Optimización en biorreactores del medio para producción de células

El objetivo de la optimización en biorreactores del medio también puede ser la producción de las células per se. La producción de materiales celulares a partir de colecciones de líneas celulares para fines de terapia celular son ejemplos de productos. Esto incluye el creciente interés por las células madre y sus células derivadas. Estas aplicaciones pueden aprovechar considerablemente la metodología DoE.

Así, la optimización de los medios de cultivo celular utilizando la metodología de diseño experimental es un enfoque atractivo para mejorar la eficiencia en el cultivo. Dong et al. aplicaron la metodología para refinar la composición de un medio de cultivo establecido para el crecimiento de la línea celular de hepatoma humano C3A. La selección de componentes nutritivos y factores de crecimiento se evaluó sistemáticamente según los procedimientos estándar de DoE. Los resultados del cribado de biorreactores indicaron que el factor de crecimiento de hepatocitos, la oncostatina M y el factor de crecimiento de fibroblastos-4 influyeron significativamente en las actividades metabólicas de la línea celular C3A. RSM reveló que los niveles óptimos para estos factores fueron 30 ng/ml de factor de crecimiento de hepatocitos y 35 ng/ml de oncostatina M. Experimentos adicionales en cultivos de hepatocitos humanos primarios mostraron una alta variabilidad en las actividades metabólicas entre células de diferentes individuos, lo que dificultó la determinación de niveles óptimos de factores. Sin embargo, fue posible concluir que el factor de crecimiento de hepatocitos, el factor de crecimiento epidérmico y la oncostatina M tuvieron efectos decisivos en las funciones metabólicas de los hepatocitos humanos primarios.

Se ha prestado mucha atención a los medios para la diferenciación y proliferación de células madre embrionarias. El hecho de que los medios de cultivo para la expansión de células madre contengan sustancias no definidas hace que la tarea sea exigente. Considerando el potencial para el trabajo clínico futuro con tales células, el uso de medios más bien definidos es altamente deseable. Por lo tanto, Knöespel et al., investigaron la composición detallada de un medio de cultivo químicamente definido sin suero para la expansión eficiente de células madre embrionarias de ratón (mESC). Comenzaron su estudio con un medio estándar sin suero con 11 factores adicionales (carnosina, cisteína, componentes C1, transferrina, suplemento de transferrina, factor de inhibición de la leucemia, insulina, BMP4, CaCl2, ZnSO4 y lípidos). El crecimiento de las células madre estuvo fuertemente influenciado por el equilibrio de los componentes del medio. El cribado utilizando un diseño de Plackett–Burman mostró que la insulina y el factor de inhibición de la leucemia tenían una influencia positiva significativa en la actividad proliferativa de las células, mientras que el zinc y la l-cisteína reducían el crecimiento celular. Una mayor optimización utilizando un diseño de «resolución mínima de carrera IV» mostró que el factor de inhibición de la leucemia era el principal factor para la supervivencia y proliferación de las células. Por lo tanto, los ensayos de cribado DoE son aplicables para desarrollar y refinar los medios de cultivo para células madre y también podrían emplearse para optimizar los medios de cultivo para células madre.

Se han llevado a cabo varios estudios de DoE sobre la diferenciación de células hematopoyéticas. Un ejemplo es la optimización de la eritropoyesis a partir de células de sangre de cordón umbilical humana (CD34+) hacia glóbulos rojos. Siete citoquinas (interleucina-3, interleucina-6, factor de células madre, eritropoyetina, factor estimulante de colonias, trombopoyetina y ligando Flt3) conocidas por afectar la maduración de producción de células rojas en humanos fueron seleccionadas para el cribado con un protocolo DoE. Se encontró que el factor de células madre (SCF) y la eritropoyetina (EPO) eran los factores más significativos en la producción de células rojas. La metodología ayudó a definir las características de diferenciación e interacciones de los factores SCF y EPO en la expansión total de células y la maduración de células de sangre de cordón umbilical hacia la línea eritroide, y delineó las concentraciones óptimas in vitro de cada citoquina (75 ng/ml y 4.5 unidades/ml, respectivamente). El cóctel de citoquinas optimizado aumentó 26,460 veces la expansión total de células y aceleró la maduración eritroide, obteniendo una pureza considerable de las células diferenciadas (más del 90% de células que expresan glicoforina-A). El uso de DoE se consideró efectivo y eficiente para el análisis, caracterización y optimización de la eritropoyesis in vitro y proporcionó una plataforma sistemática para el uso de otros factores de crecimiento para la expansión in vitro de productos celulares.

Además, Panuganti et al. aplicaron un diseño para la producción de células de fracciones factoriales completas (FFD) con células madre y progenitoras hematopoyéticas cultivadas con una variedad de citoquinas (por ejemplo, interleucina-3, interleucina-6, interleucina-9, factor de células madre de alta o baja dosis, junto con trombopoyetina e interleucina-11) para promover la diferenciación en células megacariocíticas, los precursores de las plaquetas. El estudio demostró que un proceso de cultivo de tres fases con aumento de pH y pO2 y diferentes cócteles de citoquinas incrementa enormemente la producción de megacariocitos. Por lo tanto, este estudio muestra claramente los beneficios de desentrañar la complejidad del proceso de diferenciación de células madre mediante DoE.