Ląstelinio bioreaktoriaus konstravimo kursai, pritaikyti šiurkštumui jautriems ląstelių tipams ir konkrečiam ląstelių tipui
Žemo šiurkštumo bioreaktoriai žinduolių ir kamieninių ląstelių auginimui
Žinduolių kamieninės ląstelės ir panašios ląstelės yra jautrios bioreaktoriams, kuriuose vyrauja didelis hidrodinaminis šlytis ir intensyvus maišymas. Dėl to ląstelių gyvybingumas sumažėja 40 % dėl membranos plyšimo, kurį sukelia šlyčio sukeltos aukštos ląstelių koncentracijos. Norint išvengti gyvybingumo praradimo, sukurti pūslėjantys jūrų maišytuvai, kurie sukuria ašinį srauto modelį, nes jie užtikrina srauto atsitiktinį apskritiminį judėjimą. Sistemos su segmentuotais, perpumpuojamais maišytuvais, kurie skirti pakeisti Rushtono maišytuvus, naudojamos kamieninių ląstelių dauginimui ir leidžia sumažinti šlytį 60 %. Mastelio didinimo metu ypač svarbu patikrinti aukšto šlyčio atsparumą, o tai turi būti atlikta tiksliai nustatant labiausiai apkrautų komponentų vietą, kad būtų išvengta didelio šlyčio ir žalingo įtempimo pasiskirstymo indėlyje.
Mikroorganizmų fermentacija
Kadangi kamerose reikalingas deguonies pernašos našumas yra >150, reikia stipraus turbulentinio maišymo. Skirtingai nuo šiurkščiai jautrių kultūrų, bakterijų ir mielių kultūros yra šiurkščiai atsparios. Išsklaidytuvų sukurta aukštos energijos vandens stulpelio lašai padidina deguonies pernašos našumą 35 %. Jei į aukštos energijos stulpelį padidinsite energijos įvestį, temperatūra viršys metateorines ribas; todėl reikėtų naudoti tankų aukštos energijos lašų metabolinį sietą.
Žuvies uodegos diskas prieš Rushtono turbina
Žuvies uodegos diskai beveik laminariniai ir sukuria šiurkščiųjų jėgų lygius mažesnius nei 1 Pa, kas yra idealu žinduolių ir kamieninių ląstelių sistemoms, tuo tarpu Rushtono turbinos užtikrina maksimalų deguonies ištirpimą, tačiau dėl didelės šiurkščiųjų jėgų sistemos jos prieštarauja mažos šiurkščiųjų jėgų sistemai.
Hibridinėse programose, pvz., CAR-T ląstelių gamyboje, nuošlaitinės mentės maišytuvai užtikrina beveik tobulą maišymą (85 % efektyvumo) su pjovimo jėgomis, kurios yra priimtinos jautrioms pakabos kultūroms. 3 L mastelio sumažinti modeliai numato pramoninio mastelio bioreaktorių veikimą, todėl transformuojantys bioreaktoriai tikrumu prisideda prie proceso plėtojimo.
Pasirinkdami bioreaktoriaus tipą tam tikram masteliui ir taikymui, atsižvelkite į taikomus reikalavimus:
Atitinkantys reikalavimus, mastelio keitimo galintys, maišomieji talpykliniai bioreaktoriai monokloninių antikūnų ir vakcinų gamybai
Maišymo rezervuarų bioreaktoriai (STR) yra pageidaujama parinktis didelio masto biologinių produktų gamybai, nes jie gerai pritaikyti reguliavimams ir įrodyta jų galimybė mastuoti. Jų modulinė konstrukcija leidžia padidinti gamybą, išlaikant optimalius tirpinto deguonies, pH ir maistinių medžiagų lygius monokloninių antikūnų (mAb) ir vakcinų gamybai pagal Gerųjų gamybos praktikos (GMP) reikalavimus. Papildomas STR privalumas – palyginamai aukštos ląstelių tankio vertės suspensinėse kultūrose (daugiau kaip 20 milijonų ląstelių/mL), o vienodas maišymas pasiekiamas dėl STR maišytuvo varomos technologijos. Dėl STR mechaninės sudėtingumo STR sistemos turi būti patvirtintos, įskaitant vandenilio pernašos aeraciją ir reguliavimą, kad būtų laikomasi JAV Maisto ir vaistų administracijos (FDA) bei Europos vaistų agentūros (EMA) reikalavimų.
Pasirinkimas geriausio bioreaktoriaus alternatyva: bangos, oro pakėlimo ir užpildytųjų lovos bioreaktoriai specializuotoms kultūroms
Bangos, oro pakėlimo ir užpildytųjų lovos bioreaktoriai suteikia specifinių privalumų specializuotose taikymo srityse:
Bangomis maišomos krepšinės suteikia svyravimo judėjimą mažam sukimo jėgos pakabos veiksmui, todėl jos yra puikus pasirinkimas sėklų linijų plėtrai, nors dėl konstrukcinių apribojimų mastelio didinimas yra ribotas iki ~500 l.
Oro pakėlimo bioreaktoriai yra energijos naudingi aukšto deguonies perdavimo (OTR) mikrobinėms fermentacijoms, tačiau dėl konstrukcinių apribojimų jų mastelio didinimas yra ribotas.
Užpildytųjų lovos bioreaktorių sistemos leidžia pasiekti ultraaukštą ląstelių tankį dėl įvairių palaikančių matricų kultūrų sistemų, tačiau dėl sudėtingo ląstelių surinkimo, didesnių eksploatacijos sąnaudų ir perdirbimo sunkumų operacinės sąnaudos padidėja.
Pirmenybę teikti kritiniams technologiniams parametrams, o ne automatizavimo funkcijoms
Ištirpusio deguonies, pH, temperatūros ir maistinių medžiagų kontrolė kaip būtini bioreaktorių parinkimo kriterijai
Bioreaktorių pasirinkimas turi būti orientuotas į kritinių technologijos parametrų (KTP) – tokių kaip ištirpusio deguonies (ID) kiekis, pH, temperatūra ir maistinių medžiagų padavimas – kontrolę, o ne į sudėtingas automatizacijos funkcijas. Ištirpusio deguonies kiekio palaikymas siaurose fiziologinėse ribose palankus aerobinėms kultūroms, taip pat žmonių augimui ir gyvybingumui, jų interesų išsaugojimui ir apsaugai nuo jų pažeidimo. Norint užtikrinti apoptozės ar metabolinio sustabdymo struktūrą ir tikslumą, proteazių aktyvumo pH turi likti vidutiniame diapazone. Temperatūros ir pH kontrolė turi būti griežtai palaikoma. Tikrojo laiko maistinių medžiagų kontrolė turi būti ribojama inhibuojančių šalutinių produktų kaupimosi ribų. Šių procesų automatizacija operacinį efektyvumą suvaržo mažiau nei keturių KTP kontrolė ir balansavimas. Esant subtiliai subalansuotai kontrolei, kiekvieno ciklo eksploatacinės nuostolios kaina siekia 500 tūkst. JAV dolerių–2 mln. JAV dolerių (BioPlan Associates, 2023 m.). Prieš pradedant nagrinėti automatizaciją, pirmenybė turi būti teikiama optinėms ištirpusio deguonies makrosensorėms, o ne poliografinėms jų atitikmenims, jei nėra kontrolės.
Kokia yra bioreaktoriaus konstrukcijos pritaikymo prie ląstelių tipo ir jų jautrumo šlyčiai reikšmė?
Bioreaktoriaus konstrukcijos pritaikymas prie ląstelių tipo ir jų jautrumo šlyčiai yra esminis norint optimizuoti ląstelių augimą ir užkirsti kelią jų žūčiai dėl didelės šlyties.
Kaip bioreaktoriai tenkina aukštą deguonies poreikį mikrobinėje fermentacijoje?
Bioreaktoriai, pvz., Ruschto turbinkės, padidina deguonies pernašą į mikrobines ląsteles naudodami vidinį cirkuliacijos siurblį.
Kokie yra hidrofoleinio disko ir Ruschto turbinkės privalumai ir trūkumai?
Hidrofoleiniai diskai sukuria mažesnį šlyties srautą, o Ruschto turbinkės skatina geriausią deguonies ištirpimą, todėl jos yra tinkamos mikrobinėms sistemoms.
Kodėl maišomieji rezervuariniai bioreaktoriai yra geresnis pasirinkimas GMP atitinkančiai ir mastojamai gamybai?
Kadangi jie lengvai mastojami, leidžia tiksliai kontroliuoti parametrus ir atitinka JAV Maisto ir vaistų administracijos (FDA) bei Europos vaistų agentūros (EMA) reikalavimus.
Kokie veiksniai yra svarbiausi renkantis bioreaktorių?
Pagrindiniai veiksniai, kuriems reikėtų sutelkti dėmesį, atmetus automatizaciją, yra valdomieji parametrai, kurie naudojami bioreaktoriaus priežiūrai, įskaitant, bet neapsiribojant šiais: ištirpusio deguonies kiekis, pH, temperatūra ir maistinių medžiagų padavimas.