CN107105639A - 自动生物反应器系统，自动实施器官去细胞方案系统，和废物净化系统 - Google Patents

Abstract

用于对器官去细胞的自动生物反应器系统包括用于含有器官的主腔室。该系统还包括含有液相试剂的试剂腔室。试剂导管向主腔室递送液相试剂，并且灌注导管将来自主腔室中的试剂出口的试剂递送到器官中。灌注泵驱动试剂流。灌注压力传感器监测流动的试剂的压力。控制系统基于接收的表示所需压力的输入和接收的检测到的压力的输入控制灌注泵以驱动试剂流。控制系统可基于传感器输入自动进行去细胞方案的所有步骤。也可提供自动废物净化系统。

Description

自动生物反应器系统，自动实施器官去细胞方案系统，和废物 净化系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年9月2日提交的美国临时专利申请第62/044,647号的权益，其全文通过引用纳入本文。

发明领域

本文所述的系统和方法一般涉及生物反应器及其系统，并且更具体地，涉及用于器官去细胞的自动化生物反应器系统、用于自动实施器官去细胞方案的系统、和生物反应器的废物净化系统。

背景技术

虽然同种异体肺移植是晚期肺病的治疗方法，由于供体器官有限，等待肺移植的患者数量稳定增加并且仅一小部分患者接受器官移植。例如，慢性阻塞性肺病(COPD)在全世界影响了超过6400万人。世界卫生组织预测在2030年之前，其将成为第三大死亡原因。又例如，肺动脉高压(PAH)影响肺部血管并且可导致右心衰竭和死亡。虽然有FDA批准的PAH治疗方法，但仍然没有痊愈方法，对于一些患者而言，肺移植是唯一选项。类似地，没有足够的器官满足需求。

甚至在接受可用于移植的器官的患者中，患者中肺移植的临床成功率受到免疫抑制和慢性排斥的阻碍，其可能发生在患者已经经过器官移植数年之后。在最好的情况下，患者通过摄入药物来压制这些问题，这可能伴随其自身的严重副作用，持续患者的剩余生命。

组织工程改造提供了经典移植的替代。这种类型的再生方法通过提供用于接种对特定患者而言有特异性的自体同源或干细胞的三维支架而具有有效绕开组织供体集合产生的限制并且防止同种异体排斥的潜力。该技术包括用一系列去污剂、盐和/或酶处理器官来在成为去细胞的过程中完全去除细胞物质，同时留下完整胞外基质，使得该基质可用作组织的后续再生的支架。去细胞通常包括用一系列去污剂和重复洗涤来连续输注器官以去除来自该器官的残留DNA和其他细胞碎片。这可产生支架，其中胞外基质(ECM)蛋白、器官结构和血管被保留。换而言之，支架保留了器官的结构特征，但不含活细胞或细胞组分。由于发现刺激免疫排斥的细胞抗原通常在细胞表面上，去除这类抗原可降低再细胞化的支架植入患者之后的排斥风险。对于肺而言，去细胞过程是特别复杂的，因为其需要保留气管和肺泡，以及肺毛细管床以确保气体交换组织的完整性。

手动进行的去细胞方案期间的人为介入和操作增加了污染风险，降低了最终产品的一致性，并且可能不利地影响所得支架的三维结构和微结构，由此浪费了大量时间和资源并得到可能无用的产品。

发明概述

需要提供改进的生物反应器系统和与之相关的系统。

本发明的一个实施方式涉及用于使器官去细胞的自动化生物反应器系统，其包含设置成含有该器官的主腔室并且具有至少一个试剂入口、至少一个试剂出口、和至少一个灌注入口。该系统还包括含有液相试剂的至少一个试剂腔室和设置成将该液相试剂从至少一个试剂腔室通过至少一个试剂入口递送至主腔室的至少一个试剂导管。至少一个灌注导管设置成通过至少一个灌注入口从至少一个试剂出口将液相试剂递送到器官中。至少一个灌注泵设置成驱动液相试剂流过至少一个灌注导管。至少一个灌注压力传感器检测流过至少一个灌注导管的液相试剂的压力。控制系统接收表示流过至少一个灌注导管的液相试剂的所需压力的输入，接收由至少一个灌注压力传感器检测到的压力的输入，并输出信号以控制至少一个灌注泵来基于接收的表示所需压力的输入和接收的检测到的压力的输入驱动液相试剂流。

本发明的另一个实施方式涉及用于自动化实施对器官去细胞的方案的系统，包括设置成检测流入器官的液体的压力的至少一个灌注压力传感器、设置成控制液体流入器官的至少一个灌注阀、和设置成驱动液体流入器官的至少一个灌注泵。该系统还包括控制系统，其设置成接收具有灌注器官的步骤的方案，接收来自至少一个灌注压力传感器的输入，和控制至少一个灌注阀和至少一个灌注泵以自动进行方案的所有步骤以对器官去细胞。

本发明的另一个实施方式涉及生物传感器的废物净化系统，包含设置成包含器官用于灌注的主腔室，设置成从主腔室接收废物流体的废物腔室，和设置成从主腔室向废物腔室递送废物流体的废物导管。该系统还包括设置成储存净化流体的净化流体腔室和设置成将净化流体从净化流体腔室导入废物流体的净化导管。

附图的简要说明

图1是一个示例性实施方式的自动生物反应器系统的生物反应器的示意图。

图2是一个示例性实施方式的图1的生物反应器的控制系统的框图。

图3是显示图2的控制系统的用户界面的主屏幕的一个实施方式的屏幕截图。

发明详述

概述

本文所述的自动生物反应器系统提供了可设置成自动进行去细胞方案的所有步骤的生物反应器，其启动之后的方案成功执行需要很少或不需要用户输入。自动生物反应器系统包括其中发生去细胞的主腔室和向主腔室供应连续封闭导管中促进去细胞所需的试剂的一系列试剂腔室。具有控制器和用户截面的控制细胞被纳入自动生物反应器系统中以通过阀和泵在封闭系统中完全自动化去细胞过程，该阀和泵通过方案的步骤引导试剂流。通过提供去细胞过程的完全自动化，人与生物反应器的组分之间的直接界面减少，从而增加了该过程中的无菌性、一致性和效率，其改善了获得更有活力并且结构上彻底去细胞的器官用于之后的移植。此外，自动生物反应器系统允许能够同时在多个生物反应器之间同时进行多个方案的中央控制系统，进一步增加了多系统之间的效率和一致性。

虽然下文所述的过程在肺的去细胞方案内容中，本文所述的自动生物反应器系统并不限于这种方案或器官。例如，也可采用自动生物反应器系统来进行可能需要灌注器官的其他应用。这些应用可包括，但不限于其中需要去细胞的肺的过程以及对所得支架材料的任何下游分析，支架的再细胞化，和对新生功能性肺的工程改造。另外，自动生物反应器系统也可用于灌注任意合适的器官或器官部分。因此，术语“器官”包括整个器官以及器官的任何功能性部分，如肺叶。

图1显示了用于进行猪肺的完整去细胞方案的自动生物反应器系统100的实施方式。图1的自动生物反应器系统一般包括设置成含有待灌注的肺5的主腔室15，腔室填充部分10和灌注部分20。也可向自动生物反应器系统100提供废物净化系统30。

如图2所示，自动生物反应器系统100还包括控制器50，其电连接生物反应器的各部分内的各种组分并设置成对其进行控制，如下文中更详细所述。另外，用户界面70另外连接至并与控制器50交流，使用户控制自动生物反应器系统100，如下文中更详细所述。

主腔室

主腔室15可以是能够产生并维持用于灌注器官或肺5的无菌密封环境的任意合适腔室。主腔室15优选包含试剂入口14、试剂出口23、灌注入口24、和废物出口31，32，其在下文中更详细描述。另外，主腔室15位于重量传感器60的顶部，其在下文中更详细描述。在一些实施方式中，主腔室15的腔体的至少部分是透明或半透明的，使得用户能够在生物反应器系统使用期间观察器官。在一些实施方式中，主腔室15将具有用于在使用期间操作主腔室内部的入口。该操作可通过向主腔室15物理插入物体如工具和设备来进行，或者可提供使用者操作腔室中已经存在的物体的界面。例如，可设计入口，使得主腔室15可用作手套箱。

腔室填充部分

如图1所示，腔室填充部分10优选包含多个试剂腔室11，各自通过试剂导管流体连接至主腔室15，该流体导管可采用管道40的形式。虽然显示了多个试剂腔室11，可采用更小或更大数量的腔室。试剂腔室11设置成盛放去细胞方案中的给定步骤所需的特定类型的液相试剂。液相试剂可以是溶液、乳液或悬液的形式。试剂腔室11可以是任意合适的容器以盛放试剂，如大玻璃、针筒等。另外，试剂腔室11中各自含有的试剂可以是对器官去细胞所需的任意合适试剂，如磷酸盐缓冲盐水(PBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、曲通X-100等。试剂导管的管道40可包含适于转移试剂和生物材料并适于未知腔室之间的无菌连接的任意常规材料，如硅管道等。如图1所示，试剂导管，例如，管道40使液相试剂通过与试剂入口14的连接流入主腔室15。

试剂腔室11和主腔室15之间放置试剂阀歧管12和试剂泵13。试剂阀歧管12控制液相试剂从给定试剂腔室11流向容纳肺5的主腔室15。试剂阀歧管12包括多个阀端口。在试剂阀歧管12上提供的阀端口的数量可以是使方案所需的众多液相试剂进行共线(in-line)流动的任意合适数量。如图1所示，试剂阀歧管12包括5个阀端口，使得能控制至多5个试剂腔室11流过连接至主腔室15的试剂入口14的管道40。试剂阀歧管13也可以是任意合适的阀机制，其可控制液相试剂从特定试剂腔室11流向主腔室15的腔室填充入口14。优选地，试剂阀歧管13包括螺线管夹型阀机制形式的试剂阀。这些螺线管夹型阀机制可通过向管道40施加力以阻止液相试剂流动来控制液相试剂流过管道40，其在使用螺线管夹型阀机制时柔性的。这种阀机制是外部截止装置，其最小化与管道40内含有的试剂的接触，从而增加了系统的无菌性。

试剂泵13连接至试剂阀歧管12下游的管道40。试剂泵13驱动液相试剂从给定试剂腔室11流入试剂入口14。试剂泵13可以是用于将流体泵送到主腔室15内的任意合适的机制。在图1所示的实施方式中，试剂泵13是双头蠕动泵以允许增加的流速和压力，并保持管道40内流体的无菌性。如图2所示，试剂阀歧管12和试剂泵13都电连接至控制器50，并设置成受控制器50控制。

如上所述，主腔室15位于重量传感器60，例如，天平上。重量传感器60设置成检测主腔室15中存在的重量。如图2所示，重量传感器60向控制器50传递检测到的重量。

灌注系统

灌注系统20的实施方式示于图1。其优选设置成具有灌注导管的封闭循环系统，以附加管道40的优选形式，从主腔室15的试剂出口23导向主腔室15的灌注入口24，使得在主腔室15内含有的液相试剂可再循环并灌注通过肺5。形成灌注导管的管道40还可通过灌注入口24延伸到主腔室15并延伸到主腔室15中含有的肺5。如图1所示，管道40可设置成延伸到肺5的肺动脉，使得灌注可通过肺5的心肺循环发生。

由灌注泵21驱动液相试剂流过肺5，其如图2所示，电连接至控制器50并设置成受控制器50控制。如图1所示，灌注泵21可以是单头蠕动泵。可包括脉冲缓冲器22并且位于灌注泵21和主腔室15之间。脉冲缓冲器22可用于在灌注到肺5之前避免气泡进入液相试剂，或可用于防止由在操作期间可能由灌注泵21生成的流脉冲对肺5的破坏。脉冲缓冲器22可以是设置成盛放灌注系统中残留流体循环的任意合适的封闭容器。另外，还可向脉冲缓冲器22提供搅拌棒以降低脉冲缓冲器22的孔中停滞的概率，这种情况可能导致污染。另外，脉冲缓冲器22可降低流向肺5的液相试剂中压力输出波形中的噪音。这进而可使得通过灌注压力传感器25更精确地测量压力，其在下文中更详细描述。

连接至与主腔室15的灌注入口24上游的管道40的是灌注压力传感器25，其用于检测流过管道40并流入肺5的液相试剂的压力。如图2所示，灌注压力传感器25还被设置成与控制器50交流压向试剂的检测到的压力。灌注压力传感器25可设置成检测灌注入口24下游任何点处的液相试剂的压力。如图1所示，灌注压力传感器25连接至管道40，使得灌注压力传感器25检测灌注入口24处的压力。灌注压力传感器25可放放置在腔室外，高度大致匹配灌注期间肺5在主腔室5中漂浮的高度。

废物净化系统

如图1所示，废物净化系统30的优选实施方式一般包括净化流体腔室34和废物腔室35。废物腔室35经流体连接以通过废物导管接收来自主腔室15的废物流体，而净化流体腔室34通过净化导管流体连接至废物腔室35，其可由附加管道40形成。净化流体腔室34被设置成盛放净化流体，例如，漂白剂，而废物腔室35被设置成盛放含有来自主腔室15的废物流体和来自净化流体腔室34的净化流体的混合物。

如图1所示，主腔室15和废物腔室35之间放置2个排水阀33，其控制废物流体从主腔室15流过废物出口31，32。如上述阀歧管12所述，排水阀33也可包括螺旋管夹阀作为针对封闭系统的增强无菌性的阀封闭机制。另外，也可用单向阀提供各废物出口31，32以防止废物流体流回主腔室15。

与排水阀33下游连接的是净化泵36，其如图2所示，电连接至控制器50并受控制器50控制。净化泵36驱动废物流体从主腔室10流向废物腔室27。另外，净化泵36，如图1所示，也可驱动净化流体从净化流体腔室34流向废物腔室35。如图1所示，净化泵55可采用4头蠕动泵的形式，其中2个泵头设置成驱动连接主腔室15至废物腔室35的管道40内的废物流体流，并且另外2个泵头设置成驱动净化流体从净化流体腔室34流向废物腔室35。

在一些情况中，某些净化方案需要废物流体与特定比例的净化流体在废物流体被安全并适当排放之前混合。例如，在排放之前，废物流体可与占废物流体总体积所需比例(例如，10％)的漂白剂混合。为此，在一个实施方式中，从净化流体腔室34导向废物腔室35的净化导管的直径相对于从主腔室15导向废物腔室35的废物导管的直径小所需比例(例如，尺寸的1/10)。并且，如图1所示，由于净化泵36驱动来自主腔室15的废物流体流和来自净化流体腔室34的净化流体流，净化泵36可设置成在恒定流速下泵送，使得净化流体可以流入废物腔室35的流体速率的合适比例混合。此外，如图1所示，为了确保净化流体与废物流体的充分混合，净化流体可在废物导管内和废物腔室35上游以共线引入废物流体。然而，净化流体也可被直接引入废物流体并且随后在废物腔室35内混合。

另外，可采用分开的泵以驱动废物流体从主腔室15流向废物腔室35和净化流体从腔室34流向废物腔室35。在此意义上，控制器40然后可控制各净化泵36和其他泵以驱动废物流体从主腔室10以及净化流体从净化流体腔室34分别流动。可控制各泵以在相应流速下运行，使得净化流体与废物流体以安全和合适排放所需的比例混合。

如图1所示，附加管道40形式的排水导管从废物腔室35延伸至排水管37。位于废物腔室35和排水管37之间的是排水泵38，其驱动废物流体和净化流体混合物从废物腔室35流向排水管37。如图2所示，排水泵38，其可以是双头蠕动泵，电连接至控制器50并受控制器50控制。或者，然而，可省略排水泵38并且排水导管可另外从废物腔室35的底部延伸。诸如螺线管夹阀的阀可包括在废物腔室35出口的下游。然后可设置控制器50以控制阀，使得，当打开时，废物流体和净化流体混合物通过重力流向排水管37。

如图1另外所示，显示了多个二级容纳腔室39，其用作防止废物流体流到自动生物反应器系统100以外的二级措施。如图1所示，主腔室15，净化流体腔室34，和废物腔室35各自放在二级容纳腔室39中。二级容纳腔室39用于盛放来自这些腔室各自的流体的任何溢流。如图1所示，各二级容纳腔室39连接至多个排水导管，各自由管道40形式，其使得二级净化腔室39中含有的任何流体流入排水管37。

自动生物反应器系统100并不限于图1所示的传感器，并且可包括使用可测量与灌注过程相关的变量的任何其他传感器。例如，可包括温度控制系统。温度控制系统可具有与主腔室15相邻放置的温度传感器以检测主腔室15内含有的液相试剂和肺5的温度。温度控制系统也可包括加热和/或冷却元件，其设置成加热和/或冷却在主腔室15内含有的液相试剂和肺5的温度。温度传感器然后可设置成与控制器50交互检测到的温度。控制器50然后可设置成控制加热和/或冷却元件以调节液相试剂和肺5的温度至对去细胞过程而言安全的温度。通过控制主腔室15内的温度，还可进一步维持系统的无菌性和器官的结构完整性。其他传感器也可包括但不限于，pH传感器、电导传感器等。

如上所述，自动生物反应器系统100包括在封闭无菌环境中对肺去细胞的生物反应器。通过用控制去细胞过程的机制限制人相互作用并通过最小化系统的移动部分(例如，阀机制，泵)与内部组分(例如，液体试剂，器官)的接触，可实现无菌性更好的生物反应器系统，从而增加了去细胞过程后可行且结构良好的支架的可能性。

控制过程

现在将连续参考图1和2对用于自动化对肺5去细胞的整个方案的控制过程的概况进行描述。通常，控制系统可通过依次和/或同时进行三种类型的过程：腔室填充过程、灌注过程、和废物净化过程来自动实施整个方案的全部步骤。

该方案可以是用于对器官灌注或去细胞的任意已知方案以及新方案。可以多种方式中的任一种向系统提供该方案。例如，该方案可以数据电子表格的部分上传。或者，该方案，或多个方案可储存在系统上供用户选择。作为另一个替代，可由用户修改储存的方案。

控制系统，或其控制器50可以是一般目的的处理器，数字信号处理器(DSP)、应用特异性集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑装置、离散门或晶体管逻辑元件、离散硬件组件、或其任何组合经设计以进行本文所述功能。一般目的的处理器可以是微处理器，但或者，该处理器可以是任何常规处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器也可以计算装置的组合实现，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、一个或多个微处理器与DSP核心、或任何其他这类构造的组合。与本文所述的实施方式关联描述的算法或方法的步骤可在硬件，在由处理器执行的软件模块，或两者的组合中直接体现。软件模块可在RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、缓存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其他类型的储存介质中。示例性的存储介质与处理器耦合使得该处理器可从存储介质中读信息并向存储介质写信息。或者，存储介质可集成到处理器上。处理器和存储介质可在ASIC中。ASIC可在用户终端。或者，处理器和储存介质可以离散组件位于用户终端。在一个或多个示例性实施方式中，所述的功能可在硬件、软件、固件或其任意组合中实施。这类硬件、软件、固件或其任意组合可以是处理器、数据库、系统中相关组件、其组件等的任意一种或组合的部分或由处理器、数据库、系统中相关组件、其组件等的任意一种或组合实现。如果在软件中实现，该功能可以计算机可读介质上的一个或多个指令或代码储存或传输。计算机可读介质包括计算机储存介质和交流介质，其包括促进计算机程序从一个地方向另一个地方转移的任何介质。储存介质可以是可由计算机访问的任何可及介质。例如，但不限于，这种计算机可读介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁性存储装置、或可用于承载或储存指令或数据结构形式的所需程序代码并可被计算机访问的任何其他介质。另外，任何连接被适当地成为计算机可读介质。例如，如果用同轴缆、纤维光缆、扭结对、数字用户线路(DSL)、或无线技术如红外、辐射、和微波从网页、服务器、或其他远程源传输软件，则同轴缆、纤维光缆、扭结对、DSL、或无线技术如红外、辐射、和微波包括在介质的定义中。本文所用的磁盘和盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多用途盘(DVD)、软盘、和蓝光盘，其中磁盘通常磁性重现数据，而盘用激光光学重现数据。上述组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。

腔室填充过程从控制器50向试剂阀歧管12输出信号以打开阀中的一个或多个(同时，关闭任何该过程不需要的阀)以使给定试剂腔室11中含有的液相试剂流动开始。同时，控制器50也向试剂泵13输出信号以驱动液相试剂从与现在打开的阀管线连接的试剂腔室11流入通向试剂入口14的管道40。可按照具体方案和/或用户设定来驱动试剂泵13。例如，控制器50可向试剂泵13输出以恒定流速(例如，100ml/分钟)或恒定压力(例如，30mmHg)泵送。如果试剂泵13是蠕动泵，控制器50还可向试剂泵13输出以在给定方向上运行(例如，顺时针或逆时针)。

用所需的液相试剂填充主腔室15时，控制器50连续接收由重量传感器60检测到的主腔室15的重量的输入，如图2所示。使用这种检测到的重量，控制器50然后确定在该给定时间处主腔室15中存在的液相试剂的体积。例如，控制器50可基于主腔室15的检测到的重量和使用的液相试剂的已知密度确定液相试剂的体积，其可在实施该方案之前预储存在程序中。通过连续检测主腔室15的重量和由此的主腔室15中存在的液相试剂的体积，控制器50然后可确定何时已经达到该方案的腔室填充步骤所需的液相试剂的体积。

另外，控制器50也可设置成确定液体试剂的最大体积是否和/或何时已经引入主腔室15中。在这种情况中，在实施该方案之前，可用预储存的阈值体积对控制器50进行编程，该阈值体积可表示主腔室能够盛放的流体的最大体积，或者该最大体积的一些比例。在实施腔室填充步骤期间，如果控制器50确定主腔室50已经填充，从而已经达到阈值体积，则处理器50可设置成停止腔室填充步骤继续(通过停止试剂泵13的运行)即使腔室填充步骤仍然需要向主腔室15中引入额外的液体试剂。然后控制器50可自动进到该方案中的下一步骤(例如，灌注步骤或排水步骤)。在此意义上，通过连续监测主腔室10的重量，控制器50可放置主腔室15的过度填充，从而提供对系统的保护。

在灌注过程中，系统中的所有阀关闭，控制器50输出信号以控制灌注泵21来驱动主腔室15中含有的液相试剂流入肺5(例如，流入肺5的肺动脉)。与上述腔室填充过程相似，控制器50可输出信号以控制灌注泵21来驱动液相试剂以恒定压力或恒定流速流动，如该方案所定义。另外，如果采用蠕动泵，控制器50可引导灌注泵21也以给定方向运行。

灌注期间，控制器50连续接收由灌注压力传感器25检测到的流向肺5的液相试剂的压力的输入，如图2所示。控制器50也可设置成接收向肺5中输入所需压力和/或流速的液相试剂。所需的压力和/或流速可由方案限定或可由用户具体指定并且可通过表示通过灌注导管的所需压力的输入来输入控制系统。基于接收的检测到的压力和接收的代表所需压力的输入，控制器50然后可输出信号以控制灌注泵21以连续保持进入肺5的所需压力和/或流速。控制器50也可设置成检测检测到的压力是否和/或何时从进入肺5的液相试剂的所需压力和/或流速偏离预储存的阈值量。例如，控制器50可设置成检测检测到的压力是否和/或何时比方案限定的压力和/或流速高15％或低15％。控制器50然后可进一步设置成与用户界面70交流这种偏差，其可随后出于故障排除的目的向用户警告该偏差。

在完成灌注步骤之后，控制器50可设置成使用，例如，水或盐水来启动额外洗涤步骤，以在进到下一步骤之前从肺5或灌注导管中洗去残留的液体试剂。在这种情况中，控制器50可向腔室填充部分10的阀歧管14输出信号以打开阀并且能够从设置成盛放洗涤流体的试剂腔室11中流出。然后控制器50可控制试剂泵13和灌注泵21以启动洗涤流体流过系统。

在废物净化过程期间，控制器50输出信号以打开排水阀33以使废物流体从主腔室15流向废物腔室35。同时，控制器50向净化泵36输出信号以引导废物流体从主腔室15流向废物腔室35。如上述和图1所示，净化泵36也可设置成引导净化流体从净化流体腔室34流向废物腔室35。控制器50然后可向净化泵36输出信号以引导废物流体和净化流体流过管道40使得2种流体以合适比例混合。或者，如果使用2个分离的泵来分别引导废物流体流和净化流体流，则控制器50可向各泵输出信号以引导相应的流体以将确保两种流体的适当混合的速率流动。如上文类似描述，控制器50可向净化泵36输出信号来泵送废物流体和/或净化流体以恒定压力或恒定流速流过管道40。

在废物净化过程进行时，控制器50通过接收由重量传感器60检测到的重量输出来连续监测从主腔室15排除的废物流体的体积。一旦所需体积的废物流体已经从主腔室15中排出，如方案所定义，控制器50向阀33输出信号以关闭。一旦废物流体和净化流体混合物已在废物腔室35中混合并沉降所需的时间以确保充分净化，然后控制器50向排水泵38输出信号以驱动废物腔室35中含有的流体流入用于排出的排水管37。或者，如上所述，控制器50可被设置成输出信号以打开位于废物腔室底部的阀，使得废物腔室35中含有的流体通过重力排出。

如上所述并且如图2所示，控制器50与用户界面70交流。用户界面70使用户能远程编写去细胞方案用于上传至控制系统，并且然后设置并控制由自动生物反应器系统100执行的自动方案。用户界面70的主屏幕的实施方式示于图3并且在下文中进一步详细描述。

用户界面70使用户能确定含有泵和阀功能的操作信息的一系列步骤(“配方(recipe)”)。用户确定的配方用于引导控制器50至合适组件以在整个方案执行期间在给定时间处控制。可由用户使用任意合适的基于文本的程序(远程或在用户界面70内)来写这一系列步骤，其然后可上传到控制系统中用于执行。另外，用于确定的系列步骤可储存在控制系统中用于之后的召回和执行，从而使得容易选择并实行常用的方案和设置。

在开始自动化去细胞过程之前，用户界面70使用户能设置在系统设定指令89下用于去细胞方案的给定生物反应器的系统设定，其可能提出用户界面70的分离的窗口以使用户建立生物反应器系统的设定。在此，可在此设置压力输入、螺线管支架的数字输出、和泵任务以确保从装置适当读取数据。一旦已经由用户选择所需的系统设定，用户然后可通过用户界面70由开始指令来驱动由自动生物反应器系统100执行选择的方案。也可包括重启硬件指令90以在开始新配方之前启动硬件。

在执行自动化去细胞过程期间，用户界面70使用户能远程监测并控制方案执行。例如，在图3所述的用户界面70的主屏幕的部分A下，用户可在方案进行时使用指令按钮71开始、停止或暂停方案的执行。虽然使用指令按钮71暂停执行暂时停止了所有泵，但用户仍然可通过使用在部分E中含有的超驰控制(override)参数打开泵，其在下文中进一步详细描述。另外，指令按钮71还可包括跳过指令，使用户跳过方案中的当前步骤并进到后续步骤。

用户界面70也可向用户提供关于方案执行时生物反应器状态的实时信息。例如，如图3所示，在部分C下，在指示73下，用户界面70可使用户看到执行当前步骤和/或总体方案的剩余时间。用户界面70也可提供标签72下提供方案所有步骤的可视列表并且在指示74下显示正由系统执行的当前步骤。另外，用户界面70可使用户监测由控制器50从系统中存在的各种传感器接收的输入。例如，用户界面70可设置成显示波形表75，在图3所示的主屏幕的部分D下，其显示随时间的由压力传感器25检测到的压力。可由用户用合适的绘图操作工具(例如，缩放、标尺、拖曳等)来操作波形表的方面。基于从压力传感器25接收的检测到的压力输入由控制器50确定的压力和流速的测量值也通过表76显示。此外，对于采用多个压力传感器的系统，可提供切换按钮87使得用户能切换和/或添加关于由各压力传感器检测到的压力的实时信息。类似地，由控制器50确定的主腔室15内含有的液相试剂的体积也可通过部分D下的指示77实时显示。用户可使用重新校准指令88来归零和/或校准任何压力传感器。然而，优选地，重新校准指令88仅在配方开始前活动并且在自动去细胞方案活动时候变得不活动。

另外，用户界面70也可设置成向用户告知阀和泵的当前运行状态。例如，用户界面70可在标签78下向用户显示给定泵的当前运行状态(例如，空转、测试、警报状态)。在该标签下，也显示螺线管、泵、和压力输入的错误。也可显示标尺调试值，其包括用于显示体积的测量值并且用于计算填充步骤的体积。

可通过用户界面70的主屏幕的部分C下的标签79向用户指示系统的总体主要状态(例如，空转、测试/运行、警报状态)。如上所述，控制器50可设置成检测由给定的泵驱动的流速的检测的压力是否偏离超过预定阈值。如果这种偏差发生，控制器50然后可向用户界面70交流这一状态，其可能设置成向用户警告泵的警报状态(例如，当压力读数与至少一个泵的压力设定点偏离15％时，指示79从绿色变成黄色，然后当压力读数与至少一个泵的压力设定点偏离超过30％时，从黄色变成红色)。

为了进行故障排除，用户界面70可含有在图3所示的主屏幕的部分E下的超驰控制参数。在该部分中，用户可在方案执行期间改变泵设定和值状态以偏离上传的方案。例如，可通过泵控制部分82超驰控制泵设定。使用泵控制部分82，用户可打开或关闭泵，改变泵的运行模式(例如，恒定流速至恒定压力)，改变泵的运行方向(例如，顺时针到逆时针)、和/或改变流速和/或压力设定点。类似地，也可在阀控制部分83下改变阀设定，其中用户可打开或关闭系统中的特定阀。也可通过流体控制部分84手动改变流体设定。如图3所示，用户可从下拉式菜单的库中选择流体，其对应于由阀控制部分83中所示的阀控制的流体流。或者，用户可选择手动插入在下拉式菜单中不包含的特定流体，并且因此可利用流体设定指令85来更新系统。一旦更新选择，然后密度信息可传到控制系统用于计算主腔室15的显示体积和目标填充体积。也可包括容器设定指令以使用户输入关于生物反应器本身的信息。因此，用户界面70使得能够对自动化去细胞过程进行连续监测和控制以能够对总体方案进行更有效和高效的控制。

用户界面70也可包括通知设定指令，其使用户能在系统执行方案时远程接收关于系统的通知。该设定指令81可以由控制系统进行例如邮件的形式的给定步骤中的任何变化的自动化通知并且整体在系统状态上周期性更新。另外，用户界面70可通过注释指令86向数据目录中插入时间标签的注释，其保存在系统中用于以后观察。这使得用户能注意到出于分析目的对方案作出的特定变化，如插入关于在设置期间采用的步骤的指示说明，其可对应于数据目录中的异常，例如，通过调节压力传感器。

用户界面70也可监测并控制各自在分开的生物反应器中执行的多个方案的执行，如图1所示。在这种情况中，控制器50可用作中央控制系统并且按照用户确定的各系列步骤控制各生物反应器的组件。用户界面70可使用户在执行的方案之间切换以同时监测并控制各分开的方案。通过集中化的系统，可同时进行几个去细胞方案，从而增加了整个过程的效率。

待通过生物反应器系统去细胞的肺组织的准备的示例性方案

在生物安全柜(BSC)中准备干净的工作区。使用良好的无菌技术来进行准备过程的所有步骤以最小化环境微生物污染物的引入。根据需要使用无菌袖套和手套以及交换手套。

内脏(即，心肺循环)从装运容器中取出并且严格检查血管、气管、胸膜和实质的创伤。内脏然后可在无菌条件下经适当解剖。包装可以是灭菌的。将肺动脉导管插入肺动脉中并固定，并且解剖内脏从而去除心肌。可修剪掉任何剩余的心脏组织。然后可用肝素化的盐水通过肺静脉来灌注肺，用于在生物反应器系统中的后续灌注期间的抗凝血。准备的肺然后称重并转移到通风橱区用于在需要时加载到主腔室中。

通风橱中生物反应器的示例性设置

通风橱送风机打开，用合适的清洁溶液下喷通风橱。将高压灭菌的主腔室放到通风橱附近，并且高压灭菌包裹的外层被解开。使用斜坡将主腔室滑到通风橱中。用袖套和手术手套，解开主腔室上的高压灭菌包裹的内层并从通风橱中去除。去除生物反应器玻璃和基底之间的垫片。一旦所有垫片被去除，验证了玻璃置于具有底部周围均匀边缘的底部衬垫上。

去除覆盖玻璃的高压灭菌包裹。通风橱外的人去除顶环的外层，并使用无菌手套将其带入通风橱。无菌帷幕被带入通风橱。然后使用螺钉和工具将顶环固定至金属铜柱。

将主腔室盖带入通风橱。将盖置主腔室的顶部，并且紧固器将盖附连至顶环。现在，主腔室对于环境封闭，基底和盖上的所有端口都被盖紧。使用无菌接管机(biowelder)，将试剂管线接至试剂管道组件。该组件接至试剂腔室。使用蠕动泵来填充主腔室。

在填充至管排水水平后，停止试剂泵。灌注导管从基底接至脉冲缓冲器的一端。脉冲缓冲器的另一侧在生物反应器的顶部接至灌注导管，完成灌注回路。

通过将溶液灌注通过灌注导管来启动灌注，并且使用无菌注射器从管线中去除空气。将主腔室填充至约20L。

在通风橱中无菌安装肺的示例性方案

灌注泵缓慢运行(25mL/分钟)并且吹扫灌注回路中的所有空气。将遮盖的无菌盘中的器官(肺)带入通风橱中。松开主腔室盖上的曲柄。用无菌手套，将肺移入主腔室并进行连接。

评估灌注导管的任何空气气泡。使用试剂泵，将溶液泵送回1x PBS试剂腔室中直至主腔室为约20L。试剂导管被密封并与1x PBS试剂腔室断开。然后通风橱中移去主腔室并转移到去细胞站。在安装肺之后用合适的消毒剂对通风橱进行消毒。

示例性的自动肺去细胞方案

一旦主腔室放在天平上，使用无菌接管机来连接以下管线并完成生物反应器流体回路：(1)试剂导管；(2)排水导管；(3)至阀歧管的试剂腔室连接。

然后以低速人工启动灌注。以1000mL/分钟的速度将约1-2L的PBS人工填充到主腔室中。

将灌注压力传感器在40L的高度处放在腔室外侧，匹配实验大部分期间肺将漂浮的高度。通过按下“重新校准”按钮将灌注压力归零，然后使压力变换器1归零(无论哪个变换器正控制灌注泵，由配方具体指定)。

通过按下“启动”按钮开始该实验，之后提示合适的配方文件，数据储存未知，和溶液/腔室设定。

肺设置可接触的样品自动去细胞过程如下：(1)在30mmHg下灌注PBS持续2小时，一旦配方开始，从主腔室排出20L；(2)在5天内进行5个循环的腔室填充、灌注、和排出0.5％SDS；(3)进行一个循环的腔室填充和排出，和一天接触DiH₂O；(4)在1天内进行1个循环的腔室填充、灌注、和排出0.5％曲通-X；和(5)在5天内进行5个循环的腔室填充、灌注、和排出PBS的最后洗涤步骤。

频繁监测组织状态和生物反应器功能对于该过程而言是重要的；根据组织灌注效率，可能需要人工介入溢流废物排出。在无菌测试或分析过程期间可进行对腔室流体取样。通过主腔室顶部上的密闭(swabbable)端口这些样品来获取这些样品。

去细胞组织的示例性储存

在实验结束时，去细胞的组织将被储存、取样和甲醛固定或同时。

通过按下“停止”按钮，实验在软件界面上停止。人工排出主腔室(首先排出废物，如果需要)直至主腔室中没有剩余液体。使用Clipster工具或加热密封工具，从主腔室到外周管道的所有连接都被关闭。

在将主腔室放入通风橱之前，对主腔室的外部进行消毒。将主腔室加载到通风橱中，然后灭菌盘/帷幕。去除盖。使用无菌手套，将肺从灌注导管断开并带到盘中。从通风橱中移去盘并带入生物安全柜中用于储存或取样。从通风橱中移去主腔室，并且按照方案对单元进行消毒。

腔室和站清洁的示例性方案

腔室下游的所有管道和配件(排水导管，废物)应该在生物有害废物容器中处理。也应该以这种方式处理灌注导管管道；然而，可清洁并保留压力传感器。

由于主腔室上的涂层及其组分的相对脆度，必须用温和去污剂手动洗涤主腔室部件。干净的主腔室部件经干燥。

废物腔室剥离其外部管道-该管道以生物有害废物处理。大瓶本身可在部件洗涤器中洗涤。应手动洗涤废物排出大瓶中的盖/封液管。如果在去细胞实验期间有溢出，可手动洗涤容纳废物排出大瓶的溢出保护容器。漂白剂大瓶不需要洗涤，只需要在适当时用漂白剂再次填满。应该在每次去细胞时替换漂白剂管线回路以避免接触漂白剂的配件裂开。

应该用漂白剂净化脉冲缓冲器中残留的流体并倒入排水。脉冲缓冲器本身可被拆卸并洗涤。搅拌棒可手动或在部件洗涤器中的篮中洗涤。

生物反应器程序的示例性操作

从计算机桌面打开生物反应器程序并且如果已出现硬件或软件变化则更新系统设定。在系统设定下，必须针对正常去细胞过程设置以下4种性质以确保将从装置中适当读取数据：(1)类似物输入装置(压力输入)；(2)DigOut装置(螺线管)；(3)类似物输出任务(泵控制)；和(4)天平COM端口(天平-端口连接)。也设置了当灌注泵受到压力控制时决定灌注管线中的最小和最大流速的流速限制。使用PC ID作为保留系统参数的标识物。例如，当PCID被设为“生物反应器1”时，所有相关的设定被保留至该ID。将在程序的后续执行时默认出现最后用于程序执行的PC ID(和相关的系统设定)。PID参数默认为0.1的Kp、Ki、和Kd值。中值滤波器秩是平均来自压力传感器的数据点读数以最小化噪音的滤波器。具体值越大，观察到的滤波器效果越大。其默然为数值2，但可修改以降低压力表中的噪音。已经发现数值25适于自动去细胞过程。

“电子邮件设定”按钮将打开电子邮件配置屏幕。可在任何时候改变电子邮件设置。检查信箱以接收电子邮件信息，其包括通知系统状态变化和周期性测试状态电子邮件。输入将会接收电子邮件的间隔。例如，具体指定01：00：00的间隔将每小时发送周期性电子邮件。以系统、步骤、泵、和螺线管阀的当前状态的验证来发动周期性电子邮件。另外，系统状态改变电子邮件将在无论通过自动或人工操作的系统状态改变的任何时候发送。在所有信息被适当输入之后，通过点击“测试”按钮发动测试电子邮件。如果设定令人满意并且已经接收了测试电子邮件，则按下“保存并退出”按钮以保存改变并回到主屏幕。

通过点击“启动”按钮，出现选择配方框。通过点击“打开XLS文件”按钮来打开最近的配方文本文件。配方文件一般位于桌面文件夹上。回顾配方以确保选择合适的文件，并且点击“继续”按钮，其提示用于输入数据录入信息。选择保存数据的文件夹。选择的文件夹应该反映使用的生物反应器站(4A，4C，5A，5C)。选择数据点保存频率(60秒)。一旦已经输入所有设定则选择“继续”按钮以启动过程。

在选择配方之后，将要求用户适时验证流体和容器设定在选择配方之后，将在启动自动去细胞过程之前最后一次提示用户。一旦启动，可通过点击正面板上的“暂停”按钮来暂停配方。用户可能出于故障排除的目的需要暂停配方执行。在暂停状态中，程序将显示闪烁的“恢复”按钮，其提示用户在人工故障排除之后继续执行。在暂停状态中，用户可切换阀，打开和关闭泵，并调整泵设定。虽然可在暂停状态期间运行泵，背景颜色将仍然是灰色，表示空转状态。甚至在暂停状态下持续记录数据。配方在相同步骤中并且以其暂停的相同剩余步骤时间恢复。如果在暂停期间改变任何泵设定，这些改变将在恢复步骤之后保留。可在配方运行时人工设置泵和螺线管阀。用户可能需要出于故障排除目的人工调整这些设定，如将灌注泵转换到恒定压力而不是恒定流。超驰控制设定将在步骤的其余部分，以及暂停和恢复动作中保留。

一旦配方已经完成最后步骤，主状态将显示“测试完成”。数据录入文件，其可通过Microsoft Excel访问。储存执行期间的压力-时间戳数据。

虽然前文描述了具体优选的实施方式，应理解本发明不限于此。本领域普通技术人员应理解，可对所公开的实施方式进行各种变动，这些变动应落入本发明范围。

除非另有说明，“一个”或“一种”表示“一个(种)或多个(种)”。

说明书中引用的所有出版物、专利申请和专利都通过全文引用纳入本文。

Claims (17)

1.用于对器官去细胞的自动生物反应器系统，包括：

设置成包含所述器官的主腔室，所述主腔室具有至少一个试剂入口，至少一个试剂出口，和至少一个灌注入口；

含有液相试剂的至少一个试剂腔室；

设置成将所述液相试剂通过所述至少一个试剂入口从所述至少一个试剂腔室递送到所述主腔室的至少一个试剂导管；

设置成将所述液相试剂通过所述至少一个灌注入口从所述至少一个试剂出口递送到所述主腔室中包含的所述器官中的至少一个灌注导管；

设置成驱动液相试剂流通过所述至少一个灌注导管的至少一个灌注泵；

设置成检测流过所述至少一个灌注导管的液相试剂的压力的至少一个灌注压力传感器；和

控制系统，其设置成：

接收表示流过所述至少一个灌注导管的液相试剂的所需压力的输入；

接收由所述至少一个灌注压力传感器检测到的压力的输入；和

基于接收的表示所需压力的输入和接收的检测到的压力的输入输出信号以控制所述至少一个灌注泵以驱所述液相试剂流。

2.如权利要求1所述的自动生物反应器，还包括：

设置成控制通过所述至少一个试剂导管的液相试剂流的至少一个试剂阀；

设置成驱动通过所述至少一个试剂导管的液相试剂流的至少一个试剂泵；

设置成检测所述主腔室中含有的重量的重量传感器，

其中所述控制系统还设置成：

接收由所述重量传感器检测到的重量的输入；和

基于所述检测到的重量来输出信号以控制所述至少一个试剂阀。

3.如权利要求2所述的自动生物反应器，其特征在于，所述控制系统基于所述检测到的重量和所述液相试剂的密度来计算所述主腔室中含有的液相试剂的体积。

4.如权利要求1所述的自动生物反应器，其特征在于，所述表示所需压力的输入是压力和/或流速中的至少一个。

5.如权利要求1所述的自动生物反应器，其特征在于，所述至少一个灌注压力传感器设置成检测所述至少一个灌注入口处的压力。

6.如权利要求1所述的自动生物反应器，还包括：

设置成控制通过所述至少一个试剂导管的液相试剂流的至少一个试剂阀，

其中所述试剂导管是柔性的并且所述至少一个试剂阀是夹阀，其向所述柔性试剂导管施加力以阻止所述液相试剂流。

7.如权利要求1所述的自动生物反应器，还包括：

设置成检测所述主腔室内的温度的至少一个温度传感器；和

设置成调节所述主腔室内的温度的至少一个温度控制系统，

其中所述控制系统还设置成：

接收由所述至少一个温度传感器检测到的温度的输入；和

输出信号以控制所述温度控制系统调节所述主腔室中的温度。

8.一种用于自动化实施用于对器官去细胞的方案的系统，包括：

设置成检测流入所述器官的液体的压力的至少一个灌注压力传感器；

设置成控制液体流入所述器官的至少一个灌注阀；

设置成驱动液体流入所述器官的至少一个灌注泵；和

控制系统，其设置成：

接收具有灌注所述器官的步骤的方案；

接收来自所述至少一个灌注压力传感器的输入；和

控制所述至少一个灌注阀和所述至少一个灌注泵以自动化进行所述方案的所有步骤以对所述器官进行去细胞。

9.如权利要求8所述的系统，还包括：

设置成包含所述器官的主腔室；和

设置成检测所述主腔室中含有的重量的重量传感器，

其中所述控制系统还设置成：

接收由所述重量传感器检测到的重量的输入；和

基于接收的所述检测到的重量的输入停止所述方案的步骤的完成并进而进行所述方案的后续步骤。

10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制系统还设置成在方案期间接收来自用户的输入以使用户超驰控制所述方案的步骤并调节所述至少一个灌注阀和/或所述至少一个灌注泵中至少一个的设定。

11.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述控制系统还设置成储存所述方案并在用户要求时召回所述方案。

12.一种用于生物反应器的废物净化系统，包括：

设置成包含用于灌注的器官的主腔室；

设置成接收来自所述主腔室的废物流体的废物腔室；

设置成将来自所述主腔室的所述废物流体递送至所述废物腔室的废物导管；

设置成储存净化流体的净化流体腔室；和

设置成将来自所述净化流体腔室的净化流体引入所述废物流体的净化导管。

13.如权利要求12所述的废物净化系统，还包括：

设置成驱动来自所述净化流体腔室的净化流体通过所述净化导管并进入所述废物流体的净化泵。

14.如权利要求13所述的废物净化系统，还包括：

设置成检测所述主腔室中含有的重量的重量传感器；和

控制系统，其设置成：

接收由所述重量传感器检测到的重量的输入；和

基于接收的检测到的重量的输入来输出信号以控制所述净化泵驱动来自所述净化腔室的净化流体进入所述废物流体。

15.如权利要求13所述的废物净化系统，其特征在于，所述净化泵还设置成驱动所述废物流体从所述主腔室到所述废物腔室。

16.如权利要求12所述的废物净化系统，还包括：

设置成将废物流体和净化流体的混合物从所述废物腔室递送至排水管的排水导管；和

设置成驱动所述废物流体和所述净化流体的混合物从所述废物腔室的通过所述排水导管至排水管的排水泵。

17.如权利要求12所述的废物净化系统，还包括：

多个二级容纳腔室，其中所述多个二级容纳腔室设置成含有来自所述主腔室、所述废物腔室、和所述净化流体腔室各自的废物流体的溢流；和

多个排水导管，其中所述多个排水导管设置成将所述多个二级容纳腔室各自含有的废物流体的溢流从所述多个二级容纳腔室递送至排水管。