[发明专利]双循环微生理系统

说明书

提供了微流体细胞培养系统。系统包括双循环布置，用于为细胞培养物提供培养基(和任选的用于研究的选择的化合物)。双循环布置允许容易地为细胞培养物的不同阶段改变培养条件。尤其，第一循环路径可用于使相对大体积的培养基循环，从而允许低的细胞数与培养基体积比，并且第二循环路径可用于使相对低体积的培养基循环，从而允许高的细胞数与培养基体积比。在添加测试化合物之前，为预培养时间段优化第一循环，并且为测试阶段优化第二循环，在测试时间段期间保持功能的同时，提供高的细胞数与培养基比。

技术领域

本发明涉及用于细胞培养物的微生理系统，主要用于提供研究药物代谢的手段的目的。微生理系统也可称为微流体细胞培养系统或器官芯片(organ-on-a-chip)。系统包括双循环布置，用于为细胞培养物提供培养基(以及任选的用于研究的选择的化合物)。双循环布置允许容易地为细胞培养物的不同阶段改变培养条件。本发明的方面进一步涉及细胞培养和研究药物代谢的方法。

背景技术

药物代谢是将母体化合物转化为代谢物，代谢物通常接着从身体中排出。药物代谢的主要器官是肝脏。体外药物代谢的测量是药物开发过程的必不可少的部分。为了实现精确的测量，两个基本要求是：i)具有代谢测试化合物/药物的功能能力的体外系统，ii)足够高的细胞数与培养基体积比，以确保可精确地测量母体和/或代谢物的浓度。该测量通常使用液相色谱法进行。

目前用于药物代谢的技术包括微粒体、悬浮肝细胞和铺板肝细胞。所有这些技术具有显著的缺点，即系统中的微粒体/细胞的功能性能随着时间的推移而下降，在一些情况下非常迅速下降。这使得它们不适合测量代谢缓慢的化合物，因为化合物必须与测量系统保持延长时间段的接触。在该延长时间段期间，细胞停止运作和/或死亡。例如，在悬浮培养中，肝细胞可能无法维持超过6小时。Di等人提出了该问题的解决方案(Di L，Trapa P，Obach RS，Atkinson K，Bi YA，Wolford AC，Tan B，McDonald TS，Lai Y，Tremaine LM.，Anovel relay method for determining low-clearance values，Drug MetabDispos.2012年9月；40(9)：1860-5)，其中化合物与悬浮细胞一起孵育很短时间，并且然后转移至新鲜培养物中，称为中继法。虽然成功，但是该过程耗时并且需要大量的细胞。在可选的解决方案中，Chan等人(Chan TS，Yu H，Moore A，Khetani SR，Tweedie D.Meeting thechallenge of predicting hepatic clearance of compounds slowly metabolized bycytochrome P450 using a novel hepatocyte model,HepatoPac.Drug MetabDispos.2013年12月；41(12)：2024-32)将化合物与肝细胞和小鼠成纤维细胞(Hepatopac)共同孵育7天的时间段，以允许足够的时间用于母体化合物的可测量的消失或代谢物的产生。同样，这会导致长期的并且劳动密集的检验。

微生理系统(或器官芯片)是功能强大的体外细胞培养系统，其适用于药物代谢实验。通常将细胞放置在系统中并且预培养数天，以允许在药物的实验开始(即测试阶段)之前形成功能性微组织。用于该预培养时间段的培养条件要求低的细胞数与培养基体积比，以消除对于频繁培养基更换的需要。该低的细胞数与培养基体积比使得精确地确定缓慢代谢的化合物的代谢和稀有代谢物的检测具有挑战性。

用于肝细胞培养的示例性微生理系统包括美国专利6,197,575和US 2005/0260745中描述的那些。这些出版物公开了包括单一培养基循环的用于肝细胞培养的系统。PCT/US2017/016721(公开为WO 2017/176357)公开了细胞培养平台，其中离散微生理系统通过溢流道特征与其他器官相连。EP 2322913描述了用于分析布置在多孔板的多个孔中的培养基中的细胞的装置，包括用于插入多孔板的孔中的阻挡件。US 2008/145922描述了用于检测培养物中细胞的代谢活性的装置，该装置包括可移动的分离元件，以限定反应空间。