JPWO2019131626A1 - 細胞培養制御方法、細胞培養制御装置、細胞培養装置および細胞培養システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一態様は、培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップとを含む細胞培養制御方法である。
培地中に浮遊しながら培養される浮遊細胞は略球状のコロニーを形成し、培養が進むにつれてコロニーのサイズ(直径)が大きくなる。すなわち、培養が進むにつれて、コロニーのサイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅は大きくなる。したがって、これらの値を細胞特徴量として用いることで、浮遊細胞の培養の進行度合いを正確に知ることができる。
このようにすることで、細胞特徴量に基づいて培地の撹拌速度を制御することができる。
このようにすることで、細胞特徴量と撹拌速度との対応関係がより適切になるように、過去に行われた培養に基づいてテーブルを更新することができる。
培地の最適な撹拌条件は、培地の温度にも影響される。したがって、細胞特徴量に加えて培地の温度も考慮することで、培地をより適切に撹拌させる撹拌制御信号を生成することができる。
このように、細胞培養装置としての構成である培養容器、撮像素子、撹拌部および撹拌制御部を備えることで、細胞培養装置として細胞培養制御装置を実現することができる。
このようにすることで、細胞特徴量および撹拌制御信号に関する情報をサーバに蓄積し、蓄積された情報を、サーバに接続された複数の細胞培養制御装置間で共有することができる。
このような通信部を備えることで、細胞培養装置の撹拌制御部による撹拌部の動作を遠隔制御することができる。
この場合に、細胞培養制御装置において生成された撹拌制御信号は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量に基づく信号である。したがって、撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。
この場合に、細胞培養制御装置に送信される画像信号は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量を算出に使用される。したがって、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。
この場合に、細胞培養制御装置によって生成される撹拌制御信号は、細胞培養装置における浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量に基づく信号である。したがって、撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。
本実施形態に係る細胞培養システム100は、図1に示されるように、細胞を培養および増殖させることによって細胞を生産する細胞培養装置1と、細胞培養装置1を制御する制御サーバ(細胞培養制御装置)2とを備えている。
細胞培養装置1と制御サーバ2は、通信ネットワーク3を経由して相互に接続されている。通信ネットワーク3は、例えば、インターネット、イントラネット、LAN(Local Area Network)、WAN(Wide Area Network)、またはこれらの組み合わせである。通信ネットワーク3は、無線および有線のいずれであってもよい。
撹拌装置6は、培養容器4の内部に配置された撹拌翼6aと、培養容器4の外部に配置された撹拌駆動装置6bと、撹拌翼6aと撹拌駆動装置6bとを接続するシャフト6cとを備えている。シャフト6cは、培養容器4内の密閉性を維持しながら培養容器4の外部から内部へ挿入されている。撹拌駆動装置6bは、シャフト6cを該シャフト6cの長手軸回りに回転駆動することで撹拌翼6aをシャフト6c回りに回転させる。
培養容器4の内部の全体または広範囲を撮像することができるように、1台の撮像装置7が培養容器4に対して移動しながら複数の位置で撮像を実行してもよく、複数の位置に複数台の撮像装置7が設けられていてもよい。
このような制御装置9は、プロセッサと、メモリとによって実現される。メモリには、撹拌装置6、撮像装置7および通信装置8の制御処理をプロセッサに実行させるためのプログラムが記憶されている。
制御サーバ2は、プロセッサ11と、メモリ12と、通信ネットワーク3を経由して細胞培養装置1と通信する通信装置(通信部)13とを備えている。メモリ12には、細胞特徴量算出プログラムおよび撹拌制御信号生成プログラムが記憶されている。
次に、プロセッサ11は、メモリ12に記憶されている細胞特徴量算出プログラムに従って、画像信号から細胞特徴量を算出する処理を実行する。具体的には、プロセッサ11は、エッジ抽出によってコロニーCの環状の縁を画像信号から抽出し、縁によって囲まれる領域をコロニーCと認識する。次に、プロセッサ11は、各コロニーCのサイズ(直径)を計測し、図5に示されるように各サイズのコロニーCの数をカウントする。次に、プロセッサ11は、図6に示されるようなコロニーCのサイズのヒストグラムを生成する。ヒストグラムにおいて、横軸はコロニーCのサイズであり、縦軸はコロニーCの数である。
条件1:画像信号から得られる量
条件2:細胞の外観に関する量
条件3:細胞の培養の進行度合いおよび培地中の細胞の分散状況のいずれかと相関する量
プロセッサ11が、時系列の複数の画像信号を細胞培養装置1の撮像装置7から取得する場合、プロセッサ11は、複数の画像信号から1つの細胞特徴量を算出してもよい。
また、細胞種または画像解析の精度によっては、画像信号から1つ1つの細胞を抽出し、各細胞の形状および細胞数を検出してもよい。
プロセッサ11は、撹拌制御信号を通信装置8,13間の通信によって細胞培養装置1へ送信する。
また、細胞培養装置1によって培養される細胞の種類に対応する複数台の制御サーバ2が設けられていてもよい。例えば、一の制御サーバ2は、細胞Aの培養用に最適化された撹拌制御信号を生成し、他の一の制御サーバ2は、細胞Aとは異なる種類の細胞Bの培養用に最適化された撹拌制御信号を生成する。この場合、各細胞培養装置1は、例えば、細胞の種類に対応する制御サーバ2と通信し、該制御サーバ2との間で画像信号の送信および撹拌制御信号の受信を行う。細胞の種類は、例えば、ユーザによって指定される。
細胞培養システム100によって細胞を生産するためには、細胞を含む培地Mを供給口4aから培養容器4内へ供給し、培地Mおよび細胞を収容する培養容器4を筐体5内に収容し、筐体5内の細胞の培養に適した環境下で細胞を培養する。培養中、細胞が培地M中に均一に分散するように、培地M中に配置された撹拌翼6aの回転によって培地Mが撹拌される。細胞培養システム100は、図7および図8に示される細胞培養制御方法に従って培養中の培地Mの撹拌を制御する。
次に、ステップS2において、プロセッサ11は、通信装置13から画像信号を受信する。
プロセッサ11は、通信装置13、通信ネットワーク3および通信装置8を経由して撹拌制御信号を制御装置9へ送信する(ステップS6)。
例えば、制御装置9は、撹拌翼6aの現在の回転数が許容範囲内であるか否かを判断する(ステップS51)。回転数の許容範囲は、撹拌制御信号の回転数に基づいて決定される範囲である。現在の回転数が許容範囲内である場合(ステップS51のYES)、制御装置9は、現在の回転数を維持する。一方、現在の回転数が許容範囲外である場合(ステップS51のNO)、制御装置9は、撹拌駆動装置6bを制御することによって、撹拌翼6aの回転数を撹拌制御信号の回転数に変更させる(ステップS52)。
また、撹拌による細胞への影響を抑えるために、培地Mの撹拌速度は必要最低限に抑えることが好ましい。
また、培養の進行度合いの検知に培地Mに非接触で得ることができる画像信号を用いることで、液面に接するセンサ等を使用する場合と異なり、培養容器4を使い捨てに好適な構成とすることができる。
サーバは、複数台の細胞培養装置10の各々から上記の処理結果を受信し、受信した処理結果をメモリ12に記憶させることで過去の培養における細胞特徴量と撹拌制御信号とを相互に対応付けて蓄積する。
このように、複数台の細胞培養装置10が細胞特徴量および撹拌制御信号を相互に共有することで、テーブルを効率的に更新することができる。
培地中の細胞の分散状況と相関する細胞特徴量としては、例えば、ヒストグラムの分散値または半値幅を用いることができる。
1 細胞培養装置
10 細胞培養装置(細胞培養制御装置)
2 制御サーバ(細胞培養制御装置)
3 通信ネットワーク
4 培養容器
5 筐体
6 撹拌装置(撹拌部)
7 撮像装置
7a 撮像素子
8 通信装置(通信部)
9 制御装置(撹拌制御部)
11 プロセッサ
12 メモリ
13 通信装置(通信部)
M 培地
C コロニー
Claims (13)
- 培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、
前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップとを含む細胞培養制御方法。 - 前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像素子によって撮像し前記画像信号を生成するステップを含み、
前記画像信号を取得するステップが、前記撮像素子と通信し該撮像素子から前記画像信号を受信するステップを含む請求項1に記載の細胞培養制御方法。 - 前記細胞特徴量を算出するステップが、
前記画像信号から前記浮遊細胞のコロニーを抽出するステップと、
前記コロニーのサイズのヒストグラムを生成するステップと、
前記ヒストグラムにおける前記サイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅のいずれかを前記細胞特徴量に設定するステップとを含む請求項1または請求項2に記載の細胞培養制御方法。 - 前記撹拌制御信号を生成するステップが、
前記細胞特徴量と前記培地の撹拌速度とが対応付けられたテーブルを参照するステップと、
前記細胞特徴量を算出するステップにおいて算出された前記細胞特徴量と対応する撹拌速度を前記テーブルから選択し、選択された前記撹拌速度で前記培地を撹拌させる前記撹拌制御信号を生成するステップとを含む請求項1から請求項3のいずれかに記載の細胞培養制御方法。 - 前記撹拌制御信号を生成するステップが、
過去の浮遊細胞の培養において算出された前記細胞特徴量と前記撹拌制御信号との対応関係を用いて前記テーブルを更新するステップを含む請求項4に記載の細胞培養制御方法。 - 前記撹拌制御信号を生成するステップが、
前記培養容器内の前記培地の温度を取得するステップと、
前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量および前記温度の両方に基づいて生成するステップとを含む請求項1から請求項5のいずれかに記載の細胞培養制御方法。 - プロセッサを備え、
該プロセッサが、
培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容し、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、
前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成する細胞培養制御装置。 - 前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、
該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し前記画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える請求項7に記載の細胞培養制御装置。 - 前記細胞特徴量の算出に係る処理の結果および前記撹拌制御信号の生成に係る処理の結果の少なくとも一方を通信ネットワークを経由してサーバに送信する通信部を備える請求項7または請求項8に記載の細胞培養制御装置。
- 前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置と通信ネットワークによって接続され、
前記画像信号を前記通信ネットワークを経由して前記撮像素子から受信し、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号を前記通信ネットワークを経由して前記撹拌制御部に送信する通信部を備える請求項7に記載の細胞培養制御装置。 - 液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、該撹拌制御信号は、前記画像信号から算出され前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量に基づいて生成される、通信部と、
該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置。 - 液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、前記画像信号は、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量の算出ならびに該細胞特徴量に基づく前記撹拌制御信号の生成に使用される、通信部と、
該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置。 - 液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置と、
該細胞培養装置と通信ネットワークによって接続された細胞培養制御装置とを備え、
前記細胞培養装置が、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
前記細胞培養制御装置から受信した撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備え、
前記細胞培養制御装置が、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するプロセッサを備える細胞培養システム。
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