Kurse zum Design zellulärer Bioreaktoren, angepasst an Scherempfindlichkeit und Zelltyp
Schonende Bioreaktoren für Säugetier- und Stammzellen
Säugetier-Stammzellen und ähnliche Zelltypen sind empfindlich gegenüber Bioreaktoren mit hoher hydrodynamischer Scherbelastung und aggressivem Rühren. Die Folge ist ein Verlust von 40 % der Zellviabilität durch Membranruptur infolge scherinduziert hoher Zellkonzentrationen. Um diesen Verlust der Viabilität zu vermeiden, wurden quellbare, marine Rührer entwickelt, die axiale Strömungsmuster erzeugen, da sie eine zufällige umlaufende Bewegung der Strömung bewirken. Systeme mit segmentierten, durchströmten Rührern, die zur Ersetzung der Rushton-Rührer konzipiert wurden, dienen der Stammzellvermehrung und führen zu einer 60-prozentigen Reduktion der Scherbelastung. Während der Hochskalierung ist die Validierung einer hohen Schertoleranz entscheidend und muss an der genauen Position der am stärksten belasteten Komponenten erfolgen, um hohe Scherkräfte und schädliche Spannungsverteilungen im Reaktorgefäß zu vermeiden.
Mikrobielle Fermentation
Da die erforderliche Sauerstoffübergangsrate in der Kammer >150 beträgt, ist eine robuste turbulente Durchmischung erforderlich. Im Gegensatz zu scherempfindlichen Kulturen sind Bakterien- und Hefekulturen schertolerant. Durch Sprudler erzeugte Tropfen, die eine hochenergetische Wassersäule bilden, verbessern die Sauerstoffübergangsrate um 35 %. Wird die zugeführte Leistung an der hochenergetischen Säule erhöht, überschreitet die Temperatur die metatheoretischen Werte; daher sollte ein dichtes metabolisches Sieb aus hochenergetischen Tropfen eingesetzt werden.
Fischschwanzscheibe vs. Rushton-Turbine
Fischschwanzscheiben arbeiten nahezu laminar und erzeugen Scherraten von weniger als 1 Pa, was ideal für Säugetier- und Stammzellkulturen ist, während Rushton-Turbinen eine maximale Sauerstoffauflösung gewährleisten und dabei dem Hochschersystem für Mikroorganismen entsprechen – im Gegensatz zum Niedrigschersystem.
Bei hybriden Anwendungen wie der CAR-T-Zellproduktion bieten Schrägblasschaufelrührer eine nahezu perfekte Durchmischung (85 % Effizienz) bei Scherkräften, die für empfindliche Suspensionskulturen akzeptabel sind. 3-Liter-Skalierungsmodelle prognostizieren die Leistung von biotechnologischen Großreaktoren; daher tragen Transformator-Bioreaktoren mit hoher Zuverlässigkeit zur Prozessentwicklung bei.
Bei der Auswahl eines Bioreaktortyps für eine bestimmte Skala und Anwendung sind die jeweils geltenden Vorschriften zu berücksichtigen:
Konforme, skalierbare, gerührte Tank-Bioreaktoren für die Produktion von monoklonalen Antikörpern und Impfstoffen
Rührbehälter-Bioreaktoren (STRs) sind die bevorzugte Option für die großtechnische Herstellung von Biopharmazeutika, da sie gut an regulatorische Anforderungen angepasst und hinsichtlich ihrer Skalierbarkeit bewährt sind. Ihr modulares Design ermöglicht eine Produktionsausweitung unter Aufrechterhaltung optimaler Bedingungen für gelösten Sauerstoff, pH-Wert und Nährstoffe bei der Herstellung monoklonaler Antikörper (mAb) und Impfstoffe gemäß den Richtlinien der Good Manufacturing Practice (GMP). Ein weiterer Vorteil von STRs ist die Erzielung vergleichbar hoher Zelldichten in Suspensionskulturen (über 20 Millionen Zellen/mL); zudem gewährleistet die durch das Rührwerk angetriebene Mischung eine gleichmäßige Durchmischung. Aufgrund ihrer mechanischen Komplexität müssen STR-Systeme validiert sowie die Wasserstofffaltung, die Belüftung und deren Regelung überprüft werden, um die Einhaltung der Vorschriften der FDA und der EMA sicherzustellen.
Die Auswahl der besten Bioreaktor-Alternative: Wave-, Airlift- und Packungs-Schüttbett-Bioreaktoren für spezialisierte Kulturen
Wave-, Airlift- und Packungs-Schüttbett-Bioreaktoren bieten in spezialisierten Anwendungen jeweils spezifische Vorteile:
Wellenmischbeutel erzeugen eine Schaukelbewegung für eine Scherung geringer Intensität und eignen sich daher ideal für die Ausdehnung von Saatgutkulturen, obwohl bei der Konstruktion Einschränkungen hinsichtlich der Skalierbarkeit bestehen, die auf etwa 500 L begrenzt ist.
Luftlift-Bioreaktoren sind energieeffizient für mikrobielle Fermentationen mit hoher Sauerstoffübertragungsrate (OTR), doch bestehen bei der Skalierung aufgrund konstruktiver Einschränkungen Grenzen.
Gefüllte-Schüttbett-Bioreaktoren ermöglichen ultra-hohe Zelldichten dank verschiedener Trägermatrix-Kultursysteme; aufgrund des komplexen Ernteprozesses sind jedoch die Betriebskosten sowie die Verarbeitungsschwierigkeiten erhöht.
Kritische Prozessparameter vor Automatisierungsfunktionen priorisieren
Gelöster Sauerstoff, pH-Wert, Temperatur und Nährstoffsteuerung als wesentliche Kriterien bei der Auswahl von Bioreaktoren
Bei der Auswahl eines Bioreaktors muss die Kontrolle kritischer Prozessparameter (CPPs) wie gelöstem Sauerstoff (DO), pH-Wert, Temperatur und Nährstoffzufuhr Vorrang vor hochentwickelten Automatisierungsfunktionen haben. Die Aufrechterhaltung des DO-Werts innerhalb enger physiologischer Grenzen begünstigt aerobe Kulturen sowie das Wachstum und die Vitalität von Zellen, was zur Erhaltung und Vermeidung unerwünschter Effekte beiträgt. Um Konformation und Fidelity des Apoptose- oder Stoffwechselabschaltprozesses sicherzustellen, muss der pH-Wert für Proteasen innerhalb der durchschnittlichen Bereiche bleiben. Die Kontrolle von Temperatur und pH-Wert muss streng reguliert werden. Die Echtzeit-Kontrolle der Nährstoffzufuhr muss innerhalb der Grenzen einer inhibitorischen Ansammlung von Stoffwechselnebenprodukten bleiben. Die Automatisierung dieser Prozesse beeinträchtigt die betriebliche Effizienz weniger als die Kontrolle und Balance der vier CPPs. Bei ausgewogener, hochentwickelter Regelung belaufen sich die Betriebsverluste pro Chargenvorfall auf 500.000–2 Mio. USD (BioPlan Associates 2023). Vor der Berücksichtigung von Automatisierungslösungen müssen priorisierte Makrosensoren optische Makrosensoren für gelösten Sauerstoff umfassen – und zwar bevorzugt gegenüber ihren polargraphischen Gegenstücken, sofern keine Regelung erforderlich ist.
Welche Bedeutung hat die Anpassung eines Bioreaktordesigns an den Zelltyp und die Scherempfindlichkeit?
Die Anpassung des Bioreaktordesigns an den Zelltyp und die Scherempfindlichkeit ist entscheidend, um das Zellwachstum zu optimieren und ein Absterben der Zellen aufgrund hoher Scherkräfte zu verhindern.
Wie bewältigen Bioreaktoren den hohen Sauerstoffbedarf bei der mikrobiellen Fermentation?
Bioreaktoren wie Rushton-Turbinen erhöhen den Sauerstofftransfer zu mikrobiellen Zellen durch die Nutzung einer internen Umlaufpumpe.
Welche Vor- und Nachteile bieten Hydrofoil-Scheiben und Rushton-Turbinen?
Hydrofoil-Scheiben erzeugen eine geringere Scherströmung, während Rushton-Turbinenscheiben die beste Sauerstoffauflösung fördern und daher für mikrobielle Systeme geeignet sind.
Warum sind Rührkessel-Bioreaktoren die bessere Wahl für die GMP-konforme, skalierbare Produktion?
Weil sie leicht skalierbar sind, eine präzise Steuerung der Prozessparameter ermöglichen und den Vorschriften der FDA und der EMA entsprechen.
Welche Faktoren sind bei der Auswahl eines Bioreaktors am wichtigsten?
Die Hauptfaktoren, auf die sich die Aufmerksamkeit ausschließlich statt auf die Automatisierung richten sollte, sind die gesteuerten Parameter zur Aufrechterhaltung des Bioreaktors, darunter unter anderem der gelöste Sauerstoff, der pH-Wert, die Temperatur und die Nährstoffzufuhr.