JP2021151257A - 細胞観察システムおよび細胞観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】細胞の品質を簡易に評価することができる細胞観察システムを提供する。【解決手段】細胞を培養する培養容器Ｃ内の画像を経時的に取得する培養観察装置３と、培養観察装置３により取得された各画像に基づいて、培養容器Ｃ内で培養されている細胞の培養状況を定量的に解析し、得られたデータを統計解析する細胞解析部と、細胞解析部により得られた複数の継代周期内における培養容器Ｃ内の統計解析結果を対比可能に表示するモニタ７とを備え、モニタ７が、統計解析結果として、各継代周期内における細胞の倍加時間を示す定量的な指標を表示する細胞観察システム１である。【選択図】図１

Description

本発明は、細胞観察システムに関するものである。

従来、細胞の培養には、細胞がコンフルエントになる度にインキュベータから培養容器を取り出して、培養容器から細胞を剥がして希釈し、新たな培養容器に播種して培養する工程、すなわち継代が繰り返される。通常、培養細胞は継代を多数回繰り返すと増殖能が低下するなどの劣化が生じ、そのような劣化した細胞は試験結果に影響を与える場合がある。

そのため、試験に使用する細胞としては品質が安定したものが望まれ、品質を評価する何らかの指標があることが望ましい。例えば、特許文献１に記載の培養細胞評価装置は、細胞の形態的特徴を指標にして細胞を分類して、細胞の劣化を評価している。

国際公開第２０１１／０２１３９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の培養細胞評価装置による評価は、複雑なアルゴリズムが必要であり、作業が煩雑で手間が掛かるという問題がある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、細胞の品質を簡易に評価することができる細胞観察システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、細胞を培養する培養容器内の画像を経時的に取得する画像取得部と、該画像取得部により取得された各前記画像に基づいて、前記培養容器内で培養されている前記細胞の培養状況を定量的に解析する画像解析部と、該画像解析部により解析したデータを統計解析する統計解析部と、該統計解析部により得られた複数の継代周期内における前記培養容器内の統計解析結果を対比可能に表示する表示部とを備え、前記表示部が、前記統計解析結果として、各前記継代周期内における前記細胞の倍加時間を示す定量的な指標を表示する細胞観察システムである。

本態様によれば、画像取得部により培養容器内の画像を経時的に取得して、画像解析部により、その各画像に基づいて、培養容器内の細胞の培養状況を定量的に解析し、その解析したデータを統計解析部により統計解析することで、培養容器内で培養されている細胞の数の移り変わりが分かる。ここで、継代を繰り返すと細胞は劣化し、劣化した細胞は増殖能力が低下する。

この場合において、表示部により、統計解析部によって得られた複数の継代周期内における培養容器内の統計結果を対比可能に表示することで、複雑なアルゴリズムを要することなく、各継代周期間の細胞の増殖能力の変化を視認することができる。これにより、簡易な作業で手間を掛けずに細胞の品質を評価することができる。

上記態様においては、前記表示部が、前記統計解析結果として、各前記継代周期内における前記細胞の増殖曲線を表示することとしてもよい。
継代を繰り返すことにより細胞が劣化して増殖能力が低下してくると、増殖曲線の上昇カーブが緩やかになる。このように構成することで、表示部に表示される増殖曲線の傾きにより、各継代周期の細胞の増殖能力の変化を一見して把握することができる。

上記態様においては、前記表示部が、複数の前記継代周期の前記増殖曲線を重ね合わせて表示することとしてもよい。
このように構成することで、注目する複数の継代周期の細胞の増殖能力の違いを一見して把握することができる。

上記態様においては、前記継代周期ごとの前記細胞の数の時間変化を比較して、前記細胞の増殖率の変化を出力する比較部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、比較部により、継代周期ごとの細胞の増殖能力の変化を簡易に把握することができ、ユーザが比較する手間を省くことができる。

上記態様においては、前記継代周期における前記細胞の増殖率に基づいて、前記細胞の品質を評価する品質評価部を備えることとしてもよい。
このように構成することで、品質評価部により、所望の品質を有する継代周期の細胞と所望の品質を有しない継代周期の細胞とに簡易に分けることができる。
上記態様においては、前記表示部が、複数の前記継代周期の前記増殖曲線を時間軸に沿って直列に表示することとしてもよい。

本発明に係る細胞観察システムによれば、細胞の品質を簡易に評価することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る細胞観察システムを示す概略構成図である。 図１の培養観察装置を示す縦断面図である。 図１のＰＣ本体のブロック図である。 モニタに時系列順に表示した各継代周期の増殖曲線の一例を示す図である。 一の継代周期内における細胞の数の増殖曲線の一例を示す図である。 図２の培養観察装置の変形例を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る細胞観察システムの培養観察装置を示す縦断面図である。 本発明の第３実施形態に係る細胞観察システムの培養観察装置を示す縦断面図である。 図８の培養観察装置の内部構造を示す平面図である。 本発明の第４実施形態に係る細胞観察システムの培養観察装置を示す部分的な縦断面図である。 図１０の培養観察装置の光源部におけるＬＥＤ光源の配置の一例を示す平面図である。 図１０の培養観察装置の変形例であって、遮光部材により照明光を制限する場合を示す部分的な縦断面図である。 図１２の遮光部材の例であって、（ａ）円形の単一の開口部を有する場合、（ｂ）開口部の径方向位置が（ａ）とは異なる場合、（ｃ）開口部を２つ備える場合をそれぞれ示す平面図である。 図１２の遮光部材の他の例であって、（ａ）扇形状の開口部を有する場合、（ｂ）円環状の開口部を有する場合をそれぞれ示す平面図である。 図１０の培養観察装置の他の変形例を示す部分的な縦断面図である。 図１０の培養観察装置の他の変形例を示す部分的な縦断面図である。 図１０の培養観察装置の他の変形例を示す部分的な縦断面図である。

〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る細胞観察システムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム１は、図１に示すように、細胞Ａを培養して画像を経時的に取得可能な培養観察装置（画像取得部）３と、培養観察装置３により取得された画像を処理するＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）本体５と、培養観察装置３により取得された画像やＰＣ本体５により画像を処理して得られた処理結果等を表示するモニタ（表示部）７とを備えている。符号９はインキュベータを示している。

培養観察装置３は、図２に示されるように、培養すべき細胞Ａを培養液Ｂとともに収容した培養容器Ｃを搭載するベース１１と、ベース１１に設けられた光源部１３、撮像部１５、送信部１７および制御部１９とを備えている。

培養容器Ｃは、例えば、細胞培養用のフラスコであって、光学的に透明な材質からなっている。符号Ｃ１は、培養容器Ｃの底面を示している。
ベース１１は、図２に示されるように、培養容器Ｃの下面を密着させる光学的に透明な材質からなる搭載面１１ａと、搭載面１１ａから直立して設けられ搭載面１１ａに搭載した培養容器Ｃの一側面を密着させる突当面１１ｂとを備えている。インキュベータ９の内部は多湿状態となるので、ベース１１は防水構造となっている。

光源部１３は、突当面１１ｂに配置され、搭載面１１ａから所定の間隔をあけて、かつ、搭載面１１ａに平行な方向に複数配列されたＬＥＤ光源１３ａを備えている。各ＬＥＤ光源１３ａから射出される照明光の光軸１３ｂは、搭載面１１ａに対して略平行となるように設定されている。

撮像部１５は、ベース１１内部の搭載面１１ａの下方に配置された集光レンズ１５ａと、集光レンズ１５ａにより集光された光を撮影して画像を取得する撮像素子１５ｂとを備えている。撮像素子１５ｂも、集光レンズ１５ａを挟んで搭載面１１ａとは反対側に配置されるとともに、集光レンズ１５ａの光軸１５ｃ上に配置されている。

送信部１７は、撮像素子１５ｂにより取得されてきた画像を無線によって外部に送信するようになっている。
制御部１９は、例えば、図示しないタイマーを備えており、定期的に光源部１３、撮像部１５および送信部１７を作動させるようになっている。

ＰＣ本体５は、図３に示すように、送信部１７から送信された画像を受信する受信部２１と、受信部２１により受信された画像に基づいて、培養容器Ｃ内で培養されている細胞Ａの培養状況を定量的に解析し、得られたデータを統計解析する細胞解析部（画像解析部、統計解析部）２３とを備えている。

細胞解析部２３は、培養容器Ｃ内で培養されている細胞Ａの数を従来技術により計数するようになっている。また、細胞解析部２３は、計数した細胞数を時間軸に対してプロットして、各継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞Ａの数の時間変化を表す増殖曲線を作成するようになっている。継代作業を行った後から次の継代作業までの期間を一の継代周期とする。細胞解析部２３により生成された各継代周期の細胞数の増殖曲線は、細胞Ａの数に関する情報としてモニタ７に送られるようになっている。

モニタ７は、細胞解析部２３から送られてくる細胞Ａの数に関する情報に基づいて、複数の継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞数の時間変化（統計解析結果）を対比可能に表示するようになっている。

例えば、図４に示すように、モニタ７は、細胞解析部２３から送られてくる各継代周期の細胞数の増殖曲線を時系列順に表示するようになっている。図４に示す例では、一の継代周期を３日間として、１日目から２１日目まで継代を繰り返して得られた各継代周期の増殖曲線を時間軸に沿って直列に配置している。

また、モニタ７は、時系列順に表示した各継代周期の増殖曲線の内、操作者（ユーザ）が指定する複数の継代周期の増殖曲線を重ね合わせて表示することができるようになっている。図４に示す例では、１０日目から１２日目までの継代周期ａの増殖曲線と、１９日目から２１日目までの継代周期ｂの増殖曲線とを重ね合わせて表示している。

このように構成された本実施形態に係る細胞観察システム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム１を用いて細胞Ａの培養状態を観察するには、培養すべき細胞Ａおよび培養液Ｂを収容した培養容器Ｃを、その下面がベース１１の搭載面１１ａに密着し、一側面がベース１１の突当面１１ｂに突き当たるようにベース１１に搭載する。

この状態で、培養容器Ｃを搭載した培養観察装置３をインキュベータ９内に収容し、搭載面１１ａが水平となるように配置することにより、インキュベータ９内の温度および湿度が管理された環境下で培養容器Ｃ内の細胞Ａの培養が開始される。また、この時点で制御部１９内のタイマーを作動させ、計時を開始しておく。

培養が開始されると、タイマーの計時結果に応じて予め設定されているスケジュールに従って、制御部１９が光源部１３を作動させ、ＬＥＤ光源１３ａを点灯させるとともに、撮像素子１５ｂによる撮影を行わせる。

ＬＥＤ光源１３ａは培養容器Ｃの側面を突き当てる突当面１１ｂに設けられ、培養容器Ｃの側面から培養容器Ｃ内に、培養容器Ｃの底面Ｃ１に沿う光軸１３ｂの方向に照明光を入射させる。これにより、偏斜照明あるいは暗視野照明と同様にして、培養容器Ｃの底面Ｃ１に接着して成長している細胞Ａが側方から照明され、細胞Ａの影が形成される。

細胞Ａにおいて散乱した散乱光は、その一部が培養容器Ｃの底面Ｃ１およびベース１１の搭載面１１ａを透過してベース１１内の集光レンズ１５ａによって集光され、撮像素子１５ｂにより撮影される。撮像部１５においては、例えば、撮像素子１５ｂにより数時間おきに細胞Ａからの光が撮影されて、画像が取得される。

画像が取得された後には、その都度、ＬＥＤ光源１３ａを消灯する。このように光源部１３等を間欠動作させることにより、装置の温度上昇を抑えて、細胞Ａに対する熱の影響を低減することができる。

そして、撮像素子１５ｂにより経時的に取得された画像は、それぞれ制御部１９から送信部１７に送られ、送信部１７によって外部に順次送信される。インキュベータ９の外部において、送信部１７から送信されてくる画像をＰＣ本体５の受信部２１によって順次受信し、モニタ７に表示することにより、インキュベータ９内から培養容器Ｃを取り出して観察を行うことなく、さらには、インキュベータ９の扉を開けることなく、インキュベータ９の外部で培養容器Ｃ内の細胞Ａの培養状態を確認することができる。すなわち、細胞培養時の確認作業の煩わしさを大幅に低減することができるという利点がある。また、培養容器Ｃをインキュベータ９外に出さなくて済むので、細胞Ａに対する環境変化（温度、ｐＨ等の変化）をなくすことができる。

受信部２１により受信された画像は細胞解析部２３に順次送られ、細胞解析部２３により、それぞれの画像に基づいて、培養容器Ｃ内で培養されている細胞Ａの数が逐次計数される。そして、細胞解析部２３により、計数された細胞数が時間軸に対してプロットされ、一の継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞数の増殖曲線が作成される。細胞解析部２３により生成された細胞数の増殖曲線はモニタ７に表示される。

増殖した細胞Ａが培養容器Ｃの一面に広がった状態（コンフルエント）に達すると、操作者は、インキュベータ９から培養観察装置３を一旦取り出し、細胞数を希釈して新たな培養容器Ｃに撒く継代作業を行う。

継代作業後の新たな培養容器Ｃはベース１１に搭載し、培養観察装置３を再びインキュベータ９に収容する。そして、先の培養容器Ｃ内の細胞Ａと同様に、インキュベータ９内の温度および湿度が管理された環境下で細胞Ａを培養し、その画像を取得してモニタ７に表示する。また、細胞解析部２３によりその画像を用いて細胞数が計数され、一の継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞数の増殖曲線が作成されてモニタ７に表示される。複数の継代周期についてこれを繰り返す。

モニタ７においては、図４に示すように、複数の継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞数の増殖曲線が時間軸に沿って直列に表示される。このように表示することで、各継代周期における培養容器Ｃ内の細胞数の時間変化を容易に見比べることができる。また、継代を繰り返すことにより細胞Ａが劣化して増殖能力が低下してくると、増殖曲線の上昇カーブが緩やかになるので、各継代周期の増殖曲線の傾きにより、各継代周期の細胞Ａの増殖能力の変化を一見して把握することができる。

また、操作者がいずれか複数の継代周期の増殖曲線を指定すると、モニタ７において、指定されたそれらの継代周期の増殖曲線が重ね合わせられて表示される。これにより、注目する複数の継代周期の細胞Ａの増殖能力の違いを一見して把握することができる。

また、操作者は、各継代周期の増殖曲線の変化を指標にして細胞Ａの劣化程度を評価することができる。例えば、各継代周期の各増殖曲線の傾きを算出し、それを指標にして定量的に比較してもよい。この場合、例えば、図５に示すように、継代周期の始期（時間ｔ_０）のときの細胞数をＮ_０とし、継代周期の終期（時間ｔ）のときの細胞数をＮ_ｔとすると、増殖曲線の傾きａは、ａ＝（Ｎ_ｔ−Ｎ_０）／（ｔ−ｔ_０）により算出することができる。

また、継代周期の任意の２点の傾きを算出し、それを指標にして定量的に比較してもよい。任意の時点（時間ｔ_１）のときの細胞数をＮ_１とし、他の時点（時間ｔ_２）のときの細胞数をＮ_２として、増殖曲線の傾きａは、ａ＝（Ｎ_２−Ｎ_１）／（ｔ_２−ｔ_１）により算出することができる。

また、増殖率を算出し、それを指標にして定量的に比較してもよい。この場合、増殖率αは、（Ｎ_ｔ−Ｎ_０）／Ｎ_０により算出することができる。任意の時点（時間ｔ_１）のときの細胞数をＮ_１とし、他の時点（時間ｔ_２）のときの細胞数をＮ_２として、増殖率αは、（Ｎ_２−Ｎ_１）／Ｎ_１により算出することができる。

また、各継代周期の増殖曲線について細胞数が倍になるまでにかかる時間（倍加時間）を算出し、それを指標にして定量的に比較してもよい。この場合、倍加時間Ｔは、（ｔ−ｔ_０）ｌｏｇ_１０２／ｌｏｇ_１０（Ｎ_ｔ/Ｎ_０）または（ｔ−ｔ_０）／ｌｏｇ_２（Ｎ_ｔ/Ｎ_０）により算出することができる。

また、継代周期の任意の２点の倍加時間を算出し、それを指標にして定量的に比較してもよい。任意の時点（時間ｔ_１）のときの細胞数をＮ_１とし、他の時点（時間ｔ_２）のときの細胞数をＮ_２として、倍加時間Ｔは、（ｔ_２−ｔ_１）ｌｏｇ_１０２／ｌｏｇ_１０（Ｎ_２/Ｎ_１）または（ｔ_２−ｔ_１）／ｌｏｇ_２（Ｎ_２/Ｎ_１）により算出することができる。ここで、ｔ_１、ｔ_２は、対数増殖期の任意の２点とすることが好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る細胞観察システム１によれば、モニタ７により、複数の継代周期内における培養容器Ｃ内の細胞数の時間変化を対比可能に表示することで、複雑なアルゴリズムを要することなく、各継代周期間の細胞Ａの増殖能力の変化を視認することができる。これにより、簡易な作業で手間を掛けずに細胞Ａの品質を評価することができる。

また、撮像部１５が、培養されている細胞Ａにおける散乱光の内、培養容器Ｃの底面Ｃ１を透過した散乱光を撮影するので、高温多湿の環境下で培養されている場合に培養容器Ｃの上面に露結により形成される水滴の影響を受けることなく鮮明な画像を取得することができる。

また、本実施形態においては、光源部１３としてＬＥＤ光源１３ａを用いているので、発熱を抑えて、細胞Ａへの影響を少なくし、電力消費も抑えることができるという利点がある。

本実施形態においては、細胞数のかわりに細胞密度（単位面積あたりの細胞数）を算出し、それを時間軸に対してプロットすることで細胞増殖曲線を作成してもよい。また、細胞数のかわりに培養容器Ｃ内で細胞Ａが占める面積を算出し、それを時間軸に対してプロットすることで細胞増殖曲線を作成してもよい。

また、本実施形態においては、例えば、細胞解析部２３が、継代周期ごとの細胞数の時間変化を比較して、細胞Ａの増殖率の変化を出力する比較部として機能することとしてもよい。このようにすることで、操作者は、継代周期ごとの細胞Ａの増殖能力の変化を簡易に把握することができ、操作者自身が比較する手間を省くことができる。

また、本実施形態においては、例えば、細胞解析部２３が、各継代周期における細胞Ａの増殖率に基づいて、細胞Ａの品質を評価する品質評価部として機能することとしてもよい。このようにすることで、細胞解析部２３により、所望の品質を有する細胞Ａを簡易に評価することができる。

この場合、例えば、培養工程の終期の時点で、細胞Ａの増殖率が所定の閾値よりも大きい場合は、その培養容器Ｃ内の細胞Ａは品質がよいと判断してもよい。また、細胞Ａが劣化して増殖能力が低下すると、細胞数の倍加時間が長くなるので、所定の細胞数に達するまでの倍加時間が所定の閾値よりも短い場合は、その培養容器Ｃ内の細胞Ａは品質が良いと判断してもよい。

また、本実施形態においては、光源部１３からの照明光が、培養容器Ｃの底面Ｃ１と平行な光軸１３ｂに沿って水平方向に培養容器Ｃ内に入射されることとしたが、これに限定されるものではなく、光源部１３からの照明光が、水平方向に対して±３０°以下の角度をなして培養容器Ｃ内に入射されることにしてもよい。このような角度を採用しても、細胞Ａに対して暗視野照明あるいは偏斜照明と同様の影を形成することができ、立体的な像を撮影することができる。

また、本実施形態においては、図６に示されるように、集光レンズ１５ａの光軸１５ｃを培養容器Ｃの底面Ｃ１に直交させて、底面Ｃ１の部分的な画像を取得することにしてもよい。この場合、例えば、集光レンズ１５ａの光軸１５ｃを１以上のミラー１５ｄによって折り曲げることとすればよい。培養容器Ｃの底面Ｃ１全体あるいは底面Ｃ１の比較的広い部分を撮影する場合と比較して培養状態の判定の確実性は低下するが、この部分領域の画像から培養状態を推定することとしてもよい。

また、本実施形態においては、制御部１９がタイマーを備えていて定期的に光源部１３等を作動させることとしたが、これに代えて、制御部１９に受信部（図示略）が接続されていて、インキュベータ９の外部からの指令信号を受信し、その指令信号に応じて制御部１９が光源部１３等を駆動することにしてもよい。操作者があらかじめ入力した指示により光源部１３のオンオフや撮影を遠隔操作によって行ってもよいし、操作者が任意のタイミングで、光源部１３のオンオフや撮影を遠隔操作によって行ってもよい。
画像信号や指令信号の送受信は、無線で行ってもよいし、有線で行ってもよい。

また、本実施形態においては、細胞増殖曲線を表示する態様を示したが、対数軸に対してプロットすることで、直線として表示してもよい。このようにすることで、継代周期中の対数増殖期にあたる部分が直線として表示され、より直感的に細胞増殖能の把握や比較を行うことができる。
また、細胞増殖曲線に代えて、細胞数の変化を棒グラフで表示してもよいし、不連続なドット（点）で表示してもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る細胞観察システムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム３１は、図７に示すように、撮像部３３において第１実施形態に係る細胞観察システム１と相違している。
本実施形態の説明において、上述した第１実施形態に係る細胞観察システム１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

撮像部３３は、ベース１１の搭載面１１ａの下方に、搭載面１１ａと略平行な平面上に配列された複数のマイクロレンズ３５ａを備えるマイクロレンズアレイ３５と、マイクロレンズアレイ３５のさらに下方に配置された撮像素子３５ｂとを備えている。マイクロレンズアレイ３５のマイクロレンズ３５ａは、撮像素子３５ｂの１画素毎に対応して配置されている。

各マイクロレンズ３５ａの焦点距離は、搭載面１１ａを構成する透明部材の厚さ寸法と搭載面１１ａに搭載された培養容器Ｃの底面Ｃ１の厚さ寸法とを加えた厚さ寸法よりも大きく設定されている。各マイクロレンズ３５ａが、培養容器Ｃの底面Ｃ１に接着している細胞Ａに焦点位置を合わせて搭載面１１ａの下方に配置されることで、細胞Ａの像を撮像素子３５ｂの撮像面に投影することができるようになっている。

撮像素子３５ｂが培養容器Ｃの底面Ｃ１全体の画像を撮影することは必ずしも必要ではなく、細胞Ａの存在する確率の高い中央部分等、任意の部分領域について画像を取得し、取得された画像に基づいて、培養状態を推定することにしてもよい。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る細胞観察システムについて、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム４１は、図８および図９に示されるように、撮像部１５の集光レンズ１５ａを光軸１５ｃに沿う方向に移動させる焦点調節機構４３と、撮像部１５を搭載面１１ａに沿う方向に２次元的に移動させる移動機構４５とを備える点で、第１実施形態と異なる。
本実施形態の説明において、上述した第１実施形態に係る細胞観察システム１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。

焦点調節機構４３は、例えば、モータ４３ａおよびボールネジ４３ｂを備えた直動機構である。この焦点調節機構４３は、モータ４３ａの作動によってボールネジ４３ｂを回転させ、ボールネジ４３ｂに噛み合っているナット４３ｃを集光レンズ１５ａの光軸１５ｃに沿って直線移動させることで、ナット４３ｃに固定された集光レンズ１５ａをその光軸１５ｃに沿って移動させることができるようになっている。

移動機構４５は、図９に示されるように、直交配置された２つの直動機構４７，４９により構成されている。第１直動機構４７は、ベース１１に固定されたガイドレール４７ａと、ガイドレール４７ａに沿って第１水平方向Ｘに移動可能に支持されたスライダ４７ｂと、スライダ４７ｂを移動させる駆動機構４７ｃとを備えている。駆動機構４７ｃは、モータ４７ｄとボールネジ４７ｅとを備えている。

また、第２直動機構４９は、第１直動機構４７のスライダ４７ｂに固定されたガイドレール４９ａと、ガイドレール４９ａに沿って第２水平方向Ｙに移動可能に支持されたスライダ４９ｂと、スライダ４９ｂを移動させる駆動機構４９ｃとを備えている。この駆動機構４９ｃは、モータ４９ｄとボールネジ４９ｅを備えている。

操作者は、撮像素子１５ｂにより取得された画像によって、集光レンズ１５ａの焦点が適正に細胞Ａに合致しているか否かを確認し、合致していない場合には、焦点調節機構４３をいずれかの方向に作動させるための指令信号を入力し、制御部１９により焦点調節機構４３を作動させる。

モータ４３ａの回転によりボールネジ４３ｂが回転させられると、ボールネジ４３ｂの回転方向に応じてナット４３ｃが水平方向のいずれかの方向に移動し、ナット４３ｃに固定されている集光レンズ１５ａが水平方向に移動させられる結果、集光レンズ１５ａの焦点位置が上下方向に移動させられる。

すなわち、集光レンズ１５ａが、ミラー１５ｄに近接する方向に移動させられると、焦点位置が上昇させられ、集光レンズ１５ａがミラー１５ｄから離間する方向に移動させられると、焦点位置が下降させられる。これにより、焦点位置を適正な位置に調節して、鮮明な画像を得ることができる。

また、操作者は、異なる位置を観察したい場合には、移動機構４５をいずれかの方向に移動させるための指令信号を入力し、制御部１９により移動機構４５を作動させる。第２直動機構４９に沿って撮像部１５を移動させることにより、観察位置を水平方向Ｙに移動させ、第１直動機構４７に沿って第２直動機構４９および撮像部１５を移動させることにより観察位置を水平方向Ｘに移動させる。これにより、観察位置を２次元的に調節することができる。

本実施形態の光源部１３は、培養容器Ｃの上から照明する位置に配置してもよい。また、光源部１３を培養容器Ｃの側面から照明する位置に配置してもよい。また、光源部１３を培養容器Ｃの底面から照明する位置に配置してもよく、光源部１３を移動機構４５により撮像部１５と共に移動させてもよい。

〔第４実施形態〕
上記第１実施形態および第２実施形態は細胞Ａに対して横から照明光を照射する態様を示したが、細胞Ａの下方から照明光を照射する態様を以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム５１は、図１０に示されるように、培養観察装置３が、細胞Ａを収容した培養容器Ｃを載置するステージ５３と、ステージ５３の下方に配置され、ステージ５３を上方から透過して来る光を集光する対物レンズ５５と、細胞Ａを透過した光を撮影する撮影光学系５７と、対物レンズ５５の径方向外方に配置され、ステージ５３を透過して上方に照明光を射出する光源部５９とを備えている。

ステージ５３には、対物レンズ５５および光源部５９の上方を覆うように、光学的に透明な材質、例えば、ガラス板５３ａが配置され、培養容器Ｃはガラス板５３ａの上面に載置されるようになっている。
培養容器Ｃの底面を符号Ｃ１で示し、培養容器Ｃの天板を符号Ｃ２で示す。

光源部５９は、図１０および図１１に示されるように、対物レンズ５５の周囲に、周方向および径方向に間隔をあけて複数配置されたＬＥＤ光源（光源）６１と、各ＬＥＤ光源６１に対応して配置され、各ＬＥＤ光源６１において発生した照明光を略平行光にする複数のコリメートレンズ６３と、コリメートレンズ６３により略平行光にされた照明光を拡散させる拡散板６５とを備えている。

光源部５９は、特定のＬＥＤ光源６１を独立して点灯させることができるようになっている（図１０および図１１は、点灯しているＬＥＤ光源６１をハッチングによって示している。）。
すなわち、対物レンズ５５の径方向に異なる位置のＬＥＤ光源６１のみを点灯させることで、図１０に実線で示されるように、ガラス板５３ａおよび培養容器Ｃの底面Ｃ１を下から上に向かって透過した後、培養容器Ｃの天板Ｃ２の内面において反射して、斜め上方から細胞Ａ、培養容器Ｃの底面Ｃ１およびガラス板５３ａを透過して対物レンズ５５に入射する照明光の角度を、破線で示されるように切り替えることができるようになっている。

また、対物レンズ５５の周方向に特定位置のＬＥＤ光源６１のみを点灯させることにより、細胞Ａに対して周方向の特定の方向からのみ照明することができるようになっている。また、図１１に示されるように、対物レンズ５５の周方向に２以上の方向、特に、対物レンズ５５の光軸Ｓに対して軸対称の方向に配置されたＬＥＤ光源６１を点灯させることにより、照明ムラを低減した照明光を細胞Ａに対して照射することができるようになっている。

このように構成された本実施形態に係る細胞観察システム５１を用いた観察方法について、以下に説明する。
本実施形態に係る細胞観察システム５１を用いて透明な細胞Ａの観察を行うには、図１０に示されるように、細胞Ａを培養容器Ｃの底面Ｃ１に接着させた状態で、培養容器Ｃをその底面Ｃ１が下側になるようにステージ５３のガラス板５３ａ上に載置する。

そして、この状態で、光源部５９のいずれかのＬＥＤ光源６１を作動させて照明光を発生させる。ＬＥＤ光源６１において発生した照明光は、ＬＥＤ光源６１に対応して配置されているコリメートレンズ６３によって略平行光にされ、拡散板６５によって拡散された状態で、ガラス板５３ａおよび培養容器Ｃの底面Ｃ１を下から上に向かって透過し、培養容器Ｃの天板Ｃ２の内面において反射して細胞Ａに対して斜め上方から照射される。

細胞Ａに照射された照明光のうち、細胞Ａを透過した照明光の透過光が培養容器Ｃの底面Ｃ１およびガラス板５３ａを上から下に向かって透過して、対物レンズ５５に入射する。この際、照明光は細胞Ａの形状や屈折率によって屈折、散乱され、あるいは、細胞Ａの透過率によって減光されることで、細胞Ａの情報を載せた透過光となって対物レンズ５５により集光され、図示しない撮像素子によって撮影される。

このように、本実施形態に係る細胞観察システム５１によれば、細胞Ａの下方に光源部５９および対物レンズ５５を含む撮影光学系５７を配置しているので、従来、細胞Ａを挟んだ両側に光源部と撮影光学系とを配置していた透過光の観察装置と比較すると、細胞Ａの片側のみに光源部５９および撮影光学系５７を集約し、装置を薄型化することができるという利点がある。また、そのように薄型化した細胞観察システム５１においても、透過光を撮影することにより細胞等の被写体を標識せずに観察することができるという利点がある。

また、光源部５９からの照明光は、対物レンズ５５の径方向外方から射出され培養容器Ｃの天板Ｃ２の内面において反射することにより、細胞Ａに対して斜め上方から照射されて対物レンズ５５により集光されるので、細胞Ａへの入射角度を適切に設定することにより、細胞Ａの像に明暗を形成することができ、細胞等の透明な被写体についても見やすい像を取得することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、光源部５９が、対物レンズ５５の周囲に径方向に配列され、独立して点灯可能な複数のＬＥＤ光源６１を備えているので、図１０に破線で示されるように、点灯するＬＥＤ光源６１の径方向位置を異ならせることにより、細胞Ａに入射する照明光の照射角度を変化させることができる。これにより、対物レンズ５５の取り込み角より小さい入射角の場合は、照明ムラの少ない明視野照明とし、また対物レンズ５５の取り込み角より大きい入射角の場合は、微細構造が強調される暗視野照明とし、さらに対物レンズ５５の取り込み角と同等の入射角の場合は、細胞Ａが立体的に見える偏斜照明とすることができる。

また、本実施形態においては、光源部５９が、対物レンズ５５の周囲に周方向に配列され、独立して点灯可能な複数のＬＥＤ光源６１を備えているので、点灯するＬＥＤ光源６１の周方向位置を異ならせることにより、細胞Ａに入射する照明光の照射方向を変化させることができる。これにより、形成される細胞Ａの像の陰影の方向を変化させ、見え方を変更することができる。

また、図１１に示されるように、周方向に異なる位置の複数のＬＥＤ光源６１を同時に点灯させることにより、特に、軸対称に配置される複数のＬＥＤ光源６１を同時に点灯させることにより、照明ムラを低減してムラの少ない細胞Ａの画像を取得することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、各ＬＥＤ光源６１に対応して拡散板６５が備えられているので、ＬＥＤ光源６１から発せられた照明光が均一に拡散され、照明ムラの少ない均一な強度の照明光を細胞Ａに照射することができる。

なお、本実施形態においては、複数のＬＥＤ光源６１をアレイ状に配列し、独立して点灯させることで、照明光の照射角度や照射方向等を切り替えることとしたが、これに代えて、図１２から図１４に示されるように、光源部５９が、対物レンズ５５の周囲に配置される光源６７と、光源６７の上方に配置され、光源６７からの照明光を遮蔽する遮光部材６９とを備えることにしてもよい。

すなわち、遮光部材６９にはその周方向の一部あるいは径方向の一部に開口する開口部６９ａと、培養容器Ｃの天板Ｃ２の内面において反射して細胞Ａを透過した光を透過させる透過孔６９ｂとが設けられており、遮光部材６９を入れ替えることで、開口部６９ａの位置を調節して、照明光の照射角度や照射方向を変更することができる。

光源部５９としては、上記と同様にアレイ状に配列されたＬＥＤ光源６１、コリメートレンズ６３および拡散板６５を備えるものでもよいが、照明光の発光位置を切り替える機能は不要であり、開口部６９ａより広い範囲から照明光を射出可能な光源であれば、任意の光源を備えるものを採用してもよい。

図１３（ａ）から図１３（ｃ）は円形の開口部６９ａを有する例であり、径方向や開口部６９ａの個数が異なる例を示している。図１４（ａ）は開口部６９ａが扇形状の場合、図１４（ｂ）は開口部６９ａが円環状の場合をそれぞれ示している。開口部６９ａの大きさ、位置および形状は任意のものを採用することができる。

また、本実施形態においては、細胞培養フラスコのような天板Ｃ２を有する培養容器Ｃ内に細胞Ａを収容し、培養容器Ｃの天板Ｃ２の内面において照明光を反射させることとしたが、これに限定されるものではない。例えば、培養容器Ｃとして、シャーレ（蓋なし）のように天板を有しない容器７１に細胞Ａを収容した場合には、図１５に示されるように、シャーレの上部開口を閉塞する位置にミラーのような反射部材７３を配置し、反射部材７３によって容器７１の底面７１ｂを下から上に向かって透過した照明光を反射することにしてもよい。反射部材７３は、直動によりあるいは揺動により細胞Ａの上方位置に挿脱可能に設けられていてもよい。

また、本実施形態においては、図１６に示されるように、培養容器Ｃの天板Ｃ２の上方に光を遮蔽する材質からなる遮光部材７５を備えていてもよい。
このようにすることで、外部からの外光が遮光部材７５によって遮蔽されるため、外光が天板Ｃ２から培養容器Ｃ内に入射することを抑制し、効率的に観察を行うことができる。

また、本実施形態においては、光源部５９として、ＬＥＤ光源６１、コリメートレンズ６３および拡散板６５をガラス板５３ａに沿うように略水平に配置したものを例示したが、これに代えて、図１７に示されるように、ＬＥＤ光源６１、コリメートレンズ６３および拡散板６５を光軸Ｓに向けて傾けて配置してもよい。
このようにすることで、ＬＥＤ光源６１から発せられる照明光のロスを抑制し、効率的に照明光を細胞Ａに照射することができる。

また、本実施形態においては、光源部５９として、拡散板６５を備えるものを例示したが、拡散板６５を備えていなくてもよい。
また、本実施形態においては、光源部５９として、コリメートレンズ６３を備えるものを例示したが、コリメートレンズ６３を備えていなくてもよい。
また、本実施形態においては、光源部５９として、コリメートレンズ６３および拡散板６５を備えるものを例示したが、コリメートレンズ６３および拡散板６５の配置が逆でもよい。コリメートレンズ６３および拡散板６５を備えていなくてもよい。

また、本実施形態においては、培養容器Ｃの下方に光源部５９を配置する構成を例示して説明したが、例えば、培養容器Ｃの上方に光源部５９を配置して、細胞Ａに対して上方から照明光を照射することとしてもよい。
また、本実施形態においては、駆動機構により撮影光学系５７をＸ，Ｙ方向に移動させることとしてもよい。この場合、駆動機構により、光源部５９を撮影光学系５７と一緒に移動させることとしてもよい。

また、本実施形態においては、光源部５９として、対物レンズ５５の周囲に、周方向および径方向に間隔をあけて複数のＬＥＤ光源（光源）６１が配置された構成を例示して説明したが、周方向にのみ複数のＬＥＤ光源（光源）を間隔をあけて配置してもよい。例えば、周方向に９０度ずつ間隔をあけて４つのＬＥＤ光源（光源）を配置してもよい。１つのＬＥＤ光源（光源）を配置してもよい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施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の設計変更等も含まれる。例えば、本発明を上記各実施形態および変形例に適用したものに限定されることなく、これらの実施形態および変形例を適宜組み合わせた実施形態に適用してもよく、特に限定されるものではない。また、送信部１７と受信部２１との間の送受信は有線でも無線でもよい。

１，３１，４１，５１ 細胞観察システム
３ 培養観察装置（画像取得部）
７ モニタ（表示部）
２３ 細胞解析部（画像解析部、統計解析部、比較部、品質評価部）
Ａ 細胞
Ｃ 培養容器

Claims (11)

1. 細胞を培養する培養容器内の画像を経時的に取得する画像取得部と、
   該画像取得部により取得された各前記画像に基づいて、前記培養容器内で培養されている前記細胞の培養状況を定量的に解析する画像解析部と、
   該画像解析部により解析したデータを統計解析する統計解析部と、
   該統計解析部により得られた複数の継代周期内における前記培養容器内の統計解析結果を対比可能に表示する表示部とを備え、
   前記表示部が、前記統計解析結果として、各前記継代周期内における前記細胞の倍加時間を示す定量的な指標を表示する細胞観察システム。
2. 前記表示部が、複数の前記継代周期の前記指標を重ね合わせて表示する請求項１に記載の細胞観察システム。
3. 前記継代周期ごとの前記細胞の数の時間変化を比較して、前記細胞の増殖率の変化を出力する比較部を備える請求項１または請求項２のいずれかに記載の細胞観察システム。
4. 前記継代周期における前記細胞の増殖率に基づいて、前記細胞の品質を評価する品質評価部を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の細胞観察システム。
5. 前記表示部が、複数の前記継代周期の前記指標を時間軸に沿って直列に表示する請求項１に記載の細胞観察システム。
6. 前記倍加時間が、
   Ｔ＝（ｔ−ｔ_０）ｌｏｇ_１０２／ｌｏｇ_１０（Ｎ_ｔ/Ｎ_０）
   、または、
   Ｔ＝（ｔ−ｔ_０）／ｌｏｇ_２（Ｎ_ｔ/Ｎ_０）
   により算出される請求項１から請求項５のいずれかに記載の細胞観察システム。
   ここで、Ｔは倍加時間、Ｎ_ｔは継代周期の始期ｔ_０のときの細胞数、Ｎ_０は継代周期の終期ｔのときの細胞数である。
7. 前記倍加時間が、各前記継代周期における任意の２点から算出される請求項１から請求項５のいずれかに記載の細胞観察システム。
8. 前記任意の２点が、対数増殖期における任意の２点である請求項７に記載の細胞観察システム。
9. 前記倍加時間が、
   Ｔ＝（ｔ_２―ｔ_１）ｌｏｇ_１０２／ｌｏｇ_１０（Ｎ_２／Ｎ_１）
   、または、
   Ｔ＝（ｔ_２−ｔ_１）／ｌｏｇ_２（Ｎ_２／Ｎ_１）
   により算出される請求項７または請求項８に記載の細胞観察システム。
   ここで、Ｔは倍加時間、Ｎ_１は任意の時間ｔ_１のときの細胞数、Ｎ_２は任意の時間ｔ_２のときの細胞数である。
10. 前記指標が棒グラフまたは不連続な点である請求項１から請求項９のいずれかに記載の細胞観察システム。
11. 細胞を培養する培養容器内の画像を経時的に取得し、
    取得した各前記画像に基づいて、前記培養容器内で培養されている前記細胞の培養状況を定量的に解析し、
    解析したデータを統計解析し、
    該統計解析により得られた複数の継代周期内における前記培養容器内の統計解析結果として、各前記継代周期内における前記細胞の倍加時間を示す定量的な指標を対比可能に表示する細胞観察方法。

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