JP5294296B2 - 細胞培養方法及びその方法を用いた自動培養装置 - Google Patents
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Description
なお、ゾウリムシのような実験用細胞を大量に増殖させる継代培養技術に関するものとして、特許文献3がある。この特許文献3に記載された技術では、培地が充填された培養容器内で培養された培養細胞に対して、新しい培地を供給して古くなった培地と培養細胞の一部とを洗い流して、培養容器内の培養細胞を希釈するというものである。しかし、本技術では培地で洗い流した細胞はそのまま計測に供されるというもので、人体の再生医療に供される純粋な細胞を大量に取得するものには適さないように思われる。
(1)人体より摘出した細胞と培地とを培養容器へ注入するステップと、(2)培地と前記細胞が入った前記培養容器内の換気と培地の交換を行いつつ、細胞を培養するステップと、(3)前記培養器内で培養された培養細胞の洗浄を行った後、前記洗浄された細胞をその一部を残して前記培養容器内から細胞回収容器へ回収するステップと、(4)前記ステップ(3)において前記培養容器内に残された培養細胞に対し、培地を注入するステップと、(5)前記ステップ(2)とステップ(4)を繰返し実行するステップにより構成される。
を備えている。
以下、本発明を、図面を参照しながら説明するが、先ず初めに、本発明の細胞培養方法を実行するための自動培養装置の第1の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の自動培養装置の構成の概要を示すブロック図である。図1において、200は、人体細胞の細胞培養に必要とされる複数の薬品を個別に収納する薬品供給ユニットで、その内部は収納された薬品が劣化しないように常温よりも低い所定の温度範囲に保つことができるように構成されている。300は、インキュベータユニットで、内部には培養容器が収納されている。400は、回収ユニットで、インキュベータユニット内で培養された細胞や、使用済み薬品を回収するユニットである。500は、薬品供給ユニット200とインキュベータユニット300と回収ユニット400との間で、薬品や細胞を供給、排出させる給排ユニットである。600は、環境保全ユニットで、薬品供給ユニット200から培養器へ供給される薬品の温度や、インキュベータユニット300内の温度、炭酸ガス(CO2)濃度をコントロールするものである。700は、インキュベータユニット30に収納された培養器内の細胞培養状態を観察するための観察ユニットで、顕微鏡や、顕微鏡の移動機構や、培養容器内を照らす照明器具を備えている。800は、上記回収ユニット400、給排ユニット500、環境保全ユニット600、観察ユニット700をコントロールする中央演算処理ユニット(CPU)である。900は、自動培養装置への操作指令を入力する操作器や、前記観察ユニット700で得られた画像を表示するモニタ等を備えた操作ユニットである。
薬品供給ユニット200は、開閉可能な蓋を備えた収納ボックス(図示省略)と、この収納ボックスの内部に支持部材によって所定位置に配置された複数(図示例では3個)の薬品収容用の薬品バッグ5,7,9とを備えている。収納ボックスは、薬品バッグ5,7,9内に入れられた薬品の劣化を防止するために、薬品バッグの収容空間を外部と遮断し、薬品バッグが収容される空間を所定の温度に維持するための断熱材を備えている。薬品バッグ5,7,9は、折り畳み可能な柔軟性を有し、かつ細胞に対して毒性を持たない材料で形成された輸液バッグを用いるのが好ましい。具体的には、例えば、塩化ビニール製、またはシリコンゴム製のバッグを用いることが好ましい。なお、薬品バッグ5,7,9には、培養に必要な薬品、この例では、洗浄液、剥離剤、培地が各々個別に収容されている。なお、薬品バッグ7に収容された剥離剤は、接着性を有した細胞を培養対象とする場合に必要とされる薬品であって、培養対象が遊離性を有した細胞である場合には必要がない。
培養容器1の横断面形状は、特に限定されるものではないが、本実施形態では円形をしたシャーレで、その上部開口には、フランジが形成されている。このフランジの平面を利用して、蓋67が溶着等により固着され、培養容器1は密閉されている。そして、培養容器1の側面には、ノズル69,71,73が挿入され、ノズル69には送液チューブ29が,ノズル71には排出チューブ59が,ノズル73にはガス交換チューブ75が接続されている。なお、図5は、ノズル69と送液チューブ29の接続状態を更に詳細に示す図である。
(培養開始の準備)
培養開始前に、操作者は、自動培養装置の回収ユニット400へ細胞回収バッグ11,13,15を装着し、X線やγ線等を放射することによって自動培養装置内を滅菌処理する。なお、細胞回収バッグ11,13,15の無菌状態は、バッグの製造が完了してから梱包時までに放射線を照射することで確保しても良い。そして、前記滅菌処理が完了後、操作者は、洗浄液、剥離剤、培地が貯留された薬品バッグ5,7,9を薬品供給ユニット200へ装着する。また操作者は、細胞と培地等が懸濁状態にされた細胞液を、シリンジ41を用いて液溜め43に注入する。これらの作業を終えると、操作者は自動培養装置の電源を投入し、操作ユニット900から培養開始指令を入力する。すると、図6のフローチャートに従って、CPU800が各ユニットを制御することによって細胞培養が実行される。
培養開始の指令が入力されると、CPU800は、先ず、培地の注入のための制御を実行する。すなわち、CPU800は、給排ユニット500のピンチ弁21とピンチ弁33を開放させる信号を出力し、次いで供給ポンプ35を動作させる信号を出力する。これにより送液チューブ27,29の流路が開放されるとともに、供給ポンプ35が駆動される。供給ポンプ35が駆動されると、薬品バッグ9に貯留された培地が培養容器1へ向けて送液チューブ27,29内を通って送られる。このとき、ヒータ31にはCPU800の指令によって電流が供給されており、それによって培地がチューブ内で暖められる。培地が培養容器1へ所定量送り込まれると、CPU800は供給ポンプ35を駆動したままで、ピンチ弁21を閉じさせる。すると、インキュベータ3内の空気がフィルタ37を介してガスチューブ38、送液チューブ29に吸い込まれる。送液チューブ29内に残留していた培地が無くなったタイミングで、CPU800の指令によって供給ポンプ35は一旦停止させられ、またピンチ弁33が閉じられる。ピンチ弁21を閉じた後に送液チューブ29へ空気を送り込むことによって、送液チューブ29内に残留していた薬品(培地)は、培養容器1へ速やかに送り込まれる。その結果、送液チューブ29の薬品による目詰まりが防止される。
培地の注入が終了すると、細胞液の注入制御がCPU800によって行われる。細胞液は事前準備として、操作者によって液溜め43に貯留されており、CPU800からピンチ弁40を開放させる指令と、供給ポンプ35を駆動させる指令が出力されると、ピンチ弁40が開放され、供給ポンプ35が駆動される。これによって液溜め43から細胞液が送液チューブ39を通って培養容器1内へ注入される。そして、細胞液の注入が終了すると、CPU800からの指令によりピンチ弁40は閉じられ、供給ポンプ35は停止させられる。
細胞液の注入が終了すると、CPU800は、インキュベータ3の内部のCO2の濃度制御及びインキュベータ3の内部の温度制御を行いつつ、予め設定された期間について細胞の培養を行う。この予め設定された期間は、例えば3日程度とされるが、細胞の種類、細胞の増殖スピード等によって変更し得る。
前記設定期間が経過後、培養容器1内の換気が行われる。本実施形態の培養容器1の内部は、細胞培養中はほぼ密閉状態にあり、適宜な期間について、培養容器1内の換気を行う必要がある。このため、CPU800は、ピンチ弁33を開放させる指令と、供給ポンプ35を駆動させる指令を出力する。ピンチ弁33が開き、供給ポンプ35が駆動されると、フィルタ37を介して吸入されたインキュベータ3内の空気がガスチューブ38、送液チューブ29を介して培養容器1内へ(矢印A方向へ)供給され、それと同時に培養容器1内の空気がガス交換チューブ75、フィルタ77を介してインキュベータ3内へ(矢印B方向へ)排出される。図6のフローチャートでは、空気送りは1回とされているが、後述する培地交換時、細胞回収時を除けば何回でも、連続して行っても良い。また、培養容器1内の空気の交換は、フィルタ77からインキュベータ3内の空気を培養容器1内へ(矢印C方向へ)供給し、培養容器1内の空気をフィルタ37からインキュベータ3内へ(矢印D方向へ)排出しても良い。
培養容器1内の換気が終了後、所定期間を置いて、培地交換が行われる。培地交換は、培地中に溶出する細胞の代謝物質の排除のために培養容器1内の培地を排出し、新しい培地を培養容器1内へ注入することによって栄養分を補給するために、定期的に行われる。通常、図6のステップ3(S3)からステップ5(S5)までの動作は3日〜7日置きに実施されるが、この期間は、予め設定されるか、または細胞の増殖状態に応じて任意に変更できる。培地の排出のためには、CPU800からピンチ弁63を開放させる指令が出力されるとともに、排出ポンプ61を駆動させる指令が出力される。これにより、ピンチ弁63が開放され、排出ポンプ61が駆動され、排出チューブ59、58を介して培養容器1内から細胞の代謝物質を含んだ培地が廃液容器65へ排出される。そして、培地が培養容器1から排出されると、ピンチ弁63が閉じられ、排出ポンプ61が停止させられる。
そして、培地交換が設定回数に達した場合には、前記ステップ7(S4)の最後の空気送りがステップ4(S4)と同様に行われる。なお、ステップ3(S3)からステップ7(S7)の間における細胞の培養期間内には、インキュベータ3内のCO2濃度管理、温度管理がCPU800によって継続的に行われる。また培養期間内に、観察ユニット700が操作者により適宜操作され、それにより培養容器1内の培養状態が撮像され、撮像された画像がモニタへ表示される。操作者はモニタへ表示された画像を観察することで培養の進行状態を確認する。
ステップ7の空気送りが所定時間、例えば数日間行われると、培養細胞の回収ステップが行われる。培養細胞の回収ステップでは、先ず、これから行われる細胞回収の設定回数に対する判定が行われる。本実施形態では、細胞は3回回収されるように装置へ設定されている。そして、このステップ8(S8)では、培養細胞の回収が3回目であると判定されれば、次の工程はステップ13(S13)の最終の細胞回収工程へ進む。また、培養細胞の回収が1回目又は2回目であれば、次の工程はステップ9(S9)へ進む。
ステップ8(S8)において、細胞回収が2回目か否かの判定が行われる。そしてその判定結果が2回目ではない、すなわち1回目と判定されると、次の工程はステップ10(S10)の細胞回収工程へ進み、またその判定結果が2回目であると判定されると、次の工程はステップ11(S11)の細胞回収工程へ進む。
細胞回収が1回目と判定されると、培養容器1内の培地の排出工程と、薬品バッグ5に貯留された洗浄液の注入工程とそれに続く排出工程が行われ、培養細胞の洗浄が行われる。その後、薬品バッグ7に貯留された剥離剤を培養容器1内へ注入する工程が実行される。培養容器1内へ剥離剤が注入され所定時間が経過すると、培養細胞が培養容器1から剥離される。次いで、細胞回収が1回目と判定された結果に対応して、培養容器1の底面から剥離した培養細胞の細胞回収バッグ11への回収工程が実行される。
このために、ステップ10(S10)の1回目の細胞回収が終了すると、CPU800は、培養容器1内に残された細胞に対して、ステップ3(S3)からステップ9(S9)までを再実行する。これによって、培養容器1内に残された細胞が培養される。CPU800はステップ8(S8)、ステップ9(S9)にて今回の細胞回収は何回目かを判定する。ここでの判定結果は2回目となる。
ステップ9(S9)において細胞回収が2回目と判定されると、ステップ11(S11)において、ステップ10(S10)における細胞回収と同様な順序で2回目の細胞回収が行われる。ただし、このステップ11(S11)における2回目の細胞回収においては、ステップ9(S9)の判定結果に対応して、CPU800の指令によって、培養容器1から排出された細胞は細胞回収バッグ13へ回収され、熱シーリング機構66は、細胞回収バッグ13のチューブ部分を熱圧着する点がステップ10(S10)とは異なる。
ステップ11(S11)の2回目の細胞回収が終了すると、CPU800は、培養容器1内に残された細胞に対して、ステップ3(S3)からステップ9(S9)までを再度繰り返し実行する。これによって、培養容器1内に残された細胞が培養される。CPU800はステップ8(S8)、ステップ9(S9)にて今回の細胞回収は何回目かを判定する。ここでの判定結果は3回目となる。
ステップ9(S9)において細胞回収が3回目と判定されると、ステップ12(S12)において、ステップ10(S10)における細胞回収と同様な順序で3回目の細胞回収が行われる。ただし、このステップ12(S12)における3回目の細胞回収においては、ステップ9(S9)の判定結果に対応して、CPU800の指令によって、培養容器1から排出された細胞は細胞回収バッグ15へ回収され、熱シーリング機構62は、細胞回収バッグ15のチューブ部分を熱圧着する点がステップ10(S10)とは異なる。
図7は、このようなコンタミネーションの発生を防止することができる第2の実施形態の自動培養装置の構成を示している。図7に示すように、本実施形態の自動培養装置は、前記第1の実施形態との比較において、第1の実施形態の培養容器1に設けられた排出系のノズル71に替えて、細胞回収バッグ11,13,15と廃液容器65との数(計4個)に対応するノズル101,103,105,107が設けられている点が異なる。すなわち、ノズル101,103,105,107には、それぞれに排出チューブ119,121,123,125が接続されている。これらの排出チューブ119,121,123には、それぞれに細胞回収バッグ11,13,15が接続され、排出チューブ125には廃液容器65が接続されている。そして、これらの排出チューブ119,121,123,125の中間には、それぞれピンチ弁47,49,51,63並びに排出ポンプ111,113,115,117が図に示すように接続されている。なお、図面ではピンチ弁47,49,51,63は、排出ポンプの吸引側に取り付けられているが、それらは排出ポンプの吐出側に取り付けても良い。なお、本実施形態においても排出ポンプ111,113,115,117及びピンチ弁47,49,51,63はCPU800の指令によって動作がなされる。
Claims (19)
- 培養に必要な複数の薬品を個別に収納する薬品供給ユニットと、
人体細胞培養シャーレを収納するインキュベータユニットと、
前記培養シャーレ内で培養された培養人体細胞を回収する回収ユニットと、
前記培養シャーレへの人体細胞の供給と、前記薬品供給ユニットから前記培養シャーレへの薬品の供給と、前記培養シャーレから前記回収ユニットへの培養人体細胞の排出を行う給排ユニットと、
前記培養シャーレへの薬品供給動作と、前記培養シャーレにおける人体細胞培養動作と、前記培養シャーレからの培養人体細胞の排出動作とを制御する制御ユニットであって、培養人体細胞の回収時に前記培養シャーレ内に残された培養人体細胞に対し、前記給排ユニットによる薬品供給工程を含む人体細胞培養工程と、培養人体細胞の排出工程とを少なくとも1回行わせる手段を有した制御ユニット、
を備えたことを特徴とする自動培養装置。 - 前記給排ユニットは、前記薬品供給ユニットに設けられた複数の薬品バッグから選択的に1つの薬品を前記培養シャーレへ供給するための供給用チューブ配管と、このチューブ配管へ設けられた弁と、供給ポンプとを有することを特徴とする請求項1に記載の自動培養装置。
- 前記複数の薬品バッグに収納された薬品には、培地と、洗浄液とが含まれることを特徴とする請求項2に記載の自動培養装置。
- 前記複数の薬品バッグに収納された薬品には、更に剥離剤が含まれることを特徴とする請求項3に記載の自動培養装置。
- 前記給排ユニットは、培養人体細胞を回収する複数の回収バッグと、使用済み薬品を収容する廃液容器と、前記培養シャーレから使用済み薬品と培養人体細胞とを前記回収バッグまたは廃液容器へ選択的に排出するための排出用チューブ配管と、このチューブ配管へ設けられた弁と、排出ポンプとを有することを特徴とする請求項1に記載の自動培養装置。
- 前記培養シャーレには、前記給排ユニットへ接続されるノズルが複数個設けられていることを特徴とする請求項1に記載の自動培養装置。
- 前記給排ユニットの排出用チューブ配管へ接続される前記ノズルの培養シャーレ内に位置する先端と前記培養シャーレの底面との間に所定の隙間が設けられ、この隙間によって培養人体細胞の回収時に、培養人体細胞の一部が培養シャーレ内へ残されることを特徴とする請求項6に記載の自動培養装置。
- 前記回収バッグは、熱圧着性を有した材料から成り、前記排出用チューブ配管へ接続するためのチューブ部分を有すことを特徴とする請求項5に記載の自動培養装置。
- 前記給排ユニットは、前記制御ユニットからの指令によって特定された回収バッグのチューブ部分を熱圧着する熱シーリング機構を備えていることを特徴とする請求項8に記載の自動培養装置。
- 前記排出ユニットの排出用チューブ配管は、前記培養シャーレへ接続された単一のチューブと、複数の回収バッグと廃液容器とへ接続された複数のチューブとが接続されて構成され、排出ポンプは前記単一のチューブへ配置され、弁は複数の回収バッグと廃液容器とへ接続されたチューブの各々へ配置されていることを特徴とする請求項5に記載の自動培養装置。
- 前記排出ユニットの排出用チューブ配管は、前記培養シャーレと廃液容器及び複数の回収バッグとを個別に接続する数のチューブを有し、各々のチューブには排出ポンプと弁が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の自動培養装置。
- 前記排出ユニットの排出用チューブ配管は、前記培養シャーレと廃液容器とを接続する廃液用チューブと、前記培養シャーレへ接続された単一のチューブとこの単一のチューブと複数の回収バッグとを接続する複数のチューブとから成り、前記廃液用チューブと前記培養シャーレへ接続された単一のチューブとの各々へ排出ポンプと弁が配置されていることを特徴とする請求項5に記載の自動培養装置。
- (1)人体より摘出した人体細胞と培地とを培養シャーレへ注入するステップと、
(2)培地と前記人体細胞が入った前記培養シャーレ内の換気と培地の交換を行いつつ、人体細胞を培養するステップと、
(3)前記培養シャーレ内で培養された培養人体細胞の洗浄を行った後、前記洗浄された人体細胞をその一部を残して前記培養シャーレ内から細胞回収容器へ回収するステップと、
(4)前記ステップ(3)において前記培養シャーレ内に残された培養人体細胞に対し、培地を注入するステップと、
(5)前記ステップ(2)とステップ(3)を繰返し実行するステップ
を含む人体細胞培養方法。 - 前記ステップ(4)とステップ(5)を少なくとも1回行うことを特徴とする請求項13に記載された人体細胞培養方法。
- 前記ステップ(3)における人体細胞の回収ステップには、前記培養シャーレ内の培養人体細胞を洗浄するステップに続いて、剥離剤を注入することによって前記培養シャーレから培養人体細胞を剥離するステップを含むことを特徴とする請求項13に記載の人体細胞培養方法。
- 前記ステップ(3)における剥離剤注入に続いて、剥離剤の培養人体細胞への影響を弱めるために新しい培地を前記培養シャーレへ注入するステップを含むことを特徴とする請求項15に記載の人体細胞培養方法。
- 前記ステップ(5)において回収される培養人体細胞は、ステップ(3)において人体細胞が回収される容器とは異なる容器へ回収されることを特徴とする請求項13に記載の人体細胞培養方法。
- 前記ステップ(5)において回収される培養人体細胞は、ステップ(3)において人体細胞が回収される容器とは異なる容器へ回収されることを特徴とする請求項15に記載の人体細胞培養方法。
- 前記ステップ(5)において回収される培養人体細胞は、ステップ(3)において人体細胞が回収される容器とは異なる容器へ回収されることを特徴とする請求項16に記載の人体細胞培養方法。
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