JP6849719B2 - オートメーション化された細胞培養システム及び方法 - Google Patents
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- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
- C12M41/36—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of biomass, e.g. colony counters or by turbidity measurements
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/48—Automatic or computerized control
Description
本発明は、国立衛生研究所(the National Institutes of Health)により与えられたR44 GM087784及びR01 HL109505に基づく行政サポートを用いてなされた。行政は、本発明
において一定の権利を有する。
本出願は、2013年8月12日に提出された米国仮特許出願番号第61/864,993号についての
優先権を主張し、該出願の内容は、その全体が参照することによって本明細書中に組み込まれる。
ヒト線維芽細胞を多能性細胞へ初期化する可能性は、無制限な数の患者特異的多能性幹細胞を用いた個別の医療の機会を広げた。実際に、「培養皿における疾患(Disease in a
Dish)」コンセプトを発展させることが、現実に近づきつつある。
、細胞の播種、増殖(growing)、採取、計数、及び継代等、複数の作業からなる複雑な
処理である。これらの応用は、剤形の開発、細胞の単離、及び再現性を確立するための評価のための非常に時間のかかる過程を要求する。幹細胞株を樹立するための過程は、無菌状態(sterility)を維持し、かつ、全ての関連データ情報を扱う必要性を考慮すれば数
週間又は数ヶ月かける必要があるかもしれない。
を要求し、これらは時間がかかり、作り出された組織の品質という観点において信頼性がなく、かつ培養コンタミネーションの問題が生じやすい。細胞及び組織の培養過程を制限する固有の設計の制限、環境を適切に監視及び修正して組織の発達をサポートすることができないこと、及び効果的な品質コントロール手段の実現を可能にする技術の欠如に起因して、システムは、初代細胞又は前駆細胞からの組織工学インプラントの作製をオートメーション化することをサポートすることができない。
1の態様では、並進可能な(translatable)ベッド及び可動マルチチャネルピペット(movable multi-channel pipette)等のロボット液体処理システムを用いて幹細胞を培養するためのオートメーション化された方法である。該方法は、第1マルチウェル細胞培養プ
レート(multi-well cell culture plate)及びマルチトラフプレート(multi-trough plate)をベッドに配置するステップ、幹細胞の懸濁液を前記マルチトラフプレートの少な
くとも1のトラフ(trough)に配置するステップ、前記第1マルチウェル細胞培養プレートの少なくとも2の前記ウェルが異なる密度の幹細胞を有するように、前記マルチチャネルピペットを用いて、前記第1マルチウェル細胞培養プレートのそれぞれのウェルに幹細胞
の前記懸濁液の一部を移動させるステップ、望ましい密度の幹細胞を有する前記第1マル
チウェル細胞培養プレートのウェルを選択するステップ、第2マルチウェル細胞培養プレートを前記ベッドに配置するステップ、及び、前記マルチチャネルピペットを用いて、前記選択されたウェルの前記細胞を前記第2マルチウェル細胞培養プレートの複数のウェルに移動させるステップ、を含む。
細胞培養プレート、及びその上に配置されるマルチトラフプレートを有する。前記コントローラは、前記マルチトラフプレートの少なくとも1のトラフに幹細胞の懸濁液を配置し
、前記第1マルチウェル細胞培養プレートの少なくとも2の前記ウェルが異なる密度の幹
細胞を有するように、前記マルチチャネルピペットを用いて、幹細胞の前記懸濁液の一部を前記第1マルチウェル細胞培養プレートの各ウェルに移動させ、ユーザ入力を得て、望
ましい密度の幹細胞を有する前記第1マルチウェル細胞培養プレートのウェルを選択し、
かつ、前記マルチチャネルピペットを用いて、前記選択されたウェルの前記細胞を、前記第2マルチウェル細胞培養プレートの複数のウェルに移動させるように構成される。
本明細書中に記載された実施態様は、添付された図面と併用して本明細書中に提示された詳細な記述を参照することによって、より良く理解され、かつ評価され得る。
いかなる実施態様を本明細書中において詳細に説明する前にも、しかしながら、実施態様は、以下の記載において説明され、以下の図面において示され、又は実施例によって実証される構造の詳細及び方法の構成要素の配置への適用において限定されないことは理解される必要がある。かかる記載、図面、及び実施例は、添付された特許請求の範囲において説明される通り、本明細書中に記載された方法の実施態様の範囲を限定することを意図するものではない。他の実施態様は、様々な他の方法において実践され又は実行され得る。
を十分に記載し、実施可能にするものと容易に認識される。限定されない例として、本明細書中に説明された各範囲は、下位3分の1、中位3分の1、及び上位3分の1、等に容易に分解され得る。更に、当業者によってまた理解されるであろうように、「最大(up to)、
」「少なくとも(at least)、」「よりも大きい(greater than)、」「より少ない(less than)、」「より多い(more than)」等の全ての用語が、記載された数を含み、上述された部分的な範囲に後に分解され得る範囲に言及する。同様に、明細書中に開示された全ての比率は、より広い比率に含まれる全ての部分的な比率も含む。更に、「第1表示数
及び第2表示数の間の範囲(ranging/ranges between)」及び「第1表示数〜第2表示数の範囲」の表現は、区別しないで本明細書中において使用される。前述のものは、具体的に意図されるものの単なる例である。
中における使用は、これらの後に列挙された項目及びその均等物並びに付加的な項目を包含することが意図されている。「含む(Comprising)、」は、用語「からなる(consisting of)」及び「から基本的になる(consisting essentially of)」を包含する。「から基本的になる」の使用は、構成又は方法が、付加的な構成要素及び/又はステップを含み得るが、付加的な構成要素及び/又はステップは、請求項に記載された構成要素又は方法の基本的かつ新規の特徴を実質的に変更しない場合のみであるということを意味する。別途指定され、又は限定されない限り、「取り付けられ(mounted)、」「接続され(connected)、」「支持され(supported)、」及び「連結され(coupled)」及びそのバリエー
ション等の用語が広く使用され、直接的及び間接的な取り付け、接続、指示、及び連結の両方を包含する。更に、「接続され」及び「連結され」は、物理的又は機械的な接続又は連結に限定されない。
グローバルネットワークの組み合わせを通して互いに有線又は無線で通信し得る。各コンピュータシステムとしては、1以上の入力デバイス、出力デバイス、記憶媒体、及びプロセッサ/マイクロプロセッサが挙げられる。あり得る入力デバイスとしては、キーボード、コンピュータマウス、タッチパッド、タッチスクリーン、デジタルタブレット、マイクロホン、トラックボール、及び同様のものが挙げられる。出力デバイスとしては、ブラウン管(cathode-ray tube, CRT)コンピュータ用モニタ、液晶ディスプレイ(liquid-crystal display, LCD)又はLEDコンピュータモニタ、タッチスクリーン、スピーカ、及び同
様のものが挙げられる。記憶媒体としては、ハードディスク、RAM、フラッシュメモリ、
及び他の磁気的、光学的、物理的、又は電気的な記憶デバイス等の様々なタイプのローカル又はリモートな記憶デバイスが挙げられる。プロセッサは、演算を行い、記載された方法に従ってデータの入力、出力、演算及び表示を行うための他の機能を指揮するためのいかなる通常のコンピュータプロセッサであってもよい。様々な実施態様では、記載された方法の実装としては、1以上の記憶メディアに保持され、コントローラによって操作される指示及びデータのセットの生成(例えば、画像データ及び数値データ等)が挙げられる。
、本発明の電子回路をベースとする態様は、1以上のプロセッサによって実行可能なソフ
トウェア(例えば、持続性のコンピュータが読めるメディアに保持される)において実装され得ると認識するだろう。このため、複数のハードウェア及びソフトウェアをベースとするデバイス、及び複数の異なる構成成分が本発明を実装するために利用され得ると留意される必要がある。例えば、明細書に記載された「コントロールユニット」及び「コントローラ」としては、1以上のプロセッサ、持続性のコンピュータ読み取り可能な媒体等の1以上の記憶モジュール、1以上の入力/出力インターフェース、及び構成要素に接続する様々な接続(例えば、システムバス)が挙げられ得る。
petmaX(商標)等のユニット)システム又はAgilent、Tecan、Hamilton、又はBiotekのシステム等の他のサプライヤーの同等のシステムを利用して、幹細胞培養を行う(図2a)。記載されたシステム及び方法の1の態様は、本発明のロボット液体処理システムにおいて
プログラムされたプロトコルを実行して、iPSC等の幹細胞の培養をオートメーション化するためのアプリケーションソフトウェアプログラム(app)を含む。本明細書中に開示さ
れた多くの実施例は、iPSCに具体的に言及するが、様々な実施態様では、記載された方法及びシステムは、多能性ヒト胚性幹細胞等の他の多能性幹細胞にも適用可能である。本発明のソフトウェアプログラムは、外部デバイス(例えば、タブレットコンピュータ)において動作し得、該外部デバイスは、ロボット液体処理システムに組み込まれたコントローラと通信し、いくつかの実施態様におけるソフトウェアプログラムは、ロボット液体処理システムのコントロール及び、存在する場合には外部ロボットシステムのコントロールも同様に調整して、記載された方法及びシステムを実装するだろう。故障/エラー(例えば、ピペットチップが全く利用できない)又は完了されつつある手順のいずれかに起因して、割り込みが必要な場合に、本発明のソフトウェアプログラムは、ユーザに警告するようにプログラムされ得る(例えば、音、光、振動、電子メールによる通知、テキストアラート(text alerts)等を用いる)。一般に、幹細胞のフィーディング(feeding)、継代(passing)、又は採取等の手順の実行中には、割り込みは全く必要でない。記載された手
順は、それゆえ、多能性幹細胞を維持し、幹細胞を様々な細胞及び組織タイプに分化させることを含むいくつか又は全てのステップをオートメーション化する。検査技師の自由になる時間がたくさんできることに加えて、記載されたオートメーション化された方法及びシステムは、これらの技術を、最小限に訓練された人材によって信頼性がありかつ再現可能な方法で実行することを可能にする。
化された材料及び試薬の使用を有することにより、幹細胞培養の再現性を確保する。
産の拡大の両方においてマルチウェル(例えば、96ウェル)プレートを使用すること、2
)高レベル(例えば、サブミクロン)の精密さをともなってピペット位置を移動させて、細胞培地を分注及び回収する能力を有する、ロボット液体処理システムの使用、3)細胞
の約99%の回収のための、加熱され、又は傾けられたラックを使用すること(図2a、2b、2c)、4)細胞の継代のための遠心分離ステップの必要性を除去すること、及び5)迅速な
幹細胞の増加速度の達成(例えば、1週間で144倍)が挙げられる。
レートを移動し得る。外部ロボットシステムは、空のプレート又はピペットチップ等の補給を収納場所からロボット液体処理システム上へ移動させるためにもプログラムされ得、及び/又は使用された物質を廃棄することが可能であり得る。いくつかの実施態様では、単独のロボットシステムは、本明細書中に記載された通り、ロボット液体処理システムの機能及び外部ロボットシステムの付加的な機能を処理し得る。図3は、オートメーション
化された細胞培養システムの略図を示し、この略図は、本発明のシステムが冷凍ストックから細胞株を準備(initiate)するためにどのように使用され得るか(図3、左)、及び
マルチウェルプレートの追加のウェルに播種するために、進行中の培養物をどのように使用し得るか(図3、右)を示す。図6〜17は、様々な実施態様に従う、様々なオートメーション化された幹細胞処理手順の概略図を示す。
は12の液体サンプルが、通常、並行して同時に処理され得る。それゆえに、生物学的分析又は診断分析、PCR、DNA合成、あるいはコンビナトリアルケミストリーを行う場合に、液体を処理するロボットが、特に有用であった。標準のロボット液体処理システムは、これらの多数の液体処理プロトコルを実行する場合に、QIAGEN、Illumina、IDT、Invitrogen
、Sigma-Genosys、及びMWG Biotech等の様々な会社によって使用される。
的反応ウェルプレートとともに使用され得るが、他のタイプ及びサイズのプレートも使用し得る。マルチウェルプレートは、プラスチック又はガラスの底を有し、ウェルは、円形、正方形、又は他の形状であり得る。かかるプレートは、液体処理ロボットの上端又は後部に位置し、通常、1以上のプレート又は他の構成要素を保持するように設計されたベッ
ド上に位置する。ベッドとしては、例えば、1以上のマルチウェルプレートを保持するた
めの9の位置、マルチチャネルトラフ(例えば、手順の間、培地又は細胞懸濁液を保持す
るための)、清潔なピペットチップ、使用されたピペットチップ及び/又は廃液用の廃棄物容器、並びにマルチウェルプレートを保持するための傾斜したアダプターが挙げられ得る(図18-28)。ベッドは、例えば、12、16、等、他の数の位置を有し得る。ベッドは、x、y、及びz方向において可動であり得る。いくつかの実施態様では、ベッドは、水平面(horizontal plane)において移動し得(例えば、x及びy方向として指定され得る)、このことが、ベッドの任意の容器において溶液の混合を容易にする。1の具体的な実施態様では、ベッドは、トラフの長軸、例えば、マルチチャネルトラフの長軸に平行な方向に移動されて、トラフの内容物を混合し得る。トラフが細胞懸濁液を含む場合、細胞懸濁液のアリコートを採取し、マルチウェルプレートへ分配する間、混合動作により、懸濁液における細胞を比較的に一様な密度で維持することが促進される。
に操作可能な容積式(positive displacement)注射器の動作を通常利用して、様々な液
体ノズルから液体を吸引し又は分注する。
ョン化された液体処理ロボットを用いて実行されたが、他のロボット液体処理システムも、液体処理及び機械的操作の性能のために使用される可動マルチチャネルピペットヘッド
をシステムが含むという条件で使用され得る。一般に、ピペットヘッドは、それぞれのモータポジショナー(motor positioners)を有する3の直交軸(x、y、及びzとして指定さ
れる)において移動可能である。様々な実施態様では、ピペットヘッドは、少なくとも10
μm、少なくとも5 μm、少なくとも2 μm、少なくとも1 μm、少なくとも0.5 μm、又は少なくとも0.1 μmの精密さをともなって軸のいずれかに沿って移動し得る。ピペットヘ
ッドの運動は、コントロールユニットを経由して、コンピュータコントロールシステムによってコントロールされ得、コンピュータコントロールシステム及びコントロールユニットは、ピペットヘッド、ロボット液体処理システムの本体、又はシステムから遠いところに配置され得る。該ヘッドは、マルチウェルプレートのバーコード読み取り等、機械視覚機能を実行するために使用されるためのカメラも組み込み得る。該ヘッドは、器具のメインベッド上で移動可能であり得、該器具においてマルチウェルプレート及び他の生物学的サンプル容器が配置される。様々な実施態様においてロボット液体処理システムの機能が、コンピュータコントロールシステムの一部であり得るコントローラによって実行され得る。
て開発され得、該ソフトウェアプログラムが、本発明の様々な実施態様による方法を実行する。ソフトウェアプログラムは、ロボット液体処理システムに命令して、オートメーション化されたやり方でユーザ対話をほとんど又は全く必要とせずに手順(例えば、図5A〜5Fに概略された手順)を実行する。いくつかの実施態様では、本発明のシステムは、外部ロボットシステムがロボット液体処理システムのベッドへ物質を移動させ、かつベッドから物質を移動させる能力がある限りにおいて完全にオートメーション化され得、他の実施態様では、ユーザ対話は、例えば、特定の手順より前にロボット液体処理システムのベッドをセットアップするため、及び手順の完了に続いて物質を除くために必要であり得る。
物質(Matrigel等)の塗布より前の物質の開始配置を示す。より上方の左ベッド位置には、清潔なピペットチップの容器があり、左中央位置には、使用されたピペットチップを回収するための容器があり、センター中央位置(center middle position)には、マルチトラフプレートがあり(他の数のチャネルを有するトラフも使用され得るが、4チャネルト
ラフを示す)、1以上のトラフが、手順のために必要な溶液(例えば、細胞外マトリック
ス物質/Matrigel)を含み、右中央位置には、傾斜したアダプターがあり、該アダプターは、図18の手順のためには使用されず、より下方の中央及び右位置には、空のマルチウェルプレートがある。ソフトウェアアプリケーションは、各タスク、細胞外マトリックス物質をそれぞれのウェルに塗布すること、マトリックス物質がウェルに付着可能であるように所定のインキュベーション期間、待機すること、インキュベーションに続く一連の洗浄ステップを行うことのための適切な加速及び速度で、ヘッドを正しいx、y、及びz座標へ
調節して、それぞれのベッド位置へマルチチャネルピペットヘッドを案内するようにプログラムされている。様々な実施態様では、ユーザ又は外部ロボットによるシステムは、細胞外マトリックス塗布手順を行うためのソフトウェアルーチンの実行より先に、図18に示すベッド上に部材を配置する。他の実施態様では、ユーザ又は外部ロボットシステムは、他の手順を行うためのソフトウェアルーチンの実行より先に、図19〜28に示すベッド上に部材を配置する。手順が完結した場合に、ロボットシステム又はユーザが、別の手順のためのベッドをセットアップし、手順が実行されている間にユーザ対話は、全く必要とされない。図19は、マトリックス物質を単独のマルチウェルプレートに塗布するためのベッドセットアップを示す。
、12のチャネルを含み、1のチャネルは、細胞培養培地(cell culture media)(mTeSR+Y27632等)を含み、別のチャネルは、幹細胞の懸濁液を含み、別のチャネルは、廃液の回
収のために指定される。このセットアップでは、より下方の右のベッド位置は、マルチウェルプレートを有し、該マルチウェルプレートにおいてウェルは、細胞外マトリックス(Matrigel等)で被覆される。
新鮮な培地(mTeSR1等)を有し、更に、1以上の他のトラフが、廃棄物を回収するために
指定される。
録商標))、及び廃棄物のトラフを含む。採取手順に続いて、細胞は、アリコートに冷凍され、又は他の細胞培地プレートに分配され得る。図23は、幹細胞培養の分配(splitting)のためのベッドセットアップを示す。ベッドセットアップは、図22と同様であるが、
採取された細胞が、マルチウェルプレートのウェルに分配され得るように、細胞外マトリックス物質で前処理されたマルチウェルプレートを含む。
除去され、細胞外マトリックス物質で前処理された新鮮なマルチウェルプレート上においてウェルの12のカラムに一様に再分配され、いくつかの実施態様では、細胞の2のカラム
が、2のマルチウェルプレートに分配される(図28)。第1プレートからの細胞の残りのカラムは、後日使用するための細胞の冷凍アリコートの作製用又は分化の誘導用等の様々な用途に利用され得る。基本的に細胞の各ウェルが分離され(例えば、本明細書中に記載されたように、Accutase(登録商標)等の酵素を用いて)、新たなプレートにおいて12の同じサイズのウェルに再分配され、他の分配の比率も可能である。本明細書中に記載されたように、細胞の分離の間に低いレベルまで酵素量を漸増(titate)することと、酵素を含む細胞懸濁液を、2倍を超えて希釈することとの組み合わせが、分離及び細胞回収に続く
ため、本発明者らは、この手順が、遠心分離ステップの必要なく実行され、それによって手順をオートメーション化することを可能にすることを見つけ出した。
ために必要な資本投資を増加させるだろう。それゆえに、より少量かつ少数の(less and
fewer)物質を用いて柔軟にプロトコルを修正可能であることは、細胞生産のコストを劇的に減少させるだろう。同様の柔軟性は、個人適用のための(例えば、パーソナル医療(personal medicine)及び自己細胞/組織移植のため)異なる患者からの初期化された幹
細胞(例えば、iPSC)株の開発と増殖を促進するだろう。記載されたアプローチは、Matrigelで被覆されたマルチウェル(例えば、96ウェル)プレート等、ヒドロゲルポリマーで
被覆されたマルチウェルプレートを使用し、また、オートメーション化された細胞培養システムは、多数の細胞培養条件をスクリーニングして、多能性を維持するための最良の条件を特定することが可能である。最適化された条件のセットを用いて、同じマルチウェルプレート形式が使用されて、幹細胞生産を拡大し、幹細胞及び他の産業における使用のための、費用効率が良いオートメーション化された培養システムを達成し得る。
〜85%を占める)を有する増殖レベル、及び/又はほとんど全ての細胞コロニーがまさに
互いに結合しようとしている時点に相当し得る(Ludwig, T.E., et al., Feeder-independent culture of human embryonic stem cells. Nat Meth, 2006. 3(8): p. 637-646参照、参照することによって本明細書中に組み込まれる)。ある実施態様では、高細胞密度が、この所望の又は中間のレベルよりも高密度であり、低密度が、この所望の又は中間のレベルより低密度だろう。
では、コロニーサイズの成長が12〜48時間ごと(例えば、24時間)に調べられて、幹細胞を継代するための適切な時間が決定される(図3、右パネル)。例えば、1の特定の実施態様では、ヒト線維芽細胞由来iPSC株(System Biosciences)は、12倍の増殖速度で72時間ごとに継代される。
てマルチウェルプレートの新たなウェルに分割する。細胞を、1:2(すなわち、1のウェ
ルからの細胞のグループを2のウェルに分割し得る)、1:3、1:4、1:5、1:7、1:10、1:12、1:15、1:20の比率、又は他の適切な比率に分割し得る。いくつかの時点では(
例えば、直近に解凍(thawed)された細胞のアリコートを最初にプレートにまくとき(plating)時)、更なる細胞増殖のための望ましい密度を選択するために、細胞密度の勾配
を作り出すことが望ましくなり得る。1の実施態様では、密度の勾配を作り出すために、個々のウェル又はウェルの列が、それぞれ細胞の懸濁液から異なる密度の細胞を受け取る。様々な密度のウェルを作り出すために、異なる体積の細胞懸濁液を各ウェルに加え、続いて適切な量の細胞培養培地を加えて、ウェルを満たし得る。
効ではない。マルチウェルプレートを傾斜したラックに保持することにより、ロボット液体処理システムが、細胞を損傷することなく、約99%の培地を回収することが可能になる
。ピペットチップ位置は、サブミクロンの精密さをともなってコントロールされて、複雑な液体処理プロトコルを行って、細胞の損傷を最小にし、各ウェルに均等に細胞を分配する(例えば、側壁における培地の分注、浮遊細胞の連続的な穏やかな混合を用いる)。様々な実施態様では、2〜3例を挙げると、トリプシン、コラゲナーゼ(collagenase)、又
はEDTA(エチレンジアミン四酢酸)等の他の酵素又は化学的処理を用いて、マルチウェルプレートのウェル等の培養プレートからの細胞をばらばらにし、及び/又は分離し得る。
°の間であり、1の特定の実施態様では、10°である。所望の角度でマルチウェルプレートを維持するために、1以上の標準サイズのマルチウェルプレートを所定の角度で保持するように設計された、傾斜したアダプターが使用され得る。マルチウェルプレートを保持するように設計されたホルダーにアダプターが適合し得るように、アダプターの底部が、マルチウェルプレートの底部と同じサイズ及び形状に設計され得る。より多くの量の液体が各ウェルから除かれ得る限りにおいて、皿からの細胞の分離を必要とする手順の間、斜めにマルチウェルプレートを配置することが、いくつかの利点をもたらす。各ウェルに加えられるときに、酵素を含む溶液が有意に希釈されないように、酵素を含む溶液を皿に加える前に、大部分(約99%)の培養液が除かれ得る。更に、分離された細胞を、各ウェル
から吸引する場合に、より高い割合の液体及び細胞が、各ウェルから回収される。
進する。ピペットのより幅広の部位が、開口がウェルの底面において縁の近くに配置され得る前に、ウェルの縁にぶつかる傾向があることから、ピペットチップの、その全長に沿った略テーパー形状に起因して、更に、いくつかのケースでは、末端近くの追加的なより狭いテーパーを加えたことに起因して、ピペットチップの末端の開口を各ウェルの底縁の位置又はその近くへ動かすことは困難であり得る。しかしながら、皿を傾斜させることにより、液体プールがウェルの片側へ配置されるだけでなく、チップ開口もウェルの側面にぶつかることなく、ウェルのより低い縁又はその近くに配置され得る。様々な実施態様では、ロボット液体処理システムが、ピペットチップの末端における開口を、傾いたウェルの最も低い縁の20 μm未満、10 μm未満、5 μm未満、又は1 μm未満の範囲内に案内することができる。
で始める場合、プレートが水平(level)であるときに、約4.3 μlがウェルに残る。しかしながら、プレートを傾けることは、液体回収後に約2.1 μlのみが残るように、より多
量の液体回収を可能にする。図29も、プレート表面の上方のピペットチップの高さの作用として96ウェルプレートにおける「死体積(dead volume)」(液体回収ステップの後に
ウェルに残る液体の体積)を示し、ほとんど全ての高さにおいて傾斜したプレートでは回収の程度がより大きくなることと、それゆえ死体積がより小さくなることを示す。
ば、トラフの長軸に平行な直線運動において前後にも並進され、穏やかな混合動作をもたらし得る。これらの混合動作は、細胞の懸濁液をプレートにまく場合、すなわち、懸濁液における細胞をほぼ一様な濃度に維持するために有用であり得る。
0.5 mm未満、0.1 mm未満、又は0.05 mm未満の範囲に位置し得る。
の細胞の慎重な取り扱いが、細胞層を壊すことなく、細胞を適切に分化させるために重要である。
イスループット最適化プロトコルを検査した。本明細書中に記載されたプロトコルは、ヒト皮膚線維芽細胞(System Biosciences, Inc.)及び脂肪細胞(Applied Stem Cell, Inc.)からそれぞれ初期化された少なくとも2つのiPSC株とともに使用された。一般に受け入れられ、当業者に知られた手法に基づいて、多能性が維持されていることを確認するために、幹細胞を検査した。更に、オートメーション化されたシステムは、創薬研究用の人工の心臓組織を作り上げるための、ヒトiPSCから分化した心筋細胞(cardiac myocytes, CMs)を作製するためにも確立された。幹細胞のCMへの分化は、いずれかの遺伝学的アプロ
ーチを用いて、又は適切な小分子物質を使用して、Wntシグナル経路を調節すること(modulation)によって誘導され得る(Lian et al., PNAS 109 (27): E1848-E1857参照、該文献は、参照することによってその全体が本明細書中に組み込まれる)。
させるために必要なある細胞タイプ(例えば、心筋細胞)に関して、分化が促進され得る。
ルの領域、例えば、皿又はウェルの外縁から約5 mmから約8 mmのバンドに配置される場合に、多能性幹細胞が、分化する可能性が高いことに気付いた。それゆえに、より小さなウェルサイズのより多くのウェルを有するマルチウェルプレートを使用すること(例えば、24、 48、 96、又は386ウェル、あるいはより多数のウェルを有するプレート)は、大部
分又は全ての細胞が分化を被るという利点を有する。それゆえに、いくつかの実施態様では、幹細胞は、約1.9 cm2以下(例えば、15.6 mmの底部直径をそれぞれ有するウェルを備える24ウェルプレート)、約0.95 cm2以下(例えば、11.0 mmの底部直径をそれぞれ有す
るウェルを備える48ウェルプレート)、又は約0.32 cm2以下(例えば、6.4 mmの底部直径をそれぞれ有するウェルを備える96ウェルプレート)の底部表面積(すなわち、増殖のための表面積)を有する皿又はウェルにおいて増殖され、分化される。様々な実施態様では、底部表面積は、少なくとも約0.3 cm2、少なくとも約0.4 cm2、少なくとも約0.5 cm2、
少なくとも約1.0 cm2、少なくとも約1.5 cm2、又は少なくとも約2.0 cm2である。他の実
施態様では、底部表面積は、約2.5 cm2未満、約2.0 cm2未満、約1.5 cm2未満、約1.0 cm2未満、約0.5 cm2未満、約0.4 cm2未満、約0.3 cm2未満、又は約0.2 cm2未満である。ウェルの表面積に対するウェルの底部の外周の比率が、どれくらいの細胞増殖領域が縁に近いかの指標を与える。従って、いくつかの実施態様では、ウェルの表面積に対するウェルの底部の外周の比率が、約0.26(24ウェルプレートのウェルについて)、約0.36(48ウェルプレートについて)、又は0.63(96ウェルプレートのウェルについて)である。様々な実施態様では、比率は、少なくとも0.2、少なくとも0.3、少なくとも0.4、少なくとも0.5、少なくとも0.6、少なくとも0.7、少なくとも0.8、少なくとも0.9、又は少なくとも1.0で
ある。
プルが、1以上のマーカ発現について陽性であれば、サンプルは、染色キット(Millipore)を用いて、そのアルカリフォスファターゼ発現レベルについて検査される。結果は、
画像取得システム(Nikon Eclipse TS100-F、 Q-Imaging CCD Camera)を有する倒立型蛍光顕微鏡を用いて記録される。
formation)及び核型(karyotypes)を調べるためにサービスプロバイダーに送られる。奇形腫形成の標準検査は、サービスプロバイダーによって約7週間かかる(例えば、 Applied Stem Cell, Inc.)。様々な実施態様では、バッチごとに2のサンプルが検査される。
る。1のかかるテストである、PluriTestは、多能性を決定するための、費用効率がよく
、かつ動物質を含まない方法(animal-free method)であり、ゲノムワイドな体細胞発現プロファイル及び多能性発現プロファイルの大規模なデータセットの測定に基づいている。テストのために、 Illumina HT12アレイチップ(該アレイチップは、1のチップにおいて12の異なるサンプルを含む)が使用され、該アレイは、iScan System (Illumina)を
用いて解析される。このシステムを用いて、単独のバッチプロセス由来の異なるウェルから回収された複数のサンプル(3-4)が、検査されて、異なるウェルの間の可能性のある
変動(potential variability)を特定し、特徴付ける。従って、多能性についてのこれ
らのテスト及び他のテストを用いて、データが取得されて、ロボット液体処理システムにおけるマルチウェル培養プレートの使用等の記載された方法及びシステムを用いて培養された幹細胞(例えば、iPSC株)の多能性を確認し得る。
て開発された、市販の培地である、E8(図4、パネルB、Life Technologies)において培
養された幹細胞が、異なる市販の培地、mTeSR1(図4, パネルA, Stem Cell Technologies, Inc.)を用いて培養された幹細胞と異なる形態を示した。E8及びmTeSR1培地の両方が、様々なヒト多能性幹細胞株とともに使用された場合に、多能性を維持することが示された。しかしながら、E8において維持された人工多能性幹細胞株(iPSC)は、小分子プロトコル(Lian et al参照。本明細書中で参照されている)を使用して、高効率ではCMへ分化しなかった(高効率とは、約80%〜90%の範囲の多能性幹細胞においてCMに分化することである)。多能性を維持することに加えて、iPSCが特定のプロトコルを使用して所望の細胞タイプに分化する能力は、様々な適用のための所望の細胞タイプを量産するためのiPSCの使用に都合が良い。
に影響を与え、特に、小さく、一様な開始コロニーサイズは、iPSC増殖速度を増加させることが予備的に観察された。コロニーをバラバラにする(break up)ための酵素(例えば、Accutase(登録商標))処理の継続時間及び濃度が、播種におけるコロニーサイズの変化を引き起こすことも見出された。
デヒロゲナーゼ(dehyrogenase)活性に起因する培地の比色分析の変化(colorimetric changes)の分析を含む)等の生存率分析キットを用いて測定され得る。コロニーのサイズ分布は、iPSC増殖速度に影響を与える重要な要因であり得、コロニーは、例えば、40、70、100 μm又は他の適切な細孔径を有するセルストレーナー(BD Biosciences)を用いて
前処理されて、コロニーのサイズ分布をコントロールし得る。セルストレーナーは、コロニーサイズ分布を均一化し、小さく、一様なコロニーサイズを有するiPSCは、より大きな
コロニーサイズを有するものより早く増殖することが予想される。
コロニー等の、様々な培地の調製物(formulations)を用いて培養されたiPSCは、同様の形態(morphology)を示した。様々な実施の態様では、特別注文の(custom)培地が、多能性を維持しつつ、増殖を最適化するために開発され、試され得る。細胞培養条件の最適化において記載されたシステム及び方法を効果的に利用することを実例で示すために、任意の特別注文の培地の効率性が、多能性(例えば、iPSC)幹細胞培養について分析されるだろう。培地における異なる重要な補充物の濃度を変化させることによって、iPSC増殖速度の多能性テスト分析が上述されたように行われるだろう。典型的なテストは、以下の通り行われ得る。多能性及び増殖に関する増殖因子の効果を検査するため、増殖因子の濃度がロボット液体処理システムを用いて変更され(例えば、0、0.1、0.3、1、3、10、30 nMの濃度における、例えば、PipetmaX(商標))、コロニーの形態及び多能性表面マーカー(SEE4)の発現が、蛍光結合抗体(fluorescently-conjugated antibodies)を用いて生
存細胞において分析されるだろう。条件が、多能性及び高増殖速度を満たすように特定された時点で、更なる多能性テストが他の分析を用いて行われるだろう。これらの研究は、ロボット液体処理システムを利用して、多能性幹細胞を維持するための新規かつ費用効率が高い培地を特定する記載された方法、及びシステムの有効性を示すだろうと予想される。
う。
いて位置4に配置する
ェル4の前処理剤が廃棄される]
)必要がある
)
ィーディングし(ASC 1.2)、コロニーを継代し(ASC 1.3)、かつコロニーを採取する(ASC 1.4)ルーティンを記述する。
体で同じ最終的な体積で終わる。
ては幹細胞の配置(seating)を完全に破壊するウェルの完全な乾燥を抑制するだろう。
分)
る。
減少させる
度〜高密度のカラムを作り出す
る。
大量の培地体積を除き得るように、十分に垂直である必要がある。また、死細胞が隅に蓄積することを促進する。
(例えば、成長因子)のいずれかによって、残りの培地により否定的に(negatively)影響を受け得ること2)最大数の死細胞を取り除くこと、該死細胞は、そうでなければ、生
存細胞に否定的な影響を与え得る4)細胞により排出された廃棄物(waste)を取り除くこと4)必要な栄養を補充すること、を必要とする。
、より外側のウェルに沿った、より高い蒸発速度を抑制(control)する。このことは、
フィーディング直後にウェルの外側に対して内側を同じ培地濃度に維持する。
胞層の破壊を抑制し、2)終了時に泡が含まれていない培地を作り出し3)十分に排出される寸前である場合に、チップからの培地の「スパッタリング(sputtering)」の減少を促進する
いずれかによって、残りの培地により否定的に影響を受け得ること2)最大数の死細胞を
取り除くこと、該死細胞は、そうでなければ生存細胞に否定的に影響し得る4)細胞によ
り排出された廃棄物を取り除くこと4)必要な栄養を補充すること、が必要である。
ルの底部への接着が失敗に終わる。
収位置へ流す
のいずれかによって、残りの培地により否定的に栄養を受け得ること2)最大数の死細胞
を取り除くこと、該死細胞は、そうでなければ、生存細胞に否定的に影響し得る4)細胞
によって排出された廃棄物を除くこと4)必要な栄養を補充すること、が必要である。
する必要がある。
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Claims (10)
- アダプターであって、当該アダプターは:
底部を有し;
上面を有し、該上面は、1つ以上のマルチウェルプレートを、前記底部に対してある角度をなした状態で保持するように構成されており、前記底部に対する前記角度は、ゼロ度より大きい角度であり;かつ、
加熱要素を有し、該加熱要素は、前記の1つ以上のマルチウェルプレートの1つ以上のウェル中の液体培地に熱を加えるように構成されている、
前記アダプター。 - 当該アダプターの前記底部が、前記の1つ以上のマルチウェルプレートのフットプリントに一致するように構成されたサイズ及び形状を有する、請求項1に記載のアダプター。
- 前記底部の前記サイズ及び前記形状が、前記の1つ以上のマルチウェルプレートを保持するように設計されたホルダーに適合するように構成されている、請求項2に記載のアダプター。
- 前記底部が、前記の1つ以上のマルチウェルプレートを受け入れるように構成されたロボット液体処理システムの位置に位置し得る、請求項2に記載のアダプター。
- 当該アダプターが、前記の1つ以上のマルチウェルプレートの各ウェルからの液体の回収を促進するように構成されており、該促進は、前記の1つ以上のマルチウェルプレートを、前記底部に対して前記角度をなした状態で保持して、各ウェル中の前記液体が前記ウェルの片側にたまりを作ることを引き起こすことによってなされる、請求項1に記載のアダプター。
- 当該アダプターまたは前記マルチウェルプレートの温度を監視し、かつ、前記加熱要素へとフィードバックを提供して、前記の1つ以上のマイクロウェルプレート中の前記液体培地を、細胞の分離を促進するために酵素で処理されている間、高くされた温度で維持するように構成された熱電対またはその他の温度測定装置をさらに有する、請求項1に記載のアダプター。
- 前記加熱要素が抵抗性加熱要素を含んでおり、該抵抗性加熱要素は、当該アダプターに埋め込まれているか、又は、当該アダプターの前記上面の上に位置決めされている、請求項1に記載のアダプター。
- 前記加熱要素が、加熱された液体又は空気を当該アダプターの内側において循環させるように構成された流体加熱機構を含んでいる、請求項1に記載のアダプター。
- 当該アダプターの温度又は前記マルチウェルプレートの温度を監視するように構成された温度測定装置を更に有し;かつ、
前記の監視された温度に基づいて前記加熱要素の熱注入を調整して、目標温度を維持するように構成されたコントローラを更に有する、
請求項1に記載のアダプター。 - 前記コントローラが、前記熱注入を調整して、前記液体培地を前記目標温度である37℃にて維持するように構成されている、請求項9に記載のアダプター。
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