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JP2006094720A - Substrate for bone cell culture and method for bone cell culture - Google Patents

Substrate for bone cell culture and method for bone cell culture Download PDF

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JP2006094720A JP2004281981A JP2004281981A JP2006094720A JP 2006094720 A JP2006094720 A JP 2006094720A JP 2004281981 A JP2004281981 A JP 2004281981A JP 2004281981 A JP2004281981 A JP 2004281981A JP 2006094720 A JP2006094720 A JP 2006094720A
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cell culture
collagen
apatite
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Kosaku Kurata
耕作 藏田
Hidehiko Higaki
秀彦 日垣
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Nakamura Sangyo Gakuen
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Nakamura Sangyo Gakuen
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple and inexpensive culture substrate effective for promoting osteogenesis and provide an assay system useful for the determination of various drug actions and the research of cell function by using cultured bone cell. <P>SOLUTION: The substrate for bone cell culture has an apatite particle layer and a collagen layer laminated on a substrate surface. The invention further provides a method for producing the substrate and a method for bone cell culture using the substrate for bone cell culture. The method for assaying the osteogenetic function of a bone marrow cell comprises the culture of bone marrow cells using the substrate for bone cell culture in the presence of calcein and the determination of the amount of produced calcified tubercles by measuring fluorescent intensity. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は,骨系細胞培養用基質およびこの基質を用いる骨系細胞の培養方法,ならびに培養骨髄細胞の骨形成能をアッセイする方法に関する。   The present invention relates to a bone cell culture substrate, a bone cell culture method using this substrate, and a method for assaying the bone forming ability of cultured bone marrow cells.

骨は,重力に抗する姿勢の保持や運動を行うのに不可欠な支持組織である。同時に,生体内のカルシウム貯蔵庫として体液のホメオスタシスを維持する機能を有する。形態と力学的強度を維持しながら,細胞外液中のカルシウム濃度を一定に保つために,一方では骨を添加して強度の保持が,もう一方では骨を破壊してカルシウムの供給が行われている。骨の形成は未分化間葉系細胞に由来する骨芽細胞によって,骨の吸収は造血幹細胞に由来する破骨細胞によって担われている。形成と吸収による骨の再構築をリモデリングと呼んでおり,これは生涯を通じて常に体中で行われている。骨形成/吸収を担う骨芽/破骨細胞の分化と機能は多種にわたるサイトカイン(生理活性物質),ホルモン,力学的負荷等によって複雑にコントロールされている。しかしながら,このコントロールに異常を来し,骨形成と骨吸収との動的平衡が破綻したとき,骨粗鬆症,大理石病,骨棘形成等の骨疾患を生じることとなる。   Bone is a supporting tissue that is indispensable for maintaining posture and exercising against gravity. At the same time, it has a function of maintaining homeostasis of body fluids as a calcium storage in vivo. In order to keep the calcium concentration in the extracellular fluid constant while maintaining the morphology and mechanical strength, bone is added on one hand to maintain strength, and on the other hand, bone is broken to supply calcium. ing. Bone formation is carried out by osteoblasts derived from undifferentiated mesenchymal cells, and bone resorption is carried out by osteoclasts derived from hematopoietic stem cells. Bone remodeling through formation and resorption is called remodeling, which is always done throughout the body. The differentiation and function of osteoblasts / osteoclasts responsible for bone formation / resorption are complexly controlled by various cytokines (bioactive substances), hormones, mechanical loads, and the like. However, when this control is abnormal and the dynamic balance between bone formation and bone resorption breaks down, bone diseases such as osteoporosis, marble disease, and osteophyte formation occur.

社会が高齢化するにつれて問題となっているこれらの骨疾患に対して,種々の治療薬が開発されている。このような治療薬が骨系細胞へ作用する機序や細胞機能に与える変化に関しては,インビトロにおいて多く研究されてきた。さらに,関節リウマチや喘息治療に用いられるグルココルチコイド等の治療薬が二次的に骨の脆弱化をもたらしているとして,骨を構成する細胞の機能に対する影響の調査がインビトロで行われている。骨系細胞は,接着している基質,つまりリン酸カルシウムとコラーゲンによって構成される骨マトリックスによって,分化や機能の調節に関する大きな影響を受けていることが知られている。   Various therapeutic agents have been developed for these bone diseases, which are becoming a problem as society ages. Much research has been conducted in vitro on the mechanism by which such therapeutic agents act on bone cells and on the changes in cell function. Furthermore, investigations have been conducted in vitro on the effects of bone-constituting cells on the function of therapeutic agents such as glucocorticoids used in the treatment of rheumatoid arthritis and asthma, which are secondary to bone weakness. Bone cells are known to be greatly affected by differentiation and function regulation by an adherent substrate, that is, a bone matrix composed of calcium phosphate and collagen.

しかしながら,細胞培養を用いた過去の薬効評価研究の多くは,従来からのプラスチック培養基質上でなされている。生体内の環境により近い骨様基質上における培養の報告は少ない。さらに,このような細胞培養系では,薬効を判断する上で重要な石灰化結節の形成を得るまで3〜4週間という長い期間を有する。大量の治療薬候補をスクリーニングする実験においては,長期間の培養によって大きな負担を強いられるばかりか,コンタミネーシヨンの危険性も増す。   However, many of the past drug evaluation studies using cell culture are performed on conventional plastic culture substrates. There are few reports of culturing on bone-like substrates that are closer to the in vivo environment. Further, in such a cell culture system, it takes a long period of 3 to 4 weeks until formation of a calcified nodule which is important in determining the drug efficacy. In experiments to screen large numbers of therapeutic candidates, not only is the burden imposed by long-term culture, but the risk of contamination increases.

特開平7−194373は,コラーゲンと化学活性を有するリン酸カルシウムの複合体を骨髄細胞の支持体として用いることを特徴とする,骨髄細胞の培養方法を記載する。しかし,開示される方法にしたがってリン酸カルシウムの粉末をコラーゲン水溶液,濃縮液体培地および緩衝液の混合物中に懸濁させた後にコラーゲンをゲル化させて支持体を製造すると,ゲル状支持体の上で細胞培養が行われるために硬組織欠損部への移植用材料としては好ましいが,細胞体の染色や細胞溶解物の分析によって薬効判定や細胞機能の研究を行う際にはハンドリングが困難であるという問題があった。さらに,ゲル状支持体は常に湿潤状態を維持しておく必要があり,保管や移送に困難を伴うという問題点もあった。
コラーゲンコートしたカバーグラスをアルカリフォスファターゼとフォスビチン(phosvitin)で処理した後,β−グリセロホスフェートに7から14日間浸漬してアパタイト層を形成し、これを用いて破骨細胞を培養して細胞形態の観察,骨吸収窩の観察を行ったことが報告されている(Formation of apatite-collagen complexes, DoiY, Horiguchi T, Moriwaki Y, Kitago H, Kajimoto T, Iwayama Y, Journal of Biomedical Materials Research, 31(1): 43-49, 1996; Use of glass slides coated with apatite-collagen complexes for measurement of osteoclastic resorption activity, Shibutani T, Iwanaga H, Imai K, Kitago M, Doi Y, Iwayama Y, Journal of Biomedical Materials Research, 50(2): 153-159, 2000)。しかし、この系ではアパタイト・コラーゲン層の形成に時間がかかること、コーティングの厚みの調節が困難である。また、コラーゲンコートしたPETディスクやポリマーを疑似体液に6日間浸漬してアパタイト層を形成したこと(Osteoclastic resorption of bone-like apatite formed on a plastic disk as an in vitro assay system, Matsuoka H, Nakamura T, TakadamaH, Yamada S, Tamura J, Okada Y, Oka M, Kokubo T, Journal of Biomedical Materials Research, 42(2): 278-285, 1998; Bonelike apatite coating on organic polymers: novel nucleation process using sodium silicate solution, Miyaji F, Kim HM, HandaS, Kokubo T, Nakamura T, Biomaterials, 20(10): 913-919, 1999)、炭酸カルシウムを水酸カルシウムに置換したサンゴのディスクをラット骨髄細胞の懸濁液に浸漬し,ラット背の皮下にインプラントし、3週間後,骨形成の開始が認められたこと(Biochemical and histological sequences of membranous ossification in ectopic site, Yoshikawa T, Ohgushi H, Okumura M, Tamai S, Dohi Y, Moriyama T, Calcified Tissue International, 50(2): 184-188, 1992)が報告されている。
特開平7−194373 Journal of Biomedical Materials Research, 31(1): 43-49, 1996 Journal of Biomedical Materials Research, 50(2): 153-159, 2000 Journal of Biomedical Materials Research, 42(2): 278-285, 1998 Biomaterials, 20(10): 913-919, 1999 Calcified Tissue International, 50(2): 184-188, 1992
JP-A-7-194373 describes a method for culturing bone marrow cells, characterized in that a complex of collagen and calcium phosphate having chemical activity is used as a support for bone marrow cells. However, when a support is prepared by suspending a calcium phosphate powder in a mixture of an aqueous collagen solution, a concentrated liquid medium and a buffer according to the disclosed method and then gelling the collagen, the cells are formed on the gel-like support. Although it is preferable as a material for transplantation into hard tissue defects due to the culture, it is difficult to handle when determining drug efficacy and studying cell functions by staining cell bodies and analyzing cell lysates. was there. Furthermore, the gel-like support must always be kept in a wet state, and there is a problem that it is difficult to store and transport.
The collagen-coated cover glass is treated with alkaline phosphatase and phosvitin, and then immersed in β-glycerophosphate for 7 to 14 days to form an apatite layer. Observations and bone resorption pits have been reported (Formation of apatite-collagen complexes, DoiY, Horiguchi T, Moriwaki Y, Kitago H, Kajimoto T, Iwayama Y, Journal of Biomedical Materials Research, 31 (1 ): 43-49, 1996; Use of glass slides coated with apatite-collagen complexes for measurement of osteoclastic resorption activity, Shibutani T, Iwanaga H, Imai K, Kitago M, Doi Y, Iwayama Y, Journal of Biomedical Materials Research, 50 (2): 153-159, 2000). However, in this system, it takes time to form an apatite / collagen layer and it is difficult to adjust the thickness of the coating. Also, collagen coated PET disks and polymers were immersed in simulated body fluid for 6 days to form an apatite layer (Osteoclastic resorption of bone-like apatite formed on a plastic disk as an in vitro assay system, Matsuoka H, Nakamura T, TakadamaH, Yamada S, Tamura J, Okada Y, Oka M, Kokubo T, Journal of Biomedical Materials Research, 42 (2): 278-285, 1998; Bonelike apatite coating on organic polymers: novel nucleation process using sodium silicate solution, Miyaji F, Kim HM, HandaS, Kokubo T, Nakamura T, Biomaterials, 20 (10): 913-919, 1999), a coral disc in which calcium carbonate is replaced with calcium hydroxide is immersed in a suspension of rat bone marrow cells. After 3 weeks, the bone formation was observed after 3 weeks (Biochemical and histological sequences of membranous ossification in ectopic site, Yoshikawa T, Ohgushi H, Okumura M, Tamai S, Dohi Y, Moriyama T, Calcified Tissue Interna tional, 50 (2): 184-188, 1992).
JP 7-194373 A Journal of Biomedical Materials Research, 31 (1): 43-49, 1996 Journal of Biomedical Materials Research, 50 (2): 153-159, 2000 Journal of Biomedical Materials Research, 42 (2): 278-285, 1998 Biomaterials, 20 (10): 913-919, 1999 Calcified Tissue International, 50 (2): 184-188, 1992

本発明は,骨形成を促進する簡便で安価な培養基質を提供することを目的とする。本発明はさらに,培養骨系細胞を用いて種々の薬効判定や細胞機能の研究を行うのに有用なアッセイシステムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a simple and inexpensive culture substrate that promotes bone formation. It is another object of the present invention to provide an assay system useful for various drug efficacy determinations and cell function studies using cultured bone cells.

本発明者らは,骨の構成成分であるアパタイト(リン酸カルシウム)粒子の層とコラーゲン層とを基材表面に積層することにより,骨マトリックス様の培養基質を形成しうることを見いだした。すなわち,本発明は,基材表面に積層されたアパタイト粒子層およびコラーゲン層を有することを特徴とする,骨系細胞培養用基質を提供する。   The present inventors have found that a bone matrix-like culture substrate can be formed by laminating a layer of apatite (calcium phosphate) particles, which are bone constituents, and a collagen layer on the substrate surface. That is, the present invention provides a bone cell culture substrate characterized by having an apatite particle layer and a collagen layer laminated on a substrate surface.

別の態様においては,本発明は,上述の本発明の骨系細胞培養用基質を使用することを特徴とする骨系細胞培養方法を提供する。   In another aspect, the present invention provides a bone cell culture method characterized by using the bone cell culture substrate of the present invention described above.

さらに別の態様においては,本発明は,基材表面にアパタイト粒子層を形成し,次にコラーゲン層を形成することを特徴とする,骨系細胞培養用基質を製造する方法を提供する。好ましくは,アパタイト粒子層の形成は,揮発性溶媒中に懸濁したアパタイト粒子を噴霧することにより行われる。さらに好ましくは,基材表面に複数のアパタイト粒子層と複数のコラーゲン層とを重層して形成する。   In yet another aspect, the present invention provides a method for producing a bone cell culture substrate, characterized in that an apatite particle layer is formed on the surface of a substrate, and then a collagen layer is formed. Preferably, the apatite particle layer is formed by spraying apatite particles suspended in a volatile solvent. More preferably, a plurality of apatite particle layers and a plurality of collagen layers are layered on the substrate surface.

本発明者らはまた,本発明の骨系細胞培養用基質を使用して骨系細胞を培養し,形成される石灰化結節を蛍光試薬カルセインでラベルすることによって,大量のサンプルについても容易に骨形成能を評価しうることを見いだした。すなわち,別の観点においては,本発明は,培養骨髄細胞の骨形成能をアッセイする方法であって,本発明の骨系細胞培養用基質を使用してカルセインの存在下で骨髄細胞を培養し,蛍光強度の測定により産生された石灰化結節量を測定することを特徴とする方法を提供する。   The present inventors also easily cultured a large amount of samples by culturing bone cells using the bone cell culture substrate of the present invention and labeling the calcified nodules formed with a fluorescent reagent calcein. It was found that bone formation ability can be evaluated. That is, in another aspect, the present invention relates to a method for assaying the bone forming ability of cultured bone marrow cells. The bone marrow cell culture substrate of the present invention is used to culture bone marrow cells in the presence of calcein. The present invention provides a method characterized by measuring the amount of calcified nodules produced by measuring fluorescence intensity.

本発明の骨系細胞培養用基質は,基材表面に積層されたアパタイト粒子層およびコラーゲン層を有することを特徴とする。基材としては,一般に細胞培養に用いられているプラスチック製の培養プレートやガラス等を用いることができる。これらの基材の表面を有機溶媒やサンドブラスト等で表面改質してもよい。このことにより,基材とコーティング層との接着力が高まり,コーティング層を剥がれにくくすることができる。好ましい態様においては,基材として丸形カバーグラスを用いる。特に,φ12の大きさの丸形カバーグラスは24穴マルチプレートで用いることができるため,骨形成能のアッセイや光学顕微鏡による観察に便利である。   The bone cell culture substrate of the present invention is characterized by having an apatite particle layer and a collagen layer laminated on the substrate surface. As the substrate, a plastic culture plate or glass generally used for cell culture can be used. The surface of these base materials may be surface-modified with an organic solvent or sand blast. Thereby, the adhesive force between the substrate and the coating layer is increased, and the coating layer can be made difficult to peel off. In a preferred embodiment, a round cover glass is used as the substrate. In particular, a round cover glass having a size of φ12 can be used in a 24-well multiplate, which is convenient for an osteogenesis assay or observation with an optical microscope.

アパタイト(リン酸カルシウム)はヒトの骨および歯の主成分である。アパタイト粒子としては,単斜晶ハイドロキシアパタイト(HAP),単斜晶リン酸三カルシウム(α−TCP),三方晶リン酸三カルシウム(β−TCP)などを用いることができる。粒子の大きさの好ましい範囲は,1μmから5μmである。   Apatite (calcium phosphate) is the main component of human bones and teeth. As the apatite particles, monoclinic hydroxyapatite (HAP), monoclinic tricalcium phosphate (α-TCP), trigonal tricalcium phosphate (β-TCP), or the like can be used. The preferred range of particle size is 1 μm to 5 μm.

コラーゲンは,細胞外マトリクスを構成する主要タンパク質成分であり,生体適合性材料や組織培養用の支持体などとして広く用いられている。ウシ,ブタなどから精製したコラーゲンや,これをさらに化学的または酵素的に処理した各種のコラーゲン調製物が市販されており,本発明においてはこれらのいずれも用いることができる。   Collagen is a major protein component constituting an extracellular matrix, and is widely used as a biocompatible material or a support for tissue culture. Collagen purified from cattle, pigs, and the like, and various collagen preparations obtained by further chemical or enzymatic treatment thereof are commercially available, and any of these can be used in the present invention.

本発明のアパタイト・コラーゲンコーティング基質は,基材表面にアパタイト粒子層を形成し,次にコラーゲン層を形成することにより製造することができる。好ましくは,アパタイト粒子層の形成は,揮発性溶媒中に懸濁したアパタイト粒子を基材表面に噴霧することにより行う。揮発性溶媒としては,無水エタノール等を用いることができる。揮発性溶媒は噴霧後に迅速に揮発するため,アパタイト微粒を連続的に噴霧することができ,基材上にむらなくコーディングすることができる。特に,低濃度の懸濁液を繰り返し用いることによって均一なコーティングを行うことが可能である。なお,リン酸カルシウム微粒をあらかじめコラーゲン溶液に分散させた懸濁液を噴霧すると,コーティングむらが発生しやすくなり,コラーゲン溶液の濃度を変えながらコーティングを試行したものの満足な結果は得られなかった。   The apatite / collagen-coated substrate of the present invention can be produced by forming an apatite particle layer on the substrate surface and then forming a collagen layer. Preferably, the apatite particle layer is formed by spraying apatite particles suspended in a volatile solvent on the surface of the substrate. As the volatile solvent, absolute ethanol or the like can be used. Since the volatile solvent volatilizes quickly after spraying, the apatite fine particles can be sprayed continuously and can be uniformly coded on the substrate. In particular, it is possible to perform uniform coating by repeatedly using a low-concentration suspension. In addition, when spraying a suspension in which calcium phosphate fine particles were dispersed in a collagen solution in advance, coating unevenness was likely to occur, and satisfactory results were not obtained although coating was attempted while changing the concentration of the collagen solution.

次いでコラーゲンのコーティング層を積層する。市販のコラーゲン粉末あるいは溶液を,水,緩衝液,希酸などに0.01−10mg/mlの濃度で溶解あるいは希釈することによりコラーゲン溶液を作成し,これをアパタイト粒子でコーティングした基材上に噴霧または塗布する。積層するコラーゲンの好ましい量は,1μg/cm−5μg/cmである。また,アパタイトコーティングとコラーゲンコーティングとを交互に繰り返し,コーティング層を重ねると,基質の強度をさらに高めることができる。形成するコーティング層の好ましい厚みは,5μm−15μmである。骨系細胞培養用基質は,紫外線照射,γ線照射等によって滅菌することができる。 A collagen coating layer is then laminated. A collagen solution is prepared by dissolving or diluting a commercially available collagen powder or solution in water, buffer solution, dilute acid, etc. at a concentration of 0.01-10 mg / ml, and this is applied to a substrate coated with apatite particles. Spray or apply. The preferred amount of collagen laminate is 1μg / cm 2 -5μg / cm 2 . Moreover, the strength of the substrate can be further increased by repeating the apatite coating and the collagen coating alternately and overlapping the coating layers. A preferable thickness of the coating layer to be formed is 5 μm to 15 μm. The substrate for skeletal cell culture can be sterilized by ultraviolet irradiation, γ-ray irradiation or the like.

本発明のアパタイト・コラーゲンコーティング基質には,さらに,骨シアロプロテイン,オステオポンチン,TGF−β等の,生体骨マトリックスが含有するタンパク質を添加してもよい。   The apatite / collagen-coated substrate of the present invention may further contain a protein contained in a living bone matrix such as bone sialoprotein, osteopontin, TGF-β and the like.

別の観点においては,本発明は,このようにして製造した骨系細胞培養用基質を使用する骨系細胞の培養方法を提供する。骨系細胞としては,例えば,骨髄細胞,骨芽細胞,破骨細胞,骨細胞が挙げられる。骨系細胞は,当該技術分野においてよく知られる方法により動物から採取してもよく,あるいは樹立された細胞株を用いてもよい。培養プレート上に本発明の骨系細胞培養用基質を形成させるか,あるいは表面に骨系細胞培養用基質を形成したガラスまたはプラスチック片を培養プレートに入れ,培地を加え,骨系細胞を播種する。培地としては,例えば,α−MEM,D−MEM等を用いることができ,細胞の由来や種,目的に応じて最適なものを選択することができる。骨系細胞の好適な培養条件および継代方法は,当該技術分野においてよく知られている。   In another aspect, the present invention provides a method for culturing bone cells using the bone cell culture substrate thus produced. Examples of bone cells include bone marrow cells, osteoblasts, osteoclasts, and bone cells. Bone cells may be collected from animals by methods well known in the art, or established cell lines may be used. The bone cell culture substrate of the present invention is formed on the culture plate, or a glass or plastic piece with the bone cell culture substrate formed on the surface is placed in the culture plate, the medium is added, and the bone cells are seeded. . As the medium, for example, α-MEM, D-MEM and the like can be used, and an optimal one can be selected according to the origin, species, and purpose of the cell. Suitable culture conditions and passage methods for bone cells are well known in the art.

骨系細胞の骨芽細胞への分化は,マウスより単離した骨髄細胞をこの基質上で培養し,骨芽細胞への分化を示すアルカリフォスファターゼ(ALP)活性,細胞数と相関する総タンパク質量をそれぞれ定量することにより測定することができる。さらに,培養細胞を固定し,この試料を走査型電子顕微鏡で観察することにより,細胞外マトリックスの産生を評価することができる。   Differentiation of osteogenic cells into osteoblasts consists of culturing bone marrow cells isolated from mice on this substrate, alkaline phosphatase (ALP) activity indicating differentiation into osteoblasts, and total protein amount correlated with the number of cells. Can be measured by quantifying each. Furthermore, the production of extracellular matrix can be evaluated by fixing cultured cells and observing the sample with a scanning electron microscope.

下記の実施例に示されるように,本発明のアパタイト・コラーゲンコーティング基質を用いて骨髄細胞を培養すると,骨芽細胞への分化および細胞外マトリックスの産生が促進されることが明らかになった。すなわち,従来の培養基質と比較して,アパタイト・コラーゲンコーティング基質は,骨髄細胞から骨芽細胞への分化の迅速化,細胞外マトリックスの産生促進の効果を有することが認められた。   As shown in the Examples below, it has been clarified that when bone marrow cells are cultured using the apatite-collagen-coated substrate of the present invention, differentiation into osteoblasts and production of extracellular matrix are promoted. That is, it was confirmed that the apatite / collagen-coated substrate had an effect of accelerating differentiation from bone marrow cells to osteoblasts and promoting production of extracellular matrix, compared to conventional culture substrates.

従来のプラスチック培養基質上で骨髄細胞を培養し骨マトリックスを産生させるためには,β−グリセロホスフェート,アスコルビン酸およびデキサメタゾンを培養液に添加して3〜4週間を要していた。これに対し,生体骨組織と類似する本発明の培養基質上では,これらの添加を行うことなく1週間程度の培養で細胞外マトリックスの産生を認めた。このことは,本発明のアパタイト・コラーゲンコーティング基質が細胞の分化や機能発現を促進することを示唆する。   In order to produce bone matrix by culturing bone marrow cells on a conventional plastic culture substrate, it took 3 to 4 weeks after adding β-glycerophosphate, ascorbic acid and dexamethasone to the culture solution. On the other hand, on the culture substrate of the present invention similar to the living bone tissue, the production of extracellular matrix was observed in the culture for about one week without adding these. This suggests that the apatite / collagen-coated substrate of the present invention promotes cell differentiation and functional expression.

さらに別の観点においては,本発明は,培養骨髄細胞の骨形成能をアッセイする方法を提供する。この方法は,骨系細胞培養用基質を用いて本発明のカルセインの存在下で骨髄細胞を培養し,蛍光強度の測定により産生された石灰化結節量を測定することを含む。   In yet another aspect, the present invention provides a method for assaying the osteogenic potential of cultured bone marrow cells. This method includes culturing bone marrow cells in the presence of calcein of the present invention using a bone cell culture substrate and measuring the amount of calcified nodules produced by measuring fluorescence intensity.

カルセインとは蛍光試薬の一種であり,これを添加した培養液を用いて骨系細胞を培養すると,石灰化結節が形成される際にカルシウムがカルセインとキレート結合し,沈着した石灰化部分が緑色蛍光を発するようになる。本発明の方法を利用することにより,アパタイト・コラーゲンコーティング基質上に新しく形成された石灰化結節を識別することが可能となる。また,24穴マルチプレートに入れたアパタイト・コラーゲンコーテイング基質上で細胞培養を行えば,従来から種々のアッセイに用いられている汎用のプレートリーダーによって,大量サンプルの骨形成能を蛍光強度として容易に評価することが可能である。   Calcein is a type of fluorescent reagent. When bone cells are cultured using a culture solution containing this reagent, calcium is chelated to calcein when calcified nodules are formed, and the deposited calcified portion is green. It becomes fluorescent. By utilizing the method of the present invention, it is possible to identify newly formed calcified nodules on the apatite-collagen coating matrix. In addition, if cell culture is performed on an apatite / collagen coating substrate placed in a 24-well multi-plate, a general-purpose plate reader that has been used in various assays in the past can easily convert bone formation ability of a large number of samples as fluorescence intensity. It is possible to evaluate.

本発明の培養基質およびアッセイシステムを用いることによって,生体に類似した環境下での骨形成能の評価が可能になった。本発明の培養基質は,アパタイト・コラーゲン層の形成が短時間で行えること,層を自由に重ねることでコーティングの厚みや強度を制御出来ること等の利点を有する。本発明の培養基質およびアッセイシステムは,臨床で用いられている骨疾患治療薬および候補薬剤のスクリーニングに有用であり,さらに,人工関節や人工歯根等のインプラント材料に対する早期骨接合・骨誘導への応用が可能である。   By using the culture substrate and assay system of the present invention, it has become possible to evaluate the bone forming ability in an environment similar to a living body. The culture substrate of the present invention has advantages such that the formation of the apatite / collagen layer can be performed in a short time and the thickness and strength of the coating can be controlled by freely stacking the layers. The culture substrate and assay system of the present invention are useful for screening bone disease treatment drugs and candidate drugs used in clinical practice, and further to early osteosynthesis and bone induction for implant materials such as artificial joints and artificial roots. Application is possible.

以下に実施例により本発明をより詳細に説明するが,本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。   EXAMPLES The present invention will be described below in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.

アパタイト・コラーゲンコーティング基質の製作
基質をコーティングするためのリン酸カルシウム微粒としてアパタイト単斜晶(和光純薬)を,コラーゲンとしてラット由来のラットテールコラーゲンタイプI(BD Biosciences)を用いた。まず,アパタイト単斜晶を20,40または60mg/mlの濃度で100%エタノールに懸濁した。この懸濁液をエアブラシによって丸形カバーグラス(φ12)に噴霧した。噴霧と風乾を繰り返してカバーグラスを均一にアパタイトコーティングした後,0.2M酢酸によって希釈した0.15mg/mlのラットテールコラーゲンタイプI溶液を続けて噴霧し風乾することによって,ガラス上にアパタイト・コラーゲンコーティング基質を形成した。
Production of apatite / collagen-coated substrate Apatite monoclinic crystals (Wako Pure Chemical Industries) were used as calcium phosphate granules for coating the substrate, and rat-tailed collagen type I (BD Biosciences) derived from rats was used as collagen. First, apatite monoclinic crystals were suspended in 100% ethanol at a concentration of 20, 40 or 60 mg / ml. This suspension was sprayed onto a round cover glass (φ12) with an airbrush. After spraying and air-drying to uniformly coat the cover glass with apatite, 0.15 mg / ml rat tail collagen type I solution diluted with 0.2 M acetic acid is continuously sprayed and air-dried. A collagen coating matrix was formed.

製作したアパタイト・コラーゲンコーティング基質を24穴マルチプレートに入れ,12時間の紫外線照射によって滅菌した。さらに基質をPBS(リン酸緩衝化食塩水)で洗浄し,あらかじめ培養液に浸漬した後に,細胞培養に用いた。   The prepared apatite / collagen-coated substrate was placed in a 24-well multiplate and sterilized by ultraviolet irradiation for 12 hours. Further, the substrate was washed with PBS (phosphate buffered saline), immersed in a culture solution in advance, and used for cell culture.

製作したアパタイト・コラーゲンコーティングプレートの外観を図1に,コーティング基質表面をSEMによって観察した画像を図2に示す。丸形カバーグラス上にアパタイト・コラーゲンコーティングした基質は,細胞培養実験に頻繁に用いられる24穴マルチプレートに入れて使用することが可能である(図1)。基質表面は,直径2〜3μm程度のアパタイト微粒によって均一なコーティングがなされていた(図2B)。   FIG. 1 shows the appearance of the manufactured apatite / collagen coating plate, and FIG. 2 shows an image obtained by observing the surface of the coating substrate by SEM. A substrate coated with apatite / collagen on a round cover glass can be used in a 24-well multiplate frequently used in cell culture experiments (FIG. 1). The substrate surface was uniformly coated with apatite granules having a diameter of about 2 to 3 μm (FIG. 2B).

骨髄細胞の単離と培養
骨髄細胞は,8〜12週齢Jc1:ICRマウス(九動)から採取した。大腿骨・脛骨・上腕骨の両骨端を切離して骨髄を洗い出し,カルチャーディッシュ(φ100,BD Falcon)上で2時間培養した。培養後,非付着性細胞のみを回収し,実験に用いた。すべての培養には,10%iFBS(ウシ胎児血清,Gibco BRL,1%抗生物質(ペニシリンおよびストレプトマイシン,Gibco BRL)を添加したα−MEM(α最小必須培地,Gibco BRL)を用いた。
Bone marrow cell isolation and culture Bone marrow cells were collected from 8-12 week old Jc1: ICR mice (Kyudou). The bone ends of the femur, tibia, and humerus were dissected and the bone marrow was washed out and cultured on a culture dish (φ100, BD Falcon) for 2 hours. After culturing, only non-adherent cells were collected and used for experiments. For all cultures, α-MEM (α minimal essential medium, Gibco BRL) supplemented with 10% iFBS (fetal bovine serum, Gibco BRL, 1% antibiotics (penicillin and streptomycin, Gibco BRL)) was used.

アパタイト・コラーゲンコーティング基質が細胞分化に与える影響
本発明の基質が骨形成能に与える影響を評価するために,アパタイト・コラーゲンコーテイング基質とガラス基質上で骨髄細胞培養を行った。それぞれの基質を24穴マルチプレートに入れ,l0細胞/ウエルの密度で細胞を播種した。37℃,5%CO濃度に維持したインキュベータ内にプレートを静置し,3〜4日に一度,培養液を半量交換しながら,1週間の培養を行った。
Effect of apatite / collagen-coated substrate on cell differentiation In order to evaluate the effect of the substrate of the present invention on bone formation ability, bone marrow cell culture was performed on an apatite / collagen coating substrate and a glass substrate. Put each substrate to a 24-well multiplate, cells were seeded at a density of l0 6 cells / well. The plate was allowed to stand in an incubator maintained at 37 ° C. and 5% CO 2 concentration, and cultured for 1 week while exchanging half of the culture solution once every 3 to 4 days.

1週間の培養後,骨芽細胞への分化を示すアルカリフォスファターゼ(ALP)活性および細胞数と相関する総タンパク質量の比較を行うために,細胞をバッファー(50mM Trs−HCl,0.1% Triton−X100,0.9%NaCl,pH7.6)に溶解した。溶解物に含まれるALP酵素をpNPP(p−ニトロフェニルホスフェート)と反応させ,その呈色の強度をプレートリーダーにて定量した。総タンパク質量についてはブラッドフォード(Bradford)試薬(Bio−rad)を用いた定量を行った。さらに,一部の試料については培養後に4%パラホルムアルデヒドにて固定し,エタノールによる段階脱水,乾燥および金蒸着を行って走査型電子顕微鏡(SEM)観察に供した。   After one week of culture, cells were buffered (50 mM Trs-HCl, 0.1% Triton) to compare alkaline phosphatase (ALP) activity indicative of osteoblast differentiation and total protein quantity correlated with cell number. -X100, 0.9% NaCl, pH 7.6). The ALP enzyme contained in the lysate was reacted with pNPP (p-nitrophenyl phosphate), and the intensity of coloration was quantified with a plate reader. The total protein amount was quantified using Bradford reagent (Bio-rad). Furthermore, some samples were fixed with 4% paraformaldehyde after culturing, subjected to stepwise dehydration with ethanol, drying and gold vapor deposition, and subjected to observation with a scanning electron microscope (SEM).

結果を図3および図4にそれぞれ示す。アパタイト・コラーゲンコーティング基質上の培養とガラス基質上の培養とで,総タンパク質量についての有意差はなかった。細胞播種後3,7,10,14日目まで経時的に培養を行いALP活性と総タンパク質量を定量した結果を図5および図6にそれぞれ示す。培養期間を通して総タンパク質量の変化は認められなかった。一方,ALP活性は培養期間とともに増大していた。培養3日目ではアパタイト・コラーゲンコーティング基質上でのALP活性はガラス基質上でのそれよりも有意に大きかったが,それ以降,有意差は認められなかった。   The results are shown in FIGS. 3 and 4, respectively. There was no significant difference in the total protein content between the culture on the apatite / collagen-coated substrate and the culture on the glass substrate. FIG. 5 and FIG. 6 show the results of culturing over time until 3, 7, 10, and 14 days after cell seeding and quantifying the ALP activity and the total protein amount, respectively. There was no change in total protein throughout the culture period. On the other hand, ALP activity increased with the culture period. On the third day of culture, ALP activity on the apatite / collagen-coated substrate was significantly greater than that on the glass substrate, but no significant difference was observed thereafter.

アパタイト・コラーゲンコーティング基質上およびガラス基質上において骨髄細胞を10日間培養したときのSEM写真を,図7および図8にそれぞれ示す。ガラス基質上では骨髄細胞から分化した骨芽細胞様細胞が扁平に伸展しており(図8B),細胞外マトリックス等の産生は認められなかった。一方,アパタイト・コラーゲンコーティング基質上においては,細胞は立体的に分布し基質を覆っていた(図7B)。骨髄細胞から分化した骨芽細胞様細胞は活発なマトリックスの産生を行っており,自らが産生したマトリックスに埋もれてしまった細胞も観察された(図7C)。生体骨組織において骨芽細胞は自分が産生した骨マトリックスに埋もれ,さらに骨細胞へと最終分化することが知られており,本発明のアパタイト・コラーゲンコーティング基質上における細胞培養でもこのような生体内における細胞分化とマトリックス産生過程がよく再現された。   SEM photographs of bone marrow cells cultured for 10 days on an apatite / collagen-coated substrate and a glass substrate are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. On the glass substrate, osteoblast-like cells differentiated from bone marrow cells were flattened (FIG. 8B), and production of extracellular matrix or the like was not observed. On the other hand, on the apatite / collagen-coated substrate, the cells were three-dimensionally distributed and covered the substrate (FIG. 7B). Osteoblast-like cells differentiated from bone marrow cells are actively producing matrix, and cells buried in the matrix produced by themselves were also observed (FIG. 7C). In living bone tissue, it is known that osteoblasts are buried in the bone matrix produced by them and further differentiated into bone cells, and even in cell culture on the apatite / collagen-coated substrate of the present invention, The cell differentiation and matrix production processes were well reproduced.

刺激因子添加の影響
本発明の基質に刺激因子を添加することによって骨形成能が促進されるか否かを評価するために,アパタイト・コラーゲンコーティング時に以下の各因子を添加した基質を製作した。
(a)β−グリセロホスフェート(l0mM)およびアスコルビン酸(50μg/ml)
(b)β−グリセロホスフェート(l0mM),アスコルビン酸(50μg/ml)およびデキサメタゾン(10−8M)
(c)ビタミンD3(l0nM)
経時的に培養3,7,10,14日日におけるアルカリフォスファターゼ活性と総タンパク質量の定量を行った。
Effect of Stimulation Factor Addition In order to evaluate whether or not bone formation ability is promoted by adding a stimulation factor to the substrate of the present invention, a substrate was prepared by adding each of the following factors during apatite / collagen coating.
(A) β-glycerophosphate (10 mM) and ascorbic acid (50 μg / ml)
(B) β-glycerophosphate (10 mM), ascorbic acid (50 μg / ml) and dexamethasone (10 −8 M)
(C) Vitamin D3 (10 nM)
The alkaline phosphatase activity and the total protein amount on the 3rd, 7th, 10th, and 14th days of culture were measured over time.

結果を図9および図10にそれぞれ示す。培養期間を通して総タンパク質量の有意な変化は認められなかった。一方,ALP活性は培養期間とともに増大していた。しかしながら,各刺激因子の添加によってALP活性の増加は認められず,むしろ活性減少の傾向を示した。   The results are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. There was no significant change in total protein throughout the culture period. On the other hand, ALP activity increased with the culture period. However, the increase of ALP activity was not recognized by the addition of each stimulating factor, but rather the activity decreased.

石灰化結節の定量アッセイ
蛍光試薬カルセインを1μg/m1濃度で培養液に添加し,骨髄細胞培養を3週間行った。石灰化結節が形成される際にCa2+がカルセインとキレート結合するため,沈着した石灰化部分は緑色蛍光を発するようになる。3週間の培養後,4%パラホルムアルデヒドにて固定し,蛍光顕微鏡および共焦点レーザー顕微鏡による観察を行った。なお,培養はガラス基質上で行い,石灰化を促進させるための因子としてl0mM β−グリセロホスフェート,50μg/ml アスコルビン酸および10−8M デキサメタゾンを添加した。
Quantitative Assay for Calcified Nodules The fluorescent reagent calcein was added to the culture solution at a concentration of 1 μg / m1, and bone marrow cell culture was performed for 3 weeks. Since Ca 2+ chelates with calcein when a calcified nodule is formed, the deposited calcified portion emits green fluorescence. After culturing for 3 weeks, the cells were fixed with 4% paraformaldehyde and observed with a fluorescence microscope and a confocal laser microscope. The culture was carried out on a glass substrate, and 10 mM β-glycerophosphate, 50 μg / ml ascorbic acid and 10 −8 M dexamethasone were added as factors for promoting calcification.

結果を図11に示す(A:コントロール,B:β−グリセロホスフェートおよびアスコルビン酸添加,C:β−グリセロホスフェート,アスコルビン酸およびデキサメタゾン添加)。石灰化を促進させるための因子として10mM β−グリセロホスフェート,50μg/ml アスコルビン酸および10−8M デキサメタゾンを添加した培養では,蛍光顕微鏡によって緑色蛍光を放つ石灰化結節が観察された。さらに,結節を共焦点レーザー顕微鏡によって観察した結果を図12に示す(A:微分干渉像,B:カルセイン蛍光像,c:三次元再構築した石灰化結節像)。培養基質面と垂直方向に2μmピッチで観察を行うことによって連続する18枚のスライス画像を得た。これを三次元再構築することによって,石灰化結節の三次元的な構造を評価することが可能となった(図12C)。 The results are shown in FIG. 11 (A: control, B: β-glycerophosphate and ascorbic acid added, C: β-glycerophosphate, ascorbic acid and dexamethasone added). In culture to which 10 mM β-glycerophosphate, 50 μg / ml ascorbic acid and 10 −8 M dexamethasone were added as factors for promoting calcification, calcified nodules emitting green fluorescence were observed by a fluorescence microscope. Furthermore, the result of having observed the nodule with the confocal laser microscope is shown in FIG. 12 (A: differential interference image, B: calcein fluorescence image, c: three-dimensionally reconstructed calcified nodule image). Observation was performed at a pitch of 2 μm in a direction perpendicular to the culture substrate surface to obtain 18 consecutive slice images. By reconstructing this three-dimensionally, it became possible to evaluate the three-dimensional structure of the calcified nodule (FIG. 12C).

アパタイト・コラーゲンコーテイングプレートの外観Appearance of apatite / collagen coating plate アパタイト・コラーゲンコーテイング基質表面の電子顕微鏡写真Electron micrograph of apatite / collagen coating substrate surface 骨髄細胞培養1週間後のALP活性の比較Comparison of ALP activity after 1 week of bone marrow cell culture 骨髄細胞培養1週間後の総タンパク質量の比較Comparison of total protein after one week of bone marrow cell culture 骨髄細胞培養におけるALP活性の経時的変化Time course of ALP activity in bone marrow cell culture 骨髄細胞培養における総タンパク質量の経時的変化Time course of total protein in bone marrow cell culture アパタイト・コラーゲンコーティング基質上で培養した骨髄細胞のSEM画像SEM image of bone marrow cells cultured on apatite / collagen coated matrix ガラス基質上で培養した骨髄細胞のSEM画像SEM image of bone marrow cells cultured on glass substrate 各刺激因子を添加した基質上での骨髄細胞培養におけるALP活性の経時的変化Changes in ALP activity over time in bone marrow cell culture on substrates supplemented with various stimulating factors 各刺激因子を添加した基質上での骨髄細胞培養における総タンパク質量の経時的変化Changes in total protein over time in bone marrow cell cultures on substrates supplemented with various stimulating factors 蛍光頭微鏡を用いた石灰化結節の観察Observation of calcified nodules using fluorescent microscope 共焦点レーザー顕微鏡を用いた石灰化結節の観察Observation of calcified nodule using confocal laser microscope

Claims (7)

基材表面に積層されたアパタイト粒子層およびコラーゲン層を有することを特徴とする,骨系細胞培養用基質。 A bone cell culture substrate comprising an apatite particle layer and a collagen layer laminated on a substrate surface. 請求項1記載の骨系細胞培養用基質を使用することを特徴とする骨系細胞培養方法。 A bone cell culture method comprising the bone cell culture substrate according to claim 1. 骨系細胞培養用基質を製造する方法であって,基材表面にアパタイト粒子層を形成し,次にコラーゲン層を形成することを特徴とする方法。 A method for producing a bone cell culture substrate, wherein an apatite particle layer is formed on a substrate surface, and then a collagen layer is formed. 骨系細胞培養用基質を製造する方法であって,基材表面に複数のアパタイト粒子層と複数のコラーゲン層とを重層して形成することを特徴とする方法。 A method for producing a bone cell culture substrate, wherein a plurality of apatite particle layers and a plurality of collagen layers are layered on a substrate surface. アパタイト粒子層の形成が,揮発性溶媒中に懸濁したアパタイト粒子を噴霧することにより行われる,請求項3または4に記載の方法。 The method according to claim 3 or 4, wherein the apatite particle layer is formed by spraying apatite particles suspended in a volatile solvent. 請求項3−5のいずれかに記載の方法により製造された骨系細胞培養用基質を使用することを特徴とする骨系細胞培養方法。 A bone cell culture method comprising using the bone cell culture substrate produced by the method according to any one of claims 3-5. 培養骨髄細胞の骨形成能をアッセイする方法であって,カルセインの存在下で請求項1記載の骨系細胞培養用基質上で骨髄細胞を培養し,蛍光強度を測定することにより,産生された石灰化結節量を測定することを特徴とする方法。

A method for assaying bone forming ability of cultured bone marrow cells, which is produced by culturing bone marrow cells on the bone cell culture substrate according to claim 1 in the presence of calcein and measuring fluorescence intensity. A method characterized by measuring the amount of calcified nodule.

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