小型生物反應器是真正細胞治療的答案嗎？
細胞培養物用于制藥和生物技術工業中用于生產雙分子物質。 這些分子從修飾或引入生產性細胞如細菌，酵母和哺乳動物細胞如CHO細胞和雜交瘤細胞的特定基因組翻譯。 這些工廠的**終產品是要純化的分子的溶液或通過裂解從中獲得分子提取物的細胞。
這些細胞培養物中的大多數基于懸浮的生長細胞，不附著于底物。 實際上，工業生物反應器的含量是可擴展體積的細胞懸浮液，從0.1升**10,000升或更多，含有數十億個細胞。 其他較小規模的生物反應器是能夠處理標準細胞培養裝置以用于高通量協議中的細胞測試的自動儀器。
細胞培養物用于再生醫學的越來越多的應用引入了關于如何工業化生產用于臨床應用的足夠特異性細胞的新挑戰和觀點。 **個難題是多少細胞是“足夠”。
制藥行業的慣性表明“越多越好”，數十億或數萬億。 對于某些可能的應用，例如體外器官繁殖（填充特定細胞的支架），可預測數十億細胞的需要。 但在實現這一目標之前還有一些障礙：
器官重建所需的大多數細胞類型是錨定依賴性的，如果它們沒有與基質（Anoikis）的生理接觸，則死亡; 因此，在施加到支架上之前難以在懸浮液中生長它們。
單罐生物反應器（例如200升）只能生長具有特異性相容性抗原的單細胞類型，因此其將僅對單一相容性患者有用，否則異源器官移植和排斥的相同困難將是存在于這種新的治療溶液中。
3. - 大量細胞的產生需要長時間的孵育階段（可以是數周），直到細胞達到所需數量，然后過量的細胞需要儲存或丟棄。 要放棄價格昂貴，儲存需要低溫保存設施也很昂貴和風險，而且凍存細胞具有的后果在這一*域仍然不明 （1）。
4. - 每個患者的臨床計劃和干預需要根據生物反應器的生產靈活性進行調整，創建類似于器官可用性限制產生的等待名單。
所有這些麻煩在某些情況下是可以接受的，但是大多數預期的醫療應用需要更多的靈活性和更少的細胞。
這是預見到再生醫學的**臨床應用只需要合適的細胞的公平植入物在正確的位置，有或無載體 （2）（3），這植入會導致器官不足的再生和重塑在生理方式。 此外，**近的研究表明，干在中樞神經系統中的細胞植入誘導再生不僅由于干細胞的增殖，而且由這些干細胞“分泌組”對旁觀者細胞的刺激作用 （4）。 這些植入物可以是成功的具有有限數目的細胞，不超過5**10元 （5）（6）。 這些量可以在常規組織培養裝置中的任何地方生長。 此外，對于大多數可能的治療，廣泛接受的是，從100,000**10億的任何量的干細胞是**適合的（7）。 那么，為什么200個垃圾生物反應器？
細胞產量取決于初始種子中的細胞數量，細胞類型和培養時間。 此外，生物反應器的介質組成和流體動力學將起決定性作用。
假設細胞治療可以并且將被個性化，因為基于骨髓（8）和其他成人組織處理（9）的自體干細胞生產的新技術是可能的并且快速改善。 使用自體細胞避免了從傳染性疾病傳播到種植體排斥的各種各樣的健康風險。 此外，正常成人細胞中多能性誘導的方法快速變得更安全和更有效（11），這意味著所有分化細胞??的品種可以從自體誘導多能干細胞獲得。 這些選項當然意味著從患者獲得初始細胞的限制，并且需要用于處理和擴增這些細胞的專用個性化程序。 然而，細胞的**終數量不會很大; 將根據治療策略，時間表和方案進行調整。
可以預期，細胞治療過程將以某種方式類似于任何當前和傳統的治療過程。 將診斷患者，并針對每種具體情況設計治療計劃，包括治療產品的選擇，醫療干預和具有反饋和隨訪的治療計劃。 因此，時間和患者反應是該過程的重要部分。 今天的治療是在**和廣泛的醫療保健專業人員的指導下進行的，他們接受過患者安全，醫療儀器使用和維護，治療控制和進展評估的培訓。 獲得來自患者的細胞樣品，如活檢樣品，并且充分加工以確保不存在污染，靶細胞的選擇和所選細胞的活力維持。 為了保存細胞數量和活力，立即執行這些操作很重要。 但是這些行動可以并且應該在健康設施或健康專業實驗室由訓練有素的實驗室和輔助醫務人員在專門儀器的幫助下直接處理。 用戶友好和安全的半自動細胞處理器已經存在，安裝在醫療設施中用于處理通過脂肪抽吸獲得的血液，骨髓和脂肪組織的液體組織，產生準備培養或儲存冷凍的間充質干細胞（12）（13）。 類似的儀器現在考慮到用于處理固體組織的生物學家，醫生和工程師，例如真皮活組織檢查，成纖維細胞來源，其可以是誘導多能干細胞的底物。
根據治療策略，培養后的治療細胞應以某些形式遞送; 因此，在生長后，細胞需要特定的制備（單細胞懸浮液，微聚集體，貼片，平片等），其需要具有確定數量的細胞的充分培養過程。 這不是在放大生物反應器概念中實現的。 如果大規模細胞生產變得與個體化應用相容，則必須實施用于治療遞送的第二階段的制備。
與目前的醫療程序相比，在許多情況下，治療性細胞植入物將根據患者反應和醫院可能性而分期和施用重復劑量。 這意味著大規模細胞生產的另一個障礙，除非有一個二級過程。
這種可預測的情景改變了生物反應器技術的游戲; 小規模柔性生物反應器作為細胞治療應用的合格解決方案：可以想象醫療細胞生物反應器。 這種生物反應器應該匯集在現有工業生物反應器中難以實現的幾個特征。
1。 安全
安全對于醫療應用**關重要。 將細胞從容器更換為容器增加了污染的風險。 因此，需要封閉容器，封閉傳送系統和**小化傳送步驟。
污染迫使丟棄產品，在單個容器生物反應器中沒有替代品。 因此，多個復制容器提供了更安全的生產。
2。 自動
人的錯誤隨著嚴格的程序和疲勞的重復而增加。 自動化是標準化程序和長期過程的成熟解決方案。
3。 使用方便
自動和非自動裝置在其操作是用戶友好的并且不需要復雜的操作時更安全。
4。 緊湊和封閉
緊湊的尺寸對于任何診所都是理想的。 但更重要的是儀器將所有組件集成在單元中，避免附加部件，如重型燃氣罐，真空泵，混合器等。
關閉，不暴露于環境，在任何時候都有自己的無菌和無顆粒的環境。
5。 **小耗材
簡化培養基和生物反應修飾劑用于各種程序性細胞培養過程和細胞遞送。
6。 靈活
這樣的系統應該允許多個患者和多個適用的方案，因為細胞和病理，甚**在給定的醫學專業，可以是多樣的。
7。 全過程技術
儀器應執行細胞植入過程的所有步驟，從活檢靶細胞的分離，細胞擴增和質量控制到在醫療條件下的治療產品或植入物的遞送。
8。 信息
儀器需要向醫療團隊提供過程的連續或定期信息：報警，狀態，時間，用品更換警告，質量說明，標識數據等。
9。 可編程時間表
過程，交付和信息應根據醫療所需時間表進行編程
10。STORE長期和短期的時間段。
根據治療策略，計劃將需要臨時存儲步驟。 因此儀器應包括允許自動進行那種暫停的設備。
11. 合理的成本
這不需要解釋。
以這種思維方式，有不同的有前途的方法，例如：TAP生物系統開發了一個自動化系統（緊湊型T選擇SC）用于生長錨定干細胞，準備擴展和維護一個以上的干細胞系，使用高達90標準一次性T-75燒瓶在溫度，濕度，CO 2，N 2和O 2的環境室中溫育。 該系統的尺寸和操作仍然與一般臨床使用幾乎不兼容。
另一種方法是基于已證明的裝置的進化，其使用具有內部一次性袋（14）的克隆小罐生物反應器，其允許細胞從批次到批次的快速和安全的改變。 一個例子是CellReady 3L生物反應器（Millipore Mobius），該系統具有6個小罐，用于生長懸浮細胞或附著在懸浮微載體上的細胞。 培養方案由一個特殊單元控制，該單元在罐的空氣空間中調節O 2和CO 2，并將它們調節到所需的pH，溫度和溶解氧（DO）。 然而，完全細胞培養過程不是自動執行的; 例如，播種和收獲細胞仍然是完全手工的，并暴露于開放大氣，需要高質量的潔凈室。
Celartia提出了一種完全自動化的細胞培養系統，其適用于“醫療細胞生物反應器”的概念，用于臨床應用，在諸如心臟病學，神經學，牙科，眼科等醫療專業中的思考。這些應用的特征在于治療多樣化的患者，反復干預和細胞數量的有限需求。 該系統被設計用于基于單個平臺的粘附和非粘附細胞培養：單個一次性生物反應器PetakaG3，6mm薄，25ml體積，能夠生長高達每千克3000個細胞。 每個這些minireactors的具有微技術生理溶解氧**控制和CO 2和脫水控制。 這消除了對氣體罐/管線，傳感器，全局反饋控制等的需要。微反應器被組織在緊湊的蜂窩陣列中，每個部分在程序溫度下加熱，允許多樣化的細胞培養方案。 系統的機器人同時管理數百個這些生物反應器，執行不同的功能，例如細胞收獲，細胞接種，培養基交換，細胞計數，生長因子劑量等，向用戶發送信息。 設計為桌面儀器，它將承載和處理多達每周2十億細胞，從不同的患者，從每個患者獲得10 5個細胞的種子擴大。
該儀器可以為每位患者分配100個微型反應器，并且同時管理多達3個患者，每周提供高達2,000,000個細胞和患者，在封閉，無菌和固體GMP下生產，并且在密閉環境中遞送，在任何時候都不暴露于意外污染。 此外，該系統將準備好由具有基本的細胞培養技能的受過培訓的健康人員的**小注意處理。
這些機器人中型全自動細胞工廠作為一種新型設備，可以安裝在任何細胞治療單位，并提供研究技術和床邊應用之間的聯系。
這些細胞培養物中的大多數基于懸浮的生長細胞，不附著于底物。 實際上，工業生物反應器的含量是可擴展體積的細胞懸浮液，從0.1升**10,000升或更多，含有數十億個細胞。 其他較小規模的生物反應器是能夠處理標準細胞培養裝置以用于高通量協議中的細胞測試的自動儀器。
細胞培養物用于再生醫學的越來越多的應用引入了關于如何工業化生產用于臨床應用的足夠特異性細胞的新挑戰和觀點。 **個難題是多少細胞是“足夠”。
制藥行業的慣性表明“越多越好”，數十億或數萬億。 對于某些可能的應用，例如體外器官繁殖（填充特定細胞的支架），可預測數十億細胞的需要。 但在實現這一目標之前還有一些障礙：
器官重建所需的大多數細胞類型是錨定依賴性的，如果它們沒有與基質（Anoikis）的生理接觸，則死亡; 因此，在施加到支架上之前難以在懸浮液中生長它們。
單罐生物反應器（例如200升）只能生長具有特異性相容性抗原的單細胞類型，因此其將僅對單一相容性患者有用，否則異源器官移植和排斥的相同困難將是存在于這種新的治療溶液中。
3. - 大量細胞的產生需要長時間的孵育階段（可以是數周），直到細胞達到所需數量，然后過量的細胞需要儲存或丟棄。 要放棄價格昂貴，儲存需要低溫保存設施也很昂貴和風險，而且凍存細胞具有的后果在這一*域仍然不明 （1）。
4. - 每個患者的臨床計劃和干預需要根據生物反應器的生產靈活性進行調整，創建類似于器官可用性限制產生的等待名單。
所有這些麻煩在某些情況下是可以接受的，但是大多數預期的醫療應用需要更多的靈活性和更少的細胞。
這是預見到再生醫學的**臨床應用只需要合適的細胞的公平植入物在正確的位置，有或無載體 （2）（3），這植入會導致器官不足的再生和重塑在生理方式。 此外，**近的研究表明，干在中樞神經系統中的細胞植入誘導再生不僅由于干細胞的增殖，而且由這些干細胞“分泌組”對旁觀者細胞的刺激作用 （4）。 這些植入物可以是成功的具有有限數目的細胞，不超過5**10元 （5）（6）。 這些量可以在常規組織培養裝置中的任何地方生長。 此外，對于大多數可能的治療，廣泛接受的是，從100,000**10億的任何量的干細胞是**適合的（7）。 那么，為什么200個垃圾生物反應器？
細胞產量取決于初始種子中的細胞數量，細胞類型和培養時間。 此外，生物反應器的介質組成和流體動力學將起決定性作用。
假設細胞治療可以并且將被個性化，因為基于骨髓（8）和其他成人組織處理（9）的自體干細胞生產的新技術是可能的并且快速改善。 使用自體細胞避免了從傳染性疾病傳播到種植體排斥的各種各樣的健康風險。 此外，正常成人細胞中多能性誘導的方法快速變得更安全和更有效（11），這意味著所有分化細胞??的品種可以從自體誘導多能干細胞獲得。 這些選項當然意味著從患者獲得初始細胞的限制，并且需要用于處理和擴增這些細胞的專用個性化程序。 然而，細胞的**終數量不會很大; 將根據治療策略，時間表和方案進行調整。
可以預期，細胞治療過程將以某種方式類似于任何當前和傳統的治療過程。 將診斷患者，并針對每種具體情況設計治療計劃，包括治療產品的選擇，醫療干預和具有反饋和隨訪的治療計劃。 因此，時間和患者反應是該過程的重要部分。 今天的治療是在**和廣泛的醫療保健專業人員的指導下進行的，他們接受過患者安全，醫療儀器使用和維護，治療控制和進展評估的培訓。 獲得來自患者的細胞樣品，如活檢樣品，并且充分加工以確保不存在污染，靶細胞的選擇和所選細胞的活力維持。 為了保存細胞數量和活力，立即執行這些操作很重要。 但是這些行動可以并且應該在健康設施或健康專業實驗室由訓練有素的實驗室和輔助醫務人員在專門儀器的幫助下直接處理。 用戶友好和安全的半自動細胞處理器已經存在，安裝在醫療設施中用于處理通過脂肪抽吸獲得的血液，骨髓和脂肪組織的液體組織，產生準備培養或儲存冷凍的間充質干細胞（12）（13）。 類似的儀器現在考慮到用于處理固體組織的生物學家，醫生和工程師，例如真皮活組織檢查，成纖維細胞來源，其可以是誘導多能干細胞的底物。
根據治療策略，培養后的治療細胞應以某些形式遞送; 因此，在生長后，細胞需要特定的制備（單細胞懸浮液，微聚集體，貼片，平片等），其需要具有確定數量的細胞的充分培養過程。 這不是在放大生物反應器概念中實現的。 如果大規模細胞生產變得與個體化應用相容，則必須實施用于治療遞送的第二階段的制備。
與目前的醫療程序相比，在許多情況下，治療性細胞植入物將根據患者反應和醫院可能性而分期和施用重復劑量。 這意味著大規模細胞生產的另一個障礙，除非有一個二級過程。
這種可預測的情景改變了生物反應器技術的游戲; 小規模柔性生物反應器作為細胞治療應用的合格解決方案：可以想象醫療細胞生物反應器。 這種生物反應器應該匯集在現有工業生物反應器中難以實現的幾個特征。
1。 安全
安全對于醫療應用**關重要。 將細胞從容器更換為容器增加了污染的風險。 因此，需要封閉容器，封閉傳送系統和**小化傳送步驟。
污染迫使丟棄產品，在單個容器生物反應器中沒有替代品。 因此，多個復制容器提供了更安全的生產。
2。 自動
人的錯誤隨著嚴格的程序和疲勞的重復而增加。 自動化是標準化程序和長期過程的成熟解決方案。
3。 使用方便
自動和非自動裝置在其操作是用戶友好的并且不需要復雜的操作時更安全。
4。 緊湊和封閉
緊湊的尺寸對于任何診所都是理想的。 但更重要的是儀器將所有組件集成在單元中，避免附加部件，如重型燃氣罐，真空泵，混合器等。
關閉，不暴露于環境，在任何時候都有自己的無菌和無顆粒的環境。
5。 **小耗材
簡化培養基和生物反應修飾劑用于各種程序性細胞培養過程和細胞遞送。
6。 靈活
這樣的系統應該允許多個患者和多個適用的方案，因為細胞和病理，甚**在給定的醫學專業，可以是多樣的。
7。 全過程技術
儀器應執行細胞植入過程的所有步驟，從活檢靶細胞的分離，細胞擴增和質量控制到在醫療條件下的治療產品或植入物的遞送。
8。 信息
儀器需要向醫療團隊提供過程的連續或定期信息：報警，狀態，時間，用品更換警告，質量說明，標識數據等。
9。 可編程時間表
過程，交付和信息應根據醫療所需時間表進行編程
10。STORE長期和短期的時間段。
根據治療策略，計劃將需要臨時存儲步驟。 因此儀器應包括允許自動進行那種暫停的設備。
11. 合理的成本
這不需要解釋。
以這種思維方式，有不同的有前途的方法，例如：TAP生物系統開發了一個自動化系統（緊湊型T選擇SC）用于生長錨定干細胞，準備擴展和維護一個以上的干細胞系，使用高達90標準一次性T-75燒瓶在溫度，濕度，CO 2，N 2和O 2的環境室中溫育。 該系統的尺寸和操作仍然與一般臨床使用幾乎不兼容。
另一種方法是基于已證明的裝置的進化，其使用具有內部一次性袋（14）的克隆小罐生物反應器，其允許細胞從批次到批次的快速和安全的改變。 一個例子是CellReady 3L生物反應器（Millipore Mobius），該系統具有6個小罐，用于生長懸浮細胞或附著在懸浮微載體上的細胞。 培養方案由一個特殊單元控制，該單元在罐的空氣空間中調節O 2和CO 2，并將它們調節到所需的pH，溫度和溶解氧（DO）。 然而，完全細胞培養過程不是自動執行的; 例如，播種和收獲細胞仍然是完全手工的，并暴露于開放大氣，需要高質量的潔凈室。
Celartia提出了一種完全自動化的細胞培養系統，其適用于“醫療細胞生物反應器”的概念，用于臨床應用，在諸如心臟病學，神經學，牙科，眼科等醫療專業中的思考。這些應用的特征在于治療多樣化的患者，反復干預和細胞數量的有限需求。 該系統被設計用于基于單個平臺的粘附和非粘附細胞培養：單個一次性生物反應器PetakaG3，6mm薄，25ml體積，能夠生長高達每千克3000個細胞。 每個這些minireactors的具有微技術生理溶解氧**控制和CO 2和脫水控制。 這消除了對氣體罐/管線，傳感器，全局反饋控制等的需要。微反應器被組織在緊湊的蜂窩陣列中，每個部分在程序溫度下加熱，允許多樣化的細胞培養方案。 系統的機器人同時管理數百個這些生物反應器，執行不同的功能，例如細胞收獲，細胞接種，培養基交換，細胞計數，生長因子劑量等，向用戶發送信息。 設計為桌面儀器，它將承載和處理多達每周2十億細胞，從不同的患者，從每個患者獲得10 5個細胞的種子擴大。
該儀器可以為每位患者分配100個微型反應器，并且同時管理多達3個患者，每周提供高達2,000,000個細胞和患者，在封閉，無菌和固體GMP下生產，并且在密閉環境中遞送，在任何時候都不暴露于意外污染。 此外，該系統將準備好由具有基本的細胞培養技能的受過培訓的健康人員的**小注意處理。
這些機器人中型全自動細胞工廠作為一種新型設備，可以安裝在任何細胞治療單位，并提供研究技術和床邊應用之間的聯系。
