RU2021112465A - Микробиореактор с непрерывным потоком - Google Patents

Claims (143)

1. Биореактор, содержащий:

ввод, выполненный с возможностью приема множества клеток;

множество минимодулей, сообщающихся по текучей среде с вводом, причем минимодуль из множества минимодулей имеет структуру двойного гироида или структуру модифицированного двойного гироида, причем множество минимодулей связаны между собой по текучей среде с образованием по меньшей мере одного микроканала, выполненного с возможностью пропускать поток из множества клеток; и

вывод, сообщающийся по текучей среде с множеством минимодулей, причем вывод выполнен с возможностью направления множества клеток или их производных по меньшей мере из одного микроканала.

2. Биореактор по п. 1, причем минимодули соединены между собой таким образом, чтобы образовывались по меньшей мере два неперекрывающихся микроканала, каждый из которых имеет постоянную среднюю кривизну.

3. Биореактор по п. 2, причем первый микроканал по меньшей мере из двух неперекрывающихся микроканалов выполнен с возможностью протекания жидкой среды, и при этом второй микроканал по меньшей мере из двух неперекрывающихся микроканалов выполнен с возможностью протекания газового состава.

4. Биореактор по п. 2, причем по меньшей мере по двум неперекрывающимся микроканалам подают жидкость.

5. Биореактор по любому из пп. 2-4, причем по меньшей мере два неперекрывающихся микроканала разделены пористой мембраной.

6. Биореактор по п. 5, причем площадь первого микроканала эквивалентна площади второго микроканала, и причем площадь пористой мембраны представляет собой сумму площадей первого и второго микроканалов.

7. Биореактор по любому из пп. 1-6, причем множество минимодулей собраны в макроструктуру.

8. Биореактор по п. 7, причем макроструктура выбрана из группы, состоящей из пирамиды, полой пирамиды, ламеллярной пирамиды, ламеллы, шахматной структуры и бревенчатой структуры.

9. Биореактор по п. 7 или 8, причем множество минимодулей расположены слоями в макроструктуре, и причем слои выполнены так, чтобы скорость жидкой среды в каждом слое была по существу одинаковой.

10. Биореактор по любому из пп. 1-9, причем жидкая среда, протекающая по меньшей мере по одному микроканалу, имеет скорость, превышающую скорость свободного падения клетки, переносимой потоком по меньшей мере по одному микроканалу.

11. Биореактор по п. 7, дополнительно включающий ввод для газа в основании макроструктуры и вывод для газа в верхней части макроструктуры.

12. Биореактор по п. 7 или 11, дополнительно включающий ввод для клеток в верхней части макроструктуры, выполненный с возможностью подачи множества клеток, и устройство для сбора клеток в основании макроструктуры, выполненное с возможностью сбора множества клеток.

13. Биореактор по любому из пп. 7, 11 или 12, дополнительно содержащий устройство для введения жидкой среды, выполненное с возможностью подачи потока жидкой среды в каждый слой множества минимодулей.

14. Биореактор по п. 13, причем объем жидкой среды, подаваемый устройством для подачи жидкой среды в каждый слой, поддерживает по существу постоянную плотность клеток в каждом из слоев.

15. Биореактор по п. 13, причем скорость жидкой среды через каждый минимодуль определяется скоростью деления клеток, так чтобы время прохождения клетками одного минимодуля или слоя минимодулей по существу было равно скорости деления клеток.

16. Биореактор по любому из пп. 1-15, причем биореактор соединен с модулем с контролируемой средой.

17. Биореактор по любому из пп. 1-16, причем биореактор соединен с модулем по типу клеточного чипа.

18. Система для получения клеток, содержащая:

первый модуль, содержащий клеточный чип, выполненный с возможностью содержания множества клеток;

второй модуль, сообщающийся по текучей среде с первым модулем, причем второй модуль содержит биореактор с контролируемой средой, выполненный с возможностью (i) взаимодействия с клеточным чипом, (ii) направления подмножества клеток из множества клеток в различные сегменты, причем условия роста клеток в различных сегментах являются индивидуально конфигурируемыми, и (iii) периодического задания набора условий роста для множества клеток; и

третий модуль, сообщающийся по текучей среде с первым модулем и вторым модулем, причем третий модуль содержит биореактор, выполненный с возможностью (i) взаимодействия со вторым модулем, (ii) получения подмножества клеток и (iii) создания копий подмножества клеток в наборе условий роста.

19. Система по п. 18, причем первый, второй и третий модули связаны друг с другом по текучей среде.

20. Система по п. 18 или 19, дополнительно содержащая насос, соответствующий каждому модулю, причем насос выполнен с возможностью подачи жидкой среды с определенной скоростью потока или определенным давлением для соответствующего модуля.

21. Система по п. 20, причем насос представляет собой поршневой насос, перистальтический насос или нагнетательный насос.

22. Система по любому из пп. 18-21, дополнительно содержащая компонент, выбранный из группы, состоящей из блока для составления культуральных сред, электропоратора, резервуара, насоса, датчика пузырьков газа, отвода для пузырьков газа и их комбинаций.

23. Система по любому из пп. 18-22, дополнительно содержащая по меньшей мере один датчик.

24. Система по п. 23, причем по меньшей мере один датчик представляет собой встроенный датчик.

25. Система по п. 23 или 24, причем по меньшей мере один датчик измеряет биологический параметр, физический параметр или химический параметр.

26. Система по п. 25, причем биологический параметр выбран из группы, состоящей из скорости деления клеток, скорости роста клеток, ответа клеток на стресс, содержания белков в клетках, содержания углеводов в клетках, содержания жиров в клетках и содержания нуклеиновых кислот в клетках.

27. Система по п. 25, причем физический параметр выбран из группы, состоящей из размера клеток, плотности клеток, скорости потока клеток, скорости потока жидкой среды, скорости смешивания, мутности, температуры и давления.

28. Система по п. 25, причем химический параметр выбран из группы, состоящей из рН, состава жидкой среды, концентрации отдельного компонента жидкой среды, газового состава и концентрации газа, а также концентрации растворенного газа.

29. Система по любому из пп. 18-28, дополнительно содержащая фотокамерное устройство.

30. Система по п. 29, причем фотокамерное устройство выполнено с возможностью подсчета клеток, выходящих из вывода у биореактора с контролируемой средой или указанного биореактора.

31. Система по п. 30, причем фотокамерное устройство выполнено с возможностью сбора информации по меньшей мере об одном дополнительном параметре, связанном с отдельными клетками, выходящими из вывода по меньшей мере у одного модуля биореактора, и причем такой биологический параметр представляет собой биологический, химический или физический признак клетки.

32. Модуль по типу клеточного чипа, содержащий:

слоистую структуру, содержащую по меньшей мере один контур циркуляции жидкости;

зону для удерживания клеток, сообщающуюся по текучей среде по меньшей мере с одним контуром циркуляции жидкости, причем зона для удерживания клеток содержит по меньшей мере один первый уловитель, выполненный с возможностью удерживать множество клеток;

входное отверстие, сообщающееся по текучей среде со слоистой структурой и выполненное с возможностью введения жидкой среды в зону для удерживания клеток; и

выходное отверстие, сообщающееся по текучей среде со слоистой структурой и выполненное с возможностью сбора отработанной и избыточной среды и клеток.

33. Модуль по типу клеточного чипа по п. 32, причем по меньшей мере один контур циркуляции жидкости выполнен с возможностью протекания по нему газа в зону для удерживания клеток.

34. Модуль по типу клеточного чипа по п. 32, причем по меньшей мере один контур циркуляции жидкости выполнен с возможностью протекания по нему жидкой среды в зону для удерживания клеток.

35. Модуль по типу клеточного чипа по п. 32, причем по меньшей мере один уловитель содержит всасывающий уловитель.

36. Модуль по типу клеточного чипа по п. 32, причем по меньшей мере один уловитель содержит клапанный уловитель.

37. Модуль по типу клеточного чипа по любому из пп. 32-36, причем зона для удерживания клеток дополнительно содержит второй уловитель.

38. Модуль по типу клеточного чипа по п. 37, причем второй уловитель представляет собой переливный уловитель.

39. Модуль по типу клеточного чипа по п. 37, причем по меньшей мере один уловитель и второй уловитель расположены последовательно друг за другом.

40. Модуль по типу клеточного чипа по п. 32, причем зона для удерживания клеток содержит по меньшей мере один клапанный уловитель и два или более переливных уловителей.

41. Модуль по типу клеточного чипа по любому из пп. 32-40, причем модуль по типу клеточного чипа дополнительно содержит одну или более клеток в режиме хранения.

42. Модуль по типу клеточного чипа по п. 41, причем режим хранения выбран из клеток, которые высушены, лиофилизированы, заморожены или суспендированы в жидкости.

43. Модуль по типу клеточного чипа по любому из пп. 32-42, дополнительно содержащий один или более физических барьеров для распределения клеток, переносимых потоком через модуль по типу клеточного чипа.

44. Модуль биореактора с контролируемой средой, содержащий набор сегментов, причем сегмент в наборе сегментов содержит по меньшей мере два микроканала, выполненные с возможностью транспортировки по меньшей мере одной клетки из одного конца микроканала из указанных по меньшей мере двух микроканалов в другой конец микроканала из указанных по меньшей мере двух микроканалов, причем один конец микроканала выполнен с возможностью введения жидкой среды и по меньшей мере одной клетки, а другой конец микроканала выполнен с возможностью выведения жидкой среды и по меньшей мере одной клетки, и причем условия роста в данном наборе сегментов являются индивидуально конфигурируемыми.

45. Биореактор с контролируемой средой по п. 44, причем первый сегмент и второй сегмент из набора сегментов расположены последовательно так, чтобы клетка проходила из микроканала первого сегмента в микроканал второго сегмента.

46. Биореактор с контролируемой средой по п. 45, причем микроканал первого сегмента разветвляется на выходном конце по меньшей мере на два микроканала из второго сегмента, причем данные по меньшей мере два микроканала расположены в параллельной конфигурации так, чтобы вывод клеток из первого сегмента входил в один из по меньшей мере двух микроканалов, а другой вывод клеток из первого сегмента входил в другой из по меньшей мере двух микроканалов.

47. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-46, дополнительно содержащий первый ввод, выполненный с возможностью подачи жидкой среды в набор сегментов.

48. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-47, причем длина микроканала определяется скоростью деления клеток так, чтобы клетка не делилась ни одного раза, делилась один раз, два раза, три раза, четыре раза, пять раз или более пяти раз в ходе перехода из одного конца микроканала в другой конец микроканала.

49. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-48, диаметр микроканала определяется размером клеток, скоростью перемешивания проходящей жидкости или их комбинацией.

50. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-49, дополнительно содержащий по меньшей мере один датчик для измерения параметра микроклимата клетки в биореакторе с контролируемой средой.

51. Биореактор с контролируемой средой по п. 50, дополнительно содержащий контроллер, выполненный с возможностью изменения ввода в биореактор с контролируемой средой в ответ на результат измерения, полученный по меньшей мере от одного датчика.

52. Биореактор с контролируемой средой по п. 50 или 51, причем параметр выбран из группы, состоящей из биологического параметра, физического параметра и химического параметра.

53. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 50-52, причем параметр выбран из группы, состоящей из содержания газа, концентрации газа, рН, оптической плотности и температуры.

54. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 50-52, причем параметр выбран из группы, состоящей из скорости деления клеток, плотности клеток, ответа клеток на стресс или клеточного метаболита.

55. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-54, дополнительно содержащий камеру для сбора образцов на выходе из микроканала последнего сегмента в наборе сегментов.

56. Биореактор с контролируемой средой по любому из пп. 44-55, причем биореактор с контролируемой средой соединен с модулем по типу клеточного чипа.

57. Способ выращивания и хранения клеток, включающий:

инокуляцию модуля по типу клеточного чипа по меньшей мере одной клеткой, причем модуль по типу клеточного чипа содержит слоистую структуру по меньшей мере с одним контуром циркуляции жидкости, зону для удерживания клеток, сообщающуюся по текучей среде по меньшей мере с одним контуром циркуляции жидкости, входное отверстие, сообщающееся по текучей среде со слоистой структурой, и выходное отверстие, сообщающееся по текучей среде со слоистой структурой;

подачу жидкой среды во ввод так, чтобы по меньшей мере одна клетка оставалась в первом уловителе зоны для удерживания клеток;

инкубацию клеточного чипа в течение некоторого периода времени в условиях, достаточных для прохождения деления клеток так, чтобы поделившиеся клетки оставались в первом уловителе;

после окончания периода времени деления клеток перевод клеток в режим хранения.

58. Способ по п. 57, причем режим хранения выбран из группы, состоящей из сушки, лиофилизации, заморозки или суспендирования в жидкости.

59. Способ по п. 57 или 58, дополнительно включающий подачу новой жидкой среды во ввод и инкубацию клеточного чипа в течение некоторого периода времени в условиях, позволяющих происходить делению клеток, для реактивации деления клеток.

60. Способ по п. 59, причем за период деления клеток получают достаточное количество клеток, так чтобы достаточное количество клеток выходило из первого уловителя и входило во второй уловитель в модуле по типу клеточного чипа.

61. Способ по п. 60, причем клетки дополнительно инкубируют в течение второго периода времени для деления клеток, и причем за второй период времени получают достаточное количество клеток, так чтобы достаточное количество клеток выходило из второго уловителя и перетекало в вывод из модуля по типу клеточного чипа для сбора.

62. Способ по п. 61, причем клетки из вывода модуля по типу клеточного чипа вводят в связанный с ним модуль с контролируемой средой или модуль биореактора.

63. Способ по любому из пп. 60-62, причем второй уловитель представляет собой всасывающий уловитель или переливный уловитель.

64. Способ по любому из пп. 57-63, причем первый уловитель представляет собой клапанный уловитель или всасывающий уловитель.

65. Способ выбора условий роста клеток, включающий:

введение первой группы клеток в биореактор с контролируемой средой, содержащий набор сегментов, причем сегмент из набора сегментов может быть обособлено изменен;

инкубацию первой группы клеток в первом заданном наборе условий роста в первом сегменте из набора сегментов;

отслеживание первого параметра у первой группы клеток в первом сегменте; и

изменение набора условий роста для создания второго набора условий роста во втором сегменте из набора сегментов в ответ на отслеживание первого параметра в первом сегменте.

66. Способ по п. 65, причем первая группа клеток перемещается во второй сегмент, и при этом в первый сегмент вводят вторую группу клеток.

67. Способ по п. 65 или 66, причем в биореактор с контролируемой средой первую группу клеток вводят из модуля по типу клеточного чипа.

68. Способ по любому из пп. 65-67, причем реактор с контролируемой средой связан с модулем биореактора.

69. Способ по п. 68, причем в отношении биореактора применяют второй набор условий роста.

70. Способ по любому из пп. 65-69, причем скорость потока клеток из одного конца каждого сегмента в другой конец определяется скоростью деления клеток.

71. Способ по п. 70, причем клетки делятся один раз за период времени, за который клетки проходят из одного конца сегмента в другой конец сегмента.

72. Способ по любому из пп. 65-71, причем поток жидкой среды через каждый сегмент из набора сегментов является ламинарным потоком.

73. Способ масштабирования получения клеток, включающий:

введение множества клеток во ввод биореактора, причем биореактор содержит совокупность минимодулей со структурой двойного гироида или структурой модифицированного двойного гироида, причем минимодули расположены слоями в макроструктуре, содержащей ввод и вывод;

введение потока жидкой среды в биореактор; и

подачу газового состава в биореактор;

сбор множества клеток из вывода;

причем множество клеток проходит между минимодулями, и причем такое множество клеток проходит от конца на вводе макроструктуры до конца на выводе макроструктуры.

74. Способ по п. 73, причем в ходе прохождения из одного слоя минимодулей в следующий слой минимодулей множество клеток делится в среднем один раз.

75. Способ по п. 74, причем количество жидкой среды, протекающей к каждому слою минимодулей, сохраняет по существу неизменную плотность клеток в каждом слое.

76. Способ по любому из пп. 73-75, причем скорость жидкой среды, протекающей через биореактор, превышает скорость свободного падения клеток.

77. Способ по любому из пп. 73-76, причем множество клеток вводят в биореактор из клеточного чипа или модуля с контролируемой средой.

78. Способ по любому из пп. 73-77, причем часть из множества клеток собирают из конца на выводе из макроструктуры.

79. Способ по любому из пп. 73-77, причем множество клеток продуцирует по меньшей мере один биопродукт, и причем такой биопродукт собирают из конца на выводе из макроструктуры.

80. Способ по п. 79, причем биопродукт выбран из группы, состоящей из малой молекулы, белка, антитела, большой макромолекулы и метаболита.

81. Способ получения индивидуализированных клеток, включающий: введение клетки выбранного типа в модуль по типу клеточного чипа; выращивание клеток в модуле по типу клеточного чипа;

перенос клеток из модуля по типу клеточного чипа в биореактор с контролируемой средой; и

выбор по меньшей мере одного условия роста из первого набора условий роста в биореакторе с контролируемой средой для создания второго набора условий роста.

82. Способ по п. 81, дополнительно включающий выращивание образца клеток выбранного типа в биореакторе со вторым набором условий роста.

83. Способ по п. 82, причем из биореактора собирают клетки выбранного типа или их часть.

84. Способ по п. 83, причем клетка выбранного типа представляет собой Т-клетку с химерным антигенным рецептором (CAR-T), стволовую клетку или дифференцированную клетку.

85. Способ по п. 82, причем клетка выбранного типа продуцирует по меньшей мере один биопродукт, и причем такой биопродукт собирают из биореактора.

86. Система, содержащая множество путей для протекания жидкостей, имеющих по существу постоянное поперечное сечение, причем первый путь для протекания жидкостей из множества путей для протекания жидкостей сообщается по текучей среде со вторым путем для протекания жидкостей из множества путей для протекания жидкостей для обеспечения для газа возможности протекать из первого пути для протекания жидкостей во второй путь для протекания жидкостей с по существу постоянной скоростью по первому пути для протекания жидкостей, и причем первый путь для протекания жидкостей выполнен с возможностью осуществления культивирования клеток.

87. Система по п. 86, причем множество путей для протекания жидкостей характеризуются структурой гироида, структурой двойного гироида, структурой модифицированного двойного гироида, пространственно периодической минимальной поверхностью или их комбинациями.

88. Способ обработки множества клеток, включающий:

(а) обеспечение наличия биореактора, содержащего (i) ввод, (ii) множество минимодулей, сообщающихся по текучей среде с вводом, причем минимодуль из множества минимодулей имеет структуру двойного гироида или структуру модифицированного двойного гироида, причем множество минимодулей связаны друг с другом по текучей среде с образованием по меньшей мере одного микроканала; и (iii) вывод, сообщающийся по текучей среде с множеством минимодулей; и

(b) направление множества клеток во ввод, при этом множество клеток или их производных направляют из ввода по меньшей мере по одному микроканалу к выводу.

89. Способ по п. 88, причем биореактор содержит по меньшей мере два микроканала.

90. Способ по п. 89, причем по первому микроканалу по меньшей мере из двух микроканалов пропускают поток жидкой среды.

91. Способ по п. 90, причем по второму микроканалу по меньшей мере из двух микроканалов пропускают поток газового состава.

92. Способ по п. 89, причем по меньшей мере два микроканала разделены пористой мембраной.

93. Способ по п. 88, причем множество минимодулей собраны в макроструктуру.

94. Способ, включающий создание биореактора, содержащего: ввод, выполненный с возможностью приема множества клеток;

множество минимодулей, сообщающихся по текучей среде с вводом, причем минимодуль из множества минимодулей имеет структуру двойного гироида или структуру модифицированного двойного гироида, причем множество минимодулей связаны между собой по текучей среде с образованием по меньшей мере одного микроканала, выполненного с возможностью пропускать поток из множества клеток; и

вывод, сообщающийся по текучей среде с множеством минимодулей, причем вывод выполнен с возможностью направления множества клеток или их производных по меньшей мере из одного микроканала.

95. Способ по п. 94, причем биореактор создают с помощью трехмерной (3-D) печати множества минимодулей.

96. Биореактор по любому из пп. 1-17, дополнительно содержащий коннектор, выполненный с возможностью обеспечения сообщения по текучей среде между биореактором и вторым модулем.

97. Биореактор по п. 96, причем второй модуль представляет собой модуль для очистки, резервуар для культуральной среды, биореактор с контролируемой средой или модуль по типу клеточного чипа.

98. Биореактор по любому из пп. 96 или 97, причем коннектор содержит по меньшей мере одну иглу или канал, выполненные с возможностью пропускать поток жидкости или множества клеток в биореактор, и по меньшей мере одну иглу или канал, выполненные с возможностью пропускать поток жидкости или множества клеток из биореактора.

99. Модуль по типу клеточного чипа по любому из пп. 32-43, дополнительно содержащий коннектор, выполненный с возможностью обеспечения сообщения по текучей среде между модулем по типу клеточного чипа и вторым модулем.

100. Модуль по типу клеточного чипа по п. 99, причем второй модуль представляет собой модуль для очистки, резервуар для культуральной среды, биореактор с контролируемой средой или биореактор.

101. Модуль по типу клеточного чипа по любому из пп. 99 или 100, причем коннектор содержит по меньшей мере одну иглу или канал, выполненные с возможностью пропускать поток жидкости или множества клеток в модуль по типу клеточного чипа, и по меньшей мере одну иглу или канал, выполненные с возможностью пропускать поток жидкости или множества клеток из модуля по типу клеточного чипа.

102. Способ по любому из пп. 57-85, причем клетка выбрана из группы, состоящей из бактериальной клетки, грибковой клетки, дрожжевой клетки, эукариотической клетки, растительной клетки и водорослевой клетки.

103. Способ по п. 102, причем клетка представляет собой рекомбинантную клетку.

104. Способ культивирования клеток, включающий:

введение множества клеток в биореактор для культивирования адгезивных клеток, содержащий по меньшей мере один канал и микропористую мембрану;

обеспечение по меньшей мере для части из множества клеток возможности прикрепиться к поверхности по меньшей мере одного канала так, чтобы по меньшей мере часть из множества клеток реплицировались на поверхности по меньшей мере одного канала с образованием прикрепленных клеток;

пропускание потока жидкой среды по меньшей мере из одного канала через микропористую мембрану для (i) промывания прикрепленных клеток, (ii) открепления прикрепленных клеток с получением суспендированных клеток; или (iii) промывания суспендированных клеток; и

необязательно, сбор суспендированных клеток.

105. Способ по п. 104, причем по меньшей мере один канал содержит материал, подходящий для адгезии по меньшей мере части из множества клеток.

106. Способ по п. 104, дополнительно включающий пропускание потока дополнительной жидкой среды по меньшей мере по одному каналу для (i) подачи культуральной среды с целью обеспечения возможности роста и/или репликации по меньшей мере части из множества клеток, (ii) открепления прикрепленных клеток по меньшей мере от одного канала или (iii) пропускания потока суспендированных клеток по меньшей мере из одного канала в зону для сбора.

107. Способ по п. 104, причем биореактор для культивирования адгезивных клеток сообщается по текучей среде с модулем по типу клеточного чипа, и причем модуль по типу клеточного чипа подает множество клеток в биореактор для культивирования адгезивных клеток.

108. Способ по п. 104, причем биореактор для культивирования адгезивных клеток сообщается по текучей среде с биореактором, и причем биореактор для культивирования адгезивных клеток подает суспендированные клетки в биореактор.

109. Способ по п. 104, причем множество клеток выбрано из группы, состоящей из бактериальных клеток, грибковых клеток, дрожжевых клеток, эукариотических клеток, растительных клеток и водорослевых клеток.

110. Способ по п. 109, причем множество клеток представляют собой рекомбинантные клетки.