CN103160434A - 模拟机体内环境的自动化细胞培养装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于细胞培养技术领域。具体公开模拟机体内环境细胞自动化培养装置，包括层流无菌的密封室所述密封室内设有内环境模拟组织器官培养装置和目的细胞诱导培养装置。该装置可模拟培养胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、诱导神经干细胞分化的脑脊液环境、以及相应干细胞分化发育成熟的组织器官环境如肝脏、胰脏、骨髓和肿瘤等内环境，诱导培养出特定的高质量细胞满足细胞基础研究和应用需要，同时模拟的体内环境也为研究机体细胞生长、分化和成熟机制奠定了基础，有利于提高细胞培养质量，显著增加细胞学研究的重复性，节约细胞培养成本，加快细胞培养技术的临床转化与应用，为科研基础工作者提供良好的实验平台。
Description
技术领域
本发明属于细胞培养技术领域。具体公开一种模拟机体内环境的细胞自动化培养装置。
背景技术
细胞培养是生物工程、生物制药、生物资源可持续性利用和细胞医疗的基础，完善的细胞培养技术体系是保证科研、生产和医学应用的关键。机体内的细胞在生长及分化过程中所处的环境不同，其生物学特性也会随环境而改变。若要在体外培养出真实反映机体特性的细胞，就需有适宜的生物环境。如胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、维持骨髓干细胞增殖潜能的骨髓内环境和诱导神经干细胞发育成熟的脑脊液环境等。而现行的细胞培养体系不仅在模拟机体内环境方面，而且在自动化培养和实时监控方面尚不尽人意。
特别是在在医学技术领域，美国FDA和中国卫生部均批准了癌症的免疫细胞治疗和造血干细胞治疗。细胞治疗是采集患者自体或异体血液、骨髓和各种脏器组织中具有治疗作用的细胞(如免疫淋巴细胞和干细胞等)，通过诱导培养和扩增培养等体外处理，使效应细胞达到临床治疗标准后回输至患者体内的一种新型治疗方法。免疫细胞治疗和造血干细胞治疗癌症得到国内外医疗机构日益广泛地应用，具有较好的治疗成效。其它干细胞治疗研究也逐渐深入，干细胞技术被广泛应用于脊髓损伤、自闭症、唐氏综合征、脑瘫、脑外伤、进行性肌营养不良、共济失调、运动神经元病、脑发育不良、脑炎后遗症、糖尿病足等疑难病症的治疗。然而，由于现行的细胞培养体系在模拟机体内环境、自动化培养和实时监控方面尚不尽人意，体外培养干细胞技术尚难达到临床应用标准，干细胞基本上都直接采集于患者本人或相配异体，干细胞治疗常常面临缺乏相配供体和干细胞采集数量等不足。而现行免疫细胞治疗的体外培养过程一般由人工操作完成，培养操作过程繁琐，易发生微生物污染和交叉污染，难以确保整个过程的无菌化生产；人工培养方法，可重复性低，质量不稳定；同时还有效应细胞诱导和扩增数量少，培养成本较高，需要多次采集患者的淋巴细胞才能满足癌症反复多次治疗的需要。
为了解决上述问题，本申请人于2010年12月1日申请了一项申请号为201020635650.0、实用新型名称为医用细胞自动化生产装置的专利，该专利能完全实现自动化，操作过程简单方便，操作误差小，重复性好，符合GMP标准，能广泛适用于医疗和生物制药等不同工作环境和场合。细胞的生长分化依赖于机体特定的生长环境和细胞间的相互作用，如胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、多能干细胞分化为神经干细胞和神经细胞的脑脊髓环境等，然而现行细胞培养装置模拟机体内环境的设计欠缺，很难满足特定细胞的培养要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，该装置可模拟胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、多能干细胞分化为神经干细胞和神经细胞的脑脊髓环境，以及干细胞发育成肝脏、胰脏、骨髓等组织器官的所需的微环境，诱导培养出特定的高质量细胞满足细胞基础研究和应用的需要，同时模拟的体内环境也为研究机体细胞生长分化机制奠定了基础，有利于提高细胞培养质量，增加细胞实验的重复性，节约细胞培养成本，加快细胞培养技术的临床转化与应用，一方面提高了细胞的应用造福社会，另一方面也为科研基础工作者提供了良好的实验平台。
为了实现上述技术目的，本发明是按以下技术方案实现的：
本发明所述的一种模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，包括层流无菌的密封室，所述密封室内设有内环境模拟组织器官培养装置和目的细胞诱导培养装置，进行胸腺、睾丸、肿瘤和骨髓等器官的组织或细胞培养，以模拟相应组织器官的内环境，所述密封室内设有模拟组织器官样本入口和目的细胞培养样本入口，所述组织器官样本入口连接有对模拟组织器官进行培养的内环境模拟组织器官培养装置；所述目的细胞培养样本入口连接对目的细胞诱导培养的细胞诱导培养装置，其后通过连接管依次连接对目的细胞进行机体内环境模拟刺激的细胞间反应装置，所述细胞间反应装置包括细胞间反应罐及置于细胞间反应罐内相互连通的正压液体交换管、液体交换毛细管网和负压液体交换管，所述目的细胞诱导培养装置入口通过连接管与负压液体交换管连通，所述目的细胞诱导培养装置的出口与通过连接管与正压液体交换管连通，所述正压液体交换管的连通管路上设有正压装置，负压液体交换管的连通管路上设有负压装置。
作为上述技术的进一步改进，所述内环境模拟组织器官培养装置包括内环境模拟室，所述细胞间反应罐置于内环境模拟室内，这样确保正压液体交换管、液体交换毛细管网和负压液体交换管与内环境模拟组织器官培养装置内的培养液广泛接触，能达到液体的单向和双向交换，以刺激目的细胞分化和增殖，诱导培养出特定的细胞。
作为上述技术的更进一步改进，内环境模拟组织器官培养装置和目的细胞诱导培养装置内均设有培养液出入管道到位提醒传感器或温度传感器或pH值传感器或压力传感器或溶氧传感器，实时显示各培养装置内的培养参数，各传感器连接着控制器和计算机监控系统，可自动操作控制培养条件。
作为上述技术的进一步改进，所述目的细胞诱导培养装置与细胞间反应装置的正、负压液体交换管之间的管路上设有压力控制调节开关和压力感应器，实时监控细胞间反应装置的压力差，调节管路液体流量和培养装置间的液体交换。
以下说明本发明所述的模拟内环境细胞自动化培养装置的工作原理：
目的细胞诱导培养装置内的目的细胞及其培养液在正压装置驱动下通过连接管依次流入正压液体交换管、液体交换毛细管和负压液体交换管，负压液体交换管内的医用细胞及其培养液在负压装置的吸引下，回流至细胞诱导培养装置。其中一部分目的细胞及其培养液流入细胞净化装置，以减少培养液内的代谢产物和添加新鲜培养液。目的细胞及其培养液在正压液体交换管、液体交换毛细管网和负压液体交换管三个部分中与内环境模拟组织器官培养装置内模拟组织器官的分泌因子及其培养液进行液体交换，这些分泌因子如胸腺肽等刺激目的细胞分化增殖，诱导培养出特定的细胞。
在本发明中所述的正压装置驱使目的细胞诱导培养装置中的目的细胞及其培养液缓慢流入到细胞间反应装置，并且促使目的细胞的培养液排入至内环境模拟组织器官培养装置；负压装置控制负压液体交换管的负压水平，从而有利于吸入内环境模拟装置中的模拟组织器官的分泌因子及培养液。液体交换毛细管网(或液体交换罐)则增加医用细胞与模拟组织器官细胞的接触面积和时间，从而实现高效率的目的细胞与模拟组织器官的细胞间相互作用。这种正压交换管、毛细管网和负压交换管是人体动脉、毛细血管和静脉的仿生结构，为目的细胞的生长提供了组织器官的模拟环境，有利于目的细胞分化、增殖和成熟，提高目的细胞培养质量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明所述模拟机体内环境的自动化细胞培养装置可模拟胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、多能干细胞分化为神经干细胞和神经细胞的脑脊髓环境，以及干细胞发育成肝脏、胰脏、骨髓等组织器官的所需的微环境，有利于目的细胞分化、增殖和成熟，提高细胞培养质量。
(2)本发明所述模拟机体内环境的的自动化细胞培养装置能在细胞培养过程中，实现全程自动化监控，显著增加细胞实验的重复性，有利于探索细胞体外增殖、分化和成熟规律，有利于筛选细胞的最佳培养方法，有利于细胞医疗的基础和应用研究。
(3)模拟体内环境的的自动化细胞培养装置的研发成功可实现自动化生产，便于GMP管理，有利于提高细胞培养质量，节约细胞培养成本，加快细胞培养技术的转化与应用，对提高人民健康水平，提升我国生物医药竞争力具有重大的推动作用。
(4)本发明所述的模拟体内环境的的自动化细胞培养装置可模拟胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、多能干细胞分化为神经干细胞和神经细胞的脑脊髓环境，以及干细胞发育成肝脏、胰脏、骨髓等组织器官的所需的微环境，便于诱导培养出特定的细胞满足细胞医疗的基础研究和应用需要，同时模拟的体内环境也为研究机体细胞功能和生长分化机制奠定了基础，故一方面提高了细胞的应用造福社会，另一方面也为科研基础工作者提供了良好的实验平台。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做详细的说明：
图1是本发明实施例一所述的模拟机体内环境的自动化细胞培养装置结构示意图。
图2是本发明实施例二所述的模拟机体内环境的自动化细胞培养装置结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明所述的一种模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，包括层流无菌的密封室1，所述密封室1内设有内环境模拟组织器官培养装置2和目的细胞诱导培养装置3，进行胸腺、睾丸、肿瘤和骨髓等器官的组织或细胞培养，以模拟相应组织器官的内环境，所述密封室1内设有模拟组织器官样本入口I和目的细胞培养样本入口II，所述组织器官样本入口I与对模拟组织器官进行培养的内环境模拟组织器官培养装置2连接；所述目的细胞培养样本入口II与对目的细胞诱导培养的细胞诱导培养装置3连接，其后通过连接管依次连接对目的细胞进行机体内环境模拟刺激的细胞间反应装置4，所述细胞间反应装4置包括细胞间反应罐41及置于细胞间反应罐41内相互连通的正压液体交换管42、液体交换毛细管网43和负压液体交换管44，所述目的细胞诱导培养装置3入口通过连接管与负压液体交换管44连通，所述目的细胞诱导培养装置3的出口与通过连接管与正压液体交换管42连通，所述正压液体交换管42的连通管路上设有正压装置5，负压液体交换管44的连通管路上设有负压装置6。此外，为了实时调节并控制压力的大小，所述目的细胞诱导培养装置3与内环境模拟组织器官培养装置2的负压液体交换管43之间的管路还设有负压控制调节开关7和负压传感器8；所述目的细胞诱导培养装置3与内环境模拟组织器官培养装置2的正压液体交换管22之间的管路还设有正压控制调节开关9和正压传感器10。
所述内环境模拟组织器官培养装置2包括内环境模拟室21，所述细胞间反应罐41置于内环境模拟室21内，这样确保正压液体交换管42、液体交换毛细管网43和负压液体交换管44与内环境模拟组织器官培养装置2内的培养液广泛接触，能达到液体的单向和双向交换，以刺激目的细胞分化和增殖，诱导培养出特定的细胞。
内环境模拟组织器官培养装置2和目的细胞诱导培养装置3内均设有培养液出入管道到位提醒传感器或温度传感器或pH值传感器或压力传感器或溶氧传感器，实时显示各培养装置内的培养参数，各传感器连接着控制器和计算机监控系统，可自动操作控制培养条件。
所述目的细胞诱导培养装置3与细胞间反应装置4的正压液体交换管42、负压液体交换管43之间的管路上设有的压力控制调节开关和压力传感器，实时监控细胞间反应装置的压力差，调节管路液体流量和培养装置间的液体交换。
以下说明本发明所述模拟内环境细胞自动化培养装置的工作原理：
工作时，正压装置5驱使目的细胞诱导培养装置3中的医用细胞及其培养物缓慢流入到细胞间反应罐41，并且促使目的细胞的培养液排入内环境模拟罐21；负压装置6控制负压液体交换管的负压水平，从而有利于吸入内环境模拟罐21中的培养液。液体交换毛细管网43(或液体交换罐)则增加目的细胞与模拟组织器官细胞的接触面积和时间，从而实现高效率的医用细胞与模拟组织器官的细胞间相互作用。这种正压交换管、毛细管网和负压交换管是人体动脉、毛细血管和静脉的仿生结构，为医用细胞的生长提供了组织器官的模拟环境，有利于医用细胞分化、增殖和成熟，提高目的细胞培养质量。
本发明所述的模拟机体内环境的医用细胞自动化培养装置可模拟胚胎干细胞的低氧低渗环境、生殖细胞发育成熟过程中的睾丸内环境，诱导T细胞发育成熟的胸腺环境、多能干细胞分化为神经干细胞和神经细胞的脑脊髓环境，以及干细胞发育成肝脏、胰脏、骨髓等组织器官的所需的微环境，便于诱导培养出特定的细胞满足细胞医疗的基础研究和应用需要，同时模拟的体内环境也为研究机体细胞功能和生长分化机制奠定了基础，故一方面提高了细胞的应用造福社会，另一方面也为科研基础工作者提供了良好的实验平台；模拟体内环境的自动化细胞培养装置有利于提高细胞培养质量，节约细胞培养成本，加快细胞培养技术的转化与应用，对提高人民健康水平，提升我国生物医药竞争力具有重大的推动作用；将增加细胞培养实验的重复性，有利于探索细胞体外增殖、分化和成熟规律，有利于筛选细胞的最佳培养方法，有利于细胞医疗的临床研究。
实施例二：
如图2所示，本实施例与实施例一基本相同，其不同之处在于：所述内环境模拟装置为两个，包括用于模拟胸腺、淋巴结内环境的第一内环境模拟组织器官培养装置2a和用于模拟肿瘤内环境的内环境模拟组织器官培养装置2b，可以根据实际需要将医用细胞诱导培养装置1得到的效应细胞对应地输送至第一内环境模拟组织器官培养装置2a或第二内环境模拟组织器官培养装置2b中，通过正压液体交换管42、负压液体交换管44的压差的配合模拟机体内环境，并通过液体交换毛细管网43延长效应细胞在该模拟的内环境中存留的时间，有效提高效应细胞的质量。
Claims (4)
1.一种模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，包括层流无菌的密封室，其特征在于：所述密封室内设有内环境模拟组织器官培养装置和目的细胞诱导培养装置，所述密封室内设有模拟组织器官样本入口和目的细胞培养样本入口，所述组织器官样本入口连接对模拟组织器官进行培养的内环境模拟组织器官培养装置；所述目的细胞培养样本入口连接对目的细胞诱导培养的细胞诱导培养装置，其后通过连接管依次连接对目的细胞进行机体内环境模拟刺激的细胞间反应装置，所述细胞间反应装置包括细胞间反应罐及置于细胞间反应罐内相互连通的正压液体交换管、液体交换毛细管网和负压液体交换管，所述目的细胞诱导培养装置入口通过连接管与负压液体交换管连通，所述目的细胞诱导培养装置的出口与通过连接管与正压液体交换管连通，所述正压液体交换管的连通管路上设有正压装置，负压液体交换管的连通管路上设有负压装置。
2.根据权利要求1所述的模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，其特征在于：所述内环境模拟组织器官培养装置包括内环境模拟室，所述细胞间反应罐置于内环境模拟室内。
3.根据权利要求2所述的模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，其特征在于：所述内环境模拟组织器官培养装置和目的细胞诱导培养装置内均设有培养液出入管道到位提醒传感器或温度传感器或pH值传感器或压力传感器或溶氧传感器，各传感器后连接有控制器和计算机监控系统。
4.根据权利要求3所述的模拟机体内环境的自动化细胞培养装置，其特征在于：所述目的细胞诱导培养装置与细胞间反应装置的正、负压液体交换管之间的管路上设有压力控制调节开关和压力感应器。
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