JP7634938B2 - Systems and methods for therapeutic cell expansion and differentiation in bioreactors - Patents.com - Google Patents
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Description
著作権およびトレードドレスの通知
本特許文書の開示の一部には、著作権保護の対象となる材料が含まれている。この特許文献は、所有者のトレードドレスであるかまたはその可能性のある事項を表示および/または記載することができる。著作権およびトレードドレスの所有者は、特許商標庁の特許ファイルまたは記録に見られるように、誰が特許開示をファクシミリで複製しても異議はないが、それ以外の場合は、すべての著作権およびトレードドレスの権利を留保する。
COPYRIGHT AND TRADE DRESS NOTICE A portion of the disclosure of this patent document contains material that is subject to copyright protection. This patent document may display and/or describe matter that is or may be the trade dress of the owner. The copyright and trade dress owner has no objection to anyone reproducing by facsimile the patent disclosure as it appears in the Patent and Trademark Office patent file or records, but otherwise reserves all copyright and trade dress rights.
関連出願情報
本出願は、米国特許出願第16/282,129号、2019年2月21日出願の継続出願であり、米国特許出願第62/634,077号、2018年2月22日出願、発明の名称BIOREACTOR SYSTEMS AND METHODS FOR DIFFERENTIATION OF CELLSから優先権を主張するものであり、参照により本出願中に明示的に盛り込まれているものである。
RELATED APPLICATION INFORMATION This application is a continuation of U.S. application Ser. No. 16/282,129, filed Feb. 21, 2019, and claims priority from U.S. application Ser. No. 62/634,077, filed Feb. 22, 2018, entitled BIOREACTOR SYSTEMS AND METHODS FOR DIFFERENTIATION OF CELLS, which are expressly incorporated herein by reference.
発明の分野
バイオリアクターにおける細胞凝集体、付着細胞を有するマイクロキャリア、または単一の細胞を含む、治療細胞の膨張および指向性分化のための、特に大容量規模での、完全かつ効率的な媒体交換のためのシステムおよび方法。
FIELD OF THEINVENTION Systems and methods for complete and efficient media exchange, especially at large volume scale, for the expansion and directed differentiation of therapeutic cells, including cell aggregates in bioreactors, microcarriers with attached cells, or single cells.
バイオリアクター内で混合しながら懸濁培養中で成長した細胞に関与するバイオプロセスは、広範囲の細胞および遺伝子治療用途のために開発されている。それらの型と特性に応じて、これらの治療細胞は凝集体として一緒に凝集しながら増殖し、マイクロキャリア(MC)の表面に付着し、または個々の細胞として懸濁する。上流プロセスの一部として、細胞が懸濁している液体媒体を交換する必要がある。すなわち、使用済み媒体を除去し、新鮮な媒体を加える。これは、栄養を補充するかまたは特定の成長ホルモンを供給するとともに、代謝老廃物およびその他の望ましくない副産物を除去するために必要である。媒体交換を必要とする上流のプロセスは、細胞の膨張(細胞の総数の増加)と方向性のある分化(多能性細胞を特定の細胞型に変えるよう指示する)である。 Bioprocesses involving cells grown in suspension culture with mixing in bioreactors have been developed for a wide range of cell and gene therapy applications. Depending on their type and properties, these therapeutic cells grow clumped together as aggregates, attached to the surface of microcarriers (MCs), or suspended as individual cells. As part of the upstream process, the liquid medium in which the cells are suspended needs to be exchanged; that is, the spent medium is removed and fresh medium is added. This is necessary to replenish nutrients or supply specific growth hormones, as well as to remove metabolic waste products and other undesirable by-products. Upstream processes requiring medium exchange are cell expansion (increasing the total number of cells) and directed differentiation (directing pluripotent cells to turn into specific cell types).
バイオリアクターで媒体交換を行うための様々な技術がある。1つの一般的な方法は、撹拌を一時中断し、すべての細胞凝集体、その表面に成長する細胞をもつMC、または懸濁した単一の細胞をバイオリアクターの底部に重力によって沈降させることである。沈降した細胞凝集体、付着した細胞をもつMC、または単一の細胞の床が形成されると、使用済み媒体の上清を除去し、新鮮な媒体を加え、撹拌を再開して細胞凝集体、付着した細胞をもつMC、または単一の細胞を再懸濁する。この方法には2つの潜在的な問題があり、バイオリアクターの作業容積が増加するにつれて悪化する。第1に、混合の一時的な停止によって、望ましくない凝集、栄養枯渇、ならびに温度、pH、および溶存酸素レベルのような重要なプロセスパラメーターの偏差を通して、細胞損傷がもたらされ得る。第2に、沈降した細胞凝集体、付着した細胞を有するMC、または単一の細胞の床に近すぎる上清を引き抜くことは、細胞喪失をもたらす可能性があり、一方、濾過された保持装置を使用することは、凝集、閉塞、および細胞損傷をもたらす可能性があるため、全ての使用済み媒体を完全に除去することは困難である。多能性幹細胞(PSC)凝集体の多段階指向性分化のようなある種のプロセスは、以前に使用された残存媒体中に残存する成長因子が各分化ステップ間で完全に除去されない場合、効率および収率が低下する可能性がある。細胞への潜在的損傷を最小化しながら、大規模バイオリアクターで完全な媒体交換を達成できるプロセスは、細胞の膨張および分化のためのプロセスの収率および効率を大幅に改善し、従って、新興細胞および遺伝子治療の商業的製造のための非常に貴重なツールである。 There are various techniques for performing media exchange in bioreactors. One common method is to temporarily suspend agitation and allow all cell aggregates, MCs with cells growing on their surface, or suspended single cells to settle by gravity to the bottom of the bioreactor. Once a bed of settled cell aggregates, MCs with attached cells, or single cells is formed, the supernatant of spent media is removed, fresh media is added, and agitation is resumed to resuspend the cell aggregates, MCs with attached cells, or single cells. This method has two potential problems, which become worse as the working volume of the bioreactor increases. First, the temporary cessation of mixing can result in cell damage through undesired flocculation, nutrient depletion, and deviations in critical process parameters such as temperature, pH, and dissolved oxygen levels. Second, it is difficult to completely remove all spent media, since withdrawing the supernatant too close to the settled cell aggregates, MCs with attached cells, or bed of single cells can result in cell loss, while using a filtered retention device can result in flocculation, blockage, and cell damage. Certain processes, such as multi-step directed differentiation of pluripotent stem cell (PSC) aggregates, can suffer from reduced efficiency and yield if growth factors remaining in the previously used residual media are not completely removed between each differentiation step. A process that can achieve complete media exchange in large-scale bioreactors while minimizing potential damage to the cells would greatly improve the yield and efficiency of the process for cell expansion and differentiation, and would therefore be an invaluable tool for the commercial manufacturing of emerging cell and gene therapies.
PSCは、ヒト胚から、または成体の体細胞に多能性を誘導することによって由来し得る。PSCの識別特性は、人体において実質的にいかなる細胞型にも分化する能力であり、これによって、多種多様な異なる疾患徴候を潜在的に処置するための有望な細胞治療ツールとなる。さらに、PSCは、培養中の細胞凝集体として無限に成長することができ、これは、1人当たり数百万からさらには数十億の細胞に及ぶ可能性がある用量ニーズを満たすために極めて重要である。伝統的な2D製造プラットフォームを用いて、商業規模で膨大な規模の細胞を生産しようとする試みは、極めて費用がかかり、したがって実行不可能であろう。代わりに、バイオリアクター中の3D懸濁培養は、PSCバイオプロセスの開発およびスケールアップのための最良の選択肢を表す。 PSCs can be derived from human embryos or by inducing pluripotency in adult somatic cells. The distinguishing property of PSCs is their ability to differentiate into virtually any cell type in the human body, making them a promising cell therapy tool to potentially treat a wide variety of different disease indications. Furthermore, PSCs can be grown indefinitely as cell aggregates in culture, which is crucial to meet dosage needs that can range from millions to even billions of cells per person. Attempting to produce huge amounts of cells at a commercial scale using traditional 2D manufacturing platforms would be extremely costly and therefore unfeasible. Instead, 3D suspension culture in bioreactors represents the best option for the development and scale-up of PSC bioprocesses.
PSC製造の1つの必要条件は、細胞を標的細胞型に変えるように誘導するin vitroで行われる指向性分化段階である。第1に、細胞膨張局面は、バイオリアクターで起こる。分化局面は、膨張局面が完了したバイオリアクターにおけるin situでの複数の媒体交換ステップを必要とする。完全な媒体交換は、研究開発現場では小規模で比較的容易かつ完全に達成できる一方、商業的製造のために大規模で達成することは大きな課題を提示する。 One prerequisite for PSC production is a directed differentiation step performed in vitro that induces cells to transform into the target cell type. First, a cell expansion phase occurs in a bioreactor. The differentiation phase requires multiple media exchange steps in situ in the bioreactor once the expansion phase is complete. While complete media exchange can be achieved relatively easily and completely on a small scale in an R&D setting, achieving it on a large scale for commercial production presents a major challenge.
細胞治療生成物の商業的製造を成功に達成するためには、治療細胞に関与するバイオプロセスのための迅速、効率的、かつ測定可能な媒体交換技術が必要である。 To achieve successful commercial manufacturing of cell therapy products, rapid, efficient, and scalable media exchange techniques are required for bioprocesses involving therapeutic cells.
本出願は、治療細胞の分離および保持のために設計された少なくとも2つのバイオリアクターおよび1つの外部の装置を用いて、細胞凝集体として、マイクロキャリアの表面上で、または懸濁された単一の細胞として成長する治療細胞に、最小限の損傷を伴う完全な媒体交換のための方法論を開示する。媒体交換中にバイオリアクター内に残っている治療細胞の代わりに、それらは、代わりに、使用済み媒体中で、濃縮し、洗浄に使用された同一の媒体で調製された異なるバイオリアクターに戻す前に、それらを新鮮な媒体で十分に洗浄する外部分離および保持デバイスに除去される。 This application discloses a methodology for complete media exchange with minimal damage to therapeutic cells growing as cell aggregates, on the surface of microcarriers, or as suspended single cells, using at least two bioreactors and one external device designed for therapeutic cell separation and retention. Instead of therapeutic cells remaining in the bioreactor during media exchange, they are instead concentrated in the spent media and removed to an external separation and retention device that thoroughly washes them with fresh media before returning them to a different bioreactor prepared with the same media used for washing.
このプロセスには、様々なタイプの分離および保持装置を使用することができる。それらの動作の方法は、遠心分離(従来のもしくは連続的な抗遠心力)、音響沈殿、または単純な濾過を含むことができる。これらの装置の主な目的は、細胞凝集体、付着細胞を有するMC、または懸濁した単一の細胞などの治療細胞を単離、濃縮、洗浄することである。 Various types of separation and retention devices can be used for this process. Their methods of operation can include centrifugation (conventional or continuous centrifugal force), acoustic sedimentation, or simple filtration. The main purpose of these devices is to isolate, concentrate, and wash therapeutic cells such as cell aggregates, MCs with attached cells, or single cells in suspension.
この完全な媒体交換のための新規方法は、重力ベースの沈降に関連する問題を解消し、治療細胞の大規模製造を可能にする。この技術は、細胞凝集体として成長する多能性幹細胞(PSC)の指向性分化に特に有用である。 This novel method for complete media exchange eliminates the problems associated with gravity-based settling and enables large-scale production of therapeutic cells. The technique is particularly useful for directed differentiation of pluripotent stem cells (PSCs), which grow as cell aggregates.
想定される実施形態は、治療細胞の分離および保持のために設計された少なくとも2つのバイオリアクターおよび1つの外部の装置を利用する。第1のバイオリアクターにおいて膨張または分化プロセスステップが完了した後、治療細胞を含む使用済み媒体を分離および保持装置に移し、そこで治療細胞を収集し、濃縮する。次いで、それらは、次のプロセスステップに必要とされる新しい媒体で洗浄され、次いで、すでに同一の媒体で予備充填され、温度、pH、および溶存酸素などの必要なパラメーターのために予備調整された第2のバイオリアクターに直ちに移される。 Envisioned embodiments utilize at least two bioreactors and one external device designed for the separation and retention of therapeutic cells. After the expansion or differentiation process step is completed in the first bioreactor, the spent media containing the therapeutic cells is transferred to the separation and retention device, where the therapeutic cells are collected and concentrated. They are then washed with fresh media required for the next process step, and then immediately transferred to the second bioreactor, already pre-filled with the same media and pre-conditioned for the required parameters such as temperature, pH, and dissolved oxygen.
細胞成長中の遅延局面が長引くと、全体的な膨張効率に有害となる可能性があるため、治療細胞が分離および保持装置を離れた後、治療細胞が直ちに戻る準備ができた予備調整されたバイオリアクターを有することが望ましい。バイオリアクターの予備充填および予備調整までの総時間は、特にバイオリアクターの容積がより大きい場合には、分離および保持装置の濃度および洗浄段階よりも長くかかる可能性が高い。したがって、第1のバイオリアクターで膨張ステップが進行中に、第2バイオリアクターの予備充填および予備調整を開始することができる。すべての治療細胞が第1のバイオリアクターから離れた後、順番に第3のバイオリアクターとして予備充填し、予備調整できるようになる。ここでの「第3の」(以前は第1の)バイオリアクターは、第2のバイオリアクターから分離および保持装置へ移動し、装置から戻ってきた後に治療細胞を受け取る準備ができているべきである。あるいは、第1のバイオリアクターが時間内に準備できない場合、完全に新しい、第3のバイオリアクターを代わりに予備充填し、予備調整することができる;あらゆる数のバイオリアクターを、バイオリアクターの予備充填および予備調整に必要な時間によって指示されるように使用することができる。この時間は、細胞製造プロセスとバイオリアクター容積が拡大するにつれてのみ増加するであろう。バイオリアクター間のサイクルへの橋渡しとして分離および保持装置を用いることにより、大規模であっても、複数の完全な媒体交換ステップを効率的かつ迅速に達成することができる。 Since a prolonged delay phase during cell growth can be detrimental to the overall expansion efficiency, it is desirable to have a preconditioned bioreactor ready for the therapeutic cells to return to immediately after they leave the separation and retention device. The total time to prefill and precondition the bioreactor is likely to take longer than the concentration and washing steps of the separation and retention device, especially if the bioreactor volume is larger. Thus, while the expansion step is underway in the first bioreactor, prefilling and preconditioning of the second bioreactor can begin. After all the therapeutic cells have left the first bioreactor, it can in turn be prefilled and preconditioned as the third bioreactor. The "third" (previously first) bioreactor here should be ready to receive the therapeutic cells after they have moved from the second bioreactor to the separation and retention device and back from the device. Alternatively, if the first bioreactor cannot be prepared in time, an entirely new, third bioreactor can be pre-filled and pre-conditioned instead; any number of bioreactors can be used as dictated by the time required to pre-fill and pre-condition the bioreactors. This time will only increase as the cell production process and bioreactor volumes scale up. By using separation and retention devices as a bridge to cycle between bioreactors, multiple complete media exchange steps can be accomplished efficiently and quickly, even at large scale.
別の実施形態は、ただ1つのバイオリアクターおよび1つの外部の分離装置を利用する。外部の装置における治療細胞の濃縮および洗浄に必要な時間に応じて、単一のバイオリアクターを、完全な媒体交換のために使用することができる。すべての使用済み媒体をバイオリアクターから取り出した後、治療細胞が濃縮され、外部の装置で洗浄され終わり、戻される準備が完了する前に、それを再充填し、調整しなければならない。そうでなければ、細胞が適切な混合培養条件なしにアイドル状態である、沈殿法に関連する同一の問題が起こりうる。しかし、バイオリアクター容積が増加するにつれて、媒体で充填し、予備調整するのに必要な時間も過度に増加する。したがって、2つ以上のバイオリアクターを有する方法と比較して、この方法を用いて治療細胞への負の衝撃を回避することはより困難である可能性がある。 Another embodiment utilizes only one bioreactor and one external separation device. Depending on the time required for concentrating and washing the therapeutic cells in the external device, a single bioreactor can be used for a complete media exchange. After all the spent media is removed from the bioreactor, it must be refilled and conditioned before the therapeutic cells are concentrated and washed in the external device and ready to be returned. Otherwise, the same problems associated with the sedimentation method, where the cells sit idle without proper mixed culture conditions, can occur. However, as the bioreactor volume increases, the time required to fill and precondition with media also increases excessively. Therefore, it may be more difficult to avoid negative impacts on the therapeutic cells with this method compared to methods with two or more bioreactors.
本出願は、完全な媒体交換を用いて、凝集体として、MCの表面上で、またはバイオリアクター中の単一懸濁細胞として成長された細胞の膨張および分化のためのシステムおよび方法を提供する。典型的な実施形態では、2つのバイオリアクターの動作が交互に行われ、外部の分離および保持装置がそれらの間の橋渡しとして作用する。しかしながら、本明細書に記載される概念は、複数の分離および保持装置と同様に、2つより多いバイオリアクターを使用することも容易にすることができる。 The present application provides systems and methods for the expansion and differentiation of cells grown as aggregates, on the surface of an MC, or as single suspension cells in a bioreactor with complete media exchange. In a typical embodiment, the operation of two bioreactors alternates, with an external separation and retention device acting as a bridge between them. However, the concepts described herein can also facilitate the use of more than two bioreactors, as well as multiple separation and retention devices.
さらに、本明細書に記載される媒体交換技術は、多能性幹細胞(PSC)の大規模な分化に特に有用であるが、間葉系幹細胞(MSC)またはマイクロキャリア上で成長させたヒト初代細胞または細胞凝集体のような他の足場依存性細胞の膨張にも利用することができる。 Furthermore, the medium exchange technique described herein is particularly useful for the large-scale differentiation of pluripotent stem cells (PSCs), but can also be utilized for the expansion of other anchorage-dependent cells, such as mesenchymal stem cells (MSCs) or human primary cells or cell aggregates grown on microcarriers.
さらに、細胞の膨張および分化のために、種々のタイプのバイオリアクターを使用することができる。好ましい実施形態では、垂直ホイールバイオリアクターは、足場依存性細胞への潜在的な損傷を最小限にする、その比較的低いせん断速度のために使用される。しかしながら、撹拌型インペラーのような代替の撹拌方法を有する他のバイオリアクター構成を用いることができる。 Furthermore, various types of bioreactors can be used for cell expansion and differentiation. In a preferred embodiment, a vertical wheel bioreactor is used due to its relatively low shear rate, which minimizes potential damage to anchorage-dependent cells. However, other bioreactor configurations with alternative agitation methods, such as stirred impellers, can be used.
前述したように、PSC製造の独特の必要条件は、細胞を標的細胞型に変えるように誘導する方向性をもった分化ステップである。例えば、図1は、様々な成長因子が、インスリン産生膵臓β細胞が産生されるまでの様々な工程を通して多能性細胞を誘導するために使用される、4つのステップの配列を示す。 As previously mentioned, a unique requirement for PSC production is a directed differentiation step that induces cells to transform into the target cell type. For example, Figure 1 shows a four-step sequence in which various growth factors are used to induce pluripotent cells through various steps until insulin-producing pancreatic β cells are produced.
一般的に、分化局面は、膨張局面が完了した同一バイオリアクターにおいて、in situで複数の媒体交換ステップを必要とする。各分化ステップ間に、PSC凝集体が容器の底部に沈降し、使用済み媒体が除去され、特異的な成長因子とともに新しい媒体が次の分化ステップのために加えられる。すでに述べたように、2つの課題がある。第1に、バイオリアクターの底部に細胞凝集体が沈降すると、細胞損傷につながる可能性がある。第2に、沈降した細胞凝集体のレベルを上回る上清からであろうと、濾過された細胞保持装置を介してであろうと、使用済み媒体を完全に取り出すことは困難である。前の分化ステップからの任意のキャリーオーバー媒体は、全く異なる媒体を用いて、その後の分化段階の効率を低下させる可能性がある。理想的には、もはや望まれなくなった成長因子およびあらゆる残存副産物は、次の分化ステップのために新しい成長因子をもつ別の媒体を加える前に、完全に除去する必要がある。 Typically, the differentiation phase requires multiple media exchange steps in situ in the same bioreactor where the expansion phase was completed. Between each differentiation step, PSC aggregates settle to the bottom of the vessel, the spent media is removed, and new media with specific growth factors is added for the next differentiation step. As already mentioned, there are two challenges. First, settling of cell aggregates to the bottom of the bioreactor can lead to cell damage. Second, it is difficult to completely remove the spent media, whether from the supernatant above the level of the settled cell aggregates or via a filtered cell retention device. Any carryover media from the previous differentiation step can reduce the efficiency of the subsequent differentiation stage, using a completely different media. Ideally, the no longer desired growth factors and any remaining by-products should be completely removed before adding another medium with new growth factors for the next differentiation step.
細胞凝集体の大規模分化に固有の問題を解決するために、完全な媒体交換を必要とする指向性分化を、外部の分離および保持装置と併せて垂直ホイールバイオリアクターシステムで行うことができる。細胞凝集体を沈降させる代わりに、培養媒体を、垂直ホイールバイオリアクターの外側に接続した装置に取り出す。分離および保持装置内で、細胞凝集体を濃縮し、次の分化段階のために緩衝液および新たな媒体で洗浄することができ、これにより、使用済み媒体、陳旧性成長因子、および副産物が完全に除去される。次いで、濃縮され、洗浄された細胞凝集体を、洗浄に使用されたのと同じ分化媒体で予備充填し、次の分化段階の準備ができた異なる垂直ホイールバイオリアクターに直ちに戻す。このようにして、PSC凝集体は、細胞を損傷することなく、大きい容積で迅速かつ効率的に分化することができる。この新しい大規模分化プロセスは、標的細胞生産の全体的な収率ならびに商業規模での分化した細胞の製造性を改善するであろう。 To solve the problems inherent in large-scale differentiation of cell aggregates, directed differentiation, which requires complete media exchange, can be performed in a vertical wheel bioreactor system in conjunction with an external separation and retention device. Instead of allowing the cell aggregates to settle, the culture medium is removed to a device connected to the outside of the vertical wheel bioreactor. Within the separation and retention device, the cell aggregates can be concentrated and washed with buffer and fresh media for the next differentiation step, which completely removes the spent media, stale growth factors, and by-products. The concentrated and washed cell aggregates are then immediately returned to a different vertical wheel bioreactor, pre-filled with the same differentiation media used for washing and ready for the next differentiation step. In this way, PSC aggregates can be rapidly and efficiently differentiated in large volumes without damaging the cells. This new large-scale differentiation process will improve the overall yield of target cell production as well as the manufacturability of differentiated cells on a commercial scale.
このプロセスには、遠心分離(従来のまたは連続的な抗遠心力)、音響沈殿、または単純な濾過のような種々の分離および保持装置を使用することができる。これらの装置のいずれも、完全な媒体交換を可能にするために垂直ホイールバイオリアクターと容易に結合することができ、従って、大規模でも細胞の膨張または分化の収率および効率を改善する。細胞膨張および指向性分化局面を含む全細胞製造プロセスは、単回使用の垂直ホイールバイオリアクターにおいて大規模に実施され、最適化され得る。 Various separation and retention devices such as centrifugation (conventional or continuous anti-centrifugal force), acoustic sedimentation, or simple filtration can be used for this process. Any of these devices can be easily coupled with the vertical wheel bioreactor to allow complete media exchange, thus improving the yield and efficiency of cell expansion or differentiation even at large scale. The entire cell manufacturing process, including cell expansion and directed differentiation aspects, can be performed and optimized at large scale in a single-use vertical wheel bioreactor.
図2は、分離および保持装置20ならびに2つのバイオリアクター30、32の一般的な例による本出願のシステムを示す。例示した実施形態では垂直ホイールバイオリアクターである第1のバイオリアクター30は、例えば、膨張媒体中のPSC凝集体を成長させるために使用される。垂直ホイールバイオリアクターの低せん断湿環境は、これらの凝集体が膨張局面中に大規模(例えば50L作業容積)で高い細胞密度に達することを可能にする。
Figure 2 shows the system of the present application with a general example of a separation and
膨張局面から分化局面へ移行する際には、PSC凝集体を第1のバイオリアクター30から採取し、分離および保持装置20に移すことができる。このプロセスには、様々なタイプの分離および保持装置を使用することができる。それらの動作の方法は、遠心分離(従来の、もしくは連続的な抗遠心力)、音響沈殿、または単純な濾過を含むことができる。これらの装置の主な目的は、細胞凝集体、付着した細胞を有するMC、または懸濁した単一の細胞を単離、濃縮および洗浄することである。分離および保持装置の一例は、ドイツGoettingenのSartorius Stedim Plastics GmbHから入手可能なkSep測定可能単回使用自動遠心システムである。
At the transition from the expansion phase to the differentiation phase, the PSC aggregates can be harvested from the
使用済み膨張媒体が分離および保持装置20に流入するにつれて、PSC凝集体は、圧縮されることなく、理想的には少量の使用済み媒体に濃縮されるであろう。凝集体が濃縮されたら、使用済み媒体の流体流れを、第1の分化媒体に置き換える。このようにして細胞凝集体を洗浄し、古い膨張媒体を完全に除去し、分化媒体で置き換える。
As the spent expansion medium flows into the separation and
最後に、PSC凝集体は、分離および保持装置20から、第1の分化媒体で既に予備充填され、予備調整されている第2のバイオリアクター32に排出される。予備調整とは、次のプロセスステップに必要な温度、pH、および溶存酸素などの重要なパラメーターについてバイオリアクターを補正することを意味する。通常、予備調整には分離および保持装置中で濃縮し、洗浄するのに要する時間よりも長い時間がかかるため、PSC凝集体が第1のバイオリアクターから離れる前に、第2のバイオリアクターが予備充填および予備調整プロセスを開始することができる。したがって、予備充填および予備調整された第2のバイオリアクター32は、分離および保持装置20を離れた直後に洗浄されたPSC凝集体を接種する準備が整うであろう。
Finally, the PSC aggregates are discharged from the separation and
分化ステップが第2のバイオリアクター32において完了すると、PSC凝集体(ここでは、異なる細胞型からなる)は、分離および保持装置20を使用して、同じ様式で濃縮および洗浄され得、さらに別の分化媒体で予備充填され、予備調整された第1のバイオリアクター30に戻され得る。分離および保持装置20を介して2つのバイオリアクター間で前後交互に行うことにより、細胞の生存性、品質、多能性、または収率に悪影響を及ぼすことなく、多ステップ分化プロセスを通して完全な媒体交換を連続的に達成することができる。この前後のプロセスは、図1の順序を実行するように、必要な限り何回も実行することができる。
Once the differentiation steps are completed in the
バイオリアクターを予備調整するまでの時間が、濃縮および洗浄ステップに必要な時間よりも短い場合、単一のバイオリアクターを、当該特定の膨張および/または分化ステップに使用することができる。バイオプロセスの異なる規模ステップのための予備調整時間要件に応じて、任意の数のバイオリアクターおよび外部の装置を、特に大規模製造のために、必要に応じて異なる組み合わせで使用することができる。 If the time to precondition the bioreactor is shorter than the time required for the concentration and washing steps, a single bioreactor can be used for that particular expansion and/or differentiation step. Depending on the preconditioning time requirements for the different scale steps of the bioprocess, any number of bioreactors and external equipment can be used in different combinations as needed, especially for large scale production.
1つの潜在的なプロセス変動は、特定の中間細胞型の細胞凝集体が産生されるまで、前述の分化プロセスに従うことを含み得る。この時点で、細胞凝集体の一部のみが特定の成長因子にさらされ、残りの部分は異なる成長因子にさらされる。この結果、異なる最終的な標的細胞型で終了する2つの分化経路が生じるであろう。 One potential process variation could involve following the differentiation process described above until cell aggregates of a particular intermediate cell type are produced. At this point, only a portion of the cell aggregates are exposed to a particular growth factor, while the remaining portion is exposed to a different growth factor. This would result in two differentiation pathways that terminate in different final target cell types.
例えば、図3は、複数の分離および保持装置ならびにバイオリアクターを有する本出願のシステムを示す。この場合、各々の平行する経路は、図2を参照して記載した交互媒体交換プロセスのために、少なくとも2つのバイオリアクターならびに1つの分離および保持装置を必要とするであろう。 For example, FIG. 3 shows a system of the present application having multiple separation and retention devices and bioreactors. In this case, each parallel path would require at least two bioreactors and one separation and retention device for the alternating medium exchange process described with reference to FIG. 2.
より具体的には、第1のバイオリアクター50を用いて、PSC凝集体のバッチを成長させることによってプロセスを開始する。凝集体は、分離および保持装置52の第1の一般的な例に移される。凝集体のバッチを第1の分化媒体Aで洗浄し、次いでその一部を、媒体Aで予備充填された第2のバイオリアクター60に移す。その後、分離および保持装置52内の残りの凝集体を、第2の分化媒体Bで洗浄し、媒体Bで予備充填された第3のバイオリアクター62に移す。次に、第2のバイオリアクター60および第3のバイオリアクター62を、それぞれの分化工程を行うために並行して操作する。
More specifically, the process begins by growing a batch of PSC aggregates using a
続いて、第2および第3のバイオリアクター60、62内のPSC凝集体は、それぞれ分離および保持装置70、72に移される。第1の装置52が、装置70、72、またはその両方として機能することが可能である。すなわち、濃縮ステップと洗浄ステップのタイミングがずれていれば、複数の分化経路で単一の分離および保持装置を使用することができる。しかしながら、明確性を維持するために、2つの平行する経路における分離および保持装置70、72は、図3において独特に同定される。
The PSC aggregates in the second and
PSC凝集体は、濃縮および洗浄のために第2のバイオリアクター60から分離および保持デバイス70に移され、次いで、分化のために第4のバイオリアクター80に移される。PSC凝集体は、第3のバイオリアクター62から分離および保持デバイス72に移され、次いで、第5のバイオリアクター82に移される。バイオリアクター50が十分に予備充填され、前もって予備調整されていれば、第4または第5のバイオリアクター80、82のいずれかが、プロセスを開始するために使用された第1のバイオリアクター50であってもよい。同様に、凝集体を第4および第5のバイオリアクター80、82に移す代わりに、制御装置70、72からの生産物を、第2および第3のバイオリアクター60、62に戻すことができる。読者は、各バイオリアクターを予備充填し、予備調整するのに必要な時間によって、または利用可能なバイオリアクターの数によってのみ制限される、利用可能な種々の変形を理解するであろう。複数の中間前駆細胞型から分岐する複数の分化経路も可能であり、各経路はそれ自体の独自の成長因子、バイオリアクター、分離および保持装置を必要とし、異なる最終的な標的細胞で終了する。
The PSC aggregates are transferred from the
考慮すべき1つの要因は、バイオリアクターと分離および保持装置との間の媒体移送の方法である。蠕動ポンプは、柔軟なプラスチック管を通して液体媒体を移動させるために一般的に使用される。しかし、ポンプの物理的な圧搾作用により、直径が400マイクロメートルを超える細胞凝集体が破砕されるか、またはMCの互いに対する粉砕が発生し、表面に結合した細胞が損傷を受ける可能性がある。浮遊した単一の細胞の生存性は、個々の細胞が流体乱流の渦サイズおよび絞り出した管類の内側間の間隙の両方よりも小さいため、有意に影響を受ける可能性は低い。 One factor to consider is the method of media transfer between the bioreactor and the separation and retention device. Peristaltic pumps are commonly used to move liquid media through flexible plastic tubing. However, the physical squeezing action of the pump can break up cell aggregates larger than 400 micrometers in diameter or cause grinding of MCs against each other, damaging surface-bound cells. The viability of suspended single cells is unlikely to be significantly affected because individual cells are smaller than both the vortex size of the fluid turbulence and the gaps between the insides of the squeezed tubing.
ポンプを使用する代わりに、バイオリアクターと分離および保持装置との間に内圧の差を作り出すことにより、媒体移送を行うことができる。差圧による液体移動は、容器が内圧に耐えるためにステンレス鋼のような材料で構成されている場合に、比較的容易に達成することができる。柔軟なプラスチックフィルム容器を密閉するための硬いフレームを有する単回使用バイオリアクターも、操作上の危険のリスクなしにうまく加圧することができる。媒体移送に備えて、バイオリアクターの収穫弁は、固定したプラスチック管類を介して分離および保持装置に無菌的に連結される。その後、ガスを、バイオリアクターのヘッドスペースに送り込んで加圧する。クランプを開くと、細胞凝集体または細胞が付着したMCを含む液体が、低圧外部装置に流れることになる。伝達速度は、バイオリアクターに加えられるガス圧を調節することにより制御できる。分離および保持装置を第2のバイオリアクターに連結する第2の管類は、この第1の加圧転写ステップの間、固定されたままである。 Instead of using pumps, media transfer can be achieved by creating an internal pressure difference between the bioreactor and the separation and retention device. Liquid transfer by pressure difference can be achieved relatively easily if the container is constructed of a material such as stainless steel to withstand the internal pressure. Single-use bioreactors with a rigid frame to seal the flexible plastic film container can also be successfully pressurized without risk of operational hazards. In preparation for media transfer, the harvest valve of the bioreactor is aseptically connected to the separation and retention device via fixed plastic tubing. Gas is then pumped into the headspace of the bioreactor to pressurize it. When the clamp is opened, the liquid containing the cell aggregates or MCs with attached cells will flow to the low pressure external device. The transfer rate can be controlled by adjusting the gas pressure applied to the bioreactor. The second tubing connecting the separation and retention device to the second bioreactor remains fixed during this first pressure transfer step.
媒体移送のための別の方法は、互いに対してバイオリアクターの高さを変化させるために使用できるリフトのシステムを含む。したがって、一方のバイオリアクターが他方のバイオリアクターに比べて十分に高く上げられた場合、重力は、治療細胞を、上げられたバイオリアクターから下方のバイオリアクターへ管類を通して落下させることになる。 Another method for media transfer involves a system of lifts that can be used to vary the height of the bioreactors relative to each other. Thus, if one bioreactor is raised high enough relative to the other, gravity will cause the therapeutic cells to fall through the tubing from the raised bioreactor to the bioreactor below.
細胞凝集体または付着細胞を有するMCが洗浄されると、分離および保持装置を加圧することができ、次いで、第2のクランプを開いて装置からの流出を可能にする。この技術を利用することにより、凝集体およびMCは、物理的送り込みの潜在的な損傷効果を回避することができる。 Once the cell aggregates or MCs with attached cells have been washed, the separation and retention device can be pressurized and then the second clamp opened to allow flow out of the device. By utilizing this technique, the aggregates and MCs can avoid the potentially damaging effects of physical feeding.
本明細書で使用される「複数」は、2つ以上を意味する。本明細書で使用される項目の「組」は、そのような項目の1つ以上を含み得る。書面による説明または特許請求の範囲において本明細書で使用される「含む(comprising)」、「含む(including)」、「担持する(carrying)」、「有する(having)」、「含む(containing)」、「含む(involving)」などの用語は、無制限である、つまり、含むがこれに限定されないことを意味すると理解されるべきである。特許請求の範囲に関しては、それぞれ「からなる」および「から本質的になる」移行句のみが、閉鎖式のまたは半閉鎖式の移行句である。特許請求の範囲において、「第1」、「第2」、「第3」等の順序語を使用することは、特許請求の範囲の要素を単に変更するために、方法の作用が行われる他の要素または時間的順序に対する1つの特許請求の範囲の要素の優先、先行または順序を示すものではなく、特許請求の範囲の要素を区別するために同じ名称(ただし、順序語を使用するため)を有する別の要素からの名称を特定の特許請求の範囲の要素と区別するための標識としてのみ使用される。本明細書で使用する「および/または」とは、列挙された項目が選択肢であることを意味するが、選択肢には、列挙された項目の任意の組み合わせも含まれる。 As used herein, "plurality" means two or more. As used herein, a "set" of items may include one or more of such items. Terms such as "comprising," "including," "carrying," "having," "containing," "involving," and the like, as used herein in the written description or claims, should be understood to mean open-ended, i.e., including but not limited to. With respect to the claims, only the transitional phrases "consisting of" and "consisting essentially of," respectively, are closed or semi-closed transitional phrases. In the claims, the use of ordinal terms such as "first," "second," "third," etc., does not indicate a priority, precedence, or order of one claim element relative to other elements or a chronological order in which the method acts are performed, but is used only as a marker to distinguish a particular claim element's name from another element having the same name (but using ordinal terms) to distinguish the claim element. As used herein, "and/or" means that the listed items are alternatives, but the alternatives also include any combination of the listed items.
Claims (17)
a.細胞凝集体、付着細胞を有するマイクロキャリア、または単一の細胞を含む治療細胞を、第1の作業容積を有する第1のバイオリアクター内の第1の媒体中に懸濁するステップ;
b.前記第1のバイオリアクターにおいて前記治療細胞を膨張または分化させるステップ;
c.第2の作業容積を有する第2のバイオリアクターを第2の媒体で予備充填するステップ;
d.前記第2の媒体を含む前記第2のバイオリアクターのプロセスパラメーターを予備調整するステップ;
e.前記治療細胞を含む前記第1の媒体の全てを前記第1のバイオリアクターから細胞の濃縮および媒体の交換のために外部装置に移すステップ;
f.前記外部装置内で前記治療細胞を濃縮し、前記第2の媒体を用いて前記治療細胞を洗浄して前記第1の媒体を除去するステップ;
g.前記濃縮し、洗浄した治療細胞を前記外部装置から、予備充填され、予備調整された前記第2のバイオリアクターに移すステップ;
h.前記治療細胞の所望の膨張が完了するまで、濃縮され洗浄され移された前記治療細胞を前記第2のバイオリアクター中で膨張または分化させるステップ
を含む方法。 1. A method of cell expansion of therapeutic cells grown as cell aggregates, attached to the surface of microcarriers, or grown as single cells in suspension, comprising:
a. suspending therapeutic cells, including cell aggregates, microcarriers with attached cells, or single cells, in a first medium in a first bioreactor having a first working volume;
b. Expanding or differentiating the therapeutic cells in the first bioreactor;
c. pre-filling a second bioreactor having a second working volume with a second medium;
d. pre-adjusting process parameters of the second bioreactor containing the second medium;
e. transferring all of the first medium containing the therapeutic cells from the first bioreactor to an external device for cell concentration and medium exchange;
f. concentrating the therapeutic cells within the external device and washing the therapeutic cells with the second medium to remove the first medium;
g. transferring the concentrated and washed therapeutic cells from the external device to the pre-loaded and pre-conditioned second bioreactor;
h) expanding or differentiating said concentrated, washed and transferred therapeutic cells in said second bioreactor until a desired expansion of said therapeutic cells is completed.
j.前記第3の媒体を含む前記第3のバイオリアクターのプロセスパラメーターを予備調整するステップ;
k.前記治療細胞を含む前記第2の媒体の全てを前記第2のバイオリアクターから外部装置に移すステップ;
l.前記第3の媒体を用いる前記外部装置内で前記治療細胞を濃縮し、洗浄するステップ;
m.前記濃縮し、洗浄した治療細胞を前記外部装置から、予備充填され、予備調整された前記第3のバイオリアクターに移すステップ;
n.前記治療細胞の所望の膨張が完了するまで、濃縮され洗浄された前記治療細胞を前記第3のバイオリアクター中で膨張または分化させるステップ
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 i. pre-filling a third bioreactor having a third working volume with a third medium;
j. pre-adjusting process parameters of the third bioreactor containing the third medium;
k. transferring all of the second medium containing the therapeutic cells from the second bioreactor to an external device;
l. concentrating and washing the therapeutic cells within the external device using the third medium;
m. transferring the concentrated and washed therapeutic cells from the external device to the pre-loaded and pre-conditioned third bioreactor;
2. The method of claim 1, further comprising: expanding or differentiating the concentrated and washed therapeutic cells in the third bioreactor until a desired expansion of the therapeutic cells is complete.
a.細胞凝集体、付着細胞を有するマイクロキャリア、または単一の細胞を含む治療細胞を、第1の作業容積を有する第1のバイオリアクター内に第1の成長因子を含む第1の分化媒体中に懸濁するステップ;
b.第2の分化媒体で第2のバイオリアクターを予備充填し、次の分化ステップで使用される第2の成長因子を添加するステップ;
c.前記第2のバイオリアクターのプロセスパラメーターを予備調整するステップ;
d.前記第1の分化媒体、成長因子、および治療細胞の全てを前記第1のバイオリアクターから細胞の濃縮および媒体の交換のために外部装置に移すステップ;
e.前記外部装置内で前記治療細胞を濃縮し、前記第2の分化媒体で前記治療細胞を洗浄して前の成長因子を除去するステップ;
f.前記濃縮し、洗浄した治療細胞を前記外部装置から予備調整された前記第2のバイオリアクターに移すステップ
を含む方法。 1. A method for directing differentiation of therapeutic cells growing as cell aggregates, on the surface of microcarriers, or as single cells in suspension, comprising:
a. suspending therapeutic cells, including cell aggregates, microcarriers with attached cells, or single cells, in a first differentiation medium containing a first growth factor in a first bioreactor having a first working volume;
b. pre-filling a second bioreactor with a second differentiation medium and adding a second growth factor to be used in the next differentiation step;
c. pre-adjusting process parameters of the second bioreactor;
d. transferring all of the first differentiation media, growth factors, and therapeutic cells from the first bioreactor to an external device for cell concentration and media exchange;
e. concentrating the therapeutic cells within the external device and washing the therapeutic cells with the second differentiation medium to remove previous growth factors;
f) transferring said concentrated and washed therapeutic cells from said external device to said preconditioned second bioreactor.
h.前記第3の媒体を含む前記第3のバイオリアクターのプロセスパラメーターを予備調整するステップ;
i.前記治療細胞を含む前記第2の分化媒体の全てを前記第2のバイオリアクターから外部装置に移すステップ;
j.前記第3の媒体を用いる前記外部装置内で前記治療細胞を濃縮し、洗浄するステップ;
k.前記濃縮し、洗浄した治療細胞を前記外部装置から、予備充填され、予備調整された前記第3のバイオリアクターに移すステップ
をさらに含む、請求項10に記載の方法。 g. pre-filling a third bioreactor having a third working volume with a third medium;
h. pre-adjusting process parameters of the third bioreactor containing the third medium;
i. transferring all of the second differentiation medium containing the therapeutic cells from the second bioreactor to an external device;
j. concentrating and washing the therapeutic cells within the external device using the third medium;
11. The method of claim 10, further comprising the step of: k. transferring the concentrated and washed therapeutic cells from the external device to the pre-loaded and pre-conditioned third bioreactor.
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