JP2018510659A - 組み込み式細胞操作システムを備える細胞培養インキュベータ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、2015年3月31日に出願された「Cell Culture Incubators With Integrated Cell Manipulation Systems」という名称の米国特許仮出願第62/141,191号明細書の利益を主張し、この特許出願は、その内容全体が参照により本明細書中に組み込まれる。
本明細書は、インキュベータ並びに制御された条件下で(例えば、無菌条件及び/又は滅菌条件下で)細胞を培養、操作及び/又は監視するための方法に関する。一部の態様では、インキュベータ及び方法は自動化された構成要素を含む。一部の態様では、インキュベータ及び方法は、長期の細胞培養(例えば、組換えタンパク質発現のために細胞を増殖及び維持するため、又は移植などの治療的用途のために細胞を増殖及び/又は分化するため)に有用である。いくつかの実施形態では、細胞培養物は、本明細書中に記載されるインキュベータ内の培養容器内で増殖させる。
細胞培養容器は、真核細胞又は原核細胞を含む異なる種類の細胞を培養するように構成されていてもよい。いくつかの実施形態では、細胞は、哺乳動物細胞(例えば、ヒト細胞、イヌ細胞、ウシ細胞、ヒツジ細胞、ネコ細胞、又はウサギ、マウス若しくはラット細胞などの齧歯類細胞)である。いくつかの実施形態では、細胞は、昆虫細胞、トリ細胞、微生物細胞(例えば、出芽酵母(Saccharomyces cerevisiae)、キラー酵母(Kluyveromyces lactis)若しくはメタノール資化酵母(Pichia pastoris)細胞などの酵母細胞、又は大腸菌(Escherichia coli)、枯草菌(Bacillus subtilis)、若しくはコリネバクテリウム細胞などの細菌細胞)、昆虫細胞(例えば、ショウジョウバエ細胞、又はSf9若しくはSf21細胞)、植物細胞(例えば、藻類細胞)、又は任意の他の種類の細胞である。
いくつかの実施形態では、細胞は、本明細書中に記載されるインキュベータ内における生体外培養のために組織又は生物学的サンプルから単離される。いくつかの実施形態では、細胞(例えば、白血球細胞)は血液から単離される。いくつかの実施形態では、細胞は、物理的破壊及び/又は酵素的破壊を用いて組織又は生物学的サンプルから剥離される。いくつかの実施形態では、コラゲナーゼ、トリプシン又はプロテイナーゼなどの1種以上の酵素を使用して細胞外マトリックスを消化する。いくつかの実施形態では、組織又は生物学的サンプルを(例えば、物理的破壊又は酵素的破壊あり又はなしで)培地に入れ、剥離して培地中で増殖させた細胞を更なる培養のために単離することができる。
本明細書で使用する場合、細胞培養とは、制御された条件下で(例えば、生体外で)細胞を維持及び/又は増殖するための手順を意味する。いくつかの実施形態では、細胞は、細胞増殖及び複製を促進するための条件、組換え産物の発現を促進するための条件、(例えば、1種以上の組織特有の細胞タイプへの)分化を促進するための条件、又はこれらの2つ以上の組み合わせの下で培養される。
本明細書は、インキュベータ及び制御された条件下で(例えば、無菌条件及び/又は滅菌条件下で)細胞を培養、操作及び/又は監視するための方法に関する。いくつかの実施形態では、本明細書中に記載される細胞培養インキュベータは、1つ以上の細胞培養容器内の細胞のインキュベーションのための内部チャンバを画定するインキュベータキャビネットを含み、内部チャンバは、1つ以上の細胞培養容器を保持するように構成されている。いくつかの場合、移動チャンバから内部チャンバへの内部扉に加えて、インキュベータは、外部環境から直接内部チャンバへと開く少なくとも1つの外部扉(例えば、1つ、2つ、3つ、4つ以上の外部扉)を含み、例えば、インキュベータが動作していない時間、例えばインキュベータの保守中における内部チャンバへの代替的なアクセスを提供する。いくつかの実施形態では、インキュベータは、内部チャンバ内に、1つ以上の細胞培養容器を貯蔵するための貯蔵場所を含む。いくつかの実施形態では、インキュベータ内に、1つ以上の細胞培養容器を第1の撮像場所から貯蔵場所へ、及び/又は貯蔵場所から第1の撮像場所へ移動するための細胞培養容器移動デバイスが提供される。
いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットは単壁式である。いくつかの実施形態では、インキュベータは二重壁式である。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットの二重壁間に絶縁材料が提供されており、キャビネットからの熱損失を制御し、キャビネット内の温度制御を容易にする。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットの外壁は、薄板、例えば14〜20ゲージの冷間圧延鋼を含む。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットの内壁(例えば、チャンバ表面)は電解研磨ステンレス鋼を含む。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットの内壁(例えば、チャンバ表面)は、チタン、コバルト−クロム、タンタル、白金、ジルコニウム、ニオブ、ステンレス鋼、及びこれらの合金などの耐腐食性材料を含む。しかしながら、いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットのチャンバ表面は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などの高分子材料、又はパリレンの商品名で知る高分子材料を含む。いくつかの実施形態では、チャンバ表面は、高分子表面コーティングに導入された銅又は銀又は抗微生物化合物など、抗微生物性を有してもよい。
いくつかの実施形態では、インキュベータ内部の環境は制御システムによって制御される。制御システムは、インキュベータ内部(例えば、1つ以上の内部チャンバ内)の温度、湿度、二酸化炭素、酸素、及び他の気体成分(例えば、オゾン及び過酸化水素などの滅菌ガス)を制御するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、制御システムは、各内部チャンバ内の環境条件(例えば、温度、湿度、二酸化炭素、酸素及び他の気体成分)を別々に制御する。例えば、繊細な機械的、電子的及び光学的構成要素を保護するために、内部チャンバの湿度は、貯蔵場所を有する内部チャンバよりも低い水準に維持してもよい。いくつかの実施形態では、インキュベータは、既定のセンサを備えたモニタリングシステムが更に提供される。モニタリング機器の例としては、酸素モニタ、二酸化炭素モニタ、オゾンガス検出器、過酸化水素モニタ、及びマルチガスモニタが挙げられるが、これらに限定されない。例えば、いくつかの実施形態では、インキュベータは、有利には、細胞増殖に関連する種々のパラメータに応答する複数のセンサを含む。これらのパラメータは、温度、空気純度、汚染物質レベル、pH、湿度、N2、CO2、O2、及び光を含んでもよい。このモニタリングシステムにより、培養又は処理の継続時間にわたってセンサを使用し、インキュベータにおけるパラメータを測定することができる。いくつかの実施形態では、本明細書中で記載されるように、センサによって測定されたパラメータは、更なる処理のために、モニタリングシステムにより、回線を介して、コンピュータ制御されたモニタリング及び制御システムに送信される。
いくつかの実施形態では、培養キャビネットは、インキュベータキャビネットが滅菌された後に閉じられると密閉されて無菌性を保持する窓、扉、又は開口部を含む。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットの各シールは閾値レベルの圧力以下(例えば、1atm以下)で気密である。いくつかの実施形態では、所望のレベルの密閉性能を確保するためにガスケットが提供される。一般に、「ガスケット」は、一般に、圧縮されている最中の2つの物体間の漏れを防ぐために2つの物体間の空間を埋めるメカニカルシールと理解される。ガスケットは、一般に、ガスケットペーパー、ゴム、シリコーン、金属、コルク、フェルト、ネオプレン、ニトリルゴム、ガラス繊維、又はプラスチックポリマー(ポリクロロトリフルオロエチレンなど)などのシート材料を切断することによって作製される。多くの場合、ガスケットは、変形して、任意のわずかな不規則性を含むように設計されている空間を確実に埋めることができるように、ある程度の降伏を提供する材料から作製されることが望ましい。いくつかの実施形態では、ガスケットは、適切に機能させるためにシーラントを直接ガスケット表面に適用して使用することができる。いくつかの実施形態では、ガスケット材料は、二酸化炭素又はオゾンと反応しない独立気泡ネオプレンフォームを含み得る。
本明細書中に開示されるインキュベータは、通常、1つ以上の物品を、例えば、インキュベータ内の第1の場所から第2の場所へ移動させるための1つ以上の移動デバイスを含む。いくつかの実施形態では、1つ以上の物品は1つ以上の細胞培養容器である。他の実施形態では、1つ以上の物品は1つ以上の細胞培養容器の維持に有用であり、ピペット、キャピラリー、液体(例えば、細胞培養培地)、栄養素、及び他の材料が挙げられるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、移動デバイスはロボットアームを含む。いくつかの実施形態では、ロボットアームは、インキュベータキャビネット内にプラットフォームを含み、プラットフォームは、インキュベータキャビネットの内部表面(例えば、内壁、基部等)に沿って種々の方向に延びるレール又はコンベヤに沿って移動してもよい。いくつかの実施形態では、インキュベータキャビネットは、器具のスループットを増加するとともに、ロボットアームの1つが破損した場合に冗長性を提供するために、2つ以上(例えば、2つ、3つ、4つ、又は5つ、又はこれより多い)のロボットアームを備えて構成してもよい。
本明細書中に記載されるインキュベータは、コンピュータ、プロセッサ、マイクロコントローラ、又は他のコントローラの指示でともに動作してもよいセンサ、環境制御システム、ロボット等を含むいくつかの構成要素を含む。構成要素は、例えば、移動デバイス(例えば、ロボットアーム)、液体ハンドリングデバイス、培養容器又は他の構成要素をインキュベータキャビネットに又はインキュベータキャビネットから送達するための送達システム、インキュベータキャビネットの温度及び他の環境態様を制御するための環境制御システム、扉動作システム、撮像又は検出システム、及び細胞培養アッセイシステムを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、本明細書中に記載されるインキュベータキャビネットは、顕微鏡若しくは他のイメージャ、又は細胞増殖、細胞の生存率若しくは他の態様を監視するための他のデバイスを備えて構成されている。いくつかの実施形態では、顕微鏡又はイメージャは、画像ベースの表現型スクリーニング又はアッセイなど、インキュベータキャビネット内で実施されるアッセイとともに使用される。
ある実施形態では、本明細書中に記載されるインキュベータは、インキュベータキャビネット内の高スループットスクリーニング(HTS)を可能にするように構成されている。いくつかの実施形態では、HTSは、1日あたり例えば100,000個までの化合物の試験を意味する。いくつかの実施形態では、スクリーニングアッセイはマルチウェル形式、例えば、96ウェル、384ウェル形式、又は1,536ウェル形式で実施してもよく、自動化プロトコルを使用して実施され得る。このような高スループットアッセイでは、1日で数千個の異なる化合物又は組成物をスクリーニングすることが可能である。特に、マイクロタイタープレートの各ウェルを使用して、選択した試験化合物に対して別個のアッセイを実施することができる。或いは、濃度又はインキュベーションの時間効果が観察される場合、複数のウェルが1種の化合物の試験サンプルを含むことができる。1日あたり多くのプレートをアッセイすることが可能であり、アッセイを使用して、約6,000個、20,000個、50,000個まで、又は100,000個超の異なる化合物のアッセイスクリーニングが可能である。通常、本明細書中に記載されるアッセイのHTS実施は自動化の使用を伴う。いくつかの実施形態では、化合物、細胞及び/又は試薬添加、混合、インキュベーション、及び最終的に読み取り又は検出のために、1つ以上のロボットアームを含む組み込み式ロボットシステムがアッセイマイクロプレートを複数のアッセイステーション間で移動させる。一部の態様では、HTSアッセイは、多くのプレートを同時に調製、インキュベーション及び分析することを含み、データ収集プロセスを更に高速化してもよい。
Claims (32)
- 1つ以上の細胞培養容器内の細胞のインキュベーションのための内部チャンバを含むインキュベータキャビネットと、
外部環境から前記内部チャンバへと開く扉と、
前記内部チャンバ内の前記細胞を撮像するように構成されたイメージャと、
前記内部チャンバ内の前記1つ以上の細胞培養容器内の前記細胞を操作するためのマニピュレータと、
前記1つ以上の細胞培養容器を前記内部チャンバ内の場所間で移動させるための細胞培養容器移動デバイスと
を含む、細胞培養インキュベータ。 - 前記イメージャはホログラフィック顕微鏡である、請求項1に記載のインキュベータ。
- 前記イメージャは明視野顕微鏡である、請求項1に記載のインキュベータ。
- 前記イメージャは蛍光顕微鏡である、請求項1に記載のインキュベータ。
- 前記1つ以上の細胞培養容器は、前記イメージャ及び前記マニピュレータに対する前記1つ以上の細胞培養容器の位置合わせを容易にするための基準マークを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 撮像場所を更に含み、前記撮像場所は基準マークを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記細胞を操作するための前記マニピュレータは細胞ピッカーである、請求項1〜6のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記マニピュレータを制御するためのコントローラを更に含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記コントローラは前記インキュベータキャビネットの外部に配置されている、請求項8に記載のインキュベータ。
- 前記コントローラはコンピュータを含む、請求項9に記載のインキュベータ。
- 1つ以上の細胞培養容器内の細胞のインキュベーションのための内部チャンバを含むインキュベータキャビネットと、
前記内部チャンバへと開く扉と、
ホログラフィックイメージャ及び第1の撮像場所であって、前記ホログラフィックイメージャは、前記1つ以上の細胞培養容器が前記第1の撮像場所にあるとき、前記内部チャンバ内の前記細胞を撮像するように構成されている、ホログラフィックイメージャ及び第1の撮像場所と、
第2のイメージャ及び第2の撮像場所であって、前記イメージャは、前記1つ以上の細胞培養容器が前記第2の撮像場所にあるとき、前記内部チャンバ内の前記細胞を撮像するように構成されている、第2のイメージャ及び第2の撮像場所と、
前記第1の撮像場所及び/又は前記第2の撮像場所において前記1つ以上の細胞培養容器内の前記細胞を操作するためのマニピュレータと、
前記1つ以上の細胞培養容器を前記第1の撮像場所から前記第2の撮像場所へ、又は前記第2の撮像場所から前記第1の撮像場所へ移動させるための細胞培養容器移動デバイスと
を含む、細胞培養インキュベータ。 - 前記ホログラフィックイメージャはホログラフィック顕微鏡である、請求項11に記載のインキュベータ。
- 前記第2のイメージャは明視野顕微鏡又は蛍光顕微鏡である、請求項11又は12に記載のインキュベータ。
- 前記マニピュレータは1つ以上の細胞スクレーパを含む、請求項1に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパはハンドル部を含み、前記ハンドル部は、マニピュレータ基部に取付可能又は接続可能な近位領域と、かき取り端を含む遠位領域とから延びる長尺状部材を含む、請求項14に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパは、かき取り端を含む連続する構造体(例えば、成形構造体)を含む、請求項14又は15に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパは1つ以上の相互接続部品を含む、請求項14〜16のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパはハンドルを含み、前記ハンドルは、かき取り端アセンブリを前記ハンドルに交換可能に接続するためのインターフェースを有する、請求項14〜17のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパはスクレーパ端を含み、前記スクレーパ端は、細胞培養容器の表面と接触可能であり、且つ前記表面に接着している細胞を、前記細胞を実質的に殺すことなくかき取るように構成されている、請求項14〜18のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- コントローラを更に含み、前記コントローラは、前記細胞スクレーパのかき取り端と細胞培養容器の前記表面との間の接触圧力を調整するために前記マニピュレータを制御するように構成されている、請求項14〜19のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記細胞スクレーパに接続されたセンサ(例えば、ひずみゲージセンサ)を更に含み、前記センサは、コントローラに対し、前記細胞スクレーパのかき取り端と細胞培養容器の前記表面との間において検出された圧力に関する情報を与える信号を提供し、前記コントローラは、前記検出された圧力に応答して、前記マニピュレータに制御信号を送信して前記細胞スクレーパのかき取り端と細胞培養容器の前記表面との間の前記圧力を増加又は減少させるように構成されている、請求項20に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパは前記マニピュレータから容易に取り外し可能である、請求項14〜21のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパは、かき取り機能及び液体ハンドリング機能を実施するように構成されている、請求項14〜22のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパはかき取り端を含み、前記かき取り端は、細胞培養容器との接触時、限定可能な範囲のかき取り端のたわみを可能にするように構成されている、請求項14〜23のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 各細胞スクレーパは、ポリマーから形成された1つ以上の構成要素を含む、請求項14〜24のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記細胞スクレーパは、細胞及び又は細胞培養培地を吸引するように構成された開口部を更に含み、前記開口部はかき取り端に極めて近接して配置されている、請求項25に記載のインキュベータ。
- 前記コントローラは前記インキュベータキャビネットの外部に配置されている、請求項20に記載のインキュベータ。
- 前記コントローラは前記インキュベータキャビネットの内部にあるか、又は前記インキュベータキャビネットに内蔵されている、請求項20に記載のインキュベータ。
- 少なくとも1つの細胞スクレーパを有する第2のマニピュレータを更に含む、請求項1又は14〜28のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記1つ以上の細胞培養容器を撮像場所から操作場所へ、又は操作場所から撮像場所へ移動させるように構成されており、前記1つ以上の細胞培養容器は実質的に位置合わせされている、請求項1〜29のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記細胞培養容器移動デバイスは、前記内部チャンバ内において、1つ以上の細胞培養容器を撮像場所と操作場所との間で、及び/又は操作場所と撮像場所との間で取り出すように構成されている、請求項1〜30のいずれか一項に記載のインキュベータ。
- 前記1つ以上の細胞培養容器は、前記イメージャ及び前記マニピュレータに対する前記1つ以上の細胞培養容器の位置合わせを容易にするための基準マークを含む、請求項1〜31のいずれか一項に記載のインキュベータ。
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