Các khóa học thiết kế bioreactor cho tế bào với nội dung được điều chỉnh theo mức độ nhạy cảm với lực cắt và loại tế bào
Bioreactor lực cắt thấp dành cho tế bào động vật có vú và tế bào gốc
Các tế bào gốc động vật có vú và các loại tương tự rất nhạy cảm với các bioreactor có lực cắt thủy động học cao và khuấy trộn mạnh. Hậu quả là 40% tế bào bị mất khả năng sống do vỡ màng tế bào, gây ra bởi lực cắt khi nồng độ tế bào cao. Để tránh mất khả năng sống này, các cánh khuấy biển (marine impellers) có khả năng nở phồng được thiết kế nhằm tạo ra các mẫu dòng chảy dọc trục, vì chúng cung cấp chuyển động ngẫu nhiên theo hướng chu vi của dòng chảy. Các hệ thống sử dụng cánh khuấy phân đoạn, có khả năng dẫn lưu (perfused impellers), được thiết kế để thay thế cánh khuấy Rushton, đang được áp dụng trong mở rộng quy mô nuôi cấy tế bào gốc nhằm giảm 60% lực cắt. Trong quá trình tăng quy mô, việc xác thực khả năng chịu lực cắt cao là yếu tố then chốt và cần được thực hiện tại vị trí chính xác của các thành phần chịu ứng suất cao nhất nhằm tránh lực cắt lớn và sự phân bố ứng suất gây hại trong bình phản ứng.
Phát men vi sinh
Vì tốc độ chuyển oxy yêu cầu trong buồng lớn hơn 150 nên cần khuấy trộn rối mạnh. Khác với các hệ nuôi cấy nhạy cảm với lực cắt, các hệ nuôi cấy vi khuẩn và nấm men có khả năng chịu lực cắt tốt. Các giọt được tạo ra bởi bộ phân phối khí (sparger) tạo thành cột nước có năng lượng cao giúp cải thiện tốc độ chuyển oxy lên 35%. Nếu tăng công suất đầu vào vào cột nước có năng lượng cao, nhiệt độ sẽ vượt quá mức lý thuyết; do đó, cần sử dụng một bộ lọc chuyển hóa dày đặc gồm các giọt có năng lượng cao.
Đĩa đuôi cá so với tuabin Rushton
Các đĩa đuôi cá gần như tạo dòng chảy tầng và cung cấp tốc độ cắt dưới 1 Pa, điều kiện lý tưởng cho các hệ tế bào động vật có vú và tế bào gốc; trong khi đó, tuabin Rushton tối ưu hóa khả năng hòa tan oxy, phù hợp với hệ vi sinh vật đòi hỏi lực cắt cao—một đặc điểm trái ngược hoàn toàn với hệ lực cắt thấp.
Trong các ứng dụng lai như sản xuất tế bào CAR-T, cánh khuấy lưỡi nghiêng cung cấp khả năng trộn gần như hoàn hảo (hiệu suất 85%) ở mức cắt phù hợp với các nuôi cấy lơ lửng nhạy cảm. Các mô hình thu nhỏ quy mô 3L dự đoán hiệu suất của bioreactor ở quy mô sản xuất, do đó, các bioreactor biến áp góp phần phát triển quy trình một cách chắc chắn.
Khi lựa chọn loại bioreactor cho một quy mô và ứng dụng cụ thể, cần xem xét các quy định áp dụng:
Bioreactor dạng bồn khuấy đáp ứng tiêu chuẩn, có khả năng mở rộng, dành cho sản xuất kháng thể đơn dòng (mAb) và vắc-xin
Các bioreactor kiểu bể khuấy (STR) là lựa chọn ưu tiên cho sản xuất sinh học quy mô lớn, nhờ khả năng đáp ứng tốt các quy định và đã được chứng minh về tính khả thi khi mở rộng quy mô. Thiết kế mô-đun của STR cho phép tăng quy mô sản xuất trong khi vẫn duy trì các mức tối ưu cho oxy hòa tan, pH và chất dinh dưỡng trong quá trình sản xuất kháng thể đơn dòng (mAb) và vắc-xin theo Thực hành sản xuất tốt (GMP). Một lợi ích bổ sung của STR là đạt được mật độ tế bào cao tương đương trong các hệ nuôi cấy lơ lửng (trên 20 triệu tế bào/mL), đồng thời đảm bảo sự trộn đều nhờ cơ chế khuấy do cánh khuấy của STR điều khiển. Tính chất cơ học phức tạp của STR đòi hỏi các hệ thống STR phải được xác nhận hiệu lực, bao gồm cả việc kiểm soát và điều chỉnh quá trình sục khí hydro và cấp khí, nhằm tuân thủ các quy định của Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) và Cơ quan Dược phẩm Châu Âu (EMA).
Lựa chọn Bioreactor Thay thế Tốt nhất: Kiểu Sóng, Kiểu Sục Khí và Kiểu Giường Đệm cho Các Hệ Nuôi Cấy Chuyên biệt
Các bioreactor kiểu sóng, kiểu sục khí và kiểu giường đệm mang lại những lợi ích cụ thể trong các ứng dụng chuyên biệt:
Các túi trộn theo sóng tạo ra chuyển động lắc nhẹ để duy trì trạng thái lơ lửng với lực cắt thấp, rất phù hợp cho việc mở rộng quy mô nuôi cấy giống (seed train), mặc dù có những hạn chế về thiết kế khiến khả năng mở rộng bị giới hạn ở mức khoảng 500 L.
Các bioreactor kiểu nâng khí (airlift) tiết kiệm năng lượng trong các quá trình lên men vi sinh yêu cầu tốc độ truyền oxy cao (high-OTR), nhưng việc mở rộng quy mô gặp khó khăn do các ràng buộc về thiết kế.
Các bioreactor dạng giường cố định (packed-bed) là hệ thống đạt được mật độ tế bào cực cao nhờ các hệ thống nuôi cấy trên giá thể hỗ trợ khác nhau; tuy nhiên, do quy trình thu hoạch phức tạp, chi phí vận hành và khó khăn trong xử lý nên chi phí tổng thể tăng cao.
Ưu tiên các Thông số Quy trình Trọng yếu hơn các Tính năng Tự động hóa
Nồng độ oxy hòa tan, pH, nhiệt độ và kiểm soát dinh dưỡng là các tiêu chí thiết yếu khi lựa chọn bioreactor
Việc lựa chọn bioreactor phải ưu tiên kiểm soát các Thông số Quy trình Trọng yếu (CPP) như nồng độ oxy hòa tan (DO), pH, nhiệt độ và lượng dinh dưỡng cấp vào, thay vì tập trung vào các tính năng tự động hóa phức tạp. Duy trì DO trong giới hạn sinh lý hẹp là điều kiện thuận lợi cho các hệ nuôi cấy hiếu khí, đồng thời hỗ trợ sự tăng trưởng và khả năng sống sót của tế bào, góp phần bảo quản và tránh làm tổn hại đến các đặc tính riêng biệt của chúng. Để đảm bảo cấu hình và độ trung thực của quá trình apoptosis hoặc tắt hoạt động chuyển hóa, pH protease phải được duy trì trong khoảng giá trị trung bình. Việc kiểm soát nhiệt độ và kiểm soát pH phải được thực hiện một cách nghiêm ngặt. Kiểm soát dinh dưỡng theo thời gian thực phải nằm trong giới hạn tích lũy các sản phẩm phụ gây ức chế. Tự động hóa các quy trình này không ảnh hưởng đến hiệu quả vận hành nhiều bằng việc kiểm soát và cân bằng bốn CPP nói trên. Khi đạt được sự kiểm soát tinh vi và cân bằng, tổn thất vận hành trên mỗi mẻ sản xuất dao động từ 500.000–2 triệu USD (BioPlan Associates, 2023). Trước khi xem xét đến tự động hóa, các cảm biến vĩ mô ưu tiên cần được lựa chọn bao gồm cảm biến vĩ mô quang học đo nồng độ oxy hòa tan, thay vì các cảm biến cực phổ tương ứng, trong trường hợp thiếu khả năng kiểm soát.
Tầm quan trọng của việc lựa chọn thiết kế bioreactor phù hợp với loại tế bào và độ nhạy cảm với lực cắt là gì?
Việc lựa chọn thiết kế bioreactor phù hợp với loại tế bào và độ nhạy cảm với lực cắt là yếu tố then chốt nhằm tối ưu hóa sự tăng trưởng và ngăn ngừa tế bào chết do lực cắt cao.
Bioreactor giải quyết nhu cầu oxy cao trong quá trình lên men vi sinh vật như thế nào?
Các bioreactor, chẳng hạn như tuabin Rushton, làm tăng khả năng truyền oxy tới các tế bào vi sinh vật bằng cách sử dụng bơm tái tuần hoàn nội bộ.
Ưu điểm và nhược điểm của đĩa thủy động lực (Hydrofoil Disc) và tuabin Rushton là gì?
Đĩa thủy động lực tạo ra dòng chảy có lực cắt thấp hơn, trong khi đĩa tuabin Rushton thúc đẩy khả năng hòa tan oxy tốt nhất, thích hợp cho các hệ thống vi sinh vật.
Tại sao bioreactor kiểu bể khuấy lại là lựa chọn tốt hơn cho sản xuất quy mô lớn đạt tiêu chuẩn GMP?
Vì chúng dễ dàng mở rộng quy mô, cho phép kiểm soát chặt chẽ các thông số vận hành và đáp ứng các quy định của FDA và EMA.
Những yếu tố nào quan trọng nhất khi lựa chọn một bioreactor?
Các yếu tố chính cần tập trung vào—mà không nên thay thế bằng tự động hóa—là các thông số được kiểm soát nhằm duy trì hoạt động của bioreactor, bao gồm nhưng không giới hạn ở: nồng độ oxy hòa tan, độ pH, nhiệt độ và lượng dinh dưỡng cấp vào.