Cursos sobre projeto de bioreatores celulares adaptados à sensibilidade ao cisalhamento e ao tipo celular
Bioreatores de baixo cisalhamento para células mamíferas e células-tronco
Células-tronco de mamíferos e semelhantes são sensíveis a biorreatores que geram elevada tensão hidrodinâmica de cisalhamento e mistura agressiva. O resultado é uma perda de 40% na viabilidade celular devido à ruptura da membrana causada pelo cisalhamento em altas concentrações celulares. Para evitar essa perda de viabilidade, foram desenvolvidas pás agitadoras expansíveis, de origem marinha, projetadas para gerar padrões de fluxo axial, pois proporcionam um movimento circunferencial aleatório do fluido. Sistemas com pás agitadoras segmentadas e perfundidas, concebidos como substitutos das pás tipo Rushton, são utilizados na expansão de células-tronco, reduzindo o cisalhamento em 60%. Durante a ampliação de escala, a validação da tolerância a altos níveis de cisalhamento é crítica e deve ser realizada com localização precisa dos componentes mais solicitados, a fim de evitar regiões de alto cisalhamento e distribuição prejudicial de tensões no interior do vaso.
Fermentação microbiana
Como a taxa de transferência de oxigênio exigida na câmara é >150, é necessário um intenso misturamento turbulento. Diferentemente de culturas sensíveis ao cisalhamento, culturas bacterianas e de leveduras são tolerantes ao cisalhamento. Gotículas geradas por espargidores que criam uma coluna de água de alta energia aumentam a taxa de transferência de oxigênio em 35%. Se a potência fornecida à coluna de alta energia for aumentada, a temperatura ultrapassará os níveis metateóricos; portanto, deve-se utilizar uma peneira metabólica densa composta por gotículas de alta energia.
Disco em Forma de Cauda de Peixe vs Turbina Rushton
Os discos em forma de cauda de peixe operam quase em regime laminar e proporcionam taxas de cisalhamento inferiores a 1 Pa, o que é ideal para sistemas de células mamíferas e células-tronco, enquanto as turbinas Rushton garantem a máxima dissolução de oxigênio, compatível com o sistema de alto cisalhamento para microrganismos — o que contrasta diretamente com o sistema de baixo cisalhamento.
Em aplicações híbridas, como a produção de células CAR-T, agitadores de lâminas inclinadas proporcionam mistura quase perfeita (85% de eficiência) em níveis de cisalhamento aceitáveis para culturas em suspensão sensíveis. Modelos em escala reduzida de 3 L preveem o desempenho de biorreatores em escala produtiva; portanto, os biorreatores Transformer contribuem para o desenvolvimento do processo com segurança.
Ao escolher um tipo de biorreator para uma determinada escala e aplicação, considere as regulamentações aplicáveis:
Biorreatores agitados, escaláveis e conformes para a produção de anticorpos monoclonais (mAb) e vacinas
Os biorreatores de tanque agitado (STRs) são a opção preferida para a fabricação em larga escala de produtos biológicos, pois estão bem adaptados às regulamentações e comprovadamente escaláveis. Seu design modular permite o aumento da escala de produção, mantendo níveis ótimos de oxigênio dissolvido, pH e nutrientes para a produção de anticorpos monoclonais (mAbs) e vacinas sob as Boas Práticas de Fabricação (GMP). Uma vantagem adicional dos STRs é a obtenção de altas densidades celulares comparáveis em culturas em suspensão (superiores a 20 milhões de células/mL), além da mistura uniforme alcançada pelo processo acionado pelo agitador dos STRs. A natureza mecanicamente complexa dos STRs exige que os sistemas STRs sejam validados, incluindo a aeração por difusão de hidrogênio e sua regulação, para garantir conformidade com as regulamentações da FDA e da EMA.
Escolhendo a Melhor Alternativa de Biorreator: Wave, Airlift e Leito Fixo para Culturas Especializadas
Os biorreatores Wave, Airlift e Leito Fixo oferecem benefícios específicos em aplicações especializadas:
Sacos com mistura por ondas proporcionam um movimento de balanço para suspensão de baixa cisalhamento, ideal para a expansão de cultivos-semente, embora existam limitações de projeto quanto à escalabilidade, que fica restrita a aproximadamente 500 L.
Os biorreatores de elevação a ar são energeticamente eficientes para fermentações microbianas de alta taxa de transferência de oxigênio (OTR), mas apresentam limitações na ampliação de escala devido a restrições de projeto.
Os biorreatores de leito fixo são sistemas capazes de atingir densidades celulares ultraelevadas, graças a diversos sistemas de cultivo em matriz suportada, embora os custos operacionais e as dificuldades de processamento sejam elevados devido à complexidade da etapa de colheita.
Priorizar Parâmetros Críticos do Processo em vez de Recursos de Automação
Oxigênio Dissolvido, pH, Temperatura e Controle de Nutrientes como Critérios Essenciais na Seleção de Biorreatores
A seleção do biorreator deve priorizar o controle de Parâmetros Críticos do Processo (PCPs), como oxigênio dissolvido (OD), pH, temperatura e alimentação de nutrientes, em vez de recursos sofisticados de automação. Manter o OD dentro de estreitas faixas fisiológicas favorece culturas aeróbicas, bem como o crescimento e a viabilidade de células, contribuindo para sua preservação e evitando comprometer seus respectivos interesses. Para garantir a conformação e a fidelidade da apoptose ou da desativação metabólica, o pH proteolítico deve permanecer dentro das médias esperadas. O controle de temperatura e o controle de pH devem ser mantidos sob estrita regulação. O controle em tempo real da nutrição deve permanecer dentro dos limites impostos pelo acúmulo de subprodutos inibitórios. A automação desses processos não prejudica a eficiência operacional tanto quanto o controle e o equilíbrio dos quatro PCPs. Com o controle sofisticado equilibrado, a perda operacional por incidente por lote situa-se entre US$ 500 mil e US$ 2 milhões (BioPlan Associates, 2023). Antes de considerar a automação, os macrosensores prioritários devem incluir macrosensores ópticos de oxigênio dissolvido, em vez de seus equivalentes polarográficos, na ausência de controle.
Qual é a importância de adequar o projeto de um biorreator ao tipo celular e à sensibilidade ao cisalhamento?
Adequar o projeto de um biorreator ao tipo celular e à sensibilidade ao cisalhamento é fundamental para otimizar o crescimento celular e evitar a morte celular causada por altos níveis de cisalhamento.
Como os biorreatores atendem às elevadas demandas de oxigênio na fermentação microbiana?
Biorreatores, como turbinas Rushton, aumentam a transferência de oxigênio para as células microbianas mediante o uso de uma bomba interna de recirculação.
Quais são as vantagens e desvantagens das turbinas de disco hidrofólio e das turbinas Rushton?
Os discos hidrofólio geram menor fluxo de cisalhamento, enquanto os discos de turbina Rushton promovem a melhor dissolução de oxigênio, sendo adequados para sistemas microbianos.
Por que os biorreatores de tanque agitado são a opção preferível para produção escalável e compatível com as boas práticas de fabricação (GMP)?
Porque são facilmente escaláveis, permitem um controle rigoroso dos parâmetros operacionais e estão em conformidade com as regulamentações da FDA e da EMA.
Quais fatores são mais importantes para a seleção de um biorreator?
Os principais fatores que devem ser priorizados, excluindo-se a automação, são os parâmetros controlados para a manutenção do biorreator, incluindo, mas não se limitando a: oxigênio dissolvido, pH, temperatura e alimentação de nutrientes.