كيفية اختيار المفاعل الحيوي المناسب لعملية زراعة الخلايا أو التخمير الخاصة بك؟

دورات تدريبية في تصميم المفاعلات الحيوية الخلوية مُعدّة خصيصًا لمراعاة حساسية الخلايا للإجهاد القصي ونوعها

المفاعلات الحيوية منخفضة الإجهاد القصي للخلايا الثديية والخلايا الجذعية

الخلايا الجذعية الثديية وما شابهها حساسة تجاه المفاعلات الحيوية التي تتسم بقوة القص الهيدروديناميكية العالية والتحريك العنيف. ونتيجةً لذلك، تصل نسبة فقدان قابلية الخلايا للبقاء إلى ٤٠٪ بسبب تمزُّق الغشاء الخلوي الناتج عن ارتفاع تركيز الخلايا الناجم عن قوى القص. ولتفادي هذا الانخفاض في قابلية الخلايا للبقاء، صُمِّمت مراوح بحرية قابلة للانتفاخ لإنشاء أنماط تدفق محورية، نظراً لأنها توفر حركة دائرية عشوائية للتيار. أما الأنظمة المزودة بمراوح مقسَّمة ومُغذَّاة (Perfused) والمُصمَّمة لاستبدال مراوح راشتون (Rushton)، فهي تُستخدم في توسيع الخلايا الجذعية لتحقيق تخفيض بنسبة ٦٠٪ في قوى القص. وخلال عملية التوسع الرأسي (Up-scaling)، يكتسب التحقق من تحمل الخلايا لقوى القص العالية أهمية بالغة، ويجب إجراؤه مع تحديد دقيق لمواقع المكونات الأكثر إجهاداً لتفادي التعرُّض لقوى قص عالية وتوزيع الإجهادات الضارة داخل المفاعل.

التخمير المجهرية

لأن معدل انتقال الأكسجين المطلوب في الحجرة يتجاوز ١٥٠، فإن خلطًا توربولينتيًّا قويًّا مطلوبٌ. وعلى عكس الثقافات الحساسة للقصّ (Shear-sensitive cultures)، فإن الثقافات البكتيرية وثقافات الخميرة تتحمّل القصّ. وتؤدي القطرات الناتجة عن أجهزة التهوية (Spargers) التي تُنشئ عمود ماء عالي الطاقة إلى تحسين معدل انتقال الأكسجين بنسبة ٣٥٪. وإذا زاد إدخال القدرة إلى العمود عالي الطاقة، فستتجاوز درجة الحرارة المستويات الميتا-نظرية؛ ولذلك يجب استخدام غربال أيضي كثيف يتكون من قطرات عالية الطاقة.

قرص ذيل السمكة مقابل توربين راشتون

أقراص ذيل السمكة شبه طباقية تقريبًا وتوفر معدلات قصّ أقل من ١ باسكال، وهي مثالية لأنظمة الخلايا الثديية والخلايا الجذعية، بينما توفر توربينات راشتون أقصى درجات إذابة الأكسجين مع الحفاظ على نظام عالي القص للميكروبات، وهو ما يتناقض مع النظام منخفض القص.

في التطبيقات الهجينة مثل إنتاج خلايا CAR-T، توفر مراوح الشفرات المائلة خلطًا يقترب من الكمال (بكفاءة 85٪) عند مستويات القص المقبولة للثقافات العالقة الحساسة. وتنبّئ نماذج التصغير ذات السعة 3 لتر بأداء المفاعلات الحيوية على نطاق التصنيع؛ وبالتالي، تسهم المفاعلات الحيوية من نوع «ترانسفورمرز» في تطوير العمليات بدرجة عالية من اليقين.

عند اختيار نوع المفاعل الحيوي لمقياس وتطبيق معينين، يجب أخذ اللوائح المنطبقة في الاعتبار:

مفاعلات حيوية مُحرَّكة متوافقة مع المتطلبات التنظيمية وقابلة للتوسّع، وتُستخدم في إنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة واللقاحات

المفاعلات الحيوية ذات الخلاط الدوار (STRs) هي الخيار المفضل لإنتاج المستحضرات البيولوجية على نطاق واسع، نظراً لملاءمتها الجيدة للوائح التنظيمية ولإثبات إمكانية توسيع نطاقها بنجاح. ويسمح تصميمها الوحدوي بزيادة حجم الإنتاج مع الحفاظ على المستويات المثلى للأكسجين المذاب، ودرجة الحموضة (pH)، والعناصر الغذائية اللازمة لإنتاج الأجسام المضادة وحيدة النسيلة (mAb) واللقاحات وفقاً لممارسات التصنيع الجيدة (GMP). ومن الفوائد الإضافية للمفاعلات الحيوية ذات الخلاط الدوار تحقيق كثافات خلوية عالية مماثلة في الثقافات العالقة (أكثر من ٢٠ مليون خلية/مل)، كما أن الخلط الموحد الذي تحققه هذه المفاعلات عبر عملية الدوران التي تُدار بواسطة المحرّك يُعد ميزة بارزة. وبما أن طبيعة المفاعلات الحيوية ذات الخلاط الدوار ميكانيكية معقدة، فإن أنظمة STRs تتطلب إخضاعها للتحقق والتحقق من صحتها، بما في ذلك التحقق من عمليات طي الهيدروجين، والتهوية، والتنظيم، وذلك للامتثال للوائح إدارة الأغذية والعقاقير (FDA) والوكالة الأوروبية للأدوية (EMA).

اختيار أفضل بديل للمفاعل الحيوي: المفاعل الموجي، والمفاعل ذو التهوية بالهواء، والمفاعل ذي السرير المعبأ للثقافات المتخصصة

توفر المفاعلات الحيوية الموجية، والمفاعلات الحيوية ذات التهوية بالهواء، والمفاعلات الحيوية ذات السرير المعبأ فوائد محددة في التطبيقات المتخصصة:

توفر أكياس التحريك الموجي حركة تمايل مناسبة للتعليق قليل القص، وهي مثالية لتوسيع سلسلة البذور، رغم وجود قيود في التصميم تتعلق بالقابلية للتوسع والتي تقتصر على حوالي ٥٠٠ لتر.

المفاعلات الحيوية ذات الرفع الهوائي فعّالة من حيث استهلاك الطاقة في عمليات التخمير الميكروبي ذات معدل انتقال الأكسجين العالي (OTR)، لكنها تواجه قيودًا في التوسع بسبب القيود التصميمية.

المفاعلات الحيوية ذات السرير المعبأ هي أنظمة تُحقِّق كثافات خلوية فائقة العلو بفضل مختلف أنظمة الزراعة الداعمة، رغم أن التعقيد في عملية الاستخلاص يؤدي إلى ارتفاع التكاليف التشغيلية وصعوبات المعالجة.

أعط الأولوية لمعلمات العملية الحرجة بدلاً من ميزات الأتمتة

الأكسجين المذاب، ودرجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، والتحكم في العناصر الغذائية هي معايير أساسية لاختيار المفاعل الحيوي

يجب أن يكون اختيار المفاعل الحيوي مُركَّزًا على التحكم في المعايير العملية الحرجة (CPPs) مثل الأكسجين المذاب (DO)، ودرجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، وتغذية العناصر الغذائية، بدلًا من الميزات المتقدمة في مجال الأتمتة. والحفاظ على مستوى الأكسجين المذاب ضمن الحدود الفسيولوجية الضيقة يدعم الثقافات الهوائية، وكذلك نمو الخلايا وحيويتها، ويُسهم في حفظها وتجنُّب أي تأثير سلبي على وظائفها الخاصة. ولضمان الحفاظ على البنية الثلاثية للبروتينات ودقة عمليات الموت الخلوي المبرمج (الاستماتة) أو إيقاف النشاط الأيضي، يجب أن تبقى درجة الحموضة المؤثرة على البروتياز ضمن المعدلات المتوسطة. كما يجب التحكم بدقة شديدة في كلٍّ من درجة الحرارة ودرجة الحموضة. ويجب أن يظل التحكم الآني في التغذية ضمن الحدود التي تمنع تراكم المنتجات الجانبية المثبطة. ولا تؤثر أتمتة هذه العمليات في الكفاءة التشغيلية بنفس القدر الذي تؤثر فيه السيطرة المتوازنة على المعايير العملية الحرجة الأربعة. وبتحقيق هذا التوازن في التحكم المتقدم، تبلغ الخسارة التشغيلية لكل دفعة ما بين ٥٠٠ ألف دولار أمريكي و٢ مليون دولار أمريكي (شركة بايوبلان أسوشيتس، ٢٠٢٣). وقبل النظر في أتمتة العمليات، يجب أن تشمل أجهزة الاستشعار الرئيسية ذات الأولوية أجهزة استشعار الأكسجين المذاب البصرية بدلًا من نظيراتها القطبية، وذلك في حالة غياب أنظمة التحكم.

ما أهمية مطابقة تصميم المفاعل الحيوي لنوع الخلايا وحساسيتها للإجهاد القصي؟

إن مطابقة تصميم المفاعل الحيوي لنوع الخلايا وحساسيتها للإجهاد القصي أمرٌ بالغ الأهمية لتحسين النمو ومنع موت الخلايا الناجم عن الإجهاد القصي العالي.

كيف يتعامل المفاعل الحيوي مع متطلبات الأكسجين العالية في التخمير الميكروبي؟

يُحسِّن المفاعل الحيوي، مثل توربينات راشتون، انتقال الأكسجين نحو الخلايا الميكروبية باستخدام مضخة إعادة تدوير داخلية.

ما المزايا والعيوب المرتبطة بتوربينات القرص الهيدروليكي وتوربينات راشتون؟

توفر أقراص التوربينات الهيدروليكية تدفقًا أقل إجهادًا قصيًّا، بينما تُعزِّز أقراص توربينات راشتون أفضل إذابة للأكسجين، وهي مناسبة لأنظمة التخمير الميكروبي.

لماذا تُعتبر المفاعلات الحيوية ذات الخلاط الخيار الأمثل للإنتاج المتوافق مع معايير التصنيع الجيد (GMP) والقابل للتوسُّع؟

لأنها سهلة التوسع، وتتيح تحكُّمًا دقيقًا في المعايير، ومتوافقة مع لوائح إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) والوكالة الأوروبية للأدوية (EMA).

ما العوامل الأكثر أهمية في اختيار المفاعل الحيوي؟

العوامل الرئيسية التي يجب التركيز عليها مع استبعاد الأتمتة هي المعايير الخاضعة للتحكم والمستخدمة في صيانة المفاعل الحيوي، ومنها على سبيل المثال لا الحصر: الأكسجين المذاب، ودرجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، وكمية التغذية المقدمة.