[发明专利]生物反应器

说明书

技术领域

本发明涉及生物反应器、所述生物反应器的用途及使用所述生物反应器的方法。 

背景技术

本发明涉及组织工程领域，更具体地涉及造血领域。将干细胞技术和细胞产品成功转移到广泛的临床应用需要解决高质量的临床相关的细胞数目的成本、自动化、标准化和产生的问题。在过去，实验室和工业界一样通过使用生物反应器来处理类似的问题。因此，干细胞生物加工将涉及特殊的生物反应器装置的使用，该生物反应器装置需要便于传质、高细胞密度、监测和反馈，以及组织特异功能的特化，从而模拟作为人体内的组织/器官的最终生物反应器。成功的培养环境将提供合适的用于繁殖和保持兴趣细胞的存活率的条件，取决于最终的意图，在这些细胞有能力承担这些路径的情况下，它还应该能够提供可以促进定向定型和/或分化的条件。 

具体的情况关注通常在成人身体(成人干细胞)内发现数量相对少或需要牺牲大量的胚胎的干细胞的扩增。然而，临床应用通常需要大量的干细胞。这突显了在干细胞定型进入组织特异应用前，体外扩增干细胞的需求。可以看出，关于这方面的一个非常引人关注的实例是人类骨髓(BM)，事实上人类骨髓的工程模拟在医学和生命质量领域可以打开无数机会的大门。 

BM是功能强大和复杂的器官，在其中无数重要的生物过程平行进行。它对于个体的生命是如此的敏感和重要，以至于它存在于骨壳的保护下。在这个重要的器官内，致力于血细胞谱系(所谓的造血干细胞或HSC)的居留干细胞，具有补充每天体内凋亡的大量血细胞的任务(一个体重70Kg的男子的身体平均每天产生大约10¹²个血细胞)。相对于每个干细胞，这些祖细胞保留两个特征功能：自我更新的能力(由此，扩增至更大数量的细胞的能力)，以及进行分化的能力(生成特化的和非增殖的成熟血细胞)。这些是需要非常特殊的环境的两个过程，在该特殊的环境中物理和生化信号对于它们的调整以及存活率很重要。 

诸如基质细胞、细胞外基质(ECM)蛋白质和可溶性阵列(array of soluble)以及ECM结合生长因子等的不同分子和辅助细胞的密切和复杂的网，也称为造血微环境(HIM)，促进必要的生化支持。另一方面，复杂的三维(3D)结构提供物理支持，该物理支持具有用于细胞粘附的更大表面，同时对于彼此之间的生化信号交换以及与周围微环境之间的生化信号交换，促进细胞间更紧密的接触。ECM是保护和供给位于其中的所有细胞的体内生态位的基本结构，形成特殊的微环境。事实上它由体内的每个细胞分泌，并且负责若干常规任务：机械支持细胞锚定；确定细胞取向；控制细胞生长；保持细胞分化；有序组织更新的支架； 建立(establishment)组织微环境；以及可溶性调节分子的螯合(sequestration)、贮存和出现。 

然而，这种3D结构具有非常抵抗更新该微环境所需要的传质(供给在细胞代谢过程中消耗的养分、氧气和其他重要的分子，以及去除代谢产物、二氧化碳和其他碎片)的缺点。为了对此有个概念，如果将用类似于青蛙的神经的材料构成的直径为1em的圆筒突然放在氧气中，将需要185分钟来达到90％完全饱和有该气体。然而，在体内该结构的血管化负责促进更快的吸收，0.7毫米厚的真实神经实际上仅需54秒就达到相同的饱和水平。因此，作为负责原位递送重要的代谢反应物并去除其产物的血管，BM也是高度血管化的。