[發明專利]用于細胞培養的微尺度多流體流生物反應器

有效

• 申請號: 201080052259.0
• 申請日: 2010-10-05
• 公開（公告）號: CN102666834A
• 公開（公告）日: 2012-09-12
• 發明（設計）人: J·L·查爾斯特;J·T·伯恩斯泰恩
• 申請（專利權）人: 查爾斯斯塔克德雷珀實驗室公司
• 主分類號: C12M3/06
• 分類號: C12M3/06
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 焦麗雅

相關申請的交叉參考

本申請要求2009年10月5日提交的共同待審申請，美國專利申請號12/573,561的優先權及其利益，將該文全文作為參考引入本文。

發明領域

本發明大體上涉及培養細胞的系統和方法。更具體地，涉及具有多內部連通通道的多層微流體細胞培養裝置的多種實施方案，并涉及使用該種裝置為腎臟及其它細胞的可控培養的方法。

發明背景

腎臟疾病在美國是嚴重的健康問題。大約九名成年美國人中的一名受慢性腎臟疾病(CKD)的折磨，約450000病人患有晚期腎臟疾病(ESRD)。目前標準的護理治療，諸如血液透析及血液濾過，為受損傷的器官提供幫助，但典型地不直接促進疾病組織再生或復原。另一方面，現代腎臟組織工程以及再生策略試圖使用活腎臟特異性細胞和細胞生物材料結構取代或修復腎臟組織。培養腎臟特定細胞、祖細胞或干細胞大體上要求化學、生物、生理上的嚴格控制，以確保適宜的細胞增長和表型功能。

通常，腎臟關聯細胞被培養于盤、碟和燒瓶中，并且細胞介質以及其它液體被人工遞送到細胞內，并置于靜態狀態。更多近期的細胞培養方法使用具有多室、管狀結構或空心纖維的生物反應器，來建立流體流，其促進暴露細胞于可控水平切應力或于多種化學環境下。然而，這些方法大體上不能，或僅僅在非常有限的程度內，允許同步暴露細胞于多用戶制定的化學、生物和生物物理刺激下。進而，典型地，它們不能模擬腎臟細胞在活體中經歷的條件和流體結構，諸如極端接近幾個細胞表型以及微尺度血管狀結構。因為細胞經歷的條件影響其功能，所以這些方法可能不能向該細胞類型引入所需功能，或引入不需要的功能。進而，典型地，這些方法未考慮在生物反應器結構內不同位置的多細胞類型的培養。為改善用于醫學應用的腎臟關聯細胞培養，需要提供用于在可控培養條件下增長多細胞類型的系統和方法。

發明概述

本發明在多種實施方案中，提供用于在控制多種化學、生物、生物物理參數的環境中培養細胞的微流體多通道生物反應器裝置，從而促進例如活體條件的更好的模擬。這種生物反應器全系統例如可以包括被可滲透或半滲透膜分開的兩個聚合物層。每一層限定一種或多種微通道，其在操作中被填滿諸如緩沖溶液、細胞培養基、血液或尿的液體。通過例如在通道入口及出口之間施加壓力差，流體流被引入通道中。

在一層中的通道可以通過膜與另一層的一個或多個通道“連通”。連通，正如此處所使用的術語，代表通道之間任何類型的相互作用，無論本質上是化學的、物理的(例如熱學的、機械的、或流體力學的)或是生物的。例如，連通可包括流體連通，即，流體或其成分在通道之間的傳輸，或機械相互作用，諸如在一個通道給予另一通道的壓力。在相同層內的通道也可以彼此相連通，這可通過膜以及在另一層的與二者均幾何重疊的通道完成。此處通道幾何重疊是指通道向平行于膜(或在某些層與膜不平坦的情形中，局部平行于膜的)的平面的投影重疊，盡管通道不占有相同的物理空間。

在一層中的通道之間的連通程度相比于其它因素，主要取決于通道之間的距離和其交錯部分的高度及寬度。因此，通過沿著通道長度(例如，沿著最長的尺寸或軸)改變所有這些參數或者參數的一個子集，連通的水平可以被控制為一個有關沿著通道位置的函數。反過來，通道之間連通的這種控制，通過流體注射和流速、進出口壓力控制，協助控制沿通道的流體力學和化學參數。例如，如果不同組成的兩種流體在入口處被注射入相鄰的通道，由于通道之間的化學連通，即質量傳遞，兩種流體可混合，并導致出口端的第三種混合組成。相似地，可在兩個通道的端口(入口和/或出口)施加不同的壓力，并且導致沿通道長度的流體力學參數曲線，該曲線由個別通道的幾何以及它們之間機械連通水平決定(至少部分)。

如上所述的微流體裝置可有助于細胞培養。通道中可接種一種或被置于通道內不同位置上的多種類型的細胞。通道的相對位置和形狀、通道內的細胞位置以及操作參數諸如流體組成以及施加于端口的壓力共同給出對所培養細胞的微環境以及對細胞的化學的、生物的、機械的和生物物理信號施放的控制的空前水平。以對這些參數的控制，生物反應器可被用于影響細胞功能并協助生物反應器結構內的不同位置多細胞類型培養。用戶可同時或按照特定計劃定時地實施任意參數組合，以按照所需的方式和/或為特殊目的改變細胞功能。可從而被定制的細胞功能包括但不僅限于增殖促進或抑制，干細胞多能性維持或細胞向特定表型的分化。細胞可以直接被設計。