JP2009536520A - センサ配列を含む使い捨てバイオリアクタ - Google Patents

Abstract

本発明は、可逆的で、外部に取り付け可能な含有媒質の物理量を測定するセンサ配列を含む使い捨てバイオリアクタに関する。周辺配管（１４，１６，１８）内を貫流する媒質と相互作用する電子センサ配列（３４，３８；４２；４４ａ，４４ｂ，４６，４８）を受容するセンサアダプタ（２８）は、当該センサアダプタの内部境界表面（３２ａ，３２ｂ；４２；４４ａ，４４ｂ，４６，４８）によってその媒質を供給または排出するために使用されるバイオリアクタの周辺配管（１４，１６，１８）のうちの少なくとも一つに一体化される。前記センサアダプタ（２８）は、周辺配管（１４，１６，１８）内に延びる挿入物として、当該周辺配管（１４，１６，１８）に搭載され、含有媒質によって貫流される。

Description

本発明は、外部に可逆的に取り付けられ、内蔵される媒質の物理量を測定するセンサ配列を含む使い捨てバイオリアクタに関する。

上記バイオリアクタは、ＵＳ ２００５／０１６３６６７ Ａ１（米国特許公開２００５−０１６３６６７号公報）により公知である。当該公報で開示されているのは、袋（bag）として設計され、当該袋の内部において透明な袋の壁に永続的に接続される複数のセンサ緩衝物を有する使い捨てバイオリアクタである。

センサ緩衝物は、蛍光センサであり、つまり、センサ緩衝物は、特に、バイオリアクタに位置する媒質の溶解酸素、ｐＨ値、または二酸化炭素含有量のような、特定の物理条件の関数として蛍光特性が変化する材料である。検出器配列は、袋状の物（bag）の壁の、各センサ緩衝物が在る領域における外側に取り付けられてよい。検出器配列の各々は、光源および評価回路に接続されている光検出器を含む。光源は、袋の透明な壁を通じてセンサ緩衝物上に励起光を放射し、センサ緩衝物の蛍光性の光は、光検出器によって検出される。評価回路は、検出された蛍光の特定の特性を解析し、センサ緩衝物内における光物理的条件、つまり、測定しようとする値の大きさを推定するために使用される。この公知装置は、製造業者によってすでに殺菌されているセンサシステムを含むバイオリアクタを構成する。

使い捨てバイオリアクタは、通例、ガンマ放射またはエチレン酸化物（ＥＴＯ）などの非常に酸化力のある（aggressive）化学物質で殺菌される。この場合、センサシステム、特に、センサの電子回路部が、上記殺菌行程に耐えられないという問題がしばしば起きる。

公知の装置の場合、センサシステムは、それゆえにバイオリアクタの内部における媒質に接触し、殺菌に対して抵抗力がある部分と、外部に取り付ければよい、より敏感な部分、特に、センサ電子回路といった、ユーザの側で殺菌することなく取り付ける部分とに分割される。

公知の装置の不利な点は、媒質に接触するセンサ緩衝物に基づくという点である。先に説明したように、これらのセンサ緩衝物は、ガンマ放射またはＥＴＯなどの化学物質による殺菌に耐性がなければならない。つまり、上記の処理においては、蛍光特性または、特に、測定したい変数への依存特性を損なうことは許されない。これは、センサ緩衝物の選択を非常に狭く制限するものである。他方、センサ緩衝物は、それ自体、バイオリアクタにおける媒質に影響を及ぼすことを許容されないという事実によるさらなる制限がある。特に、細胞培養の容器として使い捨てバイオリアクタを使用する場合、当該細胞とセンサ緩衝物との間に過度に強力な（intimate）相互作用が生じる危険がある。本発明の目的は、センサと媒質との間の相互作用が最小となるような汎用的な形式の使い捨て反応器を提供することである。

この目的は、センサアダプタの内部境界表面を経由して周辺配管を貫流する媒質と相互作用する電子センサ配列を保持するセンサアダプタは、媒質を供給および／または排出することを担うバイオリアクタのうちの少なくとも１本の周辺配管にて一体化される、という方法で、請求の範囲１のプレアンブル部における特徴事項に関連して、達成される。

本発明は、２つの基本的特徴点を組み合わせたものである。第一に、先行技術の場合とは異なり、測定位置は、反応器の壁内の領域においてではなく、バイオリアクタの周辺配管の領域においてである。これは、媒質が周辺配管を貫流するという、比較的短い時間の間のみにおいてセンサと媒質との間に相互作用がなされるという利点を有する。第二に、本発明は、センサと媒質との間の直接的な相互作用を回避する。むしろ、データがセンサアダプタの境界表面を通じて取得されるので、センサと媒質との間の相互作用が最小となるように境界表面を構成することが可能である。

本発明のセンサアダプタは、使い捨て反応器と共に殺菌される容器の周辺配管の領域にて一体化される。センサアダプタは、本質的に延長部分または適切な材料、つまり、ガンマ殺菌および／またはＥＴＯ殺菌に耐性があり、測定物理量および／または相当するセンサ手段に対して透明である材料から作られる導管境界表面を含む周辺配管への挿入部を含む。さらに、センサアダプタは、測定量に調整された電子センサ配列のための接続手段を含む。この場合、接続手段は、好ましくは、センサ配列がセンサアダプタ上に、たとえば、挟まれたり（clipped into）、または、押し込まれることによって容易に固定されるようにするために整列手段を含む。

本発明の好適実施例においては、センサアダプタは、排出ガス配管にて一体化される。本発明は、基本的に供給であるのか排出配管であるのかに限定されず、液体であるのか気体の媒質であるのかにおいても限定されない。しかしながら、気体の媒質を除去することを担う周辺配管にて、センサアダプタを一体化することが、特に有利である。特に、細胞培養の容器として、使い捨てバイオリアクタを使用する場合、排出ガスの化学的成分は、細胞培養における条件の非常によい指標を構成する。特に、排出ガスの二酸化炭素含有量によって、細胞培養の健康状態に関して推論が行える。

本発明の好適実施例においては、センサ配列は、内部境界表面を通じて媒質と直接的に相互作用するように配置されている。特に、センサ配列は、媒質に境界表面を通じて赤外光を放出する赤外送信器と、当該赤外送信器によって放出された光の部分を媒質と相互作用後に検出する赤外検知器と、を含むこととしてもよい。このようにして、たとえば、赤外吸収および／または赤外散乱を用いてすでに上述した排出ガスの二酸化炭素の含有量を測定することが可能である。ここに含まれているのは、境界表面を通じての媒質とセンサ配列との直接的な相互作用である。この場合は、境界表面は、好ましくは赤外スペクトル領域において透過性のガラス、結晶、またはプラスチック表面である。

特に、表面がプラスチックであることを選択する場合、すでに述べたように、施される殺菌処理に対する必要な耐性を保証することが必要である。境界表面を通じての直接測定に対する代替案である、同様に有利な、本発明の好適実施例として、境界表面も参画する、センサ配列と媒質との間の間接的な相互作用によって測定が行われることとしてもよい。これについての一例は、センサ配列が、境界表面の温度を検出する温度検出器を含む実施例である。この場合、境界表面の温度は、媒質との相互作用によって変化し、センサ配列によって検出される。境界表面が、媒質に対して液密であって、熱伝導性の材料からなるものが有利であり、殺菌に対する耐性を保証することも必要である。

境界表面も参画する間接測定のさらなる例として、代替実施例が挙げられ、それはセンサ配列が、電圧源、当該電圧源に接続された２個の電極、および、当該電極間の電流および／または電圧を検出する測定配列を含み、境界表面が、２つの、導電性であり、相互に絶縁された内部表面（subsurfaces）を含み、導電性の各々の電極は、それぞれ当該内部表面（subsurfaces）のうちの一つと導電的に接触するものである。これには、境界表面自体が電極を形成する場合も含まれる。上記のような実施例によって、たとえば、周囲配管を貫流する媒質の導電率を測定することが可能である。この場合も、境界表面自体が測定に組み込まれている。もちろん、殺菌に対して境界表面の材料の耐性が保証されていることも必要である。

すべての上述した実施例について、測定という事項を超えて、たとえば、化学反応、または、媒質への粒子の放出のような、境界表面と媒質との間の相互作用は、可能な限り抑制される。

さらなる本発明の特徴および利点は、図面と関連して次の特別な記載から明らかになる。

脱ガス配管の無菌領域におけるセンサアダプタを含む本発明の使い捨てバイオリアクタの好ましい実施例の図である。 他の構成のセンサアダプタを有する図１の使い捨てバイオリアクタの図である。 光学測定に供されたセンサアダプタの詳細図である。 温度測定に供されたセンサアダプタの詳細図である。 電気伝導率測定に供されたセンサアダプタの詳細図である。 共通なセンサデバイスによる多数のセンサアダプタの自動化された周期駆動の図である。

図１に、本発明の使い捨てバイオリアクタ１０の図を示す。使い捨てバイオリアクタ１０は、好ましくは、袋（bag）の壁１２と、それに永続的に接続されている周囲配管１４，１６および１８とを有する折りたたみ可能な袋として構成される。周囲配管１４は、袋１２内に収容される液体媒質２０内にガスを導くガス配管である。周囲配管１６は、液体および／または気体の媒質の流入配管であり、周辺配管１８は、脱ガス配管である。

さらなる周辺囲配管（図１には図示されていない。）が、同様に、液体または気体の媒質を供給または除去するために供されることも可能である。すべての周辺配管１４，１６および１８は、図１に描かれた実施例においてそれぞれ無菌フィルタ２２，２４および２６が設けられる。無菌フィルタ２２，２４および２６は、ユーザに供給される無菌の使い捨てバイオリアクタ１０が、不注意で汚染されることがないということを保証する。

図１に示された実施例の場合、センサアダプタ２８は、無菌フィルタ２６の上流で周辺配管１８に一体化される。センサアダプタ２８は、周辺配管１８の挿入物を構成し、流出ガスはセンサアダプタ２８を貫流することができる。センサアダプタ２８は、用途毎に異なる特定の方法で行われる、バイオリアクタ１０に必要な殺菌に対して、耐性のある材料から作製される。特に、有利な殺菌方法は、ガンマ殺菌およびＥＴＯによる化学殺菌である。さらに、センサアダプタの材料の選択は、適応される特別なセンサシステムごとに調整される。この例を以下にさらに説明する。

図２に、図１のバイオリアクタのセンサアダプタ２８の取り付けについてのさらなる選択肢の図を示す。配置が任意選択的であるセンサアダプタ２８は、図２において点線によって描かれている。個々の場合において実行されるセンサアダプタの配列は、測定量の如何および測定の難易の如何を参照して当業者によって選択される。同一または異なる設計の、複数のセンサアダプタを用いる実施例も考えられる。

図３に、特に光学測定のために用いるセンサアダプタ２８の実施例を示す。矢印３０によって示されるように、センサアダプタ２８は、媒質、特に、周辺配管１８を貫流する排出ガスが貫流するものである。センサアダプタは、赤外放射に対して透過性である一対の対向して位置する窓３２ａと、３２ｂと、を有する。赤外送信器３４は、入力窓３２ａ、センサアダプタを貫流する媒質３０、および出力窓３２ｂ貫通する赤外ビーム３６を送信する。赤外ビーム３６は、評価ユニット（図３においては不図示である。）に接続されている赤外検出器３８によって受信される。受信されたビーム３６の光学的特性を評価することによって、貫流する媒質３０の特性を推定することが可能となる。使い捨てバイオリアクタにおいて培養された培養細胞の排出ガスにおける二酸化炭素の含有量は、ガスのＩＲ分析という方法による特別な利点により測定される。このような測定の物理的詳細は、医学の分野における、呼吸分析から公知である。

図４に、センサアダプタ２８の代替実施例を示す。センサアダプタは、熱伝導性の壁部によって囲まれていて、センサアダプタ２８を貫流するガス３０が壁部４０の周囲を流れるように、貫流中心部に達するくぼみ部を有している。これによって、ガスと壁部４０との間の熱交換がもたらされる。壁部４０の温度は、温度センサ４２によって検出され、ガスの温度を推定することが可能である。

図５に、貫流する媒質３０の電気伝導率を測定するために使用することができるセンサアダプタのさらなる実施例を示す。センサアダプタ２８は、導電性であり、互いに電気的に絶縁されていて、電源ユニット４６および電流測定装置４８に接続されている壁領域４４ａと、４４ｂと、を有している。導電性媒質が、電極として機能する壁領域４４ａと４４ｂとの間を貫流する時に、電流を流すことができ、媒質３０の電気伝導率に関する測定値が得られる。

図６に、センサアダプタを含む本発明の使い捨てバイオリアクタの特に有利な応用例を示す。種々の使い捨てバイオリアクタのセンサアダプタ２８ａ，２８ｂ，２８ｃおよび２８ｄが、それらの典型として図６に描かれている。個々のセンサは、たとえば、図３に対応する接眼鏡センサ、図４に対応する熱センサ、図５に対応する電気伝導率センサであり、または、センサアダプタ２８ａ，２８ｂ，２８ｃおよび２８ｄに調整された別のセンサは、測定を実行するために、好ましくは各々のセンサアダプタ２８ａ，２８ｂ，２８ｃおよび２８ｄが自動化された方法で逐次的に適用され、逐次的に隣のセンサアダプタへと測定が移動する。この測定は、センサ５０が、外部または所定のセンサアダプタの連結点のみと接触するので、使い捨てバイオリアクタを汚染する危険を冒すことなく実現可能である。

これを容易に行うために、たとえば、ラッチデバイス、センタリングエイド、および／またはレールシステムなどの整列および連結手段（図示されていない。）を図におけるセンサアダプタに用いることが可能である。

もちろん、上記特定の記載において論じられ、図面において描かれた態様は、本発明の実例としての典型的な態様を構成するにすぎない。当業者であれば、広範囲の修正および選択が可能であろう。特に、材料および形式の選択は、特定の応用例、想定される殺菌方法および測定原理毎に最適化されるべきものである。

Claims (10)

1. 含まれる媒質の物理量を測定するための、外部に可逆的に取り付けられたセンサ配列を含む、使い捨てバイオリアクタであって、
   媒質を供給および／または排出することを担うバイオリアクタの周辺配管（１４，１６，１８）の少なくとも１つに、センサアダプタ（２８）の内部境界表面（３２ａ，３２ｂ；４０；４４ａ，４４ｂ）を介して周辺配管（１４，１６，１８）を貫流する媒質と相互作用する電子センサ配列（３４，３８；４２；４４ａ，４４ｂ，４６，４８）を受け入れるセンサアダプタ（２８）が、一体化され、
   また、センサアダプタ（２８）は、前記周辺配管（１４，１６，１８）において当該周辺配管（１４，１６，１８）内に設けられ、該センサアダプタを貫流して前記含有媒質が流れることが可能であることを特徴とする、前記バイオリアクタ。
2. センサアダプタ（２８）が排出ガス配管（１８）に一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の、使い捨てバイオリアクタ。
3. センサ配列（３４，３８；４１；４４ａ，４４ｂ，４６，４８）が内部境界表面（３２ａ，３２ｂ；４０；４４ａ，４４ｂ）を介して媒質と直接相互作用するために配置されていることを特徴とする請求１または２に記載の、使い捨てバイオリアクタ。
4. センサ配列が、境界表面（３２ａ，３２ｂ）を通じて媒質内に赤外光を放出する赤外送信器（３４）と、赤外送信器（３４）によって放出された光の一部を、前記媒質との相互作用の後に検出する赤外検出器（３８）と、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の、使い捨てバイオリアクタ。
5. 境界表面（３２ａ，３２ｂ）が赤外スペクトル領域において透過性のガラス、結晶またはプラスチック表面であることを特徴とする請求項４に記載の、使い捨てバイオリアクタ。
6. センサ配列が、境界表面（４０）の温度を検出する温度検出器（４２）を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の、使い捨てバイオリアクタ。
7. 境界表面（４０）が、媒質について液密で、熱伝導性の材料からなることを特徴とする請求項６に記載の、使い捨てバイオリアクタ。
8. センサ配列が電圧源（４６）、当該電圧源に接続されている２個の電極（４４ａ，４４ｂ）、および当該電極（４４ａ，４４ｂ）間の電流および／または電圧を検出する測定装置（４８）を含み、境界表面が、導電性であり相互に絶縁された、２つの内部表面を含み、導電性である各々の前記電極（４４ａ，４４ｂ）が各々前記内部表面の一つと接触することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の使い捨てバイオリアクタ。
9. センサアダプタ（２８）が、ガンマ線放射に耐性のある材料からなることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の、使い捨てバイオリアクタ。
10. センサアダプタ（２８）が、ＥＴＯに耐性のある材料からなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の使い捨てバイオリアクタ。

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