CN110139923A - 细胞培养生物反应器的故障恢复 - Google Patents

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Abstract

公开了一种细胞培养***，其包括用于将细胞培养到预定的细胞密度或量的第一细胞培养生物反应器***(10)，所述***包括生物反应器容积(20)、过程控制器(30)、提供所述培养容积的输入(16)的过程控制装置(32)和培养参数测量装置(14)，其中所述过程控制器可根据多个控制程序步骤操作以控制所述过程装置以在所述生物反应器容积中提供合适细胞培养环境的输入，并且还可根据由来自所述培养参数测量装置的反馈值修改的控制程序步骤操作，并且包括可操作以记录指示所述控制程序步骤的进展的数据的存储器(36)。所述***的故障可以通过将所述生物反应器容积移动到另一类似***来纠正，所述另一类似***已访问指示任何未完成的程序步骤的数据，所述未完成的程序步骤可以由来自所述测量装置的反馈修改。

Description

细胞培养生物反应器的故障恢复
技术领域
本发明涉及细胞培养生物反应器***中的故障恢复方法。
背景技术
细胞培养生物反应器***是已知的，其包括硬件(包括提供通常封闭的容积的生物反应器)以及用于测量和控制某些环境参数的其他硬件和软件，因此这些环境参数被保持在预定范围内，从而为所述容积内细胞的成功增殖提供一致的环境。为了降低操作成本，已知提供一种例如以包括流体连接器的柔性袋(通常称为细胞袋)的形式的一次性生物反应器，并且使硬件的其余部分作为可重复使用的部件。以此方式，细胞培养批次之间几乎不需要灭菌。虽然这种生物反应器***很稳健，但故障并非不可能。例如，将机械、电力、电子、软件、液体和气体作用结合在一起可能导致许多潜在的故障模式。
此外，对于一些细胞培养程序，培养小批次的细胞用于特定疗法如自体免疫疗法，其中将患者的细胞分离、操作(必要时)、扩增并重新引入患者体内。这些批次的过程液体量通常扩增至达5升，并且更常见的是液体达2.5升。在那些情况下，细胞培养方案还包括将细胞引入(initiation)到生物反应器中，然后平衡，接种，然后扩增。这些初始阶段增加了细胞扩增的复杂性，并且需要仔细的过程控制。对于小批次细胞培养，过程控制更为重要，因为小批次受到维持参数中甚至非常小的偏差的影响，并且因为细胞以约500 mL或更少的液体量开始培养过程，因此参数偏差可能在硬件或软件故障期间快速发生。
较大规模的过程控制***，如在大规模(例如，1000升)生物反应器控制***中使用的那些，通常包括通过模拟、数字或组合模拟/数字总线与一个或多个过程控制器通信的一个或多个过程控制装置。过程控制器继而通过合适的输入/输出(I/O)装置与至少一个主机或操作员工作站通信。过程控制装置，其可以是例如泵、搅拌器、质量流量控制器和传送器，以及参数测量装置诸如温度、压力和流速传感器，在过程内执行功能，诸如增加或减少流体流量和测量过程参数。过程控制器接收指示由过程控制测量装置进行的过程测量的信号和/或与过程控制装置有关的其他信息，使用该信息来实现控制例程，然后产生通过总线或其他通信线路发送到过程控制装置的控制信号以控制过程的操作。以这种方式，过程控制器可以使用过程控制装置经由总线和/或通信地耦合过程控制装置的其他通信链路来执行并协调控制例程。大规模过程控制***通常构造成根据批量“菜谱”执行过程以生产产品。产品设计者或工程师在开发阶段期间准备“菜谱”并存储“菜谱”，随后由过程控制***多次使用。“菜谱”通常包括单元程序、操作和阶段的组合，所有这些包括控制过程控制装置(例如，混合器、泵、传送器、阀门等)以转移、混合等在过程控制***中的成分以产生产品的指令。
用于大规模商业细胞培养的储备细胞系以可预测的方式表现，因此可以使用预定义的培养“菜谱”和例程以获得良好的效果。遵循预定例程的大规模方法仅部分地用于小规模培养，因为源自不同患者的独特批次细胞很少以相同的方式表现，因此其环境参数的控制需要基于测量反馈和迭代方法进行，而不是完全或大部分地由如大规模培养中的预定例程驱动。理想地，较小规模的培养也预测性地基于，即处理源自先前参数测量的测量数据，来预测某些参数将随输入的阶跃变化而变化的程度，从而使培养物回到可接受的测量参数范围。在***发生故障之前，该方法没有问题，然后当前和未来参数控制所需要的参数丢失，而重置或更换的***需要重新学习维护对于通常是该批次独特的环境参数所需的调整。预定例程的默认位置很少适合该独特批次特征。
发明概述
发明人已经意识到，需要在***故障的情况下提供备用功能，所述备用可以适应***故障，其中故障***控制细胞培养批次的参数。此外，发明人已经认识到需要提供备用功能，其中与对不同批次进行的相同改变相比，细胞批次对环境参数的改变作出不同的响应。
在权利要求中阐述了本发明的各方面，因此，本发明的实施方案提供当生物反应器***故障并且不能重新启动时，用作培养生物反应器容积的一次性细胞袋可以物理地移到备用***且培养过程可以在没有不当延迟且无需重新编程备用***的情况下实施。下面更详细地描述将该程序付诸实践的各种方法。
另外，鉴于下面的详细描述，本发明的优点和益处对于本领域技术人员将变得更加清楚。
附图
现在将参考附图更详细地描述本发明，其中：
图1a显示生物反应器***；
图1b显示图1a的生物反应器***的操作；
图2a、2b和2c示意性地显示多个生物反应器***之间的备选通信布置；以及
图3示意性地显示***故障恢复例程。
详细描述
图1a显示生物反应器***10，其主要是商业上可获得的，例如以商品名Xuri CellExpansion System销售。所述***包括柔性生物反应器细胞袋12，其限定细胞培养容积20。容积20包括细胞培养液体培养基和气体顶部空间，它们都提供培养细胞的人工环境。细胞袋在加热的摇动平台18上摇动，摇动平台18包括支撑托盘19以温热、混合液体培养基并充氧。理想化的培养条件因各细胞类型而异，但培养基供应必需的营养素(氨基酸、碳水化合物、维生素、矿物质)、生长因子、激素和气体(O2、CO2)，并调节物理化学环境。例如通过示意性示出的一个或多个监测器或传感器14监测环境，并且可以经由导管16对环境进行适当改变(例如供应新鲜的培养基或气体，或除去液体或气体)。这里在平台旁边示出的过程控制器30用于根据预定的程序步骤来控制环境，所述预定的程序步骤借助于过程控制装置32，即流体泵、加热元件及其控制器、电动机及其用于摇动托盘18的速度控制器以及气体控制阀由自一个或多个监测器或传感器14接收的值修改。虽然可以使用结合到监测器14中的监测器自动监视培养基的细胞密度，但是也可以手动移除培养基样品并且在显微镜下物理地对代表性样品中的细胞数量进行计数，或者例如使用市售的细胞计数器远程对样品中的细胞进行计数。在那种情况下，控制器30运行的程序可以用细胞密度更新，细胞密度是监测细胞培养进展所需的重要反馈值之一。
相对于已知生物反应器***的一个改进是包括通信装置34，其使得生物反应器***能够从另一***读取数据或向另一***写入数据，所述另一***例如为另一生物反应器***，或具有远程存储器或连接到存储器的另一数据处理器。在本发明实施方案中，通信装置是例如采用IEEE 802标准的无线链路，诸如：无线局域网(WLAN)或由IEEE 802.11标准定义的装置，诸如WiFi产品；或如IEEE 802.15.4中定义的无线个人区域网(WPAN)协议，例如Zigbee产品；或IEEE 802.15.1标准，诸如蓝牙产品。另一种改善是存储器36，其保存数据并且可由其他类似***或远程存储器访问并可转移到其他类似***或远程存储器，并且在下面更详细地可操作性地描述。此外，可以由控制器30运行的预定的程序步骤可以由来自测量装置14的反馈来修改，以用与维持培养过程的预设参数所必需的任何修改相关的数据来更新存储器。
存储器36是任何通常非易失性数据储存装置，其优选是电可重写的，诸如USB连接的存储器、闪存、硬盘或远程云存储器。NAND或NOR型闪存是优选的，因为它可以随着细胞培养过程的进展以滚动方式重写，并且在突然故障的情况下，存储器被冻结。在使用远程存储器的情况下，物理位置无关紧要，并且与该远程存储器的通信可以经由无线通信装置34进行，虽然优选本地存储器，因为需要存储器是完全可靠的。
图1b显示典型的细胞培养过程200，其中将分离的细胞引入容积20中，例如将它们与少量培养基一起通过细胞袋12中的入口注入所述容积中。然后进行平衡、接种和扩增。监测细胞培养过程的每个阶段，通常对于顶空气体含量，目的是借助于气体输入维持O2和CO2水平，对于培养基含量，目的是借助于液体输入维持pH水平，并且定期取细胞样品，监测细胞密度和细胞存活数。该信息用于例如通过在氧水平低的情况下加入更多的氧或在细胞计数未如预期那样增加的情况下增加生长因子的浓度来改变细胞培养过程。在对已知细胞培养过程步骤的改进中，将每个阶段的完成或细胞培养过程阶段中每次迭代的完成连同表示相关监测值以及进行的输入的数据的对数记录在存储器36中(步骤R)。通过这种方式，不仅记录细胞培养进展，而且记录每个阶段使用的基础输入，因此可以复制它们而无需重复输入的迭代以学习输入对细胞批次的影响。
图2a、2b和2c示意性地显示可能的***通信的实施例。在图2a中，使用多个***10，每个***具有上述类型和与私有(伪)云存储双向通信的通信装置34，所述私有(伪)云存储呈具有服务器通信装置340和非易失性存储器360的专用通信服务器100的形式，非易失性存储器360用于存储使用例如根据上述无线协议中的任一种操作的通信装置34和340基本上实时地从多个***10中的每一个上传的细胞培养进展数据。双向通信使得***10中的一个能够询问存储器360并且例如在其他***出现故障时从其他姐妹***中的任一个下载代表培养过程进展的数据。然后，一旦细胞袋12或其他生物反应器移动到新***，新***就可以从故障***停止细胞培养过程的点快速地实施细胞培养过程。
图2b显示更简单的布置，其中家族中的每个***10直接与所有其他姐妹***通信。在这种布置中，存储器36具有与每个家族成员有关并且用与其姐妹***有关的数据实时更新的页面。以这种方式，如果另一***存在故障，则一个***可以接管如上所述的培养处理。此外，由于记录了每个***进展的多个副本，因此可以恢复多个***发生故障的灾难性故障，例如在雷击事件中，因为只需要一个***的存储器存活。
图2c示出另一种通信布置，其采用与***10家族通信的有源主控制器110。所述主控制器以与服务器100类似的方式起作用，不同之处在于可以仔细检查进展数据以例如监视趋势，并且如果数据趋势显示可能的即将发生的故障或者监测值向范围的极限移动，则主控制器可以与其他装置通信。
图3显示***故障恢复例程。虽然所述例程基于图2b中所示的***布置，但是它同样适用于其他布置，例如如图2a或2c所示。在所示的例程中，***10a(在图中称为“仪器1”)被控制以进行根据图1b的细胞培养过程。在此期间，其进展记录在其存储器36a中，并且所述进展也经由通信装置34a在***10a外部通信，并且至少由通信装置34b接收，并且由另一***进一步实时记录到存储器36b，在这种情况下，所述另一***是***10b(在图中称为“仪器2”)，纵然***10b被细胞培养物占据。一旦***10b完成其细胞培养过程(运行结束)，其就可用于进一步处理。在替代方案中，在另一***发生故障的情况下，***10b可以作为储备***保持未被占用。在任何情况下，***10b具有存储页面，所述存储页面包括表示***10a和所述家族中的任何其他***的进展的数据。在该实施例中，***10a在其培养过程中部分故障，并且***10b被警告该故障，因为它不再接收***10a的任何更新。在该实施例中，细胞袋12需要从***10a手动转移到***10b，将需要输入和监测器的一些重新连接，然后***10b可以从***10a发生故障的点继续进行细胞培养过程。虽然预期细胞袋转移步骤是手动的，但完全可能的是，该步骤可以例如通过采用预编程的常规机器人操纵器自动进行，以进行所需转移运动和操作。在采用机器人的情况下，更期望将细胞袋与加热的托盘17一起转移。下一步是指示***10b开始细胞培养处理，以便完成先前在***10a上运行的不完整过程的剩余步骤。
应注意，在上述实施例中，生物反应器10a(仪器1)以与生物反应器***10b类似的方式操作(至少直至其故障)，由于存储器10a用于存储与相邻生物反应器***的进展有关的数据，所以其应当需要完成故障***的细胞培养处理。在更大的***组中，比如3个或更多个***一起工作，每个***将监测所有其他***，或者访问记录所有***进展的存储器，因此可以选择下一个完成其细胞处理的***以完成故障***的处理。籍此，如果细胞培养过程的序列在多个***中交错，则没有必要使***未被占用并等待作为备用，并且培养过程的故障和重新开始之间的时间仅为几小时。
因此，上述实施方案提供潜在不可替换细胞的可靠故障或错误恢复，并且在发生故障/错误的情况下，存储在存储器中的恢复数据可以用于使细胞批次的环境快速地与参数范围一致。
本发明不应被视为受上述实施方案的限制，而是可以在所附权利要求的范围内变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。例如，虽然方便的是进行培养进展的无线通信，但是可以与输入/输出装置一起操作的通信总线与用于本地通信的通信装置同样良好地工作。使用可移动固态存储器是另一种替代方案，并且消除了对通信装置34的需要。在操作中，可以从故障***中移除固态存储器并将其***空闲***中以提供确定需要完成哪些处理步骤所需的数据。

Claims (13)

1.用于将细胞培养至预定细胞密度或量的第一细胞培养生物反应器***，所述***包括生物反应器容积、过程控制器、提供所述培养容积的输入的过程控制装置和培养参数测量装置，其中所述过程控制器可根据多个控制程序步骤操作以控制所述过程装置以提供所述生物反应器容积中的合适细胞培养环境的输入，并且还可根据由来自所述培养参数测量装置的反馈值修改的控制程序步骤操作，并且包括可操作以记录指示所述控制程序步骤的进展的数据的存储器。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述存储器还可操作以记录指示由相应参数测量装置在相应程序步骤测量的参数的反馈值的数据。
3.根据权利要求1或2所述的***，其还包括通信装置，所述通信装置可操作以在所述***外部传递所述存储器的内容。
4.根据权利要求3所述的***，其还包括一个或多个另外的生物反应器***，并且其中来自所述第一生物反应器***的存储器的数据可经由所述通信装置与所述另外的生物反应器***中的一个或多个通信，例如以在第一生物反应器***发生故障的情况下采用，来为所述另外的生物反应器***中的一个的相应程序控制器提供确定在所述第一生物反应器***的过程控制器上运行的哪些程序步骤未完成所必需的数据，以便确定哪些程序步骤，如果有的话，需要在过程中完成，以自所述容积获得预定的细胞密度或量。
5.根据权利要求4所述的细胞培养***，其中提供给所述相应过程控制器的数据还用于确定哪些完成步骤，如果有的话，已由来自所述第一生物反应器***的测量装置的反馈值修改，并且任选地哪些未完成步骤，如果有的话，需要基于指示所述反馈值的先前记录的数据修改。
6.根据前述权利要求中任一项所述的细胞培养***，其中所述或每个生物反应器***包括以柔性细胞袋形式的生物反应器，可与所述***的其余部分分离，从而可在生物反应器***之间转移。
7.根据前述权利要求中任一项所述的细胞培养***，其中所述或每个生物反应器***包括用于支撑所述细胞袋的加热的摇动托盘，并且所述托盘可与所述***的其余部分分离，从而可与所述细胞袋一起在所述生物反应器***之间转移。
8.根据前述权利要求中任一项所述的细胞培养***，其中所述存储器位于每个生物反应器***内或附近，和/或在对于所述或每个生物反应器***为本地和/或对于所述或每个生物反应器***为远程的区域网内，并且任选地，在所述存储器不在所述或每个生物反应器***内或附近的情况下，则其中服务器通信装置提供在相应生物反应器***和所述远程存储器之间。
9. 一种在生物反应器中培养细胞的方法，所述方法包括以下步骤：
a) 提供第一细胞培养生物反应器***，其包括生物反应器容积、过程控制器、过程控制装置和培养参数测量装置；和
b) 操作所述过程控制器和处理装置以根据多个程序步骤并且至少部分地响应由所述测量装置测量的培养参数提供合适的细胞培养环境；和
c) 在存储器中记录哪些步骤已完成或未完成，以及任选地对应于培养过程中的所述或每个步骤的测量参数，以自所述容积获得预定的细胞密度或量。
10.根据权利要求9所述的方法，其还包括提供各自可根据权利要求8所述的方法操作的一个或多个另外的生物反应器***的步骤；和
d) 例如为了纠正生物反应器***故障，自所述第一生物反应器的存储器传递数据，来为所述另外的生物反应器***中的一个的相应过程控制器提供确定在所述第一生物反应器***的控制器上运行的哪些程序步骤在所述培养过程中未完成所必需的数据。
11.根据权利要求10所述的方法，其包括以下步骤：自所述第一生物反应器的存储器传递数据，来为所述另外的生物反应器***中的一个的相应过程控制器提供确定哪些完成的步骤，如果有的话，已由来自所述第一生物反应器***的测量装置的反馈值修改和/或任选地哪些未完成步骤，如果有的话，需要基于指示所述反馈值的先前记录的数据修改所必需的数据。
12.根据权利要求10或11所述的在生物反应器中培养细胞的方法，其还包括将所述生物反应器容积从所述第一生物反应器***转移到所述另外的生物反应器***中的一个并完成任何未完成的程序步骤的步骤。
13.根据权利要求9-12中任一项所述的方法，其中所述第一和另外的生物反应器***根据所述程序步骤操作细胞培养过程，并且在另一***发生故障之后，为了在其相应容积内获得预定的细胞密度或量，所述第一***被选择作为完成所述故障***的任何未完成的细胞培养过程的***。
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