[发明专利]用于细胞培养的微尺度多流体流生物反应器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2009年10月5日提交的共同待审申请，美国专利申请号12/573,561的优先权及其利益，将该文全文作为参考引入本文。

发明领域

本发明大体上涉及培养细胞的系统和方法。更具体地，涉及具有多内部连通通道的多层微流体细胞培养装置的多种实施方案，并涉及使用该种装置为肾脏及其它细胞的可控培养的方法。

发明背景

肾脏疾病在美国是严重的健康问题。大约九名成年美国人中的一名受慢性肾脏疾病(CKD)的折磨，约450000病人患有晚期肾脏疾病(ESRD)。目前标准的护理治疗，诸如血液透析及血液滤过，为受损伤的器官提供帮助，但典型地不直接促进疾病组织再生或复原。另一方面，现代肾脏组织工程以及再生策略试图使用活肾脏特异性细胞和细胞生物材料结构取代或修复肾脏组织。培养肾脏特定细胞、祖细胞或干细胞大体上要求化学、生物、生理上的严格控制，以确保适宜的细胞增长和表型功能。

通常，肾脏关联细胞被培养于盘、碟和烧瓶中，并且细胞介质以及其它液体被人工递送到细胞内，并置于静态状态。更多近期的细胞培养方法使用具有多室、管状结构或空心纤维的生物反应器，来建立流体流，其促进暴露细胞于可控水平切应力或于多种化学环境下。然而，这些方法大体上不能，或仅仅在非常有限的程度内，允许同步暴露细胞于多用户制定的化学、生物和生物物理刺激下。进而，典型地，它们不能模拟肾脏细胞在活体中经历的条件和流体结构，诸如极端接近几个细胞表型以及微尺度血管状结构。因为细胞经历的条件影响其功能，所以这些方法可能不能向该细胞类型引入所需功能，或引入不需要的功能。进而，典型地，这些方法未考虑在生物反应器结构内不同位置的多细胞类型的培养。为改善用于医学应用的肾脏关联细胞培养，需要提供用于在可控培养条件下增长多细胞类型的系统和方法。

发明概述

本发明在多种实施方案中，提供用于在控制多种化学、生物、生物物理参数的环境中培养细胞的微流体多通道生物反应器装置，从而促进例如活体条件的更好的模拟。这种生物反应器全系统例如可以包括被可渗透或半渗透膜分开的两个聚合物层。每一层限定一种或多种微通道，其在操作中被填满诸如缓冲溶液、细胞培养基、血液或尿的液体。通过例如在通道入口及出口之间施加压力差，流体流被引入通道中。

在一层中的通道可以通过膜与另一层的一个或多个通道“连通”。连通，正如此处所使用的术语，代表通道之间任何类型的相互作用，无论本质上是化学的、物理的(例如热学的、机械的、或流体力学的)或是生物的。例如，连通可包括流体连通，即，流体或其成分在通道之间的传输，或机械相互作用，诸如在一个通道给予另一通道的压力。在相同层内的通道也可以彼此相连通，这可通过膜以及在另一层的与二者均几何重叠的通道完成。此处通道几何重叠是指通道向平行于膜(或在某些层与膜不平坦的情形中，局部平行于膜的)的平面的投影重叠，尽管通道不占有相同的物理空间。

在一层中的通道之间的连通程度相比于其它因素，主要取决于通道之间的距离和其交错部分的高度及宽度。因此，通过沿着通道长度(例如，沿着最长的尺寸或轴)改变所有这些参数或者参数的一个子集，连通的水平可以被控制为一个有关沿着通道位置的函数。反过来，通道之间连通的这种控制，通过流体注射和流速、进出口压力控制，协助控制沿通道的流体力学和化学参数。例如，如果不同组成的两种流体在入口处被注射入相邻的通道，由于通道之间的化学连通，即质量传递，两种流体可混合，并导致出口端的第三种混合组成。相似地，可在两个通道的端口(入口和/或出口)施加不同的压力，并且导致沿通道长度的流体力学参数曲线，该曲线由个别通道的几何以及它们之间机械连通水平决定(至少部分)。

如上所述的微流体装置可有助于细胞培养。通道中可接种一种或被置于通道内不同位置上的多种类型的细胞。通道的相对位置和形状、通道内的细胞位置以及操作参数诸如流体组成以及施加于端口的压力共同给出对所培养细胞的微环境以及对细胞的化学的、生物的、机械的和生物物理信号施放的控制的空前水平。以对这些参数的控制，生物反应器可被用于影响细胞功能并协助生物反应器结构内的不同位置多细胞类型培养。用户可同时或按照特定计划定时地实施任意参数组合，以按照所需的方式和/或为特殊目的改变细胞功能。可从而被定制的细胞功能包括但不仅限于增殖促进或抑制，干细胞多能性维持或细胞向特定表型的分化。细胞可以直接被设计。