KR100879597B1 - 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치 - Google Patents

세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세포조작과 배양을 위한 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 세포조작과 배양을 위한 과정이 차폐된 환경 동일 공간에서 이루어지도록 하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 세포조작과 배양을 위한 장치는 작업자를 배제하고 무균 공기가 흐르는 위생적인 차폐된 환경에서의 전 처리와 더불어, 플라스크배양, 반 연속식 배양, 연속식 배양 등이 동일 공간에서 가능하도록 하여, 오염가능성을 대폭 감소시키는 한편, 생체에서와 유사하게 항상 일정한 세포의 생육환경을 만들어주어 건강한 세포가 효율적으로 증식 배양될 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.
세포 배양기, 클린 벤치, 헤파필터

Description

세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치{Device for Cell Manipulation and Cultivation in a Closed Environment}
도 1은 종래의 세포배양 공정의 플로우를 본 발명과 비교하기 위하여 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치의 구성도이다.
도 3은 이산화탄소 배양기와 작업대가 차폐된 동일 공간 내에 설치된 본 발명에 따르는 장치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명에 따르는 세포조작 및 배양 장치를 이용한 세포치료제 생산에 있어서 물질의 흐름을 예시로서 도시한 모식도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 세포조작 및 배양 장치
1: 작업 및 배양공간
2: 배양기 2a: 각종 센서 2b: 세포분리장치
5: 가스 믹서
7: 정량 펌프
8: 제어기
9: 산소 탱크
10: 이산화탄소 탱크
11: pH 완충액 탱크
12: 물탱크
13: 공기 압축기
14: 진공 펌프
15: 냉각기
16: 살균제
18: 투명 차단막
(기술분야)
본 발명은 세포조작과 배양을 위한 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 세포조작과 배양을 위한 과정이 차폐된 환경 동일 공간에서 이루어지도록 하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 세포조작과 배양을 위한 장치는 작업자를 배제하고 무균 공기가 흐르는 위생적인 차폐된 환경에서의 전 처리와 더불어, 플라스크배양, 반 연속식 배양, 연속식 배양 등이 동일 공간에서 가능하도록 하여, 오염가능성을 대폭 감소시키는 한편, 생체에서와 유사하게 항상 일정한 세포의 생육환경을 만들어주어 건강한 세포가 효율적으로 증식 배양될 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.
(종래기술)
종래의 세포배양 공정은 일반적으로 송풍기 및 헤파(HEPA) 필터 또는 ULPA 필터를 내장하여 작업공간을 일정한 공기 청정도로 유지하기 위한 장치인 클린벤치 (clean bench) 라는 청정도 청정등급 (Class) 100 이하의 조작대에서, 동물세포, 식물세포, 미생물세포 등의 세포 조직(덩어리)으로부터의 세포 분리와 체외배양 (Ex-vivo 혹은 In-Vitro culture)을 위한 전처리 과정과, 플라스크에 적절한 배지와 전처리된 세포나 조직의 작은 덩어리를 넣는 과정을 오염의 가장 큰 원인이 되는 실험자들이 수행하고, 이들이 움직이고 생활하는 오염환경에 일정 부분 노출되어 있는 배양 장치에 옮기는 작업으로 이루어진다.
특히, 회분 배양 또는 비연속식 배양에서는 (Batch Culture), 다세포 생물 조직 배양의 경우에는 제어된 조절에 의하여 일정 농도의 이산화탄소의 환경을 제공하고, 생체환경과 유사한 온도와 pH등의 물리화학적인 환경하에서 수 시간 배양한 후 살아있는 세포가 배지를 생육을 위해 소모하면, 배지를 새로운 신선한 배지로 갈아주는 방식으로 수차례 계대 배양하면서 대부분 진행되고 있다. 이 경우 배지의 교환 및 배지로부터 세포나 특정 물질을 수집하는 과정의 수행은 모두 오염환 경에 일정 부분 노출될 수밖에 없는 실정이다.
또한, 이러한 회분 배양 방법은, 일정 기간 동안 서서히 진행되는 영양물질의 소모와 노폐물의 축적을 즉각적으로 제어하지 못하여, 상기 물질들의 농도가 일정하게 유지되지 못하는 단점이 있다. 따라서, 생장 관련 물질의 농도의 변화에 민감한 조직이나 세포의 배양에는 보다 즉각적인 제어가 이루어지는 배양방법이 적합하다.
이 같은 배양 방법으로는, 플라스크에 붙어 성장하는 세포는 단백질분해효소를 약하게 처리하거나 배양환경을 바꾸어주어 부유배양환경으로 전환한 후 반 연속식 배양(Fed-Batch Culture) 하는 방법과 배지의 소모량에 맞추어 연속적으로 배지를 넣어주고 pH, 온도 등을 맞추어주는 연속식 배양 방법이 사용된다.
이 같은 세포나 조직의 배양방법은, 세포배양 후에 세포자체를 여러 가지 목적으로 이용하거나, 배양과정에서 소모되는 배지 내로 분비되는 물질, 세포 내 물질, 세포벽이나 막에 있는 물질 등을 이용하려는 여러 가지 이유로 배양되고 있다.
이 같은 공정은, 실내의 작업환경에서의 오염방지를 목적으로 실내 공기 중의 먼지, 미립자를 최소로 유지시키고, 실내의 압력 습도, 온도, 기류의 분포와 속도 등을 일정범위 내로 제어하기 위해 만들어진 특수한 방인 클린룸(Clean Room) 에서 이루어지는 것이 보통이다. 그러나, 이와 같은 작업의 전 공정이 클린룸이라는 특정 목적의 청정실험실에서 이루어진다 하더라도, 호흡과 타액 등을 통해 오염가능성이 가장 높은 작업자를 배제하고 완전한 로봇에 의한 작업을 할 수 없을 뿐만 아니라, 출입절차가 까다롭고 불편하다. 더구나, 클린벤치에서의 작업 후에는 이산화탄소배양기로 옮겨야 할 뿐만 아니라 이산화탄소 배양기 자체도 오염에서 자유롭지 못한 여러 가지 다른 생체물질을 배양할 가능성이 항상 있다.
또한, 대규모화, 계대배양 등의 여러 가지 목적으로 플라스크 배양 후 자동배양기(Fermenter 혹은 Bioreactor)에 옮기는 과정에서 화염 멸균을 수행하기는 하지만, 이 경우에 배양기 자체는 오염환경에 노출된 채 단지 튜브 등을 통해 내부만 멸균에 신경 쓸 수밖에 없는 실정이다.
게다가, 이러한 환경에서는 세포는 생체환경(in vivo)과 달리 계속적으로 일정한 영양성분의 공급, 온도, pH, 산소나 이산화탄소 분압 하에 있을 수 없어 생명력이 급격히 떨어지는 것을 피할 수 없다. (도 1)
본 발명은 위와 같은 종래의 오염가능성이 높은 비위생적인 환경과 배양된 세포의 생명력이 급격히 떨어질 수밖에 없는 기존의 세포공정과정을 개선하기 위한 것이다. 본 발명은 클린벤치와 같은 작은 공간에서 작업자를 배제하고 무균 공기가 흐르는 위생적인 차폐된 환경에서의 전 처리와 더불어, 플라스크배양, 반 연속 식 배양, 연속식 배양 등이 동일 공간에서 가능하도록 하여, 오염가능성을 대폭 감소시키는 한편, 생체에서와 유사하게 항상 일정한 세포의 생육환경을 만들어주어 건강한 세포가 효율적으로 증식 배양될 수 있는 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따르는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치는, 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치에 있어서,
상기 장치는 공기 유입구를 통해 유입된 공기를 정화하여 본체에 형성된 작업 및 배양공간 내로 유출시키도록 형성되고,
외부와 차단될 수 있도록 설계된 상기 작업 및 배양 공간 내에는 배양기가 설치되고,
상기 배양기에는 배지로부터 배양중인 세포를 분리하는 장치가 구비되고;
상기 배양기 내부에는 세포 pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도를 측정하는 센서가 설치되고;
상기 본체 내부에는 배양기와 각각 정량 펌프가 설치된 관으로 연결된 산소 탱크, 이산화탄소 탱크, pH 조절 완충액 공급원, 배지 탱크 및 물탱크를 구비하고;
상기 본체 외부에 pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도를 제어하는 전자적 제어기를 구비한다.
더욱 바람직하게는, 상기 작업 및 배양공간을 외부와 차단시킬 수 있게 형성되면서 적어도 일부는 작업 및 배양공간 내부가 보일 수 있는 투명 차단막을 더 구비하고, 상기 투명 차단막은 필요에 따라 작업자의 손이 자유롭게 움직일 수 있도록 개폐 가능하고 개구 넓이의 조절이 가능하도록 설치된다.
본 발명의 세포조작 및 배양 장치는 공기 유입구를 통하여 유입된 공기 정화를 위한 수단은 통상적으로 클린벤치에서 유입공기의 정화에 사용되는 어떤 수단도 사용될 수 있다. 바람직하게는 헤파필터나 ULPA 필터를 내장할 수 있다. 이 같은 수단에 의하여 정화된 공기는 공기 유출구를 통하여 배양기가 설치되어 있는 차폐된 작업공간 내로 유출된다. 작업공간 내로 유출된 공기는 외기로 배출될 때에도 공기 정화시설, 바람직하게는 필터를 통하여 배출되도록 설치된다. 사용되는 필터는 단 하나의 필터일 수도 있으나 통과제한크기가 서로 다르고 정전기적 성질이 서로 다른 여러 필터가 순차적으로 적용되도록 설치될 수도 있다.
본 발명의 세포조작 및 배양 장치는 배양기에 연결되는 정량펌프, 가변속 펌프, 가스믹서와 이들 가스의 교환을 위한 각종 가스 탱크와 가스라인을 내장한다. 가스 탱크는 O2, CO2를 포함하는 탱크일 수 있다. 가스 믹서에서는 대기, 질소, 이산화탄소, 산소 등의 가스가 혼합된다.
본 발명의 세포조작 및 배양 장치에 설치된 배양기는 세포 배양에 사용되는 어떤 형태의 배양기일 수 있으나, 전형적으로 배양 플라스크 또는 베 셀 형태일 수 있다. 배양 플라스크나 베 셀에는 신선한 배지나 사용된 소모 배지로부터 세포를 분리하는 장치가 내장될 수 있다. 세포를 분리하는 장치는 전형적으로 스핀필터(Spin Filter)나 뎁스필터(Depth Filter), 가스투과성 막(Gas permeable membrane), 미세 공이 있는 필터(Hollow fiber filter)등의 필터를 통하여 세포를 여과하는 방식으로 운전될 수 있다. 세포를 분리하는 장치는 배양 종료 후에 배지로부터 세포를 회수하여 목적 물질을 수득하기 위하여 사용할 수 있고, 세포의 계수, 사용한 배지를 폐기하기 위하여 소모 배지와 세포를 분리하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 세포조작 및 배양 장치에 설치된 배양기 내부에는 세포 밀도, pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도 등의 생육인자를 측정하는 센서가 설치되는데, 생육인자는 상기 열거한 이외에도 어떤 알려진 생육인자일 수 있고, 센서는 배양 중의 제어를 요하는 요소들을 정량하는 어떠한 센서일 수도 있다. 상기 센서에 의하여 측정된 양에 관한 정보는 상기 장치 본체 외부에 설치된 제어기에 전달된다.
본 발명의 세포조작 및 배양 장치의 본체 외부에 설치된 제어기는 배양기 내부에 설치된 센서로부터 정량된 정보를 기초로 하여 제어를 요하는 요소들, 예를 들어, 신선한 배지와 가스조성, 온도, pH 등을 제어하여 유입시키도록 한다. 제어기는 pH, 온도, 신선한 배지, 소모된 배지 등 배양 중에 제어를 요하는 요소들을 터치스크린 등의 수단으로 차폐장치 외에서 제어하는 전자적인 장치의 형태일 수 있다. 바람직하게는, 전자적 제어기를 통해서 플라스크나 베 셀 내부의 pH, 온도, 거품, 용존산소량(Dissolved Oxygen; DO), 호흡 후의 이산화탄소 생산량(Carbon dioxide Evolution Rate; CER), 산소소모량(Oxygen Uptake Rate ; OUR)의 측정, 포도당소모량(Glucose Consumption), 젖산생산량(Lactate Production) 등을 비례적으로 특정하여 비 성장속도(Specific Growth Rate ; u)들을 계산하고 그에 적절한 신선한 배지와 가스조성, 온도, pH 등을 제어하여 유입시키도록 하는 등 전 과정이 자동으로 제어되도록 구성된다.
신선한 배지와 가스조성물들 pH 조절 완충액의 양 및 유입 속도 등은 제어기의 명령에 따라 제어기에 연결된 정량펌프가 작동되어 정확한 양이 유입되도록 설치된다.
본 발명의 그외의 목적 특징 및 신규한 기술적 사상은 첨부된 도면들과 관련된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예 들로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 2는 본 발명에 따르는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치의 구성도이다. 도 3은 이산화탄소 배양기와 작업대가 차폐된 동일 공간 내에 설치된 본 발명에 따르는 장치의 구성을 나타내는 측면도이다. 도 2 및 도 3에서 도시된 바와 같 이, 본 발명의 세포조작 및 배양장치는 작업 및 배양공간(1), 배양기(2), 각종 센서(2a), 세포분리장치(2b), 가스 믹서(5), 정량 펌프(7), 제어기(8), 산소 탱크(9), 이산화탄소 탱크(10), pH 완충액 탱크(11), 물탱크(12), 공기 압축기(13), 진공 펌프(14), 냉각기(15) 등으로 구성된다.
배양기(2)는 본 발명의 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치의 작업 및 배양공간 내부에 설치되고 배양기는 가스믹서와 가스라인(도시하지 않음)으로 연결되어 혼합된 가스가 일정량 배양기(2) 내로 유입될 수 있도록 밸브(도시하지 않음)와 정량펌프(7)로 조절된다. 또한, 가스믹서(5)의 가스 조성은 가스 분석기(6)에 의하여 분석될 수 있다. 배양기(2) 내부에는 세포 밀도, pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도 등의 생육인자를 포함하는 제어를 요하는 요소를 측정하는 센서(2a)가 설치된다. 상기 센서에 의하여 측정된 양에 관한 정보는 상기 장치 본체 외부에 설치된 제어기(8)에 전자 신호로서 전달되도록 연결된다.
제어기(8)에 전달된 각종 제어 요소에 관한 정량적 정보 즉, 배양기(2) 내부의 pH, 온도, 거품, 용존산소량, 호흡 후의 이산화탄소 생산량, 산소소모량의 측정, 포도당소모량, 젖산생산량 등을 제어기가 비례적으로 특정하여 비 성장속도들을 계산하고, 그 값에 따르는 적절한 신선한 배지와 각종 가스, pH 완충액 등이 유입되도록 명령하면 정량 펌프(7)와 밸브의 작동에 의하여 각각의 가스라인에 의하여 가스믹서(5) 및 배양기(2)로 연결된 산소 탱크(9), 이산화탄소 탱크(10), pH 완 충액 탱크(11), 물탱크(12)로부터의 유입이 이루어질 수 있도록 구성된다. 냉각기(15)에는 신선한 배지가 보관되어 제어기의 명령에 따라 정량 펌프(7)의 작동에 의하여 배양기(2)에 유입되도록 연결된다.
작업 및 배양공간(1)을 외부와 차단시킬 수 있게 형성되면서 적어도 일부는 작업 및 배양공간 내부가 보일 수 있는 투명 차단막(18)은 본 발명의 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치(100)의 전면에 설치될 수 있는데, 상기 투명 차단막(18)은 필요에 따라 작업자의 손이 자유롭게 움직일 수 있도록 개폐 가능하고 개구 넓이의 조절이 가능하도록 설치된다.
헤파필터나 ULPA 필터 등과 같은 공기 정화를 위한 수단(4)은 송풍기(17)에 의하여 공기의 흐름이 조절되는 가운데 공기 유입구(도시하지 않음)를 통하여 유입된 공기를 정화하여 공기 유출구(19)를 통하여 배양기가 설치되어 있는 차폐된 배양 및 작업공간(1) 내로 유출된다.
배양기(2)에는 세포를 분리하는 장치(2b)가 전형적으로 내장된다. 세포를 분리하는 장치에는 스핀필터(Spin Filter)나 뎁스필터(Depth Filter), 가스투과성 막(Gas permeable membrane), 미세 공이 있는 필터(Hollow fiber filter)등의 필터가 구비되어 세포 여과하여 배지로부터 세포를 분리하도록 구성된다.
도 4는 본 발명에 따르는 세포조작 및 배양 장치를 이용한 세포치료제 생산에 있어서 물질의 흐름을 예시로서 도시한 모식도이다.
도 4에서 인큐베이터로 표시된 본 발명의 작업 및 배양공간에는 배지용기로 표시된 세포 배양기와 이에 연결된 연동펌프가 내장되며, 대기 중에는 소모배지의 출구와 연동펌프가 구비되고 냉각기 내에는 신선한 배지가 보관된다. 배지용기에는 O2, N2 및 CO2의 입구 및 가스 출구가 구비되는 한편, 소모배지의 유출구와 신선한 배지의 유입구가 구비되며, 각종 가스 및 배지의 유입 및 유출 양이 각각 연동펌프에 의하여 조절된다.
본 발명의 세포조작 및 배양장치를 사용하여, 생물, 특히 사람을 포함한 동물의 조직으로부터 위생적인 환경에서 작은 절편을 내는 등의 전처리 과정과 소독, 초기배양을 통해서 분리된 조직으로부터 유래되거나 신생된 세포를 보다 생체환경과 유사한 환경, 즉 항상성 (Homeostasis)이 유지되는 상태에서 배양하는 것이 가능하며, 오염방지와 건강한 세포, 세포주의 획득이 더 유리해지는 효과가 발생할 뿐 아니라, 실험실 공간의 절약과 비용절감 효과 또한 얻을 수 있다.
본 발명은 세포자원을 얻기가 어렵고 채취한다 하더라도 유효한 양이 절대적으로 부족한 세포, 특히 줄기세포 등의 경우에 널리 사용될 수 있다. 오염에 민감 하고 성장성이나 다양한 기관이나 조직으로의 분화능력은 뛰어나지만 생체환경과 다른 환경의 변화에 대해서 생명력이 유난히 약한 배아줄기세포나 성체 줄기세포, 제대혈 등의 조작과 동종 유래 또는 맞춤형 줄기세포치료제의 연구 및 확장배양(Expansion Culture), 치료제 생산 등에 특히 유용한 것이다.

Claims (4)

  1. 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치에 있어서, 상기 장치는,
    세포조작 및 배양을 위한 차폐공간(1);
    공기 유입구를 통해 유입된 공기를 정화하는 수단;
    상기 수단에 의해 정화된 공기를 상기 차폐공간(1)으로 유출시키는 공기 유출구;
    각각 정량 펌프가 설치된 관으로 연결된 산소 탱크, 이산화탄소 탱크, pH 조절 완충액 공급원, 배지 탱크 및 물탱크; 및
    pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도를 제어하는 전자적 제어기로 구성되고,
    상기 차폐공간(1) 내부에는 세포분리장치와 센서를 구비한 배양기가 설치되고,
    상기 세포분리장치는 스핀 필터(Spin Filter), 뎁스 필터(Depth Filter), 가스투과성 막(Gas permeable membrane) 및 미세공 필터(Hollow fiber filter)로 이루어지는 군에서 선택되며,
    상기 센서는 세포 pH, 온도, 용존산소, 이산화탄소 농도를 측정하는 것임을 특징으로 하는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 배양기는 교반식 배양기인 것을 특징으로 하는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공기 유입구를 통해 유입된 공기는 헤파(HEPA) 필터 또는 울파(ULPA) 필터에 의하여 정화되는 것을 특징으로 하는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치는 상기 작업 및 배양 공간이 외부와 차단될 수 있고 개폐 가능하도록 투명 차단막을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포조작 및 배양을 위한 차폐된 장치.
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