[发明专利]利用透气性材料进行细胞培养的方法及装置

说明书

相关申请 

本申请要求2003年10月8日提交的美国临时申请No.60/509,651的优先权，在此将其以参考的方式全部引入本文。 

技术领域

本发明的技术领域涉及提高细胞培养效率的方法及装置。所述方法和装置利用用于气体交换的透气性材料，可增加用于细胞培养的培养基的高度，降低透气装置的表面积与培养基体积容量的比例，并且整合了传统的细胞支持支架。所述方法及装置具有多种益处，包括更有效地使用了库存空间、培养箱空间、处置空间和劳力以及降低了污染风险。 

背景技术

细胞的培养是生物技术的关键因素。在研究阶段，细胞培养的量少，但当研究转向有利于人类和动物健康的目的时，培养的量通常会增加。这种数量的增加通常被称为放大。某些用于研究阶段细胞培养的装置和方法已经发展成熟，这是因为它们允许培养多种不同的细胞，因此对于大多数使用者是有用的。这些装置包括多孔组织培养板、组织培养瓶、滚瓶和细胞培养袋。令人遗憾的是，这些装置效率低，并且在放大过程中它们在劳力、污染风险以及费用方面的效率就变得更低了。这就需要开发替代的装置和方法，这类装置和方法用于研究并保持改进的放大研究和放大效率。这个讨论确定了常规技术中的许多缺陷，并且提出解决方法，所述方法随后将进行更详细的描述。 

对于研究规模的细胞培养来说一个必要的属性是低复杂性。复杂性降到最低的装置不需要辅助设备来混合或灌注用于细胞培养的培养基。它们通常是指静置装置。静置装置可以再分为两大类：1)非透气性且通 过气/液界面给细胞提供氧气的装置和2)透气性且通过穿过装置的室以气体交换的方式给细胞提供氧气的装置。传统的陪替氏培养皿、多孔组织培养板、组织培养瓶和多架组织培养瓶属于第一类。细胞培养袋和室化瓶(compartmentalized flask)属于第二类。由于包括静置装置中培养基驻留高度受限在内的各种原因，所有这些静置装置的效率都很低。 

由于提供气体交换的方法方面的原因，培养基在陪替氏培养皿、多孔组织培养板、组织培养瓶和多架组织培养瓶中的高度受限。为了满足细胞的需要，氧气必须从气/液界面扩散到装置中驻留有细胞的下表面。为了确保充足的氧气供应，推荐在这些装置中所采用的用于细胞培养的培养基的最高高度为约3mm。 

培养基的高度受限会导致各种缺陷。这会形成很小的只能支持少量细胞的培养基体积。培养基需要连续地取出和添加以维持培养，由此增加了操作的频度、劳力和污染风险。在装置中培养更多细胞的唯一方式是使装置的占地面积更大，从而可以存在更多的培养基。制造占地面积大的装置从制造观点来看是个挑战，很快超过了在典型培养箱和无菌工作台中可用的空间，使装置更加难以操作。因此，可商购获得的细胞培养装置是小的。因此，放大培养需要多个装置或选择更精密、复杂而昂贵的替代方式。 

依靠气/液界面来发挥作用的静置装置存在一些固有的问题，组织培养瓶就是一个很好实例。组织培养瓶中允许细胞驻留表面的面积范围典型地为25cm²至225cm²。推荐用于组织培养瓶的培养基高度在2mm和3mm之间。例如，推荐它的T-225cm²瓶工作体积为45ml～67.5ml。因此，1000ml的培养物需要15～22个T-225cm²瓶。这样不仅需要给15～22个装置装料，从而导致劳力和污染风险增加，而且由于培养瓶以容纳约95％气体和仅5％的培养基的方式进行设计，因此空间的利用效率非常之低。例如，典型的T-175瓶的占地面积约为23cm长×11cm宽，高约3.7cm，因此占约936cm³的空间。然而操作时所述培养瓶典型地具有不超过约50ml的培养基。因此，在瓶体(50ml)中存在的培养基相对于瓶体(936cm³)所占的空间显示出培养瓶容量几乎95％只不过是气体。空 间的低效利用除了浪费宝贵的培养箱空间外，还增加了运输、灭菌、储存和处置的费用。 

常用于研究规模的细胞培养的装置的另一个例子是多孔组织培养板。对于传统的组织培养瓶，将气/液界面保持在每一个孔的底部上仅2mm至3mm的高度是标准的操作方法。当在细胞培养实验室中移动板时，为了防止溅出，典型的可商购获得的96孔组织培养板的每个孔约9mm深。对于6孔组织培养板，深度增加至约18mm。在96孔板的情况中，气体约占每个孔的75％，而培养基约占每个孔的25％。在6孔板的情况中，气体约占每个孔的95％，而培养基约占每个孔的5％。这种低效的几何形状增加了装置运输、灭菌、储存和处置的费用。