[发明专利]生物反应器系统及其方法

说明书

本发明涉及生物反应器系统及其方法，其中支撑基质(2)包括至少一个中央轴和径向围绕中央轴的多个外围轴。通过限定两个连续板之间的空间附近，沿着轴安装盘的阵列(11)。因此，安装在外围轴上的盘在中央轴的盘的空间附近内旋转，以避免当盘彼此紧密地安装在轴上时产生的停滞流体区并且确保充分混合。此外，沿着中央轴的长度轴向设置的多个偏转叶片，以将基本上同轴方向的流体流重定向到培养容器的内部，并且更具体地朝向中央轴。因此，生物反应器系统提供可扩展的一次性生物反应器，其具有有效的混合和均匀的条件并且从而支撑细胞和其他生物材料的高密度生长和保持。

技术领域

本发明涉及生物反应器，并且更具体地涉及用于培养和支撑各种类型细胞的大规模培养以及用于处理可扩展支撑基质上的材料的系统和方法。

背景技术

生物反应器系统越来越多地用于生物材料的合成。尤其是，生物制药工业通常采用哺乳动物细胞系以便生产各种用于诊断和治疗的重组蛋白。为了满足不断增长的市场需求，需要大规模、高密度的细胞培养。为了提高产品经济性，优化细胞培养条件以便最大化活细胞密度并且延长培养寿命从而提高最终产品滴度已经成为大规模过程开发中最重要的目标。当今生物技术生产的压力在于更快速度、更低成本和更高灵活性。理想情况下，生产单元应当紧凑(需要较少的投资)和模块化。

随着新产品的批准，针对源自哺乳动物细胞培养物的治疗性蛋白质的需求持续增长。诸如抗体和受体结合蛋白等一些较新的产品需要施以更高的剂量，并且这需要比早期产品更大量的生产。因此，持续需要的是以最小的附加设备投资来提高哺乳动物细胞培养生物反应器的生产率。

哺乳动物细胞是用于制备供人体使用的重组蛋白的优选表达系统，因为它们能够表达具有类似于天然人体蛋白质的糖基化谱的多种蛋白质。

在搅拌式生物反应器中的生产能够相对简单的扩大，但是需要培养容积大(即10-20m³)，以补偿所获取的相对较低的细胞密度。通常，悬浮培养中的细胞密度为10⁶至10⁷个细胞·ml^-1。与搅拌槽中的分批培养相比，在灌注培养中可以获取接近10倍的细胞密度(即10⁷-10⁸个细胞·ml^-1)，其中培养基以适当速率灌注在恒定容积培养物中，并且细胞通过各种方式保留在生物反应器中。

使搅拌槽生物反应器技术适应于细胞培养是徒劳的操作，因为该设计对悬浮细胞展现出固有的高速局部剪切速率，使得扩大非常困难，并且使得悬浮液适应和选择期望克隆所需要的时间段对于过程建立和经济学是可计算的。利用分批补料生物反应器，使用培养基填充的生物反应器来培养细胞，并且在(例如)8至21天后分批收获。相比之下，灌注生物反应器涉及连续培养、馈送和回收(收获)用过的培养基，通常用于更长时间，甚至数月。细胞通过结合在毛细管纤维或其他膜上生长，或者通过使用特殊的过滤或分离系统而保留在生物反应器中，从而被保持在灌注生物反应器内。

鉴于培养物中很多细胞的相对脆弱性，反应器设计的重要问题在于提高过程经济性。在动物细胞对培养环境的要求中，流体动力剪切应力是需要考虑和尽可能减少的重要方面。另一方面，必须例如通过搅拌器提供足够的混合，以保持生物反应器内的均匀条件并且快速分配诸如基质、在连续过程中的培养基或消泡剂等的进料。

大多数来自脊椎动物的细胞(除了造血细胞系和其他一些细胞系之外)都是贴壁依赖性的，并且必须在经特殊处理以允许细胞粘附和扩散(即组织培养处理)的合适的基质上培养。然而，很多细胞系也可以适用于悬浮培养。类似地，大多数市售的昆虫细胞系在单层或悬浮培养中生长良好。贴壁依赖性细胞培养系统的效率基于增大可用表面积，这通过使用板、螺旋、陶瓷和微载体来进行。目前使用的各种培养容器是Roux烧瓶、滚瓶、多托盘单元、合成中空纤维滤筒、光学培养系统、塑料膜、珠床反应器、微载体培养物等。由于容器设计和使用多个单元，所有上述培养容器都提供增大的表面积。