Процесс культивирования клеток начинается с создания клеточной линии. При разработке традиционных клеточных линий яичников китайского хомячка (CHO) целевые гены встраиваются в геном. Из стабильного клеточного пула выделяются единичные клетки, производственные клоны отбираются на основе характеристик роста и продуктивности, а также показателей качества продукта. Традиционно скрининг клонов можно проводить в простых малогабаритных системах культивирования, таких как колбы для встряхивания, статические колбы, планшеты для микротитрования или планшеты с глубокими лунками, обычно объемом менее 20 мл.
С ростом доступности хорошо оборудованных микро-биореакторов планшеты и колбы быстро вытесняются на многих этапах разработки. После того как выбран подходящий производственный клон, процесс разработки постепенно переходит от лабораторных условий к промышленному производству (рис. 1).
Масштабирование процесса — критически важный этап, поскольку при работе в промышленных масштабах могут возникать проблемы с неоднородностью культуральной среды, накоплением растворённого CO₂ и чрезмерным напряжением сдвига из-за условий аэрации и перемешивания. В идеале эти проблемы следует решать на этапе пилотного производства, прежде чем переходить к коммерческому производству. [1] На протяжении всего процесса культивирования для отладки, понимания и оптимизации процесса используются модели масштабирования в сторону увеличения и уменьшения.
При масштабировании в сторону увеличения необходимо поддерживать условия процесса при малом масштабе. Процессы культивирования клеток в больших масштабах включают в себя несколько этапов, в том числе рост клеточной линии, инокуляцию и производственные циклы, каждый из которых имеет свои критические показатели производительности, такие как рост клеток, жизнеспособность, титр и характеристики качества продукта. Успешное масштабирование в сторону увеличения обычно оценивается по соответствию этих ключевых показателей заранее установленным критериям. [1][2]
При переходе на биореактор большего объема перемешивание и аэрация являются двумя важнейшими параметрами, которые необходимо соответствующим образом масштабировать для достижения сопоставимых показателей в разных масштабах. Перемешивание регулируется для обеспечения надлежащего перемешивания и массопереноса кислорода и часто масштабируется с использованием удельной скорости рассеивания энергии, в то время как аэрация оптимизируется для подачи кислорода и удаления CO₂. Удаление CO₂ зависит от таких факторов, как концентрация бикарбоната, интенсивность аэрации и перемешивания, размер пузырьков, а также тип и расположение крыльчатки. В небольших биореакторах диапазон рабочих параметров, как правило, широк, поскольку перемешивание редко становится проблемой даже при низкой скорости вращения мешалки. Кроме того, более высокое соотношение площади поверхности к объёму способствует эффективному удалению CO₂. [2] В отличие от них, в крупных биореакторах требуется тщательный подбор параметров из-за повышенного напряжения сдвига (например, скорости вращения лопастей) и риска накопления CO₂.
Помимо операционных проблем, к другим распространённым трудностям при масштабировании относятся нестабильность партий сырья, непостоянство состава питательной среды, нестабильность состава питательной среды и нестабильность клеточной линии при длительном производстве. Эти проблемы часто можно выявить с помощью моделей с уменьшенным масштабом. Квалифицированная модель с уменьшенным масштабом воспроизводит работу крупномасштабного производства в меньшем масштабе, предоставляя важную информацию для устранения неполадок и оптимизации процесса. Помимо поддержки производства, такие модели также используются для определения характеристик процесса и проведения валидационных исследований для определения допустимых диапазонов параметров и выявления критически важных параметров процесса.
Одноразовые биореакторы CytoLinX® BR от BioLink имеют объем от 10 до 2000 л и подходят для биофармацевтических процессов благодаря гибким возможностям настройки. Конструкция резервуаров обеспечивает плавное масштабирование клеточной культуры. Стеклянный биореактор CytoLinX® GB от BioLink (объёмом от 1 до 20 л) с широким диапазоном масштабирования отвечает требованиям к культивированию клеток в небольших масштабах, заменяя традиционные колбы с мешалкой. Параметры масштабирования оптимизируются путём итеративного культивирования в стеклянных сосудах разного объёма.
Ссылки
[1] Лукас Лемир, Фуонг Лан Фам, Ив Дюроше и Оливье Анри «Практические аспекты масштабирования культур клеток яичников китайского хомячка (CHO)» по эксклюзивной лицензии Springer Nature Switzerland AG 2021 г. Р. Пёртнер (ред.), Инженерия и технология клеточных культур, Клеточная инженерия 10
[2] Фэн Ли, Натараджан Виджаясанкаран, Эми (Ицзюань) Шэнь, Роберт Кисс и Ашраф Аманулла. Процессы культивирования клеток для производства моноклональных антител. 2010 г., сентябрь-октябрь; 2(5): 466–477. doi: 10.4161/mabs.2.5.12720 MAbs.
С ростом доступности хорошо оборудованных микро-биореакторов планшеты и колбы быстро вытесняются на многих этапах разработки. После того как выбран подходящий производственный клон, процесс разработки постепенно переходит от лабораторных условий к промышленному производству (рис. 1).
Рис. 1. Разработка и масштабирование процесса культивирования клеток
Масштабирование процесса — критически важный этап, поскольку при работе в промышленных масштабах могут возникать проблемы с неоднородностью культуральной среды, накоплением растворённого CO₂ и чрезмерным напряжением сдвига из-за условий аэрации и перемешивания. В идеале эти проблемы следует решать на этапе пилотного производства, прежде чем переходить к коммерческому производству. [1] На протяжении всего процесса культивирования для отладки, понимания и оптимизации процесса используются модели масштабирования в сторону увеличения и уменьшения.
При масштабировании в сторону увеличения необходимо поддерживать условия процесса при малом масштабе. Процессы культивирования клеток в больших масштабах включают в себя несколько этапов, в том числе рост клеточной линии, инокуляцию и производственные циклы, каждый из которых имеет свои критические показатели производительности, такие как рост клеток, жизнеспособность, титр и характеристики качества продукта. Успешное масштабирование в сторону увеличения обычно оценивается по соответствию этих ключевых показателей заранее установленным критериям. [1][2]
При переходе на биореактор большего объема перемешивание и аэрация являются двумя важнейшими параметрами, которые необходимо соответствующим образом масштабировать для достижения сопоставимых показателей в разных масштабах. Перемешивание регулируется для обеспечения надлежащего перемешивания и массопереноса кислорода и часто масштабируется с использованием удельной скорости рассеивания энергии, в то время как аэрация оптимизируется для подачи кислорода и удаления CO₂. Удаление CO₂ зависит от таких факторов, как концентрация бикарбоната, интенсивность аэрации и перемешивания, размер пузырьков, а также тип и расположение крыльчатки. В небольших биореакторах диапазон рабочих параметров, как правило, широк, поскольку перемешивание редко становится проблемой даже при низкой скорости вращения мешалки. Кроме того, более высокое соотношение площади поверхности к объёму способствует эффективному удалению CO₂. [2] В отличие от них, в крупных биореакторах требуется тщательный подбор параметров из-за повышенного напряжения сдвига (например, скорости вращения лопастей) и риска накопления CO₂.
Помимо операционных проблем, к другим распространённым трудностям при масштабировании относятся нестабильность партий сырья, непостоянство состава питательной среды, нестабильность состава питательной среды и нестабильность клеточной линии при длительном производстве. Эти проблемы часто можно выявить с помощью моделей с уменьшенным масштабом. Квалифицированная модель с уменьшенным масштабом воспроизводит работу крупномасштабного производства в меньшем масштабе, предоставляя важную информацию для устранения неполадок и оптимизации процесса. Помимо поддержки производства, такие модели также используются для определения характеристик процесса и проведения валидационных исследований для определения допустимых диапазонов параметров и выявления критически важных параметров процесса.
Рис. 2. Одноразовый биореактор CytoLinX® BR
Одноразовые биореакторы CytoLinX® BR от BioLink имеют объем от 10 до 2000 л и подходят для биофармацевтических процессов благодаря гибким возможностям настройки. Конструкция резервуаров обеспечивает плавное масштабирование клеточной культуры. Стеклянный биореактор CytoLinX® GB от BioLink (объёмом от 1 до 20 л) с широким диапазоном масштабирования отвечает требованиям к культивированию клеток в небольших масштабах, заменяя традиционные колбы с мешалкой. Параметры масштабирования оптимизируются путём итеративного культивирования в стеклянных сосудах разного объёма.
BioLink CytoLinX® GB настольный стеклянный биореактор
Рис. 3. Настольный стеклянный биореактор CytoLinX® GB
- Высокая конфигурируемость: исключительная гибкость благодаря множеству опций для оптимизации разработки процессов (доступны стеклянные резервуары нестандартного объема для масштабирования).
- Широкая применимость: возможность настройки для специализированных процессов, в том числе для применения ADC и мРНК.
- Долговечность: изготовлен из высокопрочного боросиликатного стекла, обеспечивающего превосходную термостойкость и устойчивость к коррозии, а также простоту очистки.
- Высокая стабильность: точный контроль оборудования с помощью встроенных датчиков температуры, растворенного кислорода и pH.
- Различные варианты барботирования: доступны барботеры с макро- и микроспаржерами для решения различных технологических задач.
BioLink CytoLinX® BR одноразовый биореактор
Рис. 4. Одноразовый биореактор BioLink CytoLinX® BR
- Оптимизированная конструкция резервуара: полностью функционален, имеет один единый модуль управления, поддерживающий технологию «подключи и работай» для управления несколькими резервуарами, что снижает затраты (возможны нестандартные объемы резервуаров для масштабирования).
- Надежная система PCS7: соответствует стандартам ISA 88 для управления всем предприятием.
- Программное обеспечение, соответствующее требованиям 21 CFR, часть 11: интуитивно понятный пользовательский интерфейс.
- Гибкая настройка: настройка в соответствии с требованиями пользователя.
- Импортные компоненты премиум-класса: высококачественные компоненты международных брендов, прошедшие заводские испытания на надёжность.
- Совместимость с одноразовыми мешками для биореакторов: варианты барботирования макро-, средне- и микроспаржерами для различных технологических процессов.
Ссылки
[1] Лукас Лемир, Фуонг Лан Фам, Ив Дюроше и Оливье Анри «Практические аспекты масштабирования культур клеток яичников китайского хомячка (CHO)» по эксклюзивной лицензии Springer Nature Switzerland AG 2021 г. Р. Пёртнер (ред.), Инженерия и технология клеточных культур, Клеточная инженерия 10
[2] Фэн Ли, Натараджан Виджаясанкаран, Эми (Ицзюань) Шэнь, Роберт Кисс и Ашраф Аманулла. Процессы культивирования клеток для производства моноклональных антител. 2010 г., сентябрь-октябрь; 2(5): 466–477. doi: 10.4161/mabs.2.5.12720 MAbs.
