JP6216632B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞を培養する細胞培養装置、特に、効率よく培養液を供給する培養技術に関する。

現在、再生医療のための細胞培養の作業は限りなく除菌されたクリーンルームの中で、厳格な製造工程の下で熟練された作業者の手作業により行われている。特に、筋肉から採取した細胞による心不全治療などの再生医療においては、患者１名当たり畳み１畳ほどの面積の培養面で多量の細胞を培養しなければならない。そのため、作業者の負担の大幅な増加と作業者への教育・育成に必要な時間とコスト、人為的なミスや検体の取り違え、さらに菌などを保有するヒトによる生物学的汚染（コンタミネーション）等が生じ易くなり、それらの対策に多くのコストを要する。そのことが細胞大量培養の普及や産業化において大きな壁となっている。そこで、機器により一連の培養作業を自動化することで、それら問題点を解決させることが期待されている。

しかし、培養作業において、密になった細胞を別のより大型の培養容器へ疎の状態で播きなおす継代作業や、培養終了時に大量の培地内に浮遊している細胞を回収するための濃縮作業が必要となる。しかし、多量の細胞を培養処理する場合には、細胞にダメージを与える浮遊状態で大量の細胞浮遊液のハンドリングや、細胞の乾燥に注意を払いながら大量の培地を注入・排出する必要がある。関連する先行技術文献として、特許文献１、２等がある。特許文献１では、多数のマイクロ流路にそれぞれマイクロポンプを設置して、それらポンプを駆動させて、同時並列的に流路内の液体を送液する手段を備える。特許文献２では、一つのポンプから複数の培養容器へ等量の培養液を同時送液する手段を備え、さらに効率的な流体機構と液体の送液手段を備える。

ＷＯ２００７−０５５１６５号公報 特開２００９−１２５０２７号公報

上述の通り、多量の細胞を培養処理する場合には、細胞にダメージを与える浮遊状態で大量の細胞浮遊液のハンドリングや、細胞の乾燥に注意を払いながら大量の培地を注入・排出する必要があるので、流路内の液体処理時間が可能な限り短くなるよう、送液の効率化が望まれる。特に、多量の細胞を培養処理する培養装置では、清潔性を保持しつつ、外力や浮遊時間による細胞へのダメージの最小化を図ることが求められる。

しかしながら、特許文献１に記載のような自動培養装置においては、各処理要素間の細胞懸濁液の送液には、流路ごとに独立したポンプ構造を使用しており、送液量の流路数の増大に伴い、ポンプの駆動機構や制御機構の大型化と流路設置の煩雑化の課題がある。また、ポンプの駆動機構の数が増加すればするほど、そのポンプを通過する細胞に与えるダメージが大きくなってしまうことが課題となる。

一方、特許文献２に記載のような自動培養装置においては、例えば一つのポンプから弁機構を含む分岐を介して、複数の培養容器へ等量の培養液を同時送液する手段を備える。しかし、同時送液対象の培養容器への注入口は全て分岐から同一高さでなくてはならない上、流路の構造・長さが全て同一でなくてはならず、全体システムが大型化する上、流路の設置が煩雑化するという課題がある。さらに、流路が大型化・煩雑化した場合、流路内の圧力に偏りを生じ易くなり、圧力制御機構も大型化することが課題となる。ポンプの構成要素を規定することで、流路の構成要素を小型化と設置容易性の向上をはかり、かつ細胞に対する影響を最小とするかが課題である。

現在、ヒト細胞を使用し、培養で作成した細胞や組織をヒトへ移植する再生医療では、手術室で採取した組織を無菌処理した試験管等に入れて、内部が無菌的状態で運び出し、適正製造基準（GMP：Good Manufacturing Practice）に準拠したクリーンルーム（CPC: Cell Processing Center）内で組織から必要な細胞を単離し、目的の調整を実施して培養する。採取された細胞が製造工程内で一切の汚染なく培養するために、とりわけ厳格なレギュレーションに適合した工程、環境下で人手により製造しなければならない。細胞の培養処理を機械により自動的におこなう自動培養装置においても、その装置で製造した細胞もしくは組織は、製造工程内で一切の菌やウィルス等による生物学的汚染があってはならない。

そのような状況下で、自動培養のための培養容器自身ならびに流路を閉鎖系構造とし、その内部は滅菌処理可能で、外部から駆動力を供給して細胞を培養するシステムが開発されている。しかし、閉鎖系構造の培養容器で培養するためには、培養処理を実施する機構と制御方法を如何に効率化するかが課題である。特に、多量の細胞を処理するため、培養容器が大型化し、培養工程が複雑化した場合に一層の効率化が求められる。閉鎖系構造の流路においては、チューブの外部から駆動力を供給し、チューブをしごくことで無菌的に送液が可能なチューブポンプを用いられることが多い。チューブポンプはそのチューブをしごく特性上、大容量の送液には向いていない。大容量の送液にはチューブの大型化による乱流の発生や耐久性の低下、モーターの大容量化と発熱の問題が生じるためである。

本発明の目的は、このような状況に鑑みてなされたものであり、送液量増大を実現し、装置全体の小型化、流路設置作業の効率化、更には細胞へのダメージを最小化することが可能な細胞培養装置を提供する。

上記の目的を達成するため、本発明においては、細胞及び培地が流れる第１流路と、細胞及び培地が流れる複数の第２流路と、第１流路と複数の第２流路を接続する第１分岐部と、複数の第２流路に配置される送液機構と、複数の流路を流れる細胞及び培地の量を制御するため、送液機構を制御する制御部とを有する細胞培養装置を提供する。

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、細胞培養装置であって、細胞及び培地を保持可能な培養容器部と、培地を保持可能な培地保管部と、細胞及び培地を培養容器部に給排する給排部と、給排部を制御する制御部とを備え、給排部は、第１流路と、複数の第２流路と、第１流路と複数の第２流路を接続する第１分岐部と、複数の第２流路に配置される送液機構と、を有し、制御部は、複数の第２流路を流れる細胞及び培地の量を制御するため、送液機構を制御する細胞培養装置を提供する。

本発明の細胞培養装置によれば、流路を簡便化して、流路の送液機構の設置容易性を向上し、細胞ダメージを最小として、効率よく大容量の培養を実現することができる。

実施例１に係る、チューブポンプと入力側分岐部とチューブとの関係を示す構成図である。 実施例１に係る、チューブポンプと出力側分岐部とチューブとの関係を示す構成図である。 実施例１に係る、チューブポンプと入力側および出力側分岐部とチューブとの関係を示す構成図である。 実施例１に係る、出力側の一つの培養容器へ複数のチューブを接続した状態を示す構成図である。 実施例１に係る、出力側の一つの培養容器へ一つのチューブを接続した状態を示す構成図である。 実施例２に係る、送液と吸引を同時に可能とするチューブポンプの回転軸へチューブをセット前の状態を示す構成図である。 実施例２に係る、送液と吸引を同時に可能とするチューブポンプの回転軸へチューブをセット後の状態を示す構成図である。 実施例２に係る、送液と吸引を同時に可能とする流路構成の一例を示す構成図である。 実施例１に係る、出力側の複数の培養容器へ一つずつチューブを接続した状態を示す構成図である。 実施例１に係る、分岐部の構成の一例を示す図である。 実施例１に係る、分岐部の構成の他の例を示す図である。 実施例１に係る、自動培養装置における培養要素機器の配置構成例を示す図である。 実施例に係る、自動培養装置全体の制御システムの一例を示すブロック図である。

本発明の細胞培養装置では、細胞及び培地の給排部に含まれる送液機構に複数の流路を接続し、その複数の流路に分岐部を配置し、１つの送液機構で送液量を増加することを可能とする構成を備えるが、最初に、この送液機構としてチューブポンプ、流路してチューブを用いる場合を例に取り、本発明の原理構成を説明する。

通常、送液機構であるチューブポンプは、チューブ１つをローダーにセットし、モーターの回転でしごくことで液体の送液をなす。チューブを大型化することで、送液量の増大を図ることが可能であるが、乱流の発生による細胞のダメージや、耐久性の低下による培養期間内のチューブの裂けが生じやすくなる課題がある。そのことから、チューブポンプの送液量には制限がある。そこで、本発明の構成では、送液機構として機能するチューブポンプの同一回転軸に複数のローダーを設けて、それらに流路となるチューブをセットし、そのセットしたチューブの前方、後方、或いはその両方に分岐部を配置する。

チューブポンプの同一回転軸にある複数のローダーに設置しているチューブは、チューブ径と長さ、材質が同等であれば、等量の送液が可能である。例えば、１本のチューブの単位時間当たりの流量が１のポンプがあるとする。このポンプに４本のチューブがセットしてあり、
Ａ、その方に樹形図様に分岐部を配置して、入口１つ、出口４つの流路、
Ｂ、その後方に分岐部を配置して、入口４つ、出口１つの流路、或いは、
Ｃ、その前方と後方の両方に分岐部を配置して、入口１つ、出口１つの流路がある、何れかの構成とする。

これらの構成では、送液の方向は、
Ａでは入口→分岐部→ポンプ→出口、
Ｂでは入口→ポンプ→分岐部→出口、
Ｃでは入口→分岐部→ポンプ→分岐部→出口、
である。全ての構成において、入口、出口、それぞれのトータル流量は４となる。

一方、単一のチューブで流量を４とするためには、チューブ内径が２倍となり、チューブの剛性を保持するため、チューブ厚さや回転軸のモーター大きさも増加するため、全体のシステムが大型化する。さらにチューブ内径が２倍となる分、チューブをローダーが押すため、乱流だけでなく押し付けによる細胞へのダメージが増大してしまう。

本発明の構成では、ポンプ同一回転軸にある複数のローダーに設置しているチューブの本数分、流量は正確に倍化する事ができる上、チューブ１本分の内径を小さくでき、細胞に与えるダメージを最小化する効果がある。

また、１本のチューブを有するタポンプ前方、後方、両方での分岐は困難である。この場合、分岐部で先行的に送液されたチューブ以外のチューブで送液できない。また、複数のポンプを使用して、送液する方法も報告されているが、ポンプ間の同期に課題がある上、大型化してしまう。

それに対し、上述した本発明の構成であるポンプに設置したチューブが２^ｘ本（但し、ｘ＞０）の場合、分岐部を樹形図様にすることで、全てが均一な圧力構成となり、細胞へのダメージを最小化できる。また、ポンプに設置したチューブが２^ｘ本（但し、ｘ＞０）以外の場合、チューブに偏りがでるが、その場合はポンプの同期軸にギア等を入れて回転数を変え、他のチューブに圧力を合わせることで、細胞へのダメージを最小化することができる。

さらに、本発明の構成により、細胞にダメージを与える送液時間の短縮、チューブ内培地残液量の最小化、流路設置の容易性の向上が可能となる。送液機構であるポンプも１台で全ての処理を可能として、関連機器構成の簡略と省スペース化、同期の不要による制御方法の簡潔化ができる。ポンプを中心とした培養要素の配置で、配置の自由度が増し、細胞処理内容に応じた配置が可能になり、汎用性を有することができる。

以下、添付図面を参照して本発明の種々の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

第１の実施例は、細胞及び培地が流れる第１流路と、細胞及び培地が流れる複数の第２流路と、第１流路と、複数の第２流路を接続する第１分岐部と、複数の第２流路に配置される送液機構と、複数の流路を流れる細胞及び培地の量を制御するため、送液機構を制御する制御部とを有する細胞培養装置の実施例である。以下の第１の実施例の説明においては、送液機構としてチューブポンプ、流路としてチューブを用いた場合の自動培養装置の実施例として説明する。すなわち、本実施例においては、送液機構は、同一回転軸で同期して駆動される、複数のローダーを備えるチューブポンプを含み、流路である複数のチューブ各々は、複数のローダー各々に設置される。

図１は実施例１の自動培養装置の送液機構であるチューブポンプ３０の分岐部３２の位置と、流路であるチューブ４１配線の関係を示した全体概略構成を示す図である。図２は実施例１の自動培養装置の構成において、チューブポンプ３０の分岐部３２の位置を入力３７側と出力３８側で入れ替えた状態を示す全体概略構成図である。図３は実施例１の自動培養装置の構成において、チューブポンプ３０の分岐部３２を入力３７側と出力３８側の両方に有した状態を示す全体概略図である。

＜チューブポンプと分岐部の構成＞
図１、図２、図３を用いて、本実施例のチューブポンプ３０、流路であるチューブ４１、及び分岐部３２を備えた全体構成について説明する。同図に明らかなように、モーター３３と制御系機構を備えたチューブポンプ３０本体、本体３０内のモーター３３と接続する回転軸３４、ローダー３５、更に液体等を分岐する分岐部３２からなる。なお、同じチューブ４１でも、ローダー３５にセットする部分をチューブ３６と称する。以下、それぞれの基本構成について説明する。

図１に示されるように、チューブポンプ３０はモーター３３で回転軸３４を回してローダー３５と回転軸３４間にあるチューブ３６をしごいて、脈流を生じることでチューブ３６内部の液体等を送るものである。ローダー３５からはチューブ３６が脱着することができ、チューブ３６内部に機構部が存在しないため、チューブ３６内部の無菌性を保持したまま、送液が可能になる。しかし、送液対象が細胞懸濁液の場合、チューブ３６をしごいた際に、細胞へのダメージを最小化することが重要である。

チューブポンプ３０は通常１本のチューブ３６を用いて送液する。複数のチューブ３６を送液する場合には、複数のチューブポンプ３０同士のモーター３３や制御系機構を同期させることもある。そして、チューブ３６で送液可能な量を増加させるには、チューブポンプ３０のモーター３３の回転数を上げるか、チューブ３６の内径を大きくすることで対応可能になる。

しかしながら、チューブポンプ３０はしごくことで脈流を発生させて送液する機構であるため、その回転数を上げるほど、脈流の影響による送液効率は低下することに加え、チューブ３６内部で生じる乱流で細胞ダメージが増加する。また、チューブ３６の内径を大きくした場合、それに伴いチューブ３６肉厚も増加し、チューブ３６の径がより大きくなる。それに伴い、チューブ３６をしごくための力も増加し、しごき時の圧力上昇による細胞へのダメージが増加する。

そこで、本実施例においては、細胞へのダメージを最小化するために、チューブ３６内径を大きくせず、回転数も上げずに送液量を増加させる方法として、図１の構成を採用する。すなわち、チューブポンプ３０の回転軸３４に複数のローダー３５を設置し、複数のローダー３５に複数のチューブ３６を設置して、入力３７側にチューブ４１の分岐部３２を設けた。チューブポンプ３０の回転軸３４の回転数分、全てのローダー３５に設置した複数のチューブ３６は等量の液体を送る。そのため、ローダー３５のチューブ３６の本数分、送液量が倍化する。分岐部３２が入力３７側にある場合には出力３８側は複数のローダー３５のチューブ３６の本数分となる。ここで、ローダー３５に設置したチューブ３６断面積が１の場合、２本分岐部３２の断面積を２とし、入力３７のチューブ３６の断面積を４とすると、４本のチューブ３６内全ての流速が同一となり、細胞へのダメージがより最小化する。

図２は、図１の回転軸３４の回転方向４２を逆にした場合、もしくは入力３７と出力３８を入れ替えた場合の構成を示す図である。図１に示すように入力３７が１に対して、出力３８が複数の構成だけでなく、図２に示すように入力３７が複数、出力３８が１といった構成とすることにより、例えば、薬剤の等量混合のケースでも使用可能となる。

図１、図２の構成では共に、チューブ４１につまり等の不具合が生じた場合に、ローダー３５に設置した部分のチューブ３６の送液量が等量でなくなる。そこで、チューブ４１内に液面センサや、或いは圧力センサを設けて、ローダー３５周辺、もしくは必要なチューブ４１部位での送液の安定性を計測することもできる。

なお、本願明細書においては、図１の構成において、分岐部３２を第１分岐部と称し、第１分岐部３２の入力３７側、及び出力３８側に接続される流路４１をそれぞれ第１流路、複数の第２流路と称する。一方、図２の構成においては、第１分岐部３２の入力３７側、及び出力３８側に接続される流路４１をそれぞれ複数の第２流路、第１流路と称する。

図３に入力３７側と出力３８側にそれぞれ分岐部３２を設けた本実施例の構成を示している。もし、ローダー３５へ設置するチューブ３６が１本のみの４個のチューブポンプ３０を使って、入力３７側と出力３８側にそれぞれ分岐部３２を設けた構成を実現した場合、４個のチューブポンプ３０を同期して制御しなければならず、４個のチューブポンプ３０の制御系装置、通信装置、同期に関わるソフトウェアが必要になる。

一方、図３に示す本実施例の構成では、それぞれチューブ３６が設置可能な４個のローダー３５を１個の回転軸３４に設置するだけで同期し、精度高い送液が可能になる。そのため、省スペース化と、効率的な送液量の増加を可能にする。

なお、本明細書においては、図３の構成において、入力３７側の第１分岐部３２の入力３７側、及び出力３８側に接続される流路４１をそれぞれ第１流路、第２流路と称することは、図１と同様であるが、更に、出力３８側の分岐部３２を第２分岐部と称し、その出力３８側の流路４１を第３流路と称する。

＜培養容器への送液に関する一連の動作＞
図４Ａ、及び図４Ｂは、本実施例におけるチューブポンプ３０の出力３８側に一つの培養容器３９を配置した概略図である。また、図５はチューブポンプ３０の出力３８側に複数の培養容器３９を配置した概略図である。なお、図４Ｃ−図４Ｅは実施例２を説明するための図であり、後で詳述する。

図４Ａ、図４Ｂ、及び図５を用いて、本実施例の自動培養装置における培養容器３９への送液方法の一例について説明する。これら図では出力３８側に培養容器３９が配置しているが、図２のようにチューブポンプ３０の回転方向４２を逆転させて、入力３７と出力３８を変えてもよい。例えば、培地交換等で使用済みの培地を培養容器３９から排出する場合に、利用することができる。図４Ａ、図４Ｂにおいては、培養容器３９が１つの場合を示している。図４Ａでは培養容器３９に、複数の注入口４３がある場合を示し、図４Ｂでは培養容器３９に一つの注入口４３がある場合を示している。図４Ａの構成では、複数のチューブ４１が培養容器３９に接続しているため、チューブ４１が煩雑になってしまうが、例えば、培養容器３９内部が複数の部屋に分かれている場合等では、送液の効率化を図ることが可能になる。一方、図４Ｂの構成では、出力３８のチューブ４１が１本のため、例えば大量の培地が必要となる大容量の培養容器３９の場合等では、送液の効率化が可能になる。

図５においては、出力３８側に培養容器３９が複数の場合を例示している。同図に示す通り、チューブポンプ３０の同一の回転軸３４でしごいているため、複数の培養容器３９それぞれに対し、等量の液体を送ることができる。そのため、細胞播種、培地交換を一つのチューブポンプ３０で複数の培養容器３９に対し、正確な送液が可能になるため、スペースや処理時間の最小化と処理の効率化、それに伴う細胞へのダメージの最小化が可能になる。

＜分岐部の構成＞
図６Ａ、及び図６Ｂは、本実施例における分岐部の一例を示した概略構成図である。図６Ａ、及び図６Ｂを用いて、分岐部３２の構成方法の一例について説明する。図６Ａに示すように、分岐部３２として、例えば３方分岐部４４を利用する場合など、複数のローダー３５に接続するチューブ３６が２^ｘ本（但し、ｘ＞０）以外では、分岐部３２に偏りを生じることがある。その結果、ローダー３５に至るまでに分岐部３２が、１つのチューブ４１と分岐部３２の他の２つのチューブ４１とでは、分岐部３２における抵抗の違いから送液量に差が生じることがある。

本実施例の構成において、その送液量の差分を補正するためには、複数のローダー３５の一部に、ギアなどを設けて回転数を調整すると好適である。また、ローダー３５の回転数を変えずに、一部のチューブ３６内径および外径を、他のチューブ３６内径および外径と変える方法を採用することも可能である。更には、図６Ｂに示すように、分岐部３２にタンク、アキュムレーターなどの液だめ４５を用いた多方分岐構造により、ローダー３５に接続するチューブ３６それぞれへ等量の送液量を供給する構成も可能である。

＜自動培養装置におけるポンプ位置＞
図７は本実施例の自動培養装置内部の培養要素の配置例を示す概略図である。すなわち、図７に、細胞及び培地を保持可能な培養容器部と、培地を保持可能な培地保管部と、細胞及び培地を給排する給排部と、給排部を制御する図示を省略した制御部とを備え、給排部は、先に説明した細胞及び培地が流れる第１流路と、細胞及び培地が流れる複数の第２流路と、第１流路と、複数の第２流路を接続する第１分岐部と、複数の第２流路に配置される送液機構を有し、複数の第２流路を流れる細胞及び培地の量を制御するため、送液機構を制御する細胞培養装置の全体構成を示している。

図７を用いて、継代、培養、細胞濃縮を実現する、本実施例の自動培養装置の培養要素機器の配置の一構成例について説明する。上述した送液機構であるチューブポンプ３０、分岐部３２、電磁弁等からなる、給排部として機能するポンプ部３１を中心とし、給排部であるポンプ部３１に、培養容器部を構成する一次培養容器部２０と二次培養容器部２１、細胞濃縮部１６、培地保管部１４がそれぞれ接続されている。ポンプ部３１は、含まれる送液機構により、細胞及び培地を培養容器部に給排する給排部として機能する。それぞれの間の接続はチューブ４１等からなる実線で示す流路４０による。一次培養容器部２０と二次培養容器部２１の内部は３７℃、５％二酸化炭素濃度、湿度１００％に近い状態を保持する。なお、培地保管部１４の内部は例えば４℃とする。

図７の構成では、自動培養装置の装置本体１１内部に一次培養容器部２０、二次培養容器部２１、給排部であるポンプ部３１があり、装置本体１１の外部に細胞濃縮部１６、培地保管部１４がある。図示を省略するが培地保管部１４の流路４０が細胞濃縮部１６の一部を通る構成も可能である。例えば、自動培養装置本体１１内部は温度３７℃、細胞濃縮部１６および自動培養装置本体１１外部は室温である２０℃前後を想定する。以上の培養要素の配置構成で、多量の細胞培養に必要な、細胞播種、培養、継代、細胞濃縮の工程を実現できる。

一次培養容器部２０内の培養容器への細胞播種では、培地保管部１４の細胞懸濁液を、ポンプ部３１を介して一次培養容器部２０へ送液して培養する。一次培養容器部２０の培養容器は、通常１個の場合が多いため、図４Ｂに示した配置構成で送液時間を短縮可能で、浮遊状態での細胞ダメージを最小化することができる。継代作業のため、一次培養容器部２０の一次培養容器で培養した細胞は懸濁液状態にして、ポンプ部３１で送液して、二次培養容器部２１の二次培養容器へ送液する。細胞剥離液などで細胞の剥離や、培地などで、細胞濃縮以外の細胞濃度変更ができる。

二次培養容器部２１の培養容器は１個で大型培養面積を有する場合は、図４Ｂに示した実施例の構成で送液時間を短縮可能である。また、培養容器が複数個で大型培養面積を有する場合は、図５に示した実施例の構成で送液時間を短縮可能である。いずれの場合でも、浮遊状態での細胞ダメージを最小化することができる。

培地交換の場合でも上述した本実施例の送液機構であるチューブポンプ３０の構成を利用する。すなわち、培養時の培地交換では一次培養容器部２０、二次培養容器部２１から出た廃液は、給排部として機能するポンプ部３１を介して培地保管部１４へ移動する。そして、培地保管部１４から培地などを、ポンプ部３１を介して一次培養容器部２０、二次培養容器部２１へ送液する。二次培養容器部２１の二次培養容器で培養した細胞は懸濁液状態にして、ポンプ部３１で、細胞濃縮部１６へ送液する。細胞剥離液などで細胞の剥離や、培地などで、細胞濃縮以外の細胞濃度変更ができる。細胞濃縮部１６で細胞濃縮による細胞濃度調整がなされるが、遠心分離を利用しても良い。

送液は、対象となる機器構成にあわせて図４Ａ、および図４Ｂ、図５の構成とすることができる。細胞濃縮部１６内での細胞接着を防止し、細胞ダメージを最小にするため、室温付近での細胞濃縮がなされる。細胞濃縮終了後は細胞濃縮部１６の培地バッグ等に細胞懸濁液を保管する。細胞濃縮部１６から送液もしくは搬送して、培地保管部１４で細胞懸濁液を保管してもよい。

以上詳述した本実施例の細胞懸濁液の移動を中心として一連の工程をまとめると、培地保管部１４→ポンプ部３１→一次培養容器部２０→ポンプ部３１→二次培養容器部２１→ポンプ部３１→細胞濃縮部１６、或いは→培地保管部１４となる。本実施例の構成によれば、培養要素間の移動時にポンプ部３１を介するため、ポンプ部３１の細胞にダメージを少なくして送液量を増加させることで、各培養要素間の流路４０のチューブ４１の長さが最小となり、細胞にダメージを与える送液時間の短縮、チューブ４１内培地残液量の最小化、流路４０設置の容易性の向上が可能となる。ポンプ部３１のチューブポンプ３０も１台で全ての処理を可能として、関連機器構成の簡略と省スペース化、制御方法の簡潔化できる。チューブポンプ３０を中心とした培養要素の配置で、配置の自由度が増し、細胞処理内容に応じた配置が可能になり、汎用性を有することができる。

＜自動培養装置の制御システム構成＞
図８は本実施例の自動培養装置を動作させるための制御システムの一例を示すブロック図である。

図８は、自動培養装置１０における内部機器を制御するための制御システムの一構成を示す。自動培養装置１０の制御システムは、データや指示を入力するためのキーボード、マウス等の入力部８１と、自動培養装置１０内の制御対象機器の各動作を制御する制御部８２と、制御の状況をユーザに示す表示部８０と、制御部８２が各動作を制御するためのプログラムやパラメータ等を格納するＲＯＭ８５と、一時的にデータや処理結果を格納するＲＡＭ８６と、キャッシュ等の動作を行うためのメモリ８５と、ヒータ、ファン、二酸化炭素供給、水供給等の処理をおこない、それらのセンサによる細胞培養室１３内の環境保持装置８７と、細胞濃縮部１６の環境を制御する細胞濃縮部環境制御８８、培地保管部１４の環境を制御する培地保管部環境制御８９を備えている。なお、制御部８２は、コンピュータの中央処理部（Central Processing Unit：ＣＰＵ）等で実現可能であることは言うまでもない。

ユーザが入力部８１や通信部８４から処理するべき培養工程を指示すると、制御部８２は、ＲＯＭ８５に格納された培養準備プログラムに従って、初期値出し等に関係する一次培養容器部２０や二次培養容器部２１の駆動機構９１やチューブポンプ３０や電磁弁等を備える、給排部として機能するポンプ部３１などの制御対象機器９０の制御をおこない、流路４０の設置を、表示部８０を用いてユーザ等に通知し、ユーザはその設置を検知することができる。

そして、制御部８２は、ＲＯＭ８５に格納された自動培養プログラムに従って、一次培養容器部２０の揺動機構制御や、二次培養容器部２１の揺動機構制御等の駆動機構９１の制御、並びに送液機構であるチューブポンプ３０や電磁弁等を含む給排部、すなわちポンプ部３１の制御を行い、流路を流れる細胞及び培地の量等を制御し、細胞培養処理を実施する。随時、表示部８０と通信部８４でその処理状況をユーザに示すことができる。細胞培養処理が終了したら、表示部８０と通信部８４等を用いて終了をユーザに示し、制御部８２は、ＲＯＭ８５に格納された終了プログラムに従い、終了処理をおこなう。

以上説明した実施例１により、送液機構であるチューブポンプの前方、後方、両方に分岐部を設けることで、ポンプ１つ辺りの送液量を増加させることができる。その結果、無菌性を保持しながら、細胞へのダメージを最小にしつつ送液量を最大化し、装置全体の小型化を図ることが可能となる。

実施例２として、送液と吸引を同時に可能とする送液機構であるチューブポンプを利用する自動培養装置の実施例を説明する。なお、実施例２の説明においては、実施例１の自動培養装置の構成と相違する部分についてのみ説明し、共通する部分、例えば図７、図８等を用いて説明した全体動作等の説明は省略する。

図４Ｃ、及び図４Ｄは、本実施例のチューブポンプ３０の回転軸３４の上下、すなわち回転軸３４の両側にチューブ４１を配置した概略構成図である。また、図４Ｅはチューブポンプ３０の回転軸３４の上下、すなわち回転軸３４の両側にチューブ４１をセットした流路４０の配置の一例を示した概略構成図である。

本実施例の構成にあっては、複数の第２流路は複数のチューブで構成され、送液機構は、同一回転軸で同期して駆動される複数のローダーを備えるチューブポンプを含み、この複数のローダーは、回転軸を挟んでその両側に設置される一対のローダーで構成され、一対のローダーの一方に、培地保管部から培養容器に培地を送液するチューブを設置し、他方に、培養容器から培地保管部に培地を送液するチューブを設置することにより、以下に説明する細胞培養装置の同時送液を実現する。

＜チューブポンプの同時送液方法＞
図４Ｃ、図４Ｄ、および図４Ｅを用いて、送液５９と吸引６０を同時に可能とする送液機構のベリタスポンプの構成の一例について説明する。なお、図４Ｃ、図４Ｄはチューブポンプ３０のローダー部分の断面図を示している。この断面図は、実施例１に示した複数のローダー３５に対応する断面を示す。本実施例においても、複数のローダーが一つの回転軸を共通にして設置され、その中心に円柱状の回転軸３４がある。図４Ｃ、図４Ｄの断面図の上下に示すように、複数のローダーは一対となる上部ローダー５０と下部ローダー５１で構成される。

図４Ｃに示すように、チューブ設置前は、回転軸３４の上下、すなわち回転軸３４の両側にチューブ４１を入れることが可能な構成を有している。レバー５２を図４Ｃに示す状態から図４Ｄに示す状態に動かすことで、図示を省略した機構により上部ローダー５０と下部ローダー５１が回転軸３４に向かって動き、上部ローダー５０と下部ローダー５１それぞれと、回転軸３４の表面に形成された突起状のチューブ押し５３の間のチューブ４１に対応するチューブ５９、６０を押し付ける。また、チューブ止め５４がチューブ４１自身の位置を固定する。

図４Ｄのように、回転軸３４が回転方向４２に回転すると、上部ローダー５０側のチューブ５９は送液方向５５に送液が可能になる。逆に、下部ローダー５１側のチューブ６０は吸引方向５６へ送液が可能になる。レバー５２を元の状態に戻せば、図４Ｃの状態となり、注入側チューブ５９及び吸引側チューブ６０はそれぞれ上部ローダー５０、下部ローダー５１から外すことができる。実施例１で使用したチューブポンプ３０は上部ローダー５０のみで下部ローダー５１は存在しない。なお、本実施例の構成のチューブポンプでも、図４Ｃ、図４Ｄに示す上部ローダー５０のみにチューブ４１、すなわちチューブ５９を設置することで、実施例１のチューブポンプ３０と同等の使用が可能になることは言うまでもない。

図４Ｅに、図４Ｂに示した出力側の一つの培養容器３９へ一つのチューブを接続した構成に、図４Ｃ及び図４Ｄで説明したチューブポンプ機構を適応した一例を示した。同図において、複数のローダーを備えたチューブポンプの回転軸が回転方向４２に回転すると、注入側チューブ５９および吸引側チューブ６０において、それぞれ送液方向５５と吸引方向５６に送液される。送液された体積が注入口４３から培養容器３９に入ると、同じ体積を吸引口６１より送液される。これにより、本実施例において、培養容器３９内部の圧力の変化を最小化することが可能である。また、送液と吸引を同時に可能とすることで、スペースの最小化や流路の設置の容易化を可能にする。吸引側チューブ６０では、入力５７及び出力５８の位置が送液の入力３７及び出力３８の逆となっている。

以上詳述した本発明によれば、装置全体の省スペース化が可能になり、流路のポンプへの設置容易性が向上し、装置全体の小型化を図る細胞培養装置を提供することが可能となる。さらに、無菌性を保持しながら、細胞へのダメージを最小にしつつ送液量を最大化することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。例えば、実施例２の説明において、一つの回転軸を共通とする複数のローダー各々が実施例２の構成を備えるチューブポンプの構成を説明したが、それ自身が複数のローダーとして機能する、一対の上部ローダー及び下部ローダーを備えるチューブポンプを利用することにより、送液と吸引を同時に可能とする送液機構を有する細胞培養装置を実現することができ、装置全体の省スペース化、流路のポンプへの設置容易性の向上を図ることができる。

また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。例えば、実施例の説明においては、チューブポンプなどの送液機構、及びチューブ等の流路は、細胞及び培地などの液体を送液して流す場合を説明したが、液体の代わりに二酸化炭素や酸素などの気体を流す場合であっても、上述した各実施例は適用可能であり、その場合、送液機構は制御部の制御により、気体の量をコントロールする。

更に、上述した各構成、機能、制御部等は、それらの一部又は全部を実現するＣＰＵのプログラムを利用する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。

１０ 自動培養装置
１１ 自動美容装置本体
１４ 培地保管部
１６ 細胞濃縮部
２０ 一次培養容器部
２１ 二次培養容器部
３０ チューブポンプ
３１ ポンプ部
３２ 分岐部
３３ モーター
３４ 回転軸
３５ ローダー
３６ ローダーにセットされたチューブ
３７、５７ 入力
３８、５８ 出力
３９ 培養容器
４０ 流路
４１ チューブ
４２ 回転方向
４３ 注入口
４４ ３方分岐部
４５ 液ダメ
５０ 上部ローダー
５１ 下部ローダー
５２ レバー
５３ チューブ押し
５４ チューブ止め
５５ 送液方向
５６ 吸引方向
５７ 吸引側入力
５８ 吸引側出力
５９ 注入側チューブ
６０ 吸引側チューブ
６１ 吸引口
８０ 表示部
８１ 入力部
８２ 制御部
８３ メモリ
８４ 通信部
８５ ＲＯＭ
８６ ＲＡＭ
８７ 環境保持装置
８８ 細胞濃縮部環境制御
８９ 培地保管部環境制御
９０ 制御対象機器
９１ 駆動機構

Claims (9)

1. 細胞及び培地が流れる第１流路と、
   前記細胞及び培地が流れる複数の第２流路と、
   前記第１流路と、前記複数の第２流路を接続する第１分岐部と、
   前記複数の第２流路に配置される送液機構と、
   前記複数の流路を流れる前記細胞及び培地の量を制御するため、前記送液機構を制御する制御部と、を有し、
   前記複数の第２流路は、複数のチューブで構成され、
   前記送液機構は、同一の回転軸で同期して駆動され、前記回転軸を挟んで設置される一対のローダーを備えるチューブポンプを含み、
   前記一対のローダーの一方に、前記培地を保管する培地保管部から前記細胞を培養する培養容器に前記培地を送液する前記チューブが設置され、
   前記一対のローダーの他方に、前記培養容器から前記培地保管部に前記培地を送液する前記チューブが設置される、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
2. 請求項１に記載の細胞培養装置であって、
   前記第１流路、及び前記複数の第２流路各々の内径は、同一もしくは異なる、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
3. 請求項１に記載の細胞培養装置であって、
   前記複数の第２流路に接続される第２分岐部と、
   前記第２分岐部に接続される第３流路とを、更に有する、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
4. 請求項１に記載の細胞培養装置であって、
   前記チューブポンプの複数のローダー各々は、前記回転軸での回転数を変更可能である、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
5. 請求項１に記載の細胞培養装置であって、
   前記第１分岐部は、
   前記第１流路、並びに前記複数の第２流路に接続されたタンクで構成される、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
6. 請求項３に記載の細胞培養装置であって、
   前記第１流路、前記複数の第２流路、及び前記第３流路各々の内径は、同一もしくは異なる、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
7. 請求項３に記載の細胞培養装置であって、
   前記第３流路が接続される、一つの培養容器を、更に有する、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
8. 請求項３に記載の細胞培養装置であって、
   前記第１流路、前記複数の第２流路、又は前記第３流路は、前記送液機構から着脱可能である、
   ことを特徴とする細胞培養装置。
9. 細胞培養装置であって、
   細胞及び培地を保持可能な培養容器部と、
   前記培地を保持可能な培地保管部と、
   前記細胞及び培地を給排する給排部と、
   前記給排部を制御する制御部とを備え、
   前記給排部は、
   前記細胞及び培地が流れる第１流路と、
   前記細胞及び培地が流れる複数の第２流路と、
   前記第１流路と、前記複数の第２流路を接続する第１分岐部と、
   前記複数の第２流路に配置される送液機構と、を有し、
   前記複数の第２流路は、複数のチューブで構成され、
   前記送液機構は、同一の回転軸で同期して駆動され、前記回転軸を挟んで設置される一対のローダーを備えるチューブポンプを含み、
   前記一対のローダーの一方に、前記培地保管部から前記培養容器部に前記培地を送液する前記チューブが設置され、
   前記一対のローダーの他方に、前記培養容器部から前記培地保管部に前記培地を送液する前記チューブが設置され、
   前記制御部は、前記複数の第２流路を流れる前記細胞及び培地の量を制御するため、前記送液機構を制御する、
   ことを特徴とする細胞培養装置。

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