JP7116061B2 - バイオリアクタおよびその使用法 - Google Patents

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Description

有孔隔壁を有する、生細胞または微生物を生育させるためのバイオリアクタが本明細書に開示される。本明細書に記載されるバイオリアクタで細胞または微生物を生育させる方法では、細胞または微生物を様々な密度で生育させるため流速の調節を用い得る。
バイオリアクタは、哺乳動物細胞およびヒト細胞を含めた微生物および単離生細胞を収容され制御された環境で培養するのに用いられる。微生物および細胞の培養には多くの場合、微生物または細胞を周囲の環境から物理的に切り離して隔離し、無菌環境下で維持する必要がある。このような場合としては、ワクチンおよび遺伝子改変細胞などの治療用の微生物または細胞の開発および製造、ならびに遺伝子治療用ウイルス、タンパク質、抗体または治療用細胞などの治療手段の製造が挙げられる。さらに、微生物または細胞を環境から封じ込める必要性は、生物体が危険なものである場合に生じる。
微生物および細胞の培養および処理には、複数の典型的な段階が必要であり、このような段階としては、特に限定されないが、バイオリアクタに少数の生物体または細胞を播種すること、微生物または細胞に栄養素、培地、サプリメント、活性化因子を常時供給すること、微生物または細胞の数を測定すること、生存能を維持すること、微生物または細胞の同一性を維持すること、物理的状態を維持すること、および細胞収集が挙げられる。バイオリアクタで微生物および細胞を生育および拡大させる際には、培地およびグルコース消費量、培地中の酸素、Ｈ＋イオン、伝導率などのパラメータをモニターすることも重要である。さらに、長期間の培養には通常、微生物または細胞が増殖するにつれてさらに大きい容器に移すことが含まれる。微生物または細胞の数が必要な数または活性に達した後は通常、微生物または細胞を処理し製剤化する。このような処理には、生育培地の洗浄、細胞もしくは微生物の濃縮、培地を最終保存培地に入れ替えること、または微生物もしくは細胞をのちに使用するため包装および凍結することを含み得る。
バイオリアクタは、生細胞および／または微生物を様々な目的で生育させること、増殖させること、分化させること、および維持することに使用され得る。このようなバイオリアクタで生育させる細胞は通常、生育培地で灌流し、それにより細胞に栄養および酸素を供給し、細胞が排出する老廃物および二酸化炭素を除去する。通常、このようなバイオリアクタで細胞または微生物を培養する前および／または培養する際には、例えば細胞の選択、細胞の培養、細胞の修飾、細胞の活性化、（細胞増殖による）細胞の拡大、細胞の洗浄、細胞の濃縮および細胞（または微生物）の最終的な製剤化を含めた様々な段階を実施し得る。
これまで、培地を微生物または細胞とともに異なる容器間で移動させることにより増殖を実施するのが通常であり、この目的のため、大型の生育容器、遠心分離管またはバッグ、中間保存容器および最終包装容器などの様々な手段が用いられている。上記の工程は通常、微生物または細胞をある段階から別の段階に移すオープンな操作を含み得る。
上記の段階のいくつかは、細胞をバイオリアクタから取り出し、それをさらに、特に遠心分離、分離、インキュベーション、計数、試験、分離、製剤化および包装などの段階に供することが必要とされ得る。ただ、細胞または微生物をバイオリアクタから取り出すことを含む段階はいずれも、細胞培養工程に悪影響を及ぼし得る望ましくない微生物（例えば、真菌、細菌、マイコプラズマまたはその他の望ましくない微生物など）による細胞の汚染のリスクを大幅に増大させるものである。
細胞または微生物をバイオリアクタから取り出すことによって処理する必要性を減らすか除去し、培養時の諸段階およびヒトと細胞との相互作用を減らし得る、または除去し得る閉鎖系バイオリアクタが長年必要とされている。さらに、１つの自動化された閉鎖系で細胞を初期段階から最終産物まで処理することによって工程を徹底的に自動化および最適化することが必要とされている。本明細書に記載されるバイオリアクタは、これらの必要性に対処し、さらには収率を高め培地の必要量を減らすことができる有利な生育条件を提供するものである。
一態様では、中で細胞または微生物を生育させるバイオリアクタであって、
中の空間を取り囲む密閉容器と、
中に複数の孔を有する第一の隔壁であって、空間内に密封状態で配設され、空間を第一のチャンバと第二のチャンバとに分けるよう構成されており、第二のチャンバが、中で生育する細胞または微生物を調節するよう構成されており、孔の直径が、第一のチャンバと第二のチャンバの相互間のみの流体流動が可能になるよう構成されている、第一の隔壁と、
流体を第一のチャンバ内に導入する１つまたは複数の流体入口と、
流体を第二のチャンバから流出させる１つまたは複数の流体出口と
を含む、バイオリアクタが本明細書に開示される。
いくつかの関連する態様では、第一の隔壁は、容器内で生育させる細胞または微生物に第一のチャンバと第二のチャンバとの間を通過させない。
いくつかの関連する態様では、第一のチャンバが下側のチャンバであり、第二のチャンバが上側のチャンバであり、流体流動が逆流を含む。
いくつかの関連する態様では、第一の隔壁は、容器の壁に接して配設されている。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは、中に複数の孔を有する調節隔壁をさらに含み、調節隔壁は、第一の隔壁の下にある第一のチャンバの空間内に密封状態で配設されており、調節隔壁は、流体流動を調節し泡の通過を防止するよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、調節隔壁は、流体流動の速度を制御するよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、調節隔壁の孔は円錐形を含む。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは、中に複数の孔を有する追加の遮蔽隔壁をさらに含み、遮蔽隔壁は、細胞または微生物の生育が第一の隔壁と遮蔽隔壁との間で調節されるよう第二のチャンバの空間内で第二のチャンバの上部に配設されており、遮蔽隔壁は、細胞の通過を防止するよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタ容器は、少なくとも２つの部分から構成されている。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタの容器は、第一の隔壁から流体の上面に向かう流体の速度が減少するように、第二のチャンバ内に配設された流体に流体速度勾配が生じるよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、少なくとも第二のチャンバは、横断面の面積が第二のチャンバの底部から上部に向かって増大している。
いくつかの関連する態様では、横断面の形状は、円、楕円、多角形およびその任意の組合せから選択される。
いくつかの関連する態様では、容器の形状は、円錐形、円錐台形、先細り形、円筒形、多角柱形、横断面が楕円形の先細り形、横断面が多角形の先細り形、円筒部分と先細り部分とを有する形状および円錐部分または先細り部分と半球部分とを有する形状ならびにその任意の組合せから選択される。
いくつかの関連する態様では、１つまたは複数の流体出口のうちの少なくとも１つは、第二のチャンバからの流体を受け取るよう構成されたポンプと流体接続するよう構成されており、任意選択で、ポンプはさらに、流体入口のうちの少なくとも１つから流体を再循環させ第一のチャンバ内に戻すよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、第二のチャンバを通る流体の流速は、ポンプのポンプ流量によって制御される。
いくつかの関連する態様では、流体は、生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、収集溶液、回収溶液、保存溶液およびその任意の組合せのうちのいずれか１つを含む。
いくつかの関連する態様では、１つまたは複数の流体出口は、第二のチャンバの高さに沿った様々な位置で開口している複数の流体出口を含む。
いくつかの関連する態様では、第一の隔壁は、固定された不可動型隔壁である。
いくつかの関連する態様では、固定された隔壁は、平坦な隔壁、バイオリアクタの縦軸に向かってある角度で傾斜した平坦な隔壁、容器の上部に面する上面がへこんだ凹形隔壁、先細り形隔壁および円錐形隔壁から選択される。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは、バイオリアクタから細胞を回収するよう構成された第一の隔壁の上面付近に配設された少なくとも１つの回収口をさらに含む。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは上下を逆にするよう構成されている。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは、細胞または微生物を支持するため第二のチャンバ内に配設された支持マトリックスをさらに含む。
いくつかの関連する態様では、バイオリアクタは、
容器内の流体の１つまたは複数の化学的特性および／または物理的特性を検知するよう構成された１つまたは複数のセンサを含む少なくとも１つのセンサユニット；
１つまたは複数の流体出口および流体入口内の流体の流動を制御するよう構成された複数の制御可能に開閉可能な弁；
流体リザーバからポンプの入口への新鮮な液状流体の流動を制御するよう構成された制御可能に開閉可能な弁；
容器内の流体を加熱するよう構成されたヒータユニット；
容器内の流体を冷却するよう構成された冷却ユニット；ならびに
酸素供給源から容器内に配設されたガス分散ヘッドへの酸素を含むガスの流動を制御するよう構成されたガス弁
のうちの少なくとも１つと操作可能に接続され、これを制御するよう構成された制御部をさらに含む。
関連する一態様では、上記のいずれか１つの態様によるバイオリアクタで細胞または微生物を生育させる方法であって、
バイオリアクタの第二のチャンバ内に細胞または微生物を導入する段階と、
細胞または微生物を流体で灌流する段階と、
細胞を所望の濃度まで生育させる段階と、
細胞または微生物をバイオリアクタから回収する段階と
を含む、方法が開示される。
いくつかの関連する態様では、灌流する段階は、バイオリアクタ内の流体のレベルおよび／または流速を制御することを含む。
いくつかの関連する態様では、灌流する段階は、流体を第一の隔壁に通して再循環させることを含む。
いくつかの関連する態様では、再循環させる段階は、
バイオリアクタにある量の新鮮な流体を加える段階；および
バイオリアクタからある量の流体を排出する段階
のうち少なくとも１つの段階をさらに含む。
いくつかの関連する態様では、
灌流する段階は、流体に酸素を添加する段階をさらに含むか；
灌流する段階は、バイオリアクタ内の流体のレベルおよび／または流速を制御することをさらに含むか；
方法は、第二のチャンバ内の流体のレベルを増大させる段階をさらに含むか；
方法は、細胞または微生物を洗浄する１つまたは複数の段階をさらに含むか；
方法は、第二のチャンバ内の流体の体積を減少させることによって細胞を濃縮する段階をさらに含むか；
方法は、細胞塊にかかる重力と、選択した流体逆流の速度との間のバランスにより、細胞塊を第二のチャンバ内の浮遊位置の特定の領域に維持する段階をさらに含むか；あるいは、その任意の組合せである。
いくつかの関連する態様では、細胞は付着細胞であり、方法は、第二のチャンバ内に配設された１つまたは複数の表面に細胞を接着させる段階をさらに含む。
いくつかの関連する態様では、１つまたは複数の表面は、第一の隔壁の上面、第二のチャンバの壁の表面、第二のチャンバ内に配設された細胞支持マトリックスの表面およびその任意の組合せからなる群より選択される。
いくつかの関連する態様では、方法は、細胞を追加の異なる細胞と共培養する段階をさらに含む。
いくつかの関連する態様では、
細胞はＴ細胞であり、追加の異なる細胞はサイトカイン分泌細胞であるか；
細胞はＴ細胞であり、追加の異なる細胞は抗原提示細胞であるか；または
細胞は胚性幹細胞であり、追加の異なる細胞はフィーダー細胞である。
いくつかの関連する態様では、細胞を導入する段階、灌流する段階、生育させる段階、洗浄する段階および回収する段階は連続的なものであり、第二のチャンバ内で、または第二のチャンバから実施される。
一態様では、中で細胞または微生物を生育させるバイオリアクタであって、
中の空間を取り囲む容器壁を有する容器と、
中に複数の穿孔を有する有孔隔壁であって、空間を第一のチャンバと第二のチャンバとに分けるよう空間内に密封状態で配設されており、穿孔の直径が、第一のチャンバから第二のチャンバまで、および第二のチャンバから第一のチャンバまでの液体流動のみが可能になるよう構成されている隔壁と、
液体を第一のチャンバ内に導入する１つまたは複数の流体入口と、
液体を第二のチャンバから流出させる１つまたは複数の流体出口と
を有する、バイオリアクタが本明細書に開示される。
関連する一態様では、バイオリアクタは、第一のチャンバ内に配設され１つまたは複数の流体入口と流体接続された流体攪拌翼をさらに含む。いくつかの実施形態では、流体攪拌翼は、液体がポンプで１つまたは複数の流体入口に送られたとき、第一のチャンバ内に液体の多重ジェットを噴出するよう構成された複数の穿孔および／または流体ノズルを中に有する、中空部材を含む。別の関連する態様では、バイオリアクタは、液体に酸素を供給するよう構成されたガス分散ヘッドをさらに含む。
別の関連する態様では、１つまたは複数の流体出口は単一の流体出口を含み、１つまたは複数の入口は単一の流体入口を含み、流体入口は、流体入口と流体接続されたポンプによって液体を第一のチャンバ内に導入するよう構成されており、ポンプは、単一の流体出口と流体接続するよう構成され、第二のチャンバから液体を受け取るよう構成されており、かつバイオリアクタ内の液体を再循環させるよう構成されている。
関連する一態様では、第二のチャンバを通る液体の流速は、ポンプによる液体のポンプ流量を制御することによって制御される。別の関連する態様では、液体は、生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、収集溶液、回収溶液、保存溶液またはその任意の組合せを含む。
関連する一態様では、１つまたは複数の流体入口は１つの流体入口を含み、１つまたは複数の流体出口は、第二のチャンバの高さに沿った様々な位置で開口している複数の流体出口を含み、複数の流体出口は、それぞれが流体マニホールドと流体接続が可能になるよう構成されており、流体マニホールドは、複数の流体出口のうち選択された任意の流体出力口が、液体を第二のチャンバから選択された流体出力口を通ってポンプ内に受け取り、ポンプによって液体を単一の流体入口から第一のチャンバ内に導入する流体マニホールドによってポンプと流体的に制御可能に接続されるよう構成されるように、ポンプと流体接続しており、第二のチャンバ内の液体のレベルは、複数の流体出口から選択される流体出口によって決まる。
別の関連する態様では、バイオリアクタは、複数の弁をさらに含み、複数の流体出口の各流体出口は、複数の弁のうちの１つの弁と流体接続されるよう構成されており、流体マニホールドは、流体出力口と接続された弁を通って複数の流体出口の選択された任意の流体出口と流体的に選択可能に接続が可能になるよう構成されている。別の関連する態様では、バイオリアクタは、バイオリアクタ内に配設された液体の温度を調節するよう構成された温度制御ユニットをさらに含む。別の関連する態様では、温度制御ユニットは、加熱部、冷却部および加熱部と冷却部の組合せから選択される。
関連する一態様では、バイオリアクタは、第二のチャンバ内の液体の速度が有孔隔壁から第二のチャンバ内の液体の上面の方向に向かって徐々に低下するように第二のチャンバ内に配設された液体に流体速度勾配を確立するよう構成されている。別の関連する態様では、液体の流体速度勾配は、第二のチャンバの上部の横断面の面積が第二のチャンバの底部の横断面の面積より大きいことによって得られる。
別の関連する態様では、第二のチャンバの横断面の形状は、円、楕円、多角形および正多角形から選択される。別の関連する態様では、バイオリアクタの容器壁は、中に形成される１つまたは複数の閉口可能かつ／または密閉可能な開口部を含む。別の関連する態様では、１つまたは複数の閉口可能かつ／または密封可能な開口部は、バイオリアクタの上部に配設された１つまたは複数の開口部、バイオリアクタの側壁に配設された１つまたは複数の開口部およびその任意の組合せから選択される。
関連する一態様では、バイオリアクタは、容器壁内に密封状態で配設され、ガスケットにシリンジ針を挿入して細胞または微生物を針から第二のチャンバ内に注入するよう構成されている、自動密閉ガスケットをさらに含む。
関連する一態様では、バイオリアクタの形状は、円錐形、円錐台形、先細り形、円筒形、多角柱形、横断面が楕円形の先細り形、横断面が多角形の先細り形、円筒部分と先細り部分とを有する形状および円錐部分または先細り部分と半球部分とを有する形状またはその組合せから選択される。
関連する一態様では、有孔隔壁は、固定された不可動型有孔隔壁である。別の関連する態様では、固定された有孔隔壁は、平坦な有孔隔壁、バイオリアクタの縦軸に向かってある角度で傾斜した平坦な有孔隔壁、容器の上部に面する上面がへこんだ凹型有孔隔壁、先細り型有孔隔壁および円錐形有孔隔壁から選択される。別の関連する態様では、有孔隔壁は可動型有孔隔壁である。別の関連する態様では、可動型有孔隔壁は、柔軟かつ／または伸縮可能な部材によって密封状態で容器壁に取り付けられており、柔軟かつ／または伸縮可能な部材が有孔隔壁の周囲に密封状態で取り付けられており、かつ容器壁に密封状態で取り付けられている、可動型有孔隔壁、変形可能かつ／または柔軟な有孔隔壁、およびバイオリアクタの上部に面する上面が突起した凸型の曲がる有孔隔壁から選択される。別の関連する態様では、有孔隔壁は、バイオリアクタの外側に配設された磁石を用いて有孔隔壁に力を加えることにより有孔隔壁を動かし、かつ／または傾け、かつ／または変形させ、かつ／または曲げることを可能にするためにそこに取り付けられた磁性部材をさらに含む。別の関連する態様では、有孔隔壁は、容器内で生育させる細胞または微生物が有孔隔壁を通って第一のチャンバから第二のチャンバへ、および第二のチャンバから第一のチャンバへ移ることができないようにするものである。
関連する一態様では、バイオリアクタは、第一のチャンバ内の容器の底部と、第一のチャンバと第二のチャンバを隔てる有孔隔壁との間の追加の有孔隔壁、もしくは第二のチャンバの細胞と容器の上部との間の追加の有孔隔壁、またはその組合せをさらに含む。
関連する一態様では、バイオリアクタは、容器壁内に配設され、有孔隔壁の上面付近で第二のチャンバ内へ開口し、バイオリアクタから細胞を回収するよう構成されている、少なくとも１つの回収口をさらに含む。関連する一態様では、バイオリアクタは、有孔隔壁に密封状態で取り付けられ、有孔隔壁の上面で開口している第一の末端と、第一のチャンバの壁の中を密封状態で通過し、バイオリアクタの外側に閉口可能な状態で開口している第二の末端とを有する中空部材を含む、回収口をさらに含む。別の関連する態様では、バイオリアクタは、容器壁内に配設され、有孔隔壁の上面付近で第二のチャンバ内へ開口している少なくとも１つの回収口を含み、ここでは、バイオリアクタは、垂直方向に対してある角度に傾けて少なくとも１つの回収口から細胞の回収を補助するよう構成された傾斜可能なバイオリアクタである。
関連する一態様では、バイオリアクタは上下を逆にするよう構成されている。
関連する一態様では、バイオリアクタは、第一のチャンバの壁または底部に配設され、バイオリアクタから少なくとも一部の液体を排出するよう構成されている、開閉可能な出口をさらに含む。別の関連する態様では、バイオリアクタは、流体リザーバからバイオリアクタ内に新鮮な液体を導入するため、バイオリアクタの外側に配設された流体リザーバと流体接続可能なポンプと流体接続するよう構成されている。
関連する一態様では、バイオリアクタは、液体の１つまたは複数の化学的特性／または物理的特性を検知するよう構成された少なくとも１つのセンサを含む、少なくとも１つのセンサユニットをさらに含む。
関連する一態様では、バイオリアクタは、バイオリアクタの稼働を制御する制御部と操作上接続可能である。
関連する一態様では、バイオリアクタは、第一のチャンバ内に配設され、１つまたは複数の流体入口のうちの少なくとも１つの流体入口と流体接続された、流体攪拌翼をさらに含み、流体攪拌翼は、液体がポンプで少なくとも１つの流体入口に送られたとき、液体の多重ジェットを噴出するよう構成された複数の穿孔および／または流体ノズルを中に有する、中空部材を含む。別の関連する態様では、１つまたは複数の流体入口および１つまたは複数の流体出口は、１つまたは複数の流体入口および１つまたは複数の流体出口を制御可能に開閉する弁を含むか、これと流体接続されている。別の関連する態様では、弁は、手動操作可能な弁および制御部と接続可能で自動操作可能な弁から選択される。別の関連する態様では、自動操作可能な弁は、弁の開閉を自動で制御する制御部と接続可能であり電気で作動するソレノイド系の弁である。
関連する一態様では、バイオリアクタは、細胞または微生物を支持するために第二のチャンバ内に配設された、支持マトリックスをさらに含む。
一態様では、本願は、本明細書に開示のバイオリアクタと、バイオリアクタ内の液体を再循環させるポンプとを含む、バイオリアクタシステムを開示する。
関連する一態様では、ポンプは、１つまたは複数の流体出口から液体を受け取り、受け取った液体を１つまたは複数の流体入口に送り込む。別の関連する態様では、バイオリアクタシステムは、第一のチャンバ内に送る新鮮な液体をポンプに制御可能に供給するため、ポンプの入口と流体接続可能な流体リザーバをさらに含む。
関連する一態様では、バイオリアクタシステムは、バイオリアクタの稼働を手動または自動で制御する制御部をさらに含む。別の関連する態様では、制御部は、液体の１つまたは複数の化学的特性および／または物理的特性を検知する１つまたは複数のセンサを含む少なくとも１つのセンサユニット、１つまたは複数の流体出口内の液体の流動を制御する複数の制御可能に開閉可能な弁、流体リザーバからポンプの入口への新鮮な液体の流動を制御する制御可能に開閉可能な弁、液体を加熱するヒータユニット、液体を冷却する冷却ユニット、および酸素供給源からバイオリアクタ内に配設されたガス分散ヘッド内への酸素を含むガスの流動を制御するガス弁のうちの１つまたは複数と操作可能に接続されている。
関連する一態様では、バイオリアクタは、細胞または微生物を支持するため第二のチャンバ内に配設された支持マトリックスをさらに含む。
本明細書に開示される主題については、本明細書の最後の節で具体的に示し、明確に特許請求する。しかし、本明細書に開示されるバイオリアクタは、以下の詳細な説明を添付図面とともに読みながら参照すれば、その機構および操作方法が目的、特徴および利点とともに最大限理解されよう。
有孔隔壁を含むバイオリアクタを含む本明細書に開示のバイオリアクタシステムのいくつかの実施形態を示す部分横断面概略図である。 バイオリアクタ内の生育培地のレベルを制御可能に調節する複数の流体出口を有するバイオリアクタを含む本明細書に開示のバイオリアクタシステムのいくつかの実施形態を示す部分横断面概略図である。 有孔隔壁を含む円筒形のバイオリアクタを含む本明細書に開示のバイオリアクタシステムのいくつかの実施形態を示す部分横断面概略図である。 有孔隔壁（１２）を含むバイオリアクタの形状のいくつかの実施形態を示す横断面概略図であり；図４Ａは、円筒状部分（３０４Ａ）と円錐台状部分（３０４Ｂ）とを有する形状のバイオリアクタ（３００）を示す。 図４Ｂは、円筒状部分（３１４Ａ）と先細り状部分（３１４Ｂ）とを有する形状のバイオリアクタ（３１０）を示す。 図４Ｃは、円筒状部分（３２４Ａ）と先細り状部分（３２４Ｂ）とを有する形状のバイオリアクタ（３２０）のまた別の実施形態を示す。 図４Ｄは、先細り形のバイオリアクタ（３３０）を示す。 図４Ｅは、先細り形のバイオリアクタ（３４０）のまた別の実施形態を示す。 図４Ｆは、円錐状部分（３５４Ａ）と円錐台状部分（３５４Ｂ）とを有する形状のバイオリアクタ（３５０）を示す。 図４Ｇは、円筒形のバイオリアクタ（３６０）を示す。 図４Ｈは、半球状に成形された第一のチャンバ（３７４Ａ）と円錐台部分として成形された第二のチャンバ（３７４Ｂ）とを含む杯に似た形状のバイオリアクタ（３７０）を示す。 図４Ｉは、垂直壁部（３８０Ｈ）と傾斜壁部（３８０Ｅ）とを含むバイオリアクタ（３８０）を示す。 図４Ｉに示されるバイオリアクタ（３８０）の上面概略図である。 本明細書に開示のバイオリアクタシステムのいくつかの実施形態によるバイオリアクタシステム（４００）の構成要素を示す略ブロック図である。 傾斜可能なバイオリアクタ（５１０）の可能な位置状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図であり；図６Ａでは、バイオリアクタ（５１０）は垂直状態にある。 図６Ｂでは、バイオリアクタ（５１０）は傾いた状態にある。 図６Ｃおよび図６Ｄは、固定され傾斜した有孔隔壁を有するバイオリアクタ（５５０）の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図６Ｃおよび図６Ｄは、固定され傾斜した有孔隔壁を有するバイオリアクタ（５５０）の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図７－図９は、３つの異なるタイプの非平面状（平坦でない）有孔隔壁（それぞれ６１２、７１２および８１２）を含むバイオリアクタの３つの異なる実施形態（ぞれぞれ６１０、７１０および８１０）を示す部分横断面概略図である。 図７－図９は、３つの異なるタイプの非平面状（平坦でない）有孔隔壁（それぞれ６１２、７１２および８１２）を含むバイオリアクタの３つの異なる実施形態（ぞれぞれ６１０、７１０および８１０）を示す部分横断面概略図である。 図７－図９は、３つの異なるタイプの非平面状（平坦でない）有孔隔壁（それぞれ６１２、７１２および８１２）を含むバイオリアクタの３つの異なる実施形態（ぞれぞれ６１０、７１０および８１０）を示す部分横断面概略図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、変形可能な有孔隔壁（９１２）を含むバイオリアクタ（９１０）の異なる状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図１０Ａおよび図１０Ｂは、変形可能な有孔隔壁（９１２）を含むバイオリアクタ（９１０）の異なる状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、曲がる有孔隔壁（１０１２）を含むバイオリアクタ（１０１０）の異なる状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図１１Ａおよび図１１Ｂは、曲がる有孔隔壁（１０１２）を含むバイオリアクタ（１０１０）の異なる状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図１２Ａおよび図１２Ｂは、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による傾斜可能な有孔隔壁（１１１２）を含むバイオリアクタ（１１１０）の異なる稼働状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 図１２Ａおよび図１２Ｂは、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による傾斜可能な有孔隔壁（１１１２）を含むバイオリアクタ（１１１０）の異なる稼働状態の２つの実施形態を示す部分横断面概略図である。 有孔隔壁（１２）と細胞担体マトリックス（１２６０）とを有するバイオリアクタ（１０）を含むバイオリアクタシステム（１２５０）の一実施形態を示す部分横断面概略図である。 細胞の培養に使用するバイオリアクタの一実施形態の概略図（図１４Ａ）および図１４Ａのバイオリアクタを用いて生育させた細胞の生育曲線（細胞数対日数）である。 図１４Ｂは、Ｔ７５フラスコ（青色の線）およびバイオリアクタ（オレンジ色）の５日後の生育曲線を示す。 図１４Ｃは、バイオリアクタで１４日間生育させた後の生育曲線（黄色の線）を、Ｔ７５フラスコで生育させ培地交換を実施した細胞（青色の線）および実施しなかった細胞（灰色の線）と比較して示している。 バイオリアクタで生育させた細胞の処理の実施形態を示す図であり；図１５Ａは、ある液体を別の液体と交換する、例えば生育培地を洗浄緩衝液と交換する一実施形態を示す。 図１５Ｂは、ある液体を別の液体と交換するまた別の実施形態であって、バイオリアクタが、細胞のレベルより上にある第二の（上の）チャンバ内のある位置に位置する第二の隔壁（隔壁２）を含む別の実施形態を示す。 図１５Ｂに示されるバイオリアクタの容器は上下を逆にした状態の画像であり；図１５Ｃおよび１５Ｄは、２つの円錐台状部分から構成され、２つの有孔隔壁によって３つのチャンバに分かれたバイオリアクタの代表的な略図を示し、図１５Ｃは、細胞生育段階のバイオリアクタを示す。 図１５Ｄは、洗浄段階で上下を反転させた位置にあるバイオリアクタを示している。 流体速度を制御するよう構成された有孔隔壁を示す横断面概略図である。
図示を簡潔かつ明瞭にするため、図に示される要素は必ずしも縮尺通りに描画されているわけではないことが理解されよう。例えば、一部の要素の寸法は、明確にするため他の要素に比して誇張されている場合がある。さらに、適切であると考えられる場合、対応する要素または類似した要素を示すのに参照番号を複数の図で繰り返し用いている場合がある。
以下の詳細な説明では、本明細書に記載されるバイオリアクタおよびその使用が十全に理解されるよう具体的詳細を多数記載する。それ以外の場合には、本明細書に記載されるバイオリアクタおよびその使用が不明瞭にならないよう周知の方法、手順および構成要素については詳細に記載していない。
本願は、単離から開始して最終的な製剤化まで密度および順応的培養体積を変化させて細胞および微生物を培養するよう設計されたバイオリアクタおよびバイオリアクタシステムを含めた細胞培養処理／操作システムを開示するものである。本明細書に開示されるバイオリアクタは、単一ユニットで選択、培養、修飾、活性化、拡大、洗浄、濃縮および製剤化といった必要なあらゆる段階を連続的に可能にするよう構成されている。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、バッチモード、フェドバッチモードおよび灌流モードで使用することが可能であり、閉じた無菌環境下で全面的に制御することが可能であり、かつ（１回の培養サイクル後に廃棄する）単回使用および複数サイクルにわたる使用が実現可能なものである。
本明細書に詳細に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムの様々な実施形態を説明する前に、開示されるバイオリアクタおよびそのシステムは、以下の説明に記載され、かつ／あるいは図面および／または実施例で例示される構成の詳細ならび構成要素および／または方法の配列にその適用が必ずしも限定されるわけではないことが留意される。本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムは、他の実施形態を包含し得る、または様々な方法で実践もしくは実施され得るものである。
本願は、そのいくつかの実施形態では、「培地」、「液体」、「ガス」、「洗浄緩衝液」、「溶液」または「流体」の流動または流れを開示する。当業者には、上記の用語が、選択的に使用され、加えられた圧力および／またはずり応力の下で絶えず変形する（流動する）物質の特徴を有することが理解されよう。
本願は、そのいくつかの実施形態では、生細胞または微生物を生育させるバイオリアクタおよびこのバイオリアクタで単離から最終的な製剤化までの全培養段階を含めて細胞または微生物を生育させる方法を開示する。
当業者には、「細胞（１つまたは複数）」という用語が任意の生細胞を包含し得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで生育させ得る細胞は、任意の原核細胞または真核細胞を含む。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで生育させ得る細胞は、単細胞および多細胞の微生物、例えば、細菌、古細菌、ウイルス、酵母細胞、植物細胞または昆虫細胞を含む。
いくつかの実施形態では、真核細胞は、植物細胞、昆虫細胞、動物細胞または真菌を含む。いくつかの実施形態では、細胞は、組織培養細胞、初代細胞または生殖細胞を含む。いくつかの実施形態では、組織培養細胞または初代細胞は、幹細胞、成熟細胞、分化転換細胞、脱分化細胞または分化細胞を含む。いくつかの実施形態では、動物細胞は哺乳動物細胞を含む。例えば、哺乳動物細胞は、ヒヒ、ヤギュウ、ネコ、ニワトリ、ウシ、イヌ、ヤギ、モルモット、ハムスター、ウマ、ヒト、サル、マウス、ブタ、ウズラまたはウサギに由来する細胞を含み得る。いくつかの実施形態では、哺乳動物細胞は、幹細胞、胚細胞、成熟細胞、分化転換細胞、脱分化細胞または分化細胞を含む、初代細胞を含む。いくつかの実施形態では、哺乳動物細胞は、幹細胞、胚細胞、成熟細胞、分化転換細胞、脱分化細胞または分化細胞を含む、組織培養細胞を含む。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタでの生育に適合性のある細胞型としては、幹細胞、腺房細胞、脂肪細胞、肺胞細胞、エナメル芽細胞、線維輪細胞、くも膜細胞、星状膠細胞、胞胚葉、頭蓋冠細胞、癌性細胞（腺癌、線維肉腫、膠芽腫、肝細胞癌、メラノーマ、骨髄性白血病、神経芽腫、骨肉腫、肉腫）心筋細胞、軟骨細胞、脊索腫細胞、クロム親和性細胞、卵丘細胞、内皮細胞、内皮様細胞、鞘細胞、上皮細胞、線維芽細胞、線維芽細胞様細胞、生殖細胞、肝細胞、ハイブリドーマ、インスリン産生細胞、間質細胞、島、ケラチノサイト、リンパ球細胞、マクロファージ、肥満細胞、メラノサイト、半月板細胞、メサンギウム細胞、間葉前駆細胞、単球、単核細胞、骨髄芽球、筋芽細胞、筋線維芽細胞、神経細胞、核細胞、象牙芽細胞、卵母細胞、骨芽細胞、骨芽細胞様細胞、破骨細胞、破骨細胞前駆細胞、卵形細胞、乳頭細胞、実質細胞、周皮細胞、歯周靭帯細胞、骨膜細胞、血小板、肺細胞、脂肪前駆細胞、前心外膜細胞、腎細胞、サリスフィア細胞（Ｓａｌｉｓｐｈｅｒｅ ｃｅｌｌ）、シュワン細胞、分泌細胞、平滑筋細胞、精子細胞、星状細胞、幹細胞、幹細胞様細胞、セルトリ細胞、間質細胞、滑液細胞、滑膜細胞、Ｔ細胞、腱細胞、Ｔリンパ芽球、トロホブラスト、ナチュラルキラー細胞、樹状細胞、尿路上皮細胞、硝子体細胞など；例えば、特に限定されないが、以下の組織：脂肪組織、副腎、羊水、羊膜嚢、大動脈、動脈（頸動脈、冠動脈、肺動脈）、胆管、膀胱、血液、骨、骨髄、脳（大脳皮質を含む）、乳房、気管支、軟骨、子宮頸部、絨毛膜絨毛、結腸、結膜、結合組織、角膜、歯髄、十二指腸、硬膜、耳、子宮内膜嚢胞、子宮内膜、食道、眼球、包皮、胆嚢、神経節、歯肉、頭部／頸部、心臓、心臓弁、海馬、腸骨、椎間板、関節、頸静脈、腎臓、膝、涙腺、靭帯、肝臓、肺、リンパ節、乳腺、下顎骨、髄膜、中胚葉、毛細血管系、粘膜、筋肉由来（ＭＤ）、骨髄性白血病、骨髄腫、鼻、鼻咽頭、神経、髄核、口腔粘膜、卵巣、膵臓、耳下腺、陰茎、胎盤、前立腺、腎臓、気道、網膜、唾液腺、伏在静脈、坐骨神経、骨格筋、皮膚、小腸、括約筋、脊椎、脾臓、胃、滑膜、歯、腱、精巣、甲状腺、扁桃、気管、臍動脈、臍帯、臍帯血、臍静脈、臍帯（ワルトン膠様質）、尿路、子宮、血管系、室、声帯ひだおよび細胞のいずれかに由来する細胞、またはその任意の組合せが挙げられる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで生育させる細胞は、様々な細胞型の組合せを含み得る。本明細書で使用される「細胞」と「微生物」という用語は、いくつかの実施形態では、互換的に使用され全く同じ意味および性質を有するものであり得る。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで生育させた細胞または微生物の産生物、例えば、タンパク質、ペプチド、抗生物質またはアミノ酸を収集する。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで大規模に生育させた細胞または微生物の任意の産生物および細胞または微生物によって合成された任意の産生物を収集し得る。
特に限定されないが、図１（１０）、図２（１１０）、図３（２１０）、図４Ａ（３００）、図４Ｂ（３１０）、図４Ｃ（３２０）、図４Ｄ（３３０）、図４Ｅ（３４０）、図４Ｆ（３５０）、図４Ｇ（３６０）、図４Ｈ（３７０）、図４Ｉ（３８０）、図６Ａおよび６Ｂ（５１０）、図６Ｃおよび６Ｄ（５５０）、図７（６１０）、図８（７１０）、図９（８１０）、図１０Ａおよび１０Ｂ（９１０）、図１１Ａおよび１１Ｂ（１０１０）、図１２Ａおよび１２Ｂ（１１１０）ならびに図１４Ａに示される本願に開示されるバイオリアクタは、第一のチャンバの上方に配設され、容器内の内容積または空間を第一の（下の）チャンバと第二の（上の）チャンバとに分ける有孔隔壁を含む、中空容器のような形状であり得る。
いくつかの実施形態では、中で細胞または微生物を生育させる本明細書に記載されるバイオリアクタであって、
中の空間を取り囲む密閉容器と、
中に複数の穿孔を有する隔壁であって、空間内に密封状態で配設され、空間を第一のチャンバと第二のチャンバとに分けるよう構成されており、第二のチャンバが、中の細胞または微生物の生育を調節するよう構成されており、穿孔の直径が、第一のチャンバと第二のチャンバの相互間のみの流体流動が可能になるようされている、隔壁と、
流体を第一のチャンバ内に導入する１つまたは複数の流体入口と、
流体を第二のチャンバから流出させる１つまたは複数の流体出口と
を含む、バイオリアクタが提供される。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ容器は、少なくとも２つの部分から構成されたものであり得る。また、いくつかの実施形態では、２つの部分の間に隔壁を取り付け得る。いくつかの実施形態では、場合によっては容器の様々な部分の間にさらに多くの有孔隔壁を設置し得る。いくつかの実施形態では、隔壁は、（図１～４、６～１３、１５～１６に示されるように）容器の壁に接して配設されている。
いくつかの実施形態では、第一のチャンバが下側のチャンバであり、第二のチャンバが上側のチャンバであり、流体流動が、下側のチャンバから上側のチャンバに向かう（重力方向に逆らう）逆流である。
特に限定するわけではないが、いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、流体の速度低下を生じさせるよう構成された広がる形状、例えば円錐台形またはその一部を含む、チャンバを含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、有孔隔壁によって分けられた２つの部分からなるチャンバを含み、その隔壁は、一定の流体流動、例えば、特に限定されないが流体生育培地の流動を可能にし、細胞は第二の（上の）チャンバに保持される。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、第二の（上の）チャンバ内での流体の流速の低下と、容器全体にわたる均一で緩やかな流体の流動をと含む。いくつかの実施形態では、緩やかで均一な流動と第二の（上の）チャンバ内での速度低下とが組み合わさることによって、細胞の塊（細胞塊）と流体の速度との間にバランスが生じ、「浮遊塊」として知られる安定な細胞の塊が得られる。いくつかの実施形態では、細胞浮遊塊は第二の（上の）チャンバの下方部分に局在する。
いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタの使用により一定の流体流動が生じる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタの使用により、培養工程での生育培地の一定の流動および細胞への栄養補給がもたらされる。いくつかの実施形態では、培養中に流体、例えば生育培地を交換することができ、極めて小さい体積および／または極めて大きい体積により順応的で最適な細胞への栄養補給がもたらされる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタの使用は、バイオリアクタチャンバを開ける必要がない極めて穏やかで効率的な方法で細胞を洗浄し、選択した培地に回収することを含む。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタにより最適で順応的な培養が可能になり、細胞または微生物の操作が閉鎖系で実施され、操作を自動化することが可能であり、細胞にかかるずり応力が最小限に抑えられる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタの使用により、高密度での細胞または微生物の生育が支えられる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタによって達成される密度は、標準的な培養条件を用いて観察される密度の１０倍超であり得る。
当業者には、「有孔隔壁」という用語が、全く同じ性質および意味を有する「フィルタ」、「膜」または「多孔板」という用語と互換的に使用され得ることが理解されよう。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁は、液体が第一のチャンバから第二のチャンバに、また第二のチャンバから第一のチャンバにも流動することができるように、液体、例えば生育培地が有孔隔壁の穿孔を通って二方向に流動することができるよう構成された複数の穿孔を中に含む。
当業者には、本明細書で使用される「第一のチャンバ」という用語が、いくつかの実施形態では、全く同じ意味および性質を有する「下側のチャンバ」という用語と互換的に使用され得ることが理解されよう。当業者には、本明細書で使用される「第二のチャンバ」という用語は、いくつかの実施形態では、全く同じ意味および性質を有する「上側のチャンバ」という用語と互換的に使用され得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、細胞をバイオリアクタ容器の第二のチャンバで培養する。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁は、液体および１つまたは複数の追加の因子が第一のチャンバから第二のチャンバに、および第二のチャンバから第一のチャンバに流動することができるように、追加の因子を含む液体が有孔隔壁の穿孔を通って二方向に流動することができるよう構成されている。いくつかの実施形態では、穿孔の直径は、第一のチャンバから第二のチャンバへの、および第二のチャンバから第一のチャンバへの液体流動のみが可能になるよう構成されている。いくつかの実施形態では、穿孔の直径は、１つまたは複数の因子を含む液体が第一のチャンバから第二のチャンバに、および第二のチャンバから第一のチャンバにのみ流動することができるよう構成されている。いくつかの実施形態では、１つまたは複数の因子は、細胞も微生物も含まない。いくつかの実施形態では、有孔隔壁は、バイオリアクタの容器内で生育させる細胞も微生物も有孔隔壁を通過させない複数の穿孔を含む。
当業者には、流動が生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、選択溶液、酵素混合物溶液、収集溶液、最終製剤溶液、保存溶液またはその任意の組合せを含む液状流体の流動を包含し得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、液体は、生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、収集溶液、回収溶液、保存溶液またはその任意の組合せを含む。いくつかの実施形態では、液体は追加の因子を含み、添加し得る因子の非限定的な例としては、栄養素、ガス、活性化因子、誘導因子、抗生物質、抗真菌剤および塩が挙げられる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタシステムでの細胞または微生物の生育および収集に有益な任意の因子を液体に添加し得る。いくつかの実施形態では、因子は液体中に溶解するものであり、液体が溶媒となり、因子が溶質となって溶液を形成する。いくつかの実施形態では、因子は液体中に粒子のまま存在する。
当業者には、「複数」という用語が有孔隔壁の穿孔（孔）の数を包含し得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、第一のチャンバから第二のチャンバに、または第二のチャンバから第一のチャンバに流動する培地またはその他の液体の必要とされる交換速度に基づき決定される。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、第一のチャンバから第二のチャンバに、または第二のチャンバから第一のチャンバに流動する培地またはその他の液体の流速に基づき決定される。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、第一のチャンバから第二のチャンバに、または第二のチャンバから第一のチャンバに流動する培地またはその他の液体の流動パターンに基づき決定される。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁内の穿孔の配置は、第一のチャンバから第二のチャンバに、または第二のチャンバから第一のチャンバに流動する培地またはその他の液体の流動パターンに影響を及ぼすよう構成されている。いくつかの実施形態では、有孔隔壁は複数の穿孔を等間隔で含む。いくつかの実施形態では、有孔隔壁は不均一な間隔で複数の穿孔を含む。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタで生育させる細胞も微生物も有孔隔壁を通過できないように有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を選択する。例えば、いくつかの実施形態では、穿孔直径の大きさの決定は、細胞または微生物の大きさを測定すること、細胞または微生物の形状を明らかにすること、選択した孔径を有する有孔隔壁を細胞または微生物が通過するのを防止し得る穿孔直径（穿孔孔径）を選択することを含む。
いくつかの関連する実施形態では、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を１２０マイクロメートル、１００マイクロメートル、７５マイクロメートル、５０マイクロメートル、２５マイクロメートルまたは１５マイクロメートルより小さくなるよう選択する。いくつかの関連する実施形態では、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を０．１マイクロメートル、０．２マイクロメートル、０．３マイクロメートル、０．４５マイクロメートル、０．７５マイクロメートルまたは１．０マイクロメートルより大きくなるよう選択する。いくつかの関連する実施形態では、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を０．１マイクロメートル～１２０マイクロメートルの間で選択する。いくつかの関連する実施形態では、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径は、細胞も微生物もあるチャンバから第二のチャンバへ通過させないものである。例えば、上側のチャンバで生育させる細胞も微生物も下側のチャンバ内に通過しないよう有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を選択する。
いくつかの実施形態では、細胞または微生物は球形であり、したがって、細胞または微生物の直径を穿孔の大きさの決定に用いる。いくつかの実施形態では、細胞または微生物は球形でないものであり得る。いくつかの実施形態では、細胞または微生物は、非対称の形状、例えば、決して限定するものではないが、桿状杆状形を含み得る。細胞または微生物が非対称の形状である場合、孔径を決定する際の測定は、細胞が示す最小の直径に基づくものとなる。いくつかの実施形態では、細胞は、形状を変化させる能力を有し得る。細胞または微生物が形状を変化させる能力を有する場合、孔径を決定する際の測定は、細胞または微生物が示す最小の直径であって、細胞または微生物が孔を通過できる直径に基づくものとなる。いくつかの実施形態では、細胞または微生物は変形可能なものであり得る。細胞または微生物が変形可能なものである場合、細胞の大きさの決定には、変形後の細胞または微生物の直径を考慮に入れる。
いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、全く同じ大きさの穿孔を含む。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、全く同じとは限らない大きさの穿孔を含む。いくつかの実施形態では、様々な大きさの穿孔がランダムに分布している。いくつかの実施形態では、様々な大きさの穿孔の分布は、第一のチャンバから第二のチャンバおよび第二のチャンバから第一のチャンバへの液体の流動から流体流動パターンに基づき決定される。
いくつかの実施形態では、穿孔の形状は対称的なものである。いくつかの実施形態では、穿孔の形状は非対称的なものである。いくつかの実施形態では、穿孔の形状は、円形、不規則な形状、楕円形または多角形を含む。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、すべて形状が同じ穿孔を含む。いくつかの実施形態では、複数の穿孔は、形状の異なる穿孔を含む。
いくつかの実施形態では、第一のチャンバから第二のチャンバへ、また第二のチャンバから第一のチャンバへの液体の流動を可能にし、バイオリアクタで生育させる細胞も微生物も有孔隔壁を通過させないよう構成された直径を選択することにより、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を決定する。いくつかの実施形態では、第一のチャンバから第二のチャンバへ、また第二のチャンバから第一のチャンバへの追加の因子を含む液体の流動を可能にし、バイオリアクタで生育させる細胞も微生物も有孔隔壁を通過させない直径を選択することにより、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を決定する。いくつかの実施形態では、追加の因子を含む液体および細胞または微生物が産生した産生物の第一のチャンバから第二のチャンバへ、また第二のチャンバから第一のチャンバへの流動を可能にし、バイオリアクタで生育させる細胞も微生物も有孔隔壁を通過させない直径を選択することにより、有孔隔壁の平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径を決定する。
いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、約０．１～４０マイクロメートルを含む。いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、約０．２～１０マイクロメートルを含む。いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、約１０～４０マイクロメートルを含む。いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、４０マイクロメートルより大きい。いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、約４０～６０マイクロメートルを含む。いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、約６０～１００マイクロメートルを含む。
いくつかの実施形態では、穿孔直径（孔径）または有効な平均直径は、細胞または微生物が孔を通って流動するのを防止するよう構成されている。いくつかの実施形態では、穿孔直径または有効な平均直径は、ビーズと結合した細胞または微生物が孔を通って流動するのを防止するよう構成されている。いくつかの実施形態では、中に複数の穿孔を有する有孔隔壁の穿孔の孔径は、第一のチャンバから第二のチャンバおよび第二のチャンバから第一のチャンバへの液体流動のみを可能にするよう構成されている。いくつかの実施形態では、液体は溶質および／または添加因子を含み得る。いくつかの実施形態では、中に複数の穿孔を有する有孔隔壁の穿孔の孔径は、第一のチャンバから第二のチャンバおよび第二のチャンバおよび第一のチャンバへの液体流動のみを可能にするよう構成されており、孔径は、細胞も微生物も第一のチャンバから第二のチャンバおよび第二のチャンバから第一のチャンバへ通過させないよう構成されている。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁は、例えば、生育させる細胞をリアクタ内の第二のチャンバに閉じ込める、および細胞を回収するよう構成されており、そのようにするのに有用である。いくつかの実施形態では、本願は、バイオリアクタを含むバイオリアクタシステムならびにバイオリアクタおよびバイオリアクタシステム内で細胞または微生物を単離から最終的な製剤化まで生育させる方法も開示する。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、（上側のチャンバの底部に存在する）有孔隔壁１２の下方に追加の下の有孔隔壁１２Ｄを含み、例えば、有孔隔壁１２が上側のチャンバの底部を含む図１（１２）を参照されたい。いくつかの実施形態では、追加の下の有孔隔壁１２Ｄは、（下側のチャンバの）容器の底部表面と有孔隔壁１２（上側のチャンバの底部表面を形成している）との間に、例えば図１の１０Ｂと１２との間に位置する。いくつかの実施形態では、下側のチャンバから上側のチャンバへの液体の逆流は、２つの有孔隔壁１２および１２Ｄを通過する。追加の下の有孔隔壁１２Ｄは、液体が上側のチャンバの底部を含む有孔隔壁１２に達する前に、液体の流動を調整する（真っ直ぐにし、直線性および均一な流動にする）のを補助するよう構成されている。この配置は、液体の流動の直線性（および均一性）を向上させるよう構成されている。いくつかの実施形態では、流れの調整は、有孔隔壁の様々な半径方向の位置に沿った縦方向の流速をほぼ同じ［ｖ（ｒ１）≒ｖ（ｒ２）］にすることを含む、あるいは換言すれば、有孔隔壁の幾何学的中心からのあらゆる位置で実質的に流速が等しい。いくつかの実施形態では、下の有孔隔壁は、下側のチャンバの壁に密封状態で取り付けられており、その孔径は、細胞または微生物の通過を防止するよう構成されている。いくつかの実施形態では、有孔隔壁１２と下の有孔隔壁１２Ｄはともに、液体流速を調整するよう構成されている。いくつかの関連する実施形態では、下の有孔隔壁１２Ｄの平均穿孔直径または有効な平均穿孔直径は、０．１マイクロメートル～１ミリメートルの間で選択される。
いくつかの実施形態では、下の有孔隔壁１２Ｄは、流体速度を制御するよう構成されている。このような速度制御隔壁１６００の非限定的な例を図１６に詳細に示す。図１６に示されるように、速度制御有孔隔壁１６００の孔１６０１は円錐形を含み得るものであり、孔の円錐形は、異なる孔の間で同様のものであっても異なるものであってもよく、一部が同様のものであり、一部が異なるものであってもよい。いくつかの実施形態では、円錐状の孔の幅が広い方の底部は隔壁の底部側に位置し、このような構成により、隔壁の上側に向かって流速が増大する流動を生じさせることができる。いくつかの実施形態では、隔壁の中央に近い方の孔（１つまたは複数）１６０２は、末端の孔１６０１よりも円錐が広いか、または隔壁上側の開口部が広いものであり得、このような構成により、有孔隔壁１６００の様々な半径方向の位置に沿った縦方向の流速をほぼ同じ［ｖ（ｒ１）≒ｖ（ｒ２）］にすることができる。このような実施形態では、流体攪拌翼が必要とされないことがある。
いくつかの実施形態では、追加の下の有孔隔壁１２Ｄの存在は、そのままでは上の有孔隔壁１２の穿孔を通る流動を塞いで遮断し、流動の直線性および均一性を阻害する可能性のある気泡、空気塊および残屑を捕捉するよう構成されている。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、（上側のチャンバの底部に存在する）有孔隔壁（第一の有孔隔壁）１５１２の上方に追加の遮蔽有孔隔壁１５０２を含み、この遮蔽有孔隔壁は、上側のチャンバの壁に密封状態で配設されている。図１５Ａに、第一の有孔隔壁１５１２および細胞塊３のレベルより上に位置する追加の遮蔽有孔隔壁１５０２を示す。いくつかの実施形態では、追加の遮蔽有孔隔壁１５０２は、細胞または微生物の通過を防止する、例えば、細胞がバイオリアクタから出るのを防止するよう構成されている。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ容器は、上下を逆にした位置にあり（下の実施例３も参照されたい）、液体の流動は、（ほぼ重力の方向に）上側のチャンバ（第二のチャンバ１５４０）から下側のチャンバ（第一のチャンバ１５５０）に下る流１５２０である。この構成は、いくつかの実施形態では、細胞の洗浄または培地もしくは液状溶液の交換の際に用いて、隔壁の表面積を広くし、それにより細胞塊による隔壁の目詰まりを軽減するよう構成されている。
関連する諸実施形態では、バイオリアクタは３つの有孔隔壁、すなわち、
バイオリアクタの容器の上側のチャンバと下側のチャンバ（１５４０、１５５０）の間を隔て、細胞および微生物がその間を通過するのを防止するよう構成されている、主要有孔隔壁１５１２（図１５Ａ）と、
上側のチャンバ１５４０内の細胞塊３の上方に位置し、細胞および微生物の通過を防止するよう構成されており、そのため、細胞塊が主要有孔隔壁と上の有孔隔壁（１５１２、１５０２）との間に保持される、上の有孔隔壁１５０２（図１５Ａ）と、
第一のチャンバ１４Ａ内の主要有孔隔壁１２の下方に位置し、主要有孔隔壁１２に達する前に流体流動を調整および／または制御するよう構成されている、下の有孔隔壁１２Ｄ（図１）と、を含む。
いくつかの関連する実施形態では、主要有孔隔壁および上の有孔隔壁（１５１２、１５０２、図１５Ａ）は、細胞または微生物の通過を防止するよう構成された同様の孔径を含む。
いくつかの実施形態では、下の有孔隔壁（１２Ｄ、図１）の孔の大きさは、主要隔壁および上の隔壁（１５１２、１５０２、図１５Ａ）の孔の大きさと同様であっても、これと異なるものであってもよい。
当業者には、孔の範囲、形状および分布が、様々な有孔隔壁間で同様のものであっても異なるものであってもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の直径または有効な直径は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁にみられるものと異なる孔径を含む。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の直径または有効な直径は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁と同様の孔径を含む。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の形状は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁にみられるものと異なる孔の形状を含む。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の形状は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁と同様の孔の形状を含む。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の分布は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁にみられるものと異なる孔の分布を含む。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁の穿孔（孔）の分布は、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる有孔隔壁と同じ孔の分布を含む。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、細胞の上方にある第二のチャンバ内の追加の隔壁と、第一のチャンバ内の第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる隔壁の下方にある追加の隔壁とを含む。
当業者には、追加の有孔隔壁の表面積が、第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる隔壁の表面積より大きくても小さくてもよいことが理解されよう。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁は、表面積が第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる隔壁の表面積より大きい。いくつかの実施形態では、追加の有孔隔壁は、表面積が第一のチャンバと第二のチャンバとを隔てる隔壁の表面積より小さい。
本開示のバイオリアクタおよびバイオリアクタシステムは、細胞または他の微生物を１つの閉じた単回または複数回使用のシステムで生育させ、処理し、製剤化して汚染のリスクを最小限の抑え、効率的な処理を可能にするものである。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタは、細胞または他の微生物を所望の濃度まで生育させることができるよう構成されている。一実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタは無菌環境をもたらす。一実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタシステムは無菌環境をもたらす。さらに、細胞または微生物を培養し増殖させるにつれて、それに必要な培地および栄養素ならびに培養体積が増大する。以降に記載されるバイオリアクタのいくつかの実施形態は、細胞または微生物をさらに大きい容器に移す必要なく体積を順応的に制御して変化させること（変化可能なバイオリアクタ体積）および培地を新たに補給することを含む。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタは、生育培地に懸濁させた非付着細胞を生育させるのに使用するよう構成されている。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタは、バイオリアクタの第二のチャンバ内に適切な細胞支持マトリックスを含ませる、または加えることによって付着細胞を生育させるのに使用するよう構成されている。細胞支持マトリックスは、細胞が付着することができる当該技術分野で公知の任意のタイプの細胞支持マトリックスであり得る。このような細胞支持マトリックスをバイオリアクタに使用する場合、当該技術分野で公知の剥離方法によって細胞を細胞支持マトリックスから剥離する必要が生じ得る。本明細書で使用される「細胞支持マトリックス」および「細胞担体マトリックス」という用語ならびにその同根語は、いくつかの実施形態では、互換的に使用され全く同じ意味および性質を有するものであり得る。
本願のバイオリアクタは、固定体積または可変体積を有するよう構成されている。当業者には、「バイオリアクタ」と「容器」という用語が、いくつかの実施形態では互換的に使用され全く同じ意味および性質を有するものであり得ることが理解されよう。バイオリアクタが固定体積を含む実施形態では、液体、例えば生育培地の流速は制御することができるが、バイオリアクタ内の液体、例えば生育培地のレベルおよび体積は実質的に固定されている。バイオリアクタが可変体積を含む実施形態では、液体、例えば生育培地の流速を制御することができ、バイオリアクタ内の生育培地のレベルおよび体積も変化させることが可能である。いくつかの実施形態では、変化させることが可能な液体レベル、例えば生育培地レベルは、バイオリアクタの壁の長さに沿って様々な高さでバイオリアクタの第二のチャンバ内に開口している複数の流体出口を用いることによって達成することができる。これの非限定的な例を図２に示す。
いくつかの実施形態では、培地の稼動体積が小さく、細胞を高密度の培養物になるまで生育させる。いくつかの実施形態では、稼動体積が小さく、流速も小さいか、全く流動が生じない。いくつかの実施形態では、流速が小さい。いくつかの実施形態では、第一のチャンバから第二のチャンバまたは第二のチャンバから第一のチャンバへの流動が生じない。いくつかの実施形態では、第一のチャンバから第二のチャンバおよび第二のチャンバから第一のチャンバへの流動が生じない。いくつかの実施形態では、稼動体積が小さく、培地は、細胞を高密度で生育させるのに最適化されている。いくつかの実施形態では、稼動体積が小さく、細胞生育がより高い収率が得られるよう最適化されており、他のバイオリアクタよりも培地の必要量が少なくて済む。
いくつかの実施形態では、培養が少数の細胞、例えば、本明細書に記載されるバイオリアクタで培養することができる最大細胞数を下回る細胞を含む場合、細胞を少ない体積の生育培地で培養し、細胞が増殖し細胞数が増大するにつれて、細胞を含むチャンバ内の体積を増大させることができる。ある時点で流動サイクルを実施することができ、細胞量が増大するにつれて、液体、例えば生育培地の流動が増大する。いくつかの実施形態では、細胞生育の必要に応じて、液体、例えば生育培地に栄養素を添加することができる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタで細胞を培養することにより、バイオリアクタ内の液体、例えば生育培地の体積を調節することによって細胞がある細胞密度の範囲内に維持される。いくつかの実施形態では、本明細書に記載される流動サイクルを用いることにより、同じ数の細胞を培養するのに必要な生育培地が少なくなる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタに流動サイクルを用い、細胞の必要に応じて生育培地の補給を調節する。換言すれば、細胞には必要な分のみ栄養を補給する。いくつかの実施形態では、流動サイクルによって細胞の増殖速度が制御される。
いくつかの実施形態では、複数の出口がそれぞれ、中に弁を有するよう構成され、ポンプに送り込む共通のマニホールドと流体的に接続および切断されるよう構成されている。このような実施形態のバイオリアクタ内の液体、例えば生育培地のレベルは、選択した流体出口の弁を開け、残る流体出口の弁をすべて閉じることを適切に実施することによって変化させることができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ内の液体、例えば生育培地の体積を制御することは、細胞が増殖し続けるにつれて、バイオリアクタを開けることなく、また他のバイオリアクタシステムに用いられる方法、例えば細胞の継代およびディッシュ／容器の交換の必要なしに培養を拡大することができる点で有利である。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、バイオリアクタの容器の第一の（下の）チャンバ内に配設された流体攪拌翼または流体分散機を含むよう構成されている。いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、生育培地に酸素を添加する酸素添加システムを含むよう構成されている。
ある特定の実施形態では、酸素添加システムによって泡が生じ得る。いくつかの実施形態では、下側のチャンバ内の泡が有孔隔壁に付着して、あるチャンバから次のチャンバへの液体の流動を阻害し得るため、バイオリアクタに悪影響を及ぼす。さらに、隔壁の穿孔を通過するナノバブルは細胞を持ち上げる傾向があり、それにより浮遊細胞塊の高密度生育が阻害され得る。
いくつかの実施形態では、下の有孔１２Ｄ（図１）は、下側のチャンバ内で生じた、または形成された泡、例えば酸素添加システムによって生じた泡の通過が有孔隔壁１２に達してこれを遮断するのを防止するよう構成されている。いくつかの実施形態では、直径が数ナノメートル程度の泡が実際に下の有孔隔壁１２Ｄおよび有孔隔壁１２を通過し、細胞または微生物を液体の流動の上方に持ち上げるのを補助する。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタは、様々な異なる形状を有するよう構成され、第二のチャンバを画定するバイオリアクタの壁の少なくとも一部分は、真っ直ぐ（垂直）になるよう構成されているか、または垂直方向に対してある角度で傾斜する（またはバイオリアクタの縦軸に対して傾斜する）よう構成されている。いくつかの実施形態では、第二のチャンバを取り囲む壁のうち、一部は垂直になるよう構成されており、一部は傾斜するよう構成されている。バイオリアクタ容器の形状の非限定的な例を図４Ａ（３０４Ａおよび３０４Ｂ）、図４Ｂ（３１４Ａおよび３１４Ｂ）、図４Ｃ（３２４Ａおよび３２４Ｂ）、図４Ｄ（３３４Ａおよび３３４Ｂ）、図４Ｅ（３４４Ａおよび３４４Ｂ）、図４Ｆ（３５４Ａおよび３５４Ｂ）、図４Ｇ（３６４Ａおよび３６４Ｂ）、図４Ｈ（３７４Ａおよび３７４Ｂ）、図４Ｉ（３８４Ａおよび３０８Ｂ）に示す。
このような実施形態で第二のチャンバの上方に向かって増大する横断面の面積は、横断面の面積の増大に伴って生育培地の流速が低下するように、垂直方向に沿って（バイオリアクタの縦軸に沿って）流体速度勾配が確立されるよう構成されている。いくつかの実施形態では、この流速勾配が生育培地中に懸濁する細胞に作用する重力と組み合わさって、第二のチャンバに含まれる生育培地の体積内のある所望の領域に細胞を懸濁させるのを助ける。いくつかの実施形態では、培地の流速を調節することにより、細胞がバイオリアクタ内の所望の位置に維持される。いくつかの実施形態では、培地の流速を調節することにより、細胞がバイオリアクタ内の所望の位置に維持される。いくつかの実施形態では、バイオリアクタまたはそのチャンバの半径に対して培地の流速を調節することにより、細胞がバイオリアクタ内の所望の位置に維持される。
いくつかの実施形態では、所望の位置は出口より低い。例えば図１を参照すれば、液体中に懸濁している細胞が流速１ｍｍ／分（矢印３７Ｂの中間の設定）で上側のチャンバ内に上昇する場合、下の部分が例えば流速３ｍｍ／分（隔壁３７Ａのレベルにある矢印）、中間の部分が流速１ｍｍ／分（３７Ｂ）であり得、培地が口／弁からチャンバを出る数ｃｍ上の部分は流速が０．２ｍｍ／分（矢印３７Ｃが示す上の設定を上回り、出口２６のレベルを超えるものであり得る）であり得る。いくつかの実施形態では、流速によって細胞の位置が決まる。いくつかの実施形態では、細胞の位置が出口より低い。細胞を洗浄するとき、細胞の亜集団を取り出すとき、液体を交換するとき、因子を添加するとき、またはその任意の組合せには、細胞の位置が出口よりも低いことが望ましいものであり得る。
当業者には、細胞集団が様々な大きさ、電荷および質量の細胞を含み得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、細胞の大きさ、電荷および質量を含めた特徴に基づき、本明細書に開示されるバイオリアクタ内の様々な位置に細胞を分離することができる。いくつかの実施形態では、細胞の大きさ、電荷および質量を含めた特徴に基づき、本明細書に開示されるバイオリアクタ内の様々な位置に細胞を維持する。
当業者には、細胞の大きさが細胞のタイプに応じて異なることが理解されよう。例えば、赤血球は直径が約６～８ｍｍであり、Ｔリンパ球は直径が約９～１２ｍｍであり、間葉系幹細胞（ＭＳＣ）は直径が約１５～２１ｍｍであり、マクロファージは直径が約５０ｍｍである。体積も細胞間で大きく異なり得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタシステムは、流速を調節することによって血液細胞を分離するのに使用するよう構成されている。
いくつかの実施形態では、流速は約０．０１ｍｍ／分～５０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約０．０１ｍｍ／分～０．１ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約０．１ｍｍ／分～１．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約１．０ｍｍ／分～２．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約２．０ｍｍ／分～３．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約３．０ｍｍ／分～４．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約４．０ｍｍ／分～５．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約５．０ｍｍ／分～１０．０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約１０ｍｍ／分～１５ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約１５ｍｍ／分～２０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約２０ｍｍ／分～２５ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約２５ｍｍ／分～３０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約３０ｍｍ／分～３５ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約３５ｍｍ／分～４０ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約４０ｍｍ／分～４５ｍｍ／分の範囲を含む。いくつかの実施形態では、流速は約４５ｍｍ／分～５０ｍｍ／分の範囲を含む。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ内の流速は、バイオリアクタ内の異なる位置によって異なる（例えば、図１およびそれに付随する説明と代表的な流速を表す矢印３７Ａ、３７Ｂおよび３７Ｃまたは図１３と代表的な流速を表す矢印３７Ａおよび３７Ｃを参照されたい）。
いくつかの実施形態では、細胞集団の大きさ、電荷および／または質量を人為的に変化させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、細胞をビーズとともに培養することができ、細胞がビーズと結合することにより、ビーズと結合していない細胞と比較して質量が大きく形状の異なる細胞－ビーズ複合体が生じる。いくつかの実施形態では、１００％の細胞がビーズと結合する。いくつかの実施形態では、細胞の一部がビーズと結合する。いくつかの実施形態では、少なくとも９０％の細胞、８０％の細胞、７０％の細胞、６０％の細胞、５０％の細胞、４０％の細胞、３０％の細胞、２０％の細胞または１０％の細胞がビーズと結合する。いくつかの実施形態では、１０％未満の細胞がビーズと結合する。
いくつかの実施形態では、ビーズと結合した細胞を最終的な細胞集団の収集から除外する。いくつかの実施形態では、ビーズと結合した細胞は、最終的な細胞集団として収集されることが望まれる細胞である。例えば、一実施形態では、ビーズを加えた後、細胞の亜集団が特定の方法でビーズに結合し、流速を増大させることにより、ビーズと結合していない細胞がビーズと結合した細胞より速い速度で上昇し、それにより未結合の細胞が出口から容器チャンバを出ることができ、結合した細胞は出口より低い位置にとどまる。いくつかの実施形態では、未結合の細胞がバイオリアクタチャンバを出るときにそれを収集する。いくつかの実施形態では、未結合の細胞がバイオリアクタチャンバを出るときにそれを廃棄し、結合した細胞を回収する。
いくつかの実施形態では、ビーズの表面は、抗体、受容体リガンド、炭水化物結合分子、レクチンまたは結合対の構成要素、例えばビオチンを含み得る。いくつかの実施形態では、ビーズの表面は正の表面電荷を含む。いくつかの実施形態では、ビーズと細胞またはその亜集団との結合は可逆性のものである。いくつかの実施形態では、ビーズと細胞またはその亜集団との結合は不可逆性のものである。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、有孔隔壁付近で第二のチャンバ内に開口するよう構成されているか、あるいは有孔隔壁の上面で開口するよう構成されている、１つまたは複数の回収口を含むよう構成されている。第二のチャンバ内に、または有孔隔壁の上面で開口するよう構成されている回収口の非限定的な例を図１（２１）、図２（１２７）、図６Ａおよび図６Ｂ（５２１）、図６Ｃおよび６Ｄ（５３１）、図７（６２７）、図８（７２７）、図９（８２７）、図１０Ａおよび１０Ｂ（９２７）、図１１Ａおよび１１Ｂ（９２７）ならびに図１２Ａおよび１２Ｂ（１１２７）に示す。
いくつかの実施形態では、リアクタまたは有孔隔壁の全体が、細胞の回収を補助するため垂直方向に対してある角度で傾斜可能になるよう構成されている。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで生育させた細胞、微生物またはその産生物の回収は、細胞、微生物またはその産生物を無菌的に回収することを含む。有孔隔壁の非限定的な例を図１（１２）、図７（６１２）、図８（７１２）、図９（８１２）、図１０Ａおよび１０Ｂ（９１２）、図１１Ａおよび１１Ｂ（１０１２）ならびに図１２Ａおよび１２Ｂ（１１１２）に示す。
バイオリアクタのいくつかの実施形態では、有孔隔壁は、固定された（不可動型の）隔壁になるよう構成されている。いくつかの実施形態では、固定された有孔隔壁は、密封状態で容器壁に取り付けられている。いくつかの他の実施形態では、有孔隔壁は、可動型かつ／または傾斜可能な有孔隔壁になるよう構成されている。バイオリアクタのいくつかの実施形態では、固定された有孔隔壁は、平坦な有孔隔壁、バイオリアクタの縦軸に向かってある角度で傾斜した平坦な有孔隔壁、バイオリアクタの上部に面する上面がへこんだ凹形有孔隔壁、先細り形有孔隔壁または円錐状有孔隔壁またはその任意の組合せになるよう構成されている。
バイオリアクタのいくつかの実施形態では、可動型有孔隔壁は、柔軟かつ／または伸縮可能な部材によってバイオリアクタの容器壁に密封状態で取り付けられた可動型有孔隔壁になるよう構成されている。柔軟かつ／または伸縮可能な部材は、有孔隔壁の周囲に密封状態で取り付けられており、かつ容器壁に密封状態で取り付けられている。バイオリアクタのいくつかの実施形態では、可動型有孔隔壁は、変形可能かつ／または柔軟な有孔隔壁、あるいはバイオリアクタの上部に面する上面が突起した凸型の曲がる有孔隔壁になるよう構成されている。
当業者には、「密封状態で」という用語およびその様々な文法上の形態が、いかなる種類の物質も穿孔を通らない限り隔壁を通って流れることはない隔壁と容器壁との間の接着を指すことが理解されよう。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタを含むバイオリアクタシステムは、温度制御システム、生育培地を循環させるポンプ、バイオリアクタと接続可能な諸体積の栄養素のレベルを維持するのに必要な生育培地および／または添加剤および／または物質ならびに／あるいは細胞生育に必要な他の任意の物質を導入するため１つまたは複数の流体リザーバも含むよう構成されている。
様々な酵素、増殖因子、活性化因子、分化因子、洗浄緩衝液、ｐＨ調節剤、溶存酸素調節剤、栄養素または他の任意の必要な物質もしくは化合物を含めた細胞の生育および／または維持、洗浄および／または増殖および／または分化および／または活性化および／または回収のための剥離のいずれかの段階に必要な他の物質も、そのような流体リザーバから加えることができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ内の細胞と共培養する、またはこれを活性化するため、生細胞を加えることもできる。いくつかの実施形態では、細胞産生物または微生物産生物の誘導および／または誘導の維持に必要な他の物質もバイオリアクタ内の培地に加えることができる。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタシステムは、バイオリアクタの稼働を制御する、バイオリアクタの様々な異なる弁を開閉する、ポンプおよび／または様々な異なる弁を制御することによってバイオリアクタを通る生育培地またはその他の流体の流れを制御するための制御部も含むよう構成されている。当業者には、本明細書で使用される「流速（ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）」という用語が、全く同じ意味および特徴を有する「流速（ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）」と互換的に使用され得ることが理解されよう。当業者には、本明細書で使用される「穿孔」という用語が、全く同じ意味および特徴を有する「孔」と互換的に使用され得ることが理解されよう。
いくつかの実施形態では、流速は、本明細書に開示されるバイオリアクタで培養する細胞の密度に直接的または間接的に影響を及ぼす。いくつかの実施形態では、極めて高密度の細胞培養物を培養するため小さい流速を用いる。
いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタシステムおよびバイオリアクタは、生育培地中の生育培地内の様々な物理的および／または化学的パラメータ（例えば、温度、ｐＨ、グルコース濃度、溶存酸素濃度、溶存二酸化炭素またはＨＣＯ３ －イオンの濃度、乳酸塩濃度およびイオン強度）をモニターおよび／または調節する制御部と適切に接続された１つまたは複数のセンサも含むよう構成されており、上記のパラメータはいずれも、バイオリアクタおよび／またはバイオリアクタのヘッドスペース内で、ならびに／あるいはバイオリアクタと接続可能な流体リザーバ内で、ならびに／あるいは様々な入口または出口で検知、モニターおよび制御される。いくつかの実施形態では、センサは、バイオリアクタで生育させる細胞または微生物によって合成された産生物を検知するよう構成されている。いくつかの実施形態では、上記の特徴の一部の制御は、生育培地の混合を必要とするものであり得、混合は流体リザーバで実施され得る。
特に明記されない限り、本明細書で使用される技術用語および／または科学用語はいずれも、バイオリアクタおよびそのシステムに関する分野の当業者が一般に理解するものと同じ意味を有する。図１～１６およびそれに付随する説明により、バイオリアクタおよびそのシステムの実施形態が多数提供される。当業者には、本明細書に記載されるものと類似した、または同等の他の方法および材料を本明細書に開示される実施形態の実施または検証に使用し得ることが認識されよう。さらに、材料、方法および例は、単に例示的なものであり、必ずしも限定することを意図するものではない。
本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムの諸実施形態の方法および／またはシステムの実施は、選択した作業を手動で、自動で、またはそれを組み合わせて実施または完遂することを含み得る。さらに、本明細書に開示される方法および／またはシステムの諸実施形態の実際の機器および設備に応じて、いくつかの選択した作業を、オペレーティングシステムを用いて、ハードウェアにより、ソフトウェアにより、もしくはファームウェアにより、またはその組合せにより実施し得る。
例えば、いくつかの実施形態による選択した作業を実施するハードウェアは、チップまたは回路として実装され得る。ソフトウェアとして、いくつかの実施形態による選択した作業は、任意の適切なオペレーティングシステムを用いてコンピュータにより実行される複数のソフトウェアの命令として実施され得る。
一実施形態では、本明細書に記載される方法および／またはシステムによる１つまたは複数の作業を、複数の命令を実行するコンピュータプラットフォームなどのデータ処理装置によって実施することができる。任意選択で、データ処理装置は、命令および／またはデータを保存する揮発性メモリならびに／あるいは不揮発性記憶装置、例えば、命令および／またはデータを保存する磁気ハードディスクおよび／またはリムーバブルメディアを含む。任意選択で、ネットワーク接続も備える。任意選択で、ディスプレイおよび／またはキーボードもしくはマウスなどのユーザ入力装置も備える。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による有孔隔壁を有するバイオリアクタを含むバイオリアクタシステムを示す部分横断面概略図である図１を参照する。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステム５０は、バイオリアクタ１０と、ポンプ４と、制御部３０と、生育培地リザーバ２０とを含む。
ポンプ４は、当該技術分野で公知であり、ポンプの入口で受け取った生育培地などの流体を受け取り、それを生育培地の無菌性を損なわずに制御可能なポンプ流量でポンプの出口から送り出すことが可能な任意のタイプの流体ポンプであり得る。例えば、ポンプ４は、可変流速蠕動ポンプ、例えば、Ｗａｔｓｏｎ－Ｍａｒｌｏｗ ｆｌｕｉｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙグループ（イギリス）から市販されているモデル５３０プロセスポンプまたはその他の当該技術分野で公知の適切なタイプのポンプなどであり得る。
バイオリアクタ１０は、底部１０Ｂと上部１０Ｃとを有する、バイオリアクタ壁１０Ａを有する。図１に示されるバイオリアクタの実施形態では、バイオリアクタ１０は、ねじ式カバー１０Ｄが密封状態でねじ込まれたねじ式開口部１０Ｅを有する、上部１０Ｃを含む。カバー１０Ｄは、（任意選択で）中に１つまたは複数の開口部、例えば、センサユニット２２がバイオリアクタ１０の壁１０Ａの内側に取り囲まれた容積内に密封状態で挿入されるよう構成されている開口部１０Ｆなども有するよう構成されている。いくつかの実施形態では、ねじ式開口部１０Ｇは、使用しないときにねじ式密封キャップ１０Ｈによって密封されるよう構成されている。バイオリアクタカバー１０Ｄは、（任意選択で）いくつかの追加の密封可能な開口部（図１には示されていない）を含むよう構成されており、これらの開口部は、中に追加のセンサ（図１には示されていない）、またはその他の必要な装置、例えば加熱ユニット（図示せず）、酸素添加ユニット（図示せず）、温度計（図示せず）など、あるいはバイオリアクタ１０の稼働のための、ならびに／あるいはバイオリアクタ１０の内容物および／または試料採取およびバイオリアクタ１０の内容物への物質の導入が可能な口のモニタリングのための任意の他の装置を挿入するのに使用するよう構成されている。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１０は、当該技術分野で公知の任意の適切な生体適合材料、例えば、適切に生体適合性のあるプラスチック系またはポリマー系の材料などでできたものであり得る。いくつかの実施形態では、リアクタ１０は、操作者がバイオリアクタ１０の内容物を見ることができるよう透明な材料でできている。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１０の構築に使用し得る材料の非限定的な例としては、特に限定されないが、ポリスチレン、ステンレス鋼、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホンおよび様々なタイプのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）プラスチック、例えばＲｕｌｏｎ（登録商標）が挙げられる。いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるバイオリアクタの構築に使用する材料は、摩擦係数が小さいこと、耐摩耗性に優れていること、ガンマ線滅菌されていること、稼働温度の範囲が広いこと、もしくは化学的に不活性であること、またはその任意の組合せに基づき選択される。
バイオリアクタ１０は、バイオリアクタ１０の壁１０Ａに密封状態で取り付けられている有孔隔壁１２をさらに含む。有孔隔壁１２は、バイオリアクタ１０の内側に取り囲まれた容積を第一の（下の）チャンバ１４Ａと第二の（上の）チャンバ１４Ｂとに分ける。有孔隔壁１２は、中に複数の穿孔を有する材料でできている。有孔隔壁１２内に形成されている穿孔の平均直径は、生育培地２に懸濁している細胞３（または微生物）は有孔隔壁１２の穿孔内に侵入することができないが、生育培地２は穿孔内に流入して中を通ることができるよう選択される。有孔隔壁１２は、細胞（または微生物）隔壁として稼働すると同時に、生育培地２は流動して通過させる。いくつかの実施形態では、有孔隔壁１２の構築は、培地の流動を調整するようにも構成されている。いくつかの実施形態では、調整は、細胞塊３に向かって上側のチャンバ全体に流動する培地の流れの直線性および均一性を向上させることを含む。
有孔隔壁１２は、任意の適切な有孔生体適合材料、例えば、選択した穿孔平均穿孔（または孔）直径を有する適切な生体適合性のプラスチック系またはポリマー系材料などでできたものであり得る。有孔隔壁１２の厚さおよび強度ならびに有孔隔壁１２に選択する有孔材料のタイプは、例えば、バイオリアクタ１２で生育させる細胞または微生物の大きさの平均値、バイオリアクタを通る生育培地２の所望の流速、第一のチャンバ１４Ａ内の生育培地の許容可能な最大圧力レベル、またはバイオリアクタの設計で実施する細胞もしくは微生物の回収方法、あるいはその任意の組合せに左右され得る。例えば、のちに詳細に説明するように（例えば、図７～８を参照されたい）有孔隔壁が柔軟なものである必要がある場合、より薄い有孔隔壁を使用に選択し得る。いくつかの実施形態では、有孔隔壁を作製することができる材料のタイプとしては、特に限定されないが、硝酸セルロース、酢酸セルロース、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、疎水性ＰＴＦＥ、親水性ＰＴＦＥ、脂肪族ポリアミドまたは半芳香族ポリアミド（例えば、Ｎｙｌｏｎ（登録商標））、ポリカルボナート、ポリスルホン、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、ポリビニリデン、ステンレス鋼および再生セルロースが挙げられる。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁１２の厚さは、０．５～５．０ミリメートルの範囲内であり得る。他の実施形態では、用途、有孔隔壁を作製する材料の機械的特性、有孔隔壁の総表面積および形状ならびにその他の考慮事項に応じて、さらに薄い有孔隔壁を使用し得る。他の実施形態では、用途、有孔隔壁を作製する材料の機械的特性、有孔隔壁の総表面積および形状ならびにその他の考慮事項に応じて、さらに厚い有孔隔壁を使用し得る。
バイオリアクタ１０は、生育培地２をポンプで第一のチャンバ１４Ａ内に送り込むことができる流体入口１６を有する。流体入口１６は、バイオリアクタシステム５０のポンプ４からの圧力下で生育培地２を受け取るよう構成されている。流体入口１６に入る生育培地は、第一のチャンバ１４Ａ内に配設された流体攪拌翼１８内に入ることができる。（任意選択の）流体攪拌翼１８は、中に複数の孔１８Ｐを有する中空円盤状有孔部材になるよう構成されている。
流体攪拌翼１８は、入口１６から生育培地２を受け取り、生育培地２を複数の穿孔１８Ｐから生育培地の複数のジェット１９の形で分散させて、入口１６に入る生育培地２とチャンバ１４Ａ内に配設された生育培地２との混合を促進するよう構成されている。図１に示される流体攪拌翼１８の具体的構造は、流体攪拌翼の１つの実施形態であって、絶対的なものではないことが留意される。ピンチブレードまたは船舶タイプなどの攪拌翼タイプを含めた当該技術分野で周知の様々な形状、構造、寸法ならびに孔および／またはノズルの使用を有する他の多くの様々なタイプの流体攪拌翼／分散機を使用することができる。
いくつかの実施形態では、システム５０を稼働させる際に、細胞（または微生物）を生育培地に懸濁させ、開口部１０Ｅから、またはカバー１０Ｄの開口部１０Ｇ（のちにキャップ１０Ｈで密封することができる）から懸濁細胞を挿入することによってバイオリアクタ１０の第二の（上の）チャンバ１４Ｂ内に入れる。あるいは、懸濁液細胞を任意の他の適切な口、例えば、第二のチャンバ１４Ｂ内の有孔隔壁１２の表面１２Ａの直上に開口している回収口２１などから第二の（上の）チャンバ１４Ｂ内に挿入することができる。生育培地２を流体攪拌翼１８によってチャンバ１４Ｂ内に注入することにより、第一のチャンバ１４Ａ内の生育培地２の圧力が増大し、生育培地２が有孔部材１２の穿孔を通過して第二のチャンバ１４Ｂ内に入り、第二のチャンバ１４Ｂ内に保持された生育培地２に懸濁している細胞塊３を効率的に灌流する。生育培地２が第二のチャンバ１４Ｂ内まで上昇して流体出口２６のレベルまで達し、そこでバイオリアクタ１０から排出され、導管２８によってポンプ４まで運ばれ、そこで入口１６からバイオリアクタ１２内に再循環される。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１０は一般に円錐台形である。底部１０Ｂの直径は上部１０Ｃの直径より小さく、壁１０Ａは傾斜している。バイオリアクタが円錐台形であるため、バイオリアクタ内の生育培地が上方に（上部１０Ｄに向かって）移動するにつれてバイオリアクタの直径が大きくなる。
ポンプ４が生育培地を一定の流速で入口１６に押し込むと、有孔隔壁１２の表面１２Ａに隣接する生育培地２の流速が上部１０Ｄ付近の生育培地の流速より速くなり、それによりバイオリアクタ１０の縦軸３５に沿って流体流動速度の勾配が確立される。この流速勾配は、実線矢印３７Ａ、３７Ｂおよび３７Ｃの長さと太さにより模式的に示される。矢印３７Ａが表す流速は矢印３７Ｂが表す速度より大きく、矢印３７Ｂが表す流速は矢印３７Ｃが表す流速より大きい。
懸濁細胞３は、（比重が生育培地２の比重より大きい）細胞３が細胞３に作用する重力によって下方に移動し表面１２Ａ上に沈殿する傾向と反対に作用して上方に移動する生育培地２の流れによって上方に運ばれる。このため、第二のチャンバ１４Ｂに含まれる生育培地２の容積内の細胞が十分に懸濁するよう生育培地の流速を制御し調節して、細胞３が有孔隔壁１２の表面１２Ａ状に沈殿するのを回避すると同時に、生育培地２に懸濁している細胞３の大部分をチャンバ１４Ｂ内の生育培地２の上面２Ａより十分に低いある領域にとどめ、流体出口２６に入る細胞の数を最小限に抑える、または十分に抑える（これにより細胞３の損失が大幅に抑えられる）ことができる。いくつかの実施形態では、出口２６は、細胞または微生物がバイオリアクタから出るのを防止するよう構成された有孔隔壁またはフィルタ（図示せず）を含む。いくつかの実施形態では、第二のチャンバ１４Ｂを通る生育培地２の流速は、細胞３に有害であり得る大きいずり応力を回避できる程度に小さいものである。
バイオリアクタ１０を通る生育培地２の適切な流速が確立されると、ポンプ４が、流体出口２６を出て流体入口１６を通りバイオリアクタ内に戻る任意の生育培地２を送り出すことにより、生育培地２をバイオリアクタ１０の体積の中で閉じたループの形で再循環させる。細胞生育期間中、生育培地２に新たな栄養素を添加する（細胞内への吸収による枯渇を補う）か、あるいは生育培地２中に活性化物質または任意の他の添加物もしくは物質を添加する必要が生じた場合、いくらかの新鮮な生育培地２をシステム５０の培地リザーバ２０から培地管（３８）を通して流すことによりこれを実施することができる。
培地リザーバ２０は、適切な中空導管３８によってポンプ４の入口４Ａと接続されるよう構成されている。流体リザーバ２０からポンプ入口４Ａへの生育培地の流動が制御できるように、適切な制御可能な弁（または活栓）３９が導管３８とポンプ入口４Ａとの間に取り付けられるよう構成されている。弁３９は、制御可能に閉じて流体リザーバ２０からポンプ入口４Ａへの供給流体を停止させるよう構成されているか、開けて流体リザーバ２０からポンプ入口４Ａへの供給流体を可能にして培地の更新および高密度細胞培養を可能にするよう構成されている。
いくつかの実施形態では、流速の調節は、生育および増殖させる細胞の密度と関係がある。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタで細胞を高密度で培養するには、極めて小さい流速にする。いくつかの実施形態では、細胞を生育させる培地の稼動体積を小さくし、流速も同じく小さくして、細胞の高密度培養の維持を可能にする。ある特定の実施形態では、このように稼動体積が小さくし、流速が小さくすることにより、収率を高め、培地の必要量を減らすことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタおよびその使用方法は、細胞または生物体の高密度培養を達成して維持し、それにより収率を高め、培地の必要量を減らすことができることから、当該技術分野で公知の他のバイオリアクタよりも有利である。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタは、小さい物理的設置面積を含み、バイオリアクタの大きさが最小限に抑えられ、それにより培地の使用量が抑えられる。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１０は、（任意選択で）バイオリアクタの底部１０Ｂで開口している追加の出口２７も含むよう構成されている。出口２７は、必要に応じてバイオリアクタ１０の第一のチャンバ１４Ａからある量の生育培地２を排出できるよう構成された弁（または活栓）２５を含む。例えば、流体リザーバ２０からある量の新たな生育培地２をバイオリアクタ１０に加える場合、バイオリアクタ１０から同程度の生育培地を流出させて、第二のチャンバ１４Ｂ内の生育培地２のレベルを元に戻すことができる。
いくつかの実施形態では、細胞回収の際に細胞３を濃縮するため、第二のチャンバ１４Ｂ内の生育培地２の総体積を減少させるのが望ましい場合、生育培地２をバイオリアクタ１０から出口２５を通して流出させることもできる。このような細胞濃縮を実施する場合、細胞３は有孔隔壁１２を通過することができないため濃縮されることから、第二のチャンバ１４Ｂの下部に残る体積が少なくなった生育培地２は（生育培地１ｍｌ当たりの細胞数で表した）細胞数が多くなる。次いで、チャンバ１４Ｂ内に濃縮されて残った細胞３の懸濁液を、図１に示されるように弁（または活栓）２３を含むよう構成された回収口２１から回収することができる。
いくつかの実施形態では、有孔隔壁１２が詰まるのを防止するため、出口１２６Ａ～１２６Ｄ（のちに詳細に記載する）のうち少なくとも１つの出口から生育培地の大部分を排出することができ、出口２５からは最小限の体積の生育培地のみを排出し得る。
上に開示したように、流体リザーバ２０内に保持されている生育培地２内に任意の所望の添加剤および／または物質を導入し、このような物質および／または添加剤を含むある量の生育培地２をチャンバ１４Ａに流入させることにより、このような物質および／または添加剤をバイオリアクタ１０内の導入することができるが、適切に濃度の高い物質および／または添加剤を含む比較的少量の流体または生育培地をバイオリアクタ１０の任意の適切な開口部または入口からバイオリアクタ１０内に導入し、加えた少量と、リアクタ内を循環している量の生育培地２とを所望の濃度に達するまで混合することにより、そのような物質および／または添加剤をバイオリアクタ内に直接導入することも可能であることが留意される。例えば、キャップ１０Ｈを一時的に取り外し、開口部１０Ｇを再び密封することにより、開口部１０Ｇからこのような添加剤および／または物質を含む少量の流体または生育培地を導入することができる。
いくつかの他の実施形態では、キャップ１０Ｈは、当該技術分野で公知であり注射用液製剤の入ったボトルによく用いられるゴム、ラテックスまたはその他の適切な密封材料でできた貫通可能な密閉隔膜（図１には詳細に示されていない）を含むよう構成されており、滅菌針を有する無菌シリンジ内に物質および／または添加剤を含む少量の流体を充填することができ、この場合、その針がキャップの密封隔膜を貫通するまで密封隔膜に押し込まれるよう構成されており、次いで、当該技術分野で公知のように、シリンジの内容物を第二のチャンバ１４Ｂ内の生育培地２に注入することができ、注入器の針を密封膜から引き抜くことができる。この方法は、任意の望ましくない微生物による生育培地の汚染のリスクが低下する点で有利であり得る。さらに、キャップ１０Ｈは、ワンウェイシールを備え深さがあり生育培地２に接する管を有し、無菌状態で培地の試料採取ができるよう構成されている。
いくつかの他の実施形態では、キャップ１０Ｈは、フィルタ（図１には示されていない）を含むよう構成されている。キャップのフィルタは、空気がヘッドスペース（バイオリアクタの上部１０Ｃと培地の表面との間の空間）まで流れることができるよう構成されているか、またはヘッドスペースの圧力を減少させるためのものである。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステム５０は、システムの稼働のモニタリングに制御部３０およびセンサユニット２２を使用するよう構成されている。センサユニット２２は、１つのセンサまたは複数のセンサ（図を分かりやすくするため、図１には個々のセンサを記載していない）を含むよう構成されており、このセンサは、例えば、生育培地２に浸っているセンサユニット２２の末端部分２２Ａを介して、または出口（１２６Ａ～１２６Ｄ）のうち少なくとも１つの出口を介して、または回収口（２１）を介して、または入口（１１６）を介して、または出口（２７）を介して、または側壁（１０Ａ）を介して、またはその任意の組合せにより、複数の位置に配設され得る。センサユニット２２のセンサ（１つまたは複数）を用いて、生育培地２内の複数の化学種の濃度、例えばＨ＋イオン濃度（生育培地２のｐＨを求めるため）、生育培地２中の溶存酸素濃度、生育培地２中の溶存二酸化炭素または生育培地２中のＨＣＯ３ －イオンの濃度、グルコース濃度、乳酸塩濃度およびイオン強度などを求めることができる。このような１つまたは複数のセンサは、壁を貫通する必要のない光学的検知を用いる使い捨てセンサであり得、また１０Ａに位置し液体に接するものであり得る。いくつかの実施形態では、センサユニット２２のセンサは、生育培地２の物理的パラメータ、例えば、特に限定されないが、生育培地２の温度および／または濁度および／または吸光度ならびに／あるいは生育培地２の任意の他の所望の物理的パラメータ、例えば伝導率、キャパシタンス、圧力、流速、粘度、濁度およびその他のものなどを検知するセンサであるようにも構成されている。
いくつかの実施形態では、センサが検知したいずれかの化学的パラメータおよび／または物理的パラメータを示すセンサユニット２２からのシグナル（１つまたは複数）を適切な導電体（または導体対）２２Ｂにより制御部３０に送り込むことができる。制御部３０は、当該技術分野で周知のように、このようなセンサシグナルを処理して、検知されたパラメータの値を求めるよう構成されている。
いくつかの実施形態では、制御部３０は、１つまたは複数の処理装置、例えばマイクロプロセッサもしくはマイクロコントローラもしくはデジタルシグナルプロセッサ、パーソナルコンピュータまたは受け取ったシグナルを処理するための任意の他の適切な手段など、ならびに求めたセンサデータおよびバイオリアクタの稼働歴（特に限定されないが、システム５０稼働時のバイオリアクタ１０を通る生育培地２の流速、流体リザーバ２０からの生育培地の導入時間および体積、添加した任意の他の物質または添加剤の導入時間および体積を含む）をすべてオフラインまたはオンラインで提示する目的であらゆる計算データを保管するための当該技術分野で公知の任意のタイプの記憶装置であるよう構成されているか、あるいはこれを含むよう構成されている。
いくつかの実施形態では、制御部３０は、処理結果および任意の検知パラメータの値をシステム５０の操作者または使用者に表示する当該技術分野で公知の任意のディスプレイ装置も含むよう構成されている。制御部３０は、システム５０の使用者または操作者が制御部３０にデータおよび／または適切なコマンドを入力するのに使用するよう構成された１つまたは複数のユーザインタフェース装置（特に限定されないが、マウス、ライトペン、ポインティング装置、キーボード、タッチセンサ式スクリーンまたは当該技術分野で公知の任意の他の入力装置など）も含むよう構成されている。例えば、使用者は、制御部３０に適切なコマンドを入力し、それにより制御部３０とポンプ４とを接続する通信回線２９を介して制御部３０によりポンプ４に送信される適切な制御シグナルを生じさせることにより、バイオリアクタ１０を通る生育培地２の流速を制御することができる。
本願のシステムのいくつかの実施形態では、システム５０の弁２３、２４、２５および３９は、手動で開閉することができる手動弁または活栓になるよう構成されている。いくつかの他の実施形態では、弁２３、２４、２５および３９のうち１つまたは複数のものは、制御部３０から適切なコマンドシグナルを受け取ることによって稼働することができる電動弁になるよう構成されている。
例えば、弁２３、２４、２５および３９のいずれかは、制御部３０によってソレノイドに適切な電圧または電流シグナルを与えることにより制御可能かつ／または自動的に開閉することができる、電動式のソレノイド系弁である。図を分かりやすくするため、制御部３０と弁２３、２４、２５および３９のいずれかとの間に接続されている電線はいずれも、図１には示されていないことが留意される。ただし、このような任意選択の接続が図５の概略図に示されている。
バイオリアクタシステム５０では、第二のチャンバ１４Ｂ内の生育培地２の上面２Ａのレベルが固定されているが、これは絶対的なものではなく、バイオリアクタシステムのいくつかの実施形態では、バイオリアクタ内の生育培地のレベル（高さ）を制御可能に変化させることができることが留意される。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による、バイオリアクタ内の生育培地のレベルを制御可能に調節する複数の流体出口を備えたバイオリアクタを有するバイオリアクタシステムを示す部分横断面概略図である、図２を参照する。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステム１５０は、バイオリアクタ１１０と、上に詳細に開示した制御部３０と、上に詳細に開示したポンプ４と、上に詳細に開示した流体リザーバ２０とを含む。バイオリアクタシステム１５０は、酸素添加システム１６０も含むよう構成されている。バイオリアクタ１１０は、バイオリアクタ１１０について上に詳細に開示したいずれかの材料でできたものであり得る。バイオリアクタ１１０は、バイオリアクタ壁１１０Ａと、底部１１０Ｂと、バイオリアクタ上部１１０Ｃとを有する。いくつかの実施形態では、上部１１０Ｃは、ねじ式センサユニット１２２を密封状態で挿入するためのねじ式開口部１１０Ｆを中に有するよう構成されている。バイオリアクタ１１０Ｄ上部の上部開口部は、キャップ１１０Ｅを用いて効果的に閉じることができ、ここでは、バイオリアクタのヘッドプレート内の開口部の封を１１０Ｇにより示す。
いくつかの実施形態では、センサユニット１２２は、センサユニット１２２の末端１２２Ａを浸すことができる中の生育培地２の任意の所望の化学的特性または物理的特性を検知するため、センサユニット１２２の末端１２２Ａに取り付けられた、またはこれに含まれている任意の数のセンサ（図を分かりやすくするため、図２には個別に示していない）を含むよう構成されている。末端１２２Ａの位置は、末端１２２Ａをバイオリアクタ１１０内の生育培地２にその任意のレベルで浸すことができるように、ねじ式開口部１１０Ｆの中でセンサユニット１２２を上下にねじ込むことによって変化させることができることが留意される。
有孔隔壁１１２は、バイオリアクタシステム１５０のバイオリアクタ１０および有孔隔壁１２について上に詳細に開示したように、有孔隔壁１１２がバイオリアクタ１１０の内容積を第一の（下の）チャンバ１１４Ａと第二の（上の）チャンバ１１４Ｂとに分けるようバイオリアクタ１１０の壁１１０Ａに密封状態で取り付けられている。いくつかの実施形態では、有孔隔壁１１２は、有孔隔壁１２について上に詳細に開示したものと同様の材料（１つまたは複数）でできたものであり得、穿孔の平均の大きさがこれと同様であり得る。
ただし、いくつかの実施形態では、（図１の）バイオリアクタ１０は第二のチャンバ１４Ｂ内に単一の流体出口２６を有するが、バイオリアクタ１１０は、第二のチャンバ１１４Ｂ内の異なる高さに複数の異なる流体出口とそれに対応する弁、例えば、４つの異なる流体出口１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃおよび１２６Ｄを有する。出口１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃおよび１２６Ｄは、第二のチャンバ１１４Ｂの長さに沿って異なる位置に配設されており、流体出口１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃおよび１２６Ｄはそれぞれ、それに取り付けられた対応する弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃおよび１２４Ｄ（それぞれ）を有する。弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃおよび１２４Ｄは、ポンプ４と流体接続された共通の流体マニホールド１２８と流体接続されている。４つの弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃおよび１２４Ｄが異なる位置に配置されていることにより、生育培地２のレベルを図２の破線Ａ、ＢおよびＣならびに線Ｄによって概略的に示される４つの異なるレベルから選択することが可能になる。
いくつかの実施形態では、（図２に示されるように）弁１２４Ｄが開いており、弁１２４Ａ、１２４Ｂ、１２４Ｃが閉じている場合、生育培地２が実線Ｄによって示されるレベルまで達し、流体出口１２６Ｄから第二のチャンバ１１４Ｂを出た生育培地２がマニホールド１２８に入り、生育培地２を送り出すポンプ４によりポンプ出口４Ｂを通って流体入口１１６に入り、流体攪拌翼１８の穿孔１９を通ってバイオリアクタ１１０内に再循環される。
いくつかの実施形態では、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２のレベルを上昇させるのが望ましい場合、弁１２６Ａ、１２６Ｂおよび１２６Ｄを閉じ、弁１２６Ｃを開けることができると同時に、弁３９を一定時間にわたって開けて、生育培地２のレベルが破線Ｃによって示されるレベルに達するまである量の生育培地２をポンプ４によってリザーバ２０から第一のチャンバ１１４Ａ内に送り出し、上記のレベルに達した時点で弁３９を閉じることができ、生育培地２が流体出口１２６Ｃを通って第二のチャンバを出る。
同様に、いくつかの実施形態では、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２のレベルをさらに増大させるのが望ましい場合、弁１２６Ａ、１２６Ｃおよび１２６Ｄを閉じ、弁１２６Ｂを開けることができると同時に、弁３９を一定時間にわたって開けて、生育培地２のレベルが破線Ｂによって示されるレベルに達するまで追加の量の生育培地２をポンプ４によってリザーバ２０から第一のチャンバ１１４Ａ内に送り出し、上記のレベルに達した時点で弁３９を閉じることができ、生育培地２が流体出口１２６Ｂを通って第二のチャンバを出る。
さらに、いくつかの実施形態では、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地のレベルをさらに増大させるのが望ましい場合、弁１２６Ｂ、１２６Ｃおよび１２６Ｄを閉じ、弁１２６Ａを開けることができると同時に、弁３９を一定時間にわたって開けて、生育培地２のレベルが破線Ａによって示されるレベルに達するまで追加の量の生育培地２をポンプ４によってリザーバ２０から第一のチャンバ１１４Ａ内に送り出し、上記のレベルに達した時点で弁３９を閉じることができ、生育培地２が流体出口１２６Ａを通って第二のチャンバを出る。
当業者には、バイオリアクタ１１０が、４つの異なるレベルが可能な４つの流体出口１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃおよび１２６Ｄのレベルを含むが、これは、生育培地２の閉ループ灌流（再循環）時に達成するべき生育培地２に関して絶対的なものではなく、これは、決して絶対的なものであることを意図するわけではないことが理解されよう。むしろ、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態では、バイオリアクタの第二のチャンバ内に開口している出口（およびそれに取り付けられた対応する弁）の数は、上に詳細に開示したように弁を適切に開閉することによって、バイオリアクタの第二のチャンバ内で任意の所望の実際の数の生育培地２レベルが達成されるよう所望に応じて変化させ、（マニホールド１２８に適切な修正を施して弁の必要数を調節することにより）４つより少なく、または多くすることができる。
バイオリアクタの第二のチャンバ内の生育培地２を異なるレベルに設定することが可能であることの利点は、バイオリアクタ内で生育させることができる細胞（または微生物）の数を必要に応じて増加（または減少）ために、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２の総体積を（それぞれ）増加または減少させることが可能になるという点にある。この機序によって、細胞を高密度で培養し、細胞の増殖に伴い培地および栄養素の更新を適合させて、継代およびディッシュ／容器交換の必要性を軽減または除去することが可能になる。
いくつかの実施形態では、様々な高さにありその対応する弁を有する複数の異なる流体出口の少なくとも一部は、流体入口としても構成されている。いくつかの実施形態では、複数の異なる流体出口／入口は、細胞または微生物の一部をバイオリアクタの外へ循環させるよう構成されている。いくつかの実施形態では、細胞を処理するため、細胞または微生物をバイオリアクタの上側のチャンバの外へ循環させることができ、次いで、処理済みの細胞は循環してバイオリアクタ内に再び戻る（図示せず）。いくつかの実施形態では、細胞を例えば、特定の細胞型あるいは例えば特に限定されないが、以前は発現しなかったポリペプチドもしくはそのフラグメントを発現するように、またはポリペプチドもしくはそのフラグメントの発現が増大もしくは減少するように遺伝子が改変された細胞を枯渇させる、または富化することによって選択し得る。いくつかの実施形態では、処理は、特定の遺伝子または遺伝子バリアントの発現が増大または減少するよう細胞を誘導することを含む。遺伝子改変および遺伝子発現制御の方法は当該技術分野で周知である。いくつかの実施形態では、当該技術分野で公知の任意の方法を用いて細胞を形質転換させ（遺伝子改変）し得る。いくつかの実施形態では、当該技術分野で公知の任意の方法を用いて、ポリペプチド発現が改変されるよう細胞を処理する。関連する一実施形態では、細胞塊の現時点のレベル（高さ）に応じて流体出口／入口およびその対応する弁を選択し、細胞塊を循環させる。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１１０が円錐台形であることにより、細胞塊３を穏やかに浮遊させ、細胞塊３の大部分を第二のチャンバ１１４Ｂに含まれる生育培地２の定められた領域内に懸濁した状態で維持して、有孔隔壁１１２の上面１１２Ａに細胞が蓄積する（および／または接着する）のを回避するとともに、生育培地２の再循環に使用する流体出口から出ることによる細胞損失を抑えるため、バイオリアクタ１１０の長さに沿って流体速度勾配を確立することが可能になることが留意される。
いくつかの実施形態では、提供されるバイオリアクタは、培地の（重力方向に逆らう）逆流と圧力の平衡（塊の重力対上流に向かう液体の流動）により、細胞（または微生物）生育塊を浮遊させ、より広い表面まで上昇させるよう構成された逆円錐台形の容器または少なくとも上側のチャンバを含む。さらに、体積流量が一定であるため、逆円錐台形の上方の面積が広い部分にある細胞（または微生物）塊ほど中を流れる培地の流動が緩やかになり、それにより細胞塊が濃縮され、培地の流動によって加わるずり応力が軽減される。
図２の部分縦断面図からわかるように、容器壁１１０Ａが、図１のバイオリアクタ１０の場合と同じようにバイオリアクタ１１０の縦軸１３５に対してある角度で傾斜していることが留意される。いくつかの実施形態では、容器壁１１０Ａが縦軸１３５に対して傾斜するよう構成されている角度は、０～１７５度の範囲内であり得る。ただし、特に具体的用途に応じて、これよりも大きい、または小さい角度を用いることができる。本願のバイオリアクタの壁がすべて傾斜している必要はなく、バイオリアクタの具体的形状によっては、一部の壁のみが傾斜するよう構成されている（例えば、のちの図４Ｉのバイオリアクタを参照されたい）ことが留意される。したがって、破線Ａによって示されるレベルでみるバイオリアクタの横断面の面積は、レベルＤでみる横断面の面積より大きい。
いくつかの実施形態では、第二のチャンバ１１４Ｂ内の縦軸１３５に沿って上方に移動するにつれてバイオリアクタ１１０の横断面の面積が大きくなり、その結果、表面１１２Ａから上部１１０Ｃに向かって上方に移動するにつれて生育培地２の流体速度が徐々に低下するように生育培地２中の流体速度勾配が確立される。
この流体速度勾配は、バイオリアクタ１０について上に詳細に開示したように、細胞３（または微生物）に対して下方に向かって作用する重力と、上方に流動する生育培地２によって細胞にかかる上方向の平均の力との間で均衡がとれる第二のチャンバ１１４Ｂの生育培地２中の区域または領域に細胞または微生物の大部分を懸濁させる補助となる。したがって、バイオリアクタ１１０では、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２のレベル（または高さ）を制御するとともに、（ポンプ流速を制御することによって）生育培地２の流速を制御することが、第二のチャンバ２内の細胞の大部分を懸濁させる区域または領域をより精密に制御することが可能になるという点で有利であり得る。さらに、流速の制御により、細胞に導入されるずり応力を最小限に抑えることが可能になり、細胞の増殖および密度に関連させて培地を最適化および更新し高細胞密度培養を可能にする能力が維持される。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１１０の有孔隔壁１１２は平坦な（平面状の）隔壁である。いくつかの実施形態では、回収口１２７は、バイオリアクタ１１０から細胞を回収するのに使用するよう構成されている。いくつかの実施形態では、回収口１２７は、第一の中空部分１２７Ａと第二の中空部分１２７Ｂとを含む中空部材または管として成形されている。部分１２７Ａは、有孔隔壁１１２に（いくつかの実施形態では有孔隔壁１１２の中央に）密封状態で取り付けられており、有孔隔壁の上面１１２Ａで第二のチャンバ１１４Ｂ内に開口している開口部１２７Ｃを有する。
第二の中空部分１２７Ｂは、第一の中空部材１２７Ａと連続しており、それが第一のチャンバ１１４Ａの容器壁１１０Ａの中を通り容器壁１１０Ａに密封状態で取り付けられるように、中空部材１２７Ａに対してある角度で曲がっている。第二の部分１２７Ｂは、容器壁１１０Ａを出てバイオリアクタ１１０の外側まで延びている。第二の部分１２７Ｂは、バイオリアクタ１１０の外側まで延びている第二の部分１２７Ｂの一部の中に配設された弁（または活栓）１２３を含む。バイオリアクタから細胞３を回収するのが望ましい場合、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２のレベルを低下させて細胞を濃縮することによりこれを実施することができる。
例えば、生育培地２のレベルを線Ｄによって示されるレベルに、あるいは、生育培地をバイオリアクタ１１０の底部１１０Ｂに配設された適切な出口（図２には示されていない）（例えば、図１に示される出口２７または口１２６Ａ～１２６Ｄと同様の出口など）に通して第一のチャンバからさらに排出することによってレベルＤより低いレベルにすることができる。細胞３を濃縮した後、弁１２３を開け、細胞懸濁液を適切な収集容器（図示せず）に受け取ることにより、細胞３が懸濁した生育培地２を回収口１２７を介して回収することができる。
いくつかの実施形態では、弁１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄ、３９および１２３は手動弁（または活栓）であり得るが、バイオリアクタ１１０のいくつかの実施形態では、図１の弁２４、２３、２５および３９に関して上に詳細に開示したように、制御可能かつ／または自動的に操作することが可能なものであり得る。例えば、弁１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄ、３９および１２３のいずれかは、バイオリアクタシステム１５０の制御部３０によって開閉を制御することができる電動式のソレノイド系弁になるよう構成されている（弁を実際にソレノイド系弁とする場合の弁１２６Ａ、１２６Ｂ、１２６Ｃ、１２６Ｄ、３９および１２３のいずれかと制御部３０とを接続する線は、図を分かりやすくするため図２には一切示されていないことが留意される。ただし、このような線の模式図については、のちの図５にさらに詳細に示されている）。いくつかの実施形態では、制御部２０は、図１のセンサユニット２２について上に詳細に開示したように生育培地２の任意の化学的特性および／または物理的特性を検知する任意の数のセンサを含むよう構成されたセンサユニット１２２と、接続線２２Ｂを介して適切に接続されるよう構成されている。灌流時にバイオリアクタ１０の第二のチャンバ１４Ｂ内の生育培地２のレベルが大幅に変化することはないため、センサユニット２２の末端２２Ａの位置は固定されていてよいが、センサユニット１２２は、実質的にセンサユニット２２より長くなるよう構成されており、必要に応じてセンサユニット１２２の末端１２２Ａの位置を変化させて、第二のチャンバ１１４Ｂ内の生育培地２の表面のレベルの任意の変化を調節することができるように実施されるよう構成されていることが留意される。
例えば、センサユニット１２２の長さの相当部分がねじ式であり得、センサユニット１２２が適合する開口部１１０Ｆも内面がねじ式になっており、必要に応じてセンサ１２２を適切に内外にねじ込むことによって第二のチャンバ内の末端１２２Ａの位置を変化させることが可能なものであり得る。あるいは、センサユニット１２２の表面は滑らかなものであってよく、開口部１１０Ｆとセンサユニット１２２の間に密封状態で配設された適切なガスケット（図２には示されていない）内でセンサユニット１２２を適切に密封状態で押す、または引くことによって、センサ１２２の末端１２２Ａの位置を変化させることができる。
いくつかの実施形態では、システム１５０の酸素添加システム１６０は、バイオリアクタ１１０に酸素ガスを供給する酸素供給源１６０Ａと、（任意選択で）第一のチャンバ１１４Ａ内に配設されたガス分散ヘッド１６０とを含むよう構成されている。いくつかの実施形態では、酸素供給源１６０Ａは、ガス弁１６０Ｄを介して、密封状態でバイオリアクタ１１０の壁１１０Ａの中を通過する適切な中空部材１６０Ｃ、例えば適切な中空の柔軟な管などによりガス分散ヘッドと接続されるよう構成されている。あるいは、いくつかの実施形態では、酸素供給源１６０Ａは、適切なガス弁１６０Ｄを介して、壁１１０Ａと一体になった部分として形成されて固定されガス分散ヘッドを適切に取り付けることができる入口と適切に接続されるよう構成されている。
いくつかの実施形態では、ガス弁１６０Ｄは、操作者が手動で開閉させる手動操作式の弁になるよう構成されている。ただし、いくつかの実施形態では、ガス弁１６０Ｄは、制御部３０から適切な電気的コマンドシグナルを受け取ることにより適切に開閉し得るアクチュエータ制御式の弁になるよう構成されていてもよい（図を分かりやすくするため、図２には制御部３０とガス弁１６０Ｄとを接続するコマンドラインが一切示されていないことが留意される）。いくつかの実施形態では、酸素供給源１６０Ａは、当該技術分野で公知の圧縮酸素タンクであり得るが、別法として、当該技術分野で公知の任意のタイプの酸素発生装置、例えば特に限定されないが、電解酸素発生装置、または当該技術分野で公知の他の任意のガス状酸素発生源などであり得る。あるいは、酸素供給源は、相当量の酸素を含有する任意のガス混合物（例えば、空気、酸素と窒素の混合物、酸素と窒素と二酸化炭素の混合物、または生育培地の酸素添加という目的に適した当該技術分野で公知の任意の他の任意の適切なガス混合物など）の発生源であり得る。いくつかの他の実施形態では、液体培地の酸素添加を液体リザーバ２０で実施する。
ガス弁１６０Ｄが開いているとき、酸素供給源１６０Ａの酸素ガスがガス分散ヘッド１６０Ｂの中を通り、酸素を含有する細かい泡の形態で分散され、第一のチャンバ１１４Ａ内を上昇する。ガス分散ヘッド１６０Ｂは、中に穿孔を含み、そこを通過するガスを細かい泡の形態で液体（例えば、生育培地２など）中に分散させることが可能な任意のタイプのヘッドであり得る。例えば、ガス分散ヘッド１６０Ｂは、有孔セラミック材料のブロック、有孔ステンレス鋼のブロック、有孔チタンのブロック、または当該技術分野で公知の任意のタイプの滅菌可能な分散ヘッドであり得る（このようなガス分散ヘッドは、当該技術分野で周知のように、魚の水槽の水に酸素を供給するのに用いられるガス分散ヘッドと類似した構造および操作のものであり得る）。
図２に示される酸素添加システム１６０は、バイオリアクタ１１０の第一の（下の）チャンバ１１４Ａ内の生育培地に直接酸素を供給するものであるが、本明細書に開示されるバイオリアクタまたはバイオリアクタシステムを実践するうえで決して絶対的なものではないことが留意される。例えば、酸素添加システム１６０は、バイオリアクタシステム１５０の他の異なる部分、例えば第二のチャンバ１１４Ｂ、マニホールド１２８もしくは流体リザーバ２０などに酸素を供給する、またはバイオリアクタシステム１５０の２つ以上の部分（例えば、第一のチャンバ１１４Ａと流体リザーバ２０の両方など）に酸素を供給するものであり得る。
あるいは、拡散による酸化を可能にするバイオリアクタ上部１１０Ｃと培地Ｄの表面との間のヘッドスペース内の酸素レベルを制御することにより、培地中の酸素レベルを制御することができる。このことは、システムの所望の部分に酸素分散ヘッド１６０Ｂを設置することによって、またはすべて酸素供給源１６０Ａと適切に接続され、バイオリアクタシステム１５０の任意の選択した部分に配設された、任意の生育培地に酸素を添加するためにそのような部分に配設された酸素分散ヘッドを複数設けることによって実現され得る。このような代替的酸素供給方法はいずれも、本明細書に開示されるバイオリアクタおよび／またはバイオリアクタシステムの諸実施形態の一部に使用されることが企図される。
センサ、例えば溶存酸素センサを（上に挙げた）バイオリアクタの様々な入口および出口に設置することが可能であるため、生育培地中の溶存酸素濃度のモニタリングを任意の時間または処理段階で（継続的に、もしくは現時点で、かつ／またはプログラム可能な、および／または所定の時間間隔で）実施することが可能であることがさらに留意される。したがって、それにより、分散ヘッド１６０Ｂ（またはシステム１５０にこのようなヘッドが存在する場合は複数のヘッド）を通る酸素（または酸素を含有するガス混合物）のガス流速を自動的に調節することによってバイオリアクタ１１０内の生育培地２の酸素添加を自動化し、生育培地中の所望のレベルの溶存酸素を維持することが可能になる。いくつかの実施形態では、リザーバでの培地の酸素レベルを増大させること、および第一のチャンバでの培地の灌流速度を増大させることにより、バイオリアクタ容器での培地の酸素レベルを増大させることができる。
本願のバイオリアクタの形状は図１～２に示される円錐台形に限定されないことが留意される。例えば、バイオリアクタは、特に円錐形、円錐台形、先細り形、円筒形、多角柱形、横断面が楕円形の先細り形、横断面が多角形の先細り形、円筒部分と先細り部分とを有する形状および円錐部分または先細り部分と半球部分とを有する形状を有するよう構成されている。ただし、特に具体的用途および製造上の考慮事項に応じて、バイオリアクタのいくつかの実施形態では他の異なるバイオリアクタの形状も実現され得る。
バイオリアクタのいくつかの可能な例示的形状を図３および図４Ａ～４Ｉに概略的に示す。これより、本願のバイオリアクタのまた別の実施形態による、有孔隔壁を含む円筒形を有するバイオリアクタを含むバイオリアクタシステムを示す部分横断面概略図である図３を参照する。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステム２５０は、バイオリアクタ２１０と、上に詳細に開示した制御部３０と、上に詳細に開示したポンプ４と、上に詳細に開示した流体リザーバ２０とを含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステム２５０は、上に詳細に開示した酸素添加システム１６０も含む。バイオリアクタ２１０は、バイオリアクタ１０および１１０について上に詳細に開示したいずれかの材料でできたものであり得る。バイオリアクタ２１０は、容器壁２１０Ａと、底部２１０Ｂと、バイオリアクタ上部２１０Ｃとを有する。上部２１０Ｃは中に開口部２１０Ｇを有してよく、その開口部を密封するため、開口部の中に自動密閉ガスケット２１１が配設されていてよい。自動密閉ガスケット２１１は、上に詳細に開示したように、細胞または微生物を生育培地または任意の物質もしくは添加剤を含有する任意の他の流体もしくは溶液に懸濁させたものをバイオリアクタ２１０内に導入するために針（図３には示されていない）で密閉可能に貫通できるものであり得る。
バイオリアクタの無菌性を損なわずに細胞懸濁液または微生物懸濁液を通過させてバイオリアクタの第二のチャンバ内に注入できるようにバイオリアクタの壁または上部に配設された任意の適切な一方向弁（図３には示されていない）から細胞または微生物をバイオリアクタの第二のチャンバ内に導入してもよいことが留意される。
バイオリアクタの一実施形態では、一方向弁は、細胞または微生物の懸濁液が入った標準的なシリンジの末端に対応するよう成形することができるルアーロック様の弁であり得る。このような一方向弁の使用は、弁のオリフィスを懸濁液がバイオリアクタ内に注入される際に細胞に影響を及ぼすずり応力を軽減できる程度の大きさにすることができるため、有利であり得る。本願のいずれかのバイオリアクタは、このような開口部（１つまたは複数）、自動密閉ガスケット（１つまたは複数）および一方向弁（１つまたは複数）を任意に組み合わせたものを有するよう構成されていることが留意される。
いくつかの実施形態では、容器壁２１０Ａは、ねじ式センサユニット２２２を密封状態で通して挿入する開口部２１０Ｆを有するよう構成されている。センサユニット２２２は、図２のセンサユニット１２２に関して上に詳細に開示したように、生育培地２任意の所望の化学的または物理的特性を検知するためセンサユニット２２２に取り付けられた、またはセンサユニット２２２に含まれる任意の数のセンサ（図を分かりやすくするため、図３には個々に示していない）を含むよう構成されている。
いくつかの実施形態では、図１のバイオリアクタ１０およびバイオリアクタシステム５０の有孔隔壁１２について上に詳細に開示したように、バイオリアクタ２１０の容器壁２１０Ａには、有孔隔壁２１２がバイオリアクタ２１０の内容積を第一の（下の）チャンバ２１４Ａと第二の（上の）チャンバ２１４Ｂとに分けるように、有孔隔壁２１２が密封状態で取り付けられている。有孔隔壁２１２は、有孔隔壁、例えば図１の１２について上に詳細に開示したものと同様の材料でできたものであり得、また穿孔の大きさの平均値がこれと同様のものであり得る。ただし、（図１の）バイオリアクタ１０は第二のチャンバ１４Ｂ内に単一の流体出口２６を有するが、バイオリアクタ２１０は、個々の出口と弁（図示せず）とを含む複数の異なる流体出口（図示せず）を第二のチャンバ２１４Ｂ内に含み得る。
いくつかの実施形態では、弁は、ポンプ４と流体接続された共通の流体マニホールド２８０Ａと流体接続されている。図２に示されるように４つの弁が異なる位置に配置されていることにより、生育培地２のレベルを４つの異なるレベルから選択することが可能になる。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタの第二のチャンバ内に開口している出口（およびそれに取り付けられた対応する弁）の数は、上に詳細に開示したように弁を適切に開閉することによって、バイオリアクタの第二のチャンバ内で任意の所望の実際の数の生育培地２レベルが達成されるよう変化させることができる（マニホールド２８０に適切な修正を施して弁の必要数を調節することにより出口の数を４つより少なく、または多くすることができる）。
いくつかの実施形態では、システム２５０の酸素添加システム１６０は、バイオリアクタ１１０に酸素ガスを供給する酸素供給源１６０Ａと、（任意選択で）第一のチャンバ２１４Ａ内に配設されたガス分散ヘッド１６０とを含む。酸素供給源１６０Ａは、ガス弁１６０Ｄを介して、密封状態でバイオリアクタ１１０の壁２１０Ａの中を通過する適切な中空部材１６０Ｃ、例えば適切な中空の柔軟な管などによりガス分散ヘッドと接続されるよう構成されている。あるいは、酸素供給源１６０Ａは、適切なガス弁１６０Ｄを介して、壁２１０Ａと一体になった部分として形成されて固定されガス分散ヘッドを適切に取り付けることができる入口と適切に接続されるよう構成されている。さらに、拡散により生育培地２の酸素添加を可能にする上部２１０Ｃと液体レベルＤとの間のヘッドスペース内の酸素濃度を制御することにより酸素濃度を制御することもできる。いくつかの実施形態では、ｐＨを調節し得る。例えば、ＣＯ２濃度の制御に限定されないが、拡散によりヘッドスペース内のＣＯ２濃度を制御することによってｐＨを制御することができる。
いくつかの実施形態では、ガス弁１６０Ｄは、操作者が手動で開閉させる手動操作式の弁になるよう構成されている。ただし、いくつかの実施形態では、ガス弁１６０Ｄは、制御部３０から適切な電気的コマンドシグナルを受け取ることにより適切に開閉し得るアクチュエータ制御式の弁になるよう構成されている（図を分かりやすくするため、図３には制御部３０とガス弁１６０Ｄとを接続するコマンドラインが一切示されていないことが留意される）。いくつかの実施形態では、酸素供給源１６０Ａは、当該技術分野で公知の圧縮酸素タンクであり得るが、別法として、当該技術分野で公知の任意のタイプの酸素発生装置、例えば特に限定されないが、電解酸素発生装置、または当該技術分野で公知の他の任意のガス状酸素発生源などであり得る。
あるいは、酸素供給源は、相当量の酸素を含有する任意のガス混合物（例えば、空気、酸素と窒素の混合物、酸素と窒素と二酸化炭素の混合物、または生育培地の酸素添加という目的に適した当該技術分野で公知の任意の他の適切なガス混合物など）の発生源であり得る。ガス弁１６０Ｄが開いているとき、酸素供給源１６０Ａの酸素ガスがガス分散ヘッド１６０Ｂの中を通り、酸素を含有する細かい泡の形態で分散され、第一のチャンバ２１４Ａ内を上昇する。ガス分散ヘッド１６０Ｂは、中に穿孔を含み、そこを通過するガスを細かい泡の形態で液体（例えば、生育培地２など）中に分散させることが可能な任意のタイプのヘッドであり得る。
例えば、ガス分散ヘッド１６０Ｂは、有孔セラミック材料のブロック、有孔ステンレス鋼のブロック、有孔チタンのブロック、または当該技術分野で公知の任意のタイプの滅菌可能な分散ヘッドであり得る（このようなガス分散ヘッドは、当該技術分野で周知のように、魚の水槽の水に酸素を供給するのに用いられるガス分散ヘッドと類似した構造および操作のものであり得る）。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による有孔隔壁を含むバイオリアクタの例示的形状をいくつか示す横断面概略図である図４Ａ～４Ｉを参照する。図を分かりやすくするため、図４Ａ～４Ｉの概略図には、バイオリアクタの壁およびそれに含まれる有孔隔壁の一般的形状のみを示し、バイオリアクタの形状を理解するのに重要ではないバイオリアクタまたはバイオリアクタシステムのほかの構成要素（例えば、バイオリアクタの壁の様々な開口部、センサユニット、流体入口、流体出口、排出口、回収口、加熱ユニット、冷却／加熱ユニット、流体攪拌翼、ガス分散ヘッド、弁、ポンプ、制御部、自動密閉ガスケット、流体マニホールドまたは任意の他の構成要素など）の詳細は一切掲載していないことが留意される。当業者には、図４Ａ～４Ｉに掲載されないこのような構成要素がいずれも、本明細書に詳細に開示され図面に示されるように、図４Ａ～４Ｉに概略的に示されるいずれかのバイオリアクタに互いに非排他的な任意の組合せおよび／または順列で含まれ得ることが理解されよう。
さらに、図４Ａ～４Ｉに示される有孔隔壁は平坦な固定された有孔隔壁として示されているが、これは単に例として示されているのであって、図４Ａ～４Ｉに開示される形状を有するいずれかのバイオリアクタは、本願に開示されるいずれかのタイプの有孔隔壁（平坦な、または平坦でない有孔隔壁、固定された有孔隔壁および可動型有孔隔壁、曲がる有孔隔壁ならびに本願に開示される他のあらゆる有孔隔壁形態のいずれかを含む）としても実現され得ることが企図されることが留意される。
図４Ａを見ると、バイオリアクタ３００は、バイオリアクタ３００をバイオリアクタ３００の円筒状部分として成形された第一のチャンバ３０４Ａと、バイオリアクタ３００の円錐台状部分として成形された第二のチャンバ３０４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。したがって、バイオリアクタ３００は、円筒状部分と円錐台状部分とを有する形状を有する。
図４Ｂを見ると、バイオリアクタ３１０は、バイオリアクタ３１０をバイオリアクタ３００の円筒状部分として成形された第一のチャンバ３１４Ａと、バイオリアクタ３００の先細り状部分として成形された第二のチャンバ３１４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。したがって、バイオリアクタ３００は、円筒状部分と先細り状部分とを有する形状を有する。第二のチャンバ３１４Ｂの先細り状の壁３０８は凸型の外表面３０８Ａを有する。
図４Ｃを見ると、バイオリアクタ３２０は、バイオリアクタ３２０をバイオリアクタ３２０の円筒状部分として成形された第一のチャンバ３２４Ａと、バイオリアクタ３２０の先細り状部分として成形された第二のチャンバ３２４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３２０は、円筒状部分と先細り状部分とを有する形状を有する。第二のチャンバ３２４Ｂの先細り状の壁３２８は凹型の外表面３２８Ａを有する。
図４Ｄを見ると、バイオリアクタ３３０は、バイオリアクタ３３０をバイオリアクタ３３０の先細り状部分として成形された第一のチャンバ３３４Ａと、バイオリアクタ３３０の先細り状部分として成形された第二のチャンバ３３４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３３０は先細り形である。バイオリアクタ３３０の先細り状の壁３３８は凸型の外表面３３８Ａを有する。
図４Ｅを見ると、バイオリアクタ３４０は、バイオリアクタ３４０をバイオリアクタ３４０の先細り状部分として成形された第一のチャンバ３４４Ａと、バイオリアクタ３００の先細り状部分として成形された第二のチャンバ３４４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３４０は先細り形である。バイオリアクタ３４０の先細り状の壁３４８は凸型の外表面３４８Ａを有する。
図４Ｆを見ると、バイオリアクタ３５０は、バイオリアクタ３５０をバイオリアクタ３５０の円錐状部分として成形された第一のチャンバ３５４Ａと、バイオリアクタ３００の円錐台状部分として成形された第二のチャンバ３５４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３５０は円錐形である。
図４Ｇを見ると、バイオリアクタ３６０は、バイオリアクタ３６０をバイオリアクタ３６０の円筒状部分として成形された第一のチャンバ３６４Ａと、バイオリアクタ３６０の円筒状部分として成形された第二のチャンバ３６４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３６０は円筒形である。
図４Ｈを見ると、バイオリアクタ３７０は、バイオリアクタ３７０をバイオリアクタ３７０の半球状部分として成形された第一のチャンバ３７４Ａと、バイオリアクタ３７０の円錐台状部分として成形された第二のチャンバ３７４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３７０は、杯に似た形状を有する。
図４Ｉを見ると、バイオリアクタ３８０は、バイオリアクタ３８０を第一のチャンバ３８４Ａと第二のチャンバ３８４Ｂとに分ける、上に開示した有孔隔壁１２を含む。バイオリアクタ３８０は、バイオリアクタ３８０の底部３８０Ｂに対して直角の垂直壁部３８０Ｈ（壁部分３８０Ｈは底部３８０Ｂと９０度の角をなす）と、壁部分３８０Ｈに対してある角度α１だけ傾斜した傾斜壁部３８０Ｅ（破線３８５は垂直壁部３８０Ｈに平行である）とを含む。角は通常、α１＜９０°であり、いくつかの実施形態では、絶対的にα１＜４５°であるというわけではない。
これより、図４Ｉのバイオリアクタ３８０の上面図である図４Ｊを参照する。バイオリアクタ３８０の上部３８０Ｃは、半円状部分３８０Ｅと、２つの真っ直ぐな部分３８０Ｆおよび３８０Ｇと、１つの真っ直ぐな部分３８０Ｈとを有するよう成形されている。バイオリアクタ３８０の底部３８０Ｂ（図４Ｊでは破線３８０Ｂにより概略的に示されている）は、ある形状もしくはその形状に類似した外形、または上部と類似した外形を有し得るが、壁部分３８０Ｅが傾斜しているため断面積が上部３８０Ｃの断面積より小さい。
バイオリアクタ３８０の上部３８０Ｃの形状は、図４Ｊに関して上に開示した通りのものであるが、これは絶対的なものではなく、傾斜壁部または傾斜壁部分を有するバイオリアクタのいくつかの実施形態では、他の異なる形状の上部３８０Ｃおよび底部３８０Ｂを用い得ることが留意される。傾斜壁部と非傾斜壁部とを有するバイオリアクタのいくつかの実施形態では、バイオリアクタの上部および／または底部は、特に限定されないが、半楕円形、半円形、長方形、正方形、台形、多角形、または任意の他の適切な規則的もしくは不規則的形状を含めた任意の他の所望の形状であり得る。
上に開示したバイオリアクタのいくつかの実施形態では、バイオリアクタの横断面が円状であり得るが、本願のバイオリアクタの他の実施形態では、バイオリアクタの横断面が、特に限定されないが、楕円形、多角形、正多角形または任意の他の適切な形状を含めた他の形状を有し得ることが留意される。
さらに、本明細書に開示されるバイオリアクタの一部では、バイオリアクタの縦軸に沿って異なる位置で切り取った異なる横断面が異なる形状を有し得ることが留意される。例えば、図４Ｃに戻ると、直線Ｉ～ＩおよびＩＩ～ＩＩ（ともに縦軸３３５に対して直角である）に沿って切り取った横断面はともに形状が円状であるが、バイオリアクタのまた別の実施形態では、直線Ｉ～Ｉに沿って切り取った横断面は形状が円状であり得、直線ＩＩ～ＩＩに沿って切り取った横断面は形状が楕円状であり得る。
さらに、バイオリアクタのいくつかの実施形態では、バイオリアクタの形状は、円錐形、円錐台形、先細り形、円筒形、多角柱形、横断面が楕円形の先細り形、横断面が多角形の先細り形、円筒部分と先細り部分とを有する形状および円筒部分または先細り部分と半球部分とを有する形状であり得る。
これより、本願のバイオリアクタシステムのいくつかの実施形態によるバイオリアクタシステムの構成要素を示す略ブロック図である図５を参照する。バイオリアクタシステム４００は、バイオリアクタ４１０とポンプ４０４とを含み、バイオリアクタシステムは、Ｎ＋１個の制御可能な弁４２４Ａ～４２４Ｎ（ここでは、Ｎは整数である）およびまた別の制御可能な弁４３９も含み得る。バイオリアクタシステムは、（任意選択の）制御部４３０、（任意選択の）流体リザーバ４２０、（任意選択の）流体攪拌翼４１８、（任意選択の）酸素添加システム４６０および（任意選択の）ヒータ／クーラユニット４７０も含み得る。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるバイオリアクタシステムは、制御部をさらに含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは流体貯蔵をさらに含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは流体攪拌翼をさらに含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは酸素添加システムをさらに含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムはヒータユニットをさらに含む。いくつかの実施形態では、加熱ジャケットまたは任意の与えられたバイオリアクタ周囲の環境（図示せず）により液体培地の加熱がもたらされ得る。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムはクーラユニットをさらに含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは、ヒータユニットとクーラユニットとをさらに含む。いくつかの実施形態では、液体リザーバで液体の温度を制御する（所望の温度に加熱／冷却する）ことができる。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは、出口弁（４２６）への制御シグナルを含む。いくつかの実施形態では、バイオリアクタシステムは、ポンプに対する制御シグナル（４３９Ａ）を含む。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ４１０は、（本願に開示され図面に示されている）複数の流体出口を有し、第一の（下の）チャンバと第二の（上の）チャンバ（第一および第二のチャンバは図５の略ブロック図に詳細に示されていないが、例えば図２に示したものを見ることができる）を含むいずれかのバイオリアクタであり得る。第二のチャンバ（分かりやすくするため、図５の概略図には示されていない）内に開口している複数の流体出口のそれぞれは、Ｎ個の各弁４２４Ａ～４２４Ｎのうちの１つを介して流体マニホールド４２８と流体接続可能である。
いくつかの実施形態では、流体マニホールド４２８は、バイオリアクタ４１０の第二のチャンバから収集した生育培地をポンプ４０４に供給するよう構成されており、ポンプ４０４は、バイオリアクタ４１０の第一のチャンバ内に開口している流体入口４４８からバイオリアクタ４１０の第一のチャンバ内に生育培地を戻すよう構成されている。流体入口４４８は、図２に関して上に詳細に開示したように、（任意選択で）生育培地を（任意選択の）流体攪拌翼４１８に供給するよう構成されている。センサユニット４２２は、センサユニット２２、１２２および２２２（それぞれ図１、２および３）のいずれかに関して上に詳細に開示した通りに実現され得る。
いくつかの実施形態では、流体リザーバ４２０は、上に詳細に開示したように、バイオリアクタ４１０の外部にある流体リザーバであり得、弁４３９を介してポンプ４０４と流体的かつ制御可能に接続されるよう構成されている。Ｎ個の弁４０４Ａ～４０４Ｎはそれぞれ、通信回線４２９Ａ～４２９Ｎそれぞれによって制御部４３０と適切に接続されており、制御部から弁４２４Ａ～４２４Ｎのいずれかを開閉するための制御シグナルを受け取る。弁４３９は、（図１の）弁３９について上に詳細に開示したように、適切な通信回線によって制御部４３０と接続されており、そこから弁４３９を開閉する制御シグナルを受け取って生育培地をリザーバ４２０からポンプ４０４内まで流動させ、そこからバイオリアクタ４１０内に流動させる。
いくつかの実施形態では、ポンプ４０４は、ポンプ４０４の稼働を制御するため、適切な通信回線により制御部４３０と適切に接続されるよう構成されている。例えば、このような制御シグナルは、ポンプをオンまたはオフにすることができ、ポンプ４０４を通る生育培地の流速（またはポンプ４０４による生育培地のポンプ流量）も制御することができる。
いくつかの実施形態では、（任意選択の）ヒータ／クーラ４７０は、バイオリアクタ４１０内の生育培地を加熱または冷却して生育培地の所望の温度を維持するためバイオリアクタ４１０内（いくつかの実施形態では、その第一のチャンバ内）に配設されるよう構成されている。任意選択で、ウォータージャケット（図示せず）もしくはブランケット（図示せず）、または任意の他の制御された温度環境をバイオリアクタの温度制御に使用することができる。
いくつかの実施形態では、センサユニット４２２が温度センサを含む場合、検知された温度を示すシグナルが温度センサから通信回線（１つまたは複数）４２２Ａを通って制御部４３０まで送信され得る。制御部４３０は、温度制御の技術分野で周知のように、このようなシグナルを処理し、ヒータ／クーラ４７０に適切なシグナルを送信して、バイオリアクタ内の所望の温度、設定温度または事前設定温度を維持するよう構成されている。センサユニット４２２内に含まれる任意の他のセンサは、上に詳細に開示したように、（任意選択で）バイオリアクタ４１０内の生育培地について検知された任意の物理的または化学的パラメータを示すセンサシグナルを通信回線（１つまたは複数）４２２Ａから送信するよう構成されている。
いくつかの実施形態では、制御部４３０は、任意の上記のようなセンサシグナルを処理して生育培地の状態を判定するよう構成されており、上に詳細に開示したように、処理済みのものを用いて、状態に関するデータを、またはモニターもしくは検知された任意の物理的もしくは化学的パラメータに関して、制御部４３０に含まれる（任意選択の）ユーザインタフェース４３１に含まれる（任意選択の）ディスプレイユニット（図５には詳細に示されていない）によりバイオリアクタシステム４００の操作者または使用者に表示することもできる。
例えば、センサユニットが、バイオリアクタ４３０内の生育培地に溶解している酸素の量を検知する溶存酸素センサを含む場合、制御部４３０によりセンサシグナルを処理することができ、溶存酸素濃度が所望の設定された、事前に設定された、または所定の値と異なる場合、制御部４３０は、酸素添加システム４６０に制御シグナルを送信して、バイオリアクタ４３０内（またはバイオリアクタシステム４００の具体的実現形態によっては流体リザーバ４２０内）の生育培地中への酸素含有ガスの導入を停止または開始させ溶存酸素レベルを所望のレベルに適切に調節するよう構成されている。
（図１の）制御部３０に関して上に詳細に開示したように、制御部ユニット４３０は、バイオリアクタ４３０または少なくともその稼働機能の一部の稼働を自動的または半自動的に制御するため、適切なソフトウェアによって稼働され得る任意のタイプの適切なプロセッサ（デジタルおよび／またはアナログ）を含むよう構成されていることが留意される。例えば、バイオリアクタ４１０の第二のチャンバ内の生育培地のレベルおよび流速の判定を操作者がユーザインタフェース４３１を用いることにより手動で設定することができ、バイオリアクタの温度および／または生育培地中の溶存酸素濃度の調節を制御部４３０で稼働する適切なソフトウェアによって自動的に制御することができる。同様に、４０４をオフにし、排出弁４２５を開き、次いで、排出弁４２５を閉じ、弁４３９を開き、ポンプ４０４をオンにして、ある量の新鮮な生育培地を第一のチャンバ内にポンプで送り込み、次いで弁４３９を閉じて、バイオリアクタ４１０を通る生育培地の再循環を再開することにより第一のチャンバのある量の生育培地を排出口４２７から周期的に排出することによって、リザーバ４２０からの複数の量の新鮮な生育培地の添加を完全に自動化することができる。リザーバ４３０にこれと同様の方法を用いて培地を更新することができる。
バイオリアクタ内で生育させた細胞または微生物を回収する必要がある場合、回収をバイオリアクタの具体的構造に応じて様々な方法で実施することができる。
バイオリアクタのいくつかの実施形態では（例えば、図１のバイオリアクタ１０などでは）、有孔隔壁は、バイオリアクタの壁および回収に固定され動かないように取り付けられている。このようなバイオリアクタでの細胞の回収は、バイオリアクタの容器壁に配設され、有孔隔壁の上面付近で第二のチャンバ内に開口している１つまたは複数の回収口（例えば、図１の有孔隔壁１２の表面１２Ａ付近で第二のチャンバ１４Ｂ内に開口しているバイオリアクタ１０の単一の回収口２１など）を用いることにより実施することができる。ただし、回収時にバイオリアクタ１０の平坦な表面１２Ａが水平になるため、一部の細胞３が回収口２１の開口部に到達しないことがあり、回収がいくぶん妨げられ得る。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による傾斜可能なバイオリアクタの２つの可能な位置状態を示す部分横断面概略図である図６Ａ～６Ｂを参照する。
図６Ａ～６Ｂのバイオリアクタ５１０は単に線画で概略的に示したものに過ぎず、その回収操作を理解するのに必要な構成要素のみが詳細に示されていることが留意される。傾斜動作および細胞回収を理解するのに必要ないバイオリアクタ５１０のその他の構成要素については、図を分かりやすくするため図６Ａ～６Ｂには示されておらず、図１～５のバイオリアクタまたは本明細書に開示される任意の他のバイオリアクタについて詳細に開示した通りに実現され得る。図６Ａの傾斜可能なバイオリアクタ５１０では、バイオリアクタは、容器壁５１０Ａと、上部５１０Ｃと、底部５１０Ｂとを含む。バイオリアクタ５１０内の空間は、有孔隔壁５１２により第一のチャンバ５１４Ａと第二のチャンバ５１４Ｂとに分けられている。図６Ａ～６Ｄに詳細には示されていないバイオリアクタ５１０の任意の他の構成要素は、図１のバイオリアクタ１０に関して上に詳細に開示した通りのものであり得る。図６Ａでは、バイオリアクタ５１０は、バイオリアクタ５１０の縦軸５３５が垂直である（図６Ａでは、このことは、縦軸５３５が縦軸Ｖと平行になっていることにより示されている）垂直状態にある。バイオリアクタ５１０は回収口５２１と弁５２３とを含む。
図６Ａでは、弁５２３は閉じた状態で示されており、バイオリアクタ５１０は、弁５２５を開くことにより生育培地２の大部分（全部ではない）を第一のチャンバ５１４Ａ内に開口している出口５２７に通してバイオリアクタ５１０から排出した後、回収するべき細胞３が懸濁している少量の生育培地２が入っている状態で示されている。いくつかの実施形態では、排出時、第二のチャンバ５１４Ｂ内に保持されている生育培地２の一部が有孔隔壁の穿孔を下流に向かって通過し第一のチャンバ５１４Ａ内に入り、出口５２７から出るが、細胞３は、有孔隔壁の穿孔を通過できないため第二のチャンバ５１４Ｂ内にとどまる。いくつかの実施形態では、例えば（図２に示される）出口１２６Ａ～１２６Ｄのうちの１つから上側のチャンバに挿入することができる深さのある管（図示せず）が細胞塊濃縮物より上にある限り、そこから排出を実施することもできる。いくつかの実施形態では、出口１２６Ａ～１２６Ｄ（図２に示される）が細胞塊濃縮物より上に位置している限り、そのうちの１つの出口の弁を開くことによって排出を実施することもできる。その結果、第二のチャンバ５１４Ｂ内に残る生育培地２の量が減少することにより第二のチャンバ内の細胞が濃縮される。第二のチャンバ５１４Ｂ内の生育培地２のレベルが十分に減少したとき、弁５２５を閉じることができる。
いくつかの実施形態では、細胞回収を実施するため、傾斜状態のバイオリアクタ５１０を示す図６Ｂに示されるようにバイオリアクタ５１０を傾ける。傾斜状態では、バイオリアクタ５１０の縦軸５３５が垂直方向（図６Ｂの垂直の破線Ｖにより示される）に対してある角度αで傾いている。角度αは、０度＜α＜９０度の範囲内にある任意の好都合な角度であり得る。図６Ｂに示されるように、バイオリアクタ５１０を（例えば、α＝４５度の角度で）傾けた後、弁５２３を開くことにより、懸濁細胞３を試験管５１１などの適切な収集容器内に回収することができる。このような傾斜可能なバイオリアクタの利点は、回収時、収集される細胞の収率が、図１のバイオリアクタ１０などの傾斜不可能なバイオリアクタで実施する回収の収率より高くなり得ることである。図６Ｂ、６Ｃおよび６Ｄは図６Ａのバイオリアクタ５１０の実施形態であることから、図６Ｂ、６Ｃおよび６Ｄの要素のうち図６Ａについて上に記載されているものは、図６Ａのそのような要素と同じ意味および性質を有する。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ５１０（または本願に開示される通りに実現される任意の他のタイプの傾斜可能なバイオリアクタ）の傾斜動作は、当該技術分野で公知の任意の機械的手段により、例えば特に限定されないが、バイオリアクタ５１０を保持する任意の機械的支持構造物（図示せず）内でバイオリアクタを傾けることなどにより実施することができる。さらに、バイオリアクタのほかのいくつかの実施形態では、バイオリアクタ５１０は、中でバイオリアクタ５１０を支えることができるブラケットを傾斜可能に保持する２本の対向するアームを有するフォーク状のガントリー（図示せず）内で傾斜可能に支えられるよう構成されている。容器を垂直にする、または垂直に対して任意の所望の角度で傾けることができるように容器を傾斜可能に保持するこのような機械的構造物は当該技術分野で周知であり、このため、以下で詳細に説明することはない。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による固定され傾斜した有孔隔壁を有するバイオリアクタを示す部分横断面概略図である図６Ｃおよび６Ｄを参照する。
図６Ｃ～６Ｄのバイオリアクタ５５０は単に線画で概略的に示したものに過ぎず、その回収操作を理解するのに必要な構成要素のみが詳細に示されていることが留意される。細胞の回収方法の理解に必要ないバイオリアクタ５５０のその他の構成要素については、図を分かりやすくするため図６Ｃ～６Ｄには示されておらず、図１～２および５または本明細書に開示される任意の他のバイオリアクタについて詳細に開示した通りに実現され得る。
図６Ｃのバイオリアクタ５５０は、容器壁５５０Ａと、上部５５０Ｃと、底部５５０Ｂとを含む。バイオリアクタ５５０内の空間は、有孔隔壁５１２により第一のチャンバ５２０Ａと第二のチャンバ５２０Ｂとに分けられている。図６Ｃおよび６Ｄに詳細には示されていないバイオリアクタ５５０の任意の他の構成要素は、図１のバイオリアクタ１０に関して上に詳細に開示されている。有孔隔壁５２２は、容器壁５５０Ａに密封状態で固定されて取り付けられており、バイオリアクタ５５０の水平面Ｈ（水平面は図６Ｃおよび６Ｄの破線Ｈにより概略的に示されている）に対してある角度βで傾いている。角度βは、０．２度＜β＜４５度の範囲内にある任意の角度であり得るが、特に用途に応じて、この範囲よりも小さい、または大きいその他の角度を用い得る。典型的な用途では、角度βは０．２度＜β＜１５度の範囲内であり得る。
バイオリアクタ５５０は、弁５３３を有する回収口５３１を含む。図６Ｃでは、回収口５３１の弁５３３は閉じた状態で示されており、バイオリアクタ５５０は、生育培地２中に懸濁した細胞３を含むある量の生育培地２が入った状態で示されている。
図６Ｄを見ると、細胞３を回収する必要がある場合、出口５２７の弁５２５を開くことにより生育培地２の大部分（全部ではない）を第一のチャンバ５２０Ａ内に開口している出口５２７に通してバイオリアクタ５５０から排出する。排出時、生育培地２（または細胞３の洗浄に使用する洗浄緩衝液）の大部分が有孔隔壁５２２の穿孔を通過することによって第一のチャンバ５２０Ａ内に流入し、出口５２７から出るが、細胞３は、有孔隔壁の穿孔を通過できないため第二のチャンバ５２０Ｂ内にとどまる。その結果、第二のチャンバ５２０Ｂ内に残る生育培地２の量が減少することにより第二のチャンバ５２０Ｂ内の細胞３が濃縮される。第二のチャンバ５２０Ｂ内の生育培地２のレベルが十分に減少したとき、弁５２５を閉じることができる。
図６Ｄを見ると、バイオリアクタ５５０は、例えば、所望の量の生育培地がバイオリアクタ５５０から排出されるまで出口の弁５２５を開き、次いで弁５２５を閉じることにより、かつ／または深さのある管（上記のもの）および／または第二のチャンバの出口（上記のもの）のうちの１つから第二のチャンバ５２０Ｂから生育培地２の大部分が排出された後に第二のチャンバ５２０Ｂ内に残った少量の生育培地２中に濃縮された細胞３が第二のチャンバ５２０Ｂ内に入った状態で示されている。細胞の回収は、回収口５３１の弁５３３を開け、収集容器５１１と回収口５３１の末端とを接続することによって実施することができる。
これより、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による３つの異なるタイプの非平面状（平坦でない）有孔隔壁を含むバイオリアクタの３つの異なる実施形態を示す部分横断面概略図である図７～９を参照する。図を分かりやすくするため、図７～９の概略図には、単にバイオリアクタの壁の一般的形状ならびにそれに含まれる有孔隔壁および有孔隔壁に付随する回収口の形状のみを示し、バイオリアクタについて示される有孔隔壁の形状を理解するのに重要ではないバイオリアクタまたはバイオリアクタシステムの任意のほかの構成要素（例えば、バイオリアクタの壁の様々な開口部、センサユニット、流体入口、流体出口、排出口、回収口、加熱ユニット、冷却ユニット、流体攪拌翼、ガス分散ヘッド、弁、ポンプ、制御部、自動密閉ガスケット、流体マニホールドまたは任意の他の構成要素など）の詳細は一切掲載していないことが留意される。当業者には、図７から９に掲載されていないこのような構成要素がいずれも、本明細書に詳細に開示され図面に示されるように、図７から９に概略的に示されるいずれかのバイオリアクタに互いに非排他的な任意の組合せおよび／または順列で含まれ得ることが理解されよう。
図７を見ると、バイオリアクタ６１０は容器壁６１０Ａを有し、容器壁６１０Ａには曲面状の有孔隔壁６１２が固定された状態（動かない状態）で密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ６１０内の空間を第一のチャンバ６１４Ａと第二のチャンバ６１４Ｂとに分けている。バイオリアクタ６１０は、弁６２３を含む中空部材である回収口６２７をさらに含む。回収口６２７は、図２の回収口１２７と類似した構造のものである。回収口６２７は、曲面状の有孔隔壁６１２に密封状態で取り付けられており、表面６１２Ａで第二のチャンバ６１４Ｂ内に開口している。
（図２の）回収口１２７について上に詳細に開示したように、回収口６２７は、容器壁６１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ６１０の外に出ている。バイオリアクタ６１０の上部６１０Ｃに面している曲面状の有孔隔壁６１２の上面６１２Ａは凹型であり、このことは、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
図８を見ると、バイオリアクタ７１０は容器壁７１０Ａを有し、容器壁７１０Ａには円錐状の有孔隔壁７１２が固定された状態（動かない状態）で密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ７１０内の空間を第一のチャンバ７１４Ａと第二のチャンバ７１４Ｂとに分けている。バイオリアクタ７１０は、弁７２３を含む中空部材である回収口７２７をさらに含む。回収口７２７は、図２の回収口１２７と類似した構造のものである。Ｈはバイオリアクタ（７１０）の水平面Ｈを表す。
いくつかの実施形態では、回収口７２７は、円錐状の有孔隔壁７１２に密封状態で取り付けられており、表面７１２Ａで第二のチャンバ７１４Ｂ内に開口している。回収口１２７（図２の）について上に詳細に開示したように、回収口７２７は、容器壁７１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ７１０の外に出ている。バイオリアクタ７１０の上部７１０Ｃに面している円錐状の有孔隔壁７１２の上面７１２Ａは円錐状の表面であり、このことは、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
図９を見ると、バイオリアクタ８１０は容器壁８１０Ａを有し、容器壁８１０Ａには先細り状の有孔隔壁８１２が固定された状態（動かない状態）で密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ８１０内の空間を第一のチャンバ８１４Ａと第二のチャンバ８１４Ｂとに分けている。バイオリアクタ８１０は、弁８２３を含む中空部材である回収口８２７をさらに含む。回収口８２７は、図２の回収口１２７の構造と類似したものである。回収口８２７は、先細り状の有孔隔壁８１２に密封状態で取り付けられており、表面８１２Ａで第二のチャンバ８１４Ｂ内に開口している。
回収口１２７（図２の）について上に詳細に開示したように、回収口８２７は、密封状態で容器壁８１０Ａの中を通過してバイオリアクタ８１０の外に出ている。バイオリアクタ８１０の上部８１０Ｃに面している先細り状の有孔隔壁８１２の上面８１２Ａは先細り状の表面であり、このことは、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
上に開示され図１～３、４Ａ～４Ｉ、６Ａ～６Ｂおよび７～９に示されるバイオリアクタはいずれも固定された不可動型有孔隔壁を含むが、本明細書に開示されるバイオリアクタまたはそのシステムの使用を実施するのに絶対的なものではなく、いくつかの実施形態では、バイオリアクタは、可動型の（固定されていない）有孔隔壁または傾斜可能な有孔隔壁を含むよう構成されていることが留意される。
これより、可動型かつ／または傾斜可能な有孔隔壁を有するリアクタのいくつかの実施形態を示す図１０Ａ～１０Ｂ、１１Ａ～１１Ｂおよび１２Ａ～１２Ｂを参照する。図１０Ａ～１０Ｂは、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による変形可能な有孔隔壁を含むバイオリアクタの２つの異なる状態を示す部分横断面概略図である。
図１１Ａ～１１Ｂは、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による曲がる有孔隔壁を含むバイオリアクタの２つの異なる状態を示す部分横断面概略図であり、図１２Ａ～１２Ｂは、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態による傾斜可能な有孔隔壁を含むバイオリアクタの２つの異なる状態を示す部分横断面概略図である。図を分かりやすくするため、図１０Ａ～１０Ｂ、１１Ａ～１１Ｂおよび１２Ａ～１２Ｂの概略図には、バイオリアクタの壁の一般的形状ならびにそれに含まれる可動型の、変形可能な、傾斜可能な、または曲がる有孔隔壁および有孔隔壁に付随する回収口の形状および配置のみを示し、 バイオリアクタについて示される有孔隔壁の形状を理解するのに重要ではないバイオリアクタまたはバイオリアクタシステムの任意のほかの構成要素（例えば、バイオリアクタの壁の様々な開口部、センサユニット、流体入口、流体出口、排出口、回収口、加熱ユニット、冷却ユニット、流体攪拌翼、ガス分散ヘッド、弁、ポンプ、制御部、自動密閉ガスケット、流体マニホールドまたは任意の他の構成要素など）の詳細は一切記載していないことが留意される。当業者には、図１０Ａ～１０Ｂ、１１Ａ～１１Ｂおよび１２Ａ～１２Ｂに掲載されていないこのような構成要素がいずれも、本明細書に詳細に開示され図面に示されるように、図１０Ａ～１０Ｂ、１１Ａ～１１Ｂ、１２Ａ～１２Ｂおよび１３に概略的に示されるいずれかのバイオリアクタに互いに非排他的な任意の組合せおよび／または順列で含まれ得ることが理解されよう。
ここで図１０Ａ～１０Ｂを見ると、バイオリアクタ９１０は容器壁９１０Ａを有し、容器壁９１０Ａには変形可能な有孔隔壁９１２が固定され密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ９１０内の空間を第一のチャンバ９１４Ａと第二のチャンバ９１４Ｂとに分けている。変形可能な有孔隔壁９１２は、上に詳細に開示したように複数の穿孔を含み、上に詳細に開示したように、そこに生育培地２を二方向に（第一のチャンバ９１４Ａから第二のチャンバ９１４Ｂへ、およびその逆方向に）通過させるが、細胞または生物体がそこを通過するのは阻止する。いくつかの実施形態では、有孔隔壁９１２は、細胞または微生物を生育させるのに生体適合性のある材料でできたものであり得、また、有孔隔壁９１２にかかる力によってその形状が変形し得るよう柔軟または変形可能なものである。
バイオリアクタ９１０は、弁９２３を含む中空部材である回収口９２７をさらに含む。回収口９２７は、変形可能な有孔隔壁９１２に密封状態で取り付けられており、表面９１２Ａで第二のチャンバ９１４Ｂ内に開口している。回収口９２７は、容器壁９１０Ａを密封状態で通過してバイオリアクタ９１０の外に出ている。回収口９２７は、第一のチャンバ９１４Ａ内に配設された第一の固定（不可動性）部分（または部）９２７Ａを有する中空部材である。第一の固定部分９２７Ａは、容器壁９１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ９１０の外部に出ている。第一の固定部分９２７Ａは、中に回収口９２７を開閉するための弁９２３を有する。いくつかの実施形態では、回収口９２７は、第一の部分９２７Ａの一端に密封状態で取り付けられた第二の柔軟かつ／または圧縮可能な部分（または部）９２７Ｂをさらに含む。柔軟かつおよび／または圧縮可能な部分９２７Ｂと固定部分９２７Ａは、互いに接続されて、変形可能な有孔隔壁９１２に密封状態で取り付けられた柔軟な部分９２７Ｂの一端で第二のチャンバ９１４Ｂに開口している中空部材を形成し、その表面９１２Ａで開口している。
本願のいくつかの実施形態で開示されている回収口は有孔隔壁の上面で開口しているが、別の実施形態は、有孔隔壁に接続されている末端が薄い密封膜（図示せず）によって閉じられた、または密封された回収口を含み得ることが留意される。このような実施形態では、バイオリアクタの第二のチャンバから細胞を回収するために回収口を使用する必要がある場合、密封膜が、鋭い滅菌ワイヤ状器具を回収口に挿入し密封膜を裂くことにより、または鋭い滅菌器具をバイオリアクタ上部のいずれかの開口部から第二のチャンバの中まで挿入し密封膜を裂くことにより勢いよく開くよう構成されている。当該技術分野で公知のように、このような密封された回収口の密封膜を裂くのに任意の他の機械的または磁気的機序も用い得る。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ９１０は、図１０Ａ～１０Ｂに示されるように、第二の圧縮可能な（または柔軟な部分）９２７Ｂに取り付けられた磁性部材９１５を含む。あるいは、バイオリアクタ９１０のまた別の実施形態では、磁性部材９１５は、変形可能な有孔隔壁９１２に、いくつかの実施形態では有孔隔壁９１２の中央部分付近に取り付けられるよう構成されている（図１０Ａ～１０Ｂには示されていない）。磁性部材９１５は、（任意選択で）永久磁化された材料でできた環状部材のような形状であるよう構成されている。
例えば、磁性部材９１５は、ＦｅＮｄＢ（鉄ネオジムホウ素）永久磁石、サマリウム－コバルト永久磁石または当該技術分野で公知の任意の他の磁性もしくは常磁性材料、例えば鉄などでできたものであり得る。必要に応じて、磁性部材９１５を生体適合材料、例えば生体適合性プラスチック系もしくは任意の適切な生体適合性ポリマー系の材料、生体適合性セラミック層または任意の他の適切な生体適合性で（いくつかの実施形態では）滅菌可能な材料などでコートする、またはこれに包埋することができる。
図１０Ｂを見ると、バイオリアクタ９１０から細胞３を回収する必要がある場合、生育培地２中に残っている細胞３を濃縮するため、上に開示したように、ある量の生育培地２を適切な出口（図を分かりやすくするため図１０Ａ～１０Ｂには示されていないが、図１の出口２７または図３の出口２２７と同様のもの）に通してバイオリアクタ９１０の第一のチャンバ９１４Ａから排出することができる。次いで、図１０Ｂに示されるように、バイオリアクタ９１０付近に強力な磁石Ｍを適切に設置する。磁石Ｍは、当該技術分野で公知の任意の適切な永久磁石または電磁石であり得る。バイオリアクタ９１０付近に磁石Ｍを設置することにより、磁石Ｍに向かって矢印Ｆによって示される磁力が働く。この力により第二の部分９２７Ｂが下方に引っ張られ、第二の圧縮可能な部分９２７に取り付けられた変形可能な有孔隔壁９１２も下方に引っ張られて変形する。
磁力が第二の圧縮可能な（または柔軟な、もしくは収縮可能な）部分９２７Ｂに作用しているとき、第二の圧縮可能な部分９２７が圧縮されてその長さが短くなり、第二の部分９２７Ｂに取り付けられた有孔隔壁９１２の部分が下方に移動し、（図１０Ｂに示されるように）有孔隔壁の形状が変形した状態になる。変形可能な有孔隔壁９１２の変形により有孔隔壁９１２がわずかに曲がった形状になり、変形状態の有孔隔壁９１２の上面９１２Ａが放物面状の表面にほぼ似た状態になることができる。
図１０Ａに戻ると、バイオリアクタ９１０は、変形可能な有孔隔壁９１２が平坦な変形していない状態で示されている。このように変形していない状態では、有孔隔壁９１２の上面９１２Ａは実質的に平面状（平坦）である。この状態にあるとき、上に開示した他のバイオリアクタの実施形態について詳細に記載したように、第二のチャンバ９１４Ｂ内で細胞３を生育させることができる。
ここで図１０Ｂに戻ると、バイオリアクタ９１０は、変形可能な有孔隔壁９１２が変形した状態で示されている。このように変形した状態では、有孔隔壁９１２の上面９１２Ａは曲面状の表面になる。このように変形した状態にあるとき、上に開示したように、回収口９２７の弁９２３を開け、生育培地２に懸濁した細胞３を収集容器５１１内に収集することにより、生育培地２に懸濁した濃縮細胞３を回収することができる。曲面型の変形した有孔隔壁９１２の凹面９１２Ａは、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
ここで図１１Ａ～１１Ｂを見ると、バイオリアクタ１０１０は容器壁１０１０Ａを有する。容器壁１０１０Ａには、曲がる有孔隔壁１０１２が固定された状態で密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ１０１０内の空間を第一のチャンバ１０１４Ａと第二のチャンバ１０１４Ｂとに分けている。曲がる有孔隔壁１０１２は、上に詳細に開示したように複数の穿孔を含み、上に詳細に開示したように、そこに生育培地２を二方向に（第一のチャンバ１０１４Ａから第二のチャンバ１０１４Ｂへ、およびその逆方向に）通過させるが、細胞または微生物がそこを通過するのは阻止する。いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁１０１２は、細胞または微生物を生育させるのに生体適合性のある堅いが柔軟性のある材料でできたものであり得る。
いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁の第一の安定な状態（図１１Ａに示されている）では、有孔隔壁１０１２が凸型の形状になり、バイオリアクタ１０１０の上部１０１０Ｃに面している有孔隔壁１０１２の上面１０１２Ａが凸面になるように、曲がる有孔隔壁１０１２の周囲が容器壁１０１０Ａに密封状態で取り付けられている。いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁１０１２に十分な大きさの力が加わると、曲がる有孔隔壁１０１２が第二の安定な状態に反転する（図１１Ｂに示されている）。図１１Ａの隔壁（１０１２）と比較すると、図１１Ｂの隔壁（１０１２）はバイオリアクタ容器の底部に向かってわずかに傾いている。有孔隔壁１０１２の第二の状態では、有孔隔壁１０１２が凹型の形状になり、バイオリアクタ１０１０の上部１０１０Ｃに面している有孔隔壁１０１２の上面１０１２Ａが凹面になる。
いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁１０１２は、曲がる有孔隔壁の２つの安定な状態の間の遷移には有孔隔壁１０１２に十分な力がかかる必要がある双安定構成になるよう構成されている。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ９１０は、弁９２３を含む中空部材である回収口９２７をさらに含む。回収口９２７は、曲がる有孔隔壁１０１２に密封状態で取り付けられており、上面１０１２Ａで第二のチャンバ１０１４Ｂ内に開口している。回収口９２７は、容器壁１０１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ１０１０の外に出ている。回収口９２７は、第一のチャンバ１０１４Ａ内に配設された第一の固定（不可動）部分（または部）９２７Ａを有する中空部材である。
いくつかの実施形態では、第一の固定部分９２７Ａは、容器壁１０１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ１０１０の外部に出ている。第一の固定部分９２７Ａは、中に回収口９２７を開閉するための弁９２３を有する。いくつかの実施形態では、回収口９２７は、第一の部分９２７Ａの一端に密封状態で取り付けられた第二の柔軟かつ／または圧縮可能な部分（または部）９２７Ｂをさらに含む。いくつかの実施形態では、柔軟かつ／または圧縮可能な部分９２７Ｂと固定部分９２７Ａは、互いに接続されて、曲がる有孔隔壁１０１２に密封状態で取り付けられた柔軟な部分９２７Ｂの末端で第二のチャンバ１０１４Ｂに開口している中空部材を形成し、その表面１０１２Ａで開口している。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１０１０は磁性部材１０１５を含む。磁性部材１０１５は、図１１Ａ～１１Ｂに示されるように、（任意選択で）変形可能な有孔隔壁１０１２に取り付けられた環状の形をした磁性部材を有するよう構成されている。あるいは、バイオリアクタ１０１０のまた別の実施形態では、磁性部材１０１５は、回収口９２７の第二の圧縮可能な（または柔軟な）部分９２７Ｂに取り付けられるよう構成されている（この実施形態は図１０Ａ～１０Ｂには示されていない）。ただし、磁性部材１０１５は、（上に開示した様々な別の実施形態で磁性部材１０１５を取り付ける部分に応じて）曲がる有孔隔壁に、または回収口９２７の第二の圧縮可能な（または柔軟な）部分９２７Ｂに適切に下方に向かう力を加えるのに適した任意の他の形状であってもよい。
いくつかの実施形態では、磁性部材１０１５は、磁性部材１０１５に関して上に詳細に開示したように、永久磁化された材料、常磁性材料または任意の他の磁化材料でできたものであり得る。必要に応じて、磁性部材９１５に関して上に開示したように、磁性部材１０１５を生体適合材料、例えば生体適合性プラスチック系もしくは任意の適切な生体適合性ポリマー系の材料、生体適合性セラミック層または任意の他の適切な生体適合性で（いくつかの実施形態では）滅菌可能な材料などでコートする、またはこれに包埋することができる。
ここで図１１Ｂを見ると、バイオリアクタ１０１０から細胞（図示せず）を回収する必要がある場合、残った生育培地中の細胞を濃縮するため、上に開示したように、ある量の生育培地（図示せず）を適切な出口（図を分かりやすくするため図１１Ａ～１１Ｂには示されていないが、図１の出口２７または図３の出口２２７と同様のもの）に通してバイオリアクタ１０１０の第一のチャンバ１０１４Ａから排出することができる。
いくつかの実施形態では、図１１Ｂに示されるように、次いで磁石Ｍをバイオリアクタ１０１０付近に適切に配置するよう構成されている。磁石Ｍは、上の図１０Ｂに関して詳細に開示したように、当該技術分野で公知の任意の適切な永久磁石または電磁石であり得る。バイオリアクタ１０１０付近に磁石Ｍを設置することにより、磁性部材１０１５に対して磁石Ｍに向かう矢印Ｆによって示される磁力が働く。この力によって、曲がる有孔隔壁１０１２が矢印Ｆによって示される方向に向かって下方に引っ張られる。いくつかの実施形態では、磁力は、（図１１Ａ～１１Ｂに示されるように）曲がる有孔隔壁１０１２を第一の安定な（凸状の）状態から第二の安定な（凹状の）状態に反転させる程度より大きいものである。いくつかの実施形態では、有孔隔壁１０１２が第一の状態から第二の状態に反転するとき、曲がる有孔隔壁１０１２の中央部分が下方に移動し、部分９２７Ｂの長さが短くなるよう第二の圧縮可能な部分９２７Ｂが圧縮され、第二の部分９２７Ｂに取り付けられた曲がる有孔隔壁１０１２の部分が下方に移動する。
いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁１０１２の一端に取り付けるよう構成されているウィール（ｗｅａｌ）（図示せず）または垂直な棒状の押す／引く部材（図示せず）を機械的に用いると同時に、バイオリアクタ１０１０の上部１０１０Ｃの開口部（図示せず）に配設された適切な密閉ガスケット（図示せず）の中に第二の末端を密封状態でスライド可能なように通過させることにより、曲がる有孔隔壁１０１２の第一の状態から第二の状態への反転を実施することもできる。
いくつかの実施形態では、曲がる有孔隔壁１０１２が第一の状態にあるとき、このような押す／引く部材を下方に押すことにより、曲がる有孔隔壁１０１２が第一の状態から第二の状態に反転するよう構成されている。ただし、当業者には、曲がる有孔隔壁を第一の状態から第二の状態に反転させるのに任意の他の機械的、磁気的もしくは電磁気的機序またはこのような機序の組合せを用いてもよく、このような機序または機序の組合せはいずれも本願の実施形態の範囲内に含まれるものと見なされることが理解されよう。
図１１Ｂには、曲がる有孔隔壁１０１２が第二の状態にあるバイオリアクタ１０１０が示されている。この第二の状態では、曲がる有孔隔壁１０１２の上面１０１２Ａが凹状の曲面になる。この状態にあるとき、上に開示したように、回収口９２７の弁９２３を開け、細胞懸濁液を収集容器（図示せず）内に収集することにより、第二のチャンバ１０１４Ｂ内の生育培地（図示せず）に懸濁した濃縮細胞（図示せず）を回収することができる。いくつかの実施形態では、第二の状態にある曲がる有孔隔壁１０１２の凹面１０１２Ａは、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
ここで図１２Ａ～１２Ｂを見ると、バイオリアクタ１１１０は容器壁１１１０Ａを有する。容器壁１１１０Ａには傾斜可能な有孔隔壁１１１２が密封状態で取り付けられており、バイオリアクタ１１１０内の空間を第一のチャンバ１１１４Ａと第二のチャンバ１１１４Ｂとに分けている。傾斜可能な有孔隔壁１１１２の周囲は、柔軟かつ／または変形可能かつ／または伸縮可能な環状部材１１１３に密封状態で取り付けられている。環状シート１１１３は通常、中に穿孔が一切無い。環状部材１１１３は、柔軟で、またはしやりやすく、かつ／または伸縮可能な材料、例えばゴム、ラテックスまたは柔軟なポリシラン系の薄い材料などでできたものであり得、これもバイオリアクタ１１１０の容器壁１１１０Ａに密封可能に取り付けられている。いくつかの実施形態では、環状部材は、細胞３および生育培地２を透過させないものであり得る。
傾斜可能な有孔隔壁１１１２は、上に詳細に開示したように中に複数の穿孔を有し、上に詳細に開示したように、そこに生育培地２を二方向に（第一のチャンバ１１１４Ａから第二のチャンバ１１１４Ｂへ、およびその逆方向に）通過させるが、細胞または微生物がそこを通過するのは阻止する。いくつかの実施形態では、有孔隔壁１１１２は、（任意選択で）細胞または微生物を生育させるのに生体適合性のある固い、または堅い材料でできたものであり得る。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１１１０は、弁１１２３を含む中空部材である回収口１１２７をさらに含む。回収口１１２７の第一の末端１１２７Ａは、第一のチャンバ１１１４Ａ内に配設されており、環状部材１１１３の上面１１１３Ａにある開口部１１１３Ｂから第二のチャンバ１１１４Ｂ内に開口するように密封状態で環状部材１１１３に取り付けられている。回収口１１２７は、容器壁１１１０Ａの中を密封状態で通過してバイオリアクタ１１１０の外に出ている。回収口１１２７は中空部材である。回収口１１２７の第二の末端１１２７Ｂはバイオリアクタ１１１０の外部に配設されており、中に回収口１１２７を開閉するための弁１１２３を含む。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１１１０は磁性部材１１１５も含む。磁性部材１１１５は、図１２Ａ～１２Ｂに示されるように、（任意選択で）有孔隔壁１１１２の周囲付近で有孔隔壁１１１２に取り付けられた棒形の磁性部材であるよう構成されている。ただし、磁性部材１１１５は、傾斜可能な有孔隔壁１１１２に適切に下方に向かう力を加えるのに適した任意の他の形状であってもよい。傾斜可能な有孔隔壁１１１２に全く力が加わっていないとき、有孔隔壁１１１２は、図１２Ａに示されるように水平またはほぼ水平の状態にある。
いくつかの実施形態では、磁性部材１１１５は、永久磁化された材料、常磁性材料、強磁性材料または任意の他の磁化された材料でできたものであり得、磁性部材９１５に関して上に詳細に開示したように、（任意選択で）生体適合材料でコートする、またはこれに包埋することができる。
図１２Ｂを見ると、バイオリアクタ１１１０から細胞３を回収する必要がある場合、残った生育培地２中の細胞を濃縮するため、上に開示したように、ある量の生育培地（図示せず）を適切な出口（図を分かりやすくするため図１２Ａ～１２Ｂには示されていないが、図１の出口２７または図３の出口２２７と同様のもの）に通してバイオリアクタ１１１０の第一のチャンバ１１１４Ａから排出することができる。図１２Ｂに示されるように、バイオリアクタ１１１０付近に磁石Ｍを適切に設置することができる。磁石Ｍは、上の図１０Ｂに関して詳細に開示したように、当該技術分野で公知の任意の適切な永久磁石または電磁石であり得る。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１１１０付近に磁石Ｍを設置することにより、磁性部材１１１５に対して磁石Ｍに向かう矢印Ｆによって示される磁力が働く。この磁力により、磁性部材が取り付けられた有孔隔壁１１１２の側面１１１２Ｂが、矢印Ｆによって示される方向に向かって下方に引っ張られる。磁力Ｆが加えられた結果、有孔隔壁１１１２の側面１１１２Ｂが有孔部材１１１２の側面１１１２Ａより低くなるように有孔隔壁１１１２が傾く。
図１２Ｂでは、バイオリアクタ１１１０は、磁石Ｍにより磁性部材１１１５に磁力が加わった後に有孔隔壁１１１２が傾斜した状態で示されている。この傾斜状態にあるとき、上に開示したように、回収口１１２７の弁１１２３を開け、細胞懸濁液を収集容器（図示せず）内に収集することにより、第二のチャンバ１１１４Ｂ内の生育培地２に懸濁した濃縮細胞３を回収することができる。傾斜可能な有孔隔壁１１１２の（水平に対する）傾斜は、回収される細胞の収率が、固定された（不可動型の）平坦な（平面状の）有孔隔壁を有するバイオリアクタ（例えば、図２のバイオリアクタ１１０など）で回収される細胞の収率より高くなる点で有利であり得る。
本願のバイオリアクタおよびバイオリアクタシステムを稼働させている間、液体、例えば生育培地を灌流（詳細に開示したように、培地を再循環によって常時交換すること）、フェドバッチ（生育培地２に特定の栄養を添加すること）またはバッチ（必要に応じて生育培地または生育培地の一部を周期的に交換すること）により供給することが可能であることが留意される。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタで生育させた細胞／微生物を回収する際に、回収する細胞をさらに濃縮する必要性が生じ得る。このような濃縮は、回収口と接続した直列の濃縮フィルタを使用することにより、回収した細胞が汚染される確率を逆に高め得るバイオリアクタ外部で追加の作業（例えば、遠心分離機での遠心分離など）を実施する必要なく達成することができる。
いくつかの実施形態では、生育培地２を当該技術分野で公知の洗浄緩衝液と交換することによりバイオリアクタ内の細胞の洗浄を実施することができる。生育培地２の交換は、バイオリアクタから生育培地２を排出し、バイオリアクタを新たな洗浄緩衝液で数回満たすことにより実施することができる。いくつかの実施形態では、排出は、いずれかのバイオリアクタの第一の（下の）チャンバに含まれるいずれかの排出口（例えば、図１のバイオリアクタ１０の出口２７または図３のバイオリアクタ２１０の出口２２７など）を用いることにより、またはバイオリアクタの第二のチャンバ内の生育培地のレベルを制御することが可能なバイオリアクタの実施形態に含まれる第二の（上の）チャンバ内に開口している出口（例えば、図２のバイオリアクタ１１０の出口１２６Ｄ）を用いることにより実施することができる。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタは細胞分離および／または細胞選択が可能なように構成されている。当該技術分野で周知の磁気ビーズ法を用いることにより、磁気ビーズ結合または抗体結合などの細胞分離をバイオリアクタのいくつかの実施形態の第二のチャンバの内部で実施することができる。いくつかの実施形態では、バイオリアクタ上部にあるいずれかの閉じることが可能な開口部から（例えば、図２のバイオリアクタ１１０の開口部１１０Ｅなどから）磁気ビーズ（例えば、細胞に特異的な抗体でコートした磁気ビーズなど）を第二のチャンバ内に挿入することができる。いくつかの実施形態では、細胞をビーズと結合させた後、当該技術分野で周知の磁石を用いることにより、またはビーズ径と細胞との間で選択を実施するのに適した大型のフィルタを用いることによりビーズを収集することができる。このようなフィルタは、フィルタの孔径に基づくポジティブセレクタまたはネガティブセレクタであり得る。例えば、ビーズと結合した細胞はフィルタを通過しないが、ビーズと結合していない本来の細胞はフィルタの孔を通過する。
任意選択で、いくつかの実施形態では、フィルタは、ビーズに対する親和性を有するよう構成されており、ビーズおよびビーズと結合した細胞をフィルタ上に保持し、未結合の細胞はフィルタを通過させることができる。あるいは、細胞に特異的な抗体でコートしたビーズを入れた「ティーバッグ」形の封入物であって、未結合細胞の細胞は「ティーバッグ」の孔を自由に通過させるが、任意の抗体でコートしたビーズおよびそのビーズと結合した細胞は「ティーバッグ」内に保持する封入物を使用することが可能である。いくつかの実施形態では、細胞は「ティーバッグ」の膜を通過することができるが、ビーズは細胞より大きく、バッグ内にとどまる。いくつかの実施形態では、意図する使用および用途に応じて、ビーズと結合した細胞を「ティーバッグ」内に保持しバイオリアクタから取り出すか、または保持しておくことができる。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタはさらに、細胞分取、非限定的な例として磁気ビーズによるＣＡＲ－Ｔ細胞の沈降に使用するよう構成された（図６Ａに示される）三次元中空容器（例えば、特に限定されないが円柱状容器５６０）を上側のチャンバに含み得る。
いくつかの実施形態では、上側のチャンバ（第二のチャンバ）は、特定の結合活性を有する細胞または微生物を選択するため固定化マトリックスおよび／またはビーズを含むよう構成されている。いくつかの実施形態では、流体、例えば、特に限定されないが生育培地または洗浄培地に含まれる細胞または微生物を固定化マトリックスまたはビーズを含む内部の三次元容器に通して循環させることができる。いくつかの実施形態では、容器壁は細胞および培地を容器に流入および容器から流出させるが、ビーズおよびビーズと結合した細胞または固定化マトリックスは容器から出ることができない。いくつかの実施形態では、容器は固定化マトリックスを含む。
いくつかの実施形態では、ビーズはその表面に親和性分子を含む。いくつかの実施形態では、親和性分子は、ポリペプチドもしくはその一部、ペプチドまたは炭水化物と結合する分子を含む。いくつかの実施形態では、親和性分子は、抗体、ビオチン、アビジン、受容体もしくはその一部、凝集素、レクチンまたは細胞もしくは微生物が結合することができる当該技術分野で公知の任意の他の分子を含む。いくつかの実施形態では、ビーズは磁気ビーズを含む。磁石の場合、磁石を容器に近い位置に置き、磁気ビーズと結合したポジティブ細胞を容器内に保持し、ネガティブ細胞は循環させて戻すことにより、磁気ビーズを容器内に保持することができる。
いくつかの実施形態では、固定化マトリックスはその表面に親和性分子を含む。いくつかの実施形態では、親和性分子は、ポリペプチドもしくはその一部、ペプチドまたは炭水化物と結合する分子を含む。いくつかの実施形態では、親和性分子は、抗体、ビオチン、アビジン、受容体もしくはその一部、凝集素、レクチンまたは細胞もしくは微生物が結合することができる当該技術分野で公知の任意の他の分子を含む。
いくつかの実施形態では、細胞は容器を通過し、細胞または微生物がビーズまたは固定化マトリックス上に存在する表面マーカーに対する結合パートナーを有する場合、細胞はビーズまたは固定化マトリックスの表面と結合することができ、容器内に保持される。
いくつかの実施形態では、容器は「ティーバッグ」様の構造物を含み、側面に柔軟性があるよう構成されている。
いくつかの実施形態では、ＣＡＲ Ｔによく用いられるレトロウイルスまたはレンチウイルスなどのウイルスによる感染率を高めるため、隔壁または親和性マトリックスにＲｅｔｒｏ－Ｎｅｃｔｉｎなどの物質を添加することができる。いくつかの実施形態では、隔壁および／または親和性マトリックスを適切な抗体でコートすることができる。
生育培地２にサイトカインもしくは活性化シグナルを添加することにより、あるいはＴ細胞を、上に開示したように、有孔隔壁もしくは任意の他のタイプの適切な担体に付着することができる、または「ティーバッグ」に付着するか「ティーバッグ」内もしくは磁気ビーズ上を浮遊することができるサイトカイン分泌細胞と共培養することにより、細胞、例えばＴ細胞などの活性化を達成することができる。さらに、当該技術分野で公知のように、Ｔ細胞を抗原提示細胞と共培養することによりＴ細胞の活性化を実施することができる。異なるタイプの細胞の共培養は細胞の活性化のみに限定されないことが留意される。非限定的な例として、抗ＣＤ３／ＣＤ２８コンジュゲートビーズを用いてＴ細胞を活性化させることもできる。また別の非限定的な例では、抗ＣＤ３抗体および抗ＣＤ２８抗体をＴ細胞の活性化に用いることもできる。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタは、他の結果を得るために他のタイプの細胞を共培養するために使用するようにも構成されている。例えば、胚性幹細胞を培養する場合、本願のバイオリアクタは、胚性幹細胞を、生育培地中に幹細胞の成長と増殖の維持および／または幹細胞の分化の誘導に必要な物質および／または因子を放出することができるフィーダー細胞（例えば、線維芽細胞など）と共培養するよう使用するにも構成されている。
回収効率を増大させるため、（例えば、バイオリアクタ１１０の開口部１１０Ｅから、もしくは図１のバイオリアクタ１０の上部１０Ｃにある開口部１０Ｇから生育培地を添加することにより、または無菌生育培地２を充填したシリンジを用いて図３のバイオリアクタ２１０の自動密閉ガスケット２１１から生育培地を注入することにより）第二のチャンバの上部または底部からバイオリアクタの第二のチャンバに灌流または添加した生育培地により、上に開示したバイオリアクタの第二の（上の）チャンバ全体またはこのようなバイオリアクタ内に含まれる有孔隔壁の上面を洗浄することが可能であることが留意される。このように第二のチャンバの壁および／または有孔隔壁を洗浄することにより、上に開示したバイオリアクタの第二の（上の）チャンバ内に開口している任意の回収口の開口部の方に細胞を押すことができる。
いくつかの実施形態では、本願に開示されるバイオリアクタ内で生育させる細胞をオンラインでカウントし、円錐形の濃縮フィルタによる循環ループを用いて体積を減少させることにより濃縮することができる。細胞のカウントは、当該技術分野で周知の静電容量測定、吸光度測定および／またはその他の光学的センサの使用などにより間接的に測定することによって実施することができる。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタは、有孔隔壁の上方にある担体充填層または均一で完全な表面などの接着表面で付着細胞を培養できるよう構成されている。有孔隔壁に付着している細胞の剥離は、当該技術分野で周知のように酵素により実施することができる。このような酵素処理を、接着表面を生育培地もしくは洗浄緩衝液で洗い流すこと、および／または接着表面に振動を加えることと組み合わせることもできる。
これより、本願のバイオリアクタの一実施形態による有孔隔壁と細胞担体マトリックスとを有するバイオリアクタを含むバイオリアクタシステムを示す部分横断面概略図である図１３を参照する。図１３に示される要素のうち以下で特に詳細に説明しない要素の説明は、上の図１の説明に記載されている。
バイオリアクタシステム１２５０は、バイオリアクタシステム１２５０のバイオリアクタ１０が第二のチャンバ１４Ｂ内に配設された支持マトリックス１２６０をさらに含むことを除き、図１のバイオリアクタシステム５０と同様のものである。システム１２５０の支持マトリックス１２６０は生育培地２中に浸漬している体積の一部のみを占め、バイオリアクタシステムの他の実施形態では、支持マトリックスは、生育培地２の表面２Ａまで延長するよう構成されており、有孔隔壁１２の上面１２Ａに向かって下方に延長することもできる。支持マトリックス１２６０が占める体積は、特に具体的用途、生育培地２の流動に対する細胞支持マトリックス１２６０の耐性、最終的に必要な細胞または微生物の量およびその他の考慮事項に左右され得る。
いくつかの実施形態では、本願のバイオリアクタシステム１２５０は、接着表面、例えば有孔隔壁の上方にある細胞担体マトリックス充填層または均一で完全な表面などで付着細胞を培養できるよう構成されている。いくつかの実施形態では、細胞支持マトリックス１２６０の充填層は、バイオリアクタ１０の有孔隔壁１２の上方に位置し、固定された（またはほとんど動かない）細胞支持マトリックス１２６０の中に生育培地（またはその他の溶液）を循環させて細胞支持マトリックス１２６０の表面（１つまたは複数）に接着した細胞に栄養を補給するよう構成されている。
この配置により、細胞支持マトリックス１２６０に接着した細胞に常時栄養を補給することが可能になり、表面積対体積率が大きく、細胞３に常時栄養を補給しながらもずり応力が極めて小さい高密度細胞培養が可能になる。このような細胞支持マトリックス１２６０は、当該技術分野で周知のように、特に、織り繊維および不織繊維、エレクトロスピニングメッシュ、プラスチックビーズ、プラスチック表面、生分解性物質、例えばアルギン酸など、あるいは二次元および／または三次元の表面（１つまたは複数）を有する任意の他の適切なマトリックスまたは担体を含み得る。
いくつかの実施形態では、細胞支持マトリックス１２６０に接着した細胞を回収する必要が生じたとき、当該技術分野で周知のように、細胞３を酵素により細胞支持マトリックス１２６０の充填表面（１つまたは複数）から剥離することができる。付着細胞の剥離を促進するため、酵素処理を、接着表面を生育培地もしくは洗浄緩衝液で洗い流すこと、および／または接着表面を振動させることと組み合わせることができる。
いくつかの実施形態では、酵素による付着細胞の剥離を、生育培地２に１つまたは複数の酵素を添加し、酵素含有生育培地中で付着細胞を所定の時間にわたってインキュベートすることにより実施することができる。細胞剥離を実施するのに有用な酵素としては、特に限定されないが、プロテアーゼ（例えば、トリプシン、ペプシンまたはパパインなど）もしくは適切なコラゲナーゼ、またはコラゲナーゼとプロテアーゼの任意の組合せが挙げられる。細胞を接着表面から回収した後、前に記載したように細胞の洗浄および処理を実施することができる。
さらに、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態では、本明細書に開示されるいずれかのバイオリアクタの第二の（上の）チャンバは、バイオリアクタの上部にある利用可能ないずれかの開口部から（例えば、図２のバイオリアクタ１１０の閉じることが可能な開口部１１０Ｅなどから）第二のチャンバ内に導入されるよう構成されている上に開示した細胞支持マトリックス１２６０と同様の細胞支持マトリックスを含むようにも構成されている。本明細書に開示されるバイオリアクタは、本明細書に開示されるバイオリアクタで細胞を生育培地中に懸濁させ通常は表面に付着させずに非付着細胞を生育させるとき、付着するための何らかの表面または基質が必要な付着細胞の生育にも使用されるよう構成されている。このような付着細胞はバイオリアクタの有孔隔壁に付着することができるが、細胞収率を増大させるため、このような付着細胞が利用できる表面積を増大させるのが望ましいことがある。したがって、本願のバイオリアクタのいくつかの実施形態では、本明細書に開示されるいずれかのバイオリアクタは、バイオリアクタの第二のチャンバ内に配設された適切な細胞支持マトリックスを含むよう構成されている。
いくつかの実施形態では、細胞支持マトリックスは、細胞が付着することができる当該技術分野で公知の任意のタイプの細胞支持マトリックスであり得る。例えば、細胞支持マトリックスとしては、当該技術分野で周知のように、コラーゲン系マトリックス、織り繊維および不織繊維、エレクトロスピニングメッシュ、プラスチック（ポリマー系）ビーズ、プラスチック（ポリマー系）粒子表面、生分解性物質、例えばアルギン酸塩など、任意のタイプのコラーゲン、あるいは表面積対体積率の高い二次元および／または三次元の表面（１つまたは複数）を有する任意の他の適切なマトリックスまたは細胞担体が挙げられる。
本願に開示されるバイオリアクタおよびバイオリアクタシステムは、特に、細菌または任意の他の単細胞もしくは多細胞微生物のような微生物、特に限定されないが、昆虫の生細胞、無脊椎動物の生細胞、脊椎動物の生細胞、哺乳動物の生細胞および様々な異なるタイプのヒト細胞を含めた任意のタイプの単離生細胞を生育させることを含めた多数の様々な用途に使用するよう構成されていることが留意される。上に開示したバイオリアクタおよびバイオリアクタシステムの様々な実施形態の総体積、形状および他の構成要素ならびに／あるいは特徴は、各具体的用途に合わせて規模を調節し、適合させるよう構成されている。
いくつかの実施形態では、バイオリアクタ１２５０は、共培養を必要とする付着細胞と非付着懸濁細胞を一緒に共培養するのに使用するよう構成されており、この場合、付着細胞を細胞支持マトリックス１２６０に接着させ、懸濁非付着細胞を有孔隔壁１２の上方にあり細胞支持マトリックス１２６０の下方にある培地に懸濁させる。例えば、バイオリアクタ１２５０または細胞支持マトリックスの入った任意の他のバイオリアクタは、懸濁非付着細胞である胚性幹細胞を付着線維芽細胞などのフィーダー細胞と培養するのに使用するよう構成されている。
バイオリアクタおよびバイオリアクタシステムの用途の一例として、細胞療法のための細胞の生育がある。細胞療法は、細胞を治療剤として使用する発展途上の産業である。細胞は、（患者由来の）自己供給源または同種供給源（異なる個人ドナー）から入手することができる。（Ｔ細胞および／またはＢ細胞および／または樹状細胞および／またはナチュラルキラー細胞を用いる）免疫細胞療法および／または間葉系幹細胞などの自己細胞を使用する場合、治療用量は、通常数リットル（１～２０Ｌ）の体積で培養した細胞数百万個から数十億個の範囲内であり得る。同種療法では、治療剤のバイオマニュファクチャリングは、バイオリアクタ１基当たり最大数千リットルの体積に達し得る。
（特に限定されないが、図２のバイオリアクタ２０などで）体積を漸増的に変化させ、培地を灌流および更新し、高密度で培養することが可能な（可変的な培地レベルを用いる）順応的な培養を実施するための本願のバイオリアクタの一部の実施形態では、稼動体積およびバイオリアクタの大きさを先行技術のバイオリアクタの約２～１００分の１に大幅に縮小するのが有利であり得る。例えば、自己療法に必要な細胞を培養するには、総体積が１～２リットルの範囲内にある典型的なバイオリアクタを使用することができる。このようにバイオリアクタの体積が比較的小さいことにより、数十億個の細胞を生育させることが可能になる。
いくつかの実施形態では、比較的小型の本願のバイオリアクタを使用することができるのは、同じ作業空間で小型のバイオリアクタを多数使用することが可能になる、（例えば、中央の酸素補給空間を共有すること、その他の設備、例えばコンピュータ、制御部および／または作業空間温度を制御する装置および空調装置ならびにその他の共有可能な装置およびシステムなどを共有することなどにより）多数の小型のバイオリアクタに共通の設備を共有させることが可能になることにより、施設内での空間を節約し、稼働コストを大幅に削減することができる点で有利である。
大きいバイオリアクタ体積が必要な同種培養に使用するよう適合させた大型のバイオリアクタでも同様の作業空間削減およびコスト節約が得られることが留意される。このような同種細胞培養には、体積が１０～１０００リットルの範囲内のバイオリアクタ体積（典型的な例として、絶対的なものではないが、約１００リットルのバイオリアクタ体積）を有する本願に開示のバイオリアクタの実施形態を用いることが必要であり得る。
同種細胞および／または自己細胞を生育させるという両方の用途で上に開示したバイオリアクタ体積の範囲はいずれも、単なる例として記載したものであって、絶対的なものではないことが留意される。したがって、上記の範囲より大きい、または小さい体積のバイオリアクタも特定の用途に用いることができ、本願のバイオリアクタの体積の範囲内に含まれる。例えば、いくつかの用途、例えば、バイオ燃料またはその他の産生物を得るため藻、細菌またはその他の微生物を生育させる場合などには、本願のいずれかのバイオリアクタの体積は、１０００リットルよりはるかに大きい体積まで規模を拡大するよう構成されている。
いくつかの実施形態では、任意の与えられた細胞塊に、それが最初に異なるバイオリアクタでインキュベートしたものであっても、上記のバイオリアクタを用いた上記の洗浄方法を適用することができる。
いくつかの実施形態では、上記のバイオリアクタの設計は、バイオリアクタチャンバを開けることも、それに干渉することも必要とせず、極めて穏やかで効率的な方法で細胞を洗浄し製剤化することが可能になるよう構成されている。
いくつかの実施形態では、上記のバイオリアクタの設計は、体積の変化、栄養補給スキーム、活性化、操作、洗浄および製剤化がいずれも閉じられ自動化されたバイオリアクタ内で、細胞塊にかかるずり応力を最小限に抑えて実施されるという点で、継続的で最適かつ順応的な細胞培養が可能になるよう構成されている。
本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムについて、明確さを期するため個々の実施形態との関連で記載されている特定の特徴は、単一の実施形態で組み合わさってもたらされることもあることが理解される。逆に、本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムについて、簡潔さを期するため単一の実施形態との関連で記載されている様々な特徴は、本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムの任意の他の記載されている実施形態で別個に、任意の適切な部分的組合せとして、または適切なものとしてもたらされることもある。様々な実施形態との関連で記載されている特定の特徴は、その実施形態がそのような要素がないと稼働しない場合を除き、それらの実施形態に不可欠な特徴であると見なされるべきではない。
本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムはその具体的実施形態とともに記載されているが、当業者には多数の代替形態、修正形態および変形形態が明らかになることは明白である。したがって、添付の請求項の趣旨および広い範囲に含まれるそのような代替形態、修正形態および変形形態はいずれも包含されるものとする。
本明細書に挙げられる刊行物、特許および特許出願はいずれも、個々の刊行物、特許または特許出願がそれぞれ具体的かつ個別に参照により本明細書に組み込まれることが示された場合と同じく、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、本願で何らかの参考文献を引用または特定する場合、それは、そのような参考文献が本明細書に開示される本発明のバイオリアクタおよびそのシステムの先行技術として利用可能であることを認めるものとして解釈されるべきではない。節の見出しが用いられる場合、それらは必ずしも限定するものとして解釈されるべきではない。
本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈上明らかに別の意味を表す場合を除き複数の指示対象を包含する。例えば、「ａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ（化合物）」または「ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ（少なくとも１つの化合物）」という用語は、混合物を含めた複数の化合物を包含し得る。
本願全体を通して、様々な実施形態が範囲形式で示され得る。範囲形式での記載は、単に利便性および簡潔性のためのものであって、その範囲に対する変更の余地のない制限として解釈されるべきではないことが理解されるべきである。したがって、範囲の記載は、具体的に開示されるあらゆる可能な部分範囲およびその範囲内にある個々の数値を有するものとして解釈されるべきである。例えば、１～６などの範囲の記載は、具体的に開示される部分範囲、例えば１～３、１～４、１～５、２～４、２～６、３～６など、ならびにその範囲内にある個々の数値、例えば１、２、３、４、５および６を有するものとして解釈されるべきである。このことは範囲の広さに関係なく適用される。
本明細書に数値の範囲が示される場合はいずれも、示される範囲内で挙げられる任意の数値（分数または整数）が包含されるものとする。１番目に示される数値と２番目に示される数値の「間の範囲内にある」および１番目に示される数値「から」２番目に示される数値「まで」の「範囲内にある」という語句は、本明細書では互換的に使用され、１番目に示される数値と２番目に示される数値ならびにその間にあるあらゆる分数および整数を包含するものとする。
当業者には、「培地」という用語が、いくつかの実施形態では細胞（真核または原核）または任意の他のタイプの単細胞もしくは多細胞微生物を生育させるのに適した任意のタイプの生育培地を包含し得ることが理解されよう。いくつかの実施形態では、「培地」という用語は、特に限定されないが、洗浄緩衝液、栄養緩衝液、酵素混合物、選択溶液および最終製剤溶液を含めた細胞または微生物の処理に使用される任意のタイプの溶液を包含する。
本明細書で使用される「約」という用語は、一実施形態では±１０％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±９％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±９％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±８％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±７％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±６％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±５％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±４％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±３％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±２％を指す。別の実施形態では、「約」という用語は±１％を指す。
本明細書で使用される「任意選択で」という用語は、何らかの要素が「いくつかの実施形態では提供され、他の実施形態では提供されない」という意味を包含する。本明細書に開示される任意の特定の実施形態は、「任意選択の」特徴をそれが対立しない限り複数含み得る。
本明細書に開示されるほかの目的、利点および新規な特徴については、限定することを意図するものではない以下の実施例を検討すれば当業者に明らかになるであろう。さらに、上で詳細に説明され、のちの請求項の節で特許請求される本明細書に開示の様々な実施形態および態様については、以下の実施例で実験的に裏付けられる。
実施例
以下の実施例で使用したバイオリアクタシステムは、図１に示されるものと同様のバイオリアクタを含む図１４Ａに概略的に示されるバイオリアクタを含むものであった。有孔隔壁は、直径５０ｃｍ２、厚さ１マイクロメートルの円形のものであった。上側のチャンバは、円錐形で上部が１２０ｃｍ２であった。生育チャンバ（上側のチャンバ）の総体積は２５０ｍｌであった。本明細書で使用される「設置面積」という用語は、下の有孔隔壁の表面積およびチャンバ全体の面積を指す。
バイオリアクタの使用および有効性を実証するのに使用した細胞はＴリンパ球であったが、これは決して限定的なものとして解釈されるべきではない。
実施例に用いた流速は約２～３ｍｍ／分であった。これは使用した細胞に対する流速の代表的な実施形態であり、当業者には、使用する細胞に応じて流速が変化し得ることが理解されよう。したがって、実施例に用いた流速は、決して限定的なものとして解釈されるべきではない。例えば、当業者には、さらに大きい細胞、例えば葉系幹細胞（ＭＳＣ）などを培養する場合には流速が１０ｍｍ／分に達することがあり、それよりさらに大きい細胞、例えばマクロファージなどでは流速が２０ｍｍに達し得る（データは図示せず）ことが理解されよう。
実施例１：高密度細胞培養物の生育
目的：細胞の高密度培養。
方法：
培地１５０ｍｌを含む５０ｃｍ２の有孔隔壁システムで、細胞（Ｔ細胞リンパ球）をこの細胞の最大細胞密度として知られる約４００万細胞／ｍＬから開始して７日間生育させた。当該技術分野の知見によれば、これは、この細胞が通常に継代した後、１００万細胞／ｍＬで維持される密度である。培地を灌流したため、使用した培地全体は増加したが、チャンバ内の培地の体積は１５０ｍｌに維持した。
結果：
Figure 0007116061000001
データから、本明細書に開示されるバイオリアクタを用いたところ、細胞がこの細胞に通常予想される密度（１×１０６／ｍｌ）の２４倍を上回る密度（細胞／ｍｌ）で生育したことがわかる。同様にデータから、本明細書に記載されるバイオリアクタを用い、設置面積５０ｃｍ２のバイオリアクタシステムで（報告されている最大値が１０×１０６個／ｃｍ２であるのに対して）１３３０万個／ｃｍ２から開始して細胞を生育させたところ、７３．６×１０６個／ｃｍ２になったことがわかる。
結論：
培養システムの設置面積が極めて小さい（５０ｃｍ２）バイオリアクタを用いて細胞を高密度で生育させることができる。したがって、このバイオリアクタは、閉じられ自動化された方法で、ずり応力を最小限に抑え、体積の変更および栄養補給スキームにおいて最適で順応的な細胞培養が可能であり、細胞の活性化、操作、栄養補給、洗浄および製剤化が可能なシステムをもたらす（実施例２～３も参照されたい）。細胞の培養および収集には、それぞれ追加の細胞インキュベータも遠心分離機も必要としない。
実施例２：細胞培養の比較：バイオリアクタ対組織培養フラスコ
目的：５０ｃｍ２の有孔隔壁を含むバイオリアクタでの細胞の培養と、組織培養フラスコでの細胞の培養とを比較する。
方法：
細胞（Ｔ細胞リンパ球）を同じディッシュで以下の通りに１４日間培養した：５０ｃｍ２の有孔隔壁のバイオリアクタシステムを用い灌流を実施する、Ｔ７５フラスコを用い培地交換を実施しない、またはＴ７５フラスコを用い４日毎に培地を交換する。
結果：
図１４Ｂ～１４Ｃに、２つの代表的な培養実験から得た生育曲線を示し、この曲線から、５０ｃｍ２の有孔隔壁を有し培地交換（注ぎ出し／注入して全面的に交換する）も継代も容器交換も必要としないバイオリアクタシステムで細胞を継続的に生育させることができたことがわかる。さらに、閉じた継続的バイオリアクタシステム（黄色）で生育させた細胞は少なくとも１４日間増殖し続け、総細胞数１，６３３，９９６，０００個に達したのと比較して、培地交換を実施しなかったＴ７５フラスコ（灰色）では約４，３２００，０００個にとどまり、培地交換を実施したＴ７５フラスコ（青色）では約３００，０００，０００個にとどまった。バイオリアクタでの細胞の生育が１週間後にフラスコでの細胞の生育を上回ったという事実に基づき、１４日の時間枠を用いた。このバイオリアクタでは、細胞を２週間より長く培養することができる（データは図示せず）。
結論：
本明細書に記載されるバイオリアクタシステムで細胞を培養する方が、培地交換を実施してもフラスコで細胞を培養するより有効である。
実施例３：バイオリアクタで生育させた細胞の処理
目的：細胞（または微生物）の処理は、細胞の洗浄、培地交換および細胞の濃縮を含む。これらの段階は通常、先行技術で遠心分離を繰り返し、細胞をペレット化することにより遂行される。培地を交換するには、ＴＦＦ（接線力ろ過）遠心分離および向流遠心分離というさらに２つの当該技術分野で公知の技術がある。この実施例の目的は、回収した細胞の生存率を含めた本明細書に開示されるバイオリアクタからの細胞回収率を検討することとした。
方法：
（図１５Ａに示される）使用したバイオリアクタシステムでは、細胞を洗浄し、生育培地を交換するため、洗浄緩衝液をバイオリアクタ容器の底部（下側のチャンバ１５５０）から上流１５１０に向かって灌流し、洗浄緩衝液を第一の有孔隔壁１５１２に通して上側のチャンバ１５４０内に流し、最も高い位置にある弁１５３０から取り出した。この灌流流により、生育培地が洗浄溶液に置き換わるまで培地が希釈された。いくつかの実施形態では、弁１５３０は、（液体交換時に）細胞がバイオリアクタから出るのを防止するよう構成されている有孔隔壁またはフィルタ（図示せず）を含み得る。
この時点で、最終製剤培地をシステムの中に灌流させて洗浄緩衝液と交換し得る。さらに、いくつかの実施形態では、生育培地の一部を細胞が位置するレベルになるまで（任意選択で、細胞がバイオリアクタから出るのを防止するよう構成されている第二の遮蔽有孔隔壁（図１５Ａの１５０２）に通して）上側のチャンバから取り出し、それにより体積を減少させ、細胞を濃縮した後、最終製剤培地を灌流し得る（図１５Ａ）。図１５Ａに示されるように、提供される逆円錐台形のバイオリアクタは、洗浄溶液の（重力方向に逆らう）逆流と圧力の平衡（塊の重力対上流に向かう液体の流動）により、細胞（または微生物）生育塊を浮遊させ、より広い表面まで上昇させることが可能である。さらに、体積流量が一定であるため、逆円錐台形の上方の面積が広い部分にある細胞（または微生物）塊３ほど中を流れる洗浄溶液の流動が緩やかになり、それにより細胞塊が濃縮が助長され、洗浄溶液の流動によって加わるずり応力が軽減される。
別の実施形態では、（図１５Ａを見たとき）細胞のレベルの上方に位置する追加の隔壁を有するバイオリアクタを使用し、そのバイオリアクタを（図１５Ｂに示されるように）上下逆にすることにより、さらに大量の洗浄溶液を生育培地と交換することができる。バイオリアクタ容器は、上側のチャンバ（またはここでは下側のチャンバ１５４０）が細胞塊の下方１５０２と上方１５１２の両方に有孔隔壁を有するように上下が反転するよう構成されている。このことにより実際、第二の隔壁（図１５Ｂの隔壁２）の表面積が大きくなることにより、さらに多くの培地または洗浄溶液を下流に灌流することが可能になる。当業者には、広くなる表面積に対して体積が大きくなれば速度（流速）が同じになり、それにより細胞が第二の隔壁（図１５Ｂの隔壁２）付近にとどまり、より大量の細胞塊を洗浄することができることが認識されよう。
図１５Ｃおよび１５Ｄに、広い方の底の直径は同じであるが狭い方の底は直径が異なり得る２つの円錐台状部分から構成される容器を含む、バイオリアクタ１５９０を示す。この２つの部分は、広い方の（同様の）底部で同軸上に連結された他方の上部に位置するものである。容器は、いくつかの実施形態では、２つの有孔隔壁、すなわち、バイオリアクタの容器の壁に密封状態で配設された第一の有孔隔壁１５０５および第二の（遮蔽）有孔隔壁１５０６によって３つのチャンバに分かれている。図１５Ｃは細胞生育段階のバイオリアクタを示しており、このバイオリアクタでは、第一の下側のチャンバ１５９１（底部が最も狭い底になっている）は、生育培地が導入され（ここでは図示せず）、それが第一の有孔隔壁１５０５を通って上流に向かって流動し、（２つの有孔隔壁によってできた）第二の中央のチャンバ１５９２内に入るよう構成されており；この中央のチャンバは、細胞を導入し（ここでは図示せず）調節するよう構成されている。図のように、第二の中央のチャンバ１５９２は、横断面が最も大きく／広く、したがって培地の流速が最も小さい領域１５９５を含む。いくつかの実施形態では、目的は、生育段階で細胞にこの最も大きい／広い領域を通過させないことであり；このことは、例えば培地の流速を制御することにより達成することが可能である。最も広い領域の上方には第二の有孔隔壁１５０６が示されており、これは、洗浄培地（ここでは図示せず）を導入するよう構成されている上の第三のチャンバ１５９３の底部としての役割を果たす。
図１５Ｄは、洗浄段階で上下を反転させた、または上下を逆にした位置にあるバイオリアクタ１５９０を示している。洗浄段階では、洗浄培地が第三のチャンバ１５９３（図示せず）から下流に向かって導入され、次いで、中央のチャンバ１９５２内で調節された細胞塊の中を下り、次いで、第三のチャンバ１５９３から排出される。第二の有孔隔壁１５０６は細胞の通過を防止するよう構成されており；したがって、洗浄された細胞は第二の中央のチャンバ内に保持される。
いくつかの実施形態では、図１５Ｃおよび１５Ｄに示されるような容器の一方の底が他方よりも広いバイオリアクタの構成は、細胞を２段階で生育させるのに役立ち得る。第一の段階では、図１５Ｃに示されるように、狭い方の底を下に向け、極めて少量の細胞から生育を開始し、表面積が広くなるまで生育させることができる。細胞塊が生育した第二の段階では、細胞を別のバイオリアクタのさらに大きいチャンバに移動させる代わりに、図１５Ｄに示されるように、バイオリアクタ１５９０を上下を反転させて、または上下を逆にして広い方の底を下に向け、細胞塊の表面積を大きくし、培地の流速を小さくすることができる。
単一の有孔隔壁を有するバイオリアクタの一実施形態で下流に向かう洗浄／収集処理を試験し、ここでは、有孔隔壁付近で３つの異なる表面速度、すなわち、３．６ｍｍ／分、１．８ｍｍ／分および１．２ｍｍ／分を検討した。深さのある管（図１５Ａ）で培地を除去した後、生育培地中の細胞１５ｍｌが残った。使用する総洗浄体積を６００ｍｌとし、細胞を含む液体の最終体積を再び１５ｍｌに減らした。培地交換を４０サイクル実施した（４０×１５ｍｌの洗浄＝総洗浄体積６００ｍｌ）。交換することができる培地の体積に制限はない。
結果：
液体溶液を交換する際の流速の影響を検討するため、下流に向かう洗浄／収集に使用する液体の体積は維持したが、液体が流動する速度は変えた。したがって、短時間で交換するほど流速は大きくなり、時間が長いほど流速は小さくなった。
培地交換を３．６ｍｍ／分で３０分間実施したところ、細胞が６０．３％回収され、生存率は８７．８％であった。培地交換を１．８ｍｍ／分で６０分間実施したところ、細胞が１００％回収され、生存率は９１％であった。培地交換を１．２ｍｍ／分で９０分間実施したところ、細胞が１００％回収され、生存率は９２．１％であった。
結論：
培地交換は、５体積を交換／希釈するＴＦＦなどの当該技術分野で公知の他の方法と同等のものであった。重要なのは、ここに記載される方法を用いて細胞を洗浄および収集すると、用いた小さい流速が１，０００～１０，０００倍小さく、ずりがはるかに小さかったことから、連続流動遠心分離（１～２リットル／分）による大きい流速およびずりが回避されることである。
ここまで、本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムの特定の特徴について、本明細書に図示し説明してきたが、当業者には多数の修正、置換、変更および等価物が思い付くであろう。したがって、添付の請求項は、本明細書に開示されるバイオリアクタおよびそのシステムの真の趣旨の範囲に含まれるこのような修正および変更をすべて包含することを意図するものであることが理解されるべきである。

Claims (22)

  1. 中で治療用の細胞または微生物を生育させるバイオリアクタであって、
    中の空間を取り囲む密閉容器と、
    中に複数の孔を有する第一の隔壁であって、空間内に密封状態で配設され、前記空間を下側のチャンバである第一のチャンバと上側のチャンバである第二のチャンバとに分けるよう構成されており、前記第二のチャンバが、中で生育する前記細胞または微生物を調節するよう構成されており、前記孔の直径が、前記第一のチャンバと前記第二のチャンバの相互間のみの流体流動が可能になるよう構成されており、前記容器内で生育させる細胞または微生物に前記第一のチャンバと前記第二のチャンバとの間を通過させない、第一の隔壁と、
    前記流体を前記第一のチャンバ内に導入する１つまたは複数の流体入口と、
    前記流体を前記第二のチャンバから流出させる１つまたは複数の流体出口と、
    前記第二のチャンバに開口し、前記第二のチャンバから細胞を回収するよう構成された前記第一の隔壁の上面付近に配設されて開閉可能な少なくとも１つの回収口と、
    前記第一のチャンバに開口し、前記流体を前記第一のチャンバから流出させることのできる開閉可能な追加出口と
    を含む、バイオリアクタ。
  2. 中に複数の孔を有する調節隔壁をさらに含み、前記調節隔壁が、前記第一の隔壁の下にある前記第一のチャンバの空間内に密封状態で配設されており、前記調節隔壁が、前記流体流動を調節し、前記流体流動の速度を制御し、泡の通過を防止するよう構成されている、請求項１に記載のバイオリアクタ。
  3. 前記調節隔壁の孔が円錐形を含む、請求項２に記載のバイオリアクタ。
  4. 中に複数の孔を有する追加の遮蔽隔壁をさらに含み、前記遮蔽隔壁が、生育する前記細胞または微生物が前記第一の隔壁と前記遮蔽隔壁との間で調節されるよう前記第二のチャンバの空間内で前記第二のチャンバの上部に配設されており、前記遮蔽隔壁が、前記細胞の通過を防止するよう構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  5. 少なくとも前記第二のチャンバは、前記第二のチャンバの底部から上部に向かって横断面の面積が増大しており、前記流体の速度が前記第一の隔壁から流体の上面に向かって減少するように前記第二のチャンバ内に配設された前記流体に流体速度勾配が生じるよう構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  6. 前記横断面の形状が、円、楕円、多角形およびその任意の組合せから選択される、請求項５に記載のバイオリアクタ。
  7. 前記１つまたは複数の流体出口のうちの少なくとも１つが、前記第二のチャンバからの流体を受け取るよう構成されたポンプと流体接続するよう構成されており、前記ポンプがさらに、前記流体入口のうちの少なくとも１つから前記流体を再循環させ前記第一のチャンバ内に戻すよう構成されている、請求項１～６のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  8. 前記第二のチャンバを通る前記流体の流速が、前記ポンプのポンプ流量によって制御される、請求項７に記載のバイオリアクタ。
  9. 前記流体が、生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、収集溶液、回収溶液、保存溶液およびその任意の組合せのうちのいずれか１つを含む、請求項１～８のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  10. 前記１つまたは複数の流体出口が、前記第二のチャンバの高さに沿った様々な位置で開口している複数の流体出口を含む、
    前記第一の隔壁が、前記容器の壁に接して配設されている、
    前記容器が、少なくとも２つの部分から構成されている、
    前記容器の形状が、円錐形、円錐台形、先細り形、円筒形、多角柱形、横断面が楕円形の先細り形、横断面が多角形の先細り形、円筒部分と先細り部分とを有する形状および円錐部分または先細り部分と半球部分とを有する形状ならびにその任意の組合せから選択される、
    前記１つまたは複数の流体出口のうちの少なくとも１つが、前記第二のチャンバからの流体を受け取るよう構成されたポンプと流体接続するよう構成されており、前記ポンプがさらに、前記流体入口のうちの少なくとも１つから前記流体を再循環させ前記第一のチャンバ内に戻すよう構成されている、
    前記流体が、生育培地、洗浄溶液、栄養溶液、収集溶液、回収溶液、保存溶液およびその任意の組合せのうちのいずれか１つを含む、
    前記第一の隔壁の各孔の直径が、０．１～４０マイクロメートルから選択される、ならびに、
    その任意の組合せ、
    のうち少なくとも１つを含む、請求項１～９のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  11. 前記第一の隔壁が、固定された不可動型隔壁であり、
    前記隔壁が、平坦な隔壁、前記バイオリアクタの縦軸に向かってある角度で傾斜した平坦な隔壁、前記容器の上部に面する上面がへこんだ凹形隔壁、先細り形隔壁および円錐形隔壁から選択される、請求項１～１０のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  12. 上下を逆にするよう構成されている、請求項１～１１のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  13. 前記細胞または微生物を支持するため前記第二のチャンバ内に配設された支持マトリックスをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  14. 前記容器内の流体の１つまたは複数の化学的特性および／または物理的特性を検知するよう構成された１つまたは複数のセンサを含む少なくとも１つのセンサユニット、
    １つまたは複数の流体出口および流体入口内の前記流体の流動を制御するよう構成された複数の制御可能に開閉可能な弁、
    流体リザーバからポンプの入口への新鮮な液状流体の流動を制御するよう構成された制御可能に開閉可能な弁、
    前記容器内の流体を加熱するよう構成されたヒータユニット、
    前記容器内の流体を冷却するよう構成された冷却ユニット、ならびに
    酸素供給源から前記容器内に配設されたガス分散ヘッドへの酸素を含むガスの流動を制御するよう構成されたガス弁
    のうちの少なくとも１つと操作可能に接続され、それを制御するよう構成された制御部をさらに含む、請求項１～１３のいずれか１項に記載のバイオリアクタ。
  15. バイオリアクタで治療用の細胞または微生物を生育させる方法であって、
    前記バイオリアクタが、
    中の空間を取り囲む密閉容器と、
    中に複数の孔を有する第一の隔壁であって、空間内に密封状態で配設され、前記空間を第一の下のチャンバと第二の上のチャンバとに分けるよう構成されており、前記第二のチャンバが、中で生育する前記細胞または微生物を調節するよう構成されており、前記孔の直径が、前記第一のチャンバと前記第二のチャンバの相互間のみの流体流動が可能になるよう構成されており、前記容器内で生育させる細胞または微生物に前記第一のチャンバと前記第二のチャンバとの間を通過させない、第一の隔壁と、
    前記流体を前記第一のチャンバ内に導入する１つまたは複数の流体入口と、
    前記流体を前記第二のチャンバから流出させる１つまたは複数の流体出口と、
    前記第二のチャンバに開口し、前記第二のチャンバから細胞を回収するよう構成された前記第一の隔壁の上面付近に配設されて開閉可能な少なくとも１つの回収口と、
    前記第一のチャンバに開口し、前記流体を前記第一のチャンバから流出させることのできる開閉可能な追加出口と
    を含み、
    前記流体流動が逆流を含み、
    当該方法が、
    前記バイオリアクタの前記第二のチャンバ内に細胞または微生物を導入する段階と、
    前記細胞または微生物を前記流体で灌流する段階であって、前記バイオリアクタ内の前記流体のレベルおよび／または流速を制御することを含む段階と、
    前記細胞または微生物を所望の濃度まで生育させる段階と、
    前記追加出口から前記流体を流出させて前記第二のチャンバ内の流体の体積を減少させることによって前記細胞または微生物を濃縮する段階と、
    前記少なくとも１つの回収口を介して前記細胞または微生物を前記バイオリアクタから回収する段階と
    を含む、方法。
  16. 前記灌流する段階が、
    前記流体を前記第一の隔壁に通して再循環させること、
    前記流体に酸素を添加すること、
    前記流体を前記第一のチャンバから前記第一の隔壁を通して前記第二のチャンバ内に灌流すること、または、
    その任意の組合せ
    をさらに含む、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記再循環させる段階が、
    前記バイオリアクタにある量の新鮮な流体を加える段階、および
    前記バイオリアクタからある量の前記流体を排出する段階
    のうち少なくとも１つの段階をさらに含む、
    請求項１６に記載の方法。
  18. 当該方法が、
    前記第二のチャンバ内の流体のレベルを増大させる段階、
    前記細胞または微生物を洗浄する１つまたは複数の段階、
    細胞塊にかかる重力と、選択した流体逆流の速度との間のバランスにより、前記細胞塊を前記第二のチャンバ内の浮遊位置の特定の領域に維持する段階、
    前記細胞を追加の異なる細胞と共培養する段階、
    前記第二のチャンバのヘッドスペース内のガス状物質の濃度を制御する段階であって、前記ガス状物質が酸素とＣＯ２とを含むか、あるいは灌流および／または調節する段階により、前記流体の溶存酸素レベルおよびｐＨレベルのうちの少なくとも１つを制御する段階、
    前記培地にサイトカインを添加する、または前記細胞をサイトカインを加えるサイトカイン分泌細胞と共培養する段階、
    前記隔壁を抗体でコートする段階、または
    その任意の組合せ
    をさらに含む、請求項１５～１７のいずれか１項に記載の方法。
  19. 前記細胞が付着細胞であり、
    当該方法が、前記第二のチャンバ内に配設された１つまたは複数の表面に前記細胞を接着させることをさらに含む、請求項１５～１８のいずれか１項に記載の方法。
  20. 前記１つまたは複数の表面が、前記第一の隔壁の上面、前記第二のチャンバの壁の表面、前記第二のチャンバ内に配設された細胞支持マトリックスの表面、およびその任意の組合せからなる群より選択される、請求項１９に記載の方法。
  21. 前記細胞がＴ細胞であり、前記追加の異なる細胞がサイトカイン分泌細胞であるか、
    前記細胞がＴ細胞であり、前記追加の異なる細胞が抗原提示細胞であるか、または
    前記細胞が胚性幹細胞であり、前記追加の異なる細胞がフィーダー細胞である、
    請求項２０に記載の方法。
  22. 前記細胞を導入する段階、灌流する段階、制御する段階、生育させる段階、洗浄する段階および回収する段階が連続的なものであり、前記第二のチャンバ内で、または前記第二のチャンバから実施される、請求項１５～２１のいずれか１項に記載の方法。
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