CN107208028A - 用于细胞培养的生物反应器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于细胞培养的新型生物反应器系统。更具体而言，本发明涉及一种紧凑的生物反应器系统，其具有多个集成的功能，且允许在相同的生物反应器中的小规模静态培养以及规模放大的摇摆培养。生物反应器系统包括用于放置具有可调节的容积的细胞培养袋的托盘，覆盖细胞培养袋并设有加热功能的盖，集成灌注单元，集成元件负载单元，以及用于自动细胞培养取样的集成单元，其中生物反应器系统由单个控制单元控制。本发明还涉及使用生物反应器系统用于培养治疗细胞的细胞培养方法。

Description

用于细胞培养的生物反应器系统
技术领域
本发明涉及一种用于细胞培养的新型生物反应器系统。更具体地说，本发明涉及一种紧凑的生物反应器系统，其具有多个集成的功能，且允许在相同的生物反应器中的小规模静态培养以及规模放大的摇摆培养。
背景技术
细胞疗法是生物技术中新兴的但迅速扩张的领域，其涉及在体内进行治疗效果的自体或同种异体细胞的给药。同种异体造血干细胞移植（HSCT）设置中的过继性T细胞转移方案的前提是周边血含有T细胞以能够作为引起HSCT受体中的抗肿瘤和/或抗病毒活性的媒介。
造血干细胞移植（HSCT）是通常衍生自骨髓、周边血或脐带血的多能造血干细胞的移植。它可以是自体的（使用患者自身的干细胞）或同种异体的（干细胞来自供体）。这是血液学领域中的医学手术，最常用于患有某些血液癌症或骨髓癌的患者，例如多发性骨髓瘤或白血病。在这些情况下，受体的免疫系统通常在移植前由放射或化疗破坏。
过继细胞转移可指细胞(最常见的免疫衍生细胞)转移回到相同的患者或新的受体宿主中，目的是将免疫功能和特征转移到新的宿主中。如果可能，使用自体细胞通过降低移植物抗宿主病（GVHD）问题来帮助受体。
在基于T细胞的疗法中，这些细胞在体外使用严重依赖于白细胞介素-2的免疫调节作用的细胞培养方法扩增，并在活化状态下静脉内大量返回至患者。抗-CD3抗体通常用于促进培养中T细胞的增殖。对白细胞介素-21的研究表明，它也可在增强体外制备的基于T细胞疗法的功效中起重要作用。对于各种疾病的一种新兴治疗方式是干细胞的转移，以达到治疗效果。临床上，这种方法已经用来将促进免疫或致耐受性细胞（通常为淋巴细胞）转移到患者以提高对病毒和癌症的免疫力，或促进自身免疫疾病(例如I型糖尿病或类风湿性关节炎)的情况下的耐受性。用于过继疗法的细胞可使用重组DNA技术遗传改变，以达到任何数量的目标。在T细胞过继疗法的情况下，其一个示例是加入嵌合抗原受体或CAR，以重新指引细胞毒性和辅助性T细胞的特异性。
自体肿瘤浸润淋巴细胞（TIL）或遗传重建（genetically re-directed）周边血单核细胞的过继转移已用于成功治疗患有晚期实体瘤(包括黑素瘤和结肠直肠癌)的患者，以及患有表现CD19（CD19-expressing）血液恶性肿瘤的患者。
肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）是一种在肿瘤中发现的白细胞。TILs涉及杀死肿瘤细胞，且淋巴细胞在肿瘤中的存在通常与更好的临床结果有关。已经使用TILs进行了多项临床试验来治疗患有转移性黑色素瘤(皮肤癌的一种致命形式)的患者。用TILs治疗的黑素瘤患者的约一半中观察到50％或以上的肿瘤减少。一些患者在TIL治疗后的剩余年数经历了没有可检测的肿瘤的完全缓解。
正在进行使用TILs治疗消化道癌症的临床试验，例如结肠直肠癌和与人乳头状瘤病毒（HPV）相关的癌症，例如宫颈癌。科学家们也在研究TILs是否可用于治疗其他肿瘤，包括肺、卵巢、膀胱和乳腺。
过继性T细胞疗法涉及肿瘤特异性T细胞的分离和离体扩增，以达到比单独接种可获得的更多数量的T细胞。然后将肿瘤特异性T细胞输入患有癌症的患者，试图使其免疫系统能够经由可以攻击和杀死癌症的T细胞压倒剩余的肿瘤。有多种形式的过继性T细胞疗法用于癌症治疗；培养肿瘤浸润淋巴细胞或TIL，分离和扩增一个特定的T细胞或克隆，以及甚至使用已设计为有效识别和攻击肿瘤的T细胞。
近年来看到临床试验显示成功的迹象，例如Prochymal（Osiris TherapeuticsInc.）及ChondroCelect（TiGenix）的产品得到规章的批准。然而，许多新细胞疗法在治疗相对小的数量的患者，所以用于将这些产品从制造地点递送到诊所的通用系统尚未建立。仍然需要探讨通用系统是否现实，并探讨用于将细胞疗法产品递送到诊所的选项。其也突出了在这方面仍然面临行业的一些挑战，如果这些疗法将更广泛地采用，则这些挑战需要解决。
细胞疗法涉及从细胞收集到细胞注射到患者中的许多强制性阶段。用于细胞疗法的细胞培养在洁净室环境中进行。细胞培养和洁净室具有许多强制性规定，如洁净室中的颗粒尺寸和数量，一次处理的患者样品数量以及无菌环境和每套的仪器数量等。
目前可用于细胞培养的系统是独立的，需要大的空间且不能同时处理多个患者样品。用于细胞疗法的细胞培养的当前过程涉及大量的人为干预，其可能污染细胞培养物并损害细胞生长，特别是小尺寸细胞培养物。因此，需要更好的生物反应器系统。
发明内容
本发明提供了尺寸上紧凑的生物反应器，且包括单个系统以控制多件仪器，其意味着洁净室空间的最佳利用。
因此，在第一方面，本发明涉及用于细胞培养的生物反应器系统（1），包括用于放置具有可调节的容积的细胞培养袋（3）的托盘（2），覆盖细胞培养袋并设有加热功能的盖（4），集成灌注单元（5,6），集成元件负载单元（8）和用于自动细胞培养取样的集成单元，其中生物反应器系统由单个控制单元控制。
托盘（2）是可移动的，并且允许静态以及期望的转速下的摇摆细胞培养。可选地，多个、例如2-5个托盘（2）存在于生物反应器系统上且在其上在垂直方向上堆叠。每个托盘可保持至少一个细胞培养袋。可选地，托盘设有条形码读取器，且细胞袋设有条形码。
细胞培养袋（3）的容积可从例如50mL增加到3000mL。这可以通过将细胞袋自动夹紧到所需容积来完成。夹紧也可由盖完成，如将在详细部分中描述的那样。
在优选实施例中，盖（4）的顶部的内部设有加热元件。当盖在托盘的顶部关闭并且围住细胞培养袋时，这将形成如环境的培养箱。
优选地，集成灌注单元包括介质供应袋（5）和废物袋（6）以及用于连接至细胞袋（3）的对应管道，和驱动介质到袋中且从所述袋逐出废物的泵。集成元件负载单元（8）优选地包括组装有能够承受系统的全部重量的压缩型测压元件的平台。
在一个实施例中，生物反应器系统是可移动的且包括可附接的推车（7），从而使整个紧凑的生物反应器系统可移动。
在另一实施例中，多个、例如2-5个生物反应器系统在垂直方向上堆叠在彼此上。
多个生物反应器系统将由单个控制单元控制，具有从个人计算机或移动装置远程监测和控制的灵活性。
在第二方面，本发明涉及一种用于细胞培养的方法，包括在静止状态下如上所述在生物反应器中起始细胞培养物的培养，其中细胞培养袋的容积设置到50-500mL且培养物被加热至37℃，然后在1-6天、优选3-4天之后，将袋容积扩增至1500-3000mL，并在室温下和摇摆动作下继续培养，其中起始和继续培养都在相同的细胞培养袋中且在相同的生物反应器系统上进行。优选地，起始细胞培养容积为30-350mL，且规模放大的培养容积为500-1500mL，其适合于最大容积为2000mL的细胞培养袋。
优选地，起始细胞培养物选自干细胞(例如人造血干细胞)、免疫衍生细胞(例如T细胞或NK细胞)、肿瘤浸润细胞（TILs）或适合于细胞疗法的任何其它细胞。
附图说明
图1为本发明的生物反应器系统的示意图，其中移除了细胞培养袋的盖或罩。
图2为如图1中的生物反应器系统的示意图，但设有可附接的推车。
图3为如图2中的生物反应器系统的示意图，其中盖或罩放置在细胞培养袋之上。
图4为示出生物反应器的多个托盘堆叠在彼此之上的示意图。
图5为生物反应器系统的集成元件负载单元的示意图。
图6示出了覆盖形状适合于小细胞培养物的静置培养的细胞袋的盖。
图7示出了覆盖形状适合于规模放大的细胞培养物的摇摆培养的细胞袋的盖。
具体实施方式
本发明的新型生物反应器提供静态以及摇摆细胞培养，并且用户可对特定细胞培养物选择最合适的选项。例如，静态培养通常需要少量起始培养物，而摇摆培养需要更大的生产量。
本发明还通过扩大细胞袋容积而允许从小容积到大容积的扩展，即，对于小规模培养和规模放大的培养都使用单个袋。单一尺寸的袋的一定容积将封闭并从其余容积分离以用于小容积静态培养。一旦静态培养阶段完成，封闭的小容积将会打开，从而允许培养物占据到整个袋容积以用于培养物的规模放大。
生物反应器尤其提供集成的摇摆、灌注和介质添加以及细胞培养的受控加热。提供了一种新的加热方法，其将消除由于蒸发和冷凝造成的小尺寸培养物的损失。如细胞培养袋中的温度和气体的环境条件将如本发明的生物反应器的盖下面的培养箱来保持和控制。与在静态阶段期间具有蒸煮细胞的潜在威胁的现有加热垫型温度控制不同，本发明的生物反应器将通过利用热空气循环提供加热控制来提供类似于培养箱的加热，同时在由覆盖细胞袋的盖围住的封闭环境中保持空气温度。
此外，远程监测和控制的可能性将减少细胞培养过程的物理管理（physicaladministration），并避免由进入洁净室造成的污染。
图1-图2示出处于打开状态的生物反应器系统1，其中移除了罩或盖4，且示出了培养袋3及其与介质进料5和废物袋6的连接。盖4将放置回托盘2上的培养袋3上，以保持温度并限制培养物上的光的落下。托盘2被控制到静止或装架状态。
如图2中所示，紧凑型生物反应器系统可为了可动性安装在推车7上。生物反应器在推车的帮助下可在洁净室内或外容易地移动。推车可装载有用于细胞培养的所有必需的附件及耗材。
图3示出其中盖4已关闭的放置在推车上的生物反应器。盖4围住细胞培养袋3并抵靠托盘2以形成围住的空间，如用于细胞培养袋3的培养箱。盖4的内部设有例如利用热空气循环的可控加热。
本发明的生物反应器可通过托盘堆叠一次处理多个患者样品。如图4中所示，可在第一托盘上并行布置多个托盘（例如2-5个），每个托盘在例如摇摆能力及细胞袋放置方面具有与第一托盘相同的特性。堆叠的托盘将以独立的操作条件隔离每个样品。在堆叠托盘的情况下，将在所有现有托盘上放置一个公共的盖。
优选地，托盘2设有条形码读取器，且细胞袋2设有条形码。细胞袋条形码将记录有患者细节，且托盘条形码读取器将为了患者细胞的可追溯性读取细胞袋条形码。
紧凑的生物反应器也可作为独立的仪器堆叠于彼此上，从而可采用垂直空间的优点以减小足迹。
此外，本发明的生物反应器系统设有如图5中所示的集成元件负载单元8。集成元件负载单元8减小了生物反应器系统的总体尺寸，且有助于在灌注期间监测量。
在细胞扩增期间，细胞必须在温度和气体的受控环境下经历初始静态阶段达3-4天。在现有技术中，静态过程在培养箱中进行，接着是静态阶段中的细胞扩增，将培养的细胞从培养箱中取出，并将其从t型瓶或小袋转移至大容积袋以用于规模放大。在本发明中，静态培养在细胞培养袋3的较小容积中进行，且规模放大的培养在相同的袋内进行，但为其放大的版本。在静态培养期间，托盘2将处于静止状态，且盖4将关闭。在规模放大的培养期间，托盘2将处于摇摆运动中，且可根据培养需要关闭或打开盖4。
在图6及图7中，示出了盖4可如何控制细胞培养袋3的容积。细胞培养袋的小的容积可由盖4控制，盖4可限制细胞培养袋3的容积。如图6中所示，盖4a可相比于图7中所示的常规盖4具有较小尺寸。盖4a的边缘将均一尺寸（例如2升）的袋的容积限制到较小的容积，例如适合于静态培养的300 mL。当盖4a关闭并在压力下相对于细胞袋3放置时，其将限制细胞袋的容积至期望的尺寸。在图7中，盖4是没有容积限制功能的常规尺寸的盖，适合于在2L培养物的扩增期间使用。如果使用比2L小的规模放大的培养物，例如500-1000mL，则将使用适于该培养容积的盖，即，限制所需培养容积的盖。
在静态培养阶段后，通过移除盖4a会释放袋的受限制的容积，并允许袋放大至2L。经由管道，介质袋5将用介质填充细胞袋3，并且托盘2将摇摆以用于细胞生长。废物袋6将经由管道在灌注期间收集来自细胞袋3的废物。
在细胞培养期间，监测细胞生长是重要的，且这主要是基于pH值、溶解氧（DO）及细胞密度。利用不与培养物接触的传感器可监测pH值和DO，例如传统光学传感器，但是对于细胞密度，需要从培养物中定期提取样品。在目前的生物反应器中，集成自动采样子系统将收集样品并分离各个样品。

Claims (13)

1.一种用于细胞培养的生物反应器系统（1），包括用于放置具有可调节的容积的细胞培养袋（3）的托盘（2），覆盖所述细胞培养袋并设有加热功能的盖（4），集成灌注单元（5,6），集成元件负载单元（8），以及用于自动细胞培养取样的集成单元，其中所述生物反应器系统由单个控制单元控制。
2.根据权利要求1所述的生物反应器系统，其特征在于，所述托盘（2）是可移动的且允许静态以及期望的rpm下的摇摆细胞培养。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的生物反应器系统，其特征在于，多个、例如2-5个托盘（2）存在于所述生物反应器系统上并在其上在垂直方向上堆叠。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的生物反应器系统，其特征在于，所述细胞培养袋（3）的容积可从50mL增加至3000mL。
5.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，所述盖（4）的顶部的内部设有加热元件。
6.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，所述集成灌注单元包括介质供应袋（5）和废物袋（6）以及用于连接到所述细胞袋（3）的对应管道和驱动所述介质到所述袋中并从所述袋逐出废物的泵。
7.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，所述生物反应器系统为可移动的且包括可附接的推车（7）。
8.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，所述集成元件负载单元（8）包括组装有承受所述系统的全部重量的压缩型测压元件的平台。
9.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，所述托盘设有条形码读取器，且所述细胞袋设有条形码。
10.根据上述权利要求中的一项或多项所述的生物反应器系统，其特征在于，多个、例如2-5个生物反应器系统在垂直方向上堆叠在彼此上。
11.根据权利要求10所述的生物反应器系统，其特征在于，所述多个生物反应器系统将由单个控制单元控制，具有从个人计算机或移动装置远程监测和控制的灵活性。
12.用于细胞培养的方法，包括在静止状态下在权利要求1-11中任一项所述的生物反应器中起始细胞培养物的培养，其中，所述细胞培养袋的容积设置到50-500mL且所述培养物被加热至37℃，且然后在1-6天、优选3-4天之后将袋容积扩增至1500-3000mL，并在室温下且在摇摆运动下继续培养以用于所述培养物的规模放大，其中所述起始和规模放大的培养都在相同的细胞培养袋中和相同的生物反应器系统上进行。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述起始细胞培养物选自干细胞、免疫衍生细胞、肿瘤浸润细胞（TILs）或适合于细胞疗法的任何其它细胞。
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