¿Por qué el control del oxígeno disuelto afecta la viabilidad celular en los biorreactores de cultivo celular?
Efecto final DO-viabilidad: respuestas no lineales a través de los umbrales de saturación de aire (30 % frente a 50 % frente a 70 %)
La viabilidad celular en un biorreactor de cultivo celular presenta una respuesta no lineal al oxígeno disuelto (OD), mostrando efectos perjudiciales por debajo de umbrales específicos. Se ha demostrado que, con una saturación de aire inferior al 50 %, la viabilidad celular disminuye significativamente; así, una saturación de aire del 30 % da lugar a una viabilidad del 22 % en comparación con la viabilidad observada al 50 % de saturación de aire (Hanson et al., 2022). Además, incrementar el OD desde el 50 % hasta el 70 % de saturación de aire provoca aumentos despreciables en la viabilidad, con un incremento reportado de menos del 5 %, mientras que simultáneamente se eleva el estrés oxidativo. Esto sugiere que existe una estrecha ventana óptima de saturación de aire, comprendida entre el 40 % y el 60 %, en la que se alcanza la viabilidad máxima de las células con un riesgo mínimo de desequilibrio metabólico.
Punto de consigna de OD / Viabilidad relativa / Impacto metabólico
30 % ⬇️ 78 % Hipoxia grave, agotamiento de ATP
50 % ⬆️ 95–100 % Respiración equilibrada
70 % ⬇️ 92–97 % ROS elevadas, fragmentación del ADN
Si el nivel de OD se mantiene en el rango óptimo objetivo del 40 % al 60 %, esto previene una crisis energética y daños por radicales libres.
Base fisiológica: OD que imita la hipoxia (4–10 % de O₂)
Los niveles de OD que imitan la hipoxia del 4 % al 10 % de O₂ (8–20 % de saturación en aire) equivalen a los niveles de oxígeno presentes en los tejidos. Se activan los factores inducibles por hipoxia (HIF), y el metabolismo celular se modifica para potenciar las funciones glucolíticas y antioxidantes, y reducir las especies reactivas de oxígeno (ROS) en un 40 % respecto al estado normóxico (Semenza et al., 2021). De forma crítica, la respiración mitocondrial se mantiene completamente intacta, mejorándose la viabilidad celular y el metabolismo celular, y reduciéndose los niveles de lactato. El resultado es un equilibrio metabólico, en el que el suministro de oxígeno satisface la demanda, evitando tanto la muerte celular hipóxica como la muerte celular hiperoxíca.
Estrategias de control perceptivo de OD:\n\nSensores de OD: ópticos frente a polarográficos\n\nLos sensores ópticos registran los niveles de oxígeno disuelto (OD) de forma fiable dentro de ±1 % de saturación en aire, con una deriva mínima y escasos requisitos de calibración. Las sondas polarográficas siguen siendo una opción más económica, aunque menos fiable, ya que presentan una deriva del 2 % al 5 % y requieren recalibración un 50 % más frecuente. Estas recalibraciones introducen un alto riesgo de contaminación, ya que suele perderse medio de cultivo nutriente, lo que provoca una reducción de la viabilidad del 15 %. Los sensores de OD han demostrado ser fiables y respaldan el control de OD, esencial para mantener la integridad de líneas celulares valiosas en procesos bioindustriales controlados.\n\nControl en bucle cerrado: control de OD + flujo de gas\n\nEl control de OD seguirá adaptándose a medida que evolucione el bio-procesamiento. Un control PID estándar industrial permite ajustes rápidos en los niveles de OD. Se observan mejoras en velocidad y precisión de control cuando, durante la fase de crecimiento exponencial, los niveles de biomasa determinan el punto de consigna de OD. Según la revista Biotech Control Journal (2023), esto supone un incremento tres veces mayor en la transferencia de oxígeno, manteniéndose constantes los demás parámetros y reduciéndose la viabilidad en menos del 5 %.
Maximización de la eficiencia de transferencia de oxígeno: optimización de KLa en biorreactores para cultivo celular
Influencia de la velocidad de balanceo, el ángulo y el volumen de llenado en la transferencia de masa y la viabilidad en biorreactores de un solo uso
En el caso de los biorreactores de un solo uso para cultivo celular, KLa (el coeficiente de transferencia de masa volumétrico de oxígeno en un líquido) se determina mediante la dinámica de balanceo, y no mediante la agitación. La velocidad de balanceo, el ángulo y el volumen de llenado interactúan de forma no lineal para influir tanto en el aporte de oxígeno al líquido como en el estrés mecánico al que se exponen las células.
- Un aumento de la velocidad de balanceo se correlaciona con un incremento exponencial de KLa y, por ende, del aporte de oxígeno, debido a una mayor aireación superficial. Sin embargo, a velocidades superiores a 25 rpm, el esfuerzo cortante hidrodinámico generado provoca una pérdida de viabilidad celular (del 15 al 30 %) en líneas celulares sensibles al esfuerzo cortante.
- Un mayor ángulo de balanceo (7° - 12°) también se correlaciona con un aumento del área superficial gas-líquido. Sin embargo, este aumento requiere un control estricto del volumen de llenado, ya que un volumen excesivo (> 40 %) suprime la renovación de la superficie, mientras que un llenado insuficiente (< 20 %) incrementa el estrés mecánico sobre las células.
- Estudios empíricos demuestran que un ángulo de balanceo de 15° - 20° a una velocidad de 15 - 20 rpm, combinado con un volumen de llenado del 30 - 35 %, produce sistemáticamente valores de KLa de 4 - 10 h⁻¹, manteniendo la viabilidad celular por encima del 90 %.
Debe tenerse en cuenta que pequeños cambios exigen acciones correctivas mayores. Por ejemplo, una reducción del 10 % en el volumen de llenado requiere un aumento de la velocidad de balanceo del 5 - 8 % para alcanzar el mismo valor de KLa.
Existe un costo directo derivado de la desalineación; un estudio del Instituto Ponemon de 2023 informó una pérdida promedio de 740 000 USD por lote debido a fallos relacionados con una mala optimización de KLa.
Preguntas frecuentes
P: ¿Cuál es el nivel óptimo de oxígeno disuelto para la viabilidad celular en un biorreactor?
A: El nivel óptimo de oxígeno disuelto en un biorreactor es del 40 al 60 % de saturación con aire. Niveles superiores al 60 % pueden provocar la muerte celular debido a la formación excesiva de
P: ¿Cómo se comparan las ventajas de los sensores ópticos con las de las sondas polarográficas para la monitorización del oxígeno disuelto?
A: Al comparar la monitorización del oxígeno disuelto mediante ambos métodos, los sensores ópticos son mucho más eficaces. Su precisión de medición es del ±1 % y sus tasas de deriva son aproximadamente del 0,5 % por mes. Además, requieren calibración cada 6 meses. Por otro lado, los sensores ópticos son más costosos. Sin embargo, las tasas de deriva de las sondas polarográficas son del 2 al 5 % por mes y deben recalibrarse semanalmente.
P: ¿Por qué es fundamental la velocidad de balanceo en los biorreactores de un solo uso?
A: La velocidad de balanceo de los biorreactores de un solo uso es el método principal para facilitar la transferencia de masa. Sin embargo, velocidades de balanceo demasiado altas pueden causar daños celulares. Esto es especialmente cierto para las células en suspensión y las líneas celulares más sensibles al esfuerzo cortante.
P: ¿Cuáles son los beneficios de la compensación predictiva de la tasa de transferencia de oxígeno (OTR)?
A: La compensación predictiva de la tasa de transferencia de oxígeno (OTR) es beneficiosa porque garantiza que los niveles de oxígeno disuelto se mantengan lo suficientemente altos como para permitir el crecimiento celular sin restricciones. El principal inconveniente de los biorreactores es que la velocidad de crecimiento celular puede fluctuar considerablemente. Esto significa que los niveles de oxígeno pueden descender a niveles peligrosos si no se suministra una cantidad suficiente de oxígeno. Al medir la masa