CN1740314A

CN1740314A - 持续灌注式自动细胞培养系统

Info

Publication number: CN1740314A
Application number: CN 200510028027
Authority: CN
Inventors: 高春平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-07-21
Filing date: 2005-07-21
Publication date: 2006-03-01

Abstract

本发明涉及一种生物技术装置，尤其涉及一种应用于细胞培养的生物医学装置。更具体地说，这是人体干细胞或/和人体造血干细胞成长的培养装置，在生物反应器中各种不同类型的细胞被同步培养，使营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时除去不需要的代谢产物，这种成功同步培养多种类型细胞的装置和方法，可以在体外重建人体造血组织。这种装置可以广泛应用于各种临床生物治疗、骨髓移植和造血干细胞移植中。

Description

持续灌注式自动细胞培养系统

技术领域

本发明涉及一种生物医学装置，尤其涉及一种应用于细胞培养的生物医学装置。更具体地说，这是人体干细胞或/和人体造血干细胞成长的培养装置。其特征是，在生物反应器中各种不同类型的细胞被同步培养，使营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时除去不需要的代谢产物，这种成功同步培养多种类型细胞的装置和方法，可以在体外重建人体造血组织。这种装置可以广泛应用于各种临床生物治疗、骨髓移植和造血干细胞移植中。

技术背景

造血干细胞体外扩增是在体外通过可控制的培养系统来大量扩增各阶段或某一特定阶段的造血细胞供临床应用，体外造血干细胞/祖细胞的扩增将有可能大大改进目前的造血干细胞的移植方式。从最基本的层次讲，在体外对移植物进行有效的扩增可减少移植所需采集的骨髓或外周血造血干细胞的数量，这一方面可以减少患者或供者的痛苦，另一方面对于自体移植来说，还可减少肿瘤细胞的污染。对于部份因造血功能储备不足、动员效果差而采集不到足够外周血造血干细胞的患者，通过体外扩增有可能产生足够的造血细胞进行移植，而通过扩增一份常规移植的骨髓或外周血造血干细胞来获取大量的造血细胞供临床反复应用，特别是进行持续多次移植或支持多疗程的大剂量化疗，将会是造血干细胞扩增在自体移植或大剂量化疗中的另一重要用途。

尽管造血干细胞体外扩增有如此广泛而重要的作用，但是，临床医疗机构进行体外造血干细胞扩增时仍然采用普通实验室的设备，并采用手工操作方式，极易造成培养物的污染，而且手工控制操作不精确、效率低、工作量大，明显影响造血干细胞体外扩增方式的应用。

为了克服现行技术的缺陷和不足，本发明提出一种全自动控制、密封式、自动更换营养液、自动收获培养细胞的装置，帮助临床医生更好地开展体外造血干细胞扩增的任务。

发明内容

本发明解决技术问题而采用的技术方案，其特征是，一种应用于细胞培养的生物医学装置，更具体地说，这是人体干细胞或/和人体造血干细胞成长的培养装置。在生物反应器中各种不同类型的细胞被同步培养，保持营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时除去不需要的代谢产物，这种成功同步培养多种类型细胞的装置和方法，可以在体外重建人体造血组织。这种装置可以广泛应用于各种临床生物治疗、骨髓移植、造血干细胞移植中。

本发明的技术特征是，采用本发明方法和装置培养所需要的血细胞数量约100～1000亿细胞/每位病人，应限制的密度范围为10亿细胞/每升培养液，扁平状生物反应器透气防水半透膜与细胞床保持较短距离，系统允许不同的灌注率，从几乎停滞到高速灌注，富含氧气的培养营养媒介保持恒定和不断交换，采用无菌导管连接技术可以大大减少培养物污染的机会。

本发明的技术特征是，生物细胞接种、培养、生长在一个封闭的可移动装置中，该装置与外周环境隔绝，处于无菌状态。

可移动装置包括：

■细胞成长腔室-细胞保存和成长

■媒介容器-携带一定数量的合适培养媒介

■弃液容器-从培养腔室中抽出的已耗尽的培养液

上述装置连接成封闭的循环系统，同时还包括一个细胞收获腔室，可以专门用来收获来自细胞培养腔室的细胞和培养媒介。

本发明的技术特征是，采用仪器控制，通过持续灌注、培养箱、细胞收获程序进行自动控制和管理，以微处理器为控制装置，微处理器提供一种支持，当操作平台从可移动装置上移走时，存在一个可移除的控制系统。可移动装置的媒介流体通道上安装一个流体驱动装置，控制器控制流体灌注至细胞培养装置，在预先探测好的数据情况下，即使移除控制装置，流体驱动装置依然会按照预定的速度灌注，控制装置还包括一个流体传感器，这样可以测定流量的速度并可以反射性调节流量和流速。

控制装置分为两个部份：

一个部份装在可移动装置上，仅起支持作用，有插口和主控制装置连接，在主控制装置调试设置参数后，可以执行上述指示。这个部份简单，仅为一个普通DSP，能执行操作指令并记录部份数据。另一部份主控制装置为复杂的控制系统，为一个操作平台，管理所有的装置，可以是电脑或者大容器DSP，有插头与可移动装置、培养箱或细胞收获装置相连接，并设置多种参数，有较大空间可以记录全部过程及参数。

本发明的技术特征是，可移动装置包括一个细胞接种口，通过这个接种口，一定数量的生物细胞可以接种到细胞培养腔。

控制装置控制流体驱动装置，在接种细胞到培养腔室后，输入培养液到培养腔，在结束这个程序后，培养腔内会残留一些气泡，在预先设置的程序，控制装置会自动去除这些气泡，并混匀生物细胞，使之稳固地分布在细胞培养腔室，在混合过程被完成，控制单元发出指令操控液体驱动装置，灌注培养液至培养腔室，从而去除这些泡沫。

本发明的技术特征是，本发明创新的装置包括两个可以分开的盒子

■第一个盒子为细胞培养腔室

■第二个盒子为培养液容器

■培养箱装置包括可容纳第一个盒子和第二个盒子容积和位置的单元或者部件。

■第一个盒子和第二个盒子有不同的温度调节器以调节不同的温度。

本发明的技术特征是，可移动装置包括一个媒体通道-塑料管和相关的连接，用流体控制装置控制。

可控制装置可以在细胞培养腔内作为细胞收获的场所连接细胞接收袋和培养腔室，然后控制流体驱动装置，调整不同的流速，将培养媒介和生物细胞通过细胞收获口，从细胞培养腔室中抽出至收集袋。控制装置连续灌注试剂到细胞培养腔室，通过细胞收获口驱赶另外附着于细胞床上的细胞至收获容器。

可移动装置携带一个记忆装置，以贮存可移动装置的信息和历史资料。

本发明的有益效果是克服了现行技术的缺陷和不足，本发明提出一种全自动控制、密封式、自动更换营养液、自动收获培养细胞的装置，帮助临床医生更好地开展体外造血干细胞扩增的任务。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图

图2是细胞培养室结构图

图3是本发明装置连接图

图4是内部结构图

图5是可移动装置示意图

图6是电磁挤压阀剖面图

图7是处理装置示意图

图8是平台结构图

图9～图11是培养装置结构图

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1中显示一种一次性使用的盒子(100)，有一个细胞培养腔室用来生长和扩增细胞。

处理设备(300)首先用来接种细胞到可移动盒，最后用于从盒中收获细胞。培养箱装置

(400)在细胞生长和扩增成长时用来控制可移动盒生物和物理环境。管理系统(500)-＞提供运行界面，用于监测分离的各个可移动盒内细胞生长情况。

图1显示了三个分开的可移动盒，左图显示的第一个可移动盒(100A)显示自身的形状。中间图显示的第二个可移动盒(100B)显示被处理设备(300)接受的形态。右图显示的第三个可移动盒(100C)，显示被处理设备(400)接受的形态。两个分开的培养装置一个堆积在另一个上方。上方的培养箱(400A)显示它的前门关闭状态，下方的培养箱(400B)显示它的前门被移除状态，以此显示已接受可移动盒的状态。正像在图2、3所显示的，可移动盒(100)包括：细胞培养腔室(102)、生长媒介容器(104)、弃液容器(106)、收获袋(108)。所有这些连接形成一个系统，与外周环境相隔绝。

媒介容器首先被注入细胞生长所必需的生长媒介，可以包括特殊的细胞生长因子或氨基酸，这个系统可以被消毒，如在组装完毕后进行放射性照射。

在图(1)中处理装置(300)和培养装置(400)均被显示与可移动盒分离的状态。

在(图2)可移动盒(100)包括：主要的盒子部份(110)，它是细胞培养腔室(102)的屋子，弃液盒(106)和收获袋(108)，补充盒(112)是培养媒介容器(104)的屋子。在(图3)中细胞生长腔室(102)是一个浅的园柱形，被定义为一个平面的、碟形状的、塑料细胞床(114)和一个邻近的、封闭空间，透气/防水半透膜(116)。在使用时，生物细胞被连续一致地接种在细胞床上方，被成长媒介养育，成长媒介被轮辐状地通过培养腔室在一个选定的流速下泵到外侧。为了稳定PH值，氧气和其他规定的气体从一个位于细胞成长腔室对侧的浅园柱形气体腔室(118)，通过半透膜(116)被供应到细胞。

在图2和图3中成长媒介从媒介容器(104)途经媒介供应管(120)和供应口(122)(位于培养腔室中央细胞床(114))到达细胞成长腔室(102)。弃液通过培养腔室(102)的途经：多个出口(123)，(图4)，围绕着细胞床(114)周围相同距离；一个浅园柱形弃液贮液池(124)，位于细胞生长腔室的下方和细胞床的另一侧；一个弃液口(126)，位于弃液贮液池(124)的靠近中心的位置；一个弃液管(128)。收获的生物细胞，从细胞培养腔室(102)，途经细胞收获口(130)，(位于细胞床邻近细胞培养腔周围)和细胞收获管(132)转移至细胞收集袋(108)。

成长媒介供应管(120)和弃液管(128)，分别通过电磁挤压阀(134)和(136)，各自独立地放置在主要盒子(110)的前板(138)。细胞收获管(132)通过一个类似的电磁挤压阀(140)放置在主要盒子(110)的底板(142)，这些电磁挤压阀被处理装置(300)和培养装置(400)控制。

弃液管(128)的一部份，被作为一个滴液腔室(144)，被用来测量成长媒介从管中移除时的流速，同时也是穿过培养腔室的流速，滴液腔室包括一个滴液管口(146)，它输送不同培养媒介的小滴，这个腔室位于主要盒子(110)的前面板(138)的开口(148)。滴液探测仪(Drip detectors)(302)和(402)分别位于处理设备(300)和培养设备400的相关位置。

图(6)显示一个电磁挤压阀的剖面图。

在图(2)，图(3)，图(5)中氧气和其他气体通过气体连接口(172)(位于主要盒子(110)前面板(138))，运送到可移动的盒子(100)，然后从气体连接口(172)通过气体管道(174)和气体管道(176)运送至气体腔室(118)。废气被排出，从气体腔室通过气体出口(178)和气体排出管道(180)到达气体出口(182)(位于同样面板)。这些气体进出口被装置在细胞培养过程中，(在培养装置(400))气体进口连接处包括一个消毒隔离装置，空气过滤器(183)，以保证空气消毒，气体腔室最好能形成同中心循环的形式，气体进入在一侧，而气体出口按排在另一侧。

细胞生长培养腔室(102)。包括一个扩大的中心腔室(186)，延伸至其中央部位上方。它拥有一系列重要功能，其中一个重要功能就是提供培养腔室足够的空间，以允许通过隔膜(188)用一个注射器(190)在培养腔室内接种生物细胞。一个通气口或中央腔，管道(192)通过这个腔延伸，穿过一个电磁阀(194)到达消毒口(196)，这个电磁阀位于主要盒子(110)前面板(138)，媒介供应阀(134)具有同样结构。

媒介供应管道(120)运送培养媒介从媒介容器至细胞培养腔室(102)，培养媒介容器是坚硬体，培养媒介含有加压的空气，来自空气供应管(200)，被连接到供应口(202)，位于主要盒子(110)前面板(138)。空气过滤器(203)消毒空气，空气供应口(202)被自动控制，被微处理器300分别在初始、接种、细胞成长期间。当主要媒介供应阀门(134)开放时，压力化的成长媒介提供所需要的压力转移媒介通过细胞培养腔室(102)。

连线(204)内部连接，补给盒(112)和主要盒子(110)。这根线短于媒介供应管(120)，空气供应管(200)长度，以起到保护作用。

后面板(138)上装有微处理器(206)，接口(206)，固定在凹槽(208)内。

微处理器芯片可以记录多种参数，包括：媒介流速、气体混合和流速、培养温度等，同样也可以预置操作程序。这个微处理器芯片还可以记录突然的停机或中断发生时间、持续时间，并且具有自动记忆功能，可以从一台机器转换到另一台控制机器，而不会发生中断或故障，有极好的相容性。

一种适合的记忆装置(206)，可以从TXN购买，它只有硬币大小，它可以被回忆和短暂更新，被任何物理接触装置，任何部位带有读和写装置，无任何电子连接，读/写部位可能是细棒(502)。

图7中处理装置(300)，连接和形成界面与可移动装置(100)在起初细胞接种和介入过程，和最后细胞收获阶段。

处理装置(300)，包括：一个可以移开、长方形的平台(304)，它主要是接收和支持主要盒子(110)，还包括一个顶架(306)，用来接收和支持补给盒(112)，包括：电磁阀驱动器308，310，312，314，用来控制电磁阀134，136，140，194，来自可移动盒100，当可移动盒的主要盒子(110)被妥善连接平台(304)后。处理装置(300)的顶架(306)用来支撑可移动盒上的两个试剂袋(214)和(216)(冲洗培养腔，收获细胞)，试剂袋(214)和(216)被连接到管道(218)和(220)，以及一个普通管道(222)至细胞培养腔室扩大的腔(186)，管道(218)和(220)通过第一和第二试剂阀(224)和(226)，位于主要盒子(110)后面板(138)。电磁阀驱动装置(316)和(317)控制两个试剂阀(224)和(226)。

图8中平台(304)，被一个主要支持杆(318)支撑，位于平台中央，两个辅助支撑杆(320a)和(320b)，位于平台后拐角，接合装置(322)连接主支撑杆顶端和平台底端。球形接合装置(324a)和(324b)连接(320a)和(320b)到平台，接合装置允许平台限制性的旋转运动。主支撑杆底部被固定在处理装置(300)的基部(326)，辅助支撑杆(320a)和(320b)被固定在轮子(328a)和(328b)外周，轮子在基部作园周运动。步进马达(330a)和(330b)驱动轮子(328a)和(328b)做180°回返运动。因此平台(304)以及可移动装置的主要盒子被带动回返运动。主要用于细胞接种时，均匀分布接种细胞至细胞床。平台调零位置，是平台处于水平位置。在起初接种细胞和分布细胞到细胞培养腔室过程中，电磁阀驱动装置(308)、(310)、(312)和(314)分别控制(134)、(136)、(140)、(194)电磁阀。

与此同时，可移动的平台(304)按照预置的程序有次序地控制倾斜位置。

系统运行程序包括：首先选择运送培养媒介从媒介容器(104)输送到培养腔室(102)。然后接种细胞到培养腔室。然后均匀分布接种细胞至细胞床(114)。最后完成灌注媒介剂到培养腔室

图9——图11中培养装置(400)包括两个分离的接受部份。第一个接受部份(404)-＞用来放置可移动装置(100)的主要盒子(110)，其中包含细胞培养腔室(102)，在规定的37℃温度培养，还包括合适的界面控制可移动装置的生长媒介供应阀门(134)，以此，在规定的灌注速率下灌注生长培养媒介。以及提供氧气和其他气体到可移动装置的气体腔室(118)。第二个接受部位(406)-＞用来放置可移动装置(110)的补给盒(112)，包含成长媒介容器(104)，被规定在4℃温度下保存。两个接受部位被按排相邻侧面。隔开的前门(408)，用来隔离外面环境。微开关(409)，标测盒子是否安放妥当。第一个接受部位(404)，包括一个传统电热加热装置(410)和辅助风扇(412)，热电偶和反馈性控制设备，保持在恒定温度。第二个接受部位包括热电制冷装置(414)和辅助风扇(416)，恒温器和反馈控制装置保持4℃恒温。控制面板(418)在第一个接受装置(404)后壁，带有磁电驱动装置(420)，控制媒介电磁阀(134)，同时还带有滴液探测仪(dripdetector)(402)，它放置在滴液腔(144)，它持续监测、保持适当的流速，不致于过速，控制流体速度的电磁驱动装置(420)，控制媒介流动速度，因为在细胞成长过程中，成长媒介没有作为产生氧的来源，媒介的流速可以控制在非常慢的速度，它会更适合于很多细胞的培养。一个空气供应连接口(422)自动连接可移动盒的空气供应口(202)。压缩的空气由适合的泵产生，通过这个口而抵达媒介容器(104)，在细胞培养过程中。此外，气体供应连接口(424)和气体排出连接口(426)被自动连接至可移动盒的气体入口(172)和气体出口(182)，在培养过程中提供所需要的混合空气至气体腔室(118)。在第一个可接受装置(404)后面板(418)，安装可读/写装置(428)，它不但可以更新以前的信息和贮存现在的信息到记忆装置(206)(位于主要盒子(110)后面板(138))。当主要盒子(110)放置妥当在第一个可接受部位，可读/写装置更新贮存在贮存装置内的信息，并探测规定的温度和时间参数给培养箱，以适合不同细胞生长。在培养过程中，热和冷装置可以自动设置，自动报警。在培养时间(预先设定)到达时，也会自动报警。可读/写装置(428)贮存下列信息于贮存装置(206)。培养箱开始及结束的时间。在培养过程中发生的任何突发事件，如仃电、警报等。定量的培养媒介使用量。培养箱培养结束时间。

在收获细胞程序(细胞培养结束)中可移动盒(100)从培养装置(400)移开，回到处理装置(300)从细胞培养腔(102)收获细胞，通过控制电磁驱动装置(312)、(314)、(316)、(317)控制性释放收获阀门(140)，中央腔阀门(194)，第一试剂阀门(224)和第二试剂阀门(226)，通过控制性倾斜运动平台(304)。上述程序序列为：从培养腔室(102)排出细胞及媒介到收获袋(108)。然后从试剂袋(214)和(216)导引出过量的试剂到培养腔室，以保证所有在细胞培养腔的细胞回到收获袋。

收获细胞时的洗液有Hank’s buffered saline solution about 140ml.主Trypsin(胰旦白酶)about 70ml。

管理系统(500)连接处理装置(300)，包括下列功能：

■设备状态及操作步骤

■设置并控制可移动盒(100)的所有电磁阀

■阅读装置上的所有传感器

■阅读贮存装置(206)内的所有信息

■各种报警状态

■各种操作程序的实施序列

连接培养装置(400)，包括下列功能：

■装置的状态及其控制设定

■阅读装置上各种传感器

■阅读贮存装置(206)内的所有信息

■监测各种状态并设置报警

■设定操作程序序列

打印机可以打印所有操作程序。

管理系统(500)的其他功能：

■在细胞培养过程开始前，可以装载病人资料至可移动盒记忆贮存装置(206)

■生长培养哪些病人的细胞

■培养生长哪些类型细胞

■使用的是什么类型和号码的可移动盒

■使用的是什么培养液，使用的是什么冲洗液

■准确的时间和日期

■规定的程序(培养温度和期限)。

Claims

1.本发明涉及一种生物技术装置，尤其涉及一种应用于细胞培养的生物医学装置，更具体地说，这是人体干细胞或/和人体造血干细胞成长的培养装置，在生物反应器中各种不同类型的细胞被同步培养，使营养液和生长因子持续保持在适当的水平，同时除去不需要的代谢产物，这种成功同步培养多种类型细胞的装置和方法，可以在体外重建人体造血组织，这种装置可以广泛应用于各种临床生物治疗、骨髓移植和造血干细胞移植中。

2.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，采用本发明方法和装置培养所需要的血细胞数量约100～1000亿细胞/每位病人，应限制的密度范围为10亿细胞/每升培养液，扁平状生物反应器透气防水半透膜与细胞床保持较短距离，系统允许不同的灌注率，从几乎停滞到高速灌注，富含氧气的培养营养媒介保持恒定和不断交换，采用无菌导管连接技术可以大大减少培养物污染的机会。

3.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，生物细胞接种、培养、生长在一个封闭的可移动装置中，该装置与外周环境隔绝，处于无菌状态，可移动装置包括：(1)细胞成长腔室—细胞保存和成长；(2)媒介容器—携带一定数量的合适培养媒介；(3)弃液容器—从培养腔室中抽出的已耗尽的培养液，上述装置连接成封闭的循环系统，同时还包括一个细胞收获腔室，可以专门用来收获来自细胞培养腔室的细胞和培养媒介。

4.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，采用仪器控制，通过持续灌注、培养箱、细胞收获程序进行自动控制和管理，以微处理器为控制装置，微处理器提供一种支持，当操作平台从可移动装置上移走时，存在一个可移除的控制系统，可移动装置的媒介流体通道上安装一个流体驱动装置，控制器控制流体灌注至细胞培养装置，在预先探测好的数据情况下，即使移除控制装置，流体驱动装置依然会按照预定的速度灌注，控制装置还包括一个流体传感器，这样可以测定流量的速度并可以反射性调节流量和流速，控制装置分为两个部份：一个部份装在可移动装置上，仅起支持作用，有插口和主控制装置连接，在主控制装置调试设置参数后，可以执行上述指示，这个部份简单，仅为一个普通DSP，能执行操作指令并记录部份数据，另一部份主控制装置为复杂的控制系统，为一个操作平台，管理所有的装置，可以是电脑或者大容器DSP，有插头与可移动装置、培养箱或细胞收获装置相连接，并设置多种参数，有较大空间可以记录全部过程及参数。

5.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，可移动装置包括一个细胞接种口，通过这个接种口，一定数量的生物细胞可以接种到细胞培养腔，控制装置控制流体驱动装置，在接种细胞到培养腔室后，输入培养液到培养腔，在结束这个程序后，培养腔内会残留一些气泡，在预先设置的程序，控制装置会自动去除这些气泡，并混匀生物细胞，使之稳固地分布在细胞培养腔室，在混合过程被完成，控制单元发出指令操控液体驱动装置，灌注培养液至培养腔室，从而去除这些泡沫。

6.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，本发明创新的装置包括两个可以分开的盒子，第一个盒子为细胞培养腔室，第二个盒子为培养液容器，培养箱装置包括可容纳第一个盒子和第二个盒子容积和位置的单元或者部件，第一个盒子和第二个盒子有不同的温度调节器以调节不同的温度。

7.按照权利要求1所述的装置中，本发明的技术特征是，可移动装置包括一个媒体通道—塑料管和相关的连接，用流体控制装置控制，可控制装置可以在细胞培养腔内作为细胞收获的场所连接细胞接收袋和培养腔室，然后控制流体驱动装置，调整不同的流速，将培养媒介和生物细胞通过细胞收获口，从细胞培养腔室中抽出至收集袋，控制装置连续灌注试剂到细胞培养腔室，通过细胞收获口驱赶另外附着于细胞床上的细胞至收获容器，可移动装置携带一个记忆装置，以贮存可移动装置的信息和历史资料。