JP2009247261A - 培養装置および培養装置制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 培養装置の恒温室の酸素濃度を制御し、安定的な培養を可能とすること。
【解決手段】 所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、窒素ガスを発生して恒温室に供給する供給部と、ユーザ操作に基づいて、試料の種類、培養容器の種類、試料を培養する培地の種類、培地の培地量、培地に添加される添加物の種類、添加物の特性のうち少なくとも１つを含む培養対象情報と、恒温室内における温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度のうち少なくとも１つを含む内部環境情報との少なくとも一方を培養情報として取得する取得部と、培養装置の内部環境条件を決定する際に用いる、培養に関する参照情報を記憶する記憶部と、培養情報に基づいて参照情報を参照し、培養に関する培養装置の内部環境条件を決定する決定部と、内部環境条件にしたがって、供給部を制御する供給制御部とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置、および、培養装置の制御をコンピュータで実現するための培養装置制御プログラムに関する。

従来から、各種の微生物や細胞を培養するために恒温室を備えた培養装置が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。このような培養装置では、恒温室の環境条件（例えば、温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度等）を監視し、変化に応じて上記の各パラメータを調整することにより、恒温室の内部を所定の環境条件に保っている。

このような培養装置による培養に関して、近年、受精卵やＥＳ細胞等の生体試料の培養を行う際に、酸素濃度を通常大気以下の濃度に維持して培養を行う、いわゆる「低酸素培養」が盛んである。
特開２００４−１６１９４号公報

上述した低酸素培養においては、培養装置の恒温室の環境条件が変化すると、生体試料の培養に影響を及ぼす可能性がある。そのため、恒温室の環境条件の維持、特に、酸素濃度の制御が重要であることが知られている。上述した公知技術のように、恒温室の内部を所定の環境条件に保つための様々なアプローチが従来から行われているが、低酸素培養においては、特に、恒温室の酸素濃度の厳密な制御が求められている。

本発明の培養装置および培養装置制御プログラムは、培養装置の恒温室の酸素濃度を制御し、安定的な培養を可能とすることを目的とする。

本発明の培養装置は、所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、窒素ガスを発生して前記恒温室に供給する供給部と、ユーザ操作に基づいて、前記試料の種類、前記培養容器の種類、前記試料を培養する培地の種類、前記培地の培地量、前記培地に添加される添加物の種類、前記添加物の特性のうち少なくとも１つを含む培養対象情報と、前記恒温室内における温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度のうち少なくとも１つを含む環境情報との少なくとも一方を培養情報として取得する取得部と、前記培養装置の内部環境条件を決定する際に用いる、培養に関する参照情報を記憶する記憶部と、前記培養情報に基づいて前記参照情報を参照し、培養に関する前記培養装置の内部環境条件を決定する決定部と、前記内部環境条件にしたがって、前記供給部を制御する供給制御部とを備える。

なお、好ましくは、前記培養容器の試料を撮像して観察画像を生成する観察部と、前記観察画像を画像解析して評価する評価部と、前記評価部による評価内容を、新たな前記参照情報として前記記憶部に記憶する記憶制御部とを備えても良い。

また、好ましくは、前記培養装置は、第１筐体と、前記第１筐体と隔離して設置される第２筐体とからなるとともに、顕微鏡を具備し、前記顕微鏡は、前記第１筐体内に試料台および前記恒温室を有し、前記第２筐体内に前記試料台の駆動部と前記試料台に載置された試料を観察する顕微鏡の対物レンズの駆動部とを有しても良い。

また、上記発明に関する構成を、培養装置の制御をコンピュータで実現するための培養装置制御プログラムに変換して表現したものも本発明の具体的態様として有効である。

本発明の培養装置および培養装置制御プログラムによれば、培養装置の恒温室の酸素濃度を制御し、安定的な培養を可能とすることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。

図１は本実施形態の培養装置の全体構成を示す概要正面図である。培養装置は、インキュベータ１と窒素供給装置２とからなる。そして、インキュベータ１は、第１筐体１０と、第２筐体１１とで構成されている。また、図２は、インキュベータ１の全体構成を示す概要正面図である。

第１筐体１０は、第２筐体１１の上側に配置されている。第１筐体１０の内部には、断熱材で覆われた恒温室１２が形成されている。第１筐体１０の正面側は開口部１０ａをなしている。そして、この開口部１０ａは観音開きの正面扉１３によって開閉可能に閉塞されている。また、第１筐体１０の右側面下寄りの位置には、培養容器（ウエルプレート、フラスコ、ディッシュ等）が通過可能な搬出入口１５が形成されている。この搬出入口１５は、駆動機構１６によりスライドする自動扉１７で開閉可能に閉塞されている。さらに、第１筐体１０の底面には、後述の顕微鏡ユニット２６の配置用の開口部（不図示）が正面からみて左寄りの位置に形成されている。

恒温室１２の内部の各壁面には、ペルチェ素子等を用いた温度調整装置が複数内蔵されている。温度調整装置の構成は公知技術と同様であるため説明を省略する。また、恒温室１２の内部には、噴霧装置等を備えた湿度調整装置が備えられている。湿度調整装置の構成は公知技術と同様であるため説明を省略する。さらに、恒温室１２内部の壁面にはガス導入部２１が配置されている。ガス導入部２１は窒素供給装置２および外気供給装置（不図示）と接続されている。そして、ガス導入部２１は各供給装置から恒温室１２にガスを導入して、恒温室１２内の二酸化炭素濃度、酸素濃度および窒素濃度を調整する。さらに、恒温室１２の内側の上面には、恒温室１２の内部の環境条件を検出するための内部センサ２２が配置されている。

第１筐体１０の恒温室１２内には、収納部２３と、容器搬送機構２４と、容器搬出入機構２５と、顕微鏡ユニット２６とが収納される。

収納部２３は、ストッカー等を備え、第１筐体１０の正面からみて恒温室１２内の右側に配置される。収納部２３の内部は、例えば、複数の棚で上下に区画されている。そして、収納部２３には培養容器を水平に収納できるようになっている。また、収納部２３の最下段は容器搬出入機構２５を配置するスペースとなっている。

培養容器は、容器搬送機構２４による運搬を容易にするために、例えば、トレー状のホルダー等に載置されて取り扱われる。容器搬送機構２４は、第１筐体１０の正面からみて恒温室１２内の中央に配置される。容器搬送機構２４は、不図示の搬送アームやモータ等を備え、培養容器が載置されたホルダーを左右方向、上下方向、前後方向の各方向に移動させることが可能である。したがって、容器搬送機構２４は、培養容器が載置されたホルダーを、収納部２３、容器搬出入機構２５、顕微鏡ユニット２６の間で相互に移動可能である。

容器搬出入機構２５は、収納部２３の最下段において搬出入口１５の近傍に設置されている。容器搬出入機構２５は、培養容器が載置されたホルダーを載置可能な搬送テーブルや搬送テーブルを搬出入口１５の外部へ往復動させるモータユニット等を有している。

顕微鏡ユニット２６は、第１筐体１０の正面からみて恒温室１２内の左側に配置される。顕微鏡ユニット２６は、培養容器等を載置する試料台、照明装置、撮像部等を有している。この顕微鏡ユニット２６は第１筐体１０の底面の開口部に嵌め込まれて配置されている。そして、試料台や照明装置は第１筐体１０の恒温室１２内に配置されるが、顕微鏡ユニット２６の本体部分は大半が第２筐体１１側に収納される。

一方、第２筐体１１には、上記の顕微鏡ユニット２６の本体部分と、培養装置制御ユニット４０とが格納されている。なお、図１および図２で示したインキュベータ１は、一例であり、その構成はこの例に限定されない。

窒素供給装置２の内部には、窒素ガスをインキュベータ１に供給する窒素供給部５０、窒素ガスを発生する窒素発生部５１、各部を制御する供給装置制御ユニット６０が収納される。

窒素供給部５０は、窒素発生部５１から供給される窒素ガスをインキュベータ１に供給する。なお、窒素供給部５０の出力は、インキュベータ１のガス導入部２１に接続される。窒素発生部５１は、供給装置制御ユニット６０の指示に応じて、窒素ガスを発生する。なお、窒素発生部５１により発生した窒素ガスは、窒素供給部５０に供給される。窒素発生部５１による窒素ガスの発生量等は、供給装置制御ユニット６０の指示にしたがって制御される。

図３は、培養装置におけるインキュベータ１と窒素供給装置２との関係を示すブロック図である。

インキュベータ１の培養装置制御ユニット４０は、培養装置ＣＰＵ４１と、操作部４２と、表示パネル４３と、参照情報記憶部４４とを有している。培養装置ＣＰＵ４１は、駆動機構１６、ガス導入部２１、内部センサ２２、容器搬送機構２４、容器搬出入機構２５、顕微鏡ユニット２６と接続されている。そして、培養装置ＣＰＵ４１は所定のプログラムにしたがって上記各部を制御する。

操作部４２はキーボード等の入力手段を有しており、培養装置ＣＰＵ４１を介してインキュベータ１の各部を動作させる。すなわち、培養装置ＣＰＵ４１は、操作部４２からの入力に基づき、恒温室１２内の環境条件の調整、恒温室１２内外への培養容器の搬出入、培養容器の試料の観察、恒温室１２内での培養容器の搬送等の動作を実行する。また、表示パネル４３は培養装置ＣＰＵ４１から出力された恒温室１２の環境条件等を出力表示する。参照情報記憶部４４は、後述する内部環境条件の決定に用いる参照情報を予め記憶する。参照情報の詳細および参照情報の利用方法に関する詳細は後述する。

窒素供給装置２の供給装置制御ユニット６０は、供給装置ＣＰＵ６１を有している。供給装置ＣＰＵ６１は、窒素供給部５０および窒素発生部５１と接続されている。そして、供給装置ＣＰＵ６１は所定のプログラムにしたがって上記各部を制御する。また、培養装置ＣＰＵ４１と供給装置ＣＰＵ６１とは相互に接続される。

以下、本実施形態の培養装置の動作を説明する。まず、培養装置の各部の基本的な動作について簡単に説明する。

培養装置の動作時には、培養装置ＣＰＵ４１は内部センサ２２により恒温室１２内の環境条件を監視する。環境条件に変動がある場合には、培養装置ＣＰＵ４１は不図示の温度調整装置、湿度調整装置、ガス導入部２１のいずれかを動作させて恒温室１２内の環境条件を一定に調整する。なお、培養装置ＣＰＵ４１は、ガス導入部２１を動作させる場合には、供給装置ＣＰＵ６１に指示を行い、窒素供給装置２を動作させる（詳細は後述する）。

操作部４２から培養容器の搬送指示がある場合、ＣＰＵは容器搬送機構２４のモータをそれぞれ駆動させて培養容器や培養容器が載置されたホルダーを搬送する。このとき、容器搬送機構２４は、（１）収納部２３内での培養容器の入れ替え、（２）容器搬出入機構２３への培養容器の受け渡し、（３）顕微鏡ユニット２６への培養容器の受け渡し、のいずれかを実行する。

操作部４２から培養容器の観察指示がある場合、培養装置ＣＰＵ４１は顕微鏡ユニット２６を動作させて培養容器の試料を観察する。このとき、培養装置ＣＰＵ４１は顕微鏡ユニット２６の照明装置で試料を照明する。そして、培養装置ＣＰＵ４１は操作部４２からの指示に応じて試料台を水平方向に移動させる。これにより、培養容器の任意位置における試料の観察が可能となる。また、培養装置ＣＰＵ４１は、操作部４２からの指示に応じて撮像部を駆動し観察画像を生成する。

操作部４２から培養容器の搬出指示がある場合、培養装置ＣＰＵ４１は駆動機構１６を動作させて自動扉１７を開放する。そして、培養装置ＣＰＵ４１は容器搬出入機構２５のモータユニットを駆動させて搬送テーブルの培養容器およびホルダーを恒温室１２外に搬出する。同様に、操作部４２から培養容器の搬入指示がある場合、培養装置ＣＰＵ４１は容器搬出入機構２５のモータユニットを駆動させて搬送テーブルの培養容器およびホルダーを恒温室１２内に搬入する。そして、培養装置ＣＰＵ４１は駆動機構１６を動作させて自動扉１７を閉鎖する。

次に、培養装置の動作時の培養装置ＣＰＵ４１の動作を、図４のフローチャートを参照して説明する。

まず、ステップＳ１において、培養装置ＣＰＵ４１は、操作部４２を介したユーザ操作に基づいて、培養情報を取得する。

培養情報には、培養対象情報と環境情報とが含まれる。培養対象情報は、培養容器において培養される試料の種類（細胞種、菌種等）、培養容器の種類（ウエルプレート、フラスコ、ディッシュ等）、培地の種類、培地に添加される添加物の種類（ｐＨ指示薬、血清、各種試薬等）、添加物の特性等の情報である。また、環境情報は、恒温室１２内の温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度等の情報である。

ステップＳ２において、培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ１で取得した培養情報に基づいて、参照情報記憶部４４に記憶した参照情報を参照し、培養に関する内部環境条件を決定する。

参照情報とは、培養に関する内部環境条件を決定するためのデータベースである。参照情報には、培養情報（培養対象情報と環境情報との少なくとも一方）に対応づけて、内部環境条件が定められている。培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ１で取得した培養情報に基づいて、この参照情報を参照し、最適な内部環境条件を決定する。例えば、内部環境条件として、温度：３７℃、湿度：９０％ＲＨ、二酸化炭素濃度５％、酸素濃度５％といった数値を決定する。

なお、培養に際しては、培地の種類や添加物の種類（培地の組成）によって、培地中と恒温室１２内の雰囲気とで二酸化炭素濃度や酸素濃度が異なってしまう場合がある。二酸化炭素濃度に関しては、培地に添加するバッファリング剤等により、この問題を解消する工夫が一般的である。しかし、酸素濃度に関しては、今のところ好適なバッファリング剤がなく、この問題を解消することができない。しかし、参照情報として、培地中と恒温室１２内の雰囲気との酸素濃度の差異を記憶しておき、この参照情報を利用して内部環境条件を決定することにより、酸素濃度についても上述の問題を解決することができる。すなわち、ステップＳ２において決定される二酸化炭素濃度や酸素濃度は、ステップＳ１において取得した培養情報中の二酸化炭素濃度や酸素濃度とは異なる値に決定される場合もある。

ステップＳ３において、培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ２で決定した内部環境条件にしたがって、各部に制御情報を出力する。特に、培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ２で決定した酸素濃度にしたがって、供給装置ＣＰＵ６１に制御情報を出力する。供給装置ＣＰＵ６１は、培養装置ＣＰＵ４１から受け付けた制御情報にしたがって窒素発生部５１を制御し、窒素ガスを算出させるとともに、窒素供給部５０を制御し、窒素ガスをインキュベータ１のガス導入部２１に供給する。

以上説明した一連の処理により、インキュベータ１における試料の培養状態（内部環境条件）を、培養対象やユーザにより指定された内部環境を反映して、自動的に設定することができる。

次に、顕微鏡ユニット２６による観察画像の生成時の培養装置ＣＰＵ４１の動作を、図５のフローチャートを参照して説明する。

ステップＳ１１において、培養装置ＣＰＵ４１は、顕微鏡ユニット２６から観察画像を取得する。

ステップＳ１２において、培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ１１において取得した観察画像を画像解析して評価する。例えば、培養装置ＣＰＵ４１は、観察画像から試料が含まれる領域を抽出し、試料の生育状態（生育数、サイズ等）や汚染の有無等を検出する。そして、検出結果に基づいて培養状態を評価する。

ステップＳ１３において、培養装置ＣＰＵ４１は、ステップＳ１２における評価内容を新たな参照情報として参照情報記憶部４４に記憶する。

以上説明した一連の処理により、インキュベータ１において培養を行うたびに、新たな参照情報を追加し、以降の培養時に利用することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、培養対象情報と環境情報との少なくとも一方を培養情報として取得する。そして、取得した培養情報に基づいて予め記憶された参照情報を参照し、培養に関する内部環境条件を決定する。さらに、決定した内部環境条件にしたがって、窒素ガスを恒温室に供給する供給部を制御する。したがって、恒温室の酸素濃度を制御し、安定的な培養を可能とすることができる。特に、低酸素培養等、恒温室の環境条件のさらに厳密な維持が求められる状況にも対応することができる。

また、本実施形態によれば、培養容器の試料を撮像して観察画像を生成し、生成した観察画像を画像解析して評価する。そして、評価内容を新たな参照情報として記憶する。したがって、培養を行うたびに、新たな参照情報を追加し、以降の培養時に利用することができる。そのため、培養時に発生した異常等にも対応が可能になるとともに、より好適な内部環境条件を決定することができる。

なお、本実施形態の図４のステップＳ１２において説明した画像解析は一例であり、どのような画像解析を行っても良い。また、観察画像そのものを参照情報として記憶する構成としても良い。

また、本実施形態では、インキュベータ１の培養装置ＣＰＵ４１をメインＣＰＵとする例を挙げて説明したが、インキュベータ１および窒素供給装置２を統括的に制御するコンピュータのＣＰＵをメインＣＰＵとしても良い。また、窒素供給装置２の供給装置ＣＰＵ６１をメインＣＰＵとしても良い。

培養装置の全体構成を示す概要正面図である。 インキュベータ１の全体構成を示す概要正面図である。 培養装置におけるインキュベータ１と窒素供給装置２との関係を示すブロック図である。 培養装置の動作時の培養装置ＣＰＵ４１の動作を示すフローチャートである。 観察画像の取得時の培養装置ＣＰＵ４１の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１…インキュベータ、２…窒素供給装置、１２…恒温室、２１…ガス導入部、２６…顕微鏡ユニット、４０…培養装置制御ユニット、４１…培養装置ＣＰＵ、４２…操作部、４３…表示部、４４…参照情報記憶部、５０…窒素供給部、５１…窒素発生部、６０…供給装置制御ユニット、６１…供給装置ＣＰＵ

Claims (5)

1. 所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養する培養装置であって、
   窒素ガスを発生して前記恒温室に供給する供給部と、
   ユーザ操作に基づいて、前記試料の種類、前記培養容器の種類、前記試料を培養する培地の種類、前記培地の培地量、前記培地に添加される添加物の種類、前記添加物の特性のうち少なくとも１つを含む培養対象情報と、前記恒温室内における温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度のうち少なくとも１つを含む環境情報との少なくとも一方を培養情報として取得する取得部と、
   前記培養装置の内部環境条件を決定する際に用いる、培養に関する参照情報を記憶する記憶部と、
   前記培養情報に基づいて前記参照情報を参照し、培養に関する前記培養装置の内部環境条件を決定する決定部と、
   前記内部環境条件にしたがって、前記供給部を制御する供給制御部と
   を備えたことを特徴とする培養装置。
2. 請求項１に記載の培養装置において、
   前記培養容器の試料を撮像して観察画像を生成する観察部と、
   前記観察画像を画像解析して評価する評価部と、
   前記評価部による評価内容を、新たな前記参照情報として前記記憶部に記憶する記憶制御部とを備える
   ことを特徴とする培養装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の培養装置において、
   前記培養装置は、第１筐体と、前記第１筐体と隔離して設置される第２筐体とからなるとともに、顕微鏡を具備し、
   前記顕微鏡は、前記第１筐体内に試料台および前記恒温室を有し、前記第２筐体内に前記試料台の駆動部と前記試料台に載置された試料を観察する顕微鏡の対物レンズの駆動部とを有する
   ことを特徴とする培養装置。
4. 所定の環境条件に調整された恒温室内で培養容器の試料を培養するとともに、窒素ガスを発生して前記恒温室に供給する供給部を備えた培養装置に対する制御をコンピュータで実現する培養装置制御プログラムであって、
   前記試料の種類、前記培養容器の種類、前記試料を培養する培地の種類、前記培地の培地量、前記培地に添加される添加物の種類、前記添加物の特性のうち少なくとも１つを含む培養対象情報と、前記恒温室内における温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度、窒素濃度のうち少なくとも１つを含む環境情報との少なくとも一方を培養情報として取得する取得ステップと、
   前記培養情報に基づいて、予め記憶した培養に関する参照情報を参照し、培養に関する内部環境条件を決定する決定ステップと、
   前記内部環境条件にしたがって、前記供給部を制御する制御ステップと
   をコンピュータで実現することを特徴とする培養装置制御プログラム。
5. 請求項４に記載の培養装置制御プログラムにおいて、
   前記培養容器の試料を撮像して観察画像を生成する観察ステップと、
   前記観察画像を画像解析して評価する評価ステップと、
   前記評価ステップにおける評価内容を、新たな前記参照情報として記憶する記憶ステップとを有する
   ことを特徴とする培養装置制御プログラム。

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