JP2004113092A - Cell culture chip - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、生物、医療又はバイオテクノロジーの研究分野において、培養環境を測定し、培養液の交換を適切なタイミングで行うことにより、長期間にわたる顕微鏡観察を可能にする細胞培養チップに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、生物、医療又はバイオテクノロジーの研究分野における細胞の培養状態の観察は、主に液体培養により行われている。また、その培養細胞の状態を直接観察するために、顕微鏡の試料台(ステージ)に乗せることができる培養容器(培養チップ)が用いられている(例えば、特許文献1参照)。更に、細胞を長期間培養・観察するために、培養チップに培養液交換手段を設けたものも利用されている(例えば、特許文献2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−28576号公報([0006],図2)
【特許文献2】
特開2002−153260号公報([0015],図1)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
培養細胞を維持するためには、温度などの培養環境や、培養細胞の代謝により変化する培養液の状態を常にモニターしなければならない。培養環境が一定に維持されていないと実験の再現性が低くなり、信頼できるデータが得られない。また、培養液内の組成物が枯渇した状態になると培養細胞の分裂速度が低下する。細胞分裂速度が低下した培養細胞は、良好な培養状態における培養細胞に比して培養細胞の代謝能が大きく劣り、研究に適さない。
【0005】
しかし、顕微鏡の試料台に乗せることができる大きさの細胞培養チップでは、保持できる培養液の量が少なく、培養液内の組成物がすぐに枯渇してしまう。
【0006】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、培養液の状態をモニターし、培養液の交換を適切なタイミングで行うことにより、長期間にわたる観察及び写真(ビデオ)撮影等の記録を可能にする細胞培養チップを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、顕微鏡の試料台に載置可能な大きさの透明の板材から成り、内部にウェルを有するとともに、ウェルへの液体の供給口及び液体の排出口を有する細胞培養チップにおいて、ウェル内の培養液を検出するセンサを設けたことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明に係る細胞培養チップでは、ウェル内の培養液を検出するセンサが設けられているため、ウェル内部での培養液の状態等を検出することができる。
【0009】
例えば、培養液内の細胞の状態を把握するには、主にその細胞が代謝する物質をモニターすればよい。代謝物質は培養細胞の種類(例えば、植物細胞、動物細胞、菌類など)により異なるが、各種類に応じた代謝物質の存否及び/又は存在量を検出するセンサを用いることにより、各時点における目的とする培養細胞の状態を把握することができる。このようにして検出される培養細胞の状態を、顕微鏡観察の結果(画像、映像等)と照合することにより、その細胞に関する詳しい知見を得ることができる。
【0010】
また、代謝物質が不明又はそれを検出するセンサが存在しない場合でも、pHセンサを用いることにより、培養細胞の状態を検出することができる。すなわち、ほとんど全ての培養細胞において、培養液のpHは細胞の状態を表す適切な指標となり得る。そこで、予め培養する細胞の培養環境において、最適なpHの範囲を調べ、培養液を交換すべきpHの値を定めておく。そうすることにより、培養液の交換するタイミングを、培養液のpHをモニターすることにより正確に把握できるようになる。
【0011】
pHをモニターするセンサは種々挙げることができるが、細胞培養チップに搭載可能な程度に微小なpHセンサとして、LAPS型pHセンサ(特開平9−203722号公報参照)やISFET型センサ(特開平9−203721号公報参照)を挙げることができる。
【0012】
また、培養液にpHの変化により色が変化するフェノールレッド等の色素を添加し、培養中の培養液を分光光学的に測定することにより培養液のpHをモニターすることも可能である。
【0013】
pO2センサ、CO2センサは、その増加・減少を測定することにより、培養チップ内での細胞の活動をモニターすることができる。また、その測定結果に応じて、培養チップに供給する培養液中のO2、CO2の量を調節するようにしてもよい。
【0014】
NOセンサは、培養液内の組成物の中で、植物細胞を培養する際の硝酸態窒素濃度の代謝の指標として有効であるばかりでなく、特定物質による刺激に対する細胞の応答の有効な指標となる。
【0015】
温度センサは、細胞の培養環境の重要な要素の一つである温度をモニターする。温度センサとしては、小型である点で熱電対を用いるのが望ましい。
【0016】
温度センサはまた、培養環境としての温度を制御するためのセンサとしても用いることができる。この場合、培養チップ内の培養液の温度を変化させるための手段としては、加熱手段として、温水循環、赤外線ヒーター(赤外線照射)、温風ファン(温風吹き付け)を挙げることができ、冷却手段としては冷水循環を挙げることができる。ペルチェ素子を用いることにより、加温・冷却の両方を行うことができる。
【0017】
【発明の効果】
本願発明に係る細胞培養チップを使用することにより、長期間に亘る培養環境の維持が可能となり、長期間に亘る細胞の顕微鏡観察が可能となる。これにより、生物、医薬、バイオテクノロジー等の研究において、より信頼性の高いデータを得ることができるようになる。たとえば、これまでには調査できなかった、細胞の特定物質に対する長期間にわたる応答反応や、特定物質が培養細胞に与える一連の挙動等を正確且つ確実に記録することができる。
【0018】
【実施例1】
本発明の一実施例である細胞培養チップの構成を図1に示す。図1(B)に示すように、本実施例の細胞培養チップ10は、ウェル層11、チャンネル層12及びセンサ層13の3層の透明板から成る。これら3層の透明板はオプティカルコンタクトで接着されている。
【0019】
ウェル層11には培養細胞を保持するためのウェル14が、チャンネル層12にはウェル14と培養液供給口16及び排出口17を接続するチャンネル15a、15bが、そしてセンサ層13にはウェル14内の培養液の各種パラメータをモニターするためのセンサ18と培養液供給口16及び排出口17が設けられている。センサ18の先端はウェル14内の培養液を検出できる位置に設けられている。なお、センサ18は、細胞に干渉しないように、その先端がなるべくウェル14の天井近くとなるように配置することが望ましい。また、細胞との相互作用を経た後の培養液を検出するため、なるべく培養液排出口17の近くに配置することが望ましい。
【0020】
本実施例の細胞培養チップ10を用いて培養細胞の観察を行う際の構成を図2に示す。まず、細胞培養チップ10の供給口16又は排出口17から目的の細胞20を培養液と共にウェル14に入れる。細胞を入れた細胞培養チップ10を顕微鏡のステージ21に載置し、ホルダ22により細胞培養チップ10を固定する。そして、培養液タンク23からのチューブを細胞培養チップ10の供給口16に接続し、排出口17を排液タンク25に接続する。培養液タンク23からのチューブの途上にはペリスタポンプ24が設けられている。なお、培養液タンク23とポンプ24の代わりに、シリンジとシリンジポンプを用いてもよい。細胞培養チップ10の外部に突出しているセンサ18の端子に専用の端子ユニット19を取り付け、モニターシステム27に接続する。
【0021】
ウェル14内の細胞は、顕微鏡ステージ21の下に配置された対物レンズ26により観察する。対物レンズ26で撮影された映像はCCDによりリアルタイムに電気信号に変換され、同様にモニターシステム27に送られる。
【0022】
モニターシステム27は、パーソナルコンピュータを専用のプログラムで動作するようにしたものであり、上記の細胞培養チップ10のセンサ18からの検出信号及び観察映像信号を処理する他、培養液ポンプ24や顕微鏡ステージ21の移動等も制御するようになっている。
【0023】
観察された映像は、上記の通りリアルタイムでモニターシステム27に送られ、そこに接続されたモニタースクリーン28上に表示される。また、モニターシステム27におけるスイッチの切り替えにより、センサ18で検出されたpHやpO2等のパラメータの値もモニタースクリーン28上に表示させることができる。また、これらの検出データや画像は、HDD等の記憶装置29に記録することもできる。
【0024】
細胞20の培養条件の変化(劣化)は、センサ18により検出することができる。例えば、センサ18の中にpHセンサを含めておき、それにより検出される培養液のpHが所定の値を超えた場合は、培養液が劣化したと判断することができる。この場合、ポンプ24を駆動することにより培養液をウェル14に供給し、古い培養液を排出口17から押し出すことにより培養液が交換される。
【0025】
培養液のpHは、次のような方法でも検出することができる。培養液の中にフェノールレッド等のpH指示色素を入れ、それを細胞培養チップ10に供給する。培養細胞の代謝により培養液のpH値が上昇した場合、フェノールレッドが変色する。この色変化を図6に示すように分光光度計63と光ファイバガイド(61は送光用、62は受光用)で特定の波長の吸光度として検出し、吸光度(Abs)−pH変換器64でpH値に変換する。この値を所定値と比較することにより、培養液の劣化を検出することができる。
【0026】
このようにして培養及び観察を長期間継続することにより、培養細胞の一連の応答反応を、顕微鏡による映像と培養液組成の変化との両面から観察することができる。
【0027】
なお、培養温度を一定にするために、顕微鏡ステージ21又はホルダ22に温調手段を設けてもよい。そのような温調手段の例を図4及び図5に示す。図4の例では赤外線光源43を加熱手段として用い、図5の例では細胞培養チップ10に貼付したシートヒーター53を加熱手段として用いている。いずれも、センサ18の中に温度センサ41、51を含めておき、それにより検出されるウェル内の培養液の温度をコントローラ42、52にフィードバックすることにより温度調節を行う。
【0028】
【実施例2】
本発明の第2の実施例であるタンデム細胞培養チップを説明する。この細胞培養チップを使用することにより、蛍光標識した物質Pに対する培養細胞の応答反応を蛍光顕微鏡を用いて継続的に観察することができる。
【0029】
図3に示すタンデム細胞培養チップ30は、1個のチップ内に同一形状のウェル31a、31bを2個並列に設けたものである。各ウェル31a、31bには図1の実施例と同様にチャンネル32a、32b、供給口33a、33b、排出口34a、34b、センサ35a、35bがそれぞれ設けられている。なお、本実施例の細胞培養チップでは各ウェル31a、31bに対して第2供給口36a、36bが設けられている。
【0030】
本実施例の細胞培養チップ30では、2個のウェル31a、31bに同じ細胞を入れ、同時に並行して培養を行う。ただし、いずれか一方のウェル(図3では上方の31a)にのみ、供給口36aを通じて蛍光標識した物質Pを添加して実験区とする。物質Pを添加しない方のウェル31bにおける培養細胞は、細胞応答に関する対照区として扱う。
【0031】
顕微鏡観察は、蛍光標識した物質Pを添加した実験区(ウェル31a)に対して行う。蛍光顕微鏡の励起光により、蛍光標識した物質Pが励起されるため、その蛍光を観察することにより、物質Pの培養細胞に対する挙動を観察することができる。
【0032】
さらに、蛍光標識した物質Pを培養液に添加した実験区(ウェル31a)と添加していない対照区(ウェル31b)のセンサ35a、35bによる検出データを比較することにより、物質Pに対する培養細胞の応答反応を正確に把握することができる。両実験区は同一チップ内で培養しているため、実験区と対照区との間で出たセンサ35a、35bの検出データの差異は、純粋に物質Pに対する培養細胞の応答反応による信頼性の高いデータとして扱うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例である細胞培養チップの平面図(A)及び断面図(B)。
【図2】第1実施例の細胞培養チップを用いて培養細胞の顕微鏡観察を行う際の概略構成図。
【図3】本発明の第2実施例であるタンデム細胞培養チップの平面図。
【図4】赤外線光源を用いた温調手段の例を示す構成図。
【図5】シートヒーターを用いた温調手段の例を示す構成図。
【図6】フェノールレッドを用いたpH検出の例を示す構成図。
【符号の説明】
10…細胞培養チップ
11…ウェル層
12…チャンネル層
13…センサ層
14…ウェル
15a、15b…チャンネル
16…培養液供給口
17…培養液排出口
18…センサ
19…センサ用端子ユニット
20…細胞
21…顕微鏡ステージ
22…チップホルダ
23…培養液タンク
24…培養液ポンプ
25…排液タンク
26…対物レンズ
27…モニターシステム
28…モニタースクリーン
29…記憶装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a cell culture chip that enables long-term microscopic observation by measuring a culture environment and exchanging a culture solution at an appropriate timing in a research field of biology, medicine, or biotechnology.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, observation of a culture state of a cell in a biological, medical, or biotechnology research field is mainly performed by liquid culture. In order to directly observe the state of the cultured cells, a culture vessel (culture chip) that can be mounted on a sample stage (stage) of a microscope is used (for example, see Patent Document 1). Further, in order to culture and observe cells for a long period of time, a culture chip provided with a culture solution exchange means is also used (for example, see Patent Document 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-10-28576 ([0006], FIG. 2)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-153260 ([0015], FIG. 1)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In order to maintain the cultured cells, it is necessary to constantly monitor the culture environment such as temperature and the state of the culture solution that changes due to the metabolism of the cultured cells. If the culture environment is not kept constant, the reproducibility of the experiment will be low and reliable data cannot be obtained. When the composition in the culture solution is depleted, the division rate of the cultured cells decreases. Cultured cells with a reduced cell division rate have a much lower metabolic capacity than cultured cells in good culture conditions, and are not suitable for research.
[0005]
However, with a cell culture chip large enough to be mounted on a microscope sample stage, the amount of culture solution that can be held is small, and the composition in the culture solution is quickly depleted.
[0006]
The present invention has been made in order to solve such problems, the purpose of which is to monitor the state of the culture solution, by performing the replacement of the culture solution at an appropriate timing, for a long time An object of the present invention is to provide a cell culture chip that enables recording of observation and photographing (video).
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The present invention is made of a transparent plate material large enough to be placed on a sample stage of a microscope, has a well therein, a liquid supply port to the well, and a liquid drainage. In a cell culture chip having an outlet, a sensor for detecting a culture solution in a well is provided.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the cell culture chip according to the present invention, since the sensor for detecting the culture solution in the well is provided, the state of the culture solution inside the well can be detected.
[0009]
For example, in order to grasp the state of cells in a culture solution, it is sufficient to mainly monitor substances metabolized by the cells. Metabolites vary depending on the type of cultured cells (eg, plant cells, animal cells, fungi, etc.), but by using sensors that detect the presence and / or abundance of metabolites according to each type, Can be grasped. By collating the state of the cultured cells detected in this way with the results of microscopic observation (images, videos, etc.), detailed knowledge about the cells can be obtained.
[0010]
Even when the metabolite is unknown or there is no sensor for detecting the metabolite, the state of the cultured cells can be detected by using the pH sensor. That is, in almost all cultured cells, the pH of the culture solution can be an appropriate index indicating the state of the cells. Therefore, in the culture environment of the cells to be cultured, the optimum pH range is examined, and the pH value at which the culture solution should be replaced is determined. By doing so, the timing for replacing the culture solution can be accurately grasped by monitoring the pH of the culture solution.
[0011]
A variety of sensors can be used to monitor pH. LAPS-type pH sensors (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-203722) and ISFET-type sensors (see Japanese Patent Application Laid-Open No. -203721).
[0012]
It is also possible to monitor the pH of the culture by adding a dye such as phenol red whose color changes due to a change in pH to the culture and measuring the culture during the culture spectroscopically.
[0013]
The pO 2 sensor and CO 2 sensor can monitor the activity of cells in the culture chip by measuring the increase / decrease. Further, according to the measurement result, the amounts of O 2 and CO 2 in the culture solution supplied to the culture chip may be adjusted.
[0014]
The NO sensor is effective not only as an indicator of the metabolism of nitrate nitrogen concentration when culturing plant cells in the composition in the culture solution, but also as an effective indicator of the response of the cell to stimulation by a specific substance. Become.
[0015]
A temperature sensor monitors temperature, which is one of the important factors in the cell culture environment. As the temperature sensor, it is desirable to use a thermocouple because of its small size.
[0016]
The temperature sensor can also be used as a sensor for controlling the temperature of the culture environment. In this case, as means for changing the temperature of the culture solution in the culture chip, heating means include hot water circulation, an infrared heater (infrared irradiation), a hot air fan (hot air blowing), and a cooling means. Examples include cold water circulation. By using a Peltier element, both heating and cooling can be performed.
[0017]
【The invention's effect】
By using the cell culture chip according to the present invention, a culture environment can be maintained for a long period of time, and microscopic observation of cells can be performed for a long period of time. This makes it possible to obtain more reliable data in research on living organisms, medicines, biotechnology, and the like. For example, it is possible to accurately and reliably record a long-term response reaction of a cell to a specific substance, a series of behaviors of a specific substance to a cultured cell, and the like, which could not be investigated until now.
[0018]
Embodiment 1
FIG. 1 shows the configuration of a cell culture chip according to one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1 (B), the
[0019]
The
[0020]
FIG. 2 shows a configuration for observing cultured cells using the
[0021]
The cells in the well 14 are observed by the
[0022]
The
[0023]
The observed image is sent to the
[0024]
A change (deterioration) in the culture conditions of the
[0025]
The pH of the culture solution can also be detected by the following method. A pH indicator dye such as phenol red is put into the culture solution and supplied to the
[0026]
By continuing the culturing and the observation for a long time in this way, a series of response reactions of the cultured cells can be observed from both sides of a microscope image and changes in the culture solution composition.
[0027]
In order to keep the culture temperature constant, a temperature control means may be provided on the
[0028]
Embodiment 2
A tandem cell culture chip according to a second embodiment of the present invention will be described. By using this cell culture chip, the response of the cultured cells to the fluorescently labeled substance P can be continuously observed using a fluorescence microscope.
[0029]
The tandem
[0030]
In the
[0031]
Microscopic observation is performed on the experimental section (well 31a) to which the fluorescently labeled substance P has been added. Since the fluorescence-labeled substance P is excited by the excitation light of the fluorescence microscope, the behavior of the substance P on the cultured cells can be observed by observing the fluorescence.
[0032]
Further, by comparing the detection data obtained by the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view (A) and a cross-sectional view (B) of a cell culture chip according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram when a cultured cell is observed under a microscope using the cell culture chip of the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view of a tandem cell culture chip according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a configuration diagram showing an example of a temperature control unit using an infrared light source.
FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of temperature control means using a seat heater.
FIG. 6 is a configuration diagram showing an example of pH detection using phenol red.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ウェル内の培養液を検出するセンサを設けたことを特徴とする細胞培養チップ。In a cell culture chip having a transparent plate member of a size that can be placed on a sample stage of a microscope, having a well therein, and having a liquid supply port to the well and a liquid discharge port,
A cell culture chip provided with a sensor for detecting a culture solution in a well.
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