JP2021153520A - 細胞培養装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一般的に、インビトロ臓器モデルは、Organ-on-a-chip、生体模倣システムあるいはMicrophysiological Systems(以下、MPS)と呼ばれる。MPSの核技術として、マイクロ流体チップがある。マイクロ流体チップは、単独では利用することができない。すなわち、マイクロ流体チップを用いて細胞培養したり、培地を送液したりするためには、周辺機器として、ポンプ、培地タンク、電源、制御装置などが必要である。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、第1実施形態の細胞培養装置100の斜視図である。図2は、細胞培養装置100の分解斜視図である。図3は、デバイス主部4の平面図である。図4は、細胞培養装置100の流路を示す模式図である。
細胞培養ユニット10は、流路デバイス1と、培養チップ2,2(2A,2B)とを備える。
なお、ここでは、2つの培養チップ2を備える細胞培養ユニット10を例示するが、細胞培養ユニットが備える培養チップの数は制限されない。細胞培養ユニットは、1つ以上(すなわち、1つ、または2以上の任意の数)の培養チップを備えている。
図2に示すように、ベース部3は、主板部6と、突出部7と、チップ収容部12,12とを備える。ベース部3は、培養チップ2A、2Bをデバイス主部4との間に固定してもよい。培養チップ2A、2Bをベース部3とデバイス主部4との間に固定する構造は特に限定されない。培養チップ2A、2Bを固定するには、例えば、培養チップ2A、2Bをベース部3とデバイス主部4との間に挟みこんだ状態でベース部3とデバイス主部4とをネジ式固定具(例えば、ボルト)で固定する構造を採用できる。
デバイス主部4の第2主面4b(下面)には、培養チップ2A、2Bを保持するチップ保持部5,5が形成されている。第2主面4b(下面)は、例えば、第2主面4b(下面)の一部領域である。
培養チップ2A、2Bをチップ保持部5,5に固定する構造は特に限定されない。培養チップ2A、2Bは、ネジ式固定具(例えば、ボルト)でチップ保持部5,5に固定してもよい。
なお、凹部17の位置は、ベース部3の突出部7と、液貯留部14,14の位置に合わせて、任意に変更できる。
図4に示すように、デバイス主部4は、灌流流路42を構築するために、デバイス主部4の内部に、第1返送流路31Aと、第1供給流路32Aと、第1導出流路33Aと、第2返送流路31Bと、第2供給流路32Bと、第2導出流路33Bを有している。
なお、灌流流路を構築するための流路は、使用する培養チップの細胞培養部の数に合わせて増設してもよい。灌流流路の数は特に制限されない。灌流流路の数は、2〜12、例えば2〜8とすることができる。
第2液貯留部14Bの導出部22B2と、第2培養チップ2Bの導入部23B1との間には、第2供給流路32Bが形成されている。第2培養チップ2Bの導出部23B2と、第2導出接続部21B2との間には、第2導出流路33Bが形成されている。第2導出接続部21B2と、第2ポンプ20Bの吸引部とは、送液可能な接続用チューブ41B2で接続されている。
なお、液が漏れないようにするための構造は特に限定されず、Oリング等を用いてもよい。Oリング等は、培養チップ2の導入部と供給流路との接続部に設置できる。
図11に示すように、デバイス主部4には、第1培養チップ2Aの導入部23A1と第1供給流路32Aとの接続部に、接続筒部34が形成されている。接続筒部34は、デバイス主部4の外面から突出する筒状の突出部である。接続筒部34の内部空間は第1供給流路32Aと連通する流路である。接続筒部34の外周面には、先端に向かって徐々に外径が小さくなるテーパ部34aが形成されていることが好ましい。接続筒部34は、第1培養チップ2Aの導入部23A1に挿入される。テーパ部34aは、導入部23A1の開口周縁に当接する。テーパ部34aの最小径φL1と、テーパ部34aの最大径φL2と、導入部23A1の孔径φL3とは、「φL1<φL3<φL2」を満たすことが好ましい。これにより、液漏れ防止効果を高めることができる。
接続筒部34の突出高さ(デバイス主部4の外面からの突出高さ)h1は、導入部23A1の深さh2の半分以下である(すなわち、h1≦h2/2を満たす)と、灌流が阻害されにくくなる。ただし、突出高さh1は、h1≦h2となる範囲であれば、h2の半分以下でなくてもよい。
第1培養チップ2Aの導出部23A2と第1導出流路33Aとの接続部においても、図11と同様の構成を採用できる。
第2培養チップ2Bの導入部23B1と第2供給流路32Bとの接続部においても、図11と同様の構成を採用できる。
第2培養チップ2Bの導出部23B2と第2導出流路33Bとの接続部においても、図11と同様の構成を採用できる。
図5および図6に示すように、培養チップ2は、基体50を有する。基体50の内部には上流路51と下流路52とが形成されている。上流路51と下流路52とは多孔膜53(細胞培養部)で隔てられている。
図7(b)に示すように、培養チップ2は、多孔膜53の両面で細胞を培養してもよい。すなわち、多孔膜53の上面に細胞54を付着させ、多孔膜53の下面に細胞55を付着させてもよい。培養チップ2は、上流路51と下流路52の一方または両方に液を流通させつつ、細胞54,55を培養することができる。細胞54は、例えば、小腸・肺・腎臓・肝臓・膵臓などの臓器や組織の細胞である。細胞55は、例えば、血管内皮細胞や神経系の細胞である。例えば、細胞54が尿細管上皮細胞であり、細胞55が血管内皮細胞であると、細胞54,55を生体内に近い環境下で培養でき、臓器モデルによる物質の吸収、透過、代謝などの機能評価を行うことができる。
ポンプ20は、送液可能であれば特に限定されず、シリンジポンプ、空気圧ポンプ、ダイヤフラムポンプなどを用いてもよい。ポンプの数は特に制限されない。例えば、培養チップの細胞培養部が複数ある場合には、2つ以上のポンプを用いてもよい。
細胞培養装置100は、ポンプ20,20における液流量を制御する制御部40を備えてもよい。制御部40は、例えば、電源30からポンプ20,20への供給電圧を調整することなどによってポンプ20,20の回転数を調整し、これにより、送液流量を制御する。制御部40を用いることによって、培養試験の条件設定が容易となる。
なお、細胞培養装置100は電源30を備えているが、細胞培養装置は電源を備えていなくてもよい。細胞培養装置が電源を備えていない場合には、外部電源からポンプ20,20に電力を供給する。
図4に示すように、ポンプ20,20を稼働させる。第1ポンプ20Aの稼働により、第1液貯留部14A内の液は第1供給流路32Aを通って第1培養チップ2Aの上流路51(図7(a)参照)を流れる。液は第1導出流路33Aおよび接続用チューブ41A2を通って第1ポンプ20Aに向かい、接続用チューブ41A1および第1返送流路31Aを通って第1液貯留部14Aに返送される。このように、第1ポンプ20Aにより、液は第1液貯留部14Aと第1培養チップ2Aとの間で第1灌流流路42Aにより灌流する。
細胞培養装置100は、液貯留部14および灌流流路42を有する流路デバイス1と、培養チップ2とを備える。そのため、液貯留部14と培養チップ2との間で液(培地等)を灌流させつつ、培養チップ2にて細胞を培養する試験を行うことができる。よって、コンパクトな生体模倣システムを容易に構築できる。また、長時間にわたる細胞培養を行いながら、簡易に生きた細胞の様子や、細胞の機能等を解析することができる。
細胞培養装置100は、ポンプ20および液貯留部14を備えているため、ポンプ、液貯留槽等を外部機器として接続した培養装置に比べて取り扱いが容易である。よって、培養試験のための操作を簡便化できる。
細胞培養装置100は、電源保持部13を有するため、電源30を流路デバイス1に組み込むことができる。そのため、装置の操作性を高めるとともに、装置の小型化を実現できる。
図8は、第2実施形態の細胞培養装置200の斜視図である。図9は、細胞培養装置200の分解斜視図である。図10は、細胞培養装置200の流路を示す模式図である。第1実施形態の細胞培養装置100との共通構成については、同じ構成を付して説明を省略する。第2実施形態の細胞培養装置200は、第1実施形態で使用したベース部3(図2参照)を使用していないため、第1実施形態に比べて構成部品が少ない。
なお、主板部106のサイズ(寸法)は特に限定されず、例えば、SBS規格に適合する。また、形状についても、特に限定されない。主板部106には、4つのポンプ保持部111と、電源保持部13とが形成されている。
培養チップ2A、2Bは、ネジ式固定具(例えば、ボルト)でチップ保持部5,5に固定してもよい。培養チップ2A、2Bをチップ保持部5,5に固定する構造は特に限定されない。
なお、ポンプ保持部111は、ポンプ20を保持できればよく、特に形状は限定されない。ポンプ保持部111は、使用するポンプ20の形状に合わせて形成してよい。ポンプ保持部111の数は特に限定されない。ポンプ保持部111の数は、灌流流路142(図10参照)に液を流すためのポンプと同数以上あればよい。
図10に示すように、デバイス主部104は、灌流流路を構築するために、デバイス主部104の内部に、第1返送流路131Aと、第1供給流路132Aと、第1導出流路133Aと、第2返送流路131Bと、第2供給流路132Bと、第2導出流路133Bと、第3返送流路131Cと、第3供給流路132Cと、第3導出流路133Cと、第4返送流路131Dと、第4供給流路132Dと、第4導出流路133Dと、を有している。
なお、液が漏れないようにするための構造は特に限定されず、Oリング等を用いてもよい。Oリング等は、培養チップ2A,2Bの導入部と供給流路との接続部、および導出部と導出流路との接続部に設置できる。
接続筒部34の突出高さ(デバイス主部4の外面からの突出高さ)h1は、導入部23A1の深さh2の半分以下である(すなわち、h1≦h2/2を満たす)と、灌流が阻害されにくくなる。ただし、突出高さh1は、h1≦h2となる範囲であれば、h2の半分以下でなくてもよい。
図11の構造は、第1培養チップ2Aの上流路51の導入部23A1と第1供給流路132Aとの接続部、第1培養チップ2Aの下流路52の導入部123A1と第2供給流路132Bとの接続部、第2培養チップ2Bの上流路51の導入部23A1と第3供給流路132Cとの接続部、第2培養チップ2Bの下流路52の導入部123A1と第4供給流路132Dとの接続部に採用できる。
デバイス主部104は、例えば、3Dプリンタにより作製することができる。なお、デバイス主部104の作製方法は特に限定されない。
Chip1では、灌流流路で灌流を行いながらRPTEC細胞を灌流培養した(実施例)。Chip2では、灌流流路で灌流を行わずにRPTEC細胞を静置培養した(比較例)。この試験は、灌流の有無による細胞培養の比較試験である。
図12(a)および図12(b)に示すように、実験開始時には、Chip1およびChip2のRPTEC細胞の様子に大きな差異は見られない。
Chip1の実験開始から5日後のRPTEC細胞の写真において、色が濃くなった領域は、他の領域と異なり、RPTEC細胞が多層になった状態で培養されている。この領域では、灌流の影響により、RPTEC細胞が静置培養とは異なる生理活動を行っていると考えられる。このように、細胞培養装置200を用いることで、容易に、複数の培養チップ2で細胞を培養しながら、異なる培養環境下にある細胞の様子を観察することができる。
細胞培養装置200は、液貯留部114および灌流流路142を有する流路デバイス101と、培養チップ2とを備える。そのため、液貯留部114と培養チップ2との間で液(培地等)を灌流させつつ、培養チップ2にて細胞を培養する試験を行うことができる。よって、コンパクトな生体模倣システムを容易に構築できる。また、長時間にわたる細胞培養を行いながら、簡易に生きた細胞の様子や、細胞の機能等を解析することができる。
細胞培養装置200は、ポンプ20および液貯留部114を備えているため、ポンプ、液貯留槽等を外部機器として接続した培養装置に比べて取り扱いが容易である。よって、培養試験のための操作を簡便化できる。
細胞培養装置200は、電源保持部13を有するため、電源30を流路デバイス101に組み込むことができる。そのため、装置の操作性を高めるとともに、装置の小型化を実現できる。
この構成によれば、ポンプ保持部および外付けのポンプは不要となる。流路デバイスの構造を簡略にできるため、装置の取り扱い性を高めるとともに、装置の小型化を実現できる。
Claims (10)
- 液を流す灌流流路が形成された流路デバイスと、
細胞が培養される細胞培養部、前記灌流流路から前記液を前記細胞培養部に導入する導入部、および、前記細胞培養部を経た前記液を前記灌流流路に導く導出部を備えた培養チップと、
前記液を前記灌流流路に流すポンプと、を備え、
前記流路デバイスは、前記液が貯留される液貯留部と、前記培養チップを保持するチップ保持部とを有し、
前記灌流流路は、前記液貯留部から前記液を導入する流路であって、前記導入部に接続される供給流路と、前記導出部に接続され前記ポンプに前記液を導出する導出流路と、前記ポンプからの前記液を前記液貯留部に返送する返送流路と、を有するループ状に形成されている、細胞培養装置。 - 前記流路デバイスに、前記培養チップの前記細胞培養部の全体もしくは一部を観察可能とする窓部が形成されている、請求項1に記載の細胞培養装置。
- 前記ポンプを駆動するための電力を供給する電源をさらに備える、請求項1または2に記載の細胞培養装置。
- 前記ポンプにおける前記液の流量を制御する制御部をさらに備える、請求項3記載の細胞培養装置。
- 前記流路デバイスは、前記ポンプを保持するポンプ保持部をさらに備える、請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の細胞培養装置。
- 前記流路デバイスは、前記電源を保持する電源保持部をさらに備える、請求項3または4に記載の細胞培養装置。
- 前記培養チップは、マグネットを備え、前記マグネットの磁力により前記チップ保持部に保持される、請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の細胞培養装置。
- 前記流路デバイスは、前記灌流流路が形成されたデバイス主部と、前記デバイス主部を支持するベース部とを備え、
前記ベース部は、前記デバイス主部との間に前記培養チップを挟み込んで固定する、請求項1〜4のうちいずれか1項に記載の細胞培養装置。 - 前記液貯留部は、前記デバイス主部と前記ベース部のいずれか一方または両方に形成されている、請求項8記載の細胞培養装置。
- 前記流路デバイスに、前記導入部と接続される前記供給流路の接続部、および、前記導出部と接続される前記導出流路の接続部において前記流路デバイスの外面から突出する接続筒部が形成され、
前記接続筒部は、前記導入部および前記導出部に挿入される、請求項1〜9のうちいずれか1項に記載の細胞培養装置。
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