Un biorreactor de fibra hueca es un sistema de cultivo celular tridimensional basado en fibras huecas, que son pequeñas membranas capilares semipermeables dispuestas en paralelo con un rango típico de corte de peso molecular (MWCO) de 10 a 30 kDa. Estas membranas de fibra hueca suelen agruparse y alojarse dentro de carcasas tubulares de policarbonato para crear cartuchos de biorreactor de fibra hueca. Dentro de los cartuchos, que también están equipados con puertos de entrada y salida, hay dos compartimentos: el espacio intracapilar (IC) dentro de las fibras huecas y el espacio extracapilar (EC) que rodea las fibras huecas.
Las células se siembran en el espacio EC del biorreactor de fibra hueca y se expanden allí. El medio de cultivo celular se bombea a través del espacio IC y suministra oxígeno y nutrientes a las células mediante la perfusión de la membrana de fibra hueca. A medida que las células se expanden, sus productos de desecho y CO2 también perfunden las membranas de fibra hueca y son arrastrados por el bombeo de medio a través del espacio IC. A medida que los productos de desecho se acumulan debido al aumento de la masa celular, la velocidad del flujo del medio también se puede aumentar para que el crecimiento celular no se inhiba por la toxicidad de los productos de desecho.
Debido a que se pueden colocar miles de fibras huecas en un solo biorreactor de fibra hueca, aumentan considerablemente el área de superficie del cartucho. Como resultado, las células pueden llenar el espacio del EC a densidades >108 células /ml. Sin embargo, el cartucho en sí ocupa un volumen muy pequeño (a menudo el volumen de una lata de refresco de 12 onzas). El hecho de que los biorreactores de fibra hueca sean muy pequeños y, sin embargo, permitan densidades celulares increíblemente altas ha llevado a su desarrollo tanto para aplicaciones comerciales como de investigación, incluida la producción de anticuerpos monoclonales y vacunas contra la gripe [1] . Asimismo, debido a que los biorreactores de fibra hueca utilizan significativamente menos medio y factores de crecimiento que los métodos tradicionales de cultivo celular, como los biorreactores de tanque agitado, ofrecen un ahorro de costos significativo. Finalmente, los biorreactores de fibra hueca se venden como desechables de un solo uso, lo que resulta en un ahorro de tiempo significativo para el personal de laboratorio y los técnicos.
En 1972, el grupo de Richard Knazek [2] del NIH informó cómo los fibroblastos de ratón cultivados en membranas capilares de fibra hueca de 1,5 cm3 compuestas de acetato de celulosa fueron capaces de formar nódulos de 1 mm de ancho en 28 días. El grupo registró el número final de células como aproximadamente 1,7 x 10 7 células a partir de un lote inicial de solo 200.000 células. Cuando el mismo grupo cultivó células de coriocarcinoma humano en membranas capilares de policarbonato polimérico y de silicona con un volumen total de menos de 3 cm3 , las células se expandieron a una cantidad aproximada de 2,17 x 10 8 células.
El grupo Knazek obtuvo la patente de la tecnología de biorreactores de fibra hueca en 1974. [3] Basándose en esta tecnología patentada, las empresas comenzaron a construir biorreactores de fibra hueca de mayor escala (comercial), y se produjeron importantes avances y mejoras tecnológicas a finales de los años 1980 y principios de los años 1990. En 1990, se informó de que al menos tres empresas ofrecían biorreactores de fibra hueca disponibles comercialmente. [4]
Un avance de ingeniería incluyó la adición de un cartucho de intercambio de gases, que permitió un mejor control del pH y los niveles de oxígeno del sistema. De manera similar a un pulmón de mamífero , el cartucho de intercambio de gases oxigenó eficientemente el medio de cultivo, lo que permitió que el biorreactor admitiera una mayor cantidad de células. Combinado con la capacidad de agregar o eliminar CO2 para un control preciso del pH, se eliminaron las limitaciones comúnmente asociadas con el cultivo celular a gran escala, lo que dio como resultado cultivos celulares densamente empaquetados que podrían mantenerse durante varios meses.
Además, el control de la dinámica de fluidos dentro de cada biorreactor de fibra hueca permitió optimizar aún más el entorno de cultivo celular. Al alternar el gradiente de presión a través de la membrana de fibra hueca, el medio podía fluir de ida y vuelta entre el lado EC (compartimento celular) y el lado IC (lumen de fibra hueca). Este proceso, combinado con el flujo axial del medio que se crea cuando el medio pasa a lo largo de las fibras, optimizó el entorno de crecimiento en todo el biorreactor.
Este concepto se denomina ciclado de EC [5] y se desarrolló como una solución a los gradientes que se forman dentro de los biorreactores de fibra hueca cuando el medio se empuja a lo largo de sus fibras. Una presión hidrostática más alta en el extremo axial (medio que ingresa al lumen de la fibra) en comparación con el extremo distal del biorreactor crea un flujo Starling en el espacio de EC, que es similar a lo que se observa en el cuerpo. Este fenómeno también crea una región axial rica en nutrientes y una región distal pobre en nutrientes dentro del biorreactor. Al incorporar el ciclado de EC, se eliminan los efectos del flujo Starling y todo el biorreactor se vuelve rico en nutrientes y optimizado para el crecimiento celular.
Se deben lograr tasas óptimas de perfusión del espacio IC y EC para suministrar de manera eficiente los nutrientes del medio y los suplementos de crecimiento, respectivamente, y para recolectar el sobrenadante. Durante la fase de crecimiento celular dentro de estos biorreactores, la tasa de alimentación del medio aumenta para adaptarse a la creciente población celular. Más específicamente, la tasa de perfusión del medio IC aumenta para proporcionar glucosa y oxígeno adicionales a las células mientras se eliminan continuamente los desechos metabólicos como el ácido láctico . Cuando el espacio celular está completamente lleno de células, la tasa de alimentación del medio se estabiliza, lo que da como resultado tasas constantes de consumo de glucosa , captación de oxígeno y producción de lactato.
Con la introducción de la tecnología de hibridomas en 1975, [6] el cultivo celular pudo aplicarse a la generación de proteínas secretadas, como anticuerpos monoclonales, hormonas de crecimiento e incluso algunas categorías de vacunas. Para producir estas proteínas a escala comercial, se tuvieron que desarrollar nuevos métodos para cultivar grandes lotes de células. Uno de esos desarrollos tecnológicos fue el biorreactor de fibra hueca.
Los biorreactores de fibra hueca se utilizan para generar altas concentraciones de productos derivados de células, incluidos anticuerpos monoclonales, proteínas recombinantes , factores de crecimiento, virus y partículas similares a virus. Esto es posible porque las membranas de fibra hueca semipermeables permiten el paso de nutrientes y desechos de bajo peso molecular desde el EC que contiene células al espacio del IC que no contiene células, pero no permiten el paso de productos más grandes como los anticuerpos. Por lo tanto, a medida que una línea celular (por ejemplo, un hibridoma) se expande y expresa una proteína objetivo, esa proteína permanece dentro del espacio del EC y no se elimina. En un momento dado (o de forma continua durante el cultivo), el sobrenadante de la cosecha (producto) se recolecta, se clarifica y se refrigera para una futura aplicación posterior.
Los biorreactores de fibra hueca más pequeños se utilizan a menudo para la selección y optimización de líneas celulares [7] [8] antes de pasar a sistemas de cultivo celular más grandes. De este modo, se ahorran costes de factores de crecimiento porque una parte importante de los medios de cultivo celular no requiere la adición de componentes costosos como el suero bovino fetal. Asimismo, los biorreactores de fibra hueca más pequeños se pueden alojar en una incubadora de laboratorio al igual que las placas y matraces de cultivo celular.
Recientemente, los biorreactores de fibra hueca se han probado como plataformas novedosas para la producción comercial de virus de influenza A de alto título. [9] En este estudio, se infectaron células epiteliales de riñón canino Madin-Darby (MDCK) adherentes y en suspensión con dos cepas diferentes de influenza: A/PR/8/34 (H1N1) y la cepa pandémica A/Mexico/4108/2009 (H1N1). Se lograron altos títulos tanto para la cepa en suspensión como para la adherente; además, se encontró que la tecnología del biorreactor de fibra hueca era comparable en su capacidad de producción a la de otros biorreactores comerciales en el mercado, incluidos los biorreactores clásicos de tanque agitado y de onda (Wave) y los sistemas de perfusión ATF.