JPWO2018038228A1 - 細胞培養装置及び細胞培養方法 - Google Patents

Abstract

細胞培養装置は、水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽と、培養槽に対して前記培養液を供給する供給部としてのポンプ及び培養液供給管と、供給部による培養液の供給を制御する制御部と、を有し、制御部による制御により、供給部から培養槽に対して培養液を間欠的に供給し、培養液に周回上昇流を形成することで、培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に培養液のプラグフローを形成する。

Description

本開示は、細胞培養装置及び細胞培養方法に関する。本出願は、２０１６年８月２６日に提出された日本特許出願第２０１６−１６６０６８号に基づいており、それに対して優先権の利益を主張するものであり、その内容全体は、参照されることによって本出願に援用される。

動物細胞又は植物細胞等の細胞を培養する装置として、水平断面が上方に向かうにつれて大きくなる培養槽を用いて、培養槽の底部から培養液を供給すると共に細胞の沈降速度とつり合うように培養液の上昇流を形成して、培養槽内で細胞を３次元培養する細胞培養装置が知られている。また、細胞培養装置内での培養液の流れを制御する方法が特許文献１に記載されている。

特開２０１５−１４２５５０号公報

しかしながら、上記の細胞培養装置において、培養開始時のから細胞の成長に応じて培養液の上昇流を制御しようとすると、細胞培養装置に対して供給する培養液の流速を大きく変化させる必要がある。また、培養液の流速の変化は、培養槽内での培養液の流れを不安定にする可能性が考えられる。

本開示は、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御することが可能な細胞培養装置及び細胞培養方法を説明する。

本開示の一形態に係る細胞培養装置は、水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽と、前記培養槽に対して前記培養液を供給する供給部と、前記供給部による前記培養液の供給を制御する制御部と、を有し、前記制御部による制御により、前記供給部から前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給し、前記培養液に周回上昇流を形成することで、前記培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に前記培養液のプラグフローを形成する。

本開示によれば、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御することが可能な細胞培養装置が提供される。

本開示の一実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。 培養槽内での培養液の移動について説明する図である。 培養液の間欠的な供給について説明する図である。 変形例に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。 変形例に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。

上記目的を達成するため、本開示の一形態に係る細胞培養装置は、水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽と、前記培養槽に対して前記培養液を供給する供給部と、前記供給部による前記培養液の供給を制御する制御部と、を有し、前記制御部による制御により、前記供給部から前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給し、前記培養液に周回上昇流を形成することで、前記培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に前記培養液のプラグフローを形成する。

また、本開示の一形態に係る細胞培養方法は、水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽を有する細胞培養装置における細胞培養方法であって、前記細胞培養装置の制御部による制御により、前記細胞培養装置の供給部から前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給し、前記培養液に周回上昇流を形成することで、前記培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に前記培養液のプラグフローを形成する。

上記の細胞培養装置及び細胞培養方法によれば、培養槽内で培養液に周回上昇流を形成することで、培養槽内で細胞が滞留する培養領域に培養液のプラグフローが形成される。ここで、制御部による制御により、培養液を間欠的に供給しながら培養領域に培養液のプラグフローを形成する構成とすることで、細胞が成長した場合でも培養液の供給する時間帯の調整等により、培養液の単位時間あたりの供給量を制御することが可能となる。また、培養槽に対して培養液を間欠的に供給することで、培養槽内で偏流が発生することを防ぐことができる。したがって、連続的に培養液を供給しながら単位時間あたりの供給量を制御する場合と比較して、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御することが可能となる。

ここで、前記供給部は、前記培養槽へ前記培養液を供給するための培養液供給ラインと、当該培養液供給ライン上に設けられたポンプと、を有し、前記制御部により、前記ポンプを駆動する時間と、前記ポンプの駆動を停止する時間と、を交互に繰り返すように制御することで、前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給する態様とすることができる。

このように、制御部により、ポンプを駆動する時間と、ポンプの駆動を停止する時間と、を交互に繰り返すように制御することで、培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給する態様とした場合、より簡単な構成で培養槽に対する培養液の間欠的な供給を実現することができる。

また、前記培養槽内の前記細胞の分布を検出する細胞分布検出部をさらに有し、前記制御部は、前記細胞分布検出部により検出された前記培養槽内の細胞の分布に基づいて、前記供給部による前記培養槽へ供給する前記培養液の単位時間あたりの供給量を制御する態様とすることができる。

上記のように、細胞分布検出部により検出された培養槽内の細胞の分布に基づいて、供給部による培養槽へ供給する培養液の単位時間あたりの供給量を制御する構成とすることで、培養槽内の細胞の分布が想定された状況から変化した場合、これを補正する方向に培養液の単位時間あたりの供給量を自動的に制御することが可能となる。したがって、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じた培養液の供給量の制御をより好適に行うことができる。

また、前記培養槽内の培養環境を検出する培養環境検出部と、前記供給部の前段で、前記培養槽へ供給する前記培養液の調整を行う調整部と、前記培養環境検出部により検出された前記培養槽内の培養環境に基づいて、前記調整部による前記培養液の調整を制御する調整制御部と、を有する態様とすることができる。

上記のように、培養環境検出部により検出された培養槽内の培養環境に基づいて、培養槽へ供給する培養液の調整を行う調整部における調整を制御する構成とすることで、培養槽内での培養環境をよくするための調整を自動的に制御することが可能となる。したがって、培養槽内での細胞の成長に応じた培養液の供給量の制御を好適に行いながら、培養環境を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本開示を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本開示の一形態に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。細胞培養装置１は、培養液（細胞培養液）により細胞を培養する容器である培養槽２と、当該培養槽２に対して供給する培養液を貯留すると共に培養液の調整等を行う調整槽３と、この細胞培養装置１に係る制御を行う制御部４と、培養槽２内への培養液の供給を行うことで、装置内で培養液を循環させるポンプ５と、調整槽３での培養液の調整に係る操作を行う調整部６と、を有する。また、培養槽２と調整槽３との間には、調整槽３から培養槽２に対して培養液を供給する培養液供給管Ｌ１（培養液供給ライン）と、培養槽２から調整槽３に対して培養液を返送する培養液返送管Ｌ２（培養液返送ライン）と、を有する。培養液供給管Ｌ１及びポンプ５が、培養槽２に対して培養液を供給する供給部として機能する。また、制御部４は、この供給部による培養槽２への培養液の供給を制御することになる。

本実施形態に係る細胞培養装置１による培養の対象となる細胞は、特に限定されないが、例えば、動物における幹細胞等を培養することができる。細胞培養における培地となる培養液は、培養の対象となる細胞の種類に応じて適宜選択される。

なお、以下の実施形態では、細胞培養装置１は、一般的な据え付け型である場合について説明するが、培養槽２を運搬するための所謂運搬用の装置として小型化されたものであってもよい。小型化された細胞培養装置の場合には、培養槽２及び調整槽３等の装置を構成する各部が小型化もしくは簡略化される場合があるが、基本的な構成は同じである。

培養槽２は、水平方向での断面積が上方に向かって大きくなる形状を有している。このような形状として、例えば、培養槽２を図１等に示すように逆円錐状とすることができるが、培養槽２の形状は逆円錐状には限定されない。培養槽２の内部には、培養液が満たされる。また、培養槽２内には、細胞もしくは細胞が付着した担体が所定の高さ範囲で浮遊する培養領域Ａが形成される。以下、細胞もしくは細胞が付着した担体のことを培養細胞という。

培養槽２の容量は特に限定されないが、１０ｍＬ〜１０，０００ｍＬ程度とすることができる。培養槽２の容量は、１つの培養槽２において培養したい細胞の量もしくは細胞塊の大きさ等に基づいて適宜選択することができる。また、培養槽２の取り扱い性等に応じて選択することもできる。例えば、培養槽２の容量が５０ｍＬ〜５００ｍＬ程度とした場合には、培養槽２単体での取り扱い性が向上する。

培養槽２の下端には、培養液供給管Ｌ１が接続される。また、培養槽２の上端には培養液返送管Ｌ２が接続される。培養液供給管Ｌ１及び培養液返送管Ｌ２は、培養槽２と調整槽３との間を連結する。

調整槽３は、培養液を貯留する機能を有する。また、調整槽３には、調整部６が設けられ、細胞培養に適した培養液となるように種々の調整を行うことが可能となっている。細胞の培養に伴い、培養液中のガス濃度が低下する場合がある。この場合、例えば、調整部６としてマイクロバブルポンプ等のガス供給部を有することで、培養液中のガス濃度の調整を行うことができる。また、細胞の培養に伴い、培養液中の特定の成分の割合が減少する場合がある。この場合、例えば、調整部６として当該成分を供給する手段を有することで、培養液中の各種の成分比の調整を行うことができる。このように、調整部６として、細胞の培養に必要な培養液を調整に必要な手段を適宜選択して設けることができる。なお、ガス供給に関しては、表面通気等のみで行うこともできる。また、調整部６は、調整槽３に対して設けられていなくてもよく、培養液を培養槽２へ供給する供給部よりも前段に設けられていればよい。

制御部４は、細胞培養装置１に係る各種の制御を行う機能を有する。特に、本実施形態に係る細胞培養装置１においては、制御部４は、培養液供給管Ｌ１上に設けられたポンプ５の駆動を制御する機能を有する。詳細については後述するが、制御部４がポンプ５の駆動を制御することで、培養槽２内を移動する培養液の流速を好適に制御することが可能となる。また、制御部４は、調整部６における培養液の調整の制御等を併せて行う構成としてもよい。

制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、主記憶装置であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）、他の機器との間の通信を行う通信モジュール、並びにハードディスク等の補助記憶装置等のハードウェアを備えるコンピュータとして構成される。そして、これらの構成要素が動作することにより、後述の制御部４としての機能が発揮される。

制御部４による制御の対象となるポンプ５は、調整槽３と培養槽２の下端とを接続する培養液供給管Ｌ１上に設けられる。ポンプ５としては、例えば、ペリスタルティックポンプを用いることができるが、ポンプの種類は特に限定されない。

なお、細胞培養装置１には、培養液を外部に排出するための排液ラインや、新たな培養液を供給するための培養液導入ライン等を別途設けていてもよい。また、細胞培養装置１内の培養液を培養環境に応じた温度に適切に維持するために、細胞培養装置１の一部がインキュベータ等の恒温装置内に配置される構成であってもよい。

上記の細胞培養装置１による細胞培養方法について説明する。細胞培養装置１により細胞の培養を開始する際には、まず、新しい培養液を外部から調整槽３に導入する。そして、調整部６によるガスの供給等によって、調整槽３内の培養液が細胞培養に適した条件に調整される。その後、培養液は、ポンプ５の駆動により、培養液供給管Ｌ１を経て培養槽２の下端から培養槽２内に導入される。

培養槽２内では、培養液による上昇流が形成される。この上昇流について、図２を参照しながら説明する。図２（Ａ）は、培養槽２内で生じる培養液の流れを説明する図であり、図２（Ｂ）は、培養槽２の水平方向の断面図であり、培養槽２に対する培養液供給管Ｌ１の取り付け位置を説明する図である。

図２（Ｂ）に示すように、培養槽２において上下方向に延びる中心軸Ｘに対して、交差しない位置に培養液供給管Ｌ１が取り付けられる。すなわち、中心軸Ｘと培養液供給管Ｌ１とはねじれの関係となる。この状態で、培養液供給管Ｌ１から培養槽２内に培養液を供給すると、培養液が培養槽２内の壁面と摩擦することで発生する旋回力によって、培養槽２の内壁に沿って回転しながら上昇する。すなわち、図２（Ａ）に示すように、培養槽２の下方から上方へ向かう周回上昇流の一種である旋回上昇流Ｆ１が生じる。本実施形態において、周回上昇流とは、槽内の液体が槽の内壁に沿って流通しながら上昇することをいう。

培養槽２内での培養液による旋回上昇流Ｆ１は、上昇に伴い、培養槽２の壁面との摩擦による旋回力が減少することにより、図２（Ａ）に示すように旋回よりも上昇が主となる上昇流Ｆ２となる。これにより、培養槽２の培養領域Ａ（図１参照）付近においては、水平面において上昇方向に略一定の流速分布を有する流れ（プラグフロー）が形成される。

なお、プラグフローの形成方法は図２に示す方法に限定されず、種々の変更を行うことができる。例えば、図２（Ｂ）に示すように、培養槽２の中心軸Ｘを基準に培養液供給管Ｌ１に対して点対称となるようにもう一つ培養液供給管Ｌ１１を配置すると、培養槽２内において旋回上昇流Ｆ１をより均等に形成することができる。また、培養槽２内に旋回流を形成するための球体等を投入する方法や、培養槽２の内壁の形状等を変更して上昇旋回流を形成する方法も考えられる。このように、上昇旋回流を形成する方法は、適宜変更することができるが、培養槽２内の下部で旋回上昇流Ｆ１を形成すると、その上方において上昇流Ｆ２によるプラグフローを形成することができる。

培養槽２は、上方に向かうにつれて水平断面積が大きくなるため、プラグフローにおける上昇流Ｆ２の流速は、培養槽２の上方に向かうにつれて減少する。培養槽２の培養領域Ａ付近では、培養細胞の沈降速度と上昇流Ｆ２の流速とがつり合った状態が形成される。この結果、培養細胞はそれぞれ所定の高さ位置で滞留する。また、培養細胞に対して上昇流Ｆ１によるせん断応力が作用することで、大きくなりすぎた細胞が破砕され、全体の細胞径を維持することができる。

細胞が成長すると細胞が凝集した細胞塊も大きくなる。すなわち、培養槽２内の培養細胞の径が大きくなるため、沈降速度が上昇する。この場合には、培養槽２内での上昇流Ｆ２の流速を大きくすることで、大きくなった培養細胞を引き続き培養領域Ａ付近に滞留させることができる。

培養液供給管Ｌ１により培養槽２の下端から培養液を供給すると共に培養槽２の上端の培養液返送管Ｌ２から培養液を排出して調整槽３へ返送する。調整槽３に返送された培養液は、調整部６により細胞培養に適した条件に調整されながら、ポンプ５の駆動により培養槽２に対して供給される。このように、細胞培養装置１では、培養槽２と調整槽３との間を培養液が循環する環境において、培養槽２内で細胞の培養が行われる。

ここで、本実施形態に係る細胞培養装置１及び細胞培養方法では、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給することで、培養槽２内のプラグフローである上昇流Ｆ２を形成すると共にその単位時間あたりの培養液の供給量（流速）を制御することを特徴とする。この点について、図３を参照しながら説明する。

本実施形態に係る細胞培養装置１では、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給するための手法の一つとして、制御部４により、ポンプ５の駆動（ＯＮ／ＯＦＦ）を制御する方法が用いられる。図３では、横軸を時間ｔとした場合に、時間経過に対応したポンプ５の駆動の切り替え（ＯＮ／ＯＦＦ）例を示している。図３に示す例では、ポンプ５の駆動時における培養液の流速を一定とした状態で、ポンプ５をＯＮとする駆動時間Ｔ１とポンプ５をＯＦＦとする停止時間Ｔ２とを交互に繰り返している。ポンプ５をＯＮとしている駆動時間Ｔ１の間は、培養液が培養槽２に供給される。一方、ポンプ５をＯＦＦとしている停止時間Ｔ２の間は、培養槽２への培養液の供給が停止される。この結果、培養槽２に対しては、１サイクル（Ｔ１＋Ｔ２）の間に培養槽２へ供給される培養液の量は、駆動時間Ｔ１の間にポンプ５の駆動によって供給される培養液の量となる。すなわち、ポンプ５の駆動による単位時間あたりの培養槽２への培養液の供給量がＸ（ｍＬ／ｍｉｎ）であるとすると、ポンプ５の間欠的な駆動により、単位時間あたりの培養槽２への培養液の供給量は、Ｘ・Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）（ｍＬ／ｍｉｎ）となる。

このように、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給する場合、供給時間（駆動時間）と供給停止時間（停止時間）との比を変更することで、単位時間あたりの培養槽２への培養液の供給量、すなわち、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速を制御することが可能となる。

上記のように、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給する構成を備えていることで、細胞の成長に応じてポンプ５の回転数の変更による流速の変更を減らすことができる。

細胞培養装置１のように培養槽２内で細胞を培養領域Ａに滞留させながら培養する場合、培養槽２の容積や形状等によっても変化するが、培養槽２内に単細胞を播種した際の培養液の流速（単位時間あたりの培養槽２への培養液の供給量）を例えば約０．２ｍＬ／ｍｉｎとしたとする。このとき、培養による細胞の成長に伴って細胞塊が大型化すると、例えば、細胞を培養領域Ａに滞留させながら培養するためには培養液の流速を例えば約２０ｍＬ／ｍｉｎまで上昇させる必要がある場合がある。すなわち、細胞の成長に伴って流速を１００倍速まで変化させることが必要となる場合がある。このように、流速を大きく変化させることができるポンプ５は高価である場合が多く、装置コストが増大する可能性がある。

また、培養槽２に対して供給する培養液の流速を変化させた場合、培養槽２において安定したプラグフローを形成することができない可能性がある。例えば、上記で説明した約０．２ｍＬ／ｍｉｎという小さな流速で培養液を培養槽２内に導入するようにポンプ５を駆動させた場合、ノズルの詰まり等に由来して培養槽２の上方に偏流が生じる可能性がある。この場合、培養槽２内での培養液の流れが不安定となってしまい、細胞の成長にも影響を与える可能性がある。

これに対して、本実施形態に係る細胞培養装置１では、培養槽２への培養液の間欠的な供給によって、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速を制御することができる。すなわち、ポンプ５の駆動は一定としておき、駆動する時間（ＯＮとする時間）と駆動を停止する時間（ＯＦＦとする時間）とを調整することで、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速を制御することができる。上記のケースでいえば、例えば、例えば、ポンプ５の駆動による流量を２０ｍＬ／ｍｉｎとし、ポンプ５の駆動時間Ｔ１を６秒とし、停止時間Ｔ２を５９４秒とする。すると、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速は０．２ｍＬ／ｍｉｎとなり、培養槽２内に単細胞を播種した際の培養液の流速を実現することができる。また、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速（単位時間あたりの供給量）を変化させるためにポンプ５による流速を変更しなくてもよく、ポンプ５の駆動時間Ｔ１と停止時間Ｔ２との関係を変更すればよい。このように、本実施形態に係る細胞培養装置１では、高価なポンプを準備しなくても細胞の成長に応じて培養液の流速を適切に調整することができる。

また、上記のように培養槽２への培養液の間欠的な供給によって、培養槽２へ供給する培養液の実質的な流速を制御する構成とすることで、培養槽２内での安定したプラグフローの形成が可能となる。上述のように、ポンプ５の連続的に駆動した状態で培養液の流速を低速とした場合には、培養槽２内での培養液の流れが不安定となることが考えられるが、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給する構成とした場合に、仮に培養槽２の上方に偏流が生じかけたとしても、培養液の供給が停止される時間帯の間に偏流を消失させることができる。したがって、培養槽２内での安定したプラグフローの形成が可能となる。また、安定したプラグフローの形成が可能になると、新しい培地で古い培地を押し出すことが可能になるため、細胞塊を浮遊させた状態で培養しながらの培地交換が可能になる。したがって、通常の撹拌型培養槽で必要な、培養液を抜出して遠心分離等で細胞と培地を分離し、新しい培地に懸濁するという操作が不要になる。また、培地の種類の変更を行うことによって、細胞塊を浮遊させた状態での分化誘導も可能になる。

さらに、培養槽２への培養液の間欠的な供給は、培養槽２への培養液の連続的な供給と比較して、細胞の成長が促進されることも考えられる。例えばマウスのＥＳ細胞のような多能性幹細胞は、担体もしくは他の細胞と接触しないと細胞の増殖が進行しない、すなわち、細胞の成長が遅くなることが知られている。これに対して、本実施形態のように培養槽２への培養液の間欠的な供給を行うことで、培養液内の担体及び細胞の移動が促進される。そのため、担体と細胞もしくは細胞同士の接触機会が増えることから、細胞の成長（増殖）が促進される。

なお、培養槽２への培養液の間欠的な供給に関して、大きくなりすぎて破砕すべき細胞が旋回上昇流Ｆ１のエリアに沈降してくる時間と停止時間Ｔ２とを合わせることで、その大きさの細胞のみに強いせん断応力を与えて、選択的に破砕することができる。これによって、全体の細胞径を維持することができる。

ここで、上記の細胞培養装置１の変形例として、制御部４によって培養槽２への培養液の間欠的な供給及び培養液の調整を自動制御可能な細胞培養装置１Ａについて説明する。図４は、変形例に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。

細胞培養装置１Ａでは、培養槽２内の細胞分布を検出するための細胞分布検出部である濁度計７と、培養環境を検出するための培養環境検出部である温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８と、を有している。

濁度計７は、培養槽２内の培養液の濁度を上下方向において複数箇所で測定する。培養槽２内では、細胞の分布に応じて培養液の濁度が変化する。したがって、濁度の分布を測定することで、培養槽２内での細胞の分布を検出することができる。なお、培養槽２内での細胞の分布を検出するための手段は濁度計に限定されず、例えば、光学測定を行うカメラ等を用いてもよい。濁度計７による測定は、所定の時間（例えば、数時間毎）に行うことができる。そして、濁度計７による検出の結果は、制御部４に送られる。

制御部４は、濁度計７により検出される培養槽２内での細胞の分布に係る情報に基づいて、ポンプ５の駆動を制御する。具体的には、例えば、濁度計７による測定の結果、細胞の分布が培養領域Ａよりも下方に移動している場合には、制御部４は、培養槽２への単位時間あたりの培地の供給量が増加するようにポンプ５の駆動時間を長くするように制御する。また、細胞の分布が培養領域Ａよりも上方に移動している場合には、制御部４は、培養槽２への単位時間あたりの培地の供給量が現象するようにポンプ５の駆動時間を短くするように制御する。制御部４では、濁度計７による測定の結果に基づく細胞の分布に係る情報に対して、ポンプ５の駆動をどのように制御するかを定めた情報（例えば、数式等）を予め保持しておくことで、濁度計７による測定の結果に基づく細胞の分布に基づいて、培養槽２への培養液の間欠的な供給を自動制御することが可能となる。

温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８は、それぞれ、培養槽２内の培養液の温度、ｐＨ及び溶存酸素を測定する。培養液の温度、ｐＨ及び溶存酸素は、いずれも細胞の培養に影響を与える要件であり、これらを測定することで培養槽２内での培養環境を検出することができる。なお、培養環境を検出するための培養環境検出部は、上記の温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計のうちの少なくとも１つであってもよいし、他の測定機器（例えば、電気伝導率計等）と組み合わせてもよい。温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８による測定は、所定の時間（例えば、数時間毎）に行うことができる。そして、温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８による検出の結果は、制御部４に送られる。

この場合、制御部４は、温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８により検出される培養槽２内での培養系の環境に係る情報に基づいて、調整部６による培養液の調整を制御する。すなわち、制御部４は、培養槽２内の培養環境に基づいて、培養槽２へ供給する培養液の調整を制御する環境調整制御部として機能する。具体的には、例えば、溶存酸素計による測定の結果、培養液中の溶存酸素が所定の条件よりも減少している場合には、調整部６において培養液内に供給するガスの量を増加することが挙げられる。また、温度の測定結果に応じては、培養液が貯留される調整槽３に対して加温制御を行う等の対応が挙げられる。また、ｐＨの測定結果に応じては、調整部６において培養液に対して添加する薬剤の量等を変更する等の対応が挙げられる。温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計のそれぞれもしくはこれら全体の測定の結果に基づいて、調整部６による培養液の調整をどのように制御するかを予め定めておき、制御部４では温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８から得られる情報に対応させて、予め定められた通りに調整部６の制御を行うことで、培養槽２へ供給する培養液の調整についても自動制御することが可能となる。

細胞培養装置１Ａでは、濁度計７により検出される培養槽２内での細胞の分布に係る情報に基づいて、培養槽２への培養液の間欠的な供給の自動制御が可能となる。また、温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８により検出されるにより検出される培養槽２内での培養環境に係る情報に基づいて、調整部６での培養液の調整の自動制御が可能となる。このように、培養槽２への培養液の間欠的な供給又は調整部６での培養液の調整の制御を自動的に行うことが可能な構成とすることで、操作者の操作を不要としながら、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御する状態を形成することができる。

なお、細胞培養装置１Ａでは、培養槽２への培養液の間欠的な供給と、培養液の調整と、の両方を自動制御する構成について説明したが、どちらか一方のみを制御する構成であってもよい。

以上のように、本実施形態に係る細胞培養装置１，１Ａ及び細胞培養方法によれば、培養槽２内で培養液に周回上昇流を形成することで、培養槽２内で細胞が滞留する培養領域Ａに培養液のプラグフローが形成される。ここで、制御部４による制御により、培養液を間欠的に供給しながら培養領域Ａに培養液のプラグフローを形成する構成とすることで、細胞が成長した場合でも培養液の供給する時間帯の調整等により、培養液の単位時間あたりの供給量を制御することが可能となる。また、培養槽２に対して培養液を間欠的に供給することで、培養槽２内で偏流が発生することを防ぐことができることから、従来のように連続的に培養液を供給しながら単位時間あたりの供給量を制御する場合と比較して、培養槽２内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御することが可能となる。

また、上記実施形態で説明したように、制御部４により、ポンプ５を駆動する時間と、ポンプ５の駆動を停止する時間と、を交互に繰り返すように制御することによって培養槽２に対して培養液を間欠的に供給する態様とした場合、より簡単な構成で培養槽２に対する培養液の間欠的な供給を実現することができる。

また、細胞培養装置１Ａのように、細胞分布検出部である濁度計７により検出された培養槽２内の細胞の分布に基づいて、培養槽２へ供給する培養液の単位時間あたりの供給量を制御する構成とすることで、培養槽２内の細胞の分布が想定された状況から変化した場合、これを補正する方向に培養液の単位時間あたりの供給量を自動的に制御することが可能となる。したがって、培養槽２内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じた培養液の供給量の制御をより好適に行うことができる。

さらに、細胞培養装置１Ａのように、培養環境検出部である温度計、ｐＨ計及び溶存酸素計８により検出された培養槽２内の培養環境に基づいて、調整部６における培養液の調整を制御する構成とすることで、培養槽２内での培養環境をよくするための調整を自動的に制御することが可能となる。したがって、培養槽２内での細胞の成長に応じた培養液の供給量の制御を好適に行いながら、培養環境を向上させることができる。

以上で説明した実施形態は本開示の一例を示すものである。本開示に係る細胞培養装置及び細胞培養方法は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。

例えば、上記実施形態で説明した細胞培養装置では、培養槽２に培養液供給管Ｌ１により供給される培養液は、培養液返送管Ｌ２により排出されて、調整槽３を経て循環する構成となっている。しかしながら、培養液は必ずしも循環される必要はなく、ポンプ５等の供給部により培養槽２の下方から培養槽２内に対して供給されると共に、培養槽２内でプラグフローが形成されると共に上方から排出される構成であれば、種々の変更をすることができる。

また、上記実施形態では、培養槽２への培養液の間欠的な供給を培養液供給管Ｌ１上に設けられたポンプ５により実現する場合について説明した。しかしながら、培養槽２への培養液の間欠的な供給を行う供給部の構成は上記の構成に限定されない。例えば、供給部と培養液タンクと、培養液タンクに接続された配管における開閉弁とにより構成し、開閉弁の制御を行うことで、培養槽２への培養液の間欠的な供給を実現してもよい。

上記の細胞培養装置１の変形例として、プラグフローで培地交換ができる細胞培養装置１Ｂについて説明する。図５は、変形例に係る細胞培養装置の概略構成を説明する図である。

図５に示す細胞培養装置１Ｂは、図１に示す細胞培養装置１と比較して、新しい培地の入った培地貯槽１０、培地貯槽１０内の新しい培地を培養槽２内に供給するための培地供給管Ｌ３、新しい培地の供給を制御する培地供給ポンプ１１、古い培地を廃液として貯める廃液貯槽１２、古い培地を培養槽２から除去するための廃液移送管Ｌ４、及び、古い培地の除去を制御する廃液ポンプ１３、を有している。

上記の各部のうち、培地供給ポンプ１１と廃液ポンプ１３はポンプ５と同様に制御部４によってコントロールされている。

細胞培養装置１Ｂにおいて、プラグフローによる培地交換を行う際には、ポンプ５を停止させる。そして、培地供給ポンプ１１及び廃液ポンプ１３が同じ速度で送液するように、制御部４による制御を行う。これにより培養槽２内で培養しながら培養槽２内に新しい培地が供給されると共に古い培地が廃棄され、すなわち培養槽２内の培地交換を行うことができる。培地供給ポンプ１１及び廃液ポンプ１３について、ポンプ５による間欠運転と同じタイミングもしくはそれに近いタイミングで間欠運転を行うことにより、安定したプラグフローを形成することができる。したがって、新しい培地とほとんど混ざることなく古い培地を槽内から追い出すことができる。これにより、培養槽２内の培地交換を、無駄がなく且つ効率良く行うことができる。

また、上記の培地交換の手法を用いることで、細胞を分化誘導させる際などに、培地の種類を変更することも可能である。培地種類の変更は、培地貯槽１０の中身を無菌的に別の培地と入れ替えることで可能になる。また、培地種類の変更は、培地貯槽、培地供給管、及び、培地送液ポンプの組み合わせを増やし、培地供給管Ｌ３と培養液供給管Ｌ１とが交わる部分、もしくは、培養液供給管Ｌ１のうちのポンプ５から培養槽２までの間の部分に新たな培地供給管を接続し、培地供給ポンプ１１の代わりに新しい培地供給ポンプを作動させることでも可能である。

本開示によれば、培養槽内での培養液の流れを安定させながら、細胞の成長に応じて培養液の供給量を制御することができる。

１，１Ａ 細胞培養装置
２ 培養槽
３ 調整槽
４ 制御部
５ ポンプ
６ 調整部
７ 濁度計
８ 温度計、ｐＨ計、溶存酸素計
Ａ 培養領域
Ｌ１ 培養液供給管
Ｌ２ 培養液返送管

Claims (5)

1. 水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽と、
   前記培養槽に対して前記培養液を供給する供給部と、
   前記供給部による前記培養液の供給を制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部による制御により、前記供給部から前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給し、前記培養液に周回上昇流を形成することで、前記培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に前記培養液のプラグフローを形成する細胞培養装置。
2. 前記供給部は、
   前記培養槽へ前記培養液を供給するための培養液供給ラインと、当該培養液供給ライン上に設けられたポンプと、を有し、
   前記制御部により、前記ポンプを駆動する時間と、前記ポンプの駆動を停止する時間と、を交互に繰り返すように制御することで、前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給する請求項１に記載の細胞培養装置。
3. 前記培養槽内の前記細胞の分布を検出する細胞分布検出部をさらに有し、
   前記制御部は、前記細胞分布検出部により検出された前記培養槽内の細胞の分布に基づいて、前記供給部による前記培養槽へ供給する前記培養液の単位時間あたりの供給量を制御する請求項１又は２に記載の細胞培養装置。
4. 前記培養槽内の培養環境を検出する培養環境検出部と、
   前記供給部の前段で、前記培養槽へ供給する前記培養液の調整を行う調整部と、
   前記培養環境検出部により検出された前記培養槽内の培養環境に基づいて、前記調整部による前記培養液の調整を制御する調整制御部と、
   を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の細胞培養装置。
5. 水平断面積が上方に向かって増加する形状であり、培養液中で細胞の培養を行う培養槽を有する細胞培養装置における細胞培養方法であって、
   前記細胞培養装置の制御部による制御により、前記細胞培養装置の供給部から前記培養槽に対して前記培養液を間欠的に供給し、前記培養液に周回上昇流を形成することで、前記培養槽内で前記細胞が滞留する培養領域に前記培養液のプラグフローを形成する細胞培養方法。

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