(57)【要約】細胞培養制御方法は、培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得するステップ（Ｓ２）と、浮遊細胞の培養の進行度合いおよび培地中の浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を画像信号から算出するステップ（Ｓ３）と、培養容器内の培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を細胞特徴量に基づいて生成するステップ（Ｓ４）とを含む。
2019131626.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、
前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップとを含む細胞培養制御方法。
【請求項２】
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像素子によって撮像し前記画像信号を生成するステップを含み、
前記画像信号を取得するステップが、前記撮像素子と通信し該撮像素子から前記画像信号を受信するステップを含む請求項１に記載の細胞培養制御方法。
【請求項３】
前記細胞特徴量を算出するステップが、
前記画像信号から前記浮遊細胞のコロニーを抽出するステップと、
前記コロニーのサイズのヒストグラムを生成するステップと、
前記ヒストグラムにおける前記サイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅のいずれかを前記細胞特徴量に設定するステップとを含む請求項１または請求項２に記載の細胞培養制御方法。
【請求項４】
前記撹拌制御信号を生成するステップが、
前記細胞特徴量と前記培地の撹拌速度とが対応付けられたテーブルを参照するステップと、
前記細胞特徴量を算出するステップにおいて算出された前記細胞特徴量と対応する撹拌速度を前記テーブルから選択し、選択された前記撹拌速度で前記培地を撹拌させる前記撹拌制御信号を生成するステップとを含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の細胞培養制御方法。
【請求項５】
前記撹拌制御信号を生成するステップが、
過去の浮遊細胞の培養において算出された前記細胞特徴量と前記撹拌制御信号との対応関係を用いて前記テーブルを更新するステップを含む請求項４に記載の細胞培養制御方法。
【請求項６】
前記撹拌制御信号を生成するステップが、
前記培養容器内の前記培地の温度を取得するステップと、
前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量および前記温度の両方に基づいて生成するステップとを含む請求項１から請求項５のいずれかに記載の細胞培養制御方法。
【請求項７】
プロセッサを備え、
該プロセッサが、
培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容し、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、
前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成する細胞培養制御装置。
【請求項８】
前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、
該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し前記画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える請求項７に記載の細胞培養制御装置。
【請求項９】
前記細胞特徴量の算出に係る処理の結果および前記撹拌制御信号の生成に係る処理の結果の少なくとも一方を通信ネットワークを経由してサーバに送信する通信部を備える請求項７または請求項８に記載の細胞培養制御装置。
【請求項１０】
前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置と通信ネットワークによって接続され、
前記画像信号を前記通信ネットワークを経由して前記撮像素子から受信し、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号を前記通信ネットワークを経由して前記撹拌制御部に送信する通信部を備える請求項７に記載の細胞培養制御装置。
【請求項１１】
液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、該撹拌制御信号は、前記画像信号から算出され前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量に基づいて生成される、通信部と、
該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置。
【請求項１２】
液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、前記画像信号は、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量の算出ならびに該細胞特徴量に基づく前記撹拌制御信号の生成に使用される、通信部と、
該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置。
【請求項１３】
液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置と、
該細胞培養装置と通信ネットワークによって接続された細胞培養制御装置とを備え、
前記細胞培養装置が、
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、
前記細胞培養制御装置から受信した撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備え、
前記細胞培養制御装置が、
前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するプロセッサを備える細胞培養システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、細胞培養制御方法、細胞培養制御装置、細胞培養装置および細胞培養システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオリアクタのような培養容器を使用し、ｉＰＳ細胞等の細胞を生産する産業が興りつつある（例えば、特許文献１参照。）。細胞は、液状の培地内で浮遊しながら培養され、コロニーを形成する。コロニーの粒径は、培養が進むにつれて大きくなる。特許文献１では、培養容器の内部の画像を取得し、培地内のコロニーの粒径分布および粒子数を画像から推定し、推定結果に基づいて細胞の品質管理および生産管理を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−１４０００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
均質な細胞を生産するためには、培養容器内の環境を均質に保つことが重要である。したがって、細胞が培地中に均一に分散するように培地を撹拌しながら、細胞は培養される。培地の撹拌は、撹拌翼とコロニーとの接触等によって細胞に物理的なストレスを与える。また、コロニーの大きさは培養の過程で継時的に変化し、コロニーの大きさに応じて、細胞の分散されやすさや撹拌に因るストレスの大きさが異なる。しかしながら、特許文献１では、一定の速度で培地を撹拌しているため、コロニーの大きさに見合わない撹拌によって細胞が影響を受ける。その結果、生産物である細胞の収率の低下を招くという不都合がある。【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる細胞培養制御方法、細胞培養制御装置、細胞培養装置および細胞培養システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップとを含む細胞培養制御方法である。【０００７】
本態様によれば、培養容器内で培養されている浮遊細胞の画像信号が取得され、画像信号から細胞特徴量が算出され、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号が生成される。細胞特徴量は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する量である。したがって、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。【０００８】
上記態様においては、前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像素子によって撮像し前記画像信号を生成するステップを含み、前記画像信号を取得するステップが、前記撮像素子と通信し該撮像素子から前記画像信号を受信するステップを含んでいてもよい。【０００９】
上記態様においては、前記細胞特徴量を算出するステップが、前記画像信号から前記浮遊細胞のコロニーを抽出するステップと、前記コロニーのサイズのヒストグラムを生成するステップと、前記ヒストグラムにおける前記サイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅のいずれかを前記細胞特徴量に設定するステップとを含んでいてもよい。
培地中に浮遊しながら培養される浮遊細胞は略球状のコロニーを形成し、培養が進むにつれてコロニーのサイズ（直径）が大きくなる。すなわち、培養が進むにつれて、コロニーのサイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅は大きくなる。したがって、これらの値を細胞特徴量として用いることで、浮遊細胞の培養の進行度合いを正確に知ることができる。【００１０】
上記態様においては、前記撹拌制御信号を生成するステップが、前記細胞特徴量と前記培地の撹拌速度とが対応付けられたテーブルを参照するステップと、前記細胞特徴量を算出するステップにおいて算出された前記細胞特徴量と対応する撹拌速度を前記テーブルから選択し、選択された前記撹拌速度で前記培地を撹拌させる前記撹拌制御信号を生成するステップとを含んでいてもよい。
このようにすることで、細胞特徴量に基づいて培地の撹拌速度を制御することができる。【００１１】
上記態様においては、前記撹拌制御信号を生成するステップが、過去の浮遊細胞の培養において算出された前記細胞特徴量と前記撹拌制御信号との対応関係を用いて前記テーブルを更新するステップを含んでいてもよい。
このようにすることで、細胞特徴量と撹拌速度との対応関係がより適切になるように、過去に行われた培養に基づいてテーブルを更新することができる。【００１２】
上記態様においては、前記撹拌制御信号を生成するステップが、前記培養容器内の前記培地の温度を取得するステップと、前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量および前記温度の両方に基づいて生成するステップとを含んでいてもよい。
培地の最適な撹拌条件は、培地の温度にも影響される。したがって、細胞特徴量に加えて培地の温度も考慮することで、培地をより適切に撹拌させる撹拌制御信号を生成することができる。【００１３】
本発明の他の態様は、プロセッサを備え、該プロセッサが、培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容し、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成する細胞培養制御装置である。【００１４】
本態様によれば、プロセッサによって、培養容器内で培養されている浮遊細胞の画像信号が取得され、画像信号から細胞特徴量が算出され、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号が生成される。細胞特徴量は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する量である。したがって、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。【００１５】
上記態様においては、前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し前記画像信号を生成する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備えていてもよい。
このように、細胞培養装置としての構成である培養容器、撮像素子、撹拌部および撹拌制御部を備えることで、細胞培養装置として細胞培養制御装置を実現することができる。【００１６】
上記態様においては、前記細胞特徴量の算出に係る処理の結果および前記撹拌制御信号の生成に係る処理の結果の少なくとも一方を通信ネットワークを経由してサーバに送信する通信部を備えていてもよい。
このようにすることで、細胞特徴量および撹拌制御信号に関する情報をサーバに蓄積し、蓄積された情報を、サーバに接続された複数の細胞培養制御装置間で共有することができる。【００１７】
上記態様においては、前記培地および前記浮遊細胞を収容する前記培養容器と、該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置と通信ネットワークによって接続され、前記画像信号を前記通信ネットワークを経由して前記撮像素子から受信し、前記プロセッサによって生成された前記撹拌制御信号を前記通信ネットワークを経由して前記撹拌制御部に送信する通信部を備えていてもよい。
このような通信部を備えることで、細胞培養装置の撹拌制御部による撹拌部の動作を遠隔制御することができる。【００１８】
本発明の他の態様は、液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、該撹拌制御信号は、前記画像信号から算出され前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量に基づいて生成される、通信部と、該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置である。【００１９】
本態様によれば、培養容器内で培養されている浮遊細胞の画像信号が撮像素子によって生成され、画像信号が通信部によって細胞培養制御装置に送信され、細胞培養制御装置からの画像信号に基づく撹拌制御信号が通信部によって受信され、撹拌制御信号に従って撹拌制御部が撹拌部を作動させる。
この場合に、細胞培養制御装置において生成された撹拌制御信号は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量に基づく信号である。したがって、撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。【００２０】
本発明の他の態様は、液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置であって、前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、通信ネットワークを経由して細胞培養制御装置に前記画像信号を送信し、前記通信ネットワークを経由して前記細胞培養制御装置から撹拌制御信号を受信し、前記画像信号は、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量の算出ならびに該細胞特徴量に基づく前記撹拌制御信号の生成に使用される、通信部と、該通信部によって受信された前記撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備える細胞培養装置である。【００２１】
本態様によれば、培養容器内で培養されている浮遊細胞の画像信号が撮像素子によって生成され、画像信号が通信部によって細胞培養制御装置に送信され、細胞培養制御装置からの画像信号に基づく撹拌制御信号が通信部によって受信され、撹拌制御信号に従って撹拌制御部が撹拌部を作動させる。
この場合に、細胞培養制御装置に送信される画像信号は、浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量を算出に使用される。したがって、細胞特徴量に基づく撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。【００２２】
本発明の他の態様は、液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器を用いて細胞を培養する細胞培養装置と、該細胞培養装置と通信ネットワークによって接続された細胞培養制御装置とを備え、前記細胞培養装置が、前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、前記培養容器内の前記培地を撹拌する撹拌部と、前記細胞培養制御装置から受信した撹拌制御信号に従って前記撹拌部を制御する撹拌制御部とを備え、前記細胞培養制御装置が、前記浮遊細胞の培養の進行度合いおよび前記培地中の前記浮遊細胞の分散状況のいずれかと相関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する前記撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するプロセッサを備える細胞培養システムである。【００２３】
本態様によれば、撮像素子によって生成された画像信号が細胞培養装置から細胞培養制御装置へ通信ネットワーク経由で送信され、プロセッサによって生成された撹拌制御信号が細胞培養制御装置から細胞培養装置へ通信ネットワーク経由で送信される。細胞培養装置では、撹拌制御信号に従って撹拌制御部が撹拌部を作動させる。
この場合に、細胞培養制御装置によって生成される撹拌制御信号は、細胞培養装置における浮遊細胞の培養の進行度合いまたは培地中の浮遊細胞の分散状況と相関する細胞特徴量に基づく信号である。したがって、撹拌制御信号に従って、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、培養の進み具合に応じて適切に培地を撹拌することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態に係る細胞培養システムの全体構成図である。
【図２】図１の細胞培養システムの細胞培養装置の全体構成図である。
【図３】図２の細胞培養装置の撮像装置によって生成される画像信号の一例である。
【図４】図２の細胞培養装置の撮像装置によって生成される時系列の画像信号の一例である。
【図５】図１の細胞培養システムの制御サーバによるコロニーの計数結果の一例を示す図である。
【図６】図１の細胞培養システムの制御サーバによって生成されるヒストグラムの一例を示す図である。
【図７】図１の細胞培養システムによる細胞培養制御方法を示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートの続きである。
【図９】図２の細胞培養装置の変形例の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明の一実施形態に係る細胞培養システム１００について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る細胞培養システム１００は、図１に示されるように、細胞を培養および増殖させることによって細胞を生産する細胞培養装置１と、細胞培養装置１を制御する制御サーバ（細胞培養制御装置）２とを備えている。
細胞培養装置１と制御サーバ２は、通信ネットワーク３を経由して相互に接続されている。通信ネットワーク３は、例えば、インターネット、イントラネット、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ  Ａｒｅａ  Ｎｅｔｗｏｒｋ）、またはこれらの組み合わせである。通信ネットワーク３は、無線および有線のいずれであってもよい。
【００２７】
細胞培養装置１は、図２に示されるように、培養容器４と、培養容器４を収容する筐体５と、培養容器４内の培地Ｍを撹拌する撹拌装置（撹拌部）６と、培養容器４の内部を撮像する撮像装置７と、通信ネットワーク３を経由して制御サーバ２と通信する通信装置（通信部）８と、撹拌装置６、撮像装置７および通信装置８を制御する制御装置（撹拌制御部）９とを備えている。撮像装置７、通信装置８および制御装置９は、筐体５に固定されている。
【００２８】
培養容器４は、細胞の大量培養用の容器であり、例えば、バイオリアクタとして使用されるバッグまたは円筒形のチャンバである。培養容器４は、液状の培地Ｍおよび培地Ｍ中に浮遊する細胞を収容する。培養容器４の少なくとも一部は透明であり、培養容器４の外部に配置された撮像装置７によって培養容器４の内部を撮像することができるようになっている。培養容器４は供給口４ａおよび排出口４ｂを有し、細胞を含む培地Ｍが供給口４ａから培養容器４内へ供給され、細胞を含む培地Ｍが排出口４ｂから培養容器４外へ排出される。細胞は、培地Ｍ中に浮遊した状態で成長および増殖する浮遊細胞である。培地Ｍ中において、細胞は、単独で、または、略球状のコロニーＣの形態で存在する。
【００２９】
筐体５は、内部の温度、湿度、および二酸化炭素濃度等を調整することができ、内部の環境を細胞の培養に適した環境に維持するようになっている。
撹拌装置６は、培養容器４の内部に配置された撹拌翼６ａと、培養容器４の外部に配置された撹拌駆動装置６ｂと、撹拌翼６ａと撹拌駆動装置６ｂとを接続するシャフト６ｃとを備えている。シャフト６ｃは、培養容器４内の密閉性を維持しながら培養容器４の外部から内部へ挿入されている。撹拌駆動装置６ｂは、シャフト６ｃを該シャフト６ｃの長手軸回りに回転駆動することで撹拌翼６ａをシャフト６ｃ回りに回転させる。
【００３０】
撮像装置７は、撮像素子７ａを有している。撮像装置７は、汎用のカメラであってもよい。撮像素子７ａの撮像範囲は、撮像装置７の画角および被写界深度によって決まる。撮像範囲は、筐体５内の培養容器４の内部に位置している。撮像素子７ａは、撮像範囲を撮像し、図３に示されるように、単独の細胞およびコロニーＣの像を含む画像信号を生成する。
培養容器４の内部の全体または広範囲を撮像することができるように、１台の撮像装置７が培養容器４に対して移動しながら複数の位置で撮像を実行してもよく、複数の位置に複数台の撮像装置７が設けられていてもよい。
【００３１】
通信装置８は、撮像素子７ａから画像信号を受信し、画像信号を通信ネットワーク３を経由して制御サーバ２に送信する。通信装置８は、制御サーバ２から通信ネットワーク３を経由して撹拌制御信号を受信し、撹拌制御信号を制御装置９に送る。
【００３２】
制御装置９は、予め設定された撮像スケジュールに従って定期的に撮像装置７に撮像を実行させ、撮像素子７ａによって生成された画像信号を通信装置８から制御サーバ２に送信させる。図４に示されるように、制御装置９は、一度に複数回の撮像を撮像素子７ａに実行させ、時系列の複数の画像信号を制御サーバ２に送信させてもよい。制御装置９は、制御サーバ２から通信装置８を経由して受信した撹拌制御信号に従って撹拌装置６の撹拌駆動装置６ｂを制御する。
このような制御装置９は、プロセッサと、メモリとによって実現される。メモリには、撹拌装置６、撮像装置７および通信装置８の制御処理をプロセッサに実行させるためのプログラムが記憶されている。
【００３３】
細胞培養装置１の少なくとも一部の構成は、使い捨てであってもよい。培地Ｍと直接接触する培養容器４、撹拌翼６ａおよびシャフト６ｃは、コンタミネーションを確実に防止するために、使い捨てであることが好ましい。筐体５、撮像装置７および通信装置８は、繰り返し使用することが好ましい。
【００３４】
制御サーバ２は、例えばクラウドサーバである。クラウドサーバは、インターネット上に設置され、通信ネットワーク３を経由して細胞培養装置１にクラウドサービスを提供する。あるいは、制御サーバ２は、任意の場所に設置されたコンピュータであってもよい。
制御サーバ２は、プロセッサ１１と、メモリ１２と、通信ネットワーク３を経由して細胞培養装置１と通信する通信装置（通信部）１３とを備えている。メモリ１２には、細胞特徴量算出プログラムおよび撹拌制御信号生成プログラムが記憶されている。
【００３５】
プロセッサ１１は、通信装置８，１３間の通信によって、細胞培養装置１の撮像装置７から画像信号を受信する。
次に、プロセッサ１１は、メモリ１２に記憶されている細胞特徴量算出プログラムに従って、画像信号から細胞特徴量を算出する処理を実行する。具体的には、プロセッサ１１は、エッジ抽出によってコロニーＣの環状の縁を画像信号から抽出し、縁によって囲まれる領域をコロニーＣと認識する。次に、プロセッサ１１は、各コロニーＣのサイズ（直径）を計測し、図５に示されるように各サイズのコロニーＣの数をカウントする。次に、プロセッサ１１は、図６に示されるようなコロニーＣのサイズのヒストグラムを生成する。ヒストグラムにおいて、横軸はコロニーＣのサイズであり、縦軸はコロニーＣの数である。
【００３６】
次に、プロセッサ１１は、ヒストグラムから細胞特徴量を算出する。細胞特徴量は、以下の３つの条件１，２，３を満たす量である。
条件１：画像信号から得られる量
条件２：細胞の外観に関する量
条件３：細胞の培養の進行度合いおよび培地中の細胞の分散状況のいずれかと相関する量
【００３７】
上記の条件１，２，３を満たす好ましい細胞特徴量は、ヒストグラムの最頻値（コロニーＣの数が最大であるサイズ）、中央値、平均値、分散、または半値幅である。培養が進行するにつれて、コロニーＣのサイズは全体的に大きくなり、コロニーＣ間のサイズのばらつきも大きくなる。したがって、培養が進行するにつれて、最頻値、中央値、平均値、分散値、および半値幅は大きくなる。
プロセッサ１１が、時系列の複数の画像信号を細胞培養装置１の撮像装置７から取得する場合、プロセッサ１１は、複数の画像信号から１つの細胞特徴量を算出してもよい。
【００３８】
画像信号から細胞を抽出する方法は、エッジ抽出に限らず、他の方法であってもよい。例えば、深層学習等のニューラルネットワークによって画像信号からコロニーＣを検出してもよい。
また、細胞種または画像解析の精度によっては、画像信号から１つ１つの細胞を抽出し、各細胞の形状および細胞数を検出してもよい。
【００３９】
次に、プロセッサ１１は、メモリ１２に記憶されている撹拌制御信号生成プログラムに従って、細胞特徴量に基づいて撹拌制御信号を生成する処理を実行する。撹拌制御信号は、培地Ｍの撹拌の状況を制御することができるパラメータを撹拌装置６に指示する信号である。プロセッサ１１は、細胞特徴量に基づいて培養の進行度合いを推定し、進行度合いに適したパラメータを設定し、設定されたパラメータで撹拌装置６に培地Ｍを撹拌させる撹拌制御信号を生成する。
プロセッサ１１は、撹拌制御信号を通信装置８，１３間の通信によって細胞培養装置１へ送信する。
【００４０】
例えば、パラメータは、撹拌翼６ａの回転数（撹拌速度）である。回転数は、コロニーＣのサイズの最頻値、平均値または中央値が大きい程、高い値に設定される。回転数の決定には、メモリ１２に予め記憶されたテーブルが用いられる。テーブルには、細胞特徴量と回転数とが対応付けられている。プロセッサ１１は、メモリ１２からテーブルを読み出し、テーブルを参照し、算出された細胞特徴量と対応する回転数をテーブルから選択し、選択された回転数で撹拌翼６ａを回転させる撹拌制御信号を生成する。
【００４１】
制御サーバ２は、通信ネットワーク３を経由して、１台のみの細胞培養装置１と接続されていてもよいが、図１に示されるように、複数台の細胞培養装置１と接続されていてもよい。
また、細胞培養装置１によって培養される細胞の種類に対応する複数台の制御サーバ２が設けられていてもよい。例えば、一の制御サーバ２は、細胞Ａの培養用に最適化された撹拌制御信号を生成し、他の一の制御サーバ２は、細胞Ａとは異なる種類の細胞Ｂの培養用に最適化された撹拌制御信号を生成する。この場合、各細胞培養装置１は、例えば、細胞の種類に対応する制御サーバ２と通信し、該制御サーバ２との間で画像信号の送信および撹拌制御信号の受信を行う。細胞の種類は、例えば、ユーザによって指定される。
【００４２】
次に、細胞培養システム１００による細胞培養制御方法について図７および図８を参照して説明する。
細胞培養システム１００によって細胞を生産するためには、細胞を含む培地Ｍを供給口４ａから培養容器４内へ供給し、培地Ｍおよび細胞を収容する培養容器４を筐体５内に収容し、筐体５内の細胞の培養に適した環境下で細胞を培養する。培養中、細胞が培地Ｍ中に均一に分散するように、培地Ｍ中に配置された撹拌翼６ａの回転によって培地Ｍが撹拌される。細胞培養システム１００は、図７および図８に示される細胞培養制御方法に従って培養中の培地Ｍの撹拌を制御する。
【００４３】
本実施形態に係る細胞培養制御方法は、撮像素子７ａによって培養容器４の内部を撮像し画像信号を生成するステップＳ１と、制御サーバ２が画像信号を取得するステップＳ２と、画像信号から細胞特徴量を算出するステップＳ３と、細胞特徴量に基づいて撹拌制御信号を生成するステップＳ４と、撹拌制御信号に従って撹拌装置６を制御するステップＳ５とを含む。
【００４４】
ステップＳ１において、制御装置９が撮像素子７ａに撮像を実行させることによって、培養容器４の少なくとも一部の画像信号が生成される。画像信号は、細胞培養装置１の通信装置８から通信ネットワーク３を経由して制御サーバ２の通信装置１３へ送信される。
次に、ステップＳ２において、プロセッサ１１は、通信装置１３から画像信号を受信する。
【００４５】
次に、ステップＳ３において、プロセッサ１１は、画像信号から細胞のコロニーＣを抽出し（ステップＳ３１）、抽出された各コロニーＣのサイズを計測し、コロニーＣのサイズのヒストグラムを生成する（ステップＳ３２）。次に、プロセッサ１１は、ヒストグラムの最頻値、中央値、平均値、分散、または半値幅を細胞特徴量に設定する（ステップＳ３３）。
【００４６】
次に、ステップＳ４において、プロセッサ１１は、メモリ１２に記憶されているテーブルを参照する（ステップＳ４１）。プロセッサ１１は、ステップＳ３において算出された細胞特徴量と対応する回転数をテーブルから選択し（ステップＳ４２）、選択された回転数で撹拌翼６ａを回転させる撹拌制御信号を生成する（ステップＳ４３）。
プロセッサ１１は、通信装置１３、通信ネットワーク３および通信装置８を経由して撹拌制御信号を制御装置９へ送信する（ステップＳ６）。
【００４７】
次に、ステップＳ５において、制御装置９は、撹拌制御信号に従って撹拌駆動装置６ｂを制御する。
例えば、制御装置９は、撹拌翼６ａの現在の回転数が許容範囲内であるか否かを判断する（ステップＳ５１）。回転数の許容範囲は、撹拌制御信号の回転数に基づいて決定される範囲である。現在の回転数が許容範囲内である場合（ステップＳ５１のＹＥＳ）、制御装置９は、現在の回転数を維持する。一方、現在の回転数が許容範囲外である場合（ステップＳ５１のＮＯ）、制御装置９は、撹拌駆動装置６ｂを制御することによって、撹拌翼６ａの回転数を撹拌制御信号の回転数に変更させる（ステップＳ５２）。
【００４８】
細胞培養装置１によって均質な細胞を生産するためには、培養容器４内の環境を均質に保つことが重要である。一方、細胞のコロニーＣは、重力によって培地Ｍ内で下方へ移動する。したがって、細胞のコロニーＣを培地Ｍ中に均一に分散させるために撹拌翼６ａの回転によって培地Ｍを撹拌しながら、細胞は培養される。
【００４９】
ここで、コロニーＣのサイズは培養が進むにつれて大きくなる。コロニーＣのサイズに応じて、撹拌装置６による細胞の分散効果は異なる。例えば、培地Ｍの撹拌速度が一定である場合、コロニーＣが大きくなるにつれて、コロニーＣを分散させる効果が低くなって培地Ｍ中のコロニーＣの密度に偏りが生じ得る。コロニーＣが大きくなり過ぎると、コロニーＣの中心部分と周辺部分との間で栄養の供給等に差が生じる。したがって、培地Ｍの撹拌によってコロニーＣをばらばらにすることで、コロニーＣのサイズを一定のサイズ以下に保つことが好ましい。
また、撹拌による細胞への影響を抑えるために、培地Ｍの撹拌速度は必要最低限に抑えることが好ましい。
【００５０】
本実施形態によれば、細胞の培養中に培養容器４の内部が撮像装置７によって定期的に撮像される。そして、培養の進行度合いと相関する細胞特徴量が画像信号から算出され、細胞特徴量に基づいて撹拌制御信号が生成され、撹拌制御信号に従って撹拌装置６による培地Ｍの撹拌速度が制御される。すなわち、細胞のコロニーＣのサイズの時間変化に応じて培地Ｍの撹拌速度も時間変化する。これにより、培養の進み具合に応じて適切に培地Ｍを撹拌することができ、均質な細胞を生産することができるという利点がある。
また、培養の進行度合いの検知に培地Ｍに非接触で得ることができる画像信号を用いることで、液面に接するセンサ等を使用する場合と異なり、培養容器４を使い捨てに好適な構成とすることができる。
【００５１】
本実施形態においては、撹拌制御信号によって撹拌翼６ａの回転数を制御することとしたが、これに代えて、またはこれに加えて、撹拌制御信号によって撹拌翼６ａの形状を制御してもよい。この場合、撹拌翼６ａの形状は可変であり、撹拌駆動装置６ｂは、撹拌翼６ａの形状を変化させることができる。
【００５２】
撹拌装置６が、複数の撹拌翼６ａを有し、複数の撹拌翼６ａを相互に独立した回転数で回転可能であってもよい。この場合には、複数の撹拌翼６ａの回転数を相互に異なる回転数に制御してもよい。例えば、浅い位置の撹拌翼６ａを低い回転数で回転させ、深い位置の撹拌翼６ａを高い回転数で回転させるように、撹拌制御信号によって制御してもよい。
【００５３】
培地Ｍの撹拌によって細胞を分散させる効果には、回転数（撹拌速度）に加えて、培地Ｍの温度と、培養容器４内の培地Ｍの量が影響する。したがって、プロセッサ１１が、培地Ｍの温度および量の情報を細胞培養装置１から取得し、細胞特徴量に加えて培地Ｍの温度および量を考慮して回転数を決定してもよい。培地Ｍの温度は、例えば、培養容器４の外部に配置された非接触式の温度計によって測定される。培地Ｍの量は、例えば、ユーザによって細胞培養装置１に入力される。
【００５４】
本実施形態においては、細胞培養装置１とは別の制御サーバ２にプロセッサ１１およびメモリ１２が設けられ、細胞特徴量の算出および撹拌制御信号の生成が制御サーバ２において行われることとしたが、これに代えて、図９に示されるように、細胞培養装置１０にプロセッサ１１およびメモリ１２が設けられていてもよい。すなわち、細胞培養装置１０が、細胞培養制御装置であってもよい。プロセッサ１１およびメモリ１２は、制御装置９とは別に設けられていてもよく、制御装置９のプロセッサおよびメモリであってもよい。
【００５５】
図９の細胞培養装置１０は、細胞特徴量の算出に係る処理結果および撹拌制御信号の生成に係る処理結果を、通信ネットワーク３経由でサーバに送信してもよい。サーバは、制御サーバ２であってもよく、他のサーバであってもよい。
サーバは、複数台の細胞培養装置１０の各々から上記の処理結果を受信し、受信した処理結果をメモリ１２に記憶させることで過去の培養における細胞特徴量と撹拌制御信号とを相互に対応付けて蓄積する。
【００５６】
ステップＳ４において、プロセッサ１１は、テーブルの参照（ステップＳ４１）に先立ち、サーバから、それまでに蓄積されている細胞特徴量および撹拌制御信号を取得する。次に、プロセッサ１１は、取得された細胞特徴量と撹拌制御信号とに基づき、テーブルを更新する。
このように、複数台の細胞培養装置１０が細胞特徴量および撹拌制御信号を相互に共有することで、テーブルを効率的に更新することができる。
【００５７】
生産された細胞の良否の評価結果がユーザによってプロセッサ１１に入力され、評価結果がその細胞の培養における細胞特徴量および撹拌制御信号と対応付けてサーバへ送信されてもよい。サーバは、処理結果と共に評価結果も受信し、処理結果および評価結果を蓄積する。細胞培養装置１０のプロセッサ１１は、細胞特徴量および撹拌制御信号と共に評価結果をサーバから受信し、評価結果が良好であった培養の細胞特徴量および撹拌制御信号を用いてテーブルを更新してもよい。
【００５８】
本実施形態においては、細胞特徴量として、細胞の培養の進行度合いと相関する量を用いることとしたが、これに代えて、培地中の細胞の分散状況と相関する量を用いてもよい。
培地中の細胞の分散状況と相関する細胞特徴量としては、例えば、ヒストグラムの分散値または半値幅を用いることができる。
【００５９】
本実施形態においては、撹拌翼６ａの回転によって培地Ｍを撹拌する撹拌装置６を用いることとしたが、これに代えて、他の方式の撹拌装置を用いてもよい。例えば、培地Ｍの対流させる方式、マグネティックスターラを回転させる方式、または培養容器４を震盪させる方式の撹拌装置を用いてもよい。
【００６０】
上記実施形態およびその各変形例には、細胞培養装置１，１０の筐体５に撮像装置７が固定されている態様を示したが、撮像装置７が培養容器４に取り付けおよび取り外し可能となっている態様であってもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１００  細胞培養システム
１  細胞培養装置
１０  細胞培養装置（細胞培養制御装置）
２  制御サーバ（細胞培養制御装置）
３  通信ネットワーク
４  培養容器
５  筐体
６  撹拌装置（撹拌部）
７  撮像装置
７ａ  撮像素子
８  通信装置（通信部）
９  制御装置（撹拌制御部）
１１  プロセッサ
１２  メモリ
１３  通信装置（通信部）
Ｍ  培地
Ｃ  コロニー
【図１】
2019131626.tif 000003
【図２】
2019131626.tif 000004
【図３】
2019131626.tif 000005
【図４】
2019131626.tif 000006
【図５】
2019131626.tif 000007
【図６】
2019131626.tif 000008
【図７】
2019131626.tif 000009
【図８】
2019131626.tif 000010
【図９】
2019131626.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月9日(2020.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、
前記浮遊細胞のコロニーのサイズに関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、
前記培養容器内で行われる前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップとを含む細胞培養制御方法。
【請求項２】
前記培養容器の内部の少なくとも一部を撮像素子によって撮像し前記画像信号を生成するステップを含み、
前記画像信号を取得するステップが、前記撮像素子と通信し該撮像素子から前記画像信号を受信するステップを含む請求項１に記載の細胞培養制御方法。
【請求項３】
前記細胞特徴量を算出するステップが、
前記画像信号から前記浮遊細胞のコロニーを抽出するステップと、
前記コロニーのサイズのヒストグラムを生成するステップと、
前記ヒストグラムにおける前記サイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅のいずれかを前記細胞特徴量に設定するステップとを含む請求項１または請求項２に記載の細胞培養制御方法。
【請求項４】
前記撹拌制御信号を生成するステップが、
前記細胞特徴量と前記培地の撹拌速度とが対応付けられたテーブルを参照するステップと、
前記細胞特徴量を算出するステップにおいて算出された前記細胞特徴量と対応する撹拌速度を前記テーブルから選択し、選択された前記撹拌速度で前記培地を撹拌させる前記撹拌制御信号を生成するステップとを含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の細胞培養制御方法。
【請求項５】
前記撹拌制御信号を生成するステップが、
過去の浮遊細胞の培養において算出された前記細胞特徴量と前記撹拌制御信号との対応関係を用いて前記テーブルを更新するステップを含む請求項４に記載の細胞培養制御方法。
【請求項６】
細胞培養装置と、
該細胞培養装置と通信ネットワークによって接続された細胞培養制御装置とを備え、
前記細胞培養装置は、
液状の培地及び該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容する培養容器と、
該培養容器の内部の少なくとも一部を撮像し画像信号を生成する撮像素子と、
前記培養容器内の前記培地を攪拌する攪拌部と、を備え、
前記細胞培養制御装置は、
第１のプロセッサを備え、
該第１のプロセッサが、
前記撮像素子によって取得された、培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、
前記浮遊細胞のコロニーのサイズに関する細胞特徴量を前記画像信号から算出し、
前記培養容器内の前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成する細胞培養制御システム。
【請求項７】
前記細胞特徴量が、前記浮遊細胞のサイズの最頻値、中央値、平均値、分散および半値幅のいずれかを含む請求項６に記載の細胞培養制御システム。
【請求項８】
前記攪拌制御信号が、前記攪拌部の回転数を制御する命令を含む請求項６または請求項７に記載の細胞培養制御システム。
【請求項９】
前記攪拌部が複数の攪拌翼を有し、
前記攪拌制御信号は、前記複数の攪拌翼を相互に独立した回転数で回転させる命令を含む請求項６から請求項８のいずれかに記載の細胞培養制御システム。
【請求項１０】
前記細胞培養装置が、第２のプロセッサを含む制御装置を備え、
前記制御装置は、前記第１のプロセッサが生成した前記攪拌制御信号を受信し、
前記第２のプロセッサは、前記攪拌制御信号に基づいて前記攪拌部の制御を行う請求項６から請求項９のいずれかに記載の細胞培養制御システム。
【請求項１１】
前記細胞培養制御装置が、前記通信ネットワークを経由して前記画像信号を前記撮像素子から受信し、前記第１のプロセッサによって生成された前記攪拌制御信号を前記通信ネットワークを経由して前記第２のプロセッサに送信する通信部を備える請求項９に記載の細胞培養制御システム。
【請求項１２】
前記細胞培養装置と前記細胞培養制御装置が一体であり、
前記第１のプロセッサは、前記攪拌制御信号に基づいて前記攪拌部の制御を行う請求項６から請求項９のいずれかに記載の細胞培養制御システム。
【請求項１３】
細胞培養制御システムを制御するためのプログラムを記録したコンピュータで読み取り可能な記録媒体であって、
前記プログラムが、前記細胞培養制御システムのコンピュータに、
培養容器の内部の少なくとも一部を撮像した画像信号を取得し、前記培養容器は液状の
培地および該培地中に浮遊する浮遊細胞を収容している、ステップと、
前記浮遊細胞のコロニーのサイズに関する細胞特徴量を前記画像信号から算出するステップと、
前記培養容器内で行われる前記培地の撹拌を制御する撹拌制御信号を前記細胞特徴量に基づいて生成するステップと、を含む処理を実行させるコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
【国際調査報告】
2019131626.tif 000012
2019131626.tif 000013
2019131626.tif 000014
2019131626.tif 000015