（報告様式４）【16he0702247h003】
平成 ２８年 ５月 ３０日

平 成 ２ ８ 年 度

委 託 研 究 開 発 成 果 報 告 書

I. 基本情報事業

名 ： （日本語）未来医療を実現する医療機器・システム研究開発事業（英 語）Development of Medical Devices and Systems for Advanced MedicalServices

研究開発課題名： （日本語）立体造形による機能的な生体組織製造技術の開発／細胞を用いた機能的な立体臓器作製技術の研究開発／組織工学を用いたヒト心臓壁立体造形技術の開発（英 語）Development of technology to produce biologically functional bodytissues by steric fabrication / Research and development oftechnology to prepare the steric organ of biological function byutilizing cells / Development of steric fabrication technology toprepare human heart wall by utilizing tissue engineering
研究開発担当者（日本語）旭硝子株式会社商品開発研究所ライフサイエンスチーム
主幹 椎名 俊介

所属 役職 氏名： （英 語）Principal Manager Shunsuke Shiina,
New Product R&D Center Life Science Team, Asahi Glas Co., Ltd,
実

施

期

間：

研究開発分担者

平成２８年 ４月 １日 ～ 平成２９年 ３月３１日（日本語）旭硝子株式会社商品開発研究所ライフサイエンスチーム
主幹 小寺 省吾

所属 役職 氏名： （英 語）Principal Manager Shougo Kodera,
New Product R&D Center Life Science Team, Asahi Glas Co., Ltd,

II. 成果の概要（総括研究報告）（和文）
本テーマの目的は、ヒト細胞を用いた心臓再生幹細胞生物学と組織工学を融合することにより、高い生物機能と十分な厚みをもつ移植部分臓器としての心筋組織の立体造形技術を研究開発することである。本目的を達成するため、平成 28 年度は、国立大学法人京都大学、旭硝子株
1式会社、および iHeart Japan 株式会社が連携し、①立体造形ヒト心臓壁の作製と評価、②心臓疾患動物を用いた立体造形ヒト心臓壁の有効性評価と機能評価技術の開発、および③立体造形ヒト心臓壁の事業化へ向けた検討についての研究開発を実施した。
①立体造形ヒト心臓壁の作製と評価＜国立大学法人京都大学、旭硝子株式会社、および iHeart

Japan 株式会社＞
まず、細胞シートの積層化におけるゼラチンハイドロゲルマイクロスフェア（GHM）あるいはフッ素系高分子からなる中空糸（F-Fiber）の挿入効果について検討した。シート形成の細胞源として、ヒト間葉系幹細胞およびヒト iPS 細胞から心筋、内皮、および壁細胞を同時に分化誘導した細胞（混合ヒト細胞）を用いた。細胞シート積層における GHM の挿入効果においては、細胞シートへの GHM 被覆率および歩留まりを算出するとともに、GHM 挿入による構成細胞の生物活性および酸素状態を調べた。GHM の存在により、構成細胞の生物活性および酸素状態が変化することが明らかとなった。細胞シート積層体における F-Fiber の挿入効果においては、酸素状態および代謝に関連する細胞内物質の発現を評価した。F-Fiber 挿入によって、これまでにない厚い細胞シート積層体においても酸素および代謝状態が改善されることがわかった。次に、細胞源として健常人由来 HLA ホモ iPS 細胞の利用を検討した。複数の HLA ホモ iPS 細胞株において、混合ヒト細胞を分化誘導し、シート化する方法を開発、最適化している。さらに、臨床応用を考え、サイズの大きい細胞シート積層体を迅速に作製する手法についても検討しているところである。
②心臓疾患動物を用いた立体造形ヒト心臓壁の有効性評価と機能評価技術の開発＜国立大学法人京都大学および旭硝子株式会社＞
まず種々の心臓疾患動物モデルを作製し、それらの心臓疾患モデルに対する GHM を添加した混合ヒト細胞シートの積層体（積層化混合ヒト細胞シート）の有効性を検討した。ラット亜急性心筋梗塞、ブタ亜急性心筋梗塞、およびハムスター心筋症に対し、優れた有効性をもつことがわかった。臨床応用に向けた製品開発のためには、ヒト心臓に見合ったサイズの細胞シート積層体の構築、およびその品質の時間安定性を示すことが求められる。そこで、積層化混合ヒト細胞シートの組織サイズ、収縮力、および収縮率の測定を行った。さらに、積層化混合ヒト細胞シートの in vivo 有効性を in vitro で評価できる手法について検討しているところである。
③立体造形ヒト心臓壁の事業化へ向けた検討＜iHeart Japan 株式会社＞
積層化混合ヒト細胞シートを作製するために必要な原材料をリストアップし、臨床応用における安全性および品質の面から精査した。現在、改善すべき点について対処しているところである。
（英文）
The objective of this research project is to research and develop 3-dimensional (3D)
steric fabrication technology of human heart wall as a partial myocardial organ
implantable with high biological functions and therapeutically acceptable thickness.
This 3D fabrication is practically realized only by fusing technologies of human stem
cell biology for heart regeneration and tissue engineering. To achieve the objective,
the following studies were carried out in the semester of 2016 by the researchcooperation of Kyoto University, Asahi Glass Co. Ltd., and iHeart Japan Corporation;(i) the design and creation of human heart walls by the 3D fabrication technology,(ii) the evaluation of human heart walls prepared by the 3D fabrication technology
with the animal models of heart disease, and (iii) the preparation aiming at thecommercialization of heart wall prepared by the 3D fabrication technology.
2(i)The design and creation of human heart walls by the 3D fabrication technology(Kyoto University, Asahi Glass Co. Ltd., and iHeart Japan Corporation)
First, the insertion effects of gelatin hydrogel microspheres (GHM) or hollow fibersof fluorinated polymers (F-Fiber) were evaluated in the formation of layered constructof cell sheets. Human mesenchymal stem cells or mixed cells composed of three typesof cardiovascular cell populations (myocardial, endothelial, and vascular mural cells)
simultaneously differentiated from human induced pluripotent stem (iPS) cells, wereused as cell sources for the sheet preparation. The extent of GHM covering and remaining
on the cell sheet was measured for the layered construct. In addition, the biologicalactivities of cells and the oxygen condition in the layered construct inserted withor without GHM were investigated. It was found that the biological activities of cells
and the oxygen condition in the layered construct of cell sheets were positively
improved by the insertion of GHM. The oxygen condition and expression level of
intracellular substances related to metabolism were evaluated for the multiple layered
construct obtained by the further layering of layered constructs of cell sheet throughthe insertion with F-Fiber. It was found that the conditions of oxygen and metabolism
were improved for the multiple layered construct even with a large thickness by theinsertion with F-fiber. Next, a preparation method of mixed cell sheet clinicallyavailable was developed by changing cell sources to one line of iPS cells withhomozygous human leucocyte antigens (HLA) derived from healthy human. The method of
simultaneous differentiation into three types of cardiovascular cell populations andsheet formation are being developed and optimized. Furthermore, considering theclinical application, the methods to prepare a large layered construct of cell sheetsor to rapidly layer cell sheets are also being developed.
(ii) The evaluation of human heart walls prepared by the 3D fabrication technology
with the animal models of heart disease (Kyoto University and Asahi Glass Co. Ltd.)First, various heart disease models were prepared and the therapeutic efficiencyof layered constructs of cell sheets from human mixed cells (layered construct ofhuman mixed cell sheets) for these models was evaluated. It was demonstrated that thelayered construct of human mixed cell sheets was effective for the models of acute
myocardial infarction in rats and swine as well as cardiomyopathy in hamsters. For thedevelopment of product aiming at the clinical application, it is indispensable toinvestigate the size and mechanical properties of layered constructs of cell sheets
as well as their preservation stabilities. The size, contractive force, and contractive
rate of layered construct of human mixed cell sheets were measured. Furthermore,methods to in vitro evaluate the layered construct of human mixed cell sheets
considering connecting its in vivo efficiency, are being explored.
(iii) The preparation aiming at the commercialization of heart wall prepared by the3D fabrication technology (iHeart Japan Corporation)
Materials necessary to prepare the layered construct of human mixed cell sheets withthe clinical grade were listed while the possibility and feasibility were investigatedfrom the viewpoint of safety and quality for clinical use. Now appropriate solutions
are being addressed for the point to be improved.
III. 成果の外部への発表（１）学会誌・雑誌等における論文一覧（国内誌

0 件、国際誌

4 件）

1. Masumoto H, Nakane T, Tinney JP, Yuan F, Ye F, Kowalski WJ, Minakata K, Sakata R,Yamashita JK, Keller BB. The myocardial regenerative potential of three-dimensional
engineered cardiac tissues composed of multiple human iPS cell-derived cardiovascularcell lineages. Sci Rep. 2016, 6, 29933.
2. Yamashita JK. Expanding Reprogramming to Cardiovascular Progenitors. Cell Stem Cell.
2016, 18, 299-301.
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3. Masumoto H, Yamashita JK. Untiring steps toward the maturation of human stem cellengineered heart tissue. Ann Transl Med. 2017, 5, 87.
4. Masumoto H, Yamashita JK. Human iPS Cell-Derived Cardiac Tissue Sheets: a Platform forCardiac Regeneration. Curr Treat Options Cardiovasc Med. 2016, 18, 65.
（２）学会・シンポジウム等における口頭・ポスター発表
1. Generation of 3-dimensional cardiac tissue with human iPS cells and tissue engineering,
口演, Masumoto H, The 9th Pan Pacific Symposium on Stem Cells and Cancer Research(PPSSC), 2016/5/14-16, 国外.
2. Cardiovascular reconstitution from pluripotent stem cells, 口演, Jun K. Yamashita,Hypertension Summit 2016, 2016/5/31, 国内
3. 多能性幹細胞を用いた３D 組織構築, 口演, 山下潤, 日本炎症再生医学会シンポジウム「血管新生制御と３D 組織構築」, 2016/6/16, 国内
4. 心臓血管領域における再生治療の展望, 口演, 南方 謙二，升本 英利，池田 義, 第 37 回日本
炎症・再生医学会, 2016/6/16-17, 国内.
5. 多能性幹細胞の心血管分化機構と再生医療応用, 口演, 山下潤, 生化学会近畿支部シンポジウ
ム, 2016/6/21, 国内
6. Therapeutic potential of human iPS cell-derived engineered cardiac tissue including
cardiomyocytes and multiple vascular lineages for myocardial infarction, ポスター,
Masumoto H, Nakane T, J P.Tinney, F Yuan, F Ye, W J.Kowalski, Minakata K, Sakata R,
Yamashita J.K, Keller BB, International Society for Stem Cell Research(ISSCR),
2016/6/22-25, 国外.
7. ヒト iPS 細胞由来心臓構成細胞を含む三次元人工心筋組織移植による心筋再生についての検討,
ポスター,升本 英利，中根 武一郎，Joseph Tinney，南方 謙二，坂田 隆造，山下 潤，Bradley
Keller, 第 37 回日本炎症・再生医学会, 2016/6/16-17, 国内.
8. 多能性幹細胞を用いた系統的心血管分化と 3 次元的心臓組織構築, 口演, 山下潤, 第 26 回日本サイトメトリー学会・シンポジウム１「多能性幹細胞の戦略的分化誘導と応用への道のり」,
2016/7/23, 国内
9. 自然治癒力を高めて病気を治す再生医療 －高分子材料の重要性-，口演，田畑泰彦，高分子学会
高分子同友会，2018/7/26,国内.
10. ImplantationofhumaniPS

cell-derived

engineered

cardiactissues

including

cardiomyocytes and multiple vascular lineages ameliorates cardiac dysfunction after
myocardial infarction in a rat model, ポスター, Masumoto H, Nakane T, J P.Tinney, FYuan, W J.Kowalski, Minakata K, Sakata R, European Society of Cardiology (ESC) Congress,
2016/8/26-30, 国外.
11. Drug Delivery Technology to Realize Tissue Regeneration, 口演, Tabata, Y., TERMIS-AP
2016, 2016/9/3-6, 国外.
12. バイオマテリアルから見た再生医療の最前線—細胞能力を高める医療の実現-,口演，田畑泰彦，第 159 回日本獣医学会学術集会，2016/9/8，国内．
13. ヒト iPS 細胞由来心筋細胞および血管構成細胞を含む三次元人工心筋組織による心筋再生につ4

いての検討, 口演, 升本 英利，中根 武一郎，南方 謙二，池田 義，坂田 隆造, 第 69 回日本胸部外科学会定期学術集会, 2016/9/28-10/1, 国内.
14. 拡張型心筋症ハムスターに対するヒト iPS 細胞由来心臓組織シート移植の有効性, 口演, 瀧本真也，升本 英利，南方 謙二，池田 義，坂田 隆造, 第 69 回日本胸部外科学会定期学術集会,
2016/9/28-10/1, 国内.
15. ヒト iPS 細胞由来心筋・血管系細胞を用いた移植用大型心臓パッチの開発, 口演, 中根 武一郎，升本 英利，南方 謙二，池田 義，坂田 隆造, 第 69 回日本胸部外科学会定期学術集会,
2016/9/28-10/1, 国内.
16. Combined transplantation of human iPS cell-derived cardiac tissue sheets and sustainedrelease of bFGF improved left ventricular function in a rat chronic myocardial
infarction model, 口演, 李 子澎，升本 英利，南方 謙二，川東 正英，瀧本 真也，平間 大介，平尾 慎吾，池田 義，坂田 隆造, 第 69 回日本胸部外科学会定期学術集会, 2016/9/28-10/1,
国内.
17. iPS 細胞を用いた心臓再生の試みー幹細胞から３次元的に組織を作るー, 口演, 山下潤, 日本
フットケア学会特別講演, 2016/10/9, 国内
18. Generation of 3-Dimentional Cardiac Tissue using induced pluripotent stem cells, 口演,
Jun K. Yamashita, Swiss-Kyoto Symposium, Kyoto, 2016, 2016/11/1, 国内
19. Bioengineered cardiac cell sheets, 口演, Masumoto H, American Heart Association (AHA)
Scientific Sessions, 2016/11/12-16, 国外.
20. Impact of geometry and cell density on structural and functional maturation in largeformat mesh engineered cardiac tissues, 口演, Nakane T, Masumoto H, J P. Tinney, FYuan, W J. Kowalski, F Ye, Minakata K, Ikeda T, Sakata R, Yamashita J.K, Keller BB,
American Heart Association (AHA) Scientific Sessions, 2016/11/12-16, 国外.
21. Sequential treatment with sustained-release of basic fibroblast growth factor followed
by transplantation of human induced pluripotent stem cell-derived cardiac tissue
improved left ventricular function in a rat chronic myocardial infarction model, ポスター, Zipeng Li, Masumoto H, Minakata K, Kawatou M, Takimoto S, Hirao S, Ikeda T,Tabata Y, Yamashita J.K, Sakata R, American Heart Association (AHA) Scientific Sessions,
2016/11/12-16, 国外.
22. A technology for cardiac regeneration using human iPS cell-derived cardiac tissue
including multiple cardiovascular lineages, ポスター, Masumoto H, Yamamizu K, Ikuno T,Takakubo H, Minakata K, Ikeda T, Tabata Y, Yamashita J.K, American Heart Association(AHA) Scientific Sessions, 2016/11/12-16, 国外.
23. The efficacy of transplantation of human iPS cell derived cardiac tissue for dilatedcardiomyopathy hamster model, ポスター, Takimoto S, Masumoto H, Minakata K, Tabata Y,
Yamashita J.K, American Heart Association (AHA) Scientific Sessions, 2016/11/12-16,国外.
24. ヒト iPS 細胞由来心臓組織シート移植はブタ心筋梗塞モデルにおいて不整脈リスクを増大させることなく心機能を改善する, 口演, 青木 隆之，升本 英利，南方 謙二，池田 義，坂田 隆造,
第 15 回日本心臓血管外科再生治療研究会, 2016/2/15, 国内.
5

25. 多能性幹細胞由来バイオエンジニアリング心臓組織の外科的移植による心筋再生研究, 口演,
升本 英利，坂田 隆造，湊谷 謙司, 第 47 回日本心臓血管外科学会学術総会, 2017/2/27-3/1,
国内.
26. Spring-8 における位相差 CT による拡張型心筋症ハムスターに対する立体的組織評価の確立, 口演, 平尾 慎吾，南方 謙二，升本 英利，瀧本 真也，坂本 和久，中津 太郎，中田 朋宏，山﨑和裕，池田 義，湊谷 謙司，坂田 隆造, 第 47 回日本心臓血管外科学会学術総会, 2017/2/273/1, 国内.
27. 慢性期ラット心筋梗塞に対する bFGF 徐放後ヒト iPS 由来心筋組織シート移植の治療効果, 口演, 李 子澎，升本 英利，南方 謙二，川東 正英，瀧本 真也，平尾 慎吾，池田 義，坂田 隆造，湊谷 謙司, 第 47 回日本心臓血管外科学会学術総会, 2017/2/27-3/1, 国内.
28. 拡張型心筋症ハムスターに対するヒト iPS 細胞由来心臓組織シート移植の有効性, 口演, 瀧本真也，升本 英利，南方 謙二，池田 義，湊谷 謙司, 第 47 回日本心臓血管外科学会学術総会,
2017/2/27-3/1, 国内.
29. ヒト iPS 細胞由来心筋・血管系細胞を用いた移植用網目状心臓組織パッチの開発, 口演, 中根武一郎，升本 英利，南方 謙二，池田 義、湊谷 謙司, 第 47 回日本心臓血管外科学会学術総会,2017/2/27-3/1, 国内.
30. ヒト iPS 細胞由来心筋・血管系細胞を用いた移植用網目状心臓組織パッチの開発, 口演, 中根武一郎，升本 英利，池田 義，湊谷 謙司，山下 潤，Bradley B.Keller, 第 16 回日本心臓血管外科再生治療研究会, 2017/2/27, 国内.
31. Regeneration Therapy Based on Drug Delivery Technology, 口演, Tabata,Y., International
Symposium on Drug Delivery and Pharmaceutical Sciences: Beyond the History, 2017/3/910, 国内
32. Mesh-shaped engineered cardiac tissue generated from human iPS cell for cardiac
regeneration, ポスター, Nakane T, Masumoto H, Minakata K, Ikeda T, Minatoya K,Yamashita J, Sakata R. 第 81 回日本循環器学会学術集会, 2017/3/17-19, 国内.
33. Sequential treatment with sustained-release of basic FGF followed by transplantationof human induced pluripotent stem cell-derived cardiac tissue improved left ventricularfunction in a rat chronic myocardial infarction model, 口演, Li Z, 第 81 回日本循環器学会学術集会, 2017/3/17-19, 国内.
34. Three-dimensional visualization and morphometry of cardidac tissue in a hamster DCM
model by synchrotron radiation-based x-ray phasecontrast imaging at SPring-8, 口演,Hirao S, Minakata K, Masumoto H, Takimoto S, Hoshino M, Yagi N, Shirai M, Minatoya K,
Sakata R, 第 81 回日本循環器学会学術集会, 2017/3/17-19, 国内.
35. Transplantation of human induced pluripotent stem cell-derived cardiac tissueameliorates heart failure in delated cardiomyopathy of hamster model, ポスター, 瀧本真也，升本 英利，南方 謙二，池田 義，湊谷 謙司，坂田 隆造，山下 潤, 第 81 回日本循環器学会学術集会, 2017/3/17-19, 国内.
36. iPS 細胞由来ミニ３D 組織を用いた新しい病態モデル, 口演, 山下潤, 第 81 回日本循環器学会
学術集会・会長特別企画６「疾患 iPS 細胞ー臨床応用の現状と展開」, 2017/3/17, 国内
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（３）「国民との科学・技術対話社会」に対する取り組み

1. 大手前サマースクール、田畑泰彦、京都、2016/7/22 、国内
2. 四天王寺中学校サマースクール、田畑泰彦、京都、2016/8/29、国内
3. 京大オープンキャンパス：ものづくりで病気を治す ―自由な異分野融合で先端医療を拓く―、田畑泰彦、京都、2016/8/9、国内
4. 再生医療ビジネスシンポジウム

in KRP Part Ⅸ：細胞を元気にするための「モノづくり技術」＝再生医療サポートビジネス、田畑泰彦、京都、2016/9/13、国内
5. 芦屋川カレッジ：自然治癒力を高めて病気を治す①～再生医療の実際～、田畑泰彦、芦屋、
2016/9/28、国内
6. 医工学フォーラム特別講演会：ヒト iPS 細胞を用いた新しい３次元的心臓組織モデル、山下潤、京都、2017/2/8, 国内
7. KIPS 高分子講座：生体機能性高分子—からだを治すポリマー（生物医学研究から先端医療を支える高分子技術）、田畑泰彦、京都、2016/2/15、国内

8. 芦屋カレッジ修了記念講演：自然治癒力を高めて病気を治す②～再生医療はここまできている～、田畑泰彦、芦屋、2016/3/15、国内

9. AMED 国際ワークショップ：Regenerative Medicine Based on the activation of cells by
Biomaterials Technology、田畑泰彦、New York、2016/3/17-19、国外（４）特許出願該当なし。

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