JPWO2019022067A1 - Cell culture equipment - Google Patents
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Abstract
細胞培養装置は、培養液中で細胞の培養を行うための培養槽と、培養槽内で培養液が上昇流を形成するように培養液を供給する供給装置と、培養槽の下部を撮像することで撮像画像を取得する撮像装置と、撮像画像に基づいて、培養槽内の細胞塊の最大塊径を測定する画像処理装置と、供給装置による培養液の供給を制御する制御装置と、を備え、培養槽は、培養槽の水平断面積が上方に向かうにつれて増加する形状を有し、制御装置は、最大塊径が予め定められた閾値よりも大きい場合に、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量が増減を繰り返すように供給装置を制御する。The cell culture device images a culture vessel for culturing cells in the culture solution, a supply device for supplying the culture solution so that the culture solution forms an upward flow in the culture vessel, and a lower part of the culture vessel An imaging device that acquires a captured image, an image processing device that measures a maximum mass diameter of a cell mass in a culture tank based on the captured image, and a control device that controls supply of a culture solution by the supply device The culture tank has a shape that increases as the horizontal cross-sectional area of the culture tank increases upward, and the control device is provided with the culture tank per unit time when the maximum lump diameter is larger than a predetermined threshold value. The supply device is controlled so that the supply amount of the supplied culture solution repeatedly increases and decreases.
Description
本開示は、細胞培養装置に関する。 The present disclosure relates to a cell culture device.
培養器内の細胞を撮像することによって得られた画像を処理することによって、細胞の培養状態を観察する装置が知られている。例えば、特許文献1には、画像位置リストに記録された撮影位置のそれぞれで培養器を撮影し、取得された画像を処理することで、コロニーの大きさ、面積、及び周囲長等を取得する細胞培養装置が記載されている。 There is known an apparatus for observing a cell culture state by processing an image obtained by imaging a cell in a culture vessel. For example, in Patent Document 1, the incubator is photographed at each of the photographing positions recorded in the image position list, and the obtained image is processed to obtain the size, area, circumference, and the like of the colony. A cell culture device is described.
特許文献1に記載の細胞培養装置では、培養器の各撮影位置で撮影するために、カメラ又は培養器を移動する駆動装置が設けられる。この細胞培養装置では、駆動装置を設置するためのスペース、及びカメラ又は培養器を移動するためのスペースを確保する必要がある。このため、細胞培養装置が大型化するおそれがある。 In the cell culture device described in Patent Literature 1, a camera or a drive device that moves the incubator is provided to capture images at each imaging position of the incubator. In this cell culture device, it is necessary to secure a space for installing the driving device and a space for moving the camera or the incubator. For this reason, there exists a possibility that a cell culture apparatus may enlarge.
本開示は、装置を大型化することなく、細胞の培養状態を観察可能な細胞培養装置を説明する。 The present disclosure describes a cell culture device capable of observing a cell culture state without increasing the size of the device.
本開示の一側面に係る細胞培養装置は、培養液中で細胞の培養を行うための培養槽と、培養槽内で培養液が上昇流を形成するように培養液を供給する供給装置と、培養槽の下部を撮像することで撮像画像を取得する撮像装置と、撮像画像に基づいて、培養槽内の細胞塊の最大塊径を測定する画像処理装置と、供給装置による培養液の供給を制御する制御装置と、を備える。培養槽は、培養槽の水平断面積が上方に向かうにつれて増加する形状を有する。制御装置は、最大塊径が予め定められた閾値よりも大きい場合に、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量が増減を繰り返すように供給装置を制御する。 A cell culture device according to one aspect of the present disclosure includes a culture vessel for culturing cells in a culture solution, a supply device that supplies the culture solution so that the culture solution forms an upward flow in the culture vessel, An imaging device that acquires a captured image by imaging the lower part of the culture tank, an image processing device that measures the maximum mass diameter of the cell mass in the culture tank based on the captured image, and supply of the culture solution by the supply device A control device for controlling. A culture tank has a shape which increases as the horizontal cross-sectional area of a culture tank goes upwards. The control device controls the supply device so that the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time repeatedly increases and decreases when the maximum lump diameter is larger than a predetermined threshold value.
本開示によれば、装置を大型化することなく、細胞の培養状態を観察することができる。 According to the present disclosure, it is possible to observe the culture state of cells without increasing the size of the apparatus.
[1]実施形態の概要
本開示の一側面に係る細胞培養装置は、培養液中で細胞の培養を行うための培養槽と、培養槽内で培養液が上昇流を形成するように培養液を供給する供給装置と、培養槽の下部を撮像することで撮像画像を取得する撮像装置と、撮像画像に基づいて、培養槽内の細胞塊の最大塊径を測定する画像処理装置と、供給装置による培養液の供給を制御する制御装置と、を備える。培養槽は、培養槽の水平断面積が上方に向かうにつれて増加する形状を有する。制御装置は、最大塊径が予め定められた閾値よりも大きい場合に、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量が増減を繰り返すように供給装置を制御する。[1] Outline of Embodiment A cell culture device according to one aspect of the present disclosure includes a culture vessel for culturing cells in a culture solution, and a culture solution so that the culture solution forms an upward flow in the culture vessel. A supply device, an imaging device that acquires a captured image by imaging the lower part of the culture tank, an image processing device that measures a maximum mass diameter of a cell mass in the culture tank based on the captured image, and a supply And a control device for controlling supply of the culture solution by the device. A culture tank has a shape which increases as the horizontal cross-sectional area of a culture tank goes upwards. The control device controls the supply device so that the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time repeatedly increases and decreases when the maximum lump diameter is larger than a predetermined threshold value.
この細胞培養装置では、培養槽内で培養液が上昇流を形成するように培養液が供給される。培養槽の水平断面積が上方に向かうにつれて増加するので、培養液の流速(上昇流の速度)は、培養槽の上方に向かうにつれて減少する。このため、培養槽内の各細胞塊は、細胞塊の沈降速度と培養液の流速とがつり合った高さで浮遊しながら培養される。つまり、培養槽の下方に向かうにつれて、細胞塊の大きさは大きくなり、培養槽の上方に向かうにつれて、細胞塊の大きさは小さくなるように、細胞塊は分布している。したがって、培養槽の下部を撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽内の細胞塊の最大の大きさが得られる。また、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量を減少するか、又はゼロにすることによって、培養槽内の細胞塊が沈降を開始する。このため、培養槽内の細胞塊が、培養槽の下部に向かって移動するので、細胞塊が沈降を開始してから培養槽の下部を繰り返し撮像することで、より多くの細胞塊が撮像され得る。したがって、培養槽の下部を撮像することで得られた撮像画像を解析することで、各細胞塊の大きさが得られる。このように、培養槽の下部を撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽全体を撮像することなく、細胞塊の大きさを測定することができる。よって、撮像装置又は培養槽を移動する必要がないので、装置を大型化することなく、細胞の培養状態を観察することが可能となる。 In this cell culture apparatus, the culture solution is supplied so that the culture solution forms an upward flow in the culture tank. Since the horizontal cross-sectional area of the culture tank increases as it goes upward, the flow rate of the culture solution (upward flow rate) decreases as it goes upward of the culture tank. For this reason, each cell mass in the culture tank is cultured while floating at a height where the sedimentation rate of the cell mass and the flow rate of the culture solution are balanced. That is, the cell mass is distributed such that the size of the cell mass increases toward the lower side of the culture tank and the size of the cell mass decreases toward the upper side of the culture tank. Therefore, by analyzing the captured image obtained by imaging the lower part of the culture tank, the maximum size of the cell mass in the culture tank can be obtained. Moreover, the cell mass in a culture tank starts sedimentation by reducing or making zero the supply amount of the culture solution supplied to a culture tank per unit time. For this reason, since the cell mass in the culture tank moves toward the lower part of the culture tank, more cell masses are imaged by repeatedly imaging the lower part of the culture tank after the cell mass starts to settle. obtain. Therefore, the size of each cell mass can be obtained by analyzing the captured image obtained by imaging the lower part of the culture tank. Thus, by analyzing the captured image obtained by imaging the lower part of the culture tank, the size of the cell mass can be measured without imaging the entire culture tank. Therefore, since it is not necessary to move the imaging device or the culture tank, it is possible to observe the cell culture state without increasing the size of the device.
上述のように、培養槽の下方に向かうにつれて、細胞塊の大きさは大きくなり、培養槽の上方に向かうにつれて、細胞塊の大きさは小さくなるように、細胞塊は分布している。したがって、培養槽の下部を撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽内のうちの細胞塊の最大塊径を得ることができる。 As described above, the cell mass is distributed such that the size of the cell mass increases toward the lower side of the culture tank, and the size of the cell mass decreases toward the upper side of the culture tank. Therefore, by analyzing the captured image obtained by imaging the lower part of the culture tank, the maximum mass diameter of the cell mass in the culture tank can be obtained.
培養液の単位時間当たりの供給量が減少すると、培養槽内の上昇流の流速が低下し、細胞塊が沈降する。その後、培養液の単位時間当たりの供給量が増加に転じると、培養槽内の上昇流の流速が増加する。このとき、培養槽の下方に向かうにつれて、上昇流の流速が大きくなるので、細胞塊はより大きなせん断応力を受けることになる。その結果、細胞塊が破砕され、全体の細胞塊径を閾値以下に維持することが可能となる。 When the supply amount of the culture solution per unit time decreases, the flow rate of the upward flow in the culture tank decreases and the cell mass settles. Thereafter, when the supply amount of the culture solution per unit time starts to increase, the flow rate of the upward flow in the culture tank increases. At this time, the upward flow velocity increases toward the bottom of the culture tank, so that the cell mass is subjected to a greater shear stress. As a result, the cell mass is crushed and the entire cell mass diameter can be maintained below the threshold value.
制御装置は、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量が減少するように供給装置を制御してもよい。画像処理装置は、撮像画像に基づいて、培養槽内の細胞塊の大きさの分布を測定してもよい。この場合、単位時間当たりに培養槽に供給される培養液の供給量が減少することによって、培養槽内の細胞塊が沈降を開始する。このため、培養槽内の細胞塊が、培養槽の下部に向かって移動するので、細胞塊が沈降を開始してから培養槽の下部を繰り返し撮像することで、より多くの細胞塊が撮像され得る。したがって、培養槽の下部を撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽内の細胞塊の大きさの分布を得ることができる。 The control device may control the supply device such that the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time decreases. The image processing apparatus may measure the distribution of the size of the cell mass in the culture tank based on the captured image. In this case, when the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time decreases, the cell mass in the culture tank starts to settle. For this reason, since the cell mass in the culture tank moves toward the lower part of the culture tank, more cell masses are imaged by repeatedly imaging the lower part of the culture tank after the cell mass starts to settle. obtain. Therefore, by analyzing the captured image obtained by imaging the lower part of the culture tank, the distribution of the size of the cell mass in the culture tank can be obtained.
[2]実施形態の例示
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。[2] Examples of Embodiments Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、一実施形態に係る細胞培養装置の概略構成を示す図である。図1に示される細胞培養装置1は、液体の培地(培養液)を用いて培養対象である細胞を培養するための装置である。細胞培養装置1は、培養槽2と、ポンプ3と、カメラ4と、画像処理装置5と、制御装置6と、を備える。
FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a cell culture device according to an embodiment. A cell culture device 1 shown in FIG. 1 is a device for culturing cells to be cultured using a liquid medium (culture solution). The cell culture device 1 includes a
培養槽2は、培養液中で細胞の培養を行うための容器である。培養槽2は、水平方向での断面積(水平断面積)が上方に向かうにつれて増加する形状を有している。本実施形態では、培養槽2の形状は、逆円錐台状であるが、逆円錐台状には限定されない。例えば、培養槽2の形状は、逆円錐状、逆多角錐状、又は逆多角錐台状であってもよい。培養槽2の内部には、培養液が満たされる。また、培養槽2内では、細胞又は細胞が付着した担体が所定の高さ範囲で浮遊する。
The
培養槽2の容量は特に限定されないが、例えば、10mL〜10,000mL程度であってもよい。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又は細胞塊の大きさ等に基づいて適宜選択され得る。培養槽2の容量は、培養槽2の取り扱い性等に応じて選択されてもよい。例えば、培養槽2の容量が50mL〜500mL程度である場合には、培養槽2単体での取り扱い性が向上する。
Although the capacity | capacitance of the
培養槽2の下端には、循環ラインL1が接続される。培養槽2の上端には、循環ラインL2が接続される。循環ラインL1及び循環ラインL2はそれぞれ、培養槽2とポンプ3との間を連結する。循環ラインL1及び循環ラインL2のそれぞれは、例えば、配管である。
A circulation line L <b> 1 is connected to the lower end of the
ポンプ3は、培養槽2内で培養液が上昇流を形成するように、培養槽2に培養液を供給する供給装置として機能する。本実施形態では、ポンプ3は、培養槽2内に培養液を供給することで、培養液を循環(灌流)させる。ポンプ3が作動することによって、循環ラインL1を介して培養槽2に培養液が供給され、循環ラインL2を介して培養槽2から培養液が排出される。つまり、ポンプ3が作動することにより、培養液は循環ラインL1、培養槽2、循環ラインL2、及びポンプ3の順に循環する。培養槽2内では、培養液は培養槽2の下部2aから上部に向かって流れる。
The
培養槽2、ポンプ3、循環ラインL1、及び循環ラインL2は、インキュベータ10に収容されている。インキュベータ10は、培養液を培養環境に応じた温度に適切に維持するための恒温室である。インキュベータ10の側壁には、窓部10aが設けられている。窓部10aは、インキュベータ10の外部からインキュベータ10の内部を観察可能な部分である。窓部10aとしては、例えば、透明なガラス又はアクリル板が用いられる。
The
カメラ4は、培養槽2を撮像することで撮像画像を取得する撮像装置である。カメラ4は、培養槽2の少なくとも下部2aを撮像する。本実施形態では、カメラ4は、インキュベータ10の外部に配置されているので、窓部10aを介して培養槽2を撮像する。撮像画像は、静止画像でもよく、動画像でもよい。カメラ4は、撮像画像を画像処理装置5に送信する。撮像画像の背景を統一するために、カメラ4から見て培養槽2の後ろ側に単色の背景紙が設置されてもよい。これにより、撮像画像において、細胞塊の視認性が向上する。背景紙の色は、培養槽2内の細胞の色と異なる色であればよく、例えば、緑色である。背景紙の色は、緑色以外であってもよい。
The camera 4 is an imaging device that acquires a captured image by imaging the
画像処理装置5は、カメラ4によって取得された撮像画像に基づいて、培養槽2内の細胞塊を測定する装置である。測定項目としては、培養槽2内の細胞塊の大きさ(細胞塊径)、及び大きさの分布(平均及び分散)等が挙げられる。なお、細胞塊径とは、細胞塊の大きさを表す指標であり、例えば、細胞塊の形状内における任意の2点間の距離のうちの最大値である。細胞塊が円形状である場合には、細胞塊径は、細胞塊の直径を示す。細胞塊が楕円状である場合には、細胞塊径は、細胞塊の長軸の長さを示す。画像処理装置5は、培養槽2内の細胞塊の大きさの分布から、培養槽2内の細胞総数を推定してもよい。細胞塊の測定の詳細は、後述する。画像処理装置5は、測定データを制御装置6に送信する。
The
制御装置6は、細胞培養装置1に係る各種の制御を行うコントローラである。例えば、制御装置6は、ポンプ3による培養液の供給を制御する。制御装置6は、カメラ4に撮像指令を送信し、カメラ4に撮像させる。制御装置6は、画像処理装置5から受信した測定データを不図示の記憶装置に格納する。記憶装置の例としては、ハードディスク、及び半導体メモリが挙げられる。制御装置6は、インキュベータ10の温度制御、及び溶存酸素の制御を行ってもよい。
The
制御装置6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。これらの構成要素が動作することにより、後述の制御装置6の機能が発揮される。なお、画像処理装置5も制御装置6と同様のコンピュータとして構成される。
The
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、及び新たな培養液を供給するための導入ライン等が別途設けられてもよい。 Note that the cell culture apparatus 1 may be separately provided with a drain line for discharging the culture medium to the outside, an introduction line for supplying a new culture medium, and the like.
細胞培養装置1では、培養槽2の上方に向かうにつれて、培養槽2の水平断面積が大きくなるので、培養液の流速(上昇流の速度)は、培養槽2の上方に向かうにつれて減少する。各細胞は、細胞の沈降速度と培養液の流速とがつり合った高さで浮遊しながら培養される。細胞の培養によって多くの細胞が、担体に担持され、固定され、又は付着されて集合体(細胞塊)を成し、細胞の3次元的な培養が進行して細胞塊が成長する。細胞塊が成長することで細胞塊径が大きくなると、細胞塊の沈降速度が大きくなる。そして、細胞塊はさらに沈降し、細胞塊の沈降速度と培養液の流速とがつり合った高さで浮遊する。このため、培養槽2の下方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は大きくなり、培養槽2の上方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は小さくなるように、細胞塊は分布している。
In the cell culture device 1, the horizontal cross-sectional area of the
次に、図2及び図3を参照して、培養槽2内の細胞塊の測定方法について説明する。ここでは、細胞培養装置1が、最大塊径測定モードと、塊径分布測定モードと、を実施する場合について説明する。図2は、最大塊径測定モードの一連の処理の一例を示すフローチャートである。最大塊径測定モードは、培養槽2内に存在する細胞塊の細胞塊径のうち、最大の細胞塊径を測定するモードである。図2に示される最大塊径測定モードの一連の処理は、例えば、30分に1回程度の頻度で繰り返し実施される。
Next, with reference to FIG.2 and FIG.3, the measuring method of the cell mass in the
まず、制御装置6が、カメラ4に撮像指令を送信するとともに、画像処理装置5に最大塊径測定指令を送信する。このとき、ポンプ3は通常通り、単位時間当たり一定の供給量で培養液を培養槽2に供給しているので、培養槽2の下方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は大きくなり、培養槽2の上方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は小さくなるように、細胞塊は分布している。そして、カメラ4は制御装置6から撮像指令を受信すると、培養槽2の下部2aを撮像し、撮像画像を画像処理装置5に送信する。そして、画像処理装置5は、カメラ4から撮像画像を取得する(ステップS11)。
First, the
続いて、画像処理装置5は、撮像画像と予め記憶されている背景画像とを用いて、差分画像を生成する(ステップS12)。具体的には、画像処理装置5は、撮像画像に含まれる各画素の画素値と、当該画素に対応する背景画像の画素の画素値との差分を算出することで、差分画像を生成する。背景画像は、細胞を培養していない状態で培養液を循環させている培養槽2の下部2aを撮像することで得られた画像である。背景画像は、例えば、初期培養時において、細胞を投入する前の培養槽2を撮像することによって取得される。
Subsequently, the
続いて、画像処理装置5は、差分画像に対してフィルタ処理を行う(ステップS13)。画像処理装置5は、例えば、フィルタ処理として、ノイズ処理、及びエッジ処理等を行う。そして、画像処理装置5は、フィルタ処理が行われた差分画像を2値化画像に変換する(ステップS14)。具体的には、画像処理装置5は、フィルタ処理が行われた差分画像の各画素の画素値と予め定められた2値化閾値とを比較し、画素値が2値化閾値よりも大きい場合には0(黒)とし、画素値が2値化閾値以下の場合には1(白)とすることで、差分画像を2値化画像に変換する。
Subsequently, the
続いて、画像処理装置5は、2値化画像に対してラベリングを行う(ステップS15)。このラベリングによって、2値化画像において連続している部分に同じラベル番号が割り振られ、背景の領域及び各細胞塊の領域が抽出される。そして、画像処理装置5は、各細胞塊の細胞塊径を算出する(ステップS16)。画像処理装置5は、例えば、楕円フィッティングを用いて、細胞塊を楕円形とみなしたときの長軸の長さを細胞塊径として算出する。なお、楕円フィッティングでは、長軸が長くなる可能性がある。このため、画像処理装置5は、円フィッティング又は矩形フィッティングを用いて、細胞塊径を算出してもよい。
Subsequently, the
続いて、画像処理装置5は、最大塊径を算出する(ステップS17)。具体的には、画像処理装置5は、撮像画像(2値化画像)に含まれるすべての細胞塊の細胞塊径のうちの最大の細胞塊径を抽出し、抽出した細胞塊径を培養槽2内の細胞塊の最大塊径とする。そして、画像処理装置5は、最大塊径を含む測定データを出力する(ステップS18)。例えば、画像処理装置5は、最大塊径を含む測定データを制御装置6に送信する。そして、制御装置6は測定データを記憶装置に記憶する。このようにして、最大塊径測定モードの一連の処理が終了する。
Subsequently, the
このように、最大塊径測定モードでは、ポンプ3は通常通り作動しているので、培養槽2の下方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は大きくなり、培養槽2の上方に向かうにつれて、細胞塊の細胞塊径は小さくなるように、細胞塊は分布している。つまり、最大塊径を有する細胞塊は、培養槽2の下部2aに浮遊している。このため、培養槽2の下部2aを撮像することで得られた撮像画像を解析することで、最大塊径が得られる。
Thus, in the maximum clot diameter measurement mode, since the
なお、図2に示された処理では、撮像画像において細胞塊同士が重なっている場合、実際の細胞塊よりも大きい細胞塊が検出される場合がある。このため、画像処理装置5は、ステップS11〜ステップS17の処理を繰り返し行い、一定回数の計算で得られた複数の最大塊径のうちの中央値を、最大塊径としてもよい。また、画像処理装置5は、上記以外の画像処理方式を用いて、最大塊径を算出してもよい。
In the process shown in FIG. 2, when the cell clusters overlap in the captured image, a cell cluster larger than the actual cell cluster may be detected. For this reason, the
次に、塊径分布測定モードについて説明する。図3は、塊径分布測定モードの一連の処理の一例を示すフローチャートである。塊径分布測定モードは、培養槽2内に存在する細胞塊の細胞塊径の分布を測定するモードである。図3に示される塊径分布測定モードの一連の処理は、例えば、1日に1回程度の頻度で繰り返し実施される。
Next, the lump diameter distribution measurement mode will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of a series of processes in the lump diameter distribution measurement mode. The lump diameter distribution measurement mode is a mode for measuring the distribution of the cell lump diameter of the cell lump existing in the
まず、制御装置6が、ポンプ3の運転を停止する(ステップS21)。なお、制御装置6は、単位時間当たりに培養槽2に供給される培養液の供給量が減少するようにポンプ3を制御してもよい。これにより、培養槽2内における培養液(上昇流)の流速は減少し始めるので、培養槽2内の細胞塊は、培養液中で浮遊することができなくなり、沈降を開始する。そして、制御装置6は、カメラ4に撮像指令を送信するとともに、画像処理装置5に塊径分布測定指令を送信する。ステップS22〜ステップS27の処理は、ステップS11〜ステップS16の処理と同様であるので、ここでは説明を省略する。
First, the
続いて、画像処理装置5は、すべての細胞塊が沈降したか否かを判定する(ステップS28)。例えば、画像処理装置5は、撮像画像に円形の物体が存在するか否かによって、すべての細胞塊が沈降したか否かを判定してもよい。具体的には、画像処理装置5は、撮像画像に円形の物体が存在する場合にすべての細胞塊が沈降したわけではないと判定し、撮像画像に円形の物体が存在しない場合にすべての細胞塊が沈降したと判定する。また、画像処理装置5は、細胞塊の沈降開始からの経過時間によって、すべての細胞塊が沈降したか否かを判定してもよい。具体的には、画像処理装置5は、塊径分布測定指令を受信してから所定時間が経過していない場合に、すべての細胞塊が沈降したわけではないと判定し、塊径分布測定指令を受信してから所定時間が経過した場合に、すべての細胞塊が沈降したと判定する。所定時間は、すべての細胞塊が沈降するまでに要する時間であって、予め測定されて、設定されている。
Subsequently, the
ステップS28において、画像処理装置5は、すべての細胞塊が沈降したわけではないと判定した場合(ステップS28;NO)、ステップS22〜ステップS28の処理を再び行う。なお、画像処理装置5は、複数の撮像画像のそれぞれについて、その撮像画像に含まれる各細胞塊の細胞塊径を算出する。このとき、画像処理装置5は、各細胞塊を逐次トラッキングすることにより、2以上の撮像画像に亘って存在する同じ細胞塊に対して1つの細胞塊径を算出する。トラッキングは、例えば、Mean−shift法によって実施される。
In step S28, when the
一方、ステップS28において、画像処理装置5は、すべての細胞塊が沈降したと判定した場合(ステップS28;YES)、各細胞塊の細胞塊径(塊径分布)を含む測定データを出力する(ステップS29)。例えば、画像処理装置5は、各細胞塊の細胞塊径(塊径分布)を含む測定データを制御装置6に送信する。そして、制御装置6は測定データを記憶装置に記憶する。そして、制御装置6は、ポンプの運転を再開する(ステップS30)。具体的には、制御装置6は、培養槽2内の培養液(上昇流)の流速を塊径分布測定モードの実施前の状態に戻すようにポンプ3を制御する。そして、塊径分布測定モードの一連の処理が終了する。
On the other hand, in step S28, when it is determined that all the cell clusters have settled (step S28; YES), the
このように、塊径分布測定モードでは、測定開始時に、ポンプ3の流量が減少され、又はゼロにされるので、培養槽2内の細胞塊が沈降を開始する。したがって、培養槽2内のすべての細胞塊が培養槽2の下部2aに到達するので、すべての細胞塊が沈降を開始してから沈降し終わるまで培養槽2の下部2aを撮像することで、すべての細胞塊が撮像され得る。このため、培養槽2の下部2aを撮像することで得られた複数の撮像画像を解析することで、すべての細胞塊の細胞塊径(塊径分布)が得られる。
Thus, in the lump diameter distribution measurement mode, the flow rate of the
なお、細胞塊が沈降し終わった後に、培養槽2の下部2aを撮像しても、細胞塊が循環ラインL1に流れ込んでいる可能性があり、すべての細胞塊を撮像することができない。また、すべての細胞塊が培養槽2の底に溜まっていたとしても、撮像画像において細胞塊同士の距離が短く、各細胞塊の輪郭を特定することが困難である。このため、すべての細胞塊が沈降を開始してから沈降し終わるまで培養槽2の下部2aを撮像することで、すべての細胞塊が観察され得る。
Even if the
以上説明したように、細胞培養装置1では、培養槽2内で培養液が上昇流を形成するように培養液が供給される。培養槽2の水平断面積が上方に向かうにつれて増加するので、培養液の流速(上昇流の速度)は、培養槽2の上方に向かうにつれて減少する。このため、培養槽2内の各細胞は、細胞の沈降速度と培養液の流速とがつり合った高さで浮遊しながら培養される。つまり、培養槽2の下方に向かうにつれて、細胞塊の大きさ(細胞塊径)は大きくなり、培養槽の上方に向かうにつれて、細胞塊の大きさ(細胞塊径)は小さくなるように、細胞塊は分布している。したがって、培養槽2の下部2aを撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽2内のうちの細胞塊の最大の大きさ(最大塊径)を得ることができる。
As described above, in the cell culture device 1, the culture solution is supplied so that the culture solution forms an upward flow in the
また、単位時間当たりに培養槽2に供給される培養液の供給量を減少するか、又はゼロにすることによって、培養槽2内の細胞塊が沈降を開始する。このため、培養槽2内の細胞塊が、培養槽2の下部2aに向かって移動するので、細胞塊が沈降を開始してから培養槽2の下部2aを繰り返し撮像することで、より多くの細胞塊が撮像され得る。したがって、培養槽2の下部2aを撮像することで得られた撮像画像を解析することで、各細胞塊の大きさを得ることができ、塊径分布を得ることができる。
Moreover, the cell mass in the
このように、培養槽2の下部2aを撮像することで得られた撮像画像を解析することで、培養槽2全体を撮像することなく、細胞塊の大きさ(本実施形態では、最大塊径及び塊径分布)を測定することができる。よって、カメラ4又は培養槽2を移動する必要がないので、装置を大型化することなく、細胞の培養状態を観察することが可能となる。また、カメラ4又は培養槽2を移動する必要がないので、構成部品を減らすことができ、製造コスト、及びメンテナンスコストを低減することが可能となる。
Thus, by analyzing the captured image obtained by imaging the
従来、培養槽内で培養中の細胞数を計測するために、培養槽内の細胞を一部取り出して、顕微鏡と血球算定盤とを用いた目視計測が行われている。しかし、培養槽から細胞を取り出す過程で細胞が大気と接触するために、意図しない雑菌が培養槽に混入するおそれがある。また、計測に使用した細胞を再び培養槽に戻して培養を行うことはできないので、細胞培養速度が低下してしまう。これに対して、細胞培養装置1では、撮像画像を解析することによって、細胞塊の最大塊径及び分布を測定しているので、培養槽2から細胞塊を取り出すことなく、細胞の培養状態をリアルタイムで観察することが可能となる。
Conventionally, in order to measure the number of cells in culture in a culture tank, some of the cells in the culture tank are taken out and visually measured using a microscope and a blood cell counter. However, since the cells come into contact with the air in the process of removing the cells from the culture tank, there is a risk that unintended bacteria may enter the culture tank. In addition, since the cells used for measurement cannot be returned to the culture tank and cultured, the cell culture rate is reduced. On the other hand, since the cell culture device 1 measures the maximum cell diameter and distribution of the cell mass by analyzing the captured image, the cell culture state can be changed without removing the cell mass from the
また、細胞培養装置1では、カメラ4は、培養槽2全体を撮像する必要がなく、少なくとも培養槽2の下部2aを撮像すればよい。このため、カメラ4として、高性能(高解像度、及び広角)なカメラが用いられなくてもよい。
Moreover, in the cell culture apparatus 1, the camera 4 does not need to image the
以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。 As mentioned above, although embodiment of this indication was described, this invention is not limited to the said embodiment.
例えば、細胞培養装置1によって培養される細胞の種類は、特に限定されない。例えば、動物における幹細胞等が培養される。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。 For example, the kind of cell cultured by the cell culture apparatus 1 is not specifically limited. For example, stem cells and the like in animals are cultured. The culture medium used as a culture medium in cell culture is appropriately selected according to the type of cells to be cultured.
上記実施形態では、カメラ4、画像処理装置5、及び制御装置6は、インキュベータ10の外部に配置されているが、カメラ4、画像処理装置5、及び制御装置6の一部又は全部は、インキュベータ10の内部に配置されてもよい。ポンプ3、循環ラインL1、及び循環ラインL2の一部又は全部は、インキュベータ10の外部に配置されてもよい。
In the above embodiment, the camera 4, the
上記実施形態では、画像処理装置5と制御装置6とは異なるコンピュータによって構成されているが、画像処理装置5と制御装置6とが1つのコンピュータによって構成されてもよい。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、細胞塊径、及び細胞塊径の分布が測定されているが、測定項目は、これらに限られない。細胞塊の形状、真円度、アスペクト比、円形度、及び面積が測定されてもよい。 In the above embodiment, the cell mass diameter and the distribution of the cell mass diameter are measured, but the measurement items are not limited to these. The shape, roundness, aspect ratio, circularity, and area of the cell mass may be measured.
また、画像処理装置5は、測定対象となる細胞塊の画像をニューラルネットワーク等のモデルに学習させておき、撮像画像から細胞塊領域を抽出してもよい。
Further, the
制御装置6は、測定データに基づいて、ポンプ3の制御を行ってもよい。例えば、培養槽2の下部2aに大きな細胞塊が発生すると、培養全体に悪影響を及ぼすことがある。そこで、制御装置6は、画像処理装置5によって測定された最大塊径と、予め定められた閾値と、を比較することによって、ポンプ3を制御してもよい。具体的には、制御装置6は、最大塊径が閾値以下である場合には、単位時間当たり一定の供給量で培養液を培養槽2に供給するようにポンプ3を制御する。一方、制御装置6は、最大塊径が閾値よりも大きい場合には、単位時間当たりに培養槽2に供給される培養液の供給量が時間の経過とともに増減を繰り返すようにポンプ3を制御する。閾値は、例えば、500μmである。
The
例えば、制御装置6は、ポンプ3をONとする駆動時間とポンプ3をOFFとする停止時間とを交互に繰り返すように、ポンプ3を制御する。そして、制御装置6は、最大塊径が閾値以下となると、単位時間当たり一定の供給量で培養液を培養槽2に供給するようにポンプ3を制御する。これにより、ポンプ3が停止すると、培養液の単位時間当たりの供給量が減少するので、培養槽2内の培養液の流速が低下し、細胞塊が沈降する。その後、ポンプ3が駆動すると、培養液の単位時間当たりの供給量が増加に転じ、培養槽2内の培養液の流速が増加する。このとき、各細胞塊は、通常稼働時に当該細胞塊が浮遊している高さよりも低い位置に沈降している。そして、培養槽2の下方に向かうにつれて、培養液の流速が大きくなるので、各細胞塊は、通常稼働時よりも大きなせん断応力を受けることになる。その結果、細胞塊が破砕され、全体の細胞塊径を閾値以下に維持することが可能となる。
For example, the
制御装置6は、通常稼働時よりも大きなせん断応力を細胞塊に与えるために、単位時間当たりに培養槽2に供給される培養液の供給量が増加するようにポンプ3を制御してもよく、単位時間当たりに培養槽2に供給される培養液の供給量が正弦波状に変化するようにポンプ3を制御してもよい。
The
1 細胞培養装置
2 培養槽
2a 下部
3 ポンプ(供給装置)
4 カメラ(撮像装置)
5 画像処理装置
6 制御装置
10 インキュベータ
10a 窓部
L1 循環ライン
L2 循環ライン1
4 Camera (imaging device)
5
Claims (2)
前記培養槽内で前記培養液が上昇流を形成するように前記培養液を供給する供給装置と、
前記培養槽の下部を撮像することで撮像画像を取得する撮像装置と、
前記撮像画像に基づいて、前記培養槽内の細胞塊の最大塊径を測定する画像処理装置と、
前記供給装置による前記培養液の供給を制御する制御装置と、
を備え、
前記培養槽は、前記培養槽の水平断面積が上方に向かうにつれて増加する形状を有し、
前記制御装置は、前記最大塊径が予め定められた閾値よりも大きい場合に、単位時間当たりに前記培養槽に供給される前記培養液の供給量が増減を繰り返すように前記供給装置を制御する、細胞培養装置。A culture vessel for culturing cells in a culture solution;
A supply device for supplying the culture solution so that the culture solution forms an upward flow in the culture tank;
An imaging device for acquiring a captured image by imaging the lower part of the culture tank;
Based on the captured image, an image processing device that measures the maximum mass diameter of the cell mass in the culture tank,
A control device for controlling the supply of the culture solution by the supply device;
With
The culture tank has a shape that increases as the horizontal cross-sectional area of the culture tank goes upward,
The control device controls the supply device so that the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time repeatedly increases and decreases when the maximum mass diameter is larger than a predetermined threshold value. Cell culture equipment.
前記画像処理装置は、前記撮像画像に基づいて、前記培養槽内の細胞塊の大きさの分布を測定する、請求項1に記載の細胞培養装置。The control device controls the supply device such that the supply amount of the culture solution supplied to the culture tank per unit time decreases,
The cell culture device according to claim 1, wherein the image processing device measures a size distribution of a cell mass in the culture tank based on the captured image.
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