超音波による幹細胞の分離
超音波処理は、ヒトの脂肪組織から幹細胞を分離するための非常に効率的な機械的方法です。超音波で分離された間質血管画分（SVF）は、医療用途において大きな再生能力を示します。Hielscher Ultrasonicsは、幹細胞の採取に向けて、直接および間接超音波処理のさまざまな選択肢を提供しています。幹細胞分離プロセスに最適な超音波処理装置を見つけてください！
超音波による幹細胞の分離
ヒトの体から脂肪吸引によって採取した脂肪組織に超音波処理を施し、幹細胞やその他の成長に関与する細胞から組織を取り除きます。この分離された細胞群は、間質血管画分細胞（SVF）と呼ばれます。
脂肪組織から幹細胞を分離する超音波技術は、超音波によって生じるキャビテーションの作用原理のみに基づいており、その作用は純粋に機械的なせん断です。このキャビテーションによるせん断力が脂肪組織を破砕し、脂肪組織の構造から幹細胞を放出させます。超音波による幹細胞分離は酵素を使用しない手法であり、コラゲナーゼ、トリプシン、ディスパーゼの使用を回避します。
抽出された幹細胞、間葉系幹細胞、内皮前駆細胞、その他の成長に関与する細胞種を分離するため、超音波処理した脂肪組織を遠心分離します。
分離した幹細胞を回収し、細胞数、生存率、エンドトキシン、グラム染色を含む品質を分析した後、自家移植に直ちに使用するか、凍結保存します。
なぜ酵素の使用を避けるのでしょうか？
幹細胞分離のための酵素消化には、高額な費用と潜在的な安全上のリスクが伴い、有効性も不足しているため [Oberbauer et al. 2015]、超音波キャビテーションなどの非酵素的な分離法が好まれます。超音波による分離工程では、脂肪組織から細胞および細胞凝集塊を機械的に分離することで、酵素消化を置き換えます。
GDmini2 を装着したUP200St-TD振動子（200ワット）
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- 無菌処理の選択肢
脂肪由来幹細胞
超音波処理によって得られる幹細胞収量
公表されている超音波キャビテーションを用いた間質血管画分の分離法では、細胞収量は1.67–2.24 × 107 個で、生存率は97.1–98.9%です [Victor, S., 2014]。解離させた脂肪組織中の成熟脂肪細胞を超音波で溶解することにより、脂肪組織の各グラムから約2–4百万個の細胞が得られました [Bright et al., 2014]。
超音波処理で調製した細胞は、標準的な酵素分離法で得られた細胞と比較して、同等に高い脂肪分化能および骨分化能を有します [Oberbauer et al. 2015].
幹細胞分離用の超音波システム
最高の安全性と最良の品質を確保するには、幹細胞の処理を精密に制御できる信頼性の高い超音波装置が、患者の治療を成功させるための重要な要素となります。Hielscher Ultrasonicsは、幹細胞および内皮前駆細胞を分離・採取する、自家細胞の超音波キャビテーション分離プロセスに向けて、さまざまな選択肢を提供しています。
幹細胞分離のための直接超音波処理
直接超音波処理による幹細胞分離プロセスでは、超音波ホーン（ソノトロード、超音波チップ／プローブ）を脂肪組織に浸します。ソノトロードを介して超音波を自家脂肪に直接結合させることで、超音波キャビテーションが残存組織から幹細胞および間質細胞を放出させます。Hielscherの超音波処理装置である UP200Ht および UP200St にソノトロードS26d14を組み合わせたシステムは、自家幹細胞の処理に広く使用されています。直接超音波処理による間質血管画分の分離は、主にクリーンルーム施設での使用に適しています。
幹細胞分離のための間接超音波処理
幹細胞は自家用途に使用されるため、プロセスの無菌性が非常に重要です。そのため、Hielscherは間接超音波処理の選択肢を複数開発しました。その例として、 GDmini2, VialTweeter およびその他のカスタムシステムがあります。間接超音波処理では、容器の壁を通して超音波を脂肪組織に結合させます。直接超音波処理の場合と同様に、超音波キャビテーションによって間質血管画分（SVF）が脂肪組織から解離します。
間接超音波処理プロセスには、密閉容器内で細胞を 汚染のない条件下で 処理できるという利点があります。これは、超音波ホーン（ソノトロード）の挿入による交差汚染のリスクが排除されるためです。細胞の分離は密閉システム内で行われ、無菌のプロセス条件が確保されます。
Hielscherの無菌超音波処理装置について詳しくご覧ください！
Hielscherのデジタル超音波処理装置は、タッチディスプレイまたはブラウザー操作によって精密に制御できます。直感的なメニューから、超音波処理手順を事前に設定できます。超音波装置には自動データ記録機能が搭載されています（すべての超音波処理プロセスデータは内蔵SDカードに保存されます）。超音波の投入出力は、細胞分離プロトコルに合わせて正確に調整できます。
VialTweeter超音波処理装置は、均一かつ迅速な無菌サンプル調製を行うための無菌ホモジナイザーです。
文献／参考文献
- Oberbauer, Eleni; Steffenhagen, Carolin; Wurzer, Christoph; Gabriel, Christian; Redl, Heinz; Wolbank, Susanne (2015): Enzymatic and non-enzymatic isolation systems for adipose tissue-derived cells: current state of the art. Cell Regeneration (2015) 4:7.
- Stadlmann, J., Taubenschmid, J., Wenzel, D. et al. (2017): Comparative glycoproteomics of stem cells identifies new players in ricin toxicity. Nature 549, 2017. 538–542
- Haghjoo M., Azarbayjani M.A., Peeri M., Hosseini S.A. (2019): Effect of Training, Hyaluronic Acid, and Mesenchymal Stem Cell Therapies on Osteocalcin Gene Expression in Cartilage Tissue of Rats with Knee Osteoarthritis. Gene Cell Tissue 6, 2019.
- Zhu M., Kong D., Tian R., Pang M. , Mo M., Cheng, Y., Yang G., Cheng H.L., Lei X., Fang K., Cheng B., Wu Y. (2020): Platelet sonicates activate hair follicle stem cells and mediate enhanced hair follicle regeneration. Journal of Cellular and Molecular Medicine 24, 2020. 1786–1794.
知っておきたい基礎知識
幹細胞とは何ですか？
幹細胞は、同じ種類の細胞を無限に増やす能力を持つ、多細胞生物の未分化細胞です。生命と成長の初期段階において、体内の多様な細胞種へと発達する顕著な能力を持つことが特徴です。幹細胞の最も際立った特徴は、細胞分裂によって自己を更新する能力と、特別な機能を持つ組織特異的または臓器特異的な細胞へと変化する能力です。多能性幹細胞は、三種類の生殖細胞、すなわち内胚葉（胃の内側の粘膜、消化管、肺）、中胚葉（筋肉、骨、血液、泌尿生殖器）、外胚葉（表皮組織および神経系）のいずれにも分化する能力を持ちます。
腸や骨髄など一部の臓器では、幹細胞が定期的に分裂し、消耗または損傷した組織を修復・置換します。膵臓や心臓などの他の臓器では、幹細胞は特別な条件下でのみ分裂します。
再生医療や美容医療における多様な治療用途に高い可能性をもたらす間葉系間質細胞／幹細胞（MSC）は、主に骨髄に存在しますが、他の組織（例：軟骨、脂肪、筋細胞）からも分離できます。間葉系幹細胞は、自己更新能力を特徴とする典型的な成体幹細胞と考えられています。
幹細胞の研究および治療では、移植を目的とした組織や臓器の培養（組織工学）が行われます。幹細胞が応用される他の医療分野には、脳疾患（例：パーキンソン病、アルツハイマー病）の治療、細胞欠乏に対する治療、血液疾患（例：白血病）、関節および軟骨の変性（例：変形性関節症）の治療、ならびに美容治療（例：抗加齢治療）があります。一般に、幹細胞の大きさは直径約15–25マイクロメートルです。
間葉系幹細胞 （MSC）は、骨芽細胞（骨細胞）、軟骨細胞、筋細胞、脂肪細胞など、多様な細胞種に分化する能力を持つ多分化能のある間質細胞です。
間質血管画分（SVF）とは何ですか？
間質血管画分（SVF）は、ヒトの体内の脂肪組織から脂肪吸引によって採取できる脂肪吸引物の構成成分です。脂肪吸引物は不均一な細胞混合物であり、脂肪由来幹細胞（ASCまたはADSC）と呼ばれる幹細胞を豊富に含みます。これらの細胞は、複数の系統の細胞へ分化する能力など、骨髄幹細胞との類似性を示します。
間質血管画分の不均一な細胞集団には、内皮細胞、赤血球、線維芽細胞、リンパ球、単球／マクロファージ、周皮細胞などが含まれ、さらに脂肪由来幹細胞の重要な画分も含まれます。
脂肪由来間質細胞／幹細胞（ASC）とは何ですか？
脂肪由来間質細胞／幹細胞（ASC / ADSC）は、上皮成長因子（EGF）、血管内皮成長因子（VEGF）、塩基性線維芽細胞成長因子（bFGF）、ケラチノサイト成長因子（KGF）、血小板由来成長因子（PDGF）、肝細胞成長因子（HGF）、トランスフォーミング成長因子ベータ（TGF-β）、インスリン成長因子（IGF）、脳由来神経栄養因子（BDNF）などの生理活性成長因子を高レベルで放出します。ACSは成長因子を放出するだけでなく、fms関連チロシンキナーゼ3（Flt-3）リガンド、顆粒球コロニー刺激因子（G-CSF）、顆粒球マクロファージコロニー刺激因子（GM-CSF）、マクロファージコロニー刺激因子（M-CSF）、IL-6、IL-7、IL-8、IL-11、IL-12などのインターロイキン（IL）、白血病抑制因子（LIF）、腫瘍壊死因子アルファ（TNF-α）を含むサイトカインも分泌します。
幹細胞はどのように採取されますか？
ヒトの自家成体幹細胞は、以下の供給源から採取できます。
- 骨髄：採取、すなわち骨に穴を開けることによって抽出する必要があります。
- 脂肪組織（脂肪細胞）：脂肪吸引によって抽出する必要があります。
- 血液：アフェレーシスによって抽出する必要があります。この方法では、ドナーの血液を「透析」装置に通し、幹細胞を抽出すると同時に、他の血液成分をドナーに戻します。