[发明专利]用于灌注的中等尺寸生物反应器平台

说明书

技术领域

本发明涉及中等尺寸生物反应器平台和用于生物反应器平台的控制单元以及包含中等尺寸生物反应器平台和用于生物反应器平台的控制单元的系统。该中等尺寸生物反应器平台适于培养生物细胞，尤其适于培养哺乳动物细胞，如胚胎或干细胞。该中等尺寸生物反应器更特别适合用于体外受精操作。

现有技术

当前在用于胚胎培养的体外受精中所用的方法依赖于在静止条件下于培养皿中培养胚胎。这种方法是劳动密集的，因为更换生长培养基需要大量的人工操作。人工操作总会有引入污染的风险，而且静止条件与体内条件的相似性不高，其难以满足胚胎不断改变的需求。与当前体外静止条件相比，体内胚胎处于不断改变的环境，而且一个发育阶段中胚胎的需求可能与另一个发育阶段中胚胎的需求有很大不同。一个发育阶段的体内条件甚至可能对后面发育阶段的胚胎有害。

基于静止的培养皿培养系统的一些缺点可以通过下述而避免：在能够向胚胎灌注适合其发育阶段的生长培养基的培养系统中培养胚胎。这种系统应该有与胚胎尺寸相匹配的适当尺寸并且更近似于体内条件。此外，以小规模进行运作是重要的，以减小此类哺乳动物细胞通常所需的昂贵的生长培养基的消耗。

现在许多所谓的微流体装置已经被描述用于进行各种类型的分析或用于培养细胞。这些装置常常用各种原理制造，这些原理通常受到二十世纪七十年代基于硅的微电子学技术的发展的启发。微流体应用的实例为DNA分析，涉及的原理如用于例如检测单核苷酸多态性的聚合酶链反应或使用例如毛细管电泳法的蛋白质分析。

然而，‘真正的’微流体装置(例如具有约100μm或更小直径的流体通道)确实具有许多缺点，其中一些缺点对于为灌注型操作设计的细胞培养装置特别明显。正如从Hagen-Poiseuille方程可见，在有液流的例如100μm通道中压力降变得很大，对于欲在此规模运行的泵提出了高要求，因为这样的泵必须能对抗相当大的反压精确地泵出很小的体积。由于这个原因，在此规模经常使用所谓的电渗流产生液流，其在盐水溶液中通过暴露于巨大的电位下生成液流。但是这样的电渗流不适于涉及活(哺乳动物)细胞的系统。

微流体中遇到的另一个问题是关于“与外界的联接”的问题。生物学实验室中所用的大部分设备，如泵和分析设备，比微流体设备大得多以至于两个级别的整合变得问题重重。如250μm直径(容易得到的)这样小的管与芯片的联接点对于实验室工作人员而言难以操作，而且可能迅速引入几倍于微流体系统体积大小的死体积。这个问题对于灌注型细胞培养装置尤其重要，其中操作复杂性和流体在联接至微流体系统的管中的长滞留时间增加了逆流污染的风险。在培养哺乳动物胚胎的情况下，培养时间可能达五天或更长。

对于以小规模工作的生物反应器系统，当然能够根据预设的事件序列在不同的生长培养基和条件之间切换。但是，为了更充分地优化生物反应器中细胞的生长条件，生物反应器可装备适当的可与电脑通信或类似的能够发送命令到生物反应器的执行元件的传感器。这样可生成反馈系统以对环境的变化做出反应，例如用于维持恒定的环境条件。

如下面所讨论，为解决上述问题已采取了一些手段。

WO07/044699描述了安装有集成流体进样器的微型生物反应器，其中流体进样器可能包含液体贮器(reservoir)。这些生物反应器可用于在代谢工程研究领域中建立商业上相关的生产生物体尤其是微生物菌株的平行研究。WO07/044699的生物反应器的生长室中的集成传感器使传感器的信号在反馈控制装置中用于通过从贮器中注射液体来调整生长室中的环境条件，通常是pH。

WO07/044699的反应器流体进样器的贮器通常由弹性材料构建并且还包含阀，以使来自贮器的液流可采用气动(pneumatic actuation)进行控制。

为优化通过可渗透的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜提供给生长室的气体供应，WO07/044699的室一般为扁平的(即生长室的一个空间维度比生长室的另外两个空间维度至少小约10倍)，PDMS膜朝向两个较大表面之一。生长室的典型体积为5到500μL。生长室中的液体也经PDMS膜采用气动而得以混合。