JP2019176800A - 培養観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】研究者が机に座って、レポートを書きながら、その合間に脇に置いたその研究者専用の培養装置を使用して生細胞を観察できるような、使い勝手の良いコンパクトな培養観察装置の提供。【解決手段】筐体３と、筐体３内に設置されたイメージング部７７と、筐体３内に取出し自在に装着される培養チャンバ３１とを備え、培養チャンバ３１には、ヒーター等の培養環境の維持機構が筐体３とは独立的に設けられ、且つ、筐体３に対して位置決め機構を介して所定の位置に装着される。培養チャンバ３１の上面部３３の透光部３５にはヒーター機能が備えられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、生細胞を培養しながら観察できる培養観察装置に関するものである。

「生物学」の研究と言えば、従来は、凍結状態の細胞を観察することであったが、最近では、細胞の活動を停止せずに生きたままの状態で観察する手法が採用されつつある。この観察手法は、「ライフセルイメージング（生細胞イメージング）」と言われており、細胞の運動・発生・分化等種々の現象のメカニズム解明には今や不可欠となっている。

この「ライフセルイメージング」用に、細胞の培養に適した環境を維持する培養装置に顕微鏡を組み合わせた培養観察装置が提案されており、その一例が特許文献１に記載のものである。
培養環境の変化は、変化に敏感な生細胞には大きなダメージとなり、特に、生細胞を所定の時間間隔で断続的に顕微鏡観察するタイムラプス観察方式では、実験の信頼性に悪影響を与えてしまうため、好ましくない。
そのため、特許文献１では、培養環境の変化を抑えるべく、様々な複雑な工夫が凝らされた培養空間内に顕微鏡を据え付けたものが提案されている。

特開２００９−２５１２９７号公報

一方、「ライフセルイメージング」と言っても、生細胞の生死、成長、運動等の形態観察を主体とする基礎的な実験をする場合には、上記した培養観察装置が備える多くの機能は必要とされない。むしろ、研究者が机に座り、脇にその研究者専用の培養装置を置いて、レポートを書きながら、その合間に脇の培養装置で生細胞を観察できるような、使い勝手の良いコンパクトな培養観察装置こそが求められている。
このようなコンパクトな培養観察装置であれば、研究者が実験室と頻繁に行き来する必要がなく、更に、他の研究者との共用によるコンタミのリスクもない。

しかしながら、基礎的な実験においても、培養環境の変化を極力抑えながら、鮮明な観察画像を取得できることが求められることに変わりはない。加えて、基礎的な実験においては、比較的短時間で検体を変えて繰り返し行うことが多いので、培養環境内を容易に乾熱殺菌できれば非常に都合が良い。

本発明は上記従来の問題点に着目して為されたものであり、コンパクトでありながら、上記した要求を満たし、パーソナルな使用に適した培養観察装置を提供することを、その目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、請求項１の発明は、筐体と、前記筐体内に設置されたイメージング部と、前記筐体内に取出し自在に装着される培養チャンバとを備え、前記培養チャンバの培養環境の維持機構は前記培養チャンバと共に取出し可能であり、且つ、前記培養チャンバは前記筐体に対して位置決め機構を介して所定の位置に装着されることを特徴とする培養観察装置である。

請求項２の発明は、請求項１に記載した培養観察装置において、筐体に対する培養チャンバの位置決め機構は、前記培養チャンバの外形表面を利用して構成されていることを特徴とする培養観察装置である。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載した培養観察装置において、培養チャンバは水平方向に移動させて正面側から筐体の外に取出し可能になっており、前記正面側には開閉部と培養環境の維持機構の配管または配線を引出す引出孔が設けられていることを特徴とする培養観察装置である。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載した培養観察装置において、培養チャンバ内の培養環境の維持機構には、前記培養チャンバの水平上面部に設けられた透明ヒーターが含まれることを特徴とする培養観察装置である。

請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載した培養観察装置において、イメージング部は培養チャンバに対して前後左右方向に移動可能になっていることを特徴とする培養観察装置である。

請求項６の発明は、請求項５に記載した培養観察装置において、培養チャンバ内は複数の培養容器がそれぞれ所定の位置に同時に収納可能になっていることを特徴とする培養観察装置である。

請求項７の発明は、請求項１から６のいずれかに記載した培養観察装置において、筐体は内部に暗室を構成するものであることを特徴とする培養観察装置である。

本発明の培養観察装置によれば、コンパクトでありながら、培養環境が比較的高精度で維持され、研究者が望むレベルで観察実験を実施することができる。また、装置側から培養チャンバを取り外して乾熱殺菌に供することができる。

本発明の実施の形態に係る培養観察装置の斜視図である。 図１の培養観察装置の一部透明斜視図である。 図１の筐体に対する培養チャンバの位置決め機構の筐体側の構成の説明図である。 図１の筐体に対して培養チャンバが位置決め保持された状態を示す。 図１の筐体に培養チャンバを装着する途中の状態を示す。 図１の培養チャンバの一部透明斜視図である。 図６の培養チャンバにセットするカセット及び培養容器の斜視図である。 図６の培養チャンバにカセットをセットした状態を示す。 図２のイメージング部の左右方向の移動機構の説明図である。 図２のイメージング部の前後方向の移動機構の説明図である。 図１の培養観察装置を含むシステム全体の構成図である。

本発明の実施の形態に係る培養観察装置１を図面にしたがって説明する。
図１、図２に示すように、培養観察装置１の筐体３は、底面部５と左右側面部７、７と背面部９と天面部１１とが剛性連結されて角形の箱型に成形されており、正面側に蓋部１３が配設されている。この蓋部１３は天面部１１にヒンジ結合されて回動自在になっている。
正面側は二重構造になっており、蓋部１３が回動により持ち上げられると、フロントパネル１５が現れる。このフロントパネル１５には、横長矩形の開口部１７が形成されており、この開口部１７を介して、筺体３の内部が外部と通じる。

左右側面部７、７の内面側にはそれぞれ支持プレート１９が取付けられている。支持プレート１９は前後方向に長くなっており、板面は上下を向いている。支持プレート１９は筺体３のほぼ中間の高さに取付けられており、その上にブロックガイド２１が載せられ固定されている。図３、図４に示すように、このブロックガイド２１は、前後方向から見ると、途中で垂直に屈曲してＬ字状になっており、長片２３側が支持プレート１９から鉛直方向に立ち上がっており、短片２５側が水平方向に延びており、左側の支持プレート１９に固定されたブロックガイド２１の短片２５は右方、すなわち内方に突出して、右側の支持プレート１９に固定されたブロックガイド２１の短片２５も左方、すなわち内方に突出している。各支持プレート１９の長片２３の内側面と、短片２５の下面がガイド面となっている。このガイド面からはバネの先端に取付けられた弾接部２７、２９が突出している。弾接部２７、２９はバネの収縮により没入自在になっている。

培養チャンバ３１は、上記の開口部１７を取出口として利用している。培養チャンバ３１は扁平な角形の箱型に成形されており、内部に培養環境が形成される。この上面部３３の透光部３５は多層構造で、２枚の透明ガラス板のうち下側の透明ガラス板の上面に透明導電膜が蒸着されており、この透明導電膜と上側の透明ガラス板の下面が透明シリコン樹脂を介して接着されて一体化されている。この透明導電膜が通電により発熱して、培養環境を加温する。透光部３５の周縁は上下から枠部３７にサンドされて保持されている。下面部３９の透光部４１も同様に構成されており、枠部４３にサンドされて保持されている。この上面部３３の枠部３７と下面部３９の枠部４３が左右の側面部４５、４５と、背面部４７に剛性連結されて一体化されており、上面部３３と下面部３９の板面は互いに平行になっている。

正面部４９は下面部３９の枠部４３にヒンジ結合されて回動自在になっており、開閉部として利用される。この正面部４９が回動により下げられると下面部３９の上面が縁まで見える全面開口状態となる。一方、閉じられると、正面部４９の左右両側の縁部が左右の側面部４５、４５の板面に僅かな隙間を開けて対向した状態となる。
主なヒーター機能は上記したように上面部３３に備えられているが、正面部４９、背面部４７、側面部４５にも補助的なヒーター機能が備えられている。

一対の側面部４５、４５の外面にはそれぞれ帯状の係止金具５１、５１が取付けられている。この係止金具５１は板状で、上下方向から見ると、途中で垂直に屈曲してＬ字形になっている。一片５３は側面部４５から外方に向かって垂直に立ち上がっており、正面部４９より僅かに突き出ているが略面一状態となっている。そして、他片５５が側面部４５に重ね合わされ固定されている。また、一片５３には、ネジ５７の挿通孔が形成されている。
また、右側の一片５３には感圧スイッチ５９が設けられており、内方からの圧力を感知するようになっている。

正面部４９と、その左右両側の側面部４５、４５の正面を向いた部分には、配線や配管の引出し孔６１、６３が形成されている。
これらの引出し孔６１、６３は、上記した発熱用の電線だけでなく、温度を検知するために取付けられた温度センサーの電線、更には、培養チャンバ３１の内部にガスを供給するガス管等の引出し用になっている。

培養チャンバ３１は、上記したように構成されており、開口部１７から、図５に示すように、筺体３内に入れると、下面部３９の枠部４３が筐体３側の左右両側の支持プレート１９に載せられた状態で、且つブロックガイド２１に弾接ガイドされて、所定の高さで上面部３３と下面部３９は強制的に水平姿勢となる。
また、係止金具５１の一片５３が筐体３側のフロントパネル１５に当たり、それ以上の奥行側への進入が阻止される。その状態で、一片５３側の挿通孔にネジ５７が通され筐体３（図示省略するが、ネジ孔形成済み）に対してネジ止めされる。感圧スイッチ５９の監視により、ネジ止め不良があれば直ぐ分かる。

このように位置決め機構が構成されているので、培養チャンバ３１を開口部１７から取出して再度装着する場合にも、その都度筐体３内の所定の位置に正確に装着することができる。培養チャンバ３１の正面部４９は光を遮蔽するよう構成されており、培養チャンバ３１が装着されると、筐体３の内部に暗室が構成される。
培養チャンバ３１には、ヒーター機能を含めて、培養環境を維持するのに必要な機構が筐体３側とは独立して備えられており、培養チャンバ３１に繋がった電線コード等は、全て正面側から引出されるので、培養チャンバ３１の筐体３からの取出し、すなわち脱着に支障はない。

培養チャンバ３１の内部について説明する。
図６に示すように、内底面から僅かに上がった位置に、ベース枠部６５が取付けられている。このベース枠部６５は上方から見ると、外形は左右方向に長い長方形になっており、更に、前後方向に長い小長方形の４つの区域に仕切られている。このベース枠部６５に沿ってガイド枠部６７が立ち上がっており、このガイド枠部６７からは板ばね６９が突設している。なお、正面側が出入口になっているので、ガイド枠部６７は正面側には設けられていない。
ベース枠部６５は、図７に示すカセット７１の箱型外形に合わせて設計されており、カセット７１がベース枠部６５に載せられると、ガイド枠部６７に囲まれ、板ばね６９による圧縮弾接により移動不能に保持される。

カセット７１には、ウェルプレート７３、ディッシュ、フラスコ等の培養容器がセットされる。ディッシュはカセット７１との間に隙間ができるので、アダプター等を介してセットされる。
培養容器は、このようにカセット７１にセットされるので、筐体３内の所定位置に正確に置かれる。
カセット７１は最大４つ並べることができるので、図８に示すように、最大４つの培養容器を同時に一つの培養チャンバ３１内に置くことができる。

培養チャンバ３１には、他に、加湿用の貯水プール７５が備えられている。

筐体３の内部には、培養チャンバ３１からは独立してイメージング部７７が設置されている。本発明では、イメージング部は顕微鏡観察画像を生成するものであり、この実施の形態に係るイメージング部７７は、位相差顕微鏡観察機構になっている。図８に示すように、照明光学系７９、結像光学系８１、撮影部（カメラ）が「コ」の字状に連結されて一体化されており、培養チャンバ３１を背面側から囲むようになっている。照明光学系７９からの照明光で照らされて得られた検体の観察光が、結像光学系８１に入射し、撮影部の結像面上で結像される。オートフォーカス機能が備えられており、結像光学系８１はモーター８３の駆動により、対物レンズが上下方向に往復移動可能になっている。照明は生細胞に優しい赤色光で、撮像フレーム毎にストロボ点灯するようになっている。

このイメージング部７７には左右方向と前後方向の移動機構が設けられている。
図９に示すように、左右方向の移動機構８５として、筐体３の内部には、一対のＲＬガイドシャフト８７、８７が左右方向に平行に架け渡され固定されている。その間ではモーターに接続された駆動プーリー８９と従動プーリー９１に無端ベルト９３が水平方向で周回するように係回されている。ベースプレート９５の上面側には一対のＲＬブロックガイド９７、９７が固定されており、各ＲＬブロックガイド９７にはガイド孔９９が左右方向に貫通している。
上記した一対のＲＬガイドシャフト８７、８７がガイド孔９９、９９に摺動可能に挿通されガイドされている。また、ベースプレート９５の下面側には連結部１０１が固定されており、この連結部１０１が無端ベルト９３の一部に連結されている。
このような構成により、ベースプレート９５が無端ベルト９３に牽引されて左右方向に往復移動するようになっている。イメージング部７７は、後述する構成により、左右方向についてはベースプレート９５と一体になって移動するので、イメージング部７７は筐体３の内部で左右方向に往復移動する。

図１０に示すように、前後方向の移動機構１０３として、ベースプレート９５の上面側には、一対のＦＲガイドシャフト１０５、１０５が前後方向に平行に架け渡されている。その間ではモーターに接続された駆動プーリー１０７と従動プーリー１０９に無端ベルト１１１が上下方向で周回するように係回されている。
イメージング部７７の下面側には一対のＦＲブロックガイド１１３、１１３が固定されており、各ＦＲブロックガイド１１３にはガイド孔１１５が前後方向に貫通している。上記した一対のＦＲガイドシャフト１０５、１０５がガイド孔１１５、１１５に摺動可能に挿通されガイドされている。また、イメージング部７７の下面側には連結部１１７が固定されており、この連結部１１７が無端ベルト１１１の一部に連結されている。
このような構成により、イメージング部７７が無端ベルト１１１に牽引されて、筐体３の内部で前後方向に往復移動するようになっている。また、この前後方向の移動機構と左右方向の移動機構は互いに干渉せず独立な移動が可能となっている。

本発明の培養観察装置１は、上記のように構成されており、培養環境が培養チャンバ３１の中にのみ形成される。
従って、イメージング部７７は培養環境に晒されずに済み、高温・高湿対策が不要となっている。
また、培養チャンバ３１は設計の自由度が高くなるので、小型化でき、熱、湿度、ガス濃度等の培養環境を一定に維持させ易い。特に上面部３３の透光部３５から熱を放出するトップヒーティング技術を効果的に生かせるので、同じ高さの平面上での温度勾配は殆ど生じず、検体が生細胞の場合には非常に有利になっている。正面部４９を開放側とする設計にすることで、投薬や培地交換等の作業を容易にできる。
更に、筐体３に対して、培養チャンバ３１を筐体３側から脱着させて取出しできるので、乾熱殺菌が可能となっている。

培養チャンバ３１を固定側、イメージング部７７を可動側に構成しており、培養チャンバ３１内の培養容器に振動等の悪影響を与えずに、ある培養容器から別の培養容器へと観察位置を大きく変更することができる。
従って、培養容器を複数設置して、複数の実験を同時に進行させることができる。

培養チャンバ３１を小型化できるので、イメージング部７７の機能を限定すれば、装置全体をコンパクトに構成でき、パーソナルな使用に適するものに設計できる。共用せずに、専用で使用すれば、培養環境における温度設定やガスの種類等の個別の設定が可能となる。また、他の共用者の操作による自分の検体への汚染リスク等が回避できる。更に、培養観察装置１をシステムのコンポーネントとして利用する途も開かれる。

培養観察装置１を使用する際には、図１１に示すように、コントローラ１１９やパソコン１２１と接続させてシステム化する。
筐体３の外部にコントローラ１１９を備え、実験時には、このコントローラ１１９によるヒーター制御や管に接続したバルブの開閉制御により培養チャンバ３１の内部の培養環境が維持される。このコントローラ１１９はパソコン１２１による指令の下にある。

パソコン１２１は、コントローラ１１９だけでなく、イメージング部７７のＬＥＤの明るさ、倍率等や前後・左右方向移動機構等の各種動作も制御する。また、画像処理ソフトで観察や計測を行うことが想定されており、表示状態を整えるキャリブレーション機能も備えられている。
また、マニュアル観察だけでなく、プログラム観察も可能となっており、タイムラプス方式の場合には、インターバルを含むタイムスケジュールを予め設定しておき、原点出し処理をした上で、観察を開始することになる。
研究者が操作したり観察するのはパソコン１２１なので、研究者の机の脇にパソコン１２１を設置し、その隣に培養観察装置１やコントローラ１１９を設置することになる。

以上、本発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的構成は、この実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計の変更などがあっても発明に含まれる。
例えば、イメージング部として位相差顕微鏡観察機構に代えて、蛍光観察機構を搭載することも可能となっている。
また、筐体は内部に暗室を構成すれば、鮮明な観察を容易に実現できるが、室内光の環境下での観察を除外するものではない。
いずれにしても、特許請求されている構成要素を満足させることができれば、従来からあるまたは将来案出されるイメージング手法や筐体の材質、形状などを任意に採用することができる。

１…培養観察装置 ３…筐体 ５…底面部 ７…側面部
９…背面部 １１…天面部 １３…蓋部 １５…フロントパネル
１７…開口部 １９…支持プレート ２１…ブロックガイド
２３…長片 ２５…短片 ２７、２９…弾接部 ３１…培養チャンバ
３３…上面部 ３５…透光部 ３７…枠部 ３９…下面部
４１…透光部 ４３…枠部 ４５…側面部 ４７…背面部
４９…正面部 ５１…係止金具 ５３…一片 ５５…他片
５７…ネジ ５９…感圧スイッチ ６１、６３…引出し孔
６５…ベース枠部 ６７…ガイド枠部 ６９…板ばね ７１…カセット
７３…培養容器 ７５…貯水プール ７７…イメージング部
７９…照明光学系 ８１…結像光学系 ８３…モーター
８５…左右方向の移動機構 ８７…ＲＬガイドシャフト
８９…駆動プーリー ９１…従動プーリー ９３…無端ベルト ９５…ベースプレート
９７…ＲＬブロックガイド ９９…ガイド孔 １０１…連結部
１０３…前後方向の移動機構 １０５…ＦＲガイドシャフト
１０７…駆動プーリー １０９…従動プーリー
１１１…無端ベルト １１３…ＦＲブロックガイド １１５…ガイド孔
１１７…連結部 １１９…コントローラ １２１…パソコン

Claims (7)

1. 筐体と、前記筐体内に設置されたイメージング部と、前記筐体内に取出し自在に装着される培養チャンバとを備え、
   前記培養チャンバの培養環境の維持機構は前記培養チャンバと共に取出し可能であり、且つ、前記培養チャンバは前記筐体に対して位置決め機構を介して所定の位置に装着されることを特徴とする培養観察装置。
2. 請求項１に記載した培養観察装置において、
   筐体に対する培養チャンバの位置決め機構は、前記培養チャンバの外形表面を利用して構成されていることを特徴とする培養観察装置。
3. 請求項１または２に記載した培養観察装置において、
   培養チャンバは水平方向に移動させて正面側から筐体の外に取出し可能になっており、前記正面側には開閉部と培養環境の維持機構の配管または配線を引出す引出孔が設けられていることを特徴とする培養観察装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載した培養観察装置において、
   培養チャンバ内の培養環境の維持機構には、前記培養チャンバの水平上面部に設けられた透明ヒーターが含まれることを特徴とする培養観察装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載した培養観察装置において、
   イメージング部は培養チャンバに対して前後左右方向に移動可能になっていることを特徴とする培養観察装置。
6. 請求項５に記載した培養観察装置において、
   培養チャンバ内は複数の培養容器がそれぞれ所定の位置に同時に収納可能になっていることを特徴とする培養観察装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載した培養観察装置において、
   筐体は内部に暗室を構成するものであることを特徴とする培養観察装置。