¿Qué considerar al ampliar su biorreactor?

En coautoría con Shahin Heshmatifar y Marie-Laure Collignon.

Los biorreactores de tanque agitado de un solo uso se han convertido en una opción popular para el cultivo celular a gran escala de líneas celulares en suspensión y la fabricación comercial de productos terapéuticos producidos por estas líneas. Con numerosos biorreactores disponibles en el mercado, que cubren una amplia gama de volúmenes de trabajo, desde mililitros hasta miles de litros, los procesos se desarrollan utilizando diferentes tecnologías a varias escalas. Hay dos desafíos centrales de ingeniería que deben abordarse: la transferencia de tecnología (transferencia de tecnología) y la ampliación. 

Las actividades de escalado y transferencia de tecnología plantean varios desafíos, incluida la definición de las condiciones operativas, como la tasa de agitación y la tasa de rociado de gas. Sin embargo, estos parámetros operativos no son escalables. La selección de parámetros no escalables dará como resultado diferentes entornos físicos y químicos en los que residen las células. Por ejemplo, el suministro y la mezcla de oxígeno serán diferentes a diferentes escalas. Es imperativo determinar los parámetros ambientales críticos que afectan los atributos biológicos, como el rendimiento del producto, el crecimiento celular y la calidad. Los parámetros ambientales críticos adicionales incluyen la capacidad de transferencia de oxígeno, el esfuerzo cortante y la mezcla. Si bien estos parámetros no se pueden medir directamente, existen herramientas de ingeniería disponibles para medir y monitorear estos parámetros indirectamente. 

Estas herramientas de ingeniería se pueden emplear para definir las condiciones del biorreactor y ampliar el proceso. Las herramientas más utilizadas son la entrada de energía por unidad de volumen (P/V), la tasa de transferencia de oxígeno (kLa) y el tiempo de mezclado.

P/V se puede identificar como la tasa de transferencia de energía del impulsor al medio de cultivo celular. Se relaciona con muchos parámetros de ingeniería, como la homogeneización y la transferencia de gas a líquido. También es un buen indicador del esfuerzo cortante experimentado por las células. Un enfoque reciente para evaluar el riesgo potencial de impacto negativo en los atributos biológicos se basa en la comparación del tamaño de celda con las principales estructuras de flujo turbulento. Este riesgo se puede predecir evaluando el tamaño más pequeño de la estructura de flujo turbulento con el P/V magnitud.

La determinación del coeficiente volumétrico de transferencia de masa de oxígeno (kLa O2) se considera un método estándar de evaluación comparativa para evaluar la capacidad del sistema del biorreactor para transferir oxígeno de la fase gaseosa a la líquida. La transferencia de masa de oxígeno (OTR) es crítica para los cultivos aeróbicos y puede ser un desafío, ya que el oxígeno es el nutriente menos soluble y más rápidamente consumido por las células, por lo tanto, esto generalmente se convierte en el factor limitante de la tasa en cultivos de alta densidad celular. La tasa de transferencia de oxígeno debe ser igual o superior a la tasa de consumo de oxígeno (OUR).kLa se puede medir experimentalmente o se puede predecir usando las correlaciones de Van'Reit que involucran el P/V y la velocidad superficial del gas.

El tiempo de mezclado se define como el tiempo necesario para alcanzar el 95 % de homogeneización del fluido después de una alteración deliberada de la estabilidad, como por ejemplo mediante la adición de una base. Los tiempos de mezcla cortos son esenciales para un cultivo celular exitoso. No son deseables largos tiempos de mezcla, como en el caso de adiciones frecuentes de productos químicos, como base para el control del pH; implican un período más largo de contacto entre las células y los productos químicos posiblemente dañinos. Aunque se puede lograr una buena mezcla con relativa facilidad en cultivos a menor escala, cuando se escala a volúmenes más grandes, la mezcla rápida puede convertirse en un desafío mayor. El tiempo de mezclado también puede medirse experimentalmente o predecirse mediante una correlación que involucre P/V y parámetros geométricos.

No es posible mantener todos los parámetros escalables al escalar o realizar una transferencia de tecnología. Las reglas físicas que vinculan los parámetros escalables con los parámetros no escalables siguen fórmulas diferentes; las relaciones matemáticas entre los parámetros dan como resultado un cambio una vez que se mantiene una constante. Es más fácil de escalar en biorreactores de diferentes tamaños que son proporcionales y geométricamente similares. La selección de uno de los parámetros escalables depende de su impacto en los parámetros de ingeniería (tiempo de mezcla, esfuerzo cortante, tasa de transferencia de oxígeno) y, finalmente, en los atributos biológicos, como el crecimiento celular, el rendimiento del producto y la calidad.

El éxito de la ampliación depende de la ingeniería sólida y la caracterización científica del sistema del biorreactor, incluidos los parámetros de ingeniería como kLa, P/V, tiempos de mezcla y distribución del esfuerzo cortante.

Obtenga más información sobre el control de los parámetros clave de un biorreactor.

En coautoría con Shahin Heshmatifar y Marie-Laure Collignon.