世界唯一、模擬體內(nèi)環(huán)境、三維微重力細胞組織培養(yǎng)系統(tǒng)的原理
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【重大意義】

組織移植：例如RCCS培養(yǎng)的肝和自然的在整體上無區(qū)別，使局部組織移植成為可能。
疫苗生產(chǎn)：以前丙肝疫苗效果不佳的原因之一是用來產(chǎn)生這種疫苗的病毒并不長在人的肝臟中， 現(xiàn)在RCCS培養(yǎng)的肝使產(chǎn)生肝炎疫苗的病毒生長在人的肝臟成為現(xiàn)實。RCCS在美國已廣泛用于生產(chǎn)。

軟骨再生：經(jīng)培養(yǎng)的軟骨密度極高，可治療關節(jié)損傷。
激素、酶和其它由人體組織產(chǎn)生的蛋白以及基因工程：經(jīng)培養(yǎng)的高分化的人體組織，其被刺激后能分泌治療用的蛋白。例如經(jīng)培養(yǎng)的神經(jīng)組織產(chǎn)生的神經(jīng)生長激素能修復脊椎的損傷。

骨髓再生：培養(yǎng)的骨髓生長情況極佳，且可連續(xù)進行增生和低溫冷凍保藏，可建大型骨髓庫。
糖尿病：胰島素培養(yǎng)后能插入體內(nèi)繼續(xù)生長，無數(shù)患者有望免去長期注射胰島素。
有效殺滅腫瘤：對腫瘤組織活體取樣，與自身的白細胞或淋巴細胞在RCCS中混合培養(yǎng)，刺激或馴化它們來識別和攻擊腫瘤組織，然后把經(jīng)馴化后有殺傷力的細胞直接注入病灶。這樣，這些經(jīng)感化的淋巴細胞徹底殺滅了腫瘤。

腫瘤、愛滋病、腎病和心臟病的理想模型：培養(yǎng)人的器官、腺體和淋巴結。然后感染這些類器官，再跟蹤其生長。把藥物用在被感染的經(jīng)培養(yǎng)的組織模型上，研究其對抗疾病的效果及其對抗方式。例如腫瘤組織的培養(yǎng)有利于測試化療藥在病人自身的經(jīng)培養(yǎng)和分化的腫瘤上的療效，避免了用藥的盲目性。以前這是在鼠的組織模型上進行的，但物種差異使許多腫瘤在鼠中的生長情況并不好。而在RCCS中，所有的腫瘤組織都完好生長，且避免了原先鼠蛋白的干擾。

皮膚移植：經(jīng)培養(yǎng)的皮膚具有極高分化度避免了以前培養(yǎng)的皮膚在肌理、靈巧度和膚色的不足。
　

【超前優(yōu)勢】

RCCS具有普通培養(yǎng)裝置無可比擬的三大特點。

1.高分化度：

RCCS使高分化的人體組織能在實驗室中生長，模仿感興趣的器官和腫瘤。

2.模擬微重力:

以前要在體外模擬正常組織的微環(huán)境因細胞外基質太復雜和難適應環(huán)境而受阻，而細胞外基質對于調節(jié)細胞骨架和細胞核基質蛋白非常重要。RCCS使分裂原本應在一起的細胞組織成分的重力問題得到解決。

3.三維細胞培養(yǎng):

而普通生物反應器因要保持細胞的懸浮而產(chǎn)生剪切力。其破壞了細胞間和細胞與基質間的穩(wěn)定，使組織和細胞集中于自身的修復, 而大大影響其生長和其它的正常生理功能。發(fā)酵罐主要培養(yǎng)大量細菌, 不適于大量培養(yǎng)人及其它哺乳動物細胞組織，因很難把大量的細胞移植到發(fā)酵罐中,即使能夠培養(yǎng), 所得的細胞數(shù)也有限且很難生成組織。而RCCS行且可用于大規(guī)模生產(chǎn)，其細胞的成活率平均為97%且分化度極高。


【系統(tǒng)特點】

RCCS圓柱狀的培養(yǎng)容器中充滿了用作培養(yǎng)基的生長液以及細胞或組織材料。整個容器由電機驅動沿水平軸旋轉。細胞顆粒在水平軸內(nèi)建立均質的液體懸浮軌道。培養(yǎng)基以及細胞顆粒隨容器一起旋轉且不與容器壁和它物相撞。由于系統(tǒng)無推進器、空氣升液器、氣泡或攪拌器，使破壞性應力減到最小。RCCS中的細胞通過膜式氣體交換器來吸氧和排出CO2。任何氣泡都被清除，以防其旋渦對細胞的生長的影響。無破壞應力使生成的三維組織具有與父系相同的結構和功能。其組織的培養(yǎng)密度為10E10至10E11個細胞/ml；細胞的培養(yǎng)密度為10E8。至今所有的細胞組織都能培養(yǎng)。全球含中國已有2千多臺。


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 　

美國宇航局(NASA)約翰遜航天中心(JSC)的生物技術計劃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術的研究領域，包括細胞培養(yǎng)、細胞分離、細胞融合和生物聚合。

多虧美國的載人航天計劃，科學家能較長時間地進入空間這個的獨特的研究環(huán)境。但是現(xiàn)在，在JSC生物技術實驗室的科學家已經(jīng)發(fā)明了一系列出色的能在地球上模擬微重力的部分特征的細胞培養(yǎng)系統(tǒng)。

作為細胞科學家，也許你知道重力對您的研究所帶來的影響。重力使我們在試管內(nèi)培養(yǎng)細胞達不到如同在體內(nèi)一樣的效果。由于氣體擴散，營養(yǎng)物的有效性和代謝廢物的排除都是有限的，故在平的培養(yǎng)板上的細胞通常僅局限于進行2維生長。在這種受限的環(huán)境中，細胞即使能聚集成團，這個團狀物通常過小，以至于不適合用來進行較理想的研究。

克服這些重力所致的限制的嘗試使得各種包括攪動培養(yǎng)物的系統(tǒng)和那些細胞流動著的培養(yǎng)液從細胞間穿過的系統(tǒng)。即使這些系統(tǒng)已能進行高密度的生長，3維組織生長受限的問題依然存在。

例如在一些傳統(tǒng)的生物反應器中，細胞被推進到容器的上部，從而暫時地戰(zhàn)勝了重力。但是，重力的這個恒定的向下拉力最終得勝，使細胞沉到容器的更動蕩的區(qū)域。在這個有湍流和流體動態(tài)的剪刀力的區(qū)域中，原來在容器較穩(wěn)定區(qū)域所形成的細胞聚集體被分裂。另外，與生物反應器的碰撞同樣也會使細胞遭受某種程度的損傷。

任何克服重力所致的限制的暫時的勝利都必須權衡是否損傷細胞和分裂細胞聚合體。但是，在微重力為基礎的研究環(huán)境中，這種情況并不存在。

在微重力環(huán)境中，無沉降和密度不均所致的對流現(xiàn)象。原先在重力環(huán)境下，不同的密度的粒子因重力作用而沉降，但在微重力中，他們卻能維持在懸浮狀態(tài)。因為許多這些重力所致的對于培養(yǎng)的限制因素能在微重力中被克服。

在JSC被發(fā)明和生產(chǎn)的旋轉式的組織培養(yǎng)容器能通過沿水平軸向旋轉培養(yǎng)液、細胞和容器壁來模擬微重力的某些特征。

結果是這個低流動剪切的培養(yǎng)環(huán)境促進了細胞與細胞間的相互作用，并且增加了細胞的自由度以形成如細胞團狀的三維組織。

這種容器也促進了氣體和培養(yǎng)液的最理想的擴散，以及廢物的最佳排放以得到高密度的細胞和組織培養(yǎng)的產(chǎn)物。

另外一個好處是其具不同的沉降率的細胞能進行共同培養(yǎng)和相互作用，以至形成如在這個共同培養(yǎng)實驗中所見的3維聚集物。

在Synthecon的旋轉式細胞培養(yǎng)容器中，象這樣的3維聚集物是正常的。故這種特性的3維聚集物經(jīng)常與細胞的因子的產(chǎn)生和細胞的分化聯(lián)系起來。

Synthecon目前有4種特有的培養(yǎng)系統(tǒng)：
1. 慢速轉動的單端固定的容器或STLV是一種批量培養(yǎng)的容器
2. 原先在設計上用來進行灌注培養(yǎng)和貼壁細胞培養(yǎng)的灌注培養(yǎng)系統(tǒng)
3. 原先在設計上用來進行貼壁和懸浮培養(yǎng)的高截面縱橫比或HARV容器
4. 通過復雜的過程控制式計算機來控制組織培養(yǎng)系統(tǒng)的空間生物反應器。

空間反應器能對活體細胞培養(yǎng)條件的參數(shù)進行實時控制，如溫度、pH平衡、營養(yǎng)物、廢液以及對低剪刀力細胞懸浮體進行實時控制�？臻g生物反應器是在設計上用于微重力的獨特的研究工具。當航天飛機回到在地球上后，生物反應器因能模擬部分微重力的特征，從而使得在空間微重力環(huán)境中形成的脆的3維的細胞聚集物得以保護。

空間生物反應器在宇宙站與航天飛機和生物技術設施有很好的兼容性。所有這些容器都是建筑在通過沿水平軸旋轉來減少重力因素的基礎上的。

美國宇航局(NASA)的旋轉式組織培養(yǎng)容器是具劃時代意義的在地面上從事的研究的裝置，她把微重力的優(yōu)勢帶到地面實驗室中來。

但是，這些優(yōu)勢并不僅局限于實驗室范圍內(nèi)，通過模擬在太空中的微重力環(huán)境，這些培養(yǎng)系統(tǒng)是從事以下研究的獨特的工具：

1. 低剪刀力
2. 不同大小顆粒的共同培養(yǎng)
3. 有助于3維組織的形成
4. 有助于細胞的分化

憑借其生長和維持聚集物那樣的活組織的能力，細胞和組織科學家有條件對新生和外植細胞的生長和相互作用的基本過程進行研究。

在微重力環(huán)境下所進行的長期的細胞培養(yǎng)，使得我們能對生物過程進行更深層次的研究，并且，也為醫(yī)學和產(chǎn)業(yè)的應用打開了大門。

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
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