再生医療用細胞の製造では、細胞の品質の安定化、製造コストの低減、製造の安定化等の課題を解決するため、細胞培養の自動化が進められている。ただし、現在の自動化の多くは細胞の状態に関わらず事前に設定した作業を自動で行い、培養終了後に細胞を一部抜き取り侵襲的手法で細胞の品質を評価するものである。培養中に非侵襲に細胞の状態を評価できれば、培養継続の判断、培養条件の改善等、生産効率の向上が期待できる。上記の課題の解決のため、培養中の細胞に対し非侵襲な方法で細胞の状態をモニタリングする技術の開発を行った。iPS細胞からドパミン神経前駆細胞への分化誘導系をモデルケースとして、培養上清ならびに画像解析による分化誘導効率のモニタリングを検討した。

培養上清中の成分の解析については、昨年度から引き続き、低分子、分泌タンパク質、エクソソームを対象とした。標準的な培養条件(標準条件)と分化誘導効率が低下する培養条件(逸脱条件)を設定し、比較実験を繰り返し、再現性をもって逸脱を検知できるものを探索した。低分子においては、網羅的解析からモニタリング指標となるもの1種類を特定した。分泌タンパク質については、特定した4種類のうち2種類で分化誘導効率と高い相関関係を認めた。エクソソームに関しては、内在するmiRNAの分析から6種類特定し、さらに表面タンパク質の中で特定された3種類のうち1種類で分化誘導効率との相関関係を見出した。培養上清のオンライン計測法としてエクソソームのラマン分光を検討し、培養回ごとの再現性があることを示した。これらの培養上清分析と並行して、シングルセル遺伝子発現解析を実施し、指標として選定された分泌タンパク質濃度、およびエクソソーム表面タンパク質の発現のパターンと対応する遺伝子発現の変化について再現性を確認し、選定された指標が妥当であると裏付けた。
細胞画像解析については、画像から分化誘導効率だけでなくiPS細胞の未分化状態のクラスの推定も可能であることを示した。しかし、クラス分類の解像度が低い場合、また撮影法が異なる場合には、推定が困難であるという課題があることが分かった。
以上のモニタリング技術は、従来のグルコースや乳酸等の計測では判断できなかった分化誘導に関する情報を与えるものである。これらの指標をリアルタイム計測することで、早期の段階で製造継続の可否判断を行うことができる。