JP5916475B2 - 細胞培養容器に装着される測定ユニット、細胞培養容器、および培養状態監視システム - Google Patents

Description

本発明は、培養すべき細胞および培養液を収容する細胞培養容器、当該細胞培養容器に装着されて当該細胞および培養液に関する情報を測定する測定ユニット、および当該細胞の培養状態を監視するシステムに関する。

この種の細胞培養容器として、再生医療や人工授精細胞などの細胞培養に用いられるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような細胞培養容器は、例えば温度や二酸化炭素濃度が管理されたインキュベータ内で保管される。

特開２００６−６２６１号公報

培養中の細胞培養容器に加わる振動や変位は、細胞の培養状態に影響を与えることがあるため極力回避することが求められている。しかしながらインキュベータには特段の振動対策が施されていないことが一般的である。したがって培養状態の相違が見出された場合、当該相違が培養過程で加わった振動により生じたものなのか、他の要因に基づいて生じたものなのかを判断することが困難である。また培地交換などの操作者の手技の巧拙により、細胞培養容器に振動や刺激が加わる可能性がある。

よって本発明は、細胞培養中に細胞培養容器に振動が加わったり変位が生じたりした事実を検出し、これを培養状態の解析に利用可能とするとともに、作業者の手技の巧拙を客観的に評価しうる技術を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第１の態様は、培養すべき細胞および培養液を収容する細胞培養容器に装着される測定ユニットであって、
細胞および培養液に関する情報を非接触で測定する測定部と、
位置、姿勢、衝撃、および振動の少なくとも１つを検出するセンサとを備える。

このような構成によれば、細胞の培養状態に影響を与えうる細胞培養容器の姿勢や振動を検出することができ、検出結果を利用した適宜の制御、培養状態の分析・評価が可能となる。

例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、地磁気センサ、衝撃センサ、磁気位置センサ、およびＧＰＳセンサのいずれかを前記センサとして用いることができる。

前記測定部は、培養液のｐＨ、培養液の温度、培養液周囲の炭酸ガス濃度、培養液周囲の酸素濃度、培養液周囲の酸素分圧、培養液周囲のアンモニア濃度、培養液のグルコース濃度、および培養液のラクテート濃度の少なくとも１つを、前記情報として測定する構成とすることができる。

これにより培養状態を示すこれらの情報の評価を行なう際に、細胞培養容器の変位、姿勢、加わった振動・衝撃の有無と関連付けた分析が可能となる。

前記測定ユニットは、前記細胞培養容器に対して着脱可能とすることができる。

使用済みの細胞培養容器は破棄されるが、センサを備える測定ユニットは再利用することができるため経済的である。

前記センサによる検出結果を示すデータを時刻情報に関連付けて記憶する記憶部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、培養過程の履歴情報を容易に生成することが可能であり、培養状態の評価に当該履歴情報を利用することができる。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第２の態様は、細胞培養容器であって、
培養すべき細胞および培養液を収容する培養細胞収容部と、
細胞および培養液に関する情報を非接触で測定する測定ユニットを格納する測定ユニット格納部と、
位置、姿勢、衝撃、および振動の少なくとも１つを検出するセンサとを備える。

このような構成によれば、培地により近い場所で姿勢や振動を検出でき、より正確な培養過程の把握が可能となる。

例えば、加速度センサ、ジャイロセンサ、地磁気センサ、衝撃センサ、磁気位置センサ、およびＧＰＳセンサのいずれかを前記センサとして用いることができる。

前記センサによる検出結果を示すデータを時刻情報に関連付けて記憶する記憶部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、培養過程の履歴情報を容易に生成することが可能であり、培養状態の評価に当該履歴情報を利用することができる。

前記センサによる検出結果を示すデータを無線送信する通信部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、細胞培養容器に振動を加えることなく検出結果を示すデータを取得することができる。

上記の目的を達成するために、本発明がとりうる第３の態様は、培養状態監視システムであって、
培養すべき細胞および培養液を収容する細胞培養容器と、
前記細胞培養容器に装着され、細胞および培養液に関する情報を非接触で測定する測定ユニットと、
前記細胞培養容器と前記測定ユニットのいずれかに設けられ、位置、姿勢、衝撃、および振動の少なくとも１つを検出するセンサと、
前記細胞培養容器と前記測定ユニットのいずれかに設けられ、前記センサによる検出結果を示すデータを無線送信する通信部と、
無線通信により前記通信部より前記データを取得する通信装置とを備える。

このような構成によれば、細胞の培養状態に影響を与えうる細胞培養容器の姿勢や振動を検出することができ、検出結果を利用した適宜の制御、培養状態の分析・評価が可能となる。また無線通信を利用するため、細胞培養容器に振動を加えることなく検出結果を示すデータを取得することができる。

前記データが所定の条件を充足した場合に、警告を発する警告発生部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、警告の対象となった細胞培養容器を交換したり姿勢を修正することにより、好ましくない条件で細胞の培養が進行する可能性を排除することができる。

前記データに基づいて、培養状態の履歴情報を生成する履歴情報生成部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、培養状態の評価を行なう際に、培養過程における細胞培養器の姿勢や加わった振動・衝撃の有無と関連付けた分析が可能となる。

前記データに基づいて、培養技術の評価情報を生成する評価情報生成部をさらに備える構成としてもよい。

この場合、作業者による培地の調製や持ち運び時における細胞培養器の姿勢や加わった振動の検出結果に基づいて、当該作業者の培養技術を評価することができる。

前記細胞培養容器を収容するインキュベータをさらに備え、前記通信装置は、前記インキュベータ内に設けられている構成としてもよい。

この場合、センサの検出結果を示すデータの取得に際して細胞培養容器に振動が加わるおそれを抑制することができる。

前記インキュベータ内の所定の位置へ前記細胞培養容器を自動的に配置する搬送機構と、前記データに基づいて、前記搬送機構の制御情報を生成する制御情報生成部とをさらに備える構成としてもよい。

この場合、搬送機構を用いた細胞培養容器の取り扱いを、センサの検出結果に応じて自動化することができる。

本発明の第１の実施形態に係る細胞培養器を示す分解斜視図である。 図１の細胞培養器が収容されるインキュベータを模式的に示す図である。 図２のインキュベータにおける制御ユニットの機能を説明するためのブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る細胞培養器を示す分解斜視図である。 図４の細胞培養器におけるＲＦＩＤタグの構成を模式的に示す図である。

本発明の実施形態を添付の図面を参照しつつ以下詳細に説明する。なお以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る細胞培養器１００を示す分解斜視図である。細胞培養器１００は、細胞培養容器１１０、および測定ユニット１２０により構成されている。

細胞培養容器１１０は、周壁１１１と隔壁１１２により区画形成された培養細胞収容部１１３と測定ユニット格納部１１４を備えている。培養細胞収容部１１３は、培養すべき細胞および培養液１１５を収容する空間である。測定ユニット１２０は、細胞培養容器１１０に対して着脱可能とされており、測定ユニット格納部１１４に矢印で示される向きに挿入される。隔壁１１２の一部は測定ユニット格納部１１４の側に突出して凸部１１６を形成している。

測定ユニット１２０は、培養液１１５のｐＨを測定するための装置である。測定ユニット１２０は、ハウジング１２１、バッテリ１２２、発光部１２３、受光部１２４、制御部１２５、通信部１２６、および加速度センサ１２７を備えている。ハウジング１２１の一部は、細胞培養容器１１０の凸部１１６に対応する形状の凹部１２８を有しており、発光部１２３と受光部１２４は凹部１２８を挟んで対向している。

細胞培養容器１１０の隔壁１１２のうち少なくとも凸部１１６を形成している部分は、発光部１２３より出射される光に対して透明とされている。測定ユニット１２０が測定ユニット格納部１１４に格納されるとき、発光部１２３と受光部１２４は凸部１１６を形成する隔壁を介して対向する。

バッテリ１２２は、測定ユニット１２０を構成する各要素に駆動電力を供給する。制御部１２５は図示しない演算素子とメモリを備えており、測定ユニット１２０を構成する各要素の動作を制御する。

発光部１２３は、それぞれ異なる波長の光を出射する３つのＬＥＤを備えている。各ＬＥＤから出射された光は、凸部１１６内の培養液１１５を通過して受光部１２４により受光される。受光部１２４は周知のフォトダイオードであり、受光強度に応じた信号を出力するように構成されている。

培養細胞収容部１１３に収容されている培養液１１５にはｐＨ指示薬が含まれている。３つのＬＥＤのうち１つは、当該ｐＨ指示薬がほとんど吸光性を示さない波長で発光する校正用光源である。他の２つのＬＥＤの一方は、培養液１１５のｐＨが所定の管理幅の中央値から酸性に振れるにしたがって上記指示薬が顕著な吸光性を示す波長で発光する光源である。他の２つのＬＥＤの他方は、培養液１１５のｐＨが当該中央値からアルカリ性に振れるにしたがって上記指示薬が顕著な吸光性を示す波長で発光する光源である。

本実施形態では、上記指示薬としてフェノールレッドを用いている。この場合、校正用光源としてのＬＥＤは７００ｎｍ帯で発光するものであり、他の２つのＬＥＤは、それぞれ５５８ｎｍ帯と４３０ｎｍ帯で発光するものである。

培養液１１５のｐＨを測定するにあたり、先ず校正用のＬＥＤを点灯させて培養液１１５の吸光性について校正係数を求める。次に残り２つのＬＥＤを交互に点灯させて各波長における培養液１１５の吸光度を測定する。

制御部１２５は、予め求めておいた指示薬のｐＨと吸光度との関係、および上記校正係数に基づいて培養液１１５のｐＨを特定する。特定されたｐＨを示すデータ（ｐＨデータ）は、測定時刻を示す情報と関連付けられて制御部１２５が備えるメモリに格納される。

すなわち発光部１２３、受光部１２４、および制御部１２５は、培養液１１５に関する情報としてのｐＨを非接触で測定する、本発明の測定部として機能する。

本発明のセンサとしての加速度センサ１２７は、例えば周知の３軸加速度センサである。ＸＹＺ方向の加速度を検出することにより、測定ユニット１２０の姿勢を検出可能とされている。測定ユニット１２０は細胞培養容器１１０に装着されているため、細胞培養容器１１０の姿勢を検出しているとみなすこともできる。姿勢を検出することにより、細胞培養器１００に振動や衝撃が加わった事実も検出することができる。

加速度センサ１２７による検出結果を示すデータ（姿勢データ）は、検出時刻を示す情報と関連付けられて制御部１２５が備えるメモリに記憶される。このときメモリは本発明の記憶部として機能する。

図２に示すように、細胞培養器１００はインキュベータ２００内に保管されて細胞の培養が行なわれる。インキュベータ２００は複数の細胞培養器１００を収容可能に構成されている。

図３に示すように、インキュベータ２００は、通信装置２０１、搬送機構２０２、および制御ユニット２１０を備えている。搬送機構２０２は、複数の細胞培養器１００のそれぞれを、所定の位置へ自動的に搬送するための周知の機構である。図２に示すように、インキュベータ２００の内部には、複数の通信装置２０１が所定位置に配置された複数の細胞培養器１００のそれぞれに対応するように配置されている。

測定ユニット１２０の通信部１２６は、対応する通信装置２０１に対して制御部１２５のメモリに格納されているｐＨデータと姿勢データを無線送信可能な構成とされている。

制御ユニット２１０は、通信制御部２１１、警告発生部２１２、履歴情報生成部２１３、評価情報生成部２１４、および制御情報制御部２１５を備えている。また制御ユニット２１０は、通信制御部２１１を介してコンピュータ等のホスト装置３００と通信可能に接続されている。細胞培養器１００、インキュベータ２００、およびホスト装置３００により培養状態監視システム１０が構成されている。

通信制御部２１１は、測定ユニット１２０の通信部１２６とインキュベータ２００の通信装置２０１との間で行なわれる無線通信を制御するものであり、当該無線通信を通じて測定ユニット１２０よりｐＨデータと姿勢データを取得する。無線通信を利用するため、細胞培養器１００に振動を加えることなくデータを取得することができる。

警告発生部２１２は、通信制御部２１１が取得した姿勢データが所定の条件を充足した場合に警告を発するように構成されている。例えば細胞培養器１００が傾斜した状態でインキュベータ２００内に配置されていたり、培地を交換するために作業者がインキュベータ２００から細胞培養器１００を取り出した際の扱いによって細胞培養器１００に過度の振動や衝撃が加わったことを姿勢データが示している場合に、警告が発せられる。警告による報知は、音声と表示の少なくとも一方によりなされる。警告の対象となった細胞培養器１００を交換したり姿勢を修正することにより、好ましくない条件で細胞の培養が進行する可能性を排除することができる。

履歴情報生成部２１３は、通信制御部２１１が取得したｐＨデータおよび姿勢データのそれぞれについて履歴情報を生成するように構成されている。上述のようにｐＨデータと姿勢データは、それぞれ測定時刻と検出時刻を示す情報と関連付けられているため、容易に履歴情報を生成することができる。培養状態の評価を行なう際に、培養過程における細胞培養器１００の姿勢や加わった振動・衝撃の有無と関連付けた分析が可能となる。

評価情報生成部２１４は、通信制御部２１１が取得したｐＨデータおよび姿勢データに基づいて、あるいは上記履歴情報に基づいて培養技術の評価情報を生成するように構成されている。測定ユニット１２０の加速度センサ１２７は、細胞培養器１００がインキュベータ２００内に保管されている間だけでなく、作業者による培地の調製や持ち運び時における細胞培養器１００の姿勢や加わった振動を検出することができるため、その記録から当該作業者の培養技術（手技）を客観的に評価することができる。評価結果は、手技の向上により安定した培養結果を得るための作業者訓練ツール等に利用することができる。

制御情報生成部２１５は、通信制御部２１１が取得した姿勢データ、警告発生部２１２が発した警告、履歴情報生成部２１３が生成した履歴情報、評価情報生成部２１４が生成した評価情報の少なくとも１つを用いて、搬送機構２０２の動作を制御するための情報を生成するように構成されている。例えば警告の対象となった細胞培養器１００の交換または姿勢修正を行なったり、履歴情報や評価情報に基づいて振動を抑制すべく搬送速度を調整したりすることができる。

通信制御部２１１は、制御ユニット２１０とホスト装置３００の間で行なわれる通信の制御も行なっている。通信制御部２１１は、ホスト装置３００の側から入力される指示に応じてインキュベータ２００の各部の動作制御を行なうとともに、制御ユニット２１０において取得・生成された各種データや情報をホスト装置３００の側に送信するように構成されている。ホスト装置３００の側では、制御ユニット２１０より取得した履歴情報や評価情報に基づいて、上記の分析や評価が行なわれる。

以上説明したように、本実施形態の構成によれば、細胞の培養状態に影響を与えうる細胞培養器１００の姿勢や振動を検出することができ、検出結果を利用した適宜の制御、培養状態の分析・評価が可能となる。

使用済みの細胞培養容器１１０は破棄される。加速度センサ１２７を備える測定ユニット１２０は細胞培養容器１１０に対して着脱可能とされているため、再利用が可能であり、経済的である。

次に図４を参照し、本発明の第２の実施形態に係る細胞培養器１００Ａについて説明する。第１の実施形態に係る細胞培養器１００と同一または同等の構成要素については同一の参照番号を付与し、繰り返しとなる記載は割愛する。

細胞培養器１００Ａは、加速度センサ１２７が細胞培養容器１１０に設けられている点において、細胞培養器１００と相違する。具体的には、細胞培養容器１１０の底部に装着されたＲＦＩＤタグ１３０に加速度センサ１２７が内蔵されている。図５に内部構造を示すように、ＲＦＩＤタグ１３０は、加速度センサ１２７に加えて、ＩＣチップ１３１およびアンテナ１３２を備えている。

加速度センサ１２７は、ＩＣチップ１３１より電力の供給を受けて細胞培養容器１１０の姿勢を検出可能とされている。ＩＣチップ１３１は、加速度センサ１２７による検出結果（姿勢データ）を検出時刻を示す情報と関連付けて記憶するメモリを備えている。本実施形態においては、ＩＣチップ１３１が本発明の記憶部として機能する。

ＩＣチップ１３１は、メモリに格納された姿勢データを、アンテナ１３２を介してインキュベータ２００が備える通信装置２０１に対し無線送信可能に構成されている。すなわち本実施形態においては、ＲＦＩＤタグ１３０が本発明の通信部として機能する。

インキュベータ２００の制御ユニット２１０における通信制御部２１１は、ＲＦＩＤタグ１３０と通信装置２０１との間で行なわれる無線通信を制御するものであり、当該無線通信を通じてＲＦＩＤタグ１３０より姿勢データを取得する。姿勢データの取り扱いについては第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明は割愛する。

本実施形態のように加速度センサ１２７を細胞培養容器１１０に設けることにより、培地により近い場所で姿勢や振動を検出でき、より正確な培養過程の把握が可能となる。

ＲＦＩＤタグ１３０は、使用済み細胞培養容器１１０と共に廃棄される。しかしながらＲＦＩＤタグ１３０を細胞培養容器１１０に対して着脱可能に構成することにより、加速度センサ１２７の再利用が可能となる。

上記の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであって、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更・改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは明らかである。

細胞培養器１００の姿勢を検出するセンサとしては、上記の加速度センサ１２７に代えて、周知のジャイロセンサ、地磁気センサ、または衝撃センサを用いることができる。また周知のＧＰＳセンサや磁気位置センサを用いて細胞培養器１００の位置を検出する構成としてもよい。位置を検出することによっても細胞培養器１００に振動や衝撃が加わった事実を把握することができる。また培養している細胞にいつどこでどのような処理が行われたかを確認することもできる。

測定ユニット１２０の測定対象は、培養液のｐＨに限られるものではない。これに加えてあるいは代えて、培養液１１５の温度、培養液１１５の周囲の炭酸ガス濃度、培養液１１５の周囲の酸素濃度、培養液１１５の周囲の酸素分圧、培養液１１５の周囲のアンモニア濃度、培養液１１５のグルコース濃度、培養液１１５のラクテート濃度の少なくとも１つを、細胞および培養液１１５に関する情報として測定対象とすることができる。測定部の位置および構成は、測定対象に応じて適宜に定められる。

測定ユニット１２０が備える通信部１２６、または細胞培養容器１１０が備えるＲＦＩＤタグ１３０との無線通信により、インキュベータ２００が備える通信装置２０１がｐＨデータや姿勢データを取得するタイミングは適宜に定められる。培養の終了後に一括して取得してもよいし、一定の時間間隔をおいて取得する構成としてもよい。またリアルタイムに取得する構成としてもよい。

測定ユニット１２０が備える通信部１２６、または細胞培養容器１１０が備えるＲＦＩＤタグ１３０からのｐＨデータや姿勢データの取得は、必ずしもインキュベータ２００内に設けられた通信装置２０１により行なわれることを要しない。例えばインキュベータ２００の外部に設けられたＲＦＩＤリーダ等の通信装置を介して無線通信が行なわれる構成としてもよい。

測定ユニット１２０が備える通信部１２６を通じたｐＨデータや姿勢データの取得は、必ずしも無線通信を通じて行なわれることを要しない。培養の終了後に細胞培養容器１１０から取り外した測定ユニット１２０とホスト装置３００を、測定ユニット１２０に設けたデータ通信端子を介して有線接続し、ホスト装置３００にｐＨデータや姿勢データを送信する構成としてもよい。

インキュベータ２００の制御ユニット２１０が備える警告発生部２１２、履歴情報生成部２１３、評価情報生成部２１４、制御情報生成部２１５のうち、少なくとも１つはホスト装置３００の側に設けられる構成としてもよい。

１０：培養状態監視システム、１００：細胞培養器、１１０：細胞培養容器、１１３：培養細胞収容部、１１４：測定ユニット格納部、１１５：培養液、１２０：測定ユニット、１２３：発光部、１２４：受光部、１２５：制御部、１２６：通信部、１２７：加速度センサ、１３０：ＲＦＩＤタグ、１３１：ＩＣチップ、１３２：アンテナ、２００：インキュベータ、２０１：通信装置、２０２：搬送機構、２１２：警告発生部、２１３：履歴情報生成部、２１４：評価情報生成部、２１５：制御情報生成部

Claims (5)

1. 培養すべき細胞および培養液を収容する細胞培養容器と、
   前記細胞培養容器に装着され、細胞および培養液に関する情報を非接触で測定する測定ユニットと、
   前記細胞培養容器と前記測定ユニットのいずれかに設けられ、当該細胞培養容器の姿勢と当該細胞培養容器に加わった振動の少なくとも一方を検出するセンサと、
   前記細胞培養容器と前記測定ユニットのいずれかに設けられ、前記センサによる検出結果を示すデータを無線送信する通信部と、
   無線通信により前記通信部より前記データを取得する通信装置と、
   前記データに基づいて、前記姿勢と前記振動の少なくとも一方の履歴を含む培養状態の履歴情報を生成する履歴情報生成部と、
   を備える、培養状態監視システム。
2. 前記データが所定の条件を充足した場合に、警告を発する警告発生部をさらに備える、請求項１に記載の培養状態監視システム。
3. 前記履歴情報に基づいて、培養技術の評価情報を生成する評価情報生成部をさらに備える、請求項１または２に記載の培養状態監視システム。
4. 前記細胞培養容器を収容するインキュベータをさらに備え、
   前記通信装置は、前記インキュベータ内に設けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の培養状態監視システム。
5. 前記インキュベータ内の所定の位置へ前記細胞培養容器を自動的に配置する搬送機構と、
   前記データに基づいて、前記搬送機構の制御情報を生成する制御情報生成部と、
   をさらに備える、請求項４に記載の培養状態監視システム。

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