Kursy projektowania bioreaktorów komórkowych dostosowane do wrażliwości na naprężenie ścinające i typu komórek
Bioreaktory o niskim naprężeniu ścinającym przeznaczone dla komórek ssakowych i komórek macierzystych
Komórki macierzyste ssaków i podobne komórki są wrażliwe na bioreaktory o wysokim ścinaniu hydrodynamicznym oraz intensywnym mieszaniu. Skutkuje to utratą żywotności komórek w stopniu 40% z powodu pęknięcia błon komórkowych spowodowanego ścinaniem przy wysokich stężeniach komórkowych. Aby uniknąć utraty żywotności, zaprojektowano rozszerzalne, morskie wirniki generujące przepływ osiowy, ponieważ zapewniają one losowy ruch obwodowy strumienia. Systemy z segmentowanymi, perfuzowanymi wirnikami, zaprojektowane jako zamienniki wirników Rushtona, stosowane są do rozbijania komórek macierzystych i pozwalają zmniejszyć ścinanie o 60%. Podczas skalowania w górę kluczowe jest sprawdzenie odporności na wysokie ścinanie, które należy przeprowadzić z uwzględnieniem dokładnego położenia najbardziej obciążonych elementów, aby uniknąć wysokiego ścinania oraz szkodliwego rozkładu naprężeń w zbiorniku.
Fermentacja mikrobiologiczna
Ponieważ wymagana w komorze szybkość przenoszenia tlenu przekracza 150, konieczne jest intensywne mieszanie turbulentne. W przeciwieństwie do kultur wrażliwych na ścinanie, kultury bakteryjne i drożdżowe są odporne na ścinanie. Krople generowane przez rozpraszacze tworzące kolumnę wody o wysokiej energii zwiększają szybkość przenoszenia tlenu o 35%. Jeśli moc doprowadzana do kolumny o wysokiej energii zostanie zwiększona, temperatura przekroczy poziomy metateoretyczne; dlatego należy zastosować gęstą metaboliczną siatkę kropli o wysokiej energii.
Tarcza typu rybi ogon vs turbina Rushtona
Tarcze typu rybi ogon charakteryzują się prawie laminarnym przepływem i zapewniają wartości naprężeń ścinających poniżej 1 Pa, co czyni je idealnym rozwiązaniem dla systemów komórek ssaczych i macierzystych, podczas gdy turbiny Rushtona zapewniają maksymalne rozpuszczanie tlenu, odpowiadając systemowi o wysokim ścinaniu przeznaczonemu dla mikroorganizmów – w sposób sprzeczny z systemem o niskim ścinaniu.
W zastosowaniach hybrydowych, takich jak produkcja komórek CAR-T, mieszadła z łopatkami nachylonymi zapewniają niemal doskonałe mieszanie (85% wydajności) przy poziomach ścinania akceptowalnych dla wrażliwych kultur zawiesinowych. Modele skali 3 L pozwalają przewidywać wydajność bioreaktorów o skali produkcyjnej, dlatego bioreaktory typu transformer wspierają rozwój procesu z gwarancją.
Przy wyborze typu bioreaktora dla danej skali i zastosowania należy wziąć pod uwagę obowiązujące przepisy:
Zgodne, skalowalne, mieszane bioreaktory typu stirred-tank do produkcji przeciwciał monoklonalnych i szczepionek
Bioreaktory z mieszadłem (STR) są preferowaną opcją do produkcji bioproduktów w skali przemysłowej, ponieważ dobrze dostosowano je do obowiązujących przepisów i udowodniono ich skalowalność. Ich modułowa konstrukcja umożliwia zwiększenie skali produkcji przy jednoczesnym utrzymaniu optymalnych poziomów tlenu rozpuszczonego, pH oraz składników odżywczych w procesie produkcji monoklonalnych przeciwciał (mAb) i szczepionek zgodnie z zasadami dobrej praktyki produkcyjnej (GMP). Dodatkową zaletą STR jest osiąganie porównywalnie wysokich gęstości komórkowych w kulturach zawiesinowych (powyżej 20 milionów komórek/ml), a jednolite mieszanie zapewniane przez proces napędzany wirnikiem STR. Ze względu na mechaniczną złożoność STR systemy te wymagają walidacji, w tym sprawdzenia skuteczności wentylacji wodorowej i regulacji parametrów, aby spełniać wymagania organów regulacyjnych FDA i EMA.
Wybór najlepszej alternatywy dla bioreaktora: bioreaktory typu Wave, Airlift oraz z warstwą nieruchomą (Packed-Bed) dla specjalizowanych kultur
Bioreaktory typu Wave, Airlift oraz z warstwą nieruchomą (Packed-Bed) zapewniają konkretne korzyści w zastosowaniach specjalizowanych:
Torby mieszane falowo zapewniają ruch huśtawkowy do niskonapięciowego zawieszenia, co czyni je idealnym rozwiązaniem do rozbudowy kultur inokulacyjnych, choć istnieją ograniczenia projektowe związane z możliwością skalowania, które są ograniczone do ok. 500 L.
Bioreaktory typu airlift są energooszczędne w przypadku fermentacji mikrobiologicznych o wysokim zużyciu tlenu (OTR), jednak przy skalowaniu występują ograniczenia wynikające z ograniczeń konstrukcyjnych.
Bioreaktory z zasypem zapewniają osiąganie ultra-wysokich gęstości komórkowych dzięki różnym systemom hodowli na matrycach nośnych, jednak ze względu na skomplikowany proces zbierania komórek koszty operacyjne oraz trudności technologiczne są wyższe.
Należy nadać pierwszeństwo kluczowym parametrom procesowym zamiast funkcjom automatyzacji
Stężenie rozpuszczonego tlenu, pH, temperatura oraz kontrola składników odżywczych jako podstawowe kryteria doboru bioreaktora
Wybór bioreaktora musi uwzględniać priorytetowe kontrolowanie kluczowych parametrów procesu (CPP), takich jak stężenie tlenu rozpuszczonego (DO), pH, temperatura oraz podawanie składników odżywczych, a nie cechy związane z zaawansowaną automatyzacją. Utrzymanie stężenia tlenu rozpuszczonego (DO) w wąskich granicach fizjologicznych sprzyja kulturą tlenowym, a także wzrostowi i żywotności komórek, co przyczynia się do zachowania ich funkcji oraz unikania niekorzystnych skutków. Aby zapewnić prawidłową konformację i wierność procesu apoptozy lub wyłączenia metabolizmu, pH proteaz musi pozostawać w zakresie średnich wartości. Kontrola temperatury oraz kontrola pH muszą być utrzymywane w ścisłej regulacji. Kontrola składników odżywczych w czasie rzeczywistym musi odbywać się w granicach akumulacji produktów ubocznych o działaniu hamującym. Automatyzacja tych procesów nie wpływa na wydajność operacyjną w tak dużym stopniu, jak kontrola i równowaga czterech kluczowych parametrów procesu (CPP). Przy odpowiednio zbalansowanej, zaawansowanej kontroli koszt utraty operacyjnej przypadającej na pojedynczą partię wynosi od 500 tys. USD do 2 mln USD (BioPlan Associates, 2023). Przed rozważeniem automatyzacji priorytetowe makrosensory powinny obejmować optyczne makrosensory tlenu rozpuszczonego zamiast ich odpowiedników polargraficznych, zwłaszcza w sytuacji braku kontroli.
Jakie jest znaczenie dopasowania konstrukcji bioreaktora do typu komórek i ich wrażliwości na siły ścinające?
Dopasowanie konstrukcji bioreaktora do typu komórek oraz ich wrażliwości na siły ścinające jest kluczowe dla optymalizacji wzrostu i zapobiegania śmierci komórek spowodowanej wysokimi siłami ścinającymi.
W jaki sposób bioreaktory spełniają wysokie zapotrzebowanie na tlen w fermentacji mikrobiologicznej?
Bioreaktory, takie jak turbiny Rushtona, zwiększają przenoszenie tlenu do komórek mikrobiologicznych poprzez wykorzystanie wewnętrznego pompowania cyrkulacyjnego.
Jakie są zalety i wady dysków hydrofili i turbin Rushtona?
Dyski hydrofili generują mniejsze przepływy ścinające, natomiast dyski turbin Rushtona zapewniają najlepsze rozpuszczanie tlenu, co czyni je odpowiednimi dla systemów mikrobiologicznych.
Dlaczego bioreaktory z mieszadłem są lepszym wyborem do skalowalnej produkcji zgodnej z wymaganiami GMP?
Ponieważ są łatwo skalowalne, umożliwiają ścisłą kontrolę parametrów oraz są zgodne z przepisami FDA i EMA.
Które czynniki są najważniejsze przy doborze bioreaktora?
Głównymi czynnikami, na których należy się skupić z wyłączeniem automatyzacji, są parametry kontrolowane w celu utrzymania bioreaktora, w tym – ale nie tylko – stężenie tlenu rozpuszczonego, pH, temperatura oraz podawanie składników odżywczych.