CN108138114B - 在生物制造设备中和涉及其的改进 - Google Patents

Abstract

公开了生物制造设备(1)，其包括壳体(20)，在壳体内部的大致封闭的生物反应器室(30)和在壳体内部的含有电气零件和/或电子控制构件的另一大致封闭区域(36)，室(30)包含：用于支撑生物反应器的托盘(40)，包含用于摇晃在使用中的托盘的机构(44,47)的托盘支撑件(45)，托盘(40)包含用于接触生物反应器且加热其的加热器(42)，且设备还包括用于加热在托盘周围的空气的次级加热(53)。

Description

在生物制造设备中和涉及其的改进

技术领域

本发明涉及例如用于细胞培养的生物制造设备。具体地，本发明涉及以单个仪器的形式的生物反应器设备，和布置成生物制造系统的多个仪器以用于优化使用针对生物制造的实验室和细胞培养空间。

背景技术

细胞培养，例如哺乳动物、细菌或真菌细胞的培养，可被执行以收获活性细胞以用于治疗目的和/或收获生物分子，诸如由细胞生产的蛋白质或化学物质(例如，药物)。如本文中使用的用语“生物分子”可意味着任何分子，诸如蛋白质、肽、核酸、代谢物、抗原、化学物质或由细胞或病毒生产的生物药物。在此，用语生物制造旨在包含细胞的培养或增殖，以及生物分子的生产。用语生物反应器旨在包含能够用于生物制造的通常封闭的容积。

细胞通常在大尺寸(10,000至25,000升容量)生物反应器中生长，其是设计用于提供对于细胞生长和扩增需要的环境条件和必要的营养的可消毒容器。传统的生物反应器具有玻璃或金属生长室，其可被消毒且然后被接种以选择的细胞以用于随后的培养和扩增。在生长室中的介质经常通过使用机械的或磁性的叶轮来摇动或搅动以改善通风、营养分散和废物移除。

在最近一些年，已经移向‘单次使用’生物反应器，其提供更小的批次尺寸、更大的生产灵活性、易用性、减少的资本成本投资和减少的交叉污染风险。这些系统也可改善通风、供给和废物移除的效率以增加细胞密度和产品产量。示例包含WAVE^TM袋(GEHealthcare)，其安装在摇晃平台上以用于混合，以引入搅动箱单次使用容器诸如从Xcellerex Inc(GE Healthcare)可用的那些。随着‘个性化医疗’的到来，需要许多小批次细胞以利用独特细胞疗法治疗病人的自体细胞疗法已经变得重要。

生产设施，诸如组织培养实验室，为了生产细胞和生物分子，已经传统地定制设计且在清洁的环境中执行以减少污染的风险。这样的设施高成本地运行和维持且如果优先级或工作需要改变还要修改。用于维持或收获在生物反应器中的细胞的工作站需要特定‘足迹’，其在培养实验室中占据显著的底板空间。因为工作站无人照料时花费其大部分时间，同时细胞在生物反应器中生长，实验室空间未高效地或有效地使用。

改进在文件WO 2014122307中提出，其中需要用于细胞培养的实验室空间通过提供用于生物反应器的贮藏间和定制工作站而减小，传统的WAVE类型的生物反应器和辅助设备可支撑在其上。该设备较需要大的支撑框架。

文件US6475776是用于细胞培养碟的培养器的示例，其具有单个培养器壳体和多个架，然而该类型的设备不适用于壳体生物反应器。

需要的是，在简单装载、操作和维持的系统中多个生物反应器一个堆叠在另一个上(紧密地并排间隔开)的能力。理想地，这样的生物反应器应能够传统补料制造，其中细胞典型地经过7至21天来培养，以及灌注类型制造，其中细胞可被培养更长的周期，但是废物产物连续地或定期地移除，且生物分子可被收获。

此外，细胞培养环境的精确的和可靠的控制对于成功细胞培养是重要的。在多个生物反应器紧密接近的地方，该控制更重要，因为潜在的加热源紧密地间隔开。许多可用的生物反应器使用WAVE摇晃技术以用于获得高细胞密度。细胞在单次使用细胞袋生物反应器中生长。该单次使用细胞袋生物反应器放置在生物反应器的摇晃平台上。存在许多参数，其对于创造用于生产高质量和高密度细胞的最佳环境而言是重要的，例如摇晃速度、溶解氧、pH、灌注速率、以及细胞培养的温度。为了最佳细胞生长，细胞培养需要加热且维持在特定温度，这取决于细胞的类型。例如，所有哺乳动物细胞需要维持在37℃以用于最佳生长速率。这通常通过将细胞袋放置在平台上而完成，该平台具有加热垫或加热板。加热垫或加热板加热且维持细胞袋内含物在需要的设定点处。为了确保细胞在细胞扩增过程期间不被过加热，重要的是，细胞在任何时间点都不被加热超过设定点。发明人已经发现，当相同加热平台被使用以加热低至50ml和高至2000ml的细胞培养容积时，可难以实现该温度方式。

在生物反应器中另一常见问题是由于凝固引起的细胞损失。在细胞袋内部的细胞被维持在37℃的设定点处，同时环境温度可为大约24℃。作为结果，凝固是不可避免的且在细胞袋内含物达到37℃的30分钟内出现。存在来自细胞培养的不可接受的水损失，其由该凝固导致。随着用于细胞扩增过程的细胞的起始容积减少，该影响变得更加显著。当起始细胞容积为50ml时，在24小时后大约1/3水容积损失已经被报道。当环境温度变低时，凝固更加显著。凝固损失导致渗透度增加，其继而又引起pH改变。pH是对于细胞培养维持恒定的重要参数中的一个。不同的细胞线在特定pH下生长良好，例如大多数哺乳动物细胞线在pH7.4下生长最好。

发明人已经认识到，需要加热系统，其可高效地加热低容积细胞培养，而不过加热细胞，以及高效地管理更高容积细胞培养的加热，例如当那些细胞扩增时。

发明内容

本发明提供一种根据本申请所述的布置，其具有由本申请限定的优选的特征。

本发明延伸至本文公开的特征的任何组合，无论该组合在本文中是否明确地提到。此外，在两个或更多个特征以组合的形式被提到的地方，意图是这样的特征可单独地要求保护，而不延伸本发明的范围。

附图说明

本发明能够以多种方式来实施，其说明性的实施例在下文参照附图来描述，其中：

图1a示出了生物制造设备的实施例的示图；

图1b示出了堆叠以形成生物制造系统2的图1a的设备；

图2示出了图1中示出的设备的不同的示图；

图3示出了图1中示出的设备的另一示图，包括装载在设备内部的生物反应器；

图4和5以不同的构造示出了生物制造设备的另一实施例的两个示图；

图6a、6b、6c和6d示出了图1和2中示出的设备的局部截面图；

图7示出了图1和2中示出的设备的放大局部视图；

图8示出了图1和2中示出的设备的截面平面图；

图8a示出了加热生物反应器的方法的流程图；且

图9示出了图1和2中示出的设备的功能的示意图。

本发明，与其目标和其优点一起，通过结合附图参照下面的描述可更好地理解，在附图中类似的参照标号表示图中的类似的元件。

具体实施方式

参照图1a，示出了生物制造设备1，其包含通常自给的仪器10，其包含通常长方体或箱形的壳体20(具有通常平坦的上侧22和底侧24)。底侧包含四个可调整的高度脚26，仅其中两个在图1a中可见。箱形的壳体允许多个仪器堆叠以形成生物制造系统。实际上，为了方便，在台架5上的堆叠将为两个或三个那么高，如示意性地在图1b中图示的那样，但没有堆叠不可更高的原因。仪器也包含门25，打开地且剖视地示出以便于更清楚地示出仪器的剩余零件。门在铰链28处铰接至壳体的前竖直边缘，从而其围绕竖直铰链轴线打开以暴露或包围在壳体20内部的绝缘室30。当门由弹性密封件32闭合时室30被密封，该弹性密封件32围绕门的内面的整个外周延伸且与以互补的方式围绕壳体20的前边缘延伸的密封面31协作。当门25闭合时，没有光进入室30。这排除了光对细胞培养的影响。

室30具有主室35和通向主室35的前室33。主室包含生物反应器托盘40，其由下文更详细地描述的摇晃托盘支撑件45支撑。摇晃机构由盖板21保护。前室33包含支撑两个蠕动泵的面板34，仅两个蠕动泵的流体处理头48和49延伸到前室33中，前室33的电气零件在面板34后。面板还包含下文更详细地描述的连接部43。前室33包含开口46，其限定了用于延伸到包含袋悬架50的外部存储区域的导管的路线。

图2是在图1中示出的仪器10的不同视图，其中门25和袋架50被移除，以便于更清楚地示出仪器的剩余零件。

图3示出了图1和2的仪器10，但装载有生物反应器100(在该情况下，以柔性袋100的形式)以及将生物反应器链接至仪器的各种路径，包含：流体供应导管102，其经由蠕动泵头48以已知的流体混合物供给生物反应器以促进细胞生长；流体移除导管104，其为了移除由生物反应器中的细胞表达的废物组分的目的经由并入在袋100中的过滤器且经由蠕动泵头49从反应器排出流体；气体供给导管106；以及路径，例如导电路径108和110例如电线，以用于在生物反应器内或附近的各种传感器，例如pH传感器，以及溶解氧(DO)传感器。导管和路径可由一个或多个吊架23保持就位。

图4和5示出了包含门25的仪器10的实施例。托盘40在该实施例中可通过滑动运动从托盘支撑件45移除且可搁放在可折叠支座120上，继而又悬挂在铰接门25上。在使用中，门25可打开，支座120可拉下，且托盘40(有或没有生物反应器就位)可从支撑件45滑走且手动地移动到支座上。将注意的是，托盘40具有打开的中间区段。该打开的区段容纳生物反应器，其具有夹到托盘40侧上的夹从而生物反应器不会穿过托盘的中部落下。将满的或空的托盘返回到室30中，允许框架120折叠起来且门25闭合地关闭。

图6a、6b、6c和6d各自示出了在图1至3中图示的主室35、以及收纳在其中的构件的截面图。那些构件包含可移除的托盘40和摇晃托盘支撑件45。托盘支撑件45由电加热板42形成，其与在使用中的生物反应器的底部直接接触，可枢转的板保持器44，其可释放地保持加热板和驱动摇晃机构47的电气步进马达，该摇晃机构47围绕枢转轴线P在托盘40下方通过大约25-35度的预定的角来回移动板保持器44。支撑件45在使用中可被控制以便其在任何位置、但是具体地在图6b中示出的向前倾斜的位置停止，其允许托盘40和板42一起向前滑动同时板保持器44保持就位，至如图6c中图示的新位置，在该处托盘可更容易地接近以用于装载或卸载而不是不得不移除(如图4和5的实施例中示出的那样)。在图6c中示出的位置，在生物反应器和仪器之间的路径和导管(如上文提到的那样)可更容易地连接和断开。托盘40和板42可如图6d中示出的那样完全移除，例如，以用于清洁目的。盖板21保护马达和其他电气零件。

图7以从仪器的前(门)侧看到主室35中的更详细视角示出了摇晃机构，其中盖板21被移除。示出了摇晃机构47的步进马达51以及由步进马达驱动且驱动板保持器44来回旋转的减速小齿轮齿轮对52。以该视角，以负载计41的形式的负载传感器是可见的，其在使用中被用于测量从生物反应器添加或移除的流体的量，以及细胞培养控制。

图8示出了穿过仪器10向下看的截面图，使得可看到主室35(从前到后具有深度D)，以及前室33，其具有远远更浅的深度d。壳体的剩余区域36，与室35/33隔离开且包围电气和电子控制构件，其远离来自生物反应器的可能的泄漏且可保持成处于比主室更低的温度，使得电气零件将具有更长的寿命。此外，电气零件的清洁可避免，因为他们隔离于室35/33。更详细地，那些电气/电子构件包含电源37、灌注气体供应控制单元38、控制电路板39、室空气加热器53、泵头48/49驱动马达54/58、单板计算机55和未示出的各种连接线和导管。

在该实施例中，室空气加热器53包含电阻和空气风扇以用于经由图1中示出的入口管59驱动加热的空气到主室35中，因此可通过受迫空气常规而可控地加热室35，且因此加热围绕用于室35中的细胞培养的任何细胞袋100的空气，连同来自加热板42(图6a至6d)的加热。

因为细胞袋以及围绕其的区域维持在大致相同的温度，阻止了凝固，因此将pH维持在用于最佳细胞生长的规定水平。来自板42和加热器53的双重加热导致减少的加热时间以及减轻了凝固损失。也确保了在细胞袋内以及在限制空间内部的通常一致的温度梯度。

上面提到的，生物反应器1的封闭区域36收纳电源、仪器PCB、马达等。在该区域中生成大量的热。加热系统通过将该废热经由管59引导到主室35中而有效地收获该废热。在主室35中且在封闭区域36中的温度传感器9(未示出)提供输入至加热系统以确定对于受迫空气的任何进一步电气加热的需要。此外，每个设备被良好地绝缘，以便对于可定位在附近的其他设备有很少或没有加热作用。

在整个细胞扩增过程期间，需要采取细胞培养的每日样本以监测细胞扩增的进度。为了采取样本，仪器门25打开以接近在托盘40上的细胞袋。在该实施例中，多个孔口61就在门后存在，该门创造例如在托盘40前面向下的空气帘吹动，从而当门打开以用于采样时，空气帘确保限制空间的温度不存在突然下降。在该情况下，孔口61从风扇53供给，但可使用带有相等的作用的附加的风扇，例如所谓的松鼠笼式风扇，其中这样的风扇仅当门打开时才可操作。当仪器门由于用户错误而保持打开延长的时间段时，存在给用户的警告警报(听得见的哔哔声或闪光显示)以闭合门。

参照图8a，图示了加热控制流程图。对于低细胞培养容积，使用加热板可能不安全，其与细胞袋处于直接接触以加热该细胞袋。这可能引起细胞被过加热，将细胞扩增过程置于风险。托盘40直接安装在负载计41上，其测量细胞袋内含物的重量的改变。在本文中描述的加热系统因此感测，细胞培养容积是否是低的且在该情况下仅允许通过次级加热器来加热。细胞袋内含物经由在托盘40周围的在室35中的由加热器53加热的限制空气而被加热至需要的温度。这确保了，温度不会过加热超过设定点且不存在由于过加热引起的细胞损失。这尤其对于自体细胞疗法是非常重要的，其中细胞样本损失是不可接受的，假设需要该疗法的患者身体条件经常较差。

图9示出了仪器10的功能的示意性框图，参照涉及上文提到的且在前面的图中图示的物理构件。在使用中，柔性袋生物反应器100(细胞袋)是优选的，且装载到如上文详述的室30中。连接部43被制成且门25被闭合。托盘40在该实施例中包含条形码读取器56以读取来自袋的条形码且传播袋的身份至控制器39/55。其他的识别手段是可能的，例如可使用RFID变换器，其嵌入在细胞袋100中。袋的身份将确定适当的细胞培养方式，且附加的外部信息可由控制器经由系统控制器60搜寻，例如需要的目标细胞密度。如果已经确定了适当的细胞培养方式，控制器将典型地控制袋外部的温度，且优化袋内部的参数。这些参数将在细胞培养周期期间改变，即在上至28天、但是典型地7至21天的周期期间。因而，控制器将监测和调整细胞培养的内部pH、袋中的流体的溶解氧含量、袋的重量以确定引入的新鲜流体的量和从袋提取的废物流体的量。这些参数和细胞密度的采样自动执行。连续的灌注方式是优选的，但可使用其他已知的方式，诸如补料方式。方便地，显示器57并入到门25中，且门包含窗，窗变暗以减少进入室的光或具有遮光器，遮光器可打开以通过窗查看室30，但是可闭合以在仪器的正常运行中减少或排除光。

在使用中，仪器将用作使用显示器57以输出状态信息的孤立系统，连同在其中使用多个仪器的其他孤立仪器，意味着不需要外部控制以用于操作该一个或多个仪器。然而，可能的是，可使用系统控制器60，其将用于简单地供应涉及装载在仪器中的细胞袋的需求的信息，或者附加地监测多个仪器，或带有适合的软件，以监测和控制各个仪器，从而内部仪器控制是决定性的。如果丢失与系统控制器的通信，然后各个仪器的下级的控制器39/55可取回仪器控制。在仪器和系统控制器之间的通信优选地是系统总线链路例如已知构造的通用串行总线，但无线链路是可能的，例如，如由在0.9至60GHz下运行的IEEE802.11协议指出的那样。设想的是，各个仪器将自动地由运行在系统控制器上的软件识别，而不需要任何用户输入。

一旦细胞培养完成，如由采样和/或细胞袋重量确定，其被从仪器移除且用于其有意的目的，例如自体细胞疗法。在由培养细胞产生的生物分子是令人感兴趣的情况下，当细胞袋被清空时这些可被移除，或它们可从在培养期间从袋提取的滤出液中移除。室30容易被清洁以准备用于待引入的下一个袋，带有最小的停机时间。因而显而易见的是，上文描述的仪器允许一次性生物反应器的方便的装载和卸载，且可紧密地在堆叠排中间隔开以便仪器的密度为大约每平方米4至6个(当从仪器的前面看时)。用于连同仪器10使用的典型的生物反应器100，在当今标准下将较小，即大约50毫升和2500毫升，且因此上文描述的系统为小尺寸系统，具有多个细胞培养仪器，其各自可容易地接近和控制，且优化了可用的空间。

尽管已经描述和图示了实施例，但对于本领域技术人员将显而易见的是，添加、省略以及修改对于那些实施例而言是可能的，而不背离要求保护的发明的范围。

Claims (8)

1.一种生物制造设备(1)，包括壳体(20)，在所述壳体内部的大致封闭的生物反应器室(30)以及在所述壳体内部的含有电气零件和/或电子控制构件的另一大致封闭区域(36)，所述室(30)包含：用于支撑生物反应器的托盘(40)，包含用于摇晃在使用中的所述托盘的机构的托盘支撑件(45)，所述托盘(40)包含用于接触生物反应器和加热其的加热器(42)，且所述设备还包括用于加热在所述托盘周围的空气的次级加热(53)，其中所述次级加热包括用于将空气从所述封闭区域抽出且用于迫使所述空气到所述室中的器件，以及用于在所述空气从所述封闭区域抽出以后进一步加热所述空气的电气加热器件。

2.根据权利要求1所述的生物制造设备，其特征在于，所述壳体(20)包含通道门(25)，且提供有空气孔口(61)，所述空气孔口(61)邻近于所述门通到所述壳体中，在使用中提供了邻近所述门的空气帘。

3.根据权利要求2所述的生物制造设备，其特征在于，所述空气帘仅在所述通道门打开时才提供。

4.根据前述权利要求中任一项所述的生物制造设备，其特征在于，所述生物反应器加热器(42)布置成提供所述生物反应器的传导加热，且所述室空气加热器(53)布置成用于所述室中的空气或其他气态氛围的对流加热，各个加热器由温度控制器控制。

5.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的生物制造设备，其特征在于，所述生物制造设备还包括以支撑在所述托盘(40)上的柔性细胞袋的形式的生物反应器，其中所述生物反应器可容纳50毫升至2500毫升之间的容量。

6.一种用于加热包含在生物制造设备中的生物反应器的方法，所述生物制造设备包含壳体(20)，具有细胞培养室(30)，在所述室内部的至少部分地支撑所述生物反应器的初级常规加热板(42)，以及用于加热所述室内部的空气或其他气态氛围的次级加热器件，所述方法包括如下步骤

a) 监测所述生物反应器的温度；

b) 监测所述生物反应器的重量；以及

c) 根据监测的温度和重量而控制所述初级常规加热板和所述次级加热器件；

其中所述次级加热器件包括用于将空气从所述封闭区域抽出且用于迫使所述空气到所述室中的器件，以及用于在所述空气从所述封闭区域抽出以后进一步加热所述空气的电气加热器件。

7.根据权利要求6所述的用于加热生物反应器的方法，其特征在于，控制步骤还包含，如果所述生物反应器的重量低于预定的重量阈值，则不操作所述初级加热器或以降低的功率操作所述初级加热器。

8.根据权利要求7所述的用于加热生物反应器的方法，其特征在于，如果在初级和次级加热被激活时未达到预定的温度，则供应至所述初级加热器的功率递增式升高。

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