Cursuri de proiectare a bioreactorilor cellulari adaptate sensibilității la forța de forfecare și tipului de celule
Bioreactoare cu forță de forfecare redusă pentru celule mamiferice și celule stem
Celulele stem mamiferiene și cele asemănătoare sunt sensibile la bioreactoarele care generează o forță hidrodinamică de forfecare ridicată și o amestecare intensă. Ca urmare, se înregistrează o pierdere de 40 % a viabilității celulare datorită rupturii membranei cauzate de concentrațiile ridicate de celule induse de forfecare. Pentru a evita această pierdere de viabilitate, paletele marine umflabile sunt concepute pentru a genera modele de curgere axială, deoarece asigură o mișcare circumferențială aleatorie a fluxului. Sistemele echipate cu palete segmentate și perfuzate, concepute pentru a înlocui paletele Rushton, sunt utilizate în expansiunea celulelor stem, obținându-se o reducere cu 60 % a forței de forfecare. În timpul scalării în sus, validarea toleranței la forfecare ridicată este esențială și trebuie efectuată cu precizie în locația componentelor supuse celor mai mari solicitări, pentru a evita forțele de forfecare ridicate și distribuția stresului dăunător în vas.
Fermentare microbială
Deoarece rata de transfer a oxigenului necesară în cameră este >150, este necesară o amestecare turbulentă puternică. Spre deosebire de culturile sensibile la forța de forfecare, culturile bacteriene și de drojdie sunt tolerate la forța de forfecare. Picăturile generate de dispozitivele de spargere care creează o coloană energetică ridicată de apă îmbunătățesc rata de transfer a oxigenului cu 35%. Dacă puterea introdusă în coloana energetică ridicată este crescută, temperatura va depăși nivelurile metateoretice; prin urmare, trebuie utilizat un filtru metabolic dens format din picături de energie ridicată.
Disc cu formă de coadă de pește vs turbină Rushton
Discurile cu formă de coadă de pește sunt aproape laminare și asigură rate de forfecare sub 1 Pa, ceea ce este ideal pentru sistemele de celule mamiferice și celule stem, în timp ce turbinele Rushton asigură o dizolvare maximă a oxigenului, fiind compatibile cu sistemele de înaltă forfecare destinate microorganismelor, în contradicție cu sistemul de joasă forfecare.
În aplicațiile hibride, cum ar fi producția de celule CAR-T, agitatoarele cu palete înclinate asigură o amestecare aproape perfectă (85% eficiență) la niveluri de forță de forfecare acceptabile pentru culturile în suspensie sensibile. Modelele la scară redusă de 3 L previzionează performanța bioreactorilor la scară industrială; prin urmare, bioreactorii cu transformare contribuie la dezvoltarea procesului cu certitudine.
La alegerea tipului de bioreactor pentru o anumită scară și aplicație, luați în considerare reglementările aplicabile:
Bioreactoare agitate, scalabile și conforme pentru producția de anticorpi monoclonali (mAb) și vaccinuri
Bioreactorii cu amestecare în vas agitat (STR) sunt opțiunea preferată pentru producția la scară largă a biologicelor, fiind bine adaptați reglementărilor și dovediți ca fiind scalabili. Designul lor modular permite mărirea scării de producție, menținând în același timp niveluri optime de oxigen dizolvat, pH și nutrienți pentru producția de anticorpi monoclonali (mAb) și vaccinuri în conformitate cu Bunelor Practici de Fabricație (GMP). Un avantaj suplimentar al STR-urilor este obținerea unor densități celulare ridicate comparabile în culturile în suspensie (mai mari de 20 de milioane de celule/mL), iar amestecarea uniformă realizată prin procesul impulsat de elicea STR-urilor. Caracterul mecanic complex al STR-urilor necesită validarea sistemelor STR, inclusiv a aerației cu hidrogen și a reglării acesteia, pentru a respecta reglementările FDA și EMA.
Alegerea celei mai potrivite alternative de bioreactor: bioreactorul cu undă, bioreactorul cu ridicare aeriană și bioreactorul cu pat împachetat pentru culturi specializate
Bioreactorii cu undă, cu ridicare aeriană și cu pat împachetat oferă beneficii specifice în aplicații specializate:
Pungile cu amestecare prin unde oferă o mișcare de balansare pentru suspendarea cu forță de forfecare scăzută, ideală pentru extinderea culturii inițiale de celule, deși există limitări de proiectare legate de scalabilitate, care este limitată la aproximativ 500 L.
Bioractorii cu lift aerian sunt eficienți din punct de vedere energetic pentru fermentațiile microbiene cu o rată înaltă de transfer de oxigen (OTR), dar există limitări la scară mare datorită constrângerilor de proiectare.
Bioractorii cu pat fix sunt sisteme capabile să susțină densități ultra-înalte de celule, datorită diverselor sisteme de cultivare pe matrice suport, deși costurile operaționale și dificultățile de procesare sunt ridicate din cauza recoltării complexe.
Dați prioritate parametrilor critici ai procesului în locul caracteristicilor de automatizare
Oxigenul dizolvat, pH-ul, temperatura și controlul nutrienților ca criterii esențiale de selecție a bioractorilor
Selectarea bioreactorului trebuie să acorde prioritate controlului Parametrilor Critici de Proces (CPP) – cum ar fi oxigenul dizolvat (DO), pH-ul, temperatura și alimentarea cu nutrienți – în detrimentul caracteristicilor care sunt sofisticate din punct de vedere al automatizării. Menținerea DO în limite fiziologice strânse sprijină culturile aerobe, precum și creșterea și viabilitatea celulelor, contribuind la conservarea acestora și evitarea pierderii intereselor specifice. Pentru a asigura conformația și fidelitatea apoptozei sau a oprierii metabolice, pH-ul proteazelor trebuie să rămână în limitele medii. Controlul temperaturii și controlul pH-ului trebuie să fie menținute într-un mod riguros. Controlul în timp real al nutrienților trebuie să rămână în limitele acumulării produselor secundare inhibitorii. Automatizarea acestor procese nu afectează eficiența operațională în aceeași măsură ca și controlul și echilibrul celor patru CPP. În condițiile unui control sofisticat și echilibrat, pierderea operațională pe lot este estimată la 500.000–2 milioane USD (BioPlan Associates, 2023). Înainte de a lua în considerare automatizarea, senzorii macro trebuie să includă, în primul rând, senzori macro optici pentru oxigenul dizolvat, în locul celor polarografici, în absența unui sistem de control.
Care este importanța potrivirii designului unui bioreactor cu tipul de celule și sensibilitatea acestora la forțele de forfecare?
Potrivirea designului unui bioreactor cu tipul de celule și sensibilitatea acestora la forțele de forfecare este esențială pentru optimizarea creșterii și pentru prevenirea morții celulelor datorită forțelor de forfecare ridicate.
Cum abordează bioreactoarele necesarul ridicat de oxigen în fermentația microbiană?
Bioreactoarele, cum ar fi turbinele Rushton, măresc transferul de oxigen către celulele microbiene prin utilizarea unei pompe interne de recirculare.
Care sunt avantajele și dezavantajele turbinelor cu disc hidrofoil și ale turbinelor Rushton?
Discurile hidrofoil generează un flux cu forțe de forfecare mai reduse, iar discurile turbinelor Rushton asigură cea mai bună dizolvare a oxigenului, fiind potrivite pentru sistemele microbiene.
De ce sunt bioreactoarele cu vas agitat opțiunea mai bună pentru producția scalabilă și conformă cu normele GMP?
Pentru că sunt ușor de scalat, permit o controlare riguroasă a parametrilor și sunt conforme cu reglementările FDA și EMA.
Care sunt factorii cei mai importanți pentru selecția unui bioreactor?
Principalele factori care trebuie să fie în centrul atenției, excluzând automatizarea, sunt parametrii controlați pentru menținerea bioreactorului, inclusiv, dar fără a se limita la: oxigenul dizolvat, pH-ul, temperatura și alimentarea cu nutrienți.