PowerPoint プレゼンテーション

中間水含有ポリマーを用いた

細胞機能操作技術

○山形大学大学院理工学研究科 プロジェクト教員(准教授) 干場隆志 山形大学大学院理工学研究科 教授 田中賢

バイオ産業の例

・医療産業(医療器具の開発) 例1)ステント：血管等の閉塞に対する治療 例2)人工臓器：人工血管等 ・製薬産業(新薬の開発、製造) 例3)細胞を用いた薬効、副作用の試験 ・医療産業(再生医療産業) 薬の薬効判定 薬の副作用評価 癌細胞、肝細胞 例4)バイオリアクター 有用タンパク質の産生 (アルブミン、 血液凝固因子)

バイオ産業は大きな広がりを見せている

体外循環型 人工臓器 (人工心肺、 人工肝臓等)

バイオ産業における細胞機能制御の重要性

細胞増殖 (産業化に向けた 細胞数の確保) 細胞接着 (人工血管等の 医療器具開発、 再生医療への 応用) 薬物応答能 (薬剤試験への応用) タンパク質産生能 (バイオリアクター への応用) その他の細胞特異的 機能発現

バイオ産業の確立には様々な細胞機能の制御が重要

主な細胞機能制御の方法

1)遺伝子操作 遺伝子導入 機能発現 (利点) (欠点) ・強力に機能誘導 ・臨床応用が困難 ・複雑な機能発現は 困難な場合もある 2)液性因子(ホルモン等)の利用 液性因子 機能発現 _(利点) (欠点) ・強力に機能誘導 ・液性因子が困難 ・機能発現が一過的

培養基板の重要性

培養基板=細胞が付着するための単なるの足場？ 形態変化 臓器特異的な 機能発現 増殖 培養基板 生存 細胞死 接着脱離 液性因子への応答

細胞機能を制御できる培養基板の開発は重要

接着

従来の高分子培養基板

○細胞機能を強く誘導できる ○生体内の細胞を囲む微小環境に 近づけることができる ○大量調製が可能 ○安価で安定した質が期待できる ○ロット差が小さい ○生理活性物質の修飾が容易 ×高価・保存が困難 ×大量調製が困難 ×ロット差が大きい ・タンパク質の塗布 ・生理活性物質の修飾 ・組織培養用 ポリスチレン (TCPS) ・ポリ-L-リシン ×細胞機能を強く誘導できない ×生理活性物質の修飾は合成 に手間、高価 ポリスチレン 生体高分子 合成高分子 例 利点 欠点

合成高分子の利点を生かしながら、細胞機能を強く誘導したい

中間水含有ポリマー

吸着/ 細胞接着 脱離 吸着タンパク質 高分子鎖 タンパク質 表面 中間水 高分子鎖 に弱く結合 独自の

「中間水理論」

により、タンパク質の 吸着挙動、血小板粘着を制御できることを見出した 中間水含有ポリマー ポリ(2-メトキシエチルアクリレート) ポリ(2-メトキシエチルアクリレート) (PMEA) 細胞-培養基板間界面の模式図 人工心肺へのフルコーティング材として利用 (世界シェアNo.1)

中間水含有ポリマーの優位性

・優れた血液適合性

・低毒性

・簡便、低コストに合成

・粘着性・透明性

・水不溶性

・医療器具へのフルコーティング可能

・厚生労働省、FDA認可(PMEA)

医療デバイスへの応用に大きな利点

PMEAをもとにした中間水含有ポリマーによる細胞機能の

制御例を紹介しながら、応用の可能性をご説明いたします。

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例①

～血液中の細胞の接着制御・問題点～

問題点①： 血液接触環境において、特定の細胞を接着させるには、 細胞接着部位の提示が必須(→作製に手間、コスト上昇) ポリエチレン グリコール等 ポリエチレン グリコール等 Y Y Y Y 接着部位 血液細胞 非血液 細胞 期待されるシーン① ・血液接触環境下での細胞の利用 (血液中からの希少細胞の単離、細胞センシング、細胞を用いた医療機器) ポリエチレン テレフタレート等 従来の培養基板はすべての細胞を接着させるか、 完全に接着を抑制させるものだけ 血液細胞 非血液細胞 従来の 解決方法

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例①

～血液中の細胞の接着制御～

中間水含有ポリマーの利点①： 細胞接着部位の提示をしなくても、血液細胞は接着させずに 非血液細胞を接着できる(作製が簡便) 応用例① バイオ人工血管、バイオ人工肝臓 血中循環癌細胞/血管内皮前駆細胞の採取デバイス開発 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 PE T を 1 とし た時の 細胞接着数

PET PMEA PTHFA PHEMA 白：癌細胞 青：血小板 中間水含有ポリマー 従来の細胞接着抑制基板 従来の細胞接着基板 干場隆志、田中賢ら 特願2012-123228 原理等： T. Hoshiba, et al.,

Adv Healthcare Mater, 2014

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例②

～細胞の接着による選別・問題点～

問題点②： a)抗体などの細胞認識素子の利用(→バイアス・細胞の変性) b)フローサイトメトリー法の利用(→抗体と同じ問題、高価な装置) c)サイズの違いを利用(→分離能が低い) 期待されるシーン② ・複数種の細胞が混合した懸濁液からの細胞の選別 ポリエチレン グリコール等 Y Y Y Y 認識素子 細胞A 細胞B a)細胞認識素子の利用 b)フローサイトメトリー法 c)サイズの違いの利用 Y Y フローサイト メーター 回収

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例②

～細胞の接着による選別～

中間水含有ポリマーの利点②： 抗体フリー、認識素子フリー(バイアスかかりにくい、変性しにくい) 細胞接着依存的な選別(高価な装置不要) 応用例② 分化した幹細胞の選別(=再生医療への応用) 性質の変化した細胞の選別(=細胞の品質管理) カラム技術、マイクロ 流路技術等との融合 ↓ 分離能の向上が期待 0 1 2 3 4 接着した細胞数の比 _(HT -1080/HepG2) 線維肉腫 : 肝がん細胞 = 50 : 50 線維肉腫 : 肝がん細胞 ≒70 : 30 PMe3A PMe2A PBA PTHFA PMEA

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例③

～接着した細胞の回収・問題点～

特許出願準備中のため、配布資料はございません。

当日、口頭でご説明申し上げます。

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例④

～肝細胞の肝機能発現・問題点～

問題点④： a)肝細胞を生体外で培養すると機能を喪失 b)肝細胞は培養基板に接着しないと生存性が低下 →肝細胞だけの、医療、バイオ産業への応用は困難 c)血液接触環境下で用いることができるものが少ない 期待されるシーン④ ・肝細胞の医療、バイオ産業への応用 これまでの主な解決法 あ)スフェロイド培養 低操作性 内部の細胞の壊死 い)マトリゲル上での培養 腫瘍細胞由来(安全性) 非常に高価 マトリゲル う)細胞認識型高分子の 利用 高分子基板 肝細胞の特異的接着 により共培養不可 糖鎖高分子 等 (問題点)

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例④

～肝細胞の肝機能発現～

考えられる応用例 ・細胞と材料を組み合わせたハイブリッド型人工肝臓 ・アルブミン、血液凝固因子産生のためのバイオリアクター ・新薬開発のための培養システム、細胞アレイ 干場隆志、田中賢ら、 特願2014-214456 中間水含有ポリマーの利点②： 肝細胞が接着し、肝機能の維持が期待 血液接触環境下で使用でき、安全、安価な合成高分子 0 10 20 30 40 Day1 Day2 Day4 肝機能UP！ 肝機能 ( HNF4α ) の発現 従来の培養基板 PMEA PTHFA 中間水含有ポリマー

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例⑤

～幹細胞の分化制御・問題点～

問題点⑤： a)タンパク質等の生理活性物質の培養基板への修飾 →高価、長期保存が困難、ロット差の問題 b)形状、トポロジー制御 →作製に手間(=高価) 期待されるシーン⑤ ・再生医療、バイオ産業への応用 培養基板 Y Y Y Y 生理活性物質 Y 培養基板 形状制御 培養基板 分化誘導試薬 培養基板の 改良による 分化誘導効率 の向上 (問題点) ・高価 ・長期保存が困難 ・ロット差 (問題点) ・作製に手間 (=高価)

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の例⑤

～幹細胞の分化制御～

干場隆志、田中賢ら、特願2014-214456 考えられる応用例 ・幹細胞を用いた再生医療、バイオ産業 中間水含有ポリマーの利点⑤： 生理活性物質の培養基板への修飾は不要 培養基板に塗布するだけで幹細胞の分化制御が可能 0 1 2 3 4 5 6 脂肪 細胞へ の分化 ( Fasn の発現量 ) 脂肪分化促進 中間水含有ポリマー

中間水含有ポリマーによる細胞機能制御の可能性

～まとめ～

適切な量の中間水を有する中間水含有ポリマーの選択により、 様々な細胞の接着/機能制御

様々なバイオ産業への応用の可能性

用途例①：バイオ人工臓器 用途例②：癌の診断用デバイス(血中循環癌細胞の単離) 用途例③：非侵襲的な有用細胞の選別 用途例④：培養細胞の品質管理 用途例⑤：新薬評価のための細胞培養系 用途例⑥：バイオリアクター用培養基板 用途例⑦：再生医療

実用化に向けた課題と企業への期待

(実用化に向けた課題)

1)デバイス化

・マイクロ流路、カラム技術との融合(細胞選別) ・アレイ化(肝細胞チップ、幹細胞チップ)

2)簡便な検出技術の開発

・細胞接着の検出(高速スキャン、電気的検出等) ・細胞死の検出(高速スキャン等) ・細胞の状態把握(細胞の非侵襲的評価)

(企業への期待)

デバイス化、細胞接着、細胞機能の 検出技術の組み合わせによる製品開発 安価かつ安定した性能のバイオ産業、再生医療用 デバイスの開発を目指す企業は中間水含有 ポリマーの培養基板への利用が有効と期待される。

本技術に関する知的財産権

• 発明の名称：

細胞培養用支持体と、それを用いた細胞培養方法

・出願番号：特願2014-214456

• 出願人：山形大学

• 発明者：干場隆志、田中賢ら

お問い合わせ先

山形大学

大学院理工学研究科 干場 隆志

ＴＥＬ：０２３８－２６－３１１６

ＦＡＸ：０２３８－２６－３１１６

e-mail ：[email protected]

大学院理工学研究科 田中 賢

e-mail ：[email protected]