KR20210022162A - 연속적으로 조절되는 중공사 생물반응기 - Google Patents

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양은성
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Abstract

본 발명은 일관된 품질의 세포 또는 세포-유래된 산물의 제조를 위하여 연속적으로 조절되는 중공사 생물반응기(Continuously Controlled Hollow fiber Bioreactor, CCHB)을 제공한다. CCHB의 일반적인 구성요소는 중공사 세포배양 모듈, 새로운 배양액 챔버, 사용된 배양액 챔버, 락킹 플랫폼 및 순환펌프와 같은 기본 장치에 일회적으로 부착 또는 탈착이 가능한 부분을 포함한다. 배양액에 있는 영양소, 산소, pH 및 온도를 포함하는 파라미터의 품질은 생산공정 동안 최적으로 유진된다. 이것은 공정 동안 세포 또는 세포-유래된 산물의 컨트롤된 품질을 보장한다.

Description

연속적으로 조절되는 중공사 생물반응기{Continuously controlled hollow fiber bioreactor}
본 발명은 세포 및 세포-유래된 산물을 연속적으로 배양 및 수확하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 조절되는 배양 환경 및 파라미터에 의하여 고품질의 세포 또는 세포-유래된 산물의 연속적인 생산에 관한 것이다.
세포 배양 시스템으로서 반투과성 중공사(hollow fiber)는 세포 및 단백질, 펩티드, 항체, 호르몬, 백신을 포함한 세포-유래된 산물(cell-derived product)의 생산을 위하여 수십 년 이상 사용되어 왔다. 중공사 타입의 생물반응기는 여러 장점이 있다. 예를 들어, 넓은 표면적을 제공하며, 이는 세포로의 영양분의 확산 및 세포의 폐기물과 대산물의 수집을 촉진시킨다. 또한, 세포는 다른 세포 배양 시스템에 비해 고밀도로 증식할 수 있고, 이는 in vivo 의 환경을 모방한 것일 수 있다. 중공사 타입 생물반응기는 밀리리터당 108 세포 이상의 밀도로 증식될 수 있는 반면, 기존 스테인리스 타입의 생물반응기와 같은 다른 세포배양 시스템은 밀리리터 당 106 세포 밀도로만 증식될 수 있다.
중공사 배양 시스템(Hollow fiber culturing system)은 in vivo와 같은 환경을 제공하며, 기존 사용되던 배지보다 무 혈청 배지 또는 적은 혈청(serum)이 포함된 배지에서도 세포가 성장할 수 있다. 분비된 세포-유래된 산물(cell-derived product)은 중공사의 필터-유사의 성질에 의해 농축될 수 있고, 이것은 기존 생물반응기에서 수행되는 것에 비하여 100배 높은 수준이다. 중공사 타입의 생물반응기는 일반적으로 일회용이며, 일회용 생물반응기의 장점은 스테인리스 반응기에 비하여 세척 및 살균에 사용되는 비용을 감소시킬 수 있다. 그리고 이러한 일회용 생물반응기는 복잡한 자격 및 검증 절차를 쉽게 통과할 수 있다. 낮은 교차 오염의 위험과 절차상의 안전성이 증가하는 것은 일회용 생물반응기의 또 다른 장점이다.
그러나, 중공사 타입의 생물반응기는 몇 가지의 단점이 있다. 예를 들어, 기존 알려진 중공사 타입의 생물반응기는 세포 배양 과정에서 난류 에너지(turbulent energy)를 발생하게 하는 기능이 없었다. 난류 에너지는 일반적으로 세포 배양 공간에 걸쳐 세포 및 배지의 고른 분포를 위해 필요하다. 또한, 기존의 중공사 생물반응기는 배양 공간에 걸쳐 온도, pH, 영양소 양, 가스, 글루코오스 소비, 세포 밀도, 세포 수와 같은 세포 성장을 위한 각종 파라미터의 제어를 제공하지 않는다. 또한, 중공사 생물반응기는 세포 배양 공간 내 활성 산소 전달 능력이 부족하다. 이러한 중공사 생물반응기는 수백 리터 이하의 소규모 실험실 연구 목적에만 적용할 수 있고, 공업적 규모의 생산에는 적합하지 않다. 그러므로, 중공사 생물반응기의 배양 크기 한계는 현재의 대량의 산업 수준에서는 엄청난 단점이다.
생물반응기에서 제어되는 파라미터와 배양 환경은 세포 또는 세포-유래된 바이오 산물의 산업적 생산을 위하여 중요하다. 예를 들어, 불안정하고 불일치한 배양 환경은 건강한 세포의 고르지 않은 분포를 야기하고, 결과적으로 생산물의 샘플의 오염을 야기하는 바람직하지 않고 변경된 세포-유래된 바이오-산물의 혼합물을 형성하게 한다.
그러므로, 현장에서 요구되는 것은 대규모의 세포 배양에 적합한 생물반응기(bioreactor) 및 대규모의 세포 배양 환경 파라미터를 정확하고 정밀한 제어할 수 있는 세포 및 세포-유래된 산물의 제조방법이다. 본 발명은 생물 의약품의 제조에 적용가능하며, 쉽고 지속적으로 최적의 세포배양 생산을 위한 파라미터를 조절하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 세포 증식 시스템으로서, 연속적으로 조절되는 중공사 생물반응기(Continuously Controlled Hollow fiber Bioreactor; CCHB)의 독특한 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 CCHB를 사용하여 세포-유래된 산물을 제조하는 방법을 제공한다.
CCHB는 생물학적 또는 약학적 물질의 효율적이고 좋은 품질의 생산을 위해 설계되었다. 예를 들어, 책 크기(약 2 리터의 반응 용기)의 CCHB에서 기존 약 1500 리터의 생물반응기에서 얻는 것과 유사한 양의 3.5 kg의 단클론 항체를 수득할 수 있다. 따라서, CCHB 시스템은 공간, 시약, 노동 비용의 상당한 금액을 절약할 수 있다. 높은 세포 밀도에서 가스, 영양 및 대사 폐기물의 동적이고 높은 비율의 교환은 CCHB 시스템의 중요한 특징 중 일부이다.
일 양태에 있어서, 본 발명은 하기와 같은 특징을 갖는 세포 배양 시스템을 제공한다.
- 모듈, 튜브, 센서 및 부속품과 같은 멸균 일회용 시스템을 포함하는 반응기를 위한 지속적으로 깨끗한 환경
- 원하는 분획 분자량의 범위에 따라 중공사의 포어 크기에 의해 조절되는 가 수확 컨트롤 기능
- 세포가 잘 혼합되고, 세포분포 및 밀도가 흔들림 모션에 의해 조절되는 세포 성장 조절 기능
- 세포에게 안전하고 건강한 환경을 보장하는 중공사를 통한 흔들림 모션에 의해 일어나는 부드러운 전단력(sheering force)
- 배양 크기에 따른 산소 공급 컨트롤
- 온도, 배양액 공급장치, 가스, pH 및 이에 제한되지 않는 파라미터에 대한 컨트롤
- 연구 실험실에서 산업규모까지 수천 리터 이상 확장 가능한 시스템
- 공정 동안 일정한 품질의 배양액을 공급하는 배양액 관류 시스템(medium perfusion system)
- 상대적으로 작은 공간을 요구하여, 상당한 공간 비용 절감 효과
- TFF (Tangential Flow Filtration) 시스템에 의한 샘플 농축 가능성
본 발명의 생물반응기 시스템의 장점 중 일부는 제한없이 다음을 포함할 수있다. 인간, 동물, 식물 및 세균 세포와 같이 다양한 범위의 세포의 배양에 사용될 수 있다. 산업 규모(수천 리터 이상)까지 넓은 범위의 배양 규모가 공정될 수 있다. 부유 세포(suspension cell)와 부착 세포(adherent cell) 모두가 배양될 수 있다. 공동-배양(co-culture)를 포함하는 이종 간의 혼합된 세포 배양(예를 들어, 모세관 외부 공간(extra-capillary space) 내에서)이 생물반응기 시스템에서 수행될 수 있다. 매트릭스와 사이토카인이 필요한 줄기세포 또는 프라이머리 세포 배양(primary cell culture)이 배양될 수 있다. 마이크로-캐리어(micro-carrier)에 의한 세포배양은 본 발명의 생물반응기에서 사용될 수 있다. 단일클론 항체를 제조할 수 있다. 재조합 단백질 또는 바이오-의약을 제조할 수 있다. in vitro 독성을 위한 PK/PD(Pharmacokinetic/Pharmacodynamic) 결정이 수행될 수 있다. 사이토카인 및 성장 인자가 생산될 수 있다. 세포 배양은 실시간으로 관찰될 수 있다. 또한, 세포 증식(부유세포, 부착세포, 프라이머리 세포, 림프구 및 줄기세포)은 본 발명의 생물반응기를 사용하여 수행될 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 발명은 고속처리(high throughput) 중공사 생물반응기를 제공한다.
본 발명의 목적은 본원에 첨부된 발명의 설명, 참조된 도면 및 첨부된 청구항으로부터 완벽하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 연속적으로 조절되는 중공사 생물반응기(CCHB)의 일반적인 개략도이다.
도 2는 록킹 플랫폼(rocking platform) 상의 중공사 세포배양 모듈의 절단된 정면도이다.
도 3a는 중공사 세포배양 모듈의 개략도이다.
도 3b는 도 3A의 중공사 세포배양 모듈의 정면도이다.
도 3c는 도 3A의 중공사 세포배양 모듈의 절단된 측면도이다.
도 3d는 도 3A의 중공사 세포배양 모듈의 평면도이다.
도 4a는 작은 포어(pore) 크기를 갖는 중공사 배양의 개략도이다.
도 4b는 작은 포어 크기의 중공사를 포함하는 CCHB의 개략도이다.
도 5a는 큰 포어(pore) 크기를 갖는 중공사 배양의 개략도이다.
도 5b는 큰 포어 크기의 중공사를 포함하는 CCHB의 개략도이다. 사용된 배양액 수확은 TFF (Tangential Flow Filtration) 시스템을 통해 농축된다.
도 6a는 마이크로-캐리어를 갖는 중공사 배양의 개략도이다.
도 6b는 마이크로-캐리어를 갖는 큰 포어 크기 중공사를 포함하는 CCHB의 개략도이다.
도 7a, 7b, 7c, 7d, 7e, 7f, 7g 및 7h는 적용에 따라 배양 모듈로 가스를 공급하는 상이한 방식들을 나타낸다.
도 7a는 모듈에서 가스 투과성 실리콘 튜빙에 의한 직접적인 에어레이션(aeration)의 개략도이다.
도 7b는 신규 배양액 용기에서 가스 살포에 의한 직접 에어레이션의 개략도이다.
도 7c는 세포배양 모듈에 이어 역동적 에어레이션 챔버의 개략도이다.
도 7d는 중공사 산소공급기(oxygenator)를 통한 공기 확산의 개략도이다.
도 7e는 공기 살포(air sparging) 챔버의 개략도이다.
도 7f는 공기 투과성 실리콘 튜빙의 코일링에 대한 개략도이다.
도 7g는 가스 교환성 멸균 필터를 가지는 배양액 저장고를 교반하는 개략도이다.
도 7h는 가스 교환성 멸균 필터를 갖는 배양액 에어레이션 챔버의 개략도이다.
도 8a, 8b 및 8c는 새로운/사용된 배양액의 무균의 일회용 용기의 교체를 나타낸다.
도 8a는 새로운 배양액 용기 교체에 대한 개략도이다.
도 8b는 사용된 배양액 용기 교체에 대한 개략도이다.
도 8c는 무균의 멀티-탭 커넥터 시스템에 대한 개략도이다.
본 출원에서, 단수형("a" 및 "an")은 물건의 단수 및 복수 둘 다를 나타내기 위해 사용된다.
본 발명은 본원에서 기재하는 특정 적용, 프로토콜 및 시약에 제한되지 않으며 이러한 것은 달라질 수 있다. 본원에서 사용된 용어는 특정 구현예의 목적만을 위해 사용된 것으로, 오직 청구항에 의해서 규정된 개시된 발명을 제한하려는 의도가 아니다.
본 발명에서 사용된 용어, "세포-유래된 산물(cell-derived product)"은 성장 인자, 사이토카인, 모노클로날 항체, 면역글로불린 산물, 효소, 호르몬, 백신 및 융합 단백질을 포함하는 단백질을 의미한다.
본 발명에서 사용된 용어, "중공사"는 분자량 컷-오프가 10 kD와 0.2μm 사이일 수 있는 대략 200 마이크론 지름의 작은 튜브-형 필터이다. 이러한 섬유는 통상적으로 카트리지 쉘(cartridge shell) 내로 밀봉되어 세포가 포어(pore)의 크기 또는 중공사 내 및 주위의 다양한 조건에 따라 섬유의 내부 또는 외부에서 성장하는 동안 카트리지의 말단을 통해 펌핑된 세포 배양액이 섬유의 내부 또는 외부를 통해 흐를 수 있도록 한다. 그런 다음, 이러한 섬유는 세포가 성장하고 배양액이 흐르는 컴파트먼트(compartment) 사이에 규정된 분자량 컷오프(molecular weight cut-off, MWCO)의 반-투과성 장벽을 생성한다. 세포가 비-다공성 플라스틱 접시보다는 다공성 지지체(중공사)에 부착되기 때문에 영양분은 세포로 쉽게 수송된다. 예를 들어, 중공사의 포어 크기는 중공사가 어떻게 사용될지에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 10 kD 내지 1000 kD의 범위 또는 0.2 μm의 포어 크기까지의 분자량 컷오프(MWCO)를 갖는 중공사가 특정 목적을 위해 사용될 수 있다. 또한, 중공사는 2 cm 내지 200 cm의 길이를 가질 수 있다. 또한, 중공사의 적어도 하나 이상은 0.2 μm 이하인 포어 크기를 가질 수 있다.
본 발명에서 사용된 용어, "중공사 세포배양 모듈" 또는 "모듈"은 세포가 배양되는 중공사 및 배양액이 통과하는 중공사의 내부 공간을 포함하는 하우징을 의미한다.
본 발명에서 사용된 용어, "고속처리(high throughput) 중공사 생물반응기"는 상업적 규모의 세포배양을 실시하기 위해 고성능의 영양분, 가스 및 폐기물 교환을 위해 갖춰진 중공사 생물반응기의 일 유형을 의미한다. 일 측면에서, 본 발명의 생물반응기로부터 수득된 세포-유래된 산물의 양은 생물반응기의 반응조의 크기에 비례하여, 그리고 작은 크기의 종래 공지된 생물반응기에 비례하여 대량일 수 있다. 영양분, 가스 및 폐기물의 교환은 세포-유래된 산물을 생산하는 세포를 지원하기 위해 빠른 속도로 실시될 수 있다.
생물반응기의 외부 면적은 소규모에서 중규모, 대규모, 초대규모를 포함할 수 있다. 소규모 생물반응기는 약 1cm x 7cm x 10cm (약 30 ml의 내부 생물반응기 반응 부피) 범위의 외부 면적을 가질 수 있다. 중규모 생물반응기는 약 3cm x 12cm x 22cm (약 400 ml의 내부 생물반응기 반응 부피) 범위의 외부 면적을 가질 수 있다. 중-대규모 생물반응기는 약 5cm x 22cm x 35cm (약 2L의 내부 생물반응기 부피) 범위의 외부 면적을 가질 수 있다. 대규모 생물반응기는 약 10cm x 60cm x 60cm (약 20 L의 내부 생물반응기 반응 부피) 범위의 외부 면적을 가질 수 있다. 초대규모 생물반응기는 약 20cm x 90cm x 120cm (약 100 L의 내부 생물반응기 반응 부피) 범위의 외부 면적을 가질 수 있다. 또한, 생물반응기는 50 ml 이하의 부피를 유지(hold)할 수 있다. 또한, 50 ml 이하의 부피를 유지하는 생물반응기는 판(plate)으로부터의 가열 시스템(heating system)을 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 생물반응기는 470 mm X 640 mm x 480mm의 크기를 가질 수 있다. 생물반응기의 형태는 생물반응기가 세포-유래 산물을 생산하는 기능을 하는 한 변형될 수 있다. 예를 들어, 형태는 직사각형으로 제한되지 않을 수 있다. 물질이 안정하고 효과적으로 사용가능하다면 어떤 형태든 사용될 수 있다. 생물반응기의 외부 면적은 적합한 셋팅 및 환경에 따라 만들어질 수 있다. 또한, 생물반응기는 가스 영양 공급장치(gas nutrient supply)를 포함하며, 상기 가스 영양은 산소, 이산화탄소, 질소 또는 공기일 수 있다.
본 발명에서 사용된 용어, "마이크로-캐리어"는 생물반응기 내에서 부착 세포의 성장을 가능하게 하는 지지체 매트릭스(matrix)이다. 마이크로-캐리어는 통상적으로 125 - 250 μm의 구(sphere)이며 이들의 밀도는 온화한 교반으로 현탁했을 때 이들이 유지되도록 한다. 마이크로-캐리어는 DEAE-덱스트란, 유리, 폴리스티렌 플라스틱, 아크릴아미드, 콜라겐, 및 알기네이트를 포함하는 다수의 상이한 물질로 만들어질 수 있다. 마이크로-캐리어는 생물제제(예를 들어, 단백질) 및 백신 등의 대규모 상업 생산에서 단백질-생산 또는 바이러스-생성 부착성 세포 집단을 성장시키는 데 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
실시예 1. 연속적으로 조절되는 중공사 반응기(hollow fiber bioreactor, CCHB) 시스템
CCHB 시스템은 도 1, 2 및 3a-3d에서 간단하게 보여지고 있다. CCHB의 주요 구성요소는 중공사 세포배양 모듈(hollow fiber cell culture module), 난류 에너지 인풋(turbulence energy input), 펌프(pump), 가스 공급장치(gas supply) 및 배양액 교환(medium exchange)을 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 온도, pH, 산소농도, 난류 힘(tubulent force), 유량, 세포밀도 및 글루코오스 소비량과 같은 고려되었던 모든 파라미터들이 관찰되고, 조절되었다.
1.1. 중공사 세포배양 모듈(Hollow fiber cell culture module)
중공사(hollow fiber)는 모듈에서 세포로 놓이고 양 끝에서 밀폐되었다. 중공사는 폴리설폰(polysulfone), 폴리프로피렌(polypropylene), 나이론(nylon), 폴리에스테르(polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 셀룰로즈 아세테이트(cellulose acetate), 혼합된 셀룰로즈 에스테르(mixed esters of cellulose) 또는 이의 조합에 의해 만들어질 수 있다. 또한, 중공사의 포어(pore) 크기는 10 kD 내지 500 kD으로서 제조과정의 분자량 컷오프(molecular weight cutoff, MWCO) 타겟에 따라 다양할 수 있다. 장치 하우징(apparatus housing)는 특히 난류 환경에서 다양한 배양 조건으로 주어졌을 때, 누출(leakage)없이 중공사와 배양액을 유지할 수 있는 것이라면 플라스틱 백 타입, 단단한 껍질상자 타입(직사각형 또는 정사각형) 또는 어떤 타입이나 형태일 수 있다. 하우징은 양 끝에서 중공사 세포배양 모듈의 루멘(lumen)과 연결되는 배양액 입구(media inlet, 201)과 출구(outlet, 202)을 포함할 수 있다(도 2). 중공사 세포배양 모듈은 번들의 중공사를 수용하고 있다. 모듈의 상부에는 세포 접종을 위한 무균성의 입구(aseptic inlet, 203)과 세포 수확을 위한 출구(outlet, 204)가 설치될 수 있다. 또한, 온도(205), pH(206), 산소 농도(207) 또는 이에 한정되는 않는 파라미터들에 대한 일회용 센서들이 포함될 수 있다. 글루코오스/락토오스 농도 센서가 포함될 수도 있다. 도면은 본 발명을 분명히 보여주기 위한 목적인 것이고, 도면에서 보여지는 센서의 모든 것만이 본 발명에서 포함된 것은 아니며, 다른 센서들이 포함될 수 있다고 이해되어야 한다. 세포 수, 세포 밀도 및 글루코오스 소비량을 포함하는 환경적인 파라미터를 측청하기 위한 무균의 샘플링 출구(sampling outlet, 208)가 설치될 수도 있다.
1.2. 난류 에너지 인풋(turbulence energy input)
모듈은 모션 판(motion plate, 209)에 놓여질 수 있고, 상기 모션 판은 수평의 흔들림(horizontal shaking)과 웨이브-스타일의 흔들림 모션(rocking motion)에 의해 난류 에너지를 공급한다. 흔들림 모션과 수평의 흔들림의 속도와 각도는 원하는 대로 조절될 수 있다. 또한, 판은 열 조절이 가능하다. 작동 중 실시간의 열 조절은 모듈에 있는 열 감지센터(heat sensor)와 모션 판에 연결된 열 조절기(heat controller) 사이의 조정에 의해 이루어질 수 있다. 또한, 전체적인 모듈은 난류와 일정한 온도를 제공하는 닫힌 챔버에서 작동될 수 있다.
1.3. 펌프
연동펌프(peristaltic pump)는 중공사를 통한 방향성의 흐름을 만드는데 사용될 수 있다. 펌프의 용량은 배양 모듈의 크기에 따라 다양할 수 있다. 펌프(101)는 새포운 배양액(new media, 102)쪽의 펌프에서 모듈의 입구(201)에 에 가깝게 놓여질 수 있다 (도 1 및 2). 선택적으로, 다른 펌프(101)는 중공사의 저항력으로부터 배압(back pressure)을 극복하기 위하여 사용된 배양액(103)을 내보내는 모듈의 출구(202)에 가깝게 추가될 수 있다. CCHB의 작은 스케일을 위하여, 간단한 방향성의 흐름은 플로우 밸브(flow valve)와 플로우 펌프(flow pump)에 의해 제공될 수 있다.
1.4. 가스 공급장치(Gas Supply)
적절한 농도의 산소를 세포에 공급하는 것은 중요하다. 다양한 에어레이션(aeration) 옵션이 배양 크기에 따라 선택될 수 있다. 도 7a에서 보여지듯이, 에어레이션은 세포배양 모듈의 바닥에 있는 가스 투과성의 튜빙 시스템(gas permeable tubing system)을 통한 직접적인 확산에 의해 이루어진다. 바람직하게는 가스 투과성 튜브는 실리콘 튜브일 수 있다. 가스는 모듈에서 세포배양 공간에 직접으로서 뿌려진다. 가스 살포기(gas sparger)는 중공사, 금속의 마이크로/플라스틱 살포기 또는 나노 살포기를 포함하는 일회용 재료로 만들어질 수 있다(도 7b). 난류 모션의 조합과 함께, 에어레이션은 모듈을 통해 고르게 분배될 수 있다.
또한, 에어레이션은 순환되는 배양액(circulating media)에서 수행될 수 있다(도 7c). 모듈에 들어가지 전에, 배양액은 산소공급기(oxygenator) 또는 산소확산기(air diffuser, 도 7d)나 살포기 챔버(도 7e)에서 공기가 공급될 수 있다. 산소공급기나 산소확산기는 중공사를 포함하는 일회용 재료로 만들어질 수 있다. 작은 스케일의 배양 모듈을 위하여, 가스 투과성 실리콘 튜브를 통한 간단한 확산이 적용될 수 있다(도 7f). 가스 교환 필터가 있는 교반기(stirrer)가 장착된 전문적인 배양액 저장고가 적용될 수 있다 (도 7g). 이를 위하여, 자석의 교반이 요구된다. 이러한 장치는 일회용 또는 가압멸균(autoclave)이 가능한 물질을 사용하여 만들어질 수 있다. 또한, 특별히 설계된 가스 교환 챔버가 배양액 에어레이션을 위해 사용될 수 있다(도 7h). 통과하는 배양액은 넓은 표면적의 챔버에서 공기에 노출되고, 가스는 챔버의 상부에 있는 멸균 필터를 통해 자유롭게 확산된다. 더욱이, 챔버의 바닥에는 배양액이 블럭 사이를 통과하는 동안 공기에 오랜 노출을 제공하기 위하여 많은 수의 러닝 블럭(running blocks)이 있다(도 7h).
1.5. 배양액 교환(media exchange)
모듈 내에 일정한 영양 환경(nutritional environment)을 유지하기 위하여 신선한 배양액(fresh media)이 모듈에 계속적으로 공급된다 (도 1). 다른 관류 시스템(perfusion system)과 유사하게, 사용된 배양액은 모듈에서 제거될 수 있다. 새로운 배양액 용기와 사용된 배양액 용기는 오염 없이 쉽게 대체될 수 있다 (도 8a 및 도 8b). 배양액 용기는 상업적으로 이용가능한 멸균의 멀티어댑터에 연결된다 (도 8c).
1.6. 자동 컨트롤 센터(automation control center)
모듈에서 세포배양 환경을 관찰하고 유지하기 위하여, 모듈에 설치된 센서는 컴퓨터화된 컨드롤 센터에 연결된다. 컨트롤 센터로부터 프로그램화된 파라미터는 자동적으로 감지되고, 액션은 반응기에서 자동적으로 받아진다. 예를 들어, 컨트롤 센터는 열 파라미터(heat parameter)에 있는 신호에 반응하고, 열판(heat plate)이나 배양액 저장고(media reservoir)가 켜지고 끄도록 명령한다. pH 파라미터 트리거(trigger)는 컨트롤 센터가 배양액에 산 또는 염기가 더해지도록 명령하게 한다. 유량 파라미터 신호(flow rate parameter)는 컨트롤 센터가 펌프를 켜거나 끄도록 명령하게 한다. 난류 파라미터(turbulence parameter) 트리거는 컨트롤 센터가 난류의 빈도를 빠르게 또는 느리게 명령하게 한다. 모든 액션 요소들은 특히 대용량 CCHB의 배양액에서 함께 제공될 수 있다.
실시예 2. 소규모 생산을 위한 CCHB의 적용
본 발명의 장치의 적용은 실험실 규모에서 산업적 제조 규모까지 다양하다. 30 ml 모듈 용량보다 적은 CCHB의 소규모 버전은 성과를 잃지 않고 비용을 줄이기 위하여 몇 가지의 수정사항을 포함할 수 있다. 예를 들어, 소규모의 CCHB는 부피가 큰 작동펌프(peristaltic pump)가 요구되지 않는다. 대신, 한 방향의 체크 플로우 밸브(check flow valve)가 사용될 수 있다. 또한, 소규모의 CCHB는 CO2 인큐베이터에서 적용될 수 있으므로, 장치는 도 7a 및 도 7b에 나타낸 직접적인 가스 공급 시스템 대신 산소공급기(oxygenator) 또는 가스 투과성 실리콘 튜브(gas-permeable silicone tube)로 장착될 수 있다.
실시예 3. 수확 방법(harvesting methods)
생산물(product)은 CCHB를 사용하여 다양한 방법으로 수확될 수 있다. 주로, 두 개의 다른 타입의 수확 방법이 있는데, extra-capillary harvest와 intra-capillary harvest 과정을 포함한다. 첫째, extra-capillary harvest는 생산된 세포-유래된 산물(cell-derived product)이 중공사 포어를 통해 중공사의 모세관 내부 공간(intra-capillary space)으로 확산되지 않도록 충분히 큰 경우일 때 수행될 수 있다 (도 4a). 확산되는 물질은 기존의 배양과 비교할 때 50 내지 100 배 정도 더욱 농축된다(도 4b).
반대로, 중공사로 확산되기에 충분히 작은 세포-유래된 산물은 intra-capillary harvest로 수확될 수 있다 (도 5a). 계속되는 수집된 샘플은 TFF (Tangential Flow Filtration) 시스템에 의해 농축될 수 있다 (도 5b, 501). 또한, 이러한 방법은 모세관 외부 공간(extra-capillary space)으로부터 세포를 수확함으로써 세포 증식 시스템(cell expansion system)에 적용될 수 있다(도 5b, 502). 더욱이, 부착된 세포에 대한 마이크로-캐리어는 모세관 외부 공간(extra-capillary space)으로 유입될 수 있다(도 6a). 세포-유래된 산물은 무세포(cell-free)의 모세관 내부 공간(intra-capillary space)으로부터 수확될 수 있다 (도 6b). 이는 다음 섹션에서 더욱 논의될 것이다.
실시예 4. 중공사의 크기
중공사의 다양한 포어 크기가 구체적인 목적에 따라 사용될 수 있다. 10 kD, 30 kD, 50 kD, 100 kD, 300 kD, 500 kD, 750 kD, 0.1μm 및 0.2μm의 MWCO 범위 포어 크기가 적용될 수 있다. 큰 포어 크기는 전형적으로 500 kD 중공사보다 큰 MWCO는 가스, 영양분 또는 폐기물의 효율적이고 빠른 교환이 일어나게 한다. 중공사의 지름은 다른 인자로 간주된다. 100 kD 보다 작은 포어 크기 MWCO를 전형적으로 가지는 작은 지름의 중공사를 제공하는 것은 중공사가 모듈로 가득차게 하였고, 결과적으로 전체적인 큰 표면적과 더욱 큰 세로의 저항력이 생기게 한다. 대조적으로, 큰 지름은 감소된 표면적과 적은 저항력을 제공한다.
실시예 5. 부착 세포배양 적용
CCHB는 부착 세포를 배양할 수 있는 이점을 제공하며, 이는 기존의 중공사 시스템에서 제공되지 않았다. 암세포, 프라이머리 세포, 줄기세포 및 많은 다른 조직에서 유래한 세포와 같이 많은 세포 타입은 부착성을 가진다. 그들의 증식은 전체적인 표면적에 의해 제한된다. 그러므로, 대규모의 배양을 위해서는 어려움이 있었다. 산업적 생산에서 부착 세포를 배양하는 것은 커다란 방해이다. CCHB 시스템은 적절하게 큰 표면적이 모듈에서 사용될 수 있는 많은 수의 중공사로부터 만들어지기 때문에, 이러한 문제점을 해결하도록 설계되었다. 더욱이, 배양부피 당 최대 표면적은 마이크로-캐리어를 사용하고, 모듈 내에서 모세관 외부 공간(extra-capillary space)에서 부착 세포의 성장할 수 있도록 매트릭스(matrix)를 제공함으로써 이루어질 수 있다(도 6a 및 도 6b). 결과적으로 세포는 마이크로-캐리어 및 중공사에서 모두 높은 밀도로 자랄 수 있고, 세포-유래된 물질의 효율적인 생산이 가능할 수 있다.
실시예 6. CCHB 시스템에서 파라미터 컨트롤(parameter control)
산소 농도 컨트롤은 에어레이션의 증가/감소와 유량의 증가/감소에 의해 이루어진다. pH 컨트롤은 산/염기의 공급에 의해 이루어진다. 온도 컨트롤은 열/모션 판의 켜고 끔에 의해 이루어진다. 난류 컨트롤은 모션 판의 rocking/shaking/motion의 증가/감소에 의해 이루어진다. 유량 컨트롤은 펌프 플로우의 증가/감소에 의해 이루어진다. 글루코오스 농도 컨트롤은 새 배양액 주입의 증가/감소에 의해 이루어진다. 세포밀도 컨트롤은 모듈로부터 세포를 수확함으로써 이루어진다. 세포 생존률 모니터링은 주기적인 샘플수집 후 생존 세포수를 세는 것으로부터 이루어진다.
이 분야의 통상의 지식을 가진 자는, 일상적인 실험들을 통해, 본 출원에서 구체적으로 기재된 본 발명의 구체적인 실시 형태들의 등가물을 인지하거나 확인할 수 있을 것이다.
101 - 펌프 (pump)
102 - 새로운 배양액 (new media)
103 - 사용된 배양액 (used media)
201 - 배양액 입구 (media inlet), 모듈 입구
202 - 배양액 출구(outlet)
203 - 세포 접종을 위한 무균성의 입구(aseptic inlet)
204 - 세포 수확을 위한 출구(outlet)
205 - 온도 센서
206 - pH 센서
207 - 산소 농도 센서
208 - 무균의 샘플링 출구 (aseptic sampling outlet)
209 - 모션 판 (motion plate)
501 - TFF (Tangential Flow Filtration) 시스템
502 - 모세관 외부 공간(extra-capillary space)으로부터 세포를 수확(harvest)

Claims (23)

  1. a. 직사각형의 중공사 세포배양 모듈(hollow fiber cell culture module)로서, 상기 중공사 세포배양 모듈은 세포, 배양액 및 중공사를 유지(hold)하기 위하여 밀폐된 챔버를 포함하며, 부착 세포 배양을 위한 마이크로-캐리어를 포함하는 중공사 세포배양 모듈;
    b. 수평의 흔들림(horizontal shaking) 또는 웨이브-스타일의 흔들림 모션(rocking motion)에 의해 난류 에너지를 공급하는 온도 조절되는 모션 플랫폼(temperature controlled motion platform);
    c. 순환 펌프(circulation pump);
    d. 새로운 배양액(fresh media) 챔버 및 사용된 배양액(used media) 챔버를 포함하는 일회용(disposable) 배양액 챔버;
    e. 가스 영양 공급장치(gas nutrient supply); 및
    f. 수확부(harvesting unit)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기(bioreactor).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공사 세포배양 모듈은,
    i. 하우징을 통해 중공사의 세로축으로 정의되는 첫 번째와 두 번째 끝을 가지는 밀폐된 챔버를 포함하는 하우징;
    ii. 중공사의 내부를 통해 플로이드 플로우 패스(fluid flow path)로 정의되는 하우징에 있는 적어도 2개의 포트(port);
    iii. 세포 및 세포-유래된 산물의 유입과 수확을 위한 모듈에 있는 적어도 두 개의 개구(opening); 및
    iv. pH, 산소 및 온도를 감지하기 위한 포트(port)을 포함하는 중공사 세포배양 모듈로서,
    상기 i)에서 상기 중공사는 하우징 내에서 배치된 내부 표면과 외부 표면을 가지고 있고;
    상기 ii)에서 적어도 2개의 포트(port)는 두 공간(space)으로 안전하게 분리되는데, 여기에서 모세관 내부공간(inner capillary space)는 적어도 하나의 중공사의 내부 루멘을 포함하고, 모세관 외부공간(extra capillary space)는 밀폐된 챔버의 내부와 중공사의 외부 사이의 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공사는 반투과성인 것인 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사는 폴리설폰(polysulfone), 폴리프로피렌(polypropylene), 나이론(nylon), 폴리에스테르(polyester), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리에테르술폰(polyethersulphone), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride), 셀룰로즈 아세테이트(cellulose acetate) 및 혼합된 셀룰로즈 에스테르(mixed esters of cellulose)로 이루어진 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상인 물질인 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 멸균된 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사는 2 cm 내지 200 cm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사의 적어도 하나 이상은 0.2 μm 이하인 포어(pore) 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사 세포배양 모듈은 pH 센서를 위한 포트(port)를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 중공사 세포배양 모듈은 산소 센서를 위한 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공사 세포배양 모듈은 적어도 108 세포를 유지하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 세포는 세균 세포인 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 영양(gas nutrient)는 산소, 이산화탄소, 질소 또는 공기인 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 영양(gas nutrient)은 생물반응기를 통한 공기 확산에 의하여 공급되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 영양(gas nutrient)은 가스 투과성 실리콘 튜빙 시스템(gas permeable silicon tubing system)에 의한 중공사 세포배양 모듈을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 영양(gas nutrient)은 살포(sparsing)에 의하여 중공사 세포배양 모듈을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 영양(gas nutrient)은 역동적 에어레이션(dynamic aeration)에 의하여 새로운 배양액 챔버를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  17. 제 1 항에 있어서,
    세포 및 세포-유래된 산물은 중공사 세포배양 모듈의 개구(opening)을 통하여 수확되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  18. 제 1 항에 있어서,
    세포-유래된 산물은 사용된 배양액 챔버를 통하여 수확되는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 사용된 배양액 챔버에 연결되는 TFF(Tangential Flow Filtration) 샘플 농축 시스템을 더 추가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  20. 제 1 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 50 ml 이하의 부피를 유지(hold)하는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 일반적인 타입의 CO2 인큐베이터 내에 끼워질 수 있는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 470 mm X 640 mm x 480mm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 생물반응기는 판(plate)으로부터의 가열 시스템(heating system)을 필요로 하지 않는 것을 특징으로 하는 생물반응기.
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