JP2011130682A - 培養装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 培地交換時に培養細胞に与えるダメージをより低減できる培養装置を提供する。
【解決手段】 培養装置は、恒温室と、培地交換室と、容器搬送アームと、培地交換ユニットとを備える。恒温室は、細胞を培養する培養容器を収納するとともに、室内の温度および湿度が細胞の培養に適した条件に調整される。培地交換室は、恒温室に隣接して配置され、室内の温度が恒温室と同じ条件に調整されるとともに、室内の湿度が恒温室よりも低く保たれる。容器搬送アームは、恒温室と培地交換室との間で培養容器を搬送する。培地交換ユニットは、培地交換室に配置され、培養容器の培地を交換する。
【選択図】 図1
【解決手段】 培養装置は、恒温室と、培地交換室と、容器搬送アームと、培地交換ユニットとを備える。恒温室は、細胞を培養する培養容器を収納するとともに、室内の温度および湿度が細胞の培養に適した条件に調整される。培地交換室は、恒温室に隣接して配置され、室内の温度が恒温室と同じ条件に調整されるとともに、室内の湿度が恒温室よりも低く保たれる。容器搬送アームは、恒温室と培地交換室との間で培養容器を搬送する。培地交換ユニットは、培地交換室に配置され、培養容器の培地を交換する。
【選択図】 図1
Description
本発明は、培養装置に関する。
従来から、所定の雰囲気に維持された恒温室で細胞を培養しつつ、細胞の観察を行う培養装置が知られている。一例として、特許文献1には、細胞の培養を行う第1空間に加えて、培地の交換等を行う第2空間を設けた培養装置が開示されている。
しかし、従来の技術では、培地交換のときに培養細胞にダメージを与えるおそれがある点でなお改善の余地があった。
そこで、本発明の目的は、培地交換時に培養細胞に与えるダメージをより低減できる培養装置を提供することにある。
一の態様の培養装置は、恒温室と、培地交換室と、容器搬送アームと、培地交換ユニットとを備える。恒温室は、細胞を培養する培養容器を収納するとともに、室内の温度および湿度が細胞の培養に適した条件に調整される。培地交換室は、恒温室に隣接して配置され、室内の温度が恒温室と同じ条件に調整されるとともに、室内の湿度が恒温室よりも低く保たれる。容器搬送アームは、恒温室と培地交換室との間で培養容器を搬送する。培地交換ユニットは、培地交換室に配置され、培養容器の培地を交換する。
本発明の一の態様では、培地交換室の温度が恒温室と同じ条件に調整されるため、培地交換時に培養細胞に与えるダメージをより低減させることができる。
<第1実施形態の説明>
以下、図面を参照しつつ、第1実施形態での培養装置の構成例を説明する。
以下、図面を参照しつつ、第1実施形態での培養装置の構成例を説明する。
図1は、第1実施形態での培養装置11の構成例を示す正面図である。培養装置11は、上部ケーシング12と下部ケーシング13とを有している。培養装置11の組立状態において、上部ケーシング12は下部ケーシング13の上に載置される。なお、上部ケーシング12と下部ケーシング13との内部空間は、ベースプレート14によって上下に仕切られている。
上部ケーシング12の内部には、細胞の培養を行う恒温室15と、培地の交換を行う培地交換室16とがそれぞれ形成されている。図1において、培地交換室16は上部ケーシング12の右上に位置し、上部ケーシング12の残りの空間は恒温室15となっている。また、培地交換室16の側壁には、恒温室15から培養容器10を搬入するための開口17が形成されている。この培地交換室16の開口17には、培地交換室16の内側に向けて開く扉18が配置されており、扉18の閉じた状態では恒温室15と培地交換室16との間で気体の流出入が防止される。
図2、図3は、培養装置11の上部ケーシング12の横断面図である。上部ケーシング12の前面(図2、図3の下側)には、大扉21、中扉22、第1小扉23、第2小扉24が配置されている。また、大扉21、中扉22、第1小扉23、第2小扉24は、パッキンPによりそれぞれ気密性が維持されている。なお、簡単のため、図1では、大扉21、中扉22、第1小扉23、第2小扉24の図示は省略している。
大扉21は、上部ケーシング12および下部ケーシング13の前面を覆っている。なお、大扉21の前面には、モニタおよび入力釦を備えた操作パネル20が配置されている。中扉22は、上部ケーシング12の前面を覆っており、大扉21の開放時に恒温室15および培地交換室16の雰囲気を外部環境から隔離する。
第1小扉23は、恒温室15から培養容器10を搬出入するための扉であって、中扉22に取り付けられている。この第1小扉23から培養容器10を搬出入することで、恒温室15の環境変化を抑制することが可能となる。第2小扉24は、培地交換室16の位置に設けられた扉であって、中扉22に取り付けられている。この第2小扉24は、例えば培地交換室16内で交換される培地や、ディスポーザブルチップ51の搬出入のために用いられる。
また、上部ケーシング12の壁には、恒温室15および培地交換室16の室温を調整する温度調整装置31が内蔵されている(図1−図3では温度調整装置31の図示は省略する)。細胞培養時において、恒温室15および培地交換室16の内部温度は、温度調整装置31によって細胞の培養に適した温度(例えば温度37℃)にそれぞれ維持される。
また、恒温室15は、恒温室15の湿度を調整する湿度調整装置32と、恒温室15の二酸化炭素濃度を調整するガス濃度調整装置33と接続されている(図1−図3では湿度調整装置32およびガス濃度調整装置33の図示は省略する)。細胞培養時において、恒温室15は、湿度調整装置32およびガス濃度調整装置33によって、細胞の培養に適した湿度(例えば湿度90%)、CO2濃度(例えばCO2濃度5%)およびO2濃度(例えばO2濃度5%)に維持される。なお、恒温室15内の空気は、不図示のエアフィルタ(HEPAフィルタ等)により所定の清浄度に保たれる。
また、恒温室15には、ストッカー41、観察ユニット42、容器搬送ユニット43が配置されている。
ストッカー41は、上部ケーシング12の前面からみて恒温室15の左側の空間に配置される。ストッカー41は複数の容器収納部41aを有する棚であって、各容器収納部41aには個々の培養容器10を収納することが可能となっている。なお、ストッカー41の各容器収納部41aの両側面には、内向きに張り出したフランジ41bが互いに対向する位置に形成されている。
ここで、図4を参照しつつ、第1実施形態での培養容器10の構成例を説明する。各々の培養容器10には培養細胞が培地とともに収容される。第1実施形態の培養容器10は、蓋付きのディッシュやウェルプレートが適用される。なお、培養容器10には、例えばウェルプレートのように、それぞれ独立して細胞を培養可能な複数の小容器を一体として1つの培養容器10とするものもある。
また、これらの培養容器10は、外向きに張り出したフランジ25aを両側面に有する矩形の容器ホルダ25に載置されて取り扱われる。また、培養容器10の蓋10aは、外向きに張り出したフランジ26aを両側面に有する矩形の蓋ホルダ26に装着されて取り扱われる。
また、容器ホルダ25および蓋ホルダ26のサイズやフランジの位置はそれぞれ共通化されている。なお、容器ホルダ25のフランジ25aおよび蓋ホルダ26のフランジ26aは、容器収納部41aのフランジ41bや後述するアーム部46に各ホルダ25、26を引っ掛けるために用いられる。
観察ユニット42は、上部ケーシング12の前面からみて恒温室15の右側で、かつ培地交換室16の下側の空間に配置される。観察ユニット42は、恒温室15の雰囲気下で培養容器10内の細胞をタイムラプス観察するために配置されている。
また、観察ユニット42は、上部ケーシング12のベースプレート14の開口部に嵌め込まれて配置される。観察ユニット42は、試料台42aと、試料台42aの上方に張り出したスタンドアーム42bと、顕微光学系および撮像装置を内蔵した本体部分42cとを有している。そして、試料台42aおよびスタンドアーム42bは恒温室15内に配置される一方で、本体部分42cは下部ケーシング13内に収納される。
試料台42aは透光性の材質で構成されており、その上に培養容器10を載置できる。この試料台42aは水平方向に移動可能に構成されており、上面に載置した培養容器10の位置を調整できる。また、スタンドアーム42bにはLED光源が内蔵されている。そして、スタンドアーム42bによって試料台42aの上側から培養容器10が照明されることで、本体部分42cによる細胞の位相差観察が可能となる。
容器搬送ユニット43は、上部ケーシング12の前面からみて恒温室15の中央(ストッカー41と観察ユニット42との間)に配置される。この容器搬送ユニット43は、ストッカー41と観察ユニット42の試料台42aとの間で培養容器10の受け渡しを行う。また、容器搬送ユニット43は、恒温室15から培地交換室16に培養容器10を搬送するとともに、培地交換時に培養容器10を保持する。なお、容器搬送ユニット43の各部材は、例えばステンレスなどの耐蝕性に優れた材料で構成されている。
ここで、図2、図3に示すように、容器搬送ユニット43は、回転ステージ44と、ミニステージ45と、左右一対のアーム部46と、2つのネジ軸47、48およびモータM1,M2とを有している。回転ステージ44は、回転軸44aを中心として水平方向に回転可能に構成されている。また、回転ステージ44は、図1に示すように、モータM1により回動するネジ軸47によりZ軸方向(図1の上下方向)の位置が調整される。また、回転ステージ44は、図2、図3に示すように、モータM2により回動するネジ軸48によりY軸方向(図2、図3の上下方向)の位置が調整される。そのため、容器搬送ユニット43は、回転ステージ44の回転により、ストッカー41、試料台42aおよび培地交換室16の開口17に対してミニステージ45およびアーム部46を対向させることができる。
また、ミニステージ45は、回転ステージ44に対して水平方向に摺動可能に取り付けられている。また、ミニステージ45の先端には左右一対のアーム部46が固定されている。一対のアーム部46の間隔は、容器ホルダ25および蓋ホルダ26の本体部分の間隔よりも大きく設定されている。そのため、容器搬送ユニット43は、容器ホルダ25のフランジ25aを一対のアーム部46で持ち上げることで、容器ホルダ25を移動させることができる。
一方、培地交換室16は、培地交換室16のCO2濃度、O2濃度、気圧、空気の清浄度を調整するエアコントローラ34と接続されている(図1−図3ではエアコントローラ34の図示は省略する)。上記のエアコントローラ34によって、培地交換室16の空気は、恒温室15と同じCO2濃度およびO2濃度で、かつ恒温室15と同等の清浄度に保たれる。また、培地交換室16の湿度は、恒温室15よりも低い値(例えば40%程度)に設定されている。また、培地交換室16の気圧は、エアコントローラ34によって恒温室15よりも負圧に保たれる。
また、培地交換室16には、ディスポーザブルチップ51を保持するスタンド52と、廃棄用の培地を貯留する第1プール53と、交換用の培地を貯留する第2プール54と、培養容器10の培地を交換するための培地交換ユニット55とが配置されている。
図5は、培地交換ユニット55の構成例を示す図である。培地交換ユニット55は、電動シリンジ56と、それぞれ不図示のモータで駆動する2つのネジ送り機構57、58とを有している。電動シリンジ56には、下向きにディスポーザブルチップ51が着脱可能に装着される。電動シリンジ56は、図5に示すように、ネジ送り機構57によりY軸方向(図5の左右方向)の位置が調整されるとともに、ネジ送り機構58によりZ軸方向(図5の上下方向)の位置が調整される。なお、培地交換室16には、容器搬送ユニット43によって、X軸方向(図5の紙面垂直方向)から培養容器10が搬入される。
次に、下部ケーシング13の構成について説明する。下部ケーシング13の内部には、観察ユニット42の本体部分42cや、培養装置11の各部の統括的な制御を行う制御ユニット61が収納されている。
図6は、培養装置11のブロック図である。制御ユニット61は、温度調整装置31、湿度調整装置32、ガス濃度調整装置33、観察ユニット42、容器搬送ユニット43、エアコントローラ34、培地交換ユニット55、操作パネル20にそれぞれ接続されており、培養装置11の統括的な制御を行う。また、制御ユニット61は、無線または有線の通信回線62を介して、培養装置11の外部にあるコンピュータ63とのデータ送受信を実行する。また、制御ユニット61は、操作パネル20やコンピュータ63によってプログラミングされたスケジュールに基づいて、観察ユニット42、容器搬送ユニット43、培地交換ユニット55を制御し、培養容器10の観察動作や培地交換動作を自動的に実行する。
以下、図7の流れ図を参照しつつ、第1実施形態の培養装置11における培地交換動作の一例を説明する。
図7の動作例では、登録されたスケジュールに従って、恒温室15内の培養容器10の培地を交換する場合を説明する。また、図7の流れ図の処理は、培地交換スケジュールに基づいて、制御ユニット61が培養容器10の培地交換時期が到来したと判定したときに開始される。
ステップS101:容器搬送ユニット43は、制御ユニット61の指示に応じて、対象となる培養容器10をストッカー41から培地交換室16に搬送する。このとき、容器搬送ユニット43は、容器収納部41aのフランジ41bを利用して、対象となる培養容器10の蓋10aを取り外す動作を行う。
具体的には、まず、容器搬送ユニット43は、容器ホルダ25のフランジ25aをアーム部46で持ち上げるとともに、ミニステージ45をX軸方向にスライドさせて培養容器10を容器収納部41aから引き出す(図8(a)参照)。次に、容器搬送ユニット43は、蓋ホルダ26のフランジ26aと容器ホルダ25のフランジ25aとの間に容器収納部41aのフランジ41bが位置するように、アーム部46で保持している培養容器10を容器収納部41aに一旦戻す(図8(b)参照)。そして、容器搬送ユニット43は、アーム部46を下側に移動させてから、再びミニステージ45をX方向にスライドさせて培養容器10を容器収納部41aから引き出す。これにより、蓋ホルダ26のフランジが容器収納部41aのフランジに引っ掛かって、培養容器10の蓋10aが取り外される(図8(c)参照)。その後、容器搬送ユニット43は、蓋10aを取り外した培養容器10を培地交換室16の開口17からX軸方向に培地交換室16へ搬入する。
なお、容器搬送ユニット43が培地交換室16に培養容器10を搬入したときには、培地交換室16の開口17の扉18が解放され、恒温室15と培地交換室16とが連通した状態となる。しかし、培地交換室16の気圧は恒温室15よりも負圧に保たれるため、廃棄される培地が培地交換室16から恒温室15に飛散するおそれが低減される。よって、第1実施形態の構成では、培地交換時のコンタミネーションがより抑制される。
ステップS102:制御ユニット61は、培地交換ユニット55および容器搬送ユニット43のミニステージ45を制御して、以下の(1)−(5)の処理によって培養容器10の培地の交換を行う。
(1)制御ユニット61は、培地交換ユニット55の電動シリンジ56を移動させて、電動シリンジ56の先端に未使用のディスポーザブルチップ51を装着する(図9(a)参照)。
(2)制御ユニット61は、培地交換ユニット55の電動シリンジ56を培養容器10の位置に移動させるとともに、電動シリンジ56を動作させてディスポーザブルチップ51に古い培地を吸引する(図9(b)参照)。そして、制御ユニット61は、電動シリンジ56を第1プール53の位置に移動させるとともに、電動シリンジ56を動作させて吸引した古い培地を第1プール53に廃棄する(図9(c)参照)。
(3)制御ユニット61は、電動シリンジ56を移動させて、古い培地の吸引に用いたディスポーザブルチップ51を廃棄するとともに、電動シリンジ56の先端に未使用のディスポーザブルチップ51を装着する(図9(d)参照)。
(4)制御ユニット61は、電動シリンジ56を第2プール54の位置に移動させるとともに、電動シリンジ56を動作させて第2プール54から新たな培地を吸引する(図9(e)参照)。そして、制御ユニット61は、電動シリンジ56を培養容器10の位置に移動させるとともに、電動シリンジ56を動作させて培養容器10に新たな培地を注入する(図9(f)参照)。これにより、培養容器10の培地が交換される。このとき、制御ユニット61は、電動シリンジ56の位置の移動や、ディスポーザブルチップ51での培地の再吸引によって、培地の撹拌を行ってもよい。
(5)培地交換の終了後に、制御ユニット61は、電動シリンジ56を移動させて、新しい培地の注入に用いたディスポーザブルチップ51を廃棄する。
ここで、1つの培養容器10に複数の小容器がある場合には、各小容器間でのコンタミネーションを防止するために、制御ユニット61は小容器ごとに上記の(1)−(5)の処理を実行する。また、1つの培養容器10に複数の小容器がある場合の培地交換では、制御ユニット61は、ミニステージ45をX方向にスライドさせることで、培地交換室16内での培養容器10のX軸方向の位置を調整する。
ステップS103:容器搬送ユニット43は、制御ユニット61の指示に応じて、対象となる培養容器10を培地交換室16からストッカー41に搬送する。このとき、容器搬送ユニット43は、上記のS101での動作と逆の手順で培養容器10に蓋10aを装着してから、容器収納部41aに培養容器10を収納する。以上で、図7の動作例の説明を終了する。
以下、第1実施形態の培養装置11での作用効果を説明する。第1実施形態の培養装置11は、装置内にそれぞれ外部雰囲気から遮断された恒温室15および培地交換室16を設けるとともに、恒温室15よりも湿度が低い培地交換室16で培養容器10の培地交換を行う。そのため、第1実施形態の培養装置11では、一般的に高湿度環境下での動作が困難なシリンジ等を組み込んで培地交換ユニット55を構成することができる。
また、第1実施形態の構成では、恒温室15および培地交換室16の温度、CO2濃度およびO2濃度が同じ条件に保たれるので、培地交換時に細胞に与えるダメージをより低減させることができる。例えば、培養細胞が胚性幹細胞(ES細胞)、人工多能性幹細胞(iPS細胞)である場合には、培地交換の頻度が比較的高い一方で、培養環境の変化による細胞へのダメージを最小限にすることが要請される。そのため、第1実施形態の培養装置11によれば、これらの細胞の培養をより容易とすることが期待できる。
また、第1実施形態の構成では、培地交換室16での培養容器10のX軸方向の移動を容器搬送ユニット43に負担させる一方で、培地交換ユニット55の電動ピペットをY軸方向およびZ軸方向に駆動させている。これにより、培地交換ユニット55からX軸方向への駆動機構を省くことができ、培地交換室16内の装置構成をよりコンパクトにできる。
さらに、第1実施形態の構成では、培地交換室16内で培養容器10を保持したアーム部46が容器搬送方向(X軸方向)にのみ移動し、Y軸方向およびZ軸方向に移動しない。よって、第1実施形態の構成では、恒温室15と連通する培地交換室16の開口17の面積を非常に小さくすることで、恒温室15と培地交換室16との間での空気の流出入をより抑制し、恒温室15の好ましい培養環境をより容易に維持できる。
以上で第1実施形態の説明を終了する。なお、以下に示す実施形態は上記の第1実施形態の変形例であるので、共通する構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
<第2実施形態の説明>
図10は、第2実施形態の培養装置11での培地交換室16の構成例を示す図である。第2実施形態の培養装置11は、培地交換室16内に蓋ホルダ26を保持するハンガー64を配置し、培地交換室16内で培養容器10の蓋10aを着脱する例である。
図10は、第2実施形態の培養装置11での培地交換室16の構成例を示す図である。第2実施形態の培養装置11は、培地交換室16内に蓋ホルダ26を保持するハンガー64を配置し、培地交換室16内で培養容器10の蓋10aを着脱する例である。
上記のハンガー64は、ストッカー41の容器収納部41aと同様に、内向きに張り出したフランジが互いに対向する位置に形成されている。また、第2実施形態では、容器搬送ユニット43のアーム部46が培養容器10をX軸方向およびZ軸方向に移動させる。これにより、第2実施形態の培養装置11では、蓋ホルダ26のフランジ26aをハンガー64に引っ掛けた状態で、容器搬送ユニット43が培養容器10を上下に移動させることによって培養容器10の蓋10aを着脱できる。
なお、第2実施形態の構成において、ハンガー64にZ軸方向への移動機構を設け、アーム部46は第1実施形態と同様にX軸方向のみに移動させるようにしてもよい。
<第3実施形態の説明>
図11は、第3実施形態の培養装置11での培地交換室16の構成例を示す図である。第3実施形態の培養装置11は、培地交換室16内に蓋ホルダ26を保持する真空吸着チャック65を配置し、培地交換室16内で培養容器10の蓋10aを着脱する例である。培地交換室16内は湿度が比較的に低いため、真空吸着チャック65による蓋10aの保持が可能となる。
図11は、第3実施形態の培養装置11での培地交換室16の構成例を示す図である。第3実施形態の培養装置11は、培地交換室16内に蓋ホルダ26を保持する真空吸着チャック65を配置し、培地交換室16内で培養容器10の蓋10aを着脱する例である。培地交換室16内は湿度が比較的に低いため、真空吸着チャック65による蓋10aの保持が可能となる。
ここで、第3実施形態の構成では、真空吸着チャック65にZ軸方向への移動機構を設け、アーム部46は第1実施形態と同様にX軸方向のみに移動させるようにしてもよい。あるいは、第3実施形態の構成において、真空吸着チャック65の位置を固定し、アーム部46をX軸方向およびZ軸方向に移動させるようにしてもよい。
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲が、その精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物によることも可能である。
10:培養容器、11:培養装置、15:恒温室、16:培地交換室、17:開口、18:扉、31:温度調整装置、32:湿度調整装置、33:ガス濃度調整装置、34:エアコントローラ、43:容器搬送ユニット、55:培地交換ユニット、56:電動シリンジ、57,58:ネジ送り機構、61:制御ユニット、64:ハンガー、65:真空吸着チャック
Claims (5)
- 細胞を培養する培養容器を収納するとともに、室内の温度および湿度が細胞の培養に適した条件に調整される恒温室と、
前記恒温室に隣接して配置され、室内の温度が前記恒温室と同じ条件に調整されるとともに、室内の湿度が前記恒温室よりも低く保たれる培地交換室と、
前記恒温室と前記培地交換室との間で前記培養容器を搬送する容器搬送アームと、
前記培地交換室に配置され、前記培養容器の培地を交換する培地交換ユニットと、
を備える培養装置。 - 請求項1に記載の培養装置において、
前記容器搬送アームは、培地交換時に前記培養容器を保持し、
前記培地交換室に配置され、水平面内で前記容器搬送アームの容器搬送方向と交差する方向に前記培地交換ユニットを移動させる移動機構と、
前記容器搬送アームによって前記培養容器と前記培地交換ユニットとの相対位置を前記容器搬送方向に調整するとともに、前記移動機構によって前記培養容器と前記培地交換ユニットとの相対位置を前記容器搬送方向と交差する方向に調整する制御部と、
をさらに備える培養装置。 - 請求項1または請求項2に記載の培養装置において、
前記培地交換室は、前記恒温室と前記培地交換室とが連通した状態のときに前記恒温室よりも負圧に保たれる培養装置。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の培養装置において、
前記培地交換室に、前記培養容器の蓋を着脱する蓋着脱部をさらに備える培養装置。 - 請求項4に記載の培養装置において、
前記蓋着脱部は、前記培養容器の蓋を吸着して保持する培養装置。
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JP2009290792A JP2011130682A (ja) | 2009-12-22 | 2009-12-22 | 培養装置 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2017154197A1 (ja) * | 2016-03-11 | 2017-09-14 | 株式会社日立製作所 | 容器操作装置、細胞培養方法、及び装置 |
WO2018142702A1 (ja) * | 2017-01-31 | 2018-08-09 | 株式会社ニコン | 培養支援装置、観察装置、及びプログラム |
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