(57)【要約】【課題】細胞塊およびそれから構成される細胞構造体の深部への培地内の生命維持成分の浸透の促進を図ることが求められる。【解決手段】  細胞ないし細胞塊からなる細胞構造体を浸した培地を内部に受容する培養容器と、前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置される振動部材と、前記振動部材と電気的な接続がなされる高周波増幅器と、前記高周波増幅器と電気的な接続がなされ、前記高周波増幅器に送る信号を生成する信号発生器とを備え、前記培地の生命維持成分の前記細胞構造体への浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進装置により解決する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単一の細胞を組み合わせて形成された細胞塊と、その細胞塊を複数組み合わせて形成された細胞構造体の少なくとも一つを浸した培地を内部に受容する培養容器と、
前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置される振動部材と、
前記振動部材と電気的な接続がなされる高周波増幅器と、
前記高周波増幅器と電気的な接続がなされ、前記高周波増幅器に送る信号を生成する信号発生器とを備え、前記培地の生命維持成分の前記細胞構造体への浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進装置。
【請求項２】
請求項１に記載の生命維持成分浸透促進装置であって、
前記振動部材は複数の振動子であって、前記複数の振動子のそれぞれの固有振動数は異なっていて、
前記複数の振動子のそれぞれと前記高周波増幅器との前記電気的な接続は、アイソレータを介して行われている生命維持成分浸透促進装置。
【請求項３】
請求項２に記載の生命維持成分浸透促進装置であって、
前記複数の振動子のそれぞれは、それぞれの中心間距離の異なる環状形状を有するように配置されている生命維持成分浸透促進装置。
【請求項４】
請求項１に記載の生命維持成分浸透促進装置であって、
前記生命維持成分浸透促進装置は、さらに、少なくとも前記培養容器と前記振動部材とを内部に保管するインキュベータを備える生命維持成分浸透促進装置。
【請求項５】
請求項２に記載の生命維持成分浸透促進装置であって、
前記生命維持成分浸透促進装置は、さらに、少なくとも前記培養容器と前記複数の振動子とを内部に保管するインキュベータを備える生命維持成分浸透促進装置。
【請求項６】
請求項３に記載の生命維持成分浸透促進装置であって、
前記生命維持成分浸透促進装置は、さらに、少なくとも前記培養容器と前記複数の振動子とを内部に保管するインキュベータを備える生命維持成分浸透促進装置。
【請求項７】
複数の単一の細胞を組み合わせて形成された細胞塊と、その細胞塊を複数組み合わせて形成された細胞構造体とへの生命維持成分の浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進方法であって、その生命維持成分浸透促進方法は、
培地を内部に受容する培養容器内の前記培地内に前記細胞塊と細胞構造体との少なくとも一つを浸す工程と、
高周波増幅器を介して振動の信号を生成する信号発生器に電気的に接続されている振動部材を前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置する工程と、
前記信号により前記振動部材を振動させて、前記培地の生命維持成分の前記細胞構造体への浸透の促進させる工程と、を備える生命維持成分浸透促進方法。
【請求項８】
請求項７に記載の生命維持成分浸透促進方法であって、
前記振動部材は複数の振動子であって、前記複数の振動子のそれぞれの固有振動数は異なっていて、
前記複数の振動子のそれぞれと前記高周波増幅器との前記電気的な接続は、アイソレータを介して行われている生命維持成分浸透促進方法。
【請求項９】
請求項８に記載の生命維持成分浸透促進方法であって、
前記複数の振動子のそれぞれは、それぞれの中心間距離の異なる環状形状を有するように配置されている生命維持成分浸透促進方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の生命維持成分浸透促進方法であって、
前記振動部材を前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置する工程は、少なくとも前記培養容器と前記振動部材とをインキュベータの内部に保管する工程を備える生命維持成分浸透促進方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の生命維持成分浸透促進方法であって、
前記複数の振動子を前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置する工程は、少なくとも前記培養容器と前記複数の振動子とをインキュベータの内部に保管する工程を備える生命維持成分浸透促進方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の生命維持成分浸透促進方法であって、
前記複数の振動子を前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置する工程は、少なくとも前記培養容器と前記複数の振動子とをインキュベータの内部に保管する工程を備える生命維持成分浸透促進方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の細胞，複数細胞を組み合わせて形成した細胞塊，およびさらに複数の細胞塊を組み合わせて形成した細胞構造体を培地に浸して、それらに対してその培地内の溶存酸素などの生命維持成分の浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な生体組織では、すべての細胞は、その生命の維持のために、毛細血管から約２００マイクロメータ以内の距離に位置するとされている。特に、酸素の消費量が比較的多いとされている肝組織では、細胞組織は毛細血管から１００マイクロメータの距離にあるとされている。これらの距離は、細胞の生命維持成分である酸素および栄養分の自由拡散と細胞自身の代謝による消費のバランスから、毛細血管からの距離が定まるからである。
【０００３】
これは、再生医療用途あるいは創薬支援用途の生体部品として、複数個の単一細胞を人工的に融合して作製した細胞構造体、および細胞構造体を構成するものであって細胞構造体を作製する中間過程において作製される複数個の単一細胞を形成させた細胞塊においても当てはまる。すなわち、人工的に作製した細胞塊および細胞塊を組み合わせて形成された三次元構造の細胞構造体の培養において、細胞構造体内部への細胞維持成分である酸素および栄養分の供給は、培地内に溶解している細胞維持成分が自由拡散し、細胞の代謝によってその細胞に取り込まれるか否かが基本となる。以下、本明細書では、培養液に酸素および栄養分が溶解しているものを培地とよび、その溶解している酸素および栄養分を生命維持成分とよぶ。
【０００４】
生体内で成長する細胞は生命維持成分の自由拡散と代謝による消費のバランスに応じて、毛細血管からの距離が自然に定まり成長するが、単一細胞を人工的に融合して作製する生体医療部品の場合には、より多くの単一細胞を一気に融合することで大型の細胞構造体を作製することも理論的に可能である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、大型の細胞構造体であっても、その細胞構造体が生命を維持するために必要となる生命維持成分の吸収は、その自由拡散と代謝による消費のバランスから決まることに変わりはない。そのため、大型の細胞構造体を作製しても、培養段階では、構造体表面に生命維持成分が到達しても、その細胞構造体の表面から細胞構造体の深部までの距離が遠く、細胞構造体を構成するそれぞれの単一細胞の内部までは生命維持成分が浸透しなくなる。
【０００６】
このような場合には、細胞構造体を構成する単一細胞の生命維持成分が欠乏した状態になり細胞死を起こしてしまうので、大型の細胞構造体を作製しにくい側面がある。一方で、作製する細胞構造体を大型化することがば、最終的な細胞構造体による生体医療部品としての製造工程および製造時間も短縮されるため、有利となる側面がある。したがって、細胞構造体が大型であっても、それを構成するすべての細胞の内部まで生命維持成分を十分に浸透させる手法および装置が求められる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
細胞塊を含む細胞構造体を浸した培地を内部に受容する培養容器と、前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置される振動部材と、前記振動部材と電気的な接続がなされる高周波増幅器と、前記高周波増幅器と電気的な接続がなされ、前記高周波増幅器に送る信号を生成する信号発生器とを備え、前記培地の生命維持成分の前記細胞構造体への浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進装置により、解決する。
【０００８】
細胞塊を含む細胞構造体への生命維持成分の浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進方法であって、その生命維持成分浸透促進方法は、培地を内部に受容する培養容器内の前記培地内に前記細胞構造体を浸す工程と、高周波増幅器を介して振動の信号を生成する信号発生器に電気的に接続されている振動部材を前記培養容器の下部に前記培養容器と接するように配置する工程と、前記信号により前記振動部材を振動させて、前記培地の生命維持成分の前記細胞構造体への浸透の促進させる工程と、を備える生命維持成分浸透促進方法、により解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば細胞塊および細胞塊を含む細胞構造体の深部への培地内の生命維持成分の浸透の促進を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明における生命維持成分浸透促進装置を示した図である。
【図２】本発明における生命維持成分浸透促進装置の培養容器と振動部材の一の配置例を示した上面図である。
【図３】本発明における生命維持成分浸透促進装置の培養容器と振動部材の部分を示した側面図である。
【図４】本発明における生命維持成分浸透促進装置の培養容器と振動部材の他の配置例を示した上面図である。
【図５】単一の細胞へ振動を付与した場合の形態の細胞の模式図である。
【図６】単一の細胞と多数の単一の細胞からなる細胞構造体との構成関係と、細胞構造体へ振動を付与した場合のそれぞれの細胞に伝播した振動を示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、図５および図６を参照して、本発明の生命維持成分浸透促進装置１により、細胞構造体Ｔに振動Ｖを付与した状態の図を示している。細胞構造体Ｔは、たとえば数千万個に及ぶ多数の単一細胞Ｃが結合して構成される細胞塊Ｓが多数組み合うことにより形成されている。ここで、細胞構造体Ｔが培地に浸された際に、その培地内の生命維持成分の浸透の促進を図る生命維持成分浸透促進の原理を説明する。
【００１２】
図５は単一細胞Ｃへ振動を付与した場合の形態の細胞の模式図であり、図６は細胞構造体Ｔと、それを構成する細胞塊Ｓと細胞塊Ｓを構成する多数の細胞Ｃとの構成関係を示した模式図である。図５および図６共に、モデル化して示しているため、図の縮尺上、単一細胞Ｃと細胞塊Ｓとを誇張して大きく表現し、細胞構造体Ｔに振動Ｖを付与した際における単一細胞Ｃに伝達された振動により影響を模式的に説明するものである。
【００１３】
たとえば、再生医療用途の管状生体部品としての細胞構造体Ｔは隣接する細胞塊Ｓが融合して組み合って構成されている。細胞塊Ｓは数千万個に及ぶ複数の単一細胞Ｃが組み合わさって形成されている。図６では血管組織などのように中空の管状形状である細胞構造体Ｔを三次形状の細胞構造体の例として示しているが、皮膚組織などのように薄く二次元状に広がる細胞構造体であっても同様である。細胞構造体Ｔとして融合して組み合っていない細胞塊Ｓに対して生命維持成分浸透促進装置１により振動を与えるメカニズムは、以下に説明するとおり、細胞構造体Ｔを構成する細胞塊Ｓ内の単一細胞Ｃの振動メカニズムと同じであるため説明は省略する。
【００１４】
単一の細胞Ｃを培地に浸すと、培地に溶解している酸素および栄養分等の生命維持成分は細胞Ｃの表面から細胞Ｃの代謝により細胞内部に取り込まれる。すなわち、細胞内部への生命維持成分の取り込み量およびその速度は、外径１０マイクロメートルから２０マイクロメートル程度の細胞Ｃの自然な代謝に支配される。これに、超音波など高周波を細胞Ｃに当てると、細胞Ｃの表面がその波との共振とほぼ同じような現象となって細胞表面Ｃ’のように微小振動する。この共振周波数により、細胞表面が刺激され、細胞Ｃの内部への生命維持成分の取り込みが促進される。単一の細胞Ｃの場合、共振周波数は約１５０メガヘルツと考えられる。
【００１５】
一方、大型細胞体Ｔを構成する細胞塊Ｓの場合も同様である。細胞塊Ｓは数千万個の多数の単一細胞Ｃを融合して形成される、いわゆるスフェロイドである。細胞塊Ｓの大きさが約５００マイクロメートルから約７００マイクロメートルの外径となる場合には、細胞塊Ｓの大きさは単一の細胞Ｃからみると２５倍から５０倍程度の大きさに該当する。細胞塊Ｓを構成する単一細胞Ｃの数を更に多くした更に大きい細胞塊Ｓの場合には、細胞塊Ｓの大きさは約１ミリメートルから数十ミリメートルを超える大きさとなる。このような細胞塊Ｓを培地に浸すと、培地に溶解している酸素および栄養分等の生命維持成分は細胞塊Ｓの表面から代謝により細胞内部に取り込まれる。この代謝により取り込まれる生命維持成分の量は細胞塊Ｓの浸透圧等で決まってしまう。しかし、単一の細胞Ｃの群である細胞塊Ｓ、および細胞塊Ｓにより構成されている細胞構造体Ｔに超音波などの高周波の振動Ｖが伝播すると、細胞塊Ｓの表面はその振動波と共振して微小振動を起こす。表面が共振して微小振動を起こした細胞塊Ｓを構成する細胞Ｃも振動する。細胞塊Ｓは細胞Ｃを組み合わせて形成されているから、隣接する細胞Ｃ同士の間には、内部に細胞が存在しない非細胞占有空間Ｇができている。非細胞占有空間Ｇには、細胞塊Ｓに与えられた高周波振動による微小振動で、非細胞占有空間Ｇが膨張および収縮を繰り返す体積変動が生じて、細胞塊Ｓの内部の圧力の低下が繰り返し生じて細胞塊Ｓ自体に、一種のマイクロポンプ効果が生じ、細胞塊Ｓの内部への生命維持成分の取り込みが促進される。たとえば、図６の細胞塊Ｓの場合、共振周波数は約３メガヘルツと考えられる。細胞塊Ｓが組み合って構成される細胞構造体Ｔの場合も、細胞構造体Ｔを構成するそれぞれの細胞塊Ｓでこの現象が生じて、同じ効果を奏する。
【００１６】
続いて、図１から図３を参照して生命維持成分浸透促進装置１について説明する。生命維持成分浸透促進装置１は、振動付与部２と回路部とを備えている。回路部は、アイソレータ１２，高周波増幅器１３，信号発生器１４，制御装置１５と、を備えている。
【００１７】
振動付与部２は、培養容器２１と、培地２２と、振動部材４とを備える。培養容器２１は、たとえば樹脂製で振動を伝達できる剛な素材でできている。培地２２には、酸素および栄養分などの生命維持成分が溶解している。振動部材４は、培養容器２１に異なる高周波数を付与するものである。培養容器２１の培地２２には、細胞塊Ｓまたは細胞構造体Ｔが浸されている。以下、細胞構造体Ｔについては、細胞構造体Ｔを構成する細胞塊Ｓと同じであるので、細胞塊Ｓとして説明を行う。
【００１８】
振動部材４の配線４ａは高周波増幅器１３を介して信号発生器１４に電気的に接続されている。信号発生器１４はパーソナルコンピュータなどのユーザインターフェースとして操作を行なう制御装置１５に電気的に接続されている。ユーザは、制御装置１５によって、所望の振動を信号発生器１４から発生させ、その信号は高周波増幅器１３を介して増幅されて振動部材４に伝達される。伝達された信号に基づいて、振動部材４が高周波振動を発生させ、それが培養容器２１あるいは培地２２を介して、細胞塊Ｓに伝達される。信号が伝達された細胞塊Ｓおよび大型構造体Ｔにおいては、図６のように、それらを構成している細胞Ｃがその高周波振動に応じて共振して刺激を受け、生命維持成分をそれぞれの細胞Ｃの内部の中心までの浸透を促進する。
【００１９】
細胞塊Ｓを強く刺激するには、細胞塊Ｓの共振量を強くすることが好ましい。そのためには、細胞塊Ｓまたは細胞構造体Ｔに付与する高周波の振動Ｖの波長領域が広くとれるようにすることが望まれる。これを実現するために、振動部材４は、固有振動数の異なる複数の振動子とすることができる。たとえば、それぞれの固有振動数の異なる４個の振動子４１，４２，４３，４４とすることができる。４個の振動子４１，４２，４３，４４の配線４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａと高周波増幅器１３とは、各アイソレータ１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを介して電気的に接続して、それぞれの振動子への信号同士の干渉を防ぐようにできる。４個の振動子４１，４２，４３，４４の固有振動数の選択により、広域帯の高周波振動を付与することが可能である。
【００２０】
また、複数の振動子は、それぞれ直径の異なる環状形状を有するように設定することができる。そして、複数の振動子のそれぞれを同心円状に配置する。図２および図３の例の場合、たとえば、４個の振動子４１，４２，４３，４４の径を異なるような環状形状として、中心を一致させて、４個の振動子４１，４２，４３，４４の同心円状に配置する。これにより、それぞれ異なる高周波振動を培養容器２１の全領域に発生させることができる。ただし、振動子の個数および配置はこの例にかぎられない。細胞塊Ｓの形状および大きさおよび細胞構造体Ｔの形状および大きさによって、固有振動数が異なるので、それに応じて振動子個数および配置を設定することができる。たとえば、培養容器２１の領域を複数の領域に分割して、それぞれに振動子を配置してもよい。図４は、この例であり、培養容器２１を４つの領域に分割して、４個の振動子４１，４２，４３，４４のそれぞれをそれらの領域に配置したものである。
【００２１】
生命維持成分浸透促進装置１の少なくとも振動付与部２をインキュベータ１１の中に格納して保管することができる。回路配線をインキュベータ１１の外部に出して、ユーザが外部から制御できるようにすることができる。この場合には、高周波増幅器１３を配置しなくても良い場合も考えられる。
【符号の説明】
【００２２】
１      生命維持成分浸透促進装置
２      振動付与部
４      振動部材
１１    インキュベータ
１２    アイソレータ
１３    高周波増幅器
１４    信号発生器
１５    制御装置
２１    培養容器
２２    培地
４１，４２，４３，４４  振動子
４１ａ，４２ａ，４３ａ，４４ａ  配線
Ｃ      単一の細胞
Ｃ’    振動状態の単一の細胞
Ｓ      細胞塊
Ｔ      細胞構造体
Ｇ      非細胞占有空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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