特開 2024-14902 細胞培養チップの使用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014902

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】細胞培養チップの使用方法

(51)【国際特許分類】

   C12M 1/00 20060101AFI20240125BHJP

   C12M 1/26 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

C12M1/00 Z

C12M1/26

【審査請求】有

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023189906

(22)【出願日】2023-11-07

(62)【分割の表示】P 2020548383の分割

【原出願日】2019-09-11

(31)【優先権主張番号】P 2018185218

(32)【優先日】2018-09-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000102212

【氏名又は名称】ウシオ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】弁理士法人ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山中 誠

(57)【要約】

【課題】簡易な作業手順によって流路内の液体を残存させながらも開口部内に貯留された液体を吸引することを可能にする、細胞培養チップの使用方法を提供する。
【解決手段】細胞培養チップは、底部と、底部の上面に形成された基体部と、基体部の主面の一部から底部に向かう第一方向に基体部を開口されてなる第一ウェルと、第一ウェルに対して主面に平行な第二方向に離間した位置において第一方向に基体部を開口されてなる第二ウェルと、第一ウェルと第二ウェルとを前記第二方向に連絡する管状のチャンバとを有する。この方法は、第一ウェル内及びチャンバ内に培養液を充填する工程（ａ）と、所定の吸引力で第一ウェル内の培養液を吸引することでチャンバ内の培養液を第一ウェル内に流出させることなく第一ウェルの底面を露出させる工程（ｂ）とを有する。
【選択図】図５Ｃ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

細胞培養チップの使用方法であって、
前記細胞培養チップは、
底部と、
前記底部の上面に形成された基体部と、
前記基体部の前記底部とは反対側の面である主面の一部から前記底部に向かう第一方向に前記基体部を開口されてなる、第一ウェルと、
前記第一ウェルに対して前記主面に平行な第二方向に離間した位置において、前記第一方向に前記基体部を開口されてなる第二ウェルと、
前記底部と前記基体部とで挟まれた領域によって、前記第一ウェルと前記第二ウェルとを前記第二方向に連絡する管状のチャンバとを有し、
前記第一ウェルは、前記第一ウェルの毛細管力が前記チャンバの毛細管力よりも低い形状を呈し、
前記第一ウェル内及び前記チャンバ内に培養液を充填する工程（ａ）と、
所定の吸引力で前記第一ウェル内の前記培養液を吸引することで、前記チャンバ内の前記培養液を前記第一ウェル内に流出させることなく前記第一ウェルの底面を露出させる工程（ｂ）とを有することを特徴とする、細胞培養チップの使用方法。

【請求項2】

前記工程（ｂ）は、前記第一ウェル内に貯留された前記培養液を完全に吸引するまで実行されることを特徴とする、請求項１に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項3】

前記工程（ｂ）の後、新たな培養液を前記第一ウェル内に充填する工程（ｃ）を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項4】

前記第一ウェルは、前記基体部の前記主面よりも前記底部に近い位置において、前記底部に近づくに連れて開口径が増加することなく連続的に減少する縮径領域を有することを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項5】

前記第一ウェルは、前記基体部からなる内壁を有してなり、
前記内壁は、前記第一ウェルの前記縮径領域において曲面又は前記主面とは非平行な平面を含むことを特徴とする、請求項４に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項6】

前記第一方向に関して前記第一ウェルに連続して形成され、前記第一ウェルの前記縮径領域と前記チャンバとを前記第一方向に連絡する、連絡用ウェルを有し、
前記連絡用ウェルは、前記底部を底面とし、開口径が前記第一ウェルの前記縮径領域よりも狭いことを特徴とする、請求項４又は５に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項7】

前記第一ウェルの底面が前記底部からなることを特徴とする、請求項４又は５に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項8】

前記第二ウェルは、前記第二ウェルの毛細管力が前記チャンバの毛細管力よりも低い形状を呈することを特徴とする、請求項１～７のいずれか１項に記載の細胞培養チップの使用方法。

【請求項9】

前記第二ウェルは、前記基体部の前記主面よりも前記底部に近い位置において、前記底部に近づくに連れて開口径が増加することなく連続的に減少する縮径領域を有することを特徴とする、請求項８に記載の細胞培養チップの使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、細胞培養チップの使用方法に関する。

【背景技術】

【0002】

細胞は、生体・組織内において、（i）成長因子、ビタミン、ガス分子などの可溶性因子、（ii）細胞外マトリックスタンパク、硬さ、圧力などの不可溶性因子、（iii）細胞間相互作用、などで構成される「細胞外微小環境」中に存在する。細胞は、これらの因子が複雑且つ厳密に制御されながら、その機能が制御される。つまり、再生医療、細胞移植治療、薬剤開発などに有望視されているヒト多能性幹細胞（ヒトＥＳ／ｉＰＳ細胞）などの目的細胞の機能を自在に制御するためには、この細胞外微小環境を自在に制御することが必須となる。

【0003】

従来、ヒトＥＳ／ｉＰＳ細胞を含む細胞の培養や実験は、培養ディッシュやプレートを用いた２次元環境下で行われていた。しかし、本来、細胞は３次元環境下に置かれており、２次元環境下では本来の機能を発現することができないと考えられる。ヒトＥＳ／ｉＰＳ細胞を用いた組織工学においても、３次元環境を整えることは非常に重要である。

【0004】

また、細胞外微小環境の大きさも非常に重要な因子となる。細胞は、生体内において、マイクロメートル（μｍ）スケールの微小環境下で制御される。しかし、従来の培養方法では、このように微小空間内において因子を制御することが困難であった。更に、これらの因子を網羅的に解析することは、ほぼ不可能であった。このような事情により、従来方法では困難であった、３次元での細胞培養環境を作製する手法が望まれていた。

【0005】

このような３次元での細胞培養環境を実現する手段として、従来、下記特許文献１に開示された、マイクロ流路チップが提案されている。

【0006】

図１３は、下記特許文献１に開示されたマイクロ流路チップの構造を模式的に示す斜視図である。マイクロ流路チップ１００は、基材１０１と樹脂フィルム１０２とを含み、基材１０１の主面側には、２箇所に開口部が形成され、これらの開口部が流入口１１１及び流出口１１２を構成している。また、これらの開口部（１１１，１１２）と連絡されるように、流路用の溝１１０が形成されている。溝１１０は、樹脂フィルム１０２で覆われており、管状の流路を構成している。図１４は、マイクロ流路チップ１００の構造を模式的に示す断面図である。

【0007】

検査時には、対象とする液体試料が流入口１１１から方向ｄ１１１の向きに導入される。この液体試料は、流出口１１２に向けて溝１１０内を流れる。溝１１０の一部箇所は、検出部を兼ねている。例えば、溝１１０の途中には、特定のタンパク質などの、検出対象物質に反応して蛍光を発する物質が固定化されている。当該箇所（検出部）に対して蛍光顕微鏡を用いた観察が行われることで、液体試料内に特定の検出対象物質が含まれるか否かが判定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１８－０４７６１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

マイクロ流路チップは、所定の環境下で培養空間内に細胞を培養し、この細胞の状態を観察する用途で利用される。培養に際しては、培地として液体の培養液が利用される。

【0010】

ある一定以上の時間（日数）にわたって特定の環境下で細胞を培養するに際しては、培養環境の維持、細胞に対する栄養の供給、老廃物の除去などの目的で、培地（培養液）を交換する作業が必要となる場合がある。例えば図１３に示したマイクロ流路チップ１００を用いて細胞を培養している場合において、培養液を交換する必要が生じた際には、流入口１１１又は流出口１１２から培養液を除去すると共に、新たに培養液を補充（追加）する作業が行われる。具体的には、内部を減圧したピペットを用いて流入口１１１又は流出口１１２からバキューム操作が行われることで、培養液が除去される。以下では、流入口１１１側からピペットを用いて培養液を抽出する作業を行う場合について説明するが、流出口１１２側から抽出する場合も同様である。

【0011】

流入口１１１側にピペットの先端を位置させた状態で、ピペットによる培養液の吸引作業を行う場合、吸引力が厳密に調整されていない場合には、流入口１１１内の培養液のみならず溝１１０内の培養液についても吸引されてしまう。この点につき、図１５を参照して詳述する。

【0012】

図１５は、図１３及び図１４を参照して上述した、従来のマイクロ流路チップ１００から培養液を吸引する場合において、培養液の残量の変化を模式的に示す図面である。図１５では、時間の経過と共に（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に培養液の残量が変化（減少）している様子が模式的に示されている。また、図１５では、培養液１３０が存在する領域に対してハッチングが施されている。

【0013】

従来のマイクロ流路チップ１００から培養液を吸引する場合、ピペット１２０の先端を流入口１１１に挿入した状態で、培養液１３０がｄ１２０方向に吸引される。より詳細には、ピペット１２０の先端を流入口１１１の底面や底面近傍の側壁に押し当てながら、培養液１３０が吸引される。培養液１３０の吸引が進行するに連れて、培養液１３０の液面が徐々に低下する（図１５（ａ）、（ｂ）参照）。

【0014】

培養液１３０の吸引が更に進行すると、図１５（ｃ）に示すように、流入口１１１の底面が露出する状態となる。この時点において、図１５（ｃ）に示すように、流入口１１１のコーナ部分にはわずかに培養液１３０が残存した状態となる。

【0015】

図１５（ｃ）の状態から更に培養液１３０の吸引を進行させると、図１５（ｄ）に示すように、流入口１１１のコーナ部分には培養液１３０をそのまま残しながら、流路を構成する溝１１０内に存在していた培養液１３０が、溝１１０の内壁を伝って流入口１１１側へと導かれ（ｄ１２１方向）、その後にピペット１２０によって吸引される。この結果、図１５（ｄ）に示すように、溝１１０内の培養液１３０の一部がピペット１２０によって吸引される。

【0016】

上述したように、培養液１３０の吸引は、例えば培養液１３０を交換するために行われる。すなわち、流入口１１１側に貯留されていた培養液１３０が例えば図１５（ｄ）に示すように除去された後、新たな培養液（ここでは便宜上「培養液１３０ａ」と記載する。）が流入口１１１側から導入される。この新たな培養液１３０ａは、流入口１１１を通じて溝１１０内に流入する。この結果、すでに溝１１０内に存在していた古い培養液１３０は、流出口１１２側へと押し出される。これにより、溝１１０内の培養液１３０が新たな培養液１３０ａに交換される。

【0017】

しかし、図１５（ｄ）に示すように、新たな培養液１３０ａを流入させる際に、溝１１０内の培養液１３０が一部吸引されていると、溝１１０内において、新たな培養液１３０ａと既存の培養液１３０との境界領域に気泡が残存してしまう場合がある。この気泡が存在している状態で新たな培養液１３０ａが徐々に流入されると、培養液１３０ａによって気泡が溝１１０内を押し出されるように移動する。このとき、溝１１０内において、より詳細には溝１１０の底面に付着した状態で培養されている細胞が、気泡の界面に生じる力によって剥離され、培養液（１３０／１３０ａ）と共に流されるおそれがある。

【0018】

また、培養液の交換作業の実行時に細胞を溝１１０内に留めることができた場合であっても、気泡が溝１１０内に残されたままの状態で培養液の交換作業が完了する場合が起こり得る。この場合、気泡が占める容積と培養チャンバ表面は培養に使用できなくなるため、本来の総細胞数と総培養液量から無秩序に減少し、正確な細胞試験ができなくなる。また、流路形状で設計した本来とする培養液の流動や拡散が阻害され、目的とする環境下で細胞を培養できなくなるおそれがある。例えば、細胞への輸送する培養液成分の濃度攪乱される、細胞にかかるシェアストレスが変化する、細胞から生じた老廃物や残渣が残留する、などのおそれがある。

【0019】

例えば、細胞からは生理活性物質（例えば、内分泌作用を示すサイトカイン、ホルモン、脂質、細胞外基質、マイクロＲＮＡ、エクソソーム、栄養素、又は薬剤など）が放出される。この生理活性物質は、溝１１０を覆う壁面に衝突して細胞側に戻されると、この細胞に対して作用することがある。しかし、溝１１０内に気泡が形成されてしまうと、この生理活性物質の流れが妨げられ、細胞の培養状態に影響が生じるおそれがある。

【0020】

以上のような事情が存在することから、培養液１３０を交換する際には、溝１１０内の培養液１３０を吸引しないように、吸引力を調整しながら行う必要がある。しかし、従来のマイクロ流路チップ１００において、開口部（流入口１１１／流出口１１２）は一般的な筒形状（円筒形状）で構成されており、培養液１３０の吸引力を調整することについては何ら考慮されていない。このため、培養液１３０の吸引作業を行うに際しては、開口部（流入口１１１／流出口１１２）内に貯留されている培養液１３０は除去しながらも、溝１１０内に存在する培養液１３０の吸引が開始される直前に吸引作業を中断するという、厳密な調整が必要となる。

【0021】

従って、吸引作業を行うに際しては、作業員に厳密な調整スキルが要求されるところ、再現性が乏しいという問題がある。また、かかる事情の存在が、吸引作業を自動化することへの障害ともなる。

【0022】

本発明は、上記の課題に鑑み、簡易な作業手順によって流路内の液体を残存させながらも開口部内に貯留された液体を吸引することを可能にする、細胞培養チップの使用方法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】

【0023】

本発明に係る細胞培養チップは、
底部と、
前記底部の上面に形成された基体部と、
前記基体部の前記底部とは反対側の面である主面の一部から前記底部に向かう第一方向に前記基体部を開口されてなる、第一ウェルと、
前記第一ウェルに対して前記主面に平行な第二方向に離間した位置において、前記第一方向に前記基体部を開口されてなる第二ウェルと、
前記底部と前記基体部とで挟まれた領域によって、前記第一ウェルと前記第二ウェルとを前記第二方向に連絡する管状のチャンバとを有し、
前記第一ウェルは、前記第一ウェルの毛細管力が前記チャンバの毛細管力よりも低い形状を呈することを特徴とする。

【0024】

本発明は、前記細胞培養チップの使用方法であって、前記第一ウェル内及び前記チャンバ内に培養液を充填する工程（ａ）と、所定の吸引力で前記第一ウェル内の前記培養液を吸引することで、前記チャンバ内の前記培養液を前記第一ウェル内に流出させることなく前記第一ウェルの底面を露出させる工程（ｂ）とを有することを特徴とする。

【0025】

本明細書において、「ウェルの毛細管力」という用語は、ウェルの内側面（内側壁）とウェルの底面（内底壁）とが交差するコーナ部分に生じる毛細管力を指す。

【0026】

図１５を参照して上述したように、従来のマイクロ流路チップ１００に培養液１３０を充填させた状態でピペット１２０による吸引動作を継続すると、開口部（流入口１１１）内に一部の培養液１３０が残存しているにもかかわらず、流路（溝１１０）内に貯留されている培養液１３０の吸引が開始されてしまう。これは、図１５（ｃ）に示すように、流入口１１１のコーナ部に形成された培養液１３０の液溜まり部分の毛細管力が、溝１１０の毛細管力よりも高いためであると考えられる。

【0027】

溝１１０の内壁、及び開口部（流入口１１１）の底面は、いずれも親水性が高く、その表面は薄く濡れた状態となっている。このため、図１５（ｃ）の状態から吸引動作を継続すると、毛細管力が流入口１１１のコーナ部よりも低い、溝１１０内に貯留された培養液１３０が、毛細管力の高い流入口１１１のコーナ部側に向かって、溝１１０の内壁及び流入口１１１の底面を伝って移動する。この結果、図１５（ｄ）に示すように、流入口１１１のコーナ部に貯留された培養液１３０はほとんど吸引されず、溝１１０内の培養液１３０の吸引が継続されてしまうものと考えられる。

【0028】

これに対し、本発明に係る細胞培養チップによれば、第一ウェルが、当該第一ウェルの毛細管力がチャンバの毛細管力よりも低くなる形状を呈している。この結果、第一ウェル側から吸引を開始すると、第一ウェル内に貯留されている液体（培養液）の吸引が実質的に完了するまで、チャンバ内に貯留されている液体の吸引が開始されることはない。従って、作業員は、単に、第一ウェル内に貯留されている液体が吸引できる程度の吸引力で液体の吸引を行うと共に、当該第一ウェルの吸引が完了した時点で吸引作業を停止すればよく、吸引作業に際して、吸引力や吸引時間を厳密に調整する必要がなくなる。

【0029】

これにより、従来のチップに対して培養液を交換する作業に比べて、作業員の作業は簡素化され、専門的なスキルが不要となるため、作業性が向上する。また、第一ウェル内に貯留されている液体を吸引できる程度の吸引力で吸引するだけでよく、厳密な調整が不要となるため、吸引作業の自動化が可能となる。

【0030】

前記工程（ｂ）は、前記第一ウェル内に貯留された前記培養液を完全に吸引するまで実行されるものとしても構わない。

【0031】

前記使用方法は、前記工程（ｂ）の後、新たな培養液を前記第一ウェル内に充填する工程（ｃ）を有するものとしても構わない。

【0032】

前記細胞培養チップにおいて、前記底部と前記基体部とは、同一材料によって一体成型されることで構成されていても構わないし、異なる材料によって構成されていても構わない。

【0033】

前記チャンバは、培養空間を構成するチャンバ（培養チャンバ）とすることができる。また、前記チャンバは、前記培養チャンバと、前記培養チャンバと前記第一ウェルとを第二方向に連絡する連絡用の流路とを含んで構成されても構わない。後者の場合、前記第一ウェルの毛細管力が、前記チャンバを構成する前記連絡用の流路の毛細管力よりも低い構成とすることができる。

【0034】

前記細胞培養チップにおいて、前記第一ウェルは、前記基体部の前記主面よりも前記底部に近い位置において、前記底部に近づくに連れて開口径が増加することなく連続的に減少する縮径領域を有するものとしても構わない。

【0035】

上記の構成によれば、第一ウェルは、チャンバに近い位置の開口径が、チャンバに対して遠い位置の開口径よりも小さい形状を示す。かかる形状によれば、第一ウェルの底面の位置における毛細管力を小さくすることができる。

【0036】

前記第一ウェルは、前記基体部からなる内壁を有してなり、
前記内壁は、前記第一ウェルの前記縮径領域において曲面又は前記主面とは非平行な平面を含むものとしても構わない。

【0037】

かかる構成によれば、第一ウェルは、底面の近傍において、コーナ部分に傾斜面が形成され、この傾斜面と第一ウェルの底面との間のコーナ部分のコーナ角が鈍角となる。これにより、第一ウェルのコーナ部分の毛細管力が低下する。

【0038】

前記細胞培養チップは、前記第一方向に関して前記第一ウェルに連続して形成され、前記第一ウェルの前記縮径領域と前記チャンバとを前記第一方向に連絡する、連絡用ウェルを有し、
前記連絡用ウェルは、前記底部を底面とし、開口径が前記第一ウェルの前記縮径領域よりも狭いものとしても構わない。

【0039】

上述したように、前記第一ウェルは、前記縮径領域を有することで、前記底部に近い位置において、前記底部に近づくほど開口径が小さくなる形状を呈している。このため、開口径が最も小さい位置においては、基体部の肉厚が小さくなり、成型時に困難さを伴う可能性がある。

【0040】

これに対し、上記の構成のように連絡用ウェルを設けたことで、連絡用ウェルの周囲に位置する基体部の肉厚が確保されるため、成型が容易化される。また、この連絡用ウェルは、第一ウェルの縮径領域よりも開口径を小さくしているため、液体の吸引時において第一ウェル内に貯留されている液体のみを吸引することに対する妨げとはならない。すなわち、連絡用ウェル内に一部の液体を残存させている状態であったとしても、第一ウェル内に貯留されていた液体を実質的に完全に吸引することができる。言い換えれば、連絡用ウェルを設けた構成であっても、チャンバ内に貯留している液体を吸引することなく、第一ウェル内に貯留されていた液体を実質的に完全に吸引することが可能となる。

【0041】

前記細胞培養チップにおいて、前記第一ウェルの底面が前記底部からなるものとしても構わない。

【0042】

また、前記細胞培養チップにおいて、前記第二ウェルは、前記第二ウェルの毛細管力が前記チャンバの毛細管力よりも低い形状を呈するものとしても構わない。この場合、第一ウェルと第二ウェルのいずれのウェルからでも、チャンバ内に液体を貯留させたままで液体の吸引を行うことができる。

【0043】

前記第二ウェルは、前記基体部の前記主面よりも前記底部に近い位置において、前記底部に近づくに連れて開口径が増加することなく連続的に減少する縮径領域を有するものとしても構わない。

【0044】

また、本発明に係る細胞培養チップは、
底部と、
前記底部の上面に形成された基体部と、
前記基体部の前記底部とは反対側の面である主面の一部から前記底部に向かう第一方向に前記基体部を開口されてなる、第一ウェルと、
前記第一ウェルに対して前記主面に平行な第二方向に離間した位置において、前記第一方向に前記基体部を開口されてなる第二ウェルと、
前記底部と前記基体部とで挟まれた領域によって、前記第一ウェルと前記第二ウェルとを前記第二方向に連絡する管状のチャンバとを有し、
前記第一ウェルは、前記基体部の前記主面よりも前記底部に近い位置において、開口径が増加することなく連続的に減少する縮径領域を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0045】

本発明の細胞培養チップによれば、簡易な作業手順によって流路内の液体を残存させながらも開口部内に貯留された液体を吸引することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0046】

【図1】細胞培養チップの一実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図2】細胞培養チップの一実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図3】図２の一部拡大図である。

【図4】細胞培養チップ内に培養液が充填された状態を模式的に示す図面である。

【図5A】細胞培養チップ内に充填されていた培養液を吸引している状態を模式的に示す図面である。

【図5B】細胞培養チップ内に充填されていた培養液を吸引している状態を模式的に示した図面であり、図５Ａから吸引が進行した状態に対応する。

【図5C】細胞培養チップ内に充填されていた培養液を吸引している状態を模式的に示した図面であり、図５Ｂから吸引が進行した状態に対応する。

【図6】従来のマイクロ流路チップに充填されていた培養液を吸引している状態を模式的に示す図面である。

【図7】細胞培養チップの別の実施形態の一部構造を模式的に示す断面図である。

【図8】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図9】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図10】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す断面図である。

【図11】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図12A】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図12B】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図12C】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図12D】細胞培養チップの別の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。

【図13】従来のマイクロ流路チップの構造を模式的に示す斜視図である。

【図14】従来のマイクロ流路チップの構造を模式的に示す断面図である。

【図15】従来のマイクロ流路チップから培養液を吸引する場合において、培養液の残量の変化を模式的に示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0047】

本発明に係る細胞培養チップの実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の各図面はあくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。

【0048】

図１は、細胞培養チップの一実施形態の構造を模式的に示す平面図である。図２は、図１に示す細胞培養チップ１を、図１内のＡ１－Ａ１線で切断したときの模式的な断面図である。なお、以下において、図１は、細胞培養チップ１をＹ方向から見たときのＸＺ平面図に対応し、図２は、細胞培養チップ１をＸＹ平面で切断したものをＺ方向から見たときのＸＹ平面図に対応するものとして説明する。

【0049】

細胞培養チップ１は、底部３と基体部５とを備える。基体部５は、底部３とは反対側の面（主面５ａ）の一部から、底部３に向かってＹ方向に開口された第一ウェル１０及び第二ウェル２０を備える。すなわち、第一ウェル１０は、基体部５の主面５ａ側に開口面１０ａを有し、底部３に向かってＹ方向に開口されている。同様に、第二ウェル２０は、基体部５の主面５ａ側に開口面２０ａを有し、底部３に向かってＹ方向に開口されている。すなわち、Ｙ方向が「第一方向」に対応する。

【0050】

第一ウェル１０の開口面１０ａと第二ウェル２０の開口面２０ａとは、基体部５の主面５ａに平行な方向に離間した位置に配置されている。ここでは、両者が相互にＸ方向に離間した位置に配置されているものとして説明する。この場合、Ｘ方向が「第二方向」に対応する。なお、第一ウェル１０の開口面１０ａと、第二ウェル２０の開口面２０ａとは、Ｚ方向に離間していても構わないし、Ｘ方向且つＺ方向に離間していても構わない。「第二方向」とは、第一ウェル１０の開口面１０ａから第二ウェル２０の開口面２０ａに向かう方向に対応する。

【0051】

基体部５は、底部３側の位置において管状の凹部を有しており、この凹部と底部３とで挟まれた領域によってチャンバ７が形成されている。本実施形態では、チャンバ７が細胞を培養する空間を構成する。

【0052】

本実施形態において、チャンバ７は、一方の端部が連絡用ウェル１９を介して第一ウェル１０に連絡されており、他方の端部が連絡用ウェル２９を介して第二ウェル２０に連絡されている。なお、連絡用ウェル１９は、第一ウェル１０とＹ方向に連絡されており、底部３が連絡用ウェル１９の底面を構成している。同様に、連絡用ウェル２９は、第二ウェル２０とＹ方向に連絡されており、底部３が連絡用ウェル２９の底面を構成している。

【0053】

本実施形態において、第一ウェル１０及び第二ウェル２０は、主面５ａよりも底部３に近い側の位置において、底部３に近づくに連れて開口径が増加することなく減少する領域を有する。この点につき、図３を参照して説明する。図３は、図２の第一ウェル１０の近傍を拡大した図面である。

【0054】

図３に示すように、第一ウェル１０は、基体部５の主面５ａよりも底部３に近い側の位置において、底部３に近づくに連れて、すなわち＋Ｙ方向に進むに連れて、開口径１０ｂが増加することなく減少している。この領域を、以下では「縮径領域１１」と称する。なお、本実施形態では、第一ウェル１０は、縮径領域１１よりも基体部５の主面５ａに近い側の位置においては、開口径１０ｂが実質的に均一である。すなわち、第一ウェル１０は、縮径領域１１内において内壁１０ｃが傾斜面を構成する。

【0055】

図４は、本実施形態の細胞培養チップ１内に培養液３０が充填された状態を模式的に示す図面である。図示の都合上、図４では、培養液３０が存在する領域にハッチングを施し、底部３及び基体部５にはハッチングを施していない。以下の図面においても、培養液３０の存在する領域を明示する場合には、同様の方法で図示される。

【0056】

細胞培養チップ１に対して培養液３０を充填するに際しては、第一ウェル１０側又は第二ウェル２０側から培養液３０が注入される。例えば第一ウェル１０側から培養液３０が注入されることで、この培養液３０は、連絡用ウェル１９、チャンバ７を介して第二ウェル２０側へと流入する。細胞培養チップ１内に培養液３０が所定量以上注入されることで、第一ウェル１０と第二ウェル２０との間に位置するチャンバ７内が培養液３０で充填される。これにより、チャンバ７内で細胞の培養を行うことができる。

【0057】

図４に示すように、細胞培養チップ１に培養液３０が充填された状態から、ピペット３１を用いて培養液３０を抜き出す場合の態様について、説明する。以下では、第一ウェル１０側からピペット３１を用いて培養液３０を吸引することで、培養液３０が抜き出される場合について説明する。

【0058】

図５Ａ～図５Ｃは、ピペット３１を用いて培養液３０を吸引している状態を模式的に示した図面である。図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃの順に培養液３０の吸引が進行している態様が示されている。

【0059】

ピペット３１の先端を第一ウェル１０内に挿入し、吸引動作を開始すると、培養液３０の液面が徐々に低下し始め（図５Ａ参照）、やがて縮径領域１１内にまで低下する（図５Ｂ参照）。その後、更に吸引動作を継続すると、培養液３０の液面が連絡用ウェル１９内にまで低下する（図５Ｃ参照）。なお、第一ウェル１０内に貯留されていた培養液３０を完全に吸引できる吸引力以上であって、所定の吸引力以下の範囲内の吸引力のまま、吸引動作を継続すると、培養液３０の液面が更に低下し、やがて底部３が露出する（図５Ｃ参照）。このとき、連絡用ウェル１９内のコーナ部分に培養液３０の液溜まりが形成される（符号３０ａ）。しかし、これ以上吸引動作を継続しても、培養液３０の吸引が進行しない。

【0060】

すなわち、本実施形態の構成によれば、第一ウェル１０内に貯留されていた培養液３０の吸引が完了した直後の時点において、チャンバ７から培養液３０が第一ウェル１０側に向かって流入されることがない。そして、一定の吸引力のままでピペット３１からの吸引動作を継続したとしても、培養液３０の吸引が進行しない。

【0061】

このような現象が生じた理由につき、本発明者は以下のように考えている。

【0062】

図６は、従来のマイクロ流路チップ１００に充填されていた培養液１３０を吸引している状態を模式的に示す図面であり、図１５（ｃ）と実質的に同一の図面である。

【0063】

流入口１１１（以下、ここでは「開口部１１１」と記載する。）のコーナ部分の角度をφ、前記コーナ部分に貯留する培養液１３０（１３０ａ）のメニスカスがコーナ部分に接触している箇所の両端間の距離をＤ１とすると、培養液１３０ａのメニスカスに生じる毛細管力Ｐ１は、以下の（１）式によって表される。なお、下記（１）式内において、γは表面張力、θは培養液１３０（１３０ａ）の接触角を示す。
Ｐ１≒２・γcos（θ＋φ／２）／（Ｄ１／２） ・・・・（１）

【0064】

一方、溝１１０の内径をＤ２とすると、溝１１０内に貯留されている培養液１３０（１３０ｂ）のメニスカスに生じる毛細管力Ｐ２は、同様にγ及びθを用いて、以下の式で表される。ただし、下記（２）式では、溝１１０が平行に向かい合う内壁面を有しており、培養液１３０ｂのメニスカスが接触している箇所の両端間の角度は０°であるため、φ成分が０であるものとして計算している。
Ｐ２≒２・γcos（θ）／（Ｄ２／２） ・・・・（２）

【0065】

例えば、培養液１３０の接触角θを２０°とし、溝１１０の内径Ｄ２を４００μｍとすると、培養液１３０ａのメニスカスが開口部１１１のコーナ部分に接触している箇所の両端間の距離Ｄ１≒１８０μｍのときに、Ｐ１＝Ｐ２を満たす。言い換えれば、前記距離Ｄ１＜１８０μｍの場合には、培養液１３０ａのメニスカスに生じる毛細管力Ｐ１は、溝１１０内に貯留されている培養液１３０ｂのメニスカスに生じる毛細管力Ｐ２よりも大きく、Ｐ１＞Ｐ２となる。

【0066】

このことは、図６に示す従来のマイクロ流路チップ１００において、開口部１１１から培養液１３０ａを取り出すべく、開口部１１１のコーナ部分に残存していた培養液１３０ａを吸引しようとすると、前記培養液１３０ａは吸引されずに、溝１１０内の培養液１３０ｂの方が吸引されてしまうことを意味する。この状態は、図１５（ｄ）を参照して上述した事実に合致する。

【0067】

この事実を踏まえると、図３に示す構造において、チャンバ７内の培養液３０のメニスカスの毛細管力よりも、第一ウェル１０のコーナ部分に貯留される培養液３０のメニスカスの毛細管力を小さくすることで、第一ウェル１０内の培養液３０を全て吸引できる程度の吸引力で吸引しても、チャンバ７側から培養液３０を流出させることが防止できることが分かる。

【0068】

ここで、図３を参照して上述したように、本実施形態の細胞培養チップ１は、第一ウェル１０の底部３側において、＋Ｙ方向に進行するに連れて開口径１０ｂが減少する縮径領域１１を備えている。この縮径領域１１内におけるコーナ部分のコーナ角φは、図５Ｂに示すように鈍角となり、図６に示す従来のマイクロ流路チップの開口部１１１と比べて大きい。この結果、上記（１）式内のcos（θ＋φ／２）の値が低下する。従って、図５Ｂの状態において、縮径領域１１内におけるコーナ部分に貯留される培養液３０のメニスカスに生じる毛細管力Ｐ１の値は、図６に示す従来構造における、開口部１１１のコーナ部分に貯留される培養液１３０（１３０ａ）のメニスカスに生じる毛細管力Ｐ１の値よりも低下する。

【0069】

この結果、縮径領域１１内におけるコーナ部分に貯留される培養液３０のメニスカスに生じる毛細管力Ｐ１は、チャンバ７内の培養液３０のメニスカスの毛細管力Ｐ２よりも小さい値となる。これにより、図５Ｂの状態からピペット３１で培養液３０の吸引を持続しても、第一ウェル１０のコーナ部分に培養液３０を貯留することなく、培養液３０の吸引が継続され、図５Ｃに示す状態へと進行させることができる。

【0070】

ところで、本実施形態の細胞培養チップ１は、連絡用ウェル１９を備えており、この連絡用ウェル１９のコーナ部分のコーナ角は、例えば、従来のマイクロ流路チップ１００の開口部１１１と同様に、ほぼ９０°であるものとしてもよい。この場合、図５Ｂの状態から吸引動作を継続すると、連絡用ウェル１９のコーナ部分に培養液３０（３０ａ）が貯留された状態となる。しかし、図５Ｃの状態よりも前の状態において、少なくとも第一ウェル１０内の培養液３０については完全に除去ができているため、この時点で吸引動作を終了し、交換用の新たな培養液を第一ウェル１０側から導入することが可能である。

【0071】

培養液３０の接触角θと、チャンバ７の高さを既定した場合において、第一ウェル１０の縮径領域１１内における内壁１０ｃをＺ方向から見たときの傾斜面の長さＤ（面取り部の長さ）の好ましい最小値は、以下の表１に示すとおりである。縮径領域１１内における内壁１０ｃを、表に記載された値よりも大きい傾斜面とすることで、第一ウェル１０内のコーナ部分の毛細管力をチャンバ７の毛細管力よりも低下させることができる。

【0072】

【表1】

【0073】

具体的な細胞培養チップ１の寸法例は、以下の通りである。
・基体部５の高さ（Ｙ方向に係る長さ）は、１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であり、一例として３ｍｍである。
・底部３の高さ（Ｙ方向に係る長さ）は、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、一例として１ｍｍである。
・チャンバ７の高さ（Ｙ方向に係る長さ）は、２００μｍ以上、２０００μｍ以下であり、一例として４００μｍである。

【0074】

・第一ウェル１０の開口面１０ａ側における開口径１０ｂは、０．５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、一例として２ｍｍである。
・第一ウェル１０のうち、縮径領域１１内の開口径１０ｂの最小値は、０．５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、一例として１．７５ｍｍである。また、この縮径領域１１内における内壁１０ｃをＺ方向から見たときの傾斜面の長さは、２０μｍ以上、２０００μｍ以下であり、一例として１８０μｍである。
・連絡用ウェル１９の開口径は、０．２ｍｍ以上、３９ｍｍ以下であり、一例として１．７５ｍｍである。また、連絡用ウェル１９の高さ（Ｙ方向に係る長さ）は、０．２ｍｍ以上、３ｍｍ以下であり、一例として０．６ｍｍである。

【0075】

・第一ウェル１０の中心軸と第二ウェル２０の中心軸との離間距離は、２ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、一例として９ｍｍである。
・第二ウェル２０の開口面２０ａ側における開口径は、０．５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、一例として１ｍｍである。
・第二ウェル２０のうち、縮径領域内の開口径の最小値は、０．５ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であり、一例として０．７５ｍｍである。また、この縮径領域１１内における内壁１０ｃをＺ方向から見たときの傾斜面の長さは、２０μｍ以上、２０００μｍ以下であり、一例として１８０μｍである。
・連絡用ウェル２９の開口径は、０．２ｍｍ以上、３９ｍｍ以下であり、一例として０．７ｍｍである。また、連絡用ウェル１９の高さ（Ｙ方向に係る長さ）は、０．２ｍｍ以上、２０００ｍｍ以下であり、一例として０．６ｍｍである。

【0076】

（変形例）
本実施形態の細胞培養チップ１は、種々の変形が可能である。以下、説明する。

【0077】

〈１〉上述した本実施形態の細胞培養チップ１は、第二ウェル２０側においても、第一ウェル１０の縮径領域１１と同様の縮径領域を有する構造であった。これにより、第二ウェル２０側からピペット３１によって培養液３０を吸引した場合であっても、同様の理由により、チャンバ７内に培養液３０を貯留させたままの状態で第二ウェル２０内の培養液を除去することが可能である。ただし、本発明は、一方のウェル（第一ウェル１０／第二ウェル２０）側にのみ縮径領域を有する構造を排除しない。

【0078】

〈２〉図３には、細胞培養チップ１が縮径領域１１内における第一ウェル１０の内壁１０ｃが平坦面である場合が図示されている。しかし、第一ウェル１０のコーナ部分における毛細管力を低下させる観点からは、必ずしも当該内壁１０ｃが平坦面である必要はなく、曲面で構成されていても構わない。図７は、縮径領域１１内における第一ウェル１０の内壁１０ｃが曲面で構成されている場合における、第一ウェル１０の近傍の構造を、図３にならって模式的に示した図面である。

【0079】

〈３〉図２及び図３には、第一ウェル１０が、縮径領域１１内において開口径１０ｂが中心軸に対して対称性を有して減少する態様である場合について図示されている。しかし、縮径領域１１内における中心軸と、縮径領域１１よりも基体部５の主面５ａ側における中心軸が異なることで、第一ウェル１０が偏心した形状を呈していても構わない。図８及び図９は、かかる構造を示す細胞培養チップ１につき、それぞれ、図１及び図２にならって図示したものである。なお、この態様において、図７のように縮径領域１１内における内壁が曲面からなるものとしても構わないし、縮径領域１１が第一ウェル１０にのみ存在し、第二ウェル２０側には縮径領域を有しないものとしても構わない。

【0080】

〈４〉図１０に示すように、細胞培養チップ１は、連絡用ウェル（１９／２９）を備えないものとしても構わない。かかる構成においても、第一ウェル１０は、縮径領域を備えているため、上述した理由により、チャンバ７側から培養液３０を実質的に吸引することなく、第一ウェル１０内の培養液３０を除去することができる。

【0081】

ただし、図２に示したように、細胞培養チップ１が連絡用ウェル（１９／２９）を備えることで、当該箇所に位置する基体部５には、連絡用ウェル（１９／２９）の高さ相当分の厚み（肉厚）が確保される。このため、細胞培養チップ１の製造時に、安定的な成型を可能にするという観点からは、連絡用ウェル（１９／２９）を備えるのが好ましい。

【0082】

〈５〉図１１に示すように、細胞培養チップ１が備えるチャンバ７は、実質的に細胞を培養する空間を構成する培養チャンバ７ａと、この培養チャンバ７ａと各ウェル（１０／２０）とを連絡する、培養チャンバ７ａよりも開口径の狭い連絡用流路（７ｂ／７ｃ）とを含む構成としても構わない。この場合、第一ウェル１０の毛細管力が、連絡用流路７ｂの毛細管力よりも小さくなるように、縮径領域１１が形成されているものとすればよい。

【0083】

なお、図１及び図２に示した細胞培養チップ１の構造においては、上述したように、チャンバ７が細胞を培養する空間を構成する。すなわち、チャンバ７が培養チャンバに対応する。

【0084】

［別実施形態］
以下、別実施形態につき説明する。

【0085】

〈１〉上記実施形態において、細胞培養チップ１が備える底部３と基体部５とは別部材からなるものとして説明したが、底部３と基体部５とは同一部材が一体成型されることで構成されていても構わない。

【0086】

〈２〉図３を参照して説明した細胞培養チップ１が有する第一ウェル１０は、縮径領域１１よりも基体部５の主面５ａに近い側の位置では開口径１０ｂが実質的に均一であるものとした。しかし、第一ウェル１０は、開口面１０ａから底部３側に向かう全体にわたって、開口径１０ｂが減少する縮径領域１１を有する構造であってもよい。

【0087】

〈３〉上記各実施形態の細胞培養チップ１によれば、内部に充填されていた培養液３０を、チャンバ７内に培養液３０を留めながら第一ウェル１０側又は第二ウェル２０側から抜き出すことを可能にすることについて説明した。しかし、チャンバ７内に留めながらも細胞培養チップ１から抜き出す対象となる内容物については、培養液３０に限定されず、液体であればよい。

【0088】

〈４〉上記実施形態において、細胞培養チップ１から培養液３０を吸引する際にピペット３１を用いる場合を例示して説明したが、吸引方法はピペット３１に限定されない。本発明の細胞培養チップ１は、一方のウェル（例えば第一ウェル１０）側に吸引器具の先端を配置し、当該ウェル内に貯留されている培養液３０を吸引するその他の一般的な方法を採用することが可能である。

【0089】

〈５〉上記実施形態では、一対のウェル（１０，２０）がチャンバ７によって連絡されてなる細胞培養チップ１について説明した。しかし、本発明の細胞培養チップ１において、ウェルの数やチャンバの数は限定されない。

【0090】

図１２Ａ～図１２Ｄは、別実施形態の細胞培養チップ１を、図１にならって模式的に図示した平面図である。

【0091】

図１２Ａに示す細胞培養チップ１は、３つのウェル（１０，２０，４１）が直列的に形成されており、それぞれのウェル間を連絡するように、チャンバ（７，７）が形成されている。図１２Ｂに示す細胞培養チップ１は、３つのウェル（１０，２０，４１）が形成されている。ただし、図１２Ａに示す細胞培養チップ１とは異なり、ウェル１０とウェル２０とを連絡するチャンバ７と、ウェル１０とウェル４１とを連絡するチャンバ７とが相互に連絡されている。

【0092】

図１２Ｃに示す細胞培養チップ１は、４つのウェル（１０，２０，４１，４２）を備えており、ウェル１０とウェル２０とを連絡するチャンバ７、ウェル１０とウェル４１とを連絡するチャンバ７、ウェル１０とウェル４２とを連絡するチャンバ７が、それぞれ独立して形成されている。

【0093】

図１２Ｄに示す細胞培養チップ１は、６つのウェル（１０，２０，４１，４２，４３，４４）を備えており、隣接するウェル同士を連絡するようにチャンバ７が形成されている。ただし、各チャンバ７によって、全てのウェル（１０，２０，４１，４２，４３，４４）が直列的に環状に連絡されている。

【0094】

図１２Ａ～図１２Ｄの各図に示される細胞培養チップ１においても、ウェル（１０，２０，４１，４２，４３，４４）の毛細管力が、チャンバ７の毛細管力よりも低い形状を呈している。より具体的な構造の例については、上述した実施形態と共通であるため、説明を割愛する。

【0095】

〈６〉上記図２を参照して説明した細胞培養チップ１において、連絡用ウェル（１９，２９）は、各ウェル（１０，２０）とチャンバ７との間をＹ方向に連絡するものとして説明した。しかし、連絡用ウェル（１９，２９）は、各ウェル（１０，２０）とチャンバ７とを基体部５の主面５ａに平行な方向（例えばＸ方向）にも連絡するように形成されていても構わない。すなわち、チャンバ７の端部がウェル（１０，２０）の直下には配置されておらず、連絡用ウェル（１９，２９）がＸ方向にも延在することで、ウェル（１０，２０）とチャンバ７とを連絡するように形成されていても構わない。

【符号の説明】

【0096】

１ ： 細胞培養チップ
３ ： 底部
５ ： 基体部
５ａ ： 基体部の主面
７ ： チャンバ
７ａ ： 培養チャンバ
７ｂ，７ｃ ： 連絡用流路
１０ ： 第一ウェル
１０ａ ： 第一ウェルの開口面
１０ｂ ： 第一ウェルの開口径
１０ｃ ： 第一ウェルの内壁
１１ ： 縮径領域
１９ ： 連絡用ウェル
２０ ： 第二ウェル
２０ａ ： 第二ウェルの開口面
２９ ： 連絡用ウェル
３０，３０ａ ： 培養液
３１ ： ピペット
４１，４２，４３，４４ ： ウェル
１００ ： 従来のマイクロ流路チップ
１０１ ： 基材
１０２ ： 樹脂フィルム
１１０ ： 溝
１１１ ： 流入口
１１２ ： 流出口
１２０ ： ピペット
１３０，１３０ａ ： 培養液

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図12D】

【図13】

【図14】

【図15】