２０２１年５⽉１８⽇

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学

細胞を傷つけずに評価する技術を開発− 再⽣医療に⽤いる細胞の品質管理 −新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科⽣体組織再⽣⼯学分野の泉健次教授、同⼤医⻭学総合病院
⻭周病科の⼲川絵美医員、同⼤研究推進機構超域学術院の佐藤⼤祐助教の研究グループは、オ
プティカルフロー（※１）という画像解析技術を利⽤することで、再⽣医療に培養される⼝腔粘膜上⽪細胞（※２）の運動能（平均移動速度）が細胞の増殖能と相関することに加え、⼝腔粘膜上⽪への分化能を予測する指標となることを突き⽌め、⾮侵襲的に細胞を評価する技術を開発しました。
本研究成果は、2021 年５⽉ 17 ⽇（英国時間）に国際学術誌「Scientific Reports」に掲載されました。

【本研究成果のポイント】
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物体の追跡や動きの推定などに汎⽤されているオプティカルフロー（OF）という画像解析技術を駆使することで、培養されている⼝の粘膜上⽪（⻭⾁）細胞の運動能（移動速度）が顕微鏡観察下で容易に算出できることがわかりました。

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移動速度は細胞の増殖能と相関関係にあることや、さらに移動速度は上⽪再⽣能も予測可能であることも解明されたので、OF を⽤いた解析技術は細胞の優劣（“質”）を⾮侵襲的に判別するツールとして使えることがわかりました。

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この技術を他の種類の培養細胞にも応⽤することで、⾮侵襲的かつ定量的に細胞品質評価を⾏えるツールとして再⽣医療の発展に寄与することが期待されます。

Ⅰ．研究の背景
再⽣医療は従来の外科的⼿法や医薬品では治療が困難な臓器の損傷や疾病などを治療できると考えられ、国⺠のだれもが享受できる治療⼿段としてさらなる普及が期待されています。再⽣医療では細胞を患者に移植し細胞のはたらきを利⽤して治療を⾏うため、細胞そのものが薬の役割を果たすので、こうした再⽣医療等製品には⾼い品質管理基準が求められます。これまで再⽣医療⽤細胞（＝細胞）の製造（=培養）は⼿作業によって⾏われ、顕微鏡を⽤いた技術者の⽬利きや経験によって主観的に細胞品質が管理されてきました。しかし、細胞は常に変化し、均質ではありません。従って的確に評価するためには、細胞の⽣物学的特性を把握し、その特性と相関した指標を⽤いて、製造⼯程中や最終製品の品質を評価することが重要です。かつ、細胞はナマモノですから、製品（＝細胞）の品質管理は、無菌的、リアルタイム、かつ、⾮侵襲的であることが必須要件になります。
こうした製造⼯程管理や最終品質評価の⽬的で、近年盛んに導⼊されているのが画像解析技術です。例えば、iPS 細胞や間葉系幹細胞などでは顕微鏡の静⽌画像から得られる細胞塊（コロニー）の形態を指標とし、細胞の質（状態）や分化能を把握できるようになりました。画像解析は⾮破壊検査なので、検査のために貴重な細胞を廃棄することなく品質評価が可能となり、検査した細胞⾃体を移植に使うことができます。しかし、これまで多くの臨床実績が報告されている⼝腔粘膜上⽪細胞ではこのようなツールが未開発でした。そこで本研究グループは、画像解析のみから判定可能な細胞品質評価システムの開発を⽬指してきました。
Ⅱ．研究の概要と成果
本研究グループの細胞培養環境下では、⼝腔粘膜上⽪細胞のコロニー形成が緩く、コロニーの境界が不明瞭なため、コロニー形態という静⽌画像指標ではなく、タイムラプス顕微鏡撮影
画像をつなぎあわせた動画で細胞挙動を解析することにしました。画像（動画）内の細胞を認識するために、オプティカルフローというアルゴリズム（※３）を利⽤しました（図１）。

図１

オプティカルフロー解析により、移動速度が速い細胞が撮影されている画像（左）では、遅い細胞の画像（右）より細胞の移動速度を⽰す⽮印が⻑く⽰されます
このアルゴリズムを⽤いることで培養細胞の挙動、すなわち細胞の移動速度（運動能）に関する情報を定量的な数値に置き換えることができます。そして、培養⼝腔粘膜上⽪細胞を再⽣医療に⽤いるうえで基本的な特性である細胞増殖能を、運動能という指標を⽤いて評価したと
ころ、相関関係があることを⾒出しました（図２）。

図２

細胞の移動速度（運動能）と細胞増殖能には相関が認められ、移動速度が速い細胞ほど、細胞増殖能が⾼いことが⽰されていますつまり、細胞を傷つけることなく、熟練者の主観的⽬利きに頼らず、細胞の製造⼯程に関わる細胞増殖能は、運動能を指標とすることで客観的、定量的に評価できることが明らかになりました。さらに、細胞運動能という指標が⼝腔粘膜上⽪の再⽣能（※４）を予測できる指標にならないかについて検証するため、わざと細胞増殖にとって不利な環境（栄養不⾜）を作り解析しました。その結果、栄養不⾜で培養した細胞が再⽣した上⽪は貧弱であったことから、運動能という指標は上⽪細胞の再⽣能も予測可能である指標であることが⽴証できました（図３）。

図３

栄養不⾜群の細胞は標準培養環境の細胞と⽐較して、移動速度が低下していました
かつ、栄養不⾜群では標準培養環境と⽐べ再⽣した⼝腔粘膜上⽪は貧弱でした

Ⅲ．今後の展開細胞の挙動情報を細胞品質と関係付けて評価する本⼿法は、リアルタイムでの細胞モニタリ
ングや、容器内の全⾯検査（評価）も可能にする技術といえます。画像処理機能向上による解析精度の向上を⽬指しながら、他の種類の細胞への適応拡⼤や品質管理への展開が可能です。
がん細胞に対し、抗がん剤の薬効評価などの研究⽤途や、新潟⼤学医⻭学総合病院で実施している培養⾃家⾻膜細胞（※５）の⾻再⽣能評価への応⽤も考えられます。また、細胞評価技術の規格化、標準化を進めることでユーザー同⼠の融通性も⾼め、再⽣医療の実⽤化に貢献できれば幸いです。
Ⅳ．研究成果の公表
これらの研究成果は、2021 年 5 ⽉ 17 ⽇（英国時間）に国際学術雑誌「Scientific
Reports」に掲載されました。
論⽂タイトル：Cells/colony motion of oral keratinocytes determined by non-invasive andquantitative measurement using optical flow predicts epithelial regenerative capacity.
（オプティカルフローを⽤いた⾮侵襲的、定量的解析による⼝腔粘膜上⽪細胞／コロニーの運
動能は上⽪再⽣能を予測する）
著者：⼲川絵美、佐藤⼤祐、⽻賀健太、鈴⽊絢⼦、⼩林亮太、多部⽥康⼀、泉健次**責任著者
doi:10.1038/s41598-021-89073-y

本研究は⽇本学術振興会科学研究費基盤研究（B）（17H04398、20H03870）により助成されたものです。

本件に関するお問い合わせ先新潟⼤学⼤学院医⻭学総合研究科（⻭学系）⽣体組織再⽣⼯学分野
教授

泉健次（いずみけんじ）

E-mail：izumik@dent.niigata-u.ac.jp

⽤語解説
※１

オプティカルフロー

2 枚の連続する画像間で、1 枚⽬の画像を構成する多数の（あるいはすべての）点が 2 枚⽬の画像においてどこに移動したかを推定する技術です。オプティカルフローは物体の動きを 2
次元のベクトル場で⽰し、⽮印から移動速度がわかります（⽮印の向きが移動の⽅向、⽮印の⻑さが移動の速さに対応）。コンピュータービジョンでは昔から研究されており、物体追跡や動きの推定など多くの分野で応⽤されている汎⽤性の⾼い⽅法です。
※２

⼝腔粘膜上⽪細胞（⼝腔粘膜上⽪細胞を⽤いた再⽣医療）

⼝腔粘膜上⽪細胞は、細胞シート作成技術を駆使して、眼の⾓膜疾患による視⼒回復や⾷道がん切除後の創傷治療・粘膜組織再建にも利⽤されています。
※３

アルゴリズム本研究ではオプティカルフローと画像に写っている細胞のコロニー領域を抽出する画像セグ
メンテーションを組み合わせた⼿法を開発し、細胞コロニーの運動能を定量評価しました。
※４

⼝腔粘膜上⽪の再⽣能

1 個の⼝腔粘膜上⽪細胞が、増殖しながら由来した⼝腔粘膜上⽪全体を作り上げる能⼒。
※５

培養⾃家⾻膜細胞（培養⾃家⾻膜細胞による⻭槽⾻再⽣療法）「新潟⼤学医⻭学総合病院⾼度医療開発センター先進医療開拓部⾨」のホームページを参照
ください。
https://remedic.jp/activity/case01.html