(57)【要約】本発明は、精密な細胞の生物学的研究用具として使用するために、及び細胞育成と維持の臨床応用のために、フィードバック制御されるバイオカルチャー・プラットフォームを提供する。システムは、一体化された無菌サンプリングと収集用小型容器又は分析システムへの搬送を備える個別の閉ループの流路カートリッジを提供する。システムは、標準的な研究室又は要求される気体と温度の環境を提供するその他の培養器内で動作することができる。システムのカートリッジは、組立てが容易であり、独立してまたは一つにまとめられたシステム制御構造の下で動作され得る。また、システムのカートリッジは、研究及び臨床応用のために、細胞の拡大生成及び細胞生成物を提供する。流路カートリッジの多数の再現は、個別の、さらに再現の細胞培養育成及び実験のデザインにしたがって変更され得る、又は細胞培養の終点の望ましい細胞成長に調節され得る多数の実験モデルを許す。一体化された流路カートリッジ無菌サンプリング・システムは、代謝生成物又は培養基からの個々の細胞の動態分析を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
培養器内で使用される細胞培養装置であって、前記装置は、
少なくとも１つの流路組立カートリッジを支持するラックと、
少なくとも１つの媒体流路組立カートリッジであって、前記カートリッジは、
ハウジングであって、
ポンプと、
媒体流を阻止又は分流するのに適合する少なくとも１つのバルブと、
制御インターフェースと、を取り付けられてなるハウジングと、
流路の無菌性を破ることなく前記ハウジングに取り外し自在に取り付け可能な無菌媒体潅流培養流路ループであって、前記媒体潅流培養流路ループは、
少なくとも１つのバイオチャンバーと、
前記ポンプに接触するチューブ部分と、
前記バルブに接触するチューブ部分と、
酸素付加装置と、及び
媒体容器と、を含む、カートリッジと、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ハウジングは、少なくとも１つの非侵襲センサをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
流れセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記流れセンサは、滴下室を備えていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
非侵襲センサ内に取り外し自在に配置可能な流動室をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項６】
前記流れセンサは、非侵襲センサ内に取り外し自在に配置可能であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項７】
前記酸素付加装置は、気体透過膜を備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記気体透過膜は、培養器環境から流路中への酸素の拡散を許すことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記カートリッジ・ハウジングは、データ・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ラックは、カートリッジ・ハウジングのデータ・インターフェースとの統合のために、データ・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記ラックは、外部制御器との統合のために、データ・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記非侵襲センサは、ｐＨセンサであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１３】
前記非侵襲センサは、グルコース含有センサであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１４】
前記非侵襲センサは、酸素センサであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１５】
前記非侵襲センサは、分光センサであることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１６】
前記バルブは、ピンチ・バルブであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ポンプは、前記非侵襲センサから受け取られたデータを介してフィードバックにより調節されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
前記バルブは、前記非侵襲センサから受け取られたデータを介してフィードバックにより調節されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１９】
サンプリング・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記媒体潅流培養ループは、廃棄物容器をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記サンプリング・インターフェースは、自動化されたサンプリング装置に連絡することを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
注入インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記注入インターフェースは、注入流体容器に連結されていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
注入インターフェースは、注入膜を備えていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
経由流体を搬送するための流体ポンプと、
前記経由流体を無菌化する手段と、
一方向流動弁と、
前記潅流培養ループから一方向流動弁へアリコート・サンプルを分流するバルブと、
前記流体ポンプ、無菌化手段、及び一方向流動弁は、経由流体を搬送するチューブにより直列に接続され、
前記経由流体内で前記一方向流動弁から収集装置又は分析器具へ前記アリコート・サンプルを搬送するチューブと、
を有するサンプリング装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項２６】
前記一方向流動弁は、逆止弁であることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記経由流体は、空気であることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２８】
前記無菌化手段は、少なくとも１つのフィルタを備えていることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのバイオチャンバーは、静的細胞培養内又は細胞灌流装置内での使用に変換でき、該バイオチャンバーは、
第１チャンバーと、
カバーと、
前記第１チャンバーを前記カバーに取り外し自在に接続可能にするシールと、及び
第１チャンバーとカバーとの間に配置されている少なくとも１つのインサートと、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３０】
前記バイオチャンバーは、拡散器をさらに備えていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記シールは、２以上のシール・インターフェースを備えていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記バイオチャンバーは、前記２以上のシール・インターフェースの間に少なくとも１つの空隙をさらに備えていることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３３】
前記２以上のシール・インターフェースは、前記インターフェースの着座を色変化で指示できることを特徴とする請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
媒体流路組立体カートリッジであって、
ハウジングであって、
ポンプと、
媒体流を阻止又は分流するのに適合する少なくとも１つのバルブと、
制御インターフェースと、を取り付けられてなるハウジングと、
流路の無菌性を破ることなく前記ハウジングに取り外し自在に取り付け可能な無菌媒体潅流培養流路ループであって、前記媒体潅流培養流路ループは、
少なくとも１つのバイオチャンバーと、
前記ポンプに接触するチューブ部分と、
前記バルブに接触するチューブ部分と、
気体透過膜を有する酸素付加装置と、及び
媒体容器と、を含む媒体潅流培養流路ループと、
を備えていることを特徴とするカートリッジ。
【請求項３５】
単独動作のために、電源をさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項３６】
単独動作のために、制御インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項３７】
外部コンピュータによる動作のために、制御インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項３８】
外部制御器との通信用データ・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項３９】
センサをさらに備え、前記ポンプは、前記センサから受け取られたデータによるフィードバック制御により調節されることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４０】
センサをさらに備え、前記バルブは、前記センサから受け取られたデータによるフィードバック制御により調節されることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４１】
前記酸素付加装置は、培養器環境から流路への拡散を許すことを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４２】
経路流体を搬送する流体ポンプと、
前記経路流体を無菌化する手段と、
一方向流動弁と、
前記潅流培養ループから一方向流動弁へアリコート・サンプルを分流するバルブと、
前記流体ポンプ、無菌化手段、及び一方向流動弁は、経由流体を前記一方向流動弁へ搬送するチューブにより直列に接続され、
前記経由流体内で前記一方向流動弁から収集装置又は分析器具へ前記アリコート・サンプルを搬送するチューブと、
を有する自動化されたサンプリング装置をさらに備えていることを特徴とする請求項４１に記載のカートリッジ。
【請求項４３】
注入インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４４】
ｐＨセンサをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４５】
グルコース・センサをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４６】
酸素センサをさらに備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４７】
分光センサをさらにことを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４８】
前記バルブは、ピンチ・バルブであることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項４９】
前記少なくとも１つのバイオチャンバーは、静的細胞培養での使用又は細胞潅流培養装置での使用に対して転換可能であり、
第１チャンバーと、
カバーと、
前記第１チャンバーを前記カバーに取り外し自在に接続可能であるシールと、及び
第１チャンバーとカバーとの間に配置され、それによって第２チャンバーを形成する少なくとも１つのインサートと、
を備えていることを特徴とする請求項３４に記載のカートリッジ。
【請求項５０】
前記バイオチャンバーは、拡散器をさらに備えていることを特徴とする請求項４９に記載のカートリッジ。
【請求項５１】
前記シールは、２以上のシール・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項４９に記載のカートリッジ。
【請求項５２】
前記バイオチャンバーは、前記２以上のシール・インターフェースの間に少なくとも１つの空隙をさらに備えていることを特徴とする請求項５１に記載のカートリッジ。
【請求項５３】
前記２以上のシール・インターフェースは、色変化によって前記インターフェースの着座を指示することができることを特徴とする請求項５１に記載のカートリッジ。
【請求項５４】
複数の細胞潅流培養流路組立体カートリッジを支持する培養器ラックであって、
各々流路組立体カートリッジを支持するのに適した複数の溝のある表面を有する水平基体と、
前記ラックと前記複数のカートリッジとの間でデータを伝送する複数のデータ・インターフェース接続と、
前記ラックと外部コンピュータとの間の通信のための少なくとも１つの制御インターフェースと、
を備えていることを特徴とする培養器ラック。
【請求項５５】
前記水平基体に接続可能な垂直壁をさらに備え、前記垂直壁は、前記複数の溝に対して垂直であることを特徴とする請求項５４に記載の培養器ラック。
【請求項５６】
前記ラックは、特定のカートリッジが前記ラックの１以上の位置に挿入されることを防止する手段をさらに備えていることを特徴とする請求項５４に記載の培養器ラック。
【請求項５７】
ラックは、ファンをさらに備えていることを特徴とする請求項５４に記載の培養器ラック。
【請求項５８】
ラックは、振動減衰システムをさらに備えていることを特徴とする請求項５４に記載の培養器ラック。
【請求項５９】
静的細胞培養での、細胞潅流培養装置での使用に対して転換可能なバイオチャンバーであって、
第１チャンバーと、
カバーと、
前記第１チャンバーを前記カバーに取り外し自在に接続可能にし、前記チャンバー内で生物学的汚染物質から前記細胞培養をシールするシール手段と、
第１チャンバーとカバーとの間に配置され、それによって第２チャンバーを形成している少なくとも１つのインサートと、を備え、
前記第１チャンバー及び前記第２チャンバーは、潅流培養中、媒体流と各々流体連通状態にあることを特徴とするバイオチャンバー。
【請求項６０】
前記シール手段は、シールの完全性を確認する手段を備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６１】
前記インサートは、中空繊維束、プラスチック表面、三次元マトリックス、及び光学的な反射面からなるグループから選択される材料を備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６２】
前記シール手段は、２以上のシール・インターフェースを備えていることを特徴とする請求項６１に記載の装置。
【請求項６３】
前記バイオチャンバーは、前記２以上のシール・インターフェースの間に少なくとも１つの空隙をさらに備えていることを特徴とする請求項６１に記載の装置。
【請求項６４】
前記２以上のシール・インターフェースは、色変化によって前記インターフェースの着座を指示することができることを特徴とする請求項６１に記載の装置。
【請求項６５】
前記バイオチャンバー内で媒体流を拡散する少なくとも１つの手段をさらに備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６６】
サンプリング・ポートをさらに備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６７】
注入ポートをさらに備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６８】
サンプリング・インターフェースをさらに備えていることを特徴とする請求項５９に記載のバイオチャンバー。
【請求項６９】
細胞灌流培養ループと共に使用するサンプリング装置であって、
経路流体を搬送する流体ポンプと、
前記経路流体を無菌化する手段と、
一方向流動弁と、
アリコート・サンプルを前記灌流培養ループから前記一方向流動弁へ分流させるバルブと、
前記流体ポンプ、無菌化手段、及び一方向弁は、前記経路流体を前記一方向流動弁に搬送するチューブにより直列に接続され、そして
前記アリコート・サンプル及び経路流体を前記一方向流動弁から収集装置又は分析器具へ搬送するチューブと、
を備えていることを特徴とするサンプリング装置。
【請求項７０】
前記経路流体は、空気であることを特徴とする請求項６９に記載の自動化されたサンプリング装置。
【請求項７１】
前記無菌化手段は、少なくとも１つのフィルタを備えていることを特徴とする請求項６９に記載の自動化されたサンプリング装置。
【請求項７２】
培養器内で使用する細胞培養装置であって、前記装置は、
前記培養器内に少なくとも１つの流路組立体カートリッジを支持する手段と、
少なくとも１つの媒体流路組立体カートリッジであって、該カートリッジは、
ハウジングであって、
流体を搬送するポンプ手段と、
流体を分流する少なくとも１つのバルブ手段と、
制御インターフェースと、を有するハウジングと、
流路の無菌を破ることなく前記ハウジングに取り外し自在に取り付け可能な、使い捨て可能な無菌媒体灌流培養ループであって、該媒体灌流培養ループは、流体連通状態で、
バイオチャンバーと、
前記ポンプ手段に取り外し自在に取り付け可能なチューブと、
前記バルブ手段に取り外し自在に取り付け可能な少なくとも１つのチューブと、
前記媒体灌流培養ループに酸素を拡散する手段と、
ｐＨを判断する手段と、
流量を判断する検知手段と、及び
媒体容器と、を含んでいる媒体灌流培養ループと、
を含んでいるカートリッジと、
を備えていることを特徴とする装置。
【請求項７３】
前記ポンプ手段は、前記ｐＨを判断する手段から受け取られるデータを介してフィードバック制御により調節されることを特徴とする請求項７２に記載の装置。
【請求項７４】
前記ポンプ手段は、前記流量を判断する手段から受け取られるデータを介してフィードバック制御により調節されることを特徴とする請求項７２に記載の装置。
【請求項７５】
経路流体を、チューブを通して搬送させるポンプ手段と、
前記灌流培養ループからアリコート・サンプルを取り除く手段と、
前記経路流体を無菌化する手段と、
バルブ手段と、
前記ポンプ手段、前記無菌化手段、及び前記バルブ手段は、前記経路流体を搬送するチューブにより直列に接続され、
前記経路流体内で前記バルブ手段からサンプル収集装置又は分析器具へ前記サンプルを搬送する手段と、
を有することを特徴とする細胞灌流培養ループからサンプルを獲得するサンプリング装置。
【請求項７６】
流体を、チューブを通して搬送させるポンプ手段と、
前記灌流培養ループからアリコート・サンプルを取り除く手段と、
前記経路流体を無菌化する手段と、
バルブ手段と、
前記ポンプ手段、前記無菌化手段、及び前記バルブ手段は、前記経路流体を搬送するチューブにより直列に接続され、
前記経路流体内で前記バルブ手段からサンプル収集装置又は分析器具へ前記サンプルを搬送する手段と、
をさらに備えていることを特徴とする請求項７２に記載の装置。
【請求項７７】
前記バイオチャンバーは、
第１チャンバーと、
カバーと、
前記第１チャンバーを前記カバーに取り外し自在に接続可能とするシールと、
第１チャンバーとカバーとの間に配置され、それによって第２チャンバーを形成している少なくとも１つのインサートと、
を備えていることを特徴とする請求項７２に記載の装置。
【請求項７８】
細胞を培養する方法であって、
培養器内で使用する細胞培養装置を用意し、前記装置は、
少なくとも１つの流路組立体カートリッジを支持するラックと、
少なくとも１つの媒体流路組立体カートリッジであって、前記カートリッジは、
ハウジングであって、
ポンプと、
媒体流を妨げ、分流するのに適した少なくとも１つのバルブと、
制御インターフェースと、を取り付けられてなるハウジングと、
流路の無菌を破ることなく、前記ハウジングに取り外し自在に取り付け可能である無菌媒体灌流培養ループであって、前記媒体灌流培養ループは、流体連通状態で、
バイオチャンバーと、
前記ポンプと接触しているチューブ部分と、
前記バルブと接触しているチューブ部分と、
媒体灌流培養ループへ及びループからの気体拡散を許す気体透過膜と、
流れ感知システムと、
媒体容器と、を含んでいる無菌媒体灌流培養ループと、
を含むカートリッジと、を有し、
生物学的細胞を前記無菌媒体灌流培養ループに導入し、
前記装置を培養器内に配し、
バイオチャンバー内で気体及び温度状態を制御するために、気体及び温度下にある培養器環境を制御し、
前記生物学的細胞を維持するのに十分な時間の間、前記ポンプに前記バイオチャンバーを通して媒体を搬送させる、
ことを備えていることを特徴とする細胞を培養する方法。
【請求項７９】
細胞を培養する方法であって、
静的細胞培養又は細胞灌流培養装置の使用に転換可能なバイオチャンバーを用意し、前記バイオチャンバーは、
第１チャンバーと、
カバーと、
前記第１チャンバーを前記カバーに取り外し自在に接続可能とするシール、及び
第１チャンバーと使い捨て可能なカバーとの間に配置され、それによって第２チャンバーを形成する少なくとも１つのインサートと、を備え、
生物学的細胞を用意し、
前記生物学的細胞を前記バイオチャンバーに導入し、
前記バイオチャンバー内で所望の細胞密度を達成するために、前記細胞が増殖することを許す気体及び温度下にあるバイオチャンバーを培養器に配し、
前記第１チャンバー及び前記第２チャンバーが前記細胞灌流培養装置を介して媒体流と流体連通状態にあるように、細胞の前記所望の密度に等しい前記バイオチャンバーを細胞灌流培養装置に挿入し、そして
前記細胞が増殖することを許す状況下で前記細胞灌流培養装置を動作させる、ことを備えていることを特徴とする細胞を培養する方法。
【請求項８０】
前記バイオチャンバーを前記細胞灌流培養装置から取り除き、
前記第１チャンバーを前記カバーから分離し、そして
前記増殖された細胞又は細胞生成物を前記バイオチャンバーから採取する、
ことをさらに備えていることを特徴とする請求項７９に記載の方法。
【請求項８１】
前記細胞生成物は、前記インサートに取り外し自在に固定されていることを特徴とする請求項８０に記載の方法。
【請求項８２】
前記生成物は、懸濁液中にあることを特徴とする請求項８０に記載の方法。
【請求項８３】
生物学的細胞培養での化合物又は環境因子の生理学的影響を判別する方法であって、
培養器内で使用する細胞培養装置を用意し、前記装置は、
前記培養器内で複数の流路組立カートリッジを支持するラックと、
媒体流路組立カートリッジ各々は、
ハウジングであって、
ポンプと、
媒体流れを防止又は分流するのに適した少なくとも１つのバルブと、
制御インターフェースと、を取り付けられてなるハウジングと、
流路の無菌を破ることなく、前記ハウジングに取り外し自在に取り付け可能である無菌媒体灌流培養ループであって、前記媒体灌流培養ループは、流体連通状態で、
少なくとも１つのバイオチャンバーと、
前記ポンプと接触しているチューブ部分と、
前記バルブと接触しているチューブ部分と、
媒体灌流培養ループへ及び媒体灌流培養ループからの気体拡散を許す気体透過膜と、
流れ感知システムと、
媒体容器と、を含んでいる無菌媒体灌流培養ループと、
を含んでいるカートリッジと、を備え、
生物学的細胞を前記複数のカートリッジのそれぞれの媒体灌流培養ループに導入し、
前記複数のカートリッジの各々を前記ラックに挿入し、
前記ラックを培養器に配し、
前記細胞培養装置を、前記各細胞が増殖するのを許容する状況下で動作させ、それによって、各灌流培養流路ループ中に細胞生成物を生成し、
細胞または細胞生成物の状態を異なる灌流ループにおいて比較し、それによって生物学的細胞培養での化合物または環境因子の生物学的影響を判別する、
ことを備えていることを特徴とする生物学的細胞培養での化合物又は環境因子の生理学的影響を判別する方法。
【請求項８４】
前記化合物は、薬理学的活性を有する恐れのある化合物であることを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【請求項８５】
前記環境因子は、媒体流量、せん断、ｐＨ、温度及びポンプ波形からなるグループより選択されることを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【請求項８６】
前記化合物は注入によって前記灌流ループに導入されることを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【請求項８７】
前記生物学的細胞培養は、生物学的組織を含むことを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【請求項８８】
前記各カートリッジは、ロック手段によってコード化され、前記ラック中の一ヵ所にのみ係合することを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【請求項８９】
１つ以上の前記カートリッジについて、１つ以上の異なる設定値を手動インターフェースに入力することを特徴とする請求項８３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は、２０００年１０月２日出願の米国第６０／２３６，７３３号、６０／２３６，７０２号及び６０／２３６，７０３号仮出願の利益を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明の分野は、自動化された細胞培養システム、細胞培養育成室及び自動化されたサンプリングシステムである。
【０００３】
（発明の背景）
細胞培養は、生物系の細胞の成分をより良く理解し、操作するために、生命科学の研究において、長年の間利用されてきた。細胞は、概ね、シャーレー（ｐｅｔｒｉ ｄｉｓｈｅｓ）やフラスコの静的環境の中で育てられる。これらの細胞培養方法は、特に、多数の研究が実行されることが必要である場合に、非常に大きな労働力を要する。
【０００４】
従来の細胞培養システムは、細胞の維持、育成、拡大及び検査に対する制御された環境によって異なる。典型的な細胞培養研究室は、層流フード、水ジャケットが取付けられた培養器、ガウンを着た職員による規制されたアクセス、及び研究室表面を浄化するための定期的無菌化手順を含んでいる。職員は、非無菌物質との接触によって、容器や細胞移動装置の汚染を避けるために、無菌化技術に関する包括的な訓練を必要とする。これらの対策にもかかわらず、従来の細胞培養研究室における汚染、例えば、カビや細菌の汚染、の発生が普通に起こる。これにより、しばしば数週間研究が危険にさらされたり、何日もの間、または何週間もの間、操作が中断されるという影響を伴う。
【０００５】
熟練した技術者は、概ね、殺菌した層流フードの下で細胞培養を実行する。細胞は、フラスコ又はバイオリアクタ（ｂｉｏｒｅａｃｔｏｒｓ）内で育成され、必要な温度環境及び気体環境を提供する培養器内で維持される。培養組織は、培養器から取り出され、処理用の無菌フードに移送される。細胞は、これらの温度及び気体環境から取り出されると、損傷する恐れがある。培養組織の絶え間のない移送及び操作が、単一の細菌によって就業時間を無駄にさせる恐れのある汚染の機会の典型である。従来の細胞培養は、非常に労働集約型であり、切れ目無く続く、無菌の、使い捨てのできる、各実験用生成物を使用する。栄養を与える細胞培養基は、少なくとも毎日のように専門家により視覚的に点検される色指示器を含んでいる。該色が、ｐＨ（ペーハー）が健全な範囲からはずれていることを、指示していると思われる場合、細胞は、培養器から取り出され、古い培養基が手で取り除かれ、新しい培養基が注入される。このような工程がせいぜいのところである。
【０００６】
灌流培養システム（ｐｅｒｆｕｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）は、動的な生体内での環境の危機的状況を再生する三次元の細胞培養環境を提供する。生体外での灌流培養システムは、あたかも生体内にいるかのように、組織培養された細胞が成長し、組織化することを可能とする。バイオ関連企業、大学、及び研究機関は、特に、肝臓、すい臓、及び血管を含む複雑な組織交換を開発しようとしている。これらの複雑な組織生成物は、刺激による生体内での成長を模倣することができる高度のバイオチャンバー（ｂｉｏｃｈａｍｂｅｒ）灌流培養システムを必要とする。灌流培養による細胞培養の主な目的は、培養基を連続的に再循環させるポンプ器官を提供することにある。培養基交換（もはや適切なｐＨではない場合）、細胞や培養基のサンプリング、及び流体注入のような標準的実験操作が、無菌フード内で研究室の専門家により実行される。遺伝学的に培養された生成物が、ＦＤＡ（食品医薬品局）に認可され、薬調合費用が何億ドルもする時代において、細胞培養を実行するような従来のやり方は、もはや受け入れ難い。
【０００７】
どのような細胞培養関連の出願においても解決されるべき重要な課題は、細胞生成物と実験とが、異なるバイオチャンバー又は異なる身体の位置において一致するように、正確な再現性と位置毎の差の排除を含んでいる。このことは、培養組織の生存可能性が唯一目に見える合図、すなわち、培養基の色や顕微鏡による視覚化、で決定される時に、特に達成し難い。
【０００８】
全くの手動による環境において、品質管理は、能力のある人達を選択し、彼等に徹底的な訓練を与え、そして標準的な操作手順及び書類作成の方法を育成することにより達成される。自動化された環境において、工程検証の指針は、該工程が正確で、確実に一致し、規格を満たすことが可能であることを示すのに使用される。それで、統計学的工程管理の指針は、工程を監視し、規格との一致を保証するために履行される。
【０００９】
当該細胞及び組織の成長や変形に関する個々の身体的及び生物学的要件は、変化する。しかしながら、これらの細胞や組織いずれをも育成するためには、２つのキーとなる要素が必要である。その１つは、必要に応じ、交換し、分化することができる細胞であり、もう１つは、表面結合、培養基交換及び酸素注入のような細胞が成長するための生理学的条件を提供する生体適合性材料を含む生体外でのシステムである。これらのシステムは、自動化され、堅実で信頼できる結果を必要とする研究を実行する、あるいはまた、生成物の品質及び、特に生成物の無菌性に悪影響を与えることなしに、生来の形態又はおおむね別の形態で移植細胞及び組織からの恩恵を受けようとする患者のために働く何千もの研究室、大学、組織培養関連会社、病院及び診療所による通常的使用に責任を負うべきである。
【００１０】
これまでの細胞及び器官の移植手術療法は、概ね、臨床施設に頼り、程度の差はあっても、標準的操作手順により、また、様々な監督機関の関与に伴って決定された研究室の生成物や方法を使用することにより、細胞または組織を取り扱い、処理してきた。しかしながら、これまでの手順は、概ね、短期間の貯蔵又は格納、或は、場合によって冷凍貯蔵を用意する以外には、細胞又は組織の包括的操作を必要としなかった。移植用細胞または組織の実際の育成や生成、培養基の交換、サンプリング、投与する薬／化合物の注入、生理学的用量及び設定値の監視、及び品質保証データの収集を必要とするステップに加えて、信頼でき、臨床的に安全な方法を達成するために検討される必要がある多くの考慮すべき事柄がある。この問題は、細胞生成が、幹細胞移植組織用細胞の生成に関する場合であるような患者看護場所、又は、器官やヒトの組織工学的応用に関する場合であるような離れた生産場所で起きているがどうかにかかわらず同じである。
【００１１】
典型的にはバイオリアクターと称される、基盤動作される培養システムは、市販されている。哺乳類の細胞培養のために使用される種々のバイオリアクターのほとんどは、単一細胞タイプの高密度培養の生成を許容するように設計されている。これらの高密度システムの典型的応用例は、細胞により生成されるならし培地（ａ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｄ ｍｅｄｉｕｍ）を生成することである。これは、例えば、単一クローン性抗体のハイブリドーマ（ｈｙｂｒｉｄｏｍａ）生成に関する場合であり、また、ウイルス性ベクター（ｖｅｃｔｏｒ）生成のための細胞株を一括することに関する場合である。しかしながら、これらの応用例は、最終生成物が収穫された組織または細胞それ自体である応用例とは異なる。従来のバイオリアクターは、ある程度の労働力の節約及び中間工程における汚染に対する潜在性の最小化を提供し得るとはいえ、（細胞の成長を監視する手動による培養基のサンプリングのような）層流フード操作を必要とする準備及び収穫手順は、労働力の要求及び開放処理ステップを含んでいる。いくつかのバイオリアクターは、手動で組立てられ、準備されなければならない、いろいろな別個の構成要素を収容する大きなベンチトップ型（ｂｅｎｃｈｔｏｐ）の環境保全格納室として売られている。さらに、多くのバイオリアクターのデザインは、拡大される細胞や組織の盛大な回復を遅らせ、また、中間工程の、工程監視を目的とする細胞への接近を制限する恐れがある。多くの場合、収穫中にバイオリアクターの破壊を求められる。
【００１２】
したがって、組織培養関連会社、細胞治療関連会社、研究所、及び製薬会社内では、多くの上記欠陥に制約されることなく、選択された生物学的細胞及び組織を維持し育成し得る、自動化された細胞及び組織培養システムの必要性があることが認識されるべきである。また、低コスト化、小型化、及び自動化された研究や開発培養システムの必要性がある。該システムは、研究や細胞生成の品質を改良し、薬検査用のより正確なモデルを提供するであろう。
【００１３】
（発明の概要）
本発明は、培養器内で使用するための細胞培養装置を含んでいる精密バイオカルチャー支持システムを提供する。細胞培養装置は、外側シェルすなわちハウジングと、該外側シェルすなわちハウジングに取り付けられた、ポンプ、媒体流を妨げるか又は分流させる少なくとも１つの弁、制御インターフェース、及び使い捨て可能な無菌灌流培養媒体流路ループを有する、少なくとも１つの媒体流路組立カートリッジと、を含んでいることが好ましい。媒体灌流培養ループは、流路無菌を壊すことなく、外側シェルに取り外し自在に取り付けられる。また、該ループは、流体的に連通状態で、少なくとも１つのバイオチャンバー、ポンプに連絡するチューブ、弁に連絡する少なくとも１つのチューブ、周囲の空気にさらされている気体透過膜、及び媒体容器を含んでいる。好ましい実施態様においては、各カートリッジは、制御インターフェース及びバッテリパック又は単独操作型の別の電源を有している。他の好ましい実施態様においては、細胞培養装置は、流路無菌を壊すことなく複数の流路組立カートリッジと取り外し自在に一体化できる培養器ラックをさらに含んでいる。
【００１４】
本発明の他の実施態様は、複数の流路組立カートリッジを支持する培養器ラックを提供する。該培養器ラックは、ある実施態様においては、流路カートリッジ、培養器ラックとカートリッジとの間でデータを送信する複数のデータインターフェース接続部、及び外部コンピュータとの連通用制御インターフェースをそれぞれ支持するようになっている複数の溝を含んでいる。
【００１５】
本発明は、輸送流体を運ぶ流体ポンプ、灌流培養ループからサンプルの一部を分流させる弁、輸送流体を無菌化する手段、及び逆止弁を有する自動化されたサンプリング装置をさらに提供する。ポンプ、フィルタ、及び逆止弁は、逆止弁からサンプル収集装置又は分析器具へ輸送流体や分流されるサンプルを運ぶチューブにより直列に連結されている。
【００１６】
本発明は、静的細胞培養での又は灌流培養装置での使用に対して切り換え可能であるバイオチャンバーをさらに提供する。該バイオチャンバーは、第１チャンバー、カバー、第１の室をカバーに取り外し自在に接続できるようにし、バイオチャンバー内での細胞培養の汚染を防止するシール、及び第１の室とカバーとの間に配置され、それによって第２チャンバーを形成する少なくとも１つのインサートを含んでいる。
【００１７】
本発明のさらなる特徴及び利点は、以下の記載で述べられ、該記載から明白になり、又は本発明を実施することにより習得されるであろう。
【００１８】
（本発明の詳細な説明）
さて、本発明の原理を説明するのに役立つ、本発明の現在のところ好ましい実施態様に付き詳細に言及がなされるであろう。特定の問題や環境に対する本発明の教示の応用は、明細書中に含まれる教示に照らして、当業者の能力の範囲内にあることが理解されるはずである。
【００１９】
本発明は、培養器に適合する任意のラック又は接続架台に置かれ得る１又は複数の灌流培養ループ流路カートリッジを含む自動化された精密な細胞培養システムを提供する。培養器は、灌流培養ループ各々が培養器環境からの空気を受動的に拡散させる手段を含む場合、細胞を培養するのに適した気体と温度の環境を提供する。細胞培養システムは、自動化されたサンプリング及び注入はもちろん、平行処理及び個々の細胞培養パラメータを連続的に設定値に維持することによる最適条件を提供する。本発明は、静的細胞培養装置としての又は灌流培養ループ流路カートリッジ内での使用に対して切り換え可能であるバイオチャンバーをさらに提供する。
【００２０】
明細書中で使用されるとおり、“細胞培養”は、育成、維持、トランスフェクション（ｔｒａｎｓｆｅｃｔｉｏｎ）、又は細胞、組織又はこれらの生成物の増殖を意味する。
【００２１】
明細書で使用されるとおり、“一体化可能な”は、１又はそれ以上のデータ分流又はその他の機能用ユニットとして動作するために結合されることが可能である部品又は要素を意味する。
【００２２】
明細書で使用されるとおり、“流路無菌を壊すことなく”は、流路組立灌流培養ループ各々が、ラック又は接続架台に順番に接続され、流路の内面を周囲の環境汚染にさらすことなく及び灌流培養ループ流路の構成要素がお互いの流体連通を失うことなく、外され、再接続され得る、カートリッジ・ハウジングに接続され得るような種々の処理又は移動中に無傷のままである灌流培養ループの閉鎖性について触れている。したがって、ループそれ自体は、その構成要素がお互いに流体連通を失うことなく、カートリッジの外側シェルから取り除かれ得る、使い捨てのできる、１つにまとめられたシステムであることが好ましい。さらに、個々の灌流培養ループは、実験室や他の施設のいたるところに、又はその中身が無菌状態にある間、別個の検査や分析のために、要望される通りに、離れた実験室や施設に、移動され、又は運ばれてもよい。
【００２３】
さて、図１を参照すると、本発明は、１又は複数の媒体流路組立カートリッジ１を提供する。該カートリッジ１各々は、接続架台又はラック２内に置かれ得る。さらに、該ラックは、研究室の培養器内に置かれ得る。培養器は、どのような培養装置であってもよく、研究室、製造施設、又は、培養による細胞培養が望まれるどのような臨床環境或はその他の環境に配置されていてもよい。培養器は、本明細書に開示された特定の最終用途に応じて、どのような環境が当業者により使用され、選択されてもよいとはいえ、ＣＯ２約５％、Ｏ２約２０％、及び定温の制御環境を維持することが好ましい。培養器の環境は、典型的には、独立して制御される。一方、本発明の自動化された培養システムは、以下に詳細に述べられるように、別個の流路組立カートリッジの一体化及び接続架台のインターフェースを介するシステム制御のために、外部ＰＣ（パソコン）により制御されることが好ましい。
【００２４】
図１に示された実施態様は、カートリッジの一体化及びラックからの取り外しを容易にするための任意のレバー（ａｎ ｏｐｔｉｏｎａｌ ｌｅｖｅｒ）３を含んでいる。別の実施態様では、ラッチ又はその他の捕捉装置が使用されてもよい。図１に示されている実施態様は、また、流体の注入又はサンプリングに適合するために、任意選択アクセス・ポート４を含んでいる。電源及びコンピュータ制御用やデータ分流用ケーブルに接続する、１又はそれ以上の接続部５もまた含まれていてもよい。
【００２５】
図２は、本発明の実施態様を示す。ここでは、別個の流路組立カートリッジは、ラックに取り付けられていない。この示されている実施態様において、任意選択カバー６は、カートリッジの内部構成要素を包んでいる。該カバーは、取り外し自在であってもよいし、カートリッジの外部シェルにヒンジで接続されていてもよい。図３を参照すると、カートリッジ外部シェル又はハウジング７は、内部構成要素に対し物理的支持を提供する。図３に示される実施態様は、好ましいカートリッジ外部シェルすなわちハウジングの内部ハードウエア構成要素を例示している。該構成要素は、ポンプ８、任意選択酸素付加装置用ブラケット９、バイオチャンバー１０、媒体流れを分流させる弁１１、流動細胞室（ａ ｆｌｏｗ ｃｅｌｌ）又は滴下室（ａ ｄｒｉｐ ｃｈａｍｂｅｒ）１２、非侵襲センサ１３、直列アクセス・ポート４、０．１ミクロン・フィルタを通過した空気をサンプル的に送る任意選択空気ポンプ（図３には示されていない）、及びラック上に配置されている接続部と又は離れた電源と連結するインターフェース１５を含んでいる。流動細胞室又は滴下室は、非侵襲センサ、例えば、ｐＨセンサ、と合体され、単一の構成要素を形成していてもよい。別の実施態様の場合には、インターフェース１５は、制御及びデータ分流のためのコンピュータ・ケーブル用接続部を提供してもよい。さらに別の実施態様の場合には、インターフェース１５は、インライン分析器の下流の流体接続部を提供してもよい。該インライン分析器は、例えば、細胞の代謝活性に関するデータを提供してもよい。多くのこのようなインライン分析器は、本発明で使用するのに適している。
【００２６】
培養器ラックは、カートリッジが、細胞培養システムの操作中、培養器内に配置される場合、１又は好ましくは多数のカートリッジ用接続架台として操作する。ラック又は接続架台は、プラスチック材料から作られることが好ましい。また、例えば、射出成形により製造されてもよい。図４を参照すると、１つの実施形態では、ラックは、水平基板１６及び各流路組立カートリッジの挿入を案内し、支持する溝又は軌道１８を形成する一連の垂直仕切り１７を有する。また、１つの実施形態では、垂直仕切りは、各ドッキングされたカートリッジとその近くの又は隣接するカートリッジとの間に小さい空間を提供する。ラックは、また、好ましくはラックの後部に、垂直壁１９により直角支持部を提供してもよい。ラックは、また、好ましくは後部で、垂直壁に取り付けられている、電源から電力を伝え、外部コンピュータに連通するための、少なくとも１つのコネクタ２０、２１を有していてもよい。コネクタは、また、同じラック内で操作している単一のカートリッジに、又は多数のカートリッジに電力又は通信ケーブルを取り付けるために存在してもよい。一連のコネクタは、状況に応じて、ラックの後部水平部の溝（不図示）内に置かれている回路基板に取り付けられていてもよい。ラックは、また、培養器又は防振減衰装置内で空気を循環させるファンを含んでいてもよい。
【００２７】
完全に装備されたラックの携帯性を増大させるために、開放した箱の構造が採用され得る。該構造は、さらに、前部を保護し、ラック内でユニットとして搬送するためのカートリッジを確保する。図４に示される実施態様において、ラックは、８つのカートリッジを収容する。本発明に基づく使用に適した培養装置は、どのような所望数のカートリッジをも保持するようになっているラックを収容することができる。したがって、ラックは、標準的研究室用培養器又は他の適切な培養装置に嵌合し得るだけのスロット又はトラックを含むように作られ得る。普通の研究室用培養器は、１つの棚に最高１０個まで又はそれ以上のカートリッジを簡単に支持するであろう。
【００２８】
レバー駆動取り外し機構が電気コネクタの取り外し抵抗に打ち勝つために含まれてもよい。したがって、該機構は、ラックからのカートリッジ各々の取り外しを容易にする。別の実施態様では、表示器は、カートリッジが電気コネクタに正しく接続される時、あるいは、カートリッジが電力を受け入れない時、注意を喚起する。表示器は、ＬＥＤ（発光ダイオード）であることが好ましい。さらに別の実施態様では、バッテリー電源が、予備電力及びカートリッジが搬送される時、さもなければ、カートリッジがラックから取り外される時のための電力を供給するために、カートリッジ上又はカートリッジ中に含まれている。ハンドルが、ラックからのカートリッジ・ハウジングの取り外しを容易にするために、各カートリッジハウジングに配置されていてもよい。そのようなハンドルは、いろいろな位置に、好ましくは頂部、右手側部、折りたたみ式ハンドル、又は各カートリッジの手搬送及び携帯性を容易にするその他のどのような機構にも、配置され得る掴むためのくぼみを含み得る。カートリッジの外部シェルは、プラスチックで作られ、射出成形で形成されることが好ましい。カートリッジは、また、表示パネル、すなわち制御パネル、を含み得る。カートリッジは、また、多数の位置の内の１個所に回路基板を含み得る。好ましい位置は、カートリッジ外部シェルの後部水平部上又は該水平部内に埋め込まれている。別の実施態様では、カートリッジ外部シェルの底部水平部の折畳式スタンドが含まれ得る。該スタンドは、ひとたび、無菌フード内での無菌処理のいくつかの段階の間、流路が挿入され、カートリッジを垂直位置に保持する補助手段になると、使用者がカートリッジを机の上に置くことを許容する。カートリッジをラックに挿入する前に、スタンドは、折りたたまれた位置に向かって９０度回転され得る。その他のスタンド又は机又は長椅子、あるいは個々のカートリッジのためのその他の水平表面上に支持を提供することが可能な適切な機構であればどのようなものでも、必要に応じて使用され得る。
【００２９】
１つの実施態様では、カートリッジは、実験を行なっている間２以上の流路が相互に流体連通状態になるように、一体化され得る。この実施態様は、例えば、増大した流体量、増大した細胞量、又は細胞共培養（ｃｅｌｌ ｃｏ−ｃｕｌｔｕｒｅ）が望まれる場合に有利である。細胞共培養は、各カートリッジにおいて異なる細胞類を培養することを含んでいる。別の実施態様では、増大したバイオチャンバー及び媒体供給を有するより大きなカートリッジが、拡大された細胞培養に対して対応する。
【００３０】
さらに、本発明は、流路の無菌状態を破ることなくカートリッジの外部シェルすなわちハウジングに着脱自在である、ユニット化された、使い捨て可能な、無菌媒体灌流培養ループ流路を提供する。灌流培養ループは、連続した流れの灌流培養ループであるが、しかし、ワンパスの灌流培養ループとしても機能し得ることが好ましい。別の実施態様では、灌流培養ループは、ワンパスの灌流培養ループである。該ループは、単一の使い捨て可能なユニットとしてカートリッジ・ハウジングから取り外し自在であることが好ましい。図５は、本発明に係るユニット化された灌流培養ループの１実施態様を示している。図５において、ループは、カートリッジに接続されていない。図５の実施態様に示されるように、媒体灌流培養ループ又は流路は、媒体容器２２、チューブ２３、酸素付加装置２４、バイオチャンバー又はバイオリアクター１０、サンプル除去のための空気供給部に対応するインターフェース２６、空気供給部からの空気を無菌化するためのフィルタ２７、サンプリング・インターフェース２８、及び廃棄物容器２９を含んでいる（注入部及びサンプル容器は、この図に示されていない。）。別の実施態様では、流路は、分析器と連結するインターフェースを含んでいる。酸素付加装置２４は、受動拡散型酸素付加装置であることが好ましい。酸素付加装置は、どのような気体透過性表面を備えていてもよい。別の実施態様では、酸素付加装置は、例えば、バルブマニホールドを覆って配置されている拡散膜である。別の実施態様では、酸素付加装置は、バイオチャンバーを覆って配置されている拡散膜である。あるいは、酸素付加装置は、強制気体を収容する中空繊維であってもよい。
【００３１】
別の実施態様では、１以上のバイオチャンバー又はバイオリアクターが、細胞量を増加させるために、又は共培養を提供するために、単一の流路内に含まれている。バイオチャンバーは、直列又は並列に連結されていてもよい。廃棄物容器２９に入れられる廃棄物は、使用済み媒体、細胞副産物、廃棄細胞、又は、媒体灌流培養ループを通って廃棄物容器２９に入るその他の成分を含み得る。サンプリング・インターフェース２８は、流路の無菌状態を破るどのような可能性をも排除又は最小限に抑えている間ずっと、サンプルが境界を通って灌流培養ループから引き出され得る該境界を形成するどのような適切な接続部又は表面であってもよい。引き出しは、手動であってもよいし、自動的であってもよい。サンプリング・インターフェースは、例えば、シリコン注入サイト（ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅ）であってもよいし、又は、ルア式結合部（ａ ｌｕｅｒ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）であってもよい。
【００３２】
図６、７及び８は、本発明に係る媒体灌流培養ループ又はカートリッジ・ハウジング内に配置されている流路の別の実施態様を示している。図７を参照すると、操作中、媒体容器２２に入れられている媒体は、酸素付加装置２４に媒体の一部を分流する第１バルブ３０に連絡しているチューブ部分を通るチューブを経由して移動する。例示されている実施態様では、分流された媒体は、次に、非侵襲センサ１３に着脱自在である流動室１２を通って移動する。好ましい実施態様では、流動細胞室は、滴下室を備えている。本明細書で使用されるように、“非侵襲”は、センサが灌流培養ループの無菌状態に侵入又は干渉することなく作動することを意味する。非侵襲センサ１３は、ｐＨセンサ又はｐＨセンサ／滴下室の組み合わせであることが好ましい。流動細胞室は、媒体中の蛋白質及びその他の物質が検出信号と干渉するのを防ぐ選択的な防御膜を提供する。該膜は、水素イオンが該膜を横切ってセンサの検出経路に容易に移動することを許す。ｐＨセンサは、発光ダイオード及び細胞培養媒体を貫通する光の透過率を測定する光検出器を含んでいることが好ましい。非侵襲センサは、酸素センサ又は本発明の使用に適したその他の分析器であればどのようなものであってもよい。
【００３３】
図７において、媒体は、次に、ポンプ８に連絡するチューブ部分を通り、次に第２バルブ３１に連絡するチューブ部分を通って移動する。該第２バルブ３１は、流れの一部をバイオチャンバー１０に直接分流するか又は、最初に、循環する媒体を第１非侵襲酸素センサ３２にさらすチューブを経由して、次にバイオチャンバーに分流するかいずれかを行う。例示されている実施態様では、媒体は、次に、バイオチャンバー１０から流れ出て、第２非侵襲酸素センサ３３を通過し、第３バルブ３４に連絡するチューブ部分を経由する。例示される実施態様では、バルブ３４は、流れを第４バルブ３５に連絡するチューブ部分に分流し得る。この第４バルブ３５は、再循環のために第１バルブ３０に連絡するチューブを通して流れを戻すか又は廃棄物容器２９に流れを分流するかのいずれかを代わる代わるに行う。第１、第２、第３、又は第４バルブは、ピンチバルブ（ｐｉｎｃｈ ｖａｌｖｅｓ）であってもよい。あるいは、第１、第２、第３又は第４バルブは、流れを反転させる手段を含むマニホールドを経由させる分流弁（ａ ｄｉｖｅｒｔｅｒ ｖａｌｖｅ）であってもよい。例示されるように、流れは、また、バイオチャンバー１０から出て、バルブ３４を経由し、バイオチャンバーの中身をサンプリングするサンプリング装置と一体化されている第１逆止弁３７を通って分流され得る。あるいは、流れは、バイオチャンバー１０から出て、側部サンプリングポート３６を経由し、サンプリング装置と一体化されている第２逆止弁３８を通って分流され得る。ポンプまたはバルブと連絡するチューブ部分は、ダイアフラムを形成し得る。別の実施態様では、灌流培養ループは、付加された分流弁及び細胞サンプリングのために経由させるＹ形切換流路、室内型媒体サンプリング、反転流、及び流れの分流が要望されるたくさんのその他の応用を含むことができる。
【００３４】
図７に例示されるサンプリング装置は、空気をサンプリング・チューブに導入する第１連結点（ｆｉｒｓｔ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ ｐｏｉｎｔ）３９を含んでいる。空気は、ガス栓４０を通って空気を無菌化するフィルタ２７に移動し、次に、逆止弁３８を通過する。該弁３８は、灌流培養ループからかなりの量の流体を獲得し、該流体を、ユニット化されたサンプルとして、図示されるようなルア式活性弁（ａ ｌｕｅｒ ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｖａｌｖｅ）４２を含み得る第２連結点４１を介して搬送する。サンプリング装置は、自動化されることが好ましく、又は、手動で作動されてもよい。好ましい実施態様では、サンプルは、サンプル容器に分流され、サンプル間の流体中に保持され得る。サンプル間の流体は、抗真菌性の流体であってもよい。別の実施態様では、自動化されたサンプリング・システムは、サンプルが獲得される前に、サンプル・ラインに水をどっと流してもよい。当該水は、新しいサンプルを保証するために廃棄物容器に分流される。
【００３５】
別の実施態様では、流体は、一本のチューブを通ってキャリッジ前部へ又は培養器の外側に設置されている分析器へ自動的に分流されてもよい。サンプルは、再循環流路流体から又は細胞に直接接触状態にある流体から分流され得る。流体は、コンピュータ・プログラム又は手動のインターフェース・ボタンにより、自動的に道筋を決められ得る。別の実施態様では、流体は、注入器を経て手動サンプリング・ポートから排除され得る。
【００３６】
バイオチャンバーの１つの実施態様では、細胞は、バイオチャンバーを通って流体を運ぶ繊維の外側の空間内で育てられる。繊維壁を横切る以外の一般の流路からシールされているこの空間は、細胞外空間（ＥＣＳ；ｅｘｔｒａ−ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｐａｃｅ）と呼ばれている。別のバイオチャンバーの実施態様では、細胞は、繊維がない場合、懸濁液中で育てられる。サンプリング・ポート３６を介して集められたサンプルは、バイオチャンバー１０のＥＣＳからのサンプルを含んでいてもよい。サンプリング・ポート３６を介して集められたサンプルは、細胞の懸濁液を含んでいてもよい。サンプルは、また、灌流培養ループのいろいろな点からの循環流体を含んでいてもよい。
【００３７】
図７は、また、それを通して媒体容器２２への注入がなされ得る連結点４３及び媒体容器内に任意の撹拌棒４４を示している。流体は、システム内に組み込まれた時間間隔で自動的に注入される。プログラミングは、手動インターフェース経由で、又は外部コンピュータ経由で行なわれ得る。
【００３８】
図６及び８は、図７に例示されるいくつかの要素の別の配列を含んでいる別の実施態様を示している。図６は、また、カートリッジ外部シェルに設置されている、任意の取っ手４５、例えば、ｐＨ、グルコース、Ｏ２レベル検出用非侵襲ＬＥＤセンサ配列４６、及び表示・制御モジュール４７を含んでいる。図６は、作動しているバイオチャンバーの目による観察又はビデオ監視のために、バイオチャンバー１０の近傍に任意の切取部４８をさらに例示している。
【００３９】
図８は、ユーザー・インターフェースを有する内部制御器４９、ｐＨセンサ５１、及びサンプリング装置との統合用内部エアー・ポンプ５０を含んでいる。例示されている実施態様では、ｐＨセンサ５１は、侵襲形であってもよいし、又は非侵襲形であってもよい。１つの実施態様では、ｐＨセンサ５１は、ｐＨプローブである。
【００４０】
酸素付加装置２４は、一本の気体透過性シリコンチューブ又は同様のチューブを螺旋状に巻くことにより形成されてもよい。あるいは、酸素付加装置は、バイオチャンバー、バルブ、または流路の他の要素にわたって配置される膜であってもよい。別の実施態様においては、酸素付加装置は、中空繊維膜形酸素付加装置（ａ ｈｏｌｌｏｗ ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｏｘｙｇｅｎａｔｏｒ）であってもよい。酸素付加装置は、作動中培養器内で周囲の空気にさらされることが好ましい。酸素付加装置用ブラケットは、仮に使用されるとすれば、構造物をカートリッジ外部シェルに取り付けるのに適したどのような機械的、磁気的又はその他の装置であってもよい。
【００４１】
ポンプの使い捨て可能な部分、すなわち、ポンプ・チューブは、両端に一方向逆止弁を含んでいる、シリコン・チューブ又はその他の生体適合性（ｂｉｏｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）チューブ又は規格対応チューブから作られ得る。１つの実施態様では、ポンプ・チューブは、ユニット化された使い捨て可能な流路の構成部分であり、例えば、流路の製造中にそのように無菌化され得る。ポンプは、また、ポンプ・チューブを所定位置に保持する蓋（ａ ｌｉｄ）を含んでいる。そのようなポンプは、ダイアフラムを押しつぶし、一方向逆止弁を介して流体を移動させるプレートを使用することにより作動し得る。流体の押し退け量は、調節され得る。また、変更された圧力波が直流駆動モータへのいろいろな電気信号により生成され得る。ポンプ自体は、カートリッジ・ハウジングに取り付けられていてもよい。ポンプは、修理又はその他の目的のために、流路及びハウジングから取り外し自在であってもよい。１つの実施態様では、ポンプは、約４ｍＬ／ｍｉｎから約４０ｍＬ／ｍｉｎまでの流体流量を提供することが可能である。ポンプは、流量計と協力して、フィードバック制御により調整される。
【００４２】
図１４は、本発明に係るポンプ及びそれに関連する構成の１つの実施態様を例示している。図１４において、流体は、流路チューブ６９を通り、第１の一方向弁７０すなわち逆止弁を通って、ポンプ・チューブ７１内に流れる。ポンプ・アクチュエータ７３は、ポンプの蓋すなわち硬質支持体７２に抗してポンプ・チューブ７１を圧縮する。それにより、ポンプ・チューブから第２の一方向弁７４すなわち逆止弁を通って流路チューブ７５へ流体を押し出す。流路チューブ６９及びポンプ・チューブ７１は、同じ材料又は異なる材料から作られてもよい。
【００４３】
図１５Ａは、本発明の使用に適している分流弁の実施態様を例示している。例示されている実施態様においては、流体は、チューブ７７に入り、アクチュエータ７８が硬質表面７６に抗して通路８０のチューブを圧縮することにより該通路８０を遮断する時、通路７９に分流される。図１５Ｂにおいては、流体は、チューブ７７に入り、アクチュエータ７８が硬質表面７６に抗して通路８０のチューブを圧縮することにより該通路８０を遮断する時、通路７９に分流される。これらの図は、そのようなバルブの上面図及び断面図を提供している。
【００４４】
バルブ・チューブは、バルブのスロットを経由する流路チューブであり得る。バルブ・チューブは、ダイアフラムであってもよい。バルブは、流路チューブをＹ形コネクタ内に通し、次に、２つのチューブを、バルブの２つのスロットを経由させることにより分流弁として使用され得る。そのような機構は、一方の通路を一度に挟んで締め付けるだけであり、したがって、使用者は、どちらの通路が動作状態にあるかを選択することができる。本明細書内の教示内容を前提にすれば、いろいろなバルブ及びチューブ又はダイアフラム構造が、当業者によって選択され得る。バルブ・アクチュエータは、外部の力を必要とせず、所定位置に保持されることが可能であることが好ましい。ユニット化された灌流培養流路の構成要素を対応するカートリッジ・ハウジングの一定構造に取り付けるのに適した構造は、その動作を遅らせることなく通路を充分に固定するクリップ又はその他のファスナーを含んでいる。
【００４５】
別の実施態様では、１以上の非侵襲センサは、ＬＥＤエミッタと媒体を通る光の吸収が検査し得るように適応された検出器とのグループを含む分光分析センサ配列である。そのようなセンサは、媒体の周波数スペクトルを検出することができ、例えば、ｐＨレベル、グルコース含有率、又はＯ２含有率の決定を、ＮＩＲ波長を使って、提供することができる。センサは、カートリッジに搭載されてもよい。好ましい実施態様では、流動細胞室は、透明なチューブである。別の実施態様では、流動細胞室は、カートリッジ外部シェルの内面に取り付けられているブロック又はその他の本体内の溝に配置されている。別の実施態様では、センサ及び流動細胞室は、単一のユニットに組み込まれている。
【００４６】
媒体容器及び排気物容器は、それぞれ約１００ｍＬから１５０ｍＬまでの容量を有し得る。しかしながら、その他のいかなる大きさのものが使用されてもよい。また、本発明に係る細胞培養システムは、いろいろな流体容量を持つ容器に適応することができる。流体容量は、いろいろな異なる細胞のタイプに適応できるように選択され得る。いくつかの細胞タイプは、１５０ｍＬ以上の流体容量が好ましいという代謝ニーズを有する。本発明とともに使用するのに適するいくつかの実験的プロトコルは、テスト用化合物の小容量の注入を使用する。該テスト用化合物は、カートリッジ内の容器から供給され得るか、又は、本明細書で述べられたようないろいろなその他の手段により注入され得る。容器は、流体が容器内に配されることを許容すべく、密封可能で、取り外し自在な蓋を含み得る。蓋は、また、媒体又はその他の材料を容器から取り出すドロップ・チューブ及び約０．２ミクロン又はその他の無菌を維持するのに適した気孔率の濾過通気孔を含んでいる。容器は、オートクレーブ処理可能なプラスチック、又はガラス、又は本発明に係る流体を保持する使用に適したどのような物質から作られてもよい。通気孔を付けられた蓋は、無菌化可能なプラスチックから作られることが好ましい。
【００４７】
どのような無菌の生体適合性チューブも本発明での使用に適している。チューブは、シリコンであることが好ましい。チューブは、また、ファームド（Ｐｈａｒｍｅｄ）、ヴィトン（Ｖｉｔｏｎ）、テフロン（Ｔｅｆｌｏｎ）又はイーグル・エラストマー（Ｅａｇｌｅ Ｅｌａｓｔｍｅｒ）のような、市販のチューブであってもよい。１つの実施態様では、チューブは、約３／３２”（インチ）の内径及び約５／３２”（インチ）の外径を有する。しかしながら、その他の寸法が使用されてもよい。そのようなチューブは、例えば、ダイアフラム、又は、バルブ、酸素付加装置に、及び灌流培養ループの構成要素間を、接続するチューブに利用され得る。
【００４８】
図９は、無菌の媒体灌流培養ループで使用される滴下室及び非侵襲センサの１つの実施態様を示す。使用中、流体は、供給チューブ５２を通って流れ、滴下室の底部のチューブを通って出て行く前に、滴下開口５３を通って、部分的に満たされた、好ましくは透明の流動室５４内に、不連続な液滴状態で放出される。液滴が開口から落下する時、該液滴は、非侵襲センサを通過する。該センサは、エミッタ配列５６、光検出配列５７、及び計算用チップ５８を有するハウジング５５を含んでいる。エミッタ配列及び光検出器は、液滴を数え、計算用チップを使って、液滴の頻度を判定し、事象中通過する流体の流速又は流量を算出する。滴下室は、（細胞バイオチャンバーに先行する）ポンプと酸素付加装置との間に配置されていてもよい。あるいは、灌流培養ループ内のいろいろな位置に配置されてもよい。好ましい場所は、細胞バイオチャンバーの下流である。別の好ましい場所は、ポンプの上流である。センサは、再循環媒体流に流体を正確に注入するために、ポンプに連結され得る。注入された流体は、媒体、薬剤又はその他の添加物を含み得る。
【００４９】
培養プロセスの完了時における組織又は細胞の効率的収集は、効果的な細胞培養システムの重要な特徴である。１つの取り組み方は、不必要な物理的障害のない画成された空間内で細胞を培養することである。それで、生成物の簡単な溶出は、結果として、商業的な閉システムでの最終洗浄又は専用に設計されたどのような適切な細胞洗浄器もの影響を受け易い、処理し易い、高濃度の容量の細胞になる。理想的なシステムは、着性の（ａｄｈｅｒｅｎｔ）及び非着性の細胞両方を含んでいる生成された全ての細胞が、効率的にかつ完全に除去されることを可能にさせるであろう。したがって、いろいろな異なるバイオチャンバーが本発明に従って使用され得る。本明細書で使用されるように、バイオチャンバーは、本発明に従って使用されるのに適したどのようなバイオリアクターを含んでおり、さらに、細胞又は組織を、育成し、維持し、核酸を入れ（ｔｒａｎｓｆｅｃｔ）、あるいは拡大するための装置を含み得る。バイオチャンバーは、例えば、流路に取り付けられるためのルア式継手を有する中空繊維バイオチャンバー又はバイオリアクターであってもよい。いろいろなバイオチャンバー及びバイオリアクターが、本明細書で教示された本発明の媒体流路組立体カートリッジとの使用に適合可能である。
【００５０】
特に好ましいバイオチャンバーは、静的細胞培養での又は細胞灌流培養装置での使用に対し切換可能であるバイオチャンバーであり、第１の室（チャンバー）、カバー、第１の室を使い捨て可能なカバーに取り外し自在に接続可能にするシール、及び第１の室と使い捨て可能なカバーとの間に配置され、それによって第２の室（チャンバー）を形成している少なくとも１つのインサートを含んでいる。好ましいバイオチャンバーは、２つのモード、すなわち開モード又は閉モードで動作する。予めシールされたフェーズ又はモードにおいて、バイオチャンバーは、シャーレーとして作用し、バイオチャンバーをシーリングし、流れシステムに取り付けるより前に、手動による細胞の植種、育成を可能にさせる。好ましい実施態様では、バイオチャンバーは、気体拡散を可能にするが細菌を細胞空間から遠ざけておく無菌バリヤーとして作用する蓋を有する。細胞は、膜壁を横切る以外の普通の流路からシールされているＥＣＳ内で育成され得る。一度シールされると、バイオチャンバーは、膜インサートの上下に細胞を分散され得る。ポートは、また、進行中の実験の間中、格別の膜サンプルを収集するのに使用され得る。好ましい実施態様では、バイオチャンバーは、向き的には水平のままであり、細胞回収は、手動で実行される。
【００５１】
さて、図１１を参照すると、例示されているバイオチャンバーの実施態様は、底部室５９、カバー６０、底部室５９とカバー６０との間の少なくとも１つのインサート６２を保持する支持具（ａ ｂｒａｃｅ）６１を含んでいる。バイオチャンバーは、入ってくる流体の圧力特性を修正するために各端部６３にディフューザーを含んでおり、均一に分布された流れを提供する。図１２は、本発明に係るバイオチャンバーの別の実施態様の構成要素を示す。該バイオチャンバーは、カバー６０、支持具６１、及び２つの支持具６１間のインサート６２を含んでいる。膜インサートは、６２で示されている。バイオチャンバーは、細胞育成のために、例えば、中空繊維と膜のような、いろいろな選択可能なバリア・インサートに対応し得る。本発明で使用するのに適したインサートは、半透過性の膜を含む。本発明で使用するのに適したさらなるインサートは、状況に応じて、コントラストが高められた映像の顕微鏡観測のための光反射表面、及び、ゲル、エラスチン導管、生体吸収可能な材料、及びより一層の成長及び細胞の向きのための足場のような、いろいろな三次元育成マトリックスを含んでいる。バイオチャンバーは、また、積極的な層流及び消極的な流れの技術を許すインサート及び拡散パターンに対応し得る。インサートは、約０．００１インチから０．１インチまでの厚さであることが好ましい。溝付の棚は、膜組立体を整列させるために提供され得、構造上の支持体を提供する。図１２は、また、バイオチャンバーから灌流培養ループまでの流路チューブ用接続部６４を含んでいる。
【００５２】
図１７を参照すると、１つの実施態様では、バイオチャンバーは、バイオチャンバーの汚染を防止するために、二重シールインターフェース及び一体化された空隙を有するＯリングを利用しているシールを含んでいる。バイオチャンバーとＯリングシール表面とは、周辺シール８８、空隙８７、及び流体シール８９を形成している。シールと空隙の組み合わせは、周囲の汚染物質が流体Ｏリングシール（ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｏ−ｒｉｎｇ ｓｅａｌ）９０と接触状態になり得ないよう請け合う。流体Ｏリングシール９０は、別の状況では、ウイルス、ミコバクテリウム、及びバクテリアのような生物学的汚染物質により横断され得る顕微鏡的流体インターフェース通路を提供し得る。Ｏリング空気ギャップは、バイオチャンバーの２つの半分体９１、９２が嵌め合わされた時に形成され、ＨＥＰＡ濾過された、又は何らかの適切な方法によって無菌にされた空気が、２つのＯリング・インターフェース間に取り込まれている。周辺シール８８は、汚染物質が空隙８７に到達することを妨げる。該空隙８７は、流体のない領域及び、あるとすれば、流体シール９０の汚染又は破壊を許す流体微小通路を提供する。Ｏリング及びバイオチャンバー半分体のシールは、シール面の適切な嵌め合い及び据付を間接的に知らせるために、連続的な色の変化を形成することが好ましい。
【００５３】
別の実施態様では、カバー及び基体は、ねじ込みエンド・キャップ又は圧力維持溶液を介して確立され、保持されていることを検証できる色つきシール面を有していてもよい。そのようなシール面は、カバー及び基体がシールされた時、ある色を出現させ、シールが破られた時、別の色を出現させる。シール面は、中間のチャンバー・インサートを固定する隆起部を含み得る。シール及びインサートは、両面使用可能であり、取り外し自在であることが好ましい。特に好ましい実施態様では、多数のチャンバー・ポートは、中央媒体室への及びインサート・バリアのどちらかの側に捕獲された媒体や細胞の生成物への接近及び流れを許す。チャンバー・ポートは、また、サンプリングや注入のような自動化された灌流培養操作のために、流体インターフェースを提供することが好ましい。
【００５４】
図１３は、本発明に係る自動化されたサンプリング装置の１実施態様の概略図である。例示された実施態様は、培養器６７内に収容された複数の流路組立カートリッジ１に接続された空気ポンプ５０を有するサンプリング装置を示す。あるいは、各カートリッジがそれ自身空気ポンプを有していてもよい。サンプルは、分流弁１１を使用して、流路からサンプルを最初に分流させることにより収集される。分流弁は、ピンチ・バルブであってもよい。サンプルは、一方向弁又は逆止弁３７に進む。バルブ４０（任意のものであり、別の経路又は搬送流体源と共に使用される。さもなければ、空気ポンプ５０が使用される。）は、続いて開かれる。空気ポンプ５０からの空気は、無菌化フィルタ２７を通って、逆止弁３７を通過する。したがって、該空気は、サンプルを捕獲し、該サンプルを収集容器６８に押し込む。無菌化フィルタは、例えば、０．１ミクロン・フィルタ又は０．２ミクロン・フィルタ又は直列フィルタ、あるいは経路空気又はその他の搬送流体を生物学的汚染物質のないようにするのに適したその他の方法又は構造であれば何でもよい。バルブ４０は、仮に経路流体が培養器用空気以外である場合に必要とされるだけのものである。単一の空気ポンプが外部空気源及び該空気源から複数のカートリッジへのマニホールドと共に使用され得る。しかしながら、好ましいアプローチは、各カートリッジが必要なハードウエアを含み、それ自身サンプリングを実行することである。サンプリング装置は、カートリッジに設置されているボタンを押すことにより自動的に動作され得る。該ボタンは、ボタンがサンプリング用であることを指示するべく印を付けられていることが好ましい。該ボタンは、カートリッジの前に設置され得る。別の実施態様では、サンプリング装置は、外部コンピュータにより設定されている制御を介して動作される。サンプルは、収集容器に分流され得る。１つの実施態様では、収集容器は、チューブである。別の実施態様では、収集容器は、カートリッジの前に配置されている。サンプリング・チューブは、サンプルが新鮮なサンプルを確保するために収集される前に、水がどっと流され、廃棄物流れにされ得る。別の実施態様では、サンプルは、操作者の介入なしに多種多様のサンプルを収集するために、ステッピング・モータに配置されているサンプル容器に分流され得る。各サンプルは、分析のために収集されるまでサンプル容器内に留まっていてもよい。このことは、操作者が入手できない時期にサンプル収集を可能にする。
【００５５】
自動化されたサンプリング装置は、無菌バリヤの潜在的侵害を排除しており、したがって、サンプルの完全性を妨げるかもしれない殺菌剤（ｂａｃｔｅｒｉｃｉｄｅｓ）又は殺真菌薬（ｆｕｎｇｉｃｉｄｅ）を使用することなく、汚染の危険性を最小限にしている。従来の無菌バリヤ培養操作及び混乱と関連する、例えば、無菌フード設備の下での処理のために、それらの温度及び気体環境から室温、大気環境へ培養物を移動するというような潜在的問題は、排除される。コンピュータ制御される無菌空気ポンプは、サンプル存続時間及びポンプ速度を制御することにより、一定の時間調整を必要とする分析器具と一体化可能である。残された媒体は、収集装置のパージサイクル（ａ ｐｕｒｇｅ ｃｙｃｌｅ）を経由して取り除かれてもよい。インラインの残りは、無菌媒体又は細胞の分流弁の地点で、疎水性の転送材料の使用及び表面修正により、最小限にされ得る。サンプル転送チューブを貫通する定期的な無菌空気パージの使用は、エーロゾル（ａｅｒｏｓｏｌｓ）や内毒素（ｅｎｄｏｔｏｘｉｎｓ）がサンプル転送チューブを通って戻ることを防止するために利用され得る。転送チューブ端は、収集装置と接続されない場合、殺菌性の浴槽に保持されることが好ましい。装置は、流路又は細胞バイオチャンバーのＥＣＳから抜き取られ、収集チューブ内で無菌化された空気の気泡を経由して最終的な収集地点へ転送される、小さいサンプル（典型的には、０．５〜５ｍＬ）を提供する。いくつかのサンプル及び用途に関して、どのような適切な別の搬送流体、液体又は気体も、システム内で及び収集容器又は分析器具へのサンプルの搬送を許すために使用され得る。
【００５６】
自動化されたサンプリングに加えて、本発明は、また、手動によるデュアル・ポート形注射器の面一細胞植種と共に、無菌フードの下での、手動による細胞又は組織の収穫、及び手動による細胞の植種と処理を許す。１つの実施態様では、手動アクセス・ポートは、細胞の注入のために設けられている。注入は、注射器又は針により手動アクセス・ポートを介して行なわれる。
【００５７】
育成状態の最適条件及びプロセス制御に関して、本発明は、センサの監視及びポンプ、バルブ、及び所定の細胞培養又は組織の工学的応用に適したその他の設備のフィードバック制御によっていろいろな細胞培養育成パラメータの連続した設定値の維持を提供する。例えば、ｐＨ、温度、流量、ポンプ圧、波形、及び酸素の飽和状態に関連するデータが、表示され、蓄積され得る。培養器は、典型的には、温度及び気体状態に対して別々に制御可能である。低滴下流動室を通る媒体流及び流れの動力学、インライン圧力センサ、及びポンプ用モータの制御のようなシステム・プログラム及び状態パラメータは、操作者が直接ＰＣで制御することを許す又はモデム又はインターネット接続による保護されたリモート通信及びプログラム修正を許すコンピュータ・インターフェースによって制御され得る。サンプリングの増加及び薬剤投与は、また、予めプログラムされていてもよいし、又は、別体のコンピュータで直接的に入力されてもよいし、あるいは、接続架台上に又は各カートリッジ内に設置されているタッチ・パッド又はその他のインターフェースを経由して入力されてもよい。
【００５８】
コンピュータ・インターフェースは、例えば、温度、ｐＨ、流量、ポンプのパルス波形、及び、例えば、新鮮な媒体及びその他の流体の注入及び自動化されたサンプリングを含むいろいろな予定した事象を含んでいる各カートリッジからのパラメータのリアルタイム・データ又は記録されたデータ用に表示装置を設けることが好ましい。ｐＨ、流量、ポンプのパルス波形、及びその他のパラメータは、操作者により選択及び入力された設定値からフィードバック調節されることが好ましい。温度は、培養器の環境により調節されることが好ましい。１つの実施態様では、カートリッジは、別体のコンピュータを必要とすることなくデータを記録する。別の実施態様では、カートリッジは、ラックに接続されている場合、特定のカートリッジで実施されている特定の実験又は切断状態にある実験の状態を認識するためにディジタル認識を含み得る。各カートリッジは、一端動作が始まると、特定のラックのスロットに合わせられてもよい。該スロットは、仮に、切断され、正しくない又は異なるスロットに置き換えられた場合、その継続中の動作を妨げる。各カートリッジは、カートリッジの動作状態を指示するＬＥＤを含み、操作者に設定値を入力するインターフェースを提供する手動インターフェースを含んでいることが好ましい。該インターフェースは、また、カートリッジがラック内にない時に動作し得る。
【００５９】
各カートリッジは、各非侵襲センサが局所的制御器に電気信号の形で情報を発生させ、伝送するように、局所的制御器を含んでいることが好ましい。信号は、直接局所的制御器へ、又は最初に増幅器又はトランスミッタへ、次に通信路又は通信バスを経由して制御器へのどちらかの電気接続により伝送され得る。通信は、直列でも並列でも伝送され得る。
【００６０】
図１６は、表示装置８２、ＬＥＤ８３、操作者インターフェース８４、サンプル収集チューブ８５、及び注入又はサンプリングのための場所８６を含んでいる、本発明に係るカートリッジ８１の前面の１つの実施態様を示している。
【００６１】
制御器は、予め（チップのような）制御器の中にプログラムされているか、カートリッジに又は局所的制御器に接続されているＰＣ又はその他の中央コンピュータシステムの一部として設置されているタッチ・パッド又はインターフェースを使用して入力され得るかのどちらかである設定値と共に測定値に対応する情報を含んでいる。制御器がセンサから信号を受け取ると、該制御器は、プログラムされた設定値に近い過程値（ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｖａｌｕｅ）に移動させるか否かを判断し（すなわち、流量を変更し、媒体流を分流する等）、必要であればその流量を変更するポンプに、又は必要又は求められるならば媒体流を分流するバルブに、情報を伝送する。このフィードバック制御は、システムの動作中ずっと連続的であることが好ましい。自動警告警報が、例えば、電話又はインターネット接続を通じて操作者に注意を喚起するために利用されてもよい。また、該警報は、可聴であることが好ましい。局所的制御器は、カートリッジが合体される時、ラックに設置されているコネクタに順番に接続されるカートリッジに設置されているコネクタに通信路により接続されてもよい。次に、ラックは、通信路を経由して中央コンピュータ又は制御器に接続される。ラックから中央コンピュータに接続される通信路は、ラックに合体された複数のカートリッジの各々から中央コンピュータに、別々の情報を伝送することができる。中央コンピュータも、該コンピュータからラック及びラックから各個別のカートリッジに、通信路を通じて、各カートリッジ又は全てのカートリッジに情報を伝送することができる。中央コンピュータは、また、カートリッジから受信された情報を蓄積し、分析することができる。
【００６２】
育成条件の最適化は、非侵襲監視及び、流量、生理学的圧力波やパルス波、媒体付加、酸素付加及びｐＨを含むたくさんのパラメータの精密制御により達成されることが好ましい。さらに、サンプリング、新しい媒体の追加、及び薬剤投与などは、望ましい時に又は望ましい計画に従って媒体流を分流させるように、バルブをセットすることにより自動化され得る。プロセス制御パラメータは、いろいろな研究における最も望ましい結果及び最終用途例による臨床状況を実現するために、薬剤注入及び生物学的機能監視のようなさらなる特徴を提供すべく要求通りに修正され得る。
【００６３】
この育成条件最適化に合致して、各カートリッジは、指定時刻に作動する方法又は閾値で誘発される方法での配列及び結果の複合化したものが、例えば、指定流量での媒体の再循環、圧力波、及びせん断を含みながら、維持され得る別個の実験を提供し得る。一度セットされると、各カートリッジは、個々のカートリッジの処理、分析、又は無菌層流フード又はいろいろな外部分析装置での操作を容易にするために、電源ケーブルの取り付けによる又は板状電池パックへの取り付けによる電源のみで動作され得る。
【００６４】
細胞培養システムは、いくつかのモードで動作され得る。再循環モードは、灌流培養閉ループを通る媒体の流れを維持しつづける。あるいは、供給／排水モードは、新しい媒体を媒体容器から供給し、灌流培養ループから廃棄物容器に廃棄物を排出するために、バルブが流路を分流する場合に使用され得る。切換モードは、例えば、所定の時間間隔で注入されるように新しい媒体の所定容量を予めセットすることにより、達成され得る。切換モードは、ｐＨセンサに接続されたフィードバック制御ループによっても達成され得る。例えば、操作者は、望ましいｐＨの設定値をコンピュータに入力してもよい。ｐＨセンサが設定値以下のｐＨレベルを検出すると、システムは、自動的に、所定量の媒体を再循環流路に注入する。それで、ｐＨは、絶えず監視され、必要に応じ新しい媒体が再度注入される。
【００６５】
薬剤又はその他の物質は、育成中の細胞又は組織のそれらによる効果を検査するために、灌流培養ループに又はバイオチャンバーに注入され得る。発明は、薬剤又はその他の物質の媒体容器又は望ましい領域に導いている流路への直接の自動注入をさらに提供する。あるいは、注射器と媒体容器に取付けられた隔壁を使用することにより、又はカートリッジ前面の手動注入サイトを通して、手動注入が実行されてもよい。そのような手動注入は、培養器内に残っているカートリッジと一緒に、又は、例えば、カートリッジ処理中に無菌フードの下のような別の適当な場所で、実行されてもよい。あるいは、滴下添加による滴が加えられ、媒体容器又は流体流れに入ることが許されてもよい。
【００６６】
たくさんの最終用途例が、本発明の装置と共に達成され得る。足場依存性又は非足場依存性細胞（すなわち、懸濁液中で育成され得るもの）を含むたくさんの種類の細胞及びいろいろな組織が、本発明の使用により、育成、収穫、接種、及び監視され得る。より複雑な細胞モデルが、バイオチャンバー内にいろいろなインサートを使用することにより、又は育成パラメータの最適化により、達成され得る。これらのシステムは、また、たくさんの遺伝子工学及び代謝工学上の応用に利用され得る。
【００６７】
ループ内を循環する流体のサンプルは、細胞又は組織が育成し、バイオチャンバー内で維持され得る時、引き出され得る。細胞は、モノクローナル抗体やその他の生成物のハイブリドーマ生成物によるような、対象とする最終生成物を生じさせるために、装置内で使用されてもよい。又は、細胞それ自身が最終生成物として培養されてもよい。
【００６８】
複数の流路がラックと共に動作中である場合、システムは、平行最適化及び拡大化を許す。操作者は、流路ループの１つに対して１又はそれ以上の調節をし、情報を直ちに獲得し、培養されている細胞又は組織の影響を評価することができる。装置は、また、同一条件の下での平行実験又は処理を実施する可能性を提供することにより、高処理能力、高品質を保証できる。多数のラックも、多数の実験に対し、又は細胞生成を拡大するために、取り外し自在に接続され、一緒に動作され得る。本発明は、また、例えば、細胞の選択、育成及び生存能力、細胞の育成条件、細胞の代謝又はバイオプロダクト（ｂｉｏｐｒｏｄｕｃｔ）の生成、限定された細胞集団のための特定の細胞タイプ用媒体の成長、代謝生成物の処理、及びいくつかの細胞生成物や細胞の副培養（ｃｏ−ｃｕｌｔｉｖａｔｉｏｎ）、のいずれか又は全ての最適化も可能にする。
【００６９】
上記説明及び実施例は、本発明の特徴及び利点を達成する好ましい実施態様の単なる例示にすぎない。また、本発明は、それに限られることが意図されているものでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に係る媒体流路組立カートリッジ及び培養器ラックを表す。
【図２】
本発明に係る媒体流路組立カートリッジを表す。
【図３】
代表的なカートリッジの外部シェル及びそれに固定されている構成要素を示す。
【図４】
本発明に係る培養器ラックを示す。
【図５】
本発明に係る１つにまとめられた使い捨て可能な流路灌流培養ループを示す。
【図６】
一体化され、自動化されたサンプリング装置を含んでいるカートリッジ、及び流路組立体を示す概要図である。
【図７】
カートリッジ及び流路組立体の別の実施態様を示す概要図である。
【図８】
カートリッジ及び流路組立体のさらに別の実施態様を示す概要図である。
【図９】
本発明に係る滴下室及び非侵襲性のセンサを表す。
【図１０Ａ】
インターフェースを示し、外部カートリッジ制御器インターフェースを示す。
【図１０Ｂ】
インターフェースを示し、個々のカートリッジに配置される手動インターフェースを表す。
【図１１】
本発明に係るバイオチャンバーの分解図である。
【図１２】
別のバイオチャンバーの実施態様における分離した構成要素を示す。
【図１３Ａ】
本発明に係る流路組立カートリッジに接続されている自動化されたサンプリング装置を示す概要図である。
【図１３Ｂ】
本発明に係る流路組立カートリッジに接続されている自動化されたサンプリング装置を示す概要図である。
【図１４】
本発明に係るポンプ及び関連構造を表す。
【図１５Ａ】
媒体流れを分流させるための弁の別の実施態様を示す。
【図１５Ｂ】
媒体流れを分流させるための弁の別の実施態様を示す。
【図１６】
カートリッジの実施態様におけるその前面を示す。
【図１７】
バイオチャンバーの２重のＯリング及びエアギャップによるシールを示す。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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