CiRA ニュースリリース

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報道解禁指定 : 2024 年 6 ⽉ 17 ⽇（⽉）18 時以降（⽇本時間）
報道解禁⽇時を厳守していただきますよう、お願いいたします。

2024 年 6 ⽉ 13 ⽇
京都⼤学 iPS 細胞研究所（CiRA）
佐⽵マルチミクス株式会社
⼤塚製薬株式会社
千葉⼤学
宮崎⼤学

⾎⼩板製造の規模拡⼤を実現する新たな培養装置の検討と設計
ポイント•

乱流注 1）などの流体制御により⾎⼩板注 2）を⽣体外で作製できる最⼤ 8L 容量の培養装置を過去に開発した。

•

商⽤⽣産を⽬的として 45L 容量に⼤型化した培養装置では⾎⼩板の作製効率や品質が低下した。

•

従来の培養装置の形態のまま 45L 容量に⼤型化した場合、従来型よりも乱流の⽣じないスペースが増えてしまうことを⾒出した。

•

乱流の⽣じるスペースを増やす新たな培養装置の構造をシミュレーションにより設計した。

1. 要旨
岡本陽⼰ 研究員（京都⼤学 CiRA 臨床応⽤研究部⾨）、藤尾康祐 研究員（⼤塚製薬株式会社）、中村壮 講師（CiRA 同部⾨）、江藤浩之 教授（CiRA 同部⾨、千葉⼤学⼤学院医学研究院）らのグループは、佐⽵マルチミクス株式会社、⼤塚製薬株式会社、澤⼝朗 教授（宮崎⼤学医学部）との共同研究により、臨床レベルの⾎⼩板を⼤量に製造できる従来の 8L 容量の培養装置を 45L 容量まで⼤型化するための検証を⾏い、⼤型化しても⾼効率な⾎⼩板製造が期待できる培養装置の構造を新たに設計しました。
ヒト iPS 細胞を⽤いて⽣体外で⾎⼩板を製造する技術は、献⾎のドナーに依存しないため、⾎⼩板輸⾎の安定的な供給に貢献することが期待されています。研究グループではこれまでに、体外での⾎⼩板製造に有⽤な巨核球注 3）をヒト iPS 細胞から作製する⼿法と、⽣体内を模倣した流体制御により巨核球から⾎⼩板を製造できる⼤容量の培養装置を開発し、同技術を⾎⼩板減少症の患者さんへの⾎⼩板輸⾎の臨床試験へと導出しました。
体外での⾎⼩板製造の実⽤化に向けて、均質な臨床レベルの⾎⼩板をさらに効率よく低コストで製造する技術開発のため、今回、研究グループは培養装置の⼤型化に取り組みました。培養装置を 45L 容量に⼤型化すると、従来に⽐べて⾎⼩板の作製効率や品質が低下することがわかりました。その原因として、従来の 2 枚の円板（ブレード）による撹拌機の構造では、⾎⼩板の作製に必要な乱流などの流体制御の及ばないスペースが増えてしまうことが明らかになりました。そこで、ブレードを増やした構成の流体制御シミュレーションを改めて⾏い、3 枚ブレード構成かつ 45L 容量の培養槽で乱流を効率よく発⽣させることのできる新たな培養装置を設計しました。
本研究により体外での⾎⼩板製造の実⽤化に向けた開発が可能になるとともに、今後は新たに設計した培養装置を⽤いたさらなる検証を進めていく予定です。本研究による知⾒が、⾎⼩板をはじめとした細胞の⼤量培養を実現し、産業化を加速させる技術につながることが期待されます。
この研究成果は、2024 年 6 ⽉ 17 ⽇（⽉）に、国際学術誌 Communications Engineering に掲載される
予定です。

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2. 研究の背景
医療サービスの普及と⾼齢化により、輸⾎は今後ますます需要が⾼くなることが⾒込まれる⼀⽅で、献⾎による供給がその需要に追いつかなくなると懸念されています。ヒト iPS 細胞を⽤いて⽣体外で⾎⼩板を製造する技術は、献⾎のドナーに依存しないため、⾎⼩板輸⾎の安定的な供給に貢献することが期待されています。
研究グループはこれまでに臨床レベルでの製造に有⽤で、⾎⼩板のもととなる巨核球の細胞株をヒトiPS 細胞から作製する⽅法を確⽴しました（CiRA ニュース 2014 年 2 ⽉ 14 ⽇）。さらに、⽣体内で巨核球から⾎⼩板が⽣成される過程で、乱流とせん断応⼒注 4）が重要であることを⾒出しました。撹拌を伴う培養装置は回転式が⼀般的ですが、研究グループは上下⽅向のブレード運動が培養槽全体をより効率よく撹拌できることを⾒出し、⼤量の⾎⼩板製造を可能にする 0.3L、2.4L、8L 容量の上下動式培養装置を開発しました（CiRA ニュース 2018 年 7 ⽉ 13 ⽇）。この培養装置は、臨床に使⽤する細胞の製造が可能な設計であるほか、現在は、⾎⼩板以外の細胞やオルガノイドなど幅広い⽤途で導⼊が進んでいます。これらの技術開発により、⽣体内に循環する⾎⼩板と同等の⾼い機能をもつ⾎⼩板を⽣体外で⼤量に作製することが可能となり、研究グループは、⾎⼩板減少症を対象とした⾎⼩板輸⾎の臨床試験の導出を達成しました（CiRA ニュース 2020 年 3 ⽉ 25 ⽇、CiRA ニュース 2022 年 6 ⽉ 2 ⽇）。
しかし、これらの臨床試験においては、患者さん⼀⼈の輸⾎に必要な⾎⼩板を作製するために 8L 容量の培養装置を４つ併⽤しており、⾎⼩板の体外製造の実⽤化には均質で低コストな商⽤⽣産のためのさらなる開発が必要です。そのために、研究グループでは、iPS 細胞から巨核球を経て⾎⼩板を作製する効率を⾼める⼿法と、培養装置の⼤型化の２つのアプローチに取り組んでおり、本研究では、培養装置の⼤型化のために必要な技術的な検証を⾏いました。
3. 研究結果
１）45L 容量の上下動式培養装置における流体制御シミュレーション
はじめに、商⽤⽣産を⽬指して⾎⼩板の体外製造をより⼤規模に⾏うための 45L 容量の上下動式培養装置を試作しました（図１A）。培養槽には、臨床利⽤が可能な 50L サイズ（内径 401mm、⾼さ 597mm）の使い捨てプラスチックフイルムの袋を⽤い、硬質プラスチック製のブレードを上下に動かしながら⼤容量培養を実現し得る培養装置を開発しました。従来型の 2.4L 容量（内径 140mm、⾼さ 208mm）、８L容量（内径 200mm、⾼さ 365mm）の上下動式培養装置と同じく、2 枚のブレードを重ねた構成を採⽤しました。同様に、45L 容量に⼤型化した回転式の培養装置も開発しました。
この 45L 容量の上下動式培養装置を実際に稼働させ、実環境でのブレード速度に応じた、流体制御のシミュレーションに適⽤することで、従来の 8L 容量と同程度の乱流エネルギーを実現するブレード速度（毎秒 200、300、400 ミリメートル；200mm/s、300mm/s、400mm/s）を確認しました（図１B）。

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図１ 45L 容量の上下動式培養装置における流体制御シミュレーション
A.

45L 容量の上下動式培養装置
左：外観、右：使い捨てプラスチックフイルム製の培養槽

B.

上下動式培養装置の流体制御シミュレーションによる乱流エネルギーの⽐較
⽩⾊点線で囲んだエリアでは乱流が⽣じていない（参照：研究結果 3））２）45L 容量の上下動式培養装置による⾎⼩板の作製
次に、研究グループがこれまでに開発した⽅法で iPS 細胞から作製した巨核球を、新たに作製した 45L容量の培養装置を⽤いて培養し、⾎⼩板の製造を⾏いました。その結果、⼤型化した上下動式培養装置は、回転式の培養装置よりも⾎⼩板の作製効率が⾼く、試験管内での凝集や⾎⼩板減少症モデルマウスを⽤いた⽌⾎能⼒は、45L 容量でも⽣体の⾎⼩板と同程度の機能を発揮することがわかりました（図２A）。これらの結果から、45L 容量における上下動式培養装置の優位性が確認されました。
⼀⽅で、45L 容量の上下動式培養装置は、従来の 2.4L および 8L 容量の同⽅式の培養装置と⽐較して、いずれのブレード速度においても巨核球数に対する⾎⼩板産⽣数が減少していました（図２B）。また、⾎⼩板の品質の評価指標を複数調べた結果、従来容量の上下動式培養装置で作製した⾎⼩板の品質に達しておらず、ブレード速度 200mm/s と 400mm/s では正常な⾎⼩板にはない形態的特徴がみられました。

図２ 45L 容量の上下動式培養装置による⾎⼩板の品質解析
A.

凝集を誘発するコラーゲン（左）およびトロンビン受容体アゴニストペプチド（TRAP）（右）を作⽤させた場合の凝集の形成率。⿊い線は⽣体由来の⾎⼩板を⽤いた結果。ピンク
⾊の線は 45L 容量の上下動式培養装置で作製した iPS 細胞由来の⾎⼩板を⽤いた結果。

B.

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上下動式培養装置の各容量およびブレード速度における巨核球あたりの⾎⼩板の産⽣数。

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３）45L 容量に対応した新たな培養装置の設計
各条件で作製した⾎⼩板の遺伝⼦発現解析の結果、45L 容量の培養装置で⾎⼩板を産⽣する速度に応じて遺伝⼦発現の変化がみられたことから、⼤型化した培養装置の流体制御により⾎⼩板の品質が低下していることが⽰唆されました。
研究グループは、⼤型化による⾎⼩板の品質の低下とブレードの速度による品質の差について、⼤型化に伴う流体制御の変化が影響していると考え、2.4L 容量の上下動式培養装置と⽐較し、45L 容量の上下動式培養装置で、乱流が⽣じないスペースが多く存在することに着⽬しました（図 1B ⽩⾊点線エリア）。
そこで、研究グループは、物理パラメータのシミュレーションを⽤い、培養槽の容量を拡⼤しても乱流を効率よく発⽣させる 3 枚ブレード構成による上下動式の培養装置（図 3）を新たに設計しました。

図 3 乱流エネルギーの評価に基づいた３枚ブレード構成の新たな上下動式培養装置の設計
また、今後さらなる⼤型化に向けて、撹拌機構など構造⾯で⼤型化の制約が少なく、より⼀般的に使⽤されている回転⽅式の撹拌機にも同様のアプローチを適⽤し、乱流を効率よく発⽣させるブレード形状による培養装置（図 4）を新たに設計しました。

図 4 ⼤型化を⾒据えた新たな回転式培養装置の設計
４．まとめと展望
本研究では、iPS 細胞から⾎⼩板を⼤量に作製可能な培養装置のさらなる⼤型化に伴う課題を詳細に検証し、乱流の⽣じないスペースを減らした新たな培養装置の設計を提案しました。今後は、今回提案した培養装置を実際に使⽤した⾎⼩板作製の検証に加えて、より⾼効率な⾎⼩板の作製を可能にする iPS 細胞や巨核球の構築、および最適な培養法の確⽴などを進めることで、輸⾎⽤の⾎⼩板の商⽤⽣産を⽬指していきます。本研究により得られた知⾒が、医療⽤細胞の⼤量培養を可能にし、産業化を加速させる技術へとつながることが期待されます。

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５．論⽂名と著者○ 論⽂名“Defective flow space limits the scaling up of turbulence bioreactors for platelet generation”
DOI: 10.1038/s44172-024-00219-y○ ジャーナル名Communications Engineering○ 著者
Haruki Okamoto1,#, Kosuke Fujio1,2,#, Sou Nakamura1,#, Yasuo Harada1,2, Hideki Hayashi2, Natsumi
Higashi1, Atsushi Ninomiya1, Ryota Tanaka1, Naoshi Sugimoto1, Naoya Takayama3, Atsushi
Kaneda3, Akira Sawaguchi4, Yoshikazu Kato5, Koji Eto1,3,*#：筆頭著者*：責任著者○ 著者の所属機関
1.

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2.
3.

⼤塚製薬株式会社
千葉⼤学⼤学院医学研究院

4.
5.

宮崎⼤学医学部
佐⽵マルチミクス株式会社

６．本研究への⽀援
本研究は、以下の⽀援を受けて実施されました。
•

⽇本医療研究開発機構（AMED）– 再⽣医療実現拠点ネットワークプログラム（幹細胞・再⽣医学イノベーション創出プログラム）
体外製造⾎⼩板の臨床実装に向けた巨核球の改造産⽣– 再⽣・細胞医療・遺伝⼦治療実現加速化プログラム 次世代医療を⽬指した再⽣・細胞医療・遺伝⼦治療研究開発拠点•

⽇本学術振興会（JSPS）科学研究費助成事業 (21H05047, 23K18299, 22K18169)•

科学技術振興機構（JST）創発的研究⽀援事業（FOREST）（JPMJFR225K）•佐⽵マルチミクス株式会社•⼤塚製薬株式会社•株式会社メガカリオン•iPS 細胞研究基⾦７．⽤語説明
注１） 乱流
動きが不規則に絶えず変動している乱れた状態の流れ。
注２） ⾎⼩板
⾎⼩板は、⾻髄に存在する巨核球という細胞の細胞質が分離して産⽣される、核をもたない⾎球成分。出⾎時に、⾎⼩板が損傷した⾎管壁に接触すると活性化し、⾎⼩板の凝集を促進し、傷⼝を塞ぐ⽌⾎に重要な役割を果たす。

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注３） 巨核球
造⾎幹細胞から作られる細胞で、⾎⼩板を⽣み出す細胞。巨核球は成熟すると核分裂はするが細胞分裂はしないという特殊な分裂を⾏い、⼤型で多核の細胞になる。
注 4） せん断応⼒
流体の平⾏⽅向をはさみ切るような作⽤をせん断と⾔う。せん断応⼒とは、せん断の物理量を⼒で⽰したもの。

本件担当： 京都⼤学 iPS 細胞研究所(CiRA)

佐⽵マルチミクス株式会社

国際広報室 三澤TEL: 075-366-7005
Email: media@cira.kyoto-u.ac.jp
企画室 久保⽥TEL: 048-441-9200
Email: info@satake.co.jp

⼤塚製薬株式会社

広報部
TEL：03-6361-7379
Email: pr-pharma@otsuka.jp

千葉⼤学

広報室
TEL: 043-290-2018
Email: koho-press@chiba-u.jp

宮崎⼤学

総務広報課広報係
TEL: 0985-58-7114
Email: kouhou@of.miyazaki-u.ac.jp

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