JPWO2007105363A1

JPWO2007105363A1 - 培養観察装置

Info

Publication number: JPWO2007105363A1
Application number: JP2008504988A
Authority: JP
Inventors: 協司中村; 魚住　孝之; 孝之魚住
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2009-07-30
Also published as: WO2007105363A1; US7968330B2; EP1997876A4; US20080293131A1; KR20080103529A; EP1997876A1

Abstract

培養室と観察室を配備した従来の培養観察装置は、高湿度の培養室内に収納された顕微鏡やステージ駆動部など耐環境性の面で問題があった。また、これらの装置をシールドする場合は、装置全体が大きくなり、メンテナンスが難しく、装置コストが高くなるなどの課題があった。本発明は、培養室と、前記培養室で培養される試料を観察する観察光学系を有する観察室と、前記培養室と前記観察室とを分離する境界にあって、前記両室の環境を維持する壁面としての機能を有すると共に、前記試料を載置し、前記試料を前記観察光学系の観察光軸上に移動する移動ステージとを有する。これにより、レスポンス性が良く、耐環境性に優れた培養観察装置を実現することができる。

Description

本発明は、顕微鏡など光学装置を有する培養観察装置に関する。

近年、再生医療や創薬分野などで細胞を培養する研究開発が盛んに行われ、細胞を培養する培養装置（インキュベータ）と、細胞の様子を観察する顕微鏡などの観察装置が使用されている。従来、培養装置で培養中の試料を観察する際に、試料が入ったホルダを、一旦、培養室から取り出して、顕微鏡の観察台に載せて観察後、再び、培養室に戻す作業が行われていた。

また、特許文献１では、培養室内の環境が変化しないように、顕微鏡をシールドケース内に入れて、培養室と顕微鏡とを分離して、光学装置がダメージを受けないようにしていた。
特開２００４−１８０６７５号公報

特許文献１の場合は、顕微鏡ユニットをＸＹＺの三次元方向に移動して、観察部位に近づけるので、ワーキングディスタンスを短くできるが、顕微鏡ユニット全体をＸＹＺの三次元方向に駆動するための大きな駆動力を有するステージ機構が必要になる。このため、試料の観察ポイントを移動する際に、素早い動作（レスポンス）に課題がある。
上記課題に鑑み、本発明の目的は、レスポンス性が良く、耐環境性に優れた培養観察装置を提供することである。

本発明の培養観察装置は、培養室と、前記培養室で培養される試料を観察する観察光学系を有する観察室と、前記培養室と前記観察室とを分離する境界にあって、前記両室の環境を維持する壁面としての機能を有すると共に、前記試料を載置し、前記試料を前記観察光学系の観察光軸上において直交方向に移動する移動ステージとを有することを特徴とする。

特に、前記移動ステージは、前記培養室と前記観察室との境界を形成する伸縮自在の連結部材に結合されてなることを特徴とする。
さらに、前記連結部材は、弾性を有する弾性部材からなることを特徴とする。
或いは、前記連結部材は、前記移動ステージを支持する板部材と、前記移動ステージと前記板部材との間に介在するシールド液とからなることを特徴とする。

特に、前記弾性部材を全周方向に伸縮可能なたわみを設けたゴムで構成したことを特徴とする。
さらに、前記弾性部材の伸縮方向の断面を矩形形状にしたことを特徴とする。
また、前記移動ステージを水平方向に駆動し、前記試料の観察ポイントを移動する駆動手段と、前記観察光学系を鉛直方向に駆動し、前記試料にフォーカスする光学駆動手段とを有することを特徴とする。

特に、前記移動ステージは透明材料からなり、前記移動ステージの周囲の固定隔壁は遮光性材料からなることを特徴とする。
さらに、前記連結部材は、低反射かつ遮光性材料からなることを特徴とする。

本発明では、培養室と観察室とを分離しながら、試料を載置できる移動ステージを固定隔壁に弾性部材で連結して自由に移動できるので、レスポンス性が良く、耐環境性にも優れた培養観察装置が可能となる。

本発明の培養観察装置の正面図である。本発明の培養観察装置の上面図である。弾性部材を外した状態の培養観察装置の上面図である。弾性部材の形状を説明するための説明図である。弾性部材の伸縮の様子を説明するための説明図である。弾性部材の伸縮の様子を説明するための説明図である。弾性部材の伸縮の様子を説明するための説明図である。弾性部材の断面形状を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る培養観察装置について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る培養観察装置１０１の正面図、図２は上面図である。本実施形態の培養観察装置１０１は、上段が培養室１０２、下段がパソコン１０３や制御装置１０４を含む観察室１０５になっている。培養室１０２と観察室１０５との間には、培養室１０２内の湿度が観察室１０５に行かないように、ベースプレート１０６がパッキン１０７を介して筐体１０８に固定されている。

図２において、培養室１０２の外扉１０９には、図１のキャリー１１２を培養室１０２内に搬入するための外小扉１１３が取り付けられている。また、筐体１０８と外扉１０９との間、および外扉１０９と外小扉１１３との間には、防熱用のパッキン１１４がそれぞれ取り付けられている。さらに、外扉１０９の内側にはガラス扉１１５が設けられ、ガラス扉１１５の外小扉１１３に位置する部分にはガラス小扉１１６が取り付けられている。ガラス扉１１５の外周、およびガラス小扉１１６の外周には、密封するためのパッキン１１７が取り付けられている。

このように、培養室１０２を完全に密閉することで、培養室１０２内の環境を極力変化させない構造になっている。
培養室１０２内は、温度が３７℃，湿度が９０％で、ＣＯ２雰囲気の環境に保たれており、温度調整は、筐体１０８の内部に温度管理された空気を通すことによって行われている。

先ず、図１において、培養を開始する細胞が入った容器１１０を載せたホルダ１１１は、複数個まとめてキャリー１１２に載せられ、培養室１０２の外小扉１１３とガラス小扉１１６を開けて、受け渡し台１１８に搬入される。尚、キャリー１１２は、ホルダ１１１を持ち運ぶケースの役割を持っている。
次に、自動搬送ユニットによって、受け渡し台１１８に搬入されたキャリー１１２から容器１１０を載せたホルダ１１１を取り出し、培養室１０２内の側壁に並べられたホルダ収納ストッカー１１９に格納する。ここで、ホルダ収納ストッカー１１９は、ホルダ１１１を複数個収納できるキャリー１１２で構成されており、細胞などの試料は、このホルダ収納ストッカー１１９に置かれて培養される。尚、ホルダ１１１には必要な培養液が入っている。

自動搬送ユニットは、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向およびＺ軸方向の３軸と、回転方向の駆動部で構成される。ベースプレート１０６の上には、Ｙ軸方向の駆動部があり、ガイド軸１２０および駆動軸１２１にＹ軸搬送台１２２が取り付けられ、駆動軸１２１をモータ１２３で回してＹ軸搬送台１２２を移動させる。Ｚ軸方向は、Ｙ軸搬送台１２２上のガイド軸１２４および駆動軸１２５にＺ軸搬送台１２６が取り付けられ、駆動軸１２５をモータ１２７で回して移動させる。

Ｚ軸搬送台１２６の上には回転軸（図示せず）でＸ軸搬送台下部１２９が取り付けられ、回転用モータ１２８によって、Ｘ軸搬送台下部１２９を回転させることができる。つまり、受け渡し台１１８側やホルダ収納ストッカー１１９側に旋回可能である。Ｘ軸搬送台下部１２９の上のガイドレール１３１に載せられたＸ軸搬送台上部１３０は、側面に設けられたラック１３２をモータ１３３のピニオン１３４で駆動して、Ｘ軸搬送台上部１３０をＸ軸方向に移動させることができる。

また、Ｘ軸搬送台上部１３０の先端部には、アーム１３５が取り付けられている。アーム１３５は、ホルダ１１１のツバ部分の下に入れてホルダ１１１を支持し、容器１１０を載せたホルダ１１１を搬送できるようになっている。
ここで、培養する細胞が入った容器１１０を培養室１０２に搬入する場合の一連の手順について説明する。使用者は、外小扉１１３とガラス小扉１１６を開けて、容器１１０をホルダ１１１に載せてキャリー１１２に積み、キャリー１１２ごと培養室１０２内の受け渡し台１１８に載せ、外小扉１１３とガラス小扉１１６を閉じる。

次に、自動搬送ユニットを操作して、Ｙ軸搬送台１２２を、受け渡し台１１８のキャリー１１２に積まれたホルダ１１１のＹ軸座標位置に合わせて移動する。次に、Ｚ軸搬送台１２６を、受け渡し台１１８のキャリー１１２に積まれたホルダ１１１の高さまで、Ｚ軸方向に移動する。この高さは、Ｘ軸搬送台上部１３０のアーム１３５がホルダ１１１のつばの下に少し隙間を空けて入れられる位置である。また、Ｘ軸搬送台上部１３０は受け渡し台１１８の方向に回転済であるものとする。

この状態で、Ｘ軸搬送台上部１３０をＸ軸方向に移動し、受け渡し台１１８のキャリー１１２に積まれたホルダ１１１のつばの下にアーム１３５を入れる。この状態でＺ軸搬送台１２６を僅かに上げてアーム１３５でホルダ１１１を少し持ち上げる。アーム１３５がホルダ１１１を支持すると、Ｘ軸搬送台上部１３０を受け渡し台１１８から離れる方向に引っ込めて、ホルダ１１１を受け渡し台１１８上のキャリー１１２から完全に取り出す。

ホルダ１１１を取り出すと、Ｘ軸搬送台上部１３０をホルダ収納ストッカー１１９の方向に旋回させる。次に、Ｙ軸搬送台１２２を、ホルダ収納ストッカー１１９の目的のキャリー１１２のＹ軸位置に合わせて移動する。次に、Ｚ軸搬送台１２６を、ホルダ収納ストッカー１１９の目的のキャリー１１２の高さまで、Ｚ軸方向に移動する。この高さは、ホルダ１１１の底が目的のキャリー１１２の棚の位置より少し隙間が空く高さである。この状態で、Ｘ軸搬送台上部１３０をＸ軸方向のホルダ収納ストッカー１１９側に移動し、目的のキャリー１１２の中にホルダ１１１を挿入する。ホルダ１１１を目的のキャリー１１２に挿入すると、ホルダ１１１の底が目的のキャリー１１２の棚に接するまで、Ｚ軸搬送台１２６を下げる。アーム１３５とホルダ１１１のつばが離れたら、Ｘ軸搬送台上部１３０をホルダ収納ストッカー１１９から離れる方向に引っ込めて、ホルダ１１１をホルダ収納ストッカー１１９のキャリー１１２への収納を終える。

ここで、ホルダ収納ストッカー１１９で培養中の細胞を観察する場合に、ホルダ収納ストッカー１１９からホルダ１１１を取り出して観察ステージである透明ガラスステージ板１３６上にホルダ１１１を移動する。その際の自動搬送ユニットの手順は、受け渡し台１１８からホルダ収納ストッカー１１９にホルダ１１１を収納する手順と同様なので省略する。透明ガラスステージ板１３６の裏面には、結露防止用の電熱線（ヒータ）が貼り付けられており、観察光軸中心の有効光束を遮らないように円環状に配置されている。

次に、培養観察装置１０１の観察室１０５について説明する。図１において、観察室１０５には、観察光学系として、ベースプレート１０６に観察支持台１３７が固定され、観察支持台１３７には光学部品が配置されて顕微鏡が構成される。顕微鏡の対物レンズ１３８は対物支持台１３９の上のガイドレール１４０でレンズの切替を行い、対物支持台１３９はピント調整用の上下機構が設けられている。また、対物レンズ１３８の後方には、電動ターレットに中間変倍１４１が複数本搭載され、電動で切り替えられるようになっている。また、電動ターレットの下には、蛍光照明ユニット１４２が取り付けられている。

また、蛍光照明ユニット１４２の下の観察支持台１３７には、レンズや反射鏡などの光学部材が組み込まれたＣＣＤ支持台１４３が取り付けられ、ＣＣＤカメラ１４４に結像するようになっている。観察室１０５の下には、ＣＣＤカメラ１４４が撮影した観察画像を処理するパソコン１０３や、培養室１０２の環境を維持するための装置や電源などが格納された制御装置１０４が設置されている。

また、培養室１０２と観察室１０５との間のベースプレート１０６の一部には、観察室１０５の顕微鏡で観察するための穴があり、その穴の周囲には、ベースプレート１０６とパッキン１０７を介して一体化されたステージ支持台１４５が取り付けられている。
さらに、ステージ支持台１４５の上には、ステージプレート１４９，Ｘステージ１４６およびＹステージ１４７が設置されている。各ステージ構成部材としては、軽量化のためにアルミ材が使用されている。尚、ステージ支持台１４５，ステージプレート１４９，Ｘステージ１４６およびＹステージ１４７にも顕微鏡で観察するための穴があり、一番上のＹステージ１４７の穴の部分には観察台になる透明な透明ガラスステージ板１３６が貼り付けられ、気密性を保持している。尚、透明ガラスステージ板１３６の電熱線は、観察台を暖めて、高湿度の培養室１０２内で結露しないようにするためのものである。さらに、Ｙステージ１４７とステージ支持台１４５との間には、これらを連結する連結部材として弾性部材１４８が取り付けられ、培養室１０２と観察室１０５との雰囲気を完全に分離する構成になっている。尚、ステージ支持台１４５の一部分に支柱１５６が一体化され、照明部が取り付けられている。

次に、Ｘステージ１４６およびＹステージ１４７の構成について説明する。図３は、図２の弾性部材１４８を取り外した時の上から見た平面図である。一番下には、ステージ支持台１４５に取り付けられたステージプレート１４９があり、ステージプレート１４９上の２つのガイドレール１５０の上には、Ｘステージ１４６が載っている。Ｘステージ１４６は、ステージプレート１４９上のピニオン１５１が取り付けられたモータ１５２が回転し、Ｘステージ１４６の側面のラック１５３を駆動して、Ｘステージ１４６をＸ軸方向に移動させる。Ｙステージ１４７は、Ｘステージ１４６上の２つのガイドレール１５４と駆動軸１５５に取り付けられ、モータ１５６が駆動軸１５５を回転させて、Ｙステージ１４７をＹ軸方向に移動させる。

透明ガラスステージ板１３６の上には、自動搬送ユニットによって運ばれてきたホルダ１１１が位置し、顕微鏡の対物レンズ１３８で観察することができる。観察の際の上部からの照明は、ベースプレート１０６に支柱１５６で固定されて密閉された部分に、ＬＥＤ１５７が取り付けられ、ＬＥＤ１５７から出た光は、矩形絞り１５８，位相リング１５９および照明対物１６０を通ってホルダ１１１上の容器１１０の中の細胞を照明する。

ここで、本発明に係る培養観察装置１０１の構成要素である弾性部材１４８について、詳しく説明する。図４は、図１の弾性部材１４８周辺を拡大した図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）の上面図の切断面Ａで切り取った時のＸ軸方向の断面図である。弾性部材１４８は、Ｙステージ１４７とステージ支持台１４５との間に設置されており、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向および斜め方向に伸縮することができる。ここで、弾性部材１４８の固定側の接続場所はステージ支持台１４５でなくても、筐体１０８に固定されている部分で密閉可能なところであれば構わない。同様に、移動側の接続場所は、Ｙステージ１４７でなくても、透明ガラスステージ板１３６など可動する部分で密閉可能なところであれば構わない。

次に、弾性部材１４８が伸縮した時の様子について説明する。図５は、Ｙステージ１４７および透明ガラスステージ板１３６がＸ軸方向の左側に移動した時の様子を示している。図５（ａ）は、図５（ｂ）の切断面Ｂで切り取った時のＸ軸方向の断面図である。左側の弾性部材１４８はたわみが寄せられた状態に収縮し、逆に右側の弾性部材１４８はたわみが伸ばされた状態に拡張する。このように、培養室１０２と観察室１０５とを完全に分離しながら、Ｙステージ１４７と一体化された透明ガラスステージ板１３６を左側へ移動することができる。その結果、相対的に対物レンズ１３８は右側に移動したことになり、顕微鏡の対物レンズ１３８を試料の右側に合わせて観察することができる。

図６は、Ｙステージ１４７および透明ガラスステージ板１３６がＸ軸方向の右側に移動した時の様子を示している。図６（ａ）は、図６（ｂ）の切断面Ｃで切り取った時のＸ軸方向の断面図である。図５（ａ）の状態とは逆に、右側の弾性部材１４８はたわみが寄せられた状態に収縮し、逆に左側の弾性部材１４８はたわみが伸ばされた状態に拡張する。このように、培養室１０２と観察室１０５とを完全に分離しながら、Ｙステージ１４７と一体化された透明ガラスステージ板１３６を右側へ移動して、顕微鏡の対物レンズ１３８を試料の左側に合わせて観察することができる。

図７（ａ）は、Ｙステージ１４７および透明ガラスステージ板１３６がＹ軸方向上側に移動した場合の弾性部材１４８の様子を示しており、上側の弾性部材１４８はたわみが寄せられた状態に収縮し、逆に下側の弾性部材１４８はたわみが伸ばされた状態に拡張する。この場合も同様に、培養室１０２と観察室１０５とを完全に分離しながら、Ｙステージ１４７と一体化された透明ガラスステージ板１３６を上側へ移動して、顕微鏡の対物レンズ１３８を試料の下側に合わせて観察することができる。

図７（ｂ）は、Ｙステージ１４７およびガラスヒータが右斜め下側に移動した場合の弾性部材１４８の様子を示しており、下側，右側および右斜め下側の弾性部材１４８はたわみが寄せられた状態に収縮し、逆に上側，左側および左斜め上側の弾性部材１４８はたわみが伸ばされた状態に拡張する。この場合も同様に、培養室１０２と観察室１０５とを完全に分離しながら、Ｙステージ１４７と一体化された透明ガラスステージ板１３６を右斜め下方向に移動して、顕微鏡の対物レンズ１３８を試料の左斜め上側に合わせて観察することができる。

弾性部材１４８は、図６および図７で説明したように、Ｘステージ１４６やＹステージ１４７の動きに合わせて、平面上を全周方向に自在に伸縮するので、ゴムなど丈夫で柔らかい材料を使用する必要がある。一方で、細胞の培養に影響を与えない材料が要求されると共に、例えば、ガス透過性が低いニトルゴムなどが好ましい。また、弾性部材１４８は、低反射性で且つ遮光性機能を有する材料からなっており、試料観察時の照明光によって光が乱反射したり、観察室１０５へ透過することがない。

また、弾性部材１４８は、ＸおよびＹステージの駆動ストロークの伸縮によって、効率良く「たわみ」を取る必要がある。従って、弾性部材１４８の伸縮方向の断面は、蛇腹形状であることが求められる。図７の弾性部材１４８の外側形状は、透明ガラスステージ板１３６の矩形形状と同様の形状であったが、透明ガラスステージ板１３６をＸＹ方向に移動させた場合に弾性部材１４８の四隅に負担を与えないよう、例えば外形形状を円形形状にしたり、または楕円形状にしたりすることができる。

次に、弾性部材１４８の蛇腹形状について図８を用いて説明する。図８（ａ）は第１の実施形態の弾性部材１４８の伸縮方向の断面の様子を示した図で、断面は矩形形状になっている。一般に、カメラなどの撮影機器で使用されている蛇腹形状は、図８（ｃ）に示した弾性部材３４８のように三角山の形状になっているが、伸張方向に引き延ばした時のストロークが矩形形状よりも短くなり、伸張時の負荷が重くなって、駆動モータに負荷が掛かる。伸縮時のたわみ量を確保するために、図８（ａ）に示したような矩形形状にするのが好ましい。また、図８（ｂ）に示した弾性部材２４８のように、矩形形状の角の部分を円弧状にしても構わない。

このように、本実施形態に係る培養観察装置１０１は、ベースプレート１０６やステージ支持台１４５などから成る固定隔壁と、弾性部材１４８で連結されたＹステージ１４７および透明ガラスステージ板１３６などからなる移動隔壁（移動ステージ）とによって、培養室１０２と観察室１０５とが完全に分離された観察室１０５側に観察用のＸＹステージなどの駆動部分を配置しているので、培養室１０２の高湿度の環境下にさらされることがない。特に、観察用のステージでは、ステージ精度を左右するガイドレールにステンレス（マルテンサイト系）が使用されるのが一般的で、従来のように、培養室１０２の中に観察用のＸＹステージが置かれている場合は、培養室１０２の高湿度の環境下で、錆を防止することは難しかったが、本実施形態では、培養室１０２から遮断されているので、細胞の培養に影響を与えるため、従来、使用できなかった潤滑油の使用も可能となり、錆などの発生を防止することができる。

また、本実施形態では、固定隔壁と移動隔壁とを弾性部材１４８で連結したが、弾性部材１４８に代えて、固定隔壁と移動隔壁とを重ね合わせるようにして、両隔の一部が摺動し、摺動部分にオイルなどのシールド液を注入することで、培養室と観察室との環境を分離できる。
また、ＸＹステージのモータも、高湿度対策が不要となり、機械部分の摺動によって発生する塵も遮断することもできる。さらに、ＸＹステージで駆動する部分は、弾性部材１４８の伸縮方向の断面形状を矩形形状にしたので、伸縮し易く、モータへの負荷も少ない。特に、従来のように、重い顕微鏡全体を動かす必要がないので、培養観察装置１０１の小型化やローコスト化が可能となる。

さらに、移動隔壁と透明ガラスステージ板１３６を一体化したので、顕微鏡の対物レンズ１３８のワーキングディスタンスを短くすることができ、ＮＡの大きな明るい観察視野が得られる。

Claims

培養室と、
前記培養室で培養される試料を観察する観察光学系を有する観察室と、
前記培養室と前記観察室とを分離する境界にあって、前記両室の環境を維持する壁面としての機能を有すると共に、前記試料を載置し、前記試料を前記観察光学系の観察光軸上において直交方向に移動する移動ステージとを有することを特徴とする培養観察装置。
前記移動ステージは、前記培養室と前記観察室との境界を形成する伸縮自在の連結部材に結合されてなることを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。
前記連結部材は、弾性を有する弾性部材からなることを特徴とする請求項１または２に記載の培養観察装置。
前記連結部材は、前記移動ステージを支持する板部材と、前記移動ステージと前記板部材との間に介在するシールド液とからなることを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。
前記連結部材は、弾性を有する弾性部材からなり、
前記弾性部材を全周方向に伸縮可能なたわみを設けたゴムで構成したことを特徴とする請求項３に記載の培養観察装置。
前記連結部材は、弾性を有する弾性部材からなり、
前記弾性部材の伸縮方向の断面を矩形形状にしたことを特徴とする請求項５に記載の培養観察装置。
前記移動ステージを水平方向に駆動し、前記試料の観察ポイントを移動する駆動手段と、前記観察光学系を鉛直方向に駆動し、前記試料にフォーカスする光学駆動手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。
前記移動ステージの前記駆動手段を前記観察室側に配置したことを特徴とする請求項７に記載の培養観察装置。
前記移動ステージは透明材料からなり、前記移動ステージの周囲の固定隔壁は遮光性材料からなることを特徴とする請求項１に記載の培養観察装置。
前記連結部材は、低反射かつ遮光性材料からなることを特徴とする請求項２に記載の培養観察装置。
試料を所定の環境条件下で培養する培養室と、
前記培養室に隣接して配置され、前記培養室で培養される試料を観察する観察光学系を有する観察室と、
前記培養室と前記観察室との間にあって、前記両室を分離しかつ前記両室の環境を維持する機能を有し、前記試料を載置し、前記試料を前記観察光学系の観察光軸上に移動する移動ステージとを有することを特徴とする培養観察装置。