Un biorreactor de un solo uso o biorreactor desechable es un biorreactor con una bolsa desechable en lugar de un recipiente de cultivo. Normalmente, esto se refiere a un biorreactor en el que el revestimiento en contacto con el cultivo celular será de plástico y este revestimiento está encerrado dentro de una estructura más permanente (normalmente, un soporte de acero basculante, cuboide o cilíndrico). Los biorreactores comerciales de un solo uso han estado disponibles desde finales de la década de 1990 [ cita requerida ] y ahora los fabrican varios productores conocidos (ver más abajo).
Los biorreactores de un solo uso se utilizan ampliamente en el campo del cultivo de células de mamíferos y ahora están reemplazando rápidamente a los biorreactores convencionales.
En lugar de un recipiente de cultivo de acero inoxidable o vidrio, un biorreactor de un solo uso está equipado con una bolsa desechable. La bolsa desechable suele estar hecha de una lámina de plástico de tres capas. Una capa está hecha de tereftalato de polietileno o LDPE para proporcionar estabilidad mecánica. Una segunda capa fabricada con PVA o PVC actúa como barrera contra los gases. Finalmente se fabrica una capa de contacto de PVA o PP . [1] Para aplicaciones médicas, los materiales de un solo uso que entran en contacto con el producto deben estar certificados por la Agencia Europea de Medicamentos o autoridades similares responsables de otras regiones.
En general, existen dos enfoques diferentes para construir biorreactores de un solo uso, que se diferencian en los medios utilizados para agitar el medio de cultivo.
Algunos biorreactores de un solo uso utilizan agitadores como los biorreactores convencionales, pero con agitadores integrados en la bolsa de plástico. La bolsa cerrada y el agitador están preesterilizados. En uso, la bolsa se monta en el biorreactor y el agitador se conecta a un controlador mecánica o magnéticamente.
Otros biorreactores de un solo uso se agitan mediante un movimiento de balanceo. Este tipo de biorreactor no necesita agitadores mecánicos dentro de la bolsa de un solo uso. [2] [3]
Tanto los biorreactores de un solo uso con movimiento agitado como con movimiento oscilante se utilizan hasta una escala de 1000 litros de volumen.
Existen varias variaciones de estos dos métodos. El Kuhner Shaker [4] fue diseñado originalmente para la preparación de medios, pero también es útil para el cultivo de células. La tecnología Air Wheel de PBS Biotech utiliza la flotabilidad de la alimentación de aire para proporcionar potencia de rotación a un agitador.
La medición y control de un proceso de cultivo celular utilizando un biorreactor de un solo uso es un desafío, ya que la bolsa en la que se realizará el cultivo es un sistema cerrado y preesterilizado. Los sensores para medir la temperatura, la conductividad, la glucosa, el oxígeno o la presión deben incorporarse a la bolsa durante la fabricación antes de la esterilización. Los sensores no se pueden instalar antes del uso del biorreactor como en el caso convencional. En consecuencia, es necesario tener en cuenta algunos desafíos. La bolsa se monta, entrega y almacena en seco, por lo que no se pueden utilizar los electrodos de pH habituales. No es posible realizar calibraciones ni montajes adicionales. Estas limitaciones han llevado al desarrollo de bolsas preconfiguradas con nuevos tipos de sondas analíticas. El valor del pH se puede medir con un parche de sólo unos pocos milímetros de tamaño. Este parche consta de una membrana protectora con un tinte sensible al pH detrás. Cambiar el pH en el medio de cultivo cambia el pH y el color del tinte. El cambio de color se puede detectar con un láser externo a la bolsa. Este y otros métodos de medición no invasiva se han desarrollado para biorreactores de un solo uso.
La disminución del contacto del producto con piezas/sistemas disminuye los tiempos de calificación y validación al cambiar de un proceso de fármaco a otro. [5] Dado que el proceso de fabricación biofarmacéutica incluye muchos pasos además del uso de biorreactores, se utilizan tecnologías de un solo uso durante todo el proceso de fabricación debido a sus ventajas. Los pasos disponibles del bioprocesamiento de un solo uso (SUS) [nota 1] son: preparación de medios y tampones, recolección de células, filtración, purificación e inactivación de virus. La principal innovación de las tecnologías de un solo uso en esta área de procesamiento ha sido la construcción de bolsas y tubos 2D/3D, lo que reduce el contacto del producto con piezas/sistemas que no son de un solo uso. [6]
En comparación con los sistemas de biorreactor convencionales, la solución de un solo uso tiene algunas ventajas. La aplicación de tecnologías de un solo uso reduce las demandas de limpieza y esterilización. Algunas estimaciones muestran un ahorro de costes de más del 60 % con sistemas de un solo uso en comparación con los biorreactores de acero inoxidable de activos fijos. En la producción farmacéutica, los complejos procedimientos de calificación y validación pueden simplificarse y, finalmente, conducirán a importantes reducciones de costes. [5] La aplicación de biorreactores de un solo uso reduce el riesgo de contaminación cruzada y mejora la seguridad biológica y del proceso. Las aplicaciones de un solo uso son especialmente adecuadas para cualquier tipo de producto biofarmacéutico.
Una de las principales razones por las que el bioprocesamiento de un solo uso (SUS) [nota 1] es popular entre las compañías farmacéuticas y las organizaciones de fabricación por contrato (CMO) es porque un área/instalación de proceso puede cambiar rápidamente de un proceso (producto farmacéutico) a otro. Esto se debe, como se indicó anteriormente, a la reducción de los procedimientos de calificación y validación. Esto aumenta la productividad y los costos debido a que se requieren menos recursos y tiempo para cambiar de un proceso a otro. Dado que los medicamentos en la etapa clínica y de investigación y desarrollo (medicamentos precomercializados) no se necesitan en la misma escala que la mayoría de los medicamentos comerciales, a menudo se producen en suites de un solo uso para que la misma área/instalación pueda cambiar rápidamente de un medicamento a otro. A menudo, cuando el medicamento se comercializa, las ventajas de los SUS disminuyen ya que un área/instalación puede dedicarse a un producto, eliminando esencialmente la necesidad de flexibilidad, que es la principal ventaja de los SUS. [6] Se estima que ≥85% de la producción de medicamentos precomerciales utiliza fabricación basada en sistemas de un solo uso. [7] Los sistemas reutilizables de acero inoxidable se vuelven más ventajosos a medida que aumenta la demanda del producto farmacéutico y el tamaño del lote, a menudo como resultado de la comercialización de un medicamento. Este no es siempre el caso, ya que los medicamentos comercializados se pueden producir en instalaciones o trajes de un solo uso.
Los SUS contienen menos piezas en comparación con los sistemas de fabricación biofarmacéuticos convencionales, por lo que se reducen los costos iniciales y de mantenimiento. [6]
El factor limitante para el uso de algunos biorreactores de un solo uso es la transferencia de oxígeno alcanzable, representada por el coeficiente de transferencia de masa específica (k L ) para el área de fase específica (a), lo que da como resultado el coeficiente volumétrico de transferencia de masa de oxígeno (k L a). . En teoría, esto puede verse influido por un mayor aporte de energía (aumento de la velocidad del agitador o de la frecuencia de oscilación). Sin embargo, dado que los biorreactores de un solo uso se utilizan principalmente para el cultivo de células, el aporte de energía está limitado por la delicada naturaleza de las células. Una mayor entrada de energía conduce a mayores fuerzas de corte, lo que provoca el riesgo de daños celulares. [8] Actualmente se encuentran disponibles biorreactores de un solo uso con un volumen de hasta aproximadamente 1000 litros; es por eso que la ampliación es limitada en comparación con los biorreactores convencionales. Sin embargo, un puñado de proveedores ahora están entregando unidades a escala de 2.000 litros y algunos proveedores (Sartorius, Xcellerex, Thermo Scientific HyClone y PBS Biotech) están proporcionando una familia de biorreactores de un solo uso desde la producción de mesa hasta la producción a gran escala. Existen tres desafíos para una adopción más rápida y mayor de biorreactores de un solo uso: 1) bolsas y contenedores desechables de mayor calidad y menor costo, 2) más sensores y sondas reutilizables y desechables que puedan proporcionar análisis de alta calidad, incluidos puntos de datos a nivel de cultivo celular en tiempo real, y 3 ) una familia de biorreactores desde el laboratorio hasta la producción que tiene una ampliación total del bioproceso. Los proveedores están trabajando para mejorar los materiales y el rendimiento de las bolsas de plástico y también para desarrollar una gama más amplia de sensores y sondas que brinden a los científicos una mayor comprensión de la densidad celular, la calidad y otras métricas necesarias para mejorar los rendimientos y la eficacia del producto. Los nuevos dispositivos de perfusión también se están volviendo populares para determinadas aplicaciones de cultivos celulares.
Es importante considerar los aspectos ambientales de los biorreactores de un solo uso debido a la cantidad de material desechable utilizado en comparación con los biorreactores convencionales. No existe una evaluación completa del ciclo de vida que compare los biorreactores de un solo uso y los biorreactores convencionales, pero muchas razones ecológicas respaldan el concepto de biorreactores de un solo uso. Para una evaluación completa del ciclo de vida se debe considerar no sólo la fabricación, sino también el uso repetido. Incluso la parte principal de un biorreactor de un solo uso no es desechable, sino que se reutilizará continuamente. La bolsa de plástico que se utiliza en lugar de un recipiente de cultivo es desechable, al igual que todos los subconjuntos integrados como sensores, tubos y agitadores. La bolsa y todas sus piezas están fabricadas principalmente con plásticos derivados del petróleo. Los conceptos de reciclaje actuales se centran principalmente en la incineración, para recuperar la energía procedente del petróleo en forma de calor y electricidad. La mayor parte del petróleo se quemaría de todos modos en centrales eléctricas o automóviles (cita requerida). La quema de componentes de un solo uso de los biorreactores crea un desvío a través de la ingeniería bioquímica durante su ciclo de vida que no tiene gran influencia. La fabricación de recipientes de cultivo convencionales de acero inoxidable o vidrio requiere más energía que la fabricación de bolsas de plástico. Utilizando biorreactores convencionales, el recipiente de cultivo debe limpiarse y esterilizarse después de cada fermentación . La limpieza requiere grandes cantidades de agua, además de ácidos, álcalis y detergentes. La esterilización con vapor a 121 grados C y 1 bar de presión requiere grandes cantidades de energía y grandes cantidades de agua destilada. Esta agua destilada (a menudo llamada "agua para inyección" en la nomenclatura farmacéutica) debe prepararse gastando también una gran cantidad de energía. Una comparación de la evaluación del ciclo de vida de los biorreactores convencionales y de un solo uso parece mucho más favorable para los biorreactores de un solo uso, como se esperaba anteriormente. Según un informe de A. Sinclair et al. [9] Los biorreactores de un solo uso ayudarán a ahorrar un 30% de energía eléctrica para su funcionamiento, un 62% del aporte energético para la producción del sistema, un 87% de agua y finalmente un 95% de detergentes, todo ello en comparación con los biorreactores convencionales.