Desarrollo sistemático de cultivos celulares: el

automatización
Desarrollo sistemático
de cultivos celulares:
el microbiorreactor
reduce tiempos y costes
Michaela McAdam, Dominic Grone
Sartorius Stedim Biotech
Imágenes: TAP Biosystems
En comparación con los medicamentos convencionales, los fabricados de modo
biofarmacéutico siguen siendo relativamente caros. La optimización de la
producción de proteína con la ayuda de biorreactores a microescala permite una
reducción significativa de los costes en el proceso de desarrollo, además de una
selección temprana de líneas celulares de mamíferos e insectos, que producen
títulos proteicos elevados.
D
esde la selección de las líneas
celulares, la maximización de
la cantidad de líneas celulares
evaluadas aumenta las probabilidades
de obtener un clon altamente productivo para terapias con anticuerpos monoclonales (mAb) a base de proteínas.
Para la selección de líneas celulares altamente productivas tradicionalmente se
utilizaban matraces de vibración y bio-
rreactores Benchtop, respaldados por
medios óptimos, nutrición celular y condiciones de bioproceso. Sin embargo,
los métodos de vibración no permiten
un control del valor del pH y del oxígeno disuelto (DO) ni tampoco garantizan
el mismo desempeño de mezclado que
un biorreactor. A menudo no son controlados por un sistema y tienen que
verificarse manualmente, por lo que el
suministro de nutrientes y la toma de
muestras pueden verse afectados por la
variabilidad. Comparado con el proceso
de aumento de escala (scale-up), el uso
de matraces de vibración suele resultar
en diferentes tasas de crecimiento celular y en diferentes perfiles de expresión
proteica.
Para la evaluación de las líneas celulares
se deben realizar varias pasadas de estudios con matraz de vibración de Batch
El sistema de biorreactor ambr15 permite seleccionar de manera eficiente líneas celulares. Consiste principalmente en los
biorreactores desechables, la estación de trabajo y el software. El sistema procesa y controla en paralelo de 24 ó 48 experimentos
en biorreactor.
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automatización
y Fed-Batch para reducir la cantidad de
clones, inicialmente elevada, hasta una
cantidad de candidatos más clara para
la evaluación en los reactores Benchtop.
Estos métodos exigen una gran cantidad
de recursos y el esfuerzo elevado genera
costes adicionales, así como un rendimiento limitado, y solo se puede operar
una cantidad limitada de biorreactores
Benchtop de manera paralela. Por lo
general se evalúa solo una cantidad reducida de líneas celulares en recipientes
pequeños (de 2 a 10 l). La línea celular
seleccionada finalmente puede afectar
negativamente a los resultados, como
el rendimiento y la calidad del producto,
debido a un rendimiento subóptimo durante el aumento de escala.
La necesidad de llevar a cabo varios experimentos en condiciones “reales” en
biorreactores Benchtop ha llevado al
desarrollo de tecnologías en miniatura
que permiten una gran capacidad de
proceso en cultivos celulares. Sin embargo, muchos de estos enfoques tienen la
desventaja de no imitar los efectos reales del flujo o agitación de un biorreactor, debido a que no cuentan con un
agitador interno y la mezcla se tiene que
realizar mediante otros métodos como,
por ejemplo, la vibración.
Microbiorreactor
automatizado
con gasificación y agitador
Para imitar el mezclado y los parámetros
de gas en un biorreactor, la compañía
británica TAP Biosystems (que desde
diciembre de 2013 forma parte de Sartorius Stedim Biotech) creó el innovador
sistema de microbiorreactores ambr15.
El sistema consta principalmente de tres
componentes: un biorreactor desechable, una estación de trabajo y el software. El sistema permite procesar y controlar automáticamente y en paralelo 24
ó 48 experimentos de biorreactor con
un solo empleado y es adecuado para
células de mamíferos y de insectos. El
sistema está equipado con un agitador
y un suministro de gas. Imita el principio de funcionamiento de biorreactores
Benchtop y permite así un control significativamente mejor del entorno y el
proceso. Por lo tanto, esta tecnología
ofrece una información mucho más
representativa acerca del desarrollo de
cultivos celulares que el uso de matraces
de vibración.
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Componentes esenciales
del biorreactor desechable:
Estación de trabajo ambr15
para un control total
1. entrada de gas; 2. suministro
de muestras; 3. puntos de pH y DO
y 4. agitador.
La estación de trabajo ambr15 controla
24 ó 48 microbiorreactores desechables con un volumen de trabajo de 10
a 15 ml, respectivamente. A diferencia
de los recipientes de cultivo convencionales de vidrio, estos no se tienen que
limpiar y esterilizar tras su uso. Para la
preservación de la esterilidad, la estación de trabajo ambr se encuentra
en un banco de trabajo de seguridad
biológica. Con la manipulación automática de líquidos se permite el establecimiento de cultivos, inoculación,
suministro de nutrientes y sedimentación de puntas de pipetas, así como tomas de muestras en recipientes como
placas de 24/96 pocillos y recipientes
Vicell bajo condiciones asépticas. Los
protocolos de operaciones se pueden
configurar para un control individual
de como máximo 24 ó 48 reactores
operados en paralelo. Cada biorreactor
recibe celdas de medición individuales
para oxígeno disuelto (DO) o sensores
de pH para regular este parámetro. Se
lleva a cabo una regulación automatizada de pH por medio de gasificación
con CO2 o adición de agentes alcalinos.
Se suministra oxígeno cuando se debe
mantener el valor teórico de DO. Para
el control preciso del cultivo se puede
conectar un modelo de análisis a la
estación de trabajo para la calibración
del pH atline. El sistema se basa en un
software con el que el usuario puede
configurar un protocolo con los pasos
que debe procesar mediante el sistema
ambr. El protocolo define los parámetros de funcionamiento como los valores teóricos de DO/pH, la velocidad de
agitado y la temperatura.
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Los tiempos y datos del protocolo se
pueden procesar en cualquier momento
al agregar, modificar y eliminar pasos, y
también durante los mismos experimentos. Los datos en tiempo real como el
caudal de gas, el volumen y los valores
de pH/DO se almacenan continuamente
durante una pasada; también se pueden
importar al programa valores externos
como la cantidad de células, metabolitos y títulos de anticuerpos. Los datos se
pueden representar gráficamente dentro del software o se pueden exportar
a programas de cálculo para la visualización de los resultados en diagramas
o tablas. Ninguna de estas funciones
de automatización está disponible para
métodos con matraces de vibración. La
automatización ofrece un procedimiento homogéneo y permite a los investigadores concentrarse en tareas esenciales,
como el análisis de datos y la planificación de experimentos futuros, en vez de
invertir tiempo valioso en trabajos repetitivos de laboratorio.
El futuro de la selección
de líneas celulares
Con el sistema de microbiorreactores
ambr15 con agitador se puede ganar
tiempo y reducir costes significativos durante la preparación, el funcionamiento,
el desmontaje, la limpieza y la esterilización, en comparación con los métodos
con matraces de vibración o reactores
Benchtop convencionales. Como estos
sistemas en miniatura están completamente automatizados y requieren volú-
automatización
menes de cultivos celulares menores, se
pueden realizar bastantes más experimentos con la misma cantidad de recursos, como medios o nutrición celular. Por
esto es un método de alto rendimiento y
rentable para la selección de líneas celulares altamente eficientes y productivas y
para la optimización de los procesos de
cultivos celulares. De este modo, la optimización de los bioprocesos ya no se verá
limitada por la disponibilidad de biorreactores Benchtop, el tiempo de trabajo o la
infraestructura del laboratorio. La aplicación de la tecnología ambr15 a microescala puede contribuir en gran manera a
la reducción de los tiempos de desarrollo
y de los costes de producción de los tratamientos basados en proteínas.
Se puede encontrar más información
acerca del desarrollo de cultivos celulares en los sitios web de TAP Biosystems
(www.tapbiosystems.com) y Sartorius
(www.sartorius.com).
Consejo para el desarrollo
de cultivos celulares
Un desarrollo de cultivo celular eficiente es la base para una selección
exitosa de líneas celulares. En los
procesos convencionales el flujo de
trabajo consiste en una gran cantidad de pasos manuales, que puede
causar una varianza en los resultados y los cultivos celulares. Una solución automatizada crea mejores
condiciones previas para cultivos
celulares óptimos. El componente
central del sistema ambr automatizado son biorreactores operados de
manera multiparalela, que representan la característica específica de
biorreactores más grandes a una escala muy pequeña (de 10 a 15 ml).
www.sartorius.com
Stand en Expoquimia 2014:
Pabellón 2, E-246.
Entrevista
Reducción de bioprocesos
Tim Ward, director
de Marketing estratégico
en TAP Biosystems,
Sartorius Stedim Biotech:
“El ambr15 es el primer
sistema de biorreactor
Benchtop auténtico
en formato miniatura.”
Sr. Ward, usted tuvo un papel decisivo en el desarrollo de la tecnología ambr. ¿Por qué la industria
exige cada vez más modelos de
bioprocesos en pequeño formato?
En los últimos años se buscaron maneras de mejorar el screening y la
selección de líneas celulares, debido
a que los métodos tradicionales demostraron ser demasiado lentos y
laboriosos, y no siempre producían líneas celulares óptimas. Al principio la
atención se centraba en la selección
de clones, con una serie de tecnologías para una selección más rápida
de clones por medio de sistemas de
imagen como Genetix Clonepix y
sistemas automatizados de manejo
de líquidos basados en placas, como
por ejemplo el sistema Cello de TAP
Biosystems.
¿Cómo se han desarrollado desde
entonces los modelos de bioprocesos de pequeño formato?
En los últimos tiempos han estado
más en primer plano las tecnologías
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de biorreactores en miniatura. Los
sistemas deberían permitir un alto
rendimiento, para mejorar la efectividad de la selección y los procesos
de desarrollo de líneas celulares. El
sistema SimCell de bioprocesador fue
el primero en ofrecer un módulo especial construido con varias cámaras, que se procesaban en un gran
sistema automatizado capaz de manejar cientos de placas de manera
paralela. Aunque inicialmente el
sistema fue probado por unas pocas compañías, terminó teniendo
una aceptación limitada debido a su
tamaño y complejidad. También los
sistemas de vibración Benchtop más
pequeños se desarrollaron con base
en placas de 24. Sistemas como Micro24 de MRT se diseñaron inicialmente para seleccionar cepas bacterianas y posteriormente se probaron
también para cultivos celulares,
aunque no eran capaces de regular
automáticamente el pH añadiendo
líquidos.
¿Qué tiene de especial el sistema
de microbiorreactor ambr15?
El ambr15 fue el primer biorreactor
Benchtop en miniatura con agitador y
regulación total del pH y del contenido de gas mediante la adición de CO2,
de agentes alcalinos y la conducción
de gases. Numerosas publicaciones
demuestran su capacidad de imitar el
modo de acción de los biorreactores y
la extraordinaria escalabilidad de los
parámetros de proceso que registra
el ambr15. El sistema es capaz de
modelar todos los aspectos fundamentales de un biorreactor Benchtop
con agitador con una capacidad de 1
hasta 200 l. Desde su introducción en
2010, este sistema tiene ya más de
100 equipos instalados y se ha convertido rápidamente en el instrumento estándar para el cultivo de líneas
celulares y el desarrollo de medios en
la industria biofarmacéutica.