自動化細胞凍管分裝系統開發與應用

摘要：在生物醫學研究領域中，細胞的精確分裝以利後續使用是維繫細胞續存及建立安全庫存的重要關鍵。傳統細胞分裝的作業通常以人工方式進行，其步驟為將懸浮細胞液加入適量藥劑或抗凍劑，混合均勻並分裝至冷凍保存管中，並標記細胞種類、實驗日期以待後續作業。但凍管的開/關蓋與細胞液的分注為耗時費神的重複性工作，且一旦作業時程拉長，可能將使細胞數量分布不均或受到藥劑之不良影響。為有效提高作業效率與細胞存活率，本文將介紹一可自動化進行細胞凍管分裝之儀器，可達到：(1)縮短操作時程。(2)精準細胞液分注量。(3)凍管自動辨識。(4)降低細胞承受剪應力。解決目前細胞分裝作業中，人員操作造成細胞承受大量外應力、添加劑生物毒性，以及人員操作及記錄失誤、費時的問題，以大幅提高細胞存活率。
Abstract：In the field of biomedical research, cryopreservation of cells is critical for maintaining cell viability and establishing safe storage. The operation of cryopreservation is usually done manually, by adding an appropriate amount of cryoprotectant to a suspension of cells, mixing them evenly, and then aliquoting them into cryovials with labels indicating cell type and experiment date for subsequent freezing. However, the repetitive steps of opening and closing cryovials and aliquoting cells are time-consuming and laborious. Additionally, prolonged processing times can lead to uneven cell distribution or negative effects on cell viability due to the cryoprotectant. To effectively increase operational efficiency and cell viability, this article introduces an automated cell cryovial dispensing instrument that can achieve: (1) shortened operation time, (2) precise cell dispensing volume, (3) automatic cryovial recognition, and (4) reduced cell shear stress. This instrument addresses the problems of toxicity caused by cryoprotectants due to manual operation and recording errors, leading to a significant increase in cell survival rates.

關鍵詞：細胞凍管、分注、自動化
Keywords：Cryovial, Dispensing, Automation

前言
鑒於全球老年人口持續增加，再生醫療與細胞治療市場蓬勃發展，預計在未來幾年將持續快速增長。據市場研究相關機構在2022年所發布的“Global Cell Therapy Market Report 2022 to 2027: Industry Trends, Share, Size, Growth, Opportunity and Forecasts”報告[1]中指出，全球細胞治療市場將從2021年約91.7億美元，以19%的年複合成長率增加，預計於2027年達到超過270億美元的規模。這股快速成長的趨勢主要得力於多個因素，包括對創新治療方法的需求、疾病負擔的增加、生物技術和生產技術的進步以及對個人化/精準化醫療的需求等。針對國內的細胞治療的發展現況而言，政府、學術界和產業界近年來皆積極投入相關資源進行大量的基礎和應用研究，並取得不少成果，目前已陸續推出許多以幹細胞治療退化性疾病、軟骨組織再生、心肌梗塞後心肌修復等為主的產品，並已經在臨床上進行了應用。在管理方面，政府也積極建立細胞治療與產品之法規與管理辦法，如「衛生福利部細胞治療產品管理辦法」規範了細胞治療產品的製造、貯存、運輸、檢驗、審核等相關規範，由衛生福利部食品藥物管理署(TFDA)負責審查、給證、備查、管理與臨床試驗案申請之GTP查核，以確保產品的安全性、品質和有效性。此外，針對醫療機構施行細胞治療技術，於107年公告「特定醫療技術檢查檢驗醫療儀器施行或使用管理辦法」，醫療機構可向中央主管機構申請核准後，於申請之機構內實施具安全性且成效可預期之細胞治療技術。
細胞治療是一種利用自體或異體細胞來治療疾病的治療方式。它通常涉及從病人或捐贈者身上採集細胞，然後將其處理、增殖或修飾後，再移植到需要治療的患者身上，以修復或替換受損或缺失的細胞、調節免疫系統、提高治療效果、減少治療的副作用以及改善患者的生活質量。隨著技術的不斷發展和進步，越來越多的治療方法和產品正在開發中，包括幹細胞治療、免疫T細胞(CAR-T)治療等。目前細胞治療可以用於治療多種疾病，例如血液系統疾病、免疫系統疾病、心臟病、肝臟病、神經系統疾病、肺部疾病以及癌症等，因此相關產業也得到了廣泛的關注和投資。然而，在現階段細胞治療還是存在一些挑戰，例如細胞的存活率、細胞的質量控制、治療效果的不確定性、治療的成本等。因此，未來仍需要持續的研究和發展來解決這些挑戰，使細胞治療成為更加廣泛應用的治療方式。
細胞治療產業自動化現況
如前所述，細胞治療除在基礎學理與應用方面尚需更進一步研究外，在細胞生產方面仍存在幾個問題亟待解決：1.作業流程自動化程度不足，仍需人員大量手動介入；2.針對細胞生產過程缺少有效監控；3.生產過程之資訊未完整建置；4.細胞生長產能無法提高。為此，國際相關大廠多已投入大量資源著手發展符合法規細胞生產與保存運送之智能化/自動化技術開發，以及提高細胞生產的效能與效率。如以美國的BioTek (現為Agilent )為例，是微量盤相關設備及操作軟體設計研發的領導企業，其開發之產品BioSpa8 [2]可進行八個微量盤之自動化培養作業，減少細胞培養過程中人為操作可能產生的汙染，同時人員可透過軟體介面即時確認及控制培養箱之溫度、CO2/O2濃度及濕度，並在系統發生問題時，傳送訊息或email告知以確保實驗順利及系統正常運作。此外，該設備可同時與清洗機/分注儀或檢測儀進行整合，實現細胞培養實驗的全自動化流程，並讓許多需要不斷重複或對環境感控敏感之實驗，得以在比較穩健的方式下進行。
在國內部分，由於領域區隔與產業環境未趨健全，導致過往生醫產業與自動化產業缺乏串聯，以致於臺灣在電子、機械、自動化控制等領域雖有強健的技術實力，但各產業各自登高而無法跨產業整合以切入國際高端/高值生醫智能設備產業。所幸臺灣在學、醫研究單位多年來已在生醫領域累積不少優異的研發基礎，近來在世界發展趨勢的推波助瀾與政府大力支持之下，產醫學研各界積極合作進行開發研究，從需求定義、產品設計與開發、產品功能與安全性驗證的流程中獲取經驗與知識。未來，如何繼續利用我國既有ICT產業優勢與技術，結合上下游廠商將細胞生產價值鏈所需的核心技術/原料加以整合並補足智能化、自動化技術的相關缺口，逐年建立細胞產品生產及運送之自動與智能化關鍵模組，以提升產業附加價值，是我國細胞治療產業發展的關鍵。
本文介紹的細胞凍管分裝系統，即為針對細胞治療相關技術之大型研究計畫中一開發案，主要目的為提供一個封閉式的自動化細胞分裝操作環境，接續處理前端模組大量生產之細胞，用於細胞庫建置及細胞治療產品包裝，相較於人工操作將可大幅提升細胞分裝量體精確性與減少分裝作業時間五到十倍，進而降低藥劑對細胞造成的傷害與提高細胞存活率，系統同時內建冷凍盤/凍管辨識系統，可即時記錄及追蹤細胞資訊，避免人工錯誤標記造成的風險。