Cursos sobre diseño de biorreactores celulares adaptados a la sensibilidad al esfuerzo cortante y al tipo celular
Biorreactores de bajo esfuerzo cortante para células mamíferas y células madre
Las células madre de mamíferos y similares son sensibles a los biorreactores que generan un alto esfuerzo hidrodinámico y una mezcla agresiva. Como consecuencia, se produce una pérdida del 40 % en la viabilidad celular debido a la rotura de membranas provocada por el esfuerzo cortante en concentraciones celulares elevadas. Para evitar esta pérdida de viabilidad, se han diseñado impulsores marinos hinchables que generan patrones de flujo axial, ya que proporcionan un movimiento circunferencial aleatorio del flujo. Los sistemas que incorporan impulsores segmentados y perfundidos, concebidos como sustitutos del impulsor Rushton, se emplean en la expansión de células madre para reducir un 60 % el esfuerzo cortante. Durante la escalación, la validación de la tolerancia al alto esfuerzo cortante es fundamental y debe realizarse identificando con precisión la ubicación de los componentes sometidos a mayor tensión, con el fin de evitar zonas de alto esfuerzo cortante y una distribución perjudicial de tensiones dentro del recipiente.
Fermentación microbiana
Dado que la tasa de transferencia de oxígeno requerida en la cámara es >150, se necesita una mezcla turbulenta robusta. A diferencia de los cultivos sensibles al cizallamiento, los cultivos bacterianos y de levaduras son tolerantes al cizallamiento. Las gotas generadas por los difusores que crean una columna de agua de alta energía mejoran la tasa de transferencia de oxígeno en un 35 %. Si se incrementa la potencia suministrada a la columna de alta energía, la temperatura superará los niveles metateóricos; por lo tanto, debe utilizarse un tamiz metabólico denso compuesto por gotas de alta energía.
Disco de cola de pez frente a turbina Rushton
Los discos de cola de pez operan casi en régimen laminar y proporcionan tasas de cizallamiento inferiores a 1 Pa, lo cual es ideal para sistemas de células mamíferas y células madre, mientras que las turbinas Rushton garantizan la máxima disolución de oxígeno, compatibles con el sistema de alto cizallamiento para microorganismos, en contraste con el sistema de bajo cizallamiento.
En aplicaciones híbridas como la producción de células CAR-T, las turbinas de paletas inclinadas proporcionan una mezcla casi perfecta (85 % de eficiencia) a niveles de cizallamiento aceptables para cultivos en suspensión sensibles. Los modelos a escala reducida de 3 L predicen el rendimiento de los biorreactores a escala de fabricación; por lo tanto, los biorreactores Transformer contribuyen al desarrollo del proceso con certeza.
Al seleccionar un tipo de biorreactor para una escala y aplicación determinadas, considere la normativa aplicable:
Biorreactores agitados y escalables conformes con la normativa para la producción de anticuerpos monoclonales y vacunas
Los biorreactores de tanque agitado (STR, por sus siglas en inglés) son la opción preferida para la fabricación a gran escala de productos biológicos, ya que están bien adaptados a las normativas y su escalabilidad ha sido demostrada. Su diseño modular permite la ampliación de la escala de producción manteniendo niveles óptimos de oxígeno disuelto, pH y nutrientes para la producción de anticuerpos monoclonales (mAb) y vacunas bajo las Buenas Prácticas de Manufactura (GMP). Un beneficio adicional de los STR es el logro de altas densidades celulares comparables en cultivos en suspensión (superiores a 20 millones de células/mL), y la mezcla uniforme conseguida mediante el proceso impulsado por el agitador de los STR. La naturaleza mecánicamente compleja de los STR exige que los sistemas STR sean validados, incluyendo la aireación por doblado de hidrógeno y su regulación, para cumplir con las normativas de la FDA y la EMA.
Elección de la mejor alternativa de biorreactor: ondulante, de elevación por aire y de lecho empacado para cultivos especializados
Los biorreactores ondulantes, de elevación por aire y de lecho empacado ofrecen beneficios específicos en aplicaciones especializadas:
Las bolsas de mezcla por ondas proporcionan un movimiento oscilante para la suspensión de bajo cizallamiento, ideal para la expansión de cultivos de siembra, aunque existen limitaciones de diseño relacionadas con la escalabilidad, que se ve restringida a aproximadamente 500 L.
Los biorreactores de aire ascendente son energéticamente eficientes para fermentaciones microbianas con alta tasa de transferencia de oxígeno (OTR), pero presentan limitaciones en la escalación debido a restricciones de diseño.
Los biorreactores de lecho empacado son sistemas que permiten densidades celulares ultraelevadas, gracias a diversos sistemas de cultivo sobre matrices soportadas; sin embargo, debido a la complejidad de la recolección celular, los costos operativos y las dificultades de procesamiento se ven incrementados.
Priorizar los parámetros críticos del proceso frente a las funciones de automatización
Oxígeno disuelto, pH, temperatura y control de nutrientes como criterios esenciales para la selección de biorreactores
La selección del biorreactor debe priorizar el control de los Parámetros Críticos del Proceso (CPP, por sus siglas en inglés) como el oxígeno disuelto (OD), el pH, la temperatura y la alimentación de nutrientes, por encima de características que sean sofisticadas en términos de automatización. Mantener el OD dentro de estrechos límites fisiológicos favorece los cultivos aeróbicos, así como el crecimiento y la viabilidad celular, contribuyendo a su preservación y evitando sus respectivos efectos adversos. Para garantizar la conformación y la fidelidad de la apoptosis o de la desactivación metabólica, el pH proteásico debe mantenerse dentro de los valores promedio. El control de la temperatura y el control del pH deben mantenerse bajo un control estricto. El control en tiempo real de los nutrientes debe permanecer dentro de los límites impuestos por la acumulación de subproductos inhibitorios. La automatización de estos procesos no afecta tanto la eficiencia operativa como el control y el equilibrio de los cuatro CPP. Con un control sofisticado y equilibrado, la pérdida operativa por incidente por lote asciende a un costo de 500 000 USD a 2 millones de USD (BioPlan Associates, 2023). Antes de considerar la automatización, los macrosensores prioritarios deben incluir macrosensores ópticos de oxígeno disuelto, en lugar de sus contrapartes polarográficas, en ausencia de control.
¿Cuál es la importancia de adaptar el diseño de un biorreactor al tipo de célula y a su sensibilidad al esfuerzo cortante?
Adaptar el diseño de un biorreactor al tipo de célula y a su sensibilidad al esfuerzo cortante es fundamental para optimizar el crecimiento y prevenir la muerte celular debida a un esfuerzo cortante elevado.
¿Cómo abordan los biorreactores las altas demandas de oxígeno en la fermentación microbiana?
Los biorreactores, como las turbinas Rushton, incrementan la transferencia de oxígeno hacia las células microbianas mediante el uso de una bomba interna de recirculación.
¿Cuáles son las ventajas y desventajas de los discos hidroalas y de las turbinas Rushton?
Los discos hidroalas generan un flujo con menor esfuerzo cortante, mientras que los discos de turbina Rushton favorecen la mejor disolución de oxígeno, lo que los hace adecuados para sistemas microbianos.
¿Por qué los biorreactores de tanque agitado constituyen la opción preferible para la producción escalable y conforme con las Buenas Prácticas de Manufactura (GMP)?
Porque son fácilmente escalables, permiten un control riguroso de los parámetros y cumplen con las normativas de la FDA y la EMA.
¿Cuáles son los factores más importantes para la selección de un biorreactor?
Los principales factores en los que se debe centrar la atención, excluyendo la automatización, son los parámetros controlados para el mantenimiento del biorreactor, incluidos, entre otros: el oxígeno disuelto, el pH, la temperatura y la alimentación de nutrientes.