amount of zinc ions released through the permeable layer. This result indicates that this experimental system can be applied to evaluate the effects of nanoparticles on the lower layers of the skin.

本発明は、以下の態様を含む。
[1]細胞層と、ハイドロゲルを含む透過層と、を含み、前記細胞層と前記透過層とは積層されており、前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む、前記被験物質の皮膚透過性評価用三次元構造体。
[2]前記透過層は、ナノ粒子を透過させない、[1]に記載の三次元構造体。
[3]前記透過層は、厚さを変化させることにより物質透過性を調節可能である、[1]又は[2]に記載の三次元構造体。
[4]前記インジケーター細胞が、蛍光タンパク質を発現する細胞である、[1]~[3]のいずれかに記載の三次元構造体。
[5]前記蛍光タンパク質を発現する細胞は、レポーター遺伝子が導入されている細胞である、[4]に記載の三次元構造体。
[6]前記ハイドロゲルが、フィブリンを含む、[1]~[5]のいずれかに記載の三次元構造体。
[7]細胞層と、ハイドロゲルを含む透過層と、を含み、前記細胞層と前記透過層とは積層されており、前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含む、三次元構造体の、前記透過層の前記細胞層に対向する面とは反対側の面に被験物質を接触させる工程と、前記インジケーター細胞の生理学的特性を測定する工程と、を含む、被験物質の皮膚透過性の評価方法。
[8]前記三次元構造体が、[1]~[6]のいずれかに記載の三次元構造体である、[7]に記載の評価方法。
[9]前記生理学的特性が、蛍光強度により測定される、[7]又は[8]に記載の評価方法。
[10]ハイドロゲルを含む、被験物質の皮膚透過性評価用キット。
The present invention includes the following aspects.
[1] A three-dimensional structure for evaluating skin permeability of a test substance, comprising a cell layer and a permeation layer containing a hydrogel, the cell layer and the permeation layer being laminated, the permeation layer having substance permeability equivalent to that of living skin, and the cell layer containing indicator cells for the test substance.
[2] The three-dimensional structure described in [1], wherein the transparent layer does not allow nanoparticles to pass through.
[3] The three-dimensional structure described in [1] or [2], wherein the permeability of the permeable layer is adjustable by changing the thickness.
[4] The three-dimensional structure according to any one of [1] to [3], wherein the indicator cells are cells that express a fluorescent protein.
[5] The three-dimensional structure described in [4], wherein the cell expressing the fluorescent protein is a cell into which a reporter gene has been introduced.
[6] The three-dimensional structure described in any one of [1] to [5], wherein the hydrogel contains fibrin.
[7] A method for evaluating the skin permeability of a test substance, comprising: a step of contacting a test substance with a surface of a three-dimensional structure opposite to a surface of the permeation layer facing the cell layer, the surface of the three-dimensional structure comprising a cell layer and a permeation layer containing a hydrogel, the cell layer and the permeation layer being laminated, the permeation layer having substance permeability equivalent to that of living skin, and the cell layer containing indicator cells for the test substance; and a step of measuring physiological characteristics of the indicator cells.
[8] The evaluation method according to [7], wherein the three-dimensional structure is the three-dimensional structure according to any one of [1] to [6].
[9] The evaluation method described in [7] or [8], wherein the physiological characteristic is measured by fluorescence intensity.
[10] A kit for evaluating the skin permeability of a test substance, comprising a hydrogel.

100…三次元構造体、110…透過層、111,112…面、120…細胞層、130…トランズウェルインサート、131…メンブレン、140,141…培地、150…ウェル。 100...three-dimensional structure, 110...permeable layer, 111, 112...surface, 120...cell layer, 130...Transwell insert, 131...membrane, 140, 141...culture medium, 150...well.

特開2017-209103号公報JP 2017-209103 A

Godin B., and Touitou E., Transdermal skin delivery: predictions for humans from in vivo, ex vivo and animal models, Adv Drug Deliv Rev., 59 (11), 1152-1161, 2007.Godin B., and Touitou E., Transdermal skin delivery: predictions for humans from in vivo, ex vivo and animal models, Adv Drug Deliv Rev., 59 (11), 1152-1161, 2007.

Claims (7)

細胞層と、
ハイドロゲルを含む透過層と、
を含み、
前記細胞層と前記透過層とは積層されており、
前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、
前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含み、
前記透過層は、ナノ粒子を透過させず、
前記ハイドロゲルが、フィブリンを含む、
前記被験物質の皮膚透過性評価用三次元構造体。
A cell layer;
a permeable layer comprising a hydrogel;
Including,
The cell layer and the permeable layer are laminated together,
The permeable layer has substance permeability equivalent to that of the skin of a living body,
the cell layer comprises indicator cells for a test substance;
the transparent layer is impermeable to nanoparticles;
The hydrogel comprises fibrin.
A three-dimensional structure for evaluating the skin permeability of a test substance.
前記透過層は、厚さを変化させることにより物質透過性を調節可能である、請求項1に記載の三次元構造体。 The three-dimensional structure of claim 1, wherein the material permeability of the permeable layer can be adjusted by changing the thickness. 前記インジケーター細胞が、蛍光タンパク質を発現する細胞である、請求項1又は2に記載の三次元構造体。 The three-dimensional structure according to claim 1 or 2, wherein the indicator cells are cells that express a fluorescent protein. 前記蛍光タンパク質を発現する細胞は、レポーター遺伝子が導入されている細胞である、請求項3に記載の三次元構造体。 The three-dimensional structure according to claim 3, wherein the cells expressing the fluorescent protein are cells into which a reporter gene has been introduced. 細胞層と
ハイドロゲルを含む透過層と、
を含み、
前記細胞層と前記透過層とは積層されており、
前記透過層は生体の皮膚と同等の物質透過性を有し、
前記細胞層は、被験物質に対するインジケーター細胞を含み、
前記透過層は、ナノ粒子を透過させず、
前記ハイドロゲルが、フィブリンを含む、三次元構造体の、
前記透過層の前記細胞層に対向する面とは反対側の面に被験物質を接触させる工程と、
前記インジケーター細胞の生理学的特性を測定する工程と、
を含む、被験物質の皮膚透過性の評価方法。
a permeable layer including a cell layer and a hydrogel;
Including,
The cell layer and the permeable layer are laminated together,
The permeable layer has substance permeability equivalent to that of the skin of a living body,
the cell layer comprises indicator cells for a test substance;
the transparent layer is impermeable to nanoparticles;
The hydrogel is a three-dimensional structure containing fibrin .
contacting a test substance with a surface of the permeation layer opposite to a surface facing the cell layer;
measuring a physiological property of the indicator cells;
A method for evaluating the skin permeability of a test substance, comprising:
前記生理学的特性が、蛍光強度により測定される、請求項に記載の評価方法。 The evaluation method according to claim 5 , wherein the physiological characteristic is measured by fluorescence intensity. 請求項1~4のいずれか一項に記載の三次元構造体を含み、請求項5又は6に記載の評価方法に用いるための、被験物質の皮膚透過性評価用キット。 A kit for evaluating the skin permeability of a test substance, comprising the three-dimensional structure according to any one of claims 1 to 4 , for use in the evaluation method according to claim 5 or 6 .
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