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三维微重力细胞组织培养系统

2000-02-12     来源:本站     点击次数:20712

世界唯一、模拟体内环境、三维微重力细胞组织培养系统的原理
(详情请见 http://www.equl.com)

【重大意义】

组织移植:例如RCCS培养的肝和自然的在整体上无区别,使局部组织移植成为可能。
疫苗生产:以前丙肝疫苗效果不佳的原因之一是用来产生这种疫苗的病毒并不长在人的肝脏中, 现在RCCS培养的肝使产生肝炎疫苗的病毒生长在人的肝脏成为现实。RCCS在美国已广泛用于生产。

软骨再生:经培养的软骨密度极高,可治疗关节损伤。
激素、酶和其它由人体组织产生的蛋白以及基因工程:经培养的高分化的人体组织,其被刺激后能分泌治疗用的蛋白。例如经培养的神经组织产生的神经生长激素能修复脊椎的损伤。

骨髓再生:培养的骨髓生长情况极佳,且可连续进行增生和低温冷冻保藏,可建大型骨髓库。
糖尿病:胰岛素培养后能插入体内继续生长,无数患者有望免去长期注射胰岛素。
有效杀灭肿瘤:对肿瘤组织活体取样,与自身的白细胞或淋巴细胞在RCCS中混合培养,刺激或驯化它们来识别和攻击肿瘤组织,然后把经驯化后有杀伤力的细胞直接注入病灶。这样,这些经感化的淋巴细胞彻底杀灭了肿瘤。

肿瘤、爱滋病、肾病和心脏病的理想模型:培养人的器官、腺体和淋巴结。然后感染这些类器官,再跟踪其生长。把药物用在被感染的经培养的组织模型上,研究其对抗疾病的效果及其对抗方式。例如肿瘤组织的培养有利于测试化疗药在病人自身的经培养和分化的肿瘤上的疗效,避免了用药的盲目性。以前这是在鼠的组织模型上进行的,但物种差异使许多肿瘤在鼠中的生长情况并不好。而在RCCS中,所有的肿瘤组织都完好生长,且避免了原先鼠蛋白的干扰。

皮肤移植:经培养的皮肤具有极高分化度避免了以前培养的皮肤在肌理、灵巧度和肤色的不足。
 

【超前优势】

RCCS具有普通培养装置无可比拟的三大特点。

1.高分化度:

RCCS使高分化的人体组织能在实验室中生长,模仿感兴趣的器官和肿瘤。

2.模拟微重力:

以前要在体外模拟正常组织的微环境因细胞外基质太复杂和难适应环境而受阻,而细胞外基质对于调节细胞骨架和细胞核基质蛋白非常重要。RCCS使分裂原本应在一起的细胞组织成分的重力问题得到解决。

3.三维细胞培养:

而普通生物反应器因要保持细胞的悬浮而产生剪切力。其破坏了细胞间和细胞与基质间的稳定,使组织和细胞集中于自身的修复, 而大大影响其生长和其它的正常生理功能。发酵罐主要培养大量细菌, 不适于大量培养人及其它哺乳动物细胞组织,因很难把大量的细胞移植到发酵罐中,即使能够培养, 所得的细胞数也有限且很难生成组织。而RCCS行且可用于大规模生产,其细胞的成活率平均为97%且分化度极高。


【系统特点】

RCCS圆柱状的培养容器中充满了用作培养基的生长液以及细胞或组织材料。整个容器由电机驱动沿水平轴旋转。细胞颗粒在水平轴内建立均质的液体悬浮轨道。培养基以及细胞颗粒随容器一起旋转且不与容器壁和它物相撞。由于系统无推进器、空气升液器、气泡或搅拌器,使破坏性应力减到最小。RCCS中的细胞通过膜式气体交换器来吸氧和排出CO2。任何气泡都被清除,以防其旋涡对细胞的生长的影响。无破坏应力使生成的三维组织具有与父系相同的结构和功能。其组织的培养密度为10E10至10E11个细胞/ml;细胞的培养密度为10E8。至今所有的细胞组织都能培养。全球含中国已有2千多台。


CHARATERISTICS OF DIFFERENT BIOREACTORS
Sheer Stress Mass Transfer Dimensionality Co-location of Dissimilar Cell Types Cell Density Static Culture System (T-Flasks) None Adequate 2D 3-4 layers 2D Limited 0.3-1x10^6 cells/ml Static Matrix Cultures None Limited 3D Limited 3D Limited Low Roller Bottles Medium Good 2D 3-4 layers 2D Very Limited 1-5x10^6 cells/ml Stirred Suspension Culture Medium/High Good Very Limited 3D Very Limited 10^6-10^7 cells/ml
Airlift Bioreactors Medium/Low Good Very Limited 3D Very Limited 10^6-10^8 cells/ml Hollow Fiber Perfused Systems None Good Limited 3D Limited 10^7-10^8 cells/ml RCCS Very Low Excellent Excellent 3D Excellent 10^7-10^8 cells/ml  

美国宇航局(NASA)约翰逊航天中心(JSC)的生物技术计划目前涉及到被重力所限制的或者能在微重力中被改良的生物技术的研究领域,包括细胞培养、细胞分离、细胞融合和生物聚合。

多亏美国的载人航天计划,科学家能较长时间地进入空间这个的独特的研究环境。但是现在,在JSC生物技术实验室的科学家已经发明了一系列出色的能在地球上模拟微重力的部分特征的细胞培养系统。

作为细胞科学家,也许你知道重力对您的研究所带来的影响。重力使我们在试管内培养细胞达不到如同在体内一样的效果。由于气体扩散,营养物的有效性和代谢废物的排除都是有限的,故在平的培养板上的细胞通常仅局限于进行2维生长。在这种受限的环境中,细胞即使能聚集成团,这个团状物通常过小,以至于不适合用来进行较理想的研究。

克服这些重力所致的限制的尝试使得各种包括搅动培养物的系统和那些细胞流动着的培养液从细胞间穿过的系统。即使这些系统已能进行高密度的生长,3维组织生长受限的问题依然存在。

例如在一些传统的生物反应器中,细胞被推进到容器的上部,从而暂时地战胜了重力。但是,重力的这个恒定的向下拉力最终得胜,使细胞沉到容器的更动荡的区域。在这个有湍流和流体动态的剪刀力的区域中,原来在容器较稳定区域所形成的细胞聚集体被分裂。另外,与生物反应器的碰撞同样也会使细胞遭受某种程度的损伤。

任何克服重力所致的限制的暂时的胜利都必须权衡是否损伤细胞和分裂细胞聚合体。但是,在微重力为基础的研究环境中,这种情况并不存在。

在微重力环境中,无沉降和密度不均所致的对流现象。原先在重力环境下,不同的密度的粒子因重力作用而沉降,但在微重力中,他们却能维持在悬浮状态。因为许多这些重力所致的对于培养的限制因素能在微重力中被克服。

在JSC被发明和生产的旋转式的组织培养容器能通过沿水平轴向旋转培养液、细胞和容器壁来模拟微重力的某些特征。

结果是这个低流动剪切的培养环境促进了细胞与细胞间的相互作用,并且增加了细胞的自由度以形成如细胞团状的三维组织。

这种容器也促进了气体和培养液的最理想的扩散,以及废物的最佳排放以得到高密度的细胞和组织培养的产物。

另外一个好处是其具不同的沉降率的细胞能进行共同培养和相互作用,以至形成如在这个共同培养实验中所见的3维聚集物。

在Synthecon的旋转式细胞培养容器中,象这样的3维聚集物是正常的。故这种特性的3维聚集物经常与细胞的因子的产生和细胞的分化联系起来。

Synthecon目前有4种特有的培养系统:
1. 慢速转动的单端固定的容器或STLV是一种批量培养的容器
2. 原先在设计上用来进行灌注培养和贴壁细胞培养的灌注培养系统
3. 原先在设计上用来进行贴壁和悬浮培养的高截面纵横比或HARV容器
4. 通过复杂的过程控制式计算机来控制组织培养系统的空间生物反应器。

空间反应器能对活体细胞培养条件的参数进行实时控制,如温度、pH平衡、营养物、废液以及对低剪刀力细胞悬浮体进行实时控制。空间生物反应器是在设计上用于微重力的独特的研究工具。当航天飞机回到在地球上后,生物反应器因能模拟部分微重力的特征,从而使得在空间微重力环境中形成的脆的3维的细胞聚集物得以保护。

空间生物反应器在宇宙站与航天飞机和生物技术设施有很好的兼容性。所有这些容器都是建筑在通过沿水平轴旋转来减少重力因素的基础上的。

美国宇航局(NASA)的旋转式组织培养容器是具划时代意义的在地面上从事的研究的装置,她把微重力的优势带到地面实验室中来。

但是,这些优势并不仅局限于实验室范围内,通过模拟在太空中的微重力环境,这些培养系统是从事以下研究的独特的工具:

1. 低剪刀力
2. 不同大小颗粒的共同培养
3. 有助于3维组织的形成
4. 有助于细胞的分化

凭借其生长和维持聚集物那样的活组织的能力,细胞和组织科学家有条件对新生和外植细胞的生长和相互作用的基本过程进行研究。

在微重力环境下所进行的长期的细胞培养,使得我们能对生物过程进行更深层次的研究,并且,也为医学和产业的应用打开了大门。

The Rotary Cell Culture System (RCCS) from Synthecon is a new development in bioreactor technology which enables the cultivation of differentiated three dimensional cultures that mimic the structure and function of parental tissues.

Developed at the Johnson Space Center at NASA, the RCCS was originally designed to protect the delicate tissue cultures during space flight. However, it quickly became apparent that the unique environment provided by the RCCS of low shear force, high mass transfer and microgravity, enables three dimensional cell growth to take place in a conventional tissue culture incubator.

APPLICATIONS
The RCCS has a wide range of cell and clinical, research applications including cancer research, "In Vitro" toxicology testing and tissue engineering.

CANCER RESEARCH

Research and phase I clinical trials are already underway using the RCCS to investigate the growth and malignant changes of cancers as they develop from single cells to tumors including Melanoma, Prostate cancer, Breast cancer, Ovarian cancer, Osteosarcoma, Glioma, and Colon cancers. The RCCS model of three dimensional cell culture will enable the examination of gene expression as a function of the stage of tumor cell aggregate growth. This data may be useful in refining molecular-based approaches for the identification of genetic makers for patient prognosis, and in the design of specific molecular therapies.

Applications of Rotary Cell Culture
Research
Cancer
HIV
Tissue Modeling
Virus Vector

Tissue Regeneration
Bone Marrow
Liver
Pancreas
Skin
Heart Valve
Nerve
Cartilage
Kidney
Blood
Blood Vessels

Production
Monoclonal Antibodies
Polypeptides from Transformed Insect Cells
Proteins, Pharmaceuticals
Undiscovered Proteins from Differentiated Cultures


IN VITRO TOXICOLOGY

Evidence suggests that the "configuration" of cell cultures influences their metabolic behavior towards different compounds, potentially masking or enhancing a pharmacologic or toxic effect. For example human hepatocytes grown as monolayer cultures metabolise the analgesic drug mofezolac at a significantly higher rate than cell suspension cultures. The differentiated three dimensional tissue produced in the RCCS provides a model which resembles the structure and function of parental tissue more closely than any other "In Vitro'''''''' culture system currently available.

CARTILAGE AND BONE TISSUE CULTURE

Considerable effort is being made to research methods for regenerating and repairing bone and cartilage. Several techniques, including bone implants and grafts are showing promise for providing a remedy for skeletal disorders and chondrodystrophies. The RCCS creates a culture environment conducive to cell aggregation, and provides a powerful new tool for the study of bone formation and chondronic mutations.

LIVER CULTURE

The RCCS provides a means to grow and expand hepatocyte culture into high fidelity models of liver tissue. This will have a number of important applications including the design of gene therapy protocols, hepatocyte transplantation, the development of extracorporal assist devices, and test systems for the design of hepatitis vaccines and testing of antiviral compounds.

THE PRINCIPLE OF CELL CULTURE
Most culture systems address one specific parameter e.g. shear force, at the expense of others i.e. mass transfer of nutrients and metabolic wastes, three dimensionality, and/or co-cultivation of dissimilar cell types. The RCCS is the first bioreactor designed to simultaneously integrate co-cultivation, low shear, high mass transfer, and three dimensional growth without sacrificing any other parameter.
The RCCS is a zero head space, aqueous medium filled bioreactor that suspends particles by rotating the vessel wall and integral gas diffusion membrane around the horizontal axis. This rotation can hold particles of up to 1 cm in diameter in orbital suspension, as the sedimentation forces induced by gravity are balanced by the centrifugal force generated by the rotation of the vessel.

Non-adherent cells may be cultured in suspension while adherent cells are grown on microcarriers. Long term cultures of weeks to several months can be maintained with appropriate media changes.


Cell Types Grown in the Rotary Cell Culture System
Anchorage Dependant
Normal Human Keratinocytes
Primary human embryonic kidney
Human neuroblastoma
Human breast cancer
Human prostate cancer
Human lung cancer
Human melanoma
Human kidney cancer
Normal small intestine (epithelial & fibroblasts)
Human skin fibroblasts
Melanocytes
Primary rat osteoblasts
Mouse osteoblast cell line
Rat salivary gland fibroblasts
BHK-21
Suspension Cultures
Human lymphocytes
Primary normal human hepatocytes
Primary mouse bone marrow stem cells
SP2 (mouse myeloma fusion partner)
L-1210 Leukemic cells of mice
Mouse hybridoma cell lines
Pancreatic tissue
Plant cells (tobacco callus)
Sf9 insect cells
(详情请见http://www.equl.com)