JP4451582B2

JP4451582B2 - 細胞・組織培養装置

Info

Publication number: JP4451582B2
Application number: JP2001389549A
Authority: JP
Inventors: 多佳雄高木; 節雄渡辺
Original assignee: Takagi Industrial Co Ltd
Current assignee: Takagi Industrial Co Ltd
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2021-12-21
Also published as: WO2003054137A1; EP1464696A4; US7144726B2; JP2003180331A; US20050106716A1; EP1464696A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ティッシュエンジニアリング（組織工学）を応用した細胞、組織培養等に用いられる細胞・組織培養装置に係り、より詳細に述べれば、人体等の生体の細胞組織を体外培養を行う際に細胞や組織の代謝機能を効率的に発現させ、細胞の延命、分化、促進に必要な物理刺激を被培養物に付与する細胞・組織培養装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、人体等の生体の細胞、組織を体外培養する方法には、インキュベータ（培養庫）内の温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度を適切な条件に維持し、その中で細胞を培養するという方法が取られている。細胞、組織は培養液中に浮遊状態に置かれるか、その培養液成分の入ったゲルの中又は表面に固定して増殖、成長させるか、マトリクス又はスキャホールド、足場、担体、鋳型等と呼ばれる物質（以下単に「マトリクス」と称する）内に細胞、組織を植え付けて増殖、成長させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、細胞、組織の増殖、成長には、温度、湿度、二酸化炭素濃度、酸素濃度等の環境条件に加え、培養すべき細胞、組織に物理刺激を与えることが重要である。このような物理刺激は細胞や組織の分化及び成長を促進させるとともに、より生体内の細胞や組織に近い細胞や組織に成長させるために不可欠な要素である。細胞、組織の増殖、成長に物理刺激を付与する技術として、例えば、特表２００１−５０４６９７号「軟骨細胞への剪断流れ応力の印加」がある。
【０００４】
そこで、本発明は、培養する細胞や組織である被培養物に増殖や成長に必要な物理刺激を付与することができる細胞・組織培養装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の細胞・組織培養装置の構成は次の通りである。
【０００６】
本発明の細胞・組織培養装置は、被培養物（マトリクス８）を収容し、培養液（６）が供給されるチャンバ（培養チャンバ４）と、前記チャンバ内に前記培養液中で移動可能に設置され、その移動による前記チャンバの内壁面との間の間隔変化で前記被培養物を圧縮する物理刺激を付与する加圧板（１０、１１）と、この加圧板と非接触状態で前記チャンバ外から、前記加圧板を移動させるための駆動力を前記加圧板に付与する駆動手段（プレッシャー装置２２、電磁石装置３２）とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の細胞・組織培養装置において、前記加圧板と前記駆動手段との間の磁気結合により前記加圧板に前記駆動力を付与することを特徴とする。
また、本発明の細胞・組織培養装置において、前記磁気結合の強さを変えることで、前記被培養物に対する加圧力を可変することを特徴とする。
【０００９】
本発明の細胞・組織培養装置において、前記チャンバを構成する部材の一部又は全部を透明化し、内部の前記被培養物を外部から視認可能にしたことを特徴とする。
【００１０】
以上の構成とすれば、被培養物に外部から所望の加圧圧縮による物理刺激を付与することができる。この場合、一方向に加圧力が加えられた被培養物、即ち、細胞又は組織は、その加圧力の方向で圧縮されるが、その圧縮方向と直交方向には伸長状態となる。また、その加圧力が解除されると、被培養物は元の形状に復帰することになる。このような加圧圧縮による物理刺激を加えられた被培養物は、人体と同様な刺激を受けることから、その成長が促進される。また、被培養物には培養液が付与されるので、必要な養分を与えることができる。また、チャンバを構成する部材の一部又は全部を透明化して外部から視認可能とすることにより、被培養物の成長を容易に観察することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明及びその実施の形態を図面に示した実施例を参照して詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の細胞・組織培養装置の第１実施例を示している。
【００１３】
例えば、円盤状のチャンバ本体２が設置され、このチャンバ本体２の内部には円形の培養空間である培養チャンバ４が形成されている。この培養チャンバ４の内部には、培養液６とともに患者の細胞が植え付けられた被培養物としてのマトリクス８が設置され、このマトリクス８の加圧手段として加圧板１０が設置されている。マトリクス８には、細胞の成長とともに組織内に一体化されるタンパク質等で形成された例えば、海綿体が用いられる。
【００１４】
この加圧板１０は例えば、図２に示すように、円盤状であって、その周囲部に肉厚の磁性環状部１２が形成されている。この実施例では、磁性環状部１２で包囲された空間部１３にマトリクス８が設置されており、磁性環状部１２が磁性材料で形成されている。
【００１５】
チャンバ本体２には培養チャンバ４を閉塞する手段としてチャンバハッチ板１４が固定手段である複数の閉塞ボルト１６（図３）を以て固定されている。このチャンバハッチ板１４とチャンバ本体２との間は、チャンバ本体２側の凹部１８に封止手段であるＯリング２０を設置して高度な気密性が保持されている。
【００１６】
チャンバハッチ板１４側には加圧板１０を矢印Ａで示すように図中上下動作させて加圧する駆動手段としてプレッシャー装置２２が設置されている。即ち、チャンバハッチ板１４にはコ字形状に形成された取付板２４が固定ビス２６によって取り付けられ、この取付板２４には磁性材料で形成されたコア２８にソレノイド３０が巻回された電磁石装置３２がコア２８の後端部を取付板２４に貫通させて取り付けられている。コア２８には、磁性材料で形成されている加圧板１０又は磁性環状部１２に磁力を作用させるため、加圧板１０又は磁性環状部１２に対応する面積又は形状を持つ磁界発生部３４が形成されている。この磁界発生部３４は、磁気効率を高めるため、チャンバハッチ板１４に密着状態で設置されている。即ち、この実施例では、加圧板１０側の磁性環状部１２と電磁石装置３２がチャンバハッチ板１４を介在させて磁気結合状態であり、電磁石装置３２が発生する直流磁界又は交流磁界によって加圧板１０に磁気的な駆動力（吸引力又は反発力）を生じさせ、これがマトリクス８に対して加圧力を作用させることができる。
【００１７】
また、チャンバ本体２には直径方向の対応位置に培養液６を培養チャンバ４に循環させるための培養液ポート３６、３８が形成されており、各培養液ポート３６、３８には図示しない培養回路が接続され、清浄な培養液６が矢印Ｂで示すように培養液ポート３６に供給され、培養チャンバ４を還流した後、矢印Ｃで示すように培養液ポート３８から流出する。
【００１８】
そして、この細胞・組織培養装置には、培養制御手段として例えば、図４に示す培養制御装置４０が設置されており、演算・制御手段として制御部４２が設けられ、この制御部４２にはデータや制御プログラムを記憶する記憶手段４４が接続されているとともに、ソレノイド３０、運転開始を指令する運転スイッチ４６、運転条件を設定するための運転条件設定手段４８、運転状態を表示する表示手段５０、運転中を表示する運転表示器５２、ソレノイド３０の断線や過熱異常等の異常状態を検出するソレノイド異常検出手段５４、培養チャンバ４への培養液６の供給及びその制御をする制御手段として培養液循環処理装置５６が接続されている。
【００１９】
次に、培養処理を図５ないし図７に示すフローチャートを参照して説明する。図５ないし図７において、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥは連結子を示している。
【００２０】
培養チャンバ４に培養すべき細胞や組織を植え付けたマトリクス８を設置した後、培養液ポート３６から培養液６を供給し、培養チャンバ４に培養液６を循環させる。ステップＳ１は複数の運転条件の設定処理である。この実施例では、３段階の運転条件が運転条件設定手段４８を通じて設定され、ソレノイド３０の駆動力の設定を行う。例えば、この設定条件には、加圧板１０の加圧力を設定する電流レベルＳ１、Ｓ２、Ｓ３（このレベルの大きさは任意であり、例えば、Ｓ１＜Ｓ２＜Ｓ３）、保持時間ｔａ₁、ｔａ₂、ｔａ₃（この時間幅は任意であり、例えば、ｔａ₁＜ｔａ₂＜ｔａ₃）、開放時間ｔｓ₁、ｔｓ₂、ｔｓ₃（この時間幅は任意であり、例えば、ｔｓ₁＜ｔｓ₂＜ｔｓ₃）、継続時間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３（この時間幅は任意であり、例えば、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３）等がある。刺激の大きさや時間幅は時間の経過とともに増減が可能であり、任意の値に設定できることは勿論、培養状況によって変更可能である。
【００２１】
このような運転条件の設定の後、ステップＳ２で運転スイッチ４６の投入が検知されると、運転が開始され、ステップＳ３では運転表示器５２が点灯して運転開始を表示する。
【００２２】
この実施例では、ステップＳ４で電流レベルＳ１の電流がソレノイド３０に供給され、励磁される。このとき、コア２８が磁化され、電流レベルＳ１の磁力によって加圧板１０の磁性環状部１２が磁界発生部３４側に引き付けられてマトリクス８を加圧する。ステップＳ５でその時間が計測され、保持時間ｔａ₁だけその加圧状態が保持され、保持時間ｔａ₁の経過後、ステップＳ６に移行してソレノイド３０を磁化から開放する。ステップＳ７は開放時間の計測を表しており、開放時間ｔｓ₁が経過するまで、ソレノイド３０の無磁化状態、即ち、開放状態が継続される。このとき、マトリクス８は加圧状態から開放され、自らの弾力性により自然の状態に復帰する。この場合、被培養物であるマトリクス８の一方向、即ち、この実施例では厚み方向に加圧板１０によって加圧力が加えられると、マトリクス８及び細胞又は組織は、その加圧力の方向に、この実施例では上下方向に圧縮されるが、その圧縮方向と直交方向即ち、マトリクス８の面方向に伸長状態となる。そして、その加圧力が解除されると、マトリクス８及び細胞又は組織は元の形状に復帰することになり、加圧及びその解除による物理刺激の断続的な繰り返しによって生体上と同様の刺激がマトリクス８及び細胞又は組織に付与され、培養の促進が図られる。
【００２３】
そして、ステップＳ８ではソレノイド３０の断線又は過熱異常がソレノイド異常検出手段５４の検出出力によって判定され、異常が検知されないときステップＳ９に移行し、継続時間Ｔ１が経過したか否かが判定される。即ち、設定条件１の処理は継続時間Ｔ１が経過するまで持続し、ステップＳ４〜Ｓ９の処理が継続的に行われる。また、この継続時間Ｔ１において、ステップＳ８で異常が検知された場合には、ステップＳ１０に移行し、ソレノイド３０の通電解除を行うとともに、表示手段５０に異常警告表示を行い、異常発生を告知する。
【００２４】
継続時間Ｔ１が経過したとき、ステップＳ１１に移行し、電流レベルＳ２の電流がソレノイド３０に供給され、励磁される。このとき、コア２８が磁化され、電流レベルＳ２の磁力によって加圧板１０の磁性環状部１２が磁界発生部３４側に引き付けられてマトリクス８を加圧する。ステップＳ１２でその時間が計測され、保持時間ｔａ₂だけその加圧状態が保持され、保持時間ｔａ₂の経過後、ステップＳ１３に移行してソレノイド３０を磁化から開放する。ステップＳ１４は開放時間の計測を表しており、開放時間ｔｓ₂が経過するまで、ソレノイド３０の無磁化状態、即ち、開放状態が継続される。このとき、マトリクス８は加圧状態から開放され、自らの弾力性により自然の状態に復帰する。
【００２５】
そして、ステップＳ１５ではソレノイド３０の断線又は過熱異常がソレノイド異常検出手段５４の検出出力によって判定され、異常が検知されないときステップＳ１６に移行し、継続時間Ｔ２が経過したか否かが判定される。即ち、設定条件２の処理は継続時間Ｔ２が経過するまで持続し、ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理が継続的に行われる。また、この継続時間Ｔ２において、ステップＳ１５で異常が検知された場合には、ステップＳ１０に移行し、ソレノイド３０の通電解除を行うとともに、表示手段５０に異常警告表示を行い、異常発生を告知する。
【００２６】
継続時間Ｔ２が経過したとき、ステップＳ１７に移行し、電流レベルＳ３の電流がソレノイド３０に供給され、励磁される。このとき、電流レベルＳ３の電流レベルによってコア２８が磁化され、その磁力によって加圧板１０の磁性環状部１２が磁界発生部３４側に引き付けられてマトリクス８を加圧する。ステップＳ１８でその時間が計測され、保持時間ｔａ₃だけその加圧状態が保持され、保持時間ｔａ₃の経過後、ステップＳ１９に移行してソレノイド３０を磁化から開放する。ステップＳ２０は開放時間の計測を表しており、開放時間ｔｓ₃が経過するまで、ソレノイド３０の無磁化状態、即ち、開放状態が継続される。このとき、マトリクス８は加圧状態から開放され、自らの弾力性により自然の状態に復帰する。
【００２７】
そして、ステップＳ２１ではソレノイド３０の断線又は過熱異常がソレノイド異常検出手段５４の検出出力によって判定され、異常が検知されないときステップＳ２２に移行し、継続時間Ｔ３が経過したか否かが判定される。即ち、設定条件３の処理は継続時間Ｔ３が経過するまで持続し、ステップＳ１７〜Ｓ２２の処理が継続的に行われる。また、この継続時間Ｔ３において、ステップＳ２１で異常が検知された場合には、ステップＳ１０に移行し、ソレノイド３０の通電解除を行うとともに、表示手段５０に異常警告表示を行い、異常発生を告知する。
【００２８】
また、ステップＳ２２で継続時間Ｔ３が経過したときステップＳ２３に移行し、運転表示器５２に培養終了表示を点灯し、培養終了を告知した後、ステップＳ２４では運転スイッチ４６がＯＦＦに切り換えられたか否かが判定される。そして、ステップＳ２５ではソレノイド３０の通電解除、運転表示をＯＦＦ、培養終了表示をＯＦＦに切り換えて総ての運転を終了する。
【００２９】
そして、図８に示すように、（Ａ）は培養プログラム動作における運転表示、（Ｂ）は終了表示、（Ｃ）はソレノイド３０の発生磁界によって加圧板１０からマトリクス８に作用させた加圧力の繰り返しを示し、この実施例では、ソレノイド３０による加圧力レベルがＳ１、Ｓ２、Ｓ３に設定され、その繰り返しによって所望の加減速制御が行われている。
【００３０】
このような培養プログラムによれば、一定方向に圧縮力が働いている関節の軟骨、とりわけ腰や膝の筋肉や軟骨と同等の組織を製造することができ、患者の欠損部分の修復に用いることができる。
【００３１】
次に、図９及び図１０は、本発明の細胞・組織培養装置の第２実施例を示している。この実施例では、加圧板１１の上面側に円環状のマグネット１５を設置し、その内側の空間部１３にマトリクス８を設置したものである。例えば、マグネット１５は上部面をＮ極、その下部面をＳ極とし、電磁石装置３２のコア２８側の上面側にＳ極を発生させるようにして反発力とその解除によってマトリクス８に加圧力を作用させ、その圧縮と解除とを行うようにしたものである。
【００３２】
このように構成しても、図４に示した同様の培養制御装置４０を用いて図５〜図７に示す培養プログラムを実行することができる。
【００３３】
そして、この場合、チャンバ本体２を透明材料で構成すれば、培養チャンバ４の内部を視認可能とすることができ、マトリクス８の培養状態を容易に観察することができる。
【００３４】
また、培養チャンバ４内のマトリクス８の状況を図示しないビデオカメラやデジタルカメラ等の撮像手段を用いて映像情報として捉え、その映像情報を通じて観測すれば、マトリクス８の増殖、成長状況を視覚的に捉えることができ、成長段階を的確に把握でき、状況に応じた的確な処置を取ることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、培養すべき細胞や組織に所望の加圧力による圧縮又はその解除による物理刺激を付与することができ、培養を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の細胞・組織培養装置の第１実施例を示す縦断面図である。
【図２】一部を切り欠いた加圧板を示す斜視図である。
【図３】本発明の細胞・組織培養装置を示す背面図である。
【図４】制御装置を示すブロック図である。
【図５】制御プログラムの前半部分を示すフローチャートである。
【図６】図５に続く制御プログラムを示すフローチャートである。
【図７】図６に続く制御プログラムの後半部分を示すフローチャートである。
【図８】加圧動作を示すタイミングチャートである。
【図９】本発明の細胞・組織培養装置の第２実施例を示す縦断面図である。
【図１０】一部を切り欠いた加圧板を示す斜視図である。
【符号の説明】
４培養チャンバ
６培養液
８マトリクス（被培養物）
１０、１１加圧板（加圧手段）
２２プレッシャー装置（駆動手段）
３２磁石装置（駆動手段）

Claims

被培養物を収容し、培養液が供給されるチャンバと、
前記チャンバ内に前記培養液中で移動可能に設置され、その移動による前記チャンバの内壁面との間の間隔変化で前記被培養物を圧縮する物理刺激を付与する加圧板と、
この加圧板と非接触状態で前記チャンバ外から、前記加圧板を移動させるための駆動力を前記加圧板に付与する駆動手段と、
を備えたことを特徴とする細胞・組織培養装置。
前記加圧板と前記駆動手段との間の磁気結合により前記加圧板に前記駆動力を付与することを特徴とする請求項１記載の細胞・組織培養装置。
前記チャンバを構成する部材の一部又は全部を透明化し、内部の前記被培養物を外部から視認可能にしたことを特徴とする請求項１記載の細胞・組織培養装置。
前記磁気結合の強さを変えることで、前記被培養物に対する加圧力を可変することを特徴とする請求項２の細胞・組織培養装置。