WO2011027563A1 - 攪拌方法、細胞培養方法、攪拌装置及び細胞培養装置 - Google Patents
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Abstract
培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して、培養容器と細胞との剥がれやすさ及び細胞同士の剥がれやすさを測定する工程と、培養容器と細胞との剥がれやすさ及び細胞同士の剥がれやすさに基づいて、培養容器中の細胞に対する攪拌処理の処理内容を決定して培養容器中の細胞を攪拌処理する工程とを有することを特徴とする。
Description
本発明は、細胞の培養時に用いる攪拌方法、細胞培養方法、攪拌装置及び細胞培養装置に関する。
細胞の培養を行う場合には、培養容器内部の培地を交換する作業や、培養する細胞を新しい培地へ播種する作業が必要となる。このような作業は、その作業の繁雑さやコンタミネーションなどの発生の抑制を考慮して、熟練した作業者が手作業により実行していることが多い。最近では、再生医療用の幹細胞を用いた培養が行われているが、このような細胞の培養を手作業で行うためには、細胞の培養に係わる効率が悪い。最近では、上述した作業を自動的に実行することで、細胞の培養に伴う効率の向上を図るようにした細胞培養装置が提供されている(特許文献1参照)。
このような細胞培養装置を用いて細胞を培養する場合、細胞と該細胞が接着される培養容器の底面などの内面(以下、接着面と称する)との接着強度や、細胞と接着面との接着強度と各細胞間の接着強度との関係が、細胞の培養に大きく影響することが明らかになっている。このため、培養する細胞と培養時に用いる培養容器との組み合わせによっては、培養していく過程で増殖される細胞の密度ムラが発生してしまう。このようなムラの発生は、培養する細胞を効率的に増殖させることができない原因となる。
本発明は、培養する過程で生じる細胞の密度ムラを防止することで、培養する細胞を効率的に培養することができるようにした攪拌方法、細胞培養方法、攪拌装置及び細胞培養装置を提供することを目的にする。
本発明の攪拌方法は、培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して、前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程と、前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさに基づいて、前記培養容器中の細胞に対する攪拌処理の処理内容を決定して前記培養容器中の細胞を攪拌処理する工程とを有することを特徴とする。
また、本発明の細胞培養方法は、前記培養容器に前記細胞を播く播種工程と、前記培養容器内で培養した前記細胞を、上述した攪拌方法によって攪拌する工程と、を行なうことを特徴とする。
また、前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程は、前記培養容器に前記細胞を播種して前記細胞が前記培養容器に定着した際に、前記培養容器を所定の加速度で移動させて停止することで前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさを測定する工程と、前記培養容器に前記細胞が培養された後に、前記培養容器を所定の加速度で移動させて停止することで前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程と、からなるものである。
また、本発明の攪拌装置は、培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して攪拌処理を実行する攪拌手段と、前記細胞と前記培養容器の内面との剥がれやすさと、前記細胞同士の剥がれやすさとの大小関係に応じて、前記攪拌手段における攪拌処理の処理内容を決定する攪拌処理内容決定部と、前記攪拌処理内容決定部により決定された前期攪拌処理の処理内容に基づいて、前記攪拌手段を駆動制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、前記培養容器の種類及び前記細胞の種類を入力する入力部を備え、前記攪拌処理内容決定部は、前記入力部により入力された前記培養容器の種類及び前記細胞の種類に基づいて前記大小関係を推定し、前記攪拌手段における攪拌処理の内容を決定するものである。
また、前記培養容器の種類と前記細胞の種類に応じて、前記攪拌処理の処理内容が対応付けられた攪拌処理情報を記憶する記憶部を更に設け、前記攪拌処理内容決定部は、前記入力部により前記培養容器の種類及び前記細胞の種類が入力されたときに、前記攪拌処理情報を参照することで前記攪拌手段における攪拌処理の処理内容を決定するものである。
また、前記培養容器に加速度を与える培養容器移動手段と、前記培養容器中の細胞の動きを観察する観察部と、前記観察部による前記細胞の観察結果を解析することで、前記大小関係を求める解析部と、を備えていることが好ましい。
また、前記大小関係は、前記細胞と前記培養容器の内面との接着強度と、前記細胞同士の接着強度との大小関係として求めることが好ましい。
また、前記大小関係は、前記加速度を与えたときの前記培養容器に接着していた細胞が前記培養容器から剥がれた際の移動距離と、前記細胞同士で接着していた細胞の前記細胞同士が剥がれた際の移動距離との大小関係として求めることが好ましい。
なお、前記攪拌処理の処理内容とは、前記攪拌処理の有無、前記攪拌処理を実行するときに前記培養容器に与えられる加速度及び前記加速度を与える回数からなることが好ましい。
また、本発明の細胞培養装置は、上述した攪拌装置のいずれかと、前記攪拌装置を内部に備え、前記細胞を培養する状態に環境を維持する恒温室と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の攪拌装置は、培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して攪拌処理を実行する攪拌手段と、前記培養容器の種類及び前記細胞の種類を入力する入力部と、前記入力部により入力された前記培養容器の種類及び前記細胞の種類との組み合わせから、既に求められている前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさと前記細胞同士の剥がれやすさに基づいて決定された攪拌処理の処理内容を記憶する記憶部と、前記記憶部から前記培養容器の種類及び前記細胞の種類に基づき、読み出された前記攪拌処理の処理内容に基づいて、前記攪拌手段を駆動制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明の細胞培養装置は、上述した攪拌装置と、前記攪拌装置を内部に備え、前記細胞を培養する状態に環境を維持する恒温室と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、細胞の密度ムラの発生を防止することで、培養する細胞を効率的に培養することができる。
以下、本実施形態の細胞培養装置の構成を詳細に示す。なお、以下に示す細胞培養装置は一例であり、本実施形態に示す細胞培養装置の構成に限定されるものではない。図1から図3に示すように、細胞培養装置10は、微生物や細胞などの試料を培養する第1筐体11と、制御ユニット13を収納する第2筐体12とを備えている。細胞培養装置10の組立状態において、第1筐体11は第2筐体12の上部に配置される。
第1筐体11は、内部が断熱材で覆われた恒温室15を備えている。この恒温室15は、第1筐体11の正面に形成された正面開口16によって外部と連絡している。第1筐体11の正面開口16は、内扉17と2枚の外扉18a,18bによって閉塞される。この内扉17及び外扉18a,18bの背面側の周縁部にはパッキン等が設けられ、それぞれの扉を閉じたときに恒温室15の内部が気密に保持される。つまり、内扉17のみが閉じられた場合や、内扉17だけでなく2枚の外扉18a,18bがそれぞれ閉じられた場合には、細胞培養装置10の外部から恒温室15の内部への熱の流入や、恒温室15の内部から細胞培養装置10の外部への熱の流出が防止される。なお、恒温室15の内部は、図示を省略した温度調整装置、噴霧装置などにより予め定めた環境条件(温度、湿度、二酸化炭素濃度等)となるように管理される。
上述した外扉18a,18bのうち、外扉18bには搬入用扉22が設けられる。この搬入用扉22は、培養容器31を収納したキャリー25をキャリー設置台26に搬入する、又はキャリー設置台26に設置されたキャリー25を搬出する際に開放される。この搬入用扉22を開放すると、開口23を介して内扉17に設けられた小扉24が露呈される。内扉17及び小扉24は、ガラスや透明な合成樹脂から形成されており、外扉18a,18bを開放した場合であっても、その内部の環境条件が急激に変化しないようになっている。この内扉17に設けられる小扉24を開放することで、培養容器31が収納されたキャリー25をキャリー設置台26に搬入する、又はキャリー設置台26に設置されたキャリー25を搬出することが可能となる。なお、キャリー25は、例えば培養容器31を所定の間隔を空けて3個上下に収納することができる。
恒温室15の内部には、キャリー設置台26、ストッカー27、容器搬送機構28、攪拌機構29、観察ユニット30等が配置される。なお、図示は省略するが、この恒温室15の内部には、培地交換を行う培地交換機構や、細胞の播種を行う播種機構などが設けられている。
上述したように、キャリー設置台26は、その上部にキャリー25が載置される。図示は省略するが、キャリー設置台26には、側面にガイドレールが設けられている。このガイドレールは、キャリー25の下面にガイドレールが入り込む間隔を空けて設けられた案内溝に入り込むことで、搬入又は搬出されるキャリー25の移動方向を規制する。なお、この案内溝の延出方向は、培養容器31をキャリー25に搬入する方向、又は培養容器31をキャリーから搬出する方向と直交している。
ストッカー27は、第1筐体11の正面からみて恒温室15の左側に配置される。ストッカー27は上下方向に複数の棚を有しており、各々の棚には培養容器31が収納される。なお、このストッカー27においては、各培養容器31を収納する位置(以下、収納位置と称する)が予め設定されている。収納位置のそれぞれには、他の収納位置と識別するための識別番号が対応付けられており、この識別番号により、培養する細胞の観察スケジュールや観察時に得られる画像データなどが一括で管理される。
このストッカー27に載置される培養容器31としては、ディッシュ、ウェルプレート、フラスコなどが挙げられる。各々の培養容器31は、細胞など培養対象となる試料が培養液33である培地とともに保持される。これら培養容器31は、この細胞培養装置10による細胞培養及び細胞観察を行う際には、透明なトレー状のホルダー32に位置決め固定された状態で取り扱われる。なお、細胞としては、例えば幹細胞など再生医療に利用される細胞が挙げられる。
容器搬送機構28は、第1筐体11の正面からみて恒温室15の略中央に配置される。この容器搬送機構28は、キャリー25に収納された培養容器31をストッカー27に向けて(又はその逆)搬送する、或いはストッカー27に収納された培養容器31を、キャリー25、観察ユニット30又は攪拌機構29のいずれかに向けて(又はその逆)搬送する。この容器搬送機構28の各部の位置はエンコーダ等を介して、制御ユニット13にモニタされる。
攪拌機構29は、培養容器31に培養される細胞を播種したときに生じる播種ムラや、培養容器31に播種された細胞が培養される過程で生じる細胞の密度ムラを解消するために設けられる。なお、この攪拌機構29による攪拌処理とは、培養容器31とともに培地中の細胞に対して、X方向における揺動、Y方向への揺動、後述する直線Lを中心にした回転方向の揺動の少なくともいずれか、またはこれらの組み合わせを所定回数実行する処理である。以下、培養容器31に培養される細胞のうち、培養容器31の底面(以下、接着面)に接着される細胞や、他の細胞に結合(接着)した細胞を接着細胞、接着面に接着されずに培養液33中に浮遊している細胞を浮遊細胞と称して説明する。
図4に示すように、攪拌機構29は、Xステージ35、Yステージ36、回転ステージ37、基台38を備えている。Xステージ35は、攪拌機構29の最上部に配置され、その上面に培養容器31を位置決めするプレート39が取り付けられる。培養容器31を固定したホルダー32は、プレート39の上面に位置決め固定される。このXステージ35は、X軸駆動機構40によってX軸方向に移動する。
Yステージ36は、Xステージ35と回転ステージ37との間に配置される。このYステージ36は、Y軸駆動機構41によりY軸方向に移動する。このYステージ36がY軸方向に移動する際に、Xステージ35もYステージ36とともにY軸方向に移動する。
回転ステージ37は、Yステージ36と基台38との間に配置される。この回転ステージ37は、回転機構42によって、図4に示す直線Lを中心に回転する。この回転ステージ37の回転に併せて、Xステージ35及びYステージ36も回転する。
なお、図4においては、図の煩雑さを解消するために、X軸駆動機構39、Y軸駆動機構40、回転機構41を、Xステージ35、Yステージ36、回転ステージ37、基台38の外部に配置している形態としているが、実際には、攪拌機構29の内部に配置されているものとする。上述したX軸駆動機構39、Y軸駆動機構40、回転機構41のそれぞれは、後述する制御ユニット13を介して駆動制御される。これら機構を駆動する際の制御内容(攪拌する際の強度レベルや攪拌する回数など)は、培養容器31にて培養する細胞の種類や、培養する際に用いる培養容器31の種類などに基づいて決定される。
この攪拌機構29は、飛散防止ケース45の内部に収納されている。この飛散防止ケース45は、培養容器31に生じる隙間から培養液33(培養液33中の細胞も含む)が飛散した場合に、恒温室15の他の機構に飛散することを防止している。この飛散防止ケース45の底面には開口が設けられ、その開口を介して攪拌機構29のコネクタ(図示省略)が挿通される。このコネクタは、攪拌機構29を恒温室15の所定位置に配置した際に、恒温室15の底面に設けられたコネクタに接続される。なお、図示は省略するが、この攪拌機構29には、図示を省略した重量センサが組み込まれており、攪拌機構29による攪拌処理の前後における培養容器31の重量を測定する。なお、この測定結果は、後述する制御ユニット13に出力され、制御ユニット13において培養容器31の重量変化が生じたことが判定された場合には、後述する表示部65aに警告表示される。このような場合には、飛散防止ケース45は攪拌機構29とともに取り外され、新たなものと交換される。
また、飛散防止ケース45の側面のうち、容器搬送機構28に対面する側面上部には、開口46が設けられている。この開口46を設けることで、容器搬送機構28によって搬送される培養容器31を飛散防止ケース45の内部に配置された攪拌機構29へと搬入する、又は攪拌機構29に位置決めされた培養容器31を飛散防止ケース45の外部へと搬出することが可能となる。
導入扉47は、開口46を遮蔽する位置(遮蔽位置)と、開口を露呈する位置(露呈位置)との間で回動自在となるように飛散防止ケース45に設けられる。この導入扉47は、通常遮蔽位置に保持される。この導入扉47は、攪拌機構29により攪拌処理された培養容器31を飛散防止ケース45の外部に搬出する場合や、攪拌処理を施す培養容器31を攪拌機構29に載置するために飛散防止ケース45の内部に搬入する場合に、開閉機構48によって、遮断位置から露呈位置へと回動される。
この飛散防止ケース45の開口46が設けられる側面とは反対側の側面には、コネクタ49が設けられる。このコネクタ49には、コンプレッサ50(図2参照)のチューブ51に一端に設けられたコネクタ52が嵌め込まれる。コンプレッサ50は、攪拌処理を行う過程で、培養容器31から培養液33が飛散した場合に作動し、飛散防止ケース45の内部の気圧を恒温室15の内部の気圧よりも低圧にする。飛散防止ケース45の内部の気圧を恒温室15の内部の気圧よりも低圧にすることで、飛散防止ケース45の内部に飛散した培養液33が、飛散防止ケース45の内部から飛散防止ケース45の外部に漏れることを防止する。
観察ユニット30は、その本体が第2筐体12の内部に設置され、観察ユニット30の上部が、第1筐体11の下方から内部に入り込むように配置される。観察ユニット30は、第1筐体11の正面からみて恒温室15の右側に配置される。この観察ユニットは第1筐体11の底面の開口に嵌め込まれて配置される。なお、この観察ユニット30の構成については省略するが、この観察ユニット30としては、位相差観察や蛍光観察、微分干渉観察等の観察方法を行うことができる顕微鏡が挙げられる。
この観察ユニット30は、例えばキャリー設置台26に設置した直後のキャリー25に収納される培養容器31や、ストッカー27に収納されてから定着時間が経過した培養容器31に対して位相差観察を行うことで、培養容器31の全体の画像や、培養される細胞の画像を取得する。ここで、定着時間とは、例えば培養液中33の浮遊細胞が接着面に接着されるまでの時間であり、例えば2時間である。この観察ユニット30にて取得される画像データは、後述するデータベース部72に記憶される。
次に、本実施形態の細胞培養装置10の電気的構成を説明する。図5に示すように、第2筐体12には、上記の観察ユニット30の本体部分と、制御ユニット13とが格納される。また、第2筐体12の前面には、モニタ65aおよび入力部65bを備えた操作パネル65が配置されている。なお、入力部65bとしては、キーボードやマウスなどが挙げられる。制御ユニット13には、通信回線66を介してコンピュータ67を接続することも可能である。
制御ユニット13は、容器搬送機構28、攪拌機構29、開閉機構48、観察ユニット30、コンプレッサ50、操作パネル65のモニタ65aおよび入力部65bとそれぞれ接続されている。この制御ユニット13は、所定のプログラムに従って細胞培養装置10の各部を統括的に制御する。一例として、制御ユニット13は、操作パネル65の入力部65bの操作やコンピュータ67の操作によって入力される、細胞の種類や培養時に用いる培養容器31の種類により、自動的に観察スケジュールを決定する。そして、制御ユニット13は決定された観察スケジュールに基づいて培養容器31の観察シーケンスを自動的に実行する。なお、観察スケジュールとしては、培養容器31に培養される細胞の観察を行うスケジュールや培地交換を行うスケジュールの他、攪拌機構29における攪拌処理のスケジュールなども含まれる。
この制御ユニット13は、通信部71、データベース部72、メモリ73、CPU74を有している。なお、通信部71、データベース部72、メモリ73は、それぞれCPU74と接続されている。通信部71は、無線または有線の通信回線を介して、細胞培養装置10の外部にあるコンピュータ67とのデータ送受信を実行する。
データベース部72には、恒温室15の内部での環境条件(温度、湿度、二酸化炭素濃度等)の履歴情報や、観察ユニット30により得られた画像データなどが記憶される。なお、これらデータは、培養容器31毎に割り振られる識別番号と対応付けた管理ファイル75として記憶されることが好ましい。
メモリ73には、上記の観察シーケンスのスケジュールデータ76や、該観察シーケンスを実行する際の演算子を算出するための演算用データ77が記録されている。スケジュールデータ76は、観察スケジュールに基づくデータである。このスケジュールデータ76は、例えば観察スケジュールの中に攪拌処理が組み込まれない場合には、各々の観察処理の開始時刻および観察所要時間、培地交換処理の開始時刻や交換処理時に係る所要時間や、観察ユニット30における撮像条件を示すデータから構成される。一方、観察スケジュールとして攪拌処理が組み込まれた場合のスケジュールデータ76は、上述したデータの他に、攪拌処理の開始時刻、攪拌処理の所要時間、攪拌機構29における攪拌処理の攪拌条件(攪拌時の強度や攪拌回数)を規定するためのデータなど攪拌処理に係るスケジュールに基づくデータから構成される。このスケジュールデータ76は、例えば上述した識別番号と対応付けられて記憶される。このスケジュールデータ76は、管理ファイル75と対応付けられて管理されればよいことから、管理ファイル75と個別にメモリ73の内部に記憶されてもよいし、データベース部72に記憶される管理ファイル75の内部に格納されてもよい。
また、このメモリ73には、上述したスケジュールデータ76や、演算用データ77の他に、第1攪拌データ78及び第2攪拌データ79が記憶される。第1攪拌データ78は、細胞の種類と培養容器31の種類とが入力部65bの操作により入力された場合に読み出される。この第1攪拌データ78は、細胞の種類及び培養容器31の組み合わせに対して、細胞-細胞間の接着強度及び細胞-接着面間の接着強度、攪拌処理の有無、攪拌時の強度レベル(攪拌の強さ)及び攪拌回数がそれぞれ対応付けられたデータである。なお、攪拌時の強度レベルとしては、攪拌機構29に設けられたXステージ35、又はYステージ36を揺動させる、或いは回転ステージ37を回転させるときに、各ステージに与える加速度が挙げられる。また、攪拌回数とは、各ステージを揺動させる回数、言い換えれば加速度を与える回数である。
第2攪拌データ79は、後述する測定モードを実行する際に使用される。この第2攪拌データ79は、細胞同士が結合した場合に細胞-細胞間に生じる接着強度、及び細胞が接着面に接着された場合に発生する細胞-培養容器に生じる接着強度の組み合わせと、これら接着強度を比較した結果、攪拌処理の有無、攪拌の強度レベル、攪拌回数が対応付けられたデータからなる。
CPU74は、制御ユニット13の各種の演算処理を実行するプロセッサである。このCPU74は、画像解析部81、演算部82、スケジュール管理部83及びタイマ84の機能を有している。画像解析部81は、観察ユニット30により得られる画像データを用いて画像解析を実行する。演算部82は、画像解析に伴う演算を実行する。スケジュール管理部83は、観察スケジュールの登録処理や変更処理を行う。また、タイマ84は、観察スケジュールを管理する際に使用される。
以下、観察スケジュールの生成及び登録する処理の流れについて、図6のフローチャートに基づいて説明する。なお、図6においては、予め培養する細胞の種類及び培養に用いる培養容器31の種類がわかっている場合についての流れを示している。
ステップS101は、細胞の種類及び培養容器の種類を入力する処理である。ユーザは入力部65bを操作して、細胞の種類や培養容器31の種類を入力する。この場合、入力部65bにより細胞の種類や培養容器31の種類を直接入力できるようにしてもよいし、細胞の種類の一覧や、培養容器31の種類の一覧をモニタ65aに表示させ、入力部65bの操作により選択させるようにしてもよい。
ステップS102は、入力された細胞の種類及び培養容器の種類に基づいた攪拌処理の有無を決定する処理である。ステップS101において、培養する細胞の種類及び培養容器31の種類が入力されている。CPU74は、メモリ73に記憶された第1攪拌データ78を読み出し、入力部65bの操作により入力された細胞の種類及び培養容器31の種類の組み合わせに対応するデータから、攪拌処理の有無の情報を読み出す。読み出された攪拌処理の有無の情報に基づいて、実際に攪拌処理を行うか否かが決定される。
ステップS103は、攪拌処理を実行する否かを判定するステップである。ステップS102の処理を実行することで、CPU74によって攪拌処理の有無の情報が読み出されている。読み出した攪拌処理の有無の情報が攪拌処理を実行する旨の情報である場合には、CPU74は、このステップS103の判定処理をYesとする。この場合、ステップS104に進む。一方、読み出した攪拌処理の有無の情報が攪拌処理を実行しない旨の情報である場合には、CPU74は、このステップS103の判定処理をNoとする。この場合ステップS106に進む。
一般に、培養する細胞と該細胞を培養する培養容器31との組み合わせによって、培養を行う培養容器31の接着面に接着されたときに細胞-接着面間の接着強度が、細胞と細胞とが結合したときの細胞-細胞間の接着強度よりも弱くなる、又は強くなるなど様々である。例えば細胞が接着面に接着されたときの細胞-接着面間の接着強度が、細胞同士が結合したときの細胞-細胞間の接着強度よりも弱い場合には、培養される細胞は他の細胞と結合しやすく、複数の細胞が結合し、凝集してしまう部分(以下、凝集部)が発生してしまう。この凝集部では、培養液33が凝集部の内部の細胞にまで到達しないことから、培養する細胞が死滅してしまう。このため、細胞が接着面に接着されたときの細胞-接着面間の接着強度が、細胞同士が結合したときの細胞-細胞間の接着強度よりも弱い場合には、上述した攪拌処理を実行する必要がある。このような場合には、上述したステップS103において、CPU74はYesと判定する。
一方、細胞が接着面に接着されたときの細胞-接着面間の接着強度が、細胞と細胞とが結合したときの細胞-細胞間の接着強度よりも強い場合には、細胞が培養容器31に接着されやすくなり、他の細胞と結合しにくくなる。つまり、予め細胞が均一に播種されていれば、それぞれの細胞は、他の細胞と結びつかずに沈着し、培養容器31に接着される。この状態で攪拌処理を実行すると、培養容器31に接着された細胞が培養容器31から剥離し、他の細胞と結合する、或いは結合せずに死滅する可能性があるので、このような場合には、攪拌処理は行わない。つまり、このステップS103において、CPU74は、Noと判定する。
ステップS104は、攪拌処理における攪拌の強度と攪拌回数とを決定する処理である。CPU74は、メモリ73に記憶された第1攪拌データを読み出し、入力部65aの操作により入力された細胞の種類及び培養容器31の種類の組み合わせに対応するデータから、攪拌の強度レベル、攪拌回数の情報を読み出す。これにより、読み出された情報から、細胞の培養を行う培養容器31に対して、実際に実行される攪拌処理における攪拌の強度レベルや攪拌回数が決定される。
ステップS105は、攪拌処理ありの観察スケジュールを生成する処理である。CPU74は、メモリ73に記憶された演算用データを読み出し、観察スケジュールを生成する。CPU74は、観察処理や培地交換処理と攪拌処理とが同一のタイミングで実行されないように、各処理のスケジュールを組み立て、観察スケジュールを生成する。この際、CPU74は、ステップS104にて決定された攪拌の強度レベルや攪拌回数に基づいて、観察スケジュールに組み込まれる攪拌処理のスケジュールを生成する。
ステップS103の判定処理で攪拌処理を実行しないと判定された場合には、ステップS106に進む。ステップS106は、攪拌処理無しの観察スケジュールを生成する処理である。この攪拌処理無しの観察スケジュールとしては、上述する観察処理及び培地交換処理などのスケジュールが挙げられる。
ステップS107は、観察スケジュールの登録処理である。CPU74は、ステップS105やステップS106を実行することで生成される観察スケジュールを、識別番号と対応付けた上で該観察スケジュールの元になるスケジュールデータ76をメモリ73に書き込む。なお、メモリ73に書き込まれたスケジュールデータ76に基づいて、培養容器31にて培養される細胞の観察処理や培地交換処理、必要に応じて攪拌処理がそれぞれ実行される。
これによれば、培養容器31の種類と、培養する細胞の種類との組み合わせが予めわかっており、また、この組み合わせに対する第1攪拌データ78がメモリ73に記憶されていれば、容易に、攪拌処理の有無や、攪拌処理を行う場合には該攪拌処理における強度レベルや攪拌回数を決定でき、また、培養する細胞や用いる培養容器31の組み合わせに応じた観察スケジュールを容易に生成することができる。この観察スケジュールに基づいた細胞の培養を行うことで、培養していく過程で増殖される細胞の密度ムラの発生を防止することができ、細胞を効率的に培養することが可能となる。
このような細胞の培養を行うユーザによっては、培養容器31と培養する細胞の接着力や培養する細胞同士の接着力がまだ第1攪拌データ78に登録されていないものを培養する場合があり、入力部65bを介して入力しても、上述に示す攪拌処理の判定ができない場合もある。このような場合に対処するために、例えば、本実施形態の細胞培養装置は、実際に培養を行う細胞のサンプルに対して、例えば細胞-細胞間の接着強度及び細胞-接着面間の接着強度を求め、これら接着強度に基づいて観察スケジュールを生成する測定モードを備えている。以下、図7のフローチャートに基づいて、測定モードを用いて観察スケジュールを生成する処理について説明する。
ステップS201は、培養容器31を搬入する処理である。ユーザは、外扉18bの搬入用扉22及び内扉17の小扉24をそれぞれ空け、培養容器31が収納されたキャリー25をキャリー設置台26にセットする。キャリー25をキャリー設置台26にセットした後、内扉17の小扉24、外扉18bの搬入用扉22をそれぞれ閉める。なお、キャリー25に収納される培養容器31は、観察スケジュール生成用の細胞が含まれる培養液33が保持された培養容器31であることが好ましい。
ステップS202は、培養容器を観察ユニットへ搬送する処理である。キャリー25をキャリー設置台26にセットすると、キャリー設置台26に設けられたセンサ(図示省略)によりキャリー25が検知される。また、外扉18bの搬入用扉22及び内扉17の小扉24をそれぞれ閉じると、その状態がそれぞれの扉の閉じ状態を検知するセンサ(図示省略)により検知される。CPU74は、これらセンサからの検知信号を受けて、容器搬送機構28を駆動させ、キャリー25に収納された培養容器31をキャリー25の内部から観察ユニット30に搬送する。これにより、観察ユニット30のステージ30aに培養容器31が載置され、その載置時に培養容器31が位置決めされる。
ステップS203は、画像取得及び画像解析を行う処理である。CPU74は、観察ユニット30を介して、光軸方向(Z方向)に一定の間隔を空けたスライス画像を複数取得する。なお、これらスライス画像は、周知のように、共焦点観察を行うことで取得することが可能である。CPU74は、これらスライス画像を用いることで、培養容器31の内部の各細胞の3次元画像を生成する。これにより、培養容器31の内部の各細胞が浮遊しているか、培養容器31に接着されているか等、培養容器31内部の各細胞の培養状態が識別される。
ステップS204は、培養容器に点接着された細胞があるか否かを判定する処理である。ステップS203の処理によって、培養容器31の内部の細胞の培養状態が識別されている。CPU74は、識別された各細胞のうち、点接着された細胞があるか否かを、ステップS203の識別結果に基づいて判定する。以下、便宜上1個の細胞が培養容器31に点接着された場合について説明する。例えば点接着された接着細胞91がある場合には、CPU74は、このステップS204の判定処理をYesとし、ステップS206に進む。この判定処理がなされるときには、CPU74は、点接着された接着細胞91の位置(X座標、Y座標)をメモリ73に書き込む。同時に、CPU74は浮遊細胞90を特定し、浮遊細胞90の位置もメモリ73に書き込む。一方、点接着された接着細胞91がない場合には、CPU74は、このステップS204の処理をNoとする。この場合、ステップS205に進む。
ステップS205は、待機時間が経過したか否かを判定する処理である。CPU74は、ステップS205の判定処理が実行されてからの経過時間を計時し、待機時間に到達したか否かを判定する。なお、この待機時間は、定着時間よりも短い時間であり、例えば10分からなる。例えば、CPU74により待機時間が経過したと判定されたときには、CPU74は、このステップS205の判定処理をYesとし、ステップS206に進む。一方、一定時間が経過していないと判定されたときには、CPU74は、このステップS205の判定処理をNoとする。この場合、ステップS205の処理を繰り返し実行する。
ステップS206は、細胞-接着面間の接着強度を測定する処理である。まず、CPU74は、観察ユニット30を駆動させて、観察ユニット30のステージ30aを加速度αにて移動させ(図8(a)参照)、ステージ30aを停止させる(図8(b)参照)。ステージを停止したとき、及びステージを停止してから一定時間t経過したときに、CPU74は観察ユニット30に培養容器31の全体画像を取得させる。CPU74は、得られた2つの全体画像から、ステップS203を実行することで特定された浮遊細胞90及び接着細胞91の移動距離をそれぞれ算出する。以下、浮遊細胞に対して符号90、接着細胞に対して符号91、接着面に対して符号92を付して説明する。これら移動距離の算出の後、接着細胞91の剥がれやすさを求めることとなる。具体的には、接着細胞91に与えられた加速度のうち、剥がれるために消費した加速度分を差し引いた分である加速度α’によって、剥離した細胞がある速度で移動する。したがって、移動距離が大きいということは接着強度が小さく、剥がれやすいことがわかる。また、反対に移動距離が小さいということは接着強度が大きく、剥がれにくいことがわかる。最終的に、細胞-接着面間の接着強度を推定する。なお、この加速度に関する指標α’は、細胞の種類に関係なく、培養容器31に点接着された細胞が培養容器31から剥離するために与えられた加速度である。この加速度α’は、予め実験、研究、統計などにより推定できる値である。そして、この加速度に関する指標α’が培養容器31との接着強度を示す指標の一つとなる。
上述したように、培養容器31の内部の浮遊細胞90及び接着面92に点接着している接着細胞91の質量をmとすると、ステージ30aを加速度αにて移動させた後、ステージ30aを停止させると、浮遊細胞90には加速度αによる外力F0(=mα)が働く。一方、点接着された接着細胞91は、浮遊細胞90と同一の外力F0が作用する他に、細胞-接着面間に生じる接着力F1が外力F0とは反対方向に作用する。このため、点接着された接着細胞91には、F0-F1(=F2)の力が作用し、この力により接着細胞91が接着面92から剥離される。このときに剥離した接着細胞91の加速度をα’(α’<α)とする。例えばステージ30aが停止してから一定時間t経過するまでの接着細胞91の移動距離Dと接着細胞91の速度は、得られた画像や、画像から特定される各細胞の座標値からおおよそ求めることができるので、これら値から剥離した接着細胞91に生じた加速度に類似した加速度に関する指標α’を算出することができる。この加速度に関する指標α’を算出することで、剥離した接着細胞91に作用する力F2が算出される。力F2の算出により、細胞-接着面間の接着力F1が、細胞-接着面間の接着強度として求められる。
ステップS207は、定着時間が経過したか否かを判定する処理である。このステップS207が実行されると、CPU74は計時を開始する。CPU74による計時により定着時間に到達すると、CPU74は定着時間が経過したと判定する。この場合、このステップS207の判定処理がYesとなり、ステップS208に進む。一方、定着時間に到達していない場合には、CPU74は、このステップS207の判定処理をNoとし、定着時間に到達するまで、このステップS207の処理を繰り返し実行する。
ステップS208は、細胞-細胞間の接着強度を算出する処理である。まず、CPU74は、観察ユニット30を駆動させ、培養容器30の全体画像を取得する。CPU74は、取得した培養容器31の全体画像を用いた画像解析を行い、複数の細胞が結合することで生成される凝集部を特定する。
凝集部の特定としては、まず得られた培養容器31の全体画像に対して2値化処理を行う。この2値化処理は、予め設定された閾値を超える輝度値と、該閾値以下の輝度値とを2つの値に振り分ける処理である。これにより、例えば培養容器31の輪郭を示す領域や凝集部の領域と、それ以外の領域とを分類することが可能となる。なお、培養容器31の輪郭は予めわかっていることから、この2値化処理の後、培養容器31の輪郭を示す領域を削除する。これら処理の後、所定の大きさ以上となる領域を凝集部として特定する。なお、CPU74は、特定された凝集部の位置(X座標、Y座標)をメモリ73に記憶しておく。以下、凝集部に対して符号95を、凝集部95を構成する各接着細胞に対して符号95をそれぞれ付して説明する。
これら処理の後、ステップS208の処理と同様に、観察ユニット30のステージ30aを加速度αで移動させた後、移動するステージ30aを停止させる。このときも同様に、ステージ30aを停止したとき、及びステージ30aが停止されてから所定時間t経過したときに、それぞれ培養容器31の全体画像を取得する。
このステージ30aの駆動制御により、凝集部95として結合される各接着細胞96に加速度αが加えられ、それぞれの接着細胞96が剥離する。図10に示すように、接着細胞96には、浮遊細胞90と同一の外力F0が作用する他に、細胞-細胞間に生じる接着力F3が外力F0とは反対方向に作用する。このため、凝集部95の他の接着細胞96に結合される接着細胞96には、F0-F3(=F4)の力が作用し、この力により接着細胞96が凝集部95の他の接着細胞96から剥離される。このときに剥離した接着細胞91に生じた加速度に関する指標をα’’(α’’<α)とする。例えばステージ30aが停止してから時間t経過するまでの接着細胞96の移動距離D’と接着細胞96の速度は、得られた全体画像から求めることができるので、これら値から剥離した接着細胞96の加速度に関する指標α’’を算出することができる。この加速度に関する指標α’’を算出することで、剥離した接着細胞96に作用する力F4が算出される。剥離した接着細胞96に作用する力F4の算出により、細胞-細胞間の接着力F3が、細胞-細胞間の接着強度として求められる。
ステップS209は、求めた接着強度に基づいて攪拌処理の有無を決定する処理である。ステップS206の処理を実行することで、細胞-接着面間の接着強度F1が求められ、ステップS208の処理を実行することで、細胞-細胞間の接着強度F3が求められる。CPU74は、第2攪拌データ79をメモリ73から読み出し、細胞-接着面間の接着強度F1、細胞-細胞間の接着強度F3及び第2攪拌データ79に基づいて、攪拌処理の有無を決定する。例えば細胞-接着面間の接着強度F1<細胞-細胞間の接着強度F3となる場合には、細胞を培養していく過程で凝集部95が発生することから、CPU74は、攪拌処理を行う(攪拌処理あり)とする。一方、細胞-接着面間の接着強度F1>細胞-細胞間の接着強度F3となる場合には、細胞を培養していく過程においては、上述した凝集部95が発生しないことから、CPU74は、攪拌処理を行わない(攪拌処理無し)とする。
ステップS210は、攪拌処理があるか否かを判定する処理である。ステップS209判定処理をYesとし、ステップS211に進む。一方、ステップS209の処理で「攪拌処理無し」としている場合には、CPU74は、このステップS210の判定処理をNoとし、ステップS213に進む。
ステップS211は、攪拌処理の強度レベル及び攪拌回数を決定する処理である。なお、このステップS211の処理は、ステップS104の処理を同様であることから詳細は省略する。なお、このステップS210においては、CPU74は、第2攪拌データ79を参照して、攪拌処理の強度レベル及び攪拌回数を決定する。
ステップS212は、攪拌処理を有する観察スケジュールを生成する処理である。このステップS212の処理については、ステップS105の処理と同様であることから、ここでは、その詳細は省略する。
ステップS213は、攪拌処理無しの観察スケジュールを生成する処理である。このステップS213の処理については、ステップS106の処理と同様であることから、ここでは、その詳細は省略する。
ステップS214は、生成された観察スケジュールを登録する処理である。このステップS214の処理については、ステップS107の処理と同様であることから、ここでは、その詳細は省略する。これにより、予め細胞の種類や用いる培養容器31の種類がわからない場合であっても、細胞-細胞間の接着強度と細胞-接着面間の接着強度を測定することで、攪拌処理の有無や、攪拌処理を行う場合には該攪拌処理における強度レベルや攪拌回数が自動的に決定された後、決定された内容に基づいた観察スケジュールが生成される。この生成された観察スケジュールに基づいて細胞を培養することで、培養する過程で発生する播種ムラや培養していく過程で増殖される細胞の密度ムラの発生を防止することができ、細胞を効率的に培養することが可能となる。
なお、本実施形態においては、細胞の種類及び用いる培養容器31の種類が不明である場合に測定モードを用いて観察スケジュールを生成しているが、例えば細胞の種類及び培養する培養容器31がわかっていても、第1攪拌データ78にこれらの組み合わせが登録されていない場合や、実際に凝集部95が生成されるか否かを再確認した上で目的の細胞を培養したい場合もある。このような場合には、細胞の種類及び用いる培養容器を入力した上で、上述した測定モードを実行することができるようにしてもよい。これによれば、予め登録されているデータにおいては、攪拌処理を実行しない観察スケジュールが生成される細胞の種類及び培養容器の種類の組み合わせであっても、実際に培養を行ったときに凝集部95が生成されてしまう場合などに対処することができる。このような場合には、CPU74は第1攪拌データを用いずに第2攪拌データ79を参照して、攪拌処理の有無や、攪拌処理を行う場合にはその強度レベルや攪拌回数を決定し、観察スケジュールを生成すればよい。
本実施形態では、細胞の種類及び用いる培養容器31の種類を入力することで、攪拌処理の有無、及び攪拌処理を行う場合には攪拌処理の強度レベルや攪拌回数を決定している。実際に細胞を培養する際に用いる培養容器31の中には、接着面に特殊な表面加工を施したものもある。このような培養容器31の使用を可能とするために、入力部65bにて入力される情報としては、細胞の種類、培養容器の種類の他に、培養容器31の表面加工の種類を加えることも可能である。この場合、入力部65bにより直接入力する、又は、一覧から選択できるようにしてもよい。
本実施形態においては、細胞-細胞間の接着強度(接着力)と細胞-接着面間の接着強度(接着力)とを求めているが、これに限定する必要はなく、培養容器の内面や他の培養細胞と接着している細胞に外力を与えて、剥がれやすさの大小関係を検出すればよい。また、必ずしも強度や剥離後の加速度を正確に求める必要はなく、培養容器の内面との接着強度、又は細胞同士の接着強度を類推(推定)できるものであればよい。例えば浮遊細胞の移動距離と剥離した接着細胞の移動距離の比や、浮遊細胞の移動距離と凝集部から剥離した接着細胞の移動距離の比を求め、この比を接着強度に関する指標として扱い、これら比から攪拌処理を実行するか否か、また、攪拌処理を実行する場合には、攪拌処理の強度レベル及び攪拌回数を決定した後、観察スケジュールを生成することも可能である。また、この他に、浮遊細胞の速度と剥離した接着細胞の速度の比や、浮遊細胞の速度と凝集部から剥離した接着細胞の速度の比を求め、これら比から攪拌処理を実行するか否かを決定するか否か、また、攪拌処理を実行する場合には、攪拌処理の強度レベル及び攪拌回数を決定した後、観察スケジュールを生成することも可能である。
本実施形態では、細胞-接着面間の接着強度や、細胞-細胞間の接着強度の算出時に、対象となる細胞を1個の細胞としているが、これに限定する必要はなく、複数の細胞を対象としてもよい。この場合、上述した接着強度は、各細胞毎に算出される接着強度の平均値を求めればよい。
本実施形態では、細胞を培養する細胞培養装置を例に取り上げているが、これに限定する必要はなく、図5に示す画像解析部81、演算部82、スケジュール管理部83及びタイマ84の機能や、図6及び図7に示すフローチャートの機能を細胞培養装置のCPUに実行させるためのプログラムであってもよい。この場合、該プログラムを細胞培養装置にインストールする際に、演算用データ77や第1攪拌データ78、第2攪拌データ79をメモリやデータベース部に書き込む必要がある。なお、上述したプログラムやデータは、例えばメモリカード、光ディスク、磁気ディスクなどの記憶媒体に格納されていることが好ましい。
Claims (13)
- 培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して、前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程と、
前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさに基づいて、前記培養容器中の細胞に対する攪拌処理の処理内容を決定して前記培養容器中の細胞を攪拌処理する工程とを有することを特徴とする攪拌方法。 - 前記培養容器に前記細胞を播く播種工程と、
前記培養容器内で培養した前記細胞を、請求項1に記載の攪拌方法によって攪拌する工程と、を行なうことを特徴とする細胞培養方法。 - 請求項2に記載の細胞培養方法において、
前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさ及び前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程は、
前記培養容器に前記細胞を播種して前記細胞が前記培養容器に定着した際に、前記培養容器を所定の加速度で移動させて停止することで前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさを測定する工程と、
前記培養容器に前記細胞が培養された後に、前記培養容器を所定の加速度で移動させて停止することで前記細胞同士の剥がれやすさを測定する工程と、からなることを特徴とする細胞培養方法。 - 培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して攪拌処理を実行する攪拌手段と、
前記細胞と前記培養容器の内面との剥がれやすさと、前記細胞同士の剥がれやすさとの大小関係に応じて、前記攪拌手段における攪拌処理の処理内容を決定する攪拌処理内容決定部と、
前記攪拌処理内容決定部により決定された前期攪拌処理の処理内容に基づいて、前記攪拌手段を駆動制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする攪拌装置。 - 請求項4に記載の攪拌装置において、
前記培養容器の種類及び前記細胞の種類を入力する入力部を備え、
前記攪拌処理内容決定部は、前記入力部により入力された前記培養容器の種類及び前記細胞の種類に基づいて前記大小関係を推定し、前記攪拌手段における攪拌処理の内容を決定することを特徴とする攪拌装置。 - 請求項5に記載の攪拌装置において、
前記培養容器の種類と前記細胞の種類に応じて、前記攪拌処理の処理内容が対応付けられた攪拌処理情報を記憶する記憶部を更に設け、
前記攪拌処理内容決定部は、前記入力部により前記培養容器の種類及び前記細胞の種類が入力されたときに、前記攪拌処理情報を参照することで前記攪拌手段における攪拌処理の処理内容を決定することを特徴とする攪拌装置。 - 請求項4からの請求項6のいずれか1項に記載の攪拌装置において、
前記培養容器に加速度を与える培養容器移動手段と、
前記培養容器中の細胞の動きを観察する観察部と、
前記観察部による前記細胞の観察結果を解析することで、前記大小関係を求める解析部と、を備えていることを特徴とする攪拌装置。 - 請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の攪拌装置において、
前記大小関係は、前記細胞と前記培養容器の内面との接着強度と、前記細胞同士の接着強度との大小関係として求めることを特徴とする攪拌装置。 - 請求項7に記載の攪拌装置において、
前記大小関係は、前記加速度を与えたときの前記培養容器に接着していた細胞が前記培養容器から剥がれた際の移動距離と、前記細胞同士で接着していた細胞の前記細胞同士が剥がれた際の移動距離との大小関係として求めることを特徴とする攪拌装置。 - 請求項4から請求項9のいずれか1項に記載の攪拌装置において、
前記攪拌処理の処理内容とは、前記攪拌処理の有無、前記攪拌処理を実行するときに前記培養容器に与えられる加速度及び前記加速度を与える回数からなることを特徴とする攪拌装置。 - 請求項4から請求項10のいずれか1項に記載の攪拌装置と、
前記攪拌装置を内部に備え、前記細胞を培養する状態に環境を維持する恒温室と、を備えたことを特徴とする細胞培養装置。 - 培養容器の内面に接着して培養する細胞に対して攪拌処理を実行する攪拌手段と、
前記培養容器の種類及び前記細胞の種類を入力する入力部と、
前記入力部により入力された前記培養容器の種類及び前記細胞の種類との組み合わせから、既に求められている前記培養容器と前記細胞との剥がれやすさと前記細胞同士の剥がれやすさに基づいて決定された攪拌処理の処理内容を記憶する記憶部と、
前記記憶部から前記培養容器の種類及び前記細胞の種類に基づき、読み出された前記攪拌処理の処理内容に基づいて、前記攪拌手段を駆動制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする攪拌装置。 - 請求項12に記載の攪拌装置と、
前記攪拌装置を内部に備え、前記細胞を培養する状態に環境を維持する恒温室と、を備えたことを特徴とする細胞培養装置。
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