JP5801311B2 - 細胞培養用のマイクロスケール多流体流バイオリアクタ - Google Patents
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Description
本出願は、2009年10月5日に出願された同時係属米国特許出願第12/573,561号明細書に対する優先権およびその利益を主張し、それを全体として参照により本明細書に援用する。
本発明は、例えば以下の項目を提供する。
(項目1)
マイクロ流体バイオリアクタ装置であって、
内部に第1マイクロ流路、第2マイクロ流路および第3マイクロ流路を画定する少なくとも1つのポリマー層と、
前記第1流路および前記第2流路を前記第3流路から、それらの間の幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、
を具備し、
前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つの少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記オーラバップする部分においてその長さに沿って変化する、装置。
(項目2)
前記第1マイクロ流路が前記第3マイクロ流路を介して前記第2マイクロ流路と連通する、項目1に記載の装置。
(項目3)
前記少なくとも1つのポリマー層が、前記膜によって分離される2つのポリマー層を備える、項目1に記載の装置。
(項目4)
前記少なくとも1つのポリマー層が、バイオポリマーを含むかまたは本質的にバイオポリマー層からなる、項目1に記載の装置。
(項目5)
前記マイクロ流路間の前記連通が、流体連通または機械的連通の少なくとも一方を含む、項目1に記載の装置。
(項目6)
少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離である、項目1に記載の装置。
(項目7)
少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記マイクロ流路のうちの1つの深さである、項目1に記載の装置。
(項目8)
前記少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記マイクロ流路のうちの1つの幅である、項目1に記載の装置。
(項目9)
前記膜の少なくとも一部が半透過性である、項目1に記載の装置。
(項目10)
前記膜の前記半透過性部分が、多孔性またはバルク半透過性のうちの少なくとも一方である、項目9に記載の装置。
(項目11)
前記膜が、フリース、エレクトロスピニング材料、微細成形ポリジメチルシロキサン、ポリエーテルスルホンまたはトラック−エッチ膜のうちの少なくとも1つを含む、項目1に記載の装置。
(項目12)
前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに細胞をさらに具備する、項目1に記載の装置。
(項目13)
前記細胞が腎臓細胞を含む、項目12に記載の装置。
(項目14)
前記マイクロ流路が、まとめて腎臓細胞を模倣するように構成される、項目13に記載の装置。
(項目15)
前記細胞のうちの少なくとも一部が前記膜に付着する、項目12に記載の装置。
(項目16)
前記細胞のうちの少なくとも一部が、前記マイクロ流路の壁に付着する、項目12に記載の装置。
(項目17)
前記細胞のうちの少なくとも一部が、前記マイクロ流路に収容される流体内に懸濁している、項目12に記載の装置。
(項目18)
前記細胞が複数の細胞の型を含む、項目12に記載の装置。
(項目19)
前記細胞の型が、前記マイクロ流路の長さに沿って変化する、項目18に記載の装置。
(項目20)
前記マイクロ流路内に流体をさらに具備する、項目1に記載の装置。
(項目21)
前記流体が、細胞培養液、緩衝液、血液成分、全血、尿、透析物、水または濾液のうちの少なくとも1つを含む、項目20に記載の装置。
(項目22)
前記流体が、体液を模倣する溶液を含む、項目20に記載の装置。
(項目23)
前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における流体力学的パラメータの値が、前記第3マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは実質的に異なる、項目20に記載の装置。
(項目24)
前記流体力学的パラメータが、圧力、流量、せん断速度または粘度のうちの1つである、項目23に記載の装置。
(項目25)
前記第1マイクロ流路における流体力学的パラメータの値が、前記第2マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは実質的に異なる、項目20に記載の装置。
(項目26)
前記膜の前記第3マイクロ流路と同じ側に第4マイクロ流路をさらに具備し、前記第4マイクロ流路における流体力学的パラメータの値が、前記第3マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは実質的に異なる、項目20に記載の装置。
(項目27)
前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における前記流体の成分の濃度が、前記第3マイクロ流体における前記流体の前記成分の濃度と実質的に異なる、項目20に記載の装置。
(項目28)
前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における前記流体の成分の濃度勾配が、前記第3マイクロ流路における前記流体の前記成分の濃度勾配と実質的に異なる、項目20に記載の装置。
(項目29)
前記少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記マイクロ流路の長さに沿って徐々に変化する、項目1に記載の装置。
(項目30)
前記少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における所定の流体力学的プロファイルに基づいて変化する、項目1に記載の装置。
(項目31)
前記流体力学的プロファイルが、対流輸送プロファイル、拡散輸送プロファイルまたはせん断応力プロファイルのうちの少なくとも1つを含む、項目30に記載の装置。
(項目32)
前記マイクロ流路のうちの1つの前記長さに沿った前記少なくとも1つの幾何学的パラメータの前記変動が、そのマイクロ流路の前記長さに沿った化学的刺激または機械的刺激のうちの少なくとも1つの変化を容易にする、項目1に記載の装置。
(項目33)
細胞を培養する方法であって、
(a)(i)内部に第1マイクロ流路、第2マイクロ流路および第3マイクロ流路を画定する少なくとも1つのポリマー層と、(ii)前記第1流路および前記第2流路を前記第3流路から、それらの間の幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、を備え、前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つの少なくとも1つの幾何学的パラメータが、前記オーラバップする部分においてその長さに沿って変化する、バイオリアクタを提供するステップと、
(b)前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに細胞を導入するステップと、
(c)前記細胞を培養するステップと、
を含む方法。
(項目34)
前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに流体を導入するステップをさらに含む、項目33に記載の方法。
(項目35)
ステップ(c)が、機械的刺激、化学的刺激または生物学的刺激のうちの少なくとも1つに前記細胞を晒すことをさらに含む、項目33に記載の方法。
(項目36)
前記刺激に対する前記細胞の応答を測定するステップをさらに含む、項目35に記載の方法。
(項目37)
前記応答が、細胞機能の変化を含む、項目36に記載の方法。
(項目38)
ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内の選択された位置において細胞を播種することを含む、項目33に記載の方法。
(項目39)
ステップ(c)が、前記選択された位置のうちの第1位置において播種された細胞を第1の刺激に晒すことと、前記選択された位置のうちの第2位置において播種された細胞を第2の刺激に晒すこととを含む、項目38に記載の方法。
(項目40)
ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内に種々の型の細胞を導入することを含む、項目33に記載の方法。
(項目41)
ステップ(b)が、種々のマイクロ流路に種々の型の細胞を導入することを含む、項目40に記載の方法。
(項目42)
ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内の種々の選択された位置において種々の型の細胞を播種することを含む、項目40に記載の方法。
(項目43)
腎臓を模倣する方法であって、
(a)(i)内部に第1マイクロ流路、第2マイクロ流路および第3マイクロ流路を画定する少なくとも1つのポリマー層と、(ii)前記第1流路および前記第2流路を前記第3流路から、それらの間の幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、を備え、前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つの少なくとも1つの幾何学的パラメータが、腎臓構造を模倣するように、前記オーラバップする部分においてその長さに沿って変化する、バイオリアクタを提供するステップと、
(b)前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに腎臓細胞を導入するステップと、
(c)前記腎臓細胞を培養するステップと、
を含む方法。
(項目44)
前記バイオリアクタを患者内に埋め込むステップをさらに含む、項目43に記載の方法。
(項目45)
腎臓治療において前記バイオリアクタを体外で使用するステップをさらに含む、項目43に記載の方法。
図4A〜図4Dに、流体間の相互作用に対する、特に同じ層の、膜を横切る、かつ他方の層の横方向にオーバラップする流路を介する相互作用に対する、流路の幾何学的形状の影響を概略的に示す。図4Aには、およそ同じ断面である3つのおよそ等距離の幅の狭い流路402と、下方の層の2つの外側の流路402と面一である、上方の層のより広い流路404とを備える、初期構造400を示す。マイクロ流体装置の特徴、特に流路において層流が優位であることにより、流路内の流体流にわたる溶液の混合は、拡散によって大幅に支配される。拡散は経路長によって決まるため、流路間および流路内の拡散の経路長を変更するように流路の幾何学的形状を変化させることにより、流路の長さに沿ったさまざまな領域に対する可溶性成分の送達を制御する手段が提供される。さらに、拡散は断面積によって決まるため、流路の幅または深さを変更することにより、膜を横切る拡散の量に影響を与えることができる。
Claims (42)
- マイクロ流体バイオリアクタ装置であって、
内部に第1マイクロ流路および第2マイクロ流路を画定する第1ポリマー層と、
内部に第3マイクロ流路を画定する第2ポリマー層であって、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路は、前記第3マイクロ流路に対して平行に延びており、前記第3マイクロ流路は、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路と幾何学的にオーバラップしている、第2ポリマー層と、
前記第1流路および前記第2流路を前記第3マイクロ流路から、それらの間の前記幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、
を具備し、
前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離は、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って変化し、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路の深さは、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って一定を維持する、装置。 - 前記第1マイクロ流路が前記第3マイクロ流路を介して前記第2マイクロ流路と連通する、請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも1つのポリマー層が、バイオポリマーを含むかまたは本質的にバイオポリマー層からなる、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロ流路間の前記連通が、流体連通または機械的連通の少なくとも一方を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の幅が、変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記膜の少なくとも一部が半透過性である、請求項1に記載の装置。
- 前記膜の前記半透過性部分が、多孔性またはバルク半透過性のうちの少なくとも一方である、請求項6に記載の装置。
- 前記膜が、フリース、エレクトロスピニング材料、微細成形ポリジメチルシロキサン、ポリエーテルスルホンまたはトラック−エッチ膜のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに細胞をさらに具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記細胞が腎臓細胞を含む、請求項9に記載の装置。
- 前記マイクロ流路が、まとめて腎臓細胞を模倣するように構成される、請求項10に記載の装置。
- 前記細胞のうちの少なくとも一部が前記膜に付着する、請求項9に記載の装置。
- 前記細胞のうちの少なくとも一部が、前記マイクロ流路の壁に付着する、請求項9に記載の装置。
- 前記細胞のうちの少なくとも一部が、前記マイクロ流路に収容される流体内に懸濁している、請求項9に記載の装置。
- 前記細胞が複数の細胞の型を含む、請求項9に記載の装置。
- 前記細胞の型が、前記マイクロ流路の長さに沿って変化する、請求項15に記載の装置。
- 前記マイクロ流路内に流体をさらに具備する、請求項1に記載の装置。
- 前記流体が、細胞培養液、緩衝液、血液成分、全血、尿、透析物、水または濾液のうちの少なくとも1つを含む、請求項17に記載の装置。
- 前記流体が、体液を模倣する溶液を含む、請求項17に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における流体力学的パラメータの値が、前記第3マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは異なる、請求項17に記載の装置。
- 前記流体力学的パラメータが、圧力、流量、せん断速度または粘度のうちの1つである、請求項20に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路における流体力学的パラメータの値が、前記第2マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは異なる、請求項17に記載の装置。
- 前記膜の前記第3マイクロ流路と同じ側に第4マイクロ流路をさらに具備し、前記第4マイクロ流路における流体力学的パラメータの値が、前記第3マイクロ流路における前記流体力学的パラメータの値とは異なる、請求項17に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における前記流体の成分の濃度が、前記第3マイクロ流路における前記流体の前記成分の濃度と異なる、請求項17に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における前記流体の成分の濃度勾配が、前記第3マイクロ流路における前記流体の前記成分の濃度勾配と異なる、請求項17に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離が、前記マイクロ流路の長さに沿って徐々に変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離が、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路のうちの少なくとも一方における所定の流体力学的プロファイルに基づいて変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記流体力学的プロファイルが、対流輸送プロファイル、拡散輸送プロファイルまたはせん断応力プロファイルのうちの少なくとも1つを含む、請求項27に記載の装置。
- 前記マイクロ流路のうちの1つの前記長さに沿った前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の前記距離の変化が、そのマイクロ流路の前記長さに沿った化学的刺激または機械的刺激のうちの少なくとも1つの変化を容易にする、請求項1に記載の装置。
- 細胞を培養する方法であって、
(a)バイオリアクタを提供するステップであって、前記バイオリアクタは、
(i)内部に第1マイクロ流路および第2マイクロ流路を画定する第1ポリマー層と、
(ii)内部に第3マイクロ流路を画定する第2ポリマー層であって、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路は、前記第3マイクロ流路に対して平行に延びており、前記第3マイクロ流路は、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路と幾何学的にオーバラップしている、第2ポリマー層と、
(iii)前記第1流路および前記第2流路を前記第3マイクロ流路から、それらの間の幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、
を備え、
前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離は、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って変化し、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路の深さは、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って一定を維持する、ステップと、
(b)前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに細胞を導入するステップと、
(c)前記細胞を培養するステップと、
を含む方法。 - 前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに流体を導入するステップをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- ステップ(c)が、機械的刺激、化学的刺激または生物学的刺激のうちの少なくとも1つに前記細胞を晒すことをさらに含む、請求項30に記載の方法。
- 前記刺激に対する前記細胞の応答を測定するステップをさらに含む、請求項32に記載の方法。
- 前記応答が、細胞機能の変化を含む、請求項33に記載の方法。
- ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内の選択された位置において細胞を播種することを含む、請求項30に記載の方法。
- ステップ(c)が、前記選択された位置のうちの第1位置において播種された細胞を第1の刺激に晒すことと、前記選択された位置のうちの第2位置において播種された細胞を第2の刺激に晒すこととを含む、請求項35に記載の方法。
- ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内に種々の型の細胞を導入することを含む、請求項30に記載の方法。
- ステップ(b)が、種々のマイクロ流路に種々の型の細胞を導入することを含む、請求項37に記載の方法。
- ステップ(b)が、前記少なくとも1つのマイクロ流路内の種々の選択された位置において種々の型の細胞を播種することを含む、請求項37に記載の方法。
- 腎臓模倣物を製造する方法であって、
(a)バイオリアクタを提供するステップであって、前記バイオリアクタは、
(i)内部に第1マイクロ流路および第2マイクロ流路を画定する第1ポリマー層と、
(ii)内部に第3マイクロ流路を画定する第2ポリマー層であって、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路は、前記第3マイクロ流路に対して平行に延びており、前記第3マイクロ流路は、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路と幾何学的にオーバラップしている、第2ポリマー層と、
(iii)前記第1流路および前記第2流路を前記第3マイクロ流路から、それらの間の幾何学的にオーバラップする部分において分離する膜であって、前記マイクロ流路の前記オーバラップする部分の間の連通を可能にする膜と、
を備え、
前記第1マイクロ流路と前記第2マイクロ流路との間の距離は、腎臓構造を模倣するように、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って変化し、前記第1マイクロ流路および前記第2マイクロ流路の深さは、前記幾何学的にオーバラップする部分において流路の長さに沿って一定を維持する、ステップと、
(b)前記マイクロ流路のうちの少なくとも1つに腎臓細胞を導入するステップと、
(c)前記腎臓細胞を培養するステップと、
を含む方法。 - 前記バイオリアクタが患者内に埋め込まれることを特徴とする、請求項40に記載の方法。
- 腎臓治療において前記バイオリアクタが体外で使用されることを特徴とする、請求項40に記載の方法。
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