細胞治療・再生医療のための培養システム
技術者・研究者向けの専門書籍紹介
細胞治療・再生医療のための培養システム
発刊日 2010年1月 ISBN 978-4-7813-0184-6
体 裁 B5判 280ページ
発刊にあたって
組織や臓器の発生を解明する基礎研究の進展に伴い，足場を利用し立体的構造を有する組織を再構築する技術―いわゆる組織工学―が1980年代後半から展開し，3つの基盤要素（細胞・足場・成長因子）に対する調和環境の実現を目指してきた。1990年代後半では，立体的な足場を利用せずに板状の細胞シートを積層し，立体構造を有する培養組織の構築を目指した細胞シート工学技術が開発され，組織工学における新たな展開が提案された。現在では，血管誘導技術の開発とともに，より複雑で大型の構造を有する組織再構築に対する研究が進められている。これらの技術は，体外で増幅・分化した培養細胞・組織を患者疾患部へ移植し治癒を行う再生医療を生み出し，新たな医療として期待されている。一方，免疫系細胞を体外で活� ��化・増幅し人体に再導入する免疫細胞治療においても，再生医療同様，新たながん治療として期待されている。
これらの技術・医療には，細胞を培養する多岐にわたる複雑な操作が含まれており，培養環境を調整するための道具―いわゆる培養装置―は，今後，極めて重要な要素技術となる。一般的に，培養装置の役割としては，「人手に代わる操作」や「人手ではできない操作」を実施できる道具（ハードウェアー）や培養中の情報取得を伴う培養制御が可能な道具（ソフトウェアー），また両者の統合が挙げられる。細胞治療や再生医療のためのヒト細胞・組織を対象とした培養装置においては，これまでの微生物培養や動物細胞培養で培われてきた先行技術を活かしつつ，ヒト治療への利用という特殊性と使用する細胞・組織培養の固有の特徴とを考慮した新たな技術展開が望まれている。
本書では，「細胞治療・再生医療のための培養システム」として，「培養システムの意義と役割」，最新の臨床応用を含めた「細胞・組織培養と治療」，人手ではできない操作「バイオリアクターシステム」，人の代わりとなる自動的操作「プロセスシステム」，培養モニタリング・予測・製造基準など「培養装置を支える技術」の5編で構成され，培養を行っている方々や培養装置に興味ある方々に対し，装置の意義から最新の臨床応用さらには製造環境までの全体像を把握できる内容とした。また，培養工学的な観点に特化し，製造プロセスにおける培養装置・製造設備の考え方にも触れた。今後，本書が細胞治療・再生医療への利用を目的とした培養工学に関するひとつの礎となり，工程管理・品質管理への一助として，製造現 場において広く活用されることを願う。
（「はじめに」より）
2010年1月 大阪大学 大学院工学研究科 生命先端工学専攻 紀ノ岡正博
東京大学 生産技術研究所 酒井康行
書籍の内容
【第1編 培養システムの意義と役割】
第1章 細胞治療・再生医療における培養システムの役割（紀ノ岡正博）
1. はじめに
2. 細胞培養の特徴と培養装置の役割
3. 製造設備としての培養装置
4. 情報取得を目的とした培養装置の開発
5. 継代培養の意義と培養工程の連続化
6. おわりに
第2章 培養装置のトレンドと役割（石川陽一）
1. はじめに
2. ディスポーザブル培養槽
疲労寿命を予測する
2.1 WAVE培養装置
2.2 Xcellerex培養装置
3. 小型多連スクリーニング培養装置
3.1 50ml 8連培養装置
3.2 5ml 24連培養装置
3.3 マイクロプレート培養装置
4. おわりに
第3章 細胞の製造工程と培養装置への期待（畠賢一郎）
1. はじめに
2. 培養製品の製造工程
3. 培養装置への期待
4. おわりに
【第2編 細胞・組織培養と治療】
第4章 免疫細胞療法に用いるインテリジェント培養システム（神宮司英雅）
1. 免疫細胞療法
2. 培養システムコンセプト
3. 培養結果
4. おわりに
第5章 培養装置を用いた間葉系幹細胞の増幅（坂井将典）
1. はじめに
2. MSCの培養法
3. 間葉系幹細胞自動培養装置「ゆりかご」
4. 自動培養装置の性能評価
5. 再生医療への応用
第6章 加圧循環培養装置を利用した新しい軟骨細胞移植術の臨床応用（村田利己，渡辺節雄）
1. はじめに
2. 加圧循環培養装置
2.1 加圧循環培養装置（バイオパワープロセッサー）の開発の経緯
2.1.1 三次元培養と細胞培養システムの必要性
2.1.2 加圧循環培養装置の役割
2.2 軟骨細胞治療術での加圧循環培養装置の利用例
2.2.1 現在商用化されているおよび臨床試験が行われている軟骨細胞治療術
2.2.2 NeoCartに用いたスキャフォールド
2.2.3 バイオパワープロセッサーを利用したNeoCartの製造
2.2.4 NeoCart治療法
3. 前臨床試験・臨床試験
3.1 前臨床試験（動物実験）
3.2 臨床試験
4. 今後の展開
第7章 細胞分離装置を用いた治療（岩畔英樹）
1. はじめに
2. 幹細胞研究の実態
3. 臨床応用への実態
4. 細胞分離機器を用いた臨床応用
4.1 乳癌術後の乳房再建
4.2 虚血性心疾患（慢性および急性）
5. まとめ
6. おわりに
【第3編 バイオリアクターシステム】
第8章 高密度人工肝モジュールの設計と実際（水本博，船津和守，梶原稔尚）
1. はじめに
2. 人工肝モジュール設計のポイント
2.1 高機能発現・長期機能維持を達成可能な肝細胞培養法
2.2 人工肝モジュール設計において考慮すべき因子，要素
3. 人工肝モジュール設計の実際
3.1 PUF／スフェロイド型モジュール
3.2 中空糸/オルガノイド型モジュール
3.3 臨床適用が行われた人工肝モジュール
4. 人工肝モジュール開発のこれからの課題
4.1 臨床用細胞源の確保
4.2 毛細血管網を有する培養肝組織の構築
5. おわりに
第9章 ラジアルフロー型バイオリアクターを用いたバイオ人工肝臓システム（松浦知和）
1. はじめに
2. ラジアルフロー型バイオリアクター
2.1 基本構造
2.2 バイオリアクターシステム
2.3 小型RFBシステム
2.4 スキャフォールド
2.5 バイアビリティーの測定
3. バイオ人工肝臓への応用
3.1 体外循環型バイオ人工肝臓
3.2 体内埋め込み型バイオ人工肝臓
4. おわりに
第10章 不織布とHFを利用する人工肝バイオリアクター（小林直哉，中路修平）
1. バイオ人工肝臓（bioartificial liver：BAL）治療の現状
"PI "とは何です
2. 可逆性不死化ヒト肝臓細胞株の作成
3. 我々のバイオリアクター開発の取り組み
4. 不織布とHFを利用するミニ・人工肝バイオリアクターの作製と機能評価
5. 実用化サイズの人工肝バイオリアクターの開発
6. 結語
第11章 中空糸型細胞培養モジュール（安藤由典，中路修平）
1. はじめに
2. 中空糸モジュール
2.1 中空糸モジュールの材質及び特徴
2.2 市販の中空糸モジュール
3. 中空糸型細胞培養モジュール
3.1 背景及び開発動向
3.2 新規中空糸型細胞培養モジュールの開発
3.2.1 浮遊系細胞用培養モジュールの開発
3.2.2 付着系細胞用培養モジュールの開発
3.3 新規中空糸モジュールを用いた大量細胞用自動培養装置の開発
4. おわりに
第12章 密閉型培養容器を用いた自動培養システム（安藤登，久保田幸治）
1. はじめに
2. 国際宇宙ステーション用装置技術の特徴
2.1 細胞実験ユニット（CEU）の概要
2.2 CEUの特徴1：密閉型培養容器
2.3 CEUの特徴2：培地交換と容器着脱機構
3. 先端医療用密閉型自動細胞培養システム
3.1 密閉型自動細胞培養システムの概要
3.2 密閉型自動細胞培養システムでの培養例
4. おわりに
第13章 旋回培養による軟骨再生（古川克子，深潟康二，牛田多加志）
1. はじめに
2. 再生医療による関節疾患の治療の問題点
3. 旋回培養による再生軟骨の構築
4. 旋回培養における流体力学的な実験条件
5. おわりに
第14章 3次元回転培養装置と自動制御システム（植村寿公，大藪淑美，青木邦知，植松弘之，津村尚史，岡田浩巳）
1. RWVバイオリアクターによる3次元回転培養
2. RWVバイオリアクターのための自動回転制御システム
3. 臨床応用のためのGMP対応自動回転培養システムの開発
4. 結語
第15章 拍動循環バイオリアクター：動脈血管の創生（岩清隆）
1. はじめに
2. 血管の特徴
3. 組織工学による血管の開発状況
4. 拍動循環バイオリアクターによる3層動脈血管の開発
4.1 生理的拍動循環バイオリアクターの開発
4.2 血管様培養組織の構築
4.3 拍動循環バイオリアクターによる培養
5. 拍動循環バイオリアクターで創生した内径6mmの弾性と強度を有する3層動脈血管
6. おわりに
第16章 腱・靱帯再生用バイオリアクター（宮崎浩）
1. まえがき
2. 腱・靱帯の構造
3. 腱・靱帯のバイオメカニクス
4. 単軸引張負荷機構を有するバイオリアクター
5. 二軸負荷機構を有するバイオリアクター
6. あとがき
第17章 バッグ式体内埋め込み型組織の構築（小林直哉）
1. はじめに
2. マウスES細胞からの肝細胞への分化誘導
3. バッグ式体内埋め込み型肝組織の作成
4. バッグ式体内埋め込み型肝組織を移植した肝不全マウスの救命実験
5. 組織学的検討
6. ヒトへの応用
7. おわりに
第18章 血流導入型体内埋め込み組織の構築（酒井康行，新野俊樹）
1. はじめに
2. 血流配備型の臓器再構築のための方法論
3. 酸素の拡散消費に着目した三次元流路ネットワークのデザイン
4. レーザー焼結積層造形法による担体製作と培養による評価
5. マクロスケールでの酸素供給
人はフィボナッチを理論
6. おわりに
【第4編 プロセスシステム】
第19章 汎用ロボットを用いた自動培養装置（中嶋勝己）
1. NEDO-TRでの開発目標
2. R-CPXの基本コンセプト
3. MDXを使った自動培養SOPの確立
3.1 自動培養SOP確立の考え方と開発手順
3.2 軟骨再生用自動培養SOPの開発
3.3 軟骨再生用自動培養SOPの検証
4. 試験装置を使った汚染防止法の検証
4.1 換気機能
4.2 滅菌機能
4.3 パスボックスの滅菌
5. 人介入機構の開発
6. R-CPXの試作
第20章 角膜上皮シート用自動培養装置（小林豊茂）
1. はじめに
2. 自動培養装置のコンセプト
3. 開発した自動培養装置
4. 自動培養装置を用いた移植実験
5. おわりに
第21章 新しい三次元組織構築の技術〜細胞シート自動積層化装置の開発〜（和田昌憲，菊地鉄太郎，水谷学）
1. はじめに
2. 細胞シート工学の応用による新しい三次元組織構築の技術
3. 細胞シートを積層化する方法
4. 細胞シートを積層化する装置
4.1 自動積層化装置の設計上の要求条件
4.2 自動積層化装置の設計
4.2.1 ハードウェアの設計
4.2.2 ソフトウェアの設計
5. 細胞シート自動積層化装置の試作
5.1 モジュールタイプ
5.2 オールインワンタイプ
5.3 細胞シート自動積層化装置による三次元組織の作製
6. 細胞シート自動積層化装置の将来像と技術課題
7. おわりに
【第5編 培養装置を支える技術】
第22章 細胞観察に基づく細胞品質評価（佐波晶）
1. はじめに
2. 画像処理の基礎
2.1 画像データ
2.2 2値化処理
2.3 膨張・収縮処理
2.4 細線化処理
2.5 パターンマッチング
3. 細胞観察分野における画像処理
3.1 照度ムラへの対応
3.2 位置補正への対応
3.3 位置変化の追跡
4. おわりに
第23章 観察装置（細胞観察に基づくモニタリング）（塩野博文）
1. はじめに
2. 細胞観察手法，細胞観察装置の提案
3. BioStationCTの製品および機能説明
3.1 細胞観察機能
3.2 安全，安定な環境の構築
3.3 高湿度下での安全な自動搬送と広域観察用XYステージ
3.4 ユーザーインターフェースと撮影画像の管理そして，定量化のための画像解析
4. 観察装置システムとして機能すると何が出来るか
5. 機能追加開発と更なる提案
第24章 培地成分測定に基づく細胞培養モニタリング（紀ノ岡正博，田谷正仁）
1. はじめに
2. 単層増殖における培地成分分析の有用性
2.1 量論関係に基づく細胞挙動の把握
2.2 バイオリアクターシステムでの培養の実施
3. 上皮細胞シート形成過程における培養モニタリング
3.1 基質消費および代謝産物生成の速度に基づく上皮シート形成の終了予測
4. おわりに
第25章 移植用接着動物細胞の品質の非侵襲的診断（睫數咫
1. 移植用細胞の品質評価の必要性
2. 移植用細胞の品質評価技術の必要条件
3. 単層培養での細胞形態分析による分化度推定
4. 単層培養での細胞の立体形状分析
5. 単層培養での細胞の細胞周期および増殖速度の推定
6. 単層培養での正常細胞とがん細胞の識別
第26章 細胞培養のインテリジェント化（加藤竜司）
1. 背景〜再生医療を支える細胞培養の現状と課題〜
2. 細胞培養のインテリジェント化
2.1 細胞培養のインテリジェント化とは
2.2 インテリジェント化に必要な技術と現状
2.3 細胞画像情報解析におけるバイオインフォマティクスの有効性
3. 細胞品質のモデル化
3.1 細胞回収量の予測モデル
3.2 がん混在リスクの予測モデル
3.3 細胞分化度の予測モデル
4. まとめ
第27章 再生医療に必要な無菌細胞培養操作と自動化（米田健二，砂山裕信）
1. はじめに
2. アイソレータとその除染技術
3. 無菌的な物の移送手段
3.1 RTP（Rapid Transfer Port）
3.2 除染パスボックス
4. 新しい無菌接続方式の構想と標準化
5. 細胞培養の自動化
6. 除染対応双腕型ロボット（CellPRO）
7. 無菌接続方式を備えた自動細胞培養設備
8. おわりに
第28章 ヒト細胞調製施設の基本計画（盒玉）
1. はじめに
2. CPCの構造設備に関する要件
3. CPCの計画
4. CPCの建設とバリデーション
4.1 ユーザー要求仕様書（URS）
4.2 バリデーションマスタープラン（VMP）
4.3 機能仕様書（FS）
4.4 設計時適格性評価（DQ）
4.5 据付時適格性評価（IQ）
4.6 運転時適格性評価（OQ）
4.7 総括報告書（VR）
5. おわりに
第29章 CPCとセルプロセッシング・アイソレータ（山本宏）
1. はじめに
2. CPC（セルプロセッシングセンター）
2.1 GMPに準拠したCPC
2.1.1 GMPの3原則
2.1.2 ハードウェア（施設・設備）
2.1.3 ソフトウェア（施設運営と支援システム）
2.2 CPC運用の問題点
3. セルプロセッシング・アイソレータ
4. おわりに
第30章 ランニングコストを抑える革新型CPCの設計と自動化の可能性（水谷学，能見淑子）
1. はじめに
2. 従来型CPCの施設要件と製造コストに係る課題
3. アイソレータを用いた無菌製造システム（CAPS）の設計
4. ランニングコスト比較
5. CAPSの自動化（培養装置導入）によるコスト削減の可能性
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