WO2021186648A1 - 顕微鏡観察システム - Google Patents

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WO2021186648A1
WO2021186648A1 PCT/JP2020/012133 JP2020012133W WO2021186648A1 WO 2021186648 A1 WO2021186648 A1 WO 2021186648A1 JP 2020012133 W JP2020012133 W JP 2020012133W WO 2021186648 A1 WO2021186648 A1 WO 2021186648A1
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WO
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microscope
cell
distance
cell production
observation system
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/012133
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English (en)
French (fr)
Inventor
伴　一訓
木下　聡
剛士 田邊
亮二 平出
Original Assignee
ファナック株式会社
アイ ピース，インコーポレイテッド
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2022507939A priority patent/JP7418759B2/ja
Priority to US17/783,268 priority patent/US20230010002A1/en
Priority to CN202080098509.8A priority patent/CN115279880A/zh
Priority to EP20924990.3A priority patent/EP4123010A4/en
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/36—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of biomass, e.g. colony counters or by turbidity measurements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/34—Microscope slides, e.g. mounting specimens on microscope slides

Definitions

  • the present invention relates to a microscopic observation system, particularly to a microscopic observation system that streamlines cell production.
  • Embryonic stem cells are stem cells established from the early cups of humans and mice, and have pluripotency that allows them to differentiate into all cells existing in the living body.
  • Human ES cells are believed to be available for cell transplantation for many diseases such as Parkinson's disease, juvenile diabetes, and leukemia.
  • ES cell transplantation has the problem of inducing rejection, similar to organ transplantation.
  • iPS cells induced pluripotent stem cells
  • Induced stem cells such as iPS cells are established by introducing an inducing factor such as a gene into the cell, and are expanded-cultured and cryopreserved.
  • an inducing factor such as a gene
  • GLP clinical iPS cells
  • a clean room kept very clean is required, and a high maintenance cost is required.
  • the issue was how to improve the efficiency of clean room operation methods and strive to reduce costs.
  • iPS cells are mostly produced manually, there are few engineers who can produce clinical iPS cells. There is a problem that a series of operations from the establishment of stem cells to their preservation is complicated. In clinical cell culture, it is necessary to perform three steps: confirmation of standard process (SOP: Standard Of Process), operation according to SOP, and confirmation of whether or not it was carried out according to SOP. It is very unproductive for humans to perform these steps. Since cell culture needs to be managed 24 hours a day, and stem cells are preserved for decades, there is a limit to managing them by human resources alone.
  • SOP Standard Of Process
  • a closed cell production device that does not require a highly clean clean room and can work in a normally controlled area (for example, at least one of microorganisms and fine particles in the WHO-GMP standard is grade D level or higher). (See, for example, Patent Document 2.).
  • a normally controlled area for example, at least one of microorganisms and fine particles in the WHO-GMP standard is grade D level or higher.
  • cell manufacturing systems equipped with robots that assist cell manufacturing have also been developed. A large number of cell manufacturing devices are operated in parallel, and the robot assists in cell production in these multiple cell manufacturing devices.
  • Patent Document 3 discloses a culture sample observation device that captures an enlarged image of a culture device and displays it on the outside of the culture case.
  • an imaging unit is provided in a culture case in which a plurality of culture instruments are arranged, and the imaging unit and the culture instruments are relatively moved so that the desired culture instrument is imaged by the imaging unit. It is stated that.
  • Patent Document 4 discloses a light transmission type observation device for observing a culture sample in an incubator chamber.
  • the light emitting probe section of the lighting device and the light incident probe section of the optical device are reciprocally driven to move both probe sections along the surface of the sample observation section while maintaining a constant relative positional relationship. It is stated that it is connected to the device.
  • Patent Document 5 discloses an apparatus for automatically culturing cells in parallel in a plurality of cell culture vessels, particularly a microtiter plate. It is described that the observation unit and the receptacle device for receiving the cell culture container are arranged in the housing, and the cell culture container can be automatically moved to the area of the observation unit by a carriage or a robot arm.
  • Patent Document 6 discloses a phase difference observation device. It is described that the phase difference observation device includes a first moving unit that can move the light source and the illumination optical system, and a second moving unit that can move the imaging optical system.
  • Japanese Patent No. 4183742 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-019685 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-93041 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-284858 Special Table 2012-524527 JP-A-2019-66819
  • the cell production apparatus includes a cell production cartridge provided with at least a culture tank for culturing cells or cell clusters, and a drive base that is detachably connected to the cell production cartridge to drive the cell production cartridge. It is equipped with a drive base, and it is basically desirable to operate it in a fixed installation. In particular, when a large number of cell manufacturing devices are operated in parallel, the layout of the cell manufacturing devices is restricted and the progress of cell manufacturing varies from cell manufacturing device to cell manufacturing device. It will be necessary to transport the cells to the microscope device or to temporarily separate the cell production cartridge from the drive base and transport the cells to the microscope device.
  • the focusing function for focusing the microscope device is provided in the microscope device itself, and the transport function for transporting the microscope device or the cartridge for cell production is often implemented in the transport device itself.
  • the focusing function and the transport function are mounted on separate devices, the microscope observation system becomes complicated, which leads to an increase in manufacturing cost, manufacturing man-hours, trouble troubles, and the like.
  • One aspect of the present disclosure is a cell manufacturing apparatus provided with a culture tank for culturing cells or cell clusters, a microscope apparatus capable of observing an object containing cells or cell clusters, and a microscope apparatus being transported toward the cell manufacturing apparatus. And an operation control unit that gives a command to the transfer device to move the transfer device from the current position to the relay position and then to the target position when focusing the microscope device on the object.
  • the first distance from the current position to the relay position is the distance required to rotate an actuator such as a servomotor for operating at least one rotation axis or translation axis of the transfer device by a predetermined amount or more, and is the current position.
  • an actuator such as a servomotor for operating at least one rotation axis or translation axis of the transfer device by a predetermined amount or more, and is the current position.
  • a microscopic observation system in which the second distance from to the target position is shorter than the first distance.
  • a cell preparation cartridge provided with a culture tank for culturing cells or cell clusters, a microscope device capable of observing an object containing cells or cell clusters, and a microscope device for cell preparation cartridges.
  • a transport device that transports a cartridge for cell production toward or toward a microscope device, and when focusing the microscope device on an object, the transport device is once moved from the current position to the relay position and then moved to the target position. It is equipped with an operation control unit that issues commands to the transfer device, and the first distance from the current position to the relay position is an actuator such as a servomotor for operating at least one rotation axis or translation axis of the transfer device.
  • a microscope observation system in which the distance required to rotate a certain amount or more, and the second distance from the current position to the target position is shorter than the first distance.
  • a cell production cartridge provided with a culture tank for culturing cells or cell clusters, a drive base to which the cell production cartridge is detachably connected to drive the cell production cartridge, and a cell.
  • a microscope device capable of observing an object containing a cell mass, and a transport device for transporting the microscope device or cell production cartridge between the observation position by the microscope device and the standby position of the microscope device or cell production cartridge.
  • a microscope observation system Provided is a microscope observation system.
  • a command for moving the transfer device from the current position to the relay position and then moving the transfer device to the target position is conveyed. Perform on the device. Since the first distance from the current position to the relay position is longer than the second distance from the current position to the target position, the backlash generated in the gears inside the reducer that drives the transfer device is eliminated. The generated force (to be driven) exceeds the maximum static friction force and load, and is transmitted to the controlled object. That is, the transfer device can be reliably moved (that is, the focusing operation).
  • the transport device itself can have the focusing function of the microscope device and the transport function of the microscope device or the cartridge for cell production. Therefore, in particular, when a large number of cell manufacturing devices are operated in parallel, manufacturing costs, manufacturing man-hours, failure troubles, and the like can be significantly suppressed. That is, it is possible to provide a technique for rationalizing a microscopic observation system in cell production.
  • the term "closed” in this document means that contamination sources such as microorganisms and viruses do not invade the inside of the device and cause biological contamination, and / or the fluid inside the device (cells, microorganisms, virus particles, proteins, etc.) It means that (including substances such as nucleic acids) does not leak and cause cross-contamination, and / or that the fluid of the donor infected with the pathogen does not generate biohazard even if it is handled inside the device.
  • the cell manufacturing apparatus in this document may be configured so that a fluid that is not a pollution source, such as carbon dioxide, nitrogen, or oxygen, invades the inside of the apparatus or leaks to the outside of the apparatus.
  • FIGS. 1A to 1C show a schematic configuration of the microscope observation system 1 in the present embodiment.
  • the microscope observation system 1 includes a cell production device 10, a microscope device 20, and a transfer device 30.
  • the cell manufacturing apparatus 10 is an apparatus for producing target cells from original cells.
  • the original cells include, for example, somatic cells such as blood cells and fibroblasts, or stem cells such as ES cells and iPS cells, and the target cells include, for example, stem cells, precursor cells, and terminally differentiated cells (fibroblasts, nerve cells).
  • Retinal epithelial cells Retinal epithelial cells, hepatocytes, ⁇ cells, renal cells, mesenchymal stem cells, blood cells, megacariosites, T cells, cartilage cells, myocardial cells, muscle cells, vascular cells, epithelial cells, renal cells).
  • the cell manufacturing apparatus 10 has a separation function for separating original cells from blood, skin, human embryos, etc., an introduction function for introducing genes into the original cells, cell reprogramming, reprogramming, fate conversion, direct reprogramming, differentiation conversion, It has multiple functional sites such as a cell-inducing function such as differentiation induction and transformation, a cell culture function such as initial culture and expansion culture, a crushing function for crushing a cell mass after culturing, and a cryopreservation function for cryopreserving target cells.
  • a cell culture device having only a culture function may be used.
  • the cell production apparatus 10 includes a cell production cartridge including at least a culture tank for culturing cells or cell clusters, and a drive base for detachably connecting the cell production cartridge to drive the cell production cartridge. It is good to have.
  • FIGS. 1A to 1C the boundary line between the cell production cartridge and the drive base is shown by a broken line.
  • the cell production cartridge is a closed type that is connected to a fluid circuit in which multiple functional parts are highly integrated and a fluid container (for example, a syringe, a variable volume bag, etc.) that is connected to the fluid circuit in a closed manner to the external space. It has a connector (not shown).
  • the fluid circuit is made of a biologically safe material such as resin, metal or the like.
  • the fluid circuit is integrally molded by molding using a mold, for example, injection molding, compression molding, etc., but by molding using a 3D printer, etc., for example, stereolithography, fused deposition modeling, powder sintering, inkjet, etc. It may be integrally molded.
  • the fluid circuit is formed by combining a groove through which the fluid flows and a storage tank for storing the fluid.
  • a closed connector is a connector that fluidly connects a fluid circuit to an external variable volume fluid container (for example, a syringe, a variable volume bag, etc.), and closes to an external space when the fluid container is removed. Closed connectors include, for example, sterile connectors, needle connectors, needleless connectors, heat fusing tubes and the like.
  • the needleless connector may be a split septum type or a mechanical valve type.
  • the fluid circuit may include a variable volume portion (eg, a syringe, variable volume bag, etc.) that stores the fluid extruded or drawn by the fluid injected or discharged through the closed connector. As a result, the fluid circuit becomes a closed fluid circuit in which all the parts that should be highly clean are integrated inside, and the cell manufacturing apparatus 10 can be used even in a normal controlled area.
  • the cell production cartridge includes a main body 11 and a culture tank 12 for culturing cells or cell clusters.
  • the cell production cartridge is integrally molded with a resin or the like to integrate the main body 11 and the culture tank 12, but the culture tank 12 may be fluidly connected to the main body 11 via a closed connector or the like.
  • the main body 11 is a plate-shaped device having a height, a width, and a depth, and may be a vertical type having a height larger than the depth as shown in FIGS. 1A and 1C, or a depth as shown in FIG. 1B. It may be a horizontal type in which is larger than the height.
  • the culture tank 12 may be an adhesive culture tank (two-dimensional culture tank) in which cells or cell clusters are adherently cultured as shown in FIGS. 1A and 1B, or cells or cell clusters are suspended-cultured as shown in FIG. 1C.
  • a floating culture tank three-dimensional culture tank
  • the culture tank 12 may be a flat culture tank for static culture, a drum-type culture tank for rotary culture, or the like.
  • the culture tank 12 may be a spinner flask, a shaking flask, a microcarrier spinner flask, or the like. Further, the culture tank 12 may be one that supplies nutrients, reagents, etc. using a hollow fiber membrane, a dialysis membrane, or the like, or discharges unnecessary components.
  • the wall-shaped structure 13 may be a cell surrounding the transport device 30, or may be a wall-shaped body parallel to the line on which the transport device 30 runs on its own.
  • the wall-shaped structure 13 may spatially separate the danger region side on which the transport device 30 acts on the cell manufacturing apparatus 10 and the safety region side on the opposite side of the danger region, and may also serve as, for example, a safety fence.
  • a plurality of cell manufacturing devices 10 can be arranged in the wall-shaped structure 13, which makes it possible to reduce the installation area of the cell manufacturing device 10. In other words, it is the same as arranging a plurality of clean rooms in one wall-like structure 13, and it is possible to realize space saving and cost reduction.
  • the microscope device 20 is an optical microscope capable of observing an object including cells or cell clusters, but may be an ultrasonic microscope.
  • the microscope device 20 includes an irradiation unit 21 that irradiates an object with an observation wave, and an imaging unit 22 that captures an observation wave that has passed through the object or an observation wave that has been reflected.
  • the microscope device 20 may be a transmission microscope for observing by inserting the culture tank 12 between the irradiation unit 21 and the imaging unit 22 as shown in FIGS. 1A and 1B, or as shown in FIG. 1C.
  • a reflection microscope may be used in which the irradiation unit 21 and the imaging unit 22 are arranged on the same side.
  • the microscope device 20 may be a microscope capable of realizing various observation methods, for example, a phase contrast observation method, a differential interference contrast observation method, a relief contrast observation method, a fluorescence observation method, a brightfield observation method, a darkfield observation method, and the like.
  • various optical systems such as illumination sources, capacitors, objective lenses, phase plates, differential interference contrast prisms, and polarizing plates, various acoustic systems such as transducers and acoustic lenses, and imaging sensors are provided. Just do it.
  • the transfer device 30 is an articulated robot, it may be another mechanical device having a rotating shaft, for example, a parallel link type robot, a humanoid, or a mechanical device having a translation axis, such as a Cartesian robot, a shuttle, or an automatic guided vehicle. It may be a car or the like. Alternatively, it may be a combination of these.
  • the transport device 30 transports the microscope device 20 configured to be movable to the cell manufacturing device 10, but the cell production cartridge removed from the drive base may be transported to the microscope device 20. That is, the transport device 30 may transport the microscope device 20 between the observation position by the microscope device 20 and the standby position of the microscope device 20, or the cell production cartridge may be transported between the observation position by the microscope device 20 and the cell production.
  • the observation position is a position where the focus of the microscope device 20 can be focused on the cells or cell clusters in the culture tank 12, and the standby position is a position where the microscope device 20 or the cell preparation cartridge can be safely stored.
  • the standby position of the cell production cartridge may be a position attached to a fixed drive base.
  • 1A and 1B show the observation position where the culture tank 12 is inserted between the irradiation unit 21 and the imaging unit 22 of the transmission microscope
  • FIG. 1C shows the irradiation unit 21 and the imaging unit of the reflection microscope. The observation position where the part 22 is arranged on the same side with respect to the culture tank 12 is shown.
  • the microscope device 20 when the transport device 30 is a robot and transports the microscope device 20, the microscope device 20 may be attached to the tip portion 31 of the robot (for example, near the flange) and supported and transported, or the microscope device 20 may be hand-held (for example, near the flange). (Not shown) may be gripped and transported.
  • the transport device 30 is a robot and transports the cell production cartridge
  • the cell production cartridge may be gripped and transported by hand (not shown).
  • FIG. 2 shows an example of the control configuration of the microscope observation system 1.
  • the microscope observation system 1 further includes a control device 40 that controls the microscope device 20 and the transfer device 30.
  • the control device 40 is a computer device provided with a processor such as a CPU (central processing unit), but is a computer provided with other semiconductor integrated circuits such as FPGA (field-programmable gate array) and ASIC (application specific integrated circuit). It may be a device.
  • the control device 40 includes an operation control unit 42 that sends an operation command to the transfer device 30 according to the operation program 41, an irradiation imaging command unit 43 that sends an irradiation imaging command to the microscope device 20 according to the operation program 41, and a transfer device 30.
  • the focusing determination unit 44 that determines whether or not the focus of the microscope device 20 is in focus on the object based on the microscope image, and the following when it is determined that the focus is not in focus on the object. It is provided with a target position setting unit 45 for setting the target position of the object, and an object measuring unit 46 for measuring the feature amount of the object based on a microscope image when it is determined that the focus is on the object. ..
  • These functional parts can be mounted by the processor of the control device 40, the semiconductor integrated circuit, etc., but the functional parts other than the operation control unit 42 are mounted by the processor of the host computer device, the semiconductor integrated circuit, etc., instead of the control device 40. You may.
  • the motion control unit 42 issues a command to the transfer device 30 to transfer the microscope device 20 or the cell production cartridge between the observation position by the microscope device 20 and the standby position of the microscope device 20 or the cell production cartridge. Further, when the motion control unit 42 focuses the microscope device 20 on the object at the observation position, the motion control unit 42 temporarily moves the transfer device 30 from the current position A to the relay position A'and then moves the transfer device 30 to the target position B. A command to move is given to the transfer device 30.
  • the first distance from the current position A to the relay position A' is the distance required to rotate an actuator such as a servomotor for operating at least one rotation axis or translation axis of the transport device 30 by a predetermined amount or more.
  • the second distance from the current position A to the target position B is shorter than the first distance.
  • the predetermined amount may be a fixed value obtained experimentally in advance.
  • the first distance may be, for example, several millimeters
  • the second distance may be, for example, several tens of microns. In this case, the first distance is several hundred times the second distance.
  • the transport device 30 can focus the microscope device 20 on the object.
  • the motion control unit 42 moves the transport device 30 in a direction in which the distance between the microscope device 20 and the object in the culture tank 12 does not change when the observation point of the culture tank 12 is changed at the observation position.
  • the distance between the microscope device 20 and the object in the culture tank 12 is determined by moving the microscope device 20 in the X direction (not shown) or the Y direction orthogonal to the Z direction, which is the observation direction of the microscope device 20.
  • the observation point can be changed without changing it. This makes it easier for the microscope device 20 to focus on the object even after the observation point is changed.
  • the irradiation imaging command unit 43 issues an irradiation imaging command to the microscope device 20 after the transport device 30 reaches the target position B. Then, the focusing determination unit 44 determines whether or not the focus of the microscope device 20 is in focus on the object based on the microscope image.
  • the focusing determination method used by the focusing determination unit 44 is when the sum of square roots of the sum of squares is calculated by obtaining the magnitude (gradient) of the brightness gradient in the vertical and horizontal directions of a certain pixel, and the total sum of the entire image is maximized.
  • Gradient method which calculates the absolute value of the quadratic differential value of the brightness of a certain pixel, and considers the time when the total sum of the entire image is maximum as the focus method, the variance of the brightness of the entire image.
  • a brightness dispersion method that calculates a value and regards the maximum value as focusing.
  • the dispersion value ⁇ 2 is calculated from the microscope image based on the following equation, and the focusing determination is performed by determining whether or not the dispersion value ⁇ 2 is equal to or greater than a predetermined threshold value.
  • I (x, y) is the brightness of each pixel
  • ⁇ is the average brightness of the image
  • M and N are the number of pixels in the vertical and horizontal directions of the image.
  • the variance value ⁇ 2 will be referred to as the focusing determination value for focusing determination.
  • FIG. 3 shows an example of a target position setting method.
  • the next target position B may be a position advanced by a predetermined distance from the current position A along the observation direction (Z direction in FIG. 2), and the predetermined distance may be a fixed value experimentally obtained in advance.
  • the movement in the Z direction in FIG. 2 is actually a movement in a three-dimensional space, but in FIG. 3, it is conceptually represented as a movement in one dimension (horizontal distance axis).
  • the transfer device is once moved from the current position A to the relay position, and then moved to the target position B (operation of ⁇ 1> in FIG. 3).
  • the target position setting unit 45 When the focusing determination value (point b in FIG. 3) at the target position B is not equal to or higher than the predetermined threshold value, the target position setting unit 45 further advances the target position C by a predetermined distance along the observation direction (in FIG. 3). The target position corresponding to the point c in FIG. 3) is set, the transfer device is once moved to the relay position, and then moved to the target position C (operation of ⁇ 2> in FIG. 3).
  • the focusing determination value c at the target position C is equal to or greater than a predetermined threshold value, it may be determined that the focus is on the object at the target position C.
  • the following is an example of a method for finding a better focusing position.
  • the target position setting unit 45 sets the next target position D (target position corresponding to the d point in FIG. 3) further advanced by a predetermined distance along the observation direction and once moves the transfer device to the relay position again. , Move to the target position D (operation of ⁇ 3> in FIG. 3).
  • the focusing determination value d is obtained, and a multidimensional function (for example, a parabolic function) is approximately applied to the plurality of focusing determination values b, c, and d thus obtained. Can be done.
  • the calculation method for applying a multidimensional function is a well-known fact, so it is omitted here.
  • the transfer device is once moved to the relay position and then moved to the target position E (operation of ⁇ 4> in FIG. 3). By doing so, the transport device can be moved to the optimum focusing position.
  • the object measuring unit 46 measures the feature amount of the object based on the microscope image.
  • the characteristic amount of the object may be, for example, the size of a cell or a cell mass, the number of cells constituting the cell mass, the shape of a cell membrane or a cell nucleus, or the like. If the feature amount of the object is equal to or more than the specified value, the process proceeds to the next step. If the feature amount of the object is not equal to or more than the specified value, the process does not proceed to the next step. You should measure again. Further, when the feature amount of the object is abnormal, the cell production in the cell production apparatus 10 may be stopped or interrupted.
  • FIG. 4 shows an example of the operation of the microscope observation system 1.
  • the transport device 30 transports the microscope device 20 (or the cell production cartridge) to the observation position.
  • the control device 40 issues an irradiation imaging command to the microscope device 20.
  • the control device 40 calculates the focusing determination value from the microscope image.
  • the control device 40 determines whether or not the focus of the microscope device 20 is in focus on the object based on the focusing determination value. If it is determined that the focus is not on the object (NO in step S13), the process proceeds to step S14, and the control device 40 sets the next target position.
  • the control device 40 issues a command to move the transport device 30 to the relay position and then to the target position.
  • step S11 the control device 40 issues an irradiation imaging command to the microscope device 20, and in steps S12 and S13, the control device 40 calculates the focus determination value from the microscope image and performs the focus determination. If it is determined that the focus is on the object (YES in step S13), the process proceeds to step S16, and the control device 40 calculates the feature amount of the object based on the microscope image. After steps S10 and S16, the control device 40 changes the observation point of the culture tank 12 by issuing a command to move the transport device 30 in a direction in which the distance between the microscope device 20 and the object does not change. You may.
  • step S17 it is determined whether or not the control device 40 proceeds to the next step based on the feature amount of the object. If the feature amount of the object is not equal to or more than the specified value, the control device 40 determines that the process does not proceed to the next step (NO in step S17), and in step S18, the microscope device 20 (or the cell production cartridge) is moved to the standby position. It is preferable to carry the product and execute this flowchart again after a lapse of a predetermined time. When the feature amount of the object is equal to or more than the specified value, it is determined that the control device 40 proceeds to the next step (YES in step S17), and the operation of the microscope observation system 1 is terminated.
  • the step executed by the control device 40 may be executed by a higher-level computer device (not shown) instead of the control device 40.
  • the culture tank 12 may be a drum-type culture tank instead of the flat-type culture tank described above.
  • the control device 40 may move the transfer device 30 in a direction in which the distance between the microscope device 20 and the object in the culture tank 12 does not change. That is, the control device 40 rotates the microscope device 20 around the central axis of the drum-type culture tank, and the distance between the microscope device 20 and the object in the culture tank 12 (as shown in FIG. 5B, the microscope device 20 and the culture tank).
  • the distance X between the outer peripheral surface of 12 or the distance X between the microscope device 20 and the cell adhesion surface of the culture tank 12) may be moved in a direction that does not change.
  • FIG. 5A shows the posture of the microscope device 20 before the observation point is changed
  • FIG. 5B shows the posture of the microscope device 20 after the observation point is changed. This makes it easier for the microscope device 20 to focus on the object even after the observation point is changed.
  • a command for moving the transfer device 30 from the current position to the relay position and then moving the transfer device 30 to the target position is issued. This is performed for the transfer device 30. Since the first distance (for example, several millimeters) from the current position to the relay position is about several hundred times the second distance (for example, several tens of microns) from the current position to the target position, the actuator that drives the transfer device 30. The backlash generated in the gears inside the speed reducer is eliminated, and the generated force exceeds the maximum static friction force and load, and is transmitted to the controlled object. That is, it is possible to reliably perform minute movements of the transfer device by several tens of microns.
  • the transfer device 30 itself can have the focusing function of the microscope device and the transfer function of the microscope device or the cartridge for cell production. Therefore, particularly when a large number of cell manufacturing apparatus 10s are operated in parallel, manufacturing costs, manufacturing man-hours, failure troubles, and the like can be significantly suppressed. That is, it is possible to provide a technique for rationalizing the microscope observation system 1 in cell production.
  • the program executed by the above-mentioned processor and the program that executes the above-mentioned flowchart may be recorded and provided on a computer-readable non-temporary recording medium such as a CD-ROM, or may be provided by wire or wirelessly. It may be distributed and provided from a server device on a WAN (wide area network) or a LAN (local area network) via.
  • a computer-readable non-temporary recording medium such as a CD-ROM
  • Microscope observation system 10 Cell production device 11 Main body 12 Culture tank 13 Wall-like structure 20 Microscope device 21 Irradiation unit 22 Imaging unit 30 Transport device 31 Tip 40 Control device 41 Operation program 42 Operation control unit 43 Irradiation imaging command unit 44 Focusing Judgment unit 45 Target position setting unit 46 Object measurement unit A Current position A'Relay position B to E Target position

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Abstract

顕微鏡観察システムは、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞製造装置と、細胞又は細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、顕微鏡装置を細胞製造装置の方へ搬送する搬送装置と、顕微鏡装置の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を搬送装置に対して行う動作制御部と、を備え、現在位置から中継位置までの第一距離は搬送装置の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であり、現在位置から目標位置までの第二距離は第一距離よりも短い距離である。

Description

顕微鏡観察システム
　本発明は顕微鏡観察システムに関し、特に細胞製造を合理化する顕微鏡観察システムに関する。
　胚性幹細胞（ＥＳ細胞）は、ヒトやマウスの初期杯から樹立された幹細胞であり、生体に存在する全ての細胞へと分化できる多能性を有する。ヒトＥＳ細胞は、パーキンソン病、若年性糖尿病、及び白血病等、多くの疾患に対する細胞移植法に利用可能であると考えられている。しかし、ＥＳ細胞の移植は、臓器移植と同様に、拒絶反応を惹起するという問題がある。また、ヒト杯を破壊して樹立されるＥＳ細胞の利用に対しては、倫理的見地から反対意見が多い。
　これに対し、京都大学山中伸弥教授は、４種の遺伝子：Ｏｃｔ３／４、Ｋｌｆ４、ｃ－Ｍｙｃ、及びＳｏｘ２を体細胞に導入することにより、誘導多能性幹細胞（ｉＰＳ細胞）を樹立することに成功し、２０１２年のノーベル生理学・医学賞を受賞した（例えば、特許文献１参照。）。ｉＰＳ細胞は、拒絶反応や倫理的問題のない理想的な多能性細胞であり、細胞移植法への利用が期待されている。
　ｉＰＳ細胞のような誘導幹細胞は、細胞に遺伝子等の誘導因子を導入することによって樹立され、拡大培養、凍結保存される。しかし、例えば臨床用ｉＰＳ細胞（ＧＬＰ，ＧＭＰグレード）等を作製するには、非常に綺麗に保たれたクリーンルームを必要とし、高額な維持コストが掛かる。産業化のためには、クリーンルームの運用方法をいかに効率化してコスト削減に努めるかが課題になっていた。
　またｉＰＳ細胞の作製は手作業によるところが大きいが、臨床用ｉＰＳ細胞を作製できる技術者は少ない。幹細胞の樹立から保存までの一連の作業が複雑であるという問題がある。臨床用の細胞培養では、標準的な工程（ＳＯＰ：Standard Of Process）の確認と、ＳＯＰに従った操作と、ＳＯＰ通りに実施されたか否かの確認、という３つのステップを行う必要があり、これらステップを人が行う事は非常に非生産的である。細胞培養は２４時間毎日管理する必要があり、幹細胞の保存は何十年にも及ぶため、人材だけで管理するのは限界があった。
　そこで、高度に清浄なクリーンルームを不要とし、通常管理区域（例えばＷＨＯ－ＧＭＰ規格において微生物及び微粒子の少なくとも一方がグレードＤレベル又はそれ以上）で作業可能な閉鎖系の細胞製造装置が開発されてきた（例えば、特許文献２参照。）。また人材も排除して複雑な細胞製造工程を自動化するため、細胞製造を補助するロボットを備えた細胞製造システムも開発されている。細胞製造装置は多数個が同時並行で運用され、ロボットはこれら複数の細胞製造装置における細胞作製を補助する。
　細胞製造装置内で細胞作製が進行する間、必要に応じて培養槽中の細胞の様子を顕微鏡で観察し、細胞塊の成長の度合いに応じて種々の工程管理を行う必要がある。細胞又は細胞塊は、その形状が煎餅状に薄く、肉眼では無色透明に近いため、通常の実体顕微鏡では細胞塊を構成する細胞数や、細胞膜、細胞核といった細胞形状を明瞭に捉えるのが困難となる。従って、細胞又は細胞塊を高いコントラストで映像化できる観察方式、例えば位相差観察方式、微分干渉観察方式、レリーフコントラスト観察方式、蛍光観察方式、明視野観察方式、暗視野観察方式等を実装した顕微鏡装置を用いることが多い。このような細胞又は細胞塊を観察する顕微鏡観察システムに関する技術としては、次の文献が公知である。
　特許文献３には、培養器具の拡大像を撮像して培養ケースの外部に表示させる培養試料観察装置が開示されている。この培養試料観察装置では、複数の培養器具を配置した培養ケース内に撮像ユニットを設け、撮像ユニットで所望の培養器具が撮像される配置となるように撮像ユニット及び培養器具を相対的に移動させることが記載されている。
　特許文献４には、インキュベータのチャンバ内で培養試料を観察するための光透過式観察装置が開示されている。この光透過式観察装置では、照明装置の光出射プローブ部と光学装置の光入射プローブ部が、両プローブ部を試料観察部の表面に沿って相対位置関係を一定に維持しつつ移動させる往復駆動装置に連繋していることが記載されている。
　特許文献５には、複数の細胞培養容器、特にマイクロタイタープレートにおいて、自動的に並行して細胞を培養する装置が開示されている。筐体に観察ユニットと細胞培養容器を受けるレセプタクル装置とを配置し、細胞培養容器はキャリッジ又はロボットアームによって自動的に観察ユニットの領域に移動可能であることが記載されている。
　特許文献６には、位相差観察装置が開示されている。この位相差観察装置は、光源及び照明光学系を移動可能な第１の移動ユニットと、結像光学系を移動可能な第２の移動ユニットと、含むことが記載されている。
特許第４１８３７４２号公報 特開２０１８－０１９６８５号公報 特開２００３－９３０４１号公報 特開２００６－２８４８５８号公報 特表２０１２－５２４５２７号公報 特開２０１９－６６８１９号公報
　顕微鏡装置の焦点を細胞又は細胞塊に対して合わせる際には、培養槽と顕微鏡装置を数十ミクロン単位で相対移動させる必要がある。しかしながら、サーボモータ等のアクチュエータの出力側の先に減速機を介して回転軸や並進軸が接続された一般的な移動機構（もしくは搬送装置）に数十ミクロン単位の動作を行わせようとしても、減速機内部の歯車に生じたバックラッシや、金属の捻じれ（弾性変形）、摩擦力、負荷といった機械的要因に起因して制御対象へ動力を効率的に伝達できず、制御対象が動作しないか又は動作したとしても意図する通りに正しく動作しないという問題がある。このような現象は一般的にはロストモーションと呼ばれることがある。この結果、顕微鏡装置の焦点合わせが的確に行えないことになる。
　他方、細胞製造装置は、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を少なくとも備えた細胞作製用カートリッジと、細胞作製用カートリッジを着脱可能に接続していて細胞作製用カートリッジを駆動する駆動ベースと、を備えており、駆動ベースは基本的に固定設置での運用が望ましい。特に多数の細胞製造装置を同時並行で稼働するとなると、細胞製造装置の配置レイアウトが制約されると共に、細胞製造の進捗状況が細胞製造装置毎にまちまちとなるため、顕微鏡装置を細胞製造装置の方へ搬送するか又は細胞作製用カートリッジを駆動ベースから一時的に切り離して顕微鏡装置の方へ搬送する必要が生じる。
　一般に顕微鏡装置の焦点を合わせるための合焦機能は顕微鏡装置自体に設けられ、顕微鏡装置又は細胞作製用カートリッジを搬送する搬送機能は搬送装置自体で実装されることが多い。しかしながら、合焦機能と搬送機能を別個の装置に実装するとなると顕微鏡観察システムが複雑になり、製造コスト、製造工数、故障トラブル等の増大を招くことになる。
　そこで、細胞製造における顕微鏡観察システムを合理化する技術が求められている。
　本開示の一態様は、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞製造装置と、細胞又は細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、顕微鏡装置を細胞製造装置の方へ搬送する搬送装置と、顕微鏡装置の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を搬送装置に対して行う動作制御部と、を備え、現在位置から中継位置までの第一距離は搬送装置の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのサーボモータ等のアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であり、現在位置から目標位置までの第二距離は第一距離よりも短い距離である、顕微鏡観察システムを提供する。
　本開示の他の態様は、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞作製用カートリッジと、細胞又は細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、顕微鏡装置を細胞作製用カートリッジの方へ又は細胞作製用カートリッジを顕微鏡装置の方へ搬送する搬送装置と、顕微鏡装置の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を搬送装置に対して行う動作制御部と、を備え、現在位置から中継位置までの第一距離は搬送装置の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのサーボモータ等のアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であり、現在位置から目標位置までの第二距離は第一距離よりも短い距離である、顕微鏡観察システムを提供する。
　本開示の別の態様は、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞作製用カートリッジと、細胞作製用カートリッジを着脱可能に接続していて細胞作製用カートリッジを駆動する駆動ベースと、細胞又は細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、顕微鏡装置又は細胞作製用カートリッジを顕微鏡装置による観察位置と顕微鏡装置又は細胞作製用カートリッジの待機位置との間で搬送する搬送装置と、を備える、顕微鏡観察システムを提供する。
　本開示の一態様又は他の態様によれば、顕微鏡装置の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に搬送装置を目標位置へ移動させる指令を搬送装置に対して行う。現在位置から中継位置までの第一距離は現在位置から目標位置までの第二距離より長い距離であるため、搬送装置を駆動する減速機内部の歯車に生じたバックラッシが解消され、（搬送装置を駆動する）発生力が最大静止摩擦力や負荷を超える状態となり制御対象へ伝達されることになる。つまり搬送装置の移動（即ち焦点合わせ動作）を確実に行うことが可能になる。
　また本開示の別の態様によれば、駆動ベースを固定設置で運用したとしても、搬送装置自体が顕微鏡装置の合焦機能と顕微鏡装置又は細胞作製用カートリッジの搬送機能とを備えることが可能になるため、特に多数の細胞製造装置を同時並行で稼働させた場合には、製造コスト、製造工数、故障トラブル等を大幅に抑制できることになる。つまり細胞製造における顕微鏡観察システムを合理化する技術を提供できる。
一実施形態における顕微鏡観察システムの概略構成を示す概略図である。 一実施形態における顕微鏡観察システムの概略構成を示す概略図である。 一実施形態における顕微鏡観察システムの概略構成を示す概略図である。 顕微鏡観察システムの制御構成の一例を示すブロック図である。 目標位置の設定手法の一例を示すグラフである。 顕微鏡観察システムの動作の一例を示すフローチャートである。 培養槽の変形例を示す側面図である。 培養槽の変形例を示す側面図である。
　以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。なお、本書における用語「閉鎖」とは、微生物、ウイルス等の汚染源が装置内部に侵入して生物学的汚染を発生しないこと、及び／又は装置内部の流体（細胞、微生物、ウイルス粒子、タンパク質、核酸等の物質を含む。）が漏出して交叉汚染を発生しないこと、及び／又は病原体に感染したドナーの流体を装置内部で取扱ってもバイオハザードを発生しないことを意味する。但し、本書における細胞製造装置は、例えば二酸化炭素、窒素、酸素等の汚染源でない流体が装置内部に侵入し又は装置外部へ漏出するように構成してもよい。
　図１Ａ～図１Ｃは本実施形態における顕微鏡観察システム１の概略構成を示している。顕微鏡観察システム１は、細胞製造装置１０、顕微鏡装置２０、及び搬送装置３０を備えている。細胞製造装置１０は、元細胞から目的細胞を製造する装置である。元細胞とは、例えば血液細胞、線維芽細胞等の体細胞、又はＥＳ細胞、ｉＰＳ細胞等の幹細胞を含み、目的細胞とは、例えば幹細胞、前駆細胞、最終分化細胞（線維芽細胞、神経細胞、網膜上皮細胞、肝細胞、β細胞、腎細胞、間葉系幹細胞、血液細胞、メガカリオサイト、Ｔ細胞、軟骨細胞、心筋細胞、筋細胞、血管細胞、上皮細胞、腎細胞）を含む。細胞製造装置１０は、血液、皮膚、ヒト胚等から元細胞を分離する分離機能、元細胞に遺伝子を導入する導入機能、細胞の初期化、リプログラミング、運命転換、ダイレクトリプログラミング、分化転換、分化誘導、形質転換といった細胞を誘導する誘導機能、初期培養、拡大培養といった細胞の培養機能、培養後に細胞塊を破砕する破砕機能、目的細胞を凍結保存する凍結保存機能といった複数の機能部位を備えているが、培養機能だけを備えた細胞培養装置でもよい。
　細胞製造装置１０は、細胞又は細胞塊を培養する培養槽を少なくとも備えた細胞作製用カートリッジと、細胞作製用カートリッジを着脱可能に接続していて細胞作製用カートリッジを駆動する駆動ベースと、を備えているとよい。図１Ａ～図１Ｃでは、細胞作製用カートリッジと駆動ベースとの境界線を破線で示している。細胞作製用カートリッジは、複数の機能部位を高度に集約した流体回路と、流体回路に接続していて外部空間に対して閉鎖的に流体容器（例えばシリンジ、容積可変バッグ等）を接続する閉鎖式コネクタと、を備えている（図示せず）。流体回路は、生物学的に安全な材料、例えば樹脂、金属等で形成される。流体回路は、金型を用いた成型加工、例えば射出成形、圧縮成形等によって一体成形されるが、３Ｄプリンタ等を用いた造形加工、例えば光造形、熱溶解積層、粉末焼結、インクジェット等で一体成形されてもよい。流体回路は、流体を流す溝と流体を溜める貯溜槽を組み合わせることで形成される。閉鎖式コネクタは、流体回路を外部の容積可変の流体容器（例えばシリンジ、容積可変バッグ等）と流体連結する一方で、流体容器を取り外したときには外部空間に対して閉鎖するコネクタである。閉鎖式コネクタは、例えば無菌接続コネクタ、ニードルコネクタ、ニードルレスコネクタ、熱溶断チューブ等を含む。ニードレスコネクタは、スプリットセプタム型でもよいし、又はメカニカルバルブ型でもよい。流体回路は、閉鎖式コネクタを介して注入又は排出された流体によって押出される又は引出される流体を貯留する容積可変部（例えばシリンジ、容積可変バック等）を備えていてもよい。これにより流体回路は高度にクリーンであるべき部分を全て内部に集約した閉鎖系の流体回路となり、細胞製造装置１０は通常管理区域でも使用可能になる。
　細胞作製用カートリッジは、本体１１と、細胞又は細胞塊を培養する培養槽１２と、を備えている。細胞作製用カートリッジは、樹脂等で一体成形されて本体１１と培養槽１２を一体化しているが、閉鎖式コネクタ等を介して培養槽１２を本体１１と着脱可能に流体連結してもよい。本体１１は、高さ、幅、及び奥行きを備えたプレート状の装置であり、図１Ａ及び図１Ｃに示すように高さが奥行きより大きい縦置型でもよいし、又は図１Ｂに示すように奥行きが高さより大きい横置型でもよい。培養槽１２は、顕微鏡装置２０による観察を可能にするため、少なくとも一部の観察領域が透明材質、例えば透明樹脂、石英ガラス等で形成され、本体１１から水平方向に突出しているとよい。培養槽１２は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように細胞又は細胞塊を接着培養する接着培養槽（二次元培養槽）でもよいし、又は図１Ｃに示すように細胞又は細胞塊を浮遊培養する浮遊培養槽（三次元培養槽）でもよい。接着培養（二次元培養）の場合、培養槽１２は、静置培養する平型培養槽、回転培養するドラム型培養槽等でよい。浮遊培養（三次元培養）の場合、培養槽１２は、スピナーフラスコ、振とうフラスコ、マイクロキャリアスピナーフラスコ等でよい。また培養槽１２は、中空糸膜、透析膜等を用いて栄養素、試薬等を供給したり、不要な成分を排出したりするものでもよい。
　駆動ベースは、壁状構造１３に固定設置された状態での運用が望ましい。壁状構造１３は、搬送装置３０を取り囲むセルでもよいし、又は搬送装置３０が自走するラインに平行な壁状体でもよい。壁状構造１３は、搬送装置３０が細胞製造装置１０に作用を及ぼす危険領域側と危険領域の反対側の安全領域側とを空間的に分離するとよく、例えば安全柵を兼ねていてもよい。壁状構造１３は複数の細胞製造装置１０を配置可能であり、これにより細胞製造装置１０の設置面積を削減することが可能になる。換言すれば、複数のクリーンルームを一つの壁状構造１３に配置しているのと同様であり、省スペース化、低コスト化を実現できる。
　顕微鏡装置２０は、細胞又は細胞塊を含む対象物を観察可能な光学顕微鏡であるが、超音波顕微鏡でもよい。顕微鏡装置２０は、対象物に対して観察波を照射する照射部２１と、対象物を透過した観察波又は反射した観察波を撮像する撮像部２２と、を備えている。顕微鏡装置２０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように培養槽１２を照射部２１と撮像部２２との間に挿入することで観察を行う透過型顕微鏡でもよいし、又は図１Ｃに示すように照射部２１と撮像部２２が同じ側に配置される反射型顕微鏡でもよい。また、顕微鏡装置２０は、種々の観察方式、例えば位相差観察方式、微分干渉観察方式、レリーフコントラスト観察方式、蛍光観察方式、明視野観察方式、暗視野観察方式等を実現可能な顕微鏡でよく、これら観察方式に応じて、照明源、コンデンサ、対物レンズ、位相板、微分干渉プリズム、偏光板等の種々の光学系や、トランスデューサ、音響レンズ等の種々の音響系や、撮像センサ等を備えていればよい。
　搬送装置３０は、多関節ロボットであるが、回転軸を備えた他の機械装置、例えばパラレルリンク型ロボット、ヒューマノイドでもよいし、又は並進軸を備えた機械装置、例えば直交ロボット、シャトル、無人搬送車等でもよい。或いはこれらの組み合わせであってもよい。搬送装置３０は、可動に適するように構成された顕微鏡装置２０を細胞製造装置１０の方へ搬送するが、駆動ベースから取外した細胞作製用カートリッジを顕微鏡装置２０の方へ搬送してもよい。つまり搬送装置３０は、顕微鏡装置２０を顕微鏡装置２０による観察位置と顕微鏡装置２０の待機位置との間で搬送してもよいし、又は細胞作製用カートリッジを顕微鏡装置２０による観察位置と細胞作製用カートリッジの待機位置との間で搬送してもよい。ここで、観察位置とは顕微鏡装置２０の焦点を培養槽１２内の細胞又は細胞塊に合わせることが可能な位置であり、待機位置とは顕微鏡装置２０又は細胞作製用カートリッジを安全に保管可能な位置である。特に細胞作製用カートリッジの待機位置は固定設置された駆動ベースに取付けた位置でよい。図１Ａ及び図１Ｂには透過型顕微鏡の照射部２１と撮像部２２との間に培養槽１２が挿入された観察位置が示されており、図１Ｃには反射型顕微鏡の照射部２１と撮像部２２が培養槽１２に対して同じ側に配置された観察位置が示されている。特に搬送装置３０がロボットであって顕微鏡装置２０を搬送する場合には、顕微鏡装置２０をロボットの先端部３１（例えばフランジ近傍）に取付けて支持搬送してもよいし又は顕微鏡装置２０をハンド（図示せず）で把持搬送してもよい。また、搬送装置３０がロボットであって細胞作製用カートリッジを搬送する場合には、細胞作製用カートリッジをハンド（図示せず）で把持搬送してもよい。
　図２は顕微鏡観察システム１の制御構成の一例を示している。顕微鏡観察システム１は、顕微鏡装置２０及び搬送装置３０を制御する制御装置４０をさらに備えている。制御装置４０は、ＣＰＵ（central processing unit）等のプロセッサを備えたコンピュータ装置であるが、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）等の他の半導体集積回路を備えたコンピュータ装置でもよい。制御装置４０は、動作プログラム４１に従って動作指令を搬送装置３０に対して送出する動作制御部４２と、動作プログラム４１に従って照射撮像指令を顕微鏡装置２０に送出する照射撮像指令部４３と、搬送装置３０が目標位置へ到達した後に顕微鏡装置２０の焦点が対象物に合っているか否かを顕微鏡画像に基づき判定する合焦判定部４４と、焦点が対象物に合っていないと判定された場合に次の目標位置を設定する目標位置設定部４５と、焦点が対象物に合っていると判定された場合に対象物の特徴量を顕微鏡画像に基づき計測する対象物計測部４６と、を備えている。これら機能部位は制御装置４０のプロセッサ、半導体集積回路等によって実装可能であるが、動作制御部４２以外の機能部位は、制御装置４０ではなく、上位コンピュータ装置のプロセッサ、半導体集積回路等で実装されてもよい。
　動作制御部４２は、顕微鏡装置２０による観察位置と顕微鏡装置２０又は細胞作製用カートリッジの待機位置との間で顕微鏡装置２０又は細胞作製用カートリッジを搬送する指令を搬送装置３０に対して行う。また、動作制御部４２は、観察位置において顕微鏡装置２０の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置３０を現在位置Ａから中継位置Ａ’へ一旦移動させた後に搬送装置３０を目標位置Ｂへ移動させる指令を搬送装置３０に対して行う。ここで、現在位置Ａから中継位置Ａ’までの第一距離は搬送装置３０の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのサーボモータ等のアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であるのに対し、現在位置Ａから目標位置Ｂまでの第二距離は第一距離よりも短い距離である。ここで所定量とは予め実験的に求めた固定値でよい。顕微鏡装置の焦点を合わせるに当たって、第一距離は例えば数ミリでよく、第二距離は例えば数十ミクロンでよい。この場合、第一距離が第二距離の数百倍程度の距離になる。このような動作制御により、搬送装置３０を駆動するアクチュエータの出力側に連なる減速機の内部の歯車に生じたバックラッシが解消し、発生力が最大静止摩擦力や負荷を超える状態となり制御対象へ伝達されることになる。つまり、現在位置Ａから目標位置Ｂまでの第二距離は数十ミクロンと極めて短いが、ロストモーションを回避して、結果的に搬送装置３０を確実に目標位置Ｂへ移動させることが可能になる。搬送装置３０がこのような動作を繰り返すことで顕微鏡装置２０の焦点を対象物に合わせることができる。
　さらに、動作制御部４２は、観察位置において培養槽１２の観察点を変更する際には、顕微鏡装置２０と培養槽１２の対象物との間の距離が変化しない方向へ搬送装置３０を移動させる指令を行う。図２の例では、顕微鏡装置２０の観察方向であるＺ方向と直交するＸ方向（図示せず）やＹ方向に移動させることで顕微鏡装置２０と培養槽１２の対象物との間の距離を変化させずに観察点を変更することができる。これにより、観察点を変更した後であっても顕微鏡装置２０の焦点が対象物に合い易くなる。
　照射撮像指令部４３は、搬送装置３０が目標位置Ｂに到達した後に照射撮像指令を顕微鏡装置２０に対して行う。そして、合焦判定部４４は、顕微鏡装置２０の焦点が対象物に合っているか否かを顕微鏡画像に基づき判定する。合焦判定部４４で用いる合焦判定の方法は、ある画素の縦横方向の明るさ勾配の大きさ（グラディエント）を求めて二乗和平方根を計算し、これの画像全体の総和が最大となるときを合焦とみなすグラディエント法、ある画素の輝度の２次微分値の絶対値を計算し、これの画像全体の総和が最大となるときを合焦とみなす高周波量法、画像全体の輝度の分散値を計算し、これが最大となるときを合焦とみなす輝度の分散法等、様々な方法がある。例えば輝度の分散法では、次式に基づいて顕微鏡画像から分散値σ2を計算し、分散値σ2が所定閾値以上であるか否かを判定することで合焦判定を行う。ここでＩ（ｘ，ｙ）は各画素の輝度であり、μは画像の平均輝度、Ｍ、Ｎは画像の縦横の画素数である。なお、以下では分散値σ2を合焦判定のための合焦判定値と呼ぶ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　焦点が対象物に合っていないと判定された場合には、目標位置設定部４５が次の目標位置を設定し、設定した目標位置を動作制御部４２へ送出する。図３は目標位置の設定手法の一例を示している。次の目標位置Ｂは、観察方向（図２のＺ方向）に沿って現在位置Ａから所定距離進めた位置でよく、所定距離は予め実験的に求めた固定値でよい。図２におけるＺ方向の移動は、実際には３次元空間内の移動であるが、図３ではそれを１次元（水平の距離軸）の移動として概念的に表すものとする。先ず搬送装置を現在位置Ａから一旦中継位置へ移動させた後、目標位置Ｂへ移動させる（図３中の＜１＞の動作）。目標位置Ｂにおける合焦判定値（図３中のｂ点）が所定閾値以上でない場合には、目標位置設定部４５がさらに観察方向に沿って所定距離進めた次の目標位置Ｃ（図３中のｃ点に対応する目標位置）を設定し、再び搬送装置を一旦中継位置へ移動させた後、目標位置Ｃへ移動させる（図３中の＜２＞の動作）。目標位置Ｃにおける合焦判定値ｃが所定閾値以上である場合には、焦点が目標位置Ｃで対象物に合ったと判定してもよい。しかし以下ではより良い合焦位置を求める方法の一例を示す。目標位置設定部４５がさらに観察方向に沿って所定距離進めた次の目標位置Ｄ（図３中のｄ点に対応する目標位置）を設定し、再び搬送装置を一旦中継位置へ移動させた後、目標位置Ｄへ移動させる（図３中の＜３＞の動作）。目標位置Ｄでは合焦判定値ｄが得られるが、このようにして得られた複数の合焦判定値ｂ、ｃ、ｄに対して多次元関数（例えば放物線関数）を近似的に当て嵌めることができる。多次元関数を当て嵌める計算方法は周知の事実なので、ここでは省略する。図３のように放物線関数を当て嵌めると、合焦判定値が最大となる点（図３中のｅ点）を求めることができ、その点に対応する位置が搬送装置の次の目標位置Ｅとなる。そこで再び搬送装置を一旦中継位置へ移動させた後、目標位置Ｅへ移動させる（図３中の＜４＞の動作）。このようにすることで搬送装置を最適な合焦位置へ移動させることができる。
　図２を再び参照すると、焦点が対象物に合っていると判定された場合には、対象物計測部４６が対象物の特徴量を顕微鏡画像に基づき計測する。対象物の特徴量とは、例えば細胞又は細胞塊の大きさ、細胞塊を構成する細胞数、細胞膜や細胞核の形状等でよい。対象物の特徴量が規定値以上である場合には次の工程へ進み、対象物の特徴量が規定値以上でない場合には次の工程へ進まず、所定時間経過後に対象物の特徴量を再度計測するとよい。また、対象物の特徴量が異常である場合には、細胞製造装置１０における細胞製造を中止又は中断してもよい。
　図４は顕微鏡観察システム１の動作の一例を示している。ステップＳ１０では、搬送装置３０が顕微鏡装置２０（又は細胞作製用カートリッジ）を観察位置へ搬送する。ステップＳ１１では、制御装置４０が照射撮像指令を顕微鏡装置２０に対して行う。ステップＳ１２では、制御装置４０が顕微鏡画像から合焦判定値を計算する。ステップＳ１３では、制御装置４０が合焦判定値に基づき顕微鏡装置２０の焦点が対象物に合っているか否かを判定する。焦点が対象物に合っていないと判定された場合には（ステップＳ１３のＮＯ）、ステップＳ１４に進み、制御装置４０が次の目標位置を設定する。ステップＳ１５では、制御装置４０が搬送装置３０を中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を行う。
　そしてステップＳ１１に再び戻り、制御装置４０が照射撮像指令を顕微鏡装置２０に対して行い、ステップＳ１２及びステップＳ１３において制御装置４０が顕微鏡画像から合焦判定値を計算して合焦判定を行う。焦点が対象物に合っていると判定された場合には（ステップＳ１３のＹＥＳ）、ステップＳ１６に進み、制御装置４０が対象物の特徴量を顕微鏡画像に基づき計算する。なお、ステップＳ１０やステップＳ１６の後に、制御装置４０が顕微鏡装置２０と対象物との間の距離が変化しない方向へ搬送装置３０を移動させる指令を行うことで培養槽１２の観察点を変更してもよい。
　ステップＳ１７では、制御装置４０が対象物の特徴量に基づき次の工程へ進むか否かを判定する。対象物の特徴量が規定値以上でない場合には制御装置４０が次の工程へ進まないと判定し（ステップＳ１７のＮＯ）、ステップＳ１８において顕微鏡装置２０（又は細胞作製用カートリッジ）を待機位置へ搬送し、所定時間経過後にこのフローチャートを再び実行するとよい。対象物の特徴量が規定値以上である場合には制御装置４０が次の工程へ進むと判定し（ステップＳ１７のＹＥＳ）、顕微鏡観察システム１の動作を終了する。なお、制御装置４０が実行するステップは、制御装置４０ではなく、上位コンピュータ装置（図示せず）で実行してもよい。
　図５Ａ及び図５Ｂは培養槽１２の変形例を示している。培養槽１２は、前述の平型培養槽ではなく、ドラム型培養槽でもよい。ドラム型培養槽で観察点を変更する際にも、制御装置４０が顕微鏡装置２０と培養槽１２の対象物との間の距離が変化しない方向へ搬送装置３０を移動させるとよい。つまり制御装置４０は、顕微鏡装置２０をドラム型培養槽の中心軸線回りに回転させ、顕微鏡装置２０と培養槽１２の対象物との間の距離（図５Ｂに示すように顕微鏡装置２０と培養槽１２の外周面との間の距離Ｘでもよいし、又は顕微鏡装置２０と培養槽１２の細胞接着面との間の距離でもよい。）が変化しない方向へ移動させるとよい。図５Ａには観察点の変更前の顕微鏡装置２０の姿勢が示されており、図５Ｂには観察点の変更後の顕微鏡装置２０の姿勢が示されている。これにより、観察点を変更した後であっても顕微鏡装置２０の焦点が対象物に合い易くなる。
　以上の実施形態によれば、観察位置において顕微鏡装置２０の焦点を対象物に合わせる際に、搬送装置３０を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に搬送装置３０を目標位置へ移動させる指令を搬送装置３０に対して行う。現在位置から中継位置までの第一距離（例えば数ミリ）は現在位置から目標位置までの第二距離（例えば数十ミクロン）の数百倍程度の距離であるため、搬送装置３０を駆動するアクチュエータに連なる減速機内部の歯車に生じたバックラッシが解消し、発生力が最大静止摩擦力や負荷を超える状態となり制御対象へ伝達されることになる。つまり搬送装置の数十ミクロンずつの微小移動を確実に行うことが可能になる。
　また前述の実施形態によれば、駆動ベースを固定設置で運用したとしても、搬送装置３０自体が顕微鏡装置の合焦機能と顕微鏡装置又は細胞作製用カートリッジの搬送機能とを備えることが可能になるため、特に多数の細胞製造装置１０を同時並行で稼働させた場合には、製造コスト、製造工数、故障トラブル等を大幅に抑制できる。つまり細胞製造における顕微鏡観察システム１を合理化する技術を提供できる。
　なお、前述のプロセッサで実行されるプログラムや前述のフローチャートを実行するプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、例えばＣＤ－ＲＯＭ等に記録して提供してもよいし、或いは有線又は無線を介してＷＡＮ（wide area network）又はＬＡＮ（local area network）上のサーバ装置から配信して提供してもよい。
　本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。
　１　　顕微鏡観察システム
　１０　　細胞製造装置
　１１　　本体
　１２　　培養槽
　１３　　壁状構造
　２０　　顕微鏡装置
　２１　　照射部
　２２　　撮像部
　３０　　搬送装置
　３１　　先端部
　４０　　制御装置
　４１　　動作プログラム
　４２　　動作制御部
　４３　　照射撮像指令部
　４４　　合焦判定部
　４５　　目標位置設定部
　４６　　対象物計測部
　Ａ　　現在位置
　Ａ’　　中継位置
　Ｂ～Ｅ　　目標位置

Claims (8)

  1. 　細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞製造装置と、
    　前記細胞又は前記細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、
    　前記顕微鏡装置を前記細胞製造装置の方へ搬送する搬送装置と、
    　前記顕微鏡装置の焦点を前記対象物に合わせる際に、前記搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を前記搬送装置に対して行う動作制御部と、
    　を備え、
    　前記現在位置から前記中継位置までの第一距離は前記搬送装置の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であり、前記現在位置から前記目標位置までの第二距離は前記第一距離よりも短い距離である、顕微鏡観察システム。
  2. 　細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞作製用カートリッジと、
    　前記細胞又は前記細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、
    　前記顕微鏡装置を前記細胞作製用カートリッジの方へ又は前記細胞作製用カートリッジを前記顕微鏡装置の方へ搬送する搬送装置と、
    　前記顕微鏡装置の焦点を前記対象物に合わせる際に、前記搬送装置を現在位置から中継位置へ一旦移動させた後に目標位置へ移動させる指令を前記搬送装置に対して行う動作制御部と、
    　を備え、
    　前記現在位置から前記中継位置までの第一距離は前記搬送装置の少なくとも一つの回転軸又は並進軸を動作させるためのアクチュエータを所定量以上回転させるのに必要な距離であり、前記現在位置から前記目標位置までの第二距離は前記第一距離よりも短い距離である、顕微鏡観察システム。
  3. 　前記搬送装置が前記目標位置へ到達した後、前記対象物を前記顕微鏡装置で観察して前記焦点が前記対象物に合っているか否かを判定する合焦判定部をさらに備える、請求項１又は２に記載の顕微鏡観察システム。
  4. 　前記焦点が前記対象物に合っていないと判定された場合に、次の目標位置を設定する目標位置設定部をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の顕微鏡観察システム。
  5. 　前記動作制御部は、前記培養槽の観察点を変更する際に、前記顕微鏡装置と前記対象物との間の距離が変化しない方向へ前記搬送装置を移動させる指令を行う、請求項１から４のいずれか一項に記載の顕微鏡観察システム。
  6. 　細胞又は細胞塊を培養する培養槽を備えた細胞作製用カートリッジと、
    　前記細胞作製用カートリッジを着脱可能に接続していて前記細胞作製用カートリッジを駆動する駆動ベースと、
    　前記細胞又は前記細胞塊を含む対象物を観察可能な顕微鏡装置と、
    　前記顕微鏡装置又は前記細胞作製用カートリッジを前記顕微鏡装置による観察位置と前記顕微鏡装置又は前記細胞作製用カートリッジの待機位置との間で搬送する搬送装置と、
    　を備える、顕微鏡観察システム。
  7. 　前記細胞作製用カートリッジが閉鎖系の流体回路を備える、請求項６に記載の顕微鏡観察システム。
  8. 　前記培養槽は前記細胞作製用カートリッジの本体から水平方向に突出している、請求項６又は７に記載の顕微鏡観察システム。
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