Optimización y limitaciones del procesamiento de hPSC en biorreactores agitados

Aplicando el enfoque de agregado sin matriz, recientemente se realizaron varias pruebas de optimización en el modo de alimentación por lotes (generalmente realizando un cambio de medio completo una vez al día), equivalente a la estrategia de alimentación típica en el cultivo 2D convencional. Se han publicaron investigaciones exhaustivas sobre la densidad de inoculación y la tasa de agitación en un diseño experimental factorial de dos parámetros y tres niveles, mientras que otros investigadores han probado por separado más parámetros, incluida la tensión de OD en bioreactores instrumentados de tanque agitado. Aunque se demostró una estrecha interdependencia de los parámetros individuales, el progreso general con respecto a la densidad de recolección de células máxima alcanzada fue limitado, lo que sugiere la presencia de condiciones de proceso subóptimas o perjudiciales.

Utilizando tres medios de cultivo de hPSC convencionales, el estudio sugiere que ni la glucosa ni las limitaciones de aminoácidos parecen limitar la proliferación de hPSC cuando se apunta a densidades celulares más altas en cultivo en suspensión, sino más bien la acumulación de subproductos metabólicos como amonio y / o lactato. Dado que las hPSC se basan principalmente en la glucólisis (es decir, en contraste con las células somáticas en las que el metabolismo está dominado por la fosforilación oxidativa) para cubrir su demanda de energía y bloques de construcción metabólicos, la acumulación sustancial de lactato y la acidificación del cultivo son las consecuencias esperadas del aumento de la densidad celular. Esto podría representar un obstáculo importante para lograr rendimientos de procesos específicos más altos, particularmente en el modo de alimentación por lotes, que se ha demostrado que da como resultado patrones de proceso marcados y oscilantes en el intercambio diario de medio en biorreactores instrumentados.

Para generar un entorno de cultivo más homogéneo y lograr una alta densidad celular, la alimentación por perfusión está bien establecida en la biotecnología a escala industrial. Los estudios iniciales sobre hPSC han demostrado de hecho que la alimentación por perfusión puede tener un impacto sustancial en la expansión y diferenciación de PSC en reactores instrumentados 2D y 3D. La perfusión se caracteriza por un intercambio continuo de medio en el recipiente de cultivo por medio fresco, que típicamente se basa en dispositivos de retención de células para evitar el lavado de células del biorreactor junto con el intercambio continuo de medio. La perfusión permite además una mejor automatización del proceso y un mejor control del entorno de cultivo, incluido el pH, la tensión de OD y la concentración de nutrientes y productos de desecho. Además, la capacidad de autoacondicionamiento de las células mediante la secreción de factores estimulantes de crecimiento, que podrían ser controlados por el caudal en perfusión, podría permitir reducir los costosos componentes del medio.

Recientemente, se demostró para las PSC de ratón que la perfusión puede mejorar el rendimiento del proceso y el rendimiento celular en reactores de tanque instrumentados que logran densidades celulares de> 2 × 107 ml-1 mediante el aumento de la tasa de perfusión hasta cinco veces los volúmenes de proceso / día, lo que refleja los resultados anteriores en 2000 ml en reactores instrumentados de nuestro grupo comparando alimentación por lotes y por perfusión. Sin embargo, todavía se dispone de estudios muy limitados sobre cultivos de perfusión de hPSC y no se conocen bien los mecanismos exactos por los cuales la perfusión mejora los rendimientos de PSC.