JP7057967B2 - 細胞培養装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞を培養する装置に関する。

再生医療の分野においては、細胞をシート状に培養して得られる細胞シートを患者に対して移植する手法が知られている。細胞シートを形成するために、温度等に応じて細胞の接着性が変化する培養皿上で細胞を培養する方法がある。この方法においては、培養過程のなかで細胞シートが培養皿から意図せず剥離することがある。

下記特許文献１は、細胞シートを培養する技術を開示している。同文献は、『強度の低いシート状細胞培養物であっても、皺、破れ、破損およびコンタミネーションなどの危険性を低減して容易に培養容器から剥離することができるシステムを提供することを目的とする。』ことを課題として、『（ｉ）シート状細胞を培養している培養容器を収納する収納部、（ｉｉ）収納部内の培養容器に振動を与えて、シート状細胞培養物を剥離させる振動部、（ｉｉｉ）培養容器内のシート状細胞培養物の初期状態および振動後の状態を測定するセンサー部、（ｉｖ）該センサー部によって測定された初期状態と振動後の状態との測定値の差が設定値を超えた場合に、剥離状態であると解析する解析部、を含むシステムを提供することにより、上記課題が解決された。』という技術を開示している（要約参照）。

特開２０１１－１１５０８０号公報

細胞シートが剥離したことに気づかないまま培養を進行すると、細胞シートが折れ曲がった状態で細胞間接着が形成されることにより、皺が発生したり、シートの縁が盛り上がったりすることがある。これにより細胞シートの外観が損なわれてしまう。

特許文献１記載の技術においては、培養容器に対して振動を与えることにより、皺や破損などを生じさせることなく細胞シートを培養容器から剥離することとしている。しかし細胞シートの剥離は、意図しないタイミングで生じる可能性がある。特許文献１記載の技術は、意図したタイミングで細胞シートを確実に剥離することを目的としており、意図しないタイミングで剥離が生じたときの対処については必ずしも詳細に検討していない。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、意図しないタイミングで細胞シートが培養皿から剥離したとき、細胞シートに皺などが発生することを防ぎつつ、細胞シートを培養皿から速やかに剥離することを目的とするものである。

本発明に係る細胞培養装置は、培養皿内の細胞の画像を撮影し、その画像にしたがって冷却機構と振動機構を制御することにより、細胞を冷却しつつ振動を与える。

本発明に係る細胞培養装置によれば、意図しないタイミングで細胞シートが培養皿から剥離したことを画像によって検出し、細胞を冷却することにより細胞の収縮を抑制しつつ振動によって速やかに細胞を培養皿から剥離することができる。

実施形態１に係る細胞培養装置１００の構成図である。 細胞培養装置１００の動作手順を説明するフローチャートである。 実施形態２に係る細胞培養装置１００の構成図である。

＜実施の形態１：装置構成＞
図１は、本発明の実施形態１に係る細胞培養装置１００の構成図である。細胞培養装置１００は、培養皿１１１上に細胞シートを載置して培養する装置である。細胞培養装置１００は、プレート１１０、冷却機構１２０、振動機構１３０、撮影部１４０、照明１５０、制御部１６０を備える。

プレート１１０は、培養皿１１１を載置する板状の部材である。冷却機構１２０は、例えば細胞培養装置１００の内部空間を冷却することにより、培養皿１１１上の細胞を冷却する装置である。振動機構１３０は、プレート１１０を加振することにより、培養皿１１１上の細胞を振動させる装置である。振動方向としては、水平方向、垂直方向、これらの任意の組み合わせいずれであってもよい。撮影部１４０は、プレート１１０の下方から培養皿１１１上の細胞の画像を撮影する。照明１５０は、撮影部１４０が撮影する付近の空間を照らす。制御部１６０は、撮影部１４０が撮影した画像にしたがって、冷却機構１２０と振動機構１３０を制御する。

細胞を培養する過程において、細胞が培養皿１１１から意図せず剥離することがある。そのまま細胞を培養し続けると、細胞シートが折れ曲がった状態で細胞が培養されることにより、細胞シートに皺が生じたり、細胞シートの縁が盛り上がったりすることがある。これにより細胞シートの外観が損なわれる。そこで本実施形態１においては、まず細胞が意図せず剥離したことを検出することとした。

撮影部１４０は細胞の画像を撮影し、制御部１６０はその画像を例えば所定時間間隔で周期的に取得する。制御部１６０は、その画像を適当な解析手法によって解析することにより、細胞が培養皿１１１から剥離しているか否かを検出する。細胞の少なくとも一部が培養皿１１１から剥離している場合、制御部１６０は後述する手順により、細胞シートに皺などが生じることを防ぐ。

＜実施の形態１：動作手順＞
制御部１６０は、細胞画像に基づき細胞が培養皿１１１から剥離し始めていることを検出すると、冷却機構１２０を動作させて細胞を冷却するとともに、振動機構１３０を動作させて培養皿１１１を振動させることにより、細胞シートを培養皿１１１から剥離させることを促す。振動機構１３０を動作させる継続時間は、撮影部１４０が撮影した細胞画像に基づき細胞が完全に剥離したと評価されるまでとしてもよいし、あらかじめ定めた時間だけ継続させてもよい。

冷却機構１２０は、細胞の培養温度よりも低い温度まで細胞を冷却する。細胞の培養温度は典型的には３７℃なので、これよりも低い温度まで細胞を冷却することが望ましい。これにより、細胞が折れ曲がった状態で培養されることにより細胞間接着が形成されることを抑制できる。

冷却機構１２０と振動機構１３０を併用することにより、細胞間接着が形成されて細胞シートの外観が損なわれることを抑制するとともに、細胞を培養皿１１１から剥離する工程を並行して実施することができる。これにより、培養工程の作業効率を高めつつ品質のよい細胞シートを得ることができる。

培養皿１１１として、温度応答性の容器を用いることにより、本発明の効果をさらに高めることもできる。具体的には、例えば温度が閾値温度未満まで低下すると細胞に対する接着性が充分に低下して、細胞が培養皿１１１から剥離されるようにすることが考えられる。これにより、冷却機構１２０が細胞を冷却するとき培養皿１１１も同時に冷却されるので、細胞を剥離させる作用を高めることができる。すなわち、細胞を剥離させる工程をさらに効率的に進めることができる。培養皿１１１が温度に対して応答する温度は、必ずしも冷却機構１２０による冷却温度と同じでなくともよい。

図２は、細胞培養装置１００の動作手順を説明するフローチャートである。細胞培養装置１００は、本フローチャートを例えば所定周期ごとに実行することができる。以下図２の各ステップについて説明する。

撮影部１４０は、培養皿１１１上の細胞を継続的に撮影し、その画像データを制御部１６０に対して出力する（Ｓ２０１）。制御部１６０は、細胞の画像データを解析することにより（Ｓ２０２）、細胞が培養皿１１１から剥離し始めているか否かを判断する（Ｓ２０３）。細胞が剥離し始めている場合は冷却機構１２０によって細胞を冷却するとともに、振動機構１３０によって細胞を振動させる（Ｓ２０４）。細胞が剥離し始めていない場合はステップＳ２０１に戻る。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る細胞培養装置１００は、細胞が培養皿１１１から剥離し始めていることを確認すると、細胞を冷却し始めるとともに加振する。細胞を冷却することにより、細胞が培養されて意図しない細胞間接着が形成されることを抑制できる。これと並行して細胞を加振することにより、細胞シートの折れ曲がりなどの不具合を抑制しつつ細胞シートを確実に培養皿１１１から剥離させることができる。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の実施形態２に係る細胞培養装置１００の構成図である。本実施形態２において、撮影部１４０は細胞培養装置１００の外から細胞を撮影する。したがって、プレート１１０のうち少なくとも培養皿１１１を載置する部分は、光学的に透明に形成されている。同様に細胞培養装置１００の筐体底部のうち少なくとも培養皿１１１を載置する部分は、光学的に透明に形成されている。プレート１１０と筐体底部を一体的に構成してもよい。

本実施形態２において、冷却機構１２０は細胞培養装置１００の外に設置してもよい。この場合は例えば細胞培養装置１００の筐体側部を開放し、または任意に開放できるように構成する（例：扉を備え付ける）ことにより、培養皿１１１上の細胞を冷却することができる。

本実施形態２の構成は、冷却機構１２０を細胞培養装置１００の内部に設置する必要はないので、細胞培養装置１００本体を小型化できるメリットがある。また細胞培養装置１００の外から細胞を撮影するので、照明１５０は必ずしも必要ではなく、細胞培養装置１００を設置する環境（例えば室内）が備える照明を用いることができる。したがって細胞培養装置１００をさらに小型化できる。また、一般的な培養環境である湿度１００％Ｒ．Ｈ．の細胞培養装置１００環境中に撮影部１４０を入れないことにより、結露を抑止するというメリットもある。熱源としてガラスヒーターを上面、下面、もしくはその両方に配置することにより結露を防止してもよい。さらに細胞培養装置１００内部の温度をフィードバックして、上面、下面、もしくはその両方のヒーターの温度を制御する機構を備えていてもよい。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

以上の実施形態においては、制御部１６０が細胞画像を解析することにより剥離が開始しているか否かを判断することとした。これに代えてまたはこれと併用して、細胞画像をユーザが視認することにより、細胞剥離開始したことおよび冷却機構１２０と振動機構１３０を開始すべき旨を判断し、その判断にしたがって、冷却機構１２０と振動機構１３０を動作させるように制御部１６０に対して指示してもよい。ユーザからの指示は適当なインターフェースを介して制御部１６０に対して入力すればよい。

以上の実施形態においては、細胞が意図しないタイミングで培養皿１１１から剥離し始めたとき、望ましくない細胞間接着などが形成されることを抑制するために冷却機構１２０と振動機構１３０を作動させることを説明した。これに加えて冷却機構１２０と振動機構１３０は、通常の細胞剥離工程において用いることもできる。例えば細胞を培養し始めてから所定の培養期間が経過した時点で、冷却機構１２０と振動機構１３０を作動させることにより、通常の剥離工程を実施してもよい。

冷却機構１２０としては、細胞に対して冷風を吹き付けるものでもよいし、プレート１１０または培養皿１１１と接触してこれを冷却する素子（ペルチェ素子など）を用いてもよい。その他適当な冷却装置を用いてもよい。

制御部１６０は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのような演算装置が実行することにより構成することもできる。

１００：細胞培養装置
１１０：プレート
１１１：培養皿
１２０：冷却機構
１３０：振動機構
１４０：撮影部
１５０：照明
１６０：制御部

Claims (7)

1. 細胞を培養する細胞培養装置であって、
   前記細胞を保持する培養皿を載置するプレート、
   前記培養皿が保持している前記細胞を冷却する冷却機構、
   前記培養皿または前記プレートを振動させる振動機構、
   前記培養皿が保持している前記細胞を撮影する撮影部、
   前記冷却機構と前記振動機構を動作させる制御部、
   を備え、
   前記制御部は、前記撮影部が撮影した前記細胞の画像に基づき前記冷却機構と前記振動機構を動作させるか否かを判断した結果にしたがって、前記冷却機構と前記振動機構を動作させ、
   前記制御部は、前記画像にしたがって前記細胞の形状を解析することにより、前記細胞の少なくとも一部が前記培養皿から剥離しているか否かを判定し、
   前記制御部は、前記細胞の少なくとも一部が前記培養皿から剥離していると判定した場合は、前記冷却機構と前記振動機構を動作させる
   ことを特徴とする細胞培養装置。
2. 前記制御部は、前記冷却機構により前記細胞を冷却しながら、前記振動機構により前記細胞を振動させる
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
3. 前記制御部は、前記冷却機構と前記振動機構を動作させるよう指示する指示入力を受け取り、その指示入力にしたがって、前記冷却機構と前記振動機構を動作させる
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
4. 前記冷却機構は、前記細胞の培養温度未満まで前記細胞を冷却する
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
5. 前記培養皿は、前記培養皿の温度が閾値温度以下まで低下すると前記細胞に対する接着性が変化するように構成されており、
   前記閾値温度は、前記培養温度以下である
   ことを特徴とする請求項４記載の細胞培養装置。
6. 前記細胞培養装置はさらに、
   前記プレートと前記撮影部を収容する筐体、
   前記プレートに載置されている前記培養皿を照らす照明、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。
7. 前記細胞培養装置はさらに、前記プレートを収容する筐体を備え、
   前記撮影部は、前記筐体の外に配置されており、
   前記筐体のうち前記プレートと前記撮影部との間に配置されている部分は、光学的に透明に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の細胞培養装置。

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