[发明专利]大规模细胞生产系统

说明书

公开了在大规模水平下培养和生产细胞的方法。具体地，提供了生产系统和装置，以及使用该系统和装置用于在由藻酸盐聚合物制成的中空纤维中培养和生产细胞的方法。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年11月25日提交的第62/260,109号美国临时专利申请的优先权，其公开内容通过引用整体明确并入本文。

背景技术

本发明一般涉及在由藻酸盐聚合物制成的中空水凝胶纤维中培养和生产细胞。更具体地，本公开内容涉及用于以各种规模，特别是在大规模水平下培养细胞的生产系统和装置，所述细胞可用于各种应用。

哺乳动物细胞具有许多应用。干细胞，如人多能干细胞(hPSC)，包括人胚胎干细胞(hESC)和人诱导多能干细胞(iPSC)，及其子代(即，从干细胞分化的细胞)可用于治疗退行性疾病、损伤和癌症。它们也可以用来构造人造组织和器官。此外，干细胞及其子代可用于建模疾病、筛选药物和测试化学物质的功效和毒性。哺乳动物细胞也广泛用于在实验室和工业中表达重组蛋白和病毒。许多这些蛋白质和病毒在临床中使用。这些应用需要大量高质量的细胞。例如，分别需要10⁵个存活的多巴胺能(DA)神经元，约10⁹个心肌细胞或约10⁹个β细胞来治疗患有帕金森氏病(PD)、心肌梗塞(MI)或1型糖尿病的患者。此外，最初需要更多的细胞，因为移植细胞的体外细胞培养产量和随后的体内存活通常都非常低。作为后者的实例，据报导，移植后几个月，在啮齿动物模型中仅有约6％的移植的多巴胺能神经元或约1％的注射的心肌细胞存活。此外，还有大量患有退行性疾病或器官衰竭的患者群体，仅在美国就包括100万以上的PD患者，100-250万的1型糖尿病患者，和约800万的MI患者。大量细胞对于组织工程等应用也是必需的，其中例如，人造的人肝脏或心脏分别需要约10¹⁰个肝细胞或心肌细胞。此外，一次可能需要约10¹⁰个细胞来筛选百万个化合物文库，并且组合化学、非编码RNA和复杂信号转导和转录网络的研究的进展产生了可以针对许多目标进行筛选的大型文库。生产治疗性生物制剂如单克隆抗体(mAb)、酶和病毒颗粒也需要大量的哺乳动物细胞，如中国仓鼠卵巢细胞(CHO细胞)和人胚肾293细胞(HEK293)。

目前，几乎没有能够成本有效地生产干细胞及其子代和原代细胞的方法，尤其是以大规模生产。其中细胞在2D表面上培养的最广泛使用的2D细胞培养系统受限于其低产量、异质性、可扩展性和再现性。例如，每平方厘米表面积只能培养大约50,000个心肌细胞。

由于上述缺点，正在广泛研究三维(3D)悬浮细胞培养系统，例如旋转瓶和搅拌罐生物反应器以扩大生产。然而，悬浮培养物中的细胞球状体经常聚集形成大的细胞团块。众所周知，营养物质、氧和生长因子向位于直径大于500μm的团块中心的细胞(图10A)的运输以及代谢废物从位于直径大于500μm的团块中心的细胞(图10A)的运输变得不足，导致细胞增殖缓慢、细胞凋亡和不受控制的分化。当搅拌或振荡培养物减少细胞聚集时，它们也产生流体动力学应力，其不利地影响细胞活力、增殖和表型。培养物中的高细胞密度也促进细胞群集。考虑到所有这些因素，在目前的悬浮培养研究中，细胞通常以低密度(例如约3x10⁵个细胞/mL)接种并以70至120转/分钟(rpm)的速度搅拌。即使在这些优化的条件下，细胞生长缓慢、显著的细胞死亡、表型改变、基因组突变和低体积产量也是常见的。例如，已经显示hPSC通常每4天扩增4倍以产生约2.0x10⁶个细胞/mL。这些细胞仅占据低于0.4％的生物反应器体积。低产量导致大规模生产细胞面临经济和技术挑战。

基于上述内容，本领域需要一种稳健的细胞培养系统，其能够以各种规模，特别是以大规模成本有效地生产不同类型的细胞。该系统将在研究实验室和工业中都有用。

发明内容