CN101270332B - 用于细胞或组织培养和处理的装置和方法 - Google Patents

用于细胞或组织培养和处理的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于细胞或组织培养和处理的装置，包括一个培养板和一个可以移动的并可以置于培养板上面的盖子。培养板包括一个底、至少一个从底延伸出来的培养孔、围在培养板周边的直立边墙和至少一个从底的内表面延伸至培养板外面的通道，其中底包含一个上边的倾斜的内表面和一个下边的外表面；盖子包括一个上面部分、一个下面部分、一个在上面部分和下面部分之间的腔、至少一个可以用作液体流入腔的入导管，至少一个从下面部分延伸出来的出导管和一个从下面部分的周边延伸出来的围墙，出导管与培养孔对齐。本发明还公开了一种用于细胞或组织培养和处理的方法。本发明是基于多孔培养板的动态培养和处理细胞的装置，一方面容易工业生产，另一方面适用于高通量动态培养和处理细胞。

Description

用于细胞或组织培养和处理的装置和方法
技术领域
本发明涉及与细胞或组织培养和处理有关的装置和方法。
背景技术
细胞或组织在体外的培养有多种用途，包括细胞或组织工程、细胞功能研究，从而了解生理或病理的进程。在药物开发领域，细胞或组织培养与处理可以用于评价药物的药理与毒理。
传统的培养细胞的方法是把细胞置于培养板的培养孔中，在一定的时间内给一定的培养液。在用一种或几种药物处理细胞或组织时，在一定时间内，药物浓度保存恒定不变。
但是，这种体外培养与处理细胞方法常常不能准确预测体内情况。这是因为体内细胞处于动态的培养液环境。在这个环境中细胞可以从新鲜的培养液中得到营养。新鲜的培养液被细胞利用后转变成用过培养液。细胞产生的废物随用过培养液排出体外。特别指出，在临床药物治疗中，细胞处于动态变化的药物浓度中。
为了准确预测体内效果，体外培养条件必须最大限度模拟体内情况。通过持续加培养液到培养容器中、并持续排除容器中的培养液的动态培养是实现这个目的的良好方法。这是因为动态培养可以通过加培养液提供细胞营养、并排除用过培养液排除废物。动态培养还可以持续稀释药物浓度、并因此能够模拟药物在生物体内的药代动力学过程。
目前，有一些发表的专利与动态培养有关。例如，发表于2007年2月15日的授予Shuler等人的美国专利(专利号：20070037273)可以根据体内药代动力学参数设置动态培养细胞环境；发表于2003年11月11日的授予Diresta等人的美国专利(专利号：20030211600)可以补充培养液而实现动态培养细胞；发表于2003年6月10日的授予Sarem等人的美国专利(专利号：6576458)描述了一个可以使培养液流动的细胞和组织培养装置；发表于2002年11月27日的授予钟诗龙的中国实用新型专利(专利号：ZL01271542.5)描述了一个体外动力学模型装置。
但是，描述在这些专利中的装置不是基于标准多孔培养板，而多孔培养板是目前通常使用的可以实现高通量筛选的细胞培养设备。因此，上述装置不适合高通量动态培养细胞并评价细胞功能和评价药效。这些装置非常复杂，使得造价昂贵。
为了能经济有效和高通量评价细胞功能或药物效果，理想的方法是使用基于多孔培养板的动态培养和处理细胞的装置。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是为生物研究和药物开发领域提供一种用于细胞或组织培养和处理的装置和方法，其基于多孔培养板的动态培养和处理细胞，一方面容易工业生产，另一方面适用于高通量动态培养和处理细胞，因此本发明适用于大规模科学研究和工业应用。
为了实现上述目的，本发明用于细胞或组织培养和处理的装置的技术方案为：一种用于细胞或组织培养和处理的装置，包括一个培养板和一个可以移动的并可以置于所说培养板上面的盖子，所说培养板包括一个底、至少一个从底延伸出来的培养孔、围在培养板周边的直立边墙和至少一个从底的内表面延伸至培养板外面的通道，其中所说培养板的底包含一个上边的内表面、一个下边的外表面，其中，当下边的外表面水平放置时，所说的上边内表面是倾斜的；所说的培养板的从底的内表面延伸至培养板外面的通道处于培养板的底的上边内表面的最低位置；；所说盖子包括一个上面部分、一个下面部分、一个在所说上面部分和所说下面部分之间的腔、至少一个可以用作液体流入腔的入导管、至少一个从所说下面部分延伸出来的并用作分配液体到所说培养孔中的出导管和一个从所说下面部分的周边延伸出来的围墙，所说盖子的出导管与所说培养板的培养孔对齐。
根据本发明的精神，培养板和盖子可以被生产成不同的大小和几何形状。盖子的形状与培养板的形状相吻合。当盖子盖在培养板的上方时，盖子的出导管与培养板的培养孔一一对应并插入培养板的培养孔中。培养板和盖子最好生产成透明，这样可以有助观察盖子的出导管与培养板的培养孔是否对齐，也有助于观察细胞或组织的生长和培养液的流动情况。
根据本发明的精神，培养板的培养孔的壁的槽或孔，培养板的通道，盖子的入导管与出导管可以被生产成不同的大小和几何形状。
盖子最好包含至少一个入导管，其中一个入导管用作输入新鲜培养液到盖子的腔中。盖子也可以没有入导管，新鲜培养液可以储存于盖子的腔中。盖子必须包含一个腔，这个腔用于暂时储存新鲜培养液。盖子必须包含至少一个与腔相连的出导管，这个出导管用于分配储存于腔中的新鲜培养液到培养板的培养孔中。盖子的出导管的出口最好在出导管的周边，末端有底，这样可以减少培养液对细胞的冲击。盖子的出导管的数目最好与培养板的培养孔的数目相同。
培养板的培养孔的壁最好有至少一个槽或孔，以方便用过培养液溢出。培养板的培养孔的壁也可以没有槽或孔，此时，用过培养液可以从培养孔的壁的上沿溢出。
培养板的底的上边内表面可以制造成不同的有利于有效排除液体的几何模型。其中的一个造型倾斜的上边内表面。
培养板包括至少一个从底的上边内表面穿过培养板的直立边墙或培养板的底到培养板外的洞。这个洞通常位于底的上边内表面的最低位置，这样可以有效地排除从培养孔中溢出来是的培养液。
培养液的流动最好由一个外接的泵驱动，这样可以根据体内的药代动力学参数精确控制流速。在另一种情况，当供给新鲜培养液的位置高于盖子的位置时，培养液的流动也可以由新鲜培养液的自身重量驱动，流速可以由这个位置的高度和入导管的粗细有关。
本发明用于细胞或组织培养和处理的方法的技术方案为：把细胞或组织种到所说培养板的培养孔的底上，用所说盖子盖着所说培养板、并且将所说盖子的出导管插入到所说培养孔中，通过外接泵或液体自身重量驱动新鲜培养液持续加到所说盖子的所说腔中，在所说盖子的腔中的新鲜培养液持续分配到所说培养孔中，新鲜培养液被所说培养孔中的细胞或组织利用并转变成用过培养液，所说培养孔中的用过培养液从壁的开口或上沿溢出到所说培养板的底的上边内表面，并从所说培养板的通道流出。
本发明的一个优点在于它可以持续从盖子的腔中通过盖子的出导管分配新鲜培养液到培养板的培养孔中，培养板的培养孔中的用过培养液可以溢出培养孔的壁，再流过底的上边内表面，最后通过培养板的洞流出培养板。这样培养板的培养孔中培养的细胞或组织处于类似于体内动态的培养环境中。
因为培养板的培养孔中的培养液持续被更换，加入到培养孔中的药物会随时间推移而逐渐减少。药物减少的速度可以根据体内的药代动力学参数设定。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1是本发明装置的俯视图。
图2是本发明装置的盖子仰视图。
图3是本发明装置的盖子出导管的部分截面图。
图4是本发明装置的多孔培养板的俯视图。
图5是本发明装置的培养板的培养孔的部分截图。
图6本发明装置的培养板的出孔的部分截面图。
图7是本发明装置的培养板和盖子的横截面图。
图8是本发明装置的培养板的培养孔和盖子的出导管的部分横截面图。
具体实施方式
尽管本发明装置可以由多个不同的样式来满足，但在此处描述一个优选的样式。这个优选的样式仅仅是一个例子，这个例子并不会限制本发明的精神。
参考图1，本发明用于细胞或组织培养和处理的装置包括一个培养板20和盖子10。也如图4所示，培养板20包括一个底17，多个培养孔40，围在培养板周边的直立的边墙14，一个从底的内表面延伸至培养板的外面的、可以排除来自底的内表面液体的通道49。直立的边墙14包含上部分14A和下部分14B两部分。上部分14A延伸自下部分14B的周肩。上部分14A包含5个边，下部分包含4个边。通道49包含洞49A和壁49B。
参考图1、4、5、7、和8，培养孔40包含一个一个不透液体的壁41，一个开口43和底44。所以培养孔的从开口43到底44的高度可以一样，也可以不一样，但最好一样。底44最好与培养板的底的外表面平行，这样可以便于观测培养孔中细胞培养情况。培养孔40可以制成不同的形状，但优先选择柱状。在图5描述的一个样式中，壁41包含至少一个开口向上沿的槽42。用过培养液可以从这些槽中溢出到培养板的底的上边内表面。槽42的数量、大小、形状可以多种多样。
培养板20的底17进一步包括倾斜的上边内表面16和一个水平的下边外表面18。上边内表面16制成倾斜是为了有效地排除从槽42溢出的用过培养液到通道49。培养板20的底17的上边内表面也可以制成其他的利于排液的高底面。本样式的上边内表面是倾斜的。内表面的最低端与底的上边内表面的通道49相连。
盖子的腔可以从入导管接受培养液并通过出导管分配培养液到培养板的培养孔中。入导管可以连接泵。外接的泵可以调节培养液的流速。培养液的流动最好可以由泵驱动，但当培养液的位置高于盖时，培养液的流动也可以由自身的重量驱动。图1和图2描述了本发明的盖子的一个样式。盖子10包含一个上面部分26，一个下面部分24，一个在所说上面部分和所说下面部分之间的腔25，一个可以用作液体流入腔的入导管60，至少一个从所说下面部分延伸出来的、可以用作分配液体到所说培养板的所说培养孔中的出导管50，和一个从下面部分的周边延伸出来的围墙22。根据本发明的精神，精通工艺的人会理解上面部分26的形状可以多样，如平面或拱形。入导管的位置可以在盖的任何位置，但最好在盖的上面部分。入导管的数目可以多于一个。例如盖子有两个入导管，一个可以用作接受培养液，一个可以用作接受药物。另外盖子的腔可大可小。
在一个样式中，本发明的盖子的上面部分和下面部分可以制成一体，盖子的腔位于上面部分和下面部分之间。在另一个样式中，本发明的盖子包括上面部分和下面部分，即盖子由上面部分和下面部分两部分组装而成。当上面部分和下面部分两部分组装在一起时，中间形成一个储蓄液体的腔。
图1、2、3、7和8描述了一个盖子的出导管的样式。出导管50包括一个壁51、一个上开口56和至少一个孔或缝隙54。在图3和图8中，可以很好看到出导管50最好包括一个底55。这个底可以缓冲培养液的流动对细胞的冲击。出导管的形状可以是圆形、方形及其他形状。
如图1和图7所示。盖子10的形状与培养板20的形状相匹配。培养板20的直立的边墙14的上部分14A和盖子10的围墙22都有5个边墙，这可以使盖子10按正确的方向盖上培养板20，并且能够使盖子10的出导管50准确地插入培养板20的培养孔40中。尽管盖子10的出导管50的孔或缝隙54的位置可以高于培养板20的培养孔40中液面的位置，但是为了获得稳定的流速和减少对细胞的冲击，盖子10的出导管50的孔或缝隙54在培养板的培养孔中位置最好低于培养孔中的液面，并距培养孔的底44大于1毫米。
作为一个例子，图1描述了一6个培养孔的培养板20和相匹配的6个出导管的盖子10。培养板的培养孔和盖的出导管的数目可以是6、12、24、48、96或任何数目。培养板的培养孔和盖的出导管的排列可以是标准的长方形行列或其他排列。培养板和盖可以是圆形、长方形或其他形状。
本发明的装置最好制成透明，这便于观察细胞的生长或处理效果。置备本发明装置的材料包括聚乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等。
图7是一个本发明装置的培养板和盖子的横截面。如图7所示，新鲜培养液由外接的泵100驱动通过盖子10的上面部分26的入导管60进入盖子10的腔25，然后通过盖子10的下面部分24的出导管50分配到培养板20的培养孔40中。新鲜培养液在培养孔40中被细胞利用后转变成用过培养液。在培养孔40中的用过培养液从培养孔40的壁41的槽42溢出到培养板20的底17的倾斜的上边内表面。最后通过通道49流出培养板20外。用过培养液从培养孔40溢出的速度与新鲜培养液从出导管50加入到培养孔40的速度相同。在一个样式中，如图7所示，培养液流过路径是从101、到102、到103、到104、到105、到106、再到107。
研究人员可以把细胞培养于发明装置的培养板20的培养孔40中，然后持续地从盖的出导管加入培养液到培养培养板中，并且持续地从培养板地排液系统排除培养液。在本发明装置，培养板的排液系统包括培养板20的培养孔40的壁41的槽42、底17的倾斜的上边内表面16和培养板20的通道49。
本发明装置的一个主要优点是可以持续地从盖的出导管加入培养液到培养培养板中，并且持续地从培养板地排液系统排除培养液，培养液的流速可以通过外接的泵实现精确调控，因而可以实现细胞或组织的动态培养。
本发明装置的另一个主要优点是多培养孔培养培养板构成。每一个培养孔模拟一个体内动态系统。因此本发明装置可以用作高通量动态培养系统来研究细胞或组织的生理或病理情况。
本发明装置的一个应用方法是研究药物对细胞或组织的效果。方法如下：细胞在动态培养液条件下培养，然后加入药物。药物随时间推移而逐渐减少。药物减少的速度由加入新鲜培养液和排除用过培养液的速度控制。为了模拟体内药物消除情况，培养液流动速度可以由药物在体内的半衰期计算得到并由外接的泵调控。细胞或组织经过药物处理后，检测各项参数来得到药物效果。

Claims (10)

1.一种用于细胞或组织培养和处理的装置，包括一个培养板和一个可以移动的并可以置于所说培养板上面的盖子，其特征在于：所说培养板包括一个底、至少一个从底延伸出来的培养孔、围在培养板周边的直立边墙和至少一个从底的内表面延伸至培养板外面的通道，其中所说培养板的底包含一个上边的内表面和一个下边的外表面，其中，当下边的外表面水平放置时，所说的上边内表面是倾斜的；所说的培养板的从底的内表面延伸至培养板外面的通道处于培养板的底的上边内表面的最低位置；所说盖子包括一个上面部分、一个下面部分、一个在所说上面部分和所说下面部分之间的腔、至少一个可以用作液体流入腔的入导管、至少一个从所说下面部分延伸出来的并用作分配液体到所说培养孔中的出导管和一个从所说下面部分的周边延伸出来的围墙；所说盖子的出导管与所说培养板的培养孔对应。
2.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：当培养板下边的外表面水平放置时，所说的培养板上边内表面形成高低倾斜，以利于液体从高处向低处流动。
3.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：所说通道从所说底的上边内表面的最低位置通过所说底或所说直立边墙，并延伸至培养板的外面。
4.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：所说的培养孔进一步包括一个底、一个开口和一个壁，该壁包含至少一个可以让液体溢出到所说培养板的底的上边内表面的槽或孔。
5.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：所说盖子的上面部分和下面部分是一体的，盖子的腔位于上面部分和下面部分之间；所说盖子还包括至少一个从所说上面部分延伸出来的可以用作液体流入腔的入导管、至少一个从所说下面部分延伸出来的并用作分配液体到所说培养孔中的出导管和一个从所说下面部分的周边延伸出来的围墙；所说盖子的出导管与培养板的培养孔对应。
6.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：所说盖子由上面部分和下面部分两部分组装而成，当上面部分和下面部分两部分组装在一起时，中间形成一个储蓄液体的腔；所说盖子还包括至少一个从所说上面部分延伸出来的可以用作液体流入腔的入导管、至少一个从所说下面部分延伸出来的并用作分配液体到所说培养孔中的出导管和一个从所说下面部分的周边延伸出来的围墙；所说盖子的出导管与培养板的培养孔对应。
7.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：所说盖子的所说入导管与外接的泵连接。
8.根据权利要求1中的用于细胞或组织培养和处理的装置，其特征在于：当所说盖子盖住所说培养板并且所说出导管插入到所说培养孔中时，所说出导管的端部位置低于所说培养孔的壁的上沿并且与所说培养孔的底的差距大于1毫米。
9.一种利用权利要求1-8所述装置来进行细胞或组织培养的方法，其特征在于：把细胞或组织种到所说培养板的培养孔的底上，用所说盖子盖着所说培养板、并且将所说盖子的出导管插入到所说培养孔中，通过外接泵或液体自身重量驱动新鲜培养液持续加到所说盖子的所说腔中，在所说盖子的腔中的新鲜培养液持续分配到所说培养孔中，新鲜培养液被所说培养孔中的细胞或组织利用并转变成用过培养液，所说培养孔中的用过培养液从壁的开口或上沿溢出到所说培养板的底的上边内表面，并从所说培养板的通道流出。
10.一种利用权利要求1-8所述装置来进行细胞或组织处理的方法，其特征在于：把细胞或组织种到所说培养板的所说培养孔的所说底上，用所说盖子盖着所说培养板、并且将所说盖子的所说出导管插入到所说培养板的所说培养孔中，通过外接泵或液体自身重量驱动新鲜培养液持续加到所说盖子的所说腔中，在所说盖子的所说腔中的新鲜培养液持续分配所说培养板的所说培养孔中，新鲜培养液被所说培养孔中的细胞或组织利用并转变成用过培养液，所说培养板的所说培养孔中的用过培养液从所说培养板的所说培养孔的所说壁的孔或槽溢出到所说培养板的所说底的上边内表面，所说培养板的所说底的上边内表面上的用过培养液从所说培养板的所说通道流出，细胞或组织经过一段时间的动态培养后，用药物处理细胞或组织，药物随着加入新鲜培养液和排除用过培养液而逐渐减少，经过一段时间后测定药物对细胞或组织的效果。
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