Cultivo de células madre atrapadas en biorreactores continuos

Las células madre son células con la capacidad de autorrenovarse y diferenciarse en tipos de células maduras y funcionales. Las aplicaciones de las células madre se pueden dividir en dos áreas: como fuentes de células para modelos in vitro (tanto para modelos de enfermedades como para estudios de toxicología) y para terapias celulares. Como modelos in vitro, las células madre se pueden utilizar para desentrañar los mecanismos fundamentales de aparición, progresión y mitigación o curación de enfermedades y como herramienta para las pruebas de toxicidad. En ambos casos, es deseable que las células madre se diferencien en células de interés, que pueden ser células diferenciadas terminalmente (típicamente para pruebas in vitro y en algunos casos para terapias) o progenitoras expandibles (es más probable que se utilicen en terapias).

Como terapias, las células madre son parte de la medicina regenerativa y la terapia celular, con ensayos clínicos en curso en áreas como diabetes, enfermedad de injerto contra huésped (EICH) y leucemia linfoblástica aguda, entre otros.

El cultivo de células madre se realiza principalmente utilizando superficies planas como matraces en T en incubadoras de temperatura y atmósfera controladas, que no controlan la composición fisicoquímica del medio de cultivo. El uso de biorreactores para el cultivo de células madre tiene dos ventajas principales sobre estos sistemas: permite el seguimiento y control de los parámetros de cultivo como el oxígeno disuelto (OD) y el pH, y permite una escalabilidad más sencilla y directa, que oscila entre cientos de mililitros a 104 l.  Si bien la escalabilidad es fundamental para las terapias con células madre, que requieren un alto número de células y son deseables para la economía del proceso de producción de células madre en general, el control ambiental que permiten los biorreactores es de suma importancia para cualquier cultivo de células madre, ya que estos cultivos ya están afectados por variables relacionadas con la biología celular.

Vale la pena señalar que hay un grado de control decreciente cuando se compara un biorreactor de tanque agitado con la medición y control de OD y pH en el medio de cultivo a granel con un biorreactor de flujo pistón, que puede tener los mismos controles en la entrada del medio y salida pero con conocimiento limitado de los valores de estos parámetros cerca del microambiente celular.

Esta es la razón por la que los cultivos de células madre no escalables (es decir, realizados en matraces T) generalmente requieren un intercambio de medio total o parcial a intervalos de 1 a 4 días, ya sea con fines de expansión o diferenciación. El impacto de estos cambios en la composición del medio de cultivo es proporcional al tiempo de cultivo; es decir, afecta a las culturas de largo plazo más severamente que a las de corto plazo. El uso de un biorreactor continuo añade la composición del medio de cultivo a los parámetros controlados dentro del recipiente y dicho control permite cambiar el medio de cultivo a medida que las células madre progresan hacia un tipo de célula deseado.

El atrapamiento de células madre en un material proporciona un entorno de cultivo tridimensional (3D), que imita el entorno celular in vivo, donde las células están en contacto entre sí y con la matriz extracelular, a diferencia del cultivo en matraz T normal. Además, la necesidad de mezclar y por lo tanto el flujo de fluido en los biorreactores genera cizallamiento; la velocidad de cizallamiento se define como el componente de presión anormal que surge del flujo de fluido. Esto se define como 𝜏= 𝜕v ∕ 𝜕y, donde 𝜏es la tasa de corte y el lado derecho de la ecuación representa el gradiente de cambio del vector de velocidad paralelo a la superficie de la celda con la distancia y desde esta misma superficie. El esfuerzo cortante viene dado por el producto de la velocidad de corte por la viscosidad cinemática de la solución.

El impacto de la cizalladura en la viabilidad, proliferación y diferenciación de las células madre se ha documentado ampliamente, como se comenta más adelante. El atrapamiento de células madre es una tecnología ampliamente utilizada para mitigar estos efectos relacionados con el cizallamiento de los cultivos en biorreactores y, cuando se combina con un medio de alimentación continuo, proporciona un entorno de cultivo de células madre más controlado.

Desde una perspectiva clínica, el material de atrapamiento puede proporcionar una protección física que evita que las células alogénicas sean atacadas por el sistema inmunológico del huésped y también evita que las células implantadas proliferen en el cuerpo del huésped.