Los biorreactores de tanque agitado son aparatos manufacturados que permiten la generación de un ambiente específico para el cultivo altamente controlado de células vivas.
Originalmente utilizados para sistemas de producción microbiana, han encontrado amplias aplicaciones en campos tan diversos como la producción de vacunas, el cultivo de células vegetales y el crecimiento de organoides cerebrales humanos, y existen en diseños igualmente diversos.
La fabricación de productos biológicos se realiza actualmente en su mayoría utilizando un biorreactor de tanque agitado y células huésped CHO, y representa el proceso de producción en biorreactor más «clásico».
La preparación y operación de un biorreactor (también conocido como proceso upstream en un entorno biotecnológico/industrial) se compone de tres pasos principales: expansión (generación de biomasa), producción (proceso por lotes, por lotes alimentados o continuo) y cosecha.
Expansión de las células en biorrectores
La expansión de las células puede durar desde unos pocos días hasta semanas, dependiendo del número de células al inicio, el tiempo de duplicación celular y la biomasa requerida para inocular el biorreactor de producción.
La fase de producción en biorreactores de tanque agitado dura unas pocas semanas y es una fase altamente sensible, ya que la concentración de diferentes químicos y los parámetros físicos deben ser estrictamente controlados.
Finalmente, la cosecha permitirá la separación del producto de interés de las partículas grandes y luego el material deseado (sobrenadante del cultivo celular o células) se transferirá al proceso downstream.
Las materias primas utilizadas durante la fase upstream (los tres pasos) deben estar alineadas con el propósito final del producto manufacturado, ya que la presencia de impurezas residuales puede tener un impacto en la idoneidad del producto final para el propósito deseado.
Para la producción de proteínas terapéuticas complejas como los anticuerpos recombinantes en biorreactores de tanque agitado, las líneas celulares de mamíferos han sido el caballo de batalla de la industria durante las últimas tres décadas.
Células de ovario de hámsper chino
Las células de ovario de hámster chino (CHO), en particular, han encontrado una amplia aplicación, ya que tienen un historial de uso seguro, exhiben una capacidad de crecimiento robusta con tiempos de duplicación razonables, pueden modificarse fácilmente para expresar transgenes de interés y sus productos muestran modificaciones post-traduccionales compatibles con el uso en humanos.
Actualmente se emplean diferentes modos de operación, desde sistemas de microportadores hasta diferentes variantes de procesos de perfusión.
Sin embargo, a pesar de un creciente interés en las tecnologías de perfusión en el cultivo de células de mamíferos, el cultivo clásico por lotes alimentados de líneas celulares en suspensión en biorreactores de tanque agitado es actualmente la técnica más utilizada, especialmente a mayor escala.
Como resultado, se han desarrollado una serie de soluciones «listas para usar» que van desde medios de cultivo celular optimizados hasta plataformas de expresión completas que proporcionan las células huésped, los consumibles necesarios y las recetas para el cultivo en biorreactores.
Utilizando estas tecnologías, las proteínas recombinantes secretadas pueden producirse con relativa facilidad en concentraciones volumétricas que oscilan desde cientos de miligramos por litro para proteínas difíciles de expresar hasta varios gramos por litro de medio de cultivo para proteínas fáciles de expresar, lo que hace que el enfoque sea atractivo tanto para la investigación pura como para el uso biotecnológico.
El flujo de trabajo para el cultivo celular en biorreactores generalmente comienza con la descongelación de las células que expresan una proteína recombinante de interés. La generación de tales poblaciones celulares se describe en otro lugar.
Los crioviales de las poblaciones celulares se congelan y se denominan banco celular.
Después de la descongelación del banco celular, las células se cultivan en recipientes de tamaño creciente, típicamente comenzando con pequeños matraces de agitación, con el objetivo de mantener las células en crecimiento logarítmico (el tren de siembra) hasta que estén disponibles en cantidades suficientes para inocular el/los biorreactor/es de producción.
Para reducir la heterogeneidad en la población celular, las células utilizadas para la fabricación de productos biológicos suelen ser de derivación clonal, lo que significa que una población celular se inició a partir de una sola célula.
Dicha población celular a menudo se denomina «clon», aunque existe una heterogeneidad significativa incluso en una población así.
Luego, las células se cultivan bajo condiciones estrictamente controladas durante 1 a 3 semanas con nutrientes añadidos en forma de alimentaciones, ya sea a intervalos predefinidos o basados en el consumo por parte de las células.
Los medios y alimentaciones libres de componentes de origen animal (generalmente abreviados ADCF o ADF) y químicamente definidos (generalmente abreviados CD) han reemplazado en gran medida a los medios anteriores que incluían suero bovino o de ternera o hidrolizados, ya que reducen el riesgo de introducción de patógenos, muestran una menor variabilidad entre lotes y simplifican la purificación y las pruebas posteriores.
En los últimos años, las tecnologías de un solo uso han encontrado una amplia aplicación tanto en la producción como en la investigación, ya que permiten omitir los pasos de limpieza y esterilización que requieren mucho tiempo y mano de obra, reducen el tiempo de respuesta del equipo y tienen como objetivo mejorar la reproducibilidad.
Es importante destacar que el riesgo de contaminación cruzada con material de un lote anterior se elimina por completo.
La operación general y el equipo requerido solo difieren en detalles menores entre los enfoques de un solo uso y los de múltiples usos.