CN101665768B - 神经营养因子体外培养的生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种神经营养因子体外培养的生物反应器，它包括设有凹腔的上、下盖，上、下盖凹腔相向合拢固定成盒体，盒体的内腔中设置能通过脑脊液的培养板，该培养板上覆盖聚醚砜半透膜，培养板嵌设在下盖凹腔中下部分，位于上、下盖之间，培养板上、下方均为供脑脊液流动的空间，上盖设有输入嘴，下盖设有输出嘴，上盖的上端面设有若干供气体进入盒体内的孔。它使中枢神经系统功能障碍患者的脑脊液能够循环在生物反应器中，与星形胶质细胞分泌出的神经营养因子充分混合，形成含神经营养因子的混合脑脊液重新输入患者的蛛网膜下腔或脑室系统，实现促进因疾病或外伤造成的中枢神经系统功能缺失或障碍的恢复，显著地改善病人的生存质量。

Description

神经营养因子体外培养的生物反应器

技术领域

本发明涉及一种细胞培养的生物反应器，特别涉及一种用于治疗中枢神经系统功能障碍的装置的神经营养因子体外培养的生物反应器。

背景技术

在医学领域中，严重颅脑损伤后遗留的神经功能障碍，是临床神经科学面临的一个十分棘手的难题，许多患者因此而终生残疾，给个人、家庭、社会带来极大的痛苦和负担。如何改善颅脑损伤病人的生存质量、恢复损害的神经功能成为神经科学研究的重点和难点，迄今未获突破性进展。

大量的临床研究表明，在颅脑损伤的早期，如果采取积极、有效而合理的治疗措施，严重颅脑损伤病人的预后可望得到改善，甚至康复。另一个值得关注的现象就是神经元数量的减少与神经退行性疾病，如Azhihaimer’s病、Parkinson’s病的发生、发展有密切的关系，而这些疾病正日益成为威胁人类健康与生活质量的常见疾病，尤其随着我国步入老年社会以后，这类老年疾病的发生将更加突出。近年来的基础与临床研究表明，神经营养因子在维持胚胎时期神经系统的正常发育、促进神经再生、诱导损伤后的神经功能重建，改善损伤或多种神经系统疾病造成的神经功能障碍，提高生存质量等方面均具有良好的治疗作用；同时也证实，神经元的数量与维持依赖于神经营养因子，临床治疗研究也证实，神经营养因子确能有效地改善Parkinson’s病、Azhihaimer’s病病人的症状和体征，治疗效果十分明显。事实上，神经营养因子作为一种有效的治疗药物在临床上已经开始应用。美国CHRON，SYNTEX等十余家大公司95年便开始了NGF即神经营养因子的3期临床实验，现已正式投入临床应用，将提取的神经营养因子通过静脉或肌肉注射注入患者体内进行治疗，并且证实，神经营养因子对损伤的脑或脊髓神经元有明显的保护作用。但是同时也发现，神经营养因子通过静脉或肌肉注射途径给药，或因机体内在的生物降解作用、或受免疫排斥反应影响、或因血脑屏障的阻隔等，有效血药浓度十分有限，发挥治疗作用时间短暂，严重影响了神经营养因子的治疗效果。然而，更使人困惑的是，同一种神经营养因子、同一剂量、同一静脉或肌肉注射给药途径对于不同的治疗对象(实验动物或人)，其疗效不尽相同。有的效果较好，有的却不尽如人意。究其原因，认为可能与单一神经营养因子的作用局限，难以达到多因子协同的作用有关。

星形胶质细胞(Astrocyte，Ast)作为中枢神经系统(central nervesystem，CNS)内主要的胶质细胞成分之一，在CNS的发育和再生中起着十分重要的作用，在发育期参与神经元的代谢并引导生长锥定向迁移，调节神经元的形状和突触连接、整合神经传入信息；而成年后在诱导神经干细胞向神经元分化的过程中也起着积极的作用。Ast的这些作用很大程度上是通过合成和分泌各种细胞因子实现的。研究表明在正常和活化状态下Ast可分泌包括神经营养因子在内的细胞因子多达100余种，其中包括神经生长因子(NGF)、脑源性神经营养因子(BDNF)等，这些神经营养因子对神经元的发育、存活和再生起着十分重要的作用。目前单一成分的神经营养因子，即NGF主要通过大鼠唾液腺提取，不仅提取工艺复杂，成本高，而且成分单一。Ast同样能够合成和分泌神经营养因子，其成分不仅包含NGF，而且包含BDNF，成纤维细胞生长因子等，通过细胞培养方式获得神经营养因子的方法是一种新的尝试，并有实验室采用培养Ast条件培养基在改善神经细胞功能的实验中证实这种条件培养基显著促进了神经细胞的存活和突起生长，获得与NGF类似的作用，并证实Ast条件培养基含有上百种细胞活性因子。然而，通过条件培养基获得神经营养因子目前还无相关报道，应用Ast条件培养基中的神经营养因子作为治疗手段，并在体外利用Ast的“清道夫”功能改善中枢神经系统内环境更是一项全新的方法。现有的细胞培养通常是在培养瓶中的隔离环境中进行培养，Ast条件培养基的作用在于维持培养细胞的生长和增殖，并具有促进神经细胞突起生长的作用。

鉴于上述原因，如何实现神经营养因子的多因子联合、同时给药以及持续不间断给药，并且采用静脉或肌肉注射以外的途径给药，以减小因机体内在的生物降解作用、免疫排斥反应、血脑屏障的阻隔等因素的影响，提高药物的治疗作用，目前尚未找到有效的办法。因此需要一种能够培养多种神经营养因子的生物反应器来解决上述难题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种神经营养因子体外培养的生物反应器，它使Ast在生物反应器中设置的聚醚砜半透膜上生长、增殖，并分泌出多种神经营养因子，通过与患者脑脊液混合，形成含多种神经营养因子的混合液随脑脊液重新输入患者的脊髓蛛网膜下腔或脑室系统中，治疗CNS功能障碍疾病。

本发明的目的是这样实现的：所述生物反应器包括设有凹腔的上盖、设有凹腔的下盖，上、下盖凹腔相向合拢固定连接成的盒体，盒体的内腔中设置能通过脑脊液的培养板，该培养板上覆盖聚醚砜半透膜，所述覆盖有聚醚砜半透膜的培养板嵌设在下盖凹腔上端，位于上、下盖之间，培养板上方的上盖凹腔和培养板下方的下盖凹腔均为供脑脊液与细胞培养液混合流动的空间，培养板与上、下盖接合处分别设有硅橡胶密封环密封，所述上盖设有用于连接输液管的输入嘴，下盖设有用于连接输液管的输出嘴，所述输入嘴、输出嘴分别设于盒体的两侧，所述上盖的上端面设有若干供气体进入盒体内的孔。

由于采用了上述方案，将覆盖有聚醚砜半透膜的能通过脑脊液的培养板，设置在由上、下盖合拢固定连接成的盒体的内腔中，培养板上方的上盖凹腔和培养板下方的下盖凹腔均为供脑脊液与细胞培养液混合流动的空间，通过上盖设有的用于连接输液管的输入嘴，使患者的脑脊液能够从输入嘴进入盒体内腔，通过脑脊液中的蛋白对聚醚砜半透膜形成包被，脑脊液中星形胶质细胞能够着床于聚醚砜半透膜，从包被在聚醚砜半透膜上的脑脊液中的蛋白获取生长、增殖的营养，促进星形胶质细胞生长、增殖，分泌多种神经营养因子。在盒体上盖的上端面设置若干供气体进入盒体内的孔，使盒体置于浓度为5％CO₂的培养箱中的CO₂，能够从这些通孔进入盒体内，为星形胶质细胞生长、增殖提供微环境。盒体下盖设有的用于连接输液管的输出嘴，使混合有神经营养因子的脑脊液混合液能够从输出嘴重新输入患者脊髓蛛网膜下腔或脑室系统中。由于采用聚醚砜半透膜作为培养星形胶质细胞的贴壁层，利用聚醚砜半透膜蛋白吸附极低且具有亲水性的特点，可以减小混合液中蛋白的消耗，同时半透膜的特殊滤过性可以阻止一些大分子物质的滤过，从而起到对脑脊液的净化作用，加上脑脊液注入培养体系混合后，脑脊液中的一些有害物质经过Ast的吞噬和加工，从而起到强化对脑脊液的净化作用。

本发明神经营养因子体外培养的生物反应器具有以下优点：

一是提供了适合星形胶质细胞生长、增殖和分泌的微环境，使盛装在生物反应器内的条件培养液中的星形胶质细胞能够很好的贴壁生长在聚醚砜半透膜上，增殖，分泌出多种神经营养因子。

二是能使中枢神经系统功能障碍患者的脑脊液进入生物反应器内，在培养星形胶质细胞的条件培养液中与多种神经营养因子充分混合，经聚醚砜半透膜滤过后，形成含多种神经营养因子的混合脑脊液，重新进入患者的蛛网膜下腔或脑室系统，实现促进因疾病或外伤造成的中枢神经系统功能缺失或障碍的恢复，显著地改善病人的生存质量。

三是为CNS功能障碍的治疗提供了患者体外循环培养多种神经营养因子的环境，在生物“人工脑”治疗系统装置(即CNS功能障碍治疗装置)的工作控制下，通过患者脑脊液的体外循环，既为星形胶质细胞生长、增殖提供营养，又能将多种神经营养因子带入脑室内，实现神经营养因子与多因子联合、持续不间断经蛛网膜下腔或脑室系统给药，极大程度地减小了因机体内在的生物降解作用、免疫排斥反应、血脑屏障阻隔等因数造成神经营养因子治疗作用的降低，同时部分实现了对中枢神经内环境的净化和稳定作用。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图；

图2为图1的C向示意图。

附图中，1为上盖，2为下盖，3为培养板，3a为聚醚砜半透膜，4为输入嘴，5为输出嘴，6为硅橡胶密封环，7为螺钉，8为小孔。

具体实施方式

参见图1、图2，神经营养因子体外培养的生物反应器包括设有凹腔的上盖1、设有凹腔的下盖2，上、下盖凹腔相向合拢固定连接成盒体，盒体的内腔中设置能通过脑脊液的培养板3，培养板3采用隔栅式培养板，其上覆盖聚醚砜半透膜3a，所述覆盖有聚醚砜半透膜3a的培养板3嵌设在下盖2凹腔上端，通过在下盖2凹腔口周围的盖壁上端面设置凹槽，使覆盖有聚醚砜半透膜3a的培养板3嵌入凹槽中，并由上盖1压住定位，使覆盖有聚醚砜半透膜3a的培养板3位于上、下盖之间，培养板3上方的上盖1凹腔和培养板3下方的下盖2凹腔均为供脑脊液与细胞培养液混合流动的空间。所述上盖1的凹腔高度比下盖2的凹腔高度高，上盖的凹腔高度以20mm为佳；所述下盖2的凹腔底部为斜坡状，利于经聚醚砜半透膜3a过滤后的含多种神经营养因子的混合脑脊液流向输出嘴。所述覆盖有聚醚砜半透膜3a的培养板3与上、下盖接合处分别设有硅橡胶密封环密封6，上、下盖的硅橡胶密封环密封6分别设在上盖1、下盖2与覆盖有聚醚砜半透膜3a的培养板3的接合处设有的凹槽中，上、下盖通过螺钉7紧固连接在一起。所述上盖1设有用于连接输液管的输入嘴4，下盖2设有用于连接输液管的输出嘴5，所述输入嘴4、输出嘴5分别设于盒体的两侧，其中输入嘴4位于上盖1侧端的上部；输出嘴5位于下盖2的斜坡状凹腔底部的最低处，输入嘴4和输出嘴5采用螺纹密封连接在盖体上，或采用过盈配合连接在盖体上，或焊接，或粘接在盖体上，均能达到相同效果。所述上盖1的上端面设有若干供气体进入盒体内的小孔8，这些供气体进入盒体内的小孔8分别设于靠近上盖上端面边缘的位置，这些供气体进入盒体内的小孔8中均设有过滤膜，防止气体中的微尘进入盒体内腔。所述盒体为长方体盒体，使盒体能够平稳的放置在的培养箱中。

使用时，将本发明神经营养因子体外培养的生物反应器放置在一种CNS功能障碍治疗装置的培养箱中，该生物反应器的输入嘴与CNS功能障碍治疗装置的用于从脊髓蛛网膜下腔或脑室腔抽出的脑脊液的蠕动泵的泵管连接，该生物反应器的输出嘴与培养箱中设置的层析柱的输入端连接，层析柱的输出端与用于向脊髓蛛网膜下腔或脑室注入脑脊液的蠕动泵的泵管连接，通过CNS功能障碍治疗装置的控制系统控制，使用于从脊髓蛛网膜下腔或脑室抽出的脑脊液的蠕动泵从患者脊髓蛛网膜下腔或脑室中抽取脑脊液，并送入本神经营养因子体外培养的生物反应器，脑脊液在生物反应器中与含有神经营养因子的培养液混合形成含多种神经营养因子的混合脑脊液，从生物反应器的输出嘴输入层析柱中，经过滤后由用于向脊髓蛛网膜下腔或脑室注入脑脊液的蠕动泵重新注入患者脊髓蛛网膜下腔或脑室，实现直接从脑脊液途径为患者给药，既避开了机体免疫系统的作用，又解决了血脑屏障的阻隔，同时实现了神经营养因子与多因子联合、持续不间断给药的目的，神经营养因子可以更直接地与靶细胞接触，最大限度地发挥其治疗作用。

Claims (4)

1.一种神经营养因子体外培养的生物反应器，其特征在于：所述生物反应器包括设有凹腔的上盖、设有凹腔的下盖，上、下盖凹腔相向合拢固定连接成的盒体，盒体为长方体盒体，盒体的内腔中设置能通过脑脊液的培养板，该培养板上覆盖聚醚砜半透膜，所述覆盖有聚醚砜半透膜的培养板嵌设在下盖凹腔上端，位于上、下盖之间，培养板上方的上盖凹腔和培养板下方的下盖凹腔均为供脑脊液与细胞培养液混合流动的空间，上盖的凹腔高度为20mm，培养板与上、下盖接合处分别设有硅橡胶密封环密封，所述上盖设有用于连接输液管的患者脑脊液输入嘴，下盖设有用于连接输液管的混合有神经营养因子的脑脊液混合液输出嘴，所述输入嘴、输出嘴分别设于盒体的两侧形成患者脑脊液的体外循环，所述下盖的凹腔底部为斜坡状，用于连接输液管的输出嘴位于斜坡的最低处，所述上盖的上端面设有若干供气体进入盒体内的孔。

2.根据权利要求1所述的神经营养因子体外培养的生物反应器，其特征在于：所述上盖的凹腔高度比下盖的凹腔高度高。

3.根据权利要求1所述的神经营养因子体外培养的生物反应器，其特征在于：所述能通过脑脊液的培养板为隔栅式培养板。

4.根据权利要求1所述的神经营养因子体外培养的生物反应器，其特征在于：所述供气体进入盒体内的孔中设有过滤膜。

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