Šūnu bioreaktoru konstruēšanas kursi, pielāgoti šķērssprieguma jutībai un šūnu tipam
Zema šķērssprieguma bioreaktori dzīvnieku un stembrūnu šūnām
Zīdītāju stamšūnas un līdzīgas šūnas ir jutīgas pret bioreaktoriem, kuros ir augsts hidrodinamiskais šķērsspriegums un intensīva maisīšana. Seka ir 40 % šūnu dzīvotspējas zudums, kas izraisa membrānu plīsumu augstās šūnu koncentrācijas dēļ, ko izraisa šķērsspriegums. Lai novērstu dzīvotspējas zudumu, izplešamie jūras maisītāji ir izstrādāti tā, lai radītu ass virziena plūsmas raksturu, jo tie nodrošina plūsmas nejaušu apriņķojošu kustību. Sistēmas ar segmentētiem, caurplūdošiem maisītājiem, kas izstrādāti kā Rushtona maisītāju aizvietojums, tiek izmantotas stamšūnu paplašināšanai, lai samazinātu šķērsspriegumu par 60 %. Mēroga palielināšanas laikā augsta šķērssprieguma izturības validācija ir būtiska, un to veic, precīzi nosakot visvairāk slodzes pakļauto komponentu atrašanās vietu, lai izvairītos no augsta šķērssprieguma un kaitīgas sprieguma sadalīšanās reaktorā.
Mikroorganismu fermentācija
Tā kā kameras nepieciešamais skābekļa pārnesešanas ātrums ir >150, nepieciešama intensīva turbulentā maisīšana. Atšķirībā no šķērsgriezumam jutīgām kultūrām, baktēriju un rauga kultūras ir izturīgas pret šķērsgriezumu. Spargieriem radītās lāses, kas veido augstas enerģijas ūdens kolonnu, uzlabo skābekļa pārnesešanas ātrumu par 35 %. Ja ievadītā jauda augstas enerģijas kolonnai tiek palielināta, temperatūra pārsniegs metateorētiskos līmeņus; tāpēc jāizmanto blīvs metabolisks sietiņš ar augstas enerģijas lāsēm.
Zivs astes disks pret Rastona turbīnu
Zivs astes diski gandrīz nodrošina lamināru plūsmu un rada šķērsgriezuma ātrumus mazākus par 1 Pa, kas ir ideāli piemērots zīdītāju un stumbra šūnu sistēmām, kamēr Rastona turbīnas nodrošina maksimālu skābekļa šķīšanu, saglabājot augstas šķērsgriezuma sistēmu mikroorganismiem, kas pretrunā zemas šķērsgriezuma sistēmai.
Hibrīdlietojumos, piemēram, CAR-T šūnu ražošanā, slīpi novietotie maisītāji nodrošina gandrīz ideālu maisīšanu (85 % efektivitāte) ar šķērsvirziena spriegumiem, kas ir pieļaujami jutīgām suspensiju kultūrām. 3 L mēroga samazinājuma modeļi paredz rūpnieciskā mēroga bioreaktoru veiktspēju, tādēļ transformējošie bioreaktori veicina procesa izstrādi ar noteiktību.
Izvēloties bioreaktora tipu konkrētam mērogam un lietojumam, ņemiet vērā piemērojamās regulas:
Atbilstoši, mērogojami, maisītiem tvertnes tipa bioreaktori monoklonālo antivielu un vakcīnu ražošanai
Maisītāja tipa bioreaktori (STR) ir vēlamākais risinājums liela mēroga bioloģisko preparātu ražošanai, jo tie ir labi pielāgoti regulatīvajām prasībām un pierādījuši savu mērogojamību. To modulārā konstrukcija ļauj palielināt ražošanas apjomu, vienlaikus saglabājot optimālus līmeņus šķīdinātajam skābeklim, pH un barības vielām monoklonālo antivielu (mAb) un vakcīnu ražošanai saskaņā ar Labas ražošanas prakses (GMP) principiem. Papildu priekšrocība STR ir salīdzināmi augstās šūnu blīvuma vērtības suspensijas kultūrās (vairāk nekā 20 miljoni šūnu/mL), kā arī vienmērīgā maisīšana, ko nodrošina STR impelera darbība. STR mehāniski sarežģītā uzbūve prasa, lai STR sistēmas tiktu validētas, tostarp ūdeņraža aerasijas un regulācijas procesi, lai atbilstu ASV Pārtikas un zāļu uzraudzības dienesta (FDA) un Eiropas Zāļu aģentūras (EMA) prasībām.
Labākā bioreaktora alternatīvas izvēle: viļņu, gaisa pacelšanas un iepakotā slāņa bioreaktori specializētām kultūrām
Viļņu, gaisa pacelšanas un iepakotā slāņa bioreaktori sniedz specifiskas priekšrocības specializētās lietojumprogrammās:
Viļņu maisīšanas maisiņi nodrošina svārstību kustību zemās šķērsspēka suspensijai, kas ir ideāli piemērots sēklu kultūru paplašināšanai, tomēr pastāv konstrukcijas ierobežojumi, un mērogošana ir ierobežota līdz aptuveni 500 L.
Gaisa pacelšanas bioreaktori ir enerģijas efektīvi augstas OTR mikrobioloģiskām fermentācijām, taču mērogošanas ierobežojumi pastāv dēļ konstrukcijas ierobežojumiem.
Iepakotās gultnes bioreaktori ir sistēmas ārkārtīgi augstām šūnu blīvumam, jo tie izmanto dažādas atbalsta matricas kultivēšanas sistēmas, tomēr dēļ sarežģītās izgūšanas ekspluatācijas izmaksas un apstrādes grūtības ir paaugstinātas.
Prioritāte jāpiešķir kritiskajiem procesa parametriem, nevis automatizācijas funkcijām
Šķīdušā skābekļa, pH, temperatūras un barības vielu kontrole kā būtiski bioreaktoru izvēles kritēriji
Bioreaktoru izvēlei jābūt veltītai kritisko procesa parametru (CPP) kontrolei, piemēram, šķīdušā skābekļa (DO) līmenim, pH, temperatūrai un barības vielu piegādei, nevis funkcijām, kas ir sarežģītas automatizācijas ziņā. Šķīdušā skābekļa uzturēšana cieši fizioloģiskajos robežas apstākļos veicina aerobās kultūras, kā arī cilvēku augšanu un dzīvotspēju, saglabājot un novēršot attiecīgos intereses. Lai nodrošinātu apoptozes vai metaboliskās apturēšanas konformāciju un precizitāti, proteāzu pH jāuztur vidējās vērtībās. Temperatūras un pH kontrolei jāpaliek stingri kontrolētām. Reāllaika barības vielu kontrolei jāpaliek ietvaros, kurus nosaka kaitīgo blakusproduktu uzkrāšanās inhibīcija. Šo procesu automatizācija operacionālo efektivitāti neapgrūtina tik daudz, cik četru CPP kontrole un līdzsvars. Kad sarežģītā kontrole ir līdzsvarā, katras partijas incidenta dēļ radušās ekspluatācijas zaudējumi ir 500 000–2 000 000 USD (BioPlan Associates, 2023). Pirms pārejas uz automatizāciju prioritārie makrosensori jāizvēlas optiskie šķīdušā skābekļa makrosensori, nevis to polarogrāfiskie analogi, ja nav nodrošināta kontrole.
Kāda ir bioreaktora konstrukcijas pielāgošanas šūnu tipam un šūnu jutībai pret šķērsvirziena spriegumiem nozīme?
Bioreaktora konstrukcijas pielāgošana šūnu tipam un šūnu jutībai pret šķērsvirziena spriegumiem ir būtiska, lai optimizētu šūnu augšanu un novērstu šūnu nāvi, ko izraisa augsti šķērsvirziena spriegumi.
Kā bioreaktori risina augstās skābekļa vajadzības mikrobiālās fermentācijas procesā?
Bioreaktori, piemēram, Rushtona turbīnas, palielina skābekļa pārnešanu uz mikrobiālajām šūnām, izmantojot iekšējo atkārtotas cirkulācijas sūkni.
Kādas ir hidrospārnu disku un Rushtona turbīnu priekšrocības un trūkumi?
Hidrospārnu diskus nodrošina mazāku šķērsvirziena spriegumu plūsmu, bet Rushtona turbīnu diskus veicina vislabāko skābekļa šķīšanu, kas ir piemērots mikrobiālajām sistēmām.
Kāpēc maisītāja tipa bioreaktori ir labāka izvēle GMP atbilstošai un mērogojamai ražošanai?
Tāpēc, ka tie ir viegli mērogojami, ļauj stingri kontrolēt parametrus un atbilst FDA un EMA noteikumiem.
Kuri faktori ir svarīgākie bioreaktora izvēlei?
Galvenie faktori, uz kuriem vajadzētu koncentrēties, izslēdzot automatizāciju, ir kontrolējamie parametri bioreaktora uzturēšanai, tostarp, bet ne tikai: šķīdušais skābeklis, pH, temperatūra un barības vielu piegāde.