CN110499252B - 自动化细胞培养 - Google Patents

自动化细胞培养 Download PDF

Info

Publication number
CN110499252B
CN110499252B CN201910410428.6A CN201910410428A CN110499252B CN 110499252 B CN110499252 B CN 110499252B CN 201910410428 A CN201910410428 A CN 201910410428A CN 110499252 B CN110499252 B CN 110499252B
Authority
CN
China
Prior art keywords
cell culture
fluid
cells
computing device
reactor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910410428.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110499252A (zh
Inventor
荆杰
肯尼斯·安德鲁·柯林斯
袁方
张中华
劳伦斯·圣乔治
杰弗里·詹姆斯·德里斯科尔
谭维嘉
蔡皓
林东平
程剑
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huacells Corp
Original Assignee
Huacells Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huacells Corp filed Critical Huacells Corp
Publication of CN110499252A publication Critical patent/CN110499252A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110499252B publication Critical patent/CN110499252B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/48—Automatic or computerized control
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/02—Form or structure of the vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/42—Integrated assemblies, e.g. cassettes or cartridges
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M25/00—Means for supporting, enclosing or fixing the microorganisms, e.g. immunocoatings
    • C12M25/10—Hollow fibers or tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/14—Rotation or movement of the cells support, e.g. rotated hollow fibers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/06—Nozzles; Sprayers; Spargers; Diffusers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/14—Incubators; Climatic chambers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/22—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes in contact with the bioreactor walls
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/36—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of biomass, e.g. colony counters or by turbidity measurements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/44—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of volume or liquid level

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)

Abstract

一种自动细胞培养系统，包括细胞培养反应器，其包括壳体；用于细胞培养液的流体回路，流体回路设置在壳体的内部。流体回路包括用于培养细胞培养液中的细胞的培养容器，用于细胞培养液的储库，储库与培养容器的流体连接，以及配置成将细胞培养液泵送到流体回路中的泵。自动细胞培养系统包括设置在壳体内部的一个或多个传感器，每个传感器配置成检测(1)流体回路中的细胞培养液和(2)壳体内部环境中的一个或多个的参数；计算设备，被配置为基于一个或多个检测到的参数自动控制细胞培养反应器的操作。

Description

自动化细胞培养
本申请要求于2018年5月18日提交的美国专利临时申请序列号62/673,484以及2018年12月21日提交的美国专利申请序列号16/229,303的优先权，其内容通过引用并入本文整体。
技术领域
本申请涉及细胞培养领域，尤其涉及自动化细胞培养。
背景技术
细胞培养可用于增加细胞数量。例如,T细胞可以从个人的血液中提取,在体外培养,以迅速增加T细胞的数量。通过接触抗原或细胞因子等免疫激活剂,可以激活培养的T细胞,使其更有效地发挥抗病作用。扩增和激活的T细胞可以被注入到人体内,以改善人体对疾病的免疫应答反应。细胞培养也可用于其他类型的细胞,如干细胞或其他类型的细胞；或用于生产细胞衍生产品,例如用于生产蛋白质、真核细胞衍生产品或其他产品。
发明内容
本申请提供了一种自动细胞培养系统。一方面,所述自动细胞培养系统包括细胞培养反应器及壳体；用于细胞培养液的流体回路,流体回路设置在壳体内部。流体回路包括用于在细胞培养液中培养细胞的培养容器、细胞培养液的盛器、盛器与培养容器的流体连接管线,以及配置用于在流体回路中泵送细胞培养液的泵。自动细胞培养系统包括一个或多个传感器,设置在壳体内部,每个传感器配置用于检测流体回路一个或多个(1)流体回路中细胞培养液的参数,(2)壳体内部的环境；以及配置为根据一个或多个检测参数自动控制细胞培养反应器的操作的计算设备。
实施例可以包括以下一个或多个特征。
计算设备配置为基于对所检测到的各个单个或多个参数及细胞培养的阶段进行比较，计算设备来控制细胞培养反应器的操作。计算设备被配置为根据一个或多个检测到的参数确定细胞培养的阶段。
传感器包括盛器传感器,该传感器配置为检测盛器中的细胞培养液数量。盛器传感器包括重量传感器。盛器传感器包括应力变形计。
自动细胞培养系统包括安装细胞培养容器的旋转支架。
自动细胞培养系统包括供应系统，这个系统包括供应管,供应管的一端连接到流体回路,以及供应线的另一端可连接到细胞培养液的来源；和连接到供应管的供应泵。供应系统包括一个温度控制系统,其中包括一个壳体,其内部空间用于保存细胞培养液；以及温度控制模块,该模块配置为冷却或加热壳体内部空间。该计算设备根据盛器中的细胞培养液的量来调控供应泵的运行。当盛器中细胞培养液的数量小于阈值量,计算设备控制供应泵的运行。该计算设备根据盛器中细胞培养液的目标量来控制供应泵的运行,目标量是基于细胞培养的阶段而设定。该计算设备根据流体回路中细胞培养液的pH值来控制供应泵的运行。
传感器包括一个或多个pH传感器，配置为检测流体回路中细胞培养液的pH值。pH传感器包括比色pH传感器。pH传感器包括离子pH传感器。
自动细胞培养系统包括设置在壳体内部的加热器。计算设备配置为根据培养容器外壁的温度来控制加热器的运行。
自动细胞培养设备包括安置于壳体内部空间的阀门,计算设备配置为根据壳体内部的气体浓度来控制阀门的操作。
自动细胞培养系统包括连接到设备壳体的内部空间的气源；包括与气源连接的气体流量控制设备。计算设备配置为根据一个或多个检测参数控制气流控制设备的运行。气体流量控制设备包括质量流量控制器。气体流量控制设备包括计量阀。计算设备控制气体流量控制设备的运行,其依据是(i)壳体内部气体浓度与阈值浓度之间的偏差与(ii)目标偏差之间的比较。一个或多个传感器(气体传感器)检测壳体内部气体的浓度。计算设备配置为根据检测到的气体浓度控制气流控制设备的运行。计算设备配置为基于流体回路中细胞培养液的pH值控制气流控制设备的运行。计算设备配置为基于流体回路中细胞培养液的溶解氧量来控制气流控制设备的运行。
一个或多个传感器包括溶解氧传感器,该传感器检测流体回路中细胞培养液中溶解的氧气量。
一个或多个传感器包括葡萄糖传感器,该传感器检测流体回路中细胞培养液中的葡萄糖含量。
一个或多个传感器包括乳酸传感器,该传感器检测流体回路中的乳酸含量。
计算设备基于培养容器内细胞培养的阶段控制细胞培养反应器的操作。计算设备根据一个或多个(i)一个或多个检测到的参数和(ii)检测到的一个或多个参数的历史记录来确定细胞培养的阶段。计算设备根据细胞培养的阶段来控制泵的运行。自动细胞培养系统包括供应系统,包括供应管路、连接到流体回路的供应管路的第一端以及连接到细胞培养液来源的供应管路的第二端；以及与供应管路耦合的供应泵；及其中的根据细胞培养的阶段控制供应泵的运行的计算设备。
培养容器包括中空纤维管筒。
自动细胞培养系统包括废液管路,废液管路的一端连接到流体回路,并且废液管路的另一端连接到废液盛器；和一个与废液管路耦合的废液泵。
自动细胞培养系统包括用户界面，其中计算设备被配置为在用户界面上引起指示一个或多个检测到的参数的输出。用户界面包括图形用户界面。用户界面包括触敏式用户界面。
计算系统可向远程计算设备输出显示一个或多个检测到的参数的信息。
计算设备根据一个或多个检测到的参数产生警报输出。
自动细胞培养系统包括一个数据存储设备,该设备用于存储一个或多个检测到的参数的信息指示。
计算设备通过网络连接向数据存储终端传输一个或多个检测到的参数的信息指示。
本申请还提供了一种培养细胞的方法。一方面,所述培养细胞的方法包括在细胞培养反应器中培养细胞,包括在细胞培养反应器内部的流体回路中流动的细胞培养液,包括通过泵推动盛器中细胞培养液到细胞培养容器以培养细胞。该方法包括通过细胞培养反应器内部的一个或多个传感器检测一个或多个参数(1)流体回路中的一个或多个细胞培养液的参数,以及(2)细胞培养反应器内部的环境；并根据一个或多个检测到的参数,通过计算设备自动控制细胞培养反应器的运行。
实施例可以包括以下一个或多个特征。
细胞培养反应器的控制操作包括对比每个被检测到的参量与各自的阈值；并且基于比较结果控制细胞培养反应器的运行。至少一个检测参数的阈值是基于细胞培养的阶段。该方法确定细胞培养阶段的依据包括一个或多个(i)检测到的一个或多个参数,(ii)一个或多个检测到的参数的历史记录。
检测参数包括检测盛器中的细胞培养液的量。
该方法包括旋转细胞培养容器。
细胞培养反应器的操作控制包括控制供应泵的操作,将细胞培养液从其来源处泵入流体回路。该方法包括控制细胞培养液来源处的温度。该方法包括将从细胞培养液来源处加入流体回路的细胞培养液加热。该方法包括基于盛器内细胞培养液的数量来控制供应泵的运行。该方法包括根据盛器中细胞培养液重量小于阈值量的情况从而控制供应泵的运行。该方法包括根据盛器中细胞培养液的目标量控制供应泵的运行,目标量与细胞培养的阶段关联。该方法包括基于流体回路中细胞培养液的pH值控制供应泵的运行。
该方法包括检测流体回路中细胞培养液的pH值。
细胞培养反应器的控制操作包括根据细胞培养反应器的温度来控制加热器。
细胞培养反应器的控制操作包括控制连接到气体来源的气流控制设备的操作。该方法包括检测细胞培养反应器内部的气体浓度；并根据检测到的气体浓度控制气流控制设备的运行。该方法包括根据(i)细胞培养反应器内部气体浓度与阈值浓度的偏差和(ii)目标偏差进行比较，从而控制气流控制设备的运行。该方法包括基于流体回路中细胞培养液的pH值来控制气流控制设备的操作。
该方法包括根据在细胞培养反应器内部所检测的气体浓度来控制细胞培养反应器中阀门的操作。
该方法包括基于培养容器中细胞培养的阶段来控制细胞培养反应器的操作。该方法包括根据一个或多个检测到的参数确定细胞培养的阶段。该方法包括根据细胞培养的阶段来控制流体回路中泵送细胞培养液的方式。该方法包括根据细胞培养的阶段控制供应泵的运行，将细胞培养液由其来源泵入流体回路。
该方法包括根据一个或多个检测到的参数触发警报输出。
该方法包括在用户界面上输出检测到的一个或多个参数的信息。在用户界面上的信息输出包括图形信息的输出。该方法包括通过用户界面接收信息输入；并基于接收到的输入控制细胞培养反应器的运行。
该方法包括向数据存储终端输送一个或多个检测到的参数的信息。
该方法包括通过网络连接向数据存储设备输送一个或多个检测到的参数的信息。
该方法包括由远程计算设备网络连接计算设备从而控制计算设备的运行。
自动细胞培养系统可以有以下一个或多个优点。细胞可以在计算机控制下自动培养,该过程不涉及劳动密集型的人工操作,并且误操作和污染的风险很低。在自动细胞培养系统中，封闭式的细胞培养流程可减少或最大限度地减少人为因素干扰,便于开展规模化、低成本和临床级的制造。自动细胞培养系统采用密封的细胞培养流体回路，可作为一个结构紧凑的台式机，占用空间很小，就要较高性价比。
附图说明
图1和2是细胞培养系统的示意图。
图3是中空纤维管筒的示意图。
图4是流体回路的示意图。
图5和图6是流程图。
图7是pH传感器的示意图。
图8是一个流程图。
图9是温度控制子系统的示意图。
图10是气体控制子系统的示意图。
图11是一个流程图。
图12是细胞培养系统的示意图。
图13A-13C是旋转支架的示意图。
图14A-14C是旋转支架的示意图。
图15A-15C是旋转支架的示意图。
图16是温度控制系统的示意图。
图17A和17B是温度控制系统的示意图。
图18是用户界面的概述。
图19是一个截屏图。
图20A-20C是截屏图。
图21和22是截屏图。
图23A和23B是细胞数量的曲线图表。
图24A和24B是葡萄糖和乳酸浓度的曲线图表。
图25A-25C是细胞扩增的曲线图表。
图26A-26E是细胞扩增的曲线图表。
图27A-27E是细胞扩增的曲线图表。
具体实施方式
我们这里描述一个自动细胞培养系统，该系统由计算机控制，可进行自动化细胞培养、转染和扩增，适用于常见的悬浮或贴壁细胞,例如T细胞,干细胞,或其他类型的细胞。自动细胞培养系统中细胞培养环境可以根据系统中传感器的实时监测进行动态和自动调节，保持细胞培养液的稳态水平,例如,保持参数如培养液体积、流体压力、流速、pH值、溶解氧、葡萄糖浓度、乳酸浓度或预设组合内的其他参数。保持细胞培养液的稳态水平有助于减少对所培养细胞的理化应力,从而提高培养效率和细胞活力。从自动细胞培养系统中获取的产品可以包括细胞本身或细胞培养的副产品,如蛋白质、病毒、抗体等。
该自动细胞培养系统可用于多种细胞的培养，包括大气环境下的细胞培养；低氧环境下的细胞培养；在含人类或动物来源的血清中培养；无血清细胞培养；培养T淋巴细胞、血红细胞、诱导多能干细胞、天然杀伤细胞和细胞系等；以及其它流程。使用该自动细胞培养系统激活和/或扩增活细胞能够调节细胞生长速率以提高收获率。
参照图1,自动细胞培养系统100是在计算机控制下自动培养细胞的集成设备。自动细胞培养系统100的基座102包含计算设备101(如连接有内存的一个或多个微处理器的计算设备)控制自动细胞培养系统100的操作。机箱盖103可以闭合和机械锁定基座102,例如,以帮助防止意外或未经授权访问计算设备101。
自动细胞培养系统100的反应器空间104包括壳体105构建的内部空间,细胞培养在这一空间进行。壳体可以密封。例如,壳体可以通过硅胶垫片安装在机箱盖103上。密封壳体可以帮助防止气体泄漏，例如，能够有效控制壳体105内部的气体浓度和有效的气体使用,并实现高效的温度控制。反应器空间104容纳细胞培养容器,在这个容器里,在计算设备监测和控制的环境中,可以在细胞培养液中高效地培养细胞,如T细胞。反应器空间104可以容纳一个或多个传感器,耦合到自动细胞培养系统100的计算设备。传感器可以检测培养环境的参数,如温度，细胞培养液的pH值，反应器空间104中大气中的氧气或二氧化碳等气体浓度，细胞培养液中气体的浓度或分压例如溶解氧、糖浓度如葡萄糖、乳酸等细胞培养产物的浓度，或细胞培养环境的其他参数。反应器空间104可容纳一个或多个组件,可在自动细胞培养系统100的计算设备的自动控制下操作,如加热组件、气体流量控制器、泵或自动细胞培养系统100的其他组件。例如,自动细胞培养系统100的计算设备可以根据一个或多个检测到的培养环境参数,在闭环反馈系统中自动控制反应器部分104中一个或多个组件的操作。
培养环境参数的自动监测和控制有助于实现高效的细胞培养。例如,根据细胞培养环境参数的变化,可以实时控制自动细胞培养系统的组件,而无需等待用户手动操作系统或手动输入控制指示。对实时检测的实时响应保证目标参数持续稳定，例如系统中细胞培养液的设定目标重量、气体的设定目标浓度、其它培养添加物的设定目标浓度如生长因子、目标温度、目标pH值或其他参数。在整个细胞培养过程中,能够保持目标参数持续稳定于设定值,这有助于提高培养效率。
培养环境参数的自动监测和控制也有助于实现资源(如生长因子)的有效利用,从而降低与细胞培养相关的材料成本。例如,基于对培养环境参数的实时监测,可以确定细胞培养过程所处的阶段。某些参数的目标值可能因细胞培养过程的阶段而异。这些参数可以实时监测和调整,以动态响应确定的细胞培养过程阶段。
在图1的例子中,安装在自动细胞培养系统基座102中的计算设备101控制自动细胞培养设备100的操作,例如,接收来自反应器中的一个或多个传感器的信号和控制安装在反应器空间104中的一个或多个组件的操作。在某些示例中,自动细胞培养设备100可以通过有线或无线连接连接到远程计算设备,如便携式计算机或台式计算机、服务器或移动计算设备,远程计算设备可以监视和/或控制自动细胞培养设备100的操作。在一些例子中,安装在自动细胞培养系统的基座102中的基于微处理器的控制器,或连接到自动细胞培养系统的控制器,可以监控和/或控制自动细胞培养系统的操作。正如本文所使用的,"计算机控制"和"由自动细胞培养系统的计算设备控制"等术语是指由安装在自动细胞培养系统100或由远程计算设备或基于微处理器的控制器。
显示器106,如液晶显示器(LCD),可以安装或集成在自动细胞培养系统100上,如在机箱盖103的壳体上或在反应器空间104的壳体上。显示器106可由计算系统控制,以显示细胞培养环境的参数信息,例如来自一个或多个传感器的实时读数。显示器106可由计算系统控制以显示状态警报,例如,指示某个参数已超过或低于阈值。在某些示例中,信息可以显示在远程显示器上,例如在远程计算设备上显示,远程设备可为便携式计算机或移动计算设备,显示器可通过有线或无线方式连接到自动细胞培养系统100的计算设备。在一些例子中,状态信息可以通过其他方式展示,例如通过视觉指示器(例如,按照指定模式闪烁或亮起的一个或多个灯来传达状态信息)或声音指示器(例如,使用警报或语音来传达状态信息)。
在某些示例中,显示器106可以是互动式显示,例如触敏式显示器,能够接收用户的输入,并向计算系统输送反映输入信息的信号指示。例如,显示器106可接收用户提供的信息或指令,例如：为细胞培养环境的参数设置阈值水平的指令；在反应器空间104中一个或多个组件的操作指令；识别或描述要在自动细胞培养系统100中培养的细胞的信息；或其他类型的信息或指令。在某些示例中,可以从远程计算设备接收信息或指令,例如,笔记本电脑、台式计算机或移动计算设备通过有线或无线方式连接到自动细胞培养系统100的计算设备。这些信息可以存储在集中式数据存储(如基于云的数据存储)中,也可以存储在分布式数据存储系统中。这些信息可以用来分析以提高系统性能、精调参数阈值设置或用于达到其他目的。例如,利用收集到的信息,可以开发或升级基于人工智能的细胞培养算法,并将其应用于自动细胞培养系统。
参照图2,在自动细胞培养系统100内部的反应器104,细胞被培养在培养容器200中,如管筒(如中空纤维管筒)。培养容器200通过液体管线(未显示，如硅胶管)连接到盛器202,如瓶子。泵204,如蠕动泵或脉动泵,将细胞培养液从盛器202通过管线的第一部分输到培养容器200的输入端，和从培养容器200的输出端通过管线的第二部分回到流体回路的盛器(例如,如下图4所示的流体回路400)。
新鲜细胞培养液通过供给管路从新鲜的培养液来源206接入流体回路。例如，泵208a(如蠕动泵)和一个或多个阀门210(如夹管阀)由计算机控制操作,将新鲜培养液从其来源206通过供应管线泵入流体回路。细胞培养液可以通过泵208b(如蠕动泵)驱动，沿废液管线离开流体回路，输出到废液盛器(未显示)。在自动细胞培养系统的计算系统控制下,泵208a、208b可以自动运行。在一些例子中,将新鲜的细胞培养液从其来源206泵入流体回路的操作,可以与将细胞培养液从流体回路排到废液盛器的过程同时发生,以避免提供超出了流体回路容量的细胞培养液。在一些例子中,从新鲜细胞培养液以高于从流体回路排到废液盛器的流量从其来源206泵入流体回路,以增加流体回路中细胞培养液的体积。在一些例子中,在一些例子中,从新鲜的培养液来源206的细胞培养液以低于从流体回路排到废液目的地的流量注入流体回路,以减少流体回路中细胞培养液的体积。
安装在自动细胞培养系统100的反应器空间104中的一个或多个传感器实时检测培养环境的参数,产生的信号指示输送至本地控制器和/或自动细胞培养系统100的计算设备。传感器可以与自动细胞培养系统的计算设备进行有线或无线通信。所述培养环境是指细胞培养液和自动细胞培养系统100的壳体104的内部大气。这些传感器可以包括温度传感器、pH传感器、溶解气体传感器、大气气体传感器、葡萄糖传感器、乳酸传感器、流体重量或体积传感器、或其他类型的传感器。控制器或计算设备100无需用户实时输入，可以自动响应检测到的参数，控制自动细胞培养系统的一个或多个组件(如加热器、气体流量控制器、泵或其他组件)的操作。参数的实时调整(如通过闭环反馈系统)可以实现省时高效的细胞培养。在一些例子中,计算设备100可以根据检测到的参数、或历史记录、或两者来判断细胞培养的阶段，从而进一步控制自动细胞培养系统100的一个或多个组件的操作。当感知参数超过或低于阈值、或细胞培养阶段发生变化、或出于其他原因，计算设备100可以在用户界面(如在显示器106)上输出警报(如一个或多个视觉警报和音频警报)。。
在一些例子中,一个或多个pH传感器212,214可以被安置在自动细胞培养系统100的反应器空间104,并定位放置以检测流体回路中细胞培养液的pH值。例如,pH传感器212,214可以定位放置到盛器202和培养容器200输入端之间的管道中、或在培养容器200的输出端和盛器202之间的管道中、或流体回路的其他地方，用来检测细胞培养液的pH值。在图2的示例中，pH传感器212是一种离子型pH传感器,根据液体的光致发光淬灭检测培养液的pH值，pH传感器214是一种比色pH传感器,根据所测流体的Hue值检测流体的pH值。其他类型的pH传感器也可以使用。在某些示例中可以仅使用单个pH传感器。
pH传感器212,214可以通过有线或无线通信方式与自动细胞培养系统100的计算系统通信。例如，当细胞培养液的pH值低于pH阈值时(如用户设定的阈值,或低于设定的pH值导致细胞培养效率降低,或者低于设定的pH值细胞培养液对培养细胞有害)，自动细胞培养系统100的计算系统可以自动控制泵208b泵出流体回路中的细胞培养液到废液盛器,然后可以自动控制泵208a从新鲜培养液来源206处泵入新鲜细胞培养液到流体回路；也可以自动控制二氧化碳气体流量控制器,以降低反应器部分内部气体中的二氧化碳浓度；也可以自动控制自动细胞培养系统100的其他组件。当pH值低于pH阈值时，计算系统可在用户界面(如在显示器106)上输出警报。
自动细胞培养系统100包括反应器空间104中的热控子系统，可以监测和控制自动细胞培养系统100的反应器空间104内部的温度。温度传感器216检测培养容器200外壁温度表征流体回路中细胞培养液的温度。加热器218中的一个或多个加热设备(例如加热器、风扇、或两者)可在自动细胞培养系统的计算系统的控制下操作，根据温度传感器216检测到的温度的闭环反馈系统来控制培养容器200的外壁温度。当温度落在预设温度范围时，计算系统可以在用户界面(如显示器106)上输出警报。热控子系统在图9中更详细地讨论。
自动细胞培养系统100包括反应器空间104中的气控子系统，用于监测和控制自动细胞培养系统的反应器内部的一种或多种气体(如氧气、二氧化碳、或其他类型的气体中的一种或多种)的浓度。一个或多个气体传感器(如氧传感器、二氧化碳传感器、或用于另一种类型的气体的传感器)检测反应器内部的空气中的气体浓度。溶解氧传感器222可以检测溶解在细胞培养液中的氧浓度。例如，溶解氧传感器可以基于光的荧光猝灭来确定传感器周围的细胞培养液中存在的氧含量。
气体传感器通过有线或者无线方式与自动细胞培养系统100的计算系统进行通信。计算系统控制一个或多个气流控制器供给气体(如二氧化碳或氮气)进入培养系统反应器所处的内部空间。气流供给依据反应器所处空间气体(如二氧化碳或氧气)的浓度自动调控，比如通过一个闭环反馈系统。在实例中，计算系统也可以基于检测所得流体回路内细胞培养液中的溶解气体(如溶解氧)浓度来调节气流控制器。当任意一种监测气体的浓度超出了预设浓度范围时，计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号。关于气体控制子系统的更多细节可以参考图10。
自动细胞培养系统100包含一种葡萄糖传感器224，如基于酶学和微机电系统(MEMS)电子器件的传感器，用来检测细胞培养液中的葡萄糖含量。自动细胞培养系统100包含一种乳酸传感器，用来检测细胞培养液中的乳酸含量。在实例中，配置单个传感器即可同时检测葡萄糖和乳酸。葡萄糖传感器224，乳酸传感器及其他类型的传感器配置于自动细胞培养系统100的反应器空间104内。这些传感器通过有线或者无线方式与自动细胞培养系统100的计算系统进行通信，用来监测细胞培养液中的葡萄糖消耗和乳酸生成，并以此作为细胞生长的指标。当葡萄糖或者乳酸的浓度超出了预设浓度范围时，计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号。
自动细胞培养系统100包含一种液量传感器(未标出)配置于反应器空间104内，以检测盛器202中细胞培养液的量(如重量或者体积)。液量传感器可以是一种重量传感器(如应变计)用来检测盛器202中细胞培养液的重量；液体称量也可以是一种体积传感器(如光学传感器)用来检测盛器202中细胞培养液的体积。在实例中，也可以使用其他种类的传感器来检测盛器中细胞培养液的量。
液体称量传感器通过有线或者无线方式与自动细胞培养系统100的计算系统进行通信。例如，当盛器202(代表流体回路中细胞培养液的总量)中的细胞培养液低于某个阈值时，自动细胞培养系统100的计算系统自动控制泵208a将新鲜细胞培养液泵入流体回路。阈值是盛器202最大容量的某个比例，比如最大容量的80％，60％，50％，40％或者其他比例。阈值可以是一个体积，比如100mL，200mL，300mL，400mL，500mL或者其他体积。阈值设定也可以如下所述是基于细胞培养的阶段而发生改变。当盛器202中细胞培养液的量低于阈值时，计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号。
在实例中，自动细胞培养系统100包含一种液量传感器226配置于反应器空间104的内部或者外面，用来检测盛器206中新鲜细胞培养液的量(如重量或者体积)。液体称量传感器可以是一种重量传感器(如应变计)用来检测新鲜细胞培养液的重量；液体称量也可以是一种体积传感器(如光学传感器)用来检测新鲜细胞培养液的体积。在实例中，也可以使用其他种类的传感器来检测新鲜细胞培养液的量。在实例中，自动细胞培养系统100可包含一种液体称量传感器配置于反应器空间104的内部或者外面，用来检测细胞培养废液排出的量(如重量或者体积)。
液量传感器226通过有线或者无线方式与自动细胞培养系统100的计算系统通信。例如，当盛器206中新鲜细胞培养液的量低于阈值时，自动细胞培养系统100的计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号，以提醒用户有必要添加新鲜细胞培养液。检测细胞培养废液量的液量传感器也通过有线或者无线方式与计算系统通信。例如，当细胞培养废液的量超过阈值时，自动细胞培养系统100的计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号，以提醒用户有必要排空废液盛器或者替换新的废液盛器。
在实例中，计算系统使用一个或者多个检测参数来确定细胞培养所处的阶段，比如：起始缓慢生长阶段、快速(如指数性)生长阶段或者细胞生长减缓或停滞的平台阶段。这些参数例如：细胞培养液中葡萄糖或乳酸的水平、细胞培养液中的溶氧浓度、流体回路中细胞培养液养分减少的速度或者其他可以用来表征细胞培养阶段的参数。
自动细胞培养系统100的计算系统基于一个或者多个检测参数，或者基于一个或者多个检测参数随时间的变化，来确定细胞培养过程所处的阶段。计算系统依据细胞培养过程所处阶段控制系统内一个或者多个部件的运行。例如，在细胞培养的起始阶段，无需用户介入，计算系统自动控制泵212a和212b以保持流体回路中的液体量处于较低水平，从而维持细胞培养液中的生长因子在一个较高的浓度水平。在细胞快速生长阶段，无需用户介入，计算系统自动控制泵212a和212b以增加流体回路中的液体量。计算系统基于细胞培养的阶段控制细胞培养试剂(如细胞生长因子)的添加。计算系统在细胞培养的特定阶段控制加热器218的运行以维持细胞培养容器200内相应的目标温度。计算系统在细胞培养的特定阶段控制一个或多个气流控制器或者气体阀门(或者它们的不同组合)向反应器空间供给二氧化碳或者氮气，以维持空间内的二氧化碳或者氧气处于相应的目标浓度水平，或者维持细胞培养液的pH值或者溶氧值处于相应的目标水平。计算系统在用户界面(如显示器106)输出报警信号，可以表明细胞培养所处阶段、表明细胞培养达到平台期、提醒用户手动介入(如：添加试剂如生长因子、收获培养的细胞或者其他操作)、提醒用户系统自行采取了措施(如：添加试剂如生长因子、更换新鲜培养液或者其他操作)或因为其他原因等。
参考图3，中空纤维管筒300是一种用于自动细胞培养系统的细胞培养容器。中空纤维管筒300采用无菌独立封装(如采用γ辐照消毒)，可用作一次性使用的筒件耗材。
中空纤维管筒300包含一个限定其内部空间的壳体302。数条管道(即毛细管304)配置于壳体302的内部空间，并且毛细管304的纵轴与壳体302的纵轴基本对齐。毛细管304由支持细胞生长的材料(如聚合物：聚砜)合成。材料加工可产生多孔，从而在毛细管的管壁上形成多个通孔。毛细管304通过壳体302两端的塞子306固定于壳体302内，每根毛细管304的内部空间(称为管内空间)与筒件300的入口308和出口310相连使其内部可以液体流通。筒件300通过入口308和出口310连入流体回路。
毛细管304的外部和壳体302的内部所形成的空间被称作管外空间314。细胞培养发生在管外空间314中。管外空间314与入口接头316及出口接头318形成液体流通，比如接头316和318可以是倒钩接头穿过筒件300的壳体302。接头316和318连接到管路，以提供细胞培养试剂如细胞、血清、生长因子、免疫刺激剂(如细胞因子)及其他高分子量物质。因为毛细管304的管壁多孔通透，养分可以从管内空间进入管外空间314以支持细胞培养，同时代谢废物也可以从管外空间314进入管内空间并通过回路内细胞培养液的流动排出筒件300。管壁通孔的大小由管内空间和管外空间314之间传递的分子大小决定。比如，孔径的选择可以允许分子量在10kDa和0.2μm之间(如：～10kDa、～20kDa、～50kDa或0.1μm)的分子通过.
细胞培养所处的管外空间314有容量限制。例如，管外空间314的体积大约在10mL和100mL之间(如：10-70mL，30-70mL，50-70mL，30-50mL或其他体积范围)。管外空间314的小体积允许了细胞培养试剂比如生长因子，血清或者其他试剂处于相对较高的浓度，从而促进高效的细胞生长。在实例中，管外空间314的小体积也导致培养的细胞彼此接近，促进细胞间的通信也可以提高细胞培养的效率。在一些实例中，细胞培养也可以发生在管内空间，此时细胞培养试剂(如高分子量的养分)仍然与细胞同侧，例如，当细胞产量不需要很大、或者为了增强细胞间的通信、或其他原因。
筒件的特性比如体积、材料、孔径等可以基于所培养的细胞进行定制。例如，可以选择筒件的特性以达到目标流速、气体传输速度、养分及废物交换速度等以及细胞培养相关的其他方面，以促进活细胞的高效扩增。
自动细胞培养系统100的计算系统依据细胞培养的阶段调节流体回路中细胞培养液的量。例如，在细胞培养开始时使用相对少量的培养液，使得中空纤维管筒300其管外空间314内的细胞培养试剂如生长因子浓度较高，促进细胞生长。在细胞培养的后期，可以增加细胞培养液的量。
参考图4，自动细胞培养系统的流体回路400中，泵204将细胞培养液从盛器202泵入培养容器200再泵回到盛器202，从而维持细胞培养液在流体回路400中的循环。流体回路400中的细胞培养液盛器202可以是瓶子或其他容器。例如，盛器202可以是500mL体积。盛器202是密封的，并有通气孔使其平衡于大气压力。通气孔包含一种空气过滤器402，例如0.2μm的过滤器。
盛器202通过管路404(如硅胶管，1/4英寸外径)连接到细胞培养容器200。管线的特性，比如壁厚、长度等依据所培养的细胞定制。例如，可以选择管线特性以实现目标流速、气体交换速度、养分及废物交换速度等以及细胞培养相关的其他方面，以促进活细胞的高效扩增。
细胞培养液通过泵204经由流体回路的管线从盛器202泵入培养容器200，再从培养容器200回到盛器202。例如，细胞培养液通过流体回路可以循环至中空纤维管筒300的管内空间，将营养输送到培养的细胞，同时将代谢废物排出管筒。泵204是一种蠕动泵，比如手指型蠕动泵，这样同一根管线就可以连续使用数天或者数周，比如，长达两周、一个月、两个月、三个月等。
从盛器202泵出的细胞培养液在到达培养容器200之前经过气体交换管线408。气体交换管线408由可以满足培养细胞所需气体交换代谢参数的材料制成。例如，气体交换管线408是一种铂固化的硅橡胶。一个或多个传感器沿着管线404配置于盛器202和培养容器200之间的管路上，比如比色pH传感器214，或者包含有pH传感器、溶氧传感器、葡萄糖传感器、乳酸传感器等一个或多个类型的传感器组合410。
细胞培养液通过泵208a(如蠕动泵)经由输入管线412从新鲜培养液盛器206泵入流体回路400。细胞培养液通过泵208b(如蠕动泵)经由输出管线418从流体回路400泵出到废液盛器416。将新鲜培养液从盛器206泵入流体回路400，以及将细胞培养液从流体回路400泵出到盛器416的过程，被称为细胞培养液的交换。流体回路400和输入管线412、输出管线418这三者的设计保证了细胞培养液的交换而不会干扰培养容器200内的细胞培养。例如，阀门420、422和424(如夹管阀)的驱动可以允许细胞培养液的交换基本不会干扰细胞。例如，细胞培养液交换时阀门420打开，同时阀门422和424关闭。在实例中，细胞培养液交换时培养容器的一个部分(比如中空纤维管筒300的管内空间)可以以较低的速度冲洗培养液。
其他与细胞培养相关的物质，比如细胞、血清、生长因子及其他高分子量物质(统称为试剂)可经由输入管线426直接供给到培养容器200。例如，输入管线426与中空纤维管筒300的管外一侧相连通。
流体回路400为密封的流体回路。为了保持其密封性，接入和接出流体回路400的连接采用单向连接。例如，连接到新鲜培养液盛器206的输入管线412的接头是一种单向阀，使得流体只能流入流体回路400；连接到废液盛器416的输出管线418的接头是一种单向阀，使得流体只能从流体回路400流出；输入试剂的输入管线426的接头是一种单向阀，使得物质只能流入流体回路400。为了保持流体回路400的密封性，在更换新鲜培养液盛器206、废液盛器416及试剂盛器时，这些盛器均采用热焊接的方式通过焊接点434、436和438分别密封连接至管线412、418和426。热焊接使用热塑性管线，比如聚氯乙烯(PVC)管线，这样在管线连接时便可不用暴露于大气环境下。
在实例中，基于所检测的细胞培养液参数(如pH值、溶氧、盛器202中细胞培养液的量、及其他参数)，细胞培养液的交换可以在计算机控制下自动进行。例如，如果细胞培养液的pH值或者盛器中细胞培养液的量低于各自的阈值时，系统可以控制泵208a将另外的新鲜细胞培养液从盛器206泵入流体回路400。在实例中，基于所确定的细胞培养阶段，细胞培养液的交换可以在计算机控制下自动进行。例如，盛器202中细胞培养液的阈值量可取决于细胞培养所处的阶段。如果在细胞培养的特定阶段盛器202中细胞培养液的量低于该阶段的阈值，系统可以控制泵208a将另外的新鲜细胞培养液泵入流体回路400。
流体回路400中细胞培养液循环的速度可以由计算系统控制，比如通过控制泵204的运行。例如，流体回路400中细胞培养液循环的速度可依赖于细胞培养所处的阶段，比如，早期流速较低从而可以不扰动细胞，而后期(快速生长阶段)流速较高从而有效地将养分提供给培养的细胞同时也将细胞培养容器200中的代谢废物移除。泵204可以依据细胞培养所处的阶段(由计算机确定)由计算系统自动控制，而不需要用户介入。
参考图5，是培养液换液过程中触发换液的实例。在开始换液之前，检查新鲜培养液盛器的重量以确认有足够量的新鲜培养液支持换液完成。如果没有足够的新鲜培养液，警报将被触发，比如可以显示在用户界面。同时检查废液盛器的可用容量以确认有足够的空间可以容纳换液过程中排出的废液。例如，将累计的废液排出量与废液盛器的最大容量相比，如果废液盛器没有足够的空间则触发警报。
参考图4，泵204在换液期间继续维持细胞培养液在流体回路内的循环。阀门420、422和424分别设置为开启、关闭和关闭。输出泵208b启动，直到盛器202中细胞培养液(如：重量或者体积)减到或者超过换液量。然后输入泵208a启动，直到盛器202中细胞培养液的增到或者超过换液量。换液总量将记录为累计废液排出量。
在实例中，换液控制可以定时发生。每次换液操作由逻辑计时器进行计时，在设定时间内没有完成换液操作将触发报警。
参考图6，是培养容器(包含中空纤维管筒)清洗的实例，比如为了从中空纤维管筒中洗脱杂质或污染物(比如在中空纤维管筒的制造过程中引入)。清洗过程由计算机控制自动进行，同时用户也可以指定流速和时长(从用户界面输入)。用户还可以输入指令表明清洗过程中所要使用的一种或多种流体。
清洗过程在收到用户指令的时候启动(600)。清洗过程开始时，空盛器(如图2中的盛器202)的重量可以清零(602)。例如，用户收到提示以选择是否对空盛器的起始重量清零。一旦清零，空盛器的重量参数(如默认值可存储在内存空间或数据库表格等)就被设置成当前实际所测量的重量数值(604)。如果没有清零操作，空盛器的重量参数仍旧使用默认值(606)。在实例中，用户可以决定空盛器的重量参数的默认值；用户也可以判断所使用空盛器的类型，不同的盛器类型将分别对应其各自的默认重量参数。
设定空盛器的重量之后，清洗过程启动(600)。参考图4，该过程首先(608)要充满培养容器200(如一根中空纤维管筒)，泵208a将新鲜细胞培养液从盛器206泵入盛器202，泵204再将细胞培养液从盛器202循环至培养容器200。在培养容器200充满细胞培养液以后，泵204继续维持细胞培养液在流体回路400内的循环。在清洗的初始阶段，阀门420、422和424均打开。
当盛器202中细胞培养液达到目标量时，泵208a停止从盛器206泵送细胞培养液。阀门420、422和424分别设置成关闭、关闭和打开，以充满培养容器200(如聚砜培养管)的管外空间314。经过一段时间，如5分钟，阀门420、422和424分别设置成打开、关闭和关闭，以便于筒内的环境平衡。
培养容器200的第一次平衡会维持一段预设的时间，接着细胞培养液换液启动。此时，泵208b启动将细胞培养液从盛器202输送至废液盛器416。然后进行培养容器200的第二次平衡，其时长是第一次平衡的两倍。
在平衡过程中可以监测细胞培养液的换液量(如重量或者体积)以及废液盛器416的剩余容量，以帮助确保盛器202不会因为废液盛器416收液溢出而受到影响，也确保了盛器202本身没有盛液过满。
参考图7，示例比色pH传感器700检测流体(如自动细胞培养系统流体回路中的细胞培养液)的pH值。比色pH传感器包含一个传感器支架702用来固定比色传感器组件704和光通道706。夹具708将比色传感器700夹持到管线上(如流体回路400的管线404，见图4)，这样管线就能配置于光通道706两部分之间。光通道706和比色传感器组件704检测流体回路管线中细胞培养液(含有对pH敏感的染色剂如酚红)的Hue值。该数值返回到自动细胞培养系统的计算系统。计算系统将测得的流体Hue值与参比(如四项式转换函数、确定性方程或者足够解析度的数据查询表)对照来确定流体的pH值。
参考图8，自动细胞培养系统中细胞培养液的换液过程可以基于流体回路中细胞培养液的pH值。例如，细胞培养液的pH值会随着细胞培养的进行而降低。为了保持细胞培养液的pH值在预设范围内或者高于一个预设的阈值，可以基于细胞培养液的pH值进行换液。在细胞培养液换液的实例过程中，比色pH传感器(如图7中的传感器700)检测细胞培养液的pH值(800)，细胞培养液的pH值也可由离子传感器检测(802)，其他类型的pH传感器也可用于检测pH值。实例中，细胞培养液的pH值可以由单个pH传感器检测。将一个或者多个检测到的pH值与pH阈值(804)比较，该阈值是系统默认的或者是由用户自己设定。与阈值相比较的测量pH值可以由多个传感器检测所得的pH值决定，比如使用它们的平均值。如果检测到的细胞培养液的pH值小于(或小于等于)pH阈值(806)，则启动培养液的换液(参考前述图5)。如果检测到的细胞培养液的pH值大于(或大于等于)pH阈值(806)，则培养液换液不会启动，同时一个或者多个pH传感器以及本地或远程计算系统继续检测细胞培养液的pH值。在实例中，pH监测是一个连续的实时过程。pH监测也可以按照规律的时间间隔进行，比如每隔1分钟、2分钟、5分钟、10分钟、15分钟、30分钟、1小时或其他时长。
参考图9，是一个热控子系统900的实例，该系统监测和控制自动细胞培养系统反应器空间内的温度。培养容器(如中空纤维管筒)放置于箱盖902(如双层金属箱盖，铝材)的里面。这里的箱盖902也就是自动细胞培养系统反应器空间的盖子105(见图1)。箱盖绝热以帮助维持其内部的环境温度稳定在适于细胞培养的目标温度。箱盖部分或完全不透过一种或多种气体(如二氧化碳、氧气或者其他与细胞培养相关的气体)，以帮助维持细胞培养容器内培养液稳定在目标气体溶解浓度。箱盖铰接在底座便于打开使用户可以方便地操作细胞培养容器。
加热控制子系统900包含温度传感器904和906，它们与培养容器紧密接触。这里的温度传感器904和906可以是温度传感器216(见图2)的一个部分。温度传感器904和906通过支架设备(如模制硅胶垫)固定于培养容器200的外壁。温度传感器904和906能直接检测培养容器的温度，或者提供信号输出以决定实际的环境温度。为简化起见，暂且认为上述两种情况下温度传感器均可直接输出温度测量值。例如，温度传感器可以是温度计、热敏电阻、热电偶、基于半导体的传感器或者其他类型的温度传感器。
在实例中，可以使用单个温度传感器，也可以使用两个以上的温度传感器。多个温度传感器的使用可以在其中一个温度传感器失灵的情况下切换至冗余备用传感器。在实例中，某个特定的温度传感器(如传感器904)被认定为主温度传感器，自动细胞培养系统的计算系统从主温度传感器获取温度读数。如果计算系统发现主温度传感器失灵，计算系统便切换至另一个温度传感器(如传感器906)以获取温度读数。在实例中，计算系统可以在本地或远程计算系统的用户界面输出报警信号(如声音警报、文本警报或者图形警报)以提醒用户传感器失灵，也可使用警报灯或其他形式的警报。在实例中，计算系统也会因为其他原因输出报警信号，比如两个温度传感器的读数不一致：温度读数的差别超过一个百分比阈值(如2％，5％或10％等)。
热控子系统900包含一个温度控制器908(如PID差分控制器)，该控制器可以接收来自温度传感器904和906的信号，并依据该信号控制一个或多个加热器910及风扇912的运行，如按照一种闭环反馈系统以维持培养容器的温度。例如，温度控制器908可以将培养容器的温度控制在一个预设的温度水平(默认值或者由用户通过自动细胞培养系统的本地或者远程用户界面输入数值)。在实例中，当测量温度和预设温度不一致的时候，温度控制器908可以通过控制脉宽调节器来控制加热器910从而提供更安全的热输出。配置风扇912可以维持加热器910其加热单元上方的空气流动，也可以维持箱盖902内部的空气流动。在实例中，风扇912可独立于加热器而运行，从而可以提供冷却功能、维持箱盖902内的气体混合或者维持气体流动输送至气体传感器，如气体浓度传感器156和162及气体温度传感器914。在实例中，加热器910包含一个应急切断传感器918，在检测到加热器910发生故障的时候关闭加热器910，从而有助于防止引燃自动细胞培养系统的组件，也有助于降低灼伤用户的风险。
温度控制器908可以是自动细胞培养系统的一个独立部件，如图9所示，也可以是计算系统916的一个模块。在实例中，取决于温度传感器904和906的类型，温度控制器908可以接收并缓冲来自温度传感器904和906的信号。当温度控制器908是一个独立部件时，它可以向计算系统916发送来自温度传感器904和906的温度信号。计算系统916可以在自动细胞培养系统的本地或远程用户界面输出显示温度相关信息。计算系统916也可以处理接收到的信号来决定是否检测到的温度已经达到报警状态，比如：检测温度高于温度上限阈值、检测温度低于温度下限阈值以及其他报警状态。报警状况发生时，计算系统可以在自动化系统培养系统的本地或远程用户界面输出报警信号(如声音警报、文本警报、图形警报、警示灯等)以提醒用户。
在实例中，加热控制子系统900包含一个温度传感器914安装在风扇912附近(比如位于风扇912的进风口)以监测箱盖902内循环空气的温度。温度传感器914的信号传输至温度控制器908(如图9示例)或者直接传输至自动细胞培养系统的计算系统916。计算系统基于温度传感器914检测的温度来控制加热器910和风扇912的运行。例如，当温度传感器914检测的温度超过第一温度阈值(如：45℃、46℃、48℃、50℃或其他温度)时，计算系统916发送信号至加热器910使其停止加热，以避免箱盖902内部环境过热；当温度传感器914检测的温度低于第二温度阈值(如：40℃、42℃、43℃、45℃或其他温度)时，计算系统916发送信号至加热器910使其恢复加热。在实例中，第一和第二温度阈值可以相同。
参考图10，是一种气体控制子系统150监测和控制自动细胞培养系统反应器空间104内部(如箱盖902内部)空气中一种或多种气体浓度的实例。例如，气体控制子系统150监测和控制二氧化碳的浓度，使得细胞培养液拥有缓冲功能。在实例中，二氧化碳的分压可以控制在大约0％和6％之间(如：0.04％和5％之间)。气体控制子系统150监测和控制氧气浓度，以调节细胞培养的氧化应激反应进而影响所培养细胞的生长和功能。在实例中，可以通过氮气置换将氧气的分压控制在大约0％和25％之间(如：0％和21％之间)。气体控制子系统150也可以检测和控制除二氧化碳和氧气之外的其他气体的浓度。
二氧化碳传感器156检测箱盖902内部的二氧化碳浓度。自动细胞培养系统的计算系统916，或远程计算系统从二氧化碳传感器156接收信号并据此信号控制二氧化碳质量流量控制器158的操作，从而维持二氧化碳的浓度在预设定范围。例如，当二氧化碳浓度降到低于阈值水平时，计算系统916可以控制质量流量控制器158从二氧化碳气源160来导入二氧化碳气流。
氧气传感器162检测箱盖902内部的氧气浓度。自动细胞培养系统的计算系统916，或远程计算系统从氧气传感器162接收信号，并据此信号控制氮气质量流量控制器164的操作，从而维持氧气的浓度在预设定范围。通过增加箱盖902内部的氮气浓度，可以降低其中的氧气浓度。例如，当氧气浓度升到高于设定阈值时，计算系统916可以控制质量流量控制器164从氮气源166导入氮气气流。在一些实例中，当环境空气无法补偿气体消耗时，比如在细胞培养过程中大量生物质导致的氧气消耗过量时，可以通过向箱盖902中提供富氧空气以达到目标氧气浓度。示例中，差分控制器(PID控制器)可以用于控制氧气的浓度。
二氧化碳，氮气或其他气体可以通过接口168导入箱盖902内部。一个或多个放气阀170，172可以允许空气导入或导出箱盖902内部，例如，当二氧化碳或氧气浓度显著偏离预设阈值时。在一些例子中，计算系统可以引起警报输出(比如在自动细胞培养系统的用户界面上或在远程计算机设备的用户界面发出发声警报，文字或图形警报，警示灯光，或其他种类警报)以提醒用户气体浓度偏离预设定范围。
图11所示，在一些例子中，与箱盖902中的目标浓度相比，二氧化碳(CO2)，氮气(N2)或其他气体会供给过量。计算系统可以计算在细胞培养气体环境中所测的氧气浓度与目标氧气浓度的偏差ΔO2。计算系统也可以计算在细胞培养气体环境中所测的二氧化碳浓度和目标二氧化碳浓度的偏差ΔCO2。如果(1)氧气水平高于目标氧气水平或二氧化碳水平低于目标二氧化碳水平；(2)偏差ΔO2超过氧气水平的阈值偏差(Dev_O)或偏差ΔCO2高于二氧化碳水平的阈值偏差(Dev_C)，继电器关闭以打开排气阀172。如果二氧化碳或氧气的偏差仍然超过阈值偏差，第二继电器关闭以打开排气阀170并且启动风扇。第二继电器可以多次打开和关闭以打开排气阀170并启动风扇，直到两个偏差都不超过各自阈值偏差。
在一些实例中，培养容器200可以安装在旋转支架上。旋转支架使得培养容器200能够在培养周期内绕一个或多个轴旋转。在培养周期的过程中培养容器200取向的旋转变化可以促进细胞的重新分布，防止细胞团块的形成对细胞的生长和健康产生不利影响。
图12所示，旋转支架350可以加载在自动细胞培养系统100中以取代培养容器200的静态底座.
如图13A-13C所示，示例性旋转支架450包括具有底座454的壳体452，培养容器200可安装在底座454上。机械旋转机构456装配在壳体452内。在一些实例中，旋转装置可以包括联动到齿轮组457的马达455，臂连杆装置或其他部件用于从马达到培养容器200的传动部件。
如图14A-14C所示，培养容器200通过基座458固定到旋转支架450的底座454。基座458可以包含温度传感器216，用于检测培养容器200的温度。
旋转支架450使得培养容器200能够围绕通过培养容器200的轴线做端对端地旋转。轴可以通过培养容器200的中心，也可以偏离培养容器200的中心。在图14A-14C中，示出了90°的旋转，培养容器200可以从水平方向(图14A)旋转到垂直方向(图14C)。继续旋转可以使培养容器200返回到水平方向但头尾互换，例如，在初始位置，培养容器200的第一端460a定位在旋转支架450的左侧而培养容器200的另一端460b位于旋转支架450的右侧；在最终位置，第一端460a位于右侧，另一端460b位于左侧。容器取向的这种显著变化可以促进细胞在培养容器200中跨过、沿着和围绕中空纤维束移动，以便于细胞更接近培养容器200内部的营养混合物(例如，如图3所示毛细管外空间314)，同时还促使细胞群重新分布成不太密集的方式。在一些实例中，培养容器200还可以进一步旋转，例如，旋转高达270°或高达360°。
再次参考13A和13B，在一些实例中，传感器462(例如光学传感器)可以检测培养容器200的旋转位置，这样可以使容器在旋转到最大可旋转位置时停止旋转。例如，传感器462可以检测基座458的位置，例如，检测支架的一个角是否已经通过传感器462的前方位置，以此来代表培养容器200的旋转位置。在一些实例中(图中未示出)，培养容器200的旋转可以通过机械方式来停止，例如使用障碍物防止旋转超过某个程度。
如图15A-15C所示，示例性旋转支架550使得培养容器200能够围绕两个单独的轴旋转。旋转支架550包括具有支架554的壳体552，培养容器200可安装在支架554上。机械旋转装置(未示出)安装在壳体552内，并使得培养容器200绕两个轴旋转。如图15A-15C所示，旋转支架550使得培养容器200能够围绕通过培养容器200中心的轴线旋转，也能够围绕培养容器200的长轴旋转(例如，扭转)。在一些实例中，旋转支架550的机械旋转装置可以围绕不同的轴旋转。在一些实例中，机械旋转装置可以在单次运动中围绕两个轴旋转培养容器200。在一些实例中，培养容器200围绕一个轴的旋转可以与容器围绕另一个轴的旋转相对独立。围绕每个轴的旋转程度可以不同。例如，旋转支架550可使培养容器200的端对端旋转角度为±180°并且扭转角度为±30°。
在一些实例中，传感器562(例如光学传感器)可以检测培养容器200的旋转位置，使得旋转在培养容器200达到最大旋转角度时可以停止。
在一些实例中，旋转支架(例如，450或550)的操作可以手动控制，例如通过把手，杠杆或可由细胞培养系统的用户可操作的其他部件。在一些实例中，旋转支架的操作可以由控制细胞培养系统的计算设备控制。例如，可以控制旋转支架以按特定的时间安排将培养容器旋转特定的角度。在一些实例中，旋转可以通过培养容器中的所检测的细胞特征参数来触发。这些特征参数可包括培养容器中的细胞密度，葡萄糖的消耗速率，乳酸的积累速度，或基于这些单个特征参数的特定组合所产生的一个指数，又或者其他的特征参数。例如，使用光学传感器(如静态照相机或摄像机)可以捕获培养容器内部的图像，分析图像可以指示培养容器中细胞的密度，当细胞密度达到阈值密度时，可以触发旋转。
在一些实例中，可以使用温度控制系统以将新鲜培养液源的温度维持在目标温度。例如，通过将新鲜培养液源存储在低温(例如低于室温的温度)下，可以延长新鲜培养液源的使用寿命。
参照图16和17A-17B，示例性温度控制系统650包括壳体652，新鲜培养液源206保存在壳体的内部空间654中。壳体652可以是例如绝热壳体。液量传感器656(例如应变仪或体积传感器)可以安装在壳体652的外侧或里面，以检测新鲜培养液源206中细胞培养液的量，例如重量或体积。
温度控制模块658，例如热电制冷模块，例如Peltier制冷模块，利用热量输出控制壳体内部空间654的温度。该输出可以是冷却输出或加热输出。例如，来自细胞培养系统的暖空气(例如，由于细胞培养系统组件散发的余热而变暖的空气)可以通过风扇660导入温度控制模块658，并且温度控制模块658可以产生热电制冷输出。当来自内部空间654的空气通过风扇672流过热交换器670，温度控制模块658的制冷输出就可以冷却空气流。冷却的空气流再输回到内部空间654，就可以将新鲜培养液源206保持在目标温度。类似的，如果反向利用热电致冷模块就可以加热。
在一些实例中，来自新鲜培养液源206的细胞培养液可在其引入细胞培养系统的流体回路之前加热。在新鲜培养液源206的输出端提供加温流路674。加温流路674可以穿过加温区域676，该区域可由来自温度控制模块658的余热加热的(如图所示)或由单独的加热元件加热。在一些实例中，加热流路674可包括一段管道，例如盘管或蛇形管道，使得管道中的介质在加热区域676中存留足够的时间以达到目标温度。在一些实例中，加热流路674可包括液体盛器(如薄壁罐)，以促进细胞培养液的加热。在一些实例中，可以控制加热区域676的加热，使得加热区域676仅在细胞培养液被泵入细胞培养系统的流体回路时被加热，例如，当没有发生泵送时，停留在加温流路674中的细胞培养液就不会被加热。
温度控制系统650的操作可以由温度控制器678控制。在一些实例中，如图16所示，温度控制器678结合到温度控制系统650里面，它可以不依赖于自动细胞培养系统100而独立运行。在一些实例中，控制自动细胞培养系统100运行的计算设备还可以控制温度控制系统650的操作。
在一些实例中，用于将新鲜细胞培养液从新鲜培养液源206泵送到流体回路中的泵(例如，图2的泵208a)可以配置在温度控制系统650的内部空间654中。
在一些实例中，温度控制系统650的壳体652可以划分成多个不同的内部空间，这样就可以允许在不同温度下存储原材料。例如，多个不同的内部空间可以在适当的温度下储存细胞培养液和细胞培养试剂，例如生长因子，血清或其他试剂。
在一些实例中，温度控制模块658可以包括用于冷却材料(例如干冰)的隔室，例如，附加于或替代热电冷却模块。在一些实例中，冷却模块可以是置于壳体652外部的冷却系统，例如主冷却系统，其通过冷却管线将冷却能力(例如，低温流体)供应到用于多个自动细胞培养系统100的温度控制系统650。
图18示出了用于图形用户界面的用户界面视图的示例概述250。例如，用户界面可以在PARLAY加密的网络服务器平台上开发，并且由此生产在自动细胞培养设备的用户界面上或在另一计算设备的用户界面上显示的一组网页。用户界面(例如，自动细胞培养设备的用户界面)可以在自动细胞培养设备上由用户在本地访问，也可以由授权用户通过远程计算设备进行远程访问。通常，用户可以使用指令(例如通过按压或点击触摸屏用户界面上的图标)来指令自动细胞培养系统的操作。
在图18的示例中，初始登录屏幕252提供对用户界面的安全访问。当没有进行细胞培养时，在用户界面上显示待机屏幕254。用户可以访问不同页面：如预设页面256，用户可以通过预设页面256预设操作参数，例如阈值；运行页面258，用户可以在该页面上监视正在进行的细胞培养的状态；工具页面260，为用户提供对系统工具的访问；维护页面262，向诸如已授权的维护工程师等人员提供对维护功能的访问；用户还可以通过用户界面上的电源页面266关闭自动细胞培养系统。图18中，264为用户手册。
图19-22是可以显示在用户界面上的屏幕截图的示例。
图19是显示自动细胞培养系统操作参数的概览界面，例如运行持续时间、温度、大气二氧化碳浓度(CO2)、大气氧浓度(O2)、pH(例如，比色法pH值和离子型pH值)、细胞培养液中的葡萄糖浓度(GLC)、细胞培养液中的乳酸浓度(LAC)、细胞培养液中的溶解氧分压(DO)和培养液流速。视图界面的其他加载方式可以显示其他参数，或者比图19中所示更少的参数。
图20A-20C是用于温度，二氧化碳浓度，pH的控制界面，用户可以通过该控制界面设置目标值、用于触发警报的上限阈值和用于触发警报的下限阈值。其他参数，例如氧浓度、葡萄糖浓度、乳酸浓度和溶解氧可以通过类似的界面来控制。
图21是培养液交换控制界面，用户可通过该界面查看和设定用于细胞培养液交换的参数，包括储袋中细胞培养液的量、待更换的细胞培养液的体积、废液盛器的容量，以及从废液量重置后累积转移到废液盛器中的细胞培养液的量。
参考图22，用户界面可以实时显示细胞培养过程的参数。例如，用户界面可以显示温度、pH和溶解氧随时间的曲线图，例如随着细胞培养的进行。
实例
以下实例证明了使用中空纤维管筒在自动细胞培养系统中培养活细胞的能力。
实例1-培养细胞的细胞计数、存活率和代谢参数。
Jurkat(克隆E6-1)是广泛用于免疫学研究的典型的永生化人T细胞系。Jurkat细胞在自动细胞培养系统中培养，使用两个不同大小的中空纤维管筒：小号(20mL培养体积)和大号(70mL培养体积)。测定所培养细胞的细胞数目，存活率和代谢参数。基础培养液是含有L-谷氨酰胺的DMEM/F12。流体回路和中空纤维管筒的管内空间的循环培养液含有5％胎牛血清和抗生素。
将接种量的Jurkat细胞和胎牛血清注入中空纤维管筒的管外空间。胎牛血清加到毛细管外侧，与接种细胞一起。将10mL胎牛血清用于小号培养管；将35mL胎牛血清用于大号培养管。将含5％胎牛血清和抗生素的培养液在流体回路和中空纤维管筒的管内空间以100mL/分钟循环7天，然后增加至200mL/分钟。每三天将胎牛血清补充到毛细管外侧。监测葡萄糖和乳酸水平并按照mg/天计算。使用吖啶橙/过氧化物碘化物染色，用Countless FLII自动细胞计数器测定细胞数和存活率。
图23A显示了小号培养管中的总细胞计数10和活细胞计数12；图23B显示了大号培养管中的总细胞计数14和活细胞计数16。如图23A和23B所示，细胞计数稳定增加，几乎所有培养细胞都存活。
图24A和24B分别显示了在小号培养管和大号培养管中的培养细胞的代谢特征。图24A显示了小号培养管中细胞的葡萄糖摄取18和乳酸分泌20持续增加直至培养的第12天，此后葡萄糖摄取和乳酸分泌开始减少。图24B显示了大号培养管中细胞的葡萄糖摄取22和乳酸分泌24持续增加直至培养的第13天，此后葡萄糖摄取和乳酸分泌变得基本稳定。
实例2——溶解氧浓度对T淋巴细胞培养的影响
使用中空纤维管筒在自动细胞培养系统中培养原代人T淋巴细胞，以研究溶解氧浓度对细胞扩增的影响。将来自健康供体的人T淋巴细胞接种在中空纤维管筒的管外空间。在一些培养管中，细胞在AIM-V培养液和人AB血清中培养；在一些培养管中，细胞在无血清X-Vivo 15培养液存在下培养。每天将白细胞介素-2(IL-2)注射到中空纤维管筒的管外空间。对于每种细胞培养液，将溶解氧水平控制在大气环境水平(～20％O2)或生理水平(～5％O2)。每天估测各个培养管中的细胞数量。
图25A显示了在AIM-V培养液和人AB血清中培养的T细胞在缺氧30(～5％O2)和常氧32(～20％O2)条件下的细胞计数。图25B显示了在无血清X-Vivo 15培养液中培养的T细胞在缺氧34(～5％O2)和常氧36(～20％O2)条件下的细胞计数。对于两种细胞培养液，在缺氧条件下培养的T细胞的细胞计数比在常氧条件下更高，尽管在AIM-V培养液和人AB血清中培养的T细胞的细胞计数高于在无血清培养液中培养的细胞。图25C显示了两种细胞培养液中在缺氧和常氧条件下培养的细胞的扩增倍数。与图25A和25B所示一致，在两种细胞培养液中，在缺氧条件下培养的细胞的扩增倍数比在常氧条件下更高，在有血清培养液中培养细胞的扩增倍数也比在无血清培养液中培养的细胞扩增倍数更高。这些结果表明，在含血清培养液或无血清培养液中，生理氧水平都极大地提高了人T淋巴细胞的细胞生长速度和最终产量。
实例3——在自动细胞培养系统中的T淋巴细胞扩增
使用中空纤维管筒在自动细胞培养系统中培养人T淋巴细胞，以验证自动细胞培养系统和中空纤维管筒的性能。
首次验证中，在含有人AB血清的AIM-V培养液中培养人T淋巴细胞。来自三个健康供体的人T淋巴细胞用Dynabeads CD3/CD28以1：1的比例活化并培养3天，并以2×107个细胞/培养管的浓度接种在中空纤维管筒的毛细管外侧空间。基础AIM-V培养液经过中空纤维管筒的管内空间在流体回路中循环。每三天将10mL人AB血清注射到培养管的管外空间。每天将IL-2注射到管外空间，用量按1.5倍递增。用Countess FL II细胞计数器测量细胞数和活力。用荧光染料标记的靶向CD3，CD4和CD9的抗体对T淋巴细胞亚群染色，并用BD AccuriC6流式细胞仪分析。
图26A显示来自三个健康供体的T细胞培养的细胞计数随时间的增加。图26B显示了来自三个供体的T细胞培养的扩增倍数和倍增时间。图26C显示来自三个供体的T细胞在接种和收获时的细胞活力。图26D显示来自三个供体的外周血单核细胞(PBMC)，接种细胞和收获细胞中的CD3+百分比。图26E显示了来自三个供体的PMBC，接种细胞和收获细胞的CD3+亚群中CD4+和CD4-的子集百分比。这些结果证实细胞在自动细胞培养系统中可以扩增并且保留活力。
再次验证中，将人T淋巴细胞在无血清X-Vivo 15培养液中培养。来自三个健康供体的人T淋巴细胞用Dynabeads CD3/CD28以1：1的比例活化并培养3天，并以2×107个细胞/培养管的浓度接种在中空纤维管筒的管外空间。基础X-Vivo 15培养液经由中空纤维管筒的管外空间在流体回路中循环。每三天将10mL的1％人白蛋白溶液注射到培养管的毛细管外侧。每天将IL-2注射到毛细管外侧，用量按照1.5倍递增。用Countess FL II细胞计数器测量细胞数和活力。用荧光染料标记的靶向CD3，CD4和CD9的抗体对T淋巴细胞亚群染色，并用BD Accuri C6流式细胞仪分析。
图27A显示来自三个健康供体的T细胞培养中的细胞计数随时间的增加。图27B显示来自三个供体中的T细胞的扩增倍数和倍增时间。图27C显示来自三个供体的T细胞在接种和收获时的T细胞活力。图27D显示来自三个供体的PBMC，接种细胞和收获细胞的CD3+百分比。图27E显示了来自三个供体的PMBC，接种细胞和收获细胞的CD3+亚群中CD4+和CD4-的子集百分比。这些结果证实在自动细胞培养系统中细胞可以扩增并且可以保留活力。
已经描述了许多实施例。然而，应该理解，在不偏离本发明的宗旨和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，上述一些步骤的排序部分先后，因此可以按照与该描述中不同的顺序执行。
其他实施方式也在随附的权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于培养T细胞的自动细胞培养系统，包括：
细胞培养反应器，包括：
壳体；
用于细胞培养液的流体回路，所述流体回路设置在所述壳体的内部，并且包括：
用于在细胞培养液中培养细胞的培养容器，
用于细胞培养液的盛器，该盛器与培养容器的流体连通，和
泵，用于将细胞培养液泵送到流体回路中；
一个或多个传感器，设置在壳体的内部，耦合到自动细胞培养系统的计算设备，每个传感器用来实时检测(1)流体回路中的细胞培养液和(2)壳体内部的环境中的一个或多个的参数；
所述计算设备，接收来自所述一个或多个传感器的一个或多个检测到的参数产生的信号来自动控制细胞培养反应器的操作，其中所述计算设备配置成：基于(i)一个或多个检测到的参数和(ii)所述一个或多个检测到的参数的历史中的一个或多个确定培养容器中细胞培养的阶段；和基于细胞培养的阶段来控制所述细胞培养反应器的操作，所述一个或多个检测到的参数包括培养液体积、流体压力、流速、pH值、溶解氧、葡萄糖浓度、乳酸浓度；
与壳体内部流体连通的气源；和
连接到气源的气流控制设备；
其中，所述计算设备配置成基于一个或多个检测到的参数来控制气流控制设备的操作，
其中，所述计算设备从二氧化碳传感器接收信号并据此信号控制二氧化碳质量流量控制器的操作，从而维持二氧化碳的浓度在预设定范围，并且
其中，所述计算设备从氧气传感器接收信号并据此信号控制氮气质量流量控制器的操作，从而维持氧气的浓度在预设定范围，
其中溶解氧水平控制在生理水平5％O2，
其中所述计算设备是基于所检测的参数中的一个或多个与各个阈值之间的比较来控制所述细胞培养反应器的操作。
2.根据权利要求1所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，包括用于所述细胞培养容器的旋转支架。
3.根据权利要求1所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，包括供给系统，该系统包括：
供给管线，供给管线的一端连接到流体回路，供给管线的另一端连接到细胞培养液源；
连接到供给管线的供给泵；和
温度控制系统，包括：
壳体，壳体的内部空间用于容纳细胞培养液源；和
温度控制模块，用于冷却或加热壳体的内部空间。
4.根据权利要求3所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，其中所述计算设备根据(i)所述盛器中的细胞培养液的量和(ii)流体回路中细胞培养液的pH中的一种或多种来控制所述供给泵的操作。
5.根据权利要求1所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，包括配置在所述壳体内部的加热器。
6.根据权利要求1所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，包括在所述壳体中的阀门，其中所述计算设备配置成基于所述壳体内部中的气体浓度来控制所述阀门的操作。
7.根据权利要求1所述的用于培养T细胞的自动细胞培养系统，其中所述培养容器包括中空纤维管筒。
8.一种培养T细胞的方法，该方法包括：
在细胞培养反应器中孵育T细胞，包括：
在细胞培养反应器内部的流体回路中流动细胞培养液，包括将细胞培养液从细胞培养液的贮存器泵送到培养容器中，以在细胞培养液中培养T细胞；
通过设置在细胞培养反应器内部且耦合到计算设备的一个或多个传感器中的每一个实时检测(1)流体回路中的细胞培养液和/或(2)细胞培养反应器内部的环境中的一个或多个的参数；和
通过所述计算设备接收来自所述一个或多个传感器的一个或多个检测到的参数产生的信号来自动控制细胞培养反应器的操作；
其中所述计算设备配置成：基于(i)一个或多个检测到的参数和(ii)所述一个或多个检测到的参数的历史中的一个或多个确定培养容器中细胞培养的阶段；和基于细胞培养的阶段来控制所述细胞培养反应器的操作，所述一个或多个检测到的参数包括培养液体积、流体压力、流速、pH值、溶解氧、葡萄糖浓度、乳酸浓度，
其中控制所述细胞培养反应器的操作包括控制一个或多个连接到气体源和所述细胞培养反应器壳体的气流控制设备和阀门的操作，
其中，所述计算设备从二氧化碳传感器接收信号并据此信号控制二氧化碳质量流量控制器的操作，从而维持二氧化碳的浓度在预设定范围，并且
其中，所述计算设备从氧气传感器接收信号并据此信号控制氮气质量流量控制器的操作，从而维持氧气的浓度在预设定范围，
其中溶解氧水平控制在生理水平5％O2，
其中控制所述细胞培养反应器的操作包括：将每个检测到的参数与相应的阈值进行比较；基于所述比较，控制所述细胞培养反应器的操作。
9.根据权利要求8所述的方法，包括培养容器的旋转。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述控制细胞培养反应器的操作包括控制供给泵的操作将细胞培养液从细胞培养液源泵送到流体回路中，控制依据包括(i)盛器中的细胞培养液量和(ii)流体回路中细胞培养液的pH中的一种或多种。
11.根据权利要求10所述的方法，包括控制所述细胞培养液来源的温度。
12.根据权利要求8所述的方法，其中控制所述细胞培养反应器的操作包括基于细胞培养反应器中的温度控制加热器。
13.根据权利要求8所述的方法，包括基于所检测的一个或多个参数输出信息或警报。
14.根据权利要求8所述的方法，包括通过用户界面或从远程计算设备接收输入；并且进一步基于所接收的输入控制所述细胞培养反应器的操作。
CN201910410428.6A 2018-05-18 2019-05-16 自动化细胞培养 Active CN110499252B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862673484P 2018-05-18 2018-05-18
US62/673,484 2018-05-18
US16/229,303 2018-12-21
US16/229,303 US20190352589A1 (en) 2018-05-18 2018-12-21 Automated Cell Culturing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110499252A CN110499252A (zh) 2019-11-26
CN110499252B true CN110499252B (zh) 2023-04-18

Family

ID=68534232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910410428.6A Active CN110499252B (zh) 2018-05-18 2019-05-16 自动化细胞培养

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20190352589A1 (zh)
EP (1) EP3775156A4 (zh)
JP (2) JP2021522826A (zh)
CN (1) CN110499252B (zh)
TW (1) TWI765154B (zh)
WO (1) WO2019219050A1 (zh)

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019046304A1 (en) 2017-08-28 2019-03-07 Matthias Wagner MICROFLUIDIC LASER ACTIVATED INTRACELLULAR ADMINISTRATION SYSTEMS AND METHODS
US11958050B2 (en) * 2018-05-24 2024-04-16 John Collins Fluidic devices for closed cell culture applications under current good manufacturing practice
CN110938543A (zh) * 2019-11-26 2020-03-31 浙江大学 一种用于细胞、组织培养的生物反应器
US20230012125A1 (en) * 2019-11-27 2023-01-12 Corning Incorporated Sensing vessels for cell cultures
CN110903977A (zh) * 2019-12-23 2020-03-24 深圳赛动生物自动化有限公司 基于可编程控制器的干细胞培养仓控制系统及其控制方法
WO2021161927A1 (en) * 2020-02-10 2021-08-19 Terumo Kabushiki Kaisha Cell culturing system, sensor kit, and method of determining lifespan of enzyme sensor
JP2022026843A (ja) * 2020-07-31 2022-02-10 東洋製罐グループホールディングス株式会社 細胞培養システム、細胞の製造方法、及びガス濃度制御方法
US11708563B2 (en) * 2021-03-07 2023-07-25 Cellino Biotech, Inc. Platforms and systems for automated cell culture
JPWO2022202734A1 (zh) * 2021-03-26 2022-09-29
CN113403200B (zh) * 2021-06-29 2022-07-15 中国林业科学研究院林业研究所 细胞培育中转保温装置
US11931737B2 (en) 2021-09-02 2024-03-19 Cellino Biotech, Inc. Platforms and systems for automated cell culture
KR20230048921A (ko) * 2021-10-05 2023-04-12 주식회사 아모그린텍 부유 세포용 바이오리액터
TWI797020B (zh) * 2022-06-07 2023-03-21 國立中興大學 自動升降裝置及具有其自動升降裝置的跨細胞膜阻抗即時監測系統
US20240060030A1 (en) * 2022-08-19 2024-02-22 Terumo Bct, Inc. Cell expansion system
TWI833614B (zh) * 2023-03-23 2024-02-21 揚朋科技股份有限公司 細胞製備系統
CN116300479B (zh) * 2023-05-22 2023-08-22 山东卫康生物医药科技有限公司 基于干细胞培养法的人参皂甙生产装置的控制方法及系统
CN116501109B (zh) * 2023-06-27 2024-05-17 湖南安泰康成生物科技有限公司 温度控制方法、装置、系统、电子设备及存储介质

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4918019A (en) * 1986-05-12 1990-04-17 C. D. Medical, Incorporated Bioreactor system with plasticizer removal
WO2017004592A1 (en) * 2015-07-02 2017-01-05 Terumo Bct, Inc. Cell growth with mechanical stimuli
CN106467892A (zh) * 2016-09-01 2017-03-01 奥凯（苏州）生物技术有限公司 一种自动化细胞扩增系统
CN107012094A (zh) * 2017-05-26 2017-08-04 奥凯（苏州）生物技术有限公司 一种模组单元化细胞扩增系统

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5123156A (ja) * 1974-08-20 1976-02-24 Ricoh Kk Horogurafuiikamerayokankobanno magajin
US6673008B1 (en) * 1998-04-28 2004-01-06 Ronald J. Thompson Fallopian tube and method of in vitro fertilization and embryo development
US20020146817A1 (en) * 2000-10-02 2002-10-10 Cannon Thomas F. Automated bioculture and bioculture experiments system
US7494811B2 (en) * 2003-05-01 2009-02-24 Lifenet Health In vitro growth of tissues suitable to the formation of bone and bone forming tissue formed thereby
WO2007136821A1 (en) * 2006-05-22 2007-11-29 Biovest International Inc. Media circulation system for a cell cultureware module
WO2012171030A2 (en) * 2011-06-10 2012-12-13 Biovest International, Inc. Method and apparatus for antibody production and purification
WO2012171026A2 (en) * 2011-06-10 2012-12-13 Biovest International, Inc. Methods for high yield virus production
EP2809770A1 (en) * 2012-02-02 2014-12-10 Corning Incorporated Cell culture systems
CN106566772B (zh) * 2015-10-13 2019-03-05 刘伦光 细胞培养箱
CN105925481A (zh) * 2016-05-16 2016-09-07 上海吉凯基因科技有限公司 全自动细胞连续培养系统
CN109642201A (zh) * 2016-08-26 2019-04-16 株式会社Ihi 细胞培养系统、培养单元、自动细胞培养装置以及输送用细胞培养装置
CN107043701A (zh) * 2017-05-26 2017-08-15 奥凯（苏州）生物技术有限公司 一种提高细胞接种分散性的细胞扩增系统

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4918019A (en) * 1986-05-12 1990-04-17 C. D. Medical, Incorporated Bioreactor system with plasticizer removal
WO2017004592A1 (en) * 2015-07-02 2017-01-05 Terumo Bct, Inc. Cell growth with mechanical stimuli
CN106467892A (zh) * 2016-09-01 2017-03-01 奥凯（苏州）生物技术有限公司 一种自动化细胞扩增系统
CN107012094A (zh) * 2017-05-26 2017-08-04 奥凯（苏州）生物技术有限公司 一种模组单元化细胞扩增系统

Also Published As

Publication number Publication date
EP3775156A1 (en) 2021-02-17
JP2023181365A (ja) 2023-12-21
EP3775156A4 (en) 2021-05-19
TWI765154B (zh) 2022-05-21
TW202003833A (zh) 2020-01-16
WO2019219050A1 (en) 2019-11-21
CN110499252A (zh) 2019-11-26
US20190352589A1 (en) 2019-11-21
JP2021522826A (ja) 2021-09-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110499252B (zh) 自动化细胞培养
JP5416772B2 (ja) バイオリアクター内で増殖した細胞を採取する時の予測器
CA1270455A (en) Apparatus and method for culturing cells, removing waste and concentrating product
CA2780722A1 (en) Automated apparatus and method of cell culture
WO1984000028A1 (en) Apparatus for delivering a controlled dosage of a chemical substance
JP2001504692A (ja) 細胞培養インキュベーター
US10178864B2 (en) Portable organ perfusion system
US20230250387A1 (en) Scheduled Feed
CN114302948A (zh) 用于产生高细胞密度种子培养物的系统和方法
JP6062054B2 (ja) 送液装置およびそれを用いた細胞培養装置
US20110275056A1 (en) Method and Apparatus for Controlling a Cell Expansion Apparatus
CN201909790U (zh) 全自动血液分析仪用试剂恒温装置
JP2007029041A (ja) 細胞培養装置
Moss et al. Working design for a 5‐liter controlled continuous culture apparatus
US4324762A (en) Apparatus for sterilization by steam of fermentation objects
US20180112174A1 (en) Retrofit devices for bioreactors
JP2010252753A (ja) 灌流培地モニタリング装置および灌流培地モニタリング方法
CN113267383B (zh) 一种智能区分废液的全封闭式自动取样装置及其使用方法
CN218393749U (zh) 一种一体式磷源自动补液柜
RU2799516C1 (ru) Устройство для хранения, транспортировки и дозирования биологической жидкости
CN212451432U (zh) 一种流式细胞分选仪鞘液循环水浴温控装置
TW202144561A (zh) 自動化細胞培養裝置
CN116333859A (zh) 一种连续培养恒浊器及其在测量细菌生长和细菌细胞周期中的应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant