[发明专利]可放大的细胞培养装置

说明书

本发明请求于2009年4月16日提交的美国临时专利61/202,901，名称为“Scalable fixed-bed culture device”的优先权，并将其及此处所引用文件，或引用文件所引用文件以参考文件方式纳入。

技术领域

本发明是关于一种可放大的填充床细胞培养装置，特别是一种可放大的填充床细胞培养装置、接种方法及细胞培养方法。

背景技术

培养细菌、酵母菌及霉菌的大规模细胞培养制程已经广泛发展且行之有年，而上述物种因为都具有强韧的细胞壁及/或细胞外材质，因此具有较佳的弹性。这些弹性的微生物结构的正是这些微生物可快速进行高效细胞培养制程的重要因素。举例而言，细菌细胞可生长于利用激烈搅拌、培养翻动及打气技术的超大容积培养液中，以在生长期间达到良好的通气效果同时可维持培养细胞的生命力。相反地，由于真核细胞、动物细胞、哺乳类动物细胞及/或组织相较于微生物细胞为更加地细致及脆弱，因此培养这些细胞所需的技术往往更加困难。在一般生物反应器中微生物培养所需的激烈曝气及搅拌所造成的巨大剪力(shear force)很容易让这些细胞受损。

细胞培养系统的一般使用范例之一为滚瓶(roller bottle)。每个滚瓶可提供850-3000cm²的细胞培养面积。因此，在工厂之中需要同时处理数以千计的滚瓶，因此需要许多的劳力。自动化的滚瓶细胞培养细胞可以节省劳动，但是相当昂贵。

另一种细胞培养系统为搅拌槽(stir tank)。搅拌槽之中具有微型载体(microcarrier)，以便让细胞在其上生长。然而，在此范例之中，搅拌培养液以及对细胞通气显然仍会影响细胞生长。再者，当需要加大搅拌槽的容积时，需要改变操作条件。而改变操作条件会大大地延缓产品开发。

另一种细胞培养系统为中空纤维(hollow fiber)，其细胞密度可达到10⁸/ml。然而，在此范例之中，培养细胞的反应器为推流式(plug-flow type)。当细胞密度达到预定程度，反应器后端的细胞无法得到足够的养份，因而造成生长被抑制。为避免这种情形，反应器通常不会造得太大，而这就是中空纤维反应器的主要缺点。

填充床(Packed-bed)生物反应器包含可提供细胞生长及保护细胞避免剪力的多孔性基材(porous matrix)。由于多孔性基材具有大量的表面积，因此相较于其它系统可达到较高的细胞密度。通常每一毫升的基材可轻易地达到5～10×10⁷的细胞密度。然而，大部分的填充床生物反应器为沿着填充床进行单向的循环流，因而形成所谓的推流式模式。由于推流式模式的缘故，养分和氧气都会随着流动路径而减少，因此形成梯度(gradient)，并因此限制系统放大的能力。人们称此现象为「梯度效应(gradient effect)」。梯度效应在所有的推流式设计的装置(例如中空纤维生物反应器及填充床生物反应器)都会发生，因此造成这些系统在制程规模放大方面的限制。

此外，沿着填充床截面流动的模式会造成不均匀的现象。培养液在流经较低填充密度而具有较高渗透性的区域的时候流动较快且较平顺，而在流经较高填充密度而具有较低渗透性的区域的时候流动较慢或是停止流动。此称为隧道效应(channeling effect)。隧道效应会阻碍细胞生长，并且造成在具有较高填充密度的区域之处的细胞死亡。

现有的接种方法为：将基材槽以培养液浸没，接着将具有高密度接种物的接种液注入基材槽之中。一驱动装置驱动接种物以单向流过填充床。由于填充床的作用为深度过滤器(depth filter)，接种物从填充床的顶部到底部被捉住，因此在接种的早期会造成填充床内细胞的梯度分布(gradient distribution)。减轻这些问题的可能方式为藉由增加培养液的流动速率，以减少细胞的梯度效率及不均匀分布。然而，较高的流动速率会对细胞造成剪力，并且沿着填充床垂直深度所逐渐增加的压力也会限制流速。

由于梯度效应、隧道效率及细胞在接种时期的不均匀分布，因此填充床生物反应器的大小相当受限。一般而言，填充床类型的生物反应器的大小限制在10到30公升之内。