JPWO2009093585A1 - 培養装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、細胞にダメージを与えずに観察、分注ができるようにする培養装置に関する。インキュベータ部１１の内部空間には、培養容器４１に分注を行うための分注部２４Ａおよび２４Ｂを配置するための分注領域、観察光学系を介して培養容器４１に入れられた試料を観察する観察部２５を配置するための観察領域、培養容器４１を水平および垂直方向に搬送する搬送部２２を配置するための搬送領域とが設けられ、分注領域および観察領域は、それぞれ、搬送部２２の搬送方向である水平方向に並び搬送領域に隣接し、搬送部２２は、分注領域と観察領域との間で、培養容器４１を搬送する。本発明は、試料を入れた培養容器を内部空間に格納して、所定の環境条件で前記試料を培養する細胞培養装置に適用できる。

Description

本発明は、培養装置に関し、細胞を培養環境の外に出さないことにより、細胞にダメージを与えずに観察、分注ができるようにした培養装置に関する。
細胞の培養および観察を行うインキュベータ環境内に観察機能を備える細胞培養観察装置とは別に、試薬添加や培地交換は、培養容器をインキュベータから取り出して専用の分注装置に移し換える必要がある。
特許文献１には、搬送ロボットやハンドリングロボット、コンベア等の各種の搬送機構によって、培養容器を個別に環境制御された培養室や処理室に搬送する技術が提案されている。
特開２００４−３５０６４１号公報
しかしながら、特許文献１を含む従来技術では、個別に培養室、処理室などを設け、さらに培養容器を搬送するための搬送機構を設けることで、自動培養装置が大型化してしまうという問題があった。
例えば、特許文献１で提案されている発明においては、培養容器を培養室から処理室に搬送する際に、複数の搬送用の装置を介して受け渡していく構造となっているため、自動培養装置の内部空間における搬送に関係する機構の占める割合が大きくなってしまい、結果として、自動培養装置自体も大型化している。
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、自動培養装置内の空間を有効活用して、自動培養装置を小型化できるようにするものである。
本発明の第１の培養装置は、試料を入れた培養容器を収納して、所定の培養環境条件に維持管理された内部空間を有し、前記試料を培養する培養装置において、前記内部空間には、前記培養容器に分注を行うための分注領域と、観察光学系を介して前記培養容器に入れられた前記試料を観察する観察手段を配置するための観察領域と、前記培養容器を水平および垂直方向に搬送する搬送手段を配置するための搬送領域とが設けられ、前記分注領域および前記観察領域は、それぞれ、前記搬送手段の搬送方向である前記水平方向に並び前記搬送領域に隣接して配置され、前記搬送手段は、前記分注領域での分注作業と前記観察領域での観察作業とを行うため、前記分注領域と前記観察領域との間で、前記培養容器を搬送する。
本発明の第２の培養装置は、試料を入れた培養容器を収納して、所定の培養環境条件に維持管理された内部空間を有し、前記試料を培養する培養装置において、複数の前記培養容器を収納する収納棚を有した収納手段を配置するための収納領域と、前記培養容器に分注を行うための分注領域と、観察光学系を介して前記培養容器に入れられた前記試料を観察する観察手段を配置するための観察領域と、前記培養容器を水平および垂直方向に搬送する搬送手段を配置するための搬送領域とが形成された前記内部空間と、前記収納領域と前記分注領域と前記観察領域との間で、前記培養容器を搬送する前記搬送手段と、前記分注領域と前記観察領域と前記収納領域との間で前記培養容器を搬送する前記搬送手段の搬送作業と、前記分注領域での分注作業と、前記観察領域での観察作業と、前記収納領域での収納作業とを制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記分注作業前に、前記観察手段による前記観察作業を実行させ、前記観察作業で取得される前記試料の画像データに基づき、前記分注作業を実行すべきか否かを判定して、前記培養容器を前記観察領域から前記分注領域へ搬送制御するか、あるいは前記観察領域から前記収納領域へ搬送制御する。
本発明によれば、細胞を培養環境の外に出さないことにより、細胞にダメージを与えずに観察、分注ができる。
本発明を適用した細胞培養装置の全体構成を示す正面図である。 細胞培養装置の構成を示す上面図である。 トレイの詳細な構成を示す図である。 チップ溶液収納容器の詳細な構成を示す図である。 搬送部の詳細な構成を示す図である。 分注作業の様子を示す模式図である。 分注作業の様子を示す模式図である。 分注作業の様子を示す模式図である。 ディスペンサーチップの取り付けの流れを表わす図である。 分注作業の様子を示す模式図である。 ディスペンサーチップの取り外しの流れを表わす図である。 分注作業の可否判定処理について説明するフローチャートである。
符号の説明
１ 細胞培養装置， １１ インキュベータ部， １１Ａ アクセスドア， １１Ｂ 内扉， １２ 架台部， １３ コントロールボックス， １４ パーソナルコンピュータ， ２１ ストッカ部， ２２ 搬送部， ２２Ａ ステージベース， ２２Ｂ Ｙステージ， ２２Ｃ ガイド軸， ２２Ｄ 駆動軸， ２２Ｅ モータ， ２２Ｆ Ｚステージ， ２２Ｇ 駆動軸， ２２Ｈ モータ， ２２Ｉ 駆動部， ２２Ｊ 分注ステージ， ２２Ｋ アーム部， ２２Ｌ1および２２Ｌ2 分注器， ２２Ｍ 回転軸， ２３ 蓋開閉部， ２４Ａおよび２４Ｂ 分注部， ２５ 観察部， ２５Ａ 照明部， ２５Ｂ CCDカメラ， ２６ キャリア部， ２７ ポンプ部， ２８ チューブ， ３１ トレイ， ４１ 培養容器， ４２ チップ溶液収納容器， ４２Ａ 容器部， ４２Ａ1 未使用ディスペンサーチップエリア， ４２Ａ2 使用済みディスペンサーチップエリア， ４２Ａ3 溶液エリア， ４２Ａ4 廃液エリア， ４２Ｂ 蓋部， ５１ ディスペンサーチップ， ５２ 穴部， ５３ 吸引口， ５４ 廃液口， ６１Ａおよび６１Ｂ トレイ保持部， ６２Ａおよび６２Ｂ トレイ耳固定部
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明を適用した細胞培養装置の全体構成を示す正面図である。
図１の例では、細胞培養装置１は、インキュベータ部１１と、その下側に配置される架台部１２から構成される。インキュベータ部１１の内部には、例えば、ヒータが用いられる温度調節装置等からなる温度制御機構、霧を噴出する噴霧装置等からなる湿度制御機構、外部の二酸化炭素ボンベに接続されるガス導入部等からなるガス制御機構、内部空間の細胞培養環境を検出する環境センサ等（いずれも図示せず）が設けられている。また、インキュベータ部１１の内側は断熱材で覆われている。これにより、インキュベータ部１１の中は、細胞の培養中、細胞の培養環境を維持するために密封され、例えば空気を循環させることにより一定の温度に保たれることで、温度３７℃、湿度９０％、二酸化炭素濃度５％等に維持される。
また、インキュベータ部１１が載せられた架台部１２の内部には、図１に示すように、細胞培養装置１の各部を制御するコントロールボックス１３やパーソナルコンピュータ１４等が収納される。
インキュベータ部１１の内部には、ストッカ部２１、搬送部２２、蓋開閉部２３、分注部２４Ａおよび２４Ｂ、観察部（顕微鏡部）２５、並びにキャリア部２６が設置される。
ここで、図２の細胞培養装置１の上面図を参照して、インキュベータ部１１の内部に設置される各機構の配置と構成について説明する。
ストッカ部２１は、トレイ３１に載せられた培養容器４１およびチップ溶液収納容器４２を保管する場所である。すなわち、ストッカ部２１には、培養容器４１やチップ溶液収納容器４２をトレイ３１ごと収容可能である。
ここで、トレイ３１の詳細な構成について図示すると、図３のようになる。すなわち、図３のトレイ３１の上面図に示すように、トレイ３１は、培養容器４１またはチップ溶液収納容器４２を載置可能な形状からなり、さらに、固定ブロック３１Ａ1乃至３１Ａ4並びにバネ３１Ｂ1および３１Ｂ2（以下、単に、固定ブロック３１Ａ、バネ３１Ｂという）を有している。図３の例では、固定ブロック３１Ａおよびバネ３１Ｂによって、載置された培養容器４１を固定している。また、トレイ３１には、耳部３１Ｃ1乃至３１Ｃ4（以下、単に、耳部３１Ｃという）が設けられており、搬送部２２は、トレイ３１の耳部３１Ｃを載置することで、トレイ３１を搬送する。
また、図３の例では、培養容器４１をトレイ３１に載置する例を図示しているが、トレイ３１には、トレイ３１に載置可能な形状を有しているチップ溶液収納容器４２も載置することができる。例えば、チップ溶液収納容器４２は、培養容器４１と同一または類似の形状を有している。
ここで、チップ溶液収納容器４２の詳細な構成について図示すると、図４のようになる。すなわち、図４のチップ溶液収納容器４２の３面図（正面図、上面図、側面図）に示すように、チップ溶液収納容器４２は、容器部４２Ａと蓋部４２Ｂから構成され、チップ溶液収納容器４２を使用しない場合には、蓋部４２Ｂは容器部４２Ａに被せられた状態となっており、チップ溶液収納容器４２を使用するときに、容器部４２Ａから蓋部４２Ｂを外すことになる。
容器部４２Ａには、上面図に示すように、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1、使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2、溶液エリア４２Ａ3、および廃液エリア４２Ａ4の４つのエリアがある。
未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1には、クリーンベンチ等により搬送部２２の分注器２２Ｌ1にセッティングするための未使用のディスペンサーチップ５１がセットされる。図４の例の場合には最大で１２個のディスペンサーチップ５１をセット可能であるが、その数は１２個に限定されるものではない。なお、未使用のディスペンサーチップ５１を分注器２２Ｌ1に取り付ける方法の詳細については後述する。
使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2には、穴部５２を利用して使用済みのディスペンサーチップ５１が廃棄される。図４の例では、１２個の穴部５２が設けられているが、その数は１２個に限定されるものではない。なお、使用済みディスペンサーチップ５１の廃棄方法の詳細については後述する。
また、溶液エリア４２Ａ3には、これから使用する試薬等の溶液がセットされ、分注器２２Ｌ1により吸引口５３から吸引される。なお、図４の例では、４種類の溶液をセットできる形態を示したが、それに限らず、使用する試薬の量と種類に応じて、その数量を変更してもよい。また、使用する試薬は必要に応じて事前に使用温度に加温してから装置内部に搬送してもよいが、加温する時間をあらかじめ見込んで装置内に入れておくことも可能である。
廃液エリア４２Ａ4には、使用済みの廃液が流される。具体的には、廃液エリア４２Ａ4においては、分注器２２Ｌ1の先端が廃液口５４に挿入されるので、そこから出された廃液を貯めることになる。
以上のように、チップ溶液収納容器４２には、分注作業を実現するために必要となる各種の要素を収納するための各エリアが設けられており、搬送部２２は、そのチップ溶液収納容器４２をトレイ３１に載せてインキュベータ部１１内の各機構に搬送する。
なお、図４の例では、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1乃至廃液エリア４２Ａ4の４つのエリアは、均等に４分割された容器部４２Ａのそれぞれの領域に相当するが、それらの領域は均等に分割されている必要はなく、あるエリアの領域を広げたり、狭めたりすることができる。例えば、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1の使用頻度が高い場合にはその領域を広げて、その分他のエリアの領域を狭くすることが可能である。
また、図４の例では、容器部４２Ａは、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1乃至廃液エリア４２Ａ4の４つのエリアを有しているとして説明したが、例えば、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1および使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2の２つのエリアだけを有する構成や、溶液エリア４２Ａ3および廃液エリア４２Ａ4の２つのエリアだけを有する構成等としてもよい。要は、容器部４２Ａは、インキュベータ部１１の内部で行われる分注作業の作業形態に合わせて、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1乃至廃液エリア４２Ａ4の４つのエリアのうちのいずれかのエリアを有していればよい。また、本実施の形態においては、ディスペンサーチップは、ディスポーザルチップで記載したが、かかるディスペンサーチップを洗浄してもよい。
本実施の形態のチップ溶液収納容器４２は、複数の区画が形成された容器部（容器本体部）４２Ａと、容器部４２Ａの１つの区画に形成された未使用のディスペンサーチップ５１を収容、保持する第１エリア（収容領域）４２Ａ1と、容器部４２Ａの別の区画に形成された、使用済みのディスペンサーチップ５１を回収し、収容する第２エリア（回収領域）４２Ａ2とから少なくとも構成されている。
さらに、上記の構成に加えて、チップ溶液収納容器４２は、容器部４２Ａの別の区画には、ディスペンサーチップ５１により吸引される試薬等の溶液を収容する溶液収容エリア４２Ａ3を有する。
そして、第１エリア４２Ａ1は、未使用のディスペンサーチップ５１が複数収容され、各チップが同一方向に向けて整然とマトリックス状に配列されて保持される構成となっている。また、第２エリア４２Ａ2は、少なくとも１つの穴部５２が形成され、その穴部５２がチップの側壁の突出したリング（あるいは円筒窪みでもよい）が引っ掛かる内径を有しており、その穴部５２に引っ掛かり外された使用済みのディスペンサーチップ５１を収容する部屋がその穴部５２の下に形成されている。
このように、チップ溶液収納容器４２は、複数の機能を果たすエリアが１つの矩形状の容器内に一体的に形成されて構成されている。このチップ溶液収納容器４２を、複数用意することで、ユーザは簡単にディスペンサーチップの新品交換や使用済みチップの回収が容易にできる。
図２に戻り、搬送部２２は、ストッカ部２１に収納されたトレイ３１に載せられた培養容器４１またはチップ溶液収納容器４２を、蓋開閉部２３、分注部２４Ａ、分注部２４Ｂ、または観察部２５のいずれかに搬送する機構である。すなわち、搬送部２２は、培養容器４１またはチップ溶液収納容器４２を載置したトレイ３１を支持して各機構に搬送するとともに、ストッカ部２１に対してトレイ３１を出し入れする。なお、図２の上面図では、分注部２４Ａおよび分注部２４Ｂを記載する都合上、蓋開閉部２３の記載を省略しているが、図１や後述する図６等を参照することでも明らかなように、蓋開閉部２３は分注部２４Ａまたは２４Ｂの上部に設置される。
ここで、図１、図２、および図５の搬送部２２の拡大図を参照して、搬送部２２の詳細な構成について説明する。なお、図５において、図中上側の図は搬送部２２の上面図を表わし、図中下側の図は搬送部２２の正面図を表わしている。
図１および図２に示されるように、細胞培養装置１のインキュベータ部１１の内部空間は、培養容器に分注を行う分注部２４Ａおよび２４Ｂのある分注領域と、観察光学系を介して培養容器に入れられた試料を観察する観察部２５を配置するための観察領域と、培養容器を水平および垂直方向に搬送する搬送部２２を配置するための搬送領域とが設けられている。そして、この内部空間には、分注領域および観察領域は、それぞれ、前記搬送手段の搬送方向である前記水平方向に並び搬送領域に隣接して配置され、搬送部２２は、分注領域での分注作業と観察領域での観察作業とを行うため、分注領域と観察領域との間で、培養容器を搬送する。
図２において、ステージベース２２Ａには、Ｙ軸用のガイド軸２２Ｃと駆動軸２２Ｄを介してＹステージ２２Ｂが取り付けられる。Ｙステージ２２Ｂはモータ２２Ｅの回転によりＹ軸方向に移動する。なお、ステージベース２２Ａは筐体に対して固定されている。
Ｙステージ２２Ｂには、Ｚ軸用の駆動軸２２Ｇを介してＺステージ２２Ｆが取り付けられる。Ｚステージ２２Ｆはモータ２２Ｈの回転によってＺ軸方向に移動する。Ｚステージ２２Ｆには、駆動部２２Ｉを介して分注ステージ２２Ｊが取り付けられる。分注ステージ２２Ｊは、搬送部２２の最上部に設けられたステージであり、駆動部２２Ｉの駆動により、Ｘ軸方向に移動する。つまり、図５に示すように、駆動部２２Ｉは、例えばラックアンドピニオン式の駆動機構であって、Ｚステージ２２Ｆと分注ステージ２２Ｊの両ステージに取り付けられる面にそれぞれピニオンが設けられており、それらのピニオンがＺステージ２２Ｆおよび分注ステージ２２Ｊに形成されたラックにそれぞれ噛合されることで、両ステージに取り付けられている。これにより、駆動部２２Ｉの駆動によって、分注ステージ２２ＪをＸ軸方向に所定量だけスライド移動させることが可能となる。
分注ステージ２２Ｊには、分注器２２Ｌ1および分注器２２Ｌ2の２つの分注器が設けられている。分注器２２Ｌ1は、試薬等の溶液を吸引および添加し、分注器２２Ｌ2は、廃液を吸引するためのものである。具体的には、分注器２２Ｌ1および分注器２２Ｌ2は、それぞれ、チューブ２８を介してポンプ部２７（図１）と接続されており、ポンプ部２７が駆動することで、分注器２２Ｌ1により溶液が吸引および添加されるか、また分注器２２Ｌ2より廃液が吸引される。また、分注器２２Ｌ1および分注器２２Ｌ2にそれぞれ取り付けられるディスペンサーチップ５１は、取り付けおよび取り外しが可能である。
なお、以下、特に２つの分注器を区別する必要がない場合には単に分注器２２Ｌと称して説明する。
分注ステージ２２Ｊにはまた、その先端部にアーム部２２Ｋが着脱可能に取り付けられる。アーム部２２Ｋには、トレイ３１の耳部３１Ｃが載置される。すなわち、アーム部２２Ｋは、トレイ３１の搬送や設置の際の受け渡し部材として使用される。なお、アーム部２２Ｋと、トレイ３１との接触面には、摩擦抵抗の大きい部材（例えばゴム等）を貼り付けておくことが好ましい。
また、Ｙステージ２２Ｂは、回転モータ（図示せず）の回転により、ＸＹ平面内で回転軸２２Ｍを中心に回転する。すなわち、搬送部２２は、図２に示すような、蓋開閉部２３（図２では図示せず）、分注部２４Ａ、分注部２４Ｂ、および観察部２５等の図中搬送部２２の右側の機構への搬送の他に、Ｙステージ２２Ｂを180度回転させて反対向きになることで、ストッカ部２１等の図中搬送部２２の左側の機構への搬送を行うことが可能となる。なお、Ｙステージ２２Ｂを回転させる場合には、分注ステージ２２ＪをＺステージ２２Ｆ側に縮めて回転半径を小さくすることが好ましい。
このように、以上のように構成される搬送部２２では、アーム部２２Ｋに支持されたトレイ３１を、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３方向に移動させることができ、また、Ｚ軸中心として180度回転させることもできる。これにより、搬送部２２は、インキュベータ部１１内において、トレイ３１を支持して各機構に搬送するとともに、ストッカ部２１に対してトレイ３１を出し入れすることが可能となる。
また、搬送部２２は、培養容器４１を観察部２５で観察する場合には、トレイ３１に載せられた培養容器４１を観察部２５に搬送する。
観察部２５は、主に、照明系と、観察系から構成され、インキュベータ部１１内の他に、その一部は架台部１２にも収容される。照明系においては、LED（Light Emitting Diode）等の光源である照明部２５Ａからの光が、矩形絞り、位相リング、およびコンデンサレンズ等を介した後、観察ステージに入射する。そして、その光は、搬送部２２によって、観察ステージの中のスペースに搬送されてきたトレイ３１に載置された培養容器４１内の試料に照明光として入射する。そして、照明系からの光によって照明された試料は、その培養状態に応じて光を発生する。試料から透過方向に発生した光は、観察ステージを通過した後、観察系に導かれる。
観察系では、試料から透過方向に発生した光が、対物レンズ、中間変倍レンズ、蛍光照明ユニット、およびCCD（Charge Coupled Device）カメラ２５Ｂの内蔵レンズ等を介した後、CCDカメラ２５Ｂに入射する。このとき、CCDカメラ２５Ｂの撮像面には、結像光学系による試料の像が形成される。そして、CCDカメラ２５Ｂにより撮像された画像は、例えばモニタ装置（図示せず）等に表示される。
以上のようにして、細胞培養装置１は構成される。
ところで、培養容器４１およびチップ溶液収納容器４２のインキュベータ部１１の内部への搬送方法であるが、例えば、クリーンベンチにおいて、チップ溶液収納容器４２の容器部４２Ａの未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1にディスペンサーチップ５１をセットし、溶液エリア４２Ａ3に試薬をセットして蓋部４２Ｂをのせた後、そのチップ溶液収納容器４２をトレイ３１2にセットする。また、培養容器４１は、チップ溶液収納容器４２を載置したトレイ３１2とは別のトレイ３１1にセットする。
なお、以下、培養容器４１とチップ溶液収納容器４２の載置されたトレイ３１を区別するために、それらの容器が載せられたトレイ３１を、それぞれ、トレイ３１1、トレイ３１2と称して説明するが、それらを特に区別する必要がない場合には単にトレイ３１と称する。また、このとき、培養容器４１およびチップ溶液収納容器４２（の容器部４２Ａ）は、それぞれが載置されているトレイ３１の固定ブロック３１Ａおよびバネ３１Ｂにより固定される。
次に、この培養容器４１を載置したトレイ３１1と、チップ溶液収納容器４２を載置したトレイ３１2は、複数のトレイ３１を一括収納するキャリアにセットされる。そして、オペレータの操作により、インキュベータ部１１のアクセスドア１１Ａと内扉１１Ｂが開けられ、インキュベータ部１１内のキャリア部２６に、その複数のトレイ３１を収納したキャリアがセットされる（図１のキャリア部２６の点線がセットされたキャリアを表わしている）。すると、インキュベータ部１１の内部において、キャリアにセットされたトレイ３１は、オペレータによる操作に応じて動作する搬送部２２によって、所定の位置まで搬送される。例えば、チップ溶液収納容器４２を直ぐに使用する場合には、その容器を載せているトレイ３１2は分注部２４Ｂに搬送され、決められた時間だけ加温して使用する場合には、その容器を載せているトレイ３１2はストッカ部２１に搬送され収容される。
また、このとき、例えば、培養容器４１を載せているトレイ３１1は、ストッカ部２１に搬送され収容される。
これにより、搬送部２２によって、試料の培養を開始する前に、培養容器４１を載せているトレイ３１1や、チップ溶液収納容器４２を載せているトレイ３１2が搬送され、ストッカ部２１の各段や分注部２４Ｂ等に収容される。
なお、本実施の形態においては、個々のトレイ３１に対応させてストッカ部２１の各段を構成してもよいし、複数のトレイ３１を一括するキャリアの大きさに合わせてストッカ部２１の各段を構成してもよい。また、ストッカ部２１は、インキュベータ部１１の筐体の中の側壁に沿って設置される。
ところで、上述したように、搬送部２２は、インキュベータ部１１内において、培養容器４１やチップ溶液収納容器４２を載せたトレイ３１を支持して各機構に搬送する他に、分注器２２Ｌを有しているので、分注部２４Ａにおいて、培養容器４１内部に溶液を入れることも可能である。
そこで、次に、図６乃至図１１を参照して、搬送部２２により行われる分注作業、すなわち、チップ溶液収納容器４２を分注部２４Ｂに搬送し、そのチップ溶液収納容器４２から溶液を吸引し、分注部２４Ａに搬送された培養容器４１に添加するまでの作業の流れについて説明する。
なお、以下の説明において、チップ溶液収納容器４２を載置しているトレイ３１2が分注部２４Ｂに固定された状態でのチップ溶液収納容器４２内の未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1、使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2、溶液エリア４２Ａ3、および廃液エリア４２Ａ4の４つのエリアの各挿入穴の位置は、その位置に対応する座標として事前に登録しておくものとする。
まず、図６に示すように、トレイ３１2に載せられたチップ溶液収納容器４２は、搬送部２２によって、蓋開閉部２３の設置された領域まで搬送される。なお、図６は、インキュベータ部１１の内部空間において、蓋開閉部２３、分注部２４Ａ、および分注部２４Ｂの設置された領域に、搬送部２２が移動してきたときの状態を表わしている。また、後述する、図７、図８、および図１０の表わしている状態も同様である。
このとき、チップ溶液収納容器４２は、吸着部２３Ａの真下に搬送されるので、搬送部２２は、チップ溶液収納容器４２をＺ軸の正方向にさらに移動させることで、吸着部２３Ａとチップ溶液収納容器４２とを接触させる。すると、図７に示すように、チップ溶液収納容器４２を構成する容器部４２Ａと蓋部４２Ｂのうち、蓋部４２Ｂのみが吸着部２３Ａにより真空吸着される。つまり、搬送部２２においては、蓋部４２Ｂが外されて、容器部４２Ａだけがトレイ３１2に載せられた状態でアーム部２２Ｋに支持された状態となる。
次に、図７に示すように、搬送部２２は、蓋部４２Ｂが外されたチップ溶液収納容器４２、すなわち、容器部４２ＡをＺ軸の負方向に移動させることで、分注部２４Ｂのトレイ保持部６１Ｂに搬送する。なお、このとき、トレイ保持部６１Ｂに載せられたトレイ３１2の耳部３１Ｃは、分注部２４Ｂのトレイ耳固定部６２ＢがＺ軸の負方向に移動することでトレイ保持部６１Ｂとトレイ耳固定部６２Ｂに挟持されて固定される。すなわち、分注作業を行う際には、分注作業モードをオンにして、分注開始時にトレイ耳固定部６２Ｂによりトレイ３１2の耳部３１Ｃを固定する。その後、分注作業が終了した場合には、分注作業モードをオフにして、トレイ３１2の耳部３１Ｃを固定していたトレイ耳固定部６２ＢがＺ軸正方向に駆動されて解除され、トレイ３１2の耳部３１Ｃはフリーの状態となる。
その後、搬送部２２は、チップ溶液収納容器４２を搬送したときと同様に、培養容器４１をトレイ３１1に載置して、分注部２４Ａのトレイ保持部６１Ａに搬送する。トレイ保持部６１Ａに載せられたトレイ３１1の耳部３１Ｃは、図８に示すように、分注部２４Ａのトレイ耳固定部６２Ａにより固定される。なお、培養容器４１にも蓋（蓋部）が設けられている場合には、チップ溶液収納容器４２の蓋部４２Ｂを外した場合と同様の原理で蓋開閉部２３の吸着部２３Ａに培養容器４１の蓋部を吸着させて外せばよい。この場合、蓋開閉部２３は、例えばトレイ保持部６１Ａと、トレイ保持部６１Ｂの上方等にそれぞれ設置され、培養容器４１とチップ溶液収納容器４２のそれぞれの蓋部を取り外す。
そして、図８に示すように、搬送部２２は、分注器２２Ｌ1を、下段のトレイ保持部６１Ｂに搬送されトレイ耳固定部６２Ａにより固定されている容器部４２Ａの未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1上の対応する位置に移動させる。搬送部２２は、あらかじめ登録されている各挿入穴の座標情報に基づいて、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1の挿入穴にセットされているディスペンサーチップ５１を分注器２２Ｌ1に取り付ける。このディスペンサーチップ５１の取り付け方法であるが、例えば、図９の左側に示すように、挿入穴にセットされているディスペンサーチップ５１に対して、分注器２２Ｌ1を圧入することで、図９の右側に示すように、分注器２２Ｌ1にディスペンサーチップ５１が取り付けられる。
その後、搬送部２２は、ディスペンサーチップ５１が取り付けられた分注器２２Ｌ1を溶液エリア４２Ａ3上に移動させ、ディスペンサーチップ５１により、吸引口５３から試薬等の溶液を吸引させる。そして、図１０に示すように、この分注器２２Ｌ1を、搬送部２２をＺ軸の正方向に移動させることで、上段のトレイ保持部６１Ａに搬送されトレイ耳固定部６２Ａにより固定されている培養容器４１上に移動させた後、ディスペンサーチップ５１によって吸引された溶液を培養容器４１内に添加する。
また、溶液の添加後、ディスペンサーチップ５１内に溶液が残っている場合には、下段のトレイ保持部６１Ｂに固定された容器部４２Ａの廃液エリア４２Ａ4上に、分注器２２Ｌ1を移動させ、ディスペンサーチップ５１の先端を廃液口５４に挿入して、廃液を全て出させる。その後、さらに、使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2上に移動させて、使用済みとなったディスペンサーチップ５１を分注器２２Ｌ1から取り外すようにすればよい。
このディスペンサーチップ５１を取り外す方法であるが、例えば、図１１の「状態１」に示すように、まず、使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2に設けられた穴部５２（図４の例では１２個の穴部５２が設けられている）のうちの直径の大きな穴の方に、ディスペンサーチップ５１を挿入する（図１１の「状態２」）。ディスペンサーチップ５１のフランジ部分が容器部４２Ａの使用済みディスペンサーチップエリア４２Ａ2の上面板より下にきたところで（図１１の「状態３」）、直径の小さな穴の方に移動する。その状態で分注器２２Ｌ1をＺ軸の正方向に上昇させ、フランジ部分を穴部５２のツバ部に引っかけることにより（図１１の「状態４」）、ディスペンサーチップ５１を取り外すことが可能
なお、本実施の形態においては、培養容器４１に溶液を追加する例について説明したが、溶液を追加する前に、例えば追加する量と同等の溶液を事前に取り除く場合には、分注器２２Ｌ2に、分注器２２Ｌ1同様に、未使用ディスペンサーチップエリア４２Ａ1の挿入穴にセットされているディスペンサーチップ５１を取り付けて、培養容器４１から溶液を吸い取り、その後、容器部４２Ａの廃液エリア４２Ａ4に廃液を捨ててから、上述した動作を実行すればよい。
その後、全ての分注作業が終了したら、分注モードを終了し、トレイ３１の耳部３１Ｃを固定しているトレイ耳固定部６２Ａおよび６２Ｂを解除する。続いて、搬送部２２は、アーム部２２Ｋによりトレイ３１2の耳部３１Ｃを保持して、蓋開閉部２３に移動させて、今度は逆に、容器部４２ＡをＺ軸の正方向に移動させて吸着部２３Ａにより吸着されている蓋部４２Ｂを容器部４２Ａに被せさせる。その後、蓋部４２Ｂを被されたチップ溶液収納容器４２をインキュベータ部１１の外部に取り出す場合、搬送部２２によって、チップ溶液収納容器４２をキャリア部２６まで搬送させることで、その溶液収納容器４２はアクセスドア１１Ａより搬出可能となる。また、搬送部２２は、分注作業が行われた培養容器４１を、分注部２４Ａからストッカ部２１に搬送して収納する。
以上の如く、本発明によれば、分注作業を実現するために必要となる各種の要素を収納するための各エリアが設けられたチップ溶液収納容器４２を用いて分注することで、インキュベータ環境内での分注作業を容易に行うことができる。
また、本発明によれば、複数の搬送機構を用いることなく、１つの搬送部２２により培養容器４１やチップ溶液収納容器４２を載せたトレイ３１をインキュベータ部１１内の各機構に搬送できるので、内部空間を有効活用して、培養装置全体を小型化できる。
さらに、本発明によれば、培養容器４１やチップ溶液収納容器４２を載せたトレイ３１を搬送する搬送部２２は、分注器２２Ｌを有しているので、搬送と分注の両方の作業を行うことができ、それらの作業を行う機構を別個に設ける必要がないため、培養装置全体を小型化できる。また、培養容器４１やチップ溶液収納容器４２を載せたトレイ３１を搬送した搬送部２２が、その場で分注することができるので、迅速に分注作業を行うことができる。
すなわち、これまで培養容器４１の搬送機構と分注器２２Ｌの搬送機構とがそれぞれ必要であったものが、共通化することができる。さらに省スペース化が図られたことにより、それらの機構をインキュベータ部１１の内部に設置することができる。
また、未使用のディスペンサーチップ５１、使用済みのディスペンサーチップ５１、溶液、廃液を収納する溶液収納容器４２のサイズを、培養容器５１のサイズ（ウエルプレートサイズ）と互換性を持たせたことにより、培養容器５１の搬送経路で溶液収納容器４２も搬送することが可能になる。また、溶液収納容器４２は、アクセスドア１１Ａより出し入れが可能となり、新たにインキュベータ部１１の底面や側面にこれらの搬入搬出口を設ける必要はない。
なお、本実施の形態においては、アーム部２２Ｋにトレイ３１を支持する際に、トレイ３１の耳部３１Ｃをアーム部２２Ｋに載置する例により説明したが、それに限らず、その他、例えば、トレイ３１を側方から挟み込む方式で支持してもよいし、マグネットやエアチャック等を用いてトレイ３１を完全に固定保持する方式等であってもよい。
次に、図１２のフローチャートを参照して、本発明の別の実施形態について説明する。
図１２の実施形態は、基本的に既に説明をした上記実施形態をベースに成り立つものであり、上記細胞培養装置１の各部の説明は適宜省略する。
図１の細胞培養装置１において、コントロールボックス１３には、マイクロコンピュータが内蔵されており、マイクロコンピュータは、インキュベータ部１１の培養環境（例えば、温度３７℃、湿度９０％、酸素濃度など）を一定の条件に制御したり、また、培養容器４１の搬送作業、収納作業、分注作業、観察作業を実行するために、搬送部２２の搬送作業の制御、分注器２２Ｌ1および２２Ｌ2、ポンプ部２７の分注作業の制御、観察部２５（照明部２５Ａ及びCCDカメラ２５Ｂより成る）の観察作業の制御など各種の制御を司っている。
このコントロールボックス１３のマイクロコンピュータによるプログラム制御の詳細が、図１２のフローチャートに示されている。
また、観察部２５で取得可能な画像は、２種類ある。ひとつは、容器全体像をカラーで観察するバードビュー画像、もうひとつは顕微鏡としてのミクロ画像である。バードビュー画像の撮像目的は、細胞培養培地の色変化及び細胞培養容器の全体把握である。ミクロ画像は、対物レンズと中間変倍光学系で実現している。
細胞培養装置１は、複数の培養容器４１をストッカ部２１に収納して、同時に複数の種類の異なる培養細胞を管理したり、また複数のユーザがそれぞれの実験スケジュールに応じて培養細胞を管理できる装置である。そして、細胞培養措置１には、培養細胞の分注作業できるように、分注作業に必要な分注器２２Ｌ1および２２Ｌ2、ポンプ部２７などが内臓されている。したがって、細胞培養装置１では、自分自身の異なる培養容器の培養・分注作業管理や、自分の培養容器４１Ａと他人の培養容器４１Ｂとの培養・分注作業管理において、通常の細胞培養中のタイムラプス観察スケジュールと分注作業中の観察スケジュールとが干渉する場合があり、その干渉状態を回避する必要がある。
この干渉状態の回避動作としては、次の（１）から（３）の動作が考えられる。
（１）タイムラプス観察スケジュールに分注作業スケジュールが干渉しないように、一方のスケジュールを前後に時間的にシフトさせる。
（２）分注作業に伴う観察動作をスキップして、直接、分注作業を実行する。
（３）干渉状態の警告を出し、ユーザに知らせる。
なお、ここで、分注作業とは、例えば、培地交換作業、継代作業、試薬滴下作業などを言い、その作業中に培養細胞が適正に培養しているかを事前確認するために観察部２５へ培養容器４１を搬送し、培養細胞の育成状態を判定して正常であれば、その後に、分注作業を行うことを指す。正常でなければ、培養容器４１を培養装置外へ排出する。
具体的に、分注作業の一例として培地交換の場合で説明する。
事前に、細胞毎に培地交換する時期の培地の色をデータベースとして覚えさせておく。細胞が入った培養容器４１をホルダに載せてキャリアからストッカ部２１に搬送する。観察スケジュールに従い、ストッカ部２１から観察部２５に搬送する。観察スケジュールでは、必ず容器全体像をカラーで観察するバードビュー画像の取得を実施する。このバードビュー画像の培地の色と事前にデータとして登録した培地交換すべき培地の色とを比較し、培地交換すべき色のしきい値を超えた場合に、装置は培地交換が必要と判定する。培地交換と判定されると分注領域に培養容器４１は運ばれ、培地交換が行なわれる。
また、観察動作（観察作業）とは、例えば、培養細胞を長期間培養する際に、定期的に培養細胞の育成状態を確認するために、観察部２５へ培養容器４１を搬送し、培養細胞の育成状態を判定して正常であれば、その後、ストッカ部２１に移す作業を行うことを指す。正常でなければ、培養容器４１を培養装置外へ排出する。
次に、このような上記回避動作をプログラム制御すると共に、分注作業の可否判定の一連の制御について、図１２のフローチャートを用いて説明する。
ステップＳ１において、ユーザによって入力される細胞の種類や細胞名が受け付けられる。
すなわち、ユーザは、良く知られている細胞であれば、予め作成した分注時期の記憶テーブル（培養細胞種類に対して、分注時期のデータを対応付けしたデータテーブル）がコンピュータ内に格納されているので、細胞の種類や細胞名を入力する。
ステップＳ２において、１人あるいは複数人のユーザが通常の細胞培養を行うため（細胞の培養状態の確認するため）、各培養容器４１のタイムラプス観察スケジュールが設定される。
このスケジュール設定は、細胞培養装置１の不図示の操作用パネルから設定でき、具体的には、各培養容器４１に対して、タイムラプス条件（観察開示時期、観察終了時期、観察期間中の観察のインターバル時間、培養容器４１内の観察ポイント設定など）を設定する。このタイムラプス観察スケジュールに従い、各培養容器４１の細胞の培養が開始され、培養細胞の画像データが取得され、分注作業の適否が以後、判定される。
なお、このタイムラプス観察スケジュールのルーチンは、本フローとは独立してプログラム制御されている。
ステップＳ３において、ステップＳ１で入力されて細胞の種類や細胞名に適合する「分注時期記憶テーブル」があれば、分注作業スケジュールが設定される。しかし、適合する記憶テーブルが無い場合には、ユーザがマニュアルで分注作業スケジュールを設定することになるので、その設定の入力が受け付けられる。
ステップＳ４において、観察作業による細胞正常・異常の画像解析および細胞の分注作業の時期判定が行われる。
すなわち、ステップＳ３の分注作業スケジュールで決まった分注時期が来るまでは、ステップＳ２で設定されたタイムラプス観察スケジュールに従い、定期的に培養細胞（試料）が観察部２５によって撮像され、培養細胞の画像データが蓄積される。そして、これら細胞の画像データを解析することにより、細胞の培養状態、すなわち正常に生育しているか、あるいは異常であるかを判定する。
また、この細胞の画像データの解析に基づき、細胞の分注時期がステップＳ１の記憶テーブルにある分注時期と一致するものであるか否かが判定される。記憶テーブルの分注時期との時期的ズレが所定の時間範囲内であれば、記憶テーブルの分注時期が採用される。しかし、所定時間範囲外であれば、細胞の画像解析データから求められた分注時期が採用され、記憶テーブルの次回以降の分注時期も修正される。
マイクロコンピュータは、培養細胞の分注時期が来たか否かを監視しており、ステップＳ５において、分注時期が来たと判定した場合、処理は、ステップＳ６に進む。分注時期が来るまで、タイムラプス観察スケジュールに従い、培養細胞の観察が行われる。
ステップＳ６において、観察作業の干渉が生じたか否かが判定される。
すなわち、分注時期の適否判定は、まず分注作業前に、必ず観察作業を優先して実行してから成される。ここで、問題となるのが、分注作業スケジュールの観察作業と、タイムラプス観察スケジュールの観察作業の干渉である。例えば、分注作業スケジュールの観察作業を実施しようとする培養容器４１Ａと、タイムラプス観察スケジュールにより観察作業が実施される培養容器４１Ｂとが異なる場合に、同時に２つの培養容器の観察作業が実行できない。
ステップＳ６において、観察作業の干渉が生じた場合には、処理は、ステップＳ７に進む。
ステップＳ７において、観察作業の干渉の回避動作が行われる。この干渉した場合の回避動作としては、例えば、上記の（１）から（３）の動作を行うことができる。すなわち、第１に、タイムラプス観察スケジュールに分注作業スケジュールが干渉しないように、一方のスケジュールを前後に時間的にシフトさせる。第２に、分注作業に伴う観察動作をスキップして、直接、分注作業を実行する。第３に、干渉状態の警告を出し、ユーザに知らせる。以上の動作により観察作業の干渉を回避させる。
この干渉の回避動作した後は、ステップＳ８において分注作業が実行される。
一方、ステップＳ６において、観察作業が干渉しないと判定された場合、ステップＳ８において、分注作業スケジュールの観察作業が実行される。そして、この観察作業により分注作業直前の培養細胞の育成状態が正常なものか、あるいは異常なものかが判定される。正常であると判定された場合には分注作業に進むことが許可されるが、異常であると判定された場合には分注作業には進まず、培養容器４１を培養装置外に排出する。
このように、図１２の実施形態では、分注作業の適否が判定され、無駄な分注作業を実行しないように構成されている。
そして、ステップＳ８において分注作業が完了すると、ステップＳ９において、収納作業として、培養容器４１はストッカ部２１に返却され、引き続き培養がなされる。
以上の本実施形態の説明では、分注作業を行う装置として、搬送装置の一部を兼用する形態を説明したが、それに限られることはなく、例えば、培養装置内部に専用の分注器を設置してもよい。
なお、本明細書において、プログラムを記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理をも含むものである。
また、本発明の実施の形態は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

Claims (12)

  1. 試料を入れた培養容器を収納して、所定の培養環境条件に維持管理された内部空間を有し、前記試料を培養する培養装置において、
    前記内部空間には、
    前記培養容器に分注を行うための分注領域と、
    観察光学系を介して前記培養容器に入れられた前記試料を観察する観察手段を配置するための観察領域と、
    前記培養容器を水平および垂直方向に搬送する搬送手段を配置するための搬送領域と が設けられ、
    前記分注領域および前記観察領域は、それぞれ、前記搬送手段の搬送方向である前記水平方向に並び前記搬送領域に隣接して配置され、
    前記搬送手段は、前記分注領域での分注作業と前記観察領域での観察作業とを行うため、前記分注領域と前記観察領域との間で、前記培養容器を搬送する
    ことを特徴とする培養装置。
  2. 前記内部空間には、複数の前記培養容器を収納する収納棚を有した収納手段を配置するための領域であって、前記搬送領域と隣接する収納領域をさらに有し、
    前記搬送領域の長手方向を境界にして、一方側に前記収納領域が配置され、他方側に前記分注領域および前記観察領域が配置され、
    前記搬送手段は、前記分注作業や前記観察作業の終了後に、前記収納領域の前記収納手段へ前記培養容器を搬送する
    ことを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
  3. 前記搬送手段には、所定の溶液を吸引して前記培養容器内に注入するための分注用のチップを取り付けてあり、
    前記搬送手段は、前記培養容器を前記分注領域に搬送するとともに、前記チップにより前記培養容器に分注する
    ことを特徴とする請求項１に記載の培養装置。
  4. 前記分注領域には、前記培養容器の培養液の交換や試薬の注入などの分注作業を行う領域であり、分注作業のために前記培養容器を載置する載置棚が形成された
    ことを特徴とする請求項３に記載の培養装置。
  5. 前記分注領域には、蓋付きの前記培養容器である場合に、前記載置棚の上方に前記培養容器の蓋を吸着して取り外す取外手段が配置された
    ことを特徴とする請求項４に記載の培養装置。
  6. 試料を入れた培養容器を収納して、所定の培養環境条件に維持管理された内部空間を有し、前記試料を培養する培養装置において、
    複数の前記培養容器を収納する収納棚を有した収納手段を配置するための収納領域と、前記培養容器に分注を行うための分注領域と、観察光学系を介して前記培養容器に入れられた前記試料を観察する観察手段を配置するための観察領域と、前記培養容器を水平および垂直方向に搬送する搬送手段を配置するための搬送領域とが形成された前記内部空間と、
    前記収納領域と前記分注領域と前記観察領域との間で、前記培養容器を搬送する前記搬送手段と、
    前記分注領域と前記観察領域と前記収納領域との間で前記培養容器を搬送する前記搬送手段の搬送作業と、前記分注領域での分注作業と、前記観察領域での観察作業と、前記収納領域での収納作業とを制御する制御手段とを有し、
    前記制御手段は、前記分注作業前に、前記観察手段による前記観察作業を実行させ、前記観察作業で取得される前記試料の画像データに基づき、前記分注作業を実行すべきか否かを判定して、前記培養容器を前記観察領域から前記分注領域へ搬送制御するか、あるいは前記観察領域から前記収納領域へ搬送制御する
    ことを特徴とする培養装置。
  7. 前記制御手段は、前記分注作業前に、前記観察手段による前記観察作業を実行させ、前記観察作業で取得される前記試料の画像データに基づき、前記試料の育成状態を解析し、前記分注作業の時期を決定し、その時期が来るまで前記培養容器を前記収納領域の収納棚へ戻し、前記分注時期が来たときに前記培養容器を前記収納領域から前記分注領域へ搬送制御する
    ことを特徴とする請求項６に記載の培養装置。
  8. 前記制御手段は、前記試料である培養細胞の種類に基づく分注作業時期の記憶テーブルを含み、
    さらに、前記制御手段は、前記記憶テーブルの分注作業時期のタイミングにおいて前記分注作業前に、前記観察手段による前記観察作業を実行させ、前記観察作業で取得される前記試料の画像データに基づき、前記分注作業を実行すべきか否かを判定して、前記培養容器を前記観察領域から前記分注領域へ搬送制御するか、あるいは前記観察領域から前記収納領域へ搬送制御する
    ことを特徴とする請求項６に記載の培養装置。
  9. 前記制御手段は、前記試料のタイムラプス観察スケジュールを受け付け、前記タイムラプス観察スケジュールに従い、前記培養容器を前記収納領域から前記観察領域へ搬送制御し、
    さらに、前記制御手段は、前記タイムラプス観察スケジュールに従い前記観察作業で取得される前記試料の画像データに基づき、前記試料の育成状態を解析し、前記分注作業の時期を決定し、前記タイムラプス観察スケジュール中に、前記分注作業の分注作業スケジュールを設定する
    ことを特徴とする請求項６に記載の培養装置。
  10. 前記制御手段は、前記タイムラプス観察スケジュールと前記分注作業スケジュールとが干渉した際には、前記いずれか一方のスケジュールの作業を優先させるか、あるいは前記分注作業スケジュールを前記タイムラプス観察スケジュールの前後にシフトする
    ことを特徴とする請求項９に記載の培養装置。
  11. 前記制御手段は、前記試料のタイムラプス観察スケジュールを受け付け、前記タイムラプス観察スケジュールに従い、前記培養容器を前記収納領域から前記観察領域へ搬送制御すると共に、前記タイムラプス観察スケジュール中に、前記分注作業の分注作業スケジュールを設定し、
    さらに、前記制御手段は、前記タイムラプス観察スケジュールと前記分注作業スケジュールとが干渉した際には、前記いずれか一方のスケジュールの作業を優先させるか、あるいは前記分注作業スケジュールを前記タイムラプス観察スケジュールの前後にシフトする
    ことを特徴とする請求項６に記載の培養装置。
  12. 前記制御手段は、第一培養容器のタイムラプス観察スケジュールに伴う観察作業と、第二培養容器の前記分注作業スケジュールに伴う観察作業とが干渉した際には、前記タイムラプス観察スケジュールの観察作業を優先し、前記分注作業スケジュールの観察作業をスキップする
    ことを特徴とする請求項１０あるいは請求項１１に記載の培養装置。
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