ES2340675T3 - Sistema modular de multiples minibiorreactores automatizados para screening multifuncional (hts) en biotecnologia. - Google Patents
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Abstract
La presente invención de refiere a un método y un aparato para conseguir y mantener múltipées cultivos biológicos, con unas características ambientales similares a las de los biorreactores de mayor tamaño ( a partir de 1L) y con un grado de automatización de las medidas paredico al que se obtiene actualmente con las microplacas (1-2 mL). Las características ambientales incluyen como mínimo, medida y control de temperatura, agitación y aireación, medida y control de pH y oxígeno disuelto, y medida de la biomasa.
Description
Sistema modular de múltiples minibiorreactores
automatizados para screening multifuncional (HTS) en
biotecnología.
La presente invención se refiere a un método y
un aparato para conseguir y mantener múltiples cultivos biológicos,
con unas características ambientales similares a las de los
biorreactores de mayor tamaño (a partir de 1 l) y con un grado de
automatización de las medidas parecido al que se obtiene actualmente
con las microplacas (1-2 ml). Las características
ambientales pueden incluir medida y control de temperatura,
agitación y aireación, medida y control de pH y oxígeno disuelto, y
medida de la biomasa.
La aplicación de la tecnología basada en la
utilización de técnicas de genómica y proteómica y de química
combinatoria está favoreciendo el desarrollo de organismos nuevos o
mejorados, nuevas substancias y nuevos procesos. Las áreas de
aplicación de estas técnicas son tan amplias como la biomedicina,
biotecnología, industria alimentaria y medio ambiente, y sin duda
irán en aumento en un futuro próximo, dado el potencial de esta
tecnología. No debe tampoco olvidarse que todavía están por
descubrir muchas capacidades en los organismos existentes. En este
sentido, se deberá hacer frente a la capacidad de explorar, en
tiempos razonables y con medios altamente tecnificados,
automatizados y estandarizados, tanto el potencial de las diferentes
células y enzimas naturales o modificados, como los efectos
terapéuticos y/o tóxicos de las diferentes moléculas desarrolladas
con las mencionadas técnicas. La denominación que han adquirido los
sistemas que permiten esta exploración es la de High Throughput
Screening (HTS).
El HTS en Biotecnología puede abordarse a
distintos niveles y los sistemas existentes se adecuan a cada uno
de ellos atendiendo a las necesidades específicas requeridas por el
usuario final. Así, a nivel molecular, el interés se centra en
permitir la realización de múltiples ensayos, normalmente de tipo
enzimático, donde se suelen seguir múltiples actividades o
metabolitos, en distintas fases del desarrollo de productos en
Biotecnología, y más en particular en el área de las aplicaciones
terapéuticas. En cambio, a nivel celular, las acciones se centran
en la determinación mediante métodos manuales y visuales del efecto
de los productos en fases clínicas o a ensayos sobre los efectos de
diversos compuestos sobre el crecimiento y/o actividad celular.
Las tecnologías que se utilizan actualmente en
los procesos de identificación y desarrollo de nuevas sustancias y
procesos son por un lado elementos de cultivo de volumen pequeño
(1-10 mL) que no permiten el control in situ
de las variables críticas del proceso, y cuya monitorización
mediante técnicas convencionales es cuando menos costosa en lo
referente al tiempo requerido. Además dado el pequeño volumen de
reacción, el número de muestras que se pueden extraer es reducido.
Por tanto la implementación de sistemas de medida in situ y en
línea supondría un claro avance en este campo.
Por otro lado, el uso de sistemas de medida en
linea está restringido a biorreactores de escala de laboratorio
(2-5 litros) y superiores. Sin embargo su elevado
coste de compra, su coste de operación (ciertamente elevado si nos
referimos en cultivos de células animales) y la necesidad de mano
de obra ciertamente especializada dificulta el uso de baterías de
biorreactores para el estudio de diferentes condiciones de
cultivo/reacción para cada potencial producto de interés. Existe
pues, un potencial vacío tecnológico que combine las capacidades de
medida y control de un biorreactor con la escalabilidad de los
pequeños sistemas de reacción/cultivo. Es este vacío el que la
presente patente pretende cubrir.
En las etapas iniciales del desarrollo de nuevas
substancias con actividad biológica o procesos biotecnológicos la
determinación de parámetros como por ejemplo la concentración de
oxígeno disuelto, el pH, la temperatura o la fuerza iónica del
medio es de especial interés. Sin un claro conocimiento de sus
valores y márgenes de variación durante los ensayos puede resultar
poco menos que imposible reproducir las condiciones ambientales en
las que éste se generó, haciendo poco menos que inviable el pase a
posteriores etapas de desarrollo. El atractivo del concepto en que
se basa este equipo es que en el HTS se podrán determinar las
condiciones del proceso final.
Un estudio de los equipos existentes en el
mercado revela que el producto con una mayor similitud con el que
se presenta en lo que se refiere a su diseño y volumen, es un equipo
que consta de diferentes viales cuyo potencial campo de aplicación
consiste en la síntesis de compuestos según esquemas de química
combinatoria. Sin embargo, su diseño no está orientado al uso de
dichos viales como biorreactores.
Además del campo químico, en el campo médico
también existen productos con ciertas similitudes al que se
presenta, aunque en este caso las similitudes no sean tan de diseño
como funcionales. Así, en el ámbito hospitalario hay equipos que se
basan en placas de 1 o 6 pozos de cultivo (elementos típicos de
laboratorio de cultivo) que se utilizan para mantener cultivos de
determinadas muestras de tejido, lo cual se hace mediante la
perfusión continua de medio a través de los pozos de cultivo dónde
se encuentran los tejidos. Dichas placas precisan, sin embargo, de
un equipamiento voluminoso (incubador) para mantener las condiciones
de temperatura, humedad y composición atmosférica, y carecen de un
sistema de monitorización en línea de las condiciones del
cultivo.
WO2002/14539, en la que se basa el preámbulo de
la reivindicación 1, describe una biorecator para realizar varios
cultivos simultáneos en microbioreactores, con sensores ópticos para
monitorizar las propiedades de los cultivos.
De acuerdo con un primer aspecto, la presente
invención se refiere a un dispositivo como se reivindica en la
reivindicación 1.
En una realización preferida, cada placa
comprende además un agitador central del baño de termostatado.
Preferiblemente, la placa comprende una
pluralidad de minibiorreactores individuales en disposición
poligonal, con una zona central que facilita el termostatado común
de dichos minibiorreactores.
La disposición geométrica centrosimétrica de los
pocillos dentro de la placa asegura, por diseño, que el control
global de temperatura puede realizarse de forma centralizada,
asegurando la homogeneidad térmica de todos los minibiorreactores
La forma poligonal permite el acoplamiento lateral de múltiples
placas con el fin de formar macroconjuntos de minibiorreactores que
serían acondicionados por un equipo común, con variación de los
parámetros de cultivo individualmente o en grupos.
De acuerdo con una realización, el equipo se
conecta a un sistema informático, mediante conexión dedicada o a
través de una red telemática.
De este modo puede expandirse local o
remotamente el sistema de manera indefinida para lograr el control
de un número elevado de cultivos para aplicaciones de HTS.
En una realización, cada minibiorreactor
comprende una tapa superior que incorpora un puerto óptico
constituído por un tubo que penetra en el interior del
minibiorreactor de manera que su extremo inferior está sumergido en
un líquido contenido en dicho minibiorreactor.
Se evita así el efecto de las variaciones de
nivel y de la condensación en las medidas ópticas que se realicen a
través de dicho puerto óptico.
Se pueden situar sensores ópticos y fuentes de
luz en el puerto óptico en la parte del fondo de la placa que se
enfrenta a dicho puerto óptico y/o en la superficie lateral del
recipiente.
Estos sensores tienen la finalidad de realizar
medidas de absorción, reflexión, dispersión o fluorescencia del
contenido del minibiorreactor.
También se pueden situar fibras ópticas o guías
de luz en el puerto óptico, en la parte del fondo de la placa que
se enfrenta a dicho puerto óptico y/o en la superficie lateral del
recipiente.
Las fibras ópticas tienen la finalidad de
realizar de forma remota medidas de absorción, reflexión, dispersión
o fluorescencia del contenido del minibiorreactor.
En una realización se introduce un puerto
adicional por la tapa superior de manera que el extremo de dicho
puerto quede sumergido en el líquido, estando dicho extremo acabado
por un filtro o membrana semipermeable.
Este puerto permite realizar medidas
relacionadas con el contenido del minibiorreactor desde el exterior
de éste y sin romper la barrera estéril.
Otras realizaciones prevén introducir un puerto
adicional por la tapa superior de manera que el extremo de dicho
puerto quede sumergido en el líquido, conteniendo dicho extremo
sensores o microsensores.
Los sensores o microsensores permiten realizar
medidas relacionadas con el contenido del minibiorreactor a partir
de conexiones eléctricas realizadas desde el exterior de éste.
De acuerdo con una realización, el intercambio
de calor entre el equipo y el baño de termostatado de la placa se
lleva a cabo mediante una resistencia calefactora que está en
contacto con una parte del perímetro exterior de la placa.
Alternativamente, el intercambio de calor entre
el equipo y el baño de termostatado de la placa se lleva a cabo
mediante una célula Peltier que está en contacto con una parte del
perímetro exterior de la placa.
De acuerdo con otra realización, el intercambio
de calor entre el equipo y el baño de termostatado de la placa se
lleva a cabo mediante una resistencia calefactora que está inmersa
en dicho baño.
En este caso, la resistencia formaría parte de
la propia placa.
Otras realizaciones pueden prever que el
intercambio de calor entre el equipo y el baño de la placa se lleve
a cabo mediante calentamiento por radiofrecuencia llevado a cabo
desde el exterior.
El aparato puede comprender una sonda de
temperatura sumergida en el baño de termostatado.
La sonda permite medir de temperatura de dicho
baño y llevar a cabo el control de ésta.
El aparato también puede comprender sondas de
temperatura sumergidas en el contenido de uno o varios de los
minibiorreactores.
El aparato también puede comprender un
minibiorreactor adicional, rodeado igual que los demás
minibiorreactores por el baño de termostatado, en el cual se
sumerge una sonda de temperatura.
La sonda permite medir la temperatura del baño,
con la ventaja que el minibiorreactor adicional puede tener forma y
dimensiones distintas de los minibiorreactores, pudiendo no ser
estéril.
En una realización, el aparato comprende un
estátor situado debajo de cada uno de los elementos de agitación
individual del contenido de los minibiorreactores, para la
transmisión de energía a dichos elementos de agitación.
Alternativamente, el aparato comprende imanes
giratorios situados debajo de cada uno de los elementos de agitación
individual del contenido de los minibiorreactores, para la
transmisión de energía a los distintos agitadores, girando dichos
imanes gracias a un sistema mecánico de transmisión excitado por un
motor eléctrico común. De acuerdo con otra variante, los imanes
giran gracias a motores eléctricos individuales.
Preferiblemente, el aparato comprende un estátor
o un imán giratorio situado debajo del agitador central del baño de
termostatado, para la transmisión de energía a dicho agitador.
En una realización, el aparato comprende medios
para provocar el giro del agitador del baño común de termostatado a
partir de la secuenciación de las excitaciones a los
minibiorreactores.
Cada minibiorreactor tiene un volumen de entre 5
y 25 ml.
En una realización, las placas son al menos en
parte desechables; pueden estar formadas por una base realizada en
material plástico y al menos una tapa realizada en material plástico
u otro material transparente.
De acuerdo con un segundo aspecto, la presente
invención se refiere a un método como se reivindica en la
reivindicación 24.
Para una mejor comprensión de cuanto se ha
expuesto, se acompañan unos dibujos en los que, esquemáticamente y
sólo a título de ejemplo no limitativo, se describe una realización
concreta de la invención. En dichos dibujos:
las figuras 1a y 1b son vistas en planta de
sendas realizaciones de una placa de acuerdo con la invenicón que
contiene seis minibiorreactores, con perfil exterior circular y
hexagonal, respectivamente;
las figuras 2a y 2b son vistas en sección
vertical de una placa que contiene seis minibiorreactores y el
sistema de agitación central, respectivamente soportado por la
estructura o apoyado en el fondo;
las figuras 3a y 3b son vistas en planta y en
sección vertical, respectivamente, de uno de los pocillos o
minibiorreactores;
las figuras 4a y 4b son vistas en sección
vertical (4a) y en planta, respectivamente, de una placa dispuesta
en el interior de un equipo de acuerdo con una realización de la
invención;
las figuras 5a y 5b son vista en perspectiva de
una realización de un equipo que alberga una placa, representado
con la tapa cerrada y sin tapa, respectivamente;
la figura 6 muestra un equipo de acuerdo con
otra realización de la invención, que alberga siete placas, con un
total de cuarenta y dos minibiorreactores;
las figuras 7a y 7b son vistas análogas a las
figuras 5a y 5b, para el equipo de la figura 6; y
las figuras 8a y 8b muestran esquemas de
conexión del equipo a un ordenador y a una red informática,
respectivamente.
El aparato de acuerdo con una realización de la
invención que se representa en los dibujos consta de dos partes
claramente diferenciadas:
- A.
- Un recipiente cerrado 1, realizado en material plástico (en adelante, placa), cuyas características se aprecian en las figuras 1a, 1b, 2a y 2b, que alberga un cierto número de celdas o pocillos 2 (en adelante, minibiorreactores) de tamaño medio (5-25 ml), uno de los cuales se ha representado con detalle en las figuras 3a y 3b. La placa 1 puede ser de un solo uso y, una vez llenada con los líquidos de cultivo en un ambiente estéril, puede ser manipulada y transportada en un ambiente no estéril durante el resto del proceso.
- B.
- Un equipo o sistema de medida 3, representado en las figuras 5a, 5b, 7a y 7b, que alberga una o varias placas 1 en su interior y que proporciona las condiciones ambientales, comunes o individuales a los minibiorreactores 2. El equipo 3 proporciona también los sistemas de medida que permiten el seguimiento y control de los parámetros adecuados para cada tipo de cultivo biológico, de forma automática y respetando la barrera estéril establecida en la placa 1. El equipo 3 puede ser replicado de forma indefinida mediante su conexión a una red informática con el objeto de realizar, controlar y monitorizar un número elevado de ensayos, con variación de sus condiciones de reacción/crecimiento y con repetición de condiciones por grupos de minibiorreactores 2 o placas 1, si es necesario.
A continuación se describen con más detalle las
diferentes partes del aparato y su funcionamiento.
Como muestran las figuras 1a y 1b, una placa 1
puede contener seis minibiorreactores 2 y un sistema de agitación
central 4.
Se resalta la simetría central de la placa 1,
que permite mantener los pocillos 2 a la misma temperatura con un
solo calefactor central 5 que calienta un baño común de termostatado
6, agitado por el citado sistema de agitación 4. Dicho baño 6 se
llena a través de un tapón 7, que también puede estar situado en
una tapa superior (no representada).
En la figura 1a la placa tiene perfil exterior
circular, mientras que en la variante de realización representada
en la figura 2b el perfil es hexagonal. El perímetro admite diversas
formas; la forma poligonal permite encajar lateralmente varias
placas 1 formando un conjunto compacto de múltiples pocillos 2
(cuarenta y dos en el caso de placas hexagonales de seis
pocillos).
En la vista en sección vertical de la figura 2a
se aprecia una placa 1 dotada de un sistema de agitación central 4
que está soportado por la estructura; la figura muestra los
minibiorreactores o pocillos 2 rodeados lateralmente por el baño de
termostatado 6, el agitador central 4 y unos accesos superiores e
inferiores 8 a través de los cuales se proporciona, como se
explicará más adelante, el intercambio de calor al baño 6 y la
energía al agitador central 4.
En una variante, representada en la figura 2a,
el sistema de agitación 4 está apoyado en el fondo de la placa 1, y
únicamente se prevé un acceso superior 8.
Las figuras 3a y 3b muestran con más detalle uno
de los pocillos o minibiorreactores 2, en planta y en sección
vertical.
El minibiorreactor 2 comprende un puerto óptico
21, que permite la realización de medidas por transmisión o
reflexión a través de su ventana inferior 22, que se mantiene
siempre sumergida por debajo del nivel del líquido 23,
proporcionando así un camino óptico de longitud independiente del
nivel.
El minibiorreactor 2 presenta asimismo tubos de
entrada y salida de gases 24, un septum 25 de llenado, inoculación
y eventual aporte y drenaje de líquidos, un puerto opcional 26,
inicialmente no perforado, que permitiría la adición de sondas o
microsondas no ópticas, y un rotor 27 de un agitador magnético.
En definitiva la placa alberga, como se ha
dicho, un cierto número de minibiorreactores (por ejemplo, seis),
siendo cada uno de ellos estanco respecto al ambiente, a los demás
pocillos y a un baño que permite su termostatado común. La
disposición geométrica centrosimétrica de los pocillos dentro de la
placa asegura, por diseño, que el control global de temperatura
puede realizarse de forma centralizada, asegurando la homogeneidad
térmica de cada una de los minibiorreactores. Cada minibiorreactor
incluye también un elemento de agitación individual, para permitir
la homogeneización de su contenido. La energía necesaria para
proporcionar el movimiento a dicho elemento se proporcionará, sin
contacto, desde el exterior. Los minibiorreactores tendrán además,
puertos de acceso para la entrada y salida de gases con el objeto
de proporcionar la adecuada presión parcial de oxígeno al cultivo,
así como de otros gases si fuera necesario. La esterilidad de dicho
acceso se asegurará mediante filtros conectados a dichos puertos.
El llenado, inoculación y, en caso de ser necesario, toma de
muestras de los minibiorreactores se realizará a través de un
tercer puerto mediante un cierre de tipo septum. Para procesos
continuos o feedbatch puede usarse dicho septum para introducir
cánulas que aporten y drenen líquidos a lo largo del
crecimiento.
Las medidas de los parámetros del cultivo se
llevarán a cabo desde el exterior, sin interferir con la barrera
estéril de la placa. Los posibles métodos de medida contemplados son
los siguientes:
- Acceso óptico al contenido de cada
minibiorreactor, a partir de sus paredes o de partes transparentes
de éstas.
- Acceso eléctrico a los contactos exteriores de
sensores o microsensores dispuestos en el interior de los
minibiorreactores antes del proceso de esterilización.
- Medidas realizadas desde el exterior sobre
líquidos sujetos a intercambio iónico con el contenido del
biorreactor a través de membranas que mantengan la barrera
estéril.
El volumen de la placa que corresponde al
exterior de los minibiorreactores, se llenará con un líquido (por
ejemplo, agua) no necesariamente estéril. La agitación de este
líquido se proporcionará desde el exterior de una forma similar a
la agitación del contenido de los biorreactores. Se aportará o
drenará calor de dicho líquido, también desde el exterior, para
conseguir la homogeneización térmica del baño y del contenido de
los pocillos.
La placa en su conjunto o, como mínimo, la
parte de ella que estará en contacto con el medio de cultivo, será
desechable y se presentará, ya esterilizada, en el interior de una
bolsa o sobre estancos, con lo que pasa a ser un consumible para el
usuario. Su llenado, inoculación y conexión a los filtros no
precisan de otro utillaje que una cámara de flujo laminar y son los
únicos procesos que deben ser realizados en una zona estéril.
En las figuras 4a y 4b se representa, en sección
vertical y en planta, una placa 1 como la que se ha descrito,
situada en el interior de un equipo 3; este equipo presenta
subsistemas que dan servicio a la placa (para suministrar energía y
calor a la placa, así como sistemas de medida y control), y se aloja
a su vez en una caja exterior 9.
La caja exterior 9 puede albergar las diversas
partes del equipo 3 y la placa 1 de minibiorreactores 2, y también
un sistema de adquisición de datos y control (no representado en las
figuras 4a,4b), aunque éste puede también estar situado en el
exterior de la caja 9 y conectado a ésta mediante cables.
Al cerrarse la tapa de la caja exterior 9, se
facilita el alineamiento y conexión de los diversos subsistemas a
la placa 1.
Las distintas tramas de las figuras 4a, 4b
permiten identificar la posición de los subsistemas del equipo 3
que proporcionan el intercambio de calor al baño de termostatado 6
de la placa 1 y la energía al agitador central 4 de dicho baño y a
los agitadores 27 de cada pocillo 2, así como los sensores ópticos
(parte inferior de la placa 1 y puerto óptico 21) o bien otro tipo
de sensores o microsensores. En la figura 4b se puede observar como
la disposición con simetría central de los pocillos facilita la
separación de los diversos subsistemas en coronas circulares.
La forma exterior del equipo 3 se representa, en
una posible variante de realización, en la figura 5a: comprende una
base 31 en la cual se aloja una placa 1 (figura 5b), que queda
cerrada por una tapa 32.
Como se puede ver en la vista en planta de la
figura 6, también se puede diseñar un equipo que albergue varias
placas 1 de perímetro poligonal: en la figura se aprecia una
disposición de siete placas 1 (un total de cuarenta y dos
minibiorreactores) dentro de un único equipo. El perímetro del
equipo, en este caso, puede ser hexagonal 3' o circular 3''.
En general, disponiendo m placas 1 de
perímetro poligonal con n pocillos cada una pueden así
formarse macroplacas de n x m pocillos 2.
Los pocillos 2 de cada placa 1 estarán a la
misma temperatura, de manera que el sistema permite obtener m
experimentos a temperaturas distintas con n réplicas cada
uno.
Las figuras 7a y 7b son análogas a las figuras
5a y 5b, para una realización del equipo 3 con siete placas 1 de
seis pocillos 2 cada una.
En definitiva, el equipo o sistema de medida
externo albergará una o más placas en su interior, que serán
introducidas mediante la abertura de una o más partes de dicho
equipo. Sus funciones serán las siguientes:
- -
- Intercambio controlado de calor con el baño que termostata a los n minibiorreactores simultáneamente.
- -
- Transmisión de energía a los n agitadores individuales.
- -
- Intercambio de gases a través de filtros estériles con aireación del cultivo por el cabezal o mediante un tubo que penetre en el interior del líquido. Podrá controlarse la aireación de cada pozuelo separadamente.
- -
- Monitorización no invasiva y/o control de los parámetros de los cultivos. Como ejemplos, pH, densidad óptica (concentración celular) y oxígeno disuelto en cada pozo por separado.
- -
- Posibilidad de aporte y drenaje de líquidos
- -
- Posibilidad de incorporación de otras sondas y biosensores.
- -
- Posibilidad de personalización del sistema para aplicaciones particulares.
En la figura 8a, un equipo 3, conteniendo una
sola placa o un conjunto de m placas se conecta a un ordenador o
sistema de control 10 que gestionará los parámetros de configuración
y control de los subsistemas y recogerá los datos de las
mediciones. La conexión entre ambos se realiza mediante un cable 11
que se adapte a un protocolo estándar de transmisión de datos o
bien mediante una conexión hecha a medida, que contemple tanto la
transmisión de datos como de señales.
En la figura 8b, una serie de equipos 3,
conteniendo cualquier combinación de placas o conjuntos de placas
se conecta a un ordenador o sistema de control 10 que gestionará los
parámetros de configuración y control de los subsistemas y recogerá
los datos de las mediciones. La conexión entre las partes se realiza
mediante cables 12 que conectan los sistemas a una red telemática
13, con la posibilidad de integrar equipos y/o ordenadores remotos
a través de una conexión 14 a una red externa 15.
En definitiva, el equipo se podrá conectar a un
sistema informático, mediante conexión dedicada o a través de una
red telemática. El software de control permitirá la conexión de un
número suficiente de equipos tal que proporcione capacidad de
control automático del número elevado de cultivos necesario para la
aplicación del sistema en HTS.
El sistema de gestión de todo el conjunto de
biorreactores fijaría las consignas de control de cada unidad y
monitorizaría la evolución de los parámetros de cada minibiorreactor
y su respuesta a los posibles estímulos aplicados. La propuesta
consiste, pues, en la aplicación de las capacidades y versatilidad
de un equipo compuesto de una batería de minibiorreactores, de
pequeño volumen, fabricados en piezas de plástico y equipados con
microsondas, para realizar múltiples pruebas de forma simultánea en
el desarrollo de procesos y productos biotecnológicos. Un aspecto
importante es que el equipo es de tipo modular, es decir, que las
placas que constan de n minibiorreactores, podrán ser multiplicadas
m veces en función del número de pruebas y la velocidad a que se
tengan que realizar en la aplicación final.
La medida de las actividades biológicas y
enzimáticas propias, generadas por modificaciones genéticas o
inducidas por diferentes sustancias es, pues, de gran importancia
para informar y valorar el objeto investigado y establecer las
correspondientes correlaciones con respecto a actividades,
propiedades y posibilidades de aplicación de las diferentes
substancias o procesos explotables a nivel industrial. Cabe decir
que las variables biológicas más relevantes en que se centrará el
seguimiento del cultivo en el equipo propuesto son la medida de
concentración celular (mediante sistemas ópticos de absorción o
refracción de la luz) y la medida de la actividad celular (a partir
de medidas de consumo de oxigeno). El sistema de medida de ambas
variables permitirá seguir la respuesta de los cultivos a
diferentes condiciones cambiantes del entorno fisicoquímico de los
organismos en cultivo y de perturbaciones en ellas a través de la
adición de substancias con efectos fisiológicos, bien efectos
potenciadores del crecimiento o, por el contrario, con efectos
tóxicos para el desarrollo de los cultivos. Asimismo el sistema
también permitirá la posibilidad del seguimiento de reacciones
catalizadas por enzimas, producidos por las propias células
cultivadas en el sistema bajo distintas condiciones controladas,
como de enzimas o sistemas multienzimáticos en condiciones in
vitro. Además, el sistema podrá incorporar todos aquellos
elementos de medida y control necesarios para el desarrollo del
cultivo en condiciones óptimas (pH, temperatura, concentración de
oxígeno disuelto, agitación, conductividad y osmolaridad).
Claims (24)
1. Aparato para la realización simultánea y
automatizada de un número elevado de cultivos biológicos en pequeño
volumen y con condiciones controladas, similares a las que pueden
obtenerse con biorreactores de gran escala, que comprende:
al menos una placa (1) de material plástico u
otro material transparente, que comprende una pluralidad de
minibiorreactores (2) para el cultivo en condiciones estériles,
incluyendo cada minibiorreactor (2) un elemento de agitación
individual (27) para permitir la homogeneización de su
contenido,
caracterizado por el hecho de que cada
minibioreactor (2) tiene un volumen de entre 5 y 25 ml y es estanco
respecto al ambiente, a los demás minibiorreactores (2) y a un baño
de termostatado común (6), e incluye puntos de acceso estériles
(21,24,25,26) que permiten el llenado, inoculación, intercambio de
gases, intercambio de líquidos y medida de parámetros; y por el
hecho de que comprende además
un equipo (3) destinado a albergar al menos una
placa (1) en su interior, introduciéndose las placas (1) a través
de la apertura de al menos una parte de dicho equipo (3),
comprendiendo dicho equipo (3) medios para el intercambio
controlado de calor con el baño de termostatado (6), medios para la
transmisión de energía a los elementos de agitación individuales
(27), medios para el intercambio de gases a través de filtros
estériles y medios para la monitorización no invasiva y/o para el
control de los parámetros de los cultivos, donde dichos medios para
el intercambio de gases y dichos medios para la monitorización y/o
para el control de los parámetros de los cultivos comprenden sondas
individuales y conexiones para cada minibioreactor, que pueden
acoplarse simultáneamente con dichos puntos de acceso estériles del
minibioreactor.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Aparato según la reivindicación 1,
caracterizado por el hecho de que cada placa (1) comprende
además un agitador central (4) del baño de termostatado (6).
3. Aparato según las reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado por el hecho de que la placa (1) comprende una
pluralidad de minibiorreactores (2) individuales en disposición
poligonal, con una zona central que facilita el termostatado común
de dichos minibiorreactores (2).
4. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el
equipo (3) se conecta a un sistema informático (10,15), mediante
conexión dedicada o a través de una red telemática.
5. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que cada minibiorreactor (2) comprende una tapa superior que
incorpora un puerto óptico (21) constituido por un tubo que penetra
en el interior del minibiorreactor de manera que su extremo
inferior (22) está sumergido en un líquido (23) contenido en dicho
minibiorreactor (2).
6. Aparato según la reivindicación 5,
caracterizado por el hecho de que se sitúan sensores ópticos
y fuentes de luz en el puerto óptico (21) en la parte del fondo de
la placa (1) que se enfrenta a dicho puerto óptico (21) y/o en la
superficie lateral del recipiente.
7. Aparato según las reivindicaciones 5 ó 6,
caracterizado por el hecho de que se sitúan fibras ópticas o
guías de luz en el puerto óptico (21), en la parte del fondo de la
placa (1) que se enfrenta a dicho puerto óptico (21) y/o en la
superficie lateral del recipiente.
8. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizado por el hecho de que se
introduce un puerto adicional (26) por la tapa superior de manera
que el extremo de dicho puerto quede sumergido en el líquido (23),
estando dicho extremo acabado por un filtro o membrana
semipermeable.
9. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 8, caracterizado por el hecho de que se
introduce un puerto adicional (26) por la tapa superior de manera
que el extremo de dicho puerto quede sumergido en el líquido (23),
conteniendo dicho extremo sensores o microsensores.
10. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el
intercambio de calor entre el equipo (3) y el baño de termostatado
(6) de la placa (1) se lleva a cabo mediante una resistencia
calefactora que está en contacto con una parte del perímetro
exterior de la placa (1).
11. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el
intercambio de calor entre el equipo (3) y el baño de termostatado
(6) de la placa (1) se lleva a cabo mediante una célula Peltier que
está en contacto con una parte del perímetro exterior de la placa
(1).
12. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el
intercambio de calor entre el equipo (3) y el baño de termostatado
(6) de la placa (1) se lleva a cabo mediante una resistencia
calefactora que está inmersa en dicho baño (6).
13. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por el hecho de que el
intercambio de calor entre el equipo (3) y el baño (6) de la placa
(1) se lleva a cabo mediante calentamiento por radiofrecuencia
llevado a cabo desde el exterior.
14. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por el hecho de que
comprende una sonda de temperatura sumergida en el baño de
termostatado (6).
15. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por el hecho de que
comprende sondas de temperatura sumergidas en el contenido (23) de
uno o varios de los minibiorreactores (2).
16. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, caracterizado por el hecho de que
comprende un minibiorreactor adicional, rodeado igual que los demás
minibiorreactores (2) por el baño de termostatado (6), en el cual
se sumerge una sonda de temperatura.
17. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por el hecho de que
comprende un estátor situado debajo de cada uno de los elementos de
agitación individual (27) del contenido de los minibiorreactores
(2), para la transmisión de energía a dichos elementos de agitación
(27).
18. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por el hecho de que
comprende imanes giratorios situados debajo de cada uno de los
elementos de agitación individual (27) del contenido de los
minibiorreactores (2), para la transmisión de energía a los
distintos agitadores (27), girando dichos imanes gracias a un
sistema mecánico de transmisión excitado por un motor eléctrico
común.
19. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 16, caracterizado por el hecho de que
comprende imanes giratorios situados debajo de cada uno de los
elementos de agitación individual (27) del contenido de los
minibiorreactores (2), para la transmisión de energía a los
distintos agitadores (27), girando dichos imanes gracias a motores
eléctricos individuales.
20. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 19, caracterizado por el hecho de que
comprende un estátor o un imán giratorio situado debajo del
agitador central (4) del baño de termostatado (6), para la
transmisión de energía a dicho agitador (4).
21. Aparato según la reivindicación 2 y
cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19, caracterizado por
el hecho de que comprende medios para provocar el giro del agitador
(4) del baño común de termostatado (6) a partir de la secuenciación
de las excitaciones a los minibiorreactores (2).
22. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que las placas (1) son al menos en parte desechables.
23. Aparato según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que las placas (1) están formadas por una base realizada en
material plástico y al menos una tapa realizada en material plástico
u otro material transparente.
24. Método para la realización simultánea y
automatizada de un número elevado de cultivos biológicos en pequeño
volumen y con condiciones controladas, de manera que dichas
condiciones sean similares a las que pueden obtenerse con
biorreactores de gran escala, que comprende:
realizar cultivos en condiciones estériles en
una pluralidad de minibiorreactores (2) dispuestos en al menos una
placa (1) de material plástico u otro material transparente,
comprendiendo cada minibiorreactor (2) un elemento de agitación
individual (27) para permitir la homogeneización de su
contenido,
caracterizado por el hecho de que cada
minibiorreactor (2) tiene un volumen de entre 5 y 25 ml, y cada uno
de dichos minibioreactores es estanco respecto al ambiente, a los
demás minibiorreactores (2) y a un baño de termostatado común (6),
e incluye puntos de acceso estériles (21,24,25,26) que permiten el
llenado, inoculación, intercambio de gases, intercambio de líquidos
y medida de parámetros; y por el hecho de que el método comprende
además
introducir al menos una placa (1) en el interior
de un equipo (3) que comprende medios para el intercambio
controlado de calor con el baño de termostatado (6), medios para la
transmisión de energía a los elementos de agitación individuales
(27), medios para el intercambio de gases a través de filtros
estériles y medios para la monitorización no invasiva y/o control
de los parámetros de los cultivos, donde dichos medios para el
intercambio de gases y dichos medios para la monitorización y/o el
control de los parámetros de los cultivos comprenden sondas
individuales y conexiones para cada minibioreactor, que pueden
acoplarse simultáneamente con dichos puntos de acceso estériles del
minibioreactor; y
monitorizar de forma no invasiva y/o controlar
los parámetros de los cultivos.
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