Курсове по проектиране на клетъчни биореактори, адаптирани според чувствителността към механично напрежение и типа клетки
Биореактори с ниско механично напрежение за бозайникови и стволови клетки
Мамалните стволови клетки и подобни на тях са чувствителни към биореактори с високо хидродинамично срязващо напрежение и интензивно разбъркване. Последствието е загуба на жизнеспособността на клетките до 40 % поради разкъсване на мембраната при високи концентрации на клетки, причинени от срязващото напрежение. За да се избегне загубата на жизнеспособност, са проектирани набъбващи морски импелери, които създават осеви потокови модели, тъй като те осигуряват случайно циркулярно движение на потока. Системите със сегментирани, перфузирани импелери, проектирани като замяна на импелерите тип Русhton, се използват за размножаване на стволови клетки и осигуряват намаляване на срязващото напрежение с 60 %. При мащабирането е критично да се извърши валидация на устойчивостта към високо срязващо напрежение, която трябва да се извърши с точно определяне на местоположението на най-напрегнатите компоненти, за да се избегне високото срязващо напрежение и вредното разпределение на напреженията в съда.
Микробна ферментация
Тъй като скоростта на пренос на кислород, необходима в камерата, е >150, изисква се интензивно турбулентно разбъркване. За разлика от културите, чувствителни към смачкване, бактериалните и дрождовите култури са устойчиви към смачкване. Капките, генерирани от спарджъри, които създават високоенергийна водна колона, подобряват скоростта на пренос на кислород с 35 %. Ако входната мощност към високоенергийната колона се увеличи, температурата ще надвиши метатеоретичните нива; следователно, трябва да се използва плътно метаболично сито от високоенергийни капки.
Дискове с форма на рибешка опашка срещу турбини тип Русhton
Дисковете с форма на рибешка опашка са почти ламинарни и осигуряват скорости на смачкване по-малки от 1 Pa, което е идеално за бозайникови и стволови клетъчни системи, докато турбините тип Русhton осигуряват максимално разтваряне на кислород, съответстващо на високосмачкващата система за микроорганизми – в противовес на системата с ниско смачкване.
В хибридни приложения като производството на CAR-T клетки, импелерите с наклонени лопатки осигуряват почти перфектно разбъркване (85% ефективност) при нива на срязващо напрежение, които са приемливи за чувствителни суспензии от култури. Моделите в мащаб 3 L предсказват работата на биореактори в производствен мащаб, следователно трансформаторните биореактори допринасят за разработването на процеса с голяма сигурност.
При избор на тип биореактор за даден мащаб и приложение вземете предвид приложимите регулации:
Съответстващи, мащабируеми, разбърквани с механично разбъркване биореактори за производство на моноклонални антитела и ваксини
Биореакторите с механично разбъркване (STR) са предпочитаният вариант за производство на биологични продукти в големи мащаби, тъй като са добре адаптирани към регулаторните изисквания и доказано подходящи за мащабиране. Модуларният им дизайн позволява увеличаване на производствената мощност, като се запазват оптималните нива на разтворен кислород, pH и хранителни вещества за производството на моноклонални антитела (mAb) и ваксини в съответствие с принципите за добра производствена практика (GMP). Допълнително предимство на STR-овете е постигането на сравнително високи клетъчни концентрации в суспензионни култури (над 20 милиона клетки/мл), а равномерното разбъркване се осъществява чрез импелерния процес на STR-овете. Механичната сложност на STR-овете изисква валидиране на системите им, включително на процесите на огъване, хидрогенизация и аерация, за да се осигури съответствие с регулациите на FDA и EMA.
Избор на най-подходящата алтернатива на биореактор: вълнови, въздушни и пълнени с носител биореактори за специализирани култури
Вълновите, въздушните и пълнените с носител биореактори осигуряват специфични предимства при специализирани приложения:
Чантите с вълново разбъркване осигуряват люлеещо движение за суспензии с ниско срязващо напрежение, което е идеално за разширяване на семенната култура, макар да съществуват ограничения в дизайна, свързани с мащабируемостта, която е ограничена до около 500 л.
Биореакторите с въздушно изтласкване са енергийно ефективни за микробни ферментации с висок трансфер на кислород (OTR), но при мащабирането им възникват ограничения поради конструктивни особености.
Биореакторите с пълнителен слой са системи за постигане на ултрависоки клетъчни плътности благодарение на различни поддържащи матрични културни системи, макар че поради сложността на извличането на продукта операционните разходи и технологичните трудности да са повишени.
Приоритизирайте критичните параметри на процеса пред функциите за автоматизация
Разтворен кислород, pH, температура и контрол на хранителните вещества като основни критерии за избор на биореактор
Изборът на биореактор трябва да се фокусира върху контрола на критичните параметри на процеса (CPP), като например разтворен кислород (DO), pH, температура и подаване на хранителни вещества, а не върху функции, които са изключително автоматизирани. Поддържането на DO в тесни физиологични граници подпомага аеробните култури, както и растежа и жизнеспособността на клетките, като по този начин се осигурява запазването им и се избягват нежелани последствия. За гарантиране на правилната конформация и вярност при апоптозата или метаболитното изключване pH-то на протеазата трябва да се поддържа в рамките на средните стойности. Контролът на температурата и контролът на pH трябва да се осъществяват с висока точност. Реалновременният контрол на хранителните вещества трябва да се извършва в рамките, определени от натрупването на инхибиторни странични продукти. Автоматизацията на тези процеси не намалява операционната ефективност толкова, колкото липсата на контрол и баланс между четирите CPP. При добре балансиран и изискан контрол загубата от всяка отделна партида възлиза на 500 000–2 млн. щ.д. (BioPlan Associates, 2023 г.). Преди да се разглежда автоматизацията, приоритетни макросензори трябва да включват оптични макросензори за разтворен кислород, преди техните полярографски аналоги, в случаите, когато контролът липсва.
Какво е значението на съвместяването на конструкцията на биореактора с типа клетки и чувствителността към смачкване?
Съвместяването на конструкцията на биореактора с типа клетки и чувствителността към смачкване е от решаващо значение за оптимизиране на растежа и предотвратяване на гибелта на клетките поради високо ниво на смачкване.
Как биореакторите отговарят на високата нужда от кислород при микробна ферментация?
Биореакторите, като например турбините на Ръштън, увеличават преноса на кислород към микробните клетки чрез използване на вътрешен рециркулационен помпен агрегат.
Какви са предимствата и недостатъците на дисковите хидрофойли и турбините на Ръштън?
Дисковите хидрофойли осигуряват по-ниско ниво на смачкване, докато дисковите турбини на Ръштън осигуряват най-добро разтваряне на кислород, което ги прави подходящи за микробни системи.
Защо механично разбъркваните биореактори са по-добра опция за производство, съответстващо на GMP изискванията и мащабируемо?
Тъй като те лесно се мащабират, позволяват строг контрол върху параметрите и са съвместими с регулациите на FDA и EMA.
Кои фактори са най-важни при избора на биореактор?
Основните фактори, на които трябва да се обърне внимание, като се изключи автоматизацията, са контролираните параметри за поддържане на биореактора, включително, но не само: разтворен кислород, pH, температура и хранителна добавка.