用于非侵入式细胞培养监测的细胞培养容器和监测系统技术方案

提供了用于细胞培养的非侵入式测量的细胞培养容器、细胞培养监测系统和拉曼光谱系统。所述容器包括作为封闭系统操作的细胞培养室，限定了细胞培养室的边界并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的壁，以及设置在壁中并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的窗。细胞培养室包括内部空间，该内部空间用于容纳细胞培养物和细胞培养基中的至少一种。所述窗包括聚合物，并且允许通过设置在外部上的监测模块来监测细胞培养并且监测模块不与细胞培养物或细胞培养基物理接触。物理接触。物理接触。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于非侵入式细胞培养监测的细胞培养容器和监测系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请根据35U.S.C
§
120要求2019年11月14日提交的系列号为62/935,215的美国临时申请以及2019年11月21日提交的系列号为62/938,687的美国临时申请的优先权权益，本申请以二者的内容为基础，并通过参考将其全文纳入本文。


[0003]本公开一般涉及细胞培养监测，更具体地，涉及使用细胞培养容器和细胞培养监测系统进行非侵入式细胞监测，所述细胞培养监测系统包括具有光学窗的细胞培养容器和拉曼光谱光学装置。

技术介绍

[0004]细胞培养广泛地用于为细胞生长提供人工环境。细胞可以在细胞培养容器中悬浮生长或粘附于表面生长。细胞培养物的处理包括两个主要活动——监控细胞生长和健康(融合和形态)以及确保有合适的环境用于细胞生长(例如，pH、葡萄糖和乳酸盐水平)。由于低产率、高的劳力成本、密集的人工工作流以及常在其中进行处理的昂贵的洁净室环境，因此细胞培养物的生产成本极其高。细胞培养物的监测方法是增加产率和降低成本的重要因素。
[0005]用于既观察细胞又测量分析物的现有方法可能耗时并且需要直接进入到容器中，这具有破坏容器环境的无菌性的风险。科学家常用肉眼或显微镜来观察细胞的融合。不幸的是，这些方法需要直接进入到容器中，这常使细胞生长变慢或停止。另外，直接进入的方法使得过程难以自动化或不能自动化。传统上，细胞培养处理通过侵入式和半侵入式方法来监测(例如，监测某些分析物的存在)，这些侵入式和半侵入式方法利用诸如探针传感器、移液器、抽汲管或贴片之类的部件。
[0006]例如，通过从容器吸取培养基来监测的行为并不理想，因为这可能以多种方式扰动细胞，这些方式对细胞的生长过程可能是致命的。一般需要打开容器，这可导致污染物的引入。而且，细胞可能经历温度降低到低于孵育箱中保持的理想温度，在一些情况中，这可能对细胞具有非预期的影响。另外，在贴壁细胞培养容器的情况中，随着操作人员搬动容器，可造成培养基在容器表面或生长基材上移动。这种运动可导致细胞从表面释放并随后在例如馈料期间失去细胞。此外，抽汲方法要求从容器移除小百分比的培养基，这改变了系统中的物质的组成或量。如果需要频繁地测量，这可导致培养基体积明显减小，使得将需要添加培养基以进行补偿，相比于未经分析的批次中的其他容器，这进一步地改变了取样容器的培养条件。这种条件的改变导致不可预期的结果和一批次容器之间的结果的不同。
[0007]用于监测的另一种分析技术涉及拉曼光谱法和探针的使用。拉曼光谱法是使用光散射来确定物质中的各种分子的鉴定和浓度的分析技术，其通过用单色光照射物质，然后测量散射光中的各个波长和它们的强度来进行。这种分析技术在化学中常用于基于分子的结构指纹来鉴定分子的类型和浓度，并且适于分析水性和其他液体环境，以及分析固体、凝
胶体、气体和粉末。拉曼光谱法是基于体系中的振动和转动模式的技术。例如，在典型的拉曼光谱体系中，用激光照射样品，激光光学激发样品中的分子，小部分的光在比激发波长略低或略高的波长下弹性散射。如果最后的能态在能量上更低，则这种频率的位移称为斯托克斯(Stokes)位移，如果散射的光子位移到更高的频率，则这种频率的位移称为反斯托克斯位移。
[0008]拉曼光谱法系统常规包括探针，其远离光源和检测器并且促进测量样品的拉曼光谱。探针通过第一光纤(即，“泵浦”或“激发”光纤)光学连接到光源，并且通过第二光纤(即，“接收”、“返回”或“发射”光纤)光学连接到检测器。拉曼光谱仪可商购，并且配有探针，探针可浸没到试样、液体或粉末中，其中，拉曼探针可将泵浦光纤和接收光纤耦合到样品/从样品耦合。拉曼探针在被放置成与受测试试样接触的端部处具有收集光学器件。该收集光学器件通常是球(即，球形)。相比于不是球形透镜的其他单一光学器件，球形光学器件能够简单且便宜地生产，并且可收集相对较大量的光。然而，球形透镜也收集非常靠近球的前表面或远表面的光。换言之，光学器件的焦点接近光学器件的前表面。当试图将球形透镜用在探针端部上，以在尽力不扰动或污染所观察的物体时通过屏障来观察试样时，例如，当通过封闭系统的细胞培养容器壁来尽力分析组分时，这是不利的。
[0009]由于常规的细胞培养方法要求在细胞生长环境中与侵入式或半侵入式部件有某种类型的接触，因此，该系统不能作为封闭系统来操作。因此，需要用于非侵入式监测封闭系统的改进的细胞培养监测装置、系统和方法。这种非侵入式监测封闭系统可以允许自动化使用来更好地控制细胞培养基组成以及细胞生长和健康，并且允许在整个生长过程中维持无菌性，由此降低对洁净室的要求和成本。

技术实现思路

[0010]根据本公开的实施方式，提供了一种允许对细胞培养进行非侵入式测量的细胞培养容器。容器包括可作为封闭系统操作的细胞培养室，以及限定了细胞培养室的边界并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的壁。细胞培养室具有内部空间，该内部空间用于容纳细胞培养物和细胞培养基中的至少一种。所述容器还包括设置在壁中并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的窗。所述窗包括聚合物，并且允许通过设置在外部上的监测模块来监测细胞培养并且监测模块不与细胞培养物或细胞培养基物理接触。
[0011]根据一些实施方式，所述容器还包括设置在窗外侧上的监测模块，其用于通过窗监测细胞培养的方面。所述监测模块可以包括分析物监测器，该分析物监测器可包括光谱元件，所述光谱元件可发射光的一种或多种激发波长以及捕捉来自细胞培养室中的培养基层的发射光。在一些实施方式中，光谱元件可对培养基层执行拉曼光谱法。作为一些实施方式的一个方面，分析物监测器监测细胞培养室中的葡萄糖、乳糖和和谷氨酰胺中的至少一种。
[0012]根据本公开的一个或多个实施方式，所述窗包括某种材料，该材料的发射光谱不干扰监测模块检测细胞培养容器中的分析物。在一些实施方式中，所述窗包括硅酮材料，例如，聚二甲基硅氧烷。所述窗可以包括不具有碳
‑
碳共价键的聚合物。
[0013]根据本公开的实施方式，提供了一种用于细胞培养的非侵入式监测的细胞培养监
测系统。所述系统包括细胞培养容器，所述细胞培养容器具有被布置成作为封闭系统来操作的细胞培养室，细胞培养室具有用于容纳细胞培养物和细胞培养基中的至少一种的内部空间。所述系统还包括：限定了细胞培养室的边界并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的壁；以及设置在细胞培养室的外部上的监测系统，所述监测系统通过将光输送通过光学元件并进入到内部空间中来分析细胞培养物或细胞培养基，其中，光通过光学元件的第一表面被传输到光学元件中，并且通过光学元件的第二表面离开光学元件，第一表面和第二表面中的至少一者具有非球面形状。
[0014]根据一个或多个实施方式，提供了一种拉曼光谱系统，其被构造用于对试样进行非侵入式监测。所述系统包括具有光纤光学装置的探针，所述光纤光学装置包括至少一个输送光纤和至少一个收集本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种被构造用于对细胞培养进行非侵入式测量的细胞培养容器，所述容器包括：细胞培养室，所述细胞培养室被构造成作为封闭系统来操作，所述细胞培养室包括内部空间，所述内部空间被构造成容纳细胞培养物和细胞培养基中的至少一种；壁，所述壁限定了细胞培养室的边界并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开；和设置在壁中并且将细胞培养室的内部空间与细胞培养室的外部分开的窗，所述窗包括聚合物，并且被构造成允许通过设置在外部上的监测模块来监测细胞培养而无需使监测模块与细胞培养物或细胞培养基物理接触。2.如权利要求1所述的容器，其还包括监测模块，所述监测模块设置在窗的外侧上并且被构造用于通过窗监测细胞培养的方面。3.如权利要求1或权利要求2所述的容器，其中，监测模块包括分析物监测器。4.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，分析物监测器包括光谱元件，所述光谱元件被构造成发射光的一种或多种激发波长以及捕捉来自细胞培养室中的培养基层的发射光。5.如权利要求4所述的容器，其中，光谱元件被构造成对培养基层进行拉曼光谱法。6.如权利要求3
‑
5中任一项所述的容器，其中，分析物监测器包括波导和检测器。7.如权利要求6所述的容器，其中，分析物监测器还包括衍射光栅和透镜。8.如权利要求3
‑
7中任一项所述的容器，其中，分析物监测器包括光纤探针和检测器。9.如权利要求3
‑
8中任一项所述的容器，其中，分析物监测器被构造成监测细胞培养室中的葡萄糖、乳糖和谷氨酰胺中的至少一种。10.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗包括具有发射光谱的材料，所述发射光谱不干扰监测模块检测细胞培养容器中的分析物。11.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗包括硅酮。12.如权利要求10或权利要求11所述的容器，其中，所述窗包括聚二甲基硅氧烷。13.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗包括不具有碳
‑
碳键的聚合物。14.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述壁包括在壁中形成的开口，并且其中，所述窗被设置在所述开口中。15.如权利要求14所述的容器，其中，所述窗被构造成用作衬垫以密封壁中的开口。16.如权利要求14或权利要求15所述的容器，其中，所述窗通过下述中的至少一种来密封所述开口：压缩聚合物窗，在聚合物窗与开口之间的压配合，将聚合物窗层压到所述壁，热密封，或者用粘合剂将所述窗粘附于开口或所述壁。17.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述容器是烧瓶、多层烧瓶、摇瓶、转瓶、生物工艺袋、生物反应器、培养基袋、瓶子、冷冻管和成条的管中的至少一种。18.如权利要求17所述的容器，其中，所述容器包括管，并且所述窗被设置在下述中的至少一者中：管的具有减薄壁的区段，连接或包覆模制到管上的配件。19.如前述权利要求中任一项所述的容器，其还包括在容器外部上的保留特征，其中，所述保留特征被构造成与监测模块配合以将监测模块维持在监测模块可通过所述窗来监测细胞培养物或细胞培养基的位置中。20.如权利要求19所述的容器，其中，保留特征包括至少一个夹具，所述夹具被构造成
与监测模块的对应的至少一个接收部配合。21.如权利要求19或权利要求20所述的容器，其中，保留特征包括凸起通道或凹槽，其被构造成分别与监测模块的对应凹槽或对应凸起通道配合。22.如权利要求2
‑
21中任一项所述的容器，其中，监测模块包括探针，所述探针具有包含透镜的远端，其中，所述探针被构造成当监测细胞培养室时，使透镜面向所述窗。23.如权利要求22所述的容器，其中，当监测细胞培养室时，所述透镜与所述窗物理接触。24.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗包括外表面，所述外表面被布置成面向监测模块，其中，所述外表面基本上是平坦的。25.如前述权利要求中任一项所述的容器，其还包括在所述窗的外表面上的沿着所述窗的外周边缘的至少一部分设置的压缩环，所述窗的至少一部分被设置在压缩环与壁之间。26.如权利要求25所述的容器，其中，压缩环由与壁相同的材料制成。27.如权利要求25或权利要求26所述的容器，其中，所述壁包括在容器外部上的外表面以及在容器内部上的内表面，所述外表面和所述内表面通过壁厚度分开，其中，所述壁还包括穿过壁厚度的开口，所述开口由在内表面与外表面之间延伸的边缘表面限定，并且所述窗被设置在所述开口中。28.如权利要求27所述的容器，其中，边缘表面包括与壁的内表面相邻的内部部分，以及与壁的外表面相邻的外部部分。29.如权利要求28所述的容器，其中，内部部分中的边缘表面包括渐缩部，其中，边缘表面与垂直于窗中心的线之间的角小于90
°
且大于0
°
，小于或等于约45
°
且大于或等于约2
°
，小于或等于约30
°
且大于或等于约5
°
，小于或等于约25
°
且大于或等于约10
°
，小于或等于约21
°
且大于或等于约10
°
。30.如权利要求27
‑
29中任一项所述的容器，其中，内部部分中的边缘表面包括复合渐缩部，所述复合渐缩部包括更靠近壁的内表面的第一渐缩部，以及相比于第一渐缩部更靠近外部部分的第二渐缩部。31.如权利要求30所述的容器，其中，第一渐缩部处于第一角度，并且所述第二渐缩部处于第二角度，第一角度小于第二角度。32.如权利要求31所述的容器，其中，第二角度是第一角度的约1.5至约3倍，或者是第一角度的约2至约2.5倍。33.如权利要求31所述的容器，其中，第一角度为约10
°
，且第二角度为约21
°
。34.如权利要求24所述的容器，其中，所述窗包括沿着窗的内表面的外周的至少一部分的内部外周区域，所述内部外周区域包括比该内部外周区域所包围的窗的区域大的杨氏模量和/或比其大的厚度。35.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗被构造成在固定到壁的开口中之前具有曲率，并且其中，当将所述窗固定到壁的开口中时，所述曲率减小。36.如权利要求35所述的容器，其中，所述曲率包括朝向所述窗的内侧的高至100μm或高至50μm的窗的变形。37.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述窗包括约0.005英寸至约0.020英
寸(或约0.12mm至约0.5mm)的厚度。38.如前述权利要求中任一项所述的容器，其中，所述壁包括聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酯、玻璃和聚丙烯中的至少一种。39...

【专利技术属性】
技术研发人员：G，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：