Formations sur la conception de bioréacteurs cellulaires adaptées à la sensibilité au cisaillement et au type de cellules
Bioréacteurs à faible cisaillement pour cellules mammaliennes et cellules souches
Les cellules souches mammaliennes et autres sont sensibles aux bioréacteurs générant un cisaillement hydrodynamique élevé et un mélange agressif. La conséquence est une perte de viabilité cellulaire de 40 % due à la rupture membranaire provoquée par le cisaillement, notamment en présence de concentrations cellulaires élevées. Afin d’éviter cette perte de viabilité, des turbines gonflables issues de la marine sont conçues pour générer des profils d’écoulement axiaux, car elles assurent un mouvement circumférentiel aléatoire du fluide. Les systèmes équipés de turbines segmentées et perfusées, conçues pour remplacer les turbines Rushton, permettent une expansion des cellules souches avec une réduction de 60 % du cisaillement. Lors du passage à l’échelle supérieure, la validation de la tolérance au cisaillement élevé est critique et doit être effectuée en identifiant précisément l’emplacement des composants les plus sollicités afin d’éviter des niveaux élevés de cisaillement et une répartition néfaste des contraintes dans le récipient.
Fermentation microbienne
Comme le débit de transfert d'oxygène requis dans la cuve est supérieur à 150, un brassage turbulent robuste est nécessaire. Contrairement aux cultures sensibles au cisaillement, les cultures bactériennes et levuriennes tolèrent le cisaillement. Les gouttelettes générées par des diffuseurs créant une colonne d'eau à haute énergie améliorent le débit de transfert d'oxygène de 35 %. Si l'apport d'énergie est augmenté dans la colonne à haute énergie, la température dépassera les niveaux métathéoriques ; par conséquent, un tamis métabolique dense composé de gouttelettes à haute énergie doit être utilisé.
Disque en forme de queue de poisson contre turbine Rushton
Les disques en forme de queue de poisson fonctionnent presque en régime laminaire et fournissent des taux de cisaillement inférieurs à 1 Pa, ce qui est idéal pour les systèmes cellulaires mammaliens et les cellules souches, tandis que les turbines Rushton assurent une dissolution maximale de l'oxygène, conformément au système à fort cisaillement destiné aux micro-organismes, ce qui contraste avec le système à faible cisaillement.
Dans les applications hybrides telles que la production de cellules CAR-T, les agitateurs à pales inclinées assurent un mélange quasi parfait (85 % d’efficacité) à des niveaux de cisaillement acceptables pour les cultures en suspension sensibles. Les modèles réduits à l’échelle de 3 L permettent de prédire les performances des bioréacteurs à échelle industrielle ; ainsi, les bioréacteurs Transformer contribuent au développement du procédé avec certitude.
Lors du choix d’un type de bioréacteur pour une échelle et une application données, tenez compte des réglementations applicables :
Bioréacteurs agités conformes, évolutifs et adaptés à la production d’AcM et de vaccins
Les bioréacteurs à cuve agitée (STR) constituent l’option privilégiée pour la fabrication à grande échelle de produits biologiques, car ils s’adaptent bien aux réglementations en vigueur et ont fait la preuve de leur évolutivité. Leur conception modulaire permet d’augmenter l’échelle de production tout en maintenant des niveaux optimaux d’oxygène dissous, de pH et de nutriments pour la production d’anticorps monoclonaux (AcM) et de vaccins conformément aux Bonnes Pratiques de Fabrication (BPF). Un avantage supplémentaire des STR réside dans les densités cellulaires élevées comparables obtenues en culture en suspension (supérieures à 20 millions de cellules/mL), ainsi que dans le brassage uniforme assuré par le procédé à impulsions mécaniques des STR. La nature mécaniquement complexe des STR exige que les systèmes STR soient validés, y compris la pliage, l’aération et la régulation de l’hydrogène, afin de respecter les réglementations de la FDA et de l’EMA.
Choisir la meilleure alternative de bioréacteur : les bioréacteurs à ondes, à air lift et à lit fixe pour des cultures spécialisées
Les bioréacteurs à ondes, à air lift et à lit fixe offrent des avantages spécifiques dans des applications spécialisées :
Les sacs à mélange par ondes procurent un mouvement oscillatoire pour une mise en suspension à faible cisaillement, idéal pour l’expansion des cultures initiales de cellules, bien que des limitations de conception existent, notamment une capacité limitée à environ 500 L.
Les bioréacteurs à boucle d’air sont énergétiquement efficaces pour les fermentations microbiennes à haut taux de transfert d’oxygène (OTR), mais leur montée en échelle est limitée en raison de contraintes liées à la conception.
Les bioréacteurs à lit fixe permettent d’atteindre des densités cellulaires ultra-élevées grâce à divers systèmes de culture sur matrices supportées, bien que les coûts opérationnels et les difficultés de traitement soient accrus en raison de la complexité de la récolte.
Privilégier les paramètres critiques du procédé plutôt que les fonctionnalités d’automatisation
Oxygène dissous, pH, température et contrôle des nutriments comme critères essentiels de sélection des bioréacteurs
La sélection du bioréacteur doit privilégier le contrôle des paramètres critiques du procédé (CPP) tels que l’oxygène dissous (OD), le pH, la température et l’alimentation en nutriments, plutôt que des fonctionnalités hautement automatisées. Le maintien de l’oxygène dissous dans des plages physiologiques étroites favorise les cultures aérobies, ainsi que la croissance et la viabilité des cellules, tout en préservant leurs fonctions respectives et en évitant les effets néfastes associés. Pour garantir la conformation et la fidélité de l’apoptose ou de l’arrêt métabolique, le pH protéolytique doit demeurer dans les plages moyennes. Le contrôle de la température et celui du pH doivent être strictement régulés. Le contrôle en temps réel de l’alimentation en nutriments doit rester compatible avec l’accumulation limitée de sous-produits inhibiteurs. L’automatisation de ces procédés n’affecte pas autant l’efficacité opérationnelle que le contrôle précis et l’équilibre des quatre CPP. Lorsque ce contrôle sophistiqué est correctement équilibré, la perte opérationnelle par incident de lot s’élève à 500 000 $ à 2 M$ (BioPlan Associates, 2023). Avant d’envisager l’automatisation, les macrocapteurs prioritaires doivent inclure des macrocapteurs optiques de l’oxygène dissous, préférablement à leurs homologues polarographiques, en l’absence de système de régulation.
Quelle est l'importance d'adapter la conception d'un bioréacteur au type de cellules et à leur sensibilité au cisaillement ?
Adapter la conception d'un bioréacteur au type de cellules et à leur sensibilité au cisaillement est essentiel pour optimiser la croissance et éviter la mort cellulaire due à un cisaillement élevé.
Comment les bioréacteurs répondent-ils aux fortes demandes en oxygène lors de la fermentation microbienne ?
Les bioréacteurs, tels que les turbines de Rushton, augmentent le transfert d'oxygène vers les cellules microbiennes en utilisant une pompe de recirculation interne.
Quels sont les avantages et les inconvénients des disques hydrofoils et des turbines de Rushton ?
Les disques hydrofoils génèrent un écoulement à faible cisaillement, tandis que les disques des turbines de Rushton favorisent la meilleure dissolution de l'oxygène, ce qui les rend adaptés aux systèmes microbiens.
Pourquoi les bioréacteurs à cuve agitée constituent-ils l'option privilégiée pour une production évolutive conforme aux bonnes pratiques de fabrication (BPF) ?
Parce qu'ils sont facilement évolutifs, permettent un contrôle précis des paramètres et sont conformes aux réglementations de la FDA et de l'EMA.
Quels sont les facteurs les plus importants à prendre en compte lors de la sélection d'un bioréacteur ?
Les principaux facteurs sur lesquels il convient de se concentrer, en excluant l’automatisation, sont les paramètres contrôlés permettant le maintien du bioréacteur, notamment, sans s’y limiter, l’oxygène dissous, le pH, la température et l’alimentation en nutriments.