JP2004236514A

JP2004236514A - 培養装置

Info

Publication number: JP2004236514A
Application number: JP2003026577A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Suga; 和俊菅; Ikuo Takeuchi; 郁雄竹内; Ushio Miyamoto; 潮宮本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2004-08-26
Also published as: US20040152186A1; DE102004005672A1

Abstract

【課題】培養装置の人間からの汚染をなくするとともに、製造コストを低減する。
【解決手段】培養装置１は第１のチャンバ５を有し、細胞組織を培養する。第１のチャンバに複数個のエアロック式の出入り口１１〜１４と、細胞を培養する第２のチャンバ２０とを設ける。チャンバ内に遠隔制御または自動制御で作動するマニピュレータ３０〜３２を配置する。マニピュレータはエアロック式の出入り口の少なくとも１つと第２のチャンバの双方にアクセス可能である。エアロック式の出入り口の各々は、２枚の扉ａ〜ｈにより２つの部分に区画されており、区画された一方の部分の扉はこの区画され部分を第１のチャンバ内部に連通させる。区画された他方の部分の扉は、培養装置外部に連通する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、細胞を培養するのに用いる培養装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
再生医療等では、生体組織を培養して病気を治療するために、生体から採取した微量の細胞組織を所定の細胞組織にまで培養している。その例が、特許文献１や特許文献２に記載されている。特許文献１では、ウイルスの細胞培養器外への拡散を防止するとともに細胞培養器内でのコンタミネーションを防止するために、細胞培養器を少なくとも細胞及びウイルスに対して透過性を有しない部材で形成している。そして容器の一部を栄養物、増殖因子、ガスに対しては透過性を有する多孔性ポリマーの膜よりなる細胞生育空間と、この多孔性ポリマーの膜を介して細胞生育空間隣接する栄養物・増殖因子・ガス通過空間としている。
【０００３】
また、特許文献２には細胞または組織の培養において汚染を防止するとともに効率的な体外培養を実現するために、生体を模倣した環境などの制御環境下に培養チャンバを設置し、この培養チャンバに細胞または組織を保持しながら培養液を供給することが記載されている。
【特許文献１】
特開平５−２９２９９０号公報
【特許文献２】
特開２００１−２３８６６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載のものは、培養過程で一貫して同一容器（統一容器）を用いて細胞やウイルスを培養しているが、この容器内へ細胞等を人手で播種している。また、特許文献２に記載の培養装置でも、培養装置内に細胞を供給するときや培地を交換するときは人手に頼っている。この特許文献２に記載の装置では、さらにクリーンルーム内にロボットを設置して、ディッシュの搬送や培地交換を自動化しているものの、これらの作業以外の作業ではクリーンルーム内に人間が入らざるを得ない。
【０００５】
細胞培養においては、人間が最も大きな汚染源となり得る。そこで従来から人間が立ち入らざるを得ない領域をクリーンルームとし、人が立ち入る際にはクリーン服を着ることやエアカーテンを数次にわたって通ることにより、防塵や塵の低減を図っている。その結果、防塵や除塵の施設が大掛かりとなり、莫大な費用を要する。また、人間が入れば厳しい汚染防止を施しても、汚染源を排除することは困難になる。
【０００６】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は培養装置を低コストで製作可能とし、かつ汚染を防止することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、第１のチャンバを有し細胞組織を培養する培養装置において、第１のチャンバに複数個のエアロック式の出入り口と、細胞を培養する第２のチャンバとを設け、第１のチャンバ内に遠隔制御または自動制御で作動するマニピュレータを配置し、このマニピュレータはエアロック式の出入り口の少なくとも１つと第２のチャンバの双方にアクセス可能としたことにある。
【０００８】
そしてこの特徴において、エアロック式の出入り口の各々は２枚の扉により２つの部分に区画されており、区画された一方の部分の扉はこの区画され部分を第１のチャンバ内部に連通するものであり、区画された他方の部分の扉は培養装置外部に連通するのがよく、複数のエアロック式の出入り口の各々が、第１のチャンバ内部に面する側面部と培養装置外部に面する側面部とに逆止弁を備えていることが望ましい。
【０００９】
また、第２のチャンバ内部に統一容器を保持可能なターンテーブルを設け、このターンテーブルにマニピュレータがアクセス可能とする扉をチャンバの側面または底面に設けるのがよい。さらに望ましくは、ターンテーブルは周方向に３６０度以上回転可能であり、統一容器内の培地を流動可能または統一容器位置を変更可能としたものである。
【００１０】
上記特徴において、第２のチャンバ内に保持される統一容器に培地を供給する培地タンクと第１のチャンバに制御気体を供給する供給源と、マニピュレータを制御する制御装置とを付設するのが望ましく、第１のチャンバ内を流通する気体の気流や温度と湿度を制御する制御手段を設けるようにするのがよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る培養装置の実施例を、図面を用いて説明する。図１から図３は、培養装置の一実施例図であり、図１はその上面図、図２は正面図、図３は側面図である。培養装置１は、矩形のチャンバ５と、このチャンバ５の相対向する２側面６ａ，６ｂに取り付けた複数のエアロック部１１〜１４とを有する。エアロック部１１〜１４は、培養細胞投入用のエアロック部１１、チャンバ５の内部に置かれた吸引や分注用のディスポーザブルピペットの取り外し可能な先端部やチューブ等を投入するためのエアロック部１２、使用済みのピペット先端部やチューブの取出し用のエアロック部１３、細胞培養カートリッジ５０を投入または取出すためのエアロック部１４を含む。
【００１２】
細胞培養カートリッジ５０は、細胞を培養する統一容器の一種である。統一容器は、培養の全過程において継続して使用することを目的に作成されたものである。統一容器には、培地を導入する開口部と培地を廃棄する開口部が形成されており、樹脂製で内面または外面にフィルムが貼られたものや、ガラス製のものが好適である。また、内部を細胞培養に適したように処理してもよい。
【００１３】
各エアロック部１１〜１４は、区画された２つの部屋１１ａ、１１ｂ、…で形成されており、各部屋１１ａ、１１ｂ、…にはそれぞれが扉ａ〜ｈが設けられている。各エアロック１１〜１４ごとに、チャンバ５の内部からエアロック部１１〜１４の内部への気体の流通を可能にし、エアロック部１１〜１４の内部からチャンバ５の内部へは流れを遮断する逆支弁ｖ１がチャンバ５の内部側のエアロック部１１〜１４の側面に設けられている。各エアロック１１〜１４のチャンバ５外部側には、吸引可能なチューブ７が接続されている。チューブ７とエアロック部１１〜１４との間には、エアロック内部から培養装置１の外部には気体が流通するが、逆の流れを防止する逆止弁ｖ２が設けられている。
【００１４】
培養装置１の内部は、通常時は外部に比べ陽圧に保たれている。エアロック部１１〜１４に接続されるチューブ７の圧力は、培養装置１の内部圧力と同じに保たれている。この状態でいずれかのエアロック部１１、１２、１４の外部側扉ａ，ｅ，ｈを開けると、チャンバ５内の空気は内部側の逆支弁ｖ１を通って開いた扉ａ，ｅ，ｈから流れ出る。そこで培養装置１に供給する培養に必要な材料等を、エアロック部１１、１２、１４内に置く。
【００１５】
次に、扉ａ，ｅ，ｈを閉じて、所定時間だけチューブ７内の圧力を図示しない真空ポンプ等を用いて減圧する。エアロック部１１、１２、１４内の空気や、二酸化炭素、酸素等の気体が逆支弁ｖ２を通ってチューブ７に流れて、容器内５を換気する。このようにして、人手を介することなくチャンバ５内に材料等を供給できるので、培養装置１内に材料等を供給するときの人間の影響を排除できる。
【００１６】
換気が終了したら、チューブ７内の圧力をチャンバ５内の圧力と等しくする。
これにより、チャンバ５内部からの空気の流出が止まる。エアロック部１１、１２、１４内部で必要な処理を施したら、チャンバ５の内部側の扉ｂ，ｄ，ｇを開ける。チャンバ５内に配置したマニピュレータ３０〜３２を用いて、エアロック部１１、１２、１４から材料等を取出す。
【００１７】
培養の過程で使用済みとなったもの等をチャンバ５の内部から取出すときは、取出し用のエアロック部１３、１４のチャンバ５内部側の扉ｆ，ｈを開ける。チャンバ５から取出すものを、マニピュレータ３０〜３２を用いてエアロック部１３、１４内に配置する。その後、チャンバ５内部側の扉ｆ，ｈを閉めて、エアロック部１３、１４内で取出すものに必要な処置を施す。エアロック部１３、１４の外部に通ずる扉ｅ，ｇを開ける。この状態では、エアロック部内が陽圧であるから外部側の扉ｅ，ｇを開いても外から空気は流入しない。
【００１８】
エアロック部１３、１４から排出物等を人手または図示しないマニピュレータ等を用いて取り出し、エアロック部１３、１４の外部側扉ｅ，ｇを閉める。外部側扉ｅ，ｇを閉めたら、チューブ７側の圧力を真空ポンプ等で減圧する。エアロック部１３、１４内の気体をチューブ７を介して外部に排気し、換気する。換気後、再びチューブ７内の圧力を上げて、気体の流れを止める。本実施例によれば、培養装置で細胞を培養する際に、最小限度の汚染で培養過程において使用するものを培養装置１に供給及び取り出しできる。
【００１９】
なお、細胞培養の具体的作業は以下のとおりである。培養する細胞をエアロック部１１に投入し、エアロック部１１の内部に配置した遠心分離機５８を用いて遠心分離する。遠心分離が終了したら、内部側の扉ｂを開けて培地により洗浄する。遠心分離により培養の対象である細胞が集められた部分を、マニピュレータ３０の先端に配置した図示しない吸引手段を用いて吸引する。吸引された細胞は、統一容器であるカートリッジ５０に形成した図示しない注入口から注入する。
これにより、カートリッジ５０内に播種される。これら一連の動作は、ピペット機能を持つマニピュレータ３０が行う。マニピュレータ３０の制御には、ドライバ３３を使用し、ロボット技術で開発された自動制御を用いる。
【００２０】
ピペット先端を、以下のようにして交換する。ピペット投入用エアロック部１２の扉ｃ，ｄを上述のように操作した後、ピペット先端をピペット投入用エアロック部１２に置く。そして、エアロック部１２の扉ｃ、ｄを操作してエアロック部１２にピペット機能を有するマニピュレータ３０が操作できるようにする。自動制御または遠隔制御により、マニピュレータ３０の先端に着脱可能なピペット先端を取り付ける。ピペットの使用が終了したら、把持機能を有するマニピュレータ３１を用いてマニピュレータ３０の先端からピペット先端を取り外す。エアロック部１２の扉ｃ、ｄを操作した後、排出用エアロック部１３から人手またはマニピュレータを用いてピペット先端を取出す。
【００２１】
培養用のカートリッジ５０を、チャンバ５内部へ供給またはチャンバ５内部から取り出す作業は、以下のとおりである。統一容器投入または取り出し用エアロック部１４の扉ｇ、ｈを上述のように操作した後、滅菌封入したカートリッジ５０をエアロック部１４に投入する。扉ｇ、ｈを操作してエアロック部１４内を仕切り、図示しない封入取り外し手段により封を切る。これは、エアロック部１４内に配置したカッタにより容易に実行可能である。また、貼り合わせフィルムの包装容器であれば、封入口を２本のマニピュレータ先端部が引っ張るか、または互いに反対方向に封入口を引っ張る治具をを用いることで、人手によらずカートリッジ５０を開封できる。
【００２２】
扉ｈを操作して、チャンバ５内部に配置した把持機能を有するマニピュレータ３２がエアロック部１４ｂにアクセスできるようにする。マニピュレータ３２は、エアロック部１４ｂに置かれたカートリッジ５０を把持して、チャンバ５内上部に設けられた内部培養装置２０の中にカートリッジ５０を置く。内部培養装置２０の内部には、カートリッジ５０を回転可能に保持する保持手段が設けられている。
【００２３】
内部培養装置２０の対向する２つの側面には、扉ｉ，ｋが設けられている。マニピュレータ３２側に位置する扉ｉを開けた後に、マニピュレータ３２は空のカートリッジ５０を内部培養装置２０内で回転させる。そして、ピペット機能を有するマニピュレータ３０側に位置する扉ｋを開けて、マニピュレータ３０が細胞を空のカートリッジ５０に播種する。カートリッジ５０の端面に形成した注入口５０ｄへ、ピペット先端に形成した細い中空の針が播種する。播種を終えたら、カートリッジ５０に培地供給用チューブと培地排出用のチューブを、マニピュレータ３０を用いて接続する。マニピュレータ３０、３２を内部培養装置２０から出して扉ｉ，ｋを閉じ、内部培養装置２０内で培養を開始する。
【００２４】
内部培養装置２０には、培養装置１の外部に設置した培地供給源３００から加熱され適温に調整された培地がポンプ３１０により供給される。チャンバ５の内部の気体は、外部に設けた酸素供給源２００や二酸化炭素供給源２１０、空気供給源２２０等から供給される。チャンバ５の内部には、フィルタ４０部が形成されており、外部気体供給源２００〜２２０から供給される気体中に含まれる塵埃等を除去する。また、培養装置から排気される気体の成分を測定するセンサ１００および温度センサ１１０が排気路中に設けられている。
【００２５】
図３に詳細を示すように、フィルタ部４０の底部にはファン４１が設けられている。また、フィルタ部４０の上下方向中間位置には、防塵フィルタ４２が取り付けられている。防塵フィルタ４２を経た気体は、チャンバ５内部を流通した後、格子状に形成された対面壁４３を通過する。そして、底部チャンバ５内部の底部に形成されたグレージング部４４を通ってチャンバ５底部を横方向に流れ、ファン４１に戻される。
【００２６】
チャンバ５内部を流通する気体の温度を検出する温度センサ４５がチャンバ５内部に設けられている。この温度センサ４５が検出した気体温度に基づいて温度制御装置４７が、所定の温度になるようファン４１の近傍に設けたヒータ４６を制御するか、外部空気供給源２２０から供給される空気量を増やす。なお、外部空気供給源２２０は低温度に維持されており、気体温度を下げるのに用いられる。また、戻りガスの組成を図示しない計測手段を用いて計測し、必要な気体を外部気体供給源２００〜２２０から供給して所定組成にすることも可能である。
【００２７】
以上述べた本実施例によれば、培養するための元の細胞とピペット先端部とカートリッジとをそれぞれの専用のエアロック部１１、１２、１４からチャンバ５内部に供給した後、所定の手順でマニピュレータを制御しているので、人手を介することなくカートリッジ内部に細胞を播種することができる。なお、培養に際しては、適宜培地を流して交換して培養する。
【００２８】
培養が終了した後の培養細胞の詰まったカートリッジを取り出す手順は、以下のとおりである。把持機能を持つマニピュレータ３２が内部培養装置２０の扉ｉを開け、培地供給用チューブと培地排出用のチューブをカートリッジ５０から外す。扉ｉを通して内部培養装置２０からカートリッジ５０を取り出す。
【００２９】
カートリッジ投入または取り出し用エアロック部１４の扉ｈを操作してエアロック部１４にマニピュレータ３２をアクセス可能にする。マニピュレータ３２がエアロック部１４にアクセス可能になったので、マニピュレータ３２がエアロック部１４にカートリッジ５０を置く。その後、扉ｈを閉じ、外部からカートリッジ５０にアクセス可能なように扉ｇを開く。
【００３０】
一方、取り外したチューブを取出すために、排出物排出用エアロック部１３の扉ｆを開き、マニピュレータ３２がエアロック部１３にアクセス可能にする。マニピュレータ３２は、取り外したチューブをエアロック部１３に置く。その後、扉ｅ，ｆを操作してチャンバ５の外部からエアロック部の１３へのアクセスを可能にする。滅菌手袋をした人または取り出し用マニピュレータが、エアロック部１３にアクセスして、チューブを外部に取り出して廃棄する。
【００３１】
内部培養装置２０の詳細を、図４を用いて説明する。図４中の（ａ）図は、内部培養装置２０の一実施例の上面図であり、（ｂ）図はその側面図である。内部培養装置２０の内部の一側面には、ファン２０２を介して個体温度制御機２０３が設けられている。ファン２０２は内部培養装置２０内の気体を弱く拡散させる。個体温度制御機２０３は吸発熱できるペルチェ素子等からなり、内部培養装置２０内を温度管理する。
【００３２】
内部培養装置２０のほぼ中央部には、サーボモータ５９で駆動されるターンテーブル２０１が設置されている。ターンテーブル２０１の上には、周方向ほぼ等分位置にカートリッジ５０が搭載可能になっている。この図４においては、カートリッジ５０〜５３を周方向等分に配置している。カートリッジ５０〜５３は、ターンテーブル２０１に機械的あるいは静電的、電磁的に着脱できる。ターンテーブル２０１は１回転以上回転できるように形成されている。そのため、マニピュレータ３２側の扉ｉを通ってマニピュレータがカートリッジ５０〜５３をターンテーブル２０１上に配置するときは、ターンテーブル２０１上のどの位置にも配置できる。ターンテーブル２０１の上方には、チューブガイド６０が配置されている。各カートリッジ５０〜５３には、上述したように培地供給用チューブ５０ａ〜５３ａと培地排出用のチューブ５０ｂ〜５３ｂが接続される。チューブガイド６０はターンテーブル２０１が回転したときに、培地供給チューブ５０ａ〜５３ａをガイドして、円周に沿って回転させる。
【００３３】
図５により、ピペット機能を持つマニピュレータ３０を用いたピペット動作の具体的な動きを説明する。マニピュレータ３０は、上下動および回動、左右動、図示されていないが紙面に垂直な方向動が可能である。これら方向の動きにより、マニピュレータ３０は扉ｂ部からエアロック部１１にアクセスし、遠心分離分離機５８で分離した対象の細胞を吸引する。吸引した細胞を培地で希釈した後カートリッジ５０に注入口５０ｄから播種する。すなわち、マニピュレータ３０は、実線で示した（ｘ）状態から、一点差線で示した（ｙ）の状態に、ついで破線で表された（ｚ）の状態へとその位置を変化させる。これにより、マニピュレータを用いて、統一容器に細胞を無人で播種できる。また、必要に応じて遠心分離機５８内の他の容器を用いて培地で細胞をほぐす。内部培養装置２０内には、テレビカメラと照明系７０が設けられている。このテレビカメラは、培養中の培養細胞の状態を光学的に観測し、異常の有無を監視する。カートリッジ５０を透明容器にしたので、テレビカメラ７０により細胞の状態をモニタリング可能である。
【００３４】
本実施例の培養装置は、チャンバ５内に内部培養装置２０を配置する二重構造になっている。これにより、コンタミネーションを大幅に低減できる。また、用途ごとにエアロック部を設け、各エアロック部の気圧を逆止弁とこの逆止弁に接続された吸引手段により制御可能にしたので、外部との必要細胞や材料の供給または排出時に起こり得るコンタミネーションを大幅に低減できる。
【００３５】
図６に、上記実施例で述べた培養装置を備えた培養システムの一例を示す。本システムは、培地供給源や気体供給源を内蔵した補機部３と培養装置１と、培養装置を制御する培養制御装置２を備えている。細胞の培養を、制御装置２に予め記憶されたプログラムを用いて、制御している。
【００３６】
上記実施例においては、マニピュレータを完全に自動制御で操作していたが、マニピュレータにカメラを設けて遠隔監視で操作できるようにしてもよい。この場合、さらに高精度にマニピュレータを操作可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、エアロック部から投入された統一容器をチャンバ内で無人で操作するので、培養設備から最大の汚染源である人間を排除でき、大規模な設備無しにクリーンに細胞を培養できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る培養装置の一実施例の上面図である。
【図２】図１に示した培養装置の正面図である．
【図３】図１に示した培養装置の側面図である．
【図４】図１に示した培養装置に用いる内部培養装置の図であり、同図（ａ）はその上面図、同図（ｂ）はその側面図である。
【図５】図１に示した培養装置の動作を説明する図である。
【図６】本発明に係る培養システムの一実施例の斜視図である。
【符号の説明】
１…培養装置、２…培養制御装置、３…補機部、５…（第１の）チャンバ、１１…細胞投入用エアロック部、１２…エアロック部、１３…エアロック部、１４…、エアロック部、２０…内部培養装置（第２のチャンバ）、３０〜３２…マニピュレータ、４０…フィルタ部、４１…ファン、４２…防塵フィルタ、４３…対面壁、４５…温度センサ、４７…温度制御装置、４６…ヒータ、５０〜５３…カートリッジ（統一容器）、５８…遠心分離機、２００…酸素供給源、２１０…二酸化炭素供給源、２２０…空気供給源。

Claims

第１のチャンバを有し細胞組織を培養する培養装置において、前記第１のチャンバに複数個のエアロック式の出入り口と、細胞を培養する第２のチャンバとを設け、第１のチャンバ内に遠隔制御または自動制御で作動するマニピュレータを配置し、このマニピュレータはエアロック式の出入り口の少なくとも１つと第２のチャンバの双方にアクセス可能であることを特徴とする培養装置。
前記エアロック式の出入り口の各々は２枚の扉により２つの部分に区画されており、区画された一方の部分の扉はこの区画され部分を第１のチャンバ内部に連通するものであり、区画された他方の部分の扉は培養装置外部に連通するものであることを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
前記複数のエアロック式の出入り口の各々が、第１のチャンバ内部に面する側面部と培養装置外部に面する側面部とに逆止弁を備えていることを特徴とする請求項２に記載の培養装置。
前記第２のチャンバ内部に統一容器を保持可能なターンテーブルを設け、このターンテーブルに前記マニピュレータがアクセス可能とする扉を前記チャンバの側面または底面に設けたことを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
前記第２のチャンバ内に保持される統一容器に培地を供給する培地タンクと前記第１のチャンバに制御気体を供給する供給源と、前記マニピュレータを制御する制御装置とを付設したことを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
前記第１のチャンバ内を流通する気体の気流や温度と湿度を制御する制御手段を設けたこと特徴とする請求項１に記載の培養装置。
前記ターンテーブルは周方向に３６０度以上回転可能であり、統一容器内の培地を流動可能または統一容器位置を変更可能としたことを特徴とする請求項４に記載の培養装置。