JP2004527720A - 樹枝状凍結境界面速度が制御される冷凍保存システム - Google Patents

Abstract

【課題】生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を制御できる冷凍保存システムを提供する。
【解決手段】生体適合性ポリマー材料を含んでなる滅菌した柔軟な容器１０４であって、生物薬剤材料１１０を含む滅菌した柔軟な容器１０４と、この滅菌した柔軟な容器１０４を介して生物薬剤材料１１０に熱的に結合し、生物薬剤材料１１０の温度をモニターする温度センサ１１６を含む凍結機構１２２とを備えた生物薬剤材料の冷凍保存システム１００が開示され、凍結機構１２２は、温度センサ１１６からのフィードバック情報に基づいて生物薬剤材料１１０内の樹枝状凍結境界面１２８速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有する。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は生物薬剤材料の冷凍保存方法及び装置、より詳細に述べれば制御された樹枝状凍結境界面速度を維持する生物薬剤材料の冷凍保存システム及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
生物薬剤材料の冷凍保存は、この種の製品の製造、使用、保存及び販売において重要である。例えば生物薬剤材料は、諸工程間、及び保存中に凍結するというやり方で冷凍保存されることが多い。同様に、場合によって、生物薬剤材料は、開発プロセスの一部として、その品質を高めるか、または、開発プロセスを単純化するのに、凍結及び融解される。
【０００３】
保存する際には、生物薬剤材料生成物、または、その溶質が実質的な分解を受けることなく、その薬剤製品の総体的な品質、特に薬物学的活性が保持されることが望ましい。
【０００４】
現在、ある態様において、生物薬剤材料の冷凍保存は、生物薬剤材料を含む容器をキャビネットまたはチェスト型のフリーザ内に置いて、この生物薬剤材料を凍結させる。現在の冷凍保存方法では、生物薬剤材料を含む容器は、キャビネットまたはチェスト型のフリーザの板状またはワイヤフレームの棚の上に置かれる。
【０００５】
これらの生物薬剤材料は、固形状になるまで凍らせるために、制御されていない状態で放置される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような冷凍の結果は、控えめに言っても、期待はずれのものである。生物薬剤材料の活性の著しい損失が認められる。例えば、溶質の濃度またはｐＨなどの変数に何ら顕著な変化がないにもかかわらず、生物薬剤材料の安定性及びコンフォメーションだけが低温によって影響を受けることが観察されている。
【０００７】
さらに、従来の冷凍保存方法は、凍結濃縮や、凍結部分から未凍結部分への溶質の再分布を起こす可能性がある。凍結濃縮の結果、ｐＨ変化に通ずる緩衝剤成分の結晶化が起こり得る。ｐＨ変化は、生物薬剤材料の安定性、折りたたみに影響を与え、開裂を起こすことさえある。低温効果と関連した凍結濃縮は、生物薬剤材料の溶解度の低下を起こし、その結果、沈殿が生ずることもある。
【０００８】
最後に、従来の冷凍保存方法を使用すると、容器への損傷が認められることもある。完全な状態の容器の裂開または損傷は好ましくない。なぜならば、それは無菌性を損ない、また、生物薬剤製品の汚染や損失を起こし得るからである。
【０００９】
よって、上記の欠点を解決する生物薬剤材料の冷凍保存システム及び方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様において、本発明は、生体適合性ポリマー材料を含んでなる滅菌した柔軟な容器で、生物薬剤材料を含む滅菌した柔軟な容器と、滅菌した柔軟な容器を介して生物薬剤材料と熱的に結合する凍結機構で、生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサを含む凍結機構とを備えた生物薬剤材料の冷凍保存システムに関するものであり、凍結機構は、フィードバックループを有し、温度センサからのフィードバック情報に基づいてこのフィードバックループが生物薬剤材料の樹枝状凍結境界面速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に制御する。
【００１１】
また別の態様において、本発明は、下記の諸段階を含んでなる生物薬剤材料の冷凍保存方法に関する。
【００１２】
生体適合性ポリマー材料を含み、生物薬剤材料を収容する滅菌した柔軟な容器を用意し、凍結機構を滅菌した柔軟な容器を介して生物薬剤材料に熱的に結合させ、凍結機構は、（ｉ）生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサ、及び（ｉｉ）樹枝状凍結境界面速度を制御するために設けられたフィードバックループを有し、生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を、温度センサからのフィードバック情報に基づいて約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に制御する。
【００１３】
また別の態様において、本発明は、生物薬剤製品を計数するための滅菌した柔軟な容器手段で、生体適合性ポリマー材料を含んでなり、生物薬剤材料を中に含む滅菌した柔軟な容器と、生物薬剤材料を凍結するための凍結手段で、滅菌した柔軟な容器を介して生物薬剤材料に熱的に結合し、生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサを含む凍結手段とを備えた生物薬剤材料の冷凍保存システムに関し、凍結手段は、温度センサからのフィードバック情報に基づいて生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者は、生物薬剤材料の冷凍保存及び冷凍処理における凍結速度の制御が前述の問題を解決し得ることを予期せず見いだした。本発明の一態様により、生物薬剤材料の凍結速度を所望範囲内に確実に維持するように制御して生物薬剤材料を冷凍保存または冷凍処理することによって、上に明らかにした問題は、部分的または完全に解決する。
【００１６】
例えば、冷凍保存するための細胞等の生物薬剤材料を処理する場合、その細胞の水分含有量が高過ぎて細胞凍結が速すぎる場合、その細胞には細胞内氷晶が生成するかもしれない。その結果、細胞は壊れるか、生育できなくなるか、または、それらの両方の状態となる。他方、細胞凍結が遅すぎる場合、細胞は長時間濃い溶質にさらされることになり、細胞損傷に至る。別の例として、医薬品としての使用のために処方された蛋白質溶液の冷凍保存においても凍結速度は重要である。
【００１７】
本発明により、樹枝状氷晶の凍結境界面（以後は「樹枝状凍結境界面」と称する）の速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲、より好ましくは約８ミリメータ／時間から約１８０ミリメータ／時間、または最も好ましくは約１０ミリメータ／時間から約１２５ミリメータ／時間の範囲内に維持すると、広範囲のシステムに対して好適な冷凍処理条件を提供し、処理効率がよくなる。その結果、生物薬剤材料のダメージは最小になるか、または、回避される。
【００１８】
一例として、以下の説明は、生物薬剤材料凍結に関して、樹枝状凍結境界面速度と、凍結樹枝状結晶の大きさ及び間隔との関連性を示すものである。
【００１９】
樹枝状凍結境界面の速度が約５ミリメータ／時間より遥かに小さい場合、樹枝状結晶は小さく、樹枝状凍結境界面に密にかたまっている。したがって、樹枝状凍結境界面は、固体界面として振る舞い、溶質及び生物薬剤材料類は、その固形塊に一体化しない。その代わり、溶質及び生物薬剤材料は、成長する樹枝状凍結境界面によって前に押され、実質的に固体でない生物薬剤材料相におけるそれらの濃度は上昇する。この「凍結濃縮」効果は、生物薬剤材料にダメージを与える。
【００２０】
樹枝状凍結境界面の速度が増加したが、樹枝状凍結境界面の速度が約５ミリメータ／時間未満であるとき、樹枝状結晶はサイズが幾らか大きくなり、さらに分離して、セル形状または円柱形状になる。この場合、凍結濃縮が引き続き起こると、溶質または生物薬剤材料のわずかなパーセンテージだけが、固形塊に埋め込まれる。この状態は生物薬剤材料のダメージにつながる。
【００２１】
しかし、樹枝状凍結境界面の速度が約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲にあると、樹枝状結晶は十分大きく成長し、結晶に空間ができ、溶質及び生物薬剤材料は、樹枝状凍結境界面に適切に埋め込まれる。本発明の一つの態様は、樹枝状凍結境界面の速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に維持し、生物薬剤材料の凍結保存及び凍結処理のための正しい条件をもたらす方法及び装置を提供する。
【００２２】
樹枝状凍結境界面の速度が約２５０ミリメータ／時間より増加すると、樹枝状結晶の大きさは小さくなり始め、より緻密になり、これによって、生物薬剤材料に含まれる溶質や粒子を凍結境界面に適切に埋め込む能力が失われる。
【００２３】
凍結境界面の速度が約２５０ミリメータ／時間より遥かに大きくなると、生成する固形塊は、微細な氷晶の無秩序で非平衡状態の構造を有するようになる。このような速やかな極低温冷却は、例えば少量の生物薬剤材料を過冷却することによって、薄い層での生物薬剤材料の凍結によって、または、少量の生物薬剤材料を液体窒素またはその他の冷媒中に沈めることによって行うことができる。
【００２４】
例えば、液相において過冷却にさらされ、その後、急速に氷晶成長した生物薬剤材料では、凍結境界面速度は１０００ｍｍ／ｓｅｃを超えることがある。このように大きい境界面速度は、生物薬剤材料を含む固形塊を生成するが、その固形塊は、平衡状態の氷晶から形成されてはいない。これらの非平衡状態の固形塊では、氷の再結晶が起きがちであり、その際、比較的小さい氷晶の溶解及び比較的大きい氷晶の成長が生物薬剤材料に過度の機械的力を加える可能性がある。さらに、非平衡状態の固形塊中の生物薬剤材料は、氷晶間に、粒子境界上の非常に薄い層となって分布する。これは生成物と氷との大きな接触界面を作り出し、生物薬剤材料にとって有害である。
【００２５】
樹枝状結晶間の間隔は、装置から出る熱の増減によって（熱の増減は熱効果及び境界面速度に影響を与える）、及び、溶質の選択によって調節できる。
【００２６】
自由樹枝状結晶（free dendrites）の長さは、一つには境界面速度によって、そして、一つには樹枝状結晶に沿った温度勾配によって決まる。自由樹枝状結晶では、液相に突き出した樹枝状結晶の長さ、または、「２相領域」、例えば樹枝状針状氷晶とそれらの間にある液相との混合物の厚さが関係する。樹枝状結晶の境界面では、温度は０℃に近く、樹枝状結晶の長さに沿って奥へいくほど、また、境界面から離れた固形化物になるほど徐々に低下して壁温と等しくなる。樹枝状結晶間の液体温度も、低温の壁に近くなるほど低下する。極低温冷却（cryocooling）が続くと、塩類のようなある種の溶質では溶質濃度が共晶濃度及び温度に達する。樹枝状結晶間の溶液は、その後固化し、完全またはほぼ完全な、または固体の樹枝状態になる。この状態は、樹枝状氷晶と、これら樹枝状氷晶間の共晶状態の固化溶質とのマトリックスである。樹枝状氷晶は、アール・ウィスニウスキー（R. Wisniewski）著、「生物薬剤系のための大規模冷凍保存システムの開発（Developping Large-Scale Cryopreservation Systems for Biopharmaceutical Systems）」、ＢｉｏＰｈａｒｍ、１１巻（６号）、１９９８年、ｐ.５０−５６、及び、アール・ウィスニウスキー（R. Wisniewski）著、「細胞、細胞成分及び生物学的溶液の大規模冷凍保存（Large Scale Cryopreservation of Cells, Cell Component, and Biological Solutions）」、ＢｉｏＰｈａｒｍ、１１巻（９号）、１９９８年、ｐ.４２−６１に詳細に記載されている。この全ては参考として本明細書に編入されている。
【００２７】
上記の知識を利用して設計し、発明した機器が図１に示される。この図は、本発明による生物薬剤材料の冷凍保存システムを示す。生物薬剤材料の冷凍保存システム１００は、システム１０２、滅菌した柔軟な容器１０４、極低温冷却室１０６、無菌口１０８、生物薬剤材料１１０、制御装置１１２、冷凍装置１１４、温度センサ１１６、冷凍剤供給部１１８、冷凍剤再循環部１２０、凍結機構１２２、冷凍剤１２４、固形塊１２６、樹枝状凍結境界面１２８及び樹枝状結晶１３０を含んでいる。滅菌した柔軟な容器１０４は、構造的に、極低温冷却室１０６の中に置かれる。好ましい実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、オプションで付加した容器１４０のキャビティー内に置かれる。作動中、オプションで付加した容器１４０は、滅菌した柔軟な容器を支持するのに役立ち、その表面中への熱伝達を可能にする。
【００２８】
一実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、本発明による生物薬剤材料の冷凍保存または凍結処理に使用する前に予め滅菌される。処理の間、生物薬剤材料の無菌性を維持することが望まれる場合、予め滅菌した柔軟な容器１０４のその後の操作には十分注意しなければならない。
【００２９】
滅菌した柔軟な容器１０４は、生物薬剤材料１１０との相対的な適合性を高め、滅菌した柔軟な容器１０４の成分の生物薬剤材料１１０中への望ましくない漏出を回避するため、生体適合性ポリマー材料で形成されている。本願の背景として、生体適合性を有する材料の特徴は、例えば生物薬剤材料１１０の構造、活性及び効率がマイナスの影響を受けず、生育能力のある細胞及び組織生成物が毒性作用にさらされないような、生物学的生成物との良性の相互作用を含んでいる。本発明の範囲内の適切な生体適合性ポリマー材料としては、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、エチレン−ビニルアルコールコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル類、ナイロン類、ポリプロピレン類、ポリ弗化ビニリデン、ポリウレタン類、ポリ塩化ビニル類、そして、これらの混合物またはラミネートなどある。
【００３０】
無菌の柔軟な容器１０４には、生物薬剤材料１１０が収容される。生物薬剤材料とは、治療目的で使用される生物学的ソース由来の物質で、その製造が薬事または家畜の規制機関によって規制されているか、または規制されるであろう物質である。一実施形態では、生物薬剤材料１１０には、蛋白質溶液、蛋白質組成物、アミノ酸溶液、アミノ酸組成物、ペプチド溶液、ペプチド組成物、ＤＮＡ溶液、ＤＮＡ組成物、ＲＮＡ溶液、ＲＮＡ組成物、核酸溶液、核酸組成物、生物学的細胞懸濁液、生物学的細胞フラグメント懸濁液（細胞小器官、核、封入体、そして、膜の少なくとも１つを含んでいる）、組織フラグメント懸濁液、細胞集合体、生物学的組織溶液、臓器の溶液、胚の溶液、細胞増殖培地、血清、生物製剤、血液製剤、保存溶液、発酵培地、細胞を含む細胞培養液、または、細胞を含まない細胞培養液、そして、これらのものを含む混合物などがある。
【００３１】
滅菌した柔軟な容器１０４は、種々の大きさにでき、広範囲の生物薬剤材料の量に適応できる。好ましい実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、約２０ミリリットルから約１０００リットルの範囲、より好ましくは約５００ミリリットルから約１００リットルの範囲内の容量を有する。また、別の好ましい実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、約１００ミリリットルから約５００ミリリットル、２５、約１リットルから約２０リットル、または、約０.５ミリリットルから約５０リットルの範囲内の容量を有する。
【００３２】
生物薬剤材料１１０は、固形塊１２６、樹枝状凍結境界面１２８及び樹枝状結晶１３０を含む。無菌口１０８は、滅菌した柔軟な容器１０４の上面に機械的に結合され、柔軟な容器１０４内に突き出ている。好ましい実施形態では、無菌口１０８は、温度センサ１１６を含み、この温度センサ１１６は、生物薬剤材料１１０中に浸っている。別の好ましい実施形態では、温度センサ１１６は、滅菌した柔軟な容器１０４の外側に置かれ、温度の遠隔感知デバイスを有する。好ましい実施形態では、温度センサ１１６は、赤外線式の温度感知デバイスを有する。別の実施形態では、第２の無菌口１０８が、実質的に非柔軟性であり、温度センサ１１６を有している。
【００３３】
一実施形態では、温度センサ１１６は、生物薬剤材料１１０に浸された状態で機能する設計になっており、それによって、生物薬剤材料１１０の内部温度を測定する。別の実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４の上面に機械的に結合した追加の無菌口は、別の箇所での生物薬剤材料１１０の内部温度を測定する温度センサを有する。また、別の実施形態では、追加の遠隔感知温度センサは、滅菌した柔軟な容器１０４の外側に置かれる。
【００３４】
また、別の実施形態では、無菌口１０６に加えて同様に、追加の無菌口が滅菌した柔軟な容器１０４の上面に機械的に結合され、滅菌した柔軟な容器１０４中に突き出し、延びている。好ましい一実施形態では、追加の無菌口には、生物薬剤材料１１０を滅菌した柔軟な容器１０４中に導入したり、生物薬剤材料１１０を柔軟性滅菌容器１０４から取り出したりする無菌口が含まれる。また、別の実施形態では、追加の口として、次のような口を一つ以上含むことができる。充填口、排出口、吐き出し口、試料採取口、付加的な温度測定口（好ましい実施形態としては、キャップをした先端部を有している）、分光分析または光−プローブチューブ口（好ましい実施形態としては、光ファイバー分光分析プローブに適合する光透過性または透明なレンズでキャップをした先端部を有する）などである。
【００３５】
滅菌した柔軟な容器１０４は、構造的な柔軟性を有する。構造的な柔軟性とは、滅菌した柔軟な容器の壁が生物薬剤材料の定常水頭下で変形することを意味する。別の実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、折り畳むことができ、また、空になったときは自然につぶれる柔らかい壁を有する容器から、柔らかい壁を有し、つぶれた形で保存できるが、空になった場合もそれ自体の形を保持できるより硬いデザインの容器、そして、空になったときにその形を保持でき、生成物を充満すると一部分変形する半硬質タイプ（すなわち、それは極低温の冷却壁の形に適合するだけの十分な柔軟性を有する）まで、形状的及び構造的特徴が多岐にわたる。いくつかの好ましい実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４の表面は、オプションで追加された容器１４０の形にほぼ一致し、このオプションで追加された容器１４０と物理的に接触し、熱伝達のための適切な面接触をもたらす。
【００３６】
一実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、保管または運搬のために折り畳んでもよいし、本発明による冷凍保存または凍結処理のために使用する前は折り畳まれていなくともよい。関連する実施形態では、無菌口１０８及び滅菌した柔軟な容器１０４に連結するその他の全ての無菌口は、種々の度合いの柔軟性を有し、滅菌した柔軟な容器１０４を容易に折り畳んだり広げたりすることができるようにし、滅菌した柔軟な容器１０４と共に折り畳むこともできる。
【００３７】
好ましい実施形態では、温度センサ１１６を含む無菌口１０８は、滅菌した柔軟な容器１０４のほぼ中央部方向に向かって突き出し、延びている。温度センサ１１６を含む無菌口１１８を、滅菌した柔軟な容器１０４のほぼ中心部に置く利点は、この領域に位置する生物薬剤材料１１０部分が最後に凍結するので、温度センサ１１６が実質的に非固体状態の生物薬剤材料１１０の温度を測定できる時間が最大になることである。
【００３８】
また別の実施形態では、無菌口１０８は、非柔軟性であり、滅菌した柔軟な容器１０４のほぼ中央領域に置かれる。この実施形態では、滅菌した柔軟な容器１０４は、非柔軟性の無菌口１０８に沿って、また、滅菌した柔軟な容器１０４に連結したその他の無菌口に沿って、縦方向に折り畳まれる。
【００３９】
凍結機構１２２は、制御装置１１２、冷凍装置１１４及び温度センサ１１６を含むフィードバックループを有する。制御装置１１２は、温度センサ１１６及び冷凍装置１１４に接続されている。好ましい実施形態では、制御装置１１２及び冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６の外側に置かれ、極低温冷却室１０２に連結している。別の実施形態では、極低温冷却の制御装置１１２は、極低温冷却室１０２の内側で、滅菌した柔軟な容器１０４の外側に置かれる。さらに別の実施形態では、極低温冷却の制御装置１１２は、無菌口１０８の内部に置かれる。別の実施形態では、低温冷却の制御装置１１２は、無菌口１０８の内部に置かれ、温度センサ１１６を備えることができる。
【００４０】
冷凍装置１１４は、冷凍剤供給部１１８及び冷凍剤再循環部１２０を有している。これらは、極低温冷却室１０６内に延び、これらによって、冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６と連結されている。極低温冷却室１０６は、冷凍剤１２４を収容し、その中に滅菌した柔軟な容器１０４が浸っている。一実施形態では、冷凍剤１２４は、空気、液体シリコーン熱伝達液、アルコール、フレオン、ポリエチレングリコール、または、凍結用塩類系ブライン（例えば、ＣａＣｌ_２ブラインなど）を含む。
【００４１】
システム１０２は、図１に示すように、極低温冷却室１０６及び凍結機構１２２を備え、滅菌した柔軟な容器１０４を受容するようになっている。
【００４２】
作動中、冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６の内部の容積を、この容積から熱を除去するというやり方で冷やす。冷凍装置１１４が極低温冷却室１０６内部から熱を除去すると、極低温冷却室１０６の内側で、滅菌した柔軟な容器１０４の外側の温度が下がる。その結果、滅菌した柔軟な容器１０４の外側で、極低温冷却室１０６の内側のより冷えた容積と、生物薬剤材料１１０のより温かい容積との間で温度勾配が生ずる。この温度勾配の結果として、しかも滅菌した柔軟な容器１０４の表面を介して熱交換が起こるため、熱は生物薬剤材料１１０から除去され、生物薬剤材料は凍結する。したがって、冷凍装置１１４は、間接的に生物薬剤材料を冷やす。
【００４３】
冷凍装置１１４は、冷凍剤１２４を冷凍剤供給部１１８によって極低温冷却室１０６内に供給する。冷凍剤１２４の温度は、生物薬剤材料１１０が凍結しているか融解しているかによって、生物薬剤材料１１０の温度より高くも低くもできる。好ましい実施形態では、冷凍剤１２４の温度は、生物薬剤材料１１０を極低温に冷却するため、生物薬剤材料１１０の温度より低くする。
【００４４】
冷凍装置１１４は、冷凍剤１２４を冷凍剤再循環部１２０から除去することにより、冷凍剤１２４を極低温冷却室１０６に再循環する。好ましい実施形態では、生物薬剤材料１１０を冷やしているとき、冷凍装置１１４によって冷凍剤供給部１１８から極低温冷却室１０６に供給される冷凍剤１２４の温度は、冷凍剤再循環部１２０を通って除去される冷凍剤１２４の温度より低い。したがってこの実施形態では、冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６に冷凍剤１２４を戻す前に、冷凍剤１２４の温度を下げるための処理を行う。
【００４５】
冷凍装置１１４では、極低温冷却室１０６に供給された冷凍剤１２４と、極低温冷却室１０６から除去された冷凍剤１２４との温度差を変化させるか、または、冷凍剤１２４が極低温冷却室１０６を循環する速度を変えるかのどちらかによって、生物薬剤材料１１０の温度変化の速度や方向を変えることができる。好ましい一実施形態では、生物薬剤材料１１０が凍結しつつある場合、冷凍装置１１４は、生物薬剤材料１１０の凍結速度を高めるために、冷凍剤１２４をさらに冷やすことによって、極低温冷却室１０６に供給される冷凍剤１２４と生物薬剤材料１１０との温度差を大きくする。別の関連する好ましい実施形態では、冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６に供給される冷凍剤１２４と極低温冷却室１０６から除去される冷凍剤１２４との温度差は変化させずに維持し、その代わり、冷凍装置１１４を介して冷凍剤１２４の速度を増大することにより、冷凍剤１２４が極低温冷却室１０６を循環する速度を大きくすることによって、同じ目的を達成する。
【００４６】
また、別の好ましい実施形態では、生物薬剤材料１１０を冷やしているとき、生物薬剤材料１１０の凍結速度を低下させるため、冷凍装置１１４は、冷凍装置１１４が冷やす冷凍剤１２４の量を減らすことによって、極低温冷却室１０６に供給される冷凍剤１２４と極低温冷却室１０６から除去される冷凍剤１２４との温度差を減らす。別の関連する好ましい実施形態では、冷凍装置１１４は、極低温冷却室１０６に供給される冷凍剤１２４と極低温冷却室１０６から除去される冷凍剤１２４との温度差を変えずに維持し、その代わり、冷凍装置１１４を介して冷凍剤１２４の速度を低減することによって、冷凍剤１２４が極低温冷却室１０６を再循環する速度を低減するというやり方で同じ目的を達成する。
【００４７】
冷凍剤１２４は、滅菌した柔軟な容器１０４及びその表面を介して生物薬剤材料１１０に熱的に結合している。一実施形態では、冷凍剤１２４は、滅菌した柔軟な容器１０４の表面を介して直接生物薬剤材料１１０と熱交換する。別の実施形態では、冷凍剤１２４は、オプションで追加した容器１４０と直接接触する。このオプションで追加した容器１４０は、滅菌した柔軟な容器１０４の表面を通して生物薬剤材料１１０と熱的に結合している。この好ましい別の実施形態では、冷凍剤１２４は、オプションで追加した容器の内面と熱交換し、この容器内面は、滅菌した柔軟な容器１０４の表面を介して生物薬剤材料１１０と熱交換する。したがって、この好ましい別の実施形態では、冷凍剤１２４は、間接的に生物薬剤材料１１０と熱交換する。また、別の好ましい実施形態では、冷凍剤１２４は、生物薬剤材料１１０と直接的に熱交換し、生物薬剤材料１１０と間接的に熱交換する。
【００４８】
一実施形態では、冷凍剤１２４の温度または冷凍剤１２４が極低温冷却室１０６を再循環する速度を変えることによって、冷凍装置１１４は、生物薬剤材料１１０の低温冷却速度または加熱速度を制御する。この好ましい実施形態では、温度センサ１１６は、生物薬剤材料１１０の温度を連続的にモニターし、制御装置１１２に情報を伝達する。別の実施形態では、複数の温度センサが滅菌した柔軟な容器１０４内に置かれ、生物薬剤材料１１０温度を複数の部位で測定する。冷凍装置１１４は、冷凍剤１２４の温度を、それが極低温冷却室１０６に入るときと出るときに測定し、その情報を制御装置１１２に伝達する。そして、制御装置１１２は、冷凍剤１２４の流量を適切に変化させるため、冷凍装置１１４に指令する。したがって、制御装置１１２と冷凍装置１１４とが一緒に作動する温度センサ１１６は、フィードバックループ１２２に含まれるフィードバックループを形成する。
【００４９】
好ましい実施形態では、冷凍剤１２４が滅菌した柔軟な容器１０４から熱を奪うことにより、生物薬剤材料１１０の温度が低下する。場合によって、このプロセスが十分に長時間続くと、滅菌した柔軟な容器１０４の外面近くの生物薬剤材料１１０内で相転移が始まる。生物薬剤材料１１０の温度が低下し続けると、生物薬剤材料１１０は、滅菌した柔軟な容器１０４の表面１５の近傍で凍結し、固化し、それにより固形塊１２６を形成する。滅菌した柔軟な容器１０４の特定の形によって、固形塊１２６は、複数のサブフロントを形成し、それらは極低温冷却室１０６の表面または冷凍剤１２４と熱接触している滅菌した柔軟な容器１０４の表面に沿って分布する。
【００５０】
本発明と従来の冷凍技術との重要な相違は、本発明が冷凍剤１２４の温度だけでなく、生物薬剤材料１１０の温度も含めたフィードバックループを有することである。例えば、従来のキャビネット型またはチェスト型フリーザは、キャビネット型またはチェスト型フリーザ内部の冷凍剤として働く空気の温度で囲まれたフィードバックループを有するように作られている。この点では、キャビネット型またはチェスト型フリーザに置かれる容器内の凍結境界面を制御することはほとんど、または、全く不可能である。キャビネット型またはチェスト型フリーザ内の容器の位置、キャビネット型またはチェスト型フリーザ内の容器の数、容器の壁厚、容器の形成材料、そして、その他の変数が組み合わさって、容器内の凍結境界面の実質的制御を困難または不可能にしている。
【００５１】
これに対して、本発明は、温度センサ１１６からの生物薬剤材料１１０に関するフィードバック温度情報によって、生物薬剤材料１１０内の樹枝状凍結境界面速度を制御する。このフィードバックループにより、生物薬剤材料１１０からの熱除去がより正確に制御され、樹枝状凍結境界面速度の制御が容易になる。極低温冷却室１０６内の位置、滅菌した柔軟な容器１０４の壁厚などの変数は、このフィードバックループによって自動的に斟酌される。生物薬剤材料１１０の温度を含むこのフィードバックループがなければ、樹枝状凍結境界面速度のより正確な制御は事実上困難である。
【００５２】
樹枝状凍結境界面１２８は、固形塊１２６を実質的非固体の生物薬剤材料１１０から分離し、それによって固体−液体界面が生じる。生物薬剤材料１１０からの熱除去が続くと、樹枝状凍結境界面１２８は、滅菌した柔軟な容器１０４の内面から離れる方向に進み、その際、残りの実質的非固体の生物薬剤材料１１０が凍結して固形塊１２６になる。樹枝状凍結境界面の速度とは、樹枝状凍結境界面が進む速度である。
【００５３】
したがって、好ましい実施形態では、熱が生物薬剤材料１１０から除去される速度が樹枝状凍結境界面１２８の速度を決める。生物薬剤材料１１０と冷凍剤１２４との温度勾配は、生物薬剤材料１１０から熱が奪われる速度と相関するから、樹枝状凍結境界面１２８の速度は、冷凍剤１２４の温度をコントロールすることによって制御できる。
【００５４】
好ましい実施形態では、熱は、生物薬剤材料１１０から除去される速度は、生物薬剤材料１１０の実質的な全容積内での樹枝状凍結境界面１２８の実質的に均一な前進を促進する速度、または、樹枝状凍結境界面１２８の実質的に一定の速度で生物薬剤材料１１０から除去される。本発明の一実施形態にしたがって、滅菌した柔軟な容器１０４内の樹枝状凍結境界面１２８速度を実質的に一定に維持することが望ましい。なぜならば、それは、冷凍する容積での冷却される熱移動面までの距離とは無関係に、樹枝状氷晶を円滑に成長させるための実質的に定常状態となる条件をもたらすからである。
【００５５】
本発明の冷凍保存システムの構成要素、システム、そして、方法において、本発明の精神及び範囲を逸脱せずに数多の変形及び変更がなされ得ることは当業者には明らかである。このように、本発明は、添付の請求項及びそれらの同等物の範囲内に入る限り、本発明の変形及び変更を網羅するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明を適用してなる生物薬剤材料冷凍保存システムを示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
１００ 冷凍保存システム
１０４ 柔軟な容器
１１０ 生物薬剤材料
１１６ 温度センサ
１２２ 凍結機構
１２８ 樹枝状凍結境界面

Claims (29)

1. 少なくとも１つの生物薬剤材料を受容するための生体適合性を有する滅菌した柔軟な容器と、
   前記少なくとも１つの生物薬剤材料のうちの少なくとも１つ及び前記滅菌した柔軟な容器に熱的に結合し、前記少なくとも１つの生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサを含む凍結機構とを備えた冷凍保存システムであり、
   前記凍結機構は、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて前記少なくとも１つの生物薬剤材料の凍結を制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする冷凍保存システム。
2. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、エチレン−ビニルアルコールコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル類、ナイロン類、ポリプロピレン類、ポリ弗化ビニリデン、ポリウレタン類、ポリ塩化ビニル類、または、これらの混合物またはラミネートで形成されたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
3. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、約２０ミリリットルから約１０００リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
4. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、約５００ミリリットルから約１００リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
5. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、約１００ミリリットルから約５００ミリリットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
6. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、約１リットルから約２０リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
7. 前記生体適合性を有する柔軟な容器が、約０.５ミリリットルから約５０リットルの範囲の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
8. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約８ミリメータ／時間から約１８０ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
9. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約１０ミリメータ／時間から約１２５ミリメータ／時間の範囲に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
10. 前記少なくとも１つの生物薬剤材料が、蛋白質溶液、蛋白質組成物、アミノ酸溶液、アミノ酸組成物、ペプチド溶液、ペプチド組成物、ＤＮＡ溶液、ＤＮＡ組成物、ＲＮＡ溶液、ＲＮＡ組成物、核酸溶液、核酸組成物、生物学的細胞懸濁液、細胞小器官と核と封入体と膜との少なくとも１つを含む生物学的細胞フラグメント懸濁液、生物組織の溶液、臓器の溶液、胚溶液、細胞増殖培地、血清、生物製剤、血液製剤、保存溶液、発酵培地、または、細胞を含むかまたは含まない細胞培養液、または、これらの混合物からなることを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
11. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
12. 生物薬剤材料の冷凍保存方法であり、
    生体適合性を有する材料からなる柔軟な容器を用意し、該柔軟な容器は、少なくとも１つの生物薬剤材料を受容し、
    凍結機構を前記少なくとも１つの生物薬剤材料の少なくとも１つ及び前記柔軟な容器に熱的に結合し、前記凍結機構は、前記少なくとも１つの生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサと、凍結を制御するフィードバックループとを有し、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて前記少なくとも１つの生物薬剤材料の凍結を制御することを特徴とする冷凍保存方法。
13. 前記生体適合性を有する材料が、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、エチレン−ビニルアルコールコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル類、ナイロン類、ポリプロピレン類、ポリ弗化ビニリデン、ポリウレタン類、ポリ塩化ビニル類、または、これらの混合物またはラミネートからなることを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
14. 前記柔軟な容器が、約２０ミリリットルから約１０００リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
15. 前記柔軟な容器が、約５００ミリリットルから約１００リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
16. 前記柔軟な容器が、約１００ミリリットルから約５００ミリリットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
17. 前記柔軟な容器が、約１リットルから約２０リットルの範囲内の容量を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
18. 前記柔軟な容器が、約０.５ミリリットルから約５０リットルの範囲の容量を有することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
19. 前記フィードバックループが、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータの範囲内に制御することを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
20. 前記樹枝状凍結境界面速度が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて約８ミリメータ／時間から約１８０ミリメータ／時間の範囲内に制御されることを特徴とする請求項１９に記載の冷凍保存方法。
21. 前記樹枝状凍結境界面速度が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて約１０ミリメータ／時間から約１２５ミリメータ／時間の範囲内に制御されることを特徴とする請求項１９に記載の冷凍保存方法。
22. 前記少なくとも１つの生物薬剤材料が、蛋白質溶液、蛋白質組成物、アミノ酸溶液、アミノ酸組成物、ペプチド溶液、ペプチド組成物、ＤＮＡ溶液、ＤＮＡ組成物、ＲＮＡ溶液、ＲＮＡ組成物、核酸溶液、核酸組成物、生物学的細胞懸濁液、細胞小器官と核と封入体と膜との少なくとも１つを含む生物学的細胞フラグメント懸濁液、組織フラグメント懸濁液、細胞集合体懸濁液、生物組織の溶液、臓器の溶液、胚溶液、細胞増殖培地、血清、生物製剤、血液製剤、保存溶液、発酵培地、または、細胞を含むかまたは含まない細胞培養液、及び１２これらの混合物からなることを特徴とする請求項１２に記載の冷凍保存方法。
23. 少なくとも１つの生物薬剤材料を受容するための、生体適合性を有する材料からなる柔軟な容器手段と、
    前記柔軟な容器を介して前記少なくとも１つの生物薬剤材料に熱的に結合した、前記少なくとも１つの生物薬剤材料を凍結するための凍結手段であって、前記少なくとも１つの生物薬剤材料の温度をモニターする温度センサを含む凍結手段とを備えた冷凍保存システムであって、
    前記凍結手段は、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて前記少なくとも１つの生物薬剤材料の凍結を制御する構成のフィードバックループを含むことを特徴とする冷凍保存システム。
24. 前記生体適合性を有する材料が、エチレン−酢酸ビニルコポリマー、エチレン−ビニルアルコールコポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリエステル類、ナイロン類、ポリプロピレン類、ポリ弗化ビニリデン、ポリウレタン類、ポリ塩化ビニル類、または、これらの混合物またはラミネートからなることを特徴とする請求項２３に記載の冷凍保存システム。
25. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約８ミリメータ／時間から約１８０ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項２３に記載の冷凍保存システム。
26. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約１０ミリメータ／時間から約１２５ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項２３に記載の冷凍保存システム。
27. 少なくとも１つの生物薬剤材料が、蛋白質溶液、蛋白質組成物、アミノ酸溶液、アミノ酸組成物、ペプチド溶液、ペプチド組成物、ＤＮＡ溶液、ＤＮＡ組成物、ＲＮＡ溶液、ＲＮＡ組成物、核酸溶液、核酸組成物、生物学的細胞懸濁液、細胞小器官と核と封入体と膜との少なくとも１つを含む生物学的細胞フラグメント懸濁液、組織フラグメント懸濁液、細胞集合体懸濁液、生物組織の溶液、臓器の溶液、胚溶液、細胞増殖培地、血清、生物製剤、血液製剤、保存溶液、発酵培地、または、細胞を含むかまたは含まない細胞培養液、または、これらの混合物からなることを特徴とする請求項２３に記載の冷凍保存システム。
28. 前記凍結機構が、前記温度センサからのフィードバック情報に基づいて、前記少なくとも１つの生物薬剤材料内の樹枝状凍結境界面速度を約５ミリメータ／時間から約２５０ミリメータ／時間の範囲内に制御する構成のフィードバックループを有することを特徴とする請求項２３に記載の冷凍保存システム。
29. 少なくとも１つの生物薬剤材料を受容するようになっている生体適合性を有する柔軟な容器と、
    前記少なくとも１つの生物薬剤材料の少なくとも１つ及び前記柔軟な容器に熱的に結合した凍結機構であって、前記生体適合性を有する柔軟な容器を受容して支持するような形の内部を有する低温冷却室を有し、該低温冷却室が冷凍剤を受容して該低温冷却室の内部を冷やす前記凍結機構と、
    前記低温冷却室内に位置し、該低温冷却室内の温度をモニターする温度センサと、該温度センサからのフィードバック情報に基づいて前記少なくとも１つの生物薬剤材料の凍結を制御する構成のフィードバックループとを有する冷凍保存システム。