(57)【要約】【課題】培養目的に応じた所望の培養条件を実現するための培養環境を判定できること。【解決手段】培養環境判定装置は、細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得部と、各ノードが目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、目的変数取得部が取得した目的変数とに基づいて、培養環境を判定する培養環境判定部と、培養環境判定部が判定する培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力部と、を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得部と、
各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得部が取得した前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定部と、
前記培養環境判定部が判定する前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力部と、
を備える培養環境判定装置。
【請求項２】
前記目的変数には、前記細胞の増殖速度、前記細胞の個体数、前記細胞の吸光度の最大値、及び前記細胞の活性度のうち少なくとも１つが含まれ、
前記決定木では、前記目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択される
請求項１に記載の培養環境判定装置。
【請求項３】
前記決定木に含まれる複数のノードのうちの前記説明変数の上限値を示す上限ノード、または下限値を示す下限ノードのうち一方が前記決定木の最下層のノードであり、前記上限ノードまたは前記下限ノードのうち他方が前記最下層のノードの上位層のノードである
請求項１または請求項２に記載の培養環境判定装置。
【請求項４】
前記説明変数には、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度が含まれる
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の培養環境判定装置。
【請求項５】
前記物質の濃度の値の間隔は、前記濃度の値が大きくなるにつれて大きくなる
請求項４に記載の培養環境判定装置。
【請求項６】
細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得過程と、
各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得過程において取得された前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定過程と、
前記培養環境判定過程において判定された前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力過程と、
を有する培養環境判定方法。
【請求項７】
コンピュータに、
細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得ステップと、
各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得ステップにおいて取得された前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定ステップと、
前記培養環境判定ステップにおいて判定された前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力ステップと、
を実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、培養環境判定装置、培養環境判定方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞の増殖や微生物の培養において、培養目的に応じて様々な培養条件が求められている。例えば、食品分野では、安定性、再現性、及び安全性が高い培養を実現するための培養条件が求められている。医学分野では、安定した細胞分化と秩序とがある細胞増殖を達成できる培養条件が求められている。培養条件とは、例えば、細胞の増殖速度である。
従来、安定性、再現性、及び安全性が高い培養は、例えば、技術者の知識や熟練度に依存していた。
【０００３】
細胞や微生物の培養装置において、機械学習を用いて、培養結果の技術者の知識や熟練度への依存を低減することが考えられる。例えば、細胞培養中の各段階で撮影された顕微鏡画像を機械学習に基づいて画像処理することにより、細胞の成長状況を自動的にモニタリングする細胞培養装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１４／２０３３２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現状、培養に用いられる培地について、培地中の個々の成分がどのように細胞増殖に寄与するのかは科学的に分かっていない。天然培地では細胞が速く増える現象が知られているが、その根拠となる生化学的な機構が不明である。天然培地は成分が不明であり、商品としての生産ロット差が大きい。そのため、同じ実験者が同じ培養装置を用いて同じ天然培地を使って培養を行っても、培養実験の結果が再現できないことがある。したがって、特許文献１に記載の細胞培養装置のように、細胞の成長状況をモニタリングしただけでは、培養における再現性を高めるには不十分である。
培養における再現性を高めるため、天然培地の代わりに合成培地を用いることが考えられる。合成培地では、細胞増殖が遅いものの、少ない組成において構成されており成分が明確である。合成培地を用いた培養において、培養目的に応じた所望の培養条件を実現するための培養環境を判定できれば、技術者の知識や熟練度に依存せずに、培養における再現性を高めることができる。ここで培養環境とは、例えば、培地の成分や、培養に用いられるウェルプレートの位置や、培養実験における温度などの物理的条件である。
【０００６】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、培養目的に応じた所望の培養条件を実現するための培養環境を判定できる培養環境判定装置、培養環境判定方法、及びプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得部と、各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得部が取得した前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定部と、前記培養環境判定部が判定する前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力部と、を備える培養環境判定装置である。
【０００８】
また、本発明の一態様は、上記の培養環境判定装置において、前記目的変数には、前記細胞の増殖速度、前記細胞の個体数、前記細胞の吸光度の最大値、及び前記細胞の活性度のうち少なくとも１つが含まれ、前記決定木では、前記目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択される。
【０００９】
また、本発明の一態様は、上記の培養環境判定装置において、前記決定木に含まれる複数のノードのうちの前記説明変数の上限値を示す上限ノード、または下限値を示す下限ノードのうち一方が前記決定木の最下層のノードであり、前記上限ノードまたは前記下限ノードのうち他方が前記最下層のノードの上位層のノードである。
【００１０】
また、本発明の一態様は、上記の培養環境判定装置において、前記説明変数には、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度が含まれる。
【００１１】
また、本発明の一態様は、上記の培養環境判定装置において、前記物質の濃度の値の間隔は、前記濃度の値が大きくなるにつれて大きくなる。
【００１２】
また、本発明の一態様は、細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得過程と、各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得過程において取得された前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定過程と、前記培養環境判定過程において判定された前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力過程と、を有する培養環境判定方法である。
【００１３】
また、本発明の一態様は、コンピュータに、細胞の培養条件を示す目的変数を取得する目的変数取得ステップと、各ノードが前記目的変数の大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木と、前記目的変数取得ステップにおいて取得された前記目的変数とに基づいて、前記培養環境を判定する培養環境判定ステップと、前記培養環境判定ステップにおいて判定された前記培養環境を示す培養環境情報を出力する結果出力ステップと、を実行させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、培養目的に応じた所望の培養条件を実現するための培養環境を判定できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る培養環境判定システムを用いた培養の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る培養環境判定システムの構成の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に係る実験条件の種類と実験数との一例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態に係る測定結果の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る決定木生成装置の決定木生成処理の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態に係る決定木の一例を示す図である。
【図７】本発明の実施形態に係る培養環境判定処理の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施形態に係る培養環境の判定結果の一例を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る培養環境情報が示す物質の濃度の範囲の一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態に係る培養環境の判定結果の別の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態）
［培養環境判定システムの構成］
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る培養環境判定システム１を用いた培養の一例を示す図である。培養環境判定システム１は、培養装置４における細胞の培養における再現性を高めるためのシステムである。
【００１７】
培養環境判定システム１は、細胞の培養条件を取得し、取得した培養条件に応じた培養環境を判定する。ここで細胞の培養条件とは、例えば、細胞の増殖速度、細胞の個体数、細胞の吸光度の最大値、及び細胞の活性度などである。培養環境とは、例えば、培養に用いられる培地の成分や、ウェルプレートＷにおけるウェルの位置である。
【００１８】
培養環境判定システム１は、判定した培養環境を培養環境情報ＣＥとして、培養環境制御装置２、及び化学物質添加装置３に供給する。培養環境制御装置２は、培養環境情報ＣＥに基づいて、培養装置４における培養に用いられる培地の成分を選択する。化学物質添加装置３は、ウェルプレートＷにおいて培養環境情報ＣＥが示すウェルの位置に、化学物質添加装置３が選択した培地を注入する。
以下の実施形態では、培養環境情報ＣＥとして培養に用いられる培地の成分を扱う。
【００１９】
ここで培養環境判定システム１において培地とは合成培地である。合成培地とは、細胞の培養に必要な最小限の成分を含む人工的な培地である。合成培地では、栄養成分は、天然培地が豊富な栄養成分を含むのに対して豊富でない。合成培地では、成分の組成は、天然培地の成分の組成が不明であるのに対して明確である。合成培地では、細胞の増殖速度は、天然培地では速いのに対して遅い。これは合成培地では栄養成分が豊富でないためである。合成培地では、培養の再現性は、天然培地では低いのに対し高い。合成培地では、培養環境の最適化は、天然培地では不可能であるのに対して可能である。
培養環境判定システム１では、合成培地の培養条件と培養結果との関係を示す豊富な数の実験データを用いて、経験則のみに頼らず、合成培地の培養環境を最適化し培養の再現性を高める。
【００２０】
図２は、本実施形態に係る培養環境判定システム１の構成の一例を示す図である。培養環境判定システム１は、培養環境判定装置１０と、決定木生成装置２０と、決定木記憶装置３０と、目的変数供給装置４０と、実験データ記憶装置５０と、培養環境制御装置２とを備える。
【００２１】
決定木生成装置２０は、実験データ取得部２１０と、決定木生成部２２０とを備える。実験データ取得部２１０は、実験データ記憶装置５０から実験データＥＤを取得する。実験データＥＤとは、実験条件Ｅ１と、測定結果Ｅ２との実験毎の組である。
決定木生成部２２０は、実験データ取得部２１０が取得した実験データＥＤに基づいて、決定木Ｔ１を生成する。ここで決定木生成部２２０は、公知の決定木学習に基づいて決定木Ｔ１を生成する。
【００２２】
ここで図３及び図４を参照し、実験データＥＤについて説明する。
図３は、本実施形態に係る実験条件の種類と実験数との一例を示す図である。本実施形態では、１３３８回の実験を行い、この１３３８回の実験のそれぞれは、２２６種類の実験条件のいずれかの条件において行われたものである。実験条件Ｅ１は、２２６種類の実験条件を示す。実験条件Ｅ１は、例えば、培地の成分に含まれる物質の種類と、この物質の濃度との組により指定される。図３に示す例では、横軸が物質の種類を示し、縦軸が各物質の濃度の対数を示す。以下、濃度の対数を濃度対数と呼ぶことがある。
【００２３】
培地の成分に含まれる物質の種類は、一例として、カリウム（Ｋ）、水素（Ｈ）、リン酸（ＰＯ４）、ナトリウム（Ｎａ）、塩素（Ｃｌ）、鉄（Ｆｅ）、チアミン（Ｔｈｉａｍｉｎｅ）、硫酸イオン（ＳＯ４）、アンモニア（ＮＨ４）、マグネシウム（Ｍｇ２）、グルコース（Ｇｌｕｃｏｓｅ）、ロイシン（Ｌｅｕ）、及びヒスチジン（Ｈｉｓ）である。
実験条件Ｅ１において、各物質の濃度は物質の種類毎に異なる。実験条件Ｅ１では、例えば、カリウム（Ｋ）の濃度は、濃度対数Ｃ１〜Ｃ５により示され５種類である。濃度対数Ｃ１〜Ｃ５において、図３に示す縦軸において隣り合う濃度対数の間の間隔は、それぞれ等しい。つまり、実験条件Ｅ１では、カリウム（Ｋ）の濃度は、対数スケールにおいて等間隔に分布している。
実験条件Ｅ１では、濃度対数Ｃ５に対応する最も高い濃度は、カリウム（Ｋ）が培地に含まれる水に溶ける最大の濃度に基づいて決定される。
【００２４】
実験条件Ｅ１では、カリウム（Ｋ）以外の各物質の濃度については、対数スケールにおいて等間隔に分布している濃度が含まれる。したがって、培地に含まれる物質の濃度の値の間隔は、前記濃度の値が大きくなるにつれて大きくなる。
また、実験条件Ｅ１では、各物質について、最も大きい濃度対数に対応する最も高い濃度と、最も小さい濃度対数に対応する最も低い濃度とは、文献情報に基づく中央値を基準に決定される。ここで最も大きい濃度対数に対応する最も高い濃度は、当該中央値よりも所定の値だけ大きい濃度として決定され、最も小さい濃度対数に対応する最も低い濃度は、当該中央値よりも所定の値だけ小さい濃度として決定され。ただし、水に溶けにくい物質については、最も大きい濃度対数に対応する最も高い濃度は、当該物質が培地に含まれる水に溶ける最大の濃度に基づいて決定される。
【００２５】
図４は、本実施形態に係る測定結果Ｅ２の一例を示す図である。図４では、図３において説明した１３３８回の実験それぞれの細胞の増殖速度の分布が示されている。図４では、横軸は細胞の増殖速度を示し、縦軸は細胞の増殖速度の値毎の頻度を示している。測定結果Ｅ２は、１３３８回の実験それぞれの細胞の増殖速度である。したがって図４では、測定結果Ｅ２の分布が示されている。
なお、細胞の増殖速度は、単位時間あたりの細胞量の増加率である。図４の例では、単位時間とは１時間である。細胞量は、例えば、コロニー数、細胞数、粒子濃度、濁度（ＯＤ６００）、及び生化学反応強度（吸光度、蛍光、発光など）などにより評価される。
【００２６】
図２に戻って、培養環境判定システム１の構成の説明を続ける。
決定木記憶装置３０は、決定木生成装置２０が供給する決定木Ｔ１を記憶する。
【００２７】
目的変数供給装置４０は、細胞の培養条件を示す目的変数ＯＶを培養環境判定装置１０に供給する。本実施形態では、目的変数ＯＶは、一例として、細胞の増殖速度（変化率）を示す。なお、目的変数ＯＶは、細胞量（飽和濃度）、物質生産（バイオマス）、及び細胞活性のいずれかであってもよい。また、目的変数ＯＶは、細胞の増殖速度、細胞量、物質生産、及び細胞活性のうちの２つ以上の組合せであってもよい。つまり、目的変数ＯＶには、細胞の増殖速度、細胞量、物質生産、及び細胞活性のうち少なくとも１つが含まれる。
ここで細胞の増殖速度は、細胞がどのぐらい速く増えるのかを表す目的変数である。細胞量（飽和濃度）は、細胞が最大どのぐらいの量まで増えるのかを表す目的変数である。物質生産は、細胞を使って物質生産する場合の目的変数である。細胞活性は、細胞内の特定の分子を指標として評価され、細胞がどのぐらい活性化されているかを表す目的変数である。
【００２８】
培養環境判定装置１０は、目的変数取得部１１０と、培養環境判定部１２０と、結果出力部１３０とを備える。
目的変数取得部１１０は、目的変数供給装置４０が供給する目的変数ＯＶを取得する。
培養環境判定部１２０は、決定木記憶装置３０に記憶される決定木Ｔ１と、目的変数取得部１１０が取得した目的変数ＯＶとに基づいて、培養環境を判定する。ここで培養環境判定部１２０は、複数の培養環境のうち目的変数ＯＶが示す培養条件を満たす培養環境を判定する。
結果出力部１３０は、培養環境判定部１２０が判定する培養環境を示す培養環境情報ＣＥを、培養環境制御装置２に出力する。
【００２９】
培養環境制御装置２は、培養環境判定装置１０が供給する培養環境情報ＣＥに基づいて、培地の成分として、物質と、この物質の濃度とを選択する。
【００３０】
［決定木の生成］
図５は、本実施形態に係る決定木生成装置２０の決定木生成処理の一例を示す図である。
実験データ取得部２１０は、実験データＥＤを実験データ記憶装置５０から取得する（ステップＳ１００）。実験データ取得部２１０は、取得した実験データＥＤを決定木生成部２２０に供給する。
決定木生成部２２０は、実験データ取得部２１０が供給する実験データＥＤに基づいて、決定木Ｔ１を生成する（ステップＳ１１０）。
【００３１】
ここで図６を参照し決定木生成部２２０が生成する決定木Ｔ１について説明する。
図６は、本実施形態に係る決定木Ｔ１の一例を示す図である。決定木Ｔ１は、階層化されたノードを有する木構造のグラフである。決定木Ｔ１は、階層Ｌ１〜Ｌ５を有する。階層Ｌ１には、ノードＮ１が属する。階層Ｌ２には、ノードＮ２１、及びノードＮ２２が属する。階層Ｌ３には、ノードＮ３１、ノードＮ３２、ノードＮ３３、及びノードＮ３４が属する。階層Ｌ４には、ノードＮ４１、ノードＮ４２、ノードＮ４３、ノードＮ４４、ノードＮ４５、及びノードＮ４６が属する。
【００３２】
各ノードは、実験条件Ｅ１において行われた１３３８回の複数の実験の実験結果を示す。実験結果は、実験の回数と、細胞の増殖速度の複数の実験についての平均値と、細胞の増殖速度の複数の実験についての平均二乗誤差の値とを含む。
ノードＮ１が示す実験結果では、細胞の増殖速度の複数の実験についての平均値は、０．５０６であり、細胞の増殖速度の複数の実験についての平均二乗誤差の値は、０．０６６８である。
ここで細胞の増殖速度は、目的変数ＯＶの大きさを示す。したがって、各ノードは、目的変数ＯＶの大きさを示す。
【００３３】
決定木Ｔ１では、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる。説明変数には、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度が含まれる。例えば、ノードＮ１が示す条件式は、培地の成分に含まれるアンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であることを示す。ノードＮ１が示す実験結果に対応する１３３８回の実験は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たす実験と、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たさない実験とに分類される。
【００３４】
ここで決定木生成部２２０は、公知の決定木学習に基づいて、培養環境を示す説明変数を用いた条件式を決定する。決定木生成部２２０は、目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数を判定する。
例えば、決定木生成部２２０は、ノードＮ１が示す実験結果に対応する１３３８回の実験を、条件式を用いて２つの実験の集合に分けた場合に、一方の実験の集合に含まれる実験の細胞の増殖速度の平均値と、他方の実験の集合に含まれる実験の細胞の増殖速度の平均値との差が最大となる条件式を判定する。
【００３５】
決定木生成部２２０は、培地の成分に含まれるアンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であることを示す条件式を、細胞の増殖速度の決定要因としての重要度が最も大きい説明変数であると判定する。決定木生成部２２０は、判定した条件式を、最上層である階層Ｌ１のノードＮ１の分岐先のノードを定めるための条件式として選択する。決定木生成部２２０は、目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択する。したがって、決定木Ｔ１では、目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択される。
【００３６】
ノードＮ１の分岐先のノードには、ノードＮ２１と、ノードＮ２２とがある。ノードＮ２１は、ノードＮ１の１３３８回の実験のうち、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たす１０９８回の実験の実験結果を示す。一方、ノードＮ２２は、ノードＮ１の１３３８回の実験のうち、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たさない２４０回の実験の実験結果を示す。
【００３７】
決定木生成部２２０は、培地の成分に含まれるマグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以下であることを示す条件式を、ノードＮ２１の分岐先のノードを定めるための条件式として選択する。
ノードＮ３１の分岐先のノードには、ノードＮ３１と、ノードＮ３２とがある。ノードＮ３１は、ノードＮ２１の１０９８回の実験のうち、マグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たす１５２回の実験の実験結果を示す。一方、ノードＮ２２は、ノードＮ２１の１０９８回の実験のうち、マグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たさない９４６回の実験の実験結果を示す。
【００３８】
決定木生成部２２０は、培地の成分に含まれるアンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９９乗ミリモル以下であることを示す条件式を、ノードＮ３１の分岐先のノードを定めるための条件式として選択する。
ノードＮ３１の分岐先のノードには、ノードＮ４１と、ノードＮ４２とがある。ノードＮ３１は、ノードＮ３１の１５２回の実験のうち、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９９乗ミリモル以下であるという実験条件を満たす４８回の実験の実験結果を示す。一方、ノードＮ４２は、ノードＮ３１の１５２回の実験のうち、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９９乗ミリモル以下であるという実験条件を満たさない１０４回の実験の実験結果を示す。
【００３９】
ここでノードＮ４２は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９９乗ミリモル以下であるという実験条件を満たさない実験の実験結果に対応する。ノードＮ４２の上位層のノードには、ノードＮ２１がある。ノードＮ２１は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であるという実験条件を満たす実験の実験結果に対応する。したがって、ノードＮ２１は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度の上限値を示す上限ノードであり、ノードＮ４２は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度の下限値を示す下限ノードである。
【００４０】
決定木生成部２２０は、説明変数の上限値を示す上限ノード、及び説明変数の下限値を示す下限ノードを判定すると、判定した上限ノードが属する階層、及び判定した下限ノードが属する階層のうち下層の階層を、決定木Ｔ１における階層のうち最下層の階層であると判定する。図６の例では、決定木生成部２２０は、ノードＮ２１が属する階層Ｌ４を、決定木Ｔ１の最下層の階層であると判定する。決定木生成部２２０は、説明変数の上限値を示す上限ノード、及び説明変数の下限値を示す下限ノードを判定すると、以降、分岐先のノードを判定しない。
【００４１】
したがって、決定木Ｔ１に含まれる複数のノードのうちの説明変数の上限値を示す上限ノード、または下限値を示す下限ノードのうち一方が決定木Ｔ１の最下層のノードであり、上限ノードまたは下限ノードのうち他方が最下層のノードの上位層のノードである。
【００４２】
決定木生成部２２０は、ノードＮ２２、ノードＮ３２、及びノードＮ３３においても、上述したノードＮ１、ノードＮ２１、ノードＮ３１と同様に、分岐先のノードを定めるための条件式を選択する。
決定木生成部２２０は、階層Ｌ４を決定木Ｔ１の最下層の階層であると判定する。決定木生成部２２０は、上述したノードＮ４２と同様に、ノードＮ４１、ノードＮ４３、ノードＮ４４、ノードＮ４５、及びノードＮ４６について分岐先のノードを判定しない。
【００４３】
［培養環境の判定］
図７を参照し、培養環境判定装置１０の培養環境判定処理について説明する。
図７は、本実施形態に係る培養環境判定処理の一例を示す図である。
目的変数取得部１１０は、目的変数供給装置４０が供給する目的変数ＯＶを取得する（ステップＳ２００）。ここで目的変数ＯＶとは、例えば、細胞の培養速度である。目的変数取得部１１０は、取得した目的変数ＯＶを培養環境判定部１２０に供給する。
【００４４】
培養環境判定部１２０は、決定木記憶装置３０から決定木Ｔ１を取得する（ステップＳ２１０）。培養環境判定部１２０は、取得した決定木Ｔ１と、目的変数取得部１１０が供給する目的変数ＯＶとに基づいて、培養環境を判定する（ステップＳ２２０）。ここで培養環境判定部１２０は、培養環境として、培地に含まれる物質と、この物質の濃度とを判定する。培養環境判定部１２０は、判定した培養環境を示す培養環境情報ＣＥを結果出力部１３０に供給する。
【００４５】
ここで図８を参照し、培養環境判定部１２０による培養環境の判定結果について説明する。
図８は、本実施形態に係る培養環境の判定結果の一例を示す図である。培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１に含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードを判定する。ノードＮ４３が示す細胞の増殖速度は０．６２３であり、決定木Ｔ１に含まれるノードが示す細胞の増殖速度のなかにおいて最も大きい。したがって、培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１に含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードは、ノードＮ４３であると判定する。
【００４６】
培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１に含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードを判定すると、このノード及び、このノードの上層のノードがそれぞれ示す培養環境の全てを組み合わせて培養環境と判定する。したがって、培養環境判定部１２０は、ノードＮ２１、ノードＮ３２、及びノードＮ４３の培養環境の全てを組み合わせて、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であり、かつマグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以上かつ１０の１．３４９５乗ミリモル以下であるという条件を、最も大きい細胞の増殖速度を実現する培養環境と判定する。培養環境判定部１２０は、この培養環境に基づいて培養環境情報ＣＥを生成する。
【００４７】
なお図８に示す例では、培養環境判定部１２０は、１番目の培養環境に加えて、２番目の培養環境を判定する。培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１に含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードに加えて、２番目に大きい細胞の増殖速度を示すノードを判定する。ノードＮ４１が示す細胞の増殖速度は０．６２０３であり、決定木Ｔ１に含まれるノードが示す細胞の増殖速度のなかにおいて２番目に大きい。したがって、培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１に含まれるノードのうち、２番目に大きい細胞の増殖速度を示すノードは、ノードＮ４１であると判定する。
【００４８】
培養環境判定部１２０は、ノードＮ２１、ノードＮ３１、及びノードＮ４１の培養環境の全てを組み合わせて、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９５乗ミリモル以下、かつマグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以下であるという条件を、２番目に大きい細胞の増殖速度を実現する培養環境と判定する。
【００４９】
ここで図９を参照し、培養環境判定部１２０が判定する培養環境である物質の種類、及び濃度について説明する。
図９は、本実施形態に係る培養環境情報ＣＥが示す物質の濃度の範囲の一例を示す図である。領域Ｒ１は、培養環境情報ＣＥに含まれる１番目の培養環境を示す。したがって、領域Ｒ１は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の２．４５１５乗ミリモル以下であり、かつマグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以上かつ１０の１．３４９５乗ミリモル以下であるという条件を満たす物質の濃度の範囲を示す。
一方、領域Ｒ２は、培養環境情報ＣＥに含まれる２番目の培養環境を示す。したがって、領域Ｒ２は、アンモニア（ＮＨ４）の濃度が１０の−０．１９５乗ミリモル以下、かつマグネシウム（Ｍｇ２）の濃度が１０の−０．８４９５乗ミリモル以下であるという条件を満たす物質の濃度の範囲を示す。
【００５０】
図７に戻って、培養環境判定装置１０の処理の説明を続ける。
結果出力部１３０は、結果出力部１３０が供給する培養環境情報ＣＥを培養環境制御装置２に出力する（ステップＳ２３０）。
【００５１】
なお、図６において説明した通り、本実施形態では、決定木生成部２２０は、説明変数の上限値を示す上限ノード、及び説明変数の下限値を示す下限ノードを判定すると、判定した上限ノードが属する階層、及び判定した下限ノードが属する階層のうち下層の階層を、決定木Ｔ１における階層のうち最下層の階層であると判定する場合について説明したが、これに限らない。決定木生成部２２０は、説明変数の上限値を示す上限ノード、及び説明変数の下限値を示す下限ノードを判定した後、判定した上限ノードが属する階層、及び判定した下限ノードが属する階層のうち下層の階層からさらに分岐先のノードを判定してもよい。
【００５２】
図１０は、本実施形態に係る培養環境の判定結果の別の一例を示す図である。決定木Ｔ１ａは、図６に示した決定木Ｔ１の階層Ｌ４において、さらに分岐先のノードが判定された場合の決定木の一例である。決定木Ｔ１ａの階層Ｌ１ａ、階層Ｌ２ａ、及び階層Ｌ３ａは、決定木Ｔ１の階層Ｌ１、階層Ｌ２、及び階層Ｌ３と同様である。
決定木生成部２２０は、決定木Ｔ１ａの階層Ｌ４ａにおいて、アンモニア（ＮＨ４）及びマグネシウム（Ｍｇ２）に加えて、グルコース（Ｇｌｕｃｏｓｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び硫酸イオン（ＳＯ４）について、これらの物質の種類及び濃度を示す条件式のなかから、目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数を判定する。
【００５３】
培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１ａに含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードを判定する。ノードＮ５１ａが示す細胞の増殖速度は０．６６５２であり、決定木Ｔ１ａに含まれるノードが示す細胞の増殖速度のなかにおいて最も大きい。したがって、培養環境判定部１２０は、決定木Ｔ１ａに含まれるノードのなかから、最も大きい細胞の増殖速度を示すノードは、ノードＮ５１ａであると判定する。
【００５４】
培養環境判定部１２０は、ノードＮ２１ａ、ノードＮ３１ａ、ノードＮ４１ａ、及びノードＮ５１ａの培養環境の全てを組み合わせて培養環境を判定する。一方、図８の決定木Ｔ１では、培養環境判定部１２０は、ノードＮ２１、ノードＮ３２、及びノードＮ４３の培養環境の全てを組み合わせて培養環境を判定した。図１０の決定木Ｔ１ａは、図８の決定木Ｔ１に比べて、階層Ｌ４ａにおいて、アンモニア（ＮＨ４）及びマグネシウム（Ｍｇ２）に加えて、グルコース（Ｇｌｕｃｏｓｅ）、ナトリウム（Ｎａ）、及び硫酸イオン（ＳＯ４）について、これらの物質の種類及び濃度を示す条件式のなかから、細胞の増殖速度の決定要因としての重要度が大きい説明変数を判定している点が異なる。
【００５５】
２番目に大きい細胞の増殖速度を示すノードについては、ノードＮ５８ａが示す細胞の増殖速度は０．６５８５であり、決定木Ｔ１ａに含まれるノードが示す細胞の増殖速度のなかにおいて２番目に大きい。一方、図８の決定木Ｔ１では、２番目に大きい細胞の増殖速度を示すノードはノードＮ４１である。
また、３番目に大きい細胞の増殖速度を示すノードについては、ノードＮ５５ａが示す細胞の増殖速度は０．６３３７であり、決定木Ｔ１ａに含まれるノードが示す細胞の増殖速度のなかにおいて３番目に大きい。一方、図８の決定木Ｔ１では、細胞の増殖速度が０．６を超えるノードは、ノードＮ４１及びノードＮ４３のみである。
【００５６】
このように、培養環境判定部１２０が考慮する物質の種類及び濃度によって、培養環境判定部１２０が判定する目的変数の決定要因としての重要度が大きい説明変数は異なる。
【００５７】
なお、上記の実施形態では、培養環境情報ＣＥとして培養に用いられる培地の成分を扱ったが、培養環境情報ＣＥにはウェルプレートＷにおけるウェルの位置が含まれてもよい。培養環境情報ＣＥにウェルプレートＷにおけるウェルの位置が含まれる場合、図６や図１０に示した決定木の説明変数には、ウェルプレートＷにおけるウェルの位置が含まれる。ウェルプレートＷにおけるウェルの位置が目的変数の決定要因としての重要度が大きければ、決定木のノードにはウェルプレートＷにおけるウェルの位置についての条件を示すノードが含まれる場合がある。
また、培養環境情報ＣＥには、温度、溶存酸素、二酸化炭素などの物理的な条件を示す情報が含まれてもよい。
【００５８】
［まとめ］
以上に説明したように、本実施形態に係る培養環境判定装置１０は、目的変数取得部１１０と、培養環境判定部１２０と、結果出力部１３０とを備える。
目的変数取得部１１０は、細胞の培養条件を示す目的変数ＯＶを取得する。
培養環境判定部１２０は、各ノードが目的変数ＯＶの大きさを示し、培養環境を示す説明変数を用いた条件式の真偽に基づいて分岐先のノードが定まる階層化されたノードを有する決定木Ｔ１と、目的変数取得部１１０が取得した目的変数ＯＶとに基づいて、培養環境を判定する。
結果出力部１３０は、培養環境判定部１２０が判定する培養環境を示す培養環境情報ＣＥを出力する。
この構成により、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、決定木Ｔ１と、目的変数ＯＶとに基づいて培養環境を判定することができるため、培養目的に応じた所望の培養条件を実現するための培養環境を判定できる。
【００５９】
また、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、目的変数ＯＶには、細胞の増殖速度、細胞の個体数、細胞の吸光度の最大値、及び細胞の活性度のうち少なくとも１つが含まれ、決定木Ｔ１では、目的変数ＯＶの決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択される。
この構成により、本実施形態に係る培養環境判定装置１０の決定木Ｔ１では、目的変数ＯＶの決定要因としての重要度が大きい説明変数ほど上層のノードとして選択されるため、細胞の増殖速度、細胞の個体数、細胞の吸光度の最大値、及び細胞の活性度のうち少なくとも１つの決定要因、及び決定要因間の決定要因としての重要度の順位を判定できる。
【００６０】
また、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、決定木Ｔ１に含まれる複数のノードのうちの説明変数の上限値を示す上限ノード、または下限値を示す下限ノードのうち一方が決定木Ｔ１の最下層のノードであり、上限ノードまたは下限ノードのうち他方が最下層のノードの上位層のノードである。
この構成により、培養環境判定装置１０では、決定木Ｔ１において、説明変数の上限値を示す上限ノード、及び説明変数の下限値を示す下限ノードが現れると、以降分岐先のノードを判定しないため、少ない数の説明変数により培養環境を示すことができる。
【００６１】
また、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、説明変数には、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度が含まれる。
この構成により、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度を判定できるため、培地に含まれる物質の種類及び当該物質の濃度について培養目的に応じた所望の培養環境を判定できる。
【００６２】
また、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、物質の濃度の値の間隔は、濃度の値が大きくなるにつれて大きくなる。
この構成により、本実施形態に係る培養環境判定装置１０では、物質の濃度の値の間隔が等間隔である場合など物質の濃度の値の間隔が濃度の値が大きくなるにつれて大きくない場合に比べて少ない数の物質の濃度の値を用いて、物質の濃度の値について同じ範囲を調べることができるため、物質の濃度の値の間隔が濃度の値が大きくなるにつれて大きくない場合に比べて少ない実験データＥＤの数を用いて、細胞の培養条件に応じた培養環境を判定できる。なお、物質の濃度の値と、測定結果Ｅ２との間には線形性が期待されるため、本実施形態に係る培養環境判定装置１０のように、物質の濃度の値を、対数スケールにおいて等間隔に分布するように変化させて培養環境を判定すれば十分である。
【００６３】
なお、上述した実施形態における培養環境判定装置１０の一部、例えば、目的変数取得部１１０、培養環境判定部１２０、及び結果出力部１３０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この制御機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、培養環境判定装置１０に内蔵されたコンピュータシステムであって、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよい。
また、上述した実施形態における培養環境判定装置１０の一部、または全部を、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の集積回路として実現してもよい。培養環境判定装置１０の各機能ブロックは個別にプロセッサ化してもよいし、一部、または全部を集積してプロセッサ化してもよい。また、集積回路化の手法はＬＳＩに限らず専用回路、または汎用プロセッサで実現してもよい。また、半導体技術の進歩によりＬＳＩに代替する集積回路化の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いてもよい。
【００６４】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１…培養環境判定システム、２…培養環境制御装置、３…化学物質添加装置、４…培養装置、Ｗ…ウェルプレート、１０…培養環境判定装置、１１０…目的変数取得部、１２０…培養環境判定部、１３０…結果出力部、２０…決定木生成装置、２１０…実験データ取得部、２２０…決定木生成部、３０…決定木記憶装置、４０…目的変数供給装置、５０…実験データ記憶装置、Ｔ１、Ｔ１ａ…決定木
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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