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2017 年度 実績報告書

超音波技術を基盤としたシーケンシャル細胞培養システム

研究課題

研究課題/領域番号 16H04259
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

竹村 研治郎  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90348821)

研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2019-03-31
キーワード細胞培養器 / 超音波振動 / 共振 / 自動培養
研究実績の概要

近年注目される再生医療などの細胞療法において,細胞培養技術は極めて重要な基盤技術である.一般的には培養技術者の手作業によって行われている細胞培養の自動化,高効率化無くして再生医療などの普及は達成できない.これに対して,本研究では,超音波技術を援用することによって細胞培養過程における自動化のボトルネックであった剥離,回収および組織化の過程を自動化し,自動細胞培養システムを実現することを目的としている.
平成29年度は細胞の剥離過程に対して,培養技術者の手技に頼らずに活性の高い細胞を培養面から剥離する手法を開発した.細胞剥離過程では一般的にタンパク質分解酵素を用いて細胞接着を弱め,培養技術者による培養ディッシュの振とうなどによって細胞を剥離するが,タンパク質分解酵素の作用による細胞活性の低下が指摘されている.これに対して,低温刺激が細胞接着を弱めることに注目し,培養面の温度制御と超音波域の共振を組み合わせることによって,タンパク質分解酵素と手作業による振とうによる従来手法と同等の細胞剥離が達成できることを明らかにした.なお,この方法では細胞剥離後に細胞表面のタンパク質が優位に残存しているため,剥離回収された細胞のその後の増殖性が優位に高いことが明らかとなった.また,細胞を増殖培養したのちに実際の治療などに利用するには複数の細胞からなる組織の生成が重要である.このため,超音波技術を用いた細胞の組織化にも取り組んだ.この結果,細胞懸濁液への超音波照射によって引き起こされる音響流を用いて細胞塊を生成する技術を開発し,直径0.5 mm程度の細胞塊を従来よりも効率的に生成できることを明らかにした.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

前述のように,本研究では細胞培養過程の自動化,高効率化を目指した細胞培養技術の具現化を目指している.こうした目的に対する従来の取り組みでは,培養技術者の主義をロボットなどで忠実に模倣する提案がほとんどであるが,本研究では超音波技術の援用によって全く新しい細胞培養システムの実現を目指している.平成28年度および平成29年度の研究によって,細胞培養基材の超音波域の共振と低温刺激を用いて,培養面からの細胞の剥離,回収を実現し,音響流の生成によって細胞の組織化を達成した.以上のように,これまでの2年間の研究によって超音波技術を援用した全く新しい細胞培養法の基盤技術の有効性を明らかにした.これらは,本研究の目的に対する重要な要素技術であり,必要な知見を獲得できたと言える.今後はこれらを統合したシーケンシャルな培養システムを実現する必要があるものの,当初計画通りに順調に推移していると判断している.

今後の研究の推進方策

自動細胞培養システムの具現化に対して,これまでに培養基材からの細胞の剥離,回収と組織化の基盤技術に関する知見を得た.ただし,細胞の剥離,回収を達成した装置は独自に開発した金属製培養基材によるものである.このため,今後は細胞培養基材として,一般的に広く使用されているディスポーザブルな細胞培養ディッシュを用いることを目指す.ディスポーザブルな細胞培養ディッシュは一般に高分子プラスチック製であり,本研究で用いてきたステンレス製培養面とは機械的特性が大きく異なる.このため,例えば固有振動数が異なる.しかし,高分子プラスチックは超音波を透過することが可能であることに鑑みれば,ディッシュ下方から細胞に超音波を照射し,これまでの研究結果と同様に細胞を培養面から剥離することは可能と考えられる.こうしたコンセプトは平成29年度に予備実験によって達成できることを確認している.また,超音波の照射による細胞への影響も今後検討が必要な項目である.これまでにタンパク発現などを評価してきたが,今後は分化能なども評価項目に加え,提案手法の有効性,妥当性を確認する予定である.

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 1件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件) 図書 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [国際共同研究] カリフォルニア大学サンディエゴ校(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      カリフォルニア大学サンディエゴ校
  • [雑誌論文] A Method for Collecting Single Cell Suspensions Using an Ultrasonic Pump2018

    • 著者名/発表者名
      Nakao Misa、Kurashina Yuta、Imashiro Chikahiro、Takemura Kenjiro
    • 雑誌名

      IEEE Transactions on Biomedical Engineering

      巻: 65 ページ: 224~231

    • DOI

      10.1109/TBME.2017.2699291

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Enzyme-free cell detachment mediated by resonance vibration with temperature modulation2017

    • 著者名/発表者名
      Kurashina Yuta、Hirano Makoto、Imashiro Chikahiro、Totani Kiichiro、Komotori Jun、Takemura Kenjiro
    • 雑誌名

      Biotechnology and Bioengineering

      巻: 114 ページ: 2279~2288

    • DOI

      10.1002/bit.26361

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cell agglomeration in the wells of a 24-well plate using acoustic streaming2017

    • 著者名/発表者名
      Kurashina Yuta、Takemura Kenjiro、Friend James
    • 雑誌名

      Lab on a Chip

      巻: 17 ページ: 876~886

    • DOI

      10.1039/c6lc01310d

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] 細胞培養ディッシュ内の定在波を用いたスキャフォールドフリー三次元細胞組織の生成2018

    • 著者名/発表者名
      中尾美紗
    • 学会等名
      第16回 日本再生医療学会総会
  • [学会発表] Acoustic Cell Trapping to Rapidly Generate Three-dimensional Large Tissues2017

    • 著者名/発表者名
      Misa Nakao
    • 学会等名
      TERMIS-AM2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Detaching cells from cultivation flask using acoustic radiation pressure induced by Langevin transducer2017

    • 著者名/発表者名
      Hanako Tauchi
    • 学会等名
      Acoustofluidics 2017
    • 国際学会
  • [学会発表] Acoustic Radiation Pressure Detaches Myoblast from Culture Substrate by Assistance of Serum-free Medium2017

    • 著者名/発表者名
      Yuta Kurashina
    • 学会等名
      19th International Conference on Ultrasonics
    • 国際学会
  • [学会発表] Single Cell Sorter Driven by Resonance Vibration of Cell Culture Substrate2017

    • 著者名/発表者名
      Misa Nakao
    • 学会等名
      19th International Conference on Ultrasonics
    • 国際学会
  • [学会発表] DLC成膜ディッシュ上に接着したCHO細胞の音響放射圧による剥離2017

    • 著者名/発表者名
      倉科佑太
    • 学会等名
      日本機械学会Dynamics and Design Symposium 2017
  • [図書] 動物細胞培養・自動化におけるトラブル発生原因と対策(第5章第6節 細胞培養基材の共振を用いた効率的細胞培養方法)2017

    • 著者名/発表者名
      倉科佑太、竹村研治郎
    • 総ページ数
      7
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-684-1
  • [図書] 動物細胞培養・自動化におけるトラブル発生原因と対策(第7章第7節 超音波振動を用いた細胞培養技術)2017

    • 著者名/発表者名
      倉科佑太、竹村研治郎
    • 総ページ数
      6
    • 出版者
      技術情報協会
    • ISBN
      978-4-86104-684-1
  • [産業財産権] 細胞生産方法及び細胞生産装置2017

    • 発明者名
      倉科佑太,今城哉裕,竹村研治郎,平塚傑工,中森秀樹
    • 権利者名
      倉科佑太,今城哉裕,竹村研治郎,平塚傑工,中森秀樹
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-153717

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公開日: 2018-12-17   更新日: 2022-05-20  

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