JP2020505030A - バイオリアクタおよびこのようなバイオリアクタの使用方法 - Google Patents

Abstract

内部チャンバを特定するように、少なくとも１つの側壁（１１）と、底壁（１２）と、キャップ（１４）により閉鎖される開口（１３）とから成る容器（１）を備えるバイオリアクタであって、内部チャンバには、内部チャンバを上側チャンバ（３１）と下側チャンバ（３２）とに分割するように意図される中間壁（２）が設けられていて、中間壁（２）は、少なくとも１つの孔（２１）を有する。さらに、中間壁（２）は、底壁および／または側壁上に置かれる少なくとも１つの領域を有し、かつ孔（２１）に膜（２２）用の少なくとも１つのハウジングシート（２６）を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、内部チャンバ（ｉｎｎｅｒ ｃｈａｍｂｅｒ）を特定（ｉｄｅｎｔｉｆｙ、規定）ように少なくとも１つの側壁（ｓｉｄｅ ｗａｌｌ）と、底壁（ｂｏｔｔｏｍ ｗａｌｌ）と、キャップ（ｃａｐ）で閉じられる開口とから成る容器（ｃｏｎｔａｉｎｅｒ）を備えるバイオリアクタ（ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒ、生物反応器）に関する。

内部チャンバの内側には、内部チャンバを上側チャンバ（ｕｐｐｅｒ ｃｈａｍｂｅｒ）と下側チャンバ（ｌｏｗｅｒ ｃｈａｍｂｅｒ）とに分割するように意図される中間壁（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ ｗａｌｌ）が設けられ、中間壁は、少なくとも１つの孔を有する。

上述の構成は、一部の従来技術による既知のバイオリアクタのそれであり、すなわち、これらの装置は、生体サンプルの増殖に適する環境を提供することができる。

具体的には、本発明は、生体界面プロセスをエミュレート（模倣する）するための拡散研究の実行に使用されるバイオリアクタに関する。

従来技術による既知のバイオリアクタは、界面組織を擬態するように意図される、上側チャンバを下側チャンバから分ける膜を有し、例えば、上側チャンバに分子が挿入され、このような分子の、上側チャンバから下側チャンバへの通過が研究される。

従来技術による既知のバイオリアクタは、その広範な使用にも関わらず、用途が極めて限定的であり、その理由は、とりわけ、実行されるべき分析の幾つかの構成への適応が困難であるという事実にある。

既知のバイオリアクタは、サイズが小さいことから、三次元的な生体材料を受け入れることができない。さらに、このようなバイオリアクタに使用される膜は、粒子／分子しか通すことができない。

このような限定は、とりわけ、有効な分析結果を保証するために、人工腫瘍、すなわち単純な細胞より遙かに大きいものを生じさせるように臨床関連三次元サイズの基質内で培養された腫瘍細胞を用いる必要がある、腫瘍細胞拡散の分析等の特定用途において重要な欠点となる。

さらに、その適応不良の確証として、従来技術による既知のバイオリアクタは、「使い捨て」デバイスに匹敵するものであって、取外し可能、交換可能、滅菌可能、延ては再使用可能なパーツ、または異なる動作設定に適応可能なパーツを提供しない。

したがって、上述の欠点を克服する、かつそのコンポーネントを変更するだけで実行されるべき異なる分析範囲に適応できるようにする特性を有するバイオリアクタを提供するという、従来技術の既知デバイスでは満たされないニーズが存在する。

本発明は、上述の目的を、先に述べたようなバイオリアクタを提供することによって達成し、このバイオリアクタにおいて、中間壁は、底壁および／または側壁に存在する少なくとも１つの領域を有し、かつ中間壁は、孔（ｈｏｌｅ）に、膜を、または少なくとも１つの膜を収容するように意図されるハウジングシート（ｈｏｕｓｉｎｇ ｓｅａｔ、収納容器のシート）を、提供する。

膜は、明らかに、細胞、分子、粒子および／または流体が上側チャンバから下側チャンバへかつその逆へと通過できるように意図される。

したがって、バイオリアクタは、用途に依存して、交換可能、滅菌可能および再使用可能または使い捨ての膜を有して提供される。

中間壁の特徴的な構成により、ハウジングシートの作製が可能にされ、膜は、必ずしも中間壁に固定されることなく収容されかつ容易に交換されることが可能である。

このような構成により、膜の交換が可能にされ、かつ用途に依存してその最も有用なタイプの選択が可能にされる。

一部の実施形態から明らかとなるであろうが、ある変形実施形態において、膜は、ハウジングシートの内部に、固定手段（ｆａｓｔｅｎｉｎｇ ｍｅａｎｓ）を必要とすることなく置かれることが可能であり、膜の容易な交換が保証されるだけでなく、その位置決めの調整も保証される。

さらに、本発明のバイオリアクタは、単一タイプの膜に限定されるものではなく、膜は、交換可能であることから、用途のタイプに合わせてアドホックに作製されることが可能である。

膜は、従来技術におけるあらゆる方法で作製されることが可能である。

例えば、膜は、エレクトロスピニング法によって得られるポリマー材料で構成されてもよい。

同様に、膜は、ポリマー、金属材料または３Ｄ印刷プロセスを介して得られる任意の材料で構成されてもよい。代替として、これは、市販の膜であっても、膜として作用し得る他のあらゆる有孔および／または透過性のセプタムであってもよい。このタイプの膜を異なる動作ニーズに適応させ得る方法は、明らかであって、開示しているプロセスは、膜の寸法を変えることだけでなく、膜の有孔性および／または透過率の調整も可能にする。

したがって、本発明によるバイオリアクタの膜は、組織界面で生じる全てのプロセスのシミュレーションを可能にする。

さらに、エレクトロスピニングおよび３Ｄ印刷は、共に、適切な機械的強度および生体適合性を保持しながら、有孔性が異なる膜を得ることを可能にする。

効果的なこととして、ゼラチン、コラーゲンまたは他のポリマー等のタンパク質材料、または生体材料（細胞単層）製の膜コーティング（機能化）を提供することが可能である。

例えば、コラーゲンおよび上皮の他の細胞外基質タンパク質で被覆されるべき膜を提供することは、可能であって、その上に上皮細胞が培養され、内皮層が管内で再構成される。

実現に関わらず、この場合の重要な側面は、膜を動作ニーズに基づいて交換しかつ変更する可能性にある。

一代替例として、または組合せにより、膜は、少なくとも部分的に生体組織による細胞から成ることが可能である。

例えば、膜は、上皮組織から成ってもよい。

この場合、本発明によるバイオリアクタは、美容目的および／または皮膚科的目的として、細胞、生体分子または放射線もしくは細胞クラスタの通過および／または吸収を分析するために使用されることが可能である。

さらなる実施形態によれば、膜は、胃腸上皮組織および／または消化器系の関心組織から成る。

この場合、本発明によるバイオリアクタは、栄養補給、食品目的で、またはヒト、動物または野菜の消化過程に関して、細胞、生体分子または放射線もしくは細胞クラスタの通過および／または吸収を分析するために使用されることが可能である。

さらなる実施形態によれば、膜は、肺上皮組織から成ってもよい。

この場合、本発明によるバイオリアクタは、呼吸器系を目的として、細胞、生体分子または放射線もしくは細胞クラスタの通過および／または吸収を分析するために使用されることが可能である。

さらに、膜は、異なる種類の上皮組織（角膜、鼻粘膜、舌粘膜）または他の種類の組織（毛髪）から成ってもよい。

この場合、本発明によるバイオリアクタは、美容、バイオテクノロジー、生理学を目的として、細胞、生体分子または放射線もしくは細胞クラスタの通過および／または吸収を分析するために使用されてもよい。

本発明によるバイオリアクタに高い適応性を与えるために、本発明は、後述する本発明によるバイオリアクタの２つの主要な実施形態を提供する。

実現形態に関わらず、本発明によるバイオリアクタは、先に述べたような膜の容易な交換を可能にすることに加えて、膜の位置決め、とりわけ高さの位置づけの調整を可能にする。

膜の高さ調整の可能性は、バイオリアクタに、より大きい適応性を与えるために不可欠である。

したがって、膜は、行われるべき分析、上側チャンバおよび／または下側チャンバに挿入されるべき試料の大きさ、および適用されるべき流動状態に基づいて移動されることが可能である。

後述するように、バイオリアクタの２つの実施形態は、各々、膜の高さ調整および膜を伴う中間壁の高さ調整を提供する。

第１の実施形態によれば、上で膜を支持する１つまたは複数の支持エレメント（ｓｕｐｐｏｒｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）を提供することが可能であり、支持エレメントの厚さが膜の高さの位置決めを変える。

これに対して、第２の実施形態は、中間壁を作るために、底に膜を有するカップエレメント（ｃｕｐ ｅｌｅｍｅｎｔ、カップ要素）を用いることを提供していて、カップエレメントの高さ変位は、膜を結果的に変位させる。

したがって、これにより、膜とカップエレメントとは、一体構造となり、よって、膜の変位は、カップエレメントの高さ変位によって引き起こされ得るだけでなく、膜の形状の変化をも必要とし得る、例えばカップ側壁の増大、減少または縮小等のカップエレメントの形状および大きさの変化によっても引き起こされ得る。

効果的なこととして、ある好適な実施形態によれば、流体の流れ（空気／液体）を伴って、組織をより良く擬態しかつ「動的な」分析を実行するようにバイオリアクタへ連結される流体回路が提供されている。

この場合、下側チャンバを画定する側壁、および／または上側チャンバを画定する側壁、および／またはキャップおよび／または底壁は、対応する流体回路を連結するための少なくとも１つの入口ポート（ｉｎｌｅｔ ｐｏｒｔ）および少なくとも１つの出口ポート（ｏｕｔｌｅｔ ｐｏｒｔ）を有する。

本特許出願に添付される実施形態から明らかとなるように、上側チャンバに１つ、および下側チャンバに１つである、２つの別個の回路を提供することが可能である。

中間壁または膜の高さ調整により達成されるチャンバ容積の可変特性を変わらず保持するために、効果的なこととして、上側チャンバの入口ポートおよび出口ポートを開口の近くに配置し、一方で、下側チャンバの入口ポートおよび出口ポートを底壁の近くに配置することができる。

したがって、中間壁または膜は、流体の流れを妨げることなく位置を自由に変えることができる。

上述のように、膜の「自由な」位置決めは、本発明の発明概念であり、中間壁の特定の構成は、必ずしも膜を固定するための手段を必要としない。

したがって、特定の剛性レベルを有する膜を用いなければならないクランプまたはクリップを用いる必要はない。

ガスケットにより固定されて、または外科用シーラントにより接着されて保持されるべき膜、または市販のインサートに挿入され得る膜を提供することは、可能である。いずれにせよ、本発明によるバイオリアクタは、あらゆるタイプの膜が、その上に必要な流体の流れを有するように収容されることを可能にする。

例えば、肺拡散に関する研究に関しては、肺の肺胞内に存在する生理学的状態を再現するために、細胞化膜と同一平面上に流体の流れを提供することが必要であるが、バイオリアクタの高い適応性を保持しながらこのような状態を保証できるのは、膜の高さ調整のみである。

明らかであるように、同じく後述の実施形態に基づいて、本発明によるバイオリアクタは、膜の互換性および位置決め調整の保証を可能にすることに加えて、可変形状および可変厚さの双方を有する膜の収容を可能にし、ならびに複数の膜の収容を可能にする。

さらなる変形実施形態によれば、下側チャンバの容積を制限するように底壁と接触して配置されることが意図される、特定の厚さおよび形状を有するプレートエレメントを提供することが可能である。

下側チャンバの容積減少は、特に高価である増殖因子（ｇｒｏｕｔｈ ｆａｃｔｏｒ）または薬剤の量の低減を可能にし、ならびに、様々な生理学的状態、例えば毛細血管回路（小口径）または大動脈（大口径）、の模倣も可能にする。

下側チャンバの容積を微調整する場合、チャンバ内で所望される容積に達するまで互いに積み重ねられ得る複数のプレートエレメントを設けることが可能である。

この場合、下側チャンバの流体回路へ連結するための入口ポートおよび出口ポートは、中間壁の近くに設けられることが可能である。

先に述べたように、動的分析を実行するために、下側チャンバおよび／または上側チャンバへ連結される少なくとも１つの流体回路が提供されている。

この場合、流体回路は、少なくとも１つのポンプと、送出し管（ｄｅｌｉｖｅｒｙ ｐｉｐｅ）と、戻り管（ｒｅｔｕｒｎ ｐｉｐｅ）とを有する。

循環流体をサンプリングして分析を実行するために、送出し管および／または戻り管上に配置されるバルブ、例えば三方バルブが設けられている。

最後に、ある可能な実施形態によれば、本発明によるバイオリアクタを、下側チャンバおよび／または上側チャンバおよび／またはバイオリアクタを画定する壁の内側または外側に１つまたは複数のセンサ有するように設けることが可能である。

上述の利点に起因して、本発明は、細胞、分子、粒子、化合物、物質、栄養素、汚染物質、増殖因子、細胞群（クラスタ）、薬物および／またはあらゆる種類の物質または電磁放射線の通過を分析するためのシステムにも関する。

本システムは、流体回路を介して任意の収集システムへ連結されるバイオリアクタを使用することを提供し、バイオリアクタの上側または下側チャンバを通過する流体を、後の分析等のために収集することを可能にする。

ある好ましい変形実施形態において、収集システムは、さらなるバイオリアクタから成る。

具体的には、このような構成によれば、本システムは、流体回路を介して連結される、上述の特徴のうちの１つ以上に従って作製される少なくとも２つのバイオリアクタを提供する。

さらに、２つのバイオリアクタは、互いに直列に連結されることが可能であり、よって、例えば、一方のバイオリアクタの下側チャンバの入口ポートおよび出口ポートが、各々もう一方のバイオリアクタの上側チャンバの出口ポートおよび入口ポートへ連結されていれば、上述の物質および／またはその中に含まれる流体は、否応なく予め決定されている経路に従って膜および／またはチャンバを通過させられる。

あるいは、２つのバイオリアクタは、互いに並列して連結されることも可能であり、よって、例えば、一方のバイオリアクタの上側チャンバの入口ポートおよび出口ポートが、各々もう一方のバイオリアクタの上側チャンバの出力ポートおよび入口ポートへ連結されていて、下側チャンバ同士が互いに連結されず，単にその固有の上側チャンバからのみ物質を受け入れるとすると、上述の物質および／または流体は、膜および／またはチャンバを介して可能な異なる経路を辿ることができる。

本発明によるバイオリアクタに関連しかつ本システムに関連する効果的な局面に加えて、後に記述しかつ示す実施形態から明らかとなるであろうが、このようなシステムは、細胞の通過および第２のバイオリアクタの下側チャンバ内に存在する試料組織への細胞の遊走および／または付着の分析をも可能にする。

さらに、本発明による方法によって明らかとなるように、２つのバイオリアクタを直列にして有するという可能性は、従来技術ではいまのところ利用不可である、２つの上皮膜の通過である血管内異物侵入および血管外遊出現象の研究をもたらす臨床モデルを得るために、転移を試験管内で再現する唯一の方法である。

バイオリアクタの上側チャンバ内に、腫瘍細胞が試験管内／体外（ｅｘ ｖｉｖｏ）で培養されかつ増殖される原発腫瘍の環境、例えば、診断および／または治療および／または研究使用のためのヒト腫瘍生検、または天然または人工的な初代細胞、もしくは天然または人工の生体組織内部の液体生検または安定した筋、その他、を再現することは、可能である。

原発腫瘍のこのようなモデルは、バイオリアクタ内で、異なる有孔性および／または透過性レベルを有することができる、かつ無機または有機材料で作製されることが可能な膜と接触して培養され、細胞（例えば、内皮細胞）で機能化され、または機能化されずに血管の壁が再現される。

同様に、他のバイオリアクタも、同じ膜を収容することができ、かつ下側チャンバ内に転移微小環境を再現することができる。このような構成は、原発腫瘍からの腫瘍細胞の遊走、腫瘍細胞の血管内異物侵入、すなわち内皮バリアを介する通過、血流を再現する２つのバイオリアクタ間の腫瘍細胞の流れ循環、腫瘍細胞の血管外遊出、すなわち内皮バリアを介して転移部へ至るまでの通過、を体外（ｅｘ ｖｉｖｏ）／体内（ｉｎ ｖｉｖｏ）で観察することを可能にする。このような転移モデル（ｍｅｔａｓｔａｓｉｓ ｍｏｄｅｌ）は、異なる種類の細胞が物理的に隔離された環境内で保持されることを可能にし、かつ原発腫瘍からの転移の発現が観察されることを可能にし、よって、
−新しい治療ソリューション、新しい化学療法学の毒性、安全性および有効性の試験のため、および、
−創薬試験および薬物動態試験（ｐｈａｒｍａｃｏｋｉｎｅｔｉｃ ｔｅｓｔ）のためのプラットフォームが提供される。

このような構成は、バイオリアクタの使用法と相まって、ドラッグリポジショニング（ｄｒｕｇ ｒｅｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ、薬物再配置）の実行をも可能にする。具体的には、これは、従来技術において既に知られている薬物の他の病理に対する有効性研究が、本発明によるバイオリアクタにおいて試験管内／体外で再現される新しい病理について研究されることを可能にする。

さらに、その異なる流動状態および粘性状態で作業して、異なる生理学的／病理学的なコンテキスト（ｃｏｎｔｅｘｔ、状況）を再現することも可能である。

さらに、例えば、腫瘍患者の生検材料をバイオリアクタ内で培養し、かつ異なる薬物および／または実験的治療アプローチを試験してその効力を体外／体内で検証する場合に、治療を行うことも可能である。

直上の記述に起因して、本発明は、最終的に、細胞、分子、粒子、化合物、物質、栄養素、汚染物質、増殖因子、細胞群（クラスタ）、薬物および／またはあらゆる種類の物質または電磁放射線の通過を分析するための方法に関する。

本方法は、上述のような少なくとも１つのバイオリアクタを用いることを提供する。

本方法は、さらに、以下のステップ、すなわち、
ａ）下側チャンバおよび／または上側チャンバ内に流体の流れを発生させるステップと、
ｂ）チャンバ内を流れる流体の一部、およびその中に含まれる物質（上述のもの）または透過放射線を収集して分析するステップと、を提供する。

溶質および物質の通過を扱う従来技術による既知のシステムおよび方法とは異なり、本発明による方法およびバイオリアクタは、細胞の通過を、複数の細胞が存在する、バイオリアクタ内に置かれる三次元生体材料を用いることによって分析することも可能にする。

したがって、腫瘍細胞の、原発腫瘍を表す組織から血流への通過（血管内異物侵入）および転移の標的組織への通過（血管外遊出）等の細胞通過を伴うメカニズムについて研究することが可能である。

ある可能な実施形態によれば、上側チャンバおよび／または下側チャンバに生体材料を挿入するステップが提供されていて、これに続いて、流体および／または流体内に含まれる分子の通過、および／または放射線通過の実行後に生体材料を分析するステップが提供されている。

生体材料は、生体材料（生検）試料または細胞添加により人工的に再現される材料から成り得ることを明記しておく。

例えば腫瘍細胞の通過を分析する場合、腫瘍を患っている組織または器官を懸濁しかつ／または付着した腫瘍細胞を有する担体材料を介して再現することが可能である。

このような材料は、上側チャンバに膜と接触して挿入される。

次に、デバイス内に流体の流れが確立され、腫瘍から出て能動的に膜を通過し流体回路に到達する細胞の数が、細胞の一部を三方バルブを通して引き出すことにより評価される。

所望される環境に基づいて、上側チャンバ内にも流体の流れを発生させることが可能である。

効果的なこととして、２つのチャンバで異なり得る流体の流れの速度を、経時的に一定でなくても調整するステップが提供されている。

このような配置は、細胞通過が研究されなければならない様々な環境をシミュレートする可能性を高めることを可能にする。

本発明によるバイオリアクタ、方法およびシステムの任意選択の特徴は、本明細書の一体部分である添付の従属請求項に記載されている。

従って、最後に、本発明による方法は、バイオリアクタから成る動的システムの内部で、実際には腫瘍および内皮等の界面組織に相当し得る材料および膜が接触状態に保持されることを可能にする。

直上で記述した方法は、物質（例えば、細胞）の通過を分析する本発明によるシステムと組み合わせて使用され得ることを明記しておく。

最後に、本発明によるシステムおよび方法が細胞通過の研究および分析に限定されないことは、明らかである。
バイオリアクタの実施形態に起因して、本発明によるシステムおよび方法は、さらに、とりわけ以下の用途を提供することができる。
− ローション材（化粧品）の吸収試験
− 胃腸系（栄養補給食品）の栄養吸収試験
− 粒径の異なる粒子の細胞毒性試験（毒物学）
− 薬物吸収試験（ドラッグデリバリ）。

本発明のこれらの、および他の特徴および利点は、添付の図面に示される幾つかの実施形態に関する以下の説明からより明らかとなるであろう。

ある実施形態による、本発明のバイオリアクタを示す略図である。 ある可能な実施形態による、本発明のバイオリアクタの分解図である。 ある可能な実施形態による、本発明のバイオリアクタの別の分解図である。 ある可能な実施形態による、本発明のバイオリアクタの分解図である。 本発明のバイオリアクタのコンポーネントを示す詳細図である。 本発明のバイオリアクタのコンポーネントを示す別の詳細図である。 本発明のバイオリアクタのコンポーネントを示す別の詳細図である。 本発明のバイオリアクタのコンポーネントを示す別の詳細図である。 閉鎖状態にあるバイオリアクタの図である。 閉鎖状態にあるバイオリアクタの別の図である。 油圧回路（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ）と本発明のバイオリアクタとの連結の可能な構成を示す。 油圧回路と本発明のバイオリアクタとの連結の可能な別の構成を示す。 ある可能な変形実施形態による、本発明のバイオリアクタを示す。 ある可能な変形実施形態による、本発明の別のバイオリアクタを示す。 油圧回路と組み合わせた本発明のバイオリアクタを示す。 本発明の転移モデルにおける細胞通過を分析するシステムを示す。

本特許出願に添付される図は、本発明によるバイオリアクタの幾つかの実施形態を説明し、かつその特徴および利点をよりよく理解するために示されたものであることを明記しておく。

したがって、このような実施形態の意図は、単に例示を目的とするものでなければならず、交換可能なコンポーネントを有しかつ異なる動作ニーズに容易に適応されるバイオリアクタの提供に関して、本発明の発明概念を限定するものではない。

図１は、ある可能な実施形態による、本発明のバイオリアクタの断面を示す。

バイオリアクタ１は、内部チャンバを特定すべく、少なくとも側壁１１と、底壁１２と、キャップ１４により閉鎖される開口１３とから成る容器１を備える。

さらに、内部チャンバの内部には、内部チャンバを上側チャンバ３１と下側チャンバ３２とに分割するように置かれる中間壁２が設けられている。

中間壁２は、図１〜図４ｄに示される異なる実施形態に従って作製されることが可能である。

このような実施形態は、中間壁が膜２２の収容を意図する孔２１を有するという事実を共有する。

膜２２は、細胞、分子、粒子、化合物、物質、栄養素、汚染物質、増殖因子、細胞群（クラスタ）、薬物および／またはあらゆる種類の物質または電磁放射線が上側チャンバ３１から下側チャンバ３２へ、かつその逆へと通過することを可能にする。

関心のある分析を実行するために、また後述するように、ある可能な実施形態によれば、生体材料３の試料は、膜２２を介して上側チャンバ３１から下側チャンバ３２へ通過する試料３に属する細胞を分析するように、膜２２に接触して置かれる。

実用上、孔２１は、中間壁２の真ん中に置かれるが、偏心式（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｍａｎｎｅｒ）に置かれることも可能である。

さらに、構造上の便宜のために、容器１は、好ましくは円筒形状を有するが、後述するコンポーネントの特性を変更する必要なく、任意の形状を有することが可能である。

効果的なこととして、容器１は、ポリカーボネートまたはこれに類似するもの等のプラスチック材料、好ましくはオートクレーブ内で容易に滅菌される生体適合性ポリマーから成る。

好ましくは、内部チャンバは、３センチメートル〜５センチメートルの範囲の直径を有し、一方で、側壁１１は、０．７〜７ミリメートルの範囲の厚さを有していて、後述するように、システムへの油圧パイプの連結に使用される方法に依存して、機械的強度と軽さとの間に最適な折衷が達成されることが可能にされる。

好ましくは、キャップ１４および中間壁２も、生体適合性ポリマー材料から成る。

先に述べたように、膜２２は、エレクトロスピニング法によって得られるポリマー材料から成ることが可能である。

中間壁２は、図１において、水平に配置されたものとして示されているが、明らかに、動作ニーズに依存して、これを傾斜させて設けることも可能である。

具体的には、図１および図４ａ〜図４ｄを参照すると、中間壁２は、容器１の側壁１１へ固定されるプレートエレメントから成る。

具体的には、中間壁２は、真ん中に孔２１を設ける環状エレメントから成る。

さらに、中間壁２は、２つのねじ穴２３を有し、ねじ（不図示）を締めて中間壁２を容器１から取り外すことを可能にする。

ある可能な実施形態によれば、中間壁２の締付けを、例えば中間壁２を下側チャンバ３２（不図示）内に設けられる２つの楔（ｗｅｄｇｅ）に載置しかつ／または接着することによって行なうことが可能である。

このような楔は、中間壁２との一体として作製されてもよい。

図４ａ〜図４ｄに示されている変形例によれば、中間壁２は、さらに、中間壁２の外壁と容器１の内壁との間に置かれる「Ｏリング」型のガスケット２４を有する。

このようなガスケットは、オートクレーブ可能で高温耐性のある材料で作製され、かつ上側チャンバ３１と下側チャンバ３２とが気密式に分離されることを可能にする。

図４ａおよび図４ｂは、中間壁２の２つの側面部分を示す。

図３に見られるように、孔２１は、膜２２が挿入されるハウジングシート２６を形成するように意図されるショルダを得るように作製される。

膜２２は、ハウジングシートに挿入されることが可能であって、場合により、例えば接着によって固定されてもよい。

ある代替として、図示されている実施形態によれば、膜２２のハウジングシート２６への挿入は、膜２２を所定位置に固定する２つの支持エレメント２５から成る取外し可能な固定手段を用いることによって行われる。

２つのジョーエレメント２５は、好ましくは、重なり合う２つの環状エレメント２５、図４ｃおよび図４ｄ、から成り、膜２２がこれらの間に嵌まった状態であり、よって、膜２２は、環状エレメント２５の孔を覆うことができ、かつ下側チャンバ３２および上側チャンバ３１が流体連通状態にあることを可能にし得る。

環状エレメント２５は、従来技術において知られるあらゆる方法で中間壁２へ固定されてもよい。

環状エレメント２５は、さらに、単に中間壁２上のハウジングシート２６の内部に置かれても、特定の接着剤によって固定されてもよい。

ある可能な実施形態によれば、環状エレメントは、シリコーン製であってもよい。

動作ニーズに基づいて、あらゆる数の環状エレメント２５を設けて配置することが可能である。

先に述べたように、上に膜２２が置かれるハウジングシート２６に挿入される環状の支持エレメント２５は、１つのみを提供することが可能であり、この場合、膜は、環状の支持エレメント２５の上にただ置かれるだけであっても、これに接着されてもよい。

図４ａに示されているもの等の代替例として、膜２２を間に挟んだ少なくとも２つの環状の支持エレメント２５を設けることが可能であり、この「サンドイッチ」配置は、次に、ハウジングシート２６へ挿入される。

ある可能な実施形態によれば、膜２２と、環状の支持エレメント２５の一方または双方との間に置かれる接着材料層を設けることが可能である。

さらなる実施形態によれば、先の変形例の代替として、または先の変形例との組合せとして、膜２２を、このような支持エレメント２５をハウジングシート２６内部で所望される厚さに達するまで単に積層し、次に膜２２が最後の支持エレメント２５上に置かれることにより、特有の数の支持エレメント２５を使って高さを調整されるように設けることが可能である。

記述している構成が如何にして必ずしも膜の固定を要することなく、単に置かれるだけであるかは、明らかである。

支持エレメント２５の幾つかの構成に関連して直上で述べた見解は、プレートエレメントとして作製される中間壁を参照して述べたものであるが、このような見解は、中間壁の異なる実施形態と組み合わせて提供されることが可能である。

図２ａ〜図３は、中間壁がカップエレメントから成る２つの可能な実施形態を示し、膜は、カップの底壁に置かれている。

具体的には、図２ａおよび図２ｂは、本発明によるバイオリアクタの２つの分解図を示し、中間壁は、容器１１０へ嵌め込まれるカップエレメント２１０から成る。

カップエレメント２１０を容器１１０内に嵌め込むという事実により、容器１１０の内部チャンバは、２つのチャンバ、すなわち容器１１０の内壁とカップエレメント２１０の外壁とにより画成される下側チャンバ、およびカップエレメント２１０の内部チャンバとキャップ１４とにより画定される上側チャンバ、に分割される。

カップエレメント２１０は、嵌合状態において容器１１０の内側に達成されかつ図２ａに見ることができる段付きショルダと接触する突出する上側リム２１１を有する。

突出するリムおよびカップエレメントの双方は、図示されている円形または円筒形とは異なるあらゆる形状を提供することができる。

さらに、突出するリムは、不連続であってもよく、すなわち、その機能の達成を可能にする突出するリム部分を設けることにより、カップエレメントの直径全体に沿って設けられなくてもよい。

したがって、嵌合状態において、上側チャンバから下側チャンバへの通過、およびその逆の通過は、カップエレメント２１０の底部に収容され得る膜２２を介してのみ可能である。

代替例として、膜２２は、カップエレメント２１０と一体製造されるように設けることができる。

図３を参照すると、バイオリアクタは、膜２２のためのハウジングシート２６が底部厚さ内に形成されるカップエレメント２００を有する。

ハウジングシート２６の内部には、上述の構成による１つまたは複数の環状の支持エレメント２５を設けることが可能である。

さらに、カップエレメント２００は、上側リムに、例えば３つの付属物であるが必ずしもそうではない、幾つかの付属物２０１を有する。

カップエレメント２００が容器１００に嵌め込まれた状態にあるとき、このような付属物２０１は、容器１００の側壁の厚さ内に達成されるシート１０１と接触する。

さらに、嵌合状態におけるカップエレメント２００の底は、容器１００の側壁上に達成される段１０２と接触する。

したがって、効果的なこととして、カップエレメント２００の外径は、容器１００の内径に相当し、よって、バイオリアクタの下側チャンバは、下を容器１００の底壁により画定されかつ上をカップエレメント２００の底壁により画定され、一方で、上側チャンバは、カップエレメント２００の内面とキャップ１４とにより画定される。

カップエレメントの具現化に関わらず、例えばリム２１１と、または付属物２０１と協働するシムを用いることによって、その高さを調節するための手段を提供することが可能である。

図５ａおよび図５ｂは、各々、図２ａ〜図２ｂおよび図３の変形実施形態による、閉鎖状態におけるバイオリアクタの図を２つ示す。

図７ａおよび図７ｂは、本発明によるバイオリアクタのさらなる変形実施形態を示し、これに従って、下側チャンバ３２の容積を調整すべく下側チャンバ３２内に挿入可能な少なくとも１つのプレートエレメント４を提供することが可能である。

プレートエレメント４は、下側チャンバ３２の容積の一部を占める機能を果たすに足る、任意のサイズおよび形状を有してもよい。

図７ａおよび図７ｂに示す実施形態によれば、プレートエレメント４は、底壁１２に相当する特定の厚さおよび形状を有し、よって、図７ｂに示されているもの等の異なるプレートエレメント４が互いに積み重ねられてもよい。

上述のバイオリアクタの特徴は、バイオリアクタが動作ニーズへの高い適応性を有することを可能にし、よって、下側チャンバの容積の低減を、単にプレートエレメントによらず、下側チャンバの形状の変更によっても行なうことが可能であることは、明らかである。

再度図１〜図３を参照すると、上側チャンバ３１を画定する側壁１１および下側チャンバ３２を画定する側壁１１が、如何にして、対応する油圧回路を連結するために少なくとも１つの入口ポート１５、１６および少なくとも１つの出口ポート１７、１８を有するかに留意することが可能である。

入口ポート１５、１６および出口ポート１７、１８は、側壁１１または下壁１２に沿って任意の方式および位置で置かれることが可能である。

図７ａおよび図７ｂの具体的事例では、プレートエレメント４の位置決めが流体の流れを妨げる可能性を防止するために、下側チャンバ３２のポート１６および１８を中間壁の近くに置くことが如何に良いことであるかが明らかである。

代替例として、図２ａ、図２ｂおよび図３に示すように、上側チャンバ３１の入口ポート１５および出口ポート１７は、キャップ１４上に挿入されるように設けることが可能である。

図６ａおよび図６ｂは、入口ポートおよび出口ポートへ連結される油圧回路の可能な構成を略示している。

具体的には、各々上側チャンバ３１および下側チャンバ３２の入口ポート１５および１６へ連結されるパイプ１５１およびパイプ１６１、および、各々上側チャンバ３１および下側チャンバ３２の出口ポート１７および１８へ連結されるパイプ１７１およびパイプ１８１が設けられている。

図６ａでは、上側チャンバ３１のパイプ１５１および１７１が容器１の側壁へ連結され、一方で、図６ｂでは、パイプ１５１および１７１がキャップ１４上に設けられている。

下側チャンバ３２のパイプ１６１および１８１は、構造を簡単にするために、常に容器１の側壁へ連結されているが、これらは、必ずしも同軸に沿っている必要はなく、異なる平面または軸上に、例えば同一平面上でも軸同士が特定の角度で傾いた状態であってもよい。

その幾つかの実施形態については後述する、油圧回路との連結は、上側チャンバ３１の出口パイプ１７１と、下側チャンバ３２の入口パイプ１６１とを閉鎖することによって生じてもよい。

したがって、油圧回路は、界面膜を介して流れを通させる（灌流）ために、上側チャンバ３１の入口である唯一の送出し管１５１と、下側チャンバ３２の出口である唯一の戻り管１８１とを有する。

図８は、本発明によるバイオリアクタの使用法を示す。

このような実施形態によれば、下側チャンバ３２へ連結される油圧回路が設けられている。

油圧回路は、入口ポート１６へ連結される送出し管５１と、出口ポート１８へ連結される戻り管５２と、回路内の流体の流れを操作するポンプ５３とを有する。

戻り管５２は、さらに三方バルブ５４を有するが、循環流体の少なくとも一部をサンプリングできるようにする任意タイプのバルブが設けられてもよい。

また、上側チャンバ３１にも、全く同様の油圧回路が連結して設けられてもよい。

図８を特に参照すると、試料３は、膜２２と接触して置かれ、ポンプ５３は、油圧回路を流れる流れを発生させ、かつ三方バルブ５４は、流れる流体の一部をサンプリングすることを可能にする。

引き出された流体部分に対しては、幾つかの分析を実行して、膜２２を介する細胞通過を研究すべく、試料３に属する細胞の濃度を評価することができる。

試料３は、人工材料、または生体組織（例えば生検材料）から成ってもよく、かつ膜２２と密に接触するバイオリアクタ内で培養されてもよい。

記述しているように、図８を参照したセットアップ（ｓｅｔ−ｕｐ、設定、組み立てｗｓ）は、腫瘍細胞の体内拡散を研究する上で特に機能的である。

同じ目的で、生物学的関心対象である細胞または分子（例えば、薬物）の通過を分析する本発明によるシステムを示すように意図される、図９に示すセットアップを作製することは、可能である。

図９は、直列に連結された２つのバイオリアクタを示し、左側のバイオリアクタの下側チャンバ３２の入口ポートおよび出口ポートは、右側のバイオリアクタの上側チャンバ３１の各々出口ポートおよび入口ポートへ連結されている。

さらに、右側のバイオリアクタの下側チャンバ３２の入口ポートおよび出口ポートは、図８のそれと全く同様の油圧回路を有する。

図８の配置とは異なり、図９は、右側のバイオリアクタ内に、膜２２と接触して連結されることが可能なさらなる試料、または標的器官６も示している。

したがって、バルブ７１および７２を通って流れる流体をサンプリングすることにより、膜２２を介する試料３の通過を評価することが可能であるだけでなく、このような細胞の遊走および標的器官６への付着を研究すること、ならびに、生物学的関心対象である分子の膜２２を介する通過の効果を研究することも可能である。

直上で記述した変形例の代替として、試料３の細胞の標的器官６への、単に第１のバイオリアクタ内に挿入される膜で表される単一バリアを介する通過を評価するために、第２のバイオリアクタの上側チャンバに標的器官６を提供するように規定することが可能である。

したがって、記述しているように、図９のシステムにより、腫瘍の増殖を試験管内で評価することが可能である。

さらに、本発明によるバイオリアクタの特徴を使用することにより、例えば、油圧回路内部に薬物を挿入して、試験管内で増殖される腫瘍に対処するための予防的分析、または腫瘍に関する他のタイプの分析もしくは研究を実行するように提供することが可能である。

最後に、本発明によるバイオリアクタの特に重要な用途は、皮膚を擬態するように意図される膜の使用に関する。

この場合、どれほどの量の毒剤、汚染物質、様々な粒子または分子、薬物または有効成分または放射線（例えば、紫外放射線）が皮膚を通過しかつ周囲組織内を進むことができるか、および、可能な薬物または化粧品溶液（例えば、ローション）がそのような通過をいつ修正するか、を評価することが可能である。

このような方法を実行するために、上側チャンバ内に検査下の粒子または分子（例えば、汚染物質または薬物または他の分子）を含む流体の流れを生成し、かつ下側チャンバ内に清浄な流体を生成することが可能である。

膜は、ヒトもしくは動物の皮膚、またはヒトの皮膚を擬態するように意図される天然組織もしくは人工組織から成ってもよい。

最後に、膜上に置かれた化粧品用または皮膚科用溶液が使用され、その異なるタイプに基づいて、汚染物質および／または外用剤の上側チャンバから下側チャンバへの透過が評価される。

皮膚を介する物質拡散の研究を含む、但し化粧品に限定されず、例えば薬理学に関連する本発明のバイオリアクタの可能な使用法は、皮膚上に拡散されると、全身レベルで通過して有機体により吸収されるローション、クリームまたはこれに類似するものの量の分析である。

最後に、本発明によるバイオリアクタが、本明細書に記述されているもの以外に、如何にして異なる用途の達成を可能にするかは、明らかである。

例えば、皮膚とは異なる、肺関門、胃腸関門、角膜、尿道または他の上皮組織等の上皮組織、および非上皮組織によってバイオリアクタを用いることが可能である。

肺関門の場合は、バイオリアクタを用いて、どれほどの量の外用剤が有機体内へ拡散し、肺関門を通過するかを評価することが可能である。

胃腸関門に関しては、本発明によるバイオリアクタが栄養補給分野（ｎｕｔｒａｃｅｕｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）で広く使用され、ある物質が有機体によってどれだけ吸収され得るか、およびその量を分析することを可能にしている。

なおも胃腸関門を介する特定の物質の通過に関する別の用途は、このような物質の消化率に関連し得る。

Claims (26)

1. 内部チャンバを特定するように、少なくとも１つの側壁（１１）と、底壁（１２）と、キャップ（１４）により閉鎖される開口（１３）とからなる容器（１）を備えるバイオリアクタであって、
   前記内部チャンバの内部に、前記内部チャンバを上側チャンバ（３１）と下側チャンバ（３２）とに分割するように意図される中間壁（２）が設けられていて、
   前記中間壁（２）は、少なくとも１つの孔（２１）を有し、
   前記中間壁は、前記底壁および／または前記側壁上に置かれる少なくとも１つの領域を有することを特徴とし、
   前記中間壁（２）は、前記孔（２１）に、少なくとも１つの膜（２２）を収容するように意図される少なくとも１つのハウジングシート（２６）を提供する、バイオリアクタ。
2. 前記中間壁は、カップエレメントから成り、前記カップエレメントは、底に置かれる膜を有する、請求項１に記載のバイオリアクタ。
3. 上側リムにおける前記カップエレメントは、前記側壁上に置かれる少なくとも１つの突出領域を有する、請求項２に記載のバイオリアクタ。
4. 前記ハウジングシート（２６）は、前記カップエレメントの底の厚内に達成される、請求項２に記載のバイオリアクタ。
5. 真ん中に孔を開けられた少なくとも１つの支持エレメントが設けられていて、前記支持エレメントは、前記ハウジングシートに挿入され、
   前記膜（２２）は、前記支持エレメント上に置かれる、請求項４に記載のバイオリアクタ。
6. １つまたは複数の支持エレメントが設けられていて、
   前記支持エレメントは、前記ハウジングシート（２６）内へ積層されて挿入され、かつ前記膜（２２）は、前記支持エレメント上に置かれる、請求項５に記載のバイオリアクタ。
7. 少なくとも２つの支持エレメントが設けられていて、
   前記２つの支持エレメントは、前記ハウジングシート（２６）に挿入され、かつ前記膜（２２）は、前記２つの支持エレメントの間に置かれる、請求項１〜６のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
8. 接着材の一層が、前記膜（２２）と前記支持エレメントとの間に置かれて設けられている、請求項１〜７のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
9. 前記膜は、前記カップエレメントとの一体として作製される、請求項２に記載のバイオリアクタ。
10. 前記カップエレメントの高さを調整するための手段が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
11. 前記上側チャンバ（３１）を画定する前記少なくとも１つの側壁（１１）、および／または前記下側チャンバ（３２）を画定する前記少なくとも１つの側壁（１１）、および／または前記少なくとも１つのキャップ（１４）、および／または前記底壁（１２）は、対応する油圧回路を連結するために開放されかつシリンジを介して流体を引き出すためにポリマーセプタムによって閉鎖される少なくとも１つの入口ポート（１５、１６）および少なくとも１つの出口ポート（１７、１８）を有する、請求項１〜１０のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
12. 特定の厚さおよび形状を有する少なくとも１つのプレートエレメント（４）が設けられていて、前記プレートエレメント（４）は、前記下側チャンバ（３２）の容積を制限するように、前記底壁（１２）と接触して置かれるように意図される、請求項１〜１１のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
13. 前記下側チャンバ（３２）へ、かつ／または前記上側チャンバ（３１）へ連結される少なくとも１つの流体回路が設けられていて、
    流体回路は、流体（５３）を移動させるための少なくとも１つのポンプまたは他のデバイスと、送出し管（５１）と、戻り管（５２）とを有する、請求項１〜１２のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
14. 前記送出し管（５１）および／または前記戻り管（５２）および／または前記ポートは、流れる流体の少なくとも一部を引き出すための少なくとも１つのバルブ（５４）またはアクセスポイントを有する、請求項１〜１３のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
15. 前記キャップは、液体および／または気体流体用のシールエレメントを有する、請求項１〜１４のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
16. 前記下側チャンバおよび／または上側チャンバおよび／または前記バイオリアクタを画定する壁の内側または外側に、１つまたは複数のセンサが設けられている、請求項１〜１５のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
17. 前記膜（２２）は、少なくとも部分的に生体組織の細胞で作製される、請求項１〜１６のいずれか一項または複数項に記載のバイオリアクタ。
18. 細胞、分子、粒子、化合物、物質、栄養素、汚染物質、増殖因子、細胞クラスタ、薬物および／またはあらゆる種類の物質もしくは電磁放射線の通過および／または吸収を検出しかつ分析するためのシステムであって、請求項１〜１７のいずれか一項または複数項に従って作製される少なくとも１つの、または複数のバイオリアクタを提供し、前記バイオリアクタは、流体回路を介して互いに連結されることを特徴とする、システム。
19. 細胞、分子、粒子、化合物、物質、栄養素、汚染物質、増殖因子、細胞クラスタ、薬物および／またはあらゆる種類の物質もしくは電磁放射線の通過および／または吸収を分析するための方法であって、前記方法は、請求項１〜１７のいずれか一項または複数項に記載の少なくとも１つのバイオリアクタを用いることを提供し、前記方法は、
    ａ）下側チャンバ（３２）および／または上側チャンバ（３１）内に流体の流れを発生させるステップと、
    ｂ）前記流れる流体および／または前記流れる流体に含まれる物質または透過放射線の一部を収集しかつ分析し、かつ／または前記膜（２２）を収集しかつ分析するステップとを提供することを特徴とする、方法。
20. 前記上側チャンバおよび／または前記下側チャンバに生体材料を挿入するステップが提供されていて、これに続いて、流体および／または流体内に含まれる分子の通過および／または放射線通過の実行後に前記生体材料を分析するステップが提供されている、請求項１９に記載の方法。
21. 前記流体の流れの速度を調整するステップが提供されている、請求項１９または２０に記載の方法。
22. 流体回路を介して少なくとも２つのバイオリアクタを連結するステップが提供されている、請求項１９〜２１のいずれか一項または複数項に記載の方法。
23. バイオリアクタを連結する前記ステップは、
    −第１のバイオリアクタの前記下側チャンバの前記入口ポートを、第２のバイオリアクタの前記上側チャンバの前記出口ポートと連結するステップと、
    −前記第１のバイオリアクタの前記下側チャンバの前記出口ポートを、前記第２のバイオリアクタの前記上側チャンバの前記入口ポートと連結するステップとを提供する、請求項１９〜２２のいずれか一項または複数項に記載の方法。
24. 腫瘍組織または腫瘍細胞、生検材料または細胞化３Ｄ材料または細胞クラスタを前記第１のバイオリアクタの前記上側チャンバに、かつ転移可能な標的組織を前記第２のバイオリアクタの前記下側チャンバまたは上側チャンバに、体外／試験管内転移モデルとして挿入するステップが提供されている、請求項２３に記載の方法。
25. 関心対象である１つまたは複数の薬物または分子を前記第１および／または第２のバイオリアクタの前記上側チャンバおよび／または下側チャンバに、研究目的、安全性および有効性の研究、薬物動態研究および薬力学研究、創薬、ドラッグリポジショニングのための体外／試験管内疾患モデルとして注入するステップが提供されている、請求項１９〜２４のいずれか一項または複数項に記載の方法。
26. 治療用途の１つまたは複数の薬物または分子を前記第１および／または第２のバイオリアクタの前記上側チャンバおよび／または下側チャンバに、治療目的および個人に特化した医療を目的として注入するステップが提供されている、請求項１９〜２５のいずれか一項または複数項に記載の方法。

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