Курсы по проектированию клеточных биореакторов, адаптированные с учётом чувствительности к сдвиговым нагрузкам и типа клеток
Биореакторы с низкими сдвиговыми нагрузками для млекопитающих и стволовых клеток
Стволовые клетки млекопитающих и подобные им клетки чувствительны к биореакторам с высоким гидродинамическим сдвигом и интенсивным перемешиванием. В результате наблюдается снижение жизнеспособности клеток на 40 % из-за разрыва мембраны при высоких концентрациях клеток, вызванном сдвиговыми нагрузками. Чтобы избежать потери жизнеспособности, разработаны набухающие морские импеллеры, создающие осевые потоковые структуры, поскольку они обеспечивают хаотичное окружное движение потока. Системы с сегментированными перфузируемыми импеллерами, предназначенными для замены импеллеров Раштона, применяются при расширении популяции стволовых клеток и позволяют снизить сдвиговые нагрузки на 60 %. При масштабировании вверх критически важной является валидация устойчивости к высоким сдвиговым нагрузкам, которая должна проводиться с точным определением расположения наиболее нагруженных компонентов, чтобы избежать высоких сдвиговых нагрузок и вредного распределения механических напряжений в реакторе.
Микробиологическое брожение
Поскольку требуемая в камере скорость переноса кислорода превышает 150, необходима интенсивная турбулентная перемешивающая циркуляция. В отличие от культур, чувствительных к сдвиговым напряжениям, бактериальные и дрожжевые культуры устойчивы к сдвиговым нагрузкам. Капли, образующиеся при продувке через спаргеры и создающие высоконапорный водяной столб, повышают скорость переноса кислорода на 35 %. При увеличении подводимой мощности к высоконапорному столбу температура превысит метатеоретические значения; поэтому следует использовать плотную метаболическую решётку из капель высокой энергии.
Дисковый элемент «рыбий хвост» против турбины Раштона
Дисковые элементы «рыбий хвост» обеспечивают почти ламинарный режим течения и создают сдвиговые напряжения менее 1 Па, что идеально подходит для культур млекопитающих и стволовых клеток, тогда как турбины Раштона обеспечивают максимальное растворение кислорода, сохраняя при этом высокий уровень сдвиговых напряжений, характерный для систем выращивания микроорганизмов, — что противоречит принципам низкосдвиговых систем.
В гибридных применениях, таких как производство CAR-T-клеток, лопастные мешалки с наклонными лопастями обеспечивают почти идеальное перемешивание (эффективность 85 %) при уровнях сдвига, допустимых для чувствительных суспензионных культур. Модели масштабирования вниз объёмом 3 л позволяют прогнозировать характеристики биореакторов промышленного масштаба; таким образом, биореакторы типа «transformers» способствуют разработке процесса с высокой степенью достоверности.
При выборе типа биореактора для заданного масштаба и конкретного применения следует учитывать применимые нормативные требования:
Соответствующие требованиям, масштабируемые, перемешиваемые биореакторы типа «стационарный резервуар» для производства моноклональных антител и вакцин
Биореакторы с перемешиванием (STR) являются предпочтительным вариантом для крупномасштабного производства биологических препаратов, поскольку они хорошо соответствуют требованиям нормативных актов и зарекомендовали себя как масштабируемые решения. Их модульная конструкция позволяет наращивать объёмы производства при поддержании оптимальных уровней растворённого кислорода, pH и питательных веществ для получения моноклональных антител (mAb) и вакцин в соответствии с принципами надлежащей производственной практики (GMP). Дополнительным преимуществом STR является достижение высокой плотности клеток в суспензионных культурах (более 20 миллионов клеток/мл), а также однородное перемешивание, обеспечиваемое импеллерным процессом STR. Механическая сложность STR требует валидации систем STR, включая регулирование подачи воздуха и контроль уровня водородного показателя (pH), с целью соблюдения требований FDA и EMA.
Выбор наилучшей альтернативы биореактору: волновой, воздушно-подъёмный и насадочный биореакторы для специализированных культур
Волновые, воздушно-подъёмные и насадочные биореакторы обеспечивают конкретные преимущества в специализированных применениях:
Мешалки волнового типа обеспечивают колебательное движение для суспензий с низким сдвиговым воздействием, что идеально подходит для расширения посевной культуры, однако существуют конструкционные ограничения, связанные с масштабируемостью, которая ограничена примерно 500 л.
Биореакторы с воздушным подъёмом энергоэффективны для микробных ферментаций с высокой интенсивностью массопередачи кислорода (OTR), однако при масштабировании возникают ограничения из-за конструкционных особенностей.
Полые биореакторы с загрузкой обеспечивают получение сверхвысоких плотностей клеток благодаря различным системам культивирования на поддерживающих матрицах, однако из-за сложности сбора биомассы эксплуатационные затраты и технологические трудности возрастают.
Отдавайте приоритет критическим параметрам процесса вместо функций автоматизации
Растворённый кислород, рН, температура и контроль питательных веществ — ключевые критерии при выборе биореактора
Выбор биореактора должен быть направлен в первую очередь на контроль критических параметров процесса (CPP), таких как растворённый кислород (DO), pH, температура и подача питательных веществ, а не на наличие сложных функций автоматизации. Поддержание уровня DO в узких физиологических пределах способствует росту аэробных культур, а также росту и жизнеспособности клеток, обеспечивая их сохранность и предотвращая нежелательные изменения. Для обеспечения правильной конформации и точности апоптоза или метаболического выключения уровень pH протеазы должен оставаться в пределах средних значений. Контроль температуры и контроль pH должны осуществляться с высокой точностью. Управление подачей питательных веществ в режиме реального времени должно учитывать пределы накопления ингибирующих побочных продуктов. Автоматизация этих процессов снижает операционную эффективность в меньшей степени, чем неконтролируемость и дисбаланс четырёх критических параметров процесса. При соблюдении сбалансированного и точного контроля потери от одного технологического цикла составляют от 500 тыс. до 2 млн долларов США (BioPlan Associates, 2023). Перед рассмотрением вопроса об автоматизации приоритетными макросенсорами должны стать оптические макросенсоры растворённого кислорода вместо полярографических, особенно в условиях отсутствия активного контроля.
Какова важность согласования конструкции биореактора с типом клеток и их чувствительностью к сдвиговым напряжениям?
Согласование конструкции биореактора с типом клеток и их чувствительностью к сдвиговым напряжениям имеет решающее значение для оптимизации роста клеток и предотвращения их гибели из-за высоких сдвиговых нагрузок.
Каким образом биореакторы решают проблему высокой потребности в кислороде при микробной ферментации?
Биореакторы, такие как турбины Раштона, повышают перенос кислорода к микробным клеткам за счёт использования внутреннего насоса рециркуляции.
Каковы преимущества и недостатки дисковых гидрофольных мешалок и турбин Раштона?
Дисковые гидрофольные мешалки создают меньший сдвиговый поток, тогда как дисковые турбины Раштона обеспечивают наилучшее растворение кислорода и подходят для микробных систем.
Почему перемешиваемые биореакторы являются предпочтительным вариантом для производства, соответствующего требованиям GMP и масштабируемого?
Поскольку они легко масштабируются, позволяют точно контролировать параметры и соответствуют нормативным требованиям FDA и EMA.
Какие факторы являются наиболее важными при выборе биореактора?
Основные факторы, на которых следует сосредоточиться, исключив автоматизацию, — это контролируемые параметры поддержания работы биореактора, включая, но не ограничиваясь следующими: растворённый кислород, pH, температура и подача питательных веществ.