JP2014176348A

JP2014176348A - 細胞培養装置と細胞培養方法

Info

Publication number: JP2014176348A
Application number: JP2013052580A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Yamauchi; 敏明山内; Takeshi Nomura; 剛野村
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】培養液の交換作業およびそれに伴う作業の時間短縮を実現することを目的とする。
【解決手段】この細胞培養装置は、複数の培養容器（Ｐ１〜Ｐ９）が載せられたトレイ（Ｔ１）の培養室（Ａ）からの出庫，交換室（Ｂ）におけるトレイ（Ｔ１）の移動，トレイの交換室（Ｂ）への入庫を、制御装置（１１）が、ハンドリング装置を構成するアーム（５，１３），エレベータ（６）と、培養液交換装置（９）に指示して、トレイ（Ｔ１）に載せられた培養容器（Ｐ１〜Ｐ９）の培養液を一斉に交換する。
【選択図】図７

Description

本発明は培養液の自動交換を実施する細胞培養装置に関する。

特許文献１には、試料にバーコードを付けて個体識別し、処理装置の庫内での前記試料の保管場所、前記試料に対する処理内容などを、前記バーコードに関連づけて自動管理する技術が記載されている。

特許文献２には、同一形状の複数の培養容器を庫内で搬送する場合に、単一のトレイに、複数の培養容器をセットして、格納、移動させる技術が記載されている。
特許文献３には、培養容器に対して、搬送、蓋の脱着、薬剤吸引時の容器姿勢制御を、多関節ロボットに実施させて自動化する技術が記載されている。

特許文献４には、複数の培養容器のディッシュを、円形のテーブルにこのテーブルの形状に沿って環状にセット、一つのディッシュに対するロボットによる処理が終了するたびに、前記テーブルを回転させて、ロボットがアクセスする作業対象を、次ぎに処理を受けるディッシュのセット位置に入れ換える技術が開示されている。

特開２０００−９３１５７号公報特開２００５−２８７４６６号公報特開２００６−１４９２６８号公報特開２００９−２９１１０３号公報

温度管理された培養室に多数の培養容器を格納して、前記培養容器にセットされた細胞を培養するためには、培養液の交換、培養状態の観察、これら作業に伴う培養容器の蓋の脱着作業を、定期的に繰り返して実施することが必要である。

このような係員による手作業を軽減するために、特許文献１〜４に見られる自動化技術が開発されているが、係員の手作業の工程をロボット作業に置換した自動化であるため、特に、培養液の交換、培養容器の蓋の脱着作業の作業性が低いのが現状である。

本発明は、培養液の交換の作業時間の短縮、およびそれに伴う培養容器の蓋の脱着作業の時間短縮を実現できる細胞培養装置を提供することを目的とする。

本発明の細胞培養装置は、蓋付きの複数の培養容器を載せたトレイと、前記トレイを格納する培養室と、前記培養室の周辺に配置された交換室と、前記培養室と前記交換室の間で前記トレイを搬送するハンドリング装置と、前記交換室に搬入された前記トレイの複数の前記培養容器の蓋を一斉に脱着し、前記蓋が開放された複数の前記培養容器の培養液を一斉に交換する培養液交換装置とを含むことを特徴とする。

また、本発明の細胞培養方法は、培養液の交換対象の複数の培養容器が載せられたトレイを、培養室から交換室への出庫する出庫工程と、前記複数の培養容器の蓋を部分的に一斉に取り外し、それぞれの前記培養容器に開口を設ける蓋取出工程と、前記開口を介して複数の培養容器のそれぞれの培養液の交換を一斉に行う培養液交換工程と、前記複数の培養容器に蓋をはめる蓋取付け工程と、培養液の交換が完了した前記複数の培養容器が載せられた前記トレイの前記交換室への入庫する入庫工程と、を含むことを特徴とする。

この構成によると、蓋付きの複数の培養容器を載せたトレイを、ハンドリング装置が培養液交換装置の作業位置に搬送し、作業位置に到着したトレイにセットされている複数の培養容器に対して、培養容器の蓋を一斉に持ち上げて、蓋が開放された複数の培養容器本体の培養液を一斉に交換して、その後にトレイを培養室の庫内に戻すので、培養容器毎に蓋の開け閉めと培養液の交換を行う場合に比べて、培養液の交換の時間短縮、およびそれに伴う培養容器の蓋の脱着作業の時間短縮を実現できる。

本発明の細胞培養装置の実施の形態１の待機位置の内部斜視図同実施の形態の（ａ）複数の培養容器がセットされたトレイの平面図と（ｂ）側面図ステップＳ１を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ２を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ３を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ４を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ５を実行中の細胞培養装置の内部斜視図（ａ）蓋に対してトレイを移動させて開口部が形成された状態の平面図と（ｂ）その側面図、および（ｃ）培養液交換中の平面図と（ｄ）その側面図培養液交換中の斜視図ステップＳ６を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ７を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ８を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ９を実行中の細胞培養装置の内部斜視図ステップＳ１０を実行中の細胞培養装置の内部斜視図本発明の細胞培養装置の実施の形態２の（ａ）作業位置に到着したトレイの平面図と、（ｂ）トレイに対して蓋を移動させて開口部が形成された状態の平面図と、（ｃ）培養液交換中の平面図同実施の形態の培養液の交換が完了してディッシュ本体に蓋をする前にトレイをカメラ位置に移動させて撮影する工程の平面図制御装置のフローチャート実施の形態３の培養容器本体の斜視図同実施の形態の培養容器本体をトレイにセットした状態の（ａ）平面図と（ｂ）要部の拡大斜視図同実施の形態のコード読み取り状態の側面図同実施の形態の培養容器本体の別の例を示す側面図培養容器本体の更に別の例を示す（ａ）平面図と（ｂ）側面図

（実施の形態１）
図１は待機位置の細胞培養装置を示す。
庫内温度が目標温度に温度制御されている培養室Ａに隣接して交換室Ｂが形成されている。また、培養室Ａの前面には、複数個の培養容器Ｐが載置された複数のトレイＴ１，Ｔ２，・・・・を、係員が出し入れするための開閉扉１が設けられている。ここでは培養室Ａと交換室Ｂを収容しているハウジングの外壁は、内部を示すために図示されていない。

また、この実施の形態では、上下方向に間隔を空けて５つのトレイＴ１〜Ｔ５を収納するラック２が培養室Ａの庫内に形成されている。培養室Ａの背面で交換室Ｂとの隔壁には、各トレイＴ１〜Ｔ５の収容高さに対応してゲートＧ１〜Ｇ５が設けられている。

トレイＴ１〜Ｔ５には、図２（ａ）（ｂ）に示すようにマトリクス状に、それぞれ９つの培養容器Ｐ１〜Ｐ９が載置されている。培養容器Ｐ１〜Ｐ９は、例えば、容器本体としてのディッシュ本体３とこのディッシュ本体３に被せられた蓋４で構成されている。また、個体識別するために各ディッシュ本体３にはバーコード，ＱＲコード（登録商標）などのコードが付けられている。

交換室Ｂには、培養室Ａの背面に向かって接近離間する第１アーム５と、第１アーム５の基端を上下方向に駆動するエレベータ６と、交換室Ｂの上部に配置されたＸ−Ｙテーブル７と、カメラ８と、培養液交換装置９などが設けられている。

ここでは、培養室Ａと交換室Ｂの間でトレイを搬送するハンドリング装置が、第１アーム５とエレベータ６などで構成されている。
Ｘ−Ｙテーブル７は、培養室Ａと交換室Ｂの配列方向である奥行き方向にスライダを駆動するＹテーブル７Ｙと、横方向にＹテーブル７Ｙを駆動するＸテーブル７Ｘとで構成されている。カメラ８はＹテーブル７Ｙのスライダに取り付けられている。

培養液交換装置９は、培養室Ａの天板１０上の作業位置に到着した時々のトレイＴ１〜Ｔ５にアクセスするように、培養室Ａの上方位置に配置されている。
この細胞培養装置の各装置は、制御装置１１によって指示されて、培養室Ａに格納された一段目のトレイＴ１に対して処理を実行すると、二段目以降のトレイＴ２〜Ｔ５についても同じ処理を実施するように構成されている。

ここでは制御装置１１の構成を、一段目のトレイＴ１に対する処理手順に基づいて説明する。図１７は制御装置１１のフローチャートを示す。
図３に示すステップＳ１では、制御装置１１は、開閉扉１が閉鎖されている状態であることを確認してから一段目のゲートＧ１だけを開放するとともに、パンタグラフ式の第１アーム５を前側に前進させて第１アーム５の先端のハンド１２を、開放されたゲートＧ１から培養室Ａに格納された一段目のトレイＴ１の下側に差し入れる。

ステップＳ２では、図４に示すように第１アーム５によって一段目のトレイＴ１を交換室Ｂに引き出す。一段目のゲートＧ１は一段目のトレイＴ１が交換室Ｂに出庫したことを検出してその直後に閉じる。

ステップＳ３では、図５に示すようにエレベータ６が第１アーム５を持ち上げて一段目のトレイＴ１を持ち上げる。
ステップＳ４では、図６に示すように第１アーム５の下側に設けられたパンタグラフ式の第２アーム１３が培養室Ａの天板１０側に延びて、第１アーム５のハンド１２に支持されていた一段目のトレイＴ１を、培養室Ａの天板１０と培養液交換装置９の間に挿入する。この第２アーム１３も前記ハンドリング装置に含まれる。

そして、培養液交換装置９の下方に到着した一段目のトレイＴ１にセットされている全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ９に対して、吸着ノズル１４を一斉に降下させて、全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ９の蓋４に吸着ノズル１４が吸着する。さらに、降下していた全ての吸着ノズル１４を一斉に上昇させて、全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ９の蓋４を、下方にあるディッシュ本体３よりも高い位置に持ち上げる。

ステップＳ５では、図７に示すように、トレイＴ１を支持している第２アーム１３を培養室Ａの側にさらに伸ばして、蓋４に対してトレイＴ１を移動させ、平面的に見た場合に、図８（ａ）（ｂ）に示すように各ディッシュ本体３と蓋４との間に、ディッシュ本体３の一部が蓋４によって覆われずに露出した状態のディッシュ開口部１５を形成する。

さらに、培養液交換装置９に指示して、図８（ｃ）（ｄ）と図９に示すように、全ての培養容器Ｐ１〜Ｐ９のディッシュ開口部１５を通してディッシュ本体３に向かって、それぞれ第１ノズル１６と第２ノズル１７を差し込む。両ノズル１６，１７を同時に差し込んでもよい、時間をずらして差し込んでもよい。

具体的には、最初に第１ノズル１６を介して使用済みの培養液をディッシュ本体３から一斉に吸い上げて除去する。除去が終了すると第２ノズル１７を介して、新しい培養液をディッシュ本体３に一斉に注入する。培養液の一斉注入が完了すると、全ての第１，第２ノズル１６，１７を一斉に引き上げる。

係員によって、細胞培養装置の操作パネル１８から「観察動作」が設定されている場合には、ステップＳ６を実行してからステップＳ７を実行する。
ステップＳ６では、培養液の注入が完了して蓋４が開いたディッシュ本体３が載った一段目のトレイＴ１を、図１０に示すように、第２アーム１３が奥側に後退してトレイＴ１を第１アーム５のハンド１２に移載するとともに、Ｘ−Ｙテーブル７を駆動してカメラ８を培養容器Ｐ１〜Ｐ９の上方に移動させて、各ディッシュ本体３における培養状態を画像として順に読み取って、読み取った画像データを、各ディッシュ本体３の個体識別用のコードと関連づけて保存する。

なお、カメラ８の撮像中のディッシュ本体の特定は、カメラ８が撮影した画像からディッシュ本体３の個体識別用のコードを認識して特定する方法の他に、撮影位置のトレイの識別とＸ−Ｙテーブル７によるカメラ８の駆動座標とに基づいて、トレイ上のディッシュ本体の配置座標とその配置座標にセットされたディッシュ本体の個体識別用のコードとの対照テーブルを照合して、撮影したディッシュ本体３を特定する方法、カメラ８とは別のバーコードリーダがカメラ８の撮像中のディッシュ本体３のコードを読み取る方法、カメラ８の撮像前または撮影の後に、カメラ８とは別のバーコードリーダがカメラ８によって撮像するまたは撮像したディッシュ本体３のコードを読み取る方法などがある。

ステップＳ７では、培養容器Ｐ１〜Ｐ９の全てのディッシュ本体３における培養状態の撮影が完了した一段目のトレイＴ１を、図１１に示すように、第２アーム１３が手前側に前進して、蓋４が保持されている下方位置に各ディッシュ本体３が到着した位置で停止させる。その後に、それまで上昇位置で各蓋４を吸着保持していた吸着ノズル１４が降下して、蓋４を各ディッシュ本体３に一斉に被せた後に、吸着ノズル１４による吸着が解除され、その後に吸着ノズル１４が一斉に上昇する。

ステップＳ８では、図１２に示すように第２アーム１３を奥側に後退させて一段目のトレイＴ１を第１アーム５のハンド１２に移載する。
ステップＳ９では、図１３に示すようにエレベータ６が第１，第２アーム５，１３を降下させる。

ステップＳ１０では、図１４に示すように開閉扉１が閉鎖されている状態であることを確認してから一段目のゲートＧ１だけを開放するとともに、第１アーム５を前側に前進させて培養液の交換が完了した一段目のトレイＴ１を、培養室Ａのラック２の一段目に戻す。その後は、第１アーム５を後退させてハンド１２を培養室Ａから引き抜いた後にゲートＧ１を閉鎖して図１の待機位置に戻る。

なお、係員によって「観察動作」が設定されていない場合には、ステップＳ６を飛び越して、ステップＳ５に次いでステップＳ７を実行する。
ステップＳ１〜ステップＳ１０の一回のルーチンの実行によって、一段目のトレイＴ１にセットされた全ての培養容器に対する培養液の入れ替えが、自動かつ短時間で実施できる。

二段目以降のトレイＴ２〜Ｔ５についても同様に制御装置によって運転される。具体的には、ステップＳ１ではエレベータ６が第１アーム５を、培養室Ａの二段目のラックの高さに上昇させ、培養室Ａに向かって前進するとともに、開閉扉１が閉鎖されている状態であることを確認してから二段目のゲートＧ２だけを開放するとともに、第１アーム５の先端のハンド１２を、開放されたゲートＧ２から培養室Ａに格納された二段目のトレイＴ１の下側に差し入れる。以降も同様である。

（実施の形態２）
図１５は実施の形態２の細胞培養装置の要部を示す。
実施の形態１では各トレイの上に複数の培養容器がマトリクス状に配置されていたが、図１５（ａ）に示すようにトレイの上に複数の培養容器を環状に配置して構成することも出来る。ここでは８個の培養容器Ｐ１〜Ｐ８がトレイＴ１の上に、円形にセットされている。実施の形態１と同じものには同じ符号を付けて説明する。

制御装置１１は次の点だけが、実施の形態１とは異なっている。
ステップＳ１〜ステップＳ５は、トレイの形状とこのトレイにおける培養容器の配置の形状が異なるだけで、その他は実施の形態１と同じである。

培養容器がマトリクス状に配置されていた実施の形態１のステップＳ４，ステップＳ５では、吸着ノズル１４が吸着して培養液交換装置９が一斉に持ち上げた後に、トレイＴ１の位置を移動させてディッシュ開口部１５を形成したが、この実施の形態２では図１５（ｂ）に示すように、８個の培養容器Ｐ１〜Ｐ８の蓋４を吸着している吸着ノズル１４を、回転中心１９のまわりに角度θだけ右回転させて、蓋４とディッシュ本体とを相対移動させることで、培養容器Ｐ１〜Ｐ８に一斉にディッシュ開口部１５を形成する。その後、図１５（ｃ）に示すように、培養容器Ｐ１〜Ｐ８のディッシュ開口部１５に、第１ノズル１６を介して使用済みの培養液をディッシュ本体３から一斉に吸い上げて除去する。除去が終了すると第２ノズル１７を介して、新しい培養液をディッシュ本体３に一斉に注入する。培養液の一斉注入が完了すると、全ての第１，第２ノズル１６，１７を一斉に引き上げる。両ノズル１６，１７は時間をずらして引き上げてもよい。

ステップＳ６では、図１６に示すように、実施の形態１と同様に、培養液の注入が完了して蓋４が開いたディッシュ本体３が載った一段目のトレイＴ１を、第２アーム１３が奥側に後退してトレイＴ１を第１アーム５のハンド１２に移載するとともに、Ｘ−Ｙテーブル７を駆動してカメラ８を培養容器Ｐ１〜Ｐ８の上方に移動させて、各ディッシュ本体３における培養状態を画像として順に読み取って、読み取った画像データを、各ディッシュ本体３の個体識別用のコードと関連づけて保存する。

ステップＳ７では、一段目のトレイＴ１を、第２アーム１３が手前側に前進して、蓋４が保持されている下方位置に各ディッシュ本体３が到着した位置で停止させる。その後に、８個の培養容器Ｐ１〜Ｐ８の蓋４を吸着している吸着ノズル１４を、回転中心１９のまわりに角度θだけ左回転させて、各ディッシュ本体３の位置に蓋４の位置を合わせた後に、それまで上昇位置で各蓋４を吸着保持していた吸着ノズル１４が降下して、蓋４を各ディッシュ本体３に一斉に被せた後に、吸着ノズル１４による吸着が解除され、その後に吸着ノズル１４が一斉に上昇する。

ステップＳ８以降は実施の形態１と同じである。
上記の各実施の形態では説明されていないが、使用済みの第１，第２ノズル１６，１７は、次のトレイが作業位置に到着するまでの期間に、制御装置１１の運転制御に基づいて、使用済みの第１，第２ノズル１６，１７を、交換室Ｂの庫内において未使用の第１，第２ノズル１６，１７にセットし直すルーチンが含まれている。

（実施の形態３）
この実施の形態３は、上記の各実施の形態のディッシュ本体３とトレイＴ１の具体例を示している。

図１８に示すように、ディッシュ本体３の外周面には、１８０°の角度差で突起３１ａ，３１ｂが形成されている。また、ディッシュ本体３の外周面には突起３１ａ，３１ｂと規定の角度ずらした位置に、ここでは９０°の位置にバーコードラベル３２ａ，３２ｂが貼り付けられている。

トレイＴ１の側には、図１９（ａ）（ｂ）に示すように突起３１ａ，３１ｂに対応して、位置決め用のブラケット３３ａ，３３ｂが、各ディッシュ本体３がセットされる位置にそれぞれ形成されている。

このように、トレイＴ１の各ディッシュ本体３がセットされる位置にブラケット３３ａ，３３ｂを形成したため、ブラケット３３ａ，３３ｂに突起３１ａ，３１ｂが入り込むように各ディッシュ本体３をトレイにセットすることによって、トレイＴ１における各ディッシュ本体３の位置を、正確に規定できる。なお、突起３１ａ，３１ｂの断面形状を丸形状にするとともに、ブラケット３３ａ，３３ｂの内側の角に、内側に向かって低くなる傾斜面３４を形成することによって、ディッシュ本体３をトレイＴ１にセットするときの位置制御が簡単で、作業性が良好である。

図２０は上記のようにトレイＴ１にセットされた各ディッシュ本体３のバーコードラベル３２ａまたは３２ｂを読み取る状態を示している。前記カメラ８の撮影位置にあるディッシュ本体３のバーコードラベル３２ａまたは３２ｂを、カメラ８とは別のカメラ３５が、斜め方向から撮影し、その画像からバーコードを読み取って識別する。

（実施の形態４）
実施の形態３では、突起３１ａ，３１ｂがディッシュ本体３の底部から距離Ｌだけ上がった位置に形成されていたが、図２１では突起３１ａ，３１ｂの下端が、ディッシュ本体３の底部と面一に形成されている点だけが、実施の形態３とは異なっている。

図２２（ａ）（ｂ）は更に別の具体例を示している。
上記の各具体例では、ディッシュ本体３に２つの突起３１ａ，３１ｂが設けられていたが、図２２に示した例では、ディッシュ本体３に一つだけの突起３１ａを設け、その代わりに突起３１ａとは１８０°異なる位置のトレイＴ１の位置に、ディッシュ本体３の外形に当接する凹部３６ｂが形成されたブラケット３６を形成して、トレイＴ１におけるディッシュ本体３の位置決めを行っている。

本発明は、限られた期間により多くの培養試料を扱う分野の細胞培養装置の実現に寄与する。

Ａ培養室
Ｂ交換室
Ｐ１〜Ｐ９培養容器
Ｔ１〜Ｔ５トレイ
Ｇ１〜Ｇ５ゲート
１開閉扉
２ラック
３ディッシュ本体
４蓋
５第１アーム
６エレベータ
７Ｘ−Ｙテーブル
７ＹＹテーブル
７ＸＸテーブル
８カメラ
９培養液交換装置
１０培養室Ａの天板
１１制御装置
１２第１アーム５の先端のハンド
１３第２アーム
１４吸着ノズル
１５ディッシュ開口部
１６第１ノズル
１７第２ノズル
１８操作パネル

Claims

蓋付きの複数の培養容器を載せたトレイと、
前記トレイを格納する培養室と、
前記培養室の周辺に配置された交換室と、
前記培養室と前記交換室の間で前記トレイを搬送するハンドリング装置と、
前記交換室に搬入された前記トレイの複数の前記培養容器の蓋を一斉に脱着し、前記蓋が開放された複数の前記培養容器の培養液を一斉に交換する培養液交換装置とを含む
細胞培養装置。
前記培養液交換装置は、作業位置に到着した前記トレイに載置された複数の前記培養容器の蓋を、複数の前記培養容器から一斉に持ち上げ、複数の前記培養容器と前記蓋との相対位置を変更して、前記培養容器と前記蓋の間に開口部を形成する
請求項１記載の細胞培養装置。
前記培養液交換装置は、複数の前記容器本体の前記開口部のそれぞれに、複数の第１ノズルを挿入して培養液を吸引し、複数の第２ノズルを挿入して培養液を入れることで培養液を交換する
請求項１または２記載の細胞培養装置。
前記培養室の上部に、前記交換室が位置し、前記培養室と前記交換室の側面に前記ハンドリング装置が位置する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の細胞培養装置。
前記ハンドリング装置には、２軸方向に移動可能な撮像装置が配置されている
請求項１〜４のいずれか１項に記載の細胞培養装置。
複数の前記培養容器には、それぞれ突起があり、前記トレイには、それぞれの前記突起に対応した凹部がそれぞれある
請求項１〜５のいずれか１項に記載の細胞培養装置。
培養液の交換対象の複数の培養容器が載せられたトレイを、培養室から交換室への出庫する出庫工程と、
前記複数の培養容器の蓋を部分的に一斉に取り外し、それぞれの前記培養容器に開口を設ける蓋取出工程と、
前記開口を介して複数の培養容器のそれぞれの培養液の交換を一斉に行う培養液交換工程と、
前記複数の培養容器に蓋をはめる蓋取付け工程と、
培養液の交換が完了した前記複数の培養容器が載せられた前記トレイの前記交換室への入庫する入庫工程と、を含む
細胞培養方法。