(57)【要約】【課題】バクテリア、細胞、組織等を増殖させ、また、機能発現させ、生物化学反応により目的とする代謝と分泌を行い、そして最終的に生産物を効率よく回収できるシステムを持つバイオリアクターを提供する。【解決手段】中空ファイバーからなる流路を反応対象溶液が流れるようになっており、また、これに対して、中空ファイバー外部において反応、あるいは代謝する細胞、バクテリアを保持する不織布等からなる多孔性シート状物があり、また、これらの生物活性、あるいは生存を効率よく確保するためのラジアルフロータイプの培地循環が行うことができるシステムを組み合わせたバイオリアクターシステム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のリアクター本体（８）内に培地導出チューブ（７）、複数の中空ファイバー（４）および中空ファイバー間に細胞の通過を許容する多孔性シート状物（３）を収容した培養空間を備えたバイオリアクターであって、
（ｉ）  リアクター本体（８）に形成された少なくとも１つの第１入口ポート（１），（１）から供給された培地が培地導出チューブ（７）の一端と連通した第１出口ポート（２）から流出される第１流路と、
（ｉｉ）  リアクター本体の一端側に形成された第２入口ポート（５）から供給された処理液が複数の中空ファイバー（４）内を通り、リアクター本体他端側に連通した第２出口ポート（６）から流出される第２流路、
を備え、かつ、多孔性シート状物（３）は細胞の接着および細胞の通過が可能であり、培地導出チューブ（７）と中空ファイバー（４）は細胞を通過させないが液体および物質の通過が可能であるラジアルフロータイプのバイオリアクター。
【請求項２】
細胞接着性の多孔性シート状物と多孔性不織布を重ね合わせ複数の中空ファイバーの間を中心軸に対して巻回してなる請求項１に記載のバイオリアクター。
【請求項３】
培養空間内にバクテリア、細胞又は組織を備えた請求項１または２に記載のバイオリアクター。
【請求項４】
請求項１に記載のバイオリアクターを備え、前記第１入口ポートをポンプを介して培地タンクに接続するとともに第１出口ポートを該培地タンクに接続し、前記第２入口ポートをポンプを介して処理液タンクに接続するとともに第２出口ポートを該処理液タンクに接続することを特徴とするバイオリアクターシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バクテリア、細胞、組織、器官、臓器などの微細生命体または生命体の一部をバイオリアクターに組み込み、機能発現を効率よくさせるためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、バクテリア、細胞、組織などを利用して、バイオリアクターとする方法は数多く、提案されている。しかし、ほとんどすべてが、バクテリアおよび細胞、組織を固定させるために、担体にビーズを用いているので、細胞などが容易にビーズの間に詰まったり、また、分泌物により閉塞することがあり、安定した流路の確保が困難であった。
【０００３】
また、ラジアルフロータイプの培地供給でないためにバクテリアおよび細胞、組織を多量に固定すると栄養分や酸素の十分な供給が難しく、また、そのためバクテリアおよび細胞、組織の壊死を回避することは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術の上記の問題点に鑑みて、バクテリアや細胞、組織、器官、臓器等を細胞接着可能な多孔性シート状物に固定化し、なおかつその生物活性を維持するために効率のよい培地の供給システムを備えており、かつ中空ファイバーにより生産物（分泌物）および処理溶液を高効率に回収、および分離できることを目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のバイオリアクターおよびバイオリアクターシステムに関する。
項１．  筒状のリアクター本体（８）内に培地導出チューブ（７）、複数の中空ファイバー（４）および中空ファイバー間に細胞の通過を許容する多孔性シート状物（３）を収容した培養空間を備えたバイオリアクターであって、
（ｉ）  リアクター本体（８）に形成された少なくとも１つの第１入口ポート（１），（１）から供給された培地が培地導出チューブ（７）の一端と連通した第１出口ポート（２）から流出される第１流路と、
（ｉｉ）  リアクター本体の一端側に形成された第２入口ポート（５）から供給された処理液が複数の中空ファイバー（４）内を通り、リアクター本体他端側に連通した第２出口ポート（６）から流出される第２流路、
を備え、かつ、多孔性シート状物（３）は細胞の接着および細胞の通過が可能であり、培地導出チューブ（７）と中空ファイバー（４）は細胞を通過させないが液体および物質の通過が可能であるラジアルフロータイプのバイオリアクター。
項２．  細胞接着性の多孔性シート状物と多孔性不織布を重ね合わせ複数の中空ファイバーの間を中心軸に対して巻回してなる項１に記載のバイオリアクター。
項３．  培養空間内にバクテリア、細胞又は組織を備えた項１または２に記載のバイオリアクター。
項４．  項１に記載のバイオリアクターを備え、前記第１入口ポートをポンプを介して培地タンクに接続するとともに第１出口ポートを該培地タンクに接続し、前記第２入口ポートをポンプを介して処理液タンクに接続するとともに第２出口ポートを該処理液タンクに接続することを特徴とするバイオリアクターシステム。
【０００６】
本発明のバイオリアクター本体には、培地の流出のための培地導出チューブ、リアクター内の処理液の流路である複数の中空ファイバー、培地および細胞の通過が可能であり、その表面で細胞が単独で或いは集団で接着および生育可能な多孔性シート状物が収容されている。
【０００７】
リアクター本体は円筒状、角筒状などの筒状の形状が好ましい。図１では円筒状のリアクター本体が示されている。
【０００８】
培養空間は、多孔性シート状物を含み、細胞は通常該シート状物表面に接着し、培養される。該シート状物は、中空ファイバー間に存在し、好ましくはリアクター本体の中心軸に存在する培地導出チューブ（７）に対し巻回されて、多孔性シート状物（３）の間に複数、好ましくは多数の中空ファイバー（４）が設けられた構造をとる。
【０００９】
中空ファイバーは、１つのリアクター本体内に複数個、通常多数個、例えば１０〜５００本程度、好ましくは２０〜３００本程度使用される。中空ファイバーは、例えば両端を処理液の通過が可能なように、中空ファイバーが貫通した支持体（９）で固定するのが好ましい。中空ファイバーは、分子量１００万以下、好ましくは５０万以下程度、より好ましくは２０万以下程度の物質の移動が可能であり、中空ファイバーに処理液を通過させた場合、培養空間で産生された有用物質が中空ファイバー内に拡散し、回収することができる。
【００１０】
培養空間はスペーサーとして用いる多孔性不織布を多孔性シート状物（３）と重ね合わせて用いるのが好ましい。多孔性不織布は細胞の通過を許容する必要はなく、その孔径は通常１〜２００μｍ、好ましくは１〜５０μｍ程度である。多孔性不織布は好ましくは中空ファイバー間の隙間を埋めて中空ファイバーを固定する。
【００１１】
多孔性シート状物および多孔性不織布の材質は特に限定されず、公知の有機ポリマーが広く使用可能であり、好ましくはＰＴＦＥなどの含フッ素ポリマー、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリウレタン、セルロース繊維、再生セルロース繊維、ポリアミド、ポリイミドなどが使用可能である。
【００１２】
多孔性シート状物は細胞の接着を促進するためにポリアミノ酸・ウレタン共重合体、架橋されていてもよいコラーゲン、アルブミン、フィブロネクチンなどの蛋白質、ハイドロゲル等で処理するのが好ましい。
【００１３】
本発明の培地導出チューブ（７）は、細胞は内部に入らないが、第１入口ポート（１）から供給された培地が培地導出チューブ（７）の一端と連通した第１出口ポートから流出されるに十分な孔を有している。培地導出チューブ（７）は筒状のリアクター本体（８）内の中心軸に沿って形成されるのが好ましいが、中心軸に対して対称な位置に複数個設けることも可能である。
【００１４】
図１に示されるバイオリアクターの場合、培地は、第１入口ポート（１）から供給されリアクター本体と多孔性シート状物（３）ないし中空ファイバー（４）の間の空間に、第１入口ポート（１）から両側に分かれて円周方向に沿う第１の流れと、円筒状のリアクター本体近くの該空間から中心の培地導出チューブ（７）に向けての第２の流れが存在し、第１入口ポート（１）から供給された培地は中心の培地導出チューブ（７）に集まり、第１出口ポート（２）から流出される。なお、培地導出チューブ（７）の他端（７ａ）はシールされ、培地導出チューブ（７）に流れ込んだ培地は第１出口ポート（２）へ向かうようになっている。
【００１５】
培地導出チューブ（７）は、培地等の液体の通過は許容するが、細胞は通過できない程度の孔径（通常１〜５０μｍ、好ましくは１〜３０μｍ）を有する。
【００１６】
リアクター本体は、細長い筒状の形状を有するのが好ましく、中空ファイバーは、リアクター本体の中心軸に平行に固定されるのが好ましい。
【００１７】
リアクター本体に形成される第１入口ポート（１）は、１個でも２個以上であってもよいが、通常１〜６個、好ましくは２〜４個、特に２個形成される。第１入口ポートを複数個形成する場合、その位置はリアクター本体の軸方向の中心に対し対称の位置（図１参照）に形成するのが好ましい。
【００１８】
第１入口ポート（１）から供給された培養液は、培養空間に収容された多孔性シート状物（３）および任意要素としての多孔性不織布を通り、さらに培地導出チューブ（７）内に入り、該導出チューブ（７）と連通した第１出口ポート（２）から流出されて第１流路を形成する。
【００１９】
一方、処理液は、第１出口ポートとは反対側の第２入口ポート（５）から中空ファイバー内に供給される。中空ファイバーは物質の移動が可能であるので、蛋白質などの高分子ないし低分子の有用物質を中空ファイバー内に拡散させ、リアクター内から外部に誘導することが可能である。処理液は中空ファイバー（４）を通り第２出口ポート（６）から流出されて、第２流路を形成する。
【００２０】
処理液としては特に限定されないが、血液、血漿、血清、培地、酵素処理対象液（ビール、食品、化学薬品溶液など）などが例示される。
【００２１】
培地としては、細胞、微生物、組織、器官、臓器なのが生育可能な液を広く使用できる。
【００２２】
本発明の多孔性シート状物は、細胞の通過を可能にするのに十分な孔径を有しているため、細胞の移動が可能であり、多量に細胞、微生物、組織を保持しても目詰まりが起こり難い。該孔径としては２００μｍ以上、好ましくは２００〜５００μｍ程度である。
【００２３】
本発明のリアクターは、培地の効率よい供給と回収ができるラジアルフローシステムをもっており、このシステムと回収用中空ファイバーの流路とは独立した流路を形成している。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明第１実施形態のバイオリアクターで、図２は、バイオリアクターシステムを示す概略図である。図１において、第１入口ポート（１）から入った培地は細胞接着性の多孔性シート状物（３）を通過して、培地導出チューブ（７）内に入って第１出口ポート（２）から流出される。処理対象液は第２入口ポート（５）から入って、中空ファイバー（４）を通り、第２出口ポート（６）から流出される。
【００２５】
図２において、１，２，３，４は培地調整槽のｐＨ，溶存酸素濃度等を調節するためのものである。コンピュータ５によりデータが記録される。培地調整槽７を通過した培地はポンプ９を通過後、バイオリアクター１０に入り込み、中空ファイバーの外側から入り、中心の中空ファイバー（図１に示した）を通り、酸素付加膜１１を通過して、再び調整槽７に戻る。中空ファイバーとは独立の流路を持っている。処理対象液はリザーバーである血漿ボトル１４からポンプ９を通り、中空ファイバーに入り、また、培地流路とは別の第２出口ポートから出て、再び血漿ボトル１４に戻る。
【００２６】
図１、図２で示されるように細胞、組織、バクテリアを高効率でパックでき、その活性維持ができるシステムになっており、容易に市販の人工透析装置に組み込むこともできる。
【００２７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に従いより詳細に説明する
実施例１
図２に示されるバイオリアクターシステムにおいて、培地および処理液として肝細胞が生育可能なアルブミンを含まない培地を、アンモニアを２００μモル／１０９培養肝細胞／ｈの条件下で供給しながら培養空間内の肝細胞を培養し、アンモニアの代謝速度およびアルブミンの処理液中への分泌速度を測定した。結果を図３および図４に示す。
【００２８】
また、ポリアミノ酸・ウレタン共重合体で処理されたＰＴＦＥからなる多孔性シート状物（図５（Ａ）、（Ｂ））およびレーヨンファブリック（図５（Ｃ），（Ｄ））からなる多孔性シート状物を用いた場合の肝細胞の接着の状況を示す。
【００２９】
図５に示されるように、細胞接着性を向上させる物質で表面処理された多孔性シート状物を用いると、肝細胞の接着、増殖が良好に行われることが明らかになった。
【００３０】
【発明の効果】
これにより多量のバクテリアおよび細胞、組織を固定し、しかも高い代謝、分泌活性などの機能発現を継続して維持することができる。この応用として、人工肝臓、人工膵臓などの人工臓器、あるいはスケールアップして、水処理システム、発酵などの化学反応システムに応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】バイオリアクターの１つの実施形態を例示する。
【図２】バイオリアクターシステムの概略図である。
【図３】アンモニアの代謝速度の測定結果を示す。
【図４】アルブミンの代謝速度の測定結果を示す。
【図５】多孔性シート状物に対する肝細胞の接着の様子を示す図である。
【符号の説明】
（１）第１入口ポート
（２）第１出口ポート
（３）多孔性シート状物
（４）中空ファイバー
（５）第２入口ポート
（６）第２出口ポート
（７）培地導出チューブ
（７ａ）    培地導出チューブの他端
（８）リアクター本体
（９）支持体
１  二酸化炭素ボンベ
２  酸素ボンベ
３  空気ボンベ
４  コントローラー
５  コンピューター
６  フィルター
７  培地調整槽
８  スターラー
９  ポンプ
１０  バイオリアクター
１１  酸素付加膜
１２  培地ボトル
１３  廃液ボトル
１４  血漿ボトル
１５  インキュベーター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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