CN1557947A - 一种造血细胞灌注培养方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种造血细胞灌注培养方法和装置。本发明的装置至少包括搅拌式生物反应器和通过管线与搅拌式生物反应器相连通的灌注培养腔。本发明首先进行静态灌注培养，待细胞生长至较高密度后，再转入搅拌式悬浮培养，克服了静态培养中造血细胞生长至高密度后培养环境中存在的浓度梯度问题，而且避免了造血细胞在培养初期受剪切力影响而造成细胞不生长或生长缓慢的问题，培养结果表明，在培养初期，总细胞即有较大扩增，而且CFU－Mix、CFU－GM、CD34⁺细胞也有较大扩增；细胞长至较高密度后，转入反应器中进行搅拌悬浮培养，总细胞进一步扩增，同时CFU－Mix、CFU－GM、CD34+细胞也继续扩增，此方法比直接进行搅拌悬浮培养可获得更高的扩增倍数。

Description

一种造血细胞灌注培养方法和装置

技术领域

本发明涉及一种造血细胞灌注培养方法和装置。

背景技术

在造血细胞体外培养体系中，灌注培养可以及时补充细胞因子和营养物，移出代谢副产物，因此，与单纯的静态补料培养相比，不仅可以提高造血细胞的扩增量，而且还能使LTC-IC获得扩增。目前的灌注培养体系，一般为静态灌注腔反应器，如Sandstrom CE，Bender JG，Papoutsakis ET，Miller WM.Effects of CD34⁺ cell selection and perfusion on ex vivo expansionof peripheral blood mononuclear cells.Blood.1995，86(3)：958-70.所报导的无基质细胞的灌注式培养体系，和Koller MR，Manchel I，Maher RJ，et al.Clinical-scale human umbilical cord blood cell expansion in a novel automatedperfusion culture system.Bone Marrow Transplant.1998，21(7)：653-63.所报导的自动灌注培养系统，该系统达到了临床规模。但静态培养系统有培养环境不均一、存在浓度梯度等问题，而且存在在线监控困难，采集数据操作繁琐等缺点。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是公开一种造血细胞灌注培养方法和装置，以克服现有技术存在的上述缺陷。

本发明的技术构思是这样的：

在培养初期，细胞量少，细胞密度低，代谢速率慢，营养物的消耗和代谢副产物的产生都较少，所以静态培养浓度梯度的问题并不突出，因此，此时静态培养有优势。而细胞生长至较高密度后，代谢副产物的积累和营养物的消耗都加快，需及时补充营养物，而且此时浓度梯度对细胞生长所带来的负面影响显现出来，需要进行搅拌培养，消除浓度梯度，以维持稳定、均一的培养环境。因此，发明人取静态培养系统和搅拌式悬浮培养系统各自的优势，避其缺点，开发了一种首先进行静态灌注培养，待细胞生长至较高密度后，再进行搅拌式悬浮培养的造血细胞灌注培养新方法。

本发明的方法包括如下步骤：先在静态培养腔中灌注培养造血细胞，待细胞长至较高密度后再转入搅拌式悬浮培养系统进行灌注培养。

按照本发明优选的方案：所述方法包括如下步骤：

(1)接种培养-静态灌注培养：造血细胞接种于灌注培养腔中，沉在培养腔底部生长；

培养基先加入生物反应器中，调节温度、溶氧和pH后，通过管线从培养基入口进入灌注培养腔，经过培养腔后，由培养基出口回流到反应器中，重新调节温度、pH和溶氧，并不断循环；

(2)连续悬浮灌注培养：细胞生长至较高密度后，将灌注培养腔倾斜一定角度，通过管线将细胞液从回流口回流至反应器中，进行搅拌培养，新鲜培养基从反应器上的培养液入口进入到反应器中，此时，培养腔的作用转变为细胞截留系统，部分细胞液经回流口回流至反应器中，其余细胞液向上流动，在向上流动过程中，细胞由于重力作用沉降至培养腔底壁，再靠重力沿底壁下滑至回流口，并回流至反应器中，而其废液经废液口流出。

所说的造血细胞是指来源于骨髓、外周血和脐血的单个核细胞及造血干、祖细胞，如CD34⁺纯化细胞。

造血是一个复杂的多层次的细胞自我更新和分化发育过程，胎儿血细胞的生成开始于卵黄囊，之后在肝脏、脾脏和骨髓，出生后骨髓成为造血的主要器官。在骨髓中，造血干细胞的数量很少，但它能自我更新，以维持足够的数量，并分化增殖产生各种定向造血祖细胞，祖细胞进一步分化增殖产生成熟的细胞，如淋巴细胞、红细胞和粒细胞、血小板等，因此，骨髓中的造血干细胞维持着整个机体的血细胞更新。造血干细胞和造血祖细胞的细胞表面都表达CD34抗原，因此，CD34⁺细胞代表了造血干/祖细胞。从脐血、骨髓和外周血中可通过密度梯度离心去除红细胞，分离得到的白细胞为单个核细胞，单个核细胞经CD34抗原选择可分离得到CD34⁺细胞。

用于实现本发明方法的装置至少包括搅拌式生物反应器和通过管线与搅拌式生物反应器相连通的灌注培养腔；

所说的搅拌式生物反应器包括：

一个圆柱状上端具有封盖的圆柱状容器；

一个设置在所述容器中的搅拌装置；

一个设置在封盖上的混合气体和酸/碱液入口；

一个设置在封盖上的混合气体出口；

一个设置在反应器内设有上部出气口和下部出气口并与所说的混合气体出口相连通的通气管；

一个设置在封盖上的培养液入口；

一个设置在封盖上的培养液出口；

一个设置在封盖上的细胞回流入口；

一个通过封盖设置在容器内的pH电极；

一个通过封盖设置在容器内的溶氧浓度电极；

所说的灌注培养腔为外带水浴夹套的方型管，上面设有接种口、培养基入口、培养基出口、回流口、废液口。

本发明采用先在静态培养腔中灌注培养，后转入搅拌式反应器中悬浮灌注培养的方法，克服了静态培养中造血细胞生长至高密度后培养环境中存在的浓度梯度问题，而且避免了造血细胞在培养初期受剪切力影响而造成细胞不生长或生长缓慢的问题，实现了最优化的灌注培养策略。培养结果表明，在培养初期，总细胞即有较大扩增，而且CFU-Mix、CFU-GM、CD34⁺细胞也有较大扩增(检测方法见文献：迟占有，夏泉鸣，顾小华，谭文松，戴千策，造血细胞的悬浮培养和生物反应器开发，生物工程学报，2003，19(5))。细胞长至较高密度后，转入反应器中进行搅拌悬浮培养，总细胞进一步扩增，同时CFU-Mix、CFU-GM、CD34⁺细胞也继续扩增。总体上讲，此方法比直接进行搅拌悬浮培养可获得更高的扩增倍数。

附图说明

图1为接种培养阶段的流程图。

图2为连续悬浮灌注培养的流程图。

图3为搅拌式生物反应器结构示意图。

图4为采用本发明的方法与采用方瓶培养总细胞的变化。

图5为采用本发明的方法与采用方瓶培养时CFU-Mix的变化。

图6为采用本发明的方法与采用方瓶培养时CFU-GM的变化。

图7为采用本发明的方法与采用方瓶培养时CD34⁺细胞的变化。

具体实施方式

参见图1，图2和图3，一种造血细胞灌注培养装置，至少包括搅拌式生物反应器101和通过管线与搅拌式生物反应器101相连通的灌注培养腔102；

所说的搅拌式生物反应器101包括：

一个圆柱状上端具有封盖1的圆柱状容器2，高径比为2～4∶1，优选的高径比为3∶1；

一个设置在所述容器2中的搅拌装置3；

一个设置在封盖1上的混合气体和碱/酸液入口4；

一个设置在封盖1上的混合气体出口5；

一个设置在容器2内设有上部出气口6和下部出气口7并与所说的混合气体出口5相连通的通气管8；

一个设置在封盖1上的培养液入口9；

一个设置在封盖1上的培养液出口10；

一个设置在封盖1上的细胞回流入口11；

一个通过封盖1设置在容器2内的pH电极16；

一个通过封盖1设置在容器2内的溶氧浓度电极17；

所说的搅拌装置2的搅拌桨叶27可采用20～40°斜叶提升式搅拌桨，并且桨叶27直径与容器2直径比为3～4∶5。

所说的灌注培养腔102为方型管，外带水浴夹套，其尺寸为高0.5-2cm，宽0.5-2cm，长15-30cm；

接种口30设置在灌注培养腔102的一端；

培养基入口31设置在靠近接种口30的灌注培养腔102的一端的上部，并通过管线与培养液出口10相连通；

培养基出口32设置在灌注培养腔102的另一端的上部，并通过管线与细胞回流入口11相连通；

回流口33设置在灌注培养腔102靠近接种口30一端的下部，并通过管线与细胞回流入口11相连通；

废液口34设置在靠近培养基出口32的灌注培养腔102的顶端。

参见图1和图2，采用上述装置实现本发明的方法包括如下步骤：

(1)接种培养：造血细胞经接种口30接种于灌注培养腔102中，沉在培养腔102底部生长，接种密度为0.1～2×10⁶cells/mL；

关闭回流口33，培养基先加入生物反应器101中，调节温度、溶氧和pH后，通过管线从培养基入口30进入灌注培养腔102中，灌注速率为1～5mL/分钟，经过培养腔102后，由培养基出口32回流到反应器101中，由反应器控制系统重新调节温度、pH和溶氧，并不断循环，培养4～8天；

培养基用IMDM，使用时添加重量百分比为10％～30％胎牛血清(FBS)，10～100ng/mL的SCF、1～20ng/mL IL-3、5～50ng/mL的IL-6、10～100ng/mL FL和5～50ng/mL TPO；温度为37℃，pH控制在7.0～7.2，溶氧控制为15～30％的空气饱和度；

(2)连续灌注培养：细胞生长至较高密度(0.5～5×10⁶cells/mL)后，关闭培养基出口32，将细胞液由培养基出口32转入反应器中，将灌注腔倾斜一定角度，优选倾斜30～60°，进行搅拌培养，通过管线从回流口33将细胞液回流至反应器101中，灌注用过的废液由废液口34流出，此时，培养腔102的作用转变为细胞截留系统，部分细胞液经回流口33回流至反应器101中，其余细胞液向上流动，在向上流动过程中，细胞由于重力作用沉降至培养腔102底壁，再靠重力沿底壁下滑至回流口33，并回流至反应器101中，而其废液经废液口34流出。

搅拌培养的灌注速率为D/V＝1/3～1/1。继续培养10～14天。培养结果表明，在培养初期，总细胞即有较大扩增，而且CFU-Mix、CFU-GM、CD34⁺细胞也有较大扩增，细胞长至较高密度后，转入反应器中进行搅拌悬浮培养，总细胞进一步扩增，同时CFU-Mix、CFU-GM、CD34+细胞也继续扩增，此方法比直接进行搅拌悬浮培养可获得更高的扩增倍数。

D/V指的是每天灌注入反应器的培养基体积与反应器的工作体积之比。

                        实施例1

反应器结构参数：高＝400mm，直径＝100mm；搅拌桨叶27采用30°斜叶提升式搅拌桨，并且桨叶27直径与容器2直径比为4∶5。

灌注培养腔102为方型管，外带水浴夹套，其尺寸为高1.2cm，宽1.5cm，长20cm；

培养方法：

脐血经淋巴细胞分离液(Ficoll)梯度离心后，收集单个核细胞，并以IMDM培养基洗涤两次。体外培养所用基本培养基为IMDM，使用时添加20％胎牛血清(FBS)，以及50ng/mL的SCF、10ng/mL的IL-3、20ng/mL的IL-6、50ng/mL的FL和25ng/mL的TPO，用上述培养基悬浮脐血单个核细胞，1×10⁶cells/mL接种至培养腔中，其水浴温度控制为37℃。培养基在生物反应器中由控制系统调节温度、pH、和溶氧，其中温度控制为37℃，pH控制在7.1，溶氧控制为22％空气饱和度。

培养开始时，培养基以3mL/分钟的速率灌注到培养腔，之后回流至反应器中重新调节pH和溶氧，并不断循环。培养6天后，细胞生长至2.1×10⁶cells/mL，将细胞悬浮后回流至生物反应器中，由于灌注培养腔体积小而回流至反应器中培养体积变大，因此细胞被稀释，此时生物反应器中细胞密度为0.52×10⁶cells/mL。

关闭培养基出口32，将细胞液由培养基出口32转入反应器中，将灌注腔倾斜一定角度，优选倾斜45°，进行搅拌培养，通过管线从回流口33将细胞液回流至反应器101中，灌注用过的废液由废液口34流出，此时，培养腔102的作用转变为细胞截留系统，部分细胞液经回流口33回流至反应器101中，其余细胞液向上流动，在向上流动过程中，细胞由于重力作用沉降至培养腔102底壁，再靠重力沿底壁下滑至回流口33，并回流至反应器101中，而其废液经废液口34流出。

搅拌培养的灌注速率为D/V＝1/2，继续培养10～14天。培养结果表明，在灌注培养腔中培养6天后，总细胞扩增2.1倍，CFU-Mix扩增9.0倍、CFU-GM扩增7.9倍、CD34⁺细胞扩增15倍，都显著高于作为对照的方瓶培养。培养6天后，培养腔中细胞密度为2.1×10⁶cells/mL，此时将细胞悬浮后转入反应器中继续培养12天，总细胞最终扩增71.9倍，CD34⁺细胞最终扩增25倍，而CFU-Mix在第10天时扩增最大，为15.3倍，CFU-GM在第16天时扩增达最大，为41.1倍。具体见图4～7。应用此方法得到的扩增倍数高于一直进行搅拌悬浮灌注培养或一直进行静态灌注培养。

Claims (9)

1.一种造血细胞灌注培养装置，其特征在于，至少包括搅拌式生物反应器(101)和通过管线与搅拌式生物反应器(101)相连通的灌注培养腔(102)；

所说的搅拌式生物反应器(101)包括：

一个圆柱状上端具有封盖(1)的圆柱状容器(2)，高径比为2～4∶1；

一个设置在所述容器(2)中的搅拌装置(3)；

一个设置在封盖(1)上的混合气体和酸/碱液入口(4)；

一个设置在封盖(1)上的混合气体出口(5)；

一个设置在容器(2)内设有上部出气口(6)和下部出气口(7)并与所说的混合气体出口(5)相连通的通气管(8)；

一个设置在封盖(1)上的培养液入口(9)；

一个设置在封盖1上的培养液出口10；

一个设置在封盖1上的细胞回流入口11；

一个通过封盖(1)设置在容器(2)内的pH电极(16)；

一个通过封盖(1)设置在容器(2)内的溶氧浓度电极(17)；

所说的灌注培养腔(102)为方型管，外带水浴夹套，其尺寸为高0.5-2cm，宽0.5-2cm，长15-30cm；

接种口(30)设置在灌注培养腔(102)的一端；

培养基入口(31)设置在靠近接种口(30)的灌注培养腔(102)的一端的上部，并通过管线与培养液出口(10)相连通；

培养基出口(32)设置在灌注培养腔(102)的另一端的上部，并通过管线与细胞回流入口(11)相连通；

回流口(33)设置在灌注培养腔(102)靠近接种口(30)一端的下部，并通过管线与细胞回流入口(11)相连通；

废液口(340设置在靠近培养基出口(32)的灌注培养腔(102)的顶端。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所说的搅拌装置(2)的搅拌桨叶(27)采用20～40°斜叶提升式搅拌桨，并且桨叶(27)直径与容器(2)直径比为3～4∶5。

3.一种采用权利要求1或2所述装置进行造血细胞灌注培养的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)接种培养：造血细胞经接种口(30)接种于灌注培养腔(102)中，沉在培养腔(102)底部生长；

关闭回流口(33)，培养基先加入生物反应器(101)中，调节温度、溶氧和pH后，通过管线从培养基入口(30)进入灌注培养腔(102)中，经过培养腔(102)后，由培养基出口(32)回流到反应器(101)中，由反应器控制系统重新调节温度、pH和溶氧，并不断循环，培养4～8天；

培养基用IMDM，使用时添加重量百分比为10％～30％胎牛血清(FBS)，10～100ng/mL的SCF、1～20ng/mL IL-3、5～50ng/mL的IL-6、10～100ng/mL FL和5～50ng/mL TPO；

(2)连续悬浮灌注培养：细胞生长至较高密度后关闭培养基出口(32)，将细胞液由培养基出口(32)转入反应器中，将灌注培养腔(102)倾斜30～60°，进行搅拌培养，通过管线从回流口(33)将细胞液回流至反应器(101)中，灌注用过的废液由废液口(34)流出，部分细胞液经回流口(33)回流至反应器(101)中。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，接种密度为0.1～2×10⁶cells/mL。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，接种培养灌注速率为1～5mL/分钟。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，接种培养使细胞生长至密度为0.5～1.5×10⁶cells/mL后再连续灌注培养。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，搅拌培养的灌注速率为D/V＝1/3～1/1，D/V指的是每天灌注入反应器的培养基体积与反应器的工作体积之比。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，温度为37℃，pH控制在7.0～7.2，溶氧控制为15～30％空气饱和度。

9.根据权利要求3～8任一项所述的方法，其特征在于，所说的造血细胞可以是来源于骨髓、外周血和脐血的单个核细胞及造血干/祖细胞(CD34⁺细胞)。

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