JP6127301B1 - 回転培養装置及び該回転培養装置に用いる培養ベッセル - Google Patents

Abstract

【課題】培養ベッセルの取り出し、培地交換、取り付けなどの作業性やメンテナンス性を悪化させることなく細胞塊の分散状況の把握や制御も容易であり、容量アップした培養ベッセル内でも細胞塊が片寄りが生じることなく分散させた状態で培養でき、これにより細胞塊同士の衝突を防止して品質のよい均一な細胞組織の大量培養やより大きな細胞の培養が低コストで実現することが可能な回転培養装置の提供。【解決手段】軸方向に長い筒形の培養ベッセル１０と、培養ベッセル１０を軸中心に回転可能に支持する支持機構１１と、培養ベッセル１０を回転駆動する回転駆動手段１２と、支持機構１１を培養ベッセル１０の軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段１３と、回転駆動手段１２及び傾動手段１３の動作を制御する制御手段１５とを備えた回転培養装置。【選択図】図１

Description

本発明は、回転培養装置及び該回転培養装置に用いる培養ベッセルに係わり、更に詳しくは細胞の大量培養や大型組織の培養に適した回転培養装置及び培養ベッセルに関する。

骨髄に由来する間葉系幹細胞は、骨、軟骨、脂肪、靭帯などの組織に分化する多分化能を持つが、生体外での通常の培養では、細胞は地球重力によってシャーレの底に沈み、２次元シートしか作らず本来の細胞の形質を失う。そこで近年、無重力に近い微小重力環境での３次元培養を実現する各種の回転培養装置が提案されている。

例えば、特許文献１〜３では、ガス透過膜を裏側（後側）に備えた偏平円筒形の培養ベッセルを回転制御装置の水平な回転軸に取り付け、裏面側で片持ち支持した状態で回転させることにより、培養ベッセル内の細胞塊の重力、浮力と回転による培養液の流れから受ける力をバランスさせ、時間平均すると地上重力の１００分の１という微小重力環境を作り出し、細胞塊が沈降せず一定領域でふわふわと浮いた状態を実現する装置が提案されている。これら装置では培養ベッセルの表側に観察窓を設け、該窓を通じて細胞塊をカメラで撮像することにより細胞の成長や浮遊状況に応じて回転速度を制御し、常に細胞塊を前記一定の領域内で浮遊した状態に維持している。

近年、創薬向けの均一な細胞組織の大量培養、或いは再生医療向けにより大きな細胞の培養が求められているが、上記特許文献１〜３の偏平円筒形の培養ベッセルでは培養できる細胞の数、大きさに限度があり、細胞塊同士の衝突が無視できなくなる。培養ベッセルを軸方向に長くすることで容量アップが可能となるが、片持ち支持で不安定であるうえ、軸が振れたり軸心が水平から僅かでもずれることで細胞塊の浮遊位置が軸方向に片寄りやすく、同じく細胞塊同士の衝突による品質上の問題が生じる。したがって、装置の高剛性、高い加工精度が求められることになり、コスト高の原因にもなる。

特許文献４では、培養ベッセルとこれを収容する外囲器とを備え、これらは互いに連通して培養液が相互に流通自在で、外囲器は水平な第１軸を中心にモータで回転可能とされ、内部の培養ベッセルは第１軸に直交する第２軸を中心に培養液の水流によって回転可能とされ、これにより培養ベッセルが２軸中心に回転し、内部に２方向の水流が生じ、ベッセル中心付近に均一な流線の球状閉鎖ループを形成し、当該中心付近に浮遊する細胞塊への重力の影響を殆どなくすことのできる装置が提案されている。

このような装置では培養ベッセル及び外囲器を大型化して大量培養や大型組織の培養が可能となる。しかし、そもそも装置構成が２軸を有する複雑な構造であり、培養液の流路構造も複雑で培地の量も多く必要であるため、大型化により著しくコスト高となり現実的でなく、培養ベッセルの取り出し、培地交換、取り付けなどの作業性やメンテナンス性にも課題があり、細胞塊の分散状況の把握や制御も難しい。

特開２００８−２３７２０３号公報 特開２００９−７７７０８号公報 国際公開２０１０／１４３６５１号公報 特開２００２−４５１７３号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、培養ベッセルの取り出し、培地交換、取り付けなどの作業性やメンテナンス性を悪化させることなく細胞塊の分散状況の把握や制御も容易であり、容量アップした培養ベッセル内でも細胞塊が片寄りが生じることなく分散させた状態で培養でき、これにより細胞塊同士の衝突を防止して品質のよい均一な細胞組織の大量培養やより大きな細胞の培養が可能な回転培養装置を低コストで実現する点にある。

本発明者は、前述の課題解決のために鋭意検討した結果、軸方向に長くして容量アップした培養ベッセルの回転姿勢を、装置の剛性や加工精度により安定化させる方法ではなく、逆に細胞塊の浮遊位置が軸方向に片寄ることを前提として、当該片寄った浮遊位置を分散させることができる手段を付与することにより、装置の高剛性化、高精度化によるコスト高を回避しつつ、品質の良い均一な細胞組織の大量培養又はより大きな細胞の培養が可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、軸方向に長い筒形の培養ベッセルと、前記培養ベッセルを軸中心に回転可能に支持する支持機構と、前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段と、前記支持機構を前記培養ベッセルの軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段と、前記回転駆動手段及び傾動手段の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする回転培養装置を提供する。

また本発明は、軸方向に長い筒形の培養ベッセルと、前記培養ベッセルを両端側で軸中心に回転可能に支持する支持機構と、前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段と、前記支持機構を前記培養ベッセルの軸に沿った水平方向に往復動させる往復動手段と、前記回転駆動手段及び往復動手段の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする回転培養装置をも提供する。

また本発明は、軸方向に長い筒形の培養ベッセルと、前記培養ベッセルを両端側で軸中心に回転可能に支持する支持機構と、前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段と、前記支持機構を前記培養ベッセルの軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段と、前記支持機構と前記傾動手段とを前記培養ベッセルの軸に沿った水平方向に一体的に往復動させる往復動手段と、前記回転駆動手段、傾動手段及び往復動手段の動作を制御する制御手段とを備えることを特徴とする回転培養装置をも提供する。

これら本発明に係る回転培養装置において、前記支持機構を、前記培養ベッセルの両端側を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、前記回転駆動手段として、前記一対の支持部の一方又は双方に培養ベッセルを回転駆動する駆動機構を設けてなるものが好ましい。

特に、前記支持部を、前記培養ベッセルの端部外周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成してなるものが好ましい。

さらに、前記駆動機構として、前記支持部の一対の支持ローラを連動させて回転駆動する機構を設けてなるものが好ましい。

また、前記培養ベッセルの周壁を内部透視可能な観察窓より構成し、該周壁に対面する外側の位置に、前記観察窓を通じて内部を撮像する撮像手段を設けてなるものが好ましい。

特に、前記培養ベッセルの両端部の外周側に、それぞれ前記観察窓を通じて内部を照らすリング型照明装置を前記培養ベッセルと同軸状に配置してなるものが好ましい。

また、前記制御手段として、前記撮像手段で撮像された培養細胞の位置を算出する位置算出部と、該位置算出部で算出された培養細胞の位置の情報を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された前記位置の情報に基づき、前記動作を自動制御する制御部とを設けてなるものが好ましい。

また、前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材とより構成するとともに、前記端部材の外周面に円周面を設け、前記支持機構を、前記培養ベッセルの前記端部材を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、該支持部を、前記端部材の前記円周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成してなるものが好ましい。

また、前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材と、少なくとも一方の端部材から中心軸上に沿って延びる軸方向に長い酸素供給部とより構成するとともに、前記酸素供給部を、柱状の芯部材と、該芯部材の外周面に被着されるガス透過膜とより構成し、前記芯部材に、前記端部材の内部に形成される酸素供給路に連通する凹条であって、１本又は２本以上が互いに交差しながら延びる螺旋状の凹条を形成し、前記凹条とガス透過膜との間の隙間を酸素流通路とし、ガス透過膜を通じて培養液中に酸素を供給するものが好ましい。

また、細胞液の注入口、細胞の取り出し口、培養液の供給口、培養液の排出口を、それぞれ前記端部材の端面に設けてなるものが好ましい。

また本発明は、上記した本発明に係る回転培養装置に用いる培養ベッセルであって、軸方向に長い筒形に構成され、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材とよりなり、前記端部材の外周面が円周面より構成されている培養ベッセルをも提供する。

ここで、少なくとも一方の前記端部材から中心軸上に沿って延びる軸方向に長い酸素供給部を設け、該酸素供給部は、柱状の芯部材と、該芯部材の外周面に被着されるガス透過膜とより構成し、前記芯部材に、前記端部材の内部に形成される酸素供給路に連通する凹条であって、１本又は２本以上が互いに交差しながら延びる螺旋状の凹条を形成し、前記凹条とガス透過膜との間の隙間を酸素流通路とし、ガス透過膜を通じて培養液中に酸素を供給するものが好ましい。

また、細胞液の注入口、細胞の取り出し口、培養液の供給口、培養液の排出口を、それぞれ前記端部材の端面に設けてなるものが好ましい。

以上にしてなる本願発明に係る回転培養装置は、軸方向に長い筒形の培養ベッセルと、前記培養ベッセルを軸中心に回転可能に支持する支持機構と、前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段と、前記支持機構を前記培養ベッセルの軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段と、前記回転駆動手段及び傾動手段の動作を制御する制御手段とを備えるので、従来の偏平円筒形の培養ベッセルに比べて容量アップが容易であり、培養できる細胞の数、大きさを増大することができる。

また、回転方向については従来どおり回転駆動手段と制御手段によって微小重力環境を作り出し、細胞塊が沈降せず一定領域でふわふわ浮いた状態を実現するとともに、浮遊位置の軸方向の片寄りについては傾動手段と制御手段によって軸方向に分散させることができ、細胞塊同士の過剰な衝突、これによる品質の低下を回避することができるため、品質が良く均一な細胞組織の大量培養、同じく品質の良いより大きな細胞の培養が可能になる。

加えて、培養ベッセルと外囲器とよりなる２重構造・２軸構造のものに比べ、回転と傾動の組み合わせのみの比較的簡易な構造で実現できるため、装置の高剛性、高い加工精度も不要で低コストに実現することができるとともに、培地交換、取り付けなどの作業性やメンテナンス性も従来の回転培養装置とほぼ同様に行うことができる。

また、上記支持機構を傾動させる傾動手段に代わりに、或いは該傾動手段とともに、前記支持機構を前記培養ベッセルの軸に沿った水平方向に往復動させる往復動手段、及び前記回転駆動手段及び往復動手段（及び傾動手段）の動作を制御する制御手段を備える場合も、同様に、浮遊位置の軸方向の片寄りを分散させ、細胞塊同士の過剰な衝突、これによる品質の低下を回避し、品質のよい均一な細胞組織の大量培養、同じく品質の良いより大きな細胞の培養が可能になるとともに、作業性やメンテナンス性も良好で、且つ低コストに実現可能である。ここに「軸に沿った水平方向」とは、軸が傾いているときは水平面への投影線の方向をいう。

特に、支持機構と前記傾動手段とを培養ベッセルの軸に沿った水平方向に一体的に往復動させる往復動手段を設け、回転駆動手段、傾動手段及び往復動手段の動作を制御する制御手段とを備えたものでは、浮遊位置の軸方向の片寄りをより効率良く分散させることができ、細胞塊同士の過剰な衝突、これによる品質の低下を回避し、品質のよい均一な細胞組織の大量培養、同じく品質の良いより大きな細胞の培養が可能になる。

また、前記支持機構を、培養ベッセルの両端側を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、前記回転駆動手段として、前記一対の支持部の一方又は双方に培養ベッセルを回転駆動する駆動機構を設けたものでは、容量アップした培養ベッセルを両端で安定的に回転支持し、駆動系に負担もかからず、コストのかかる強度アップが不要であり、傾動手段による軸の傾きも正確に制御することができる。

また、前記支持部を、培養ベッセルの端部外周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成した場合、培養ベッセルをより簡易な構造で安定的に回転支持することができ、容量アップした培養ベッセルの着脱も容易な構造とすることができる。

また、前記駆動機構として、前記支持部の一対の支持ローラを連動させて回転駆動する機構を設けたものでは、簡易な駆動機構で実現することができる。

また、前記培養ベッセルの周壁を内部透視可能な観察窓より構成し、該周壁に対面する外側の位置に、前記観察窓を通じて内部を撮像する撮像手段を設けてなるものでは、撮像手段によって細胞の成長や浮遊状態、浮遊位置の軸方向の片寄りを正確に把握でき、これに基づいて前記制御手段により回転駆動手段や傾動手段又は往復動手段の動作を的確に制御することにより、細胞塊同士の過剰な衝突、これによる品質の低下をより確実に回避し、品質のよい均一な細胞組織の大量培養、同じく品質の良いより大きな細胞の培養が可能になる。

また、前記培養ベッセルの両端部の外周側に、それぞれ前記観察窓を通じて内部を照らすリング型照明装置を前記培養ベッセルと同軸状に配置したものでは、両端部から培養ベッセル内部の全体を照らし、照明が邪魔になることなく前記撮像手段によって軸方向にわたり内部の細胞を撮像できるとともに、前記撮像手段の設置個所についての設計自由度も向上する。

また、前記制御手段として、前記撮像手段で撮像された培養細胞の位置を算出する位置算出部と、該位置算出部で算出された培養細胞の位置の情報を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された前記位置の情報に基づき、前記回転駆動手段や傾動手段又は往復動手段の動作を自動制御する制御部とを設けたものでは、撮像により把握される細胞の分布状況に応じた姿勢制御を自動で効率よく的確に行うことができる。

また、前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材とより構成するとともに、前記端部材の外周面に円周面を設け、前記支持機構を、前記培養ベッセルの前記端部材を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、該支持部を、前記端部材の前記円周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成したものでは、観察窓以外の両端の部材（端部材）の外周面を支持ローラで支持するため、駆動手段が邪魔になることなく撮像手段により観察窓を通じて内部を容易に撮像できる。

また、前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材と、少なくとも一方の端部材から中心軸上に沿って延びる軸方向に長い酸素供給部とより構成するとともに、前記酸素供給部を、柱状の芯部材と、該芯部材の外周面に被着されるガス透過膜とより構成し、前記芯部材に、前記端部材の内部に形成される酸素供給路に連通する凹条であって、１本又は２本以上が互いに交差しながら延びる螺旋状の凹条を形成し、前記凹条とガス透過膜との間の隙間を酸素流通路とし、ガス透過膜を通じて培養液中に酸素を供給するものでは、培養ベッセル内の培養液に対し、軸方向にわたって均一に酸素を供給することができると同時に、このような酸素供給路が中心に存在しても観察窓を通じて酸素供給部よりも手前側に存在する細胞の上下の分布によって回転速度を制御することが可能であり、且つ軸方向の細胞の分布状況に基づき上記傾動や往復動作を的確に制御し、分散させることができる。

また、細胞液の注入口、細胞の取り出し口、培養液の供給口、培養液の排出口を、それぞれ前記端部材の端面に設けたものでは、簡易な構造で実現できるとともに、内部の状況、特に細胞浮遊状態の軸方向の分布の偏りを確認するための観察窓を周壁に確保できる。

本発明の代表的実施形態に係る回転培養装置を示す斜視図。 同じく回転培養装置の培養ベッセルの軸方向に切断した縦断面図。 同じく回転培養装置の平面図。 同じく回転培養装置に装着する培養ベッセルを示す斜視図。 同じく培養ベッセルの縦断面図。 （ａ）は同じく培養ベッセルの酸素供給部を示す斜視図、（ｂ）は横断面図。 同じく培養ベッセルの要部を示す縦断面図。 （ａ）、（ｂ）は同じく培養ベッセルを支持する回転培養装置の支持機構の要部を示す説明図。 （ａ）、（ｂ）は同じく支持機構の要部を示す説明図。 同じく培養ベッセルを回転駆動する回転培養装置の回転駆動手段の要部を示す斜視図。 同じく回転培養装置の要部を示す分解斜視図。 同じく回転培養装置の要部を示す横断面図。 同じく回転培養装置の要部を示す説明図。 各動作を制御する様子をイメージするための説明図。 各動作を制御する様子をイメージするための説明図。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明の回転培養装置１は、図１〜図３に示すように、軸方向に長い筒形の培養ベッセル１０と、培養ベッセル１０を両端側で軸中心に回転可能に支持する支持機構１１と、前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段１２と、支持機構１１を培養ベッセル１０の軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段１３と、支持機構１１と傾動手段１３とを培養ベッセル１０の軸に沿った水平方向に一体的に往復動させる往復動手段１４と、培養ベッセル１０の周壁部２０に設けられた観察窓１０ａを通じて、培養ベッセル１０の内部を照らす照明装置１７と、培養ベッセル１０の周壁部２０に対面する外側の位置に設けられ、観察窓１０ａを通じて内部を撮像する撮像手段１６と、撮像手段１６で撮像された培養細胞の浮遊位置の情報に基づき、回転駆動手段１２、傾動手段１３及び往復動手段１４の動作を制御する制御手段１５とを備えている。

培養ベッセル１０は、図４及び図５にも示すように、内部透視可能な観察窓１０ａよりなる筒状の周壁部２０と、その両端を塞ぐ端部材２１Ａ，２１Ｂと、少なくとも一方の端部材から中心軸上に沿って延びる軸方向に長い酸素供給部１０ｂとより構成されている。観察窓の素材は従来からの偏平な培養ベッセルの端面に用いられた観察窓の素材を広く用いることができる。撮像手段や照明装置を省略する場合は、観察窓も省略することができる。周壁部２０の形状は円筒以外でもよいが、内部の培養液がかき回されて細胞が傷つかないように円筒又はそれに近いものが好ましく、多角形の場合は八角形以上のものが好ましい。

端部材２１Ａ、２１Ｂには、軸方向に内外貫通して端面に開口する、細胞液の注入口２１０、細胞の取り出し口２１１、培養液の供給口２１２、培養液の排出口２１３がそれぞれ設けられている。本例では、一方の端部材２１Ａに細胞液注入口２１０及び培養液供給口２１２を設け、他方の端部材２１Ｂに細胞取り出し口２１１及び排出口２１３を設けた例を示しているが、このような組み合わせに何ら限定されず、例えば、一方の端部材２１Ａ／２１Ｂに上記４つの口を設け、他方の端部材２１Ｂ／２１Ａにはこれらの口を設けないようにすることも可能である。

端部材２１Ａ（２１Ｂ）にこれらの口を設けることで、周壁部２０にはこれらの口を設ける必要がなくなる。したがって、特に本発明のように軸方向に長い培養ベッセルとした場合において、周壁部の観察窓１０ａを通じて内部の浮遊細胞の軸方向の分布をこれら口に邪魔されることなく効率よく観察できることになる。また、このように端部材に口を設ける構成については、後述のように端部材２１Ａ（２１Ｂ）の円周面２１ａを回転可能に支持する２つの支持ローラ３０Ａ，３０Ａ（３０Ｂ．３０Ｂ）で培養ベッセル１０を支持する構成によって、当該端部材２１Ａ（２１Ｂ）の端面の自由な位置に設けることが可能とされている。

本例では、端部材２１Ａ、２１Ｂの端面の中心位置には後述の酸素供給部１０ｂの流路が開口し、培養ベッセル１０の回転中に酸素を適宜供給できるように構成されている関係上、当該端面の中心から外れた位置に上記口２１０〜２１３が設けられ、各口を通じた細胞液の注入、細胞の取り出し、培養液の供給、排出の作業は培養ベッセル１０を装置から取り外して行うことになる。

ただし、回転駆動機構をこれら口を遮らないように構成すれば、装置に取り付けたまま回転停止の状態で上記作業を行うことも勿論可能となる。また、酸素供給部１０ｂを中心軸からずれた位置に設けることや、酸素供給部１０ｂの流路を一方の端部材にのみ開口させるように構成することで、これら口を端部材の中心に位置づけ、回転中に上記作業を行うことができるように構成することも可能である。

各端部材２１Ａ，２１Ｂの外周面の少なくとも一部には、円周面２１ａが設けられている。円周面２１ａは、後述の支持ローラ３０Ａ，３０Ａ（３０Ｂ．３０Ｂ）で培養ベッセル１０を支持するための被支持部位であり、他の支持機構とする場合には省略することも可能である。

培養ベッセル１０は上記周壁部２０の軸方向の長さや径を変えてサイズを変更することができるが、いずれのサイズでもこの端部材２１Ａ，２１Ｂの円周面２１ａの寸法を共通にすることで、支持ローラ３０Ａ，３０Ａ（３０Ｂ．３０Ｂ）からなる支持部１１Ａ（１１Ｂ）の構造も変更することなく各種サイズの培養ベッセル１０に対応できる。

酸素供給部１０ｂは、図６にも示すように、柱状の芯部材２２と、該芯部材２２の外周面に被着されるガス透過膜２３とより構成されている。芯部材２２の外周面には、端部材２１Ａの内部に形成される酸素供給路２１ｂに連通する凹条であって、１本又は２本以上が互いに交差しながら延びる螺旋状の凹条２５が形成されている。この凹条２５とガス透過膜２３との間の隙間を酸素流通路として酸素が供給され、供給された酸素はガス透過膜２３を通じて軸方向にわたりほぼ均一的に培養液中へ供給される。

ガス透過膜２３は、従来から公知のものを広く用いることができる。符号２４は、芯部材２２に外装したガス透過膜２３を、芯部材２２の両端側の前記酸素流通路よりも外側の位置において固定するための弾性部材からなる固定リングである。

螺旋状の各凹条２５は、図７に示すように、芯部材２２の両端側において周方向に形成されたリング状の凹条溝２６内に連通して合流するように形成されている。芯部材２２の両端部２２ａには、端面に開口する有底の凹部２２０が少なくとも前記凹条溝２６に対応する位置の深さまで軸方向に穿設されており、また、凹条溝２６の底面からこの凹部２２０の内周面に向けて、単又は複数の通孔２６０が形成されている。

芯部材２２の端部２２ａは、端部材２１Ａ（２１Ｂ）の内側の端面に開口して形成された取り付け用の凹溝２７にパッキン２８を介装した状態で挿着され、該凹溝２７の底面から端部材２１Ａ（２１Ｂ）の外側端面に貫通する通孔２７０に当該外側から軸方向に酸素供給路２１ｂとなる貫通孔２９０を有する取り付けボルト２９を通し、芯部材２２の凹部２２０に形成された雌ネジ溝に螺合することで固定されている。取り付けボルト２９の長さは、凹部２２０の内面に開口している前記通孔２６０を塞がない長さに設定されている。

酸素はこの取り付けボルト２９の貫通孔２９０を通じて芯部材２２の凹部２２０に供給され、そこから通孔２６０を通じて外周側の凹条溝２６とガス透過膜２３の間に供給された後、各凹条２５とガス透過膜２３との間の螺旋状の酸素供給路を流通する過程で、徐々に培養液中に供給される。本例では、図２に示すように一方の端部材２１Ａを支持する支持部１１Ａ側から酸素が供給され、他方の端部材２１Ｂとこれを支持する支持部１１Ｂとの隙間から大気中に開放されるように構成されている。また、本例のように酸素を強制的に供給してもよいし、単に流路を大気開放するだけでもよい。

酸素供給部１０ｂは、芯部材２２が端部材２１Ａ，２１Ｂに両端支持されているが、端部材２１Ａ，２１Ｂの一方で片持ち支持されたものでもよい。また、芯部材２２そのものを省略し、端部材２１Ａ、２１Ｂの一方又は双方の内側端面からガス透過膜を介して直接酸素を供給するように構成することもできる。

支持機構１１は、図１及び図２に示すように、培養ベッセル１０の軸方向に沿って長く構成された平板状の回転支持テーブル３１上に、培養ベッセル１０の端部材２１Ａ，２１Ｂを回転可能な状態に支持する一対の支持部１１Ａ、１１Ｂを設けたものである。支持部１１Ａ（１１Ｂ）は、図８及び図９にも示すように、端部材２１Ａ（２１Ｂ）の円周面２１ａを回転可能に支持する２つの支持ローラ３０Ａ，３０Ａ（３０Ｂ、３０Ｂ）より構成されている。

２つの支持ローラ３０Ａ，３０Ａ（３０Ｂ，３０Ｂ）は、いずれも培養ベッセル１０の軸と平行な軸を有し、互いに間隔をあけて配置されており、そのローラ間に端部材２１Ａ（２１Ｂ）の円周面２１ａを載せて回転可能に支持させている。支持ローラ３０Ｂ、３０Ｂを有する一方の支持部１１Ｂは、図２からも分かるように、回転支持テーブル３１上に長手方向、すなわち支持される培養ベッセル１０の軸方向に沿って設けられたリニアガイド３４により、当該ガイドに沿った軸方向に移動可能に取り付けられている。

回転支持テーブル３１の側端部には、図１から分かるように、前記支持部１１Ｂのネジ孔に螺合する固定ネジ４１が挿通される軸方向に長い長穴４００を有する固定プレート４０が立設されている。長穴４００は、少なくとも前記支持部１１Ｂの前記リニアガイド２４に沿った移動可能範囲を含む所定の長さに設定されており、支持部１１Ｂを軸方向に移動させた状態で固定ネジ４１を締め付けることで支持部１１Ｂの位置を固定することができる。そして、培養ベッセル１０のサイズ、特に軸方向長さに応じて支持部１１Ｂの軸方向の位置を調整し、サイズ変更後の培養ベッセルの端部材を同様に支持できるように構成されている。

本例の支持機構１１は、このように培養ベッセル１０を載せるだけで容易に装着、取り外しできるとともに、円周面２１ａの精度と支持ローラの精度だけで軸ができ、軸合わせが不要で低コストに安定した回転が得られる。ただし、本発明はこのような支持機構に何ら限定されず、一方又は双方の端部材を軸中心で回転可能に支持するように構成することも勿論できる。

また、一方のみ軸中心で回転可能に支持し、他方は浮かして片持ち支持とすることも可能であるし、また、同じく一方は軸中心で回転可能に支持し、他方は本例のごとく２つの支持ローラ間に端部材を載せて回転可能に支持させたものでもよい。端部材以外の周壁部２０を支持ローラ間に載せて支持することも可能である。

回転駆動手段１２は、図１及び図２に示すように、支持機構１１と同様、平板状の回転支持テーブル３１上に、一方の支持部１１Ａを通じて培養ベッセル１０を回転駆動する駆動機構１２Ａを設けたものである。より詳しくは、駆動機構１２Ａは、支持部１１Ａの一対の支持ローラ３０Ａ、３０Ａを連動させて回転駆動する機構であり、図１０に示すように支持ローラ３０Ａ、３０Ａから延びる２本のシャフト３０１、３０１の端部に設けたプーリ３０２、３０２と駆動モータ３２のプーリ３２０に無端ベルト３３を掛け渡し、駆動モータ３２によって支持ローラ３０Ａ，３０Ａを連動した状態で駆動するように構成されている。

これにより支持ローラ３０Ａ，３０Ａが同一方向に同じ速度で回転し、端部材２１Ａの円周面２１ａを通じて培養ベッセル１０が安定的に回転駆動される。本例では位置調整機構のない固定側の支持部１１Ａを通じて回転駆動しているが、双方の支持部１１Ａ，１１Ｂに同様の回転駆動手段１２を設けることも勿論できる。また、支持ローラ３０Ａ，３０Ａの双方を駆動しているが、一方のみ駆動させるように構成することもできる。

培養ベッセル１０を軸中心に回転させる上記支持機構１１及び回転駆動手段１２が設けられた回転支持テーブル３１には、更に培養ベッセル１０の内部を撮像する撮像手段１６と該内部を照らす照明装置１７が設けられている。

撮像手段１６は、図１〜図３に示すように、回転支持テーブル３１の側端部に支持フレーム３５を立設し、該フレーム３５に撮像カメラ３６が内蔵された撮像ボックス３７を取り付けたものであり、撮像カメラ３６が培養ベッセル１０の中央位置に対面するようにセットされる。また撮像カメラ３６を内蔵した撮像ボックス３７は、支持フレーム３５によって培養ベッセル１０の軸方向及び軸に直角で培養ベッセル１０に近づく／遠ざかる水平方向に位置調整できる機構が設けられている。

具体的には、支持フレーム３５は、回転支持テーブル３１の側端部に固定される軸方向から見て略Ｌ字状のベースプレート３５０と、該ベースプレート３５０の上端部に軸方向の位置が変更できるように水平に取り付けられる中間プレート３５１と、該中間プレート３５１に対して前記軸に直角な方向に位置変更できるように取り付けられ、前面（培養ベッセル１０に対面する側の面）に前記撮像ボックス２７が取り付けられる同じく略Ｌ字状の取り付けプレート３５２とより構成されている。これら二つの位置調整によって撮像ボックス３７の培養ベッセル１０に対する位置を調整し、培養ベッセル１０のサイズ、特に軸方向長さが変わっても培養ベッセル内部の全長を視野角に捕らえ、内部の浮遊細胞の軸方向の分布状態を一度に撮像できるように設定できる。

ベースプレート３５０には、中間プレート３５１の通孔３５１ａを貫通した取り付けネジ３８と螺合するネジ孔３５０ｂが軸方向に複数選択できるように設けられており、これにより中間プレート３５１の取り付け位置を軸方向に調整できるように構成されている。また、この中間プレート３５１の前記通孔３５１ａも前記軸方向に長い長穴とされており、ネジ孔３５０ｂを選択したうえでさらに軸方向の取り付け位置を微調整できるように構成されている。また、取り付けプレート３５２は、中間プレート３５１のネジ孔に螺合する取り付けネジ３９を挿通させるための通孔３５２ａを有し、該通孔３５２ａを前記軸に直角な方向に長い長穴とすることで取り付けプレート３５２の固定位置を軸に直角な方向で調整できるように構成されている。

照明装置１７としては、図１〜図３及び図１２に示すように、培養ベッセル１０の端部材２１Ａ，２１Ｂの外側にそれぞれ培養ベッセル１０の周壁部２０を照らすリング照明装置が設けられている。各リング照明装置１７の支持台１７０Ａ，１７０Ｂは、支持部１１Ｂと同様、回転支持テーブル３１上に設けられた前記リニアガイド３４により当該ガイドに沿った軸方向に移動可能に取り付けられている。

固定プレート４０には、各支持台１７０Ａ，１７０Ｂのネジ孔に螺合する固定ネジ４２、４３が挿通される軸方向に長い長穴４０１、４０２がそれぞれ形成され、支持台１７０Ａ／１７０Ｂを軸方向に移動させた状態で固定ネジ４２／４３を締め付けることで位置固定できるように構成されている。これにより、培養ベッセル１０のサイズ、特に軸方向長さに応じて軸方向の位置を調整し、変更後の培養ベッセルの端部材の外側に同様に位置づけ、両端側から全長にわたってほぼ均一に内部を照らすように設定できる。

各照明装置１７の照明の色は、培養液の種類に応じて、培養ベッセル内の浮遊細胞を撮像手段１６で撮像した画像データを解析用に二値化処理するのに適した色が選択される。また、各照明装置１７の位置についても同様に適した位置に微調整される。

照明装置１７は本例のように培養ベッセル１０の両端側から照らすことで撮像手段１６によって全体を略均一に撮像できるのであるが、このようなリング照明装置を用いること以外に、例えば培養ベッセル１０の軸に平行に長い棒状の照明装置を撮像手段１６による撮像の邪魔にならない位置に単又は複数配設することなど、種々の形態の照明装置を用いることが可能である。照明装置１７は、細胞への熱の影響を避けるべく、常時ではなく撮像手段１６による撮像のタイミングに合わせて所定の短時間だけ培養ベッセルを照らすようにして用いられる。

以上のとおり、培養ベッセル１０を両端側で軸中心に回転可能に支持する支持機構１１、培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段１２、培養ベッセル１０の内部を照らす照明装置１７、及び培養ベッセル１０の観察窓１０ａを通じて内部を撮像する撮像手段１６が、それぞれ回転支持テーブル３１上に設けられており、傾動手段１３や往復動手段１４により、これらは回転支持テーブル３１とともに一体的に傾動又は往復動することになる。

傾動手段１３は、図１、図２及び図１１にも示すように、回転支持テーブル３１の下方に水平な傾動支持テーブル５０を設け、該傾動支持テーブル５０に、回転支持テーブル３１を長手方向略中央部で幅方向を軸に回動可能に軸支する支持部５１、及び回転支持テーブル３１の一端側を上下に駆動して前記幅方向を軸に傾動させるアクチュエータ５２を設けたものである。回転支持テーブル３１下面の長手方向略中央部には、幅方向に貫通した貫通孔４４０を有する突起部４４が設けられ、前記支持部５１は、貫通孔４４０に支持軸５３を挿通するとともに該貫通孔４４０から突出している該支持軸５３の両端部５３ａを回転可能に支持する軸受け部５４を傾動支持テーブル５０の両側端部に設けたものである。

アクチュエータ５２は、油圧、空気圧、電動等の動力シリンダーであり、チューブ側の本体部５２０が傾動支持テーブル５０下面のロッド５２１を通す穴５５開口周縁部に、該穴５５にロッド５２１を上向きに貫通させた状態でヘッド側が固定され、ロッド５２１の先端はリンク５６を介して回転支持テーブル３１の取り付け部４５に支持ピン４６によって回動可能に取り付けられている。アクチュエータ５２のロッド５２１が上下することにより、傾動支持テーブル５０に対し、回転支持テーブル３１及びこれに固定されている支持機構１１、回転駆動手段１２、照明装置１７及び撮像手段１６が、支持軸５３を中心に一体的に傾動し、同じく回転支持テーブル３１上に取り付けられる培養ベッセル１０も軸が上下に傾斜するように傾動する。

傾動支持テーブル５０には、図１１及び図１３に示すように、回転支持テーブル３１に固定された検出部４７の位置を検知する近接センサ５７が傾動範囲に対応した複数の角度位置、本例では中間の原点位置及び二つの限界位置に設けられ、該センサの信号に基づき制御手段１５がアクチュエータ５２の動作を制御するように構成されている。

往復動手段１４は、図１、図２及び図１１に示すように、傾動支持テーブル５０のさらに下方に、下面側に床等に載置するための支持脚６７を備えた水平な往復動支持テーブル６０を設け、往復動支持テーブル６０に、傾動支持テーブル５０を長手方向である培養ベッセルの軸に沿った水平方向に移動可能に支持する支持部６１、及び傾動支持テーブル５０を同じく培養ベッセルの軸に沿った水平方向に移動させるアクチュエータ６２を設けたものである。

支持部６１として、傾動支持テーブル５０下面の適所、本例では四隅に設けられた可動ブロック部５８を移動自在に支持するリニアガイド６３が、往復動支持テーブル６０上面の前記可動ブロック部５８に対応する位置にそれぞれ設けられている。アクチュエータ６２は、油圧、電動等の揺動モータであり、本体部６２０が往復動支持テーブル６０下面の揺動アーム６２１を通す穴６４開口周縁部に、該穴６４に揺動アーム６２１を上方に貫通させた状態で固定され、揺動アーム６２１の先端はリンク６５を介して傾動支持テーブル５０の取り付け部５９に支持ピン５９０によって回動可能に取り付けられている。

アクチュエータ６２の揺動アーム６２１が揺動することにより、往復動支持テーブル６０に対し、傾動支持テーブル５０とともに回転支持テーブル３１及びこれに固定されている支持機構１１、回転駆動手段１２、照明装置１７及び撮像手段１６が、水平なリニアガイド６３に沿って一体的に往復直線移動し、同じく回転支持テーブル３１上に取り付けられる培養ベッセル１０も軸方向（傾斜している場合はその水平面への投影線の方向）に水平に往復直線移動する。

往復動支持テーブル６０には、図１及び図１１に示すように、傾動支持テーブル５０に固定された検出部５００の位置を検知する近接センサ６６が水平移動範囲に対応した複数の位置、本例では中央位置及び二つの限界位置に設けられ、該センサの信号に基づき制御手段１５がアクチュエータ６２の動作を制御するように構成されている。

制御手段１５は、図示省略するが、演算装置や記憶装置を備えるコンピュータである。演算装置は、マイクロプロセッサなどのＣＰＵを主体に構成され、入出力部やバスラインを通じて各種情報が入出力される。記憶装置は、演算装置内外のＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶メモリやハードディスク等より構成され、演算装置による各種処理動作の手順を規定するプログラムや処理データが記憶される。

演算装置は、撮像手段１６で撮像された培養ベッセル内の画像データを受信し、これを記憶装置に記憶するとともに、該画像データを二値化処理して培養細胞の位置を算出し、その情報を記憶装置に記憶する。また、演算装置は、算出・記憶処理した前記培養細胞の位置情報の分布に基づき、予め決められたプログラムによって回転駆動手段、傾動手段及び往復動手段の各動作量を決定し、指令を出す。

培養細胞の位置情報の分布については、一定領域にどれくらいの細胞密度になっているか等の情報から公知の統計的計算方法を用いることでその偏りを算出でき、当該偏りに応じて各動作量を決定することができる。このような指令はフィードバック制御法により予め設定した偏りの範囲内に収まるように自動制御される。すなわち細胞塊が軸方向に均一でまばらになるように制御される。

図１４及び図１５は、制御手段１５により各動作が制御される様子をイメージするための説明図である。図１４（ａ）に示すように内部の浮遊細胞が成長してその分布が軸心位置よりも下に偏ってくると、回転駆動手段による培養ベッセル１０の回転速度を増大させるなどして、図１４（ｂ）に示すように浮遊細胞が軸心位置を中心に分布するようにフィードバック制御する。この上下浮遊位置の制御については、軸方向全長にわたる画像データを用いるのではなく、軸方向所定の範囲の画像データ又は二値化データのみを用いて制御することも好ましい。

図１５（ａ）に示すように内部の浮遊細胞の分布が一方端側に偏ってくると、図１５（ｂ）の矢印に示すように傾動手段及び往復動手段を動作させ、偏っている端側を上方に傾けると同時に、培養ベッセル全体を他方端側へ水平移動させるなどして、内部の浮遊細胞は互いに激しく衝突することなく良好な品質を保持したまま、図１５（ｃ）に示すように軸方向にわたって均一に分布するようにフィードバック制御する。傾動手段と往復動手段は、このように同じ動作させること以外に各種組み合わせが可能であり、一方のみ動作させることも勿論できる。

制御手段１５はどこに設けてもよい。回転支持テーブル３１に固定してもよいし、往復動支持テーブル６０に固定してもよい。また離れた位置にケーブル等で接続したものでもよい。また、制御手段１５による制御方法は上記した例に何ら限定されるものではない。撮像手段や照明装置を省略し、予め決めたパターンで定期的に傾動、往復動などさせることでもよい。また、撮像結果に基づき手動で動作制御してもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何ら限定されるものではなく、例えば往復動手段を省略して回転駆動手段と傾動手段のみで培養ベッセルを動作させるものや、傾動手段を省略して回転駆動手段と往復動手段のみで培養ベッセルを動作させるものでもよい。また、実施形態では傾動手段と支持機構を一体的に往復動させているが、傾動支持テーブルと往復動支持テーブルを上下逆に配置し、往復動手段と支持機構を一体的に傾動させるように構成してもよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１ 回転培養装置 １０ 培養ベッセル
１０ａ 観察窓 １０ｂ 酸素供給部
１１ 支持機構 １１Ａ，１１Ｂ 支持部
１２ 回転駆動手段 １２Ａ 駆動機構
１３ 傾動手段 １４ 往復動手段
１５ 制御手段 １６ 撮像手段
１７ 照明装置 ２０ 周壁部
２１Ａ，２１Ｂ 端部材 ２１ａ 円周面
２１ｂ 酸素供給路 ２２ 芯部材
２２ａ 端部 ２３ ガス透過膜
２４ リニアガイド ２５ 凹条
２６ 凹条溝 ２７ 凹溝
２７ 撮像ボックス ２８ パッキン
２９ ボルト ３０Ａ、３０Ｂ 支持ローラ
３１ 回転支持テーブル ３２ 駆動モータ
３３ 無端ベルト ３４ リニアガイド
３５ 支持フレーム ３６ 撮像カメラ
３７ 撮像ボックス ３８ 取り付けネジ
３９ 取り付けネジ ４０ 固定プレート
４１、４２ 固定ネジ ４４ 突起部
４５ 取り付け部 ４６ 支持ピン
４７ 検出部 ５０ 傾動支持テーブル
５１ 支持部 ５２ アクチュエータ
５３ 支持軸 ５３ａ 端部
５４ 軸受け部 ５５ 穴
５６ リンク ５７ 近接センサ
５８ 可動ブロック部 ５９ 取り付け部
６０ 往復動支持テーブル ６１ 支持部
６２ アクチュエータ ６３ リニアガイド
６４ 穴 ６５ リンク
６６ 近接センサ ６７ 支持脚
７０ 細胞 １７０Ａ，１７０Ｂ 支持台
２１０ 注入口 ２１１ 取り出し口
２１２ 供給口 ２１３ 排出口
２２０ 凹部 ２６０ 通孔
２７０ 通孔 ２９０ 貫通孔
３０１ シャフト ３０２ プーリ
３２０ プーリ ３５０ ベースプレート
３５０ｂ ネジ孔 ３５１ 中間プレート
３５１ａ 通孔 ３５２ プレート
３５２ａ 通孔 ４００ 長穴
４０１ 長穴 ４４０ 貫通孔
５００ 検出部 ５２０ 本体部
５２１ ロッド ５９０ 支持ピン
６２０ 本体部 ６２１ 揺動アーム

Claims (11)

1. 軸方向に長い筒形の培養ベッセルと、
   前記培養ベッセルを軸中心に回転可能に支持する支持機構と、
   前記培養ベッセルを回転駆動する回転駆動手段と、
   前記支持機構を前記培養ベッセルの軸が上下に傾斜するように傾動させる傾動手段と、
   前記回転駆動手段及び傾動手段の動作を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記培養ベッセルは、周壁部の形状が内部の培養液がかき回されて細胞が傷つかないように円筒又は八角形以上の多角形のものであり、
   前記制御手段は、細胞の分布状況に応じ、浮遊位置の軸方向の片寄りを軸方向に分散させるように前記傾動手段の動作を制御することを特徴とする回転培養装置。
2. 前記支持機構と前記傾動手段とを前記培養ベッセルの軸に沿った水平方向に一体的に往復動させる往復動手段をさらに備え、前記制御手段は、細胞の分布状況に応じ、浮遊位置の軸方向の片寄りを軸方向に分散させるように前記傾動手段及び前記往復動手段の動作を制御する請求項１記載の回転培養装置。
3. 前記支持機構を、前記培養ベッセルの両端側を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、前記回転駆動手段として、前記一対の支持部の一方又は双方に培養ベッセルを回転駆動する駆動機構を設けてなる請求項１又は２記載の回転培養装置。
4. 前記支持部を、前記培養ベッセルの端部外周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成してなる請求項３記載の回転培養装置。
5. 前記駆動機構として、前記支持部の一対の支持ローラを連動させて回転駆動する機構を設けてなる請求項４記載の回転培養装置。
6. 前記培養ベッセルの周壁を内部透視可能な観察窓より構成し、該周壁に対面する外側の位置に、前記観察窓を通じて内部を撮像する撮像手段を設けてなる請求項１〜５の何れか１項に記載の回転培養装置。
7. 前記培養ベッセルの両端部の外周側に、それぞれ前記観察窓を通じて内部を照らすリング型照明装置を前記培養ベッセルと同軸状に配置してなる請求項６記載の回転培養装置。
8. 前記制御手段として、前記撮像手段で撮像された培養細胞の位置を算出する位置算出部と、該位置算出部で算出された培養細胞の位置の情報を記憶する記憶部と、該記憶部に記憶された前記位置の情報に基づき、前記動作を自動制御する制御部とを設けてなる請求項６又は７記載の回転培養装置。
9. 前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材とより構成するとともに、
   前記端部材の外周面に円周面を設け、
   前記支持機構を、前記培養ベッセルの前記端部材を回転可能に支持する一対の支持部より構成し、
   該支持部を、前記端部材の前記円周面を回転可能に支持する、該培養ベッセルの軸に平行な一対の支持ローラより構成してなる請求項６〜８の何れか１項に記載の回転培養装置。
10. 前記培養ベッセルを、内部透視可能な観察窓よりなる筒状の周壁部と、その両端を塞ぐ端部材と、少なくとも一方の端部材から中心軸上に沿って延びる軸方向に長い酸素供給部とより構成するとともに、
    前記酸素供給部を、柱状の芯部材と、該芯部材の外周面に被着されるガス透過膜とより構成し、
    前記芯部材に、前記端部材の内部に形成される酸素供給路に連通する凹条であって、１本又は２本以上が互いに交差しながら延びる螺旋状の凹条を形成し、
    前記凹条とガス透過膜との間の隙間を酸素流通路とし、ガス透過膜を通じて培養液中に酸素を供給する請求項６〜８の何れか１項に記載の回転培養装置。
11. 細胞液の注入口、細胞の取り出し口、培養液の供給口、培養液の排出口を、それぞれ前記端部材の端面に設けてなる請求項６〜１０の何れか１項に記載の回転培養装置。
    

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