JP2010233563A - 細胞培養方法、及び細胞培養装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 培養容器へ外力を与え、培養容器内における細胞の凝集塊の形成制御及び凝集塊の分解制御の少なくとも一方の制御を行って細胞の培養を行う。培養容器への外力の付与は、平置きした培養容器の上面から攪拌部材を所定の押込量で押し当て、所定の速度で水平方向に移動させることにより行い、培養容器内の細胞の凝集塊の形成及び分解の少なくとも一方を制御する。
【選択図】 図1
Description
このような細胞の大量培養で、特に浮遊系細胞を培養する際は、通常、撹拌翼を備えた培養槽を用いての撹拌培養が一般的である。しかし、特に外力によるダメージに弱い細胞や、凝集塊を形成しながら増殖する細胞の場合、撹拌翼を用いず、細胞を培養容器に封入し、静置して(細胞が底面に沈んだ状態で)培養を行い、細胞の増殖に応じて、容器底面積の大きなものへの移し替えや、容器の数を増やしていく方法が広く用いられている。しかし、この静置培養では、細胞の増殖に伴い細胞の凝集塊が大きくなると、次第に各細胞への酸素や栄養分の供給が不足していき、増殖効率が低下するという問題があった。
また、容器を移し替える際に、一旦培養液は撹拌され、酸素や栄養分の偏りは解消されるが、その都度、移し替えに操作時に生じる細胞へダメージよって増殖効率が低下するといった問題があった。
例えば、特許文献1に記載の細胞培養装置によれば、回転や振とうなど種々のパターンで培養容器を積載した台を動かすことができ、培養容器内の培養液を攪拌することが可能である。
また、特許文献2や特許文献3に記載の細胞培養装置は、培養容器内の液体培地を気泡が発生しないように振とうさせ、細胞が損傷しないように、波の動きにより酸素を供給するしくみになっている。
これらのような細胞培養装置による振とう方法では、培地全体が激しく攪拌されるため、細胞は個々バラバラに分離し、酸素や栄養分は全体に拡散されて、各細胞に十分に供給することが可能となっている。
そのような細胞の場合、従来の静置培養では、移し替えタイミングごとに、培養容器を激しく攪拌するため、その度に細胞は個々バラバラとなり、細胞の増殖効率が低下するという問題があった。
また、従来の振とう培養を行う場合も、同様に培地全体が激しく攪拌され、培地中にバラバラに浮遊した状態となるため、細胞は適正なサイズの凝集塊になりにくく、細胞の増殖効率を最適化することは困難であるという問題があった。
まず、図1〜図4を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。図1は、本実施形態の細胞培養装置の構成を示す図である。図2は、本実施形態の細胞培養装置における駆動装置の構成を示す図である。図3は、本実施形態の細胞培養装置の概略側面図である。図4は、本発明における細胞の凝集塊の形成と細胞の凝集塊の分解を示す図である。
図1に示すように、本実施形態の細胞培養装置10は、培養容器11、積載台13、攪拌部材14を備えており、培養容器11における収容部11−1には培養液(培地)と細胞が封入され、チューブ12が接続されている。
この積載台13の上面のうち、培養容器11が載置される部分の四隅には止め部材13−1が立設されている。一方、培養容器11の四隅には、止め部材13−1が係入する孔11−2が穿設されている。
止め部材13−1のそれぞれに培養容器11の各孔11−2を通すことで、培養容器11を積載台13の上面に定置させることができる。また、攪拌部材14の移動にともなって培養容器11がずれるのを防ぐことができる。
なお、止め部材は、上記部材に限る必要はなく、培養容器11がずれるのを防ぐ機構を有するものであれば種々のものを用いることができる。
本実施形態の細胞培養方法では、図3に示すように、攪拌部材14により培養容器11を所定の押込量で押し当てつつ、この攪拌部材14を積載台13と平行に所定の速度で移動させる。この移動は、所定のサイクルで繰り返し実行される。この攪拌部材14としては、例えばローラを使用することができる。
本実施形態の細胞培養装置10における駆動装置は、支持台15、移動台16、ロッド型電動シリンダ17、スライダ型電動シリンダ21等によって構成されている。
なお、撹拌部材の動作制御には、ロッド型電動シリンダ17やスライダ型電動シリンダ21のような電動アクチュエータにかえて、空気圧や油圧、電磁力を利用したアクチュエータを使用したり、モータやカムを用いた構成にしたりすることもできる。
ここで、図4に示すように、細胞培養においては、細胞の種類に応じて培養に適切な細胞の凝集塊のサイズがある。
すなわち、培養細胞には、単体での分裂速度は低く、互いに接着して一定の凝集塊を形成してはじめて十分な分裂を開始するという性質がある。
通常の静置培養において、培養初期の細胞密度が低い状態では、拡散により細胞が接着して次第に凝集塊を形成するが、その速度は比較的遅い。
これに対し、本実施形態では、攪拌することにより培養容器11内の底面に漂う細胞を積極的に動かして、細胞同士が接着する確率を高め、適正なサイズの凝集塊をより早く形成可能にしている。
また、このような細胞の凝集塊の形成制御は、培養の初期(播種時)に限られるものではなく、例えば細胞の培養中に培養容器11に対して過剰な外力を加えた結果、凝集塊が崩壊し、細胞が個々バラバラになってしまった場合などにおいても好適に行うことができ、細胞増殖効率を向上させることが可能となっている。
一方、細胞の凝集塊が大きくなりすぎると、凝集塊の内部が酸素不足かつ栄養不足となり、増殖効率は低下する。
このため、凝集塊が巨大化したときは、培養液に強い流れ(乱流)を起こして凝集塊を分解させることが好ましい。
本実施形態の細胞培養装置10を用いた培養方法によれば、凝集塊が巨大化したときは、攪拌部材14の押込量と移動速度を調整することで、培養液に強い流れを起こせるように攪拌を制御し、凝集塊を適切なサイズに分解することが可能となっている。
このため、培養容器11内における攪拌を微調整して細胞の凝集塊の形成に適する攪拌を行うことができるとともに、細胞が個々バラバラにならないように凝集塊を分解することもでき、細胞の凝集塊を増殖に適するサイズに調整することが可能となっている。
次に、本発明の第二実施形態について、図5を参照して説明する。同図は、本実施形態の細胞培養装置の構成を示す図である。
本実施形態は、培養容器11を仕切部材を用いて培養部と拡張可能部とに分割し、培地容積を細胞の増殖に合わせて適切な大きさに調整可能な細胞培養装置10において、培養部を攪拌部材(撹拌ローラ)14により攪拌可能とした点で第一実施形態と異なる。また、本実施形態では、培養容器11の両端をクランプ部材23で固定している。その他の点については、第一実施形態と同様である。
このような仕切ローラ22を用いることで、培養部の容積を連続的に変化させることができ、細胞増殖に伴って仕切ローラ22を移動させ、培養部の容積を増やすことで、細胞密度を適正な範囲内に維持することが可能となっている。
なお、このような仕切部材を用いて培養容積を制御し、培養効率を向上させる技術については、本出願人による国際公開WO2008/136371号公報及び国際公開WO2008/136339号公報に詳細に記載されている。
このため、細胞の増殖効率をより一層向上させることが可能となっている。
次に、本発明の第三実施形態について、図6を参照して説明する。同図は、本実施形態の細胞培養装置10の構成を示す図である。
本実施形態は、培養容器11内の細胞を撮影して凝集塊のサイズが所定の範囲内であるかを自動判定し、この判定結果にもとづき凝集塊を適切なサイズに調整する点で第一実施形態と異なる。その他の点については、第一実施形態と同様である。
撮影装置30は、制御装置40から撮影の指示情報を受信すると、培養容器11内の細胞を撮影し、得られた画像を制御装置40へ送信する。撮影装置30による撮影の指示情報は所定のタイミングで制御装置40から自動的に送信することができる。
この撮影装置30としては、例えば位相差顕微鏡の鏡筒にCCDカメラを取り付けて用いることができる。
撮影装置制御部41は、所定のタイミングで、撮影装置30に対して撮影を行わせるための指示情報を送信し、撮影装置30から撮影された画像を受信する。
そして、判定の結果、細胞の凝集塊のサイズが、所定範囲よりも小さい場合又は大きい場合に、その判定結果を駆動装置制御部43へ出力する。
これによって、細胞の凝集塊のサイズが、所定範囲よりも小さい場合は、培養容器11内の細胞の凝集塊を適切なサイズにまで形成し、細胞の凝集塊のサイズが、所定範囲よりも大きい場合は、これを適切なサイズにまで分解して、増殖に最適なサイズに調整することができる。
この攪拌部材14を培養容器11に押し当てる際の押込量は、種々の値をとることができるが、例えば同図に示すように、培養容器11の厚さが10.5mmの場合には、2mm,4mm,6mm,8mmなどの値をとることができる。
そして、各押込量に応じて、攪拌部材14の移動速度をそれぞれ調整することで培養容器11内の培養液の攪拌を、細胞の凝集塊の形成に適したもの、又は、細胞の凝集塊の分解に適したものに制御する。
なお、攪拌部材14の直径は、特に限定されないが、攪拌を的確に制御するため、培養容器11の厚さに対して、0.5倍〜3.0倍とすることが好ましい。
同図に示すように、押込量が2mmで移動速度が2.5mm/s,12.5mm/sのとき、及び押込量が4mmで移動速度が2.5mm/sのときは、培養容器11内の細胞は全て沈んだままであった。
本明細書において、このような攪拌を「弱撹拌」と呼ぶ。このような「弱撹拌」の攪拌を行うことで、細胞の凝集塊の形成を促すことが可能となる。
このような細胞がほとんど沈んだままである状態と、ほとんど浮き上がる状態との境界付近の攪拌条件における攪拌を本明細書において、「中撹拌」と呼ぶ。このような「中撹拌」の攪拌を行うことで、細胞の凝集塊を分解しすぎることなく、適切なサイズに調整することが可能となる。
従来の細胞培養における攪拌では、通常培養容器が激しく攪拌される結果、「強撹拌」に相当する攪拌が行われており、増殖効率の低下を招くという問題があったが、本発明によりこのような問題を解消することが可能となっている。
例えば、培養容器11をコーナー部分が生じないように角を丸くした形状としたり、攪拌部材14を円柱状ではなく、図7に示す断面を星形などの種々の形状に構成し、様々な攪拌効果が得られるようにしたりするなど適宜変更することが可能である。
11 培養容器
11−1 収容部
11−2 孔
12 チューブ
13 積載台
13−1 止め部材
14 攪拌部材
15 支持台
16 移動台
17 ロッド型電動シリンダ(垂直方向動作用アクチュエータ)
18 ボールネジ
19 ガイド棒
20 基台
21 スライダ型電動シリンダ(水平方向動作用アクチュエータ)
22 仕切ローラ
30 撮影装置
40 制御装置
41 撮影装置制御部
42 凝集塊サイズ判定部
43 駆動装置制御部
Claims (8)
- 培養容器を用いた細胞の培養方法であって、前記培養容器へ外力を付与することにより、前記培養容器内の培養液中にある細胞の凝集塊の形成制御及び凝集塊の分解制御の少なくとも一方の制御を行って細胞の培養を行うことを特徴とする細胞の培養方法。
- 前記培養容器への外力の付与を、平置きした培養容器の上面から攪拌部材を所定の押込量で押し当て、所定の速度で水平方向に移動させることにより行い、かつ、前記培養容器への外力の付与によって、前記培養容器内の培養液を攪拌することで、前記培養容器内の細胞の凝集塊の形成及び分解の少なくとも一方を制御することを特徴とする請求項1記載の細胞の培養方法。
- 前記細胞の凝集塊の形成が、培養の開始時に、前記培養容器内に播種された細胞に対して行われることを特徴とする請求項1又は2記載の細胞の培養方法。
- 前記細胞の凝集塊の分解により、前記細胞の凝集塊のサイズが、所定範囲内の大きさとなるように制御されることを特徴とする請求項1又は2記載の細胞の培養方法。
- 培地及び細胞を含む培養液を封入した培養容器を載置する積載台と、
前記培養容器に所定の押込量で押し当て、所定の速度で水平方向に移動可能な攪拌部材とを備え、
前記攪拌部材を移動させて前記培養容器内の培養液を攪拌することで、前記培養容器内の細胞の凝集塊の形成及び分解の少なくとも一方を制御することを特徴とする細胞培養装置。 - 前記攪拌部材がロール形状であることを特徴とする請求項5記載の細胞培養装置。
- 前記培養容器内の細胞を撮影する撮影装置と、
前記撮影装置により撮影された画像を入力して、前記細胞の凝集塊のサイズが、所定範囲内の大きさであるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定の結果、前記細胞の凝集塊のサイズが所定範囲よりも小さい場合は、前記攪拌部材を、所定の押込量かつ所定の速度で水平方向に移動させて前記細胞の凝集塊を形成させ、また、前記細胞の凝集塊のサイズが所定範囲よりも大きい場合には、前記攪拌部材を、所定の押込量かつ所定の速度で水平方向に移動させて前記細胞の凝集塊を分解させる駆動装置と、を備えたことを特徴とする請求項5又は6記載の細胞培養装置。 - 前記培養容器を培養部と拡張可能部を含む二室以上に仕切り、前記培養部における細胞数の増加に合わせて前記培養部の容積を拡張する仕切部材を備え、
前記培養部内の培地を前記攪拌部材により攪拌することを特徴とする請求項5〜7のいずれかに記載の細胞培養装置。
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