Biorreactores en un chip

Comprender el comportamiento de las células y sus funciones durante el crecimiento y la producción, y la relación con el suministro de nutrientes es esencial en el campo de la biotecnología. La mayoría de los sistemas convencionales de cultivo celular funcionan en modo discontinuo, en el que se proporciona una cantidad fija de nutrientes y oxígeno para el cultivo celular inicial, lo que apoya el crecimiento hasta que faltan nutrientes y oxígeno.

Esto significa que debido al cambio constante en el ambiente, los cultivos discontinuos no son ideales para caracterizar y brindar una mejor comprensión de los procesos celulares. En cambio, es necesario un entorno más constante y controlado con precisión. El principio del quimiostato lo proporciona por su suministro continuo de nutrientes y oxígeno. A diferencia de los cultivos discontinuos, los cultivos de quimiostato continuo pueden funcionar durante semanas en estado estacionario. Sin embargo, el consumo y el costo de los medios de crecimiento, hasta 500 litros por cultivo de quimiostato para un reactor a escala de banco, no es realista, y mantener el sistema estéril durante la adición de medio o el muestreo es otro problema.

La microfluídica puede ofrecer una forma de abordar estas dificultades. Un sistema de biorreactor basado en microfluidos consumirá del orden de 10 ml a 1 l, en lugar de 500 l. La posibilidad de integración de sensores ópticos o electrónicos para medir y controlar diversas condiciones ambientales, así como la integración del manejo de fluidos, como bombas y válvulas y la posibilidad de paralelismo masivo, pueden dar a los biorreactores basados en microfluidos una ventaja que los biorreactores convencionales hacen no tienen.

Los microbioreactores tienen una cámara de reactor con volúmenes de alrededor de 50 a 800 μl, mientras que los biorreactores a escala de banco tienen un volumen típico de 0.5 a 5l . Algunas ventajas de los microbioreactores son la cantidad reducida de sustrato y las utilidades necesarias por experimento y los requisitos de espacio reducido para la operación en paralelo. Como estos dispositivos son desechables, también reducen los esfuerzos para prepararse para el experimento, ya que no tienen que limpiarse y esterilizarse después de su uso. Además, la automatización se hace más fácil.

Se obtiene una variedad de bioproductos a través del proceso de fermentación microbiana. Los productos pueden incluir metabolitos primarios, metabolitos secundarios, enzimas, proteínas terapéuticas y vacunas. El desarrollo de estos productos comienza con una fase de selección en la que muchas cepas bacterianas potenciales se seleccionan para obtener el mayor rendimiento del producto en ciertas condiciones de crecimiento. Cuando se identifica un candidato microbiano, la cepa se transfiere a la fase de desarrollo donde se estudia la fisiología de la cepa con más detalle, al igual que las condiciones de crecimiento en biorreactores a escala de banco con volúmenes de 0.5 – 10 l. La etapa final es una ampliación del volumen del biorreactor hasta alcanzar la escala de producción.

El cuello de botella de tiempo y trabajo en este trabajo de desarrollo es la fase de selección. Típicamente, los experimentos se llevan a cabo utilizando una combinación de placas de pocillos múltiples, placas de Petri y matraces de agitación. Estos medios convencionales permiten solo un control limitado del microambiente, y solo se pueden obtener datos de punto final del rendimiento de las células.

Una cuestión clave es que las células en los biorreactores deben agitarse para obtener un ambiente de cultivo más homogéneo, reduciendo los gradientes espaciales de los factores solubles. Esto es válido para los biorreactores de suspensión a gran escala, así como para los microbioreactores en el rango de microlitros. En este último caso, la agitación se puede lograr utilizando barras agitadoras magnéticas o termoconvección impulsada por flotabilidad. Las barras agitadoras magnéticas pueden ser útiles cuando se usan biorreactores individuales, pero cuando se usan muchos microbioreactores en paralelo, este método será más difícil de controlar. El método de termoconvección se ha aplicado a un formato de placa de 96 pocillos. La convección se logra colocando un calentador microfabricado debajo de cada pozo y creando una diferencia de temperatura de hasta 4 4°C. Se afirma que solo el 5% de la evaporación del medio se detectó después de 7 días. Sin embargo, cuando un cultivo se perfunde con medios en un sistema de cultivo de células microfluídicas, no hay necesidad de un agitador. Las distancias de difusión dentro de un microbioreactor verdadero son muy cortas, hasta 100 μm. Como tal, habrá una condición de cultivo celular como se encuentra en los tejidos in vivo. La pregunta es, por supuesto, ¿cuál es el objetivo del cultivo celular: imitar la fisiología in vivo u optimizar un cultivo celular para obtener el mayor rendimiento de los productos, sin tener en cuenta las similitudes in vivo? La respuesta es la siguiente: si las drogas se prueban para consumo humano, la primera situación es esencial; Si las drogas se producen por medio de cultivos de células microbianas, es preferible la última situación.

Existe la necesidad de desarrollar nuevas tecnologías de cultivo de células microbianas de manera de alto rendimiento para mejorar nuestra comprensión de las funciones de los microorganismos en diferentes condiciones ambientales. Los biorreactores industriales y de escala de banco tienen la capacidad de controlar y medir la temperatura, el pH, el oxígeno disuelto (OD), el CO2 y las densidades celulares (OD). Sin embargo, estos biorreactores son caros y también requieren mucho tiempo para funcionar en lotes paralelos. El creciente número de permutaciones genéticas y de procesos y optimizaciones necesarias para detectar nuevos productos necesitará formas más rápidas de recopilar todos esos datos. Los volúmenes de reactores más pequeños combinados con sensores integrados con un flujo de datos en tiempo real facilitarían la detección rentable y de alto rendimiento. Aunque la escala de banco ofrece algunos parámetros en tiempo real, como el OD y el pH, la biomasa todavía se mide fuera de línea, lo que aumenta la contaminación y reduce el volumen durante los experimentos. Esto conduce a condiciones de proceso alteradas. Los tubos y los matraces de agitación, que representan más del 90% de todos los experimentos de cultivo celular en biotecnología, se pueden operar en paralelo con volúmenes más pequeños, pero los datos solo se recopilan en el punto final. Reducir aún más los microbioreactores podría conducir a sistemas tales como matrices de microfermentadores o kits de análisis microbiológicos.