Qu'est-ce qu'un réacteur de culture cellulaire?

Pour répondre à la question fondamentale:Qu'est-ce qu'un réacteur de culture cellulaire et comment maintient-il des cellules viables de mammifères à haute densité pour la production biopharmaceutique?Un réacteur de culture cellulaire est un bioréacteur spécialement conçu et optimisé pour la culture de cellules de mammifères (comme l'ovaire de hamster chinois [CHO], NS0,ou cellules HEK293) ou cellules d'insectes dans des conditions de température contrôlées avec précision (36.5 ∼37,5 °C), oxygène dissous (20 ∼60% de saturation de l'air), pH (6,8 ∼7,4) et osmolalité (280 ∼340 mOsm/kg).Les réacteurs de culture cellulaire doivent maintenir des conditions de mélange douces pour éviter les dommages cellulaires induits par le cisaillement tout en fournissant une alimentation adéquate en oxygène et en nutriments..

1Principes de fonctionnement des réacteurs de culture cellulaire

·**Conception de mélange à faible cisaillement**Les cellules de mammifères manquent d'une paroi cellulaire rigide et sont endommagées par des contraintes de cisaillement supérieures à 200 ‰ 300 dyne / cm2.6) fonctionnant à basse vitesse (20 à 150 tr/min), généralement des conceptions à débit axial (moteur marin, moteur d'oreille d'éléphant) qui génèrent des vitesses de cisaillement moyennes de 30 ‰ 100 s−1 tout en maintenant un transfert d'oxygène adéquat (kLa de 2 ‰ 15 h−1).

·** Contrôle de l'oxygène dissous **Les cellules de mammifères consomment de l'oxygène à des taux de 0,5 × 10−12 mol / cellule / heure. À des densités cellulaires de 10 × 30 × 106 cellules / ml, la demande en oxygène est de 5 × 50 mmol / l / heure.L'oxygène est fourni par éclaboussure (ajout direct de gaz)Le DO est maintenu à une saturation d'air de 20 à 60% grâce à une boucle de commande en cascade qui ajuste le débit et la composition des gaz (air, O2, N2, CO2).

·** Perfusion et rétention cellulaire **La culture de cellules par perfusion alimente continuellement des milieux frais et élimine les milieux usés tout en conservant les cellules à l'intérieur du réacteur à l'aide d'un dispositif de rétention de cellules (filtre à débit tangentiel alterné [ATF],Filtre à rotationCette méthode permet d'obtenir des densités cellulaires de 50×200 × 106 cellules/mL 10×50 fois supérieures à celles des lots alimentés, ce qui permet une productivité volumétrique 10 fois plus élevée dans un réacteur plus petit.

2Les principaux types de réacteurs de culture cellulaire

·**Bioréacteur de culture cellulaire à réservoir de stimulation**Système en acier inoxydable (316 L) ou en sac à usage unique (50 ‰ 2 000 L) avec agitateur magnétique ou mécanique monté au fond.Équipé d'un régulateur multiparamètres (DO), pH, température, analyseurs de glucose/lactate) et capacité CIP/SIP (pour l'acier inoxydable) ou sacs irradiés gamma (à usage unique).

·**Bioréacteur de culture cellulaire mixte à ondes**Un sac souple sur une plate-forme de balancement qui génère un mélange et une aération induits par des vagues sans roues.la fréquence 15 ∼35 tr/min) crée une faible contrainte de cisaillement (50 ∼150 s−1), idéal pour les cellules sensibles au cisaillement et les cultures à faible densité.

·** Réacteur de culture cellulaire à fibre creuse**Une cartouche contenant des milliers de fibres creuses semi-perméables (taille des pores 0,2 μm, surface de surface 1 ‰ 10 m2).Les cellules se développent du côté de la coquille à des densités allant jusqu'à 1 ‰ 5 × 108 cellules / ml tandis que les médias circulent à travers le lumen de la fibreUtilisé pour la production continue à long terme (30 à 60 jours) d'anticorps monoclonaux et de protéines recombinantes en petit volume.

Types de réacteurs de culture cellulaire Matrice de comparaison

Questions fréquemment posées

Pourquoi les réacteurs de culture cellulaire doivent-ils fonctionner à une contrainte de cisaillement inférieure à celle des fermentateurs microbiens?

Les cellules de mammifères manquent d'une paroi cellulaire peptidoglycane rigide, ce qui les rend sensibles aux dommages causés par la cisaillement des extrémités de la roue, à la rupture de la bulle de gaz et à la turbulence du fluide.Les contraintes de cisaillement supérieures à 200 ‰ 300 dyne/cm2 provoquent une rupture de la membrane cellulaire et une libération d'enzymes intracellulairesLes cellules microbiennes (bactéries, levures) tolèrent 10×100 fois plus de cisaillement parce que leurs parois cellulaires fournissent une rigidité structurelle.

Qu'est-ce que la culture cellulaire par perfusion et en quoi diffère-t-elle de la culture par lots?

Dans la culture par lots d'alimentation, les nutriments sont ajoutés périodiquement pendant que le lot reste dans le réacteur jusqu'à la récolte (généralement 10 à 14 jours), atteignant une densité cellulaire de 10 à 30 × 106 cellules/ml.En culture par perfusion, les milieux frais sont continuellement alimentés tandis que les milieux usés sont continuellement retirés et que les cellules sont retenues par un filtre ou un dispositif de déposer,maintenir une densité cellulaire de 50 ‰ 200 ‰ 106 cellules/mL pendant 30 ‰ 60 jours avec une productivité volumétrique 5 ‰ 10 ‰ plus élevée.

Quelle est l'exigence de kLa pour la culture cellulaire de mammifères?

Les cellules de mammifères nécessitent des taux de transfert d'oxygène (kLa) de 2 ¢ 15 h − 1, selon la densité cellulaire et l'activité métabolique.Ce taux est significativement inférieur à celui de la fermentation microbienne (kLa de 50 à 300 h−1) parce que les cellules de mammifères ont des taux d'absorption d'oxygène spécifique inférieurs (0.5·5 × 10−12 mol/cellule/heure par rapport à 10·100 × 10−12 mol/cellule/heure pour les bactéries).

Les réacteurs de culture cellulaire peuvent-ils être utilisés pour la production de vaccins viraux?

Oui, les cellules de mammifères (Vero, MDCK, HEK293) cultivées dans des bioréacteurs à réservoir mélangé (50 ‰ 2 000 L) sont la plateforme standard pour la production de vaccins viraux.la poliomyéliteAprès l'infection (37 jours), le virus est récolté, purifié et inactivé.Les réacteurs à usage unique dominent cette application en raison des exigences de confinement en matière de biosécurité.