JP2023089137A - ３次元自動細胞培養装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】人工臓器として培養可能な細胞を長期間、容易に培養することができ、かつ、継続的な観察ができるようにした３次元自動細胞培養装置を提供する。【解決手段】３次元自動細胞培養装置は、細胞培養足場を入れ、細胞を培養する細胞培養空間１１と、第１隔壁１２により細胞培養空間と区画形成されかつ細胞培養空間を取り囲むように設けられ、培養液を注入、貯留する培養液貯留空間１３と、第１隔壁に形成され、培養液貯留空間と細胞培養空間を連通させる排出口とを有する第１本体１０と、第１隔壁に設置され、サイフォン作用により細胞培養空間の培養液を外部に排出する連通管２０と、連通管を介して排出される培養液を回収し、外部に排出する培養液回収空間３１と、第２隔壁３２により培養液回収空間と区画形成され、外部から細胞を観察することができる細胞観察空間３３とを有する、第１本体の下部に配置された第２本体３０と、を備える。【選択図】図１
Description
本発明は、３次元自動細胞培養装置に関する。より詳細には、皮膚、肝臓、心臓などの人工臓器として培養可能な細胞に培養液を自動的に供給して培養するための３次元自動細胞培養装置に関する。
細胞を培養するための一つの方法は、細胞培養皿（Ｃｅｌｌ Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｄｉｓｈ）に細胞（Ｓｅｅｄｉｎｇ Ｃｅｌｌｓ）を播種し、適量の培養液（Ｍｅｄｉａ/Ｍｅｄｉｕｍ）を注入して培養することである。
しかし、細胞の長期培養と継続的な観察を行うためには、培養液を数回交換しなければならない煩わしさがある。さらに、培養液を交換している間に、培養中の細胞（Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｅｌｌ）が外に出て汚染される可能性も高くなり、その改善が求められている。
一方、一般に公開されているか、あるいは、すでに広く使用されている自動細胞培養装置は、例えば、機器装置の問題の一つである内部の湿気による故障が多く、メンテナンスコストが高くなる可能性がある。
したがって、これまで知られている限りでは、機器装置を用いた自動細胞培養は、未だに困難である。つまり、細胞を用いて皮膚、肝臓、心臓などの人工臓器を作製するには、細胞を長期培養する必要があるため、安定かつ効率的に細胞を培養することができる装置が求められる。
本発明は、従来技術では解決できなかったいくつかの問題を同時に改善することにより、細胞に培養液を自動的に供給し、長期間継続的に培養し、観察することができるようにするためのものである。
本発明の目的は、皮膚、肝臓、心臓などの人工臓器として培養可能な細胞に培養液を自動的に供給することにより、長期間、容易に培養することができ、かつ、継続的な観察ができるようにした３次元自動細胞培養装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養は、細胞培養足場（Ｓｃａｆｆｏｌｄ）を入れ、細胞を培養する細胞培養空間と、第１隔壁により前記細胞培養空間と区画形成されかつ前記細胞培養空間を取り囲むように設けられ、培養液（Ｍｅｄｉａ／Ｍｅｄｉｕｍ）を注入、貯留する培養液貯留空間と、前記第１隔壁に形成され、前記培養液貯留空間と前記細胞培養空間を連通させる排出口とを有する、透明素材の第１本体と、
前記第１隔壁に設置され、サイフォン作用により細胞培養空間の培養液を外部に排出する連通管と、
前記連通管を介して排出される培養液を回収し、外部に排出する培養液回収空間と、第２隔壁により前記培養液回収空間と区画形成され、外部から細胞（Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｅｌｌ）を観察することができる細胞観察空間とを有する、前記第１本体の下部に配置された透明素材の第２本体と、を備えることができる。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養は、細胞培養足場（Ｓｃａｆｆｏｌｄ）を入れ、細胞を培養する細胞培養空間と、第１隔壁により前記細胞培養空間と区画形成されかつ前記細胞培養空間を取り囲むように設けられ、培養液（Ｍｅｄｉａ／Ｍｅｄｉｕｍ）を注入、貯留する培養液貯留空間と、前記第１隔壁に形成され、前記培養液貯留空間と前記細胞培養空間を連通させる排出口とを有する、透明素材の第１本体と、
前記第１隔壁に設置され、サイフォン作用により細胞培養空間の培養液を外部に排出する連通管と、
前記連通管を介して排出される培養液を回収し、外部に排出する培養液回収空間と、第２隔壁により前記培養液回収空間と区画形成され、外部から細胞（Ｃｕｌｔｕｒｅ Ｃｅｌｌ）を観察することができる細胞観察空間とを有する、前記第１本体の下部に配置された透明素材の第２本体と、を備えることができる。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記第１、２本体は、一体に構成されるか、または分解・組立可能に構成され、かつ、第１本体と一体に構成された第２本体の下部に培養液を排出するための排出ポート（Ｄｒａｉｎ Ｐｏｒｔ）を形成してもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記培養液貯留空間の下端部は、横断面を斜め方向に形成してもよく、排出口を中心にＶ字谷状をなすように形成してもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記第１、２本体は、横断面が多角形または円形であり、さらに、第１、２本体の中心部側に横断面が多角形または円形である第１、２隔壁を配置してもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記排出口と連通管は、対向配置してもよく、互いに交差する方向に配置してもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記細胞培養空間を開閉する第１蓋と、培養液貯留空間を開閉する第２蓋とを備えてもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記第１、２蓋は、細胞培養空間と培養液貯留空間とが密封できるように、内側に密封パッドを備えてもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記培養液貯留空間に培養液を供給するプロセス、および、細胞培養空間に足場と細胞を入れるプロセスは、クリーンベンチ（Ｃｌｅａｎ ｂｅｎｃｈ）で行うことができる。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記細胞培養空間の培養液は、前記細胞培養空間の培養液が前記連通管の最大水位まで満たされると、サイフォン作用により前記連通管を介して排出できる。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記第１本体と前記第２本体は、透明材料であってもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記連通管の一端の最下部は、前記第１隔壁における前記排出口より高い位置に形成してもよい。
これらの解決手段は、添付の図面に基づく以下の発明を実施するための具体的な内容から、より明らかになるであろう。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記第１本体と前記第２本体は、透明材料であってもよい。
本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置において、前記連通管の一端の最下部は、前記第１隔壁における前記排出口より高い位置に形成してもよい。
これらの解決手段は、添付の図面に基づく以下の発明を実施するための具体的な内容から、より明らかになるであろう。
本明細書および請求の範囲で用いられる用語や単語は、通常的かつ辞書的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者が自らの発明を最良の方法で説明するために、用語の概念を適宜定義することができるという原則に基づいて本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されるべきである。
本発明の一実施形態によれば、第１隔壁により区画され、細胞培養空間と分離形成された培養液貯留空間、連通管および培養液回収空間を介して無動力の一方向流（Ｏｎｅ-ｗａｙ ｆｌｏｗ）で培養液を繰り返して自動供給することができ、細胞の長期培養が可能である。
また、第２の隔壁により区画され、培養液回収空間と分離形成された細胞観察空間を介して細胞を継続的に観察することができ、細胞の特定部位の生長や移動形態などを撮影する外部装置との互換が容易である。したがって、細胞を用いて、例えば、皮膚、肝臓、心臓などの人工臓器を容易に培養することができる点で有効である。
本発明の特定の観点や技術的特徴は、添付の図面に関連する以下の具体的な内容と実施形態から、より明らかになるであろう。各図面の構成要素に参照符号を付すにあたり、同一の構成要素には、他の図面上に表示されても、できるだけ同一の符号を有するようにしていることに留意すべきである本発明の実施形態の説明において、関連する公知の構成または機能についての具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
また、本発明の構成要素の説明において、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を用いることができる。これらの用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、その用語により当該構成要素の本質や順番・順序などは限定されない。ある構成要素が他の構成要素に「結合」または「接続」されると記載されている場合、その構成要素は、他の構成要素に直接に「結合」または「接続」されてもよいが、各構成要素の間に別の構成要素が「結合」または「接続」されてもよいと理解されるべきである。
以下、本発明の一実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明すると、次の通りである。
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１の内部の断面図であり、第１隔壁１２により区画され互いに分離形成された細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とが第１本体１０の内部に設けられ、かつ、第２隔壁３２により区画され互いに分離形成された培養液回収空間３１と細胞観察空間３３とが第２本体３０の内部に設けられ、かつ、前記第１隔壁１２に連通管２０が設置された結合関係を示す。
図２は、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１の斜視図であり、第１、２本体１０、３０が一体に構成され、かつ、前記第１本体１０の内部に培養液貯留空間１３の下端部１３ａが排出口１４を中心にＶ字谷状をなすように形成され、かつ、前記第２本体３０に排出ポート３０ａが形成された結合関係を示す。
図３は、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１の断面の斜視図であり、第１隔壁１２により区画され互いに分離形成された細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とが第１本体１０の内部に設けられ、かつ、記第１本体１０の上部に細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とを開閉するための第１、２蓋４０、４１が設置され、かつ、第２隔壁３２により互いに区画形成された培養液回収空間３１と細胞観察空間３３とが第２本体３０の内部に設けられ、かつ、前記第１隔壁１２に連通管２０が設置された結合関係を示す。
図４は、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１の分解斜視図であり、第１、２本体１０、３０が分解・組立可能に構成され、かつ、前記第１本体１０の上部に第１、２蓋４０、４１が設置された結合関係を示す。
図１～４に示すように、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１は、細胞培養足場２を入れ、細胞を培養する細胞培養空間１１が内部に独立して設けられ、かつ、培地、メディア（Ｍｅｄｉａ）またはメディウム（Ｍｅｄｉｕｍ）に解釈可能な培養液を注入、貯留する培養液貯留空間１３が独立して設けられた第１本体１０を備える。
すなわち、前記第１本体１０は、内部に互いに分離された細胞培養空間１１と、これを取り巻く培養液貯留空間１３とが設けられるが、これは、第１隔壁１２により前記細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とを区画形成することで、容易に実施することができる。
ここで、細胞培養空間１１は、例えば、アガロース（Ａｇａｒｏｓｅ）組成物や高分子物質を用いてゲル状に作製した足場２を外部から入れることができるように、上部に開口部１０ａを形成する。前記開口部１０ａを介して入れられた足場２は、細胞培養空間１１の底部１１ａに置かれる。
また、培養液貯留空間１３は、外部から培養液を注入することができるように、注入部１０ｂを上部に形成するが、前記注入部１０ｂは、前記培養液貯留空間１３の上部に形成することに限定されず、培養液の容易な注入が可能であれば、側面に形成してもよい。
培養液貯留空間１３の下端部１３ａは、前記培養液貯留空間１３に注入された培養液がすべて細胞培養空間１１に排出されるように、横断面を斜め方向に形成してもよく、排出口１４を中心にＶ字谷状をなすように形成してもよい。
前記第１隔壁１２は、細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とを区画し、互いに分離させるための一種の仕切りであって、足場２が置かれる底部１１ａから上部方向に形成し、かつ、側面に前記細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３を連通させ、培養液が足場２に播種された細胞に供給されるように排出口１４を形成する。
前記第１隔壁１２により互いに分離された細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とが内部に設けられる第１本体１０は、横断面が多角形または円形であってもよく、さらに、中心部側に横断面が多角形または円形である第１隔壁１２を配置してもよい。
本発明の一実施形態においては、横断面が長方形である第１本体１０の中心部側に横断面が長方形である第１隔壁１２が配置され、かつ、底部１１ａに当接するように、第１隔壁１２の下部に排出口１４が形成されていることを示す。
ここで、第１本体１０は、例えば、透明プラスチックや強化ガラスなどの透明素材であってもよく、これを介して、細胞培養プロセスを外部から容易に観察することができる。また、第１本体１０の細胞培養プロセスを観察するための一部分だけを透明素材としてもよい。
一方、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１は、第１隔壁１２に設置され、サイフォン作用により細胞培養空間１１の培養液を外部に排出する連通管２０と、前記連通管２０を介して排出される培養液を回収し、外部に排出する培養液回収空間３１と、外部から細胞を観察することができる細胞観察空間３３とが内部に独立して設けられ、第１本体１０の下部に配置された第２本体３０を備える。
すなわち、前記第２本体３０は、第１本体１０と同様に、内部に互いに分離された培養液回収空間３１と、細胞観察空間３３とが設けられるが、これは、第２隔壁３２により、前記細胞観察空間３３と、これを取り巻く培養液回収空間３１とを区画形成することにより、容易に実施することができる。
前記第２隔壁３２は、細胞培養空間１１の底部１１ａから下部方向に延びるように形成され、これにより、細胞観察空間３３を介する細胞の観察が容易である。つまり、前記第２隔壁３２により細胞観察空間３３が外部に開放されており、細胞の特定部位の生長や移動形態などを撮影する外部装置との互換が容易であるため、細胞を継続的に観察することができる。
前記第２隔壁３２により細胞観察空間３３と、これを取り巻く培養液回収空間３１が内部に独立して設けられた第２本体３０は、横断面が多角形または円形であり、さらに、第１、２本体１０、３０の中心部側に横断面が多角形または円形である第２隔壁３２を配置してもよい。
本発明の一実施形態においては、横断面が長方形である第２本体３０の中心部側に横断面が長方形である第２隔壁３２が配置されていることを示す。
本発明の一実施形態においては、横断面が長方形である第２本体３０の中心部側に横断面が長方形である第２隔壁３２が配置されていることを示す。
ここで、第２本体３０は、第１本体１０と同様に、例えば、透明プラスチックや強化ガラスなどの透明素材であってもよく、これを介して、細胞培養プロセスを外部から容易に観察することができる。また、第２本体３０の細胞培養プロセスを観察するための一部分だけを透明素材としてもよく、さらに前記第２本体３０は、前記第１本体１０と一体に構成してもよく、分解・組立可能に構成してもよい。
また、第１、２本体１０、３０が一体に構成された３次元自動細胞培養装置１は、第２本体３０の下部に、培養液を外部に排出するための排出ポート３０ａを形成して提供される。
前記連通管２０は、サイフォン作用により細胞培養空間１１の培養液を培養液回収空間３１に排出することができるように、第１隔壁１２に設置する。ここで、連通管２０は、排出口１４と対向配置してもよく、互いに交差する方向に配置してもよい。または、第１隔壁１２と一体的に形成してもよい。
すなわち、連通管２０の一端は、曲げ形成し細胞培養空間１１の底部１１ａの上部に配置し、連通管２０の他端は、それより低い位置にある培養液回収空間３１の上部に配置されるように図面上の排出口１４の反対側の第１隔壁１２に設置することで、高い方の液面に働く大気圧のため液体が管内に押し上げられることによって起こるサイフォン作用により前記細胞培養空間１１の培養液が培養液回収空間３１に排出される。
したがって、本発明の一実施形態によれば、細胞培養空間１１に供給された培養液は、連通管２０の最大水位まで満たされると、サイフォン作用により前記連通管２０を介して培養液回収空間３１に排出される。そして、前記培養液回収空間３１に回収された培養液は、第１本体１０から第２本体３０を分離するか、または、排出ポート３０ａを介して最終的に３次元自動細胞培養装置１の外部に排出される。
以下、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置を用いた細胞培養プロセスを具体的に説明すると、次の通りである。
図５は、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１を用いた細胞培養プロセスの断面図であり、第１隔壁１２により培養液貯留空間１３と区画形成され互いに分離された細胞培養空間１１に足場２と細胞が入れられ、前記培養液貯留空間１３に注入された培養液が排出口１４を介して細胞培養空間１１に供給された後、サイフォン作用により連通管２０を介して培養液回収空間３１に回収されるプロセスを示す。
すなわち、図５に示すように、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１を用いた細胞培養プロセスは、まず、注入部１０ｂを介して培養液貯留空間１３に培養液を注入して満たした後、前記注入部１０ｂに第２蓋４１を結合して培養液貯留空間１３を密閉する。そして、開口部１０ａを介して細胞培養空間１１に足場２と細胞を入れ、適量の培養液を注入した後、前記開口部１０ａに第１蓋４０を結合して前記細胞培養空間１１を密閉する。
したがって、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１は、細胞培養空間１１を開閉する第１蓋４０と培養液貯留空間１３を開閉する第２蓋４１をさらに備える。また、第１、２蓋４０、４１は、細胞培養空間１１と培養液貯留空間１３とが密封できるように内側に密封パッド４２を備えてよい。
ここで、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１を用いた細胞培養プロセス、すなわち、培養液貯留空間１３に培養液を注入するプロセス、および、細胞培養空間１１に足場２と細胞を入れるプロセスは、クリーンベンチ（Ｃｌｅａｎ ｂｅｎｃｈ）で行うことができる。
一方、培養液貯留空間１３に培養液を注入した後、３～４日後には、第２蓋４１を介して注入部１０ｂを一部開放し、培養液が排出口１４に流れ出るようにする。ここで、培養液が連通管２０の最大水位まで満たされると、第２蓋４１を完全にロックして培養液貯留空間１３を密閉する。
培養液が連通管２０の最大水位まで満たされると、サイフォン作用により細胞培養空間１１の培養液が培養液回収空間３１に排出される。具体的には、培養液が連通管２０の最大水位まで満たされると、培養液が連通管２０の最大水位（高さ）に到達することで、培養液の圧力が重力の方向と同じになり、これにより、培養液が培養液回収空間３１に排出される。
連通管２０を介して培養液が排出され、連通管２０の一端の最下部より細胞培養空間１１における培養液の水位が低くなると、培養液の排出が停止する。
連通管２０を介して培養液が排出され、連通管２０の一端の最下部より細胞培養空間１１における培養液の水位が低くなると、培養液の排出が停止する。
以後、第２蓋４１を介して注入部１０ｂを再び一部開放し、細胞培養空間１１に培養液が満たされると、前記第２蓋４１をロックして培養液貯留空間１３を再び密閉し、培養液が連通管２０の最大水位まで再び満たされると、サイフォン作用により細胞培養空間１１の培養液を培養液回収空間３１に再び排出できるようになる。
ここで、連通管２０の一端の最下部は、底部１１ａの上部に配置し、かつ、第１隔壁１２における排出口１４より高い位置に形成することが好ましい。上述したように、細胞培養空間１１における培養液の水位が連通管２０の一端の最下部より低くなると、サイフォン作用が停止する。
このとき、排出口１４が連通管２０の一端の最下部より高い位置に形成されると、細胞培養空間１１における培養液の水位が連通管２０の一端の最下部より低くなることなく、継続して培養液が排出できる。したがって、培養液の排出、停止、再排出の一連のプロセスを繰り返すためには、連通管２０の一端の最下部を第１隔壁１２における排出口１４より高い位置に形成することが好ましい。
このような一連のプロセスから見た、本発明の一実施形態に係る３次元自動細胞培養装置１は、無動力の一方向流（Ｏｎｅ-ｗａｙ ｆｌｏｗ）で循環させ、長期間、細胞に培養液を供給することができ、細胞の長期培養が可能である。
また、培養液回収空間３１に回収され培養液が満たされると、これを外部に排出した後、培養液貯留空間１３に培養液を再び満たして細胞に供給することができ、かつ、これを繰り返して行うことができるため、例えば、３０～６０日間、細胞の培養が可能である。
したがって、本発明の一実施形態によれば、細胞の長期培養を要する、例えば、皮膚、肝臓、心臓などの人工臓器を容易に培養することができる点で有効である。
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、これは、本発明を具体的に説明するためのものに過ぎず、本発明に係る３次元自動細胞培養装置を限定するものではない。なお、上記の「含む」、「備える」、または「有する」などの用語は、特に反対の記載がない限り、当該構成要素が存在し得ることを意味するだけであり、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができるものと解釈されるべきである。さらに、技術的または科学的な用語を含むすべての用語は、他に定義されない限り、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者により一般的に理解されているものと同じ意味を持つ。
また、以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で、様々な修正や変形が可能である。したがって、本発明に開示された一実施形態は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、このような一実施形態により本発明の技術思想の範囲は限定されない。本発明の保護範囲は、以下の請求範囲により解釈されるべきであり、その同等の範囲内にあるすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
Claims (1)
- アガロース（Ａｇａｒｏｓｅ）組成物や高分子物質を用いてゲル状に作製した細胞培養足場を入れ、細胞を培養する細胞培養空間と、第１隔壁により前記細胞培養空間と区画形成されかつ前記細胞培養空間を取り囲むように設けられ、培養液を注入、貯留する培養液貯留空間と、前記第１隔壁に形成され、前記培養液貯留空間と前記細胞培養空間を連通させる排出口とを有する第１本体であって、前記培養液貯留空間の下端部は、排出口を中心にＶ字谷状をなすように形成され、前記排出口は、前記細胞培養空間の底部と接触しながら前記第１隔壁の下部に形成された第１本体と、
前記第１隔壁に設置され、サイフォン作用により細胞培養空間の培養液を外部に排出する連通管であって、前記連通管の一端は曲げ形成し、前記連通管の曲げ形成した端の最下部は、前記第１隔壁における前記排出口より高い位置に形成された連通管と、
前記連通管を介して排出される培養液を回収し、外部に排出する培養液回収空間と、第２隔壁により前記培養液回収空間と区画形成され、外部から細胞を観察することができる細胞観察空間とを有する、前記第１本体の下部に配置された第２本体と、を備える三次元自動細胞培養装置。
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