JP2006081434A - 細胞培養装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 培養対象が大型化しても培養液や培養ガスを細胞内部に供給することにより培養対象内部の壊死を防止する。
【解決手段】 培養液と培養対象とが収納される培養容器と、該培養容器内の培養液に疎密波を発生させる疎密波発生手段とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、細胞培養装置及び方法に関する。

例えば特開２００４−０９７００７号公報には、細胞等の培養時に機械的振動を刺激として作用させることにより細胞の増殖を活発化して、細胞または組織の分化を誘導する技術が開示されている。また、特開平０６−２１７６４１号公報には、寒天培地上に載置された植物の生長点に対して超音波を作用させることにより、当該生長点を従来よりも早く育成する技術が開示されている。

さらに、細胞、細胞塊あるいは組織等の培養対象を培養する場合に、超音波を作用させることによって増殖を活性化し得ることが一般的に知られている。ただし、このように培養対象の増殖を促進させ得る超音波の強度は比較的微弱（例えば０．５Ｗ/ｃｍ^２程度）であり、これより強度を上げると（例えば１．６Ｗ/ｃｍ^２程度）培養対象が「アポトーシス」に至ったり、さらに強度を上げた場合には細胞膜が破壊されることが知られている。
特開２００４−０９７００７号公報 特開平０６−２１７６４１号公報

ところで、培養によって培養対象がある程度大型化（例えば直径で３００μｍ程度）すると、培養液や酸素等の培養に必要なガス（培養ガス）が培養対象の内部まで供給されず、当該内部の細胞の育成不良が生じたり、あるいは壊死（細胞壊死：ネクローシス）するという問題がある。上記培養液や培養ガスは濃度勾配による拡散現象によって細胞内部に供給されると一般的に考えられており、またこのような拡散現象に基づく酸素到達深さは一般に５０μｍと言われている。

本発明は、培養対象が大型化しても培養液や培養ガスを細胞内部に供給することにより培養対象内部の壊死を防止することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、培養液と培養対象とが収納される培養容器と、該培養容器内の培養液に疎密波を発生させる疎密波発生手段とを具備する、という解決手段を採用する。

本発明によれば、培養容器内の培養液に疎密波を発生させることによって培養液中の培養対象に疎密波が作用する。すなわち、疎密波によって培養対象に変形運動が誘発されるので、ポンピング現象により培養対象の周囲の培養液が培養対象の内部に取り込まれると共に培養対象の内部にある老廃物が培養対象の外部に排出される。この結果、培養対象内部の壊死を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る細胞培養装置Ａ1の構成を示す概念図である。この図において、符号１はテーパ状培養容器、２は螺旋流発生具、３は超音波振動子、４はビデオカメラ、５は画像処理装置、６は振動子駆動部、Ｘは培養対象、Ｙは培養液である。

培養対象Ｘは、細胞壁（膜）によって囲まれた生物体の構成単位としての細胞あるいはこのような細胞が機能分化してない状態で複数密着した細胞塊であり、また組織は細胞塊が増殖して機能分化したものである。また、培養対象Ｘの種類としては、例えば様々な種類の細胞（異種細胞）の集合体あるいは幹細胞である。異種細胞の集合体は異種細胞間の相互作用によって多様な組織に分化し、幹細胞は単独であっても多様な組織に分化することが知られている。培養液Ｙは、培養対象Ｘの培養に必要なガス（培養ガス）を含むものであり、このような培養対象Ｘの種類に応じて適宜適切なものが選択される。

テーパ状培養容器１は、図示するように垂直姿勢に支持され、断面が円形の管状部材である。また、このテーパ状培養容器１は、内径が下方から上方に向けて直線的に漸次大きくなるように形状設定されており、下端部には螺旋流発生具２が挿入固定されている。例えば、テーパ状培養容器１の下端部における内径はφ２ｍｍ、上端部における内径は例えばφ６ｍｍ、高さは例えば６０ｍｍである。

このように姿勢及び形状設定されたテーパ状培養容器１には培養対象Ｘと培養液Ｙとが収納されると共に、下端から螺旋流発生具２を介して培養液Ｙが供給される一方、オーバーフローした培養液Ｙが上端から外部に排出される。なお、このテーパ状培養容器１は、中の培養対象Ｘを視認可能なように透明な樹脂あるいはガラスから形成されている。

螺旋流発生具２は、上記テーパ状培養容器１の内壁と圧接する周面（圧接面）に下方から供給された培養液Ｙが通過する螺旋状の溝が形成されており、培養液Ｙを螺旋流化してテーパ状培養容器１内に送り出す。超音波振動子３は、図示するように上記テーパ状培養容器１の上端に培養液Ｙと接触するように設けられており、テーパ状培養容器１内の培養液Ｙに疎密波（縦波）としての超音波を発生させる。

ビデオカメラ４は、テーパ状培養容器１に隣接して設けられており、当該テーパ状培養容器１の培養液Ｙ内に浮遊する培養対象Ｘを撮像し、当該培養対象Ｘの画像（培養画像）を示す画像信号を画像処理装置５に出力する。画像処理装置５は、上記培養画像を画像処理することにより培養対象Ｘの培養状態、より具体的には培養対象Ｘの大きさを検出し、その検出信号を振動子駆動部６に出力する。振動子駆動部６は、上記検出信号を制御信号として超音波振動子３を駆動する。

次に、このように構成された本細胞培養装置の動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

本細胞培養装置では、テーパ状培養容器１の下端から螺旋流発生具２を介して培養液Ｙが供給されることにより、テーパ状培養容器１内には下方から上方に向かう螺旋流が発生する。培養対象Ｘは、この螺旋流によってテーパ状培養容器１の内壁面に付着することなく培養液Ｙ中に浮遊した状態となり、３次元的な構造を有する組織に成長する。

そして、本細胞培養装置では、超音波振動子３は、このような浮遊状態にある培養対象Ｘに対して上方から培養液Ｙを介して超音波を印加する。この培養対象Ｘに印加する超音波の強度は、当然に培養対象Ｘにダメージを与えない比較的微弱な強度、つまり培養対象Ｘが「アポトーシス」に至ることのない強度に設定される。通常の場合では培養対象Ｘがある程度の大きさまで成長すると培養液Ｙは培養対象Ｘの内部に到達し難くなるが、本細胞培養装置では、疎密波である超音波を一定方向から培養対象Ｘに印加するので、図２に示すように当該培養対象Ｘに変形運動を誘発させることができる。

この培養対象Ｘの変形運動によって培養液Ｙのポンピング現象が生じて培養対象Ｘの周囲の培養液Ｙが培養対象Ｘの内部に取り込まれ、かつ培養対象Ｘの内部にある老廃物が培養対象Ｘの外部に排出される。この結果として、培養対象Ｘの内部における細胞の壊死を防止することができる。

また、本細胞培養装置では、超音波振動子３の超音波出力は以下のように制御される。すなわち、画像処理装置５が培養画像に基づいて検出した培養対象Ｘの大きさを検出信号として振動子駆動部６に供給することにより、振動子駆動部６は、図３に示すように超音波振動子３が発生する超音波の強度が培養対象Ｘの大きさに比例するように超音波振動子３を駆動する。

培養対象Ｘの成長が進行して培養対象Ｘがより大きくなると、培養液Ｙは培養対象Ｘが比較的小さい場合に比較して培養対象Ｘの内部に取り込まれ難くなる。このような状況に対して、超音波出力を上述したように制御することにより、培養対象Ｘの成長が進行してより大きくなった場合に当該培養対象Ｘにより大きな強度の超音波が作用するので、培養対象Ｘの成長度合いに依らず、培養液Ｙを培養対象Ｘの内部により確実に取り込ませることができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図４は、本第２実施形態の要部構成を示す概念図である。この図に示すように、本第２実施形態に係る細胞培養装置は、複数のテーパ状培養容器１をラダー状に並べると共に各テーパ状培養容器１の上部を連通部７によって連通させ、当該連通部７に振動面の面積が比較的広い超音波振動子３Ａを設けたものである。各テーパ状培養容器１には下端から螺旋流発生具２を介して培養液Ｙが供給される一方、各テーパ状培養容器１でオーバーフローした培養液Ｙは、連通部７から外部に排出される。

このように構成された本細胞培養装置によれば、各テーパ状培養容器１で培養対象Ｘを並行して培養することができると共に、各テーパ状培養容器１内の培養対象Ｘに１つの超音波振動子３Ａで同時に超音波を印加することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記各実施形態に係る細胞培養装置ではテーパ状培養容器１を用いるものであるが、本願発明の要旨は、培養容器内の培養液に疎密波を発生させることによって培養液中の培養対象に疎密波を作用させる点にあり、よって本願発明における培養容器はテーパ状培養容器１に限定されるものではなく、他の形状のものであっても良い。
（２）また、上記各実施形態に係る細胞培養装置では疎密波発生手段として超音波振動子３，３Ａを用いるが、疎密波発生手段はこれに限定されず、他の手段を用いても良い。
（３）また、培養対象Ｘの大きさに応じて超音波の強度を比例的に調節することについて説明したが、培養対象Ｘの大きさと超音波の強度との関係は比例関係に限定されない。さらに、培養画像から検出する培養対象Ｘの培養状態は、培養対象Ｘの大きさに限定されない。

本発明の第１実施形態に係わる培養対象培養装置の構成を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係わる培養対象培養装置の作用を示す概念図である。 本発明の第１実施形態に係わる培養対象培養装置の動作を示す特性図である。 本発明の第２実施形態に係わる培養対象培養装置の構成を示す概念図である。

符号の説明

１…テーパ状培養容器 、２…螺旋流発生具 、３…超音波振動子 、４…ビデオカメラ 、５…画像処理装置 、６…振動子駆動部 、Ｘ…培養対象、Ｙ…培養液

Claims (10)

1. 培養液と培養対象とが収納される培養容器と、
   該培養容器内の培養液に疎密波を発生させる疎密波発生手段と
   を具備することを特徴とする細胞培養装置。
2. 疎密波発生手段における疎密波の出力を培養対象の培養日数に応じて制御する疎密波制御手段とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
3. 培養対象の培養状態を検出する培養状態検出手段と、
   該培養状態検出手段の検出結果に基づいて疎密波発生手段における疎密波の出力を制御する疎密波制御手段と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
4. 培養状態検出手段は培養状態として培養対象の大きさを検出し、疎密波制御手段は、前記培養状態検出手段によって検出された培養対象の大きさに応じて疎密波の出力を増減することを特徴とする請求項３記載の細胞培養装置。
5. 培養液が連通するように設けられた複数の培養容器を備えることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の細胞培養装置。
6. 培養対象を培養液と共に培養容器内に収納し、培養液を介して培養対象に疎密波を印加させつつ培養対象を培養することを特徴とする細胞培養方法。
7. 疎密波の印加程度を培養対象の培養日数に応じて調節することを特徴とする請求項６記載の細胞培養方法。
8. 培養対象の培養状態を検出し、この検出結果に応じて疎密波の印加程度を調節することを特徴とする請求項６記載の細胞培養方法。
9. 培養対象の培養状態として培養対象の大きさを検出し、当該検出された培養対象の大きさに応じて疎密波の出力を増減することを特徴とする請求項８記載の細胞培養方法。
10. 複数の培養容器を互いの培養液が連通するように設け、各培養容器内の培養対象に疎密波を同時に印加することを特徴とする請求項６〜９いずれかに記載の細胞培養方法。
    
    

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