Kurs i design av cellulære bioreaktorer tilpasset skjærfølsomhet og celletype
Bioreaktorer med lav skjærbelastning for pattedyr- og stamceller
Pattedyr-stamceller og lignende er følsomme for bioreaktorer med høy hydrodynamisk skjærkraft og aggressiv omrøring. Konsekvensen er en tap på 40 % av celleoverlevelse på grunn av membranbrudd forårsaket av skjærkraftinduserte høye celletettheter. For å unngå tap av overlevelse er svellbare, marine propellerdesign utviklet for å skape aksial strømningsmønstre, ettersom de gir tilfeldig omløpende bevegelse i strømmen. Systemer med segmenterte, perfunderte propeller som er utformet for å erstatte Rushton-propellere brukes ved stamcelleutvidelse for å redusere skjærkraften med 60 %. Under oppskalering er det avgjørende å validere høy skjærkrafttoleranse, og dette bør gjøres med nøyaktig lokalisering av de mest belastede komponentene for å unngå høy skjærkraft og skadelig spenningsfordeling i beholderen.
Mikrobiell ferming
Fordi oksygentransferhastigheten som kreves i kammeret er >150, kreves kraftig turbulent blanding. I motsetning til skjær-følsomme kulturer er bakterie- og gjærkulturer skjær-tolerante. Dråper som genereres av spargere som skaper en høyenergikolonne av vann forbedrer oksygentransferhastigheten med 35 %. Hvis effekttilførselen økes til høyenergikolonnen, vil temperaturen overstige metateoretiske nivåer; derfor bør en tett metabolisk sil av høyenergidråper brukes.
Fiskehalvskive vs. Rushton-turbin
Fiskehalvskiver er nesten laminære og gir skjærhastigheter på under 1 Pa, noe som er ideelt for pattedyr- og stamcellesystemer, mens Rushton-turbiner gir maksimal oksygendløsning i tråd med det høye skjærsystemet for mikroorganismer – i kontrast til lavt skjærsystem.
I hybridapplikasjoner som CAR-T-celleproduksjon gir bladpådrivne rører nær-perfekt blanding (85 % effektivitet) ved skjærnivåer som er akseptable for følsomme suspensjonskulturer. 3 L skala-ned-modeller predikerer ytelsen til bioreaktorer i produksjonsskala, og derfor bidrar transformer-bioreaktorer til prosessutvikling med sikkerhet.
Når du velger en type bioreaktor for en gitt skala og applikasjon, må du ta hensyn til de gjeldende forskriftene:
Samsvarende, skalerbare, roterende-tank-bioreaktorer for produksjon av mAb og vaksiner
Rørreaktorer med omrører (STR-reaktorer) er den foretrukne løsningen for storstilt produksjon av biologika, da de er godt tilpasset reguleringer og har vist seg å være skalerbare. Den modulære designen tillater økning av produksjonskapasiteten samtidig som optimale nivåer for oppløst oksygen, pH og næringsstoffer opprettholdes for produksjon av monoklonale antistoffer (mAb) og vaksiner i henhold til god fremstillingspraksis (GMP). Et ekstra fordelsomt trekk ved STR-reaktorer er de høye cellekonduktivitetene i suspensjonskulturer (mer enn 20 millioner celler/mL), samt den jevne blandingen som oppnås gjennom impellerdrevne prosesser i STR-reaktorer. Den mekaniske kompleksiteten til STR-reaktorer krever at STR-systemer valideres, inkludert folding, hydrogenering, lufting og regulering, for å være i overensstemmelse med FDA- og EMA-reguleringer.
Valg av beste bioreaktoralternativ: Wave-, luftliftings- og fylte-beds-bioreaktorer for spesialiserte kulturer
Wave-, luftliftings- og fylte-beds-bioreaktorer gir spesifikke fordeler i spesialiserte anvendelser:
Bølgeblandingsposer gir en svingende bevegelse for suspensjon med lav skjærbelastning, ideell for utvidelse av frøkultur, selv om det finnes designbegrensninger når det gjelder skalering, som er begrenset til ca. 500 L.
Luftliftnæringstanker er energieffektive for mikrobielle fermentasjoner med høy oksygentransferhastighet (OTR), men det finnes begrensninger ved skalering på grunn av konstruksjonsmessige begrensninger.
Fylte-beds-næringstanker er systemer for ekstremt høye celletettheter, takket være ulike støttede matrikskultursystemer, selv om operative kostnader og prosesseringssvakheter øker på grunn av den komplekse innhøstingen.
Gi prioritet til kritiske prosessparametre fremfor automasjonsfunksjoner
Oppløst oksygen, pH, temperatur og næringsstofferstyring som viktige kriterier ved valg av næringstank
Valg av bioreaktor må prioritere kontroll av kritiske prosessparametere (CPP-er) som oppløst oksygen (DO), pH, temperatur og næringsstofftilførsel fremfor funksjoner som er sofistikert innen automatisering. Å holde DO innen smale fysiologiske grenser støtter aerobe kulturer samt vekst og overlevelse av celler, noe som bidrar til bevaring og unngåelse av deres respektive interesser. For å sikre korrekt konformasjon og nøyaktighet ved apoptose eller metabolisk nedregulering må protease-pH holdes innen gjennomsnittsverdier. Kontrollen av temperatur og kontrollen av pH må holdes strengt innenfor angitte grenser. Kontrollen av næringsstofftilførsel i sanntid må holde seg innenfor grensene for akkumulering av hemmende biprodukter. Automatisering av disse prosessene påvirker ikke operasjonell effektivitet like mye som kontrollen og balansen av de fire CPP-ene. Når den sofistikerte kontrollen er i balanse, ligger driftstapet per batch-hendelse på 500 000–2 millioner dollar (BioPlan Associates 2023). Før man vurderer automatisering, må prioriterede makrosensorer inkludere optiske makrosensorer for oppløst oksygen fremfor deres polarografiske motstykker i fravær av kontroll.
Hva er betydningen av å tilpasse designet av en bioreaktor til cellestype og følsomhet for skjærkrefter?
Å tilpasse designet av en bioreaktor til celletype og følsomhet for skjærkrefter er avgjørende for å optimere vekst og forhindre celledød forårsaket av høy skjærkraft.
Hvordan takler bioreaktorer høye oksygenkrav i mikrobiell fermentasjon?
Bioreaktorer, som for eksempel Rushton-turbiner, øker oksygentransferen til mikrobielle celler ved å bruke en intern sirkulasjonspumpe.
Hva er fordelene og ulempene med hydrofoil-skiver og Rushton-turbiner?
Hydrofoil-skiver gir lavere skjærstrømning, mens Rushton-turbiner gir best oppløsning av oksygen og er derfor egnet for mikrobielle systemer.
Hvorfor er røremaskin-bioreaktorer den bedre løsningen for GMP-konform, skalerbar produksjon?
Fordi de er lett skalerbare, tillater nøyaktig regulering av parametere og er i samsvar med FDA- og EMA-forskrifter.
Hvilke faktorer er mest viktige ved valg av en bioreaktor?
De viktigste faktorene som bør fokuseres på – og som ikke bør automatiseres – er de regulerte parametrene for vedlikehold av bioreaktoren, inkludert, men ikke begrenset til; oppløst oksygen, pH, temperatur og næringsstofftilførsel.