3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系和细胞培养方法技术

本发明专利技术公开了3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系和细胞培养方法，属于细胞生物学和组织工程领域。包括：生物反应器，生物反应器的顶表面设置有腔体，腔体作为主室，用于对细胞进行培养；生物反应器的底部设置有多个底部开口，底部开口与主室相连接；生物反应器还设置有与主室连通的进液口和出液口；主室内设置有若干毛细管，毛细管设置在靠近底部开口一侧；主室内还设置有多个支撑构件，支撑构件用以对毛细管进行支撑；部分毛细管纵向穿过支撑构件与进液口连接，用以接收液体；剩余部分毛细管纵向穿过支撑构件与出液口连接，用以排出液体。本发明专利技术可以更准确地模拟体内生物条件和细胞行为，有助于提高药物的开发。有助于提高药物的开发。有助于提高药物的开发。

【技术实现步骤摘要】
3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系和细胞培养方法


[0001]本专利技术属于细胞生物学和组织工程领域，具体涉及3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系和细胞培养方法。

技术介绍

[0002]近年来，药物研发致力于使用细胞体外培养模型模拟人体的体内情况。传统的培养方式是，将特定数量或浓度的细胞接种到微孔板上。在进行规定的测定之前，培养微孔板支持细胞附着在二维(2D)的单分子层上。虽然这有一些改进，但用这种2D方式培养细胞仍然存在问题，至少2D细胞培养模型通常不能准确模拟体内环境条件和/或细胞行为。
[0003]举例而言，在二维细胞培养模型中，候选抗癌药物的损耗率高达95％，导致体外评价出的药物疗效无法为临床应用提供指导。甚至还可能出现不可预见的毒性问题。其原因如下：首先，在二维细胞培养模型中，一些细胞外基质(ECM)成分缺失，导致某些细胞与细胞间、细胞与基质间的相互作用不会发生。这些细胞外基质成分和相互作用对细胞分化、细胞增殖和/或正常发生在体内的细胞功能至关重要。其次，已经发现二维细胞培养模型的环境不能准确地模拟活体三维(3D)癌细胞驻留的环境，因为2D环境下不存在缺氧区域、异质细胞群、不同的细胞增殖区、ECM影响、可溶性信号梯度和/或差异营养和代谢废物运输。
[0004]三维细胞培养模型可以克服二维细胞培养模型的许多局限性，因为三维细胞培养模型更接近于模拟复杂体内条件的特征和环境。有研究表明，较2D细胞培养模型而言，在3D细胞培养模型下测试出的同种肿瘤细胞系抗癌药物敏感性较低。
[0005]建立三维细胞培养模型的一种方法是用多孔聚合物和/或生物材料形成三维支架。至少有一项研究确定了约100
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400μm细胞培养模型三维支架的最佳孔径。(参考文献Han等，“使用熔体电写支架的孔隙大小对细胞行为的影响”，《生物工程与生物技术前沿》第9卷，第629270条，2021年7月。)这一结果是基于获得良好的细胞营养、细胞生长空间和细胞
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支架相互作用(结果取决于特定的细胞系)。
[0006]为了实现可重复的结果，需要高精度的制造方法控制孔隙的大小和形状。例如，持续制备直径为100μm的孔隙，至少需要分辨率20μm的制造方法，如微型3D打印。特别是投影微立体印刷(PμSL)和双光子聚合是能够持续生成复杂三维结构的微3D打印技术。此外，这些打印技术可以用生物相容性和/或生物可降解聚合物(如聚乙二醇(PEG)和聚乳酸(PLA))创建3D结构。聚合后，这些聚合物可能是硬的或软的。
[0007]细胞培养过程可以用反应动力学来描述。在稳定状态下，细胞消耗代谢物(如细胞营养物质)的过程通常用MichaelisMenten方程来描述:
[0008][0009]式中v为反应速度，V
max
为代谢物的最大吸收速率，K
M
为吸收速率为最大吸收速率一半时的代谢物浓度(米凯利斯常数)，[S]为代谢物浓度。在Michaelis
‑
Menten动力学中，
低浓度时的消耗行为服从一级动力学。这意味着消耗速率与浓度成正比。随着代谢物浓度的增加，消耗行为将逐渐变为零级动力学。这意味着消耗率接近或等于最大速度，与代谢物浓度无关。这是因为细胞最终达到饱和，因此它们对代谢物的摄入达到一个平台期。此项目提出的生物反应器的几种实施例中，使用毛细管将代谢物输送到生物反应器内的细胞，这样即使当细胞被密集填充时，细胞也能够实现对代谢物的最大吸收从而实现生理性功能。
[0010]在体内环境下，当细胞浓度在10
10
/ml量级时，细胞与毛细管的距离小于100μm。为了向这样高密度的细胞群提供代谢物，需要高密度的营养运输通道(毛细管)。

技术实现思路

[0011]为了解决上述技术问题，本专利技术所述公开了3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系和方法，该反应器具有毛细管系统，以促进3D细胞与细胞之间和细胞与ECM之间的相互作用，以及促进代谢物和代谢废物的运输。为了达到上述专利技术的目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0012]3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，包括：
[0013]生物反应器，所述生物反应器的顶表面上设置有腔体，所述腔体作为主室，用以对细胞进行培养；所述生物反应器的底部设置有多个底部开口，所述底部开口与所述主室相连接；所述生物反应器还设置有与所述主室连通的进液口和出液口；
[0014]所述主室内设置有若干毛细管，所述毛细管设置在靠近所述底部开口一侧；
[0015]所述主室内还设置有多个支撑构件，所述支撑构件用以对所述毛细管进行支撑；部分所述毛细管纵向穿过所述支撑构件与所述进液口连接，用以接收液体；剩余部分所述毛细管纵向穿过所述支撑构件与所述出液口连接，用以排出液体。
[0016]进一步地，所述生物反应器的宽度方向与所述主室的宽度方向平行设置，所述生物反应器的长度方向与所述主室的长度方向平行设置。
[0017]进一步地，所述支撑构件为支撑壁，所述支撑壁与所述毛细管相交且垂直，以对所述毛细管提供结构支撑；所述支撑壁设置有多个贯穿孔，用于支撑壁两侧的细胞相互作用。
[0018]进一步地，相邻的所述毛细管通过回流进行液体交换形成多个回流室，所述回流室中的所述毛细管的第一列与第二列进行液体交换，第三列与第四列进行液体交换
…
，所述毛细管的第i列与第i+1列进行液体交换，依次类推；
[0019]其中，所述回流室中的第i列所述毛细管为动脉毛细管，用于输进液体进行回流，第i+1列所述毛细管为静脉毛细管，用于输出液体；
[0020]所述动脉毛细管与所述进液口连接，所述静脉毛细管与所述出液口连接。
[0021]进一步地，所述生物反应器还包括进液室和出液室，所述动脉毛细管通过所述进液室与所述进液口连接，所述静脉毛细管通过所述出液室与所述出液口连接。
[0022]进一步地，所述出液口与所述进液口设置在所述生物反应器同一纵向方向上，所述出液室至少部分比进液室高，用于避免空气或其他气体进入毛细管。
[0023]进一步地，还包括边池和观察窗，所述边池与所述观察窗连接形成培养腔，所述培养腔内设置有培养室，所述培养室内设置有培养基；
[0024]所述生物反应器放置在所述培养腔内，所述观察窗至少部分与所述底部开口重叠，所述毛细管浸没在所述培养室中；
[0025]所述边池靠近所述进液室一面设置有输入端口，所述边池靠近所述出液室一面设置有输出端口；所述输入端口与所述进液口连接，所述输入端口的远离所述进液口的一端与进液泵连接；所述输出端口与所述出液口连接，所述输出端口的远离所述出液口的一端与出液池连接；
[0026]所述输入端口与所述进液口连接处设置有进液阀；所述输出端口与所述出液口连接处设置有出液阀。
[0027]进一步地，所述动脉毛细管与所述静脉毛细管中至少一个设置有微孔；所述毛细管的密度为3
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30毛细管/m本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，其特征在于，包括：生物反应器的顶表面上设置有腔体，所述腔体作为主室，用以对细胞进行培养；所述生物反应器的底部设置有多个底部开口，所述底部开口与所述主室相连接；所述生物反应器还设置有与所述主室连通的进液口和出液口；所述主室内设置有若干毛细管，所述毛细管设置在靠近所述底部开口一侧；所述主室内还设置有多个支撑构件，所述支撑构件用以对所述毛细管进行支撑；部分所述毛细管纵向穿过所述支撑构件与所述进液口连接，用以接收液体；剩余部分所述毛细管纵向穿过所述支撑构件与所述出液口连接，用以排出液体。2.如权利要求1所述的3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，其特征在于，所述生物反应器的宽度方向与所述主室的宽度方向平行设置，所述生物反应器的长度方向与所述主室的长度方向平行设置。3.如权利要求1所述的3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，其特征在于，所述支撑构件为支撑壁，所述支撑壁与所述毛细管相交且垂直，以对所述毛细管提供结构支撑；所述支撑壁设置有多个贯穿孔，用于支撑壁两侧的细胞相互作用。4.如权利要求1所述的3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，其特征在于，相邻的所述毛细管通过回流进行液体交换形成多个回流室，所述回流室中的所述毛细管的第一列与第二列进行液体交换，第三列与第四列进行液体交换
…
，所述毛细管的第i列与第i+1列进行液体交换，依次类推；其中，所述回流室中的第i列所述毛细管为动脉毛细管，用于输进液体进行回流，第i+1列所述毛细管为静脉毛细管，用于输出液体；所述动脉毛细管与所述进液口连接，所述静脉毛细管与所述出液口连接。5.如权利要求4所述的3D细胞培养灌注生物反应器的应用体系，其特征在于，所述生物反应器还包括进液室和出液室，所述动脉毛细管通过所述进液室与所述进液口连接，所述静脉毛细管通过所述出液室与...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙玉春，夏春光，
申请(专利权)人：夏春光，
类型：发明
国别省市：