FEATURED ARTICLES

医療・ヘルスケアにおけるQoL向上の取り組み

根本治療を可能にする再生医療とそれを支える自動培養技術
再生医療は，治療が難しい疾病にも根本治療の道をひらく革新的な医療として期待されている。
再生医療を普及させるために，日立では治療用細胞の自動培養技術を，アカデミア，製薬企業と共にオープンイノベーションで開発してきた。
本稿では，日立の自動培養技術の特長である閉鎖系の導入により，治療用の細胞製品を高い安全性を担保しながら合理的なコストで提供できるというメリットを解説するとともに，現在取り組んでいる，細胞の状態に合わせた最適な培養を実現するインテリジェント自動培養技術について述べる。

加藤 美登里｜ Kato Midori

木山 政晴｜ Kiyama Masaharu

野崎 貴之｜ Nozaki Takayuki

大山 国夫｜ Ohyama Kunio

斉藤 洸｜ Saito Hikaru

半澤 宏子｜ Hanzawa Hiroko

平井 格郎｜ Hirai Kakuro

武田 志津｜ Takeda Shizu

人理化学研究所による加齢黄斑変性に対する自己iPS細胞由来の網膜色素上皮シートの移植3）である。その後，1. はじめにiPS細胞由来の細胞を用いた臨床応用は複数実施されている。パーキンソン病治療4），角膜シートの移植5），重症再生医療は1993年に初めてその概念が提唱1）されて以心不全患者への心筋シートの移植6），血小板減少症治療7）

来，さまざまな難治性疾患を対象に研究開発が進められがすでに実施されている。臨床計画が承認されたものにてきた。現在，主に実用化されているのは，体性幹細胞は，脊髄損傷治療8），膝関節軟骨損傷の治療9），網膜色素を細胞ソースとして用いるものであるが，体性幹細胞は変性症の治療10）と続いている。このように再生医療が広増殖が限られるため，多くの患者の治療に必要な細胞をまる中で，治療用細胞の製造のほとんどは手作業で行わ十分量製造することは困難である。この再生医療に必要れているため，製造コストが高額であることが依然としな細胞ソースの問題を解決できると期待されているのて課題である。今後さらなる再生医療の普及を実現するが，京都大学の山中伸弥教授らにより開発されたiPS細ためには，合理的な価格で安定的に患者に届けることの2）胞（induced Pluripotent Stem Cell）である 。iPS細胞できる細胞量産化が欠かせない。日立は，この課題の解は大量増幅が可能であること，さまざまな細胞に分化で決のために自動培養技術を開発してきた。

きる多能性を有することなどから，多くの疾病に適用で

本稿では，自動化，特に日立の自動培養技術の特長でき，人々のQoL（Quality of Life）向上につながるものある閉鎖系装置導入のメリットについて説明するとともと期待されている。に，将来の自動培養技術に向けた取り組みを紹介する。

iPS細胞を用いた最初の臨床研究は，国立研究開発法
Vol.102 No.05 640-641

89

にした15）。
この小型装置と並行して，大量の細胞を自動培養する

2. 閉鎖系自動培養技術

装置を，東京女子医科大学，大阪大学を中心とする内閣府最先端研究開発支援プログラム「FIRST（Funding日立は2002年度から自動培養技術の開発を開始した。

Program for World-Leading Innovative R&D on

医療用途の細胞製造には安全性の担保が最重要であるとScience and Technology）プログラム」にて開発し，心考え，外部からの菌などの混入を防ぐ「閉鎖系」自動培

筋再生に必要な細胞数（>1×109個）を自動培養できる養技術の開発を当初から進めてきた。閉鎖系培養は，培試作機を完成させた16）。この技術をベースにして，京都養に必要な培養液類を入れるボトルなどと培養容器を大学・大日本住友製薬株式会社と共同で，iPS細胞の培養チューブで連結した閉鎖系流路を用い，これを培養開始とドパミン神経前駆細胞への分化誘導の初期工程を行う

前にガンマ線で滅菌して，無菌空間での細胞培養を可能

自動培養装置を開発し17），これを基に大量自動培養装置にするものである。

（iACE2）の製品化に至った18）。

こうしたコンセプトの下，日立は東京女子医科大学とACE3とiACE2は，培養スケールは異なるが，コンセの連携によって閉鎖系自動培養技術の基盤を確立し，小プトはいずれも同じ閉鎖系であり，接着培養の細胞であスケールの自動培養装置（開発コード名ACE3）を開発れば，上述以外の細胞にも適用可能である（図1参照）。

11）

し ，角膜や口腔粘膜の細胞シートの自動培養ができる
12）
〜14）

また，細胞を接着させず，細胞凝集塊を形成させて三次。その後，理化学研究所とACE3を用元的に増殖させる培養の自動化も実現している19）。このいた網膜色素上皮細胞シートの自動培養に取り組み，手ように，さまざまな培養スケール，細胞種に対して幅広作業より高品質な細胞シートを作製できることを明らか

く対応できる基盤技術として開発を進めてきた。

ことを示した

図1｜日立の自動培養装置の二つのモデル
左は小スケール用のACE3，右は大量培養用のiACE2である。

ACE3
培養スケール

小規模〜中規模

大規模装置サイズ

1,700 × 710 × 1,800 mm

2,600 × 1,190 × 2,039 mm

培養容器数

10個

10個

総培養面積約42 ㎝2

約5,000 ㎝2

総培養細胞数

約107個

約109個

位相差顕微鏡CCDカメラ走査撮影方式

接着培養，二層培養が可能

接着培養，一部浮遊培養も可能

観察機構
適用
注：略語説明CCD（Charged-coupled Device）

90

iACE2

FEATURED ARTICLES

医療・ヘルスケアにおけるQoL向上の取り組み

ガウニングを行う。グレードBの部屋は，グレードCに比べ清浄度が高いため，部屋の換気回数が多く，清浄な環

3. 閉鎖系自動培養技術導入の効果

境が維持されていることを定期的に確認するモニタリン
グ頻度も高い。

現在，再生医療に用いる治療用細胞の製造では，細胞従来法では，グレードBに設置された安全キャビネッ加工施設（CPF：Cell Processing Facility）内で専門的トト内での開放系操作と，CO2インキュベータでの培養作レーニングを受けた技術者により，手作業を中心とした業を専門技術者が行う。これらの手作業を機械で置き換培養が行われている。そのため，高い人件費，作業者のえるため，さまざまな自動培養技術の開発が進められて技術に依存した細胞品質のばらつき，人が介在することいる。自動培養装置は，閉鎖系自動培養装置と開放系自に起因する生物学的汚染のリスクといった課題がある。

動培養装置に分類される（図2参照）。前者は，培養容また，高度な清浄度が維持された空間で作業するため，器・培養液用ボトルなどをチューブで連結した閉鎖系流施設維持費のコストも大きい。これらの解決には人手の路を用いる。これらは培養終了まで開放しないことで，作業を機械に置き換える，自動培養技術の導入が有効な細胞培養空間の高い清浄性を維持する。後者は，手作業方法の一つと考えられる。ここでは，特にCPF運用コスと同じ開放系培養容器を用い，多関節ロボットなどが開トについて説明する。

放系操作を行うが，それらを内部に有する筐体が外界と隔離された環境を実現することで，細胞に対する清浄性

CPF内は清浄度の高い順にグレードAからDまで作業
20）空間が分けられており ，細胞を直接扱う作業は一般にを維持する。

最も清浄性の高い安全キャビネット内（グレードA）で開放系自動培養装置は培養容器が開放系のため，自動なされる。この安全キャビネットは，清浄度が高度に管培養の前後で装置外へ搬送する必要を考え，グレードB

理された清浄度グレードBの細胞調製室内に設置されの空間内に設置されることが一般的である。また，多関る。また，作業者は生物学的汚染源とならないよう，清節ロボットを内部に有するため，閉鎖系自動培養装置に浄性の担保されたガウンに着替え入室する。グレードD比べて装置サイズは一般的には大きくなる。
これに対し，

からグレードCへの入室では1次ガウニングを行い，グ日立が開発を進めている閉鎖系自動培養装置は，グレーレードBに入室する場合はさらに更衣を重ね着した2次ドCへの設置を想定している。これは閉鎖系流路によっ

図2｜閉鎖系および開放系自動培養装置の比較
それぞれの自動培養装置をCPFに設置・運用した場合の比較を示す。

手作業

開放系自動培養装置

1次
着衣室

インキュベータ

細胞調製室・培養室

凡例

前廊下

前廊下
エア 2次
ロック 着衣室
室

清浄度：

1次
着衣室

細胞調製室・培養室

グレードA

エア 2次
ロック 着衣室室

グレードBグレードC

1次脱衣室

安全キャビネット

エア 2次
ロック 脱衣室室

エア 2次
ロック 脱衣室室

1次脱衣室

開放系自動培養装置

後廊下

グレードD
作業者動線：

後廊下

閉鎖系自動培養装置

前廊下

1次着衣室

1次脱衣室

自動培養室
閉鎖系
流路・容器

細胞調製室

エア 2次
ロック 着衣室室
エア 2次
ロック 脱衣室室

閉鎖系
自動培養装置
後廊下

手作業

開放系
自動培養装置

閉鎖系
自動培養装置

人件費

△

◎

◎

製造再現性

○◎

◎

CPF建設費・維持費△△◎

空間有効活用

△△◎凡例 ◎：優れる 〇：標準的 △：他より課題がある

注：略語説明CPF（Cell Processing Facility）

Vol.102 No.05 642-643

91

て，外界からの菌などの混入を回避可能なためである。

ずリアルタイムかつ非侵襲に細胞状態を評価するモニタ

閉鎖系自動培養装置の導入は，自動化という側面から，リング技術が必要となる。
現状の細胞評価手法の多くは，人件費の削減効果と製造の再現性向上を実現する。
また，細胞を回収して計数したり，破壊して内部の遺伝子発現

開放系自動培養装置に比べて閉鎖系装置は一般的に小型を解析したりするなど侵襲的であり，かつ時間を要するであるため，部屋の空間を有効に活用できる。さらに開評価法である。そのため，自動培養装置に搭載すること放系自動培養装置がグレードBに設置されるのに対し，を前提に，リアルタイムかつ非侵襲な細胞モニタリング

相対的に清浄度の低いグレードCに設置するため，グ技術の開発を開始した21）。自動培養中にリアルタイムでレードBの空間をより小さくすることが可能である。加細胞状態が把握できるようになることで培養の最適化をえて，装置に対し何らかの操作を行う場合，グレードC可能とし，さらに万が一の逸脱時には培養継続の可否のへの入室には，グレードBへの入室よりも必要な更衣枚判断を行い，ロスコストの最小化にもつながる。

数が少ないため，その分のコストも下げることができる。

現在，細胞画像と培養上清（培養液）中の成分に着目

さらに，清浄性を管理するための環境モニタリングと清し，これらのモニタリング技術を開発している。特に，掃のコストも，グレードBよりグレードCの方が低い。し新たな試みとして培養上清中に細胞から放出された小胞たがって，自動培養装置導入は，手作業を自動化する効（エクソソーム）の計測を行っている。培養上清は培地交果に加え，CPFの建設・運営のコスト減という利点も有換の際に非侵襲に回収することが可能であり，モニタリしていることになる。

ングに適する。
エクソソームは細胞内の情報を多く有し，がん診断のマーカーとしても注目されているが，ここでは培養中の細胞状態のモニタリングマーカーとしての適4. 次世代自動培養技術用を検討している。iPS細胞の培養上清に含まれるエクソソーム数をさまざまな段階で計測し，その時の細胞数

これまでの自動培養装置の開発においては，手作業のと比較したところ，高い相関関係があることが分かった

培養プロトコルを基に自動培養プロトコルを作成して自（図4参照）。したがって，培養上清中のエクソソーム数

動培養を行い，手培養での細胞と同様の品質の細胞が培から細胞増殖率を評価可能だと考えられる。ここでは数養できることを実証してきた。ここでは装置に手作業とに着目したが，エクソソームのその他のパラメータや内同等となる閉鎖系培養をプログラムして操作するもので部のmiRNA（microRNA）の分析により多くの情報が得あった。次世代の自動培養技術は，細胞状態をリアルタられると期待されており，有力なモニタリング対象としイムに判断し，培養に対してフィードバック制御するこて，その計測技術の開発を進めていきたい。とで，常に最適な培養を行うインテリジェントなシステ

こうしたモニタリング技術によって，人手と人の判断ムにするものである（図3参照）。これにより，再生医療で行ってきた細胞培養を数値データで管理できるように用細胞の安定的，効率的供給に寄与できる。

なり，さらにそれらを基に培養へフィードバック制御を

このような自動培養システムを実現するためには，ま行うことで，人手を介さずにリアルタイムで培養の最適

図3｜インテリジェント自動培養の概念図
培養中の培養上清成分分析や，細胞の画像解析などで細胞の状態を非侵襲にモニタリングし，常に最適な培養条件で培養できるよう自動的にフィードバックする。

指標値

フィードバック制御

非侵襲モニタリング

自動培養最適範囲
培養継続
条件変更

各種培養液成分

培養日数
培養状態数値化，
AI判断
注：略語説明AI（Artiﬁcial Intelligence）

92

細胞画像

FEATURED ARTICLES

医療・ヘルスケアにおけるQoL向上の取り組み

図4｜iPS細胞の培養上清中エクソソーム数と細胞数の相関関係

60

エクソソーム数（×108）／培養上清（ml）

細胞の培養上清には細胞から放出される小胞であるエクソソームが含まれている。iPS細胞の培養上清量あたりのエクソソーム数を電気抵抗ナノパルス法で計測し，その値とiPS細胞数との相関関係を解析した
結果，高い相関があることが分かった。

50R＝0.94403020100100203040505

細胞数（×10 ）／培養上清（ml）
注：略語説明R（相関関数）化を行うことができる。このように細胞製造をデジタル謝辞

化 す る こ と で，日 立 が 推 進 す るLumadaの プ ラ ッ ト

本稿で紹介した内容の一部は，国立研究開発法人新エフォームを活用することができ，細胞製造のさらなる効

ネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO：New Energy率化をはじめ，新たな価値の創出が期待できる。

and Industrial Technology Development Organization）の基盤技術研究促進事業「組織再生移植に向けたナノバ
イオインターフェイス技術の開発」，文部科学省先端融合

5. おわりに領域イノベーション創出拠点形成プログラム「再生医療本格化のための最先端技術融合拠点」，内閣府最先端研究

現状は手作業でコストが高い細胞製造を自動化するこ開発支援プログラム（FIRSTプログラム）「再生医療産業とで，合理的コストで細胞を製造できるようになる。そ

化に向けたシステムインテグレーション−臓器ファクト

れとともに他家iPS細胞（他人のiPS細胞）を利用した再リーの創生−」，
国立研究開発法人日本医療研究開発機構

生医療の実用化で，再生医療の有効性や根治が可能とな（AMED：Japan Agency for Medical Research andるメリットを多くの人々が享受できるようになる。一方Development）課題番号JP20be0404010，公益財団法人で，免疫拒絶のおそれが極めて少ないことから，自家再神戸医療産業都市推進機構「神戸医療産業都市研究開発生医療（自己細胞の移植）もさらにQoLの高い医療とし助成金」の若手研究者支援枠において実施した。本研究て期待が高まると考えられる。自家移植の場合，患者ご開発にあたり，指導・協力いただいた，東京女子医科大とに細胞のコンディションが異なるため，ここでもイン学，大阪大学，京都大学iPS細胞研究所，理化学研究所，テリジェント自動培養システムは威力を発揮すると期待

大日本住友製薬株式会社の関係各位に感謝申し上げる次される。また自家移植の場合，製造する細胞は個人にひ第である。

も付けられたものであり，採取から移植までのトレーサビリティも重要となってくる。
再生医療にはこれまでの医薬品にはない，さまざまなプロセスが必要である。これに対し日立では，多数のグループ会社がOne Hitachiとなり，再生医療のトータルソリューションを提供し，この革新的な医療の普及に貢献できる。海外の第一歩として台湾から開始し22），グローバル展開を加速していく予定である。世界中の人々が再生医療を享受できる社会の実現に貢献していきたい。

参考文献など1）R.Langer et al.: Tissue engineering, Science, Vol.260, 5110.
pp.920-926（1993.5）
2）K.Takahashi et al.: Induction of pluripotent stem cells from adulthuman fibroblasts by defined factors, Cell, Vol.131,5, pp.861-872（2007.11）
3）理化学研究所 多細胞システム形成研究センター：iPS臨床研究：，一章例目の移植を実施（2014.9）
http://www.cdb.riken.jp/news/2014/researches/0915_3127.
html
M.Mandai et al.: Autologous Induced Stem-Cell-Derived Retinal
Cells for Macular Degeneration., New England Journal ofMedicine, Vol.376, pp.1038-1046（2017.3）

Vol.102 No.05 644-645

934）京都大学 iPS細胞研究所CiRA：パーキンソン病霊長類モデルにおけるヒトiPS細胞由来ドパミン神経前駆細胞の移植の有効性と，安全性の確認（2017.8）
http://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/pressrelease/news/170831090000.html

21）国立研究開発法人日本医療研究開発機構，
採択情報 平成31年（令和元年）度「再生医療・遺伝子治療の産業化に向けた基盤技術開発事業（再生医療シーズ開発加速支援）」の採択課題に，ついて（2019.8）
https://www.amed.go.jp/koubo/01/02/0102C_00064.html

5）大阪大学大学院医学系研究科・医学部：世界初，iPS細胞から（2019.8），作製した角膜上皮細胞シートの第1例目の移植を実施
http://www.med.osaka-u.ac.jp/archives/19156

22）日立ニュースリリース，台湾日立アジアパシフィック社がMetaTech（AP）Inc.と再生医療分野の合弁会社設立に合意（2020.4），
http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2020/04/0410b.
html6）大阪大学大学院医学系研究科・医学部：iPS細胞から作製した心筋細胞シートの医師主導治験の実施〜重症心筋症の治療に，向けて〜（2020.1）
http://www.med.osaka-u.ac.jp/archives/20776
7）京都大学 iPS細胞研究所CiRA：「血小板減少症に対するiPS細胞由来血小板の自己輸血に関する臨床研究」の実施について（2020.3），
https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/pressrelease/news/200325140000.html
8）慶應義塾大学医学部：「亜急性期脊髄損傷に対する iPS 細胞由来神経前駆細胞を用いた再生医療」の臨床研究について（研究，開始了承）（2019.2）
http://www.med.keio.ac.jp/news/2019/2/18/5-51335/index.
html9）京都大学 iPS細胞研究所CiRA：同種iPS細胞由来軟骨移植によ，る関節軟骨損傷の再生について（2020.1）
https://www.cira.kyoto-u.ac.jp/j/pressrelease/news/200124193000.html
10）地方独立行政法人神戸市民病院機構神戸市立神戸アイセンター
病院：「網膜色素変性に対する同種（ヒト）iPS細胞由来網膜シー，ト移植に関する臨床研究」について（2020.6）
http://kobe.eye.center.kcho.jp/files/20200611/ea81c2f0148a9d
c16887270d37fe84945ff54a02.pdf
11）小林豊茂，外：自動培養装置が拓く再生医療の将来，医療機器．
学，Vol.81, No.6, pp.446~451（2012.2）
12）R. Nakajima et al.: A novel closed cell culture device forfabrication of corneal epithelial cell sheets., Journal of tissue
engineering and regenerative medicine, Vol.9, No.11, pp.12591267（2012.12）
13）小林豊茂，外：第18章 角膜および食道再生用小型自動培養装置，再生医療の細胞培養技術と産業展開，シーエムシー出版，
東京，pp.177~186（2014.6）
14）E. Matsumoto et al.: Fabricating retinal pigment epithelial cellsheets derived from human induced pluripotent stem cells in an
automated closed culture system for regenerative medicine,
PLOS ONE, Vol.14, No,3（2019.3）
15）A. Nishimura et al.: Fabrication of tissue-engineered cell sheets
by automated cell culture equipment, Journal of Tissue
Engineering and Regenerative Medicine, Vol.13, No.12,
pp.2246-2255,（2019.11）
16）小林豊茂，外：精密工学の再生医療への貢献，
精密工学，Vol.80,No.3, pp.252~258,（2014.3）
17）加藤美登里，iPS細胞大量自動培養装置の開発，Medical
Science Digest, Vol.44, No.8, pp.35〜37（2018.7）
18）日立ニュースリリース，大日本住友製薬からヒトiPS細胞を用いた再，生医療向け大量自動培養装置を受注（2017.4）
http://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2017/04/0410.
html
19）日立ニュースリリース，再生医療の普及に向け，細胞の3次元培養，法の自動化技術を開発（2019.11）
https://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2019/11/1126.
html20）厚生労働省，
無菌医薬品製造区域の環境モニタリング法，
第一七，
改正日本薬局方針，pp.2424〜2429（2016.3）
https://www.mhlw.go.jp/file/06-Seisakujouhou-11120000Iyakushokuhinkyoku/JP17.pdf

94

執筆者紹介
加藤 美登里日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
博士（理学）
日本再生医療学会会員，高分子学会会員，応用物理学会会員

野崎 貴之
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
博士（医学）
日本再生医療学会会員

斉藤 洸
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
博士（理学）
日本再生医療学会会員，日本分子生物学会会員

平井 格郎
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事

木山 政晴
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
日本再生医療学会会員，日本分子生物学会会員

大山 国夫
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事

半澤 宏子
日立製作所 研究開発グループ 基礎研究センタ
日立神戸ラボ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
博士（工学）日本再生医療学会会員

武田 志津
日立製作所 研究開発グループ 所属
現在，再生医療の研究開発に従事
博士（薬学）
日本再生医療学会会員，日本分子生物学会会員