JP2010158185A

JP2010158185A - 培養観察装置

Info

Publication number: JP2010158185A
Application number: JP2009001334A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Uozumi; 孝之魚住
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2009-01-07
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2010-07-22

Abstract

【課題】培養環境内に搬入する際の結露の発生を抑制して効率よく作業を行う。
【解決手段】インキュベータ部１２は、細胞の培養に適した培養環境に維持され、細胞を収容した培養容器１４を収納可能であり、撮像部２０および２２は、インキュベータ部１２内の培養環境下で、培養容器１４に収容された細胞を撮像することができる。そして、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入する際に、台部３５に培養容器１４が載置され、搬送ロボット１５のアーム３１が台部３５に載置された培養容器１４を搬入するまでの間に、ヒータ３６が培養容器を加温する。本発明は、例えば、細胞の培養および観察を自動的に行う培養観察装置に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、培養観察装置に関し、特に、培養環境内に搬入する際の結露の発生を抑制して効率よく作業を行うことができるようにした培養観察装置に関する。

従来、細胞培養では、シャーレや、フラスコ、ウェルプレートなどの培養容器が用いられ、細胞が培養可能な環境に整地された培養容器に、組織などから単離された細胞が播かれ、その細胞が培養容器内の表面に接着し、伸展して単層を形成していく。

ユーザは、温度、湿度、および二酸化炭素などが細胞の培養に適した培養環境で維持されているインキュベータに、細胞を撒いた培養容器を入れ、その培養環境で細胞を培養させる。インキュベータ内は、例えば、温度が３７度、湿度が９０％以上、二酸化炭素濃度が５％程度となる培養環境で維持されている。

そして、一定期間が経過した後に、ユーザは、インキュベータから培養容器を取り出して、細胞の培養状態を顕微鏡で観察し、その後、再度、培養容器をインキュベータに入れるという作業を繰り返す。

近年、位置再現性を保持しながら複数のサンプルのタイムラプス観察を行うことができる培養観察装置を使用して、複数の培養容器で細胞を培養するとともに、培養している細胞を培養環境内で自動的に観察したり、撮影することが可能となっている。

このような培養観察装置を使用することで、培養環境下での観察が可能となり、顕微鏡観察時の環境暴露によって細胞に与えられるダメージを少なくすることができるメリットや、培養中の細胞の観察、記録、および管理が自動的に行われるため、ユーザの負担を減らすことができるというメリットがある。

ところで、細胞を培養容器に撒く作業の直後、または、培地交換や継代操作などの作業を行う際、培養容器は、それらの作業を行うためにクリーンベンチなどに長時間載置される。このとき、培養容器は、外気の温度の影響を受けたり、新しい培地などの温度の影響を受け、一般的に、２０〜３０度程度の温度となる。即ち、インキュベータから取り出された培養容器の温度は、インキュベータ内の３７度から２０〜３０度程度にまで低下する。

このように、インキュベータ内の温度よりも低い温度となった培養容器を細胞培養観察装置に収容すると、培養環境（温度３７度、湿度９０％以上）の影響を受け、培養容器に結露が発生することがある。そして、照明光路または観察光路に結露が発生すると、光の通過が結露により阻害されてしまい、良好な観察像を取得することが困難になる。

例えば、培養容器の底面に結露が発生した場合、この結露により観察光学系が阻害され、位相差光学系において観察像が劣化したり、オートフォーカス時に結露面にフォーカスが合って水滴が撮像されることがある。また、培養容器の蓋に結露が発生した場合、この結露により照明光学系が阻害され、観察像の輝度が低下することがある。

ここで、特許文献１には、培養環境とは別に設けられた加温室で、培養環境に馴染むように培養容器を加温した後に、培養環境内に搬入することで、結露の発生を防止することができる自動培養装置が開示されている。しかしながら、この自動培養装置では、培養環境とは別に加温室が設けられるために装置が大掛かりなものとなり、また、必要な温度に到達するまでに時間が掛かるという問題があった。

また、特許文献２には、ウェルプレートの温度を計測して、必要な温度のみを培養容器に与えることができるように構成された環境制御装置が開示されている。しかしながら、この環境制御装置では、１つの培養容器にしか対応しておらず、また、装置に搬入するような短時間での加温には対応できないという問題があった。

特開２００４−３４４１２８号公報特開２００６−３９１７１号公報

上述したように、培養容器を培養観察装置に収容する際に結露が発生すると、良好な観察を行うことができないため、結露が解消されるまで、例えば３０分から１時間程度、ユーザが作業を待機する必要があり、効率よく作業を行うことが困難なことがある。

例えば、反応が早い試薬を用いたときに添加直後の状態変化を観察したくても、培養容器の結露が解消されるまで観察することができないという問題があった。また、結露が解消されるまで、培養容器内の観察点を設定する作業を行うことができないという問題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、培養環境内に搬入する際の結露の発生を抑制して効率よく作業を行うことができるようにするものである。

本発明の培養観察装置は、細胞を培養して観察する培養観察装置であって、前記細胞の培養に適した培養環境に維持され、前記細胞を収容した培養容器を収納可能な培養室と、前記培養室内の培養環境下で、前記培養容器に収容された前記細胞を観察する観察手段と、前記培養室に前記培養容器を搬入する際に、前記培養容器を載置する載置台と、前記載置台に載置された前記培養容器を、前記培養室に搬入する搬入手段と、前記培養容器が前記載置台に載置されてから前記搬入手段により搬入されるまでの間に、前記培養容器を加温する加温手段とを備えることを特徴とする。

本発明の培養観察装置においては、細胞の培養に適した培養環境に維持され、細胞を収容した培養容器を収納可能な培養室内で、培養容器に収容された細胞が観察される。そして、培養室に培養容器を搬入する際に、培養容器が載置台に載置されてから、その培養容器が培養室に搬入されるまでの間に、培養容器が加温される。

本発明の培養観察装置によれば、培養環境内に搬入する際の結露の発生を抑制して効率よく作業を行うことができる。

本発明を適用した培養観察装置の一実施の形態の構成例を示す断面図である。培養容器１４の加温および搬入について説明する図である。培養容器１４の上面を加温することができる仮置き台３４’を示す図である。培養容器１４の上面および底面を加温することができる仮置き台３４’’を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した培養観察装置の一実施の形態の構成例を示す断面図である。

図１において、培養観察装置１１は、細胞の培養に適した培養環境に維持されているインキュベータ部１２と、各種機材を格納可能な架台部１３とで上下に分離されている。

インキュベータ部１２は、細胞の培養を行う培養室であり、細胞の培養に適した条件、例えば、温度３７度、湿度９０％以上、二酸化炭素濃度５％程度で維持されており、その培養環境（内部環境）で、培養容器１４に収納されている細胞が培養される。

インキュベータ部１２には、培養容器１４を搬送する搬送ロボット１５、複数の培養容器１４をストックすることができる容器棚１６、観察の対象となる細胞が収納されている培養容器１４が載置される観察ステージ１７、および、観察ステージ１７に載置される培養容器１４の上方から観察および照明をするための観察照明部１８が収納されている。また、観察照明部１８は、観察ステージ１７に載置される培養容器１４の上方から照明光を照射する照明部１９と、その培養容器１４を上方から撮像する撮像部２０とを備えている。

架台部１３には、透明板２１を介して、観察ステージ１７に載置される培養容器１４の下方から照明光を照射する照明部２２、その培養容器１４を下方から撮像する撮像部２３が収納されている。また、架台部１３には、培養観察装置１１の各部を制御する制御部２４が収納されている。

また、インキュベータ部１２の正面側（図１の左側）の壁部には、ユーザによる操作を受け付ける操作パネル２５、および、培養観察装置１１の外部環境の温度を測定する温度センサ２６が設けられている。操作パネル２５は、ユーザの操作に応じたコマンドやデータなどを制御部２４に供給し、温度センサ２６は、外部環境の温度データを制御部２４に供給する。

搬送ロボット１５は、図１の上下方向に移動可能なアーム３１を有しており、アーム３１は、図１の左右方向に伸縮可能とされている。そして、搬送ロボット１５は、アーム３１を利用して培養容器１４を搬送することができ、例えば、インキュベータ部１２に搬入される培養容器１４を容器棚１６に収納したり、容器棚１６にストックされている培養容器１４を観察ステージ１７に載置する。

また、インキュベータ部１２の正面側の壁部には、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入するための搬入口３２が形成されている。搬入口３２は、ドア部３３により開閉可能とされており、搬入口３２の正面側には、培養容器１４の搬入時に一時的に培養容器１４を載置するための仮置き台３４が配置されている。

搬入口３２は、通常、ドア部３３により閉鎖されており、ユーザが、仮置き台３４に培養容器１４を載置すると、図示しない駆動機構によりドア部３３が駆動されて搬入口３２が開放される。そして、搬送ロボット１５は、仮置き台３４に載置されている培養容器１４の下方にアーム３１を差し込み、アーム３１を上昇させて培養容器１４を持ち上げ、アーム３１に載せられた培養容器１４をインキュベータ部１２の内部に搬入する。

仮置き台３４は、培養容器１４が載置される台部３５、制御部２４からの電力の供給に応じた温度で発熱するヒータ３６、およびヒータ３６を上下方向に駆動させるためのリニアステップモータ３７を備えて構成されている。そして、仮置き台３４では、培養容器１４が載置されてからインキュベータ部１２に搬入されるまでの間に、培養容器１４を加温することができる。

次に、図２を参照して、培養容器１４の加温および搬入について説明する。

図２は、培養観察装置１１の仮置き台３４の近傍を拡大して示す図である。図２Ａには、仮置き台３４に培養容器１４が載置された状態が示されており、図２Ｂには、培養容器１４が加温されている状態が示されており、図２Ｃには、アーム３１により培養容器１４が持ち上げられた状態が示されている。

図２に示すように、リニアステップモータ３７は、台部３５の中央付近に設けられた穴をシャフトが貫通するように台部３５の底面に取り付けられており、リニアステップモータ３７のシャフトの上端にヒータ３６が取り付けられている。

例えば、ユーザが、図２Ａに示すように台部３５に培養容器１４を載置して、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入するように操作パネル２５（図１）を操作すると、その操作に応じたコマンドが操作パネル２５から制御部２４に供給される。

制御部２４は、ユーザの操作に応じたコマンドに従って、搬送ロボット１５が培養容器１４の搬入作業を開始するように、搬送ロボット１５の制御を行うとともに、培養容器１４を加温するようにヒータ３６およびリニアステップモータ３７を制御する。

リニアステップモータ３７は、制御部２４の制御に従ってヒータ３６を駆動し、図２Ｂに示すように、ヒータ３６が培養容器１４の底面に当接し、さらに、ヒータ３６により培養容器１４が若干持ち上げられるまで、ヒータ３６を上方に移動させる。また、ヒータ３６は、制御部２４から供給される電力に応じて発熱し、培養容器１４を加温する。

そして、所定の加温時間が経過すると、制御部２４は、ヒータ３６への電力の供給を停止するとともに、リニアステップモータ３７を制御してヒータ３６を下方に移動させて退避させ、これにより、台部３５に培養容器１４が載置される。その後、搬送ロボット１５が、培養容器１４の下方にアーム３１を差し込み、図２Ｃに示すように、アーム３１を上昇させて培養容器１４を持ち上げ、インキュベータ部１２に搬入する。

このように、培養観察装置１１の仮置き台３４では、台部３５に培養容器１４が載置されてから、アーム３１により培養容器１４が搬入されるまで、ヒータ３６により培養容器１４が加温される。

ここで、仮置き台３４に載置された培養容器１４は、培養観察装置１１の外部環境の温度による影響を受けた温度となっている。例えば、培養観察装置１１が設置される室内は、通常、温度が２０〜３０度となるように空気調整機などによりコントロールされており、この温度と同化して、培養容器１４の温度は２０〜３０度で変動する。

一方、インキュベータ部１２の内部環境は、温度が３７度となり、湿度が９０％以上となるように維持されている。従って、培養容器１４をインキュベータ部１２に搬入した際に、培養容器１４の結露の発生を防止するためには、培養容器１４の温度をインキュベータ部１２の内部環境での露点温度以上とする必要がある。

また、培養容器１４の温度が３７度を超えると、培養容器１４内の細胞がダメージを受ける恐れがあるため、ヒータ３６の温度を３７度以下にする必要がある。

ここで、温度ｔでの飽和水蒸気圧Ｅ（ｔ）［hPa］は、次の式（１）で表されるTetensの実験式で求められる。

・・・（１）

また、相対湿度をrhとすると、インキュベータ部１２の内部環境における飽和水蒸気圧Ｅ［hPa］は、次の式（２）で表される。

・・・（２）

そして、インキュベータ部１２の内部環境における温度を３７度とし、相対湿度を９０％とすると、露点温度ｔｄは、次の式（３）に示すように、35.079度となる。

・・・（３）

従って、ヒータ３６は、台部３５に培養容器１４が載置されてから、アーム３１が培養容器１４を持ち上げるまでに、培養容器１４が35.079度から３７度までの温度となるように、培養容器１４を加温すればよい。

また、台部３５に培養容器１４が載置されてから、アーム３１が培養容器１４を持ち上げるまでの時間は、搬送ロボット１５の動作速度に応じ、例えば、最短で１分程度であり、ヒータ３６は、その１分程度で培養容器１４を加温する。

次に、ヒータ３６が、上述の温度範囲となるように、培養容器１４を加温するために必要な電力を求める。

培養容器１４の材質には、一般的に、ポリスチレンが使用されており、ポリスチレンの比熱Ｃは、0.32［Kcal/kg・℃］であり、ポリスチレンの密度ｄは、920［kg/ｍ^３］である。また、培養容器１４の加温に必要な体積は、培養容器１４の観察面と同じであり、例えば、体積Ｖは、126mm×86mm×2mm＝2.1672×10^-5［ｍ^３］とする。

ここで、温度センサ２６により測定された外部環境の温度が２０度であり、培養容器１４の温度を３７度まで上昇させるとすると、台部３５に載置された培養容器１４の温度は外部環境の温度と同化しているため、ヒータ３６による必要温度上昇分Δｔは、37-20=17［℃］となる。また、ヒータ３６が培養容器１４を加温する加温時間Ｍは、搬送ロボット１５の動作速度に応じた１分とする。

以上より、電力Ｗ［Ｗ］は、Ｗ＝0.278×60×Ｃ×ｄ×Ｖ×Δｔ／Ｍ＝0.278×60×0.32×920×2.1672×10^-5×17/1＝1.8と求められる。

このように、制御部２４は、ヒータ３６に供給する電力を算出することができる。制御部２４は、例えば、ヒータ３６に1.8［Ｗ］の電力を供給して、培養容器１４にヒータ３６を１分間当接させることで、培養容器１４の底面を、35.079度から３７度までの温度とすることができる。これにより、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入しても、培養容器１４に結露が発生することを防止することができる。

また、制御部２４は、温度センサ２６により測定された外部環境の温度に基づいて、常に、ヒータ３６への供給が必要な電力を算出することができる。また、制御部２４は、搬送ロボット１５の動作速度に応じて加温時間Ｍを調整したり、培養容器１４の大きさに応じて体積Ｖを調整したりして、適宜、ヒータ３６への供給が必要な電力を算出する。

例えば、ユーザが操作パネル２５を操作して、培養容器１４に関する情報、例えば、培養容器１４の材質や厚さなどを示す情報や、培養容器１４の加温すべき位置または面積を示す情報などを入力すると、制御部２４は、それらの情報に基づいて、適切な電力を算出することができる。また、ユーザが操作パネル２５を操作して加温時間Ｍを入力することで、制御部２４は、その加温時間Ｍが経過した後に搬送ロボット１５が培養容器１４を持ち上げるような制御を行うことができる。なお、培養容器１４内の細胞の種類や培地の量などを示す情報を入力し、それらの情報から適切な加温時間Ｍを求めてもよい。例えば、熱に強い細胞であれば、適宜、ヒータ３６の温度を３７度以上とすることができる。

以上のように、培養観察装置１１では、培養容器１４が仮置き台３４に載置されてからインキュベータ部１２に搬入されるまでに、ヒータ３６により適切な範囲で加温されるので、インキュベータ部１２内で培養容器１４に結露が発生することを防止することができる。これにより、インキュベータ部１２に搬入直後の状態でも培養容器１４内の細胞を観察することができ、効率的に作業を行うことができる。

例えば、培養観察装置１１では、反応が早い試薬を用いたときの細胞の状態変化を観察することができる。また、培養容器１４内の観察点を設定する作業を、培養容器１４をインキュベータ部１２に搬入してすぐに行うことができ、例えば、従来のように結露が解消されるまでの待機時間が発生することを回避することができる。これにより、ユーザが待機時間によるストレスを感じることがなくなる。

なお、図２に示すように、仮置き台３４は、ヒータ３６により培養容器１４の底面を加温するように構成されているが、培養容器１４の上面を加温するように構成したり、培養容器１４の上面および底面の両方を加温するように構成してもよい。即ち、培養容器１４の上面および底面のいずれか一方を加温すれば、結露の発生を防止することができる。

次に、図３および図４を参照して、本発明を適用した培養観察装置の他の実施の形態について説明する。

図３は、培養容器１４の上面を加温することができる仮置き台３４’を示す図である。図３Ａには、仮置き台３４’に培養容器１４が載置された状態が示されており、図３Ｂには、培養容器１４の上面が加温されている状態が示されており、図３Ｃには、アーム３１により培養容器１４が持ち上げられた状態が示されている。

図３に示すように、仮置き台３４’では、台部３５’の上側にヒータ３６’およびリニアステップモータ３７’が配設されており、ヒータ３６’の加熱面が下方に向けられている。

仮置き台３４’では、ユーザが、台部３５’に培養容器１４を載置して、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入するように操作パネル２５（図１）を操作すると、リニアステップモータ３７’が、制御部２４の制御に従って、ヒータ３６’を下方に移動させて培養容器１４の上面に当接させ、ヒータ３６’により培養容器１４が加温される。その後、加温時間Ｍが経過すると、リニアステップモータ３７’が、ヒータ３６’を上方に移動させるとともに、アーム３１が培養容器１４を持ち上げてインキュベータ部１２に搬入する。

このように、培養容器１４の上面を加温することで、培養容器１４の上面に結露が発生することを確実に防止することができ、例えば、図１の撮像部２０による培養容器１４の上方から撮影を良好に行うことができる。

また、培養容器１４内では、その底面に細胞が接触しているのに対し、その上面には細胞が接触していないので、培養容器１４の上面を加温する場合には、ヒータ３６’の温度を、上述したような３７度以下に限定する必要がなくなる。ヒータ３６’を３７度以上とすることで、例えば、培養容器１４の加温時間を短縮することができ、作業を効率化することができる。

図４は、培養容器１４の上面および底面を加温することができる仮置き台３４’’を示す図である。図４Ａには、仮置き台３４’’に培養容器１４が載置された状態が示されており、図４Ｂには、培養容器１４の上面および底面が加温されている状態が示されている。

仮置き台３４’’は、図２の仮置き台３４と同様に、台部３５、ヒータ３６、リニアステップモータ３７を備えて構成され、さらに、ヒータ３６と向かい合うように台部３５の上方に固定されるヒータ３８を備えている。

仮置き台３４’’では、ユーザが、台部３５に培養容器１４を載置して、インキュベータ部１２に培養容器１４を搬入するように操作パネル２５（図１）を操作すると、リニアステップモータ３７が、制御部２４の制御に従って、培養容器１４の上面がヒータ３８に当接するまでヒータ３６を上方に移動させる。これにより、ヒータ３６および３８が、培養容器１４の底面および上面をそれぞれ加温することができる。

このように、培養容器１４の底面および上面をそれぞれ加温することで、培養容器１４の加温時間を短縮することができるとともに、結露の発生を確実に防止することができる。

なお、本実施の形態では、温度センサ２６により測定される外部環境の温度に従って、ヒータ３６に供給する電力を算出しているが、例えば、仮置き台３４に、培養容器１４の温度を測定する温度センサを設け、その温度センサにより測定された温度に従って、ヒータ３６に供給する電力を算出してもよい。これにより、例えば、培養容器１４内の新しい培地の温度の影響などを考慮した電力で、培養容器１４を加温することができる。

また、仮置き台３４に、培養容器１４が載置されたことを検出するセンサを設け、そのセンサの出力に応じて、制御部２４が、搬送ロボット１５による培養容器１４の搬入作業を開始させるとともに、ヒータ３６による加温を開始するように制御することができる。これにより、ユーザの手間を省くことができる。

また、培養容器１４を加温する手段としては、例えば、電熱線などを利用したヒータの他、培養容器１４に温風を吹き付ける送風機や、ハロゲンランプなどを用いることができる。また、これらの加温する手段に加え、搬送ロボット１５にワイパーを設け、そのワイパーにより、培養容器１４の上面または底面を拭き取るようにしてもよい。

なお、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１１培養観察装置，１２インキュベータ部，１３架台部，１４培養容器，１５搬送ロボット，１６容器棚，１７観察ステージ，１８観察照明部，１９照明部，２０撮像部，２１透明板，２２照明部，２３撮像部，２４制御部，２５操作パネル，２６温度センサ，３１アーム，３２搬入口，３３ドア部，３４仮置き台，３５台部，３６ヒータ，３７リニアステップモータ，３８ヒータ

Claims

細胞を培養して観察する培養観察装置において、
前記細胞の培養に適した培養環境に維持され、前記細胞を収容した培養容器を収納可能な培養室と、
前記培養室内の培養環境下で、前記培養容器に収容された前記細胞を観察する観察手段と、
前記培養室に前記培養容器を搬入する際に、前記培養容器を載置する載置台と、
前記載置台に載置された前記培養容器を、前記培養室に搬入する搬入手段と、
前記培養容器が前記載置台に載置されてから前記搬入手段により搬入されるまでの間に、前記培養容器を加温する加温手段と
を備えることを特徴とする培養観察装置。
前記培養室に搬入される前の前記培養容器の温度、または、前記培養室に搬入される前に前記培養容器が置かれる環境の温度を測定する温度測定手段と、
前記温度測定手段により測定された温度と、前記培養室内の温度および湿度とに基づいて、前記加温手段による加温に必要な電力を算出して前記加温手段に供給する制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。
前記加温手段は、供給される電力に応じて発熱する板状のヒータであり、前記載置台に載置された前記培養容器の底面および上面の少なくとも一方に当接して前記培養容器を加温する
ことを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。