JP2020124169A - Culture apparatus and culture method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、細胞の拡大培養に適した培養装置及び培養方法に関する。 The present invention relates to a culture device and a culture method suitable for cell expansion culture.
抗体医薬をはじめとするバイオ医薬品は、細胞を培養し、細胞が産生した物質を夾雑物から分離・精製することによって製造されている。目的の物質を産生する細胞は、物質の生産に適した細胞数となるまで拡大培養された後、大スケールの培養液を用いる生産培養に供されている。一般に、抗体医薬等の生産には、CHO細胞等を用いる浮遊細胞系が利用されている。 Biopharmaceuticals including antibody drugs are produced by culturing cells and separating and purifying substances produced by the cells from contaminants. The cells producing the target substance are subjected to expansion culture until the number of cells suitable for producing the substance is reached, and then subjected to production culture using a large-scale culture solution. Generally, floating cell lines using CHO cells and the like are used for the production of antibody drugs and the like.
図17は、従来の拡大培養の流れについて説明する図である。
図17に示すように、従来一般的な拡大培養は、培養液の容量を、数mLの小スケールから数千Lの大スケールまで、段階的に増やすことによって行われている。細胞は培養液中で増殖しながら目的の物質を産生し、最終的に、数千Lまで拡大された培養液中で目的の物質を大量生産している。
FIG. 17: is a figure explaining the flow of the conventional expansion culture.
As shown in FIG. 17, conventional general expansion culture is performed by stepwise increasing the volume of the culture solution from a small scale of several mL to a large scale of several thousand L. The cells proliferate in the culture medium to produce the target substance, and finally, the target substance is mass-produced in the culture medium expanded to several thousand L.
通常の回分培養では、細胞が増殖して培養液中の細胞密度が高くなると、栄養の枯渇や、細胞が分泌した老廃物の蓄積が原因で、細胞が死滅し易くなる。回分培養を続けると、増殖による細胞数の増加と死滅による細胞数の減少とが釣り合う状態になるため、培養液中の細胞密度が頭打ちになり、物質の生産に適した細胞数に増殖させるのが困難になる。 In ordinary batch culture, when cells grow and the cell density in the culture medium increases, the cells are likely to die due to nutrient depletion and accumulation of waste products secreted by the cells. Continuing batch culture balances the increase in cell number due to proliferation with the decrease in cell number due to death, which causes the cell density in the culture medium to reach a peak and allows the cells to grow to a number suitable for the production of the substance. Becomes difficult.
その一方で、培養スケールを段階的に拡大していく拡大培養によると、細胞を培養している培養液に、スケールアップ毎に新鮮培地を補充するため、栄養が補給されるし、分泌された老廃物が希釈される。拡大培養では、細胞が増殖し易い状態で培養スケールが拡大されていくため、培養液中の細胞密度が頭打ちになり難く、物質の生産に適した大量の細胞を得ることができる。 On the other hand, according to the expansion culture in which the culture scale is expanded stepwise, nutrients are supplied and secreted in order to replenish the culture medium in which the cells are cultured with fresh medium at each scale-up. Waste is diluted. In the expansion culture, since the culture scale is expanded in a state where the cells easily grow, the cell density in the culture solution is unlikely to reach the top, and a large number of cells suitable for the production of the substance can be obtained.
図17に示すように、一般的な物質生産プロセスは、安全キャビネット中で手作業で培養操作を行う段階Aと、バイオリアクタを利用して半自動的に培養操作を行う段階Bと、細胞に目的の物質を生産させる生産培養の段階Cとによって構成される。一般に、手作業による段階Aや、半自動化された段階Bでは、それぞれ、複数回のスケールアップが行われている。 As shown in FIG. 17, a general substance production process includes a step A in which a culturing operation is manually performed in a safety cabinet, a step B in which a culturing operation is performed semi-automatically using a bioreactor, and a purpose for cells. And the stage C of the production culture for producing the substance. In general, scale-up is performed a plurality of times in each of the manual stage A and the semi-automated stage B.
培養スケールを拡大する倍率は、複数回のスケールアップを通して、一定の倍率とするのが一般的である。培養スケールを拡大する倍率は、通常、5〜10倍程度に設定されている。新鮮培地の補充によって細胞密度が低下し過ぎると、スケールアップ後の培養効率が悪くなるため、ある程度以上の細胞密度が保たれる倍率が設定される。 The magnification for expanding the culture scale is generally a constant magnification through a plurality of scale-ups. The magnification for enlarging the culture scale is usually set to about 5 to 10 times. If the cell density is lowered too much by supplementing the fresh medium, the culture efficiency after scale-up will be deteriorated, so that a multiplication factor that maintains the cell density above a certain level is set.
図17に示すように、培養液量が数mLから数百mL程度である拡大培養の初期には、培養容器を用いた小スケールの静置培養が行われている。培養容器としては、図に示すフラスコ53の他に、ディッシュ、ボトル、ウェルプレート等も用いられている。バイアル52等に用意された種細胞は、種々の大きさや種々の形状の培養容器に移し替えられて継代される。培養液量が数百mL程度に達すると、スピナーフラスコ54を用いた攪拌培養や振盪培養が行われることもある。
As shown in FIG. 17, small-scale static culture using a culture container is performed at the beginning of the expansion culture in which the amount of the culture solution is about several mL to several hundred mL. As the culture container, in addition to the
一般に、フラスコ53やスピナーフラスコ54を用いた初期の拡大培養は、一定の培養温度、一定のガス濃度に制御されたインキュベータ内で行われている。ガス交換可能なキャップ、シリコ栓等を用いた培養容器が、庫内雰囲気が一定に制御されたインキュベータ内に静置されて、容器内の培養環境が調整されている。培養スケールを拡大する際には、安全キャビネット中で手作業による培養液の移し替えが行われている。
Generally, the initial expansion culture using the
また、図17に示すように、培養液の容量が数L程度に達した拡大培養の後期には、バイオリアクタ55を用いた大スケールの攪拌培養が行われている。種々の容量のバイオリアクタ55が用意され、バイオリアクタ55同士は、鋼管、チューブ等で構成される輸送系で互いに接続されている。
In addition, as shown in FIG. 17, large-scale agitation culture using the
一般に、バイオリアクタ55を用いた後期の拡大培養は、培養温度やガス濃度が可変的に制御される培養環境で行われている。バイオリアクタ55内の培養液は、強制的な通気下で、溶存酸素濃度や、二酸化炭素濃度が制御され、37℃付近の培養温度に維持されている。培養スケールを拡大する際には、自動による培養液の移し替えが、鋼管、チューブ等で構成される輸送系によって無菌的に行われている。
Generally, the latter-stage expansion culture using the
従来、培養スケールを段階的に拡大していく拡大培養に関して、培養液の移し替えに伴う問題への対策が検討されている。拡大培養時には、培養液の移し替えを手作業で行う必要があるため、作業の煩雑性の問題がある。また、培養液の移し替え中に、細胞にせん断力、圧力等が加わるため、細胞にダメージが加わる問題がある。また、安全キャビネット等の半開放的な空間で作業を行うため、コンタミネーションの問題がある。これらの問題を解消するために、培養液の移し替えを不要化する技術が提案されている。 Heretofore, with regard to expansion culture in which the culture scale is expanded stepwise, measures against problems associated with transfer of culture medium have been studied. At the time of expansion culture, it is necessary to manually transfer the culture solution, which causes a problem of work complexity. In addition, since shearing force, pressure, etc. are applied to the cells during the transfer of the culture solution, there is a problem that the cells are damaged. Further, since work is performed in a semi-open space such as a safety cabinet, there is a problem of contamination. In order to solve these problems, there has been proposed a technique that makes it unnecessary to transfer the culture solution.
特許文献1には、可撓性材料からなる容器の底面を部分的に隆起させて複数の区画に仕切り、区画毎に細胞を培養した後に、区画を解消する細胞培養方法が記載されている。特許文献1では、可撓性材料からなる容器に生じさせた隆起を解消することにより、養生培養から拡大培養への移行を実現している。
細胞の拡大培養時には、特許文献1に記載されるような、培養液の移し替え作業の煩雑性に関する課題、細胞にダメージを与えないような培養液及び細胞の取り扱いに関する課題、培養液の移し替え時等のコンタミネーションに関する課題に加え、拡大培養の再現性に関する課題や、拡大培養に用いる設備上の課題もある。
During the expansion culture of cells, as described in
例えば、手作業が必要な初期の拡大培養では、作業者の手技の違いにより、作業毎に、播種される細胞数や、移し替えられる細胞数が変わる。そのため、目的の物質の生産量や、目的の物質の純度、タンパクの非変性度をはじめとする生産物の品質に関して、ばらつきを生じることが問題となる。また、手作業が必要なため、安全キャビネット等の付帯設備が必要であり、封じ込めのための培養施設が大型化してしまう問題もある。 For example, in the initial expansion culture that requires manual work, the number of seeded cells and the number of transferred cells vary depending on the work due to differences in operator's procedures. Therefore, there is a problem that variations occur in the production amount of the target substance, the purity of the target substance, the quality of the product such as the non-denaturing degree of protein. Further, since manual work is required, incidental equipment such as a safety cabinet is required, which causes a problem that the culture facility for containment becomes large.
また、バイオリアクタを用いる後期の拡大培養では、培養スケール毎に、個別のバイオリアクタが必要になる。そのため、多数のバイオリアクタを設置する場所が必要になるという問題がある。バイオリアクタ同士を、鋼管、チューブ等で互いに接続する場合、これらを敷設する空間や、配管作業が必要になるし、配管中で、細胞が損傷したり、細胞が死滅したりするリスクが生じる。 Further, in the latter-stage expansion culture using a bioreactor, an individual bioreactor is required for each culture scale. Therefore, there is a problem that a place for installing a large number of bioreactors is required. When connecting the bioreactors to each other with steel pipes, tubes, etc., a space for laying these pipes and piping work are required, and there is a risk that cells are damaged or cells are killed in the pipes.
一般に、浮遊細胞を培養対象とし、大スケールを最終目標として拡大培養を行う場合には、拡大培養の初期に、機械的ストレスが少ない静置培養を行い、培養スケールがある程度拡大した拡大培養の後期に、ガス交換効率や物質拡散に有利な攪拌培養を行うことが好ましい。そのため、拡大培養中には、培養液の移し替えだけでなく、培養方式の切り替えも望まれる。細胞の比増殖速度や生存率を高く保って良好な培養効率を維持しつつ、培養液量や培養方式を変えることができる技術が求められている。 Generally, when carrying out expansion culture with floating cells as the culture target and a large scale as the final target, static culture with less mechanical stress is performed at the beginning of expansion culture, and the latter stage of expansion culture where the culture scale has expanded to some extent. In addition, it is preferable to perform stirring culture which is advantageous for gas exchange efficiency and substance diffusion. Therefore, during the expansion culture, not only the transfer of the culture solution but also the switching of the culture method is desired. There is a demand for a technique capable of changing the amount of culture solution and the culture method while maintaining a high specific cell growth rate and viability and maintaining good culture efficiency.
そこで、本発明は、培養液量及び培養方式が互いに異なる複数の培養工程を、一つの培養槽で段階的に行うことができる培養装置及び培養方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a culturing apparatus and a culturing method capable of stepwise performing a plurality of culturing steps with different amounts of culturing liquid and culturing methods in one culturing tank.
本発明者らは、鋭意研究した結果、培養槽の内部空間の形状・構造を適正化することにより、培養液量及び培養方式が互いに異なる複数の培養工程を、細胞の比増殖速度や生存率を大きく低下させることなく、一つの培養槽で段階的に行うことができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of diligent research, the present inventors have optimized the shape and structure of the inner space of the culture tank to perform a plurality of culture steps with different culture liquid amounts and different culture methods, and to increase the specific growth rate and viability of cells. The present invention has been completed by finding that it can be carried out stepwise in one culture tank without significantly reducing the temperature.
すなわち、前記課題を解決するために本発明に係る培養装置は、培養液中で細胞を培養するための培養槽と、前記培養液を攪拌するための攪拌機と、前記培養槽内に新鮮培地を補充する補充装置と、を備え、前記培養槽内の下部空間は、上部空間よりも狭い内幅を有する下方に突出した形状である。 That is, the culture device according to the present invention to solve the above problems, a culture tank for culturing cells in a culture solution, a stirrer for stirring the culture solution, and a fresh medium in the culture tank. The lower space in the culture tank has a narrower inner width than the upper space and has a shape protruding downward.
また、本発明に係る培養方法は、培養槽内の下部空間において培養液中で細胞を静置培養し、前記静置培養の後に、前記培養槽内に新鮮培地を補充し、前記新鮮培地の補充により増量した培養液中で前記細胞を攪拌培養する。 Further, the culture method according to the present invention, statically culturing cells in a culture medium in the lower space of the culture tank, after the static culture, supplement the fresh medium in the culture tank, the fresh medium of The cells are cultivated with stirring in the culture medium increased by supplementation.
本発明に係る培養装置及び培養方法は、培養液量及び培養方式が互いに異なる複数の培養工程を、一つの培養槽で段階的に行うことができる。 The culturing apparatus and culturing method according to the present invention can perform a plurality of culturing steps in which the amount of culturing liquid and the culturing method are different from each other in a single culturing tank.
<培養装置(回分培養式)>
はじめに、本発明の一実施形態に係る培養装置について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
<Culture device (batch culture type)>
First, a culture device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in the following respective drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and a duplicate description will be omitted.
図1は、本発明の実施形態に係る培養装置の一例を模式的に示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係る培養装置100は、培養槽1と、攪拌機2と、散気装置3と、温度調節装置4と、培地タンク5と、バルブ6と、供給ポンプ7と、分析装置8と、制御装置9と、回収タンク10と、供給管20と、排出管21と、を備えている。
FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a culture device according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a
培養装置100は、細胞を拡大培養するための装置であり、拡大培養中の培養槽1に新鮮培地(培養液)を補充して培養スケールを拡大する機能を有している。培養装置100では、培養槽1に新鮮培地を補充することにより、培養スケールが段階的に拡大されて、多段階の培養工程が行われる。図1に示す培養装置100は、それぞれの培養工程を、培養中に培地を供給しない回分培養の形式で行う形態とされている。
The
培養装置100では、培養スケールを段階的に拡大していく途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替えることができる。そのため、大スケールを最終目標とした回分培養式の拡大培養を、単一の培養槽1で行うことができる。培養槽1としては、このような拡大培養の効率化のため、内部空間の形状・構造が適正化されたものを用いる。
In the
培養装置100で培養する細胞としては、特に制限されるものではないが、浮遊細胞に馴化された細胞や、接着性が低い細胞が好ましく用いられる。培養する細胞としては、例えば、ヒト抗体、ヒト化抗体、キメラ抗体、マウス抗体等の各種のモノクローナル抗体や、各種の生理活性物質や、その他、医薬品原料、化学原料、食品原料等として有用な各種の有用物質を産生する細胞が好ましい。
The cells to be cultured in the
培養する細胞の具体例としては、チャイニーズハムスター卵巣細胞(CHO細胞)、ベビーハムスター腎臓細胞(BHK細胞)、ヒト胎児腎臓細胞(HEK細胞)、マウス骨髄腫細胞、その他の血球細胞等の動物細胞が挙げられる。但し、培養する細胞は、動物細胞に制限されるものではなく、昆虫細胞、植物細胞、微細藻類、ラン藻類、細菌、酵母、真菌、藻類、酵母等であってもよい。 Specific examples of the cells to be cultured include animal cells such as Chinese hamster ovary cells (CHO cells), baby hamster kidney cells (BHK cells), human fetal kidney cells (HEK cells), mouse myeloma cells, and other blood cells. Can be mentioned. However, the cells to be cultured are not limited to animal cells, and may be insect cells, plant cells, microalgae, cyanobacteria, bacteria, yeasts, fungi, algae, yeasts and the like.
培養槽1は、培養液中で細胞を培養するための槽であり、培養液を入れる空間が密閉される密閉型リアクタとされる。培養槽1は、ステンレス鋼、アルミニウム合金、プラスチック、ガラス等の適宜の材料で形成することができる。或いは、培養槽1は、シングルユース式の可撓性の培養バックとして設けることもできる。可撓性の培養バックは、例えば、エチレンビニルアセテート、エチレンビニルアルコール、低密度ポリエチレン、ポリアミド等の樹脂製の多層フィルムを用いて形成することができる。
The
図1に示すように、培養槽1には、培養液を攪拌するための攪拌機2や、培養液に空気、酸素、窒素、二酸化炭素等を通気するための散気装置3が、槽内に備えられる。散気装置3としては、リングスパージャ、マイクロスパージャ、焼結金属スパージャ、膜スパージャ、散気管等の各種の機器をガス供給装置に接続して用いることができる。培養槽1は、培養液に通気する散気装置3に加え、気相部に所定のガスを通気する不図示の散気装置を備えることもできる。
As shown in FIG. 1, the
また、培養槽1には、槽内の温度を調節するための温度調節装置4が、周囲に備えられる。温度調節装置4としては、例えば、ウォータージャケット、エアージャケット、電熱ヒータ等の適宜の装置を用いることができる。
Further, the
培養槽1は、槽内の培養条件や細胞の培養状態をオンラインで測定するために、不図示のセンサを備えることができる。センサとしては、例えば、熱電対等の温度センサ、溶存酸素センサ、二酸化炭素センサ、pHセンサ、静電容量計や吸光光度計等を用いたセルカウンタ、液面レベルセンサ等を備えることができる。センサが測定したデータは、分析装置8に出力することができる。また、培養槽1は、槽内の培養条件や細胞の培養状態をオフラインで測定するために、培養液の採取に用いるサンプリングポートを備えることができる。
The
図1に示すように、培養槽1には、槽内に新鮮培地を補充する補充装置(5,7)が備えられる。培養槽1には、培養槽1内に新鮮培地を供給するための供給管20が接続される。供給管20の他端には、補充装置を構成する培地タンク5が接続される。また、供給管20には、補充装置を構成する供給ポンプ7が備えられる。
As shown in FIG. 1, the
培地タンク5は、用意された滅菌済みの新鮮培地を、培養スケールを拡大する新鮮培地の補充時まで無菌的に貯留する。培養装置100には、複数の培地タンク5を備えることができる。個々の培地タンク5には、供給管20の管路を開閉するバルブ6が備えられる。
The
供給ポンプ7は、培地タンク5から培養槽1に向けて新鮮培地を供給するために備えられる。培養スケールを拡大する際には、複数のバルブ6のうち、一部のみを開放して、培養槽1内に新鮮培地を補充することができる。一部の培地タンク5のみを、順次用いることにより、新鮮培地の補充に伴うコンタミネーションのリスクを最小限に抑えることができる。
The supply pump 7 is provided to supply the fresh medium from the
分析装置8は、培養槽1内で培養されている細胞の状態や培養槽1内の培養液の状態を分析するために備えられる。分析する項目としては、細胞の増殖と相関を有する状態量、培養液成分の濃度、浸透圧等が挙げられる。細胞の増殖と相関を有する状態量や、培養液成分の濃度を分析することにより、細胞の増殖状態を判定することができる。すなわち、或る培養スケールにおいて細胞が十分に増殖したかどうか、培養工程の進捗を判定することができる。
The
細胞の増殖と相関を有する状態量としては、細胞数密度、比増殖速度、生存率、細胞の代謝反応速度(目的物質の代謝生産速度、栄養素の代謝消費速度、老廃物の代謝分泌速度等)、細胞の累積代謝量(目的物質の累積代謝生産量、栄養素の累積代謝消費量、老廃物の累積代謝分泌量等)、細胞周期(細胞集団中でG2期及びM期にある細胞の割合)等が挙げられる。また、培養液成分の濃度としては、グルコース、グルタミン、乳酸、アンモニア、アミノ酸、ビタミン類、代謝生成物、成長因子、血清成分等の濃度が挙げられる。 State quantities that correlate with cell growth include cell number density, specific growth rate, survival rate, metabolic reaction rate of cells (metabolic production rate of target substance, metabolic consumption rate of nutrients, metabolic secretion rate of waste products, etc.) , Cell cumulative metabolism (cumulative metabolic production of target substance, cumulative metabolic consumption of nutrients, cumulative metabolic secretion of waste products, etc.), cell cycle (proportion of cells in G2 phase and M phase in cell population) Etc. Moreover, examples of the concentration of the culture solution components include concentrations of glucose, glutamine, lactic acid, ammonia, amino acids, vitamins, metabolites, growth factors, serum components and the like.
細胞の増殖と相関を有する状態量のうち、細胞数密度、比増殖速度、生存率は、細胞数を測定することによって求めることができる。細胞数は、血球計算盤等を用いた顕微鏡観察、乾燥重量法、濁度法、静電容量法や、酸化型NAD+や還元型NADHを定量するNAD測定や、フローサイトメトリー等の各種の測定法を用いて測定することができる。また、生細胞数や死細胞数は、トリパンブルー染色法による判別を利用して計数することができる。比増殖速度は、生細胞数の経時変化を測定して求めることができる。 The cell number density, specific proliferation rate, and survival rate among the state quantities that correlate with cell proliferation can be determined by measuring the cell number. The number of cells can be measured by microscopic observation using a hemocytometer, dry weight method, turbidity method, capacitance method, NAD measurement for quantifying oxidized NAD + or reduced NADH, and various types of flow cytometry, etc. It can be measured using a measuring method. Moreover, the number of living cells and the number of dead cells can be counted by utilizing the discrimination by the trypan blue staining method. The specific growth rate can be determined by measuring the change over time in the number of viable cells.
また、細胞の増殖と相関を有する状態量のうち、細胞の代謝反応速度(目的物質の代謝生産速度、栄養素の代謝消費速度、老廃物の代謝分泌速度等)や、細胞の累積代謝量(目的物質の累積代謝生産量、栄養素の累積代謝消費量、老廃物の累積代謝分泌量等)は、事前に実際の培養試験を行うことにより、次の方法で求めることができる。 Of the state quantities that correlate with cell growth, the metabolic reaction rate of cells (metabolic production rate of target substances, metabolic consumption rate of nutrients, metabolic secretion rate of waste products, etc.) and cumulative metabolic rate of cells (purpose The cumulative metabolic production amount of a substance, the cumulative metabolic consumption amount of nutrients, the cumulative metabolic secretion amount of waste products, etc.) can be obtained by the following method by conducting an actual culture test in advance.
目的物質の代謝生産速度は、産生される目的物質の濃度の経時変化を測定し、単位時間当たり、単位細胞数当たりの生産量に換算して求めることができる。目的物質の濃度は、例えば、目的物質がタンパクである場合、ELISA(Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay)法により定量することができる。測定対象のタンパクと抗原抗体反応を生じる抗体を使用し、標識の蛍光分析、酵素活性分析等を行う。ELISA法としては、直接法、間接法、サンドイッチ法、競合法等のいずれを用いてもよい。 The metabolic production rate of the target substance can be obtained by measuring the time-dependent change in the concentration of the target substance produced and converting it into the production amount per unit time per unit number of cells. When the target substance is a protein, for example, the concentration of the target substance can be quantified by an ELISA (Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay) method. Using an antibody that causes an antigen-antibody reaction with the protein to be measured, fluorescence analysis of the label, enzyme activity analysis, etc. are performed. As the ELISA method, any of a direct method, an indirect method, a sandwich method, a competitive method and the like may be used.
栄養素の代謝消費速度、老廃物の代謝分泌速度は、培養槽内の濃度の経時変化を測定し、単位時間当たり、単位細胞数当たりの変化量に換算して求めることができる。栄養素の濃度や老廃物の濃度は、高速液体クロマトグラフィ(High Performance Liquid Chromatography:HPLC)、液体クロマトグラフィ質量分析(Liquid Chromatography-Mass spectrometry:LC/MS)、液体クロマトグラフィタンデム質量分析(LC/MS−MS)、ガスクロマトグラフィ質量分析(Gas Chromatography-Mass spectrometry:GC/MS)、ガスクロマトグラフィタンデム質量分析(GC/MS−MS)等に、細胞を除いた培養液を供して定量することができる。 The metabolic consumption rate of nutrients and the metabolic secretion rate of waste products can be determined by measuring the change over time in the concentration in the culture tank and converting it into the amount of change per unit time and the number of cells. The concentration of nutrients and the concentration of waste products can be measured by High Performance Liquid Chromatography (HPLC), Liquid Chromatography-Mass spectrometry (LC/MS), Liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC/MS-MS). The cells can be quantified by subjecting the culture medium to gas chromatography mass spectrometry (GC/MS), gas chromatography tandem mass spectrometry (GC/MS-MS) and the like.
目的物質の累積代謝生産量、栄養素の累積代謝消費量、老廃物の累積代謝分泌量は、求めた代謝速度を時間積分する方法や、累積量を実測する方法で求めることができる。細胞の代謝反応速度(目的物質の代謝生産速度、栄養素の代謝消費速度、老廃物の代謝分泌速度)は、事前に実際の培養試験を行い、細胞内代謝フラックスを解析して求めることもできる。 The cumulative metabolic production amount of the target substance, the cumulative metabolic consumption amount of nutrients, and the cumulative metabolic secretion amount of waste products can be obtained by a method of integrating the obtained metabolic rate or a method of actually measuring the cumulative amount. The metabolic reaction rate of cells (the metabolic production rate of a target substance, the metabolic consumption rate of nutrients, the metabolic secretion rate of waste products) can also be determined by conducting an actual culture test in advance and analyzing the intracellular metabolic flux.
また、細胞の増殖と相関を有する状態量のうち、細胞周期は、ヨウ化プロピジウム(Propidium Iodide:PI)染色法による判別を利用し、フローサイトメトリーを行うことによって求めることができる。 Further, among the state quantities having a correlation with the proliferation of cells, the cell cycle can be obtained by performing flow cytometry using the discrimination by Propidium Iodide (PI) staining method.
G2期やM期の細胞は、細胞分裂を開始しようとしている一方で、G1期やG0期の細胞は、細胞分裂までに時間があり、G0期は不定の長さである。細胞周期がG2期やM期にある細胞の割合が高い状態は、培養されている細胞の多くが細胞分裂を開始しようとしている状態であり、細胞が増殖し易い状態であるといえる。一方、細胞周期がG1期やG0期にある細胞の割合が高い状態は、培養されている細胞の多くが間期にある状態であり、細胞の増殖が抑制される状態であるといえる。 While cells in G2 phase and M phase are about to start cell division, cells in G1 phase and G0 phase have time until cell division, and G0 phase has an indefinite length. A high proportion of cells in the G2 phase or M phase of the cell cycle is a state in which most of the cultured cells are about to start cell division, and it can be said that the cells are prone to proliferate. On the other hand, a state in which the proportion of cells in the G1 phase or G0 phase of the cell cycle is high is a state in which most of the cultured cells are in the interphase, and it can be said that the growth of the cells is suppressed.
フローサイトメトリーで蛍光検出を行い、度数分布上の各曲線の積分面積を計算すると、G2期やM期にある細胞の細胞数や割合を知ることができる。このような細胞の細胞数や割合を、培養工程の進捗を判定する指標とすると、細胞集団が増殖し易い状態を優先させながら、時間的に効率良く培養スケールを拡大していくことができる。 By performing fluorescence detection by flow cytometry and calculating the integrated area of each curve on the frequency distribution, the number and ratio of cells in the G2 phase or the M phase can be known. When the number and ratio of such cells are used as an index for judging the progress of the culturing process, the culture scale can be expanded efficiently in time while giving priority to the state in which the cell population easily grows.
制御装置9は、細胞の培養条件や培養装置100の運転を制御するために備えられる。制御装置9は、攪拌機2の作動、停止、回転出力や、散気装置3の作動、停止、通気量や、温度調節装置4の作動、停止、調節温度や、バルブ6の開閉や、供給ポンプ7の作動、停止、吐出出力等を、PID制御、比例制御、オン・オフ制御等の適宜の制御方式で制御する。
The control device 9 is provided to control the cell culture conditions and the operation of the
制御装置9には、細胞の培養条件の制御に必要なデータを、細胞の種類や拡大培養の目的等に応じて予め設定して記憶させることができる。また、培養装置100の運転の制御のために、予め定めた培養スケジュールを設定することができる。培養スケジュールは、拡大培養中に、指定した回数のサイズアップや、指定した時期の培養方式の切り替えが行われるように、細胞の目標培養量、目的の物質の目標生産量等に応じて定めることができる。
Data necessary for controlling the cell culture conditions can be preset and stored in the control device 9 in accordance with the type of cell, the purpose of expansion culture, and the like. Further, in order to control the operation of the
培養槽1内の培養液量を段階的に増やし、その途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替える運転は、制御装置9が、各機器を制御することにより行う。制御装置9は、分析装置8が取得した分析データを受信し、この分析データに基づいて、各培養スケールの培養工程が終了したか判定し、その判定結果にしたがって、新鮮培地の補充による培養スケールのサイズアップや、攪拌機2の起動による静置培養から攪拌培養への切り替えを実行する。
The control device 9 controls each device to perform an operation of gradually increasing the amount of the culture solution in the
回収タンク10は、培養された細胞や、細胞が産生した物質を、回収するために備えられる。培養槽1には、槽内で培養された細胞や細胞が産生した物質を排出するための排出管21が接続される。排出管21の他端には、回収タンク10が接続される。回収タンク10に回収された細胞は、より大スケールの生産培養に供することができる。或いは、細胞が産生した物質と共に分離精製処理に供し、目的の物質を夾雑物から分離・精製することができる。
The
ここで、培養槽1の内部空間の形状・構造について具体的に説明する。
Here, the shape and structure of the internal space of the
図2は、培養装置に備えられる培養槽の内部空間の形状・構造を説明する図である。
図2に示すように、培養装置100に備えられる培養槽1は、内幅が高さ方向に一様でなく、槽内に、相対的に狭い内幅を有する下部空間110と、相対的に広い内幅を有する上部空間120と、を有している。図2に示す培養槽1では、下部空間110が、培養槽1の下方に向けて突出した錐体形状とされている。上部空間120は、内幅が高さ方向に一様とされているが、下部空間110は、上部空間120の下端よりも狭い内幅とされている。
FIG. 2 is a diagram for explaining the shape and structure of the internal space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIG. 2, the
培養槽1の下部空間110は、静置培養に用いられる。細胞を静置培養する培養工程において、培養槽1には、下部空間110内の所定の高さに液面がくるまで培養液が入れられる。下部空間110内における液面の高さは、図2にI線〜IV線で示すように、予め定めた培養スケジュールにしたがって、新鮮培地の補充により、段階的に切り上げていくことができる。
The
培養槽1の上部空間120は、攪拌培養に用いられる。細胞を攪拌培養する培養工程において、培養槽1には、上部空間120内の所定の高さに液面がくるまで培養液が入れられる。上部空間120内における液面の高さは、図2にV線〜VI線で示すように、予め定めた培養スケジュールにしたがって、新鮮培地の補充により、段階的に切り上げていくことができる。
The
図2に示すように、培養槽1には、機械攪拌式の攪拌機2を備えることができる。機械攪拌式の攪拌機2は、培養液を攪拌する攪拌翼2aと、攪拌翼2aを回転させる回転軸2bと、回転軸2bを回動させるモータ2cと、を備えている。攪拌翼2aは、タービン翼、パドル翼、プロペラ翼、格子翼等の適宜の形状とすることができる。また、攪拌機2の翼段数、翼径、翼高さ等は、攪拌翼2aが上部空間120に納まる限り、培養スケール等に応じて、適宜の条件にすることができる。
As shown in FIG. 2, the
<培養実験>
ここで、培養槽1の内部空間の形状・構造と、細胞の培養効率との関係を、培養実験で確認した結果を示す。
<Culture experiment>
Here, the results of confirming the relationship between the shape and structure of the internal space of the
細胞の培養においては、温度、溶存酸素濃度、その他ガス濃度等が環境因子として重要である。静置培養では、ガス交換が培養液と気相との界面を介してなされるため、細胞の培養効率は、培養液と気相との界面の面積Sや、培養液の体積Vに影響されると考えられる。このような予測の妥当性と、面積S・体積Vの適正範囲を調べるために、種々の培養条件で細胞を静置培養して、面積S・体積Vと細胞の生存率・細胞の増殖量との関係を調べた。 In culturing cells, temperature, dissolved oxygen concentration, other gas concentration, etc. are important as environmental factors. In static culture, gas exchange is carried out through the interface between the culture solution and the gas phase, so that the cell culture efficiency is affected by the area S of the interface between the culture solution and the gas phase and the volume V of the culture solution. It is thought to be. In order to examine the validity of such prediction and the appropriate range of the area S/volume V, the cells are statically cultured under various culture conditions, and the area S/volume V, the cell viability, and the cell proliferation amount are measured. I investigated the relationship with.
(実験方法)
供試細胞としては、浮遊細胞系であるCHO細胞を用いた。また、培地としては、ダルベッコ改変イーグル培地(Dulbecco's Modified Eagle's Medium:DMEM培地)を用いた。培養容器としては、培養面の表面積が異なる2種類のフラスコ(T75フラスコ,T225フラスコ)を用いた。
(experimental method)
As a test cell, a floating cell line CHO cell was used. As the medium, Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM medium) was used. As the culture vessel, two types of flasks (T75 flask, T225 flask) having different surface areas on the culture surface were used.
表1に示すように、2種類のフラスコのそれぞれに、培養液の液面面積S、及び、培養液量Vが種々の条件となるように液体培地を入れた。また、その培地に、0.2×106cells/mLの細胞密度となるように供試細胞を播種した。そして、気相部のガス組成が大気中5%CO2、培養液の温度が37℃、培養液の溶存酸素濃度が飽和溶存酸素濃度に対して40%となる培養条件に調整して、2日間にわたって静置培養した。 As shown in Table 1, a liquid medium was placed in each of the two types of flasks such that the liquid surface area S of the culture solution and the culture solution amount V were various conditions. In addition, the test cells were seeded in the medium at a cell density of 0.2×10 6 cells/mL. Then, the gas composition of the gas phase part was 5% CO 2 in the atmosphere, the temperature of the culture solution was 37° C., and the dissolved oxygen concentration of the culture solution was adjusted to 40% of the saturated dissolved oxygen concentration, and the culture conditions were adjusted to 2 The culture was allowed to stand for a day.
静置培養後、生死細胞オートアナライザ Vi−Cell(ベックマン・コールター社製)を用いて生細胞数及び死細胞数を計数し、全細胞中の生細胞の割合(細胞の生存率)と、培養後の全生細胞数(細胞の増殖量)を求めた。 After static culture, the number of live cells and dead cells was counted using a live-dead cell autoanalyzer Vi-Cell (manufactured by Beckman Coulter, Inc.), and the ratio of live cells in all cells (cell viability) and culture were performed. The total number of living cells (proliferation amount of cells) after that was determined.
表1に、培養実験で使用した培養容器の種類、培養液の液面面積S(培養液と気相との界面の面積S)、培養液量V(培養液の体積V)、液面面積−体積比S/V(培養液と気相との界面の面積Sと、培養液の体積Vとの比S/V)を示す。 Table 1 shows the type of the culture vessel used in the culture experiment, the liquid surface area S of the culture solution (area S of the interface between the culture solution and the gas phase), the culture solution volume V (volume V of the culture solution), the liquid surface area. -Volume ratio S/V (ratio S/V between the area S of the interface between the culture solution and the gas phase and the volume V of the culture solution) is shown.
(実験結果1)
図3は、培養液の液面面積−体積比と細胞の生存率との関係を示す図である。
図3において、横軸は、培養実験における培養液の液面面積−体積比S/V[cm−1]を示し、縦軸は、培養実験後に確認された細胞の生存率[%]を示す。●のプロットは、T75フラスコを使用した培養実験の結果、▲のプロットは、T225フラスコを使用した培養実験の結果である。
(Experimental result 1)
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the liquid surface area-volume ratio of the culture solution and the cell viability.
In FIG. 3, the horizontal axis represents the liquid surface area-volume ratio S/V [cm −1 ] of the culture solution in the culture experiment, and the vertical axis represents the cell viability [%] confirmed after the culture experiment. .. The plot of ● is the result of the culture experiment using the T75 flask, and the plot of ▲ is the result of the culture experiment using the T225 flask.
図3に示すように、T75フラスコを使用した場合、及び、T225フラスコを使用した場合のいずれにおいても、S/Vが小さいほど、細胞の生存率が高くなる傾向が確認された。培養容器の種類にかかわらず、S/V≦8[cm−1]の場合に、生存率が顕著に高くなり、S/V≦4[cm−1]の場合に、90%を超える十分に高い生存率が得られた。 As shown in FIG. 3, both in the case of using the T75 flask and the case of using the T225 flask, it was confirmed that the smaller the S/V, the higher the cell viability. Regardless of the type of culture vessel, the survival rate is remarkably high in the case of S/V≦8 [cm −1 ] and exceeds 90% in the case of S/V≦4 [cm −1 ] A high survival rate was obtained.
(実験結果2)
図4は、培養液の液面面積−体積比と細胞の増殖量との関係を示す図である。
図4において、横軸は、培養実験における培養液の液面面積−体積比S/V[cm−1]を示し、縦軸は、培養実験後に確認された生細胞数の相対値を示す。●のプロットは、T75フラスコを使用した培養実験の結果、▲のプロットは、T225フラスコを使用した培養実験の結果である。
(Experimental result 2)
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the liquid surface area-volume ratio of the culture solution and the cell growth amount.
In FIG. 4, the horizontal axis represents the liquid surface area-volume ratio S/V [cm −1 ] of the culture solution in the culture experiment, and the vertical axis represents the relative value of the number of viable cells confirmed after the culture experiment. The plot of ● is the result of the culture experiment using the T75 flask, and the plot of ▲ is the result of the culture experiment using the T225 flask.
図4に示すように、T75フラスコを使用した場合、及び、T225フラスコを使用した場合のいずれにおいても、S/Vが小さいほど、細胞の増殖量が多くなる傾向が確認された。培養容器の種類にかかわらず、S/V≦8[cm−1]の場合に、比増殖速度が高くなって生細胞数が増え易くなり、S/V≦4[cm−1]の場合に、最大の生細胞数が得られた。 As shown in FIG. 4, both in the case of using the T75 flask and in the case of using the T225 flask, it was confirmed that the smaller the S/V, the larger the cell proliferation amount. Regardless of the type of culture vessel, when S/V≦8 [cm −1 ], the specific growth rate increases and the number of viable cells tends to increase, and when S/V≦4 [cm −1 ] , The maximum number of viable cells was obtained.
これらの実験結果から、静置培養では、培養容器の大きさや形状にかかわらず、S/Vによって、培養成績が決まることが分かる。S/Vは、細胞の比増殖速度や生存率を高く保ち、良好な培養効率を実現する観点からは、S/V≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、S/V≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいといえる。 From these experimental results, it is understood that in static culture, the culture result is determined by S/V regardless of the size and shape of the culture container. S/V preferably satisfies S/V≦8 [cm −1 ] and S/V≦4 [from the viewpoint of maintaining high specific growth rate and viability of cells and achieving good culture efficiency. It is more preferable to satisfy [cm −1 ].
一般に、細胞の増殖は、高濃度の二酸化炭素によって阻害されることが知られている。通常の静置培養を続けた場合、培養液の二酸化炭素濃度が、気相部からの溶解や細胞の呼吸によって上昇するため、培養時間が経過するほど、細胞の増殖が阻害され易くなる。これに対し、S/Vが小さいと、二酸化炭素の気相部からの溶解や、二酸化炭素の培養液全体にわたる拡散に時間がかかる。そのため、細胞の比増殖速度が高くなると共に、対数期のピーク時に得られる生細胞数も多くなり、静置培養の培養効率が向上することになる。 It is generally known that cell growth is inhibited by high concentration of carbon dioxide. When normal stationary culture is continued, the carbon dioxide concentration of the culture solution rises due to lysis from the gas phase and respiration of cells, and thus the growth of cells is more likely to be inhibited as the culture time elapses. On the other hand, when the S/V is small, it takes time to dissolve carbon dioxide from the gas phase part and to diffuse carbon dioxide throughout the culture solution. Therefore, the specific growth rate of cells is increased, and the number of viable cells obtained at the peak of the logarithmic phase is increased, so that the culture efficiency of static culture is improved.
したがって、培養槽1の下部空間110は、下部空間110に入れた培養液の体積をV[cm3]、下部空間110に入れた培養液と気相との界面の面積をS[cm2]としたとき、液面面積−体積比S/Vが、次の数式(I)の関係を満たす形状であることが好ましい。
S/V≦8[cm−1] ・・・(I)
Therefore, in the
S/V≦8 [cm −1 ] (I)
培養槽1の下部空間110が数式(I)の関係を満たす形状であると、培養槽1の大きさや形状にかかわらず、細胞の比増殖速度や生存率を高くすることができる。そのため、段階的にサイズアップさせる任意の培養スケールについて、静置培養の培養効率を向上させることができる。また、細胞の生存率が高くなり、培養液中に夾雑物が生じ難くなるため、細胞が産生した物質の分離精製効率や、生産物としての品質を向上させることができる。培養効率をより向上させる観点からは、より好ましくはS/V≦4[cm−1]である。
When the
<培養槽の形状例>
培養槽1の下部空間110は、上部空間120よりも狭い内幅を有し、培養槽1の下方に向けて突出した形状であれば、任意の形状に設けることができる。培養槽1の下部空間110は、数式(I)の関係を満たす形状であることが好ましいが、所定の培養液量を入れた状態のみで数式(I)の関係を満たす形状であってもよいし、任意の培養液量を入れた全ての状態で数式(I)の関係を満たす形状であってもよい。
<Example of culture tank shape>
The
培養槽1の下部空間110は、例えば、培養槽1の下方に向かうに連れて内幅が狭くなる形状に設けることができる。このような形状としては、例えば、培養槽1の下方に向かうに連れて内幅が段階的に狭くなる有段差形状や、培養槽1の下方に向かうに連れて内幅が連続的に狭くなるテーパ形状等が挙げられる。
The
図5、図6及び図7は、培養装置に備えられる培養槽の下部空間の形状例を示す図である。
図5、図6及び図7に示すように、培養槽1の下部空間110は、錐体形状に設けることができる。図5は、逆円錐状の錐体形状を例示する図であり、図6は、逆四角錐状の錐体形状を例示する図であり、図7は、逆三角錐状の錐体形状を例示する図である。図5、図6及び図7において、符号50は、下部空間110に入れた培養液を示し、符号Sは、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の面積を示し、符号hは、下部空間110に入れた培養液50の高さを示す。
5, 6 and 7 are views showing examples of the shape of the lower space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIGS. 5, 6 and 7, the
下部空間110を錐体形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の体積Vは、V=S・h/3となり、培養液50のS/Vは、3/hとなる。S/V≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、S/V≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいため、この条件の下で下部空間110を錐体形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の高さhは、3/8cmより大きいことが好ましく、3/4cmより大きいことがより好ましいといえる。
When the
下部空間110を錐体形状に設けた場合、培養槽1の下部空間110は、培養液50と同様にして、任意の高さにおける断面積s[cm2]と、その高さよりも下側の体積v[cm3]とが、s/v≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、s/v≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいといえる。よって、この条件の下で下部空間110を錐体形状に設けた場合、下部空間110の全高は、3/8cmより大きいことが好ましく、3/4cmより大きいことがより好ましいといえる。
When the
図8は、培養装置に備えられる培養槽の下部空間の形状例を示す図である。
図8に示すように、培養槽1の下部空間110は、柱体形状に設けることもできる。図8は、直方体状の柱体形状を例示する図である。図8において、符号50は、下部空間110に入れた培養液を示し、符号Sは、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の面積を示し、符号hは、下部空間110に入れた培養液50の高さを示す。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the shape of the lower space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIG. 8, the
下部空間110を柱体形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の体積Vは、V=S・hとなり、培養液50のS/Vは、1/hとなる。S/V≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、S/V≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいため、この条件の下で下部空間110を柱体形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の高さhは、1/8cmより大きいことが好ましく、1/4cmより大きいことがより好ましいといえる。
When the
下部空間110を柱体形状に設けた場合、培養槽1の下部空間110は、培養液50と同様にして、任意の高さにおける断面積s[cm2]と、その高さよりも下側の体積v[cm3]とが、s/v≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、s/v≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいといえる。よって、この条件の下で下部空間110を柱体形状に設けた場合、下部空間110の全高は、1/8cmより大きいことが好ましく、1/4cmより大きいことがより好ましいといえる。
When the
図9は、培養装置に備えられる培養槽の下部空間の形状例を示す図である。
図9に示すように、培養槽1の下部空間110は、部分球形状に設けることもできる。図9は、球欠形状を例示する図である。図9において、符号50は、下部空間110に入れた培養液50を示し、符号Sは、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の面積を示し、符号rは、球の半径を示し、符号hは、下部空間110に入れた培養液50の高さを示し、符号cは、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の半径を示す。
FIG. 9 is a diagram showing an example of the shape of the lower space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIG. 9, the
下部空間110を球欠形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の体積Vは、V=π・h(3c2+h2)/6となり、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の面積Sは、S=π・h(2r−h)となる。S/V≦8[cm−1]を満たすことが好ましく、s/v≦4[cm−1]を満たすことがより好ましいため、この条件の下で下部空間110を球欠形状に設けた場合、下部空間110に入れた培養液50の高さh[cm]は、下部空間110に入れた培養液50の体積をV[cm3]、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の面積をS[cm2]、球欠形状の半径をr[cm]、下部空間110に入れた培養液50と気相との界面の半径をc[cm]としたとき、前記の数式(I)に加え、次の数式(II)及び(III)の関係を満たすことが好ましい。
V=π・h(3c2+h2)/6 ・・・(II)
S=π・h(2r−h) ・・・(III)
When the
V=π·h(3c 2 +h 2 )/6 (II)
S=π·h(2r-h) (III)
また、培養槽1の下部空間110は、錐体形状に設ける場合、図示した形状例の他に、逆五角錐状、逆六角錐状等のその他の多角錐状や、逆楕円錐状等に設けることもできる。また、これらの形状と実質的に同等な、角が丸い多角錐状や、辺が僅かに湾曲した多角錐状に設けることもできる。これらの形状については、培養液の高さや下部空間110の全高が、3/8cmより大きいことが好ましく、3/4cmより大きいことがより好ましい。
In addition, when the
また、培養槽1の下部空間110は、柱体形状に設ける場合、図示した形状例の他に、立方体状、三角柱状、五角柱状、六角柱状等のその他の多角柱状や、円柱状、楕円柱状等に設けることもできる。また、これらの形状と実質的に同等な、角が丸い多角柱状や、辺が僅かに湾曲した多角柱状に設けることもできる。これらの形状については、培養液の高さや下部空間110の全高が、1/8cmより大きいことが好ましく、1/4cmより大きいことがより好ましい。
When the
図10及び図11は、培養装置に備えられる培養槽の下部空間の形状例を示す図である。
図10及び図11に示すように、培養槽1の下部空間110は、図示した錐体形状、柱体形状、球欠形状の他に、その他の不連続形状に設けることもできる。図8は、逆円錐の一部を切り欠いた逆円錐台状の不連続形状を例示する図である。図8は、互いに大きさが異なる直方体を組み合わせた多段凸状の不連続形状を例示する図である。
10 and 11 are diagrams showing examples of the shape of the lower space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIGS. 10 and 11, the
また、培養槽1の下部空間110は、その他、球の一部を平行な二面で切り欠いた球台形状や、逆多角錐、逆楕円錐等の一部を切り欠いた逆錐台状の不連続形状に設けることもできる。また、培養槽1の下部空間110は、互いに大きさが異なる多角柱、円柱、楕円柱、逆多角錐台、逆円錐台、逆楕円錐台、球台等を組み合わせた多段凸状の不連続形状に設けることもできる。
In addition, the
<培養槽の構造例>
培養槽1は、図2において、攪拌機2が上部側に配置された上部機械攪拌式とされている。上部機械攪拌式の攪拌機2は、全ての攪拌翼2aが上部空間120に位置し、攪拌翼2aの最下端が下部空間110よりも上方に位置するように設置されている。また、回転軸2bは、培養槽1の上方から攪拌翼2aを支持している。回転軸2bは、培養槽1の中心軸と平行であり、培養槽1の頂部の中央から上部空間120の中央に垂下し、攪拌翼2aを上部空間120の中央の下部に固定している。
<Structure example of culture tank>
The
このような上部機械攪拌式の構造によると、下部空間110を用いる静置培養中、攪拌翼2aや回転軸2bに、細胞が接着・凝集し難くなる。そのため、攪拌培養への移行時に細胞に強い機械的ストレスが加わったり、細胞数の計数が不正確になったりするのを防止できる。
According to such an upper mechanical agitation type structure, it becomes difficult for cells to adhere and aggregate to the agitating
但し、培養槽1は、図2に示すような上部機械攪拌式に代えて、その他の攪拌方式を適用することもできる。例えば、回転軸及びモータを備える機械攪拌式の他に、攪拌翼を磁力で回動させる磁力攪拌式とすることもできる。また、攪拌翼を備えない振盪攪拌式や、エアーフロー攪拌式とすることもできる。
However, the
図12は、培養装置に備えられる培養槽の構造例を示す図である。
図12に示すように、培養槽1は、攪拌機2が下部側に配置された下部機械攪拌式とすることもできる。下部機械攪拌式の攪拌機2は、全ての攪拌翼2aが上部空間120に位置し、攪拌翼2aの最下端が下部空間110よりも上方に位置するように設置されている。一方、回転軸2bは、培養槽1の中心軸から偏心した培養槽1の下方から攪拌翼2aを支持している。回転軸2bは、培養槽1の中心軸に対して傾斜しており、培養槽1の底部の中央から離隔した外側から下部空間110を貫通して上部空間120の中央側に延び、攪拌翼2aを上部空間120の中央付近の下部に固定している。
FIG. 12 is a diagram showing a structural example of a culture tank provided in the culture device.
As shown in FIG. 12, the
このような下部機械攪拌式の構造によると、モータ2cを上部に固定しなくとも、下部空間110を用いる静置培養中に、攪拌翼2aや回転軸2bに、細胞が接着・凝集し難くなる。そのため、攪拌培養への移行時に細胞に強い機械的ストレスが加わったり、細胞数の計数が不正確になったりするのを防止できる。
According to such a lower mechanical stirring type structure, even if the
図13は、培養装置に備えられる培養槽の構造例を示す図である。
培養槽1は、攪拌翼のない振盪攪拌式とすることもできる。図13に示す振盪攪拌式の攪拌機2は、回転軸2bを回転させるモータ2cと、培養槽1を支持する振盪台2dと、振盪台2dの振盪運動を回転運動によって駆動するハブ(回転部材)2eと、ハブ2eの回転運動を振盪運動に変換する偏心ピン(変換部材)2fと、回転軸2bの回転運動をハブ2eに伝達するベルト2g(伝達部材)と、を備えている。ハブ2eは、振盪台2dの下方に位置しており、不図時の軸受によって回転自在に支持されている。振盪台2dは、ハブ2e及び偏心ピン2fや、ハブ2e及び偏心ピン2fと同様に構成される不図示の支持部材によって振盪可能な状態で支持される。
FIG. 13 is a diagram showing a structural example of a culture tank provided in the culture device.
The
振盪台2dに支持される培養槽1の中心軸は、ハブ(回転部材)2eの中心軸から偏心している。偏心ピン2fは、ハブ2eの上面にハブ2eの中心軸から偏心して設けられており、偏心ピン2fの先端は、振盪台2dに回転自在に接続されている。ハブ2eとモータ2cに接続された回転軸2bには、プーリが備えられており、ベルト2gが架け渡されている。モータ2cが作動すると、回転軸2bの回転によってハブ2eが回転運動して、偏心ピン2fがハブ2eの中心軸の周りを運動する。振盪台2dは、この偏心ピン2fの運動で旋回振盪運動や往復振盪運動し得るように、不図示のガイドによって軌道を案内することができる。
The center axis of the
このような振盪攪拌式の構造では、培養槽1の中心軸と振盪台2dの回転軸とが一致せず、位置や方向がずらされていることで培養槽1が偏心し、培養槽1内の液が混合される。培養槽1内に攪拌翼や回転軸を設置する必要がないため、攪拌翼や回転軸に、細胞が接着・凝集しなくなる。そのため、攪拌培養への移行時に細胞に強い機械的ストレスが加わったり、細胞数の計数が不正確になったりするのを防止できる。また、培養槽1として、シングルユース式の培養バッグを用いる場合等に、攪拌機2への脱着や培養槽1の密閉が容易になる。
In such a shake stirring type structure, the center axis of the
なお、図13に示す振盪攪拌式の攪拌機2は、培養槽1を、ハブ2e、偏心ピン2f等を利用して振盪攪拌する方式とされているが、攪拌機2は、振盪台2dの振盪運動を駆動する回転部材の回転運動を振盪運動に変換する機構として、スライダ・クランク機構、カム機構等、その他の機構や、それらの組合せを利用してもよい。また、振盪攪拌式の攪拌機2としては、水平往復運動、上下往復運動、二次元的又は三次元的な周回運動、シーソ型等の傾斜揺動等、その他の振盪運動を行う装置を備えてもよい。
The shaking and stirring
<培養方法(回分培養式)>
次に、本発明の一実施形態に係る培養方法について、培養装置100を用いた場合の処理と共に、図を参照しながら説明する。
<Culturing method (batch culture method)>
Next, a culturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings together with a process when the
図14は、本発明の実施形態に係る培養方法を示すフローチャートである。
図14には、目的の物質を産生する細胞を、培養装置100を用いて拡大培養する流れを例示する。培養装置100では、培養槽1内の培養液量を新鮮培地の補充により段階的に拡大し、培養液量が互いに異なる複数の培養工程を段階的に行う。その途中には、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替え、静置培養と、新鮮培地の補充により増量した培養液中における攪拌培養とを、単一の培養槽1で段階的に行う。
FIG. 14 is a flowchart showing the culture method according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 illustrates a flow of expanding and culturing cells that produce a target substance using the
培養装置100には、はじめに、細胞の培養に必要な培養条件を設定する(ステップS10)。培養装置100では、段階的に培養スケールを拡大していく拡大培養を、指定した回数のサイズアップや、指定した時期の培養方式の切り替えが行われるように、予め定めた培養スケジュールにしたがって実施する。
First, the culture conditions necessary for culturing cells are set in the culture device 100 (step S10). In the
設定する培養条件の項目としては、培養スケジュール、例えば、静置培養や攪拌培養毎の細胞の目標継代数(サイズアップの回数の目標値)や、段階的な培養工程毎の培養槽1の培養液量(培養スケール)が挙げられる。また、培養温度、静置培養時の気相部のガス組成、攪拌培養時の攪拌機2の回転速度、溶存酸素濃度、pH等が挙げられる。また、各培養工程の進捗を判定するために、培養工程毎の細胞の目標状態量(細胞数密度等の目標値)、又は、培養工程毎の目標培養時間、又は、培養工程毎の培養液成分の目標濃度を設定することができる。
The items of the culture conditions to be set include a culture schedule, for example, the target passage number of cells for static culture and agitation culture (the target value of the number of size-ups), and the culture of the
続いて、拡大培養する目的の細胞を培地に播種する(ステップS20)。培養槽1内には、下部空間110内の所定の高さに液面がくるまで新鮮培地を入れる。そして、設定した培養条件になるように散気装置3、温度調節装置4等を制御し、適切な細胞数密度に希釈した細胞懸濁液を無菌的に投入する。培養槽1には、下部空間110内の所定の高さに、細胞を播種するための投入口を設けておくことが好ましい。
Then, the cells to be expanded and cultured are seeded in the medium (step S20). Fresh medium is placed in the
続いて、培養槽1の下部空間110において培養液中で細胞を静置培養する(ステップS30)。静置培養は、攪拌機2を停止した状態で、液面が下部空間110内の所定の高さとなる培養スケールを維持して行う。
Then, the cells are statically cultured in the culture medium in the
静置培養中には、空気、酸素、二酸化炭素、窒素等の通気によって、培養槽1内の気相部のガス濃度・ガス組成を一定に制御する。また、培養液の温度を一定に制御する。このような一定制御によると、細胞が撹乱され難くなり、所定の細胞密度まで安定に増殖させることができる。気相部のガス濃度・ガス組成は、通常用いるインキュベータの庫内雰囲気と一致させることが好ましい。
During static culture, the gas concentration/gas composition of the gas phase portion in the
続いて、静置培養中に、細胞の増殖状態を表す指標値を取得する(ステップS40)。細胞の増殖状態を表す指標値としては、細胞の増殖と相関を有する状態量、例えば、細胞数密度、比増殖速度、生存率、細胞の代謝反応速度、細胞の累積代謝量、細胞周期等を、分析装置8による実測で取得することができる。実測は、センサを用いてオンラインで行ってもよいし、培養液をサンプリングしてオフラインで行ってもよい。
Then, during static culture, an index value indicating the growth state of cells is acquired (step S40). As an index value indicating the growth state of cells, a state quantity having a correlation with the growth of cells, for example, cell number density, specific growth rate, survival rate, metabolic reaction rate of cells, cumulative metabolic rate of cells, cell cycle, etc. , Can be obtained by actual measurement by the
或いは、細胞の増殖状態を表す指標値としては、培養工程毎の培養時間を、タイマによって取得してもよい。また、培養工程毎の培養液成分の濃度を、分析装置8による実測で取得してもよい。細胞の増殖状態との関係が予め確認されている場合、細胞の状態量だけでなく、或る培養スケールの培養工程を開始した後の培養時間の経過や、培養液成分の濃度変化も、細胞の増殖状態の指標として用いることができる。
Alternatively, the culture time for each culture process may be acquired by a timer as an index value indicating the growth state of cells. Further, the concentration of the culture solution component for each culture step may be acquired by actual measurement by the
静置培養中、細胞の増殖状態を表す指標値が取得されると、静置培養されている細胞が目標増殖状態に達したか否かについて判定が行われる(ステップS50)。制御装置9は、分析装置8が取得した分析データを受信し、細胞の状態量、又は、培養時間、又は、培養液成分の濃度について、実測で取得された指標値と、予め設定されている目標値と、を比較する。実測で取得された指標値が目標値を超えているか否かに基づいて、培養工程の進捗を判定することができる。
When the index value indicating the growth state of the cells is acquired during static culture, it is determined whether or not the statically cultured cells have reached the target growth state (step S50). The control device 9 receives the analysis data acquired by the
判定の結果、目標増殖状態に達していないと(ステップS50;No)、培養槽1の下部空間110で、同じ培養スケールの静置培養を続ける(ステップS30)。
If the result of determination is that the target growth state has not been reached (step S50; No), static culture of the same culture scale is continued in the
一方、判定の結果、目標増殖状態に達していると(ステップS50;Yes)、培養方式の切り替えに必要な切替条件が充足されたか否かについて判定が行われる(ステップS60)。制御装置9は、静置培養における実際の継代数(サイズアップの回数)と、培養スケジュールとして定めた目標継代数と、を比較する。実際の継代数を表すパラメータが目標継代数値に達したか否かにより、培養方式の切り替えを行うことができる。 On the other hand, as a result of the determination, when the target proliferation state has been reached (step S50; Yes), it is determined whether or not the switching condition necessary for switching the culture method is satisfied (step S60). The controller 9 compares the actual passage number (number of times of size-up) in static culture with the target passage number defined as the culture schedule. The culture system can be switched depending on whether or not the parameter representing the actual passage number has reached the target passage number.
例えば、下部空間110内における液面の高さを、図2にI線〜IV線で示すように切り上げていく場合、静置培養中の継代数は4回となる。継代数との関係が予め確認されている場合には、細胞の状態量、又は、培養液成分の濃度について、実測で取得された指標値と、予め設定されている静置培養における目標値と、を比較してもよい。実測で取得された指標値が静置培養における目標値を超えているか否かに基づいて、継代の進捗を判定して、培養方式の切り替えを行うこともできる。
For example, when the height of the liquid surface in the
判定の結果、目標継代数に達していないと(ステップS60;No)、供給ポンプ7を作動し、培地タンク5から培養槽1内に所定量の新鮮培地を補充して、次段階の培養スケールまで培養液量を拡大する(ステップS70)。このとき、制御装置9は、実際の継代数を表すパラメータを加算する。そして、培養槽1の下部空間110で、拡大された培養スケールの静置培養を続ける(ステップS30)。
If the result of determination is that the target passage number has not been reached (step S60; No), the supply pump 7 is activated, and the
一方、判定の結果、目標継代数に達していると(ステップS60;Yes)、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替え、攪拌機2を作動し、培養槽1の下部空間110及び上部空間120において新鮮培地の補充により増量した培養液中で細胞を攪拌培養する(ステップS80)。攪拌培養は、培養槽1内の上部空間120に位置する攪拌翼2aにより培養液を攪拌すると共に、液面が上部空間120内の所定の高さとなる培養スケールを維持して行う。
On the other hand, when the target passage number is reached as a result of the determination (step S60; Yes), the culture system is switched from static culture to stirring culture, the
攪拌培養中には、温度センサ、溶存酸素センサ、二酸化炭素センサ、pHセンサ等によって培養状態をモニタリングする。培養温度は、温度調節装置4で所定の範囲に制御する。また、培養液の溶存酸素濃度や二酸化炭素濃度は、散気装置2による空気、酸素、二酸化炭素、窒素等の通気で所定の範囲に制御する。また、培養液のpHは、アルカリ溶液の添加や二酸化炭素の通気で制御する。
During stirring culture, the culture state is monitored by a temperature sensor, a dissolved oxygen sensor, a carbon dioxide sensor, a pH sensor, or the like. The culture temperature is controlled within a predetermined range by the
続いて、攪拌培養中に、細胞の増殖状態を表す指標値を取得する(ステップS90)。細胞の増殖状態を表す指標値としては、静置培養における処理(ステップS40参照)と同様に、細胞の状態量、又は、培養時間、又は、培養液成分の濃度を取得することができる。 Subsequently, an index value indicating the growth state of the cells is acquired during the stirring culture (step S90). As the index value indicating the growth state of the cells, the state quantity of the cells, the culture time, or the concentration of the culture solution component can be acquired as in the case of the process in the static culture (see step S40).
攪拌培養中、細胞の増殖状態を表す指標値が取得されると、攪拌培養されている細胞が目標増殖状態に達したか否かについて判定が行われる(ステップS100)。制御装置9は、分析装置8が取得した分析データを受信し、細胞の状態量、又は、培養時間、又は、培養液成分の濃度について、実測で取得された指標値と、予め設定されている培養工程毎の目標値と、を比較する。実測で取得された指標値が培養工程毎の目標値を超えているか否かに基づいて、培養工程の進捗を判定することができる。
When the index value indicating the growth state of the cells is obtained during the stirring culture, it is determined whether or not the cells in the stirring culture have reached the target growth state (step S100). The control device 9 receives the analysis data acquired by the
判定の結果、目標増殖状態に達していないと(ステップS100;No)、培養槽1の下部空間110及び上部空間120で、同じ培養スケールの攪拌培養を続ける(ステップS80)。
If the result of determination is that the target growth state has not been reached (step S100; No), stirring culture at the same culture scale is continued in the
一方、判定の結果、目標増殖状態に達していると(ステップS100;Yes)、培養の終了に必要な終了条件が充足されたか否かについて判定が行われる(ステップS110)。制御装置9は、攪拌培養における実際の継代数(サイズアップの回数)と、培養スケジュールとして定めた目標継代数と、を比較する。実際の継代数を表すパラメータが目標継代数値に達したか否かにより、拡大培養の継続・終了を決める。 On the other hand, as a result of the determination, when the target proliferation state has been reached (step S100; Yes), it is determined whether or not the end condition necessary for ending the culture is satisfied (step S110). The controller 9 compares the actual passage number (number of times of size-up) in the stirring culture with the target passage number defined as the culture schedule. The continuation/termination of the expansion culture is determined depending on whether or not the parameter representing the actual passage number has reached the target passage number.
例えば、上部空間120内における液面の高さを、図2にV線〜VI線で示すように切り上げていく場合、攪拌培養中の継代数は2回となる。継代数との関係が予め確認されている場合には、細胞の状態量、又は、培養液成分の濃度について、実測で取得された指標値と、予め設定されている攪拌培養における目標値と、を比較してもよい。実測で取得された指標値が攪拌培養における目標値を超えているか否かに基づいて、継代の進捗を判定して、拡大培養の継続・終了を決めることもできる。
For example, when the height of the liquid surface in the
判定の結果、目標継代数に達していないと(ステップS110;No)、供給ポンプ7を作動し、培地タンク5から培養槽1内に所定量の新鮮培地を補充して、次段階の培養スケールまで培養液量を拡大する(ステップS120)。このとき、制御装置9は、実際の継代数を表すパラメータを加算する。そして、培養槽1の下部空間110及び上部空間120で、拡大された培養スケールの攪拌培養を続ける(ステップS80)。
As a result of the determination, if the target passage number has not been reached (step S110; No), the supply pump 7 is operated, and a predetermined amount of fresh medium is replenished from the
一方、判定の結果、目標継代数に達していると(ステップS110;Yes)、攪拌機2を停止し、拡大培養を終了する(ステップS130)。その後、目的の物質を大量生産する生産培養の工程、又は、細胞が産生した物質の回収・精製を行う分離精製工程に移行する。
On the other hand, if the result of determination is that the target passage number has been reached (step S110; Yes), the
以上の培養装置100や培養方法によると、所定の形状・構造の培養槽内に新鮮培地を補充することができるため、培養液量を段階的に増やし、その途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替える拡大培養を、単一の培養槽1を用いて行うことができる。一般的な培養容器やバイオリアクタは、底部が平面であることが多く、形状・構造が最適化されていないところ、培養槽1の下部空間110を、数式(I)の関係を満たす形状とし、適切な攪拌方式の構造とすると、細胞の比増殖速度や生存率が高くなる。よって、培養液量及び培養方式が互いに異なる複数の培養工程を、良好な培養効率を維持して、一つの培養槽で段階的に行うことができる。
According to the
特に、以上の培養装置100や培養方法によると、培養液の移し替えを不要化することができるため、培養液の移し替え作業の煩雑性に関する問題や、培養液及び細胞の取り扱い性に関する問題や、培養液の移し替え時等のコンタミネーションに関する問題を解消することができる。培養装置100によると、全培養工程を完全閉鎖系で自動化させて行うことも可能であり、手作業が介在し難くなるため、培養の再現性や、目的の物質の生産量・品質を向上させることができる。また、培養スケール毎に個別のバイオリアクタを用意する必要がないため、培養装置や培養施設を小型化することができる。また、回分培養式の拡大培養を行うため、灌流培養式と比較して、培養環境を容易に安定させることができる。
In particular, according to the
<培養装置(灌流培養式)>
次に、培養方式が異なる本発明の別の実施形態について、図を参照しながら説明する。
<Culture device (perfusion culture type)>
Next, another embodiment of the present invention having a different culture method will be described with reference to the drawings.
図15は、本発明の実施形態に係る培養装置の一例を模式的に示す図である。
図15に示すように、本実施形態に係る培養装置200は、培養槽1と、攪拌機2と、散気装置3と、温度調節装置4と、培地タンク5と、バルブ6と、供給ポンプ7と、分析装置8と、制御装置9と、回収タンク10と、細胞分離装置11と、引抜ポンプ12と、吸引ポンプ13と、供給管20と、引抜管22と、返送管23と、回収管24と、を備えている。
FIG. 15: is a figure which shows typically an example of the culture apparatus which concerns on embodiment of this invention.
As shown in FIG. 15, the
培養装置200は、前記の培養装置100と同様に、細胞を拡大培養するための装置であり、拡大培養中の培養槽1に新鮮培地(培養液)を補充して培養スケールを拡大する機能を有している。培養装置200では、培養槽1に新鮮培地を補充することにより、培養スケールが段階的に拡大されて、多段階の培養工程が行われる。図15に示す培養装置200は、それぞれの培養工程を、培養中に連続的に培地を供給し、且つ、同量の培地を連続的に排出する灌流培養(連続培養)の形式で行う形態とされている。
The
培養装置200では、培養スケールを段階的に拡大していく途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替えることができる。そのため、大スケールを最終目標とした灌流培養式の拡大培養を、単一の培養槽1で行うことができる。培養装置200の構成や、主な運転方法は、細胞分離装置11や、これに対応するポンプ・配管を除いて、前記の培養装置100と略同様である。
In the
図15に示すように、培養装置200の培養槽1には、培養槽1内から培養液及び培養された細胞を引き抜くための引抜管22が接続される。引抜管22の他端には、培養槽1内から引き抜かれた培養液と細胞とを互いに分離する細胞分離装置11が接続される。引抜管22には、培養槽1から細胞分離装置11に培養液及び培養された細胞を引き抜く引抜ポンプ12が備えられる。
As shown in FIG. 15, a pull-out
細胞分離装置11には、培養液から分離された細胞を培養槽1内に戻すための返送管23が接続される。返送管23の他端は、培養槽1に接続される。また、細胞分離装置11には、細胞を分離された培養液を回収するための回収管24が接続される。回収管24の他端には、回収タンク10が接続される。回収管24には、細胞分離装置11から培養液を吸引する吸引ポンプ13が備えられる。
A
細胞分離装置11は、例えば、分離膜に直交する方向に液体を流すタンジェンシャルフロー膜分離(Tangential Flow Filtration:TFF)方式、分離膜に直交する方向に液体を流し、分離膜に対する吸引と放出とを交互に繰り返すオルタネーティングタンジェンシャルフロー膜分離(Alternating Tangential Flow Filtration:ATF)方式、重力沈降分離方式、大きさや密度の違いを超音波振動で分ける音波分離方式等の各種の方式とすることができる。
The
図16は、培養装置に備えられる培養槽の内部空間の形状・構造を説明する図である。
図16に示すように、培養装置200に備えられる培養槽1は、内幅が高さ方向に一様でなく、槽内に、相対的に狭い内幅を有する下部空間110と、相対的に広い内幅を有する上部空間120と、を有している。引抜管22は、培養槽1の下方に向けて突出した下部空間110の底部に接続している。
FIG. 16 is a diagram for explaining the shape and structure of the internal space of the culture tank provided in the culture device.
As shown in FIG. 16, the
<培養方法(灌流培養式)>
次に、本発明の一実施形態に係る培養方法について、培養装置200を用いた場合の処理と共に、図を参照しながら説明する。
<Culturing method (perfusion culture method)>
Next, a culturing method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings together with a process when the
培養装置200では、前記の培養装置100と同様に、培養槽1内の培養液量を新鮮培地の補充により段階的に拡大し、培養液量が互いに異なる複数の培養工程を段階的に行う。その途中には、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替え、静置培養と、新鮮培地の補充により増量した培養液中における攪拌培養とを、単一の培養槽1で段階的に行う。培養装置200を用いた灌流培養式の拡大培養は、前記の培養装置100と同様に、図14に示す流れで行うことができる。
In the
培養装置200において、灌流培養は、静置培養の培養工程(図14のステップS30参照)のみで行ってもよいし、攪拌培養の培養工程(図14のステップS80参照)のみで行ってもよいし、これらの両方で行ってもよい。また、静置培養の培養工程、及び、攪拌培養の培養工程のうち、所定の培養スケールの培養工程のみで行ってもよい。灌流培養を行わない培養工程は、回分培養の方式で運転することができる。
In the
培養装置200には、前記の培養装置100と同様に、細胞の培養に必要な培養条件を設定することができる。設定する培養条件の項目としては、前記の培養装置100の項目に加え、灌流培養を行う培養工程を定めた培養スケジュールや、培養工程毎の灌流量が挙げられる。
In the
灌流培養中には、引抜ポンプ12を作動させて、培養槽1内から培養液及び培養された細胞を引き抜く。また、供給ポンプ7を作動させて、培地タンク5から培養槽1内に培養液を補充する。そして、細胞分離装置11で、引き抜かれた培養液と細胞とを互いに分離する。その後、分離された細胞を培養槽内に戻すと共に、吸引ポンプ13を作動させて、細胞が産生した物質を含む培養液を回収タンク10に回収する。
During the perfusion culture, the
静置培養の培養工程(図14のステップS30参照)で灌流培養を行う場合には、攪拌機2を停止した状態で、液面が下部空間110内の所定の高さとなる培養スケールを維持しながら、一定に制御した培養条件の下で灌流培養を行う。静置培養の培養工程を灌流培養とすると、栄養の枯渇や、細胞が分泌した老廃物の蓄積が、起こり難くなる。そのため、所定の培養スケールあたり、より高い細胞密度まで増殖させることができる。最終的な細胞数が増えるため、培養槽1自体を小型化することも可能になる。
When performing perfusion culture in the culture process of static culture (see step S30 in FIG. 14), while maintaining the
一方、攪拌培養の培養工程(図14のステップS80参照)で灌流培養を行う場合には、培養液を攪拌すると共に、液面が上部空間120内の所定の高さとなる培養スケールを維持しながら、可変的に制御される培養条件の下で灌流培養を行う。攪拌培養の培養工程を灌流培養とすると、所定の培養スケールあたり、より高い細胞密度まで増殖させることができるだけでなく、細胞が培養液中に分泌した物質を連続的に回収することができる。細胞の増殖が阻害され難い状態で、目的の物質を連続生産させることができるため、高い生産性を実現することができる。
On the other hand, when performing perfusion culture in the culture process of stirring culture (see step S80 in FIG. 14), while stirring the culture solution, while maintaining the culture scale at which the liquid surface has a predetermined height in the
以上の培養装置200や培養方法によると、所定の形状・構造の培養槽内に新鮮培地を補充することができるため、前記の回分培養式の培養装置100や培養方法と同様に、培養液量を段階的に増やし、その途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替える拡大培養を、単一の培養槽1を用いて行うことができる。培養槽1の下部空間110を、数式(I)の関係を満たす形状とし、適切な攪拌方式の構造とすると、細胞の比増殖速度や生存率が高くなる。よって、培養液量及び培養方式が互いに異なる複数の培養工程を、良好な培養効率を維持して、一つの培養槽で段階的に行うことができる。
According to the
特に、以上の培養装置200や培養方法によると、灌流培養式の拡大培養を行うため、回分培養式と比較して、より高い細胞密度まで増殖させることが可能であり、培養装置や培養施設を、より容易に小型化することができる。細胞が増殖を阻害する物質を大量に分泌するような場合であっても、サイズアップの回数を減らした培養スケジュールを設定して、多量の細胞や多量の目的物質を得ることができる。
In particular, according to the
以上、本発明について説明したが、本発明は、前記の実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。例えば、本発明は、必ずしも前記の実施形態や変形例が備える全ての構成を備えるものに限定されない。或る実施形態や変形例の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態や変形例の構成の一部を他の形態に追加したり、或る実施形態や変形例の構成の一部を省略したりすることができる。 Although the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the present invention is not necessarily limited to those having all the configurations of the above-described embodiments and modifications. A part of the configuration of a certain embodiment or a modified example is replaced with another configuration, a part of the configuration of a certain embodiment or a modified example is added to another form, a configuration of a certain embodiment or the modified example Can be omitted.
例えば、前記の培養装置100,200は、培地タンク5の個数、その他の機器の配置、配管の接続等が、制限されるものではない。培養槽1は、形状例や構造例に示される適宜の形態とすることが可能であり、攪拌機2だけでなく、散気装置3の配置や配管の接続位置についても、攪拌機2と同様に、最適化することができる。
For example, the number of
また、前記の培養装置100,200は、散気装置3に加え、気相部に所定のガスを通気するための不図示の散気装置を備えることもできる。このような場合、培養液に対して散気を行う散気装置3は、下部空間110及び上部空間120のいずれに開口させてもよい。
In addition to the
また、前記の培養装置100,200は、培養槽1と補充装置(5,7)とが、予め接続されたものであってもよいし、培養時に接続されるものであってもよい。培養槽1としてシングルユース式の培養バッグを用いる場合、攪拌機2は、所定の配置となるように予め固定してもよいし、所定の位置に培養時に固定してもよい。
Further, in the
また、前記の培養装置100,200は、補充装置として、培地タンク5と、供給ポンプ7と、を備えている。しかしながら、新鮮培地の供給には、供給ポンプ7に代えて、重力や圧力差を利用してもよい。このような場合、補充装置としては、重力や圧力差を利用して新鮮培地を補充する培地タンク5のみを備えてもよい。培地タンク5としては、各種の容器や、可撓性のバッグ等を備えてもよい。
Further, the
また、前記の培養装置100,200を用いる培養方法(図14参照)は、培養槽1における拡大培養の終了後に、生産培養を行うものとしている。しかしながら、生産培養の工程は、培養槽1を使用して行ってもよいし、培養槽1や回収タンク10から別の培養槽に移し替えて行ってもよい。
Further, in the culturing method using the
また、前記の培養装置100,200を用いる培養方法(図14参照)は、静置培養の培養工程や、攪拌培養の培養工程を、それぞれ、一段階の培養工程とする培養スケジュールとしてもよい。前記の培養方法においては、供給ポンプ7や攪拌機2の作動・停止の時期を、適宜の条件に変更してもよいし、培養スケールが大きく変化しない範囲で流加培養式の拡大培養を行ってもよい。
Further, the culturing method using the
以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.
培養スケールを段階的に拡大していく途中に、培養方式を静置培養から攪拌培養に切り替える拡大培養を、単一の培養槽を用いて行い、回分培養式の場合と、灌流培養式の場合とで、培養成績を比較した。 During the stepwise expansion of the culture scale, a single culture vessel is used for expansion culture that switches the culture method from static culture to agitation culture, in the case of batch culture type and perfusion culture type. The results of culturing were compared.
(実験方法)
供試細胞としては、浮遊細胞系であるCHO細胞を用いた。また、培地としては、DMEM培地の液体培地を用いた。凍結されているCHO細胞を、37℃のウォータバス中で融解し、新鮮培地を加えることによって、0.2×106cells/mLの細胞密度となる細胞懸濁液を調製した。この細胞懸濁液5mLを培養槽に入れて、気相部のガス組成が、大気中5%CO2、培養液の温度が、37℃となるように調整し、拡大培養を開始した。
(experimental method)
As a test cell, a floating cell line CHO cell was used. As the medium, a liquid medium of DMEM medium was used. Frozen CHO cells were thawed in a water bath at 37° C. and fresh medium was added to prepare a cell suspension having a cell density of 0.2×10 6 cells/mL. 5 mL of this cell suspension was placed in a culture tank, the gas composition of the gas phase was adjusted to 5% CO 2 in the atmosphere, and the temperature of the culture solution was adjusted to 37° C., and expansion culture was started.
拡大培養の培養スケール、サイズアップの回数、攪拌方式を切り替える時期等は、図17に示す従来例と同様とした。拡大培養の培養スケジュールの概要を表2に示す。 The culture scale of expansion culture, the number of times of size increase, the timing of switching the stirring method, and the like were the same as those in the conventional example shown in FIG. Table 2 shows an outline of the culture schedule for expansion culture.
表2に示すように、培養工程Iから培養工程IIIまでは、静置培養とした。培養工程IVから培養工程IXまでは、攪拌培養とした。培養スケールの拡大は、予め設定した培養時間が経過した時点で、37℃の新鮮培地を培養液量が設定どおりになるように補充して行った。培養工程IXの終了後には、細胞が産生した物質の回収・精製を行う分離精製工程に移行した。 As shown in Table 2, static culture was performed from the culture step I to the culture step III. From the culture step IV to the culture step IX, stirring culture was performed. The expansion of the culture scale was performed by supplementing a fresh medium at 37° C. so that the amount of the culture solution would be the set value, when the preset culture time had elapsed. After the completion of the culture step IX, the process proceeded to a separation and purification step in which the substance produced by the cells was collected and purified.
各培養スケールの培養工程が終了した時点で、生細胞数と細胞の生存率を求めた。そして、全培養工程を回分培養式とした場合と、全培養工程を灌流培養式とした場合とについて、培養結果の比較を行った。 The number of viable cells and the cell survival rate were determined at the end of the culture process of each culture scale. Then, the culture results were compared between the case where the whole culture process was a batch culture system and the case where the whole culture process was a perfusion culture system.
図18は、単一の培養槽で拡大培養を行った結果を示す図である。
図18において、左軸は、培養槽内で確認された生細胞の数密度[×105 cells/mL]、右軸は、培養槽内で確認された細胞の生存率[%]、横軸は、培養時間[日]を示す。▲のプロットは、回分培養式における生細胞の数密度の結果、△のプロットは、回分培養式における生存率の結果、●のプロットは、灌流培養式における生細胞の数密度の結果、○のプロットは、灌流培養式における生存率の結果である。
FIG. 18: is a figure which shows the result of performing expansion culture in a single culture tank.
In FIG. 18, the left axis is the number density of live cells confirmed in the culture tank [×10 5 cells/mL], and the right axis is the cell survival rate [%] confirmed in the culture tank, the horizontal axis. Indicates the culture time [day]. Plots of ▲ are results of number density of live cells in batch culture, plots of △ are results of viability in batch culture, plots of ● are results of number density of live cells in perfusion culture, The plot is the result of survival rate in perfusion culture.
図18に示すように、回分培養式、及び、灌流培養式のいずれにおいても、高い生存率と、ある程度の生細胞数が得られることが確認された。回分培養式の結果と、灌流培養式の結果とを比較すると、灌流培養式の場合に、生細胞の数密度の最大値が5倍以上に高くなることが確認された。 As shown in FIG. 18, it was confirmed that a high survival rate and a certain number of viable cells could be obtained by both the batch culture method and the perfusion culture method. When the results of the batch culture method and the results of the perfusion culture method were compared, it was confirmed that in the case of the perfusion culture method, the maximum value of the number density of viable cells was increased by 5 times or more.
この結果は、図17に示すような拡大培養を行う場合、75Lから2000Lまでのスケールアップを一段階で行うことが可能であり、400L規模の培養槽を省略することができることを意味する。培養槽としては、従来法の場合よりも小型化された単一の槽を用いることができるといえる。また、灌流培養式の場合には、継代中に生存率の低下は見られず、回分培養式と比較して、より優れた培養効率を実現できるといえる。 This result means that, when performing expansion culture as shown in FIG. 17, it is possible to scale up from 75 L to 2000 L in one step, and a 400 L scale culture tank can be omitted. It can be said that a single tank which is smaller than that in the conventional method can be used as the culture tank. Further, in the case of the perfusion culture method, no decrease in the survival rate was observed during the passage, and it can be said that a more excellent culture efficiency can be realized as compared with the batch culture method.
100 培養装置
200 培養装置
1 培養槽
2 攪拌機
2a 攪拌翼
2b 回転軸
2c モータ
2d 振盪台
2e ハブ(回転部材)
2f 偏心ピン(変換部材)
2g ベルト
3 散気装置
4 温度調節装置
5 培地タンク
6 バルブ
7 供給ポンプ
8 分析装置
9 制御装置
10 回収タンク
11 細胞分離装置
12 引抜ポンプ
13 吸引ポンプ
20 供給管
21 排出管
22 引抜管
23 返送管
24 回収管
50 培養液
52 バイアル
53 フラスコ
54 スピナーフラスコ
55 バイオリアクタ
110 下部空間
120 上部空間
100
2f Eccentric pin (conversion member)
Claims (14)
前記培養液を攪拌するための攪拌機と、
前記培養槽内に新鮮培地を補充する補充装置と、を備え、
前記培養槽内の下部空間は、上部空間よりも狭い内幅を有する下方に突出した形状である培養装置。 A culture tank for culturing cells in a culture medium,
A stirrer for stirring the culture solution,
A replenishing device for replenishing a fresh medium in the culture tank,
The lower space in the culture tank is a culture device having an inner width narrower than that of the upper space and protruding downward.
前記培養槽内の下部空間は、前記下部空間に入れた前記培養液の体積をV[cm3]、前記下部空間に入れた前記培養液と気相との界面の面積をS[cm2]としたとき、次の数式(I);
S/V≦8[cm−1] ・・・(I)
の関係を満たす形状である培養装置。 The culture device according to claim 1, wherein
In the lower space in the culture tank, the volume of the culture solution contained in the lower space is V [cm 3 ] and the area of the interface between the culture solution contained in the lower space and the gas phase is S [cm 2 ]. Then, the following formula (I);
S/V≦8 [cm −1 ] (I)
A culture device having a shape that satisfies the relationship of.
前記培養槽内の下部空間は、錐体形状であり、
前記下部空間に入れた前記培養液の高さが、3/8cmより大きい培養装置。 The culture device according to claim 2, wherein
The lower space in the culture tank has a cone shape,
A culture device in which the height of the culture solution contained in the lower space is larger than 3/8 cm.
前記培養槽内の下部空間は、柱体形状であり、
前記下部空間に入れた前記培養液の高さが、1/8cmより大きい培養装置。 The culture device according to claim 2, wherein
The lower space in the culture tank has a columnar shape,
A culture apparatus in which the height of the culture solution contained in the lower space is larger than 1/8 cm.
前記培養槽内の下部空間は、球欠形状であり、
前記下部空間に入れた前記培養液の高さh[cm]が、前記下部空間に入れた前記培養液の体積をV[cm3]、前記下部空間に入れた前記培養液と気相との界面の面積をS[cm2]、前記球欠形状の半径をr[cm]、前記下部空間に入れた前記培養液と気相との界面の半径をc[cm]としたとき、次の数式(I)、(II)及び(III);
S/V≦8[cm−1] ・・・(I)
V=π・h(3c2+h2)/6 ・・・(II)
S=π・h(2r−h) ・・・(III)
の関係を満たす培養装置。 The culture device according to claim 2, wherein
The lower space in the culture tank has a spherical shape,
The height h [cm] of the culture solution contained in the lower space is V [cm 3 ] the volume of the culture solution contained in the lower space, and the culture solution contained in the lower space and the gas phase are When the area of the interface is S [cm 2 ], the radius of the spherical shape is r [cm], and the radius of the interface between the culture solution and the gas phase in the lower space is c [cm], Formulas (I), (II) and (III);
S/V≦8 [cm −1 ] (I)
V=π·h(3c 2 +h 2 )/6 (II)
S=π·h(2r-h) (III)
Culture device that satisfies the relationship of.
前記攪拌機は、攪拌翼と、前記攪拌翼を回転させる回転軸と、を有し、
前記攪拌翼は、前記培養槽内の上部空間に位置し、
前記回転軸は、前記培養槽の上方から前記攪拌翼を支持している培養装置。 The culture device according to claim 1, wherein
The stirrer has a stirring blade and a rotating shaft for rotating the stirring blade,
The stirring blade is located in the upper space in the culture tank,
The culture device in which the rotating shaft supports the stirring blade from above the culture tank.
前記攪拌機は、攪拌翼と、前記攪拌翼を回転させる回転軸と、を有し、
前記攪拌翼は、前記培養槽内の上部空間に位置し、
前記回転軸は、前記培養槽の中心軸から偏心した前記培養槽の下方から前記攪拌翼を支持している培養装置。 The culture device according to claim 1, wherein
The stirrer has a stirring blade and a rotating shaft for rotating the stirring blade,
The stirring blade is located in the upper space in the culture tank,
The rotating shaft supports the stirring blade from below the culture tank, which is eccentric from the central axis of the culture tank.
前記攪拌機は、前記培養槽を支持する振盪台と、前記振盪台の振盪運動を駆動する回転部材と、前記回転部材の回転運動を前記振盪運動に変換する変換部材と、を有し、
前記振盪台に支持される前記培養槽の中心軸は、前記回転部材の中心軸から偏心している培養装置。 The culture device according to claim 1, wherein
The agitator has a shaking table that supports the culture tank, a rotating member that drives the shaking motion of the shaking table, and a conversion member that converts the rotational motion of the rotating member into the shaking motion,
A culture device in which a central axis of the culture tank supported by the shaking table is eccentric from a central axis of the rotating member.
前記培養槽内から前記培養液及び前記細胞を引き抜くための引抜管と、
前記培養槽内から引き抜かれた前記培養液と前記細胞とを互いに分離する細胞分離装置と、
前記培養液から分離された前記細胞を前記培養槽内に戻すための返送管と、を備える培養装置。 The culture device according to claim 1, wherein
An extraction tube for extracting the culture solution and the cells from the culture tank,
A cell separation device for separating the culture solution and the cells withdrawn from the culture tank,
And a return pipe for returning the cells separated from the culture solution into the culture tank.
前記静置培養の後に、前記培養槽内に新鮮培地を補充し、
前記新鮮培地の補充により増量した培養液中で前記細胞を攪拌培養する培養方法。 Statically culturing the cells in the culture medium in the lower space of the culture tank,
After the static culture, supplement the fresh medium in the culture tank,
A culturing method in which the cells are cultivated with stirring in a culture medium increased by supplementing the fresh medium.
前記静置培養において、前記培養槽内の気相部のガス濃度を一定に制御する培養方法。 The culture method according to claim 10, wherein
In the static culture, a culture method in which the gas concentration in the gas phase part in the culture tank is controlled to be constant.
前記攪拌培養において、前記培養槽内の上部空間に位置する攪拌翼により前記培養液を攪拌する培養方法。 The culture method according to claim 10, wherein
In the stirring culture, a culture method in which the culture solution is stirred by a stirring blade located in an upper space in the culture tank.
前記静置培養及び前記攪拌培養のうち少なくとも一方において、前記培養槽内の培養液量を新鮮培地の補充により拡大し、培養液量が互いに異なる培養を行う培養方法。 The culture method according to claim 10, wherein
In at least one of the static culture and the agitated culture, a culture method in which the amount of culture liquid in the culture tank is expanded by supplementing with fresh medium, and cultures having different culture liquid amounts are performed.
前記静置培養及び前記攪拌培養のうち少なくとも一方において、前記培養槽内から前記培養液及び前記細胞を引き抜く共に、前記培養槽内に培養液を補充し、引き抜かれた前記培養液と前記細胞とを互いに分離し、分離された前記細胞を前記培養槽内に戻す灌流培養を行う培養方法。 The culture method according to claim 10, wherein
In at least one of the static culture and the agitation culture, together with drawing the culture solution and the cells from the culture tank, supplement the culture solution in the culture tank, and the culture solution and the cells withdrawn And a method of performing perfusion culture in which the separated cells are returned to the culture tank.
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