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JP7797072B2 - Bone substitute material and its manufacturing method - Google Patents
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JP7797072B2 - Bone substitute material and its manufacturing method - Google Patents

Bone substitute material and its manufacturing method

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Description

本発明は、損傷した骨の組織を外科的に治療する際に用いる骨補填材、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a bone substitute material used in surgically treating damaged bone tissue, and a method for producing the same.

骨組織は、脳や内臓の保護、骨格の支持、血液の産生やカルシウムなどの電解質の貯蔵等、複数の重要な機能を有している。骨組織は、外傷、骨腫瘍の外科的切除、感染症、骨髄炎などにより損傷を受ける。損傷が軽度の場合には、骨芽細胞が増殖・分化し、骨が再生し、治癒する。しかし、欠損が大きい場合や、骨芽細胞が有効に機能し得ない環境の場合には、骨移植を用いた治療が必要となる場合がある。高齢化が進んでいることにより、骨密度の低い高齢者層が増加しており、骨移植片及び人工骨移植材の市場は年々拡大している。そのため、骨補填材の開発が進んでいる。 Bone tissue has multiple important functions, including protecting the brain and internal organs, supporting the skeleton, producing blood, and storing electrolytes such as calcium. Bone tissue can be damaged by trauma, surgical removal of bone tumors, infection, osteomyelitis, and other factors. When damage is mild, osteoblasts proliferate and differentiate, resulting in bone regeneration and healing. However, when the defect is large or the environment prevents osteoblasts from functioning effectively, treatment using bone grafts may be necessary. As the population ages, the number of elderly people with low bone density is increasing, and the market for bone grafts and artificial bone graft materials is expanding year by year. This has led to the development of bone substitute materials.

骨補填材としては、大きく分けて、自家骨、同種他家骨、異種骨、人工骨移植材がある。自家骨移植片は、大規模な骨欠損に対するゴールデンスタンダードと考えられているが、ドナー部位への侵襲、限られた供給量、感染などの欠点がある。凍結乾燥骨移植片及び脱灰凍結乾燥骨移植片は、比較的良好な骨誘導性を有することが報告されているが、供給量が限られていること、また、未知のウイルスや細菌感染のリスクの可能性がある。また、人工的な骨補填材にも以下のような問題があることが指摘されている。例えば、β-リン酸三カルシウム(β-TCP)は、生体内での吸収が速いため、十分な骨量を確保できない。対照的に、ハイドロキシアパタイトや炭酸アパタイトは、吸収されにくく、骨が再生するスペースを確保するためには有用であるが、長期にわたり残存するため、感染の増加や脆弱性のリスクがある。Bone substitute materials can be broadly divided into autogenous bone, allogeneic bone, xenogeneic bone, and artificial bone graft materials. Autogenous bone grafts are considered the gold standard for large bone defects, but they have drawbacks such as donor site invasiveness, limited supply, and infection. Freeze-dried bone grafts and demineralized freeze-dried bone grafts have been reported to have relatively good osteoinductivity, but they are limited in supply and may pose a risk of unknown viral and bacterial infection. Furthermore, artificial bone substitute materials have also been identified with the following problems. For example, β-tricalcium phosphate (β-TCP) is rapidly absorbed in the body, preventing sufficient bone mass. In contrast, hydroxyapatite and carbonate apatite are less resorbable and are useful for creating space for bone regeneration, but they remain for long periods of time, posing a risk of increased infection and fragility.

歯科分野では、自家骨と骨代替物を組み合わせることで、これらの欠点に対処してきた。しかし、自家骨と人工骨を併用した上顎洞底挙上術を受けた患者全体の約25%で術後1年後に骨吸収が生じたとの報告や、オンレーグラフト法による自家骨移植術の6ヵ月後には、骨の高さが25%減少したことなどが報告されており、骨再生が十分に行われていないことが指摘されている。したがって、骨リモデリングを促進するような微小環境を作ることができる新しい骨補填材の開発が待たれている。In the field of dentistry, these drawbacks have been addressed by combining autologous bone and bone substitutes. However, it has been reported that approximately 25% of patients who underwent maxillary sinus floor augmentation using a combination of autologous and artificial bone experienced bone resorption one year after surgery, and that bone height decreased by 25% six months after autologous bone grafting using the onlay graft method, indicating that bone regeneration is insufficient. Therefore, there is a need for the development of new bone substitute materials that can create a microenvironment that promotes bone remodeling.

人工多能性幹細胞(iPSC)は、体細胞に決められた因子を導入することで作製でき、優れた増殖能と多能性を示すことから、再生医療への応用が期待されている。近年、iPS細胞で、生体臓器に類似した三次元(3D)組織(オルガノイド)が人工的に作製され利用されるようになってきた。オルガノイドは、幹細胞の自己凝集と自己組織化によって生成され、生体臓器の発生過程を模倣している。オルガノイドの構造や機能が生体臓器と類似していることから、発生学、生理学などの基礎研究をはじめ、病態の解明や創薬研究、さらに再生医療のための移植にも応用されている。発明者らは、iPSCをバイオリアクターで3次元培養し、骨分化を誘導し、ヒトiPSCの骨芽細胞塊を作製する方法を開発している(特許文献1)。iPSC由来のスフェロイド(細胞塊)やオルガノイドは有望なバイオマテリアルであるが、未分化の生細胞を移植することは腫瘍発生のリスクがある。また、移植された材料は生体にとって異物であるため、免疫原性と局所の炎症を制御することも必要となる。Induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be generated by introducing specific factors into somatic cells. They exhibit excellent proliferation and pluripotency, making them promising candidates for regenerative medicine. In recent years, iPSCs have been used to artificially generate three-dimensional (3D) tissues (organoids) resembling in vivo organs. Organoids are generated through the self-aggregation and self-organization of stem cells, mimicking the developmental process of in vivo organs. Because the structure and function of organoids resemble those of in vivo organs, they have been applied to basic research in embryology and physiology, as well as pathological elucidation, drug discovery research, and transplantation for regenerative medicine. The inventors have developed a method for 3D culturing iPSCs in a bioreactor, inducing bone differentiation, and generating osteoblastic clusters from human iPSCs (Patent Document 1). While iPSC-derived spheroids (cell clusters) and organoids are promising biomaterials, transplanting undifferentiated living cells carries the risk of tumorigenesis. Furthermore, since the implanted material is a foreign substance to the body, it is also necessary to control immunogenicity and local inflammation.

最近、幹細胞からin vitroで作製した組織の組織成分を保持したまま細胞を不活化するという、新しい再生医療の概念が提唱された(非特許文献1)。この方法を用いれば、組織を「seed」の状態で長期保存し、患者に移植することで、組織再生を誘導することができるため、必要なときに必要な量の組織を供給することができる。さらに、未分化iPSCを不活化することで潜在的な腫瘍形成リスクの低減や、炎症を制御できる可能性がある。幹細胞から誘導した細胞を材料とし、不活化することによって、骨伝導能、骨形成誘導能に優れた骨補填材を作製できる可能性があるが、未だ実用化には至っていない。Recently, a new concept in regenerative medicine has been proposed: inactivating cells while preserving the tissue components of tissues created in vitro from stem cells (Non-Patent Document 1). Using this method, tissues can be stored long-term in a "seed" state and transplanted into patients to induce tissue regeneration, thereby providing the required amount of tissue when needed. Furthermore, inactivating undifferentiated iPSCs may potentially reduce the risk of tumor formation and control inflammation. Inactivating cells induced from stem cells may potentially enable the creation of bone substitute materials with excellent osteoconductivity and osteogenic induction capabilities, but this has not yet been put to practical use.

国際公開第2018/181960号International Publication No. 2018/181960 国際公開第2015/064705号International Publication No. 2015/064705 国際公開第2020/175592号International Publication No. 2020/175592

S. Pigeot, etal., Advanced Materials, 2021, 33, 2103737, https://doi.org/10.1002/adma.202103737.S. Pigeot, etal., Advanced Materials, 2021, 33, 2103737, https://doi.org/10.1002/adma.202103737. H. Egusa,et al., Stem Cells Dev,2014, 23(18),2156-69.H. Egusa,et al., Stem Cells Dev,2014, 23(18),2156-69. H.Egusa, et al., Plos One, 2010,5(9) :e12743. doi: 10.1371/journal.pone.0012743.H. Egusa, et al., Plos One, 2010,5(9) :e12743. doi: 10.1371/journal.pone.0012743.

本発明者らは、骨リモデリングを促進する活性を保持したまま、細胞を不活化し、骨伝導能、骨形成誘導能に優れた骨補填材を開発している。細胞の不活化には、放射線照射、熱処理、薬物処理などの方法が用いられるが、タンパク質を変性させる可能性があるため、タンパク質の生理活性と構造を維持したまま細胞を不活化できる凍結乾燥法が良いと考えた。従来の乾燥法と比較して、凍結乾燥法は低温条件下で材料を乾燥させるため、材料の熱変性や化学変化が抑制される他、乾燥過程による製品の劣化速度を低下させ、室温での長期保存を可能にする。しかしながら、凍結乾燥条件により酸化、脱アミド化、加水分解などの化学変化や、タンパク質の高次構造変化による凝集を引き起こす可能性は否定できない。製造過程におけるこのような化学的・物理的変化は、生体内への埋植を目的とした骨補填材の生理学的活性を低下させるとともに、抗原として作用する可能性もある。本発明者らは、すでに骨芽細胞へ分化誘導したiPS細胞を凍結乾燥により不活化し、骨再生剤を作製している(特許文献2)。具体的には、骨芽細胞へ分化誘導したiPS細胞塊を-80℃の冷凍庫内で一晩予備凍結を行った後、冷却ステージ上で温度を-10℃に固定し、気圧を一晩かけて徐々に6~20Paまで下げていく方法で凍結乾燥し、二次乾燥を行わずに骨補填材を製造している。しかし、凍結乾燥温度をプログラムによって正確に制御可能で乾燥効率にも優れる棚式凍結乾燥機を使用していなかったため、各工程の温度制御、時間制御及び試料の乾燥が十分であったとは言えない。製造方法を改良し、制御することにより、より高い骨形成誘導能や炎症抑制能などを備えた骨補填材を製造できる可能性がある。The present inventors have developed a bone prosthesis material with excellent osteoconductivity and osteogenic induction by inactivating cells while retaining their activity in promoting bone remodeling. While methods such as radiation, heat treatment, and drug treatment are used to inactivate cells, these methods may denature proteins. Therefore, we considered freeze-drying to be a better method, as it can inactivate cells while maintaining the physiological activity and structure of proteins. Compared to conventional drying methods, freeze-drying dries materials at low temperatures, thereby suppressing thermal denaturation and chemical changes in the material. It also slows the rate of product degradation during the drying process, allowing for long-term storage at room temperature. However, freeze-drying conditions may potentially cause chemical changes such as oxidation, deamidation, and hydrolysis, as well as aggregation due to changes in the higher-order structure of proteins. These chemical and physical changes during the manufacturing process may reduce the physiological activity of bone prosthesis materials intended for implantation in vivo and may also act as antigens. The present inventors have already produced a bone regenerating agent by freeze-drying iPS cells induced to differentiate into osteoblasts (Patent Document 2). Specifically, a mass of iPS cells induced to differentiate into osteoblasts was pre-frozen overnight in a -80°C freezer, then freeze-dried on a cooling stage by fixing the temperature at -10°C and gradually lowering the air pressure to 6-20 Pa overnight, producing a bone prosthesis without secondary drying. However, because a shelf-type freeze dryer, which can accurately control the freeze-drying temperature by program and has excellent drying efficiency, was not used, it cannot be said that the temperature and time control of each process and the drying of the sample were sufficient. By improving and controlling the production method, it may be possible to produce a bone prosthesis with even greater bone formation induction and inflammation suppression capabilities.

骨組織は細胞、有機基質、無機基質からなる複合材料である。骨欠損の治療には様々な生体材料が用いられてきたが、これらの生体材料は骨形成誘導能や生産効率に一定の限界がある。本発明は、安全性が高く、より高い骨伝導能、及び骨形成誘導能を備えた骨補填材を提供することを課題とする。また、安定供給が可能で、生産効率が高く、より低コストで骨補填材を製造する方法を提供することを課題とする。 Bone tissue is a composite material consisting of cells, organic matrix, and inorganic matrix. Various biomaterials have been used to treat bone defects, but these biomaterials have certain limitations in their osteogenic induction ability and production efficiency. The objective of the present invention is to provide a bone substitute material that is highly safe and has higher osteoconductivity and osteogenic induction ability. Another objective is to provide a method for producing a bone substitute material that can be supplied stably, has high production efficiency, and is low-cost.

本発明は、以下の骨補填材、骨補填材の製造方法に関する。
(1)幹細胞由来の骨補填材の製造方法であって、幹細胞から骨芽細胞に分化誘導し、細胞塊を形成する工程、予備凍結工程、-80℃以上-10℃以下で凍結乾燥を行う一次乾燥工程を含むことを特徴とする骨補填材の製造方法。
凍結乾燥工程の温度を正確に調整して骨補填材を製造することが、その性能につながることが明らかとなった。特に、一次乾燥工程の際に、棚温度を制御して乾燥庫内の温度を一定にして凍結することが骨補填材の性能の向上に繋がることを見出した。
The present invention relates to the following bone prosthesis and method for producing the bone prosthesis.
(1) A method for producing a bone filler derived from stem cells, characterized by including a step of inducing differentiation from stem cells into osteoblasts to form cell masses, a pre-freezing step, and a primary drying step of freeze-drying at a temperature of -80°C or higher and -10°C or lower.
It was found that precisely adjusting the temperature during the freeze-drying process to produce bone prosthesis materials leads to their performance. In particular, it was found that controlling the shelf temperature during the primary drying process to freeze the materials at a constant temperature in the drying chamber leads to improved performance of the bone prosthesis materials.

(2)さらに、二次乾燥工程を含むことを特徴とする(1)記載の骨補填材の製造方法。
従来は、二次乾燥工程を行っていなかったが、二次乾燥工程により未凍結水の脱着(desorption)を行うことにより性能の良い骨補填材を製造することができる。
(2) A method for producing a bone filler according to (1), further comprising a secondary drying step.
Conventionally, a secondary drying step has not been carried out, but by carrying out the secondary drying step to desorb unfrozen water, a high-performance bone prosthetic material can be produced.

iPS細胞から作製された細胞塊を凍結乾燥する工程を模式的に示す図。FIG. 1 is a diagram showing a schematic diagram of the process of freeze-drying a cell mass produced from iPS cells. 使用した棚式凍結乾燥機の構成を模式的に示す図。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of the tray-type freeze dryer used. 予備凍結条件の検討(1)。凍結温度と時間の検討。Study of pre-freezing conditions (1). Study of freezing temperature and time. 予備凍結条件の検討(2)。安定化剤の検討。Study of pre-freezing conditions (2). Study of stabilizers. 一次乾燥条件の検討(1)。凍結乾燥時の乾燥棚温度条件の検討結果を示す図。Study of primary drying conditions (1). A diagram showing the results of a study of drying shelf temperature conditions during freeze-drying. 一次乾燥条件の検討(2)。凍結乾燥時の乾燥棚温度条件、-80℃を含めた検討結果を示す図。Study on primary drying conditions (2). A diagram showing the results of the study, including the drying shelf temperature condition of -80°C during freeze-drying. 一次乾燥条件の検討(3)。凍結乾燥時の乾燥棚温度条件による骨分化マーカー遺伝子の発現を示す図。Study of primary drying conditions (3). Figure showing the expression of osteogenic differentiation marker genes depending on the drying shelf temperature conditions during freeze-drying. 一次乾燥条件の検討(4)。凍結乾燥時間の検討結果を示す図。Study of primary drying conditions (4). A diagram showing the results of a study on freeze-drying time. 二次乾燥時間の検討結果を示す図。FIG. 10 is a diagram showing the results of a study on secondary drying time. ラット大腿骨欠損モデルへの埋植による評価結果を示す図。種々の温度で一次乾燥を行ったmiPS-BGM(mouse iPS-bone graft material)の評価結果を示す。3DマイクロCT画像(上)と欠損部正中線の断面画像(下)。矢印は骨欠損の縁を示す。スケールバー:1.0mmFigure showing the evaluation results of implantation into a rat femoral defect model. The evaluation results of miPS-BGM (mouse iPS-bone graft material) after primary drying at various temperatures are shown. 3D micro-CT image (top) and cross-sectional image of the midline of the defect (bottom). The arrow indicates the edge of the bone defect. Scale bar: 1.0 mm 3DマイクロCT画像を用いて骨パラメータを定量的に解析した結果を示す図。骨量(BV/TV)及び骨塩量(BMC)は、欠損部位で分析した(平均値±SD、n=3~7)。Quantitative analysis of bone parameters using 3D micro-CT images. Bone volume (BV/TV) and bone mineral content (BMC) were analyzed at the defect site (mean ± SD, n = 3-7). miPS-BGM埋植3週間後の大腿骨欠損部位のヘマトキシリン・エオジン(HE)染色像(上段)、及び抗ガレクチン-3抗体による免疫組織染色像を示す。矢印は形成された欠損部の縁を示す。スケールバー:1.0mmThe images show hematoxylin and eosin (HE) staining (top row) and immunohistochemical staining with anti-galectin-3 antibody of the femoral defect site 3 weeks after miPS-BGM implantation. The arrows indicate the edges of the defect site. Scale bar: 1.0 mm. 上段は、図6A上段HE染色像の点線枠部分の拡大像。下段は図6A下段の免疫組織染色像の点線部分の拡大像。*は残存するmiPS-BGMを、矢印は好中球を示す。スケールバー:100μm。挿入図は各図において四角で囲んだ部分の拡大図。挿入図スケールバー:10μm。The top row is an enlarged image of the area enclosed by the dotted line in the HE-stained image in the top row of Figure 6A. The bottom row is an enlarged image of the area enclosed by the dotted line in the immunohistochemical stained image in the bottom row of Figure 6A. * indicates remaining miPS-BGM, and arrows indicate neutrophils. Scale bar: 100 μm. The insets are enlarged images of the area enclosed by the square in each figure. Scale bar in inset: 10 μm. 残存しているmiPS-BGMの面積を示す(平均値±SD、n=12~14)。The area of remaining miPS-BGM is shown (mean ± SD, n = 12-14). マクロファージ活性に対するmiPS-BGMの効果を示す図。写真は、増殖培地(GM)又はmiPS-BGM添加増殖培地で培養したマクロファージの1日後の顕微鏡像;スケールバー:200μm。グラフは、マクロファージを増殖培地又はmiPS-BGMを懸濁した増殖培地で培養し1日後、又は3日後の炎症及び抗炎症関連遺伝子の発現を示す図。This figure shows the effect of miPS-BGM on macrophage activity. The photographs are micrographs of macrophages cultured in growth medium (GM) or growth medium supplemented with miPS-BGM one day later; scale bar: 200 μm. The graph shows the expression of inflammation- and anti-inflammatory-related genes one or three days after culturing macrophages in growth medium or growth medium containing miPS-BGM. 一次乾燥温度-40℃、-10℃、30℃で作製したmiPS-BGMから放出された総タンパク質量を示す図。A graph showing the total amount of protein released from miPS-BGM prepared at primary drying temperatures of -40°C, -10°C, and 30°C. miPS-BGM存在下で培養したヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)のF-アクチンの蛍光画像。点線で記載している円はmiPS-BGMの位置を示す。スケールバー:100μm。Fluorescence image of F-actin in human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) cultured in the presence of miPS-BGM. The dotted circle indicates the position of miPS-BGM. Scale bar: 100 μm. miPS-BGM周囲のhMSCの細胞数(平均値±SD、n=3)。The number of hMSC cells around miPS-BGM (mean ± SD, n = 3). 創傷治癒アッセイの結果を示す図。スクラッチ形成直後(0時間)と培養9時間後のhMSCの位相差顕微鏡像(上段、スケールバー:200μm)及び、9時間後のスクラッチ領域内の遊走細胞数(平均±SD、n=3)を示すグラフ(下段)。Figure 1 shows the results of a wound healing assay. Phase-contrast microscopic images of hMSCs immediately after scratch formation (0 h) and after 9 h of culture (upper row, scale bar: 200 μm), and a graph showing the number of migrated cells in the scratch area after 9 h (mean ± SD, n = 3) (lower row). サイトカイン抗体アレイによるmiPS-BGMの評価。一次乾燥温度-40℃で製造したmiPS-BGM、及びコントロールとしてβ-TCPを比較した。標的である308のタンパク質の蛍光シグナル強度をX軸に、Y軸に蛍光シグナル強度比(miPS-BGM/β-TCP強度)を示す。Evaluation of miPS-BGM using a cytokine antibody array. miPS-BGM produced at a primary drying temperature of -40°C was compared with β-TCP as a control. The X axis shows the fluorescent signal intensity of the 308 target proteins, and the Y axis shows the fluorescent signal intensity ratio (miPS-BGM/β-TCP intensity). miPS-BGMのプロテオーム解析結果を示す図。凍結乾燥前のmiPS細胞塊とmiPS-BGM間で共通に、又は特異的に同定されたタンパク質数を表示したベン図。Figure showing the results of proteome analysis of miPS-BGM. Venn diagram showing the number of proteins identified as common or specific between the miPS cell clumps before freeze-drying and miPS-BGM. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMのマクロ写真。Macrophotographs of miPS-BGM with different primary drying temperatures. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMの圧縮試験の結果を示す図。A graph showing the results of compression tests on miPS-BGM with different primary drying temperatures. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMのSEM画像。SEM images of miPS-BGMs with different primary drying temperatures. 冷却ステージ式凍結乾燥機を用いて作製したmiPS-BGMのSEM画像。SEM image of miPS-BGM produced using a cooling stage freeze dryer. 棚式凍結乾燥機を用いて作製したmiPS-BGMの元素組成解析結果を示す図。A diagram showing the results of elemental composition analysis of miPS-BGM produced using a tray-type freeze dryer. 冷却ステージ式凍結乾燥機を用いて作製したmiPS-BGM及び、ヒト非脱灰凍結乾燥骨の元素組成解析結果を示す図。Figure showing the results of elemental composition analysis of miPS-BGM produced using a cooling stage freeze-dryer and non-decalcified freeze-dried human bone. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMからのカルシウム溶出量の測定結果を示す図。A graph showing the results of measuring the amount of calcium elution from miPS-BGM at different primary drying temperatures. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMのXRDパターン。XRD patterns of miPS-BGMs with different primary drying temperatures. 一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMのTEM/STEM像、スケール、左パネル:200nm、右パネル:100nm。TEM/STEM images of miPS-BGMs with different primary drying temperatures. Scale: left panel: 200 nm, right panel: 100 nm. TEM像から測定したmiPS-BGMの繊維状アパタイトの長さを示す図。A diagram showing the length of fibrous apatite in miPS-BGM measured from a TEM image. サイトカイン抗体アレイによるヒトiPS-BGMの評価。ヒト凍結乾燥骨(FDBA)をコントロールとして比較した。Evaluation of human iPS-BGM using a cytokine antibody array. Human freeze-dried bone (FDBA) was used as a control for comparison. 一次乾燥温度の異なるヒトiPS-BGMによる骨分化誘導能をALP染色により解析した結果を示す図。FIG. 1 shows the results of an analysis by ALP staining of the bone differentiation induction ability of human iPS-BGM at different primary drying temperatures. 創傷治癒アッセイの結果を示す図。スクラッチ形成後6時間培養したhMSCの位相差顕微鏡像(上段)及び、6時間後のスクラッチ領域内の遊走細胞数を示すグラフ(下段)。1 shows the results of a wound healing assay, including a phase-contrast microscope image of hMSCs cultured for 6 hours after scratch formation (top row) and a graph showing the number of migrated cells in the scratch area after 6 hours (bottom row).

骨補填材は、自家骨以外で骨の再生を目的として用いられる材料をいい、人工骨、骨代替物、骨再生剤等と互換的に用いることができる。本発明の骨補填材は、幹細胞を原料とし、骨伝導能及び骨形成誘導能を有するものをいう。なお、骨伝導能とは、例えばインプラントなどの医療材料を生体内の自然骨内に埋入したとき、材料表面に沿って骨が形成され、材料と骨が結合して一体となる機能をいい、骨形成誘導能とは、骨が疾病や傷害により欠損や変性を被った場所で、間葉系幹細胞などの骨芽細胞等への分化を促して新生骨をつくることができる能力をいう。 Bone filler refers to a material other than autologous bone used for the purpose of bone regeneration, and can be used interchangeably with artificial bone, bone substitute, bone regenerating agent, etc. The bone filler of the present invention is made from stem cells and has osteoconductive and osteogenic inducing properties. Osteoconductive properties refer to the ability of a medical material, such as an implant, to form bone along the surface of the material when it is implanted into natural bone in the body, bonding the material to the bone and forming an integrated unit. Osteogenic inducing properties refer to the ability to stimulate the differentiation of mesenchymal stem cells, such as osteoblasts, into new bone at sites of bone loss or degeneration due to disease or injury.

本発明の骨補填材の製造に用いる幹細胞は、骨芽細胞に誘導できるものであれば、特に限定されないが、例えば、多能性幹細胞や体性幹細胞が挙げられる。多能性幹細胞としては、iPS細胞(induced Pluripotent Stem cell)、EG細胞(Embryonic Germ cell;胚性生殖細胞)又はES細胞(Embryonic stem cell)等が挙げられる。また、体性幹細胞としては、例えば、間葉系幹細胞、骨格幹細胞、造血幹細胞、神経幹細胞等が挙げられるが、骨芽細胞に分化することから、間葉系幹細胞あるいは骨格幹細胞が好ましい。The stem cells used in the production of the bone substitute material of the present invention are not particularly limited as long as they can be induced to become osteoblasts, but examples include pluripotent stem cells and somatic stem cells. Examples of pluripotent stem cells include iPS cells (induced pluripotent stem cells), EG cells (embryonic germ cells), and ES cells (embryonic stem cells). Examples of somatic stem cells include mesenchymal stem cells, skeletal stem cells, hematopoietic stem cells, and neural stem cells, but mesenchymal stem cells and skeletal stem cells are preferred because they differentiate into osteoblasts.

上述のように、凍結乾燥であっても条件によって、酸化、脱アミド化、加水分解などの化学変化や、タンパク質の高次構造変化による凝集を引き起こす可能性がある。したがって、凍結乾燥法の条件設定は、性能の良い骨補填材を製造することに繋がる。治療に用いる再生医療等製品の生産には、製品の品質を保証することが必要であり、凍結乾燥工程を最適化し、一定の品質を保証する必要がある。さらに、凍結乾燥工程は乾燥時間が長く、大量の電力を消費するため、高品質を維持しながら生産効率を高めるために、凍結乾燥サイクルを最適化することが極めて重要である。以下の実施例に示すように、本発明者らは、凍結乾燥工程、特に一次乾燥条件の最適化を行い、本発明を完成させた。一次乾燥条件を最適化することで、生体内でのmiPS細胞(mouse iPS)、さらにhiPS細胞(human iPSC)由来骨移植材料の骨置換性を向上させることができた。As mentioned above, even freeze-drying can cause chemical changes such as oxidation, deamidation, and hydrolysis, as well as aggregation due to changes in protein higher-order structure, depending on the conditions. Therefore, optimizing the freeze-drying conditions can lead to the production of high-performance bone substitute materials. The production of regenerative medicine products used in treatment requires ensuring product quality, and optimizing the freeze-drying process to ensure consistent quality is essential. Furthermore, because the freeze-drying process requires a long drying time and consumes a large amount of electricity, optimizing the freeze-drying cycle is crucial to maintaining high quality while increasing production efficiency. As shown in the following examples, the inventors optimized the freeze-drying process, particularly the primary drying conditions, and completed the present invention. By optimizing the primary drying conditions, we were able to improve the bone replacement properties of bone graft materials derived from miPS cells (mouse iPS cells) and hiPS cells (human iPSCs) in vivo.

以下、データを示しながら本発明を説明する。以下の実験ではマウス歯肉線維芽細胞由来のiPS細胞、及びヒトiPS細胞由来骨芽細胞を用いているが、幹細胞であればどのような細胞を用いてもよい。また、動物種を問わず同様にして骨補填材を製造することができることは言うまでもない。また、iPS細胞も歯肉線維芽細胞に限らず、血液細胞、皮膚線維芽細胞、歯髄細胞等種々の細胞から樹立した細胞を用いることができる。 The present invention will be explained below with reference to data. In the following experiments, iPS cells derived from mouse gingival fibroblasts and osteoblasts derived from human iPS cells are used, but any stem cells may be used. It goes without saying that bone filler can be produced in the same way regardless of animal species. Furthermore, iPS cells are not limited to gingival fibroblasts; cells established from various cells, such as blood cells, skin fibroblasts, and dental pulp cells, can also be used.

1.iPS細胞の培養
幹細胞の骨細胞への誘導、3次元培養による細胞塊の製造は、以下の方法に限らず公知の方法で行うことができる。Oct3/4、Sox2、Klf4をレトロウイルスで導入して作製したマウス歯肉線維芽細胞由来iPS細胞(miPSC、非特許文献2、3)を用いて以下の実験を行った。miPSCは不活化したSNLP76.7-4(英国Stanger InstituteのDr.Allan Bradleyより供与)フィーダー細胞上でES培地(ダルベッコ改変イーグル培地(DMEM、ナカライテスク)、15%FBS(Biosera)、2mM L-グルタミン(富士フイルム和光純薬)、1×10-4M非必須アミノ酸(Thermo Fisher Scientific)、1×10-4M 2-メルカプトエタノール(Thermo Fisher Scientific)、ペニシリン(50U)/ストレプトマイシン(50μg/mL)(富士フイルム和光純薬))により培養した。miPSCは、0.25w/v%トリプシン-1mM/L EDTA溶液を用いて、5~6日ごとに継代した。miPSCの胚様体は、低接着性培養皿を用いてES培地中で2日間形成させた。その後、1μMのオールトランス型レチノイン酸を添加したES培地で、さらに浮遊培養を2日間行った(非特許文献2)。
1. Culturing iPS cells Induction of stem cells into bone cells and production of cell masses by 3D culture can be performed by known methods, including but not limited to the following method. The following experiments were performed using mouse gingival fibroblast-derived iPS cells (miPSCs, Non-Patent Documents 2 and 3) generated by retroviral introduction of Oct3/4, Sox2, and Klf4. miPSCs were cultured on inactivated SNLP76.7-4 feeder cells (provided by Dr. Allan Bradley of the Stanger Institute, UK) in ES medium (Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM, Nacalai Tesque), 15% FBS (Biosera), 2 mM L-glutamine (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), 1 x 10 -4 M non-essential amino acids (Thermo Fisher Scientific), 1 x 10 -4 M 2-mercaptoethanol (Thermo Fisher Scientific), penicillin (50 U)/streptomycin (50 μg/mL) (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.)). miPSCs were passaged every 5–6 days using a 0.25% w/v trypsin-1 mM/L EDTA solution. Embryoid bodies (EMBs) were formed in ES medium on low-adhesion culture dishes for 2 days. Subsequently, the miPSCs were cultured in suspension in ES medium supplemented with 1 μM all-trans retinoic acid for an additional 2 days (Non-Patent Document 2).

また、フィーダー細胞として用いたSNLP76.7-4細胞は、ダルベッコ改変イーグル培地(DMEM、グルコース4.5g/L)、7%牛胎児血清(ジャパン・バイオシーラム)、2mM L-グルタミン、ペニシリン(50U)/ストレプトマイシン(50μg/mL)を含む培地で培養した。細胞が90%コンフルエントに達した時点で、12μg/mLのマイトマイシンC(富士フイルム和光純薬)により37℃で2.5時間処理し、DNA複製を阻害し不活化した。その後、生理食塩水(PBS)で2回洗浄しフィーダー細胞として用いた。 SNLP76.7-4 cells used as feeder cells were cultured in a medium containing Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM, glucose 4.5 g/L), 7% fetal bovine serum (Japan Bioserum), 2 mM L-glutamine, and penicillin (50 U)/streptomycin (50 μg/mL). When the cells reached 90% confluence, they were treated with 12 μg/mL mitomycin C (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries) at 37°C for 2.5 hours to inhibit DNA replication and inactivate the cells. They were then washed twice with physiological saline (PBS) and used as feeder cells.

2.細胞塊形成
胚様体は、70mLフラスコで、骨芽細胞分化培地(α改変培地(ナカライテスク)、15%FBS(Gibco)、0.01μMデキサメタゾン(Merck)、10mM β-グリセロリン酸(Merck)、50μg/mLアスコルビン酸-2-リン酸(Merck)、1%抗生物質-抗真菌剤溶液(Thermo Fisher Scientific))中で培養し、骨芽細胞分化誘導を行った。フラスコをシーソーシェーカーに置き、0.3Hzで30日間振盪培養した。骨芽細胞分化培地は2日ごとに交換した。
2. Cell mass formation The embryoid bodies were cultured in a 70 mL flask in osteoblast differentiation medium (α-modified medium (Nacalai Tesque), 15% FBS (Gibco), 0.01 μM dexamethasone (Merck), 10 mM β-glycerophosphate (Merck), 50 μg/mL ascorbic acid-2-phosphate (Merck), 1% antibiotic-antimycotic solution (Thermo Fisher Scientific)) to induce osteoblast differentiation. The flask was placed on a seesaw shaker and cultured with shaking at 0.3 Hz for 30 days. The osteoblast differentiation medium was changed every two days.

3.凍結乾燥
上述のように、凍結乾燥法の条件設定が、性能の良い骨補填材を製造することに繋がると考えられることから、凍結乾燥の条件を詳細に検討した。凍結乾燥は、予備凍結(Initial freezing、氷晶の形成)、一次乾燥(Primary drying、氷晶の昇華)、二次乾燥(Secondary drying、未凍結水の脱着)の3段階からなる(図1A)。典型的な棚式凍結乾燥機は、乾燥庫、凝縮器(コールドトラップ)、減圧装置(真空ポンプ)、温度制御装置から構成される(図1B)。棚式凍結乾燥機は、乾燥プロセス中に製品を冷却・加熱するために、温度制御可能な棚が乾燥庫内部に配置されており、乾燥対象に接触する乾燥棚の温度を制御することにより、乾燥庫内全体を正確に温度制御し、優れた乾燥効率を実現している。乾燥時の正確な温度制御が重要であると考えられるため、ここでは棚式凍結乾燥機(EYELA DRC-1100、東京理化器械)を用いて凍結乾燥を行っているが、乾燥時に試料温度を正確に制御することができれば、どのような凍結乾燥機を用いてもよい。そのような乾燥機として、例えば、密閉型チューブ式凍結乾燥システム、輻射加熱式真空凍結乾燥装置などがある。なお、本乾燥機の棚温度調節範囲は-40℃から30℃であるため、一次乾燥温度を-80℃に設定した検討のみ、液体窒素式真空凍結乾燥機(NRL-BC02S、大陽日酸)を用いている。
3. Freeze-Drying As mentioned above, we believe that the freeze-drying conditions can lead to the production of high-performance bone prosthesis materials. Therefore, we investigated the freeze-drying conditions in detail. Freeze-drying consists of three stages: initial freezing (formation of ice crystals), primary drying (sublimation of ice crystals), and secondary drying (desorption of unfrozen water) (Figure 1A). A typical shelf-type freeze dryer consists of a drying chamber, a condenser (cold trap), a pressure reducing device (vacuum pump), and a temperature control device (Figure 1B). A shelf-type freeze dryer has temperature-controllable shelves inside the drying chamber to cool and heat the product during the drying process. By controlling the temperature of the drying shelves that come into contact with the object to be dried, the temperature inside the drying chamber can be precisely controlled, achieving excellent drying efficiency. Because precise temperature control during drying is considered important, freeze-drying was performed using a shelf-type freeze dryer (EYELA DRC-1100, Tokyo Rikakikai) here; however, any freeze dryer can be used as long as it can accurately control the sample temperature during drying. Examples of such dryers include a closed-tube freeze-drying system and a radiant heating vacuum freeze dryer. Note that the shelf temperature adjustment range of this dryer is -40°C to 30°C, so a liquid nitrogen vacuum freeze dryer (NRL-BC02S, Taiyo Nippon Sanso) was used only for the study in which the primary drying temperature was set to -80°C.

30日間の骨芽細胞分化誘導後、miPS細胞塊をPBSで洗浄し、ガラスバイアル(直径19mm、長さ48mm、日電理化硝子株式会社)に移し、凍結乾燥まで-80℃または-30℃の冷凍庫で保存し、凍結乾燥機に急速に移して凍結乾燥を行った。表1に検討した凍結乾燥の条件をまとめた。乾燥棚温度は、一次乾燥工程と二次乾燥工程の間で、1.5℃/分の速度で上昇するように設定した。二次乾燥後、凍結乾燥したmiPS-BGM(miPS-bone graft material。以下、凍結乾燥したmiPSをmiPS-BGMという。)の劣化を防ぐため、チャンバー内を窒素ガスに置換した。miPS-BGMは、オートドライデシケーター(アズワン株式会社)で室温(23℃)、湿度15%以下で保存した。After 30 days of osteoblast differentiation induction, the miPS cell aggregates were washed with PBS and transferred to glass vials (19 mm diameter, 48 mm length, Nichiden Rika Glass Co., Ltd.). They were stored in a freezer at -80°C or -30°C until freeze-drying, and then rapidly transferred to a freeze-dryer for freeze-drying. Table 1 summarizes the freeze-drying conditions investigated. The drying shelf temperature was set to increase at a rate of 1.5°C/min between the primary and secondary drying steps. After secondary drying, the chamber was purged with nitrogen gas to prevent deterioration of the freeze-dried miPS-BGM (miPS-bone graft material; hereafter, freeze-dried miPS will be referred to as miPS-BGM). The miPS-BGM was stored in an auto-dry desiccator (AS ONE Corporation) at room temperature (23°C) and humidity below 15%.

3.1 予備凍結(Initial freezing)条件の検討
予備凍結は、試料全体を凍結させる温度である共晶点以下まで冷却する工程である。この工程は、氷晶を形成し、成長させることで、乾燥試料の多孔性を確保するため極めて重要である。凍結が不十分だと、その後の一次乾燥工程で、真空度の上昇に伴って水分が急速に膨張し、試料の沸騰につながる可能性があるからである。予備凍結工程の条件は、その後の乾燥工程の効率に影響するため、条件の検討を行った。さらに、糖類や糖アルコールなどの様々な安定剤を最初の凍結工程で使用することで、タンパク質へのダメージを軽減し、凍結及び一次乾燥中の安定性を維持できるか検討を行った。
3.1 Investigation of Initial Freezing Conditions Initial freezing is a process in which a sample is cooled below the eutectic point, which is the temperature at which the entire sample freezes. This process is crucial for ensuring the porosity of the dried sample by forming and growing ice crystals. If freezing is insufficient, rapid expansion of water as the vacuum level increases during the subsequent primary drying process may lead to boiling of the sample. Because the conditions of the initial freezing process affect the efficiency of the subsequent drying process, we investigated the conditions. Furthermore, we investigated whether the use of various stabilizers, such as sugars and sugar alcohols, in the initial freezing process could reduce damage to proteins and maintain their stability during freezing and primary drying.

表1Aの各条件で作製したmiPS-BGMの抽出物を骨芽細胞分化培地に添加し、これを用いてヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC、馬渕博士、東京医科歯科大学、及び松崎博士、島根大学より供与)を培養し、その分化の程度によりmiPS-BGMの骨形成誘導能を評価した。hMSCは、MSC増殖培地(DMEM(ピルビン酸不含有、4.5g/Lグルコース、ナカライテスク)、20%FBS(GE Healthcare)、1%ペニシリン(50U)/ストレプトマイシン(50μg/mL)、10mM HEPES(同仁化学研究所)、及び10ng/mLの組換えb-FGF(富士フイルム和光純薬))で培養した。hMSCは10cmの培養皿に、細胞密度3×10細胞/mL、37℃、5%COで培養した。増殖培地は3-4日ごとに交換した。hMSCが80%コンフルエントに達した時点で、トリプシンにより細胞を収集し、細胞密度4×10細胞/mLで24ウェルプレートに播種し、24時間後、増殖培地を骨芽細胞分化培地(Lonza)に代えて培養を行った。 Extracts of miPS-BGM prepared under each condition listed in Table 1A were added to osteoblast differentiation medium. Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs, provided by Dr. Mabuchi, Tokyo Medical and Dental University, and Dr. Matsuzaki, Shimane University) were cultured using this medium, and the osteogenic induction ability of miPS-BGM was evaluated based on the degree of differentiation. hMSCs were cultured in MSC growth medium (DMEM (pyruvate-free, 4.5 g/L glucose, Nacalai Tesque), 20% FBS (GE Healthcare), 1% penicillin (50 U)/streptomycin (50 μg/mL), 10 mM HEPES (Dojindo Laboratories), and 10 ng/mL recombinant b-FGF (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries)). hMSCs were cultured in 10 cm culture dishes at a cell density of 3 x 10 cells/mL at 37°C and 5% CO2 . The growth medium was changed every 3-4 days. When hMSCs reached 80% confluence, they were harvested with trypsin and seeded into 24-well plates at a cell density of 4 x 10 cells/mL. After 24 hours, the growth medium was replaced with osteoblast differentiation medium (Lonza).

miPS-BGMは、5mg/mLの濃度で骨芽細胞分化培地に懸濁し、氷上で超音波粉砕機(BRANSON Digital Sonifier SFX150、EMERSON)を用いて20%の超音波振幅で2分間粉砕した。超音波処理後、懸濁液をシリンジフィルター(孔径0.22μm、Merck)でろ過し、hMSCの骨芽細胞分化培地に添加した。骨芽細胞分化培地は3日ごとに交換した。骨分化誘導開始7日後、hMSCは、10%中性緩衝ホルマリン液(富士フイルム和光純薬)で固定し、カルシウム沈着をアリザリンレッドS(ARS)染色し、骨分化の程度を評価した。miPS-BGM was suspended in osteoblast differentiation medium at a concentration of 5 mg/mL and pulverized on ice using an ultrasonicator (BRANSON Digital Sonifier SFX150, EMERSON) at 20% ultrasonic amplitude for 2 minutes. After sonication, the suspension was filtered through a syringe filter (pore size 0.22 μm, Merck) and added to osteoblast differentiation medium for hMSCs. The osteoblast differentiation medium was changed every 3 days. Seven days after the start of osteogenic differentiation induction, hMSCs were fixed in 10% neutral buffered formalin (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries), and calcium deposits were stained with Alizarin Red S (ARS) to assess the degree of osteogenic differentiation.

アリザリンレッドS染色は以下のようにして行った。固定後のhMSCを脱イオン水で2回洗浄した後、1%ARS溶液(pH6.3、武藤化学株式会社)を加え、室温で穏やかに振盪しながら20分間染色した。脱イオン水で4回洗浄後、hMSCを光学顕微鏡(BX51、オリンパス)で観察した。染色の定量には、各ウェルに10%酢酸(富士フイルム和光純薬)を加え、プレートを室温で30分間静置した後、溶液をマイクロチューブに集め、30秒間ボルテックスミキサーにより攪拌した。サンプルを85℃で10分間加熱し、その後氷上で5分間冷却した。20,000×gで15分間遠心後、上清に10%水酸化アンモニウム(富士フイルム和光純薬)を加え、上清の吸光度をマイクロプレートリーダー(iMark、BIO RAD)を用いて405nmで測定した。Alizarin Red S staining was performed as follows. After washing the fixed hMSCs twice with deionized water, 1% ARS solution (pH 6.3, Muto Chemicals) was added and stained for 20 minutes with gentle shaking at room temperature. After washing four times with deionized water, the hMSCs were observed under an optical microscope (BX51, Olympus). To quantify the staining, 10% acetic acid (Fujifilm Wako Pure Chemicals) was added to each well. The plate was then left at room temperature for 30 minutes, after which the solution was collected in a microtube and vortexed for 30 seconds. The sample was heated at 85°C for 10 minutes and then cooled on ice for 5 minutes. After centrifugation at 20,000 × g for 15 minutes, 10% ammonium hydroxide (Fujifilm Wako Pure Chemicals) was added to the supernatant, and the absorbance of the supernatant was measured at 405 nm using a microplate reader (iMark, BIO RAD).

結果を図2Aに示す。上段は染色したウェルの写真を、下段は定量結果を示す。-80℃で予備凍結を行ったmiPS-BGMの方が、-30℃で予備凍結を行ったmiPS-BGMに比べ、より骨分化を促進する効果が認められた。-80℃で6時間以上予備凍結し作製したiPS-BGMは、hMSCに有意な骨分化を促進した(P<0.05)。予備凍結は-80℃であれば、1時間であっても、-30℃24時間よりも高い骨分化促進効果が見られることや、6時間以上では効果に差は認められないことから、1時間以上、好ましくは2時間以上、より好ましくは4時間以上、さらに好ましくは6時間以上凍結すれば、高い骨形成分化能を有する骨補填材を得ることができる。また、予備凍結温度に関しても、これら結果から-40℃以下、好ましくは-60℃以下の温度で凍結すれば良いと思われる。The results are shown in Figure 2A. The top panel shows photographs of stained wells, and the bottom panel shows quantitative results. miPS-BGM pre-frozen at -80°C was found to promote osteogenic differentiation more effectively than miPS-BGM pre-frozen at -30°C. iPS-BGM pre-frozen at -80°C for 6 hours or longer significantly promoted osteogenic differentiation in hMSCs (P<0.05). Pre-freezing at -80°C for even 1 hour was more effective at promoting osteogenic differentiation than 24 hours at -30°C, and no difference was observed after 6 hours or longer. Therefore, freezing for 1 hour or longer, preferably 2 hours or longer, more preferably 4 hours or longer, and even more preferably 6 hours or longer, can produce a bone substitute with high osteogenic differentiation potential. Furthermore, based on these results, it is suggested that pre-freezing at temperatures below -40°C, preferably below -60°C, is recommended.

糖類や糖アルコールなどの安定剤は、凍結時にタンパク質を保護することが知られているので、種々の安定化剤について検討を行った。スクロース(Merck)、トレハロース(ナカライテスク)、マルトース(ナカライテスク)、マルチトール(ナカライテスク)、ラクトース(ナカライテスク)、及びCaCl(ナカライテスク)を安定剤として使用した。添加剤をそれぞれPBSに溶解し、10%溶液を得た。25cm培養用フラスコ1本分のmiPSC細胞塊を、5mlの各添加剤が入ったPBS溶液中で4℃、1時間静置した後、-80℃で6時間凍結した。凍結したサンプルは、室温(23℃)で6時間凍結乾燥した。上記と同様にhMSCの骨分化能促進で評価した。結果を図2Bに示す。いずれの安定化剤もmiPS-BGMの骨形成分化能を変化させなかった(図2B)。 Stabilizers such as sugars and sugar alcohols are known to protect proteins during freezing, so various stabilizers were investigated. Sucrose (Merck), trehalose (Nacalai Tesque), maltose (Nacalai Tesque), maltitol (Nacalai Tesque), lactose (Nacalai Tesque), and CaCl 2 (Nacalai Tesque) were used as stabilizers. Each additive was dissolved in PBS to obtain a 10% solution. A 25 cm 2 culture flask of miPSC cell mass was incubated in PBS containing 5 ml of each additive at 4°C for 1 hour and then frozen at -80°C for 6 hours. The frozen sample was lyophilized at room temperature (23°C) for 6 hours. The promotion of osteogenic differentiation of hMSCs was evaluated as described above. The results are shown in Figure 2B. None of the stabilizers altered the osteogenic differentiation potential of miPS-BGM (Figure 2B).

3.2 一次乾燥(Primary drying)条件の検討
一次乾燥の温度条件の検討を行った。表1Bに示すように、-80℃で予備凍結を行い、異なる温度で細胞塊を一次凍結乾燥した。上記と同様にしてアリザリンレッドS染色を行い、骨分化誘導能を評価した。結果を図3Aに示す。上段は骨分化誘導7日目のhMSCのアリザリンレッドS染色画像を示す。図中、GMは増殖培地、OSはmiPS-BGMを含まない骨芽細胞分化培地を示す。また、下段は定量結果を示し、異なるアルファベット間は有意差(P<0.05、ANOVA後のTukeyの多重比較検定による。以下の実験でも特に断りのない限り、同様に表示する。)があることを示す(平均値±SD、n=3)。一次乾燥時の乾燥棚温度-10℃で作製された骨補填材は、30℃で作製された骨補填材に対し、有意な骨分化誘導能を有することが示された。さらに、-20℃、-40℃とより低い温度で作製すると、より高い骨分化誘導能を有する。-40℃より低温で凍結乾燥を行った場合に、より高い骨分化誘導能を有するか解析を行った(図3B)。表1Bに記載の一次乾燥温度が-80℃の温度条件で、miPS-BGMを作製し、アリザリンレッドS染色により、骨分化誘導能を評価した。-80℃で一次乾燥を行った場合と-40℃で一次乾燥を行った場合では、骨分化誘導能に差は認められなかった。性能に差は認められないものの一次乾燥温度を低く設定するためには液体窒素の使用など、冷却にコストがかかることから、-40℃で一次乾燥を行う方がコスト面からは好ましい。-10℃であれば、30℃(室温)に比べて高い骨分化誘導能を有することから、一次乾燥温度は-10℃以下に設定すればよい。さらに、-20℃以下であればより高い骨分化誘導能を有することから-20℃以下で一次乾燥を行うことがより好ましい。
3.2 Investigation of Primary Drying Conditions The temperature conditions for primary drying were investigated. As shown in Table 1B, pre-freezing was performed at -80°C, and the cell masses were primary freeze-dried at different temperatures. Alizarin Red S staining was performed as described above, and osteogenic differentiation induction ability was evaluated. The results are shown in Figure 3A. The upper panel shows images of hMSCs stained with Alizarin Red S on day 7 of osteogenic differentiation induction. In the figure, GM indicates proliferation medium, and OS indicates osteoblast differentiation medium without miPS-BGM. The lower panel shows quantitative results, with different letters indicating significant differences (P < 0.05, ANOVA followed by Tukey's multiple comparison test; the same applies to the following experiments unless otherwise noted) (mean ± SD, n = 3). It was shown that bone substitutes prepared at a drying shelf temperature of -10°C during primary drying had significantly higher osteogenic differentiation induction ability than bone substitutes prepared at 30°C. Furthermore, preparation at lower temperatures, such as -20°C and -40°C, resulted in higher bone differentiation induction ability. We analyzed whether freeze-drying at temperatures lower than -40°C resulted in higher bone differentiation induction ability (Figure 3B). miPS-BGM was prepared under the primary drying conditions of -80°C, as shown in Table 1B, and bone differentiation induction ability was evaluated by Alizarin Red S staining. No difference in bone differentiation induction ability was observed between primary drying at -80°C and primary drying at -40°C. Although no difference in performance was observed, setting a lower primary drying temperature requires cooling costs, such as the use of liquid nitrogen, making primary drying at -40°C preferable from a cost perspective. Since a temperature of -10°C results in higher bone differentiation induction ability compared to 30°C (room temperature), the primary drying temperature should be set to -10°C or below. Furthermore, since a temperature of -20°C or below results in higher bone differentiation induction ability, primary drying at -20°C or below is more preferable.

さらに、定量的リアルタイムRT-PCR解析法により、各温度条件での骨分化関連遺伝子(COL1A1、RUNX2、OCN)の発現解析を行った。miPS-BGMを添加した骨分化培地でhMSCを培養7日後、細胞からTRIzol試薬(Thermo Fisher Scientific)を用いて、RNAを抽出した。RNAはRNeasy Mini Kit(Qiagen)を用いて単離・精製した。DNA-free DNA Removal Kit(Thermo Fisher Scientific)によりDNA除去後、1μgのtotal RNAを用いて、公知の方法によりcDNAを合成した。定量的リアルタイムRT-PCR解析は、Thunderbird SYBR qPCR Mix(東洋紡)を用い、StepOnePlus real-time PCR system(Thermo Fisher Scientific)を用いて行った。標的遺伝子の発現は2-△△Ct法で定量解析し、GAPDHの発現で正規化した。使用したプライマー配列を表2に示す。なお、使用したプライマーはヒト配列に対するプライマーである。 Furthermore, quantitative real-time RT-PCR analysis was used to analyze the expression of bone differentiation-related genes (COL1A1, RUNX2, OCN) under each temperature condition. After 7 days of culturing hMSCs in osteogenic differentiation medium supplemented with miPS-BGM, RNA was extracted from the cells using TRIzol reagent (Thermo Fisher Scientific). RNA was isolated and purified using an RNeasy Mini Kit (Qiagen). After DNA removal using a DNA-free DNA Removal Kit (Thermo Fisher Scientific), cDNA was synthesized using 1 μg of total RNA using known methods. Quantitative real-time RT-PCR analysis was performed using Thunderbird SYBR qPCR Mix (Toyobo) and a StepOnePlus real-time PCR system (Thermo Fisher Scientific). Target gene expression was quantitatively analyzed using the 2- ΔΔCt method and normalized to GAPDH expression. The primer sequences used are shown in Table 2. The primers used were primers for human sequences.

-40℃で凍結乾燥したmiPS-BGMは、hMSCのCOL1A1、RUNX2、OCNの骨分化関連遺伝子発現を有意に上昇させた(P<0.05)(図3C)。 miPS-BGM freeze-dried at -40°C significantly increased the expression of bone differentiation-related genes COL1A1, RUNX2, and OCN in hMSCs (P<0.05) (Figure 3C).

次に、乾燥棚温度を-40℃に固定し、一次乾燥時間の最適化を行った。なお、予備凍結は-80℃、24時間、二次乾燥は30℃、2時間に固定して検討を行った(表1C)。その結果、この条件ではmiPS-BGMの一次乾燥が0.5時間のときに、hMSCの骨分化が最も高く維持されることが明らかになった(図3D)。試料の容量等によっても完全に乾燥するまでの時間は変化するため、一概に言うことはできないが、完全に乾燥させることができればより短時間であっても構わない。例えば、この実験条件であれば、10分以上、好ましくは15分以上であればよいと思われる。なお、一次乾燥時間1時間、3時間、6時間ではほとんど差は認められなかった。Next, the drying shelf temperature was fixed at -40°C, and the primary drying time was optimized. Pre-freezing was performed at -80°C for 24 hours, followed by secondary drying at 30°C for 2 hours (Table 1C). The results revealed that under these conditions, hMSC osteogenic differentiation was best maintained when the miPS-BGM was dried for 0.5 hours (Figure 3D). The time required for complete drying varies depending on factors such as the sample volume, so a shorter drying time is acceptable as long as complete drying is achieved. For example, under these experimental conditions, a drying time of 10 minutes or more, preferably 15 minutes or more, is considered sufficient. There was little difference observed between primary drying times of 1, 3, and 6 hours.

3.3 二次乾燥(Secondary drying)条件の検討
次に、二次乾燥時間の最適化を行った。なお、二次乾燥は、未凍結水の脱着を目的とすることから、乾燥温度は室温で行えばよく、ここでは30℃で行っている。また、予備凍結は-80℃、24時間、一次乾燥時間は-40℃、1時間に固定して検討を行った(表1D)。その結果、miPS-BGMの二次乾燥時間は0.5時間以上であれば、hMSCの骨分化が維持されることが明らかになった(図4)。未凍結水はおそらくわずかであると考えられることから、より短時間、例えば10分程度でも十分であると考えられる。
3.3 Investigation of Secondary Drying Conditions Next, we optimized the secondary drying time. Because the purpose of secondary drying is to remove unfrozen water, the drying temperature can be room temperature; in this case, it was 30°C. Furthermore, the pre-freezing was performed at -80°C for 24 hours, and the primary drying time was fixed at -40°C for 1 hour (Table 1D). The results demonstrated that a secondary drying time of 0.5 hours or longer for miPS-BGM maintained osteogenic differentiation of hMSCs (Figure 4). Given that the amount of unfrozen water is likely minimal, a shorter drying time, such as 10 minutes, may be sufficient.

4.ラット大腿骨欠損モデルによるiPS-BGMの評価
上記の実験結果から、一次乾燥時の棚温度が、miPS-BGMの品質に大きく影響することが明らかとなった。予備凍結、二次乾燥の条件を一定に設定し(予備凍結:-80℃/6時間、二次乾燥:30℃/0.5時間)、一次乾燥の条件を変えて、(一次乾燥:-40℃、-10℃、又は30℃/0.5時間、)以下の実験を行った。
4. Evaluation of iPS-BGM in a rat femur defect model The above experimental results demonstrated that the shelf temperature during primary drying significantly affects the quality of miPS-BGM. The following experiment was conducted by setting the pre-freezing and secondary drying conditions constant (pre-freezing: -80°C/6 hours, secondary drying: 30°C/0.5 hours) and varying the primary drying conditions (primary drying: -40°C, -10°C, or 30°C/0.5 hours).

一次乾燥時の温度の違いによるmiPS-BGMの品質の違いをラット大腿骨欠損モデルを用いて解析した。異なる一次乾燥温度で作製したmiPS-BGMの治療効果を、大腿骨欠損を有するラットモデルを用いて評価した。ラットモデルは、体重340~410g(平均380g)の11週齢のSprague-Dawleyラット(CLEA)を用いた。2%イソフルラン吸入により麻酔導入させ、併用麻酔薬(1mg/mL塩酸メデトミジン(ドミトール、明治製菓)、5mg/mLミダゾラム(ドーミカム、アステラス製薬)を使用し、持続麻酔は0.9%w/v塩化ナトリウム(生理食塩水、大塚製薬)に5mg/mLのブトルファノール(ベトルファール、明治製菓株式会社)を加えて行った。左脚を剃毛後、ラットをポビドンヨード(カネイチ化学)で消毒し、キシロカインを用いて局所麻酔を行った。皮膚と筋肉を切開し、大腿骨を露出し、大腿骨の中央に丸鋼バリ(Drendel+Zweiling Diamant)を用いて、灌流下で皮質骨欠損(3mm×5mm、臨界サイズ)を形成した。その後、0.2ccのmiPS-BGMを大腿骨の欠損部に埋植した。埋植部位は、10mm×20mmの吸収性コラーゲンメンブレン(コーケンティッシュガイド、高研)で包んだ。大腿骨は、プレハブチタンステントを用いてスプリント固定し、その後、水圧ポリウレタン樹脂入りグラスファイバー(キャストライトα、Alcare)とステンレスワイヤーで大腿骨中央部を包んで結紮した。筋肉と皮膚は5-0ポリプロピレン縫合糸(PROLENE、Ethicon)を用いて縫合した。ラットは37℃のヒーティングマット(夏目製作所)上で手術を行った。3週間後、ラットを安楽死させ、マイクロCTや組織学的検査を行った。 The quality of miPS-BGM, which differs depending on the temperature during primary drying, was analyzed using a rat femoral defect model. The therapeutic effects of miPS-BGM prepared at different primary drying temperatures were evaluated using a rat model with a femoral defect. The rat model used was 11-week-old Sprague-Dawley rats (CLEA) weighing 340-410 g (average 380 g). Anesthesia was induced by inhalation of 2% isoflurane, and combined anesthetics (1 mg/mL medetomidine hydrochloride (Domitor, Meiji Seika Kaisha) and 5 mg/mL midazolam (Dormicum, Astellas Pharma) were used. Continuous anesthesia was achieved by adding 5 mg/mL butorphanol (Betorfar, Meiji Seika Kaisha) to 0.9% w/v sodium chloride (physiological saline, Otsuka Pharmaceutical). After shaving the left leg, the rat was disinfected with povidone-iodine (Kaneichi Chemical) and locally anesthetized with xylocaine. The skin and muscle were incised to expose the femur, and a round steel burr (Drendel + Zweiling) was inserted into the center of the femur. A cortical bone defect (3 mm x 5 mm, critical size) was created under perfusion using a Diamant syringe. Then, 0.2 cc of miPS-BGM was implanted into the femoral defect. The implantation site was wrapped in a 10 mm x 20 mm absorbable collagen membrane (Cocken Tissue Guide, Koken). The femur was splinted using a prefabricated titanium stent, and then the midsection of the femur was wrapped and ligated with hydraulic polyurethane resin-reinforced glass fiber (Castlite α, Alcare) and stainless steel wire. Muscle and skin were sutured with 5-0 polypropylene sutures (PROLENE, Ethicon). The rats were operated on on a 37°C heating mat (Natsume Seisakusho). After 3 weeks, the rats were euthanized and subjected to micro-CT and histological examination.

miPS-BGMを埋植して3週間後、マイクロCTを用いて大腿骨欠損部をスキャンし、骨量、骨密度、骨塩量を定量した。大腿骨サンプルは、10%中性緩衝ホルマリンにて4℃で1週間固定した。miPS-BGM埋植部位の骨量、骨密度、骨塩量は、3DマイクロX線CT装置(Scan Xmater-E090、コムスキャンテクノ)と骨構造解析ソフトウェア(TRI/3D-BON、ラトックシステムエンジニアリング)を用いて評価した。試料のX線スキャンは、厚さ1mmの真鍮フィルターを通して、エネルギーレベル80kV/60μAで行った。3D画像は、同じX線条件でハイドロキシアパタイトファントムをスキャンして得られた骨塩量の検量線に基づいて再構成した。分析対象領域は試料ごとに設定した。皮質領域は、欠損端の両側で外側の基本ラメラ点と内側の基本ラメラ点を直線で結んだ領域と定義した。骨組織に対する具体的な閾値は、分割した画像を元のグレースケールX線画像に重ね合わせて決定した。Three weeks after miPS-BGM implantation, femoral defects were scanned using micro-CT to quantify bone mass, bone mineral density, and bone mineral content. Femoral samples were fixed in 10% neutral buffered formalin at 4°C for one week. Bone mass, bone mineral density, and bone mineral content at the miPS-BGM implantation site were evaluated using a 3D micro X-ray CT scanner (Scan Xmater-E090, Comscan Techno) and bone structure analysis software (TRI/3D-BON, Ratoc Systems Engineering). X-ray scans of the specimens were performed at an energy level of 80 kV/60 μA through a 1 mm-thick brass filter. 3D images were reconstructed based on a bone mineral content calibration curve obtained by scanning a hydroxyapatite phantom under the same X-ray conditions. A separate analysis area was defined for each specimen. The cortical region was defined as the area connecting the outer and inner basic lamellae on both sides of the defect. The specific threshold for bone tissue was determined by overlaying the segmented image onto the original grayscale X-ray image.

miPS-BGM埋植群では、非埋植群に比べて骨再生が促進された(図5A)。さらに、新生骨の形成は、miPS-BGMを埋植した場合、非埋植群と比較して有意に高かった(図5B)。 Bone regeneration was promoted in the miPS-BGM implantation group compared to the non-implantation group (Figure 5A). Furthermore, new bone formation was significantly higher in the miPS-BGM implantation group compared to the non-implantation group (Figure 5B).

骨欠損部の病理学的解析を行った。大腿骨サンプルは、70%エタノール、続いて100%エタノールにそれぞれ1日ずつ、計2日間浸漬することにより脱脂し、0.5mol/L EDTA溶液(富士フイルム和光純薬)に4週間入れて脱灰した。エタノール、アセトン、キシレンで脱水後、パラフィン包埋した。厚さ3.5μmのパラフィン切片をヘマトキシリン・エオジン(HE)染色し、形態学的観察を行った。また、マクロファージのマーカー分子であるガレクチン-3を免疫組織化学染色により可視化した。免疫組織化学染色は、パラフィン切片を100%キシレン(富士フイルム和光純薬)、及びキシレン/エタノール(50/50)で5分間の洗浄を2回繰り返して脱パラフィンし、段階的エタノール(100%、95%、80%、70%)及び蒸留水で再水和した。その後、10mMクエン酸緩衝液(pH6.0、富士フイルム和光純薬)を用いて60℃で一晩抗原を賦活化した。スライドをPBSで洗浄し、3%過酸化水素(富士フイルム和光純薬)で室温、10分間処理し、内因性ペルオキシダーゼ活性を阻害した。その後、スライドをPBSで洗浄し、1%ウシ血清アルブミン(富士フイルム和光純薬)を用いて30分間静置し、反応を停止した。抗ガレクチン-3抗体(Galectin-3/LGALS3 Rabbit mAB、Cell Signaling Technology)で4℃、一晩インキュベートした。その後、Tween20を含むPBS(TBST)でスライドを洗浄し、二次抗体(マウス抗ウサギIgG-HRP、Santa Cruz Biotechnology)で室温、1時間インキュベートした。サンプルをPBSTで洗浄し、DAB基質(Merck)で15分間インキュベートして可視化した後、ヘマトキシリンでカウンター染色した。Pathological analysis of the bone defects was performed. Femoral bone samples were degreased by immersion in 70% ethanol and then 100% ethanol for one day each, for a total of two days, and then decalcified in 0.5 mol/L EDTA solution (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) for four weeks. After dehydration with ethanol, acetone, and xylene, the samples were embedded in paraffin. 3.5 μm-thick paraffin sections were stained with hematoxylin and eosin (HE) for morphological observation. Galectin-3, a macrophage marker molecule, was visualized by immunohistochemical staining. For immunohistochemical staining, paraffin sections were deparaffinized by washing twice for five minutes in 100% xylene (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and xylene/ethanol (50/50), and then rehydrated in graded ethanol (100%, 95%, 80%, 70%) and distilled water. The antigen was then activated overnight at 60°C using 10 mM citrate buffer (pH 6.0, Fujifilm Wako Pure Chemical Industries). The slides were washed with PBS and treated with 3% hydrogen peroxide (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries) at room temperature for 10 minutes to inhibit endogenous peroxidase activity. The slides were then washed with PBS and left to stand for 30 minutes in 1% bovine serum albumin (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries). The reaction was then stopped by incubation overnight at 4°C with anti-galectin-3 antibody (Galectin-3/LGALS3 Rabbit mAb, Cell Signaling Technology). The slides were then washed with PBS containing Tween 20 (TBST) and incubated with a secondary antibody (mouse anti-rabbit IgG-HRP, Santa Cruz Biotechnology) for 1 hour at room temperature. The samples were washed with PBST and visualized by incubation with DAB substrate (Merck) for 15 minutes, followed by counterstaining with hematoxylin.

骨欠損部のHE染色では、-10℃、及び30℃で製造したmiPS-BGM埋植群(以下、miPS-BGMをmiPS-BGM(-10℃)、miPS-BGM(30℃)のように、作製した一次乾燥温度で骨補填材を記載する。)で、急性炎症のマーカーである好中球浸潤が認められた(図6A上段、及び6B上段)。一方、ガレクチン-3陽性マクロファージは、miPS-BGM(-40℃)周辺に集積し(図6A下段、及び6B下段)、miPS-BGM(-10℃)、及びmiPS-BGM(30℃)周辺ではほとんど観察されなかった。顆粒状で残存するmiPS-BGMの総面積を解析した結果、miPS-BGM(30℃)の面積は、miPS-BGM(-40℃)及びmiPS-BGM(-10℃)の面積よりも有意に大きかった(図6C)。また、miPS-BGMを埋植した17個のラット大腿骨サンプルでは、巨視的にも組織学的にも腫瘍形成は観察されなかった。HE staining of the bone defect area revealed neutrophil infiltration, a marker of acute inflammation, in the miPS-BGM implantation groups manufactured at -10°C and 30°C (hereafter, miPS-BGM will be referred to as miPS-BGM (-10°C) and miPS-BGM (30°C) based on the primary drying temperature at which it was manufactured) (Figures 6A, top and 6B, top). Meanwhile, galectin-3-positive macrophages accumulated around the miPS-BGM (-40°C) (Figures 6A, bottom and 6B, bottom), but were barely observed around the miPS-BGM (-10°C) and miPS-BGM (30°C) groups. Analysis of the total area of miPS-BGM remaining in a granular form revealed that the area of miPS-BGM (30°C) was significantly larger than that of miPS-BGM (-40°C) and miPS-BGM (-10°C) (Fig. 6C). Furthermore, no tumor formation was observed macroscopically or histologically in 17 rat femur samples implanted with miPS-BGM.

5.炎症反応に対する評価
種々の一次乾燥温度で作製したmiPS-BGMの炎症反応に対する効果を評価した。マウスマクロファージ様細胞株J774A.1(JCRB9108)は、独立行政法人医薬基盤・健康・栄養研究所細胞バンクより入手した。細胞は、ピルビン酸ナトリウムを含まない4.5g/Lグルコース含有DMEM(ナカライテスク)、10%FBS(ジャパン・バイオシーラム)、2mM L-グルタミン(富士フイルム和光純薬)、ペニシリン(50U)/ストレプトマイシン(50μg/mL)を用い、37℃、5% CO、加湿下で培養した。細胞は3日ごとに培地を更新しながら2回継代した。80%コンフルエントまで培養後、細胞を集め、6ウェルプレートに3.0×10細胞/mLの細胞密度で播種した。24時間後、培地をそれぞれ5mg/mLのmiPS-BGM懸濁培地と交換し、3日培養し、細胞を集めリアルタイムRT-PCRにより炎症性遺伝子、抗炎症性遺伝子の発現を解析した。使用したプライマー配列を表3に示す。なお、使用したプライマーはマウス配列に対するプライマーである。
5. Evaluation of Inflammatory Responses The effects of miPS-BGM prepared at various primary drying temperatures on inflammatory responses were evaluated. The mouse macrophage-like cell line J774A.1 (JCRB9108) was obtained from the Cell Bank of the National Institutes of Biomedical Innovation, Health and Nutrition. Cells were cultured in sodium pyruvate-free 4.5 g/L glucose-containing DMEM (Nacalai Tesque), 10% FBS (Japan Bioserum), 2 mM L-glutamine (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries), penicillin (50 U)/streptomycin (50 μg/mL) at 37°C in a humidified atmosphere of 5% CO . Cells were passaged twice, refreshing the medium every three days. After culturing to 80% confluence, cells were collected and seeded into 6-well plates at a cell density of 3.0 x 10 cells/mL. After 24 hours, the medium was replaced with 5 mg/mL miPS-BGM suspension medium, and the cells were cultured for 3 days. The cells were then collected and analyzed for the expression of pro-inflammatory and anti-inflammatory genes by real-time RT-PCR. The primer sequences used are shown in Table 3. The primers used were primers for mouse sequences.

マクロファージJ774A.1細胞を、粉砕したmiPS-BGMを含む増殖培地で培養し、リアルタイムRT-PCR解析を用いて、1日目または3日目に炎症性(Il-1β、Tnfα、Il-6)、又は抗炎症性(Il-10、Tgfβ1、Il-11)サイトカインの遺伝子発現を解析した。図7上段の画像で示すように、いずれの温度で製造したmiPS-BGMを添加した群でも、添加1日に増殖培地(GM)群と比較して細胞が集簇し、コロニーを形成していた。miPS-BGM添加1日目のTgfβ1の遺伝子発現は、GM群と比較して有意に発現が高かった。Tgfβ1、Il-10およびIl-11遺伝子の発現は、miPS-BGM(-40℃)添加群で、GM群、miPS-BGM(-10℃)及びmiPS-BGM(30℃)添加群よりも高い値を示した。Il-1β、TnfαとIl-6の遺伝子発現は、GM群と比較していずれのmiPS-BGM添加群でも著明に減少していた。Il-1β遺伝子発現は、miPS-BGM(-40℃)添加群において、miPS-BGM(-10℃)及びmiPS-BGM(30℃)添加群と比較して有意差は認めないものの低い値を示した(図7下段グラフ)。Macrophage J774A.1 cells were cultured in growth medium containing pulverized miPS-BGM, and gene expression of inflammatory (Il-1β, Tnfα, Il-6) and anti-inflammatory (Il-10, Tgfβ1, Il-11) cytokines was analyzed using real-time RT-PCR analysis on days 1 and 3. As shown in the upper images of Figure 7, in the groups to which miPS-BGM produced at either temperature was added, cells aggregated and formed colonies on day 1 compared to the growth medium (GM) group. Gene expression of Tgfβ1 on day 1 after addition of miPS-BGM was significantly higher than that in the GM group. The expression of Tgfβ1, Il-10, and Il-11 genes was higher in the miPS-BGM (-40°C) group than in the GM, miPS-BGM (-10°C), and miPS-BGM (30°C) groups. The expression of Il-1β, Tnfα, and Il-6 genes was significantly reduced in all miPS-BGM groups compared with the GM group. The expression of Il-1β gene was lower in the miPS-BGM (-40°C) group than in the miPS-BGM (-10°C) and miPS-BGM (30°C) groups, although this was not significantly different (Figure 7, bottom graph).

6.miPS-BGMのタンパク質プロファイル
6.1 タンパク質量の測定
各一次乾燥温度で製造し、PBS中で2日間懸濁したmiPS-BGMから放出されたタンパク質量を測定した。各温度で一次乾燥を行った0.09gのmiPS-BGMをそれぞれ500μLのPBSに懸濁し、37℃、54rpmで振盪し、2日後に上清を回収した。miPS-BGMから放出された総タンパク質の濃度は、Pierce protein assay(Thermo Fisher Scientific)を用いて測定した。miPS-BGM(-40℃)は、miPS-BGM(-10℃)、あるいはmiPS-BGM(30℃)よりも有意に多くタンパク質を放出した(図8A)。miPS-BGMから放出されたタンパク質のhMSCの増殖や遊走に対する影響を確認するために、-40℃、-10℃、30℃の各温度で一次乾燥を行ったmiPS-BGMの存在下でhMSCを培養した。hMSCとmiPS-BGMを、ディッシュ上の増殖培地中で、細胞密度5×10で混合培養した。7日後、hMSCをPBSで洗浄した後、3.7%パラホルムアルデヒドを用い室温で固定した。固定された細胞はPBSで洗浄し、0.5% Triton-X(富士フイルム和光純薬)を用いて室温で5分間透過処理した。その後、細胞をRhodamine Phalloidin(Thermo Fisher Scientific)で40分間染色した。細胞をPBSで2回洗浄した後、DAPIを含む封入剤(VECTASHIELD)で20分間反応させ、共焦点レーザー走査型顕微鏡(LSM780、Zeiss)で観察した(図8B)。miPS-BGMとhMSCの免疫蛍光像から、hMSCがmiPS-BGMの周囲に集積していることが示された。hMSCの細胞数を定量した結果、miPS-BGM(30℃)に比べ、miPS-BGM(-40℃)及びmiPS-BGM(-10℃)の周囲の細胞数が有意に増加していた(図8C)。
6. Protein Profile of miPS-BGM 6.1 Measurement of Protein Amount The amount of protein released from miPS-BGM prepared at each primary drying temperature and suspended in PBS for two days was measured. 0.09 g of miPS-BGM, which had been primary dried at each temperature, was suspended in 500 μL of PBS and shaken at 37°C and 54 rpm. After two days, the supernatant was collected. The concentration of total protein released from miPS-BGM was measured using a Pierce protein assay (Thermo Fisher Scientific). miPS-BGM (-40°C) released significantly more protein than miPS-BGM (-10°C) or miPS-BGM (30°C) (Figure 8A). To confirm the effect of proteins released from miPS-BGM on hMSC proliferation and migration, hMSCs were cultured in the presence of miPS-BGM that had been primarily dried at temperatures of -40°C, -10°C, and 30°C. hMSCs and miPS-BGM were co-cultured in growth medium on a dish at a cell density of 5 x 10. After 7 days, hMSCs were washed with PBS and then fixed with 3.7% paraformaldehyde at room temperature. The fixed cells were then washed with PBS and permeabilized with 0.5% Triton-X (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries) at room temperature for 5 minutes. The cells were then stained with rhodamine phalloidin (Thermo Fisher Scientific) for 40 minutes. After washing twice with PBS, the cells were incubated with DAPI-containing mounting medium (VECTASHIELD) for 20 minutes and then observed under a confocal laser scanning microscope (LSM780, Zeiss) (Figure 8B). Immunofluorescence images of miPS-BGM and hMSCs showed that hMSCs accumulated around the miPS-BGM. Quantification of hMSC cell number revealed that the number of cells around miPS-BGM (-40°C) and miPS-BGM (-10°C) was significantly higher than that of miPS-BGM (30°C) (Figure 8C).

6.2 遊走能に対する効果
miPS-BGMから放出されたタンパク質がhMSCの細胞遊走能に及ぼす影響をスクラッチによる創傷治癒アッセイを用いて評価した。創傷治癒アッセイは、以下のようにして行った。hMSCを細胞密度1.0×10細胞/mLで12ウェルプレートに播種した。24時間後、200μLのピペットチップを用いてhMSCを直線状に掻き取り、スクラッチを作製した。細胞破片を培地で静かに洗浄し、培地を5mg/mLの濃度でmiPS-BGM(-40℃)、miPS-BGM(-10℃)、miPS-BGM(30℃)をそれぞれ懸濁させた増殖培地に交換した。スクラッチ直後、9時間後にhMSCの画像を撮影し、ImageJ(NIH Image)を用いて定量した(図9)。各群のスクラッチ領域内の細胞数を、画像から計数した。miPS-BGM(-40℃)を培地に添加した遊走細胞数は、miPS-BGM(-10℃)、miPS-BGM(30℃)を添加した場合よりも有意に多かった(P<0.05)(図9、下段グラフ)。
6.2 Effect on Migratory Activity The effect of proteins released from miPS-BGM on the cell migration activity of hMSCs was evaluated using a scratch wound healing assay. The wound healing assay was performed as follows: hMSCs were seeded in a 12-well plate at a cell density of 1.0 × 10 cells/mL. After 24 hours, a scratch was created by linearly scraping the hMSCs with a 200 μL pipette tip. Cell debris was gently washed away with medium, and the medium was replaced with growth medium containing miPS-BGM (−40°C), miPS-BGM (−10°C), or miPS-BGM (30°C) suspended at a concentration of 5 mg/mL. Immediately after scratching and 9 hours later, images of hMSCs were taken and quantified using ImageJ (NIH Image) (Figure 9). The number of cells in the scratch area for each group was counted from the images. The number of migratory cells in the medium containing miPS-BGM (-40°C) was significantly higher than that in the medium containing miPS-BGM (-10°C) or miPS-BGM (30°C) (P<0.05) (Figure 9, lower graph).

6.3 タンパク質成分の解析
上記結果は、miPS-BGM周辺の細胞挙動が、主にmiPS-BGMの構成タンパク質によって制御されていることを示している。そこで、プロテインアレイを用いて、miPS-BGM(-40℃)のタンパク質成分を網羅的に解析した(図10)。凍結乾燥後、0.05gのmiPS-BGMを2mLのPBSに加え、超音波粉砕機で2分間粉砕した。遠心分離(1000×g、10分)後、上清1mLをマイクロチューブに採取し、-80℃の冷凍庫で保存した。対照群として、骨補填材として広く使用されているβ-TCP(京セラ)を用いた。RayBio(商標)Label-Based Mouse Antibody Array L-308(RayBiotech)を用いて、miPS-BGM中の合計308種類のタンパク質を評価した。β-TCPと比較して121のサイトカイン/サイトカイン関連タンパク質の量が多いことが示された。ここでは詳細は示さないが、miPS-BGMでは、骨代謝関連タンパク質であるM-CSF、IL-27、アディポネクチン/Acrp30、IL-6、骨芽細胞関連タンパク質であるSPARC、IL-17E、Decorin、TGF-β1、オステオプロテゲリン、IGF-1、オステオポンチン、オステオアクチビン/GPNMB、VCAM-1、血管新生関連タンパク質であるPDGF C、エンドスタチン、VEGF、VEGFCがより多く維持されていた。
6.3 Analysis of Protein Components The above results indicate that cellular behavior around miPS-BGM is primarily controlled by the constituent proteins of miPS-BGM. Therefore, we comprehensively analyzed the protein components of miPS-BGM (-40°C) using a protein array (Figure 10). After lyophilization, 0.05 g of miPS-BGM was added to 2 mL of PBS and crushed in an ultrasonic grinder for 2 minutes. After centrifugation (1000 × g, 10 minutes), 1 mL of the supernatant was collected in a microtube and stored in a -80°C freezer. β-TCP (Kyocera), a widely used bone substitute, was used as a control. A total of 308 proteins in miPS-BGM were evaluated using the RayBio™ Label-Based Mouse Antibody Array L-308 (RayBiotech). Compared to β-TCP, miPS-BGM showed higher levels of 121 cytokines/cytokine-related proteins. Although details are not shown here, miPS-BGM maintained higher levels of bone metabolism-related proteins such as M-CSF, IL-27, adiponectin/Acrp30, and IL-6, osteoblast-related proteins such as SPARC, IL-17E, decorin, TGF-β1, osteoprotegerin, IGF-1, osteopontin, osteoactivin/GPNMB, and VCAM-1, and angiogenesis-related proteins such as PDGF C, endostatin, VEGF, and VEGFC.

miPS-BGMを構成するタンパク質に対する凍結乾燥の影響を明らかにするため、プロテオーム解析(質量解析)を用いて凍結乾燥前後のタンパク質組成の変化を解析した。miPSを30日間骨分化誘導し、0.2gの細胞塊をマイクロチューブに採取し、-80℃のフリーザーで24時間保存して凍結乾燥前の細胞塊として用いた。凍結乾燥前の細胞塊、及びmiPS-BGMをDIAプロテオーム解析(LC-MS/MS(DIA)、Promega)を行い評価した(図11)。5812個のタンパク質が同定されたが、凍結乾燥前後で98.7%(5749タンパク質)が共通であった。凍結乾燥は、タンパク質の構成にほとんど影響がないことが明らかとなった。To clarify the effect of freeze-drying on the proteins that make up miPS-BGM, proteome analysis (mass spectrometry) was used to analyze changes in protein composition before and after freeze-drying. miPS were induced to differentiate into bone for 30 days, and 0.2 g of cell mass was collected in a microtube and stored in a -80°C freezer for 24 hours to prepare the cell mass before freeze-drying. The cell mass before freeze-drying and miPS-BGM were evaluated using DIA proteome analysis (LC-MS/MS (DIA), Promega) (Figure 11). 5,812 proteins were identified, of which 98.7% (5,749 proteins) were common between before and after freeze-drying. This revealed that freeze-drying had little effect on protein composition.

7.miPS-BGMの形態的な特徴
異なる一次乾燥温度で作製したmiPS-BGMの形態的な違いを、外観、圧縮試験、走査型電子顕微鏡(SEM)、エネルギー分散型X線分析(EDX)、Ca濃度測定、X線回折法(XRD)、透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて評価した。
7. Morphological characteristics of miPS-BGM The morphological differences of miPS-BGM prepared at different primary drying temperatures were evaluated using appearance, compression tests, scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive X-ray analysis (EDX), Ca concentration measurements, X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM).

7.1 マクロ観察による形態の特徴
図12Aに示すように、miPS-BGM(-40℃)、及びmiPS-BGM(-10℃)の形態は丸く粒状で、直径もほぼ同程度であったのに対し、miPS-BGM(30℃)は、粒状の形態を維持しておらず、細かく粉砕されたような形態を示していた。
7.1 Morphological characteristics by macroscopic observation As shown in Figure 12A, the morphology of miPS-BGM (-40°C) and miPS-BGM (-10°C) was round and granular, with similar diameters, whereas miPS-BGM (30°C) did not maintain its granular morphology and appeared to be finely crushed.

7.2 圧縮試験の結果
圧縮試験用成形試料は、100μLのmiPSC細胞塊を1mgのゼラチンハイドロゲルと混合し、ポリプロピレンシリンダー(直径4mm、高さ4.5mm)に充填し、-80℃で24時間凍結した。凍結乾燥は表1Eの温度条件で行った。円柱状の試料は、50Nのロードセルを装備したインストロン型万能試験機(Instron3342)を用い、クロスヘッド速度1.0mm/分で圧縮破壊した。Bluehill(商標)2ソフトウェアを用いて試験機の操作とデータ解析を行った。すべての試験を6回繰り返し、平均値と標準偏差を算出した。圧縮試験の結果、miPS-BGM(-40℃)、及びmiPS-BGM(-10℃)は、miPS-BGM(30℃)に比べて統計的に有意な圧縮荷重の増加が認められた(図12B、P<0.05)。
7.2 Compression Test Results To prepare the molded specimens for compression tests, 100 μL of miPSC cell aggregates were mixed with 1 mg of gelatin hydrogel, filled into a polypropylene cylinder (4 mm diameter, 4.5 mm height), and frozen at −80°C for 24 hours. Freeze-drying was performed under the temperature conditions listed in Table 1E. Cylindrical specimens were subjected to compression failure at a crosshead speed of 1.0 mm/min using an Instron universal testing machine (Instron 3342) equipped with a 50 N load cell. Bluehill™ 2 software was used for machine operation and data analysis. All tests were repeated six times, and the mean values and standard deviations were calculated. The compression test results showed that miPS-BGM (−40°C) and miPS-BGM (−10°C) exhibited statistically significant increases in compressive load compared to miPS-BGM (30°C) (Figure 12B, P < 0.05).

7.3 走査型電子顕微鏡による観察
棚式凍結乾燥機で作製したmiPS-BGMのSEMによる微細構造を図12Cに示す。各一次乾燥温度で乾燥した後に二次乾燥したmiPS-BGMを、走査型電子顕微鏡(SU8000、日立ハイテクノロジーズ)を用い、加速電圧5kVで観察した。SEM観察の結果、miPS-BGM(-40℃)、及びmiPS-BGM(-10℃)の試料は、粒径が約10μm(平均粒径7μm)の比較的均一なサイズの球状構造の集合体が観察された。一方、miPS-BGM(30℃)では、平均粒径1~2μmのフレーク状の構造が観察された。
7.3 Scanning Electron Microscopy Figure 12C shows the SEM microstructure of miPS-BGM prepared using a tray-type freeze dryer. The miPS-BGM samples, which were dried at each primary drying temperature and then secondary dried, were observed using a scanning electron microscope (SU8000, Hitachi High-Technologies) at an accelerating voltage of 5 kV. SEM observation revealed that the miPS-BGM (-40°C) and miPS-BGM (-10°C) samples contained aggregates of relatively uniformly sized spherical structures with a particle size of approximately 10 μm (average particle size 7 μm). On the other hand, the miPS-BGM (30°C) samples exhibited flake-like structures with an average particle size of 1–2 μm.

従来法である冷却ステージ式凍結乾燥機(JFD-320 Freeze Drying Device、JEOL社)を用い、一次乾燥温度を-10℃に設定して作製したmiPS-BGM(特許文献2)のSEMによる微細構造を図12Dに示す。SEM観察の結果、粒径が5μm以下のばらつきのある球状構造の集合体が観察され、凍結乾燥温度をプログラムによって正確に制御できる棚式凍結乾燥機を用いて同じ一次乾燥温度で作製したmiPS-BGM(図12C上段)と比較して表面の粒状構造が小さくなり、多孔性に劣る形状を認めた。マクロ観察による形態や、SEM観察による粒状構造は一次乾燥時の温度と相関があるものと考えられる。したがって、これら形態と密接に関係する水分量、気孔率、真密度は一次乾燥時の温度と相関する可能性がある。Figure 12D shows the SEM microstructure of miPS-BGM (Patent Document 2) fabricated using a conventional cooling-stage freeze dryer (JFD-320 Freeze Drying Device, JEOL) at a primary drying temperature of -10°C. SEM observation revealed aggregates of spherical structures with particle sizes of 5 μm or less, with smaller surface granular structures and less porosity than miPS-BGM fabricated at the same primary drying temperature using a tray-type freeze dryer with precisely programmable freeze-drying temperature control (Figure 12C, top). The morphology observed by macroscopic observation and the granular structure observed by SEM are thought to correlate with the primary drying temperature. Therefore, the moisture content, porosity, and true density, which are closely related to these morphologies, may correlate with the primary drying temperature.

さらに、棚式凍結乾燥機で作製したmiPS-BGMに対してEDXを実施して各miPS-BGMの元素組成を評価した。SEM-EDX像から、miPS-BGMの表層にはCa、P、C、Oの元素分布が認められ、炭酸アパタイトが含まれていることが示唆された。また、Ca/P比(原子組成%)はmiPS-BGM(-40℃)とmiPS-BGM(-10℃)では同等であり、それぞれ1.34と1.41であった。一方、miPS-BGM(30℃)では0.43であった(図12E)。 Furthermore, EDX was performed on the miPS-BGMs produced using the tray freeze dryer to evaluate the elemental composition of each miPS-BGM. SEM-EDX images revealed the elemental distribution of Ca, P, C, and O in the surface layer of the miPS-BGM, suggesting the presence of carbonate apatite. Furthermore, the Ca/P ratio (atomic composition%) was similar between miPS-BGM (-40°C) and miPS-BGM (-10°C), at 1.34 and 1.41, respectively. In contrast, the Ca/P ratio for miPS-BGM (30°C) was 0.43 (Figure 12E).

また、冷却ステージ式凍結乾燥機を用いて一次凍結乾燥温度を-10℃に設定して作製したmiPS-BGM(特許文献2)及びヒト非脱灰凍結乾燥骨(OraGRAFTコーティカル:LifeNet Health社)に対してEDXを実施し、Ca/P比(原子組成%)を算出した(図12F)。miPS-BGM(特許文献2)のCa/P比は1.20で、上述した棚式凍結乾燥機で作製したmiPS-BGM(-10℃)のCa/P比(1.41)と比較して低い値を示した。また、ヒト非脱灰凍結乾燥骨のCa/P比は1.41で、棚式凍結乾燥機で作製したmiPS-BGM(-10℃)のCa/P比と同様の値を示した。したがって、棚式凍結乾燥機で作製したmiPS-BGMは、特許文献2のmiPS-BGMと比較して天然の骨に近いCa/P比を有し、人工骨(骨補填材)としてより適していることが示唆された。 EDX was also performed on miPS-BGM (Patent Document 2) and non-decalcified freeze-dried human bone (OraGRAFT Cortical: LifeNet Health) produced using a cooling-stage freeze-dryer with the primary freeze-drying temperature set at -10°C, and the Ca/P ratio (atomic composition %) was calculated (Figure 12F). The Ca/P ratio of miPS-BGM (Patent Document 2) was 1.20, a lower value than the Ca/P ratio (1.41) of miPS-BGM (-10°C) produced using the tray-type freeze-dryer described above. Furthermore, the Ca/P ratio of non-decalcified human freeze-dried bone was 1.41, a value similar to the Ca/P ratio of miPS-BGM (-10°C) produced using the tray-type freeze-dryer. Therefore, it was suggested that the miPS-BGM produced using the tray-type freeze dryer has a Ca/P ratio closer to that of natural bone compared to the miPS-BGM described in Patent Document 2, and is more suitable as an artificial bone (bone filler).

このように、一次乾燥の温度が一見同等であっても、miPS-BGMの性質が異なる理由は、冷却ステージ式凍結乾燥機は、冷却されているステージ上に試料を載せて凍結乾燥を行うことができるが、乾燥庫自体の温度を制御できないことに起因するものと考えられる。今回使用した棚式凍結乾燥機は、棚温度を制御することによって乾燥庫内の温度管理が可能であり、庫内にセンサーもあるため、より正確に温度管理を行うことができる。さらに、真空に達する時間も10分で3Pa以下と迅速に真空状態に達し、迅速に乾燥を行うことができるためであると考える。性能の良い骨補填材を製造するためには、凍結乾燥時の温度管理が重要であることを示している。 Thus, even though the primary drying temperatures appear to be the same, the reason for the different properties of miPS-BGM is thought to be that, while a cooling stage freeze dryer allows samples to be placed on a cooled stage for freeze drying, it is not possible to control the temperature of the drying chamber itself. The shelf freeze dryer used in this study is able to control the temperature inside the drying chamber by controlling the shelf temperature, and the presence of an internal sensor allows for more accurate temperature control. Furthermore, it is thought that this is because the vacuum state is reached quickly, at less than 3 Pa in just 10 minutes, allowing for rapid drying. This shows that temperature control during freeze drying is important for producing high-performance bone substitute materials.

7.4 カルシウム溶出試験
一次乾燥温度の異なるmiPS-BGMのカルシウム溶出試験を行った。カルシウム溶出試験は、miPS-BGMを0.5M酢酸(富士フイルム和光純薬)1.5mLで脱灰し、室温(23℃)で一晩保存した。2300×g、10分間の遠心分離により不溶成分を除去した。上清のカルシウム濃度をカルシウムE-テストキット(富士フイルム和光純薬)を用いMXB法(OD595)で測定した。miPS-BGM(-40℃)と(-10℃)のカルシウム濃度に比べて、miPS-BGM(30℃)のカルシウム濃度は有意に低かった(P<0.05)(図12G)。
7.4 Calcium Elution Test A calcium elution test was performed on miPS-BGM using different primary drying temperatures. For the calcium elution test, miPS-BGM was decalcified with 1.5 mL of 0.5 M acetic acid (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) and stored overnight at room temperature (23°C). Insoluble materials were removed by centrifugation at 2300 × g for 10 minutes. The calcium concentration of the supernatant was measured by the MXB method (OD595) using a Calcium E-Test Kit (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). The calcium concentration of miPS-BGM (30°C) was significantly lower than that of miPS-BGM (-40°C) and (-10°C) (P<0.05) (Figure 12G).

7.5 X線回折(XRD)による解析
さらに、X線回折(XRD)を用いて微細構造を解析した。XRDは、SmartLab 9SW(リガク社製)を用いたX線回折分析によりmiPS-BGMの組成を解析した。XRDパターンを図13Aに示す。miPS-BGMのXRDパターンは、一次乾燥時の温度の影響は認められなかった。2θ=26.0(002)と2θ=33.0(112)のハイドロキシアパタイトの特徴的なピークは、炭酸アパタイトのパターンと類似しており、高くシャープであったことから、miPS-BGMは高い結晶性と純度を有していることが示された。
7.5 Analysis by X-ray Diffraction (XRD) Furthermore, the microstructure was analyzed using X-ray diffraction (XRD). The composition of miPS-BGM was analyzed using X-ray diffraction analysis with a SmartLab 9SW (Rigaku Corporation). The XRD pattern is shown in Figure 13A. The XRD pattern of miPS-BGM was not affected by the temperature during primary drying. The characteristic peaks of hydroxyapatite at 2θ = 26.0 (002) and 2θ = 33.0 (112) were similar to the pattern of carbonate apatite and were high and sharp, indicating that miPS-BGM has high crystallinity and purity.

7.6 透過型電子顕微鏡(TEM)による解析
TEM観察は、miPS-BGMを樹脂に包埋し、樹脂ブロックから超薄切片(厚さ0.05μm)を作製し、走査型TEM(JEM-ARM200F、日本電子株式会社)により加速電圧80kVで観察した。miPS-BGMのTEM像からは、針状の粒子のクラスター構造が観察された(図13B)。miPS-BGM(-40℃)の針状構造の長さは平均35nmであり、miPS-BGM(-10℃)及びmiPS-BGM(30℃)の針状構造の長さ(それぞれ48nm、64nm)に比べて有意に短かった(P<0.05)。針状構造の長さは一次乾燥中の温度と相関があった(図13C)。したがって、一次乾燥の温度条件の異なるiPS-BGMは針状構造の平均長さによって区別することが可能である。短い針状のハイドロキシアパタイト結晶がマクロファージのIL10などの抗炎症因子の発現上昇に抗炎症作用を示した報告があることから、-40℃乾燥条件で得られた短い針状結晶構造が局所の免疫制御に作用する可能性が示唆される。
7.6 Transmission Electron Microscopy (TEM) Analysis For TEM observations, miPS-BGM was embedded in resin, and ultrathin sections (0.05 μm thick) were prepared from the resin blocks. These sections were then observed using a scanning TEM (JEM-ARM200F, JEOL Ltd.) at an accelerating voltage of 80 kV. The TEM image of miPS-BGM revealed a cluster structure of needle-like particles (Figure 13B). The average length of the needle-like structures in miPS-BGM (-40°C) was 35 nm, which was significantly shorter than the lengths of the needle-like structures in miPS-BGM (-10°C) and miPS-BGM (30°C) (48 nm and 64 nm, respectively) (P < 0.05). The length of the needle-like structures correlated with the temperature during primary drying (Figure 13C). Therefore, iPS-BGMs dried at different temperatures can be distinguished based on the average length of their needle-like structures. There are reports that short, needle-like hydroxyapatite crystals have shown anti-inflammatory effects by increasing the expression of anti-inflammatory factors such as IL10 in macrophages, suggesting that the short, needle-like crystal structure obtained under dry conditions at -40°C may have an effect on local immune control.

8.ヒトiPS細胞由来骨補填材の解析
8.1 ヒトiPS細胞由来骨芽細胞塊のタンパク質成分の解析
凍結乾燥を行う前のヒトiPS細胞由来骨芽細胞塊のタンパク質成分について解析を行った。ヒトiPS骨芽細胞塊は、特許文献1、及び3に準じて作製した。ヒトiPS骨芽細胞塊をエッペンドルフチューブに回収し、―80℃の冷凍庫で保存した。比較対象として、骨芽細胞分化誘導開始前のヒトiPS細胞塊を用いた。タンパク質発現・相対定量解析を、株式会社かずさゲノムテクノロジーズにて、DIAプロテオーム解析(プロメガ株式会社)を用いて実施した。
8. Analysis of Human iPS Cell-Derived Bone Filler 8.1 Analysis of Protein Components of Human iPS Cell-Derived Osteoblast Masses Protein components of human iPS cell-derived osteoblast masses before freeze-drying were analyzed. Human iPS osteoblast masses were prepared according to Patent Documents 1 and 3. Human iPS osteoblast masses were collected in Eppendorf tubes and stored in a freezer at -80°C. For comparison, human iPS cell masses before the start of osteoblast differentiation induction were used. Protein expression and relative quantitative analysis were performed at Kazusa Genome Technologies, Inc. using DIA proteome analysis (Promega Corporation).

質量解析から、ヒトiPS骨芽細胞塊に含まれる7678種類のタンパク質が同定された。ヒトiPS細胞に恒常的に発現するタンパク質(骨芽細胞分化誘導前に発現していたタンパク質)を除き、発現量が多いものを抽出した結果、骨代謝に関わるタンパク質、OGN、IGFBP5、CD34、TIMP1、FBLN5、LPAR1、IGFBP7、MGP、DCN、PDGFRB、IGF1、TAB2、FGFR2、SPP1が多く含まれていることが明らかとなった。また、コラーゲン、COL1A2、COL4A1、COL5A1、COL6A6、COL15A1、COL16A1、COL21A1、COL26A1が検出された。
8.2 抗体アレイによるヒトiPS細胞由来骨補填材の解析
6.3と同様にして、ヒトiPS細胞由来骨補填材(hiPS-BGM)のタンパク質成分についても解析を行った。hiPS-BGMは、発明者らの方法(特許文献1及び特許文献3)に準じて作製した。hiPS-BGMをPBS中で超音波を用いて粉砕した後に、遠心分離機を用いて回収した上清を-80℃冷凍庫中で保存した。比較対象としてヒト凍結乾燥骨(FDBA:OraGRAFT(LifeNet Health))を同様に処理し、上清試料を用意した。抗体アレイによる網羅的解析をHuman Antibody array L-1000(フィルジェン株式会社)を用いて実施した。hiPS-BGMとFDBAに含有するタンパク質を比較解析すると共に、miPS-BGMの含有タンパク質データと比較し、共通するタンパク質を検討した(図14)。
Mass spectrometry identified 7,678 proteins contained in the human iPS osteoblast cell mass. Excluding proteins constitutively expressed in human iPS cells (proteins expressed before osteoblast differentiation induction), proteins with high expression levels were extracted. Proteins involved in bone metabolism, including OGN, IGFBP5, CD34, TIMP1, FBLN5, LPAR1, IGFBP7, MGP, DCN, PDGFRB, IGF1, TAB2, FGFR2, and SPP1, were also detected. Collagen, COL1A2, COL4A1, COL5A1, COL6A6, COL15A1, COL16A1, COL21A1, and COL26A1 were also detected.
8.2 Analysis of human iPS cell-derived bone filler using antibody arrays The protein components of human iPS cell-derived bone filler (hiPS-BGM) were also analyzed in the same manner as in 6.3. hiPS-BGM was prepared according to the inventors' method (Patent Documents 1 and 3). After ultrasonically pulverizing hiPS-BGM in PBS, the supernatant collected using a centrifuge was stored in a -80°C freezer. For comparison, human freeze-dried bone (FDBA: OraGRAFT (LifeNet Health)) was treated in the same manner, and a supernatant sample was prepared. Comprehensive analysis using antibody arrays was performed using a Human Antibody Array L-1000 (Filgen, Inc.). The proteins contained in hiPS-BGM and FDBA were comparatively analyzed, and were compared with the protein data contained in miPS-BGM to identify common proteins (FIG. 14).

既存の骨補填材(FDBA)はタンパク質をほとんど含んでいないのに対し、hiPS-BGMには、bFGF、FGF-23、BMP-2、BMP-3、DMP-1、ALPP、GDF1、BMP-5、IGF-II、IGFBP-2、IGF-I、BMP-15、BMP-8、BMP-7、Osteoprotegerin/TNFRSF11B、BMP-9など骨組織再生に関連するタンパク質、EG-VEGF/PK1、Angiopoietin-like 1、Angiopoietin-like Factor、PDGF-AA、Angiopoietin-2、VEGF R3、VEGF R1、VEGFなど血管新生、Beta IG-H3、IL-17B R、IFN-beta、Calcitonin、IL-17R、MMP-10、TNF-betaなど骨代謝に関係するタンパク質が多く含まれていることが明らかとなった。その他hiPS-BGMには、COCO、Cadherin-13、Clusterin、C5/C5a、CD30 Ligand/TNFSF8、Kallikrein 5、IL-4、IGFBP-1、IL-1 F8/FIL1 eta、GRO、IL-8、Glut3、IL-29、ALCAM、CNTF、IL-21 R、CD163、IL-5、CD71、IL-21、EDG-1、Prolactin、IL-26、Growth Hormone(GH)、GDF11、CD40 Ligand/TNFSF5/CD154、Cathepsin B、GDF8、GM-CSF、IL-7、CCR4、BNP、IL-2、IL-6、C-peptide、IL-17、GREMLIN、BTCなどのタンパク質を豊富に含んでいることが明らかとなった。hiPS-BGM(対FDBA)のデータをmiPS-BGM(対FDBA)のデータと比較した結果、共通する68種類のタンパク質を特定した(表4)。While existing bone substitute materials (FDBA) contain almost no protein, hiPS-BGM contains proteins related to bone tissue regeneration, such as bFGF, FGF-23, BMP-2, BMP-3, DMP-1, ALPP, GDF1, BMP-5, IGF-II, IGFBP-2, IGF-I, BMP-15, BMP-8, BMP-7, osteoprotegerin/TNFRSF11B, and BMP-9; angiogenesis proteins such as EGFR-VEGF/PK1, angiopoietin-like 1, angiopoietin-like factor, PDGF-AA, angiopoietin-2, VEGF R3, VEGF R1, and VEGF; and beta IG-H3 and IL-17B. It was revealed that the stratum corneum contains many proteins related to bone metabolism, such as IFN-beta, IFN-beta, calcitonin, IL-17R, MMP-10, and TNF-beta. Other hiPS-BGM includes COCO, Cadherin-13, Clusterin, C5/C5a, CD30 Ligand/TNFSF8, Kallikrein 5, IL-4, IGFBP-1, IL-1 F8/FIL1 eta, GRO, IL-8, Glut3, IL-29, ALCAM, CNTF, IL-21 R, CD163, IL-5, CD71, IL-21, EDG-1, Prolactin, IL-26, Growth Hormone (GH), GDF11, CD40 Ligand/TNFSF5/CD154, Cathepsin It was revealed that the hiPS-BGMs were rich in proteins such as B, GDF8, GM-CSF, IL-7, CCR4, BNP, IL-2, IL-6, C-peptide, IL-17, GREMLIN, and BTC. By comparing the data from hiPS-BGM (vs. FDBA) with the data from miPS-BGM (vs. FDBA), 68 common proteins were identified (Table 4).

9.hiPS-BGMの骨形成誘導能の評価
hiPS-BGMの一次乾燥の温度条件の検討を行った。miPS-BGMと同様にして、-80℃で予備凍結を行い、異なる棚温度で細胞塊を一次凍結乾燥し、作製した。hiPS-BGMの抽出物を骨分化誘導培地に添加し、これを用いてヒト骨髄由来間葉系幹細胞(hMSC)を培養し、その分化の程度によりhiPS-BGMの骨形成誘導能を評価した。hMSCは、3.1に記載されている方法と同様にして、骨分化培地により誘導を行った。
9. Evaluation of the osteogenic induction ability of hiPS-BGM The temperature conditions for primary drying of hiPS-BGM were investigated. As with miPS-BGM, hiPS-BGM was pre-frozen at -80°C, and cell aggregates were primary freeze-dried at different shelf temperatures to produce cells. An extract of hiPS-BGM was added to osteogenic differentiation-inducing medium, which was then used to culture human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs). The osteogenic induction ability of hiPS-BGM was evaluated based on the degree of differentiation. hMSCs were induced using osteogenic differentiation medium in the same manner as described in 3.1.

hiPS-BGMは、5mg/mLの濃度で骨分化培地に懸濁し、氷上で超音波粉砕機を用いて20%の超音波振幅で2分間粉砕した。超音波処理後、懸濁液をシリンジフィルター(孔径0.22μm、Merck)でろ過し、hMSCの骨芽細胞分化培地に添加した。骨芽細胞分化培地は3日ごとに交換した。骨分化誘導開始14日後、hMSCは、10%中性緩衝ホルマリン液(富士フイルム和光純薬)で固定し、アルカリフォスファターゼ(ALP)染色し、骨分化の程度を評価した。 hiPS-BGM was suspended in osteogenic differentiation medium at a concentration of 5 mg/mL and pulverized on ice using an ultrasonicator at 20% ultrasonic amplitude for 2 minutes. After sonication, the suspension was filtered through a syringe filter (pore size 0.22 μm, Merck) and added to osteogenic differentiation medium for hMSCs. The osteogenic differentiation medium was changed every 3 days. 14 days after the start of osteogenic differentiation induction, hMSCs were fixed in 10% neutral buffered formalin (Fujifilm Wako Pure Chemical Industries) and stained for alkaline phosphatase (ALP) to evaluate the degree of osteogenic differentiation.

ALP染色は以下のようにして行った。固定後のhMSCを精製水で3回洗浄した後、発色基質(ALP染色キット、コスモバイオ)を加え、37℃で20分間染色した。精製水で3回洗浄後、hMSCを光学顕微鏡(BX51、オリンパス)で観察した。染色の定量には、ImageJ画像解析ソフトでALP染色陽性範囲面積を解析した。ALP staining was performed as follows. After fixing, hMSCs were washed three times with purified water, and then a chromogenic substrate (ALP staining kit, Cosmo Bio) was added and stained for 20 minutes at 37°C. After washing three times with purified water, hMSCs were observed under an optical microscope (BX51, Olympus). To quantify the staining, the area of the ALP-stained positive region was analyzed using ImageJ image analysis software.

結果を図15に示す。上段は骨分化誘導14日目のALP染色画像を、下段は定量結果を示す。図中、添加なしはhiPS-BGMを含まない骨分化培地を示す。また、下段は定量結果を示す(平均値±SD、n=3)。一次乾燥時の乾燥棚温度-10℃で作製された骨補填材は、30℃で作製された骨補填材に対し、有意な骨分化誘導能を有することが示された。さらに、-40℃とより低い温度で作製すると、より高い骨分化誘導能を有する。-10℃であれば、30℃に比べて高い骨分化誘導能を有することから、一次乾燥温度は-10℃以下に設定すればよい。さらに、-40℃以下であればより高い骨分化誘導能を有することから-40℃以下で一次乾燥を行うことがより好ましい。The results are shown in Figure 15. The upper panel shows an ALP staining image on day 14 of bone differentiation induction, and the lower panel shows the quantitative results. In the figure, "No Addition" indicates bone differentiation medium without hiPS-BGM. The lower panel shows the quantitative results (mean ± SD, n = 3). Bone substitutes prepared at a drying shelf temperature of -10°C during primary drying were shown to have significant bone differentiation induction ability compared to bone substitutes prepared at 30°C. Furthermore, preparation at a lower temperature of -40°C has even higher bone differentiation induction ability. Since -10°C has higher bone differentiation induction ability compared to 30°C, the primary drying temperature should be set to -10°C or below. Furthermore, since -40°C or below has higher bone differentiation induction ability, it is more preferable to perform primary drying at -40°C or below.

10.hiPS-BGMの遊走能に対する効果
hiPS-BGMから放出されたタンパク質がhMSCの細胞遊走能に及ぼす影響をスクラッチによる創傷治癒アッセイを用いて評価した。創傷治癒アッセイは、6.2と同様にしてhMSCを用いて行った。hMSCを細胞密度4.0×10細胞/mLで12ウェルプレートに播種した。24時間後、200μLのピペットチップを用いてhMSCを直線状に掻き取り、スクラッチを作製した。
10. Effect of hiPS-BGM on Migratory Activity The effect of proteins released from hiPS-BGM on the cell migration activity of hMSCs was evaluated using a scratch wound healing assay. The wound healing assay was performed using hMSCs as described in Section 6.2. hMSCs were seeded onto a 12-well plate at a cell density of 4.0 x 10 cells/mL. After 24 hours, a scratch was created by scraping the hMSCs linearly using a 200 μL pipette tip.

細胞破片を培地で静かに洗浄し、培地を5mg/mLの濃度でhiPS-BGM(-40℃)、hiPS-BGM(-10℃)、hiPS-BGM(30℃)をそれぞれ懸濁させた増殖培地に交換した。懸濁方法は、超音波粉砕機を用いて、上述の方法に準じて行った。スクラッチ直後、6時間後にhMSCの画像を撮影し(図16、上段画像は6時間後の画像を示す。)、スクラッチ領域内に遊走した細胞数を解析した。各群のスクラッチ領域内の細胞数を、画像から計数した。hiPS-BGM(-40℃)を培地に添加した遊走細胞数は、hiPS-BGM(-10℃)、miPS-BGM(30℃)を添加した場合よりも有意に多かった(P<0.001)(図16、下段グラフ)。Cell debris was gently washed with culture medium, and the medium was replaced with growth medium containing hiPS-BGM (-40°C), hiPS-BGM (-10°C), or hiPS-BGM (30°C) suspended at a concentration of 5 mg/mL. Suspension was performed using an ultrasonic grinder as described above. Images of hMSCs were taken immediately after scratching and 6 hours later (Figure 16, upper image shows image taken 6 hours later), and the number of cells that migrated into the scratch area was analyzed. The number of cells in the scratch area for each group was counted from the images. The number of migrated cells in the medium containing hiPS-BGM (-40°C) was significantly higher than in the medium containing hiPS-BGM (-10°C) or miPS-BGM (30°C) (P<0.001) (Figure 16, lower graph).

以上示してきたように、凍結乾燥を行うことにより細胞を不活化し腫瘍形成リスクがなく、かつ温度、時間を最適化することによって、骨伝導能、骨形成誘導能に優れた骨補填材を製造することができる。凍結乾燥の3工程、予備凍結、一次乾燥、二次乾燥の全ての工程について、最適な条件を検討した。いずれの工程でも、処理温度、時間によって品質が変わるが、一次乾燥の条件が特に重要であり、試料の温度を正確に維持する必要がある。また、コスト面を考えると、3工程をより短時間で、かつ冷却温度を高く設定して行うことが好ましい。As shown above, freeze-drying inactivates cells, eliminating the risk of tumor formation, and by optimizing the temperature and time, it is possible to produce bone substitutes with excellent osteoconductivity and osteogenic induction. Optimal conditions were investigated for all three freeze-drying steps: pre-freezing, primary drying, and secondary drying. While the quality of each step varies depending on the processing temperature and time, the conditions for primary drying are particularly important, and the sample temperature must be maintained accurately. Furthermore, from a cost perspective, it is preferable to complete the three steps in a shorter time and at a higher cooling temperature.

ここでは、マウスiPS細胞を用いて詳細に解析したが、ヒトiPS細胞でもタンパク質成分、骨形成誘導能、遊走能の解析結果は、マウスで得られた結果と同等であった。したがって、マウスiPS細胞を用いて得られた結果は、そのままヒトiPS細胞を使用して製造する骨補填材の製造方法に適用することが可能である。 Here, detailed analysis was performed using mouse iPS cells, but the analysis results for protein components, bone formation induction ability, and migration ability of human iPS cells were equivalent to those obtained with mice. Therefore, the results obtained using mouse iPS cells can be directly applied to the manufacturing method for bone substitute materials produced using human iPS cells.

Claims (4)

幹細胞由来の骨補填材の製造方法であって、
幹細胞から骨芽細胞に分化誘導し、細胞塊を形成する工程、
予備凍結工程、
-80℃以上-10℃以下で凍結乾燥を行う一次乾燥工程、
二次乾燥工程を含むことを特徴とする骨補填材の製造方法。
A method for producing a stem cell-derived bone substitute, comprising:
a step of inducing differentiation of stem cells into osteoblasts and forming cell masses;
Pre-freezing process,
a primary drying step of freeze-drying at a temperature of −80° C. or higher and −10° C. or lower;
A method for producing a bone filler, comprising a secondary drying step.
一次乾燥工程は、10分以上、6時間以下の時間で行うことを特徴とする請求項1記載の骨補填材の製造方法。 The method for producing a bone substitute material according to claim 1, characterized in that the primary drying process is carried out for a period of 10 minutes or more and 6 hours or less. 予備凍結工程は、-40℃以下、-80℃以上の温度で行うことを特徴とする請求項1記載の骨補填材の製造方法。 The method for producing a bone substitute material according to claim 1, characterized in that the pre-freezing step is carried out at a temperature of -40°C or lower and -80°C or higher. 予備凍結工程は、少なくとも1時間行うことを特徴とする請求項3記載の骨補填材の製造方法。
4. The method for producing a bone substitute according to claim 3, wherein the pre-freezing step is carried out for at least one hour.
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伊豆津 健一,タンパク質医薬品の凍結乾燥,薬剤学,2012年,72(6),353-358

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