JP2010539936A - 三次元の使い捨てバイオリアクター - Google Patents

Abstract

支持体と、容器と、支持体上へ容器を固定する手段と、容器内の栄養素と細胞とを含んでいるバイオリアクター。容器は、側部壁によって連結された上部壁と底部壁の部分を有するチャンバを形成するための上部壁と底部壁と、三次元容器を形成する上部壁と底部壁に接続された側部壁を備えている。支持体は、ベースへ揺動可能に取り付けられ、単一軸に関して駆動され、また、容器の端部壁は単一軸に交差する。
【選択図】図１

Description

本願発明は、医薬品とバイオテクノロジーの加工産業で使用される製品を収容する密封されているバッグに係り、特に、使い捨ての細胞バッグあるいはバイオリアクターに関する。

この出願は、２００７年９月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／９７５，２１３に基づき優先権を主張し、その開示内容は全体としてここに組み入れられる。
バイオ加工産業は、発酵や細胞培養用の製造工程において、伝統的にステンレス鋼のシステムおよび配管を使用していた。これらの装置は、蒸気殺菌され再使用されるように設計されていた。しかし、洗浄と殺菌は高価な労働集約型の作業である。さらに、必要不可欠な配管および設備を備えるこれらの従来のシステムの設置コストは、多くの場合ひどく高価である。更に、これらのシステムは一般的に、特定のプロセスのために設計されており、新しい用途のために容易に再構成することができない。これらの制限は、過去１０年にわたって新しいアプローチの採用につながっており、それは通常のステンレス鋼タンクに代えて、プラスチックで使い捨てのバッグおよび配管を使用することである。

特定のバイオリアクターにおいて、伝統的なステンレス鋼で製造されたものは、細胞培養に必要な曝気および混合を提供するために揺動される使い捨てバッグによって、多くの用途で置き換えられている。これらの使い捨てバッグは一般的に無菌で提供され、費用と時間のかかる洗浄と殺菌の工程をなくすことができる。バッグは、作業中に無菌環境を維持するように設計され、これにより汚染の危険を最小限にする。

一般に使用されるバッグは「枕スタイル」のものであり、これは主として、これらのバグが柔軟な２枚のプラスチックシートをともに継ぎ合わせることにより、低価格で製造することができるからである。

成功している使い捨てのバイオリアクターシステムの１つは、バイオリアクターバッグが置かれる揺動テーブルを使用する。バイオリアクターバッグは、液体の培養媒体および所望の細胞で部分的に満たされている。テーブルはバッグ内の細胞に一定の動きを提供するのに揺動し、また撹拌される空気−液体面からの曝気を提供する。バッグは、一般的に、空気または酸素の導入用のガス供給管および使われたガスの除去を可能にする排気ガス管を有している。栄養素は、他の管を通して加えられる。

この種の装置の可能性のある１つの制限は、数百リットルを越えて規模を拡大するのが困難であるということである。なぜなら、貧弱な液体の循環では、セルの能力を抑制してしまう栄養素や廃棄物の勾配を引き起こすからである。これは、これらの用途で使用される一軸の揺動機の前後運動が、揺動軸に垂直な方角にはよい液体循環を生成するが、揺動軸と平行な方角には比較的小さな混合しか生成できないからである。大きなバッグ（１００リットル以上）、あるいは幅に対する長さの比率が大きなバッグでは、この貧弱な軸方向循環は、バッグの内容物の均質性を達成するのに長い時間を要する。これはバイオリアクターバッグの中でのｐＨの制御を困難にするが、それは、ｐＨを調整するためにバイオリアクターに加えられる酸または塩基の追加が、バッグ全体にわたって分散するのに長い時間を必要とするからである。バイオリアクターバッグに加えられる栄養素は、一様に分配されない。貧弱な液体の循環は、さらにヘッドスペースから移送される酸素の量を制限し、したがって培養されないセルの濃度を最大にしてしまう。

循環流れは、別の回転軸を組込むことにより改善される場合がある。２つの軸を同期させることによって、混合と物質移動を非常に改善できる旋回運動を与えることが可能である。しかしながら、第２の軸の追加はコストを著しく増加させ、また、機械的な複雑さの増加は、揺動軸の信頼性を低下させ、保守することをより困難にする。

したがって、使用者がバイオリアクターバッグ中の培養液の混合を拡大することを可能にする装置が必要とされている。さらに、バイオリアクターバッグへの酸や塩基の追加に長い時間をとらないような、ｐＨを制御することを単純にするバイオリアクターバッグが必要とされている。さらに、最大濃度の細胞が培養されるように、酸素の量が制限されないバイオリアクターバッグが必要とされている。

本願発明は、前述の背景技術に鑑みてなされたものであり、本願発明の目的は、使用者が培養液の混合を拡大でき、かつ効率的にバイオリアクターバッグ中の培養液を混合することを可能にするバイオリアクターバッグを提供することである。

バイオリアクターは、支持体と、容器と、支持体上へ容器を固定する手段と、容器内の栄養素と細胞とを備えている。容器は、側部壁によって連結された上部壁と底部壁の部分を有するチャンバを形成するために連結された上部壁と底部壁を有し、また、三次元容器を形成する上部壁と底部壁に接続された端部壁も有している。支持体は、ベースへ枢動可能に取り付けられ一軸周りの駆動され、また、容器の端部壁はその一軸を横切っている。

容器壁は、可撓性のシートを共に継ぎ合わせたものである。上部壁と底部壁はともに継ぎ合わせられており、また、上部壁と底部壁の一部はチャンバの側部壁を形成する。一軸を横切る端部壁は、上部壁、底部壁および側部壁へ継ぎ合わせられるパネルである。代替的には、容器はモデル化された構造でもよい。

側部壁と端部壁との結合部は、容器が一軸に関して揺動した場合にチャンバ内の液体に渦巻き運動を引き起こすように、直角ではない。第１対の対向する結合部は鈍角であり、また、第２対の対向する結合部は鋭角である。結合部はアーチ形でもよい。結合部は、側部壁および端部壁の両方を接続し、これらに対して傾斜しているチャンバの直線状の壁を備えている。揺動の間に単一の方向の渦巻きを生成するために、第１対の対向する結合部は第１の長さを有し、第２対の対向する結合部は第１の長さより短い第２の長さを有している。

容器が単一の軸に関して揺動する場合に、チャンバ内で液体の渦巻き運動を引き起こすために、バッフルが上部壁と底部壁に接続され、側面と端部壁から置き換えられてもよい。

従来技術に係る枕形式の二次元バッグ構造の斜視図を示す。 従来技術に基づいた揺動バイオリアクターに固定された図１のバッグの斜視図を示す。 先行技術に基づく単一軸揺動により得られた図１のバッグの液体の流れパターンを示す。 本願発明の別の実施形態による三次元のバッグ構造の斜視図を示す。 本願発明の一実施形態にかかる構造の詳細を示している、図４に示されている実施形態の斜視図を示す。 本願発明の第１の実施形態によるバッフルされたバッグおよび単軸の揺動に起因する単一の液体流れパターンを示す。 本願発明の第２の実施形態によるバッフルされたバッグおよび単軸の揺動に起因する単一の液体流れパターンを示す。 本願発明の第３の実施形態によるバッフルされたバッグおよび単軸の揺動に起因する二つの液体流れパターンを示す。 本願発明の第４の実施形態による、直線状のバッフルでバッフルされたバッグおよび単軸の揺動に起因する液体流れパターンを示す。 本願発明の第５の実施形態による、菱形状にされたバッフルバッグおよび単軸の揺動に起因する液体流れパターンを示す。 内部流れ転換バッフルを備えた、別の実施形態を示す。

添付図面と共に以下の説明を読めば、これらおよび本願発明の他の利点はより明白になるであろう。
本願発明の望ましい本実施形態は図面を参照しながら説明されるが、類似の構成要素は同じ数字で示されている。望ましい実施形態の説明は、例示であって発明の範囲を限定しようとするものではない。

図１に示されるような先行技術に係るバッグ２０は、平坦で、長方形で、「枕型」の細胞培養バッグ２０であり、揺動（振動）バイオリアクターの用途で一般的に使用されており、例えば、参考としてここに組み込まれている１９９８年８月１２日に出願された「波誘発撹拌を用いる細胞培養方法」と題する米国特許第６，１９０，９１３号のシステムにおいて使用されている。バッグ２０は、上側シート２２を下側シート２４へ一体的に継ぎ合わせることにより形成されている。４つの縁部５２，５４，５６および５８すべてで、２枚のシートをともに密閉することにより形成された輪郭が内部のチャンバの境界をつけ、その中に培養液３２が収容されている。上側シート２２上のポート２６は、ガスの導入および排気に使用される。

図２は、側縁部５２および５４上にクランプ１２を使用して、揺動するバイオリアクターの支持体１０に固定されたバッグ２０を示している。支持体１０はベース１４へ旋回（枢動）可能に取り付けられ、単一軸１５に関して揺動する。揺動により引き起こされる流体の流れは、流線４０として図３に記載されている。図示のように、揺動運動は主としてＹ軸（揺動軸１５に垂直）に沿った流体運動４０Ａを生成する。Ｘ軸方向（揺動軸１５と平行）のとても僅かな流体運動４０Ｂが、実質的に直角の角部３０−３３で生成される。バッグ２０の構造体の中で、混合バッグ２０の内容物を均一に混合するためには、相当な時間がかかる。混合時間は揺動速度を増加させることにより短縮できるが、これはバッグに多くの応力を与えバッグの破損可能性に結びつき、さらに混合のためのエネルギー必要量を増大させてしまう。

図２に示されるように、二次元のバッグ２０では、ひだやしわ９０、９１、９２はバッグ２０の各角部３０−３３の上面２２に形成され、さらにひだやしわ９３，９４はバッグ２０の各角部３０の下側２４にも形成される。余剰材料は各角部３０−３３に現れるが、それは膨張により拘束されていない端縁部５５，５８が引っ張られ、角部３０−３３を押し出すからである。この余剰材料は確実に膨張することができず、揺動の間にぱたぱた（どたばた）と動き回り、それは早期の疲労破壊に結びつく場合がある。バッグ２０は膨張した時に応力を受け、この応力は上側シート２２および下側シート２４を通して、クランプされた縁部５２および５６に伝達される。応力は縁部５２および５６に沿って分配されるが、角部３０−３３ではそれはなく、角部３０での余剰材料の存在により支持体１０に対する引っ張り緊張は生じない。従って、破壊は角部３０−３３で生じ、そこでバッグは緊張や剛体性が維持されない。

図４は、三次元の細胞培養バッグ２０Ｈを示し、すなわち側部壁５２および５６で折り込まれた端部壁５４Ｈと５８Ｈにより形成された容器またはバイオリアクターを示す。培養バッグ２０Ｈは図５に示される分解組立図で示されるように、複数の平坦で柔軟なパネル２２、２４、５４Ｈ、５８Ｈから形成される。この図は培養バッグ２０Ｈを形成する１つの方法を示しており、それは２枚の柔軟なシート２２および２４をともに継ぎ合わせて、２つの小さなパネル５４Ｈおよび５８Ｈを折りたたみ、それらを交差したすなわち曲がった継ぎ目４９で閉鎖して、培養バッグ２０Ｈの内部容積の境界を付けるものである。上側シート２２および下側シート２４へ折り込まれた端部壁５４Ｈおよび５８Ｈを接合する継ぎ目４９の部分は、図４に示すバッフルを形成するように円弧状である。上側シート２２と下側シート２４を接合する継ぎ目４９の部分は、側部壁５２および５６を形成する。

培養バッグ２０Ｈが縁部５２および５６で拘束され膨張した場合、上側シート２２および下側シート２４は折り込まれた端部壁５４Ｈと５８Ｈで分離することができる。培養バッグ２０Ｈは、しわ、折り目あるいは余剰の角部材料のない、膨張した三次元形となる。角部１００−１０３はぴんと引っ張られ、応力を培養バッグ２０Ｈの高い点１１０および１１２からクランプされた縁部５２および５６に分配する追加構造要素を提供する。これらの縁部はホルダー１０へのそれらの全長に沿ってクランプされており、バッグの過剰膨張を拘束するための固定点を形成する。角部１００−１０３は、さらに揺動の間にバッグを支持体するための強化構造として機能する。軸１５に関する縁部５６への揺動は、培養バッグ２０Ｈが縁部５２から上へ引っ張られる原因となる。この移動は、培養バッグ２０Ｈを下にとどめておくように役立つ角部１００および１０１によって抑えられる。さらにバッグが縁部５６の方へ滑る傾向は、角部１００および１０１によって抑えられる。逆の行程（ストローク）では、同じ機能が角部１０２および１０３によって提供される。

改善されたバッグ２０は、成型された三次元構造であるか、あるいは柔軟なシートを継ぎ合わせることにより製造される。縁部と折り込み部は曲がった継ぎ目か、あるいはここに示されるような一連の直線継ぎ目部として製造される。

最初に図６に示される実施形態を参照すると、細胞培養バッグ２０Ａは継ぎ目４９によって結合され、成分を含み、その少なくとも１つは混合されるべき液体である。細胞培養バッグ２０Ａは、揺動軸１５に関して枢動する揺動プラットフォーム１０上に配置される。細胞培養バッグ２０Ａの角部４２Ａの輪郭は、対角線上の反対の角部４６Ａと同じ態様で輪郭が形成され、これらの角部を形成する円弧は細胞培養バッグ２０Ａの幅の１／４から１／２の範囲の半径を持つが、隣接する角部４４Ａとは異なっており、この角部４４Ａは輪郭が細胞培養バッグ２０Ａの幅の１／２０から１／４の範囲の異なる円弧半径を持つ対角線上の反対の角部４８Ａと同じ態様で輪郭が形成されている。角部４２Ａと４６Ａはバッフル、すなわち側部壁５２，５４と端部壁５６，５８の接合部に形成された流れ方向付け手段である。これらのバッフルすなわち流れ方向付け手段は、液体が上側シート２２を下側シート２４に接合することにより形成された液密継ぎ目４９を通り抜けることができず、輪郭に沿って液体がバッグ内を流れるように強制する。角部は、側部壁と端部壁との結合部を形成し、それは細胞培養バッグが揺動した場合に、チャンバ内の液体の循環渦巻き運動を引き起こすように、単一の揺動軸に交差する。液体は、液体中で可溶の粉体、ともに混合あるいはブレンドされるように設計された低あるいは高粘度液体からなってもよい。バッグ２０Ａにおいて、接合部は傾斜していて円弧形である。傾斜した接合部は、９０度余り（プラス）の鈍角を持ち、その一方で円弧形の接合部は９０度未満の角度を持っている。

細胞培養バッグ２０Ａのこの非対称の効果は、それが支持体１０を傾斜させることにより１００の方へ傾斜するとともに、縁部５４から縁部５２への重力により液体が流れることである。液体が縁部５２に接近するとともに、それは、角部４２Ａによって、細胞培養バッグ２０Ａの中心の方へちょうど変向される。反対側の液体は、中心へ流れを変向するようには形作られていない角部４４Ａに向かって流れ込む。この流れ速度の不均衡は、強制的に左端５８から右端５６への流れ生み、右端からの流れは左端に入るのを抑制される。逆の行程（ストローク）においては、支持体１００は１０１へ向かって傾き、そうすれば、細胞培養バッグ２０Ａの中の液体は縁部５２から縁部５４の方へ流れる。角部４６Ａに入る液体は、角部４６Ａの形により容器２０Ａの中心に変向されるが、角部４８Ａに入る液体は中心の方へは変向されない。２回から５回の揺動行程の後には、バッグの中で反時計回りに循環する液体に流線４０Ｃで示されるような自立運動が起こり、それはバッグが揺動する限り保持される。この自立運動は揺動運動が続く限り持続する。この循環運動は、前後運動に重ねあわせられ、先行技術の主な制限であった揺動軸１５に平行な方向の混合に非常に有効である。循環する運動は、角部の幾何学形状の変更により時計回りの方向に容易に逆転させることができる。

図７は、細胞培養バッグ２０Ａよりも大きな循環を生む細胞培養バッグ２０Ｂを示す。これは、角部４２Ｂおよび４６Ｂの半径がそれらの対応する角部４２Ａおよび４６Ａよりも大きいからである（図６参照）。これらの角部の半径は、混合バッグ２０Ｂの幅の１／２から２倍の範囲とすることができる。角部４４Ｂおよび４８Ｂはさらに、それらの対応する角部４４Ａおよび４８Ａより大きな半径（混合バッグの幅の１／４から１／２）を持っている（図６参照）。これらのより大きな半径円弧は、鋭い角部４４Ａおよび４８Ａによって引き起こされる乱流のうちのいくらかを縮小して、より多くの穏やかな流れパターンを提供する。これにより生じる循環は、４０Ｄとして示される。隣接する角部のその非対称性が維持されることは重要である。例えば、図８に示される対称な細胞培養バッグ２０Ｃは、角部４２Ｃから４８Ｃにわたりよって小さな等しい円弧形状を持っている。結果として生じる循環４０Ｅは、揺動軸１５と平行な流動循環をほとんどなく、したがって比較的貧弱な混合性能の先行技術の細胞培養バッグと同様である。

流れの輪郭は、曲がった表面としてバッグ内で成形されるか、あるいはプラスチックの継ぎ目部によって作ることができる。輪郭は曲がった継ぎ目あるいは一連の直線継ぎ目部として製造される。継ぎ目は上側シートと下側シートとを共に溶接することにより作られる。様々な方法、例えば加熱密閉、超音波接合などが一般に使用される。直線の継ぎ目は、容易に加熱棒密閉機によって作ることができる。曲がった継ぎ目ははるかに困難であり、熱したプラテンを使用して一般的に作らる。これらは高価で、特定のバッグ寸法のために設計されている。レーザー法は、ソフトウェアを単に変更することによって、どんな形の継ぎ目、バッグの形状あるいは寸法であっても作ることができるという長所を有している。

バッグに曲がった継ぎ目を製造するのは困難であり、複雑な設備を必要とする。直線の継ぎ目は容易に市販の棒状加熱密閉機を使用して作ることができる。図９に示される実施形態は、循環流れを実現できる、直線あるいは線形の継ぎ目を使用して作られた細胞培養バッグを示している。外側の継ぎ目４９は、混合される液体および成分を含んでいる混合バッグ２０Ｅの内部チャンバの部分５２、５４、５６、５８を形成する。継ぎ目５１は、角部において線形部分としてバッフル７２、７４、７６、７８を画成し、それらは上部壁、底部壁、側部壁および端部壁に接続される。これらのバッフルは、一般的に揺動軸１５に対して４５度（３０から６０度までの角度は使用することができる）に向けられている。より長いバッフル４２Ｅ、４６Ｅは、バッグ２０Ｅの側部の長さの１／４から１／３に及び、より短いバッフル４４Ｅ，４８Ｅは一般的に長いバッフルの長さの１／５から１／２である。非対称のバッフルにより生じる循環は４０Ｇとして示されている。角部は除かれており、それらはバッフルを越えて延びている。また、継ぎ目４９は、バッフルの接合部を超えて延びる必要は無く、内部の継ぎ目５１は側部壁と端部壁まで及ぶ必要はない。

図１０に示される実施形態は、細胞培養バッグ２０Ｆの形を本質的に長方形の形態から台形の形状に変更することにより循環流れを実現する、直線あるいは線形の継ぎ目を使用して作られた細胞培養バッグを示している。細胞培養バッグ２０Ｆの端部壁５４および５８は互いと平行であるが、側部壁５２および５６に垂直ではない。このことは、第１対の対向する接合部とバッフル４２Ｆ，４６Ｆが１００から１３０度に及ぶ鈍角を作り、第２対の対向する接合部とバッフル４２Ｆおよび４６Ｆが鋭角に対応する。鈍角と鋭角とを設定することにより、自動的に平行四辺形としての形状を固定する。細胞培養バッグ２０Ｆが軸１５に関して揺動する場合、流体は流れの流線４０Ｈによって示される方向に循環し、細胞培養バッグ２０Ｆの内容物を効果的に混合する。

二次元および三次元のバッグで、側部壁と端部壁の接合によって形成されたバッフルは、バッグが所定の液体レベルで膨張し、所望の循環量を生成するために揺動運動する場合、十分な高さを持たない場合がある。図１１に示される実施形態は、バッフルが側部壁と端部壁の接合部から離れて移動した細胞培養バッグ２０Ｇを示している。バッフル８２、８４、８６、８８は、角部４２Ｇ、４４Ｇ、４６Ｇ、４８Ｇに隣接している。バッフルは、上部壁２２、底部壁２４、側部壁５２、５６および端部壁５４Ｇ、５８Ｇに接続されている。バッフルは、最初に上部壁と底部壁に接続され、次に、それらが上部壁と底部壁に形成すなわち接続された場合に側部壁および端部壁に接続される。

本願発明は、使用者がバイオリアクターバッグ中の培養液の混合の規模を拡大することを可能にする装置を提供する。この装置は、バイオリアクターバッグへの酸や塩基の追加に長い時間をとられないで、ｐＨを制御することを簡単にするものである。したがって、本願発明は、使用者にバイオリアクターバッグ中の培養液の混合の規模を拡大する単純な方法を提供する。

本願のバッグは詳細に説明され図示されたが、これらは例示および実施例としてなされたのであって、限定することを目的とするものではないことは明白に理解されるべきである。本願発明の範囲は、添付された請求項の用語によってのみ定義されるべきである。

Claims (7)

1. バイオリアクターであって、
   液体を備えたチャンバを含んでいる容器を保持するように構成された支持体と、
   支持体上に容器を固定するための手段とを備え、
   容器は、複数の側部壁によって連結された上部壁と底部壁の部分を有するチャンバを形成するために連結された上部壁および底部壁と、三次元容器を形成する上部壁および底部壁に接続された複数の端部壁と、可動軸と交差する複数の側部壁と複数の端部壁の連結部で上部壁および底部壁に接続されたバッフルとを備えている、
   バイオリアクター。
2. 支持体は、可動軸に関して揺動可能にベースに取り付けられている、請求項１に記載のバイオリアクター。
3. 上部壁、底部壁、複数の側部壁および複数の端部壁は、ともに継ぎ合わせられた柔軟なシートである、請求項１に記載のバイオリアクター。
4. 上部壁および底部壁はともに継ぎ合わせられ、上部壁および底部壁の一部はチャンバの複数の側部壁を形成し、単一軸に交差する複数の端部壁は上部壁、底部壁と複数の側部壁に継ぎ合わせられたパネルである、請求項２に記載のバイオリアクター。
5. 複数の側部壁および複数の端部壁の結合部は直角ではなく、容器が可能軸に関して揺動する場合にチャンバ内の液体の渦巻き運動を引き起こす、請求項１に記載のバイオリアクター。
6. 複数のバッフルが、鈍角の対向する第１対の連結部と、鋭角の対向する第２対の連結部とを備える、請求項５に記載のバイオリアクター。
7. 第１対の対向する結合部は第１の長さを持っており、第２対の対向する結合部は揺動の間に単一の渦巻きの方向を生成するように第１の長さより短い第２の長さを有している、請求項６に記載のバイオリアクター。

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