JP2016136868A - 細胞培養装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧力や流量をきめ細かく変化させることができるとともに、低コストで細胞を培養できるようにする。
【解決手段】培養液を貯留する第一タンク２１及び第二タンク２２と、この第二タンク２２からシリンジポンプ４に培養液を供給させる第一導通路５１と、当該第一導通路５１を開閉させる第一バルブ６１と、前記シリンジポンプ４から細胞を培養する培養室３に培養液を供給させる第二導通路５２と、当該第二導通路５２を開閉させる第二バルブ６２と、当該シリンジポンプ４および第一バルブ６１、第二バルブ６２を制御する制御部８とを備える。そして、当該制御部８によって、前記シリンジポンプ４に培養液を供給する際、第一バルブ６１を開状態に制御するとともに第二バルブ６２を閉状態に制御し、当該シリンジポンプ４から培養室３側に培養液を供給する際は、第一バルブ６１を閉状態に制御するとともに第二バルブ６２を開状態に制御させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、細胞や組織など（以下「細胞」と略する）を培養できる細胞培養装置に関するものであり、より詳しくは、培養液を脈動させながら細胞に供給することで、効率的に細胞を培養できるようにした細胞培養装置に関するものである。

従来、細胞を培養する装置として、下記の特許文献１に記載される装置などが提案されている。

この細胞培養装置は、図４に示すように、培養液を貯留するタンク９１と、このタンク９１から供給されてガス交換された培養液を一定の温度に保温する保温部９２と、この保温部９２で保温された培養液を培養槽９３に供給するファンクションジェネレータ９４で制御される遠心ポンプ９５などを備えて構成されている。そして、培養液を培養槽９３に供給する際には、ファンクションジェネレータ９４で遠心ポンプ９５を制御させながら培養液を一定の圧力や流量で培養槽９３に供給し、その培養槽９３内で人体を模した環境下で酸素などを供給して細胞を培養させるようにしている。

ところで、このような細胞培養装置で細胞を培養させる場合、培養液の圧力や流速などを試行錯誤的に変えることで、細胞にとって最適な環境で培養させるようにすることが望まれている。

特開２００６−１０９７０７号公報

しかしながら、このような細胞培養装置で細胞を培養させる場合、次のような問題がある。

すなわち、上述のようなファンクションジェネレータを用いて遠心ポンプを制御するようにしているため、培養液の流量や圧力を大きくするために遠心ポンプの回転速度を上げなければならない。しかるに、このようなポンプは、急速に回転速度を上げることができないために、どうしても脈動させる際の圧力の立ち上がりに遅延を生じてしまう。また、遠心ポンプでは、培養液をポンプ内の回転羽根や回転軸などに接触させてしまうことになるため、培養液のクリーン性を保つことが難しくなってしまう。さらには、このようなファンクションジェネレータや遠心ポンプを用いると、装置が大掛かりなものになってしまい、コストが高くなってしまうばかりでなく、回転羽根を常時回転させることによって騒音が大きくなってしまうといった問題も生ずる。

そこで、本発明は、上記課題を解決するために、圧力や流量をきめ細かく変化させることができるとともに、低コストで細胞を培養できるようにした細胞培養装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は上記課題を解決するために、培養液を貯留するタンクと、細胞を培養する培養室と、前記タンクから供給された培養液を前記培養室に供給する供給部とを備えてなる細胞培養装置において、当該供給部を、プランジャーを往復動させるシリンジポンプで構成したものである。

このように構成すれば、安価なシリンジポンプのプランジャーの押圧力や速度を変えることによって、簡単に圧力や流量や周期などを変化させることができ、細胞にとって最適な培養環境を作り出すことができるようになる。

また、このような発明において、培養液を貯留するタンクと、当該タンクからシリンジポンプに培養液を供給させる第一導通路と、当該第一導通路を開閉させる第一バルブと、前記シリンジポンプから細胞を培養する培養室に培養液を供給させる第二導通路と、当該第二導通路を開閉させる第二バルブと、当該シリンジポンプおよび第一バルブ、第二バルブを制御する制御部とを備え、当該制御部によって、前記シリンジポンプに培養液を供給する際、第一バルブを開状態に制御するとともに第二バルブを閉状態に制御し、当該シリンジポンプから培養室側に培養液を供給する際は、第一バルブを閉状態に制御するとともに第二バルブを開状態に制御させるようにする。

このように構成すれば、プランジャーの往復動と第一バルブおよび第二バルブの開閉制御によって、常に新鮮な培養液を供給することができるようになる。

さらには、前記培養室から培養液を排出させる第三導通路と、当該第三導通路の流路幅を可変にする第三バルブとを備え、前記制御部で当該第三バルブの流路幅を変えるようにする。

このように構成すれば、排出側の第三バルブの流路幅とプランジャーの押圧力を変えることによって培養液の圧力や、脈動の立ち上がり、立ち下がりなどを変化させることができるようになる。

加えて、前記タンクを、培養液を貯留する第一タンクと、当該第一タンクから供給された培養液を保温する第二タンクとを備えて構成し、当該第二タンクから前記シリンジポンプに培養液を供給できるようにする。

このように構成すれば、タンクを分けることによって、新たに培養液を補給する際に、シリンジポンプ側に供給される培養液の温度が急激に変わってしまうようなことがなくなる。

また、このような第二タンクに、保温によって生じた気泡を除去する気泡除去部を設けるようにする。

このように構成すれば、保温によって生じた気泡をその場で除去することができるため、気泡のない培養液をシリンジポンプを介して培養室に供給することができるようになる。

本発明によれば、培養液を貯留するタンクと、細胞を培養する培養室と、前記タンクから供給された培養液を前記培養室に供給する供給部とを備えてなる細胞培養装置において、当該供給部を、プランジャーを往復動させるシリンジポンプで構成するようにしたので、安価なシリンジポンプのプランジャーの押圧力や速度を変えることで、簡単に圧力や流量や周期などを変化させることができ、細胞にとって最適な培養環境を作り出すことができるようになる。

本発明の一実施の形態における細胞培養装置の全体概略図 同形態における培養室に配置される培養基材を示す図 同形態における培養液の供給状態を示す図 従来例における細胞培養装置を示す図

以下、本実施の形態における細胞培養装置１について図面を参照して説明する。

この実施の形態における細胞培養装置１は、図１に示すように、培養液を貯留するタンク２と、細胞を培養する培養室３と、タンク２から供給された培養液を導通路を介して培養室３に供給する供給部（シリンジポンプ４）と、この供給部やバルブ（６１〜６４）などを制御する制御部８を備えて構成するようにしたものである。そして、特徴的に、その供給部４をシリンジポンプ４で構成するとともに、制御部８を用いてタンク２から新たな培養液をシリンジポンプ４内に供給し、弁を切り替えて最適な流速や圧力によって培養室３側に培養液を供給できるようにしたものである。以下、本実施の形態における細胞培養装置１について詳細に説明する。

まず、タンク２は細胞を培養するための培養液を貯留するものであって、ここでは新たな培養液を貯留する第一タンク２１と、この第一タンク２１から供給された培養液を貯留する第二タンク２２とを分離して構成されている。このうち第一タンク２１には、貯留されている培養液が少なくなった場合に、別途新たに培養液が供給されるようになっている。一方、第二タンク２２には、この第一タンク２１との間に連結されたチューブなどが設けられ、第一タンク２１から必要な分だけの培養液が徐々に供給されるようになっている。この供給を行う際には、第二タンク２２を密閉状態にしておき、第二タンク２２の培養液が培養室３側に供給されて内部圧力を低下されることによって、第一タンク２１から新たな培養液を供給できるようになっている。

また、この第二タンク２２には、保温部２３が設けられており、貯留された培養液を一定温度（例えば、体温程度）に保つようにしたものである。この保温の方法としては種々の方法が考えられるが、第二タンク２２の外側から熱を供給する方法や、第二タンク２２内にヒーターなどを設ける方法などが考えられる。なお、この場合、培養液のクリーン性を保つためには、第二タンク２２の外側から熱を供給する方法が好ましい。また、このように培養液を低温から体温程度に保温する過程で培養液の内部から気泡が発生してしまうため、この第二タンク２２内には気泡除去部２４を設けて、その気泡を除去できるようにしている。ここでは、第二タンク２２内の培養液の上側部分を気泡除去部２４として空間を形成しておき、ある程度気体の領域が大きくなった場合に気泡を外部に放出させるようにしている。この気泡を外部に放出させる場合、第二タンク２２から後述する排液槽７までの第四導通路５４を介して気体を排液槽７側まで排出させるようにする。このとき、第二タンク２２の気密性を保つために、第四導通路５４に第四バルブ６４を設けておき、制御部８を介して気体を排出させるときのみ、第四バルブ６４を開けて気体を排液槽７側まで排出させるようにする。

一方、培養室３には、三次元細胞塊を個別に収容する培養基材３１が設けられる。この培養基材３１は、図２に示すように、細胞塊形状を保持できると同時に圧力を加えても変形しない強度を持ち、かつ、培養液を透過させることができる多孔性のマイクロウェルによって構成されている。このマイクロウェルによる有底孔の大きさは、２００μｍ程度となっており、その間に存在する多孔質壁から培養液を三次元細胞に供給して細胞の最寄りの毛細血管から栄養源や酸素などを供給できるようになっている。この培養基材３１の外形は円盤形状をなしており、培養室３の下方のテーパー状をなす入口部３２から培養液を均一に各細胞側に供給できるようにしている。なお、ここでは培養基材３１を円盤状とし、入口部３２をテーパー形状をなすようにしているが、各細胞に均等に流速や圧力を加えられるような状態であれば、どのような形状であってもよい。そして、このように供給された培養液を上側の排出部３３から排出させるようにしている。また、この培養室３（もしくは、これに接続される第三導通路５３や第四導通路５４）には、酸素濃度センサーＳ１や圧力センサーＳ２が設けられ、これらのセンサーＳ１、Ｓ２の値によって、培養液の供給を制御できるようにしている。

この培養室３には、供給部やバルブを制御することによって培養液が供給される。この供給部は、この実施の形態ではシリンジポンプ４で構成されており、図１に示すように、シリンジ４１内にプランジャー４２を進退させることで、シリンジ４１内の培養液を培養室３側に供給できるようにしている。具体的には、プランジャー４２をウォームギアなどを介して後退させることで、第二タンク２２から第一導通路５１を介して培養液をシリンジ４１内に吸い込み、逆に、プランジャー４２を押し込むことで、シリンジ４１内の培養液を先端開口部から排出し、第二導通路５２を介して培養室３に供給するようにしている。このとき、第二タンク２２から第一導通路５１を介して培養液を吸い込む際には、制御部８を用いて、第一導通路５１に設けられた第一バルブ６１を開の状態にしておくとともに、排出側の第二導通路５２に設けられた第二バルブ６２を閉の状態にしておく。そして、このように第一バルブ６１や第二バルブ６２を制御した状態で、プランジャー４２を後退させて、第二タンク２２から新たな培養液を吸い込む。一方、シリンジ４１内の培養液を培養室３側に排出する際には、逆に、制御部８を用いて、第一導通路５１の第一バルブ６１を閉の状態にし、第二導通路５２の第二バルブ６２を開の状態にしてプランジャー４２を押し込む。すると、シリンジ４１内の培養液が第二導通路５２を介して培養室３内に供給されるようになる。この制御部８によってシリンジポンプ４のプランジャー４２を進退させる場合、プランジャー４２の進退速度を制御できるようにしており、プランジャー４２の速度や流量、もしくは、圧力などを制御できるようにしている。

一方、この制御部８によって、培養室３の下流側に設けられる第三導通路５３の第三バルブ６３も制御される。この第三バルブ６３も第三導通路５３の開閉もしくは流路幅を変更できるようにしたものであって、可撓性チューブで構成された第三導通路５３を外側から挟み込むことで、流路幅を調整できるようにしている。そして、この流路幅を調整するとともに、シリンジポンプ４のプランジャー４２の押し込み力を変えることで、培養室３に供給される培養液の圧力を調整できるようにしている。

このように培養室３に供給された培養液は、第三導通路５３を介して排液槽７に供給される。ここでは、排液槽７に培養液を貯留しておく構成としているが、この培養液を第二タンク２２に循環供給できるようにしてもよい。

次に、このように構成された細胞培養装置１における培養液の供給方法について説明する。

まず、細胞を培養する場合、第二タンク２２から細胞培養室３までを培養液で満たしておき、その状態で、マイクロウェルの各孔に三次元細胞をそれぞれ投入する。このとき、満たされる培養液は所定の温度（例えば、３７℃程度）となるように予め温めておくようにし、その状態で三次元細胞を投入する。

そして、このようにした状態で培養室３に培養液を供給していく。この培養液を供給する場合は、第二タンク２２で予め温められて気泡の除去された培養液をシリンジポンプ４内に吸い込む。この吸い込みの際には、制御部８を用いて第一バルブ６１を開の状態にするとともに第二バルブ６２を閉の状態にし、この状態でシリンジポンプ４のプランジャー４２を後退させる。するとシリンジ４１内の圧力が下がって第二タンク２２から培養液がシリンジポンプ４内に取り込まれる。

そして、今度は、第一バルブ６１を閉の状態にするとともに第二バルブ６２を開の状態にし、この状態でシリンジポンプ４のプランジャー４２を押し込むようにする。すると、シリンジポンプ４内の培養液が第二導通路５２を介して培養室３内に供給されるようになる。

このとき、プランジャー４２の進退を一定周期で行うようにすれば、図３（ａ）に示すように、脈動させるように培養液を細胞に供給させることができる。また、このとき、第三バルブ６３を開いた状態にしておくと、図３（ｂ）に示すように、培養液の圧力を低くした状態で培養液を供給することができ、プランジャー４２の押し込むスピードを速くすれば、脈動させる際の立ち上がり供給速度を高めることができるようになる。また、このときのプランジャー４２の押し込み速度を小さくすれば、脈動させる際の立ち上がり供給速度をゆっくりにすることができる。一方、第三バルブ６３によって第三導通路５３の通路幅を狭くした場合は、図３（ｃ）に示すように、培養液の圧力を高めながら培養液を脈動させるように供給することができるようになる。このときも、プランジャー４２の押し込み速度を変化させることで、立ち上がりを変化させることができるようになる。さらに、第三バルブ６３を完全に閉めた状態でシリンジポンプ４から培養液を供給すると、圧力の立ち上がりを急激に高めることができ、その後、第三バルブ６３を徐々に開けることによって培養液を供給していくことができるようになる（図３（ｄ））。

また、このように供給された培養液は、酸素濃度センサーや圧力センサーによって酸素濃度や圧力が検出され、その値を時系列で記録したり、あるいは、その値によってシリンジポンプ４の動作を制御したりすることで、設定された酸素濃度や圧力で培養液を供給できるようにする。

このように供給された培養液は、第三導通路５３を介して排液槽７まで導かれる。

以下、同様にして第二タンク２２から順次新たな培養液を供給して排液槽７に貯めていくが、このように培養液を供給していくと、密閉された第二タンク２２の圧力が低くなっていく。このように第二タンク２２の圧力が低くなると、今度は、その第二タンク２２の圧力減に応じて第一タンク２１から新たな培養液が取り込まれ、第二タンク２２に供給される。そして、その第二タンク２２で保温して気泡を除去した後、順次シリンジポンプ４を介して培養室３に供給していく。

このように上記実施の形態によれば、培養液を貯留するタンク２と、細胞を培養する培養室３と、前記タンク２から供給された培養液を前記培養室３に供給する供給部とを備えてなる細胞培養装置１において、当該供給部を、プランジャーを往復動させるシリンジポンプ４で構成したので、安価なシリンジポンプ４のプランジャーの押圧力や速度を変えることで、簡単に圧力や流量や周期などを変化させることができ、細胞にとって最適な培養環境を作り出すことができるようになる。

また、培養液を貯留するタンク２と、当該タンク２からシリンジポンプ４に培養液を供給させる第一導通路５１と、当該第一導通路５１を開閉させる第一バルブ６１と、前記シリンジポンプ４から細胞を培養する培養室３に培養液を供給させる第二導通路５２と、当該第二導通路５２を開閉させる第二バルブ６２と、当該シリンジポンプ４および第一バルブ６１、第二バルブ６２を制御する制御部８とを備え、当該制御部８によって、前記シリンジポンプ４に培養液を供給する際、第一バルブ６１を開状態に制御するとともに第二バルブ６２を閉状態に制御し、当該シリンジポンプ４から培養室３側に培養液を供給する際は、第一バルブ６１を閉状態に制御するとともに第二バルブ６２を開状態に制御させるようにしたので、プランジャーの往復動と第一バルブ６１および第二バルブ６２の開閉制御によって、常に新鮮な培養液を供給することができるようになる。

さらには、前記培養室３から培養液を排出させる第三導通路５３と、当該第三導通路５３の流路幅を可変にする第三バルブ６３とを備え、前記制御部８で当該第三バルブ６３の流路幅を変えるようにしたので、排出側の第三バルブ６３の流路幅とプランジャー４２の押圧力を変えることによって培養液の圧力や、脈動の立ち上がり、立ち下がりなどを変化させることができるようになる。

加えて、前記タンク２を、培養液を貯留する第一タンク２１と、当該第一タンク２１から供給された培養液を保温する第二タンク２２とを備えて構成し、当該第二タンク２２から前記シリンジポンプ４に培養液を供給できるようにしたので、新たに培養液を補給する際に、シリンジポンプ４側に供給される培養液の温度が急激に変わってしまうようなことがなくなる。

また、このような第二タンク２２に、保温によって生じた気泡を除去する気泡除去部２４を設けるようにしたので、保温によって生じた気泡をその場で除去することができるため、気泡のない培養液をシリンジポンプ４を介して培養室３に供給することができるようになる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、タンク２を第一タンク２１と第二タンク２２に分けて構成するようにしたが、これを一つのタンク２としておき、そのタンク２で保温と気泡除去を行うようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、排液槽７に培養液を貯留するようにしたが、これをタンク２に戻して循環再利用するようにしてもよい。

さらに、上記実施の形態では、シリンジポンプ４への供給と排出を第一バルブ６１および第二バルブ６２で切り替えるようにしたが、第一導通路５１と第二導通路５２との合流部分に切替弁を設けて供給と排出を切り替えるようにしてもよい。

加えて、上記実施の形態では、第二タンク２２で保温して培養室３へ培養液を供給するようにしたが、途中で培養液の温度が低下してしまう可能性がある場合は、第一導通路５１や第二導通路５２、シリンジポンプ４にも保温部２３を設けて、温度を一定に保てるようにしておくことも可能である。もしくは、この第二タンク２２から培養室３までを一つの筐体内に収納しておき、その筐体内を一定の温度に保つようにして、培養液の温度低下を防ぐようにしてもよい。

１・・・細胞培養装置
２・・・タンク
２１・・・第一タンク
２２・・・第二タンク
２３・・・保温部
２４・・・気泡除去部
３・・・培養室
３１・・・基材
３２・・・入口部
３３・・・排出部
４・・・供給部（シリンジポンプ）
４１・・・シリンジ
４２・・・プランジャー
５１・・・第一導通路
５２・・・第二導通路
５３・・・第三導通路
５４・・・第四導通路
６１・・・第一バルブ
６２・・・第二バルブ
６３・・・第三バルブ
６４・・・第四バルブ
７・・・排液槽
８・・・制御部

Claims (5)

1. 培養液を貯留するタンクと、
   細胞を培養する培養室と、
   前記タンクから供給された培養液を前記培養室に供給する供給部とを備えてなる細胞培養装置において、
   当該供給部を、プランジャーを往復動させるシリンジポンプで構成したことを特徴とする細胞培養装置。
2. 培養液を貯留するタンクと、
   当該タンクからシリンジポンプに培養液を供給させる第一導通路と、
   当該第一導通路を開閉させる第一バルブと、
   前記シリンジポンプから細胞を培養する培養室に培養液を供給させる第二導通路と、
   当該第二導通路を開閉させる第二バルブと、
   当該シリンジポンプおよび第一バルブ、第二バルブを制御する制御部と、
   を備え、
   当該制御部によって、前記シリンジポンプに培養液を供給する際、第一バルブを開状態に制御するとともに第二バルブを閉状態に制御し、当該シリンジポンプから培養室側に培養液を供給する際は、第一バルブを閉状態に制御するとともに第二バルブを開状態に制御するようにしたことを特徴とする細胞培養装置。
3. 前記培養室から培養液を排出させる第三導通路と、
   当該第三導通路の流路幅を可変にする第三バルブと、
   を備え、前記制御部で当該第三バルブの流路幅を変えるようにした請求項２に記載の細胞培養装置。
4. 前記タンクが、培養液を貯留する第一タンクと、当該第一タンクから供給された培養液を保温する第二タンクとを備えて構成されるものであり、
   当該第二タンクから前記シリンジポンプに培養液を供給するようにした請求項１または２に記載の細胞培養装置。
5. 当該第二タンクが、保温によって生じた気泡を除去する気泡除去部を有してなる請求項４に記載の細胞培養装置。

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