JP7828599B2 - Method for preparing shape-type cartilage tissue - Google Patents
Method for preparing shape-type cartilage tissueInfo
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Description
本発明は、形状型軟骨組織体の調製方法に関する。
本明細書において、「軟骨前駆細胞」は軟骨前駆細胞又は軟骨前駆細胞集団の意味で使用され、「LBM」は肢芽間葉系細胞又は肢芽間葉系細胞集団の意味で使用される。
The present invention relates to a method for preparing a shape-type cartilage tissue.
In this specification, "chondroprogenitor cells" is used to mean chondroprogenitor cells or a population of chondroprogenitor cells, and "LBM" is used to mean limb bud mesenchymal cells or a population of limb bud mesenchymal cells.
顔面に発生した悪性腫瘍の摘出や交通事故などの外傷、鼻変形を伴う口唇口蓋裂、或いは小耳症などの治療には、シリコーンなどの異物や自家肋軟骨などが用いられている。シリコーンなどの異物の移植は感染や炎症が起こる危険があり、自家肋軟骨を用いれば感染や炎症の危険は少ないが、十分な量の軟骨を得ることが難しい。
特許文献1は、軟骨前駆細胞から軟骨を得る方法について開示している。
For the removal of malignant tumors on the face, trauma such as traffic accidents, cleft lip and palate accompanied by nasal deformities, or microtia, foreign bodies such as silicone or autologous costal cartilage are used. While the implantation of foreign bodies such as silicone carries a risk of infection and inflammation, using autologous costal cartilage carries less risk, but obtaining a sufficient amount of cartilage can be difficult.
Patent Document 1 discloses a method for obtaining cartilage from chondrocytes.
本発明は、任意の形状で軟骨組織体を得る方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a method for obtaining cartilage tissue in any desired shape.
本発明は、以下の形状型軟骨組織体の調製方法を提供するものである。
〔1〕
基板上に備えられた型枠により形成された細胞培養空間に軟骨前駆細胞を播種し、培養して細胞凝集塊を作製し、さらに軟骨分化誘導培地で培養することを含む、形状型軟骨組織体の調製方法。
〔2〕
軟骨前駆細胞の播種密度が1.4×106~2.8×106細胞/cm2である、〔1〕に記載の形状型軟骨組織体の調製方法。
〔3〕
前記細胞培養空間内の基板部分に細胞接着を促進する材料をコーティングし、その後に軟骨前駆細胞の培養を行う、〔1〕又は〔2〕に記載の形状型軟骨組織体の調製方法。
〔4〕
軟骨前駆細胞を軟骨分化誘導培地で培養して凝集塊を作製し、複数の凝集塊を重ね合わせてさらに培養を行い軟骨組織体を得る、〔1〕~〔3〕のいずれか1項に記載の形状型軟骨組織体の調製方法。
〔5〕
軟骨前駆細胞の培養期間の最後の一定期間をBMP4濃度を低下させて培養することで生体内に移植したときの骨化を抑制する、〔1〕~〔4〕のいずれか1項に記載の形状型軟骨組織体の調製方法。
〔6〕
軟骨前駆細胞を軟骨分化誘導培地で培養して得られた形状型軟骨組織体を取り出し、グルタルアルデヒド処理及び/又はエタノール処理を行う、〔1〕~〔5〕のいずれか1項に記載の形状型軟骨組織体の調製方法。
〔7〕
哺乳動物の生体内に移植したときの体積変化率が25%以下である、ヒトiPS細胞から誘導された形状型軟骨組織体。
The present invention provides a method for preparing cartilage tissue of the following shape type.
[1]
A method for preparing a morphologically shaped cartilage tissue, comprising seeding chondrocyte progenitor cells in a cell culture space formed by a mold on a substrate, culturing them to produce cell aggregates, and further culturing them in a cartilage differentiation induction medium.
[2]
A method for preparing a shape-type cartilage tissue as described in [1], wherein the seeding density of chondrocyte precursor cells is 1.4 × 10⁶ to 2.8 × 10⁶ cells/ cm² .
[3]
A method for preparing a shape-type cartilage tissue according to [1] or [2], comprising coating a substrate portion in the cell culture space with a material that promotes cell adhesion, and then culturing chondrocytes.
[4]
A method for preparing a shape-type cartilage tissue as described in any one of items [1] to [3], comprising culturing chondrocyte progenitor cells in a chondrocyte differentiation induction medium to form aggregates, stacking multiple aggregates and culturing them further to obtain a cartilage tissue.
[5]
A method for preparing a shape-type cartilage tissue body according to any one of items [1] to [4], wherein ossification when transplanted into the body is suppressed by culturing chondrocytes with a reduced BMP4 concentration for a certain period at the end of the culture period.
[6]
A method for preparing a shape-type cartilage tissue according to any one of items [1] to [5], comprising culturing chondrogenic cells in a chondrogenic differentiation-inducing medium, removing the shape-type cartilage tissue obtained, and treating it with glutaraldehyde and/or ethanol.
[7]
Shape-type cartilage tissue derived from human iPS cells, exhibiting a volume change rate of 25% or less when transplanted into a mammalian organism.
本発明により、鼻軟骨、耳介軟骨などを任意の形状で調製することができる。本発明で得られる形状型軟骨組織体は、シリコーン等の異物と異なり、感染、炎症等の問題を軽減できる。
本発明で得られる軟骨は、軟骨の変形や欠損、骨・軟部組織欠損などの修復に用いることができ、美容整形に用いることもできる。具体的には、外傷、戦闘、格闘、スポーツ、運動などによる軟骨の変形や欠損、損傷、変形性関節症、慢性関節リウマチ、離断性骨軟骨炎、軟骨無形成、再発性多発性軟骨炎、関節軟骨の損傷、椎間板ヘルニア、耳介形成異常、無耳症及び小耳症軟骨欠損、鼻の形成異常、眼瞼の欠損、悪性腫瘍切除後の組織欠損などを含む。
The present invention allows for the preparation of nasal cartilage, auricular cartilage, and other cartilages in any desired shape. Unlike foreign materials such as silicone, the shaped cartilage tissue obtained by the present invention can reduce problems such as infection and inflammation.
The cartilage obtained by the present invention can be used to repair cartilage deformities and defects, bone and soft tissue defects, etc., and can also be used in cosmetic surgery. Specifically, this includes cartilage deformities and defects, injuries caused by trauma, combat, fighting, sports, exercise, etc., osteoarthritis, rheumatoid arthritis, osteochondritis dissecans, achondroplasia, relapsing polychondritis, articular cartilage damage, intervertebral disc herniation, auricular malformations, otitis and microtia cartilage defects, nasal malformations, eyelid defects, and tissue defects after malignant tumor resection.
本発明で用いる基板には型枠が備えられ、型枠と基板により細胞培養空間が形成される。型枠は好ましくは着脱自在に備えられる。型枠は、シリコーンなどの生体適合性材料で構成されるか、その表面を生体適合性材料でコーティングすることが好ましい。細胞培養空間は任意の形状でよいが、例えば棒状、リング状(ドーナツ状)、筒状、楕円体状、シート状、円盤状、プレート状などの形状が挙げられる。細胞培養空間のコーティング領域の幅は、好ましくは3~15mm程度、より好ましくは5~10mm程度である。細胞培養空間の広さは軟骨前駆細胞の凝集塊の形成に影響する。細胞培養空間は、鼻軟骨、耳介軟骨、関節軟骨などの軟骨の移植部位に適した形状にしてもよい。あるいは、本発明により形状型軟骨組織体を形成した後に、所望の形状に整形してもよい。 The substrate used in this invention is equipped with a mold, and a cell culture space is formed by the mold and the substrate. The mold is preferably detachable. The mold is preferably made of a biocompatible material such as silicone, or its surface is preferably coated with a biocompatible material. The cell culture space may be any shape, but examples include rod-shaped, ring-shaped (donut-shaped), cylindrical, ellipsoidal, sheet-shaped, disc-shaped, and plate-shaped. The width of the coated area of the cell culture space is preferably about 3 to 15 mm, more preferably about 5 to 10 mm. The size of the cell culture space affects the formation of aggregates of chondrocyte precursor cells. The cell culture space may be shaped to suit the cartilage transplantation site, such as nasal cartilage, auricular cartilage, or articular cartilage. Alternatively, after forming a shaped cartilage tissue according to this invention, it may be shaped to the desired form.
細胞培養空間で軟骨前駆細胞を培養することで、軟骨前駆細胞の凝集塊が形成される。この凝集塊をいったん取り出して複数の凝集塊を重ねると、重ねた凝集塊は容易に結合して1つの大きな凝集塊を形成することができる。この重ねた凝集塊をさらに培養して軟骨に誘導することで、より大きな形状型軟骨組織体を得ることができる。 By culturing chondrogenic cells in a cell culture space, aggregates of chondrogenic cells are formed. When these aggregates are removed and multiple aggregates are stacked, they easily bind together to form a single large aggregate. Further culturing of this stacked aggregate to induce cartilage formation allows for the acquisition of a larger, more shaped cartilage tissue.
細胞培養空間に露出している基板表面は、細胞接着を促進する材料をコーティングし、その後に軟骨前駆細胞を培養してもよい。
基板の露出している「表面」とは、軟骨前駆細胞又は培養液などと接する面を指し、特に基板が細胞培養容器の一部である場合は、軟骨前駆細胞又は培養液などと接する底面を指す。
The substrate surface exposed to the cell culture space may be coated with a material that promotes cell adhesion, and then chondrocytes may be cultured thereafter.
The exposed "surface" of the substrate refers to the surface that comes into contact with chondrocytes or culture medium, and in particular, when the substrate is part of a cell culture vessel, it refers to the bottom surface that comes into contact with chondrocytes or culture medium.
本発明の調製方法において、細胞培養空間に、軟骨前駆細胞が播種される。軟骨前駆細胞は、ヒト、マウス、ラット、ウサギ、ヤギ、モルモット、イヌ、ネコ、サル、チンパンジーなどの哺乳動物由来の細胞が挙げられ、ヒトの軟骨前駆細胞が好ましい。軟骨前駆細胞は、多能性幹細胞由来のPRRX1タンパク質陽性であるヒト軟骨前駆細胞が好ましい。多能性幹細胞由来のPRRX1タンパク質陽性であるヒト軟骨前駆細胞の調製方法は、WO2021/054449に詳細に開示されており、WO2021/054449の全体が本明細書に参考として援用される。 In the preparation method of the present invention, chondroprogenitor cells are seeded in a cell culture space. Examples of chondroprogenitor cells include those derived from mammals such as humans, mice, rats, rabbits, goats, guinea pigs, dogs, cats, monkeys, and chimpanzees, with human chondroprogenitor cells being preferred. Human chondroprogenitor cells positive for the PRRX1 protein derived from pluripotent stem cells are preferred. A method for preparing PRRX1 protein-positive human chondroprogenitor cells derived from pluripotent stem cells is disclosed in detail in WO2021/054449, which is incorporated herein by reference in its entirety.
「多能性幹細胞」とは、自己複製能と他の複数系統の細胞に分化する能力(多分化能)とを併せ持つ細胞を意味し、また「前駆細胞」とは、幹細胞から最終の分化先である機能細胞へ分化する途中にある細胞を意味する。したがって、多能性幹細胞由来のヒト軟骨前駆細胞とは、多能性幹細胞を原料細胞として分化誘導され、かつ最終の分化先である軟骨細胞へと分化する途中にある細胞を意味する。ここで多能性幹細胞としては、例えば、胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞(iPS細胞)などの万能性細胞(あらゆる体細胞及び生殖系列の細胞に分化する能力を有する細胞)が挙げられる。 "Pluripotent stem cells" refer to cells that possess both self-renewal ability and the ability to differentiate into multiple other cell lineages (multipotency). "Progenitor cells" refer to cells that are in the process of differentiating from stem cells to functional cells, which are the final differentiation target. Therefore, human chondrogenic progenitor cells derived from pluripotent stem cells refer to cells that have been induced to differentiate using pluripotent stem cells as raw material cells and are in the process of differentiating into chondrocytes, the final differentiation target. Examples of pluripotent stem cells include embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells), which are pluripotent cells (cells that have the ability to differentiate into any somatic cell and germline cell).
さらに本発明の1つの好ましい実施形態において「軟骨前駆細胞」は、PRRX1タンパク質陽性である。PRRX1(Paired related homeobox 1)タンパク質とは、ホメオドメインを有する転写因子の一つであり、発生過程において側板中胚葉由来の肢芽や、沿軸中胚葉由来の頭部中胚葉で特異的に発現することが知られている。 Furthermore, in one preferred embodiment of the present invention, the "chondrogenic progenitor cells" are PRRX1 protein-positive. PRRX1 (Paired-related homeobox 1) protein is a transcription factor possessing a homeodomain, and is known to be specifically expressed in limb buds derived from the lateral plate mesoderm and head mesoderm derived from the paraxial mesoderm during development.
ヒト(Homo sapiens)のPRRX1遺伝了のcDNAの塩基配列及びPRRX1タンパク質のアミノ酸配列は、米国生物工学情報センター(NCBI; National Center for Biotechnology Information)が提供するGenBankに、下記のアクセッション番号で登録されている。なお複数のリビジョン(revision)が登録されている場合、最新のリビジョンを指すと理解される。
- ヒトPRRX1遺伝子: NM_006902 (NM_006902.5)、NM_022716 (NM_022716.4)
- ヒトPRRX1タンハク質: NP_008833 (NP_008833.1)、NP_073207 (NP_073207.1)
The nucleotide sequence of the human (Homo sapiens) PRRX1 gene cDNA and the amino acid sequence of the PRRX1 protein are registered in GenBank, provided by the National Center for Biotechnology Information (NCBI), under the following accession numbers. If multiple revisions are registered, the most recent revision is assumed to be the one referred to.
- Human PRRX1 gene: NM_006902 (NM_006902.5), NM_022716 (NM_022716.4)
- Human PRRX1 protein: NP_008833 (NP_008833.1), NP_073207 (NP_073207.1)
細胞がPRRX1タンパク質陽性であることは、公知の手法により検出することができる。例えば、PRRX1遺伝子の転写プロモーター配列により発現が制御されるレポーター遺伝子による検出、PRRX1タンパク質に対する特異的な抗体を用いた免疫染色による検出等が挙げられる。 Cells positive for the PRRX1 protein can be detected using known methods. For example, detection can be performed using a reporter gene whose expression is regulated by the PRRX1 gene's transcription promoter sequence, or by immunohistochemical staining using antibodies specific to the PRRX1 protein.
PRRX1タンパク質陽性の軟骨前駆細胞は、例えば以下の工程を含む手法により製造することができる:
- 哺乳類の多能性幹細胞から側板中胚葉細胞を分化誘導する工程、
- 前記工程により分化誘導された細胞を、Wntシグナルを活性化する環境下で培養し、肢芽間葉系細胞を調製する工程、
- 前記工程により調製された肢芽間葉系細胞を、Wntシグナルを活性化する環境下で培養し、軟骨前駆細胞を調製する工程。
PRRX1 protein-positive chondrogenic cells can be produced, for example, by a method including the following steps:
- A process for inducing differentiation of mammalian pluripotent stem cells into lateral plate mesoderm cells.
- A step of culturing the differentiated cells in the above step under an environment that activates Wnt signaling to prepare limb bud mesenchymal cells.
- A step of culturing the limb bud mesenchymal cells prepared in the above step under an environment that activates Wnt signaling to prepare chondrogenic cells.
前記手法において、原料細胞として用いる多能性幹細胞としては、例えば、胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞(iPS細胞)などを使用することができる。ES細胞及びiPS細胞は、新規に作製したもの、又は既に確立されたものを使用することができる。 In the above method, the pluripotent stem cells used as raw material cells can include, for example, embryonic stem cells (ES cells) and induced pluripotent stem cells (iPS cells). The ES cells and iPS cells can be newly created or already established.
前記手法において、まず多能性幹細胞から側板中胚葉細胞を分化誘導する。多能性幹細胞から側板中胚葉細胞を分化誘導する手段としては、公知の手段を用いることができる。例えば、文献:Loh et al, 2016, Cell, 451-467に記載の方法に準じた方法を採用することができる。具体的には多能性幹細胞からまず原始線条(Mid-primitive streak)へと分化誘導を行い、次いで原始線条から側板中胚葉細胞への分化誘導を行う。 In the aforementioned method, pluripotent stem cells are first differentiated into lateral plate mesoderm cells. Known methods can be used to differentiate pluripotent stem cells into lateral plate mesoderm cells. For example, a method similar to that described in Loh et al, 2016, Cell, 451-467 can be employed. Specifically, pluripotent stem cells are first differentiated into the mid-primitive streak, and then differentiated from the mid-primitive streak into lateral plate mesoderm cells.
側板中胚葉細胞が分化誘導されたことは、例えば側板中胚葉細胞の特異的マーカーであるHAND1タンパク質の発現を検出することにより確認することができる。
次いで、分化誘導された側板中胚葉細胞を、Wntシグナルを活性化する環境下で培養し、PRRX1タンパク質陽性のである、側板中胚葉由来PRRX1陽性細胞へ分化誘導する。なお、前の培養環境の影響を低減するために、PBS緩衝液等での洗浄を適宜行った上でWntシグナルを活性化する環境下での培養を行うことが好ましい。
The induction of differentiation of lateral plate mesoderm cells can be confirmed, for example, by detecting the expression of the HAND1 protein, a specific marker for lateral plate mesoderm cells.
Next, the differentiated lateral plate mesoderm cells are cultured in an environment that activates the Wnt signaling pathway to induce differentiation into PRRX1-positive cells derived from lateral plate mesoderm, which are positive for the PRRX1 protein. To reduce the influence of the previous culture environment, it is preferable to wash the cells with PBS buffer or the like as appropriate before culturing them in an environment that activates the Wnt signaling pathway.
側板中胚葉細胞から肢芽間葉系細胞への分化誘導はまた、FGF2などのFGFシグナル活性化剤の非存在下で行うことが好ましく、Wntシグナルを活性化する環境下に行い、かつTGFβシグナル抑制剤、BMPシグナル抑制剤及びヘッジホッグシグナル抑制剤からなる群から選ばれる1種、2種又は3種の存在下に行うことがより好ましく、TGFβシグナル抑制剤、BMPシグナル抑制剤、TGFβシグナル抑制剤、及びヘッジホッグシグナル抑制剤の存在下に行うことがさらにより好ましい。 The induction of differentiation from lateral plate mesoderm cells to limb bud mesenchymal cells is preferably carried out in the absence of FGF signaling activators such as FGF2, more preferably in an environment that activates Wnt signaling, and more preferably in the presence of one, two, or three agents selected from the group consisting of TGFβ signaling inhibitors, BMP signaling inhibitors, and Hedgehog signaling inhibitors, and even more preferably in the presence of TGFβ signaling inhibitors, BMP signaling inhibitors, TGFβ signaling inhibitors, and Hedgehog signaling inhibitors.
Wntシグナルを活性化する環境下での培養は、例えば有効量のWntシグナル活性化剤の存在下で培養をすることで行うことができる。Wntシグナル活性化剤は、Wntにより媒介されるシグナル伝達(特に、カノニカルWnt経路)を増強するものである。Wntシグナル活性化剤としては、GSK3β阻害剤、Wntファミリータンパク質などが挙げられる。例えば、GSK3β阻害剤としては、CHIR99021(6-[[2-[[4-(2,4-Dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile)、XAV939(3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one)、LiClなどが挙げられる。Wntシグナル活性化剤としてCHIR99021を用いる場合、その添加量は例えば、0.1~20μM程度、好ましくは1~10μMとすることができる。 Culturing in an environment that activates Wnt signaling can be performed, for example, by culturing in the presence of an effective amount of Wnt signaling activator. Wnt signaling activators enhance Wnt-mediated signal transduction (particularly the canonical Wnt pathway). Examples of Wnt signaling activators include GSK3β inhibitors and Wnt family proteins. For example, GSK3β inhibitors include CHIR99021 (6-[[2-[[4-(2,4-Dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile), XAV939 (3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one), and LiCl. When using CHIR99021 as a Wnt signal activator, the amount added can be, for example, about 0.1 to 20 μM, preferably 1 to 10 μM.
BMPシグナル抑制剤は、BMPにより媒介されるシグナル伝達を抑制(阻害)するものである。BMPシグナル抑制剤としては、LDN193189(4-[6-[4-(1-Piperazinyl)phenyl]pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-3-yl]quinoline)又はその塩(例えば、塩酸塩)、DMH-1などが挙げられ、その添加量は例えば、0.1~10μM程度、好ましくは0.2~5μMとすることができる。
TGFβシグナル抑制剤は、TGFβにより媒介されるシグナル伝達を抑制(阻害)するものである。TGFβシグナル活性化剤としては、A-83-01(3-(6-メチル-2-ピリジニル)-N-フェニル-4-(4-キノリニル)-1H-ピラゾール-1-カルボチオアミド)、SB431542などが挙げられ、その添加量は例えば、0.1~10μM程度、好ましくは0.2~5μMとすることができる。
ヘッジホッグシグナル抑制剤は、ヘッジホッグにより媒介されるシグナル伝達を抑制(阻害)するものである。ヘッジホッグシグナル活性化剤としては、ビスモルデギブ(Vismordegib)、シクロパミン、ソニデジブなどが挙げられ、その添加量は例えば、10nM~1μM程度、好ましくは50nM~500nM程度とすることができる。
BMP signal inhibitors suppress (inhibit) signal transduction mediated by BMPs. Examples of BMP signal inhibitors include LDN193189 (4-[6-[4-(1-Piperazinyl)phenyl]pyrazolo[1,5-a]pyrimidin-3-yl]quinoline) or its salt (e.g., hydrochloride), DMH-1, etc. The amount added can be, for example, about 0.1 to 10 μM, preferably 0.2 to 5 μM.
TGFβ signaling inhibitors suppress (inhibit) signal transduction mediated by TGFβ. Examples of TGFβ signaling activators include A-83-01 (3-(6-methyl-2-pyridinyl)-N-phenyl-4-(4-quinolinyl)-1H-pyrazole-1-carbothioamide) and SB431542, and the amount added can be, for example, about 0.1 to 10 μM, preferably 0.2 to 5 μM.
Hedgehog signal inhibitors suppress (inhibit) signal transduction mediated by hedgehogs. Examples of hedgehog signal activators include bismoldegib, cyclopamine, and sonidecib, and the amount added can be, for example, about 10 nM to 1 μM, preferably about 50 nM to 500 nM.
培養は、約37℃程度及び二酸化炭素濃度約5%程度の条件下で培養する手法が例示されるが、これに限定されない。上記条件での培養は、例えば公知のCO2インキュベータを用いて温度及びCO2濃度を制御しながら行うことができる。
培養は二次元細胞培養(平面培養)で行うことができる。二次元細胞培養は、培養器具を必要に応じて細胞の接着を促進するコーティング処理して行うことができる。
Culturing is exemplified by methods using conditions of approximately 37°C and a carbon dioxide concentration of approximately 5%, but is not limited to these. Culturing under the above conditions can be carried out, for example, by controlling the temperature and CO2 concentration using a known CO2 incubator.
Cell culture can be performed using two-dimensional cell culture (planar culture). Two-dimensional cell culture can be carried out by coating the culture equipment with a coating that promotes cell adhesion as needed.
Wntシグナルを活性化する環境下での培養を行う期間は、特に限定されるものではないが、例えば、6時問~4日程度、好ましくは1日間~3日間程度、より好ましくは2日間程度(48時間程度)とすることができる。必要に応じて、培地交換を行うことができる。培養条件は、常法に準じることが好ましい。
培養においては、必要に応じて継代を行うことができる。継代を行う場合は、コンフルエント状態に到達する前又は直後に細胞を回収し、細胞を新しい培地に播種する。また、培地を適宜交換することもできる。
The period for culturing under conditions that activate the Wnt signal is not particularly limited, but can be, for example, 6 hours to 4 days, preferably 1 to 3 days, and more preferably 2 days (about 48 hours). The culture medium can be changed as needed. The culture conditions are preferably in accordance with conventional methods.
During culture, subculturing can be performed as needed. When subculturing, harvest the cells before or immediately after reaching confluence and seed them in new culture medium. The culture medium can also be changed as appropriate.
培地としてIMDM培地、F12培地、又はその混合培地などの無血清培地を用いることが好ましい。動物由来成分不含の状態で分化誘導並びに維持培養が可能である。また前記無血清培地に、ストレプトマイシン、ペニシリンなどの抗菌薬、非必須アミノ酸(NEAA)、ROCK阻害剤(例えば、Y-27632((R)-(+)-trans-N-(4-Pyridyl)-4-(1-aminoethyl)-cyclohexanecarboxamide・2HCl))、インスリンなどのホルモン、トランスフェリン、アルブミンなどのタンパク質、脂質、ポリビニルアルコール、モノチオグリセロール等の各種培地添加物を添加することができる。 It is preferable to use serum-free media such as IMDM medium, F12 medium, or a mixture thereof as the culture medium. Differentiation induction and maintenance culture are possible in a state free of animal-derived components. Furthermore, various culture medium additives such as antibacterial agents like streptomycin and penicillin, non-essential amino acids (NEAAs), ROCK inhibitors (e.g., Y-27632 ((R)-(+)-trans-N-(4-Pyridyl)-4-(1-aminoethyl)-cyclohexanecarboxamide・2HCl)), hormones such as insulin, proteins such as transferrin and albumin, lipids, polyvinyl alcohol, and monothioglycerol can be added to the serum-free medium.
次いで、調製された肢芽間葉系幹細胞を、Wntシグナルを活性化する環境下で培養し、PRRX1タンパク質陽性の軟骨前駆細胞へと分化誘導する。なお、Wntシグナルを活性化する環境下とは、上記と同義である。また肢芽間葉系細胞から軟骨前駆細胞への分化誘導はさらに、FGF2などのFGFシグナル活性化剤の存在下で行うことが好ましい。
このように得られた軟骨前駆細胞は、同一ロットにおいて拡大培養が可能であり、一定の品質管理条件下でストック可能である。
Next, the prepared limb bud mesenchymal stem cells are cultured in an environment that activates Wnt signaling to induce differentiation into PRRX1 protein-positive chondrocytes. The environment that activates Wnt signaling is the same as described above. Furthermore, differentiation from limb bud mesenchymal cells to chondrocytes is preferably carried out in the presence of an FGF signaling activator such as FGF2.
The chondrogenic progenitor cells obtained in this way can be cultured on a larger scale within the same lot and can be stocked under consistent quality control conditions.
軟骨前駆細胞の細胞培養空間への播種は、細胞を培地に懸濁した細胞懸濁液とし、これを細胞培養空間に添加する等、それ自体公知の方法で実施される。軟骨前駆細胞の播種密度は1.4×106~2.8×106cells/cm2が好ましく、1.8×106~2.2×106cells/cm2がより好ましい。播種密度が低すぎると細胞凝集塊の生成が遅く、また細胞凝集塊に孔が開いたり、軟骨組織体の強度が形状維持に不十分となることがある。
細胞培養空間に播種された軟骨前駆細胞を培養することで、細胞凝集塊を得る。
培養は、軟骨前駆細胞から細胞凝集塊を作製し得る手法であれば特に限定されず、軟骨前駆細胞の性質等に応じて適宜選択される。
The seeding of chondrocyte progenitor cells into the cell culture space is carried out by known methods, such as adding a cell suspension (cells suspended in culture medium) to the cell culture space. The seeding density of chondrocyte progenitor cells is preferably 1.4 × 10⁶ to 2.8 × 10⁶ cells/ cm² , and more preferably 1.8 × 10⁶ to 2.2 × 10⁶ cells/ cm² . If the seeding density is too low, the formation of cell aggregates will be slow, pores may form in the cell aggregates, and the strength of the cartilage tissue may be insufficient to maintain its shape.
Cell aggregates are obtained by culturing chondrocytes seeded in a cell culture space.
The culture method is not particularly limited as long as it can produce cell aggregates from chondrocytes, and can be appropriately selected depending on the properties of the chondrocytes.
例えば、多能性幹細胞由来のPRRX1タンパク質陽性の軟骨前駆細胞の培養は、Wntシグナルを活性化する環境下、及び/又は、TGFβシグナルを抑制する環境下で行うことが好ましい。
Wntシグナルを活性化する環境下での培養は、例えば有効量のWntシグナル活性化剤の存在下で培養をすることで行うことができる。Wntシグナル活性化剤は、Wntにより媒介されるシグナル伝達(特に、カノニカルWnt経路)を増強するものである。Wntシグナル活性化剤としては、GSK3β阻害剤、Wntファミリータンパク質などが挙げられる。例えば、GSK3β阻害剤としては、CHIR99021(6-[[2-[[4-(2,4-dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile)、XAV939(3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one)、LiClなどが挙げられる。Wntシグナル活性化剤としてCHIR99021を用いる場合、その添加量は例えば、0.1~20μM程度、好ましくは1~10μM程度とすることができる。
For example, it is preferable to culture PRRX1 protein-positive chondrogenic progenitor cells derived from pluripotent stem cells under conditions that activate Wnt signaling and/or suppress TGFβ signaling.
Culturing in an environment that activates Wnt signaling can be performed, for example, by culturing in the presence of an effective amount of Wnt signaling activator. Wnt signaling activators enhance Wnt-mediated signal transduction (particularly the canonical Wnt pathway). Examples of Wnt signaling activators include GSK3β inhibitors and Wnt family proteins. For example, GSK3β inhibitors include CHIR99021 (6-[[2-[[4-(2,4-dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile), XAV939 (3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one), and LiCl. When using CHIR99021 as a Wnt signal activator, the amount added can be, for example, about 0.1 to 20 μM, preferably about 1 to 10 μM.
TGFβシグナルを抑制する環境下での培養は、例えば有効量のTGFβシグナル抑制剤の存在下で培養をすることで行うことができる。TGFβシグナル抑制剤は、TGFβにより媒介されるシグナル伝達を抑制(阻害)するものである。TGFβシグナル抑制剤としては、A-83-01(3-(6-methyl-2-pyridinyl)-N-phenyl-4-(4-quinolinyl)-1H-pyrazol-1-carbothioamide)、SB431542(4-[4-(1,3-benzodioxol-5-yl)-5-(2-pyridinyl)-1H-imidazol-2-yl]-benzamide)などが挙げられる。TGFβシグナル抑制剤としてA-83-01を用いる場合、その添加量は例えば、0.1~10μM程度、好ましくは0.2~5μMとすることができる。 Culturing cells in an environment that suppresses TGFβ signaling can be performed, for example, by culturing them in the presence of an effective amount of a TGFβ signaling inhibitor. A TGFβ signaling inhibitor suppresses (inhibits) the signal transduction mediated by TGFβ. Examples of TGFβ signaling inhibitors include A-83-01 (3-(6-methyl-2-pyridinyl)-N-phenyl-4-(4-quinolinyl)-1H-pyrazol-1-carbothioamide) and SB431542 (4-[4-(1,3-benzodioxol-5-yl)-5-(2-pyridinyl)-1H-imidazol-2-yl]-benzamide). When using A-83-01 as a TGFβ signaling inhibitor, the amount added can be, for example, about 0.1 to 10 μM, preferably 0.2 to 5 μM.
軟骨前駆細胞の培養は、約37℃程度及び二酸化炭素濃度約5%程度の条件下で培養する手法が例示されるが、これに限定されない。上記条件での培養は、例えば公知のCO2インキュベータを用いて温度及びCO2濃度を制御しながら行うことができる。
培養を行う期間は、特に限定されるものではないが、例えば、6時間~4日程度、好ましくは1日間~3日間程度、より好ましくは2日間程度(48時間程度)とすることができる。必要に応じて、培地交換を行うことができる。培養条件は、常法に準じることが好ましい。
While culturing chondrogenic cells is exemplified by methods using conditions of approximately 37°C and a carbon dioxide concentration of approximately 5%, it is not limited to these methods. Culturing under the above conditions can be carried out, for example, by controlling the temperature and CO2 concentration using a known CO2 incubator.
The incubation period is not particularly limited, but can be, for example, 6 hours to 4 days, preferably 1 to 3 days, and more preferably 2 days (approximately 48 hours). The culture medium can be changed as needed. The incubation conditions are preferably in accordance with conventional methods.
培地としてIMDM培地、F12培地、又はその混合培地などの無血清培地を用いることが好ましい。動物由来成分不含の状態で分化誘導並びに維持培養が可能である。また前記無血清培地に、ストレプトマイシン、ペニシリンなどの抗菌薬、非必須アミノ酸(NEAA)、ROCK阻害剤(例えば、Y-27632)、EGF、FGFなどの細胞増殖因子、インスリンなどのホルモン、トランスフェリン、アルブミンなどのタンパク質、脂質、ポリビニルアルコール、モノチオグリセロール等の各種培地添加物を添加することができる。 It is preferable to use serum-free media such as IMDM medium, F12 medium, or a mixture thereof as the culture medium. Differentiation induction and maintenance culture are possible without animal-derived components. Furthermore, various culture medium additives such as antibacterial agents (e.g., streptomycin, penicillin), non-essential amino acids (NEAA), ROCK inhibitors (e.g., Y-27632), cell growth factors (e.g., EGF, FGF), hormones (e.g., insulin), proteins (e.g., transferrin, albumin), lipids, polyvinyl alcohol, and monothioglycerol can be added to the serum-free medium.
このようにして、ヒト軟骨前駆細胞から自己凝集化した細胞凝集塊が得られる。得られた細胞凝集塊は、次いで軟骨組織体に誘導される。細胞凝集塊の作製と軟骨組織体への誘導は、培地を変更して連続的に行ってもよく、細胞凝集塊の段階で細胞培養空間から取り出し、複数の細胞凝集塊を用いて所望の形状にし、次いで軟骨組織体に分化誘導してもよい。
分化誘導工程では、細胞凝集塊を培養し軟骨組織体を作製する。
培養は、前記細胞凝集塊から軟骨組織体を作成しうる手法であれば特に限定されず、前記ヒト軟骨前駆細胞から得られる細胞凝集塊の性質等に応じて適宜選択される。
In this way, self-aggregated cell aggregates are obtained from human chondrocyte precursor cells. The obtained cell aggregates are then induced to differentiate into cartilage tissue. The preparation of cell aggregates and induction into cartilage tissue may be carried out continuously by changing the culture medium, or the cell aggregates may be removed from the cell culture space, multiple cell aggregates may be used to form the desired shape, and then differentiated into cartilage tissue.
In the differentiation induction process, cell aggregates are cultured to produce cartilage tissue.
The culture method is not particularly limited as long as it can produce cartilage tissue from the cell aggregates, and can be appropriately selected depending on the properties of the cell aggregates obtained from the human chondrocytes.
例えば、多能性幹細胞由来のPRRX1タンパク質陽性のヒト軟骨前駆細胞から得られる細胞凝集塊の培養は、Wntシグナルを活性化する環境下で培養する工程を含む方法で行うことが好ましい。 For example, it is preferable to culture cell aggregates obtained from pluripotent stem cell-derived PRRX1 protein-positive human chondrogenic progenitor cells using a method that includes a step of culturing them in an environment that activates the Wnt signaling pathway.
Wntシグナルを活性化する環境下での培養は、例えば有効量のWntシグナル活性化剤の存在下で培養をすることで行うことができる。Wntシグナル活性化剤は、Wntにより媒介されるシグナル伝達(特に、カノニカルWnt経路)を増強するものである。Wntシグナル活性化剤としては、GSK3β阻害剤、Wntファミリータンパク質などが挙げられる。例えば、GSK3β阻害剤としては、CHIR99021(6-[[2-[[4-(2,4-dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile)、XAV939(3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one)、LiC1などが挙げられる。Wntシグナル活性化剤としてCHIR99021を用いる場合、その添加量は例えば、0.1~20μM程度、好ましくは1~10μMとすることができる。 Culturing in an environment that activates Wnt signaling can be performed, for example, by culturing in the presence of an effective amount of Wnt signaling activator. Wnt signaling activators enhance Wnt-mediated signal transduction (particularly the canonical Wnt pathway). Examples of Wnt signaling activators include GSK3β inhibitors and Wnt family proteins. For example, GSK3β inhibitors include CHIR99021 (6-[[2-[[4-(2,4-dichlorophenyl)-5-(5-methyl-1H-imidazol-2-yl)-2-pyrimidinyl]amino]ethyl]amino]-3-pyridinecarbonitrile), XAV939 (3,5,7,8-Tetrahydro-2-[4-(trifluoromethyl)phenyl]-4H-thiopyrano[4,3-d]pyrimidin-4-one), and LiC1. When using CHIR99021 as a Wnt signal activator, the amount added can be, for example, about 0.1 to 20 μM, preferably 1 to 10 μM.
また培養は、多段階で行うことが好ましい。具体的には、
(i)Wntシグナル活性剤の存在下かつFGFシグナル活性化剤の存在下で培養をする工程、次いで
(ii)FGFシグナル活性化剤の存在下で(かつ好ましくは、Wntシグナル活性化剤の非存在下で)培養をする工程、次いで
(iii)好ましくは、Wntシグナル活性化剤の非存在下かつFGFシグナル活性化剤の非存在下で培養する工程
の3段階で行うことが好ましい。
Furthermore, it is preferable to carry out the culture in multiple stages. Specifically,
It is preferable to carry out the process in three steps: (i) culturing in the presence of a Wnt signaling activator and an FGF signaling activator; (ii) culturing in the presence of an FGF signaling activator (and preferably in the absence of a Wnt signaling activator); and (iii) preferably in the absence of a Wnt signaling activator and an FGF signaling activator.
FGFシグナルを活性化する環境下での培養は、例えば有効量のFGFシグナル活性化剤の存在下で培養をすることで行うことができる。FGFシグナル活性化剤は、線維芽細胞成長因子(FGF)シグナル伝達を増強するものである。FGFシグナル活性化剤としては、FGF1/aFGF、FGF2/bFGFなどが挙げられる。FGFシグナル活性化剤としてFGF2を用いる場合、その添加量は例えば、0.1~100ng/mL程度、好ましくは1~50ng/mLとすることができる。 Culturing cells in an environment that activates FGF signaling can be performed, for example, by culturing them in the presence of an effective amount of FGF signaling activator. FGF signaling activators enhance fibroblast growth factor (FGF) signaling. Examples of FGF signaling activators include FGF1/aFGF and FGF2/bFGF. When using FGF2 as the FGF signaling activator, the amount added can be, for example, about 0.1 to 100 ng/mL, preferably 1 to 50 ng/mL.
前記3段階での培養を行う場合、工程(i)及び工程(ii)は二次元細胞培養(平面培養)又は三次元培養で行うことができる。二次元細胞培養は、培養器具を必要に応じて細胞の接着を促進するコーティング処理して行うことができる。工程(iii)は、三次元培養で行うことが好ましい。なお、各段階の培養の間において、前の培養環境の影響を低減するために、PBS緩衝液等での洗浄を適宜行った上で培養を行うことが好ましい。 When performing the three-stage culture described above, steps (i) and (ii) can be carried out using two-dimensional cell culture (planar culture) or three-dimensional culture. Two-dimensional cell culture can be performed by coating the culture equipment with a coating that promotes cell adhesion as needed. Step (iii) is preferably carried out using three-dimensional culture. Furthermore, between each stage of culture, it is preferable to wash the cells with PBS buffer or the like as appropriate to reduce the influence of the previous culture environment.
培養は、細胞及び培地を格納するための適切な容器中で行うことができる。好適な培養を行う手法として、約37℃程度及び二酸化炭素濃度約5%程度の条件下で培養する手法が例示されるが、これに限定されない。上記条件での培養は、例えば公知のCO2インキュベータを用いて温度及びCO2濃度を制御しながら行うことができる。 Culturing can be carried out in a suitable container for storing cells and culture medium. Suitable culturing methods include, but are not limited to, culturing under conditions of approximately 37°C and a carbon dioxide concentration of approximately 5%. Culturing under these conditions can be carried out, for example, by controlling the temperature and CO2 concentration using a known CO2 incubator.
Wntシグナルを活性化する環境下での培養を行う期間は、本発明の効果を損なわない範囲で、特に限定されるものではない。例えば、2時間~12日程度、2日間~8日間程度、或いは3日間~6日間程度とすることができる。また培養を多段階で行う場合、例えば前記3段階での培養を行う場合、工程(i)及び工程(ii)はそれぞれ、2時間~12日程度、2日間~8日間程度、或いは3日間~6日間程度とすることができ、工程(iii)は、2時間~60日程度、8日間~54日間程度、或いは21日間~50日間程度、特に35日間~45日間程度とすることができる。必要に応じて、培養期間中に培地交換を行うことができる。培養条件は、常法に準じることが好ましい。
培養において、必要において継代を行うことができる。継代を行う場合は、コンフルエント状態に到達する前又は直後に細胞を回収し、細胞を新しい培地に播種する。
The period for culturing under an environment that activates the Wnt signal is not particularly limited, as long as it does not impair the effects of the present invention. For example, it can be 2 hours to 12 days, 2 days to 8 days, or 3 days to 6 days. Furthermore, when culturing is performed in multiple stages, for example, in the three stages described above, steps (i) and (ii) can be 2 hours to 12 days, 2 days to 8 days, or 3 days to 6 days, respectively, and step (iii) can be 2 hours to 60 days, 8 days to 54 days, or 21 days to 50 days, particularly 35 days to 45 days. If necessary, the culture medium can be changed during the culturing period. The culturing conditions are preferably in accordance with conventional methods.
In culture, subculturing can be performed as needed. When subculturing, the cells should be harvested before or immediately after reaching confluence and seeded in fresh culture medium.
分化誘導工程で用いる培地は、特に限定されない。培地としてIMDM培地、F12培地、又はその混合培地などの無血清培地を用いることができ、さらにそれらにL-アスコルビン酸、ITS(インスリン-トランスフェリン-亜セレン酸ナトリウム培地サプリメント)、GDF5、及び/又はBMP4等を添加した公知の軟骨誘導培地を用いることができる。また、必要に応じて、ストレプトマイシン、ペニシリンなどの抗菌薬、非必須アミノ酸(NEAA)、ROCK阻害剤(例えば、Y-27632)、EGF、TGFβなどの細胞増殖因子、インスリンなどのホルモン、トランスフェリン、アルブミンなどのタンパク質、脂質、ポリビニルアルコール、モノチオグリセロール等の公知の各種培地添加物を添加することもできる。 The culture medium used in the differentiation induction process is not particularly limited. Serum-free media such as IMDM medium, F12 medium, or a mixture thereof can be used. Furthermore, known cartilage induction media, to which L-ascorbic acid, ITS (insulin-transferrin-sodium selenite medium supplement), GDF5, and/or BMP4 are added, can also be used. Additionally, various known culture medium additives such as antibacterial agents (e.g., streptomycin, penicillin), non-essential amino acids (NEAA), ROCK inhibitors (e.g., Y-27632), cell growth factors (e.g., EGF, TGFβ), hormones (e.g., insulin), proteins (e.g., transferrin, albumin), lipids, polyvinyl alcohol, and monothioglycerol can be added as needed.
本発明の特に好ましい実施形態において細胞凝集体から軟骨組織体への分化誘導は、例えば以下のステップ1~ステップ3により行うことができる。
(i) ステップ1
培養期間は、3~6日間であり、培養温度は、37℃前後である。培地の成分としては、CHIR99021、FGF2、Ascorbic acid、ITS (Insulin, transferrin, selenium)、FBS(ウシ胎児血清)が挙げられる。必要に応じて培地交換を行う。ステップ1及び工程(i)において、FBSは1~10%(w/v)程度の濃度で使用することが、凝集塊の形状を維持するために好ましい。
In a particularly preferred embodiment of the present invention, differentiation induction from cell aggregates to cartilage tissue can be carried out by, for example, the following steps 1 to 3.
(i) Step 1
The incubation period is 3 to 6 days, and the incubation temperature is around 37°C. The culture medium components include CHIR99021, FGF2, Ascorbic acid, ITS (Insulin, transferrin, selenium), and FBS (fetal bovine serum). The culture medium is changed as needed. In step 1 and step (i), it is preferable to use FBS at a concentration of approximately 1-10% (w/v) to maintain the shape of the aggregates.
(ii) ステップ2
培養期間は、3~6日間であり、培養温度は、37℃前後である。培地の成分としては、BMP4、TGFb1、GDF5、FGF2、Ascorbic acid、ITS、FBSなどが挙げられる。必要に応じて培地交換を行う。ステップ2及び工程(ii)において、FBSは1~10%(w/v)程度の濃度で使用することが、軟骨組織体の変形は見られず、所望の太さで、平滑で均一な軟骨組織体を形成することができる。組織学的にもサフラニンOで赤色、アルシアンブルーで青色に染まる軟骨基質の産生を確認できる。
(ii) Step 2
The culture period is 3 to 6 days, and the culture temperature is around 37°C. The culture medium components include BMP4, TGFb1, GDF5, FGF2, Ascorbic acid, ITS, and FBS. The medium is changed as needed. In step 2 and process (ii), using FBS at a concentration of approximately 1-10% (w/v) allows for the formation of smooth, uniform cartilage tissue of the desired thickness without deformation of the cartilage tissue. Histologically, the production of cartilage matrix stained red with safranin O and blue with Alcian blue can be confirmed.
(iii) ステップ3
培養期間は、6週間から8週間であり、培養温度は、37℃前後である。培地の成分としては、BMP4、TGFb1、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSなどが挙げられる。必要に応じて培地交換を行う。ステップ3及び工程(iii)において、FBSは1~10%(w/v)程度の濃度で使用することが、所望の形状かつ均一で平滑な軟骨組織体を得るために好ましい。FBSを10%(w/v)の濃度で含む分化誘導培地を、以下において「STEP3+10%FBS」と記載することがある。得られた軟骨組織体は、サフラニンOで赤色、アルシアンブルーで青色に染まることで、軟骨基質の産生を確認することができる。
(iii) Step 3
The culture period is 6 to 8 weeks, and the culture temperature is around 37°C. The culture medium components include BMP4, TGFb1, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS. The medium is changed as needed. In step 3 and step (iii), it is preferable to use FBS at a concentration of approximately 1-10% (w/v) to obtain cartilage tissue of the desired shape, uniformity, and smoothness. A differentiation induction medium containing 10% (w/v) FBS may be referred to as "STEP3 + 10% FBS" below. The obtained cartilage tissue stains red with safranin O and blue with Alcian blue, allowing for confirmation of cartilage matrix production.
本発明者は、TGFb1またはBMP4を含まない培地を作製して分化誘導を行った。STEP3の培養期間を前半の3週間と後半の3週間に分け、それぞれの期間で、STEP3+10%FBS、STEP3+10%FBS-TGFb1、STEP3+10%FBS-BMP4を用いて培養を行った。
前半の3週間においてはSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いた場合、軟骨組織体の拡大が起こった。これは軟骨組織体が大きいほど顕著になる。
一方、前半の3週間において、STEP3+10%FBSおよびSTEP3+10%FBS-BMP4を用いた場合にはこのような変形は生じなかった。以上より前半の3週間におけるTGFb1はリング形態の維持に必須であると考えられる。またqPCRによる遺伝子発現解析では、前半3週間にSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いた場合、RUNX2やCol10、IHHなどの肥大軟骨マーカーが上昇していたが、STEP3+10%FBSやSTEP3+10%FBS-BMP4を用いた場合には上昇しないということが分かった。BMP4は軟骨の肥大化に働き、TGFb1はそれを抑制するということが示唆された。
以上から、前半の3週間の好ましい培地は、BMP4、TGFb1、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSから構成される培地、或いは、TGFb1、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSから構成される培地である。
The inventors prepared culture media that did not contain TGFb1 or BMP4 and performed differentiation induction. The culture period for STEP 3 was divided into the first 3 weeks and the second 3 weeks, and culture was performed in each period using STEP 3 + 10% FBS, STEP 3 + 10% FBS - TGFb1, and STEP 3 + 10% FBS - BMP4.
In the first three weeks, using STEP3 + 10% FBS-TGFb1 resulted in expansion of the cartilage tissue. This expansion became more pronounced with larger cartilage tissue.
On the other hand, such deformation did not occur when STEP3+10%FBS and STEP3+10%FBS-BMP4 were used during the first three weeks. Therefore, TGFb1 is considered essential for maintaining the ring morphology during the first three weeks. Furthermore, gene expression analysis by qPCR showed that when STEP3+10%FBS-TGFb1 was used during the first three weeks, hypertrophic cartilage markers such as RUNX2, Col10, and IHH were elevated, but not when STEP3+10%FBS or STEP3+10%FBS-BMP4 were used. This suggests that BMP4 acts on cartilage hypertrophy, while TGFb1 suppresses it.
Based on the above, the preferred culture medium for the first three weeks is a medium consisting of BMP4, TGFb1, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS, or a medium consisting of TGFb1, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS.
一方、後半の3週間においてはTGFb1を除いても軟骨組織体の拡大はほとんど起こらなかった。軟骨組織体の太さとしてはSTEP3+10%FBS-TGFb1、STEP3+10%FBS、STEP3+10%FBS-BMP4の順に太くなっており、ここでもBMP4が軟骨の肥大化を促し、TGFb1はこれを抑制するという結果が示唆された。
以上から、後半の3週間の好ましい培地は、BMP4、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSから構成される培地、BMP4、TGFb1、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSから構成される培地、或いは、TGFb1、GDF5、Ascorbic acid、ITS、FBSから構成される培地である。
ヒトを含む哺乳動物の生体内に移植したときの形状型軟骨組織体の体積変化率は、好ましくは25%以下、より好ましくは20%以下、さらに好ましくは15%以下、特に好ましくは10%以下である。
On the other hand, in the latter three weeks, there was almost no enlargement of the cartilage tissue even when TGFb1 was removed. In terms of cartilage tissue thickness, it increased in the order of STEP3 + 10% FBS - TGFb1, STEP3 + 10% FBS, and STEP3 + 10% FBS - BMP4, suggesting that BMP4 promotes cartilage hypertrophy, while TGFb1 inhibits it.
Based on the above, the preferred culture medium for the latter three weeks is a medium consisting of BMP4, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS; a medium consisting of BMP4, TGFb1, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS; or a medium consisting of TGFb1, GDF5, Ascorbic acid, ITS, and FBS.
The volume change rate of the shape-type cartilage tissue when transplanted into the living body of a mammal, including a human, is preferably 25% or less, more preferably 20% or less, even more preferably 15% or less, and particularly preferably 10% or less.
基板表面の形状は、平面であっても凹凸があってもよいが、平面形状であることが好ましい。また基板は、いわゆる細胞培養容器又はその一部であってもよい。細胞培養容器としては、細胞の培養に一般的に用いられるペトリデッシュ、組織培養用ディッシュ、マルチディッシュなどのシャーレ又はディッシュ、細胞培養フラスコ、スピナーフラスコなどのフラスコ、プラスチックバッグ、テフロン(登録商標)バッグ、培養バッグなどのバッグ、マイクロプレート、マイクロウェルプレート、マルチプレート、マルチウェルプレートなどのプレート、チャンバースライド、チューブ、トレイ、ローラーボトルなどのボトル等が挙げられる。 The substrate surface may be flat or uneven, but a flat surface is preferred. The substrate may also be a so-called cell culture vessel or a part thereof. Examples of cell culture vessels include petri dishes or dishes commonly used for cell culture, such as Petri dishes, tissue culture dishes, and multi-dishes; flasks such as cell culture flasks and spinner flasks; bags such as plastic bags, Teflon® bags, and culture bags; plates such as microplates, microwell plates, multi-plates, and multi-well plates; chamber slides, tubes, trays, and roller bottles.
基板の材質は、例えば、ガラス、金属、金属含有化合物若しくは半金属含有化合物、活性炭又は樹脂を挙げることができる。金属は、典型金属:(アルミニウム族元素:Al、Ga、In;鉄族元素:Fe、Co、Ni;クロム族元素:Cr、Mo、W、U;マンガン族元素:Mn、Re;貴金属:Cu、Ag、Au等が挙げられる。金属含有化合物若しくは半金属含有化合物は、例えば基本成分が金属酸化物で、高温での熱処理によって焼き固めた焼結体であるセラミックス、シリコンのような半導体、金属酸化物若しくは半金属酸化物(シリコン酸化物、アルミナ等)、金属炭化物若しくは半金属炭化物、金属窒化物若しくは半金属窒化物(シリコン窒化物等)、金属ホウ化物若しくは半金属ホウ化物等の無機化合物の成形体等の無機固体材料、アルミニウム、ニッケルチタン、ステンレス(SUS304、SUS316、SUS316L等)が挙げられる。 Examples of substrate materials include glass, metal, metal-containing compounds or metalloid-containing compounds, activated carbon, or resin. Metals include typical metals (aluminum group elements: Al, Ga, In; iron group elements: Fe, Co, Ni; chromium group elements: Cr, Mo, W, U; manganese group elements: Mn, Re; noble metals: Cu, Ag, Au, etc.). Examples of metal-containing compounds or metalloid-containing compounds include ceramics (sintered bodies formed by heat treatment at high temperatures with a metal oxide as the basic component), semiconductors such as silicon, inorganic solid materials such as molded bodies of metal oxides or metalloid oxides (silicon oxide, alumina, etc.), metal carbides or metalloid carbides, metal nitrides or metalloid nitrides (silicon nitride, etc.), metal borides or metalloid borides, etc.), aluminum, nickel-titanium, and stainless steel (SUS304, SUS316, SUS316L, etc.).
基板を構成する樹脂としては、天然樹脂若しくはその誘導体、又は合成樹脂いずれでもよく、天然樹脂若しくはその誘導体としては、セルロース、三酢酸セルロース(CTA)、ニトロセルロース(NC)、デキストラン硫酸を固定化したセルロース等、合成樹脂としてはポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド(PI)、ポリエステル系ポリマーアロイ(PEPA)、ポリスチレン(PS)、ポリスルホン(PSF)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリウレタン(PU)、エチレンビニルアルコール(EVAL)、ポリエチレン(PE)、ポリエステル、ポリプロピレン(PP)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、超高分子量ポリエチレン(UHPE)、ポリジメチルシロキサン(PDMS)、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン樹脂(ABS)又はテフロン(登録商標)が好ましく用いられる。
本発明で使用される形状型軟骨組織体製造用基板は、高温での処理を要しないため、耐熱性が低い樹脂等も適用可能である。基板の材質は1種類であっても2種類以上の組み合わせであってもよい。
The resin constituting the substrate may be a natural resin or its derivative, or a synthetic resin. Preferred natural resins or their derivatives include cellulose, cellulose triacetate (CTA), nitrocellulose (NC), cellulose immobilized with dextran sulfate, etc. Preferred synthetic resins include polyacrylonitrile (PAN), polyimide (PI), polyester polymer alloy (PEPA), polystyrene (PS), polysulfone (PSF), polyethylene terephthalate (PET), polymethyl methacrylate (PMMA), polyvinyl alcohol (PVA), polyurethane (PU), ethylene vinyl alcohol (EVAL), polyethylene (PE), polyester, polypropylene (PP), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethersulfone (PES), polycarbonate (PC), cycloolefin polymer (COP), polyvinyl chloride (PVC), polytetrafluoroethylene (PTFE), ultra-high molecular weight polyethylene (UHPE), polydimethylsiloxane (PDMS), acrylonitrile-butadiene-styrene resin (ABS), or Teflon®.
The substrate used in the present invention for manufacturing shaped cartilage tissue does not require high-temperature processing, and therefore, resins with low heat resistance can also be used. The substrate material may be one type or a combination of two or more types.
前記基板は、細胞付着能を抑制する表面を有していてもよい。この場合、細胞培養空間に露出する基板表面は、細胞接着を促進する材料でコーティングされることが好ましい。このようなコーティング材料としては、下記式(I):
Ua1及びUa2は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキル基を表し、Ra1は、水素原子又は炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキル基を表し、Ra2は、炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキレン基を表す]で表されるモノマーから誘導される繰り返し単位、及び、下記式(II):
A repeating unit derived from a monomer represented by [U a1 and U a2 each independently represent a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, R a1 represents a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and R a2 represents a linear or branched alkylene group having 1 to 5 carbon atoms], and the following formula (II):
[式中、
Rbは、水素原子又は炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキル基を表す]で表されるモノマーから誘導される繰り返し単位を含む共重合体が挙げられる。
式(I)で表されるモノマーから誘導される繰り返し単位の、上記式(I)で表されるモノマーから誘導される繰り返し単位及び上記式(II)で表されるモノマーから誘導される繰り返し単位の合計に対するモル比率が、99モル%~51モル%であることが好ましい。
上記共重合体は、さらに下記式(III):
Examples include copolymers containing repeating units derived from monomers represented by [ Rb represents a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms].
Preferably, the molar ratio of repeating units derived from the monomer represented by formula (I) to the total of repeating units derived from the monomer represented by formula (I) and repeating units derived from the monomer represented by formula (II) is 99 mol% to 51 mol%.
The above copolymer is further divided into the following formula (III):
[式中、
Rc及びRdは、それぞれ独立して、水素原子又は炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキル基を表し、Reは、炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキレン基を表し、nは1~50の数を表す]で表されるモノマーから誘導される構造単位を含んでいてもよい。
[In the formula,
The structure may include a structural unit derived from a monomer represented by [ Rc and Rd each independently represent a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, Re represent a linear or branched alkylene group having 1 to 5 carbon atoms, and n represent a number from 1 to 50].
本明細書において、上記のような基板のコーティングをCAT(Cell self-aggregation technology)コーティングと記載することがある。
本発明の基板は、下記式(a)で表される基を含む繰り返し単位と、下記式(b)で表される基を含む繰り返し単位とを含む共重合体(P):
The substrate of the present invention is a copolymer (P) comprising repeating units containing a group represented by the following formula (a) and repeating units containing a group represented by the following formula (b):
[式中、
Ua11、Ua12、Ub11、Ub12及びUb13は、それぞれ独立して、水素原子又は炭素原子数1乃至5の直鎖若しくは分岐アルキル基を表し、An-は、ハロゲン化物イオン、無機酸イオン、水酸化物イオン及びイソチオシアネートイオンからなる群から選ばれる陰イオンを表す]
を含むコーティング膜をその表面の少なくとも一部に含むことが好ましい。
[In the formula,
U a11 , U a12 , U b11 , U b12 , and U b13 each independently represent a hydrogen atom or a linear or branched alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, and An- represents an anion selected from the group consisting of halide ions, inorganic acid ions, hydroxide ions, and isothiocyanate ions.
It is preferable that the coating film containing the above is included on at least a portion of its surface.
基板のコーティングは、前記共重合体、好ましくは前記共重合体を含む下地剤を塗布することにより形成することができる。下地剤は、前記共重合体に、それ自体公知の方法にて含水溶液を混合させることで調製できる。そのような下地剤は、細胞凝集塊形成促進用として有用である。 The substrate coating can be formed by applying the copolymer, preferably a primer containing the copolymer. The primer can be prepared by mixing the copolymer with an aqueous solution using a method known to that effect. Such a primer is useful for promoting cell aggregate formation.
含水溶液とは、水、生理食塩水又はリン酸緩衝溶液などの塩含有水溶液、あるいは水又は塩含有水溶液とアルコールとを組み合わせた混合溶媒が挙げられる。アルコールとしては、炭素原子数2乃至6のアルコール、例えば、エタノール、プロパノール、イソプロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、イソブタノール、t-ブタノール、1-ペンタノール、2-ペンタノール、3-ペンタノール、1-ヘプタノール、2-ヘプタノール、2,2-ジメチル-1-プロパノール(=ネオペンチルアルコール)、2-メチル-1-プロパノール、2-メチル-1-ブタノール、2-メチル-2-ブタノール(=t-アミルアルコール)、3-メチル-1-ブタノール、3-メチル-3-ペンタノール、シクロペンタノール、1-ヘキサノール、2-ヘキサノール、3-ヘキサノール、2,3-ジメチル-2-ブタノール、3,3-ジメチル-1-ブタノール、3,3-ジメチル-2-ブタノール、2-エチル-1-ブタノール、2-メチル-1-ペンタノール、2-メチル-2-ペンタノール、2-メチル-3-ペンタノール、3-メチル-1-ペンタノール、3-メチル-2-ペンタノール、3-メチル-3-ペンタノール、4-メチル-1-ペンタノール、4-メチル-2-ペンタノール、4-メチル-3-ペンタノール及びシクロヘキサノールが挙げられ、単独で又はそれらの組み合わせの混合溶媒を用いてもよい。 Aqueous solutions include water, saline solution, or phosphate buffer solution containing salts, or mixed solvents combining water or a salt-containing aqueous solution with an alcohol. Examples of alcohols include alcohols with 2 to 6 carbon atoms, such as ethanol, propanol, isopropanol, 1-butanol, 2-butanol, isobutanol, t-butanol, 1-pentanol, 2-pentanol, 3-pentanol, 1-heptanol, 2-heptanol, 2,2-dimethyl-1-propanol (= neopentyl alcohol), 2-methyl-1-propanol, 2-methyl-1-butanol, 2-methyl-2-butanol (= t-amyl alcohol), 3-methyl-1-butanol, 3-methyl-3-pentanol, cyclopentanol, and 1-hexanol. Examples include 2-hexanol, 3-hexanol, 2,3-dimethyl-2-butanol, 3,3-dimethyl-1-butanol, 3,3-dimethyl-2-butanol, 2-ethyl-1-butanol, 2-methyl-1-pentanol, 2-methyl-2-pentanol, 2-methyl-3-pentanol, 3-methyl-1-pentanol, 3-methyl-2-pentanol, 3-methyl-3-pentanol, 4-methyl-1-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, 4-methyl-3-pentanol, and cyclohexanol, which may be used individually or as mixed solvents of these.
さらに下地剤は、前記共重合体と溶媒の他に、必要に応じて得られる下地膜の性能を損ねない範囲で他の物質を添加することもできる。他の物質としては、pH調整剤、架橋剤、防腐剤、界面活性剤、容器又は基板との密着性を高めるプライマー、防カビ剤及び糖類等が挙げられる。
上記溶液を基板に適用することで、コーティングすることができる。前記溶液中の共重合体の濃度は、好ましくは0.1~200μg/ml、より好ましくは1~100μg/ml、さらに好ましくは 6.25~50μg/mlであり、このような濃度範囲であれば、良好な細胞凝集物及び軟骨組織体が形成される。
Furthermore, in addition to the copolymer and solvent, the primer may contain other substances as needed, provided that they do not impair the performance of the resulting primer film. Examples of other substances include pH adjusters, crosslinking agents, preservatives, surfactants, primers to improve adhesion to containers or substrates, antifungal agents, and sugars.
The above solution can be applied to a substrate for coating. The concentration of the copolymer in the solution is preferably 0.1 to 200 μg/ml, more preferably 1 to 100 μg/ml, and even more preferably 6.25 to 50 μg/ml. Within this concentration range, good cell aggregates and cartilage tissue are formed.
また、かかる方法により得られる基板の表面のコーティングは、乾燥工程を経ずにそのまま、あるいは水又は細胞培養に付される試料の媒質(例えば、水、緩衝液、培地等)を用いての洗浄後に、本発明の製造方法に使用することができる。
基板は、塗布後に乾燥工程に付してもよい。乾燥工程は、大気下又は真空下にて、好ましくは、温度-200℃乃至200℃の範囲内で行う。乾燥工程により、上記溶媒を取り除くことで、基体へ完全に固着する。
Furthermore, the coating on the surface of the substrate obtained by this method can be used in the manufacturing method of the present invention either as is without a drying process, or after washing with water or a medium for samples subjected to cell culture (e.g., water, buffer solution, culture medium, etc.).
The substrate may be subjected to a drying process after coating. The drying process is carried out under air or vacuum, preferably at a temperature in the range of -200°C to 200°C. By removing the solvent during the drying process, the coating is completely fixed to the substrate.
コーティングは、例えば室温(10℃~35℃、好ましくは20℃~30℃、例えば25℃)での乾燥でも形成することができるが、より迅速にスポットを形成させるために、例えば40℃~50℃にて乾燥させてもよい。乾燥温度が-200℃未満であると、一般的ではない冷媒を使用しなければならず汎用性に欠けることと、溶媒昇華のために乾燥に長時間を要し効率が悪い。乾燥温度が200℃超であると、共重合体の熱分解が生じる。より好ましい乾燥温度は10℃~180℃、より好ましい乾燥温度は20℃~150℃である。
コーティングの膜厚は、最大膜厚と最小膜厚が1~1000nmの範囲であり、好ましくは5~500nmの範囲である。
The coating can be formed by drying at room temperature (10°C to 35°C, preferably 20°C to 30°C, e.g., 25°C), but drying may be performed at, for example, 40°C to 50°C to form spots more quickly. If the drying temperature is below -200°C, it is necessary to use uncommon refrigerants, which is inconvenient, and drying takes a long time due to solvent sublimation, making it inefficient. If the drying temperature is above 200°C, thermal decomposition of the copolymer occurs. A more preferable drying temperature is 10°C to 180°C, and a more preferable drying temperature is 20°C to 150°C.
The coating thickness is such that the maximum and minimum thicknesses are in the range of 1 to 1000 nm, preferably in the range of 5 to 500 nm.
1つの好ましい実施形態において、本発明で使用される基板は、細胞の付着抑制能を有する基板を用いて製造される。そのような基板として、市販の細胞低接着処理済みの細胞培養皿、細胞の付着抑制能を有する細胞培養器等を使用してもよく、例えば特開2008-61609号公報に記載されている細胞培養容器が使用できるが、これに限定されるものではない。
本発明により調製された軟骨組織体が得られたことは、例えばサフラニンO染色、アルシアンブルー染色、サフラニンO染色、又はトルイジンブルー染色が陽性であることなどにより確認することができる。
In one preferred embodiment, the substrate used in the present invention is manufactured using a substrate having cell adhesion inhibitory properties. As such a substrate, commercially available cell culture dishes with low cell adhesion treatment, cell culture vessels having cell adhesion inhibitory properties, etc., may be used, but are not limited to, the cell culture vessel described in Japanese Patent Application Publication No. 2008-61609.
The fact that cartilage tissue prepared according to the present invention has been obtained can be confirmed, for example, by a positive result of safranin O staining, Alcian blue staining, safranin O staining, or toluidine blue staining.
<軟骨組織体の使用>
本発明の製造方法により得られる軟骨組織体は、先天性又は外傷、外科手術などにより鼻又は耳の軟骨組織の変形、欠損などが生じた場合に、形成外科的な軟骨移植に用いることができる。また、所望の形状の軟骨組織体が得られることから、関節などの軟骨の損傷又は欠損部に移植することができる。
<Use of cartilage tissue>
The cartilage tissue obtained by the manufacturing method of the present invention can be used for reconstructive surgery cartilage grafting when deformation or defects of cartilage tissue in the nose or ear occur due to congenital conditions, trauma, surgery, etc. Furthermore, since cartilage tissue of a desired shape can be obtained, it can be transplanted to damaged or defective areas of cartilage, such as in joints.
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
実施例1
図1に本発明の調製方法における自己凝集化した軟骨前駆細胞の凝集塊を得るための方法を模式的に示す。図1において、ExpLBMは、ヒトiPS細胞からWO2021/054449の実施例の記載に従い誘導したヒト軟骨前駆細胞を意味する。
先ず、自己凝集化における細胞の播種密度とコーティングの濃度の最適条件の検討を行った。
基板として、細胞の付着抑制能を有する培養ディッシュ(直径:35mm)(住友ベークライト株式会社、MS9035X)を使用し、図1のCATコーティングとして、2-(N,N-ジメチルアミノ)エチルメタクリレートとメタクリル酸の共重合体(以下、「CATポリマー」と記載する)(全モノマーに対する2-(N,N-ジメチルアミノエチル)メタクリレートのモル比率が90%)の水溶液を使用した。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples.
Example 1
Figure 1 schematically shows the method for obtaining aggregates of self-aggregated chondrocyte precursor cells in the preparation method of the present invention. In Figure 1, ExpLBM refers to human chondrocyte precursor cells induced from human iPS cells according to the description of the example in WO2021/054449.
First, we investigated the optimal conditions for cell seeding density and coating concentration during self-aggregation.
As the substrate, a culture dish (diameter: 35 mm) with cell adhesion inhibitory properties (Sumitomo Bakelite Co., Ltd., MS9035X) was used, and as the CAT coating shown in Figure 1, an aqueous solution of a copolymer of 2-(N,N-dimethylaminoethyl) methacrylate and methacrylic acid (hereinafter referred to as "CAT polymer") (with a molar ratio of 2-(N,N-dimethylaminoethyl) methacrylate to total monomers of 90%) was used.
まず基礎的な検討としてシリコーン製の型枠と支柱を設置した培養表面にCATポリマーをコーティングすることで、そこに播種したExpLBMをリング状に凝集させることを目指した。方法の詳細は以下のとおりである。
低接着性培養皿に円形に切り抜いたシリコーンシートを貼り付け、その中心にシリコーン製の支柱を設置する。シリコーンで囲まれたドーナツ状の領域(細胞培養空間)に種々の濃度(6.25~100μg/ml)のCATポリマー液を添加し、5分間静置した後にポリマー液を完全に吸引することでコーティング領域を作成した(図1)。このコーティング領域にExpLBMを種々の密度(17.5~280×104cells/cm2)で播種し培養を行った。培地にはExpLBMの軟骨分化誘導に用いるSTEP1培地を使用した。結果を図2に示す。
As a first step, we aimed to induce ring-shaped aggregation of ExpLBM seeds by coating the culture surface, which was fitted with a silicone mold and support structure, with CAT polymer. The details of the method are as follows.
A circular silicone sheet was attached to a low-adhesion culture dish, and a silicone support was placed in the center. Various concentrations (6.25–100 μg/ml) of CAT polymer solution were added to the donut-shaped area (cell culture space) enclosed by the silicone, and after standing for 5 minutes, the polymer solution was completely aspirated to create a coated area (Figure 1). ExpLBM cells were seeded into this coated area at various densities (17.5–280 × 10⁴ cells/ cm² ) and cultured. STEP1 medium, used for inducing chondrogenic differentiation of ExpLBM, was used as the culture medium. The results are shown in Figure 2.
・STEP1培地: CDM2 basal medium+3μM CHIR99021+10ng/mL FGF2+50μg/mL アスコルビン酸+1×ITS
ExpLBMの播種密度が低いと凝集自体が遅く、また凝集塊に孔が開いたり、リングがちぎれるという結果になった。播種密度が200×104cells/cm2の時がもっともスムーズできれいに凝集が起こることが分かった。またCATポリマーの濃度に関しては100μg/mlのように高すぎると、播種密度にもよるが凝集が抑制されるという結果が得られ、6.25~50μg/mlで良好な凝集が確認された。また、バンド状にきれいに凝集させるためには高い播種密度が必要であった。
以上の結果より、CAT濃度12μg/ml、播種密度200×104cells/cm2を最適条件として以後の実験を行った。
STEP 1 medium: CDM2 basal medium + 3 μM CHIR99021 + 10 ng/mL FGF2 + 50 μg/mL ascorbic acid + 1 × ITS
When the seeding density of ExpLBM was low, aggregation was slow, and the aggregates developed holes or the rings broke apart. The smoothest and cleanest aggregation occurred at a seeding density of 200 × 10⁴ cells/ cm² . Regarding the CAT polymer concentration, if it was too high, such as 100 μg/ml, aggregation was suppressed, depending on the seeding density. Good aggregation was observed at concentrations between 6.25 and 50 μg/ml. Furthermore, a high seeding density was necessary to achieve clean, band-like aggregation.
Based on these results, subsequent experiments were conducted under optimal conditions: a CAT concentration of 12 μg/ml and a seeding density of 200 × 10⁴ cells/ cm² .
続いてリング状凝集塊を軟骨に分化誘導するための検討を行った。
分化のプロトコールには上記のSTEP1と下記のSTEP2~3の培地を使用した。
・STEP2培地:CDM2 basal medium+10ng/mL FGF2+50μg/mL アスコルビン酸+30ng/mL BMP4+10ng/mL TGFβ1+10ng/mL GDF5+1×ITS
・STEP3培地:CDM2 basal medium+50μg/mL アスコルビン酸+30ng/mL BMP4+10ng/mL TGFβ1+10ng/mL GDF5+1×ITS
各STEPの培養期間は次のとおりである。STEP1:3~6日、STEP2:3~6日、STEP3:42日以上(6週間以上)。特にSTEP3培地が軟骨の基質産生を促す効果があり、成熟した培養軟骨を作製するために6週間以上を要する。
Next, we investigated methods for inducing differentiation of the ring-shaped aggregates into cartilage.
The differentiation protocol used the culture media described in STEP 1 above and STEP 2-3 below.
STEP2 medium: CDM2 basal medium + 10 ng/mL, FGF2 + 50 μg/mL, ascorbic acid + 30 ng/mL, BMP4 + 10 ng/mL, TGFβ1 + 10 ng/mL, GDF5 + 1 × ITS
STEP 3 medium: CDM2 basal medium + 50 μg/mL ascorbic acid + 30 ng/mL BMP4 + 10 ng/mL TGFβ1 + 10 ng/mL GDF5 + 1 × ITS
The culture period for each step is as follows: STEP 1: 3-6 days, STEP 2: 3-6 days, STEP 3: 42 days or more (6 weeks or more). In particular, the STEP 3 medium has the effect of promoting cartilage matrix production, and it takes 6 weeks or more to produce mature cultured cartilage.
従来のSTEP1~3培地で培養した結果、リング状凝集塊はリング内径が拡大し、辺縁に突起をともなういびつな軟骨に成長した(図3)。組織学的にはサフラニンOで赤色、アルシアンブルーで青色に染まる軟骨基質の産生が確認された。
次に、STEP3培地に種々の濃度のFBS(0,0.1,1,10%)を添加したものを用いてリング状凝集塊の軟骨分化誘導を行った。
STEP3+10%FBSを用いたものではリングの変形は見られず太さ1~2mmの平滑で均一なリング状軟骨を形成することができた。組織学的にもサフラニンOで赤色、アルシアンブルーで青色に染まる軟骨基質の産生が確認された(図4)。
またSTEP1、STEP2においてもFBS付加の検討を行い、STEP1においては10%のFBSを添加することでより凝集をスムーズで均一にできることが示され、STEP2においては低濃度のFBSを含有させることで凝集塊の形状を維持しやすかった(データ非掲載)。以後の実験ではSTEP1培地には10%、STEP2培地には1%、STEP3培地には10%のFBSを添加した。
When cultured in conventional STEP 1-3 medium, the ring-shaped aggregates expanded in inner diameter and grew into irregular cartilage with protrusions at the edges (Figure 3). Histologically, the production of cartilage matrix stained red with safranin O and blue with Alcian blue was confirmed.
Next, ring-shaped aggregates were subjected to cartilage differentiation induction using STEP 3 medium supplemented with various concentrations of FBS (0, 0.1, 1, 10%).
In the case using STEP3 + 10% FBS, no ring deformation was observed, and a smooth, uniform ring-shaped cartilage with a thickness of 1-2 mm was formed. Histologically, the production of cartilage matrix stained red with safranin O and blue with Alcian blue was confirmed (Figure 4).
Furthermore, the addition of FBS was investigated in STEP 1 and STEP 2. In STEP 1, it was shown that adding 10% FBS resulted in smoother and more uniform aggregation, while in STEP 2, a lower concentration of FBS made it easier to maintain the shape of the aggregates (data not shown). In subsequent experiments, 10% FBS was added to STEP 1 medium, 1% to STEP 2 medium, and 10% to STEP 3 medium.
次により成熟した軟骨へ誘導するための培養条件検討を行った。
従来のSTEP3培地には成長因子としてTGFb1、BMP4、GDF5が含まれるが、このうち、TGFb1またはBMP4を含まない培地を作製し分化誘導に用いた。STEP3の培養期間を前半の3週間と後半の3週間に分け、それぞれの期間で、STEP3+10%FBS、STEP3+10%FBS-TGFb1、STEP3+10%FBS-BMP4を用いて培養を行った。
前半の3週間においてはSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いた場合、リング径の拡大が起こった。これは大きなリングを作成する際により顕著になり、リング自体の形態制御を困難とした(図5)。
Next, we investigated culture conditions to induce more mature cartilage.
Conventional STEP3 medium contains growth factors TGFb1, BMP4, and GDF5. However, a medium without either TGFb1 or BMP4 was prepared and used for differentiation induction. The STEP3 culture period was divided into two 3-week periods, and culture was performed using STEP3 + 10% FBS, STEP3 + 10% FBS - TGFb1, and STEP3 + 10% FBS - BMP4 in each period.
During the first three weeks, using STEP3+10%FBS-TGFb1 resulted in an increase in ring diameter. This was more pronounced when creating larger rings, making it difficult to control the morphology of the ring itself (Figure 5).
一方STEP3+10%FBSおよびSTEP3+10%FBS-BMP4を用いた場合にはこのような変形は生じなかった(図5)。
以上より前半の3週間におけるTGFb1はリング形態の維持に必須であると考えられる。
またqPCRによる遺伝子発現解析では、前半3週間にSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いた場合、RUNX2やCol10、IHHなどの肥大軟骨マーカーが上昇していたが、STEP3+10%FBSやSTEP3+10%FBS-BMP4を用いた場合には上昇しないということが分かった。BMP4は軟骨の肥大化に働き、TGFb1はそれを抑制するということが示唆された。
一方、後半の3週間においてはTGFb1を除いてもリング径の拡大はほとんど起こらなかった。軟骨の太さとしてはSTEP3+10%FBS-TGFb1、STEP3+10%FBS、STEP3+10%FBS-BMP4の順に太くなっており、ここでもBMP4が軟骨の肥大化を促し、TGFb1はこれを抑制するという結果が示唆された(図6)。
On the other hand, no such deformation occurred when using STEP3 + 10% FBS and STEP3 + 10% FBS - BMP4 (Figure 5).
Based on the above, it is considered that TGFb1 is essential for maintaining the ring morphology during the first three weeks.
Furthermore, gene expression analysis using qPCR revealed that when STEP3+10%FBS-TGFb1 was used during the first three weeks, hypertrophic cartilage markers such as RUNX2, Col10, and IHH were elevated, but these were not elevated when STEP3+10%FBS or STEP3+10%FBS-BMP4 were used. This suggests that BMP4 acts on cartilage hypertrophy, while TGFb1 inhibits it.
On the other hand, in the latter three weeks, there was almost no expansion of the ring diameter even when TGFb1 was excluded. In terms of cartilage thickness, it increased in the order of STEP3 + 10% FBS - TGFb1, STEP3 + 10% FBS, and STEP3 + 10% FBS - BMP4, suggesting that BMP4 promotes cartilage hypertrophy and TGFb1 inhibits it (Figure 6).
前記の結果を踏まえると前半の3週間ではSTEP3+10%FBSもしくはSTEP3+10%FBS-BMP4を用い、後半はSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いることで形状を維持し、太く成長した軟骨を作製できるということが分かった(図7)。
これらのうち、STEP3+10%FBS-BMP4 → STEP3+10%FBS-TGFb1の組み合わせが特に太く、組織学的(サフラニンO、アルシアンブルー)にも、遺伝子発現的(Col2)にも成熟した軟骨を作成できるという結果であった(図7)。
Based on the results described above, it was found that by using STEP3 + 10% FBS or STEP3 + 10% FBS-BMP4 in the first three weeks and STEP3 + 10% FBS-TGFb1 in the latter half, it is possible to maintain the shape and produce thicker, more mature cartilage (Figure 7).
Of these, the combination of STEP3 + 10% FBS-BMP4 → STEP3 + 10% FBS-TGFb1 produced particularly thick cartilage, and the results showed that it could create mature cartilage both histologically (safranin O, Alcian blue) and in terms of gene expression (Col2) (Figure 7).
前記のとおり、成熟した小軟骨リングを作製する手法を開発したので、次にこれを応用して巨大な軟骨リングの作製を行った(図8)。
方法としては用いるシリコーン枠および支柱を大きなものに変更して前述と同様の手順でCATコーティング、ExpLBMの播種、軟骨分化誘導を行った。
また、先ほどと同様の手順を用いて作製したExpLBMのリング状凝集塊を適切なタイミングで支柱より外し、シリコーンチューブに重ねて突き刺した状態で分化誘導を行うことで、リングが融合したチューブ状軟骨を作製した。結果を図9に示す。
内径14mm、20mmの支柱を用いることで図9に示す用な太さ1~2mmの均一なリング状軟骨が作製可能であった。支柱を大きくすることで任意の大きさのリング状軟骨を作製可能である。
As described above, we developed a method for producing mature small cartilage rings, and next we applied this method to produce giant cartilage rings (Figure 8).
The method involved changing the silicone frame and support used to larger ones, and performing CAT coating, ExpLBM seeding, and cartilage differentiation induction using the same procedure as described above.
Furthermore, ring-shaped aggregates of ExpLBM, prepared using the same procedure as described above, were removed from the support at the appropriate time and differentiated by inserting them into a silicone tube, thereby creating tubular cartilage with fused rings. The results are shown in Figure 9.
By using support struts with inner diameters of 14 mm and 20 mm, it was possible to produce uniform ring-shaped cartilage with a thickness of 1 to 2 mm, as shown in Figure 9. By increasing the size of the support struts, it is possible to produce ring-shaped cartilage of any size.
チューブ状軟骨の作製においては、凝集開始後9日目に6つのリング状凝集塊を回収しシリコーンチューブに通して培養を継続した結果、すべての凝集塊が融合し、長さ5mm、壁の厚み1mm程度のチューブ状の軟骨が形成された。図9(b)右側はチューブ状軟骨を切断した断片を示す。
いずれの形状軟骨もサフラニンO及びアルシアンブルー染色で軟骨基質の産生を確認した。
シリコーン枠と支柱を楕円にすることで同様の手順で楕円状のリング軟骨も作製可能である。図10(上)は太さ2mm、長径30mm、短径15mm程度の楕円状軟骨を示している。
In the preparation of tubular cartilage, six ring-shaped aggregates were collected on the 9th day after the start of aggregation and cultured in a silicone tube. As a result, all the aggregates fused together, forming tubular cartilage approximately 5 mm in length and 1 mm thick. Figure 9(b) on the right shows a fragment of the tubular cartilage after cutting.
In all types of cartilage, the production of cartilage matrix was confirmed by safranin O and Alcian blue staining.
By making the silicone frame and support elliptical, an elliptical ring-shaped cartilage can also be fabricated using a similar procedure. Figure 10 (top) shows an elliptical cartilage with a thickness of 2 mm, a major axis of 30 mm, and a minor axis of 15 mm.
またトラック状(直線部分あり)のシリコーン枠と支柱を用いることで直線状の軟骨も作製可能である(図10(下))。
この直線状の軟骨を重ね合わせることで長さや幅を調整可能な板状軟骨も作製可能である。
培養軟骨は皮下に移植することで軟骨基質がより成熟し、強度が増すことを確認しているが、一方で肥大化や骨化のリスクが懸念される。
これを防ぐために、STEP1~3までの分化プロトコールのうちSTEP3の培養期間を0~3週、3~9週、9~15週の3つの期間にわけ、図11に示す分化培地を用いて培養を行った。
96well Uボトム培養プレート(細胞低接着性)に1.0×105cells/wellの細胞を播種し、2000rpmで5分間遠心することで細胞ペレットを作製し、これをSTEP1~3の培地を用い分化誘導した。
STEP3の0~3週ではSTEP3+10%FBSを用い、3~9週ではSTEP3+10%FBS-TGFb1、STEP3+10%FBS-BMP4、STEP3+10%FBS、STEP3+10%FBS(TGFb1とBMP4を10倍量含有)を用い、9~15週ではDMEM(HG)+10%FBSを用いた。
Furthermore, by using a track-shaped (with straight sections) silicone frame and support, it is also possible to create linear cartilage (Figure 10 (bottom)).
By overlapping these linear cartilages, it is also possible to create plate-like cartilage whose length and width can be adjusted.
While it has been confirmed that transplanting cultured cartilage subcutaneously leads to greater maturation of the cartilage matrix and increased strength, there are concerns about the risk of hypertrophy and ossification.
To prevent this, the culture period in STEP 3 of the differentiation protocol (STEP 1-3) was divided into three periods: 0-3 weeks, 3-9 weeks, and 9-15 weeks, and culture was performed using the differentiation medium shown in Figure 11.
Cells were seeded at a rate of 1.0 × 10⁵ cells/well in a 96-well U-bottom culture plate (low cell adhesion), and a cell pellet was prepared by centrifugation at 2000 rpm for 5 minutes. This pellet was then differentiated using the culture media described in STEP 1-3.
For weeks 0-3 of STEP 3, STEP 3 + 10% FBS was used; for weeks 3-9, STEP 3 + 10% FBS-TGFb1, STEP 3 + 10% FBS-BMP4, STEP 3 + 10% FBS, and STEP 3 + 10% FBS (containing 10 times the amount of TGFb1 and BMP4) were used; and for weeks 9-15, DMEM(HG) + 10% FBS was used.
これらのプロトコールで作製した軟骨球を免疫不全マウス(NOD scid)の背部皮下へ移植し、移植後の形態や体積の変化をMRI T2脂肪抑制画像にて観察した。
MRI T2脂肪抑制画像では培養軟骨は高信号域として描出されたが、移植後骨化がみられる部分では低信号域に変化する。この信号の変化をもとに、軟骨部分と骨化部分のそれぞれの体積も算出した。
The cartilage globules produced using these protocols were transplanted subcutaneously into the dorsal region of immunodeficient mice (NOD scid), and changes in morphology and volume after transplantation were observed using MRI T2 fat-suppressed images.
In MRI T2 fat-suppressed images, cultured cartilage appeared as a high-signal area, but this changed to a low-signal area in the areas where ossification occurred after transplantation. Based on this change in signal, the volumes of the cartilage and ossified portions were also calculated.
STEP3の3~9週でSTEP3+10%FBS-TGFb1を用いたもの(No.9)では移植後に吸収され体積が10%以下まで縮小したが、そのほかのサンプルでは肥大化や吸収を起こすことなく、移植後13週まで体積を維持していた。またBMP4の含有量に応じて骨化が進行する傾向があり、No.14(BMP4 10倍量含有)ではほどんどの部分が骨化したが、No13(BMP4通常量含有)では30%のみ、No.10(BMP4非含有)では骨化を認めなかった。
以上より、培養の終盤をDMEM(HG)+10%FBSで培養したものは移植後の肥大化を防ぐことができ、BMP4の含有量を下げることで骨化を防ぐまたは軽減できるということが示唆された(図11)。
In the case using STEP3+10%FBS-TGFb1 during weeks 3-9 of STEP3 (No. 9), the volume was reduced to less than 10% after transplantation due to resorption, but the other samples maintained their volume until 13 weeks post-transplantation without hypertrophy or resorption. Furthermore, there was a tendency for ossification to progress according to the BMP4 content; in No. 14 (containing 10 times the amount of BMP4), almost the entire portion was ossified, but in No. 13 (containing the normal amount of BMP4), only 30% was ossified, and in No. 10 (containing no BMP4), no ossification was observed.
Based on the above, it was suggested that culturing in DMEM(HG) + 10% FBS towards the end of the culture period could prevent hypertrophy after transplantation, and that reducing the BMP4 content could prevent or mitigate ossification (Figure 11).
培養軟骨に含まれる細胞を不活化し、細胞外マトリックス製品として利用することで移植後の形状の変化や骨化のリスクを解決し、またiPS由来製品特有の懸念事項である造腫瘍性についても解消できるため、より安全で社会的コンセンサスを得られやすい製品となる可能性がある。
このために本発明者は前述の方法で作製した軟骨リングをグルタールアルデヒドで固定処理を行うことで細胞を不活化した。具体的には作製した培養軟骨を2%ステリハイド(登録商標)に1日浸漬し、PBSで洗浄を行ったのちに免疫不全マウス(NOD scid)の背部皮下で移植した。移植後の体積、形状変化をMRI T2脂肪抑制画像にて評価を行ったが、移植後12週までに吸収や肥大化などの変化は見られなかった。また移植後12週間で取り出した軟骨は移植前と同じ形状を維持していた。組織学的にはややサフラニンOに対する染色性は落ちているが、大まかな構造の変化は認めなかった。Kossa染色ではびまん性に点状石灰化を示した(図12)。
By inactivating the cells contained in cultured cartilage and using them as an extracellular matrix product, it is possible to resolve the risks of changes in shape and ossification after transplantation, as well as tumorigenicity, which is a concern specific to iPS-derived products. This could result in a safer product that is more likely to gain social consensus.
For this reason, the inventors inactivated the cells by fixing the cartilage ring prepared by the aforementioned method with glutaraldehyde. Specifically, the prepared cultured cartilage was immersed in 2% Sterihyde® for one day, washed with PBS, and then transplanted subcutaneously into the dorsal region of immunodeficient mice (NOD scid). Changes in volume and shape after transplantation were evaluated using MRI T2 fat-suppressed images, but no changes such as resorption or hypertrophy were observed up to 12 weeks after transplantation. Furthermore, the cartilage removed 12 weeks after transplantation maintained the same shape as before transplantation. Histologically, there was a slight decrease in staining for safranin O, but no major structural changes were observed. Kossa staining showed diffuse punctate calcification (Figure 12).
以上より培養軟骨にグルタールアルデヒド処理を行うことで石灰化のリスクはあるが、吸収や肥大化、骨化などの変化を防ぎ、もとの形状を維持したまま皮下にとどまることができる可能性が示唆された。
またグルタールアルデヒド処理の後に高濃度エタノール処理を加えることでアルデヒド残基やリン脂質を除去し石灰化を防ぐことが期待できる。
具体的には0.6%のグルタールアルデヒドに1日浸漬し、0.2%のグルタールアルデヒドに1週間以上浸漬した後、高濃度のエタノールで1日振とうし、生理食塩水に1日つけることでエタノールを除去する。この方法で処理したラット由来肋軟骨はマウス皮下に移植後2か月の時点では石灰化を認めなかった(図示せず)。
The above findings suggest that while treating cultured cartilage with glutaraldehyde carries a risk of calcification, it may prevent changes such as resorption, hypertrophy, and ossification, allowing it to remain subcutaneously while maintaining its original shape.
Furthermore, adding high-concentration ethanol treatment after glutaraldehyde treatment is expected to remove aldehyde residues and phospholipids, thereby preventing calcification.
Specifically, the rat costal cartilage was immersed in 0.6% glutaraldehyde for one day, then in 0.2% glutaraldehyde for more than one week, followed by shaking in high-concentration ethanol for one day, and finally soaking in physiological saline for one day to remove the ethanol. Rat costal cartilage treated in this way showed no calcification at two months after transplantation into the subcutaneous tissue of mice (not shown).
グルタールアルデヒド処理を行うことでコラーゲン繊維が架橋され培養軟骨の強度が増すと期待されるが、縫合固定などの加工に耐えられるか検討を行った。
大リング状の培養軟骨を作製し、これをシリコーン製の型枠にはめ込み、グルタールアルデヒド+高濃度エタノール処理を行った。具体的にはは0.6%のグルタールアルデヒドに1日浸漬し、0.2%のグルタールアルデヒドに1週間以上浸漬した後、高濃度のエタノールで1日振とうし、生理食塩水に1日つけることでエタノールを除去した。
固定後、培養軟骨は型枠に形状に固定された。またこれをシリコーン板に5-0ナイロンを用いて容易に固定することが可能であった(図13)。
以上よりグルタールアルデヒド処理はコラーゲンの架橋により培養軟骨の強度を上げることに貢献し、縫合固定などの加工を容易にすると考えられた。
It is expected that treating the cartilage with glutaraldehyde will cross-link the collagen fibers and increase its strength, but we investigated whether it could withstand processing such as suturing and fixation.
Large ring-shaped cultured cartilage was prepared, fitted into a silicone mold, and treated with glutaraldehyde and high-concentration ethanol. Specifically, it was immersed in 0.6% glutaraldehyde for one day, then immersed in 0.2% glutaraldehyde for more than one week, followed by shaking in high-concentration ethanol for one day, and finally immersed in physiological saline for one day to remove the ethanol.
After fixation, the cultured cartilage was fixed to the mold in its desired shape. It was also possible to easily fix this to a silicone plate using 5-0 nylon (Figure 13).
Based on the above, it was concluded that glutaraldehyde treatment contributes to increasing the strength of cultured cartilage by cross-linking collagen, and facilitates processing such as suturing and fixation.
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