JP6420662B2 - 薬液供給装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ヒトの骨髄細胞、間葉系幹細胞などの細胞を培養するための薬液を培養容器に供給する薬液供給装置および方法に関する。

医療用途、特に再生医療、創薬研究などの分野では、バイオクリーンルームなど、高い清浄度を保った作業空間内で細胞培養作業を行う必要がある。特に、薬液の汚染・変質（コンタミネーション）を防ぐことで、細胞死を回避することは重要である。作業空間の清浄度を保つために、気密を保つ閉鎖空間内で作業を行う方法が用いられる。

少量ロットの細胞培養の場合、一般には、除染された作業空間内に設置した薬液ボトルからピペットを用いて薬液を吸引することによって、培養容器に薬液を供給している。こうした方法では、作業ごとに薬液ボトルを作業空間内に搬送する必要がある。また、クロスコンタミネーションを防止するためには、吸引供給に使用するピペットを使い捨てにするか、あるいは、薬液ボトルを使い捨てにする必要がある。ピペット／ボトルを使い捨てにした場合、毎回、ピペット／ボトルを作業空間内に搬入するか、作業空間内に作業回数分のピペット／ボトルを保管できる保管庫が必要になる。その結果、多量ロットの細胞培養を行う場合、膨大な作業スペースを確保する必要があり、作業者にも多大な労力や負担を強いるという問題が生ずる。

図７は、従来の薬液供給装置の一例を示す説明図である。この薬液供給装置は、細胞培養用の薬液を保管するための薬液バッグ１０１と、薬液を培養容器Ｆに供給するための供給ノズル１１２と、薬液バッグ１０１と供給ノズル１１２とを連結するチューブ１１０などを備え、重力を利用して薬液を移送している。

薬液バッグ１０１は、可撓性材料で製作され、出口が最も低くなるように傾斜棚１０２の上に戴置される。チューブ１１０の途中には、流量調整バルブ１２１およびピンチバルブ１２２がチューブ１１０を狭窄するように設置される。ピンチバルブ１２２と供給ノズル１１２との間には、外部空間ＯＵＴと作業空間ＩＮとを仕切るための遮蔽壁１３０が設置される。作業空間ＩＮは、グローブボックスなどで構成され、培養容器Ｆのコンタミネーションを防止するために高い清浄度に維持される。

チューブ１１０の清浄な部分および清浄な供給ノズル１１２は、当初、滅菌された密閉搬送コンテナ１１１内に収納されており、この状態で外部空間ＯＵＴ内で無菌搬送することが可能になる。供給ノズル１１２を作業空間ＩＮ内に導入する場合、密閉搬送コンテナ１１１を遮蔽壁１３０に装着した後、扉を開くことによって、無菌導入が可能になる。供給ノズル１１２を外部空間ＯＵＴに取り出す場合は、導入時とは逆の手順となる。

培養容器Ｆは、重量計１２３の上に戴置される。コンピュータなどの制御装置１２０は、重量計１２３からの信号に基づいて、流量調整バルブ１２１の開度を制御したり、ピンチバルブ１２２のオンオフ動作を制御する。

図７に示した従来の薬液供給装置では、外部空間ＯＵＴに設置された薬液バッグ１０１からチューブ１１０を通じて、作業空間ＩＮに設置された培養容器Ｆに薬液を供給しているため、上述のような使い捨てのボトルは不要になる。

しかしながら、薬液供給を完了した後、長時間放置した場合、薬液バッグ１０１およびチューブ１１０内に残存する薬液が、凝固したり、劣化することがある。特に、短い消費期限（例えば、室温で３日）の成分（例えば、抗生剤、血清など）を含む薬液の場合、この消費期限を経過してしまうと、薬液バッグ１０１、チューブ１１０および供給ノズル１１２の全てを交換する必要がある。こうした交換作業は、作業空間ＩＮのコンタミネーションを確実に防止する必要があるため、多大な労力と時間を要することになる。また、未使用薬液の損失も大きくなり、細胞培養のコスト増加を招くことになる。

本発明の目的は、コンタミネーションを確実に防止しつつ、薬液供給間隔が長期化しても、高い信頼性で安定した薬液供給を実現できる薬液供給装置および方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る薬液供給装置は、
作業空間外に設置され、細胞培養用の薬液を保管するための薬液タンクと、
作業空間内に設置され、薬液を培養容器に供給するための供給ノズルと、
前記薬液タンクから前記供給ノズルへ薬液を移送するための第１薬液管路と、
第１薬液管路によって移送された薬液を前記薬液タンクへ移送するための第２薬液管路と、
第１薬液管路と前記供給ノズルとが連通した薬液供給モード、または第１薬液管路と第２薬液管路とが連通した薬液循環モードを選択するための管路切換部と、を備えることを特徴とする。

こうした構成によれば、装置は、供給ノズルを介して薬液を培養容器に供給する薬液供給モードに加えて、第１薬液管路と第２薬液管路との間で薬液を循環させる薬液循環モードを有する。そのため薬液を供給しない場合でも薬液を循環させることが可能になり、薬液が管路内で長時間滞留して凝固したり劣化するのを確実に防止できる。

また本発明に係る薬液供給装置は、
作業空間外に設置され、洗浄液を保管するための洗浄液タンクと、
前記洗浄液タンクから前記供給ノズルへ洗浄液を移送するための洗浄液管路と、
乾燥用の空気を前記供給ノズルへ移送するためのエア管路と、を備え、
前記管路切換部は、前記洗浄液管路と前記供給ノズルとが連通した洗浄モード、エア管路と前記供給ノズルとが連通した乾燥モード、前記薬液供給モード、および前記薬液循環モードのうちの１つが選択可能であることが好ましい。

こうした構成によれば、装置は、薬液供給モードおよび薬液循環モードに加えて、洗浄液を供給ノズルに供給する洗浄モードと、乾燥用の空気を供給ノズルに供給する乾燥モードとを有する。そのため薬液供給を終了した後、薬液を循環させる場合、洗浄液を用いて、供給ノズルなどの非循環管路に残留した薬液を確実に排出できる。また、乾燥用の空気を用いて、非循環管路に残留した洗浄液も確実に除去できる。

本発明において、前記薬液タンクは、冷蔵庫内に設置されており、
第１薬液管路の途中には、管路内の薬液を室温から３７℃の範囲に加熱するための管路着脱式の加温器が設けられることが好ましい。

こうした構成によれば、薬液タンクを冷蔵庫内に設置することによって、薬液の低温保存が可能になる。また、第１薬液管路の途中に加温器を設けることによって、培養容器に供給する薬液を適切な温度に保つことができる。また、管路着脱式の加温器を使用することによって、管路交換に起因したコンタミネーションを防止できる。

本発明において、第１薬液管路の途中には、管路着脱式のチューブポンプが設けられ、
チューブポンプの排出側には、脈動吸収用の液体バッファ部が設けられることが好ましい。

こうした構成によれば、管路着脱式のチューブポンプを使用することによって、管路交換に起因したコンタミネーションを防止できる。また、チューブポンプの排出側に、脈動吸収用の液体バッファ部を設けることによって、供給ノズルから培養容器に供給される薬液の流量変化を低減できる。

本発明において、第２薬液管路の途中には、薬液供給モードの際、管路を閉止するための仕切弁が設けられることが好ましい。

こうした構成によれば、薬液供給モードの際、第２薬液管路を閉止することによって、第２薬液管路での薬液の逆流を防止し、管路内のコンタミネーションを防止できる。

本発明において、前記洗浄液管路の途中には、管路着脱式のチューブポンプが設けられ、
チューブポンプの排出側には、脈動吸収用の液体バッファ部が設けられることが好ましい。

こうした構成によれば、管路着脱式のチューブポンプを使用することによって、管路交換に起因したコンタミネーションを防止できる。また、チューブポンプの排出側に、脈動吸収用の液体バッファ部を設けることによって、供給ノズルを通過する洗浄液の流量変化を低減できる。

本発明において、前記供給ノズルの先端には、筒状のチップが着脱自在に装着されることが好ましい。

こうした構成によれば、薬液供給を終了した後、使用済チップを廃棄することが容易になるため、培養容器間のクロスコンタミネーションを防止できる。

本発明において、前記作業空間は、除染剤の雰囲気に維持されることが好ましい。

こうした構成によれば、作業空間を滅菌状態に維持できるため、培養容器および供給ノズルのコンタミネーションを防止できる。

また本発明に係る薬液供給方法は、
細胞培養用の薬液を保管するための薬液タンクを、作業空間外に設置するステップと、
薬液を培養容器に供給するための供給ノズルを作業空間内に設置し、前記薬液タンクから前記供給ノズルへ薬液を移送するための第１薬液管路および、第１薬液管路によって移送された薬液を前記薬液タンクへ移送するための第２薬液管路を設置するステップと、
第１薬液管路と前記供給ノズルとを連通させ、薬液を培養容器に供給するステップと、
薬液を培養容器に供給しない場合、第１薬液管路と第２薬液管路とを連通させ、薬液を循環させるステップと、を含むことを特徴とする。

こうした手法によれば、薬液供給方法は、供給ノズルを介して薬液を培養容器に供給する薬液供給ステップに加えて、第１薬液管路と第２薬液管路との間で薬液を循環させる薬液循環ステップを有する。そのため薬液を供給しない場合でも薬液を循環させることが可能になり、薬液が管路内で長時間滞留して凝固したり劣化するのを確実に防止できる。

本発明によれば、コンタミネーションを確実に防止しつつ、薬液供給間隔が長期化しても、高い信頼性で安定した薬液供給を実現できる。

本発明の第１実施形態に係る薬液供給装置を示す構成図であり、薬液供給モードを示す。 本発明の第１実施形態に係る薬液供給装置を示す構成図であり、薬液循環モードを示す。 本発明の第１実施形態に係る薬液供給装置を示す構成図であり、洗浄モードを示す。 本発明の第１実施形態に係る薬液供給装置を示す構成図であり、乾燥モードを示す。 供給ノズルの構成を示すもので、図５（ａ）はチップ装着前の状態、図５（ｂ）はチップ装着後の状態を示す。 薬液供給動作の一例を示すフローチャートである。 従来の薬液供給装置の一例を示す説明図である。

（第１実施形態）
図１〜図４は、本発明の第１実施形態に係る薬液供給装置を示す構成図であり、図１は薬液供給モード、図２は薬液循環モード、図３は洗浄モード、図４は乾燥モードをそれぞれ示している。薬液供給装置は、２系統の薬液管路１０，２０と、薬液タンク１５と、洗浄液管路３０と、洗浄液タンク３５と、エア管路４０と、管路切換部５０と、供給ノズル６０などを備える。

薬液タンク１５は、細胞培養用の薬液を保管するための容器である。特に、室温で劣化する成分、例えば、抗生剤、血清などを含む薬液を使用する場合、薬液タンク１５は、冷蔵庫１７内に設置することが好ましく、低温保存により薬液の劣化を抑制できる。薬液タンク１５は、薬液管路１０，２０とともに外部空間ＯＵＴから密閉されている。そのため清浄空気取り込み用のエアフィルタ１６が取り付けられ、液出しに伴う負圧を補償している。

薬液管路１０は、薬液タンク１５から供給ノズル６０へ薬液を移送する機能を有し、その上流端は薬液タンク１５に連結され、その途中においてチューブポンプ１１と、加温器１２と、薬液バッファ部１３とが設けられ、その下流端は管路切換部５０に連結されている。

チューブポンプ１１は、円周面に沿って配置されたチューブを公転ローラで押圧することによって、チューブ内の液体を圧送する機構を備え、好ましくは薬液管路１０自体をポンプ流路として利用できる管路着脱式のポンプである。

加温器１２は、薬液管路１０内の薬液を室温から３７℃の範囲に加熱する機能を有し、好ましくは薬液管路１０自体を外側から加熱できる管路着脱式のヒータである。

薬液バッファ部１３は、チューブポンプ１１の排出側に設けられ、液排出時の脈動を吸収して、供給ノズル６０から培養容器Ｆに供給される薬液の流量変化を低減する機能を有する。

薬液管路２０は、薬液管路１０によって移送された薬液を薬液タンク１５へ移送する機能を有し、その上流端は管路切換部５０に連結され、その途中において仕切弁２１が設けられ、その下流端は薬液タンク１５に連結されている。

仕切弁２１は、電気信号に基づいて薬液管路２０を開閉する機能を有し、薬液供給モードの際、薬液管路２０を閉止することによって、薬液管路２０での薬液の逆流を防止し、管路内のコンタミネーションを防止できる。

洗浄液タンク３５は、洗浄液を保管するための容器であり、洗浄液管路３０とともに外部空間ＯＵＴから密閉されている。そのため清浄空気取り込み用のエアフィルタ３６が取り付けられ、液出しに伴う負圧を補償している。

洗浄液管路３０は、洗浄液タンク３５から供給ノズル６０へ洗浄液を移送する機能を有し、その上流端は洗浄液タンク３５に連結され、その途中においてチューブポンプ３１と、洗浄液バッファ部３２とが設けられ、その下流端は管路切換部５０に連結されている。

チューブポンプ３１は、円周面に沿って配置されたチューブを公転ローラで押圧することによって、チューブ内の液体を圧送する機構を備え、好ましくは洗浄液管路３０自体をポンプ流路として利用できる管路着脱式のポンプである。

洗浄液バッファ部３２は、チューブポンプ３１の排出側に設けられ、液排出時の脈動を吸収して、供給ノズル６０に供給される洗浄液の流量変化を低減する機能を有する。

エア管路４０は、乾燥用の空気を供給ノズル６０へ移送する機能を有し、その上流端は清浄空気取り込み用のエアフィルタ４２に連結され、その途中においてチューブポンプ４１が設けられ、その下流端は管路切換部５０に連結されている。

チューブポンプ４１は、円周面に沿って配置されたチューブを公転ローラで押圧することによって、チューブ内の気体を圧送する機構を備え、好ましくはエア管路４０自体をポンプ流路として利用できる管路着脱式のポンプである。

管路切換部５０は、薬液管路１０，２０と、洗浄液管路３０と、エア管路４０と、供給ノズル６０とを選択的に連通したり閉止する機能を有し、一例として、２入力２出力の切換弁５１および２入力１出力の切換弁５２で構成される。

供給ノズル６０は、管路切換部５０から送出される薬液を培養容器Ｆに注入する機能を有し、図５に示すように、ノズル本体６１と、テーパー筒状のチップ６２とを備える。チップ６２は、供給ノズル６０の先端に着脱自在に装着され、クロスコンタミネーションを防止するために、薬液を培養容器Ｆに注入する度に新品に交換することが好ましい。

図１に戻って、作業空間ＩＮの内部には、培養容器Ｆを３７℃に維持するインキュベータの他に、培養容器Ｆの取り出し、搬送、反転や、チップ６２の交換などを行う走行式多関節ロボット等が設置され、培養容器Ｆの細胞培養、薬液（培地）交換、細胞回収など繊細な作業が行われる。そのため作業空間ＩＮは、バイオクリーンルームのように高い清浄度に保たれており、好ましくは、過酸化水素蒸気などの除染剤を噴霧する装置を用いて、除染剤の雰囲気に維持される。

作業空間ＩＮと外部空間ＯＵＴとは、壁Ｗによって隔離されている。供給ノズル６０、管路切換部５０および各管路の一部は、作業空間ＩＮ内に設置されるが、それ以外の部分、特に薬液タンク１５、洗浄液タンク３５などは外部空間ＯＵＴに設置される。使用者は、無菌接合装置を用いて管路の無菌切断および無菌接続を行うことによって、低い清浄度の空間内であっても薬液タンク１５、洗浄液タンク３５を交換することが可能になる。

従前とは異なる薬液を使用する場合は、管路切換部５０、薬液バッファ部１３、洗浄液バッファ部３２を含む管路全体を新品と交換する。このときチューブポンプ１１，３１および加温器１２は管路着脱式であるため、管路全体の交換が容易になり、管路交換に起因したコンタミネーションを防止できる。

チューブポンプ１１、加温器１２、仕切弁２１、チューブポンプ３１、管路切換部５０、インキュベータ、移動式双腕型ロボット、除染剤噴霧装置などの各種動作は、各種ソフトウエアがイントールされたコントローラ（不図示）によって制御される。

図６は、薬液供給動作の一例を示すフローチャートである。まずステップｓ１において、薬液タンク１５を外部空間ＯＵＴに設置する。次にステップｓ２において、供給ノズル６０を作業空間ＩＮ内に設置するとともに、供給ノズル６０と薬液タンク１５とを連結する薬液管路１０，２０を設置する。こうした器具を新たに設置したり交換した後は、作業空間ＩＮ内に除染剤を噴霧することによって除染を行う。

次にステップｓ３において、図２に示すように、管路切換部５０は薬液循環モードに設定され、チューブポンプ１１が動作して、薬液は、薬液管路１０を経由して、薬液タンク１５→チューブポンプ１１→加温器１２→薬液バッファ部１３→切換弁５１の順で流れ、そして、薬液管路２０を経由して、切換弁５１→仕切弁２１→薬液タンク１５の順で循環される。こうした薬液の循環を常に実施することによって、薬液が管路内で長時間滞留して凝固したり劣化するのを確実に防止できる。また、薬液は、冷蔵庫によって低温保存されており、薬液管路１０，２０もプラスチック材料などで製作されて、ある程度断熱性を有することから、薬液の長期保存が可能になる。なお、薬液循環モード時は、加温器１２の加熱動作は停止している。

次にステップｓ４において、供給ノズル６０に電子線滅菌などで滅菌済みの新品チップ６２を装着する。なお、ノズル本体６１の内面と外面は、装着前に作業空間ＩＮ内に分布する除染剤によって除染される。

次にステップｓ５において、図１に示すように、管路切換部５０は薬液供給モードに設定され、チューブポンプ１１が動作して、薬液は、薬液管路１０を経由して、薬液タンク１５→チューブポンプ１１→加温器１２→薬液バッファ部１３→切換弁５１→供給ノズル６０の順で流れ、培養容器Ｆに注入される。薬液の流量調整は、チューブポンプ１１の速度調整で行うことができ、あるいは、薬液バッファ部１３と管路切換部５０との間に別途設置した流量調整バルブを用いて行ってもよい。

なお、薬液供給モード時は、加温器１２の加熱動作により、培養容器Ｆに供給する薬液を適切な温度、例えば、室温から３７℃の温度範囲に維持することができる。また、仕切弁２１が薬液管路２０を閉止することによって、薬液管路２０内での薬液の逆流を防止し、管路内のコンタミネーションを防止できる。

次にステップｓ６において、図２に示すように、管路切換部５０は薬液循環モードに設定され、薬液は、薬液管路１０，２０を経由して再び循環される。

次にステップｓ７において、使用済のチップ６２を除去する。

次にステップｓ８において、図３に示すように、管路切換部５０は洗浄モードに設定され、チューブポンプ３１が動作して、洗浄液は、洗浄液管路３０を経由して、洗浄液タンク３５→チューブポンプ３１→洗浄液バッファ部３２→切換弁５２→切換弁５１→供給ノズル６０の順で流れ、廃棄容器Ｇに排出される。洗浄液の流量調整は、チューブポンプ３１の速度調整で行うことができ、あるいは、洗浄液バッファ部３２と管路切換部５０との間に別途設置した流量調整バルブを用いて行ってもよい。

次にステップｓ９において、図４に示すように、管路切換部５０は乾燥モードに設定され、チューブポンプ４１が動作して、空気は、外気→エアフィルタ４２→チューブポンプ４１→切換弁５２→切換弁５１→供給ノズル６０の順で流れ、作業空間ＩＮ内に排出される。乾燥用空気の流量調整は、チューブポンプ４１の速度調整で行うことができる。

次にステップｓ３に戻って、管路切換部５０は薬液循環モードに設定され、薬液は、薬液管路１０，２０を経由して再び循環される。

本発明は、コンタミネーションを確実に防止しつつ、薬液供給間隔が長期化しても、高い信頼性で安定した薬液供給を実現できる点で産業上極めて有用である。

１０，２０ 薬液管路
１１，３１，４１ チューブポンプ
１２ 加温器
１３ 薬液バッファ部
１５ 薬液タンク
１６，３６，４２ エアフィルタ
１７ 冷蔵庫
２１ 仕切弁
３０ 洗浄液管路
３２ 洗浄液バッファ部
３５ 洗浄液タンク
４０ エア管路
５０ 管路切換部
５１，５２ 切換弁
６０ 供給ノズル
６１ ノズル本体
６２ チップ
Ｆ 培養容器

Claims (9)

1. 作業空間外に設置され、細胞培養用の薬液を保管するための薬液タンクと、
   作業空間内に設置され、薬液を培養容器に供給するための供給ノズルと、
   前記薬液タンクから前記供給ノズルへ薬液を移送するための第１薬液管路と、
   第１薬液管路によって移送された薬液を前記薬液タンクへ移送するための第２薬液管路と、
   第１薬液管路と前記供給ノズルとが連通した薬液供給モード、または第１薬液管路と第２薬液管路とが連通した薬液循環モードを選択するための管路切換部と、を備えることを特徴とする薬液供給装置。
2. 作業空間外に設置され、洗浄液を保管するための洗浄液タンクと、
   前記洗浄液タンクから前記供給ノズルへ洗浄液を移送するための洗浄液管路と、
   乾燥用の空気を前記供給ノズルへ移送するためのエア管路と、を備え、
   前記管路切換部は、前記洗浄液管路と前記供給ノズルとが連通した洗浄モード、エア管路と前記供給ノズルとが連通した乾燥モード、前記薬液供給モード、および前記薬液循環モードのうちの１つが選択可能であることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
3. 前記薬液タンクは、冷蔵庫内に設置されており、
   第１薬液管路の途中には、管路内の薬液を室温から３７℃の範囲に加熱するための管路着脱式の加温器が設けられることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
4. 第１薬液管路の途中には、管路着脱式のチューブポンプが設けられ、
   チューブポンプの排出側には、脈動吸収用の液体バッファ部が設けられることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
5. 第２薬液管路の途中には、薬液供給モードの際、管路を閉止するための仕切弁が設けられることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
6. 前記洗浄液管路の途中には、管路着脱式のチューブポンプが設けられ、
   チューブポンプの排出側には、脈動吸収用の液体バッファ部が設けられることを特徴とする請求項２記載の薬液供給装置。
7. 前記供給ノズルの先端には、筒状のチップが着脱自在に装着されることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
8. 前記作業空間は、除染剤の雰囲気に維持されることを特徴とする請求項１記載の薬液供給装置。
9. 細胞培養用の薬液を保管するための薬液タンクを、作業空間外に設置するステップと、
   薬液を培養容器に供給するための供給ノズルを作業空間内に設置し、前記薬液タンクから前記供給ノズルへ薬液を移送するための第１薬液管路および、第１薬液管路によって移送された薬液を前記薬液タンクへ移送するための第２薬液管路を設置するステップと、
   第１薬液管路と前記供給ノズルとを連通させ、薬液を培養容器に供給するステップと、
   薬液を培養容器に供給しない場合、第１薬液管路と第２薬液管路とを連通させ、薬液を循環させるステップと、を含むことを特徴とする薬液供給方法。