JP2002508954A - 細胞または組織成分を培養するための培養装置および方法 - Google Patents
細胞または組織成分を培養するための培養装置および方法Info
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Abstract
Description
るための方法に関する。
役立つ。これらの既知の培養装置は液内培養システムにおける使用に限定され、
すなわち、細胞培養挿入物の膜上で、培養細胞が成層化により適当な栄養を含む
培養溶液を供給される。
題を解決するために組織の成長条件を変えることができることが望ましい。例え
ば、従来の培養装置で、気管の細胞の培養は、いわゆるトランスウエル(tra
nswell)システムとしてある企業から提供されている多孔質膜を使用して
も、空気−液体界面で行うことはできない。
および曝露条件を可能とするような形でさらに開発されている。
解決される。
養挿入物膜の上面より上にある(液内培養)またはちょうど膜に接触する(また
は幾分その内部にある)ように調節でき、その結果、下部から底面栄養供給がな
される。
・センサの出力信号が特定の設定レベル目標値に対応するようになるまで、培養
容器に所定量の培地を導入するかまたはそれを除去するように供給装置を制御す
ることにより簡単に行うことができる。
非常に精密かつ簡単に達成できる。異なる培養条件を作り出すために必要な装置
の部品は簡単で安価である。
給の差を非常に鋭く調節できるようになる。細胞培養挿入物上で行われる細胞培
養の様々な領域が厳密に同じ条件下で成長する。
中に分析でき、培地の組成から、その代謝生成物を介して細胞培養の成長に関す
る結論を引き出すことができる。
できる。多数の細胞培養用のこの培養装置の設計は簡単である。培養装置は小さ
い空間しか必要としない。
制御に単一のレベル・センサしか必要でない。
単に決定することが可能であり、したがって、容器は滑らかな表面を有し、浄化
を困難にする挿入物を含まない。培養容器はまた高温で簡単に滅菌できる。
調節することが可能である。
レベル・センサ自体は培養容器の広い高さ範囲にわたって測定し、レベルの事前
決定はレベル目標値信号を調節することによって行われる。
する場合、低価格で標準部品として入手できる部品が使用できる。
加させる点から有利である。このような多数培養装置のコストは低い。これは大
量生産で製造できる標準部品(モジュール)からなる。請求項11に記載の本発
明の追加の発展形は、望むならば、培養装置の全てのモジュールから同じ方法で
残留物なしに培地を除去することが可能である。
殖できるが、その代りに、様々な培養に対する(様々なモジュールに対する)代
謝生成物を介して成長の進展を調査することも可能である。
観点から有利である。
容器内で温度勾配が生じないことが保証される。
に簡単である。このようなモジュール配置は簡単に拡張できる。
離される。
なる気相溶媒で充填することができ、培養物の成長に対するその影響が調査でき
る。
期条件が作り出せる点で有利である。ガラス製の滅菌可能材料を使用する場合、
細胞培養との良好な視覚的接触が得られる。ガラスは培養容器内の材料の望まし
くない溶解の点から材料として有利である。
するポンプ装置で行われる。これは目標レベル値に急速に到達する、すなわち、
振動の制御が回避される点から有利である。
、その結果として成長条件が変更される。さらに、培養物を、液相中に分散でき
ない気相物質や固体など、栄養溶媒の液相に存在しない物質に合目的的に曝すこ
とができる。
れる。
グラムは特にMS−DOSオペレーティング・システムの下で動作できる。
に、ポンプ・システムはシリアル・インタフェイスを介してコンピュータに接続
される。さらに、このプログラムは光電池の出力信号を検出し処理する。特に好
ましい実施形態では、実験の進展が記録される。
容器12を含み、これは大まかに言えば、上下逆対にした瓶の形であり、瓶の底
には環状の開口14を備える。
、ポリテレフタル酸エチレンから作られる。細胞培養挿入物15は膜16に対す
る液体透過性担体構造を有し、これは培養される細胞の要件に応じて、様々な合
成材料、例えば、やはりポリテレフタル酸エチレンから作られる。図1の拡大断
面図に示すように、膜16は細胞培養物18を担持する。
接続部に接続される。実際には、ポンプはぜん動ポンプとすることができる。ポ
ンプ24の他方の接続部は配管26を経て貯蔵容器28の内部に接続される。貯
蔵容器は培養液30を含む。この培養液は細胞培養物18がその成長のために利
用できる特定の栄養を含む。
出力に接続される。動作回路36は、ポンプ24に、貯蔵容器28から培養容器
12の内部に追加の培養液体を導入させ、あるいは培養容器12の内部から貯蔵
容器28中に培養液体を除去させるために、培養容器12の外側表面に取り付け
られたセンサ(ただし任意選択で培養容器12の内側表面に取り付ることもでき
る)として示され、実際には光学センサとすることができる連続的に動作するレ
ベル・センサ38の出力信号に応じて、かつ調節性抵抗器として示される目標値
変換器40の関数として、一方または他方の出力で信号を生成し、あるいはどの
出力でも信号を生成しない。
節することができる。
40を2つの位置の間で切り替える。図面に示すように、目標値変換器40の一
方の位置は培養容器12内の培養液30のレベル高さに対応し、培養液30は細
胞培養挿入物15の底側にちょうど接触する。こうした条件下で、細胞培養物1
8は下からのみ培養液を受ける(底面栄養供給)。
で示したレベル位置に対応する。この位置で、液位は細胞培養物18のピークよ
り上にあり、したがってこれは液内システムで供給される。
じ参照番号を有し、これ以上詳しくは説明しない。
これは逆止弁46を介して培養容器12の接続部22に接続される。さらに、培
養容器は2/2電磁弁48を介して排出ライン50に接続される。電磁弁48は
ばねで閉位置に付勢されており、開位置にすることもできる。電磁弁48および
ポンプ24’の磁石は上記と同様にやはり制御回路を形成する電力増幅器32、
34を介して動作回路36に再び接続される。
じられ、下側の箱状ハウジング部分54からなり、この上に耐密に置くことので
きるプレート及びカバー56から組み立てられる。このハウジングから、線55
−1、55−2および55−3に沿って垂直下方に、3個のガラス・ブリッジ5
7が、培養装置に導入される細胞培養挿入物122を固定するために培養容器1
2の上縁へと延びる。
3、58−4が配置される。後でこれらの培養モジュールを区別する必要がなく
なった場合は、それを全て参照符号58で示すことにする。
密であり、様々なプレートから組み立てられている。培養ハウジング60の内部
には、図面から分かるように、3個の培養ユニット10が配置される。これらの
培養ユニットの様々な培養容器12の接続部22が共通供給ライン62に接続さ
れる。
リコーン製の配管64を介して、培地分配器68の対応する排出接続部66に接
続される。培地分配器68は培地用供給接続部70に接続され、この供給接続部
は図1または図2による実際の例と同様に、図示されていないシリコーン配管を
介して、培地ポンプ24または24’の排出部に接続される。
部に枝路72を有し、この枝路はシリコーン配管74を介して外側ハウジング5
2の対応する排出接続部76に接続される。このようにして、培養液30は試験
のために様々なモジュール58から別々に取り出すことができる。
御水)は同じく培養モジュール58の培養容器12中を流れる。導入された温度
制御溶媒は、接続片78の直径上で反対側にある、温度制御ハウジング60の隅
近くに設けられた越流部80を介して除去される。
84に接続される。培養モジュール58の排出接続部84は、例えば、配管86
によって、隣接する次の培養モジュール58の接続片78に常に接続される。こ
のようにして、温度制御溶媒は連続して温度制御ハウジング60中を流れる。
続部88に接合されている。モジュールの排出接続部84−1は配管86を介し
て次のモジュールの接続片に接続される。モジュール配置の最後の排出接続部8
4−2は配管90および配管92の片を介して温度制御溶媒排出接続部94に接
続される。
ている。これは図7を見ると特によく分かるように、図3の図面の平面に垂直で
ある。
ことが図7を見るとよくわかる。過剰の培養液を除去する働きをする供給接続部
70が培地分配器68の最低位置に設けられる。
がる。分岐光電バリア98は保持具100で担持され、垂直方向に調節すること
ができる。保持具は外側ハウジング52の外側プレートの1つに平行に垂直方向
に延びる。
トトランジスタの形の、赤外線光源102(図8参照)が分岐光電バリア98の
アームで使用される。厳密に水平に整列した様々な培養容器12の液位に対応す
る、立上り管96の液位が上記の赤外線光電バリアより下にある場合、ホトトラ
ンジスタ104は電流を受け取り、制御を行う。立上り管96の液柱が赤外線源
102と赤外線検出器104で形成される光電バリアの軸の高さまで上昇した場
合、ホトトランジスタの出力信号は消失する。これが差動増幅器106で認識さ
れる。この差動増幅器はその側入力(side input)で、ここではやは
り調節性抵抗器として示した目標値変換器108の出力信号を受け取る。
して、全体が114で示されるリード継電器114の継電器コイル112が活動
化される。その結果として、リード接点116が閉じる。この接点は無電位接点
であり、例えば、さらに培養液30を導入する方向でポンプ24の動作を制御す
る。
例えば、分岐光電バリア98が対応して下方に移動し、次いで過剰の培養液が底
面栄養供給で望まれるより著しく低いレベルまで手動排出で減少され、次いで分
岐光電バリア98の出力信号の制御下で液位が上昇させられることによって行な
われ、液体レベルはこのとき底面栄養供給に対するレベルになっている。
供給のレベルに調節された第2分岐光電バリアを設けることが好ましい。ついで
この第2分岐光電バリア用の第2制御部が設けられ、これは、図8によるものに
対応するが、リード接点116がこの場合は培養液の除去、すなわち、培養液を
除去する意味での二方向ポンプの動作を制御するという違いがある。
とすることが好ましい。したがって、これらの部品は120℃の温度で、何の問
題もなく滅菌でき、したがって実験を行う前に満足な無菌の初期状態にすること
ができる。上記の様々な配管接続部はシリコーン配管材料製とすることが好まし
く、これも何の問題もなく120℃で滅菌できる。
単一のレベル・センサしか使用しない。このため、細胞培養物がその上で成長す
る表面が共通の水平面内になるように、様々な培養容器12を全て厳密に水平に
する必要がある。様々な培養モジュールの強制位置ぎめのため及び外部ハウジン
グ内に培養モジュールをロックするために2つの位置ストリップ118および1
20が設けられる。これらのストリップは温度制御ハウジング60の下側プレー
トの前縁または後縁と協働する。
的に示した。しかし、実際には、細胞培養挿入物15は培養容器12に固定され
た部品ではなく、むしろそれから除去できる部品である。図4に示すように、1
22の培養容器12では、商用の細胞培養挿入物は平底壁124と円筒周囲壁1
26を有する円筒形ビーカの形である。細胞培養挿入物122を細胞培養容器1
2に入れ、ガラス・ブリッジ57を用いてそれを固定することにより、様々な底
壁124が共通水平面内にあることが保証される。細胞培養挿入物122は図1
および2の細胞培養挿入物15と同様に全て多孔質合成材料から作られる。
栄養供給へ非常に簡単に変更することができる。導入された温度制御液体の温度
を変えることにより、成長条件の追加の変更を行うことができる。最後に、ライ
ン128を通して気相物質を導入することにより、外側ハウジング52内部で、
細胞培養物は所定のストレス条件または治療条件に曝することができる。同様に
エアロゾルに曝らすこともできる。
触する粒子状活性成分をもたらすことができる。この目的で、その効果を研究す
べき粒子が細胞培養物上に散布される。粒子が培養液より軽くなるように、粒子
と培養液の密度を互いに調節する場合、培養液のレベルが上昇すると、粒子は細
胞培養物から浮き上がる。他方、培養液が下がると(底面栄養供給)、粒子は細
胞培養物と接触するようになる。このような適当な粒子は、非常に細かい粉塵、
例えば、懸濁液中に十分に沈降せずまたは全く沈降しない木材粉または疎水性粒
子である。
養法を遵守しながら空気/液体境界で直接に粒子および複雑な物質混合物で細胞
を衝撃するために、培養ユニットのさらなる装備として培養モジュール用の特別
な取付け具を使用することができる。
検出用のバイオセンサ、ならびに細胞の被曝大気中の空気浮遊物質の気体状(例
えばCO2、NOx)または粒子状成分(「全微粒子物質」、TPM)の連続的ま
たは不連続的測定用の測定プローブおよび測定装置を培養モジュールに適合させ
ることができる。
がモジュール式構成であるため、何らの問題なしに培養容器(「ウエル」)を特
定の挿入物サイズに適合させることができる。
が実施できる。図3〜7による培養装置の全てのモジュールを使用すると、4×
3個の平行実験バッチが実施できる。これによって、例えば、細胞反応を濃度お
よび/または時間の関数として決定することが可能となる。
物学的問題は、例えば次の通りである。 1.例えば、空気/液体境界において気体、エアロゾル、または粉塵による細胞
の処理。 2.異なる細胞タイプ、例えば、内皮細胞及び線維芽細胞の共培養による細胞相
互作用。 3.パルス式に培養液を供給される系における細胞の付着挙動。 4.培養液の底面供給時における培養物からの細胞の区分(分極)。 5.培養液の底面および/または間欠供給による繊毛担持細胞の調査。 6.実験中の細胞排泄産物の連続分析。 7.培養過程の中断なしの成長刺激および成長阻害活性成分の間欠的添加。 8.活性または損傷物質に細胞を曝らしながら6で指定された物質の間欠的添加
。
1および2に示したような、それらは、温度制御装置なしの培養装置と同様に、
温度制御キャビネット中に簡単に置くことができる。
状態の培養装置を、ポンプ配管、細胞培養挿入物を導入するためのピンセット、
培地を保持するための瓶など他の必要な材料と共に、オートクレーブ中で120
℃で30分間高圧蒸気滅菌する。高圧蒸気滅菌後、レベル・センサをクリーン・
ルーム作業台に取り付け、次いで溶媒配管をポンプに接続し、ポンプ速度を所期
の実験条件に調節する。個別に包装され、無菌の形で製造者から提供された細胞
培養挿入物を導入する前に、培養装置を細胞種特異性培地で充填し、次いで再び
空にし(洗浄し)、その後に使用した溶媒を廃棄する。ついで培養装置全体を培
養容器の下まで細胞タイプ特異性培地で充填し、用意した細胞培養挿入物をクリ
ーン・ルーム作業台でピンセットを用いて導入する。次いでポンプを制御するた
めの選択されたプログラムを開始し、培養装置を任意選択で温度制御キャビネッ
トに移す。
作および待機の段階からなる周期を制御する。
めに、細胞タイプ及び培養のタイプに応じて適当なポンプ速度を選ぶ。プログラ
ムは光電池の出力信号を監視し、望みのレベルに達するとすぐポンプ活動の終了
を制御する。通常、ポンプ活動の終了はプログラムで監視された2つまたはいく
つかの信号検出後にのみ生じる。これにより、例えば泡の発生により生じる可能
性があり、単一信号検出の場合には、ポンプ活動の早すぎる望ましくない終了を
もたらす誤った信号の検出を回避することが可能になる。後続の培養時間は選択
可能で調節可能であることが好ましい。
ンプ速度は選択可能かつ調節可能になる。排出プロセスに必要な待機時間は、選
択した排出速度および溶媒の体積から得ることができる。
きる。
めには、コンピュータ・プログラムを停止する。若干の挿入物だけを除去する場
合には、プログラムは再び始動できる。
または他の清浄剤で問題なく清浄化できる。
2の瞬間液位を認識し対応する出力信号を提供できる、他のレベル・センサも適
当であることを理解されたい。それには、微光(glimmer)制御センサ、
誘電原理で動作するセンサ、垂直方向に間隔をあけて配置した複数の電極を有す
るセンサ、赤外センサおよび超音波センサが含まれる。
な培養装置の概略図である。
を有する培養装置の別の変形形態の上面図である。
ある。
は組織部分の培養物の上側より上の所定の距離(液内培養)および培養の上側よ
り下の所定の距離(底面培養)にあることを特徴とする請求項1ないし21のい
ずれか一項に記載の培養装置を使用して細胞または組織成分を培養する方法。
Claims (25)
- 【請求項1】 培地(30)の導入および排出のための少なくとも1つの接
続部(22)を有し、それぞれが各培養容器(12)用の細胞培養挿入物(15
、122)を含み、この挿入物が培養容器の内部に保持される、少なくとも1つ
の培養容器(12)と、培養容器(12)に培地(30)を導入し、またはそこ
から培地を排出するための供給装置(24〜28、24’、48、50)とを備
える培養装置であって、培地のレベルに応答するレベル・センサ(38、98)
が培養容器(12)に割り当てられ、供給装置(24〜28、24’、28、4
8、50)がレベル・センサ(38、98)の出力信号の関数として制御される
ことを特徴とする培養装置。 - 【請求項2】 細胞培養挿入物(15、122)がそれぞれ水平培養表面を
提供することを特徴とする請求項1に記載の培養装置。 - 【請求項3】 個々の培養容器(12)または培養容器(12)の群に割り
当てられた排出ライン(74、76)を特徴とする請求項1または2に記載の培
養装置。 - 【請求項4】 前記いくつかの培養容器(12)が、細胞培養挿入物(15
、122)の培養表面が共通水平面内にあるような方式で共通供給ライン(62
)に接続されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか一項に記載の培養
装置。 - 【請求項5】 供給ライン(62)が立上り管(96)と連絡し、この立上
り管内にレベル・センサ(38、98)設けられることを特徴とする請求項4に
記載の培養装置。 - 【請求項6】 レベル・センサ(98)が分岐光電バリアを含むことを特徴
とする請求項1ないし5のいずれか一項に記載の培養装置。 - 【請求項7】 レベル・センサ(98)が立上り管(96)上で調節可能で
あることを特徴とする請求項5または6に記載の培養装置。 - 【請求項8】 レベル・センサ(38、98)が連続的にレベルを測定する
センサであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載の培養装
置。 - 【請求項9】 レベル・センサ(38、98)が所定のレベルに応答するレ
ベル・スイッチであることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか一項に記載
の培養装置。 - 【請求項10】 いくつかの培養容器(12)を有し、外側ハウジング(5
2)内に平行に配列された複数のモジュール(58)を有し、かつ供給分配器(
68)が設けられ、それが個々のモジュール(58)の供給ライン(62)に接
続されることを特徴とする請求項5ないし9のいずれか一項に記載の培養装置。 - 【請求項11】 供給装置(24〜28、24’、28、48、50)に接
続されるべき供給分配器(68)の単一接続部(70)がその最深位置にあるこ
とを特徴とする請求項10に記載の培養装置。 - 【請求項12】 外側ハウジング(52)が排出ライン(74)用の別々の
接続部(76)を有し、そのそれぞれが培養モジュール(58)の1つに通じる
ことを特徴とする請求項10に記載の培養装置。 - 【請求項13】 培養容器(12)が少なくとも1つの培養容器(12)を
囲むモジュール(58)として配列され、これらのモジュールが培養容器配列を
囲む温度制御ハウジング(60)を有し、このハウジングが温度制御溶媒入口(
78)および温度制御溶媒出口(84)を有することを特徴とする請求項12に
記載の培養容器。 - 【請求項14】 温度制御溶媒出口(84)が温度制御ハウジング(60)
の上部領域にあるオーバーフロー(80)に接続し、好ましくはオーバーフロー
が温度制御溶媒入口(78)と直径の反対側に位置することを特徴とする請求項
13に記載の培養装置。 - 【請求項15】 様々なモジュール(58)の温度制御ハウジング(60)
が温度制御溶媒の流れに対して直列に接続されることを特徴とする請求項14に
記載の培養装置。 - 【請求項16】 培養容器(12)が密封できる、外側ハウジング(52)
で囲まれることを特徴とする請求項1ないし15のいずれか一項に記載の培養装
置。 - 【請求項17】 外側ハウジング(52)が気相溶媒用の接続部(128)
を備えることを特徴とする請求項16に記載の培養装置。 - 【請求項18】 レベル・センサおよび供給装置の一部を除き、本質的に滅
菌できる材料、特にガラスおよびシリコーン材料からなることを特徴とする請求
項1ないし17のいずれか一項に記載の培養装置。 - 【請求項19】 供給装置(24〜28)が二方向作動ポンプ装置(24)
、特にぜん動ポンプを有することを特徴とする請求項1ないし18のいずれか一
項に記載の培養装置。 - 【請求項20】 目標レベル変換器(40)を時間依存方式で制御する、プ
ログラム式制御装置(42)を特徴とする請求項1ないし19のいずれか一項に
記載の培養装置。 - 【請求項21】 プログラム式制御装置(42)が目標レベル値を2つの値
の間で周期的に切替え、その一方は培養表面の上側より上の所定の距離にある液
位に対応し、他方は培養物の上側より下の所定の距離にあるレベルを与えること
を特徴とする請求項20に記載の培養装置。 - 【請求項22】 細胞または組織部分用の栄養溶液の液位が交互に、細胞ま
たは組織部分の培養物の上側より上の所定の距離(液内培養)および培養物の上
側より下の所定の距離(底面培養)にあることを特徴とする、細胞または組織部
分を培養する方法。 - 【請求項23】 液位が培養の上側より下にある期間中に、培養物が固体、
気体またはエアロゾル状物質に曝されることを特徴とする請求項22に記載の方
法。 - 【請求項24】 液位の位置がレベル・センサおよびそれによって制御され
るポンピング装置の助けで確保されることを特徴とする請求項22または23に
記載の方法。 - 【請求項25】 液位の位置の時間における調節がプログラム式制御装置の
助けで行われることを特徴とする請求項22ないし24のいずれか一項に記載の
方法。
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