Biorreactores – Ventajas de los microsistemas

Los sistemas biológicos están en la escala de micrómetros si observamos las propiedades de transporte fluídico y difusivo. Como tal, los biorreactores microfabricados tienen mucho sentido, ya que pueden imitar estas propiedades in vitro. Los dispositivos en el rango micro necesitan menos espacio, menos reactivos y menos energía, mientras que los tiempos de respuesta y, por lo tanto, las tasas de reacción aumentan. Hay una ganancia en la información sobre el espacio, en comparación con los equipos estándar, lo que también reduciría los costos. Una ventaja importante de los sistemas microfluídicos es la posibilidad de un alto rendimiento, que se requiere para tener una gran cantidad de ejecuciones del sistema para obtener datos estadísticamente significativos. Esto se aplica especialmente a los microbioreactores de perfusión microbiana en los que ha habido un progreso significativo en la implementación de alto rendimiento.

Otra ventaja de los microsistemas es la posibilidad de construir microambientes específicos de células debido al control preciso de las estructuras de microescala. La capacidad de controlar, por ejemplo, el patrón de flujo, proporciona control sobre el transporte de factores de crecimiento, reactivos, oxígeno y la cantidad de estrés hidrodinámico en las células. El tamaño de la cámara del biorreactor afectará el comportamiento de las células, alterando los fenómenos de transporte, debido a las distancias de difusión y las interacciones célula-célula. La velocidad de flujo puede tener un efecto en la dinámica de crecimiento celular. Por ejemplo, en un experimento, los fibroblastos se cultivaron bajo diversas condiciones de flujo en un microbioreactor: desde condiciones estáticas (sin flujo) hasta altas tasas de flujo. Las células mostraron poco crecimiento en condiciones sin flujo o en flujo alto (0.3mlh − 1), pero mostraron un crecimiento óptimo a 0.2mlh − 1. Las células madre embrionarias mostraron el mismo comportamiento hacia las tasas de flujo. No solo se ve afectado el crecimiento celular, sino también la viabilidad. Esto muestra que el microambiente impacta las funciones celulares y, por lo tanto, la respuesta de toxicidad hacia las drogas. El cultivo de células en un entorno microfluídico en un sistema perfundido continuo ofrece la capacidad de controlar la interacción de los medios celulares al producir un gradiente químico en estado estable, en comparación con el sistema de cultivo estándar donde la composición química cambia con el tiempo. En condiciones estáticas, la difusión es el método de transporte masivo dominante.

Las células pueden estar en contacto directo con un flujo o estar protegidas por una barrera microfabricada, sustrato de micro-ranura, oxigenadores de membrana internos o hidrogeles. Cuando está protegido, el efecto del esfuerzo cortante todavía está presente, pero en menor magnitud que cuando las células están en contacto directo con el flujo. Los cultivos celulares deben perfundirse para refrescar el medio de cultivo, pero las células también deben incubarse en factores solubles secretados, como las células alimentadoras para cultivos de células madre embrionarias humanas (hESC). Un flujo eliminaría estos factores. Un método que facilita el cultivo a largo plazo (> 7 días) en flujo directo es usar un sistema de perfusión de “parada de flujo”: una exposición temporal corta seguida de largos períodos de incubación estática. Pulsos cortos de cizallas permitirían que las células sensibles al cizallamiento (como las hESC) soporten flujos de renovación medios, mientras que los largos períodos de incubación estática permitirían la acumulación local de factores secretados (es decir, factores de crecimiento). El método de «detención del flujo» podría ser adecuado para cultivar diferentes cultivos celulares con diferentes reacciones al esfuerzo cortante en el mismo microbiorreactor, cuando se expone directamente al flujo. Como tal, el protocolo de «parada baja» debe diseñarse de acuerdo con los requisitos de cultivo celular. En estas condiciones, las células se asemejan a las características convencionales del plato de cultivo.

Como tal, el protocolo de «parada baja» debe diseñarse de acuerdo con los requisitos de cultivo celular. En estas condiciones, las células se asemejan a las características convencionales del plato de cultivo. Los microbioreactores reducirían en gran medida la carga útil. También muestra que los sistemas de cultivo de células microfluídicas pueden ser autónomos.

Una ventaja importante de los sistemas microfluídicos es la capacidad de crear gradientes de concentración de productos químicos dentro del microbioreactor utilizando flujos laminares. Básicamente, un generador de gradiente es una serie de canales con diferentes contenidos fluídicos conectados a una cámara donde se forma el gradiente. Debido al carácter laminar de los flujos dentro de los microcanales, la mezcla solo ocurre por difusión. Una forma simple de formar un gradiente de concentración es tener dos soluciones fluyendo en un microcanal. Esto crea un flujo paralelo, que se mezclará lentamente por el canal. También se han desarrollado otros tipos de gradientes de concentración más complejos, incluidas las distribuciones lineales, sigmoidales y logarítmicas. La formación de gradientes de concentración en sistemas de pozos múltiples no es sencilla ya que las dosis deben crearse en diferentes pozos. Otra aplicación del generador de gradiente es la creación de dosis combinatorias de medicamentos, para lograr efectos más sinérgicos y establecer la relación óptima entre los medicamentos. Un ejemplo es probar el efecto de varias concentraciones de anestésicos, bupivacaína y lidocaína en los mioblastos. Tal control sobre las entregas de reactivos a concentraciones definidas muestra el potencial de BRoC que no se puede lograr fácilmente con plataformas de micropocillos convencionales.

También se puede lograr un gradiente de oxígeno a través de un microbiorreactor controlando la velocidad de flujo, para exponer las células al ambiente heterogéneo de oxígeno. A medida que el oxígeno se consume al comienzo del microrreactor donde entra el medio, quedará menos oxígeno en el otro extremo del microrreactor en la salida. El gradiente de oxígeno en el microrreactor imita las condiciones fisiológicas en los tejidos, por ejemplo, el hígado, donde las funciones localizadas en el hígado controlan la concentración local de oxígeno.