O que são biorreatores personalizados?

O que é um biorreator personalizado, e como a personalização difere para cultura celular versus função microbiana?Um biorreator personalizado para cultura de células é projetado em torno de quatro restrições que mal importam na fermentação microbiana: extrema sensibilidade ao cisalhamento, baixa demanda de oxigénio por unidade de volume,controlo fisiológico rigorosoAs células de mamíferos são danificadas a velocidades superiores a cerca de 1,5 m/s, por isso os navios usam hidrofilos axiais de grande diâmetro a potências de entrada de 0,01-0.10 kW/m3 em vez do 0O oxigénio dissolvido é mantido a 20 a 50% da saturação do ar, com pH de 6,8 a 7,4 dentro de ± 0.05, temperatura de 36,5-37,0°C e CO2 dissolvido abaixo de 100-150 mmHg.

1Opções de conceção para culturas sensíveis ao corte e de alta densidade

A personalização para cultura celular concentra-se em quatro subsistemas. Cada um tem um alvo mensurável e um modo de falha definido:

• Agitação e transferência de gás com baixa cisalhagem:A selecção do impulsor é predominante. Uma hélice axial de grande diâmetro ou uma hélice naval a D/T de 0,40-0,50 fornece mistura a granel a uma velocidade de ponta de 0,5-1,5 m/s,em comparação com os 3-7 m/s tolerados por bactérias e levedurasUma vez que a procura de oxigénio é mais baixa, normalmente 0,5-2 mmol de O2/L·h em vez de 50-150, basta um lançador de anel a 0,01-0,10 vvm.e danos celulares induzidos por bolhas na interface gás-líquido torna-se o mecanismo limitante em vez de cisalhamento a granelA adição de 0,5-2,0 g/L de F-68 Plurônico protege as células da ruptura da bolha, e o uso de um sparger de buraco perfurado em vez de um sinterizado mantém o tamanho da bolha grande o suficiente para reduzir o cisalhamento interfacial.
• Revestimento da superfície e material:Os recipientes de cultura de células são construídos em 316L com baixo teor de carbono e enxofre controlado, polidos mecanicamente e eletropolidos a Ra 0,4 μm ou menos por ASME-BPE SF4 ou melhor.A eletropolissagem é importante aqui por duas razões além da limpeza: elimina as micro-fissuras onde o micoplasma e o bacteriófago podem sobreviver entre as campanhas,e produz uma camada passiva enriquecida com cromo que resiste aos ciclos cáusticos e ácidos repetidos de uma instalação multiprodutoQuando forem utilizados alimentos para animais que contenham cloreto ou meios de salinidade elevada, substituem-se os duplex 2205 ou 904L, devendo todos os elastómeros ser da classe VI da USP e isentos de componentes de origem animal.
• Perfusão e retenção de células:Os processos de alta densidade vão além do lote de alimentação pela colheita contínua enquanto mantêm as células.Um biorreator de perfusão personalizado integra um fluxo tangencial alternado ou um circuito de filtragem de fluxo tangencial com um dispositivo de retenção destinado à taxa de colheita totalA taxa de perfusão específica é tipicamente de 0,02-0,10 nL/ célula/dia, equivalente a 1-3 volumes de vasos por dia, mantendo densidades celulares viáveis de 20-80 x 10^6 células/ml com uma viabilidade superior a 90%.O recipiente requer bicos adicionais para o circuito de retenção, uma bomba de colheita com cabeça de cisalhamento baixa e uma lógica de controlo que mantém o peso do recipiente constante enquanto o produto é retirado.
• Gestão do CO2 dissolvido:Em alta densidade celular, o dióxido de carbono dissolvido acumula e inibe o crescimento e a glicosilação acima de aproximadamente 100-150 mmHg.A personalização aborda isso através de uma maior taxa de espuma de ar ou oxigênio na base do recipiente para remover o CO2, um maior espaço livre do fundo que aumenta o tempo de residência do gás, ou um circuito externo com um contator de membrana.A resposta correta é geralmente mais gás em agitação mais baixa, que é uma decisão de projeto que deve ser tomada quando a geometria do navio é fixada, em vez de durante o comissionamento.

2Arquitetura de controlo e conformidade

No caso dos produtos regulamentados, o sistema de controlo é tanto um produto de conformidade como o recipiente.

• Instrumentação e PAT:Os circuitos padrão cobrem temperatura, pH, DO, pressão, nível e fluxo de gás, com controle de DO em cascata através de agitação, depois fluxo de gás, depois enriquecimento de oxigênio.Instalações avançadas adicionam medição de capacidade para o volume de célula viável on-line, espectroscopia de Raman para glicose, lactato, glutamato e título, e análise de gases para OUR e CTR.Estas ferramentas de tecnologia analítica de processos suportam testes de liberação em tempo real no quadro QbD definido no ICH Q8 a Q11, e eles mudam o controle de pontos fixos para alimentação baseada em modelo que se adapta ao estado metabólico real da cultura.
• Estrutura da receita e integridade dos dados:O software de controlo deve seguir a ISA-88, separando a receita geral, a receita do local, a receita principal,e a receita de controlo de modo que um processo definido em escala de laboratório transfere para a produção sem reescrever a lógicaPara a fabricação de GMP nos Estados Unidos, 21 CFR Parte 11 requer software validado com trilhas de auditoria seguras, geradas por computador, com marca de tempo, verificações de autoridade através de acesso baseado em funções,e assinaturas eletrónicas ligadas aos seus registosNa União Europeia, o Anexo 11 impõe requisitos equivalentes, e ambos exigem que o sistema seja formalmente validado com testes documentados em relação a uma especificação escrita.
• Híbrido de uso único versus inoxidável:A personalização significa cada vez mais escolher onde colocar a fronteira entre reutilizável e descartável.Uma instalação híbrida mantém o recipiente inoxidável para o biorreator de produção enquanto utiliza sacos descartáveis para preparação de meios, retenção de tampão e colheita, que elimina a maior carga de validação de limpeza, mantendo a capacidade de pressão e transferência de calor do aço.Trens totalmente descartáveis, para fabricação clínica de produtos múltiplos inferiores a 2A escolha deve basear-se no número de campanhas e na frequência de mudanças: acima de cerca de oito a dez mudanças de produto por ano, o de utilização única geralmente ganha o custo total das mercadorias.

Prioridades personalizadas dos biorreatores por tipo de célula

Perguntas Frequentes (FAQ)

P: Qual é a diferença entre um biorreator personalizado e um fermentador personalizado?

R: Na prática, a diferença é a faixa de tolerância e a carga de documentação.e custo de capital, com acabamento de superfície em torno de Ra 0,8 μm, vedações mecânicas e instrumentação industrial.Um biorreator personalizado para cultura de mamíferos ou células-tronco é otimizado para controlo fisiológico e integridade dos dados, com superfícies eletrolitidas a Ra 0,4 μm ou menos, rotores de hidrofoil de baixo corte, capacidade de perfusão, gestão de CO2 dissolvido,e um sistema de controlo validado em conformidade com o 21 CFR Parte 11 com rastro de auditoria completo e assinaturas eletrónicasA concha do navio é semelhante; o esforço de engenharia difere por um fator de dois a três.

P: Por que a potência por volume é tão menor para a cultura celular do que para a fermentação microbiana?

R: Porque as células animais não têm parede celular e são aproximadamente 10 a 50 vezes maiores que as bactérias, tornando-as muito mais vulneráveis ao cisalhamento hidrodinâmico e induzido por bolhas.Os danos das células estão correlacionados com a taxa de dissipação de energia turbulenta local perto da hélice e com a ruptura da bolha na interface gás-líquidoConsequência prática: os vasos microbianos funcionam 0,5-5 kW/m3, enquanto os vasos de mamíferos funcionam 0,01-0,10 kW/m3, uma redução de 50 vezes.A procura de oxigénio é correspondentemente menor, de modo que a intensidade de mistura reduzida ainda satisfaz o requisito de transferência de massa.Empurrar a agitação mais alto para resolver um problema de mistura em cultura celular quase sempre causa mais danos através da lisise celular do que resolve.

P: Como é que um biorreator de perfusão é personalizado de forma diferente de um recipiente de lote alimentado?

R: Um recipiente de perfusão precisa de três adições. Primeiro, um circuito de retenção de células: bocal extra para o fluxo tangencial alternado ou circuito de filtragem de fluxo tangencial, uma bomba de colheita de baixa cisalhamento,e uma linha de filtragem para a captura a jusanteEm segundo lugar, o controlo do nível baseado no peso que mantém a massa constante do recipiente enquanto a colheita é continuamente retirada e o meio fresco é alimentado, normalmente mantendo o nível dentro de ± 2%.Duração prolongada da cultura significa que a integridade estéril deve durar 30-60 dias em vez de 10-20, que eleva as especificações sobre vedações, conectores estéreis e testes de integridade dos filtros, e exige sistemas de amostragem e troca de meios concebidos para longas campanhas sem violação.

P: Que documentação de validação deve acompanhar um biorreator GMP personalizado?

R: Solicitar um pacote completo: comprovação da qualificação do projecto, incluindo desenhos, P&ID, certificados de material conforme à norma EN 10204 3.1, relatórios de acabamento da superfície e documentação de soldagem com procedimentos, qualificações do soldador, mapa de soldagem e registos de inspecção por boroscopia.Certificados de calibração dos instrumentos com base nas normas nacionaisO apoio à qualificação operacional abrange os protocolos e resultados dos ensaios de aceitação de fábrica, a verificação do circuito de controlo, os ensaios de alarme e de bloqueio,Ensaios de cobertura CIPAdicionar documentação de software, incluindo uma especificação funcional, especificação de projeto e protocolos de ensaio, caso o fornecedor forneça o sistema de controlo,mais peças sobressalentes e recomendações de manutenção.