JP2020156351A - 培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業の手間を軽減可能な培養装置を提供すること。【解決手段】細胞の培養液である培地を供給して細胞を培養する培養装置１Ａは、細胞を播種可能な培養空間を含む培養カートリッジ２と、培養空間に培地を供給する供給経路と、培養空間を通過した培地を回収する回収経路と、を含んでおり、培養カートリッジ２は、着脱可能なように構成されており、装着時に供給経路及び回収経路に培養空間を接続するための接続部２０Ａ・Ｂを備えている。【選択図】図４

Description

本発明は、細胞の培養に用いられる培養装置に関する。

従来より、ｉＰＳ細胞やＥＳ細胞などの実用化に向けた研究が推進されている。この研究の目的のひとつは、細胞を培養し、その培養物を人に移植する再生医療の実現にある。このような再生医療の成否を分けるポイントのひとつは、細胞等の培養の確実性や精度にある。培養液である培地を満たした培養容器に細胞を播種して行われる培養中では、培地を適切に交換することで培養の精度を向上できる。

例えば下記の特許文献１では、培養容器内の培地を自動的に入れ替える培養装置が提案されている。この培養装置は、気密構造の培養容器の培地をポンプで排出しつつ新鮮な培地を供給することで培地の入れ替えを可能としている。この培養装置は、培養容器内の培地を自動的に入れ替えでき、培地交換の作業負担を軽減できるという優れた特性を備える装置である。

特開２０１７−７９６３３号公報

しかしながら、前記従来の培養装置では、次のような問題がある。すなわち、培地を自動的に入替可能である点で作業の手間を軽減できる一方、培養容器に細胞を収容する等の準備作業に手間がかかるという問題がある。

本発明は、前記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、作業の手間を軽減可能な培養装置を提供しようとするものである。

本発明は、細胞の培養液である培地を供給して細胞を培養する培養装置であって、
細胞を播種可能な培養空間を含む培養カートリッジと、
前記培養空間に培地を供給する供給経路と、
前記培養空間を通過した培地を回収する回収経路と、を含み、
前記培養カートリッジは、着脱可能であって、装着時に前記供給経路及び前記回収経路に前記培養空間を接続するための接続部を備えている培養装置にある。

本発明の培養装置は、着脱可能な培養カートリッジの培養空間に播種された細胞を培養する装置である。この培養装置では、培養カートリッジを装着したときに、培地の供給経路及び排出経路を培養空間に接続でき、細胞の培養が可能になる。本発明の培養装置では、培養の準備作業に際して、装置本体ではなく培養カートリッジを取り扱って細胞を播種できる。培地の供給経路や回収経路などが設けられた装置本体に比べ、培養カートリッジは小型である。比較的小型の培養カートリッジであれば、細胞を播種する準備作業を比較的容易に実施できる。そして、細胞が播種された培養カートリッジを装置本体に装着することで、細胞培養の準備作業をほぼ完了できる。

さらに本発明の培養装置では、細胞の培養が終了した後など、装置本体から培養カートリッジを取り外すことができる。培養カートリッジを装置本体から取り外しても、培養カートリッジの培養空間の中で細胞の培養状態をそのまま維持できる。例えば後工程の作業を実施するに当たっては、作業し易い場所に培養カートリッジを持ち運んで、後工程の作業を行うことも可能である。

以上の通り、本発明の培養装置は、作業を効率良く実施でき、作業の手間を軽減可能な優れた特性の装置である。

培養装置を示す図。 装置本体を示す図。 培養装置の電気的な構成を示すブロック図。 培養カートリッジの保持構造を示す説明図。 カートリッジホルダを示す図。 培養カートリッジの構造の説明図。 セルカルチャカートリッジを上流側から見込む斜視図。 セルカルチャカートリッジを下流側から見込む斜視図。 培養カートリッジの内部構造を示す断面図。 培養装置における空気及び培地の経路を示す説明図。

本発明の実施の形態につき、以下の実施例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
本例は、カートリッジ式の培養装置１Ａに関する例である。この内容について、図１〜図１０を用いて説明する。

培養装置１Ａ（図１）は、培養液である培地を細胞に供給し、細胞を培養する装置である。この培養装置１Ａは、培養カートリッジ２を装着可能な装置本体１と、装置本体１を制御するコントローラユニット５と、を含めて構成されている。例えば、環境を一定に保つための装置である図示しないインキュベータに収容された装置本体１は、制御ケーブル５０を介して電気的に接続された外部のコントローラユニット５によって制御される。

装置本体１（図１及び図２）は、培地を循環させるためのポンプ１１１、１１２等が収容された箱状のポンプＢＯＸ１１、培地を収容するボトル１３、及び培養カートリッジ２を収容するための空間である収容部１０等を備えている。なお、以下の説明において、長方形状を呈する装置本体１の上面のうちの長手方向を第１方向とし、短手方向を第２方向とする。

箱状のポンプＢＯＸ１１（図２）は、長方形状を呈する装置本体１の上面の１箇所の角部に寄せて配置され、第１方向及び第２方向に余地が生じるように配設されている。ポンプＢＯＸ１１に隣接する第１方向の余地に、上記の収容部１０が配置されている。ポンプＢＯＸ１１に隣接する第２方向の余地に、奥行方向に沿って２つのボトル１３が隣接して配置されている。なお、図２では、ポンプ１１１、１１２等の図示のため、ポンプＢＯＸ１１の蓋の図示を省略している。また、同図では、空気や培地の経路をなすチューブ等の図示を省略している。

２つのボトル１３のうちの一方は、培養カートリッジ２に培地を供給するための供給ボトル１３Ａである、もう一方は、培養カートリッジ２から排出された培地を回収するための回収ボトル１３Ｂである。供給ボトル１３Ａ及び回収ボトル１３Ｂは、ポンプＢＯＸ１１と同様、第１方向における片側に寄せて配置されている。これにより、第１方向における反対側に、収容部１０を設けるためのスペースが広く確保されている。

ポンプＢＯＸ１１（図２）には、第１ポンプ１１１や、第２ポンプ１１２や、電子基板１１３（図３）などが収容されている。第１ポンプ１１１は、外部から吸い込んだ空気（大気）を供給ボトル１３Ａに圧送するポンプである。第２ポンプ１１２は、回収ボトル１３Ｂの培地を供給ボトル１３Ａに還流させるためのポンプである。なお、第１ポンプ１１１及び第２ポンプ１１２に加えて、培養カートリッジ２を通過した培地を回収ボトル１３Ｂに回収するための第３のポンプを設けても良い。

電子基板１１３は、コントロールユニット５との間で各種の信号のやり取りをするための基板である（図３参照。）。この電子基板１１３は、コントロールユニット５の制御信号に基づいて第１ポンプ１１１や第２ポンプ１１２などを制御する。また、電子基板１１３は、供給ボトル１３Ａに配設された圧力センサ１３０（図３）や液面センサ１３１、回収ボトル１３Ｂに配設された液面センサ１３１等のセンサ信号を処理すると共に、センサ信号に基づく計測信号をコントロールユニット５に入力する。

箱状のポンプＢＯＸ１１の外周面には、図１及び図２のごとく、エア吐出ポート１１５、回収ボトル１３Ｂの培地を吸い込む吸込ポート１１７、供給ボトル１３Ａに向けて培地を吐出する吐出ポート１１６等が立設されているほか、各種のセンサ信号の信号線１１８等が貫通配置されている。なお、図２では、各ポートに接続されるシリコンチューブの図示を省略している。また、図１及び図２では、信号線１１８の電線を途中で破断し、取り回し態様の図示を省略している。

収容部１０は、上面から掘り下げられて凹状をなし、上面に向かう開口形状が第２方向に横長の長方形状をなしている。収容部１０の開口は、細胞の培養状態を観察可能とするための観察許容部の一例である。収容部１０の底面は、貫通窓１００が形成された有孔の底面となっている。貫通窓１００は、凹状の収容部１０の開口形状よりもひと回り小さい長方形状の窓である。この貫通窓１００は、細胞の培養状態を観察可能とするための観察許容部の一例をなしている。収容部１０の内側面と貫通窓１００との間には、棚状の底面１０１が形成されている。棚状の底面１０１は、培養カートリッジ２を保持するカートリッジホルダ２８の支持面となっている。

収容部１０の底面１０１の隅部には、図２のごとく、枠状のカートリッジホルダ２８の角部を位置決めするためのＬ字状の畝部１０３が設けられている。また、収容部１０の内側面のうち、第１方向に対面する内側面１０５には、シリコンチューブ１７８を貫通配置するためのチューブ孔１０６が６箇所ずつ穿設されている。なお、各チューブ孔１０６を貫通するシリコンチューブ１７８は、培養カートリッジ２に接続するためのチューブである。各シリコンチューブ１７８は、培養カートリッジ２に接続する際に引き出して接続作業を実施できるよう、長さに若干の余裕を持っている。

ポンプＢＯＸ１１側の内側面１０５に貫通配置された６本のシリコンチューブ１７８は、供給ボトル１３Ａの培地を培養カートリッジ２に供給するための供給経路をなしている。反対側の内側面１０５に貫通配置された６本のシリコンチューブ１７８は、培養カートリッジ２から排出された培地を回収ボトル１３Ｂに回収するための回収経路をなしている。

供給経路をなす６本のシリコンチューブ１７８は、装置本体１の内部に設けられた上流側の七方継手１７Ａ（図１０）に接続されている。また、回収経路をなす６本のシリコンチューブ１７８は、装置本体１の内部に設けられた下流側の七方継手１７Ｂ（図１０）に接続されている。上流側の七方継手１７Ａには、供給経路をなす６本のシリコンチューブ１７８に加えて、供給ボトル１３Ａから延設された供給経路をなすシリコンチューブ１７８が接続されている。下流側の七方継手１７Ｂには、回収経路をなす６本のシリコンチューブ１７８に加えて、回収ボトル１３Ｂから延設された回収経路をなすシリコンチューブ１７８が接続されている。なお本例では、装置本体１の筐体として樹脂成形品を採用すると共に、筐体の樹脂成形の際、七方継手１７Ａ・Ｂをなす継手構造を同時に成形している。

カートリッジホルダ２８（図４及び図５）は、６つの培養カートリッジ２を並列して保持するためのホルダである。カートリッジホルダ２８は、長方形の４辺に沿って設けられた外周側壁２８２Ａ・Ｂと、外周側壁２８２Ａ・Ｂの付け根をなす環状の底部２８１と、による枠状を呈している。環状の底部２８１の内周側には、収容部１０の貫通窓１００と同形状の貫通窓２８０が形成されている。枠状のカートリッジホルダ２８の上方の開口、及び貫通窓２８０は、細胞の培養状態の観察を可能にする観察許容部の一例をなしている。

カートリッジホルダ２８は、４箇所の角部がそれぞれ、収容部１０の底面１０１のＬ字状の畝部１０３の内側に位置する状態で位置決めされる。このようにカートリッジホルダ２８が位置決めされた状態では、カートリッジホルダ２８の貫通窓２８０が収容部１０の貫通窓１００と一致する。また、カートリッジホルダ２８の外周側壁２８２Ａ・Ｂのうちの第２方向に沿う外周側壁２８２Ａは、収容部１０の内側面１０５と隙間を空けた状態となる。

矩形枠状のカートリッジホルダ２８の外周側壁２８２Ａ・Ｂのうち、図４及び図５のごとく、第２方向に沿う両側の外周側壁２８２Ａには、底部２８１に至る高さ方向のスリット２８２Ｓが設けられている。スリット２８２Ｓは、第２方向における等間隔の６箇所に設けられている。外周側壁２８２Ａは、底部２８１に至るスリット２８２Ｓによって分断された側壁片２８２Ｐにより構成されている。なお、スリット２８２Ｓ及び側壁片２８２Ｐの位置は、両側の外周側壁２８２Ａで相違し互い違いになっている。

両側の外周側壁２８２Ａの互い違いの側壁片２８２Ｐでは、第２方向における形成範囲が重複し第１方向において互いに対面する対面箇所が複数、生じている。両側の側壁片２８２Ｐの各対面箇所には、第２方向における位置が一致するように仕切り２８５が設けられている。仕切り２８５は、カートリッジホルダ２８の内側空間を６つの空間２８８（図５）に均等に分割できるよう、第２方向における等間隔の５箇所に設けられている。分割された各空間２８８は、培養カートリッジ２を収容するための空間である。各空間２８８の正面形状は、培養カートリッジ２の正面形状と略一致している。また、６分割された各空間２８８の両端側の外周側壁２８２Ａには、スリット２８２Ｓが１箇所ずつ互い違いに位置している。

培養カートリッジ２は、図６のごとく、着脱可能なサブカートリッジの一例であるセルカルチャカートリッジ３を備えている。培養カートリッジ２では、供給経路をなす上流側のシリコンチューブ１７８を接続するポート２０Ａ（接続部の一例）が設けられたホルダ２Ａと、回収経路をなす下流側のシリコンチューブ１７８を接続するポート２０Ｂ（接続部の一例）が設けられたホルダ２Ｂと、によりセルカルチャカートリッジ３が挟み込まれている。ホルダ２Ａ及びホルダ２Ｂの相互に対面する当接面２００には、柱状のマグネット２０１が埋設されている。ホルダ２Ａとホルダ２Ｂとは、マグネット２０１の磁力によって磁気的に吸着されて接合される。

ホルダ２Ａ・Ｂ及びセルカルチャカートリッジ３は、いずれも、透明なアクリル樹脂の成形品である。なお、ホルダ２Ａ・Ｂ及びセルカルチャカートリッジ３の材質としては、ポリカーボネート、ポリスチレン等を採用しても良い。ホルダ２Ａ・Ｂ及びセルカルチャカートリッジ３は、透明か半透明の状態であると良い。この場合には、ホルダ２Ａ・Ｂ及びセルカルチャカートリッジ３の透明あるいは半透明な側面は、細胞の観察を可能にする観察許容部の一例をなし、細胞の培養状態を外部から観察可能となり便利である。

セルカルチャカートリッジ３（図６〜図８）は、扁平な筒状をなし、内部に培養空間３０が形成される部材である。筒状のセルカルチャカートリッジ３の一方の端部をなす開口端には、細胞を保持可能である一方、培地が通過可能なフィルタの一例をなす多孔膜３９が設けられている。この多孔膜３９は、筒状のセルカルチャカートリッジ３の端部に貼り付けられており、剥して取り外すことも可能である。

セルカルチャカートリッジ３の外周面には、筒方向の途中に鍔状のフランジ３２が設けられている。フランジ３２の両側には、セルカルチャカートリッジ３の外周面に対して直交するシール面３２Ｖが形成されている。セルカルチャカートリッジ３が培養カートリッジ２に組み込まれた状態では、シール面３２Ｖに接する状態でＯリング３００が組み付けられ、培養空間３０の液密状態が実現される。

ホルダ２Ａは、図９のごとく、供給経路をなすシリコンチューブ１７８（図１、図２参照。）を接続するポート２０Ａを有している。ホルダ２Ａは、ホルダ２Ｂと対面する表面である当接面２００に４箇所の凹部２２を有している。凹部２２は、セルカルチャカートリッジ３の多孔膜３９とは反対側の開口側の端部を収容するための凹部である。凹部２２は、浅底のフランジ収容部２２１と、フランジ収容部２２１よりもひと回り小さい深底の筒収容部２２２と、による二段構造を呈する。フランジ収容部２２１は、セルカルチャカートリッジ３のフランジ３２を収容する凹部である。筒収容部２２２は、セルカルチャカートリッジ３の端部を収容する凹部である。フランジ収容部２２１の底面２２１Ｓは、フランジ３２に組み付けられたＯリング３００に接して液密性を実現するためのシール面として機能する。

筒収容部２２２の底面には、ポート２０Ａに連通する孔２２０が開口している。さらに、この孔２２０には、ガス抜き経路２２８が連通している。このガス抜き経路２２８は、ホルダ２Ａの外周面に穿設された空気孔２２９を介して外部に連通している。空気孔２２９には、ガスが通過可能である一方、培地が通過できない部材の一例をなすフィルタ２２９Ｆが設けられている。通気性と液密性を併せ持つフィルタ２２９Ｆによれば、培養カートリッジ２に最初に培地を供給する際、培地を漏出させることなく、培養空間３０に残留していたガスを空気孔２２９から排出できる。

ホルダ２Ｂ（図９）は、回収経路をなすシリコンチューブ１７８（図１、図２参照。）を接続するポート２０Ｂを有している。ホルダ２Ｂは、ホルダ２Ａ側の４箇所の凹部２２に個別に対応する凹部２４を有している。凹部２４は、セルカルチャカートリッジ３の多孔膜３９を設けた側の端部を収容するための凹部である。凹部２４の底面には、ポート２０Ｂに連通する孔２４０が開口している。

装置本体１では、図１０のごとく、培養空間３０に培地を供給するため、空気の経路及び培地の経路が設けられている。培地の経路としては、培養空間３０に培地を供給する供給経路１０Ｓと、培養空間３０を通過した培地を回収する回収経路１０Ｋと、回収ボトル１３Ｂに回収された培地を供給ボトル１３Ａに戻すリサイクル経路１０Ｒと、がある。

空気の経路１０Ｔは、第１ポンプ１１１が供給ボトル１３Ａに空気を送る経路である。第１ポンプ１１１の吸入側は外部に至る経路に接続され、大気に開放されている。第１ポンプ１１１の吐出側は、エアフィルタを介して供給ボトル１３Ａの内部に至る経路に接続されている。装置本体１では、第１ポンプ１１１の吐出圧によって供給ボトル１３Ａの内圧が高められ、この内圧により培養空間３０に向けて培地が圧送される。なお、供給ボトル１３Ａの内圧は、圧力センサ１３０（図３）により計測されて制御される。

供給ボトル１３Ａと培養空間３０との間に形成された供給経路１０Ｓには、上流側の七方継手１７Ａが介設されている。供給経路１０Ｓは、七方継手１７Ａを介して６系統に分岐し、カートリッジホルダ２８に並列して保持される６つの培養カートリッジ２のポート２０Ａに接続されている。

培養空間３０と回収ボトル１３Ｂとの間に形成された回収経路１０Ｋには、下流側の七方継手１７Ｂが介設されている。カートリッジホルダ２８に並列して保持されている６つの培養カートリッジ２に個別に対応する６系統の回収経路１０Ｋは、七方継手１７Ｂを介して１系統に集められて回収ボトル１３Ｂに至っている。

回収ボトル１３Ｂから供給ボトル１３Ａに至るリサイクル経路１０Ｒには、第２ポンプ１１２が介設されている。第２ポンプ１１２は、回収ボトル１３Ｂに貯留された培地を吸い込み、供給ボトル１３Ａに向けて吐出する。なお、本例の構成とは相違し、回収ボトル１３Ｂに回収された培地を再利用せず廃棄する構成を採用することも可能である。これに対して、回収ボトル１３Ｂに回収された培地を供給ボトル１３Ａに戻して再利用する本例の構成によれば、培地の量に対して培養作業を長く継続できる。培地が汚れた時点で培地を交換することで、培地の効率的な利用が可能になる。

次に、以上のような構成の培養装置１Ａを利用して細胞を培養するための手順について説明する。
培養装置１Ａを利用して細胞を培養するためには、まず、セルカルチャカートリッジ３に細胞を播種する必要がある。例えば、細胞を保持するコラーゲンや寒天などのゲルを培養空間３０に充填することで、セルカルチャカートリッジ３に細胞を播種できる。細胞を保持する足場材としてのゲルは、培養空間３０の底面をなす多孔膜３９によって培養空間３０に保持される。

培養カートリッジ２は、同時に４つのセルカルチャカートリッジ３を並列的に保持可能である。培養カートリッジ２を組み立てる際には、細胞が播種されていると共に、フランジ３２の両側にＯリング３００が装着されたセルカルチャカートリッジ３を４つ準備する。ホルダ２Ａ・Ｂによって４つのセルカルチャカートリッジ３を挟み込むようにして一体化し、培養カートリッジ２を組み立てる。培養カートリッジ２の組み立て状態は、ホルダ２Ａ・Ｂのマグネット２０１の磁力により確実性高く保持できる。

培養カートリッジ２では、ホルダ２Ａのフランジ収容部２２１の底面２２１Ｓと、セルカルチャカートリッジ３のフランジ３２と、の間で適度に潰れたＯリング３００によってホルダ２Ａから培養空間３０に供給される培地の漏れが防止される。また、ホルダ２Ｂの凹部２４の周囲の面（当接面２００）と、セルカルチャカートリッジ３のフランジ３２と、の間で適度に潰れたＯリング３００によって、培養空間３０を通過した培地が漏れることなくホルダ２Ｂに供給される。

次に、培養カートリッジ２をカートリッジホルダ２８にセットする。上記のように、枠状のカートリッジホルダ２８の内側空間は、内部に設けられた仕切り２８５によって均等な６つの空間２８８に分割されている。この空間２８８に培養カートリッジ２を収容すれば、仕切り２８５によって培養カートリッジ２の高さ方向（ホルダ２Ａとホルダ２Ｂとが対面する方向）の寸法を規制でき、その組立状態を一層確実性高く保持できる。

カートリッジホルダ２８には、６つの培養カートリッジ２を同時にセット可能である。６つの培養カートリッジ２がセットされたカートリッジホルダ２８を準備した後、収容部１０の内側面１０５を貫通するシリコンチューブ１７８を培養カートリッジ２の両側に突出するポート２０Ａ・Ｂに接続する。上流側に当たるホルダ２Ａの各ポート２０Ａには、ポンプＢＯＸ１１側の内側面１０５に露出する６本のシリコンチューブ１７８を接続する。下流側に当たるホルダ２Ｂの各ポート２０Ｂには、反対側の内側面１０５に露出する６本のシリコンチューブ１７８を接続する。

このようにカートリッジホルダ２８を介して６つの培養カートリッジ２が装着された装置本体１を、図示しないインキュベータに収容すると共に、外部のコントロールユニット５から延設された制御ケーブル５０を装置本体１に接続する。これにより、コントロールユニット５からポンプ１１１、１１２等を制御でき、セルカルチャカートリッジ３の培養空間３０に培地を供給できる。

培地の供給を開始する際、コントロールユニット５は、まず、供給ボトル１３Ａに空気を圧送する第１ポンプ１１１の動作を開始させ、供給ボトル１３Ａの内圧を高めるように第１ポンプ１１１を制御する。供給ボトル１３Ａの内圧が高くなると、供給ボトル１３Ａに貯留された培地が培養カートリッジ２に向けて押し出されて圧送される。

供給ボトル１３Ａから圧送された培地は、七方継手１７Ａによって６系統に分岐し、シリコンチューブ１７８を経由して各培養カートリッジ２のホルダ２Ａに流入する。ここで、ホルダ２Ａの筒収容部２２２に培地を供給する孔２２０には、ガス抜き経路２２８が連通している。ホルダ２Ａに培地が流入したとき、ホルダ２Ａの筒収容部２２２や、セルカルチャカートリッジ３の培養空間３０などに存在していたガスは、培地の流入に応じてガス抜き経路２２８を経由し外部に放出される。なお、ガスを放出するためにホルダ２Ａの外周面に穿孔された空気孔２２９には、通気性と液密性を併せ持つフィルタ２２９Ｆが設けられている。そのため、この空気孔２２９から培地が漏れ出すことはない。

培養空間３０に供給された培地は、培養空間３０を通過した後、ホルダ２Ｂのポート２０Ｂを経て下流側の七方継手１７Ｂに流入する。この七方継手１７Ｂには、６つの培養カートリッジ２の各ポート２０Ｂに接続された６本のシリコンチューブ１７８が接続されている。各培養カートリッジ２から流れ出た培地は、七方継手１７Ｂによって１系統に集められ、回収ボトル１３Ｂに至る。また、回収ボトル１３Ｂに回収された培地は、第２ポンプ１１２によって吸引されて供給ボトル１３Ａに戻される。供給ボトル１３Ａに戻った培地は、再度、培養カートリッジ２に供給されて細胞の培養に利用される。培養装置１Ａでは、このような培地の循環により細胞の培養を継続的に実施可能である。培地を循環させれば、高価な消耗品である培地の消費量を低減でき、培養コストを低減できる。

ここで、本例の培養装置１Ａにおける培養カートリッジ２は、枠状をなし上面側及び下面側が開放されているカートリッジホルダ２８によって水平方向に沿って横向きに保持されている。装置本体１において、このカートリッジホルダ２８は、底面に比較的大きな貫通窓１００が設けられた収容部１０に収容されている。また、培養カートリッジ２をなすホルダ２Ａ・Ｂ、及びセルカルチャカートリッジ３は、いずれも透明な樹脂材料によって成形されている。

培養装置１Ａでは、細胞の培養中においても培養カートリッジ２の上方および下方から培養空間３０に播種された細胞を観察できる。また、培養カートリッジ２は、カートリッジホルダ２８ごと取り外し可能である。装置本体１からカートリッジホルダ２８を取り外せば、培養中の細胞の観察が一層容易になる。さらに、本例の培養装置１Ａでは、カートリッジホルダ２８から培養カートリッジ２を１つずつ取り外しできる。６つの培養カートリッジ２のうちのいずれかを取り外し、培養中の細胞を観察することも可能である。６つの培養カートリッジ２のうちのいずれかのみの入替も可能である。

装置本体１から取り外されたカートリッジホルダ２８に保持された状態、あるいはカートリッジホルダ２８から取り外した状態の培養カートリッジ２では、培養空間３０の細胞を容易に観察でき、例えば顕微鏡などの観察台への載置も容易である。本例では、透明なホルダ２Ａ・Ｂ、セルカルチャカートリッジ３を採用することで、培養空間３０の内部の観察を可能としている。なお、ホルダ２Ａ・Ｂ、セルカルチャカートリッジ３は、透明であることは必須の要件ではない。これらの部材が透光性を有していれば、外部から培養空間の細胞を視覚的に観察可能である。

さらに、本例の培養装置１Ａでは、ホルダ２Ａ・Ｂを分離することで培養カートリッジ２を分解でき、セルカルチャカートリッジ３を取り外すことが可能である。培養カートリッジ２を構成するホルダ２Ａ・Ｂは、磁気的に吸着されているだけなので、簡単に分離できセルカルチャカートリッジ３を取り外しできる。セルカルチャカートリッジ３単体の状態であれば、一層容易に培養空間３０の細胞の状態を観察でき、例えば顕微鏡などの観察台への載置も一層容易である。培養カートリッジ２には、４つのセルカルチャカートリッジ３が保持されているが、いずれか一部のセルカルチャカートリッジ３のみの入替も可能である。

装置本体１では、細胞培養中の培養空間３０を上面側、及び下面側から観察可能である。例えば、収容部１０の下側に照明等の光源を配置すれば、透過光を利用して細胞を観察できる。装置本体１ごと、顕微鏡などの観察台にセットすることも可能である。収容部１０の貫通窓１００を利用すれば、観察対象を挟んで対物レンズと反射鏡等とを位置させる必要がある、いわゆる生物顕微鏡による観察が可能である。収容部１０の貫通窓１００を利用すれば、細胞が播種された培養空間３０の下方に位置する反射鏡等で反射された光を、培養空間３０の上方に位置する対物レンズに入射できる。本例の培養装置１Ａでは、培地の流れ方向に対して直交する上方あるいは下方からの細胞の観察を可能にする観察許容部が形成されており、培養中の細胞の断面構造の観察が可能である。

培養空間３０で培養された細胞を採取するに当たっては、例えば、開口端の多孔膜３９を剥がした上、注射器の押し子のような部材を培養空間３０に挿入し、足場材としてのゲルごと細胞を押し出したり、一方の開口端から細胞を保持するゲルを吸い出すことが可能である。このようにセルカルチャカートリッジ３では、培養空間３０の筒方向に沿ってゲルを取り出すことができるので、培養空間３０の層構造を維持したまま細胞を取り出し可能である。培養装置１Ａによれば、培養状態に極めて近い状態で細胞を採取可能である。

培養装置１Ａでは、供給ボトル１３Ａの内圧を高くすることで培養空間３０に向けて培地を圧送でき、培養空間３０の筒方向に培地の液圧を作用できる。このように培養空間の筒方向に培地の液圧を作用すれば、培地の液圧を細胞に作用でき、細胞を透過する培地の流れを形成できる。例えば多層階層の細胞の中間層あるいは下層の細胞に対しても確実性高く培地を供給できるようになり、内側層の細胞の壊死などを回避できる。培養装置１Ａは、細胞が多層構造をなす組織の培養にも好適な装置である。

一方、例えばシャーレ等の容器の底面に細胞を静置して培養する従来の一般的な培養方法において、培地の上清のみ継続的に交換するだけの灌流培養方式では、組織や細胞塊の深部まで培地を充分に供給できない可能性が高い。それ故、この培養方法では、細胞を維持できる期間を十分に確保できない可能性が高い。また、細胞は底面に沿って広がる性質があるため、この培養方法では、細胞を透過する方向に培地の流れを発生させることが難しく、細胞が多層構造をなす組織の培養等には不向きである。

これに対して、本例の培養装置１Ａによる培養方法では、筒状のセルカルチャカートリッジ３の下流側の開口端に多孔膜３９を設けて柱状の培養空間３０の底面としている。培養装置１Ａでは、筒状のセルカルチャカートリッジ３の筒方向に沿って培地が通過し、培養空間３０に保持された細胞を透過する培地の流れが形成される。それ故、この培養装置１Ａでは、細胞の深部まで培地を供給することが可能となり、長期に亘る細胞の安定維持が可能となる。

例えば、肝臓細胞の代謝においては、星細胞、類洞内皮細胞、肝実質細胞の順番で積層した３種類の細胞に対し、この順に培地を流さないと正常に胆汁を生成できない可能性がある。このように細胞を透過する方向の流れを実現すれば、より生体（in vivo）に近づけた環境下での培養を可能にできる。筒状のセルカルチャカートリッジ３において、播種された細胞の種類が異なる複数種類のゲルの多層構造を、培養空間３０に形成すると良い。

培養装置１Ａでは、培養空間３０に播種された細胞に培地の液圧を作用することが可能である。細胞に圧力を加えれば、厚みのある血管付き組織でも組織深部まで培地を供給する灌流を発生でき、より生体に近い条件での培養を実現できる。作用する圧力を制御すれば、血管付き組織を透過する培地の液量の調整が可能となる。これにより、最適条件下での培養が可能になる。
このように培養装置１Ａは、肝臓細胞による階層組織の構築や、血管を有するがん細胞の構築や、皮膚組織、ｉＰＳ細胞等多能性幹細胞への応用等が可能な有用な装置である。

培養装置１Ａでは、培養空間３０に対する培地の供給源である供給ボトル１３Ａの内圧を調整することで、細胞を透過する培地の液圧や流量を調整できる。培地の液圧や流量をきめ細かく調整すれば、培養の精度を高めて確実性を向上できる。特に、培養装置１Ａでは、比較的大きな液圧を細胞に作用できるため、例えば１ｍｍ程度で比較的厚く透過抵抗の大きな組織に対しても培地を供給できる。

細胞を播種するための足場材としてコラーゲンや寒天等を利用することもある。透過抵抗の高い寒天を足場材に利用した場合には、培地が透過し難くなる。一方、本例の培養装置１Ａによれば、培地を外部から加圧することで比較的高い液圧を実現でき、寒天など透過抵抗の高い足場材を採用した場合であっても培地が透過できる。

培養装置１Ａでは、供給ボトル１３Ａの内圧を調整することで、培養空間３０に供給する培地の液圧の制御が可能である。例えば供給ボトル１３Ａの内圧を周期的に昇降すれば、脈動をもたせて心臓の拍動、血圧の脈動を模した液圧の制御も可能である。血圧の脈動を模擬した圧力変動を生じさせる制御を行えば、血圧の脈動の影響下の細胞を精度高く培養できる。

なお、回収ボトル１３Ｂあるいは供給ボトル１３ＡにｐＨセンサを設けることも良い。例えばｐＨセンサにより培地のｐＨ低下が検出されたとき、供給ボトル１３Ａへの循環あるいは培養カートリッジ２への供給を停止すると良い。また、ｐＨ低下が検出されたときに点灯し、培地の交換の必要性を報知するランプを設けることも良い。

本例では、培養空間３０の細胞の観察を可能にするための観察許容部として、視覚的あるいは光学的な観察を可能とするための構成を例示している。具体的には、上面が開放された収容部１０の開口や、収容部１０の底面の貫通窓１００や、枠状のカートリッジホルダ２８の底面の貫通窓２８０や、透明樹脂により形成されたホルダ２Ａ・Ｂやセルカルチャ―カートリッジ３の側面など、が観察許容部を構成している。上面が開放された収容部１０の開口や、収容部１０の底面の貫通窓１００や、枠状のカートリッジホルダ２８の底面の貫通窓２８０などの観察許容部については、貫通する構造は必須ではなく良く、光学的に観察が可能な程度に光を透す構造であれば良い。透明樹脂により形成されたホルダ２Ａ・Ｂの側面がなす観察許容部については、貫通構造の窓であっても良く、培養空間３０の液密状態を確保できれば良い。本例に代えて、例えば、電子顕微鏡やＸ線顕微鏡などで細胞を観察する場合には、プローブとしての電子線やＸ線の透過率が高くなるように構成された部位を観察許容部として設けると良い。

本例では、培養カートリッジ２をセットしたカートリッジホルダ２８を収容部１０に収容する際、手作業によって培養カートリッジ２のポート２０Ａ・Ｂにシリコンチューブ１７８を接続する構成を例示している。これに代えて、カートリッジホルダ２８を収容部１０に装着すると、ポート２０Ａが自動的に供給経路１０Ｓに接続され、ポート２０Ｂが自動的に回収経路１０Ｋに接続されるように構成することも良い。

以上、実施例のごとく本発明の具体例を詳細に説明したが、これらの具体例は、特許請求の範囲に包含される技術の一例を開示しているにすぎない。言うまでもなく、具体例の構成や数値等によって、特許請求の範囲が限定的に解釈されるべきではない。特許請求の範囲は、公知技術や当業者の知識等を利用して前記具体例を多様に変形、変更あるいは適宜組み合わせた技術を包含している。

１ 装置本体
１Ａ 培養装置
１０ 収容部
１０Ｓ 供給経路
１０Ｋ 回収経路
１００ 貫通窓（観察許容部）
１１ ポンプＢＯＸ
１１１ 第１ポンプ
１１２ 第２ポンプ
１３Ａ 供給ボトル
１３Ｂ 回収ボトル
２ 培養カートリッジ
２Ａ・Ｂ ホルダ
２０Ａ・Ｂ ポート（接続部）
２２８ ガス抜き経路
２２９Ｆ フィルタ
２８ カートリッジホルダ
２８０ 貫通窓（観察許容部）
３ セルカルチャカートリッジ（サブカートリッジ）
３０ 培養空間
３９ 多孔膜（フィルタ）

Claims (6)

1. 細胞の培養液である培地を供給して細胞を培養する培養装置であって、
   細胞を播種可能な培養空間を含む培養カートリッジと、
   前記培養空間に培地を供給する供給経路と、
   前記培養空間を通過した培地を回収する回収経路と、を含み、
   前記培養カートリッジは、着脱可能であって、装着時に前記供給経路及び前記回収経路に前記培養空間を接続するための接続部を備えている培養装置。
2. 請求項１において、前記培養カートリッジは、着脱可能なサブカートリッジを含み、前記培養空間は、前記サブカートリッジに設けられている培養装置。
3. 請求項１または２において、装着状態の前記培養カートリッジの前記培養空間に播種された細胞の観察を可能とする観察許容部を備えている培養装置。
4. 請求項３において、前記観察許容部は、少なくとも、前記培養空間を培地が通過する方向に対して直交する方向から細胞を観察できるように設けられている培養装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項において、前記培養空間は柱状をなす空間であって、該培養空間の柱方向の一方の端部には、細胞を保持可能である一方、培地が通過可能なフィルタが取り外し可能に配設されている培養装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項において、前記培養空間にはガスを排出するためのガス抜き経路が連通しており、該ガス抜き経路には、ガスが通過可能である一方、前記培地が通過できない部材が設けられている培養装置。

Images