再生医療における移植用細胞の調整を自動化する細胞培養加工施設を開発
理化学研究所、株式会社VC Cell Therapy、ダイダン株式会社技術研究所、ロボティックバイオロジー・インスティテュート株式会社の研究開発グループは、ヒューマノイドロボットを実際の網膜再生医療の臨床研究で利用するために、移植用細胞の調整のためのロボット用細胞培養加工施設「Robotic Cell Processing Facility（R-CPF）」を開発しました。
移植細胞の調整のためには実験空間の清浄化が必要不可欠であり、今回開発したRobotic Cell Processing Facilityはその正常レベルをクリアした世界初の施設となります。
理化学研究所生命機能科学研究センター、バイオコンピューティング研究チームの神田元紀上級研究員（神戸市立神戸アイセンター病院研究センター研究員兼務）が中心となった研究チームですが、各企業からはVC Cell Therapyの高橋政代代表取締役社長（神戸市立神戸アイセンター病院研究センター理事を兼務）、ダイダン株式会社からは古川悠課長代理、ロボティックバイオロジー・インスティテュート株式会社からは松熊研司代表取締役が参加しています。
神田元紀上級研究員はラボラトリーオートメーション、バイオプロセス工学を専門としている研究者です。
VC Cell Therapyの高橋政代代表取締役社長は理化学研究所多細胞システム形成研究センター網膜再生医療研究開発プロジェクトのプロジェクトリーダーとして、従来、再生不可能と考えられていた網膜再生医療技術の研究を行い、実際に開発に成功した研究者です。
ダイダン株式会社の古川悠課長代理は工学系の研究者であり、工学系の研究で業績を挙げています。
ロボティックバイオロジー・インスティテュート株式会社の松熊研司代表取締役はいままで早稲田大学理工学部、安川電機に所属していた経歴を持ち、いずれでも工学系の業績を挙げています。
Robotic Cell Processing Facilityを使って再生医療向けのiPS細胞を培養する臨床研究は、2022年2月に厚生労働省の承認を受け、これまでこの研究グループで進められてきました。
今回開発に目途が立ったヒューマノイドロボットが臨床の現場で使用が可能となれば、再生医療がさらに拡大すると期待されています。
移植用細胞製造のために必要な条件
iPS細胞などの幹細胞を使った再生医療に用いられる移植用の細胞の製造は、無菌状態の細胞培養環境が必要です。
研究においても細胞培養を行う場合は無菌状態で行うことが求められますが、医療用の製品となると、さらに厳しい安全性の保証が求められます。
さらに、常に同じ品質の細胞を製造できるという「高い操作再現性」が求められます。
必然的に作業者には正確性と安全性の確保が求められるため、大きな負担を強いることになります。
そしてこういった操作技術には経験が必要であり、人員の確保も大きな問題の一つです。
こういった状況下で、ロボットの導入による細胞製造工程の自動化が注目されています。
今回、共同研究グループは、高精度な生命科学実験動作が可能な汎用ヒト型ロボットLabDroid「まほろ」とコンパクトに設計されたクリーンルームユニットであるAll-in-One CP Unitを組み合わせたシステムを作り上げ、臨床研究に必要なレベルの清浄度を確保、その環境下で細胞調整を自動化することが可能であることを示しました。
研究開発の背景
神戸市立神戸アイセンター病院を中心とする共同研究グループは、網膜色素上皮不全症の患者に対する網膜再生医療に取り組んでいます。
網膜色素上皮不全症は、眼の疾病の中で難病とされている加齢黄斑変性を含みます。
iPS細胞から網膜色素上皮細胞を分化誘導し、この細胞を移植することで治療することを目的とした細胞治療の臨床研究は、2014年に世界初の1例目、2017年に5例の実施が報告されました。
2021年の発表では引き続き移植の実施を行うことが発表されており、治療方法として確立されつつあります。
しかし現時点では先に述べたように、移植用の細胞の製造は作業者への身体的・精神的な負担が大きく、高い再現性で作業できる人材の育成も容易ではありません。
そのため、多くの患者に対する細胞治療が難しいという現状があります。
これらは再生医療のコストが下がりにくい理由の一つに挙げられ、この問題の克服のために細胞製造現場にロボットを導入し、細胞製造工程を自動化しようとする試みは以前から行われてきました。
この研究グループはこれまでに、2020年に「ヒューマノイドロボットとAIによる自律細胞培養」、2022年には「再生医療用細胞レシピをロボットとAIが自律的に試行錯誤」の研究開発の成果を発表しています。
この研究開発を通じて汎用ヒト型ロボットLabDroid「まほろ」による再生医療用の細胞培養の利用可能性を検証してきました。
この過程で人間の実験手技をロボットに移転し、治療用・臨床研究用として利用可能な品質を備えた細胞をロボットでも培養できることが分かりました。
ロボット本体の研究開発の進捗と並行して、製造過程における無菌環境、清浄度の研究も進められてきました。
人間が手動で細胞を製造や調製をする場合には、細胞培養加工施設（Cell Processing Facility：CPF）と呼ばれる清浄度が高度に管理された施設で細胞を取り扱います。
しかし、ヒューマノイドロボットを動作主体とし、無菌環境を実現した施設はこれまでに作られていませんでした。
研究グループは、無菌環境、かつ清浄度が管理された環境でヒューマノイドロボットを利用するために、空調管理されたクリーンルームユニットを活用したRobotic Cell Processing Facilityを新たに開発しました。
このクリーンルームユニットとロボットを組み合わせることによって今回の無菌環境の構築の実証が行われ、成果が発表されました。
無菌環境構築の過程について
ロボットが細胞を直接操作するためには、ロボットが動くエリアを確保しなければなりません。
人間の場合は、それまでの経験などからある程度のスペースがあれば動きを調整することができますが、ロボットの場合はそのための動きをプログラムで組み込まなければなりません。
そのため、ある程度のスペースを確保し、さらにロボットの作業に必要な資材を準備するスペースも必要です。
共同研究グループはロボットが細胞を直接操作するロボットエリアを、人間が資材などの搬入出やロボットの操作を行うオペレータエリアで囲う構造を設計しました。
この2つのスペースの清浄度レベルは、日本再生医療学会の「再生医療等安全性確保法における細胞培養加工施設での無菌操作に関する考え方」に記載の構造設備基準を参考にしています。
ロボットエリアは無菌操作区域として清浄度レベルはグレードAとし、オペレータエリアは清浄度管理区域として清浄度レベルはグレードBとしました。
作業に関わる人間の更衣室は清浄度レベルをグレードCとし、これらの基準に到達するための清浄空気供給設備（ファンフィルターユニット）を設置しています。
この空調をコントロールするために、コンピュータによる空調シミュレーション（Computational Fluid Dynamics：CFD）を用いて、必要な清浄度を達成するための空調検証を行いました。
この検討で必要な清浄度を達成したハードとソフトの組み合わせを神戸市立神戸アイセンター病院にRobotic Cell Processing Facilityとして設置しました。
実際の細胞培養テストで好成績
実際にこのシステムで細胞培養を行い、浮遊菌、落下菌、表面付着菌のモニタリング、そして作業者の動線や作業手順の策定を試行錯誤し、制定しました。
この結果、モニタリング方法を含むSOPを確立し、全ての地点において浮遊微生物・付着微生物の測定値が清浄度レベルを満たしていることを確認しました。
そしてさらに細かい検証を重ねた結果、Robotic Cell Processing Facilityが臨床研究における細胞調製に利用可能なシステムであることが実証されました。
これによって、これまで作業環境が整わずロボットを導入できなかった臨床研究での細胞培養工程へのロボットの導入を可能としました。
作業者の負担減、教育コストの低減、再現性の向上は再生医療・細胞治療コストの低減につながるとされ、このシステムへの期待は高まっています。
2022年2月にこのシステムは厚生労働省の承認を受け、2022年12月には本臨床研究において細胞調製作業の一部にR-CPFを利用したことが発表されました。
この臨床研究では、ロボットによる作業は、凍結解凍した細胞の培養の一部工程のみが承認されており、今後対象工程が追加されていく予定になっています。
