Tečaji o oblikovanju bioreaktorjev za celice, prilagojeni občutljivosti na strižne sile in tipu celic
Bioreaktorji z nizko strižno silo za sesalčeve in stamne celice
Stem cells sesalcev in podobne celice so občutljive na bioreaktorje z visokim hidrodinamičnim strižnim napetostnim obremenitvijo in agresivnim mešanjem. Posledica je izguba življivosti celic za 40 % zaradi poškodbe membran, ki jo povzroči visoka koncentracija celic zaradi strižne sile. Za preprečevanje izgube življivosti so zasnovani nabrekajoči morski mešalniki, ki ustvarjajo osne tokovne vzorce, saj zagotavljajo naključno obodno gibanje toka. Sistemi z segmentiranimi, perfundiranimi mešalniki, ki so bili zasnovani kot nadomestek za Rushtonove mešalnike, se uporabljajo za razmnoževanje stamnih celic in zmanjšujejo strižno obremenitev za 60 %. Med povečevanjem meril je ključnega pomena validacija odpornosti na visoko strižno obremenitev, ki jo je treba opraviti z natančno določitvijo najbolj obremenjenih komponent, da se izognejo visoki strižni obremenitvi in škodljivi porazdelitvi napetosti v posodi.
Mikrobiološka fermentacija
Ker je za komoro zahtevana hitrost prenosa kisika >150, je potrebno močno turbulentno mešanje. Za razliko od kulturov, občutljivih na strižne sile, so bakterijske in kvasovkaste kulture odporne na strižne sile. Kapljice, ki jih ustvarjajo razpršilniki in s tem tvorijo stolpec vode z visoko energijo, izboljšajo hitrost prenosa kisika za 35 %. Če se vhodna moč poveča v stolpec z visoko energijo, bo temperatura presegla metateoretične ravni; zato je treba uporabiti gost metabolični sit, sestavljen iz kapljic z visoko energijo.
Disk v obliki ribjega repa proti turbini Rushton
Diski v obliki ribjega repa delujejo skoraj laminarno in zagotavljajo strižne napetosti manj kot 1 Pa, kar je idealno za sesalske in matične celice, medtem ko turbine Rushton zagotavljajo največjo raztopljivost kisika, kar ustreza visokostrižnemu sistemu za mikroorganizme, nasprotno pa nizko strižnemu sistemu.
V hibridnih aplikacijah, kot je proizvodnja CAR-T celic, impelerji z nagibnimi lopaticami zagotavljajo skoraj popolno mešanje (85 % učinkovitosti) pri navorih, ki so sprejemljivi za občutljive suspenzijske kulture. Modeli v merilu 3 L napovedujejo delovanje bioreaktorjev na proizvodni ravni, zato transformatorski bioreaktorji s pomočjo določenosti prispevajo k razvoju procesa.
Pri izbiri vrste bioreaktorja za dano velikost in aplikacijo upoštevajte veljavne predpise:
Skladni, razširljivi, mešani rezervoarji za proizvodnjo monoklonskih protiteles in cepiv
Bioreaktorji s stresalno posodo (STR) so najbolj priljubljena izbira za proizvodnjo bioloških zdravil v velikem merilu, saj so dobro prilagojeni predpisom in dokazano primerni za razširitev obsega proizvodnje. Njihova modularna konstrukcija omogoča povečanje proizvodnega obsega, hkrati pa ohranja optimalne vrednosti raztopljenega kisika, pH in hranil za proizvodnjo monoklonalnih protiteles (mAb) in cepiv v skladu z načeli dobre proizvodne prakse (GMP). Dodatna prednost STR-jev je dosežek visokih gostot celic v suspenzijskih kulturah (več kot 20 milijonov celic/mL), enakomerna mešalna učinkovitost pa je zagotovljena z mešalnim impelerjem STR-jev. Zaradi mehanske zapletenosti STR-jev je potrebno sisteme STR-jev validirati, vključno z regulacijo vstopnega zraka in vodikovega napetostnega razmerja, da se zagotovi skladnost z zahtevami FDA in EMA.
Izbira najprimernejše alternative bioreaktorja: valovni, zračni in z napolnjeno posteljo za specializirane kulture
Valovni, zračni in bioreaktorji z napolnjeno posteljo ponujajo določene prednosti v specializiranih uporabah:
Vrečke z mešanjem z valovi zagotavljajo nihanje za suspenzijo z nizkim strižnim obremenitvijo, kar je idealno za razširjanje semenke, čeprav obstajajo omejitve oblikovanja, saj je skalabilnost omejena na približno 500 L.
Bioreaktorji z zračnim dvigom so energetsko učinkoviti za mikrobne fermentacije z visoko stopnjo prenosa kisika (OTR), vendar pri povečevanju meril nastopajo omejitve zaradi konstrukcijskih omejitev.
Bioreaktorji s polnilnim ležiščem so sistemi za dosego izjemno visokih gostot celic zaradi različnih sistemov gojenja na podporah, vendar so zaradi zapletenega pridobivanja celic višji obratovalni stroški in težave pri obdelavi.
Prednost naj imajo kritični procesni parametri pred funkcijami avtomatizacije
Raztopljeni kisik, pH, temperatura in nadzor hranil kot bistveni kriteriji za izbiro bioreaktorja
Izbira bioreaktorja mora imeti za prednost nadzor kritičnih procesnih parametrov (CPP), kot so raztopljen kisik (DO), pH, temperatura in oskrba z hranili, namesto funkcij, ki so napredne v avtomatizaciji. Ohranjanje DO v ozkih fizioloških mejah koristi aerobnim kulturam ter rasti in življivosti ljudi pri ohranjanju in izogibanju njihovih posameznih interesov. Za zagotavljanje pravilne konformacije in natančnosti apoptoze ali metabolnega izklopa mora pH proteaze ostati znotraj povprečnih vrednosti. Nadzor temperature in nadzor pH morata biti strogo nadzorovana. Nadzor hranil v realnem času mora ostati znotraj meja kopičenja inhibicijskih stranskih produktov. Avtomatizacija teh procesov operativne učinkovitosti ne ovira toliko kot nadzor in uravnoteženost štirih kritičnih procesnih parametrov. Pri izvirni uravnoteženi napredni kontroli znaša operativna izguba na posamezno serijo 500.000–2 milijona dolarjev ZDA (BioPlan Associates, 2023). Pred razmislekom o avtomatizaciji morajo prednostne makrosenzorje vključevati optične makrosenzorje za merjenje raztopljenega kisika namesto njihovih polarografskih nadomestkov, kadar ni možnosti nadzora.
Kakšna je pomembnost prilagoditve oblikovanja bioreaktorja tipu celic in občutljivosti na strižno obremenitev?
Prilagoditev oblikovanja bioreaktorja tipu celic in občutljivosti na strižno obremenitev je ključnega pomena za optimizacijo rasti in preprečevanje umiranja celic zaradi visoke strižne obremenitve.
Kako bioreaktorji izpolnjujejo visoke zahteve po kisiku pri mikrobni fermentaciji?
Bioreaktorji, kot so Rushtonovi mešalniki, povečajo prenos kisika proti mikrobnim celicam z uporabo notranjega cirkulacijskega črpalka.
Kakšne so prednosti in slabosti hidrokrilnih diskov in Rushtonovih mešalnikov?
Hidrokrilni diski povzročajo manjšo strižno obremenitev, medtem ko Rushtonovi mešalniški diski omogočajo najboljšo raztopitev kisika, kar je primerno za mikrobne sisteme.
Zakaj so mešalni bioreaktorji boljša izbira za GMP-skladno in razširljivo proizvodnjo?
Ker so enostavno razširljivi, omogočajo natančen nadzor parametrov ter so skladni z zahtevami FDA in EMA.
Kateri dejavniki so najpomembnejši pri izbiri bioreaktorja?
Glavni dejavniki, na katere je treba usmeriti pozornost namesto avtomatizacije, so nadzorovani parametri za vzdrževanje bioreaktorja, vključno z raztopljenim kisikom, pH, temperaturo in prehransko raztopino.